(57)【要約】【課題】ＦＣ−ＥＶにおいて燃料電池の使用終了後に残留ガスをエネルギー効率良く、簡易、迅速に除去することが困難であった。【解決手段】配管１０３は２つの電磁バルブ１１１、１１２を介してＦＣスタック１００に接続されている。電磁バルブ１１２と配管１０２の間の配管１０３は前記負圧１５０を検知する圧力センサーが、また、２つの電磁バルブ１１１、１１２の間の配管１０３には減圧タンク１３０とその圧力を検知する圧力センサー１２２が接続されている。即ち、減圧タンク１３０は、電磁バルブ１１２を介し、配管１０２に接続され、電磁バルブ１１１を介しＦＣスタック１００に接続されている。なお、電磁バルブ１１１とＦＣスタック１００を接続する間の配管１０３には、通常の排気系に接続する配管１０４とＦＣスタック１００と電磁バルブ１１１の間のガス圧力を検知する圧力センサー１２１が接続されている。【選択図】　図１
2004087244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載される車載機器へ電力を供給する燃料電池システムにおいて、
車両走行時の運動エネルギーを利用して負圧を発生させ、この負圧を利用して車両停止後、燃料電池の運転終了後に燃料電池中の残留ガスを排気することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池と、
前記燃料電池中の残留ガスを負圧により吸引する減圧タンクと、
前記減圧タンク内のガスを負圧により吸引して排気する負圧発生手段と、
前記燃料電池と前記減圧タンクの間の前記残留ガスの流路を制御する第１のバルブと、
前記減圧タンクと前記負圧発生手段の間の前記残留ガスの流路を制御する第２のバルブとを含み、
車両走行時に第１のバルブを閉め、第２のバルブを開くことで前記負圧発生手段による負圧で前記減圧タンク中のガスを除去し、かつ前記減圧タンク内を減圧し、
燃料電池の運転終了後に第２のバルブを閉め、第１のバルブを開くことで減圧された前記減圧タンク内に燃料電池中の残留ガスを除去すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載されるシステムにおいて、
前記負圧発生手段が、車両走行時の大気との相対速度により発生した空気流を利用して、負圧を発生させる空気流負圧発生手段であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載されるシステムにおいて、
前記負圧発生手段が、車両減速時の回生エネルギーを利用してポンプを作動させ、負圧を発生させる手段であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３に記載されるシステムにおいて、
前記空気流負圧発生手段が、走行中の車両の前部から後部に抜ける空気流の側方に発生する負圧を用いる手段であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項３に記載されるシステムにおいて、
前記空気流負圧発生手段が、車両の外表面に沿った空気流により車両外表面に部分的に発生した負圧を利用する手段であ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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システム、特に燃料電池の運転終了後、燃料電池内に残留するガスを効率的に除去を可能とする燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池による電気エネルギーを動力源とする電気自動車（以下ＦＣ−ＥＶとする）は固体高分子型燃料電池を主とした動力源として用いており、前記燃料電池はエンジンと同じように燃料タンクから供給された燃料を使ってエネルギーを生み出す発電機であるため、充電する必要が無く、アノードに燃料として水素、カソードに酸素（空気）を供給する限り発電することが可能である。
【０００３】
上記燃料電池は、燃料に水素と酸素を用いて水を排出する機構であるため、ＦＣ−ＥＶはガソリン等を燃料とする内燃機関に比べ二酸化炭素の排出量が抑制でき、環境や人体に有害な排出物を排出せず環境へのダメージを最小限にすることができる。
【０００４】
