(57)【要約】【課題】  本発明は燃料電池に関し、燃料電池スタックからの液体の漏れを正確に検知できるようにする。【解決手段】  スタックケース１０，２０内に存在する、結露水以外の液体を検出する検出手段７４，７６を備える。検出手段７４，７６によって結露水以外の液体が検出された場合には、燃料電池スタック４０から液体が漏れ出ていると判断することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収納するスタックケースとを備える燃料電池において、
前記スタックケース内に存在する、結露水以外の液体を検出する検出手段を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記検出手段は、前記スタックケース内に生じた液体の抵抗値を計測することにより、前記燃料電池スタックから漏れ出た冷媒液を検出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記検出手段は、前記スタックケース内に生じた液体を溜める貯留部を備え、前記貯留部に液体が溜まる速度に基づいて、前記燃料電池スタックから漏れ出た液体を検出することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記貯留部には、前記貯留部に溜まった液体を少しずつ外部へ排出する排出手段が設けられていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記排出手段は逆止弁であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記検出手段は前記スタックケースの外に設けられていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記検出手段により結露水以外の液体が検出された際に、異常を警告する警告信号を出力する警告手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、燃料電池スタックを収納するスタックケースの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車等の移動体の駆動用電源として、水素を燃料として発電する燃料電池スタックが知られている。燃料電池スタックは、複数のセルを積層し、その両側からボルト等で締結することによって構成されている。このような構成のため、路面からの衝撃や衝突による衝撃が燃料電池スタックに加わった場合には、一瞬、セルを締結する締結力が燃料電池スタック内部の圧力よりも下がることで、燃料電池スタック内部の液体、つまり、冷媒液流路を流れる冷媒液や反応ガス流路内に溜まっている生成水が燃料電池スタックの外に漏れる可能性がある。
【０００３】
通常、燃料電池スタックは、スタックケースに収納された状態で移動体に搭載されている。スタックケースは内部の保温や外部からの水や泥等の浸入防止のために密閉されているため、燃料電池スタックから漏れ出た液体はスタックケース内に溜まることになる。しかし、通電性の高い液体がスタックケース内に溜まってしまうと、燃料電池スタックの高電圧部における絶縁抵抗が低下し、短絡や漏電のおそれが生じてしまう。
【０００４】
上記のような問題の発生を防止するためには、燃料電池スタックから液体が漏れ出した早い段階で液体の漏れを検出することが有効である。例えば、特許文献１には、スタックケースの底面を傾斜させて燃料電池スタックからの漏水を捕集し、捕集した漏水を水分検出器で検出する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１６４０７０号公報
【特許文献２】特開平７−２８２８３４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、スタックケース内で生じる液体には、燃料電池スタックから漏れ出た液体の他に、結露により生じた結露水も含まれる。燃料電池スタックの運転時、スタックケース内の温度は外気温よりも高温になる場合が多く、スタックケースの内壁面では結露が生じやすい。このため、燃料電池スタックからの液体の漏れがない場合でも、結露水がスタックケースの底面に溜まる可能性がある。特許文献１に記載された技術では、水分検出器によって燃料電池スタックからの漏水を検知しているが、水分検出器による検出では、結露水を誤って漏水として検知してしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池スタックからの液体の漏れを正確に検知できるようにした燃料電池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、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収納するスタックケースとを備える燃料電池において、
