JP5852011B2 - 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、例えば特許文献１には、セルスタックを含む発電部と、発電部を収容する筐体と、筐体外から筐体内に空気を取り込むファンと、その空気をセルスタックのカソードに供給するブロアと、を備えるものが記載されている。この燃料電池システムでは、筐体外から筐体内に空気を取り込むことで、筐体内の冷却及び換気を行っている。

特開２００７−２０７４４１号公報

ところで、上述したような発電部を収容する筐体には、例えば燃料電池システムの施設内への設置等の観点から、気密性の確保が要求される場合がある。具体的には、専用の気体導入路以外からの筐体内への気体導入や、専用の気体排出路以外への筐体内からの気体排出が許容されない場合がある。そのような場合には、筐体外から筐体内に空気を取り込むファンを筐体に設置することはできない。

そこで、本発明は、発電部を収容する筐体に気密性を持たせたとしても、筐体に収容された発電部を効率良く冷却することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一観点の燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、発電部を収容する筐体と、セルスタックのカソードに供給するための空気を筐体外から筐体内に導入する空気導入路と、空気導入路を介して筐体内に導入された空気を筐体内において流通させ、発電部から空気に熱を移動させて発電部を冷却する空気流路と、空気流路の下流に設けられ、空気をカソードに供給するブロアと、ブロアの下流に設けられ、ブロアによってカソードに供給される空気を流通させる空気供給路と、を備える。

この燃料電池システムでは、空気導入路によって筐体外から筐体内に空気が導入され、筐体内において空気流路を流通する空気に発電部から熱が移動する。しかも、空気導入路、空気流路及び空気供給路における空気の流れは、空気をカソードに供給するブロアによって発生させられる。従って、この燃料電池システムによれば、発電部を収容する筐体に気密性を持たせたとしても、筐体に収容された発電部を効率良く冷却することができる。なお、気密性とは、筐体への導入が予定されている気体（空気導入路によって筐体外から筐体内に導入される空気等）以外の外気に対して気密であることを意味する。より具体的には、気密性を持たせた筐体とは、筐体内への気体の導入は専用の気体導入路からのみ行われ、筐体内からの気体の排出は専用の気体排出路からのみ行われる筐体を意味する。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムのブロック図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概念図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムの変形例の概念図である。 本発明の第３実施形態の燃料電池システムの概念図である。 本発明の第４実施形態の燃料電池システムの概念図である。

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。
［第１実施形態］

図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、を備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。

水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。

酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。

脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部４へ供給する。

水気化部３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。

水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガスを発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。

セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。

オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。

水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料を供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。

パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。

なお、改質処理を必要としない水素含有燃料（例えば、純水素ガス、水素富化ガス等）を水素含有燃料供給部７が供給する場合には、脱硫部２、水供給部８、水気化部３及び水素発生部４のうち、一つ又は複数を省略することができる。

制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。

上述した燃料電池システム１は、図２に示されるように、外部の空気に対して気密性を有する筐体２１を備えている。筐体２１は、発電部２２をはじめとして、上述した各機器類を収容している。発電部２２は、水素リッチガス（水素含有ガス）を用いて発電を行うセルスタック５を含んでモジュール化されたものである。発電部２２は、少なくともセルスタック５を含むものであって、さらにオフガス燃焼部６や水素発生部４等を含む場合もあれば、オフガス燃焼部６や水素発生部４等を含まない場合もある。

筐体２１には、空気導入路２３が接続されている。空気導入路２３は、セルスタック５のカソード１３に供給するための空気を筐体２１外から筐体２１内に導入する。空気導入路２３の下流側端部２３ａは、発電部２２に直接対向するように筐体２１の上部（ここでは、筐体２１の上壁）に接続されている。

筐体２１内には、空気流路２４ａ及び空気流路２４ｂを含む空気流路２４が形成されている。空気流路２４ａは、発電部２２を包囲するように、筐体２１内における仕切り部材２１ａの上側に形成されている。空気流路２４ｂは、空気流路２４ａよりも下流側の流路となるように、筐体２１内における仕切り部材２１ａの下側に形成されている。空気流路２４は、空気導入路２３を介して筐体２１内に導入された空気を筐体２１内において流通させることで、発電部２２から空気に熱を移動させて発電部２２を冷却する。

