JP2017212084A

JP2017212084A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP2017212084A
Application number: JP2016103773A
Authority: JP
Inventors: 竜一中村; Ryuichi Nakamura
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-05-24
Filing date: 2016-05-24
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2036-05-24
Also published as: JP6646521B2

Abstract

【課題】熱交排ガスの排気口付近で結露が発生しても、その結露による結露水を素早く蒸散させることができる燃料電池装置を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池装置は、発電を行う燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールより排出される排ガスを熱交換して冷却する熱交換器と、発電運転を補助する補機と、複数のフレームならびに該フレームに取り付けられた複数のパネルを有する筐体と、を有し、前記筐体は、その内部の、前記燃料電池モジュール，熱交換器および前記補機のいずれにも干渉しない位置に、対向するパネル同士の間に配設されてその両端がそれぞれ筐体外部に向けて開口する筒状の放熱用通風路を備えており、熱交排ガス流路を経由して、前記熱交換器の排ガスを、前記放熱用通風路の内部に排出する。【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、収納容器内に燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数積層したセルスタックを備える燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールの動作に必要な熱交換器等の補機とが、外装ケース（ケーシング）等の筐体に収納された構成が知られている（特許文献１を参照）。

このような燃料電池装置では、熱交換器内で、燃料電池モジュールから排出される、水蒸気を含む高温の排ガスと、水とを熱交換させて温水を生成しており、この熱交換後の排ガスが、燃料電池装置を収容する外装ケース等の筐体の前面もしくは側面に設けられた排気口から筐体外に直接排気される（特許文献２，３を参照）。

なお、筐体の熱交排ガスの排気口の外側には、この排気口内への雨水等の進入を防止する排気カバーまたは排気ガードが配設されている場合もある（特許文献２，４等を参照）。

特開２００３−２１４７１２号公報特開２０１３−１９１３２４号公報特開２０１４−１２３５２３号公報特開２０１１−２０４４４６号公報

ところで、燃料電池装置の周りの気温や湿度等の環境は様々に変化するため、周囲の気温が低い場合や排気口から水分を多く含む熱交排ガスが排出された場合に、この排気ガード自身やその周辺の筐体表面に、結露水が付着してしまう場合があった。

結露水は、連続して発生すると、筐体表面や筐体周囲の基礎（地面）等に濡れを生じて、見栄えを悪くしたり、機器故障等の疑念を生じさせたりする場合がある。そのため、この熱交排ガスの排気口付近で発生する結露水の解消が課題となっていた。

本発明の目的は、熱交排ガスの排気口付近で結露が発生しても、その結露による結露水を素早く蒸散させることができる燃料電池装置を提供することである。

本発明の実施態様に係る燃料電池装置は、収納容器内に燃料ガスと酸素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールより排出される排ガスを熱交換して冷却する熱交換器と、前記燃料電池モジュールの発電運転を補助する補機と、複数のフレームならびに該フレームに取り付けられた複数のパネルを有する筐体と、を備え、
前記筐体は、その内部に、少なくとも前記燃料電池モジュールと前記熱交換器と、前記各補機とが、それぞれ独立して配置され、前記筐体内部における、前記燃料電池モジュール，前記熱交換器および前記補機のいずれにも干渉しない位置に、
前記複数のパネルのうち、対向するパネル同士の間に配設されてその両端がそれぞれ筐体外部に向けて開口する筒状の放熱用通風路と、
前記熱交換器で熱交換された排ガスを、前記放熱用通風路の内部に排出する熱交排ガス流路と、を有することを特徴とする燃料電池装置である。

本発明の実施態様に係る燃料電池装置によれば、熱交排ガスの排気口付近で結露が発生しても、その結露による結露水を素早く蒸散させることができる。

本発明の実施形態の燃料電池装置において外装パネルを外した状態を示す外観斜視図である。本実施形態の燃料電池装置の内部構造を示す一部断面図である。他の実施形態の燃料電池装置の内部構造を示す一部断面図である。

図１は、本実施形態の燃料電池装置において、内部構造を示すために外装パネルを外した状態を示す図であり、図２は、その内部構造を示すための一部断面図（いわゆるカットモデル）である。なお、本実施形態においては、図１のように燃料電池装置１０および筐体２０の設置正面（手前）から背面側（奥側）を望む方向（図示Ｘ軸の方向）を、装置の前後方向と呼び、前面（正面）側から見たＹ軸の方向を装置の左右方向、鉛直上下（天地）のＺ軸の方向を装置の上下方向、として説明する。

