JP2007311222A - 燃料電池システム及び燃料電池システムを搭載した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、燃料電池システムに関し、燃料電池の水素漏れが発生した場合に、漏洩した水素の流動を制御することのできる燃料電池システム、または該燃料電池システムを搭載した車両を提供することを目的とする。
【解決手段】燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、熱媒流体を加熱する熱源装置と、前記熱媒流体を前記燃料電池と前記熱源装置との間で流動させる熱媒流体流動手段と、前記燃料ガスが前記熱媒流体に混入したか否かを判定する判定手段と、前記判定手段による判定に基づいて、前記熱媒流体流動手段による前記熱媒流体の流動を制御する制御手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムを搭載した車両に関する。

燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有している。アノードに水素を含むアノードガスが接触し、カソードに空気などの酸素を含むカソードガスが接触することによって、両電極で電気化学反応が起こり、両電極間に電圧が発生する仕組みになっている。

このような燃料電池を車両等の移動体に搭載し、駆動用電源として使用する場合には、周囲環境の変化に影響されず安定した出力を提供することが必要となる。しかしながら、燃料電池は低温時（特に氷点下）の性能が極端に低下することが知られている。つまり、燃料電池の内部には多くの水分が含まれているため、寒冷地等の低温環境下においては、これらが凝固し発電反応を行うことができない可能性がある。

このような事態を防止するため、従来、例えば特開２００５−２８５３４７号公報に開示されるように、燃料電池車両の外部から熱媒を供給して、車両に搭載された燃料電池を暖機することのできるシステムが開示されている。このシステムによれば、外部から熱媒を供給するため、車両の電力を消費することなく、また、車両の構成を簡略化して、燃料電池の暖機を行うことができ、低温環境下においても効率よく車両を始動することが可能となる。

特開２００５−２８５３４７号公報 特開２００４−４０９５０号公報 特開２００５−３１７４１０号公報

ところで、上述した燃料電池を暖機するための方法としては、加熱された熱媒体を外部から供給することが考えられる。つまり、車両の停車時に、例えば、暖房により暖められた外部施設等の熱源空間の空気、或いは温水等の流体を熱媒体として、燃料電池に熱を供給することとすれば、簡易な構成にて燃料電池に熱エネルギが供給され、効率よく燃料電池の暖機を行うことできる。

しかしながら、このような構成により燃料電池に熱エネルギを供給することとすると、燃料電池の周囲、或いは内部に熱媒体が流動することとなる。このため、燃料電池から燃料ガスである水素が漏れた場合に、漏洩した水素が熱媒流体内に混入してしまう可能性があった。かかる事態が発生すると、水素が熱媒流体と共に燃料電池の外部に流動するため、外部機器、或いは外部環境等に悪影響を与えてしまう可能性があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の水素漏れが発生した場合に、漏洩した水素の流動を制御することのできる燃料電池システム、または該燃料電池システムを搭載した車両を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
熱媒流体を加熱する熱源装置と、
前記熱媒流体を前記燃料電池と前記熱源装置との間で流動させる熱媒流体流動手段と、
前記燃料ガスが前記熱媒流体に混入したか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段による判定に基づいて、前記熱媒流体流動手段による前記熱媒流体の流動を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記熱媒流体流動手段は、
前記熱源装置の熱媒流体を前記燃料電池に導入する導入通路と、
前記燃料電池の熱媒流体を前記熱源装置に排出する排出通路と、
前記排出通路に配置され、前記燃料電池と前記熱源装置との連通を遮断する遮断手段と、を含み、
前記制御手段は、
前記判定手段により前記燃料ガスが前記熱媒流体に混入したと判定された場合に、前記遮断手段により前記排出通路の前記燃料電池と前記熱源装置との連通を遮断することを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記熱媒流体は空気であり、
前記熱媒流体流動手段は、
前記熱源装置で加熱された空気を、前記燃料電池の周囲空間と前記熱源装置との間で流動させることを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記熱媒流体流動手段は、
前記排出通路の前記遮断手段の上流に配置され、前記燃料電池と外部空間との連通を形成する排出通路外部連通手段を更に含み、
前記制御手段は、
前記判定手段により前記燃料ガスが前記熱媒流体に混入したと判定された場合に、前記排出通路外部連通手段により前記排出通路を外部空間と連通させることを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、
前記排出通路の前記遮断手段の上流に配置され、前記燃料ガスを希釈する希釈手段を更に備えることを特徴とする。

