JP2010040333A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおける新たな水素ガスリークの検知手法を提供する。
【解決手段】燃料電池セル内において、水素ガスが冷媒流路にリークすると、そのリーク水素ガスは、冷媒と共に流れて燃料電池２０を通過し、冷媒排出管路４２を流れる。そして、冷媒排出管路４２を流れるリーク水素ガスは、冷媒排出管路４２から冷媒分岐管路６０を介して分岐・配設された冷媒リザーバタンク５０の捕捉室５２に冷媒と共に入り込み、通気孔５４から外部に放出される。捕捉室５２を有する冷媒リザーバタンク５０は、燃料電池２０を収容する電池ケース３０の内部に配設されているので、通気孔５４から放出された水素ガスは、電池ケース３０に設けた水素検知センサ９０にて検知される。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガスと酸素含有ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスと酸素含有ガスの供給を受けて発電する発電単位セルを積層させたスタック構造を備える都合上、供給されるガスのリークを完全に防止することは難しく、僅かとはいえガスリークが起き得る。水素ガスは可燃性であるため、水素ガスのリークを放置することはできず、水素ガスリーク対策が種々提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００２−３６７６４８号公報

この特許公報では、燃料電池をケースに収容した上で、燃料電池からリークした水素ガスをケース内に留める。そして、軽量な水素ガスはケース内においてケース天井に集まることから、ケース天井にて水素ガス検知を行っている。

水素ガスリークは、その大半が、燃料電池のスタック周囲からケースの内部に漏れ出るよう起きると予想されるが、スタック内部、具体的にはセルに設けた流路間においても起き得る。つまり、セルには、水素ガス流路の他、燃料電池冷却のための冷媒流路や空気流路が形成されており、水素ガス流路から冷媒流路や空気流路への水素ガスリークも起き得る。冷媒は燃料電池に繋がった冷媒管路を経て外部に持ち出されるため、冷媒流路にリークした水素ガスはケース内には留まらない。このため、冷媒流路への水素ガスリークを検知できないのが現状であった。

本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池システムにおける新たな水素ガスリークの検知手法を提供することをその目的とする。

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。

[適用：燃料電池システム]
水素ガスと酸素含有ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池を収容するケースと、
前記燃料電池を冷却するための冷媒を前記燃料電池に供給する冷媒管路と、
前記ケース内において前記冷媒管路から分岐して配設され、冷媒温度の変化による冷媒容積変化を吸収するために冷媒流出入を起こす捕捉室と該捕捉室の内外を連通して通気を行う通気孔とを有する冷媒リザーバタンクとを備える
ことを要旨とする。

上記構成の燃料電池システムでは、冷媒管路への水素ガスリークを想定している。つまり、燃料電池スタックにおけるセルの冷媒流路にリークした水素ガスは、冷媒と共に冷媒管路を流れる。そして、冷媒管路を流れるリーク水素ガスは、冷媒管路から分岐して配設された冷媒リザーバタンクの捕捉室に冷媒と共に入り込む。この捕捉室には通気孔が形成されているので、捕捉室に入り込んだリーク水素ガスは、通気孔から外部に放出される。この捕捉室を有する冷媒リザーバタンクは、燃料電池を収容するケースの内部に配設されているので、通気孔から放出されたリーク水素ガスは、当然にケース内に留まる。この結果、燃料電池を収容するケースに水素検知センサを設けることで、そのセンサ出力により、冷媒管路への水素ガスリークを検知でき、こうした水素リークへの対処を図ることが可能となる。

上記した燃料電池システムは、次のような態様とすることができる。例えば、前記冷媒リザーバタンクを前記ケースの天井側に配設するようにできる。通常、水素検知センサは、水素が軽量ガスであることを考慮してケース天井側に設置されることが多い。よって、上記のように冷媒リザーバタンクをケース天井側に配設すれば、通気孔を経て捕捉室から放出された水素ガスがより速やかにケース天井に達するので、センサによる速やかな水素検知の上から好ましい。

また、前記冷媒管路から前記冷媒リザーバタンクに到るまでの冷媒分岐管路を、前記冷媒管路側ほど大径のテーパ状管路とすることができる。こうすれば、冷媒管路と冷媒分岐管路との連通径が大きくなり、冷媒と一緒に流れている水素ガスを効率よく冷媒分岐管路から冷媒リザーバタンクの捕捉室に導くことができる。よって、冷媒からのリーク水素ガスの分離効率が高まり、結果的にケースでの水素検知の実効性も高まる。

