JP2007149710A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を搭載する収容室をもつハウジングを利用することにより、放熱部の放熱性を高める燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池装置は、冷却路８０ｍを有する燃料電池８と、燃料電池８の燃料極に燃料を供給する燃料供給通路４と、燃料電池８の酸化剤極に酸素含有ガス等の酸化剤を供給する酸化剤供給通路１６と、燃料電池８の冷却路８０ｍに繋がると共に燃料電池８を冷却する冷却水が流れる冷却通路２２と、冷却通路２２内の冷却水を搬送する冷却媒体搬送源２２ｐと、燃料電池８を搭載する箱状のハウジング１００とを備えている。冷却通路２２内の冷却水を放熱させる放熱フィン３１０をもつ放熱部３００がハウジング１００に設置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池装置に関する。

燃料電池装置としては、燃料極、空気極を有すると共に冷却水が流れる冷却路を有する燃料電池と、燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給通路と、燃料電池の空気極に空気を供給する空気供給通路と、燃料電池の冷却路に繋がると共に燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却通路と、冷却通路内の冷却水を搬送して冷却通路に沿って流すポンプとをもつものが知られている。

燃料電池の運転時に燃料電池の内部が過剰に高温になると、燃料電池の発電出力が低下する。そこで上記燃料電池装置によれば、ポンプを作動させて冷却通路に冷却水を流し、燃料電池の内部から冷却することにしている。

更に特開２００１−３１３０５４号公報には、冷却通路にラジエータを設けると共に、ラジエータに送風してこれを冷却するラジエータファンを設け、冷却通路を流れる冷却水をラジエータに流すと共に、ラジエータファンを回転駆動させてラジエータに送風してラジエータを冷却し、以て冷却通路の冷却水を冷却することにしている。これにより燃料電池を流れる冷却水を冷却して燃料電池の過剰高温化を防止することにしている。
特開２００１−３１３０５４号公報

しかしながら上記したように冷却通路の冷却水を冷却するにあたり、ラジエータファンの回転駆動で生成した風をラジエータに送風してラジエータを冷却する方式によれば、ラジエータファンを回転駆動させるため、電力の消費量が大きく、燃料電池装置のシステム全体の効率が低下してしまう問題がある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池を搭載する収容室をもつハウジングを利用することにより放熱部の放熱性を高め、電力の消費量を抑えるのに有利な燃料電池装置を提供することを課題とするにある。

本発明に係る燃料電池装置は、燃料極、酸化剤極を有すると共に冷却水が流れる冷却路を有する燃料電池と、
燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給通路と、
燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、
燃料電池の冷却路に繋がると共に燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却通路と、
冷却通路内の冷却水を搬送して冷却通路に沿って流す冷却水搬送源と、
燃料電池を搭載する箱状のハウジングとを具備しており、
冷却通路に設けられ冷却通路内の冷却水を放熱させる放熱フィンをもつ放熱部がハウジングに設置されていることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池装置によれば、冷却水搬送源が駆動すると、冷却通路内の冷却水が搬送され、冷却通路に沿って流れる。そして冷却通路内の冷却水は、ハウジングに設置されている放熱部の放熱フィンで放熱されて冷却される。このため燃料電池の冷却路を流れる冷却水が冷却されるため、燃料電池が冷却される。放熱フィンを有する放熱部は箱状のハウジングに設置されているため、放熱部の設置面積は大きく確保され、放熱フィンによる放熱性が良好となる。

本発明に係る燃料電池装置によれば、冷却水搬送源が駆動すると、冷却通路内の冷却水が搬送され、冷却通路に沿って流れる。そして冷却通路内の冷却水は、ハウジングに設置されている放熱部の放熱フィンで放熱されるため冷却される。したがって、従来必要とされていたラジエータファンの廃止または小型化を図り得、電力の消費量を抑えるのに有利である。殊に、放熱フィンを有する放熱部が箱状のハウジングに設置されているため、放熱部の設置面積を確保することができ、放熱部の放熱性の確保に有利である。更にハウジングは燃料電池の設置機能と放熱部の設置機能とを併有するため、放熱部を設置するための設置部材も特別に必要としない。

燃料電池装置は、燃料極、酸化剤極を有すると共に冷却水が流れる冷却路を有する燃料電池と、燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給通路と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、燃料電池の冷却路に繋がると共に燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却通路と、冷却通路内の冷却水を搬送して冷却通路に沿って流す冷却水搬送源と、燃料電池を搭載する箱状のハウジングとを有する。酸化剤としては酸化剤ガスを採用できる。酸化剤ガスとしては一般的には空気等の酸素含有ガスを採用することができる。従って酸化剤供給通路としては空気供給通路とすることができる。放熱部は冷却通路の途中部位に設けられており、冷却通路内の冷却水を放熱させる放熱フィンをもつ。放熱フィンの大きさ、形状、数等は適宜選択することができる。冷却媒体としては一般的には冷却水を採用する。放熱フィンを有する放熱部は箱状のハウジングに設置されているため、放熱部の設置面積が大きくなる。放熱フィンを有する放熱部は、箱状のハウジングの外面に設けることが好ましい。なお、ハウジングは、放熱性が確保し易い金属（例えば炭素鋼等の鋼系、アルミニウム系）で形成されていることが好ましい。この場合、放熱部の熱をハウジングに伝達してハウジングを利用して放熱性を一層高めることができる。

