JP5305688B2

JP5305688B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP5305688B2
Application number: JP2008043884A
Authority: JP
Inventors: 晋平白石; 秀則中林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: JP2009205807A

Description

本発明は、外装ケース内に、複数の燃料電池セルを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、水素含有ガスと空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数並設し電気的に直列に接続してなる燃料電池セルスタックを、燃料電池セルに反応ガスを供給するマニホールドに固定した燃料電池セルスタック装置や、それを収納してなる燃料電池モジュール、さらには燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルの場合、燃料電池セルの発電により生じる熱が高温となる。それにより、燃料電池モジュールからの輻射熱も高温となり、燃料電池モジュールを収納するモジュール収納室を構成する外装ケースが高温となるおそれがある。

それゆえ、外装ケースの排気口に換気ファンを設け、モジュール収納室内の空気を燃料電池装置の外部に排気することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７−５９３７７号公報特開２００６−２５２９６４号公報

しかしながら、換気ファンを用いてモジュール収納室内の空気を排気する場合において、排気口の近傍の空気は換気されやすいものの、換気ファンより遠い部位の空気は十分に換気することが難しくなり、外装ケースの一部の温度が上昇するといった問題がある。

また、燃料電池モジュールと外装ケースとの隙間が狭い場合には、その隙間にある空気が十分に換気されず、外装ケースの一部の温度が上昇するおそれがある。

それゆえ、本発明の目的は、燃料電池モジュールを収納する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、外装ケースの温度の上昇を効率よく抑制することができる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作動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とともに、前記モジュール収納室を構成する前記外装ケースの側壁に、前記モジュール収納室内の空気を排気するための排気口が設けられている燃料電池装置であって、前記仕切部材に前記補機収納室内と前記モジュール収納室内とを繋ぐ空気流通孔を備えるとともに、前記モジュール収納室内に、該モジュール収納室を、前記排気口を有する前記側壁側の空間と前記排気口と対向して配置される前記側壁側の空間とに区画するように、前記燃料電池モジュールの表面に沿って、かつ前記排気口を有する前記側壁と対向して配置された板状体からなり、前記仕切部材と前記板状体の下端とが空間を空けて配置された空気流路調整部材を有す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、補機収納室内とモジュール収納室内とを繋ぐ空気流通孔により補機収納室内からモジュール収納室内に流入した空気が、モジュール収納室を、排気口を有する側壁側の空間と排気口と対向して配置される側壁側の空間とに区画するように、燃料電池モジュールの表面に沿って、かつ排気口を有する側壁と対向して配置された板状体からなり、仕切部材と板状体の下端とが空間を空けて配置された空気流路調整部材によって、燃料電池モジュールの底部周囲を流通して、排気口より排気されることから、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、外装ケースの温度の上昇を効率よく抑制することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記空気流通孔の前記モジュール収納室側が、前記排気口を有する前記側壁と対向して配置される前記外装ケースの側壁と前記燃料電池モジュールとの間に設けられた空間に面していることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、空気流通孔のモジュール収納室側が、排気口を有する側壁と対向して配置される外装ケースの側壁と燃料電池モジュールとの間に設けられた空間に面していることから、排気口よりも遠い部位の空気を効率よく排気口に向けて流すことができ、外装ケースの温度の上昇を効率よく抑制することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記空気流通孔の補機収納室側に、前記補機収納室内の空気を前記モジュール収納室に供給するための空気ブロワが接続されていることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、空気流通孔の補機収納室側に、補機収納室内の空気をモジュール収納室内に供給するための空気ブロワが設けられていることから、補機収納室内の空気を効率よくモジュール収納室に流入させることができ、外装ケースの温度の上昇を効率よく抑制することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルであることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルであることから、燃料電池セルの発電に伴う燃料電池モジュールからの輻射熱が高温となる。それゆえ、燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルの場合に特に有用となる。

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作動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とともに、前記モジュール収納室を構成する前記外装ケースの側壁に、前記モジュール収納室内の空気を排気するための排気口が設けられている燃料電池装置であって、前記仕切部材に前記補機収納室内と前記モジュール収納室内とを繋ぐ空気流通孔を備えるとともに、前記モジュール収納室内に該モジュール収納室を、前記排気口を有する前記側壁側の空間と前記排気口と対向して配置される前記側壁側の空間とに区画するように、前記燃料電池モジュールの表面
に沿って、かつ前記排気口を有する前記側壁と対向して配置された板状体からなり、前記仕切部材と前記板状体の下端とが空間を空けて配置された空気流路調整部材を有することから、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、外装ケースの温度の上昇を効率よく抑制することができる。

