JP6899539B2 - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム Download PDF

Info

Publication number
JP6899539B2
JP6899539B2 JP2017076647A JP2017076647A JP6899539B2 JP 6899539 B2 JP6899539 B2 JP 6899539B2 JP 2017076647 A JP2017076647 A JP 2017076647A JP 2017076647 A JP2017076647 A JP 2017076647A JP 6899539 B2 JP6899539 B2 JP 6899539B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
fuel cell
path
exhaust gas
cell system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017076647A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2017199659A (ja
Inventor
章典 行正
章典 行正
豪彦 伊瀬
豪彦 伊瀬
義人 薄
義人 薄
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Publication of JP2017199659A publication Critical patent/JP2017199659A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6899539B2 publication Critical patent/JP6899539B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04462—Concentration; Density of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/0447—Concentration; Density of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H01M8/04671—Failure or abnormal function of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H01M8/04679—Failure or abnormal function of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

本発明は、水素含有ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。
燃料電池システムでは、発電部となる燃料電池に対して、酸化剤ガスと、水素含有ガスである燃料ガスとを供給して、水素と酸素との電気化学反応により発電する。ところで、燃料電池システムでは、燃料電池の発電中に、燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガス、ならびにアノードから排出されたアノードオフガスを燃焼させ生成した燃焼排ガスをそれぞれ系外に排出する必要がある。そこで、上記したカソードオフガスおよび燃焼排ガスなどの排気ガスを外部に排出する出口部に換気ファンを設け、該排気ガスを空気により希釈させて排出することができる燃料電池システム（燃料電池装置）が提案されている（例えば、特許文献１、２）。
特開２０１２−２１２６８７号公報 特開２００５−１８３１１７号公報
しかしながら、前記従来の構成では、可燃ガスの漏洩を適切に検知できない場合がある。本発明は一例として、可燃ガスの漏洩を適切に検知できる燃料電池システムを提案する。
本発明に係る燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、可燃ガスを含有する燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出された排気ガスが流通する排気ガス経路と、前記燃料電池システム内の空気を吸引し前記排気ガスに供給する空気供給器と、前記空気供給器によって吸引され、前記排気ガスに供給される空気が流通する空気供給経路と、前記排気ガス経路を流通する前記排気ガスと前記空気供給経路を流通する前記空気とが合流する部分である合流部と、前記合流部にて合流した前記排気ガスと前記空気との混合ガスを大気中に排出するための排出経路と、前記排出経路中に設置され、前記混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度を検知する可燃ガス検知器と、を備え、前記空気供給経路および前記排出経路を流通する前記空気の流れに対して上流側から、前記空気供給器、前記合流部、および前記可燃ガス検知器の順に配置される。
本発明は、以上に説明したように構成され、可燃ガスの漏洩を適切に検知できるという効果を奏する。
本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態の実施例１に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態の実施例２に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示す図である。
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本発明者らは、特許文献１，２に開示された燃料電池システム（燃料電池装置）を鋭意検討したところ、例えば、発電に未利用の水素を含むアノードオフガスなど、可燃ガスを含む排気ガスが不測に放出された場合、該可燃ガスを含む排気ガスの放出を適切に検知することができない場合があることを見出した。なお、排気ガスとは燃料電池の発電に伴い生じる気体であって、大気中に放出されるものを意味する。
すなわち、特許文献１，２では、カソードオフガス、燃焼排ガスなどの排気ガスを排出する出口部を、換気ファンの排気口近傍に設け、排気ガスを換気ファンからの排気で希釈して大気中に拡散できる構成である。
しかしながら、特許文献１，２に開示された燃料電池システムは、出口部に可燃ガスを検知する検知センサを設ける構成について想定されていない。このため、仮に、特許文献１，２に開示された燃料電池システムにおける出口部に検知センサを設けたとしても、検知センサにより可燃ガスの濃度を適切に検知することができない場合があることを見出した。
より具体的には、可燃ガスを含む排気ガスの漏洩には、まず、排気ガス経路から燃料電池システムを収容する筐体内部への漏洩が考えられる。さらには、可燃ガスを含む排気ガスが、該排気ガスが流通している排気ガス経路とは別の排気ガス経路に漏洩する場合が考えられる。特に後者の場合、特許文献１，２に開示された燃料電池システムに検知センサを設けた構成では、検知センサを、必ずしも漏洩した可燃ガスを含む排気ガスが通過するとは限らないため、可燃ガスの漏洩を適切に検知できない場合がある。
そこで、本発明者らは、運転中における可燃ガスの漏洩を適切に検知できる燃料電池システムについて検討し、その結果、本発明に至った。そして本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、可燃ガスを含有する燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出された排気ガスが流通する排気ガス経路と、前記燃料電池システム内の空気を吸引し前記排気ガスに供給する空気供給器と、前記空気供給器によって吸引され、前記排気ガスに供給される空気が流通する空気供給経路と、前記排気ガス経路を流通する前記排気ガスと前記空気供給経路を流通する前記空気とが合流する部分である合流部と、前記合流部にて合流した前記排気ガスと前記空気との混合ガスを大気中に排出するための排出経路と、前記排出経路中に設置され、前記混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度を検知する可燃ガス検知器と、を備え、前記空気供給経路および前記排出経路を流通する前記空気の流れに対して上流側から、前記空気供給器、前記合流部、および前記可燃ガス検知器の順に配置される。
上記構成によると空気供給器を備えるため、排出経路において排気ガス経路を流通してきた排気ガスを空気で希釈させて大気中に排出させることができる。
また、空気供給経路および排出経路を流通する空気の流れに対して、上流側から、空気供給器、合流部、および可燃ガス検知器の順に配置される。つまり、空気供給器が設けられる位置よりも下流側で空気と排気ガスとが合流する構成となっている。このため、湿潤である排気ガスが空気供給器よりも下流側を流通するため、水分によって空気供給器が故障することを防ぐことができ、該空気供給器の耐性を高めることができる。
