JP5940891B2 - 燃料電池システムの換気方法 - Google Patents

Description

本発明は、カソード電極に供給される酸化剤ガス、及びアノード電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池が、ボックス内に収容される燃料電池システムの換気方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。

燃料電池は、通常、一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間に、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間に、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。さらに、各燃料電池を構成し、互いに隣接するセパレータ間には、電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。

この種の燃料電池では、特に燃料電池電気自動車に搭載される際に、燃料電池ボックス内に収容される場合がある。その際、燃料電池ボックス内には、燃料電池を収容するための燃料電池室が形成されており、この燃料電池室内を換気するための換気装置が用いられている。この換気装置は、例えば、燃料電池の水素ラインから水素が進入したことを検出すると、その水素を換気ファンによって燃料電池ボックスの外部に排出する機能を有している。

また、車載用燃料電池では、車体床下やフロントボックス等の限定されたスペース内を燃料電池室として燃料電池を搭載する場合がある。このため、燃料電池が配置されるスペース内、すなわち、燃料電池室内では、上記の燃料電池ボックス内と同様に換気する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池ボックス換気装置が知られている。この燃料電池ボックス換気装置は、図４に示すように、三方弁１、換気配管２、換気ファン３、排出口４、水素検出センサ５及び制御装置６によって構成されている。

そして、燃料電池ボックスＢの内部の水素が、水素検出センサ５により検出されると、その検出値に応じて三方弁１が、スーパーチャージャ７から燃料電池Ｖに供給されている空気を、換気配管２から前記燃料電池ボックスＢ内に放出させている。

特開２００３−１３２９１６号公報

ところで、上記の特許文献１では、燃料電池ボックス換気装置により換気処理をしながら、燃料電池Ｖによる発電を継続するため、所望の発電反応を遂行させる必要がある。このため、換気配管２の開口径は、相当に小さな寸法に設定されている。従って、換気配管２には、目詰まりや凍結による閉塞が惹起され易く、所望の換気機能を確保することが困難になるという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、ボックス内の換気を良好且つ確実に遂行することが可能な燃料電池システムの換気方法を提供することを目的とする。

本発明は、酸化剤ガス供給系からカソード電極に供給される酸化剤ガス、及び燃料ガス供給系からアノード電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池が、ボックス内に収容されるとともに、前記酸化剤ガス供給系から分岐し、該酸化剤ガス供給系の配管よりも小流量の分岐配管が、前記ボックス内に開放される一方、前記ボックス内には、水素検出センサが設けられる燃料電池システムの換気方法に関するものである。

この換気方法では、水素検出センサにより、ボックス内の水素濃度を検出する工程と、前記水素検出センサにより検出された前記水素濃度が、規定濃度以上であるか否かを判断する工程と、前記水素濃度が、前記規定濃度以上であると判断された際、分岐配管から前記ボックス内に供給される換気用酸化剤ガスの流量を増量させる工程と、前記換気用酸化剤ガスの流量が増量された状態で、前記規定濃度を下回ることなく前記水素濃度が、再度前記規定濃度以上であると判断された際、前記分岐配管に異常があると認定する工程とを有している。

また、この換気方法では、分岐配管には、換気用酸化剤ガスに圧損を付与するためのオリフィスが配設されることが好ましい。

本発明では、ボックス内の水素濃度が規定濃度以上である際、前記ボックス内に供給される換気用酸化剤ガスの流量が増量されている。ここで、換気用酸化剤ガスの流量が増量された後にも、ボックス内の水素濃度が規定濃度以上であれば、分岐配管に異常、例えば、閉塞が発生していることが検出される。従って、簡単な工程で、分岐配管の異常を検出し、ボックス内の換気を良好且つ確実に遂行することが可能になる。

本発明の実施形態に係る換気方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。 前記換気方法を説明するフローチャートである。 前記換気方法による水素濃度の変化を示す説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池ボックス換気装置の概略説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る換気方法が適用され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（図示せず）に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。

