JPWO2014199528A1

JPWO2014199528A1 - 燃料電池システム

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Publication number: JPWO2014199528A1
Application number: JP2015522468A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　祐司; 祐司鈴木; 琢福村
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2033-10-22
Also published as: JP6103052B2; EP3010077B1; EP3010077A1; WO2014199528A1; EP3010077A4

Abstract

換気ファン（１８０）は、筐体（１００）に取り付けられており、筐体（１００）の中の空気を筐体（１００）の外に排気する。第１検出部（２００）は、換気ファン（１８０）の動作を監視する。リレー回路ユニット（２１０）は、第１検出部（２００）の検出結果が、換気ファン（１８０）の回転数が基準以下になったことを示す場合に、遮断弁（１１０）に、遮断弁（１１０）を閉動作させるための信号を出力する。遮断弁（１１０）は、燃料電池本体入口に敷設されている燃料ガス供給部の配管に設けられており、上記した信号を受信したときに燃料電池スタック（１５０）への燃料ガスの供給を遮断する。

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を反応させて水を生成するときに生じるエネルギーを電気エネルギーとして取り出す装置である。燃料電池は燃料ガスとして可燃性ガスを用いるため、燃料電池を用いるシステムにおいて燃料ガスの漏洩が生じた場合でも問題が生じないように、システムを収容した筐体の内部を常に排気しておく必要がある。このため、燃料電池システムの筐体には一般的に換気部が設けられている。

また、この換気部に異常が発生して十分に換気できない場合、この異常を検出して燃料電池システムの動作を停止させる必要がある。このような機能に関連する技術としては、例えば特許文献１〜４に記載の技術がある。

例えば特許文献１には、換気部に異常が発生し、かつ燃料ガスの漏洩が検知された場合に、燃料電池システムの制御部の電源回路を停止することが記載されている。また特許文献２には、ＰＷＭ制御されている換気ファンが故障している可能性がある場合、ＰＷＭ制御のデューティ比を変更することにより、故障の有無の２次判定を行うことが記載されている。また特許文献３には、換気手段を定期的又は不定期に停止させることにより、換気手段の故障の有無を検知することが記載されている。また、特許文献４には、換気ファンの故障を検知すると、燃料電池の動作を停止させるとともにサーバに通知することが記載されている。

特開２０１０−２３８５２０号公報特開２００９−２５２４７７号公報特開２００９−７０７４７号公報特開２００６−１４００３１号公報

上記したように、換気部に異常が発生して十分に換気できない場合、この異常を検出して燃料電池の動作を停止させる必要がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、換気部に異常が発生して十分に換気できない場合、燃料電池システムの動作を停止させることができ、かつこの停止機能の信頼性を上げることにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池、筐体、換気ファン、第１検出部、リレー回路ユニット、及び遮断弁を備えている。燃料電池は、配管を介して燃料ガスを受け取る。筐体は、燃料電池を収容する。換気ファンは、筐体に取り付けられており、筐体の中の空気を筐体の外に排気する。第１検知部は、換気ファンの動作を検知する。リレー回路ユニットは、第１検出部の検知信号が入力される。遮断弁は、上記した配管に設けられており、リレー回路ユニットに接続されている。そしてリレー回路ユニットは、第１検出部の検知信号が、換気ファンの回転数が基準値以下になったことを示す場合に、遮断弁を閉動作させる。

本発明によれば、換気部に異常が発生して筐体内の空気を十分に換気できない場合、燃料電池システムの動作を停止することができ、かつこの停止機能の信頼性を上げることができる。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。第１検出部の構成の第１例を説明するための図である。第１検出部の構成の第２例を説明するための図である。発光部及び受光部の配置例を説明するための図である。第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。第３の実施形態に係る燃料電池システムが有する第１検出部の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の構成を示す図である。本実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池を積層した燃料電池スタック１５０、筐体１００、換気ファン１８０、第１検出部２００、リレー回路ユニット２１０、及び遮断弁１１０を備えている。燃料電池スタック１５０は、配管を介して燃料ガスを受け取り、受け取った燃料ガスと酸素含有ガス（例えば空気）を用いて発電する。筐体１００は燃料電池スタック１５０を内部に収容している。換気ファン１８０は、筐体１００に取り付けられており、筐体１００の中の空気を筐体１００の外に排気する。第１検出部２００は、換気ファン１８０の動作（回転数）を監視する。リレー回路ユニット２１０は、第１検出部２００の検出結果が、換気ファン１８０の回転数が基準以下になったことを示す場合に、遮断弁１１０を閉動作させるための信号を遮断弁１１０に出力する。遮断弁１１０は、上記した配管、すなわち筐体１００に敷設されている燃料ガス供給部の配管に設けられており、上記した信号を受信したときに燃料電池スタック１５０への燃料ガスの供給を遮断する。そしてリレー回路ユニット２１０は、ソフトウェアでの処理を必要としないため、動作の信頼性は高い。従って、燃料電池スタック１５０の動作を停止させる機能の信頼性を上げることができる。以下、詳細に説明する。