図１は、本発明の燃料電池装置の一例を示す外観斜視図であり、外装ケース２を構成する側面部の一部を取り外して、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、図１においては、外装ケース内に収納する部材を一部省略して示している。また図２は、図１に示す燃料電池装置を概略的に示す側面図であり、図１と同様に外装ケース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、支柱３を有する外装ケース２内に仕切り部材４を有し、仕切部材４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７（以下、モジュールという場合がある。）が配置されたモジュール収納室５が形成されている。また、仕切部材４の下部にはモジュール７を作動させるにあたり必要な補機類（図２においては、モジュール７に酸素含有ガス（空気）を供給するためのブロワ１１と、モジュール７より排出される排ガスと水とで熱交換するための熱交換器１２とを示している。）を収納するための補機収納室６が形成されている。なお、仕切部材４はモジュール収納室５と補機収納室６とを区画していればよく、モジュール収納室５と補機収納室６とが隙間を有して区画されていてもよい。

なお、図１に示したような仕切部材４を用いて、外装ケース２を上下に区画した形状とすることにより、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。

また図１においては、外装ケース２の強度を高めるべく、外装ケース２の高さ方向に立設する支柱３が設けられている。なお、図１においては支柱３を外装ケース２の各隅に計４本設けた例を示しているが、外装ケース２の大きさや重量等にあわせて適宜本数を増減することができる。また、図１においては支柱３を外装ケース２の高さ方向に立設する場合を示しているが、例えば、外装ケース２の幅方向や奥行き方向に設けることもできる。なお、図２において支柱３は省略して示している。

次に、本発明の燃料電池装置１において使用するモジュール７について説明する。モジュール７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の複数個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で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）。なお、収納容器の外面にはモジュール７からの輻射熱を抑制する目的で、断熱材を設けることが好ましい。

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、燃料電池セルの作動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。

ところで、上述したように燃料電池セルとして固体酸化物形燃料電池セルを用いる場合において、燃料電池セルの発電温度が８００℃〜１０００℃程度と非常に高温となり、それに伴いモジュール７の温度も高温となる。また、モジュール７の輻射熱により外装ケース２が高温となるおそれがある。

それゆえ、モジュール収納室５内の温度を下げるべく、外装ケース２の側壁にモジュール収納室５内の空気を排気するための排気口８を設けるとともに、排気口８の近傍に、換気ファンを設置することが提案されている。

しかしながら、換気ファンを用いてモジュール収納室５内の空気を換気する場合において、換気ファンの設置された部位より遠い部位の空気は十分に換気できないおそれがあり、またモジュール７と外装ケース２との隙間が小さい場合（例えば、モジュール７が支柱３と接して配置されている場合等）には、特にモジュール収納室５内の一部の空気が流れにくくなるおそれがあり、外装ケース２の一部の温度が上昇するおそれがある。

ここで、図１および図２に示す燃料電池装置１においては、仕切部材４にモジュール収納室５内と補機収納室６内とを繋ぐ空気流通孔９を備えており、またモジュール収納室５内に空気流通孔９より流入した補機収納室６内の空気が少なくともモジュール７の底部周囲を流通して排気口８より排気されるようにするための空気流路調整部材１０が設けられている。

それゆえ、空気流通孔９より流入した補機収納室６内の空気は、空気流路調整部材１０により少なくともモジュール７の底部周囲を流通した後、排気口８に向けて流れて排気されることとなる。

それにより、モジュール収納室５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５内の温度を下げることができ、あわせて外装ケース２の温度の上昇を効率よく抑制することができる（外装ケース２の温度を下げることができる）。

また、空気流通孔９より流入した補機収納室６内の空気が、モジュール７の底部周囲を流通した後に排気口８に向けて流れることから、モジュール７と外装ケース２の隙間が狭い場合であっても、その隙間にある空気を換気することができ、外装ケース２の一部の温度が上昇することを抑制することができる。

