JP6472588B1 - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

発電を行う燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールを収納する筐体と、筐体内を第１室と第２室とに分割する仕切部材とを備え、筐体には、筐体の底面に設けられて第１室と筐体の外部とを連通させる吸気口と、第２室と筐体の外部とを連通させる排気口とが、設けられており、仕切部材には、第１室と第２室とを連通させる開口が設けられており、開口を介して、第１室の空気を第２室に移動させる第１送風装置と、一端が燃料電池モジュールに接続し、他端が吸気口近傍まで延びる空気供給路とを備えている。これにより、燃料電池装置の信頼性を高めることができる。

Description

本開示は燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールを動作させるための補機とを、筐体である外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が、種々提案されている。

たとえば、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell）型燃料電池装置は、燃料電池モジュール内に配設した燃料電池セルを多数積層して構成したセルスタックにおいて、改質器で改質された燃料と空気とを反応させることによって発電する。また、燃料電池モジュールの発電によって生じる熱によって、外装ケース内が高温になるため、外装ケース内の空気を換気する構造が必要となる。そこで、外装ケースにファンを設け、外装ケース内の空気の換気を行う燃料電池装置が提案されている（たとえば、特許文献１を参照。）。

また、外装ケースを隔壁で上下２室に分割し、隔壁に開口した孔にファンを設けた燃料電池装置が提案されている（たとえば、特許文献２を参照。）。

また、大型のＳＯＦＣ型燃料電池装置においては、排気口近傍に排気ファンを設け、外装ケース内を負圧にして外装ケース内の空気を排出する、いわゆる負圧式の換気システムを具備しているものもある。

特開２０１６−３１８３９号公報 特開２００９−１４０７８２号公報

本開示の燃料電池装置は、
発電を行う燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールを収納する筐体と、
前記筐体内を第１室と第２室とに分割する仕切部材と、を備え、
前記筐体には、前記筐体の底面に設けられて前記第１室と筐体の外部とを連通させる吸気口と、前記第２室と筐体の外部とを連通させる排気口とが、設けられており、
前記仕切部材には、前記第１室と前記第２室とを連通させる開口が設けられており、
前記開口を介して、前記第１室の空気を前記第２室に移動させる第１送風装置と、
一端が前記燃料電池モジュールに接続し、他端が前記吸気口近傍まで延びる空気供給路と、を備える。

本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とから、より明確になるであろう。
実施形態の燃料電池装置の構成を示すブロック図である。 実施形態の燃料電池装置の筐体の構成を示す斜視図である。 実施形態の燃料電池装置の構成を示す概略断面図である。 実施形態の燃料電池装置の構成を示す底面図である。 実施形態の燃料電池モジュールの構成を示す分解斜視図である。

以下、図面を参考にして、実施形態を詳細に説明する。
図１は、実施形態の燃料電池装置の構成を示すブロック図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

燃料電池装置１は、収納容器（図示せず）に改質器１０およびセルスタック装置２０を収納して構成される燃料電池モジュール２を含む。また、燃料電池モジュール２を作動させるための、熱交換器３１、凝縮水タンク３２、パワーコンディショナ３３、燃料供給装置３４および空気供給装置３５等の複数の補機とともに、外装ケースである筐体（図示せず）に納められて構成されている。筐体内には、上述の装置全てが収められる必要はなく、たとえば、熱交換器３１を筐体の外部に設けてもよい。また、熱交換器３１で熱交換をした水などの熱媒体を蓄える蓄熱タンク３６などを、筐体の内部に配設してもよい。

図２は、実施形態の燃料電池装置の筐体の構成を示す斜視図であり、図３は、実施形態の燃料電池装置の構成を示す概略断面図である。

直方体状の筐体４０は、金属などで構成された、外装板４１と支柱４２とから構成されている。支柱４２には、外装板４１が固定されており、外装板４１は、筐体４０の各面を構成している。外装板４１は、筐体４０の底面を構成する底板４１ａと、筐体４０の天面を構成する天板４１ｂと、筐体４０の側面を構成する側板４１ｃとから構成されている。

筐体４０は、仕切部材４３によって、仕切部材４３よりも下方の空間である、第１室４４と、仕切部材４３よりも上方の空間である、第２室４５とに分割されている。仕切部材４３は、支柱４２に支持されており、仕切部材４３上に燃料電池モジュール２などを載置できるように、強度が確保されている。

底板４１ａには、吸気口４６が設けられている。吸気口４６によって、筐体４０の外部と第１室４４とが連通している。また、天板４１ｂには、排気口４７が設けられている。排気口４７によって、筐体４０の外部と第２室４５とが連通している。また、仕切部材４３には、第１室４４と第２室４５とを連通させる開口４８が設けられている。

