JP5318506B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、少なくとも、燃料電池モジュール、酸化剤ガス供給装置、電力変換装置及び制御装置が筐体に収容される燃料電池システムに関する。
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
この場合、単一のユニットケース内に、燃料電池、改質装置、前記燃料電池で発生した直流電力を電源出力仕様に変換する電力変換装置、制御装置及び補機類を内蔵した燃料電池システム（燃料電池装置）が知られている。
その際、特に、高温型燃料電池（固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池等）や、中温型燃料電池（リン酸形燃料電池や水素分離膜形燃料電池等）が用いられると、ユニットケース内は、相当に高温になり易い。しかしながら、電力変換装置、制御装置及び補機類は、性能及び寿命特性の低下を防止するために、雰囲気温度を比較的低温に維持する必要がある。
そこで、例えば、特許文献１に開示されているパッケージ型燃料電池発電装置は、図２０に示すように、パッケージ１を備えている。このパッケージ１は、外気の取り入れ口側に換気ファン３を有する上流側パッケージ室１Ａと、前記上流側パッケージ室１Ａの換気の出口側に連結ダクト１Ｃを介して連結される下流側パッケージ室１Ｂとで構成されている。
上流側パッケージ室１Ａには、チョッパ４Ａ、インバータ４Ｂ及び制御器４Ｃを備える電力変換部４が収納されている。下流側パッケージ室１Ｂには、燃料電池５、反応空気ブロワ６Ａ、燃焼空気ブロワ６Ｂ及び燃料改質装置７を含む燃料電池部８が収納されている。
そして、換気ファン３によって上流側パッケージ室１Ａに送り込まれた常温の空気は、電力変換部４を換気冷却した後、連結ダクト１Ｃを介して下流側パッケージ室１Ｂに送り込まれている。この空気は、燃料電池部８の空冷及び換気を行った後、排気口９から外部に排出されている。
また、特許文献２に開示されているパッケージ型燃料電池発電装置の換気構造では、図２１に示すように、パッケージ１ａを備えている。このパッケージ１ａの内部は、通風口２ａを有する断熱隔壁３ａにより高温装置室４ａ及び電気装置室４ｂに画成されるとともに、前記電気装置室４ｂの外壁には、外気を取り入れる換気口５ａが形成されている。高温装置室４ａには、燃料電池６ａ及び燃料電池改質装置７ａが収納されている。
高温装置室４ａには、燃料電池６ａに連結された反応空気ブロワ６ｂが収納される一方、電気装置室４ｂには、燃料電池改質装置７ａに連結された燃料空気ブロワ７ｂが収納されている。電気装置室４ｂには、雰囲気温度の制御を必要とする電力変換装置８ａ、計測制御装置８ｂ、補機８ｃ及び原燃料タンク８ｄが収納されている。
このパッケージ１ａでは、電気装置室４ｂは、断熱隔壁３ａにより高温装置室４ａからの熱影響が遮断されている。さらに、換気口５ａから常温の外気を吸入して電気装置室４ｂ内を強制換気することにより、電力変換装置８ａ、計測制御装置８ｂ、補機８ｃ及び原燃料タンク８ｄ等の雰囲気温度を低温に制御することができる、としている。
上記の特許文献１では、下流側パッケージ１室Ｂ内に、燃料電池５と反応空気ブロワ６Ａ及び燃焼空気ブロワ６Ｂとが収納されている。このため、特に、高温型燃料電池が使用される際に、作動温度域毎及び機能毎の最適な機器の配置がなされないという問題がある。しかも、熱や流体の管理、例えば、断熱性や流体拡散防止等が十分になされていないという問題がある。
また、上記の特許文献２では、電気装置室４ｂ内に原燃料タンク８ｄが収納されており、特に、高温型燃料電池が使用される際に、作動温度域毎及び機能毎の最適な機器の配置がなされないという問題がある。さらに、高温装置室４ａと電気装置室４ｂとが直接連通しており、熱や流体の管理、例えば、断熱性や流体拡散防止等が十分になされていないという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、比較的簡単な構成で、メンテナンス性を確保し、各機器を作動温度域毎及び機能毎に配置して熱や流体の拡散を最小化するとともに、比較的低温で使用される機器に熱影響が及ぶことを可及的に阻止し、しかも各機器からの放熱を効果的に回収して運転効率の向上を図ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明は、少なくとも、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置とを筐体に収容する燃料電池システムに関するものである。
筐体は、燃料電池モジュールが配置されるモジュール部と、酸化剤ガス供給装置が配置される流体供給部と、電力変換装置及び制御装置が配置される電装部とに分割されている。
そして、電装部は、筐体外から前記電装部に酸化剤ガスを吸気する第１吸気口を設ける一方、流体供給部は、前記第１吸気口から吸気された前記酸化剤ガスを酸化剤ガス供給装置に吸気する第２吸気口を設けるとともに、前記筐体内には、前記第１吸気口から前記第２吸気口に前記酸化剤ガスが直線状に流れるのを阻止する迂回通路を形成する内部隔壁が設けられ、前記内部隔壁は、少なくとも前記電装部又は前記流体供給部に設けられるとともに、前記電装部又は前記流体供給部とモジュール部とを仕切る壁部と前記内部隔壁の一方の壁面との距離Ｌ１と、前記電装部又は前記流体供給部を形成し且つ前記モジュール部とは反対側に位置する壁部と前記内部隔壁の他方の壁面との距離Ｌ２とは、距離Ｌ１＜距離Ｌ２の関係を有している。
