JP2014107211A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フィルタ交換等のメンテナンスの間隔を長くすることができる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】 固体電解質層の一方側に空気極層を、他方側に燃料極層が配置された燃料電池１と、空気を吸入し燃料電池１に空気を供給するための空気供給装置３１と、空気吸入側が下方または側方を向いたフィルタ３５および該フィルタ３５を保持するフィルタケース３７を具備し、前記空気供給装置３１と接続された空気流路３２に設けられ吸入する空気中の異物を除去するためのフィルタ装置３３と、フィルタ３５に衝撃を与える衝撃付与装置３９とを具備することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池に空気を供給する空気供給装置を具備する燃料電池装置に関するものである。

近年、次世代エネルギーとして、水素ガスと空気とを用いて電力を得ることができる燃料電池と、この燃料電池を稼動するための補機類とを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。この燃料電池装置は、燃料ガスを燃料電池に供給し、空気を空気供給装置で燃料電池に供給して発電する。

空気供給装置は、燃料電池周辺の空気を吸い込み、燃料電池に供給する機能を有しているため、外気中の異物を除去すべく空気流路にフィルタが設けられている。

従来、フィルタを筐体の側面に配置し、空気をフィルタの側方から吸入するものが知られている（特許文献１参照）。この特許文献１には、フィルタが、各々目の粗さが違う複数のフィルタ素材を重ねて構成され、目の粗いフィルタ素材を外気側に配置し、目の細かいフィルタ素材を内側に配置することも記載されている。

特開２００６−１０７９４２号公報

しかしながら、上記特許文献１では、フィルタを筐体の側面に配置しているが、外気をフィルタを介して吸い込むため、フィルタの外面に異物が堆積していき、未だ目詰まりし易く、フィルタ交換のメンテナンスの間隔が未だ短いという課題があった。フィルタを、各々目の粗さが違う複数のフィルタ素材を重ねて構成した場合であっても、それぞれのフィルタ素材の交換頻度は長くなるものの、未だフィルタ交換のメンテナンスの間隔が短いという課題があった。

本発明は、フィルタ交換のメンテナンスの間隔を長くすることができる燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池装置は、固体電解質層の一方側に空気極層を、他方側に燃料極層が配置された燃料電池と、空気を吸入して前記燃料電池に供給するための空気供給装置と、空気吸入側が下方または側方を向いたフィルタおよび該フィルタを保持するフィルタケースを具備し、前記空気供給装置と接続された空気流路に設けられ吸入する空気中の異物を除去するためのフィルタ装置と、前記フィルタに衝撃を与える衝撃付与装置とを具備することを特徴とする。

本発明の燃料電池装置は、空気吸入側が下方または側方を向いたフィルタに、衝撃付与装置を用いて衝撃を与えることにより、フィルタに付着した異物を落下させ、取り除くことができ、フィルタ交換のメンテナンスの間隔を長くすることができる。

燃料電池システムの一例を示す構成図である。 燃料電池装置のフィルタ装置およびその近傍を示すもので、（ａ）は打撃部を回転体を用いて上下させる説明図であり、（ｂ）は打撃部を伸縮体を用いて上下させる説明図である。 （ａ）は燃料電池に空気を供給している通常状態を示す説明図であり、（ｂ）は空気流路からフィルタの外側に向けて空気を排出している状態を示す説明図である。 （ａ）は燃料電池に空気を供給している通常状態を示す説明図であり、（ｂ）は空気吸入流路からフィルタの外側に向けて圧縮空気を排出している状態を示す説明図である。 当接装置からなる衝撃付与装置をフィルタに当接して衝撃を与えている状態を示す説明図である。

図１は、燃料電池装置を具備する燃料電池システムの一例を示す構成図である。この燃料電池システムは、発電を行なう燃料電池装置、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニット、これらの間を水が循環するための循環配管から構成されている。

図１に示す燃料電池システムは、燃料電池１、天然ガス等の被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段２、空気を燃料電池１に供給するための空気供給手段３、被改質ガスと水蒸気により水蒸気改質する改質器４を具備している。

