JP2020004656A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池モジュールの放熱が抑制され、発電効率が向上する燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池装置は、セルスタック１１とセルスタック１１を収容する収納容器１０とを含む燃料電池モジュール１と、収納容器１０の少なくとも一部を覆って位置する断熱材１３と、断熱材１３の少なくとも一部を覆って位置する第一部材１４と、１つまたは複数の熱交換器４，６とを備える。熱交換器４，６の少なくとも１つは、第一部材１４に接続される。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

燃料電池装置は、外装ケース等の筐体内に、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の熱エネルギーを回収するための熱交換器を備える。

熱交換器は、たとえば特許文献１に記載のように、断熱材で周囲を覆われた燃料電池モジュールの下側に垂下するように配置されており、前述の排ガスが流過する配管またはパイプ等により、燃料電池モジュールの排気口に接続され、固定されている。

特開２００９−３２６５２号公報 特許第６２１６９０１号公報

本開示の燃料電池装置は、
セルスタックと該セルスタックを収容する収納容器とを含む燃料電池モジュールと、
該収納容器の少なくとも一部を覆って位置する断熱材と、
該断熱材の少なくとも一部を覆って位置する第一部材と、
１つまたは複数の熱交換器と、を備え、
前記熱交換器は、前記第一部材に接続される。

実施形態の燃料電池装置の概略構成図である。 燃料電池装置の筐体内の構成を説明する分解図である。 燃料電池モジュールの内部構成を説明する透視図である。

以下、図面を用いて実施形態の燃料電池装置について説明する。
図１は、実施形態の燃料電池装置１００の概略構成図であり、図２は、燃料電池装置１００の筐体６０内における各機器と配管の配置を説明する分解図である。また、図３は、断熱材１３に覆われた燃料電池モジュール１の内部構成を説明する透視図である。なお、図中に示すＸＹＺの直交３軸方向のうち、Ｘ方向は、モジュール内の燃料電池セル及びセルスタック１１の配列方向を示すものである。

図１に示す、実施形態の燃料電池装置１００は、天然ガス，ＬＰガス等の原燃料と空気とを使用して発電を行なう燃料電池モジュール１の稼動による電力供給と、蓄熱タンク２，ラジエータ３，高温度の排ガスと低温度の熱媒とを熱交換させる第一熱交換器４及び熱媒循環ポンプＰ１，熱媒循環流路としての低温熱媒配管２１，高温熱媒配管２２等からなる排熱回収システムを利用した温水の貯留または供給と、を行うコジェネレーションシステムである。

前述の排熱回収システムを、以降、一次ヒートサイクルＨＳ１という。一次ヒートサイクルＨＳ１は、図１において、符号ＨＳ１で示す一点鎖線で囲んだ範囲である。一次ヒートサイクルＨＳ１内における循環熱媒として、たとえば水が用いられる。第一熱交換器４は、高温の排ガスが流れるため、基本的には常温（たとえば２３℃）より温度が高い。

燃料電池装置１００は、前述の蓄熱タンク２に貯留された高温の温水（高温水または熱水ともいう）を熱媒として、熱交換により上水道等の外部から供給された水（低温または冷温の水ともいう）を加温し、給湯や暖房の熱源等に用いる、排熱利用システム（以下、二次ヒートサイクルＨＳ２という）を備える。

二次ヒートサイクルＨＳ２は、図１に示すように、前述の一次ヒートサイクルＨＳ１と共用の蓄熱タンク２のほか、熱媒である高温水と低温の水道水とを熱交換させる第二熱交換器６と、熱媒循環ポンプＰ２及び熱媒循環流路としての高温水配管２３、低温水配管２４等から構成される。図１において、二次ヒートサイクルＨＳ２は、符号ＨＳ２で示す二点鎖線で囲んだ範囲である。二次ヒートサイクルＨＳ２内における循環熱媒として、蓄熱タンク２内上部の高温部位に貯留された高温水が用いられる。第二熱交換器６は、常温より温度の高い高温水と、常温に近い水道水と、の熱交換を行っているため、基本的には常温より温度が高い。