このため、モジュール部側の壁部と内部隔壁の一方の壁面との間を流れる酸化剤ガスの流速が上がり、電装部又は流体供給部での自然対流が抑制される。従って、強制対流が促進され、低温部である電装部又は流体供給部が高温化することを良好に抑制することができる。
しかも、モジュール部側の壁部と内部隔壁の一方の壁面との間を流れる酸化剤ガスは、高温部である前記モジュール部からの放熱を効果的に回収することができる。これにより、昇温された酸化剤ガスは、燃料電池モジュールに供給されるため、前記燃料電池モジュールの運転効率の向上が図られる。
さらに、電装部に配置される電力変換装置及び制御装置又は流体供給部に配置される酸化剤ガス供給装置は、内部隔壁の他方の壁面に取り付けられることが好ましい。従って、電力変換装置、制御装置又は酸化剤ガス供給装置は、高温部（モジュール部）からの放熱の影響を受け難くなり、高温化を抑制することが可能になる。
しかも、外部雰囲気の酸化剤ガス（フレッシュなエア）を、電装部に配置されている各機器に直接供給することができ、前記各機器の高温化が良好に抑制される。
さらにまた、電装部に配置される電力変換装置は、筐体内の上部に配置されることが好ましい。放熱量の多い機器であるインバータやコンバータを含む電力変換装置からの放熱による影響が、放熱量の少ない機器である制御装置等に及ぶことを阻止し、前記制御装置の高温化を抑制することが可能になる。
また、第１吸気口は、第２吸気口よりも上部に配置されることが好ましい。このため、酸化剤ガスは、第１吸気口から第２吸気口に（上方から下方に向かって）流れ、低温部である電装部内及び流体供給部内の自然対流が抑制され、強制対流が促進されて前記低温部の高温化が抑制される。
さらに、流体供給部は、酸化剤ガス供給装置に供給されない未使用の酸化剤ガスを筐体外に排気する排気口と、未使用の前記酸化剤ガスの排気を促進させる排気扇とを設けることが好ましい。これにより、第１吸気口から筐体内に吸気されて昇温された酸化剤ガスを、流体供給部に強制的に導入することができ、燃料電池モジュールへの前記昇温された酸化剤ガスの供給が促進され、運転効率の向上が図られる。
その上、低温部である電装部及び流体供給部内の自然対流が一層抑制され、強制対流がより促進されて前記低温部の高温化を良好に抑制することが可能になる。
さらにまた、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることが好ましく、これにより、良好な効果が得られる。
また、内部隔壁は、断熱部材で構成されることが好ましい。従って、内部隔壁は、熱伝導率の低い部材からなり、前記内部隔壁に取り付けられた各機器は、高温部（モジュール部）からの放熱による影響を受け難くなって高温化を抑制することができる。
さらに、内部隔壁は、伝熱部材で構成されることが好ましい。このため、内部隔壁は、熱伝導率の高い部材からなり、前記内部隔壁に取り付けられた各機器から該内部隔壁を介して良好に放熱され、前記各機器の高温化を抑制することが可能になる。
本発明によれば、筐体内は、燃料電池モジュールが収容されるモジュール部と、酸化剤ガス供給装置が配置される流体供給部と、電力変換装置及び制御装置が配置される電装部とに分割されている。このため、筐体内は、作動温度毎及び機能毎に分割されており、熱や流体の拡散を最小化するとともに、機能上、最適な配置が遂行可能になる。
さらに、流体供給部は、筐体の外壁部を構成しており、前記流体供給部の冷却が促進されて、高温化し難くなっている。同様に、電装部は、筐体の外壁部を構成しており、前記電装部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。これにより、比較的低温で使用される機器、例えばポンプ類を含む流体供給部及び制御装置を含む電装部は、熱影響が及ぶことを可及的に阻止されるため、良好な機能を確実に維持して作動することが可能になる。
さらにまた、筐体内には、第１吸気口から第２吸気口に酸化剤ガスが直線状に流れるのを阻止する迂回通路を形成する内部隔壁が設けられている。このため、筐体外から第１吸気口を通って電装部に吸気された外部雰囲気の酸化剤ガス（冷気）は、前記電装部内の機器である電力変換装置や制御装置からの放熱を効果的に回収することができる。
そして、放熱を回収して暖められた酸化剤ガス（暖気）は、電装部から第２吸気口を通って流体供給部に吸気されている。従って、暖められた酸化剤ガスを燃料電池モジュールに供給することが可能になり、前記燃料電池モジュールの運転効率が良好に向上する。
また、内部隔壁により迂回通路が形成されるため、筐体内の酸化剤ガス流路長が長尺化する。これにより、低温部である電装部内及び流体供給部内での自然対流が抑制されて強制対流が促進され、前記低温部の高温化を抑制することができる。
さらに、外部雰囲気の酸化剤ガスは、第１吸気口から電装部に配置されている各機器に直接供給されるため、前記各機器の高温化を有効に抑制することが可能になる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略斜視説明図である。図２は、燃料電池システム１０の平面説明図であり、図３は、前記燃料電池システム１０の正面説明図であり、図４は、前記燃料電池システム１０の回路図である。
燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール１２と、前記燃料電池モジュール１２を昇温させる燃焼器１４と、前記燃料電池モジュール１２に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（燃料ガスポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（エアポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２０と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置２２と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２４とを備え、これらが単一の筐体２６に収容される。
燃料電池モジュール１２は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される固体酸化物形の燃料電池３２を設け、複数の前記燃料電池３２が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック３４を備える（図４参照）。
図３に示すように、燃料電池スタック３４の積層方向上端側には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック３４に供給する前に、前記燃料電池スタック３４から排出される使用済み反応ガスと熱交換して加熱する熱交換器３６と、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合燃料を生成するために水を蒸発させる蒸発器３８と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器４０とが配設される。
燃料電池スタック３４の積層方向下端側には、前記燃料電池スタック３４を構成する燃料電池３２に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構４２が配設される（図４参照）。
改質器４０は、都市ガス中に含まれるエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ6）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高級炭化水素（Ｃ2+）を、主としてメタン（ＣＨ4）を含む原燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
燃料電池３２は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４は、断熱材６８に囲繞される（図３参照）。
図４に示すように、燃料ガス供給装置１６は、原燃料通路５６に接続されるとともに、前記原燃料通路５６の途上には、切換弁７０を介して原燃料分岐通路７２が設けられる。この原燃料分岐通路７２は、燃焼器１４に接続される。
酸化剤ガス供給装置１８は、空気供給管５２に接続されるとともに、前記空気供給管５２の途上に設けられた切換弁７４には、空気分岐通路７６が接続される。この空気分岐通路７６は、燃焼器１４に接続される。燃焼器１４は、例えば、バーナを備えており、上記のように、原燃料及び空気が供給される。なお、このバーナに代えて他の手段（電気ヒータ等）を用いることができ、その際、必要に応じて原燃料、空気、電力の供給を選択的に行うように構成すればよい。
水供給装置２０には、水通路５８が連通する。燃料ガス供給装置１６、酸化剤ガス供給装置１８及び水供給装置２０は、制御装置２４により制御されるとともに、前記制御装置２４には、燃料ガスを検知する検知器７８が電気的に接続される。電力変換装置２２には、例えば、商用電源８０（又は、負荷や２次電池等）が接続される。
図１〜図３に示すように、筐体２６は、全体として矩形状を有する外枠８２を有する。この外枠８２内には、筐体２６内を矢印Ｂ方向（水平方向）に分割するための第１縦仕切り板８４と、矢印Ｃ方向（矢印Ｂ方向に交差する水平方向）に分割するための第２縦仕切り板８６ａ、８６ｂとが、設けられる。
図１及び図２に示すように、平面視四角形状（多角形状）を有するモジュール部８８は、一の角部を挟んで第１の側面である第１縦仕切り板８４及び第２の側面である第２縦仕切り板８６ａを有する。第１縦仕切り板８４と外枠８２との間には、第１流体供給部９０ａが配置される一方、第２縦仕切り板８６ａ、８６ｂと前記外枠８２との間には、電装部９２が配置されることにより、前記第１流体供給部９０ａ及び前記電装部９２は、それぞれ筐体２６の外壁部を構成する。モジュール部８８の下面には、横仕切り板９４を介して第２流体供給部９０ｂが配置される。
図１及び図３に示すように、モジュール部８８には、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４が収容されるとともに、前記燃料電池モジュール１２は、前記燃焼器１４の上方に配置される。なお、燃料電池モジュール１２は、燃焼器１４の下方に配置されていてもよい。燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４は、断熱材６８内に収容されている。電装部９２には、電力変換装置２２及び制御装置２４が配置されるとともに、前記電力変換装置２２は、前記制御装置２４よりも上方に配置される。
