JP4905864B2

JP4905864B2 - 燃料電池装置

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Publication number: JP4905864B2
Application number: JP2008166571A
Authority: JP
Inventors: 良次原; 知也熊谷; 実柴沢
Original assignee: Toshiba Home Technology Corp
Current assignee: Toshiba Home Technology Corp
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2028-06-25
Also published as: JP2010007739A

Description

本発明は、所定ガスによる電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置に関する。

近年、新発電システムの一つとして、発電が容易であるというメリットを有する燃料電池装置が考えられている。こうした燃料電池装置は、所定ガスによる電気化学的反応により発電を行なう燃料電池とにより基本的に構成される。また、上記基本的な構成において、各々の構成要素を円滑に動作させるために、所定動作を制御する制御器としてのコントローラなどが配置されている（特許文献１）。
特開平３−１０８２６６号公報

ところで上記構成においては、特に熱交換器の容器のシール部材は、求められる一定の形状で成形することが困難であり、変形等が発生し、これにより所定の位置でシール部材を組み込むことが非常に困難であるという問題点があり、それにより気体又は液体の漏洩が発生するなどの不具合が発生していた。

本発明は上記問題点を解決しようとするものであり、容易に所定の位置でのシール部材の組立が可能で、組立不良による気体又は液体の漏洩が発生し難い熱交換器を備えた燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明における請求項１の燃料電池装置では、燃料ガスと酸化剤ガスによる電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置において、前記燃料ガスから水素ガスを生成する改質装置や前記酸化剤ガスと前記水素ガスが電気化学反応を起こし発電を行う燃料電池で発生する熱を回収し、温水器や暖房機器などの熱利用外部機器に供給する熱交換器の容器とその蓋体をシールするシール部材を、前記蓋体と一体化して、前記シール部材を、鋭角状の先細部を備えた略三角形に形成して、前記シール部材の先細部を前記容器の凹溝部へ押圧するものであることを特徴とする。

本発明の請求項１の燃料電池装置によれば、シール部材を蓋体と一体化してあるため、熱交換器の組立が容易で、所定の位置でのシール部材の組込みが困難であることによる気体又は液体の漏洩が発生しにくい。また、所定のシール高さを確保でき、シール部材を介しての容器と蓋体のシール位置がずれることを防ぐことができる。

以下、本発明における燃料電池装置の好ましい実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本装置の構成を示す図１において、１は燃料ガスを昇圧する昇圧ブロアで、この昇圧ブロア１の吐出口には活性炭などからなる脱硫器２が接続される。また脱硫器２の出口には、触媒からなる改質部とこの改質部を加熱するバーナー部とにより構成される改質器３の入口が接続され、改質器３の出口には、触媒からなるＣＯシフト反応器４の入口が接続される。さらに、ＣＯシフト反応器４の出口には、触媒からなるＣＯ選択酸化器５の入口が接続される。ＣＯ選択酸化器５の出口は燃料電池６のアノード７に接続され、アノード７の出口は改質器３のバーナー部に接続される。

燃料電池６は、触媒を担持した電極としてのアノード７とカソード８との間に、固体高分子からなる電解質膜９を挟持すると共に、アノード７およびカソード８のそれぞれに燃料ガスや空気を送り込むための流路を形成したセパレータ（図示せず）を備えて構成される。また１０は、空気供給装置としての空気ブロアで、この空気ブロア１０の吐出口は３方向に分岐され、１つは燃料電池６のカソード８へ、他の１つは改質器３のバーナー部へ、他のもう１つはＣＯ選択酸化器５へそれぞれ接続される。

燃料電池６を構成するカソード８のガス口すなわちカソード排気ガスの出口は、熱回収装置としての排熱利用熱交換器１１のガス口に接続される。また、排熱利用熱交換器１１には、フィルター（孔径１ミクロン）などからなる浄化装置１２と、イオン交換樹脂からなるイオン交換装置１３と、水ポンプ１４が順次接続される。水ポンプ１４の吐出口は２方向に分岐され、一方の吐出口は燃料電池６のアノード７に接続され、他方の吐出口は水蒸気発生用熱交換器１５を経由して、改質器３の入口に接続される。