また、図１に示す燃料電池システムにおいては、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器１３、熱交換により生成された凝縮水を貯水する凝縮水タンク１９、熱交換器１３で生成された凝縮水を凝縮水タンク１９に回収（供給）するための凝縮水回収管２１が設けられており、凝縮水タンク１９に貯水された水（凝縮水）が改質器４に供給される。

一方、凝縮水タンク１９に貯水される凝縮水の量が少ない場合においては、外部より供給される水（水道水等）を純水に処理して改質器４に供給することが好ましく、図１においては外部から供給される水を純水に処理する手段として水処理装置Ｘを具備している。

ここで、水処理装置Ｘは、水を浄化するための活性炭フィルタ装置７、逆浸透膜装置８（以下、ＲＯ膜装置とする）および浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置９の各装置を具備する。そして、イオン交換樹脂装置９にて生成された純水は水タンク１０に貯水される。

なお、図１においては、凝縮水と水道水等の外部から供給される水を併用して用いる場合の例を示しており、凝縮水タンク１９と水タンク１０とが凝縮水供給管２０（タンク連結管）にて連結されている。なお、凝縮水のみを改質器４に供給する場合には、給水弁６を閉として、凝縮水タンク１９と改質器４とを水ポンプを介して接続することも可能である。また、水道水等の外部から供給される水を用いない、すなわち、水タンク１０および水処理装置Ｘを無くすこともできる。

また、図１に示す燃料電池システムにおいては、活性炭フィルタ装置７、ＲＯ膜装置８、イオン交換樹脂装置９および水タンク１０をこの順で接続する水供給管５が設けられており、水供給管５には、水供給管５に供給される水量を調整するための給水弁６が設けられている。なお図１においては、改質器４に水を供給するための手段を、一点鎖線により囲って示している。

さらに、燃料電池１にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ１２、熱交換器１３の出口に設けられ熱交換器１３の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１５、水を循環させるための循環ポンプ１６、循環ポンプ１６の運転を制御する制御装置１４により発電ユニットが構成されている。なお、制御装置１４については後述する。

また貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１８を具備して構成されており、熱交換器１３と貯湯タンク１８との間で水を循環させるための循環配管１７が設けられている。

また、図中の矢印は、燃料、空気、水の各流れ方向を示したものである。また、同一の構成については同一の番号を付するものとし、以下同様である。さらに図示していないが、被改質ガス供給手段２と改質器４との間に、被改質ガスを加湿するための被改質ガス加湿器を設けることも可能である。

また、燃料電池１は、固体電解質層の一方側に空気極層を、他方側に燃料極層を配置してなるもので、各種燃料電池が知られているが、燃料電池１を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池とすることができる。それにより、燃料電池１のほか、燃料電池１の動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置を小型化することができる。またあわせて、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

そして、本形態の燃料電池装置では、空気供給手段３は、図２に示すように、空気を吸入し燃料電池１に供給するためのブロワからなる空気供給装置３１と、該空気供給装置３１に接続された配管からなる空気流路３２と、この空気流路３２に設けられた空気中の異物を除去するためのフィルタ装置３３と、フィルタ装置３３に衝撃を与える衝撃付与装置３９とを具備して構成されている。フィルタ装置３３は、空気吸入側が下方を向いたフィルタ３５と、該フィルタ３５を保持するフィルタケース３７とを具備している。なお、空気吸入側が下方を向いたフィルタ３５とは、空気吸入側が斜め下方を向いたフィルタ３５をも含む概念である。

フィルタ装置３３を通過する空気は、燃料電池装置を構成する外装ケース内の空気、あるいは、外装ケース外の空気である。

空気供給装置３１と燃料電池１との間も空気流路３８で連結されている。なお、燃料電池１とフィルタ装置３３との間には、空気流量計等の他の装置が配置されているが、図２では省略している。

空気流路３２は、空気供給装置３１から水平方向に延びた後下方に向けて延びており、その先端部にフィルタ装置３３が、フィルタ３５が下方を向くように配置されている。

フィルタケース３７は下方が開口した薄い矩形箱状をなしており、このフィルタケース３７の開口部に、空気を濾過する板状のフィルタ３５が配置され、下方に落下しないように保持されている。空気流路３２中の空気が空気供給装置３１で吸入されているため、空気供給装置３１とフィルタ装置３３との間の空気流路３２内は負圧であり、空気中の異物は、フィルタ３５の下面に付着し時間とともに堆積していく。このフィルタ３５の下方から空気がフィルタ３５を通過し、フィルタケース３７内を介し、さらに空気流路３２、３８を介して燃料電池１に導入されることになる。空気供給装置３１と燃料電池１との間の空気流路３８内は加圧状態とされている。

