(57)【要約】【課題】異常による水素供給遮断時に燃料電池の固体高分子電解質膜に過大なストレスがかからないようにする。【解決手段】固体高分子電解質膜型の燃料電池１に水素を供給する水素供給流路２１と、水素供給流路２１に設けられ燃料電池１に供給される水素を異常時に遮断する水素遮断弁４と、を備えた燃料電池１の水素遮断装置において、水素遮断弁４よりも下流であって前記燃料電池へ供給される水素を導入可能な水素貯留タンク７と、異常時に開放して水素貯留タンク７への水素の導入を許可する水素排出弁６と、を備える。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に水素を供給する水素供給流路と、前記水素供給流路に設けられ燃料電池に供給される水素を異常時に遮断する水素遮断手段と、を備えた燃料電池の水素遮断装置において、
前記水素遮断手段よりも下流であって前記燃料電池へ供給される水素を導入可能な水素貯留手段と、
異常時に開放して前記水素貯留手段への水素の導入を許可する開閉手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の水素遮断装置。
【請求項２】
前記水素貯留手段は水素吸蔵合金を収容したタンクであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の水素遮断装置。
【請求項３】
前記開閉手段が開放された後、前記水素遮断手段よりも下流の水素圧力が所定圧力以下になったときに、前記開閉手段が閉鎖されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の水素遮断装置。
【請求項４】
燃料電池に水素を供給する水素供給流路と、前記水素供給流路に設けた水素遮断手段と、前記燃料電池から排出される水素を前記水素遮断手段よりも下流の前記水素供給流路に戻して前記燃料電池に循環させる水素循環流路と、前記水素循環流路内に設けた水素導入可能な水素貯留手段と、を備えた燃料電池の水素遮断装置であって、
異常時に前記水素遮断手段を遮断し、前記水素貯留手段によって前記水素循環流路内の水素圧力を所定の圧力まで減圧することを特徴とする燃料電池の水素遮断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、異常時に燃料電池への水素供給を遮断する燃料電池の水素遮断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料としての水素を供給し、カソードに酸化剤としての空気を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
この種の燃料電池が車両に搭載され、この燃料電池の発電により得られた電力で駆動モータを駆動し該車両を走行する燃料電池自動車においては、衝突時等の異常時に可燃性ガスである燃料の水素を車外に排出させないように、水素供給流路に設けた緊急遮断弁を閉鎖して水素供給流路を遮断している。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１１９８１５号公報（段落番号［０００６］、［００３７］）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の異常時対応では、異常検知時に水素供給系は緊急遮断弁の閉鎖により高圧水素タンクからの水素供給は遮断されるものの、緊急遮断弁よりも下流の流路には正圧の水素が残留したままとなる。これに対して、空気供給系は、異常検知時に、空気の供給が停止されるとともに、空気系内の圧力は直ちに大気圧程度まで減圧される。そのため、燃料電池のアノードとカソードの間に過大な極間差圧が生じ、固体高分子電解質膜に過大なストレスがかかるという問題があった。
そこで、この発明は、異常時に水素供給ラインを遮断させた時に燃料電池を保護することができる燃料電池の水素遮断装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）に水素を供給する水素供給流路（例えば、後述する実施の形態における水素供給流路２１）と、前記水素供給流路に設けられ燃料電池に供給される水素を異常時に遮断する水素遮断手段（例えば、後述する実施の形態における水素遮断弁４）と、を備えた燃料電池の水素遮断装置において、前記水素遮断手段よりも下流であって前記燃料電池へ供給される水素を導入可能な水素貯留手段（例えば、後述する実施の形態における水素貯留タンク７）と、異常時に開放して前記水素貯留手段への水素の導入を許可する開閉手段（例えば、後述する実施の形態における水素排出弁６）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、異常時には開閉手段が開放されるので、前記水素遮断手段よりも下流であって前記燃料電池へ供給される水素が前記水素貯留手段に導入され、水素遮断手段より下流の水素の圧力を低下させることができる。その結果、前記燃料電池のアノードとカソードの極間差圧を小さくすることができる。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記水素貯留手段は水素吸蔵合金を収容したタンクであることを特徴とする。
