JP2024043848A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱タンクの水量を確保しつつ、その容積を従来に比べて容積を小さくすることで、燃料電池装置を小型化する。【解決手段】蓄熱タンク３の上面に高さの異なる複数のエリアを設け、蓄熱タンク３に熱媒を補給する補給流路２６を、複数のエリアのうち最も高さの高い第１エリアＡ１に接続する。第１エリアＡ１は蓄熱タンク３から突出して形成されているため、蓄熱タンク３の上面が平坦な場合に比べると、補給流路２６の接続位置を相対的に高い位置に配置することができる。そして、他のエリアにおいては、蓄熱タンク３の上面高さを低くして水面に近づけることができるため、蓄熱タンク３の容積を小さくすることとなり、燃料電池装置を小型に構成することができる。【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いる。このような燃料電池装置は、熱媒体を蓄える蓄熱タンクを備えており、燃料電池の発電によって発生した排熱を熱媒体に回収して蓄熱タンクに蓄え、熱媒体を給湯や暖房等に使用している。

この熱媒体としては主に水が用いられ、蓄熱タンクには、水が循環する循環流路が接続されている。また、蓄熱タンクにはこの他にも、タンク内の水位が低下したときに水を補給する給水流路や、水位が上昇して上限に達したときに水を排出するための排水流路が接続されている（例えば、特許文献１）。

特開２０２０－１９４６６６号公報

ところで、蓄熱タンクのように外部から給水を受けるタンクにおいては、水の逆流を防止するための構造を備えていなければならない。例えば、逆止弁や負圧破壊装置を設けることはその一例である。また、これ以外にも、給水流路が接続される位置（吐水口）と、排水流路が接続される位置（越流面）との間に所定の吐水口空間を設ける方法もある。ただしの場合、蓄熱タンクには、越流面の上方に吐水口空間の分だけの高さが必要となり、水量に対して蓄熱タンクの容積を大きく設計しなければならなかった。しかしながら、吐水口空間は水を入れることのできない空間であり、燃料電池装置の小型化を図るためにも蓄熱タンクの形状には改善の余地がある。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、内部に蓄えられる水量を確保しつつ、従来に比べて容積を小さくすることのできる蓄熱タンクを備え、これにより小型化さ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、
前記燃料電池からの排熱を回収する熱媒を蓄える蓄熱タンクと、
前記蓄熱タンクに前記熱媒を補給する補給流路と、
前記蓄熱タンクから余剰の前記熱媒を排出するオーバーフロー流路と、を備え
前記蓄熱タンクは、上面高さの異なる複数のエリアを有し、前記補給流路は前記複数のエリアのうち最も上面高さの高い第１エリアに接続され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、内部に蓄えられる水量は確保しつつ、従来に比べて蓄熱タンクの容積を小さくすることができるため、燃料電池装置を小型に構成することができる。

本実施形態の燃料電池装置のシステム構成図である。 本実施形態の蓄熱タンクの斜視図である。 本実施形態の蓄熱タンク上部の拡大斜視図である。 熱媒を加熱するヒータの構造図である。 ヒータを係止するヒータ係止部材を示す図である。 蓄熱タンクの水位を検知する水位センサの取付状態を示す図である。 蓄熱タンクに取り付けられる断熱部材の形状を説明する図である。

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、燃料電池からの排熱を回収する熱媒を蓄える蓄熱タンクを備えた燃料電池装置であって、蓄熱タンクの上面には、高さの異なる複数のエリアが設けられており、蓄熱タンクに熱媒を補給する補給流路は、複数のエリアのうち最も高さの高い第１エリアに接続されている。第１エリアは蓄熱タンクから突出して形成されているため、蓄熱タンクの上面が平坦な場合に比べると、補給流路の接続位置を相対的に高い位置に配置することができる。そして、他のエリアにおいては、蓄熱タンクの上面高さを低くして水面に近づけることができるため、蓄熱タンクの容積を小さくすることとなり、燃料電池装置を小型に構成することができる。また、蓄熱タンクを構成する材料も削減して部品コストを低減することもできる。

