JP2017004629A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガス供給が遮断された場合に燃料ガス供給路にエアが流入することを、従来よりも一層適切に抑制することが可能な燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】燃料ガス源１から供給される燃料ガスを燃料電池モジュール４２に導くための燃料ガス供給路２には、ブロア５、このブロア５の上流側領域が所定の低圧状態となったときにその旨を検知可能な低圧検知手段３、および元開閉弁Ｖ１が設けられ、かつ低圧検知手段３によって所定の低圧状態が検知されたときには、元開閉弁Ｖ１が閉状態にされるとともに、ブロア５がオフとされるように構成されている、燃料電池発電装置ＦＣ１であって、ブロア５の下流側領域と上流側領域とを相互に接続し、かつブロア５から吐出された燃料ガスの一部をブロア５の上流側領域に戻すことが可能なバイパス流路６をさらに備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、都市ガスやＬＰＧなどを燃料ガス（原燃料）として利用し、いわゆる家庭用の発電システムを構築するのに好適な燃料電池発電装置に関する。

本出願人は、燃料電池発電装置の具体例として、特許文献１に記載のものを先に提案しており、その要部構成を、図４に示す。
同図に示す燃料電池発電装置ＦＣにおいては、燃料ガス源１から供給されてくる燃料ガスを、燃料電池モジュール４２に送るための燃料ガス供給路２に、元開閉弁Ｖ１、圧力スイッチ３、追加の開閉弁Ｖ２、およびブロア５が設けられている。ブロア５は、燃料ガスの供給圧を昇圧させて燃料電池モジュール４２への燃料ガス供給流量をコントロールするためのものである。

このような燃料電池発電装置ＦＣを家庭に設置し、かつ燃料ガス源として、たとえば都市ガスのガス管１を利用する場合、燃料ガス供給路２は、遮断弁７０を内蔵するガスメータ７に配管８０を介して接続される。ガスメータ７は、たとえば特許文献２に記載されているようないわゆるガスマイコンメータであり、地震その他の所定の異常発生時に遮断弁７０を閉状態とし、ガス供給を遮断する機能を備えたものである。配管８０には、たとえばガスコンロやガス給湯器などの他のガス機器８２が配管８１を介して分岐配管接続される。

このような設置状況下において、燃料電池発電装置ＦＣの稼働中にガスメータ７の遮断弁７０がガス供給を遮断した際に、何らかの手段を講じないと、ブロア５の上流側領域が負圧状態となり、ガス機器８２から燃料ガス供給路２にエアが流入する虞がある。このようなエアの流入は、燃料電池モジュール４２の故障原因となる。
そこで、特許文献１においては、ブロア５の上流側領域の圧力が所定値以下に低下したことが圧力スイッチ３によって検知された際には、燃料電池発電装置ＦＣの運転を停止させるようにしている。この運転停止に際し、ブロア５をオフにしただけでは、ブロア５は直ちには停止せず、慣性により暫くの間は稼働する。このため、従来においては、元開閉弁Ｖ１および追加の開閉弁Ｖ２を閉状態とし、ガス機器８２から燃料ガス供給路２へのエアの流入を抑制している（これと同様な技術は、特許文献３，４にも記載）。

しかしながら、前記した手段においては、次のように未だ改善すべき余地ある。
すなわち、ブロア５の排気量が大きいなどの理由から、遮断弁７０が閉じた後に継続するブロア５の動作に起因して発生する燃料ガス圧の低下速度が速い場合には、圧力スイッチ３による所定圧の検知後に元開閉弁Ｖ１および追加の開閉弁Ｖ２を閉じた段階で、ブロア５の上流側領域（配管８０，８１内を含む）に負圧が既に発生している場合がある。このため、燃料ガス供給路２内には比較的少量ながらもエアが吸い込まれ、これが燃料電池モジュール４２に向けて供給される虞がある。

