JP5219648B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、外装ケース内に、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に複数個収納してなる燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールを稼動するための補機類とを外装ケースに収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。

このような燃料電池装置として、燃料電池装置の内部に収納される補機類の故障を防止することや可燃性ガスの滞留を防止することを目的に、例えば、内部の温度を冷却するための換気ファンを具備する燃料電池装置が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開２００７−２４２２９９号公報 特開２００６−１９６２６５号公報

ところで、燃料電池装置の安全性を考慮する場合に、利用者が直接触れる可能性のある外装ケースの温度を制御することが好ましい。外装ケースの温度が特に高温となると、利用者が接触した際にやけど等の怪我をするおそれがあり、安全性の問題が生じるおそれがある。

また一方で外装ケースの温度を低温となるように制御すると、燃料電池モジュールの温度が低下し、発電効率が低下するおそれもある。

それゆえ、本発明の目的は、安全性を向上するとともに、燃料電池モジュールの温度を一定の範囲内に効率よく保つことが可能な燃料電池装置を提供することにある。

本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを有し、前記外装ケース内に設けられた仕切部材により前記燃料電池モジュールが収納されたモジュール収納室と前記補機が収納された補機収納室とに区画されてなる燃料電池装置であって、前記モジュール収納室の空気を換気するための換気装置と、前記モジュール収納室を構成する前記外装ケースの温度を測定するための外装ケース温度センサと、該外装ケース温度センサにより測定される温度が第１の設定温度Ｔ１以下となるように前記換気装置を制御する制御装置とを備えることを特徴とする。

このような燃料電池装置においては、モジュール収納室を構成する外装ケースの温度を測定する外装ケース温度センサを有するとともに、外装ケース温度センサにより測定される温度が第１の設定温度Ｔ１以下となるように換気装置を制御する制御装置を具備することから、安全性の向上した燃料電池装置とすることができる。

また、外装ケースの温度を測定するにあたり、モジュール収納室を構成する外装ケースに外装ケース温度センサを設けることから、外装ケースのうち特に温度が高温となる部位の温度を測定することができ、その温度に基づいて換気装置を制御することにより、安全性の向上した燃料電池装置とすることができる。

さらに、外装ケースの温度を制御することで、燃料電池モジュールの温度を一定の範囲内に効率よく保つことができ、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記制御装置は、前記外装ケース温度センサにより測定される温度が第２の設定温度Ｔ２（ただし、Ｔ２＜Ｔ１）を超えた場合に、前記換気装置による換気流量を増大させるとともに、前記外装ケース温度センサにより測定される温度が第３の設定温度Ｔ３（ただし、Ｔ３≦Ｔ２）を下回った場合に、前記換気装置による換気流量を減少させるまたはゼロとするように前記換気装置を制御することが好ましい。

このような燃料電池装置においては、外装ケースの温度が第２の設定温度Ｔ２（ただし、Ｔ２＜Ｔ１）を超えた場合に、換気装置による換気流量を増大させることから、外装ケースの温度を第１の設定温度Ｔ１以下に保つことができ、安全性の向上した燃料電池装置とすることができる。

また、外装ケースの温度が第３の設定温度Ｔ３（ただし、Ｔ３≦Ｔ２）を下回った場合に、換気装置による換気流量を減少させるまたはゼロとするように換気装置を制御することから、燃料電池モジュールの温度が低下することを抑制でき、発電効率の低下を抑制することができる燃料電池装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、外気の温度を測定するための外気温センサを備えるとともに、前記制御装置は、前記外気温センサにより測定される外気の温度が第１の所定温度Ｓ１以上となった場合に、前記第２の設定温度Ｔ２を第４の設定温度Ｔ４（ただし、Ｔ４＜Ｔ２）に変更することが好ましい。

例えば、夏場の日中などの外気温が高温となる場合において、外装ケースの温度が上昇する（もしくは冷却されにくくなる）場合がある。この場合において、外装ケースの温度が第１の設定温度Ｔ１を超える温度にまで上昇するおそれがある。

それゆえ、外気温を測定するための外気温センサを備えるとともに、外気温が第１の所定温度Ｓ１以上となった場合には、第２の設定温度Ｔ２を第４の設定温度Ｔ４（ただし、Ｔ４＜Ｔ２）に変更するように換気装置を制御することで、外装ケースの温度が第１の設定温度Ｔ１を超える温度にまで上昇することを抑制（防止）することができ、安全性の向上した燃料電池装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記制御装置は、前記外気温センサにより測定される外気の温度が第２の所定温度Ｓ２（ただし、Ｓ２＜Ｓ１）以下となった場合に、前記第４の設定温度Ｔ４を前記第２の設定温度Ｔ２に戻すことが好ましい。

