(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の停止期間中に燃料電池スタックを保温するために設けられ、電気ヒータとサーモスタットとを備えた保温装置において、少なくとも１個の電気ヒータと少なくとも２個のサーモスタットとを、外部電源の間に直列接続し、隣接する２個の前記サーモスタットによって挟まれた位置に設けた接続点から延びた電流路を接地して、前記接続点と接地点との間に差電圧検出器を設けてなることを特徴とする燃料電池スタックの保温装置。
【請求項２】
請求項１記載の保温装置において、前記差電圧検出器は、微小電流により点灯する発光ダイオードと限流抵抗とを直列接続してなるものとしたことを特徴とする燃料電池スタックの保温装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池スタックの保温装置、主としてリン酸型燃料電池の電気ヒータとサーモスタットとを備えた保温装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素を主成分とする原燃料ガスを水蒸気により水素リッチな燃料ガスに改質し、この改質された燃料ガスおよび酸化剤ガス（例えば、空気）を燃料極および酸化剤極に連続的に供給して、燃料のもつエネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換する燃料電池発電装置が周知であり、かかる燃料電池発電装置は一般に図６に示すようなシステムが採用されている。
【０００３】
図６は、従来の燃料電池発電装置の概略システム系統図の一例を示すもので、燃料電池本体２０は、燃料極２１および酸化剤極２２を有する単電池を５から８個積層する毎に冷却水を通流する冷却板を積層して燃料電池スタックを構成し、燃料極２１および酸化剤極２２にはそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電を行う。図４において燃料ガスは、改質器４から、ＣＯ濃度を低下させるためにＣＯ変成器５を介して供給される。
【０００４】
燃料電池は発電に伴って熱を発生するので発電中は冷却を要し、その冷却水４０は水蒸気分離器７からポンプ５０および熱交換器３０を経て燃料電池本体２０に供給される。この冷却水の温度は通常、燃料電池の運転中は約１６０℃で、加圧水の状態で流れ、水蒸気分離器７で気液分離される。水蒸気分離器７から出た水は、熱交換器３０で冷却水温度が制御された後、燃料電池本体２０を冷却し、水蒸気分離器７に戻される。
【０００５】
水蒸気分離器７で気液分離された蒸気は、蒸気配管９によりエゼクタ３に導入され、原燃料供給ライン８から原燃料（ガス）を前記水蒸気流のエゼクタ吸引力により吸引して、原燃料と水蒸気の混合物を改質器４に導入する。原燃料は改質器における改質反応により水素リッチなガスに改質される。
【０００６】
原燃料供給ライン８は、原燃料供給源１５とエゼクタ３との間に、原燃料遮断弁１０，原燃料調節弁１および脱硫器２を有し、原燃料調節弁１により燃料電池の負荷に応じて燃料（ガス）供給量が調節される。都市ガスなどの原燃料は腐臭剤としてイオウ成分を含んでいるので、これを除去するために、脱硫器２が設けられている。
【０００７】
原燃料の一部は、助燃ガス供給ライン１４から改質器４にも供給される。助燃ガス供給ライン１４は、原燃料供給ライン８の前記原燃料遮断弁１０と原燃料調節弁１との間から分岐し，助燃ガス遮断弁１３を備える。改質器４の反応は吸熱反応であるために熱の供給が必要であり、この熱は、燃料電池で発電反応に消費されなかった燃料ガスのオフガス燃焼により主にまかなわれるが、特に燃料電池の起動時は補助燃料が必要であり、この補助燃料として、前記助燃ガスが使用される。
【０００８】
燃料電池の起動時には、図示しないヒータやボイラにより、熱交換器３０で冷却水を加温し、徐々に昇温して、所定の温度に到達した後に、定常運転に移行する。
【０００９】
ところで、上記のような燃料電池発電装置において、特にリン酸型燃料電池の場合にはリン酸凍結防止のため、通常、燃料電池スタックの保温装置を備えている。
【００１０】
リン酸型燃料電池は、発電装置や周辺設備の工事や保守、あるいは発電装置輸送中等であって、燃料電池の運転を停止している期間に、電解質であるリン酸が凍結して、体積膨張によりリン酸を保持する多孔体のマトリックスが破損する等の事故を防ぐために、次のような種々の方法によるリン酸凍結防止策を採用している。
１）燃料電池スタックの上下締め付け部材やマニホールドに電気ヒータを設け、外部電源から通電することにより、燃料電池スタックの温度の低下を防ぐ。