また、蓄熱タンクの上面視において、第１エリアの面積は前記複数のエリアの中で最も小さい。これにより、蓄熱タンクを構成する材料がより削減されるため、部品コストを低減することができる。

また、熱媒を加熱するヒータは、第１エリア外において蓄熱タンクに接続される。ヒータを水面に近い位置に取り付けることで、ヒータの長さを短縮して部品コストを低減することができる。

また、蓄熱タンクは樹脂製であって、ヒータは蓄熱タンクの上面に取り付けられており、ヒータに電気的に接続される配線を蓄熱タンクよりも高い位置に係止させるヒータ係止部材を備えている。蓄熱タンクを樹脂製にすることで軽量化を図ることができるが、ヒータが暴走した場合には蓄熱タンクが溶けてヒータが落下しまうおそれがある。これに対して、ヒータ係止部材でヒータの配線を係止することで、タンクが溶融してもヒータが落下することが防止され、安全性を向上させることができる。

また、液面高さを検出する液面センサは、第１エリア外において蓄熱タンクに接続される。液面センサを水面に近い位置に取り付けることで、センサの長さを短縮して部品コストを低減することができる。

また、液面センサは、蓄熱タンクの上面に取り付けられており、蓄熱タンクの上面には液面センサの上方向への移動を規制するセンサ係止部が設けられている。これにより、液面センサの取り付けを容易に行うことができるとともに、水面の位置を正確に検知することができる。

また、液面センサは側方に突出する突出片を有し、液面センサを水平方向に回転させることで突出片がセンサ係止部に係止される。液面センサは、回転させるだけで蓄熱タンクに取り付けることができるため、ねじ止めが不要となり作業性が向上する。

また、オーバーフロー流路は、第１エリア外において蓄熱タンクの側面に接続されている。蓄熱タンク上面に設けられたエリアの高低差により、補給流路と越流面との間に容易に高低差を形成することができるため、補給流路に蓄熱タンクの水が逆流することが防止される。

また、蓄熱タンクの外周を覆う断熱部材に、オーバーフロー流路を案内するガイド部を設け、オーバーフロー流路が蓄熱タンクとの接続位置から所定区間において上り勾配となるように保持する。蓄熱タンク内の蒸気がオーバーフロー流路に流入すると、冷却されて結露水が発生する。結露水は流路に設けられた勾配によって蓄熱タンクに回収されるので、蓄熱タンクの水位低下を抑制することができる。

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。なお、熱媒体としては水が用いられる。

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。

蓄熱タンク３には、オーバーフロー流路２５と補給流路２６が接続されている。蓄熱タンク３からオーバーフローしたドレンは、オーバーフロー流路２５を通って筐体５０の外に排出される。また、補給流路２６は、外部の水供給源に接続された供給流路２７から分岐して設けられており、燃料電池装置１００の設置時や、運転中に熱媒体の水位が所定以下となったときには、補給流路２６を通じて蓄熱タンク３に水道水が供給される。

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。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１４１、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７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）８、筐体５０内に換気用空気を取り入れる換気ファン１７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を備えている。第２熱媒循環ラインＨＣ２では、外部から供給流路２７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２８を介して送給することができる。

図２は、本実施形態の蓄熱タンクの斜視図であり、図３は、本実施形態の蓄熱タンク上部の拡大斜視図である。蓄熱タンク３は、樹脂製であって、別々に成形された上部タンク３ａと下部タンク３ｂとを溶着することにより構成されている。蓄熱タンク３の側面には、蓄熱タンク３内の水を流出させる流路および、蓄熱タンク３内に水を流入させる流路が接続され、これら流路の接続口は蓄熱タンク３と一体に形成されている。

