(57)【要約】    【課題】  異常状態抑制機能を備えた車載可能な燃料電池システムを提供する。    【解決手段】  燃料電池（１０）に流体（Ｈ２）が供給される燃料電池システムにおいて、燃料電池（１０）を収容する収容部（１１）、収容部（１１）内における異常を検出した場合に、収容部（１１）内部に流体（Ｈ２）を充填して当該収容部（１１）内部の酸素濃度を低減させる酸素濃度低減手段（Ｖｈ３、２０）を備える。【選択図】    図１
2005268054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に流体が供給される燃料電池システムにおいて、
燃料電池を密封可能に収容する収容部と、
前記収容部内における異常を検出した場合に、前記収容部内部に前記流体を充填して当該収容部内部の酸素濃度を低減させる酸素濃度低減手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記流体は燃料ガスである、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記流体は冷却水である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却水の温度を低減する手段を備え、
前記冷却水を前記収容部内部に充填する際に当該冷却水の温度を低減させる、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記収容部とその外部とを連通する連通部と、
前記連通部を開閉する開閉部材とを備え、
前記酸素濃度低減手段は、異常を検出した場合に前記開閉部材を閉状態とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
燃料電池を密封可能に収容する収容部と、
前記収容部内の気体を排出する駆動手段と、
前記収容部内における異常を検出した場合に前記駆動手段を駆動させ、前記収容部内の気体を排出することにより当該収容部内の酸素濃度を低減させる酸素濃度低減手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
前記駆動手段が前記燃料電池のカソード極へ酸化ガスを供給するコンプレッサである、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記酸素濃度低減手段は、前記異常時に燃料ガス及び酸化ガスの供給を停止する、請求項１乃至７のいずれか一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、異常状態抑制機能を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおける異常状態抑制方法としては、例えば特開２００１―１８９１６１号公報に記載された方法があった。この方法によれば、自動車の衝突事故などの衝撃を検知する衝撃検知センサと、この衝撃検知センサの出力値に基づいて異常信号を発生する異常信号発生手段と、この異常信号に基づき原燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止する改質器導入ガス停止手段としての開閉弁と、不活性ガスボンベと、改質器前後に設けた不活性ガス封入用の遮断弁と、異常信号に基づき不活性ガスを導入するための開閉弁と、を備えていた（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１―１８９１６１号公報（段落番号００１７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記従来の技術では、燃料ガスの供給装置の他に、不活性ガスタンクを備えておかなければならず、システムが大きくならざるを得なかった。特に移動体に搭載する燃料電池システムでは、滅多に使用されることのない機能のために重量や容積が増えることは好ましくなく、上記従来の技術は車載用の安全装置としては不適であった。
