JP5414388B2 - 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、更なる構造の単純化が望まれている。そこで、本発明は、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生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池システムであって、改質ガスを用いて発電する電池セルを複数個積層してなる燃料電池スタックを有する燃料電池と、燃料電池に接続され、燃料電池のドレンを流通させるドレン用流路と、燃料電池に接続され、冷却水を流通させる冷却水用流路と、を備え、ドレン用流路及び冷却水用流路のうち少なくとも一方が、電池セルの積層方向における燃料電池スタックの端部側に配置され、端部側に配置されたドレン用流路及び冷却水用流路のうち少なくとも一方を保温する断熱部材、及び燃料電池スタックの端部を保温する断熱部材が１つの断熱部材で兼用され、断熱部材は、燃料電池スタックの端部及びドレン用流路もしくは冷却水用流路の間に配置され、連結凹部を有する第１断熱部材と、第１断熱部材との間にドレン用流路又は冷却水用流路を挟み込むように配置され、連結凹部に嵌合する連結凸部を有するクリップ状部材によって挟まれて第１断熱部材に固定される第２の断熱部材と、を有することを特徴とする。

この燃料電池システムでは、燃料電池に接続されるドレン用流路及び冷却水用流路が、電池セルの積層方向における燃料電池スタックの端部側に配置され、流路用の断熱部材と燃料電池用の断熱部材とが１つの断熱部材で兼用されている。これにより、部品点数を減少することが可能となる。従って、燃料電池システムの小型化を図ることができる。さらに、第１の断熱部材とクリップ状部材との連結を外すことにより、第１の断熱部材に固定された第２の断熱部材を取り外すことができる。このため、メンテナンス性を向上させることができる。

更に、燃料電池システムにおいて、電池セルの積層方向における燃料電池スタックの他方の端部側には、冷却水用流路から熱を回収する熱交換器、及び熱交換器に接続される流路が配置され、他方の端部側に配置された熱交換器及び熱交換器に接続される流路を保温する断熱部材、及び燃料電池スタックの端部を保温する断熱部材が１つの断熱部材で兼用されていることが好適である。

このように構成することで、冷却水用流路から熱を回収する熱交換器及びその流路が、電池セルの積層方向における燃料電池スタックの他方の端部側に配置され、熱交換器及びその流路用の断熱部材と燃料電池用の断熱部材とを１つの断熱部材で兼用することができる。これにより、部品点数を減少することが可能となる。従って、燃料電池システムの一層の小型化を図ることができる。

本発明によれば、燃料電池システムの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２のＸ方向からみた燃料電池の斜視図である。 図２のＹ方向からみた燃料電池の斜視図である。 クリップ状部材の斜視図である。

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、直流の電力の電圧を変圧する。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（カソードドレン）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（貯湯水）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、導入された貯湯水を加熱する。

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。

上述した燃料電池３の排熱の利用形態の一例を説明する。燃料電池３には、加湿器９内に貯留された水が冷却水として供給される。冷却水は、燃料電池３が発生する熱によって加熱され、熱回収系を循環した後、加湿器９に戻される。熱回収系は、冷却水と貯湯水との間で熱交換を行う熱交換器を備えている。このため、冷却水により回収された燃料電池３の熱は、貯湯ユニットＡに戻される貯湯水へ授受される。

燃料電池３の排熱を回収する熱回収系について詳細を説明する。図３は、図２に示されるＸ方向から見た燃料電池３の斜視図、図４は、図２に示されるＹ方向から見た燃料電池３の斜視図である。図３に示されるように、燃料電池３内には、長尺平板形状体の電池セルを、矢印Ｌ方向（積層方向）に平行に複数個配列させて積層してなる燃料電池スタック２１が配置されている。この燃料電池スタック２１の積層方向の一方の端部側には、冷却水を流通させる冷却水用配管（冷却水用流路）２５が配置されている。冷却水用配管２５は、加湿器９内に貯留された水を燃料電池スタック２１の冷却水として流通させる。なお、ドレン用配管（ドレン用流路）２６は、カソードドレンを再び加湿器７内に貯留するために流通させるものである。