特開２０１３−３０２８５号公報 特許第３８３６９６８号公報 特開２００８−２１８２２２号公報 特開２００６−６６２４４号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、燃料ガス供給が遮断された場合に燃料ガス供給路にエアが流入することを、従来よりも一層適切に抑制することが可能な燃料電池発電装置を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明により提供される燃料電池発電装置は、燃料ガス源から供給される燃料ガスを燃料電池モジュールに導くための燃料ガス供給路と、この燃料ガス供給路に設けられ、かつ前記燃料ガスの供給圧を昇圧させるためのブロアと、このブロアの駆動時において、前記燃料ガス供給路の前記ブロアの上流側領域が所定の低圧状態となったときにその旨を検知可能な低圧検知手段と、前記燃料ガス供給路の前記ブロアの上流側領域に設けられた元開閉弁と、を備えており、前記低圧検知手段によって前記所定の低圧状態が検知されたときには、前記元開閉弁が閉状態にされるとともに、前記ブロアがオフとされるように構成されている、燃料電池発電装置であって、前記燃料ガス供給路の前記ブロアの下流側領域と上流側領域とを相互に接続し、かつ前記ブロアから吐出された燃料ガスの一部を前記ブロアの上流側領域に戻すことが可能なバイパス流路を、さらに備えていることを特徴としている。
本発明において、たとえば、前記燃料ガス供給路の一端部は、所定の異常が発生したときに燃料ガス供給を遮断する遮断弁を備えたガスメータを介して前記燃料ガス源に接続されている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、燃料電池発電装置の稼働中において、燃料ガス供給路への燃料ガス供給が遮断され、かつブロアがその後も運転される状況が発生したとしても、ブロアから吐出された燃料ガスの一部が、バイパス流路を通過してブロアの上流側領域に戻される作用により、このブロアの上流側領域における燃料ガス圧の低下速度を遅くし、燃料ガス圧が急速に低下しないようにすることができる。したがって、ブロアの排気量が多い場合であっても、燃料ガス供給の遮断時から元開閉弁が閉じられる迄の期間中に、ブロアの上流側領域が負圧になることを抑制し、他のガス機器から燃料ガス供給路に流入するエアの量を、前記従来技術よりも少なくすることが可能となる（エア流入量を、殆どゼロにすることも可能となる）。このようなことから、燃料ガス供給路へのエア流入に起因して燃料電池モジュールに支障を来たすといった不具合を、より適切に防止することができる。

本発明において、好ましくは、前記燃料ガス供給路から前記バイパス流路に流れ込む燃料ガスの流量は、前記バイパス流路に流れ込むことなく前記燃料ガス供給路をその下流側へ流れていく燃料ガスの流量よりも少なくなるように構成されている。

このような構成によれば、ブロアから吐出される燃料ガスの多くを、燃料電池モジュールに効率良く供給することが可能であり、バイパス流路を設けたことに起因して、燃料電池モジュールへの燃料ガス供給効率が悪化する不具合を適切に回避または緩和することができる。

本発明において、好ましくは、前記バイパス流路には、燃料ガス流量を絞るためのオリフィスが設けられている。

このような構成によれば、燃料ガス供給路からバイパス流路に流れ込む燃料ガスの流量を少なくし、燃料電池モジュールへの燃料ガス供給効率をよくすることを、簡易に実現す
ることができる。

本発明において、好ましくは、前記バイパス流路には、燃料ガス用のバッファタンクが設けられている。

このような構成によれば、燃料ガス供給路への燃料ガス供給が停止された際以降において、燃料ガス供給路のブロアの上流側領域に対し、バッファタンク内に蓄積されていた燃料ガス圧を供給することができる。このことにより、ブロアの上流側領域が負圧になることをより適切に防止し、燃料ガス供給路にエアが流入することを防止する上で、一層好ましいものとなる。

本発明において、好ましくは、前記燃料ガス供給路のうちの前記バイパス流路の分岐接続部分よりも下流側に設けられ、かつ前記低圧検知手段によって前記所定の低圧状態が検知されたときに閉状態とされる追加の開閉弁を、さらに備えており、前記元開閉弁は、前記追加の開閉弁が閉状態となった後に閉状態となるように構成されている。

このような構成によれば、追加の開閉弁が閉状態にされると、ブロアから吐出された燃料ガスの全量（または略全量）がバイパス流路に流れ込み、ブロアの上流側領域に導入される。したがって、ブロアの上流側領域に負圧を極力発生させない状態とした上で元開閉弁を閉じ、燃料ガス供給路へのエア流入防止効果を優れたものとすることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係る燃料電池発電装置の一例の要部構成を模式的に示す説明図である。 図１に示す燃料電池発電装置の作用およびその対比例を示すグラフである。 本発明の他の例の要部構成を模式的に示す説明図である。 従来技術の一例の要部構成を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
なお、理解の容易のため、以降の実施形態の説明に際し、図４に示した従来技術と同一または類似の要素には、同一の符号を付すこととする。