また、第６の発明は、第４または５の発明において、
前記熱媒流体流動手段は、
前記導入通路の連通元を前記熱源装置から外部空間に切り替える導入通路切り替え手段を更に含み、
前記制御手段は、
前記判定手段により、前記燃料ガスが前記熱媒流体に混入したと判定された場合に、前記導入通路切り替え手段により、前記導入通路の連通元を外部空間に切り替えることを特徴とする。

また、第７の発明は、第１または２の発明において、
前記熱媒流体は液体であり、
前記熱媒流体流動手段は、
前記熱源装置で加熱された液体を、前記燃料電池の内部に形成された冷却媒体流路と前記熱源装置との間で流動させることを特徴とする。

また、第８の発明は、第１乃至７の何れかの発明において記載された燃料電池システムを搭載した車両であることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池と熱源装置との間で熱媒流体を流動させ、燃料電池の暖機を行うことのできる燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給されている燃料ガスが漏洩し熱媒流体に混入した場合に、かかる熱媒流体の流動を制御することができる。このため、本発明によれば、燃料電池から漏洩した燃料ガスの流動を効果的に制御することができ、漏洩した燃料ガスが外部に与える悪影響を効果的に抑制することができる。

第２の発明によれば、熱源装置にて加熱された熱媒流体を、導入通路および排出通路を介して燃料電池に循環させ、燃料電池の暖機を行うことのできる燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給されている燃料ガスが漏洩し熱媒流体に混入した場合に、排出通路を遮断することができる。このため、本発明によれば、燃料電池から漏洩した燃料ガスが排出通路を介して熱源装置に排出されることを効果的に抑制することができる。

第３の発明によれば、熱源装置にて加熱された空気を熱媒流体として、燃料電池の周囲空間と熱源装置との間で流動させる。このため、本発明によれば、燃料電池に供給されている燃料ガスが漏洩し熱媒空気に混入した場合に、熱媒空気の流動を効果的に制御することができ、漏洩した燃料ガスが外部に与える悪影響を効果的に抑制することができる。

第４の発明によれば、熱源装置にて加熱された熱媒空気を、導入通路および排出通路を介して燃料電池に循環させ、燃料電池の暖機を行うことのできる燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給されている燃料ガスが漏洩し熱媒空気に混入した場合に、排出通路を外部空間と連通させることができる。このため、本発明によれば、燃料電池から漏洩した燃料ガスが排出通路を介して外部空間に排出されるため、燃料電池から漏洩した燃料ガスが排出通路を介して熱源装置に排出されることを効果的に抑制することができる。

第５の発明によれば、燃料電池から漏洩した燃料ガスが排出通路を介して外部空間に排出される場合において、漏洩した燃料ガスは、排出通路に配置された希釈手段により希釈された後に外部空間に排出される。このため、本発明によれば、燃料電池から漏洩した燃料ガスが高濃度で外部空間に排出されることを効果的に抑制することができる。

第６の発明によれば、燃料電池に供給されている燃料ガスが漏洩し熱媒空気に混入した場合に、燃料電池の周囲空間に外部空間から空気を導入することができる。このため、本発明によれば、燃料電池の周囲空間の換気を効果的に行うことができる。

第７の発明によれば、熱源装置にて加熱された液体を熱媒流体として、燃料電池の内部に形成された冷却媒体流路と熱源装置との間で流動させる。このため、本発明によれば、燃料電池に供給されている燃料ガスが漏洩し熱媒空気に混入した場合に、熱媒空気の流動を効果的に制御することができ、漏洩した燃料ガスが外部に与える悪影響を効果的に抑制することができる。

第８の発明によれば、第１乃至７の発明の燃料電池システムが燃料電池を動力源とする車両に搭載される。このため、本発明によれば、第１乃至７の発明の効果を該車両に搭載された燃料電池システムによって実現することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１に示すとおり、燃料電池車両１０は、燃料電池スタック１２を備えている。燃料電池スタック１２は、燃料電池スタック１２を保温するための保温容器１４の内部に収容されている。また、燃料電池スタック１２近傍には、燃料電池スタック１２の温度を検知するための温度センサ１６が配置されている。また、保温容器１４には、燃料電池スタック１２の燃料である水素が保温容器１４内部に漏れたことを検知する水素センサ１８が配置されている。

また、燃料電池車両１０はECU（Electronic Control Unit）２０を備えている。上述した温度センサ１６、および水素センサ１８等の出力はECU２０に供給される。ECU２０は燃料電池車両１０の制御を総合的に行う他、後述する燃料電池スタック１２の暖機制御、および外部機器への情報の通信等を行う。

