JP6772467B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素を原料として発電する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、含酸素の空気と水素とが供給されることにより、発電を行い、発電した電力を利用して電動機を駆動することにより、車両等の自動車を走行させる。燃料電池を備えた燃料電池システムは、水素が貯留される燃料タンクや、燃料タンクから燃料電池に水素を供給するための燃料供給管等で主に構成されている。

水素は、可燃性を有することから、自動車等の車両に搭載される燃料電池システムでは、水素漏れを検知するための水素検出センサが設けられている。従来の水素検出センサを備えた燃料電池システムとしては、燃料電池スタックを収納する燃料電池用ケースを備え、燃料電池用ケースの上部に空気より軽い水素を捕集する捕集部が形成され、この捕集部に水素を検出する水素検出センサが取付けられたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３６７６４８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池システムにあっては、燃料電池ケースの内部には燃料電池スタックが収容されているだけである。これにより、水素検出センサによって燃料電池スタックから漏出する水素しか検出することができず、燃料電池に接続される水素タンクや、水素タンクと燃料電池スタックとを接続する配管から漏出する水素を検出することができない。

また、燃料電池ケースは、密閉空間であり、燃料電池ケースに充満した水素を燃料電池ケースから外部に排出することができず、燃料電池ケースの内部において水素の濃度が高くなるおそれがある。

本発明は、燃料タンク、燃料電池および配管のいずれかから漏出した水素を筐体から排出しながら、水素を的確に検出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ものである。

本発明は、水素が貯留される燃料タンクと、水素と酸素とが反応することで発電する燃料電池と、前記燃料タンクと前記燃料電池とを接続し、前記燃料タンクに貯留される水素を前記燃料電池に供給する配管と、水素を検出する複数の水素検出センサと、前記水素検出センサからの検出情報に基づいて前記燃料電池の運転を制御する制御部とを備えた燃料電池システムであって、前記燃料タンク、前記燃料電池および前記配管が収容された筐体を有し、前記筐体が、側板と、前記側板の上面に設けられ、前記側板の上面の一端部から他端部に向かって上方に傾斜し、傾斜方向の上端部の内周面と前記側板の他端部の上面との間に前記筐体の内部と外部とを連通する開口が形成されている天井板とを備え、前記天井板の傾斜方向の上端部の内周面に、前記複数の水素検出センサが設置されており、前記制御部は、前記複数の水素検出センサから出力される出力値の最大値と最小値との差が、予め定められた判定値を超え、前記判定値を超えた時間が一定時間経過したら、前記燃料電池システムの異常を検出し、前記複数の水素検出センサから出力される出力値が、予め定められた閾値を超えたら、前記燃料電池の運転を停止する。

本発明によれば、燃料タンク、燃料電池および配管のいずれかから漏出した水素を筐体から排出しながら、水素を的確に検出することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの正面図である。 図２は、図１のII−II方向矢視断面図である。 図３は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムが実行するシステム制御処理フローチャートである。 図４は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの水素濃度の大きさと電源のＯＮ／ＯＦＦの関係を示すタイミングチャートである。 図５は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムが実行する他のシステム制御処理フローチャートである。 図６は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの水素濃度の大きさと、水素検出センサの出力値の最大値と最小値との差の大きさと、電源のＯＮ／ＯＦＦの関係とを示すタイミングチャートである。

以下、本発明に実施の形態に係る燃料電池システムについて、図面を用いて説明する。
図１〜図６は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示す図である。

まず、構成を説明する。
燃料電池システム１は、例えば、モータを駆動源とする電気自動車に搭載されている。 図１、図２において、燃料電池システム１は、筐体２と制御装置３とを備えている。筐体２には ３つの燃料タンク４と、燃料電池５と、配管６と、制御弁７Ａ〜７Ｃと、一対の水素検出センサ８Ａ、８Ｂとが纏めて収容されている。

燃料タンク４は、例えば、内部に貯留空間が形成されるように中空状に構成された図示しないライナと、ライナの外面を覆う補強層とを有し、貯留空間には高圧の水素が充填されている。燃料タンク４は、例えば、ガソリンスタンド等に設置される水素供給ステーションから水素ガスが補給可能である。

燃料電池５は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行う。燃料電池５は、電解質膜を備えており、電解質膜を図示しないアノード電極と図示しないカソード電極とで両側から挟み込んで形成された図示しないセルが複数積層されたスタックとして構成されている。

燃料電池５において、アノード電極にはアノードガスとして水素が、カソード電極にはカソードガスとして酸素を含んだ空気がそれぞれ供給されることで、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが電解質を透過してカソード電極に移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応して発電する。

