JP2022185199A - 燃料電池船 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池において燃料ガス漏れが発生したときに、漏れた燃料ガスが冷却媒体タンクに侵入して滞留することを抑制することができる燃料電池船を提供する。
【解決手段】燃料電池船は、燃料電池を冷却する冷却システムを備える。冷却システムは、冷却媒体を収容する冷却媒体タンクと、燃料電池と冷却媒体タンクとの間で冷却媒体を循環させる冷却媒体循環用配管と、冷却媒体タンク内に設置される冷却タンク内部ガス検知器と、冷却媒体タンクに接続される冷却タンク内部ガス放出配管と、冷却タンク内部ガス放出配管に設置される冷却タンク内部ガス放出バルブと、を有する。燃料電池船は、冷却タンク内部ガス放出バルブの開閉を制御する制御部を備える。制御部は、冷却媒体タンク内での燃料ガスの濃度が予め定められた規格値以上であることを冷却タンク内部ガス検知器が検知したときに、冷却タンク内部ガス放出バルブを開放する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池船に関する。

従来、燃料タンクから燃料電池に燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、燃料電池で発生する電力によって推進装置を駆動する燃料電池船が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１８－９２８１５号公報

燃料電池は、電力の発生とともに発熱する。燃料電池の適切な発電効率を維持するためには、例えば冷却媒体（例えば冷却水）の供給によって燃料電池を冷却することが望ましい。しかし、このような構成では、燃料電池において何らかの原因で燃料ガス漏れが発生したときに、漏れた燃料ガスが冷却媒体の循環用の配管を介して冷却媒体タンクに侵入する虞がある。燃料ガスが可燃ガスであり、爆発の危険性があることを考慮すると、漏れた燃料ガスが冷却媒体タンク内で滞留することは望ましくはない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料電池において燃料ガス漏れが発生したときに、漏れた燃料ガスが冷却媒体タンクに侵入して滞留することを抑制することができる燃料電池船を提供することにある。

本発明の一側面に係る燃料電池船は、燃料の電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から供給される電力によって、船体に推進力を発生させる推進装置と、を備える燃料電池船であって、前記燃料電池を冷却する冷却システムをさらに備え、前記冷却システムは、冷却媒体を収容する冷却媒体タンクと、前記燃料電池と前記冷却媒体タンクとの間で前記冷却媒体を循環させる冷却媒体循環用配管と、前記冷却媒体タンク内に設置される冷却タンク内部ガス検知器と、前記冷却媒体タンクに接続される冷却タンク内部ガス放出配管と、前記冷却タンク内部ガス放出配管に設置される冷却タンク内部ガス放出バルブと、を有し、前記燃料電池船は、前記冷却タンク内部ガス放出バルブの開閉を制御する制御部をさらに備え、前記制御部は、前記冷却媒体タンク内での前記燃料の気体状態である燃料ガスの濃度が予め定められた規格値以上であることを前記冷却タンク内部ガス検知器が検知したときに、前記冷却タンク内部ガス放出バルブを開放する。

上記の構成によれば、燃料電池において燃料ガス漏れが発生したときに、漏れた燃料ガスが冷却媒体タンクに侵入して滞留することを抑制することができる。

本発明の実施の一形態に係る燃料電池船の概略の構成を示す説明図である。 上記燃料電池船の内部構造を模式的に示す説明図である。 上記燃料電池船が備える燃料電池の概略の構成を模式的に示す説明図である。 上記燃料電池船が備える冷却タンク内部ガス放出バルブの開閉制御による処理の流れを示すフローチャートである。 上記燃料電池船の主要部の構成を模式的に示す説明図である。 上記燃料電池船の主要部の他の構成を模式的に示す説明図である。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本明細書では、方向を以下のように定義する。まず、燃料電池船の船尾から船首に向かう方向を「前」とし、船首から船尾に向かう方向を「後」とする。そして、前後方向に垂直な横方向を左右方向とする。このとき、燃料電池船の前進時に操船者から見て左側を「左」とし、右側を「右」とする。さらに、前後方向および左右方向に垂直な重力方向の上流側を「上」とし、下流側を「下」とする。

〔１．燃料電池船の概略の構成〕
まず、図１を参照して、本実施形態に係る燃料電池船ＳＨについて説明する。図１は、燃料電池船ＳＨの概略の構成を示す説明図である。燃料電池船ＳＨは、船体１と、キャビン２と、を備える。キャビン２は、船体１の上面に配置される。

燃料電池船ＳＨは、燃料電池システム３と、燃料ガス貯留部４と、蓄電池システム５と、推進装置６と、冷却システム７と、複数の周辺機器１１と、制御装置１２と、をさらに備える。なお、図１では、制御信号または高電圧での電力供給ラインを実線で示し、制御信号または低電圧の電力供給ラインを一点鎖線で示す。

燃料電池システム３は、主電源として機能する。燃料電池システム３は、燃料ガスを消費して電力（具体的には直流電力）を発生する。燃料ガスは、燃料の一例であり、例えば可燃ガスである。典型的には、燃料ガスは、水素ガスである。燃料電池システム３は、発生した電力を、推進装置６および周辺機器１１に供給する。また、燃料電池システム３は、蓄電池システム５に電力を供給して、蓄電池システム５を充電することもできる。なお、燃料電池システム３の詳細については後述する。

燃料ガス貯留部４は、燃料電池システム３に供給する燃料ガスを貯留する。具体的には、燃料ガス貯留部４は、燃料としての燃料ガスを収容する燃料タンク４１（図２参照）を有する。燃料タンク４１から燃料電池システム３への燃料ガスの供給は、後述する燃料ガス供給配管３２（図２参照）を介して行われる。

蓄電池システム５は、蓄電池を有する。蓄電池は、例えばリチウム二次電池であるが、ニッケル－カドミウム蓄電池、ニッケル－水素蓄電池などであってもよい。蓄電池システム５は、蓄電した電力（具体的には直流電力）を、推進装置６および周辺機器１１に供給する補助電源として機能する。このように、蓄電池システム５が補助電源として機能することにより、燃料電池システム３から推進装置６等への電力の供給不足を補うことができる。なお、蓄電池システム５は、制御装置１２に電力を供給してもよい。