ここで空気流通孔９は、空気流通孔９のモジュール収納室５側が、排気口８を有する外装ケース２の側壁と対向して配置される外装ケース２の側壁とモジュール７との間に設けられた空間に面していることが好ましく、図１および図２においてはこの部位に空気流通孔９を設けている例を示している。

モジュール収納室５において、排気口８近傍の空気は排気口８に向けて流れやすいが、排気口８より遠い部位に位置する空気は、排気口８に向けて流れにくい。それゆえ、排気口８より遠い部位に位置する空気は、排気口８に向けて強制的に流れるようにすることが好ましい。

ここで、空気流通孔９のモジュール収納室５側を、排気口８に対して最も遠い部位である排気口８を有する外装ケース２の側壁と対向して配置される外装ケース２の側壁とモジュール７との間に設けられた空間に面して設けることにより、補機収納室６内より流入する空気（気流）により、排気口８より遠い部位の空気を排気口８に向けて流すことができる。

それにより、排気口８を有する外装ケース２の側壁と対向して配置される外装ケース２の側壁とモジュール７との間に設けられた空間に位置する空気を、モジュール７の底部周囲を流通した後に排気口８に流すことができることから、モジュール７の側面側（排気口８と対向しない面側）の空気もあわせて排気口８に向けて流すことができ、外装ケース２の温度の上昇を効率よく抑制することができる。

ところで、モジュール収納室５内に空気流路調整部材１０を具備しない場合においては、補機収納室６内よりモジュール収納室５内に流入した空気は、モジュール７の面に沿ってモジュール収納室５の上方に向けて流れた後、モジュール７の上面に沿って流れて排気口８より排気されることとなる。

特に、モジュール７と外装ケース２との隙間が狭い場合（例えば、モジュール７が支柱３と接して配置されている場合等）においては、空気流通孔９より流入した空気のほとんどが、モジュール７の側面側（排気口８と対向しない側面側）に流れず、モジュール７の側面と外装ケース２とで形成される空間の空気が十分に換気されずに、外装ケース２の一部の温度が上昇することとなる。

それゆえ、空気流路調整部材１０としては、補機収納室６内よりモジュール収納室５内に流入した空気を、モジュール７の側面側に流すことができる形状とすることが好ましい。

ここで、図１および図２においては、空気流路調整部材１０を板状体にて形成し、その板状体を、モジュール収納室５を、排気口８を有する側壁側の空間と、排気口８と対向して配置される側壁側の空間とに区画するように、モジュール７の表面に沿って、かつ排気口８を有する側壁と対向して配置している。すなわち、空気流路調整部材１０を、排気口８を有する外装ケース２の側壁と対向するように、モジュール７の上壁と外装ケース２の上壁との間およびモジュール７の側壁と外装ケース２との間に設けた例を示している。

それにより、補機収納室６内よりモジュール収納室５内に流入した空気（排気口８と対向して配置される側壁側の空間に流入した空気）は、一端モジュール７の面に沿ってモジュール収納室５の上方に向けて流れるが、その後、モジュール７の上壁と外装ケース２の上壁との間およびモジュール７の側壁と外装ケース２との間に設けた空気流路調整部材１０を沿ってモジュール７の側面側（排気口８と対向しない側面側）に向けて流れ、空気流路調整部材１０と仕切部材４との間（すなわち、モジュール７の側面の底部側）を流れて、空気流路調整部材１０にて区画された排気口８を有する側壁側の空間に流れることとなる。

そして空気流路調整部材１０にて区画された排気口８を有する側壁側の空間に流れた空気は、モジュール７の底部側よりモジュール７の面に沿って流れ、排気口８より排気されることとなる。

それゆえ、モジュール７と外装ケース２との間が狭い場合においても、空気流通孔９より流入した空気をモジュール７の側面側に流すことができることから、効率よくモジュール収納室５内の温度を下げることができ、あわせて外装ケース２の温度を効率よく下げることができる。

なお、空気流路調整部材１０はその厚みを薄く形成することが好ましい。空気流路調整部材１０の厚みを薄くすることにより、モジュール７の側面（排気口８と対向する側面）を流れる空気の量を多くすることができる。それにより、モジュール７の側面と、その側面と対向する外装ケース２の側壁とで形成される空間の空気の換気を効率よく行なうことができることから、外装ケース２の一部の温度の上昇を抑制することができる。