燃料電池５は、化学反応によって発電された電力を図示しないインバータを介して図示しない走行用のモータや図示しないバッテリに供給する。

配管６は、燃料タンク４と燃料電池５とを接続しており、燃料タンク４に貯留される水素を燃料電池５のアノード電極に供給する。制御弁７Ａ〜７Ｃは、それぞれ燃料タンク４に設けられており、それぞれの燃料タンク４から燃料電池５に供給される水素の量を調整したり、それぞれの燃料タンク４の出口を閉じて燃料タンク４から燃料電池５の水素を供給することを停止する。

燃料電池５のカソード電極には図示しない酸素用の配管によって空気が送り込まれる。この酸素用の配管は、筐体２の内部から筐体２の外部に延びており、外部から取り入れた酸素を含んだ空気を燃料電池５のカソード電極に送り込む。

水素検出センサ８Ａ、８Ｂは、筐体２の内部で燃料タンク４、燃料電池５および配管６のいずれかから漏出した水素の濃度を検出し、検出結果を制御装置３に出力する。本実施の形態の制御装置３は、本発明の制御部を構成する。

水素検出センサ８Ａ、８Ｂは、例えば、白金等の触媒が付着された図示しない検出素子と、触媒が付着されていない図示しない温度補償素子とを備えており、漏出した水素が触媒に接触すると、触媒の燃焼により、検出素子の温度が温度補償素子よりも上がることで、検出素子と温度補償素子の間に電気抵抗値に差が生じ、電気抵抗値に基づいて水素の濃度を検出する。

水素検出センサ８Ａ、８Ｂの構成は、触媒燃焼式に限らず、半導体式、固体電解質式、熱電式、光学式等のいずれの種類のものであってもよく、特に、限定されるものではない。

制御装置３は、マイクロコンピュータから構成されており、車両の運転状態に応じて制御弁７Ａ〜７Ｃを可変制御する。また、制御装置３は、水素検出センサ８Ａ、８Ｂの検出情報に基づいて制御弁７Ａ〜７Ｃを閉じて燃料タンク４から燃料電池５に水素を供給することを停止する。

筐体２は、四角形状の底板１０と、底板１０の外周端から上方に延びる直方体状の側板１１と、側板１１の上面に設けられた四角形状の天井板１２とを備えている。
天井板１２は、側板の上面の一端部１１ａから他端部１１ｂに向かって上方に傾斜している。天井板１２の傾斜方向の上端部１２Ａの内周面１２ａと側板１１の他端部１１ｂの上面との間には開口１３が形成されており、開口１３は、筐体２の内部と外部とを連通している。

水素検出センサ８Ａ、８Ｂは、天井板１２の傾斜方向の上端部１２Ａの内周面１２ａに設けられており、上端部１２Ａの幅方向に離隔して設置されている。

それぞれの燃料タンク４には図示しない圧力センサが設けられており、圧力センサの検出結果は、制御装置３に出力される。制御装置３は、圧力センサからの検出情報に基づいて燃料タンク４に貯留される水素量を推定する。

制御装置３は、圧力センサの検出結果が予め定められた閾値を超えた場合に、制御弁７Ａ〜７Ｃのいずれか１つを開放して制御弁７Ａ〜７Ｃのいずれか１つが開放された燃料タンク４から燃料電池５に水素を供給する。

制御装置３は、圧力センサの検出結果が予め定められた閾値以下となった場合には、その圧力センサを有する燃料タンク４の水素量が燃料電池５に供給される量を確保できないものと判断する。

制御装置３は、水素量の低減した燃料タンク４の制御弁７Ａ〜７Ｃのいずれか１つを閉じ、圧力センサの検出結果が閾値を超えると、燃料タンク４の制御弁７Ａ〜７Ｃのいずれか１つを開放して、制御弁７Ａ〜７Ｃのいずれか１つが開放された燃料タンク４から燃料電池５に水素を供給する。

制御装置３は、水素検出センサ８Ａ、８Ｂから出力される出力値が、予め定められた閾値を超えたら、開放されている制御弁７Ａ〜７Ｃのいずれかを閉じて燃料電池５の運転を停止する。

