JP2007080655A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池およびその周辺を換気できるとともに水素漏れを検知できる燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】 燃料電池ＦＣと水素供給デバイス１０の一部と水素排出デバイス２０とで構成される水素保有デバイス存在領域Ｑと、蓄電池４０との間に吸引手段５０が設けられている。吸引手段５０が駆動されると、仮に水素保有デバイス存在領域Ｑで水素漏れが発生したとしても、漏れた水素が吸引手段５０で吸引されるときに、吸引手段５０の吸引口付近に設けられた水素検出装置６０で水素漏れが検知される。吸引手段５０で吸引されたガスは蓄電池４０に吹き付けられて、蓄電池４０が冷却される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば車両に搭載される燃料電池発電装置に関する。

従来、燃料電池自動車では、水素と空気（酸素）との反応により発電を行う燃料電池が、その周辺の各種デバイスとともに燃料電池ボックス内に収納された状態で搭載されているものがある。このような燃料電池ボックスは、フロアパネルと車両の底部を覆うアンダーカバーとの間に形成された空間に配設され、また燃料電池ボックスには、その内部を換気するための換気装置や、水素漏れを検知するための水素センサなどが設けられている（特許文献１参照）。
特開２００３−１３２９１６号公報（段落００１４〜００１６、図１および図２）

しかしながら、従来の燃料電池自動車では、燃料電池やその周辺の水素が流通するデバイス（配管、バルブなど）からの水素漏れを検知するために、前記した燃料電池ボックスを設けて密閉した空間を形成しなければならず、構成要件が増えるという問題があった。

本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、燃料電池およびその周辺を換気でき、しかも水素漏れを検知できる燃料電池発電装置を提供することを課題とする。

本発明は、水素と、酸化剤ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池へ水素を供給する水素供給デバイスと、前記燃料電池から水素を排出する水素排出デバイスと、前記燃料電池、水素供給デバイスおよび水素排出デバイスの少なくとも一つが配置された空間の雰囲気ガスを吸引する吸引手段と、前記吸引手段の吸引口付近に水素を検出する水素検出装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、吸引手段によって雰囲気ガスを吸引することで、吸引手段の吸引口付近に設けた水素検出装置で水素漏れを検知することが可能になる。

また、前記吸引手段の排出口の下流に少なくとも前記燃料電池が発電した電気を蓄積する蓄電手段を配置する構成にしてもよい。

この構成によれば、吸引手段によって吸引した雰囲気ガスで蓄電手段を冷却することが可能になることで、蓄電手段を冷却するための冷却手段を別個に設ける必要がなくなり、構成要件の削減を図ることができる。

本発明によれば、燃料電池およびその周辺を換気することができ、しかも水素漏れを検知することが可能になる。

図１は本実施形態の燃料電池発電装置が搭載された車両を示す全体構成図、図２は本実施形態の燃料電池発電装置の主要部を上部から見たときの概略図、図３（ａ）は車両に搭載される燃料電池発電装置の位置を示す概略図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の拡大断面図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池発電装置１は、例えば、車両Ｖに搭載され、燃料電池ＦＣ、水素供給デバイス１０、水素排出デバイス２０、エアコンプレッサ３０、蓄電池（蓄電手段）４０、吸引手段５０、水素検出装置６０などを含んで構成されている。

前記燃料電池ＦＣは、一価の陽イオン交換型の高分子電解質膜（以下、「電解質膜」という）をアノード極（水素極）と、他面側をカソード極（空気極）とで挟んで構成した膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両面を、さらに導電性のセパレータ（図示せず）で挟んで構成した単セルが、複数積層された構造を有している。この燃料電池ＦＣのアノード極に水素が、カソード極に酸化剤ガスとしての空気（酸素）がそれぞれ供給されることで、水素と酸素との電気化学反応により発電が行われる。

前記水素供給デバイス１０は、燃料電池ＦＣに水素を供給するものであり、遮断弁１１ａを備えた高圧水素タンク１１、遮断弁１２ａを備えた高圧水素タンク１２、水素供給配管１３、水素循環機構１４などで構成されている。

前記高圧水素タンク１１，１２は、高純度の水素が高圧で充填されたものであり、車両Ｖの後輪ＷＲ，ＷＲ付近に横置きで載置されている。水素供給配管１３は、その一端が燃料電池ＦＣに接続され、他端が高圧水素タンク１１，１２と接続されている。水素循環機構１４は、エゼクタ１４ａ、水素循環配管１４ｂなどで構成され、エゼクタ１４ａが水素供給配管１３の途中に設けられ、水素循環配管１４ｂの一端がエゼクタ１４ａと接続されている。

