(57)【要約】【課題】耐環境性能に優れ、移動体や可搬型電源に最適な燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池装置１は、気密性の筐体（２１、２２）の内部１０に燃料電池本体１１、燃料タンク１２、二次電池１３、および、それらの制御装置１４が収容され、前記筐体内部に外気を導入するために前記筐体の底部に設けられた吸気部２３と、外気をろ過するために前記吸気部に設けられたフィルター１５と、前記筐体内部から排気するために前記筐体の上部に設けられた排気部２５と、前記排気部から前記筐体の外面に沿って前記筐体の下部の排気口２６に至る排気ダクト（２０）と、前記吸気部から前記筐体内部、前記排気部、前記排気ダクト（２０）を通って前記排気口に至る空気流を生じさせる送風ファン１６を備え、前記燃料電池本体、前記燃料タンク、前記二次電池、および、前記制御装置は、前記フィルターおよび前記排気口より高位置に配設されている。【選択図】図１
2018014291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密性の筐体の内部に燃料電池本体、燃料タンク、二次電池、および、それらの制御装置が収容された燃料電池装置であって、
前記筐体内部に外気を導入するために前記筐体の底部に設けられた吸気部と、
外気をろ過するために前記吸気部に設けられたフィルターと、
前記筐体内部から排気するために前記筐体の上部に設けられた排気部と、
前記排気部から前記筐体の外面に沿って前記筐体の下部の排気口に至る排気ダクトと、
前記吸気部から前記筐体内部、前記排気部、前記排気ダクトを通って前記排気口に至る空気流を生じさせる送風手段と、を備え、
前記燃料電池本体、前記燃料タンク、前記二次電池、および、前記制御装置は、前記フィルターおよび前記排気口より高位置に配設されている、燃料電池装置。
【請求項２】
前記筐体は、前記燃料電池本体、前記燃料タンク、前記二次電池、および、前記制御装置を収容する内側ケースと、前記内側ケースの上部および周囲を覆う外側カバーと、前記内側ケースに対して前記外側カバーを支持する支持手段とを備え、
前記内側ケースの底部に前記吸気部が設けられ、前記内側ケースの上部に前記排気部が設けられ、前記内側ケースの外面と前記外側カバーの内面との間隙に前記排気ダクトが画成され、前記内側ケースの下部の周囲と、前記外側カバーの下端との間に前記排気口が画成されている、請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記排気口を開閉する開閉手段を備えた、請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記支持手段は、前記内側ケースに対して前記外側カバーを上下方向に摺動可能に支持する摺動機構と、前記外側カバーを上昇位置に保持する保持手段とを含み、前記外側カバーの上昇位置で前記排気口が開放され、前記外側カバーの下降位置で前記排気口が閉鎖されるように構成されている、請求項３記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記吸気部の下方への浸水を検知する浸水検知センサと、前記浸水検出センサが浸水を検知した場合に前記吸気部の下方の水を排水する排水ポンプとをさらに備えた、請求項１〜４の何れか一項記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記吸気部または前記フィルターの水没を検知する水没検知センサと、前記水没検知センサが水没を検知した場合に前記燃料電池本体に前記吸気部とは別経路で外気を供給する吸気ポンプとをさらに備えた、請求項１〜５の何れか一項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、燃料電池本体、燃料タンク、二次電池、およびそれらの制御装置を一つの筐体に収容した燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池装置は、水素など燃料の供給形態により、都市ガスなどを改質して供給する系統連係型（例えば特許文献１参照）と、燃料タンクから供給する自立運転型（例えば特許文献２参照）がある。前者は、固定ガス配管や商用電源系統と接続するので利用環境が限定され、移動体に利用することはできない。一方、後者は、電動車両や小型船舶などの移動体への利用はもちろん、可搬型の工事用電源、レジャー用電源など、エンジン発電機の代替として、商用電源や固定ガス配管のない屋外環境等での利用が見込まれている。
