JP2006179364A - 燃料電池システム、セパレータ積層体、及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックから漏洩した流体を集積するための機構をコンパクトにする。
【解決手段】隣接するセパレータ１２ａ，１２ｂ間において水素ガス及び冷却水が流通する領域を囲うように設けられた第１の水素ガスケット７１ａ及び第３の冷却水ガスケット７１ｃの外側に、第１の外周ガスケット７１ｂ及び第３の冷却水ガスケット７１ｄを設けた。これらガスケット７１ａ，７１ｃとガスケット７１ｂ，７１ｄとにより囲まれる領域Ａ，Ｂ内に、セパレータ１２ａ，１２ｂを貫通する漏ガス検知マニホールド６１と漏水検知マニホールド６２を設けた。さらに、これら検知マニホールド６１，６２から漏れ出た水素ガス及び冷却水を検知する水素検知器及びレベルセンサを設けた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、セパレータ積層体を含む燃料電池スタックを備える燃料電池システムに係り、特に、燃料電池スタックから漏洩した流体を集積するための機構をコンパクトにする技術に関するものである。

燃料電池システムにおいては、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の漏れを正確に検知することが非常に重要である。かかる要請に応えるべく、特許文献１には、容器内に設けられて燃料電池本体の全側方と上方とを覆っている覆いを有し、かつ、該覆いの上部にイナートガス放出ラインの一端を連通接続すると共に、該ガス放出ラインにガス検知手段を設けてなる、燃料電池からのガス漏洩検知装置が開示されている。

この構成によれば、燃料電池本体から容器内に漏洩した電池作動ガスは、覆いによって包囲されて捕集されるので、それをガス検知手段で早期に検知することができ、安全性が高まる。
特開平０４−２２０９５５号公報

特許文献１の構成によれば、燃料電池本体の内部から容器内に漏洩した反応ガスは、容器内でイナートガスに殆ど拡散することなく、覆いで包囲されて捕集されるので、薄められていない漏洩ガスを検知することになり、早期検知が可能になる反面、燃料電池から漏洩した反応ガスを捕集するための機構が大掛かりになってしまう、という課題がある。

そこで、本発明は、燃料電池スタックから漏洩した流体を集積するための機構がコンパクトな燃料電池システムと、該燃料電池システムを実現するためのセパレータ積層体及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、膜−電極接合体とその両面に配されるセパレータとを有するセルが複数積層されてなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックからの流体漏れを検知する漏れ検知装置とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックは、隣接するセパレータ間において流体が流通する領域を囲うように設けられた第１のシール材と、前記第１のシール材の外側に設けられた第２のシール材と、これら第１のシール材と第２のシール材とにより囲まれる領域内にてセパレータを貫通し該領域内から外側への流体移動を許容する許容部とを備え、前記流体漏れ検知装置は、前記許容部から外側に移動した流体を検知する流体検知手段を備える。

かかる構成において、第１のシール材の内側から流体漏れが生じると、漏れ出た流体は上記領域内に貫通形成された許容部を介して外側へと移動する。この外側に移動した流体は、流体検知手段により早期に検知される。

本発明の燃料電池システムは、膜−電極接合体とその両面に配されるセパレータとを有するセルが複数積層されてなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックからの流体漏れを検知する漏れ検知装置とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックは、隣接するセパレータ間において流体が流通する領域を囲うように設けられた第１のシール材と、前記第１のシール材の外側に設けられるシール材であってその少なくとも一部が内側から外側への流体移動を許容する許容部を有する第２のシール材とを備え、前記漏れ検知装置は、前記許容部から外側に移動した流体を検知する流体検知手段を備える。

かかる構成において、第１のシール材の内側から流体漏れが生じると、漏れ出た流体は第２のシール材に設けられた許容部を介して外側へと移動する。この外側に移動した流体は、流体検知手段により早期に検知される。

前記許容部は、燃料電池スタックが配置された場合に重力方向上方となる箇所に設けられる構成でもよい。かかる構成において、例えば水素ガス等の気体（流体）が第１のシール材の内側から漏れ出ると、漏れ出た気体は重力方向上方に移動する。重力方向上方には許容部が設けられているので、漏れ出た気体の捕集はより確実となる。