推進装置６は、燃料電池システム３の後述する燃料電池３１（図２参照）から供給される電力によって駆動され、船体１に推進力を発生させる。つまり、燃料電池船ＳＨは、燃料電池３１から供給される電力によって、船体１に推進力を発生させる推進装置６を備える。

なお、推進装置６は、蓄電池システム５が有する蓄電池から供給される電力のみによって駆動されてもよいし、燃料電池３１および蓄電池の両方から供給される電力によって駆動されてもよい。つまり、推進装置６は、燃料電池および蓄電池の少なくとも一方から供給される電力によって駆動されて、船体１に推進力を発生させてもよい。

推進装置６は、電力変換装置６ａと、推進モータ６ｂと、プロペラ６ｃとを有する。電力変換装置６ａは、燃料電池システム３から供給される電力を、推進モータ６ｂの規格に応じた電力に変換する。例えば、電力変換装置６ａは、直流電力を交流電力に変換する。この場合、電力変換装置６ａは、例えばインバータを有する。推進モータ６ｂは、電力変換装置６ａから供給される電力（例えば交流電力）によって駆動される。推進モータ６ｂが駆動されると、推進モータ６ｂの回転力がプロペラ６ｃに伝達される。その結果、プロペラ６ｃが回転して、船体１に推進力が発生する。なお、推進モータ６ｂとプロペラ６ｃとの間にマリンギアを有する構成としても良い。

周辺機器１１としては、例えば、コンプレッサ、電磁弁、ポンプなどが含まれる。なお、周辺機器１１には、照明機器、空調機器などの電気機器も含まれるが、周辺機器１１の種類は特に限定されない。

制御装置１２は、燃料電池システム３、燃料ガス貯留部４、蓄電池システム５、推進装置６、冷却システム７、および複数の周辺機器１１を制御する。制御装置１２は、例えば、１つまたは２以上のコンピュータによって構成される。コンピュータは、例えば、ＰＬＣ（Programable Logic Controller）であるが、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）であってもよい。制御装置１２には、図示しないバッテリ（例えば鉛電池）、または蓄電池システム５の蓄電池から電力が供給される。

制御装置１２は、制御部１２ａと、記憶部１２ｂと、を有する。制御部１２ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサを含む。記憶部１２ｂは、記憶装置を含み、データおよびコンピュータプログラムを記憶する。具体的には、記憶部１２ｂは、半導体メモリのような主記憶装置と、半導体メモリ、ソリッドステートドライブ、および／または、ハードディスクドライブのような補助記憶装置と、を含む。記憶部１２ｂは、リムーバブルメディアを含んでいてもよい。記憶部１２ｂは、非一時的コンピュータ読取可能記憶媒体の一例に相当する。

制御部１２ａのプロセッサは、記憶部１２ｂの記憶装置に記憶されたコンピュータプログラムを実行することにより、燃料電池システム３、燃料ガス貯留部４、蓄電池システム５、推進装置６、冷却システム７および複数の周辺機器１１を制御する。

冷却システム７は、燃料電池システム３、特に燃料電池３１を冷却する機能を有する。つまり、本実施形態の燃料電池船ＳＨは、燃料電池３１を冷却する冷却システム７を備える。なお、冷却システム７の詳細については後述する。

〔２．燃料電池システムの詳細について〕
次に、燃料電池システム３の詳細について説明する。図２は、燃料電池船ＳＨの内部構造を模式的に示す説明図である。

燃料電池船ＳＨは、機関室１３と、燃料室１４と、を備える。機関室１３および燃料室１４は、船体１の甲板１ａの下部に配置される。言い換えると、機関室１３および燃料室１４は、船体１の甲板１ａと底板１ｂとの間に配置される。なお、底板１ｂは、甲板１ａと船底部１ｃ（図１参照）との間に位置する。

機関室１３は燃料室１４に対して船首側に位置する。機関室１３および燃料室１４は、隔壁（図示せず）によって仕切られている。上記隔壁は、例えば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）で構成されるが、鉄板であってもよい。上記した燃料ガス貯留部４の燃料タンク４１は、燃料室１４内に位置する。このように、燃料電池船ＳＨは、燃料を収容する燃料タンク４１を備える。

燃料電池船ＳＨの燃料電池システム３は、機関室１３内に位置する。燃料電池システム３は、燃料電池３１と、燃料ガス供給配管３２と、燃料電池側遮断弁３３と、を有する。燃料電池側遮断弁３３は、周辺機器１１（図１参照）の一例である。

燃料電池３１は、燃料の一例である燃料ガスと、酸化剤ガスとの電気化学反応により電力（具体的には直流電力）を発生させる。典型的には、酸化剤ガスは、空気であり、酸化剤は、酸素である。つまり、燃料電池船ＳＨは、燃料の電気化学反応により発電を行う燃料電池３１を備える。

図３は、燃料電池３１の概略の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池３１は、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）であり、複数のセル３１０を積層して構成される燃料電池スタックである。図３では、簡略的に、セル３１０の枚数を２枚として燃料電池３１を示している。燃料電池３１の各セル３１０は、固体高分子電解質膜３１１と、アノード極３１２と、カソード極３１３と、一対のセパレータ３１４ａおよび３１４ｂと、を有する。

アノード極３１２とカソード極３１３とは、固体高分子電解質膜３１１を挟む。アノード極３１２は、負極（燃料極）である。アノード極３１２は、アノード触媒層およびガス拡散層を含む。カソード極３１３は、正極（空気極）である。カソード極３１３は、カソード触媒層およびガス拡散層を含む。アノード極３１２と固体高分子電解質膜３１１とカソード極３１３とは、膜－電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を構成する。一対のセパレータ３１４ａおよび３１４ｂは、膜－電極接合体を挟む。