【０００３】
燃料電池装置を移動体や屋外環境で使用する場合、太陽光や風雨の影響、さらには、海岸沿いの地域での塩害の影響などを考慮した耐環境性能が要求される。また、小型船舶の電源に利用する場合には、重量バランスを考慮して、燃料電池装置を船底に設置することが好ましいが、降雨や波浪による船底への浸水にも対備する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１９６４１１号公報
【特許文献２】特開２０１２−２５６６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は従来技術の上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐環境性能に優れ、移動体や可搬型電源に最適な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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池装置（１）は、
気密性の筐体（２１、２２）の内部（１０）に燃料電池本体（１１）、燃料タンク（１２）、二次電池（１３）、および、それらの制御装置（１４）が収容され、
前記筐体内部に外気を導入するために前記筐体の底部に設けられた吸気部（２３）と、
外気をろ過するために前記吸気部（２３）に設けられたフィルター（１５）と、
前記筐体内部から排気するために前記筐体（２１）の上部に設けられた排気部（２５）と、
前記排気部（２５）から前記筐体の外面に沿って前記筐体の下部の排気口（２６）に至る排気ダクト（２０）と、
前記吸気部（２３）から前記筐体内部（１０）、前記排気部（２５）、前記排気ダクト（２０）を通って前記排気口（２６）に至る空気流を生じさせる送風手段（１６）と、を備え、
前記燃料電池本体、前記燃料タンク、前記二次電池、および、前記制御装置は、前記フィルター（１５）および前記排気口（２６）より高位置に配設されている。
【０００７】
本発明に係る燃料電池装置は、上記構成により、以下のような効果を奏する。
筐体の底部に吸気部およびフィルターが設けられているため、風雨や波飛沫にさらされる環境でも吸気部から筐体内部への水分の浸入が抑制され、かつ、そのような効果を得つつも、比較的大きな吸気部およびフィルターを設置可能であり、冷却用および反応用に多量の外気を導入できる利点がある。
また、筐体上部の排気部から筐体下部の排気口に至る排気ダクトと、この排気ダクトに至る空気流を生じさせる送風手段を備えたので、風雨や波飛沫にさらされる環境でも排気部から筐体内部への水分の浸入が抑制される利点がある。
さらに、小型船舶の電源として船底などに設置される場合に、降雨や波浪により設置位置の水位が上昇しても、排気口が筐体下部に設けられていることで、筐体内部の空気圧により吸気部やフィルターを通じた筐体内での水位の上昇が抑制される利点がある。
【０００８】
本発明の好適な態様では、前記筐体は、前記燃料電池本体、前記燃料タンク、前記二次電池、および、前記制御装置を収容する内側ケース（２１）と、前記内側ケース（２１）の上部（２１ａ）および周囲（２１ｂ）を覆う外側カバー（２２）と、前記内側ケース（２１）に対して前記外側カバー（２２）を支持する支持手段（２７）とを備え、
前記内側ケース（２１）の底部に前記吸気部（２３）が設けられ、前記内側ケース（２１）の上部に前記排気部（２５）が設けられ、前記内側ケース（２１）の外面と前記外側カバー（２２）の内面との間隙に前記排気ダクト（２０）が画成され、前記内側ケース（２１）の下部の周囲と、前記外側カバー（２２）の下端との間に前記排気口（２６）が画成されている。
【０００９】
