JP5077810B2

JP5077810B2 - 燃料電池装置

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Publication number: JP5077810B2
Application number: JP2007198906A
Authority: JP
Inventors: 知也熊谷; 広山本; 富美男小倉; 実柴沢
Original assignee: Toshiba Home Technology Corp
Current assignee: Toshiba Home Technology Corp
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2023-02-24
Also published as: JP2007287704A

Description

本発明は、発電を行なう燃料電池装置に関する。

近年、新発電システムの一つとして、発電が容易である燃料電池装置が考えられている。

こうした燃料電池装置は、例えば特開２００２−２１６８２８号公報に開示されているように、電気化学的反応により発電を行なう燃料電池等により基本的に構成される。

上記構成において、燃料電池装置を円滑、かつ安全に運転するためには、各種の制御装置，安全装置を備えるとともに、万一異常を検知した場合は装置を安全に停止し、メンテナンスのために故障やエラーの内容を表示するように構成する必要がある。しかしながら、燃料電池装置の構成要素が複雑多岐にわたるため、すべての故障やエラーの内容を表示するように構成すると、それを表示する表示部の構成が複雑になってしまうといった問題があった。そして、表示部の構成が複雑になると、故障内容がわかりづらくなりメンテナンスに支障をきたすといった問題があった。
特開２００２−２１６８２８号公報

本発明は上記問題点を解決しようとするものであり、万一異常を検知した場合に装置を安全に停止して故障やエラーの内容をシンプルにわかりやすく表示する手段を備え、メンテナンスを容易にした燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の燃料電池装置によれば、異常が検出されたとき、すなわち電力検出手段で監視する消費電力が、電力検出手段で検出する発電電力を上回ったときに運転を安全に停止するとともに、簡単な構成で異常を報知することができる。

本発明の請求項２記載の燃料電池装置によれば、液量が規定量を下回ったときに運転を安全に停止するとともに、簡単な構成で異常を報知することができる。

本発明の請求項３記載の燃料電池装置によれば、ガスが規定量を上回ったときに安全に運転を停止するとともに、簡単な構成で異常を報知することができる。

本発明の請求項４記載の燃料電池装置によれば、温度が規定値から外れたときに運転を停止するとともに簡単な構成で異常を報知することができる。

本発明の請求項５記載の燃料電池装置によれば、異常の内容を報知するように構成したので、異常の内容がわかりやすくメンテナンスが容易になる。また、簡単な構成で異常の内容を報知できる表示部を構成することができる。

本発明の請求項１記載の燃料電池装置によれば、異常が検出されたとき、すなわち電力検出手段で監視する消費電力が、電力検出手段で検出する発電電力を上回ったときに安全に運転を停止するとともに、簡単な構成で異常を報知することができる。

以下、本発明における燃料電池装置の各実施例について、添付図面を参照しながら説明する。図１〜図７は本発明の第１実施例を示すものであり、本装置の構成を示す図１において、１は燃料ガスを昇圧する昇圧ブロアで、この昇圧ブロア１の吐出口には活性炭などからなる脱硫器２が接続される。また脱硫器２の出口には、触媒からなる改質部とこの改質部を加熱するバーナー部とにより構成される改質器３の入口が接続され、改質器３の出口には、触媒からなるＣＯシフト反応器４の入口が接続される。さらに、ＣＯシフト反応器４の出口には、触媒からなるＣＯ選択酸化器５の入口が接続される。ＣＯ選択酸化器５の出口は燃料電池６のアノード７に接続され、アノード７の出口は改質器３のバーナー部に接続される。

燃料電池６は、触媒を担持した電極としてのアノード７とカソード８との間に、固体高分子からなる電解質膜９を挟持すると共に、アノード７およびカソード８のそれぞれに燃料ガスや空気を送り込むための流路を形成したセパレータ（図示せず）を備えて構成される。また10は、空気供給装置としての空気ブロアで、この空気ブロア10の吐出口は３方向に分岐され、１つは燃料電池６のカソード８へ、他の１つは改質器３のバーナー部へ、他のもう１つはＣＯ選択酸化器５へそれぞれ接続される。

燃料電池６を構成するカソード８のガス口すなわちカソード排気ガスの出口は、排熱利用熱交換器11のガス口に接続される。また、排熱利用熱交換器11には、フィルター（孔径１ミクロン）などからなる浄化装置12と、イオン交換樹脂からなるイオン交換装置13と、水ポンプ14が順次接続される。水ポンプ14の吐出口は２方向に分岐され、一方の吐出口は燃料電池６のアノード７に接続され、他方の吐出口は水蒸気発生用熱交換器15を経由して、改質器３の入口に接続される。

改質器３を構成するバーナー部の燃焼排気ガスの出口は、水蒸気発生用熱交換器15の入口に接続される。そして、この改質器３のバーナー部からの燃焼排気ガスは、水蒸気発生用熱交換器15を経由して燃料電池６のカソード８のガス口に接続されることで、燃料電池６からのカソード排気ガスと共に、排熱利用熱交換器11に送り出されるようになっている。