本実施形態の燃料電池装置１０は、図１に示すように、少なくとも、セルスタックを収納してなる燃料電池モジュール１と、熱交換器２と、発電運転を補助する補機として、純水化装置等を含む凝縮水の水処理ユニットＡ，水タンクと水ポンプとを含む改質水供給手段Ｂ，ガスポンプを含む燃料ガス供給手段Ｃおよび空気ブロアを含む酸素含有ガス供給手段Ｄ等を備える。なお、図１を含む各図には、燃料電池装置１０の主な構成要素のみを記載しており、本実施形態の燃料電池装置は、これらの構成以外の他の構成要素を含んでいてもよい。また、燃料電池モジュール１や各補機Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの位置は適宜変更することができる。たとえば、燃料電池モジュール１は、燃料電池装置１０において、一番上側に配置することもできる。さらに、各図においては、燃料電池モジュール１と各補機Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ等とを接続する配管や配線、および、熱交換器２に接続される冷水，温水配管や、装置の制御手段等の図示を省略している。

これら各機器を収納する筐体２０は、複数のフレーム１１，１２，１３，１４，１５、ならびに、これらフレームに取り付けられた複数の外装パネル、すなわち装置前後（正面−背面）を覆う前面パネル２１，後面パネル２２と、装置左右の側面を覆う左側面パネル２３，右側面パネル２４と、装置上面を蓋する天板パネル２５および装置下面（底面）を構成する底板パネル２６とから構成されている。なお、図１においては、装置の内部構造を見易くするために、底板パネル２６以外のパネルの図示を省略している。

筐体２０の内部は、家庭向け燃料電池システム（ガスコージェネレーションシステム）等の場合、図１のように、主に燃料電池モジュール１および熱交換器２を含む高温運用機器を収容するホットモジュール収容室３０（中央のフレーム１４，１５より左の区画）と、各補機を含む低温運用機器を主に収容する補機収容室４０（中央のフレーム１４，１５より右の区画）とに分画されており、これらの収容室内に、各機器がそれぞれ独立して配置されている。

そして、本実施形態の燃料電池装置１０においては、図１，図２に示すように、筐体２０内部の、燃料電池モジュール１，熱交換器２および配管・配線等を含む各補機Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ等のいずれにも干渉しない位置に、その両端が筐体２０の前後方向（図示Ｘ軸方向）に向けて開口する筒状の放熱用通風路３が形成されており、この放熱用通風路３の壁面（側壁３ａ）に、熱交換器２から排出された水分を含む排ガス（以下、熱交排ガスと言う）を、放熱用通風路３内に排気するための熱交排ガス流路４が接続されている。これが、本実施形態の燃料電池装置１０の最大の特徴である。

なお、図１，図２における放熱用通風路３内の熱交排ガス流路４の開口（以下、排気口）は、熱交排ガスの整流部材を兼用する排気口カバー５により覆われているため、図では直接視認できない。この点については、後記で詳しく説明する。

燃料電池装置１０を構成する各機器（モジュール）を説明すると、本実施形態の燃料電池装置１０は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、発電を行う燃料電池モジュール１は、断熱材が張り巡らされた収容容器内に、燃料電池セルが積層されたセルスタックと、セルスタックに供給される燃料ガスを加熱して改質する改質器と、セルスタックから排出される排ガス中の残存燃料を燃焼させる燃焼部等を収容したものである。

熱交換器２は、燃料電池モジュール１より排出される高温の排ガスを熱交換して、後述する凝縮水を作りだすためのものである。なお、熱交換器２は、燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス流路と、貯湯装置から水ポンプ等により送給された冷水（貯湯水）が流通する温水流路とが向流接触する熱交換部を備え、ここで水と熱交換を行うことで、給湯等に用いる温水（熱水）を作り出すことができる。

また、熱交換器２は、熱交換により燃焼排ガス中に含まれる水分が凝縮された凝縮水が導出される凝縮水導出口と、熱交換の終わった熱交排ガスが導出される熱交排ガス導出口と、を備えており、従来、この熱交排ガス導出口から導出され、装置外に直接排気されていた熱交排ガスが、本実施形態の燃料電池装置１０では、熱交排ガス流路４を通じて、放熱用通風路３内に排気されるようになっている。

