JP4403695B2

JP4403695B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4403695B2
Application number: JP2002357710A
Authority: JP
Inventors: 哲生魚住
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2022-12-10
Also published as: JP2004192889A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。特に燃料電池の周囲を換気する換気システムを備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池では、電解質の性能差による発電のバラツキや、冷却水の流路構造や配置の影響などで、セル内やセル間で温度のバラツキが生じる場合がある。この温度のバラツキは、発電能力の低下や燃料電池の寿命に影響を与える可能性がある。また、連続定格運転時などには、燃料電池で発生した熱をできるだけ放出し、適正温度に維持する必要がある。さらに、起動時には、燃料電池温度を発電効率のよい適正温度に短時間で暖機することが望まれる。そのため、燃料電池には、温度を調整することを主目的とした冷却水が循環されているものがある。
【０００３】
この場合には、冷却水により回収された熱を放出するためにラジエータ等を備えるが、例えば自動車搭載用燃料電池の場合などには、設置スペースやラジエータに用いる風量を十分に確保できず、要求される熱収支を満足できない場合がある。また、昇温用の熱源の容量や設置条件により、起動時に満足する熱が確保できない場合がある。
【０００４】
そこで、従来の燃料電池システムとして、燃料電池から漏れた燃料の換気を行うために供給される換気用ガスを、燃料電池の温度調整に用いたものがある。例えば、燃料電池の温度バラツキを低減するために、換気空気の温度範囲を限定し、さらに燃料電池セル温度監視温度によって温度が低くなり勝ちなセルに設置されたヒータで加熱するものが知られている（例えば、特許文献１、参照。）。または、燃料電池の発電反応作用に供給する空気の一部を、ケース内の熱空気だまりに冷却空気として分岐放出して温度バラツキを抑制するものもある（例えば、特許文献２、参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−２９８１３１号公報
【特許文献２】
特開平７−６７７７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとしている問題点】
特開平８−２９８１３１号公報の燃料電池システムにおいては、燃料電池の温度の測定点を一箇所設けている。そのため、燃料電池の各所の温度や換気空気のケース内温度の各所での温度を把握できず、バラツキを抑制するように温度管理するのは困難である。また、特開平７−６７７７号公報の燃料電池システムにおいては、放出空気を熱だまりの局所冷却用に温度調整せずに放出するので、積極的に最適な温度管理をしているとは言えない。
【０００７】
そこで本発明は、換気用ガスを用いて燃料電池の温度バラツキを抑制し、積極的に温度調整できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料と酸化剤を用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を収容するケースと、前記ケースに換気用のガスを供給するための換気用ガス供給手段と、前記ケース内の少なくとも二箇所の温度を検出する温度検出手段と、を備える。さらに、前記温度検出手段によって検出した二箇所の温度の温度差が大きいときほど、前記換気用ガス供給手段の運転負荷を増大させる制御手段と、を備える。
【０００９】
【作用及び効果】
温度検出手段によって検出した二箇所の温度の温度差が大きいときほど、換気用ガス供給手段の運転負荷を増大させる。温度検出手段により燃料電池に温度バラツキが生じているかどうかを判断することができる。燃料電池の温度バラツキが大きいと判断された場合には、換気用ガスを用いて温度バラツキを抑制することができる。換気用ガス供給手段の運転負荷を制御することにより、積極的に温度調整を行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、第１の実施形態について説明する。燃料電池システム、特に燃料電池１の換気システムの構成を図１に示す。ここでは、酸化剤ガスとして空気を用いる場合を説明する。また、燃料ガスとして水素または水素含有ガスを用いる。
【００１１】
