JPH1186891A - パッケージ型燃料電池発電設備及びその運転制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安全性を確保しつつ優れた稼働率を維持で
き、電池本体に負担がかからないパッケージ型燃料電池
発電設備及びその運転制御方法を提供する。 【解決手段】 電池本体２、燃料処理装置１、燃料弁
４、空気弁５、制御装置３及び配管類を、パッケージ６
内に収容する。パッケージ６に排気口６ａ、吸気口６
ｂ、換気ファン７を設ける。パッケージ６内の排気口６
ａ及び換気ファン７の近傍に可燃性ガス検知器８を設け
る。パッケージ６に、駆動機構によって開閉動作が行わ
れる自動開放扉９を設ける。可燃性ガス検知器８と、自
動開放扉９の駆動機構の駆動源とを、制御装置３に接続
する。制御装置３には、可燃性ガス検知器からの検知信
号に基づいて、駆動機構の駆動源を制御する開閉制御部
を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池本体が他
の機器や配管類とともにパッケージ内に収容されたパッ
ケージ型燃料電池発電設備に係り、パッケージ内の機器
や配管類からの可燃性ガスの漏洩に対する機能に改良を
施したパッケージ型燃料電池発電設備及びその運転制御
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、天然ガス・メタノールなど
の燃料の持つ化学エネルギーを、直接電気エネルギーに
変換する発電装置であり、熱エネルギーや運動エネルギ
ーの過程を経ないので、小規模でも高い発電効率が期待
できる。そして、発電に伴って発生する熱が給湯や暖冷
房として利用しやすく、それによって総合エネルギー効
率を高めることができるため、優れたコージェネレーシ
ョンシステムを構成することが可能となる。

【０００３】この燃料電池として、現在、最も開発が進
んでいるのが、リン酸型燃料電池である。リン酸型燃料
電池は、多数枚のセルと呼ばれる単位電池を、セパレー
タを介して積層した電池スタックを備えている。各セル
は、電解質であるリン酸を含浸したマトリックス層を、
触媒層が形成された一対の多孔質電極基板によって挟持
したものである。そして、各セルにおける一方の電極背
面に水素リッチガスなどの燃料ガスを供給し、他方の電
極背面に空気などの酸化剤ガスを供給することにより発
生する電気化学反応を利用して、上記電極間から電気エ
ネルギーを取り出す。

【０００４】このような燃料電池を利用した発電設備の
うちで、電気や熱の需要がある場所に設置する比較的小
容量の燃料電池発電設備は、オンサイト用燃料電池と呼
ばれる。オンサイト用燃料電池は、据え付けに便利なよ
うに、燃料電池本体及び他の機器や配管等がパッケージ
に納められたパッケージ型燃料電池発電設備として構成
されるのが一般的である。

【０００５】このパッケージ型燃料電池発電設備の一例
を、図２に従って説明する。すなわち、電池スタックを
備えた電池本体２には、天然ガス、メタノール等の原燃
料を水素にする燃料処理装置１が配管を介して接続され
ている。燃料処理装置１に原燃料を供給するための燃料
供給用の配管には、燃料弁４が設けられている。電池本
体２に空気を供給するための空気供給用の配管には、空
気弁５が設けられている。これらの電池本体２、燃料処
理装置１、燃料弁４、空気弁５は、制御装置３によって
制御可能な構成となっている。そして、電池本体２、燃
料処理装置１、燃料弁４、空気弁５、制御装置３及び配
管類は、パッケージ６内に収容されている。

【０００６】また、燃料電池においては、上記のように
天然ガスや水素等の可燃性ガスが取り扱われるが、この
可燃性ガスが装置類から漏洩してパッケージ６内に滞留
・蓄積すると、燃焼・爆発温度に達する可能性がある。
従って、パッケージ型燃料電池発電設備においては、パ
ッケージ６内部の換気に注意を払う必要がある。