前記水素排出デバイス２０は、燃料電池ＦＣから水素を排出するものであり、水素排出配管２１、水素パージ弁２２、希釈器２３などで構成されている。

前記水素排出配管２１は、その一端が燃料電池ＦＣのアノード極の出口側と接続され、他端が水素パージ弁２２を介して希釈器２３と接続されている。また、水素排出配管２１には、前記水素循環配管１４ｂの他端が接続されている。

前記水素パージ弁２２は、遮断弁であり、水素排出配管２１の希釈器２３の上流側に設けられている。燃料電池ＦＣのカソード極に供給された空気に含まれる窒素やカソード極で生成された水などが、電解質膜を介してカソード極からアノード極に透過して水素濃度が低下した場合に、この水素パージ弁２２が必要に応じて開弁することにより、水素濃度の低下によって発電性能が損なわれるのを防止するようになっている。

前記希釈器２３は、水素パージ弁２２を通って排出されたアノードオフガス（水素）を、この希釈器２３と燃料電池ＦＣのカソード極とを接続する空気排出配管３２を介して排出されたカソードオフガス（空気＋水）で希釈するものである。希釈器２３で所定の水素濃度以下に希釈された水素は、排気管４１を介して大気中へと排出される。

前記エアコンプレッサ３０は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、圧縮した空気（外気）を、空気供給配管３１を介して燃料電池ＦＣに供給するものである。

前記蓄電池４０は、燃料電池ＦＣが発電した電気を蓄積するものであり、例えば、車両Ｖに搭載された燃料電池ＦＣと高圧水素タンク１１との間に設けられる。この蓄電池４０としては、バッテリまたはキャパシタなどで構成され、バッテリとしては、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池などであり、キャパシタとしては、電気二重層キャパシタや電解コンデンサなどである。なお、蓄電池４０は、複数の小型蓄電池が適宜組み合わされた組電池であり、図では、複数の小型蓄電池を収容する枠体（基体、筐体など）が符号４０で示してある。

図２に示すように、前記吸引手段５０は、漏斗状のダクト５１と、電動ファン５２とで構成され、前記した蓄電池４０と水素保有デバイス存在領域Ｑとの間に設けられている。この水素保有デバイス存在領域Ｑとは、水素が流通するデバイスが存在する領域であり、本実施形態では、図１において二点鎖線で示すように、燃料電池ＦＣ、水素供給配管１３の一部、水素循環機構１４、水素排出配管２１、水素パージ弁２２および希釈器２３が配置されている領域であり、つまり、燃料電池ＦＣ、水素供給デバイス１０の一部および水素排出デバイス２０に相当する領域、換言すると、水素消費機器（プラス水素排出処理機器）が設置される領域である。

前記ダクト５１は、水素保有デバイス存在領域Ｑと蓄電池４０とを繋ぐ流路を有し、水素保有デバイス存在領域Ｑ側に小径の吸引口５１ａを備え、蓄電池４０側に前記吸引口５１ａよりも大径の排出口５１ｂを備えている。

前記電動ファン５２は、ダクト５１の排出口５１ｂ側に、その回転軸が蓄電池４０の壁面４０ａに直交するように設けられている。また、この電動ファン５２は、そのプロペラが回転することにより、吸引口５１ａ側のガスを吸引し、吸引したガスを排出口５１ｂから排出するようになっている。

前記水素検出装置６０は、水素保有デバイス存在領域Ｑから漏れ出る水素を検出するものであり、前記ダクト５１の吸引口５１ａに配置されている。なお、この水素検出装置６０は、図示しないＥＣＵに接続されている。

このようにして構成された燃料電池発電装置１は、図３（ａ）に示すように、車両Ｖのフロアパネル８０とアンダーカバー９０（またはフレーム）との間に形成された空間に収められている。フロアパネル８０は、主に車室の床面を構成する金属板などであり、アンダーカバー９０は、燃料電池ＦＣなどを路面の突起やはね石などから保護するための金属板などである。また、図３（ｂ）に示すように、水素検出装置６０は、水素保有デバイス存在領域Ｑの上部に設けられ、また、ダクト５１は、吸引口５１ａ側が水素検出装置６０に向くように形成されている。これは、水素の比重が空気よりもはるかに小さく、上部に溜り易いことによる。なお、フロアパネル８０は、水素を透過させたり、通過させたりしない構成になっている。

