(57)【要約】【課題】ケーシングの内部において可燃性ガスの漏洩が発生した場合にそれを検出し、また、換気ファンの消費電力の低減を図ることが可能なパッケージ型の燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】燃料電池発電装置のケーシング内において可燃性ガスである水素ガスが検出されると、その検出された濃度の値が爆発下限界（ＬＥＬ）の４分の１未満であるときに、検出された濃度の値に応じて予め規定された回転数で換気ファンを作動させ、換気ファンを作動させてからその後に検出される水素の濃度値が０％であればファンの作動を停止する。また、換気ファンを作動させてからその後に検出される水素の濃度値が一定時間連続して２４％ＬＥＬを示しているとき、燃料電池本体の発電動作を停止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と燃料が供給されて電力を発電する燃料電池本体をケーシング内に備えた燃料電池発電装置において、
前記燃料電池本体へ燃料として供給される水素ガスを生成する燃料改質装置と、前記燃料改質装置で生成した水素ガスを蓄える貯留タンクと、前記ケーシング内部の水素ガスの濃度を検出する水素検出手段と、前記ケーシングの内部へ外気を取り込む吸気口と、前記ケーシング内部の空気を前記ケーシングの外部へ排出する排気口と、前記ケーシング内部の空気を循環する換気ファンと、燃料電池全体の動作を制御する制御部と、水素の爆発下限界の４分の１未満の濃度範囲を複数に分割し、分割した範囲ごとに前記換気ファンの回転数を設定したデータテーブルを記憶する記憶部とを備え、
前記水素検出手段で検出した前記ケーシング内部の水素の濃度値が爆発下限界の４分の１未満であるときに、前記記憶部に記憶したデータテーブルを参照し、検出された濃度値が含まれる範囲に対応する回転数で前記換気ファンを作動させ、換気ファンを作動させてからその後に検出される水素の濃度値が０％ＬＥＬになったとき前記換気ファンの作動を停止することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池発電装置において、前記水素検出手段で検出した前記ケーシング内部の水素の濃度値が爆発下限界の４分の１未満であるときに、前記記憶部に記憶したデータテーブルを参照し、検出された濃度値が含まれる範囲に対応する回転数で前記換気ファンを作動させ、換気ファンを作動させてからその後に検出される水素の濃度値が一定時間連続して２４％ＬＥＬを示しているとき、前記燃料電池本体の発電動作を停止することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項３】
請求項１または２何れか記載の燃料電池発電装置において、前記換気ファンを複数個備えると共に各換気ファンの故障発生有無を検出する手段を備え、複数の換気ファンの内の何れかの換気ファンに故障が発生したとき、残る正常な換気ファンで作動を継続し、複数の換気ファンの全てのファンに故障が発生したとき、前記燃料電池本体の発電動作を停止することを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池本体が他の機器や配管と共にケーシング内に収容されたパッケージ型の燃料電池発電装置であって、特に、ケーシング内における可燃性ガスの検出を行い、ケーシング内部を換気ファンにより換気するようにした燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パッケージ型の燃料電池発電装置では、ケーシングに収容した機器から発生する熱でケーシング内部が過熱することを防止する為に、ケーシングに設けられた排気口に換気ファンを取り付け、ファンを駆動することでケーシング内部の換気を行うようにしている。更には、ケーシング内部から可燃性ガスの漏洩が発生するという万一の場合を想定し、漏洩した可燃性ガスによる爆発の発生を防止する為に、ケーシングの内部に可燃性ガスの検出器を設け、ケーシング内部の可燃性ガス濃度を判別して換気ファンの駆動制御を行う装置が提案されている（特許文献１）。