JP2017157297A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池から収容室内への燃料ガスの漏出量を抑えることができる燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池車両１２のモータルーム２０内に配置された燃料電池スタック１８を備える。この燃料電池システム１０の運転方法では、燃料電池スタック１８からモータルーム２０内への水素ガスの漏れを検知する工程と、水素ガスの漏れが検知された場合に水素タンク１００の止め弁１０４及びインジェクタ１０６の少なくともいずれか一方を閉弁制御する工程と、止め弁１０４及びインジェクタ１０６の少なくともいずれか一方が閉弁制御された状態で燃料電池スタック１８の発電を継続する工程と、を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、車両の収容室内に配置され、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置とを備える燃料電池システム及びその運転方法に関する。

例えば、特許文献１には、燃料ガスの補給時に、燃料ガスタンクや燃料ガス補給路等に燃料ガスの漏れが検知された場合に、燃料ガスの補給を禁止して車両の起動を禁止する燃料電池自動車が開示されている。また、特許文献２には、モータルーム内に燃料電池を配設した電気自動車が開示されている。

特開２０１１−０９４６５２号公報 特開２００２−３７０５４４号公報

ところで、燃料電池システムを備えた車両では、特許文献２のようにモータルーム等の収容室内に燃料電池が配設されることがある。特許文献１には、このような車両において燃料電池から収容室内に燃料ガスが漏出した場合の対処について記載されていない。燃料電池から収容室内に燃料ガスが漏出した場合には、収容室内の燃料ガスの濃度が許容濃度を超えないように、燃料電池から収容室内への燃料ガスの漏出量を抑えることが必要である。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池から収容室内への燃料ガスの漏出量を抑えることができ、収容室内の燃料ガスの濃度が許容濃度を超えることを防止することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、車両の収容室内に配置され、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料ガス供給装置は、前記燃料ガスを貯留する燃料ガスタンクと、前記燃料ガスタンクの前記燃料ガスを前記燃料電池に導く燃料ガス供給路と、前記燃料ガスタンク内と前記燃料ガス供給路との連通を遮断する第１弁装置と、前記燃料ガス供給路に設けられた第２弁装置と、を有し、前記燃料電池システムは、前記燃料電池から前記収容室内への前記燃料ガスの漏れを検知する燃料ガス漏れ検知部と、前記燃料ガス漏れ検知部によって前記燃料ガスの漏れが検知された場合に前記第１弁装置及び前記第２弁装置の少なくともいずれか一方を閉弁制御する燃料ガス供給制御部と、前記燃料ガス供給制御部によって前記第１弁装置及び前記第２弁装置の少なくともいずれか一方が閉弁制御された状態で前記燃料電池の発電を継続する制御部と、をさらに備えることを特徴とする。

上記の構成を採用した本発明の燃料電池システムによれば、燃料ガス供給装置による燃料電池内の燃料ガス量が増加することを抑えつつ燃料電池内の燃料ガスを発電によって消費できる。これにより、燃料電池から収容室内への燃料ガスの漏出量を抑制できるので、収容室内の燃料ガスの濃度が許容濃度を超えることを防止することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給装置は、前記燃料電池から排出された使用後の前記燃料ガスである燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に導く循環流路と、前記燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に送り込む循環ポンプと、を有し、前記燃料ガス供給制御部は、前記燃料ガス漏れ検知部によって前記燃料ガスの漏れが検知された場合に前記循環ポンプを駆動させてもよい。

このような構成によれば、循環ポンプを駆動することにより、燃料電池に対する燃料ガスの循環量を確保できるので、燃料電池の発電を確実に継続できる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料ガス漏れ検知部によって前記燃料ガスの漏れが検知されていない場合に前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池に導かれる前記燃料ガスの流量に応じて前記燃料電池の発電量を制限し、前記燃料ガス漏れ検知部によって前記燃料ガスの漏れが検知された場合に前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池に導かれる前記燃料ガスの流量に応じた前記燃料電池の発電量の制限を解除してもよい。

このような構成によれば、燃料電池の発電量が制限されないので、燃料電池内の燃料ガスを迅速に消費することができる。これにより、燃料電池から収容室内への燃料ガスの漏出量を効率的に抑制できる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池のアノード流路の圧力を検出する圧力検出部を備え、前記制御部は、前記圧力検出部によって検出された圧力が閾値以上である場合に前記燃料電池の発電を継続してもよい。

このような構成によれば、アノード流路の圧力が閾値以上である場合に燃料電池の発電を継続するため、収容室内の燃料ガスの濃度が許容濃度を超えることを確実に防止できる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給装置は、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤ガス供給路を介して前記燃料電池に前記酸化剤ガスを送り込む供給ポンプと、を有し、前記燃料電池で発電した電力よりも消費電力の方が大きくなるような前記供給ポンプの回転数を下限値として設定する下限値設定部と、前記供給ポンプの回転数を前記下限値以上に制御する酸化剤ガス供給制御部と、を備えてもよい。

このような構成によれば、燃料電池で発電した電力を消費する負荷を供給ポンプによって確実に確保することができるので、燃料電池の発電を良好に継続できる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記収容室は、前記車両のモータルームであってもよい。

