JP5340828B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、灯油や液化石油ガス等の原燃料を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、その改質ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学反応させることにより発電を行う燃料電池と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１７０５９１号公報

上述したような燃料電池システムは、近年、一般家庭に普及しつつあり、そのため、更なる信頼性の向上や小型化が望まれている。

そこで、本発明は、信頼性の向上及び小型化を図ることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、原燃料を改質することにより改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、改質器及び燃料電池の少なくとも一方の動作に用いられる電装機器類を制御する制御部と、を備え、制御部は、電装機器類の少なくとも一部を収容する収容部の蓋をなし且つ少なくとも側壁及び収容部側の底壁を有する箱体内に配置され、箱体の少なくとも底壁は、金属材料からなることを特徴とする。

この燃料電池システムでは、少なくとも側壁及び収容部側の底壁を有する箱体が電装機器類の収容部の蓋をなし、その箱体内に電装機器類の制御部が配置されている。これにより、蓋としての箱体によって電装機器類が粉塵等から保護されると共に、箱体自体によって制御部が粉塵等から保護されることになる。しかも、制御部の設置スペースを収容部内に設けることが不要となる。従って、燃料電池システムの信頼性の向上及び小型化を図ることができる。また、箱体の少なくとも底壁は、金属材料からなる。この構成によれば、箱体が制御部の電磁シールドとして機能するため、電装機器類に起因して制御部にノイズが生じるのを防止することができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、箱体には、外気を流通させるための流通口が設けられていることが好ましい。この構成によれば、燃料電池等が運転時に高温になっても、箱体内に対して外気が流通するため、高温に起因して制御部が誤作動するのを防止することができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、箱体には、底壁に対向する壁が存在しないことで、収容部と反対側に開口する開口部が設けられていることが好ましい。この構成によれば、電装機器類の配線の端子の着脱等において、箱体の開口部を介して制御部に容易にアクセスすることができる。

本発明によれば、燃料電池システムの信頼性の向上及び小型化を図ることができる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の正面図である。 図１の燃料電池システムの平面図である。 図１の燃料電池システムの収容部の拡大正面図である。 図１の燃料電池システムの箱体の斜視図である。 図３の箱体のヒンジ部材の横断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の正面図であり、図２は、図１の燃料電池システムの平面図である。図１，２に示されるように、燃料電池システム１は、原燃料を改質することにより改質ガスを生成する改質器２と、改質ガスを用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池３と、を備えている。燃料電池システム１は、家庭用の電力供給源として利用され、原燃料としては、液化石油ガス（ＬＰＧ）が用いられる。

改質器２の前側には、脱硫器４が配置されている。脱硫器４は、外部から導入された原燃料に対し、脱硫触媒によって脱硫を施す。脱硫器４によって硫黄分が除去された原燃料は、改質器２に導入される。改質器２は、改質触媒によって原燃料を水蒸気改質させて、水素を含有する改質ガスを生成する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器２には、改質触媒を加熱するためのバーナが設けられている。

改質器２によって生成された改質ガスは、改質器２の前側に配置されたＣＯ変成器５及びＣＯ除去器６に順次に導入される。ＣＯ変成器５は、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させるために、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水素シフト反応させて、水素及び二酸化炭素に転換する。ＣＯ除去器６は、改質ガス中の一酸化炭素濃度を更に低下させるために、改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化して、二酸化炭素に転換する。

ＣＯ変成器５及びＣＯ除去器６よって処理された改質ガスは、燃料電池３の前側に配置された加湿器７に導入される。加湿器７に導入された改質ガスは、加湿器７内に貯留された水を気泡として通過することにより加湿され、燃料電池３のアノードに供給される。

改質器２に対し燃料電池３と反対側には、エアポンプ８が配置されている。エアポンプ８によって圧送された空気は、燃料電池３の前側において加湿器７と並設された加湿器９に導入される。加湿器９に導入された空気は、加湿器９内に貯留された水を気泡として通過することにより加湿され、燃料電池３のカソードに供給される。