また、前記冷媒リザーバタンクを前記燃料電池から前記冷媒が流れ出る冷媒排出管路に分岐して配設することもできる。水素ガスリークは燃料電池にて起きるので、上記のように冷媒リザーバタンクを配設すれば、燃料電池から流れ出た当初において、冷媒からリーク水素ガスを分離できる。通常、冷媒は循環管路の冷媒管路を流れるが、上記のように冷媒リザーバタンクを配設すれば、リーク水素ガスを冷媒と共に不用意に循環させないようにできる。

また、前記冷媒排出管路を前記燃料電池との接続箇所から上昇傾斜して配設した上で、前記冷媒リザーバタンクを前記上昇傾斜した前記冷媒排出管路から分岐して配設することもできる。こうすれば、次の利点がある。まず、冷媒排出管路と冷媒リザーバタンクに到る冷媒分岐管路との連通箇所では、冷媒排出管路が傾斜している分だけ連通径は大きくなる。その一方、リーク水素ガスが冷媒と共に冷媒管路を流れる際、リーク水素ガスは管路内壁の高い側を流れる。よって、上昇傾斜した冷媒排出管路をリーク水素ガスが冷媒と共に流れる状況では、上昇傾斜した冷媒排出管路に沿って当該管路内壁の高い側を流れて、連通径の大きな連通箇所から冷媒分岐管路に入り込む。しかも、リーク水素ガスには、上昇傾斜した管路に沿って上向きの力が働く。この結果、冷媒と一緒に流れている水素ガスを効率よく冷媒分岐管路から冷媒リザーバタンクの捕捉室に導くことができ、これを通した冷媒からのリーク水素ガスの分離効率の向上や、ケースでの水素検知の実効性の向上を図ることができる。

また、前記燃料電池への前記酸素含有ガスの供給管路と前記燃料電池からの前記酸素含有ガスの排気管路とを有する酸素含有ガス供給系において、前記ケース内における前記排気管路に、管路を通過する水素ガスを分離して管路外に放出する水素ガス分離機器を設けるようにすることもできる。こうすれば、燃料電池スタックにおけるセルの酸素含有ガスの流路に水素ガスがリークした場合についても、そのリーク水素ガスを排気管路からケースに放出するので、このリーク水素ガスの検知も可能となる。

この場合、前記水素ガス分離機器を前記ケースの天井側に配設すれば、水素ガス分離機器で分離した水素ガスは速やかにケース天井に達するので、ケース天井のセンサでの検知精度が高まる。

また、前記ケース内の水素ガスを検知する水素検知センサをケース上端側に設けた上で、該水素検知センサにて前記ケース内の水素検知がなされると、リーク対処手段により、水素ガスリークに対応した機器制御を行うようにすることもできる。こうすれば、水素検知当初、或いは検知濃度が低い場合には、ランプや音声発生機器の制御を経て水素リークが起きたことを報知でき、水素ガスリークの原因究明とその回復と言った対処を図ることができる。検知濃度が高い場合には、水素ガスの供給に関与する機器、例えば開閉バルブの閉弁制御を行って、水素ガスリークが起きた状態での燃料電池運転を停止すると行った対処を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。

図示するように、燃料電池システム１０は、発電単位セルを対向するエンドプレート間に積層させたスタック構造の燃料電池２０を、電池ケース３０に台座３２にて固定して備える。発電単位セルは、水素ガスと酸素含有ガス（空気）の供給を受け、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。この発電単位セルは、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノードおよびカソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成されている。

この他、燃料電池システム１０は、燃料電池２０の冷却のための冷却系と、水素ガス供給のための水素ガス供給系と、空気供給のための空気供給系とを備える。冷却系は、ケース外部から燃料電池２０に冷媒を導く冷媒導入管路４０と、燃料電池２０を通過した冷媒をケース外部に排出する冷媒排出管路４２と、冷媒リザーバタンク５０とを備え、冷媒導入管路４０と冷媒排出管路４２を経て電池ケース３０の内部の燃料電池２０に冷媒を循環供給する。冷却系は、図示しないラジエータを冷媒導入管路４０と冷媒排出管路４２との間に組み込み、図示しない循環ポンプによって冷媒を循環させ、この冷媒循環により燃料電池２０を冷却する。この場合、冷媒排出管路４２は、電池ケース３０の内部において高所側に位置するため、冷媒は燃料電池２０の図示しない冷媒流路に低所側から入り込み、高所側の冷媒排出管路４２から排出される。