また、合流部よりも下流側に可燃ガス検知器を備えるため、大気中に排出される混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度を確実に検知することができる。特に合流部との相対的な位置関係に基づき、可燃ガスの濃度の検知精度が高くなる位置に可燃ガス検知器を設置することができる。
また、燃料電池システム内部に可燃ガスを含有する排気ガスが漏洩した場合は、この漏洩した排気ガスを空気供給器によって空気と共に吸引し、合流部に導くことができる。一方、排気ガス経路が複数の経路から構成されている場合であって、ある排気ガス経路から別の排気ガス経路に可燃ガスを含有する排気ガスが漏洩したときも、この漏洩した排気ガスを必ず合流部に導くことができる。このため、可燃ガス検知器は、大気中に排出される混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度を確実に検知することができる。
したがって、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、可燃ガスの漏洩を適切に検知できるという効果を奏する。
本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記合流部は、前記排出経路における所定の１か所に形成されてもよい。
上記構成によると合流部は排出経路における所定の１か所に形成されるため、例えば複数の排気ガス経路から排気ガスがそれぞれ排出経路に向かうような構成であっても、これら排気ガスを合流部の１か所に集中させることができる。このため、大気中に排出させる混合ガス中に含まれる可燃ガスを、該合流部よりも下流側に設けられた可燃ガス検知器に適切に接触させることができる。また、合流部は排出経路における所定の１か所に形成されるため、可燃ガス検知器による検知タイミングでの混合ガスにおける空気と排気ガスとの混合状態を一定とすることができ、混合状態の違いにより可燃ガス検知器の検知結果にムラが出ることを防ぐことができる。このため、混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度と、実際に大気中に排出される混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度との対応関係を容易に推算することができ、大気中に排出される混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度を精度よく求めることができる。
本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１または第２の態様において、前記排気ガス経路は、前記排気ガスを流通させる複数の経路と、前記複数の経路を流通する排気ガスを集約させて前記合流部に放出する混合オフガス経路と、を備える。
上記構成によると、可燃ガスが排気ガスを流通させる複数の経路のうちのいずれかに混入したとしても、この漏洩した可燃ガスを、混合オフガス経路を介して必ず合流部に導くことができる。
このため、合流部よりも下流側に設けられた可燃ガス検知器によって、漏洩し、排気ガス経路に混入した可燃ガスを必ず検知することができる。
本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１から第３の態様のうちいずれか１つの態様において、制御部を備え、前記制御部は、前記可燃ガス検知器によって検知された可燃ガスの濃度に基づき、可燃ガスの漏洩の発生を判定し、可燃ガスの漏洩が発生していると判定した場合、前記燃料電池による発電を停止させるように構成されていてもよい。
本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１から第４の態様のうちいずれか１つの態様において、前記燃料電池システムを収納する筐体を有し、前記空気供給器は、前記筐体内の空気を換気する換気用送風機であってもよい。
上記構成によると、可燃ガスを含有するアノードオフガスが漏洩により筐体内に放出された場合であっても、この漏洩したアノードオフガスを換気用送風機によって空気供給経路を経て合流部に導き、可燃ガス検知器に供給することができる。このため、可燃ガスを含有するアノードオフガスが筐体内に漏洩した場合であっても確実にこの漏洩に伴い増大する可燃ガスの濃度を可燃ガス検知器によって検知することができる。
本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１から第４の態様のうちいずれか１つの態様において、前記燃料電池システムを収納する筐体と、発電時に前記燃料電池を冷却する冷却水を循環させる冷却水経路と、前記冷却水経路に設けられ、前記燃料電池を冷却することにより加温された冷却水を冷却させる放熱器と、を備え、前記空気供給器は、前記筐体内の空気を吸引し、前記放熱器に冷却用空気を供給する放熱用送風機であってもよい。
上記構成によると、別途筐体内の空気を換気する換気用送風機を設置することなく、放熱器に冷却用空気を供給する放熱用送風機を、該換気用送風機としても機能させることができる。このように別途、換気用送風機を設ける必要がないため製造コストを低減させることができる。また、放熱用送風機は、換気用送風機として機能させることができるため、可燃ガスを含有するアノードオフガスが筐体内に漏洩した場合であっても確実にこの漏洩を可燃ガス検知器による検知結果から把握することが可能となる。
本発明の第７の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１から第６の態様のうちいずれか１つの態様において、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス経路と、前記燃料電池のアノードから排出される、該燃料電池の発電において未利用の水素を含むアノードオフガスを、前記燃料ガス経路に戻すリサイクル経路と、を備える構成であってもよい。
上記構成によると、燃料電池の発電で未利用の水素を含むアノードオフガスを、再度、燃料電池の発電に利用できる。このため、例えば、燃料ガスである純水素を外部から直接、燃料電池に供給して発電を行う構成の燃料電池システムなどにおいて、発電にかかるコストを低減させることができる。
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
[実施の形態]
（燃料電池システムの構成）
まず、図１を参照して実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成の一例を模式的に示す図である。
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１、空気供給器１１、可燃ガス検知器１２、合流部１９、排気ガス経路３０、空気供給経路３１、排出経路３２、制御部４０を備える。燃料電池システム１００は、可燃ガスとして水素を含有する燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池１を有する。すなわち、燃料電池システム１００では、燃料電池１のアノード（燃料極）に燃料ガスが供給され、一方、カソード（空気極）に酸化剤ガスが供給され、燃料電池１において水素と酸素との電気化学反応により発電を行う。
燃料電池１は、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が例示できる。水素を含有する燃料ガスは、外部の水素供給装置から供給された水素であってもよいし、都市ガス等の発電用原料を改質器において改質し、生成した水素リッチな水素含有ガスであってもよい。酸化剤ガスは、例えば、空気が例示される。
燃料電池１のカソードからは、排気ガスとしてカソードオフガスが、アノードからは排気ガスとしてアノードオフガスが排出される。燃料電池１から排出された排気ガスは排気ガス経路３０を流通する。なお、本実施の形態ではカソードオフガスおよびアノードオフガスを合わせて排気ガスと称する。また、燃料電池システム１００が、発電に未利用の水素を含むアノードオフガスを燃焼させ、燃焼排ガスを生成させる構成である場合、この生成された燃焼排ガスも本実施の形態の排気ガスに含まれる。
空気供給器１１は、排気ガスを希釈するために、制御部４０からの制御指示に基づき、燃料電池システム１００内の空気を吸引し、吸引した空気を該排気ガスに供給する。なお、燃料電池システム１００の各部は、筐体１４内に収容されており、空気供給器１１は、例えば、筐体１４内の空気を換気するための換気用送風機であってもよい。あるいは、筐体１４内に冷却用ラジエータ等の放熱器が設けられている構成の場合、空気供給器１１は、放熱器に冷却用空気を供給する放熱用送風機であってもよい。
空気供給器１１によって供給される空気は、空気供給経路３１を流通して合流部１９に向かう。そして、合流部１９において排気ガス経路３０を流通してきた排気ガスと、空気供給経路３１を流通してきた空気とが合流する。合流部１９で合流した空気と排気ガスとの混合ガスは排出経路３２を流通して排出口１３を介して筐体１４内から大気中に排出される。
