JP5330675B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、リーク水素を換気する手段を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、漏れ水素（リーク水素）を希釈排出するシステムが種々提案されている。例えば、特許文献１では、燃料電池などを収納したケーシング（燃料電池システムボックス）内で水素漏洩が検知されると、ブロアに接続された開閉弁が開弁され、ブロアからの空気によりケーシング内の水素を希釈し、ケーシングに設けられた開口部から排出する技術が提案されている。
特開２００２−５６８６４号公報（段落００５２、図２）

しかしながら、従来技術のような燃料電池システムでは、ケーシングの開口部付近に高濃度の水素が滞留していた場合、ブロアから排出された空気により水素が押し出され、高濃度の水素がそのままケーシング外部に排出されるという問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、ケーシングの外部に高濃度の水素が排出されるのを防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、カソードガスとアノードガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたカソード排ガスが流通するオフガス配管と、前記燃料電池と前記オフガス配管とを収納したケーシングと、を備えて車両に搭載される燃料電池システムであって、前記ケーシングは、前記ケーシング内のガスの換気を行なう換気ガスを排出する換気口を有し、前記オフガス配管の開口端部から排出されるカソード排ガスは、前記換気口から排出される前記換気ガスよりも速い流速に設定されており、前記オフガス配管の開口端部と前記換気口とは、大気に直接臨むとともに、同一平面上に隣接して配置されて、前記開口端部からカソード排ガスの排出により負圧となる周囲に前記換気ガスが排出されることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、オフガス配管の開口端部と換気口とが隣接して配置されているため、換気口から排出されるリーク水素をカソード排ガスによって希釈しつつ燃料電池システムの外部に排出することが可能になる。また、開口端部からカソード排ガスが排出されると、その周囲は負圧となるため、換気口からのガスの排出および希釈を促進することも可能になる。

請求項２に係る発明は、前記ケーシングの内部に前記換気ガスを導入する換気ガス導入手段を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、ケーシング内部に滞留するガスを、効率よく換気口に導くことが可能になる。

請求項３に係る発明は、前記カソード排ガスの流量を増加させるカソード排ガス量増量手段と、前記ケーシングの内部のアノードガス漏れを検出するガス漏れ検出手段と、を備え、前記ガス漏れ検出手段によりアノードガスが漏れていることが検出された場合には、前記カソード排ガス量増量手段により、カソード排ガス量を増量させることを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、アノードガス漏れと検出された場合には換気口から排出されるガスの希釈を促進させるためにカソード排ガスの流量を増加させるため、換気口から外部に排出されるガスのガス濃度を確実に低下させることが可能になる。

請求項４に係る発明は、前記換気口は、その上流側に対して流路断面積が小さくなるように形成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明によれば、ケーシングの換気口付近の流路断面積を上流側に比べて狭くすることにより換気口から排出されるガスの流速が増加するため、ガスが換気口から外部に排出された際のガスの拡散性が向上して、カソード排ガスとの混合希釈性能が向上する。

請求項５に係る発明は、前記オフガス配管の開口端部は、前記換気口内に配置されていることを特徴とする。

請求項５に係る発明によれば、オフガス配管の周囲に設けるべき、干渉防止用のクリアランスをそのまま利用できる。

請求項６に係る発明は、前記オフガス配管の開口端部は、前記換気口に対して重力方向上側寄りに位置していることを特徴とする。

請求項６に係る発明によれば、換気口から排出された漏洩したアノードガスは空気よりも軽いため浮力により上方に流れるので、上方にオフガス配管の開口端部を配置することにより、希釈性をさらに向上させることが可能になる。

本発明の燃料電池システムによれば、ケーシングの外部に高濃度の水素が排出されるのを防止することができる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車を示す模式図、図２はオフガス配管の開口端部と換気口を燃料電池自動車の後部から見たときの平面図、図３は本実施形態の燃料電池システムにおける水素漏れ検出時の制御を示すフローチャート、図４は水素漏れ検出時のカソード排ガスの流量を示し、（ａ）は水素漏れ未検出時、（ｂ）は水素漏れ検出時である。なお、本実施形態では、燃料電池システム１を車両（自動車）に搭載した燃料電池自動車Ｖを例に挙げて説明するが、燃料電池自動車Ｖ（車両）に限定されるものではなく、船舶や航空機、定置式の家庭用電源などあらゆるものに適用できる。

