JP5427917B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電システムに関するものである。

従来の燃料電池発電システムでは、アノード排ガス中の水滴、カソード排ガス中の水滴や、降雨による水滴が本体内部に侵入することを防止することによって、本体内部における結露対策を行っていた。

具体的には、吸気部には水を遮断するためのギャラリーが設けられており、又、排気部には、仕切板が設けられており、本体内部への水滴の侵入が防止されていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２５９４９１号公報

ところが、特許文献１に示すような方法では、水滴は防ぐことが出来るものの、細かな水粒子、水蒸気等が内部に侵入することを防ぐことは出来なかった。そのため、細かな水粒子が装置内部に侵入し、結露の発生する要因となっていた。そして、結露によって、漏電、燃料電池を動作させるための補機の故障などが発生する可能性があった。

又、特許文献１に示す方法では、外部からの水滴の侵入は防ぐことが可能であるが、（ａ）アノード排ガスを吸気する場合、（ｂ）カソード排ガスを吸気する場合、（ｃ）本体内部のシールが不十分であり、シール部から蒸気が漏れる場合、（ｄ）空気抜き弁から蒸気が漏れる場合、（ｅ）冷却水タンクや凝縮水タンクが開放になっている場合、等の装置内部で発生する水蒸気によって生じる結露、又は、燃料電池を冷却するための冷水が流通している配管部分に生じる結露に対する対策はなされていなかった。

上記従来の課題を考慮して、本発明の目的は、結露に伴う、漏電、補機の故障を防止することが可能な燃料電池発電システムを提供することである。

上記目的を達成するために第１の本発明は、
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池を囲む筐体と、
前記筐体内に設置された、制御基板と、
少なくとも前記筐体の天板の内側壁面に取り付けられた断熱材と、
前記筐体内において、前記燃料電池が存在する第１空間と前記制御基板が存在する第２空間とを左右に仕切る仕切板と、
前記第２空間を形成する前記筐体の側面に設けられた第１吸気部と、
前記第１空間を形成する前記筐体の側面に設けられた排気部とを備え、
前記第１吸気部より吸気された空気が前記制御基板上を通過した後、前記第２空間の上方より前記第１空間に流入し、前記流入した後、前記排気部より排出されるように構成されている、燃料電池発電システムである。

又、第２の本発明は、
前記燃料電池を冷却するための冷却水を貯蔵するための冷却水タンクを備え、
前記冷却水タンクは、前記筐体内に対して大気開放されている、第１の本発明の燃料電池発電システムである。

又、第３の本発明は、
前記燃料電池のアノード側及び／又はカソード側の排ガス中に含まれている水分を分離するための気液分離器と、
前記気液分離器によって分離された水分を貯蔵するための凝縮水タンクとを備え、
前記凝縮水タンクは、前記筐体内に対して大気開放されている、第１または第２の本発明の燃料電池発電システムである。
又、第４の本発明は、
前記筐体の天板の内側壁面に取り付けられた断熱材は、前記筐体の天板の全部または一部に設けられている、第１〜第３のいずれかの本発明の燃料電池発電システムである。

本発明によれば、結露に伴う漏電、補機の故障を防止することが可能な燃料電池発電システムを提供することが出来る。

本発明にかかる実施の形態における燃料電池発電システムの構成図 本発明にかかる実施の形態における燃料電池発電システムの斜視図 本発明にかかる実施の形態における燃料電池発電システムの吸気部近傍の拡大斜視図

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池発電システムの構成図である。図１に示すように、本実施の形態の燃料電池発電システムは、カソードに供給される空気とアノードに供給される水素を用いて発電を行う燃料電池１と、都市ガスなどの原料から水素を生成するための燃料処理器２とを備えている。又、燃料電池１を冷却するための冷却水を貯蔵する冷却水タンク３と、燃料電池１と冷却水タンク３の間を冷却水を循環させるための冷却水配管４が設置されている。

又、冷却水の流通方向を基準として、燃料電池１の下流側の冷却水配管４には、熱交換器５が設置されている。この熱交換器５を通るように、貯湯循環水流路６が配置されており、燃料電池１を冷却し高温となった冷却水から、貯湯循環水流路６の水に熱が伝えられ、温水としてユーザーが利用することが出来る。この貯湯用の水の流通方向を基準として、熱交換器５の下流側には、貯湯循環水流路６内の空気を抜くための空気抜き弁７が設置されている。