本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、車両の収容室内に配置され、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料ガス供給装置は、前記燃料ガスを貯留する燃料ガスタンクと、前記燃料ガスタンクの前記燃料ガスを前記燃料電池に導く燃料ガス供給路と、前記燃料ガスタンク内と前記燃料ガス供給路との連通を遮断する第１弁装置と、前記燃料ガス供給路に設けられた第２弁装置と、を有し、前記燃料電池から前記収容室内への前記燃料ガスの漏れを検知する燃料ガス漏れ検知工程と、前記燃料ガス漏れ検知工程によって前記燃料ガスの漏れが検知された場合に前記第１弁装置及び前記第２弁装置の少なくともいずれか一方を閉弁制御する弁制御工程と、前記弁制御工程によって前記第１弁装置及び前記第２弁装置の少なくともいずれか一方が閉弁制御された状態で前記燃料電池の発電を継続する発電継続工程と、を行うことを特徴とする。

このような燃料電池システムの運転方法によれば、上述した燃料電池システムと同様の作用効果を奏する。以下に示す燃料電池システムの運転方法についても同様である。

上記の燃料電池システムの運転方法において、前記燃料ガス供給装置は、前記燃料電池から排出された使用後の前記燃料ガスである燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に導く循環流路と、前記燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に送り込む循環ポンプと、を有し、前記燃料ガス漏れ検知工程によって前記燃料ガスの漏れが検知された場合に前記循環ポンプを駆動させるポンプ駆動工程を行ってもよい。

上記の燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池の発電量は、前記燃料ガス漏れ検知工程によって前記燃料ガスの漏れが検知されていない場合に前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池に導かれる前記燃料ガスの流量に応じて制限され、前記発電継続工程では、前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池に導かれる前記燃料ガスの流量に応じた前記燃料電池の発電量の制限を解除してもよい。

上記の燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池のアノード流路の燃料ガス圧力が閾値以上であるか否かを判定する圧力判定工程と、前記発電継続工程では、前記圧力判定工程によって前記燃料ガス圧力が前記閾値以上であると判定された場合に前記燃料電池の発電を継続してもよい。

上記の燃料電池システムの運転方法において、前記酸化剤ガス供給装置は、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤ガス供給路を介して前記燃料電池に前記酸化剤ガスを送り込む供給ポンプと、を有し、前記発電継続工程によって前記燃料電池で発電した電力よりも消費電力が大きくなるような前記供給ポンプの回転数を下限値として設定する下限値設定工程と、前記供給ポンプの回転数を前記下限値設定工程によって設定された下限値以上に制御する回転数制御工程と、を行ってもよい。

本発明によれば、燃料ガス検知部によって燃料ガスの漏れが検知された場合に、第１弁装置及び第２弁装置の少なくともいずれか一方を閉弁制御した状態で燃料電池の発電を継続するため、燃料電池から収容室内への燃料ガスの漏出量を抑えることができ、収容室内の燃料ガスの濃度が許容濃度を超えることを防止することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを備えた燃料電池車両の前方部分の概略斜視説明図である。 図１の燃料電池車両の概略平面説明図である。 図１の燃料電池システムを模式的に示した概略構成説明図である。 燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。 図４のフェールセーフ制御を説明するフローチャートである。 前記フェールセーフ制御を説明する第１のタイミングチャートである。 前記フェールセーフ制御を説明する第２のタイミングチャートである。

以下、本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１及び図２に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（車両）１２に搭載される。燃料電池車両１２は、前輪１４ａ及び後輪１４ｂを備えた車両本体１６を有する。車両本体１６の前輪１４ａ側には、燃料電池スタック１８を搭載するモータルーム（収容室）２０が、ダッシュボード２２の前方に形成される。

燃料電池スタック１８は、燃料電池スタック本体２３と、燃料電池スタック本体２３を収容するスタックケース２４とを有する。図３に示すように、燃料電池スタック本体２３は、複数の発電セル２５が水平方向又は鉛直方向に積層される。発電セル２５は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持する。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。

電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

第１セパレータ２８は、電解質膜・電極構造体２６との間に、アノード電極３４に水素ガスを導くための水素ガス流路（燃料ガス流路）３８を設ける。第２セパレータ３０は、電解質膜・電極構造体２６との間に、カソード電極３６に空気を供給するための空気流路（酸化剤ガス流路）４０を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４２が設けられる。

図１及び図２に示すように、スタックケース２４は、直方体形状に形成され、第１エンドプレート４４、第２エンドプレート４６、前方サイドパネル４８、後方サイドパネル５０、ローワーパネル５２及びアッパーパネル５４を備える。第１エンドプレート４４及び第２エンドプレート４６は、発電セル２５の積層方向の両端に設けられている。