仕切部材４３には、第１室４４の空気を、開口４８を介して第２室４５に移動させるための第１送風装置５０が配設されている。第１送風装置５０としては、送風ファンなどを用いることができる。

第１送風装置５０を動作させると、空気は、開口４８を介して第１室４４から第２室４５に移動するとともに、吸気口４６から空気が第１室４４に流入し、排気口４７を介して、空気が第２室４５から外部に放出される。このように底板４１ｂに吸気口４６を設け、天板４１ｂに排気口４７を設けることによって、筐体４０内の空気が、おおむね下から上へ流れる。したがって、筐体４０内の換気を、良好に行うことができる。

第１送風装置５０を動作させることによって、第１室４４は、負圧になり、第２室４５は、正圧になる。第１室４４における空気の流れは、開口４８付近で速くなるが、第１室４４内部に、下方から上方への全体的な空気の流れが生じ、空気の流速は比較的小さい。

第１室４４には、雨水などを排出するための排水口４９などの吸気口４６以外の開口があり、第１室４４が負圧であるので、吸気口４６とともにそれらの開口からも、第１室４４に空気が流入する。

第２室４５における空気の流れは、第１送風装置５０によって、開口４８から空気が流入するので、開口４８から上方に向かって、直線的な流速の大きな空気の流れが生じる。

図３に示す燃料電池モジュール２は、仕切部材４３上に載置され、第２室４５内に配設されている。燃料電池モジュール２は、内部が高熱になるため、収納容器２４も比較的高熱になる。すなわち、第２室４５は、第１室４４よりも高温になりやすい。

したがって、第１室４４には、比較的低温で動作させた方がよい補機である、燃料供給装置３４、空気供給装置３５、凝縮水タンク３２およびポンプ類を配設し、第２室４５には、比較的高温であっても動作する補機などを配設する。これにより、補機の故障などの不具合を低減することができ、燃料電池装置１の信頼性を高めることができる。

第２室４５に配設された燃料電池モジュール２に空気を供給する空気供給路１０３は、一端が燃料電池モジュール２に接続されている。空気供給路１０３は、仕切部材４３を貫通して、他端が吸気口４６近傍まで延びている。空気供給路１０３の他端は、直方体状の箱状部１０３ａが形成されている。空気供給路１０３の箱状部１０３ａは、底面が開口しており、この開口部が空気供給路１０３の端部１０３ｂとなっている。空気供給路１０３は、金属または樹脂などの管状部材から構成される。

このような構成によって、空気供給路１０３から燃料電池モジュール２に空気が流れ込み、吸気口４６近傍の圧力が下がって、より多くの空気が吸気口４６から流れ込むため、空気の流れが安定し、筐体４０内の補機を確実に冷却できる。

すなわち、従来式の、排気ファンによって筐体内の空気を排出する負圧式の換気システムにおいては、吸気口以外の外装ケースの開口からも筐体内に空気が流入するために筐体内の空気の流れが複雑になり、筐体内に配設された一部の補機が十分冷却できないおそれがあった。

本実施形態の燃料電池装置１によれば、空気の流れが安定し、筐体４０内の補機を確実に冷却できるので、燃料電池装置１の信頼性を高めることができる。

空気供給装置３５は、空気供給路１０３に設けられている。本実施例においては、箱状部１０３ａの中に空気供給装置３５が設けられている。空気供給装置３５は、第２送風装置３５ａを有している。第２送風装置３５ａとしては、送風ファンなどを用いることができる。第２送風装置３５ａを動作させることによって、空気供給路１０３から燃料電池モジュール２へ空気が送り込まれる。

このような空気供給装置３５は、燃料電池モジュール２から、吸気口４６近傍に延びる空気供給路１０３のいずれかの位置にあればよい。本実施形態のように、吸気口近傍に空気供給装置３５を配設することによって、吸気口４６から流入する空気を、直接的に空気供給装置３５によって取り込むことができるので、効率よく空気を燃料電池モジュール２供給することができる。また、空気供給装置３５が、空気供給路１０３の端部に近い位置に設置されているので、メンテナンス作業を効率よく行うことができる。

また、第２送風装置３５ａを、吸気口４６近傍に取り付けることによって、空気供給路１０３の端部１０３ｂ近傍に、局所的な負圧環境が形成され、より多くの外気が、吸気口４６を通って取り込むことができる。

