JP6908114B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
固体酸化物型燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）や溶融炭酸塩形燃料電池等の比較的高温で動作する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、外部への放熱を抑制すべく、燃料電池と、燃料電池の運転に用いる改質装置等の周辺装置と、を含む燃料電池モジュールを断熱材に収容する。
例えば、ＷＯ２０１２−１２８３６８には、燃料電池及び改質装置を含む燃料電池モジュールを断熱材に収容した燃料電池システムの一例が提案されている。さらに、この燃料電池システムでは、さらに外部への放熱を抑える観点から上記断熱材を囲う気密性の筐体を設けている。そして、燃料電池モジュールへの配管及び配線を通すために設ける筐体の孔にシール材を設けて、当該孔からの外部への放熱を抑制している。
ＷＯ２０１２−１２８３６８の燃料電池システムでは、断熱材の周囲全体を気密性の筐体で囲っているため、断熱材により遮断しきれず漏れ出る熱が当該断熱材と筐体の間の気密空間に滞留する。したがって、この気密空間に配置される配管等の熱保護部品を熱害から保護すべく、当該気密空間を換気するエアブロア等の換気装置を別途設けている。そのため、システム構成が複雑になり、コストアップにつながるという問題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、コストアップを抑制しつつ、断熱材内の燃料電池モジュールによる熱から熱保護部品を保護し得る燃料電池システムを提供することにある。
本発明のある態様によれば、燃料電池及び改質装置を含む燃料電池モジュールを有する燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池モジュールが配置される高温室と、燃料電池モジュールに燃料及び酸化剤を供給するガス供給系統が配置される低温室と、を備えた筐体を有する。さらに、燃料電池システムは、高温室と低温室を画定するように筐体の断面を区画するとともに、ガス供給系統による燃料電池モジュールへの燃料及び酸化剤の供給を許容する供給路が形成された断熱隔壁を備える。また、断熱隔壁の端部は、筐体を構成する壁部に当接する。さらに、低温室は、断熱隔壁及び該断熱隔壁よりも熱伝達性能が高い低温室壁部により囲まれた空間により構成される。
図１は、第１実施形態による燃料電池システムの構成を説明する図である。 図２Ａは、高温室及び低温室に流出入する熱を模式的に示した図である。 図２Ｂは、低温室の設計方法の一例を説明する図である。 図３は、第２実施形態による燃料電池システムの構成を説明する図である。 図４は、第３実施形態による燃料電池システムの構成を説明する図である。 図５は、第３実施形態の変形例による燃料電池システムの構成を説明する図である。 図６は、第４実施形態による燃料電池システムの構成を説明する図である。 図７は、燃料電池システムのさらなる変形態様を説明する図である。 図８は、燃料電池システムのさらなる変形態様を説明する図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムＳの構成を示している。
本実施形態に係る燃料電池システムＳは例えば車両等に搭載される。図示のように、燃料電池システムＳは、燃料電池モジュール１を構成する燃料電池としての燃料電池スタック１０と、改質装置１２と、を備えている。
