JP6082417B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュール、補機及び電力変換装置が、筐体内に収容される燃料電池システムに関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（ＭＥＡ）は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガス（改質ガス）が使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、燃料ガスが生成されている。

この場合、単一のユニットケース内に、燃料電池の他、種々の機器類、例えば、前記燃料電池で発生した直流電力を電源出力仕様に変換する電力変換装置（パワーコンディショナー）、制御装置及び改質装置やブロア、ポンプ及びセンサ等の周辺機器を含む補機類（ＢＯＰ）を内蔵した燃料電池システム（燃料電池電源装置）が知られている。

この種のシステムを採用する技術として、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、燃料電池モジュール、燃焼器、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置、水供給装置、電力変換装置及び制御装置が、筐体内に収容されている。そして、筐体は、筐体本体部に対し連結部を支点にして開閉自在な開閉扉を備えるとともに、前記開閉扉には、電力変換装置及び制御装置が装着されている。

これにより、簡単且つコンパクトな構成で、筐体内部の各部品のメンテナンスが容易に遂行されるとともに、保守性を良好に向上させることが可能になる、としている。

また、特許文献２に開示されている防音型エンジン作業機では、メンテナンスを可能とする開閉カバーを設けた側の左右側側壁板に面して、バッテリ、ターミナルボックス及びエアクリーナが配置されている。

特開２０１１−２２８１８０号公報 特開平０４−１９４３２７号公報

本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、特に設置自由度を向上させるとともに、メンテナンス作業を一層容易且つ迅速に遂行することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池モジュール、補機及び電力変換装置が、筐体内に収容されている。燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。補機は、燃料電池モジュールの周辺機器であるとともに、電力変換装置は、燃料電池モジュールで発生した直流電力を電源出力仕様に変換する。

筐体は、複数の面を有し、１つの面が取り外し可能又は開閉可能なメンテナンス面を構成している。そして、メンテナンス面にのみ、酸化剤ガスを筐体内に取り込む吸気口と、燃料電池モジュールから排出される排ガスを、前記筐体の外部に排気する排気口と、前記筐体内を空気により換気するための換気入口及び換気出口と、が設けられている。

また、筐体内には、吸気口に連通し、且つ、電力変換装置が配置される電力変換室と、該吸気口から導入された酸化剤ガスを、前記電力変換室に配置された前記電力変換装置に沿って流通させる吸気流路と、が設けられることが好ましい。このため、吸気口から筐体内に導入される酸化剤ガスは、電力変換室に配置された電力変換装置に沿って流通することにより、前記電力変換装置を確実に冷却することができる。

さらに、メンテナンス面の内側には、吸気流路を流通した酸化剤ガスを、燃料電池モジュールの酸化剤ガス系流路に供給する酸化剤ガス供給部が配置されるとともに、前記酸化剤ガス供給部は、ケミカルフィルタを備えることが好ましい。従って、メンテナンス部品であるケミカルフィルタは、メンテナンス面の内側に配置されており、前記ケミカルフィルタのメンテナンス作業が容易且つ迅速に遂行される。

さらにまた、吸気流路は、電力変換装置よりも酸化剤ガス流れ方向下流に位置し、屈曲乃至湾曲する蛇行流路部を有することが好ましい。これにより、吸気流路は、電力変換装置よりも下流側で長尺化されるため、塵埃（粉塵）や水分等を酸化剤ガスから確実に分離させることができる。しかも、脈動の発生も容易に低減させることが可能になる。

また、吸気流路には、メンテナンス面とは反対の裏面内側に隣接して吸気ファンが設けられることが好ましい。このため、吸気口から筐体内に導入される酸化剤ガスは、吸気ファンの作用下に吸気流路を流通して電力変換室に配置されている電力変換装置を冷却した後、蛇行流路部に導出されている。従って、電力変換装置を確実に冷却することができる。

