JP2006120375A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度に基づいてクロスリークの発生を検出することによって、簡単な構成でクロスリークの発生を早期に検出することができ、クロスリークに対する適切な動作を行うことができ、燃料電池スタックの性能の低下を防止することができ、高濃度の水素ガスを放出することを防止することができるようにする。
【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタック２０と、該燃料電池スタック２０から排出された空気中の水素濃度を検出する水素濃度検出器２３と、該水素濃度検出器２３によって検出された水素濃度が所定値以上の場合、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断する制御装置とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜の両側を湿潤な状態に維持する必要があるので、燃料極側及び酸素極側のそれぞれに水を供給するようになっている。この場合、水分は、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同伴水として移動し、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動する。

ところで、酸素極側から燃料極側において余剰となった水分を滞留させておくと水素や酸素の十分な供給が阻害されるので、余剰の水分を排出する必要がある。そこで、車両の停車中に前記水分を水素ガスとともにパージすることが行われている。なお、水素ガスは希釈器において十分に希釈されてから大気中に放出されるようになっているが、開閉弁等の水素排出装置の故障によって多量の水素ガスが希釈器に送り込まれてしまうことがある。そこで、希釈器から排出される水素ガスの濃度を検出して、水素排出装置の故障を検出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１２７７５０号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、水素ガスのパージを行うための希釈器から排出される水素ガスの濃度を検出するようになっているので、クロスリークの発生を検出することができなかった。燃料電池の場合、固体高分子電解質膜が割れたり、固体高分子電解質膜の耐差圧特性が低下したりすることによって、燃料としての水素ガスと酸化剤としての空気との交差混合（Ｃｒｏｓｓ Ｏｖｅｒ）、すなわち、クロスリーク（Ｃｒｏｓｓ Ｌｅａｋ）が発生することがある。該クロスリークが発生すると、燃料極側において水素と空気（酸素）とが混合して電極触媒の劣化が発生し、触媒粒子が溶出して燃料電池の性能が低下してしまう。また、水素ガスが未使用のまま酸素極側に透過して排出されてしまうので、燃料消費率が悪化してしまう。さらに、高濃度の水素ガスが大気中に放出される場合には安全上の問題が発生する。

本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度に基づいてクロスリークの発生を検出することによって、簡単な構成でクロスリークの発生を早期に検出することができ、クロスリークに対する適切な動作を行うことができ、燃料電池スタックの性能の低下を防止することができ、高濃度の水素ガスを放出することを防止することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度を検出する水素濃度検出器と、該水素濃度検出器によって検出された水素濃度が所定値以上の場合、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断する制御装置とを有する。

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記空気流路の出口に一端が接続された排気マニホールドと、該排気マニホールドの他端に接続され、前記燃料電池スタックから排出された空気中の水分を回収する凝縮器とを更に有し、該凝縮器の出口側に前記水素濃度検出器が配設される。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断すると、前記空気中の水素濃度を所定値未満とするのに必要な空気量を算出し、算出された量の空気を供給する。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断すると、前記燃料電池の出力リレーをオフにして前記燃料極への水素の供給を遮断し、警告を出力する。

本発明の燃料電池システムの運転方法においては、車両に搭載された燃料電池スタックの空気流路に常圧の空気を供給するとともに、前記燃料電池スタックの燃料ガス流路に燃料ガスを供給し、未反応成分として排出された燃料ガスから逆拡散水を回収して前記燃料ガス流路に戻し、前記燃料電池スタックの運転を停止したときに、回収容器内に燃料ガスを導入して回収された前記逆拡散水を排出する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度が所定値以上の場合、前記燃料電池スタックの電解質層にクロスリークが発生したと判断する。

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度を検出する水素濃度検出器と、該水素濃度検出器によって検出された水素濃度が所定値以上の場合、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断する制御装置とを有する。

この場合、簡単な構成でクロスリークの発生を早期に確実に検出することができる。そのため、燃料電池システムのコストを増加させることなく、燃料電池システムの緊急停止という適切な動作を迅速に行うことができる。これにより、電極触媒の劣化の発生を防止することができるので、触媒粒子が溶出して燃料電池スタックの性能が低下してしまうことがない。また、水素ガスが未使用のまま酸素極側に透過して排出されることを防止するので、燃料電池システムの燃料消費率が悪化してしまうこともない。

