JP2010262746A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】筐体が開放状態となってしまった場合でも内部の水素濃度および一酸化炭素濃度の上昇を抑制する。
【解決手段】燃料電池発電システムは、吸気口２３と排気口１５とが形成された筐体１０と、筐体１０に収納されて炭化水素系燃料を水素リッチなガスに改質する燃料処理装置１２と、筐体１０に収納された燃料電池本体１１と、排気口１５に筐体１０の内部から外部に向かう気流を発生させる換気ファン１６と、を備える。制御装置６０は、吸気口２３の筐体１０に対して内側の圧力検出器６２で測定した圧力から排気口１５の筐体１０に対して内側の圧力検出器６１で測定した圧力を減じた圧力差の絶対値が、筐体１０の内部を換気するために必要な所定の値未満のときに、筐体１０の内部の水素濃度および一酸化炭素濃度の上昇を抑制する保安動作を燃料処理装置１２および換気ファン１６の少なくとも一方にさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関する。

燃料電池発電システムは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを反応させて直接電気を取り出すシステムである。燃料電池発電システムは、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができるとともに、低騒音で有害な排気ガスを出さないという環境性に優れた特徴を持つ。現在は、燃料供給基盤が既に整っている都市ガス、ＬＰガスあるいは灯油などの炭化水素系燃料から水蒸気との改質反応により得られる水素で発電を行う燃料電池発電システムを中心に開発が進められている。特に最近では、小型のＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）の開発が活発化し、家庭用燃料電池発電システムの普及も間近な状況となっている。

このような家庭用あるいは小規模事業用向けの比較的小型の燃料電池発電システムは、発電電力と、発電に伴う排熱を供給する熱電併給システム、いわゆるコージェネレーションシステムとして使用される。コージェネレーションシステムとしての優位性をより良く発揮するためには、給湯、床暖房など排熱を多く使用することが効果的である。特に冬季に多くの排熱利用が見込まれる寒冷地区への燃料電池発電システムの設置は、高い総合効率での運転が期待でき、燃料電池発電システムの本格実用化時期には多くの需要が見込まれている。

寒冷地区への燃料電池発電システムの設置にあたっては、居住宅外ではなく屋内へ燃料電池発電システムを設置するケースも考えられている。屋内へ燃料電池発電システムを設置する際には、異常時のガス漏洩対策など、屋外に設置する以上の安全対策が求められる。

特開２００６−６６３２６号公報

燃料電池発電システムは、都市ガスなどの可燃性ガスを原燃料として取り扱う。また、原燃料ガスを水蒸気改質などの化学反応によって水素リッチなガスに改質、変成する化学反応の過程では、一酸化炭素も生成される。これらの原燃料ガス、改質反応で生成される水素、あるいは、改質反応の際に生成され一酸化炭素などのガスが不測の事態により漏洩してしまった場合に備えて、安全対策が必要である。このようなガスの漏えいに対して安全な状態を保つためには、適切な換気風量を確保するとともに、ガスの漏えいを検知する手段を備えるという２重の保護が安全対策として有効である。

ガスの漏洩に対する安全対策としては、導入された原燃料ガスの流量に応じて燃料電池発電システムに付随する換気ファンの風量を制御する方法がある（たとえば特許文献１参照）。しかし、何らかの理由で燃料電池発電システムを収納する筐体が開放状態となってしまった場合、換気ファンの風量制御だけでは燃料電池発電装置内の換気を十分に行うことができない。その結果、漏洩ガスの空気による希釈が行われず、不安全な状態で燃料電池発電システムの運転が継続されてしまうおそれがある。水素ガスは爆発限界が空気中の４％以上と比較的高濃度であるが、一酸化炭素については数１００ｐｐｍでも人体に影響を与えるため、適切な換気風量管理が必要である。