上記構成により、燃料電池本体や二次電池および制御装置が内側ケースと外側カバーからなる二重構造の気密性筐体で覆われるため、風雨や波飛沫にさらされる環境でも筐体内部への水分の浸入が抑制され、かつ、内側ケースと外側カバーの隙間による断熱効果により外部の温度変化の影響が緩和される利点がある。
また、燃料電池装置の作動中は、内側ケースの下部周囲の排気口から下方に吹き出される排気によってエアカーテンが形成され、筐体底部の吸気部下方への風雨や波飛沫の浸入やフィルターへの水分の吸着が抑制される利点もある。
さらに、この構成においても、小型船舶の電源として船底などに設置される場合に、降雨や波浪により設置位置の水位が上昇しても、筐体内部の空気圧により吸気部やフィルターを通じた筐体内での水位の上昇が抑制される利点がある。
【００１０】
本発明の好適な態様では、前記排気口（２６）を開閉する開閉手段（２２，２７）を備えているので、燃料電池装置の作動中以外は排気口を閉鎖して内側ケースと外側カバーの隙間を密閉空間とすることで、筐体内部がフィルター以外では外気と遮断され、筐体内部への外気の浸入やそれに伴う水分や塵埃の浸入を抑制でき有利である。
【００１１】
本発明のさらに好適な態様では、前記支持手段（２７）は、前記内側ケース（２１）に対して前記外側カバー（２２）を上下方向に摺動可能に支持する摺動機構（２７ａ，２７ｂ）と、前記外側カバー（２２）を上昇位置に保持する保持手段（２７ｃ）とを含み、前記外側カバー（２２）の上昇位置で前記排気口（２６）が開放され、前記外側カバー（２２）の下降位置で前記排気口（２６）が閉鎖されるように構成されているので、筐体下部の周囲に設けられた排気口を最小限の追加部品による簡素な構成で確実に開閉でき、重量増加やそれによる可搬性の低下を回避できる利点がある。
【００１２】
本発明の他の好適な態様では、前記吸気部（２３）の下方への浸水を検知する浸水検知センサ（３２）と、前記浸水検知センサ（３２）が浸水を検知した場合に前記吸気部（２３）の下方の水を排水する排水ポンプ（３１）とをさらに備えるので、小型船舶の電源として船底などに設置される場合に、降雨や波浪により設置位置に浸水しても、吸気部やフィルターの冠水を抑制でき、燃料電池装置による発電を継続できる利点がある。
【００１３】
本発明のさらに他の好適な態様では、前記吸気部（２３）または前記フィルター（１５）の水没を検知する水没検知センサ（３４）と、前記水没検知センサ（３４）が水没を検知した場合に前記燃料電池本体（１１）に前記吸気部（２３）とは別経路（３３ａ）で外気を供給する吸気ポンプ（３３）とを備えるので、前記同様に小型船舶の電源として船底などに設置される場合に、降雨や波浪により設置位置に浸水し、吸気部やフィルターが水没するような非常事態においても、吸気ポンプにより筐体内部に空気を供給して燃料電池装置による発電を継続でき、排水ポンプにより浸水の水位を低下させて燃料電池本体や二次電池、制御装置の冠水を抑制し、船舶の運転を継続できる利点がある。
【発明の効果】
【００１４】
以上述べたように、本発明は、燃料電池本体、燃料タンク、二次電池、およびそれらの制御装置を一つの筐体に収容した自立運転型燃料電池装置の耐環境性能を向上させ、電動車両や小型船舶などの移動体用電源はもちろん、工事用電源、レジャー用電源など、エンジン発電機の代替として屋外環境等で利用される可搬型電源に最適な燃料電池装置を提供するうえで有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明実施形態に係る燃料電池装置を示す正断面図である。
【図２】本発明実施形態に係る燃料電池装置を示す側断面図である。
【図３】本発明実施形態に係る燃料電池装置を小型船舶の電源として搭載して浸水した場合を示す正断面図である。
【図４】本発明実施形態に係る燃料電池装置の排気口を閉鎖した状態を示す正断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
（基本構造）
図１および図２において、本発明実施形態に係る燃料電池装置１は、発電を行うための燃料電池本体１１、水素などの燃料を供給するための燃料タンク１２、補機類に電源を供給するための二次電池１３、およびそれらの制御装置１４などからなる燃料電池システム全体を筐体（２１，２２）に収容した自立運転型の発電ユニットである。