燃料電池スタック１５０は、複数の燃料電池セルを有している。これら複数の燃料電池セルの少なくとも一部は直列に接続されている。

本実施形態では、第１検出部２００からの信号を処理する機能を、ＣＥマークへの適合や信頼性向上、回路の簡略化などを考慮してリレー回路ユニット２１０にて構成している。また、リレー回路ユニット２１０は、第１検出部２００が監視している換気ファン１８０の回転数が、あらかじめ定められた時間（例えば１秒以上の時間）連続して基準値以下になった場合に、遮断弁１１０に、遮断弁１１０を閉動作させるための信号を出力する。このような処理を行うリレー回路ユニット２１０は、例えば、リレー回路とタイマーを組み合わせることにより、実現できる。

また、筐体１００には吸気口１９０が設けられている。このため、換気ファン１８０が筐体１００の内部の空気を排気すると、吸気口１９０から筐体１００の中に空気が流入する。

燃料電池システム１０は、さらに、脱硫器１２０、改質器１３０、変成器１４０、バーナ１６０、及び水回収装置１７０を筐体１００の内部に備えている。脱硫器１２０は、遮断弁１１０を通過してきた燃料ガスに対して脱硫処理を行う。改質器１３０は、脱硫処理が行われた後の燃料ガスに対して改質処理を行う。バーナ１６０は、燃料電池スタック１５０からの排気ガスに含まれる可燃成分を燃やす。バーナ１６０によって生じた熱は、改質器１３０の熱源として使用される。水回収装置１７０は、バーナ１６０からの排気ガスに含まれる水を回収する。

図２は、第１検出部２００の構成の第１例を説明するための図である。本図は、換気ファン１８０を横から見た側面図に相当している。本図に示す例において、換気ファン１８０は、回転軸１８２及び羽根１８４を備えている。そして第１検出部２００は、発光部２０２及び受光部２０４を備えている。発光部２０２及び受光部２０４は、羽根１８４を挟んで互いに対向している。一般的に、羽根１８４には隙間がある。このため、羽根１８４の隙間が発光部２０２と受光部２０４の間に位置したタイミングで、受光部２０４は、発光部２０２からの光を検出する。すなわち受光部２０４は、回転する羽根１８４の間を通過した光を検出する。そして受光部２０４の受光−否受光の検出結果は、リレー回路ユニット２１０にＯＮ−ＯＦＦ信号（パルス信号）として出力される。

そしてリレー回路ユニット２１０は、受光部２０４が光を検出した単位時間当たりの回数（単位時間当たりのパルス信号の数）から換算される、換気ファンの回転速度が基準値以下になった場合に、遮断弁１１０に、閉動作させるための信号を出力する。具体的には、リレー回路ユニット２１０は、受光部２０４からの出力パルスの単位時間当たりの数が基準値以下の場合に、遮断弁１１０に、閉動作させるための信号を出力する。なお、受光部２０４とリレー回路ユニット２１０の間に増幅回路が設けられても良い。

図１に示す例では、筐体１００の天井部には、排気ダクトが設けられている。そして、受光部２０４、発光部２０２、及び換気ファン１８０は、この排気ダクトに設けられている。図２に示す例では、受光部２０４は、筐体１００の外（換気ファンの排気側）に設けられており、発光部２０２は筐体１００の中（換気ファンの吸気側）に設けられている。また、排気ダクトの上部には雨や雪を防ぐためのカバー（図示せず）があるため、受光部２０４及び発光部２０２は遮光されている。このようにすることで、外光が受光部２０４のノイズになることを抑制できる。ただし、発光部２０２と受光部２０４の配置は逆であっても良い。

図３は、第１検出部２００の構成の第２例を説明するための図である。本図も、換気ファン１８０を横から見た側面図に相当している。本図に示す例において、第１検出部２００の発光部２０２及び受光部２０４の双方は、換気ファン１８０の吸気側に、互いに隣接して配置されている。そして換気ファン１８０の排気側には、光反射部２０６が設けられている。このような構成において、発光部２０２からの光は、羽根１８４の隙間を通った場合、光反射部２０６に到達し、光反射部２０６で反射された後、さらに羽根１８４の隙間を通って、受光部２０４によって検出される。なお、第１検出部２００の他の構成については、図２に示した例と同様である。