そこで、本発明は、燃料電池発電システムを収納する筐体が開放状態となってしまった場合でも筐体の内部の水素濃度および一酸化炭素濃度の上昇を抑制することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池発電システムにおいて、吸気口と排気口とが形成された筐体と、前記筐体に収納されて炭化水素系燃料を水素リッチなガスに改質する燃料処理装置と、前記筐体に収納されて酸素と前記燃料処理装置が生成した水素リッチなガスとを反応させ直流電力を発生させる燃料電池本体と、前記排気口に前記筐体の内部から外部に向かう気流を発生させる換気ファンと、前記吸気口の前記筐体に対して内側での圧力から前記排気口の前記筐体に対して内側での圧力を減じた圧力差を求める圧力差測定手段と、前記圧力差の絶対値が前記パッケージ内部を換気するために必要な所定の値未満のときに、前記筐体の内部の水素濃度および一酸化炭素濃度の上昇を抑制する保安動作を前記燃料処理装置および前記換気ファンの少なくとも一方にさせる制御装置と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池発電システムを収納する筐体が開放状態となってしまった場合でも筐体の内部の水素濃度および一酸化炭素濃度の上昇を抑制できる。

発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態におけるブロック図とともに示す断面図である。 発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態の筐体を内部に設置した建屋の立断面図である。 発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態の筐体に開口が形成された状態での建屋の立断面図である。

本発明に係る燃料電池発電システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。この実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれに限定されない。

図１は、発明に係る燃料電池発電システムの第１の実施の形態におけるブロック図とともに示す断面図である。

燃料電池発電システムは、燃料電池本体１１と、燃料処理装置１２と、熱交換器１３と、貯湯槽１４と、制御装置６０とを有している。燃料電池本体１１は、図示しない電解質膜をアノード極３１とカソード極３２とで挟み込んだセルを積層したセルスタックを備えている。燃料電池本体１１と、燃料処理装置１２と、熱交換器１３と、制御装置６０とは、筐体１０に収納されている。筐体１０には、吸気口２３と排気口１５とが形成されている。

筐体１０の内部の排気口１５の近傍には、不測の事態により発生した漏洩ガスを排気する目的などのために筐体１０の換気をする換気ファン１６が設けられている。換気ファン１６は、排気口１５に筐体１０の内部から外部に向かう気流を発生させる。この結果、筐体１０には吸気口２３から矢印５１の方向に流れる空気が流入し、排気口１５から矢印５２の方向に空気が流出する。

筐体１０の内部の排気口１５の近傍および吸気口２３の近傍には、それぞれ圧力検出器６１，６２が設けられている。これらの圧力検出器６１，６２の測定信号は、制御装置６０に伝達される。制御装置６０は、これらの圧力検出器６１，６２から伝達される測定信号に基づいて、吸気口２３の筐体１０に対して内側での圧力から、排気口１５の筐体１０に対して内側での圧力を減じた圧力差を求める。また、制御装置６０は、この圧力差に基づいて、燃料処理装置１２および換気ファン１６を制御する。

燃料処置装置１２は、水素リッチなガスを都市ガスなどの原燃料から生成する改質部３４と、改質部３４での化学反応のために必要となる熱を発生するバーナー部３３とを備える。吸気口２３から導入されてフィルタ４１を通過した空気は、改質部３４およびバーナー部３３に供給される。また、改質部３４には、原燃料および空気が供給される。バーナー部３３には、原燃料、燃料電池本体１１のアノード極３１の排ガスが供給される。

改質部３４では、水蒸気改質などによる改質反応と、一酸化炭素変成反応および一酸化炭素選択酸化反応とが生じる。これらの化学反応は、以下の化学反応式で表される。

改質反応：ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
一酸化炭素変成反応：ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ Ｈ_２＋ＣＯ_２
一酸化炭素選択酸化反応：ＣＯ＋（１／２）Ｏ_２→ＣＯ_２
燃料処置装置１２の改質部３４で生成された水素リッチなガスは、アノード極３１に供給される。また、カソード極３２には、吸気口２３から導入されてフィルタ４１を通過した空気が供給される。燃料電池本体１１は、供給された水素および空気中の酸素を用いて、電気エネルギーを発生する。

カソード極３２からの排気および燃料処理装置１２のバーナー部３３からの排気は、熱交換器１３に送られる。これらの排気中の熱は熱交換器１３によって回収され、回収された熱は貯湯槽１４に蓄えられる。貯湯槽１４に貯えられた熱は、給湯、暖房などに用いられる。カソード極３２からの排気および燃料処理装置１２のバーナー部３３からの排気は、熱交換器１３で熱を回収された後、排気口１５から筐体１０の外に排出される。