・好ましい形態によれば、冷却通路は、放熱部を通る第１通路と、放熱部を通らない第２通路と、第１通路を流れる冷却水（冷却媒体）の量と第２通路を流れる冷却水（冷却媒体）の量とを変化させる切替弁とを有することができる。この場合、切替弁は、燃料電池の温度が相対的に低いとき、第２通路を流れる冷却水の量を増加させると共に、燃料電池の温度が相対的に高いとき、第１通路を流れる冷却水の量を増加させる形態を採用することができる。このようにすれば、燃料電池の運転開始直後等のように、燃料電池の温度が相対的に低いときには、冷却水が放熱部に流れる量が減少したり、０となるため、冷却水の放熱が抑えられ、燃料電池の昇温化に有利となる。これに対して燃料電池の温度が相対的に高いときには、第１通路を流れる冷却水の量を増加させるため、冷却水が放熱部に流れる量が増加し、冷却水の放熱が促進され、燃料電池の過熱抑制に有利となる。切替弁としては、感温部を有し、感温部に伝達される熱に応じて作動し、第１通路を流れる冷却水の量と第２通路を流れる冷却水の量とを変化させる形態を採用することができる。また切替弁としては、温度センサを有し、温度センサが検知した温度に応じて制御装置が切替弁の作動を制御し、第１通路を流れる冷却水の量と第２通路を流れる冷却水の量とを変化させる形態を例示することができる。

・好ましい形態によれば、放熱部の放熱フィンは酸化剤供給通路の途中部位に配置されており、酸化剤供給通路を流れる酸素含有ガス等の酸化剤は、燃料電池の酸化剤極に供給される前に、放熱フィンからの放熱で予熱される形態を採用することができる。この場合、酸素含有ガス等の酸化剤は、燃料電池の酸化剤極に供給される前に、放熱フィンからの放熱で予熱されるため、燃料電池における発電反応を向上でき、燃料電池の発電出力を向上させるのに有利となる。好ましい形態によれば、酸化剤を燃料電池の酸化剤極に供給する前に加湿する加湿部が酸化剤供給通路の途中部位に設けられている形態を採用することができる。

放熱部の放熱フィンは酸化剤供給通路において加湿部の上流側に配置されていることが好ましい。この場合、酸化剤供給通路を流れる酸素含有ガス等の酸化剤は、加湿部に供給される前に、放熱フィンに接触し、放熱フィンからの放熱で予熱される。このように酸素含有ガス等の酸化剤を放熱フィンからの放熱で予熱すれば、予熱した酸素含有ガス等の酸化剤を加湿部に供給できる。このため酸素含有ガス等の酸化剤に保持できる水蒸気量を多めにすることができ、燃料電池の内部の加湿に有利である。更に加湿部の小型化にも貢献できる。

・好ましい形態によれば、放熱フィンを有する放熱部は箱状のハウジングの底面、側面、上面のうちの少なくとも一つに設けられている形態を採用することができる。放熱面積を大きくすべく、放熱部は、ハウジングの底面のうちの１／２以上の面積に設置することができる。または放熱部は、ハウジングの側面のうちの１／２以上の面積に設置することができる。または放熱部は、ハウジングの上面のうちの１／２以上の面積に設置することができる。従って放熱部としては、ハウジングの底面のほぼ全域、または、ハウジングの側面のほぼ全域、または、ハウジングの上面のほぼ全域に設置することができる。

ハウジングの底面は使用者の手指が触れる頻度が極めて少ない。このため使用者の手指が放熱フィンに触れる頻度を少なくするため、放熱部を箱状のハウジングの底面に設置することができる。またハウジングの側面は表出面積が確保し易いため、放熱フィンを有する放熱部をハウジングの側面に設置すれば、放熱フィンの放熱面積を増加させるのに有利となる。

本発明に係る燃料電池装置によれば、燃料電池に用いられる代表的な燃料としてはガス状、液体状の燃料を採用でき、炭化水素系等の燃料が挙げられる。具体的には、メタン、プロパン、ブタン等の少なくとも１種を主要成分とする流体を用いることができ、天然ガス、メタノール、ガソリン、バイオガスを例示することができる。燃料電池は業務用、家庭用、定置用、車載用、固定式、可動式、携帯式、ポータブル式を問わない。

以下、本発明の実施例１について図１を参照して説明する。本実施例に係る燃料電池装置は、高分子型の電解質膜８０ａを挟持する燃料極８０ｂ、空気極８０ｃ（酸化剤極）を有すると共に冷却水としての冷却水が流れる冷却路８０ｍを有する燃料電池８と、燃料電池８の燃料極８０ｂに燃料を供給する燃料供給通路４と、酸化剤としての空気を燃料電池８の空気極８０ｃに供給する空気供給通路１６（酸化剤供給通路）と、燃料電池８の冷却路８０ｍに繋がると共に燃料電池８を冷却する冷却水が流れる冷却通路２２と、冷却通路２２内の冷却水を搬送して冷却通路２２に沿って流す冷却水搬送源（冷却媒体搬送源）としてのポンプ２２ｐと、冷却通路２２の途中部位に設けられ冷却通路２２内の冷却水を放熱させる多数の放熱フィン３１０をもつ放熱部３００とを備えている。燃料電池８では、電解質膜８０ａを挟持する燃料極８０ｂ及び空気極８０ｃにより１セルが形成されており、多数のセルを厚み方向に積層して形成されている。