第１流体供給部９０ａには、水供給装置２０、燃料ガス供給装置１６及び検知器７８が収容される。水供給装置２０は、第１流体供給部９０ａの最下部に配置されるとともに、検知器７８は、燃料ガス供給装置１６の上方に配置される。燃料ガス供給装置１６は、第１流体供給部９０ａ内で載置台９６を介して保持される。第２流体供給部９０ｂには、酸化剤ガス供給装置１８が収容される。
図１及び図２に示すように、筐体２６は、平面視四角形状を有し、この筐体２６の各側面を開閉自在な第１開閉扉１０２ａ、第２開閉扉１０２ｂ、第３開閉扉１０２ｃ及び第４開閉扉１０２ｄを備える。第１開閉扉１０２ａ〜第４開閉扉１０２ｄの一端部は、蝶番（又は、ヒンジ）１０４を介して、筐体２６の外枠８２に対し開閉自在に支持される。
第１開閉扉１０２ａは、モジュール部８８、第２流体供給部９０ｂ及び電装部９２の一部を一体に開閉し、第２開閉扉１０２ｂは、前記モジュール部８８、前記第２流体供給部９０ｂ及び第１流体供給部９０ａの一部を一体に開閉する。第３開閉扉１０２ｃは、第１流体供給部９０ａ及び電装部９２の一部を一体に開閉し、第４開閉扉１０２ｄは、電装部９２を開閉する。
筐体２６は、図１及び図３に示すように、回転機構１１０を介して鉛直軸回りに回転可能に構成される。この回転機構１１０は、例えば、回転テーブル等の公知の構造を採用している。
第１の実施形態では、電装部９２は、筐体２６外から前記電装部９２に酸化剤ガスを吸気する第１吸気口１１２を設ける一方、第２流体供給部９０ｂは、前記第１吸気口１１２から吸気された前記酸化剤ガスを酸化剤ガス供給装置１８に吸気する第２吸気口１１４を設ける。
第１吸気口１１２は、電装部９２の上部側に、且つ、電力変換装置２２及び制御装置２４から離間する側に対応して第４開閉扉１０２ｄに設けられる。第２吸気口１１４は、第１縦仕切り板８４の下部側に位置して設けられており、第１吸気口１１２は、前記第２吸気口１１４よりも上方に配置される。
筐体２６内には、第１吸気口１１２から第２吸気口１１４に酸化剤ガスが直線状に流れるのを阻止する迂回通路１１６を形成する第１内部隔壁１１８及び第２内部隔壁１２０が設けられる。図２に示すように、第１内部隔壁１１８は、第２縦仕切り板８６ａ、８６ｂと平行して電装部９２内に形成されるとともに、第１開閉扉１０２ａとの間に、迂回通路１１６を形成するための間隙が形成される。
第１内部隔壁１１８の一方の壁面１１８ａと、モジュール部８８側の壁面である第２縦仕切り板８６ａとの距離Ｌ１と、前記モジュール部８８とは反対側に位置する壁部である第４開閉扉１０２ｄと、前記第１内部隔壁１１８の他方の壁面１１８ｂとの距離Ｌ２とは、距離Ｌ１＜距離Ｌ２の関係を有する。
第１内部隔壁１１８の他方の壁面１１８ｂには、電装部９８に配置される機器、すなわち、電力変換装置２２及び制御装置２４が取り付けられる。第２内部隔壁１２０は、第１流体供給部９０ａに設けられ、第１縦仕切り板８４と平行するとともに、端部が第２縦仕切り板８６ｂに連結される。
第２内部隔壁１２０の一方の壁面１２０ａと、モジュール部８８側の壁面である第１縦仕切り板８４との距離Ｌ１と、前記モジュール部８８とは反対側に位置する壁面である第３開閉扉１０２ｃと、前記第２内部隔壁１２０の他方の壁面１２０ｂとの距離Ｌ２とは、距離Ｌ１＜距離Ｌ２の関係を有する。第２内部隔壁１２０の他方の壁面１２０ｂには、水供給装置２０、燃料ガス供給装置１６及び検知器７８が取り付けられる。
第１内部隔壁１１８及び第２内部隔壁１２０は、断熱部材（熱伝導率の低い部材）で構成される。この断熱部材として、例えば、ベークライト、ニトリルブタジエンゴム等のゴム材料、樹脂材料、グラスファイバ成形部材又はハニカム構造部材等が用いられる。少なくとも第１内部隔壁１１８では、距離Ｌ１：距離Ｌ２は、１：１０〜５：６の範囲内に設定される。
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
図４に示すように、燃料ガス供給装置１６の駆動作用下に、原燃料通路５６には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２０の駆動作用下に、水通路５８には、水が供給されるとともに、空気供給管５２には、酸化剤ガス供給装置１８の駆動作用下に、酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
図３に示すように、蒸発器３８では、原燃料通路５６を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、改質器４０の入口部に供給される。混合燃料は、改質器４０内で水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガス（燃料ガス）が得られる。この改質ガスは、改質器４０の出口部を通って燃料電池スタック３４に供給される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。
一方、空気供給管５２から熱交換器３６に供給される空気は、この熱交換器３６に沿って移動する際、後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３６で加温された空気は、燃料電池スタック３４に供給され、図示しないカソード電極に供給される。