各セパレータ３１４ａおよび３１４ｂは、例えばＳＵＳ（stainless steel）からなり、両面に複数の溝を形成する凹凸形状のリブを有する。セパレータ３１４ａの一方の面側（アノード極３１２と対向する側）に位置する各溝は、燃料ガスの流路ＣＨ１を形成する。セパレータ３１４ｂの一方の面側（カソード極３１３と対向する側）に位置する各溝は、酸化剤ガスの流路ＣＨ２を形成する。また、任意のセル３１０（例えばセル３１０Ｂとする）のセパレータ３１４ｂの他方の面側の各溝と、隣り合うセル３１０（例えばセル３１０Ａとする）のセパレータ３１４ａの他方の面側の各溝とは、後述する冷却媒体の流路ＣＨ３を形成する。なお、流路ＣＨ１および流路ＣＨ３には、各種の検知器（圧力センサ、温度センサ等）が設けられているが、この点については後述する。

なお、図３では、隣り合うセル３１０の間に冷却媒体の流路ＣＨ３を設けているが、必ずしも各セル３１０の間に流路ＣＨ３を挟む必要はない。各セル３１０を適温に冷却することができるのであれば、数セル積層毎に冷却媒体の流路ＣＨ３を挟む構成も可能である。

燃料電池３１の上記構成において、例えばセル３１０Ｂのアノード極３１２側では、流路ＣＨ１を流れる燃料ガスに含まれる水素が触媒によって水素イオンと電子とに分解される。水素イオンは固体高分子電解質膜３１１を透過してカソード極３１３側に移動する。セル３１０Ｂのセパレータ３１４ａの凹凸形状のリブは、流路ＣＨ１を挟んでアノード極３１２に接触しているため、アノード極３１２で発生した電子は、セパレータ３１４ａに移動する。セル３１０Ｂのセパレータ３１４ａと冷却媒体の流路ＣＨ３を挟むセパレータ３１４ｂは、互いのリブで接触しているため、上記の電子は、セパレータ３１４ａからセパレータ３１４ｂに移動する。セパレータ３１４ｂまで移動した電子は、外部回路３１５を通り、積層方向の反対側の端部のセパレータ３１４ａに移動する。これにより、電流が発生する（発電する）。

セパレータ３１４ａと冷却媒体の流路ＣＨ３を挟むセル３１０Ａのセパレータ３１４ｂは、互いのリブで接触しているため、上記の電子は、セパレータ３１４ａからセル３１０Ａのセパレータ３１４ｂに移動する。セパレータ３１４ｂの凹凸形状のリブは、酸化剤ガスの流路ＣＨ２を挟んでカソード極３１３に接触しているため、セパレータ３１４ｂに移動した電子は、カソード極３１３に移動する。カソード極３１３側では、流路ＣＨ２を流れる酸化剤ガスに含まれる酸素が、上記の電子と、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンと結合して、水を生成する。生成された水は、排出配管３１ａ（図２参照）を介して船外に排出される。

燃料電池３１は、発電した電力を、図１で示した推進装置６および周辺機器１１に供給する。なお、燃料電池３１は、発電した電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の回路を介して間接的に、推進装置６および周辺機器１１に供給してもよい。

図２で示した燃料ガス供給配管３２は、燃料ガス貯留部４の燃料タンク４１に収容された燃料ガスを、燃料電池３１のアノード極３１２（図３参照）に供給するための燃料供給配管である。つまり、燃料電池船ＳＨは、燃料タンク４１から燃料電池３１に燃料を供給する燃料供給配管としての燃料ガス供給配管３２を備える。

燃料電池側遮断弁３３は、燃料ガス供給配管３２の流路を開放または閉塞する遮断弁である。燃料電池側遮断弁３３の開閉は、制御部１２ａ（図１参照）によって制御される。具体的には、燃料電池側遮断弁３３は、制御部１２ａの制御に基づき、燃料タンク４１から燃料電池３１への燃料ガスの供給と供給停止とを切り替える。燃料電池側遮断弁３３は、後述する燃料電池区画３０内で、燃料ガス供給配管３２に１つだけ設けられているが、２つ以上設けられてもよい。

燃料電池船ＳＨは、燃料電池区画３０をさらに備える。燃料電池区画３０は、燃料電池３１を収容する収容体であり、機関室１３に配置される。

燃料電池区画３０は、中空の形状を有する。例えば、燃料電池区画３０は、中空の略直方体形状を有する。この場合、燃料電池区画３０を構成する外壁は、例えば、天壁３０ａ、底壁３０ｂ、正面壁（不図示）、背面壁（不図示）、側壁３０ｃ、および側壁３０ｄを有する。ただし、燃料電池区画３０の天面、底面、正面、背面、および側面は、任意に定めることができる。また、燃料電池区画３０の形状は、燃料電池３１を収容できる空間を有する限り、特に限定されない。燃料電池区画３０は、燃料電池３１を収容する、容器、チャンバー、またはボックスと捉えることもできる。燃料電池区画３０の外壁の素材は、例えばＦＲＰであるが、鉄板であってもよい。

燃料電池区画３０の側壁３０ｄには、電池区画給気口３０ｅが開口して設けられている。電池区画給気口３０ｅは、電池区画給気管３５と接続される。電池区画給気管３５は、電池区画給気口３０ｅから甲板１ａまで延び、甲板１ａの上面から露出する。なお、電池区画給気口３０ｅは、燃料電池区画３０において、側壁３０ｄ以外の外壁に設けられてもよい。

一方、燃料電池区画３０の側壁３０ｃには、電池区画排気口３０ｆが開口して設けられている。電池区画排気口３０ｆは、連通部３６と接続される。連通部３６は、排気の通路を形成するダクト区画（図示せず）と連通する。また、ダクト区画は、船外と通じるベント管（図示せず）と連通する。これにより、電池区画給気管３５から電池区画給気口３０ｅを介して燃料電池区画３０の内部に侵入した空気は、電池区画排気口３０ｆ、連通部３６、ダクト区画およびベント管を介して船外に排出される。その結果、燃料電池区画３０の内部が換気される。