特許文献１に開示される装置では、吸気口及び排気口を有するパッケージ（ケーシング）の内部に、燃料電池本体、燃料処理装置、制御装置、配管類、を収容し、パッケージの排気口に換気ファンと可燃性ガス検知器とをそれぞれ設けることにより、パッケージ内の換気と可燃性ガスの漏洩検出を可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−８６８９１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このパッケージ型発電装置では、可燃性ガスの漏洩が発生すると、換気ファンによって可燃性ガスが排気口側に導かれ、そこで換気口付近に設けられた可燃性ガス検知器によって検知され、この検知信号に基づいて換気ファンの回転数を上げる制御動作が行われる。この動作により、換気ファンによる換気量が増加し、パッケージ内における可燃性ガスの濃度が爆発下限界以下に抑えられる作用効果が得られるものである。このような装置において可燃性ガスの漏洩を確実に検出するには、パッケージ内における空気の流れを良好な状態に維持することが望ましく、その為には換気ファンを常時作動させて一定量以上の換気風量を常に確保する必要があった。換気ファンを常時作動させることは、消費電力が嵩むという問題がある上に、換気ファンの作動による騒音が常時発生し、また、ファンの寿命低下にもつながるという問題があった。そして、塩害地域に装置が設置される場合にはパッケージの内部に塩分を吸入しないよう外気を取り込む吸気口に塩害防止エアフィルタが取り付けられるが、パッケージ内部で換気ファンを常時作動させると、塩害防止エアフィルタの詰まりが早くなるという問題があった。また、燃料電池本体や燃料改質装置の作動には外気温に比べて高い温度が必要とされる為、換気ファンを常時作動させると、外気温が低温の場合にパッケージの内部温度が低下して効率の低下につながったり、本来の十分な能力を発揮することができないという事態が生じる問題があった。
【０００５】
本発明は上記の様な問題点に鑑みてなされたものであり、ケーシングの内部において可燃性ガスの漏洩が発生した場合にそれを検出し、また、換気ファンの消費電力の低減を図ることが可能なパッケージ型の燃料電池発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記の目的を達成するために本発明は、空気と燃料が供給されて電力を発電する燃料電池本体をケーシング内に備えた燃料電池発電装置において、前記燃料電池本体へ燃料として供給される水素ガスを生成する燃料改質装置と、前記燃料改質装置で生成した水素ガスを蓄える貯留タンクと、前記ケーシング内部の水素ガスの濃度を検出する水素検出手段と、前記ケーシングの内部へ外気を取り込む吸気口と、前記ケーシング内部の空気を前記ケーシングの外部へ排出する排気口と、前記ケーシング内部の空気を循環する換気ファンと、燃料電池全体の動作を制御する制御部と、水素の爆発下限界の４分の１未満の濃度範囲を複数に分割し、分割した範囲ごとに前記換気ファンの回転数を設定したデータテーブルを記憶する記憶部とを備え、前記水素検出手段で検出した前記ケーシング内部の水素の濃度値が爆発下限界の４分の１未満であるときに、前記記憶部に記憶したデータテーブルを参照し、検出された濃度値が含まれる範囲に対応する回転数で前記換気ファンを作動させ、換気ファンを作動させてからその後に検出される水素の濃度値が０％ＬＥＬになったとき前記換気ファンの作動を停止することを特徴とする燃料電池発電装置を提案する。
【０００７】
（２）上記提案の燃料電池発電装置は、前記水素検出手段で検出した前記ケーシング内部の水素の濃度値が爆発下限界の４分の１未満であるときに、前記記憶部に記憶したデータテーブルを参照し、検出された濃度値が含まれる範囲に対応する回転数で前記換気ファンを作動させ、換気ファンを作動させてからその後に検出される水素の濃度値が一定時間連続して２４％ＬＥＬを示しているとき、前記燃料電池本体の発電動作を停止することが望ましい。
【０００８】
（３）また、前記換気ファンを複数個備えると共に各換気ファンの故障発生有無を検出する手段を備え、複数の換気ファンの内の何れかの換気ファンに故障が発生したとき、残る正常な換気ファンで作動を継続し、複数の換気ファンの全てのファンに故障が発生したとき、前記燃料電池本体の発電動作を停止することが望ましい。