前記許容部は、燃料電池スタックが配置された場合に重力方向下方となる箇所に設けられる構成でもよい。かかる構成において、例えば冷却水等の液体（流体）が第１のシール材の内側から漏れ出ると、漏れ出た液体はその自重により重力方向下方に移動する。重力方向下方には許容部が設けられているので、漏れ出た液体の捕集はより確実となる。

前記漏れ検知装置は、前記許容部の近傍にて流体を吸引する吸引マニホールドを備える構成でもよい。かかる構成によれば、許容部を介して第１のシール材の内側から外側に移動した流体をより確実に捕集して検知することが可能となる。

前記吸引マニホールドを介して吸引した流体に、前記第１のシール材から漏れ出た流体が含まれるか否かを検知し、その検知タイミングに基づいて、いずれの第１のシール材から流体が漏れ出たかを特定する特定手段を備える構成でもよい。かかる構成によれば、漏れ出た流体の検知はもとより、漏洩箇所を特定することができるので、適切な措置を講ずることができる。

本発明のセパレータ積層体は、積層方向に流体を隔離するセパレータの積層体であって、隣接するセパレータ間において流体が流通する領域を囲うように設けられた第１のシール材と、前記第１のシール材の外側に設けられた第２のシール材と、これら第１のシール材と第２のシール材とにより囲まれる領域内にてセパレータを貫通し該領域内から外側への流体移動を許容する許容部とを備える。

かかる構成において、第１のシール材の内側から流体漏れが生じると、漏れ出た流体は上記領域内に貫通形成された許容部を介して外側へと移動する。したがって、許容部から外側に移動した流体を検知する流体検知手段を設置しておけば、流体漏れの早期検知が可能となる。

本発明のセパレータ積層体は、積層方向に流体を隔離するセパレータの積層体であって、隣接するセパレータ間において流体が流通する領域を囲うように設けられた第１のシール材と、前記第１のシール材の外側に設けられるシール材であって、その少なくとも一部が内側から外側への流体移動を許容する許容部を有する第２のシール材とを備える。

かかる構成において、第１のシール材の内側から流体漏れが生じると、漏れ出た流体は第２のシール材に設けられた許容部を介して外側へと移動する。したがって、許容部から外側に移動した流体を検知する流体検知手段を設置しておけば、流体漏れの早期検知が可能となる。

本発明の燃料電池スタックは、上記いずれかの構成のセパレータ積層体の少なくとも一方を備える。かかる構成によれば、流体漏れの検知と漏洩箇所の特定をコンパクトな漏れ検知装置にて実施することが可能となる。

本発明によれば、第１のシール材の内側から流体漏れが生じると、漏れ出た流体は上記領域内に貫通形成された許容部、或いは、第２のシール材に設けられた許容部を介して外側へと移動し、この外側に移動した流体を流体検知手段により早期に検知することが可能となる。よって、第１のシール材の内側から外側に漏れ出た流体を捕集するための機構をコンパクトにしつつ、漏れ出た流体を早期に検知することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池スタックを例に説明する。

＜第１実施形態＞
燃料電池システムは、図１に示すように、最小発電単位となるセル２を複数積層してなる燃料電池スタック１と、該燃料電池スタック１からの流体漏れを検知する漏れ検知装置１００とを備えて構成されたものである。

燃料電池スタック１は、複数のセル２を積層してなるセル積層体を有し、セル積層体の両端に位置するセル２の外側には、順次、不図示の集電板、絶縁板およびエンドプレートが各々配設されている。

セル２は、図２に示すように、ＭＥＡ１１と、ＭＥＡ１１を挟持する一対のセパレータ１２ａ，１２ｂとで構成され、全体として積層形態を有している。ＭＥＡ１１および各セパレータ１２ａ，１２ｂは、平板状の外形形状を有しており、ＭＥＡ１１の外形は、各セパレータ１２ａ，１２ｂの外形よりも僅かに小さく形成されている。

ＭＥＡ１１は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜２１と、この電解質膜２１を両面から挟んだ一対の電極（アノードおよびカソード）２２ａ，２２ｂとで構成され、一方の電極（アノード）２２ａには、燃料ガスとしての水素ガスが供給され、他方の電極（カソード）２２ｂには、空気や酸化剤などの酸化ガスが供給される。これら二つの反応ガスによってＭＥＡ１１内で電気化学反応が生じ、セル２は起電力を得る。