一方、図１に示す燃料電池システムは、外部施設３０の内部空気を燃料電池車両１０の備える保温容器１４内部に導入するための導入通路３２、および保温容器１４内部から排出される空気を外部施設３０に戻すための排出通路３４を備えている。導入通路３２、および排出通路３４は、燃料電池車両１０の発電停止時に必要に応じて保温容器１４に接続され、外部施設３０の内部空気を循環させるための経路（以下、「循環経路」と称す）が形成される。

導入通路３２には、送風ファン３６が配置されており、外部施設３０内の空気が導入通路３２を介して保温容器１４内部に導入されると共に、保温容器１４から排出された空気が排出通路３４を介して外部施設３０内に導入される。導入通路３２、及び排出通路３４にはそれぞれ導入バルブ３８、および排出バルブ４０が配置されており、それぞれ通路の開閉を行うことができる。

また、導入通路３２の導入バルブ３８下流、および排出通路３４の排出バルブ４０上流には、他端が外部に開放された外気側導入通路４２、および外気側排出通路４４がそれぞれ接続されている。外気側導入通路４２、および外気側排出通路４４にはそれぞれ外気側導入バルブ４６および外気側排出バルブ４８が配置されており、必要に応じて導入通路３２、或いは排出通路３４と外部雰囲気との連通状態を形成することができる。

また、該燃料電池システムは、送風ファン３６、各種バルブを駆動するための電源５０、外部施設３０内部を暖める暖房装置５２、およびこれらを制御する制御装置５４を備えている。燃料電池システムが燃料電池車両１０に接続されると、制御装置５４は燃料電池車両１０の備えるECU２０と接続され、情報の通信が可能となる。制御装置５４は、ECU２０から供給される情報に基づいて、外部施設３０内の温度、送風ファン３６、及び上記各種バルブの制御を行う。

［実施の形態１の動作］
次に、図１および２を参照して、燃料電池スタック１２の暖機制御の動作について説明する。図１の燃料電池車両１０の燃料電池スタック１２は発電が停止されており、燃料電池システムの導入通路３２、および排出通路３４は、保温容器１４に接続されている状態を示している。また、燃料電池車両１０と燃料電池システムが接続されると、車両側のECU２０と燃料電池システム側の制御装置５４との間で情報の通信が可能となる。

図２は、燃料電池車両１０と燃料電池システムが接続された場合のブロック図を示している。図２に示すとおり、車両側ECU２０と燃料電池システム側の制御装置５４との間には、通信経路が形成されている。このため、車両側ECU２０は、温度センサ１６、水素センサ１８等の各種センサから供給される出力信号を、かかる通信経路を通じて制御装置５４に供給することができる。そして、制御装置５４はこれらの出力信号に基づいて、暖房装置５２、送風ファン３６、及び各種バルブを制御し、後述する燃料電池スタック１２の温度制御、および熱源空間への水素の流入を防止するための制御を行うことが可能となる。

図１に示すとおり、燃料電池スタック１２の発電が停止された後においては、燃料電池スタック１２の温度は外気温に応じて低下する。このため、気温が０℃以下となるような低温環境下においては、燃料電池スタック１２内部の水分が凍結し、発電反応を行うことができない可能性がある。このため、燃料電池スタック１２の発電を再開する場合においては、燃料電池スタック１２が発電反応を行うことができる程度の温度（例えば、１０〜２０℃程度）まで暖機される必要がある。

そこで、本実施の形態では、外部施設３０において暖められた空気を熱媒体として使用する。ここで、外部施設３０（例えば、家屋等）は暖房装置５２を備えており、制御装置５４により所望の温度に制御されている。このため、燃料電池スタック１２の保温容器１４内に外部施設内の暖かい空気を循環させることとすれば、効率よく燃料電池スタック１２に熱エネルギを供給することが可能となる。

図１に示す燃料電池システムでは、先ず、燃料電池スタック１２近傍に配置されている温度センサ１６によって、燃料電池スタック１２の温度が検出される。そして、所定の最低温度（例えば、１０℃）以下と判断された場合には、外気側導入バルブ４６、および外気側排出バルブ４８が閉弁された状態で、導入バルブ３８、及び排出バルブ４０が開弁されると共に、送風ファン３６が駆動される。これにより、外部施設３０内の暖気が導入通路３２を介して燃料電池車両１０の備える保温容器１４内部に導入され、燃料電池スタック１２に熱エネルギを供給した後、排出通路３４を介して再び外部施設３０内に戻される。