酸素と水素を用いて発電を行う燃料電池１と、燃料電池１を収容するケース２を備える。燃料電池１とケース２との間に形成される隙間を換気部２ａとする。また、ケース２に換気用ガスとして空気を導入する空気供給系４と、ケース２から換気用ガスとして用いた空気を排出する空気排出系５を備える。空気供給系４には、外部等から換気部２ａの換気を行うための空気を導入する換気ファン３を備える。
【００１２】
また、換気部２ａの温度を検出する温度検知器６ａ、６ｂを備える。温度検知器６ａ、６ｂにより、換気部２ａ内の二箇所の温度を検出する。この温度検知器６は、例えばサーミスタなどを使用する。ここでは、二つの温度検知器６を備えるが、さらに多くの温度検知器を備え、設置した箇所それぞれの温度を検出してもよい。実際には温度検知器６が二つでもバラツキの検知は可能だが、測定点が多いほど温度バラツキや温度異常、流量異常を早めに精度良く検知できる。そのため、設置可能な範囲内で多くの温度検知器を備えることで、応答性を向上することができる。なお、ここでは温度検知器６を換気部２ａの温度を検出する温度検出手段としたが、燃料電池１の温度を検出する検出器としてもよい。
【００１３】
さらに温度検出器６の検出結果を入力し、換気ファン３の運転負荷を求める制御装置７を備える。ケース２内の二つ以上の温度検出器６の温度検出データを読み取り、換気ファン３の運転を制御する。
【００１４】
次に、本実施形態の制御方法を図２に示したフローチャートに沿って説明する。燃料電池１の起動時に換気のための最低限のファン流量を確保する制御を行った後、本制御を開始する。
【００１５】
ステップＳ１において、各温度検出器６の温度を読み込み、その温度差ΔＴ₁を求める。ここで、温度検出器６を二つより多く設置した場合には、温度検出器６ｉの検出値Ｔ₁（ｉ）に対して最大温度ＭＡＸ（Ｔ₁（ｉ））と最小温度ＭＩＮ（Ｔ₁（ｉ））を求める。なお、ｉ（＝ａ、ｂ、・・・）は、各温度検知器を区別する固有の記号とする。温度差ΔＴ₁として、最大温度ＭＡＸ（Ｔ₁（ｉ））と最小温度ＭＩＮ（Ｔ₁（ｉ））の温度差である最大温度差ΔＴ_1MAXを採用する。ステップＳ２において、この温度差ΔＴ₁が所定値ΔＴ₁₀以下であるかどうかを判断する。ここで、所定値ΔＴ₁₀は、所定値ΔＴ₁₀より大きな温度差が生じた場合には、温度バラツキがあると判断できる値とする。例えば、燃料電池１の温度バラツキにより、効率の低下が生じたり寿命に影響を与えるというような何らかの異常が発生している、または発生する可能性があると判断される温度差とする。これは、予め実験等により求めることができ、例えば、燃料電池１の効率が許容範囲より低下した時点での温度のバラツキを実験により求めることで、所定値ΔＴ₁₀を設定する。
【００１６】
ステップＳ２において、温度差ΔＴ₁が所定値ΔＴ₁₀以下の場合には、温度バラツキは生じていないと判断してステップＳ３に進む。ステップＳ３において、換気ファン３の運転負荷を、換気のために最低限の換気用ガスを供給する値に設定する。一方、ステップＳ２において、温度差ΔＴ₁が所定値ΔＴ₁₀より大きい場合には、温度バラツキが発生していると判断してステップＳ４に進む。ステップＳ４において、換気ファン３の運転負荷を増大する。これにより、ケース２内の換気を行うと同時に、換気部２ａ内の空気を攪拌して燃料電池１の温度のバラツキを抑制する。
【００１７】
上述したようなフローを、燃料電池システム起動後からシステム停止までの間繰り返し行うことにより、燃料電池１の部分的なセル温度異常や、換気空気の流量異常、燃料電池１周囲のケース２内の温度異常を解消する。
【００１８】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００１９】
燃料を用いて発電を行う燃料電池１と、燃料電池１を収容するケース２と、ケース２に換気用のガスを供給するための換気用ガス供給手段と、ケース２内の少なくとも二箇所の温度を検出する温度検知器６を備える。ここでは換気用ガスとして換気用空気を、換気用ガス供給手段として換気ファン３を用いる。さらに、制御装置７により、温度検知器６の出力に応じて換気ファン３の運転負荷を変化させる（Ｓ４）。このように、少なくとも二つの温度検知器６ａ、６ｂを備えることで、ケース２内の換気用空気の温度バラツキを検知することができる。その結果、燃料電池１の部分的なセル温度異常や、換気空気の流量異常、換気部２ａの温度異常を検知できる。複数点で検知した換気用空気温度の違いに応じて換気ファン３の運転を変化させることができ、ケース２内の温度バラツキの低減や、換気用空気の流量不足の解消を行うことができる。
【００２０】
