JP5322487B2

JP5322487B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5322487B2
Application number: JP2008115229A
Authority: JP
Inventors: 和伸篠田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2028-04-25
Also published as: JP2009266641A

Description

本発明は、燃料電池システムの外気温センサに関する。

従来より燃料電池システムにおいては、外気が本体内にとりこまれてバーナで燃焼に使用されたり、発電するために燃料電池の酸化剤ガスとして利用されている。また、システム内には各用途の水を備えており、外気温が下がると、システム内の水が凍結してしまい、起動できなくなる懸念がある。そこで、効率的な発電をおこなったり、信頼性を維持するために、正確に外気の温度を測定する必要がある。すなわち実測した体積流量に温度補正をかけ、正確な含有酸素量を求めたり、またシステム内の水の凍結を防止するため外気温を監視して、凍結しそうな状況では凍結防止モードを起動させる等の手段が講じられている。例えば、従来技術では特許文献１の図１に記載されているように、外気温測定部４が空気ポンプの取り入れ口付近に設置され、その計測値がポンプ出力演算部５に送出され、必要空気量が補正計算された上で、空気ポンプ６によって、必要量の空気が燃料電池本体１の空気極１１に供給されるようになっている。また特許文献２の図１に記載されているものでは、システム外部に設けられた外気温検出手段３４によって外気温が計測され、計測データに基づいて運転制御部５によって暖房運転の必要、不要の予測判断がされ、判断に基づいて事前に運転条件の設定が行なわれている。
特開２００４−２０７１３３号公報特開２００６−１１８７４８号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムにおいては、外気温センサは吸入される外気の温度をより正確に測定するために空気ポンプの吸入口近傍に配置されることが多く、太陽光や風雨に晒され劣化してしまったり、外部に晒されているため物理的な影響を受けてしまう問題があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、簡素な構造にて精密な外気の温度測定が可能であり、凍結抑制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。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明の特徴は、燃料電池を収納する筐体と、前記筐体を据付部に設置するため前記筐体の底板に固定され前記底板との間に周囲を囲まれ、少なくとも一部が外部に開放された囲繞空間を形成するベース部材と、外気温を検出する感温部が前記囲繞空間に設けられた温度センサと、前記温度センサによって検出される外気温度に応じて作動し、水の凍結を抑制する凍結抑制ヒータと、を備え、前記筐体内に前記燃料電池及び凍結抑制ヒータを収納する収納空間と、交換用部品を収納するメンテナンス空間を隔離して設け、前記メンテナンス空間の底板部分に前記温度センサを設けたことである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記温度センサは、前記感温部が前記囲繞空間に突出し配線部が前記筐体内に位置するように前記底板に固定されており、前記配線部が前記底板を貫通する貫通孔の周囲に外気が通過可能な隙間を設けたことである。
請求項３に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池を収納する筐体と、前記筐体を据付部に設置するため前記筐体の底板に固定され前記底板との間に周囲を囲まれ、少なくとも一部が外部に開放された囲繞空間を形成するベース部材と、外気温を検出する感温部が前記囲繞空間に設けられた温度センサと、を備え、前記温度センサは、前記感温部が前記囲繞空間に突出し配線部が前記筐体内に位置するように前記底板に固定されており、前記配線部が前記底板を貫通する貫通孔の周囲に外気が通過可能な隙間を設けたことである。

請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、前記ベース部材は前記筐体の長手方向に沿って延在され、前記ベース部材の長手方向の少なくとも一端は外気に解放されていることである。

請求項１に係る発明によれば、筐体の底板に固定され、底板との間に周囲を囲まれ少なくとも一部が外部に開放された囲繞空間を形成するベース部材の空間内に温度センサの感温部が配置される。これにより風雨や日光に直接晒されにくくなるとともに、温度センサの感温部は、外部からの物理的影響からも保護されるため、信頼性の向上が図られる。さらに筐体内部の各補機類の発熱による温度上昇の影響を受けずに外気温データが得られるため、温度センサが筐体内部に配置される場合に比べ、より正確な外気温度データに基づいて制御を行なうことができ、運転制御等を的確かつ効率的に行なえる。また、温度センサによって検出される外気温度に応じて作動し、水の凍結を抑制する凍結抑制ヒータが備えられ、筐体内に燃料電池及び凍結抑制ヒータを収納する収納空間と、交換用部品を収納するメンテナンス空間が隔離して設けられ、メンテナンス空間の底板部分に温度センサが設けられる。これにより、発熱体を多く収納する収納空間の外部に温度センサが配置されるため、収容空間の下方に温度センサが配置される場合より、正確な外気温の測定ができ、正確な外気温データに基づき凍結抑制ヒータが作動され、水精製器等の水関連部品に対する凍結対策モードの起動、停止等の制御や運転制御等を的確かつ効率的に行なえる。