図１〜図３に示すように、スタックケース２４には、水素ガス入口部５６ａ、水素ガス出口部５６ｂ、空気入口部５８ａ、空気出口部５８ｂ、冷却媒体入口部６０ａ及び冷却媒体出口部６０ｂが設けられている。なお、図３では、説明の便宜上、水素ガス入口部５６ａ、水素ガス出口部５６ｂ、空気入口部５８ａ、空気出口部５８ｂ、冷却媒体入口部６０ａ及び冷却媒体出口部６０ｂの位置関係を図１及び図２に示した位置関係に対して変更している。

図１及び図２において、水素ガス入口部５６ａ及び水素ガス出口部５６ｂは、第１エンドプレート４４の一方の対角位置に設けられる。水素ガス入口部５６ａの内孔は、各発電セル２５の積層方向に貫通する図示しない水素ガス入口連通孔に連通するとともに、水素ガス流路３８の供給側に連通する。水素ガス出口部５６ｂの内孔は、各発電セル２５の積層方向に貫通する図示しない水素ガス出口連通孔に連通するとともに、水素ガス流路３８の排出側に連通する。水素ガス流路３８、水素ガス入口連通孔及び水素ガス出口連通孔により、アノード流路が構成される。

空気入口部５８ａ及び空気出口部５８ｂは、第１エンドプレート４４の他方の対角位置に設けられる。空気入口部５８ａの内孔は、各発電セル２５の積層方向に貫通する図示しない空気入口連通孔に連通するとともに、空気流路４０の供給側に連通する。空気出口部５８ｂの内孔は、各発電セル２５の積層方向に貫通する図示しない空気出口連通孔に連通するとともに、空気流路４０の排出側に連通する。空気流路４０、空気入口連通孔及び空気出口連通孔により、カソード流路が構成される。

図２において、冷却媒体入口部６０ａ及び冷却媒体出口部６０ｂは、第２エンドプレート４６に設けられる。冷却媒体入口部６０ａの内孔は、各発電セル２５の積層方向に貫通する図示しない冷却媒体入口連通孔に連通するとともに、冷却媒体流路４２の供給側に連通する。冷却媒体出口部６０ｂの内孔は、各発電セル２５の積層方向に貫通する図示しない冷却媒体出口連通孔に連通するとともに、冷却媒体流路４２の排出側に連通する。

図１に示すように、ローワーパネル５２には、燃料電池スタック１８の発電によって生成した水を排水するための左側ドレイン管６２Ｌ及び右側ドレイン管６２Ｒが接続されている。右側ドレイン管６２Ｒ及び左側ドレイン管６２Ｌは、ローワーパネル５２の車両前後方向前方の位置で車幅方向に互いに離間するように設けられている。左側ドレイン管６２Ｌには第１水素ガスセンサ６４Ｌが設けられ、右側ドレイン管６２Ｒには第２水素ガスセンサ６４Ｒが設けられる。第１水素ガスセンサ６４Ｌ及び第２水素ガスセンサ６４Ｒは、燃料電池スタック１８（スタックケース２４内）からモータルーム２０内に漏出した水素ガスを検知するものである。後述する第３水素ガスセンサ８２Ｌ及び第４水素ガスセンサ８２Ｒについても同様である。

図１及び図２において、アッパーパネル５４には、燃料電池スタック本体２３からスタックケース２４内に漏れた水素ガスを外部に導出するための換気配管６８が接続されている。換気配管６８は、スタックケース２４と車両本体１６の左側フェンダー部（左側面）７０Ｌとを接続する２以上、例えば、２本の左側配管７２Ｌ、７４Ｌを備える。換気配管６８は、スタックケース２４と車両本体１６の右側フェンダー部（右側面）７０Ｒとを接続する２以上、例えば、２本の右側配管７２Ｒ、７４Ｒを備える。左側配管７２Ｌの途上と右側配管７２Ｒの途上とには、スタックケース２４から独立（スタックケース２４の外部に露呈）したバイパス配管７６の両端が接続される。

左側配管７２Ｌ、７４Ｌの一端部は、アッパーパネル５４の左側の角部に接続されるとともに、前記左側配管７２Ｌ、７４Ｌの他端部は、左側合流部７８Ｌで合流し、単一の左側排気ダクト８０Ｌとして左側フェンダー部７０Ｌに接続される。左側合流部７８Ｌには、第３水素ガスセンサ８２Ｌが設けられる。

右側配管７２Ｒ、７４Ｒの一端部は、アッパーパネル５４の右側の角部に接続されるとともに、前記右側配管７２Ｒ、７４Ｒの他端部は、右側合流部７８Ｒで合流し、単一の右側排気ダクト８０Ｒとして右側フェンダー部７０Ｒに接続される。右側合流部７８Ｒには、第４水素ガスセンサ８２Ｒが設けられる。

左側フェンダー部７０Ｌには、左側チャンバ部材８４Ｌが設けられるとともに、前記左側チャンバ部材８４Ｌの外方開口部８６Ｌには、メッシュ部材８８Ｌが設けられる。右側フェンダー部７０Ｒには、右側チャンバ部材８４Ｒが設けられるとともに、前記右側チャンバ部材８４Ｒの外方開口部８６Ｒには、メッシュ部材８８Ｒが設けられる。

