JP2010123270A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池からの流体の漏出を速やかに検知しつつ漏出した流体を速やかに特定することができる技術を提供する。
【解決手段】反応ガス及び冷却用の熱媒体が供給される燃料電池スタックと、燃料電池スタックを密閉状態で囲うケースと、燃料電池スタックとケースとの間隙のガス圧力を測定する圧力測定手段と、を備え、燃料電池スタックとケースとの間隙に不活性ガスを封入し、該不活性ガスの封入時の圧力を反応ガスの圧力と熱媒体の圧力との間の圧力とし、圧力測定手段により測定される圧力の変化により反応ガス又は熱媒体の漏出を判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池に供給される反応ガスや熱媒体等の漏出を検知するために例えば水素を検知するセンサや、熱媒体を検知するセンサを取り付けることがある。ここで、水素は漏出してもあまり拡散せずに上昇するため、漏出箇所の上方にセンサが設置されていなくては、漏出を早期に検知することができない。そのため装置の上方に複数のセンサを設置するか、または、センサの方向へ水素を導くような構造を採用する必要がある。また、熱媒体を検知する場合にも、熱媒体がセンサに連続的に接していなくては検知できないため、ある程度漏出が進んでから検知されることになる。

ここで、ガス管を包み込むように容器を密閉状態で取り付け、容器とガス管との間に液体若しくは気体を所定圧力で封入し、該液体若しくは気体の圧力変化を検知することでガス漏れを検知する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、燃料電池では複数の流体が供給されるため、どの箇所において何が漏出しているのか特定する必要がある。単なる圧力変化では、この特定が困難である。
実開昭６２−１４５１３２号公報 特開２００５−２２１３４８号公報 特開２００２−５４８００号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池からの流体の漏出を速やかに検知しつつ漏出した流体を速やかに特定することができる技術を提供することにある。

上記課題を達成するために本発明による燃料電池システムは、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による燃料電池システムは、
反応ガス及び冷却用の熱媒体が供給される燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを密閉状態で囲うケースと、
前記燃料電池スタックと前記ケースとの間隙のガス圧力を測定する圧力測定手段と、
を備え、
前記燃料電池スタックと前記ケースとの間隙に不活性ガスを封入し、該不活性ガスの封入時の圧力を反応ガスの圧力と熱媒体の圧力との間の圧力とし、前記圧力測定手段により測定される圧力の変化により前記反応ガス又は前記熱媒体の漏出を判定することを特徴とする。

反応ガスには、燃料ガス（水素等）及び酸化ガス（空気等）が含まれる。熱媒体には、冷却水が含まれる。燃料電池スタックとケースとの間隙には、通常、反応ガス及び熱媒体が入り込まない構造とする。つまり、燃料電池スタックとケースとの間隙に反応ガスまたは熱媒体が入り込んだ場合には、燃料電池スタックから該反応ガスまたは熱媒体が漏出していることになる。

反応ガスまたは熱媒体が漏出すると、不活性ガスの圧力が変化する。つまり、反応ガス
または熱媒体で圧力の高いほうが漏出すると、不活性ガスの圧力が上昇する。また、反応ガスまたは熱媒体で圧力の低いほうが漏出すると、不活性ガスの圧力が下降する。このときには、燃料電池スタック内に不活性ガスが進入し得る。

つまり、ケース内に不活性ガスを封入するときの圧力を、反応ガスの圧力と熱媒体の圧力との間の圧力とすることにより、該不活性ガスの圧力が変化したときには、反応ガスまたは熱媒体の何れが漏出しているのか判定できる。

また、封入するガスを不活性ガスとすることにより、該不活性ガスが燃料電池スタック内に進入しても、該燃料電池スタック内にて反応することがない。

ここで、反応ガスと熱媒体との圧力を異ならせることにより、何れが漏出しているか判定することができる。

すなわち、本発明においては、前記反応ガスの圧力よりも前記熱媒体の圧力が低い場合であって、前記不活性ガスの圧力が該不活性ガスの封入時の圧力から下降した場合には、前記熱媒体が漏出していると判定することができる。

つまり、反応ガスの圧力が熱媒体の圧力よりも高い場合には、不活性ガスの圧力が熱媒体の圧力よりも高くなる。そのため、熱媒体が漏出し得る場合には、不活性ガスの圧力が下降し、熱媒体の圧力が上昇する。つまり、不活性ガスの圧力が下降した場合には、熱媒体が漏出していると判定することができる。なお、熱媒体が漏出する前に不活性ガスが熱媒体側へ流入する場合にも熱媒体が漏出していると判定している。また、熱媒体よりも不活性ガスの圧力が高いため、熱媒体の漏出を抑制することができる。

また、本発明においては、前記反応ガスの圧力よりも前記熱媒体の圧力が低い場合であって、前記不活性ガスの圧力が該不活性ガスの封入時の圧力から上昇した場合には、前記反応ガスが漏出していると判定することができる。