請求項２に係る発明によれば、温度センサの感温部がベース部材の囲繞空間に突出し配線部が筐体内に位置するように底板に固定されており、配線部が底板を貫通する貫通孔の周囲に外気が通過可能な隙間をもって、温度センサが配置されている。これにより温度センサ近傍の隙間部は、外気導入の吸入口の一部をなす。外気は温度センサの感温部を通過し隙間部を通ってメンテナンスパネルに覆われたメンテナンス空間から、空気フィルタを通って燃料電池に吸入される。よって燃料電池に吸入される吸入空気温度のより一層正確な計測ができ、計測された正確な外気温データに基づき水精製器等の水関連部品に対する凍結対策モードの起動、停止の制御や運転制御等が的確かつ効率的に行なえる。
請求項３に係る発明によれば、筐体の底板に固定され、底板との間に周囲を囲まれ少なくとも一部が外部に開放された囲繞空間を形成するベース部材の空間内に温度センサの感温部が配置される。これにより風雨や日光に直接晒されにくくなるとともに、温度センサの感温部は、外部からの物理的影響からも保護されるため、信頼性の向上が図られる。さらに筐体内部の各補機類の発熱による温度上昇の影響を受けずに外気温データが得られるため、温度センサが筐体内部に配置される場合に比べ、より正確な外気温度データに基づいて制御を行なうことができ、運転制御等を的確かつ効率的に行なえる。また、温度センサの感温部がベース部材の囲繞空間に突出し配線部が筐体内に位置するように底板に固定されており、配線部が底板を貫通する貫通孔の周囲に外気が通過可能な隙間をもって、温度センサが配置されている。これにより温度センサ近傍の隙間部は、外気導入の吸入口の一部をなす。外気は温度センサの感温部を通過し隙間部を通ってメンテナンスパネルに覆われたメンテナンス空間から、空気フィルタを通って燃料電池に吸入される。よって燃料電池に吸入される吸入空気温度のより一層正確な計測ができ、計測された正確な外気温データに基づき水精製器等の水関連部品に対する凍結対策モードの起動、停止の制御や運転制御等が的確かつ効率的に行なえる。

請求項４に係る発明によれば、ベース部材は筐体の長手方向に沿って延在され、ベース部材の長手方向の少なくとも一端は外気に解放されている。これにより、温度センサは、風雨や太陽光および物理的影響から、より晒されにくくなりながらも正確な外気温を測定することが可能となり、計測された正確な外気温データに基づき凍結対策モードの起動、停止の制御や運転制御等が的確かつ効率的に行なえるとともに信頼性が向上される。

以下、本発明による燃料電池システムの実施形態について図面を参照して説明する。図１は燃料電池システムの構成を示す構成ブロック図である。この燃料電池システムは、燃料電池１１、系統電源１２、電源ライン１３、補機１４、インバータシステム１５、燃料電池システム制御装置１７、改質器２１、メンテナンス用操作盤４１、ブレーカ５１から構成されている。なお、文中の前、後、左、右、上、下とは図面に記したとおりとする。

燃料電池１１は、水素リッチな改質ガスおよび酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）が供給されて水素と酸素の化学反応により発電して直流電圧（例えば４０Ｖ）を出力するものである。

改質器２１は、燃料ガスを水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１１に供給するものであり、バーナ（燃焼部）、改質部、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）から構成されている。燃料ガスとしては天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、メタノールなどがある。バーナは、起動運転時に外部から燃焼用燃料ガスおよび燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池１１の燃料極からアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各可燃性ガスを燃焼して燃焼ガスが改質部を加熱する。燃焼ガスは改質部を加熱したのち、改質器２１の排気口に接続された排気管を通って外部に排出される。燃焼用空気は後述のインバータボックス２７に導入される冷却用空気の一部がインバータボックス内から分流され、空気ポンプ２４によって供給される。

改質部は、外部から供給された燃料ガスに蒸発器からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。ここで蒸発器に供給される改質水は燃料電池システム内で回収された回収水および回収水が不足する場合に足される水道水を合わせたものが、水精製器４３にて精製され、改質水ポンプ２３によって供給される。これら生成された水素リッチな改質ガスはＣＯシフト部に導出される。