換気用ガス供給手段として換気ファン３を用い、温度検知器６の出力に応じて換気ファン３により供給する換気用空気の流量を変化させる。これにより、ケース２に供給される換気用空気流量を、換気部２ａの温度分布により制御できる。換気部２ａ内の温度勾配が大きいときには換気用空気流量を増大することにより温度の均一化を生じ、温度勾配が小さい場合には換気用空気のみを流すことで消費電力を低減することができる。
【００２１】
なお、ここでは換気用空気の流量を変化させているが、換気用空気の圧力を変化させることで、燃料電池１の温度バラツキを抑制してもよい。ケース２内に導入する換気空気の圧力を増大することで換気部２ａ内の攪拌が促進されるので、換気空気の温度が均一化され、ひいては燃料電池１の温度を均一化することができる。これは、例えばケース２への換気用空気の排出口付近にバルブを設け、温度バラツキが生じたと判断された場合には、換気用空気の流量を維持したまま、または増加して、その開度を低減することなどで実現できる。
【００２２】
なお、ここでは換気用空気の流量を変化させているが、換気用空気の出入口を変更させることで、燃料電池１の温度バラツキを抑制してもよい。ケース２内に導入する換気空気の出入口を変更することで換気部２ａ内の流れが変動し、攪拌が促進されるので、換気空気の温度が均一化され、ひいては燃料電池１の温度を均一化することができる。これは、例えば図１４に示すように、ケース２への換気用空気の吸入または排出口の少なくとも片方にもう一つの流路を追加し、流路を制御できるバルブを設ける。温度バラツキが生じたと判断された場合には、換気用空気の流量を維持したまま、または増加しつつ、そのバルブ開度を調整することなどで、温度均一化を実現できる。
【００２３】
次に、第２の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図３に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００２４】
ケース２内を換気する換気用空気の導入手段として、換気ファン３の替わりに燃料電池１のカソードに反応空気を導入する空気コンプレッサ８を用いる。空気コンプレッサ８で圧縮導入した空気を燃料電池１のカソードに導入する反応空気流路１１と、反応空気流路１１から分岐してケース２の換気部２ａに空気を供給する換気空気流路９を備える。換気空気流路９には空気分岐制御弁１０を備え、これにより反応空気流路１１と換気空気流路９の分流割合を設定する。つまり、空気コンプレッサ８の運転負荷と空気分岐制御弁１０の開度によりケース２の換気部２ａに供給する空気流量を調整することができる。
【００２５】
次に、制御装置７で行う換気制御を図４のフローチャートを用いて説明する。
【００２６】
ステップＳ１１、Ｓ１２において、ステップＳ１、Ｓ２と同様に温度差ΔＴ₁を求めて、所定値ΔＴ₁₀と比較する。温度差ΔＴ₁が所定値ΔＴ₁₀以下の場合には、ステップＳ１３に進み、空気分岐制御弁１０の開度を最低限の換気量が確保できる開度に設定する。一方、ステップＳ１２において、温度差ΔＴ₁が所定値ΔＴ₁₀より大きい場合には、ステップＳ１１４に進み、空気分岐制御弁１０の開度を増大する。これにより、空気コンプレッサ８により導入された空気のうち換気部２ａに導入される流量が増大するので、換気部２ａ内のガスを攪拌して温度の均一化を行うことができる。ただし、空気分岐制御弁１０の開度を増大して換気部２ａに導入される流量を増大することにより、燃料電池１に供給される空気が不十分となる場合には、空気コンプレッサ８の負荷を増大することにより燃料電池１の出力低下を抑制する。
【００２７】
次に本実施形態の効果について説明する。第１の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００２８】
換気用ガスとして酸化剤（空気）を用い、換気用ガス供給手段として、燃料電池１へ空気を供給する酸化剤供給手段（空気コンプレッサ８）を用いる。また、空気コンプレッサ８により導入されたの空気うちケース２に供給する割合を調整する空気分岐制御弁１０を備え、温度検知器６の出力に応じてケース２内に供給する空気の流量を制御する。換気ファン３など換気用空気専用の空気供給装置を持つことなく、換気用空気の流量を空気分岐制御弁１０により変動制御できる。これにより、ケース２内の温度バラツキや、換気空気流量不足を抑制することができる燃料電池システムの構成を簡素化することができる。
【００２９】
第３の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図５に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３０】