又、アノード排ガス流路８上には、アノード排ガスを気液分離させることによって凝縮水を取り出すためのオートドレイン９が設置されており、取り出した凝縮水は、凝縮水貯蔵配管を通って凝縮水タンク１０に貯蔵される。この凝縮水タンク１０には、凝縮水を排水するための排水路１１が配置されており、排水路１１上には、排水路開閉弁１２が設置されている。凝縮水タンク１０内の凝縮水の量が多くなった場合には、適宜排水される。

又、凝縮水タンク１０と冷却水タンク３は、凝縮水供給配管１３によって連結されており、凝縮水供給配管１３上には、凝縮水を濾過するための純水装置１４が設置されている。冷却水タンク３内の冷却水が蒸発などにより不足した場合には、凝縮水が純水装置１４によって濾過され、冷却水として冷却水タンク３内に送り込まれる。

尚、図１では、本実施の形態の燃料電池発電システムの概略図を示しているため、冷却水配管４及び凝縮水供給配管１３に設置されているポンプ等は図示していない。

図２は、図１で説明した本実施の形態の燃料電池発電システムを筐体に組み込んだ状態の斜視図である。

図２に示すように、燃料電池１は、冷却水タンク３とともに筐体１５の上部の載置台１６上に載置されており、載置台１６の下方には、燃料処理器２、オートドレイン９、及び凝縮水タンク１０が配置されている。又、載置台１６と筐体１５の右側面１５ａとの間には、熱交換器５が配置されており、この熱交換器５の近傍に空気抜き弁７が配置されている。又、熱交換器５を通るように下方から貯湯循環水流路６が配置されており、この貯湯循環水流路６は、筐体１５の外部の貯湯タンクへと連結している。尚、載置台１６は、筐体１５の奥に位置する側面１５ｂの内側壁面とは接しているが、手前に位置する側面１５ｃの内側壁面とは接していない。すなわち、手前に位置する側面１５ｃの内側壁面と載置台１６の間には隙間２０が設けられている。

又、載置台１６の左側面１５ｄ側には、筐体１５を左右に分割するように仕切板１７が設置されている。この仕切板１７の左側面１５ｄ側には、制御基板１８及びインバーター１９が配置されている。尚、仕切板１７は、筐体１５の底面１５ｆの内側壁面には接しているが、筐体１５の天板１５ｅの内側壁面に接しておらず、仕切板１７と天板１５ｅの間には隙間２１が設けられている。尚、この隙間２０、２１は、図２において点線で示している。

又、天板１５ｅの内側壁面には、断熱材２７が設置されている。この断熱材２７としては、燃料電池１の触媒を被毒する物質である硫黄成分、塩素成分を発生しないものが好ましい。具体的には、発泡ＥＰＤＭ、フッ素ゴム、ＣＲ系ゴムなどが挙げられる。

又、筐体１５の底面１５ｆには、結露等によって発生した水分を排出するためのドレイン２９が設けられている。図示していないが、底面１５ｆにはドレイン２９に接続している溝と、この溝に向かって傾斜が設けられている。

又、熱交換器５の近傍の右側面１５ａには吸気部２２が、制御基板１８の近傍の左側面１５ｄには吸気部２３が形成されている。更に、手前に位置する側面１５ｃの底部にも、吸気部２４が形成されている。又、奥に位置する側面１５ｂの上部には、排気部２５が形成されており、排気部２５には排気のためのファン２６が設けられている。

図３は、吸気部２４の外観を示す斜視図である。図３に示すように、吸気部２４は、側面１５ｃに筐体開口部２４ｃを有しており、筐体開口部２４ｃは、覆い部２４ａによって覆われている。筐体開口部２４ｃよりも下方に、覆い部２４ａによって開口部２４ｂが形成されている。この開口部２４ｂから吸引された外気は、筐体開口部２４ｃを介して筐体１５内部へと送り込まれる。尚、図３の矢印は、空気の流れを示している。又、吸気部２２、２３も吸気部２４と同様の構造である。又、排気部２５は、ファン２６の外側に覆い部が配置されている。