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池または燃料電池の単位セルを積層して構成される。本実施形態では、発電源である燃料電池の個々の単位セルは、固体酸化物型燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）である。すなわち、燃料電池スタック１０は、例えば、６００℃〜８００℃の好適な作動温度で燃料及び酸化剤（空気）の供給を受けて発電を行う。
改質装置１２は、図示しない燃料タンク等の燃料貯留部から供給される改質前の燃料を、改質用触媒によって燃料電池スタック１０の発電に用いるために適切な状態の燃料ガスに改質する。改質装置１２で改質された燃料は、上述のように改質燃料供給通路１４を介して燃料電池スタック１０に供給される。
そして、本実施形態の燃料電池システムＳは、高温室Ｈと、低温室Ｌと、を有する筐体１６を備えている。筐体１６は略矩形状に形成され、該矩形形状を形成する各壁部が水密性の材質で構成されている。具体的に、筐体１６は、例えば、ステンレス又はステンレスに類する水密性及び熱伝導率を有する所望の金属材料により形成される。
また、本実施形態の燃料電池システムＳでは、筐体１６は外気と同程度の温度環境下となる常温領域に配置される。そして、筐体１６には、高温室Ｈ及び低温室Ｌを画定するように、該筐体１６の断面を区画する断熱隔壁１８が設けられている。なお、断熱隔壁１８は、求められる断熱性能に応じて、例えばシリカ系セラミックス等の断熱材料で構成される。特に、本実施形態の断熱隔壁１８は、筐体１６を構成する材料よりも低い熱伝導率を有する材料で構成される。
より詳細には、高温室Ｈは、断熱隔壁１８及び燃料電池モジュール１を囲う壁部としての高温室壁部１６ａで画定された筐体１６内の空間として構成される。また、低温室Ｌは、高温室壁部１６ａに対して断熱隔壁１８により隔てられた筐体１６内の空間として構成する。すなわち、低温室Ｌは、断熱隔壁１８及び筐体１６を構成する低温室壁部１６ｂで画定される空間として構成される。
そして、本実施形態の断熱隔壁１８は、筐体１６を構成する高温室壁部１６ａ及び低温室壁部１６ｂよりも低い熱伝達性能となるように構成する。より詳細には、断熱隔壁１８は、厚さ、伝熱面の面積、及び構成材料（熱伝導率）を適宜調節することで、高温室壁部１６ａ及び低温室壁部１６ｂよりも低い所望の熱伝達性能に構成されている。なお、熱伝達性能を考慮した筐体１６及び断熱隔壁１８の設計方法の詳細については後述する。
また、低温室Ｌには、燃料電池スタック１０及び改質装置１２に燃料ガス（アルコール蒸気、又はメタン等の炭化水素系ガス、又はこれら炭化水素系ガスと水素ガスの混合ガス）及び酸化剤としての空気を供給するガス供給系統２０が配置されている。
本実施形態のガス供給系統２０は、図示しない空気供給源からの空気を燃料電池スタック１０に供給するための酸化剤配管としての空気配管２２と、空気配管２２に設けられた空気流量調整弁２４と、図示しない燃料供給源からの燃料ガスを改質装置１２に供給するための燃料配管２６と、燃料配管２６に設けられた燃料流量調整弁３０と、燃料電池スタック１０からの排ガス（オフガス）を排出する排気管３１と、を有する。
空気配管２２は、筐体１６の外部から低温室壁部１６ｂに設けられた第１空気管路通過孔４０及び断熱隔壁１８に設けられた第２空気管路通過孔４２を通って上記空気供給源と燃料電池スタック１０のカソード極入口を連結するように伸長する。
