JPWO2012114646A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

本発明は、原料ガスを改質反応させて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器（2）と、前記水素生成器で生成された前記燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池(5)と、前記原料ガスと前記燃料電池から排出されるオフ燃料ガスとのうちの少なくとも一方を燃焼させる燃焼器(3)と、前記水素生成器、前記燃料電池、及び前記燃焼器を収納する筐体(13)と、前記筐体に形成され、前記燃焼器からの燃焼排ガスを前記筐体の外に放出する第１排気口(14)と、前記筐体に形成された第１吸気口(21)と、前記第１吸気口から空気を前記筐体の中に吸入する吸引器(4、7、23、32、51)と、前記第１吸気口から吸入した空気中に含まれる一酸化炭素を検出するＣＯ検出器(24)を備える燃料電池システム(27)である。

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃焼器を備える燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、都市ガス等の原料ガスは、水素生成器にて水素リッチな燃料ガスに触媒反応により改質される。この水素生成器を改質反応が可能な温度に加熱するため、また水素生成器での改質反応は吸熱反応であるため、改質反応するために必要な熱エネルギーを水素生成器に供給する燃焼器が備えられている。燃焼器は、原料ガスやオフ燃料ガス（燃料電池から排出される反応後の燃料ガスで可燃成分を含んでいるガス）を燃焼し、熱を水素生成器に与えている。このとき、燃焼器は、燃料電池システムの外部から新鮮な空気を燃焼用空気として取り込んで、安定した燃焼状態を確保している。燃焼器での燃焼により生じた燃焼排ガスは、燃焼排ガスとして筐体に設けられた排気口から燃料電池システムの外部に放出される。

この燃焼排ガスには通常は一酸化炭素（以下、「ＣＯ」とも言う。）はほとんど含まれない。しかし、燃焼器に供給される酸素の量が不足すると、燃焼排ガスにＣＯが含まれるようになる。たとえば、燃料電池システムの全体が、カバー部材（例えば、二輪車用カバー）で覆われて、密閉されると、燃焼器に新鮮な空気が取り込まれない。よって、燃焼器において不完全燃焼が起き、燃焼排ガス中に徐々にＣＯが含まれて、カバー部材の内部のＣＯ濃度が上昇する。これにより、燃焼器に取り込まれる酸素濃度が減り、さらに不完全燃焼が促進されて、排気口から排出されるＣＯ濃度が一層高まる。この高濃度のＣＯにより、燃料電池システムにおける発電量の低下や、システムの停止、或いはシステムの故障等の不具合が発生する。

このため、燃焼器における燃焼状態の良否を検知するために、燃焼排ガス経路に、燃焼不良時に発生する一酸化炭素の濃度を検知するＣＯセンサが配置されることがある。

たとえば、図５に示すように、燃焼室の排気口側にＣＯセンサが設置された給湯器がある。この給湯器では、燃焼ファン１０６が回転すると、筐体１０１の側面に設けられた吸気口１０２から筐体１０１内に室内の空気が取り入れられる。筐体１０１の内部に取り入れられた空気は、燃焼室１０３に供給される。また、ガスが燃焼室１３のバーナー１０４に供給される。バーナー１０４でガスおよび空気が燃焼されて、燃焼室１０３の上部に設けられた排気口１０７から燃焼排ガスが排出される。接触燃焼式のＣＯセンサ１０８が、燃焼室１０３の排気口１０７側に設けられ、燃焼排ガス中のＣＯ濃度を検出する（第１従来例：例えば、特許文献１参照）。

また、図６（ａ）に示すように、送風手段２０５により空気が筐体２０１内の燃焼器２０４に供給される。また、燃焼器２０４に原料ガスおよびオフ燃料ガスが供給される。燃焼室２０４でこれらが燃焼されて、燃焼排ガスが水素生成器２０３から排出される。燃焼排ガスは、燃焼排ガス経路２０７を通じて、筐体２０１に設けた燃焼排ガス出口２０８から外部に放出される。燃焼排ガス経路２０７にＣＯセンサ２１０が設けられ、ＣＯセンサ２１０により燃焼排ガス中のＣＯガス濃度が検出される。ＣＯセンサ２１０は、図６（ｂ）に示すように、複数の透孔２１６が形成されているセンサキャップの中に収納されている（第２従来例：例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−１４１８６５号公報 特開２００６−２１３５６７号公報

第１従来例では、バーナー１０４から排気口１０７に向かうに伴い燃焼排ガスは冷える。このため、排気口１０７側に配置されたＣＯセンサ１０８で、燃焼排ガス中に含まれる水分が結露するおそれがある。この水分がＣＯセンサ１０８に付着すると、ＣＯセンサ１０８の出力値が変化したり、断線等によりＣＯセンサが故障したりする問題が発生する。

特に、燃料電池システムでは、水素生成器に燃料ガスおよび酸化剤ガスに加えて水分が供給されている。これにより、水素生成器からの燃焼排ガスは水分を多く含むため、水分が結露し易く、水の付着は大きな問題である。

また、第１および第２従来例では、接触燃焼式ＣＯセンサが用いられている。このＣＯセンサは、一酸化炭素や水素などの可燃性ガスを燃焼することにより可燃性ガスの濃度を検出している。このため、可燃性ガスの濃度が非常に高いと、ＣＯセンサが故障してしまう危険性がある。たとえば、燃料電池システムでは多量の水素を含む燃料ガスが使用されている。バーナーの燃焼が停止したり、パージ処理がなされたりすると、ＣＯセンサが一時的に燃料ガスに曝露される。ＣＯセンサは、ＣＯガスに比べて反応性が高い水素ガスに反応し、故障してしまう。

本発明は、このような課題を解決するものであり、燃料電池システムの周囲の一酸化炭素を確実に検知することにより、燃料電池システムに不具合が発生することを抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。