ＣＯシフト部は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部に導出される。

ＣＯ選択酸化部は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ浄化用の空気とを、その内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１１の燃料極に導出される。

改質器２１に供給される燃料ガス、改質水（水）および空気（ＣＯ浄化用）は、それぞれ燃料ポンプ２２、改質水ポンプ２３および空気ポンプ２４によって供給されており、その供給量は燃料電池システム制御装置１７の指令に基づいて制御されている。

系統電源（または商用電源）１２は、該系統電源１２に接続された電源ライン１３を介して外部負荷１９に電力を供給するものである。燃料電池１１はインバータシステム１５およびブレーカ５１を介して電源ライン１３に接続されている。外部負荷１９は、当該燃料電池システムの外に配設されている電力負荷であり、例えば家庭内に配設されているテレビなどの家電製品である。

内部負荷の一つである補機１４は、改質器２１に燃料、水、空気を供給するためのモータ駆動の各ポンプ２２〜２４および電磁式バルブ、燃料電池１１に改質ガス、空気（酸素）を供給するための電磁式バルブなどから構成されている。この補機１４は直流電圧にて駆動されるものであり、その駆動電圧は補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ｃから供給されるようになっている。内部負荷は、当該燃料電池システムの内に配設されている電力負荷であり、補機１４、燃料電池システム制御装置１７を含んでいる。

インバータシステム１５は、燃料電池１１から出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して系統電源１２に接続されている電源ライン１３に出力する機能と、電源ライン１３からの交流電圧を所定の直流電圧に変換する機能とを持つＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂと、電源ライン１３からの交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機１４、燃料電池システム制御装置１７などの内部負荷に出力する機能を持つ整流回路１５ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ｃと、燃料電池１１からの直流電圧を所定の直流電圧に変換して内部負荷に出力する機能を持つＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａ等と、を有している。

補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ｃは、整流回路１５ｄからの直流電圧を入力して所定の直流電圧（例えば２４Ｖ）に変換して、補機１４に電源電圧として供給するものである。

図２、図３に示すように、インバータシステム１５は、インバータボックス２７に収納され、後述する筐体７０の底面であるベースパネル５６の上に固定されている。インバータボックス２７にはインバータシステム１５の冷却用のための空気導入部２８が設けられている。空気導入部２８は、筐体７０の右側面に配置されたメンテナンスパネル５８の側面５８ａの略中央部に備えられた空気導入口３５と、空気導入口３５の内側と当接され塵埃等を除去し清浄な空気を提供する空気フィルタ３４を介してダクト２９で連結されている。

インバータボックス２７の壁面２７ｂの下方にはインバータボックス２７の内部空間２７ａと連通する換気ファン３１が配置され、換気ファン３１が順回転作動することにより内部空間２７ａから筐体７０内部に形成された収納空間５２に空気が排出され、内部空間２７ａの内部圧力が低下する。それによって空気導入口３５を通して外部より清浄な空気が吸入される。インバータボックス２７の内部空間２７ａに吸入された空気は内部空間２７ａを移動し、インバータシステム１５を構成する各制御基板と熱交換して冷却し、換気ファン３１によって収納空間５２内に排出される。また凍結抑制ヒータ３２がインバータボックス２７の壁面２７ｂの下方に配置される換気ファン３１の収納空間５２側に配置される。換気ファン３１から収納空間５２に空気が排出されるとき、排出される空気が凍結抑制ヒータ３２内を通過し、凍結抑制ヒータ３２のヒータ部３２ａと熱交換できるよう構成されている。

また、図３に示すように、インバータボックス２７に、空気フィルタ３４、ダクト２９を通して冷却用として導入される清浄な外部空気の一部が、ダクト２９の途中から分岐され、カソードブロア２５によって供給管６１を通って燃料電池１１の空気極に供給される。そして酸化剤ガスとして燃料電池１１の空気極に供給された空気は、空気極の排出口に接続された排出管６２からカソードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された酸化剤ガス）として排出され、排気管に接続された凝縮器２６にて水と分離された後、外部に排出される。

これら供給管６１および排出管６２の途中には、空気を加湿するための加湿器１４が設けられている。この加湿器１４は水蒸気交換型であり、排出管６２中すなわち空気極から排出される気体中の水蒸気を除湿して、その水蒸気を供給管６１中すなわち空気極へ供給される空気中に供給して加湿するものである。

インバータボックス２７の壁面２７ｃにはインバータボックス２７の内部空間２７ａと連通される空気導出口３３が設けられており、空気導出口３３は空気ポンプ２４を介して改質器２１と接続され、燃焼用空気が空気ポンプ２４によって改質器２１のバーナに供給される（図３）。

