JP2009038038A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池装置の設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、燃料電池装置から発生する騒音を低減する。
【解決手段】燃料電池装置の内部機器として、例えば空気供給装置１などモータなどにより動力を得る機器が備えられている場合、空気供給装置１から発生した振動が、基台42や空気供給用の管路45等の配管に伝播すると、ビビリ音などの異常音が発生する。振動吸収部材56及びゴムホース47は前記振動の伝播を抑制するものであり、基台42への伝播は基台42との間に設けられた振動吸収部材56により吸収され、一方吐出口43から管路45への伝播は、ゴムホース47により吸収されることにより、空気供給装置１に起因する振動の伝播を断つことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置に関する。

近年、新発電システムの一つとして、小容量分散発電が容易であり、ＮＯＸやＳＯＸなどの有害物質の発生がなく、しかも低騒音というメリットを有する電解質膜と触媒とを利用した燃料電池装置が考えられている。

こうした燃料電池装置は、例えば特許文献１などに開示されているように、燃料ガスである天然ガスなどから水素ガスを生成する改質装置と、この水素ガスと酸化剤としての酸素（気体）との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池と、この燃料電池に酸素（気体）を供給する気体装置（気体ブロア）と、燃料電池で発生した電気エネルギーを商用電圧・周波数に変換する電力変換装置（インバータ）と、熱交換器を具備し燃料電池や改質装置で発生する熱を回収して他の排熱利用外部機器に熱を供給する熱回収装置と、本体（パッケージ）内を換気する送風装置（換気ファン）と、排熱を利用しない場合の冷却に使用する放熱装置（クーリングモジュール）とにより基本的に構成される。

また、上記基本的な構成において、各々の構成要素を円滑に動作させるために、天然ガスを昇圧するブロアや、天然ガスの硫黄分を除去する脱硫器や、改質装置に水（蒸気）を送るポンプや、燃料電池の電解膜質を加湿するために、この燃料電池に水を送るポンプや、水中の不純物を除去する浄化装置や、水の電解質を除去するイオン交換装置や、燃料ガス，空気，水の流量を電磁弁で制御する制御部としてのコントローラなどの、様々な補助機器が配置され、配管や配線によって物理的および電気的に接続されている。
特開２００２−２１６８２８号公報

このような燃料電池装置を家庭用の発電機として使用する場合、燃料電池装置は大きな設置スペースが必要となるため、屋外に設置されることが一般的であり、また家庭で使用する電力の一部若しくは全部を賄うため、終日運転することが普通である。そのため、燃料電池装置の運転時に大きな騒音が発生すると、使用者のみに止まらず、近隣住民にも不快感を与えることとなる。したがって、昼間においてはもちろんのこと、特に夜間においては、使用者や近隣住民に与える不快感を一掃するために燃料電池装置の低騒音化が不可欠となっている。

燃料電池装置から発生する騒音の多くは、燃料電池装置の構成機器である前記気体装置に起因し、吸気音や、運転時に発生する振動が配管や外郭などへ伝播することにより、燃料電池装置から大きな騒音が発生する。そのため、燃料電池装置の騒音源である気体装置の騒音を抑えることが必要である。

上記問題を解決する方法として、前記気体装置と例えば前記燃料電池などの気体供給先の機器とを接続する配管の直径を太くすることにより、圧力損失を低減し、該気体装置を構成するモータの出力を下げる方法が有る。このようにすれば、前記モータの出力が下がるため、該気体装置の振動を低減することができる。したがって、該気体装置に接続された配管や、燃料電池装置の外郭に伝播する振動を低減することができると同時に、気体を吸気するときの圧力が低減されるため、吸気音を低減することができる。

しかし、上記方法では、前記気体装置と気体供給先の機器とを接続する配管を太くすることにより、ユニットが大型化するという問題がある。そのため、より多くの設置スペースが必要となり、家庭用として使用する場合では、設置スペースが確保できないなどの弊害が発生することとなる。また、前記モータの出力を下げることにより、気体装置の気体供給量が減少するため、燃料電池装置の発電出力の低下や発電効率の低下を招来するという問題がある。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、発生する騒音を低減することが可能な燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１における燃料電池装置では、振動吸収部材を介して気体装置を外郭に固定する構成としている。したがって、気体装置で発生した振動（ビビリ音などの異常音）は振動吸収部材により吸収されることになり、外郭に伝播しないため、モータの出力を下げることなく、燃料電池装置本体の振動音を抑制することができる。また、管路の一部若しくは全部を柔軟性部材により構成しており、気体装置の振動が管路に伝播しても、該振動が柔軟性部材により吸収されるため、管路の振動音をも抑制することができる。以上から、振動吸収部材を付加し、管路を柔軟性部材により構成しただけで、燃料電池装置の設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、燃料電池装置から発生する騒音を低減することが可能となる。