蓄熱タンク３には、補給流路２６が接続される補給口３０、オーバーフロー流路２５が接続されるオーバーフロー口３１、第１熱媒循環ラインＨＣ１が接続されて水が流入する第１流入口３２と水が流出する第１流出口３３、第２熱媒循環ラインＨＣ２が接続されて水が流入する第２流入口３４と水が流出する第２流出口３５が設けられている。本実施形態では、これらの接続口は蓄熱タンク３の同じ面に設けられているが、異なる面に設けられていてもよく、燃料電池装置１００内の他の補機の配置を考慮して適宜配置することができる。

また、蓄熱タンク３の上面には、蓄熱タンク３内の水を加熱するヒータ４０、水位を検知する水位センサ４１が取り付けられている。

蓄熱タンク３の上面は平坦ではなく、段差が形成されている。これにより蓄熱タンク３は、上面高さの異なる複数のエリアを有している。本実施形態の蓄熱タンクは、上面高さが高い順に、第１面３６、第２面３７、第３面３８、第４面３９を備えている。そして、第１面３６を上面として第２面３７の高さまでの領域を第１エリアＡ１、第２面３７を上面として第３面３８の高さまでの領域を第２エリアＡ２、第３面３８を上面として第４面３９の高さまでの領域を第３エリアＡ３、第４面３９を上面とする領域を第４エリアＡ４とし、この４つのエリアによって蓄熱タンク３が構成されるものとする。図中の破線はエリアの境界を示している。なお、このエリアとは、上面高さに基づいて蓄熱タンク３の構造を規定するために付与した見かけ上の区分であって、タンクの内部がエリアごとに物理的に区画されているわけではない。

蓄熱タンク３は外部からの給水を受けるタンクであり、このようなタンクにおいては水の逆流を防止するため、吐水口と越流面との間には所定高さの吐水口空間を設けることが規定されている。したがって、補給口３０はオーバーフロー口３１よりも高い位置であり、かつ吐水口空間に相当する所定間隔をあけて配置されている。オーバーフロー口３１の下には、第２流出口３５と第１流入口３２が設けられ、さらにその下には第１流出口３３と第２流入口３４が設けられる。

補給口３０は、複数あるエリアのうち、第１エリアＡ１に設けられる。第１エリアＡ１は、蓄熱タンク３において最も高い第１面３６を上面とするエリアであり、蓄熱タンク３から突出して形成されている。つまり、蓄熱タンク３の上面が平坦な場合に比べると、補給口３０を相対的に高い位置に配置することができる。そして、他のエリアにおいては、蓄熱タンク３の上面高さを低くして水面に近づけたり、場合によっては上面高さを水面よりも低くすることができるため、蓄熱タンク３の容積を小さくすることができる。これにより、燃料電池装置１００を小型に構成することができ、さらには蓄熱タンク３を構成する材料も削減して部品コストを低減することもできる。

本実施形態では、補給口３０を第１エリアＡ１の側面に設けた例を示したが、第１エリアＡ１の上面（第１面３６）に設けてもよい。側面に設ける場合は、第１エリアＡ１の高さを不要に高くしないためにも、なるべく高い位置に設けることが好ましい。

オーバーフロー口３１は、第１エリアＡ１以外に設けられている。オーバーフロー口３１は、補給口３０との間に吐水口空間を備えていれば第１エリアＡ１以外のどのエリアに設けてもよい。そして蓄熱タンク３の側面に設けることで、速やかに余剰の水を排出することができる。

また、蓄熱タンク３を上面視したときの各エリアの面積を比べると、第１エリアＡ１の面積は複数のエリアの中で最も小さくなっている。これにより、蓄熱タンク３を構成する材料がより削減されるため、部品コストを低減することができる。