図１に示す燃料電池発電装置ＦＣ１は、燃料ガス源１から燃料ガスの供給を受ける燃料ガス供給路２を備えている。この燃料ガス供給路２には、その上流側から元開閉弁Ｖ１、圧力スイッチ３、追加の開閉弁Ｖ２、流量センサＳ１、第１のバッファタンク４０、ブロア５が設けられ、かつバイパス流路６が接続されている。燃料電池発電装置ＦＣ１は、各部の動作制御を実行する制御部４１も具備している。

燃料ガス源１は、たとえば都市ガスのガス管であり、燃料ガス供給路２の一端は、ガスメータ７および配管８０を介して燃料ガス源１に接続されている。ガスメータ７は、たとえば背景技術の欄で説明したガスマイコンメータであり、遮断弁７０の他に、流量センサ、圧力センサ、地震センサ、タイマ、およびマイクロコンピュータなどを内蔵し、地震の発生時や、燃料ガス圧の異常値検出時など、所定の異常が発生した際には、遮断弁７０を閉状態とし、燃料ガス供給を遮断する機能を備えている。配管８０には、たとえばガスコンロなどの他のガス機器８２が配管８１を介して別途接続される。詳細は省略するが、燃料ガス供給路２に供給された燃料ガスは、最終的には、燃料電池モジュール４２に送られ
る。燃料電池モジュール４２は、水蒸気を利用して燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質器、およびこの改質器によって改質された水素リッチのガスと有酸素ガスとを反応させて電力を発生させる燃料電池スタックなどを備えている。もちろん、図示されたブロア５と燃料電池モジュール４２との間には、脱硫器やその他の機器を適宜設けることができる。

ブロア５は、燃料ガスの供給圧を昇圧させ、燃料電池モジュール４２への燃料ガス供給量を制御するためのものである。元開閉弁Ｖ１および追加の開閉弁Ｖ２（以下、開閉弁Ｖ１，Ｖ２と適宜略称する）は、たとえば電磁開閉弁である。本実施形態において、追加の開閉弁Ｖ２は、元開閉弁Ｖ１のみを用いる場合よりも燃料ガス供給路２における燃料ガス供給の停止を図る際の確実性、信頼性を高めるために設けられている。圧力スイッチ３は、本発明でいう低圧検知手段の一例に相当し、燃料ガス供給路２のブロア５の上流側領域が所定の低圧状態となったときに、その旨を検知し、かつオン・オフ切り替えのスイッチング動作を生じるものである。このスイッチング動作があったときには、開閉弁Ｖ１，Ｖ２が閉状態に設定されるとともに、ブロア５がオフとされる（ブロア５への駆動用電力の供給がオフとされる）。ただし、ブロア５は、慣性により、その後も暫くの期間は動作する。前記所定の低圧状態とは、検知対象の燃料ガス供給圧が、配管８０，８１内の通常のガス圧よりも低下し、たとえば大気圧に近い所定の圧力まで低下した状態が該当する。

バイパス流路６は、燃料ガス供給路２のうち、ブロア５の下流側領域と上流側領域とを相互に接続するように設けられており、ブロア５から吐出された燃料ガスの一部をブロア５の上流側領域に戻すための部位である。本実施形態においては、バイパス流路６の終端（図１では左端）が、元開閉弁Ｖ１と圧力スイッチ３との間に接続されているが、後述するように、接続位置はこれに限定されない。

バイパス流路６には、燃料ガス流量を絞るためのオリフィス９０、およびバイパス流路６内において燃料ガス圧を蓄圧するための第２のバッファタンク９１が設けられている。オリフィス９０が設けられていることにより、燃料ガス供給路２からバイパス流路６に流れ込む燃料ガスの流量Ｑ１と、バイパス流路６に流れ込むことなく、バイパス流路６の分岐接続部分ＤＰから燃料ガス供給路２の下流側にそのまま流れる燃料ガスの流量Ｑ２とは、Ｑ１≪Ｑ２の関係に設定されている。具体例を挙げると、Ｑ１は、Ｑ２の１％程度、あるいはそれ以下の微小な割合とされている。