図３に示すように、燃料電池スタック１８には、燃料ガスである、例えば、水素ガスを供給する燃料ガス供給装置９０と、酸化剤ガスである、例えば、空気を供給する酸化剤ガス供給装置９２と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置９４が設けられる。燃料電池システム１０は、さらにエネルギ貯蔵装置であるバッテリ９６と、システム制御装置である制御部９８とを備える。

燃料ガス供給装置９０は、高圧水素を貯留する水素タンク（燃料ガスタンク）１００を備え、この水素タンク１００は、水素ガス供給路（燃料ガス供給路）１０２を介して水素ガス入口部５６ａに接続する。水素ガス供給路１０２は、燃料電池スタック１８に水素ガスを供給する。水素タンク１００には、水素タンク１００内と水素ガス供給路１０２との連通を遮断する第１弁装置としての止め弁（開閉弁）１０４が設けられている。

水素ガス供給路１０２には、インジェクタ１０６及びエゼクタ１０８が直列に設けられる。インジェクタ１０６は、燃料電池スタック１８に導かれる水素ガスの流量を調整可能な弁装置（第２弁装置）として構成されている。

水素ガス出口部５６ｂには、水素ガス排出路（オフガス配管）１１４が接続する。水素ガス排出路１１４は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された水素ガスである水素排ガス（燃料排ガス）を、燃料電池スタック１８から導出する。水素ガス排出路１１４には、気液分離器１１６が接続されるとともに、前記気液分離器１１６の下流から分岐する水素循環流路（循環流路）１１８を介してエゼクタ１０８が接続される。水素循環流路１１８には、水素ポンプ（循環ポンプ）１２０が設けられる。水素ポンプ１２０は、特に始動時に、水素ガス排出路１１４に排出された水素排ガスを、水素循環流路１１８を通って水素ガス供給路１０２に循環させる。

水素ガス排出路１１４の下流には、パージ流路１２２の一端が連通するとともに、前記パージ流路１２２の途上には、パージ弁１２４が設けられる。気液分離器１１６の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路１２６の一端が接続される。排水流路１２６の途上には、ドレイン弁１２８が配設される。燃料ガス供給装置９０は、アノード流路の水素ガス圧力（燃料ガス圧力）を検出するために、例えば、水素ガス供給路１０２に水素ガス入口部５６ａの近傍に位置した圧力センサ（圧力検出部）１３０を備え、前記圧力センサ１３０の検出信号が制御部９８に送られる。

酸化剤ガス供給装置９２は、空気入口部５８ａに接続する空気供給路（酸化剤ガス供給路）１３２と、空気出口部５８ｂに連通する空気排出路１３４とを備える。空気供給路１３２の途上には、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ（供給ポンプ）１３６が配設される。空気供給路１３２は、燃料電池スタック１８に空気を導入し、空気排出路１３４は、カソード電極３６で少なくとも一部が使用された空気である排出空気を、燃料電池スタック１８から排出する。

冷却媒体供給装置９４は、冷却媒体入口部６０ａに接続される冷却媒体供給路１３８を備え、前記冷却媒体供給路１３８の途上には、水ポンプ１４０が配置される。冷却媒体供給路１３８は、ラジエータ１４２に接続されるとともに、前記ラジエータ１４２には、冷却媒体出口部６０ｂに連通する冷却媒体排出路１４４が接続される。

制御部９８は、負荷が必要とする電力に基づいて燃料電池スタック１８の発電量を制御する。負荷としては、例えば、図示しない走行用モータ及び水素ポンプ１２０等が挙げられる。なお、負荷は、エアポンプ１３６及び水ポンプ１４０等を含んでいてもよい。また、制御部９８は、水素質量流量（燃料電池システム１０に導かれる燃料ガスの流量）に応じて燃料電池スタック１８の発電量を制限する。制御部９８には、燃料ガス漏れ検知部としての第１〜第４水素ガスセンサ６４Ｌ、６４Ｒ、８２Ｌ、８２Ｒの検出信号が送られる。

制御部９８は、水素ガス供給制御部（燃料ガス供給制御部）１４６、空気供給制御部（酸化剤ガス供給制御部）１４８、記憶部１５０、圧力判定部１５２、下限値設定部１５４及び時間判定部１５６を有する。

水素ガス供給制御部１４６は、止め弁１０４及びインジェクタ１０６のそれぞれを開閉制御する。また、水素ガス供給制御部１４６は、水素ポンプ１２０を制御する。空気供給制御部１４８は、エアポンプ１３６を制御する。

記憶部１５０には、第１圧力閾値Ｐ１、第２圧力閾値Ｐ２が記憶されている。第１圧力閾値Ｐ１は、フェールセーフ制御を行うか否かの判定に用いられる閾値であって、モータルーム２０の容積と燃料電池スタック１８の最大水素保有量とに基づいて予め設定されている。この第１圧力閾値Ｐ１は、モータルーム２０の容積が大きいほど又は燃料電池スタック１８の最大水素保有量が少ないほど低い値になる。第２圧力閾値Ｐ２は、燃料電池スタック１８からモータルーム２０に水素ガスの漏出が生じないような圧力であって、第１圧力閾値Ｐ１以下に設定される。