本発明のある形態に係る、燃料電池システムは、原料ガスを改質反応させて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、前記水素生成器で生成された前記燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記原料ガスと前記燃料電池から排出されるオフ燃料ガスとのうちの少なくとも一方を燃焼させる燃焼器と、前記水素生成器、前記燃料電池、及び前記燃焼器を収納する筐体と、前記燃焼器で発生した燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス経路と、前記燃焼排ガス経路の先端開口として前記筐体に形成され、前記燃焼器からの燃焼排ガスを前記筐体の外に放出する第１排気口と、前記筐体に形成された第１吸気口と、前記第１吸気口から空気を前記筐体の中に吸入する吸引器と、前記筐体の内部の前記燃焼排ガス経路以外の場所に配置され、前記吸引器により前記第１吸気口から前記筐体の中に吸入された空気中に含まれる一酸化炭素を検出するＣＯ検出器を備える。

この構成によれば、ＣＯ検出器が燃焼排ガス経路以外の場所に配置される。このため、ＣＯ検出器は、燃焼排ガスに直接さらされることがない。よって、燃焼排ガスに含まれる水分や水素などにより、ＣＯ検出器が故障することが防止される。

さらに、燃焼器に水分が供給された状態で燃焼ガスなどが燃焼されると、燃焼排ガスに多量の水分が含まれる。このような場合でも、結露した水分は、燃焼排ガス経路を通って第１排気口から筐体の外に放出される。水分は重いため、吸引器によっても水分が第１吸気口から筐体の中に吸入されない。よって、水分がＣＯ検出器に付着し、ＣＯ検出器が故障することはない。

また、燃焼器で燃料ガスなどが燃焼されずに、燃料ガスが燃焼器から排出されても、燃料ガスは燃焼排ガス経路を通って第１排気口から筐体の外に放出される。これにより、燃料ガスの濃度は空気により薄められる。この上、水素は、空気に比べて非常に軽く、拡散し易い。このため、燃料ガスに含まれる水素の濃度はさらに低い。よって、第１吸気口から吸入される水素の濃度が低いことから、ＣＯ検出器が水素と反応し難い。ＣＯ検出器は、故障することなく、ＣＯ濃度を検出することができる。

さらに、燃料電池システムの全体がカバー部材で覆われるなどの理由で、燃焼器において不完全燃焼が生じると、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が上昇する。この場合、燃焼排ガス経路を通って第１排気口から排出された燃焼排ガスが筐体の外に放出される。そして、筐体の周囲の空気が吸引器により筐体内に吸引され、空気中のＣＯ濃度がＣＯセンサにより検知される。このため、筐体の周囲の一酸化炭素を検知することにより、燃料電池システムに不具合が発生することを抑制することができ、安全性も確保することができる。

燃料電池システムでは、前記ＣＯ検出器は、前記第１吸気口から吸入された後に前記水素生成器、前記燃料電池、および前記燃焼器を経由していない空気に含まれる一酸化炭素を検出するように構成されていてもよい。

この構成によれば、水素生成器、燃料電池および燃焼器を経由した空気には、多くの水素を含有する燃料ガスおよび多くの水分を含有する燃焼排ガスが含まれる可能性がある。ただし、このような空気にＣＯ検出器はさらされないため、水素や水分によるＣＯ検出器の故障が防がれる。

燃料電池システムは、前記筐体内に配置され、前記燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換する制御基板と、前記筐体内の空間を、前記吸引器と前記制御基板と前記ＣＯ検出器とが配置されている第１空間と、前記水素生成器と前記燃料電池と前記燃焼器とが配置されている第２空間と、に仕切る隔壁と、前記筐体に形成され、前記第１吸気口から前記筐体内の前記第１空間に前記吸引器により吸入された空気を前記筐体の外に放出する第２排気口と、をさらに備えてもよい。

この構成によれば、吸引器は、筐体の外部の空気を第１吸気口から強制的に吸入し、この空気を第１空間に供給する。このため、筐体の周囲の空気が第１空間内のＣＯ検出器に与えられ、この空気中のＣＯ濃度をＣＯ検出器が確実かつ早期に検出することができる。また、第１吸引器により吸入された空気により、第１空間内の制御基板が冷却される。これにより、制御基板のインバータ回路が熱により故障することが抑制され、燃料電池が発電した直流電力が確実に交流電力に変換される。

また、隔壁により、水素生成器、燃料電池および燃焼器が配置されている第２空間から第１空間が隔離されている。このため、水素生成器、燃料電池および燃焼器からの熱が隔壁により遮断される。よって、第１空間内の制御基板などが加熱されることが抑えられ、制御基板などの故障が防止される。

さらに、第１吸気口から筐体の中に吸入された空気は、第２排気口から筐体の外に放出される。これにより、筐体内の空気が滞留することがなく、筐体の外の空気が円滑に筐体内に吸入される。よって、ＣＯ検出器は、筐体の外の空気に含まれるＣＯ濃度を正確に検出することができる。

燃料電池システムは、前記第２空間に連通するように前記筐体に形成された第２吸気口と、前記隔壁に形成され、前記第１空間と前記第２空間とを連通する連通部とをさらに備えてもよい。ここで、前記第１吸気口が塞がれると、前記吸引器は、前記第２吸気口から前記第２空間に取り込まれた空気を前記連通部を介して前記第１空間に吸入する。

この構成によれば、吸引器により、筐体の外の空気が第２吸気口を介して第２空間に供給される。この空気は、燃料電池における酸化還元反応および燃焼器における燃焼などに利用され得る。

また、仮に第１吸気口が塞がり、第１吸気口から空気が吸入されてなくても、連通部から空気が第１空間に供給される。この空気は、第２吸気口から吸入された筐体の周囲の空気である。このため、第１空間内のＣＯ検出器は、筐体の周囲の空気に含まれるＣＯ濃度を確実に検出することができる。

燃料電池システムでは、前記隔壁は、前記筐体の中に取り付けられ、前記第１吸気口から前記筐体へ雨水が侵入することを防止する吸気口カバーを含んでもよい。ここで、前記吸気口カバーに前記連通部が形成されている。