前記スタックケース内に存在する、結露水以外の液体を検出する検出手段を備えることを特徴としている。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記検出手段は、前記スタックケース内に生じた液体の抵抗値を計測することにより、前記燃料電池スタックから漏れ出た冷媒液を検出することを特徴としている。
【０００９】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記検出手段は、前記スタックケース内に生じた液体を溜める貯留部を備え、前記貯留部に液体が溜まる速度に基づいて、前記燃料電池スタックから漏れ出た液体を検出することを特徴としている。
【００１０】
第４の発明は、第３の発明において、前記貯留部には、前記貯留部に溜まった液体を少しずつ外部へ排出する排出手段が設けられていることを特徴としている。
【００１１】
第５の発明は、第４の発明において、前記排出手段は逆止弁であることを特徴としている。
【００１２】
第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、前記検出手段は前記スタックケースの外に設けられていることを特徴としている。
【００１３】
第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、前記検出手段により結露水以外の液体が検出された際に、異常を警告する警告信号を出力する警告手段をさらに備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、スタックケース内に存在する液体が結露水か、或いは結露水以外の液体かを判別することができるので、燃料電池スタックからの液体の漏れを正確に検知することが可能となる。
【００１５】
燃料電池スタックに使用される冷媒液は、一般に、絶縁性の高いエチレングリコールを主成分としている。このため、冷媒液の抵抗値は水のそれよりも極めて高い。第２の発明によれば、スタックケース内に生じた液体の抵抗値を計測することにより、燃料電池スタックからの冷媒液の漏出を正確に検知することができる。
【００１６】
また、燃料電池スタックから液体が漏れ出た場合、その時間当たりの漏出量は、スタックケース内での結露による水の生成速度と比較して極めて大きい。第３の発明によれば、貯留部に液体が溜まる速度を計測することで、燃料電池スタックからの液体の漏出を正確に検知することができる。特に、第３の発明を第２の発明と組合せることで、燃料電池スタックからの漏れ出た液体が、冷媒液流路を流れる冷媒液か、或いは反応ガス流路内の生成水か正確に判定することが可能になる。
【００１７】
第４の発明によれば、貯留部に溜まった液体は排出手段によって少しずつ外部へ排出されるので、スタックケース内に液体が溢れることを防止することができる。特に、排出手段による液体の最大排出速度をスタックケース内での結露水の生成速度よりも少し大きく設定しておくことで、燃料電池スタックから液体が漏れ出たときのみ貯留部に液体が溜まるようにすることができる。第５の発明によれば、排出手段を逆止弁とすることで、外部からスタックケース内への水や泥の浸入を防止することができる。
【００１８】
また、第６の発明によれば、検出手段を高温高湿度雰囲気のスタックケース外に配置することで、検出手段の故障や劣化を防止することができる。
【００１９】
第７の発明によれば、結露水以外の液体が検出された際には警告信号が出力されるので、点検や修理等、燃料電池スタックからの液体の漏出に対する対策を速やかにとることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図１乃至図５を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態としての燃料電池の構成を示す側面断面図である。本実施形態では、本発明の燃料電池は電気自動車の駆動用電源として構成されている。この燃料電池では、燃料電池スタック４０を収納するスタックケースは、ハット型のアッパケース１０と、プレート型のロアケース２０の２つのピースから構成されている。ロアケース２０上にはセルの積層方向を横にして燃料電池スタック４０が配置され、燃料電池スタック４０を上から覆うようにアッパケース１０が被せられている。アッパケース１０、ロアケース２０ともに、少なくともその内面は絶縁材（例えばポリエチレン）でコーティングされている。アッパケース１０の鍔部とロアケース２０の縁部との間には、スタックケース内部への水や泥の浸入を防止するためのガスケット５０が挟み込まれている。アッパケース１０のハット型形状は、アルミニウム等のプレス深絞りによって成形することができる。
【００２１】
