JP2024032376A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料を供給する流路において、原燃料の供給源と開閉弁とを繋ぐ配管が容易に外れず、安全性と信頼性に優れた燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池装置１００は、原燃料を改質器１２に供給する原燃料流路２２に、開閉弁１５０と原燃料継手１５６とを接続する第１配管６０を有する。第１配管６０は、第一開口部６１１１と、第二開口部６１２と、第一開口部６１１を含む直線状の第一直線流路６２１と、第二開口部６１２を含む直線状の第二直線流路６２２と、を備え、第一直線流路６２１の中心軸である第一中心軸線Ｌ１と第二直線流路６２２の中心軸である第二中心軸線Ｌ２が９０度の角度をなしている。これにより第１配管６０は、配管の両端が９０度異なる方向に突っ張って固定されるため、振動などによって配管が自然に外れてしまうことを有効に防止することができる。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池装置に関するものである。

水素を含有する燃料ガスと酸素含有ガス（空気）とを用いて発電を行ない、電気を外部に供給する燃料電池装置が知られており、発電を行う燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールを動作させるための補機等を筐体内に備えて構成される。

このような燃料電池装置は、天然ガスやＬＰガス等の原燃料を水蒸気改質し、燃料電池モジュールに供給する燃料ガスを生成するための改質器を備えている。また改質器の上流には、水を気化して水蒸気を生成する気化器を備えており、この気化器に原燃料と水とが導入されるようになっている。そして、気化器で発生した水蒸気と原燃料とが混合されて下流側の改質部に導入され、改質器で燃料ガスが生成されるように構成されている（例えば、特許文献１）。

また、気化器へ原燃料を供給する燃料供給装置には、上流側より、供給源から供給される原燃料ガスを遮断する２連の電磁弁、原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ、原燃料ガスの流量を検知する流量センサ、原燃料ガスを送出するガスポンプ、原燃料ガスに含まれる硫黄分を除去する脱硫器、などの補機が設けられており、原燃料ガスの供給源および各補機の間をガス供給管により接続している。

特開２０１８－４９７８３号公報

上述の燃料供給装置のように原燃料ガスが流れる流路では、補機の間を繋ぐ配管が外れるとそこからガス漏れが発生し、発火や爆発という危険な事態を招くおそれがある。特に装置内において、電磁弁の上流側の間の配管が外れると原燃料ガスを止めることができなくなり、危険性がより高まってしまう。そのため、補機と配管が容易に外れないような構造が採用されている。例えば、補機と配管との接続には、一般にクイックファスナ等の固定具を用いることが多いが、クイックファスナが外れてしまわないよう抜け止め防止用の金具を設けることなどはその一例である。しかしながら、このような金具を設けることで部品点数が増加するため、組立工数の増加や部品コストの上昇は避けられなかった。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、燃料を供給する流路において、原燃料の供給源と電磁弁とを繋ぐ配管が容易に外れることがなく、安全性と信頼性に優れた燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池と、
原燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料流路と、
前記原燃料流路に設けられた開閉弁と、
外部の燃料供給源と前記原燃料流路とを接続する原燃料継手と、を備え
前記原燃料流路は、前記開閉弁と前記原燃料継手とを接続する第１配管を有し、
前記第１配管は、一端側の第一開口部と、他端側の第二開口部と、前記第一開口部を含む直線状の第一直線流路と、前記第二開口部を含む直線状の第二直線流路と、を備え
前記第一直線流路の中心軸である第一中心軸線と前記第二直線流路の中心軸である第二中心軸線が９０度の角度をなしている燃料電池装置である。

上述のように構成することにより、燃料供給源と開閉弁とを繋ぐ第１配管が、振動などによって配管が自然に外れてしまうことを有効に防止することができる。よって、安全性と信頼性に優れた燃料電池装置となる。