燃料電池３は、複数の電池セルが積層されたスタック構造として構成されている。各電池セルは、アノード、カソード、及びそれらの間に配置された高分子膜を有している。上述したように、燃料電池３に供給される改質ガス及び空気が加湿されるのは、燃料電池３の電解質である高分子膜が高い伝導性を維持するためには高分子膜が加湿される必要があるからである。燃料電池３の各電池セルにおいては、アノードに供給された改質ガス中の水素とカソードに供給された空気中の酸素とが電気化学反応を起こして、直流の電力が発生する。

燃料電池３で発生した電力は、エアポンプ８の下側に配置されたコンバータ１１及びインバータ１２を介して、家庭に供給される。コンバータ１１は、直流の電力を変圧する。インバータ１２は、変圧された電力を直流から交流に変換する。

ところで、改質ガス中に気化して燃料電池３のアノードに供給された水のうちの余剰分は、循環して、再び加湿器７内に貯留される。一方、空気中に気化して燃料電池３のカソードに供給された水のうちの余剰分は、水回収タンク１３内に貯留される。水回収タンク１３は、燃料電池３の下側に設けられた収容部１０内に配置されている。

各加湿器７，９内に貯留された水は、水回収タンク１３及びイオン交換器１４を含む水処理系に所定時間毎に導入される。イオン交換器１４は、水回収タンク１３と同様に、収容部１０内に配置されている。各加湿器７，９から水処理系に導入された水は、イオン交換器１４に循環供給されて処理された後、各加湿器７，９に戻される。

また、燃料電池３のアノードに供給された改質ガスのうちの余剰分（いわゆるオフガス）は、改質触媒を加熱するために改質器２に設けられたバーナの燃料として利用される。このバーナは、燃料電池システム１の起動時には、脱硫器４によって脱硫された原燃料を利用する。一方、燃料電池３のカソードに供給された空気のうちの余剰分は、外部に排気される。

更に、燃料電池システム１には、家庭用の水が貯留される貯湯ユニットＡが接続される。貯湯ユニットＡ内に貯留された水は、導入口１５から熱回収系に導入され、熱回収系を循環した後、導出口１６から貯湯ユニットＡに戻される。収容部１０内には、熱回収系の一部を構成する余剰電力ヒータ１７が配置されている。余剰電力ヒータ１７は、燃料電池３で発生した電力のうちの余剰分を利用して、熱回収系に導入された水を加熱する。熱回収系は、これに加え、燃料電池３の排熱等も利用して、導入された水を加熱する。

以上の燃料電池システム１の構成機器類は、いわゆるアングル材からなるフレーム体１８によって支持され、直方体箱状の外装体１９内に収容されている。なお、収容部１０内には、水回収タンク１３、イオン交換器１４及び余剰電力ヒータ１７の他、各種ポンプや電磁弁等の電装機器類２０が配置されている。電装機器類２０は、改質器２や燃料電池３等の動作に用いられる。

図３は、図１の燃料電池システムの収容部の拡大正面図である。図３に示されるように、収容部１０は、前側に開口する開口部１０ａを有しており、開口部１０ａは、収容部１０の蓋をなす箱体２１によって覆われている。箱体２１は、フレーム体１８のうち中央に立設されたアングル材３１に開閉自在に掛け止められている。

図４に示されるように、箱体２１は、長方形状の底壁（壁部）２２、及び底壁２２の各辺に沿って外向きに立設された側壁２３〜２６を有し、溶融亜鉛メッキ鋼板等の金属材料によって一体的に形成されている。側壁２３は、アングル材３１側の一辺に沿っており、側壁２４は、アングル材３１と反対側の一辺に沿っている。側壁２５は、上側の一辺に沿っており、側壁２６は、下側の一辺に沿っている。箱体２１において収容部１０と反対側（すなわち、前側）に開口する開口部２１ａは、軟質ＰＥＴ等の樹脂材料からなるシート２７によって覆われている。