圧力判定部１５２は、アノード流路の水素ガス圧力Ｐが第１圧力閾値Ｐ１以上であるか否かを判定する。また、圧力判定部１５２は、前記水素ガス圧力Ｐが第２圧力閾値Ｐ２以下であるか否かを判定する。なお、アノード流路の水素ガス圧力Ｐは、圧力センサ１３０の検出信号に基づいて取得される。

下限値設定部１５４は、エアポンプ１３６の回転数の下限値Ｎ１を設定する。ここで、下限値Ｎ１は、燃料電池システム１０で発電した電力がバッテリ９６に充電されることなく消費されるようなエアポンプ１３６の回転数である。換言すれば、下限値Ｎ１は、燃料電池システム１０で発電した電力よりも消費電力の方が大きくなるようなエアポンプ１３６の回転数である。なお、ここで、消費電力とは、エアポンプ１３６の消費電力の他、水素ポンプ１２０及び水ポンプ１４０の消費電力を含む。

時間判定部１５６は、フェールセーフ制御が開始されてからの経過時間ｔが所定の判定時間Δｔを超えたか否かを判定する。なお、判定時間Δｔは、予め設定されて記憶部１５０に記憶されている。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料ガス供給装置９０では、水素ガス供給制御部１４６が止め弁１０４を開弁制御することにより、水素タンク１００から水素ガス供給路１０２に水素ガスが供給される。また、水素ガス供給制御部１４６がインジェクタ１０６を開弁制御することにより、水素ガス供給路１０２に供給された水素ガスは、インジェクタ１０６及びエゼクタ１０８を通って燃料電池スタック１８の水素ガス入口部５６ａに供給される。水素ガスは、水素ガス入口部５６ａから水素ガス流路３８に導入され、前記水素ガス流路３８に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に供給される。

酸化剤ガス供給装置９２では、空気供給制御部１４８がエアポンプ１３６を駆動することにより、エアポンプ１３６の回転作用下に、空気供給路１３２に空気が送られる。この空気は、燃料電池スタック１８の空気入口部５８ａに供給される。空気は、空気入口部５８ａから空気流路４０に導入され、空気流路４０に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード電極３４に供給される水素ガスと、カソード電極３６に供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

また、冷却媒体供給装置９４では、水ポンプ１４０の作用下に、冷却媒体供給路１３８から燃料電池スタック１８の冷却媒体入口部６０ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って流動し、発電セル２５を冷却した後、冷却媒体出口部６０ｂから冷却媒体排出路１４４に排出される。

次いで、アノード電極３４に供給されて一部が消費された水素ガスは、水素排ガスとして水素ガス出口部５６ｂから水素ガス排出路１１４に排出される。水素排ガスは、水素ガス排出路１１４から水素循環流路１１８に導入され、エゼクタ１０８の吸引作用下に水素ガス供給路１０２に循環される。水素ガス排出路１１４に排出された水素排ガスは、必要に応じて、パージ弁１２４の開放作用下に外部に排出（パージ）される。同様に、カソード電極３６に供給されて一部が消費された空気は、空気出口部５８ｂから空気排出路１３４に排出される。

燃料電池システム１０では、燃料電池スタック本体２３からスタックケース２４内に漏出した水素ガスは、左側ドレイン管６２Ｌ及び右側ドレイン管６２Ｒから流入した外気によって換気配管６８を流通して外方開口部８６Ｌ、８６Ｒから円滑に排出される。これにより、スタックケース２４内に漏出した水素ガスを容易且つ確実に車両本体１６の外部に排出させることが可能になる。

ところで、寒冷地等では、右側チャンバ部材８４Ｒ及び左側チャンバ部材８４Ｌに雪や氷等が付着して外方開口部８８Ｌ、８８Ｒが閉塞するおそれがある。このような場合、スタックケース２４内に漏出した水素ガスは、外方開口部８８Ｌ、８８Ｒから外部に流出させることができないため、スタックケース２４からモータルーム２０内に漏出する可能性がある。

次に、燃料電池スタック１８からモータルーム２０内に水素ガスが漏れた場合の燃料電池システム１０の運転方法について図４及び図５のフローチャートに沿って、以下に説明する。

図４のステップＳ１において、第１〜第４水素ガスセンサ６４Ｌ、６４Ｒ、８２Ｌ、８２Ｒは、燃料電池スタック１８（スタックケース２４）からモータルーム２０内への水素ガスの漏れを検知する（燃料ガス漏れ検知工程）。本実施形態では、左側ドレイン管６２Ｌに第１水素ガスセンサ６４Ｌを設け、右側ドレイン管６２Ｒに第２水素ガスセンサ６４Ｒを設け、左側合流部７８Ｌに第３水素ガスセンサ８２Ｌを設け、右側合流部７８Ｒに第４水素ガスセンサ８２Ｒを設けている。