この構成によれば、吸気口カバーにより第１吸気口から筐体の中に雨水が侵入することが防止される。よって、雨水により、ＣＯ検出器や制御基板などが故障することが防止される。

燃料電池システムは、前記ＣＯ検出器が一酸化炭素を検知した場合に、前記燃料電池システムの運転を停止させる制御基板をさらに備えてもよい。

この構成によれば、筐体の周囲の空気から一酸化炭素をＣＯ検出器が検知すると、燃料電池システムの運転が停止される。これにより、一酸化炭素の発生が抑えられ、燃料電池システムに不具合が発生することを抑制することができる。

燃料電池システムでは、前記ＣＯ検出器は、接触燃焼式ＣＯ検出器を含でもよい。

この構成によれば、ＣＯ検出器は、筐体の外の空気が与えられるため、高濃度の水素を含有する燃料ガスなどにさらされない。よって、一酸化炭素を検出する感度が良いが、高濃度の水素などにより故障するおそれがある接触燃焼式ＣＯ検出器が用いられる。これにより、ＣＯ検出器の故障が防止され、ＣＯ濃度が確実に検出される。

本発明は、以上に説明した構成を有し、燃料電池システムの周囲の一酸化炭素を確実に検知することにより、燃料電池システムに不具合が発生することを抑制することができる燃料電池システムを提供することができるという効果を奏する。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 図３の燃料電池システムの部分斜視図である。 従来の給湯器の構成を示す図である。 （ａ）は、従来の燃料電池システムの一部構成を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の燃料電池システムの要部拡大図である。 本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明のその他の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図７は、実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。

燃料電池システム２７は、原料ガスを改質反応させて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器２と、水素生成器２で生成された燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池５と、原料ガスと燃料電池５から排出されるオフ燃料ガスとのうちの少なくとも一方を燃焼させる燃焼器３と、水素生成器２、燃料電池５、及び燃焼器３を収納する筐体１３と、燃焼器３で発生した燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス経路１２と、燃焼排ガス経路１２の先端開口として筐体１３に形成され、燃焼器３からの燃焼排ガスを筐体１３の外に放出する第１排気口１４と、筐体１３に形成された第１吸気口２１と、第１吸気口２１から空気を筐体１３の中に吸入する吸引器４、７、２３、３２、５１と、筐体１３の内部の燃焼排ガス経路１２以外の場所に配置され、吸引器４、７、２３、３２、５１により第１吸気口２１から筐体１３の中に吸入された空気中に含まれる一酸化炭素を検出するＣＯ検出器２４を備える。

吸引器としては、燃焼用空気ポンプ４、空気ポンプ７、換気ファン２３、空気供給器３２および換気ファン５１が用いられる。筐体１３の内において燃焼用空気ポンプ４により空気が燃焼器３に供給される。この際に、第１吸気口２１から筐体１３の中に空気が吸引されるため、燃焼用空気ポンプ４は吸引器として機能する。また、筐体１３の内において空気ポンプ７により空気が酸化剤ガスとして燃料電池５のカソード極に供給される。この際に、第１吸気口２１から筐体１３の中に空気が吸引されるため、空気ポンプ７は吸引器として機能する。さらに、換気ファン２３、５１により筐体１３の内の空気が排出されて、筐体１３の外の空気が取り入れられる。この際、第１吸気口２１から筐体１３の内部に空気が導入されるため、換気ファン２３、５１は吸引器として機能する。また、空気供給器３２は、外気が第１空間３０に供給される。この際、空気は、第１吸気口２１から筐体１３内の第１空間３０に吸入されるため、空気供給器３２は吸引器として機能する。

この構成によれば、ＣＯ検出器２４が燃焼排ガス経路１２以外の場所に配置される。このため、ＣＯ検出器２４は、燃焼排ガスに直接さらされることがない。よって、燃焼排ガスに含まれる多量の水分や高濃度の水素などにより、ＣＯ検出器２４が故障することが防止される。

さらに、筐体１３に、燃料電池５、水素生成器２および燃焼器３が収納されている。燃焼器３は、原料ガスまたはオフ燃料ガスを燃焼し、水素生成器２を加熱する。加熱された水素生成器２は、原料ガスを改質反応させ、水素を含む燃料ガスを生成する。燃料電池５は、水素生成器２で生成された燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させて、発電する。この燃焼器３からの燃焼排ガスは、筐体１３の第１排気口１４から筐体１３の外に放出される。そして、筐体１３の周囲の空気は、吸引器４、７、２３、３２、５１によって筐体１３の第１吸気口２１から筐体１３の中に吸入される。この空気中に含まれるＣＯを、ＣＯ検出器２４が検出する。

たとえば、燃焼器３に水分が供給された状態で燃焼ガスなどが燃焼されると、燃焼排ガスに多量の水分が含まれる。このような場合でも、結露した水分は、燃焼排ガス経路１２を通って第１排気口１４から筐体１３の外に放出される。水分は重いため、吸引器４、７、２３、３２、５１によっても水分が第１吸気口２１から筐体１３の中に吸入されない。よって、水分がＣＯ検出器２４に付着し、ＣＯ検出器２４が故障することはない。

また、燃焼器３で燃料ガスなどが燃焼されずに、燃料ガスが燃焼器３から排出されても、燃料ガスは燃焼排ガス経路１２を通って第１排気口１４から筐体１３の外に放出される。これにより、燃料ガスの濃度は空気により薄められる。この上、水素は、空気に比べて非常に軽く、拡散し易い。このため、燃料ガスに含まれる水素の濃度はさらに低い。よって、第１吸気口２１から吸入される水素の濃度が低いことから、ＣＯ検出器２４が水素と反応し難い。ＣＯ検出器２４は、故障することなく、ＣＯ濃度を検出することができる。

