JP4958000B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、家庭用や業務用として利用される定置型の燃料電池システムに関する。

家屋倒壊などの災害発生時には電気や水などのライフラインの確保が極めて重要になる。かかるライフラインの確保として、家庭用や業務用として利用される定置型の燃料電池システムが注目されている（例えば、下記特許文献１参照）。

定置型燃料電池システムは、燃料電池と貯湯タンクを備えており、燃料電池は供給される水素と酸素を反応させることで電力を生成するとともに、電力生成時に発生する熱を利用してお湯を生成し、これを貯湯タンクに貯めておく。定置型燃料電池システムの貯湯タンク内には数百リットルの水が溜められるため、この水を生命維持に不可欠な飲料水として利用することができる。

特開２００２−５６８５３号公報

一般に、定置型燃料電池システムが電力生成時に発生する熱は、冷却水などの冷却媒体を介して貯湯タンクへと運ばれ、熱交換器によって熱交換される。この冷却媒体には、凍結防止剤が入っていたり、燃料電池セル内の不純物が混入していることが多い。このため、家屋倒壊などにより、定置型燃料電池システムの冷却媒体用の配管が破損すると、冷却媒体が貯湯タンク内に流入し、貯湯タンク内の水が汚染されて飲料水を確保することができない等の問題が生ずる。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、家屋倒壊などの災害が生じた場合にも、貯湯タンク内の水が汚染されることを未然に防止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、貯湯タンクと、前記燃料電池を循環する冷却媒体の流通経路と、前記冷却媒体と前記貯湯タンクに貯蔵された液体との間で熱交換を行う熱交換器とを備えた燃料電池システムであって、入力される災害情報に基づき前記冷却媒体を外部に排出すべきか否かを判断する排出判断手段と、前記排出判断手段による判断結果に基づき、前記冷却媒体の排出を制御する排出制御手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、入力される災害情報に基づき燃料電池を循環する冷却媒体の外部への排出が制御される。従って、家屋倒壊などの災害が生じた場合にも冷却媒体は確実に外部へ排出され、貯湯タンク内の水が汚染されてしまうことを未然に防止することが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記流通経路には、排出弁を備えた排出機構と、該流通経路内にパージガスを流通させるパージ機構が設けられている態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、通信ネットワークを介して前記災害情報を取得する情報処理装置をさらに備え、前記災害情報は、地震に関わる地震情報であり、前記排出判断手段は、前記情報処理装置から入力される前記地震情報から震度を推定し、推定した震度に基づいて前記冷却媒体を外部に排出すべきか否かを判断する態様がさらに好ましい。

さらに、上記構成にあっては、震度を計測するための震度計をさらに備え、前記排出判断手段は、前記震度計によって計測される震度および前記情報処理装置から入力される前記地震情報から推定した震度に基づいて、前記冷却媒体を外部に排出すべきか否かを判断する態様が好ましい。

さらに、上記構成にあっては、前記災害情報に基づき前記燃料電池の発電を停止すべきか否かを判断する発電判断手段と、発電判断手段による判断結果に基づき、前記燃料電池の発電の停止を制御する発電制御手段とをさらに具備する態様が好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、家屋倒壊などの災害が生じた場合にも、貯湯タンク内の水が汚染されることを未然に防止することが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

Ａ．本実施形態
（１）実施形態の構成
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。
本実施形態では、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置型の燃料電池システムを想定するが、これに限定する趣旨ではなく、携帯用の燃料電池システムや、車両、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等の移動体用の燃料電池システムに適用可能である。

また、本実施形態では、酸化剤、燃料として、それぞれガス状態の酸化ガス、燃料ガスを使用しているが、これに限定されない。例えば、燃料としてメタノール等の液体を使用しても良い。また、燃料ガスとして改質ガスを使用する代わりに、水素ガス、水素含有ガス等を使用してもよい。

図１に示すように、酸化ガスとしての空気は、エアポンプ、エアフィルタ等からなるスタックエアー供給系１から加湿器２により加湿された後、燃料電池（ＦＣスタック）２０に供給される。燃料電池２０から排出される空気オフガスは、凝縮器(図示略）により水回収された後、排気される。

