(57)【要約】【課題】  本発明は移動体に搭載される燃料電池システムに関し、万が一、閉鎖空間内において運転停止中の移動体から水素が漏れた場合でも、漏れた水素を閉鎖空間内に充満させることのないよう処理できるようにする。【解決手段】  移動体２の運転停止中、移動体２の運転とかかわりなくエア供給手段８を作動させてエアを取り込み、取り込んだエアを燃料電池４のカソードに供給する。これにより、漏れた水素はエアとともにカソードに取り込まれ、カソードの触媒の作用によって酸化されて水に変換される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体に搭載され前記移動体の駆動用電力を発電する燃料電池システムであって、
アノードへの水素の供給とカソードへの酸素の供給を受けて起電力を得る燃料電池と、
エアを取り込み前記カソードにエアを供給するエア供給手段と、
前記移動体の運転停止中に前記移動体の運転とかかわりなく前記エア供給手段を作動させる制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
水素の漏れを検知するガス漏れ検知手段を備え、
前記制御手段は、前記ガス漏れ検知手段によって水素の漏れが検知された際に前記エア供給手段を作動させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池とは別の電力供給手段を備え、
前記ガス漏れ検知手段は前記電力供給手段からの電力の供給を受けて作動することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ガス漏れ検知手段は間欠的に作動することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池を冷却するための冷却剤を前記燃料電池に供給する冷却剤供給手段を備え、
前記制御手段は、前記エア供給手段を作動させる際に前記冷却剤供給手段も作動させることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記エア供給手段により取り込まれたエアが流れる流路内の圧力を調整する調圧弁を備え、
前記制御手段は、前記エア供給手段を作動させる際には前記調圧弁の開度を通常運転時の開度よりも大きくす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システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車等の移動体に搭載される燃料電池システムに関する。
【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システムが知られている。燃料電池システムでは水素の漏れについての対策が重要であり、かねてより様々な提案がなされていた。例えば、特許文献１に記載された従来技術では、燃料電池スタックを収納するケース内に触媒が設けられ、燃料電池スタックから収納ケース内に漏れた水素は触媒によって酸化され水に変換されるようになっている。水素から変換された水は収納ケース内に配置された吸水性高分子シートに吸収され、ファンからの送気によって水蒸気となって収納ケース外に排出される。
【特許文献１】特開２００２−９３４３５号公報
【特許文献２】実開平５−１７７９５号公報
【特許文献３】特開２００２−３７３６８５号公報
【特許文献４】特開平８−３１４３６号公報
【特許文献５】特開平６−２４１５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、燃料電池システムにおいて水素の漏れる可能性のある部位は燃料電池スタックのみではない。例えば、水素容器からの水素の漏れの可能性もあり、水素容器と燃料電池スタックとの間の水素供給管から水素が漏れる可能性もある。したがって、上記従来技術のように単に燃料電池スタックからの水素の漏れについてのみ対策したのでは、燃料電池システムにおける水素漏れ対策としては十分とは言えない。
【０００４】
また、上記従来技術では、水素漏れ対策として収納ケースの他、収納ケース内に設ける触媒、吸水性高分子シート、及びファンを必要とするため、構造が複雑化するとともにコストが高くついてしまう。このため、上記従来技術のような水素漏れ対策を燃料電池スタック以外の他の部位に施すことは現実的ではない。また、水素が漏れる可能性がある部位を二重、三重に覆う、例えば、水素容器を二重容器にする等の対策も考えられるが、水素の漏れが生じる可能性と対策コストとの関係から見ればこれも現実的な対策とは言えない。
【０００５】