冷却通路２２の途中部位２２ｍは、Ｓ字形状及び逆Ｓ字形状に複数箇所で曲成されている。この途中部位２２ｍは、多数の放熱フィン３１０に接続されている。従って冷却通路２２の途中部位２２ｍを流れる冷却水は、放熱フィン３１０で放熱可能とされている。放熱フィン３１０は熱伝導率が高い金属で形成されている。この金属としてはアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、鋼、鋼系合金、チタン、チタン系合金のうちの１種で形成することができる。なお、途中部位２２ｍにおいては、冷却水は下から上に向けて流れるため、途中部位２２ｍにおける通水時間が確保され、ひいては途中部位２２ｍにおける放熱時間が確保される。

冷却通路２２には、熱交換器２３、貯湯槽２６が設けられている。冷却通路２２は、放熱部３００を通る途中部位２２ｍに向かう第１通路２２１と、放熱部３００をバイパスして放熱部３００を通らない第２通路２２２と、第１通路２２１及び第２通路２２２の結合部に設けられた切替弁２２７とを有する。切替弁２２７は、冷却水の温度を感じる感温部を有しており、感温部に応じて、第１通路２２１を流れる冷却水の量と、第２通路２２２を流れる冷却水の量とを段階的にまたは無段階的に自動的に変化させる。

燃料電池８の温度が相対的に低いとき、切替弁２２７は、第２通路２２２を流れる冷却水の量を自動的に増加させると共に、第１通路２２１を流れる冷却水の量を自動的に減少させるかあるいは０とする。また燃料電池８の温度が相対的に高いとき、切替弁２２７は、第１通路２２１を流れる冷却水の量を自動的に増加させると共に、第２通路２２２を流れる冷却水の量を自動的に減少させるかあるいは０とする。

本実施例によれば、燃料電池８の運転時には燃料電池８の内部の温度が上昇する。燃料電池８の内部の温度が過剰に高温化すると、燃料電池８の発電性能が低下する。このためポンプ２２ｐが駆動する。すると冷却通路２２内の冷却水が矢印Ａ１方向に搬送され、冷却通路２２に沿って矢印Ａ１方向に流れ、燃料電池８の冷却路８０ｍを流れる。これにより燃料電池８の過剰高温化は抑えられる。燃料電池８の冷却路８０ｍの吐出口８０ｎから吐出された冷却水は昇温している。

昇温化された冷却水は、熱交換器２３及び貯湯槽２６を経て放熱部３００に至り、放熱部３００の放熱フィン３１０で放熱されるため冷却され、温度が低下する。このように冷却通路２２内の冷却水の温度が低下すれば、燃料電池８の運転時に燃料電池８を効果的に冷却することができる。従って、従来必要とされていたラジエータファンを廃止または小型化でき、電力の消費量を抑えるのに有利である。

殊に本実施例によれば、燃料電池８の温度が相対的に高いときには、切替弁２２７は、第１通路２２１を流れる冷却水の量を増加させると共に、第２通路２２２を流れる冷却水の量を減少させるかあるいは０とする。このため燃料電池８の温度が相対的に高いときには、冷却水を放熱部３００の放熱フィン３１０で積極的に冷却させることができ、燃料電池８を効果的に冷却することができる。これに対して、燃料電池８の運転開始直後等のように燃料電池８の温度が相対的に低いときには、切替弁２２７は、第２通路２２２を流れる冷却水の量を増加させると共に、第１通路２２１を流れる冷却水の量を減少させるかあるいは０とする。このため燃料電池８の温度が相対的に低いときには、冷却水は放熱部３００を通らないか、あるいは、放熱部３００を通るとしても量が少ない。よって放熱部３００の放熱フィン３１０による冷却水の冷却効果を低減させることができる。故に、燃料電池８の運転開始直後等のように燃料電池８の温度が相対的に低いときには、冷却水の放熱を抑えることができ、燃料電池８の温度を早期に昇温させるのに有利であり、燃料電池８の運転開始直後における立ち上がり時間の短縮化に有利である。

更に本実施例によれば、燃料電池８を搭載する箱状のハウジング１００に放熱部３００が設置されているため、放熱部３００の設置面積を大きく確保することができる。更にハウジング１００は燃料電池８の設置機能と放熱部３００の設置機能とを併有するため、放熱部３００を設置するための設置部材も特別に必要としない。更に金属製のハウジング１００の外面に放熱部３００が設けられており、放熱部３００はハウジング１００に伝熱可能とされているため、ハウジング１００の外面を利用して放熱することもでき、放熱性が一層高められている。またハウジング１００の外面に放熱部３００が設けられているため、放熱フィン３１０と外気とを効果的に接触させることができ、冷却通路２２の冷却水２２の冷却に有利となる。

