JP2012043666A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、下から吹き上げる雨の本体内部への侵入を防止し、吸排気を補助するファンの動作音を低減すると共に、美観を高める吸排気口部を提供すること。
【解決手段】本体パッケージ１内に配され吸気もしくは排気を行うファン１２と、ファン１２より下方の本体パッケージ１に形成される開口に配置される開口部材９、１１と、開口部材９、１１に形成されるルーバー部１４、１７、とを有し、ルーバー部１４、１７は、本体パッケージの外側から内側に向かって上方に傾斜しながら形成される板部１５を複数有し、板部１５の中央部が上に凸となる曲面で形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料ガスと空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池システムに関するものである。

従来の燃料電池システムは、本体パッケージ内に原料ガスである天然ガスなどから燃料ガスを生成する改質器と、この燃料ガスと空気中の酸素（酸化剤ガス）との電気化学的反応により発電を行う燃料電池スタック（以降、「スタック」という。）と、を有している。さらに、燃料電池システムは、スタックで発生した電気エネルギーを商用の電圧・周波数に変換する電力変換回路（以降、「インバータ」という。）と、本体パッケージ内の換気を行って本体パッケージ内の温度上昇を抑制する換気装置と、スタックや改質器を円滑に作動させるための補助機器とを有している（例えば、特許文献１参照）。

図３は、前記特許文献１に記載された従来の燃料電池システムを示すものである。

図３に示すように、燃料電池システムは、本体パッケージ１０１と、改質器１０２と、スタック１０３と、インバータを有する制御部１０４と、補助機器１０５と、有している。さらに、燃料電池システムは、排気口１０６と、本体パッケージ１０１内に空気を吸い込むための吸気口１０７とを有している。

具体的には、本体パッケージ１０１内において、左端に改質器１０２が配置されており、右下に補助機器１０５が配置され、その補助機器１０５の上部にスタック１０３と制御部１０４が縦に順に並んで配置されている。本体パッケージ１０１の上部にはスリット状の穴を有した排気口１０６が設けられている。また、本体パッケージ１０１の両側面の下部にはルーバー状の吸気口１０７が設けられている。

特許第３９４５９７８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、本体パッケージにルーバー状の穴を空けている為、下から吹き上げる雨は容易に本体内に浸入してしまうという課題を有していた。本体内に浸入した雨水が補機類に付着すると、漏電の危険や腐食による故障等の原因となることから、雨水の侵入を防止する必要がある。

また、本体パッケージ内の吸排気を補助する目的で排気口や吸気口近傍にファンを取り付けることも想定されるが、従来の構成ではファンの動作音により燃料電池本体稼動時の騒音が大きくなってしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池本体内への雨水の浸入を抑制し、且つ、吸排気用のファン動作音を低減させる吸排気口を有している燃料電池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、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを
用いて発電を行なう燃料電池と、
原料と水とを反応させて水素を主成分とする燃料ガスを生成する改質部と、
燃焼用ガスを燃焼させ改質部を加熱する燃焼部と、
燃料電池及び燃焼部のうちの少なくとも一方に空気を供給する空気供給手段と、
燃料電池と改質部と燃焼部と空気供給手段とを内部に有する本体パッケージと、
本体パッケージ内に配され換気を行うファンと、
ファンより下方の位置の本体パッケージに形成される開口部と、
開口部に配置され、吸気もしくは排気の空気の流れを案内するルーバー部と、
を有し、
ルーバー部は、本体パッケージの外側から内側に向かって上方に傾斜しながら形成される板部を複数有し、板部の中央部が上に凸となる曲面で形成されている、
ものである。

これによって、吸排気口部からの燃料電池本体内への雨水の浸入を防止することができる。さらに、ルーバー部のリブに角度をつけ、略円弧形状に形成することで、空気の流れを円滑にすることができ、吸排気のファンの動作音を低減させることができる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池本体内への雨水の浸入を防止し、且つ、吸排気用のファン動作音を低減させる吸排気口を有した燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの排気口部材近傍の斜視図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの排気口部材近傍の断面図 従来の燃料電池システムの構成図

第１の形態の燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを用いて発電を行なう燃料電池と、
原料と水とを反応させて水素を主成分とする燃料ガスを生成する改質部と、
燃焼用ガスを燃焼させ改質部を加熱する燃焼部と、
燃料電池及び燃焼部のうちの少なくとも一方に空気を供給する空気供給手段と、
燃料電池と改質部と燃焼部と空気供給手段とを内部に有する本体パッケージと、
本体パッケージ内に配され換気を行うファンと、
ファンより下方の本体パッケージに形成される開口に配置される開口部材と、
開口部材に形成されるルーバー部と、
を有し、
ルーバー部は、本体パッケージの外側から内側に向かって上方に傾斜しながら形成される板部を複数有し、板部の中央部が上に凸となる曲面で形成されている、ものである。