冷媒リザーバタンク５０は、この冷媒排出管路４２と冷媒分岐管路６０にて連通され、冷媒温度の変化による冷媒容積変化を吸収する。この容積変化吸収のため、冷媒リザーバタンク５０は、冷媒温度に応じて冷媒分岐管路６０を経て冷媒流出入を起こす捕捉室５２と、捕捉室内外を連通してエア通気を行う小径の通気孔５４とを備え、捕捉室５２に流入したガスを電池ケース３０内に放出する。通気孔５４は、捕捉室５２の天井壁側に形成されている。冷媒系は、通気孔５４を有する冷媒リザーバタンク５０を冷媒排出管路４２に分岐・配設していることもあり、冷媒圧送に際しては、捕捉室５２の冷媒液面に係る大気圧との関係を考慮して循環ポンプ圧が調整されている。つまり、この循環ポンプ圧で循環ポンプにより冷媒循環を図っても、冷媒リザーバタンク５０の通気孔５４からは冷媒が外に出ないようにされている。

水素ガス供給系は、図示しない水素ガス供給源、例えば、高圧水素を貯蔵した水素タンクから燃料ガスとしての水素を燃料電池２０に導く水素導入管路７０と、燃料電池２０で未消費の水素を排出する水素オフガス管路７２とを備え、負荷要求に応じて水素を燃料電池２０に供給する。空気供給系は、図示しないコンプレッサによって圧縮された圧縮空気を燃料電池２０に導く空気導入管路８０と、燃料電池２０で未消費の空気を排出する空気オフガス管路８２と、この空気オフガス管路８２の管路に設置された水素分離機器８４とを備え、負荷要求に応じて空気を燃料電池２０に供給する。この場合、空気オフガス管路８２は、電池ケース３０の内部において高所側に位置する。水素分離機器８４は、水素分離膜をガス通過面に備え、空気オフガス中に含まれる水素を水素分離膜で分離した上で、排気孔８６から分離済み水素を電池ケース３０内に放出する。

この他、燃料電池システム１０は、電池ケース３０の天井外壁に水素検知センサ９０を備え、当該センサは、検知部９２をケース天井内壁に露出させている。

燃料電池システム１０の運転は、制御ユニット１００によって制御される。制御ユニット１００は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、水素供給系や空気供給系における各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。こうした制御により、燃料電池システム１０への既述したような水素および酸素の供給が行われて燃料電池２０は発電し、その電力が外部の負荷に供給される。また、制御ユニット１００は、水素検知センサ９０からの出力を受け取り、水素検知センサ９０が検出した水素濃度に応じて、警告灯１１０の点滅制御や、水素供給系における管路開閉バルブ１２０の開閉制御を行う。この場合、警告灯１１０は低水素濃度の際に点灯制御され、この警告灯１１０の点灯を受けて、保守要員による原因究明やリーク回避等の処置が可能となる。また、管路開閉バルブ１２０は、水素濃度の急激な上昇推移の際、或いは所定水素濃度まで水素濃度が高まると閉弁制御されるので、燃料電池２０の運転停止処置をとることもできる。

上記構成を有する本実施例の燃料電池システム１０では、スタック構造の燃料電池２０を電池ケース３０に収容していることから、燃料電池２０のスタック周囲からリークした水素ガスを電池ケース３０に留める。このスタック周囲からのリーク水素ガスは、軽量であるために電池ケース３０の天井側に上昇し、水素検知センサ９０の検知部９２にて検知される。この他、本実施例の燃料電池システム１０は、次のような水素ガスリークにも対応できる。

燃料電池２０のセル内において、水素ガスが冷媒流路にリークすると、そのリーク水素ガスは、冷媒と共に流れて燃料電池２０を通過し、電池外においては、冷媒排出管路４２を流れる。そして、冷媒排出管路４２を流れるリーク水素ガスは、冷媒排出管路４２から冷媒分岐管路６０を介して分岐・配設された冷媒リザーバタンク５０の捕捉室５２に冷媒と共に入り込む。この捕捉室５２には通気孔５４が形成されているので、捕捉室５２に入り込んだリーク水素ガスは、通気孔５４から外部に放出される。捕捉室５２を有する冷媒リザーバタンク５０は、燃料電池２０を収容する電池ケース３０の内部に配設されているので、通気孔５４から放出された水素ガスは、当然にケース内に留まる。しかも、通気孔５４は、捕捉室５２の天井に位置することから、空気より軽量の水素ガスは捕捉室５２の天井壁に達した後、速やかに電池ケース３０に放出されて電池ケース３０に留まる。この結果、本実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池２０を収容する電池ケース３０に設けた水素検知センサ９０により、セル内の冷媒流路への水素ガスリークを、冷媒排出管路４２に設けた冷媒リザーバタンク５０の通気孔５４から水素ガス放出を経て確実に検知できる。そして、本実施例では、水素検知センサ９０により水素リークを検知すると、制御ユニット１００による警告灯１１０の点灯制御を経た水素リーク報知や、管路開閉バルブ１２０の閉弁制御を経た水素供給停止と言った水素リークへの対処を図ることができる。