以下、本発明の第２実施例について図２を参照して説明する。本実施例に係る燃料電池装置は、第１実施例と基本的には同様の構成であり、基本的には同様の作用効果を奏する。以下異なる部分を中心として説明する。放熱部３００の放熱フィン３１０は酸化剤通路としての空気供給通路１６の途中部位に配置されている。空気供給通路１６には空気搬送源（酸化剤搬送源）としてのファン１６ｂ、加湿部２０が配置されている。加湿部２０は燃料電池８の空気極８０ｃに供給される空気を加湿するものである。放熱部３００の放熱フィン３１０は、空気供給通路１６において加湿部２０の上流側に配置されている。燃料電池８の運転時において、ファン１６ｂが駆動すると、酸化剤としての空気は空気吸込口１６ｓ（空気供給通路１６の一部）から吸入され、放熱フィン３１０に接触し、放熱フィン３１０からの放熱で予熱される。放熱フィン３１０で予熱された空気は、空気通過口１６ｒを経て加湿部２０に至り、加湿部２０で加湿される。加湿部２０で加湿された空気は燃料電池８の空気極８０ｃに供給され、発電反応に使用される。燃料電池８の運転時に電解質膜８０ａが過剰に乾燥されていると、燃料電池８の発電出力が低下する。この点本実施例では、加湿された空気が燃料電池８の空気極８０ｃに供給されるため、電解質膜８０ａの過剰乾燥を防止でき、発電出力の確保に有利である。

即ち本実施例によれば、空気供給通路１６を流れる空気は、燃料電池８の空気極８０ｃに供給される前に、放熱フィン３１０に接触して放熱フィン３１０からの放熱で予熱される。このように放熱フィン３１０により予熱された空気が燃料電池８の空気極８０ｃに供給されるため、燃料電池８における発電反応を向上させることができ、燃料電池８の発電出力を向上させるのに有利となる。殊に冬季や寒冷地で使用される燃料電池装置に適する。

更に本実施例によれば、空気供給通路１６を流れる空気は、加湿部２０に供給される前に、放熱フィン３１０に接触して放熱フィン３１０からの放熱で予熱される。空気は温度が高いと、空気が保持できる水蒸気量が増加する。したがって上記したように加湿部２０に供給する前の空気を放熱フィン３１０からの放熱で予熱すれば、予熱した空気を加湿部２０に供給することができ、このため加湿部２０において空気に保持できる水蒸気量を多めにすることができる。よって燃料電池８の内部の加湿に有利である。更に加湿部２０において空気に保持できる水蒸気量を多めにすることができるため、加湿部２０のサイズの小型化にも貢献することができる。なお本実施例においても、燃料電池８を搭載する収容室をもつ箱状のハウジング１００が設けられている。空気吸込口１６ｓは、ハウジング１００の側面１０２に所定の間隔を隔てて設けられたダクトカバー１０８の下部に形成されている。側面１０２とダクトカバー１０８との間には、空気供給通路１６の一部をなす通路部分１６ｗが形成されている。通路部分１６ｗを流れる空気は、放熱フィン３１０で予熱され、空気通過口１６ｒを経て加湿部２０に向けて流れる。

本実施例においても第１実施例と同様に、燃料電池８の冷却により昇温化された冷却水は放熱部３００の放熱フィン３１０で放熱されるため冷却され、冷却水の温度が低下する。このように冷却通路２２内の冷却水の温度が低下すれば、燃料電池８を効果的に冷却することができる。従って、従来必要とされていたラジエータファンの廃止または小型化を図り得、電力の消費量を抑えるのに有利である。

更に本実施例においても、燃料電池８を搭載する箱状のハウジング１００に放熱部３００が設置されているため、放熱部３００の設置面積を確保することができる。更にハウジング１００は燃料電池８の設置機能と放熱部３００の設置機能を併有するため、放熱部３００を設置するための設置部材も特別に必要としない。更に箱状の金属製のハウジング１００の外面に放熱部３００が設けられており、放熱部３００はハウジング１００に伝熱可能とされているため、ハウジング１００の外面を利用して放熱することもでき、放熱性が一層高められている。加えてハウジング１００の外面に放熱部３００が設けられているため、放熱フィン３１０と外気とを効果的に接触させることができ、冷却通路２２の冷却水２２の冷却に有利となる。

以下、本発明の実施例３について図３を参照して説明する。本実施例に係る燃料電池装置は、第１実施例または第２実施例と基本的には同様の構成であり、基本的には同様の作用効果を奏する。以下異なる部分を中心として説明する。本実施例においても、燃料電池８を搭載する収容室をもつ箱状のハウジング１００が設けられている。ハウジング１００は金属製の角箱形状をなしており、上方に対面する上面１０１と、側方に対面する側面１０２と、下方に対面する底面１０３と、底面１０３を設置面から持ち上げるための複数個の脚１０５とを備えている。ハウジング１００の側面１０２のほぼ全域（側面１０２の面積のうち２／３以上）、上面１０１のほぼ全域（上面１０１の面積のうち２／３以上）には、放熱フィン３１０をもつ放熱部３００が設置されている。これにより放熱フィン３１０の放熱面積が大きくされ、放熱能力が高められている。燃料電池８を冷却する冷却水が流れる冷却通路２２は放熱フィン３１０と接続されている。