【０００４】
そこで本発明は、異常状態抑制機能を備えた車載可能な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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池に流体が供給される燃料電池システムにおいて、燃料電池を密封可能に収容する収容部と、前記収容部内における異常を検出した場合に、前記収容部内部に前記流体を充填して当該収容部内部の酸素濃度を低減させる酸素濃度低減手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
上記構成によれば、異常が検出された場合に、収容部内には流体が充填され酸素濃度が低くなって酸欠状態となり異常状態（酸化反応状態）が抑制される。このとき、酸欠状態を作り出す媒体は通常の運転で利用している燃料電池のための流体であるため、異常状態抑制のための特別な装備を設ける必要がない。このためシステムをコンパクトに軽量にでき、車載に適する異常状態抑制設備を提供することができる。
【０００７】
ここで例えば「流体」は燃料ガスである。燃料ガスを充填することによっても酸素濃度を低減することができ、しかも燃料ガスは燃料電池システムのために多量に搭載されているため、特別な装備を設けることなく異常状態抑制機能を持たせることができる。
【０００８】
また例えば「流体」は冷却水である。冷却水を充填することによっても酸素濃度を低減でき、しかも冷却水は燃料電池の冷却のために多量に搭載されているため、特別な装備を設けることなく異常状態抑制機能を持たせることができる。
【０００９】
ここで、冷却水の温度を低減する手段を備え、冷却水を収容部内部に充填する際に当該冷却水の温度を低減させることは好ましい。当該構成によれば、冷却水が酸素濃度を低減させると同時に、冷却水が異常状態で発生する熱を奪うので早期に確実に安全に異常状態抑制活動が行われる。
【００１０】
また連通部を開閉する開閉部材とを備え、酸素濃度低減手段は、異常を検出した場合に前記開閉部材を閉状態とするように構成してもよい。収容部には連通部があるので通常の運転時には燃料ガスを排出することができる一方、異常が検出された場合には閉鎖されることにより密封状態を容易に作り出すことができる。
【００１１】
また本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池を密封可能に収容する収容部と、収容部内の気体を排出する駆動手段と、収容部内における異常を検出した場合に駆動手段を駆動させ、収容部内の気体を排出することにより当該収容部内の酸素濃度を低減させる酸素濃度低減手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、異常が検出された場合には駆動手段により気体が排出されるので酸素濃度が低減し異常状態を抑制することが可能である。
【００１３】
また、本発明において、駆動手段が前記燃料電池のカソード極へ酸化ガスを供給するコンプレッサであることは好ましい。通常運転時に使用するコンプレッサによって酸化ガスの排出を兼用させることが可能である。
【００１４】
また酸素濃度低減手段は、異常時に燃料ガス及び酸化ガスの供給を停止するように構成することは好ましい。これらのガスを停止すれば異常状態が沈静化するからである。
【発明の効果】
【００１５】
以上本発明によれば、異常が検出された場合に酸欠状態を作り出す媒体は通常の運転で利用している燃料電池のための流体であるため、異常状態抑制のための特別な装備を設ける必要がないためコンパクトであり、車載可能な燃料電池システムを提供可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。以下の実施形態は本発明の例示に過ぎず、本発明はこれに限定されずに適用可能である。