他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記空気流路の出口に一端が接続された排気マニホールドと、該排気マニホールドの他端に接続され、前記燃料電池スタックから排出された空気中の水分を回収する凝縮器とを更に有し、該凝縮器の出口側に前記水素濃度検出器が配設される。

この場合、簡単な構成でありながら、燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度を確実に検出することができるので、クロスリークの発生を早期に、かつ、確実に検出することができる。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断すると、前記空気中の水素濃度を所定値未満とするのに必要な空気量を算出し、算出された量の空気を供給する。

この場合、大気中に排出される水素濃度を十分に低下させることができるので、安全上の問題が発生することがない。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断すると、前記燃料電池の出力リレーをオフにして前記燃料極への水素の供給を遮断し、警告を出力する。

この場合、燃料電池の運転を迅速に停止させるので、燃料電池スタックの性能が低下してしまうことがない。また、運転者はクロスリークが発生したために燃料電池の運転が停止されたことを正確に認識することができる。

本発明によれば、燃料電池システムの運転方法においては、車両に搭載された燃料電池スタックの空気流路に常圧の空気を供給するとともに、前記燃料電池スタックの燃料ガス流路に燃料ガスを供給し、未反応成分として排出された燃料ガスから逆拡散水を回収して前記燃料ガス流路に戻し、前記燃料電池スタックの運転を停止したときに、回収容器内に燃料ガスを導入して回収された前記逆拡散水を排出する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度が所定値以上の場合、前記燃料電池スタックの電解質層にクロスリークが発生したと判断する。

この場合、車両の通常運転時における回収容器からの水素の大気中への排出を不要とすることができ、かつ、クロスリークの発生を早期に確実に検出することができる。そのため、燃料電池システムのコストを増加させることなく、燃料電池システムの緊急停止という適切な動作を迅速に行うことができる。これにより、電極触媒の劣化の発生を防止することができるので、触媒粒子が溶出して燃料電池スタックの性能が低下してしまうことがない。また、水素ガスが未使用のまま酸素極側に透過して排出されることを防止するので、燃料電池システムの燃料消費率が悪化してしまうこともない。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図、図３は本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図、図４は本発明の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。

図２において、２０は燃料電池（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック２０と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池スタック２０は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

本実施の形態において、燃料電池スタック２０は、図２に示されるように、複数のセルモジュール１０を有する。なお、図２における矢印は、燃料ガスとしての水素ガスの流れを示している。セルモジュール１０は、図３に示されるように、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１０Ａと、該単位セル１０Ａ同士を電気的に接続するとともに、単位セル１０Ａに導入される水素ガスの流路と空気とを分離するセパレータ１０Ｂと、単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂを１セットとして、板厚方向に複数セット重ねて構成されている。セルモジュール１０は、単位セル１０Ａ同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セル１０Ａとセパレータ１０Ｂとが、多段に重ねられて積層されている。

単位セル１０Ａは、電解質層としての固体高分子電解質膜１１の側に設けられた酸素極としての空気極１２及び他側に設けられた燃料極１３とで構成されている。前記空気極１２は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る拡散層と、該拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セル１０Ａの空気極１２側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタ１４と、単位セル１０Ａの燃料極１３側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網状の導電体としての燃料極側コレクタ１５とを有する。

そして、単位セル１０Ａにおいては、図４に示されるように、水が移動する。図４において、４８は燃料ガス流路としての燃料室であり、４９は空気流路としての酸素室である。この場合、燃料極側コレクタ１５の燃料室４８内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜１１を透過する。また、前記空気極１２をカソード極とし、酸素室４９内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜１１を透過し、燃料極側コレクタ１５の燃料室４８内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室４９において生成される水が固体高分子電解質膜１１内に拡散し、該固体高分子電解質膜１１内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室４８にまで浸透したものである。