16は市水の流入量を制御する電磁弁で、その出口は排熱利用熱交換器11を経由し、熱利用外部機器である貯湯槽17の温水入口18と、放熱装置（クーリングモジュール）19の温水入口20にそれぞれ接続される。また21は、貯湯層17の温水出口である。そして、貯湯槽17の冷水出口22と放熱装置19の冷水出口23は、三方弁24を経由して循環ポンプ25の入口に接続され、循環ポンプ25の出口は排熱利用熱交換器11に接続される。放熱装置19には放熱用ファン26が設けられており、放熱装置19に導入された温水を外部から取り込んだ空気の強制対流により冷却し、冷水として冷水出口23より排出するようになっている。さらに27は、パッケージ28内の空気を強制対流で外部に放出する送風装置としての換気ファンである。

その他、この図１には図示していないが、ガス，空気および水の流れや温度を制御するためのセンサー，コントローラおよび開閉器（例えば電磁弁）などの補助機器や、燃料電池６で得た直流発電電力を交流電力に変換するインバータや、装置の運転を制御する制御装置なども、本装置内に配置・接続される。

図２は、前記貯湯槽17を除く燃料電池装置の主要部における構造を示す正面図、図３は右側面図、図４は上面図である。28は燃料電池装置本体の外郭を形成する箱状のパッケージであり、燃料電池６とその周辺の構成要素を内部に収納するものである。このパッケージ28の正面下部には横長形状の吸気口31が設けられ、右側面上部には略円形状の排気口32が設けられている。

パッケージ28内の吸気口31の略中央部の近傍には空気ブロア10が配置され、このほか、パッケージ28内の下部には、放熱装置19，水ポンプ14，浄化装置12，イオン交換装置13，排熱利用熱交換器11が配置されている。また、パッケージ28内の上部には、電力変換装置としてのインバータ33，ＣＯシフト反応器４，ＣＯ選択酸化器５，改質器３が配置され、最上部には燃料電池６，換気ファン27が配置されるとともに、排気口32の内側近傍にはダクトボックスたる排気ダクトボックス34が配置されている。

35は加熱手段たる面状ヒーターであり、パッケージ28の内側に一体に設けられている。なお、この面状ヒーター35は、パッケージ28内の水を処理する装置である、排熱利用熱交換器11，浄化装置12，イオン交換装置13，水ポンプ14に対向して設けられている。本実施例では水を処理する装置である、排熱利用熱交換器11，浄化装置12，イオン交換装置13，水ポンプ14がパッケージ28内の正面側に配置されているために、面状ヒーター35はパッケージ28の正面内側に設けられている。なお、水を処理する装置がパッケージ28内の側面側や背面側に設けられる場合には、面状ヒーター35の位置を側面側や背面側に設けてもよく、水を処理する装置を加熱できる位置であれば底面側に設けてもよい。

また、パッケージ28の一側には、天然ガスなどの燃料ガスを取入れるための燃料取入れ口36と、パッケージ28内に窒素ガスを流すための窒素取入れ口37が設けられる。窒素取入れ口37から導入される窒素ガスは、燃料電池装置の起動や停止時において、各配管内の可燃性ガスや空気または蒸気を追い出すために利用される。そして、パッケージ28の他側には、市水取入れ口38と、貯湯槽17の温水入口18に接続される温水取出し口39と、貯湯槽17の冷水出口22に接続される冷水取入れ口40がそれぞれ設けられる。

なお、パッケージ28内には、脱硫器２，水蒸気発生用熱交換器15，電磁弁16，三方弁24，循環ポンプ25のほか、各種センサーやコントローラなどの補助機器が配設される。また、吸気口31には空気の流通が可能な複数の透孔51を備えた蓋体52が着脱可能に設けられ、排気口32には網体53が設けられ、異物や埃などがパッケージ28の内部に入らないように構成されている。

図５は、吸気口31付近の構造を示す正面図、図６は、その中央における断面図である。蓋体52は、上下方向に細長い形状の透孔51を複数備えており、この透孔51は左右方向に相互に平行に並んで配置されている。また、蓋体52はネジなどの取付け具54によって、吸気口32を覆って吸気口32の窓55に着脱自在に取付けられている。

56はギャラリーであって、蓋体52と窓55との間に防滴パッキン58でシールされて取り付けられている。そして、ギャラリー56はそのほぼ全面に亘って、パッケージ28の外側に向かって斜め下方に折り曲げられた複数の桟59を備えている。この桟59は、横方向に相互に略平行に設けられ、隣り合った上下の桟59の上の桟59の下端よりも下の桟59の上端が上方に位置するように配置されている。すなわち、正面側から見たときに、桟59が相互に重なり合って、その奥に配置されたフィルターが見えないように配置されている。また、桟59の各下端は、蓋体52の内側に当接している。このように配置された桟59によって、降雨による水滴が吸気口31からパッケージ28の内部に入り込むことが確実に防止されるようになっている。