各セパレータ１２ａ，１２ｂは、セル積層方向でみて流体（水素ガス、酸化ガス、冷却水）を隔離すると共に、該流体をセル内またはセル間に導く流路が形成されたものであり、ガス不透過の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。

セパレータ１２ａの電極２２ａ側となる内側の面には、図２では具体的な流路形状の図示を省略したが、水素ガスのガス流路３１ａが複数形成され、その反対側の外側の面には、冷却水流路３２が複数形成されている。同様に、セパレータ１２ｂの電極２２ｂ側となる内側の面には、酸化ガスのガス流路３１ｂが複数形成され、その反対側の外側の面には、図２では具体的な流路形状の図示を省略したが、冷却水流路３２が複数形成されている。

セパレータ１２ａ，１２ｂの一側縁部、つまり、車載状態（燃料電池スタックが配置された場合）で上下方向（重力方向）に沿って延在する側縁部の一方には、酸化ガスの入口側のマニホールド４１、水素ガスの入口側のマニホールド４２、および冷却水の入口側のマニホールド４３が貫通形成されている。一方、セパレータ１２ａ，１２ｂの他側縁部には、酸化ガスの出口側のマニホールド５１、水素ガスの出口側のマニホールド５２、および冷却水の出口側のマニホールド５３が貫通形成されている。

また、セパレータ１２ａ，１２ｂの上縁部、つまり、車載状態で左右方向（水平方向）に沿って延在する縁部の上側には、漏ガス検知マニホールド６１が貫通形成されていると共に、セパレータ１２ａ，１２ｂの下縁部、つまり、車載状態で左右方向（水平方向）に沿って延在する縁部の下側には、漏水検知マニホールド６２が貫通形成されている。

このように、燃料電池スタック１が車両に配置（搭載）された場合に、漏ガス検知マニホールド６１は重力方向上方となる箇所に設けられている一方、漏水検知マニホールド６２は重力方向下方となる箇所に設けられている。また、これらの検知マニホールド６１，６２は、車載状態における水平方向略中央に形成されており、燃料電池スタック１の状態ではセル積層方向に沿って直線状に並んで漏ガス検知通路１０１および漏水検知通路１０２を形成する。

セパレータ１２ａにおける水素ガス用のマニホールド４２，５２は、水素ガスのガス流路３１ａに連通している。同様に、セパレータ１２ｂにおける酸化ガス用のマニホールド４１，５１は、酸化ガスのガス流路３１ｂに連通している。また、各セパレータ１２ａ，１２ｂにおける冷却水のマニホールド４３，５３は、冷却水流路３２に連通している。このような各セパレータ１２ａ，１２ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が適切に供給される。

セパレータ１２ａとＭＥＡ１１との間には、当該セパレータ１２ａの水素ガスに関連する通路（ガス流路３１ａ、マニホールド４２，５２）を全て気密・液密に囲繞する一続きの第１の水素ガスケット（第１のシール材）７１ａと、図２では図示を省略しているが、この第１の水素ガスケット７１ａの外側領域にて酸化ガスのマニホールド４１，５１及び冷却水のマニホールド４３，５３をそれぞれ個別に気密・液密に囲繞する第１の空気ガスケット（第１のシール材）及び第１の冷却水ガスケット（第１のシール材）と、セパレータ１２ａの外周に沿って延在する一続きの第１の外周ガスケット（第２のシール材）７１ｂとが介在している。

つまり、第１の外周ガスケット７１ｂは、第１の水素ガスケット７１ａ，第１の空気ガスケット，及び第１の冷却水ガスケット（以下、「第１の水素ガスケット７１ａ等」という。）の外側に設けられ、これら第１の水素ガスケット７１ａ等と第１の外周ガスケット７１ｂとにより囲まれる領域Ａ内に、漏ガス検知マニホールド６１及び漏水検知マニホールド６２が貫通形成されている。なお、本実施形態において、この領域Ａ内には、検知マニホールド６１，６２しか形成されておらず、検知マニホールド６１，６２以外の要素は何ら設けられていない。