本発明の請求項２における燃料電池装置では、気体装置の吸気部に防音部を取り付ける構成としている。したがって、防音部を付加するだけの簡単な構成で、気体装置のモータの出力を下げることなく、空気を吸気する時に発生する吸気音を抑制することができるため、燃料電池装置の設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、燃料電池装置から発生する騒音を低減することが可能となる。

本発明は、以上説明したようなものであるから、以下に記載されるような効果を奏する。

本発明の請求項１における燃料電池装置によれば、振動吸収部材を付加し、管路を柔軟性部材により構成しただけで、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、気体装置から発生する振動音を抑制することが可能になる。

本発明の請求項２における燃料電池装置によれば、防音部を付加するだけの簡単な構成で、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、気体装置の吸気音を低減することが可能になる。

以下、本発明における燃料電池装置の一実施例について、添付図面を参照しながら説明する。図１は本実施例の装置全体を表したブロック構成図である。同図において、１は酸化剤ガスとして空気（酸素）を供給する気体装置としての空気供給装置、２は天然ガスなどの燃料ガス（原燃料）から水素ガスを生成する改質装置である。３は空気供給装置１から供給される酸素と改質装置２から供給される水素ガスを電気化学反応させることにより発電を行う燃料電池である。また４は、燃料電池３で発生した電気エネルギー（直流電力）を商用電圧・周波数の交流電力に変換する電力変換装置としてのインバータである。ところで、改質装置２や燃料電池３では後述するように熱が発生するが、これらの熱は、排熱利用熱交換器である回収装置、すなわち熱回収装置５により回収され、熱交換器６に接続可能な外部の熱利用機器である例えば床暖房機器や温水器などの熱利用外部機器に供給される。その他、これらの各構成要素を円滑に動作させるために、例えばポンプ、電磁弁、そして前記ポンプ及び前記電磁弁などを制御する制御機器としてのコントローラなどの補助機器８が設けられている。

次に、本実施例における燃料電池装置の主要部について、より詳細な構成を図２に基づき説明する。同図において、前記改質装置２は、燃料ガスを昇圧する昇圧ブロア11と、この昇圧ブロア11の吐出口に接続される活性炭などからなる脱硫器12と、脱硫器12の出口に接続され、触媒からなる改質部（図示せず）と該改質部を加熱するバーナー部とにより構成される改質器13と、改質器13の出口に接続される触媒からなるＣＯシフト反応器14と、ＣＯシフト反応器14の出口に接続される触媒からなるＣＯ選択酸化反応器15とを、順に接続して構成される。また、ＣＯ選択酸化反応器15の出口は燃料電池３のアノード17に接続され、アノード17の出口は改質器13のバーナー部に接続される。

前記燃料電池３は、触媒を担持した電極としてのアノード17とカソード18との間に、固体高分子からなる電解質膜19を挟持するとともに、アノード17及びカソード18のそれぞれに燃料ガスや空気を送り込むための流路を形成したセパレータ（図示せず）を備えて構成される。また21は、前記空気供給装置１を構成する空気ブロアで、この空気ブロア21の吐出口は、燃料電池３のカソード18、改質器13のバーナー部、ＣＯ選択酸化反応器15へそれぞれ接続される。

また、改質器13を構成するバーナー部の排ガス出口は、水蒸気発生用熱交換器22の入口に接続される。そして、この改質器13のバーナー部からの排ガスは、水蒸気発生用熱交換器22を経由し、改質装置２のガス口であるバーナー排ガス出口23からバーナー排ガス配管24を通過して、熱回収装置５のガス口であるバーナー排ガス入口25に送り出されるようになっている。またこれとは別に、燃料電池３を構成するカソード18の出口であるカソード排ガス出口26が、カソード排ガス配管27により熱回収装置５のガス口であるカソード排ガス入口28に接続される。30は熱回収装置５の液相部に接続される水ポンプで、その吐出口は２方向に分岐され、一方の吐出口は燃料電池３に接続され、他方の吐出口は改質装置２を構成する水蒸気発生用熱交換器22を経由して、改質器13の入口に接続される。

