(57)【要約】【課題】安価な構成により、液体燃料などの液体の流動を検出できる、燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２には、燃料循環路３１が接続されており、燃料循環路３１を循環する液体燃料が供給される。燃料循環路３１の途中部には、電極部８が介装されている。電極部８の側壁８２には、燃料循環路３１から液体燃料が流入する入口８４と、燃料循環路３１へ液体燃料を流出させる出口８５とが形成されている。また、電極部８の底面８６には、隔壁８７が立設されている。この隔壁８７により、電極部８の内部空間９０は、入口８４側の入口側空間９１と出口８５側の出口側空間９２とに仕切られ、入口側空間９１と出口側空間９２とは、隔壁８７の上方にて互いに連通している。入口側空間９１および出口側空間９２には、それぞれ電極９３，９４が収容されている。【選択図】図２
2015069914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池を経由する液体循環路と、
液体を前記液体循環路で循環させる液体循環ポンプと、
前記液体循環路の途中部に設けられ、第１電極および第２電極を収容する電極部と、
前記第１電極および前記第２電極間の通電状態に基づいて、前記液体循環路における液体の流動の異常を検出する異常検出部とを含み、
前記電極部の側壁には、前記液体循環路から液体が流入する入口と、前記液体循環路へ液体を流出させる出口とが形成されており、
前記電極部の底面には、前記電極部の内部空間を前記入口側の第１空間と前記出口側の第２空間とを仕切る隔壁が立設されており、
前記第１空間と前記第２空間とは、前記隔壁の上方にて連通しており、
前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ前記第１空間および前記第２空間に収容されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記電極部は、前記液体循環路上で最も高い位置に位置する部分に介装され、
前記隔壁は、少なくとも前記入口および前記出口の各下端よりも高い位置まで延びている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１電極または前記第２電極の一方と電源との間に電気的に介在された第１インピーダンス要素と、
前記第１電極または前記第２電極の他方とグランドとの間に電気的に介在された第２インピーダンス要素と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電気的に介在された第３インピーダンス要素とをさらに含む、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、たとえば、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化した膜／電極接合体を備えている。アノードには、燃料循環路が接続されている。燃料循環路からアノードにヒドラジンなどの液体燃料が供給されるとともに、カソードに空気が供給されると、発電反応が生じ、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。
【０００３】
発電反応に伴って、反応熱が発生する。燃料電池が高温になると、発電効率の低下や過熱による固体高分子膜の劣化などを生じるので、燃料電池を冷却する必要がある。燃料電池を冷却する構成として、燃料循環路を循環する液体燃料を冷却し、その冷却された液体燃料により燃料電池を冷却する構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４５８６９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる構成では、液体燃料の循環に異常が発生すると、燃料電池を冷却することができない。そのため、液体燃料の流動を検出して、液体燃料の循環における異常の発生の有無を監視する必要がある。
【０００６】