また、燃料電池スタック温度が所定値以上に暖機されている場合には、これ以上暖機制御を継続する必要がないと判断され、送風ファン３６が停止されると共に、導入バルブ３８、及び排出バルブ４０が閉弁される。このように、燃料電池スタック１２の暖機制御においては、燃料電池車両１０の停止時にこれらの動作が繰り返され、燃料電池スタック１２の温度を、常に再始動可能な温度領域に保つことができる。

［本実施の形態１における特徴的動作］
次に、図１を参照して、本実施の形態の特徴的動作である、燃料電池スタック１２の暖機制御を実行中に燃料電池スタック１２の水素漏れが発生した場合の動作について説明する。上述したとおり、燃料電池スタック１２の暖機制御が行われている期間においては、外部施設３０内の暖かい空気が燃料電池スタック１２の周囲に導入されることにより、熱エネルギが燃料電池スタックに供給されている。

ここで、本実施の形態の燃料電池システムは排出通路３４を備えており、保温容器１４内に導入された空気を再び外部施設３０内に循環させ、熱効率を向上させることとしている。このため、燃料電池スタック１２の水素漏れが発生した場合においては、保温容器１４内に水素が混入し、排出通路３４を介して外部施設３０内に水素が流入することが考えられる。

このため、本実施の形態においては、燃料電池スタック１２の水素漏れが発生した場合に、水素を含む空気を外気側排出通路４４から外部空間へ排出することとする。これにより、燃料電池スタック１２から漏れた水素が外部施設３０内に導入されることを効果的に抑制することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図３は、この発明の実施の形態１において、燃料電池スタック１２の暖機制御中に制御装置５４が漏洩した水素を外部空間に排出するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図３のルーチンは、燃料電池スタック１２の暖機制御中に繰り返し実行されるルーチンである。図３に示すルーチンでは、先ず、燃料電池スタック１２の暖機が必要であるか否かが判断される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、温度センサ１６の出力がECU２０を介して制御装置５４に供給される。制御装置５４は供給された信号に基づいて、燃料電池スタック１２の温度が所定の暖機完了温度に達しているか否かを判断する。

上記ステップ１００において燃料電池スタック１２の暖機が必要であると判断された場合には、先ず、外部からの冷気の流入を防止する処理が実行される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、外気との連通状態を制御する外気側導入バルブ４６、および外気側排出バルブ４８が閉弁される。次に、外部施設３０から保温容器１４への空気の循環系路を形成する処理が実行される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、導入バルブ３８、および排出バルブ４０が開弁され、導入通路３２および排出通路３４により循環経路が形成される。

次に、循環経路を通じて外部施設３０内の空気を循環させる処理が実行される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、導入通路３２内に配置された送風ファン３６が作動される。外部施設３０内は暖房装置５２により所望の温度に制御されている。このため、外部施設３０内の暖かい空気が保温容器１４内に供給され、燃料電池スタック１２に熱エネルギが供給される。

図３に示すルーチンにおいては、次に、燃料電池スタック１２から水素漏れが発生しているか否かが判断される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、水素センサ１８の出力が検出され、保温容器１４内部に水素が混入しているか否かが判断される。水素漏れが発生していないと判断された場合には、本ルーチンの以下に示す制御を行う必要がないと判断され、本ルーチンは速やかに終了する。

上記ステップ１０８において水素漏れが発生していると判断された場合には、次に、水素が混入された空気を循環経路から外部空間に排出する処理が実行される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、排出バルブ４０が閉弁され、外気側排出バルブ４８が開弁される。これにより、排出通路３４において外部施設３０との連通状態が閉鎖され、替わりに外部空間との連通状態が形成され、水素が混入された空気を外部空間に排出することができる。

一方、上記ステップ１００において燃料電池スタック１２の暖機が必要ないと判断された場合には、保温容器１４内に外部施設３０内の暖かい空気を循環させる必要がないと判断され、空気の循環を停止する処理が実行される。ここでは、具体的には、先ず、外部からの冷気の流入を防止する処理が実行される（ステップ１１２）。ここでは、外気との連通状態を制御する外気側導入バルブ４６、および外気側排出バルブ４８が閉弁される。次に、保温容器１４と外部施設３０との連通状態を遮断するための処理が実行される。ここでは、導入バルブ３８、および排出バルブ４０が閉弁される（ステップ１１４）。また、同時に空気を循環させる送風ファンが停止される（ステップ１１６）。

