JP4966532B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料としての水素と空気中の酸素とを供給反応させて発電を行う燃料電池発電装置に関し、具体的には、簡単な構成で空気供給および冷却風供給を効率よく行えるようにした燃料電池発電装置に関する。

一般的に、水素と酸素を反応させて発電する燃料電池は、高分子薄膜層によって発電反応を行うため、発熱温度と反応によって生成した水分量とで発電効率が常に変化する。そのため燃料電池の効率的な発電を行わせるには、これら発熱温度と生成した水分量とを適切に管理し、冷却と空気供給を制御することが重要となる。
特に空気供給は、過剰になると、燃料電池のスタック内の水分が排出されて乾燥するため、発電効率が低下する。逆に過少になると、酸素供給が減少して発電効率が低下し、また、送風が減少して水分の排出が不十分となり、水分が溜まり過ぎて反応面積が減少して発電効率が低下する。
そこで、このような燃料電池発電装置に冷却ファンと空気供給ファンとを設け、両者を各々別個に制御するようにした燃料電池発電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図３は、従来の冷却ファンと空気供給ファンとが設けられた燃料電池発電装置の模式斜視図を示す。図において、燃料電池のスタック１は、一側面に多数の冷却用フィン２が設けられている。空気供給ファン３および４は、スタック１に空気を供給する。冷却ファン５は、冷却用フィン２を冷却することで燃料電池のスタック１を冷却するようになっている。基台６は、これらを載置している。
そして燃料電池の吸気側に吸気温度センサー、吸気湿度センサーおよび発電部温度センサーを、排気側に排気温度センサーと排気湿度センサーを設け、測定された吸気温度、吸気湿度、排気温度、排気湿度および発電温度に基づいて冷却ファンと空気供給ファンとを別個に制御するように構成されている。
特開２００４−１９２９７４号公報

しかしながら上記従来の構成では、燃料電池のスタック一面の吸気側に空気供給ファンが設けられており、空気はスタック一面全体に送風されるようになっている。従って空気はスタック一面に不均一に送られるため、発電効率に影響を及ぼすこととなる。これは、空気供給ファンの前面と周辺面とでは送風量が変化しているため、スタック内の水分量としての保湿状態が前面部と周辺部とで差異が生じることが要因である。
また、燃料電池のスタックに冷却用フィンが設けられ、この冷却用フィンに冷却ファンで送風して燃料電池の冷却をしているため、燃料電池全体の構成が大型になるという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、簡単な構成で空気供給および冷却風供給を効率よく行えるようにした燃料電池発電装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の燃料電池発電装置は、セルを多数積層して立方体に構成したスタックと、空気供給および冷却風供給を行う送風構成体とを備えた燃料電池発電装置であって、スタックの一つの面には、空気供給口と冷却送風口とが形成され、空気供給口は、スタックの一つの面の中央部分に列状に配置され、冷却送風口は、列状に配置された空気供給口を挟むように、空気供給口の両側に列状に配置され、空気供給口および冷却送風口が形成された面と直角方向の側面には、空気排出口が形成され、空気供給口および冷却送風口が形成された面と対向する反対面には、冷却風排出口が形成され、送風構成体は、列状に配置された空気供給口と合致するように形成された空気供給ダクトと、列状に配置された冷却送風口と合致するように形成された冷却送風ダクトと、空気供給ダクトに空気供給を行う空気供給ファンと、冷却送風ダクトに冷却風供給を行う冷却ファンと、を備え、空気供給ファンを、空気供給ダクトの一方側に、空気供給ダクトに形成された通気孔に連通して取り付け、冷却ファンは、冷却送風ダクトに形成された通気孔に連通して取り付けられ、空気供給ダクトを挟むように、空気供給ダクトの両側に冷却送風ダクトが配置され、空気供給ダクトおよび冷却送風ダクトによって、空気供給口および冷却送風口が形成された面を覆い、スタックと送風構成体とを一体化して構成したものである。従って、空気は燃料電池のスタックに形成された空気供給口に空気供給ファンから送風構成体の空気供給ダクトを通じて送り込まれ、酸化剤としての酸素が取り込まれる。また、スタックへの冷却風は冷却ファンと連通形成された冷却送風ダクトを通じて送り込まれることになり、空気供給と冷却風の送風が確実、かつ無駄なく効率的に行うことができる。
本発明の第２の燃料電池発電装置は、空気供給ファンと冷却ファンとを別個に制御するようにしたものである。従って、空気供給と冷却風の必要量の送り込みが必要に応じて別々に行うことができる。

本発明の燃料電池発電装置は、酸化剤としての酸素を取り込むための空気の供給は、空気供給ファンから送風構成体の空気供給ダクトを通じてスタックに形成された空気供給口にのみ送り込まれることになり、無駄のない効率的な供給が行える。また、冷却風は冷却送風口よりスタック全体に亘って送り込まれるため、スタックの冷却が効率よく行える。また、空気と冷却風の供給を一体形成した送風構成体で行うことにより燃料電池を小型化できる。
さらには、空気供給ファンと冷却ファンとを別個に制御することで、発電時の発熱を制御したり、保湿としての水分量を制御でき、発電効率を上げることができる。