燃料電池システム制御装置１７は、燃料電池システムの全体的な制御を一括集中して行うものであり、補機１４の駆動を制御したり、インバータシステム１５の駆動を制御したり、メンテナンス用操作盤４１と不具合情報およびシステム制御装置１７を操作するための信号の授受を行なったり、各温度センサからの検出信号を受信し、検出信号に基づき燃料電池システムの各種制御を行なう。燃料電池システム制御装置１７には、待機時でも運転時（起動運転と発電運転を含む）でも常に電圧が供給されている。

図１に示すように、ブレーカ５１は直列に連結されたノイズフィルタ５０とともに、系統電源１２（または電源ライン１３）と、インバータシステム１５のＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂとの間に介在される。ＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂから過電流が流れたり、燃料電池システムに漏電が発生した場合に遮断装置を作動させシステムの電源をＯＦＦするとともに外部負荷につながる回路を遮断し外部負荷および燃料電池システム本体を保護するものである。図２乃至図４に示すように、ブレーカ５１およびメンテナンス用操作盤４１は、ブレーカ５１およびメンテナンス用操作盤４１の各操作部側と各操作部側と対向する側の２面が開口されている収納箱４４に並んで収納されて、収納箱４４にボルトによって固定されている。

次に燃料電池システムの筐体７０および筐体７０を支持固定するベース部材８１について図２乃至図５に基いて説明する。メンテナンス用操作盤４１、ブレーカ５１、燃料電池１１、水精製器４３等の水関連部品、補機１４、インバータシステム１５、燃料電池システム制御装置１７、改質器２１、凍結抑制ヒータ３２は筐体７０の収納空間５２内に収納されており、筐体７０は上部にアッパパネル５５、下部にベースパネル５６、前部にフロントパネル７１、後部にリアパネル７２がそれぞれ設けられている。また左側面５７はフロントパネル７１がＬ字状に屈曲され、Ｌ字の短辺部７１ｃが左側面５７の略半分を形成し、またリアパネル７２がＬ字状に屈曲され、Ｌ字の短辺部７２ｂが左側面５７の残り半分の面を形成し、左側面５７が形成されている。右側面にはメンテナンスパネル５８の右側面５８ａが設けられ、内部に収納空間５２、及び隔壁５４によって収納空間５２と隔離されたメンテナンス空間５３が形成されている。

フロントパネル７１、リアパネル７２はベースパネル５６にボルトによって固定されている。またフロントパネル７１、リアパネル７２は左側面５７の略中央にて、パネル７１の端部にＬ字状に収納空間５２に向かって屈曲形成された継ぎ手部７１ａを備え、リアパネル７２が継ぎ手部７１ａと係合された状態で、継ぎ手部分がボルトで固定されている。次に前方、後方、左方の３つの周縁部から下方に垂下された鍔部５５ａを備えたアッパパネル５５に、フロントパネル７１、リアパネル７２が上方から覆われ、鍔部５５ａがボルトにてフロントパネル７１、リアパネル７２と一体的に固定される。そして上記組み付け状態で、右側から略コの字状のメンテナンスパネル５８が脱着可能に取り付けられる。主として右側面を形成するメンテナンスパネル５８はメンテナンスパネル５８が筐体に取付けされた状態で筐体７０が略直方体形状となるよう、前側と後側にそれぞれ前後面部の一部を形成する前後の各側壁５８ｃ、５８ｂが備えられている。

メンテナンスパネル５８の各側壁５８ｃ、５８ｂの各端部とフロントパネル７１、リアパネル７２の各端部とがそれぞれ当接され、筐体７０の右側面５８ａ側よりボルトによって、メンテナンスパネル５８の内側に形成されている隔壁５４に螺着されることによりメンテナンスパネル５８が固定され筐体７０が形成される。

筐体７０の収納空間５２の右側の上端部は、収納箱４４に並んで収納されたメンテナンス用操作盤４１とブレーカ５１が筐体７０の右側面５８ａの外側に向けて配置収納される操作部空間５９となっている。交換用部品を収納するメンテナンス空間５３は筐体７０の右側面側の操作部空間５９の下方に収納空間５２から隔離して設けられ、右側面側のメンテナンスパネル５８によって外部から遮蔽されている（図４）。