次に、作用を説明する。
本実施の形態の燃料タンク４、燃料電池５および配管６は、筐体２に纏めて収納されている。筐体２は、側板１１と、側板１１の上面に設けられ、側板１１の上面の一端部１１ａから他端部１１ｂに向かって上方に傾斜し、傾斜方向の上端部１２Ａの内周面１２ａと側板１１の他端部１１ｂの上面との間に、筐体２の内部と外部とを連通する開口１３が形成され天井板１２とを備え、天井板１２の傾斜方向の上端部１２Ａの内周面１２ａに水素検出センサ８Ａ、８Ｂが設置されている。
これにより、燃料タンク４、燃料電池５および配管６の少なくとも１つから水素が漏れている場合に、水素は、天井板１２の内周面１２ａに沿って開口１３に向かって上昇する。

開口１３から筐体２の外方に流出する水素は、水素検出センサ８Ａ、８Ｂによって検出され、水素検出センサ８Ａ、８Ｂによって検出された情報は、制御装置３に出力される。

これにより、燃料タンク４、燃料電池５および配管６のいずれかから漏出した水素を筐体２から排出しながら、筐体２の最適な位置に設置された水素検出センサ８Ａ、８Ｂで水素を的確に検出しつつ、水素が筐体２の内部に滞留することを防止することができる。

図３に示すフローチャートおよび図４に示すタイムチャートに基づいてシステム制御処理を説明する。なお、図３に示すフローチャートは、制御装置３によって実行されるシステム制御処理のフローチャートである。

図３において、制御装置３は、水素検出センサ８Ａ、８Ｂによる水素の測定を開始する（ステップＳ１）。次いで、制御装置３は、水素検出センサ８Ａ、８Ｂからの検出情報に基づき、水素検出センサ８Ａ、８Ｂの出力値が予め定められた閾値Ａを超えたか否かを判別する（ステップＳ２）。

ステップＳ２において、制御装置３は、水素検出センサ８Ａ、８Ｂの出力値が閾値Ａ以下であるものと判断した場合には、燃料電池５の運転を継続して（ステップＳ３）、ステップＳ１に処理を戻す。

一方、ステップＳ２において、制御装置３は、水素検出センサ８Ａ、８Ｂのいずれかの出力値が閾値Ａを超えたものと判断した場合には、図４に示すように燃料電池システム１の電源をＯＦＦにすることにより、燃料電池５の運転を停止して（ステップＳ４）、今回の処理を終了する。なお、燃料電池５の運転を停止した場合に、ランプやブザー等によって運転者に報知してもよい。
燃料電池システム１の電源をＯＦＦにすると、現在開いている制御弁７Ａ〜７Ｃのいずれかが閉じられて燃料タンク４から燃料電池５に水素が供給されない。

このように本実施の形態の燃料電池システム１によれば、制御装置３は、水素検出センサ８Ａ、８Ｂから出力される出力値が、予め定められた閾値Ａを超えたら、燃料電池５の運転を停止するので、筐体２から水素が過度に漏出することを防止して燃料電池システム１の安全性を高めることができる。

また、本実施の形態の燃料電池システム１によれば、天井板１２の傾斜方向の上端部１２Ａの内周面１２ａに一対の水素検出センサ８Ａ、８Ｂを設置したので、筐体２の最適な位置に水素検出センサ８Ａ、８Ｂを設置することができる。
これにより、燃料タンク４、燃料電池５および配管６のいずれかから漏出した水素をより一層、的確に検出することができる。

なお、制御装置３は、水素検出センサ８Ａ、８Ｂから出力される出力値の最大値と最小値との差が、予め定められた判定値を超え、判定値を超えた時間が一定時間経過したら、開放されている制御弁７Ａ〜７Ｃのいずれかを閉じて燃料電池５の運転を停止するようにしてもよい。

このシステム制御処理を図５に示すフローチャートおよび図６に示すタイムチャートに基づいて説明する。なお、図５に示すフローチャートは、制御装置３によって実行されるシステム制御処理のフローチャートである。

図５において、制御装置３は、水素検出センサ８Ａ、８Ｂによる水素の測定を開始する（ステップＳ１１）。次いで、制御装置３は、図６に示すように、水素検出センサ８Ａ、８Ｂからの検出情報に基づき、水素検出センサ８Ａ、８Ｂの出力値の最大値ｍａｘと最小値ｍｉｎとの差が予め定められた判定値Ｂを超え、判定値Ｂを超えた時間が一定時間ｔを経過したか否かを判別する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２において、制御装置３は、水素検出センサ８Ａ、８Ｂの出力値の最大値ｍａｘと最小値ｍｉｎとの差が予め定められた判定値Ｂを超え、判定値Ｂを超えた時間が一定時間ｔを経過したものと判断した場合には、図６に示すように、燃料電池システム１の電源をＯＦＦにすることにより、燃料電池５の運転を停止して（ステップＳ１５）、今回の処理を終了する。この場合には、水素検出センサ８Ａ、８Ｂの出力値が閾値Ａを超えなくても燃料電池５の運転を停止する。