可燃ガス検知器１２は、排出経路３２中に設置されており、排気ガス中に含まれる可燃ガスの濃度を検知する。例えば、排気ガス中には、可燃ガスとして、燃料電池１における発電で未利用の水素が含まれている場合がある。そこで、可燃ガス検知器１２によって検知された、混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度に基づき、制御部４０が燃料電池システム１００内における可燃ガスの漏洩の発生の有無を判定する。制御部４０は、可燃ガスの漏洩が発生していると判定した場合、燃料電池１による発電を停止させる。制御部４０は、燃料電池システム１００が備える各部の各種動作を制御するものであり、例えば、不図示の演算処理部と、制御プログラムを記憶する不図示の記憶部とを備える構成であってもよい。演算処理部としては、例えば、１つ以上の演算回路からなる構成が例示できる。演算回路は、例えば、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）、またはＣＰＵ等が挙げられる。記憶部は、例えば、１つ以上の記憶回路からなる構成が例示できる。記憶回路としては、例えば、半導体メモリ等が挙げられる。制御部４０は、燃料電池システム１００の各部に対して集中制御を行う単独の制御部で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御部から構成されてもよい。
ここで、実施の形態に係る燃料電池システム１００では、空気供給経路３１および排出経路３２を流通する空気の流れに対して、その上流側から、空気供給器１１、合流部１９、可燃ガス検知器１２の順に配置されるように構成されている。つまり、空気供給経路３１を通じて供給された空気と排気ガス経路３０を通じて供給された排気ガスとが合流部１９において合流し、空気と排気ガスとの混合ガスが排出経路３２を流通する。この排出経路３２を流通する混合ガスに含まれる可燃ガスの濃度を、可燃ガス検知器１２が検知する。
すなわち、実施の形態に係る燃料電池システム１００では、空気供給器１１によって供給された空気と、排気ガス経路３０を通じて排出経路３２に流入した排気ガスとが、排出経路３２における所定の１か所に形成される合流部１９で合流し混合する。そして、この排気ガスと空気との混合ガスが排出経路３２を流通して可燃ガス検知器１２に至り、筐体１４内から大気中に排出される。このため、燃料電池システム１００では排気ガスを空気で希釈させて大気中に排出させることができる。
ところで、排出経路３２内を流通する排気ガスは空気と均一には混合されにくく、混合ガス内において排気ガス中に含有される可燃ガスの濃度分布が存在することとなる。仮に排気ガスの排出経路３２への流入箇所が複数個所存在し、複数の異なる位置で空気供給器１１によって供給された空気と合流する場合、流入箇所の数に応じてそれぞれ可燃ガスの濃度分布が複数存在することとなる。このため、排気ガスの排出経路３２への流入箇所が複数個存在する場合、単一の可燃ガス検知器１２では、混合ガス中に含まれる可燃ガスの適切な濃度を検知することができず、制御部４０は、可燃ガス漏洩の有無を適切に判断することができない。
しかしながら実施の形態に係る燃料電池システム１００では、排気ガスの排出経路３２への流入箇所を１つとし、排出経路３２内の所定の１か所に形成される合流部１９にて空気と排気ガスとが合流する構成である。
このため、例えば複数の排気ガス経路３０・・・を排気ガスがそれぞれ流通し、排出経路３２に向かうような構成であっても、これら排気ガスを合流部１９の１か所に集中させることができる。それゆえ、大気中に排出させる混合ガス中に含まれる可燃ガスを、該合流部１９よりも下流側に設けられた可燃ガス検知器１２に適切に接触させることができる。また、合流部１９が１か所だけに形成されるため、可燃ガス検知器１２による検知タイミングでの混合ガスにおける空気と排気ガスとの混合状態を一定とすることができ、混合状態の違いにより可燃ガス検知器１２の検知結果にムラが出ることを防ぐことができる。このため、混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度と、実際に大気中に排出される混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度との対応関係を容易に推算することができ、大気中に排出される混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度を精度よく求めることができる。
また、混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度と、実際に大気中に排出される混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度との対応関係を容易に推算することができるため、制御部４０が可燃ガスの漏洩の有無を判定するための判定閾値を適切に設定することができ、可燃ガスの漏洩の有無を精度よく判断することができる。なお、この判定閾値は、可燃ガスの漏洩の有無を判定するために設けられた閾値であり、正常運転時に混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度の範囲か否かに基づき適宜設定することができる。
また、実施の形態に係る燃料電池システム１００では、供給される空気の流れに対して、その上流側から、空気供給器１１、合流部１９、可燃ガス検知器１２の順に配置されるように構成されている。つまり、空気供給器１１が設けられる位置よりも下流側で空気と排気ガスとが合流する構成となっている。このため、湿潤である排気ガスに空気供給器１１が曝されないため、空気供給器１１の耐性を高めることができる。
（実施例１）
次に、図２を参照して、図１に示す実施の形態に係る燃料電池システム１００の実施例１について説明する。図２は、本発明の実施の形態の実施例１に係る燃料電池システム１０１の構成の一例を模式的に示す図である。
図２に示すように、実施例１に係る燃料電池システム１０１は、上記した実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成において、さらに水素生成器２、酸化剤ガス供給器３、供給バルブ４、改質水供給ポンプ５、水ポンプ６、冷却水タンク７、熱交換器８、凝縮器９、凝縮水タンク１０、連通経路１８、原料供給経路３３、凝縮水経路３５、および冷却水経路３６を備えた構成である。また、排気ガス経路３０が、アノードオフガス経路３０ａ、燃焼排ガス経路３０ｂ、カソードオフガス経路３０ｃ、混合オフガス経路３０ｄから構成されている。
原料供給経路３３は、都市ガスなどの発電用原料が流通する経路である。実施例１に係る燃料電池システム１０１では、例えば、発電用原料が都市ガスである場合、原料供給経路３３は、一方の端部で、外部に設けられた不図示の都市ガス配管と接続され、他方の端部で水素生成器２に接続されている。そして、制御部４０からの制御指示に基づき、原料供給経路３３に設けられた供給バルブ４を開放することによって、発電用原料が該原料供給経路３３を流通して水素生成器２に供給される。なお、実施例１では、供給される発電用原料は、供給バルブ４の開放によって水素生成器２に供給される構成となっているがこれに限定されるものではない。例えば、ブースタポンプなどの加圧器を原料供給経路３３に設け、該加圧器によって発電用原料を水素生成器２に供給する構成であってもよい。
水素生成器２は、供給された発電用原料から、燃料電池１に供給する燃料ガスとして水素含有ガスを生成する。水素生成器２は、改質器１５と、該改質器１５に隣接して設けられたバーナ１６とを内蔵する。改質器１５は、供給された改質水を利用して水蒸気改質反応により、発電用原料から水素リッチな水素含有ガスを生成する。ここで、生成された燃料ガス中には一酸化炭素を多く含む。そこで、水素生成器２は、不図示の変成器、選択酸化器等によって燃料ガス中に含まれる一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ程度まで低減させた状態で、該燃料ガスを燃料電池１に供給する構成であってもよい。
上記したように、燃料電池１のアノード側に燃料ガスが供給され、カソード側に酸化剤ガスが供給され、燃料電池１では水素と酸素との電気化学反応により発電が行われる。なお、酸化剤ガスである空気は、酸化剤ガス供給器３によって燃料電池１に供給される。酸化剤ガス供給器３としては、ブロワやシロッコファンなどが例示できる。
燃料電池１のアノードから排出された排気ガスであるアノードオフガスには、発電に用いられなかった水素が含まれている。そこで、アノードオフガスは、水素生成器２に内蔵されるバーナ１６に供給され、供給された不図示の空気とともにバーナ１６において燃焼される。バーナ１６における燃焼で発生した熱は改質器１５で実施する水蒸気改質反応に利用される。バーナ１６での燃焼によって生成された排気ガスである燃焼排ガスと、カソードから排出された排気ガスであるカソードオフガスはともに凝縮器９に供給される。
