(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外装ケース内に、複数の固体酸化物形の燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールに原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給装置とを有し、前記外装ケース内に設けられた仕切部材により前記燃料電池モジュールが収納されたモジュール収納室と前記原燃料ガス供給装置が収納された補機収納室とに区画されてなるとともに、前記補機収納室を構成する前記外装ケースの側壁に前記モジュール収納室の空気を排気するための排気口を有し、前記モジュール収納室と前記排気口とが排気流路により接続されている燃料電池装置であって、前記仕切部材に、前記補機収納室の空気を前記モジュール収納室に供給するための空気流通部を備えるとともに、前記排気流路に前記原燃料ガスの漏出を検知するガスセンサを配置してなることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記空気流通部に、前記補機収納室の空気を前記モジュール収納室に供給するための空気ブロワが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記燃料電池モジュールより排出される排ガスを排気するための排ガス流路と、前記排気流路とが接続されているとともに、前記排ガス流路と前記排気流路との接続部と前記排気口との間の流路に前記ガスセンサが配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記ガスセンサがさらに前記燃料電池モジュールより排出される未燃焼の燃料ガスを検知可能であり、前記ガスセンサからの情報に基づいて燃料電池装置の動作を制御する制御装置を備えるとともに、該制御装置は、前記ガスセンサからの情報に基づき前記排気流路を流れる原燃料ガスおよび前記燃料電池モジュールより排出される未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方が所定の濃度以上であることを検知したとき、燃料電池装置を停止するように制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記ガスセンサがさらに前記燃料電池モジュールより排出される未燃焼の燃料ガスを検知可能であり、前記ガスセンサからの情報に基づいて燃料電池装置の動作を制御する制御装置を備えるとともに、該制御装置は、前記ガスセンサからの情報に基づき前記排気流路を流れる所定の濃度以上の原燃料ガスおよび前記燃料電池モジュールより排出される未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方を所定時間継続して検知したとき、燃料電池装置を停止するように制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外装ケース内に、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に複数個収納してなる燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールを稼動するための補機類とを外装ケースに収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。
【０００３】
図４は燃料電池モジュールに原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給装置の一例を示したものであり、図５は原燃料ガス供給装置を具備する従来の燃料電池装置の一例を示したものである。
【０００４】
原燃料ガスは、原燃料ガス供給手段（電磁弁）７を開くことにより原燃料ガス供給管１２を流れて脱硫器６に供給される。脱硫器６にて脱硫された原燃料ガスは、バッファ９を流通した後、ガスポンプ４により改質器３に供給される。改質器３において改質された改質ガス（水素含有ガス）が燃料電池セル１に供給され、燃料電池セル１の発電が行われる。
【０００５】
ここで、原燃料ガス供給装置を構成する各装置や、各装置を連結する原燃料ガス供給管において原燃料ガスが漏出すると安全性の問題が生じることから、燃料電池装置内に原燃料ガスのガス漏れを検知するためのガスセンサを設けることが知られており、図５においては、燃料電池モジュール２を稼動するための補機を収納する補機収納室１８のうち、原燃料ガス供給手段７の近傍にガスセンサ２９が設けられている。
【０００６】
また、燃料電池装置の稼動に伴って燃料電池モジュール２より排出される排ガス中に含まれる未燃焼の燃料ガス等のガス濃度を検知するために、燃料電池モジュール２から排出される排ガスの排気口近傍にガスセンサを配置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−２３４３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、例えばガスセンサを補機収納室内に収納する場合において、例えば図５に示したように原燃料ガス供給手段７の近傍にガスセンサ２９を配置した場合には、例えば、原燃料ガス供給管１２のうち、燃料電池モジュール２の近傍に位置する部位で破損が生じ原燃料ガスが漏出した場合に、原燃料ガスの漏出を検知することが困難な場合や、大量の原燃料ガスが漏出しなければ検知できないというおそれがあった。