上記したように燃料電池８を搭載する箱状のハウジング１００の側面１０２のほぼ全域及び上面１０１のほぼ全域に、放熱部３００が設置されているため、放熱部３００の設置面積を確保することができる。

更にハウジング１００は燃料電池８の設置機能と放熱部３００の設置機能とを併有するため、放熱部３００を設置するための設置部材も特別に必要としない。更に箱状のハウジング１００の側面１０２及び上面１０１の外面に放熱部３００が設けられているため、放熱フィン３１０と外気とを効果的に接触させることができ、冷却通路２２の冷却水２２の冷却に有利となる。

本実施例においても、冷却通路２２内の冷却水の温度が低下すれば、燃料電池８を効果的に冷却することができる。従って、従来必要とされていたラジエータファンの廃止または小型化を図り得る。

以下、本発明の実施例４について図４を参照して説明する。本実施例に係る燃料電池装置は、実施例１または実施例２と基本的には同様の構成であり、基本的には同様の作用効果を奏する。以下異なる部分を中心として説明する。箱状のハウジング１００の底面１０３には、放熱フィン３１０をもつ放熱部３００が設けられている。燃料電池８を冷却する冷却水が流れる冷却通路２２の途中部位２２ｍは放熱フィン３１０と接続されている。本実施例においても、冷却通路２２内の冷却水の温度が低下すれば、燃料電池８を効果的に冷却することができる。従って、従来必要とされていたラジエータファンの廃止または小型化を図り得る。更に放熱フィン３１０をもつ放熱部３００はハウジング１００の底面１０３のほぼ全域に設けられているため、熱い放熱フィン３１０に使用者の手指が触れることを防止することができる。更に一般的には、ハウジング１００の底面１０３付近の空気の温度は、ハウジング１００の上部付近の温度よりも低いため、放熱フィン３１０による放熱量を増加させるのに有利となる。

上記したように燃料電池８を搭載する箱状のハウジング１００に放熱部３００が設けられているため、放熱部３００の設置面積を確保することができる。更にハウジング１００は燃料電池８の設置機能と放熱部３００の設置機能を併有するため、放熱部３００を設置するための設置部材も特別に必要としない。更に箱状のハウジング１００の底面１０３の外面に放熱部３００が設けられているため、放熱フィン３１０と外気とを効果的に接触させることができ、冷却通路２２の冷却水２２の冷却に有利となる。

以下、本発明の実施例５について図５を参照して説明する。図５は、室外または室内に設置される定置形の燃料電池装置の概念図を示す。まず全体構成から説明する。燃料電池装置は、図５に示すように、燃料ガス（燃料）と水蒸気とで改質反応を生じさせて発電に適する水素含有ガスを生成する改質部１と、水素含有ガスを生成する水蒸気を生成するために原料水を蒸発させる蒸発部２と、改質部１に熱交換部３を経て燃料ガスを供給する燃料供給通路４と、改質部１で生成された水素含有ガスに含まれている一酸化炭素を除去するＣＯ除去部５と、給水源としての水道管に接続された水源６（例えば水タンク）と、水源６と蒸発部２とを接続し水源６の原料水を蒸発部２に供給する原料水供給通路７とを有する。

燃料ガスから発電に適する水素リッチな水素含有ガスである改質ガスを生成する改質系は、改質部１、蒸発部２、燃焼部１３で形成されている。燃焼部１３の熱は改質部１に伝達される。ＣＯ除去部５は、シフト反応により一酸化炭素を低減させるＣＯシフト部と、空気を用いて一酸化炭素を低減させるＣＯ選択酸化部とを有するが、これらに限定されるものではない。

本例に係る燃料電池装置は、図５に示すように、水素含有ガスである改質ガスと空気とで発電する燃料電池８と、改質部１で生成された水素含有ガスである改質ガスを弁９ａを経て燃料電池８の燃料極に供給する水素供給通路９（燃料供給通路）と、燃料電池８のポート８ｅから排出された発電後の燃料極のオフガスを弁１０ａ、凝縮部１０、弁１０ｃを経て流す燃料オフガス通路１２と、燃料オフガス通路１２に接続され燃料電池８の燃料極のオフガスを燃焼させる燃焼部１３と、燃料供給通路４と燃焼部１３とを分岐部４ｍを介して接続すると共に燃料ガスを燃焼のために燃焼部１３に供給する燃焼部連通路１４と、燃料オフガス通路１２において燃焼部１３と燃料電池８との間に位置するように設けられた凝縮部１０と、発電用の空気を燃料電池８の空気極に供給する空気供給通路１６（酸化剤供給通路）１６と、燃料電池８の空気極から排出された発電後の空気のオフガスを流して排出させる空気オフガス通路１８と、空気オフガス通路１８に設けられた加湿部２０とを有する。