図２に示すように、実施例１に係る燃料電池システム１０１では、燃料電池１のアノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス経路３０ａを流通して水素生成器２が備えるバーナ１６に供給される。また、バーナ１６において生成された燃焼排ガスは、燃焼排ガス経路３０ｂを流通して凝縮器９に向かう。一方、燃料電池１のカソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス経路３０ｃを流通して凝縮器９に向かう。実施例１に係る燃料電池システム１０１では、凝縮器９に至る前に燃焼排ガス経路３０ｂとカソードオフガス経路３０ｃとが合流し、燃焼排ガスとカソードオフガスとが共に凝縮器９に導かれるように構成されている。なお、アノードオフガス経路３０ａ、燃焼排ガス経路３０ｂ、およびカソードオフガス経路３０ｃに加えて、後述する混合オフガス経路３０ｄが、実施の形態に係る排気ガス経路３０に相当する。
凝縮器９は、カソードオフガスおよび燃焼排ガスを凝縮させるものであり、例えば、カソードオフガスおよび燃焼排ガスと不図示の水経路を流通する水との間で熱交換する熱交換器によって実現できる。すなわち、凝縮器９では、カソードオフガスおよび燃焼排ガスを、例えば、不図示の水経路を流れる水との熱交換によって凝縮させる。この凝縮によって絶対湿度を低減されたカソードオフガスと燃焼排ガスとは、凝縮水とともに凝縮水タンク１０に供給される。
凝縮水タンク１０は、凝縮器９における凝縮によりカソードオフガスおよび燃焼排ガスから得られた凝縮水を貯水するタンクである。凝縮水タンク１０は、凝縮器９から供給されたカソードオフガスおよび燃焼排ガスと、凝縮水とを気液分離する。そして、気液分離されたカソードオフガスおよび燃焼排ガスは、凝縮水タンク１０から混合オフガス経路３０ｄを流通して排出経路３２における合流部１９に供給され、凝縮水は、凝縮水タンク１０内に貯水される。
凝縮水タンク１０に貯水された凝縮水は、改質水供給ポンプ５によって加圧され、凝縮水経路３５を流通して改質器１５に改質水として供給される。つまり、凝縮水経路３５は、その一方の端部が凝縮水タンク１０に接続されており、他方の端部が水素生成器２の改質器１５に接続されている。そして、凝縮水経路３５の途中には、改質水供給ポンプ５が設けられている。なお、凝縮水経路３５には不図示のイオン交換樹脂がさらに設けられており、凝縮水をイオン交換水にして改質器１５に供給する構成であってもよい。
また、燃料電池１では、発電時に熱が発生する。そこで、実施例１に係る燃料電池システム１０１では、この発電時に燃料電池１において発生した熱を冷却水によって回収するため、以下の構成を備えている。すなわち、冷却水を貯水する冷却水タンク７と、冷却水タンク７に貯水された冷却水を、燃料電池１、熱交換器８を通過して該冷却水タンク７に戻す循環経路である冷却水経路３６と、冷却水経路３６内において冷却水を流通させるための水ポンプ６とを備えている。そして、冷却水タンク７に貯水された冷却水は、燃料電池１を通過する際に、燃料電池１で発生した熱を回収する。回収した熱により加温された冷却水は水ポンプ６によって加圧され熱交換器８に至る。熱交換器８には冷却水経路３６以外に、不図示の水循環経路が流通しており、加温された冷却水と水循環経路を流通する水との間で熱交換が行われる。この熱交換により冷却水は冷却され、冷却水タンク７に戻る。
また、冷却水タンク７は、冷却水から溶存空気を脱気させ、冷却水経路３６から放出する機能を有している。放出された溶存空気は連通経路１８を通じて凝縮水タンク１０に供給された後に、カソードオフガスおよび燃焼排ガスとともに混合オフガス経路３０ｄを流通して排出経路３２に導かれる。
ところで、上記したように、燃料電池システム１０１が備える各部は、筐体１４に内包された構成となっている。そして、筐体１４内の換気を行う換気ファンとして空気供給器１１が設けられている。また、図２に示すように、制御部４０からの制御指示に基づき、空気供給器１１によって送出された空気と、混合オフガス経路３０ｄを介して排出経路３２に導かれたカソードオフガス、燃焼排ガス、および溶存空気とは、排出経路３２における合流部１９で合流するように構成されている。そして、合流部１９で合流した空気とカソードオフガス、燃焼排ガス、および溶存空気とが混合し、混合ガスとして排出経路３２を流通して排出口１３から外部に排出される。
排出経路３２における、空気の流れにおいて合流部１９よりも下流側となる位置には可燃ガス検知器１２が設けられている。そして、可燃ガス検知器１２は、自機の設置環境における可燃ガスの濃度（排出経路３２を流通する混合ガス中に含有する可燃ガスの濃度）を検知する。実施例１に係る燃料電池システム１０１では、可燃ガス検知器１２によって検知された混合ガス中に含有する可燃ガスの濃度が判定閾値以下であれば制御部４０が正常であると判定し、燃料電池１の発電を継続させる。一方、可燃ガス検知器１２によって検知された混合ガス中の可燃ガスの濃度が判定閾値より大きくなる場合は、制御部４０は、燃料電池システム１０１において可燃ガスの漏洩が発生していると判断し、燃料電池１の発電を停止させるように制御する。
また、燃料電池システム１０１において発生する可燃ガス漏洩には以下の要因が存在する。まず、原料供給経路３３、改質器１５において生成された水素含有ガスが燃料電池１に至るまでに流通する経路、およびアノードオフガス経路３０ａにおいて経年劣化または過大圧などによって経路が破損し、筐体１４内にこれらが流出する場合である。この場合、空気供給器１１によって筐体１４内の空気は排出経路３２に導かれ、可燃ガス検知器１２に供給することが可能となる。このため、上記した要因により可燃ガスが漏洩した場合は、可燃ガス検知器１２によって、ガス漏洩を検知することができる。
また、以下の要因によっても可燃ガス漏洩が発生する。すなわち、燃料電池１では、不図示の電解質膜によってカソード側へ供給された酸化剤ガスと、アノード側へ供給された燃料ガスとを遮断する構成となっている。しかしながら、電解質膜が例えば経年劣化または過大圧によって破損した場合、破損した電解質膜を通じて燃料ガスが酸化剤ガス側へ流入する。この異常によって漏洩した燃料ガスはカソードオフガス経路３０ｃ、凝縮水タンク１０、および混合オフガス経路３０ｄの順に流通して排出経路３２に導かれる。このため、電解質膜の破損に起因する可燃ガスの漏洩も、排出経路３２に設けられた可燃ガス検知器１２によって検知できる。
また、発電中の燃料電池１の冷却に用いる冷却水が流通する冷却水経路３６は、燃料電池１において、不図示のセパレータの外側に配置されている。すなわち、燃料電池１では、セパレータによって燃料電池１のアノードと冷却水経路３６とが遮断されている。ここで、例えば、経年劣化または過大圧によってセパレータが破損したとしても、冷却水経路３６を流通する冷却水によって水封されるため、アノードに供給された燃料ガス(可燃ガス)は破損部分から冷却水経路３６側に流出しない。
しかしながら、さらに大きな過大圧がアノード側で発生した場合、この水封が破れる場合がある。水封が破れた場合、実施例１に係る燃料電池システム１０１では、アノードに供給された燃料ガス（可燃ガス）が燃料電池１から冷却水経路３６に流入し、冷却水タンク７に導かれることとなる。冷却水タンク７に導かれた可燃ガスは、冷却水タンク７と凝縮水タンク１０との間に設けられた連通経路１８を通じて凝縮水タンク１０へ導かれる。そして、可燃ガスを含む排気ガスは、混合オフガス経路３０ｄを通じて、排出経路３２に導かれ、合流部１９にて空気供給器１１から送出された空気と合流する。このようにセパレータの破損に起因して燃料電池１から冷却水経路３６に漏洩した可燃ガスを含む排気ガスを、排出経路３２において合流部１９より下流側に設けられた可燃ガス検知器１２によって検知することが可能となる。
上記した可燃ガスの漏洩要因いずれの場合であっても、漏洩した可燃ガスを含む排気ガスは、必ず合流部１９に集められ、空気供給器１１によって供給された空気と混合される。そして、混合ガスとなった後に可燃ガス検知器１２に至り、混合ガス中に含有される可燃ガス濃度が検知される。それゆえ、可燃ガスの漏洩要因に関わらす、燃料電池システム１０１では、制御部４０が可燃ガスの漏洩の有無を判断することができる。
そして、制御部４０は、排出経路３２を流通する混合ガスに含まれる可燃ガスの濃度が判定閾値以下であれば正常と判定して燃料電池１の発電を継続させ、判定閾値より大きくなる場合はガス漏洩が発生しているものと判定して、燃料電池１の発電を停止させるように制御する。
（実施例２）
次に、図３を参照して、実施の形態に係る燃料電池システム１００の実施例２について説明する。図３は、本発明の実施の形態の実施例２に係る燃料電池システム１０２の構成の一例を模式的に示す図である。なお、図３では、後述する凝縮水連通経路２５の凝縮水による水封の状態が明確となるようにするため、該凝縮水連通経路２５については２重線で表し、経路内に貯留している凝縮水の様子を示した。それ以外の経路は、図１、２と同様に１本の直線で示している。