以下本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る燃料電池の一部を省略した分解斜視図、図２は燃料電池の構成斜視図である。
両図において、燃料電池のスタック７は、セルを多数積層して構成してある。そしてこのセルを積層することによって中央部分に空気供給口８と、空気供給口８の両側に多数の冷却送風口９が形成されている。セルには、水素と酸素が供給されて反応して発電する高分子薄膜と、高分子薄膜を挟んで両側にセパレータとを設けている。
また、空気供給口８は内部の加工された溝によって、空気供給方向とは直角方向の側面に、多数の空気排出口１０として連通形成される。同様に、冷却送風口９は直線状の溝が形成され、反対側（矢印で示す方向）に排出されるようになっている。

送風構成体１１は、中央部分に空気供給ダクト１２がスタック７に形成された空気供給口８の列と合致するように形成されている。冷却送風ダクト１３は空気供給ダクト１２の両側に形成され、同様にスタック７に形成された冷却送風口９の列と合致するように形成されている。空気供給ファン１４は、空気供給ダクト１２の一方側に、空気供給ダクトに形成された通気孔１５に連通して取り付けられている。冷却ファン１６は、空気供給ファン１４とは反対側の端に位置して冷却送風ダクト１３に形成された通気孔１７に連通して取り付けられている。
なお、空気供給ファン１４と冷却ファン１６は送風構成体１１に一体に設けても、別途取り付けてもよい。

図２は、上記した燃料電池のスタック７に送風構成体１１を取り付けて一体化したものである。
燃料電池のスタック７に形成された空気供給口８の列に対応する位置に送風構成体１１の空気供給ダクト１２が、また空気供給口８の両側に形成された冷却送風口９の列に対応する位置に冷却送風ダクト１３がそれぞれ合致して一体化構成される。
空気供給ファン１４からの空気は、通気孔１５から空気供給ダクト１２を通って燃料電池のスタック７に形成された空気供給口８の列に送られ、酸化剤としての酸素が取り込まれる。したがって空気は空気供給ダクト１２を通じて送風されるため、他に分散することなく無駄のない効率的な供給が行える。
また、冷却ファン１６からの冷却風も、通気孔１７から冷却送風ダクト１３を通って燃料電池のスタック７に形成された冷却送風口９の列に送られ、反対側の冷却排出口より矢印のように排出されるため、スタック全体を内部から効率よく冷却することができる。
空気供給ファン１４と冷却ファン１６とは、燃料電池の発電時の発熱や発電に必要な保湿としての水分量を適当に保持する必要があることから、それぞれ別個に回転制御するようにすることが望ましい。そうすることで発熱や発電に必要な保湿を最適状態に維持し、発電効率の向上を図ることが出来る。

本発明の燃料電池発電装置は、商用電源が使用不可の状態の時あるいは商用電源が無い場所での発電装置として有用である。

本発明に係る燃料電池の構成斜視図 本発明の燃料電池の斜視図 従来の燃料電池発電装置の模式斜視図

７ スタック
８ 空気供給口
９ 冷却送風口
１０ 空気排出口
１１ 送風構成体
１２ 空気供給ダクト
１３ 冷却送風ダクト
１４ 空気供給ファン
１５ 通気孔
１６ 冷却ファン
１７ 通気孔

Claims (2)

1. セルを多数積層して立方体に構成したスタックと、空気供給および冷却風供給を行う送風構成体とを備えた燃料電池発電装置であって、
   前記スタックの一つの面には、空気供給口と冷却送風口とが形成され、
   前記空気供給口は、前記スタックの一つの面の中央部分に列状に配置され、
   前記冷却送風口は、列状に配置された前記空気供給口を挟むように、前記空気供給口の両側に列状に配置され、
   前記空気供給口および前記冷却送風口が形成された前記面と直角方向の側面には、空気排出口が形成され、
   前記空気供給口および前記冷却送風口が形成された前記面と対向する反対面には、冷却風排出口が形成され、
   前記送風構成体は、
   列状に配置された前記空気供給口と合致するように形成された空気供給ダクトと、
   列状に配置された前記冷却送風口と合致するように形成された冷却送風ダクトと、
   前記空気供給ダクトに前記空気供給を行う空気供給ファンと、
   前記冷却送風ダクトに前記冷却風供給を行う冷却ファンと、
   を備え、
   前記空気供給ファンを、前記空気供給ダクトの一方側に、前記空気供給ダクトに形成された通気孔に連通して取り付け、
   前記冷却ファンは、前記冷却送風ダクトに形成された通気孔に連通して取り付けられ、
   前記空気供給ダクトを挟むように、前記空気供給ダクトの両側に前記冷却送風ダクトが配置され、
   前記空気供給ダクトおよび前記冷却送風ダクトによって、前記空気供給口および前記冷却送風口が形成された前記面を覆い、前記スタックと前記送風構成体とを一体化して構成することを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記空気供給ファンと前記冷却ファンとを別個に制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。

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