図２乃至図４に示すように、収納空間５２とメンテナンス空間５３とを区画する隔壁５４として、筐体７０の右側面部には、垂直壁５４ｃ、５４ｄ、５４ｅがフロントパネル７１とフロントパネル７２間に垂直に立設され、垂直壁５４ｃ、５４ｄ、５４ｅの上端には、操作部空間５９の底面を形成する底壁５４ａ、５４ｂが設けられている。このように、隔壁５４は、メンテナンス空間５３を、収納空間５２から隔離しているが、気密的には分離しておらず、わずかに隙間を持ちながら雨等が収納空間５２に浸入しにくくするためのものである。

即ち、隔壁５４は前後のフロントパネル７１、リアパネル７２の間の距離よりわずかに狭い幅をもってアッパパネル５５の下面と接しながら右側面方向に延在され、アッパパネル５５の右側面側端から下方に垂下し垂直壁５４ｋが形成され、垂直壁５４ｋはメンテナンス用操作盤４１とブレーカ５１を収納する収納箱４４が収容される操作部空間５９を確保した後、収納空間５２方向に向かって略直角に屈曲され底壁として所定の距離水平に延在される。底壁５４ａはリザーバタンク３７と空気フィルタ３４等が収容できる空間が確保されるまで水平に延在された後、底壁５４ｂは脱硫器３６とイオン交換器３９等が収容できる空間が確保されるまで水平に延在された後に、それぞれ略直角に下方に屈曲されベースパネル５６まで延在され垂直壁５４ｃ、５４ｄ、５４ｅが形成される。垂直壁５４ｃ、５４ｄ、５４ｅは下方でＬ字状に収納空間５２の方向に向かって屈曲され、各水平壁５４ｈ、５４ｉが形成され、屈曲された部分が下部のベースパネル５６にボルトによって締結される。また垂直壁５４ｃはリアパネル７２側に延在された部分を備え、延在された部分が収納空間５２の方向に向かって略直角に屈曲され垂直壁５４ｆが形成され、屈曲された部分が後部のリアパネル７２にボルトによって締結される。さらに垂直壁５４ｅはフロントパネル７１側に延在された部分を備え、延在された部分が収納空間５２の方向に向かって略直角に屈曲され垂直壁５４ｇが形成され、屈曲された部分が前部のフロントパネル７１にボルトによって締結される。上記の各締結により隔壁５４は自立している。

隔壁５４の中央部には、収納空間５２内の下方に配置され、改質器２１に改質水を供給する交換部品である水精製器４３を取出すための水精製器取出し窓６３が垂直壁５４ｃ、５４ｄ、５４ｅにまたがって設けられている。水精製器取出し窓６３は隔壁５４の右側面側から水精製器取出し窓６３より一回り大きく形成された水精製器取出し蓋６０により塞がれ、隔壁５４と水精製器取出し蓋６０とが重複した部分でボルトによって固定されている。

水精製器取出し蓋６０の略中央部には収納空間５２内に空気を導入するための貫通孔６０ａが設けられており、メンテナンスパネル５８の右側面５８ａの略中央部に設けられた空気導入口３５から、空気が導入される。筐体７０の外部に開口し冷却用空気を筐体７０内部の収納空間５２にインバータシステム１５を経由して導入するための冷却経路８０は、空気導入口３５、空気フィルタ３４、貫通孔６０ａ、ダクト２９、インバータボックス２７の内部空間２７ａ等によって構成されている。そして、インバータボックス２７の内部空間２７ａに連通され、インバータボックス２７の側壁２７ｂの下方に配置された換気ファン３１が冷却経路８０に冷却用空気を外部から導入するための換気ファンを構成している。また凍結抑制ヒータ３２が、インバータボックス２７の側壁２７ｂの下方に配置される換気ファン３１の収納空間５２側に配置されている。そして換気ファン３１によって筐体７０外部から導入された冷却用空気がインバータシステム１５を冷却し、凍結抑制ヒータ３２を通過して収納空間５２に排出される。

図２，図３に示すようにメンテナンス用操作盤４１とブレーカ５１とが収容される収容箱４４の底面、および収容箱４４が収容され載置される操作部空間５９の隔壁５４の下面壁５４ａにはブレーカ５１からの配線を貫通させるための貫通孔４５が設けられており、配線は下面壁５４ａの貫通孔４５にてグロメットによって固定され延在されて、筐体７０の外部で電源ライン１３と接続されている。