すなわち、スタックケース２４の下方において第１水素ガスセンサ６４Ｌ及び第２水素ガスセンサ６４Ｒを車幅方向（左右に）離間して配置し、スタックケース２４の上方において第３水素ガスセンサ８２Ｌ及び第４水素ガスセンサ８２Ｒを車幅方向（左右に）離間して配置している。そのため、第１〜第４水素ガスセンサ６４Ｌ、６４Ｒ、８２Ｌ、８２Ｒによってスタックケース２４からモータルーム２０内への水素ガスの漏れを効率的に検知することができる。また、この場合、第１〜第４水素センサ６４Ｌ、６４Ｒ、８２Ｌ、８２Ｒがモータルーム２０内の水素ガス漏れを検知しているのか、水素タンク１００付近に配置された図示しない水素ガスセンサが水素タンク１００付近の水素ガスの漏れを検知しているのかを確実且つ簡単に区別することができる。

続いて、ステップＳ２において、圧力判定部１５２は、アノード流路の水素ガス圧力Ｐが第１圧力閾値Ｐ１以上であるか否かを判定する（第１圧力判定工程）。水素ガス圧力Ｐが第１圧力閾値Ｐ１以上である場合には、ステップＳ３においてフェールセーフ制御が行われる。また、この時、制御部９８は、圧力判定部１５２によって水素ガス圧力Ｐが第１圧力閾値Ｐ１以上であると判定された時（時点ｔ１）からの経過時間ｔを計測する。

このフェールセーフ制御では、図５のステップＳ１０〜ステップＳ１５が行われる。すなわち、ステップＳ１０（弁制御工程）において、水素ガス供給制御部１４６は、止め弁１０４を閉弁制御することにより水素タンク１００から水素ガス供給路１０２への水素ガスの供給を停止する。また、水素ガス供給制御部１４６は、インジェクタ１０６を閉弁制御することにより、水素ガス供給路１０２におけるインジェクタ１０６及び水素タンク１００（止め弁１０４）の間に存在する水素ガスの燃料電池システム１０への供給を停止する。

これにより、燃料電池スタック１８への新たな燃料ガスの供給を停止することができるので、燃料電池スタック１８内の水素ガスの量が増加することを抑えることができる。なお、上記の弁制御工程では、水素ガス供給制御部１４６は、止め弁１０４又はインジェクタ１０６を閉弁制御してもよい。この場合であっても、燃料電池スタック１８への新たな燃料ガスの供給を停止することができる。つまり、弁制御工程において、水素ガス供給制御部１４６は、止め弁１０４及びインジェクタ１０６の少なくともいずれか一方を閉弁制御すればよい。弁制御工程が行われると、アノード流路の水素ガス圧力Ｐは、時間の経過とともに低下する（図６参照）。

次いで、ステップＳ１１において、止め弁１０４及びインジェクタ１０６が閉弁制御された状態で燃料電池スタック１８の発電を継続する（発電継続工程）。これにより、燃料電池スタック１８内の水素ガスを発電によって消費できるため、燃料電池スタック１８からモータルーム２０内への水素ガスの漏出量を抑制できる。従って、モータルーム２０内の水素ガスの濃度が許容濃度を超えることを防止することができる。

さらに、この発電継続工程において、制御部９８は、水素質量流量に応じた燃料電池スタック１８の発電量の制限を解除する。これにより、燃料電池スタック１８内の水素ガスを迅速に消費することができるため、燃料電池スタック１８からモータルーム２０内への水素ガスの漏出量を効率的に抑制できる。

続いて、ステップＳ１２において、水素ガス供給制御部１４６は、水素ポンプ１２０を駆動する（ポンプ駆動工程）。水素ポンプ１２０を駆動すると、燃料電池スタック１８で使用された水素ガスである水素排ガスが水素供給流路に還流されるため、燃料電池スタック１８に対する水素ガスの循環量を確保できる。また、水素ポンプ１２０の駆動に電力が必要となるので、燃料電池システム１８の発電負荷として水素ポンプ１２０を利用することができる。そのため、燃料電池スタック１８の発電を確実に継続できる。

そして、ステップＳ１３において、制御部９８は、エアポンプ１３６に出力制限があるか否かを判定する。ここで、例えば、エアポンプ１３６に異常が発生しエアポンプ１３６のフェールセーフ制御が行われている場合にはエアポンプ１３６の出力が制限されることがある。また、例えば、エアポンプ１３６を制御する空気供給制御部１４８に異常が発生して空気供給制御部１４８のフェールセーフ制御が行われている場合にはエアポンプ１３６の出力が制限されることがある。このように、エアポンプ１３６に出力制限がある場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）には、エアポンプ１３６の出力制限を優先し、エアポンプ１３６の回転数の下限値Ｎ１を設定することなく、ステップＳ３の処理が終了する。

一方、エアポンプ１３６に出力制限がない場合（ステップＳ１３：ＮＯ）には、ステップＳ１４において、下限値設定部１５４は、エアポンプ１３６の回転数の下限値Ｎ１を設定する（下限値設定工程）。そして、ステップＳ１５において、空気供給制御部１４８は、エアポンプ１３６の回転数を下限値Ｎ１以上に制御する（回転数制御工程）。