本実施形態の燃料電池装置のシステム構成図である。 本実施形態の第１電磁弁と原燃料継手との接続構造を示す図である。 本実施形態の第１配管を示す図である。 本実施形態の第１配管のその他の例を示す図である。 第１配管の配管長ｙの求め方の説明図である。 燃料電池装置の筐体の分解図である。 右側面パネルの構造を示す図である。 外装パネルに対する原燃料継手および第１電磁弁の配置を示した図である。

好適と考える本発明の実施形態を、本発明の作用を示して簡単に説明する。

本発明は、原燃料を改質器に供給する原燃料流路に、開閉弁と原燃料継手とを接続する第１配管を有している燃料電池装置であって、この第１配管は、一端側の第一開口部と、他端側の第二開口部と、第一開口部を含む直線状の第一直線流路と、第二開口部を含む直線状の第二直線流路と、を備え、第一直線流路の中心軸である第一中心軸線と第二直線流路の中心軸である第二中心軸線が９０度の角度をなしている。これにより、燃料供給源と開閉弁とを繋ぐ第１配管は、配管の両端が９０度異なる方向に突っ張って固定されるため、振動などによって配管が自然に外れてしまうことを有効に防止することができる。よって、安全性と信頼性に優れた燃料電池装置となる。

また、開閉弁と原燃料継手は、第一中心軸線と第二中心軸線との交点からの距離が等しい位置に配置されている。これにより、第１配管の第一開口部と第二開口部は、開閉弁と原燃料継手のどちらにも接続することができるため、誤組付けのおそれがなくなり、第１配管の向きを気にすることなく組み立てることができる。

また、第１配管は、前記第一中心軸線と前記第二中心軸線のなす角を等分する線に対して線対象の形状である。これにより、第１配管はどちら向きで接続しても、その形状が変わらないので、配管の向きを気にすることなく燃料電池装置を構成する他の部品との干渉を避けることができる。

また、原燃料継手は筐体に取り付けられており、開閉弁は１または複数の部材を介して間接的に筐体に接続されている。これにより、開閉弁と原燃料継手の位置関係が変わらないため、第１配管をより外れにくくすることができる。

以下、本発明の一実施例を図面により説明する。

図１は本実施形態の燃料電池装置のシステム構成図である。燃料電池装置１００は、燃料電池モジュール１を含み、燃料電池モジュール１を作動させるための、第１熱交換器２、蓄熱タンク３、凝縮水タンク４、放熱器５、空気供給装置１４、燃料供給装置１５、改質水供給装置１６等の複数の補機が筐体５０内に納められている。筐体５０内には上述の装置全てが収められる必要はなく、例えば、第１熱交換器２や蓄熱タンク３を筐体５０の外部に設けてもよい。また、上述の装置の一部を省略した燃料電池装置も可能である。

燃料電池モジュール１は、箱状の収納容器１０の内部に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池１１と、燃料電池１１に供給する燃料ガスを生成する改質器１２と、を収容して構成される。

燃料電池１１の構成については特に限定はしないが、例えば、複数の燃料電池セルが配列されてなるセルスタック構造を有していてもよい。セルスタック構造の燃料電池１１は、例えば、各燃料電池セルの下端を、ガラスシール材等の絶縁性接合材を用いて、マニホールドに固定することによって構成される。

改質器１２は、天然ガス、ＬＰガス等の原燃料ガスを水蒸気改質し、燃料電池１１に供給する燃料ガスを生成する。改質器１２には、原燃料ガスを供給する燃料供給装置１５と、改質水を供給する改質水供装置１６が接続されており、原燃料ガスと改質水は加熱された改質器１２で改質反応し、水素を含む燃料ガスが生成される。

燃料電池１１には、改質器１２で生成された燃料ガスと、空気供給装置１４によって導入された空気（酸素含有ガス）が供給される。燃料ガスは、燃料電池セル内を通過するときに酸素含有ガスと反応して発電が行われる。発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスは、燃料電池１１の上部で合流して燃焼する。この燃料ガスの燃焼によって高温の排ガスが生成され、改質器１２はこの熱によって加熱される。このようにして燃料電池モジュール１内で生じた排ガスは、第１熱交換器２に供給される。

