JP5777433B2 - 燃料電池発電システムおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、第1の実施形態に係る燃料電池発電システムの機器搭載部の構成の一例を示す平面図である。
図5は、第2の実施形態の燃料電池発電システムを示す概略構成図である。なお、本明細書で開示された燃料電池発電システムを構成する各構成要件は文脈が別段に明確に示すのでなければ、単数でも複数でも構わない。
CO+H2 O→CO2 +H2 …(2)
2CO+O2 →2CO2 …(3)
CO選択酸化器108を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸ガス及び余った水蒸気等を含んでいる。これらのガスはアノード極113に送り込まれる。
現在、パッケージサイズが大きいのは、機器及び計器自身のサイズや数量による所もさることながら、多数の配管が存在することも一因である。また、システム価格が下がらないのは、配管点数が多いこと、及びそれらの組立のために多くの費用がかかっていることにある。
流れとしては、図20の左側から入った流体は配管201で分岐され、遮断弁202a,202bのラインに夫々流れるようになっている。ここで、配管201の材料として金属を用いる場合、配管201には夫々継手203が溶接で取り付けられる。また、分岐を行うために配管同士で溶接が行われ、あるいは機器の設置位置に合わせるために配管の曲げ加工が行われる。
第3の実施形態に係る燃料電池発電システムついて、図10、図11(A),(B)、図12(A),(B)及び図13を参照して説明する。ここで、図10は第3の実施形態に係る燃料電池発電システムの全体のブロック図を示す。図11は集積配管の説明図であり、図11(A)は平面図、図11(B)は側面図を示す。図12は集積配管の流路の構成図であり、図12(A)は平面図、図12(B)は側面図を示す。図13は、第6の集積配管の具体的な構成例を示す。
改質反応:CH4+2H2O→4H2+CO2,CH4+H2O→3H2+CO
変性反応:CO+H2O→H2+CO2
選択酸化反応:CO+(1/2)O2→CO2
前記燃料電池発電システムは、燃料電池本体211及び改質装置212の他、熱交換器213、貯湯槽214、冷却水タンク215、冷却水ポンプ216、改質水ポンプ217、イオン交換樹脂層218、カソード空気ブロワ219、選択酸化ブロワ220、バーナ空気ブロワ221、原燃料ブロワ222、及び燃料電池発電システムの各機器を連結する第1〜第9の集積配管2231,2232,2233,2234,2235,2236,2237,2238,2239を備えている。
第1の集積配管2231は、改質装置212の改質部212a及びバーナ部212bに原燃料を供給する第1の流路2251と、改質装置212から排出される改質ガスが流通する第2の流路2252を備えている。第2の集積配管2232は、燃料電池本体211のカソード極211bに空気を供給する第3の流路2253と、改質装置212の改質部212aに空気を供給する第4の流路2254と、改質装置212のバーナ212bに空気を供給する第5の流路2255を備えている。
第4の実施形態に係る燃料電池発電システムについて、図14を参照して説明する。但し、図10〜図13と同部材は同符号を付して説明を省略する。
第4の実施形態に係る燃料電池発電システムは、図10の燃料電池発電システムに対し、第6の集積配管と第7の集積配管を用いる代わりに、第6の集積配管と第7の集積配管との機能を兼ね備えた第10の集積配管241を具備することを特徴とする。即ち、第10の集積配管241は、改質装置212の改質部212aから排出される改質ガスが流通する第1の流路2411と、改質部212a及びアノード極211aに供給する空気が流通する第2の流路2412と、改質部212aに冷却水を供給する第3の流路2413を備えている。
第4の実施形態によれば、第3の実施形態に比べ、集積配管を更に1つ削減できるので、いっそう配管のためのスペースを削減できる。
第5の実施形態に係る燃料電池発電システムについて、図15を参照して説明する。但し、図10〜図14と同部材は同符号を付して説明を省略する。
第5の実施形態に係る燃料電池発電システムは、図14の燃料電池発電システムに対し、第8の集積配管を用いる代りに、第8の集積配管の機能を前記第4の集積配管2234と前記第5の集積配管2235を備えていることを特徴とする。即ち、第4の集積配管2234は、燃料電池本体211のカソード極211bに空気を供給する第8の流路2258と、燃料電池本体211のカソード極211bから排出されるカソードオフガスが流通する第9の流路2259の他に、燃料電池本体211の冷却層211cに供給する冷却水が流通する流路242を備えている。第5の集積配管2235は、燃料電池本体211に改質ガスと空気が流通する第10の流路22510と、アノード極211aからのアノードオフガスが流通する第11の流路22511の他に、冷却水が流通する流路243を備えている。
第5の実施形態によれば、第4の実施形態に比べ、集積配管を更に1つ削減できるので、いっそう配管のためのスペースを削減できる。
第6の実施形態に係る燃料電池発電システムについて、図16を参照して説明する。但し、図10〜図15と同部材は同符号を付して説明を省略する。
第6の実施形態に係る燃料電池発電システムは、図15の燃料電池発電システムに対し、第1の集積配管と第3の集積配管を用いる代りに、第1の集積配管と第3の集積配管の機能を兼ね備えた第11の集積配管244を備えていることを特徴とする。