図５に示すように、燃焼部連通路１４には、燃料ガスを燃焼部１３に向けて搬送するポンプ１４ｐ（燃料搬送源）が設けられている。燃料供給通路４から供給された燃料ガスは、燃焼部連通路１４を経て燃焼部１３に供給されて燃焼部１３で燃焼されるため、燃焼部１３が高温となる。よって、改質部１の温度を改質反応に適するように温度領域に維持することができ、ひいては改質部１において水素リッチな水素含有ガスである改質ガスを効果的に発生させる。

燃料供給通路４の上流の先端には燃料ガス源１５が接続されている。燃料ガス源１５は都市ガスの配管であり、メタン、プロパン、ブタン等の炭化水素を主成分とする燃料ガスを供給する。燃料供給通路４には、２個並設された弁２７、２８からなる二連弁２９、燃料ガス搬送用のポンプ４ｐ、脱硫部４ａ、弁４ｂ、合流部４ｃが設けられている。合流部４ｃは、燃料供給通路４から吐出された燃料ガスと蒸発部２で蒸発された水蒸気とを混合し、熱交換部３を介して改質部１に供給する。

前記した空気供給通路１６には空気清浄化用のフィルタ１６ａ、空気搬送用のファン１６ｂ（空気搬送源）、空気加湿用の加湿部２０が設けられている。加湿部２０は、燃料電池８の空気極に供給する酸素含有ガスである空気を加湿する。燃料電池８の電解質膜が過剰に乾燥されると、燃料電池８の発電効率が低下するためである。原料水供給通路７には、原料水浄化用のフィルタ７ａ、弁７ｂ、弁７ｃ、原料水の浄化度を高める水精製装置７ｄ、水源６、原料水搬送源としてのポンプ７ｆ、開閉制御弁７ｈが設けられている。

図５に示すように、燃料電池８の熱を奪う冷却水が流れる冷却手段として機能する冷却通路２２には、ポンプ２２ｐ（冷却水搬送源）、燃料電池８、放熱フィン３１０をもつ放熱部３００、熱交換部２３が設けられている。図５において燃料電池８の内部の冷却路８０ｍから吐出された冷却水は、放熱部３００に至り（図５においてＸ→Ｘ）に至り、更に熱交換部２３に至る（図５においてＷ→Ｗ）。

燃料電池装置全体で発生する熱を奪って湯として貯留すると共に湯温センサ２６ｎをもつ貯湯部２６が設けられている。貯湯部２６の吐出口２６ｉから延設された熱交換通路３１には、冷却水搬送用のポンプ３１ｐ（冷却水搬送手段）、凝縮部１０が設けられており、更に適宜の部位に図略の複数の熱交換部が設けられている。従って貯湯部２６から熱交換通路３１を流れた冷却水は、凝縮部１０を経て、更に適宜の部位に設けた図略の複数の熱交換部を流れ、熱交換により加熱され、熱交換部２３を経て（図５においてＹ→Ｙ）、貯湯部２６の吸入口２６ｏに帰還する。このため、貯湯部２６に貯留されている冷却水は熱を帯び、湯となる。貯湯部２６の冷却水である湯は、他の用途への給湯源として利用できる。貯湯部２６には給水源である水道から水が補給通路２６ｋを経て補給される。

図５から理解できるように、燃料電池８のポート８ｅから排出された発電後の燃料極の高温のオフガスは、弁１０ａ、凝縮部１０を経て、更に燃料オフガス通路１２を経て燃焼部１３に流れる。発電後の燃料極のオフガスは、燃料電池８の発電反応として消費されなかった未燃焼成分を有するため、燃焼部１３で燃焼されて、再利用される。

本実施例においても、図５に示すように、放熱部３００の放熱フィン３１０は空気供給通路１６において加湿部２０の上流側に配置されている。燃料電池の運転時において、ファン１６ｂが駆動すると、酸化剤としての空気は、空気吸込口１６ｓから吸入され、放熱フィン３１０に接触し、放熱フィン３１０からの放熱で予熱される。放熱フィン３１０からの放熱で予熱された空気は、空気通過口１６ｒを経て加湿部２０に至り、加湿部２０で加湿される。加湿された空気は燃料電池の空気極に供給され、発電反応に使用される。燃料電池８の電解質膜は過剰に乾燥していると、発電出力が低下する。加湿された空気が燃料電池の空気極に供給されるため、電解質膜の過剰乾燥を防止でき、燃料電池８の発電出力の確保に有利である。

即ち本実施例によれば、空気供給通路１６を流れる空気は、燃料電池８の空気極に供給される前に、放熱フィン３１０に接触して放熱フィン３１０からの放熱で予熱される。このように放熱フィン３１０により予熱された空気が燃料電池８の空気極に供給されるため、燃料電池８の発電出力を向上させるのに有利となる。殊に冬季や寒冷地で使用される燃料電池装置に適する。