また、図４に示されるように、燃料電池スタック２１の積層方向の他方の端部側には、熱交換器２７及び排熱回収配管２８が配置されている。排熱回収配管２８は、熱交換器２７に接続されており、貯湯水を熱交換器２７内に導入する。また、熱交換器２７には、燃料電池スタック２１の熱を回収した冷却水の出口（不図示）が接続されている。熱交換器２７は、その内部で冷却水の熱を貯湯水へ授受させる。なお、排熱回収配管２８上に設けられたバルブ２９の開閉操作によって、熱交換器２７内に導入される貯湯水の量が調整される。

上述した冷却水用配管２５、ドレン用配管２６、熱交換器２７及び排熱回収配管２８は、熱回収系の効率性向上のため、断熱部材で覆われて保温されている。電池セルの積層方向における燃料電池スタック２１の一方の端部側に配置された冷却水用配管２５及びドレン用配管２６は断熱部材２２で覆われ、他方の端部側に配置された熱交換器２７及び排熱回収配管２８は断熱部材２３で覆われている。以下、断熱部材２２，２３の詳細について説明する。

断熱部材２２，２３は、例えば、ポリエチレンフォームにより形成され、長方形薄板状の内側断熱部材（第１断熱部材）２２ａ，２３ａ、及び長方形薄板状の外側断熱部材（第２断熱部材）２２ｂ，２３ｂを有している。内側断熱部材２２ａ，２３ａは、電池セルの積層方向における燃料電池スタック２１の端部と配管との間に配置されており、配管側に接するその主面に、配管の形状にあわせて抉られた溝部が形成されている。同様に、外側断熱部材２２ｂ，２３ｂは、配管側に接するその主面に、配管の形状にあわせて抉られた溝部が形成されている。なお、外側断熱部材２３ｂには、排熱回収配管２８が断熱材で覆われた状態で上述したバルブ２９の開閉操作を可能とすべく、バルブ２９の形状に合わせた穴部３１が形成されている。

内側断熱部材２２ａ，２３ａ及び外側断熱部材２２ｂ，２３ｂは、溝部が形成された主面同士をそれぞれ対向させ、溝部に配管をはめ込んだ状態で、クリップ状部材２４により取り外し可能にそれぞれ連結され、固定されている。内側断熱部材２２ａ，２３ａの両側面には、クリップ状部材２４と連結する連結凹部３０が複数形成されている。クリップ状部材２４は、図５に示されるように、長方形薄板状の支持部２４ａ、及びその長手方向における両端に立設された長方形薄板状の腕部２４ｂ、その腕部２４ｂの先端部に内側断熱部材２２ａ，２３ａの連結凹部３０と連結する連結凸部２４ｃを備えている。クリップ状部材２４は、例えば薄板を折り曲げることで一体的に形成されている。内側断熱部材２２ａと外側断熱部材２２ｂとの間に冷却水用配管２５及びドレン用配管２６をはめ込んだ状態で、外側断熱部材２２ｂの側面をクリップ状部材２４の腕部２４ｂで挟み込み、連結凸部２４ｃが内側断熱部材２２ａの連結凹部３０に引っかかることで、外側断熱部材２２ｂが内側断熱部材２２ａに固定されている。同様に、内側断熱部材２３ａと外側断熱部材２３ｂとの間に熱交換器２７及び排熱回収配管２８をはめ込んだ状態で、外側断熱部材２３ｂの側面をクリップ状部材２４の腕部２４ｂで挟み込み、連結凸部２４ｃが内側断熱部材２３ａの連結凹部３０に引っかかることで、外側断熱部材２３ｂが内側断熱部材２３ａに固定されている。

上述した断熱部材２２，２３は、燃料電池スタック２１の積層方向の端部にそれぞれ配置されることから、燃料電池スタック２１の断熱部材として機能する。電池セルを複数積層してなる燃料電池スタック２１にあっては、発電の安定性を考慮すると、電池セルそれぞれの温度条件が同一であることが好ましい。積層構造の両端部は、隣接する電池セルが存在しないため、両端部以外の電池セルと温度条件を同一とすべく、断熱部材を用いて温度条件を調整する必要がある。配管を保温する断熱部材２２，２３は、電池セルの積層方向において燃料電池スタック２１の両端部に配置されるため、燃料電池スタック２１の断熱部材を兼用する。

以上、実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池３に接続されるドレン用配管２６及び冷却水用配管２５が、電池セルの積層方向における燃料電池スタック２１の端部側に配置されているのでコンパクト化することができる。そして、配管用の断熱部材と燃料電池３用の断熱部材とを１つの断熱部材で兼用することが可能となる。これにより、部品点数を減少することができる。従って、燃料電池システム１の小型化、小スペース化を図ることが可能となるとともに、製造コストを低減させることができる。また、配管と燃料電池スタック２１の端部とが同時に保温されることで、燃料電池スタック２１端部の放熱を抑制することができる。

