(57)【要約】【課題】  地震や事故などの外部からの衝撃に対して事前の対策をとることが可能な、高い安全性と信頼性を有する定置用燃料電池システムを提供する。【解決手段】  定置用燃料電池システム１０は、筐体１１の衝撃を検知する衝撃検知手段１２を有し、前記衝撃検知手段１２が一定加速度以上の衝撃を検知し、発電のために燃料電池に供給されるガス、電気、水のうち少なくともひとつを遮断する制御を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う定置用燃料電池システムであって、
発電を行うスタックと、
制御部と、
少なくとも前記スタック及び前記制御部を収納する筐体と、
発電の排熱を利用する廃熱利用ユニットと、
前記筐体に配置された筐体の衝撃を検知する衝撃検知手段とを少なくとも有し、
前記衝撃検知手段が制御部に記憶された所定値以上の加速度を検知した際に、発電のために前記定置用燃料電池システムに供給されるガス、電気、水のうち少なくともひとつを遮断する制御を制御部が行うことを特徴とする定置用燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部に記憶された所定値が設定変更可能であることを特徴とする請求項１に記載の定置用燃料電池システム。
【請求項３】
前記衝撃検知手段が前記制御部に記憶された所定値以上の加速度を検知した際に発電のために燃料電池に供給されるガス、電気、水のすべてを遮断することを特徴とする請求項１または２に記載の定置用燃料電池システム。
【請求項４】
前記衝撃検知手段が定置用燃料電池システムの前記筐体の内壁に配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の定置用燃料電池システム。
【請求項５】
前記衝撃検知手段が一定加速度以上の衝撃を検知した場合、一定時間内に前記制御部に記憶された所定値以上の加速度を検知しなければ、前記制御部が前記定置用燃料電池システムを復帰させることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の定置用燃料電池システム。
【請求項６】
前記衝撃検知手段が制御部に記憶された所定値以上の加速度を検知した場合、前記衝撃検知手段からの出力信号に基づいて作動する警報手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の定置用燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料ガスまたは燃料を改質したガスを用いて発電する燃料電池と、貯湯などの排熱利用ユニットを具備した定置用燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を利用した定置用燃料電池システムは、エネルギー変換効率が高く環境負荷低減に有効なため盛んに開発が行われている。定置用燃料電池システムは可燃性の燃料ガスまたは可燃性の燃料改質したガスを使用するため、一般家庭への普及のためには、安全性・信頼性の確保が重要な課題となっている。
【０００３】
これらの異常を検知する手段としては、燃料ガスの漏洩を検知するガスセンサー、漏水を検知する漏水センサーが一般的である。たとえばガスセンサーは燃料電池スタック近傍または燃料を改質する燃料改質器近傍またはガス配管近傍に一般に設置される。漏水センサーは、燃料電池、改質器、貯湯などの排熱利用ユニットなどさまざまな部分で湯水が使用されるため、一般には燃料電池システムの底部付近に配置されている。これらのセンサーは、異常発生の要因を限定せずガス、水の異常を検知するセンサーであり、異常の検知により燃料電池システムの停止や待機などの制御を行うことになる。また電気的な異常に対しては複数のブレーカの配置や、出力電圧・電流（電力）のモニターなどにより、システム内部の異常を検知し、異常発生後に前記システムの制御を行っている。
【０００４】
一方、車両用など移動を伴う燃料電池システムでは、衝突事故など外部起因の異常発生が想定され、たとえば特許文献１に示されるような燃料電池スタックに加速度センサーなどの衝撃センサーを設けることが開示されている。また特許文献２に開示された車両用燃料電池では衝撃を検知した後の燃料水素ガスの二次災害を防止するため、ガスの供給停止や改質器を不活性ガスでパージする安全装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１１９８１５号公報
【特許文献２】特開２００１−１８９１６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の定置用燃料電池システムには、異常発生した後の漏洩ガス、漏水、電気的な漏電など異常に対応した事後検知の手段、制御が考えられているが、例えば地震や触媒などの貴金属を狙った窃盗など外部起因の異常をいち早く検知しシステムの制御を行うためには、十分とはいえない。また定置用燃料電池システムは多くの場合屋外に設置されるため、事故などによる外部からの外力を受ける可能性もあり、各種の異常に対して事前の対策をとることが重要な課題となる。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、衝撃検知手段を備え、地震や事故などの外部からの衝撃をいち早く検知することにより、高い安全性と信頼性を有する定置用燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の課題を解決するために、本発明の定置用燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う定置用燃料電池システムであって、