これにより、燃料電池本体内への雨水の浸入を防止し、且つ、吸排気のファンの動作音を低減させることができる。

第２の形態の燃料電池システムは、第１の形態の燃料電池システムにおいて、本体パッケージが金属で形成され、開口部材が樹脂で形成されていることにより、樹脂成型品の着色や、成型品表面にシボや塗装等を施すことで、より本体の美観を高めることができる。本体内部で部品等の故障により火災が発生した際に、類焼を防止することができ、安全性を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。また、以下の説明では、同一または相当部分に同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図を示すものである。

図１において、本体パッケージ１は、燃料電池システム本体の外郭を形成する金属製のパッケージである。本体パッケージ１の内部は、改質部３やスタック５とその周辺の構成要素を内部に収納している。本体パッケージ１は、例えば、金属製の板と梁で構成される。本体パッケージ１の上面には天板２がネジ等で着脱可能に取り付けられている。天板２は、本実施の形態では着脱可能に構成されているが、着脱できない構成としてもよい。

改質部３は、原料である都市ガスやＬＰＧから、水素を主成分とする燃料ガスを生成し、生成した燃料ガスをスタック５へ供給する。改質部３は、原料と水とを反応させる触媒部と、この改質部を加熱するバーナー４を有しており、本体パッケージ１内の下部に配置される。

スタック５は、固体高分子電解質膜の両側を、触媒を担持した燃料極と空気極とで挟み込んだセルを複数有している。さらに、セルは、燃料極及び空気極にそれぞれ燃料ガスと空気とを送り込むための流路が形成されているセパレータで挟持して構成される。スタック５は、セルを複数集合化して構成され、本体パッケージ１内の改質部３の斜め上方に配置される。

制御部６は、１００Ｖ以上を扱う高電圧回路と低電圧回路とを有している。高電圧回路は、本体パッケージ１の外部の商用電源に接続されるとともにスタック５で発電される直流電力を交流電力に変換して商用電源に接続された負荷に供給するインバータと、交流商用電源を直流低電圧に変換する電源回路とを有している。低電圧回路は、本体パッケージ１内の改質部３やスタック５等の各装置を制御する。低電圧回路は、例えば、商用電源に接続された負荷の消費電力に基づいて、後述する第１の補助機器７である原料ガス配管から改質部３に供給される原料ガスの流量を調整することで、燃料電池システムにおける発電電力の制御、改質部３、及びスタック５の温度制御を行っている。制御部６は、本体パッケージ１内のスタック５の上方に配置される。

第１の補助機器７は、改質部３やスタック５を円滑に作動させるための装置や配管を有しており、制御部６により温度制御されない装置や配管で構成される。第１の補助機器７として、例えば、外部から供給される原料ガスを改質部３に搬送する原料ガス配管、原料ガスの供給を制御する制御弁、原料ガスを昇圧して改質部３に送るガス昇圧ポンプ、スタック５に空気を供給するための空気ブロワ、スタック５に空気を搬送する空気配管がある。さらに、第１の補助機器７として、例えば、貯湯槽から供給される水を搬送し、貯湯槽へ供給する湯を搬送させる貯湯配管、貯湯配管内で水を循環させる循環ポンプ、改質部３からの排ガスの熱を回収し貯湯槽へ供給する水に伝達する熱交換器、スタック５で反応に使われなかった燃料ガス（排燃料ガス）を搬送する排燃料ガス配管、排燃料ガスから得られる凝縮水を蓄積する凝縮水タンク、フィルターなどからなる空気浄化装置、イオン交換樹脂からなるイオン交換装置などがある。

第１の補助機器７は、改質部３の横で、且つスタック５の下方に配置される。第１の補助機器７は、本体パッケージ１の外部に設けられる貯湯槽と、貯湯槽から水が供給され、
貯湯槽へ湯を排出する貯湯配管により接続されている。また、第１の補助機器７は、本体パッケージ１の外部と都市ガスなどの原料が供給される原料ガス配管で接続されている。

第２の補助機器８は、改質部３やスタック５を円滑に作動させるための装置や配管で構成され、制御部６により温度制御されない装置や配管で構成される。第２の補助機器８は、例えば、空気や原料ガスや燃料ガスなどの気体を扱う装置や配管で構成された部分、水を扱う装置や配管で構成された部分、とを有している。

第２の補助機器８の中で気体を扱う装置や配管としては、例えば、改質部３で生成された燃料ガスをスタック５に搬送するための燃料ガス配管、第１の補助機器７である空気ブロワから供給される空気をスタック５に搬送するための空気配管、スタック５に搬送される空気や燃料ガスの量を制御する制御弁、スタック５から排出される空気を搬送するための空気配管、スタック５で反応に使われなかった燃料ガス（排燃料ガス）を改質部３に供給する排燃料ガス配管などがある。