次に、燃料電池スタック１２から水素漏れが発生しているか否かが判断される（ステップ１１８）。ここでは、具体的には、図３に示すステップ１０８と同様の処理が実行される。水素漏れが発生していないと判断された場合には、本ルーチンの以下に示す制御を行う必要がないと判断され、本ルーチンは速やかに終了する。

上記ステップ１１８において水素漏れが発生していると判断された場合には、次に、密閉された保温容器１４内の空気を換気する処理が実行される。上述したとおり、燃料電池スタック１２の暖機が完了している状態においては、保温容器１４は密閉されている。このため、ここでは、具体的には、外気側導入バルブ４６、および外気側排出バルブ４８が開弁され、外気との連通状態が導入通路３２、および排出通路３４に形成される（ステップ１２０）。次いで、導入通路３２に配置された送風ファン３６が作動される（ステップ１２２）。外気側導入通路４２から吸入された外気は、保温容器１４を介して外気側排出通路４４から排出される。これにより、保温容器１４内の水素が混入された空気を効果的に換気することができる。

以上説明したとおり、実施の形態１のシステムは、燃料電池スタック１２に水素漏れが発生していると判断された場合に、循環経路の連通先を外部施設３０から外部空間へと切り替える。これにより、循環経路内に混入した水素が外部空間へ排出され、水素がシステム内を循環することを効果的に抑制することが可能となる。また、燃料電池スタック１２の暖機が完了している場合には、外気の吸入および排出を行うことにより、燃料電池スタック１２の周囲を効果的に換気することができる。

ところで、上述した実施の形態においては、通路の開閉を行う導入バルブ３８と外気側導入バルブ４６とを制御することにより、導入通路３２の連通元を切り替えることとしているが、導入通路３２の切り替え方法はこれに限定されない。すなわち、導入通路３２と外気側導入通路４２の合流位置に連通元を切り替え可能な制御バルブを配置し、連通元を切り替えることとしてもよい。また、排出通路３４の連通先の切り替え方法についても同様に、かかるバルブにて連通先を切り替えることとしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、水素漏れが発生していると判断された場合には、排出バルブ４０を閉弁、および外気側排出バルブ４８開弁することにより、排出通路３４の連通先を外部空間に切り替え、漏洩した水素を外部空間へ排出することとしているが、漏洩した水素の流動制御はこれに限定されない。すなわち、熱媒空気に混入した水素が外部施設３０に排出されることを抑制するために、排出バルブ４０、および外気側排出バルブ４８を共に閉弁し、排出通路３４の連通先を遮断することで、熱媒空気の循環を停止することとしてもよい。また、漏洩した水素ガスの濃度が高い場合には、熱媒空気に混入した水素を希釈器にて希釈した後に外部空間に排出されることとしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、燃料電池システムが燃料電池車両１０に接続されることにより、燃料電池スタック１２の暖機制御、および水素漏れ発生時の循環経路の切り替え制御が実行されることとしているが、該燃料電池システムの構成はこれに限られない。すなわち、該燃料電池システムが搭載された燃料電池車両において、本実施の形態を実施することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、外部施設３０が前記第１の発明における「熱源装置」に相当していると共に、制御装置５４が、上記ステップ１０２乃至１０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「熱媒流体流動手段」が、上記ステップ１０８或いは１１８の処理を実行することにより、前記第１の発明における「判定手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより、前記第１の発明における「制御手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、制御装置５４が、上記ステップ１１０の処理において、排出バルブ４０を閉弁する処理を実行することにより、前記第２の発明における「遮断手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、制御装置５４が、上記ステップ１１０の処理において、外気側排出バルブ４８を開弁する処理を実行することにより、前記第４の発明における「排出通路外部連通手段」が、実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、制御装置５４が、上記ステップ１２０の処理を実行することにより、前記第６の発明における「導入通路切り替え手段」が、実現されている。

実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
次に、図４および５を参照して、本実施の形態２について説明する。図４は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成を説明するための図である。実施の形態２は、燃料電池システムの備える冷却媒体流路に熱媒流体を循環させることにより、燃料電池スタックの暖機を行うシステムにおいて、燃料ガス漏れが発生した場合に、漏洩した燃料ガスが外部に悪影響を与えないように流動を制御するものである。尚、図４に示す燃料電池システムにおいて、図１に示す燃料電池システムと共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図４に示すとおり、燃料電池車両６０は、燃料電池スタック１２を備えている。また、燃料電池スタック１２には、冷却媒体導入通路６４、および冷却媒体排出通路６６が接続されており、冷却機６２、およびポンプ６８がこれらの流路上に配置されている。燃料電池スタック１２内には、冷却媒体が通過するための図示しない流路が隈なく形成されており、ポンプ６８の作動によって、燃料電池スタック１２内に冷却媒体が循環される。燃料電池スタック１２内を通過して昇温した冷却媒体は、冷却媒体排出通路６６を介して冷却機６２に導入される。そして冷却機６２にて冷却された冷却媒体は、冷却媒体導入通路６４を介して再び燃料電池スタック１２へ導入される。