【０００８】
それゆえ、本発明の目的は、補機収納室内に漏出した原燃料ガスを効率よく検知することができる燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、複数の固体酸化物形の燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールに原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給装置とを有し、前記外装ケース内に設けられた仕切部材により前記燃料電池モジュールが収納されたモジュール収納室と前記原燃料ガス供給装置が収納された補機収納室とに区画されてなるとともに、前記補機収納室を構成する前記外装ケースの側壁に前記モジュール収納室の空気を排気するための排気口を有し、前記モジュール収納室と前記排気口とが排気流路により接続されている燃料電池装置であって、前記仕切部材に、前記補機収納室の空気を前記モジュール収納室に供給するための空気流通部を備えるとともに、前記排気流路にガスセンサを配置してなることを特徴とする。
【００１０】
このような燃料電池装置においては、補機収納室内の空気は、空気流通部を流通してモジュール収納室に供給され、モジュール収納室内を流通したのち、排気流路を流通して排気口より排気される。ここで、排気流路にガスセンサを設けることにより、ガスセンサがガス漏れを検知した場合には、補機収納室内にて原燃料ガスが漏出していることがわかる。それゆえ、原燃料ガスの漏出を効率よく検知することができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池装置は、前記空気流通部に、前記補機収納室の空気を前記モジュール収納室に供給するための空気ブロワが接続されていることが好ましい。
【００１２】
このような燃料電池装置においては、空気流通部に、補機収納室の空気をモジュール収納室に供給するための空気ブロワが接続されていることから、補機収納室の空気はモジュール収納室内を効率よく流通した後、排気流路を流通することができ、原燃料ガスの漏出を効率よく検知することができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池装置は、前記燃料電池モジュールより排出される排ガスを排気するための排ガス流路と、前記排気流路とが接続されているとともに、前記排ガス流路と前記排気流路との接続部と前記排気口との間の流路に前記ガスセンサが配置されていることが好ましい。
【００１４】
このような燃料電池装置においては、燃料電池モジュールより排出される排ガスを排気する排ガス流路と、排気流路とが接続されていることから、補機収納室内に漏出した原燃料ガスを効率よく検知できるほか、燃料電池モジュールより排出される未燃焼の燃料ガスを検知することができる。それゆえ、１つのガスセンサにて、漏出した原燃料ガスと燃料電池モジュールから排出される未燃焼の燃料ガスとを効率よく検知することができる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池装置は、前記ガスセンサがさらに前記燃料電池モジュールより排出される未燃焼の燃料ガスを検知可能であり、前記ガスセンサからの情報に基づいて燃料電池装置の動作を制御する制御装置を備えるとともに、前記制御装置は、前記ガスセンサからの情報に基づき前記排気流路を流れる原燃料ガスおよび前記燃料電池モジュールより排出される未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方が所定の濃度以上であることを検知したとき、燃料電池装置を停止するように制御することが好ましい。
【００１６】
このような燃料電池装置においては、制御装置がガスセンサより伝送される情報に基づいて排気流路を流れる原燃料ガスおよび前記燃料電池モジュールより排出される未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方が所定の濃度以上であることを検知したときに、燃料電池装置を停止するように制御することから、燃料電池装置の外部に原燃料ガスや未燃焼の燃料ガスが漏出することを抑制することができる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池装置は、前記ガスセンサがさらに前記燃料電池モジュールより排出される未燃焼の燃料ガスを検知可能であり、前記ガスセンサからの情報に基づいて燃料電池装置の動作を制御する制御装置を備えるとともに、前記制御装置は、前記ガスセンサからの情報に基づき前記排気流路を流れる所定の濃度以上の原燃料ガスおよび前記燃料電池モジュールより排出される未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方を所定時間継続して検知したとき、燃料電池装置を停止するように制御することが好ましい。
【００１８】