さらに、燃料電池システム２７の全体がカバー部材で覆われるなどの理由で、燃焼器３において不完全燃焼が生じると、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が上昇する。この場合、第１排気口１４から排出された燃焼排ガスが筐体１３の外に放出される。そして、筐体１３の周囲の空気が吸引器４、７、２３、３２、５１により筐体１３内に吸引され、空気中のＣＯ濃度がＣＯセンサにより検知される。このため、筐体１３の周囲のＣＯを検知することができるので、安全性も向上することができる。
（実施の形態２）
図１は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム２７の構成を示す。実施の形態２は、実施の形態１の燃料電池システムを、水回収システム等を備える燃料電池システムに適用した例を示す。

改質器１は、水素生成器２および燃焼器３を含む。

水素生成器２は、原料ガスを水素リッチな燃料ガスに触媒等により改質する。原料ガスとしては、たとえば、天然ガス等の炭化水素系ガス、プロパンガス等の他の炭化水素系ガス、灯油等の常温で液体の炭化水素系燃料、メタノールなどの炭化水素以外の有機系燃料が用いられる。

凝縮器１０は、燃焼器３における燃焼により生じた気体（燃焼排ガス）を水素生成器２から供給される。凝縮器１０は、燃焼排ガスから熱を回収するとともに、これにより凝縮された水を燃焼排ガスから分離する。この熱および凝縮水が回収された後の燃焼排ガスは、燃焼排ガス経路１２を通じて、筐体１３に設けられた第１排気口１４から筐体１３の外部に放出される。凝縮器１０から分離された凝縮水は、凝縮水経路１５を通じて凝縮水タンク１１に回収される。

燃焼器３は、原料ガスやオフ燃料ガスを燃焼し、水素生成器２を適切な温度に加熱する。燃焼器３での燃焼が最適状態になるように、燃焼用空気ポンプ４は、筐体１３内の空気を燃焼器３に供給する。

燃料電池５は、アノード極およびカソード極を有し、これらの極における酸化還元反応により発電する。このアノード極に、改質器１によって改質された水素リッチな燃料ガスが供給される。この燃料ガスの内、酸化還元反応に利用されなかったオフ燃料ガスがアノード極から凝縮器８へ排出される。カソード極に、空気が酸素を含む酸化剤ガスとして供給される。このとき、空気ポンプ７は筐体１３内の空気を加湿器６に供給する。加湿器６は、空気ポンプ７からの空気を適切な露点になるように加湿し、加湿された空気をカソード極に供給する。カソード極に供給された酸化剤ガスの内、酸化還元反応に利用されなかったオフ酸化剤ガスがカソード極から凝縮器９へ排出される。

凝縮器８は、燃料電池５のアノード極から排出されたオフ燃料ガスから熱を回収するとともに、これにより凝縮された水をオフ燃料ガスから分離する。この熱および凝縮水が回収された後のオフ燃料ガスは、燃焼器３に供給される。

凝縮器９は、燃料電池５のカソード極から排出されたオフ酸化剤ガスから熱を回収するとともに、これにより凝縮された水をオフ酸化剤ガスから分離する。この熱および凝縮水が回収された後のオフ酸化剤ガスは、燃料電池システム２７の外部へ放出される。

凝縮水タンク１１は、凝縮器８、９、１０における凝縮水を集める。凝縮水タンク１１に回収された水は、水供給ポンプ１６により水浄化装置１７に送られ、水浄化装置１７で浄化される。浄化された水は、水タンク１８に貯留される。水タンク１８内の水は、冷却水供給ポンプ１９により燃料電池５に冷却水として供給される。冷却水は、燃料電池５での発電時に発生する熱を回収する。この熱は、熱交換器２０により回収されて、たとえば外部の貯湯タンク（図示せず）内に貯留された湯として蓄熱される。又、前述の凝縮器８、９および１０から回収された熱も、外部の貯湯タンク内に貯留された湯として蓄熱される。

筐体１３は、上記のような燃料電池システム２７の構成要素を収納する。筐体１３には、第１排気口１４、第１吸気口２１および第２排気口２２が設けられている。

第１排気口１４は、燃焼排ガス経路１２により燃焼器３に接続されている。燃焼排ガス経路１２は、燃焼排ガスにより水素生成器２を加熱するために水素生成器２を通過するように形成されている。第１排気口１４は、燃焼器３で発生し、水素生成器２を通過した燃焼排ガスを筐体１３の外部に放出する。

第１吸気口２１は、第１排気口１４の近傍であって且つ第１排気口１４の下側に設けられている。筐体１３の内部であって且つ第１吸気口２１の近傍に換気ファン２３が設置されている。

換気ファン２３は、筐体１３外部の空気を第１吸気口２１から筐体１３の内部に導入する方向に回転する。換気ファン２３によって導入された空気は、ＣＯセンサ２４に供給されるとともに、筐体１３の内部にも供給される。

第２排気口２２は、第１排気口１４の上側に設けられる。第２排気口２２は、第１吸気口２１からＣＯセンサ２４に供給された空気に加え、筐体１３の内部に広がった空気も筐体１３の外へ排出する。

ＣＯセンサ（ＣＯ検出器）２４としては、接触燃焼式ＣＯセンサが用いられる。この接触燃焼式ＣＯセンサが、水素ガスやＣＯガス等の還元性ガスと検知素子の表面で酸化することにより、還元性ガスの濃度を検出する。接触燃焼式ＣＯセンサは、耐熱性や耐湿性、応答性等に優れ、燃料電池システム２７に用いるＣＯセンサとして適している。

ＣＯセンサ２４は、第１吸気口２１から第２排気口２２に亘る領域内に設けられ、筐体１３の内部で第１吸気口２１の近傍に配置される。このため、ＣＯセンサ２４には、第１吸気口２１から導入された筐体１３の外部の空気が与えられる。ＣＯセンサ２４は、筐体１３内のＣＯ濃度を測定し、ＣＯを検出する。よって、ＣＯセンサ２４は、第１吸気口２１から吸入された後に、水素生成器２、燃料電池５、および燃焼器３を経由していない空気に含まれるＣＯを検出する。ＣＯセンサ２４は、ＣＯセンサハーネス２５によって制御基板２６に接続され、ＣＯを検知すると検知信号を制御基板２６に出力する。