燃料電池システム１０は、複数の発電セル１２が水平方向又は重力方向に積層（スタック）される燃料電池１４を備える。発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６が、カソード側セパレータ１８及びアノード側セパレータ２０間に挟持される。電解質膜・電極構造体１６は、例えば、フッ素系又は炭化水素系の固体高分子電解質膜２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するカソード電極２４及びアノード電極２６とを備える。

カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成されている。

カソード側セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面には、酸化剤ガス通路２８が形成される。アノード側セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面には、燃料ガス通路３０が形成される。互いに隣接するカソード側セパレータ１８とアノード側セパレータ２０との間には、冷却媒体通路（図示せず）が形成される。

燃料電池１４には、酸化剤ガス通路２８に酸化剤ガス、例えば、空気を供給する酸化剤ガス供給装置（酸化剤ガス供給系）３２と、燃料ガス通路３０に燃料ガス、例えば、水素ガスを供給する燃料ガス供給装置（燃料ガス供給系）３４と、冷却媒体通路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置（図示せず）とが接続される。燃料電池１４は、ボックス３６内に収容される。

酸化剤ガス供給装置３２は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ３８を備え、前記エアポンプ３８は、空気供給配管４０に配設される。空気供給配管４０には、供給ガス（供給酸化剤ガス）と排出ガス（排出酸化剤ガス）との間で水分と熱を交換する加湿器４２が配設されるとともに、前記空気供給配管４０は、燃料電池１４の酸化剤ガス通路２８に連通する。

空気供給配管４０から分岐配管４４が分岐する。分岐配管４４は、エアポンプ３８と加湿器４２との間に位置して、空気供給配管４０から分岐する。分岐配管４４には、オリフィス４６が配設され、このオリフィス４６を介して、前記分岐配管４４の流量が、空気供給配管４０の流量よりも小流量に設定される。分岐配管４４は、ボックス３６の下部に接続されており、前記ボックス３６内に開放される。

燃料ガス供給装置３４は、高圧水素を貯留する水素タンク４８を備える。この水素タンク４８は、水素供給配管５０を介して燃料電池１４の燃料ガス通路３０に連通する。水素供給配管５０の途上には、開閉弁５２が配設される。

ボックス３６内には、燃料電池１４及び水素濃度を検出するための水素検出センサ５４が収容される。水素検出センサ５４は、ボックス３６内の上面（天板）３６ａに配置される。ボックス３６の上部には、水素検出センサ５４の近傍に位置して排気ダクト５６が接続される。排気ダクト５６と分岐配管４４とは、ボックス３６内の対角位置に配置される。なお、ボックス３６内には、燃料電池１４の補機類を収容してもよい。

燃料電池システム１０は、コントローラ５８を備える。コントローラ５８は、燃料電池システム１０全体の制御を行うとともに、後述するように、水素検出センサ５４により検出された水素濃度が、規定濃度以上であるか否かを判断する機能、及び分岐配管４４に異常があるか否かを判断する機能を有する。

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、本実施形態に係る換気方法との関連で、以下に説明する。

先ず、燃料電池システム１０の運転時には、酸化剤ガス供給装置３２を構成するエアポンプ３８を介して、空気供給配管４０に空気が送られる。この空気は、加湿器４２を通って加湿された後、燃料電池１４内の各発電セル１２に設けられている酸化剤ガス通路２８に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。

使用済みの空気は、酸化剤ガス通路２８から排出された後、図示しないが、加湿器４２に送られることによって、新たに供給される空気を加湿した後、排出される。

一方、燃料ガス供給装置３４では、開閉弁５２が開放されることにより、水素タンク４８から減圧弁（図示せず）により減圧された水素ガスが、水素供給配管５０に供給される。この水素ガスは、燃料電池１４の各発電セル１２の燃料ガス通路３０に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。

