JP5219441B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、特に、寒冷地方で用いられる燃料電池システムに関するものである。

従来の燃料電池システムとして、水素を発生させるために液状炭化水素を改質させる改質部や、酸素と水素との電気化学反応によって発電を行うための燃料電池スタックなどを含んで構成されるものが知られている（例えば、特許文献１）。
特開２００７−７０５０２号公報

ここで、上記の燃料電池システムにあっては、改質部で液状炭化水素を改質させる際は水と共に改質させ、また、燃料電池スタックで発電させる際に水が発生し、更に、冷却水を循環させることによって、発生する熱を冷却している。以上のように、燃料電池システムには配管や電池スタックなどに水が含まれるものであるため、気温の低い場所に設置した場合、それらの水（特に、電池スタック内の水）が凍結してしまう可能性があり、寒冷地方などでの使用に適さないという問題がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、システム内の機器の凍結を防止し、寒冷地方などでも適用可能で安全性の高い燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、筺体の内部空間に電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、内部空間に配置され、当該内部空間を加熱する加熱手段を備え、加熱手段は、筺体の内部空間の底面側に配置されると共に、底面と加熱手段との間に間隔が設けられており、筺体の内部空間には、電池スタックを含む内部機器を搭載する搭載板が設けられ、加熱手段は、搭載板と筺体の内部空間の底面との間に配置されていることを特徴とする。

この燃料電池システムによれば、加熱手段により筺体の内部空間を加熱することができるため、システム内の機器の凍結を防止し、寒冷地方などでも適用可能とすることができる。また、加熱手段と底面との間に間隔が設けられているため、システム内で万が一に水や燃料などの漏れが発生してしまい、筺体の底面に溜まってしまった場合であっても、短絡や漏電を防止して安全性を高めることができる。また、加熱手段を筺体の底面側に配置することによって、加熱手段からの熱を、筺体の内部空間全体に自然対流させることができ、従って、加熱の効率を向上させることができる。また、加熱手段と電池スタックを含む内部機器とが、搭載板で遮られることとなるため、両者が直接接触してしまうことを防止し、安全性をより高めることができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、搭載板には、複数の貫通孔が設けられていることを特徴としてもよい。このようにすれば、加熱手段からの熱の自然対流を促進し、筐体の内部空間を効率よく加熱することができる。また、搭載板上に水などの液体が溜まるのを防ぐこともできる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、電池スタックの周囲に配置され、電池スタックの周囲温度を検知する温度検知手段と、温度検知手段で検知した温度に基づいて、その周囲温度を少なくとも水が凍結する温度以上に保つように、加熱手段を制御する温度制御手段と、を備えることを特徴としてもよい。このようにすれば、システムの中で特に凍結する可能性の高い部品である電池スタックの周囲温度を温度検知手段によって検知し、その検知に基づき温度制御手段で加熱手段を制御することによって加熱手段により筺体の内部空間を加熱し、電池スタックの周囲温度を、凍結のおそれのない温度以上に保つことができる。また、運転中はシステム内で熱が発生するので、電池スタックを始め、システム内の部品が凍結する可能性が低く、運転していないときにそれらの部品が凍結する可能性が高くなる。この燃料電池システムでは、電池スタックの周囲に温度検知手段を配置しているため、システムの運転状況に敏感に対応することができる。従って、システムが運転していない場合など、凍結の可能性があるときにのみ加熱手段を作動させることができるため、電力を無駄に消費することを防止することができる。

本発明によれば、システム内の機器の凍結を防止し、寒冷地方などでも適用可能で安全性の高い燃料電池システムを提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図、図２は図１の燃料電池システムの各部品の筺体内での配置を示す概略構成図である。燃料電池システムは、水素製造用原料を用いて発電を行なうものであり、例えば家庭用の電力供給源として採用される。ここでは、水素製造用原料としては、水蒸気改質反応により水素を含む改質ガスを得ることのできる物質であれば使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。工業用あるいは民生用に入手できる水素製造用原料の好ましい例として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）を挙げることができ、また石油から得られるガソリン、ナフサ、灯油、軽油などの炭化水素油を挙げることができる。なかでも液体燃料であると好ましく、特に灯油は工業用としても民生用としても入手容易であり、その取り扱いも容易なため、好ましい。

