JP2018045991A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率良く外装ケース内部の気体を排出できる燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールから排出される排ガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器と、熱交換器に流れる熱媒体を冷却する放熱器と、熱媒体が熱交換器と前記放熱器とを循環する循環ラインと、循環ラインに設けられ、熱交換器に流れる熱媒体を冷却する放熱器と、循環ラインの少なくとも一部、燃料電池モジュール、熱交換器、および放熱器を格納する直方体形状の外装ケースとを備える燃料電池装置であって、外装ケースでは、燃料電池モジュールにおいて発生した排ガスを外装ケースの外部に排出するための第一排出口、外装ケース内の気体を外装ケースの外部に排出するための第二排出口、放熱器を通過した気体を外装ケースの外部に排出するための第三排出口が、外装ケースの一の側壁にのみ設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガス（燃料ガス）と酸素含有ガス（通常は空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池装置の開発が進められている。燃料電池装置の一例として、燃料電池セルおよび上記水素含有ガスを生成するための改質器を収納容器内に収納した燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールから排出される排ガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器および熱交換器と蓄熱タンクとの間を循環する熱媒体を冷却する放熱器などの燃料電池モジュールを作動させるための補機とを、外装ケースに格納したものがある。

上記の燃料電池装置においては、一般に、熱交換器で熱媒体と熱交換を行った後の排ガスを、排ガス通路を介して外装ケースの外部に排出するために排気口が設けられる。また、外装ケースに内部の気体を換気するための換気口を設けたり、熱交換器と蓄熱タンクとの間を循環する熱媒体を冷却した気体を排出する排気口を設けた燃料電池装置が提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。

特開２００２−８６８７号公報

ところで、燃料電池装置を設置するにあたり、上述の排気口、換気口等より外装ケース内部の気体を外部に排出することが十分にできない場合には、例えば排出した気体が外装ケース内部に逆流する他、排出すべき気体が外装ケース内部に滞留するおそれがある。この場合に、各種機器に悪影響を及ぼし、燃料電池装置の長期信頼性が低下するおそれがある。それゆえ、設置を考慮しつつ、外装ケース内部の気体の排出性を向上し、長期信頼性の向上した燃料電池装置が求められている。

本発明の実施形態に係る燃料電池装置は、燃料電池セルが収納容器に収容されてなる燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器と、該熱交換器で熱交換して加熱された前記熱媒体を蓄える蓄熱タンクと、前記熱交換器に流れる前記熱媒体を冷却する放熱器と、前記熱媒体が前記熱交換器と、前記蓄熱タンクと、前記放熱器とを循環する循環ラインと、前記循環ラインの少なくとも一部、前記燃料電池モジュール、前記熱交換器、および前記放熱器を格納する直方体形状の外装ケースと、を備え、前記外装ケースは、前記燃料電池モジュールにおいて発生した排ガスを前記外装ケースの外部に排出するための第一排出口と、前記外装ケース内の気体を前記外装ケースの外部に排出するための第二排出口と、前記放熱器を通過した気体を前記外装ケースの外部に排出するための第三排出口と、を有し、前記第一排出口と、前記第二排出口と、前記第三排出口とが、前記外装ケースの一の側壁にのみ設けられていることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る燃料電池装置によれば、長期信頼性の向上した燃料電池装置を提供することが可能となる。

本実施形態に係る燃料電池装置の一例を示す構成図である。 本実施形態に係る燃料電池装置の一例の側面図である。 本実施形態に係る燃料電池装置の一例の側面図である。 図４（ａ）は、本実施形態に係る燃料電池装置の排ガスカバーの一例における斜視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の切断面線Ａ−Ａ’における断面図である。 本実施形態に係る燃料電池装置の他の一例の側面図である。 本実施形態に係る燃料電池装置の他の一例の側面図である。

図１は、本実施形態に係る燃料電池装置の一例を示す構成図であり、図２および図３は、本実施形態に係る燃料電池装置の一例の側面図である。

燃料電池本体３１は、原燃料供給口部２５０が接続され、都市ガス等の原燃料を供給する原燃料供給装置３２、燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給装置３３、セルスタック３４および改質器３５を有する燃料電池モジュール２（以下、モジュールと略す場合がある。）を備えている。なお、図１に示す燃料電池本体３１では、モジュール２を二点鎖線により囲って示している。また、図１には示していないが、セルスタック３４と改質器３５との間には、セルスタック３４の発電に使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させるための着火装置を設けるほか、燃焼後の排ガスやセルスタック３４から排出される発電に使用されなかった排ガスを浄化するための浄化装置を設けることができる。なお、セルスタック３４としては、固体酸化物形の燃料電池セルを組み合わせてなるセルスタック３４とするのが好ましい。