たとえば、燃料循環路を構成する配管に歪みゲージを付設し、歪みゲージにより液体燃料の流動（流通）による配管の膨張を検出し、それに基づいて、液体循環路における液体燃料の流動を検出することが考えられる。しかしながら、歪みゲージの検出信号を処理する回路（アンプ）が高価であるため、歪みゲージを採用すると、燃料電池システムのコストが高くつく。
【０００７】
本発明の目的は、安価な構成により、液体燃料などの液体の流動を検出できる、燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を経由する液体循環路と、液体を液体循環路で循環させる液体循環ポンプと、液体循環路の途中部に設けられ、第１電極および第２電極を収容する電極部と、第１電極および第２電極間の通電状態に基づいて、液体循環路における液体の流動の異常を検出する異常検出部とを含み、電極部の側壁には、液体循環路から液体が流入する入口と、液体循環路へ液体を流出させる出口とが形成されており、電極部の底面には、電極部の内部空間を入口側の第１空間と出口側の第２空間とを仕切る隔壁が立設されており、第１空間と第２空間とは、隔壁の上方にて連通しており、第１電極および第２電極は、それぞれ第１空間および第２空間に収容されている。
【０００９】
この構成によれば、燃料電池には、液体循環路が接続されており、液体循環路を循環する液体が供給される。液体循環路の途中部には、電極部が介装されている。電極部の側壁には、液体循環路から液体が流入する入口と、液体循環路へ液体を流出させる出口とが形成されている。また、電極部の底面には、隔壁が立設されている。この隔壁により、電極部の内部空間は、入口側の第１空間と出口側の第２空間とに仕切られ、第１空間と第２空間とは、隔壁の上方にて互いに連通している。第１空間および第２空間には、それぞれ第１電極および第２電極が収容されている。
【００１０】
液体循環路を液体が循環しているときには、液体が電極部の入口から第１空間に流入し、第１空間に液体が溜まる。第１空間に溜まった液体の液面が隔壁の上端を越えると、第１空間から第２空間に液体が流入し、第２空間に液体が溜まる。第２空間に溜まった液体の液面が出口に達すると、第２空間から出口を介して液体循環路に液体が流出する。液体循環路における液体の循環が継続していれば、第１空間内の液体と第２空間内の液体とが隔壁を越える液体で繋がるので、第１電極と第２電極との間の電気抵抗が小さくなる。
【００１１】
一方、液体循環路における液体の循環が停止すると、第１空間への液体の流入が停止するので、第１空間から第２空間への液体の流入がなくなり、第１空間内の液体と第２空間内の液体とが断絶される。そのため、第１電極と第２電極との間の電気抵抗が大きくなる。
【００１２】
よって、第１電極と第２電極との間の通電状態に基づいて、液体循環路における液体の流動の有無を検出することができる。そして、その流動の有無と液体循環ポンプの制御状態とに基づいて、液体循環路および液体循環ポンプを含む液体循環系における異常を検出することができる。
【００１３】
電極部は、液体循環路上で最も高い位置に位置する部分に介装され、隔壁は、少なくとも入口および出口の各下端よりも高い位置まで延びていることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、液体循環路における液体の循環が停止すると、第１空間に溜まった液体が入口を介して燃料循環路に流出し、第１空間内の液体の液面が入口の下端まで低下する。また、第２空間に溜まった液体が出口を介して燃料循環路に流出し、第２空間内の液体の液面が出口の下端まで低下する。したがって、隔壁が少なくとも入口および出口の各下端よりも高い位置まで延びていれば、液体循環路における液体の循環が停止したときに、第１空間内の液体と第２空間内の液体とが確実に断絶される。よって、液体循環路における液体の流動の有無を良好に検出することができ、ひいては、液体循環系における異常を良好に検出することができる。
【００１５】
燃料電池システムは、第１電極または第２電極の一方と電源との間に電気的に介在された第１インピーダンス要素と、第１電極または第２電極の他方とグランドとの間に電気的に介在された第２インピーダンス要素と、第１電極と第２電極との間に電気的に介在された第３インピーダンス要素とをさらに含んでいてもよい。