このような燃料電池装置においては、外気温が第２の所定温度Ｓ２以下となった場合には、換気装置を制御するための設定温度を、第４の設定温度Ｔ４から第２の設定温度Ｔ２に戻すことにより、燃料電池モジュールの温度を上昇させることができ、発電効率が向上した燃料電池装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記仕切部材により、前記外装ケース内の上側を前記モジュール収納室とし、下側を前記補機収納室として上下に区画されてなるとともに、前記換気装置としての空気ブロワを前記補機収納室内に収納してなることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、外装ケース内の上側をモジュール収納室とし、下側を補機収納室として上下に区画するとともに、換気装置としての空気ブロワを補機収納室内に収納してなることから、モジュール収納室内の空気を効率よく換気することができる。それにより、外装ケースの温度を第１の設定温度Ｔ１以下に保つことができ、安全性の向上した燃料電池装置とすることができる。

さらに、外装ケースの温度を制御することで、燃料電池モジュールの温度を一定の範囲内に効率よく保つことができ、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを有し、前記外装ケース内に設けられた仕切部材により前記燃料電池モジュールが収納されたモジュール収納室と前記補機が収納された補機収納室とに区画されてなる燃料電池装置であって、前記モジュール収納室の空気を換気するための換気装置と、前記モジュール収納室を構成する前記外装ケースの温度を測定するための外装ケース温度センサと、該外装ケース温度センサにより測定される温度が第１の設定温度Ｔ１以下となるように前記換気装置を制御する制御装置とを備えることから、外装ケースの温度を第１の設定温度Ｔ１以下に保つことができ、安全性の向上した燃料電池装置とすることができる。さらに外装ケースの温度を制御することで、燃料電池モジュールの温度を一定の範囲内に効率よく保つことができ、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

図１は、本発明の燃料電池装置の一例を概略的に示す側面図であり、外装ケース２を構成する側面部を取り外して、外装ケース２の内部が見えるようにして示している。なお、以降の図において同一の構成については、同一の番号を付与するものとする。

図１において、燃料電池装置１は、外装ケース２内に仕切部材３を有し、仕切部材３の上部に、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール６（以下、モジュール６という場合がある。）が配置されたモジュール収納室４が形成されている。また、仕切部材３の下部にはモジュール６を動作するにあたり必要な補機類（図１においては、モジュール６内に燃料電池セルの発電に必要な酸素含有ガス（空気）を供給するための空気ブロワ１０と、後に詳述するモジュール収納室４内の空気を換気するための換気装置の１種である空気ブロワ８と、熱交換器１１とを示している。）を収納するための補機収納室５が形成されている。

なお、本発明において補機類とは、モジュール６を動作するにあたり使用される装置や配管等であって、補機収納室５内に収納されるものを意味するものとする。また、仕切部材３はモジュール収納室４と補機収納室５とを区画していればよく、モジュール収納室４と補機収納室５とが隙間を有して区画されていてもよい。

また、例えば外装ケース２を仕切部材３により左右に区画するとともに、一方がモジュール６を収納するモジュール収納室４、他方が補機類を収納する補機収納室５とした燃料電池装置１とすることもできる。

なお、図１に示したような仕切部材３を用いて、外装ケース２の上側をモジュール６を収納するモジュール収納室４とし、下側をモジュール６を動作するための補機を収納する補機収納室５として上下に区画するとともに、モジュール収納室４内を換気する換気装置としての空気ブロワ８を補機収納室５内に収納してなることから、燃料電池装置１をコンパクトな形状とすることができるとともに、モジュール収納室６の空気を効率よく換気することができる。それにより、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度を第１の設定温度Ｔ１以下に保つことができ、安全性や発電効率の向上した燃料電池装置１とすることができる。

なお、図１に示す燃料電池装置１においては、外装ケース２のうち、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度が高温となることから、外装ケース２の温度を制御するにあたり、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度を制御することで、燃料電池装置１の安全性や発電効率を向上させることができる。

