(57)【要約】【課題】水素ガスの漏れを早期に検知できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、当該燃料電池の駆動を制御するモータ２４２と、を備える燃料電池システムであって、モータ２４２は、モータケース２４３と、このモータケース２４３の内部に回転可能に保持された回転部２４４と、を備え、モータケース２４３の内部に設けられて水素を検知する水素センサ２４７と、水素センサ２４７で水素が検知された場合、モータ２４２の駆動を停止する制御装置と、をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム燃料電池システム。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、
当該燃料電池の駆動を制御するモータと、を備える燃料電池システムであって、
前記モータは、モータケースと、このモータケースの内部に回転可能に保持された回転子と、を備え、
当該モータケースの内部に設けられて水素を検知する水素検出手段と、
当該水素検出手段で水素が検知された場合、前記モータの駆動を停止する制御手段と、をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素検出手段は、水素の存在を検知する水素センサであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記モータは、前記モータケースに設けられたブラシ部と、前記回転子と一体に設けられ前記ブラシ部に接触する整流子と、を有し、
前記水素検出手段は、水素の爆火による圧力を検知する圧力センサであることを特徴とする請求項１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。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。
【０００３】
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された電解質膜とで構成される。
【０００４】
この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。
【０００５】
ところで、近年では、多くのセルを積層し高電圧を得るため、各セルに設けられた電解質膜の薄型化が要請されている。そのため、カソード側への水素ガスのリーク量が上昇するおそれがある。
そこで、カソード電極側に配した残存酸素の排出通路に水素ガス検知器を設け、この水素ガス検知器により水素を検知した際には、反応ガスの供給を遮断する燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。
この特許文献１の燃料電池システムによれば、残存酸素の排出通路に水素ガス検知器を設けたので、カソード電極側に漏れた水素を検知できる。
【特許文献１】特開平６−２２３８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池システムを動力源とする燃料電池車では、多数のモータが使用される。これらのモータは、上述のように、水素雰囲気下において使用されることになる。そのため、モータを密閉状態に近い構造とするとともに、特許文献１の構成を適用して、水素ガスの漏れを検知するため、モータの外面もしくはその周辺に、水素センサを配置することが考えられる。
しかしながら、このような水素雰囲気下で使用されるモータは、軸と軸受けの隙間や接合部等から、内部に水素ガスが流入する場合があり、しかも、密閉構造であるため、内部に流入した水素ガスが排出されにくく、モータ外部に比べて、モータ内部の水素量が多くなる。
このようなモータに特許文献１の構成を適用しても、水素ガス検知器はモータの外面もしくはその周辺に配置されるため、モータ内部に比べて低い濃度の水素を検知することになる。よって、ごく微量な水素ガスの漏れを早期に検出することは困難であった。
【０００７】
本発明は、水素ガスの漏れを早期に検知できる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】
【０００８】
