JP5098372B2

JP5098372B2 - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP5098372B2
Application number: JP2007058054A
Authority: JP
Inventors: 秀夫山本; 洋永里; 淳中山
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2027-03-08
Also published as: JP2008218360A

Description

本発明は、水素と酸素を反応させ発電する燃料電池スタックをパッケージ内に設置した燃料電池発電システムに関するものである。

従来の燃料電池発電システムは、特許文献１に開示されているように、本体パッケージ内に、改質器、スタック、１００Ｖ以上の高電圧回路である電力変換回路等が一体として配置されているものが知られている。

図２は、特許文献１に記載された従来の燃料電池発電システムを示すものである。

本体パッケージ１００には、都市ガス配管から供給される都市ガス（１３Ａ）を水蒸気改質反応により水素リッチな燃料ガスに改質する改質器１０１と、改質器１０１から供給される燃料ガスと空気との供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池スタック１０２と、燃料電池スタック１０２の冷却媒体（冷却水など）の循環流路（図中、破線で示す循環流路）に組み込まれて冷却媒体を冷却する熱交換器１０３と、燃料電池スタック１０２からの排ガス中の水蒸気を凝縮させて水を回収する凝縮器１０４と、貯湯タンク１０５の底部に接続された冷水管１０６から冷水の供給を受けて改質器１０１への水の供給や凝縮器１０４および熱交換器１０３へ冷却水の供給を行なう水系統１０７と、燃料電池スタック１０２からの直流電力を交流電力に変換して商用電源からの配線に供給する電力変換回路１０８と、本体パッケージ１００内の各部をコントロールする制御装置１０９とから構成されている。
特開２００４−１１１２０８号公報

しかしながら、従来例の構成では、改質器１０１やスタック１０２から原料ガスや水素などの可燃性ガスが万一漏出した場合、本体パッケージ１００に可燃性ガスが滞留する。また、１００Ｖ以上の高電圧回路である電力変換回路等が本体パッケージ１００内に一体として配置されているため、埃の多い環境で長期間使用されて高電圧回路の接点等に埃が蓄積した場合や、湿気の高い環境で長期間使用されて高電圧回路の接点等に水分が付着した場合にアーク等が発生することが万が一にも重なった場合には、安全性の面で問題が生じる場合がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、爆発等の可能性が無く、安全性を確保した燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために本発明は、本体パッケージ内をガス経路を有する第１室とガス経路を有さない第２室に分離すると共に一部に通風部を設けた隔壁と、前記第１室から本体パッケージの外へ排気する排気口と、本体パッケージ内の空気の流れを前記排気口から排気するための排気ファンとを有し、前記第１室には改質器とスタックを有し、前記第２室には電力変換回路を有する電気回路を有し、前記第１室には外気を取り込むために設けられ前記改質器及びスタックより風上に位置する第１吸気口を設け、前記第２室には外気を取り込むために設けられ前記電気回路より風上に設けた第２吸気口を設け、第１室の上部に設けられた第１温度検出手段と、第２室の上部に設けられた第２温度検出手段と、前記第１温度検出手段及び前記第２温度検出手段のいずれかにより温度異常を検出したときに燃料電池発電システムの運転を停止する制御手段と、を有する燃料電池発電システムとしたものである。

これによって、改質器やスタックから原料ガスや水素などの可燃性ガスが万一漏出した場合においても、可燃性ガスは改質器やスタックを設けた第１室に漏出するが、第１室で改質器及びスタックより風上に設けた第１吸気口から吸い込まれた外気が第１室に漏出した可燃性ガスを押し出して、第１室に設けた排気口から排気ファンにより外部に排出される。

また、第２室で高電圧回路より風上に設けた吸気口から吸い込まれた外気が、隔壁上部の通風部を通って、第１室に設けた排気口から排気ファンにより外部に排出される。この際、第２室が風上に第１室が風下になるため、可燃性ガスが風上の高電圧回路に流れ出ることはない。従って、埃の多い環境で長期間使用されて高電圧回路の接点等に埃が蓄積した場合や、湿気の高い環境で長期間使用されて高電圧回路の接点等に水分が付着した場合にアーク等が発生することが万が一にも重なった場合においても、爆発等の危険性は全くなくなる。