【００１６】
たとえば、第１電極と電源との間に第１インピーダンス要素が電気的に介在される場合、第１電極と第１インピーダンス要素との接続点の電位（出力電圧）が最も高くなるのは、電源とグランドとの間に形成される回路（第１電極、第２電極、第１インピーダンス要素、第２インピーダンス要素および第３インピーダンス要素を含む回路）に断線が生じた場合である。出力電圧が２番目に高くなるのは、第１空間内の液体と第２空間内の液体とが断絶されて、第１電極と第２電極との間の電気抵抗が大きい場合である。第１空間内の液体と第２空間内の液体とが隔壁を越える液体で繋がっており、第１電極と第２電極との間の電気抵抗が小さい状態、および、配線がグランドに短絡している状態では、出力電圧が小さくなる。
【００１７】
したがって、出力電圧が電源電圧に近い電圧である場合には、回路に断線故障が生じていると判断することができる。また、液体循環ポンプの駆動指令が出力されていない状態で、出力電圧がグランド電位に近い電圧である場合には、回路に短絡故障が生じていると判断することができる。よって、配線故障の有無を良好に検出することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第１電極と第２電極との間の通電状態に基づいて、液体循環路における液体の流動の有無を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】異常検出部および電極部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。
【００２２】
燃料電池システム１は、たとえば、モータを走行用駆動源として搭載した車両（自動車）に搭載される。燃料電池システム１は、燃料電池２および温調システム３を含む。
【００２３】
燃料電池２は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。各セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）、膜／電極接合体の両側に配置されたセパレータ、および膜／電極接合体と各セパレータとの間に介在されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）を備えている。
【００２４】
膜／電極接合体は、固体高分子膜２１の両側にアノード（燃料極）２２およびカソード（酸素極）２３を貼り合わせて一体化したものである。固体高分子膜２１は、たとえば、アニオン（ＯＨ−）を透過させる性質を有する。
【００２５】
セパレータの両面には、たとえば、葛折り状に屈曲した凹溝（図示せず）が形成されている。アノード２２に対向する凹溝は、燃料流路として形成されている。燃料流路の一端および他端は、それぞれ燃料入口２４および燃料出口２５に接続されている。膜／電極接合体のカソード２３に対向する凹溝は、エア流路として形成されている。エア流路の一端および他端は、それぞれエア入口２６およびエア出口２７に接続されている。
【００２６】
温調システム３は、燃料循環路３１、燃料循環タンク３２、燃料循環ポンプ３３、ラジエータ３４、ラジエータファン３５および熱交換器３６を含む。
【００２７】
燃料循環路３１の一端は、燃料電池２の燃料入口２４に接続され、その他端は、燃料電池２の燃料出口２５に接続されている。
【００２８】
燃料循環タンク３２は、燃料循環路３１の一部として、燃料循環路３１の途中部に介裝されている。燃料循環タンク３２には、液体燃料（たとえば、ヒドラジン）が電解液（たとえば、水酸化カリウム水溶液）と混合された状態で貯留されている。
【００２９】
なお、以下では、特に言及がない限り、電解液と混合された状態の液体燃料を「液体燃料」という。
【００３０】