箱体２１内には、電装機器類２０を含む燃料電池システム１の全体を制御する複数の制御基板（制御部）２８が配置され、底壁２２に固定されている。各制御基板２８には、電装機器類２０の配線の端子（コネクタ）が接続されている。

箱体２１には、外気を流通させるための流通口２３ａ，２４ａ，２６ａが設けられている。流通口２３ａは、側壁２３の下端部が側壁２６及び底壁２２の一部と一体的に切り欠かれることにより形成されている。流通口２６ａは、側壁２６の中央部が切り欠かれることにより形成され、流通口２４ａは、側壁２４の上端部が切り欠かれることにより形成されている。これにより、流通口２３ａ，２６ａを介して箱体２１内に外気が流入し、流通口２４ａを介して箱体２１内から外気が流出することになる。

側壁２３には、一対のヒンジ部材２９が並設されている。図５に示されるように、各ヒンジ部材２９は、アングル材３１に設けられた係止穴３１ａに掛け止められている。これにより、箱体２１は、開閉自在となり、通常時には閉じられ（図５（ａ）参照）、収容部１０内の電装機器類２０のメンテナンス時には開けられる（図５（ｂ）参照）。なお、図４に示されるように、側壁２５には、長穴３２ａが設けられたＬ字状のアングル材３２が取り付けられており、箱体２１は、閉じられた状態で、長穴３２ａに挿通された小ネジによってフレーム体１８に固定される。

以上説明したように、燃料電池システム１においては、箱体２１が、水回収タンク１３、イオン交換器１４及び余剰電力ヒータ１７の他、各種ポンプや電磁弁等の電装機器類２０を収容する収容部１０の蓋をなし、その箱体２１内に、電装機器類２０を含む燃料電池システム１の全体を制御する制御基板２８が配置されている。これにより、蓋としての箱体２１によって電装機器類２０が粉塵等から保護されると共に、箱体２１自体によって制御基板２８が粉塵等から保護されることになる。しかも、制御基板２８の設置スペースを収容部１０内に設けることが不要となる。従って、燃料電池システム１の信頼性の向上及び小型化を図ることができる。

また、燃料電池システム１においては、箱体２１の底壁２２が金属材料からなる。これにより、箱体２１が制御基板２８の電磁シールドとして機能するため、電装機器類２０に起因して制御基板２８にノイズが生じるのを防止することができる。

また、燃料電池システム１においては、箱体２１に、外気を流通させるための流通口２３ａ，２４ａ，２６ａが設けられている。これにより、燃料電池３等が運転時に高温になっても、箱体２１内に対して外気が流通するため、高温に起因して制御基板２８が誤作動するのを防止することができる。

また、燃料電池システム１においては、箱体２１に、収容部１０と反対側に開口する開口部２１ａが設けられている。これにより、電装機器類２０の配線の端子の着脱等において、箱体２１の開口部２１ａを介して制御基板２８に容易にアクセスすることができる。

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、改質器２は、水蒸気改質するものに限定されず、部分酸化改質やオートサーマル改質するものであっても良く、原燃料として、灯油、天然ガス、都市ガス、メタノール或いはブタン等を用いるものであっても良い。

また、燃料電池３は、固体高分子形に限定されず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等であっても良い。

１…燃料電池システム、２…改質器、３…燃料電池、１０…収容部、２０…電装機器類、２１…箱体、２１ａ…開口部、２２…底壁（壁部）、２３ａ，２４ａ，２６ａ…流通口、２８…制御基板（制御部）。

Claims (3)

1. 原燃料を改質することにより改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
   前記改質器及び前記燃料電池の少なくとも一方の動作に用いられる電装機器類を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記電装機器類の少なくとも一部を収容する収容部の蓋をなし且つ少なくとも側壁及び前記収容部側の底壁を有する箱体内に配置され、
   前記箱体の少なくとも前記底壁は、金属材料からなることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記箱体には、外気を流通させるための流通口が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記箱体には、前記底壁に対向する壁が存在しないことで、前記収容部と反対側に開口する開口部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。

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