JP6405749B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
これは燃料電池システムの排気通路の接続構造についてのものであり、特許文献1の図2に示されているように、燃料電池ユニット11の排気出口11Aとボイラー12の排気出口12Aとに接続し、燃料電池ユニット11の排気ガスとボイラー12の排気ガスとを合流させる排気通路13を備えている。
そして、燃料電池ユニット11の排気出口11Aが、ボイラー12の排気出口12Aよりも上方に配置されていることが記載されている。排気通路の外壁を排気通路に沿って、外壁との間で換気通路を確保してさらに換気通路の外壁で覆う2重管ダクト構造が形成されている。これにより、排気通路13内の排気ガス凝縮によって生じる水滴が、燃料電池ユニット11へ混入することを抑制できるとする。
また、燃焼空気をポンプ36で吸引するとともに、カソードエアをポンプ37で吸引することで、吸気ダクトの吸気入口11Bよりエアを吸い、燃焼排気、カソードオフガスを排気ダクトの排気出口11Aより燃料電池ユニット11の筐体外に放出する構成が記載されている。
これによれば、燃料電池モジュールから燃料がリーク(流出)しても、空気層は負圧に保たれているので、空気層から外部にリーク(流出)するのを抑制することができる。よって、燃料電池システムから外部に燃料が流出することを確実に抑制することができる。
また、前記燃料電池モジュールから筐体内に燃料がリーク(流出)し、さらに筐体から空気層へリークしても、空気層は負圧に保たれているので、空気層から外部にリーク(流出)するのを抑制することができる。このように、燃料電池モジュールからの燃料の流出抑制を2重構造とすることができる。よって、燃料電池システムから外部に燃料が流出することをより確実に抑制することができる。
また、高温発熱体である燃料電池モジュールからの発熱で高温となったモジュール室内の空気を、カソードエア供給管内に吸引してカソードエア供給管の途中部分に形成された放熱部で放熱して温度を下げるので、燃料電池モジュールの放熱を図るとともに、カソードエア供給管およびその付帯設備が加熱するのを抑制することができる。
また、改質部で利用する改質水を使ってカソードエア供給管の放熱部を冷却するので、空気中で放熱する場合よりも、さらに高効率で冷却することができる。また、既存の改質部で利用する改質水の設備を使うことで、省スペース化を図るとともに、コストアップを抑制することができる。
これによると、温度が燃料電池モジュールによって上昇し易い筐体内と比べて比較的温度が安定している屋内の空気により、インバータ装置を安定的に冷却することができる。
これによると、筐体内の空気を集めて外部に導出する換気用排気部に可燃ガス濃度検出装置が設けられている。そのため、万一筐体内に可燃ガスが流出した場合でも、可燃ガスの流出を確実に検出することができる。
これによると、モジュール室内全体の空気を集めて吸引するモジュール室内のカソードエア供給管の導入部またはカソードエア供給管自体の導入部に可燃ガス濃度検出装置が設けられている。そのため、万一モジュール室内に可燃ガスが流出した場合でも、モジュール室内の可燃ガスの流出を確実に検出することができる。
以下、本発明による燃料電池システムの第1実施形態について説明する。図1に示すように、燃料電池システム100は、発電ユニット10、および貯湯槽21を備えている。発電ユニット10は、筐体10a1、外側筐体10a2、燃料電池モジュール11、熱交換器12、インバータ装置13、水タンク14、および制御装置15を備えている。
蒸発部32は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部32は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部33に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、LPガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
燃料電池34は、マニホールド35上に設けられている。マニホールド35には、改質部33からの改質ガスが改質ガス供給管38を介して供給される。燃料流路34bは、その下端(一端)がマニホールド35の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ11c1によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管11cを介して供給され、空気流路34cの下端から導入され上端から導出されるようになっている。
筐体10a1は、全体的に外側筐体10a2で気密的に覆われている。筐体10a1と外側筐体10a2の間には、空気層10a3が形成されている。筐体10a1は、空気層10a3に全体的に覆われている。筐体10a1の一側壁10b側の空気層10a3内には、換気排気用ダクト51および燃焼排気用ダクト52が配置されている。
換気用排気口10dには、換気排気逆止弁41が設けられている。換気排気逆止弁41は、筐体10a1から換気排気用ダクト51への空気の流れは許容するが、逆方向の流れを規制するものである。