【００１８】
燃料電池本体１１は、電解質膜を挟んで燃料極（アノード）と空気極（カソード）が配置されたセルが、それらに燃料（水素）や酸化剤（空気中の酸素）を供給する流路を画成するセパレータを介して多数積層されたセルスタックと、燃料側ヘッダー、空気側ヘッダーおよびコンプレッサーなどから構成される。
【００１９】
二次電池１３は、燃料電池本体１１で発電された電気の一部を蓄電し、コンプレッサーや電磁バルブなどの補機類やその制御装置１４、後述するセンサなどに作動電力を供給するとともに、非常時にはバックアップ電源としても機能するものであり、リチウムイオン電池が好適であるが、その他の電池、例えば鉛蓄電池等も利用できる。
【００２０】
（内側ケース／内部構造）
本発明に係る燃料電池装置１の筐体は、上記燃料電池システムを収容する内側ケース２１と、その上部２１ａから周囲２１ｂを覆う外側カバー２２の二重構造をなしている。
【００２１】
内側ケース２１は、底部全体が吸気部２３として開口されており、図示例では、吸気部２３を構成する内側ケース２１の下端縁が下方かつ外方に向ってベルマウス状に拡開されている。吸気部２３の上方の内側ケース２１内にフィルターケース２４が設けられ、このフィルターケース２４に下方からフィルター１５が装着され、フィルターケース２４の上部に送風ファン１６が取り付けられている。
【００２２】
フィルター１５としては、吸気部２３から導入される外気をろ過し、燃料電池本体１１や制御装置１４の故障を防止して長寿命化を図るために各種フィルターを利用可能であるが、本発明に係る燃料電池装置１は、海岸沿いの地域の屋外で使用する場合や、小型船舶の電源として使用する場合の塩害対策として耐塩フィルターを用いることが好ましい。
【００２３】
内側ケース２１の上部２１ａには、外側カバー２２の内面と内側ケース２１の外面との間の間隙２０に連通する排気部２５が開口されている。内側ケース２１は、金属やプラスチックなどの気密性材料で形成され、吸気部２３と排気部２５以外に開口部がなく、拡大した吸気部２３から縮小した排気部２５に至る筒状（図示例では四角筒状）の空気流路をなしており、フィルターケース２４は、筒状の内側ケース２１の内部１０（陽圧部）を陰圧側（フィルター１５側）と区画する隔壁をなしている。
【００２４】
なお、図中省略されているが、燃料電池本体１１は内側ケース２１の上部内面に不図示のブラケットで固定され、燃料タンク１２および二次電池１３は、内側ケース２１の側部内面に不図示のブラケットで固定されている。代替的に、フィルターケース２４の外枠から内側ケース２１の側部内面に沿って上方に延びる支持フレームを設け、この支持フレームに燃料電池本体１１、燃料タンク１２、および二次電池１３を固定しても良い。
【００２５】
この場合、フィルターケース２４の外枠にスタンド２９を取付けることで、内側ケース２１を、燃料電池システム構成部品の組立体に上方から被せる内側カバーとして取付けることもできる。何れの場合も、燃料電池システム構成部品は、全て底部にある吸気部２３の開口部から内側ケース２１内に収容されることが、内側ケース２１の気密性を確保するうえで有利である。
【００２６】
（外側カバー／スライド機構）
外側カバー２２は、金属やプラスチックなどの気密性材料で形成され、下端のみが全面的に開口され、それ以外は閉じており、内側ケース２１より一回り大きい有頂筒状（図示例では有頂四角筒状）、カップ状をなしている。
【００２７】
外側カバー２２は、内側ケース２１の外側に上方から被せた状態で、内側ケース２１に対してスライド機構２７を介して上下方向に摺動可能に支持されており、図１に示す上昇位置では、外側カバー２２の下端縁と内側ケース２１の吸気部２３の外周面とにより排気口２６が画成され、かつ、排気部２５から間隙２０を通って排気口２６に至る排気ダクトが画成されている。
【００２８】
