(57)【要約】【課題】万一燃料電池内部において異常燃焼が発生した場合に、当該燃料電池を適切に保護することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノードに水素を含むアノードガスを供給すると共に、カソードに酸素を含むカソードガスを供給することにより発電を行う単位電池１２を複数積層した燃料電池１０と、各単位電池１２に発生した異常燃焼を検知する異常燃焼検知センサ３４と、を備え、異常燃焼が検知された場合に、当該異常燃焼が発生している単位電池１２のカソードへ生成水を導入する。また、燃料電池１０は、導入された生成水が各単位電池１２のカソードガスの導入部に滞留するように形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに水素を含むアノードガスを供給すると共に、カソードに酸素を含むカソードガスを供給することにより発電を行う単位電池を複数積層した燃料電池と、
前記各単位電池に発生した異常燃焼を検知する異常燃焼検知手段と、
前記異常燃焼が検知された場合に、当該異常燃焼が発生している単位電池のカソードへ水分を導入する水分導入手段と、を備え、
前記燃料電池は、前記水分導入手段によって導入された水分が前記各単位電池のカソードガスの導入部に滞留するように形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数毎の単位電池が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位電池自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，以下、「ＭＥＡ」と称する）を有し、該ＭＥＡをその両側からセパレータで挟むことで構成されている。そして、アノードに水素を含むアノードガスが供給され、カソードに空気などの酸素を含むカソードガスが供給されることによって、両電極で電気化学反応が起こり、両電極間に電圧が発生する仕組みになっている。
【０００３】
このような燃料電池においては、膜の脆化等の原因によりアノードガス（水素）とカソードガス（酸素）とが内部で混合するクロスリークが発生する場合がある。クロスリークが発生すると、燃料電池の性能不良を引き起こしてしまうばかりか、カソードのオフガス配管から水素が流出してしまうおそれがある。そこで、従来、例えば、特開２００８−１０８６６７号公報には、燃料電池内でクロスリークが発生した場合でも、カソードのオフガス中に混入した水素の濃度を低減することのできる燃料電池システムが提案されている。より具体的には、この燃料電池システムでは、カソードのオフガスラインに触媒燃焼器を設けている。触媒燃焼器は、カソードから排出されるオフガス中の水素を燃焼させることができる。このため、燃料電池システム外へ水素が排気される事態を大幅に低減することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０８６６７号公報
【特許文献２】特開２００６−６６３２６号公報
【特許文献３】特開平７−２９５８６号公報
【特許文献４】特開２００６−３０２５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、クロスリークによりカソードのオフガス中に混入した水素を処理することとしているが、クロスリーク箇所への根本的な対策がなされているわけではない。このため、当該クロスリーク箇所が次第に拡大して、カソードへリークする水素濃度が爆発限界以上に高まった場合には、該燃料電池内部やカソード経路内部で異常燃焼が発生してしまうおそれがある。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、万一燃料電池内部において異常燃焼が発生した場合に、当該燃料電池を適切に保護することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を含むアノードガスを供給すると共に、カソードに酸素を含むカソードガスを供給することにより発電を行う単位電池を複数積層した燃料電池と、
前記各単位電池に発生した異常燃焼を検知する異常燃焼検知手段と、
前記異常燃焼が検知された場合に、当該異常燃焼が発生している単位電池のカソードへ水分を導入する水分導入手段と、を備え、
前記燃料電池は、前記水分導入手段によって導入された水分が前記各単位電池のカソードガスの導入部に滞留するように形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
第１の発明によれば、単位電池に発生した異常燃焼が検知される。そして、異常燃焼の発生している単位電池のカソードに水分が導入される。このため、本発明によれば、当該単位電池内を効果的に消火することができる。また、第１の発明によれば、燃料電池は、導入された水分が当該単位電池のカソードにおけるカソードガス導入部に滞留するように形成されている。このため、本発明によれば、当該異常燃焼が発生した単位電池にカソードガスが導入されることを抑止することができるので、カソードガス（酸素）が燃焼部に混入して延焼が起こる事態を効果的に抑止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１に示すとおり、燃料電池システムは、燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、固体高分子電解質膜を備えた固体高分子型の燃料電池であり、主として燃料電池自動車などに搭載されるものである。燃料電池１０は複数枚の単位電池１２を積層されて構成されている。各単位電池１２は、発電体１４、カソードガスおよびアノードガスが流れるガス流路１６および１８、隣接する発電体１４を隔離するセパレータ２０によって構成されている。発電体１４は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）の外側に、ガス拡散層をガスケットゴムで囲んで一体として形成されている。