改質器３を構成するバーナー部の燃焼排気ガスの出口は、水蒸気発生用熱交換器１５の入口に接続される。そして、この改質器３のバーナー部からの燃焼排気ガスは、水蒸気発生用熱交換器１５を経由して燃料電池６のカソード８のガス口に接続されることで、燃料電池６からのカソード排気ガスと共に、排熱利用熱交換器１１に送り出されるようになっている。

１６は市水の流入量を制御する電磁弁で、その出口は排熱利用熱交換器１１を経由し、熱利用外部機器である貯湯槽１７の温水入口１８と、放熱装置（クーリングモジュール）１９の温水入口２０にそれぞれ接続される。また２１は、貯湯層１７の温水出口である。そして、貯湯槽１７の冷水出口２２と放熱装置１９の冷水出口２３は、三方弁２４を経由して循環ポンプ２５の入口に接続され、循環ポンプ２５の出口は排熱利用熱交換器１１に接続される。放熱装置１９には放熱用ファン２６が設けられており、放熱装置１９に導入された温水を外部から取り込んだ空気の強制対流により冷却し、冷水として冷水出口２３より排出するようになっている。さらに２７は、図３に示す燃料電池装置の外郭たるパッケージ２８内の空気を強制対流で外部に放出する送風装置としての換気ファンである。

その他、この図１には図示していないが、後に図２において示すようにガス，空気および水の流れや温度を制御するためのセンサー，コントローラおよび開閉器（例えば電磁弁）などの補助機器２９や、燃料電池６で得た直流発電電力を交流電力に変換するインバータ３０や、装置の運転を制御する制御装置（図示せず）なども、本装置内に配置・接続される。

図２に装置全体の概略構成を表しており、３１は天然ガスなどの燃料ガス（原燃料）から水素ガスを生成する改質装置であり、この改質装置３１は図１に示す昇圧ブロア１、脱硫器２、改質器３、ＣＯシフト反応器４、ＣＯ選択酸化器５、水蒸気発生用熱交換器１５から構成されるものである。

酸化剤ガスとしての酸素（空気）を供給する空気供給装置としての空気ブロワ１０からの酸素と改質装置３１からの水素ガスが、燃料電池６により電気化学反応を起こし、燃料電池６内で発電を行なうようになっている。また３０は、燃料電池６で発生した電気エネルギー（直流電力）を商用電圧・周波数の交流電力に変換する電力変換装置としてのインバータである。改質装置３１や燃料電池６で発生する熱（排ガス）は回収装置すなわち熱回収装置である排熱利用熱交換器１１により回収され、交換器である熱交換器（図示せず）に接続可能な外部の熱利用機器である例えば温水器としての貯湯槽１７や床暖房機器などの熱利用外部機器に供給される。その他、これらの各構成要素を円滑に動作させるために、例えばポンプや、電磁弁や、これらのポンプおよび電磁弁などを制御する制御器としてのコントローラなどの補助機器２９が設けられている。

図４は燃料電池装置のパッケージ２８内部に収容される排熱利用熱交換器１１の外郭の分解斜視図である。

同図において、排熱利用熱交換器１１の外郭３３は、開口部３４を有する有底筒状に形成され内側に収納空間を備えた容器３５と、開口部３４を閉塞可能に形成された蓋体３６と、容器３５と蓋体３６を気密又は液密にシールするためのシールパッキン３７から構成されている。

シールパッキン３７は、図４に示すようにシリコーンゴムやフッ素ゴムなどの弾性材料から形成される環状体であり、図５に示すように環状体の軸方向と直交方向の断面形状は、一方に平坦部３８を備え、この平坦部３８と対向する方向である断面高さ方向に向けて断面幅方向の寸法（シール幅）Ｗを減少させて略先細状に形成された鋭角状の先細部３９を備えた略三角形状に形成されている。ここで、シールパッキン３７の平坦部３８から先細部３９までの断面高さ方向の寸法（シール高さ）をＨとする。

また、容器３５には、開口部３４の全周に亘り外側に向けて突設して形成された蓋体取付部としてのフランジ部４０を備えており、このフランジ部４０と開口部３４周縁との間にはシールパッキン３７の先細部３９が押圧可能な凹溝部４１が形成されている。

続いて、蓋体３６とシールパッキン３７との取付構造について説明する。容器３５の開口部３４に対向する側の蓋体３６表面にシールパッキン３７の平坦部３８を溶着、接着、又は、インサート成形等により固着して、蓋体３６とシールパッキン３７を一体化している。