ここで、本発明の燃料電池装置１において使用するモジュール６について説明する。モジュール６は、収納容器内に、例えば、内部をガスが流通するガス流路を有する柱状の燃料電池セルを立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル間に集電部材を介して電気的に直列に接続するとともに、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によってマニホールドに固定してなるセルスタックと、燃料電池セルの上方に配置され、燃料電池セルに水素含有ガスを供給するための改質器とを収納して構成される（図示せず）。

ここで、セルスタックを構成する燃料電池セルとしては、各種燃料電池セルが知られているが、燃料電池装置１を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、燃料電池セルのほか、燃料電池セルの動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置１を小型化することができる。あわせて、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

なお、燃料電池セルの形状としては各種形状の燃料電池セルを用いることができるが、効率よく燃料電池セルの発電を行なう上で、中空平板型の燃料電池セルとすることができる。このような中空平板型の燃料電池セルとしては、内側に燃料極層が、外側に酸素極層が形成された燃料極支持タイプの中空平板型燃料電池セルを用いることができる。

ここで、燃料電池装置１は、モジュール収納室４を構成する外装ケース２に、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度を測定するための外装ケース温度センサ９を具備する。

モジュール６の発電により生じる輻射熱により、モジュール収納室４内の温度が上昇し、それに伴いモジュール収納室４を構成する外装ケース２（すなわち外装ケース２）の温度が上昇することで、安全性の問題が生じるおそれがある。また一方で、モジュール収納室４内の温度、すなわちモジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度を低下させるために、換気装置（図１においては空気ブロワ８）による換気流量を増大した場合において、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度を低下させすぎること伴って、モジュール収納室４内の温度ひいてはモジュール６の温度が低下し、モジュール６の発電効率が低下するおそれもある。

それゆえ、本発明においては、外装ケース温度センサ９により測定されるモジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度が、第１の設定温度Ｔ１以下となるように、空気ブロワ８を制御するための制御装置７を補機収納室５内に収納する。

具体的には、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の第１の設定温度Ｔ１は、例えば６０℃以下、好ましくは、５０℃〜５６℃の範囲で適宜設定することができ、制御装置７は、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度が、上記第１の設定温度Ｔ１以下となるように、空気ブロワ８による換気流量を制御する。なお、モジュール６の発電効率を向上する上において、制御装置７は、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度がＴ１に近い温度となるように、空気ブロワ８による換気流量を制御することが好ましい。例えば、モジュール６の発電量が多い場合には、第１の設定温度Ｔ１を５６℃とした場合に、制御装置７は、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度が５０℃〜５６℃の範囲となるように、空気ブロワ８による換気流量を制御することが好ましい。

それにより、モジュール収納室４を構成する外装ケース２が第１の設定温度Ｔ１以下となることから、燃料電池装置１の安全性を向上することができるとともに、外装ケース２の温度を制御することで、モジュール６の温度を一定の範囲内に効率よく保つことができ、モジュール６の発電効率を向上することができる。

なお、外装ケース温度センサ９は、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度を測定できれば、その配置場所に特に制限はないが、モジュール収納室４を構成する外装ケース２において特に高温となる部位に配置することが好ましく、図１に示す燃料電池装置１においては、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の上面に配置している例を示している。

それにより、モジュール収納室４を構成する外装ケース２（すなわち外装ケース２）の温度を的確に把握することができ、あわせて、制御装置７が、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度が上記第１の設定温度Ｔ１以下となるように空気ブロワ８（空気ブロワ８による換気流量）を制御することで、安全性や発電効率が向上した燃料電池装置１とすることができる。

ここで、モジュール収納室４を構成する外装ケース２が第１の設定温度Ｔ１以下となるように制御装置７が空気ブロワ８を制御するにあたっては、外装ケース温度センサ９が測定する温度が第２の設定温度Ｔ２（ただし、Ｔ２＜Ｔ１）を超えた場合に、空気ブロワ８による換気流量を増大させる制御を行うとともに、外装ケース温度センサ９が測定する温度が第３の設定温度Ｔ３（ただし、Ｔ３≦Ｔ２）を下回った場合に、空気ブロワ８による換気流量を減少させるまたはゼロとするように制御することができる。

すなわち、外装ケース２が第１の設定温度Ｔ１以下となるようにするにあたり、第２の設定温度Ｔ２（ただし、Ｔ２＜Ｔ１）を超えた場合に、空気ブロワ８による換気流量を増大させる制御を行なうことで、効率よく外装ケース２の温度を第１の設定温度Ｔ１以下にすることができる。