【００１７】
（実施形態１）
この実施形態１は、電気自動車等の移動体に本発明の異常状態抑制機能を備えた燃料電池システムを適用したものであり、特に流体として燃料ガスを充填するものである。図１に本燃料電池システムのうち燃料電池スタック周りの配管及び弁構造を示す。図１に示すように、当該燃料電池システムは、燃料電池スタック１０に燃料ガスである水素ガス（Ｈ２）を供給するための系統、酸素源である空気（Ａｉｒ）を供給するための系統、及び燃料電池スタック１０を冷却するために冷却水（Ｗａｔｅｒ）を供給する系統を備えている。
【００１８】
燃料電池スタック１０は、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とから構成されるセルを複数積層したスタック構造を備えている。ＭＥＡは高分子電解質膜を燃料極及び空気極の二つの電極を挟み込んだ構造をしている。燃料極は燃料極用触媒層を多孔質支持層状に設けてあり、空気極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。
【００１９】
燃料ガスは、図示しない水素ガス供給源である水素タンク等から配管１によって燃料電池スタック１０に供給され、配管２によって水素オフガスとして排出される。配管１には水素入口遮断弁Ｖｈ１が、配管２には水素出口遮断弁Ｖｈ２が設けられており、制御部２０の制御信号に応じて燃料電池スタック１０の動作を停止する場合に燃料ガスの流通を遮断することが可能になっている。特に配管１の水素入口遮断弁Ｖｈ１上流には、支管７が連通しており、支管７の流通を可能とする水素充填制御弁Ｖｈ３が設けられている。
【００２０】
空気は、図示しないエアクリーナから取り入れられコンプレッサ１２で加圧されて配管３によって燃料電池スタック１０に供給され、配管４によって空気オフガスとして排出される。配管３には空気入口遮断弁Ｖａ１が、配管４には空気出口遮断弁Ｖａ４が設けられており、制御部２０の制御信号に応じて燃料電池スタック１０の動作を停止する場合に空気の流通を遮断することが可能になっている。
【００２１】
冷却水は、図示しない冷却ポンプ等で循環させられ、配管５によって燃料電池スタック１０に供給されて内部を冷却し、配管６によって排出され再循環するようになっている。
【００２２】
当該燃料電池スタック１０は、ケーシング１１によって密封可能に構成されている。ケーシング１１は、燃料ガスや冷却水に対して化学的耐性があり、かつ、本発明の異常状態抑制処理によってある程度の高圧に燃料ガスや冷却水等の流体が充填されても耐える機械的強度を備える。ケーシング１１の内部は、酸素濃度が低く保たれていることが火災防止の観点から好ましい。例えばケーシング１１の内部を外部に比べて低圧状態に保つことにより、本発明の燃料ガス充填時に速やかに燃料ガスが充填できるので好ましい。また不活性ガスを充填しておけば、火災が発生しにくくなるため好ましい。
【００２３】
ケーシング１１には、内部の温度を検出可能な温度センサＳｔと圧力を検出可能な圧力センサＳｐとが設けられており、それぞれを検出信号として制御部２０に出力している。
【００２４】
各遮断弁Ｖｈ１〜Ｖｈ３，Ｖａ１、Ｖａ２は、必ずしもケーシング１１の内部に配置されることを要しないが、支管７の排出口は少なくともケーシング１１の内部に燃料ガスを充填可能に設けられている必要がある。
【００２５】
制御部２０は公知のコンピュータシステムであり、図示しないＲＯＭ等に格納されている本発明の異常状態抑制方法を実行させるためのソフトウェアプログラムを図示しないＣＰＵ（中央処理装置）が順次実行することにより、当該システムに本発明の異常状態抑制方法を実施させることが可能になっている。
【００２６】
次に、図２のフローチャートを参照して、本実施形態１における異常状態抑制方法を説明する。当該フローチャートはこの燃料電池システムの運転時に定期的に制御部２０において実施されるものである。
【００２７】