燃料電池スタック４０は、ロアケース２０上にインシュレータマウント６０を介して配置されている。燃料電池スタック４０のセル積層方向の両端にはエンドプレート４４が取り付けられている。インシュレータマウント６０は、このエンドプレート４４とロアケース２０の上面との間に挟まれている。燃料電池スタック４０のエンドプレート４４には、冷媒液や反応ガスを供給したり排出したりするための複数のパイプ４６が接続されている。パイプ４６はロアケース２０を貫通してスタックケースの外部へ延びている。ロアケース２０のパイプ４６が貫通している部分にはガスケット等のシールが施されている。
【００２２】
ロアケース２０は、ボデーメンバ３０を介して図示しない車両フレーム（或いはサブフレーム）に取り付けられている。ボデーメンバ３０は、ロアケース２０の剛性を補強するための補強部材も兼ねている。ボデーメンバ３０と車両フレームとは溶接され、ロアケース２０とボデーメンバ３０とはボルト３４で締結されている。このボルト３４はインシュレータマウント６０を通って燃料電池スタック４０のエンドプレート４４まで延びており、エンドプレート４４とインシュレータマウント６０をロアケース２０に締結している。
【００２３】
アッパケース１０とロアケース２０とは、ボルト等の取り外し可能な締結具によって締結される。燃料電池スタック４０の点検や部品交換等の際には、ロアケース２０からアッパケース１０を取り外すことで、燃料電池スタック４０の両端部や上面を露出させることができる。燃料電池スタック４０の端部には前述のようにパイプ４６等が接続され、上面にはセルの発電状況を示すセルモニタ４２が搭載されている。これらメンテナンス箇所が剥き出しになることで、燃料電池スタック４０を車両に搭載したままの状態で点検作業や部品交換作業を行うことが可能になる。
【００２４】
図２は、アッパケース１０を外した状態での燃料電池の上面図であり、図３は、さらに燃料電池スタック４０を外した状態での燃料電池の上面図、つまり、ロアケース２０の上面図である。図３中ではパイプ４６を通す貫通穴は省略している。ロアケース２０の上面には、図３に示すように、格子状に縦横それぞれ複数列の溝２２が形成されている。図４は、図３のＸ−Ｘ断面図であるが、この図に示すように、ロアケース２０の下面には溝２２に沿ってリブ２６が形成されている。リブ２６を形成することで、ロアケース２０の肉厚を略一定にすることができ、溝２２への応力集中を緩和するとともにロアケース２０の曲げ強度を向上させることができる。また、ロアケース２０の中央部には、円形で溝２２よりも深さの深い凹部２４が形成されており、縦横それぞれ何本かの溝２２はこの凹部２４に連通している。なお、溝２２、リブ２６及び凹部２４は、アルミニウムやマグネシウムのダイキャストを含む鋳物や、金属板材のプレス成形等によって成形することができる。
【００２５】
電気自動車に搭載される燃料電池では、路面からの衝撃等の入力によって燃料電池スタック４０のセル締結力が瞬間的に緩み、反応ガス流路内の生成水や冷媒液流路内の冷媒液が漏れ出る場合がある。また、燃料電池スタック４０の運転中、スタックケース内の温度は高温になるため、スタックケースの内面に結露が生じる場合がある。燃料電池スタック４０から漏れ出た液体や、スタックケースの内面で結露した水は底面であるロアケース２０上に滴下し、ロアケース２０の上面に形成された溝２２によって捕集される。溝２２に捕集された液体は、車両走行時の振動や平面方向のＧによって溝２２内を移動し、やがて中央の凹部２４に流れ込むようになっている。凹部２４にはその中央部に排出穴２４ａが形成されている。この排出穴２４ａには、ロアケース２０の直下に配置されたドレーン容器（貯留部）７０が接続されている。ドレーン容器７０の底には、スタックケース内からの液体の排出は許容する一方、スタックケース外からの水や泥の浸入は防止する逆止弁７２が備えられている。凹部２４に流れ込んだ液体はドレーン容器７０に溜まり、逆止弁７２から液滴となってスタックケース外に排出される。
【００２６】
また、ドレーン容器７０には、液面検出器７４と抵抗測定器７６とが設けられている。液面検出器７４は、ドレーン容器７０内に溜まった液体の液面高さが所定高さになったときに信号を出力するセンサである。逆止弁７２から排出される液滴の最大流量は、スタックケース内での結露水の生成量よりも大きい値に設定されている。したがって、燃料電池スタック４０に異常がない場合には、ドレーン容器７０内の液面が液面検出器７４の検出高さまで上昇することはない。しかし、燃料電池スタック４０の反応ガス流路から生成水が漏れ出た場合や、冷媒液流路から冷媒液が漏れ出た場合には、ドレーン容器７０内に流入する液体の流入量が排出量を上回り、液面高さは液面検出器７４の検出高さまで上昇する。したがって、液面検出器７４により液面の検出を行うことで、燃料電池スタック４０からの液体の漏出を検知することができる。
【００２７】