また、空気流通孔９より流入した空気（排気口８と対向して配置される側壁側の空間に流入した空気）が、効率よくモジュール７の側面側に流れるよう、空気流路調整部材１０は、外装ケース２と接して配置されることが好ましい。また、モジュール７の側面側（排気口８と対向しない側面側）における仕切部材４と空気流路調整部材１０の下端との間の距離（すなわち、モジュール収納室５内を流通する空気が、空気流路調整部材１０により区画された排気口８と対向して配置される側壁側の空間から排気口８を有する側壁側の空間へと流れる部位の大きさ）は、モジュール７の大きさや、モジュール７と外装ケース２との隙間の大きさ等により適宜設定することができる。

図３は、図１における空気流通孔９の補機収納室６側に、補機収納室６内の空気をモジュール収納室５内に供給するための空気ブロワ１４が接続された燃料電池装置１３の外観斜視図を示しており、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、外装ケース２内に収納する部材を一部省略して示している。また図４は、図３に示す燃料電池装置１３を概略的に示す側面図であり、図３と同様に外装ケース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、図３においては、補機収納室６に収納する補機として、モジュール７に酸素含有ガス（空気）を供給するためのブロワ１１と、モジュール７より排出される排ガスと水とで熱交換するための熱交換器１２とを示している。

このような燃料電池装置１３においては、空気流通孔９の補機収納室６側に、補機収納室６内の空気をモジュール収納室５内に供給するための空気ブロワを接続することにより、補機収納室６内の空気をより多くモジュール収納室５内に流入させることができる。

それにより、補機収納室６内からモジュール収納室５内に流入する空気がモジュール収納室５内を効率よく流れることとなる。それにより、効率よくモジュール収納室５内の温度を下げることができ、あわせて外装ケース２の温度を効率よく下げることができる。

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、補機収納室６内の空気をモジュール収納室５に供給するための空気流通孔９を、複数箇所に設けることもできる。

この場合において、空気流通孔９を、空気流通孔９のモジュール収納室５側が、排気口８を有する外装ケース２の側壁と対向して配置される外装ケース２の側壁とモジュール７との間に設けられた空間に面するように設けるほか、あわせてモジュール７の側面（排気口８と対向しない側面）とモジュール７の側面と対向して配置される外装ケース２の側壁との間に設けられた空間に面するように設けることも可能である。特には、モジュール７の両側面側にそれぞれ設けることが好ましい。それにより、外装ケース２とモジュール７との隙間が小さい場合において、モジュール７の側面と外装ケース２とで形成される空間の空気の換気を効率よく行なうことができ、外装ケース２の一部の温度の上昇を抑制することができる。

本発明の燃料電池装置の一例を示す外観斜視図である。図１に示す本発明の燃料電池装置の一例を概略的に示した概略図（側面図）である。本発明の燃料電池装置の他の一例を示す外観斜視図である。図３に示す本発明の燃料電池装置の他の一例を概略的に示した概略図（側面図）である。

符号の説明

１、１３：燃料電池装置
２：外装ケース
４：仕切部材
５：モジュール収納室
６：補機収納室
７：燃料電池モジュール
８：排気口
９：空気流通孔
１０：空気流路調整部材
１４：空気ブロワ

Claims

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作動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とともに、前記モジュール収納室を構成する前記外装ケースの側壁に、前記モジュール収納室内の空気を排気するための排気口が設けられている燃料電池装置であって、前記仕切部材に前記補機収納室内と前記モジュール収納室内とを繋ぐ空気流通孔を備えるとともに、前記モジュール収納室内に、該モジュール収納室を、前記排気口を有する前記側壁側の空間と前記排気口と対向して配置される前記側壁側の空間とに区画するように、前記燃料電池モジュールの表面に沿って、かつ前記排気口を有する前記側壁と対向して配置された板状体からなり、前記仕切部材と前記板状体の下端とが空間を空けて配置された空気流路調整部材を有することを特徴とする燃料電池装置。
前記空気流通孔の前記モジュール収納室側が、前記排気口を有する前記側壁と対向して配置される前記外装ケースの側壁と前記燃料電池モジュールとの間に設けられた空間に面していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
前記空気流通孔の補機収納室側に、前記補機収納室内の空気を前記モジュール収納室内に供給するための空気ブロワが接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
前記燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルであることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池装置。