ヒータ４０は、第２エリアＡ２に設けられ、第２エリアＡ２の上面である第２面３７に取り付けられている。図４は、熱媒を加熱するヒータの構造図である。ヒータ４０は、発熱部４０１を備えるＵ字状のヒータ本体４０２と、ヒータ本体４０２を蓄熱タンク３に接続するヒータ取付金具４０３から構成されていて、発熱部４０１を水中に浸漬させて水を加熱する。第２面３７には、開口（図示せず）が形成されていて、ヒータ本体４０２を開口から挿入して、ヒータ取付金具４０３を第２面３７にねじ止めすることでヒータ４０が蓄熱タンク３に取り付けられる。第２面３７は第１面３６よりも水面に近く、ヒータ４０を水面に近い面に取り付けることで、ヒータ本体４０２の長さを短縮して部品コストを低減することができる。

図５は、ヒータを係止するヒータ係止部材を示す図である。蓄熱タンク３を樹脂で構成することで軽量化を図ることができるが、ヒータ４０が暴走した場合には熱により樹脂が溶けて、最悪の場合にはヒータ４０が落下しまうおそれがある。そこで、このような場合でもヒータ４０の落下を防ぐために、ヒータ係止部材４２が設けられている。ヒータ係止部材４２は、ヒータ４０に電気的に接続される配線（図示せず）を蓄熱タンク３よりも高い位置に係止させるものであり、例えば、筐体５０を構成するフレームなどに巻き付けて配線を係止させることができる。図では、外装パネルの上部を固定するフレーム５１にヒータ係止部材４２を取り付けて配線を吊り下げる例を示しているが、これに限らず、補機を取り付けるフレームに係止させてもよい。なお、ヒータ係止部材４２は、ヒータ４０の高温になる部分には触れないので、材質は特に限定されない。またその形状も、配線を係止することができればよく、配線を結束する際に一般的に使用されているナイロン製のバンドなどを用いることができる。

水位センサ４１は、第３エリアＡ３に設けられ、第３エリアＡ３の上面である第３面３８に取り付けられている。図６は、蓄熱タンクの水位を検知する水位センサの取付状態を示す図である。本実施形態の水位センサ４１は、電極式のセンサであって、水位を検知する２本の電極部４１１と、この電極部４１１を保持する保持部４１２を備えている。保持部４１２は円形であって、外周の２箇所には側方に突出する突出片４１３が設けられている。第３面３８には、開口（図示せず）が形成されていて、電極部４１１が開口から挿入される。第３面３８は第１面３６よりも水面に近く、水位センサ４１を水面に近い位置に取り付けることで、電極部４１１の長さを短縮して部品コストを低減することができる。なお、水位センサ４１の検知方式は電極式に限らず、フロート式や光学式のものであってもよい。

また、第３面３８には、水位センサ４１の突出片４１３を係止させるセンサ係止部４３が設けられている。センサ係止部４３は突出片４１３の上部に位置し、水位センサ４１の上方向への移動を規制するため、水面の位置を正確に検知することができる。また、水位センサ４１を取り付ける際は、保持部４１２を水平方向に回転させることで突出片４１３がセンサ係止部４３に係止される。これにより、水位センサ４１を容易に取り付けることができる。

ところで、本実施形態では、蓄熱タンク３に第２エリアＡ２と第３エリアＡ３を設けて、第２エリアＡ２にヒータ４０を取り付け、第３エリアＡ３に水位センサ４１を取り付けた例を示したが、ヒータ４０と水位センサ４１の配置は反対であってもよいし、第２エリアＡ２と第３エリアＡ３に高低差を付けず同じ高さにしてもよい。言い換えれば、最も高い位置にある第１エリアＡ１に補給口３０が設けられていて、ヒータ４０と水位センサ４１はこの第１エリアＡ１外に取り付けられていれば、ヒータ４０と水位センサ４１の位置関係については特に限定されない。

第４面３９には換気ファン１７が取り付けられる。第４エリアＡ４は、換気ファン１７のダクトを収容する空間を確保するために設けられたエリアである。このように、蓄熱タンク３の上面に段差を設けることで補機を配置する空間を創出することもできる。筐体５０内の空間を有効に活用して燃料電池装置１００を小型に構成することができる。