他方、燃料ガスとしての改質ガスは、改質器３０に供給される都市ガス等が水素を含むガスに変換された後、燃料電池２０に供給される。燃料電池２０から排出される改質ガスオフガスは、凝縮器（図示略）で水回収された後、改質器３０に導入されて改質反応の熱源として利用される。

また燃料電池２０には、スタック冷却水（冷却媒体）が循環される。スタック冷却水は、燃料電池２０の発電に伴う熱を吸収し、配管（流通経路）１７を介して貯湯タンク１５へ運ばれる。貯湯タンク１５へ運ばれたスタック冷却水は、熱交換器１６によって貯湯タンク１５内の貯湯水（液体）との間で熱交換される。熱交換器１６によるスタック冷却水と貯湯水との間での熱交換は、制御ユニット５０によって制御される。

前述したように、スタック冷却水には、凍結防止剤や燃料電池２０を構成するスタックの不純物などが含まれている。本実施形態では、家屋倒壊などによって配管１７が破損した場合であっても、貯湯タンク内にスタック冷却水が流入するのを防止するべく、排水機構８０とパージ機構７０が設けられている。なお、本実施形態では、燃料電池２０の冷却媒体としてスタック冷却水を例示したが、これに限ることなく、種々の液体を採用することができる。

排水機構８０は、排水管や排水弁などを備えている。排水機構８０は、制御ユニット５０による制御のもと、家屋倒壊などにより配管１７の破損のおそれがある場合に、スタック冷却水を外部に排出することで、不純物を含む水が貯湯タンク１５に流入するのを未然に防止する（詳細は後述）。

パージ機構７０は、家屋倒壊などが生じた場合に、スタック冷却水を確実に外部へ排出するための手段であり、エアポンプなどを備えて構成されている。パージ機構７０は、制御ユニット５０による制御のもと、家屋倒壊などにより配管１７の破損のおそれがある場合に、スタック冷却水が流れる配管１７に空気を流通させる（パージする）ことで、スタック冷却水を確実に外部へ排出する。なお、本実施形態では、パージする気体として空気を例示したが、水素や窒素などあらゆる気体を適用することができる。もちろん、気体の代わりに不純物が混入していない水を配管１７に流通させても良い。

貯湯タンク１５には、数百リットルの水が貯蔵されている。貯湯タンク１５に貯蔵されている水は、家屋倒壊などの災害が発生した場合に生命維持に不可欠な飲料水として利用される（詳細は後述）。この貯湯タンク１５に供給される水道水や貯湯タンク１５から排出される給湯水の水量は、制御ユニット５０が制御弁８１〜８３の弁開度等を調整することによって制御する。制御弁８１〜８３としては、例えば電磁弁や空気作動弁等を用いることができる。

インバータ２１は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御ユニット５０から与えられる制御指令に応じて燃料電池２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、負荷４０へ供給する。この負荷４０としては、例えばテレビや冷蔵庫、エアコン、照明機器などの電力機器が挙げられる。

燃料電池２０は、供給される反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）から電力を発生する手段であり、単セルを所要数積層した燃料電池スタック（ＦＣスタック）として構成されている。単セルは、ＭＥＡと、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成され、全体として積層形態を有している。セパレータは、ガス不透過の導電性材料よりなり、ＭＥＡ側に対向する面には、酸化ガスまたは燃料ガスのガス流路が形成されている。燃料電池２０の出力電圧及び出力電流は、それぞれ電圧センサ２５及び電流センサ２６によって検出される。

ＭＥＡは、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対の電極とで構成されている。電極は、白金などの触媒を結着した例えば多孔質のカーボン素材で構成されている。一方の電極には、空気などの酸化ガスが供給され、他方の電極には、改質ガスなどの燃料ガスが供給され、ＭＥＡ内で電気化学反応が生じることで電力を発生する。