一方、図４に示す下降位置では、外側カバー２２の下端縁が内側ケース２１の拡開した下端縁（吸気部２３の外周面）に当接し、排気口２６が閉鎖される。すなわち、外側カバー２２およびスライド機構２７は、排気口２６の開閉手段を兼ねている。図示例では、図４に示す閉鎖状態において、内側ケース２１の上部２１ａが外側カバー２２の上部２２ａの下面に当接し、排気口２６とともに排気部２５も閉鎖され、外側カバー２２と内側ケース２１の間の間隙２０が密閉空間となるように構成されている。
【００２９】
スライド機構２７は、内側ケース２１の外側面に固定されたスライダー２７ａと外側カバー２２の内側面に固定されたスライドレール２７ｂとからなり、スライドレール２７ｂには、図１に示す上昇位置で、スライダー２７ａに設けられた不図示の係合部（孔、溝など）と係合する係止部材２７ｃが設けられている。この係止部材２７ｃは、把手２８を把持して外側カバー２２を上昇させるとバネなどの付勢手段により突出して係合部に係合し、解除操作で係合を解除して降下可能となるように構成しても良いし、オルタネイト機構により、係合と解除が順次切替わるように構成しても良い。
【００３０】
（基本動作／通常運転時の防水作用）
以上のように構成された燃料電池装置１の通常運転時には、図１に示すように、燃料電池本体１１（または二次電池１３）の電力により送風ファン１６が作動することで、外気が吸気部２３からフィルター１５を通りろ過／除塩されて内部１０に導入され、二次電池１３、制御装置１４、燃料タンク１２等の間、さらには、燃料電池本体１１の側面等を通って上昇し、排気部２５から内側ケース２１と外側カバー２２の隙間２０を通り、排気口２６から外部に排気される。
【００３１】
この際、燃料電池本体１１を冷却するための空気は、燃料電池本体１１の空気入口（図１中左側）から吸気され、高温多湿となった空気が燃料電池本体１１の空気出口（図１中右側）から排気される。この空気も下方からの上昇空気とともに排気部２５から隙間２０および排気口２６を通って外部に排出される。
【００３２】
内側ケース２１の上部２１ａおよび外側カバー２２の上部２２ａの周辺部が相補的な断面弧状をなしていることで、排気部２５から内側ケース２１と外側カバー２２の間の隙間２０に排出された空気はスムーズに下方に偏向され、排気口２６の下方ではさらに外方に偏向され、内側ケース２１の下部の周囲にエアカーテン気流を形成する。このエアカーテン気流によって、降雨時における雨粒や波飛沫が吸気部２３の周囲で遮断され、水分がフィルター１５に到達し難い構造となっている。
【００３３】
（非使用時の閉鎖構造）
一方、燃料電池装置１の非使用時には、図４に示すように、外側カバー２２を降下させ排気口２６および排気部２５を閉鎖することで、排気口２６および間隙２０を通じた外気の浸入や沿海部での塩害を防止でき、かつ、密閉された間隙２０が断熱空間として機能し、外気の温度変化の影響が緩和される。
【００３４】
（浸水／水没対策構造）
燃料電池装置１を小型船舶の電源として利用する場合、重量バランスを考慮して、燃料電池装置１は船底付近に配置されることが好ましいが、その場合、降雨や波浪による船底への浸水にも対備する必要があることは既に述べた。
【００３５】
そこで、本発明に係る燃料電池装置１では、標準または仕様により、内側ケース２１の底部、吸気部２３の略中央に排水ポンプ３１が設けられるとともに、吸気部２３の下方への浸水を検知するための浸水検知センサ３２が付設される。排水ポンプ３１は、例えば、吸気部２３を横切るように設けられた支持フレーム（不図示）に取付けることができる。浸水検知センサ３２は、図示例では排水ポンプ３１のケーシング下部に取付けられているが、前記支持フレーム等に取付けても良い。
【００３６】
さらに、内側ケース２１の内部１０、図示例では送風ファン１６の上部に、吸気部２３とは別の吸気管３３ａにより、外気を内部１０に導入するための吸気ポンプ３３が設けられるとともに、フィルター１５の上側、送風ファン１６の下部に、フィルター１５の水没を検知するための水没検知センサ３４が付設される。なお、フィルター１５の水没時には外側カバー２２内の圧力が異常になるので、この異常圧力を検出することで、フィルター１５の水没を検知することもできる。
【００３７】