57はフィルター57であって、ギャラリー56と窓55との間に挟み込まれて取り付けられている。このフィルター57は、吸気口31から吸い込まれた空気中に含まれる塵埃を除去するためのものであって、取付け具54によって上記蓋体52とギャラリー56とともに一体に着脱可能に設けられている。

図７は、排気ダクトボックス34の構造を示す正面図、図８は、その断面図である。排気ダクトボックス34は、箱形状に形成され、図示しないパッキンを介して排気口32に臨んで設けられている。そして、排気ダクトボックス34の上部側には、換気ファン27からの排気を導入する換気ファン排気導入口60が設けられ、下部側には排熱利用熱交換器11からの排気を導入する排熱利用熱交換器排気導入口61が設けられている。そして、換気ファン排気導入口60と排熱利用熱交換器排気導入口61からの排気をこの排気ダクトボックス34を経由して合流させた後、排気口32から排気するように構成されている。

排気ダクトボックス34の内部には、排熱利用交換器排気導入口61からの排気を換気ファン排気導入口60からの排気と区切って、排熱利用交換器排気導入口61からの排気を排気ダクトボックス34の上部へ導入するための仕切板62が設けられている。この仕切板62は、排気ダクトボックス34の底部から排気口32の最上部よりも上方まで延設され、排気口32から雨による水滴などが入って来たとしても、その水滴などが排熱利用熱交換器導入口61に達しないように構成されている。また、換気ファン排気導入口60は排気口32の最上部よりも上方に設けられ、排気口32から雨による水滴などが入って来たとしても、その水滴などが換気ファン排気導入口60に達しないように構成されている。

排気ダクトボックス34の底部は仕切板62が設けられている部位から斜め下方に傾斜しており、その最下部にはドレイン排出口63が設けられている。そして、このドレイン排出口63から、排気ダクトボックス34内に入って来た水滴などを外部へ排出できるようになっている。

次に、上記構成についてその作用を説明する。燃料電池装置としての運転を開始すると、燃料ガスが昇圧ブロア１に入って昇圧され、脱硫器２に送り出される。ここで燃料ガスに含まれる硫黄分が脱硫剤の吸着作用により取り除かれる。脱硫器２により硫黄分を除去する目的は、その後の改質器３などの触媒が燃料硫黄分により劣化するのを防止することにある。

脱硫器２を通過した燃料ガスは、水蒸気発生用熱交換器15で発生した水蒸気と混合され、改質器３の改質部に入る。この改質部はバーナー部により約750℃前後に加熱されており、燃料ガスはここで触媒の作用により水素ガスと炭酸ガス（二酸化炭素）とに変化する。しかし、ここで生成したガスには、一酸化炭素も若干含まれているが、後述する固体高分子型の燃料電池６は、一酸化炭素によりその性能が著しく低下するため、一酸化炭素の濃度を一定値以下にする必要がある。

改質器３を通過した燃料ガスは、次のＣＯシフト反応器４に入り、ここでも触媒の作用により一酸化炭素は水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変化し、一酸化炭素の濃度はかなり低いレベルにまで低下する。ＣＯシフト反応器４を通過した燃料ガスは、さらにＣＯ選択反応器５に入り、空気ブロア10により送り込まれた空気（酸素）と混合され、その中に含まれる一酸化炭素が触媒の作用により二酸化炭素に変化する。この時点で初めて燃料電池６に悪影響を及ぼさない濃度まで、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を下げることができる。

ＣＯ選択反応器５を通過した燃料ガスは、燃料電池６の一方の電極であるアノード７に送り込まれる。また、他方の電極であるカソード８には、空気ブロア10により空気（酸素）が送り込まれる。アノード７の水素は触媒の作用によりイオン化し、電解膜質９を通ってカソード８側の酸素と結び付く。これにより、水が生成されると同じに反応熱が発生する。またこの電気化学反応によって、アノード７にマイナス極、カソード８にプラス極の電位が生じ、燃料電池６より電力を取り出すことができる。

アノード７を通過した燃料ガスは、大部分の水素ガスが消費されているが、まだかなりの濃度で水素ガスを含んでおり、これを改質器３のバーナー部に戻して、空気ブロア10により送り込まれた空気と混合させ、バーナー部で燃焼する。これにより、残留する水素ガスを改質器の昇温に用いることができる。