また、図４に示す燃料電池車両６０は、燃料電池スタック１２の発電が行われていない場合に、上述した冷却媒体通路に外部から加熱された液体（例えば、温水）を暖機媒体として循環させることで、燃料電池スタック１２の暖機を行うことが可能である。かかる機能を実現するために、本実施の形態のシステムには、冷却媒体導入通路６４のポンプ６８下流、および冷却媒体排出通路６６に、それぞれの流路の連通状態を制御するための冷却媒体導入バルブ７０、および冷却媒体排出バルブ７２が配置されている。また、冷却媒体導入通路６４の冷却媒体導入バルブ７０下流かつポンプ６８上流には、外部から暖機媒体を導入するための流路を接続するための接続部７４ａが、冷却媒体排出通路６６の冷却媒体排出バルブ７２の上流には外部へ暖機媒体を排出するための流路を接続するための接続部７４ｂがそれぞれ配置されている。接続部７４ａおよび７４ｂには、それぞれの通路の外部との連通状態を制御する暖機媒体導入バルブ７６、および暖機媒体排出バルブ７８が配置されている。

また、図４に示す燃料電池システムは、外部施設８０にて加熱された暖機媒体を燃料電池スタック１２に導入するための導入通路８２、および燃料電池スタック１２から排出される暖機媒体を外部施設８０に戻すための排出通路８４を備えている。導入通路８２、および排出通路８４は、燃料電池車両６０の発電停止時に、必要に応じて、接続部７４ａ、および７４ｂから燃料電池車両６０に接続されることができる。

［実施の形態２の動作］
次に、図４を参照して、燃料電池スタック１２の暖機制御の動作について説明する。図４の燃料電池車両６０の燃料電池スタック１２は発電が停止されており、燃料電池システムの導入通路８２、および排出通路８４が、接続部７４ａおよび７４ｂを介して燃料電池車両６０に接続されている状態を示している。また、燃料電池車両６０と燃料電池システムが接続されると、車両側のECU２０と燃料電池システム側の制御装置５４との間で情報の通信が可能となる。

実施の形態１にて既述したとおり、燃料電池スタック１２の発電が停止された後においては、燃料電池スタック１２の温度は外気温に応じて低下する。このため、燃料電池スタック１２の発電を再開する場合においては、燃料電池スタック１２が発電反応を行うことができる程度の温度（例えば、１０〜２０℃程度）まで暖機される必要がある。

そこで、本実施の形態では、外部施設８０において暖められた液体を熱媒体として使用する。ここで、外部施設８０は暖房装置５２（例えば、ガス給湯器、電気給湯器、エアコン用ヒータ、室内暖房装置等）を備えており、熱媒液体を加熱することができる。このため、燃料電池スタック１２内部の冷却媒体流路に加熱された暖機媒体を循環させることとすれば、効率よく燃料電池スタック１２に熱エネルギを供給することが可能となる。

図４に示す燃料電池システムでは、先ず、燃料電池スタック１２近傍に配置されている温度センサ１６によって、燃料電池スタック１２の温度が検出される。そして、所定の最低温度（例えば、１０℃）以下と判断された場合には、冷却媒体導入バルブ７０、および冷却媒体排出バルブ７２が閉弁された状態で、暖機媒体導入バルブ７６、および暖機媒体排出バルブ７８が開弁されると共に、ポンプ６８が駆動される。これにより、外部施設８０内の加熱された熱媒液体が、導入通路８２および冷却媒体導入通路６４を介して燃料電池車両６０の燃料電池スタック１２内部に導入される。熱媒液体は燃料電池スタック１２に熱エネルギを供給した後、冷却媒体排出通路６６および排出通路３４を介して再び外部施設８０内に戻される。

また、燃料電池スタック温度が所定値以上に暖機されている場合には、これ以上暖機制御を継続する必要がないと判断され、ポンプ６８が停止されると共に、暖機媒体導入バルブ７６、および暖機媒体排出バルブ７８が閉弁される。このように、燃料電池スタック１２の暖機制御においては、燃料電池車両６０の停止時にこれらの動作が繰り返され、燃料電池スタック１２の温度を、常に再始動可能な温度領域に保つことができる。