次に、本実施形態の燃料電池発電装置１の作用について説明する。
まず、運転者が車両Ｖのイグニッションスイッチ（図示せず）をオンにすると、図示しない制御部（ＥＣＵ）は、蓄電池４０に蓄積された電気（電力）を利用して、遮断弁１１ａ（または遮断弁１２ａ）を開弁するとともに、エアコンプレッサ３０を駆動する。これにより、高圧水素タンク１１（または高圧水素タンク１２）内の水素が水素供給配管１３を介して燃料電池ＦＣのアノード極に供給され、エアコンプレッサ３０から空気供給配管３１を介して、加湿器（図示せず）によって加湿された空気が燃料電池ＦＣのカソード極に供給される。これにより、燃料電池ＦＣ内において水素と加湿空気中の酸素とが電気化学反応によって発電が行われ、走行モータＭなどの負荷に電力（発電電流）が供給され、走行モータＭの回転動力によって車両Ｖの駆動輪（前輪）ＷＦ，ＷＦが駆動される。また、水素の利用効率を高めるため、燃料電池ＦＣのアノード極から排出された水素を、水素循環配管１４ｂを介して燃料電池ＦＣのアノード極に導入して再循環させている。また、水素パージ処理時に、水素パージ弁２２を介して排出された水素は、希釈器２３に導入されるとともに、燃料電池ＦＣのカソード極から排出されたカソードオフガス（主に、空気と水）によって所定値以下の水素濃度まで希釈された後に、排気管４１を介して大気中へと排出される。

ところで、車両Ｖの走行時や停車時に電動ファン５２が回転動作することにより、水素保有デバイス存在領域Ｑの雰囲気ガスが、ダクト５１の吸引口５１ａから吸引されて、ダクト５１内を通って排出口５１ｂから排出される（図２参照）。したがって、水素保有デバイス存在領域Ｑのいずれかの部分、例えば配管などの接合部分やシール部分から仮に水素漏れが発生したとしても、図２および図３（ｂ）において矢印で示すように、漏れ出た水素は、水素保有デバイス存在領域Ｑの雰囲気ガスとともに吸引口５１ａに吸引される。本実施形態では、吸引口５１ａに水素検出装置６０が設けられているので、従来のように燃料電池ＦＣなどのデバイスを燃料電池ボックスに収納して密閉しなくても水素保有デバイス存在領域Ｑを換気できるとともに、水素漏れを確実に検知することが可能になる。

また、本実施形態では、吸引手段５０の下流、すなわちダクト５１の出口に蓄電池４０を配置したことで、ダクト５１の排出口５１ｂから排出される雰囲気ガスによる風によって蓄電池４０の冷却が可能となる。したがって、蓄電池４０を冷却するための冷却手段を別個に設ける必要がないので、構成要件の削減を図ることが可能になる。

また、水素は、空気と比較して非常に軽い物質であるので、図３（ｂ）に示すように、水素検出装置６０をフロアパネル８０とアンダーカバー９０との間の空間内の上部側に設けるとともに吸引手段５０の吸引口５１ａを水素検出装置６０側に向けることで、漏れ出た水素をより確実に検知することが可能になる。

なお、本実施形態では、燃料電池ＦＣと水素供給デバイス１０の一部と水素排出デバイス２０との雰囲気ガスを吸引手段５０で吸引するようにしたが、これに限定されるものではなく、燃料電池ＦＣ、水素供給デバイス１０、水素排出デバイス２０の少なくともひとつの雰囲気ガスを吸引手段で吸引するようにしてもよい。また、図示していないが、水素保有デバイス存在領域Ｑの前方寄りでの水素を検知するためのセンサを走行モータＭの近傍に追加したり、蓄電池４０の後方寄りでの水素を検知するためのセンサを高圧水素タンク１１，１２の近傍に追加してもよい。また、本発明の燃料電池発電装置は、車両に適用する場合について説明したが、船舶や航空機など電源や定置式の家庭用電源に適用するものであってもよい。

本実施形態の燃料電池発電装置が搭載された車両を示す全体構成図である。 本実施形態の燃料電池発電装置の主要部を上部から見たときの概略図である。 （ａ）は車両に搭載される燃料電池発電装置の位置を示す概略図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の拡大断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池発電装置
１０ 水素供給デバイス
１１，１２ 高圧水素タンク
１３ 水素供給配管
１４ 水素循環機構
２０ 水素排出デバイス
２１ 水素排出配管
２２ 水素パージ弁
２３ 希釈器
３０ エアコンプレッサ
４０ 蓄電池（蓄電手段）
５０ 吸引手段
５１ ダクト
５２ 電動ファン
６０ 水素検出装置
ＦＣ 燃料電池

Claims (2)

1. 水素と、酸化剤ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池へ水素を供給する水素供給デバイスと、
   前記燃料電池から水素を排出する水素排出デバイスと、
   前記燃料電池、水素供給デバイスおよび水素排出デバイスの少なくとも一つが配置された空間の雰囲気ガスを吸引する吸引手段と、
   前記吸引手段の吸引口付近に水素を検出する水素検出装置と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記吸引手段の排出口の下流に少なくとも前記燃料電池が発電した電気を蓄積する蓄電手段を配置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。

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