次に、前記した燃料電池発電装置ＦＣ１の作用について説明する。

まず、燃料電池発電装置ＦＣ１の稼働中において、地震その他の所定の異常が発生すると、ガスメータ７の遮断弁７０が動作し、ガスメータ７の下流側への燃料ガス供給が停止される。すると、ブロア５の吸気側であるブロア５の上流側領域（配管８０，８１内も含む）の圧力が低下し始める。この圧力が、所定値まで低下し、かつその旨が圧力スイッチ３によって検出されると、開閉弁Ｖ１，Ｖ２が閉状態になるとともに、ブロア５がオフとされる。

ブロア５から吐出された燃料ガスの一部が、バイパス流路６を通過してブロア５の上流側領域に戻される動作は、燃料電池発電装置ＦＣ１の稼働中のみならず、遮断弁７０が閉状態になった後にも暫くの期間は継続される。このため、ブロア５の上流側領域における燃料ガス圧の低下速度が遅くなる作用が得られる。また、その際には、第２のバッファタンク９１に蓄積されていた燃料ガス圧を、ブロア５の上流側領域に供給することができるため、バイパス流路６の燃料ガス圧の低下速度をより遅くすることが可能である。その結果、遮断弁７０が閉状態になってから開閉弁Ｖ１，Ｖ２が閉状態になる迄の期間中に、ブロア５の上流側領域が負圧になることを抑制し、ガス機器８２から配管８０，８１および
燃料ガス供給路２に流入するエアの量を殆どゼロにすることが可能となる。

図２は、前記した作用の説明図であり、同図における実線Ｌ１は、本実施形態におけるブロア５の上流側領域の圧力変化を示している。破線Ｌ２は、対比例の圧力変化を示しており、この対比例の燃料電池発電装置はバイパス流路６に相当する手段が設けられていない構成である。
燃料電池発電装置ＦＣ１の稼働状態において、図２で示す時刻ｔ１に遮断弁７０が閉じられると、本実施形態の実線Ｌ１の場合には、対比例の破線Ｌ２よりも圧力低下の傾きが緩やかとなる。このため、ブロア５の上流側領域の圧力が所定値Ｐｔまで低下し、その旨が圧力スイッチ３によって検知されてから開閉弁Ｖ１，Ｖ２が実際に閉じられる迄に微小時間ΔＴを要する場合において、この微小時間ΔＴにおける低下圧力を考察すると、本実施形態における低下圧力Ｐａは、対比例における低下圧力Ｐｂよりも相当に小さくなる。その結果、本実施形態によれば、ブロア５の上流側領域に負圧を生じることを対比例よりも抑制することができる。
このようなことから、本実施形態では、燃料ガス供給路２へのエア流入に起因して燃料電池モジュール４２が故障または故障し易くなるといった不具合を好適に防止することが可能となる。

既述したように、バイパス流路６に流れ込む燃料ガスの流量Ｑ１と、バイパス流路６に流れ込まない燃料ガスの流量Ｑ２とは、Ｑ１≪Ｑ２の関係に設定されているため、ブロア５から吐出される燃料ガスの多くを燃料電池モジュール４２に効率良く供給することが可能である。バイパス流路６を設けたことに起因して燃料電池モジュール４２への燃料ガス供給効率が悪化する不具合は好適に回避される。また、本実施形態では、バイパス流路６における流量Ｑ１を少なくする手段として、オリフィス９０を用いているため、流量Ｑ１を微小量に設定することも容易となる。

図３は、本発明の他の実施形態を示している。
同図に示す燃料電池発電装置ＦＣ２においては、追加の開閉弁Ｖ２がブロア５の下流側に設けられている。また、圧力スイッチ３によってブロア５の上流側領域における所定の低圧状態が検知されたときには、追加の開閉弁Ｖ２が閉状態にされるとともに、ブロア５がオフとされ、かつその後の所定時間経過後に元開閉弁Ｖ１が閉状態にされる構成とされている。これ以外の構成は、前記実施形態と同様である。

本実施形態においては、遮断弁７０が閉状態とされた後に、追加の開閉弁Ｖ２が閉状態にされると、ブロア５から吐出される燃料ガスの略全量がバイパス流路６に流れ込み、ブロア５の上流側領域に戻されることとなる。したがって、ブロア５の上流側領域に負圧が発生しないようにし、このような状態下で元開閉弁Ｖ１を閉じることができる。このようなことから、本実施形態によっても、ガス機器８２から燃料ガス供給路２にエアが流入することを適切に防止することが可能である。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る燃料電池発電装置の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