水素漏れ対策としては、上記従来技術のようにシステム外部への水素の漏れを防止するという観点からの対策のほかに、漏れた水素による水素濃度の上昇を抑制するという観点からの対策も考えられる。つまり、万が一水素がシステム外部に漏れたとしても、水素が漏れた空間における水素濃度を上昇させなければ、結果的にはシステム外部への水素の漏れを防止するのと同様の効果が得られたことになる。この場合、特に重要なのは移動体が閉鎖空間内に置かれているときの対策である。移動体が開放された空間内にあるときには、水素が漏れたとしても直ぐに空気中に拡散するため、空間内の水素濃度が高まることはない。これに対して移動体が車庫のような閉鎖空間内にあるときには、漏れた水素は閉鎖空間内に充満し、空間内の水素濃度は上昇してしまう。
【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、万が一、閉鎖空間内において運転停止中の移動体から水素が漏れた場合でも、漏れた水素を閉鎖空間内に充満させることのないよう処理できるようにした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、移動体に搭載され前記移動体の駆動用電力を発電する燃料電池システムであって、
アノードへの水素の供給とカソードへの酸素の供給を受けて起電力を得る燃料電池と、
エアを取り込み前記カソードにエアを供給するエア供給手段と、
前記移動体の運転停止中に前記移動体の運転とかかわりなく前記エア供給手段を作動させる制御手段と、
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、水素の漏れを検知するガス漏れ検知手段を備え、
前記制御手段は、前記ガス漏れ検知手段によって水素の漏れが検知された際に前記エア供給手段を作動させることを特徴としている。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、前記燃料電池とは別の電力供給手段を備え、
前記ガス漏れ検知手段は前記電力供給手段からの電力の供給を受けて作動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、前記ガス漏れ検知手段は間欠的に作動することを特徴としている。
【００１１】
第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、前記燃料電池を冷却するための冷却剤を前記燃料電池に供給する冷却剤供給手段を備え、
前記制御手段は、前記エア供給手段を作動させる際に前記冷却剤供給手段も作動させ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、前記エア供給手段により取り込まれたエアが流れる流路内の圧力を調整する調圧弁を備え、
前記制御手段は、前記エア供給手段を作動させる際には前記調圧弁の開度を通常運転時の開度よりも大きくすることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、移動体の運転停止中に万が一水素が漏れたとしても、漏れた水素はエアと一緒に取り込まれてカソードの触媒の作用により酸化されて水に変換されるので、水素が漏れた空間における水素濃度の上昇は抑制される。また、第１の発明によれば、エア供給手段を作動させるための制御手順の変更で済み、新たに水素を処理するための構成を設ける必要がないという利点もある。
【００１４】
第２の発明によれば、水素の漏れが検知されたとき、すなわち、必要なときにしかエア供給手段は作動しないので、省エネルギ化が可能になる。
【００１５】
第３の発明によれば、電力を得るために燃料電池システム全体を作動させる必要がなく、燃料電池システムの作動に伴う余分なエネルギ消費を抑えることができ、省エネルギ化が可能になる。
【００１６】
第４の発明によれば、ガス漏れ検知手段を常時作動させる場合に比較して電力供給手段の電力消費を抑えることができ、省エネルギ化が可能になる。
【００１７】
第５の発明によれば、燃料電池に冷却剤が供給されることで、カソードでの発熱反応による触媒の温度上昇が抑えられ、温度上昇に伴う触媒の劣化が防止される。
【００１８】
第６の発明によれば、エア流路内の圧力は通常運転時よりも低くなるので、エア流路にエアを送り込むエア供給手段の仕事量を低減することができ、省エネルギ化が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
実施の形態１．
以下、図１を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成図である。本燃料電池システムは、電気自動車２に搭載される車両用燃料電池システムとして構成されている。電気自動車２は図示しないモータを原動機として搭載しており、モータの駆動用電源として燃料電池スタック４が搭載されている。
【００２０】
