JP2018159519A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】湯水を無駄にすることのない簡易な構成で凍結防止を可能とする。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、貯湯タンクと、放熱ユニットとを備えており、放熱ユニットは、燃料電池からの熱により加熱された湯水が流れる循環経路に設けられるラジエータと、吸気口を介して外部から吸入した空気をラジエータに送風し排気口を介して外部に排気するファンとを有し、ファンが駆動停止している場合には、吸気口と排気口とのうち少なくともいずれか一方を閉状態とする。これにより、湯水の温度や外部の気温が低い場合など、ラジエータによる放熱が必要なくファンを駆動停止する場合に吸気口と排気口とのうち少なくともいずれか一方を閉状態として外部からの空気の流入を抑えるから、ラジエータの放熱を抑制して循環経路の凍結を防止することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料電池装置と、燃料電池装置の排熱により加熱された湯水を貯留する貯湯タンクを有する貯湯装置と、とを含むものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、外気温度が設定温度以下になると、貯湯タンクに貯留されている湯水を配管を通して浴槽に供給することで、配管の凍結防止を行うものとしている。

特開２０１５−１５８３２３号公報

しかしながら、上述した燃料電池システムでは、浴槽で湯水が必要ない場合でも、凍結防止のために浴槽に湯水が供給されることになる。このため、貯湯タンクに貯留されていた湯水が無駄に排出されることになり、好ましくない。また、湯水を加熱するためのヒートポンプを備え、貯湯タンクからヒートポンプまで湯水を循環させるための配管を配設することも考えられるが、配管を設けるためにシステムの大型化を招いたり部品点数が増加したりするなど、構成が複雑なものとなってしまう。

本発明は、湯水を無駄にすることのない簡易な構成で凍結防止を可能とすることを主目的とする。

本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の燃料電池システムは、
燃料の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池からの熱により加熱された湯水を貯湯する貯湯タンクと、
前記湯水が流れる循環経路に設けられるラジエータと、吸気口を介して外部から吸入した空気を前記ラジエータに送風し排気口を介して外部に排気するファンとを有する放熱ユニットと、
を備え、
前記放熱ユニットは、前記ファンが駆動停止している場合には、前記吸気口と前記排気口とのうち少なくともいずれか一方を閉状態とする
ことを要旨とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、貯湯タンクと、放熱ユニットとを備える。放熱ユニットは、燃料電池からの熱により加熱された湯水が流れる循環経路に設けられるラジエータと、吸気口を介して外部から吸入した空気をラジエータに送風し排気口を介して外部に排気するファンとを有し、ファンが駆動停止している場合には、吸気口と排気口とのうち少なくともいずれか一方を閉状態とする。これにより、湯水の温度や外部の気温が低い場合など、ラジエータによる放熱が必要なくファンを駆動停止する場合には、吸気口と排気口とのうち少なくともいずれか一方を閉状態として外部からの空気の流入を抑えるから、ラジエータの放熱による過冷却を抑えることができる。したがって、凍結防止用のヒータを設けたり、湯水を無駄に排出したりすることなく、簡易な構成で循環経路の凍結を防止することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記放熱ユニットは、前記吸気口と前記排気口とのうち少なくともいずれか一方が、前記ファンの駆動で生じる気流により作動可能な開閉装置によって開閉されるものとしてもよい。こうすれば、吸気口と排気口とのうち少なくともいずれか一方を、ファンを駆動停止するのに伴って閉状態として外部からの空気の流入を抑えることができる。また、ファンを駆動する際には、ファンの駆動で生じる気流の風圧によって閉状態から自動的に開状態とすることができるから、空気の流れを阻害することなくラジエータの放熱効果を発揮させることができる。したがって、より簡易な構成で循環経路の凍結を防止することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記放熱ユニットは、前記吸気口と前記排気口とのうち少なくともいずれか一方が、アクチュエータの駆動により作動可能な開閉装置によって開閉されるものとしてもよい。こうすれば、アクチュエータの駆動により、吸気口と排気口とのうち少なくともいずれか一方を確実に閉状態とすることができるから、循環経路の凍結をより確実に防止することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記放熱ユニットは、前記ファンが駆動停止している場合には、前記吸気口と前記排気口とをいずれも閉状態とするものとしてもよい。こうすれば、吸気口と排気口とをいずれも閉状態として外部からの空気の流入をより抑えることができるから、循環経路の凍結をより確実に防止することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池と前記貯湯タンクとが、一の収容ケース内に収容され、前記放熱ユニットが、前記収容ケース内に区画され前記吸気口と前記排気口とが設けられた区画室に配置されるものとしてもよい。こうすれば、吸気口や排気口以外に、外部からの空気が区画室内に流入するのを抑えることができるから、吸気口や排気口を閉状態とすることで凍結を防止する効果を高めることができる。