さらに、筐体２１内には、上述した酸化剤供給部９に相当するブロア２５が収容されている。ブロア２５は、空気流路２４ｂの下流に設けられており、空気導入路２３を介して筐体２１内に導入された空気をセルスタック５のカソード１３に供給する。ブロア２５によってカソード１３に供給される空気は、ブロア２５の下流に設けられた空気供給路２９を流通する。空気導入路２３、空気流路２４及び空気供給路２９における空気の流れは、このブロア２５によって発生させられる。

なお、セルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガス（すなわち、オフガス燃焼部６からの排ガス）は、燃焼ガス排出路２８によって筐体２１外に排出される。燃焼ガス排出路２８は、空気導入路２３内を通っており、燃焼ガス排出路２８と空気導入路２３とで二重管が構成されている。

以上説明したように、燃料電池システム１では、空気導入路２３によって筐体２１外から筐体２１内に空気が導入される。このとき、空気導入路２３の下流側端部２３ａが発電部２２に直接対向するように筐体２１に接続されている。つまり、空気導入路２３の下流側端部２３ａは、下流側端部２３ａの開口の中心線上に発電部２２が位置するように、筐体２１に接続されている。そのため、筐体２１内に導入された空気が初めに発電部２２に吹き付けられて、発電部２２が冷却させられる。このとき、空気導入路２３の下流側端部２３ａは、発電部２２に直接対向するように筐体２１の上部に接続されているため、発電部２２を効果的に冷却することができる。そして、筐体２１内においては、空気流路２４を流通する空気に発電部２２から熱が移動して、さらに発電部２２が冷却させられる。しかも、空気導入路２３、空気流路２４及び空気供給路２９における空気の流れは、空気をセルスタック５のカソード１３に供給するブロア２５によって発生させられる（つまり、空気の流れを発生させるための補機等を別途設ける必要もない）。従って、燃料電池システム１によれば、気密性（筐体２１への導入が予定されている気体（空気導入路２３によって筐体２１外から筐体２１内に導入される空気等）以外の外気に対して気密であること）を有する筐体２１に収容された発電部２２を効率良く冷却することができる。その一方で、空気流路２４で空気が加熱されるので、加熱された空気をセルスタック５のカソード１３に供給して、セルスタック５の発電効率を向上させることができる。

また、ブロア２５が何らかの原因で停止したとしても、空気導入路２３の下流側端部２３ａが筐体２１の上部に接続されていることから、高温の空気が空気導入路２３に流入し易くなる。これにより、空気導入路２３を介して筐体２１内から筐体２１外に高温の空気を円滑にかつ確実に排出することができる。
［第２実施形態］

図３に示されるように、第２実施形態の燃料電池システム１は、第１空気排出路２６が設けられている点で、上述した第１実施形態の燃料電池システム１と主に相違している。第２実施形態の燃料電池システム１においては、第１空気排出路２６が筐体２１に接続されている。第１空気排出路２６の上流側端部２６ａは、筐体２１の上部（ここでは、筐体２１の上壁）に接続されている。一方、第１空気排出路２６の下流側端部２６ｂは、燃焼ガス排出路２８の途中に接続されている。これにより、第１空気排出路２６を流通する空気は、燃焼ガス排出路２８に合流する。

第１空気排出路２６には、第１空気排出路２６を開閉する第１開閉部２７（例えば、電磁弁）が設けられている。第１開閉部２７は、ブロア２５が動作しているときには第１空気排出路２６を閉じ、ブロア２５が何らかの原因で停止したときには第１空気排出路２６を開くように、上述した制御部１１（若しくは、外部の制御部）によって制御される。そして、第１開閉部２７によって第１空気排出路２６が開かれると、空気導入路２３を介して筐体２１外から筐体２１内に導入された空気は、第１空気排出路２６を介して筐体２１内から筐体２１外に排出される。

このように、ブロア２５が動作しているときには第１開閉部２７が第１空気排出路２６を閉じ、ブロア２５が何らかの原因で停止したときには第１開閉部２７が第１空気排出路２６を開く。そのため、空気導入路２３の一部を他の機器と共有している燃料電池システムにおいて、他の機器の吸引力が強い場合や、空気導入路２３に逆流防止弁が設置されている燃料電池システムにおいても、ブロア２５の異常停止時や燃料電池システム１の緊急停止時に、第１空気排出路２６を介して筐体２１内から筐体２１外に高温の空気を確実に排出することができる。

そして、第１空気排出路２６の上流側端部２６ａが筐体２１の上部に接続されていることから、第１開閉部２７が第１空気排出路２６を開いた場合には、高温の空気が第１空気排出路２６に流入し易くなる。これにより、第１開閉部２７が第１空気排出路２６を開いた場合に、第１空気排出路２６を介して高温の空気を円滑にかつ確実に排出することができる。