２）燃料電池の冷却水を加温して循環し、電池スタックの温度の低下を防ぐ。冷却水の加温及び循環には発電装置のボイラ、ポンプ等を使用する。
３）燃料電池停止の際、リン酸を加湿し、温度が周囲温度に低下しても凍結しないようにする。４）燃料電池スタック周囲に温風を送風し、周囲より加温する。
【００１１】
上記方法の中で、１）の電気ヒータによる保温方法は、構造・取り扱いが簡便なため、比較的よく採用される。この場合、電気ヒータは熱電対あるいはサーモスタットにより、燃料電池スタックが適正温度に保温されるように電気ヒータはオンオフ制御される。サーモスタットによる制御を行う保温装置は、小型で低価格なため、燃料電池スタックの保温装置として好適である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記電気ヒータとサーモスタットによる保温装置においては、次のような問題点が有る。サーモスタットが、ヒータへの通電を維持する状態に固着した異常状態が発生することがあり、この異常状態を知らずに、燃料電池発電装置を停止した場合、燃料電池スタック温度が所定の保温温度設定値を超えても、電気ヒータが投入されたままとなり、周囲構造物の加熱事故や焼損事故を引き起こす危険がある。
【００１３】
この事故を防止するためには、燃料電池スタックが高温となっている燃料電池運転中に、電気ヒータの動作の無いことを確認し、サーモスタットの固着がないことを確認すれば良い。しかしながら、固着を発見した場合には、燃料電池発電装置を停止する際に、燃料電池スタックの電気ヒータの電源を停止しなければならない。この結果、燃料電池スタックは保温無しの状態となるため、速やかに復旧作業を開始してその作業を完了しなければならない。又、発電装置運転中の電気ヒータの動作を確認するためには、電気ヒータの電流を測定する必要があるが、電流計を設置した場合には容易に安全に確認が取れるが、コスト高となる。可搬式の電流計ならば低コストで確認できるが、発電装置の運転中に電気ヒータ電源回路の活線部に接近しなければならず、危険を伴う。
【００１４】
この発明は、これらの問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、安全に保温調節がなされ、また、サーモスタットが、ヒータへの通電を維持する状態に固着した異常状態になった場合であっても、これを発見した場合の装置復旧の緊急性を低減し、さらに、固着状態を容易かつ安全に発見できる燃料電池スタックの保温装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明においては、燃料電池の停止期間中に燃料電池スタックを保温するために設けられ、電気ヒータとサーモスタットとを備えた保温装置において、少なくとも１個の電気ヒータと少なくとも２個のサーモスタットとを、外部電源の間に直列接続し、隣接する２個の前記サーモスタットによって挟まれた位置に設けた接続点から延びた電流路を接地して、前記接続点と接地点との間に差電圧検出器を設けてなるものとする（請求項１の発明）。
【００１６】
前記請求項１の発明の実施態様としては、請求項２の発明のように構成するのが好適である。即ち、前記請求項１記載の保温装置において、前記差電圧検出器は、微小電流により点灯する発光ダイオードと限流抵抗とを直列接続してなるものとする（請求項２の発明）。
【００１７】
上記のようにすることにより、サーモスタットが２個同時に閉じなければ、保温用電気ヒータは通電されない。したがって、一方のサーモスタットが固着しても、２個同時に固着が発生しなければ、電気ヒータへの通電と保温制御は安全に行われる。サーモスタットが２個より多い場合には、安全性は、一層向上する。
【００１８】
又、一方のサーモスタットが固着した場合には、サーモスタットで挟まれた接続点には、ヒータ電源の電圧が供給され、対地電位との差電圧が発生する。この差電圧は、電気盤等に設けた検出回路端末と対地電位との差電圧を測定することにより、発電装置の運転中でも容易に安全に確認できる。さらに、請求項２の発明のように、差電圧検出器を、微小電流により点灯する発光ダイオードと限流抵抗とを直列接続してなるものとすれば、発光ダイオードの点灯により、肉眼で容易にサーモスタット異常が判別できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、この発明の実施例について以下にのべる。
【００２０】
