JP2007200650A - 燃料電池発電装置およびその換気方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池発電装置のパッケージ内の環境温度管理の面から効率的なものとする。
【解決手段】燃料電池発電装置は、隔壁２１によって本体室２と電気室１とに区画された筐体２０と、本体室２内に収容された燃料電池本体と、電気室１内に収容されて燃料電池本体の運転を制御する制御装置と、電気室１内に収容されて燃料電池本体で生じた直流を交流に変換するインバータと、電気室１内を換気する電気室ファン５と、本体室排気口７を通じて本体室２内の空気を筐体２０の外部に排出する本体室ファン６と、を有する。本体室２の底面に本体室吸気口３ｂが形成され、電気室１の底面に電気室吸気口３ａが形成され、電気室吸気口３ａから電気室１内に吸引された空気が隔壁２１の隙間を通って本体室２に導かれ、本体室吸気口３ｂから本体室２内に吸引された空気とともに本体室排気口７から筐体２０の外へ排出される。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池本体などを収容する燃料・モータ室（本体室）とインバータなどを収容する電気室とに区画された筐体を有する燃料電池発電装置およびその換気方法に関する。

燃料が有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであり、高い発電効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有する発電装置である。近年まで、比較的大型のＰＡＦＣ（りん酸形燃料電池）が主に開発されてきたが、最近では小型のＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）の開発が活性化し、家庭用燃料電池システムの普及も間近な状況となっている。

ところで、この燃料電池発電装置は、水素発生装置、発電部である燃料電池本体、燃料電池本体より発電された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ、制御装置、熱交換器、反応器、回転器などから構成されている。これらの構成要素は一つまたは複数のエンクロージャに収容され、一体のパッケージ（筐体）内に組み込まれている。したがって、都市ガスやＬＰＧなど化石燃料を使用する当該燃料電池発電装置において、換気による可燃性ガス漏洩管理や環境温度管理は、安定した運転を継続させるために重要なものとなっている。

ここで、従来の典型的な燃料電池発電装置の換気方法を説明する（特許文献１および特許文献２参照）。

筐体は、隔壁によって、燃料・モータ室（本体室）と電気室とに区画されている。本体室には、水素発生装置、燃料電池本体、熱交換器、反応器、回転器などが収容されている。本体室には、専用の本体室ファンが設けられ、空気口から取り入れられた空気が前記機器類周辺を通過し、本体室ファンによりパッケージ外へ放出される。

一方、電気室には、燃料電池本体より発電された直流電圧を交流電圧に変換するインバータや制御装置などの電気品が収容されている。電気室には専用の電気室ファンが設けられ、空気口から取り入れられた空気が電気室ファンを介して、インバータ、制御装置周辺を通過し、パッケージ外へ放出される。そして、本体室ファン入口には可燃性ガス検知器が取り付けられ、万が一パッケージ内で可燃性ガスが一定量以上漏洩した場合は、当該可燃性ガス検知器による漏洩検知により、燃料電池発電装置が保護停止される。

以上が従来の典型的な燃料電池発電装置の換気方法であり、可燃性ガス漏洩管理という面では一定の効果が得られていた。また、換気ファンの消費電力を低減する観点から、複数の換気ファンを１台で共用とする方法（特許文献１）や外部の換気システムを利用する方法（特許文献２）などが提案されている。
特開平９−１９９１５２号公報 特開２００５−１８３０５８号公報

上述のように、これまでの技術は燃料電池の発電効率向上を目的として、換気ファンの消費電力低減に主眼が置かれている。

しかし、パッケージ内の環境温度管理という面を重視した技術は知られていなかった。すなわち、夏場など外気温が高い条件下や太陽の日差しによる放射熱の影響を受ける環境下ではパッケージ内の温度が規定値を上回り、内部の機器に悪影響を及ぼすことが想定される。