つまり、反応ガスの圧力が熱媒体の圧力よりも低い場合には、不活性ガスの圧力が反応ガスの圧力よりも低くなる。そのため、反応ガスが漏出し得る場合には、不活性ガスの圧力が上昇し、反応ガスの圧力が下降する。つまり、不活性ガスの圧力が上昇した場合には、反応ガスが漏出していると判定することができる。なお、不活性ガスが反応ガス側へ流入する場合にも反応ガスが漏出していると判定している。

さらに本発明においては、水素を検知する水素検知手段を備え、前記不活性ガスの圧力が該不活性ガスの封入時の圧力から上昇したのにもかかわらず水素検知手段により水素が検知されない場合には、カソード側から反応ガスが漏出していると判定することができる。

つまり、不活性ガスの圧力が上昇したため、反応ガスが漏出していると判定可能である。そして、カソード側またはアノード側の何れからガスが漏出しているのかは、ガスの成分に基づいて判定している。つまり、カソード側で漏出していれば、水素が漏出することがないため、水素検知手段により水素は検知されない。なお、水素が検知された場合には、アノード側で漏出していると判定しても良い。

本発明によれば、燃料電池からの流体の漏出を速やかに検知しつつ漏出した流体を速やかに特定することができる。

以下、本発明に係る燃料電池システムの具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る燃料電池システム１の概略構成を示す図である。本実施例では、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）を例に挙げて説明する。

本実施例に係る燃料電池システム１は、燃料極、固体高分子膜、および空気極を導電板で挟んだ単セルを複数積層して構成される燃料電池スタック２を備えている。燃料極には例えば水素が供給される。空気極には空気が供給される。

燃料電池スタック２は、ケース３内に収納されている。このケース３は燃料電池を収納した状態で密閉される。ケース３の壁面を貫通して燃料電池スタック２へ燃料パイプ４、空気パイプ５、冷却水パイプ６が接続されている。夫々のパイプには、供給側とリターン側とが存在するが、本実施例では供給側のみを図示している。

燃料パイプ４は燃料極に通じており、該燃料パイプ４には水素が流通している。空気パイプ５は空気極に通じており、該空気パイプ５には空気が流通している。冷却水パイプ６は燃料電池スタック２内に複数存在する冷却水通路に通じており、該冷却水パイプ６には冷却水が流通し、該冷却水が燃料電池スタック２内で熱を奪う。なお、本実施例では水素及び空気が、本発明における反応ガスに相当する。また、本実施例では冷却水が、本発明における熱媒体に相当する。

ケース３と燃料電池スタック２との間の少なくとも一部には、空間が設けられ、該空間に不活性ガスが封入される。なお、ケース３と燃料電池スタック２とが一部で接していても良い。そして、ケース３には、該ケース３内の不活性ガスの圧力を測定する圧力センサ７が取り付けられている。なお、本実施例では圧力センサ７が、本発明における圧力測定手段に相当する。

不活性ガスを封入する際には、不活性ガスの圧力が燃料パイプ４及び空気パイプ５内の圧力よりも低くなるように且つ冷却水パイプ６内の圧力よりも高くなるように、夫々の圧力が設定される。つまり、燃料パイプ４及び空気パイプ５内の圧力が最も高く、冷却水パイプ６内の圧力が最も低くなるように設定される。

以上述べたように構成された燃料電池システムには、該燃料電池システムを制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０１０が併設されている。このＥＣＵ１０１０には、圧力センサ７が電気配線を介して接続され、該圧力センサ７の出力信号がＥＣＵ１０１０に入力されるようになっている。

そして本実施例では、圧力センサ７により得られる不活性ガスの圧力に基づいて、燃料電池スタック２からの燃料、空気、及び冷却水の漏出を判定する。

ここで、ケース３内の不活性ガスの圧力は、燃料電池スタック２内の燃料及び空気の圧力よりも低いため、燃料電池スタック２から燃料または空気が漏出すると、燃料または空気が不活性ガス側に進入して不活性ガスの圧力が上昇する。この圧力の上昇を圧力センサ７により検知すれば、燃料又は空気が漏出していると判定することができる。

また、ケース３内の不活性ガスの圧力は、燃料電池スタック２内の冷却水の圧力よりも高いため、燃料電池スタック２から冷却水が漏出すると、不活性ガスが燃料電池スタック
２内の冷却水通路側に進入して不活性ガスの圧力が下降する。この圧力の下降を圧力センサ７により検知すれば、冷却水の漏出を検知することができる。また、冷却水の漏出を、不活性ガスの圧力により抑制することもできる。

なお、ケース３と燃料電池スタック２との間隙を可及的に小さくすることにより、不活性ガスの圧力の変化が検知し易くなるため、燃料等の漏出の判定精度を向上させることができる。