第二熱交換器６で生成される、加温された水道水（以下、加温水）の利用としては、たとえば図１に示すような、給湯器への温水の供給等がある。本実施形態においては、第二熱交換器６の低温流体のインレットである導入口に、上水道に繋がる上水配管３１が接続され、低温流体のアウトレットである導出口に、給湯器に繋がる給湯配管３２が接続される。なお、上水配管３１と給湯配管３２との間には、給湯水の温度を調節するためのバイパス配管３３が、流量調節弁を介して接続されている。

第二熱交換器６の高温流体の導入口には、先述の熱媒循環流路の上流側を構成する高温水配管２３が接続され、高温流体の導出口には、熱媒循環流路の下流側を構成する低温水配管２４が接続される。

燃料電池装置１００は、図２に示す筐体である外装ケース６０内に、前述の各補機や流路，配管等のほかにも、ホットモジュールである燃料電池モジュール１の発電運転に必要な補機類等が配設される。図２は、外装ケース６０の外装支柱６１及び外装（化粧）パネル６２の一部を取り外した状態を描いている。

図１においては、第一熱交換器４における排ガスの流路の下流側には、熱交換により低温となった排ガスを装置外に排出する排ガス（排気）流路４１と、排ガス中の水分や水蒸気等が凝縮して生じる凝縮水を改質水タンク５に流過させる凝縮水流路４２が設けられる。また、改質水タンク５内に貯留された改質水を燃料電池モジュール１内の改質器１２に供給する改質水ポンプＰ３と、改質水流路５１とが配設される。

また、外部から供給される天然ガス（１３Ａ）等の原燃料を、改質器１２に供給する原燃料ポンプＢ１及び原燃料ガス流路５２と、装置外部の空気を、酸素含有ガスとして改質器１２に供給する空気ブロアＢ２及び酸素含有ガス流路５３と、が配設される。なお、外装ケース６０内には、補機として、図示していない、パワーコンディショナ、制御装置、記憶装置等も配設されている。

外装ケース６０内の燃料電池モジュール１は、保温のために、収納容器１０の全面、すなわちこの例では上下面を含む直方体の６面の外部に、断熱材１３が配設され、図２及び図３に示すように、配管等を挿通するのに必要開口以外の全面が、断熱性の部材で覆われている。

なお、図中の符号１４は、前述の断熱材１３を収納容器１０の外面に固定するための部材（以下、第一部材という）である。第一部材１４を構成材料は、たとえば金属でもよく、一般的には、断熱材１３より熱伝導率が高いものが用いられる。それゆえ、断熱材１３を覆う第一部材１４が設けられた領域は、特に、燃料電池モジュール１の熱を放出する傾向がみられる。収納容器１０の各外面に配設された第一部材１４には、図２に示すように、燃料電池モジュールの熱の放出を抑制するために、内側の断熱材１３を確認できる窓となる開口を設けてもよい。

ところで、従来の燃料電池装置では、燃料電池モジュール１内部の熱の放出を抑制するために、熱交換器が発する熱（熱エネルギー）を利用することができなかった。

これに対して、実施形態の燃料電池装置１００では、図２に示すように、熱交換器４，６は、第一部材１４に接続されている。この構成により、熱交換器４，６の熱を利用して、燃料電池モジュール１の外表面である第一部材１４を温めることができ、ひいては、燃料電池モジュール１内部の熱の放出を、効率よく抑制することができる。

ここで、本開示でいう「接続」とは、第一部材１４と熱交換器４，６とが直接的または間接的に接しており、熱交換器の４，６の熱を第一部材１４に伝えることができるように接続されていることを意味する。

本実施形態においては、第一熱交換器４及び第二熱交換器６を第一部材１４に固定する固定部材１５が設けられている。第一熱交換器４及び第二熱交換器６は、固定部材１５を介して、断熱材１３を覆う第一部材１４に接続されており、熱交換器４，６の熱を第一部材１４に伝えることができるように接続されている。