さらに上記構成の燃料電池装置では、改質装置３１のバーナー排ガス出口（図示せず）を、熱回収装置である排熱利用熱交換器１１のバーナー排ガス入口（図示せず）よりも高い位置に設けてもよい。また、燃料電池６のカソード排ガス出口（図示せず）を、熱回収装置である排熱利用熱交換器１１のカソード排ガス入口（図示せず）よりも高い位置に設けてもよい。さらに、改質装置３１のバーナー排ガス出口（図示せず）と熱回収装置である排熱利用熱交換器１１のバーナー排ガス入口（図示せず）との間を連結するバーナー排ガス配管（図示せず）を、排熱利用熱交換器１１側に下り勾配となるように傾斜させて配管してもよい。また、燃料電池６のカソード排ガス出口（図示せず）と熱回収装置である排熱利用熱交換器１１のカソード排ガス入口（図示せず）との間を連結するカソード排ガス配管（図示せず）を、排熱利用熱交換器１１側に下り勾配となるように傾斜させて配管してもよい。

次に、上記構成についてその作用を説明する。燃料電池装置としての運転を開始すると、燃料ガスが改質装置３１の昇圧ブロア１に入って昇圧され、脱硫器２に送り出される。ここで燃料ガスに含まれる硫黄分が脱硫剤の吸着作用により取り除かれる。なお、本実施例では脱硫剤として活性炭を用いたが、他の触媒を用いてもよく、要するに燃料ガス中に含まれる硫黄分を除去できればよい。脱硫器２により硫黄分を除去する目的は、その後の改質器３などの触媒が燃料硫黄分により劣化するのを防止することにある。

脱硫器２を通過した燃料ガスは、水蒸気発生用熱交換器１５で発生した水蒸気と混合され、改質器３の改質部に入る。この改質部はバーナー部により約７５０℃前後に加熱されており、燃料ガスはここで触媒の作用により水素ガスと炭酸ガス（二酸化炭素）とに変化する。しかし、ここで生成したガスには、一酸化炭素も若干含まれているが、後述する固体高分子型の燃料電池６は、一酸化炭素によりその性能が著しく低下するため、一酸化炭素の濃度を一定値以下にする必要がある。

改質器３を通過した燃料ガスは、次のＣＯシフト反応器４に入り、ここでも触媒の作用により一酸化炭素は水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変化し、一酸化炭素の濃度はかなり低いレベルにまで低下する。ＣＯシフト反応器４を通過した燃料ガスは、さらにＣＯ選択反応器５に入り、空気ブロア１０により送り込まれた空気（酸素）と混合され、その中に含まれる一酸化炭素が触媒の作用により二酸化炭素に変化する。この時点で初めて燃料電池６に悪影響を及ぼさない濃度まで、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を下げることができる。

ＣＯ選択反応器５を通過した燃料ガスは、燃料電池６の一方の電極であるアノード７に送り込まれる。また、他方の電極であるカソード８には、空気ブロア１０により空気（酸素）が送り込まれる。アノード７の水素は触媒の作用によりイオン化し、電解膜質９を通ってカソード８側の酸素と結び付く。これにより、水が生成されると同時に反応熱が発生する。またこの電気化学反応によって、アノード７にマイナス極、カソード８にプラス極の電位が生じ、燃料電池６より電力を取り出すことができる。

アノード７を通過した燃料ガスは、大部分の水素ガスが消費されているが、まだかなりの濃度で水素ガスを含んでおり、これを改質器３のバーナー部に戻して、空気ブロア１０により送り込まれた空気と混合させ、バーナー部で燃焼する。これにより、残留する水素ガスを改質器の昇温に用いることができる。このように燃料電池からの蒸気凝縮水が保有する熱エネルギーを効率よく利用することができる。