【発明の効果】
【０００９】
（１）提案の発明によれば、燃料電池発電装置のケーシング内において可燃性ガスである水素ガスが検出されると、その検出された濃度の値が爆発下限界（ＬＥＬ）の４分の１未満であるときに、検出された濃度の値に応じて予め規定された回転数で換気ファンを作動させ、換気ファンを作動させてからその後に検出される水素の濃度値が０％であればファンの作動を停止する。これにより、ケーシング内で水素検出手段が水素を検出した場合に、ファンを作動させてケーシング内の空気を換気し、換気を行った後のケーシング内で水素が検出されなければファンを停止する。従って、換気ファンを常時作動させる必要がなく、ケーシング内で水素が検出された場合のみ換気動作が行われる為、換気ファンで消費される電力を大幅に削減し、同時に換気ファンの寿命低下を防止することができる。また、ケーシング内の換気動作が最小限に抑えられる為、吸気口に取り付けられた除塵フィルタの清掃頻度や、塩害防止エアフィルタの交換頻度を減らすことができる。また、燃料電池として温度管理を行う上で、発電機能の点からは不要な換気を極力行わずに済むことから、発電効率を向上させることができる。
【００１０】
（２）提案の発明によれば、ケーシング内で水素検出手段が水素を検出した場合に換気ファンを作動させてケーシング内の空気を換気し、その後、換気を行いながら再び水素の検出を行い、その結果、検出された水素の濃度値が爆発下限界のほぼ４分の１に相当する２４％ＬＥＬを一定時間連続して示した場合には、燃料電池本体の発電動作を停止する。これにより、通常は換気ファンの作動を最小限に抑えるようにする一方で、ケーシング内で水素が検出された場合には換気を行い、それでも再び２４％ＬＥＬの水素を検出した場合には水素漏れが発生していると判断して燃料電池本体の動作を停止する為、節電と換気ファンの寿命向上を図りながら確実に水素漏れを検出することができる。
【００１１】
（３）提案の発明によれば、複数個の換気ファンを備えて、それらファンの内の何れかのファンに故障が発生したときに正常なファンで換気を行い、複数のファンの全てに故障が発生したときには燃料電池本体の動作を停止する為、水素漏れの検出動作を行う際の信頼性を向上させることができる。また、換気ファンが全て故障して換気の機能が失われた場合には、水素漏れが発生する前に燃料電池本体の動作を停止する為、危険な状態に陥る前に安全処置を施すことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明実施例に係る燃料電池発電装置の全体構成を示す説明図である。
【図２】水素の検出動作と水素を検出した場合の換気ファンの動作を示すフローチャートである。
【図３】水素検出手段で検出した水素濃度値と換気ファンの回転数との関係を示すデータテーブルである。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明実施例に係る燃料電池発電装置の全体構成を示す説明図である。１は燃料電池発電装置の外郭を構成するケーシングで、このケーシング１の内部には、燃料電池本体２、燃料改質装置３、燃料改質装置３で水素を生成する為の燃料となるメタノール水溶液を蓄える燃料タンク４、燃料改質装置３で生成した水素ガスを蓄える貯留タンク５、燃料電池本体２へ空気を供給するブロア６、水素検出手段７、温度センサ８、ケーシング内を換気する為の換気ファン９、換気ファンの回転を制御する為のデータを記憶する記憶部１０、燃料電池発電装置全体の動作を制御する制御部１１、換気ファンの故障発生有無を検出する換気ファン故障検出部１６、をそれぞれ収容している。そして、これらのうち、制御部１１及び記憶部１０はケーシング内において隔壁１７により隔離され、他の機器と隔てられた別の空間に収容されている。ケーシング１には吸気口１２及び排気口１３が設けられており、このうちの吸気口１２には塩害防止エアフィルタ１４が取り付けられている。換気ファン９を作動させると、吸気口１２から塩害防止エアフィルタ１４を介してケーシング内に外気が流入し、ケーシング内部の換気を行った後に排気口１３からケーシング外に排出されるようになっている。