【０００７】これに対処するため、上記のような構成の
パッケージ型燃料電池発電設備においては、図２に示す
ように、パッケージ６の上部及び下部に、それぞれ排気
口６ａ及び吸気口６ｂが設けられ、排気口６ａには換気
ファン７が設置されている。かかる構成とすれば、換気
ファン７によって、パッケージ６内に常に新鮮な外気を
取り込むことが可能となるので、可燃性ガスが装置類か
らパッケージ６内へ漏洩したとしても、ガスの滞留・蓄
積による燃焼・爆発温度に達することを防止できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
なオンサイト用のパッケージ型燃料電池発電設備では、
無人運転１する設計が基本であり、安全性を確保するた
め、例えば、換気ファン７の停止時には、直ちに燃料弁
５を全閉し、発電を停止させるように設計されている。
このため、漏洩があっても停止せずに修理可能な場合、
漏洩量が著しく低く自然換気によっても十分濃度を低く
抑えられる場合、センサーの誤動作による場合には、発
電継続が可能であるにもかかわらず運転できないことと
なる。

【０００９】また、可燃性ガスそのものの有無はわから
ないまま、換気ファン７の停止などの換気機能の喪失の
みにより保護動作を起こすために、即座に燃料弁５を全
閉して発電設備を止める設計となっているので、電池本
体２の水素欠乏を引き起こし、負担が大きい。

【００１０】本発明は、以上のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたものであり、その目的は、
安全性を確保しながら、優れた稼働率を維持でき、電池
本体に負担がかからないパッケージ型燃料電池発電設備
及びその運転制御方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１〜５記載の発明は、燃料電池本体と電池
反応用の可燃性ガス供給設備とがパッケージ内に収容さ
れ、前記パッケージに換気用の排気口及び吸気口が設け
られたパッケージ型燃料電池発電設備において、以下の
ような技術的特徴を有する。

【００１２】すなわち、請求項１記載の発明は、前記パ
ッケージ内には可燃性ガス検知器が設けられていること
を特徴とする。以上のような請求項１記載の発明では、
可燃性ガスの漏洩があっても、可燃性ガス検知部８によ
って検知することができるので、異常状態の早期発見に
よる危険防止が可能となる。

【００１３】請求項２記載の発明は、前記パッケージに
は駆動機構によって開閉可能な自動開放扉が設けられ、
前記可燃性ガス検知器からの検知信号に基づいて、前記
駆動機構の作動を制御する開閉制御装置が設けられてい
ることを特徴とする。

【００１４】以上のような請求項２記載の発明では、可
燃性ガス検知部によって可燃性ガスの漏洩が検知された
場合に、自動開放扉を開放することにより、排気口及び
吸気口による換気に加えて、さらに換気風量が増加する
ので、必ずしも運転を停止せずとも、可燃性ガス濃度の
上昇による危険を回避できる。

【００１５】請求項３記載の発明は、前記パッケージに
換気用の排気ファンが設けられ、前記パッケージ内には
可燃性ガス検知器が設けられ、前記可燃性ガス検知器か
らの検知信号に基づいて、前記換気ファンの回転数を制
御する換気ファン制御装置が設けられていることを特徴
とする。

【００１６】以上のような請求項３記載の発明では、可
燃性ガス検知器によって可燃性ガスの漏洩が検知された
場合に、換気ファン制御装置によって換気ファンの回転
数を増大させる。すると、排気口及び吸気口による換気
風量が増加するので、可燃性ガス濃度の上昇による危険
を回避できる。

【００１７】請求項４記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれか１項に記載のパッケージ型燃料電池発電設備にお
いて、前記可燃性ガス検知器が複数設けられていること
を特徴とする。以上のような請求項４記載の発明では、
複数個のガス検知器の測定データを比較することによ
り、より正確な保護動作を行うことができる。

【００１８】請求項５記載の発明は、請求項４記載のパ
ッケージ型燃料電池発電設備において、前記複数の可燃
性ガス検知器が、それぞれパッケージ内の異なる場所に
設けられていることを特徴とする。以上のような請求項
５記載の発明では、複数の可燃性ガス検知器がパッケー
ジ内の異なる場所に設けられているので、漏洩箇所の特
定が容易となる。

【００１９】そして、請求項６及び請求項７記載の発明
は、パッケージ内に収容された燃料電池本体に可燃性ガ
スを供給して発電運転を行う際に、前記パッケージに設
けられた排気口及び吸気口を介して換気ファンによって
換気を行い、可燃性ガス検知器によって前記パッケージ
内における可燃性ガスの漏洩を検知するパッケージ型燃
料電池発電設備の運転制御方法において、以下のような
技術的特徴を有する。