使用済みの水素ガスは、燃料ガス通路３０から水素循環路（図示せず）を介して水素供給配管５０に戻され、燃料ガスとして、再度、燃料電池１４に供給される。

従って、カソード電極２４に供給される空気と、アノード電極２６に供給される水素ガスとが、電気化学的に反応して発電が行われる。図示しない燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１０は、上記のように、通常運転を行うことにより、所望の走行が行われている。

一方、燃料電池１４が収容されているボックス３６内では、水素検出センサ５４により、前記ボックス３６内の水素濃度が検出されている。コントローラ５８は、ボックス３６内の水素濃度を、常時、検出して監視している（図２中、ステップＳ１）。

そして、ステップＳ２では、水素検出センサ５４により検出された水素濃度が、規定濃度（濃度閾値）である、例えば、数千ｐｐｍ以上であるか否かが判断される。

水素濃度が、規定濃度以上であると判断された際（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進む。このステップＳ３では、分岐配管４４からボックス３６内に供給される換気用酸化剤ガスの流量が増量される。具体的には、エアポンプ３８の回転数を増加させて、空気供給配管４０に供給される空気流量を増量させる。これにより、分岐配管４４に分流される空気流量が増量され、ボックス３６に供給される換気用空気（換気用酸化剤ガス）の流量が増量される。

その際、図３に示すように、ボックス３６に供給される換気用空気の流量が増量されると、前記ボックス３６内の水素濃度が低下する。このため、水素検出センサ５４により検出される水素濃度は、規定濃度を下回る（ステップＳ４中、ＮＯ）。

一方、分岐配管４４に分流される空気流量が増量されているのに関わらず、水素検出センサ５４により検出される水素濃度が、規定濃度以上であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進む。すなわち、オリフィス４６は、凍結や目詰まり等により閉塞されており、換気用空気を良好に流通させることができない。従って、コントローラ５８は、分岐配管４４に異常があると認定する。

この場合、本実施形態では、ボックス３６内の水素濃度が規定濃度以上である際、前記ボックス３６内に供給される換気用空気の流量が増量されている。ここで、換気用空気の流量が増量された後にも、ボックス３６内の水素濃度が規定濃度以上であれば、分岐配管４４に異常、例えば、オリフィス４６の閉塞が発生していることが検出される。これにより、簡単な工程で、分岐配管４４の異常を検出し、ボックス３６内の換気を良好且つ確実に遂行することが可能になるという効果が得られる。

１０…燃料電池システム １２…発電セル
１４…燃料電池 １６…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード電極
２６…アノード電極 ２８…酸化剤ガス通路
３０…燃料ガス通路 ３２…酸化剤ガス供給装置
３４…燃料電池ガス供給装置 ３６…ボックス
３８…エアポンプ ４０…空気供給配管
４４…分岐配管 ４６…オリフィス
４８…水素タンク ５０…水素供給配管
５４…水素検出センサ ５８…コントローラ

Claims (2)

1. 酸化剤ガス供給系からカソード電極に供給される酸化剤ガス、及び燃料ガス供給系からアノード電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池が、ボックス内に収容されるとともに、前記酸化剤ガス供給系から分岐し、該酸化剤ガス供給系の配管よりも小流量の分岐配管が、前記ボックス内に開放される一方、前記ボックス内には、水素検出センサが設けられる燃料電池システムの換気方法であって、
   前記水素検出センサにより、前記ボックス内の水素濃度を検出する工程と、
   前記水素検出センサにより検出された前記水素濃度が、規定濃度以上であるか否かを判断する工程と、
   前記水素濃度が、前記規定濃度以上であると判断された際、前記分岐配管から前記ボックス内に供給される換気用酸化剤ガスの流量を増量させる工程と、
   前記換気用酸化剤ガスの流量が増量された状態で、前記規定濃度を下回ることなく前記水素濃度が、再度前記規定濃度以上であると判断された際、前記分岐配管に異常があると認定する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの換気方法。
2. 請求項１記載の換気方法において、前記分岐配管には、前記換気用酸化剤ガスに圧損を付与するためのオリフィスが配設されることを特徴とする燃料電池システムの換気方法。

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