上記構成において、通常運転時では、水素入口遮断弁Ｖｈ１及び出口遮断弁Ｖｈ２が開放されて燃料ガスが流通し、また空気入口遮断弁Ｖａ１及び出口遮断弁Ｖａ２が開放されて空気が流通することにより、燃料電池スタック１０中の単セルでは電気化学反応が生じ電気が生じる。通常運転時には水素充填遮断弁Ｖｈ３が閉鎖されているので、ケーシング１１内は当初に封入されたガスのみが存在する。
【００２８】
制御部２０は、温度センサＳｔからの検出信号を参照し（Ｓ１）、ケーシング１１の内部温度が異常な値を示していないかを検査する（Ｓ２）。異常が検出されなければ（Ｓ２：ＮＯ）異常状態抑制処理は不要であるが、ケーシング１１の内部温度が所定の値を超える等の異常な事態と判断される場合には（Ｓ２：ＹＥＳ）、制御部２０は本発明の異常状態抑制処理に移る。なお、ここでは温度測定によって異常を検出していたが、炎検知器の検出信号や圧力値によって異常を検出してもよい。さらに移動体のＧセンサやエアバックセンサからの検出信号を入力し、移動体が衝突したと判断されたことを契機として異常状態抑制処理に移ってもよい。
【００２９】
異常状態抑制処理では、まず制御部２０は水素入口遮断弁Ｖｈ１及び出口遮断弁Ｖｈ２を閉鎖し、また空気入口遮断弁Ｖａ１及び出口遮断弁Ｖａ２を閉鎖し、燃料電池スタック１０への燃料ガス及び空気の供給・排出を停止する（Ｓ３）。
【００３０】
次いで制御部２０は、水素充填遮断弁Ｖｈ３を開放させ、支管７経由で燃料ガスをケーシング１１内に充満させる（Ｓ４）。この制御により、支管７から燃料ガスがケーシング１１の内部に充填していき、相対的な酸素濃度を低下させる。
【００３１】
図３に水素ガス濃度と異常状態性との関係図を示す。曲線ｆがケーシング１１内部に充填される水素ガス濃度を示している。充填開始から時間Ｔｆ経過後でほぼ充填されることを示している。水素ガスの燃焼性は、水素ガスの濃度のみならず、酸素の濃度が密接に関連する。図３の範囲Ａ３では水素ガスの濃度が十分に小さい（例えば４％未満）。このような場合には水素ガス自体が少なすぎて燃焼しない。逆に水素ガスの濃度が高すぎても相対的な酸素ガス濃度が低くなるため、燃焼しにくくなる。例えば図３では、水素ガス濃度が約７５％を越える非異常状態の範囲Ａ１に入ると燃焼しにくくなる。これらの間が異常状態の範囲Ａ２となる。本実施形態では燃料ガスを急速充填することにより、ケーシング１１の内部を非異常状態の範囲Ａ１にしてしまうのである。
【００３２】
すなわちステップＳ４によって支管７から燃料ガスがケーシング１１内に充満し、酸素濃度を低減し、内部に異常状態が発生していたとしても酸素不足によって異常状態を停止させてしまう。制御部２０は、圧力センサＳｐの検出信号を監視し、充分に燃料ガスがケーシング１１内部に充填されたかを検査する（Ｓ５）。内部の圧力が所定のしきい値Ｐｔｈより大きくならなければ（Ｓ５：ＮＯ）、引き続き燃料ガスの充填が続行されるが、内部の圧力がしきい値Ｐｔｈより大きくなったら（Ｓ５：ＹＥＳ）、水素充填遮断弁Ｖｈ３を閉鎖する制御信号を出力して燃料ガスの充填を終了させる（Ｓ６）。なお、圧力で水素充填の完了を検出する他に、温度センサＳｔ等による温度検出で火災の鎮火を確認してから水素充填を停止したり、その他の基準で水素充填を停止させたりしてもよい。
【００３３】
このように実施形態１によれば、燃料ガスである水素ガスを充填させることによってケーシング１１内部の酸素濃度を低減させ異常状態抑制を実施するので、既存の水素ガスの供給設備をそのまま利用するだけで異常状態抑制処理が行え、不活性ガスを供給するタンクなどの大掛かりなシステムが不要である。
【００３４】
特に本実施形態１によれば、高圧な燃料ガスを充填可能であるため、急速に燃料電池スタックの周囲の酸素濃度を低下させることができ、高速な異常状態抑制が可能である。
【００３５】
（実施形態２）
上記実施形態１では流体として燃料ガスを充填して酸素濃度を低減させていたが、本実施形態２では流体として冷却水を充填するものである。
【００３６】