なお、本図に示す例において、発光部２０２と受光部２０４は一つのユニットになっているが、別々のユニットであっても良い。また、発光部２０２及び受光部２０４と、光反射部２０６の位置は逆であっても良い。

図４は、発光部２０２及び受光部２０４の配置例を説明するため、換気ファン１８０を上部から見た平面図である。本図に示す例において、発光部２０２及び受光部２０４は複数組設けられている。そして、換気ファン１８０に対して垂直な方向から見た場合において、羽根１８４の隙間をいずれかの受光部２０４と重なるように羽根１８４の回転位置を定めた場合、他の受光部２０４は羽根１８４の隙間とは重なっていない。言い換えると、何れか１組の発光部２０２の発光を受光部２０４にて検知しているときは、他の組の発光部２０２の光は換気ファン１８０の羽根１８４により遮断されて受光部２０４によって検知されないようになっている。このような関係は、羽根１８４の隙間と重なる受光部２０４をいずれの受光部２０４にした場合であっても成立する。このようにすると、複数の受光部２０４が同時に光を検出することはない。なお、このような配置をとった場合において、複数の受光部２０４が同時に光を検出した場合、いずれかの発光部２０２又は受光部２０４が故障している可能性が高いといえる。このため、リレー回路ユニット２１０はエラー信号を出力する。なお、このような構成は、換気ファン１８０の羽根１８４の数が奇数の場合、平面視において、発光部２０２及び受光部２０４からなる検出部を、２つ、互いに１８０°離れた位置に設けることで実現できる。

そして、複数の受光部２０４は互いに異なったタイミングで羽根１８４の回転を検出することができる。リレー回路ユニット２１０は、いずれかの受光部２０４からの出力において、出力パルスの単位時間当たりの回数が基準値以下の場合に、遮断弁１１０に閉動作させるための信号を出力する。このようにすると、第１検出部２００を冗長化することができる。その結果、いずれかの発光部２０２又は受光部２０４が故障しても、リレー回路ユニット２１０は遮断弁１１０に、遮断弁１１０を閉動作させるための信号を出すことができる。

また、第１検出部２００は、複数の受光部２０４からの出力パルスの差分を監視する。これにより、いずれかの発光部２０２及び受光部２０４が故障した場合に、その故障を検知することができる。

以上、本実施形態によれば、遮断弁１１０は、リレー回路ユニット２１０から、遮断弁１１０を閉動作させるための信号を受信したとき、燃料電池スタック１５０への燃料ガスの供給を遮断する。リレー回路ユニット２１０はハードで構成されているため、その動作の信頼性は高い。従って、換気ファン１８０に異常が発生して燃料電池本体内の空気を十分に換気できない場合、燃料電池スタック１５０の動作を停止させることができ、かつ、この停止機能の信頼性を上げることができる。

また、第１検出部２００は、発光部２０２及び受光部２０４によって構成されている。発光部２０２及び受光部２０４は、換気ファン１８０の羽根１８４を挟んで互いに対向している。このため、発光部２０２からの光は、羽根１８４の隙間を通って受光部２０４に達するため、受光部２０４の出力をパルス信号にすることができる。そしてリレー回路ユニット２１０は、このパルス信号の単位時間当たりの回数が基準値以下になったときに、遮断弁１１０に、閉動作させるための信号を出力する。従って、換気ファン１８０の動作を常に検出することができるとともに、燃料電池システム１０の信頼性も向上する。また、リレー回路ユニット２１０に入力されるパルス信号を、簡単な構成で生成することができる。

さらに本実施形態では、第１検出部２００は発光部２０２及び受光部２０４を複数組有している。従って、第１検出部２００は冗長化され、いずれかの発光部２０２又は受光部２０４が故障しても、リレー回路ユニット２１０は、他の受光部２０４が出力した信号に基づいて、遮断弁１１０に、閉動作させるための信号を出力することができる。

また、第１検出部２００は、羽根１８４の隙間を透過する光を利用して換気ファン１８０の動作を検出するため、第１検出部２００を設置するために必要なコストは少ない。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る燃料電池システム１０の構成を示す図である。本実施形態に係る燃料電池システム１０は、第２検出部２２０及び指令出力部３００を有している点を除いて、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同様の構成である。