図３に示すように、実施例２に係る燃料電池システム１０２は、上記した実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成において、さらに酸化剤ガス供給器３、供給バルブ４、水ポンプ６、冷却水タンク７、凝縮器９、凝縮水タンク１０、連通経路１８、ラジエータ２０、リサイクルポンプ２３、遮断弁２４、凝縮水連通経路２５、冷却水経路３６、および燃料ガス経路３７を備えた構成である。
換言すると、実施例２に係る燃料電池システム１０２は、上記した実施例１の燃料電池システム１０１の構成と比較して、原料供給経路３３の代わりに燃料ガス経路３７を備え、水素生成器２を備えない点で異なる。また、実施例１の燃料電池システム１０１の冷却水経路３６の途中に設けられた熱交換器８の代わりに、実施例２の燃料電池システム１０２の冷却水経路３６の途中にはラジエータ２０が設けられている点で異なる。また、実施例１の空気供給器１１が換気ファンとして機能するものであったが、実施例２の空気供給器１１は、ラジエータ２０の冷却用に冷却空気を送出する冷却ファンとして機能するものである点で異なる。なお、実施例２の空気供給器１１は、上記した冷却ファンとしての機能のみならず、筐体１４内の空気の換気を行う換気ファンとしての機能も有する。また、実施例２に係る燃料電池システム１０２は、凝縮水経路３５の代わりに、凝縮水連通経路２５を備える点でも異なる。
さらにまた、排気ガス経路３０の構成が実施例１と実施例２とでは異なる。すなわち、実施例１では、実施の形態に係る排気ガス経路３０を、アノードオフガス経路３０ａ、燃焼排ガス経路３０ｂ、カソードオフガス経路３０ｃ、および混合オフガス経路３０ｄから構成していた。しかしながら、実施例２では、実施の形態に係る排気ガス経路３０を、カソードオフガス経路３０ｃ、混合オフガス経路３０ｄ、不純物排出経路３０ｆから構成し、不純物排出経路３０ｆにおいて遮断弁２４が設けられている点で異なる。
また、実施例２の燃料電池システム１０２では、発電に未利用の水素を含むアノードオフガスを燃料ガス経路３７に戻すためのリサイクル経路３０ｅをさらに備えている点でも実施例１の燃料電池システム１０１とは構成が異なる。それ以外の点では実施例２に係る燃料電池システム１０２は、実施例１に係る燃料電池システム１０１と同様な部材を備えており、同様な部材については同じ符号を付し、その説明を省略する。
実施例２に係る燃料電池システム１０２は、上記したように、水素生成器２を備えておらず、外部から燃料ガスとして水素を燃料電池１に直接、供給する構成となっている。すなわち、燃料電池１は、燃料ガス経路３７を介して外部に設けられた不図示の水素供給装置と接続されている。そして、制御部４０からの制御指示に基づき、燃料ガス経路３７の途中に設けられた供給バルブ４を開放することによって燃料ガス（水素）が水素供給装置から燃料電池１に供給される構成となっている。特に図示しないが、燃料電池１に供給される水素は、加湿器などによって予め加湿されていてもよい。実施例２に係る燃料電池システム１０２では、供給バルブ４の開放によって燃料ガスが燃料電池１に供給される構成となっているがこの構成に限定されるものではない。例えば、燃料ガス経路３７においてブースタポンプなどの加圧器（図示せず）を備え、該加圧器によって燃料ガスを燃料電池１に供給する構成としても良い。
燃料電池１では、アノード側に燃料ガスが供給され、カソード側に酸化剤ガスが供給され、水素と酸素との電気化学反応により発電が行われる。なお、酸化剤ガスである空気は、酸化剤ガス供給器３によって燃料電池１に供給される。酸化剤ガス供給器３としては、ブロワやシロッコファンなどが例示できる。
燃料電池１のカソードから排出された排気ガスであるカソードオフガスは実施例１と同様に凝縮器９に供給される。凝縮器９は、カソードオフガスを凝縮させるものであり、例えば、カソードオフガスと不図示の水経路を流通する水との間で熱交換する熱交換器によって実現できる。すなわち、凝縮器９では、カソードオフガスを、例えば、不図示の水経路を流れる水との熱交換によって凝縮させる。この凝縮によって絶対湿度を低減されたカソードオフガスは、凝縮水とともに凝縮水タンク１０に供給される。
一方、燃料電池１において発電に用いられなかった水素を含むアノードオフガスは、アノードからリサイクル経路３０ｅ内に排出され、リサイクルポンプ２３によって加圧され、燃料ガス経路３７に戻される。これにより発電に用いられなかった水素を含むアノードオフガスを再度発電に用いることができる。なお、上記したように、燃料電池１に供給される燃料ガスは加湿器などによって加湿した状態で供給される構成とすることができる。燃料ガスが加湿された状態で燃料電池１に供給される構成の場合、リサイクル経路３０ｅを流通するアノードオフガスが放熱などによって冷却されると、このリサイクル経路３０ｅ内に凝縮水が発生することとなる。このため、リサイクル経路３０ｅから凝縮水を排出する構成とする必要がある。実施例２に係る燃料電池システム１０２では、リサイクル経路３０ｅから分岐し、凝縮水タンク１０と接続する凝縮水連通経路２５が設けられている。凝縮水連通経路２５は、凝縮水タンク１０における、凝縮水の水面下となる位置、特には凝縮水タンク１０の底部もしくは底部の近傍に接続されている。そして、リサイクル経路３０ｅで生じた凝縮水は、凝縮水連通経路２５を通じて凝縮水タンク１０に供給される。なお、凝縮水連通経路２５の途中は、凝縮水タンク１０に貯水されている凝縮水によって水封されており、リサイクル経路３０ｅを流通するアノードオフガスが凝縮水タンク１０内に放出されることはない。
凝縮水タンク１０は、凝縮器９における凝縮によりカソードオフガスから得られた凝縮水、ならびにリサイクル経路３０ｅを流通するアノードオフガスから得られた凝縮水を貯留するタンクである。凝縮水タンク１０では、凝縮器９から供給されたカソードオフガスと凝縮水とを気液分離する。そして、気液分離されたカソードオフガスは、凝縮水タンク１０から混合オフガス経路３０ｄを流通して排出経路３２における合流部１９に供給される一方、凝縮水は、凝縮水タンク１０内に貯水される。
実施例２における凝縮水タンク１０の凝縮水は、実施例１における凝縮水タンク１０の凝縮水のように改質水として利用されることがない。このため、実施例２に係る燃料電池システム１０２の運転が継続されるにつれて、凝縮水タンク１０内に貯水される凝縮水が増え続けることとなる。そこで、実施例２における凝縮水タンク１０は、該凝縮水タンク１０内に貯水された凝縮水の水量が所定量以上になると外部に排出するための、不図示のオーバーフロー経路を備えている。
また、燃料電池１では、発電時に熱が発生する。そこで、実施例２に係る燃料電池システム１０２では、この発電時に燃料電池１において発生した熱を冷却水によって回収するため、以下の構成を備えている。すなわち、冷却水を貯水する冷却水タンク７と、冷却水タンク７に貯水された冷却水を、燃料電池１、ラジエータ２０を通過して該冷却水タンク７に戻す循環経路である冷却水経路３６と、冷却水経路３６内において冷却水を流通させるための水ポンプ６とを備えている。そして、冷却水タンク７に貯水された冷却水は、燃料電池１を通過する際に、燃料電池１で発生した熱を回収する。回収した熱により加温された冷却水は水ポンプ６によって加圧されラジエータ２０に至る。加温された冷却水は、ラジエータ２０を通過する際に、空気供給器１１によって該ラジエータ２０に供給された冷却空気によって冷却され、冷却水タンク７に戻る。
冷却水タンク７は、冷却水から溶存空気を脱気させ、冷却水経路３６から放出する機能を有している。放出された溶存空気は連通経路１８を通じて凝縮水タンク１０に供給された後に、カソードオフガスとともに混合オフガス経路３０ｄを流通して排出経路３２に導かれる。
ところで、燃料電池システム１０２が備える各部は、筐体１４に内包される構成となっている。また、図２に示すように空気供給器１１によって送出された冷却空気は、ラジエータ２０および空気供給器１１を通過して排出経路３２の合流部１９に導かれる。そして、冷却空気は、混合オフガス経路３０ｄを介して排出経路３２に導かれたカソードオフガス、溶存空気、ならびに後述する不純物を含むアノードオフガスと、排出経路３２における合流部１９で合流するように構成されている。合流部１９で合流した冷却空気とカソードオフガス、溶存空気、不純物を含むアノードオフガスとが混合し、混合ガスとして排出経路３２を流通して排出口１３から外部に排出される。
排出経路３２における、空気の流れにおいて合流部１９よりも下流側となる位置には可燃ガス検知器１２が設けられている。そして、可燃ガス検知器１２は、自機の設置環境における可燃ガスの濃度（排出経路３２を流通する混合ガス中に含有する可燃ガスの濃度）を検知する。実施例２に係る燃料電池システム１０２では、可燃ガス検知器１２によって検知された混合ガス中に含有する可燃ガスの濃度が判定閾値以下であれば制御部４０が正常であると判定し、燃料電池１の発電を継続させる。一方、可燃ガス検知器１２によって検知された混合ガス中の可燃ガスの濃度が判定閾値より大きくなる場合は、制御部４０は、燃料電池システム１０２において可燃ガスの漏洩が発生していると判断し、燃料電池１の発電を停止させるように制御する。