さらに、筐体内には、燃料電池モジュールを配置する燃料電池モジュール室が設けられ、電力変換室と前記燃料電池モジュール室とは、仕切り板により上下に分離されることが好ましい。その際、仕切り板には、メンテナンス面側とは反対側に位置し、電力変換室から燃料電池モジュール室に酸化剤ガスを流通させる連通口が形成されることが好ましい。

これにより、吸気流路に供給された酸化剤ガスの流量が、燃料電池モジュールに必要な酸化剤ガスの流量よりも多いとき、余剰な酸化剤ガスは、仕切り板の連通口を通って燃料電池モジュール室に排出されている。このため、吸気流路に過剰な酸化剤ガスが供給されても、余分な酸化剤ガスを冷却媒体として効率的に使用することが可能になる。

さらにまた、換気出口は、換気入口よりも上方に配置されることが好ましい。従って、筐体内に供給された空気は、前記筐体内を下方から上方に向かって円滑且つ確実に換気した後、排気出口から外部に排出することができる。

また、燃料電池モジュールは、発電された電力を外部に出力する出力端子と、前記出力端子に電気的に接続されるバスバーと、を備えることが好ましい。その際、出力端子及びバスバーは、メンテナンス面の内側に設けられるとともに、少なくとも換気入口から筐体内に導入された空気を、前記バスバーに沿って流通させた後、換気出口に排出させる換気流路が形成されることが好ましい。これにより、高電流のために高温になっているバスバーを、容易且つ確実に冷却することが可能になる。

本発明によれば、筐体を構成する１つの面、すなわち、メンテナンス面にのみ、吸気口、排気口、換気入口及び換気出口が設けられている。このため、空気の流れは、１つの面にのみ集中して設置することができ、特に筐体を狭小な空間に設置する際に、好適である。従って、設置自由度を向上させるとともに、メンテナンス作業を一層容易且つ迅速に遂行することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムのメンテナンス面が分離された状態の斜視説明図である。 前記燃料電池システムの上部側の内部斜視説明図である。 前記燃料電池システムの上部側の内部平面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。

燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１２、補機１４及び電力変換装置１６が、筐体１８に収容される。燃料電池モジュール１２は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する。筐体１８内には、後述するように、下部から上部に向かって、補機１４、燃料電池モジュール１２及び電力変換装置１６の順に配置される。

燃料電池モジュール１２は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体を有する。電解質・電極接合体とセパレータとが積層されて固体酸化物形の燃料電池が構成され、複数の前記燃料電池が鉛直方向に積層される。

図２に示すように、燃料電池モジュール１２には、外部に突出する出力端子２０ａ、２０ｂが設けられる。出力端子２０ａは、例えば、直流プラス端子であり、出力端子２０ｂは、直流マイナス端子である。出力端子２０ａ、２０ｂには、燃料電池モジュール１２の外部に延在する長方形状バスバー２２ａ、２２ｂの長手方向一端が、電気的に接続される。

長方形状バスバー２２ａ、２２ｂの長手方向一端と出力端子２０ａ、２０ｂとは、ボルト締めされる。長方形状バスバー２２ａ、２２ｂの長手方向他端には、配線２４ａ、２４ｂの一端がボルト締めされるとともに、前記配線２４ａ、２４ｂの他端は、電力変換装置１６に電気的に接続されて電力を送電する。

補機１４は、燃料電池モジュール１２の周辺機器（ＢＯＰ）であり、図示しないが、改質器、蒸発器、排ガス燃焼器、起動用燃焼器、空気予熱器、ブロア、ポンプ及びセンサ等を備える。改質器は、炭化水素を主体とする原燃料（都市ガス）を水蒸気改質し、燃料電池モジュール１２に供給される燃料ガスを生成する。蒸発器は、水を蒸発させて水蒸気を生成し、改質器に前記水蒸気を供給する。

排ガス燃焼器は、燃料電池モジュール１２から排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼排ガスを発生させる。起動用燃焼器は、原燃料と酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる。空気予熱器は、燃焼ガス又は燃料排ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、燃料電池モジュール１２に昇温された前記酸化剤ガスを供給する。