ここで図２は、不活性ガスの圧力の推移を示したタイムチャートである。Ａで示される時刻から漏出が始まっている。実線は漏出がない場合、破線は冷却水が漏出した場合、一点鎖線は燃料または空気が漏出した場合を夫々示している。

図２に示した夫々の線の傾き（つまり、不活性ガスの圧力の変化率）から、漏出量を算出することもできる。つまり、不活性ガスの圧力の変化率が大きいほど、単位時間当たりの漏出量は多くなる。不活性ガスの圧力の変化率と単位時間当たりの漏出量との関係は、ケース３の容積等により変わる。この関係は予め実験等により求めておくことができる。そして、単位時間当たりの漏出量を積算することにより、総漏出量を得ることができる。

そして、単位時間当たりの漏出量が閾値を超えるか、または総漏出量が閾値を超える場合には、燃料電池システムを停止させるか、運転者に警告する等しても良い。逆に、漏出が少量である場合には、運転者に警告しつつも燃料電池システムを稼動させることもできる。

また、本実施例では、ケース３内の水素を検知する水素センサ８を備えていても良い。この水素センサ８は、水素が存在するか否かを検知するセンサであっても良く、水素濃度を測定するセンサであっても良い。この水素センサ８の出力信号はＥＣＵ１０に入力される。つまり、不活性ガスの圧力が上昇した場合には、燃料又は空気が漏出していると判定することができるが、水素センサ８を備えることにより燃料又は空気の何れが漏出しているのか特定することができる。燃料が漏出した場合には、水素センサ８で水素が検知されるが、空気が漏出した場合には、水素センサ８で水素は検知されない。なお、本実施例では水素センサ８が、本発明における水素検知手段に相当する。

次に図３は、本実施例に係る漏出判定のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、不活性ガスの圧力が読み込まれる。

ステップＳ１０２では、前回読み込まれた不活性ガスの圧力と、今回読み込まれた不活性ガスの圧力に差があるか否か判定される。つまり、不活性ガスの圧力が変化したか否か判定される。このときには、誤差等を考慮して、圧力差が閾値以上であるか否か判定しても良い。また、予め封入されているガスの圧力の初期値（つまり封入時の圧力）と比較しても良い。ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、否定判定がなされた場合には燃料電池スタック２からの漏出はないため本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０３では、不活性ガスの圧力が上昇しているのか否か判定される。これは、反応ガスが漏出しているのか、冷却水が漏出しているのかを特定するための処理である。つまり、ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合には反応ガスが漏出しているばあいであり、ステップＳ１０４へ進む。またステップＳ１０３で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０７へ進み冷却水が漏出していると特定される。

ステップＳ１０４では、水素センサ８により水素が検知されたか否か判定している。これは、水素が漏出しているのか、空気が漏出しているのかを特定するための処理である。ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進み、水素が漏出していると特定される。また、ステップＳ１０４で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、空気が漏出していると判定される。

以上説明したように本実施例によれば、燃料電池スタック２を囲うケース３内の不活性ガスの圧力を測定することにより、燃料、空気、冷却水の漏出を判定することができる。

なお、本実施例では高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）を例に挙げて説明したが、他の形の燃料電池であっても適用することができる。また、反応ガスよりも冷却水の圧力が高い場合には、不活性ガスの圧力の上昇と下降との関係を逆に考えることにより適用することができる。反応ガスは、水素及び空気以外のものであっても良い。燃料には例えば都市ガス等を用いることもできる。冷却水は、他の冷媒またはオイルを用いることもできる。

実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。 不活性ガスの圧力の推移を示したタイムチャートである。 実施例に係る漏出判定のフローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ ケース
４ 燃料パイプ
５ 空気パイプ
６ 冷却水パイプ
７ 圧力センサ
８ 水素センサ
１０ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 反応ガス及び冷却用の熱媒体が供給される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを密閉状態で囲うケースと、
   前記燃料電池スタックと前記ケースとの間隙のガス圧力を測定する圧力測定手段と、
   を備え、
   前記燃料電池スタックと前記ケースとの間隙に不活性ガスを封入し、該不活性ガスの封入時の圧力を反応ガスの圧力と熱媒体の圧力との間の圧力とし、前記圧力測定手段により測定される圧力の変化により前記反応ガス又は前記熱媒体の漏出を判定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記反応ガスの圧力よりも前記熱媒体の圧力が低い場合であって、前記不活性ガスの圧力が該不活性ガスの封入時の圧力から下降した場合には、前記熱媒体が漏出していると判定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. 前記反応ガスの圧力よりも前記熱媒体の圧力が低い場合であって、前記不活性ガスの圧力が該不活性ガスの封入時の圧力から上昇した場合には、前記反応ガスが漏出していると判定す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。
4. 水素を検知する水素検知手段を備え、前記不活性ガスの圧力が該不活性ガスの封入時の圧力から上昇したのにもかかわらず水素検知手段により水素が検知されない場合には、カソード側から反応ガスが漏出していると判定す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。

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