また、図１に示す燃料電池本体３１においては、セルスタック３４を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と熱媒体との間で熱交換を行なう熱交換器４、熱交換器４に接続された排ガス配管２５７を備えている。さらに、熱交換器４で生成された凝縮水を純水に処理するための水処理装置３８、水処理装置３８にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク３９が設けられており、水タンク３９と熱交換器４との間が凝縮水供給管４０により接続されている。なお、水処理装置３８としてはイオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂装置を用いることが好ましい。

水タンク３９に貯水された水は、水タンク３９と改質器３５とを接続する水供給管４１に備えられた水ポンプ４２により改質器３５に供給される。

さらに図１に示す燃料電池本体３１は、各種機器の動作を制御する制御装置４３が設けられているほか、モジュール２にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）４４、換気を行うための換気ファン１０ａを備えている。

さらに、給湯装置１３の循環流路である循環ラインＸには、排気ファン１１ａを備え熱交換器４に流入する熱媒体を冷却する放熱器３と、放熱器３と熱交換器４との間に配設され、熱媒体を、蓄熱タンク５、放熱器３および熱交換器４をこの順に循環させる循環ポンプ４６と、が設けられている。さらに、循環ラインＸの熱交換器４の入口側には、熱交換器４に流入する熱媒体の温度を測定するための入口温度センサ４７が設けられており、熱交換器４の出口側には、熱交換器４より流出する熱媒体の温度を測定するための出口温度センサ４８が設けられている。

また、制御装置４３は、モジュール２の発電に合わせて、原燃料供給装置３２、酸素含有ガス供給装置３３、水ポンプ４２の各装置の動作を制御するほか、入口温度センサ４７、出口温度センサ４８により測定された温度情報に基づいて、放熱器３（排気ファン１１ａ）の動作、循環ポンプ４６の動作を制御する。なお、制御装置４３はマイクロコンピュータを有しており、入出力インターフェイス、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ‐Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＯＭ（Ｒｅａｄ‐Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）を備えている。なお、ＣＰＵは、燃料電池装置１００の運転を実施するものであり、ＲＡＭはプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはプログラムを記憶するものである。なお、制御については後述する。

ここで、図１に示した燃料電池装置１００の運転方法について説明する。セルスタック３４の発電に必要な燃料ガスを生成するにあたり、制御装置４３は原燃料供給装置３２、水ポンプ４２を作動させる。それにより、改質器３５に原燃料（天然ガス、灯油等）と水とが供給され、改質器３５で水蒸気改質を行なうことにより、水素を含む燃料ガスが生成されて燃料電池セルの燃料極層側に供給される。

一方、制御装置４３は酸素含有ガス供給装置３３を動作させることにより、燃料電池セルの酸素極層側に酸素含有ガス（空気）を供給する。

なお、制御装置４３はモジュール２において着火装置を作動させることにより、セルスタック３４の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる。それにより、モジュール内の温度（セルスタック３４や改質器３５の温度）が上昇し、効率よい発電を行なうことができる。

セルスタック３４の発電に伴って生じた排ガスは、浄化装置にて浄化された後、熱交換器４に供給され、循環ラインＸを流れる熱媒体とで熱交換され、熱交換器４を通過した排ガスは排ガス配管２５７を通って外部に排出される。排ガスに含まれる水は熱交換器４での熱交換により凝縮水となり、凝縮水供給管４０を介して、水処理装置３８に供給される。凝縮水は、水処理装置３８にて純水とされて、水タンク３９に貯水される。水タンク３９に貯水された水は、水ポンプ４２により水供給管４１を介して改質器３５に供給される。このように、凝縮水を有効利用することにより、水自立運転を行なうことができる。

なお、上述の例においては熱交換器４にて生成される凝縮水のみを改質器３５に供給する構成の燃料電池装置１００を用いて説明したが、改質器３５に供給する水として水道水を利用することもできる。この場合、水道水に含まれる不純物を処理するための水処理装置として、例えば、活性炭フィルター、逆浸透膜装置、イオン交換樹脂装置等を、この順に接続することで、純水を効率よく精製することができる。なお、水道水を用いる場合においても、水処理装置３８にて生成した純水が、水タンク３９に貯水されるよう各装置を接続する。