電力変換装置（パワーコンディショナー）１６は、燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を電源出力仕様に変換する。電力変換装置１６には、系統電源から交流電力が供給可能である。

筐体１８は、複数、例えば、６つの面を有し、矢印Ａ方向一端の１つの側面が取り外し可能なメンテナンス面１８ａを構成する。メンテナンス面１８ａは、複数本のボルト２６を介して筐体１８にねじ止めされ、開口部２８を開閉自在である。筐体１８内には、下部に補機１４が配置され、前記補機１４の上方（矢印Ｃ方向上方）に燃料電池モジュール１２が配置される。燃料電池モジュール１２の上方には、電力変換装置１６が配置される。なお、メンテナンス面１８ａは、蝶番等を介して筐体１８に開閉自在に設けることができる。

筐体１８では、メンテナンス面１８ａにのみ、吸気口３２、排気口３４、換気入口３６及び換気出口３８が設けられる。吸気口３２は、酸化剤ガスを筐体１８内に取り込む複数の開口部であり、矢印Ｃ方向に配列されてメンテナンス面１８ａの上部に設けられる。排気口３４は、燃料電池モジュール１２から排出される排ガス（燃料排ガス及び酸化剤排ガス）を、前記筐体１８の外部に排気する単一の管路であり、メンテナンス面１８ａの高さ方向中央から下方側にずれた位置に設けられる。

換気入口３６は、筐体１８内を空気により換気するための複数の導入口であり、矢印Ｂ方向に配列されてメンテナンス面１８ａの下部に設けられる。換気出口３８は、筐体１８内を空気により換気するための複数の導出口であり、それぞれ矢印Ｂ方向に配列されてメンテナンス面１８ａの上部側（吸気口３２よりも下方）に上下２列に設けられる。

筐体１８内では、換気入口３６と換気出口３８とは、ダクトにより連通しており、途上には、換気ファン（図示せず）が配置される。筐体１８内には、換気入口３６と換気出口３８とに連通し、メンテナンス面１８ａの内側を長方形状バスバー２２ａ、２２ｂに沿って空気を流通させる換気流路３９が形成される（図１参照）。

図３及び図４に示すように、筐体１８内の上部には、吸気口３２に連通し、且つ、電力変換装置１６が配置される電力変換室４０と、吸気流路４２とが設けられる。吸気流路４２は、吸気口３２から導入された酸化剤ガスを、電力変換室４０に配置された電力変換装置１６に沿って流通させる。電力変換室４０には、矢印Ａ方向に延在してガイド壁板４４が配置され、前記電力変換室４０が矢印Ｂ方向に沿って領域４０ａ、４０ｂに二分割される。電力変換室４０には、吸気口３２に連通する領域４０ａに電力変換装置１６が配置される。

ガイド壁板４４には、メンテナンス面１８ａとは反対の裏面１８ｂの内側に隣接して吸気ファン４６が取り付けられる。吸気流路４２は、電力変換装置１６よりも酸化剤ガス流れ方向下流に位置し、すなわち、領域４０ｂに位置し、屈曲乃至湾曲する蛇行流路部４２ｓを有する。

メンテナンス面１８ａの内側には、吸気流路４２を流通した酸化剤ガスを、燃料電池モジュール１２の酸化剤ガス系流路に供給する酸化剤ガス供給部４８が配置される。酸化剤ガス供給部４８は、ケミカルフィルタを備える。

筐体１８内には、燃料電池モジュール１２を配置する燃料電池モジュール室５０が設けられる。電力変換室４０と燃料電池モジュール室５０とは、仕切り板５２により上下に分離される。仕切り板５２には、メンテナンス面１８ａ側とは反対側に位置し、電力変換室４０から燃料電池モジュール室５０に酸化剤ガスを流通させる複数の連通口５２ａが形成される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料電池システム１０の起動時には、系統電源から電力変換装置１６に交流電力が供給され、補機１４に電力が供給される。このため、燃料電池モジュール１２の燃料ガス系流路には、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料が水蒸気改質された燃料ガスが供給される。一方、燃料電池モジュール１２の酸化剤ガス系流路には、酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。