そして、空気配管２２に設けられた空気流量調整弁２４は、上記空気供給源から空気配管２２を介して燃料電池スタック１０に供給される空気の流量を調節する。
一方、燃料配管２６は、筐体１６の外部から低温室壁部１６ｂに設けられた第１燃料管路通過孔４４及び断熱隔壁１８に設けられた第２燃料管路通過孔４６を通って上記燃料供給源と改質装置１２を連結するように伸長する。
そして、燃料配管２６に設けられた燃料流量調整弁３０は、図示しない燃料タンク等の燃料供給手段又は蒸発器から燃料配管２６を介して改質装置１２に供給される燃料の流量を調節する。
さらに、排気管３１は、燃料電池スタック１０からの排ガスを図示しない排気燃焼器又は外気に排出する管路である。より詳細には、排気管３１は、筐体１６の低温室壁部１６ｂに設けられた第１排ガス管路通過孔４８及び断熱隔壁１８に設けられた第２排ガス管路通過孔５０を貫通して燃料電池スタック１０と上記排気燃焼器等を接続する。
また、本実施形態では、空気配管２２が挿通された状態の第１空気管路通過孔４０、燃料配管２６が挿通された状態の第１燃料管路通過孔４４、及び排気管３１が挿通された状態の第１排ガス管路通過孔４８に、それぞれ、水密性シール材６０、６２、６４が設けられている。水密性シール材６０、６２、６４は、比較的安価な汎用のシール材で構成される。汎用のシール材としては、例えば、車両用のリップパッキン、スクィーズドパッキン（Ｏリング）、又はガスケット等のシール材である。
すなわち、本実施形態では、このように、水密性シール材６０、６２、６４を水密構造の筐体１６の低温室壁部１６ｂに設けられた各配管を通す孔に設ける構成とすることで、高温にさらされ得る断熱隔壁１８にシール材を設けることなく、筐体１６内の水密性を実現することができる。
次に、上記構成の燃料電池システムＳにおける伝達性能を考慮した筐体１６及び断熱隔壁１８の設計方法の一例について説明する。
図２Ａ及び図２Ｂは、筐体１６及び断熱隔壁１８における伝熱モデルを説明する図である。特に、図２Ａは、高温室Ｈ及び低温室Ｌにおける吸熱及び放熱の態様を説明する図である。
図２Ａに示すように、燃料電池モジュール１の熱から高温室Ｈ内に発せられる熱は、主として、高温室壁部１６ａ及び断熱隔壁１８を介して、それぞれ筐体１６の外部及び低温室Ｌ内に伝達する。なお、以下では、高温室Ｈから高温室壁部１６ａを介して筐体１６の外部に放出される熱の熱量を「高温室外部放出熱量Ｑｏ２」とも称する。また、高温室Ｈから断熱隔壁１８を介して低温室Ｌに伝達される熱の熱量を「低温室流入熱量Ｑｉ１」とも称する。
ここで、高温室外部放出熱量Ｑｏ２は、高温室壁部１６ａの総伝熱面積、厚さ、高温室壁部１６ａを構成する材料の熱伝導率、及び高温室内の温度（以下では、「高温室温度Ｔ２」とも称する）と筐体１６の外部の温度（以下では、「外気温Ｔｅｘ」とも称する）の差に依存する。
また、低温室流入熱量Ｑｉ１は、断熱隔壁１８の伝熱面積（以下では、「断熱隔壁面積Ｓ２」とも称する）、断熱隔壁１８の厚さ（以下では、「断熱隔壁厚ｄ２」とも称する）、断熱隔壁１８を構成する材料の熱伝導率（以下では、「断熱隔壁熱伝導率λ２」とも称する）、及び低温室内の温度（以下では、「低温室温度Ｔ１」とも称する）と外気温Ｔｅｘの差に依存する。
さらに、高温室Ｈから断熱隔壁１８を介して低温室Ｌに伝達される熱は、低温室壁部１６ｂを介して筐体１６の外部に放出される。以下では、低温室Ｌから低温室壁部１６ｂを介して筐体１６の外部に放出される熱の熱量を「低温室外部放出熱量Ｑｏ１」とも称する。