第１熱交換器２には配管を介して、蓄熱タンク３、熱媒ポンプＰ１および放熱器５が接続され、第１熱媒循環ラインＨＣ１が形成されている。この第１熱媒循環ラインＨＣ１には熱媒体が導入されており、第１熱交換器２ではこの熱媒体と前述の排ガスとで熱交換が行われて熱媒体が加熱される。熱媒体としては水などを用いることができ、蓄熱タンク３は熱交換により温度が上昇した熱媒体を蓄える。蓄熱タンク３に蓄えられた熱媒体は、放熱器５に送られて冷却され、再び第１熱交換器２で排ガスと熱交換を行った後、蓄熱タンク３に還流する。これにより、蓄熱タンク３には上部から温度の高い熱媒体が蓄えられ温度成層が形成される。

また、第１熱交換器２には、凝縮水回収路２０を介して凝縮水タンク４が接続されている。燃料電池モジュール１で発生した排ガスが熱交換によって冷却されると、排ガス中に含まれる水蒸気が水と気体に分離され、分離された水は、凝縮水回収流路２０を通って凝縮水タンク４に回収される。凝縮水タンク４では、イオン交換器（図示せず）などを経て、回収した水から不純物を取り除いて純水化する。純水化した水は水供給装置１６により改質器１２に供給され、改質水として使用される。一方で、水分が取り除かれた気体は、排気流路２１を通ってから筐体５０の外に排出される。

改質器１２に原燃料を供給する燃料供給装置１５は、燃料の供給源から繋がる原燃料流路２２上に、第１電磁弁１５０、圧力センサ１５１、脱硫器１５２、ガス流量計１５３、燃料ポンプ１５４、第２電磁弁１５５等の補機が設けられている。また、外装ケース５０の側面には原燃料継手１５６が取り付けられており、この原燃料継手１５６によって原燃料流路２２が燃料電池装置１００外部の燃料の供給源と接続されている。改質器１２に改質水を供給する改質水供給装置１６は、凝縮水タンク４から繋がる改質水流路２３上に改質水ポンプ１６０等の補機が設けられている。燃料電池モジュール１に酸素含有ガスを供給する空気供給装置１４は、酸素含有ガス流路２４上に、エアフィルタ１４０、空気流量計１４１２、ブロワ１４２等の補機が設けられている。なお、ここに挙げた補機は一例であって、この他の補機を備える構成としてもよい。

さらに、燃料電池装置１００には、各種機器の動作を制御する制御装置３０が設けられているほか、燃料電池モジュール１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）４０を備えている。

また、燃料電池装置１００は、第２熱交換器６、蓄熱タンク３から熱媒を循環させる与熱ポンプＰ２およびこれらを繋ぐ配管を含む第２熱媒循環ラインＨＣ２を備えていてもよい。第２熱媒循環ラインＨＣ２では、外部から供給流路２５を介して供給された水道水を、蓄熱タンク３に貯留された高温の熱媒体を用いて第２熱交換器６で加温する。加温された水を外部の給湯器等の再加熱装置に向けて送給流路２６を介して送給することができる。燃料電池装置１００は、外部への温水供給を行わない、いわゆるモノジェネレーションシステムであってもよい。

図２は、第１電磁弁と原燃料継手との接続構造を示す図である。第１電磁弁１５０と原燃料継手１５６の間には、第１配管６０が設けられている。第１電磁弁１５０は、図１に示すようにケーシング内に２つの電磁弁１５０ａ、１５０ｂを連ねて構成されており、この電磁弁１５０ａ、１５０ｂを開閉することで原燃料流路２２の開状態と閉状態とを切り替えて、改質器１２への原燃料の供給と遮断を制御する。