また、逆に冬場など外気温が低い条件下で夏場と同一の換気方法を行なった場合、パッケージ内部の配管や機器の放熱が大きくなり、燃料電池の発電効率や排熱回収効率の低下を招く恐れがある。これは、燃料電池の運転における経済性という面で不利益となる。

そこで、本発明ではパッケージ内の環境温度管理という面から効率的な燃料電池発電装置およびその換気方法を提供することを目的とする。

この発明は上記目的を達成するものであって、一つの態様による燃料電池発電装置は、隔壁によって本体室と電気室とに区画された筐体と、前記本体室内に収容された燃料電池本体と、前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体の運転を制御する制御装置と、前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体で生じた直流を交流に変換するインバータと、前記電気室内を換気する電気室ファンと、本体室排気口を通じて前記本体室内の空気を前記筐体の外部に排出する本体室ファンと、を有し、前記本体室の底面に本体室吸気口が形成され、前記電気室の底面に電気室吸気口が形成され、前記電気室吸気口から前記電気室内に吸引された空気が前記隔壁の隙間を通って前記本体室に導かれ、前記本体室吸気口から前記本体室内に吸引された空気とともに前記本体室排気口から前記筐体の外へ排出されるように構成されていること、を特徴とする。

また、この発明の他の一つの態様による燃料電池発電装置は、隔壁によって本体室と電気室とに区画された筐体と、前記本体室内に収容された燃料電池本体と、前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体の運転を制御する制御装置と、前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体で生じた直流を交流に変換するインバータと、前記電気室内を換気する電気室ファンと、前記本体室内の空気を前記筐体の外部に排出する本体室ファンと、を有し、前記電気室の底面全体に電気室吸気口が形成され、前記電気室吸気口から前記電気室内に吸引された空気が前記隔壁の隙間を通って前記本体室に導かれ、前記本体室排気口から前記筐体の外へ排出されるように構成されていること、を特徴とする。

また、この発明のさらに他の一つの態様による燃料電池発電装置の換気方法は、隔壁によって本体室と電気室とに区画された筐体と、前記本体室内に収容された燃料電池本体と、前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体の運転を制御する制御装置と、前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体で生じた直流を交流に変換するインバータと、前記電気室内を換気する電気室ファンと、本体室排気口を通じて前記本体室内の空気を前記筐体の外部に排出する本体室ファンと、を有し、少なくとも前記電気室の底面に電気室吸気口が形成され、前記電気室吸気口から前記電気室内に吸引された空気が前記隔壁の隙間を通って前記本体室に導かれ、前記本体室排気口から前記筐体の外へ排出されるように構成された燃料電池発電装置の換気方法であって、前記インバータの下流側の温度を計測し、前記電気室ファンの回転数を、前記インバータの下流側の温度に応じて変動させること、を特徴とする。

また、この発明のさらに他の一つの態様による燃料電池発電装置の換気方法は、隔壁によって本体室と電気室とに区画された筐体と、前記本体室内に収容された燃料電池本体と、前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体の運転を制御する制御装置と、前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体で生じた直流を交流に変換するインバータと、前記電気室内を換気する電気室ファンと、本体室排気口を通じて前記本体室内の空気を前記筐体の外部に排出する本体室ファンと、を有し、少なくとも前記電気室の底面に電気室吸気口が形成され、前記電気室吸気口から前記電気室内に吸引された空気が前記隔壁の隙間を通って前記本体室に導かれ、前記本体室排気口から前記筐体の外へ排出されるように構成された燃料電池発電装置の換気方法であって、前記本体室排気口付近の温度を計測し、前記本体室ファンの回転数を、前記本体室排気口付近の温度に応じて変動させること、を特徴とする。

本発明によれば、パッケージ内の環境温度管理という面から効率的な燃料電池発電装置およびその換気方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る燃料電池発電装置の第１の実施形態における換気システムを示す模式的斜視図であり、図２はその模式的立断面図である。