図１は、この発明の実施例（後述する図２）の基礎的構成に関わる燃料電池スタックの保温装置の系統図を示す。図１において、燃料電池スタック周辺部５１の所定位置に、電源５３に接続された２個の電気ヒータ５４が設置され、燃料電池スタックの保温を行うように構成される。また、上記２個の電気ヒータ５４にそれぞれ対応して、２個のサーモスタット５５が設けられ、この２個のサーモスタット５５で挟まれた中間回路５６からは、検出回路５８が安全な位置、例えば電気盤５２まで引き出される。検出回路５８は端子５９迄を対地電位より絶縁される。端末の端子５９には端子台あるいはコネクタが設置される。この端子５９の対地電位との差電圧を後述する図２のようにして検出することにより、サーモスタット５５の固着異常が検出できる。
【００２１】
図２は、この発明の実施例を示す。図２において、図１と同一部材には同一番号を付して説明を省略する。図２において、図１と異なる点は、検出回路５８を、差電圧検出器１００を介して対地電位１１０に接続している点である。上記において、差電圧検出器１００を通して流れる電流は地絡事故に至らない微少な電流に抑制する必要がある。
【００２２】
図３は、請求項２の発明に関わる実施例を示す。図３において、図２と同一部材には同一番号を付して説明を省略する。図３においては、差電圧検出器１００を、発光ダイオード１２０と限流抵抗１３０とを直列に接続したものとし、検出回路５８に配置している。これにより、サーモスタット５５の固着異常が、発光ダイオードの点灯により肉眼で容易に判別できる。
【００２３】
図４および図５は、この発明の図２とは異なる実施例の基礎的構成に関わる系統図を示す。図４および図５と図１の基礎的構成との相違点は、ヒータの個数であり、図４または図５はそれぞれ、ヒータ５４を、接続点５７を境として図の紙面上側に１個または下側に１個設けた例を示す。
【００２４】
接続点５７の両側のサーモスタットが、いずれも健全である場合には、接続点５７および端子５９には、外部電源５３の回路電圧がかからず無電圧であるが、どちらか一方のサーモスタットが固着すると、外部電源の一方の極の電圧がかかることとなり、これと対地電位との差により異常を検出することができる。従って、上記図４または図５の実施例によっても、サーモスタット異常の検出が可能となる。
【００２５】
但し、異常を起こしたサーモスタットが、外部電源５３の接地電位側の極に接続されている場合には、検出できない場合があるので、外部電源の種別は確認を要する。通常、三相電源の内の一相を使用するため、ヒータ電源の両極はいずれも接地電位とは異なり、検出が可能である。
【００２６】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、燃料電池の停止期間中に燃料電池スタックを保温するために設けられ、電気ヒータとサーモスタットとを備えた保温装置において、少なくとも１個の電気ヒータと少なくとも２個のサーモスタットとを、外部電源の間に直列接続し、隣接する２個の前記サーモスタットによって挟まれた位置に設けた接続点から延びた電流路を接地して、前記接続点と接地点との間に差電圧検出器を設けてなるものとし、さらに、微小電流により点灯する発光ダイオードと限流抵抗とを直列接続してなる差電圧検出器を検出回路に設けることにより、燃料電池スタックは安全に保温調節がなされ、また、サーモスタットが、ヒータへの通電を維持する状態に固着した異常状態になった場合であっても、これを発見した場合の装置復旧の緊急性を低減し、さらに、サーモスタット異常が容易かつ安全に判別できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施例（図２）の基礎的構成に関わる燃料電池スタックの保温装置の系統図
【図２】  この発明の実施例の燃料電池スタックの保温装置の系統図
【図３】  図２の実施例の実施態様の一例に関わる燃料電池スタックの保温装置の系統図
【図４】  この発明の図２とは異なる実施例の基礎的構成に関わる保温装置の系統図
【図５】  図４とは異なる実施例の基礎的構成に関わる保温装置の系統図
【図６】  従来の燃料電池発電装置の概略システム系統図
【符号の説明】
５１：燃料電池スタック周辺部、５２：電気盤、５３：外部電源、５４：電気ヒータ、５５：サーモスタット、５７：接続点、５８：検出回路、５９：端子、１００：差電圧検出器、１１０：接地点、１２０：発光ダイオード、１３０：限流抵抗。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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