次に、燃料電池システムの全体構成について説明する。

図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

図１において、燃料電池スタック２０に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック２０に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段７３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック２０は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック２０の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段７３から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２１、及び、該第１燃料供給管路２１に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２１には、燃料貯蔵手段元開閉弁２４、圧力センサ２７、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ及び燃料供給電磁弁２６が配設される。また、前記第２燃料供給管路３３には、安全弁３３ａ及び前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力センサ７８が配設される。この場合、前記燃料貯蔵手段７３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、図１に示される例においては、燃料貯蔵手段７３が複数、例えば、３つ配設され、また、第１燃料供給管路２１は、各燃料貯蔵手段７３に接続される部分で複数本に分岐され、途中で合流して１本になっている。しかし、燃料貯蔵手段７３は、単数であってもよいし、また、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。

そして、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０の外部に排出される。前記燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク６０が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク６０には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路３０が接続され、該燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記燃料排出管路３０には水素循環電磁弁３４が配設されている。また、前記燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク６０と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック２０の外部に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。

また、前記水回収ドレインタンク６０には、起動用燃料排出管路５６が接続され、該起動用燃料排出管路５６には水素起動排気電磁弁６２が配設され、燃料電池スタック２０の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、起動用燃料排出管路５６の出口端は排気マニホールド７１に接続されている。また、起動用燃料排出管路５６に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。

ここで、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。

また、前記燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４及び水素起動排気電磁弁６２は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁２４は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。

一方、酸化剤としての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源７５から、酸化剤供給管路７７及び吸気マニホールド７４を通って、燃料電池スタック２０の空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド７１、凝縮器７２、出口側排気マニホールド２２及び排気口２２ａを通って大気中へ排出される。

また、前記酸化剤供給管路７７には、水をスプレーして、燃料電池スタック２０の空気極（カソード極）１２を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル７６が配設される。また、スプレーされた水によって前記空気極１２及び燃料極１３を冷却することができる。さらに、前記排気マニホールド７１の端部に配設された凝縮器７２は、前記燃料電池スタック２０から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器７２によって凝縮された水は凝縮水排出管路７９を通って水タンク５２に回収される。なお、前記凝縮水排出管路７９には排水ポンプ５１が配設され、前記水タンク５２にはレベルゲージ（水位計）５２ａが配設されている。

そして、前記水タンク５２内の水は、給水管路５３を通って水供給ノズル７６に供給される。なお、前記給水管路５３には、給水ポンプ５４及び水フィルタ５５が配設されている。ここで、前記排水ポンプ５１及び給水ポンプ５４は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ５５は、水に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。

さらに、前記凝縮器７２の出口側に接続された出口側排気マニホールド２２には、水素濃度検出器２３が配設され、凝縮器７２の出口における空気中の水素濃度を検出するようになっている。そして、前記水素濃度検出器２３が検出した水素濃度が所定値以上である場合には、燃料電池スタック２０においてクロスリークが発生したと判断される。なお、前記水素濃度検出器２３は、凝縮器７２の出口側における空気中の水素濃度でなく、凝縮器７２の入口側における空気中の水素濃度を検出するものであってもよい。すなわち、前記水素濃度検出器２３を排気マニホールド７１に配設することもできる。

また、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。

また、前記燃料電池スタック２０は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック２０又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御手段として、図示されないＦＣコントロールＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を有する。前記制御手段は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、水素濃度検出器２３を含む各種のセンサから燃料電池スタック２０の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源７５、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、排水ポンプ５１、給水ポンプ５４、水素起動排気電磁弁６２等の動作を制御する。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、燃料電池スタック２０に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。そして、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、水素濃度検出器２３の出力に基づいて燃料電池スタック２０においてクロスリークが発生したと判断した場合、燃料電池スタック２０の運転を停止させるとともに、異常が発生した旨をＥＶコントロールＥＣＵに送信して、車両の運転者に対して警告を出力させるようになっている。

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。まず、定常運転における動作について説明する。

本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、酸化剤供給源７５は、燃料電池の出力電流に応じてあらかじめ設定された空気が供給されるように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック２０の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。また、本実施の形態において、燃料電池スタック２０の単位セル１０Ａに供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧であり、特段加圧される必要がない。そのため、前記酸化剤供給源７５、酸化剤供給管路７７、吸気マニホールド７４、排気マニホールド７１、凝縮器７２、出口側排気マニホールド２２等は、耐圧性を有する必要がないので構成を簡素化することができる。