（１）燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１０）と、当該燃料電池の駆動を制御するモータ（例えば、実施の形態におけるモータ２４２）と、を備える燃料電池システムであって、前記モータは、モータケース（例えば、実施の形態におけるモータケース２４３）と、このモータケースの内部に回転可能に保持された回転子（例えば、実施の形態における回転部２４４）と、を備え、当該モータケースの内部に設けられて水素を検知する水素検出手段（例えば、実施の形態における水素センサ２４７、圧力センサ２４８）と、当該水素検出手段で水素が検知された場合、前記モータの駆動を停止する制御手段（例えば、実施の形態における制御装置３０）と、をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム（例えば、実施の形態における燃料電池システム１）。
【０００９】
ここで、燃料ガスとしては、例えば、水素ガスが挙げられる。また、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素を含む空気が挙げられる。
【００１０】
（１）の発明によれば、燃料電池システムに、燃料電池の駆動を制御するモータを設けて、このモータに、モータケース、回転子、水素検出手段を設けた。
このようにモータ内部に水素検知手段を配置したので、モータ内部では、流入した水素が滞留して水素濃度が上昇するため、モータ外部に比べて水素濃度は高くなる。したがって、従来では、検知できなかった微量な水素ガスの漏れでも検知することが可能となり、水素ガスの漏れを早期に検知できる。
【００１１】
また、モータで燃料電池の駆動を制御し、このモータの駆動を水素検出手段による水素の検知に基づいて停止したので、水素ガスが漏れても、燃料電池の駆動を早期に停止でき、安全性を向上できる。
【００１２】
（２）  前記水素検出手段は、水素の存在を検知する水素センサ（例えば、実施の形態における水素センサ２４７）であることを特徴とする（１）に記載の燃料電池システム。
【００１３】
（２）の発明によれば、モータケースの内部に水素の存在を検知する水素センサを設けた。よって、モータケースの内部に水素が流入すると、水素センサが水素の存在を検知するので、水素漏れを早期に検出できる。
【００１４】
（３）前記モータは、前記モータケースに設けられたブラシ部（例えば、実施の形態におけるブラシ部２４５ａ、２４５ｂ）と、前記回転子と一体に設けられ前記ブラシ部に接触する整流子（例えば、実施の形態における整流子２４６ａ、２４６ｂ）と、を有し、前記水素検出手段は、水素の爆火による圧力を検知する圧力センサ（例えば、実施の形態における圧力センサ２４８）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【００１５】
（３）の発明によれば、モータに、ブラシ部および整流子を設け、さらに、モータケースの内部に、水素の爆火による圧力を検知する圧力センサを設けた。モータケース内部では、整流子とブラシ部との接触により火花が生じるが、この生じた火花により水素が爆火しても、この爆火による圧力を検出でき、モータ外部の水素濃度が上昇する前にモータを停止できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池システムに、燃料電池の駆動を制御するモータを設けて、このモータに、モータケース、回転子、水素検出手段を設けた。
このようにモータ内部に水素検知手段を配置したので、モータ内部では、流入した水素が滞留して水素濃度が上昇するため、モータ外部に比べて水素濃度は高くなる。したがって、従来では、検知できなかった微量な水素ガスの漏れでも検知することが可能となり、水素ガスの漏れを早期に検知できる。
また、モータで燃料電池の駆動を制御し、このモータの駆動を水素検出手段による水素の検知に基づいて停止したので、水素ガスが漏れても、燃料電池の駆動を早期に停止でき、安全性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に反応ガスとしての水素ガスや空気を供給する供給手段としての供給装置２０と、この供給装置２０を制御する制御手段としての制御装置３０とを有する。
【００１８】
燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。
【００１９】
このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に反応ガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に反応ガスとしての酸素を含む空気が供給されると、電気化学反応により発電する。
【００２０】
供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給するコンプレッサ２１および加湿器２９と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク２２およびエゼクタ２８と、を含んで構成される。
【００２１】