同様に、セパレータ１２ｂとＭＥＡ１１との間には、当該セパレータ１２ｂの酸化ガスに関連する通路（ガス流路３１ｂ、マニホールド４１，５１）を全て気密・液密に囲繞する一続きの第２の空気ガスケット（第１のシール材）と、この第２の空気ガスケットの外側領域にて水素ガスのマニホールド４２，５２及び冷却水のマニホールド４３，５３をそれぞれ個別に気密・液密に囲繞する、不図示の第２の水素ガスケット（第１のシール材）及び不図示の第２の冷却水ガスケット（第１のシール材）と、セパレータ１２ｂの外周に沿って延在する一続きの第２の外周ガスケット（第２のシール材）とが介在している。

セパレータ１２ｂと、スタック状態において該セパレータ１２ｂに隣接する他のセル２のセパレータ１２ａとの間には、セパレータ１２ｂ，１２ａの冷却水に関連する通路（冷却水流路３２、マニホールド４３，５３）を全て気密・液密に囲繞する一続きの第３の冷却水ガスケット（第１のシール材）７１ｃと、この第３の冷却水ガスケット７１ｃの外側領域にて酸化ガスのマニホールド４１，５１及び水素ガスのマニホールド４２，５２をそれぞれ個別に気密・液密に囲繞する、不図示の第３の空気ガスケット（第１のシール材）及び第３の水素ガスケット（第１のシール材）と、セパレータ１２ｂの外周に沿って延在する一続きの第３の外周ガスケット（第２のシール材）７１ｄとが介在している。

つまり、第３の外周ガスケット７１ｄは、第３の冷却水ガスケット７１ｃ，第３の空気ガスケット，及び第３の水素ガスケット（以下、「第３の冷却水ガスケット７１ｃ等」という。）の外側に設けられ、これら第３の冷却水ガスケット７１ｃ等と第３の外周ガスケット７１ｄとにより囲まれる領域Ｂ内に、漏ガス検知マニホールド６１及び漏水検知マニホールド６２が貫通形成されている。なお、本実施形態において、この領域Ｂ内には検知マニホールド６１，６２しか形成されておらず、検知マニホールド６１，６２以外の要素は何ら設けられていない。

以上の通り、本実施形態の燃料電池スタック１は、ＭＥＡ１１を挟んで隣接するセパレータ１２ａ，１２ｂ、言い換えれば、１つのセル２を構成するセパレータ１２ａ，１２ｂ間において、水素ガスが流通する領域を囲うように設けられた第１及び第２の水素ガスケット７１ａと、これら第１及び第２の水素ガスケット７１ａの各外側に設けられた第１及び第２の外周ガスケット７１ｂと、これら第１及び第２の水素ガスケット７１ａと第１及び第２の外周ガスケット７１ｂとによって囲まれた各領域Ａ内にてセパレータ１２ａ，１２ｂを貫通し該領域Ａ内から外側への水素ガスの移動を許容する漏ガス検知マニホールド６１と、を備えたセル積層体を含むものである。

加えて、本実施形態の燃料電池スタック１は、ＭＥＡ１１を挟まないで隣接するセパレータ１２ｂ，１２ａ、言い換えれば、隣り合う２つのセル２の一方のセル２のセパレータ１２ｂと他方のセル２のセパレータ１２ａ間において、冷却水が流通する領域を囲うように設けられた第３の冷却水ガスケット７１ｃと、この第３の冷却水ガスケット７１ｃの外側に設けられた第３の外周ガスケット７１ｄと、これら第３の冷却水ガスケット７１ｃと第３の外周ガスケット７１ｄとによって囲まれた領域Ｂ内にてセパレータ１２ｂ，１２ａを貫通し該領域Ｂ内から外側への冷却水の移動を許容する漏水検知マニホールド６２と、を備えたセル積層体をも含むものである。

漏れ検知装置１００は、図１に示すように、漏ガス検知系１１０、漏水検知系１２０、及び制御部１３０を備えて構成されている。同図に示すように、燃料電池スタック１には、各セル２の漏ガス検知マニホールド６１がセル積層方向に連通してなる漏ガス検知通路１０１と、各セル２の漏水検知マニホールド６２がセル積層方向に連通してなる漏水検知通路１０２とが形成されている。