その際に、塩害防止エアフィルタ１４を介して外気が導入される為、塩害の原因となる海塩粒子や塩水ミストが外気に含まれていてもそれが除去された空気がケーシング内に取り込まれ、塩害の発生が防止される。なお、この塩害防止エアフィルタ１４は海塩粒子や塩水ミストだけでなく、オイルミストや塵埃も除去する機能を備えている。そして、換気ファン９は２つのファンユニットが１セットになって構成されており、個々のファンユニットそれぞれに対して換気ファン故障検出部１６によって故障検出が行われる。２つの内の何れかに故障が発生すると、残りの正常なファンで換気動作が行われ、両方のファンユニットに故障が発生した場合にはそれ以降の換気動作が行えなくなる為、燃料電池本体２の動作は停止される。
【００１４】
燃料改質装置３は燃料タンク４から供給されるメタノールと水蒸気とを混合し、１５０〜３００度Ｃ程度の温度で触媒を用いて反応させ、メタノールを水素ガスと二酸化炭素に分解するものである。図示しないが、燃料タンク４と燃料改質装置３とを接続する管路には、ソレノイドバルブと燃料ポンプが取り付けられており、制御部１１に制御されて燃料タンク４から燃料改質装置３へメタノール水溶液が供給される。
【００１５】
燃料電池本体２は、燃料極、電解質、空気極が層となったセルを一つの単位として、このセルをセパレータを介して多数積層して構成している。燃料極と空気極は気体を通す構造を備えており、貯留タンク５に蓄えた水素ガスを燃料極に供給し、空気極にブロア６から空気を供給することで、水素は燃料極で水素イオンになる。電解質はイオンのみを通す為、水素がイオン化した際に切り離された電子は電解質の外に移動し、電解質の中を移動した水素イオンは反対側の空気極に送られた酸素と、外側の回路を流れて戻ってきた電子と反応して水となる。このようにして発電が行われ、直流で発電された電力は直流／交流インバータ１５で交流に変換されて外部の負荷へと供給される。
【００１６】
燃料改質装置３と燃料電池本体２は、上記のような反応を保持して効率の良い稼働状態を維持する為には高い温度が必要であり、その一方でケーシング内の雰囲気温度が過度に上昇するのを抑制する為に、燃料改質装置３と燃料電池本体２の外側面は厚い断熱材によって覆われている。しかしながら、断熱材を通して放散される熱の発生は避けられないことから、換気ファン９によりケーシング内を換気することで冷却を行っている。制御部１１は温度センサ８で検出したケーシング内の温度に基づいて換気ファン９の回転数を制御し、換気風量の調節を行うことでケーシング内に収めている機器を正常動作可能な温度に保つようにしている。これにより、ケーシング内の雰囲気温度が上昇し過ぎるのを防ぐと共に、燃料改質装置３、燃料電池本体２、機器同士を接続する配管の温度が稼働に適した温度より下がり過ぎないようにしている。記憶部１０には温度センサ８で検出した温度と換気ファン９の回転数との関係がデータテーブルとして記憶されており、このテーブルに従って制御部１１は換気ファン９の駆動制御を行う。
【００１７】
水素検出手段７は、ケーシング内の雰囲気中に含まれる水素の有無とその濃度の検出を行っており、この水素検出手段７が水素を検出すると、制御部１１は検出された水素の濃度値に応じた回転数で換気ファン９を駆動し、ケーシング内の強制換気を行う。記憶部１０には水素検出手段７で検出した水素濃度値と換気ファン９の回転数との関係がデータテーブルとして記憶されており、このテーブルに従って制御部１１は換気ファン９の駆動制御を行うのである。ＩＥＣ規格では、燃料電池発電システムは、換気装置の排気中の可燃性ガスの濃度が２５％ＬＥＬを超えないようにしなければならないよう規定されており、燃料電池発電装置として漏洩する可能性が最も高い可燃性ガスである水素の場合、爆発下限界が４ｖｏｌ％であることから、４ｖｏｌ％＝１００％ＬＥＬの関係となり、従って、ケーシング内の雰囲気中に含まれる水素ガスの濃度を２５％ＬＥＬである１ｖｏｌ％以内に保たなければならない。そこで、水素検出手段７が水素を検出した場合には、換気ファン９を駆動してケーシング内の水素を排出するのである。但し、水素検出手段７を構成する水素ガス検出器は、その構造上、水素以外の可燃性ガスにも応答性を示す為、１ｖｏｌ％以内の範囲で検知を行う場合に、屋外の様々な排気ガス等に反応して誤って検出を行う可能性が考えられる。そこで、ケーシング内で水素を検出した場合に、検出した水素の濃度値に応じた回転数で換気ファン９を駆動し、その後、水素検出手段７で検出する水素の濃度が０％ＬＥＬになった場合には、ケーシング内で水素の漏洩は発生していないと判断して換気ファンの動作を停止する動作を行うようにしている。