発電を行うスタックと、
制御部と、
少なくとも前記スタック及び前記制御部を収納する筐体と、
発電の排熱を利用する廃熱利用ユニットと、
前記筐体に配置された筐体の衝撃を検知する衝撃検知手段とを少なくとも有し、
前記衝撃検知手段が制御部に記憶された所定値以上の加速度を検知した際に、発電のために前記定置用燃料電池システムに供給されるガス、電気、水のうち少なくともひとつを遮断する制御を制御部が行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の定置用燃料電池システムは、地震や事故などの外部からの衝撃をいち早く検知することができ、これによりシステムは事前の策としてシステム停止や待機の制御を行うことができるため、高い安全性と信頼性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではなく、実施形態の中で説明されている技術的特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１０】
図１は、本発明の第1の実施形態に係る定置用燃料電池システムを示す。定置用燃料電池システム１０は、燃料電池セルの積層体である燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の発電により発生する熱を有効に利用するための排熱利用ユニット２を有している。燃料は改質器３を通じて改質され燃料電池スタック１に供給される。制御部４は、燃料電池スタック１、排熱利用ユニット２、改質器３を制御していて、燃料電池スタック１については使用する電力に応じて発電量の制御を行っている。また、排熱利用ユニット２については貯湯されている湯量、貯湯温度、給排水量の制御を行っている。改質器３については燃料電池スタック１の発電量に応じて、燃料ガスの供給量や改質温度の制御を行っている。
【００１１】
前記燃料電池スタック１、排熱利用ユニット及び前記制御部４などは筐体１１に収納されている。筐体１１には、筐体にかかる衝撃を検知する衝撃検知手段１２が配置されている。衝撃検知手段１２は衝撃を加速度として検知し、前記制御部に伝達している。制御部４は、予め記憶された所定値以上の加速度を検知した際に燃料電池スタック１、排熱利用ユニット２、改質器３の制御を行っている。
【００１２】
筐体１１には衝撃検知手段１２からの出力信号に基づいて作動する警報手段１３が配置されており、制御部４は警報の動作を制御している。
【００１３】
以下、各構成要素を説明する。
【００１４】
燃料電池スタック１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池セルの積層体である。燃料ガスは、水素ガスまたは少なくとも水素を含む燃料ガスまたは天然ガス、都市ガスなどを改質した燃料ガスが用いられる。酸化剤ガスは酸素ガスまたは少なくとも酸素を含む酸化剤ガスが用いられるが、一般的には空気を用いることができる。
【００１５】
改質器３は、燃料ガスが天然ガス、都市ガス、灯油など直接燃料ガスとして利用できない場合に設置される。上記燃料は種々の炭素化合物、窒素化合物、硫黄化合物を含み、これらは一般に燃料電池セルの発電特性、寿命特性に悪影響を与えるためできる限り除去する必要がある。改質器３はこれらの燃料を純粋な水素ガスに近い燃料ガスに改質し燃料電池スタック１に供給している。改質器３の前後には必要に応じて不純物除去のためのフィルターや燃料ガス、酸化剤ガスを加湿するための加湿器を設けてもよい。
【００１６】
排熱利用ユニット２は、燃料電池スタック１からの発熱を有効に利用するために設けられる。排熱の利用手段としては、蓄熱、熱電変換など種々の利用手段があるが、家庭用としては水を熱交換して湯として貯湯するための貯湯ユニットが好適である。貯湯ユニットの湯は、家庭内で給湯、暖房などに利用される。
【００１７】
制御部４は、これらの燃料電池スタック１、排熱利用ユニット２と改質器３などの制御を行っている。例えば、家庭内の電力の利用量に応じて燃料電池スタックの発電量を変える場合は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量と改質器の制御が必要である。貯湯ユニットについては、湯量、湯温の設定が必要である。実際には、発電量が多い時は発熱も多く効率的に熱交換が可能であるが、発電量が少ない場合には発熱量が減るので熱交換速度に応じた給排水量の制御が必要になる。また利用される湯量によって、燃料電池スタックの発熱量が不足する場合を想定して内部に別途ヒータを設置する場合もあり、ヒータも含めて湯量や湯温の制御を行う。
【００１８】