なお、図４に示されるように、空気導入路２３の下流側端部２３ａは、発電部２２に直接対向すれば、筐体２１に側部（ここでは、筐体２１の側壁）に接続されていてもよい。この場合にも、ブロア２５は、空気流路２４ｂの下流に設けられており、空気導入路２３を介して筐体２１内に導入された空気をセルスタック５のカソード１３に供給する。
［第３実施形態］

図５に示されるように、第３実施形態の燃料電池システム１は、第１空気排出路２６に加えて第２空気排出路３０が設けられている点で、上述した第２実施形態の燃料電池システム１と主に相違している。第３実施形態の燃料電池システム１においては、ブロア２５の下流に設けられた流路が空気供給路２９と第２空気排出路３０とに分岐している。第２空気排出路３０は、その下流側端部３０ｂが燃焼ガス排出路２８に接続されて、燃焼ガス排出路２８に通じている。これにより、第２空気排出路３０を流通する空気は、燃焼ガス排出路２８に合流する。なお、第２空気排出路３０は、その下流側端部３０ｂが第１空気排出路２６のうち第１開閉部２７の下流部分に接続されて、燃焼ガス排出路２８に通じていてもよい。

これにより、ブロア２５によって筐体２１内に取り込まれた空気のうち、発電に必要な空気は発電部２２に供給され、余剰空気は第２空気排出路３０を通じて外部に排出される。従って、空気導入路２３から筐体２１内に取り込まれる空気量が発電に供される空気量に限定されないため、効果的に筐体２１内を冷却することができる。また、筐体２１内の余剰空気は、第２空気排出路３０を通じて外部に排出されるため、発電部２２を収容する筐体２１に気密性を持たせたとしても、筐体２１内の圧力が過大になることを抑制することができる。
［第４実施形態］

図６に示されるように、第４実施形態の燃料電池システム１は、第２開閉部３１（例えば、電磁弁）及び温度測定部３２が設けられている点で、上述した第３実施形態の燃料電池システム１と主に相違している。第４実施形態の燃料電池システム１においては、第２空気排出路３０は、その下流側端部３０ｂが第１空気排出路２６のうち第１開閉部２７の下流部分に接続されて、燃焼ガス排出路２８に通じている。これにより、第２空気排出路３０を流通する空気は、燃焼ガス排出路２８に合流する。なお、第２空気排出路３０は、その下流側端部３０ｂが燃焼ガス排出路２８に接続されて、燃焼ガス排出路２８に通じていてもよい。

温度測定部３２は、筐体２１内の温度を測定する。第２開閉部３１は、第２空気排出路３０に設けられ、第２空気排出路３０を開閉する。制御部１１は、温度測定部３２が測定した筐体２１内の温度を取得する。そして、制御部１１は、温度測定部３２から取得した温度が所定の温度を超えている場合には、筐体２１内に取り込まれる空気の量が、発電に必要な空気の量よりも増えるように、ブロア２５を制御すると共に、第２空気排出路３０を開くように第２開閉部３１を制御する。一方、制御部１１は、温度測定部３２から取得した温度が所定の温度以下である場合には、筐体２１内に取り込まれる空気の量が、発電に必要な空気の量となるように、ブロア２５を制御すると共に、第２空気排出路３０を閉めるように第２開閉部３１を制御する。

これにより、筐体２１内の温度が所定の温度を超えた場合にのみ、ブロア２５によって筐体２１内に取り込まれる空気の量を増大させて、筐体２１内の余剰空気を、第２空気排出路３０を通じて外部に排出することができる。また、筐体２１内の温度が所定の温度以下である場合には、発電部２２によって温められた空気を発電部２２のカソード空気として供給することにより、燃料電池システム１の発電効率の低下を抑制することができる。

なお、温度測定部３２は、筐体２１内であれば任意の場所に設けることができる。例えば、高温の空気が集まりやすい発電部２２の上面や、燃料電池システム１を構成する補機の中でも比較的環境温度の影響を受けやすいパワーコンディショナー１０の近傍に設けることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、筐体２１は、気密性を有していなくてもよい。この場合にも、筐体２１外から筐体２１内に空気を取り込むためのファン等を別途筐体２１に設ける必要がないので、燃料電池システム１の構造の単純化を図ることができる。