ここでは換気ファン３の後流側に換気用空気の温度を調整するための加熱装置１２を備える。例えば、加熱装置１２として、排水素を燃焼することにより生成した燃焼排ガスや、電気ヒータ等が考えられる。また、自動車の車室内の暖房空気を利用する場合も考えられる。
【００３１】
ここでは、温度検知器６の出力に応じて加熱装置１２の運転負荷、つまり加熱性能は制御装置７により制御する。温度検知器６により測定された温度が、燃料電池１に要求される出力に対して低い場合や局所的に低温領域が生じている場合には、加熱装置１２を稼動して昇温した空気を換気部２ａに送り込む。また、起動時に燃料電池１の暖機運転を行う場合にも、加熱装置１２を稼動して昇温した空気を燃料電池１周囲に導入する。
【００３２】
このように構成することで、以下のような効果を得ることができる。なお、ここでは、第１の実施形態の効果に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００３３】
ケース２に供給する換気用空気の温度を調整する温度調整手段を備え、温度検知器６の温度に応じて換気用空気の温度を制御する。ここでは、換気ファン３により導入された空気を、加熱装置１２で加熱してからケース２に供給する。燃料電池１の周囲に供給する換気用空気の温度を調整することにより、効率良く燃料電池１の温度調整を行うことができる。
【００３４】
ここでは温度調整手段として、換気用空気を加熱する加熱装置１２を備える。これにより、加熱装置１２により昇温した空気を燃料電池１の周囲に送り込むことができるので、冷機時の燃料電池１の温度上昇を促進することができる。また、燃料電池１本体に局所的低温等の温度バラツキが生じた場合に、昇温した空気を燃料電池１周囲に送り込むことにより、この低温部分を昇温して温度バラツキを抑制することができる。
【００３５】
次に、第４の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図６を用いて説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３６】
ここでは換気ファン３の後流側に冷却装置１３を備える。例えば冷却装置１３としては、高圧ガスタンク等から供給され、反応用に減圧することにより低温となった水素ガスを用いた熱交換器や、室内空調と同様に冷媒を使用したクーラ、自動車の車室内の冷却空気の利用などが考えられる。ここでは、冷却装置１３の運転負荷、つまり冷却性能は制御装置７により制御する。例えば、通常運転時には冷却装置１３を稼動させて、燃料電池１の冷却を促進させる。または、温度検出器６の検出結果により、燃料電池１に局所的に高温の領域が生じていると推定された場合に、冷却装置１３を稼動させてこの温度バラツキを抑制する。
【００３７】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００３８】
温度調整手段として、換気用ガスを冷却する冷却装置１３を備える。ここでは、換気ファン３により導入された空気を、冷却装置１３で冷却してからケース２に供給する。これにより、暖機後の燃料電池１を冷媒等のメイン冷却システムで冷却するとともに、冷却された空気を燃料電池１の周囲に送り込むので、より冷却を促進させることができる。また、燃料電池１本体について、局所的に高温となる部分が生じても、冷却された空気を送り込むことで、この温度バラツキを抑制することができる。
【００３９】
次に、第５の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図７を用いて説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４０】
換気ファン３の後流側に、温度調整装置１４を備える。ここで、温度調整装置１４は、加熱装置としても、冷却装置としても、または加熱装置と冷却装置の両方としてもよい。例えば、加熱装置と冷却装置の両方を備えた場合には、燃料電池１冷機時には加熱装置に接続し、通常運転時には冷却装置に接続してもよい。ここでは、温度調整装置１４を加熱機能と冷却機能を備えた装置として、後述するように、要望温度Ｔ_reqに対して検出された温度が高いか低いかにより加熱または冷却のどちらを行うかを選択する。
【００４１】
また、空気供給系４と空気排出系５とを連通するリサイクル流路１７を備える。ここでは、リサイクル流路１７は空気供給系４の換気ファン３の上流側に接続する。これにより、ケース２から排出された換気用空気をリサイクル流路１７を通って空気供給側に再循環させることができる。換気ファン３の上流側とリサイクル流路１７との接続部には吸入側リサイクル弁１５を備える。ここでは吸入側リサイクル弁１５を三方弁により構成し、ポート１５ａを空気導入側、ポート１５ｂをリサイクル流路１７側、ポート１５ｃを換気ファン３（ケース２）側に接続する。さらに、ケース２の排出側とリサイクル流路１７との接続部には排出側リサイクル弁１６を備える。ここでは、排出側リサイクル弁１６を三方弁により構成し、ポート１６ａをケース２側、ポート１６ｂをリサイクル流路１７側、ポート１６ｃを排出側に接続する。なお、ここでは、吸入側リサイクル弁１５、排出側リサイクル弁１６の両方を備えたが、どちらか一方としてもよい。