燃料電池発電装置全体が一つの筐体２０内に収容されている。筐体２０は、隔壁２１によって電気室１と本体室（燃料・モータ室）２とに区画されている。本体室２には燃料電池本体２２のほか、水素発生装置、熱交換器、反応器、回転器など（図示せず）が収容されている。また、電気室１には、燃料電池本体２２により発電された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ２３や燃料電池発電装置を制御する制御装置２４などの電気品が収容されている。なお、燃料電池本体２２、インバータ２３、制御装置２４は、図２に概念的に示されているが、図１では図示を省略している。

本体室２には本体室ファン６および本体室排気口７が設けられ、本体室２内の空気を、本体室排気口７を通じて本体室ファン６によって排出できるようになっている。また、電気室１内には電気室ファン５が配置され、これにより電気室１内のインバータ２３や制御装置２４などの電気品に風を送って冷却するようになっている。隔壁２１には隙間があって、電気室１と本体室２の間を漏洩する空気流ができるようになっている。

この実施形態では、電気室１の底面全体にわたって電気室吸気口３ａが設けられ、本体室２の底面全体にわたって本体室吸気口３ｂが設けられている。電気室吸気口３ａと本体室吸気口３ｂは一体的に、筐体２０の底面全体にわたる吸気口３をなしている。吸気口３は、たとえば、底板に多数の小孔を形成したもの、もしくは、針金を網目状または格子状に編んで形成されている。さらに、吸気口３全体を覆うようにフィルタ４が配置され、筐体２０内に持ち込まれる塵埃などの全体量や大きさが抑制される。

また、本体室ファン６の入口には可燃性ガス検知器８が取り付けられ、万が一パッケージ内で可燃性ガスが一定量以上漏洩した場合は、可燃性ガス検知器８による漏洩検知により、燃料電池発電装置は保護停止されるようになっている。

なお、本体室排気口７の向きは、図１では水平方向手前側を向いているが、図２では上向きになっている。この本体室排気口７の向きはいずれであってもよい。

電気室吸気口３ａからフィルタ４を通って電気室１内に導入された空気は、電気室ファン５によってインバータ２３や制御装置２４などの電気品の周辺に送られてこれら電気品を冷却する。そして、隔壁２１の隙間を通って本体室２に流入する。一方、本体室吸気口３ｂからフィルタ４を通って本体室２内に導入された空気は燃料電池本体２２などを冷却し、隔壁２１の隙間を通って本体室２に流入した空気と混合して、本体室ファン６によって、本体室排気口７を通じて筐体１の外に排出される。

以上述べた構成・作用により、従来の換気ファンの仕様を変更することなく空気の滞留部分が少ない効率的な換気をすることが可能となる。また、パッケージ底面に開口部を設けることにより、万が一配管からの水漏れや雨水の浸入が生じた場合でも不要な水を容易に外部へ排水することができるので、安全性の面でも優れた機能を発揮できる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明に係る燃料電池発電装置の第２の実施形態における換気システムを示す模式的斜視図である。

本実施形態では、本体室２の底面には吸気口がなく、閉鎖されている。そして、電気室１の底面には電気室吸気口３ａが設けられ、これが吸気口３を構成している。そしてこの吸気口３にフィルタ４が取り付けられている。

電気室吸気口３ａ（３）からフィルタ４を通って電気室１内に導入された空気は、電気室ファン５によってインバータ２３や制御装置２４などの電気品の周辺に送られてこれら電気品を冷却する。そして、隔壁２１の隙間を通って本体室２に流入する。本体室２内に流入した空気は燃料電池本体２２などを冷却し、本体室ファン６によって、本体室排気口７を通じて筐体１の外に排出される。