本発明の燃料電池発電システムは、改質器やスタックから原料ガスや水素などの可燃性ガスが万一漏出した場合に、且つ、埃の多い環境で長期間使用されて高電圧回路の接点等に埃が蓄積したり、湿気の高い環境で長期間使用されて高電圧回路の接点等に水分が付着した場合にアーク等が発生することが万が一にも重なった場合においても、爆発等の危険性は全くなくなる。

第１の発明は、本体パッケージ内をガス経路を有する第１室とガス経路を有さない第２室に分離すると共に一部に通風部を設けた隔壁と、前記第１室から本体パッケージの外へ排気する排気口と、本体パッケージ内の空気の流れを前記排気口から排気するための排気ファンとを有し、前記第１室には改質器とスタックを有し、前記第２室には電力変換回路を有する電気回路を有し、前記第１室には外気を取り込むために設けられ前記改質器及びスタックより風上に位置する第１吸気口を設け、前記第２室には外気を取り込むために設けられ前記電気回路より風上に設けた第２吸気口を設け、第１室の上部に設けられた第１温度検出手段と、第２室の上部に設けられた第２温度検出手段と、前記第１温度検出手段及び前記第２温度検出手段のいずれかにより温度異常を検出したときに燃料電池発電システムの運転を停止する制御手段と、を有する燃料電池発電システムである。これにより、改質器やスタックから原料ガスや水素などの可燃性ガスが万一漏出した場合に、且つ、埃の多い環境で長期間使用されて電気回路の接点等に埃が蓄積したり、湿気の高い環境で長期間使用されて電気回路の接点等に水分が付着した場合にアーク等が発生することが万が一にも重なった場合においても、爆発等の危険性は全くなくすことができる。また、改質器及びスタックの配置された第１室で異常燃焼等により異常温度上昇が発生した場合は、第１室の上部に設けた第１温度検出手段が温度異常をいち早く検知し、燃料電池発電システムの運転を停止するなどの措置を取ることができ、安全性をさらに高めることができる。また、電気回路の配置された第２室で回路トラブル等により異常温度上昇が発生した場合は、第２室の上部に設けた第２温度検出手段が温度異常をいち早く検知し、燃料電池発電システムの運転を停止するなどの措置を取ることができ、安全性をさらに高めることができる。

第２の発明は、特に、第１に発明の排気ファンの最風下側に可燃ガスセンサを配置することにより、改質器やスタックから原料ガスや水素などの可燃性ガスが万一漏出した場合においても、第１室内の空気は全て換気ファンに集まり排気口１３から排出されるため、可燃性ガスの漏洩をいち早く検知し燃料電池発電システムの運転を停止するなどの措置を取ることができ、安全性をさらに高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの構成図を示すものである。

図１において、１はパッケージ２内をガス経路を有する第１室３とガス経路のない第２室４に分離するための隔壁であり、上部に通風部５を設けている。第１室３内には改質器６、スタック７などの可燃性ガスが流通する部品が配置されている。

改質器６には、原料ガス配管８と、燃焼ファン９を取付けたバーナ１０と改質器排気口１１が備え付けられている。水供給装置１２は水配管１３を介して改質器６に接続されている。

スタック７は、改質器６と水素配管１４で接続され、バーナ１０と排水素配管１５で接続されており、空気ブロワ１６と空気配管１７で接続されている。また、凝縮器１８と排空気配管１９で接続されている。

第１室３の外壁には、第２室４が風上に、第１室３が風下になるように設けた排気口２０及び排気ファン２１が設置されており、改質器６及びスタック７より風上になるように設けた第１吸気口２２が設置されている。

電気回路２３は、第２室の内部に配置されると共に１００Ｖ以上を扱う高電圧回路２４と、低電圧回路２５から構成されている。高電圧回路２４は、商用電源に接続されると共に、スタック７からの直流電力を交流電力に変換して商用電源に供給する電力変換回路２６と交流商用電源を直流低電圧に変換する電源回路２７から構成されている。