燃料電池システム１０の構成図である。 燃料電池システム１０の構成図である。 吸気口開閉シャッター３０の構成図である。 吸気口開閉シャッター３０の構成図である。 排気口開閉シャッター４０の構成図である。

本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１，図２は燃料電池システム１０の構成図である。燃料電池システム１０は、図示するように、発電を行う発電ユニット１１や、発電ユニット１１からの熱により加熱された湯水を貯留する貯湯タンク１６、システム全体の制御を行う制御装置１８などを備え、これらが直方体状の収容ケース１０ａに収容されている。燃料電池システム１０は、発電ユニット１１により発電された電力を、図示しない住宅の家電製品などに供給し、貯湯タンク１６に貯留された湯水を、図示しない住宅の浴槽などに供給する。なお、図２は、図１の燃料電池システム１０の構成を側方側から見た図である。

発電ユニット１１は、改質水を気化して水蒸気を生成する気化器や、天然ガスやＬＰガスなどの原燃料ガスを水蒸気改質により改質する改質器、改質ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池ＦＣなどを有する発電モジュール１２と、発電モジュール１２からの燃焼排ガスが供給され循環配管１５を流れる水との間で熱交換を行う熱交換器１４と、図示しない各種の補機とを備える。なお、各種の補機としては、原燃料ガス供給装置やエア供給装置、改質水供給装置などが含まれる。

循環配管１５には、図示しない循環ポンプが設けられており、循環ポンプを駆動して循環配管１５内の水を循環させることで、熱交換器１４による熱交換を行わせると共に熱交換によって加熱された湯水を貯湯タンク１６に貯湯する。また、燃料電池システム１０は、循環配管１５内の湯水を放熱するラジエータ２２と、ラジエータ２２に送風するファン２４とを含む放熱ユニット２０を備える。この放熱ユニット２０は、ファン２４の駆動により外部から空気を引き込んでラジエータ２２を冷却しながら、ラジエータ２２により循環配管１５内の湯水を放熱することで、循環配管１５内や貯湯タンク１６内の湯水の温度が過剰に上昇するのを防止している。なお、制御装置１８は、図示しない温度センサにより、循環配管１５内の湯水の温度や貯湯タンク１６内の湯水の温度、外気温度などを、直接または間接に検知可能となっている。

放熱ユニット２０のラジエータ２２とファン２４とは、図２に示すように、収容ケース１０ａ内において他の空間から仕切られた放熱ユニット室２１内に配置されている。放熱ユニット室２１は、外部から空気を吸入する吸気口２１ａと、外部に空気を排出する排気口２１ｂとが形成されている。なお、例えば、収容ケース１０ａにおいて、吸気口２１ａは図示しない住宅側の面（後面）に設けられ、排気口２１ｂは住宅側とは反対側の面（前面）に設けられている。

また、放熱ユニット室２１は、吸気口２１ａを開閉する吸気口開閉シャッター３０と、排気口２１ｂを開閉する排気口開閉シャッター４０とを備える。吸気口開閉シャッター３０と排気口開閉シャッター４０とは、後述するように開閉動作するための構成が異なる点を除いて、同様の構成となっている。図３，図４は吸気口開閉シャッター３０の構成図であり、図５は排気口開閉シャッター４０の構成図である。図３は吸気口開閉シャッター３０の閉状態を示し、図４は吸気口開閉シャッター３０の開状態を示す。また、図３（ａ），図４（ａ）が吸気口開閉シャッター３０を放熱ユニット室２１内から見た図を示し、図３（ｂ），図４（ｂ）がＡ−Ａ断面図を示す。また、図５では、図３（ｂ），図４（ｂ）に相当する排気口開閉シャッター４０の断面図を、図５（ａ），図５（ｂ）に示す。