以上述べた構成・作用により、第１の実施形態と同様に、従来の換気ファンの仕様を変更することなく空気の滞留部分が少ない効率的な換気をすることが可能となる。

［第３の実施形態］
図４は本発明に係る燃料電池発電装置の第３の実施形態における換気システムを示す模式的斜視図であり、図５はその制御ロジック図である。

この実施形態では、第１または第２の実施形態の燃料電池発電装置において、本体室排気口７に排気口温度センサ１０を取り付け、電気室１のインバータ出口付近にインバータ出口温度センサ９を取り付ける。ただし、図４には、第２の実施形態（図３）をベースにした例が示されている。

あらかじめ、排気口温度に対する本体室ファン６の回転数の関数３０を設定しておき、排気口温度センサ１０の出力に応じて、本体室ファン６の回転数の設定値を計算する。そして、この本体室ファン６の回転数の設定値に応じて本体室ファン６の回転数を制御する。これと同様に、あらかじめ、インバータ出口温度に対する電気室ファン５の回転数の関数３１を設定しておき、インバータ出口温度センサ９の出力に応じて、電気室ファン５の回転数の設定値を計算する。そして、この電気室ファン５の回転数の設定値に応じて電気室ファン５の回転数を制御する。

これにより、無駄な換気ファンの動力を低減するとともに、筐体２０内部の配管や機器の放熱が低減でき、燃料電池の発電効率や排熱回収効率の低下を防止することが可能となる。

［第４の実施形態］
図６は、本発明に係る燃料電池発電装置の第４の実施形態における換気システムの制御ロジック図である。この実施形態は、第３の実施形態（図４、図５）の変形例であって、第３の実施形態の燃料電池発電装置の構成に加えて、燃料電池の制御装置から得られた出力電力量に対する電気室ファン５の回転数の関数３２をあらかじめ設定しておく。そして、インバータ出口温度に対する電気室ファン５の回転数の関数３１の出力と、出力電力量に対する電気室ファン５の回転数の関数３２の内の大きいほうを選択して出力する高値選択器３３が配置されている。そして、高値選択器３３の出力に応じて電気室ファン５の回転数を制御する。

これにより、インバータからの発熱予想分に見合った電気室ファン５の運転が可能となり、無駄な電気室ファン５の動力を低減することができる。また、筐体２０内部の配管や機器の放熱が低減でき、燃料電池発電装置の発電効率や排熱回収効率の低下を防止することが可能となる。

本発明に係る燃料電池発電装置の第１の実施形態における換気システムを示す模式的斜視図である。 本発明に係る燃料電池発電装置の第１の実施形態における換気システムを示す模式的立断面図である。 本発明に係る燃料電池発電装置の第２の実施形態における換気システムを示す模式的斜視図である。 本発明に係る燃料電池発電装置の第３の実施形態における換気システムを示す模式的斜視図である。 本発明に係る燃料電池発電装置の第３の実施形態における換気システムを示すロジック図である。 本発明に係る燃料電池発電装置の第５の実施形態における換気システムを示すロジック図である。

符号の説明

１…電気室
２…本体室（燃料・モータ室）
３…吸気口
３ａ…電気室吸気口
３ｂ…本体室吸気口
４…フィルタ
５…電気室ファン
６…本体室ファン
７…本体室排気口
８…可燃性ガス検知器
９…インバータ出口温度センサ
１０…排気口温度センサ
２０…筐体
２１…隔壁
２２…燃料電池本体
２３…インバータ
２４…制御装置
３０…排気口温度に対する本体室ファンの回転数の関数
３１…インバータ出口温度に対する電気室ファンの回転数の関数
３２…出力電力量に対する電気室ファンの回転数の関数
３３…高値選択器

Claims (11)