燃料電池スタック４は、燃料電池の単セルが複数枚積層されて構成されている。単セルは、図示は省略するが、プロトン伝導性の電解質膜の両側を触媒電極であるアノード及びカソードで挟まれ、さらにその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。各単セルにおいて、アノードとセパレータとの間には水素を含む燃料ガスが流通するアノードガス流路が形成され、カソードとセパレータとの間には酸素を含む酸化ガスが流通するカソードガス流路が形成されている。また、隣接するセルのセパレータ間には、冷却剤としての冷却水が流通する冷却水流路が形成されている。
【００２１】
燃料電池スタック４への燃料ガスの供給は、電気自動車２に搭載されている水素容器１４から行われる。水素容器１４には水素が圧縮された状態で収容されている。水素容器１４は燃料電池スタック４のアノードガス流路に接続され、燃料電池スタック４の発電負荷に応じた流量の水素が水素容器１４から供給されるようになっている。
【００２２】
燃料電池スタック４への酸化ガスの供給は、エア供給管６Ａを介して行われる。エア供給管６Ａは燃料電池スタック４のカソードガス流路の入側に接続され、エア供給管６Ａの途中にはエアポンプ８が配置されている。エアポンプ８の作動によってエア供給管６Ａの開口部６ａからエアが取り込まれ、取り込まれたエアが酸化ガスとしてカソード流路に供給される。なお、燃料電池スタック４のカソードガス流路の出側にはエア排出管６Ｂが接続され、燃料電池スタック４内を流通したエアは、エア排出管６Ｂの開口部６ｂから大気中に放出されるようになっている。エア排出管６Ｂには調圧弁７が配置されており、調圧弁７の開度を制御することで上流のカソードガス流路内を流れるエアの圧力を調整できるようになっている。なお、調圧弁７は燃料電池スタック４の上流側、つまりエア供給管６Ａに配置することも可能であるが、上流に配置するに場合にはエアの圧力を高めるための仕事量がエアポンプ８に要求されるため、好ましくは図示するように燃料電池スタック４の下流側に配置する。
【００２３】
燃料電池スタック４は、上記のようにアノードに水素が供給されカソードにエアが供給されることで、両触媒電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する仕組みになっている。また、その際、図示しない冷却水ポンプから燃料電池スタック４の冷却水流路に冷却水が供給されることで、反応熱による温度上昇が抑制され、燃料電池スタック４の温度は所望の作動温度に保たれるようになっている。
【００２４】
また、電気自動車２には、燃料電池システム全体を統合制御する制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０が搭載されている。本燃料電池システムでは、このＥＣＵ１０による燃料電池システムの制御、特に、エアポンプ８の制御に特徴がある。以下、詳細に説明する。
【００２５】
ＥＣＵ１０はバッテリ１８からの電力の供給を受けて動作する。このため、燃料電池スタック４が発電していない燃料電池システムの停止時にも機能することができる。電気自動車２の運転停止に伴い、例えば、車室内の運転スイッチ２０がオフされることで、エアポンプ８等の動作が停止し燃料電池スタック４の発電は停止する。従来の燃料電池システムであれば、再び運転スイッチ２０がオンにされるまで燃料電池システムは機能を停止したままであり、エアポンプ８も作動しない。しかし、本燃料電池システムでは、以下に説明する一定の条件が成立した場合には、まず、ＥＣＵ１０が起動し、次に、ＥＣＵ１０はバッテリ１８からエアポンプ８に電力を供給してエアポンプ８を作動させるようになっている。
【００２６】
ＥＣＵ１０には水素センサ１２が接続されている。水素センサ１２は周囲の水素濃度を検出し、水素濃度に応じた信号を出力するガスセンサであるが、本実施形態では、ＥＣＵ１０を起動させる起動手段としても機能している。具体的には、運転スイッチ２０がオフされると、バッテリ１８からＥＣＵ１０への通電が停止されＥＣＵ１０はオフされるが、水素センサ１２は運転スイッチ２０のオフ後もバッテリ１８からの電力供給によって動作している。ただし、水素センサ１２は常時動作するのではなく、バッテリ１８の電力消費を抑えるために所定の周期で間欠的に動作するように設定されている。水素センサ１２は、検出した水素濃度が所定濃度（第１所定濃度）を上回ったときに、ＥＣＵ１０にトリガ信号を出力するようになっている。水素センサ１２はＥＣＵ１０の起動スイッチに接続されており、水素センサ１２からトリガ信号が入力されることで起動スイッチがオンになり、バッテリ１８からの通電によってＥＣＵ１０は起動する。
【００２７】
水素濃度の上昇は、図１に示すように電気自動車２が車庫３０のような閉鎖空間に置かれている状況において、燃料電池システムの何れかの部位から水素が漏れた場合に起こり得る。したがって、水素センサ１２からＥＣＵ１０へのトリガ信号の入力は、燃料電池システムからの水素漏れが検知されたことを意味する。車庫３０のような閉鎖空間で水素が漏れると空間全体に水素が充満することになり好ましくない。