【００２０】すなわち、請求項６記載の発明は、前記可
燃性ガス検知器によって可燃性ガスの漏洩が検知された
場合に、発電出力を低下させることを特徴とする。以上
のような請求項６記載の発明では、可燃性ガスを検知し
た場合、発電出力（運転負荷）が低下するので、プロセ
スガス量が低減して漏洩量が減少し、可燃性ガス濃度の
上昇による危険を回避できる。

【００２１】請求項７記載の発明は、前記可燃性ガス検
知器によって可燃性ガスの漏洩が検知された場合に、そ
の漏洩状況に応じて、電池出力を徐々に降下させた後に
運転を停止するか、即座に運転停止するかを選択して実
行することを特徴とする。

【００２２】以上のような請求項７記載の発明では、緊
急停止が必要な場合以外は、出力を徐々に降下させた後
に運転を停止させることができるので、電池の性能劣化
を最小限度にとどめることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に説明
する。なお、図２に示した従来技術と同様の部材は同一
の符号を付し、説明を省略する。

【００２４】（１）第１の実施の形態 （構成）請求項１及び請求項２記載の発明に対応する実
施の形態を、図１に従って説明する。すなわち、本実施
の形態においては、パッケージ６内における排気口６ａ
及び換気ファン７の近傍に、可燃性ガス検知器８が設け
られている。そして、パッケージ６には、自動開放扉９
が設けられている。この自動開放扉９は、図示しない駆
動機構によって、開閉動作が行われる構成となってい
る。

【００２５】さらに、可燃性ガス検知器８と、自動開放
扉９の駆動機構の駆動源とは、制御装置３に接続されて
いる。制御装置３においては、可燃性ガス検知器からの
検知信号に基づいて、駆動機構の駆動源を制御する開閉
制御部が設定されている。

【００２６】（作用）以上のような構成を有する本実施
の形態においては、パッケージ６内で可燃性ガスの漏洩
が発生した場合、この可燃性ガスは換気ファン７によっ
て排気口６ａ側に導かれ、可燃性ガス検知部８によって
検知される。そして、この検知信号に基づいて、制御装
置３の開閉制御部は、駆動機構の駆動源を自動開放扉９
が開くように作動させる。すると、自動開放扉９が開く
ことによって外気が流入するので、パッケージ６内の可
燃性ガス濃度が低下する。

【００２７】また、換気ファン７が停止した場合であっ
ても、可燃性ガスの漏洩は可燃性ガス検知部８によって
検知され、上記のように自動開放扉９が開かれるので、
換気による可燃性ガス濃度の低下が可能となる。

【００２８】（効果）以上のような本実施の形態によれ
ば、可燃性ガスの漏洩があっても、可燃性ガス検知部８
によって検知することができるので、異常状態の早期発
見による危険防止が可能となる。特に、可燃性ガス検知
部８は、漏洩した可燃性ガスが必ず通過する排気口６ａ
及び換気ファン７の近傍に設けられているので、漏洩が
確実に検知される。

【００２９】また、可燃性ガスの漏洩が検知された場
合、自動開放扉９が開いて自動的に換気がなされ、可燃
性ガス濃度が低下するので、高い安全性を確保できる。
特に、換気ファン７が停止しても換気を確保できるの
で、漏洩量が一定値以下の場合には運転停止をしない設
計とすれば、稼働率が向上する。このような設計にすれ
ば、換気ファン７が停止しても、運転停止せずに修理可
能な場合、漏洩量が低い場合、センサーの誤動作による
場合等にも、運転を継続できることとなる。

【００３０】（２）第２の実施の形態 （構成）請求項３記載の発明に対応する実施の形態を説
明する。すなわち、本実施の形態においては、パッケー
ジ６内における排気口６ａ及び換気ファン７の近傍に、
可燃性ガス検知器８が設けられている。そして、換気フ
ァン７のモータには、換気ファン制御装置としてインバ
ータが接続され、このインバータによって換気ファン７
の回転数が制御可能な構成となっている。さらに、可燃
性ガス検知器８とインバータとは、制御装置３に接続さ
れている。