ところで、実施例２に係る燃料電池システム１０２では、燃料電池１のアノードから排出されたアノードオフガスはリサイクル経路３０ｅを流通し、燃料ガス経路３７に戻される構成であった。このリサイクル経路３０ｅは途中で不純物排出経路３０ｆと接続されており、不純物排出経路３０ｆにおける、リサイクル経路３０ｅとの接続部の近傍に遮断弁２４が設けられている。つまり、リサイクル経路３０ｅでは、燃料電池１の発電が継続すると、アノードオフガス中に含まれる不純物の濃度が経時的に大きくなる。このため、定期的にリサイクル経路３０ｅから不純物を排出させる必要がある。
そこで、実施例２に係る燃料電池システム１０２では、定期的に制御部４０からの制御指示により遮断弁２４を開放し、リサイクル経路３０ｅから不純物を含むアノードオフガスを不純物排出経路３０ｆに放出する。不純物排出経路３０ｆは、一方の端部で上記したようにリサイクル経路３０ｅと接続されており、他方の端部では混合オフガス経路３０ｄと接続されている。このため、遮断弁２４を開放することでリサイクル経路３０ｅから放出されたアノードオフガスは、不純物排出経路３０ｆ、混合オフガス経路３０ｄを通じて排出経路３２に導かれる。なお、アノードオフガスは、混合オフガス経路３０ｄにおいて、凝縮水タンク１０から排出されたカソードオフガスおよび溶存空気と混合し排出経路３２に導かれる。
なお、遮断弁２４の開放時、排出経路３２に設けられた可燃ガス検知器１２によって検知される、混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度が、判定閾値よりも小さくなるように、制御部４０は遮断弁２４の開放時間を制御している。このように、排出経路３２に導かれるアノードオフガスの流量は、制御部４０が遮断弁２４の開放時間を制御することで調整することができる。しかしながら、排出経路３２に導かれるアノードオフガスの流量の調整方法は、遮断弁２４の開放時間を制御する構成に限定されるものではない。例えば、開放された状態の遮断弁２４において適切な圧力損失を設定し、遮断弁２４の開放時に、排出経路３２に導かれるアノードオフガスの流量を調整する構成としてもよい。
ところで、実施例２に係る燃料電池システム１０２に発生する可燃ガスの漏洩には以下の要因が存在する。
まず、燃料ガス経路３７またはリサイクル経路３０ｅにおいて経年劣化または過大圧などによって経路が破損し、筐体１４内に可燃ガスが流出する場合である。この場合、空気供給器１１によって筐体１４内の空気は排出経路３２に導かれ、可燃ガス検知器１２に供給することが可能となる。このため、上記した要因により可燃ガスが漏洩した場合は、可燃ガス検知器１２の検知結果に基づき、制御部４０がガス漏洩の有無を判定することができる。
また、以下の要因によっても可燃ガスの漏洩が発生する場合がある。すなわち、燃料電池１では、不図示の電解質膜によって、カソード側へ供給された酸化剤ガスと、アノード側へ供給された燃料ガスとを遮断する構成となっている。しかしながら、電解質膜が例えば経年劣化または過大圧によって破損した場合、破損した電解質膜を通じて燃料ガスが酸化剤ガス側へ流入する。この異常によって漏洩した燃料ガスはカソードオフガス経路３０ｃ、凝縮水タンク１０、混合オフガス経路３０ｄを通じて排出経路３２に導かれる。このため、電解質膜の破損に起因する可燃ガスの漏洩の有無も、排出経路３２に設けられた可燃ガス検知器１２の検知結果に基づき、制御部４０が判定することができる。
また、発電中の燃料電池１の冷却に用いる冷却水が流通する冷却水経路３６は、燃料電池１において、不図示のセパレータの外側に配置されている。すなわち、燃料電池１では、セパレータによって燃料電池１のアノードと冷却水経路３６とが遮断されている。ここで、例えば、経年劣化または過大圧によってセパレータが破損したとしても、冷却水経路３６を流通する冷却水によって水封されるため、アノードに供給された燃料ガス（可燃ガス）は破損部分から冷却水経路３６側に流出しない。
しかしながら、さらに大きな過大圧がアノード側で発生した場合、この水封が破れる場合がある。水封が破れた場合、実施例２に係る燃料電池システム１０２では、アノードに供給された燃料ガス（可燃ガス）が燃料電池１から冷却水経路３６に流入し、冷却水タンク７に導かれることとなる。冷却水タンク７に導かれた可燃ガスは、冷却水タンク７と凝縮水タンク１０との間に設けられた連通経路１８を通じて凝縮水タンク１０へ導かれる。そして、可燃ガスを含む排気ガスは、混合オフガス経路３０ｄを通じて、排出経路３２に導かれ、合流部１９にて空気供給器１１から送出された冷却空気と合流する。このようにセパレータの破損に起因して燃料電池１から冷却水経路３６に漏洩した可燃ガスを含む排気ガスを、排出経路３２において合流部１９より下流側に設けられた可燃ガス検知器１２によって検知することが可能となる。このため、セパレータの破損に起因する可燃ガスの漏洩の有無を、可燃ガス検知器１２の検知結果に基づき制御部４０が判定することができる。
さらには、以下の要因によっても実施例２に係る燃料電池システム１０２において可燃ガスの漏洩が発生する場合がある。すなわち、不純物排出経路３０ｆに設けられている遮断弁２４が故障した場合である。例えば、遮断弁２４が故障により開放された状態のままとなると、リサイクル経路３０ｅを流通するアノードオフガスに含まれる可燃ガス（水素）が継続的に不純物排出経路３０ｆ、混合オフガス経路３０ｄを通じて排出経路３２に放出される。
このように遮断弁２４の故障に起因するガス漏洩の場合であっても、リサイクル経路３０ｅから放出されたアノードオフガスは、不純物排出経路３０ｆおよび混合オフガス経路３０ｄを通じて排出経路３２における合流部１９に導かれる。そして、アノードオフガスは、空気供給器１１によって供給された冷却空気と合流部１９で合流して混合ガスとなり排出経路３２を流通する。そして、排出経路３２において合流部１９よりも下流側に設けられた可燃ガス検知器１２によって、混合ガス中における可燃ガスの濃度を検知することができる。このため、遮断弁２４の故障に起因する可燃ガスの漏洩の有無を、可燃ガス検知器１２の検知結果に基づき制御部４０が判定することができる。
さらにはまた、以下の要因によっても実施例２に係る燃料電池システム１０２において可燃ガスの漏洩が発生する場合がある。例えば、リサイクル経路３０ｅにおいて過大な圧力が発生することで、凝縮水連通経路２５および凝縮水タンク１０に貯水された水による水封が破れる場合がある。このように水封が破れると、リサイクル経路３０ｅを流通するアノードオフガスが継続的に、凝縮水連通経路２５を通じて凝縮水タンク１０に放出される。しかしながらこの場合であっても凝縮水タンク１０に放出されたアノードオフガスは混合オフガス経路３０ｄを流通し、排出経路３２の合流部１９に導かれる。そして、アノードオフガスは、空気供給器１１によって供給された冷却空気と合流部１９で合流して混合ガスとなり排出経路３２を流通する。そして、排出経路３２において合流部１９よりも下流側に設けられた可燃ガス検知器１２によって、混合ガス中における可燃ガスの濃度を検知することができる。このため、凝縮水による水封が破れたことに起因する可燃ガスの漏洩の有無を、可燃ガス検知器１２の検知結果に基づき制御部４０が判定することができる。
以上のように、いずれの可燃ガスの漏洩要因の場合であっても、漏洩した可燃ガスを含む排気ガスは、必ず１つの合流部１９に集められ、空気供給器１１により供給された空気と合流して混合ガスとなり排出経路３２を流通する。そして、合流部１９よりも下流に設けられた可燃ガス検知器１２によって混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度を検知することができる。このため、可燃ガスの漏洩要因に関係なく制御部４０は可燃ガス検知器１２の検知結果に基づき、可燃ガスの漏洩の有無を判定することができる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明は、例えば、筐体に収容され、排気ガスを外部に排出する必要のある燃料電池システムにおいて有用である。
１ 燃料電池
２ 水素生成器
３ 酸化剤ガス供給器
４ 供給バルブ
５ 改質水供給ポンプ
６ 水ポンプ
７ 冷却水タンク
８ 熱交換器
９ 凝縮器
１０ 凝縮水タンク
１１ 空気供給器
１２ 可燃ガス検知器
１３ 排出口
１４ 筐体
１５ 改質器
１６ バーナ
１８ 連通経路
１９ 合流部
２０ ラジエータ
２３ リサイクルポンプ
２４ 遮断弁
２５ 凝縮水連通経路
３０ 排気ガス経路
３０ａ アノードオフガス経路
３０ｂ 燃焼排ガス経路
３０ｃ カソードオフガス経路
３０ｄ 混合オフガス経路
３０ｅ リサイクル経路
３０ｆ 不純物排出経路
３１ 空気供給経路
３２ 排出経路
３３ 原料供給経路
３５ 凝縮水経路
３６ 冷却水経路
３７ 燃料ガス経路
４０ 制御部
１００ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池システム
１０２ 燃料電池システム