燃料電池区画３０は、電池区画給気口３０ｅおよび電池区画排気口３０ｆを除いて密閉された空間を内部に有する。

燃料電池区画３０内には、前述した燃料ガス供給配管３２の一部と、燃料電池側遮断弁３３と、が収容される。また、燃料電池区画３０内には、さらに、電池区画内部ガス検知器３４ａと、電池区画内部火災検知器３４ｂと、が収容される。

電池区画内部ガス検知器３４ａは、燃料電池区画３０の内部に配置される燃料ガス検知器である。例えば、燃料ガスが水素ガスである場合、電池区画内部ガス検知器３４ａは、水素ガス検知センサで構成される。

電池区画内部ガス検知器３４ａは、燃料電池区画３０の上部に位置する天壁３０ａの内面に配置される。燃料ガスとしての水素ガスは、空気よりも軽く、上昇する。このため、燃料電池区画３０の天壁３０ａに電池区画内部ガス検知器３４ａが配置されることにより、燃料電池区画３０内で燃料ガスが漏れた場合でも、漏れた燃料ガスを電池区画内部ガス検知器３４ａによって確実に検知することができる。なお、電池区画内部ガス検知器３４ａの設置位置は、燃料電池区画３０内で燃料ガスが漏れたときに、上記燃料ガスが流れる流路の最も下流側に位置する構成でも良い。

電池区画内部ガス検知器３４ａが燃料電池区画３０内で燃料ガスを検知したとき、その検知信号は、電池区画内部ガス検知器３４ａから制御部１２ａに送られる。これにより、制御部１２ａは、燃料ガス供給配管３２に設けられた燃料電池側遮断弁３３を制御して、燃料タンク４１から燃料電池３１への燃料ガスの供給を停止させることができる。

電池区画内部火災検知器３４ｂは、燃料電池区画３０の内部に配置される火災検知器である。電池区画内部火災検知器３４ｂは、例えば、煙を検知する煙センサ、熱を検知する熱センサ、炎を検知する炎センサのうち、１つ以上のセンサを含む。電池区画内部火災検知器３４ｂは、熱電対式の火災検知器で構成されてもよい。

電池区画内部火災検知器３４ｂは、燃料電池区画３０の上部に位置する天壁３０ａの内面に配置される。電池区画内部火災検知器３４ｂは、燃料電池区画３０の内部で火災が万が一発生したときに、その火災を検知して、火災が発生したことを示す検知信号を制御部１２ａに出力する。この場合、制御部１２ａは、燃料電池側遮断弁３３を制御して、燃料タンク４１から燃料電池３１への燃料ガスの供給を停止させることができる。これにより、燃料電池区画３０において、上記燃料ガスへの引火による爆発の危険性を極力低減することができる。

上記の燃料電池システム３について、さらに説明を加える。燃料電池システム３は、酸化剤ガス流量調整部３２１と、オフガス循環部３２２と、気液分離部３２３と、排出部３２４と、を有する。酸化剤ガス流量調整部３２１、オフガス循環部３２２、および排出部３２４は、周辺機器１１の一例である。制御部１２ａは、酸化剤ガス流量調整部３２１、オフガス循環部３２２、および排出部３２４を制御する。また、燃料電池システム３は、排出配管３１ａと、酸化剤ガス配管３１ｂと、オフガス循環配管３１ｃと、接続配管３１ｄと、をさらに有する。なお、燃料電池３１の内部には、燃料ガス、酸化剤ガス、および、後述する冷却媒体を流通させるためのマニホールドが形成されている。

酸化剤ガス流量調整部３２１は、燃料電池３１のカソード極３１３（図３参照）に対して酸化剤ガスを供給する。具体的には、酸化剤ガス流量調整部３２１は、燃料電池３１に供給する酸化剤ガスの流量を調整する。典型的には、酸化剤ガス流量調整部３２１は、酸化剤ガスを圧縮するエアコンプレッサである。

酸化剤ガス配管３１ｂは、酸化剤ガス流量調整部３２１から供給される酸化剤ガスを、燃料電池３１のカソード極３１３へ案内する。

上記した排出配管３１ａは、燃料電池３１の内部に設けられた、カソード極３１３側の排出マニホールドに接続される。排出配管３１ａは、燃料電池３１から排出される酸化剤オフガスおよび水を、大気へ案内する。酸化剤オフガスは、カソード極３１３からの排気を示す。つまり、酸化剤オフガスは、カソードオフガスである。

気液分離部３２３は、燃料電池３１から排出された燃料オフガスに含まれる水を分離し、上記水を接続配管３１ｄに排出する。加えて、気液分離部３２３は、水が分離された後の燃料オフガスである余剰燃料ガスを、オフガス循環配管３１ｃに排出する。典型的には、気液分離部３２３は、気液分離器である。燃料オフガスは、燃料電池３１のアノード極３１２（図３参照）からの排気を示す。つまり、燃料オフガスは、アノードオフガスである。

オフガス循環部３２２は、オフガス循環配管３１ｃに配置される。オフガス循環部３２２は、気液分離部３２３から排出された余剰燃料ガスを、燃料ガス供給配管３２に排出する。そして、燃料ガス供給配管３２は、余剰燃料ガスを燃料電池３１に供給する。典型的には、オフガス循環部３２２は、ポンプである。なお、例えば、オフガス循環部３２２は、エジェクタであってもよい。

排出部３２４は、接続配管３１ｄに配置される。排出部３２４は、気液分離部３２３によって分離された水を排出する。加えて、排出部３２４は、燃料電池３１から排出された燃料オフガスの一部、つまり、オフガス循環配管３１ｃに供給されなかった残りのガスおよび水を排出する。典型的には、排出部３２４は、パージ弁である。

排出部３２４から排出された水および燃料オフガスは、接続配管３１ｄを通って排出配管３１ａに排出され、燃料電池３１から排出される酸化剤オフガス（カソードオフガス）とともに、排出配管３１ａから大気へ案内される。