電力変換回路２６は、昇圧回路やインバータ回路などの回路（図示せず）と電圧センサや電流センサなどのセンサ（図示せず）とにより構成されており、燃料電池スタック７からの直流電力を商用電源の交流電力と同位相の交流電力に変換して商用電源に接続された負荷（図示せず）に供給できるよう接続されている。

低電圧回路２５は、本体パッケージ２内の各部を制御する制御手段２８である。制御手段２８は、第１室３或いは第２室４のどちらに設置しても良いし、第１室３と第２室４に分割配置しても良い。

制御手段２８は、負荷の消費電力に基づいて都市ガス配管から改質器６に供給される都市ガスの流量を調整すると共に改質器６に供給される水の流量を調整することによるシステムにおける発電電力の制御や改質器６やスタック７の温度制御など種々の制御を行なっている。第１室３と第２室４に設けられた制御手段は隔壁１を通して電気的に繋がっており、第１室のスタック７と第２室の電力変換回路２６も隔壁１を通して電気的に繋がっている。

第２室の外壁には、高電圧回路２４より風上側に第２吸気口２９が設けられている。

以上のように構成された燃料電池発電システムについて、以下その動作、作用を説明する。

原料ガス配管８から供給されたメタンなどの原料ガスは、改質器６の中でバーナ１０によって加熱され改質反応を起こし水素に変換され水素配管１４を通ってスタック７へ供給される。

一方、空気ブロワ１６から送られる空気は空気配管１７を通ってスタック７へ供給され、これら供給された水素と空気中の酸素を反応させ発電を行うものである。

そして反応に使われなかった残りの水素（排水素）は排水素配管１５を通ってバーナ１０に供給され改質反応の加熱燃料として用いられる。

また、反応で生成した水及び水蒸気を含んだ排空気は排空気配管１９を通って凝縮器１８に導かれ、水を分離する。凝縮器１８で分離された水は水配管１３を介して水供給装置１２から改質器６に供給され、改質反応の原料として使われる。これら一連の動作を制御手段２８で行うものである。

ガス経路は、原料ガスや改質ガス、水素ガス等が通過する経路の総称であり、具体的には原料ガス配管８、水素配管１４、排水素配管１５等が挙げられる。

以上のように、本実施の形態においては、本体パッケージ２内を第１室３及び第２室４に分離すると共に一部に通風部５を設けた隔壁１と、第１室３の内部に配置された改質器６と、第１室の内部に配置されたスタック７と、高電圧回路２４と低電圧回路２５から構成される電気回路２３と、第２室４の内部に配置された高電圧回路２４と、第２室４が風上に、第１室３が風下になるように第１室３の外壁を構成する枠体部分に設けた排気口２０及び排気ファン２１と、第１室３の外壁を構成する枠体部分に改質器６及びスタック７より風上に設けた第１吸気口２２と、第２室４の外壁を構成する枠体部分に高電圧回路２４より風上に設けた第２吸気口２９から構成することにより、改質器６やスタック７から原料ガスや水素などの可燃性ガスが万一漏出した場合においても、可燃性ガスは改質器６やスタック７を設けた第１室３に漏出するが、第１室３で前記改質器及びスタックより風上に設けた第１吸気口２２から吸い込まれた外気が第１室に漏出した可燃性ガスを押し出して、第１室３に設けた排気口２０から排気ファン２１により外部に排出される。

また、第２室４で高電圧回路２４より風上に設けた吸気口２９から吸い込まれた外気が、隔壁１上部の通風部５を通って、第１室３に設けた排気口２０から排気ファン２１により外部に排出される。この際、第２室４が風上に第１室３が風下になるため、可燃性ガスが風上の高電圧回路２４に流れてくることはない。従って、埃の多い環境で長期間使用されて高電圧回路２４の接点等に埃が蓄積した場合や、湿気の高い環境で長期間使用されて高電圧回路２４の接点等に水分が付着した場合にアーク等が発生することが万が一にも重なった場合においても、爆発等の危険性は全くなくなる。