このように構成することにより、異常時に、水素遮断手段よりも下流であって前記燃料電池へ供給される水素を水素吸蔵合金に吸蔵させることができ、吸蔵した水素を確実に留めておくことができる。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記開閉手段が開放された後、前記水素遮断手段よりも下流の水素圧力が所定圧力以下になったときに、前記開閉手段が閉鎖されることを特徴とする。
このように構成することにより、異常時に、水素遮断手段より下流の水素の圧力を確実に前記所定圧力以下に低下させることができる。
【０００８】
請求項４に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）に水素を供給する水素供給流路（例えば、後述する実施の形態における水素供給流路２１）と、前記水素供給流路に設けた水素遮断手段（例えば、後述する実施の形態における水素遮断弁４）と、前記燃料電池から排出される水素を前記水素遮断手段よりも下流の前記水素供給流路に戻して前記燃料電池に循環させる水素循環流路（例えば、後述する実施の形態における水素循環流路２３）と、前記水素循環流路内に設けた水素導入可能な水素貯留手段（例えば、後述する実施の形態における水素貯留タンク７）と、を備えた燃料電池の水素遮断装置であって、異常時に前記水素遮断手段を遮断し、前記水素貯留手段によって前記水素循環流路内の水素圧力を所定の圧力まで減圧することを特徴とする燃料電池の水素遮断装置である。
このように構成することにより、異常時に前記水素遮断手段を遮断することにより前記水素循環流路を閉鎖することができ、前記水素貯留手段によって前記水素循環流路内の水素を外部に放出させずに水素循環流路内の水素圧力を所定の圧力まで減圧することができ、前記燃料電池のアノードとカソードの極間差圧を小さくすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の水素遮断装置の一実施の形態を図１および図２の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池の水素遮断装置の態様である。
図１は、水素遮断装置を備えた燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として水素を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００１０】
水素供給手段としての高圧水素タンク２に収容された水素は、圧力調整弁３、水素遮断弁（水素遮断手段）４、エゼクタ５を備えた水素供給流路２１を流通して、燃料電池１の各セルのアノードに供給される。圧力調整弁３は、高圧水素タンク２の水素を減圧して所定圧力に調圧するものである。水素遮断弁４は水素供給流路２１に設けられ、遮断することで下流の流路に水素が供給されるのを遮断する。エゼクタ５は燃料電池１から排出される後述する水素オフガスを水素供給流路２１に戻すためのものである。なお、エゼクタ５に代えてポンプを用いる場合もある。また、エゼクタ５よりも下流の水素供給流路２１には水素圧力を検出する圧力センサ１２が設置されている。
【００１１】
燃料電池１のアノードに供給された水素のうち発電に供されなかった水素、すなわち未反応の水素は、燃料電池１から水素オフガスとして排出され、水素オフガス流路２２を通ってエゼクタ５に吸引され、高圧水素タンク２から供給される新鮮な水素と合流して再び燃料電池１のアノードに供給される。すなわち、燃料電池１から排出される水素（水素オフガス）は、水素オフガス流路２２を通って水素遮断弁４よりも下流の水素供給流路２１に戻され、燃料電池１に循環せしめられる。ここで、水素遮断弁４よりも下流に位置する水素供給流路２１と水素オフガス流路２２は、水素循環流路２３を構成する。
【００１２】
水素循環流路２３の一部を構成する水素オフガス流路２２は、水素排出弁（開閉手段）６を備えた水素排出流路２４によって、水素貯留タンク７に接続されている。水素排出弁６は、正常時には常時閉鎖されていて水素循環流路２３内の水素が水素貯留タンク７に導入されるのを阻止し、車両の衝突等の異常時に開放されて水素循環流路２３内の水素が水素貯留タンク７に導入されるのを許可する。水素貯留タンク７は、内部に水素吸蔵合金が収容された密閉容器であり、水素吸蔵合金は、周知の如く、所定条件下において水素を吸蔵したり放出したりする機能を有する合金である。