また、本実施例の燃料電池システム１０では、冷媒リザーバタンク５０を電池ケース３０の天井側に配設したので、冷媒リザーバタンク５０の通気孔５４とケース天井、延いてはケース天井の水素検知センサ９０とは近接する。よって、冷媒リザーバタンク５０の通気孔５４を経て捕捉室５２から放出された水素ガスはより速やかにケース天井に達して水素検知センサ９０にて検知されるので、センサによる速やかな水素検知の上から好ましい。

また、本実施例の燃料電池システム１０では、冷媒リザーバタンク５０を、燃料電池２０から冷媒が流れ出る側の冷媒排出管路４２に分岐・配設したので、リーク水素ガスが冷媒と共に燃料電池２０から流れ出た当初において、冷媒からリーク水素ガスを分離できる。このため、図示しないラジエータを冷媒導入管路４０と冷媒排出管路４２との間に組み込んで冷媒を循環させるに当たり、リーク水素ガスを冷媒と共に不用意に循環させないようにできる。このため、循環経路における各所、例えば、ラジエータと管路との繋ぎ箇所等における水素リークを防止できる。

また、本実施例の燃料電池システム１０では、空気供給系においても、その空気オフガス管路８２に水素分離機器８４を設け、当該分離機器が有する水素分離膜にて、空気オフガス中に含まれる水素を水素分離膜で分離した上で、排気孔８６から電池ケース３０内に水素を放出する。しかも、空気オフガス管路８２が電池ケース３０の内部において高所側に位置することから、排気孔８６からの水素放出もケース天井に近い側で行われる。よって、燃料電池２０のセル内において空気流路に水素ガスがリークすると、そのリーク水素ガスは、空気オフガス管路８２の水素分離機器８４から電池ケース３０の内部に放出されるので、このリーク水素ガスについても水素検知センサ９０にて検知できる。

次に、変形例について説明する。図２は変形例の燃料電池システム１０Ａの要部を概略的に示す説明図である。図示するように、この変形例の燃料電池システム１０Ａは、冷媒排出管路４２に冷媒リザーバタンク５０を分岐・配設するに当たり、テーパ状の管路を有する冷媒分岐管路６０Ａを用いた点に特徴がある。この冷媒分岐管路６０Ａは、冷媒リザーバタンク５０に到るまでの分岐管路を、冷媒排出管路４２の側ほど大径なテーパ状管路を備える。よって、この冷媒分岐管路６０Ａでは、冷媒排出管路４２と分岐管路との連通箇所６２Ａの連通径は大きくなるので、冷媒と一緒に燃料電池２０から冷媒排出管路４２に流れている水素ガスを効率よくこの冷媒分岐管路６０Ａから冷媒リザーバタンク５０の捕捉室５２に導くことができる。この結果、冷媒からのリーク水素ガスの分離効率が高まり、結果的に電池ケース３０での水素検知の実効性も高まる。なお、連通箇所の連通径が大きなままの直管状の分岐管路とする場合に比べ、テーパ状の管路壁に沿って上昇する間に水素ガスの泡の合体が起き得るので、通気孔５４からは水素ガスが一気に放出されると予想される。

図３はまた別の変形例の燃料電池システム１０Ｂの要部を概略的に示す説明図である。図示するように、この変形例の燃料電池システム１０Ｂは、燃料電池２０の側において冷媒排出管路４２が上昇経路を取る点に特徴がある。この冷媒排出管路４２は、燃料電池２０から電池ケース３０の外に延びるに当たり、燃料電池２０との接続箇所から上昇傾斜した傾斜管路４２Ｓを備え、この傾斜管路４２Ｓの管路途中から冷媒分岐管路６０にて冷媒リザーバタンク５０を分岐・配設させている。よって、傾斜管路４２Ｓと冷媒分岐管路６０との連通箇所６２Ａでは、傾斜管路４２Ｓが傾斜している分だけ連通径は大きくなる。なお、図においては、傾斜管路４２Ｓのほぼ中央に冷媒分岐管路６０を設けているが、傾斜管路４２Ｓの上昇端とすることもできる。