制御基板２６は、制御器（図示せず）を含み、この制御器により、ＣＯセンサ２４がＣＯを検知した場合に、燃料電池システム２７の運転を停止させる。また、制御基板２６は、燃料電池５が発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路（図示せず）を備えている。制御器は、このインバータ回路を用いて燃料電池５から出力する電力を制御する。

以上のように構成された燃料電池システム２７の動作と作用を、以下に説明する。

燃料電池システム２７では、原料ガスが、燃焼器３に供給され、燃焼される。これにより、水素生成器２が加熱される。原料ガスの改質に必要な温度に水素生成器２の温度が達すると、原料ガスが水素生成器２にも供給される。また、冷却水供給ポンプ１９が駆動され、水タンク１８内の水が改質反応に必要な水分として水素生成器２に供給される。そして、水素生成器２において原料ガスが改質されて、水素リッチな燃料ガスが生成される。

この水素生成器２から燃料ガスが燃料電池５に供給される。また、加湿器６で加湿された空気が酸化剤ガスとして空気ポンプ７によって燃料電池５に供給される。燃料ガスおよび空気が酸化還元反応し、発電がなされる。燃料ガスは、酸化還元反応および改質反応に使用されなかった残留の可燃成分を含み、オフ燃料ガスとして燃料電池５から凝縮器８へ排出される。凝縮器８において、オフ燃料ガスから熱が回収され、凝縮水が分離される。この後、オフ燃料ガスは燃焼器３に供給される。燃焼器３においてオフ燃料ガスは水素燃焼ガスとして燃焼され、水素生成器２の温度が維持される。燃焼器３で原料ガスおよびオフ燃料ガスが燃焼されると、燃焼排ガスが発生する。燃料燃焼排ガスは、燃焼排ガス経路１２を通り、凝縮器１０にて熱の回収及び凝縮水の分離がなされた後、第１排気口１４から筐体１３の外部に放出される。

この燃焼排ガスは、筐体１３がカバー２８で覆われていない燃料電池システム２７の適正な運転環境下では、二酸化炭素を多く含み、水素などの可燃性ガスをほとんど含まない。このため、ＣＯセンサ２４は、可燃性ガスをほとんど検出することなく、第１吸気口２１から導入される空気に含まれるＣＯを適切に検知することができる。また、燃焼排ガスは水分を含むが、水分は重いため、換気ファン２３により第１吸気口２１から筐体１３の内部にほとんど取り込まれない。よって、ＣＯセンサ２４に水分が付着しない。よって、ＣＯセンサ２４は故障や誤作動なくＣＯを確実に検出することができる。

仮に、燃焼器３における燃焼が停止したり、パージ処理がなされたりすると、一時的に高濃度の水素を含む燃料ガスが燃焼排ガスに含まれる。このような場合でも、燃焼排ガスは高温である上、燃焼排ガスに含まれる水素は空気に比べて軽い。このため、水素は、第１排気口１４から上方に昇り、空気中に拡散する。よって、第１排気口１４より下側に配置される第１吸気口２１から水素はほとんど導入されない。これにより、ＣＯセンサ２４は、ＣＯガスよりも還元性の高い水素ガスを検出し易く、誤検知や故障が生じる可能性がある。ただし、第１吸気口２１の近傍に配置されるＣＯセンサ２４は、高濃度の水素にさらされることがない。ＣＯセンサ２４の故障が防がれ、ＣＯセンサ２４は、第１吸気口２１からの空気に含まれるＣＯを適切に検知することができる。

また、燃料電池システム２７の筐体１３が、なんらかのカバー部材、例えば、二輪車用カバー２８（図１において２点破線で示される）によって覆われることがある。この場合、筐体１３は完全な密閉状態となり、新鮮な空気がカバー２８の内部に供給されない。このような不適正な運転環境下で燃料電池システム２７は運転される。このような場合、第１排気口１４から放出された燃焼排ガスは、カバー２８の内部に滞留することになる。この燃焼排ガスを含むカバー２８の内部の空気が、第１吸気口２１から燃焼器３に供給され、燃焼用空気として利用される。燃焼用空気中の酸素が燃焼により消費されて、燃焼排ガスとして放出される。このため、燃焼用空気中の酸素濃度が徐々に低下し、燃焼器３における燃焼状態が悪化し、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が増加していく。これに伴い、カバー２８の内部の空気のＣＯ濃度も上昇する。しかし、筐体１３の外部の空気、すなわちカバー２８の内部の空気に含有するＣＯ濃度が、ＣＯセンサ２４で検知される。この検知されたＣＯ濃度がＣＯセンサ２４から制御基板２６に出力され、制御基板２６により燃料電池システム２７の運転が停止され、警告音が発せられる。このような安全策により、燃料電池システム２７の故障を防止しながら、安全性をより向上することができる。さらに、不適切な運転であることが使用者に知らされ、カバー２８が取り除かれる。

このように、カバー２８が筐体１３から外されると、適正な運転環境下で燃料電池システム２７を運転することができる。このため、燃焼排ガスは、大気中に広く拡散され、燃焼器３にほとんど供給されない。よって、燃焼器３が酸素不足にならず、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が増加しないことにより、ＣＯセンサ２４により検出されるＣＯ濃度は上昇しない。したがって、ＣＯセンサ２４により検出されるＣＯ濃度を監視することで、カバー２８により筐体１３が密閉状態で覆われているか否かが検知される。