〔３．冷却システムの詳細について〕
次に、冷却システム７の詳細について、引き続き図２を参照しながら説明する。冷却システム７は、冷却媒体タンク７１と、冷却媒体循環用配管７２と、冷却タンク内部ガス検知器７３と、冷却タンク内部ガス放出配管７４と、冷却タンク内部ガス放出バルブ７５と、を有する。

冷却媒体タンク７１は、冷却媒体を収容する容器である。冷却媒体は、例えば電気伝導率の低い不凍液である。不凍液は、例えば純水とエチレングリコールとを所定割合で混合した液体である。

冷却媒体タンク７１は、機関室１３内で、燃料電池区画３０の外部に設置される。このように、機関室１３に冷却媒体タンク７１が設置されることから、機関室１３は冷却媒体設置区画を構成しているとも言える。したがって、燃料電池船ＳＨは、冷却媒体タンク７１が設置される冷却媒体設置区画（機関室１３）を備える、と言える。

上述した燃料ガス供給配管３２は、燃料室１４から機関室１３にわたって延び、燃料電池区画３０の燃料電池３１と接続される。つまり、燃料ガス供給配管３２は、冷却媒体設置区画を通る。

また、冷却媒体設置区画である機関室１３は、船外と連通する換気口１３ａを有する。換気口１３ａは、機関室１３の上壁となる甲板１ａを貫通して形成される給排気口である。本実施形態では、換気口１３ａは、船体１の右舷側および左舷側にそれぞれ設けられている。機関室１３内にあるエアコンプレッサ（図示せず）が駆動していない状態では、例えば右舷側の換気口１３ａから機関室１３の内部に船外の空気が取り込まれる。そして、機関室１３の内部の空気は、左舷側の換気口１３ａから船外に排出される。逆に、左舷側の換気口１３ａから機関室１３の内部に船外の空気が取り込まれ、右舷側の換気口１３ａから船外に排出される場合もある。上記いずれの空気の流れであっても、機関室１３の内部が換気される。また、右舷側の換気口１３ａだけで吸排気が行われる場合もあるし、左舷側の換気口１３ａだけで吸排気が行われる場合もある。一方、機関室１３内のエアコンプレッサが駆動している状態では、右舷側および左舷側の換気口１３ａを通じてエアコンプレッサが機関室１３の内部に空気を吸入する。

冷却媒体循環用配管７２は、燃料電池３１と冷却媒体タンク７１との間で冷却媒体を循環させるための配管である。冷却媒体循環用配管７２の途中には、冷却媒体循環部７６および熱交換器７７が配置されている。冷却媒体循環部７６は、例えばポンプで構成される。冷却媒体循環部７６の駆動により、冷却媒体循環用配管７２を冷却媒体が流れ、燃料電池３１と冷却媒体タンク７１との間で冷却媒体が循環する。燃料電池３１に冷却媒体が供給されることにより、燃料電池３１が冷却される。燃料電池３１の冷却に供された冷却媒体は、冷却媒体循環用配管７２を通り、熱交換器７７にて熱交換が行われて冷却された後、冷却媒体タンク７１に戻される。なお、熱交換器７７は、冷却媒体循環用配管７２において、冷却媒体タンク７１と冷却媒体循環部７６との間に設置されていてもよい。

なお、図２では、冷却媒体循環部７６は燃料電池区画３０内に配置されているが、機関室１３内で、燃料電池区画３０の外部に配置されてもよい。

このように、冷却システム７は、冷却媒体を収容する冷却媒体タンク７１と、燃料電池３１と冷却媒体タンク７１との間で冷却媒体を循環させる冷却媒体循環用配管７２と、を有する。

冷却タンク内部ガス検知器７３は、冷却媒体タンク７１の内部上方に設置され、冷却媒体タンク７１の内部に存在する燃料ガスを検知する燃料ガス検知器である。例えば、燃料ガスが水素ガスである場合、冷却タンク内部ガス検知器７３は、水素ガス検知センサで構成される。

冷却媒体タンク７１内に存在する燃料ガスとしては、例えば、燃料電池３１で漏洩し、冷却媒体循環用配管７２を介して冷却媒体タンク７１内に侵入した燃料ガスが考えられる。冷却タンク内部ガス検知器７３による燃料ガスの検知結果（例えば燃料ガスの濃度の情報）は、制御部１２ａに送られる。これにより、制御部１２ａは、冷却タンク内部ガス検知器７３での検知結果に基づいて、燃料電池３１での燃料ガスの漏洩の有無を判断し、漏洩ありの場合には、例えば燃料電池３１での発電を停止させる制御を行うことができる。

冷却タンク内部ガス放出配管７４は、冷却媒体タンク７１に接続され、冷却媒体タンク７１の内部に存在する燃料ガスを外部に放出するための配管である。冷却タンク内部ガス放出配管７４の出口、つまり、冷却タンク内部ガス放出配管７４において冷却媒体タンク７１との接続側とは反対側の端部は、燃料ガスを放出するガス放出口７４ａを構成する。

ガス放出口７４ａは、冷却媒体設置区画（機関室１３）内の電気機器ＥＭよりも上方に位置する。また、機関室１３の上記した換気口１３ａは、ガス放出口７４ａの上方に位置する。なお、このような位置関係を規定した理由については後述する。電気機器ＥＭは、周辺機器１１を構成する機器である。電気機器ＥＭの具体例としては、例えば空気コンプレッサ、燃料電池３１の発電電力を電力変換装置６ａ（図１参照）との間で中継するジャンクションボックス、インバータ、コンバータなどを考えることができる。

冷却タンク内部ガス放出バルブ７５は、冷却タンク内部ガス放出配管７４に設置され、冷却タンク内部ガス放出配管７４を流れる燃料ガスの流路を開放または閉塞する。冷却タンク内部ガス放出バルブ７５の開閉は、制御部１２ａによって制御される。

このように、冷却システム７は、冷却媒体タンク７１内に設置される冷却タンク内部ガス検知器７３と、冷却媒体タンク７１に接続される冷却タンク内部ガス放出配管７４と、冷却タンク内部ガス放出配管７４に設置される冷却タンク内部ガス放出バルブ７５と、を有する。そして、燃料電池船ＳＨは、冷却タンク内部ガス放出バルブ７５の開閉を制御する制御部１２ａを備える。