カソード８を通過した空気は、燃料電池６で発生した水（水蒸気）と熱を有しており、この空気は排熱利用熱交換器11を通過して水に戻り、その後、この水は浄化装置12により不純物が除去される。さらに、次のイオン交換装置13により水中の電解質が除去された状態で、水ポンプ14によって燃料電池６のアノード７に送り込まれ、固体高分子膜（電解質膜９）の加湿および燃料電池６の冷却に使用される。同じく水ポンプ14により、水蒸気発生用熱交換器15に送り込まれた水は、改質器３のバーナー部から排出されるバーナー排ガスによって加熱され、水蒸気となって昇圧ブロア１からの燃料ガスと共に改質器３の改質部に入る。水蒸気発生用熱交換器11を通過したバーナー排気ガスは、カソード８からの排気ガスと一緒になって排熱利用熱交換器11に送り込まれ、そこで持っている熱エネルギーを放出する。

次に、貯湯槽17を含む熱利用外部機器の動作について説明する。先ず、燃料電池装置を運転する前に電磁弁16を開放し、市水を貯湯槽17に満たしておく。その後、燃料電池装置の運転を開始すると循環ポンプ25が作動し、この循環ポンプ25によって貯湯槽17の冷水が冷水出口22から排熱利用熱交換器11に送り込まれ、燃料電池６のカソード８や改質器３のバーナー部からの排気ガスの熱エネルギーを貰って温水となる。この温水は排熱利用熱交換器11から貯湯槽17の温水入口18に送り出され、再び貯湯槽17に戻る。貯湯槽17の内部は水温の違いにより２層状態になっており、温水は貯湯槽17の上層に、冷水は貯湯槽17の下層に位置している。ここで貯湯槽17の上部に取付けられた温水出口21を開放することにより、排熱利用熱交換器11を利用した温水を使用することが可能になる。

また、貯湯槽17の温水を使用しないと、貯湯槽17内部の冷水層が次第に減少し、最終的に冷水出口22から温水が放出され、排熱利用熱交換器11に送り込まれた熱エネルギーを回収できなくなる。そこで、本実施例では三方弁24を切替えて、温水を放熱装置19側に導く。放熱装置19に導入された温水は、放熱用ファン26の強制対流により冷却され、冷水となって排熱利用熱交換器11に戻される。これにより、排熱利用熱交換器11に送り込まれた熱エネルギーを効果的に回収できる。また、前記換気ファン27はパッケージ28内に外気を導き、パッケージ28内部の温度上昇を抑制する他に、万一可燃性ガスがパッケージ28内に漏れ出したときに換気を行ない、爆発濃度に至る前に燃料電池装置を安全に停止させる。

パッケージ28の正面パネル内面側に貼り付けられた面状ヒーター35は、燃料電池装置停止時にパッケージ28の内部温度が設定温度以下に低下した際に動作し、パッケージ28内の温度を水が凍結しない５℃程度に加温する。

また、空気ブロア10，放熱用ファン26，換気ファン27の動作に必要な空気は吸気口31からパッケージ28内部に吸気される。この際、空気は蓋体51の透孔51，ギャラリー56，フィルター57を経由するが、降雨による水滴はギャラリー56の桟によって窓55の外部へ導かれるので、パッケージ28内部に水滴が侵入することはない。また、フィルター57によってパッケージ28内部に空気中に含まれる塵埃が侵入することが防止される。

換気ファン27からの排気は換気ファン排気導入口60から排気ダクトボックス34へ導入され、排熱利用熱交換器11からの排気は排熱利用熱交換器排気導入口61から排気ダクトボックス34へ導入されてから排気口32から排気される。なお、排気ダクトボックス34の内部に設けられた仕切板62によって、排気口32から雨による水滴などが入って来たとしても、その水滴などが排熱利用熱交換器導入口61に達することはない。また、換気ファン排気導入口60は排気口32の最上部よりも上方に設けられているので、排気口32から雨による水滴などが入って来たとしても、その水滴などが換気ファン排気導入口60に達することがない。また、雨などによる水滴、排気中に含まれる水分の凝縮による水滴は、排気ダクトボックス34の最下部に設けられたドレイン排出口63から外部へ排出される。さらに、網体53によって排気口32からの埃の浸入が防止される。

以上のように本実施例では、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置において、パッケージ28に吸気部たる吸気口31を備えるとともに、この吸気口31に空気の流通が可能な孔部たる透孔51を備えた蓋体52と、空気に含まれる塵埃を除去するフィルター57と、降雨による水滴の浸入を遮断するギャラリー部たるギャラリー56とを一体に着脱可能に設けている。

このようにすると、吸気口31に設けられたフィルター57により空気に含まれる塵埃を除去し、ギャラリー56により降雨による水滴の浸入を遮断することができる。したがって、空気中の塵埃によって空気ブロア10，放熱用ファン26，換気ファン27の内部に目詰まりを起こして送風量が設定値を満足できなくなったり、水滴の浸入によって各機器の正常な運転が妨げられたりして、燃料電池装置を安全かつ安定に継続して運転することが不可能になるといった不具合が生じる虞がない。また、外部に突出したフードのような構造を持たないので、設置場所に制約がなく美観を損ねることもない。また、蓋体52，フィルター57，ギャラリー56を一体に着脱可能に設けたので、清掃，取替えなどのメンテナンスが容易になる。