給湯装置１３は、熱交換器４で加熱された熱媒体を蓄える蓄熱タンク５と、熱媒体が循環する循環ラインＸとを備えている。蓄熱タンク５の内部には、熱媒体と給湯用水とが熱交換する給湯用熱交換部２０が配設される。給湯用熱交換部２０には、給湯用水が流通する給水管２１と、熱媒体と熱交換した給湯用水が流通する給湯管２２とが接続される。また、給水管２１には水道水が導入される上水口部５２が接続され、給湯管２２には湯水が出湯される出湯口部５３が接続される。

蓄熱タンク５の外部には給湯用配管２３が配設される。給水管２１は、給湯用配管２３の水道水を流通させる給水側に接続され、給湯管２２は、給湯用配管２３のお湯を流通させる給湯側に接続される。給水側と給湯側との間には混合弁２４が配設される。混合弁２４によって、給湯側に給水側の水道水を混合して、給湯温度を調節することができる。また、給湯管２２の給湯側には、給湯用熱交換部２０での熱交換量が不足する場合に、給湯管２２からの出湯の温度を上昇させるべく、バックアップ用のボイラーを配設することもできる。なお、給湯装置１３の動作は制御装置４３によって制御される。

給湯用配管２３の不図示の給湯用蛇口が開かれると、給湯用配管２３の水道水が給水管２１から給湯用熱交換部２０の下部に流入する。給湯用熱交換部２０に流入した水道水は、蓄熱タンク５に貯留された熱媒体と熱交換しながら給湯用熱交換部２０を上方に移動し、給湯用熱交換部２０の上部から給湯管２２に流入する。

図２および図３は本実施形態に係る燃料電池装置の一例の側面図で、図２は外装ケースの短手方向の辺を有する側面から見た図、図３は外装ケースの長手方向の辺を有する側面から見た図である。本実施形態の燃料電池装置１００においては、外装ケース１が直方体形状であり、この外装ケース１内に燃料電池本体３１および給湯装置１３が収納されている。これにより、非常に小型で容易に持ち運びが可能な燃料電池装置１００とすることができる。

外装ケース１の側面を構成する４つの側壁は、短手方向の辺を有する一対の側面１ａ（以下、短手壁という。）と、長手方向の辺を有する一対の側面１ｂ（以下、長手壁という。）とからなり、図２に示されるように、短手壁１ａには、第一排出口９、第二排出口１０、第三排出口１１が設けられている。さらに、短手壁１ａには、外装ケース１の外部から配管が接続される接続口部が配設されており、原燃料供給口部２５０、上水口部５２、出湯口部５３が設けられている。なお、原燃料供給口部２５０、上水口部５２、出湯口部５３は接続口部の一例であって、このうちいずれかが他の側壁に設けられていてもよい。また、短手壁１ａにこの他の接続口部を備えてもよい。

第一排出口９は、排ガス配管２５７と連通し、モジュール２において発生した排ガスを外装ケース１の外部に排出させるための排出口である。この第一排出口９には、外部から嵌合する排ガスカバー９ａを取り付けることができる。第二排出口１０は、外装ケース１内の気体を外装ケース１の外部に排出させるための排出口である。この第二排出口１０については、第二排出口１０の孔径または換気状況などに応じて選定された換気ファン１０ａが取り付けられる。第三排出口１１は、放熱器３を通過した気体を外装ケース１の外部に排出させるための排出口である。この第三排出口１１については、第三排出口１１の孔径または排気状況などに応じて選定された排気ファン１１ａが取り付けられる。

このように、本実施形態に係る燃料電池装置１００は、第一排出口９と、第二排出口１０と、第三排出口１１とが、外装ケース１の一の側壁にのみ設けられている。すなわち、燃料電池装置１００を設置する際には、この一の側壁を開放空間と対向させれば、各排出口からの気体の排出性が向上し、これにより長期信頼性を向上した燃料電池装置１００とすることができる。

さらには、第一排出口９、第二排出口１０、第三排出口１１が設けられる一の側壁を、短手壁１ａとすることで、少なくとも短手壁１ａの幅の開放空間があれば気体の排出性を向上させることができるため、設置性をも向上させることができる。