具体的には、空気供給制御部１４８は、燃料電池スタック１８の出力電流値に応じた回転数（通常回転数）が下限値Ｎ１以上である場合にはエアポンプ１３６を通常回転数で回転させ、通常回転数が下限値Ｎ１未満である場合にはエアポンプ１３６を下限値Ｎ１で回転させる（図６参照）。これにより、燃料電池システム１０で発電した電力を消費する負荷をエアポンプ１３６によって確実に確保することができるので、燃料電池システム１０の発電を良好に継続できる。

ステップＳ１５の処理の後、図４のステップＳ４において、圧力判定部１５２は、アノード流路の水素ガス圧力Ｐが第２圧力閾値Ｐ２以下であるか否かを判定する（第２圧力判定工程）。圧力判定部１５２によって水素ガス圧力Ｐが第２圧力閾値Ｐ２以下であると判定された場合には、制御部９８は、フェールセーフ制御を停止し（ステップＳ５）、燃料電池スタック１８の発電を停止する（ステップＳ６）。具体的には、図６の時点ｔ２において、水素ガス供給制御部１４６が水素ポンプ１２０の駆動を停止するとともに空気供給制御部１４８がエアポンプ１３６の駆動を停止し、制御部９８はフェールセーフ制御を停止するとともに燃料電池スタック１８の発電停止フラグを立てる。

このように、水素ガス圧力Ｐが燃料電池スタック１８（スタックケース２４内）からモータルーム２０への水素ガスの漏出しないような圧力まで低下したときに燃料電池スタック１８の発電を停止するため、水素ガス不足による燃料電池スタック１８の発電を抑えることができる。これにより、燃料電池スタック１８の劣化が抑えられる。

一方、ステップＳ４において、圧力判定部１５２によって水素ガス圧力Ｐが第２圧力閾値Ｐ２以下でないと判定された場合には、ステップＳ７において、時間判定部１５６は、時点ｔ１からの経過時間ｔが判定時間Δｔを超えたか否かを判定する。時間判定部１５６によって経過時間ｔが判定時間Δｔを超えていないと判定された場合には、ステップＳ４以降の処理を行う。

時間判定部１５６によって経過時間ｔが判定時間Δｔを超えたと判定された場合には、制御部９８は、フェールセーフ制御を停止し、燃料電池スタック１８の発電を停止する（ステップＳ５及びステップＳ６、図７の時点ｔ３参照）。これにより、例えば、水素ガス圧力Ｐが第２圧力閾値Ｐ２以下になるまでに相当な時間を要し、上述したフェールセーフ制御が実施されることによって燃料電池車両１２の別の制御が停止状態になっていた場合であっても、フェールセーフ制御の停止によって前記別の制御を実施することが可能となる。

本実施形態によれば、アノード流路の水素ガス圧力Ｐが第１圧力閾値Ｐ１以上である場合にフェールセーフ制御を行い、水素ガス圧力Ｐが第２圧力閾値Ｐ２以下になるまで燃料電池スタック１８の発電を継続している。そのため、燃料電池スタック１８からモータルーム２０内への水素ガスの漏出量を確実に抑制できる。

本実施形態に係る燃料電池システム１０は、上述した構成に限定されない。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１８が燃料電池車両１２のモータルーム２０に配置される構成に限定されず、車両本体１６の後方又は燃料電池車両１２の座席下等に設けられた収容室内に配置されていてもよい。また、第１水素ガスセンサ６４Ｌ及び第２水素ガスセンサ６４Ｒを省略してもよい。この場合、第３水素ガスセンサ８２Ｌ及び第４水素ガスセンサ８２Ｒが燃料電池スタック１８からモータルーム２０（収容室）内への水素ガスの漏れを検知する燃料ガス漏れ検知部として機能する。

本実施形態に係る燃料電池システム１０の運転方法では、例えば、燃料電池スタック１８からモータルーム２０内への水素ガスの漏れが検知された後（ステップＳ１後）に、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオフにされた場合であっても、図４及び図５のフローチャートに沿って処理が進められる。また、第１圧力閾値Ｐ１と第２圧力閾値Ｐ２を同じ値に設定してもよい。

本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池車両
１８…燃料電池スタック ２０…モータルーム（収容室）
６４Ｌ…第１水素ガスセンサ ６４Ｒ…第２水素ガスセンサ
８２Ｌ…第３水素ガスセンサ ８２Ｒ…第４水素ガスセンサ
９０…燃料ガス供給装置 ９２…酸化剤ガス供給装置
９８…制御部
１０２…水素ガス供給路（燃料ガス供給路）
１１８…水素循環流路（循環流路） １２０…水素ポンプ（循環ポンプ）
１３０…圧力センサ（圧力検出部）
１３２…空気供給路（酸化剤ガス供給路）
１３６…エアポンプ（供給ポンプ）
１４６…水素ガス供給制御部（燃料ガス供給制御部）
１４８…空気供給制御部（酸化剤ガス供給制御部）
１５０…記憶部 １５２…圧力判定部
１５４…下限値設定部 １５６…時間判定部

Claims (11)