情報処理装置６０は、種々の通信インタフェースを備えたコンピュータであり、制御ユニット５０による制御のもと、インターネットなどの通信ネットワークを介して外部機関などから種々の災害情報（例えば、震源地や大きさなどの地震に関する情報）を取得する。なお、本実施形態では、災害の一例として地震を想定するが、地震以外の災害にも適用可能である。

制御ユニット５０は、負荷４０からの要求電力や、該システムに設けられた各センサからの制御情報を受け取り、システム各部の運転を制御する。なお、制御ユニット５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。この制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成される。

本実施形態に係る制御ユニット５０は、情報処理装置６０から得られる災害情報に基づいて、家屋倒壊などの危険があると判断した場合には、排水機構８０とパージ機構７０を利用してスタック冷却水を外部へ排出し、これにより、不純物を含む水が貯湯タンク１５に流入するのを確実に防止することを可能とする。以下、制御ユニット５０の動作について説明する。

（２）実施形態の動作
図２は、制御ユニット５０によって実行される災害時運転処理を示すフローチャートである。
図２に示す災害時運転処理は、情報処理装置６０が外部機関から所定の災害情報（本実施形態では地震情報）を受信し、情報処理装置６０が受信した災害情報を制御ユニット５０に供給することで実行される。

制御ユニット（排出判断手段）５０は、情報処理装置６０から震源地、地震時刻、地震の種類などをあらわす地震情報を受信すると、この地震情報に基づきシステム設置点（燃料電池システム１００が設置された場所）の震度を推定する（ステップＳ１００→ステップＳ２００）。

制御ユニット５０は、推定した震度（以下、推定震度）が予め設定されている基準震度（例えば、震度３）以上であるか否かを判断する（ステップＳ３００）。なお、基準震度は燃料電池システム１００の耐震強度や地盤などに基づいて、製造出荷時などに制御ユニット５０に設定される。制御ユニット（発電判断手段、発電制御手段）５０は、推定震度が基準震度以上であると判断すると（ステップＳ３００；ＹＥＳ）、燃料電池２０への酸化ガスや燃料ガスの供給を停止などして発電を停止する（ステップＳ４００）。さらに、推定震度が基準震度以上であると、家屋倒壊などにより配管１７が破損するおそれがあるため、制御ユニット（排出制御手段）５０は、排水機構８０の排水弁を開くとともに、パージ機構７０のエアポンプを駆動するなどして配管１７に空気を流通（パージ）させることで、配管内のスタック冷却水を外部に排出する処理を行う（ステップＳ５００）。

このように、家屋倒壊などのおそれが生じた場合には排水機構８０とともにパージ機構７０を利用することで、配管内のスタック冷却水を確実に外部に排出させる。これにより、家屋倒壊などによって配管１７が破損したとしても、スタック冷却水が貯湯タンク１５に流入することはなく、貯湯タンク１５に貯蔵されている水を飲料水として利用することが可能となる。

一方、制御ユニット５０は、推定震度が基準震度未満であると判断すると（ステップＳ３００；ＮＯ）、ステップＳ６００に進み、外部から停止指令の入力（ユーザによる緊急停止ボタンの押下操作など）があるか否かを判断する。制御ユニット５０は、停止指令の入力がない場合には、ステップＳ１００に戻り、上述した一連の処理を繰り返し実行する一方、停止指令の入力があった場合には燃料電池２０への酸化ガスや燃料ガスの供給を停止するなどして発電を停止した後、処理を終了する（ステップＳ７００）。

以上説明したように、本実施形態によれば、家屋倒壊などのおそれが生じた場合には排水機構８０とともにパージ機構７０を利用することで、配管内のスタック冷却水を確実に外部に排出させる。これにより、家屋倒壊などの災害が生じた場合にも、貯湯タンク内の水が汚染されることを未然に防止することが可能となる。

Ｂ．変形例
＜変形例１＞
図３は、変形例１に係る燃料電池システム１００’の要部構成を示す図であり、前掲図１に対応する。なお、震度計９０が設けられている点を除けば前掲図１と同様であるため、対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
震度計９０は、種々の加速度計などを備えて構成され、地震検出時刻、計測震度、最大加速度などの地震情報を求め、求めた地震情報を制御ユニット５０へ供給する。