Claims (5)

  1. 可燃ガスを含有する燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
    前記燃料電池から排出された排気ガスが流通する排気ガス経路と、
    前記燃料電池システム内の空気を吸引し前記排気ガスに供給する空気供給器と、
    前記空気供給器によって吸引され、前記排気ガスに供給される空気が流通する空気供給経路と、
    前記排気ガス経路を流通する前記排気ガスと前記空気供給経路を流通する前記空気とが合流する部分である合流部と、
    前記合流部にて合流した前記排気ガスと前記空気との混合ガスを大気中に排出するための排出経路と、
    前記排出経路中に設置され、前記混合ガス中に含まれる可燃ガスの濃度を検知する可燃ガス検知器と、
    前記燃料電池システムを収納する筐体と、
    発電時に前記燃料電池を冷却する冷却水を循環させる冷却水経路と、
    前記冷却水経路に設けられ、前記燃料電池を冷却することにより加温された冷却水を冷却させる放熱器と、を備え、
    前記空気供給経路および前記排出経路を流通する前記空気の流れに対して上流側から、前記空気供給器、前記合流部、および前記可燃ガス検知器の順に配置されており、
    前記空気供給器は、前記筐体内の空気を吸引し、前記放熱器に冷却用空気を供給する放熱用送風機である、燃料電池システム。
  2. 前記合流部は、前記排出経路における所定の１か所に形成される、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記排気ガス経路は、
    前記排気ガスが流通する複数の経路と、
    前記複数の経路を流通する排気ガスを集約させて前記合流部に放出する混合オフガス経路と、を備える請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 制御部を備え、
    前記制御部は、前記可燃ガス検知器によって検知された可燃ガスの濃度に基づき、可燃ガスの漏洩の発生を判定し、可燃ガスの漏洩が発生していると判定した場合、前記燃料電池による発電を停止させる、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス経路と、
    前記燃料電池のアノードから排出される、該燃料電池の発電において未利用の水素を含むアノードオフガスを、前記燃料ガス経路に戻すリサイクル経路と、を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
JP2017076647A 2016-04-26 2017-04-07 燃料電池システム Active JP6899539B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016087934 2016-04-26
JP2016087934 2016-04-26