第１配管６０は、原燃料流路２２を構成する複数の配管のうちの一つであって、熱伝導率の高い銅配管からなり、曲げ加工が施されている。本実施形態では、第１配管６０は略Ｌ字形状をなしており、上流側の端部が原燃料継手１５６に接続され、下流側の端部が第１電磁弁１５０に接続されている。そして、原燃料継手１５６と第１電磁弁１５０との接続箇所にはクイックファスナ６５が取り付けられて固定されている。

図３は、本実施形態の第１配管を示す図である。第１配管６０は、一端側に形成された開口である第一開口部６１１と、他端側に形成された開口である第二開口部６１２とを有している。そして、第一開口部６１１と第二開口部６１２とを繋ぐ流路は、一端側の第一開口部６１１を含んで直線状に延びる第一直線流路６２１と、他端側の第二開口部６１２を含んで直線状に延びる第二直線流路６２２と、第一直線流路６２１と第二直線流路６２２とを繋ぐ屈曲流路６２３とから構成されている。また、第一直線流路６２１の中心軸を第一中心軸線Ｌ１とし、第二直線流路６２２の中心軸を第二中心軸線Ｌ２として、それぞれの中心軸線を延長すると、第一中心軸線Ｌ１と第二中心軸線Ｌ２とがおよそ９０度の角度で交わっている。

さらには、第一中心軸線Ｌ１と第二中心軸線Ｌ２との交点をＸとすると、第一開口部６１１からＸまでの長さと、第二開口部６１２からＸまでの長さと、が等しくなっている。言い換えると、第１電磁弁１５０と原燃料継手１５６は、第一中心軸線Ｌ１と第二中心軸線Ｌ２との交点Ｘからの距離が等しい位置に配置されている。

第一中心軸線Ｌ１と第二中心軸線Ｌ２とが９０度の角度で交わることで、第１配管６０の両端に接続される第１電磁弁１５０と原燃料継手１５６との間には、９０度異なる方向に突っ張る力が働く。配管の両端が９０度異なる方向に突っ張って固定されるため、意図的に引っ張らない限り第１配管６０を引き抜くことはできない。したがって、もし燃料電池装置１００の運転に伴う振動等によってクイックファスナ６５が外れてしまったとしても、第１配管６０までもが外れてしまうことはないので、ガス漏れのおそれはなく安全に使用することができる。また、従来のようにクイックファスナ６５を固定するための金具が不要になるため、部品コストを抑えることもできる。

また、第１電磁弁１５０と原燃料継手１５６とが、第一中心軸線Ｌ１と第二中心軸線Ｌ２との交点Ｘからの距離が等しい位置に配置されていることで、第１配管６０はどちら向きでも接続することができる。つまり、第一開口部６１１は、第１電磁弁１５０と接続してもよいし原燃料継手１５６と接続してもよい。そのため、誤組付けのおそれがなくなり、第１配管６０の向きを気にすることなく組み立てることができるため、組立性も向上させることができる。

なお、第一直線流路６２１と第二直線流路６２２の長さを変えたり、第一直線流路６２１と第二直線流路６２２とを繋ぐ流路の形を変えることで、第１配管６０の形状は変化する。しかしながら、第一中心軸線Ｌ１と第二中心軸線Ｌ２とが９０度で交わるようになっていれば、第１配管６０が抜けにくくなる効果を得ることができる。そのため、第１配管６０は図３で示すようなＬ字形状に限定されない。