そして、燃料電池スタック２０が運転を開始すると、該燃料電池スタック２０を構成する各単位セル１０Ａにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜１１を透過して燃料ガス流路にまで達し、前記固体高分子電解質膜１１の燃料極１３側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜１１の燃料極１３側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜１１内をスムーズに移動することができる。

また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料電池スタック２０に接続された燃料排出管路３１を通って前記燃料電池スタック２０の外部に排出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路３１を通過して水回収ドレインタンク６０内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク６０内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路３０から水回収ドレインタンク６０外に排出される。

そして、定常運転においては、前記燃料排出管路３０から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁３４を通過して、第２燃料供給管路３３に導入され、再び、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給されて再利用される。

次に、燃料電池スタック２０においてクロスリークが発生した場合の動作について説明する。

図５は本発明の実施の形態における燃料電池システムのクロスリークが発生した場合の動作を示すフローチャートである。

まず、ＦＣコントロールＥＣＵは、凝縮器７２の出口における空気中の水素濃度を検出した水素濃度検出器２３の出力信号に基づいて、前記凝縮器７２から排出されたカソードガスとしての空気中の水素濃度を計測する（ステップＳ１）。続いて、計測された水素濃度がｎ〔ｐｐｍ〕、すなわち、所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ２）。そして、計測された水素濃度が所定値以上でない場合には処理を終了する。

また、計測された水素濃度が所定値以上である場合、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、燃料電池スタック２０にクロスリークが発生したものと判断して、燃料電池システムの緊急停止を行う。クロスリークは、単位セル１０Ａにおける固体高分子電解質膜１１が割れたり、固体高分子電解質膜１１の耐差圧特性が低下したりすることによって、水素ガスと空気とが交差混合する現象である。そして、クロスリークが発生すると、燃料極１３側において水素と空気中の酸素とが混合して電極触媒の劣化が発生し、触媒粒子が溶出して燃料電池スタック２０の性能が低下してしまう。また、水素ガスが未使用のまま空気極１２側に透過して排出されてしまうので、燃料電池システムの燃料消費率が悪化してしまう。さらに、高濃度の水素ガスが大気中に放出される可能性もある。

そこで、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、燃料電池スタック２０にクロスリークが発生したと判断すると、燃料電池システムを緊急停止させるために、ＦＣ出力リレーをオフにする（ステップＳ３）。すなわち、燃料電池スタック２０の出力端子に接続されている出力用電気回路に配設されたリレースイッチをオフにして、前記出力用電気回路を遮断する。そのため、燃料電池スタック２０から車両を駆動するためのモータへの電力供給が遮断される。続いて、前記ＦＣコントロールＥＣＵは水素供給電磁弁、すなわち、燃料供給電磁弁２６をオフにする（ステップＳ４）。これにより、燃料ガス流路への水素ガスの供給が遮断される。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵはＦＣ異常信号、すなわち、燃料電池スタック２０に異常が発生したことを示す信号をＥＶコントロールＥＣＵに送信する（ステップＳ５）。

続いて、前記ＦＣコントロールＥＣＵは水素濃度−空気量マップに基づいて空気量を計算する（ステップＳ６）。なお、前記水素濃度−空気量マップは、あらかじめ作成されて記憶手段に格納されたマップであり、凝縮器７２から排出された空気中の水素濃度が所定値以上である場合に、前記凝縮器７２から排出された空気中の水素濃度と、前記凝縮器７２から排出された空気中の水素ガスを希釈して安全に大気中に放出可能な程度までに水素濃度を低下させるために必要な空気量との関係を示すマップである。そして、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、酸化剤供給源７５を作動させ、前記水素濃度−空気量マップに基づいて計算された空気量の空気を吸気マニホールド７４、燃料電池スタック２０、排気マニホールド７１及び凝縮器７２を通して、出口側排気マニホールド２２に供給させる。これにより、排気口２２ａから大気中に放出される空気における水素濃度は十分に低い値となり、安全上の問題が発生することがない。