上記構成の本実施の形態の燃料電池発電システムの動作時には、燃料処理器２の改質部が６００℃に保持され、制御基板１８等からも発熱する。これに伴って、筐体１５内部は高温となる。又、同時に、ファン２６が動作し、吸気部２２、２３、２４から外気が吸引され、排気部２５から筐体１５内の気体が排出されることにより換気が行われ、筐体１５内の温度が下げられる。図２における矢印は、空気の流れを示している。

ここで、吸気部２２、２３、２４、及び排気部２５には、覆い部が形成されているため、雨天においても、水滴は筐体１５の内部には侵入しない。しかしながら、外気に含まれている細かな水粒子や、水蒸気は、筐体１５内に吸引される。筐体１５内は、燃料電池発電システムが動作しているため、温度が高くなっており、筐体１５を挟んで外気との温度差が生じている。

本実施の形態では、天板１５ｅに断熱材２７を配置しているため、天板１５ｅの内側壁面には結露が生じず、側面１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの内側内壁で結露により発生した水滴は、内壁をつたって底面１５ｆに落下し、底面１５ｆで発生した水滴とともにドレイン２９により排水される。従って、天板で生じた水滴が落下することがないため漏電を防ぐことが可能となる。

このように、天板１５ｅの内側壁面にのみ断熱材２７を配置することは、断熱材２７を貼る面積が少なくて済むため、コストを最小限に抑える効果を有している。又、結露により生じた水滴は、側面では内壁をつたって落下するが、天板では基板等に落下するため、天板での結露が最も問題となっていた。そのため、本実施の形態のように、天板１５ｅの内側壁面にのみ断熱材を配置することは、コストを最小限に抑えた上で、最も結露防止に効果的である。

又、天板１５ｅ以外の内側壁面に断熱材２７を配置しないことによって、結露しても排出可能な、天板１５ｅ以外の部分で積極的に結露させることとなる。このように積極的に結露させることにより筐体１５内部の気体が含んでいる水分量を減らすことが出来るため、天板１５ｅにおける結露を出来るだけ発生させないようにする効果も得ることができる。

又、側面及び底面の内側壁面の全てに断熱材を設けた場合には、筐体１５内部の放熱の効率が悪くなることも考えられるため、断熱材２７を配置する面積は少ない方が好ましい。

又、本実施の形態の燃料電池発電システムは、（ａ）水分を含んでいるアノード排ガスを吸気部２２、２３、２４から吸引した場合、（ｂ）及びカソード排ガスを吸引した場合、（ｃ）筐体１５内部の配管のシールが不十分な部分から蒸気が漏れる場合、（ｄ）空気抜き弁７から蒸気が漏れる場合、（ｅ）冷却水タンク３や凝縮水タンク１０が筐体１５の内部に大気開放されている場合、等の筐体１５内部から発生する水蒸気が結露した場合であっても漏電を防止することが出来る。

尚、本実施の形態では、天板１５ｅの内側壁面にのみ断熱材２７を配置したが、本発明の低温の冷却水が流通する経路部分の一例に相当する、図１に示した熱交換器５より下流側且つ燃料電池１の上流側に位置する冷却水配管４、凝縮水供給配管１３、及び凝縮水貯蔵配管を少なくとも覆うように断熱材２７を配置してもよい。このような構成とすることで、燃料電池１を冷却する前及び熱交換器５にて放熱した後の低温水が流通している配管近傍で生じる結露を防ぐことが出来る。

又、本実施の形態では、天板１５ｅの内側壁面の全部に断熱材２７を配置しているが、一部に配置してもよい。一部に断熱材２７を配置する場合には、例えば、制御基板１８の上方に位置する天板１５ｅの内側壁面に配置すれば、結露水が基板に落下することを効果的に防止することが出来る。

又、本実施の形態では、天板１５ｅの内側壁面にのみ断熱材２７を配置しているが、電装部が配置されている周辺及び上方の内壁部分に断熱材を配置してもよい。このような構成とすることによって、電装部の周辺及び上方で発生する結露が防止され、水滴が電装部のハーネス等をつたって基板に落下することを防止する事が出来る。

