JP4623418B2

JP4623418B2 - 燃料電池システムおよびそのガス漏れ検査方法

Info

Publication number: JP4623418B2
Application number: JP2004354068A
Authority: JP
Inventors: 康之飯田; 信夫小林; 丈樹林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2024-12-07
Also published as: CN101069316A; JP2006164730A

Description

本発明は、燃料電池システムおよびそのガス漏れ検査方法に関し、特に、ガス漏れ検査を実施したことによる燃料電池の性能低下抑制に有効な技術に関する。

燃料電池システムにおいては、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の漏れを正確に検知することが非常に重要である。かかる要請に応えるべく、特許文献１には、ヘリウムガスを検査ガスとして燃料ガス流路、酸化剤ガス流路に充填することにより、漏れ量を検出する方法が開示されている。
特開２００２−３３４７１３号公報

しかしながら、検査終了後に、検査ガスを燃料電池システムに組み込まれている燃料ガス（又は酸化剤ガス）排出口から排出すると、燃料ガス（又は酸化剤ガス）とは異なる検査ガスが燃料電池スタックに混入し、燃料電池スタックの性能低下を来たす虞がある。

そこで、本発明は、ガス漏れ検査を実施したことによる燃料電池の性能低下抑制に有効な燃料電池システムと、そのガス漏れ検査方法とを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、反応ガスを燃料電池に供給するガス流路と、燃料電池を含まない閉空間をガス流路に形成する閉空間形成手段とを備え、前記閉空間は、検査ガス充填口および検査ガス排出口を備える。

かかる構成によれば、検査ガスは、燃料電池を含まない閉空間に検査ガス充填口を介して直接充填されると共に、閉空間からは検査ガス排出口を介して直接外部に放出されるので、燃料電池への検査ガス混入は有効に回避される。

本発明の燃料電池システムは、前記検査ガス排出口に連なる検査ガス排出系に、検査ガスを所定圧以下に減圧する減圧手段を備える構成としてもよく、かかる構成によれば、外部への検査ガス放出圧を低圧にすることが可能になる。

本発明の燃料電池システムは、前記検査ガス排出口に連なる検査ガス排出系に、検査ガスを回収する回収手段を備える構成としてもよく、かかる構成によれば、使用した検査ガスを再利用することが可能となる。更に、前記検査ガス排出系の回収手段上流側に、検査ガスを加圧する加圧手段を備える構成としてもよく、かかる構成によれば、検査ガス排出系の内圧が低下しても、回収手段への回収が可能となる。

本発明の燃料電池システムのガス漏れ検査方法は、上記構成のいずれかよりなる燃料電池システムのガス漏れを検査する方法であって、燃料電池を含まない閉空間をガス流路に形成する工程と、ガス流路に形成された閉空間に前記検査ガス充填口から検査ガスを充填する工程と、閉空間に充填された検査ガスを前記検査ガス排出口から外部に放出する工程とを備える。
また、前記検査ガス排出口から放出された検査ガスを所定圧以下に減圧してもよいし、前記検査ガス排出口から放出された検査ガスを回収してもよい。

本発明によれば、ガス漏れ検査に際して燃料電池に検査ガスが及ぶことがないので、ガス漏れ検査を実施したことによる燃料電池の性能低下を効果的に抑制することが可能となる。また、使用した検査ガスの回収・再利用を可能にしたので、検査費用の削減を図ることもできる。

次に、本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、ガス漏れ検査の対象となる燃料電池システムの一部と、この燃料電池システムに接続されて該燃料電池システムのガス漏れ検査を行う検査ガス制御装置を示すシステム構成図である。なお、この燃料電池システムは、電気自動車等の移動体に搭載する燃料電池システムの他、定置型の燃料電池システム等への適用が可能である。

図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池スタック（燃料電池）１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための系統（以下、燃料系１）と、酸化剤ガスとしての空気を供給するための系統（不図示）とを備えて構成されている。燃料電池スタック１０は、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とから構成されるセルとを複数積層したスタック構造を備えている。