この変形例では、燃料電池２０から冷媒と一緒に冷媒排出管路４２に流れ込んだリーク水素ガスは、管路内壁の高い側を流れて傾斜管路４２Ｓに到り、この傾斜した傾斜管路４２Ｓの管路内壁の高い側を流れる。このように傾斜管路４２Ｓに冷媒とリーク水素ガスが流れ込むと、その流れの向きが斜め上向きとなるので、傾斜管路４２Ｓの管路内壁の高い側を流れるリーク水素ガスにあってもこの力が働く。この結果、上昇傾斜管路への連通に基づいて連通箇所の連通径が大きくなったことと相まって、冷媒と一緒に流れるリーク水素ガスを効率よく冷媒分岐管路６０から冷媒リザーバタンク５０の捕捉室５２に導くことができる。よって、冷媒からのリーク水素ガスの分離効率の向上や、電池ケース３０での水素検知の実効性の向上に寄与できる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、水素検知センサ９０を、電池ケース３０の天井中央箇所と冷媒リザーバタンク５０の上部に当たるケース天井とに設ければ、水素検知センサの位置によって、冷媒排出管路４２への水素ガスリークの有無を区別することができる。よって、水素ガスリークの原因究明とその対処が簡便となる。冷媒リザーバタンク５０における捕捉室５２の天井壁に水素検知センサを設けた場合も同様である。また、通気孔５４を、液体の通過は起こさず気体のみの通過を起こす液密な透孔とすることもできる。

本発明の実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。 変形例の燃料電池システム１０Ａの要部を概略的に示す説明図である。 また別の変形例の燃料電池システム１０Ｂの要部を概略的に示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム
１０Ａ…燃料電池システム
１０Ｂ…燃料電池システム
２０…燃料電池
３０…電池ケース
３２…台座
４０…冷媒導入管路
４２…冷媒排出管路
４２Ｓ…傾斜管路
５０…冷媒リザーバタンク
５２…捕捉室
５４…通気孔
６０…冷媒分岐管路
６０Ａ…冷媒分岐管路
６２Ａ…連通箇所
７０…水素導入管路
７２…水素オフガス管路
８０…空気導入管路
８２…空気オフガス管路
８４…水素分離機器
８６…排気孔
９０…水素検知センサ
９２…検知部
１００…制御ユニット
１１０…警告灯
１２０…管路開閉バルブ

Claims (8)

1. 水素ガスと酸素含有ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池を収容するケースと、
   前記燃料電池を冷却するための冷媒を前記燃料電池に供給する冷媒管路と、
   前記ケース内において前記冷媒管路から分岐して配設され、冷媒温度の変化による冷媒容積変化を吸収するために冷媒流出入を起こす捕捉室と該捕捉室の内外を連通して通気を行う通気孔とを有する冷媒リザーバタンクとを備える
   燃料電池システム。
2. 前記冷媒リザーバタンクは、前記ケースの天井側に配設されている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記冷媒管路から前記冷媒リザーバタンクに到るまでの冷媒分岐管路は、前記冷媒管路側ほど大径のテーパ状管路とされている請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記冷媒リザーバタンクは、前記燃料電池から前記冷媒が流れ出る冷媒排出管路に分岐して配設されている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記冷媒排出管路は、前記燃料電池との接続箇所から上昇傾斜して配設され、前記冷媒リザーバタンクは、前記上昇傾斜した前記冷媒排出管路から分岐して配設されている請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池への前記酸素含有ガスの供給管路と前記燃料電池からの前記酸素含有ガスの排気管路とを有する酸素含有ガス供給系を備え、
   該酸素含有ガス供給系は、前記ケース内における前記排気管路に、管路を通過する水素ガスを分離して管路外に放出する水素ガス分離機器を有する燃料電池システム。
7. 前記水素ガス分離機器は、前記ケースの天井側に配設されている請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記ケース内の水素ガスをケース上端側で検知する水素検知センサと、
   該水素検知センサにて前記ケース内の水素検知がなされると、水素ガスリークに対応した機器制御を行うリーク対処手段とを備える
   燃料電池システム。

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