次に、制御部１２ａによる冷却タンク内部ガス放出バルブ７５の開閉制御の詳細について、図４を参照しながら説明する。図４は、冷却タンク内部ガス放出バルブ７５の開閉制御による処理の流れを示すフローチャートである。

冷却タンク内部ガス検知器７３が、冷却媒体タンク７１内での燃料ガス（例えば水素ガス）の濃度が規格値以上であることを検知すると（Ｓ１にてＹｅｓ）、制御部１２ａは、冷却タンク内部ガス放出バルブ７５を開放する（Ｓ２）。この場合、冷却媒体タンク７１内に存在する燃料ガスは、冷却タンク内部ガス放出配管７４を通り、ガス放出口７４ａから放出される。燃料ガスは軽いため、機関室１３内でガス放出口７４ａから放出された燃料ガスは上昇し、機関室１３の換気口１３ａを介して船外に排出される。

なお、上記規格値としては、例えば４０％ＬＥＬを考えることができるが、実験または経験に基づいて適宜定められればよい。

一方、冷却タンク内部ガス検知器７３が、冷却媒体タンク７１内での燃料ガスの濃度が規格値未満であることを検知すると（Ｓ１にてＮｏ）、制御部１２ａは、冷却タンク内部ガス放出バルブ７５を閉塞させる（Ｓ３）。これにより、冷却媒体タンク７１内は、密閉状態が維持される。

以上のように、制御部１２ａは、冷却媒体タンク７１内での燃料ガス（燃料の気体状態）の濃度が予め定められた規格値以上であることを冷却タンク内部ガス検知器７３が検知したときに、冷却タンク内部ガス放出バルブ７５を開放する（Ｓ１、Ｓ２）。これにより、燃料電池３１において何らかの原因で燃料ガス漏れが発生し、漏れた燃料ガスが冷却媒体循環用配管７２を介して冷却媒体タンク７１に侵入したとしても、その燃料ガスは、冷却タンク内部ガス放出バルブ７５を介して、冷却タンク内部ガス放出配管７４から放出される。したがって、漏れた燃料ガスが冷却媒体タンク７１内で滞留する事態を低減することができる。

また、冷却タンク内部ガス放出配管７４のガス放出口７４ａは、上述のように、冷却媒体タンク７１が設置される機関室１３内の電気機器ＥＭよりも上方に位置する（図２参照）。この場合、燃料電池３１から漏洩して冷却媒体タンク７１内に侵入した燃料ガスが、冷却タンク内部ガス放出配管７４のガス放出口７４ａから放出されたときに、比重の軽い燃料ガス（例えば水素ガス）は上昇するため、上記燃料ガスが下方位置の電気機器ＥＭに触れにくくなる。これにより、放出される燃料ガスが電気機器ＥＭによって着火する危険性を低減することができる。

また、機関室１３の換気口１３ａは、ガス放出口７４ａの上方に位置する（図２参照）。これにより、ガス放出口７４ａから放出された比重の軽い燃料ガスは、ガス放出口７４ａからそのまま上昇し、換気口１３ａを介して機関室１３の外部に迅速に（効率よく）放出される。したがって、機関室１３内での燃料ガスの電気機器ＥＭによる着火の危険性を確実に低減することができる。

また、燃料ガス供給配管３２は、燃料ガスが通る配管であることから、何らかの原因で燃料ガス供給配管３２から燃料ガスが漏れる可能性はある。一方、冷却媒体タンク７１には、燃料電池３１で漏洩した燃料ガスが冷却媒体循環用配管７２を介して侵入して集まる可能性がある。このため、冷却媒体タンク７１に集まった燃料ガスが何らかの原因で冷却媒体タンク７１から漏れる可能性も否定できない。

本実施形態のように、燃料ガス供給配管３２が、冷却媒体タンク７１が設置される機関室１３を通って位置することにより、船体１において、燃料ガスが漏洩する可能性のある部位（燃料ガス供給配管３２、冷却媒体タンク７１）が同じスペース（機関室１３）に集約される。これにより、例えば冷却媒体タンク７１を機関室１３以外の場所に設置する場合に比べて、燃料ガスが漏洩するリスクのある範囲が狭くなる。したがって、上記範囲の外側に電気機器を設置するときの、設置の自由度を増大させることができる。例えば、機関室１３内の換気を積極的に行うために、機関室１３の換気口１３ａの外部に給気ファンを設置する場合でも、その給気ファンを設置できる範囲が広くなるため。その設置の自由度を増大させることができる。

ところで、本実施形態では、図２に示すように、冷却媒体タンク７１は、冷却媒体循環用配管７２の最上部と接続されている。つまり、冷却媒体タンク７１は、冷却媒体循環用配管７２を流れる冷却媒体の循環経路の最上部に位置している。このように冷却媒体タンク７１と冷却媒体循環用配管７２との位置関係（接続関係）を規定することにより、以下の効果を得ることができる。

例えば、冷却媒体タンク７１が冷却媒体循環用配管７２の最上部以外の部位（例えば最下部）と接続されていると、制御部１２ａが冷却タンク内部ガス検知器７３での燃料ガスの検知結果に基づいて、冷却タンク内部ガス放出バルブ７５を開放したときに、冷却媒体循環用配管７２内の冷却媒体が自重によって冷却媒体タンク７１に流れ込み、冷却タンク内部ガス放出配管７４のガス放出口７４ａから流れ出す、「冷却媒体漏れ」が発生する可能性がある。

冷却媒体タンク７１が冷却媒体循環用配管７２の最上部と接続されて、冷却媒体の循環経路の最上部に位置することにより、制御部１２ａが冷却タンク内部ガス放出バルブ７５を開放した場合でも、冷却媒体循環用配管７２内の冷却媒体が自重によって冷却媒体タンク７１に流れ込むことを防止することができる。これにより、冷却タンク内部ガス放出バルブ７５を開放したときの冷却媒体漏れを防止することができる。