また、本実施例では、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置において、パッケージ28に排気部たる排気口32を備えるとともに、この排気口32の内側に排気ダクトボックス34を設け、この排気ダクトボックス34を経由して排気するように構成している。

このようにすると、排気口32に設けられた排気34ダクトボックスによって、外部から排気口32を経由して浸入した塵埃や水滴がさらに各種装置の配置されたパッケージ28の内部に侵入することを防止することができる。したがって、浸入した水滴が排熱利用熱交換器11で凝縮した水分に混入して浄化装置12，イオン交換装置13の寿命を著しく低下させるといった不具合を生じない。また、排気口32に高密度のフィルターを設ける必要がないので、排気の抵抗が増すことによって性能低下や換気不足を引き起こす虞を一掃でき、外部に突出したフードのような構造を持たないので、設置場所に制約がなく美観を損ねることもない。

また、本実施例では、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置において、パッケージ28の内側に発熱体たる面状ヒーター35を一体に設けている。

このようにすると、パッケージ28の内側に一体に設けた面状ヒーター35によって、部品点数の増加によるコストアップを招くことなく、簡単な構成で確実に、水を処理する装置の凍結を防止することができる。したがって、水ポンプ14ラインの凍結によって、水ポンプ14を損傷し、または改質器３での水蒸気量が低下して触媒の炭化や改質後の燃料中のＣＯ濃度上昇による電池電圧が低下し、さらに燃料電池６への加湿水流量が低下して固体高分子膜（電解質膜９）の損傷を引き起こすといった不具合を一掃できる。また、浄化装置12，イオン交換装置13の凍結によって水ポンプ14への送水量が規定値を満足できなくなるといった不具合が生じることもない。また、面状ヒーター35をパッケージ28の外面パネルの内側に一体に設けたことによって、装置の特定の部位が局所的に加熱されて故障を招く虞を一掃することができる。さらに、ヒーターの制御が複雑になってコストアップを招くようなこともない。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、実施例では固体高分子型の燃料電池装置について説明したが、溶融炭素型や固体酸化物型などの他の発電方式でも構わない。また、１つの空気ブロア10でカソード８，ＣＯ選択酸化器５，改質器３のバーナーへ空気を送っているが、別々の空気ブロアを用いてもかまわない。水ポンプ14も同様、アノード７，排熱利用熱交換器11に別々の水ポンプを用いてもかまわない。排熱利用についても、上記実施例では温水に利用しているが、暖房に用いてもよいなど用途を問わない。また、吸気を必要とする装置として、空気ブロア10，放熱用ファン26，換気ファン27を挙げ、凍結の虞のある装置として水ポンプ14，浄化装置12，イオン交換装置13を挙げているが、特にこれらの装置に限定するものではない。

次に、本発明の第２実施例を図９〜図１１に基づき説明する。なお、本実施例の燃料電池装置はポータブル型であって、燃料に水素ガスを用いて発電する固体高分子型燃料電池装置である。構成を示す図９において、101は燃料としての水素を取り入れるための燃料取入れ口であって、この燃料取入れ口101は燃料遮断弁102を経由して燃料電池104のアノード極105の入口105ａに接続され、アノード極105に水素を供給するように構成されている。一方、103は空気ブロアであって、この空気ブロア103は燃料電池104のカソード極106の入口106ａに接続され、燃料電池装置の外郭を形成するパッケージ122に設けられた吸気口123より空気を取り入れ、燃料電池104のカソード極106に空気を供給するように構成されている。

燃料電池104は触媒を担持した電極であるアノード極105，カソード極106と、アノード極105とカソード極106との間に挟持された固体高分子からなる電解質膜（図示せず）と、アノード極105とカソード極106のそれぞれに水素ガスと空気を送り込むセパレータ（図示せず）とから構成されている。アノード極105の水素は触媒の作用によりイオン化して電解質膜を通り、カソード極106の酸素と結びついて水が生成するとともに反応熱が発生するが、この反応熱による燃料電池104の温度上昇を監視するために温度検出手段たる電池温度監視装置107が設けられている。そして、燃料電池104の温度上昇が規定値を上回ったときに、電池温度監視装置107は異常信号を後述する電力変換装置108へ出力するように構成されている。

108は、電気化学反応によって生じるアノード極105の＋極の電位，カソード極106の−極の電位から取り出される直流電力を交流商用電気エネルギーに変換する電力変換装置であって、この電力変換装置108によって変換された交流商用電気エネルギーは、パッケージ115外面に設けられた商用電力取出口110を介して負荷に接続可能に構成されている。また、電力変換装置108には発電電力検出手段たる発電出力検出装置109が設けられている。商用電力取出口110に接続された接続負荷の消費電力はこの発電出力検出装置109によって監視され、この接続負荷の消費電力が発電電力を上回ったときに、発電出力検出装置109は異常信号を電力変換装置108へ出力するように構成されている。さらに、電力変換装置108は、燃料電池装置の機器類をコントロールする機能を備え、各機器やセンサー類と電気的に接続されている。