漏ガス検知系１１０は、漏ガス検知通路１０１に挿通された吸引管（吸引マニホールド）１１２、該吸引管１１２を介して漏ガス検知通路１０１及び領域Ａ内のガスを吸引するポンプ１１３、該ポンプ１１３により吸引したガス中に水素ガスが含まれるか否かを検知する水素検知器（流体検知手段）１１４、及び吸引管１１２よりも吸引上流側に配設されたパージ弁１１５を備えている。

吸引管１１２は、領域Ａに漏れ出た水素ガスの濃度低下を抑制しつつ当該水素ガスを水素検知器１１４に供給するものであり、重力方向下側を臨む孔１５１がセル２の積層ピッチに対応して多数形成されてなる。また、吸引管１１２の内部には、図３に示すように、各孔１５１から吸引されたガスを拡散させずに吸引濃度のまま水素検知器１１４に送ることができ、かつ、この水素検知器１１４までのガス移動速度を固定することのできる充填剤１５２が封入されている。

充填剤１５２としては、例えばモレキュラーシーブ等のガスクロマトグラフィ用カラム充填剤の採用が可能である。かかる充填剤１５２によれば、キャリアガス（空気）以外のガスとの分離が可能となり、水素ガスの検知精度が向上する。

一方、漏水検知系１２０は、漏水検知通路１０２の一端に静電容量式のレベルセンサ（流体検知手段）１２１を備えている。この種のレベルセンサによれば、静電場中に静電容量の異なる物質が存在する場合、つまり、漏水検知通路１０２に水が存在する場合には、センサの電荷量が変化するので、この変化を利用して漏水の検知及び漏水箇所の特定を行うことができる。

制御部１３０は、水素検知器１１４及びレベルセンサ１２１からの出力信号が入力される一方、ポンプ１１３及びパージ弁１１５に対して制御信号を出力する等、漏れ検知装置の全体を統括制御する。加えて、制御部１３０は、吸引管１１２を介して吸引したガス中に第１〜第３の水素ガスケット７１ａから漏れ出た水素ガスが含まれるか否かを水素検知器１１４からの出力信号に基づき検知すると共に、その検知タイミングに基づいて、いずれの水素ガスケット７１ａから水素ガスが漏れ出たかを特定する特定手段としても機能する。

次に、流体漏れの検知と漏洩箇所の特定方法について、水素ガスを例にして説明する。図４のフローチャートでは、まず、漏ガス検知系１１０をパージすべく、パージ弁１１５を開け（ステップＳ１）、吸引ポンプ１１３の運転を開始する（ステップＳ３）。これにより、燃料電池スタック１の外部から吸引した空気で充填剤１５２内をパージし、前回吸引実施時に水素ガス漏れが生じていた場合の残留水素ガスを漏ガス検知系１１０外に排出し、計測に備える。

次いで、パージ弁１１５を閉じ（ステップＳ５）、吸引管１１２の各孔１５１から吸引を開始する。第１〜第３の水素ガスケット７１ａの内側から外側に水素ガスが漏れている場合には、水素ガスはその軽さゆえに重力方向上方へ移動する結果、漏ガス検知マニホールド６１から漏ガス検知通路１０１へと移動し、吸引管１１２に吸引される。吸引管１１２内の充填剤１５２内に吸引された水素ガスは、空気をキャリアガスとして充填剤１５２を移動し、水素検知器１１４に導入される。

ステップＳ７では、図５に示すように、パージ弁１１５を閉じた時点を基準として、水素ガス検知器１１４が水素ガス濃度のピークを検知するまでの時間ｔをタイマ等で計測することによって、水素ガスの漏れ検知を行う。そして、水素ガスの漏れを検知した場合には、充填剤１５２によって水素ガスの移動速度が一定になっていることを利用して、いずれの水素ガスケット７１ａから水素ガスが漏れ出たかを特定する。

定性的には、時間ｔが短ければ、水素検知器１１４により近い水素ガスケット７１ａから漏れ出たものであり、時間ｔが長ければ、パージ弁１１５により近い水素ガスケット７１ａから漏れ出たものである。パージ弁１１５を閉じてから水素濃度のピークを検知するまでの時間ｔと、水素ガスが漏れ出た水素ガスケット７１ａとの関係は、予め理論的にあるいは実験等の結果に基づき設定されている。これにより、漏れを生じた水素ガスケット７１ａの特定が可能となっている。