【００３１】（作用効果）以上のような構成を有する本
実施の形態においては、パッケージ６内で可燃性ガスの
漏洩が発生した場合、この可燃性ガスは換気ファン７に
よって排気口６ａ側に導かれ、可燃性ガス検知部８によ
って検知される。そして、この検知信号に基づいて、イ
ンバータは換気ファン７のモータの回転数を上げるよう
に制御する。すると、換気ファン７による換気量が増加
するので、可燃性ガスの濃度を爆発下限界以下に抑える
ことができ、高い安全性を確保できる。

【００３２】（３）第３の実施の形態 請求項４及び請求項５記載の発明に対応する実施の形態
を説明する。すなわち、本実施の形態は、上記の第１及
び第２の実施の形態において、複数個の可燃性ガス検知
器８を、パッケージ６内の異なる箇所に設けたものであ
る。

【００３３】このような本実施の形態によれば、可燃性
ガスの漏洩があった場合、制御装置３において、パッケ
ージ６内に設けられた複数個のガス検知器への測定デー
タを相互に比較・演算することにより、漏洩状況をより
正確に判断することができるので、上記の第１及び第２
の実施の形態における保護動作の信頼性が向上し、発電
設備全体としての運用が安定したものとなる。

【００３４】特に、可燃性ガス検知器６は、パッケージ
６内の異なる箇所に設けられているので、可燃性ガスが
漏洩した箇所の推定が容易となり、停止後の漏洩箇所の
詳細調査・修理復旧の効率を上げることができる。

【００３５】（４）第４の実施の形態 請求項６記載の発明に対応する実施の形態を説明する。
まず、本実施の形態に用いるパッケージ型燃料電池発電
設備の構成は、以下の通りである。すなわち、パッケー
ジ６内における排気口６ａ及び換気ファン７の近傍に、
可燃性ガス検知器８が設けられている。そして、可燃性
ガス検知器８は、制御装置３に接続されている。

【００３６】本実施の形態は、かかる構成のパッケージ
型燃料電池発電設備において、以下のような運転制御を
行うものである。すなわち、パッケージ６内で可燃性ガ
スの漏洩が発生した場合、この可燃性ガスは換気ファン
７によって排気口６ａ側に導かれ、可燃性ガス検知部９
によって検知される。そして、この検知信号に基づい
て、制御装置３によって燃料弁４を絞る制御を行うこと
により、電池本体２の運転負荷（出力）を低下させる。
すると、プロセスガス量が低減するため、漏洩量が減少
する。従って、可燃性ガスの濃度を爆発下限界以下に抑
えることができ、高い安全性を確保できる。

【００３７】（５）第５の実施の形態 請求項７記載の発明に対応する実施の形態を説明する。
なお、本実施の形態に用いるパッケージ型燃料電池発電
設備は、上記第３の実施の形態とほぼ同様であるが、可
燃性ガス検知部９はガス漏洩の有無だけでなく、ガス濃
度の検知も可能なものが用いられる。

【００３８】すなわち、本実施の形態は、可燃性ガスが
漏洩して、可燃性ガス検知部９によって検知された場
合、制御装置３において、可燃性ガス濃度の推移（トレ
ンド）が監視される。そして、爆発下限濃度に達するま
でに時間的余裕がある場合には、燃料弁４を絞ることに
より、運転負荷（出力）を徐々に降下させた後、冷温停
止に至らしめる。また、爆発下限濃度に達するまでに時
間的余裕がない場合には、発電設備を緊急に停止する。

【００３９】以上のように、本実施の形態によれば、漏
洩状況に応じて、運転停止方法に選択性を持たせること
により、安全性を保ちながら、無用の緊急停止による電
池性能へのダメージを避けることができ、電池の性能劣
化を最小限度にとどめることができる。

【００４０】（６）他の実施の形態 上記の実施の形態における制御装置３は、専用の制御回
路によって構成することも可能であるが、上記の実施の
形態において示した運転制御方法の各要素を手順とする
ソフトウエアプログラムによりコンピュータを作動させ
ることによって実現することもできる。また、このよう
なソフトウエアプログラムを記録した記録媒体も構成可
能である。

【００４１】また、上記実施の形態における可燃性ガス
検知器は、可燃性ガスの有無を検知するばかりでなく、
濃度をアナログ値又はデジタル値で測定できるものを用
いることによって、さらに漏洩状況に応じた適切な対応
が可能となる。例えば、第１の実施の形態においては、
開閉制御部の設定を、可燃性ガス濃度が許容限度に近付
いた時に、自動開放扉を開けるように設定することがで
きる。そして、第２の実施の形態においては、可燃性ガ
ス濃度に応じて換気ファン７の回転数を制御でき、第４
の実施の形態においては、可燃性ガス濃度に応じて運転
負荷の低下量を制御することができる。