図１に示すように、燃料電池自動車Ｖに搭載される燃料電池システム１は、燃料電池システムボックス１０、燃料電池２０、オフガス配管３０、電動ファン４０、水素センサ５０などで構成されている。

前記燃料電池システムボックス１０は、樹脂や金属などの板材を箱状に組み合わせて構成したものであり、燃料電池２０、オフガス配管３０などを収容し、前方に電動ファン４０からの換気ガス（空気）を取り込むための導入口１１、後方に換気ガスを排出するための換気口１２を備え、導入口１１および換気口１２を除いた部分はすべて閉じた空間となっている。つまり、本実施形態での燃料電池システムボックス１０は、導入口１１から導入された換気ガスのすべてが換気口１２から排出されるようになっている。

前記燃料電池２０は、固体高分子からなる電解質膜の一面側をアノード（水素極）、他面側をカソード（空気極）で挟み、さらにその外側の両面を導電性のセパレータで挟んで単セルを構成し、この単セルを複数積層した構造を有している。この燃料電池２０では、燃料電池自動車Ｖに搭載された水素タンク２１から図示しない配管を介して水素（アノードガス）が供給され、エアコンプレッサ２２から図示しない配管を介して空気（カソードガス）が供給されることにより、水素と空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電が行なわれる。

前記水素タンク２１は、ソレノイドで作動する電磁式の遮断弁（不図示）を備え、高純度の水素を高圧に充填したものである。

前記エアコンプレッサ２２は、スーパーチャージャなどで構成され、取り込まれた外気を圧縮して燃料電池２０のカソードに向けて供給するものである。

前記オフガス配管３０は、燃料電池２０のカソードから排出されたカソード排ガス（空気など）を外部（車外）に排出する機能を有し、一端が燃料電池２０のカソードの出口に接続され、他端が燃料電池システムボックス１０の換気口１２まで延びて車外（大気中）に連通している。なお、図示省略しているが、オフガス配管３０には、例えば、上流側から順に、燃料電池２０に供給される空気を加湿するための加湿器、カソードの圧力を調節する背圧制御弁、燃料電池２０のアノードから排出されたアノードオフガス（水素など）をカソード排ガスで希釈するための希釈器、消音器などが設けられている。

前記電動ファン（換気ガス導入手段）４０は、燃料電池システムボックス１０の導入口１１に配置され、図示しない制御部（ＥＣＵ）によって駆動されることにより、導入口１１から燃料電池システムボックス１０内に換気ガスが供給されるようになっている。なお、電動ファン４０は、換気専用のものに限定されず、冷却用のファンを適用するようにしてもよい。

なお、換気ガス導入手段としては、電動ファン４０に限定されるものではなく、電動ファン４０とは別個に、導入口１１に電動ファンを直接に取り付けるようにしてもよく、あるいは燃料電池自動車Ｖにエアスクープなどの空気の取り込み口を設けて走行風を導入するようにしてもよい。

前記水素センサ５０は、燃料電池システムボックス１０内の燃料電池２０などから漏れ出た水素の水素濃度（ガス濃度）を検出する機能を有し、燃料電池システムボックス１０内部の上部（天井部）に設けられている。ちなみに、漏れ水素は、例えば、燃料電池２０のスタックの隙間や配管の繋ぎ目などから漏れるものである。

図２に示すように、前記燃料電池システムボックス１０の換気口１２は、円形状に形成され、換気口１２の上流側よりも流路断面積が小さくなるように形成されている。つまり、図１に示す換気口１２付近の切断線Ｓ１における流路断面積は、換気口１２の上流側の切断線Ｓ２における流路断面積よりも狭くなるように流路が形成されている。

また、オフガス配管３０の開口端部３０ａは、換気口１２内に位置するように構成されている。すなわち、オフガス配管３０の開口端部３０ａの周囲を換気口１２による換気ガスの流路が取り囲むように構成されている。

また、オフガス配管３０の開口端部３０ａは、換気口１２を形成する端面１２ａ（図２参照）と同じ位置まで延びて、均一な面（ほぼ均一な面）となるように互いの位置関係が設定されている。

次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について図３および図４を参照して説明する。なお、燃料電池システム１の運転中（ＩＧ−ＯＮ）には、水素タンク２１からアノードに水素が供給され、エアコンプレッサ２２からカソードに空気が供給されることにより発電が行なわれ、発電電力が走行モータ（図示せず）、蓄電装置（図示せず）、エアコンプレッサ２２などの補機に供給される。