そして、水素検出器１１４にて水素ガスが検知されたら（ステップＳ９：ＹＥＳ）、当該漏れ判定処理を終了し、検知されなければ（ステップＳ９：ＮＯ）、ステップＳ１に戻る。

以上説明したように、本実施の形態による燃料電池システムによれば、水素ガス漏れを早期に検知するための水素ガス捕集機構が、燃料電池スタック１をセル積層方向に貫通する吸引マニホールド１２によって構成されているので、燃料電池スタック１の全側方と上部とを包囲して覆うといった大掛かりなものにならず、コンパクトに構成することができる。加えて、漏洩箇所の特定も高精度に行うことができる。

なお、第１〜第３の冷却水ガスケット７１ｂ，７１ｄの内側から外側に冷却水が漏れている場合には、冷却水はその自重によって重力方向下方へ移動するので、漏水検知マニホールド６２から漏水検知通路１０２へと移動し、レベルセンサ１２１にて検知される。よって、コンパクトな構成にて早期に漏水を検知することが可能になると共に、いずれの冷却水ガスケット７１ｂ，７１ｄで冷却水漏れが生じたかも特定することができる。

＜第２実施形態＞
次に、図６及び図７を参照して、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第１実施形態との主な相違点は、第１〜第３の外周ガスケット７１ｂ，７１ｄの構成と、これに関連してセパレータ１２ａ，１２ｂに漏ガス検知マニホールド６１および漏水検知マニホールド６２を形成しない構成としたこと、さらにこれに関連して漏れ検知装置１００の構成を変更したことにある。以下の説明では、第１実施形態と共通する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。

第１の外周ガスケット（第２のシール材）８１は、第１の水素ガスケット７１ａ，第１の空気ガスケット，及び第１の冷却水ガスケットの外側に設けられ、セパレータ１２ａの外周に沿って延在するが、図２に示す第１の外周ガスケット７１ｂのような一続きのシール材ではなく、一部が切り欠かれてなる漏ガス検知開口（許容部）８２と漏水検知開口（許容部）８３を有している。燃料電池スタック１が車両に配置（搭載）された場合に、漏ガス検知開口８２は重力方向上方となる箇所に設けられている一方、漏水検知開口８３は重力方向下方となる箇所に設けられている。

これらの検知開口８２，８３は、車載状態で水平方向に延在するシール部８１ａ，８１ｂの略中央部に形成されており、燃料電池スタック１の状態ではセル積層方向に沿って直線状に並ぶ。また、シール部８１ａ，８１ｂは、第１の水素ガスケット７１ａのうち当該シール部８１ａ，８１ｂに隣接する部分に対して、略一定の間隔を隔てて設けられている。

また、セパレータ１２ｂと、スタック状態において該セパレータ１２ｂに隣接する他のセル２のセパレータ１２ａとの間に介在する第３の外周ガスケット（第２のシール材）９１も、第１の外周ガスケット８１と同様に構成されている。つまり、第３の外周ガスケット９１は、第３の水素ガスケット，第３の空気ガスケット，及び第３の冷却水ガスケット７１ｃの外側に設けられ、セパレータ１２ｂの外周に沿って延在するが、図２に示す第３の外周ガスケット７１ｄのような一続きのシール材ではなく、一部が切り欠かれてなる漏ガス検知開口（許容部）９２及び漏水検知開口（許容部）９３を有している。

そして、これらの検知開口９２，９３は、車載状態で水平方向に延在するシール部９１ａ，９１ｂの略中央部に形成されており、燃料電池スタック１の状態ではセル積層方向に沿って直線状に並ぶ。また、シール部９１ａ，９１ｂは、第３の冷却水ガスケット７１ｃのうち当該シール部９１ａ，９１ｂに隣接する部分に対して、略一定の間隔を隔てて設けられている。

さらに、セパレータ１２ｂとＭＥＡ１１との間に介在する第２の外周ガスケット（図示略）についても、上記第１及び第３の外周ガスケット８１，９１と同様に、検知開口を備えて構成されている。