図１に示すように、燃料電池システム１は、脱硫器２、燃料処理システム（ＦＰＳ）３、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）スタック４、インバータ５、及びこれらを収容する筐体６を備えている。

脱硫器２は、外部から導入された水素製造用原料を脱硫するものである。この脱硫器２には、ヒータ（不図示）が設けられており、これにより、脱硫器２は、例えば水素製造用原料を１３０℃〜１４０℃まで加熱するようになっている。

ＦＰＳ３は、水素製造用原料を改質して改質ガスを生成するためのものであり、改質器８、バーナ９、ＣＯ変成器１０及び選択酸化器１５を有している。改質器８は、脱硫器２から脱硫された水素製造用原料を供給されると共に、外部から水蒸気（水）を供給される。そして、脱硫された水素製造用原料と水蒸気（水）とを改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素を含有する改質ガスを生成する。

バーナ９は、改質器８の改質触媒を加熱することで、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する。なお、バーナ９の燃料として、装置の起動時には脱硫器２からの水素製造用原料を用い、運転中は、ＰＥＦＣスタック４からのオフガスを用いることが好ましい。

ＣＯ変成器１０は、改質器８で生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度（ＣＯ）を低減するため、一酸化炭素を水と反応させ、水素シフト反応により水素と二酸化炭素に転換するためのものである。また、選択酸化器１５は、ＣＯ変成器１０で処理された改質ガスの一酸化炭素濃度を更に低減させるため、改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化することにより二酸化炭素にするものである。

ＰＥＦＣスタック（電池スタック）４は、複数の電池セル（不図示）が積み重ねられて構成されており、ＦＰＳ３で得られた改質ガスを用いて発電して直流（ＤＣ）電流を出力する。電池セルは、アノードと、カソードと、アノード及びカソード間に配置された固体高分子である電解質とを有しており、アノードに改質ガスを導入させると共に、カソードに空気を導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。

インバータ５は、出力されたＤＣ電流を交流（ＡＣ）電流に変換する。筐体６は、その内部に脱硫器２、ＦＰＳ３、ＰＥＦＣスタック４及びインバータ５をモジュール化して収容する。この、筺体６は、ベース６ｂに蓋体６ａを被せることによって構成され、内部空間Ｓを有する。

図２に示すように、筺体６の内部空間Ｓには、搭載プレート（搭載板）１２がベース６ｂの上面（底面）６ｃを全体的に覆うように敷かれており、その搭載プレート１２上に、ＦＰＳ３、ＰＥＦＣスタック４、制御装置（温度制御手段）１１、及びその他、燃料電池システム１の補機、熱交換器、配管などの内部機器が搭載されている。また、搭載プレート１２は、ベース６ｂ上で脚１２ａによって支持され、ベース６ｂから離間しており、いわゆる二重底構造とされている。そして、搭載プレート１２とベース６ｂとの間に、筺体６の内部空間Ｓを加熱するためのシーズヒータ（加熱手段）１３が配置されている。搭載プレート１２の外縁部と筺体６の蓋体６ａとの間には隙間が設けられており、搭載プレート１２から蓋体６ａを通って外部へ熱が伝達するのを防いでいる。また、この隙間を通して、シーズヒータ１３からの熱が上方へ自然対流により流れるようになっている。

ＰＥＦＣスタック４は、制御装置１１の上方に配置されており、断熱材４ａを介して温度センサ（温度検知手段）１４が取り付けられている。この温度センサ１４によって、ＰＥＦＣスタック４の周囲温度が検知される。

制御装置１１は、筺体６の内部空間Ｓの温度を検知してシーズヒータ１３を制御する温度制御機能を備えている。この温度制御機能は、具体的にはバイメタル式サーモスタットにより実現されていると、コスト面から好ましい。なお、制御装置１１は、温度制御と共に、燃料電池システム１全体の制御を行う機能も有している。

搭載プレート１２は、図３に示すように、矩形の板材であり、複数の同径の貫通孔１２ｂが規則的に配列されて形成されているものが好ましい。これによって、下方に配置されたシーズヒータ１３からの熱が、貫通孔１２ｂを通過して上方へ自然対流することが可能となるため、効率よく内部空間Ｓを加熱することができる。また、搭載プレート１２上に水などの液体が溜まるのを防ぐこともできる。