【００２８】
そこで、ＥＣＵ１０は、水素センサ１２からのトリガ信号の入力による起動後、バッテリ１８からエアポンプ８に電力を供給し、エアポンプ８を作動させる。ただし、作動させるのはエアポンプ８のみであり、燃料電池システム全体は作動させない。また、調圧弁７はシステムの通常運転時にはその運転状態に応じた開度に制御されるが、システムの停止時には全開状態にされている。このため、ここでは調圧弁７は全開状態になっており、エアポンプ８は少ない仕事量でエアを取り込み燃料電池スタック４に供給することができる。
【００２９】
エアポンプ８が作動することで開口部６ａからエア供給管６Ａに車庫３０内のエアが取り込まれるが、同時に車庫３０内のエア中に拡散している水素もエア供給管６Ａに取り込まれる。エア供給管６Ａに取り込まれた水素は、エアとともに燃料電池スタック４のカソードに供給される。カソードには白金等の触媒が担持させられているため、カソードガス流路を流通している間にエア中の水素は酸素と反応して酸化され、水に変換される。生成された水はエアの圧力によって排出管６Ｂに流れ、その開口部６ｂから外部へ排出される。
【００３０】
車庫３０内のエアとともにエア供給管６Ａに取り込まれた水素がカソードで酸化されて水に変換されることで、エアポンプ８の作動後、車庫３０内の水素濃度は次第に低下していく。水素濃度の低下は水素センサ１２によって検出され、やがて水素濃度が所定濃度（第２所定濃度：第２所定濃度＜第１所定濃度）を下回った時点でＥＣＵ１０はエアポンプ８を停止させる。エアポンプ８の流量が４ｍ3／ｍｉｎ程度である場合、一般的な小型の車庫３０（４０ｍ3程度の容積）であれば、１０分程度で車庫３０内のエア全体を処理することができる。
【００３１】
エアポンプ８の停止後も水素の漏れが続いている場合には、車庫３０内の水素濃度は再び上昇していくが、その時には再び上記の制御手順によってエアポンプ８が作動させられ、漏れ水素の処理が行われる。なお、電気自動車２が運転中であり燃料電池スタック４の発電が行われている状況では、エアポンプ８が作動してカソードに車庫３０内のエアが取り込まれているので、上記の制御を行わずとも車庫３０内の漏れ水素の処理はおのずと行われている。したがって、上記の制御が必要になるのは、あくまでも車庫３０のような閉鎖空間内に電気自動車２が運転停止状態で置かれている状況である。
【００３２】
本燃料電池システムによれば、万が一、車庫３０のような閉鎖空間内において運転停止中の電気自動車２から水素が漏れたとしても、漏れた水素は車庫３０内のエアと一緒にエアポンプ８によって取り込まれ、カソードの触媒の作用により酸化されて水に変換されるので、車庫３０内の水素濃度の上昇は抑制される。また、その効果は水素がシステム内のどの部位から漏れたかにかかわらず得られるものである。さらに、本燃料電池システムは、水素センサ１２の設置とＥＣＵ１０の制御プログラムの変更で実現することができ、新たに水素を処理するための構成を設ける必要がないという利点もある。
【００３３】
実施の形態２．
次に、図２を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
上述の実施の形態１では、水素が漏れる閉鎖空間として電気自動車２の置かれている車庫３０を想定しているが、本発明は燃料電池スタック４からその収納ケース内に漏れた水素の処理にも適用可能である。図２は、本発明の実施の形態２としての燃料電池システムの概略構成図である。図２中、実施の形態１と同一の部位については同一の符号を付している。
【００３４】
図２に示すように、燃料電池スタック４は収納ケース２４内に設置されている。収納ケース２４の最上部には換気用の換気孔２６が形成され、換気孔２６は水は透過しないが気などの気体は透過する気体透過膜２８により密封されている。収納ケース２４にはエア供給管１６が接続され、エア供給枝管１６の開口部１６ａが収納ケース２４内に配置されている。エア供給枝管１６は、エアポンプ８の上流側にて切換弁２２を介してエア供給管６Ａに接続されている。また、収納ケース２４内には水素センサ３２が配置されている。
【００３５】
エアポンプ８の作動／停止制御と切換弁２２の切換制御は、ＥＣＵ１０にて行われる。ＥＣＵ１０は水素センサ３２からの出力信号に基づいてこれらの制御を行う。具体的には、燃料電池システムの停止中、水素センサ３２によって水素濃度の上昇が検出されたときには、まず、ＥＣＵ１０が起動し、切換弁２２を作動させてエアポンプ８にエア供給管１６を接続するとともに、実施の形態１と同様、バッテリ１８からエアポンプ８に電力を供給してエアポンプ８を作動させる。エアポンプ８が作動することで開口部１６ａからエア供給管１６に収納ケース２４内のエアが取り込まれる。なお、収納ケース２４には気体分離膜２８が設けられているので、収納ケース２４内外の差圧に応じてエアが気体分離膜２８を透過することで、収納ケース２４内の空気量が減少した分、収納ケース２４外から収納ケース２４内にエアが補充される。