図４に、本実施形態２における燃料電池スタック１０の周囲の配管構造を示す。本実施形態２では、水素ガスをケーシング１１内部に充填するための水素充填遮断弁Ｖｈ３及び支管７が存在しない。その代わりに、冷却水を供給する配管５に支管８が設けられ、冷却水充填遮断弁Ｖｗが設けられている。当該冷却水充填遮断弁Ｖｗや支管８自体が必ずしもケーシング１１内部に存在する必要はないが、少なくとも支管８の出口はケーシング１１の内部に冷却水を充填可能に配置されている必要がある。
【００３７】
また、冷却水供給系統としては、配管６から排出された冷却水を強制循環させる冷却水ポンプ１３、配管５中に流れる冷却水から熱を奪うための熱交換器１４を備える。熱交換器１４はさらに冷却装置１５に接続され、二次的な循環経路中を冷媒が循環して熱交換器１４で冷却水を冷却するようになっている。熱交換器１４や冷却装置１５の構成には限定は無いが、例えば、コンデンサにより凝集熱を奪って冷却するシステムや、ラジエタ及びファンにより空冷するシステムが適用可能である。
【００３８】
実施形態１と同様に、ケーシング１１の内部は、酸素濃度が低く保たれていることが火災防止の観点から好ましい。例えばケーシング１１の内部を外部に比べて低圧状態に保つことにより、本発明の冷却水充填時に速やかに冷却水が充填できるので好ましい。また、ケーシング１１には、温度センサＳｔと圧力センサＳｐとの他に、水位を検出可能な水位計Ｓｈが設けられており、検出信号を制御部２０に出力している。その他の構成については実施形態１と同様なので説明を省略する。
【００３９】
上記構成において、配管６によって排出された冷却水は、冷却ポンプ１３で強制循環させられ、熱交換器１４によって冷却された後、配管５によって燃料電池スタック１０に供給される。
【００４０】
次に、図５のフローチャートを参照して、本実施形態２における異常状態抑制方法を説明する。当該フローチャートはこの燃料電池システムの運転時に定期的に制御部２０において実施されるものである。
【００４１】
通常運転時では、冷却水充填遮断弁Ｖｗが閉鎖されているので、ケーシング１１内は当初に封入されたガスのみが存在する。
【００４２】
上記実施形態１と同様に、制御部２０は温度センサＳｔからの検出信号を参照し（Ｓ１１）、異常が検出されなければ（Ｓ１２：ＮＯ）異常状態抑制処理をパスし、異常な事態と判断される場合には（Ｓ１２：ＹＥＳ）、本実施形態の異常状態抑制処理に移る。異常検出の方法に種々変形可能なことは実施形態１と同様である。
【００４３】
異常状態抑制処理では、まず制御部２０は水素入口遮断弁Ｖｈ１及び出口遮断弁Ｖｈ２を閉鎖し、また空気入口遮断弁Ｖａ１及び出口遮断弁Ｖａ２を閉鎖し、燃料電池スタック１０への燃料ガス及び空気の供給・排出を停止する（Ｓ１３）。次に制御部２０は、冷却ポンプを強制駆動させ（Ｓ１４）、冷却水の循環量を上げる。同時に制御部２０は熱交換器１４を駆動させ（Ｓ１５）、冷却水の冷却量を最大限に上げる。例えば熱交換器１４や冷却装置１５が二次循環経路を有するものであれば、その二次循環経路の流通量を上げてコンデンサを能力一杯に動作させる。熱交換器がラジエタによるものであれば、ファンの回転数を最大にして、空冷性能を最大にする。
【００４４】
そして制御部２０は、冷却水充填遮断弁Ｖｗを開放する制御信号を出力する（Ｓ１６）。冷却水遮断弁Ｖｗが開弁されることによって、冷却水が支管８からケーシング１１内に充填され始める。そして水位の上昇と共に、燃料電池スタック１０の周囲からガス成分を排除し結果的に酸素濃度を大幅に減少させていく。
【００４５】
冷却水の充填により、酸素濃度の低減は劇的なものとなり、燃料電池スタック１０の異常状態抑制はより完全なものになる。ここで制御部２０は、水位センサＳｈの検出信号を監視し、ケーシング１１内部に冷却水が一定の水位まで充填されたかを検査する（Ｓ１７）。水位が所定の水位Ｈｔｈより大きくならなければ（ＮＯ）、引き続き冷却水の充填が続行されるが、冷却水の水位が一定値Ｈｔｈより大きくなったら（ＹＥＳ）、冷却水充填遮断弁Ｖｗを閉鎖する制御信号を出力し、冷却水放出を終了させる（Ｓ１８）。なお、水位以外の基準で冷却水充填を停止させてもよい点は実施形態１と同様である。