このように燃料電池システムは可燃性の燃料ガス、電力、湯を扱うため、燃料電池システムの起動、停止やエラー発生時などの際、安全性確保のために制御部４は改質器３、燃料電池スタック１、貯湯ユニット２、ガスの供給、給排水、発電給電を複雑に制御している。
【００１９】
本発明の燃料電池システムの筐体１１には、衝撃検知手段１２が設けられている。衝撃検知手段１２は、燃料電池スタック１、排熱利用ユニット２、改質器３などに複数設けてもよいが、筐体１０に設けることで、外部からの衝撃を高感度に検知することが可能であり、いち早く燃料電池システムへのフィードバックが可能となるので好ましい。また燃料電池システムは屋外に設置されることが多く、防風雨、防塵のため衝撃検知手段１２は筐体１１の内壁に設置することが好ましい。
【００２０】
衝撃検知手段１２としては、エアーバックやロボット、カーナビゲーションシステムに利用される加速度センサーを用いてよい。加速度センサーは、一軸加速度センサー、三軸加速度センサー、角加速度センサーなどの種類があるが、筐体に設置してあれば外部からの衝撃の検知は可能でありその種類や個数は上記に限定されない。このうち一軸加速度センサーは、特に安全性に関わる部分や衝撃に弱い部分や方向を想定し、目的に応じて筐体の特定箇所に選択的に設置する場合に好適である。また、三軸加速度センサーは全方向からの衝撃について信号検知が可能であり、設置個数を少なくできるので特に好ましく用いることができる。これらの加速度センサーの設置箇所は限定されないが、筐体上部に設置すれば揺れが大きく高感度な衝撃検知が可能となるので好ましい。
【００２１】
本発明の燃料電池システムの筐体１には、警報手段１３が設けられている。警報手段１３は警報器や回転灯、信号灯を用いてよい。警報音、回転灯の点滅パターンや色は限定されないが、複数のパターンや色をもつものであれば、警報の種類を複数設定できるのでより好ましく用いることができる。
【００２２】
外部からの衝撃としては、地震や事故による大きな衝撃が想定される。またこのほかに、小さい地震や子供の遊びなどの種々の小さい衝撃を検知する場合が想定される。制御部４に予め所定の加速度を定めておき、所定値以上の加速度を検知した場合に燃料電池システムを制御するようにしておくとよい。所定の加速度以上を検知した場合でも、直後にシステムを停止するのではなく、一定の時間を設けて、一定時間内に一定加速度以上の衝撃を検知しなかった場合、システムが復帰するように制御部４を設定してもよい。また比較的大きな衝撃で、線路付近の家屋の振動や高層ビルの上階の揺れなどで一定時間を超える場合が想定される。このような振動、衝撃は周期性をもつことがよく知られている。衝撃検知手段１２または制御部４が、これらの特定の周期性を持つ振動・衝撃をキャンセルする機能を有することにより、不必要な定置用燃料電池システムの停止を防ぐことができる。学習機能を設けて特定の周期性を持つ振動・衝撃を衝撃検知手段１２または制御部４に記憶させることも可能であり、より信頼性の高い定置用燃料電池システム１０の実現可能性がある。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態に係る定置用燃料電池システム１０の動作について説明する。
【００２４】
例えば地震が発生した場合、ガス会社によるガス供給停止、水道会社による給水停止、災害による給電停止など、ガス、水、電気がシステムの制御と無関係に停止される場合があるが、燃料電池システムは前記のように可燃性の燃料ガス、大電力、大量の湯を取扱うシステムであり、安全性や信頼性確保のためには、可能な限り制御部による制御によって停止、起動などの動作を行うことが好ましい。本発明の実施の形態に係る定置用燃料電池システムは、筐体に設置した衝撃検知手段によりいち早く外部からの衝撃を検知することが可能であり、制御部４が異常発生を検知した場合に、制御部により燃料電池システムの動作を行うものである。
【００２５】
制御部には予め所定の加速度を定めておき、所定値以上の加速度を検知した際に燃料電池システムを制御する。燃料電池システムが外部から受ける衝撃はさまざまに想定されるので、制御部に定める所定の加速度は複数設定するとよく、加速度の程度によりシステムの制御パターンも複数設けるとより好ましい。例えば地震であっても震度によって、システムへの影響が変わるため、震度によってシステムの制御パターンを変えることが可能となる。特に地震を想定した場合、加速度と同時に揺れの周期を考慮すると地震の震度をより正確に把握でき、より信頼性の高い燃料電池システムを実現できる。
【００２６】
衝撃を検知した後の燃料電池システムの動作は衝撃の程度、回数などにより、複数パターン設けることが好ましい。例えば、比較的小さい加速度以上を検知した場合、直後にシステムを停止するのではなく、一定の時間（以下、待機状態）を設けて、一定時間内に一定加速度以上の衝撃を検知しなかった場合、システムが復帰するように制御部４を設定してもよい。
【００２７】
図２に本発明の実施形態に係る定置用燃料電池システムの動作フロー図を示す。
【００２８】
衝撃の程度の大・中・小は、大きな衝撃は車の追突や震度５以上（加速度１００ｃｍ・ｓｅｃ−２以上）、中程度の衝撃は電車の振動や震度３〜５未満の地震（加速度１０以上１００ｃｍ・ｓｅｃ−２未満）、比較的小さい衝撃は窃盗時における初期振動や震度３未満（加速度１０ｃｍ・ｓｅｃ−２未満）が目安となる。