また、第１排気口１４から放出される燃焼排ガスは、外気よりも高温であり、第１排気口１４から上方に拡散する。この結果、筐体１３がカバー２８で覆われていても、第１排気口１４の下方に配置された第１吸気口２１に燃焼排ガスが直接導入されない。よって、燃料燃焼排ガスが希釈されることなく第１吸気口２１を通してＣＯセンサ２４に到達することを防ぐことができる。このように、ＣＯセンサ２４が、カバー２８内部の空気よりもＣＯ濃度や水素濃度が高い燃焼排ガスにさらされることがない。このため、「早切れ」と呼ばれる早期のガス遮断等につながる誤検知や、水素曝露によるＣＯセンサ２４の故障を防止することができる。
（実施の形態３）
実施の形態３の燃料電池システム２７Ａは、実施の形態２の燃料電池システム２７とほぼ同様である。ただし、実施の形態３の燃料電池システム２７Ａには、隔壁２９、第２吸気口３３および第３排気口４９がさらに設けられる。また、燃料電池システム２７の換気ファン２３に代えて、空気供給器３２が吸引器として設けられる。

図２は、実施の形態３に係る燃料電池システム２７Ａの構成図である。

隔壁２９は、筐体１３内に設けられ、筐体１３の内部空間を第１空間３０と第２空間３１とに仕切る。第１空間３０には、空気供給器３２と、制御基板２６とＣＯセンサ２４とが配置される。第２空間３１には、水素生成器２と燃料電池５と燃焼器３とが配置される。この隔壁２９には連通部３４が設けられる。

連通部３４は、隔壁２９を貫通し、第１空間３０と第２空間３１とを繋ぐ。この連通部３４により空気が第１空間３０と第２空間３１との間を移動することができる。

第２吸気口３３は、第２空間３１に連通するように、筐体１３の第１吸気口２１の下方に設けられる。第２吸気口３３は、第２空間３１内に空気を供給する。なお、第２吸気口３３は、広い第２空間３１へ空気を供給している。このため、第２吸気口３３は第１吸気口２１より大きく形成されていてもよいし、複数個の第２吸気口３３が設けられていてもよい。これにより、全ての第２吸気口３３が同時に閉塞状態にならない。

第３排気口４９は、筐体１３の第１排気口１４の上方に設けられる。第３排気口４９は、第２吸気口３３から吸引され、第２空間３１内を通過した空気を筐体１３の外に放出する。

空気供給器３２は、第１空間３０内の第１吸気口２１の近傍に設けられる。空気供給器３２は、吸引器として機能し、第１吸気口２１から吸入した空気を第１空間３０に供給する。空気供給器３２により第１吸気口２１から第１空間３０内に吸入された空気は、第１空間３０を通って第２排気口２２に排気される。

以上のように構成された燃料電池システム２７Ａの動作と作用を、以下に説明する。

燃料電池システム２７の起動時に、ポンプ４、７が作動し、第２吸気口３３から第２空間３１に空気が吸引される。

第２空間３１に取り込まれた空気は、燃焼器３および燃料電池５に導入される。燃焼器３で原料ガスが燃焼され、水素生成器２が加熱される。燃料電池５で水素生成器２からの燃料ガスと空気とが酸化還元反応し、燃料電池５は発電する。

さらに、第２空間３１に取り込まれた空気は、水素生成器２、燃料電池５、燃焼器３等を冷やしている。

そして、第２空間３１の各部の冷却に利用された空気は、第３排気口４９から筐体１３の外に放出される。

また、水素生成器２から排出された燃焼排ガスが第１排気口１４から筐体１３の外に放出される。

空気供給器３２が作動し、筐体１３の外の空気が第１吸気口２１から第１空間３０に吸引される。この空気は、ＣＯセンサ２４に供給され、ＣＯセンサ２４は筐体１３の外の空気に含まれるＣＯ濃度を測定する。また、空気は、第１空間３０内の制御基板２６にも与えられ、制御基板２６のインバータ回路の過度の温度上昇を抑える。第１空間３０を通った空気は、第２吸気口３３から筐体１３の外に放出される。

通常、第１空間３０には第１吸気口２１以外からは給気されない。しかし、第１吸気口２１がカバー２８や埃などにより閉塞されると、第１空間３０は負圧状態になる。この場合、第２吸気口３３を介して第２空間３１に取り込まれた筐体１３の外部の空気が、空気供給器３２により連通部３４から第１空間３０に供給される。なお、全ての第２吸気口３３が同時に閉塞状態にならないように構成されている。このため、第２空間３１に空気が常に供給されるとともに、第１空間３０にも連通部３４を介して空気が供給される。

以上のように、空気供給器３２により第１吸気口２１または連通部３４から第１空間３０内のＣＯセンサ２４に筐体１３の外部の空気が供給される。よって、万一、第１吸気口２１がカバー２８などにより閉塞されても、カバー２８内部の空気に含有されるＣＯがＣＯセンサ２４により確実に検知される。よって、ＣＯセンサ２４でＣＯが検知されると、制御基板２６により燃料電池システム２７Ａの運転が停止され、警告音が発せられる。このため、燃料電池システム２７Ａの故障を防止しながら、安全性を向上することができる。さらに、不適切な運転であることが使用者に知らされ、カバー２８が取り除かれると、燃料電池システム２７Ａは酸素不足なく正常に運転することができる。

また、第１吸気口２１が第１排気口１４の下方に配置されることにより、「早切れ」による誤検知や、水素曝露によるＣＯセンサ２４の故障を防止することができる。

さらに、隔壁２９により第１空間３０が第２空間３１から仕切られ、空気供給器３２が第１空間３０内の第１吸気口２１の近傍に設けられている。このため、第１吸気口２１から取り込まれた外気を確実にＣＯセンサ２４に供給できるとともに、制御基板２６を冷却することができる。