また、図２、図４、図５及び図６の燃料電池システム１では、燃焼ガス排出路２８と空気導入路２３とで二重管が構成されていたが、図３に示されるように、燃焼ガス排出路２８と空気導入路２３とは、別々に設けられていてもよい。

つまり、燃焼ガス排出路２８が空気導入路２３内を通り、燃焼ガス排出路２８と空気導入路２３とで二重管が構成されており、空気導入路２３の下流側端部及び燃焼ガス排出路２８の上流側端部が筐体２１の上部に接続されている構成の燃料電池システムに限定されない。

具体的には、図３に示されるように、燃焼ガス排出路２８と空気導入路２３とが二重管を構成せず、それぞれ独立して設けられる構成の燃料電池システムに適用することができる。また、図４に示されるように、筐体２１の側部に空気導入路２３の下流側端部及び燃焼ガス排出路２８の上流側端部が接続される構成の燃料電池システムに適用することができる。

また、第３及び第４実施形態において、空気供給路２９上に流量計を設け、ブロア２５をフィードバック制御してカソード空気量を調整することができる。また、空気供給路２９と第２空気排出路３０との空気分配比に基づいて定められた出力マップデータを制御部１１に記憶させ、それに基づいてブロア２５を制御してカソード空気流量を調整してもよい。また、空気供給路２９と第２空気排出路３０とは、図５に示されるように、ブロア２５から分岐してもよいし、図６に示されるように、どちらか一方の流路から分岐してもよい。なお、第４実施形態の第２開閉部３１は、完全開放又は完全閉止するものに限定されず、開度を多段に設定し得るものであってもよい。

本発明によれば、筐体に収容された発電部を効率良く冷却することができる。

１…燃料電池システム、５…セルスタック、１３…カソード、２１…筐体、２２…発電部、２３…空気導入路、２３ａ…下流側端部、２４，２４ａ，２４ｂ…空気流路、２５…ブロア、２６…第１空気排出路、２６ａ…上流側端部、２７…第１開閉部、２８…燃焼ガス排出路、２９…空気供給路、３０…第２空気排出路、３１…第２開閉部、３２…温度測定部。

Claims (7)

1. 水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、
   前記発電部を収容する筐体と、
   前記セルスタックのカソードに供給するための空気を前記筐体外から前記筐体内に導入する空気導入路と、
   前記空気導入路を介して前記筐体内に導入された前記空気を前記筐体内において流通させ、前記発電部から前記空気に熱を移動させて前記発電部を冷却する空気流路と、
   前記空気流路の下流に設けられ、前記空気を前記カソードに供給するブロアと、
   前記ブロアの下流に設けられ、前記ブロアによって前記カソードに供給される前記空気を流通させる空気供給路と、
   前記発電部から排出される燃焼ガスを排出する燃焼ガス排出路と、
   前記燃焼ガス排出路に下流側端部が接続され、前記空気導入路を介して前記筐体内に導入された前記空気を前記筐体内から前記筐体外に排出する第１空気排出路と、
   前記第１空気排出路に設けられ、前記第１空気排出路を開閉する第１開閉部と、
   前記第１開閉部を制御する制御部と、を備え、
   前記第１空気排出路を流通する空気は、前記燃焼ガス排出路に合流することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記ブロアが停止した場合に、前記第１空気排出路を開くように前記第１開閉部を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記第１空気排出路の上流側端部は、前記筐体の上部に接続されている、請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記ブロアの下流に設けられ、前記空気導入路を介して前記筐体内に導入された前記空気を前記筐体内から前記筐体外に排出する第２空気排出路をさらに備え、
   前記第２空気排出路を流通する空気は、前記燃焼ガス排出路に合流する、請求項１〜３のいずれか一項記載の燃料電池システム。
5. 前記第２空気排出路の下流側端部は、前記第１開閉部の下流において前記第１空気排出路に接続されている、請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記筐体内の温度を測定する温度測定部と、
   前記第２空気排出路に設けられ、前記第２空気排出路を開閉する第２開閉部と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記温度測定部によって測定された前記筐体内の温度が所定の温度を超えた場合に、前記第２空気排出路を開くように前記第２開閉部を制御すると共に、前記筐体内に取り込まれる前記空気の量が増えるように前記ブロアを制御する、請求項４又は５記載の燃料電池システム。
7. 前記空気導入路の下流側端部は、前記発電部に直接対向するように前記筐体に接続されている、請求項１〜６のいずれか一項記載の燃料電池システム。
   

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