［本実施の形態２における特徴的動作］
次に、図４を参照して、本実施の形態の特徴的動作である、燃料電池スタック１２の暖機制御を実行中に燃料電池スタック１２の水素漏れが発生した場合の動作について説明する。上述したとおり、燃料電池スタック１２の暖機制御が行われている期間においては、外部施設８０内の加熱された熱媒液体が燃料電池スタック１２内部に導入されることにより、熱エネルギが燃料電池スタック１２に供給されている。

ここで、本実施の形態の燃料電池スタック１２は、複数枚の燃料電池セルを積層されて構成されている。各燃料電池セルは、図示しないプロトン伝導性の電解質膜の両側をアノードおよびカソードで挟まれ、更にその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。また、上述したとおり、燃料電池スタック１２内には、冷却媒体が通過するための図示しない冷却媒体流路が隈なく形成されており、燃料電池スタック１２内に冷却媒体が循環される。このため、セパレータ等に亀裂が発生すると、アノードに供給される水素が冷却媒体流路内の暖機媒体に混入し、冷却媒体排出通路６６を介して外部施設８０内に水素が排出されることが考えられる。

このため、本実施の形態においては、上述した燃料電池スタック１２の水素漏れが発生した場合に、暖機媒体の流動を停止させることとする。これにより、燃料電池スタック１２から漏れた水素が外部施設８０内に排出されることを効果的に抑制することができる。

［実施の形態２における具体的処理］
図５は、この発明の実施の形態２において、燃料電池スタック１２の暖機制御中に制御装置５４が漏洩した水素の流動を阻止するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図５のルーチンは、燃料電池スタック１２の暖機制御中に繰り返し実行されるルーチンである。図５に示すルーチンでは、先ず、燃料電池スタック１２の暖機が必要であるか否かが判断される（ステップ２００）。ここでは、具体的には、図１に示すステップ１００と同様の処理が実行される。

上記ステップ２００において燃料電池スタック１２の暖機が必要であると判断された場合には、先ず、外部からの冷却媒体の循環経路を遮断する処理が実行される（ステップ２０２）。ここでは、具体的には、冷却媒体導入バルブ７０、および冷却媒体排出バルブ７２が閉弁される。

次に、外部施設８０から燃料電池スタック１２への熱媒流体の循環系路を形成する処理が実行される（ステップ２０４）。ここでは、具体的には、暖機媒体導入バルブ７６、および暖機媒体排出バルブ７８が開弁され、導入通路８２、冷却媒体導入通路６４、および冷却媒体排出通路６６、排出通路８４により熱媒流体循環経路が形成される。

次に、熱媒流体循環経路を通じて外部施設３０内の空気を循環させる処理が実行される（ステップ２０６）。ここでは、具体的には、冷却媒体導入通路６４に配置されたポンプ６８が作動される。外部施設８０では暖房装置５２により暖機媒体が所望の温度に昇温されている。このため、加熱された液体が熱媒流体として燃料電池スタック１２内を循環し、燃料電池スタック１２に熱エネルギが供給される。

図５に示すルーチンにおいては、次に、燃料電池スタック１２から水素漏れが発生しているか否かが判断される（ステップ２０８）。ここでは、具体的には、図１のステップ１０８と同様の処理が実行される。水素漏れが発生していないと判断された場合には、本ルーチンの以下に示す制御を行う必要がないと判断され、本ルーチンは速やかに終了する。

上記ステップ２０８において水素漏れが発生していると判断された場合には、次に、水素が混入された液体の流動を停止する処理が実行される。ここでは、具体的には、暖機媒体導入バルブ７６、および暖機媒体排出バルブ７８が閉弁され、熱媒流体循環流路が遮断される（ステップ２１０）。そして、ポンプ６８が停止され、熱媒流体の流動が停止される（ステップ２１２）。これにより、水素が混入された暖機媒体が外部施設８０に排出されることを抑制することができる。

一方、上記ステップ２００において燃料電池スタック１２の暖機が必要ないと判断された場合には、燃料電池スタック１２内に外部施設８０において加熱された暖かい液体を循環させる必要がないと判断され、熱媒流体の循環を停止する処理が実行される。ここでは、具体的には、先ず、外部からの冷却媒体の循環経路を遮断する処理が実行される（ステップ２１４）。

次に、水素が混入された液体の流動を停止するために、暖機媒体導入バルブ７６、および暖機媒体排出バルブ７８が閉弁され、熱媒流体循環流路が遮断される（ステップ２１６）。そして、ポンプ６８が停止され熱媒流体の流動が停止される（ステップ２１８）。これにより、加熱された暖機媒体が燃料電池スタック１２内を循環することを抑制することができる。