吸気口開閉シャッター３０は、吸気口２１ａの幅より若干狭い幅に形成され吸気口２１ａ内に高さ方向に複数配置されるシャッター板３１と、各シャッター板３１が連動して開閉動作するよう各シャッター板３１を幅方向の両端側で連結する左右一対の連結部材３２と、左右一対のうち一方の連結部材３２を移動させることにより各シャッター板３１を開閉させる駆動ユニット３３とを備える。

シャッター板３１は、図３（ｂ）に示すように、閉状態において、裏面の高さ方向の中央より若干上側に回動軸３１ａが設けられると共に裏面の上端近傍に連結軸３１ｂが設けられる。回動軸３１ａと連結軸３１ｂとは、図３（ａ），図４（ａ）に示すように、それぞれ幅方向の両端側に設けられる。シャッター板３１は、回動軸３１ａが吸気口２１ａの左右の縁部に支持されて、回動軸３１ａを中心に回動可能となっている。また、シャッター板３１は、連結軸３１ｂが連結部材３２に設けられたリブ３２ａに回動可能に連結されている。

駆動ユニット３３は、アクチュエータとしてのモータ３４と、モータ３４の駆動により回転する回転板３５と、回転板３５の周縁の偏心位置に設けられる支持軸３６ａと連結部材３２に設けられたリブ３２ｂに取り付けられる支持軸３６ｂとに両端が回動可能に支持されたリンクアーム３６とを備える。この駆動ユニット３３は、モータ３４の駆動による回転板３５の回転運動によってリンクアーム３６が斜め上下方向に往復運動し、リンクアーム３６に支持軸３６ｂとリブ３２ｂとを介して接続された連結部材３２を押し上げたり（図３）、引き下げたりする（図４）。連結部材３２に連結軸３１ｂを介して連結された各シャッター板３１は、連結部材３２が押し上げられることにより回動軸３１ａを中心に閉じ方向（図３（ｂ），図４（ｂ）の右回り方向）に回動して図３に示す閉状態となり、連結部材３２が引き下げられることにより回動軸３１ａを中心に開き方向（図３（ｂ），図４（ｂ）の左回り方向）に回動して図４に示す開状態となる。このように、吸気口開閉シャッター３０は、駆動ユニット３３のモータ３４の駆動により作動して、吸気口２１ａを開閉する。

排気口開閉シャッター４０は、駆動ユニット３３を備えない点を除いて、吸気口開閉シャッター３０と同様に構成されている。即ち、排気口開閉シャッター４０は、図５に示すように、シャッター板３１と同様に構成され排気口２１ｂ内に複数配置されるシャッター板４１と、連結部材３２と同様に構成され各シャッター板４１を連結する連結部材４２とを備える。また、排気口開閉シャッター４０は、吸気口開閉シャッター３０と異なり、連結部材４２を上方位置、即ち、各シャッター板４１を閉状態とする位置に保持するスプリング４３が排気口２１ｂ内の上面に設けられている。

この排気口開閉シャッター４０は、ファン２４が駆動開始すると、排気口２１ｂ内の高さ方向の中央側にあるシャッター板４１が裏面でファン２４の気流による風圧を受けて回動軸４１ａを中心に開き方向（図５の右回り方向）に傾くことになる。シャッター板４１が開き方向に傾くと、シャッター板４１が受ける風圧と連結部材４２の自重とによりスプリング４３の付勢に抗して連結部材４２が下方に移動することで、各シャッター板４１が連動して回動することにより開状態となる（図５（ｂ））。また、排気口開閉シャッター４０は、ファン２４が駆動停止すると、シャッター板４１の裏面で受ける風圧が殆どなくなるから、シャッター板４１が回動軸４１ａを中心に閉じ方向（図５の左回り方向）に傾くことになる。シャッター板４１の裏面で受ける風圧が殆どない状態でシャッター板４１が閉じ方向に傾くと、スプリング４３の付勢によるアシスト力を受けて連結部材４２が上方に移動することで、各シャッター板４１が連動して回動することにより閉状態となる（図５（ａ））。このように、排気口開閉シャッター４０は、ファン２４の駆動により生じる気流の風圧を受けて作動して、排気口２１ｂを開閉する。