図２は、本実施の形態の燃料電池発電システムの筐体を内部に設置した建屋の立断面図である。

本実施の形態の燃料電池システムの筐体１０は、建屋２１の内部に設置されている。建屋２１には、建屋吸気口２２が形成されている。また、建屋２１には建屋２１の外部の空間と連通する排気管２４が設けられている。排気管２４の一端は、燃料電池システムの筐体１０に形成された排気口１５に接続されている。建屋吸気口２１と筐体の吸気口２３との間に吸気管を設けるなどによって、燃料電池発電システムに必要な空気を建屋２１の外部から直接取り込んでもよい。

このように燃料電池発電システムの筐体１０を内部に設置した建屋２１では、通常時は、換気ファン１６によって、筐体１０の内部が負圧、すなわち大気圧よりも低い圧力に保たれる。このため、建屋２１の内部の空気は、矢印５１の方向に流れて筐体１０の吸気口２３から筐体１０の内部に流入する。この結果、建屋２１の内部も負圧に保たれるため、建屋２１の外部の空気は、建屋吸気口２２から矢印５０の方向に流入する。

筐体１０の内部に流入した空気は、筐体１０の内部をたとえば矢印５３の方向に流れて、排気口１５から矢印５２の方向に流出する。筐体１０の排気口１５から流出した空気は排気管２４の内部を通過して、建屋２１の外部まで矢印５４の方向に流れる。

吸気口２３から換気ファン１６までの間には、燃料電池本体（図１参照）などの抵抗要素が存在する。このため、通常時には、吸気口２３の筐体１０に対して内側の圧力検出器６２で測定した圧力から排気口１５の筐体１０に対して内側の圧力検出器６１で測定した圧力を減じた圧力差は、数１０Ｐａ程度のとなる。しかし、筐体１０の内部の換気が適切に行われない場合には、圧力差は小さくなる。つまり、筐体１０の内部を換気するために必要な所定の圧力差は、数１０Ｐａ程度である。

図３は、本実施の形態の燃料電池発電システムの筐体に開口が形成された状態での建屋の立断面図である。

図３に示すように、何らかの原因により燃料電池発電システムの筐体１０の上部に開口部４３が形成された場合、換気ファン１６は、この開口部４３から多くの空気を矢印５５の方向に引き込むことになる。つまり、筐体１０の吸気口２３から燃料電池本体などの抵抗要素を経て換気ファン１６の換気空気吸込側に流れ込む気流は著しく減少する。この時、吸気口２３の筐体１０に対して内側での圧力から排気口１５の筐体１０に対して内側での圧力を減じた圧力差は、ほぼゼロとなる。

このような状態で燃料電池発電システムの運転を継続すると、筐体１０の図２における左端部分の換気は、ほとんど行われないことになる。その結果、燃料処理装置１２や燃料電池本体１１からガスが漏えいした場合、漏えいガスは開口部４３から建屋２１内部に向かう矢印５６の方向に流れ出す可能性がある。

そこで、吸気口２３の筐体１０に対して内側での圧力から排気口１５の筐体１０に対して内側での圧力を減じた圧力差の管理値を、たとえば１０Ｐａと定めておく。吸気口２３の筐体１０に対して内側での圧力から排気口１５の筐体１０に対して内側での圧力を減じた圧力差の実測値がたとえば９Ｐａとなって管理値を上回った場合には、筐体１０の内部の換気が適切に行われていないと判断することができる。つまり、吸気口２３の筐体１０に対して内側の圧力検出器６２で測定した圧力から排気口１５の筐体１０に対して内側の圧力検出器６１で測定した圧力を減じた圧力差の絶対値が、筐体１０の内部を換気するために必要な所定の値未満のときに、筐体１０の内部の換気が適切に行われていないと判断することができる。

制御装置６０（図１参照）は、筐体１０の内部の換気が適切に行われていないと判断した場合には、筐体１０の内部での水素ガスあるいは一酸化炭素などの濃度が増加しないように燃料処理装置１２あるいは換気ファン１６を制御する。

たとえば、燃料処理装置１２への原燃料ガスの供給を停止して発電運転を停止することにより、仮に水素ガスあるいは一酸化炭素が筐体１０の内部に漏えいしていたとしても、その濃度の上昇を抑制することができる。その結果、筐体１０から、人の居住空間である建屋２１の内部へ水素ガスあるいは一酸化炭素が漏えいして、建屋２１の内部でのこれらのガスの濃度が上昇することを抑制できる。

