JP2014032753A

JP2014032753A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2014032753A
Application number: JP2012170985A
Authority: JP
Inventors: Yukiteru Soga; 幸照曽我; Masahiro Ogawa; 雅弘小川; Masanori Yabuki; 正徳矢吹
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-02-20

Abstract

【課題】筐体内部での可燃性ガスの漏洩時における安全性を保つための換気系統の補機を削減することが可能になる。
【解決手段】実施形態によれば、燃料電池システムは、外部の大気を吸気するための吸気口および当該吸気口により吸気した大気を筐体の外部に排気するための排気口を有する筐体と、筐体内部に設けられ、可燃性ガスおよび大気の電気化学反応により発電を行なう燃料電池本体と、筐体内部に設けられる、燃料電池本体による発電電力の変換系統を含む電気系統を有し、筐体の外部の大気を吸気するための吸気口および当該吸気口により吸気した大気を筐体内部に排気するための排気口を有する電気ユニットと、筐体内の大気を当該筐体の排気口から筐体の外部に排出させるための換気ファンとを備え、電気ユニットの吸気口が筐体の吸気口の全てを含む構造とした。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、燃料電池システムに関する。

従来、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、静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有するシステムである。

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。

この家庭用ＰＥＦＣ燃料電池発電システムにおいては、一般家庭に供給されている都市ガスやプロパンガスなどの燃料をシステムの筐体内の燃料処理装置により水素に変換して、筐体内の燃料電池本体に供給する。

さらに、筐体内の大気供給装置により大気中の酸素を燃料電池本体に供給することで直流電力を発電し、この直流電力を、一般家庭で使用できるように筐体内の電気ユニット内の逆変換装置により交流電力に変換する。

また、筐体内部には、電気ユニットを冷却するための換気ファンが設けられるとともに、筐体内を換気するための別の換気ファンがさらに設けられる。

本システムの普及促進に向け、性能向上ならびにコストダウンが必須であり、機器および部品レベルでの簡素化や駆動電力の削減が求められている。

特開２００３−２２９１４８号公報特開２０１１−１１９０９５号公報

燃料電池システムは、原燃料である都市ガスやプロパンガスなどの可燃性ガスを扱うとともに、燃料電池本体から出力される電気も扱う。よって、可燃性ガスが燃料処理装置から筐体内部に漏洩したときに、筐体内の電気ユニット内の電気部品に起因する着火源により引火しないように、次のような換気構成としている。

具体的には、燃料電池システムの筐体内で可燃性ガスの漏洩が発生した場合に、この可燃性ガスが、逆変換装置を主体とした電気ユニット内部に導入されることが無いように、筐体内部の圧力に対して電気ユニット内の圧力が高くなるような換気構成が挙げられる。

また、電気室と燃料室を完全に隔離して、筐体内部の換気と電気ユニット内の換気とを別として筐体全体の換気を行えるように、それぞれに換気ファンを設置する構成が挙げられる。

そのため、内部での可燃性ガスの漏洩時の安全性を保つための換気系統として、１つの燃料電池システムの中で２つ以上の補機を設ける必要があった。

本発明が解決しようとする課題は、筐体内部での可燃性ガスの漏洩時における安全性を保つための換気系統の補機を削減することが可能になる燃料電池システムを提供することにある。

実施形態によれば、燃料電池システムは、外部の大気を吸気するための吸気口および当該吸気口により吸気した大気を前記筐体内部に排気するための排気口を有する筐体と、前記筐体内部に設けられ、可燃性ガスおよび大気の電気化学反応により発電を行なう燃料電池本体と、前記筐体内部に設けられ、可燃性ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料処理装置と、前記筐体内部に設けられ、大気を前記燃料電池本体に供給する大気供給装置と、前記筐体内部に設けられる、前記燃料電池による発電電力の変換系統を含む電気系統を有し、前記筐体の外部の大気を吸気するための吸気口および当該吸気口により吸気した大気を前記筐体内部に排気するための排気口を有する電気ユニットと、前記筐体内部に設けられる、前記筐体内の大気を当該筐体の排気口から前記筐体の外部に排出させるための換気ファンとを備え、前記電気ユニットの吸気口が前記筐体の吸気口の全てを含む構造としている。

本発明によれば、筐体内部での可燃性ガスの漏洩時における安全性を保つための換気系統の補機を削減することが可能となる。

実施形態における燃料電池システムの構成例を示す図。従来の燃料電池システムの構成例を示す図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、実施形態における燃料電池システムの構成例を示す図である。
図２は、従来の燃料電池システムの構成例を示す図である。
ここでは、実施形態における特徴の理解を容易にするために、まず、従来の燃料電池システムの構成例について説明する。