そのため、燃料電池システム100の発電運転中に、燃料電池モジュール11から可燃ガスである燃料が、万一筐体10a1内に流出したとしても、まず、気密的に形成された筐体10a1によりで外部への燃料流出を抑制する。そして、筐体10a1内に流出した燃料は、換気用排気口10dから換気排気用ダクト51を経て、煙突部53から外部へ排気される。
筐体10a1から空気層10a3に燃料が万一流出したとしても、空気層10a3は負圧化されているので、外側筐体10a2から外部へ燃料が流出することが抑制される。空気層10a3に流出した燃料は、換気ファン42によって筐体10a1に再び導入され、換気用排気口10dおよび換気排気用ダクト51を経て、煙突部53から外部へ排気される。
なお、第1実施形態において、合流部10fに可燃ガス濃度センサ11gが設けられるものとしたが、これに限定されず、例えば換気用排気口10dに設けられるものでもよい。
これによれば、燃料電池モジュール11から燃料が万一リーク(流出)しても、空気層10a3は負圧に保たれているので、空気層10a3から外部にリーク(流出)するのを抑制することができる。
これによれば、燃料電池モジュール11から筐体10a1内に燃料がリーク(流出)し、さらに筐体10a1から空気層10a3へリークしても、空気層10a3は負圧に保たれているので、空気層10a3から外部にリーク(流出)するのを抑制することができる。このように、燃料電池モジュールからの燃料の流出抑制を2重構造とすることができる。
これによると、筐体10a1内の空気を集めて外部に導出する換気用排気部Aの合流部10fまたは、内管53a内に可燃ガス濃度センサ11gが設けられている。そのため、万一筐体10a1内に可燃ガスが流出した場合でも、可燃ガスの流出を確実に検出することができ、燃料電池システムの安全性をさらに向上させることができる。
次に、本発明による燃料電池システムの第2実施形態について図2に基づいて以下に説明する。
本第2実施形態の燃料電池システム200では、筐体10a1内が横隔壁10gによって、燃料電池モジュール11および熱交換器12を気密的に収容するモジュール室R1と換気エアが流通する冷却室R2とが区画形成されている。モジュール室R1には換気用排気口が設けられておらず、吸気口10cより導入された空気は、カソードエア供給管11cに導入されて、すべて排気管11dより燃焼排ガスとして外部に排気される。
すなわち、カソードエア供給管11cは、カソードエアを導入する導入部11c3である一端がモジュール室R1に連結されるとともに、他端が燃料電池モジュール11内の燃料電池34に連結されている。そして、カソードエア供給管11cの一端と他端との間の途中部分には、モジュール室R1外としての冷却室R2に配設され内部を流れるカソードエアを冷却する放熱部11c4が設けられている。
なお、吸気部10cに換気ファン42を設けるものとしたが、設けなくてもよい。その場合、カソードエアブロワ11c1が、送風装置に相当し、空気層10a3を負圧化する。
そのため、高温発熱体である燃料電池モジュール11からの発熱で高温となったモジュール室R1内の空気を、カソードエア供給管11c内に吸引してカソードエア供給管11cの途中部分に形成された放熱部で放熱して温度を下げる。
これによって、燃料電池モジュール11自体の放熱を図るとともに、カソードエア供給管11cおよびカソードエアブロワ11c1が加熱するのを抑制することができる。
これによると、モジュール室R1内全体の空気を集めて吸引するモジュール室R1内のカソードエア供給管11cの導入部11c3に可燃ガス濃度センサ11gが設けられている。そのため、万一モジュール室R1内に可燃ガスが流出した場合でも、モジュール室R1内の可燃ガスの流出を確実に検出することができる。これにより燃料電池システムの安全性をさらに向上させることができる。
また、冷却室R2の吸気口10hを冷却室R2と空気層10a3とを連通させるものとしたが、これに限定されず、例えば、図3に示すように、外側筐体10a2まで開口部を貫通させて冷却室R2と外側筐体10a2の外部とを連通させてもよい。
また、排気口10iを冷却室R2と空気層10a3とを連通させるものとしたが、これに限定されず、例えば、図3に示すように、外側筐体10a2まで開口部を貫通させて冷却室R2と外側筐体10a2の外部とを連通させてもよい。また、吸気ファン44を、換気排気用ダクト51および燃焼排気用ダクト52が設けられた一側壁10b側に設けるものとしたが、これに限定されず、例えば、図3に示すように、一側壁10bの反対側の側壁に設けてもよい。
次に、本発明による燃料電池システムの第3実施形態について図4に基づいて以下に説明する。
本第3実施形態では、カソードエア供給管11cとの間で熱交換を行う熱交換装置17が冷却室R2に設けられている点において、第2実施形態と相違するその他の構成は第2実施形態と同様であるので、同じ符号を付与して説明を省略する。
これによると、改質部33で利用する改質水を使ってカソードエア供給管11cの放熱部11c4を冷却するので、空気中で放熱する場合よりも、さらに高効率で冷却することができる。また、既存の改質部33で利用する改質水の設備を使うことで、大きな設備を追加することのなく省コストの設備とすることができる。