またＦＣ−ＥＶは内燃機関のように熱エネルギーを経由して動力とする機構ではなく、燃料の持つエネルギーを直接、電気エネルギーに変換するので、高いエネルギー効率を得ることが可能であり、省エネルギー効果も大きい。
【０００５】
さらに内燃機関と異なり、振動や騒音が殆どないといったことも大きなメリットである。
【０００６】
ここでＦＣ−ＥＶに搭載される燃料電池では上記のように水素ガス及び酸素ガスを燃料として発電を行っている。燃料電池の運転終了時には、これらガスが燃料電池内に残留する。
【０００７】
水素ガスは触媒と共存した状況では急激に触媒により酸化されることにより温度上昇を引き起こし燃料電池部材にダメージを与えるなどの問題がある。また、酸素ガスは電極の触媒を酸化により劣化させ、燃料電池の短寿命化を招くなどの問題がある。
【０００８】
従って燃料電池の運転終了時にはこれらの残留ガスをできるだけ完全に除去することが望ましい。
【０００９】
例えば特開２００１−３４５１１４号公報では燃料電池運転終了後の残留ガスを負荷として放電抵抗を用いることで消費し、除去する燃料電池システムを提供している。該公報は燃料電池終了直後には大電流を消費できる放電抵抗を選択して接続し、出力電圧がある一定値以下になれば微少電流が流れる放電抵抗を選択して接続するという切り換え手段を有している。この切り替え手段によって、出力電圧が小さくなったときに、大電流を流し続けると、燃料電池に局所的な電流の逆流が発生してダメージが残ることを防止できる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、残留ガスを放電抵抗を用いて消費させる方法では、様々な問題がある。上記従来例では、複数の放電抵抗やその切り替え手段、さらには切り替えタイミング制御のための装置などが必要となる問題があった。
【００１１】
また、上記従来例では酸素を除去することが難しく、触媒の活性劣化を防止することができなかった。
【００１２】
本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、効率良く残留ガスの除去を可能とする燃料電池システムの提供にある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは車両に搭載される車載機器へ電力を供給する燃料電池システムにおいて、車両走行時の運動エネルギーを利用して負圧を発生させ、この負圧を利用して車両停止後、燃料電池の運転終了後に燃料電池中の残留ガスを排気することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムは燃料電池と、前記燃料電池中の残留ガスを負圧により吸引する減圧タンクと前記減圧タンク内のガスを負圧により吸引して排気する負圧発生手段と、前記燃料電池と前記減圧タンクの間の前記残留ガスの流路を制御する第１のバルブと、前記減圧タンクと前記負圧発生手段の間の前記残留ガスの流路を制御する第２のバルブとを含み、車両走行時に第１のバルブを閉め、第２のバルブを開くことで前記負圧発生手段による負圧で前記減圧タンク中のガスを除去し、かつ前記減圧タンク内を減圧し、燃料電池の運転終了後に第２のバルブを閉め、第１のバルブを開くことで減圧された前記減圧タンク内に燃料電池中の残留ガスを除去することを特徴とする。
【００１５】
また上記本発明の負圧発生手段は、車両走行時の大気との相対速度により発生した空気流を利用して、負圧を発生させる空気流負圧発生手段であってもよい。
【００１６】
また上記本発明の負圧発生手段は、車両減速時の回生エネルギーを利用してポンプを作動させ、負圧を発生させる手段であってもよい。
また本発明の空気流負圧発生手段は、走行中の車両の前部から後部に抜ける空気流の側方に発生する負圧を用いる手段であってもよい。
【００１７】
また本発明の空気流負圧発生手段が、車両の外部表面に沿った空気流により車両外表面に部分的に発生した負圧を利用する手段であってもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について説明する。尚、本実施形態は本発明の実施に関しての好ましい一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１９】
図１には本発明の実施形態であるＦＣ−ＥＶ１に搭載された燃料電池システムの構成がが示されており、図１（ａ）は側面説明図、図１（ｂ）は平面説明図である。