コンプレッサ２１は、エア供給路２３および加湿器２９を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。
加湿器２９は、燃料電池１０から排出される空気に含まれる水分で、コンプレッサ２１から供給される空気を加湿する。
また、燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路２４が接続され、このエア排出路２４の先端側には、加湿器２９を介して、背圧弁２４１が設けられる。この背圧弁２４１には、モータ２４２が接続される。また、モータ２４２の内部には、水素検出手段としての水素センサ２４７が設けられる。
【００２２】
水素タンク２２は、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。この水素供給路２５には、上述のエゼクタ２８が設けられている。水素供給路２５のうち水素タンク２２とエゼクタ２８との間には、遮断弁２５１が設けられている。
【００２３】
また、燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路２６が接続され、この水素排出路２６の先端側には、パージ弁２６１が設けられている。この水素排出路２６のうちパージ弁２６１よりもアノード電極側では、水素排出路２６が分岐されて、上述のエゼクタ２８に接続されている。
【００２４】
エゼクタ２８は、水素排出路２６の分岐路を通して、水素排出路２６に流れた水素ガスを回収し、水素供給路２５に還流する。
【００２５】
また、上述のコンプレッサ２１、背圧弁２４１、遮断弁２５１、およびパージ弁２６１は、後述の制御装置３０により制御される。また、この制御装置３０には、上述の水素センサ２４７が接続されている。
【００２６】
図２は、第１実施形態に係るモータ２４２の断面図である。
モータ２４２は、密閉構造である箱状のモータケース２４３と、このモータケース２４３の内部に回転可能に保持された回転部２４４とを備える。
【００２７】
回転部２４４は、棒状の回転軸２４４ａと、この回転軸２４４ａの基端側に設けられた一対の回転子２４４ｂ，２４４ｃと、この回転軸２４４ａの先端側に設けられた一対の整流子２４６ａ，２４６ｂと、を備える。
一対の回転子２４４ｂ，２４４ｃは、回転軸２４４ａを挟んで配置されて、それぞれ、コイルが複数回巻き回されている。
一対の整流子２４６ａ，２４６ｂは、回転軸２４４ａを挟んで配置される。整流子２４６ａは、回転子２４４ｂのコイルに接続され、整流子２４６ｂは、回転子２４４ｃのコイルに接続される。
この回転軸２４４ａの先端側には、上述の背圧弁２４１が接続されている。
【００２８】
モータケース２４３には、回転部２４４の回転軸２４４ａが貫通される貫通孔２４３ｂが形成されている。これにより、回転軸２４４ａの先端側は、モータケース２４３の外部に突出している。
モータケース２４３の内部には、一対の軸受２４３ａが設けられており、これら軸受２４３ａで回転軸２４４ａの両端側を支持することにより、回転部２４４を回転可能に保持する。
また、モータケース２４３の内部には、水素センサ２４７が設けられている。
【００２９】
また、モータケース２４３の内部には、回転子２４４ｂ，２４４ｃを挟んで、互いに極性が異なる磁極である一対の固定子２４９ａ，２４９ｂが設けられる。また、整流子２４６ａ，２４６ｂを挟んで、互いに異なる極性の電流が供給されるブラシ部２４５ａ，２４５ｂが設けられる。
固定子２４９ａ，２４９ｂは、回転子２４４ｂ，２４４ｃに接触しない位置に設けられる。
これに対し、ブラシ部２４５ａ，２４５ｂは、整流子２４６ａ，２４６ｂ近傍に設けられ、回転部２４４が回転すると、整流子２４６ａ，２４６ｂに接触した状態、整流子２４６ａ，２４６ｂに接触しない状態、整流子２４６ｂ，２４６ａに接触した状態、および整流子２４６ｂ，２４６ａに接触しない状態を、順番に繰り返す。
【００３０】
したがって、以上のモータ２４２は、以下のように動作する。
ブラシ部２４５ａ，２４５ｂに電流が供給されると、このブラシ部２４５ａ，２４５ｂから整流子２４６ａ，２４６ｂに電流が流れ、この電流により、回転子２４４ｂ，２４４ｃに磁極が発生する。この磁極である固定子２４９ａ，２４９ｂとの間に磁界が生じ、回転部２４４が回転する。この回転部２４４が回転することにより、ブラシ部２４５ａ，２４５ｂと整流子２４６ａ，２４６ｂとの接触状態が順番に変化し、回転子２４４ｂ，２４４ｃは回転を継続することになる。
このようにモータ２４２を回転させることにより、背圧弁２４１のエア排出路２４に対する傾斜角を変化させて、空気の流量を調整する。
【００３１】
燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、パージ弁２６１を閉じておき、遮断弁２５１を開いて、水素タンク２２から、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、コンプレッサ２１を駆動させることにより、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード側に空気を供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガスおよび空気は、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素排出路２６およびエア排出路２４に流入する。このとき、パージ弁２６１は閉じているので、水素排出路２６に流れた水素ガスは、エゼクタ２８に還流されて再利用される。
その後、パージ弁２６１および背圧弁２４１を適当な開度で開くことにより、水素ガス、空気、および残留水が、水素排出路２６およびエア排出路２４から排出される。
【００３２】
図３は、制御装置３０のブロック図である。
制御装置３０には、水素センサ２４７およびモータ２４２が接続されている。
【００３３】
また、制御装置３０には、図示しないイグニッションスイッチが接続される。このイグニッションスイッチは、燃料電池車の運転席に設けられており、運転者の操作に従ってオン／オフ信号を制御装置３０に送信する。制御装置３０は、イグニッションスイッチのオン／オフに従って、燃料電池１０の発電を行う。
【００３４】
水素センサ２４７は、モータケース２４３の内部の水素を検出する。
制御装置３０は、水素センサ２４７で水素が検出されると、モータ２４２の駆動を停止する。
【００３５】
水素センサ２４７の動作について説明する。
燃料電池１０の電解質膜よりカソード側へ水素ガスがリークした場合、このリークした水素ガスは、エア排出路２４に流入する。このエア排出路２４に流入した水素ガスのほとんどは、エア排出路を通って空気とともに排出され、一部は、モータケース２４３の貫通孔２４３ｂと回転部２４４の回転軸２４４ａとの隙間からモータケース２４３の内部に流入する（図２参照）。このモータケース２４３の内部に流入した水素ガスは、モータケース２４３の内部に滞留する。
【００３６】
図４は、モータケース２４３の外部および内部の水素濃度と時間経過との関係を示す図である。
図４中、濃度Ｈ２は、水素センサ２４７が水素を検出できる最低の濃度である。
時刻Ｔ０において、例えば、燃料電池１０の電解質膜よりカソード側へ水素ガスがリークすると、モータケース２４３の内部の水素濃度は、時間の経過に伴い、濃度Ｈ１から上昇し、時刻Ｔ１では、濃度Ｈ２となる。
一方、エア排出路２４内の水素濃度、つまりモータケース２４３の外部の水素濃度は、濃度Ｈ１から上昇しない。
したがって、水素センサ２４７は、時刻Ｔ１において、水素を検出することになる。
【００３７】
以上の燃料電池システム１の動作について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。
制御装置３０は、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオンされると（ＳＴ１）、燃料電池１０の駆動を制御するモータ２４２を駆動（ＳＴ２）する。燃料電池１０の電解質膜よりカソード側へ水素ガスがリークし、水素センサ２４７により検出できる最低の濃度に達したときは、水素センサ２４７が水素を検出し（ＳＴ３）、制御装置３０により、モータ２４２を停止（ＳＴ４）する。
【００３８】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）燃料電池システム１に、燃料電池１０の駆動を制御するモータ２４２を設けて、このモータ２４２に、モータケース２４３、回転部２４４、水素センサ２４７を設けた。
このようにモータ２４２内部に水素センサ２４７を配置したので、モータ２４２内部では、流入した水素が滞留して濃度が上昇するため、モータ２４２外部に比べて水素濃度は高くなる。したがって、従来では、検知できなかった微量な水素ガスの漏れでも検知することが可能となり、水素ガスの漏れを早期に検知できる。
【００３９】
また、モータ２４２で燃料電池１０の駆動を制御し、このモータ２４２の駆動を水素センサ２４７による水素の検知に基づいて停止したので、水素ガスが漏れても、燃料電池１０の駆動を早期に停止でき、安全性を向上できる。
【００４０】
（２）モータケース２４３の内部に水素の存在を検知する水素センサ２４７を設けた。よって、モータケース２４３の内部に水素が流入すると、水素センサ２４７が水素の存在を検知するので、水素漏れを早期に検出できる。