又、本発明の補機は、例えば、本実施の形態では筐体１５内に設置された機器である、燃料処理器２、熱交換器５、凝縮水タンク１０等に相当し、燃料電池１を駆動させるための機器の全てが筐体１５内に位置しているが、一部が筐体１５外に設置されていてもよい。

又、本実施の形態では、換気の目的のための吸気部のみ設置しているが、燃料電池１のカソードに供給する空気を吸引するための吸気部を設けてもよい。

又、本実施の形態では、アノード排ガスのみから凝縮水を取り出しているが、カソード排ガスからも取り出しても良い。

（実施例）
図２に示した天板の内側壁面にのみ断熱材を配置した燃料電池発電システムと、天板の内側壁面並びに電装部周辺及び上方の内側壁面に断熱材を配置した燃料電池発電システムの２種類を用い、運転中に放水を行い、放水条件下において、起動、発電、停止を正常に行うことが可能か試験を行った。又、放水終了後、入力端子とアースの絶縁抵抗を測定し、漏電がないかを確認した。

放水量は、霧によって２．５Ｌ／ｍｉｎ、シャワーによって３５Ｌ／ｍｉｎ、放水管によって１５Ｌ／ｍｉｎの条件で行った。又、放水は同時に行い、燃料電池発電システムに直接かけた。又、霧は上方から、シャワーは斜上方から、放水管は正面から放水を行った。

又、比較例として、断熱材を全く配置していない燃料電池発電システムについても同様の試験を行った。

結果として、断熱材を配置した２種類の燃料電池発電システムでは、放水中にも安定運転することが可能であり、放水後の絶縁抵抗は１００ＭΩ以上であった。

又、比較例の燃料電池発電システムでは、放水中の正常運転は不可能であり、放水後の絶縁抵抗は１０ＭΩ以下と絶縁破壊がおこっていた。又、筐体内部では、天板からの結露水の落下が発生していた。

このように、少なくとも天板の内側壁面に断熱材を配置することによって、燃料電池発電システムの結露水による漏電を防止する効果が得られることが分かる。

本発明にかかる燃料電池発電システムは、結露に伴う、漏電、補機の故障を防止することが可能な効果を有し、屋外に設置されている燃料電池発電システム等として有用である。

１ 燃料電池
２ 燃料処理器
３ 冷却水タンク
４ 冷却水配管
５ 熱交換器
６ 貯湯循環水経路
７ 空気抜き弁
８ アノード排ガス流路
９ オートドレイン
１０ 凝縮水タンク
１１ 排水路
１２ 排水路開閉弁
１３ 凝縮水供給配管
１４ 純水装置
１５ 筐体
１５ｅ 天板
１８ 制御基板
２２、２３、２４ 吸気部
２５ 排気部
２７ 断熱材

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池を囲む筐体と、
   前記筐体内に設置された、制御基板と、
   少なくとも前記筐体の天板の内側壁面に取り付けられた断熱材と、
   前記筐体内において、前記燃料電池が存在する第１空間と前記制御基板が存在する第２空間とを左右に仕切る仕切板と、
   前記第２空間を形成する前記筐体の側面に設けられた第１吸気部と、
   前記第１空間を形成する前記筐体の側面に設けられた排気部とを備え、
   前記第１吸気部より吸気された空気が前記制御基板上を通過した後、前記第２空間の上方より前記第１空間に流入し、前記流入した後、前記排気部より排出されるように構成されている、燃料電池発電システム。
2. 前記燃料電池を冷却するための冷却水を貯蔵するための冷却水タンクを備え、
   前記冷却水タンクは、前記筐体内に対して大気開放されている、請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 前記燃料電池のアノード側及び／又はカソード側の排ガス中に含まれている水分を分離するための気液分離器と、
   前記気液分離器によって分離された水分を貯蔵するための凝縮水タンクとを備え、
   前記凝縮水タンクは、前記筐体内に対して大気開放されている、請求項１または２記載の燃料電池発電システム。
4. 前記筐体の天板の内側壁面に取り付けられた断熱材は、前記筐体の天板の全部または一部に設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。

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