図４は、変形例１に係る制御ユニット５０によって実行される災害時運転処理を示すフローチャートである。なお、図４に示すフローチャートは、前掲図２に示すフローチャートにステップＳ１００ａ、ステップＳ１００ｂを加えたものである。その他のステップは図２と同様であるため、対応するステップには同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
制御ユニット５０は、震度計９０から地震情報を受け取ると、この地震情報に含まれる計測震度が設定されている基準震度以上であるか否かを判断する（ステップＳ１００ａ→ステップＳ１００ｂ）。なお、計測震度と比較される基準震度も燃料電池システム１００の耐震強度や地盤などに基づいて、製造出荷時などに制御ユニット５０に設定される。

制御ユニット５０は、計測震度が基準震度以上であると判断すると（ステップＳ１００ｂ；ＹＥＳ）、燃料電池２０への酸化ガスや燃料ガスの供給を停止などして発電を停止した後、排水機構８０の排水弁を開くとともに、パージ機構７０のエアポンプを駆動するなどして配管１７に空気を流通（パージ）させることで、配管内のスタック冷却水を外部に排出する処理を行う（ステップＳ４００→ステップＳ５００）。

一方、制御ユニット５０は、計測震度が基準震度未満であると判断すると（ステップＳ１００ｂ；ＮＯ）、ステップＳ１００に進み、報処理装置６０から震源地、地震時刻、地震の種類などをあらわす地震情報を受信する。なお、この後の動作については、上述した本実施形態と同様であるため、説明を割愛する。

以上説明したように、変形例１によれば、情報処理装置のみならず、震度計をも利用して災害時のシステムの運転を制御する。この結果、例えば直下型地震が発生した場合には、情報処理装置よりも先に震度計が地震を検知することができ、より迅速な運転制御が可能となる。なお、本変形例では、計測震度と比較する基準震度、及び推定震度と比較する基準震度の両者が同じである場合を想定したが、異なるものであっても良い。

本実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 同実施形態に係る災害時運転処理を示すフローチャートである。 変形例１に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 同変形例に係る災害時運転処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１００，１００’・・・燃料電池システム、１・・・スタックエアー供給系、２・・・加湿器、１５・・・貯湯タンク、２０・・・燃料電池、２１・・・インバータ、３０・・・改質器、４０・・・負荷、５０・・・制御ユニット、６０・・・情報処理装置、７０・・・パージ機構、８０・・・排水機構、９０・・・震度計。

Claims (5)

1. 燃料電池と、貯湯タンクと、前記燃料電池を循環する冷却媒体の流通経路と、前記冷却媒体と前記貯湯タンクに貯蔵された液体との間で熱交換を行う熱交換器とを備えた燃料電池システムであって、
   入力される災害情報に基づき前記冷却媒体を外部に排出すべきか否かを判断する排出判断手段と、
   前記排出判断手段による判断結果に基づき、前記冷却媒体の排出を制御する排出制御手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記流通経路には、排出弁を備えた排出機構と、該流通経路内にパージガスを流通させるパージ機構が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 通信ネットワークを介して前記災害情報を取得する情報処理装置をさらに備え、
   前記災害情報は、地震に関わる地震情報であり、
   前記排出判断手段は、前記情報処理装置から入力される前記地震情報から震度を推定し、推定した震度に基づいて前記冷却媒体を外部に排出すべきか否かを判断することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 震度を計測するための震度計をさらに備え、
   前記排出判断手段は、前記震度計によって計測される震度および前記情報処理装置から入力される前記地震情報から推定した震度に基づいて、前記冷却媒体を外部に排出すべきか否かを判断することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記災害情報に基づき前記燃料電池の発電を停止すべきか否かを判断する発電判断手段と、
   発電判断手段による判断結果に基づき、前記燃料電池の発電の停止を制御する発電制御手段とをさらに具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。

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