一方、凝縮水導出口は、熱交換器２の下部（底部）側に形成されており、この凝縮水導出口から導出された凝縮水は、純水化装置を含む水処理ユニットＡを経由して浄化され、改質水供給手段Ｂの水タンクに貯留されて、燃料電池モジュール１内の改質器で、燃料ガスの改質剤として利用される。

また、補機である、燃料ガス供給手段Ｃは、都市ガス，ＬＰガス等の原燃料ガスを改質器に供給するガスポンプを備えるものであり、酸素含有ガス供給手段Ｄは、装置外の大気等、酸素を含有するガスをセルスタックに供給するための送風機（ブロア）を備える。なお、水処理ユニットＡ，改質水供給手段Ｂと、これら燃料ガス供給手段Ｃおよび酸素含有ガス供給手段Ｄを含む各補機は、種々のタイプ，形状を有するものであるが、図１，図２中では、全ての補機類を方形の代表形状として描画している。

そして、熱交換器２から導出される熱交排ガスの排出場所である放熱用通風路３は、先にも述べたように、筐体２０内の、燃料電池モジュール１，熱交換器２および配管・配線等を含む各補機Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのいずれにも干渉しない位置に配置されており、その両端が、筐体２０前後の前面パネル２１および後面パネル２２に設けられた開口と一致している。この構成により、筐体前後方向（図示Ｘ軸方向）に向けて開口する筒状の放熱用通風路３内に、装置の外気が流通（通風）するようになっている。

また、放熱用通風路３内に設けられた熱交排ガス流路４の排気口には、図１，図２に示すように、熱交排ガスを上下方向に分けて放熱用通風路３内に導出するための整流部材を兼用する排気口カバー５が配設されている。これにより、熱交排ガス流路４から排出された熱交排ガスは、図中の黒塗り矢印のように、放熱用通風路３の側壁３ａに沿って上下に広がるようになっている。

さらに、放熱用通風路３の底面３ｂは、図２のように、筐体２０後側の後面パネル２２に向かって下方に傾く、下り傾斜面に形成されている。なお、この場合、前面パネル２１に対する放熱用通風路底面３ｂの傾斜角度θは、通常９１〜１００°（下り傾斜角で−１〜−１０°）、最大１３５°である。また、前面パネル２１および後面パネル２２の開口には、筐体２０表面の見栄えを向上させるとともに、放熱用通風路３内への雨水等の進入を防止する、通風ガード２７Ａおよび２７Ｂが取り付けられている。

以上の構成により、本実施形態の燃料電池装置１０は、熱交排ガスの排気口付近で結露が発生しても、その結露による結露水を素早く蒸散させることができる。すなわち、熱交排ガスによる結露（結露水）は、熱交排ガス流路４の出口付近に位置する放熱用通風路３の内壁面で発生すると考えられるが、この結露水は、放熱用通風路３の内壁面または底面等をつたううちに、放熱用通風路３内を通る気流（風）により蒸発するため、液体（結露水）のまま筐体外部に出て行くおそれが少ない。

また、蒸散が間に合わず、放熱用通風路３内から液体（結露水）として筐体外部に出て行く場合も、その結露水は、放熱用通風路底面３ｂの傾斜に沿って、筐体２０後側の後面パネル２２側に排出されるため、筐体前面の基礎（地面）等に濡れを生じて見栄えを悪くしたり、機器故障等の疑念を生じさせたりするおそれがない。

したがって、本実施形態の燃料電池装置１０においては、結露水は、発生したとしても、筐体２０外部からは認識されにくく、筐体周囲の基礎等に濡れを生じ難い。また、これにより、基礎のコンクリートが劣化したり、カビや苔が発生したりといった、装置周辺で発生する長期的なメンテナンストラブルを、大幅に低減することができる。

なお、本実施形態の燃料電池装置１０は、筐体２０の放熱用通風路３内、すなわちホットモジュール収容室３０や補機収容室４０ではない位置に、熱交換器２に供給される冷水（貯湯水）の温度が高過ぎる（たとえば、貯湯装置内の貯湯水が全て熱水で満たされている）場合に、熱交換器２に送給する貯湯水の温度を下げるために用いられるラジエータ６が配設されており、この放熱用通風路３が、ラジエータ６に風（外気）を当てるための空気流路を兼用するように構成されている。さらに、このラジエータ６の背後（図では筐体２０の前面側でかつ前面パネル２１側）には、ラジエータ６内に筐体２０の後面側から外気を引き込み、その外気を筐体２０の前面側に強制排気する、ラジエータ６冷却用の電動ファン７が配設されている。