なお、各熱交換器４，６自体が、新たに設けた他の断熱材で覆われていてもよく、この場合においては、当該他の断熱材と固定部材１５とが接続していることでも、熱交換器４，６の熱を第一部材１４に伝えることができる。

固定部材１５は、第一部材１４の材料と同じで第一部材１４と一体的に設けられていてもよく、第一部材１４と異なる材料の部材であってもよい。さらには、固定部材１５は、第一熱交換器４及び第二熱交換器６と一体的に設けることもできる。第一熱交換器４及び第二熱交換器６は、固定部材１５を介して、締結等により、第一部材１４に固定されている。この構成により、各熱交換器４，６を固定するための部材を別途設ける必要がないため、燃料電池装置全体としてコンパクトに構成できる。

ここで、まず、外装ケース６０内に配設される燃料電池モジュール１の内部構成について説明する。

図３は、収納容器１０（図示せず）の外側に貼着された断熱材１３を覆う第一部材１４の図示を省略した、燃料電池モジュール１の外観斜視図である。このように、実施形態で使用する燃料電池モジュール１は、外面が断熱材１３に覆われた直方体であり、その熱交換器取り付け面（図２及び図３において視認できる正面。以下、第一面ともいう）に、２つの開口１０ａ，１０ｂが設けられている。断熱材１３の内側には、その透視図に示すように、収納容器１０（図示省略）に収容された、セルスタック１１と改質器１２とが配設されている。

図３では図示はしていないが、これらセルスタック１１及び改質器１２と、収納容器１０との間には、内部断熱材が充填され、この内部断熱材により、セルスタック１１上側の改質器１２の周囲に、余剰の改質ガスを燃焼させる燃焼室が形成されている。

また、二重容器である収納容器１０の内箱と外箱との間には、酸素含有ガスである空気をセルスタック１１まで流過させる空気流路（図１における酸素含有ガス流路５３の収納容器１０内部分）と、セルスタック１１上部の、前述の燃焼室内で燃焼した燃焼排ガスを収容容器１０の外部に排出する排ガス流路（図１における排ガス流路４１の収納容器１０内部分）と、が設けられている。

図３に示す本実施形態のセルスタック１１は、複数の柱状燃料電池セルが、図示Ｘ方向に１列に配置された構成をとる。そして、セルスタック１１上側の燃焼室（図示せず）内に配設された改質器１２は、図示のようにストレート状または直管状であり、セルスタック１１と同様、燃料電池セルの配列方向である図示Ｘ方向に沿って配置されている。

燃料電池モジュール１内部の改質器１２は、内管と外管とに分けて改質水流路５１と原燃料ガス流路５２とを備える二重管により供給された改質水を、Ｘ方向負側（図示右側）に位置する気化部１２Ａで蒸発させ、その水蒸気を用いた水蒸気改質により、Ｘ方向正側（図示左側）に位置する改質部１２Ｂで、原燃料を改質し改質ガスを生成する。

なお、改質器１２は、その中を、流体が気化部１２Ａ側から改質部１２Ｂ側、すなわち上流側から下流側に向けて一方向に流過するものであり、本実施形態においては、改質器１２における、気化部１２Ａが位置する上流側（図示右側でＸ方向負側）の端部を第一端部、改質部１２Ｂが位置する下流側（図示左側でＸ方向正側）の端部を第二端部と呼ぶ。

そして、図３に示す、収納容器１０（図示省略）及び断熱材１３を貫通して容器内部に通じる前述の２つの開口のうち、Ｘ方向正側でかつ改質部１２Ｂ側（図示左側）の下方に位置する貫通穴は、前述の酸素含有ガス流路５３に外部の空気を導入するための空気導入配管挿通口１０ａであり、Ｘ方向負側でかつ気化部１２Ａ側（図示右側）の上方に位置する貫通穴は、前述の排熱回収用一次ヒートサイクルＨＳ１の第一熱交換器４に向けて高温度の排ガスを流過させる燃焼排ガス導出口１０ｂである。

