JP6114282B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池に関し、具体的には、水素が燃料電池のアノード側に供給され、酸素が燃料電池のカソード側に供給され、副産物の水が燃料電池のカソード側に生じ、そこから除去されるプロトン交換膜型燃料電池に関する。

このような燃料電池は、典型的には２つの多孔質電極間に挟まれたプロトン交換膜（ＰＭＥ）、膜電極組立体（ＭＥＡ）を含んでいる。ＭＥＡ自体は通常、（ｉ）ＭＥＡのカソード面に隣接する第１の面を有するカソード拡散構造体と、（ｉｉ）ＭＥＡのアノード面に隣接する第１の面を有するアノード拡散構造体との間に挟まれている。アノード拡散構造体の第２の面は、集電のため、およびアノード拡散構造体の第２の面に水素を分配するために、アノード流体流動フィールドプレートに接触する。カソード拡散構造体の第２の面は、集電のため、カソード拡散構造体の第２の面に酸素を分配するため、およびＭＥＡから余分な水を抜き出すために、カソード流体流動フィールドプレートに接触する。通常、複数のこのような燃料電池は直列配置で積層され、セルスタックを形成する。

セルスタックは、通常、ハウジング、または他の支持フレーム、または燃料電池システムの他の構成要素も支持および／または保護しうる構造体内に設置される。燃料電池システムの他の構成要素とは、酸素を供給するためのカソード拡散構造体の強制通気用の１つ以上のファン、燃料供給システム、燃料および空気流量モニタリングシステム、温度モニタリングシステム、セル電圧モニタリングシステム、およびセルスタックに対する制御機能を供する電子機器など、さまざまな要素を含みうる。

燃料電池システムに広く用いられているさらなる構成要素は、セルスタックまたは補助燃料供給システムからの水素漏れを検知するための水素検知器である。水素漏れ検知器は、セルスタックの安全な動作にとって重要な条件となりうるが、コストと、燃料電池システムの構造の複雑さを増す。さらに、水素漏れ検知器は水素漏れが起きたことを上手く検知はできるであろうが、逃げた気体の処理に積極的には役立たず、むしろ漏れ検知器は通常、アラーム状態のトリガー、および／または燃料電池および／または燃料供給のシャットダウンに用いられる。

本発明の目的は、燃料電池システムにおける水素漏れを検知するための改良されたシステムを提供することである。

第１の側面によると、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、ハウジングと、通気システムと、制御システムとを含む。

前記燃料電池は、少なくとも１つのカソードと前記カソードを介してまたは越えての酸化剤ガスの通過のためのカソードコンジットを含んでいる。前記ハウジングは、前記燃料電池を格納し、かつ、前記燃料電池の周囲のプレナムを画定する。前記通気システムは、前記プレナムから前記カソードコンジット内へと空気を押し込み可能である。前記制御システムは、前記燃料電池の電圧をモニタ可能で、かつ、前記カソードコンジット内の水素の存在に起因する電圧低下を検知することが可能である。

前記ハウジングは、カソード排気面を除いて前記燃料電池のすべての面を取り囲むプレナムを画定するものとでき、前記カソード排気面は、前記カソードコンジットの下流側端部を含む。前記通気システムは、前記プレナム内へと空気を吹き込み可能な前記ハウジングの壁に配されたファンからなるものとできる。前記ハウジングは、前記プレナム内の空気の主たる流出路が前記カソードコンジットを介してであるように構成されるものとできる。

前記システムは、前記ハウジング内に、１つ以上のスタックに形成された複数の前記燃料電池を含むものとできる。前記制御システムは、前記燃料電池または前記燃料電池のスタックにおける１つ以上のセルの実電圧を特定するセル電圧モニタリングシステムと、前記燃料電池または燃料電池のスタックの動作条件を示すインプットを受け取り、かつ、それからモニタ中の１つ以上の前記燃料電池の予想電圧を特定するプロセッサと、前記実電圧と前記予想電圧との差が前記カソードコンジット内の所定水準の水素を示す所定の閾値を超えているか否かを判定するコンパレータと、からなるものとできる。前記ハウジングは、前記プレナム内への外気の通過のために少なくとも１つの空気吸入口を有し、前記システムはさらに、前記カソードコンジットの下流に配されかつ前記プレナムから前記カソードコンジット内へと空気を引き込みかつそこから前記空気を排出可能なファンを含むものとできる。