燃料電池スタック１０に水素ガスを供給するための燃料系（ガス流路）１には、水素供給源１１の他に、開閉弁ＳＶ１及び開閉弁ＳＶ２が所定の相互間隔をおいて配設されている。また、これら開閉弁ＳＶ１，ＳＶ２に区画された配管１ａの分岐部Ａ，Ｂからそれぞれ分岐する配管１３，１４の途中には、それぞれ開閉弁ＳＶ３及び開閉弁ＳＶ１２が配設されている。

これら開閉弁ＳＶ１〜ＳＶ３，ＳＶ１２は、燃料系１の燃料電池スタック１０よりも上流側に、該燃料電池スタック１０を含まない閉空間１２を形成する閉空間形成手段として機能する。また、開閉弁ＳＶ３は、閉空間１２への検査ガスの充填・充填停止を制御する弁であり、検査ガス充填口として機能する。一方、開閉弁ＳＶ１２は、閉空間１２からの検査ガスの排出・排出停止を制御する弁であり、検査ガス排出口として機能する。

配管１３には、検査ガス制御装置側から閉空間１２内に検査ガスを充填するための検査ガス充填系２がコネクタ２０を介して接続されている。この検査ガス充填系２は、コネクタ２０側から順に、開閉弁ＳＶ１１及び検査ガス供給源３２等を備えている。

一方、配管１４には、閉空間１２内の検査ガスを外部へ放出するための検査ガス排出系３がコネクタ２１を介して接続されている。つまり、検査ガス排出系３は、配管１４の一部（開閉弁ＳＶ１２−コネクタ２１間）を介して、検査ガス排出口をなす開閉弁ＳＶ１２に連なっている。

この検査ガス排出系３は、コネクタ２１側から順に、減圧手段ＰＲＶ、閉空間１２からの検査ガスを加圧して貯蔵タンク（回収手段）６０に圧送するポンプ（加圧手段）６１、及び検査ガスを回収するための貯蔵タンク６０を備えている。減圧手段ＰＲＶは、閉空間１２から排出された検査ガスを所定圧に調圧（減圧）する機能を有するものであり、例えばオリフィスや調圧弁等の採用が可能である。

制御部５０は、開閉弁ＳＶ１〜ＳＶ３、開閉弁ＳＶ１１，ＳＶ１２の開閉、ポンプ６１の動作、及び検査ガス供給源３２からの検査ガスの供給・供給停止等を制御する。

次に、図２のフローチャートを参照しながら、本実施形態に係るガス漏れ検査方法を説明する。なお、本説明においては、必要に応じて図３及び図４も参照する。また、開閉弁ＳＶ３，ＳＶ１１，及びＳＶ１２は遮断されているものとする。

まず、開閉弁ＳＶ１，ＳＶ２を遮断し（ステップＳ１）、燃料系１の開閉弁ＳＶ１〜ＳＶ３，及び開閉弁ＳＶ１２の間に、燃料電池スタック１０を含まない閉空間１２を形成する。次に、配管１３の開閉弁ＳＶ３と、検査ガス充填系２の開閉弁ＳＶ１１を開放し（ステップＳ３）、検査ガス供給源３２からの検査ガスを閉空間１２内に導入（充填）する。

すると、図３の実線矢印で示すように、閉空間１２には、該閉区間１２に設けられた開閉弁ＳＶ３（検査ガス充填口）から検査ガスが導入される。しかる後、開閉弁ＳＶ３，ＳＶ１１を遮断し（ステップＳ７）、例えば閉区間１２内に設けられた不図示の圧力センサの検出値を監視する等により、閉区間１２のガス漏れ判定を行う（ステップＳ９）。ガス漏れ判定が終了したら、開閉弁ＳＶ１２を開放する（ステップＳ１１）。