【００１１】
ガス流路１６および１８は、例えば、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発砲焼結金属や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成されている。この際、ガス流路１６および１８は所定方向へ反応ガスを流すことを主目的としているため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を向上させるように、比較的気孔率の大きい多孔体が使用される。当該ガス流路１６および１８に導入された反応ガスは内部の細孔を通過しＭＥＡのアノードおよびカソードに供給される。尚、ガス流路１６，１８は、多孔体で形成された流路に限らず、例えば、セパレータ２０等に形成された溝状の流路でもよい。
【００１２】
燃料電池１０には、アノードガス（水素）を供給するためのアノードガス流路２２と、アノードオフガス流路２４とが接続されている。アノードガス流路２２の上流端は、アノードガスタンクに接続され、その下流には調圧弁が配置されている（何れも図示せず）。アノードガスは調圧弁で減圧され、所望の圧力に減圧されてから燃料電池１０に供給される。燃料電池１０内を通ったアノードガスは、アノードオフガスとしてアノードオフガス流路２４に排気される。アノードオフガス流路２４の下流には、図示しない希釈器が接続されている。アノードオフガス中に残存している水素は、希釈器内で十分に低い濃度まで希釈された後外部に放出される。
【００１３】
また、燃料電池１０には、カソードガス（空気）を供給するためのカソードガス流路２６と、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス流路２８とが接続されている。カソードガス流路２６の入口には、外部から取り込まれた空気に含まれている粉塵等を除去するエアフィルタが配置され、その下流にはコンプレッサが配置されている（何れも図示せず）。コンプレッサの作動によって吸入された空気は、カソードガス流路を介して燃料電池１０へ供給される。燃料電池１０内を通ったカソードガスは、カソードオフガスとしてカソードオフガス流路２８へ排気される。
【００１４】
また、カソードオフガス流路２８には、生成水回収タンク３０が配置されている。生成水回収タンク３０は、燃料電池１０内で生成されカソードオフガスと一緒に排出された生成水を回収して貯留するためのタンクである。また、カソードオフガス流路２８における生成水回収タンク３０の上流側には、水素センサ３２が配置されている。水素センサ３２は、カソードオフガスに含まれる水素の濃度を検知するためのセンサである。
【００１５】
また、図１に示すとおり、生成水回収タンク３０には、該生成水回収タンク３０とカソードオフガス流路２８の上流端近傍とを連通させる導入配管３４が接続されている。生成水回収タンク３０内の生成水は、該タンク内のポンプ（図示せず）を駆動することにより、導入配管３４を介して単位電池１２のガス流路１８内へ導入される。尚、図示は省略するが、当該生成水を導入するシステムは、各単位電池１２にそれぞれ設けられ、個別に動作可能なものとする。
【００１６】
また、本実施の形態のシステムは、単位電池１２内で発生した異常燃焼を検知するための異常燃焼検知センサ３４が設けられている。異常燃焼検知センサ３４としては、各単位電池１２に異常燃焼を検知するためのセンサを設ける構成でもよいし、また、他の公知の手法によって、各単位電池１２に発生する異常燃焼を、それぞれ検知することとしてもよい。
【００１７】
また、本実施の形態のシステムは、その制御装置として、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０が備えられている。ＥＣＵ４０は、燃料電池１０の発電を制御する他、水素センサ３２、異常燃焼検知センサ３４等の信号に基づいて、生成水回収タンク３０内の生成水を導入する単位電池、導入量、および導入時期等を制御するものとする。
【００１８】
［実施の形態の特情的動作］
次に、図２および図３を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。図２は、システムが燃料電池１０の異常燃焼を検知した場合の消火処理を実行するルーチンのフローチャートである。図２に示すルーチンでは、先ず、燃料電池１０の各単位電池１２に異常燃焼が発生しているか否かが判定される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、異常燃焼検知センサ３４の出力信号に基づいて、異常燃焼の発生および該異常燃焼の発生している単位電池が特定される。その結果、異常燃焼が発生していないと判定された場合には、消火処理を実行する必要がないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。
【００１９】
一方、上記ステップ１００において、異常燃焼が発生していると判定された場合には、当該異常燃焼の発生している単位電池１２の消火処理を実行する必要があると判断されて、次のステップに移行し、水分の導入処理が実行される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、生成水回収タンク３０から導入配管３４およびカソードオフガス流路２８を介して、上記ステップ１００において異常燃焼が検知された単位電池１２内に水分が導入される。導入された水分は、当該単位電池１２内の異常燃焼部に到達して消火に寄与される（ステップ１０４）。