燃料循環ポンプ３３およびラジエータ３４は、燃料循環路３１の途中部であって、燃料循環タンク３２と燃料電池２の燃料入口２４との間に、燃料循環タンク３２側からその順に介裝されている。燃料循環ポンプ３３が駆動されると、燃料循環タンク３２に貯留されている液体燃料が燃料循環路３１を燃料入口２４に向けて送られ、燃料入口２４に液体燃料が供給される。そして、液体燃料は、燃料電池２の燃料流路を流通して、燃料電池２の燃料出口２５から燃料循環路３１に排出され、燃料循環路３１を流通して、燃料循環タンク３２に戻される。
【００３１】
燃料電池２の燃料流路を液体燃料が流通する一方、エアコンプレッサ（図示せず）が駆動されて、燃料電池２のエア入口２６からエア流路にエアが供給され、エア流路をエアが流通する。エア流路を流通したエアは、エア出口２７から排出される。
【００３２】
燃料電池２の燃料流路を液体燃料が流通し、エア流路をエアが流通すると、燃料電池２において、発電反応（電気化学反応）が生じ、その電気化学反応により、アノード２２とカソード２３との間に起電力が発生する。また、その発電反応に伴って、反応熱が発生し、この反応熱により、燃料電池２および液体燃料が昇温する。
【００３３】
ラジエータファン３５は、たとえば、ラジエータ３４に対向して配置されている。
【００３４】
熱交換器３６は、燃料循環路３１を燃料循環タンク３２から燃料電池２に向けて流通する液体燃料と燃料循環路３１を燃料電池２から燃料循環タンク３２に向けて流通する液体燃料との間で熱交換可能なように設けられている。たとえば、熱交換器３６として、外管および外管内に挿通された内管を有する二重管式熱交換器が採用され、熱交換器３６は、燃料循環路３１の一部として、燃料循環タンク３２から燃料電池２に向けて流れる液体燃料が外管を流通し、燃料電池２から燃料循環タンク３２に向けて流れる液体燃料が内管を流通するように設けられている。
【００３５】
燃料電池２の出力端子（集電板）には、負荷４への給電のための給電回路５が接続されている。給電回路５には、燃料電池２のプラス側の出力端子に直列に接続されたプラス側リレー５１、燃料電池２のマイナス側の出力端子に直列に接続されたマイナス側リレー５２およびプラス側リレー５１と並列に設けられる負荷４の予備充電回路５３などが含まれる。
【００３６】
また、燃料電池システム１は、温調制御部６および異常検出部７を備えている。温調制御部６および異常検出部７は、たとえば、ＣＰＵおよびメモリを含むマイクロコンピュータで構成されている。温調制御部６および異常検出部７は、別々のマイクロコンピュータで構成されていてもよいし、同一のマイクロコンピュータで構成されていてもよい。
【００３７】
温調制御部６は、燃料電池２の燃料出口２５から燃料循環路３１に排出される液体燃料の温度（燃料出口温度）に基づいて、ラジエータファン３５を制御する。燃料出口温度は、燃料出口温度センサ６１によって検出される。温調制御部６は、たとえば、燃料出口温度が所定の第１温度未満であるときには、ラジエータファン３５の駆動を停止し、燃料出口温度が所定の第２温度以上であるときには、ラジエータファン３５を駆動する。ラジエータファン３５が駆動されると、ラジエータファン３５による送風がラジエータ３４に供給され、ラジエータ３４において、燃料循環路３１を燃料循環タンク３２から燃料電池２に向けて流通する液体燃料が冷却される。第１温度と第２温度とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００３８】
異常検出部７は、燃料循環路３１の途中部に介装された電極部８の出力に基づいて、各種の異常を検出する。そして、異常が発生している場合には、その旨を報知するため、異常警報を警報音の発生および／または警報ランプの点灯などにより出力する。
【００３９】
図２は、異常検出部７および電極部８の構成を示す図である。
【００４０】
電極部８は、燃料循環路３１上で最も高い位置に位置する部分に介装されている。電極部８は、四角形状の底壁８１、底壁８１の周縁から立ち上がる側壁８２および側壁８２の上端間に架設される上壁８３を有している。
【００４１】
所定方向に対向する側壁８２の一方には、入口（インレット）８４が形成され、その他方には、出口（アウトレット）８５が形成されている。入口８４および出口８５は、電極部８の底面８６よりも高い位置であって、互いに所定方向に対向する位置に形成されている。入口８４および出口８５には、燃料循環路３１が接続されている。