また、高電圧回路２４には一般に発熱部品が多く、かつ半導体素子など部品の耐熱温度が低いため冷却する必要がある。本実施の形態１では、第２室４の外壁には、高電圧回路２４より風上側に第２吸気口２９が設けられており、第２吸気口２９から吸い込まれた外気により高電圧回路２４を冷却するので燃料電池発電システムの効率悪化を防ぐことができると共に、発熱による半導体素子の劣化を防止できる。

また、制御手段２８を第１室３と第２室４に分割配置することにより、第２室４に配置した制御手段２８で改質器６及びスタック７の制御を行う分散制御が可能となり、制御手段２８と、改質器６及びスタック７への原料ガスや水素の経路開閉を行う弁やポンプ等の補機部品（図示せず）へのハーネスの簡素化もできるものである。

なお、燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、パッケージ２以外に、燃料電池から排熱された熱源を利用して湯を加熱し、貯湯する貯湯パッケージ（図示せず）がパッケージ２とは別体で備え付けられた構成となっている（図２参照）。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について、上記と同様に図１に基づいて説明する。

本実施の形態は、実施の形態１と基本的な構成は同じであるが、ここでは、以下の点について、更に詳細に説明する。

尚、上記の実施の形態において既に説明した内容については、実施の形態１を援用し、その説明を省略する。

実施の形態２は、第１室３において排気ファン２１の最風下側に可燃ガスセンサ３０を設けたもので、可燃性ガス流通部品から可燃性ガスが万一漏出した場合でも、第１室３内の空気は全て換気ファン２１に集まり排気口２０から排出されるため、可燃性ガスの漏洩をいち早く検知し燃料電池発電システムの運転を停止するなどの措置を取ることができ、安全性をさらに高めることができるものである。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について、上記と同様に図１に基づいて説明する。

実施の形態３は、第１室３の上部に第１温度過昇防止スイッチ３１を設け、第２室４の上部に第２温度過昇防止スイッチ３２を設けたもので、第１室３において改質器６中での異常燃焼が生じた場合には第１室３の上部に設けた第１温度過昇防止スイッチ３１が温度異常として検出し、第２室４において高電圧回路２４中での異常発熱が生じた場合には第２室４の上部に設けた第２温度過昇防止スイッチ３２が温度異常として検出し、燃料電池発電システムの運転を停止するなどの措置を取ることができ、安全性をさらに高めることができるものである。

本発明の燃料電池発電システムは、定置型の燃料電池コージェネレーションシステムに利用可能である。

本発明の実施の形態１、２、３における燃料電池発電システムの構成図従来の燃料電池発電システムの構成図

符号の説明

１隔壁
２パッケージ
３第１室
４第２室
５通風部
６改質器
７スタック
２０排気口
２１排気ファン
２２第１吸気口
２３電気回路
２４高電圧回路
２５低電圧回路
２９第２吸気口
３０可燃ガスセンサ
３１第１温度過昇防止スイッチ
３２第２温度過昇防止スイッチ

Claims

本体パッケージ内をガス経路を有する第１室とガス経路を有さない第２室に分離すると共に一部に通風部を設けた隔壁と、前記第１室から本体パッケージの外へ排気する排気口と、本体パッケージ内の空気の流れを前記排気口から排気するための排気ファンとを有し、前記第１室には改質器とスタックとを有し、前記第２室には電力変換回路を有する電気回路を有し、前記第１室には外気を取り込むために設けられ前記改質器及びスタックより風上に位置する第１吸気口を設け、前記第２室には外気を取り込むために設けられ前記電気回路より風上に設けた第２吸気口を設け、第１室の上部に設けられた第１温度検出手段と、第２室の上部に設けられた第２温度検出手段と、前記第１温度検出手段及び前記第２温度検出手段のいずれかにより温度異常を検出したときに燃料電池発電システムの運転を停止する制御手段と、を有する燃料電池発電システム。
前記第１室には前記排気ファンの最風下側に配置した可燃ガスセンサを有する請求項１に記載の燃料電池発電システム。