以下に本発明の実施の形態を、一例として、添付の図面を参照して説明する。
ハウジング内に配置されたセルスタックからなる燃料電池システムを示す。 図１の燃料電池システムに組み込まれた水素漏れ検知システムの機能要素の回路図を示す。

図１を参照すると、燃料電池システム１は、ハウジング３内に配されたセルスタック２からなる。ハウジング３は、セルスタック２を格納し、セルスタックの周囲にエアスペースすなわちプレナム４を画定する。セルスタック２は、従来型のスタック配置に一体に積層された複数のセル５を含んでおり、スタック２の一連のセル５の出力電圧が直列に接続され、所望の電圧のスタック出力をもたらすことができるようになっている。セルスタック２は従来の構造を有するものとでき、スタックの膜電極組立体のアノード側へ燃料を供給するためのアノード流路と、スタックの膜電極組立体のカソード側へ酸化剤を供給するためのカソード流路とを含む。セルスタック２は、実質的に大気圧でカソード流路を介して強制通気によってＭＥＡのカソード側へ酸化剤が供給されるオープンカソード型とできる。スタック２は、そこへとカソード空気が吹き込まれるカソード吸気面６と、そこからカソード空気が排出されるカソード排気面７とを含む多数の面からなる。ハウジング３は、好ましくは、燃料電池２を完全に取り囲むものではなく、図１に示すようにカソード排気面７を、ハウジング４外部の外気に露出された状態とする。ハウジングは、スタック２の縁に封止され、空気がスタックの縁を回り込むのを防止するものとできる。

ハウジング３は、開口８と、その中の、セルスタックの作動中にプレナム４内へ空気を押し込み可能で、これによりプレナム内の空気圧をわずかに上昇させ、カソード吸気面６に押し込まれ、セルスタック２のカソードコンジット(cathode conduits)を通過し、カソード排気面７を経て排出されるようにする関連するファン９とを含む。空気はカソードコンジットを通って運ばれる間、スタックの燃料電池のカソード表面を通過または通り越し、カソードから出た副産物の水を排気面７へと運ぶ酸化剤ガスをもたらす。ファン９はまた、ハウジング内の任意の補助電子機器１５に空気を吹き付ける位置とすることができ、これは回路装置を冷却し、よって燃料電池内へ入る空気を予熱するのに役立つ。好適な空気流を生じる他の形態の通気システムを用いてもよく、例えば、送風機(blowers)、圧縮装置(compressors)などである。「ファン」という表現は、そのようなすべての空気流発生器を包含することを意図している。

セルスタックは典型的には、膜電極組立体、拡散層、流体流動プレート、およびさまざまな層を封止するガスケットを含む数十または数百の層からなる。層の不完全な封止、あるいは長時間使用された材料の劣化は、水素ガスの流出につながりうる。したがって、多くの用途において、スタック２からの水素ガスの流出をモニタすることが望ましい。図１のデザインでは、スタック２からの水素ガスの流出は、主にプレナム４内への水素の漏れにつながることが分かるであろう。さらに、同じくハウジング３に格納された補助燃料供給システムからの水素の流出は、プレナム４内への水素の漏れにつながる。本発明者らは、セルスタック自体が、好適な制御システムと共であれば、水素漏れの検知に使用可能であるのだから、プレナム４内に別の水素検知器を設ける必要はないことに気づいた。

プレナム４内へ漏れた水素は、カソード吸気面６を通って、セルスタックのカソードコンジット内へと、強制通気される。燃料電池のＭＥＡのカソード面に存在する水素は、電圧低下および燃料電池の効率のロスにつながる。この電圧低下は、以下に述べるように制御システムを用いた燃料電池の慎重なモニタリングによって検知可能である。さらに、必ずしもハウジング内でない、ハウジングへの入り口のすぐ近くでの水素漏れもまた、ファン９によってハウジング内へと引き込まれ、水素がカソードコンジットを通って強制通気されることにつながりうる。