従って、電解質・電極接合体では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３６を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。
この場合、第１の実施形態では、筐体２６内は、燃料電池モジュール１２が収容されるモジュール部８８と、酸化剤ガス供給装置１８が配置される第２流体供給部９０ｂと、電力変換装置２２及び制御装置２４が配置される電装部９２とに分割されている。このため、筐体２６内は、作動温度毎及び機能毎に分割されており、熱や流体の拡散を最小化するとともに、機能上、最適な配置が遂行可能になる。
しかも、モジュール部８８の下面（横仕切り板９４）には、第２流体供給部９０ｂが配置されている。従って、第２流体供給部９０ｂは、筐体２６の下壁部（外壁部）を構成しており、前記第２流体供給部９０ｂの冷却が促進されて高温化し難くなっている。
また、モジュール部８８の第１の側面（第１縦仕切り板８４）には、第１流体供給部９０ａが配置されている。これにより、第１流体供給部９０ａは、実質的に筐体２６の外壁部を構成しており、前記第１流体供給部９０ａの冷却が促進されて高温化し難くなっている。
同様に、モジュール部８８の第２の側面（第２縦仕切り板８６ａ、８６ｂ）には、電装部９２が配置されている。これにより、電装部９２は、実質的に筐体２６の外壁部を構成しており、前記電装部９２の冷却が促進されて高温化し難くなっている。
このため、低温部（４０℃前後）に維持する必要がある制御装置２４を含む電装部９２や、ポンプ類を含む第２流体供給部９０ｂは、良好な機能を確実に維持して作動することが可能になるという利点がある。
さらに、第１の実施形態では、筐体２６の外部から酸化剤ガス（外気）を吸気する第１吸気口１１２が、電装部９２に設けられる一方、前記第１吸気口１１２から吸気された前記酸化剤ガスを酸化剤ガス供給装置１８に吸気する第２吸気口１１４が、第２流体供給部９０ｂに設けられている。筐体２６内には、第１吸気口１１２から第２吸気口１１４に酸化剤ガスが直線状に流れるのを阻止する迂回通路１１６を形成する第１内部隔壁１１８及び第２内部隔壁１２０が設けられている。
従って、筐体２６の外部から第１吸気口１１２を通って電装部９２に吸気された酸化剤ガスは、前記電装部９２内の電力変換装置２２及び制御装置２４からの放熱を効果的に回収することができる。そして、放熱を回収することにより暖められた酸化剤ガスは、電装部９２から迂回通路１１６を通って第２吸気口１１４から第２流体供給部９０ｂに吸気される。このため、酸化剤ガス供給装置１８の吸引作用下に、燃料電池モジュール１２に暖められた酸化剤ガスが供給されることになり、前記燃料電池モジュール１２の運転効率が向上するという効果がある。
しかも、筐体２６内には、第１内部隔壁１１８及び第２内部隔壁１２０を介して迂回通路１１６が形成されている。従って、筐体２６内の酸化剤ガス流路長が長尺化し、低温部である電装部９２及び第２流体供給部９０ｂ内の自然対流が抑制され、強制対流が促進されて前記低温部の高温化を有効に抑制することができる。
さらに、第１吸気口１１２を介して、外部雰囲気の酸化剤ガス（フレッシュなエア）を、電装部９２に配置される電力変換装置２２及び制御装置２４に直接供給することができる。これにより、電力変換装置２２及び制御装置２４の高温化が良好に抑制されるという利点がある。
さらにまた、図２に示すように、第１内部隔壁１１８の一方の壁面１１８ａとモジュール部８８側の壁部である第２縦仕切り板８６ａとの距離Ｌ１と、前記第１内部隔壁１１８の他方の壁面１１８ｂと前記モジュール部８８とは反対側に位置する壁部である第４開閉扉１０２ｄとの距離Ｌ２とは、距離Ｌ１＜距離Ｌ２との関係を有している。
このため、第２縦仕切り板８６ａと第１内部隔壁１１８との間を流れる酸化剤ガスの流速が上がり、電装部９２の自然対流が抑制されて強制対流が促進される。従って、低温部である電装部９２が高温化することを良好に抑制することが可能になる。
その際、第２縦仕切り板８６ａと第１内部隔壁１１８との間を流れる酸化剤ガスは、高温部であるモジュール部８８からの放熱を効果的に回収することができ、高温に昇温された酸化剤ガスを燃料電池モジュール１２に供給することが可能になり、燃料電池モジュール１２の運転効率が向上するという効果がある。
ここで、図５に示すように、距離Ｌ１と距離Ｌ２とは、距離Ｌ１：距離Ｌ２＝１：１０〜５：６の範囲内に設定されることが好ましい。距離Ｌ１が、上記の範囲よりも幅狭に設定されると、前記第１内部隔壁１１８が高温の第２縦仕切り板８６ａに近接してしまう。これにより、熱伝導が惹起し易く、第１内部隔壁１１８に取り付けられた電力変換装置２２及び制御装置２４への熱影響が懸念される。
一方、距離Ｌ１が、上記の範囲よりも広い場合には、第２縦仕切り板８６ａと第１内部隔壁１１８との間を流通する酸化剤ガスの流速が相当に遅くなる。このため、自然対流が発生して高熱回収の効率化が低下するとともに、第１内部隔壁１１８に取り付けられている電力変換装置２２及び制御装置２４への熱影響が懸念される。
従って、距離Ｌ１と距離Ｌ２との関係は、上記の範囲内に設定することにより、自然対流の抑制を図って低温部の高温化を抑制するとともに、酸化剤ガスによる放熱回収の効率化を図ることが可能になる。