また、第一排出口９、第二排出口１０、第三排出口１１が配置される一の側壁に、原燃料供給口部２５０、上水口部５２、出湯口部５３を設けることができる。これにより、配管の取り外しを容易に行うことができるのでメンテナンス性にも優れることとなる。

図４（ａ）は、本実施形態に係る燃料電池装置の排ガスカバーの一例における斜視図である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）の切断面線Ａ−Ａ’における断面図である。排ガスカバー９ａは、第一排出口９を覆っており、かつ排ガスカバー９ａが取り付けられる面に対して少なくとも側方または下方のいずれか一方へ排ガスを排出させるように開口している。この構成により、雨水や埃等の異物が排ガスカバー９ａ内に侵入し、排ガス配管２５７に異物が侵入することを抑制することができる。

また、図４（ａ），（ｂ）に示されるように、排ガスカバー９ａは、左側面９２、右側面９３、および底面９４のうち少なくとも一面に、複数の排出孔９６を有している。この構成により、排ガスを効率よく排出できるとともに、排ガスカバー９ａの側方または下方を完全に開口させた場合と比較して、雨水や埃等の異物が排ガスカバー９ａ内に侵入し、排ガス配管２５７に異物が侵入することを抑制することができる。さらに、複数の排出孔９６の開口面積の総和が、排ガス配管２５７の流路断面積より大きくても良い。この構成により、異物の侵入を抑制しつつ、排ガスの排出を効率よく行うことができる。「排ガス配管の流路の断面積」とは、熱交換器４と第一排出口９とを繋ぐ排ガス配管２５７のうち最も配管流路の断面積が大きい部分の断面積をいう。

図５は、本実施形態に係る燃料電池装置の他の一例の側面図であり、外装ケース１の短手方向の辺を有する側面から見た図である。図５における一点鎖線は短手壁１ａの水平方向における中央を示している。図５に示されるように、本実施形態にかかる燃料電池装置１０１では、第一排出口９が短手壁１ａの水平方向における中央部に設けられている。この構成により、短手壁１ａの水平方向における両端部付近にそれぞれ障害物が存在する場合であっても、それぞれの障害物から一定の距離を保つことができる。すなわち、水分を多く含む排ガスが障害物に吹きつけられ当該障害物表面が結露することを抑制でき、当該障害物の劣化を助長することを回避することができる。

「水平方向における中央部」とは、短手壁１ａを垂直方向に沿って三等分して区画された領域のうちの中央の領域をいう。

また、第一排出口９、第二排出口１０および第三排出口１１が、すべて短手壁１ａの水平方向における中央部に並ぶように設けることができる。この構成により、開放空間が短手壁１ａの幅より狭い場合であっても複数の排出口を塞ぐことなく燃料電池装置１０１を設置することができるので、効率的に排気と換気を行うことが可能となる。

図６は、本実施形態に係る燃料電池装置の他の一例の側面図である。図６に示されるように、燃料電池装置１０２は、短手壁１ａに設けられた、外部から水道水を導入する給水管を接続するための上水口部５２と、外部に湯水を出湯する給湯管を接続するための出湯口部５３と、外部から原燃料を供給する配管を接続するための原燃料供給口部２５０とが、第一排出口９よりも下方に配設されている。つまり、短手壁１ａに設けられている外部からの配管との接続口部は、第一排出口９よりも下方に配設されている。

このように燃料電池装置１０２を構成することより、上記のモジュール２において発生した高温の排ガスは、第一排出口９から排出された後に上方に流れるので、第一排出口９より下方に配設されている原燃料供給口部２５０、上水口部５２および出湯口部５３については、第一排出口９から排出される排ガスに曝されることによる悪影響が軽減されるとともに、メンテナンス性の観点でも改善され得る。排ガスによる悪影響としては、排ガスに含まれる不純物または水蒸気等の継ぎ手や配管などへの付着、高温の排ガスによる酸化の進展、変形または劣化などがある。