【００４２】
底面８６には、隔壁８７が立設されている。隔壁８７は、入口８４と出口８５との対向方向（所定方向）と直交する方向に延び、その方向に対向する側壁８２に接続されている。隔壁８７は、底面８６から入口８４および出口８５の下端よりも少し高い位置まで延びる下隔壁８８と、下隔壁８８よりも厚さが小さく、下隔壁８８から入口８４および出口８５の上端よりも高い位置まで延びる上隔壁８９とを一体的に備えている。上隔壁８９の上端と上壁８３の内面（天面）との間には、間隔が空けられている。
【００４３】
これにより、電極部８の内部空間９０は、隔壁８７により、隔壁８７よりも入口８４側の入口側空間９１と、隔壁８７よりも出口８５側の出口側空間９２とに仕切られている。そして、入口側空間９１と出口側空間９２とは、隔壁８７の上方にて、互いに連通している。
【００４４】
入口側空間９１および出口側空間９２には、それぞれ電極９３，９４が収容されている。電極９３，９４には、それぞれ配線９５，９６が接続されている。配線９５，９６は、電極９３，９４外に引き出されている。そして、配線９５は、異常検出部７において、抵抗９７を介して、グランドに接続されている。配線９６は、異常検出部７において、抵抗９８を介して、電源９９に接続されている。すなわち、配線９５は、抵抗９７を介してグランドＧＮＤに接続されたマイナス配線であり、配線９６は、抵抗９８を介して電源９９に接続されたプラス配線である。また、マイナス配線９５とプラス配線９６との間には、電極９３，９４に近い位置において、抵抗１００が介装されている。
【００４５】
異常検出部７は、プログラム処理によってソフトウエア的に実現される機能処理部として、流動異常検出部１０１、断線異常検出部１０２およびＧＮＤショート異常検出部１０３を実質的に備えている。
【００４６】
流動異常検出部１０１は、プラス配線９６の電位（以下、「出力電圧」という。）ＶＯＵＴおよび燃料循環ポンプ３３の制御状態に基づいて、燃料循環系における流動異常（液体燃料の流動の異常）を検出する。
【００４７】
断線異常検出部１０２は、出力電圧ＶＯＵＴに基づいて、マイナス配線９５およびプラス配線９６における断線故障（断線による異常）を検出する。
【００４８】
ＧＮＤショート異常検出部１０３は、出力電圧ＶＯＵＴおよび燃料循環ポンプ３３の制御状態に基づいて、プラス配線９６がグランドＧＮＤに短絡する短絡故障（短絡による異常）を検出する。
【００４９】
燃料循環路３１を液体燃料が循環しているときには、液体燃料が電極部８の入口８４から入口側空間９１に流入し、入口側空間９１に液体燃料が溜まる。入口側空間９１に溜まった液体燃料の液面が隔壁８７の上端を越えると、入口側空間９１から出口側空間９２に液体燃料が流入し、出口側空間９２に液体燃料が溜まる。出口側空間９２に溜まった液体燃料の液面が出口８５に達すると、出口側空間９２から出口８５を介して燃料循環路３１に液体燃料が流出する。燃料循環路３１における液体燃料の循環が継続していれば、入口側空間９１内の液体燃料と出口側空間９２内の液体燃料とが隔壁８７を越える液体燃料で繋がるので、液体燃料を介した電極９３，９４間における電気抵抗（以下、「電極間抵抗」という。）が小さくなる。
【００５０】
一方、燃料循環路３１における液体燃料の循環が停止すると、入口側空間９１への液体燃料の流入が停止するので、入口側空間９１から出口側空間９２への液体燃料の流入がなくなる。そして、入口側空間９１に溜まった液体燃料が入口８４を介して燃料循環路３１に流出し、入口側空間９１内の液体燃料の液面が入口８４の下端まで低下する。また、出口側空間９２に溜まった液体燃料が出口８５を介して燃料循環路３１に流出し、出口側空間９２内の液体燃料の液面が出口８５の下端まで低下する。そのため、入口側空間９１内の液体燃料と出口側空間９２内の液体燃料とが確実に断絶され、電極間抵抗が大きくなる。
【００５１】
マイナス配線９５、プラス配線９６、抵抗９７，９８，１００、電源９９およびグランドＧＮＤからなる回路の構成により、マイナス配線９５またはプラス配線９６に断線が発生すると、その回路がオープン状態になるので、燃料循環路３１における液体燃料の流動の有無にかかわらず、出力電圧ＶＯＵＴが電源９９の電圧に近い電圧となる。断線異常検出部１０２は、出力電圧ＶＯＵＴが電源９９の電圧に近い電圧であれば、断線故障が生じていると判定する。