図２に示すように、セルスタック２は、１つのセルの、あるいは一連のセルの、さらにはスタック全体の電圧の検知に利用可能な、少なくとも２つのセル電圧モニタリング端子２０を含む。燃料電池は、スタックの多くのセルに、または直列接続されたセルの選ばれたグループに、セル電圧モニタリング端子を有するものとできる。セルまたはスタックの電圧は、セル電圧モニタリング回路２１に伝えられ、記録される。プロセッサ２２は、燃料電池の電圧をモニタし、カソードコンジット内の水素の存在に起因するセルまたはスタックの電圧低下を検知可能となっている。

これを行うために、プロセッサ２２は、セルまたはスタックの電圧出力の予期せぬ変化を検知し、セルまたはスタックの電圧に予期せぬ低下が起きた場合には、検知状態をトリガーするように作動するものとできる。あるいはプロセッサは、セルまたはスタックが一般的な動作条件の場合、セルまたはスタックの実電圧出力をセルまたはスタックの予想電圧出力と比較するように作動するものであってもよい。これを行うために、プロセッサ２２には、燃料電池、複数のセル、またはスタックの検出動作条件に応じた複数のインプット２３が供されるものとできる。これらの動作条件は、温度、燃料流量、電気負荷、カソード出力湿度、局所的な周囲湿度、燃料電池の年齢、大気圧、最近の動作履歴、などのパラメータを含むものとできる。プロセッサはインプットを用い、適当なアルゴリズムまたはルックアップテーブルにより予想電圧を特定するのに使用可能な動作条件を特定することができる。プロセッサは、測定された実電圧と燃料電池の動作条件から導き出された予想電圧との差が、例えばプレナム内への水素の漏れから生じる、カソードコンジット内の所定水準の水素を示すある量すなわち閾値を超えているか否かを判定するコンパレータを含むものとできる。上記で特定された動作条件のいくつかまたはすべてについての情報をプロセッサがどの程度必要とするかは、必要とされる水素検知感度による。燃料電池のカソードは、水素の存在に非常に敏感なものとなりえ、わずか数ピーピーエム（ＰＰＭ）の水素がカソード空気流に存在するだけで、場合によってはほとんどゼロへの、セル電圧の大幅な低下が起こりうる。

水素検知のためのハウジング３の密封構造および図１および２の通気システムのさらなる利点は、流出し燃料電池によって検知された漏出水素がある程度、ＰＥＭのカソード側で起きる化学反応によって使い果たされることである。これはカソード排気から水として安全に排出される。よって、漏出水素は、都合よく検知可能であるだけでなく、燃料電池自体によって部分的または完全に無害化可能である。

図１および２に関連して説明した代表的な燃料電池システムには、さまざまな変更が可能である。

スタック２のカソード排気面７もまた、ハウジング３内に収容可能で、好適な通気ダクトまたは他の空気流コンジットによってハウジング外部へと直接接続されるものとできる。

ファン９は、セルスタックの下流側カソード排気面７上にまたは隣接して設けられ、カソードコンジットを介してプレナム４から空気を引き出すように配置されていてもよい。このような構成の場合、ハウジング３の開口８は、大きな流出から十分な量の水素がカソードコンジットを通して引き込まれることを保証にするのに十分な、プレナム内のわずかな負圧を維持するのに十分なだけ排気ファンが強力であることを保証できる大きさとされていることが好ましいであろう。開口８は、より淀みない空気流のために、ハウジング周りに配された多数の開口からなるものであってもよい。

ハウジング３は、セルスタック２から漏れた水素がハウジング内で捕集され、次いで燃料電池のカソードコンジット内へと押し込まれることを保証するために比較的気密であることが好ましい。しかしながら、完全な気密性が不可欠ではないことは明らかであろう。必要とされるハウジングの閉鎖の度合は、ファンの強度、スタックによって必要とされる空気流量、および、より大きな空気流量において低濃度の水素を検知することに対するスタックの感度、などの要素によって部分的に決定される。よって必要なのは、スタック２から漏れた水素が十分な量、確実な検知のためのカソードコンジットを介した強制通気のために捕集されることを保証するために、ハウジング３がプレナム４へ十分な封じ込めをもたらすこと、だけである。好ましい構成においては、ハウジングと通気システムは、プレナム４内の空気の主たる（つまり、支配的な）流出路がカソードコンジットを介してであるように構成される。