なお、第3実施形態において、冷却室R2に熱交換装置17が設けられ、空気中への放熱と改質水による熱交換との両方を行うものとしたが、これに限定されず、例えば、冷却室R2のない筐体10a1内に熱交換装置17が設けられ、改質水との熱交換だけを行うものでもよい。
次に、本発明による燃料電池システムの第4実施形態について図5に基づいて以下に説明する。
本第4実施形態の燃料電池システム400においては、外側筐体10a2が設けられておらず、筐体10a1と外側筐体との間に形成される空気層10a3が存在しない。モジュール室R1の吸気口10cに換気ファンが設けられていない。冷却室R2の吸気口10hおよび排気口10iが冷却室R2と外部とを連通するものである。これらの点において第2実施形態と相違する。その他の構成は第2実施形態の燃料電池システムと同様であるので、同じ符号を付与して説明を省略する。
これによれば、燃料電池モジュール11から燃料が万一リーク(流出)しても、空気層10a4は負圧に保たれているので、空気層10a4から外部にリーク(流出)するのを抑制することができる。
次に、本発明による燃料電池システムの第5実施形態について図6に基づいて以下に説明する。
本第5実施形態の燃料電池システム500においては、インバータ装置13および制御装置15が、筐体10a1の外に配設されインバータ装置13を収容するインバータ装置室R3に収容されている。インバータ装置室R3には冷却ファン45が設けられ外気によってインバータ装置13および制御装置15を冷却している。これらの点において第1実施形態と相違する。その他の構成は第1実施形態と同様であるので、同じ符号を付与して説明を省略する。
これによると、温度が燃料電池モジュール11によって上昇し易い筐体10a1内と比べて比較的温度が安定している屋内の空気により、少なくともインバータ装置13を安定的に冷却することができる。
なお、本第5実施形態において、インバータ装置13とともに制御装置15を筐体10a1の外に配設されたインバータ装置室R3に収容したが、これに限定されず、例えば、制御装置15を筐体10a1内に収容し、インバータ装置13のみをインバータ装置室R3に収容するものでもよい。
Claims (4)
- 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池を少なくとも具備する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールを全体的に覆うように形成され、内部の空気が送風装置によって外部に送出されることにより前記内部が負圧化される空気層と、
前記燃料電池モジュールを気密的に収容する筐体と、
前記筐体を全体的に覆う外側筐体と、
前記燃料電池モジュール内に設けられ、前記燃料電池からのアノードオフガスを燃焼させる燃焼部と、
前記筐体内に区画形成され前記燃料電池モジュールを気密的に収納するモジュール室と、
前記筐体に設けられ前記筐体の外部の空気を前記モジュール室内に導入する換気用吸気部と、
一端が前記モジュール室に連結されるとともに他端が前記燃料電池モジュール内の前記燃料電池に連結され、前記モジュール室内の空気を前記燃料電池に供給するカソードエア供給管と、
前記燃焼部と前記筐体の外部とを連通し、前記燃焼部で生成された燃焼排ガスを前記筐体の外部に導出する排気管と、
改質用原料と改質水とから燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質部と、を備え、
前記空気層は、前記筐体と前記外側筐体との間に形成され、
前記カソードエア供給管は、前記一端と前記他端との間の途中部分に形成されて、前記モジュール室外に配設され内部を流れる気体を冷却する放熱部を備え、
前記カソードエア供給管の前記放熱部を、前記改質部で利用する前記改質水で冷却するように構成した燃料電池システム。 - 前記燃料電池からの直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ装置と、
前記筐体の外に配設され前記インバータ装置を収容するインバータ装置室と、
をさらに備えている請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記空気層に設けられ前記筐体の外部の空気を前記空気層に導入する空気導入部と、
前記空気層に設けられ前記空気層内の空気を前記筐体内に導出する空気導出部と、
前記筐体から前記筐体内の空気を外部に導出する換気用排気部と、
前記換気用排気部に設けられ、前記換気用排気部から導出される気体の可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度検出装置と、
をさらに備えている請求項1または2に記載の燃料電池システム。 - 前記モジュール室内の前記カソードエア供給管の導入部または前記カソードエア供給管自体の導入部に設けられ、前記カソードエア供給管に導入される気体の可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度検出装置をさらに備えている請求項1または2に記載の燃料電池システム。
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