以上説明したとおり、実施の形態２のシステムは、燃料電池スタック１２に水素漏れが発生していると判断された場合に、循環経路を遮断し熱媒流体の流動を制限する。これにより、循環経路内に混入した水素が外部施設８０へ排出されることを抑制することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態においては、燃料電池システムが燃料電池車両６０に接続されることにより、燃料電池スタック１２の暖機制御、および水素漏れ発生時の循環経路の遮断制御が実行されることとしているが、該燃料電池システムの構成はこれに限られない。すなわち、該燃料電池システムが搭載された燃料電池車両において、本実施の形態を実施することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、外部施設８０が前記第１の発明における「熱源装置」に相当していると共に、制御装置５４が、上記ステップ２０２乃至２０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「熱媒流体流動手段」が、上記ステップ２０８の処理を実行することにより、前記第１の発明における「判定手段」が、上記ステップ２１０および２１２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「制御手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、制御装置５４が、上記ステップ２１０の処理を実行することにより、前記第２の発明における「遮断手段」が実現されている。

本発明の実施１の構成を説明するための図である。 本発明の実施１のシステムを説明するための図である。 本実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施２の構成を説明するための図である。 本実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池車両
１２ 燃料電池スタック
１４ 保温容器
１６ 温度センサ
１８ 水素センサ
２０ ECU(Electronic Control Unit)
３０ 外部施設
３２ 導入通路
３４ 排出通路
３６ 送風ファン
３８ 導入バルブ
４０ 排出バルブ
４２ 外気側導入通路
４４ 外気側排出通路
４６ 外気側導入バルブ
４８ 外気側排出通路
５０ 電源
５２ 暖房装置
５４ 制御装置
６０ 燃料電池車両
６２ 冷却機
６４ 冷却媒体導入通路
６６ 冷却媒体排出通路
６８ ポンプ
７０ 冷却媒体導入バルブ
７２ 冷却媒体排出バルブ
７４ａ、７４ｂ 接続部
７６ 暖機媒体導入バルブ
７８ 暖機媒体排出バルブ
８０ 外部施設
８２ 導入通路
８４ 排出通路

Claims (8)

1. 燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
   熱媒流体を加熱する熱源装置と、
   前記熱媒流体を前記燃料電池と前記熱源装置との間で流動させる熱媒流体流動手段と、
   前記燃料ガスが前記熱媒流体に混入したか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段による判定に基づいて、前記熱媒流体流動手段による前記熱媒流体の流動を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記熱媒流体流動手段は、
   前記熱源装置の熱媒流体を前記燃料電池に導入する導入通路と、
   前記燃料電池の熱媒流体を前記熱源装置に排出する排出通路と、
   前記排出通路に配置され、前記燃料電池と前記熱源装置との連通を遮断する遮断手段と、を含み、
   前記制御手段は、
   前記判定手段により前記燃料ガスが前記熱媒流体に混入したと判定された場合に、前記遮断手段により前記排出通路の前記燃料電池と前記熱源装置との連通を遮断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記熱媒流体は空気であり、
   前記熱媒流体流動手段は、
   前記熱源装置で加熱された空気を、前記燃料電池の周囲空間と前記熱源装置との間で流動させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記熱媒流体流動手段は、
   前記排出通路の前記遮断手段の上流に配置され、前記燃料電池と外部空間との連通を形成する排出通路外部連通手段を更に含み、
   前記制御手段は、
   前記判定手段により前記燃料ガスが前記熱媒流体に混入したと判定された場合に、前記排出通路外部連通手段により前記排出通路を外部空間と連通させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記排出通路の前記遮断手段の上流に配置され、前記燃料ガスを希釈する希釈手段を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記熱媒流体流動手段は、
   前記導入通路の連通元を前記熱源装置から外部空間に切り替える導入通路切り替え手段を更に含み、
   前記制御手段は、
   前記判定手段により、前記燃料ガスが前記熱媒流体に混入したと判定された場合に、前記導入通路切り替え手段により、前記導入通路の連通元を外部空間に切り替えることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
7. 前記熱媒流体は液体であり、
   前記熱媒流体流動手段は、
   前記熱源装置で加熱された液体を、前記燃料電池の内部に形成された冷却媒体流路と前記熱源装置との間で流動させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
8. 請求項１乃至７に記載の燃料電池システムを搭載した車両。

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