【００２９】
大きな衝撃を検知した場合は、重大事故につながる可能性が高いため、たとえ１回の検知であってもシステムは停止することが好ましい。また、“ガスと電気”や“水と電気”は複合的に二次災害を起こす可能性があるため、大きな衝撃の場合はガス、水、電気のすべてを遮断するよう制御することが好ましい。この場合、ガス、水、電気をいったん遮断した後、漏水、漏電の異常のチェックを行った後、システムを再起動するよう設定しておくと安全性が確保できるので好ましい。
【００３０】
中程度の衝撃により中程度以上の加速度を検知した場合は、いったんガスの供給を停止し、一定時間内に継続して加速度を検知した場合に電気・水を含めたシステム全体を停止する制御を行うようにすれば、システムの利便性を損なわないので好ましい。（ガス供給を停止した状態を待機状態とする。）待機状態は、衝撃を検知した時のシステムの状態によりいくつかの制御パターンを設定する必要があるが、火災、爆発など大きな二次災害につながる可能性があるガスは優先して停止するとよい。また、待機状態においてガス停止が例えば１０分以内などの短時間であれば、燃料電池スタック内のガスの残存、改質器の保持温度など、システムを再起動するまでの時間が短時間になる。待機状態の時間は、これらシステム復帰に対する影響度と衝撃の程度がシステムに与える影響度を考慮して設定するとより好ましい。
【００３１】
さらに中程度の衝撃の場合、線路付近の家屋の振動や高層ビルの上階の揺れなど、比較的大きくかつ頻繁に発生する加速度を検知してしまう場合がある。これらの衝撃が周期性ももつことは知られているので、予め制御部に衝撃のパターンを記憶させておいてキャンセルする機能をもたせるとシステムの利便性が向上するので、好ましい。
【００３２】
また、中程度以上の加速度の場合、衝撃検知の記録を残すようにすれば、システムのチェックなどメンテナンスの判断にも役に立つ。さらに制御部に学習機能をもたせ、記録した衝撃の回数、加速度の大きさ、方向、周期、角速度などから、予め想定できない種々の日常的な衝撃に対してキャンセルが可能となりシステムの信頼性が増すのでより好ましい。
【００３３】
比較的小さい衝撃により比較的小さな加速度を検知した場合は、緊急にシステム停止を行う必要はないが、これらの衝撃は中程度以上の衝撃の前兆となる場合があり、また小さな衝撃が継続する場合は窃盗の可能性もある。小さな衝撃を検知した場合でも、いったんシステムは待機状態とし、一定時間内に一定加速度以上の衝撃の有無により、システムの停止・復帰の制御を行うと好ましい。
【００３４】
本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの制御は、システムに供給されるガス、電気、水のうち少なくともひとつを遮断するよう動作することが好ましい。ガスは火災、爆発など二次災害の要因になりうるので、特に優先して遮断するように制御することが好ましい。またガスを遮断した後、システム内の残留ガスも危険なので不活性ガスで燃料電池スタックなどをパージすると安全性が向上するので、より好ましい。
【００３５】
本発明の実施の形態に係る定置用燃料電池システムには警報手段１３を設けている。前記したように警報手段は複数の警報パターンを設定しておくことが好ましい。衝撃の程度に応じた警報の発令や、衝撃を検知した後のシステムの制御状態（例えば、小さい衝撃を１回検知した状態、大きな衝撃を検知した状態、揺れ加速の学習中など）を表示する手段として利用可能であり、利用者の利便性を図るために好ましく用いることができる。
【００３６】
また、定置用燃料電池システムは貴金属触媒を利用しており、外部から貴金属を狙った窃盗などの衝撃も想定される。例えば比較的小さい衝撃が短時間に複数回継続した場合や、筐体の開閉部分にセンサーを設置しておいて、衝撃の後に筐体の開閉センサーが開くのを検知した場合に、警告音、通報音などを設定しておくと、燃料電池システムの防犯機能として有効である。
【００３７】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、上記実施の形態には多様な変更又は改良を加えることが可能であることは明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、燃料ガスまたは燃料を改質したガスを用いて発電する燃料電池と、排熱利用ユニットを具備した定置用燃料電池システムに関し、高い安全性と信頼性を有する定置用燃料電池システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る定置用燃料電池システムを示す図
【図２】本発明の実施形態に係る定置用燃料電池システムの動作フロー図
【符号の説明】
【００４０】
１  燃料電池スタック
２  排熱利用ユニット
３  改質器
４  制御部
１０  定置用燃料電池システム
１１  筐体
１２  衝撃検知手段
１３  警報手段
【図１】
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【図２】
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