具体的には、例えば、外装ケース２の温度を５６℃以下となるようにするにあたっては、第２の設定温度Ｔ２は５６℃よりも低い温度とすることが好ましく、モジュール６の発電量が７００Ｗで、空気ブロワ８の換気能力が０．４ｍ^３／ｍｉｎの場合には、第２の設定温度Ｔ２を５４℃とすることができる。なお、この第２の設定温度Ｔ２は、モジュール６の発電量や空気ブロワ８の換気能力等に基づいて適宜設定することができる。

一方で、外装ケース温度センサ９が測定する温度が第３の設定温度（ただし、Ｔ３≦Ｔ２）を下回った場合に、空気ブロワ８による換気流量を減少させるまたはゼロとするように制御することにより、モジュール６の温度が低下することを抑制することができ、モジュール６の発電効率の低下を抑制することができる。

ここで、第３の設定温度Ｔ３を第２の設定温度Ｔ２よりも低く設定する（すなわち、Ｔ３＜Ｔ２）こともできる。第３の設定温度Ｔ３を第２の設定温度Ｔ２と同じ温度とした場合（すなわち、Ｔ３＝Ｔ２）に、モジュール６の発電の状態によっては、換気装置（空気ブロワ８）の換気流量の増大と減少が頻繁に繰り返され、ハンチングを生じるおそれがある。それゆえ、第３の設定温度Ｔ３を第２の設定温度Ｔ２よりも低く設定する（すなわち、Ｔ３＜Ｔ２）ことにより、換気装置（空気ブロワ８）にハンチングが生じることを抑制でき、換気装置に破損等が生じることを抑制することができる。

具体的には、第２の設定温度Ｔ２を５４℃と設定している場合に、第３の設定温度Ｔ３を５４℃以下、例えば５０℃とすることができる。それにより、換気装置（空気ブロワ８）にハンチングが生じることを抑制できるとともに、モジュール６の温度が低下することを抑制することができる。

図２は、本発明の燃料電池装置の他の実施形態を示した概略図であり、外気温を測定するための外気温センサ１３を外装ケース２の外面に具備する例を示している。

燃料電池装置１２を屋外に設置する場合に、例えば、夏場の日中などの外気温が高温となる場合や、燃料電池装置１２に直射日光が当たる場所に設置されている場合などに、空気ブロワ８による換気流量を増大した場合であっても、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度が第１の設定温度Ｔ１を超える温度にまで上昇するおそれがある。

それゆえ、外気温センサ１３により測定される外気温が第１の所定の温度Ｓ１以上となった場合に、空気ブロワ８による換気流量を制御するための外装ケース温度センサ９の設定温度を、上述した第２の設定温度Ｔ２より低い温度である第４の設定温度Ｔ４（すなわちＴ４＜Ｔ２）に変更する制御を行うことが好ましい。

それにより、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度がより低い温度の際に、空気ブロワ８による換気流量を増大することとなり、外装ケース２の温度が第１の設定温度Ｔ１を超えることを抑制（防止）することができるとともに、モジュール６の温度を一定の範囲内に効率よく保つことができる。

具体的には、例えば、外気温センサ１３により測定される外気温が３０℃以上となった場合に、制御装置７は、第２の設定温度Ｔ２を第４の設定温度Ｔ４に変更する制御することが好ましい。なお、第４の設定温度としては、第２の設定温度よりも低い温度で、かつモジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度が第１の設定温度Ｔ１以下となるような温度であればよく、例えば、上述の例において第２の設定温度Ｔ２が５６℃の場合に、第４の設定温度Ｔ４を５２℃とすることができる。

なお、第２の設定温度Ｔ２を第４の設定温度Ｔ４に変更するのに合わせて、第３の設定温度Ｔ３の温度も変更する（第５の設定温度Ｔ５（ただし、Ｔ５＜Ｔ３）に変更する）ことが好ましく、この場合においては、少なくとも変更後のＴ３（すなわちＴ５）＜Ｔ４の温度範囲となるように変更することが好ましい。