32は市水の流量を制御する電磁弁であり、その出口は熱回収装置５の熱交換器６を経由して、熱利用機器７である温水器33の温水入口34に接続される。また35は、温水器33の温水出口である。36は温水器33の冷水出口であり、この冷水出口36は循環ポンプ37を経由して熱回収装置５の熱交換器６に接続される。循環ポンプ37は、温水器33の冷水を熱回収装置５に送り込むものである。その他、この図２には開示していないが、ガス、空気及び水の流れや温度を制御するためのセンサ、コントローラ及び開閉器（例えば電磁弁）などの補助機器８や、燃料電池３で得た直流発電電力を交流電力に変換するインバータ４や、装置の運転を制御する制御装置なども、本装置内に配置及び接続されている。

図３は燃料電池装置本体の要部断面図である。41は燃料電池装置のパッケージ外郭を構成する外郭パネルであり、その底部をなす基台42上部には空気ブロア21などから構成される空気供給装置１や、改質装置２、燃料電池装置３などがそれぞれ配置される。空気ブロア21の吐出口43の少なくとも一箇所は、燃料電池３のカソード入口44と配管接続され、空気供給装置１から燃料電池３のカソード18に空気を供給する管路45を形成している。なお、空気供給用の管路45の一部は柔軟性のあるゴムホース47で接続されている。

図４は図３の空気供給装置１周辺の拡大図であり、空気ブロア21は、振動防止ゴムからなる振動吸収部材56を介して基台42に固定されており、空気が送り出される空気ブロア21の吐出口43には、継手54を介してステンレスパイプ55の一方の端部が取付けられる。そして、ステンレスパイプ55の他方の端部には、柔軟性のあるゴムホース47の一端が接続され、ゴムホース47の他端が燃料電池３のカソードへ接続される。

図５は図４において空気供給装置１を外郭パネル41の正面方向より見た要部断面図であり、空気供給装置１に空気を取り入れる空気ブロア21の吸気口61には、この空気供給装置61の吸気部として、接続配管62を介して下向きの開口部63Ａを有する筒状の容器63が配管接続される。なお、容器63の内面（空気流入側）には、筒状状態のポリウレタンフォーム又はポリエチレン系樹脂などからなる防音材としての吸音材64が取付けられている。そして、空気ブロア21を構成するモータ21Ａを通電し、この空気ブロア21の風洞21Ｂ内に設けられたファン21Ｃが回転すると、容器63の開口部63Ａから（図５参照）接続配管62を経由して空気ブロア21の吸気口61に空気が取り込まれ、風洞21Ｂから空気ブロア21の吐出口43を通って燃料電池３のカソード18に空気が供給されるようになっている。

次に、上記構成についてその作用を説明する。燃料電池装置としての運転を開始すると、燃料ガスが改質装置２の昇圧ブロア11に入って昇圧され、脱硫器12に送り出される。ここで燃料ガスに含まれる硫黄分が脱硫剤の吸着作用により取り除かれる。なお、本実施例では脱硫剤として活性炭を用いたが、他の触媒を用いてもよく、要するに燃料ガス中に含まれる硫黄分を除去できればよい。脱硫器12により硫黄分を除去する目的は、その後の改質器13などの触媒が燃料硫黄分により劣化するのを防止することにある。

脱硫器12を通過した燃料ガスは、水蒸気発生用熱交換器22で発生した水蒸気と混合され、改質器13の改質部に入る。この改質部はバーナー部により約750℃前後に加熱されており、燃料ガスはここで触媒の作用により水素ガスと炭酸ガス（二酸化炭素）とに変化する。しかし、ここで生成したガスには、一酸化炭素も若干含まれているが、後述する固体高分子型の燃料電池３は、一酸化炭素によりその性能が著しく低下するため、一酸化炭素の濃度を一定値以下にする必要がある。