そのため、電動ファン７が作動した場合、この筐体２０の放熱用通風路３内には、図２中に白抜き矢印で示すような、筐体２０の前面側に向かう気流（空気流れ）が発生し、この気流により、熱交排ガスの排気口付近で発生した結露水を、より早く蒸散させることができる。なお、電動ファン７による強制排気をより効率よく利用するために、熱交排ガスの排気口は、気流（空気流れ）の、該電動ファン７より下流側に配置することが望ましい。

また、本実施形態の燃料電池装置１０は、構成上ラジエータを必要としない場合、図３に示すように、放熱用通風路３内にラジエータおよびファンを設置しない構成とすることもできる。この場合でも、前記と同様、熱交排ガスの排気口付近で結露が発生しても、その結露水は、放熱用通風路３内を通る気流（風）により蒸発するため、液体のまま筐体外部に出て行くおそれが少ない、という効果を奏することができる。

さらに、前記実施形態では、放熱用通風路３を、断面四角状の筒体としたが、その断面形状はどのような形でもよい。なお、筒体がどのような断面形状であれ、熱交排ガス流路４の排気口は、結露水の発生を考慮して、放熱用通風路３の底面３ｂ（底壁）を除く、側壁面または天壁面に設けられる。また、風圧による熱交排ガスの逆流や、雨水等の進入を防止するために、熱交排ガス流路４の排気口には、排気口カバー５のような、熱交排ガス用の整流部材を設置することが望ましい。

また、前記実施形態では、放熱用通風路３を、対向する、前面パネル２１と後面パネル２２との間（Ｘ軸方向）に設けたが、この放熱用通風路３は、同様に対向する、左側面パネル２３と右側面パネル２４との間（Ｙ軸方向）に配設してもよく、天板パネル２５と底板パネル２６との間（Ｚ軸方向）に配置することも可能である。前記左右の側面パネル２３，２４の間の場合、放熱用通風路３の底面の下り傾斜方向は、左右どちらでもよいが、結露水が目に付き難い点を考慮すると、建物等の壁面側に傾斜させるのが望ましい。

さらに、放熱用通風路３の両端開口へ取り付けられる通風ガード２７Ａおよび２７Ｂの全体形状や小孔形状も、設置場所に合わせて変更することが可能である。

１燃料電池モジュール
２熱交換器
３放熱用通風路
４熱交排ガス流路
５排気口カバー
６ラジエータ
７電動ファン
１０燃料電池装置
１１，１２，１３，１４，１５フレーム
２０筐体
２１前面パネル
２２後面パネル
２３左側面パネル
２４右側面パネル
２５天板パネル
２６底板パネル
２７Ａ，２７Ｂ通風ガード
３０ホットモジュール収容室
４０補機収容室

Claims

収納容器内に燃料ガスと酸素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールより排出される排ガスを熱交換して冷却する熱交換器と、前記燃料電池モジュールの発電運転を補助する補機と、複数のフレームならびに該フレームに取り付けられた複数のパネルを有する筐体と、を備え、
前記筐体は、その内部に、少なくとも前記燃料電池モジュールと前記熱交換器と、前記各補機とが、それぞれ独立して配置され、
前記筐体内部における、前記燃料電池モジュール，前記熱交換器および前記補機のいずれにも干渉しない位置に、
前記複数のパネルのうち、対向するパネル同士の間に配設されてその両端がそれぞれ筐体外部に向けて開口する筒状の放熱用通風路と、
前記熱交換器で熱交換された排ガスを、前記放熱用通風路の内部に排出する熱交排ガス流路と、
を有することを特徴とする燃料電池装置。
前記熱交排ガス流路の終端開口が、前記筒状の放熱用通風路の底面を除く、側壁面または天壁面にあり、該終端開口に正対する距離を空けた位置に、前記排ガスの整流用部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
前記放熱用通風路の底面が、前記対向するパネル同士のうち、前記筐体の前面を除く後面側または側面側に位置するパネルに向かって下り傾斜状の傾斜面であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
前記熱交換器が、前記燃料電池モジュールより排出される排ガスと水とで熱交換する熱交換器であって、前記放熱用通風路内に、前記熱交換器に送給する水の温度を低下させるラジエータと、該ラジエータ冷却用のファンとを備え、前記熱交排ガス流路の終端開口が、前記ラジエータ冷却用のファンの回転により発生する前記放熱用通風路内の空気流れの、該ファンより下流側にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池装置。