次に、こうして構成された燃料電池システム１０の放熱ユニット２０の作動について説明する。まず、湯水の温度や外気温度が所定の放熱必要温度以上となっている場合について説明する。この場合、制御装置１８は、吸気口開閉シャッター３０の駆動ユニット３３（モータ３４）を制御して吸気口２０ａを開状態とすると共にファン２４を駆動する。また、ファン２４の駆動により、排気口開閉シャッター４０のシャッター板４１が開動作して排気口２１ｂを開状態とする。これにより、放熱ユニット２０は、ファン２４の駆動により吸気口２０ａから吸引した外気をラジエータ２２に送風し排気口２０ｂを介して外部に排気するから、ラジエータ２２を冷却することができる。このため、ラジエータ２２により循環配管１５内の湯水を適切に放熱することができる。したがって、湯水の温度や外気温度が所定の放熱必要温度以上となっている高温状態で、循環配管１５内や貯湯タンク１６内の湯水の温度が過剰に上昇するのを抑制することができる。

次に、湯水の温度や外気温度が所定の凍結防止温度以下となっている場合について説明する。この場合、制御装置１８は、ファン２４の駆動を停止すると共に吸気口開閉シャッター３０の駆動ユニット３３（モータ３４）を制御して吸気口２０ａを閉状態とする。また、ファン２４の駆動停止により、排気口開閉シャッター４０のシャッター板４１が閉動作して排気口２１ｂを閉状態とする。これにより、放熱ユニット２０は、吸気口２０ａと排気口２１ｂとをいずれも閉状態として放熱ユニット室２１内に外気が流入するのを防ぐことができる。このため、ラジエータ２２が外気の送風によって過剰に冷却されるのを抑えることができるから、ラジエータ２２による循環配管１５内の湯水の放熱を抑えることができる。したがって、湯水の温度や外気温度が所定の凍結防止温度以下となっている低温状態で、循環配管１５が凍結するのを防止することができる。

以上説明した実施例の燃料電池システム１０では、放熱ユニット２０が、循環配管１５に設けられるラジエータ２２と、吸気口２１ａを介して吸入した外気をラジエータ２２に送風し排気口２１ｂを介して排出するファン２４とを有する。また、放熱ユニット２０は、ファン２４が駆動停止している場合には、吸気口２１ａと排気口２１ｂとをいずれも閉状態とする。このため、低温状態などラジエータ２２による放熱が必要ないためにファン２４が駆動停止している場合に、外気の流入を抑えてラジエータ２２の放熱を抑えるから、凍結防止用のヒータを設けたり湯水を排出したりすることなく、簡易な構成で循環配管１５の凍結防止をすることができる。

また、放熱ユニット２０は、吸気口２１ａが、モータ３４の駆動によって作動する吸気口開閉シャッター３０によって開閉されるから、吸気口２１ａの開閉状態をファン２４の駆動に合わせて制御することができる。このため、吸気口２１ａからの外気の流入をより確実に抑えることができる。

また、放熱ユニット２０は、排気口２１ｂが、ファン２４の駆動により生じる気流の風圧によって作動する排気口開閉シャッター４０によって開閉されるから、ファン２４を駆動停止する際には、排気口２１ｂを自動的に閉状態として外気の流入を抑えることができる。また、ファン２４を駆動する際には、ファン２４の駆動により生じる気流の風圧によって閉状態から自動的に開状態とするから、外気の流れを阻害することなくラジエータ２２により適切に放熱させることができる。

また、燃料電池システム１０では、発電ユニット１１や貯湯タンク１６などが収容ケース１０ａ内に収容され、放熱ユニット２０が、収容ケース１０ａ内に区画され吸気口２１ａと排気口２１ｂとが設けられた放熱ユニット室２１内に配置される。このため、吸気口２１ａや排気口２１ｂ以外に、外気が放熱ユニット室２１内に流入するのを抑えるから、吸気口２１ａや排気口２１ｂを閉状態とすることで凍結を防止する効果を高めることができる。

実施例では、吸気口開閉シャッター３０がアクチュエータとしてのモータ３４の駆動によって作動するものとしたが、これに限られず、シリンダなどモータ以外のアクチュエータの駆動によって作動するものとしてもよい。