あるいは、原燃料ガスを供給停止して発電運転を停止する前に、筐体１０の内部の換気を強化するために、インバータによる回転数制御などによって換気ファン１６の運転出力を増加させる。このような対応の後に吸気口２３の筐体１０に対して内側での圧力から排気口１５の筐体１０に対して内側での圧力を減じた圧力差の実測値に改善が見られない場合には、筐体１０の内部の換気が適切に行われていないと判断して原燃料ガスの供給を停止して発電運転を停止するようにしてもよい。

このように、本実施の形態では、燃料電池発電システムを収納する筐体が開放状態となってしまった場合でも筐体の内部の水素濃度および一酸化炭素濃度の上昇を抑制できる。つまり、吸気口２３の筐体１０に対して内側での圧力から排気口１５の筐体１０に対して内側での圧力を減じた圧力差に基づいて、燃料電池発電システムを適切に動作させることで、ガスの漏洩に対する安全対策が強化される。

本実施の形態では、筐体１０の内部の排気口１５の近傍および吸気口２３の近傍にそれぞれ圧力検出器６１，６２を設けている。これらの圧力検出器６１，６２は、絶対圧を測定するものでも、ゲージ圧を測定するものであってもよい。いずれにせよ、吸気口２３の筐体１０に対して内側での圧力から排気口１５の筐体１０に対して内側での圧力を減じた圧力差が算出できればよい。

筐体１０の内部の吸気口２３の近傍での圧力は、大気圧から建屋吸気口２２および筐体１０の吸気口２３での圧力損失を減じたものである。建屋吸気口２２および筐体１０の吸気口２３での圧力損失は比較的小さいため、筐体１０の内部の吸気口２３の近傍での圧力は、大気圧とほぼ等しい。したがって、たとえば筐体１０の内部の排気口１５の近傍にのみ、圧力計を設けておけば、吸気口２３の筐体１０に対して内側での圧力から排気口１５の筐体１０に対して内側での圧力を減じた圧力差を、実質的に測定することができる。

また、本実施の形態では、特に安全対策が重要となる燃料電池発電システムを屋内に設置する場合について説明している。しかし、屋外に設置する場合でも、水素の漏えいにともなう爆発の危険、あるいは、一酸化炭素の漏えいに伴う燃料電池発電システムの近傍での作業者などへの悪影響の可能性はある。したがって、屋外に設置した場合であっても、本実施の形態の燃料電池システムでのガスの漏洩に対する安全対策は、有効である。

１０…筐体、１１…燃料電池本体、１２…燃料処理装置、１３…熱交換器、１４…貯湯槽、１５…排気口、１６…換気ファン、２１…建屋、２２…建屋吸気口、２３…吸気口、２４…排気管、３１…アノード極、３２…カソード極、３３…バーナー部、３４…改質部、４１…フィルタ、４３…開口部、６０…制御装置、６１…圧力検出器、６２…圧力検出器

Claims (6)

1. 吸気口と排気口とが形成された筐体と、
   前記筐体に収納されて炭化水素系燃料を水素リッチなガスに改質する燃料処理装置と、
   前記筐体に収納されて酸素と前記燃料処理装置が生成した水素リッチなガスとを反応させ直流電力を発生させる燃料電池本体と、
   前記排気口に前記筐体の内部から外部に向かう気流を発生させる換気ファンと、
   前記吸気口の前記筐体に対して内側での圧力から前記排気口の前記筐体に対して内側での圧力を減じた圧力差を求める圧力差測定手段と、
   前記圧力差が前記筐体の内部を換気するために必要な所定の値未満のときに、前記筐体の内部の水素濃度および一酸化炭素濃度の上昇を抑制する保安動作を前記燃料処理装置および前記換気ファンの少なくとも一方にさせる制御装置と、
   を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記保安動作は前記燃料処理装置の停止を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記保安動作は前記換気ファンの回転数の増加を含む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システム。
4. 前記圧力差測定手段は前記排気口の前記筐体に対して内側に設けられた圧力計を備え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１項に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記圧力差測定手段は前記吸気口の前記筐体に対して内側に設けられた圧力計を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記筐体は建屋の内部に収められていて、前記排出口から延びて前記建屋の外部と連通する排気管を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。

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