なお、上記図６においては、上水口部５２、出湯口部５３、原燃料供給口部２５０の全てが短手壁１ａにあり、かつ上水口部５２、出湯口部５３、原燃料供給口部２５０の全てが第一排出口９より下方に配設されている例を示している。一方で、必ずしも上水口部５２、出湯口部５３、原燃料供給口部２５０の全てを短手壁１ａに集約させて配置させる必要はなく、上水口部５２、出湯口部５３、原燃料供給口部２５０のいずれかが短手壁１ａにあり、その他は他の側壁に設けられていてもよい。その場合、メンテナンス性の観点から、他の側壁においてメンテナンス可能な領域に配置させることが好ましい。このように、上水口部５２、出湯口部５３、原燃料供給口部２５０のいずれかが他の側壁に設けられた場合は、第一排出口９が設けられた短手壁１ａとは異なる側壁に設けられることとなる。その結果、第一排出口９から排出される排ガスに曝されるおそれが低減されるので、必ずしも第一排出口９より下方に配設される必要はなく、上方でもかまわない。

また、図６においては、原燃料供給口部２５０を第一排出口９の下方左側に配設した例を示したが、原燃料供給口部２５０を第一排出口９の下方右側に配設してもよく、この場合も上記と同様の効果を奏する。

また、図６のように、第一排出口９より下方に配設された接続口部である上水口部５２、出湯口部５３および原燃料供給口部２５０は、排ガスカバー９ａからの排ガスの排出方向よりずれて配設されている。例えば、排ガスカバー９ａが下方に排ガスを排出するようになっている場合、原燃料供給口部２５０，上水口部５２および出湯口部５３は、排ガスカバー９ａからの排ガスの排出方向である直下に無いことがよい。モジュール２において発生した高温の排ガスは、上記したように、第一排出口９から排出された後に上方に流れるため、排ガスカバー９ａから一旦下方に排ガスが排出された場合に、原燃料供給口部２５０，上水口部５２および出湯口部５３は、第一排出口９の直下に無いことにより、第一排出口９から排出される排ガスに曝されることによる悪影響がより軽減されることとなる。

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。例えば、本実施形態においては外装ケース１内に蓄熱タンク５が収納される構造について説明したが、蓄熱タンク５は外装ケース１外に設けることもできる。

１ 外装ケース
１ａ 短手壁
２ 燃料電池モジュール
３ 放熱器
４ 熱交換器
５ 蓄熱タンク
９ 第一排出口
９ａ 排ガスカバー
１０ 第二排出口
１１ 第三排出口
５２ 上水口部
５３ 出湯口部
９６ 排出孔
１００，１０１，１０２ 燃料電池装置
２５０ 原燃料供給口部
２５７ 排ガス配管
Ｘ 循環ライン

Claims (8)

1. 燃料電池セルが収納容器に収容されてなる燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器と、
   該熱交換器で熱交換して加熱された前記熱媒体を蓄える蓄熱タンクと、
   前記熱交換器に流れる前記熱媒体を冷却する放熱器と、
   前記熱媒体が前記熱交換器と、前記蓄熱タンクと、前記放熱器とを循環する循環ラインと、
   前記循環ラインの少なくとも一部、前記燃料電池モジュール、前記熱交換器、および前記放熱器を格納する直方体形状の外装ケースと、を備え、
   前記外装ケースは、
   前記燃料電池モジュールにおいて発生した排ガスを前記外装ケースの外部に排出するための第一排出口と、
   前記外装ケース内の気体を前記外装ケースの外部に排出するための第二排出口と、
   前記放熱器を通過した気体を前記外装ケースの外部に排出するための第三排出口と、を有し、
   前記第一排出口と、前記第二排出口と、前記第三排出口とが、前記外装ケースの一の側壁にのみ設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記一の側壁が、複数の前記側壁における短手壁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. 前記第一排出口が、前記一の側壁の水平方向における中央部に設けられてい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。
4. 前記一の側壁に設けられ、前記外装ケースの外部から配管が接続される接続口部をさらに備え、
   前記一の側壁に設けられた前記接続口部は、前記第一排出口より下方に配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
5. 前記第一排出口を覆い、
   前記一の側壁に対して少なくとも側方または下方のいずれか一方へ排ガスを排出させる排ガスカバーを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
6. 前記第一排出口を覆い、
   前記一の側壁に対して少なくとも側方または下方のいずれか一方へ排ガスを排出させる排ガスカバーを備え、
   前記接続口部は、前記排ガスカバーからの排気ガスの排出方向からずれて配置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
7. 前記排ガスカバーは、前記第一排出口より排出された排ガスを排出するための複数の排出孔を有することを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池装置。
8. 前記熱交換器と前記第一排出口とを接続する排ガス配管を備え、
   前記複数の排出孔の開口面積の総和が、前記排ガス配管の流路断面積より大きいことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池装置。

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