【００４１】
＜第２実施形態＞
以下の第２実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
図６は、本発明の第２実施形態に係るモータ２４２ａの断面図である。
【００４２】
第２実施形態のモータ２４２ａでは、第１実施形態における水素センサ２４７の代わりに、圧力センサ２４８が設けられている点が、第１実施形態と異なる。
【００４３】
圧力センサ２４８は、モータケース２４３の内部の圧力の上昇を検知する。
制御装置３０は、圧力センサ２４８で圧力の上昇が検知されると、モータ２４２の駆動を停止する。
【００４４】
圧力センサ２４８の動作について説明する。
制御装置３０（図３参照）によりモータ２４２の駆動の制御が行われると、ブラシ部２４５ａ，２４５ｂに電流が供給され、このブラシ部２４５ａ，２４５ｂから整流子２４６ａ，２４６ｂに電流が流れ、この電流により、回転子２４４ｂ，２４４ｃに磁極が発生する。この磁極である固定子２４９ａ，２４９ｂとの間に磁界が生じ、回転部２４４が回転する。この回転部２４４が回転すると、ブラシ部２４５ａ，２４５ｂは、整流子２４６ａ，２４６ｂに接触した状態、整流子２４６ｂ，２４６ａに接触しない状態、整流子２４６ｂ，２４６ａに接触した状態、および、整流子２４６ｂ，２４６ａに接触しない状態を、順番に繰り返す。
これにより、電流が流れる状態、電流が流れない状態を、順番に繰り返すので、ブラシ部２４５ａ，２４５ｂと整流子２４６ｂ，２４６ａが接触するとき、およびブラシ部２４５ａ，２４５ｂと整流子２４６ｂ，２４６ａが離れるときに火花が生じる。
このときに、例えば、燃料電池１０の電解質膜よりカソード側へ水素ガスがリークし、モータケース２４３の内部に水素ガスが流入している場合は、生じた火花により水素が爆火し、この爆火によるモータケース２４３の内部の圧力の上昇を圧力センサ２４８が検知する。
【００４５】
本実施形態によれば、上述の第１実施形態の効果に加えて、以下のような効果がある。
（３）モータ２４２ａに、ブラシ部２４５ａ，２４５ｂおよび整流子２４６ａ，２４６ｂを設け、さらに、モータケース２４３の内部に、水素の爆火による圧力を検知する圧力センサ２４８を設けた。モータケース２４３の内部では、ブラシ部２４５ａ，２４５ｂと整流子２４６ａ，２４６ｂとの接触により火花が生じるが、この生じた火花により水素が爆火しても、この爆火による圧力を検出でき、モータ２４２ａ外部の水素濃度が上昇する前にモータ２４２ａを停止できる。
【００４６】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００４７】
上記実施形態では、水素センサ２４７および圧力センサ２４８のうちのいずれか一方を、モータケース２４３の内部に設けたが、これに限らない。
例えば、水素センサ２４７および圧力センサ２４８を、モータケース２４３の内部に設けることができる。
【００４８】
また、上記実施形態では、モータ２４２，２４２ａの回転軸２４４ａに背圧弁２４１を直接接続したが、これに限らない。例えば、回転軸２４４ａの回転を背圧弁２４１に伝達するギヤ機構を介して、回転軸２４４ａと背圧弁２４１とを接続してもよい。
このようにしても、水素雰囲気下であれば、水素ガスの一部がギヤ機構を通ってモータケース２４３内部に流入するおそれがあるため、本発明を利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図２】前記実施形態に係るモータの断面図である。
【図３】前記実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置のブロック図である。
【図４】前記実施形態に係る燃料電池のモータケースの外部、モータケースの内部の水素濃度と時間経過との関係を示す図である。
【図５】前記実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態に係るモータの断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池
３０…制御装置（制御手段）
２４２，２４２ａ…モータ
２４３…モータケース
２４４…回転部
２４５ａ，２４５ｂ…ブラシ部
２４６ａ，２４６ｂ…整流子
２４７…水素センサ
２４８…圧力センサ
【図１】
2007280706.tif 000003
【図２】
2007280706.tif 000004
【図３】
2007280706.tif 000005
【図４】
2007280706.tif 000006
【図５】
2007280706.tif 000007
【図６】
2007280706.tif 000008