【００４６】
このように実施形態２によれば、冷却水を充填させることによってケーシング１１内部の酸素濃度を低減させ異常状態抑制を実施するので、既存の冷却水供給設備をそのまま利用するだけで異常状態抑制処理が行え、不活性ガスを供給するタンクなどの大掛かりなシステムが不要である。
【００４７】
特に本実施形態２によれば、冷却水を充填させるので確実に異常状態抑制が行える。また、冷却水の冷却能力を上昇させてから、冷却水を充填するので、急速に異常状態の原因となった場所から熱を奪い、迅速に異常状態抑制が行える。
【００４８】
なお、本実施形態２の冷却水充填と併用して、前記実施形態１における燃料ガスの充填を行うことは好ましい。高圧な燃料ガスを充填により初期に酸素濃度を低減させ、続いて冷却水充填により確実に異常状態抑制を達成することで、異常状態抑制システムをより確実なものとすることができるからである。
【００４９】
（実施形態３）
本実施形態３は、換気窓を備えたケーシングに関する。
【００５０】
図６に、本実施形態３における燃料電池スタック１０の周囲の配管構造を示す。本実施形態３では、ケーシング１１に連通部である換気窓１７を備える点に特徴がある。ケーシング１１は上記各実施形態と同じく密封可能な構造となっているが、本実施形態では換気窓１７が形成されている。換気窓１７には換気窓１７をほぼ完全に密閉する蓋部１８が開閉自在に設けられており、制御部２０の制御信号に基づいて駆動されるモータ１９によって開放状態とされてケーシング１１の内部のガスを外部に放出したり、閉鎖状態として内部を窒息状態としたりすることが可能になっている。
【００５１】
なお、当該実施形態３におけるケーシング１１は燃料電池スタック１０を収容可能な範囲で極力容積を小さくすることが好ましい。内部に含まれる酸素量をできるだけ少なくすることで早期に窒息状態とすることができるからである。
【００５２】
その他の燃料ガスの供給系統、空気の供給系統、冷却水の供給系統については、実施形態１と同様であり説明を省略する。
【００５３】
次に、図７のフローチャートを参照して、本実施形態３における異常状態抑制方法を説明する。当該フローチャートはこの燃料電池システムの運転時に定期的に制御部２０において実施されるものである。
【００５４】
通常運転時では、蓋部１８は開いており、換気窓１７を通してケーシング１１の内外の気体が流通可能になっている。換気窓１７が開放されているので、燃料電池スタック１０にガス漏れが生じても外部に放出される。
【００５５】
上記実施形態１と同様に、制御部２０は温度センサＳｔからの検出信号を参照し（Ｓ２１）、異常が検出されなければ（Ｓ２２：ＮＯ）異常状態抑制処理をパスし、異常な事態と判断される場合には（２２：ＹＥＳ）、本実施形態の異常状態抑制処理に移る。異常検出の方法に種々変形可能なことは実施形態１と同様である。
【００５６】
異常状態抑制処理では、まず制御部２０は水素入口遮断弁Ｖｈ１及び出口遮断弁Ｖｈ２を閉鎖し、また空気入口遮断弁Ｖａ１及び出口遮断弁Ｖａ２を閉鎖し、燃料電池スタック１０への燃料ガス及び空気の供給・排出を停止する（Ｓ２３）。
【００５７】
そして制御部２０は、制御信号をモータ１９に供給して蓋部１８を閉じさせ、換気窓１７を閉鎖し、ケーシング１１を密封状態とする（Ｓ２４）。このような密封状態とすることで、容積の小さなケーシング１１からは短時間に酸素が欠乏状態となって異常状態が収束することになる。
【００５８】
そして異常状態抑制が完了したか否かを検査する（Ｓ２５）。異常状態抑制されていたら（Ｓ２５：ＹＥＳ）、制御部２０はモータ１９に蓋部１８を開放させる制御信号を出力する（Ｓ２６）。異常状態抑制がされていなければ（Ｓ２５：ＮＯ）、引き続き密封状態を維持する。異常状態抑制の有無の確認には、ケーシング１１内部の温度や圧力が実施形態１と同様に利用できる。