そして、図２に示したように、衝撃付与装置３９は、フィルタケース３７に衝撃を与えるハンマー装置とされている。このハンマー装置からなる衝撃付与装置３９は、所定の高さからフィルタケース３７の上面を打撃する打撃部３９ａを有しており、この打撃部３９ａで、フィルタケース３７の上面を打撃することで、フィルタ３５に衝撃を与え、フィルタ３５に付着した異物を衝撃によって剥離させ、落下させることで取り除くことができ、フィルタ３５交換のメンテナンスの間隔を長くすることができる。

打撃部３９ａは、Ｌ字型の支持棒３９ｂの下側を向いた一方の先端部に設けられており、この支持棒３９ｂは支点で支持されている。支持棒３９ｂの他端部は、回転体３９ｃに設けられたピン３９ｄに当接し、回転体３９ｃが回転することにより支持棒３９ｂの他端部が押し下げられる一方で、支持棒３９ｂの一方の先端部に設けられた打撃部３９ａがフィルタケース３７の上面から所定高さまで持ち上げられ、支持棒３９ｂの他端部が回転体３９ｃに設けられたピン３９ｄから外れることにより、図２（ａ）に一点鎖線で示すように、所定高さまで持ち上げられた打撃部３９ａが落下し、フィルタケース３７の上面に衝撃を与え、フィルタ３５に衝撃を与えるように構成されている。回転体３９ｃは、モータにより回転する。このモータとしては、燃料電池１の補機として使用されているモータと共用することができる。打撃部３９ａはおもりの機能も有する。

なお、支持棒３９ｂの支点に巻きバネを設置し、巻きバネの復元力でフィルタケース３７の上面に強い打撃力を与えるようにすることにより、フィルタ３５の下面から異物をさらに落下させ除去できる。

モータの変わりに、例えば、図２（ｂ）に示すように、電磁ソレノイド４０を用いて支持棒３９ｂを動かすことができる。電磁ソレノイド４０とは銅線を幾重にも巻いたコイル部４０ｂとコイル部４０ｂの中心軸上に配置されたプランジャー（鉄芯）４０ａで構成された部品であり、コイル部４０ｂに電流を流すことによって磁界が発生し、磁性体であるプランジャー４０ａが中心軸方向（上下）に可動する。図２（ｂ）に示すように、プランジャー４０ａを支持棒３９ｂの一端部に支持し、プランジャー４０ａの直線運動を支持棒３９ｂの回転運動に変換することによって、支持棒３９ｂを動かし、打撃部３９ａでフィルタケース３７の上面を打撃することができる。

また、フィルタ３５に衝撃を与えた後、フィルタ３５から吸入し、燃料電池１に供給していた空気を、逆に、フィルタケース３７内からフィルタ３５を通過させて外部に排出することができ、この場合には、フィルタ３５の下面に付着した異物を剥離させ、フィルタ３５の外部に吹き飛ばすことができる。

すなわち、燃料電池装置は、空気流路３２からフィルタ３５の外側に向けて空気を排出するための空気排出装置を具備することができる。この空気排出装置は、上記した空気供給装置３１を共用することができる。

図３は、空気供給装置３１とフィルタ装置３３との間の空気流路３２と、空気供給装置３１と燃料電池１との間の空気流路３８を近接させ、この部分に４方弁４１を設けたもので、フィルタ３５の下面の異物をフィルタ３５の外部に吹き飛ばす状態を示している。通常は、図３（ａ）に示すように、空気供給装置３１を稼働することにより、フィルタ３５の下方から空気がフィルタ３５を通過し、空気流路３２、空気供給装置３１を介して燃料電池１に導入される。