更に本実施例によれば、従って、空気供給通路１６を流れる空気は、加湿部２０に供給される前に、放熱フィン３１０に接触して放熱フィン３１０からの放熱で予熱される。空気は温度が高いと、保持できる水蒸気量が増加する。したがって上記したように加湿部２０に供給する前の空気を放熱フィン３１０で予熱すれば、予熱した空気を加湿部２０に供給することができる。このため加湿部２０において空気に保持できる水蒸気量を多めにすることができる。よって燃料電池８の内部の加湿に有利である。更に加湿部２０において空気に保持できる水蒸気量を多めにすることができるため、加湿部２０のサイズの小型化にも貢献することができる。

以下、本発明の実施例６について図６を参照して説明する。本実施例に係る燃料電池装置は、実施例１または実施例２と基本的には同様の構成であり、基本的には同様の作用効果を奏する。以下異なる部分を中心として説明する。燃料電池８の運転を適切に行うためには、改質部や燃焼部等の放熱性を有する発熱部の熱を有効に利用し、冷却通路２２の冷却水を発熱部で加熱し、冷却通路２２の冷却水の温度を適温に維持することが好ましい。しかし燃料電池８の良好なる運転を維持するためには、冷却通路２２の冷却水の温度が過剰に高温化されることは好ましくない。そこで本実施例によれば、図６に示すように、発熱部からの熱を受熱した複数の熱交換器５０１〜５０３を冷却通路２２に並列的に設けている。即ち、第１熱交換器５０１、第２熱交換器５０２、第３熱交換器５０３を冷却通路２２に設けている。第１熱交換器５０１〜第３熱交換器５０３は互いに並列に配置されている。そして第１熱交換器５０１〜第３熱交換器５０３への通水及び遮水を行う第１弁６０１が設けられている。第２熱交換器５０２及び第３熱交換器５０３への通水及び遮水を行う第２弁６０２が設けられている。第３熱交換器５０３への通水及び遮水を行う第３弁６０３が設けられている。

燃料電池８の運転開始直後等のように冷却通路２２の温度が低いときには、第１弁６０１、第２弁６０２、第３弁６０３を開放し、冷却通路２２の冷却水を第１熱交換器５０１、第２熱交換器５０２、第３熱交換器５０３に流し、第１熱交換器５０１〜第３熱交換器５０３からの受熱量を増加させる。これにより冷却通路２２の冷却水は昇温される。

燃料電池８の運転に伴い冷却通路２２の冷却水の温度が上昇すると、第３弁６０３を閉鎖すると共に、第１弁６０１及び第２弁６０２を開放する。これにより冷却通路２２の冷却水を第１熱交換器５０１、第２熱交換器５０２に流し、第１熱交換器５０１及び第２熱交換器５０２から受熱する。この場合、第３弁６０３が閉鎖して第３熱交換器５０３は遮水されているため、第３熱交換器５０３からの受熱は行われない。

燃料電池８の運転に伴い冷却通路２２の冷却水の温度が更に上昇すると、第３弁６０３及び第２弁６０２を閉鎖すると共に、第１弁６０１を開放する。これにより冷却通路２２の冷却水を第１熱交換器５０１に流し、第１熱交換器５０１から受熱する。この場合、第３弁６０３及び第２弁６０２が閉鎖して第３熱交換器５０３及び第２熱交換器５０２は遮水されているため、第３熱交換器５０３及び第２熱交換器５０２からの受熱は行われない。

以下、本発明の実施例７について図７を参照して説明する。本実施例に係る燃料電池装置は、第１実施例または第２実施例と基本的には同様の構成であり、基本的には同様の作用効果を奏する。以下異なる部分を中心として説明する。燃料電池８の運転を適切に行うためには、改質部や燃焼部等の放熱性を有する発熱部の熱を有効に利用し、冷却通路２２の冷却水を発熱部で加熱し、冷却通路２２の冷却水の温度を適温に維持することが好ましい。しかし冷却通路２２の冷却水の温度が過剰に高温化されることは好ましくない。そこで本実施例によれば、図７に示すように、発熱部の熱を受熱した複数の熱交換器５０１Ｂ〜５０３Ｂを冷却通路２２に直列的に設けている。即ち、第１熱交換器５０１Ｂ、第２熱交換器５０２Ｂ、第３熱交換器５０３Ｂを冷却通路２２に直列的に設けている。そして第３熱交換器５０３Ｂへの通水及び遮水を行う第２弁６０２Ｂが設けられている。第２熱交換器５０２Ｂ及び第３熱交換器５０３Ｂへの通水及び遮水を行う第１弁６０１Ｂが設けられている。燃料電池８の運転開始直後等のように冷却通路２２の温度が低いときには、第１弁６０１Ｂ、第２弁６０２Ｂを制御して、冷却通路２２の冷却水を第１熱交換器５０１Ｂ、第２熱交換器５０２Ｂ、第３熱交換器５０３Ｂのすべてに流し、第１熱交換器５０１Ｂ〜第３熱交換器５０３Ｂからの受熱量を増加させる。

燃料電池８の運転に伴い冷却通路２２の冷却水の温度が上昇すると、第１弁６０１Ｂ及び第２弁６０２Ｂを制御して第１熱交換器５０１Ｂ及び第２熱交換器５０２Ｂへの通水を許容するものの、第３熱交換器５０３Ｂへの通水を停止する。これにより冷却通路２２の冷却水を第１熱交換器５０１Ｂ、第２熱交換器５０２Ｂに流し、第１熱交換器５０１Ｂ及び第２熱交換器５０２Ｂから受熱する。この場合、第３熱交換器５０３Ｂは遮水されているため、第３熱交換器５０３Ｂからの受熱は行われない。