図２、図４に示すように、隔壁５４の下面壁５４ａ、５４ｂの下方には収納空間５２と隔壁５４で隔てられたメンテナンス空間５３が形成され、交換部品であるイオン交換器３９、リザーバタンク３７、脱硫器３６、空気フィルタ３４等が収納されている。脱硫器３６は燃料ガス供給源（例えば都市ガス管）に接続され燃料ガス中の付臭成分（例えば、硫黄化合物）を除去するものであり、付臭成分が除去されたのち、脱硫器３６の上流に設けられた燃料ポンプ２２によって、改質器２１に改質用燃料ガスと燃焼用燃料ガスである燃料ガスが供給される。

筐体７０の下部には筐体７０を、図示しない据付部に設置するための複数（２本）のベース部材８１が筐体７０の底板であるベースパネル５６に固定されている。ベース部材８１はベースパネル５６との間に周囲を囲まれ、両端が外部に開放された囲繞空間８１ｄを形成している（図２、図５）。ベース部材８１は、筐体７０の長手方向に沿って略平行に延在され、長手方向と直交する方向に所定の間隔を有して設けられている。ベース部材８１は、図５に示すように、底壁部８１ａと、この底壁部８１ａの幅方向の両端部より上方に略直角に折り曲げられた両側壁部８１ｂを有し、両側壁部８１ｂの上端には、ベース部材８１の長手方向の両端部を除いて、幅方向の両側に略直角に折り曲げられた水平取付け面８１ｃが形成されている。そして温度センサ８２が、温度センサ８２の感温部８２ａがベース部材８１の囲繞空間８１ｄ内に位置するよう配置される。なお本実施形態においてはベース部材８１は、長手方向の両端部が外部に開放され形成されているが、両端部に限らず、いずれか一端部だけが外部に開放され形成されてもよい。また囲繞空間８１ｄと外部空間とが連通して通気可能であればベース部材８１の両端部に限らず、ベース部材８１のうちの所定の一部分のみが外部に開放されて形成されてもよい。

温度センサ８２は、外気温を計測し、燃料電池システム制御装置１７にデータを送信するものである。計測されたデータが所定値以下になると燃料電池システム制御装置１７によって凍結対策モードが作動され、水の凍結を抑制する凍結抑制ヒータ３２が作動される。温度センサ８２は、感温部８２ａ、配線部８２ｂ、樹脂製の嵌め合い軸部８２ｃ、樹脂製の首部８２ｄによって構成される。温度センサ８２は、感温部８２ａが、ベース部材８１の囲繞空間８１ｄ内に突出し、配線部８２ｂが筐体７０内に位置するよう配置されている。また温度センサ８２は、収納空間５２と隔壁５４によって隔離されているメンテナンス空間５３の下方のベースパネル５６に、センサ受けプレート８５を介して固定されている。ベースパネル５６には温度センサ８２が貫通されるための貫通孔８３が設けられている。貫通孔８３は温度センサ８２が貫通し配置された状態にて樹脂製の首部８２ｄとの間に外気が通過可能な所定の面積の隙間８３ａが設けられ設定されている。

ベースパネル５６の下面には、温度センサ８２を支持、固定するためのセンサ受けプレート８５がベースパネル５６に溶接され固定されている。センサ受けプレート８５は略凹上の断面を持ち、底面部８５ａにて温度センサ８２を支持、固定している。底面部８５ａには温度センサ８２の感温部８２ａが貫通され、樹脂製の嵌め合い軸部８２ｃが若干圧入される貫通孔が形成されている。

温度センサ８２は嵌め合い軸部８２が貫通孔８５ｄに圧入された状態で、首部８２ｄが樹脂製の固定バンド（例えば、タイラップ−商品名）８４によってＡ部を巻かれ、延在された樹脂製の固定バンド８４の腕部８４ａ部がセンサ受けプレート８５の両側壁の所定の位置に設けられた貫通孔に挿入され、温度センサ８２の周り止めとしている。

これによって温度センサ８２の感温部８２ａはベース部材８１とベースパネル５６との間に形成される周囲を囲まれた囲繞空間８１ｄ内に突出して配置される。そして温度センサ８２の配線部８２ｂは、筐体７０内のメンテナンス空間５３内に位置し、延在されて隔壁５４に穿設された所定の貫通孔より収納空間５２に貫通され、燃料電池システム制御装置１７に接続されている。

次に、このように構成された燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池システムの待機時、もしくは発電準備時（起動運転時）には、燃料電池１１は発電していないので、系統電源１２から燃料電池システムに電力が供給されている。このとき温度センサ８２は燃料電池システムの凍結、すなわちシステム内の水関連部品、例えば水精製器４３等が凍結しないように外気温を常時監視している。温度センサ８２は上述のとおりメンテナンス空間５３の下方のベースパネル５６にセンサ受けプレート８５を介して支持固定され、感温部８２ａがベース部材８１とベースパネル５６との間に周囲を囲まれた囲繞空間８１ｄ内に突出して配置されている。よって収納空間５２内の熱の影響をほとんど受けることなく外気温の測定が可能である。