シーズヒータ１３は、図４に示すように、一本の電熱線をベース６ｂ上でまんべんなく張り巡らし、固定具１６で固定することにより構成されている。水素製造用原料となる灯油の発火温度やシステム中の電子部品の耐熱温度などを考慮し、シーズヒータ１３の発熱時の周囲温度は、養生込みで５０〜１００℃、好ましくは６０℃程度となるようにする。また、図５に示すように、シーズヒータ１３は、固定具１６ａ，１６ｂで上下方向から挟みこまれることによって固定され、脚部１７で支持されることによって、ベース６ｂとの間に間隔１８が設けられている。

次に、制御装置１１における制御方法について、図６を参照して説明する。

まず、温度センサ１４でＰＥＦＣスタック４の周囲温度を検知する（Ｓ１００）。このとき、燃料電池システム１が運転状態にある場合など、システム内の各部品からの発熱により内部空間Ｓの温度が５℃以上であると検知されたときは、シーズヒータ１３のＯＮ−ＯＦＦを切り替えることなく、引き続き周囲温度を検知する。一方、燃料電池システム１が運転休止状態にある場合などに内部空間Ｓの温度が下がり、温度センサ１４が、ＰＥＦＣスタック４の周囲温度は５℃以下であることを検知すると（Ｓ１０５）、制御装置１１は、シーズヒータ１３をＯＮとし（Ｓ１１０）、内部空間Ｓを加熱させる。そして、再度温度を検知して（Ｓ１１５）、シーズヒータ１３からの発熱により内部空間Ｓの温度があがり、温度センサ１４で、ＰＥＦＣスタック４の周囲温度が１０℃以上となっていることを検知すると（Ｓ１２０）、制御装置１１は、シーズヒータ１３をＯＦＦとし（Ｓ１２５）、発熱を休止させる。一方、Ｓ１２０で、周囲温度が１０℃を超えていないと検知した場合は、シーズヒータ１３をＯＮとした状態を維持する。このような制御を行った場合は、ＰＥＦＣスタック４の周囲温度が５℃から１０℃のときは、シーズヒータ１３がＯＮであるかＯＦＦであるかに関わらず、現状の状態が維持されるようになっており、このように温度にヒステリシスを設けることで、シーズヒータ１３の無駄なＯＮ、ＯＦＦの繰り返しを低減している。なお、シーズヒータ１３を５℃以上でＯＮとしているのは、ＰＥＦＣスタック４の周囲温度を少なくとも水が凍結する温度以上に保つためである。

以上によって、システムの中で特に凍結する可能性の高い部品であるＰＥＦＣスタック４の周囲温度を温度センサ１４によって検知し、その検知に基づき制御装置１１でシーズヒータ１３を制御することによって筺体６の内部空間Ｓを加熱し、ＰＥＦＣスタック４の周囲温度を、凍結のおそれのない温度以上に保つことができる。これによって、システム内の部品で、少なくとも、凍結する可能性の高いＰＥＦＣスタック４の凍結を防止し、寒冷地方などでも適用可能とすることができる。

また、運転中はシステム内で熱が発生するので、ＰＥＦＣスタック４を始め、システム内の部品が凍結する可能性が低く、運転していないときにそれらの部品が凍結する可能性が高くなる。特に、ＰＥＦＣスタック４は他の部品よりも凍結の可能性が高く、更に、凍結した場合に性能にも影響があるため、ＰＥＦＣスタック４の凍結を防止する必要性がある。しかし、温度センサ１４の配置場所によっては、システムの運転中などのＰＥＦＣスタック４の凍結のおそれのないときまでシーズヒータ１３を作動させてしまう場合もあり、電力の無駄が生じる可能性がある。ここで、この燃料電池システム１では、ＰＥＦＣスタック４の周囲に温度センサを配置しているため、システムの運転状況に敏感に対応することができる構成とされている。従って、システムが運転していない場合など、凍結の可能性があるときにのみシーズヒータ１３を作動させることができるため、電力を無駄に消費することを防止することができる。