図４は、第１配管の変形例を示した図である。（Ａ）は、第一直線流路６２１と第二直線流路６２２の長さが図３に比べて短く、第一直線流路６２１と第二直線流路６２２の間には斜め方向に延びる直線状の流路が設けられている。（Ｂ）は、（Ａ）の変形例であって、第一直線流路６２１と第二直線流路６２２の間を斜め方向に延びる直線状の流路を有し、第一直線流路６２１と第二直線流路６２２の長さが異なっている。（Ｃ）は、第一直線流路６２１と第二直線流路６２２の間に円弧状の流路が設けられている。（Ｄ）は、第一直線流路６２１と第二直線流路６２２との間には階段状に折れ曲がった流路が設けられている。このように、第１配管６０の形状はそれぞれ異なるが、（Ａ）～（Ｄ）のいずれにおいても、第一中心軸線Ｌ１と第二中心軸線Ｌ２とが９０度の角度で交わるようになっている。

また、第１配管６０は、第一中心軸線Ｌ１と第二中心軸線Ｌ２のなす角を二等分する二等分線Ｍを引いたときに、二等分線Ｍに対して線対象の形状とすることができる。なお、第一中心軸線Ｌ１と第二中心軸線Ｌ２のなす角度は９０度であるから、二等分線Ｍは第一中心軸線Ｌ１（または第二中心軸線Ｌ２）と４５度の角度をなす線である。図３においては、二等分線Ｍを一点鎖線で示していて、第１配管６０はこの二等分線Ｍに対して線対象の形状になっている。このように、第１配管６０を線対象の形状にすると、第１配管６０の接続向きをどちら向きにしても、その形状は同じになる。

燃料電池装置１００の内部には多数の補機が設けられており、小型化するために狭いスペース内に様々の補機やそれらを繋ぐ配管が密に配置されている。そのため、取付向きによって第１配管６０の形状が変わってしまうと、他の部品や配管と干渉してしまい、結局取付向きが限定されてしまうおそれがある。これに対して、第１配管６０を線対象の形状とすることで、いずれの向きで用いても形状が変わらないため、第１配管６０の向きを気にせずに使用することができる。

この第１配管６０の配管長さの設定方法について、図５を用いて説明する。図５においては、第１配管６０にＡ、Ｂ、Ｃの３点を振り、ＡＢ（＝ＢＣ）の長さを第１配管６０の配管長ｙとする。そして、∠ＡＣＢをα、第１配管６０を原燃料継手１５６に対して傾けることのできる角度をθ、第１電磁弁１５０の開口からシール面までの長さをｓで表している。このときの第１配管６０の配管長ｙの最大長さは以下の式で求めることができる。
√２・ｙ・ｓｉｎ（α―θ）＝ｙ－ｓ
ｙ＝－ｓ／（√２・ｓｉｎ（α―θ））－１

次に、燃料電池装置１００の筐体５０について説明する。

図６は、本実施形態の燃料電池装置の筐体の分解図であり、図７は、本実施形態の右側面パネルの構造を示す図である。燃料電池装置１００の筐体５０は、直方体形状であって、底板５１と、上面パネル５２と、複数の側面パネル５３～５６を備えている。側面パネルは、左側面パネル５３、右側面パネル５４、正面パネル５５、背面パネル５６を備えており、底板５１および各パネル５２～５６は、板金部材を折り曲げ加工して成型される。各パネル５２～５６は、１枚の部材から構成されてもよいし、複数の部材を予め組み合わせたものであってもよい。また、本実施形態の筐体５０は、フレームを用いずに底板５１に側面パネル５３～５６を取り付けることができるように構成されているが、フレームを備えた構成であってもよい。

燃料電池装置１００には、メンテナンスを行うメンテナンス面があらかじめ設定されている。上面パネル５２と、複数の側面パネル５３～５６の一部は、メンテナンス時に取り外されるメンテナンスパネルである。

右側面パネル５４は、上部パネル５４１と下部パネル５４２から構成されている。上部パネル５４１は、開閉可能なカバー部５４１ａを備えていて、このカバー部５４１ａを外すと燃料電池装置１００の電源スイッチやブレーカスイッチを操作することができるようになっている。そして、メンテナンスの際には下部パネル５４２は取り付けたまま、上部パネル５４１だけを取り外すことができるようになっている。メンテナンス時に取り外しのできるパネルは、上述の上部パネル５４１に限らず、他のパネルも取り外しできるように設計することができる。また、下部パネル５４２には、燃料や水等の配管が継手を介して接続されている。第１配管６０が接続される原燃料継手１５６も、下部パネル５４２に取り付けられる。