【００４２】
ケース２からの排出空気は、選択的に再度換気用吸入空気として使用される。リサイクル流路１７を経由して排出側の空気を供給側に供給し、再びケース２の換気に用いる。このとき、再循環する空気流量は、吸気側リサイクル弁１５または排出側リサイクル弁１６の少なくとも一方で制御することができる。
【００４３】
次に、制御方法について、図８のフローチャートを用いて説明する。
【００４４】
ステップＳ２１において、温度検出器６により、換気部２ａの温度を検出する。次に、ステップＳ２２において、ステップＳ２１で検出した換気部２ａの温度と、燃料電池１に要求される出力等により設定される要望温度Ｔ_reqとの差ΔＴ₂と所定値ΔＴ₂₀とを比較する。ここで、検出した温度に対してそれぞれ要望温度Ｔ_reqとの差を求めて、されらの差の最大値を差ΔＴ₂としても良いし、または、検出した温度の平均を求めて、平均温度と要望温度との差をΔＴ₂としてもよい。ここで、所定値ΔＴ₂₀は、要求される電力を効率的に出力できる温度範囲を示す値とする。つまり、測定される温度がＴ_req−ΔＴ₂₀より大きくＴ_req＋ΔＴ₂₀未満の時に、燃料電池１において効率良く発電を行うことができる。
【００４５】
ステップＳ２２で、温度差ΔＴ₂が所定値ΔＴ₂₀より小さい場合には燃料電池１の温度状態が適当であると判断してステップＳ２３に進む。ステップＳ２３では、温度調整装置１４を停止状態に設定し、かつリサイクル弁１５、１６のリサイクル流路１７側の開度を０に維持する。つまり、ポート１５ｂおよびポート１６ｂの開度を０とする。その結果、排出側から供給側に循環する空気の流量は０となる。
【００４６】
一方、ステップＳ２２で、温度差ΔＴ₂が所定値ΔＴ₂₀以上の場合には、燃料電池１の温度調整を行う必要があると判断してステップＳ２４に進む。ステップＳ２４では温度調整装置１４を稼動する。ここで、温度調整装置１４として加熱機能と冷却機能を有する装置を用いる場合には、要望温度Ｔ_reqより測定温度が高い場合には冷却機能を、低い場合には加熱機能をＯＮとする。また、温度調整装置１４の負荷を、予め設定した所定の負荷としてもよい。または、要望温度Ｔ_reqに応じて設定してもよい。例えば、要望温度Ｔ_reqに応じる際には、導入する空気を要望温度Ｔ_reqに温度調整して供給する。または、ΔＴ₂に応じて設定してもよい。例えば、温度差ΔＴ₂に応じて設定する場合には、温度差ΔＴ₂が大きいほど温度調整装置１４の負荷を大きくし、温度差ΔＴ₂が小さくなるに伴って徐々に小さくする。
【００４７】
ステップＳ２５に進み、ステップＳ２５、Ｓ２６において、ステップＳ２１、Ｓ２２と同様に、要望温度Ｔ_reqと測定温度との温度差ΔＴ₂と所定値ΔＴ₂₀とを比較する。温度差ΔＴ₂が所定値ΔＴ₂₀より小さければ、ステップＳ２３に進み、温度調整装置１４を停止、リサイクル弁１５、１６のリサイクル流路１７に連通する開度をゼロとする。
【００４８】
一方、ステップＳ２６において、温度差ΔＴ₂が所定値ΔＴ₂₀以上の場合には、ステップＳ２７に進む。ステップＳ２７において、温度調整装置１４を稼動しつつ、リサイクル弁１５、１６を作動する。例えば、通常運転時には、検出された温度が要望温度Ｔ_reqより大きく、燃料電池１の温度が高すぎると判断された場合には、リサイクル流路１７を介して循環する空気流量を低減する。これにより、燃料電池１の周囲に送り込まれて温度が上昇した空気のうち排出される分が増大し、循環される分が低減するので、燃料電池１の周辺に送り込まれる空気の温度を低下させることができる。一方、検出された温度が要望温度Ｔ_reqより小さく、燃料電池１の温度が低すぎると判断された場合には、リサイクル流路１７を介して再循環する空気流量を増大する。これにより、燃料電池１の周辺に送り込まれて温度が上昇した空気のうち排出される割合を低減し、再循環される割合を増大するので、燃料電池１の周囲い送り込まれる空気の温度を上昇させることができる。
【００４９】
次に、ステップＳ２８、Ｓ２９において、ステップＳ２１、Ｓ２２と同様に要望温度Ｔ_reqと測定温度との温度差ΔＴ₂と所定値ΔＴ₂₀とを比較する。温度差ΔＴ₂が所定値ΔＴ₂₀以上の場合には、ステップＳ２７に戻り、再度リサイクル弁１５、１６の開度を調整する。これにより温度差ΔＴ₂を低減する。ステップＳ２７〜２９を繰り返し行い、ステップＳ２９において、温度差ΔＴ₂が所定値ΔＴ₂₀より小さいと判断されたら、温度調整の必要はないと判断する。ステップＳ２３に進み、温度調整装置１４を停止し、リサイクル弁１５、１６のリサイクル流路１７に連通する開度をゼロに設定する。