図２に示した従来の燃料電池システムは、筐体１を設ける。この筐体１内部には、燃料処理装置２、燃料電池本体３、大気供給装置４、電気ユニット５が設置される。
燃料処理装置２は、燃料電池システムの筐体１内部に供給された原燃料を水素に改質して、燃料電池本体３に供給する。ここでは、原燃料は都市ガスやプロパンガスなどの可燃性ガスである。
大気供給装置４は、燃料電池本体３に大気（酸素）を供給する。
燃料電池本体３は、燃料処理装置２から供給された水素と、大気供給装置４から供給された大気とから直流電力を生成する。
電気ユニット５には、燃料電池本体３により生成した直流電力を交流電力へ変換するための逆変換装置６を含む電気系統が設けられる。また、電気ユニット５の上部には、当該電気ユニット５内から筐体１内への排気を行なうための電気ユニット排気口１１が設けられる。

つまり、この燃料電池システムは、筐体１の外部からの原燃料を燃料処理装置２により水素に改質し、この改質された水素と大気供給装置４から供給される大気中の酸素とを燃料電池本体３に導入して直流電力を発生させ、この直流電力を電気ユニット５内部に設置されている逆変換装置６にて交流電力に変換して、この交流電力を一般家庭に供給する。

燃料電池システムは、原燃料を供給し、この原燃料を燃料処理装置２にて水素に改質しているため、この可燃性ガスが筐体１の内部における本来の燃料供給経路から筐体１の内部における燃料供給経路外の空間に漏洩する可能性がある。

そこで、筐体内の上部には、燃料処理装置２などから筐体内部の空間に漏洩した可燃性ガスを筐体外部に排出するためのパッケージ排気口１２が設けられる。この燃料電池システムでは、安全装置として、筐体内部におけるパッケージ排気口１２の近傍に、筐体内部に漏洩した可燃性ガスを希釈するための換気ファン１３が設けられる。また、筐体内部における当該換気ファン１３の近傍には筐体内部の可燃性ガスを検知するための可燃性ガス検知器１４が設置される。可燃性ガス検知器１４が可燃性ガスを検知していない場合は、換気ファン１３は作動せず、可燃性ガス検知器１４が可燃性ガスを検知している場合は、換気ファン１３が作動する。

また、筐体１の下部には筐体外部の大気を吸気するための吸気口１０ａが設けられる。この吸気口１０ａの一部は電気ユニット５の下部の吸気口である開口部の全てに連なっており、吸気口１０ａのその他の部分は、電気ユニット５の開口部には連ならずに、筐体１自体の開口部となっている。

よって、筐体外部から吸気口１０ａを通った大気の一部は電気ユニット５内部に流入して当該電気ユニット５の電気ユニット排気口１１を介して筐体内部における電気ユニット５の外の空間に流入する。また、筐体外部から吸気口１０ａを通った大気の一部は、電気ユニット５を介さずに筐体１の内部の空間に直接流入する。

電気ユニット５内部における吸気口１０ａの近傍には換気ファン１３ａが設けられる。つまり、この燃料電池システムの安全装置としては、吸気口１０ａから大気を吸い込み、この吸い込んだ大気を、電気ユニット５内の換気ファン１３ａやパッケージ排気口１２に設けた換気ファン１３により排出する換気構成としている。

つまり、燃料電池システムの安全装置としては、吸気口１０ａから大気を吸い込み、この吸気口１０ａから電気ユニット５内部に吸い込んだ大気を、電気ユニット５内の換気ファン１３ａにより筐体１内部に排出する構成としており、また、吸気口１０ａから電気ユニット５を介さずに筐体１内部に吸い込んだ大気および吸気口１０ａから電気ユニット５を介して筐体１内部に吸い込んだ大気をパッケージ排気口１２の近傍に設けた換気ファン１３により排出する換気構成としている。

このように、従来の燃料電池システムでは、筐体１内の大気として、筐体１の外から電気ユニット５を介して筐体１の内部に入り込む大気と筐体１の外から電気ユニット５を介さずに筐体１の内部に入り込む大気のそれぞれが存在するので、筐体１内部におけるそれぞれの大気の流路２０ａが複雑となる。よって、筐体１の内部における、可燃性ガスを含む大気を希釈して筐体１の外部に排気するには、パッケージ排気口１２の近傍の換気ファン１３だけでは不十分であり、この換気ファン１３に加えて、吸気口１０ａから電気ユニット５内部に流入した大気を換気するための電気ユニット５内の換気ファン１３ａがそれぞれ必要となる。

次に、図１に示す、実施形態における燃料電池システムについて説明する。この実施形態では、図２に示した構成と比較して、筐体１の吸気口１０ａを設ける代わりに、電気ユニット５が、筐体１の外部から大気を吸気するための電気ユニット吸気口１０を有する。

この電気ユニット吸気口１０は筐体１の吸気口の全てを含んでおり、燃料電池システム全体の吸気口は電気ユニット吸気口１０のみであり、電気ユニット吸気口１０以外からは筐体１の外部から大気を吸気しない構成となっている。つまり、本実施形態では、筐体１の全体の吸気口から吸気した大気の全てが電気ユニット５の吸気口１０を介して当該電気ユニット５内部に流入する構造としている。このような構造とするためには、電気ユニット吸気口１０と筐体１の吸気口とを完全に一致させてもよいし、電気ユニット吸気口１０が筐体１の吸気口の全てを兼ねることを条件に、電気ユニット吸気口１０を筐体１の吸気口より大きくするようにしてもよい。