図７は、蓄熱タンクに取り付けられる断熱部材の形状を説明する図である。蓄熱タンク３の周囲には、蓄熱タンク３からの熱の放出を抑制する断熱部材８０が取り付けられている。この、断熱部材８０には各所に凹凸が形成されており、輸送時等の振動を吸収したり部品を保持したりするなどの役割も有している。

断熱部材８０は、オーバーフロー流路２５を案内するガイド部８１を有している。ガイド部８１は、断熱部材８０に設けられた凹凸であって、オーバーフロー流路２５が蓄熱タンク３との接続位置から所定区間Ｌにおいて上り勾配となるように、オーバーフロー流路２５を保持している。蓄熱タンク３内で発生した水蒸気は、オーバーフロー流路２５に流入すると冷却されて結露水が発生する。結露水はオーバーフロー流路２５の勾配によって蓄熱タンク３に回収されるので、蓄熱タンク３の水位低下を抑制することができる。また、吐水口空間が規定されている都合上、オーバーフロー流路２５の高さは吐水口空間の高さを超えてはいけないが、ガイド部８１によってオーバーフロー流路２５の高さも規制されるので、吐水口空間を確保することができる。

３ 蓄熱タンク
１１ 燃料電池
２５ オーバーフロー流路
２６ 補給流路
４０ ヒータ
４１ 水位センサ（液面センサ）
４１３ 突出片
４２ ヒータ係止部材
４３ センサ係止部
８０ 断熱部材
８１ ガイド部
Ａ１ 第１エリア

Claims (9)

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、
   前記燃料電池からの排熱を回収する熱媒を蓄える蓄熱タンクと、
   前記蓄熱タンクに前記熱媒を補給する補給流路と、
   前記蓄熱タンクから余剰の前記熱媒を排出するオーバーフロー流路と、を備え
   前記蓄熱タンクは、上面高さの異なる複数のエリアを有し、前記補給流路は前記複数のエリアのうち最も上面高さの高い第１エリアに接続されている燃料電池装置。
2. 前記蓄熱タンクの上面視において、前記第１エリアの面積は前記複数のエリアの中で最も小さい請求項１記載の燃料電池装置。
3. 前記熱媒を加熱するヒータをさらに備え
   前記ヒータは、前記第１エリア外において前記蓄熱タンクに接続されている請求項１または２記載の燃料電池装置。
4. 前記蓄熱タンクは樹脂製であって、
   前記ヒータは、前記蓄熱タンクの上面に取り付けられており、
   前記ヒータに電気的に接続される配線を前記蓄熱タンクよりも高い位置に係止させるヒータ係止部材を備えている請求項３記載の燃料電池装置。
5. 前記熱媒の液面高さを検出する液面センサをさらに備え、
   前記液面センサは、前記第１エリア外において前記蓄熱タンクに接続されている請求項１または２記載の燃料電池装置。
6. 前記液面センサは、前記蓄熱タンクの上面に取り付けられており、
   前記蓄熱タンクの上面には、前記液面センサの上方向への移動を規制するセンサ係止部が設けられている請求項５記載の燃料電池装置。
7. 前記液面センサは側方に突出する突出片を有し、
   前記液面センサを水平方向に回転させることで、前記突出片が前記センサ係止部に係止される請求項６記載の燃料電池装置。
8. 前記オーバーフロー流路は、前記第１エリア外において前記蓄熱タンクの側面に接続されている請求項１または２記載の燃料電池装置。
9. 前記蓄熱タンクの外周を覆う断熱部材を備え、
   前記断熱部材は、前記オーバーフロー流路を案内するガイド部を有し、
   前記ガイド部は、前記オーバーフロー流路が前記蓄熱タンクとの接続位置から所定区間において上り勾配となるように保持する請求項８記載の燃料電池装置。

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