実施例では、吸気口開閉シャッター３０がアクチュエータ（モータ３４）の駆動によって作動し、排気口開閉シャッター４０がファン２４の駆動により生じる気流によって作動するものとしたが、これに限られるものではない。例えば、吸気口開閉シャッターがファン２４の駆動により生じる気流によって（例えば負圧に引かれることによって）作動したり、排気口開閉シャッターがアクチュエータの駆動によって作動したりするものとしてもよい。あるいは、吸気口開閉シャッターと排気口開閉シャッターとがいずれもファン２４の駆動により生じる気流によって作動するものとしてもよい。または、吸気口開閉シャッターと排気口開閉シャッターとがいずれもアクチュエータの駆動によって作動するものとしてもよい。

実施例では、吸気口２１ａと排気口２１ｂとがいずれも開閉可能なものを例示したが、これに限られず、吸気口２１ａと排気口２１ｂとのうちいずれか一方を開閉可能なものとして、ファン２４が駆動停止する場合に吸気口２１ａと排気口２１ｂとのうちいずれか一方を閉状態とするものとしてもよい。吸気口２１ａと排気口２１ｂとのうちいずれか一方を閉状態とすることで、吸気口２１ａと排気口２１ｂとを両方とも開状態としておくものに比して、外気が流入するのを抑制することができる。

実施例では、放熱ユニット２０が収容ケース１０ａ内に区画された放熱ユニット室２１内に配置されるものとしたが、これに限られず、収容ケース１０ａ内に区画されることなく配置されるものなどとしてもよい。

実施例では、発電モジュール１２と熱交換器１４と貯湯タンク１６とが一の収容ケース１０ａ内に配置されるものとしたが、これに限られず、別々の収容ケース内に配置されるものなどとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、発電モジュール１２の燃料電池ＦＣが「燃料電池」に相当し、貯湯タンク１６が「貯湯タンク」に相当し、ラジエータ２２が「ラジエータ」に相当し、ファン２４が「ファン」に相当し、放熱ユニット２０が「放熱ユニット」に相当する。吸気口開閉シャッター３０がアクチュエータの駆動により作動可能な「開閉装置」に相当し、排気口開閉シャッター４０がファンの気流により作動可能な「開閉装置」に相当する。収容ケース１０ａが「収容ケース」に相当し、放熱ユニット室２１が「区画室」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。

１０ 燃料電池システム、１０ａ 収容ケース、１１ 発電ユニット、１２ 発電モジュール、１４ 熱交換器、１５ 循環配管、１６ 貯湯タンク、１８ 制御装置、２０ 放熱ユニット、２１ 放熱ユニット室、２１ａ 吸気口、２１ｂ 排気口、２２ ラジエータ、２４ ファン、３０ 吸気口開閉シャッター、３１ シャッター板、３１ａ 回動軸、３１ｂ 連結軸、３２ 連結部材、３２ａ，３２ｂ リブ、３３ 駆動ユニット、３４ モータ、３５ 回転板、３６ リンクアーム、３６ａ，３６ｂ 支持軸、４０ 排気口開閉シャッター、４１ シャッター板、４１ａ 回動軸、４２ 連結部材、４３ スプリング、ＦＣ 燃料電池。

Claims (5)

1. 燃料の供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池からの熱により加熱された湯水を貯湯する貯湯タンクと、
   前記湯水が流れる循環経路に設けられるラジエータと、吸気口を介して外部から吸入した空気を前記ラジエータに送風し排気口を介して外部に排気するファンとを有する放熱ユニットと、
   を備え、
   前記放熱ユニットは、前記ファンが駆動停止している場合には、前記吸気口と前記排気口とのうち少なくともいずれか一方を閉状態とする
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記放熱ユニットは、前記吸気口と前記排気口とのうち少なくともいずれか一方が、前記ファンの駆動で生じる気流により作動可能な開閉装置によって開閉される
   燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記放熱ユニットは、前記吸気口と前記排気口とのうち少なくともいずれか一方が、アクチュエータの駆動により作動可能な開閉装置によって開閉される
   燃料電池システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記放熱ユニットは、前記ファンが駆動停止している場合には、前記吸気口と前記排気口とをいずれも閉状態とする
   燃料電池システム。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池と前記貯湯タンクとが、一の収容ケース内に収容され、
   前記放熱ユニットが、前記収容ケース内に区画され前記吸気口と前記排気口とが設けられた区画室に配置される
   燃料電池システム。