また、第１の実施形態では、第１内部隔壁１１８の他方の壁面１１８ｂに電力変換装置２２及び制御装置２４が取り付けられている。従って、電力変換装置２２及び制御装置２４は、高温部であるモジュール部８８からの放熱の影響を受け難くなり、前記電力変換装置２２及び前記制御装置２４の高温化が良好に抑制される。
その上、第１吸気口１１２から吸気された外部雰囲気の酸化剤ガス（フレッシュなエア）は、電装部９２に配置される電力変換装置２２及び制御装置２４に直接供給されるため、前記電力変換装置２２及び前記制御装置２４の高温化が一層確実に抑制される。一方、第１流体供給部９０ａでは、第２内部隔壁１２０が設けられており、上記の電装部９２と同様の効果が得られる。
さらに、電装部９２では、放熱量の多い機器である電力変換装置２２が、筐体２６の上部に、すなわち、制御装置２４よりも上方に配置されている。このため、放熱量の少ない制御装置２４は、放熱量の多い電力変換装置２２からの放熱による影響を受け難くなり、前記制御装置２４の高温化を抑制することができる。
さらにまた、第１吸気口１１２は、第２吸気口１１４よりも上方に配置されている。これにより、外部の酸化剤ガスは、上方に配置されている第１吸気口１１２から迂回通路１１６を通って、下方に配置されている第２吸気口１１４に円滑に流動する。従って、低温部である電装部９２及び第１流体供給部９０ａ内の自然対流が抑制されて強制対流が促進され、前記低温部の高温化が有効に抑制される。
また、第１内部隔壁１１８は、断熱部材で構成されている。このため、第１内部隔壁１１８の他方の壁面１１８ｂに取り付けられている電力変換装置２２及び制御装置２４は、モジュール部８８からの放熱による影響を受け難くなり、前記電力変換装置２２及び前記制御装置２４が高温化することを確実に抑制することが可能になる。
なお、第１内部隔壁１１８は、断熱部材に代えて、伝熱部材（熱伝導率の高い部材）により構成してもよい。伝熱部材としては、例えば、亜鉛メッキ鋼板、アルミニウム板、銅板等が使用されるとともに、電力変換装置２２及び制御装置２４との接触面積を大きくして接触熱抵抗を下げ、あるいは、接触面にグリス等を塗布して接触熱抵抗を下げることが好ましい。これにより、電力変換装置２２及び制御装置２４から第１内部隔壁１１８を介して放熱されるため、前記電力変換装置２２及び前記制御装置２４の高温化が良好に抑制される。
さらにまた、燃料電池モジュール１２では、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールにより構成されることにより、良好な効果が得られるが、固体酸化物形燃料電池モジュールに代えて、他の高温型燃料電池モジュールや中温型燃料電池モジュールにも好適に用いることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）及び水素分離膜形燃料電池（ＨＭＦＣ）等が良好に採用可能である。
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１３０の概略斜視説明図である。図７は、燃料電池システム１３０の平面説明図であり、図８は、前記燃料電池システム１３０の正面説明図である。
なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第６の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
燃料電池システム１３０を構成する筐体１３２では、第１縦仕切り板８４と外枠８２との間に流体供給部９０が配置される。流体供給部９０は、横仕切り板１３４を介して第１供給部１３６と第２供給部１３８とに、上下に２分割される。第１供給部１３６には、燃料ガス供給装置１６及び検知器７８が収容されるとともに、前記検知器７８は、前記燃料ガス供給装置１６の上方に配置される。第２供給部１３８には、酸化剤ガス供給装置１８及び水供給装置２０が配置されるとともに、前記水供給装置２０は、流体供給部９０の最下部に配置される。酸化剤ガス供給装置１８は、第２供給部１３８内で載置台１４０を介して保持される。
流体供給部９０には、第２内部隔壁１２０が配設されるとともに、前記第２内部隔壁１２０の下部側には、第２吸気口１１４が形成される。第２内部隔壁１２０の他方の壁面１２０ｂには、検知器７８、燃料ガス供給装置１６、酸化剤ガス供給装置１８及び水供給装置２０が取り付けられる。
このように構成される第２の実施形態では、酸化剤ガス供給装置１８が駆動されると、第１吸気口１１２から酸化剤ガス（外部空気）が電装部９２に吸引されてこの電装部９２内を冷却する。さらに、酸化剤ガスは、迂回通路１１６を通った後、第２外部隔壁１２２に形成されている第２吸気口１１４から流体供給部９０に吸引される。
このため、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、特に、流体供給部９０に配置されている酸化剤ガス供給装置１８は、モジュール部８８からの放熱による熱影響が及ぶことを可及的に阻止することができる。
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１５０の概略斜視説明図である。図１０は、燃料電池システム１５０の平面説明図であり、図１１は、前記燃料電池システム１５０の正面説明図である。
燃料電池システム１５０を構成する筐体１５２は、第１縦仕切り板８４と第２縦仕切り板８６とが矢印Ｂ方向に所定の間隔ずつ離間して設けられることにより、前記筐体１５２内が矢印Ｂ方向に分割される。