【００５９】
なお、密封による異常状態抑制は時間がかかるため、一旦蓋部１８を閉鎖したらそのままとし、次にユーザが安全確認をしてシステムをリセットするまで閉鎖状態を維持するようにしてもよい。
【００６０】
このように実施形態３によれば、密封状態を積極的に作り出すことによってケーシング１１内部の酸素濃度を低減させ異常状態抑制を促進するので、既存の設備をそのまま利用するだけで異常状態抑制処理が行え、不活性ガスを供給するタンクなどの大掛かりなシステムが不要である。
【００６１】
特に本実施形態３によれば、蓋を閉めるという比較的簡単な処理のみで異常状態抑制が行える。
【００６２】
なお、本実施形態３の密封処理と併用して、前記実施形態１における燃料ガスの充填や実施形態２における冷却水の充填を行うことは好ましい。密封作業により酸素の供給を遮断してから、高圧な燃料ガスを充填により酸素濃度をさらに低減させ、続いて冷却水充填により確実に異常状態抑制を達成することで、異常状態抑制システムをより確実なものとすることができるからである。
【００６３】
（実施形態４）
本実施形態４は、酸素の積極的な除去をするシステムに関する。
【００６４】
図８に、本実施形態４における燃料電池スタック１０の周囲の配管構造を示す。本実施形態４では、ケーシング１１に吸引用配管９１を備える点に特徴がある。吸引用配管９１は空気用の配管３においてコンプレッサ１２の上流に接続されている。当該吸引用配管９１には遮断弁Ｖａ４が設けられている。また空気用の配管３の下流であってケーシング１１の外部には支管９２が設けられており、支管９２を通しての空気流通を遮断する遮断弁Ｖａ３が設けられている。また支管９１の配管３への合流点の上流にはさらに元弁Ｖａ５が設けられている。遮断弁Ｖａ３、Ｖａ４及びＶａ５は制御部２０の制御信号に基づいて開閉するようになっている。
【００６５】
なお、当該実施形態４におけるケーシング１１は燃料電池スタック１０を収容可能な範囲で極力容積を小さくすることが好ましい。内部に含まれる酸素量をできるだけ少なくすることで早期に窒息状態とすることができるからである。その他の燃料ガスの供給系統、空気の供給系統、冷却水の供給系統については、実施形態１と同様であり説明を省略する。
【００６６】
次に、図９のフローチャートを参照して、本実施形態４における異常状態抑制方法を説明する。当該フローチャートはこの燃料電池システムの運転時に定期的に制御部２０において実施されるものである。
【００６７】
通常運転時には、水素入口遮断弁Ｖｈ１及び出口遮断弁Ｖｈ２が開放されて燃料ガスが流通し、また空気入口遮断弁Ｖａ１及び出口遮断弁Ｖａ２が開放されて空気が流通することにより、燃料電池スタック１０中の単セルでは電気化学反応が生じ電気が生じ、発電が行われている。また、通常運転時には遮断弁Ｖａ３及びＶａ４ともに遮断されている。
【００６８】
上記実施形態１と同様に、制御部２０は温度センサＳｔからの検出信号を参照し（Ｓ３１）、異常が検出されなければ（Ｓ３２：ＮＯ）異常状態抑制処理をパスし、異常な事態と判断される場合には（Ｓ３２：ＹＥＳ）、本実施形態の異常状態抑制処理に移る。異常検出の方法に種々変形可能なことは実施形態１と同様である。
【００６９】
異常状態抑制処理では、制御部２０は水素入口遮断弁Ｖｈ１及び出口遮断弁Ｖｈ２を閉鎖し、また空気入口遮断弁Ｖａ１及び出口遮断弁Ｖａ２を閉鎖し、燃料電池スタック１０への燃料ガス及び空気の供給・排出を停止する（Ｓ３３）。さらに元弁Ｖａ５も閉鎖される。
【００７０】
次いで、制御部２０は、遮断弁Ｖａ４及びＶａ３を開弁させる制御信号を出力してから（Ｓ３４）、コンプレッサ１２を高速回転させる駆動信号を出力する（Ｓ３５）。この処理によってケーシング１１の内部のガスがコンプレッサ１２の入口側の負圧で吸引され、支管９２から外部に排出される。このため、ケーシング１１からは短時間に酸欠状態となり異常状態が収束することになる。
【００７１】