また、隔壁２９により、第２空間３１の熱および空気が第１空間３０に直接与えられない。よって、制御基板２６などが高温になることが抑制される。また、水蒸気や高濃度の水素などのＣＯセンサ２４の故障の原因となるガスが、第２空間３１内に一時的かつ局所的に発生することがある。このような場合でも、故障の原因となるガスは、第２空間３１から筐体１３外に一度排出されて拡散された後に、第１空間３０に導入されてＣＯセンサ２４により検出される。よって、ＣＯセンサ２４が水蒸気や高濃度の水素などに直接暴露されず、ＣＯセンサ２４の故障を抑えることができる。さらに、ＣＯセンサ２４は第１吸気口２１からの空気内のＣＯを測定するので、高濃度の一酸化炭素が継続的に筐体１３外へ排出されている場合などにはＣＯを確実に検知することができる。
（実施の形態４）
実施の形態４の燃料電池システム２７Ｂは、実施の形態３の燃料電池システム２７Ａとほぼ同様である。ただし、実施の形態４の燃料電池システム２７Ａでは、隔壁２９が吸気口カバー４０を含む。また、第１吸気口２１の位置が、実施の形態３の第１吸気口２１と異なる。

図３は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム２７Ｂの構成を示す。図４は、燃料電池システム２７Ｂの部分斜視図である。

隔壁２９は箱状の吸気口カバー４０を含み、吸気口カバー４０は、第１吸気口２１と間隔を隔てて、第１吸気口２１を囲むように、筐体１３の第１空間３０の中に取り付けられる。吸気口カバー４０は、第１吸気口２１から筐体１３へ雨水が侵入することを防止する。吸気口カバー４０の中に空気供給器３２が収容される。この吸気口カバー４０に開口４２および連通部４３が形成される。開口４２は吸気口カバー４０の後方板４１に形成される。ＣＯセンサ２４が、吸気口カバー４０の後方板４１の外側で、開口４２の上方に配置される。第１吸気口２１から空気供給器３２によって吸気口カバー４０内に導入された空気は、開口４２を介してＣＯセンサ２４に向けて上方に送られる。

燃料電池システム２７、２７Ａでは、第１吸気口２１がＣＯセンサ２４と同じ高さに配置された。これに対し、燃料電池システム２７Ｂでは、第１吸気口２１が、ＣＯセンサ２４から所定距離だけ下方に配置されている。

以上のように構成された燃料電池システム２７Ｂの動作と作用は、燃料電池システム２７Ａと同様である。

ただし、第１吸気口２１が閉塞されると、第２吸気口３３から第２空間３１に取り込まれた筐体１３の外部の空気は、連通部４３から吸気口カバー４０内に導入され、さらに開口４２を介してＣＯセンサ２４に供給される。このとき、ＣＯセンサ２４は、第１吸気口２１からの水の侵入などの悪影響を受けない。

以上のように、空気供給器３２により第１吸気口２１または連通部４３からＣＯセンサ２４に筐体１３の外部の空気が供給される。よって、万一、第１吸気口２１がカバー２８などにより閉塞されても、筐体１３の外のカバー２８内部の空気に含有されるＣＯがＣＯセンサ２４により確実に検知される。よって、ＣＯセンサ２４でＣＯが検知されると、制御基板２６により燃料電池システム２７Ｂの運転が停止され、警告音が発せられる。このため、燃料電池システム２７Ｂの故障を防止しながら、安全性を向上することができる。さらに、不適切な運転であることが使用者に知らされ、カバー２８が取り除かれると、燃料電池システム２７Ｂは正常な運転をすることが可能になる。

また、開口４２を含む吸気口カバー４０で第１吸気口２１が囲まれている。これにより、第１吸気口２１からの水などの侵入を防止しつつ、第１吸気口２１からの空気を開口４２を通しＣＯセンサ２４に供給することができる。

なお、上記実施の形態２では換気ファン２３が吸引器として用いられ、上記実施の形態３、４では空気供給器３２が吸引器として用いられた。ただし、筐体１３の外部の空気を筐体１３の内部に導入するものであれば、吸引器は換気ファン２３や空気供給器３２に限らない。たとえば、図８に示すように、筐体１３の内部の空気を筐体１３の外部に排出する方向に回転する換気ファン５１が、吸引器として、第３排気口４９の近傍に設置されてもよい。また、実施の形態２では、換気ファン５１が、吸引器として、第２排気口２２の近傍に設置されてもよい。さらに、第１吸気口２１と第２、３排気口２２、４９との両方のそれぞれに換気ファンが、吸引器として、設置されてもよい。この場合でも、同様の効果を得ることができる。

さらに、上記全ての実施の形態では、吸引器として、換気ファン２３や空気供給器３２が用いられた。筐体１３の中に換気ファン２３や空気供給器３２が設けられなくてもよい。この場合、燃焼用空気ポンプ４および空気ポンプ７が吸引器として用いられてもよい。これらのポンプ４、７は筐体１３内の空気を加湿器６や燃焼器３に供給する。これにより、第１吸気口２１と第２、３排気口２２、４９のいずれにも換気ファンが設置されない場合でも、第１吸気口２１や第２排気口２２などの開口部から筐体１３の外部の空気が筐体１３の内部に流入する。よって、カバー２８が筐体１３を覆っていても、カバー２８の内部に滞留したＣＯを含んだ空気は、開口部から筐体１３の内部に拡散する。ＣＯセンサ２４は、この筐体１３の内部に導入された空気のＣＯ濃度を検出する。この場合、ＣＯセンサ２４が第１吸気口２１や第２、３排気口２２、４９等の開口部にできるだけ近付けられるほど、ＣＯセンサは筐体１３の外部のＣＯ濃度をより正確に検出することができる。

また、上記全ての実施の形態では、ＣＯセンサ２４が第１吸気口２１の近傍に配置されたが、ＣＯセンサ２４が第２吸気口３３の近傍に配置されてもよい。

さらに、上記全ての実施の形態では、ＣＯセンサとして接触燃焼式ＣＯセンサが用いられたが、ＣＯを検知することができるものであれば、これに限定されない。たとえば、ＣＯセンサとして半導体式ＣＯセンサなどが用いられる。この半導体式ＣＯセンサは、還元性ガスと検知素子の表面で酸化することにより、ＣＯ濃度を検出する。このＣＯ濃度を検出する方法は基本的に接触燃焼式と同じである。このため、半導体式ＣＯセンサが第１吸気口２１の近傍に配置されることにより、誤検知や故障が防止されながら、ＣＯ濃度が検出される。