筐体１５２内には、モジュール部８８、流体供給部９０及び電装部９２が矢印Ｂ方向に分割されるとともに、前記モジュール部８８と前記電装部９２との間に、前記流体供給部９０が介装される。流体供給部９０は、第２の実施形態と同様であり、詳細な説明は省略する。
流体供給部９０には、平面視（図１０参照）で、略Ｌ字状の内部隔壁１５４が設けられる。内部隔壁１５４の一方の壁面１５４ａと、モジュール部８８側の壁部である第１縦仕切り板８４との距離Ｌ１と、前記内部隔壁１５４の他方の壁面１５４ｂと、第２縦仕切り板８６との距離Ｌ２（及び第２縦仕切り板８６と外枠８２との距離Ｌ２）とは、距離Ｌ１＜距離Ｌ２の関係を有する。
電装部９２の上部側角部近傍には、第１吸気口１１２が設けられる一方、内部隔壁１５４の下部側角部近傍には、第２吸気口１１４が設けられる。
このように構成される第３の実施形態では、酸化剤ガス供給装置１８が駆動されると、外部空気が酸化剤ガスとして第１吸気口１１２から電装部９２に吸気される。この酸化剤ガスは、電装部９２に配置されている各機器を冷却した後、流体供給部９０に形成される迂回通路１１６を通って、第２吸気口１１４から第２供給部１３８に吸引される。
従って、特に、第１縦仕切り板８４と内部隔壁１５４との間で、酸化剤ガスの良好且つ円滑な流れが得られるため、高温部であるモジュール部８８からの放熱による流体供給部９０の各機器への熱影響を可及的に阻止することができるという効果が得られる。
なお、第３の実施形態では、筐体１５２には、第１及び第２の実施形態と同様に、開閉扉を設けることができる他、回転テーブルや走行用車輪等を設けてもよい。また、以下に説明する第４〜第６の実施形態においても同様である。
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１６０の概略斜視説明図である。図１３は、燃料電池システム１６０の平面説明図であり、図１４は、前記燃料電池システム１６０の正面説明図である。
燃料電池システム１６０を構成する筐体１６２は、上記の第３の実施形態と同様に、第１縦仕切り板８４及び第２縦仕切り板８６を介して矢印Ｂ方向に分割されるとともに、モジュール部８８を挟んで、矢印Ｂ方向両側に流体供給部９０及び電装部９２が設けられる。
筐体１６２内には、電装部９２に位置して第１内部隔壁１６４が設けられ、モジュール部８８に位置して第２内部隔壁１６６が設けられ、さらに流体供給部９０に位置して第３内部隔壁１６８が設けられる。第１内部隔壁１６４は、第２縦仕切り板８６と平行に且つ距離Ｌ１だけ離間して設けられるとともに、一方の端部側が外枠８２の内方に配置されて迂回通路１１６の一部が形成される。第２内部隔壁１６６は、矢印Ｂ方向に延在して第１縦仕切り板８４及び第２縦仕切り板８６の端部に連結され、第３内部隔壁１６８は、前記第１縦仕切り板８４と平行に且つ距離Ｌ１を有して配設される。
電装部９２内では、第１内部隔壁１６４と外枠８２との距離Ｌ２が設定される一方、流体供給部９０では、第３内部隔壁１６８と前記外枠８２との間に距離Ｌ２が設定される。電装部９２の上部側には、第１吸気口１１２が形成されるとともに、第３内部隔壁１６８の下部側には、第２吸気口１１４が形成される。
このように構成される第４の実施形態では、酸化剤ガス供給装置１８の駆動作用下に、第１吸気口１１２から電装部９２内に酸化剤ガスが吸気され、この酸化剤ガスは、第１内部隔壁１６４、第２内部隔壁１６６及び第３内部隔壁１６８によって形成される迂回通路１１６を通って、第２吸気口１１４から第２供給部１３８内に吸入される。従って、この第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
図１５は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１７０の概略斜視説明図である。図１６は、燃料電池システム１７０の平面説明図であり、図１７は、前記燃料電池システム１７０の正面説明図である。
燃料電池システム１７０を構成する筐体１７２内は、第４の実施形態と同様に、第１縦仕切り板８４及び第２縦仕切り板８６を介して矢印Ｂ方向に分割され、モジュール部８８を中心に矢印Ｂ方向両側に第１流体供給部９０ａと電装部９２とが分割形成される。
モジュール部８８の下面には、横仕切り板９４を介して第２流体供給部９０ｂが配置される。電装部９２の上部側には、第１吸気口１１２が形成される一方、第１縦仕切り板８４の下部側には、第２吸気口１１４が形成される。
筐体１７２内には、第１吸気口１１２から第２吸気口１１４に酸化剤ガスが直線状に流れるのを阻止する迂回通路１１６を形成する第１内部隔壁１６４、第２内部隔壁１６６及び第３内部隔壁１６８が設けられる。
このように構成される第５の実施形態では、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
図１８は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システム１８０の概略斜視説明図であり、図１９は、前記燃料電池システム１８０の正面説明図である。
燃料電池システム１８０を構成する筐体１８２には、第２流体供給部９０ｂに酸化剤ガス供給装置１８で使用されなかった酸化剤ガス（未使用の酸化剤ガス）を、前記筐体１８２の外部に排出する排気口１８４が設けられる。この排気口１８４には、筐体１８２の外部に装着される排気扇１８６が配置される。