【００４２】さらに、上記の個々の実施の形態は、自由
に組み合わせ可能である。例えば、第１の実施の形態と
第２の実施の形態を組み合わせれば、自動開放扉９の開
閉と、換気ファン７の回転数制御とを利用した換気制御
が可能となる。また、第１の実施の形態と第４の実施の
形態を組み合わせれば、自動開放扉９の開閉と、運転出
力制御とを利用した可燃性ガス濃度の制御が可能とな
る。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
安全性を確保しながら、優れた稼働率を維持でき、電池
本体に負担がかからないパッケージ型燃料電池発電設備
及びその運転制御方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパッケージ型燃料電池発電設備の第１
の実施の形態におけるパッケージ内部構成を示す概略図
である。

【図２】従来のパッケージ型燃料電池発電設備の一例に
おけるパッケージ内部構成を示す概略図である。

【符号の説明】

１…燃料処理装置 ２…電池本体 ３…制御装置 ４…燃料弁 ５…空気弁 ６…パッケージ ７…換気ファン ８…可燃性ガス検知器 ９…自動開放扉

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池本体と電池反応用のガス供給設
   備とがパッケージ内に収容され、前記パッケージに換気
   用の排気口及び吸気口が設けられたパッケージ型燃料電
   池発電設備において、 前記パッケージ内には可燃性ガス検知器が設けられてい
   ることを特徴とするパッケージ型燃料電池発電設備。
2. 【請求項２】 前記パッケージには駆動機構によって開
   閉可能な自動開放扉が設けられ、 前記可燃性ガス検知器からの検知信号に基づいて、前記
   駆動機構の作動を制御する開閉制御装置が設けられてい
   ることを特徴とする請求項１記載のパッケージ型燃料電
   池発電設備。
3. 【請求項３】 燃料電池本体と電池反応用の可燃性ガス
   供給設備とがパッケージ内に収容され、前記パッケージ
   に換気用の排気口、吸気口及び排気ファンが設けられた
   パッケージ型燃料電池発電設備において、 前記パッケージ内には可燃性ガス検知器が設けられ、 前記可燃性ガス検知器からの検知信号に基づいて、前記
   換気ファンの回転数を制御する換気ファン制御装置が設
   けられていることを特徴とするパッケージ型燃料電池発
   電設備。
4. 【請求項４】 前記可燃性ガス検知器が複数設けられて
   いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記
   載のパッケージ型燃料電池発電設備。
5. 【請求項５】 前記複数の可燃性ガス検知器が、それぞ
   れパッケージ内の異なる場所に設けられていることを特
   徴とする請求項４記載のパッケージ型燃料電池発電設
   備。
6. 【請求項６】 パッケージ内に収容された燃料電池本体
   に可燃性ガスを供給して発電運転を行う際に、前記パッ
   ケージに設けられた排気口及び吸気口を介して換気ファ
   ンによって換気を行い、可燃性ガス検知器によって前記
   パッケージ内における可燃性ガスの漏洩を検知するパッ
   ケージ型燃料電池発電設備の運転制御方法において、 前記可燃性ガス検知器によって可燃性ガスの漏洩が検知
   された場合に、発電出力を低下させることを特徴とする
   パッケージ型燃料電池発電設備の運転制御方法。
7. 【請求項７】 パッケージ内に収容された燃料電池本体
   に可燃性ガスを供給して発電運転を行う際に、前記パッ
   ケージに設けられた排気口及び吸気口を介して換気ファ
   ンによって換気を行い、可燃性ガス検知器によって前記
   パッケージ内における可燃性ガスの漏洩を検知するパッ
   ケージ型燃料電池発電設備の運転制御方法において、 前記可燃性ガス検知器によって可燃性ガスの漏洩が検知
   された場合に、その漏洩状況に応じて、電池出力を徐々
   に降下させた後に運転を停止するか、即座に運転停止す
   るかを選択して実行することを特徴とするパッケージ型
   燃料電池発電設備の運転制御方法。