ここで、前述の図２に記載した、外装ケース６０内の燃料電池モジュール１周りの各補機類及び流路配管の配設位置に対応する位置を、図３に記載の仮想線（二点鎖線）で確認すると、一次ヒートサイクルＨＳ１の第一熱交換器４と、二次ヒートサイクルＨＳ２の第二熱交換器６とは、図３では記載しない第一部材１４に取り付けられた固定部材１５を介して、断熱材１３の少なくとも一部を覆う当該第一部材１４（記載せず）に、取り付けられている。

各熱交換器４，６は、固定部材１５を介して第一部材１４に取り付けられているため、第一部材１４と直接的に接続されていないが、各熱交換器４，６と収納容器（図示せず）との間に、第一部材１４が配設されている。この構成により、熱交換器の熱を利用して、第一部材１４をより効率よく温めることができ、ひいては、燃料電池モジュール１内部の熱の放出を、効率よく抑制することができる。言うまでもなく、各熱交換器４，６と収納容器１０との間に位置する第一部材１４と、各熱交換器４，６と、が直接的に接続されていてもよい。

第一熱交換器４と第二熱交換器６のうち少なくとも１つ、本例においてはより高温となる傾向にある第一熱交換器４が、収納容器（図示せず）の側面のうち、セル配列方向（Ｘ方向）に沿った第一面（図２及び図３において視認できる正面）におけるセル配列方向（Ｘ方向）中央より第一端部側の領域、すなわち図示における気化部１２Ａ側の右半分の領域に配設されている。この構成により、比較的温度が低い収納容器１０のうちの気化部１２Ａ側の領域からの放熱を抑制できるため、燃料電池モジュール全体の温度分布の均一化に貢献できる。

第一熱交換器４は、第一面（図３において視認できる正面）の外側の方向である、Ｙ方向正の向きから見た投影視において、前述の第一熱交換器４の投影面と、前述の第一端部（図示右側でＸ方向負側の端部）側に位置する気化部１２Ａの投影面とは、その一部が重複する位置に配置されている。この構成により、比較的温度が低い収納容器１０のうちの気化部１２Ａ側の領域からの放熱をさらに抑制できるため、燃料電池モジュール全体の温度分布の均一化に貢献できる。

本実施形態のように、熱交換器取り付け面（固定部材１５のある第一面）に２つの熱交換器を配設する場合、図３に示すように、より高温となる傾向の一次ヒートサイクルＨＳ１の第一熱交換器４を、第一面におけるセル配列方向（Ｘ方向）中央より第一端部（気化部１２Ａ）側に配置する。また、より低温となる傾向の二次ヒートサイクルＨＳ２の第二熱交換器６は、第一面における第一熱交換器４より第二端部（改質部１２Ｂ）側に配置する。

また、図１及び図２に示す燃料電池装置１００において、燃料電池モジュール１は、空気導入配管５３挿通用の貫通穴（図３においては空気導入配管挿通口１０ａ）を、第一面におけるセル配列方向（Ｘ方向）中央より第二端部（改質部１２Ｂ）側に備える。なお、空気導入配管５３には、収納容器１０内の温度より温度の低い空気が流れるため、貫通穴（空気導入配管挿通口１０ａ）の周辺は、比較的温度が低い。

そのため、図２及び図３に示すような、燃料電池モジュール１の全体で見ると、前述の第一熱交換器４、第二熱交換器６、前記の貫通穴（空気導入配管挿通口１０ａ）及びそれに挿通される空気導入配管５３は、図示のように、第一面において、セル配列方向（Ｘ方向）の第一端部（気化部１２Ａ）から第二端部（改質部１２Ｂ）にかけて順に配設される。これらの構成により、燃料電池モジュール全体の温度分布の均一化に、さらに貢献できる。

なお、前述の各熱交換器４，６が、ブレージングプレート式の熱交換器である場合、燃料電池モジュール１の保温のために、ブレージングプレート式熱交換器において最も高温となる面を、第一部材１４側に向けて、固定部材１５に固定すればよい。すなわち、各熱交換器４，６において、高温の熱媒が流過する高温流路に対向する外側面を、第一部材１４に近接させることにより、燃料電池モジュール１をより保温することができる。