すると、閉空間１２の内圧Ｐ１と、配管１４の開閉弁ＳＶ１２よりもポンプ６０側の内圧Ｐ２との差圧ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ２＞０）により、閉空間１２内に充填された検査ガスは、図４の実線矢印で示すように、開閉弁ＳＶ１２（検査ガス排出口）を介して当該閉空間１２より排出される。排出された検査ガスは、減圧手段ＰＲＶにて所定圧に調圧（減圧）された後、ポンプ６１によって、燃料電池スタック１０を介することなく貯蔵タンク６０に回収される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、検査ガスは、燃料電池スタック１０を含まない閉空間１２に開閉弁ＳＶ３を介して直接充填されると共に、閉空間１２からは燃料電池スタック１０を介さずに開閉弁ＳＶ１２を介して直接外部に放出されるので、燃料電池スタック１０に及ぶことがない。よって、ガス漏れ検査を実施したことによる燃料電池スタック１０の性能低下を効果的に抑制することが可能となる。

さらに、本実施の形態では、閉空間１２から排出された検査ガスを貯蔵タンク６０に回収しているので、使用した検査ガスを再利用することが可能となる。しかも、検査ガスの回収が進み、配管１４の開閉弁ＳＶ１２よりもコネクタ２１側及び検査ガス排出系３の内圧がタンク内圧よりも低下しても、ポンプ６１で検査ガスを加圧して貯蔵タンク６０に回収することができるので、回収率が向上し、検査費用の削減を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明の範囲に含まれるものである。例えば、上記実施の形態では、閉空間１２を燃料系１の燃料電池スタック上流側に形成したが、燃料電池スタック１０を内包しない閉空間であれば、燃料系１の他の部分や空気供給系に形成してもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの一部と、この燃料電池システムに接続されて該燃料電池システムのガス漏れ検査を行う検査ガス制御装置を示すシステム構成図。図１のシステム構成におけるガス漏れ検査の手順を示すフローチャート。閉空間に検査ガスを充填している状態を示す図１の要部拡大図。閉空間から検査ガスを排出している状態を示す図１の要部拡大図。

符号の説明

１…燃料系（ガス流路）、３…検査ガス排出系、１０…燃料電池スタック（燃料電池）、１２…閉空間、６０…貯蔵タンク（回収手段）、６１…ポンプ（加圧手段）、ＳＶ３…開閉弁（閉空間形成手段、検査ガス充填口）、ＳＶ１２…開閉弁（閉空間形成手段、検査ガス排出口）、ＳＶ１，ＳＶ２…開閉弁（閉空間形成手段）

Claims

燃料電池と、反応ガスを燃料電池に供給するガス流路と、燃料電池を含まない閉空間をガス流路に形成する閉空間形成手段とを備え、
前記閉空間は、検査ガス充填口および検査ガス排出口を備え、
前記検査ガス排出口に連なる検査ガス排出系に、検査ガスを所定圧以下に減圧する減圧手段を備える燃料電池システム。
前記検査ガス排出口に連なる検査ガス排出系に、検査ガスを回収する回収手段を備える請求項１記載の燃料電池システム。
燃料電池と、反応ガスを燃料電池に供給するガス流路と、燃料電池を含まない閉空間をガス流路に形成する閉空間形成手段とを備え、
前記閉空間は、検査ガス充填口および検査ガス排出口を備え、
前記検査ガス排出口に連なる検査ガス排出系に、検査ガスを回収する回収手段を備える燃料電池システム。
前記検査ガス排出系の回収手段上流側に、検査ガスを加圧する加圧手段を備える請求項２又は３記載の燃料電池システム。
請求項１又は２に記載の燃料電池システムのガス漏れを検査する方法であって、
燃料電池を含まない閉空間をガス流路に形成する工程と、ガス流路に形成された閉空間に前記検査ガス充填口から検査ガスを充填する工程と、閉空間に充填された検査ガスを前記検査ガス排出口から外部に放出する工程とを備え、
前記検査ガス排出口から放出された検査ガスを所定圧以下に減圧する燃料電池システムのガス漏れ検査方法。
請求項１又は２に記載の燃料電池システムのガス漏れを検査する方法であって、
燃料電池を含まない閉空間をガス流路に形成する工程と、ガス流路に形成された閉空間に前記検査ガス充填口から検査ガスを充填する工程と、閉空間に充填された検査ガスを前記検査ガス排出口から外部に放出する工程とを備え、
前記検査ガス排出口から放出された検査ガスを回収する燃料電池システムのガス漏れ検査方法。