改質器13を通過した燃料ガスは、次のＣＯシフト反応器14に入り、ここでも触媒の作用により一酸化炭素は水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変化し、一酸化炭素の濃度はかなり低いレベルにまで低下する。ＣＯシフト反応器14を通過した燃料ガスは、さらにＣＯ選択酸化反応器15に入り、空気ブロア21により送り込まれた空気（酸素）と混合され、その中に含まれる一酸化炭素が触媒の作用により二酸化炭素に変化する。この時点で初めて燃料電池３に悪影響を及ぼさない濃度まで、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を下げることができる。

ＣＯ選択酸化反応器15を通過した燃料ガスは、燃料電池３の一方の電極であるアノード17に送り込まれる。また、他方の電極であるカソード18には、空気ブロア21により空気（酸素）が送り込まれる。アノード17の水素は触媒の作用によりイオン化し、電解膜質19を通ってカソード18側の酸素と結び付く。これにより、水が生成されると同時に反応熱が発生する。またこの電気化学反応によって、アノード17にマイナス極、カソード18にプラス極の電位が生じ、燃料電池３より電力を取り出すことができる。

アノード17を通過した燃料ガスは、大部分の水素ガスが消費されているが、まだかなりの濃度で水素ガスを含んでおり、これを改質部13のバーナー部に戻して、空気ブロア21により送り込まれた空気と混合させ、バーナー部で燃焼する。これにより、残留する水素ガスを改質部の昇温に用いることができる。

カソード18を通過した空気は、燃料電池３で発生した水（水蒸気）と熱を有しており、これを燃料電池３のカソード排ガス出口26からカソード排ガス配管27を経て熱回収装置５に通過させることにより水に戻し、水ポンプ30によって燃料電池３のアノード17に送り込むことで、固体高分子膜（電解質膜19）の加湿および燃料電池３の冷却に使用する。同じく水ポンプ30により、水蒸気発生用熱交換器22に送り込まれた水は、改質器13のバーナー部から排出されるバーナー排ガスによって加熱され、水蒸気となって昇圧ブロア12からの燃料ガスと共に改質器13の改質部に入る。

次に、熱利用外部機器７の動作について説明する。先ず、燃料電池装置を運転する前に電磁弁32を開放し、市水を温水器33に満たしておく。その後、燃料電池装置の運転を開始すると循環ポンプ37が作動し、この循環ポンプ37によって温水器33の冷水が冷却出口36から熱回収装置５の熱交換器６に送り込まれ、燃料電池３のカソード18や改質器13のバーナー部からの排ガスの熱エネルギーを貰って温水となる。この温水は熱回収装置５から温水入口34に送り出され、再び温水器33に戻る。温水器33の内部は水温の違いにより２層状態となっており、温水は貯水槽の上層に、冷水は貯水槽の下層に位置している。ここで貯水槽の上部に取付けられた温水出口35を開放することにより、熱交換装置５を利用して得た温水を使用することが可能になる。

ところで、空気供給装置１や水ポンプ30等は内部に動力としてのモータを備えているため、運転時すなわち前記モータの駆動時には大きな振動や運転音が発生し騒音となる。特に空気供給装置１は燃料電池３のカソード18、改質器13のバーナー部、ＣＯ選択酸化反応器15に空気を供給するための大きな出力が要求されるので、その騒音も出力に伴い増大することとなる。

以下、このような燃料電池装置の内部機器により発生する騒音を低減するために構成された、本実施例における種々の措置について説明する。

前記燃料電池装置の内部機器により発生する騒音を低減するための第一の措置が、振動吸収部材56及びゴムホース47である。これは、燃料電池装置の特に空気供給装置１における振動音に着目したものである。燃料電池装置の内部機器として、例えば空気供給装置１などモータなどにより動力を得る機器が備えられている場合、空気供給装置１から発生した振動が、基台42や空気供給用の管路45等の配管に伝播すると、燃料電池装置の構成機器と構成部材とによる衝突や、該振動自体などによりビビリ音などの異常音が発生する。振動吸収部材56及びゴムホース47は前記振動の伝播を抑制するものであり、基台42への伝播は基台42との間に設けられた振動吸収部材56により吸収され、一方吐出口43から管路45への伝播は、ゴムホース47により吸収されることにより、空気供給装置１に起因する振動の伝播を断つことができる。本実施例では管路45の一部を柔軟性を有するゴムホース47により構成しているが、管路45の全部をゴムホース47により構成してもよく、ゴムホース47はもちろんゴム以外の柔軟性部材を使用してもよい。また、振動吸収部材56は振動を吸収する特性を有する材質のものに限らず、例えばバネやショックアブソーバーなどの形状的又は機構的に振動を吸収する部材により構成してもよい。さらに、酢酸ビニルまたはブチルゴムなどからなる制振部材を空気供給装置１などの振動源に直接貼着してもよく、この場合制振部材の制振作用により振動源の振動自体が抑制されるため、空気供給装置１ひいては燃料電池装置の騒音を低減することができる。