さらに、たとえば第二熱交換器６がブレージングプレート式で、かつ、図２に示すように、その第二熱交換器６の低温流体のインレットである導入口に、上水道に繋がる上水配管３１が接続され、低温流体のアウトレットである導出口に、給湯器に繋がる給湯配管３２が接続される場合、最も低温となる上水配管３１は、熱交換器取り付け面（固定部材１５のある第一面）から最も離れるように配設する。すなわち、燃料電池モジュール１からは、第二熱交換器６を挟んで離れた位置に、上水配管３１を取り回しする。これにより、低温な上水配管３１が燃料電池モジュール１から熱を奪うことを抑制できる。

以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示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。

１ 燃料電池モジュール
２ 蓄熱タンク
４ 第一熱交換器
６ 第二熱交換器
１０ 収納容器
１０ａ 空気導入配管挿通口（貫通穴）
１０ｂ 燃焼排ガス導出口
１１ セルスタック
１２ 改質器
１２Ａ 気化部
１２Ｂ 改質部
１３ 断熱材
１４ 第一部材
１５ 固定部材
３１ 上水配管
３２ 給湯配管
５３ 酸素含有ガス流路（空気導入配管）
１００ 燃料電池装置

Claims (8)

1. セルスタックと、該セルスタックを収容する収納容器と、を含む燃料電池モジュールと、
   該収納容器の少なくとも一部を覆って位置する断熱材と、
   該断熱材の少なくとも一部を覆って位置する第一部材と、
   １つまたは複数の熱交換器と、を備え、
   前記熱交換器は、前記第一部材に接続される、燃料電池装置。
2. 前記熱交換器と前記収納容器との間に、前記第一部材が位置する、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記熱交換器は、前記第一部材と対向する面に最も近い流路が、高温の熱媒が流過する高温流路である、請求項１または２に記載の燃料電池装置。
4. 前記セルスタックは、複数の燃料電池セルが所定の方向に沿って配列されており、
   前記燃料電池モジュールは、前記収納容器内に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って延びる水蒸気改質可能な改質器をさらに備え、
   前記改質器は、セル配列方向一端の第一端部側に気化部が位置し、セル配列方向他端の第二端部側に改質部が位置しており、
   前記熱交換器のうち少なくとも１つは、前記収納容器の側面のうち、セル配列方向に沿った第一面におけるセル配列方向中央より第一端部側の領域と対向して位置する、請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の燃料電池装置。
5. 前記第一面の外側から見た投影視において、
   前記第一端部側の領域と対向して位置する前記熱交換器の投影面と、前記気化部の投影面との少なくとも一部が重複する、請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 熱媒を貯留する蓄熱タンクと、
   前記燃料電池モジュール内で発生する高温の排ガスと熱媒とを熱交換させる第一熱交換器と
   前記蓄熱タンク内に貯留された熱媒と外部から導入された流体とを熱交換させる第二熱交換器と、を備え、
   前記第一熱交換器は、前記第一面におけるセル配列方向中央より第一端部側に位置し、
   前記第二熱交換器は、前記第一面における前記第一熱交換器より第二端部側に位置する、請求項４または５に記載の燃料電池装置。
7. 外部から前記燃料電池モジュールに、酸素含有ガスとして空気を供給する空気導入配管と、
   前記第一面に設けられた空気導入配管挿通用の貫通穴と、を備え、
   前記貫通穴は、前記第一面における、セル配列方向中央より第二端部側に位置する、請求項４〜６のうちのいずれか１つに記載の燃料電池装置。
8. 外部から前記燃料電池モジュールに、酸素含有ガスとして空気を供給する空気導入配管と、
   前記第一面に設けられた空気導入配管挿通用の貫通穴と、を備え、
   前記第一面において、セル配列方向の第一端部から第二端部にかけて、前記第一熱交換器、前記第二熱交換器、前記貫通穴の順に配設される、請求項６に記載の燃料電池装置。

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