また、実施形態に係る燃料電池システム１では、外側断熱部材２２ｂ，２３ｂがクリップ状部材２４によって内側断熱部材２２ａ，２３ａに固定されているため、内側断熱部材２２ａ，２３ａとクリップ状部材２４との連結を外すことにより、内側断熱部材２２ａ，２３ａに固定された外側断熱部材２２ｂ，２３ｂを容易に取り外すことができる。そして、外側断熱部材２２ｂ，２３ｂを容易に内側断熱部材２２ａ，２３ａに取りつけることが可能となる。このようなワンタッチ構成により、組み付け及び取り外しが容易となるので、メンテナンス性を向上させることができる。

更に、実施形態に係る燃料電池システム１では、冷却水用配管２５から熱を回収する熱交換器２７及び排熱回収配管２８が、電池セルの積層方向における燃料電池スタック２１の端部側に配置され、熱交換器２７及び排熱回収配管２８用の断熱部材と燃料電池３用の断熱部材とを１つの断熱部材で兼用することができる。これにより、部品点数を減少することが可能となる。従って、燃料電池システムの一層の小型化を図ることができる。また、配管と燃料電池スタック２１の端部とが同時に保温されることで、スタック端部の放熱を抑制することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

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。

また、上述した実施形態では、内側断熱部材２２ａと外側断熱部材２２ｂとの間に冷却水用配管２５及びドレン用配管２６を挟み込む例を説明したが、冷却水用配管２５及びドレン用配管２６の何れか一方を挟み込む場合であってもよい。同様に、内側断熱部材２３ａと外側断熱部材２３ｂとの間に熱交換器２７及び排熱回収配管２８を挟み込む例を説明したが、熱交換器２７及び排熱回収配管２８の何れか一方を挟み込む場合であってもよい。

また、上述した実施形態では、断熱材２２，２３が内側断熱部材２２ａ，２３ａ及び外側断熱部材２２ｂ，２３ｂを有する例を説明したが、断熱材２２，２３は一体的に形成されていてもよい。

１…燃料電池システム、３…燃料電池、２１…燃料電池スタック、２２，２３…断熱部材、２２ａ，２３ａ…内側断熱部材（第１断熱部材）、２２ｂ，２３ｂ…外側断熱部材（第２断熱部材）、２４…クリップ状部材、２４ｃ…連結凸部、２７…熱交換器、２８…排熱回収配管（熱交換器に接続される流路）、３０…連結凹部。

Claims (2)

1. 原燃料を改質することにより生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池システムであって、
   前記改質ガスを用いて発電する電池セルを複数個積層してなる燃料電池スタックを有する燃料電池と、
   前記燃料電池に接続され、前記燃料電池のドレンを流通させるドレン用流路と、
   前記燃料電池に接続され、冷却水を流通させる冷却水用流路と、
   を備え、
   前記ドレン用流路及び前記冷却水用流路のうち少なくとも一方が、前記電池セルの積層方向における前記燃料電池スタックの端部側に配置され、
   前記端部側に配置された前記ドレン用流路及び前記冷却水用流路のうち少なくとも一方を保温する断熱部材、及び前記燃料電池スタックの端部を保温する断熱部材が１つの断熱部材で兼用され、
   前記断熱部材は、
   前記燃料電池スタックの端部及び前記ドレン用流路もしくは前記冷却水用流路の間に配置され、連結凹部を有する第１断熱部材と、
   前記第１断熱部材との間に前記ドレン用流路又は前記冷却水用流路を挟み込むように配置され、前記連結凹部に嵌合する連結凸部を有するクリップ状部材によって挟まれて前記第１断熱部材に固定される第２の断熱部材と、を有すること、
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 前記電池セルの積層方向における前記燃料電池スタックの他方の端部側には、前記冷却
   水用流路から熱を回収する熱交換器、及び前記熱交換器に接続される流路が配置され、
   他方の前記端部側に配置された前記熱交換器及び前記熱交換器に接続される流路を保温
   する断熱部材、及び前記燃料電池スタックの端部を保温する断熱部材が１つの断熱部材で
   兼用されていること、
   を特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。

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