抵抗測定器７６は、ドレーン容器７０内に溜まった液体の電気抵抗値を計測するセンサである。抵抗値は液体の組成によって変化する。例えば、液体が水のみの場合と冷媒液が含まれる場合とでは、抵抗値には差が生じる。一般に、冷媒液はエチレングリコールを主成分とするが、エチレングリコールは絶縁性が高く、その抵抗値は水のそれに比較して極めて大きいからである。したがって、抵抗測定器７６によってドレーン容器７０内の液体の抵抗値を計測することで、その液体に冷媒液が含まれているか否か判定することができる。
【００２８】
上記の液面検出器７４と抵抗測定器７６は、ともにＥＣＵ（Electronic Control Unit）８０に接続されている。ＥＣＵ８０は、液面検出器７４と抵抗測定器７６からそれぞれ送信される情報に基づいて、燃料電池スタック４０からの液体の漏れを判定している。図５のフローチャートは、液体の漏れを判定するためにＥＣＵ８０が実行するルーチンを示している。
【００２９】
図５に示すルーチンの最初のステップ１００では、液面検出器７４によって液面が検出されたか否か、すなわち、液面高さが液面検出器７４の検出高さに達したか否か判定される。液面検出器７４から検出信号が出力されていない場合には、燃料電池スタック４０からの液体の漏れは無いと判断することができる。逆に、液面検出器７４によって液面が検出された場合には、燃料電池スタック４０から何等かの液体が漏れ出たものと判断することができる。この場合の次のステップ１０２では、抵抗測定器７６によって計測される抵抗値が所定の基準値以上か否か判定される。基準値は水の抵抗値よりも大きい値に設定されている。
【００３０】
ステップ１０２の判定の結果、計測された抵抗値が基準値よりも小さい場合には、燃料電池スタック４０から漏れ出た液体は反応ガス流路内の生成水であると判断することができる。この場合、ＥＣＵ８０は生成水が漏れ出していることを運転者に知らせるための警告信号を出力する（ステップ１０４）。一方、計測された抵抗値が基準値以上の場合には、燃料電池スタック４０から漏れ出た液体は冷媒液流路を流れる冷媒液であると判断することができる。この場合、ＥＣＵ８０は冷媒液が漏れ出していることを運転者に知らせるための警告信号を出力する（ステップ１０６）。警告信号は、車室内の図示しない警告装置に入力され、警告装置はランプの点灯や音声等で運転者に異常を知らせるようになっている。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態にかかる燃料電池には、次のような特徴がある。第１の特徴は、スタックケースの底面であるロアケース２０に溝２２が形成され、この溝２２によって結露水等が捕集されることにある。これによれば、スタックケースの外形が不必要に大型化してしまうことがなく、燃料電池の車両への搭載性を向上させることができる。
【００３２】
第２の特徴は、燃料電池スタック４０からの液体の漏出を結露水とは区別して検出することができ、しかも、漏れ出た液体が生成水か冷媒液か判別できることにある。これによれば、燃料電池スタック４０の故障を正確に検知することができ、故障内容に応じた対策を的確に採ることが可能になる。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上記実施の形態では、液面検出器７４と抵抗測定器７６とを備えているが、燃料電池スタック４０からの液漏れの有無のみを検知する場合には、抵抗測定器７６は省略してもよい。
【００３４】
また、上記実施の形態では、本発明を電気自動車の燃料電池に適用しているが、本発明は、移動体用の燃料電池のみならず、定置型の燃料電池にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態としての燃料電池の構成を示す側面断面図である。
【図２】図１の燃料電池においてアッパケースを外した状態での上面図である。
【図３】図１の燃料電池においてアッパケースと燃料電池スタックとを外した状態での上面図である。
【図４】ロアケースの断面形状を示す図３のＸ−Ｘ断面図である。
【図５】燃料電池スタックからの液体の漏れを判定するためのルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１０  アッパケース
２０  ロアケース
２２  溝
２４  凹部
２４ａ  排出穴
２６  リブ
３０  ボデーメンバ
３４  ボルト
４０  燃料電池スタック
４２  セルモニタ
４４  エンドプレート
４６  パイプ
５０  ガスケット
６０  インシュレータマウント
７０  ドレーン容器
７２  逆止弁
７４  液面検出器
７６  抵抗測定器
８０  ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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