【００１３】
一方、空気はコンプレッサ８により所定圧力に加圧され、空気流路３１を通って燃料電池１のカソードに供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１から空気オフガスとして空気オフガス流路３２に排出され、圧力制御弁９を介して排出される。
また、車両は、車両に加わる衝撃の大きさ（衝撃値）を検出する衝撃センサ（異常検出手段）１１を備えている。衝撃センサ１１と圧力センサ１２の出力信号は電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０に入力され、ＥＣＵ１０はこれらセンサ１１，１２の出力信号等に基づいて、水素遮断弁４と水素排出弁６の開閉を制御する。
【００１４】
このように構成された燃料電池システムにおいては、衝撃センサ１１で検出された衝撃値が所定値以下の場合にはＥＣＵ１０は異常なしと判定して、水素遮断弁４の開放状態を保持するとともに、水素排出弁６の閉鎖状態を保持する。これにより、高圧水素タンク２の水素と燃料電池１から排出される水素オフガスが所定の圧力で燃料電池１に供給可能とされ、燃料電池１は発電可能な状態に保持される。
【００１５】
一方、衝撃センサ１１で検出された衝撃値が前記所定値を越えた場合にはＥＣＵ１０は異常ありと判定して、水素遮断弁４を閉鎖するとともに、水素排出弁６を開放する。水素遮断弁４が閉鎖されることにより、高圧水素タンク２の水素が水素遮断弁４よりも下流の水素供給流路２１に流入するのが阻止され、水素循環流路２３が高圧水素タンク２から遮断される。そして、水素排出弁６が開放されることにより、水素循環流路２３内に閉じ込められている所定圧力の水素が、水素排出流路２４を通って水素貯留タンク７内に導入され、水素貯留タンク７内に収容されている水素吸蔵合金に吸蔵される。水素循環流路２３内の水素が水素貯留タンク７に導入されることにより、水素循環流路２３内の圧力が低下していく。そして、圧力センサ１２で検出される圧力が所定の設定圧力以下に低下した時に、水素排出弁６を閉鎖する。
【００１６】
これにより、車両に大きな衝撃が加わった異常時に、水素循環流路２３内に存在する水素を車外に放出することなく水素貯留タンク７に排出することができる。また、水素循環流路２３内の水素を排出することで、水素循環流路２３内を減圧することができる。特に、この実施の形態では、水素循環流路２３内の圧力が前記設定圧力以下に低下した時に水素排出弁６を閉鎖するようにしているので、水素循環流路２３内を確実に前記設定圧力以下まで減圧することができる。したがって、この後で燃料電池システムを停止させたときに、燃料電池１のアノード／カソード間の極間差圧を小さくすることができる。その結果、システム停止後に固体高分子電解質膜に過大なストレスがかかるのを防止することができ、燃料電池１を保護することができる。
【００１７】
なお、水素排出弁６が開放された時に水素循環流路２３内の水素を速やかに水素貯留タンク７内に移動させるためには、水素貯留タンク７内の水素吸蔵合金に対して予め活性化処理および脱水素処理を行っておき、さらに、水素貯留タンク７内を減圧しておくとともに、水素貯留タンク７内に不活性ガスを封入しておくのが好ましい。
【００１８】
また、水素吸蔵合金は、水素の吸蔵・放出に熱の出入りを伴い、水素を吸蔵する時には水素吸蔵合金の水素化反応により発熱し、水素を放出する時には吸熱する性質を有している。したがって、水素貯留タンク７に収容する水素吸蔵合金としては、高温でも水素吸蔵圧（水素吸蔵平衡圧）が低い水素吸蔵合金の方が、水素吸蔵に伴う発熱により水素吸蔵合金が高温になっても水素を吸蔵する能力を有するので好ましい。また、このように高温でも水素吸蔵圧が低い水素吸蔵合金を採用した場合、水素吸蔵合金から水素を放出させるにはさらに高温が必要となるので、一旦吸蔵した水素が水素吸蔵合金から放出されにくいという利点もある。
【００１９】
次に、この実施の形態における燃料電池の水素遮断制御について、図２のフローチャートに従って説明する。
図２に示すフローチャートは水素遮断制御ルーチンを示すものであり、この水素遮断制御ルーチンはＥＣＵ１０によって実行される
この水素遮断制御はイグニッションスイッチのＯＮ信号をトリガーとして実行される。
【００２０】
ステップＳ１０１においてイグニッションスイッチのＯＮ信号を検出すると、ステップＳ１０２に進み、イグニッションスイッチがＯＦＦされたか否かを判定する。
ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（イグニッションＳＷ　ＯＦＦ）である場合は、ステップＳ１０８に進み、燃料電池システムを停止して、本ルーチンの実行を終了する。
ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（イグニッションＳＷ　ＯＮ）である場合は、ステップＳ１０３に進み、衝撃センサ１１で検出された衝撃値が予め設定された所定の閾値以上か否かを判定する。
ステップＳ１０３における判定結果が「ＮＯ」（衝撃値＜閾値）である場合は異常なしと判定して、ステップＳ１０４に進み、水素遮断弁４の開放状態を維持するとともに、水素排出弁６の閉鎖状態を維持する。
【００２１】
一方、ステップＳ１０３における判定結果が「ＹＥＳ」（衝撃値≧閾値）である場合は異常ありと判定して、ステップＳ１０５に進み、水素遮断弁４を閉鎖するとともに水素排出弁６を開放し、これと同時にコンプレッサ８を停止する。
次に、ステップＳ１０６に進み、圧力センサ１２で検出された水素循環流路２３内の圧力が予め設定された設定値以下か否かを判定する。
ステップＳ１０６における判定結果が「ＮＯ」（水素循環流路内圧力＞設定値）である場合は、水素循環流路２３内の圧力がまだ高いので、ステップＳ１０５に戻って、水素遮断弁４を閉鎖状態に維持するとともに、水素排出弁６を開放状態に維持する。
【００２２】
ステップＳ１０６における判定結果が「ＹＥＳ」（水素循環流路内圧力≦設定値）である場合は、水素循環流路２３内の圧力が十分に減圧されているので、ステップＳ１０７に進み、水素排出弁６を閉鎖する。
この後、ステップＳ１０８に進み、燃料電池システムを停止して、本ルーチンの実行を終了する。
【００２３】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態では、車両に大きな衝撃があった時を異常時として水素遮断弁４を閉鎖し水素排出弁６を開放したが、異常時はこれに限るものではなく、例えば、本来は水素濃度が低い車両の所定領域で水素濃度が所定の閾値を越えた場合を異常と判定し、前述の実施の形態と同様に、水素遮断弁４を閉鎖し水素排出弁６を開放するようにしてもよい。その場合には、前記所定領域に水素センサを設置し、この水素センサの検出値が閾値を越えた時を異常と判定する。
【００２４】
また、前述の実施の形態では、異常検知により開放された水素排出弁６を水素循環流路２３内の圧力が設定値以下になった時に閉鎖するようにしたが、燃料電池１のアノードとカソードの極間差圧を検出することができるようにしておき、この極間差圧が閾値以下になった時に水素排出弁６を閉鎖するようにしてもよい。
さらに、前述した実施の形態では、水素吸蔵合金を収容したタンクで水素貯蔵手段を構成したが、水素貯留手段は単なるタンクで構成することも可能である。その場合、該タンクには不活性ガスを充填しておくのが好ましい。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、異常時には開閉手段が開放され、水素遮断手段よりも下流であって前記燃料電池へ供給される水素が水素貯留手段に導入され、水素遮断手段より下流の水素の圧力を低下させることができるので、異常による燃料電池システムの停止時に前記燃料電池のアノードとカソードの極間差圧を小さくすることができ、その結果、異常時に燃料電池を保護することができるという優れた効果が奏される。
【００２６】
請求項２に係る発明によれば、異常時に、水素遮断手段よりも下流であって前記燃料電池へ供給される水素を水素吸蔵合金に吸蔵させることができ、吸蔵した水素を確実に留めておくことができるので、水素の放出を確実に阻止することができるという効果がある。
請求項３に係る発明によれば、異常時に、水素遮断手段より下流の水素の圧力を確実に前記所定圧力以下に低下させることができるので、異常による燃料電池システムの停止時に燃料電池を確実に保護することができるという効果がある。
【００２７】
請求項４に係る発明によれば、異常時に前記水素遮断手段を遮断することにより前記水素循環流路を閉鎖することができ、前記水素貯留手段によって前記水素循環流路内の水素を外部に放出させずに水素循環流路内の水素圧力を所定の圧力まで減圧することができ、前記燃料電池のアノードとカソードの極間差圧を小さくすることができるので、異常時に水素が放出されず、且つ、異常による燃料電池システムの停止時に燃料電池を保護することができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る水素遮断装置を備えた燃料電池システムの一実施の形態における構成図である。
【図２】前記実施の形態における水素遮断制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　燃料電池
４　水素遮断弁（水素遮断手段）
６　水素排出弁（開閉手段）
７　水素貯留タンク（水素貯留手段）
２１　水素供給流路
２３　水素循環流路
【図１】
2004119122.tif 000003
【図２】
2004119122.tif 000004