112は、アノード極105の入口105ａと出口105ｂとの間に設けられたリターンブロアであって、このリターンブロア112によって、アノード極105で消費されなかった余剰水素ガスをアノード極105の入口105ａへ戻すようになっている。また、アノード極105の出口105ｂはアノード出口遮断弁113の一端にも接続しており、このアノード出口遮断弁113の他端は水タンク114の気相に接続している。そして、通常、このアノード出口遮断弁113は閉状態であって、一定間隔のインターバルで短時間、開となり、水素ガスに含まれる不純物を排ガスとして水タンク114の気相域に送るように構成されている。また、カソード極106の出口106ｂは水タンク114の気相に接続しており、カソード極106から放出された余剰空気と冷却水が水タンク114の気相域に送られるように構成されている。そして、カソード極106から放出された余剰空気と冷却水は水タンク114内で気液分離され、このカソード極106から放出された余剰空気はアノード極105の排ガスとともに、換気ファン120によって大気へ放出されるようになっている。

水タンク114の内部には、水タンク114内の冷却水の有無を監視する冷却水量検知手段たる水検知装置115が設けられている。そして、水タンク114内の冷却水量が規定値を下回ったときに、水検知装置115は異常信号を電力変換装置108へ出力するように構成されている。水タンク114は水ポンプ116を経由して冷却水を冷却する電池水冷却器117の一端に接続している。電池水冷却器117は換気ファン120の風によって冷却水を冷却するように構成されている。そして、電池水冷却器117の他端は冷却水を純水化するイオン交換装置118，温度検出手段たる電池冷却水温度検出装置119を経由してカソード極106に接続している。なお、電池冷却水温度検出装置119はカソード極106に供給される冷却水温度を監視するものである。そして、カソード極106に供給される冷却水温度が規定範囲から外れたときに、電池冷却水温度検出装置119は異常信号を電力変換装置108へ出力するように構成されている。また、パッケージ122内には、ガス漏れの有無を検知する可燃ガス濃度検出手段たる可燃ガス検知装置121が設けられ、常時ガス漏れの有無を監視するようになっている。そして、パッケージ122内の可燃ガス濃度が規定量を上回ったときに、可燃ガス検知装置121は異常信号を電力変換装置108へ出力するように構成されている。

パッケージ122の外面には、燃料電池装置の運転，停止などの操作を行なうための操作表示部111が設けられている。また、この操作表示部111は機器コントローラを内蔵した電力変換装置108と電気的に接続されている。そして、電力変換装置108からの指令信号に基づき、この操作表示部111において、燃料電源装置によって発電される電力量を表示するように構成されている。また、異常が検出されたときは、電力変換装置108からの指令信号に基づき燃料電源装置は運転を自動的に停止し、操作表示部111にその異常の内容を表示するように構成されている。

操作表示部111の一実施例を示す図１０において、130は燃料電池装置の運転，停止を行なう運転スイッチ、131は運転中であることを点灯して報知する運転ランプである。また、132は発電電力を表示する表示部たる発電電力表示部、133は発電が行なわれていることを点灯して報知する発電ランプである。134は運転中に冷却水がなくなったり負荷の消費する電力が定格を超えたりするなどの異常が検出された場合に点灯する点検（エラー）ランプであり、135は燃料電池装置が故障するなどの異常が検出された場合に点灯する故障ランプである。また、点検（エラー）ランプ134や故障ランプ135の点灯と同時に、発電電力表示部132が異常の内容を表示するように構成されている。なお、図１０（ａ）は正常運転時の操作表示部111の表示例を示すものであり、発電電力表示部132は発電電力を表示している。

図１０（ｂ）は点検（エラー）ランプ134が点灯したときの操作表示部111の表示例を示すものであり、発電電力表示部132は発電電力を表示する代わりに冷却水補給，発電出力オーバーなどの異常の内容をＥ１，Ｅ２などの記号で表示するようになっている。また、図１０（ｃ）は故障ランプ135が点灯したときの操作表示部111の表示例を示すものであり、発電電力表示部132は発電電力を表示する代わりにガス漏れ，燃料電池温度異常，冷却水温度異常などの異常の内容をＣ１，Ｃ２，Ｃ３などの記号で表示するようになっている。

次に、上記構成について、その作用を説明する。運転スイッチ130を入れると水素ガスが燃料取入れ口101から燃料遮断弁102を経由して燃料電池104のアノード極105に送り込まれる。また、燃料電池14のカソード極106には空気ブロア103によって空気（酸素）が送り込まれる。