続いて、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、凝縮器７２の出口における空気中の水素濃度を検出した水素濃度検出器２３の出力信号に基づいて、前記凝縮器７２から排出されたカソードガスとしての空気中の水素濃度を計測する（ステップＳ７）。そして、計測された水素濃度がｎ〔ｐｐｍ〕、すなわち、所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ８）。この場合、計測された水素濃度が所定値未満となるまで、水素濃度の計測を繰り返して行う。そして、計測された水素濃度が所定値未満となると、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、ＦＣ全補機停止を行い（ステップＳ９）、燃料電池システムのすべての補機類の動作を停止させ、処理を終了する。これにより、燃料電池システムの緊急停止が完了する。

一方、前記ＥＶコントロールＥＣＵは、ＦＣコントロールＥＣＵから信号を受信すると（ステップＳ１０）、受信した該信号がＦＣ異常信号であるか否かを判断する（ステップＳ１１）。そして、ＦＣ異常信号でない場合にはそのまま処理を終了する。また、ＦＣ異常信号である場合、前記ＥＶコントロールＥＣＵは、車両の運転者に対して警告を出力する（ステップＳ１２）。該警告は、例えば、車両のメータパネル等に配設された赤いランプ等の警告灯を点滅させたり表示させたりしてもよいし、スピーカ等の音声出力手段から警告音を発生させるようにしてもよい。これにより、車両の運転者は、燃料電池スタック２０に異常が発生したために燃料電池システムの緊急停止が行われたことを認識することができ、適切に対処することができる。

このように、本実施の形態において、燃料電池システムは、凝縮器７２の出口側に接続された出口側排気マニホールド２２に配設された水素濃度検出器２３を有し、凝縮器７２の出口における空気中の水素濃度を検出するようになっている。そして、検出された水素濃度が所定値以上の場合、燃料電池スタック２０にクロスリークが発生したものと判断して、燃料電池システムの緊急停止を行うようになっている。そのため、電極触媒の劣化が発生し、触媒粒子が溶出して燃料電池スタック２０の性能が低下してしまうことがない。また、水素ガスが未使用のまま空気極１２側に透過して排出されることを防止するので、燃料電池システムの燃料消費率が悪化してしまうこともない。

さらに、燃料電池スタック２０にクロスリークが発生したものと判断した場合、水素濃度−空気量マップに基づいて計算された空気量の空気を出口側排気マニホールド２２に供給して、空気に混入した水素ガスを希釈するようになっている。そのため、排気口２２ａから大気中に放出される空気における水素濃度は十分に低い値となり、安全上の問題が発生することがない。また、希釈された水素ガスの濃度を前記水素濃度検出器２３によって確認するようになっているので、水素ガスを確実に希釈することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池システムのクロスリークが発生した場合の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０Ａ 単位セル
１０Ｂ セパレータ
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 空気極
１３ 燃料極
２０ 燃料電池スタック
２３ 水素濃度検出器
４８ 燃料室
４９ 酸素室
６０ 水回収ドレインタンク
７１ 排気マニホールド
７２ 凝縮器

Claims (5)

1. 電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度を検出する水素濃度検出器と、
   該水素濃度検出器によって検出された水素濃度が所定値以上の場合、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断する制御装置とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記空気流路の出口に一端が接続された排気マニホールドと、
   該排気マニホールドの他端に接続され、前記燃料電池スタックから排出された空気中の水分を回収する凝縮器とを更に有し、
   該凝縮器の出口側に前記水素濃度検出器が配設される請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断すると、前記空気中の水素濃度を所定値未満とするのに必要な空気量を算出し、算出された量の空気を供給する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断すると、前記燃料電池の出力リレーをオフにして前記燃料極への水素の供給を遮断し、警告を出力する請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 車両に搭載された燃料電池スタックの空気流路に常圧の空気を供給するとともに、前記燃料電池スタックの燃料ガス流路に燃料ガスを供給し、未反応成分として排出された燃料ガスから逆拡散水を回収して前記燃料ガス流路に戻し、前記燃料電池スタックの運転を停止したときに、回収容器内に燃料ガスを導入して回収された前記逆拡散水を排出する燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度が所定値以上の場合、前記燃料電池スタックの電解質層にクロスリークが発生したと判断することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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