【００５２】
液体燃料が燃料循環路３１を正常に循環している状態では、電極間抵抗が小さいので、出力電圧ＶＯＵＴがグランド電位に近い低電圧となる。また、プラス配線９６がグランドＧＮＤに短絡している状態では、出力電圧ＶＯＵＴがグランド電位（０Ｖ）となる。
【００５３】
液体燃料が燃料循環路３１を正常に循環している状態での出力電圧ＶＯＵＴがグランド電位に近いので、ＧＮＤショート異常検出部１０３は、出力電圧ＶＯＵＴのみに基づいては、液体燃料が燃料循環路３１を正常に循環しているのか、プラス配線９６の短絡故障が生じているのかを正確に判定することができない。そのため、ＧＮＤショート異常検出部１０３は、燃料循環ポンプ３３に駆動指令が出力されていることを表すフラグ（ポンプ作動フラグ）の状態を参照する。これにより、その判定を良好に行うことができる。すなわち、燃料循環ポンプ３３に駆動指令が出力されておらず、燃料循環ポンプ３３が非作動状態であるときに、出力電圧ＶＯＵＴがグランド電位に近い低電圧である場合には、ＧＮＤショート異常検出部１０３は、プラス配線９６の短絡故障が生じていると判定する。
【００５４】
断線異常検出部１０２およびＧＮＤショート異常検出部１０３の判定結果（検出結果）は、流動異常検出部１０１に与えられる。流動異常検出部１０１は、断線故障および短絡故障が生じていないときに、出力電圧ＶＯＵＴを参照し、出力電圧ＶＯＵＴが所定値よりも低い場合には、燃料循環路３１を液体燃料が良好に循環し、燃料循環系における流動異常が発生していないと判定する。一方、出力電圧ＶＯＵＴが所定値よりも高い場合には、燃料循環路３１を液体燃料が循環しておらず、燃料循環系における流動異常が発生していると判定する。
【００５５】
そして、断線異常検出部１０２は、断線故障、短絡故障または流動異常が発生している場合には、その旨を報知するため、異常警報を出力する。
【００５６】
以上のように、出力電圧ＶＯＵＴに基づいて、燃料循環路における液体燃料の流動を検出することができる。また、断線故障、短絡故障または流動異常を検出することができる。
【００５７】
なお、隔壁８７が下隔壁８８および上隔壁８９を備えているとしたが、上隔壁８９が省略されて、隔壁８７が下隔壁８８のみを備えていてもよい。燃料循環路３１における液体燃料の循環が停止したときには、前述したように、入口側空間９１内の液体燃料の液面が入口８４の下端まで低下し、出口側空間９２内の液体燃料の液面が出口８５の下端まで低下するので、底面８６から入口８４および出口８５の下端よりも少し高い位置まで延びる下隔壁８８のみであっても、入口側空間９１内の液体燃料と出口側空間９２内の液体燃料とを断絶することができる。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
【００５９】
前述の実施形態では、本発明が燃料電池システム１における液体燃料の循環系に適用された場合を取り上げた。しかしながら、たとえば、燃料電池２に冷却水を循環させるシステムが燃料電池システム１に備えられている場合、その冷却水の循環系に本発明が適用されてもよい。
【００６０】
その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１      燃料電池システム
２      燃料電池
８      電極部
７      異常検出部
３１    燃料循環路（液体循環路）
３３    燃料循環ポンプ（液体循環ポンプ）
８２    側壁
８４    入口
８５    出口
８６    底面
８７    隔壁
９０    内部空間
９１    入口側空間（第１空間）
９２    出口側空間（第２空間）
９３    電極（第１電極）
９４    電極（第２電極）
９７    抵抗（第１インピーダンス要素）
９８    抵抗（第２インピーダンス要素）
１００  抵抗（第３インピーダンス要素）
【図１】
2015069914.tif 000003
【図２】
2015069914.tif 000004