また、システム内で万が一に水や液体系の水素製造用原料などの漏れが発生してしまい、筺体６のベース６ｂ上に溜まってしまった場合であっても、シーズヒータ１３とベース６ｂとの間に間隔１８を設けることによって、短絡や漏電を防止し安全性を高めることができる。また、シーズヒータ１３を内部空間Ｓの下部に配置することによって、シーズヒータ１３からの熱を、筺体６の内部空間Ｓ全体に自然対流させることができ、従って、加熱の効率を向上させることができる。

更に、シーズヒータ１３とＰＥＦＣスタック４とが、搭載プレート１２で遮られることとなるため、両者が直接接触してしまうことを防止し、安全性をより高めることができる。また、搭載プレート１２の下部にシーズヒータ１３を配置することで、空間の有効利用を図ることができ、装置のコンパクト化を図ることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、温度センサ１４は、ＰＥＦＣスタック４の周囲であればどこに配置されていてもよい。

また、搭載プレート１２は、複数の貫通孔１２ｂが設けられているものを適用しているが、図７に示すような搭載プレート２２であってもよく、すなわち、搭載プレート２２をプレート２２ａ及びプレート２２ｂに分割し、更に、支持する部品配置にあわせて貫通孔２２ｃを設けるような構成としたものでもよい。これによって、プレート２２ａ，２２ｂの間の隙間２２ｄ及び貫通孔２２ｃから、部品配置に合わせて効率よく熱を通過させることができる。

更に、スタックは、ＰＥＦＣスタックに限らず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形あるいは固体酸化物形などの他の形式のスタックであってもよい。

また、シーズヒータ１３をＯＮ―ＯＦＦする温度を５℃−１０℃としているが、これに限らず、ＰＥＦＣスタック４の周囲温度を水が凍結しない温度に保つことができればよく、他の閾値Ｔ_１，Ｔ_２としてもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 図１の燃料電池システムの各部品の筺体内での配置を示す概略構成図である。 図２に示す搭載プレートの正面図である。 図２に示すシーズヒータの正面図である。 図４に示すＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 制御装置における処理手順を示すフローチャートである。 他の実施形態に係る搭載プレートの正面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、４…ＰＥＦＣスタック（電池スタック）、６…筺体、６ａ…蓋体、６ｃ…上面（底面）、１１…制御装置（温度制御手段）、１２，２２…搭載プレート（搭載板）、１３…シーズヒータ（加熱手段）、１４…温度センサ（温度検知手段）、１８…間隔、Ｓ…内部空間。

Claims (7)

1. 筺体の内部空間に電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、
   前記内部空間に配置され、当該内部空間を加熱する加熱手段を備え、
   前記加熱手段は、前記筺体の前記内部空間の底面側に配置されると共に、前記底面と前記加熱手段との間に間隔が設けられており、
   前記筺体の前記内部空間には、前記電池スタックを含む内部機器を搭載する搭載板が設けられ、
   前記加熱手段は、前記搭載板と前記筺体の前記内部空間の底面との間に配置され、
   前記加熱手段は、システムが運転していない場合のみ作動し、
   前記搭載板には、複数の貫通孔が設けられ、
   前記加熱手段は、脚部で支持されることによって、前記底面との間に空間が形成されるように間隔が設けられ、
   且つ、前記加熱手段は、前記底面の上方で電熱線を張り巡らせ、前記電熱線を前記脚部で支持することにより構成されている、ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記内部機器は、燃料処理システム、制御装置、配管を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記搭載板には、複数の同径の前記貫通孔が規則的に配列されて形成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記搭載板には、支持する部品配置に合わせて前記貫通孔が設けられる、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記電池スタックの周囲に配置され、該電池スタックの周囲温度を検知する温度検知手段と、
   前記温度検知手段で検知した温度に基づいて、前記周囲温度を少なくとも水が凍結する温度以上に保つように、前記加熱手段を制御する温度制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記搭載板は、前記底面上に脚によって支持され、前記搭載板の外縁部と前記筐体の間には間隔が設けられている、請求項１〜５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記電池スタックは、前記筐体内の上部に配置され、
   前記加熱手段は、前記筐体内の最下部に配置されている、請求項１〜６の何れか一項に記載の燃料電池システム。
   

Images