また、制御部１２ａは、冷却媒体タンク７１内での燃料ガスの濃度が予め定められた規格値未満であることを冷却タンク内部ガス検知器７３が検知したときに、冷却タンク内部ガス放出バルブ７５を閉塞して冷却媒体タンク７１を密閉する（Ｓ３）。

燃料電池３１の動作温度が高温となったとき、燃料電池３１の迅速な冷却のために、加圧水（加圧した冷却媒体）を燃料電池３１に供給することが要求される場合があり得る。例えば、燃料電池３１の動作温度が１００℃を超えると、加圧した冷却媒体でなければ、液体状態（熱伝達率が気体状態よりも１０倍以上高い）を維持することができない。冷却媒体タンク７１への燃料ガスの漏洩がない場合に、冷却媒体タンク７１を密閉することにより、そのような加圧水の供給に容易に対応することが可能となる。つまり、冷却媒体タンク７１内で冷却媒体を加圧して燃料電池３１に供給することが可能となる。また、冷却媒体タンク７１が密閉されるため、冷却媒体タンク７１の上部が常時開放されている場合に生じるような問題を回避することもできる。例えば、燃料電池船ＳＨの航行時の揺れによる冷却媒体のタンク外部への流出、および冷却媒体タンク７１内の冷却媒体への不純物の混入を回避することもできる。

特に、固体高分子形の燃料電池３１では、その最適な動作温度は８０℃前後であるが、高負荷の駆動を続けると、燃料電池３１の動作温度は１００℃以上になる場合がある。したがって、冷却媒体タンク７１への燃料ガスの漏洩がない場合に冷却媒体タンク７１を密閉して加圧水の供給を可能にする上記の制御は、燃料電池３１の動作温度が１００℃以上である場合に非常に有効となる。つまり、燃料電池３１に供給される冷却媒体の温度、および燃料電池３１から排出される冷却媒体の温度の少なくとも一方が１００℃以上である場合に、冷却媒体タンク７１を密閉して加圧水の供給を可能にする上記の制御が非常に有効となる。

なお、燃料電池３１に供給される冷却媒体の温度は、図５および図６に示す供給側冷却媒体温度検知部３３１ａによって監視することが可能である。一方、燃料電池３１から排出される冷却媒体の温度は、排出側冷却媒体温度検知部３３１ｂによって監視することが可能である。供給側冷却媒体温度検知部３３１ａおよび排出側冷却媒体温度検知部３３１ｂは、例えばサーミスタなどの温度センサによって構成される。

〔４．燃料電池での燃料ガスの漏洩を防止するための制御について〕
図５は、燃料電池船ＳＨの主要部の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池船ＳＨは、供給側燃料ガス圧力検知部３３２ａと、供給側冷却媒体圧力検知部３３３ａと、を備えていてもよい。供給側燃料ガス圧力検知部３３２ａは、（燃料タンク４１から）燃料電池３１に供給される燃料（例えば燃料ガス）の圧力Ｐ１（ＭＰａ）を検知する供給側燃料圧力検知部である。供給側冷却媒体圧力検知部３３３ａは、（冷却媒体タンク７１から）燃料電池３１に供給される冷却媒体の圧力Ｐ２（ＭＰａ）を検知する。供給側燃料ガス圧力検知部３３２ａおよび供給側冷却媒体圧力検知部３３３ａは、いずれも圧力センサで構成される。

制御部１２ａは、供給側燃料ガス圧力検知部３３２ａおよび供給側冷却媒体圧力検知部３３３ａの検知結果に基づき、燃料（例えば燃料ガス）の圧力Ｐ１が冷却媒体の圧力Ｐ２よりも大きくなったときに、燃料電池３１の発電を停止させることが望ましい。

Ｐ１＞Ｐ２の場合、燃料電池３１における燃料ガスの供給側（アノード入口側）で、燃料が冷却媒体側に漏れて混入する可能性がある。Ｐ１＞Ｐ２の場合に、燃料電池３１の発電を停止させることにより、燃料電池３１における燃料の供給側における、燃料の冷却媒体側への漏洩を抑制することができる。

図６は、燃料電池船ＳＨの主要部の他の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池船ＳＨは、図５で示した供給側燃料ガス圧力検知部３３２ａおよび供給側冷却媒体圧力検知部３３３ａに加えて、排出側燃料ガス圧力検知部３３２ｂおよび排出側冷却媒体圧力検知部３３３ｂをさらに備えていてもよい。排出側燃料ガス圧力検知部３３２ｂは、燃料電池３１から排出される燃料（例えば燃料ガス）の圧力Ｐ３（ＭＰａ）を検知する排出側燃料圧力検知部である。排出側冷却媒体圧力検知部３３３ｂは、燃料電池３１から排出される冷却媒体の圧力Ｐ４（ＭＰａ）を検知する。排出側燃料ガス圧力検知部３３２ｂおよび排出側冷却媒体圧力検知部３３３ｂは、いずれも圧力センサで構成される。

ここで、供給側燃料ガス圧力検知部３３２ａによって検知される燃料（例えば燃料ガス）の圧力Ｐ１と、供給側冷却媒体圧力検知部３３３ａによって検知される冷却媒体の圧力Ｐ２との差を、第１圧力差Ｐｄ１（ＭＰａ）とする。また、排出側燃料ガス圧力検知部３３２ｂによって検知される燃料（例えば燃料ガス）の圧力Ｐ３と、排出側冷却媒体圧力検知部３３３ｂによって検知される冷却媒体の圧力Ｐ４との差を、第２圧力差Ｐｄ２（ＭＰａ）とする。

制御部１２ａは、第１圧力差Ｐｄ１と第２圧力差Ｐｄ２とのうちの少なくとも一方が所定値Ｐｔｈ（ＭＰａ）以上になったときに、燃料電池３１の発電を停止させることが望ましい。