具体的には、図３及び図４に示すように、吸気ファン４６が駆動されるため、吸気口３２から電力変換室４０の領域４０ａに酸化剤ガス（以下、単に空気ともいう）が導入される。空気は、吸気流路４２に沿って流通し、電力変換装置１６を冷却した後、領域４０ｂ側の蛇行流路部４２ｓに導入される。従って、空気は、蛇行流路部４２ｓに沿って流通した後、酸化剤ガス供給部４８に供給され、燃料電池モジュール１２の酸化剤ガス系流路に供給される。

このため、電解質・電極接合体では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各燃料電池から出力される直流電圧は、出力端子２０ａ、２０ｂから長方形状バスバー２２ａ、２２ｂに取り出され、電力変換装置１６に送電される。

この場合、本実施形態では、図１及び図２に示すように、筐体１８を構成するメンテナンス面１８ａ（１つの側面）にのみ、吸気口３２、排気口３４、換気入口３６及び換気出口３８が設けられている。従って、空気（酸化剤ガス）の流れは、メンテナンス面１８ａにのみ集中して設定することができ、特に筐体１８を狭小な空間に設置する際に、好適である。これにより、燃料電池システム１０は、設置自由度を有効に向上させるとともに、メンテナンス作業を一層容易且つ迅速に遂行することが可能になるという効果が得られる。

また、図３に示すように、筐体１８内には、電力変換装置１６が配置される電力変換室４０と、吸気口３２から導入された空気を、前記電力変換装置１６に沿って流通させる吸気流路４２と、が設けられている。このため、吸気口３２から筐体１８内に導入される空気は、電力変換装置１６を確実に冷却することができる。

さらに、メンテナンス面１８ａの内側には、吸気流路４２を流通した空気を、燃料電池モジュール１２の酸化剤ガス系流路に供給する酸化剤ガス供給部４８が配置されている。その際、酸化剤ガス供給部４８は、ケミカルフィルタを備えている。従って、メンテナンス部品であるケミカルフィルタは、メンテナンス面１８ａの内側に配置されており、前記ケミカルフィルタのメンテナンス作業が容易且つ迅速に遂行される。

さらにまた、図３及び図４に示すように、吸気流路４２は、電力変換装置１６よりも酸化剤ガス流れ方向下流に位置し、すなわち、領域４０ｂに位置し、屈曲乃至湾曲する蛇行流路部４２ｓを有している。これにより、吸気流路４２は、電力変換装置１６よりも下流側で長尺化されるため、塵埃（粉塵）や水分等を酸化剤ガスから確実に分離させることができる。しかも、脈動の発生も容易に低減させることが可能になる。

また、吸気流路４２には、メンテナンス面１８ａとは反対の裏面１８ｂの内側に隣接して吸気ファン４６が設けられている。このため、吸気口３２から筐体１８内に導入される空気は、吸気ファン４６の作用下に吸気流路４２を流通して電力変換室４０に配置されている電力変換装置１６を冷却した後、蛇行流路部４２ｓに導出されている。従って、電力変換装置１６を確実に冷却することができる。

さらに、筐体１８内には、燃料電池モジュール１２を配置する燃料電池モジュール室５０が設けられ、電力変換室４０と前記燃料電池モジュール室５０とは、仕切り板５２により上下に分離されている。その際、仕切り板５２には、メンテナンス面１８ａ側とは反対側に位置し、電力変換室４０から燃料電池モジュール室５０に空気を流通させる連通口５２ａが形成されている。

これにより、吸気流路４２に供給された空気の流量が、燃料電池モジュール１２に必要な空気（酸化剤ガス）の流量よりも多いとき、余剰な空気は、仕切り板５２の連通口５２ａを通って燃料電池モジュール室５０に供給されている。このため、吸気流路４２に過剰な空気が供給されても、余分な空気を冷却媒体として効率的に使用することが可能になる。