本実施形態に係る漏れ検知装置２００では、図７に示すように、漏ガス検知系１１０の吸引管１１２が燃料電池スタック１の上方（外部）、つまり、吸引管１１２の各孔１５１が漏ガス検知開口８２，９２をその上方より臨むような位置に設けられている。なお、同図において、パージ弁１１５や漏水検知系１２０の図示は省略している。

このような構成によっても、第１〜第３の水素ガスケット７１ａの内側から外側に水素ガスが漏れている場合には、充填剤１５２内に吸引された水素ガスが空気をキャリアガスとして充填剤１５２を移動して、水素検知器１１４に導入されるので、コンパクトな水素ガス捕集機構にて水素ガス漏れを検知することができると共に、パージ弁を閉じてから水素ガス検知器１１４が水素ガス濃度のピークを検知するまでの時間ｔに基づき、いずれの水素ガスケット７１ａから水素ガスが漏れ出たかを高精度に特定することができる。

なお、本実施形態の構成においても、第１実施形態と同様、水素ガス漏れに限らず、冷却水漏れについても同様に検知及び特定することが可能である。

＜第３実施形態＞
次に、図８及び図９を参照して、第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第１実施形態との主な相違点は第２実施形態の場合と同様であり、第２実施形態との主な相違点は、図８に示すように、複数の吸引管１１２ａ〜１１２ｄを燃料電池スタック１，１の上方及び側方に設けることによって、流体（水素ガス、冷却水）の漏洩位置を三次元的に特定することを可能にした点にある。以下の説明では、第１実施形態と共通する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。

漏れ検知装置３００は、複数の吸引管１１２ａ〜１１２ｄに対応して、これと同数の漏ガス検知系３１１〜３１４を備えている。これら漏ガス検知系３１１〜３１４は、合流部Ａにて合流しており、漏れ検知の際に吸引ポンプ１１３で吸引する吸引管１１２ａ〜１１２ｄを切り換えるための開閉弁２０１〜２０４を備えている。例えば、吸引管１１２ａによる漏れ検知を実施する際には、開閉弁２０１のみが開いており、残りの開閉弁２０２〜２０４は閉じている。

そして、吸引管１１２ａによる漏れ検知を所定時間実施したら、開閉弁２０１を閉じて開閉弁２０２を開き、吸引管１１２ｂによる漏れ検知を実施する。以後同様にして、開閉弁２０１〜２０４の開閉を順次切り換えることにより、全ての吸引管１１２ａ〜１１２ｄの漏れ検知を所定時間実施すると、例えば図９に示すような結果が得られる。

同図において、縦軸Ｃは水素ガスのガス濃度、横軸Ｔは経過時間を示している。また、吸引管１１２ａでは時間ｔ１のときに水素ガス濃度のピーク値Ｃ１が検知され、吸引管１１２ｂでは時間ｔ２のときに水素ガス濃度のピーク値Ｃ２が検知され、吸引管１１２ｃでは時間ｔ３のときに水素ガス濃度のピーク値Ｃ３が検知され、吸引管１１２ｄでは水素ガスが検知されなかったことを示している。これらピーク値Ｃ１〜Ｃ３と時間ｔ１〜ｔ３の関係は、それぞれ「Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３」、「ｔ１＜ｔ２＜ｔ３」である。

この結果に基づけば、いずれの第１の水素ガスケット７１ａから水素ガスが漏れ出たかを高精度に特定することができるだけでなく、水素ガスの漏洩位置を三次元的に特定することが可能になる。

なお、本実施形態の構成においても、第１実施形態と同様、冷却水漏れについても同様に三次元的に検知及び特定することが可能である。

＜他の実施形態＞
なお、上記実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、上記実施形態では、本発明の許容部としてシール材の一部を切り欠いた検知開口８２，８３，９２，９３を例示したが、シール材の内側から外側への流体移動を許容する構成であれば、セル積層時にシールとして機能しない程度に他の部位よりも高さを低くしたものでもよい。