そして、図３（ｂ）に示すように、４方弁４１を切り替えることにより、空気供給装置３１に対する空気の供給方向を変更することなく、空気供給装置３１から、空気を空気流路３２を介してフィルタ装置３３へ供給し、フィルタ３５から外部に排出することができ
る。

従って、フィルタ３５に衝撃付与装置３９で衝撃を与えた後、空気を空気流路３２を介してフィルタ装置３３へ供給し、フィルタ３５から外部に排出することにより、フィルタ３５に付着していた異物をさらに剥離除去できる。

なお、空気供給装置３１と燃料電池１との間の、図３（ｂ）に示される空気流路３８に開閉弁を設け、４方弁４１を切り替えて空気をフィルタ３５から外部に排出する際には、空気流路３８の開閉弁を開き、空気流路３８外部の空気をフィルタ装置３３へ供給し、フィルタ３５から外部に排出することができる。この場合には、燃料電池１内部の空気等の気体をフィルタ装置３３に供給することがないため、温度の高くなった空気等をフィルタ装置３３に供給しないで済むため、空気供給装置３１、フィルタ装置３３に悪影響を与えることがない。

図４は、フィルタ３５の異物を圧縮空気でフィルタ３５の外部に吹き飛ばす状態を示すもので、この燃料電池装置には、図３に示す４方弁４１を有するとともに、空気供給装置３１とフィルタ装置３３との間の空気流路３２には、空気流路３２を開閉し、空気流路３２内の空気を圧縮するための電磁弁４５を具備している。

すなわち、通常は、図４（ａ）に示すように、電磁弁４５を作動させ、空気流路３２を開とし、空気供給装置３１を稼働することにより、フィルタ３５の下方から空気がフィルタ３５を通過し、空気流路３２、空気供給装置３１を介して燃料電池１に導入する。

そして、４方弁４１を切り替え、電磁弁４５を作動させ、空気流路３２を閉とし、図４（ｂ）に示すように、空気供給装置３１に対する空気の供給方向を変更することなく空気を供給し、電磁弁４５と空気供給装置３１との間の空気流路３２内の空気を圧縮し、その後、電磁弁４５を作動させ、空気流路３２を開とすることにより、圧縮空気が一挙にフィルタ３５から外部に排出し、フィルタ３５に付着した異物をさらに剥離除去できる。

なお、上記形態では、フィルタ３５に衝撃付与装置３９で衝撃を与えた後、空気をフィルタ３５から外部に排出して、フィルタに付着している異物を吹き飛ばして除去したが、フィルタ３５に衝撃付与装置３９で衝撃を与えることなく、図３および図４に示すように、空気をフィルタ３５から外部に排出しても、フィルタに付着している異物をある程度吹き飛ばして除去することができる。

また、図３および図４では、空気供給装置３１を空気排出装置としても用いた形態について説明したが、空気供給装置３１とは別個に空気排出装置を設けても良いことは勿論である。

図５は、フィルタ３５に当接して衝撃を与える当接装置から衝撃付与装置４９を構成した燃料電池装置を示すもので、当接装置は、棒４９ａにスクリュー状の突起４９ｂが形成されたものをモータ４９ｃで回転させて、スクリュー状の突起４９ｂをフィルタ３５の表面に当接させ、衝撃を与えるように構成されている。なお、スクリュー状の突起４９ｂは、コイルバネで構成することもできる。

このようなフィルタ３５に直接衝撃を与える衝撃付与装置４９を用いることによっても、フィルタ３５の表面に付着した異物を落下させ、取り除くことができる。フィルタ３５の表面は一般にプリーツ状になっているため、スクリュー状の突起４９ｂによって弾かれるため、異物を効率良く除去することができる。なお、衝撃付与装置４９でフィルタ３５に衝撃を与えた後に、図３、４に示すように、空気をフィルタ３５から外部に排出し、フ
ィルタ３５の外面に付着した異物を吹き飛ばすこともできる。