下部パネル５４２は、配管等が接続される配管接続板５４２ａと、この配管接続板５４２ａの左右両端部に取り付けられる保持フレーム５４２ｂを有している。

図８は、外装パネルに対する原燃料継手および第１電磁弁の配置を示した図である。原燃料継手１５６は、右側面パネル５４の一部である下部パネル５４２を貫通して取り付けられている。第１電磁弁１５０には、電磁弁固定金具７０が取り付けられていて、この電磁弁固定金具７０は保持フレーム５４２ｂと接続されている。保持フレーム５４２ｂは、下部パネル５４２と底板５１に接続されているため、第１電磁弁１５０は電磁弁固定金具７０と保持フレーム５４２ｂを介して筐体５０を構成する外装パネルに接続されている。つまり、第１電磁弁１５０と原燃料継手１５６はともに燃料電池装置１００の筐体５０を構成する外装パネルに直接または間接的に接続されているため、第１電磁弁１５０と原燃料継手１５６の位置関係がズレてしまうことが防止されている。これにより、第１電磁弁１５０と原燃料継手１５６との間に配置された第１配管６０に外部から余計な力が加わることが抑制されるため、第１配管６０をより外れにくくすることができる。

本実施形態の電磁弁固定金具７０は、第１電磁弁１５０にねじ止めされた第１部材７１と、第１部材７１にねじ止めされた第２部材７２とを備えて構成され、第２部材７２が保持フレーム５４２ｂに接続されている。しかしながら、電磁弁固定金具７０の構成は上述するものに限らず、また、電磁弁固定金具７０は保持フレーム５４２ｂではなく下部パネル５４２に取り付けられるようにしてもよい。ただし、第１電磁弁１５０と原燃料継手１５６とが、メンテナンスパネルに接続されていると、メンテナンス時にパネルを外した際に位置関係がズレてしまうおそれがある。そのため、第１電磁弁１５０と原燃料継手１５６は、メンテナン時に取り外されない外装パネル、もしくはフレームに接続されるのがよい。

１１ 燃料電池
１２ 改質器
２２ 原燃料流路
１５０ 第１電磁弁（開閉弁）
１５６ 原燃料継手
５０ 筐体
６０ 第１配管
６１１ 第一開口部
６１２ 第二開口部
６２１ 第一直線流路
６２２ 第二直線流路
Ｌ１ 第一中心軸線
Ｌ２ 第二中心軸線

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池と、
   原燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
   前記原燃料を前記改質器に供給する原燃料流路と、
   前記原燃料流路に設けられた開閉弁と、
   外部の燃料供給源と前記原燃料流路とを接続する原燃料継手と、を備え
   前記原燃料流路は、前記開閉弁と前記原燃料継手とを接続する第１配管を有し、
   前記第１配管は、一端側の第一開口部と、他端側の第二開口部と、前記第一開口部を含む直線状の第一直線流路と、前記第二開口部を含む直線状の第二直線流路と、を備え
   前記第一直線流路の中心軸である第一中心軸線と前記第二直線流路の中心軸である第二中心軸線が９０度の角度をなしている燃料電池装置。
2. 前記開閉弁と前記原燃料継手は、前記第一中心軸線と前記第二中心軸線との交点からの距離が等しい位置に配置されている請求項１記載の燃料電池装置。
3. 前記第１配管は、前記第一中心軸線と前記第二中心軸線のなす角を等分する線に対して線対象の形状である請求項２記載の燃料電池装置。
4. 前記原燃料継手は、筐体に取り付けられており、
   前記開閉弁は１または複数の部材を介して間接的に前記筐体に接続されている請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池装置。

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