アノード極105の水素は触媒の作用によりイオン化して電解質膜を通ってカソード極106の酸素と結びつき水が生成されると同時に、反応熱が発生する。この反応熱によって燃料電池104の温度上昇が規定値を上回ったときに、電池温度監視装置107は異常信号を電力変換装置108へ出力する。また、この電気化学反応によりアノード極105に−極，カソード極106に＋極の電位が生じ、このアノード極105，カソード極106から直流電力が取り出され、電力変換装置108により交流商用電気エネルギーに変換されて、商用電力取出口110を介して外部負荷に供給される。商用電力取出口110に接続された接続負荷の消費電力が発電電力を上回ったときに、発電出力検出装置109は異常信号を電力変換装置108へ出力する。

アノード極105を通過する水素ガスは大部分（８０％）が消費されるが、アノード極105で消費されなかった余剰水素ガスはリターンブロア112によってアノード極105の入口105ａへ戻される。また、アノード出口遮断弁113は一定間隔のインターバルで短時間、開となり、水素ガスに含まれる不純物を排ガスとして水タンク114の気相域に送る。カソード極106から放出された余剰空気と冷却水は水タンク114の気相域に送られ、カソード極106から放出された余剰空気と冷却水は水タンク114内で気液分離され、このカソード極106から放出された余剰空気はアノード極105の排ガスとともに、換気ファン120によって大気へ放出される。

水タンク114内の冷却水量が規定値を下回ったときに、水検知装置115は異常信号を電力変換装置108へ出力する。水タンク114中の冷却水は水ポンプ116によって電池水冷却器117へ送られ、電池水冷却器117で冷却された冷却水はイオン交換装置118を通って純水化される。純水化された冷却水は電池冷却水温度検出装置119を経由してカソード極106へ送られる。カソード極106に供給される冷却水温度が規定範囲から外れたときに、電池冷却水温度検出装置119は異常信号を電力変換装置108へ出力する。また、パッケージ122内の可燃ガス濃度が規定量を上回ったときに、可燃ガス検知装置121は異常信号を電力変換装置108へ出力する。

操作表示部111は、正常運転時には電力変換装置108からの指令信号に基づき運転ランプ133を点灯させるとともに、燃料電源装置によって発電される電力量を発電電力表示部132に表示する。また、発電出力検出装置109，水検知装置115から異常信号が出力されると、電力変換装置108はその異常信号に基づき燃料電源装置の運転を自動的に停止させ、操作表示部111の点検（エラー）ランプ134を点灯させるとともに、発電電力表示部132に冷却水補給，発電出力オーバーなどの異常の内容をＥ１，Ｅ２などの記号で表示する。さらに、電池温度監視装置107，電池冷却水温度検出装置119，可燃ガス検知装置121から異常信号が出力されると、電力変換装置108は燃料電源装置の運転を自動的に停止させ、操作表示部111の故障ランプ135を点灯させるとともに、発電電力表示部132にガス漏れ，燃料電池温度異常，冷却水温度異常などの異常の内容をＣ１，Ｃ２，Ｃ３などの記号で表示する。

以上のように、本実施例では、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置において、発電電力を表示する表示部たる発電電力表示部132を備え、異常が検出されたときに運転を停止するとともに前記発電電力表示部132によって異常を報知するように構成している。

このようにすると、異常が検出されたときに運転を安全に停止するとともに、簡単な構成で異常を報知することができる。また、発電電力表示部132によって異常を報知するので、発電電力表示部132を発電電力表示と異常の報知に兼用でき、操作表示部111を低価格でシンプルに構成することができ、表示を分かりやすくすることができる。

また、本実施例では、冷却水量を検知する液量検知手段たる冷却水量検知手段たる水検知装置115を備え、冷却水量が規定量を下回ったときに運転を停止するとともに前記発電電力表示部132によって異常を報知するように構成している。

このようにすると、冷却水量が規定量を下回ったときに運転を安全に停止するとともに、簡単な構成で異常を報知することができる。また、発電電力表示部132によって異常を報知するので、発電電力表示部132を発電電力表示と異常の報知に兼用でき、操作表示部111を低価格でシンプルに構成することができ、表示を分かりやすくすることができる。

また、本実施例では、消費電力を監視するとともに発電電力を検出する電力検出手段たる発電電力検出手段たる発電出力検出装置109を備え、接続負荷の消費電力が発電電力を上回ったときに運転を停止するとともに前記発電電力表示部132によって異常を報知するように構成している。

このようにすると、電力検出手段で監視する接続負荷の消費電力が、電力検出手段で検出する発電電力を上回ったときに安全に運転を停止するとともに、簡単な構成で異常を報知することができる。また、発電電力表示部132によって異常を報知するので、発電電力表示部132を発電電力表示と異常の報知に兼用でき、操作表示部111を低価格でシンプルに構成することができ、表示を分かりやすくすることができる。