第6の実施形態によれば、第5の実施形態に比べ、集積配管を更に1つ削減できるので、いっそう配管のためのスペースを削減できる。
第7の実施形態に係る燃料電池発電システムについて、図17を参照して説明する。但し、図10〜図16と同部材は同符号を付して説明を省略する。
第7の実施形態に係る燃料電池発電システムは、図16の燃料電池発電システムに対し、第4の集積配管と第5の集積配管を用いる代わりに、第4の集積配管2234と前記第5の集積配管2235の機能を備えた第12の集積配管245を備えていることを特徴とする。また、第12の集積配管245は、図10の燃料電池発電システムに対し、第4,第5,第8の集積配管の機能を有している。
第8の実施形態に係る燃料電池発電システムについて、図18を参照して説明する。但し、図10〜図17と同部材は同符号を付して説明を省略する。
第8の実施形態に係る燃料電池発電システムは、図16の燃料電池発電システムに対し、第2の集積配管と第11の集積配管を用いる代わりに、第2の集積配管と第11の集積配管の機能を兼ね備えた第13の集積配管246を備えていることを特徴とする。また、第13の集積配管245は、図10の燃料電池発電システムに対し、第1,第2,第3の集積配管の機能を有している。
第9の実施形態に係る燃料電池発電システムについて、図19を参照して説明する。但し、図10と同部材は同符号を付して説明を省略する。本燃料電池発電システムは、改質装置を用いずに例えば純水素を原燃料として用いるタイプである。
第9の実施形態に係る燃料電池発電システムは、第14〜第16の集積配管251,252,253を備えている。第14の集積配管251は、燃料電池本体211に原燃料を供給する第18の流路22518を備えている。第18の流路22518には、原燃料の圧力を監視するセンサー254と、原燃料の供給を遮断する弁255a,255bが介装されている。
以上説明した第3〜第9の実施形態によれば、配管のためのスペースを大幅に削減することができる。
Claims (17)
- 燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の外側に設けられ、複数の機器を設置する部分を有し、燃料、空気又は水が流れる複数の流路の集合体として構成され、前記複数の流路を規定する内壁がすべて樹脂で形成された樹脂モジュールと
を具備し、
前記複数の流路は、前記複数の機器にそれぞれ対応するように形成され、かつ、前記樹脂モジュールの中でまとめて形成され、
前記樹脂モジュールには溶着部材が振動溶着により溶着しており、
前記樹脂モジュールは、振動溶着時に発生した磨耗粉を封じ込める磨耗粉封止部を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 前記樹脂モジュールは、前記流路の入口及び出口に設けられた入口接続部及び出口接続部を備えており、前記入口接続部及び前記出口接続部は、クイックファスナ構造であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電システム。
- 燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の外側に設けられ、複数の機器を設置する部分を有し、燃料、空気又は水が流れる複数の流路の集合体として構成され、前記複数の流路を規定する内壁が樹脂で形成された樹脂モジュールと
を具備し、
前記複数の流路は、前記複数の機器にそれぞれ対応するように形成され、かつ、前記樹脂モジュールの中でまとめて形成されており、
前記樹脂モジュールの内部は、前記流路よりも断面積が大きく、前記流路に繋がったバッファ部をさらに備えていることを特徴する燃料電池発電システム。 - 前記樹脂モジュールは、Oリングを介して機器を設置する構造であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。
- 前記樹脂モジュールの樹脂材料は、ポリフェニレンサルファイドを含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。
- 燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の外側に設けられ、複数の機器を設置する部分を有し、燃料、空気又は水が流れる複数の流路の集合体として構成され、前記複数の流路を規定する内壁が樹脂で形成された樹脂モジュールと
を具備し、
前記複数の流路は、前記複数の機器にそれぞれ対応するように形成され、かつ、前記樹脂モジュールの中でまとめて形成されており、
前記樹脂モジュールは、複数の流路を樹脂で一体に成型したものであり、
前記樹脂モジュールにシール部材を介して設置される機器をさらに具備し、
前記樹脂モジュールおよび前記機器の一方に貫通穴、他方に前記貫通穴より径の小さい小径穴が設けられ、前記貫通穴と前記小径穴に固定ねじが捻じ込み固定され、
前記固定ねじとして、インサート部材が不要なタッピングねじが使用され、当該ねじの個々のねじ山の角度が20°〜35°の範囲内にあることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 前記樹脂モジュールは、
前記シール部材が配置される場所に位置する第1の凸構造部と、
前記固定ねじが捻じ込み固定される複数の場所に位置する第2の複数の凸構造部と、
前記第1の凸構造部および前記第2の複数の凸構造部のうちの少なくとも2つを連結するリブと
を含むことを特徴とする請求項6記載の燃料電池発電システム。 - 前記樹脂モジュールと相対する位置における前記機器の材料は、前記樹脂モジュールの材料と同じであることを特徴とする請求項6又は7に記載の燃料電池発電システム。