このように構成される第６の実施形態では、酸化剤ガス供給装置１８の駆動作用下に、第１吸気口１１２から吸引された酸化剤ガスが、第２流体供給部９０ｂで未使用の状態で滞留することはない。排気扇１８６が駆動されることにより、第２流体供給部９０ｂ内の未使用酸化剤ガスが排気口１８４から外部に強制的に導出されるからである。
これにより、第１吸気口１１２から筐体１８２内に吸入された酸化剤ガスは、迂回通路１１６を通って第２吸気口１１４から第２流体供給部９０ｂに強制的に導入される。従って、燃料電池モジュール１２ａへの昇温された酸化剤ガスの供給が促進され、運転効率の向上が図られるという利点がある。
その上、低温部である電装部９２及び第２流体供給部９０ｂ内の自然対流が一層抑制され、強制対流がより促進されて前記低温部の高温化を良好に抑制することが可能になる。
なお、第６の実施形態では、実質的に第１の実施形態に係る燃料電池システム１０を用いているが、これに限定されるものではなく、第２〜第５の実施形態にも適用することが可能である。
１０、１３０、１５０、１６０、１７０、１８０…燃料電池システム
１２…燃料電池モジュール １４…燃焼器
１６…燃料ガス供給装置 １８…酸化剤ガス供給装置
２０…水供給装置 ２２…電力変換装置
２４…制御装置
２６、１３２、１５２、１６２、１７２、１８２…筐体
３２…燃料電池 ３４…燃料電池スタック
８２…外枠 ８４、８６ａ、８６ｂ…縦仕切り板
８８…モジュール部 ９０、９０ａ、９０ｂ…流体供給部
９２…電装部 ９４、１３４…横仕切り板
１０２ａ〜１０２ｄ…開閉扉 １１０…回転機構
１１２、１１４…吸気口 １１６…迂回通路
１１８、１２０、１５４、１６４、１６６、１６８…内部隔壁
１２０ａ、１２０ｂ、１５４ａ、１５４ｂ…壁面
１３６、１３８…供給部 １８６…排気扇
１２…燃料電池モジュール １４…燃焼器
１６…燃料ガス供給装置 １８…酸化剤ガス供給装置
２０…水供給装置 ２２…電力変換装置
２４…制御装置
２６、１３２、１５２、１６２、１７２、１８２…筐体
３２…燃料電池 ３４…燃料電池スタック
８２…外枠 ８４、８６ａ、８６ｂ…縦仕切り板
８８…モジュール部 ９０、９０ａ、９０ｂ…流体供給部
９２…電装部 ９４、１３４…横仕切り板
１０２ａ〜１０２ｄ…開閉扉 １１０…回転機構
１１２、１１４…吸気口 １１６…迂回通路
１１８、１２０、１５４、１６４、１６６、１６８…内部隔壁
１２０ａ、１２０ｂ、１５４ａ、１５４ｂ…壁面
１３６、１３８…供給部 １８６…排気扇
Claims (8)
- 少なくとも、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、
前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置と、
を筐体に収容する燃料電池システムであって、
前記筐体は、前記燃料電池モジュールが配置されるモジュール部と、
前記酸化剤ガス供給装置が配置される流体供給部と、
前記電力変換装置及び前記制御装置が配置される電装部と、
に分割され、
前記電装部は、前記筐体外から該電装部に前記酸化剤ガスを吸気する第１吸気口を設ける一方、
前記流体供給部は、前記第１吸気口から吸気された前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給装置に吸気する第２吸気口を設けるとともに、
前記筐体内には、前記第１吸気口から前記第２吸気口に前記酸化剤ガスが直線状に流れるのを阻止する迂回通路を形成する内部隔壁が設けられ、
前記内部隔壁は、少なくとも前記電装部又は前記流体供給部に設けられるとともに、
前記電装部又は前記流体供給部と前記モジュール部とを仕切る壁部と前記内部隔壁の一方の壁面との距離Ｌ１と、前記電装部又は前記流体供給部を形成し且つ前記モジュール部とは反対側に位置する壁部と前記内部隔壁の他方の壁面との距離Ｌ２とは、距離Ｌ１＜距離Ｌ２の関係を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記電装部に配置される前記電力変換装置及び前記制御装置又は前記流体供給部に配置される前記酸化剤ガス供給装置は、前記内部隔壁の前記他方の壁面に取り付けられることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記電装部に配置される前記電力変換装置は、前記筐体内の上部に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１吸気口は、前記第２吸気口よりも上部に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記流体供給部は、前記酸化剤ガス供給装置に供給されない未使用の前記酸化剤ガスを前記筐体外に排気する排気口と、
未使用の前記酸化剤ガスの排気を促進させる排気扇と、
を設けることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記内部隔壁は、断熱部材で構成されることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記内部隔壁は、伝熱部材で構成されることを特徴とする燃料電池システム。
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