燃料電池８の運転に伴い冷却通路２２の冷却水の温度が更に上昇すると、第１弁６０１Ｂを制御して第１熱交換器５０１Ｂへの通水を許容するものの、第２熱交換器５０２Ｂ及び第３熱交換器５０３Ｂへの通水を停止する。これにより冷却通路２２の冷却水を第１熱交換器５０１Ｂに流し、第１熱交換器５０１Ｂから受熱する。この場合、第２熱交換器５０２Ｂ及び第３熱交換器５０３Ｂは遮水されているため、第２熱交換器５０２Ｂ及び第３熱交換器５０３Ｂからの受熱は行われない。

（その他）
本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
（付記項１）各請求項において放熱性をもつ複数個の熱交換器が並列または直列に冷却通路に設けられており、各熱交換器への通水及び遮水を行う弁が設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
（付記項２）燃料極、酸化剤極を有すると共に冷却水（冷却媒体）が流れる冷却路を有する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給通路と、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、前記燃料電池の冷却路に繋がると共に前記燃料電池を冷却する冷却水（冷却媒体）が流れる冷却通路と、前記冷却通路内の冷却水（冷却媒体）を搬送して前記冷却通路に沿って流す冷却水搬送源（冷却媒体搬送源）とを具備しており、
前記放熱部の放熱フィンは前記酸化剤通路の途中部位に配置されており、前記酸化剤供給通路を流れる酸化剤は、前記燃料電池の酸化剤極に供給される前に、前記放熱フィンからの放熱で予熱されることを特徴とする燃料電池装置。この場合、冷却水の熱で酸素含有ガス等の酸化剤を、燃料電池の酸化剤極に供給する前に予熱することができ、冬季や寒冷地等においても発電反応を良好に行うのに有利となる。

実施例１に係り、燃料電池装置を模式的に示す概念図である。 実施例２に係り、燃料電池装置を模式的に示す概念図である。 実施例３に係り、放熱フィンを有する放熱部の設置形態を模式的に示す斜視図である。 実施例４に係り、放熱フィンを有する放熱部の設置形態を模式的に示す斜視図である。 実施例５に係り、燃料電池装置の配管図である。 実施例６に係り、発熱部の熱を受熱した熱交換器を冷却通路に設けた形態を示す配管図である。 実施例７に係り、発熱部の熱を受熱した熱交換器を冷却通路に設けた形態を示す配管図である。

符号の説明

図中、８は燃料電池、８０ａは電解質膜、８０ｂは燃料極、８０ｃは空気極（酸化剤極）、８０ｍ冷却路、４は燃料供給通路、１６は空気供給通路（酸化剤供給通路）、２２は冷却通路、２２ｐはポンプ（冷却水搬送源）、３１０は放熱フィン、３００は放熱部、２２１は第１通路、２２２は第２通路、２２７は切替弁を示す。

Claims (6)

1. 燃料極、酸化剤極を有すると共に冷却水が流れる冷却路を有する燃料電池と、
   前記燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給通路と、
   前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、
   前記燃料電池の冷却路に繋がると共に前記燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却通路と、
   前記冷却通路内の冷却水を搬送して前記冷却通路に沿って流す冷却水搬送源と、
   前記燃料電池を搭載する箱状のハウジングとを具備しており、
   前記冷却通路に設けられ前記冷却通路内の冷却水を放熱させる放熱フィンをもつ放熱部が前記ハウジングに設置されていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 請求項１において、前記放熱部の放熱フィンは前記酸化剤通路の途中部位に配置されており、前記酸化剤供給通路を流れる酸化剤は、前記燃料電池の酸化剤極に供給される前に、前記放熱フィンからの放熱で予熱されることを特徴とする燃料電池装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤を前記燃料電池の酸化剤極に供給する前に加湿する加湿部が前記酸化剤供給通路に設けられており、前記放熱部の放熱フィンは前記酸化剤供給通路において前記加湿部の上流側に配置されており、
   前記酸化剤供給通路を流れる酸化剤は、前記加湿部に供給される前に、前記放熱フィンからの放熱で予熱されることを特徴とする燃料電池装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項において、前記冷却通路は、前記放熱部を通る第１通路と、前記放熱部を通らない第２通路と、前記第１通路を流れる冷却水の量と前記第２通路を流れる冷却水の量とを変化させる切替弁とを有し、
   前記切替弁は、前記燃料電池の温度が相対的に低いとき前記第２通路を流れる冷却水の量を増加させると共に、前記燃料電池の温度が相対的に高いとき前記第１通路を流れる冷却水の量を増加させることを特徴とする燃料電池装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項において、前記放熱部は前記ハウジングの底面、側面、上面のうちの少なくとも一つに設置されていることを特徴とする燃料電池装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項において、前記放熱部は前記ハウジングに伝熱可能に設置されており、前記ハウジングは放熱性を有することを特徴とする燃料電池装置。

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