第２の補助機器８の中で水を扱う装置や配管としては、例えば、スタック５での燃料ガスと酸素の化学反応によって発生する熱によるスタック５の温度上昇を防ぐための冷却水を搬送するための冷却水配管、冷却水配管内に冷却水を循環するための循環ポンプ、スタック５での化学反応により温められた冷却水から熱を回収し、貯湯槽へ供給する水に伝達するための熱交換器、改質部３に原料ガスの改質反応のために必要な水を搬送するための改質水ポンプ、改質水ポンプから改質部３に搬送される水の量を制御する制御弁などがある。

なお、図示しないが第１の補助機器７と第２の補助機器８の間は燃料ガス配管、空気配管、水配管、貯湯配管などで接続される。

開口部材の一つであり樹脂で形成される吸気口部材９は、本体パッケージ１の下部に設けられている開口である吸気口１８に配置される。吸気口部材９は、本体パッケージ１内部の換気を行うために外気を吸入するためのルーバー形状を有した吸気ルーバー部１４を有している。吸気口部材９は、外側から本体パッケージ１に取付けられ、本体パッケージ１の内側には吸気口部材９と対向する位置に吸気口カバー１０が本体パッケージ１の側面を挟み込む形で取付けられている。吸気口部材９は第１の補助機器７の下方の本体パッケージ１に構成される。吸気ルーバー部１４は、複数の板部１５を有している。板部１５は、本体パッケージの外側から内側に向かって上方に傾斜しながら形成され、中央部が上に凸となる曲面で形成されている。そのため、吸気ルーバー部１４は、吸気される空気の流れを円滑にし、圧損を低減することができる。

開口部材の一つであり樹脂で形成される排気口部材１１は、本体パッケージ１内部の換気を行うために外部に排気するためのルーバー形状の排気ルーバー部１７を有しており、排気用のファン１２より下方の本体パッケージ１の側面に形成される開口部である排気口１６に配置される。排気口部材１１は、外側から本体パッケージ１に取付けられる。さらに、排気口カバー１３が、本体パッケージ１の内側には排気口部材１１と対向する位置で、本体パッケージ１の側面を挟み込むようにして取付けられている。この時、排気用のファン１２は排気口部材１１より上方に位置し、本体パッケージ１の内側から排気口カバー１３に取付けられている。排気口部材１１は第２の補助機器８の上方の本体パッケージ１に構成される。

次に、本体パッケージ１内の各装置間の接続について説明する。改質部３は第１の補助機器７と原料ガス配管で接続され、本体パッケージ１外部から原料ガスの供給を受ける。スタック５は、改質部３と第２の補助機器８である燃料ガス配管により接続され、改質部
３から燃料ガスの供給を受ける。また、スタック５は、第１の補助機器７である空気を供給する空気ブロワと空気配管で接続され、空気ブロワから空気の供給を受ける。制御部６は、スタック５と電気ケーブルで接続され、スタック５で発電された直流電力が制御部６に伝達される。制御部６と改質部３及びバーナー４は電気ケーブルで接続され、制御部６によりバーナー４の動作を制御される。制御部６と第１の補助機器７及び第２の補助機器８のポンプや制御弁は電気ケーブルで接続され、制御部６により動作を制御される。

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

まず、本体パッケージ１外部の都市ガス管などと接続された第１の補助機器７の原料ガス配管から、制御弁により原料のガス量が制御されながら改質部３にメタンなどの原料ガスが供給される。改質部３では、原料ガスは改質部とバーナー４に供給され、水素が生成される改質反応とバーナー４の燃焼とに使用される。バーナー４は制御部６の制御により改質部３を加熱することで改質反応を起こし原料ガスを水素を主成分とする燃料ガスに変換する。生成された燃料ガスは第２の補助機器８の燃料ガス配管を通ってスタック５へ供給される。一方、第１の補助機器７である空気ブロワは制御部６に制御されて、空気配管を通してスタック５に空気を供給する。スタック５では、供給された燃料ガスと空気中の酸素を化学反応させて直流電力を発電する。発電された直流電力は、制御部６のインバータにより交流電力に変換され商用電源に供給される。

次に空気の流路を案内するルーバー部を有した吸排気部の構成について図２、図３を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの排気口部材などを示す斜視図、図３は排気口部材などの断面図である。本体パッケージ１を挟み込む形で、外側に排気口部材１１を、排気口部材１１と対向する内側に排気口カバー１３を配置している。排気口カバー１３には排気口部材１１より上方の位置に排気用のファン１２が取付けられている。排気口部材１１を本体パッケージの内側から排気口カバー１３を介してビス止めすることにより本体外観にビスが現れないようにすることができる。尚、ビスを用いずにツメ嵌合としてもよい。さらに、排気口部材１１の排気ルーバー部１７は所定の角度（５°以上が望ましい）で外側が下がるように構成され、また、排気ルーバー部１７の中央部が上方に凸、つまり盛り上がるような曲面を有していることから、雨水が排気口カバー１３内から板部１５の表面の傾斜にそってに排出され、排気ルーバー部１７の板部１５上に残水しないようになっている。これにより、寒冷地等でのルーバー開口部の凍結による閉塞を防止することができる。