そして外気温度が凍結するであろう所定温度（たとえば０度）が予め設定されており、設定された所定温度以下の温度が温度センサ８２によって計測された場合、燃料電池システム制御装置１７が凍結対策モードを作動させる。凍結対策モードが作動されると、換気ファン３１の収納空間５２側に配置された凍結抑制ヒータ３２が電源をＯＮされヒータ部３２ａが加熱される。また同時に換気ファン３１も作動を開始され、外気から空気フィルタ３４を通過して清浄な空気がインバータボックス２７の内部空間２７ａに吸入される。換気ファン３１によってインバータボックス２７の内部空間２７ａ内に吸入された空気は、換気ファン３１の収納空間５２側に配置された、凍結抑制ヒータ３２内のヒータ部３２ａを通過し、熱交換されて暖気され収納空間５２内に排出されて、収納空間５２内を下方から順に暖めていく。このように収納空間５２は暖められるため、収納空間５２に収納されている水精製器４３等の水関連部品は凍結しにくい。よってシステムの起動がされた際には、改質器に改質水等を供給でき、スムースに作動することが可能である。そして温度センサ８２により検出された外気温が凍結の心配がない所定の温度となった場合には、燃料電池システム制御装置１７によって、凍結対策モードがＯＦＦされ、凍結抑制ヒータ３２および換気ファン３１がＯＦＦされる。

次に燃料電池システムの発電運転時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂが、燃料電池システム制御装置１７からの指令によって駆動される。また同時に脱硫器３６の上流に設けられた燃料ポンプ２２によって、脱硫器３６を介して改質器２１に燃料ガスが供給され、改質ガスが生成され、改質ガスが燃料電池１１の燃料極に供給される。そして同時にカソードブロア２５が作動され、筐体外部より空気導入口３５を経て、空気フィルタ３４を通って清浄となった空気が燃料電池１１の空気極に加湿器１４を介して供給され発電が開始される。

そして燃料電池１１からの電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａで昇圧されて補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ｃひいては燃料電池システム制御装置１７や補機１４に供給される。また、燃料電池１１からの電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ１５ｂを経て外部負荷１９に供給される。

このように燃料電池システムが発電を開始すると、インバータシステム１５全体が作動を開始するため、インバータシステム１５の各制御基板が発熱しはじめる。そのためインバータシステム１５の冷却を行なうためにインバータボックス２７の側壁２７ｂの下方に配置された換気ファン３１が作動を開始し、筐体７０の外部より冷却経路８０を通って清浄な空気が吸入され、吸入された空気がインバータボックス２７の内部空間２７ａを換気ファン３１に向かって移動しながら各制御基板と直接または間接に熱交換されながら各制御基板を冷却していく。熱交換され暖かくなった空気は換気ファン３１から収納空間５２に排出され、収納空間５２が暖められ凍結抑制に利用されている。

なお、外気温が極度に低く燃料電池システム作動状態においても収納空間５２の温度が上昇しないときは、換気ファン３１に設けられた凍結抑制ヒータ３２の電源をＯＮし、ヒータ部３２ａを加熱し換気ファン３１から凍結抑制ヒータ３２を通過し収納空間５２へ排出される空気の温度を上昇させてやればよい。

温度センサ８２は、メンテナンス空間５３の下方のベースパネル５６に、センサ受けプレート８５を介して支持固定されている。そして温度センサ８２の感温部８２ａがベース部材８１とベースパネル５６との間に周囲を囲まれた囲繞空間８１ｄ内に突出して配置されている。温度センサ８２の首部８２ｄはベースパネル５６に穿設された貫通孔８３に隙間８３ａをもって配置されている。よって温度センサ周りの隙間８３ａ部は、外気導入の吸入口の一部をなし、外気は温度センサの感温部を通過し隙間８３ａを通ってメンテナンスパネル５８に覆われたメンテナンス空間５３から、空気フィルタ３４を通って燃料電池に吸入される。よって燃料電池１１等に吸入される吸入空気温度の、より一層正確な計測ができ、計測された正確な外気温データに基づいて、水精製器４３等の水関連部品に対する凍結対策モードの起動、停止の制御等が的確かつ効率的に行なえる。