- 前記樹脂モジュールと前記機器との設置面に、複数のシール部材が配置され、これらのシール部材に区切られた各領域にそれぞれ異なる流体の導通口が設けられていることを特徴とする請求項6乃至8のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。
- 燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の外側に設けられ、複数の機器を設置する部分を有し、燃料、空気又は水が流れる複数の流路の集合体として構成され、前記複数の流路を規定する内壁がすべて樹脂で形成された樹脂モジュールと
を具備し、
前記複数の流路は、前記複数の機器にそれぞれ対応するように形成され、かつ、前記樹脂モジュールの中でまとめて形成されている燃料電池発電システムの製造方法において、
複数の流路を樹脂で一体に成型して前記樹脂モジュールを形成し、
前記樹脂モジュールに機器をシール部材を介して設置し、
前記樹脂モジュールおよび前記機器の一方に貫通穴、他方に前記貫通穴より径の小さい小径穴を設け、前記貫通穴と前記小径穴に固定ねじを捻じ込み固定し、
前記固定ねじとして、インサート部材が不要なタッピングねじを使用し、当該ねじの個々のねじ山の角度が20°〜35°の範囲内にあることを特徴とする燃料電池発電システムの製造方法。 - 水素リッチなガスと酸素とを反応させて直流電力を作る燃料電池本体と、前記水素リッチなガスを生成する,バーナを備えた改質装置とを具備する燃料電池発電システムにおいて、
前記改質装置に原燃料を供給する第1の流路と、前記改質装置から排出される改質ガスが流通する第2の流路を備える第1の集積配管と、
前記燃料電池本体に空気を供給する第3の流路と、前記改質装置に空気を供給する第4の流路と、前記改質装置のバーナに空気を供給する第5の流路を備えた第2の集積配管と、
前記バーナに原燃料と空気を供給する第6の流路と、前記燃料電池本体から排出されるアノードオフガスが流通する第7の流路を備えた第3の集積配管と、
前記燃料電池本体に空気を供給する第8の流路と、前記燃料電池本体から排出されるカソードオフガスが流通する第9の流路を備えた第4の集積配管と、
前記燃料電池本体に改質ガスと空気を供給する第10の流路と、前記アノードオフガスが流通する第11の流路を備えた第5の集積配管と、
前記改質装置から排出される改質ガスが流通する第12の流路と、前記燃料電池本体に空気を供給する第13の流路を備えた第6の集積配管と、
前記改質装置に冷却水を供給する第14の流路を備えた第7の集積配管と、
前記燃料電池本体に冷却水を供給する第15の流路を備えた第8の集積配管と、
前記燃料電池本体と前記改質装置に冷却水を供給する第16の流路と、前記燃料電池本体から排出された冷却水が流通する第17の流路を備えた第9の集積配管のうち、全ての第1〜第9の集積配管、又はいずれか一つの集積配管を備え、当該集積配管が前記樹脂モジュールの中に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電システム。 - 前記第1〜第5の集積配管と、前記第8・第9の集積配管と、前記第6の集積配管と前記第7の集積配管の機能を有した第10の集積配管のうち、全ての前記集積配管、又はいずれか一つの集積配管を備え、当該集積配管が前記樹脂モジュールの中に形成されていることを特徴とする請求項11記載の燃料電池発電システム。
- 前記第1〜第7,第9の集積配管のうち、全ての前記集積配管、又はいずれか一つの集積配管を備え、前記第8の集積配管の機能を前記第4の集積配管と前記第5の集積配管が備え、当該集積配管が前記樹脂モジュールの中に形成されていることを特徴とする請求項11記載の燃料電池発電システム。
- 前記第2,第4〜第9の集積配管と、前記第1・第3の集積配管の機能を有した第11の集積配管のうち、全ての前記集積配管、又はいずれか一つの集積配管を備え、当該集積配管が前記樹脂モジュールの中に形成されていることを特徴とする請求項11記載の燃料電池発電システム。
- 前記第1〜第3,第6,第7,第9の集積配管と、前記第4,第5,第8の集積配管の機能を有した第12の集積配管のうち、全ての前記集積配管、又はいずれか一つの集積配管を備え、当該集積配管が前記樹脂モジュールの中に形成されていることを特徴とする請求項11記載の燃料電池発電システム。
- 前記第4〜第9の集積配管と、前記第1,第2,第3の集積配管の機能を備えた第13の集積配管のうち、全ての前記集積配管、又はいずれか一つの集積配管を備え、当該集積配管が前記樹脂モジュールの中に形成されていることを特徴とする請求項11記載の燃料電池発電システム。
- 水素リッチなガスと酸素とを反応させて直流電力を作る燃料電池本体を具備する燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池本体に原燃料を供給する第18の流路を備えた第14の集積配管と、
前記燃料電池本体に空気を供給する第19の流路と、前記燃料電池本体から排出される空気が流通する第20の流路と、前記燃料電池本体にバイパスする空気が流通する第21の流路を備えた第15の集積配管と、
前記燃料電池本体に流通する冷却水の第22の流路を備えた第16の集積配管のうち、全ての第14〜16の集積配管、又は、いずれか一つの集積配管を備え、当該集積配管が前記樹脂モジュールの中に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電システム。
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