また、本体パッケージ１を挟み込む形で、外側に排気口部材１１を、排気口部材１１と対向する内側に排気口カバー１３を配置し、排気口部材１１の排気ルーバー部１７に所定の深さと角度を設けたことにより、燃料電池本体内への吹き上げる様な雨の浸入を防止することができる。さらに、排気ルーバー部１７のルーバーに所定の深さと角度を設けるとともに、排気ルーバー部１７の中央部が上方に盛り上がるような曲面を有して形成したことにより、空気の流れをスムーズにし、排気のファンの動作音を低減させることができる。排気口部の構成を例に説明したが、吸気口部の構成もファンが付いていないだけで、同様である。

さらに、本発明の燃料電池システムは吸排気部を本体パッケージ内部からビス止めすることにより本体外観にビスが現れないことから、美観を高めることができる。

以上のように、本実施の形態においては、吸排気口部のルーバー形状の深さや角度を調整することにより燃料電池本体内への雨水の浸入を防止し、また、吸気ルーバー部１４、１７のルーバー形状の開口部の大きさや角度を調整することにより空気の流れをスムーズにし、吸気もしくは排気のファンの動作音を低減させることができる。さらに、本発明の
燃料電池システムは吸気口部材９及び排気口部材１１を本体パッケージ１内部からビス止めすることにより本体外観にビスが現れないことから、美観を高めることができる。

また、本体パッケージ１内の各部の配置は、図１の本体パッケージ１内の左右の中心線に対称に左右に入れ替えてもよい。便宜上、吸気口部材９と排気口部材１１を本体パッケージの左側に配置したが、配置の面に制約はなく、また吸気口部材９と排気口部材１１がそれぞれ違う面に配置されていてもよい。

本実施の形態においては、補助機器は、第１の補助機器７と第２の補助機器８とに分けて構成しているが、第２の補助機器８のみで構成してもよい。この場合、第１の補助機器７を構成する装置や配管は、第２の補助機器８として配置される。

なお、本実施の形態では、排気口に換気のためのファンである排気用のファン１２を配置したが、吸気口に換気のためのファンである吸気ファンを設ける構成でも良い。

また、本実施の形態においては、排気口と吸気口との両方にルーバー部を有する部材を配置したが、排気口及び吸気口のいずれか一方でも良い。特に、排気口と吸気口のうち、換気を行うファンが配置されている側に配置すれば、騒音低下の効果を大きくすることができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池本体内への雨水の浸入を防止し、且つ、吸排気のファンの動作音を低減させることが可能となるので、様々な形態の本体パッケージの固体高分子形燃料電池システム、固体酸化物形燃料電池や貯湯槽一体型燃料電池システムに適用できる。

１ 本体パッケージ
３ 改質部
４ バーナー
５ スタック
６ 制御部
７ 第１の補助機器
８ 第２の補助機器
９ 吸気口部材（開口部材）
１０ 吸気口カバー
１１ 排気口部材（開口部材）
１２ ファン
１３ 排気口カバー
１４ 吸気ルーバー部（ルーバー部）
１５ 板部
１６ 排気口（開口）
１７ 排気ルーバー部（ルーバー部）
１８ 吸気口（開口）

Claims (2)

1. 燃料ガスと空気とを用いて発電を行なう燃料電池と、
   原料と水とを反応させて水素を主成分とする燃料ガスを生成する改質部と、
   燃焼用ガスを燃焼させ前記改質部を加熱する燃焼部と、
   前記燃料電池及び前記燃焼部のうちの少なくとも一方に空気を供給する空気供給手段と、
   前記燃料電池と前記改質部と前記燃焼部と前記空気供給手段とを内部に有する本体パッケージと、
   前記本体パッケージ内に配され換気を行うファンと、
   前記ファンより下方の前記本体パッケージに形成される開口に配置される開口部材と、
   前記開口部材に形成されるルーバー部と、
   を有し、
   前記ルーバー部は、前記本体パッケージの外側から内側に向かって上方に傾斜しながら形成される板部を複数有し、前記板部の中央部が上に凸となる曲面で形成されている、
   燃料電池システム。
2. 前記本体パッケージが金属で形成され、前記開口部材が樹脂で形成されている、
   請求項１記載の燃料電池システム。

Images