【００２０】
ＦＣ−ＥＶ１は燃料電池（ＦＣスタック）１００を搭載しており、このＦＣスタックの発電電力によってモータ（図示せず）を駆動して走行する。ＦＣスタック１００は、水素ガス及び酸素ガスの供給を受け、電気エネルギーを発生する複数の燃料電池セルからなっている。このＦＣスタック１００にはガソリン、メタノール、水素ガスを燃料とする各種の形式があるが、そのいずれであっても構わない。
【００２１】
ＦＣ−ＥＶ１の前部には前方に向けて開口する空気導入部１０１が配置されている。この空気導入部１０１は前方に向けて徐々に拡大するラッパ形状であり、その後端には空気導入部１０１の後端開口と同一の内径を有する配管１０２が接続されている。また配管１０２は、ＦＣ−ＥＶ１の後部に至り、後方に向けて開口している。
【００２２】
従って、ＦＣ−ＥＶ１が走行すると、ＦＣ−ＥＶ１前方の空気が空気導入部１０１から配管１０２を通り、ＦＣ−ＥＶ１の後方に抜ける。この配管１０２中の空気流１４１の速度は、車両の速度に応じて決定され、かなりの高速になる。
【００２３】
配管１０２の側面部には配管１０３が接続されている。配管１０２は、前記空気流１４１が高速で流れており、これにより配管１０２の側方にある配管１０３内には配管１０２方向への負圧１５０を生じる。
【００２４】
この配管１０３は２つの電磁バルブ１１１、１１２を介してＦＣスタック１００に接続されている。電磁バルブ１１２と配管１０２の間の配管１０３は前記負圧１５０を検知する圧力センサーが、また、２つの電磁バルブ１１１、１１２の間の配管１０３には減圧タンク１３０とその圧力を検知する圧力センサー１２２が接続されている。即ち、減圧タンク１３０は、電磁バルブ１１２を介し、配管１０２に接続され、電磁バルブ１１１を介しＦＣスタック１００に接続されている。なお、電磁バルブ１１１とＦＣスタック１００を接続する間の配管１０３には、通常の排気系に接続する配管１０４とＦＣスタック１００と電磁バルブ１１１の間のガス圧力を検知する圧力センサー１２１が接続されている。走行中、ＦＣスタックから排出されたガスは配管１０４を通じて、通常の排気系（図示せず）からＦＣ−ＥＶ１の外部へと排出される。
【００２５】
上記手段を有する燃料電池システムにより、車両走行時に蓄えられた負圧を利用して、ＦＣスタック１００の使用終了後の残留ガスを除去できる簡易、迅速で、エネルギー効率が良いＦＣスタック１００中の残留ガスの除去が可能となる。
【００２６】
ＦＣスタック中の残留ガスを除去する具体的な方法を図２のフローチャートに沿って説明する。
【００２７】
ＦＣ−ＥＶ１を走行させる前には、電磁バルブ１１１と電磁バルブ１１２は閉じておく（Ｓ１）。ＦＣスタックを運転（Ｓ２）し、モータを駆動させ、ＦＣ−ＥＶ１を走行させる（Ｓ３）。
【００２８】
ＦＣ−ＥＶ１が走行すると前記負圧１５０が配管１０３に生じる。負圧１５０により圧力センサ１２３の圧力値が、減圧タンク１３０の圧力センサ１２２の圧力値より小さくなる（Ｓ４）。電磁バルブ１１２を開くと、負圧１５０は減圧タンク１３０を減圧する（Ｓ５）。減圧タンク１３０中には後述するように前回のＦＣスタック１００の運転終了後の残留ガスが蓄えられており、減圧タンク１３０中のガスは負圧１５０による減圧により吸引され、開かれた電磁バルブ１１２を介して配管１０２中の空気流１４１にのせられ、ＦＣ−ＥＶ１の外部へと排気される（Ｓ６）。
【００２９】
ＦＣ−ＥＶ１が停止すると（Ｓ７）、圧力センサ１２３の圧力値が圧力センサ１２２の圧力値よりも高くなるので、直ちに電磁バルブ１１２を閉める（Ｓ８）。
【００３０】
電磁バルブ１１２を閉じることにより、配管１０２から減圧タンク１３０への空気流１４２を防ぐことができ、減圧タンク１３０を減圧された状態で保持しておくことが可能となる。即ち、車両走行時の運動エネルギーを利用して発生させられた負圧１５０による減圧効果を、車両停止時に減圧１３０により蓄えておくことを可能できる。
【００３１】
ＦＣスタック停止後（Ｓ９）、電磁バルブ１１１を開く（Ｓ１０）と、減圧された減圧タンク１３０にＦＣスタック内の残留ガスがＦＣスタック１００から減圧タンク１３０方向へのガス流１４３となって流れ込み、ＦＣスタック内の残留ガスが除去される（Ｓ１１）。除去するうちに減圧タンク１３０の圧力センサ１２２の圧力値が圧力センサ１２１における圧力値と等しくなる（Ｓ１２）。ここで電磁バルブ１１１を閉めるとガス流１４３をシャットし、減圧タンク１３０内の閉じられた系に残留ガスが閉じこめられる（Ｓ１３）。減圧タンク１３０に蓄えられた残留ガスは次回走行時に、前述のＳ１〜Ｓ６のステップによって外部に排気される。