第２検出部２２０は、第１検出部２００とは異なる方式で換気ファン１８０の動作を測定する。そして指令出力部３００は、第２検出部２２０の検出結果に基づいて、換気ファン１８０の動作速度（回転数）を判断する。そして指令出力部３００は、この動作速度が基準以下になった場合に、遮断弁１１０に、閉動作を行わせるための信号を出力する。

例えば換気ファン１８０が換気ファンの回転に同期したパルス信号を出力する機能を有している場合、第２検出部２２０は、この機能によって代用される。指令出力部３００は、このパルス信号をカウントすることにより、換気ファン１８０の回転が基準以下になったか否かを判断する。指令出力部３００は、例えばデジタルカウンタを用いてこのカウントを行う。そして指令出力部３００は、換気ファン１８０の回転数が基準以下になったと判断した場合に、遮断弁１１０に、閉動作を行わせるための信号を出力する。指令出力部３００は、ハードウェアで構成されていても良いし、少なくとも一部の機能がソフトウェアで実現されていても良い。

本実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えばＩＳＯ／ＥＮ１３８４９−１＿２０１１に準拠している。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、第２検出部２２０は、第１検出部２００とは異なる方式で換気ファン１８０の動作（例えば換気ファン１８０の回転数など）を監視する。そして指令出力部３００は、換気ファン１８０の回転数が基準以下になったと判断した場合に、遮断弁１１０に、閉動作を行わせるための信号を出力する。従って、第１検出部２００及びリレー回路ユニット２１０のいずれかが故障しても、換気ファン１８０の回転数が基準以下になった場合には、遮断弁１１０は閉動作を行う。このように、換気ファン１８０の異常を検出する手段が冗長化されるため、燃料電池システム１０の安全性はさらに高まる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係る燃料電池システム１０が有する第１検出部２００の構成を説明するための図である。本実施形態に係る燃料電池システム１０は、第１検出部２００の受光部２０４が、羽根１８４によって反射された光を検出する点を除いて、第１又は第２の実施形態に係る燃料電池システム１０と同様の構成である。

本実施形態によっても、第１又は第２の実施形態と同様の効果が得られる。なお、羽根１８４に、図３に示した光反射部２０６を取り付けてもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。例えば第１検出部２００及び第２検出部２２０は、他の方式により換気ファン１８０の動作を検出しても良い。

また、筐体１００の内部に収容される装置は燃料電池以外の装置であっても良い。

この出願は、２０１３年６月１４日に出願された日本出願特願２０１３−１２５２３２号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

配管を介して燃料ガスを受け取る燃料電池と、
前記燃料電池を収容する筐体と、
前記筐体に取り付けられ、前記筐体の中の空気を前記筐体の外に排気する換気ファンと、
前記換気ファンの動作を検知する第１検出部と、
前記第１検出部の検知信号が入力されるリレー回路ユニットと、
前記配管に設けられ、前記リレー回路ユニットに接続された遮断弁と、
を備え、
前記リレー回路ユニットは、前記第１検出部の検知信号が、前記換気ファンの回転数が基準値以下になったことを示す場合に、前記遮断弁を閉動作させることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１検出部が、発光部と受光部とを備える光センサであり、
前記発光部から発光され、回転する前記換気ファンの羽の間を通過した光を前記受光部で受光した時に、前記検知信号を前記リレー回路ユニットに出力し、前記リレー回路ユニットは前記検知信号に基づきファンの回転速度を算出することを特徴とする燃料電池システム。
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記発光部と前記受光部が、前記換気ファンの羽根を挟んで互いに対向して配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記光センサと反射板とが、前記換気ファンの羽根を挟んで互いに対向して配置されており、前記受光部は前記発光部に隣接して配置され、前記発光部から発光され、前記反射板で反射された光を前記受光部で受光することを特徴とする燃料電池システム。
請求項２〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記光センサを複数備え、
複数組の発光部及び受光部のうち、何れか１組の前記発光部の発光を前記受光部にて検知しているときは、他の組の前期発光部の光は前記ファンの羽根により遮断され前記受光部が検知しない位置となるように、各光センサが配置され、
前記リレー回路ユニットは、何れかの光センサの検知信号が、前記換気ファンの回転数が基準値以下になったことを示す場合に、前記遮断弁を閉動作させることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１検出部とは異なる方式で前記換気ファンの動作を測定する第２検出部と、
前記第２検出部において前記換気ファンの動作速度が基準以下になったことが示された場合に、前記遮断弁を閉動作させるための信号を出力する指令出力部とを更に備えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
前記指令出力部は、前記換気ファンの回転に同期したパルス信号に基づいて前記換気ファンの回転速度が基準以下になったか否かを判断する燃料電池システム。