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017199659A JP2017199659A (ja) 2017-11-02
JP6899539B2 true JP6899539B2 (ja) 2021-07-07

Family

ID=58606092

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017076647A Active JP6899539B2 (ja) 2016-04-26 2017-04-07 燃料電池システム

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10483574B2 (ja)
EP (1) EP3240077A1 (ja)
JP (1) JP6899539B2 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7340753B2 (ja) 2017-12-21 2023-09-08 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システム
JP7113309B2 (ja) * 2018-09-21 2022-08-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システム

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1333518B1 (en) * 2000-10-20 2011-08-24 Panasonic Corporation Fuel cell system and method of operating the system
US20030022036A1 (en) * 2001-07-25 2003-01-30 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell controller self inspection
DE10151520A1 (de) * 2001-10-18 2003-05-08 Ballard Power Systems Methode zur Einhaltung der Wasserbilanz in einem Brennstoffzellensystem
JP2005158432A (ja) * 2003-11-25 2005-06-16 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2005183117A (ja) 2003-12-18 2005-07-07 Toshiba Home Technology Corp 燃料電池装置
KR100784017B1 (ko) * 2006-11-20 2007-12-07 삼성에스디아이 주식회사 미반응 연료 재활용 장치 및 이를 구비한 연료 전지 시스템
JP5221908B2 (ja) * 2007-08-03 2013-06-26 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
KR101113651B1 (ko) * 2009-08-31 2012-02-15 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 수소 배기 장치
KR20120061661A (ko) * 2010-12-03 2012-06-13 현대자동차주식회사 연료전지 시스템 및 그 제어 방법
US10084196B2 (en) * 2012-05-04 2018-09-25 Hydrogenics Corporation System and method for controlling fuel cell module
JP2012212687A (ja) 2012-07-05 2012-11-01 Toshiba Home Technology Corp 燃料電池装置
DE102014203259A1 (de) * 2014-02-24 2015-08-27 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem mit einem in einem Gehäuse angeordneten Brennstoffzellenstack sowie einer Maßnahme zur Gehäuse-Belüftung
CA2942629C (en) 2014-03-13 2018-04-24 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system with wetness control

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017199659A (ja) 2017-11-02
US10483574B2 (en) 2019-11-19
EP3240077A1 (en) 2017-11-01
US20170309939A1 (en) 2017-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9306231B2 (en) Back-up fuel cell electric generator comprising a compact manifold body, and methods of managing the operation thereof
JP2008108668A (ja) 燃料電池システム
US20120171582A1 (en) Open type fuel cell system
JP2013258111A (ja) 燃料電池システム
JP6100066B2 (ja) 燃料電池システム及びその制御方法
JP6899539B2 (ja) 燃料電池システム
JP2018098193A (ja) 燃料電池システム
JP6830199B2 (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
US8460833B2 (en) Open type fuel cell system with unreacted material removing function
JP5504725B2 (ja) 燃料電池システム
JP5383493B2 (ja) 燃料電池システム
JP7026324B2 (ja) 燃料電池システム
JP5082790B2 (ja) 燃料電池システム
JP5109284B2 (ja) 燃料電池システム
JP6408266B2 (ja) 燃料電池システム
JP4397686B2 (ja) 燃料電池の反応ガス供給装置
JP5721451B2 (ja) 燃料電池システム及びその制御方法
JP2004158221A (ja) 燃料電池システム
JP5171103B2 (ja) 燃料電池コージェネレーション装置
JP2006278158A (ja) 燃料電池システム
JP6290729B2 (ja) 燃料電池システム
JP2006260882A (ja) 燃料電池システム
JP2018181464A (ja) 燃料電池システム
JP2007188700A (ja) 燃料電池システム
JP5460639B2 (ja) 燃料電池システムの運転停止方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200318

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210212

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210309

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210426

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210518

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210528

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6899539

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151