【００５０】
燃料電池１の起動後、本フローを繰り返し行うことで、燃料電池１に要求される出力が変化しても、出力に応じた温度調整を行うことができる。
【００５１】
次に、本実施形態の効果について説明する。ここでは、第１の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００５２】
ケース２から排出される換気用空気の少なくとも一部を、ケース２の供給側（空気供給系４）に再度循環させるリサイクル流路１７と、リサイクル流路１７を介して循環する換気用空気の割合を調整する少なくとも一つ以上のリサイクル弁１５、１６と、を備える。温度検知器６に応じて、リサイクル弁１５、１６の開度を調整する。これにより、ケース２内から放出するすでに温度調整装置１４を通過した空気を、任意な割合で再度温度調整装置１４に通過させたうえで再びケース２内に導入できる。その結果、ケース２へ導入する空気の加熱度合いまたは冷却度合いを高めることができ、加熱性能や冷却性能を向上できる。
【００５３】
なお、本実施形態のフローは、第１の実施形態の制御フローと並列して行うことができる。または、直列的に組み合わせて行うこともできる。例えば、第２の実施形態で行った制御の後に、本実施形態で説明した制御を行い、これを繰り返し行うこともできる。
【００５４】
次に、第６の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図９を用いて説明する。以下、第５の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５５】
ケース２から空気が排出される空気排出系５に可燃ガス濃度検知器１８を備える。可燃ガス濃度検知器１８は、ケース２から排出される空気中の可燃ガス濃度を検出する。可燃ガス濃度は、換気用空気中に漏れた燃料電池１のアノ-ドに供給される燃料ガスの濃度を指し、ここでは換気用空気の水素濃度のことを指す。なお、可燃ガス濃度検知器１８は、ケース２内の可燃ガス濃度またはリサイクル流路１７を流れる空気中の可燃ガス濃度を検出してもよい。
【００５６】
次に、本実施形態の制御を図１０のフローチャートを用いて説明する。
【００５７】
ステップＳ３１〜Ｓ３６においては、第５実施形態のステップＳ２１〜２６と同様の制御を行う。ステップＳ３６において、温度調整装置１４を稼動させても温度差ΔＴ₂が所定値ΔＴ₂₀以上であると判断された場合には、ステップＳ３７に進む。ステップＳ３７では、可燃ガス濃度検知器１８により空気中の可燃ガス濃度Ｃ_hを検出する。ステップＳ３８において、ステップＳ３７で検出した濃度Ｃ_hと所定値Ｃ_h0とを比較する。ここで、所定値Ｃ_h0は、燃料電池１から水素ガスが漏れていないと判断できる濃度の範囲、または水素ガスの漏れが無視できる程度の濃度の範囲を示す値である。
【００５８】
ステップＳ３８において、検出濃度Ｃ_hが所定濃度Ｃ_h0に満たない場合には、水素ガスの漏れはないと判断してステップＳ３９に進む。ステップＳ３９〜４１においては、ステップＳ２７〜２９と同様にリサイクル弁１５、１６の開度を制御する。一方、ステップＳ２８において、検出濃度Ｃ_hが所定濃度Ｃ_h0以上の場合には、水素ガスが漏れている可能性があると判断して、ステップＳ４２に進む。ステップＳ４２では、温度調整装置１４を作動させつつ、リサイクル弁１５、１６のリサイクル流路１７側の開度（ポート１５ｂ、１６ｂの開度）を０に設定する。これにより、水素を含有する空気が再度循環するのを防止することができる。このとき温度調整装置１４は稼動したままなので、燃料電池１の周囲に送り込まれる空気の温度は調整可能であり、燃料電池１の温度を調整することができる。
【００５９】
つまり本実施形態は、第５実施形態において、温度状態から換気用空気の再循環が望まれる場合に、換気用空気の状態を検知して、換気用空気に燃料ガスとしての水素の漏れがない場合のみに換気用空気の再循環を実行するものである。
【００６０】
次に、本実施形態の効果について説明する。ここでは、第５実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００６１】