【００１８】
次に、水素の検出動作と水素を検出した場合の換気ファンの動作について、図２のフローチャートを基に説明する。水素検出手段７において水素が検出されると（Ｓ１）、検出された水素濃度の値が１％ＬＥＬ〜６％ＬＥＬの範囲内であるかを判断する（Ｓ２）。１％ＬＥＬ〜６％ＬＥＬといった範囲の低い値である場合には、緊急性が低い上に誤検出の可能性が考えられること、また、危険がない範囲でケーシング内の換気動作を出来るだけ最小限に抑えたいという考えから、換気ファンの作動は行わずに停止した状態を保持する（Ｓ３）。もちろん、Ｓ１において水素を検出していない時にも換気ファンは停止状態を保持する（Ｓ３）。次に、Ｓ１で検出された水素濃度の値が７％ＬＥＬ〜１２％ＬＥＬの範囲内であるかの判断を行い（Ｓ４）、７％ＬＥＬ〜１２％ＬＥＬの範囲内である場合には、換気ファンを低い回転数で作動させる（Ｓ５）。続いて、Ｓ１で検出された水素濃度の値が１３％ＬＥＬ〜１８％ＬＥＬの範囲内であるかの判断を行い（Ｓ６）、１３％ＬＥＬ〜１８％ＬＥＬの範囲内である場合には、換気ファンをＳ５の低回転よりも高い回転数の中回転で作動させる（Ｓ７）。続いて、Ｓ１で検出された水素濃度の値が１９％ＬＥＬ〜２４％ＬＥＬの範囲内であるかの判断を行い（Ｓ８）、１９％ＬＥＬ〜２４％ＬＥＬの範囲内である場合には、換気ファンをＳ５の低回転やＳ７の中回転よりも高い回転数の高回転で作動させる（Ｓ９）。Ｓ９で換気ファンを高回転で作動させた後に、検出されている水素濃度の値が一定時間連続して２４％ＬＥＬの数値を示しているかを判断し（Ｓ１０）、一定時間連続していない場合は換気ファンを高回転で作動させた状態を保持する。Ｓ１０において、もし２４％ＬＥＬの数値を一定時間連続して検出していた場合には、ケーシング内において水素漏れが発生していると判断して燃料電池本体２の動作を停止する。また、Ｓ８において水素濃度の値が２４％ＬＥＬを超えていた場合には、安全対策として燃料電池本体２の動作を停止する。ここで、Ｓ１０で判断する際の一定時間として、本実施例では５秒を設定している。
【００１９】
次に、記憶部１０に記憶するデータテーブルのうち、水素検出手段で検出した水素濃度値と換気ファンの回転数との関係を示すデータテーブルについて図３を基にして説明する。このデータテーブルでは、水素濃度％ＬＥＬと、これに対応する水素濃度ｖｏｌ％と、それら濃度の時の換気ファンの動きの関係を規定したものである。即ち、水素濃度０〜６％ＬＥＬ（０〜０．２４ｖｏｌ％）の範囲では換気ファンの動作を停止した状態とし、水素濃度７〜１２％ＬＥＬ（０．２８〜０．４８ｖｏｌ％）の範囲では換気ファンを低速で作動させ、水素濃度１３〜１８％ＬＥＬ（０．５２〜０．７２ｖｏｌ％）の範囲では換気ファンを中速で作動させ、水素濃度１９〜２４％ＬＥＬ（０．７６〜０．９６ｖｏｌ％）の範囲では換気ファンを高速で作動させるよう規定している。以上のようにして、燃料電池発電装置のケーシング内において水素ガスの有無及び水素濃度を検出し、水素ガスを検出した場合にはその濃度に応じて換気ファンの回転数を切り換えて駆動を行い、以降、ケーシング内で水素ガスが検出されなくなるか、極めて低い濃度値になるまで換気ファンの駆動を継続する。そして、換気ファンを駆動しても検出される濃度値が２４％ＬＥＬを示し続けた場合は燃料電池本体の動作を停止する。これにより、換気ファンの作動を最小限に抑えながら、安全性を確保している。
【符号の説明】
【００２０】
１  ケーシング
２  燃料電池本体
３  燃料改質装置
４  燃料タンク
５  貯留タンク
６  ブロア
７  水素検出手段
８  温度センサ
９  換気ファン
１０  記憶部
１１  制御部
１２  吸気口
１３  排気口
１６  換気ファン故障検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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