また、上記全ての実施の形態では、第１吸気口２１が第１排気口１４の下方に配置された。ただし、第１吸気口２１と第１排気口１４との配置はこれに限らない。例えば、第１吸気口２１が第１排気口１４の側方または上方に配置されてもよい。この場合、燃焼排ガスが、直接、第１吸気口２１に吸入されないように、第１吸気口２１と第１排気口１４との間の距離が十分に話されたり、補助部品で第１排気口１４からの燃焼排ガスの排出方向が変えられたりすることにより、同様の効果を得ることができる。

さらに、上記実施の形態４では、箱状の吸気口カバー４０は、第１吸気口２１と間隔を隔てて、第１吸気口２１を囲むように、第１空間３０の中に取り付けられた。ただし、吸気口カバー４０は、第１吸気口２１から筐体１３へ雨水が侵入することを防止する形状であれば、これに限らない。たとえば、図８に示すように、板状の吸気口カバー５０が、第１空間３０の中に取り付けられてもよい。この場合、吸気口カバー５０は、第１吸気口２１と間隔を隔てて、第１吸気口２１が設けられた筐体１３の面と平行に配置される。

また、上記実施の形態２〜４では、燃焼器３に接続されている燃焼排ガス経路１２は、水素生成器２を通過するように配置されている。これに対し、図７に示すように、燃焼排ガス経路１２が、水素生成器２を通過せずに、燃焼器３と第１排気口１４とに接続されていてもよい。

さらに、上記実施形態では、水素生成器２が燃焼器３により加熱された。これに対して、オートサーマル方式の水素生成器を用いることもできる。この場合、燃焼器２は用いられずに、水素生成器はポンプを備える。このポンプが、第１吸気口２１から空気を筐体１３の中に吸入する吸引器として用いられる。また、このオートサーマル方式の水素生成器では、ＣＯの酸化反応により生じる熱が改質反応に利用される。このとき、ＣＯが減少するため、ＣＯによる機械類の故障が抑制される。

また、上記全ての実施の形態では、第１吸気口２１から吸入された筐体１３の外の空気からＣＯを検知するＣＯセンサ２４が、燃料電池システム２７、２７Ａ、２７Ｂに用いられた。これと同様に燃焼系を有するガス給湯器、ガス暖房機、ガスコンロ等の可燃性ガスを用いた製品にもＣＯセンサ２４を適用することができる。

上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明は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。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムの周囲の一酸化炭素を確実に検知することにより、燃料電池システムに不具合が発生することを抑制することができる燃料電池システム等として有用である。

２ 水素生成器
３ 燃焼器
４ 燃焼用空気ポンプ（吸引器）
５ 燃料電池
７ 空気ポンプ（吸引器）
１２ 燃焼排ガス経路
１３ 筐体
１４ 第１排気口
２１ 第１吸気口
２２ 第２排気口
２３ 換気ファン（吸引器）
２４ ＣＯセンサ（ＣＯ検出部）
２７ 燃料電池システム
２７Ａ 燃料電池システム
２７Ｂ 燃料電池システム
２６ 制御基板
２９ 隔壁
３０ 第１空間
３１ 第２空間
３２ 空気供給器（吸引器）
３３ 第２吸気口
３４ 連通部
４０ 吸気口カバー
４３ 連通部
５０ 吸気口カバー
５１ 換気ファン（吸引器）

Claims (7)

1. 原料ガスを改質反応させて水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、
   前記水素生成器で生成された前記燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
   前記原料ガスと前記燃料電池から排出されるオフ燃料ガスとのうちの少なくとも一方を燃焼させる燃焼器と、
   前記水素生成器、前記燃料電池、及び前記燃焼器を収納する筐体と、
   前記燃焼器で発生した燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス経路と、
   前記燃焼排ガス経路の先端開口として前記筐体に形成され、前記燃焼器からの燃焼排ガスを前記筐体の外に放出する第１排気口と、
   前記筐体に形成された第１吸気口と、
   前記第１吸気口から空気を前記筐体の中に吸入する吸引器と、
   前記筐体の内部の前記燃焼排ガス経路以外の場所に配置され、前記吸引器により前記第１吸気口から前記筐体の中に吸入された空気中に含まれる一酸化炭素を検出するＣＯ検出器を備える、燃料電池システム。
2. 前記ＣＯ検出器は、前記第１吸気口から吸入された後に前記水素生成器、前記燃料電池、および前記燃焼器を経由していない空気に含まれる一酸化炭素を検出するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記筐体内に配置され、前記燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を有する制御基板と、
   前記筐体内の空間を、前記吸引器と前記制御基板と前記ＣＯ検出器とが配置されている第１空間と、前記水素生成器と前記燃料電池と前記燃焼器とが配置されている第２空間と、に仕切る隔壁と、
   前記筐体に形成され、前記第１吸気口から前記筐体内の前記第１空間に前記吸引器により吸入された空気を前記筐体の外に放出する第２排気口と、をさらに備える、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第２空間に連通するように前記筐体に形成された第２吸気口と、
   前記隔壁に形成され、前記第１空間と前記第２空間とを連通する連通部とをさらに備え、
   前記第１吸気口が塞がれると、前記吸引器は、前記第２吸気口から前記第２空間に取り込まれた空気を前記連通部を介して前記第１空間に吸入する、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記隔壁は、前記筐体の中に取り付けられ、前記第１吸気口から前記筐体へ雨水が侵入することを防止する吸気口カバーを含み、
   前記吸気口カバーに前記連通部が形成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記ＣＯ検出器が一酸化炭素を検知した場合に、前記燃料電池システムの運転を停止させる制御基板をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記ＣＯ検出器は、接触燃焼式ＣＯ検出器を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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