換気用空気の可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度検出手段を備える。ここでは、ケース２内の換気用空気、または、ケース２より排出される換気用空気、または、前記リサイクル流路を流れる換気用空気のうち少なくとも一つの可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度検知器１８を備える。可燃ガス濃度検知器１８により、換気用空気の可燃ガス濃度が所定値Ｃ_h0以上である場合には、リサイクル流路１７を流れる換気用空気の流量を概略ゼロとする。これにより、可燃ガスの濃度に応じて再循環換気用空気の有無や割合を制御できるので、換気用空気中の可燃ガスを所定値Ｃ_h0以下に維持する範囲内で、ケース２内の温度要望と実温度に応じて、加熱性能や冷却性能を向上することができる。
【００６２】
次に、第７の実施形態について説明する。図１１に本実施形態に用いる燃料電池システムの構成を示す。
【００６３】
ケース２の外側に外部水位センサ１９を備える。ここでは、外部水位センサ１９は、外部の水位が所定水位まで達しているかどうかを判断する手段とする。所定位置を、ケース２内に水が浸入する可能性のある位置とする。例えば、ケース２への換気空気の吸入口や排出口に相当する高さより低い位置を所定値とし、この所定位置に水が達しているかどうかを判断する。なお、外部水位センサ１９は換気空気のケース２への吸入口、排出口の両方またはどちらか一方の近傍に設けても良い。例えば、換気空気のケース２への吸入口、排出口の低い位置に配置された方に設置しても良い。外部水位センサ１９からの信号により、ケース２の外部の所定の位置まで水位が達していることが検知された場合には、ケース２内に水が流れこむ可能性があると判断する。この場合には、換気空気の吸入口と排出口が外部と遮断された完全リサイクルとなるようにリサイクル弁１５、１６を制御することにより、水の浸入を防止する。
【００６４】
次に、本実施形態の制御を図１２のフローチャートを用いて説明する。なお、本制御は、第１および第５の実施形態の制御フローと並列して行うことができる。または、第１および第５の実施形態の少なくとも一方の制御と直列的に組み合わせて、これを繰り返し行うこともできる。
【００６５】
ステップＳ５１において、外部水位センサ１９の出力を検知する。ステップＳ５２において、外部水位センサ１９により所定位置まで水が存在するかどうかを判断する。外部水位センサ１９が水位到達を検知していなければ、ステップＳ５３に進み、最低限の換気量を確保する換気を継続する。一方、外部水位センサ１９が水位到達を検知したら、ステップＳ５４に進み、リサイクル弁１５、１６をリサイクル流路１７側に開として、供給側のポート１５ａおよび排出側のポート１６ｃを閉とする。これにより、ケース２内に供給される換気用空気は、リサイクル流路１７を介して再循環する換気用空気のみとなるので、外部からケース２内に水が進入するのを防ぐことができる。
【００６６】
次に、本実施形態の効果について説明する。第６の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００６７】
ケース２に水が浸入する可能性がある位置に水が達しているか否かを検出する外部水位センサ１９を備える。外部水位センサ１９の出力によりケース２に水が浸入する可能性がある場合には、ケース２から排出される換気用空気を全てリサイクル流路１７に流通させて再循環させる。これにより、ケース２に水が浸入する可能性がある場合には、排出側、吸入側双方のリサイクル弁１５、１６により空気供給系４および空気排出系５を外部と遮断するように制御できる。その結果、換気用空気の吸入口や換気排出口からケース２内へ水が浸入するのを防止することができる。
【００６８】
第８の実施形態について説明する。本実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１３に示す。以下、第７の実施形態と異なる部分を説明する。
【００６９】
第７の実施形態に用いて燃料電池１の換気システムにおいて、排出側リサイクル弁１６のさらに下流側に排気逆止弁２０を備える。これにより、排出側からの水の進入を確実に防止することができる。外部水位センサ１９はケース２の外側、ここでは、ケース２への換気空気の吸入口の高さに相当する位置に設ける。または、換気空気の吸入口近傍に備えても良い。
【００７０】
次に、本実施形態の効果を説明する。第７の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００７１】
ケース２の排出側のリサイクル流路１７が分岐する部分よりさらに下流側に、排気逆止弁２０を備える。これにより、排出側リサイクル弁１６を制御しなくても、または排出側リサイクル弁１６がなくても、排出口からの水の浸入を防ぐことができる。この場合、吸入口からの水の浸入を防ぐために、吸入側リサイクル弁１５の制御は必要となる。