1. 車両の収容室内に配置され、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料ガス供給装置は、
   前記燃料ガスを貯留する燃料ガスタンクと、
   前記燃料ガスタンクの前記燃料ガスを前記燃料電池に導く燃料ガス供給路と、
   前記燃料ガスタンク内と前記燃料ガス供給路との連通を遮断する第１弁装置と、
   前記燃料ガス供給路に設けられた第２弁装置と、を有し、
   前記燃料電池システムは、
   前記燃料電池から前記収容室内への前記燃料ガスの漏れを検知する燃料ガス漏れ検知部と、
   前記燃料ガス漏れ検知部によって前記燃料ガスの漏れが検知された場合に前記第１弁装置及び前記第２弁装置の少なくともいずれか一方を閉弁制御する燃料ガス供給制御部と、
   前記燃料ガス供給制御部によって前記第１弁装置及び前記第２弁装置の少なくともいずれか一方が閉弁制御された状態で前記燃料電池の発電を継続する制御部と、をさらに備える、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガス供給装置は、
   前記燃料電池から排出された使用後の前記燃料ガスである燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に導く循環流路と、
   前記燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に送り込む循環ポンプと、を有し、
   前記燃料ガス供給制御部は、前記燃料ガス漏れ検知部によって前記燃料ガスの漏れが検知された場合に前記循環ポンプを駆動させる、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記燃料ガス漏れ検知部によって前記燃料ガスの漏れが検知されていない場合に前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池に導かれる前記燃料ガスの流量に応じて前記燃料電池の発電量を制限し、前記燃料ガス漏れ検知部によって前記燃料ガスの漏れが検知された場合に前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池に導かれる前記燃料ガスの流量に応じた前記燃料電池の発電量の制限を解除する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池のアノード流路の圧力を検出する圧力検出部を備え、
   前記制御部は、前記圧力検出部によって検出された圧力が閾値以上である場合に前記燃料電池の発電を継続する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記酸化剤ガス供給装置は、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給路と、
   前記酸化剤ガス供給路を介して前記燃料電池に前記酸化剤ガスを送り込む供給ポンプと、を有し、
   前記燃料電池で発電した電力よりも消費電力の方が大きくなるような前記供給ポンプの回転数を下限値として設定する下限値設定部と、
   前記供給ポンプの回転数を前記下限値以上に制御する酸化剤ガス供給制御部と、を備える、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記収容室は、前記車両のモータルームである、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 車両の収容室内に配置され、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料ガス供給装置は、
   前記燃料ガスを貯留する燃料ガスタンクと、
   前記燃料ガスタンクの前記燃料ガスを前記燃料電池に導く燃料ガス供給路と、
   前記燃料ガスタンク内と前記燃料ガス供給路との連通を遮断する第１弁装置と、
   前記燃料ガス供給路に設けられた第２弁装置と、を有し、
   前記燃料電池から前記収容室内への前記燃料ガスの漏れを検知する燃料ガス漏れ検知工程と、
   前記燃料ガス漏れ検知工程によって前記燃料ガスの漏れが検知された場合に前記第１弁装置及び前記第２弁装置の少なくともいずれか一方を閉弁制御する弁制御工程と、
   前記弁制御工程によって前記第１弁装置及び前記第２弁装置の少なくともいずれか一方が閉弁制御された状態で前記燃料電池の発電を継続する発電継続工程と、を行う、
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
8. 請求項７記載の燃料電池システムの運転方法において、
   前記燃料ガス供給装置は、
   前記燃料電池から排出された使用後の前記燃料ガスである燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に導く循環流路と、
   前記燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に送り込む循環ポンプと、を有し、
   前記燃料ガス漏れ検知工程によって前記燃料ガスの漏れが検知された場合に前記循環ポンプを駆動させるポンプ駆動工程を行う、
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
9. 請求項７又は８に記載の燃料電池システムの運転方法において、
   前記燃料電池の発電量は、前記燃料ガス漏れ検知工程によって前記燃料ガスの漏れが検知されていない場合に前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池に導かれる前記燃料ガスの流量に応じて制限され、
   前記発電継続工程では、前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池に導かれる前記燃料ガスの流量に応じた前記燃料電池の発電量の制限を解除する、
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
10. 請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法において、
    前記燃料電池のアノード流路の燃料ガス圧力が閾値以上であるか否かを判定する圧力判定工程と、
    前記発電継続工程では、前記圧力判定工程によって前記燃料ガス圧力が前記閾値以上であると判定された場合に前記燃料電池の発電を継続する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
11. 請求項７〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法において、
    前記酸化剤ガス供給装置は、
    前記燃料電池に前記酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給路と、
    前記酸化剤ガス供給路を介して前記燃料電池に前記酸化剤ガスを送り込む供給ポンプと、を有し、
    前記発電継続工程によって前記燃料電池で発電した電力よりも消費電力が大きくなるような前記供給ポンプの回転数を下限値として設定する下限値設定工程と、
    前記供給ポンプの回転数を前記下限値設定工程によって設定された下限値以上に制御する回転数制御工程と、を行う、
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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