さらにまた、図１及び図２に示すように、メンテナンス面１８ａでは、換気出口３８は、換気入口３６よりも上方に配置されている。従って、筐体１８内に供給された空気は、前記筐体１８内を下方から上方に向かって円滑且つ確実に換気した後、換気出口３８から外部に排出することができる。

また、燃料電池モジュール１２は、図２に示すように、発電された電力を外部に出力する出力端子２０ａ、２０ｂに電気的に接続される長方形状バスバー２２ａ、２２ｂを備えている。その際、出力端子２０ａ、２０ｂ及び長方形状バスバー２２ａ、２２ｂは、メンテナンス面１８ａの内側に設けられている。

そして、換気入口３６から筐体１８内に導入された空気を、長方形状バスバー２２ａ、２２ｂに沿って流通させた後、換気出口３８に排出させる換気流路３９が形成されている。これにより、高電流のために高温になっている長方形状バスバー２２ａ、２２ｂを容易且つ確実に冷却することが可能になる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１４…補機 １６…電力変換装置
１８…筐体 １８ａ…メンテナンス面
２０ａ、２０ｂ…出力端子 ２２ａ、２２ｂ…長方形状バスバー
３２…吸気口 ３４…排気口
３６…換気入口 ３８…換気出口
４０…電力変換室 ４０ａ、４０ｂ…領域
４２…吸気流路 ４２ｓ…蛇行流路部
４４…ガイド壁板 ４６…吸気ファン
４８…酸化剤ガス供給部 ５０…燃料電池モジュール室
５２…仕切り板 ５２ａ…連通口

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュール、前記燃料電池モジュールの周辺機器である補機、及び前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を電源出力仕様に変換する電力変換装置が、筐体内に収容される燃料電池システムであって、
   前記筐体は、複数の面を有し、１つの面が取り外し可能又は開閉可能なメンテナンス面を構成するとともに、
   前記メンテナンス面にのみ、前記酸化剤ガスを前記筐体内に取り込む吸気口と、
   前記燃料電池モジュールから排出される排ガスを、前記筐体の外部に排気する排気口と、
   前記筐体内を空気により換気するための換気入口及び換気出口が設けられ、
   前記筐体内には、前記吸気口に連通し、且つ、前記電力変換装置が配置される電力変換室と、
   該吸気口から導入された前記酸化剤ガスを、前記電力変換室に配置された前記電力変換装置に沿って流通させる吸気流路が設けられ、
   前記メンテナンス面の内側には、前記吸気流路を流通した前記酸化剤ガスを、前記燃料電池モジュールの酸化剤ガス系流路に供給する酸化剤ガス供給部が配置されるとともに、
   前記酸化剤ガス供給部は、ケミカルフィルタを備える
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記吸気流路は、前記電力変換装置よりも酸化剤ガス流れ方向下流に位置し、屈曲乃至湾曲する蛇行流路部を有することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、前記吸気流路には、前記メンテナンス面とは反対の裏面内側に隣接して吸気ファンが設けられることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記筐体内には、前記燃料電池モジュールを配置する燃料電池モジュール室が設けられ、
   前記電力変換室と前記燃料電池モジュール室とは、仕切り板により上下に分離されるとともに、
   前記仕切り板には、前記メンテナンス面側とは反対側に位置し、前記電力変換室から前記燃料電池モジュール室に前記酸化剤ガスを流通させる連通口が形成されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記換気出口は、前記換気入口よりも上方に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、発電された電力を外部に出力する出力端子と、
   前記出力端子に電気的に接続されるバスバーと、
   を備え、
   前記出力端子及び前記バスバーは、前記メンテナンス面の内側に設けられるとともに、
   少なくとも前記換気入口から前記筐体内に導入された前記空気を、前記バスバーに沿って流通させた後、前記換気出口に排出させる換気流路が形成されることを特徴とする燃料電池システム。
   

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