1. 隔壁によって本体室と電気室とに区画された筐体と、
   前記本体室内に収容された燃料電池本体と、
   前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体の運転を制御する制御装置と、
   前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体で生じた直流を交流に変換するインバータと、
   前記電気室内を換気する電気室ファンと、
   本体室排気口を通じて前記本体室内の空気を前記筐体の外部に排出する本体室ファンと、
   を有し、
   前記本体室の底面に本体室吸気口が形成され、前記電気室の底面に電気室吸気口が形成され、前記電気室吸気口から前記電気室内に吸引された空気が前記隔壁の隙間を通って前記本体室に導かれ、前記本体室吸気口から前記本体室内に吸引された空気とともに前記本体室排気口から前記筐体の外へ排出されるように構成されていること、
   を特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記本体室吸気口は、前記本体室の底面全体に設けられていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記電気室吸気口は、前記電気室の底面全体に設けられていること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記本体室吸気口および電気室吸気口の少なくとも一方にフィルタが取り付けられていること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
5. 隔壁によって本体室と電気室とに区画された筐体と、
   前記本体室内に収容された燃料電池本体と、
   前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体の運転を制御する制御装置と、
   前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体で生じた直流を交流に変換するインバータと、
   前記電気室内を換気する電気室ファンと、
   前記本体室内の空気を前記筐体の外部に排出する本体室ファンと、
   を有し、
   前記電気室の底面全体に電気室吸気口が形成され、前記電気室吸気口から前記電気室内に吸引された空気が前記隔壁の隙間を通って前記本体室に導かれ、前記本体室排気口から前記筐体の外へ排出されるように構成されていること、
   を特徴とする燃料電池発電装置。
6. 前記電気室吸気口にフィルタが取り付けられていること、を特徴とする請求項５に記載の燃料電池発電装置。
7. 前記本体室排気口付近の温度を検出する排気口温度センサと、
   前記排気口温度センサの出力に応じて前記本体室ファンの回転数を制御する手段と、
   をさらに有すること、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
8. 前記インバータの下流側の温度を検出するインバータ出口温度センサと、
   前記インバータ出口温度センサの出力に応じて前記電気室ファンの回転数を制御する手段と、
   をさらに有すること、を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
9. 前記燃料電池本体の出力電力量を測定する手段と、
   前記出力電力量に応じて前記電気室ファンの回転数を制御する手段と、
   をさらに有すること、を特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
10. 隔壁によって本体室と電気室とに区画された筐体と、
    前記本体室内に収容された燃料電池本体と、
    前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体の運転を制御する制御装置と、
    前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体で生じた直流を交流に変換するインバータと、
    前記電気室内を換気する電気室ファンと、
    本体室排気口を通じて前記本体室内の空気を前記筐体の外部に排出する本体室ファンと、
    を有し、少なくとも前記電気室の底面に電気室吸気口が形成され、前記電気室吸気口から前記電気室内に吸引された空気が前記隔壁の隙間を通って前記本体室に導かれ、前記本体室排気口から前記筐体の外へ排出されるように構成された燃料電池発電装置の換気方法であって、
    前記インバータの下流側の温度を計測し、
    前記電気室ファンの回転数を、前記インバータの下流側の温度に応じて変動させること、を特徴とする燃料電池発電装置の換気方法。
11. 隔壁によって本体室と電気室とに区画された筐体と、
    前記本体室内に収容された燃料電池本体と、
    前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体の運転を制御する制御装置と、
    前記電気室内に収容されて前記燃料電池本体で生じた直流を交流に変換するインバータと、
    前記電気室内を換気する電気室ファンと、
    本体室排気口を通じて前記本体室内の空気を前記筐体の外部に排出する本体室ファンと、
    を有し、少なくとも前記電気室の底面に電気室吸気口が形成され、前記電気室吸気口から前記電気室内に吸引された空気が前記隔壁の隙間を通って前記本体室に導かれ、前記本体室排気口から前記筐体の外へ排出されるように構成された燃料電池発電装置の換気方法であって、
    前記本体室排気口付近の温度を計測し、
    前記本体室ファンの回転数を、前記本体室排気口付近の温度に応じて変動させること、を特徴とする燃料電池発電装置の換気方法。

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