カソード８を通過した空気は、燃料電池６で発生した水（水蒸気）と熱を有しており、この空気は排熱利用熱交換器１１を通過して水に戻り、その後、この水は浄化装置１２により不純物が除去される。さらに、次のイオン交換装置１３により水中の電解質が除去された状態で、水ポンプ１４によって燃料電池６のアノード７に送り込まれ、固体高分子膜（電解質膜９）の加湿および燃料電池６の冷却に使用される。同じく水ポンプ１４により、水蒸気発生用熱交換器１５に送り込まれた水は、改質器３のバーナー部から排出されるバーナー排ガスによって加熱され、水蒸気となって昇圧ブロア１からの燃料ガスと共に改質器３の改質部に入る。その際、燃料電池６のカソード排ガス出口（図示せず）は、排熱利用熱交換器１１のカソード排ガス入口（図示せず）よりも高い位置に設けられており、しかもカソード排ガス配管（図示せず）は、排熱利用熱交換器１１側に下り勾配となるように傾斜配管されているので、カソード排ガス配管（図示せず）を通過する蒸気凝縮水は途中で逆流することなく、スムーズに排熱利用熱交換器１１に送り出されるので、排ガス中の蒸気凝縮水が燃料電池６に逆流することを防止して、発電性能を低下させること無く安全な運転を可能とすることができる。

水蒸気発生用熱交換器１５を通過したバーナー排気ガスは、カソード８からの排気ガスと一緒になって排熱利用熱交換器１１に送り込まれ、そこで持っている熱エネルギーを放出する。ここでも、改質装置３１のバーナー排ガス出口（図示せず）は、排熱利用熱交換器１１のバーナー排ガス入口（図示せず）よりも高い位置に設けられており、しかもバーナー排ガス配管（図示せず）は、排熱利用熱交換器１１側に下り勾配となるように傾斜配管されているので、バーナー排ガス配管（図示せず）を通過する蒸気凝縮水は途中で逆流することなく、スムーズに排熱利用熱交換器１１に送り出される。

次に排熱利用熱交換器１１の外郭３３の組立方法を説明する。容器３５の開口部３４を蓋体３６で閉塞する際に、蓋体３６に予め一体に設けたシールパッキン３７の先細部３９を蓋体３６が閉まる方向（図６中、矢印Ｆにて標記）に容器３５の凹溝部４１へ押圧させると、シールパッキン３７はシール高さＨ方向に圧縮されて弾性変形する。このシールパッキン３７に生じる弾性復元力により、シールパッキン３７の先細部３９及び平坦部３８は凹溝部４１表面及び蓋体３６表面へとそれぞれ押圧されて、シールパッキン３７の凹溝部４１表面及び蓋体３６表面への密着度が高まる。このようにシールパッキン３７の弾性復元力による所定のシール力を得ることで容器３５と蓋体３６は液密又は気密にシールされて、排熱利用熱交換器１１の容器３５内の水・ガスの漏洩を防止する。その後、容器３５のフランジ部４０と蓋体３６の外周部を螺子部材等の固定手段（図示せず）によって固定することで排熱利用熱交換器１１の外郭３３の組立が完了する。

ここで、予めシールパッキン３７を蓋体３６に一体的に設けたことにより、シールパッキン３７を介して容器３５と蓋体３６を気密又は液密にシールする場合において容器３５の開口部３４を蓋体３６によって閉塞する際に、シールパッキン３７の先細部３９を開口部３４外周に形成された凹溝部４１に押接させるだけで、容器３５の開口部３４外周と蓋体３６表面との間に配置することで容器３５の開口部３４を気密又は液密にシールするシールパッキン３７の組込みを容易に行うことが可能となり、排熱利用熱交換器１１の外郭３３の組立不良による容器３５内の水・ガスの漏洩（リーク）を防ぐことができる。