なお、燃料電池５の運転を停止した場合に、ランプやブザー等によって運転者に報知してもよい。
燃料電池システム１の電源をＯＦＦにすると、現在開いている制御弁７Ａ〜７Ｃのいずれかが閉じられて燃料タンク４から燃料電池５に水素が供給されない。

ステップＳ１２において、制御装置３は、水素検出センサ８Ａ、８Ｂの出力値の最大値ｍａｘと最小値ｍｉｎとの差が予め定められた判定値Ｂを超えていない、若しくは、判定値Ｂを超えた時間が一定時間ｔを経過していないものと判断した場合には水素検出センサ８Ａ、８Ｂの出力値が予め定められた閾値Ａを超えたか否かを判別する（ステップＳ１３）。

ステップＳ１３において、制御装置３は、水素検出センサ８Ａ、８Ｂの出力値が閾値Ａ以下であるものと判断した場合には、燃料電池５の運転を継続して（ステップＳ１４）、ステップＳ１１に処理を戻す。

ステップＳ１３において、制御装置３は、水素検出センサ８Ａ、８Ｂの出力値が閾値Ａを超えたものと判断した場合には、図６に示すように、燃料電池システム１の電源をＯＦＦにすることにより、燃料電池５の運転を停止して（ステップＳ１５）、今回の処理を終了する。

このように本実施の形態の燃料電池システムにおいて、制御装置３が、水素検出センサ８Ａ、８Ｂから出力される出力値の最大値と最小値との差が、予め定められた判定値を超え、判定値を超えた時間が一定時間経過したら、開放されている制御弁７Ａ〜７Ｃのいずれかを閉じて燃料電池５の運転を停止するようにしてもよい。

このようにすれば、水素検出センサ８Ａ、８Ｂの故障を検出して、燃料電池５の運転を直ちに停止することができ、燃料電池システム１の安全性をより効果的に向上できる。
これに加えて、燃料電池システム１の電源投入時のイニシャルチェックや断線チェックを行うことができる。

さらに、水素検出センサ８Ａ、８Ｂから出力される出力値の最大値と最小値との差が、予め定められた判定値を超えない場合には燃料電池５の運転を停止しないので、水素検出センサ８Ａ、８Ｂの誤作動に起因して燃料電池５の運転が停止されてしまうことを防止できる。このため、燃料電池システム１の信頼性が低下することを防止できる。

なお、本実施の形態の燃料電池システム１は、車両に搭載されているが、航空機、船舶、ロボット等の移動体に適用することが可能であり、これらに限定されるものでもない。

本発明の実施の形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正および等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１...燃料電池システム、２...筐体、３...制御装置（制御部）、４...燃料タンク、５...燃料電池、６...配管、８Ａ，８Ｂ...水素検出センサ、１１...側板、１１ａ...一端部、１１ｂ...他端部、１２...天井板、１２Ａ...上端部、１２ａ...内周面、１３...開口

Claims (2)

1. 水素が貯留される燃料タンクと、水素と酸素とが反応することで発電する燃料電池と、前記燃料タンクと前記燃料電池とを接続し、前記燃料タンクに貯留される水素を前記燃料電池に供給する配管と、水素を検出する複数の水素検出センサと、前記水素検出センサからの検出情報に基づいて前記燃料電池の運転を制御する制御部とを備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料タンク、前記燃料電池および前記配管が収容された筐体を有し、
   前記筐体が、側板と、前記側板の上面に設けられ、前記側板の上面の一端部から他端部に向かって上方に傾斜し、傾斜方向の上端部の内周面と前記側板の他端部の上面との間に
   、前記筐体の内部と外部とを連通する開口が形成されている天井板とを備え、
   前記天井板の傾斜方向の上端部の内周面に、前記複数の水素検出センサが設置されており、
   前記制御部は、前記複数の水素検出センサから出力される出力値の最大値と最小値との差が、予め定められた判定値を超え、前記判定値を超えた時間が一定時間経過したら、前記燃料電池システムの異常を検出し、前記複数の水素検出センサから出力される出力値が、予め定められた閾値を超えたら、前記燃料電池の運転を停止することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記複数の水素検出センサから出力される出力値の最大値と最小値との差が、予め定められた判定値を超え、前記判定値を超えた時間が一定時間経過したら、前記燃料電池の運転を停止す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。

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