また、セパレータは、導電性を有することが好ましいが、導電性を有していなくてもよい。また、上記実施の形態では、セパレータ１２ａは一方の面に冷却水流路が形成されて他方の面に水素ガス流路が形成されたもの、セパレータ１２ｂは一方の面に冷却水流路が形成されて他方の面に酸化ガス流路が形成されたものであったが、一方の面に水素ガス流路が形成されて他方の面に酸化ガス流路が形成されたものでもよい。さらに、一方の面にのみ水素ガス流路、酸化ガス流路、冷却水流路のいずれかが形成されていて、他方の面には何ら流路が形成されていない構成でもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図。 図１に示すセルの分解斜視図。 図１に示す吸引管の断面図。 漏れ検知処理の内容を説明するフローチャート。 漏れ検知結果を示す図。 第２実施形態に係る燃料電池システムにおけるセルの分解斜視図。 同燃料電池システムのシステム構成図。 第３実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図 同実施形態による漏れ検知結果を示す図。

符号の説明

１…燃料電池スタック、２…セル、１１…ＭＥＡ（膜−電極接合体）、１２ａ，１２ｂ…セパレータ、６１…漏ガス検知マニホールド（許容部），６２…漏水検知マニホールド（許容部）、７１ａ…第１の水素ガスケット（第１のシール材）、７１ｂ…第１の外周ガスケット（第２のシール材）、７１ｃ…第１の冷却水ガスケット（第１のシール材）、７１ｄ…第３の外周ガスケット（第２のシール材）、８２，９２…漏ガス検知開口（許容部）、８３，９３…漏水検知開口（許容部）、１００，２００，３００…漏れ検知装置、１１２，１１２ａ〜１１２ｄ…吸引管（吸引マニホールド）、１１４…水素検知器（流体検知手段）、１２１…レベルセンサ（流体検知手段）、１３０…制御部（特定手段）、Ａ，Ｂ…領域

Claims (9)

1. 膜−電極接合体とその両面に配されるセパレータとを有するセルが複数積層されてなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックからの流体漏れを検知する漏れ検知装置とを備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックは、隣接するセパレータ間において流体が流通する領域を囲うように設けられた第１のシール材と、前記第１のシール材の外側に設けられた第２のシール材と、これら第１のシール材と第２のシール材とにより囲まれる領域内にてセパレータを貫通し該領域内から外側への流体移動を許容する許容部とを備え、
   前記流体漏れ検知装置は、前記許容部から外側に移動した流体を検知する流体検知手段を備える燃料電池システム。
2. 膜−電極接合体とその両面に配されるセパレータとを有するセルが複数積層されてなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックからの流体漏れを検知する漏れ検知装置とを備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックは、隣接するセパレータ間において流体が流通する領域を囲うように設けられた第１のシール材と、前記第１のシール材の外側に設けられるシール材であってその少なくとも一部が内側から外側への流体移動を許容する許容部を有する第２のシール材とを備え、
   前記漏れ検知装置は、前記許容部から外側に移動した流体を検知する流体検知手段を備える燃料電池システム。
3. 前記許容部は、燃料電池スタックが配置された場合に重力方向上方となる箇所に設けられる請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記許容部は、燃料電池スタックが配置された場合に重力方向下方となる箇所に設けられる請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記漏れ検知装置は、前記許容部の近傍にて流体を吸引する吸引マニホールドを備える請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記吸引マニホールドを介して吸引した流体に、前記第１のシール材から漏れ出た流体が含まれるか否かを検知し、その検知タイミングに基づいて、いずれの第１のシール材から流体が漏れ出たかを特定する特定手段を備える請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 積層方向に流体を隔離するセパレータの積層体であって、
   隣接するセパレータ間において流体が流通する領域を囲うように設けられた第１のシール材と、
   前記第１のシール材の外側に設けられた第２のシール材と、
   これら第１のシール材と第２のシール材とにより囲まれる領域内にてセパレータを貫通し該領域内から外側への流体移動を許容する許容部とを備えるセパレータ積層体。
8. 積層方向に流体を隔離するセパレータの積層体であって、
   隣接するセパレータ間において流体が流通する領域を囲うように設けられた第１のシール材と、
   前記第１のシール材の外側に設けられるシール材であって、その少なくとも一部が内側から外側への流体移動を許容する許容部を有する第２のシール材とを備えるセパレータ積層体。
9. 請求項７又は８に記載のセパレータ積層体の少なくとも一方を備える燃料電池スタック。

Images