Ｐｄ１≧Ｐｔｈのとき、つまり、例えば（Ｐ１－Ｐ２）≧Ｐｔｈのとき、燃料の供給圧力が冷却媒体の供給圧力よりも高すぎるために、燃料電池３１における燃料の供給側（アノード入口側）で、燃料が冷却媒体側に漏れて混入する可能性がある。一方、Ｐｄ２≧Ｐｔｈのとき、つまり、例えば（Ｐ３－Ｐ４）≧Ｐｔｈのとき、燃料の排出圧力が冷却媒体の排出圧力よりも高すぎるために、燃料電池３１における燃料の排出側（アノード出口側）で、燃料が冷却媒体側に漏れて混入する可能性がある。

Ｐｄ１≧Ｐｔｈ、Ｐｄ２≧Ｐｔｈの少なくとも一方の条件を満足したときに、燃料電池３１の発電を停止させることにより、燃料電池３１における燃料の供給側および排出側の少なくとも一方において、燃料が冷却媒体側に漏洩する事態を抑制することができる。

以上、本実施形態では、燃料タンク４１から燃料電池３１に供給する燃料として、気体の燃料ガスを用いているが、上記燃料は気体に限定されず、液体であってもよい。液体燃料を用いた場合、配管から液体燃料が漏れると、漏れた液体燃料は気化して気体（燃料ガス）となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で拡張または変更して実施することができる。

本発明は、例えば燃料電池船に利用可能である。

１ 船体
６ 推進装置
７ 冷却システム
１２ａ 制御部
１３ 機関室（冷却媒体タンク設置区画）
１３ａ 換気口
３１ 燃料電池
３２ 燃料ガス供給配管（燃料供給配管）
４１ 燃料タンク
７１ 冷却媒体タンク
７２ 冷却媒体循環用配管
７３ 冷却タンク内部ガス検知器
７４ 冷却タンク内部ガス放出配管
７４ａ ガス放出口
７５ 冷却タンク内部ガス放出バルブ
３３２ａ 供給側燃料ガス圧力検知部（供給側燃料圧力検知部）
３３３ａ 供給側冷却媒体圧力検知部
３３２ｂ 排出側燃料ガス圧力検知部（排出側燃料圧力検知部）
３３３ｂ 排出側冷却媒体圧力検知部
ＥＭ 電気機器
ＳＨ 燃料電池船

Claims (9)

1. 燃料の電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から供給される電力によって、船体に推進力を発生させる推進装置と、を備える燃料電池船であって、
   前記燃料電池を冷却する冷却システムをさらに備え、
   前記冷却システムは、
   冷却媒体を収容する冷却媒体タンクと、
   前記燃料電池と前記冷却媒体タンクとの間で前記冷却媒体を循環させる冷却媒体循環用配管と、
   前記冷却媒体タンク内に設置される冷却タンク内部ガス検知器と、
   前記冷却媒体タンクに接続される冷却タンク内部ガス放出配管と、
   前記冷却タンク内部ガス放出配管に設置される冷却タンク内部ガス放出バルブと、を有し、
   前記燃料電池船は、前記冷却タンク内部ガス放出バルブの開閉を制御する制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記冷却媒体タンク内での前記燃料の気体状態である燃料ガスの濃度が予め定められた規格値以上であることを前記冷却タンク内部ガス検知器が検知したときに、前記冷却タンク内部ガス放出バルブを開放する、燃料電池船。
2. 前記冷却媒体タンクが設置される冷却媒体タンク設置区画をさらに備え、
   前記冷却タンク内部ガス放出配管のガス放出口は、前記冷却媒体タンク設置区画内の電気機器よりも上方に位置する、請求項１に記載の燃料電池船。
3. 前記冷却媒体タンク設置区画は、船外と連通する換気口を有し、
   前記換気口は、前記ガス放出口の上方に位置する、請求項２に記載の燃料電池船。
4. 前記燃料を収容する燃料タンクと、
   前記燃料タンクから前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給配管と、をさらに備え、
   前記燃料供給配管は、前記冷却媒体タンク設置区画を通る、請求項２または３に記載の燃料電池船。
5. 前記冷却媒体タンクは、前記冷却媒体循環用配管を流れる前記冷却媒体の循環経路の最上部に位置する、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池船。
6. 前記燃料電池に供給される前記燃料の圧力を検知する供給側燃料圧力検知部と、
   前記燃料電池に供給される前記冷却媒体の圧力を検知する供給側冷却媒体圧力検知部と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記燃料の圧力が前記冷却媒体の圧力よりも大きくなったときに、前記燃料電池の発電を停止させる、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池船。
7. 前記燃料電池に供給される前記燃料の圧力を検知する供給側燃料圧力検知部と、
   前記燃料電池に供給される前記冷却媒体の圧力を検知する供給側冷却媒体圧力検知部と、
   前記燃料電池から排出される前記燃料の圧力を検知する排出側燃料圧力検知部と、
   前記燃料電池から排出される前記冷却媒体の圧力を検知する排出側冷却媒体圧力検知部と、をさらに備え、
   前記供給側燃料圧力検知部によって検知される前記燃料の圧力と、前記供給側冷却媒体圧力検知部によって検知される前記冷却媒体の圧力との差を第１圧力差とし、
   前記排出側燃料圧力検知部によって検知される前記燃料の圧力と、前記排出側冷却媒体圧力検知部によって検知される前記冷却媒体の圧力との差を第２圧力差としたとき、
   前記制御部は、前記第１圧力差と前記第２圧力差とのうちの少なくとも一方が所定値以上になったときに、前記燃料電池の発電を停止させる、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池船。
8. 前記制御部は、前記冷却媒体タンク内での前記燃料ガスの濃度が予め定められた規格値未満であることを前記冷却タンク内部ガス検知器が検知したときに、前記冷却タンク内部ガス放出バルブを閉塞して前記冷却媒体タンクを密閉する、請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池船。
9. 前記燃料電池に供給される前記冷却媒体の温度、および前記燃料電池から排出される前記冷却媒体の温度の少なくとも一方が、１００℃以上である、請求項８に記載の燃料電池船。

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