また、本実施例では、可燃ガス濃度を検出するガス検出手段たる可燃ガス濃度検出手段たる可燃ガス検知装置121を備え、可燃ガス濃度が規定量を上回ったときに運転を停止するとともに前記発電電力表示部132によって異常を報知するように構成している。

このようにすると、可燃ガス濃度が規定量を上回ったときに安全に運転を停止するとともに、簡単な構成で異常を報知することができる。また、発電電力表示部132によって異常を報知するので、発電電力表示部132を発電電力表示と異常の報知に兼用でき、操作表示部111を低価格でシンプルに構成することができ、表示を分かりやすくすることができる。

また、本実施例では、温度を検出する温度検出手段たる電池温度監視装置107，電池冷却水温度検出装置119を備え、温度が規定範囲から外れたときに運転を停止するとともに前記発電電力表示部132によって異常を報知するように構成している。

このようにすると、温度が規定範囲から外れたときに運転を停止するとともに簡単な構成で異常を報知することができる。また、発電電力表示部132によって異常を報知するので、発電電力表示部132を発電電力表示と異常の報知に兼用でき、操作表示部111を低価格でシンプルに構成することができ、表示を分かりやすくすることができる。

さらに、本実施例では、前記発電電力表示部132によって異常の内容を報知するように構成している。

このようにすると、異常の内容を報知するように構成したので、異常の内容がわかりやすく修理メンテナンスが容易になる。また、発電電力表示部132によって異常の内容を報知するので、発電電力表示部132を発電電力表示と異常の内容の報知に兼用でき、簡単な構成で異常の内容を報知できるので、コスト面でも安価に表示部を構成することができる。

次に、第３実施例を図１２に基づき説明する。なお、本実施例は、第２実施例と操作表示部111の表示方法が異なるのみで、その他の構成は第２実施例と同様であるので、その詳細な説明を省略する。本実施例では、発電電力表示部132によって異常の内容と併せて、異常の生じた部品や箇所を報知するように構成したものである。例えば、異常が生じた場合、故障を故障ランプ135の点灯で表示するとともに、異常の生じた故障箇所として、燃料電池104をＦ、ガス供給系（燃料遮断弁102，リターンブロア112，アノード出口遮断弁113）をＨ、空気供給系（空気ブロア103）をＬ、冷却水系（水タンク114，水ポンプ116，電池水冷却器117，イオン交換装置118，換気ファン120）をＵなどの記号を用いて表示し、ガス漏れ，温度異常などの故障内容をＣ１，Ｃ２などの記号で表示するようになっている。

以上のように、本実施例では、発電電力表示部132によって異常の内容及び異常の生じた箇所を報知するように構成したので、異常の内容に加えて異常の生じた箇所がわかりやすく修理メンテナンスが容易になる。また、発電電力表示部132によって異常の内容及び異常の生じた箇所を報知するので、発電電力表示部132を発電電力表示、並びに異常の内容及び異常の生じた箇所の報知に兼用でき、簡単な構成で異常の内容及び異常の生じた箇所を報知できるので、コスト面でも安価に表示部を構成することができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、実施例では固体高分子型の燃料電池装置について説明したが、溶融炭素型や固体酸化物型などの他の発電方式でも構わない。また、操作表示部111の表示形態は実施例のものに限らず、種々の変形が可能である。

本発明の第１実施例の燃料電池装置の構成を示す概略説明図である。同上燃料電池装置の構造を示す正面図である。同上燃料電池装置の構造を示す右側面図である。同上燃料電池装置の構造を示す上面図である。同上吸気口付近の構造を示す正面図である。同上吸気口付近の構造を示す断面図である。同上排気ダクトボックスの構造を示す正面図である。同上排気ダクトボックスの構造を示す断面図である。本発明の第２実施例の燃料電池装置の構成を示す概略説明図である。同上操作表示部の正面図である。本発明の第３実施例の燃料電池装置の操作表示部の正面図である。

107 電池温度監視装置（温度検出手段）
109 発電出力検出装置（発電電力検出手段）（電力検出手段）
115 水検知装置（冷却水量検知手段）（液量検知手段）
119 電池冷却水温度検出装置（温度検出手段）
121 可燃ガス検知装置（可燃ガス濃度検出手段）（ガス検出手段）
132 発電電力表示部（表示部）

Claims

電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置において、電力を表示する表示部と、消費電力を監視するとともに発電電力を検出する電力検出手段とを備え、消費電力が発電電力を上回ったときに運転を停止するとともに異常を報知するように構成したことを特徴とする燃料電池装置。
液量を検知する液量検知手段を備え、液量が規定量を下回ったときに運転を停止するとともに異常を報知するように構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
ガスを検出するガス検出手段を備え、ガスが規定量を上回ったときに運転を停止するとともに異常を報知するように構成したことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池装置。
温度を検出する温度検出手段を備え、温度が規定値から外れたときに運転を停止するとともに異常を報知するように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料電池装置。
異常の内容を報知するように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池装置。