衝撃付与装置３９、４９を稼働させるタイミングは、空気供給装置３１の電圧に閾値を設定し、閾値を越えたとき（目詰まりし始めた時）に稼動することができる。すなわち、制御装置１４には、空気供給装置３１を構成するブロワの電圧が入力され、この電圧を監視しており、一定の閾値を超えた場合には、フィルタ３５が目詰まりしたと判断し、衝撃付与装置３９、４９を稼働させることができる。また、月１回、都市ガス等の供給が停止され、燃料電池装置を停止させることが義務づけられているが、その際に、衝撃付与装置３９、４９を稼働させるように制御することもできる。さらには、燃料電池の稼働中に、常時、衝撃付与装置３９、４９を稼働させるように制御することもできる。

図３および図４に示すように、空気をフィルタ３５から外部に排出し、フィルタ３５に付着している異物を吹き飛ばすタイミングは、燃料電池装置を停止させた後に行う。

ここで、図１に示した燃料電池システムの運転方法について説明する。

燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）は、主に燃料電池１の温度を高めるもしくは維持するために使用された後、燃料電池１より熱交換器１３に供給される。熱交換器１３においては、燃料電池１の発電により生じる排ガスと熱交換器１３内を通水（循環）する水（循環配管１７を流れる水）とで熱交換される。そして熱交換された水（湯水）は、循環配管１７を循環して貯湯タンク１８に貯湯される。

一方、熱交換により生成される凝縮水は、凝縮水回収管２１を流れて凝縮水タンク１９に貯水される。凝縮水タンク１９に貯水された凝縮水は、凝縮水タンク１９中に備えられた、もしくは凝縮水タンク１９とは別個に設けられた凝縮水処理手段（図１においては図示せず）にて処理された後、凝縮水供給管２０を流れて水タンク１０に供給される。

水タンク１０に貯水された水は、改質器４で必要となる水の量に応じて、水ポンプ１１により改質器４に供給される。

改質器４においては、水ポンプ１１により供給された水と、被改質ガス供給手段２より供給される被改質ガスとにより水蒸気改質を行なう。改質器４にて生成された改質ガス（燃料ガス）は、燃料電池１に供給され、空気供給手段３より供給される空気と反応して、燃料電池１の発電が行なわれる。そして、燃料電池１の発電で生じた電力は、パワーコンディショナ１２を通じて外部負荷に供給される。

そして、例えば、発電中における空気供給装置３１を構成するブロワの電圧を制御装置１４が監視し、一定の電圧閾値を超えた場合には上記した衝撃付与装置３９、４９を駆動させ、一定の電圧閾値の範囲内となった場合には、衝撃付与装置３９、４９の駆動を停止させる。または、燃料電池装置を停止した際に、衝撃付与装置３９、４９を稼働させ、一定時間稼働後に停止させる。これにより、フィルタ３５に付着した異物を衝撃によって剥離させ、落下させることで取り除くことができ、フィルタ３５交換のメンテナンスの間隔を長くすることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

上記形態では、フィルタ装置３３は、空気吸入側が下方を向いたフィルタ３５を具備する場合について説明したが、空気吸入側が側方を向いたフィルタであっても良い。また、
衝撃付与装置として、例えば、圧電からなる振動体をフィルタケースに設けて用いることができる。

１：燃料電池
３１：空気供給装置
３２、３８：空気流路
３３：フィルタ装置
３５：フィルタ
３７：フィルタケース
３９、４９：衝撃付与装置
４５：電磁弁

Claims (6)

1. 固体電解質層の一方側に空気極層を、他方側に燃料極層が配置された燃料電池と、空気を吸入して前記燃料電池に供給するための空気供給装置と、空気吸入側が下方または側方を向いたフィルタおよび該フィルタを保持するフィルタケースを具備し、前記空気供給装置と接続された空気流路に設けられ吸入する空気中の異物を除去するためのフィルタ装置と、前記フィルタに衝撃を与える衝撃付与装置とを具備することを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記衝撃付与装置は、前記フィルタケースに打撃を与えるハンマー装置であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記衝撃付与装置は、前記フィルタに当接して衝撃を与える当接装置であることを特徴とする請求項１または２に記載の空気供給装置。
4. 空気を前記フィルタを通過させて前記フィルタ装置外に排出するための空気排出装置を具備することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池装置。
5. 前記空気排出装置と前記フィルタとの間の前記空気流路に、該空気流路を開閉する電磁弁を具備することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 前記空気供給装置は、前記空気排出装置を兼ねていることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池装置。

Images