また、図４及び図５に示すようにシールパッキン３７を、断面略三角形状に形成して、三角形の底辺部に相当する平坦部３８を蓋体３６表面に固着して、平坦部３８に対向する三角形の頂点に相当する先細部３９を容器３５の凹溝部４１に対向させて配置することにより、シールパッキン３７を介して容器３５と蓋体３６をシールする場合、蓋体３６を閉める方向Ｆ（図５参照）へ蓋体３６に力を加えて、シールパッキン３７を容器３５と蓋体３６の間でシール高さＨ方向に圧縮して弾性変形させることで得られるシールパッキン３７の弾性復元力によってシールパッキン３７を容器３５と蓋体３６に密着させて、容器３５と蓋体３６を気密又は液密にシールする際のシールパッキン３７を弾性変形させるために必要となる弾性変形しろとしてのシール高さＨを確保することが可能となり、蓋体３６を閉める時、最初に最もシール幅Ｗが狭く図４及び図５に示すように鋭角に形成された先細部３９をシール高さＨ方向に圧縮して弾性変形させるための蓋体３６を閉める力（以下、蓋閉力と呼称）は弱い力で、その後、蓋体３６を閉めていくに伴い容器３５と蓋体３６との間でシール高さＨ方向に圧縮されていくシールパッキン３７の弾性変形部分が先細部３９から底面部３８へとシール幅Ｗが広がるにつれ、蓋閉力も強い力が必要になる様にして、最初から強い蓋閉力を不要としたことで、シールパッキン３７の位置決めを容易し、シールパッキン３７を介して容器３５と蓋体３６を気密又は液密にシールする排熱利用熱交換器１１の外郭３３の組立性を向上させ、外郭３３の組立不良による容器３５内の水・ガスの漏洩が発生しにくくすることができる。

以上のように本実施例では請求項１に対応しており、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置において、熱交換器たる排熱利用熱交換器１１の容器３５とその蓋体３６をシールするシール部材たるシールパッキン３７を、蓋体３６と一体化している。

この場合、シールパッキン３７が蓋体３６に一体化してあるため、排熱利用交換器１１の組立が容易で、所定の位置として、容器３５の凹溝部４１と蓋体３６表面の間でのシールパッキン３７の組込みが困難であることによる容器３５内の気体又は液体の漏洩が発生しにくい。

また本実施例は請求項１に対応しており、シール部材たるシールパッキン３７を、断面略三角形に形成したことにより、シールパッキン３７に所定のシール力を得る為のシール高さＨを確保でき、蓋体３６を閉じる時、最初は弱い力で蓋体３６を閉じて、その後、蓋体３６が閉じる際に変形するシールパッキン３７のシール幅Ｗが広がるにつれ、蓋体３６を閉じるために強い力が必要になる様にして、蓋体３６を閉じるのに最初から強い力を不要とし、蓋体３６を閉じる時に蓋体３６に不要な力をかけて、シールパッキン３７を介しての容器３５と蓋体３６とのシール位置がずれることを防ぐことができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、実施例ではシールパッキン３７は蓋体に一体化しているが、このシールパッキン３７は容器のフランジ部４０に一体化させても構わない。また実施例では固体高分子型の燃料電池装置について説明したが、溶融炭素型や固体酸化物型などの他の発電方式でも構わない。また、１つの空気ブロア１０でカソード８，ＣＯ選択酸化器５，改質器３のバーナーへ空気を送っているが、別々の空気ブロアを用いてもかまわない。水ポンプ１４も同様、アノード７，排熱利用熱交換器１１に別々の水ポンプを用いてもかまわない。排熱利用についても、上記実施例では温水に利用しているが、暖房に用いてもよいなど用途を問わない。また、吸気を必要とする装置として、空気ブロア１０，放熱用ファン２６，換気ファン２７を挙げ、凍結の虞のある装置として水ポンプ１４，浄化装置１２，イオン交換装置１３を挙げているが、特にこれらの装置に限定するものではない。

本発明の燃料電池装置の詳細な説明図である。同上、燃料電池装置の概略を示すブロック構成図である。同上、燃料電池装置の外観を示す斜視図である。同上、排熱利用熱交換器の外郭の分解斜視図である。同上、排熱利用熱交換器の外郭の断面図である。同上、図５の状態から蓋体を閉めた状態を示す断面図である。

６燃料電池
１１排熱利用熱交換器（熱交換器）
１７貯湯槽（温水器）
３１改質装置
３５容器
３６蓋体
３７シールパッキン（シール部材）
３９先細部

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスによる電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置において、前記燃料ガスから水素ガスを生成する改質装置や前記酸化剤ガスと前記水素ガスが電気化学反応を起こし発電を行う燃料電池で発生する熱を回収し、温水器や暖房機器などの熱利用外部機器に供給する熱交換器の容器とその蓋体をシールするシール部材を、前記蓋体と一体化して、
前記シール部材を、鋭角状の先細部を備えた略三角形に形成して、
前記シール部材の先細部を前記容器の凹溝部へ押圧するものであることを特徴とする燃料電池装置。