【００２０】
次に、生成水回収タンク３０内の生成水が規定水量まで導入される（ステップ１０６）。本実施の形態の燃料電池１０は、カソードガスの導入部が鉛直方向下側に配置されている。このため、生成水回収タンク３０から導入配管３４およびカソードオフガス流路２８を介して導入された生成水は、該単位電池１２内の下部に位置するカソードガス導入部に規定水量が貯留される。規定水量は、カソードガスの導入部からカソードガスの供給が停止される流量として、予め設定された流量が使用される。
【００２１】
以上説明した通り、図２に示すルーチンによれば、異常燃焼が発生している単位電池１２を特定し、生成水を導入することにより、当該異常燃焼を効果的に消火することができる。また、導入された生成水が規定水量カソードガスの導入部に貯留されるので、異常燃焼時にカソードガスが供給され続ける事態を回避することができる。これにより、延焼の発生を効果的に抑止することができる。
【００２２】
次に、異常燃焼を消火した後の処理について、図３に示すルーチンを参照して詳細に説明する。図３は、システムが異常燃焼の消火処理を実行した後に実行するルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、図２に示すステップ１０２〜１０６の消火処理を実行した後に起動されるルーチンである。
【００２３】
図３に示すルーチンでは、先ず、カソードオフガス流路２８の水素濃度が検知される（ステップ１１０）。ここでは、具体的には、カソードオフガス流路２８に配置された水素センサ３２の検出信号に基づいて検知される。
【００２４】
次に、上記ステップ１１０において検知された水素濃度が、燃焼可能性のある所定濃度（例えば、４％）以上か否かが判定される（ステップ１１２）。その結果、水素濃度が所定濃度以上であると判定された場合には、カソードオフガス流路２８内で異常燃焼が発生するおそれがあると判断されて、次のステップに移行し、燃料電池１０の運転が速やかに停止される（ステップ１１４）。
【００２５】
一方、上記ステップ１１２において、水素濃度が所定濃度未満であると判定された場合には、現状においては異常燃焼の危険は小さいと判断されて、次のステップに移行し、水素濃度の上昇により異常燃焼の危険があるか否かが判定される（ステップ１１６）。ここでは、具体的には、水素濃度の上昇量に基づいて、水素濃度が燃焼可能性のある所定濃度を超える可能性の有無が判定される。その結果、水素濃度が燃焼可能性のある所定濃度を超える可能性がないと判定された場合には、水素濃度低下のための対策が必要ないと判断されて、次のステップに移行し、燃料電池１０の運転が継続される（ステップ１１８）。
【００２６】
一方、上記ステップ１１６において、水素濃度が燃焼可能性のある所定濃度を超える可能性があると判定された場合には、水素濃度低下のための対策が必要であると判断されて、次のステップに移行し、運転は継続しつつ、アノードガスの供給圧力を低下させる処理が実行される（ステップ１２０）。次に、上記ステップ１１８に移行し、燃料電池１０の運転が継続される。
【００２７】
以上説明した通り、図３に示すルーチンによれば、カソードオフガス流路２８内の水素濃度が、異常燃焼が発生しうる濃度に到達している場合に、燃料電池１０の運転を速やかに停止させることができる。これにより、カソードオフガス流路２８内で異常燃焼が発生する事態を効果的に抑止することができる。また、カソードオフガス流路２８内の水素濃度が、燃焼可能性のある所定濃度を超える可能性があると判定された場合に、アノードガスの供給圧力を低下される。これにより、クロスリークによってカソードオフガスに混入する水素の濃度を効果的に低減することができる。
【００２８】
また、図３に示すルーチンによれば、カソードオフガス流路２８内の水素濃度が、燃焼可能性のある所定濃度を超える可能性があると判定された場合に、燃料電池１０の運転を継続しつつ水素濃度を低減させる処理が実行される。このため、異常燃焼の発生を抑止しつつ、該燃料電池１０を運転することができる。
【００２９】
ところで、上述した実施の形態では、水素濃度低下のための対策として、アノードガスの供給圧力を低下させることとしたが、かかる対策のための処理はこれに限られない。すなわち、アノードガスの流量を低下させることとしてもよいし、また、カソードガスの流量を上昇させる手段や、カソードガスの供給圧力を上昇させる手段等の他の手段を用いることとしてもよい。
【００３０】
尚、上述した実施の形態においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより、前記第１の発明における「異常燃焼検知手段」が、上記ステップ１０２、１０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「水分導入手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３２】
１０  燃料電池
１２  単位電池
１４  発電体
１６，１８  ガス流路
２０  セパレータ
２２  アノードガス流路
２４  アノードオフガス流路
２６  カソードガス流路
２８  カソードオフガス流路
３０  生成水回収タンク
３２  水素センサ
３４  導入配管
３６  異常燃焼検知センサ
４０  ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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