また、本実施形態では、図２に示した構成で説明した、電気ユニット５内の換気ファン１３ａを備えず、燃料電池システム全体の換気ファンはパッケージ排気口１２の近傍に設けた換気ファン１３のみである。

つまり、燃料電池システムの安全装置としては、筐体１の外の大気を電気ユニット吸気口１０のみから電気ユニット５内部に吸い込み、この吸い込んだ大気を、パッケージ排気口１２の近傍の換気ファン１３により当該パッケージ排気口１２から筐体１の外部に排出する換気構成としている。

本実施形態では、筐体１内の大気として、筐体１の外から電気ユニット５を介して筐体１の内部に入り込む大気のみが存在することになるので、筐体１内部における大気の流路２０は、従来構成における大気の流路２０ａと比較して単純化される。よって、筐体１の外から電気ユニット５を介して筐体１の内部に入り込んだ大気を換気するための、パッケージ排気口１２の近傍の換気ファン１３のみを設ければ、他の換気ファンを設けなくとも、筐体１の外から筐体１内部に入った大気である、当該筐体の内部に漏洩した可燃性ガスを含む大気を筐体１の外部に排気することができるようになる。

また、換気ファン１３は、筐体１の内部における大気の流路に沿った位置であれば、その設置箇所はパッケージ排気口１２の近傍に限られない。例えば、換気ファン１３は、筐体１の内部における電気ユニット５の外部における当該電気ユニット５の排気口１１の近傍に設置してもよいし、あるいは、筐体１の内部における電気ユニット５の内部における電気ユニット吸気口１０の近傍に設置してもよい。

次に、本実施形態における燃料電池システムの作用について説明する。
本実施形態における燃料電池システムは、前述したように、原燃料として都市ガスやプロパンガスを供給し、燃料処理装置２にて水素に変換しているため、これらの可燃性ガスが筐体１の内部に漏洩する可能性がある。

本実施形態では、吸気口を電気ユニット５の吸気口１０に限定することで、電気ユニット５には、常に可燃性ガスを含まない大気で換気されることとなり、着火源となり得る電気ユニット５に可燃性ガスが流れ込むことなく、筐体１の内部で可燃性ガスが漏洩しても、この漏洩した可燃性ガスを換気ファン１３で希釈して、パッケージ排気口１２から筐体外部に排気できる構成とすることが可能となる。

また、本実施形態では、電気ユニット５の電気ユニット排気口１１の設置高さを可燃性ガス検知器１４の設置位置の高さと同じもしくは可燃性ガス検知器１４の設置高さより低い高さとする。これにより、換気ファン１３の停止状態にあって、筐体内部に漏洩した可燃性ガスが電気ユニット排気口１１から電気ユニット５内部の着火源となりうる場所に入る前に、可燃性ガス検知器１４にて当該可燃性ガスを検出可能になっている。これにより、可燃性ガス検知器１４による検出に伴って換気ファン１３が作動して、可燃性ガスを希釈して、パッケージ排気口１２から筐体外部に排出することが可能となる。

よって、本実施形態における燃料電池システムでは、システムの筐体全体の吸気口を筐体内の電気ユニットの吸気口のみに限定することで、可燃性ガスに対する安全性を損なうことなく換気構成を簡素化し、補機である換気ファンの数を削減することが可能となる。

発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…燃料電池システム筐体、２…燃料処理装置、３…燃料電池本体、４…大気供給装置、５…電気ユニット、６…逆変換装置、１０…電気ユニット吸気口、１０ａ…筐体吸気口、１１…電気ユニット排気口、１２…パッケージ排気口、１３，１３ａ…換気ファン、１４…可燃性ガス検知器。

Claims

外部の大気を吸気するための吸気口および当該吸気口により吸気した大気を前記筐体の外部に排気するための排気口を有する筐体と、
前記筐体内部に設けられ、可燃性ガスおよび大気の電気化学反応により発電を行なう燃料電池本体と、
前記筐体内部に設けられ、可燃性ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料処理装置と、
前記筐体内部に設けられ、大気を前記燃料電池本体に供給する大気供給装置と、
前記筐体内部に設けられる、前記燃料電池本体による発電電力の変換系統を含む電気系統を有し、前記筐体の外部の大気を吸気するための吸気口および当該吸気口により吸気した大気を前記筐体内部に排気するための排気口を有する電気ユニットと、
前記筐体内部に設けられる、前記筐体内の大気を当該筐体の前記排気口から前記筐体の外部に排出させるための換気ファンとを備え、
前記電気ユニットの吸気口が前記筐体の吸気口の全てを含む構造とした
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記換気ファンを、前記筐体の排気口に設置した
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記換気ファンを、前記電気ユニットの排気口に設置した
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記換気ファンを、前記電気ユニットの吸気口に設置した
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記筐体の排気口の近傍の前記可燃性ガスを検出するガス検出部をさらに備え、
前記換気ファンは、前記ガス検出部により前記可燃性ガスを検出していない場合に動作せず、前記ガス検出部により前記可燃性ガスを検出している場合に動作し、
前記ガス検出部の設置高さが前記電気ユニットの排気口の設置高さ以下の高さである
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。