このような燃料電池装置においては、制御装置がガスセンサにより伝送される情報に基いて、排ガス流路を流れる所定の濃度以上の原燃料ガスおよび燃料電池モジュールより排出される未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方を継続して所定時間継続して検知したときに、燃料電池装置を停止するように制御することから、燃料電池装置の起動時等において、頻繁に燃料電池装置を停止させることを避けることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、複数の固体酸化物形の燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールに原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給装置とを有し、前記外装ケース内に設けられた仕切部材により前記燃料電池モジュールが収納されたモジュール収納室と前記原燃料ガス供給装置が収納された補機収納室とに区画されてなるとともに、前記補機収納室を構成する前記外装ケースの側壁に前記モジュール収納室の空気を排気するための排気口を有し、前記モジュール収納室と前記排気口とが排気流路により接続されている燃料電池装置であって、前記仕切部材に、前記補機収納室の空気を前記モジュール収納室に供給するための空気流通部を備えるとともに、前記排気流路にガスセンサを配置してなることから、原燃料ガスの漏出を効率よく検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の燃料電池装置の一例を概略的に示す側面図であり、外装ケース１５を構成する側面部を取り外して、外装ケース１５の内部が見えるようにして示している。なお、以降の図において同一の構成については、同一の番号を付与するものとする。
【００２１】
図１において、燃料電池装置１４は、外装ケース１５内に仕切部材１６を有し、仕切部材１６の上部に、複数の燃料電池セル１を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール２（以下、モジュールという場合がある。）が配置された燃料電池モジュール収納室１７（以下、モジュール収納室という場合がある。）が形成されている。また、仕切部材１６の下部にはモジュール２を動作するにあたり必要な補機類（図１においては、図４に示した原燃料ガス供給装置１１と、モジュール２に酸素含有ガス（空気）を供給するためのブロワ１９と、モジュール２より排出される排ガスと水とで熱交換するための熱交換器２０とを示している。）を収納するための補機収納室１８が形成されている。なお、仕切部材１６はモジュール収納室１７と補機収納室１８とを区画していればよく、モジュール収納室１７と補機収納室１８とが隙間を有して区画されていてもよい。
【００２２】
また、例えば外装ケース１５を仕切部材１６により左右に区画するとともに、一方がモジュール２を収納するモジュール収納室１７、他方が補機類を収納する補機収納室１８とした燃料電池装置１４とすることもできる。
【００２３】
なお、図１に示したような仕切部材１６を用いて、外装ケース１５を上下に区画した形状とすることにより、燃料電池装置１４をコンパクトな形状とすることができる。
【００２４】
ここで、本発明の燃料電池装置１４において使用するモジュール２について説明する。モジュール２は、収納容器内に、例えば、内部をガスが流通するガス流路を有する柱状の燃料電池セル１を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル１間に集電部材を介して電気的に直列に接続するとともに、燃料電池セル１の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材でマニホールドに固定してなるセルスタックと、燃料電池セル１の上方に配置され、燃料電池セル１に水素含有ガスを供給するための改質器３とを収納して構成される（図示せず）。
【００２５】
ここで、セルスタックを構成する燃料電池セル１としては、各種燃料電池セルが知られているが、燃料電池装置１４を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池セル１とすることができる。それにより、燃料電池セル１のほか、燃料電池セル１の動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置１４を小型化することができる。あわせて、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。
【００２６】
なお、燃料電池セル１の形状としては各種形状の燃料電池セルを用いることができるが、効率よく燃料電池セル１の発電を行なう上で、中空平板型の燃料電池セル１とすることができる。このような中空平板型の燃料電池セル１としては、内側に燃料極層が、外側に酸素極層が形成された燃料極支持タイプの中空平板型燃料電池セル１を用いることができる。
【００２７】
原燃料ガス供給装置１１より供給される原燃料ガスは、改質器３にて燃料ガス（水素含有ガス）に改質された後、燃料電池セル１に供給され、燃料電池セル１に供給される酸素含有ガスと反応することにより発電を行なうことができる。
【００２８】
図１に示した燃料電池装置１４においては、モジュール２を構成する収納容器内に改質器３を燃料電池セル１の上方に位置するように配置している（図４参照）。なお、改質器３においては、水蒸気改質のほか、部分酸化改質、オートサーマル改質を適宜切り替えて行なうことができる。
【００２９】
ここで、補機収納室１８に収納される原燃料ガス供給装置１１を構成する各装置や各装置を連結する原燃料ガス供給管１２に、破損、劣化、異常、故障等が生じた場合に、モジュール２に供給される原燃料ガスが漏出するおそれがある。
【００３０】