【００３６】
水素センサ３２は収納ケース２４内に配置されているので、水素センサ３２の出力値の上昇は収納ケース２４内における水素濃度が上昇したこと、すなわち、燃料電池スタック４から水素が漏れていることを意味する。燃料電池スタック４から漏れた水素は収納ケース２４内のエア中に拡散するが、エア供給管１６に収納ケース２４内のエアが取り込まれることで、同時に収納ケース２４内のエア中に拡散している水素もエア供給管１６に取り込まれる。エア供給管１６に取り込まれた水素は、エアとともに燃料電池スタック４のカソードに供給され、触媒の作用によって酸化されて水に変換される。
【００３７】
このように本燃料電池システムによれば、万が一燃料電池スタック４から水素が漏れたとしても、漏れた水素は収納ケース２４内のエアと一緒にエアポンプ８によって取り込まれ、カソードの触媒の作用により酸化されて水に変換されるので、収納ケース２４内の水素濃度の上昇は抑制される。その結果、収納ケース２４内外での水素分圧の差圧の拡大を抑制して、気体分離膜２８を介しての収納ケース２４内から外部への水素の漏れを抑えることができる。燃料電池システムにおいて水素が漏れる可能性が比較的高いのは燃料電池スタック４であるが、本燃料電池システムの構成を採ることで外部に水素が漏れる可能性を低減することができる。さらに、実施の形態１の構成と併用することで、車庫３０のような閉鎖空間内での水素濃度の上昇をより効果的に抑制することが可能になる
【００３８】
その他．
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、次のように変形して実施してもよい。
【００３９】
上述実施の形態では、水素濃度の上昇が検出されたときにエアポンプ８のみを作動させているが、エアポンプ８とともに冷却水ポンプも作動させるようにしてもよい。冷却水ポンプの駆動用電力はバッテリ１８から供給する。冷却水ポンプを作動させることで燃料電池スタック４の冷却水流路に冷却水が供給されるので、カソードでの発熱反応による触媒の温度上昇が抑えられ、温度上昇に伴う触媒の劣化が防止される。
【００４０】
また、水素濃度の上昇が検出されたときに燃料電池システム全体を作動させるようにしてもよい。つまり、エアポンプ８や冷却水ポンプを作動させるとともに水素容器１４からの水素供給も行い、燃料電池スタック４を機能させて発電を行う。そして、発電で得られた電力をエアポンプ８や冷却水ポンプに供給する。これによれば、バッテリ１８の充電量の低下を防止することができる。また、バッテリ１８の充電量を検出して、バッテリ１８の充電量が所定値以上のときにはバッテリ１８から電力供給を行い、バッテリ１８の充電量が所定値以下になったときに燃料電池システム全体を作動させるようにしてもよい。ただし、燃料電池システム全体を作動させる場合には、調圧弁７の開度は通常運転時の開度よりも大きい開度、望ましくは全開状態にする。調圧弁７の開度を通常運転時の開度よりも大きくすることで、エアポンプ８の仕事量を軽減して省エネルギ化を図ることができる。
【００４１】
また、上述の実施の形態では、水素の漏れを水素濃度センサによって検知しているが、その他の手段によっても水素の漏れを検知することができる。例えば、水素容器からの水素漏れの可能性が比較的高いならば、圧力センサにより水素容器内の圧力を測定することで、水素容器内の圧力の低下から水素容器内のガス量の低下、すなわち水素の漏れを検知することができる。この場合、温度センサにより水素容器内のガス温度も測定し、ガス温度によって水素容器内のガス量を補正すれば、より正確に水素の漏れを検知することができる。
【００４２】
さらに、上述の実施の形態では、水素濃度を検出して水素濃度が上昇したときにエアポンプ８を作動させているが、電気自動車２の運転停止中、水素濃度の上昇にかかわらずエアポンプ８を作動させるようにしてもよい。例えば、運転スイッチ２０のオフ後、所定の周期で所定時間エアポンプ８を作動させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２としての燃料電池システムの要部の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
２  電気自動車
４  燃料電池スタック
６Ａ  エア供給管
６Ｂ  エア排出管
７  調圧弁
８  エアポンプ
１０  ＥＣＵ
１２  水素センサ
１４  水素容器
１６  エア供給管
１８  バッテリ
２０  運転スイッチ
２２  切換弁
２４  収納ケース
２８  気体分離膜
３０  車庫
３２  水素センサ
【図１】
2005197156.tif 000003
【図２】
2005197156.tif 000004