また、図２においては、外気温センサ１３を、外装ケース２の底面側に配置した例を示しているが、外気温センサ１３は、外気温を測定することができればその配置場所に特に制限はなく、例えば外装ケース２の側面や上面のほか、外装ケース２と離れた場所に配置することもできる。なお、この場合において外気温センサ１３は直射日光が当たらない場所に配置することが好ましい。外気温センサ１３に直射日光が当たると、外気温センサ１３が測定する外気温の値が上昇し、それによりモジュール収納室４を構成する外装ケース２の設定温度が、第２の設定温度Ｔ２から第４の設定温度Ｔ４に早く切り替わることで、モジュール収納室４内の温度が低下して、モジュール６の発電効率が低下するおそれがある。

一方、夜間などの外気温が低下した場合には、モジュール収納室４を構成する外装ケース温度センサ９の設定温度を、第４の設定温度Ｔ４から第２の設定温度Ｔ２に戻す制御を行うことが好ましい（あわせて、第３の設定温度Ｔ３を第５の設定温度Ｔ５に変更した場合には、第５の設定温度Ｔ５から第３の設定温度Ｔ３に戻す制御を行なうことが好ましい。）。それにより、モジュール６（モジュール収納室４内）の温度を上昇させることができ、モジュール６の発電効率を向上させることができる。

具体的には、外気温センサ１３の測定する外気温が２５℃未満となった場合に、制御装置７は、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の設定温度を、第４の設定温度Ｔ４から第２の設定温度Ｔ２に戻す制御を行うことが好ましい（あわせて、第３の設定温度Ｔ３を第５の設定温度Ｔ５に変更した場合には、第５の設定温度Ｔ５から第３の設定温度Ｔ３に戻す制御を行なうことが好ましい。）。それにより、モジュール６（モジュール収納室４内）の温度を上昇させることができ、モジュール６の発電効率を向上することができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、図１および図２において、モジュール収納室４内の空気を換気するための換気装置として補機収納室５内に配置された空気ブロワ８を例示したが、モジュール収納室４内の空気を換気することができれば、他の換気装置を用いることもできるとともに、補機収納室５以外の場所に配置することもできる。

例えば、モジュール収納室４を構成する外装ケース２に、換気装置として換気ファンを設けることもできる。この場合においても、モジュール収納室４内の空気を効率よく換気することができ、モジュール収納室４を構成する外装ケース２の温度を第１の設定温度範囲Ｔ１内に制御することができることから、安全性や発電効率が向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池装置の一例を示す概略図である。 本発明の燃料電池装置の他の一例を示す概略図である。

符号の説明

１、１２：燃料電池装置
２：外装ケース
３：仕切部材
４：モジュール収納室
５：補機収納室
６：燃料電池モジュール
７：制御装置
８：空気ブロワ（換気装置）
９：外装ケース温度センサ
１３：外気温センサ

Claims (5)

1. 外装ケース内に、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを有し、前記外装ケース内に設けられた仕切部材により前記燃料電池モジュールが収納されたモジュール収納室と前記補機が収納された補機収納室とに区画されてなる燃料電池装置であって、前記モジュール収納室の空気を換気するための換気装置と、前記モジュール収納室を構成する前記外装ケースの温度を測定するための外装ケース温度センサと、該外装ケース温度センサにより測定される温度が第１の設定温度Ｔ１以下となるように前記換気装置を制御する制御装置とを備えることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記制御装置は、前記外装ケース温度センサにより測定される温度が第２の設定温度Ｔ２（ただし、Ｔ２＜Ｔ１）を超えた場合に、前記換気装置による換気流量を増大させるとともに、前記外装ケース温度センサにより測定される温度が第３の設定温度Ｔ３（ただし、Ｔ３≦Ｔ２）を下回った場合に、前記換気装置による換気流量を減少させるまたはゼロとするように前記換気装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 外気の温度を測定するための外気温センサを備えるとともに、前記制御装置は、前記外気温センサにより測定される外気の温度が第１の所定温度Ｓ１以上となった場合に、前記第２の設定温度Ｔ２を第４の設定温度Ｔ４（ただし、Ｔ４＜Ｔ２）に変更することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記制御装置は、前記外気温センサにより測定される外気の温度が第２の所定温度Ｓ２（ただし、Ｓ２＜Ｓ１）以下となった場合に、前記第４の設定温度Ｔ４を前記第２の設定温度Ｔ２に戻すことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 前記仕切部材により、前記外装ケース内の上側を前記モジュール収納室とし、下側を前記補機収納室として上下に区画されてなるとともに、前記換気装置としての空気ブロワを前記補機収納室内に収納してなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
   
   

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