そこで、燃料電池装置１４においては、原燃料ガスの漏出を検知するためのガスセンサ２１を備え、原燃料ガスの漏出を適切に検知するが知られている。
【００３１】
しかしながら、ガスセンサ２１の配置場所によっては、原燃料ガスの漏出を検知することが困難となる場合があるほか、大量の原燃料ガスが漏出しなければ検知できない、すなわち補機収納室１８内における原燃料ガスの濃度が所定濃度よりも高い濃度とならないと検知できないといったおそれがある。
【００３２】
それゆえ、図１に示す燃料電池装置１４においては、仕切部材１６に補機収納室１８の空気をモジュール収納室１７に供給する（すなわち、モジュール収納室１７と補機収納室１８とを連通する）ための空気流通部２２を設けるとともに、外装ケース１５の側壁に設けられたモジュール収納室１７内の空気を排気するための排気口２３とモジュール収納室１７とを接続する排気流路２４内にガスセンサ２１を配置している。なおガスセンサ２１を排気流路２４内に設けるにあたり、ガスセンサ２１の検知部のみが排気流路２４内に位置するように配置してもよい。図１においては、ガスセンサ２１の検知部が排気流路２４に位置するように配置している例を示している。
【００３３】
そして、補機収納室１８内にて原燃料ガスが漏出した場合、漏出した原燃料ガスが空気流通部２２よりモジュール収納室１７に流通した後、モジュール収納室１７より排気流路２４へと流れ、燃料電池装置１４の外部に排気される。そして、排気流路２４を流れる間に、ガスセンサ２１により原燃料ガスが検知される。
【００３４】
それにより、補機収納室１８内にて原燃料ガスが漏出した場合に、その漏出した原燃料ガスは、ガスセンサ２１にて容易に検知されることとなる。
【００３５】
なお、ここで漏出した原燃料ガスがモジュール収納室１７内を流通する間に希釈されることが想定されるが、あらかじめ補機収納室１８内での原燃料ガスの漏出量と排気流路２４を流れる原燃料ガス量との相関関係を調査しておくことで、原燃料ガスの漏出を効率よく検知することができる。
【００３６】
図２は、空気流通部２２に補機収納室１８内の空気をモジュール収納室１７内に供給するための空気ブロワ２６が接続されている燃料電池装置２５を示した側面図である。
【００３７】
補機収納室１８内の空気は、空気流通部２２を流通してモジュール収納室１７内を流通した後、排気流路２４を流通するが、補機収納室１８内にて原燃料が漏出した場合においては、迅速に原燃料の漏出を検知できることが好ましい。
【００３８】
それゆえ、図２に示す燃料電池装置２５においては、空気流通部２２に空気ブロワ２６を接続することにより、補機収納室１８より供給される空気は、迅速にモジュール収納室１７内を流通して、排気流路２４を流通することができる。
【００３９】
それにより、補機収納室１８内にて原燃料ガスが漏出した場合に、ガスセンサ２１により迅速に原燃料ガスの漏出を検知することができる。
【００４０】
なお、空気ブロワ２６により補機収納室１８内の空気をモジュール収納室１７内に供給するにあたり、上述と同様に、原燃料ガスが希釈されることが想定されるが、あらかじめ補機収納室１８内での原燃料ガスの漏出量と、空気ブロワ２６による空気供給量と、排気流路２４を流れる原燃料ガス量との相関関係を調査しておくことで、原燃料ガスの漏出を効率よく検知することができる。
【００４１】
図３は、モジュール２より排出される排ガスを排気するための排ガス流路２８と、排気流路２４とが接続されており、その接続部と排気口２３との間にガスセンサ２１が配置されていることを示す燃料電池装置２７の側面図である。なお、図３においては、排ガス流路２８は、モジュール２より排気される排ガスと水とで熱交換するための熱交換器２０と排気口２３とを接続しており、熱交換器２０での熱交換後の排ガス（以下、熱交換後排ガスという場合がある。）が排ガス流路２８を流れる例を示している。
【００４２】
例えば、モジュール２内において燃料電池セル１の発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを燃焼させるタイプの燃料電池装置において、燃料電池装置の起動時やモジュール２内にて失火した場合などに、モジュール２より未燃焼の燃料ガスが排気されるおそれがある。
【００４３】
ここで、図３に示した燃料電池装置２７においては、モジュール２より排出される排ガスを排気するための排ガス流路２８と、排気流路２４とを接続し（すなわち、排ガス流路２８を流れる排ガスと排気流路２４を流れるモジュール収納室１７の空気が、同じ排気口２３より排気される。）、その接続部と排気口２３との間にガスセンサ２１を配置することで、ガスセンサ２１は、補機収納室１８内に漏出した原燃料ガスと、モジュール２より排出される未燃焼の燃料ガスの両方を検知することができる。それゆえ、１つのガスセンサ２１により、原燃料ガスの漏出と未燃焼の燃料ガスとを検知することができ、効率のよい燃料電池装置２７とすることができる。
【００４４】
ところで、ガスセンサ２１が原燃料ガスおよび未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方を検知した場合、排気口２３より原燃料ガスや未燃焼の燃料ガスが、継続して燃料電池装置の外部に排気されることとなる。それゆえ、そのような場合は燃料電池装置を停止することが好ましい。
【００４５】
それゆえ、本発明の燃料電池装置においては、ガスセンサからの情報に基づき排気流路を流れる原燃料ガスおよびモジュールより排出される未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方が所定の濃度以上を検知したときには、燃料電池装置を停止することができる。なお、以降の説明においては、図３で示した燃料電池装置２７を用いて説明する。