上述の説明から明らかなように、本実施形態においては、温度センサ８２が筐体７０のベースパネル５６にセンサ受けプレート８５を介して支持固定される。そしてベースパネル５６との間に周囲を囲まれ両端が外部に開放された囲繞空間８１ｄを形成するベース部材８１の空間８１ｄ内に温度センサ８２の感温部８２ａが配置される。これによって温度センサ８２の感温部８２ａは風雨や日光に直接晒されにくくなるとともに、外部からの物理的影響からも保護されるため、信頼性の向上が図られる。

また本実施形態においては、筐体７０内に燃料電池１１、水精製器４３等の水関連部品、補機１４、インバータシステム１５、燃料電池システム制御装置１７、改質器２１、凍結抑制ヒータ３２を収納する収納空間５２と、交換用部品を収納するメンテナンス空間５３が隔離して設けられている。そしてメンテナンス空間５３を覆うメンテナンスパネル５８が筐体７０に着脱可能に設けられる。温度センサ８２は、メンテナンス空間５３の下方のベースパネル５６に、センサ受けプレート８５を介して支持固定されている。そして温度センサ８２の感温部８２ａがベース部材８１とベースパネル５６との間に周囲を囲まれた囲繞空間８１ｄ内に突出して配置されている。また温度センサ８２の首部８２ｄはベースパネル５６に穿設された貫通孔８３に所定の面積をもった隙間８３ａをもって配置されている。これにより、温度センサ８２周りは、外気導入空気の吸入口の一部をなし、温度センサ８２は燃料電池１１が吸入する実際の吸入空気の温度を直接測定できる。よって、より正確な外気温の測定ができ、測定された正確な外気温データに基づき、収納空間５２内に収納される、改質器に水を供給する水関連部品、例えば、水精製器４３等に対して凍結対策モードの起動、停止の制御等が的確にかつ効率的に行なえる。

またメンテナンスパネル５８は筐体７０に着脱可能に設けられているため、メンテナンス空間５３内に収容される部品の交換が必要なときは、メンテナンスパネル５８を取外すことにより、簡易に対応可能である。

本発明による燃料電池システムの一実施形態の構成を示す構成ブロック図である。本実施形態に係る燃料電池システムの筐体７０の右側面断面図である。本実施形態に係る燃料電池システムの筐体７０の上面断面図である。本実施形態に係る燃料電池システムの筐体７０の前面断面図である。本実施形態に係る温度センサ８２の取付け部拡大図である。

符号の説明

１１…燃料電池、１２…系統電源、１３…電源ライン、１４…補機（内部負荷）、１５…インバータシステム、１７…燃料電池システム制御装置、１９…外部負荷、２１…改質器、２７…インバータボックス、２９…ダクト、３１…換気ファン、３２…凍結抑制ヒータ、３４…空気フィルタ、３５…空気導入口、４３…水精製器、５４…隔壁、５６…ベースパネル、５８…メンテナンスパネル、７０…筐体、８１…ベース部材、８２…温度センサ。

Claims

燃料電池を収納する筐体と、
前記筐体を据付部に設置するため前記筐体の底板に固定され前記底板との間に周囲を囲まれ、少なくとも一部が外部に開放された囲繞空間を形成するベース部材と、
外気温を検出する感温部が前記囲繞空間に設けられた温度センサと、
前記温度センサによって検出される外気温度に応じて作動し、水の凍結を抑制する凍結抑制ヒータと、
を備え、
前記筐体内に前記燃料電池及び凍結抑制ヒータを収納する収納空間と、交換用部品を収納するメンテナンス空間を隔離して設け、前記メンテナンス空間の底板部分に前記温度センサを設けたことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１において、前記温度センサは、前記感温部が前記囲繞空間に突出し配線部が前記筐体内に位置するように前記底板に固定されており、前記配線部が前記底板を貫通する貫通孔の周囲に外気が通過可能な隙間を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池を収納する筐体と、
前記筐体を据付部に設置するため前記筐体の底板に固定され前記底板との間に周囲を囲まれ、少なくとも一部が外部に開放された囲繞空間を形成するベース部材と、
外気温を検出する感温部が前記囲繞空間に設けられた温度センサと、
を備え、
前記温度センサは、前記感温部が前記囲繞空間に突出し配線部が前記筐体内に位置するように前記底板に固定されており、前記配線部が前記底板を貫通する貫通孔の周囲に外気が通過可能な隙間を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、前記ベース部材は前記筐体の長手方向に沿って延在され、前記ベース部材の長手方向の少なくとも一端は外気に解放されていることを特徴とする燃料電池システム。