以上のように構成された燃料電池装置１を小型船の電源として利用する場合、図３に示すように、小型船２の船底付近の台座３上にボルトなどで固定される。排水ポンプ３１の排水管３１ａは、内側ケース２１の下端側部から外部に引出され、先端出口は小型船２の外部に達している。
【００３８】
このような小型船２において、降雨や波飛沫により船内に雨水や海水が浸入し、台座３付近の水位５の上昇を浸水検知センサ３２が検知した場合、排水ポンプ３１が作動し、船底の水を船外（海面４）に排水して吸気部２３やフィルター１５の冠水を抑制（回避または遅延）させることができ、燃料電池本体１１による発電を継続できる。
【００３９】
しかし、降雨や波飛沫による水位上昇が排水ポンプ３１の排水能力を上回り、さらなる水位上昇５′による吸気部２３およびフィルター１５の冠水を水没検知センサ３４が検知した場合、送風ファン１６を停止するとともに、吸気ポンプ３３が作動し、吸気管３３ａを通じて内側ケース２１の内部１０に外気を吸入することで、燃料電池本体１１による発電を継続できる。小型船２の場合、フィルター１５が水没して通常の吸気が行えないような状態でも、沖合から帰港するために発電を継続する必要がある。
【００４０】
また、吸気部２３およびフィルター１５が水没する状況では、排気口２６も冠水することになるが、外側カバー２２が気密に構成されかつ下向きのカップ状をなしていることにより、外側カバー２２（および内側ケース２１）の内部に封じ込められた空気の圧力によって、内側ケース２１内の水位上昇が抑制され、燃料電池本体１１や二次電池１３、および制御装置１４などの水没が抑制される。
【００４１】
この時、吸気ポンプ３３により内側ケース２１の内部１０に外気を取り込み、外側カバー２２および内側ケース２１の内部の気圧を上昇させて、内部機器の水没防止を図ることもでき、燃料タンク１２の燃料を全て消費してしまった場合でも二次電池１３から電力を供給して小型船２の運転を継続することができる。
【００４２】
（水素ガス検出センサ）
燃料電池装置１は、燃料タンク１２から燃料電池本体１１に水素を燃料として供給し発電を行う。燃料電池本体１１から水素が漏出した場合や、燃料電池装置１を一旦停止して再稼働した場合、気密性の外側カバー２２の上部２２ａの内側に水素ガスが滞留する場合がある。
【００４３】
そこで、実施形態の燃料電池装置１では、外側カバー２２の上部２２ａの内面に水素ガス検出センサ３５が配設されており、水素の漏出や滞留が検出された場合には、燃料電池本体１１の発電を停止し、送風ファン１６のみを作動させて水素ガスの排出を促すことができる。
【００４４】
（他の実施形態）
上記実施形態では、外側カバー２２が内側ケース２１に対してスライド機構２７を介して上下方向に摺動可能に支持され、外側カバー２２の下降位置で排気口２６と排気部２５が閉鎖される場合を示したが、外側カバー２２が内側ケース２１との間に間隙２０を有した状態で固定的に支持され、外側カバー２２とは別に排気口２６を開閉する閉鎖手段（弁体、ダンパー）が設けられても良い。
【００４５】
さらに、内側ケース２１全体を覆う外側カバー２２を設ける代わりに、排気部２５から内側ケース２１の何れかの側に沿って下部に至る排気ダクトを設けることもできる。
【００４６】
以上、本発明のいくつかの実施形態について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１  燃料電池装置
２  小型船
３  台座
４  海面
５，５′  水位
１０  内部
１１  燃料電池本体
１２  燃料タンク
１３  二次電池
１４  制御装置
１５  フィルター
１６  送風ファン
２０  間隙（排気ダクト）
２１  内側ケース
２２  外側カバー
２３  吸気部
２４  フィルターケース
２５  排気部
２６  排気口
２７  スライド機構（支持手段）
２７ｃ  係止部材（保持手段）
２８  把手
３１  排水ポンプ
３２  浸水検知センサ
３３  吸気ポンプ
３４  水没検知センサ
３５  水素ガス検出センサ
【図１】
2018014291.tif 000003
【図２】
2018014291.tif 000004
【図３】
2018014291.tif 000005
【図４】
2018014291.tif 000006