【００７２】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池の換気システムの構成図である。
【図２】第１の実施形態における換気制御に関するフローチャートである。
【図３】第２の実施形態における燃料電池の換気システムの構成図である。
【図４】第２の実施形態における換気制御に関するフローチャートである。
【図５】第３の実施形態における燃料電池の換気システムの構成図である。
【図６】第４の実施形態における燃料電池の換気システムの構成図である。
【図７】第５の実施形態における燃料電池の換気システムの構成図である。
【図８】第５の実施形態における換気制御に関するフローチャートである。
【図９】第６の実施形態における燃料電池の換気システムの構成図である。
【図１０】第６の実施形態における換気制御のフローチャートである。
【図１１】第７の実施形態における燃料電池の換気システムの構成図である。
【図１２】第７の実施形態における換気制御のフローチャートである。
【図１３】第８の実施形態における燃料電池の換気システムの構成図である。
【図１４】第１の実施形態において換気用空気の出入口を変更させる例を示す図である。
【符号の説明】
１燃料電池
２ケース
３換気ファン（ファン）
６温度検知器（温度検出手段）
７制御装置
８空気コンプレッサ（酸化剤供給手段）
１０空気分岐制御弁（制御弁）
１２加熱装置（加熱手段）
１３冷却装置（冷却手段）
１４温度調整装置（温度調整手段）
１５吸入側リサイクル弁（リサイクル弁）
１６排出側リサイクル弁（リサイクル弁）
１７リサイクル流路（リサイクル流路）
１８可燃ガス濃度検知器（濃度検出手段）
１９外部水位センサ（水位検出手段）
２０排気逆止弁（逆止弁）

Claims

燃料と酸化剤とを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池を収容するケースと、
前記ケースに換気用のガスを供給するための換気用ガス供給手段と、
前記ケース内の少なくとも二箇所の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出した二箇所の温度の温度差が大きいときほど、前記換気用ガス供給手段の運転負荷を増大させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記換気用ガス供給手段としてファンを用い、前記温度検出手段の出力に応じて前記ファンにより供給する換気用ガスの流量を変化させる請求項１に記載の燃料電池システム。
前記換気用ガスとして酸化剤を用い、
前記換気用ガス供給手段として、前記燃料電池へ酸化剤を供給する酸化剤供給手段を用い、
前記酸化剤供給手段により導入された酸化剤のうち、前記ケースに供給する割合を調整する制御弁を備え、
前記温度検出手段の出力に応じて前記ケース内に供給する酸化剤の流量を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記ケースに供給する換気用ガスの温度を調整する温度調整手段を備え、
前記温度検出手段の温度に応じて換気用ガスの温度を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記温度調整手段として、換気用ガスを加熱する加熱手段を備える請求項４に記載の燃料電池システム。
前記温度調整手段として、換気用ガスを冷却する冷却手段を備える請求項４に記載の燃料電池システム。
前記ケースから排出される換気用ガスの少なくとも一部を、前記ケースの供給側に再度循環させるリサイクル流路と、
前記リサイクル流路を介して循環する換気用ガスの割合を調整する少なくとも一つ以上のリサイクル弁と、を備え、
前記温度検出手段に応じて、前記リサイクル弁の開度を調整する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記ケース内の換気用ガス、または、前記ケースより排出される換気用ガス、または、前記リサイクル流路を流れる換気用ガスのうち少なくとも一つの可燃ガス濃度を検出する濃度検出手段を備え、
前記濃度検出手段により、換気用ガスの可燃ガス濃度が所定以上である場合には、前記リサイクル流路を流れる換気用ガスの流量を概略ゼロとする請求項７に記載の燃料電池システム。
前記ケースの外側に設けられ、そのケースに水が浸入する可能性がある位置に水位が達しているか否かを検出する水位検出手段を備え、
前記水位検出手段の出力により前記前記ケースに水が浸入する可能性がある場合には、前記ケースから排出される換気用ガスを全て前記リサイクル流路に流通させて再循環させる請求項７に記載の燃料電池システム。
前記ケースの排出側の前記リサイクル流路が分岐する部分よりさらに下流側に逆止弁を備える請求項９に記載の燃料電池システム。