以上の吸引処理によって異常状態抑制されていたら（Ｓ３６：ＹＥＳ）、制御部２０はコンプレッサ１２を停止させるが（Ｓ３７）、異常状態抑制が確認されなかったら（Ｓ３６：ＮＯ）、引き続きコンプレッサ駆動を継続する（Ｓ３５）。なお、異常状態抑制の有無の確認には、ケーシング１１内部の温度や圧力が実施形態１と同様に利用できる。
【００７２】
このように実施形態４によれば、ケーシング内部のガスを吸引することで積極的に支燃性ガスである酸素を吸引してケーシング１１内部の酸素濃度を低減させ異常状態抑制を促進するので、既存の設備をそのまま利用するだけで異常状態抑制処理が行え、不活性ガスを供給するタンクなどの大掛かりなシステムが不要である。特に本実施形態４によれば、弁の開閉を切り替える比較的簡単な処理のみで異常状態抑制が行える。
【００７３】
なお、本実施形態４の吸引処理と併用して、前記実施形態１における燃料ガスの充填や実施形態２における冷却水の充填、さらに実施形態３の蓋の閉鎖を行うことは好ましい。換気窓を備える場合にその換気窓を閉鎖してから内部のガスを吸引して酸素濃度を低減させ、高圧な燃料ガスを充填により酸素濃度をさらに低減させ、続いて冷却水充填により確実に異常状態抑制を達成することで、異常状態抑制システムをより確実なものとすることができるからである。
【００７４】
（その他の実施形態）
本発明は上記各実施形態に限定されることなく種々に変更して利用することができる。
【００７５】
例えば上記実施形態では、水素ガス、冷却水を流体としてケーシング内に充填させていたが他の流体を流し込んでも良い。例えば空気を酸素分離構造に通過させてケーシング内に供給するようにすれば、支燃性の酸素は除去され、空気の主成分である窒素がケーシング内部に充填されるので、酸素濃度を低減することができる。
【００７６】
他の実施形態としては、実施形態４の蓋部材をスライド式に開閉するものとしてもよい。また連通部としては窓の代わりに、ケーシング１７とその外部とを連通する連通管を設け、連通管上に開閉式の電磁弁を設けても良い。
【００７７】
また、上記燃料電池システムが、改質装置を有するシステムである場合、改質装置を含めたケーシングに本発明を適用してもよい。また、改質装置と燃料電池スタックとを別々のケーシングに収容して、それぞれのケーシングに上記実施形態で説明したような本発明の構造を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本実施形態１に係る燃料電池スタックの構成図。
【図２】本実施形態１に係る酸素低減方法を説明するフローチャート。
【図３】水素ガス濃度と異常状態性との関係を示す図。
【図４】本実施形態２に係る燃料電池スタックの構成図。
【図５】本実施形態２に係る酸素低減方法を説明するフローチャート。
【図６】本実施形態３に係る燃料電池スタックの構成図。
【図７】本実施形態３に係る酸素低減方法を説明するフローチャート。
【図８】本実施形態４に係る燃料電池スタックの構成図。
【図９】本実施形態４に係る酸素低減方法を説明するフローチャート。
【符号の説明】
【００７９】
Ｓｐ…圧力センサ、Ｓｔ…温度センサ、Ｓｈ…水位センサ、Ｖｈ１〜Ｖｈ３…水素ガス遮断弁、Ｖａ１〜Ｖａ５…空気遮断弁、１０…燃料電池スタック、１１…収容部、１２…コンプレッサ、１３…水素ポンプ、１４…熱交換器、１５…冷却装置、１７…換気窓、１８…蓋部、１９…モータ、２０…制御部
【図１】
2005268054.tif 000003
【図２】
2005268054.tif 000004
【図３】
2005268054.tif 000005
【図４】
2005268054.tif 000006
【図５】
2005268054.tif 000007
【図６】
2005268054.tif 000008
【図７】
2005268054.tif 000009
【図８】
2005268054.tif 000010
【図９】
2005268054.tif 000011