吸気口４６には、エアフィルタ５１が設けられており、エアフィルタ５１を介して外気を取り入れることによって、外気に含まれる塵や埃が筐体４０内に侵入することを軽減することができる。また、空気供給路１０３が、吸気口４６近傍にまで延びて設けられることによって、燃料電池モジュール２にエアフィルタ５１を通過した空気を多く導入することができる。したがって、燃料電池モジュール２に塵や埃が侵入することを軽減することができる。

さらに、空気供給装置３５を吸気口４６近傍に取り付ける構成と、吸気口４６にエアフィルタ５１を設ける構成とを組み合わせることによって、筐体４０内に取り込まれる空気のうち、エアフィルタ５１を通って筐体４０内に取り込まれる空気の割合を増やし、筐体４０内に塵や埃が侵入することを軽減することができる。

図４は、実施形態の燃料電池装置の構成を示す底面図である。吸気口４６は、たとえば、燃料電池装置１の筐体４０の底面を構成する金属の底板４１ａに、複数の開口を設けることによって形成できる。本実施形態においては、吸気口４６は、底板４１ａに長円状の孔を縦横に開口して形成されている。

さらに、吸気口４６には、エアフィルタ５１が配設されている。なお、エアフィルタは、空気供給路１０３にも設けてもよく、吸気口４６近傍のエアフィルタ５１と空気供給路１０３の中のエアフィルタの、２つのエアフィルタを備えていてもよい。

エアフィルタ５１の上には、空気供給路１０３の端部１０３ｂが設けられおり、底面側から平面視して、吸気口４６が設けられている一部の領域が、端部１０３ｂと重なっている。すなわち、吸気口４６は、底面側から平面視して、空気供給路１０３の一方の端部１０３ｂと重なっている部分である第１の吸気口４６ａと、吸気口４６のうち第１の吸気口以外の部分である第２の吸気口４６ｂとを有している。

また、吸気口４６とは別に、底板４１ａに複数の開口が設けられ排水口４９が形成されている。排水口４９は、燃料電池装置１の筐体４０内に侵入した雨水および結露などの水を、筐体４０内から排出する。

燃料電池装置１が動作する場合には、第１送風装置５０が動作して、筐体４０内を冷却および換気するが、第１室４４は、負圧なので、空気は、吸気口４６からだけではなく、排水口４９などの第１室４４の外壁に設けられた他の開口からも流入する。吸気口４６を通過した空気は、エアフィルタ５１を通過するので空気に含まれる塵および埃は取り除くことができるが、排水口４９などの他の開口からの空気はエアフィルタ５１を介さないので、塵および埃が筐体４０内に侵入しやすくなる。

そこで、吸気口４６の上部に空気供給路１０３の一方の端部１０３ｂを配設することで、燃料電池モジュール２内に空気供給装置３５よって空気が供給されるので、端部１０３ｂおよびその周辺に強い負圧が発生して、第１の吸気口４６ａを通過して空気供給路１０３へ流れる空気の流れが生じる。

そうすると、第１の吸気口４６ａ周辺の第２の吸気口４６ｂからもより多くの空気が、筐体４０内に流入する。このように、第１の吸気口４６ａの少なくとも一部に第２の吸気口４６ｂが位置することによって、排水口４９などの他の開口からの空気の流入量が減少させることができる。その結果、より多くの空気がエアフィルタ５１を通過し、筐体４０内に流入する塵および埃を減少させることができる。

また、第１の吸気口４６ａの周りに、第２の吸気口４６ｂを設けることによって、空気供給路１０３に向かう空気流の周りを、第２の吸気口４６ｂを通過した空気流で囲むような流れを生成することができる。これにより、排水口４９などの他の開口を通過した空気が、空気供給路１０３から吸入されて燃料電池モジュール２に供給される可能性を、減少させることができる。たとえば、排水口４９と第１の吸気口４６ａとの間に第２の吸気口４６ｂが位置することによって、排水口から流入する空気が、空気供給路１０３に進入する可能性を減少させることができる。

さらに、空気供給路１０３の端部１０３ｂを、第１の吸気口４６ａに近接させることによって、第１の吸気口４６ａからの空気は、空気供給路１０３の内部を通って移動し、前記第２の吸気口４６ｂからの空気は、空気供給路１０３の外側を通って移動するように構成してもよい。これにより、排水口４９などの他の開口を通過した空気が、空気供給路１０３をから吸入されて燃料電池モジュール２に供給される可能性を、より減少させることができる。

図５は、実施形態の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールの分解斜視図である。図１と図５とを参照して、燃料電池装置の動作を説明する。

改質器１０には、炭化水素ガスなどの原燃料を供給する原燃料供給管１００と、改質水を供給する水供給管１０１とが接続されている。図５に示すように、原燃料供給管１００と水供給管１０１とが一体となった管路で、改質器に接続する構成であってもよい。