上述の実施形態においては、バイパス流路６の終端が、元開閉弁Ｖ１と圧力スイッチ３との間に接続されているが、これに代えて、たとえば圧力スイッチ３と追加の開閉弁Ｖ２との間などの他の位置とすることが可能である。要は、バイパス流路は、ブロアの下流側領域と上流側領域とを相互に接続し、ブロアから吐出された燃料ガスの一部をブロアの上流側領域に戻すことが可能に設けられていればよい。

本発明でいう低圧検知手段は、燃料ガス供給路におけるブロアの上流側領域が所定の低
圧状態となったときにその旨を検知可能であればよく、圧力スイッチに限定されない。たとえば、これ以外の圧力センサを用いることもできる。また、特許文献３に記載されているように、流量センサを利用し、この流量センサによって検知される燃料ガス流量が所定量以下になったときに、所定の低圧状態になったものと判断する手段、あるいはブロアの負荷を検出し、この負荷が所定値以下まで低下したときに所定の低圧状態になったものと判断する手段などを採用することもできる。

燃料ガス（原燃料ガス）としては、都市ガス以外に、たとえばＬＰＧなどの他のガスを用いることが可能である。したがって、本発明でいう燃料ガス源は、都市ガスのガス管以外として、たとえばＬＰＧのボンベなどとすることもできる。ブロアや燃料電池モジュールなどの具体的な種類や構成も限定されない。元開閉弁や追加の開閉弁としては、電磁方式以外のものを用いることもできる。

ＦＣ１，ＦＣ２ 燃料電池発電装置
Ｖ１ 元開閉弁
Ｖ２ 追加の開閉弁
ＤＰ バイパス流路の分岐接続部分
Ｑ１，Ｑ２ 燃料ガスの流量
１ 燃料ガス源
２ 燃料ガス供給路
３ 圧力スイッチ（低圧検知手段）
４２ 燃料電池モジュール
６ バイパス流路
５ ブロア
７ ガスメータ
７０ 遮断弁
８２ ガス機器
９０ オリフィス
９１ 第２のバッファタンク（バッファタンク）

Claims (6)

1. 燃料ガス源から供給される燃料ガスを燃料電池モジュールに導くための燃料ガス供給路と、
   この燃料ガス供給路に設けられ、かつ前記燃料ガスの供給圧を昇圧させるためのブロアと、
   このブロアの駆動時において、前記燃料ガス供給路の前記ブロアの上流側領域が所定の低圧状態となったときにその旨を検知可能な低圧検知手段と、
   前記燃料ガス供給路の前記ブロアの上流側領域に設けられた元開閉弁と、
   を備えており、
   前記低圧検知手段によって前記所定の低圧状態が検知されたときには、前記元開閉弁が閉状態にされるとともに、前記ブロアがオフとされるように構成されている、燃料電池発電装置であって、
   前記燃料ガス供給路の前記ブロアの下流側領域と上流側領域とを相互に接続し、かつ前記ブロアから吐出された燃料ガスの一部を前記ブロアの上流側領域に戻すことが可能なバイパス流路を、さらに備えていることを特徴とする、燃料電池発電装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池発電装置であって、
   前記燃料ガス供給路の一端部は、所定の異常が発生したときに燃料ガス供給を遮断する遮断弁を備えたガスメータを介して前記燃料ガス源に接続されている、燃料電池発電装置。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池発電装置であって、
   前記燃料ガス供給路から前記バイパス流路に流れ込む燃料ガスの流量は、前記バイパス流路に流れ込むことなく前記燃料ガス供給路をその下流側へ流れていく燃料ガスの流量よりも少なくなるように構成されている、燃料電池発電装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池発電装置であって、
   前記バイパス流路には、燃料ガス流量を絞るためのオリフィスが設けられている、燃料電池発電装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池発電装置であって、
   前記バイパス流路には、燃料ガス用のバッファタンクが設けられている、燃料電池発電装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池発電装置であって、
   前記燃料ガス供給路のうちの前記バイパス流路の分岐接続部分よりも下流側に設けられ、かつ前記低圧検知手段によって前記所定の低圧状態が検知されたときに閉状態とされる追加の開閉弁を、さらに備えており、
   前記元開閉弁は、前記追加の開閉弁が閉状態となった後に閉状態となるように構成されている、燃料電池発電装置。

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