ハウジング３は、任意のサイズの燃料電池あるいはセルスタックを格納することができ、複数のスタックが、共通のハウジングをシェアすることも可能である。

他の実施の形態も、意図的に、添付の請求項の範囲内にある。

Claims (12)

1. 燃料電池と、ハウジングと、通気システムと、制御システムとを含む燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、少なくとも１つのカソードと前記カソードを介してまたは越えての酸化剤ガスの通過のためのカソードコンジットを含んでおり、
   前記ハウジングは、前記燃料電池を格納し、かつ、前記燃料電池の周囲のプレナムを画定しており、前記プレナムはカソード排気面を除いて前記燃料電池のすべての面を取り囲み、前記カソード排気面は前記カソードコンジットの下流側端部を含み、
   前記通気システムは、前記プレナム内へ漏れた水素を、前記カソードコンジット内へと押し込み可能であり、
   前記制御システムは、前記燃料電池の電圧をモニタ可能で、かつ、前記カソードコンジット内の水素の存在に起因する電圧低下を検知することが可能である、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載された燃料電池システムであって、前記通気システムは、前記プレナム内へと空気を吹き込み可能な前記ハウジングの壁に配されたファンを含む、燃料電池システム。
3. 請求項２に記載された燃料電池システムであって、前記ハウジングは、前記プレナム内の空気の主たる流出路が前記カソードコンジットを介してであるように構成される、燃料電池システム。
4. 請求項１に記載された燃料電池システムであって、前記ハウジング内に、１つ以上のスタックに形成された複数の前記燃料電池を含む、燃料電池システム。
5. 請求項１または４に記載された燃料電池システムであって、
   前記制御システムは、
   前記燃料電池または前記燃料電池のスタックにおける１つ以上のセルの実電圧を特定するセル電圧モニタリングシステムと、
   前記燃料電池または燃料電池のスタックの動作条件を示すインプットを受け取り、かつ、それからモニタ中の１つ以上の前記燃料電池の予想電圧を特定するプロセッサと、
   前記実電圧と前記予想電圧との差が前記カソードコンジット内の所定水準の水素を示す所定の閾値を超えているか否かを判定するコンパレータと、
   を含む燃料電池システム。
6. 請求項１に記載された燃料電池システムであって、
   前記ハウジングは、前記プレナム内への外気の通過のために少なくとも１つの空気吸入口を有し、
   前記システムはさらに、前記カソードコンジットの下流に配され、かつ、前記プレナムから前記カソードコンジット内へと空気を引き込み、かつ、そこから前記空気を排出可能なファンを含む、燃料電池システム。
7. 請求項１に記載された燃料電池システムであって、前記制御システムは、前記燃料電池またはセルスタックの複数の前記燃料電池の動作条件を検出可能で、かつ、前記動作条件に基づいてセルまたはスタックの電圧の予期せぬ低下を検知することができる、燃料電池システム。
8. 請求項７に記載された燃料電池システムであって、前記検出動作条件は、温度、燃料流量、電気負荷、カソード出力湿度、局所的な周囲湿度、燃料電池の年齢、大気圧、最近の動作履歴のうちの１つ以上からなる、燃料電池システム。
9. 請求項１に記載された燃料電池システムであって、前記制御システムは、前記燃料電池またはセルスタックの複数の前記燃料電池の動作条件を検出可能で、セルまたはスタックの実電圧を、前記セルまたはスタックが一般的な動作条件の場合、セルまたはスタックの予想電圧と比較し得るプロセッサを含む、燃料電池システム。
10. 請求項９に記載された燃料電池システムであって、前記検出動作条件は、温度、燃料流量、電気負荷、カソード出力湿度、局所的な周囲湿度、燃料電池の年齢、大気圧、最近の動作履歴のうちの１つ以上からなる、燃料電池システム。
11. 請求項９に記載された燃料電池システムであって、前記プロセッサはさらに、前記セルまたはスタックの予想電圧をもたらすためのアルゴリズムまたはルックアップテーブルを含む、燃料電池システム。
12. 請求項９に記載された燃料電池システムであって、前記プロセッサは、前記セルまたはスタックの実電圧と前記セルまたはスタックの予想電圧との差が前記カソードコンジット内の所定水準の水素を示す閾値を超えているか否かを判定するコンパレータを含む、燃料電池システム。

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