原燃料供給管１００には、改質器１０に原燃料を送り込むための燃料供給装置３４が設けられている。加熱された改質器１０内では、改質水が蒸発した蒸気により、原燃料が改質され、水素を含む改質ガスが生成される。改質器１０で生成された改質ガスは、改質ガス供給管１０２を通って、セルスタック装置２０に供給される。

セルスタック装置２０は、マニホールド２１および燃料電池セル２２を多数接続したセルスタック２３を含む。改質器１０から、セルスタック装置２０に供給された改質ガスはマニホールド２１から燃料電池セル２２内に供給される。

セルスタック装置２０において、燃料電池セル２２の外側には空気供給路１０３から酸素含有ガスである空気が導入されている。空気供給路１０３には、空気供給装置３５が接続されており、空気供給装置３５によって、セルスタック装置２０に空気を送り込む。改質ガスが燃料電池セル２２内を通過するときに、この空気と反応して発電が行われる。

発電に使用されなかった改質ガスは、セルスタック２３の上部で発電に使用されなかった空気と合流して燃焼し、高温の排ガスが生成される。また、燃焼で発生した熱によって改質器１０が加熱される。

なお、燃料電池モジュール２で発電された電気は、パワーコンディショナ３３に送られ、電力消費および蓄電池への蓄電などに用いられる。

改質器１０およびセルスタック装置２０は高温となるため、断熱材などで包囲されて収納容器２４に収められ、燃料電池モジュール２として、補機とともに筐体内に配置されている。

燃料電池モジュール２内で生じた排ガスは、セルスタック装置２０から排出された後、排ガス流路１０４を通って熱交換器３１に供給される。熱交換器３１には、循環ライン１０５が接続されており、この循環ライン１０５に導入されている媒体と排ガスとで熱交換を行う。

媒体としては、水などを用いることができる。熱交換によって、排ガスは冷却され、媒体は排ガスの熱によって加熱される。排ガスは冷却されて、排ガス中に含まれる水蒸気が、水と気体に分離される。気体は、排気流路１０７を通ってガス排気口から外部に排出される。排ガスを冷却することによって分離された水は、凝縮水回収流路１０６を通って凝縮水タンク３２に送られる。

凝縮水タンク３２においては、水はイオン交換などを経て純水化され、純水化された水は、水供給管１０１に導入され、改質水として改質器１０に供給される。不要な水はドレイン１０８から排出される。

熱交換器３１で暖められた媒体は、蓄熱タンク３６に移動する。媒体は、循環ライン１０５を循環しながら熱を蓄えることができる。蓄えられた熱は、給湯などに利用することができる。

蓄熱タンク３６に蓄えられた媒体が水の場合には、蓄熱タンク３６の水を給湯に利用する構成とすることも可能である。蓄熱タンク３６の媒体の温度が高くなりすぎた場合には、ラジエータを設けて熱交換器３１に供給する媒体の温度を低下させる構成にすることも可能である。

以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、改良等が可能である。

さらに、本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本開示の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲に属する変形や変更は全て本開示の範囲内のものである。

１ 燃料電池装置
２ 燃料電池モジュール
４０ 筐体
４３ 仕切部材
４４ 第１室
４５ 第２室
４６ 吸気口
４７ 排気口
４８ 開口
５０ 第１送風装置
１０３ 空気供給路

Claims (7)

1. 発電を行う燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールを収納する筐体と、
   前記筐体内を第１室と第２室とに分割する仕切部材と、を備え、
   前記筐体には、前記筐体の底面に設けられて前記第１室と筐体の外部とを連通させる吸気口と、前記第２室と筐体の外部とを連通させる排気口とが、設けられており、
   前記仕切部材には、前記第１室と前記第２室とを連通させる開口が設けられており、
   前記開口を介して、前記第１室の空気を前記第２室に移動させる第１送風装置と、
   一端が前記燃料電池モジュールに接続し、他端が前記吸気口近傍まで延びる空気供給路と、を備える燃料電池装置。
2. 前記筐体の底面に、排水口を有する請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記吸気口は、
   前記空気供給路の他端が上方に位置する第１の吸気口と、
   前記第１の吸気口の周囲の少なくとも一部に位置する、第２の吸気口と、
   を有する請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記第１の吸気口からの空気は、前記空気供給路の内部を通って移動し、
   前記第２の吸気口からの空気は、前記空気供給路の外側を通って移動する、請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 前記空気供給路の前記他端近傍に第２送風装置を備える請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
6. 前記排気口は、前記筐体の天面に設けられている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
7. 前記吸気口にエアフィルタを備える請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池装置。

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