前記燃料電池装置の内部機器により発生する騒音を低減するための第二の措置が、筒状容器63に取り付けられた吸音材64である。これは、空気供給装置１の吸気音に着目したものである。空気供給装置１は、空気ブロア21に内蔵したモータ21Ａを動力としてファン21Ｃを回転することにより、風洞21Ｂ内に空気を吸気している。その際、空気の吸気部分（空気流入口）では、空気が容器63の開口部63Ａから接続配管62に勢いよく流入することにより吸気音が発生する。吸音材64はこのような吸気音を抑制するものであり、吸音材64を備えた容器63を介して空気を吸気することにより、吸気音は吸音材64により吸収され、空気供給装置１ひいては燃料電池装置の外部へ騒音を発生させることはない。本実施例では吸音材64を筒状容器63内面（空気流入側）に取り付けているが、もちろん筒状容器63の外面に貼り付けても同様の効果を得ることができ、接続配管62並びに筒状容器63を防音材により構成してもよい。

以上のように、本実施例では、空気供給装置１を振動吸収部材56を介して外郭である基台42に固定し、空気供給装置１の吐出口43と空気供給先の機器を接続する管路45の一部若しくは全部を柔軟性部材であるゴムホース47により構成している。

このようにすると、空気供給装置１で発生した振動は振動吸収部材56により吸収されることになり、空気供給装置１の振動（ビビリ音などの異常音）が外郭に伝播しないため、空気供給装置１を構成するモータ21Ａの出力を下げることなく、燃料電池装置本体の振動音を抑制することができる。また、空気供給装置１の振動が管路45に伝播しても、該振動がゴムホース47により吸収されるため、管路45の振動音をも抑制することができる。こうして、振動吸収部材56を付加し、管路45をゴムホース47で構成するだけで、設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、空気供給装置１ひいては燃料電池装置から発生する騒音を低減することが可能となる。

また、本実施例では、空気供給装置１の吸気部である筒状の容器63に、吸音材64を備えて空気を吸気する構成としている。

このようにすると、空気供給装置１の吸気部である容器63で発生した吸気音は吸音材64により吸収され、燃料電池装置の外部へ騒音を発生させることはない。すなわち、防音材を付加するだけの簡単な構成で、空気供給装置１のモータ21Ａの出力を下げることなく、空気供給装置１が空気を吸気する時に発生する吸気音を抑制することができるため、燃料電池装置の設置スペースや発電能力に影響を及ぼすことなく、空気供給装置１ひいては燃料電池装置から発生する騒音を低減することが可能となる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、実施例では固体高分子型の燃料電池装置について説明したが、溶融炭素型や固体酸化物型などの他の発電方式でも構わない。また、吸音材の代わりに遮音材や制振材などの各種防音材が使用できるのは言うまでもない。さらに、空気ブロア21内を通る空気の通路に例えば吸音材などの防音材を取り付ければさらに高い防音効果を得ることができる。

本発明の第１実施例における燃料電池装置のブロック構成図である。 同上、燃料電池装置の構成を示す概略説明図である。 同上、燃料電池装置の要部断面図である。 図３における空気供給装置周辺の拡大図である。 図４における空気ブロアをパッケージ外郭の正面方向より見た一部切欠き断面図である。

符号の説明

１ 空気供給装置（気体装置）
42 基台（外郭）
43 吐出口
45 管路
47 ゴムホース（柔軟性部材）
56 振動吸収部材
63 容器（吸気部）
64 吸音材（防音部）

Claims (2)

1. 電気化学反応により発電を行う燃料電池装置において、振動吸収部材を介して空気供給装置を外郭に取付けると共に、管路の一部若しくは全部を柔軟性部材により構成したことを特徴とする燃料電池装置。
2. 電気化学反応により発電を行う燃料電池装置において、空気供給装置の吸気部に防音部を取り付けたことを特徴とする燃料電池装置。

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