また、燃料電池システム１の運転中には、電動ファン４０が駆動されて、換気ガスが燃料電池システムボックス１０の導入口１１から導入され、燃料電池２０などの隙間から漏れ出た水素が換気ガスによって押し出されて、換気口１２まで導かれる。

そこで本実施形態では、燃料電池システム１の運転中において、制御部（図示せず）によって後記するように制御される。すなわち、ステップＳ１００において、水素漏れが検出されたか否か（水素濃度が所定値以上になったか否か）を判断する。水素漏れが検出されたか否かの判断は、通常制御でオフガス配管３０から排出されるカソード排ガスによっては十分に希釈することができない濃度（所定濃度）の水素が検出されたときに、水素漏れが検出されたと判断される。

ステップＳ１００において、水素漏れが未検出であると判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１０において、オフガス配管３０の開口端部３０ａから排出されるカソード排ガスの流量を、通常制御によって排出される量のままにする（図４（ａ）参照）。つまり、エアコンプレッサ２２および背圧弁（図示せず）を通常制御のままにする。

また、ステップＳ１００において、水素漏れが検出されたと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２０において、オフガス配管３０の開口端部３０ａから排出されるカソード排ガスの流量を、増量（ＵＰ）させる（図４（ｂ）参照）。ちなみに、カソード排ガス量を増量させる手段は、エアコンプレッサ２２や背圧弁（不図示）であり、エアコンプレッサ２２の場合にはモータの回転速度を増加させ、背圧弁（図示せず）の場合には開度を開放側に変更することである。

そして、ステップＳ１３０において、制御部（図示せず）は、燃料電池自動車Ｖに設けられたイグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）にされたかどうかを判断する。ステップＳ１３０において、ＩＧ−ＯＦＦではないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１００に戻って、ＩＧ−ＯＦＦであると判断された場合には（Ｙｅｓ）、水素タンク２１からの燃料電池２０への水素の供給、およびエアコンプレッサ２２からの燃料電池２０への空気の供給をそれぞれ停止して、処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、換気口１２とオフガス配管３０の開口端部３０ａとが隣接するように（重なるように）配置されているので、換気口１２から排出されるリーク水素（漏れ水素）をカソード排ガスによって希釈しつつ燃料電池システム１（燃料電池自動車Ｖ）の外部に排出することが可能になる。しかも、カソード排ガスの流れが換気口１２から排出される換気ガスの流れよりも十分に速いので、オフガス配管３０の開口端部３０ａから排出されるカソード排ガスの流れによって、開口端部３０ａの周囲が負圧になる。その結果、換気口１２から排出されるガスが引き寄せられるので、換気口１２からのガスの排出および希釈を促進することが可能になる。

また、本実施形態によれば、燃料電池システムボックス１０の内部に換気ガスを導入する電動ファン４０を設けることにより、燃料電池システムボックス１０内部に滞留するガスを換気ガスによって換気口１２へ導くことが可能になる。

また、本実施形態によれば、水素漏れが検出された場合には、カソード排ガスの流量を増加させるため、換気口１２から外部に排出される水素の濃度を確実に低下させることが可能になる。

また、本実施形態によれば、燃料電池システムボックス１０の換気口１２の流路断面積を、それより上流側の流路断面積に比べて狭く形成したことにより、換気口１２から排出される換気後の換気ガスの流速が増加するので、換気ガスが換気口１２の外部に排出されたときの拡散性が高められて、カソード排ガスとの混合希釈性能が向上する。

また、本実施形態によれば、オフガス配管３０の開口端部３０ａが換気口１２内に位置するように配置されているので、オフガス配管３０の周囲にもともと設けるべき干渉防止用のクリアランスをそのまま換気ガスの流路として利用できる。

また、本実施形態では、換気口１２とオフガス配管３０の開口端部３０ａとが均一の面となる（同一平面上に位置する）ように換気口１２の端面１２ａと開口端部３０ａとの位置関係が設定されているので、換気口１２から排出される水素を確実に希釈することが可能になる。ちなみに、開口端部３０ａが換気口１２よりも奥（燃料電池システムボックス１０内）に位置していると、オフガス配管３０の開口端部３０ａから排出されたカソード排ガスが燃料電池システムボックス１０内に入り込むおそれがあり、逆にオフガス配管３０の開口端部３０ａが換気口１２（燃料電池システムボックス１０）から突出する位置にあると、換気口１２から排出される水素を希釈し難くなる。なお、効果を阻害しない範囲で換気口１２の端面１２ａと開口端部３０ａとの位置を設定できることはいうまでもない。

なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、図５または図６に示す実施形態であってもよい。図５はオフガス配管の開口端部および換気口の変形例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、図６はオフガス配管の開口端部および換気口の他の変形例を示す平面図である。

図５（ａ）に示すように、オフガス配管３０Ａの開口端部３０ａが、換気口１２内に位置し、かつ、換気口１２内において重力方向上側に位置するようにしてもよい。言い換えると、換気口１２内において、開口端部３０ａより重力方向上側に位置する流路よりも重力方向下側に位置する流路が広くなるように形成されるようにしてもよい。

この実施形態によれば、図５（ｂ）に示すように、換気口１２から排出された漏洩した水素は空気よりも軽いため上方に流れるので、上側にオフガス配管３０Ａの開口端部３０ａを配置することにより、水素の希釈性能をさらに向上させることが可能になる。

また、図６に示すように、換気口１２とオフガス配管３０Ｂの開口端部３０ａとを隣接するように配置してもよい。なお、換気口１２と開口端部３０ａとは、横方向（水平方向）に隣接して配置するものに限定されず、上下に隣接するように配置して、上側に開口端部３０ａ、下側に換気口１２がそれぞれ配置されるようにしてもよい。

また、図示していないが、換気口１２と開口端部３０ａとの向きを互いに交差する向きに配置して、換気口１２から排出される換気後の換気ガスと、オフガス配管３０の開口端部３０ａから排出されるカソード排ガスとを、燃料電池システムボックス１０の外部で衝突させるような構成にしてもよい。

図７は他のケーシングを備えた燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車を示す模式図である。このように、燃料電池２０やオフガス配管３０などを収容するケーシングを、燃料電池自動車Ｖに設けられたフロアパネル１０Ａと、アンダーパネル１０Ｂとで構成したものであってもよい。この場合、燃料電池２０は、例えばセンタートンネル内に収容されるようになっている。

本実施形態の燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車を示す模式図である。 オフガス配管の開口端部と換気口とを燃料電池自動車の後部から見たときの平面図である。 本実施形態の燃料電池システムにおける水素漏れ検出時の制御を示すフローチャートである。 水素漏れ検出時のカソード排ガスの流量を示し、（ａ）は水素漏れ未検出時、（ｂ）は水素漏れ検出時である。 オフガス配管の開口端部および換気口の変形例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 オフガス配管の開口端部および換気口の他の変形例を示す平面図である。 他のケーシングを備えた燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車を示す模式図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池システムボックス（ケーシング）
１０Ａ フロアパネル（ケーシング）
１０Ｂ アンダーパネル（ケーシング）
１２ 換気口
２０ 燃料電池
２２ エアコンプレッサ（カソード排ガス増量手段）
３０，３０Ａ，３０Ｂ オフガス配管
３０ａ 開口端部
４０ 電動ファン（換気ガス導入手段）
５０ 水素センサ（ガス漏れ検出手段）

Claims (6)

1. カソードガスとアノードガスとが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されたカソード排ガスが流通するオフガス配管と、
   前記燃料電池と前記オフガス配管とを収納したケーシングと、を備えて車両に搭載される燃料電池システムであって、
   前記ケーシングは、前記ケーシング内のガスの換気を行なう換気ガスを排出する換気口を有し、
   前記オフガス配管の開口端部から排出されるカソード排ガスは、前記換気口から排出される前記換気ガスよりも速い流速に設定されており、
   前記オフガス配管の開口端部と前記換気口とは、大気に直接臨むとともに、同一平面上に隣接して配置されて、前記開口端部からカソード排ガスの排出により負圧となる周囲に前記換気ガスが排出されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記ケーシングの内部に前記換気ガスを導入する換気ガス導入手段を備え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. 前記カソード排ガスの流量を増加させるカソード排ガス量増量手段と、
   前記ケーシングの内部のアノードガス漏れを検出するガス漏れ検出手段と、を備え、
   前記ガス漏れ検出手段によりアノードガスが漏れていることが検出された場合には、前記カソード排ガス量増量手段により、カソード排ガス量を増量させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記換気口は、その上流側に対して流路断面積が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記オフガス配管の開口端部は、前記換気口内に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記オフガス配管の開口端部は、前記換気口に対して重力方向上側寄りに位置していることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。

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