【００４６】
ガスセンサ２１が、原燃料ガスおよびモジュール２より排出される未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方を検知すると、その検知情報が制御装置１０に伝送される。制御装置１０は、ガスセンサ２１より伝送される情報に基づいて、ガスセンサ２１が検知した原燃料ガスおよびモジュール２より排出される未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方の量を検知する。そして、原燃料ガスおよびモジュール２より排出される未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方の量が所定の濃度以上であることを検知した場合には、燃料電池装置２７を停止するように制御する。
【００４７】
それにより、燃料電池装置２７の外部に原燃料ガスや未燃焼の燃料ガスが漏出することを抑制できる。なお、所定濃度とは、例えば１０，０００ｐｐｍとすることができる。
【００４８】
なお、ガスセンサ２１より伝送される検知情報は、ガスセンサ２１の種類により異なることとなるが、検知情報としてはガスセンサ２１のＤＣ５Ｖ程度の電圧情報であることが好ましい。
【００４９】
例えば制御装置１０に伝送される検知情報が電流情報の場合には、電流−電圧変換等の手段が必要となり、ｍＶ単位の微小電圧情報の場合は増幅手段が必要でありノイズの影響を受けるおそれがある。
【００５０】
ここで、ガスセンサ２１より伝送される情報が、電圧情報の場合においては、ガスセンサ２１の電圧情報が制御装置１０に伝送されると、制御装置１０は、ガスセンサ２１より伝送される電圧情報に基づいて、原燃料ガスおよびモジュール２より排出される未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方の濃度を検知する。そして、ガスセンサ２１より伝送される電圧情報が所定の電圧以上となった場合には、制御装置１０は燃料電池装置２７を停止するように制御する。
【００５１】
それにより、燃料電池装置２７の外部に原燃料ガスや未燃焼の燃料ガスが漏出することを抑制できる。なお、所定の電圧とは、例えば原燃料ガスおよびモジュールより排出される未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方の濃度に換算して、例えば１０，０００ｐｐｍの濃度に相当する電圧以上とすることができる。
【００５２】
ところで、ガスセンサ２１が検知する情報に基づいて燃料電池装置２７を停止する制御を行なう場合において、燃料電池装置２７の起動時等において、頻繁に燃料電池装置２７を停止する制御を行なうおそれがある。
【００５３】
それゆえ、制御装置１０は、ガスセンサ２１により伝送される情報に基いて、所定の濃度以上の原燃料ガスおよびモジュール２より排出される未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方を所定時間継続して検知したときに、燃料電池装置２７を停止するように制御することが好ましい。それにより、燃料電池装置２７の起動時等において、頻繁に燃料電池装置２７が停止することを避けることができる。
【００５４】
なお、所定の濃度以上の原燃料ガスおよびモジュール２より排出される未燃焼の燃料ガスのうち少なくとも一方を所定時間継続して検知したとは、例えば、ガスセンサ２１が１０，０００ｐｐｍの濃度を継続して３分以上検知した場合とすることができる。
【００５５】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【００５６】
例えば、図３において、排ガス流路２８に排気流路２４が接続されている状態の図を示したが、排気流路２４に排ガス流路２８が接続される形態であってもかまわない。
【００５７】
また、空気流通部２２を複数個とすることもでき、さらに空気流通部２２に、補機収納室１８の空気をモジュール収納室１７に強制的に流通させるべく、ファン等を設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の燃料電池装置の一例を概略的に示した概略図（側面図）である。
【図２】本発明の燃料電池装置の他の一例を概略的に示した概略図（側面図）である。
【図３】本発明の燃料電池装置のさらに他の一例を概略的に示した概略図（側面図）である。
【図４】原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給装置の一例を示した構成図である。
【図５】従来の燃料電池装置の一例を概略的に示した概略図（側面図）である。
【符号の説明】
【００５９】
２：燃料電池モジュール
１０：制御装置
１１：原燃料ガス供給装置
１４、２５、２７：燃料電池装置
１５：外装ケース
１６：仕切部材
１７：モジュール収納室
１８：補機収納室
２２：空気流通部
２４：排気流路
２６：空気ブロワ
２８：排ガス流路
【図１】
0005483824.tif 000002
【図２】
0005483824.tif 000003
【図３】
0005483824.tif 000004
【図４】
0005483824.tif 000005
【図５】
0005483824.tif 000006