【００３２】
このように本実施形態によれば他の機器（例えば放電抵抗）を用いる必要がない。また、放電抵抗の切り替え機構及び切り替えのタイミング制御を用いた残留ガスの除去方法に比べ、燃料電池と配管と電磁バルブと減圧タンクの簡単な組み合わせであり、簡易である。さらに減圧によって燃料電池中の残留ガスを排出する仕組みであるので、ガスを消費する方法に比べ迅速に残留ガスを除去できる。その上、従来、十分に除去することが難しかったカソード側の残留ガスである酸素（空気）を除去することが可能となる。即ちアノード側に残留する水素ガスの濃度を減少させることが可能となる従来技術に加え、カソード側に残留する酸素ガスを除去することも可能となる。従って酸化による触媒の活性低下を抑制することが可能となり、ひいては燃料電池の寿命を延ばすことが可能となる。
【００３３】
上記本発明の車両走行時の大気との相対速度により発生した空気流を利用することにより、負圧を発生させる空気流発生手段が、走行中の車両の形状により、空気流が負圧を発生させる手段であることも含まれる。車両走行中にボディー形状により負圧が発生する負圧部分があり（例えば、フロント部やリヤ部など）、従ってそのような負圧部分を負圧発生手段として図１の減圧タンク１３０の減圧・排気する口を直接接続してもよい。さらには図１の負圧発生手段を用いて配管１０２の空気流の出口を車両後部に発生する負圧部分ににつなげば、図１の空気流１４１が増大し、図２で示されるＳ６の減圧タンクの減圧・排気の効率がさらに良くすることができる図１の負圧１５０が提供される。
【００３４】
流体力学的解析技術の進歩などにより、近年では容易に車両走行中のボディー形状で発生する負圧の発生箇所を求めることができるため、乗用車、トラック、ワゴン車など様々なボディー形状の車両であってもボディー形状による車両走行中の負圧の発生箇所を求めることは容易にできることであり、図１の形状の車両に限定されない。
【００３５】
また、負圧発生手段は、残留ガスが多い場合などには車両減速時の運動エネルギー消費を利用することによって、負圧を発生させるものであってもよい。例えば、車両減速時に車両駆動軸に設けた負荷により、真空ポンプ等を回すことでＦＣスタック中の残留ガスを吸引・排気してもよい。さらには、図１にこの方法を用いて真空ポンプで減圧タンク１３０をひくとこともできる。
【００３６】
さらに、図１において配管１０４に電磁バルブ等を設け、ＦＣスタック１００中の残留ガス吸引時にこのバルブを閉じるとよい。これによって、大気圧等の影響を避けることができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池を停止させたときに残留する燃料ガス等を除去することに関して、他の機器（例えば放電抵抗やそれを管理するシステム）を主として用いることがなく簡易、迅速に、かつエネルギー効率が良く、ＦＣスタック中の残留ガスを除去することが可能となる上、従来十分に除去することが難しかったカソード側の残留ガスである酸素も除去することが可能となる。カソード側に残留する酸素ガスの濃度を減少させることも可能となり、酸化による触媒の活性低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＦＣ−ＥＶに搭載された本発明実施形態の燃料電池システムの説明図であり、（ａ）は側面説明図、（ｂ）は平面説明図である。
【図２】図１に示された本発明実施形態の燃料電池システムを用いたＦＣスタック中の残留ガスの除去方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　ＦＣ−ＥＶ、１００　燃料電池システム、１０１　空気導入部、１０２　配管、１０３　配管、１０４　配管、１１１　電磁バルブ、１１２　電磁バルブ、１２１　圧力センサ、１２２　圧力センサ、１２３　圧力センサ、１３０　減圧タンク、１４１　空気流、１４２　空気流、１４３　ガス流、１５０　負圧。
【図１】
2004087244.tif 000003
【図２】
2004087244.tif 000004