ここで、低温室外部放出熱量Ｑｏ１は、低温室壁部１６ｂの総伝熱面積（以下では、「低温室筐体壁面積Ｓ１」とも称する）、低温室壁部１６ｂの厚さ（以下では、「低温室筐体壁厚ｄ１」とも称する）、低温室壁部１６ｂを構成する材料の熱伝導率（以下では、「筐体壁熱伝導率λ１」とも称する）、及び低温室温度Ｔ１と外気温Ｔｅｘの差に依存する。
そして、本実施形態では、低温室温度Ｔ１が所定温度以上である場合に、低温室外部放出熱量Ｑｏ１が低温室流入熱量Ｑｉ１以上となる目標熱収支条件を満たすように、低温室Ｌを構成する低温室壁部１６ｂ及び断熱隔壁１８を構成する。より詳細には、上記目標熱収支条件を満たすように、低温室筐体壁面積Ｓ１、低温室筐体壁厚ｄ１、筐体壁熱伝導率λ１、断熱隔壁面積Ｓ２、断熱隔壁厚ｄ２、及び断熱隔壁熱伝導率λ２を定める。
図２Ｂは、低温室温度Ｔ１と低温室外部放出熱量Ｑｏ１及び低温室流入熱量Ｑｉ１との関係を示すマップの一例である。なお、以下では、説明化のため、外気温Ｔｅｘ及び高温室温度Ｔ２が変動しないものと仮定する。
また、図２Ｂにおいて、低温室筐体壁面積Ｓ１、筐体壁熱伝導率λ１、及び低温室筐体壁厚ｄ１の値の組み合わせがそれぞれ異なる３つの状態における低温室外部放出熱量Ｑｏ１の曲線を示す。具体的に、低温室筐体壁面積Ｓ１＝Ｓ１0、筐体壁熱伝導率λ１＝λ１0、及び低温室筐体壁厚ｄ１＝ｄ１0における低温室外部放出熱量Ｑｏ１（Ｓ１0，λ１0，ｄ１0）の低温室温度Ｔ１に対する変化を示す曲線Ｃ０を実線で示している。
さらに、低温室筐体壁面積Ｓ１＝Ｓ１1、筐体壁熱伝導率λ１＝λ１1、及び低温室筐体壁厚ｄ１＝ｄ１1における低温室外部放出熱量Ｑｏ１（Ｓ１1，λ１1，ｄ１1）の低温室温度Ｔ１に対する変化を示す曲線Ｃ１を破線で示している。また、低温室筐体壁面積Ｓ１＝Ｓ１2、筐体壁熱伝導率λ１＝λ１2、及び低温室筐体壁厚ｄ１＝ｄ１2における低温室外部放出熱量Ｑｏ１（Ｓ１2，λ１2，ｄ１2）の低温室温度Ｔ１に対する変化を示す曲線Ｃ２を一点鎖線で示している。
また、図２Ｂにおいて、低温室流入熱量Ｑｉ１（Ｓ２，λ２，ｄ２）の低温室温度Ｔ１に対する変化を示す曲線Ｃ３を点線で示している。
図示のように、低温室外部放出熱量Ｑｏ１（Ｓ１，λ１，ｄ１）は、低温室筐体壁面積Ｓ１、筐体壁熱伝導率λ１、及び低温室筐体壁厚ｄ１の値にかかわらず、低温室温度Ｔ１が小さいほど（外気温Ｔｅｘに近いほど）小さい値をとり、低温室温度Ｔ１が大きいほど（高温室温度Ｔ２に近いほど）大きくなる。
すなわち、低温室温度Ｔ１が外気温Ｔｅｘに近づくと、低温室Ｌと筐体１６の外気との間の温度勾配が小さくなるため、低温室外部放出熱量Ｑｏ１（Ｓ１，λ１，ｄ１）も小さくなる。一方、低温室温度Ｔ１は、高温室温度Ｔ２に近いほど外気温Ｔｅｘとの差が大きくなる。したがって、低温室温度Ｔ１が高温室温度Ｔ２に近いほど、低温室Ｌと筐体１６の外部との間の温度勾配が大きくなるため、低温室外部放出熱量Ｑｏ１（Ｓ１，λ１，ｄ１）が大きくなる。
さらに、低温室外部放出熱量Ｑｏ１（Ｓ１，λ１，ｄ１）は、低温室筐体壁面積Ｓ１、筐体壁熱伝導率λ１、及び低温室筐体壁厚ｄ１の値に応じて各曲線Ｃ０〜Ｃ２として示されるように、低温室温度Ｔ１の値の変化に応じた感度が異なる。
例えば、低温室筐体壁面積Ｓ１が大きいほど、低温室壁部１６ｂを介した筐体１６の外部への伝熱量が増加するので、低温室外部放出熱量Ｑｏ１（Ｓ１，λ１，ｄ１）は大きくなる。また、同様に筐体壁熱伝導率λ１が大きいほど、低温室外部放出熱量Ｑｏ１（Ｓ１，λ１，ｄ１）は大きくなる。さらに、低温室筐体壁厚ｄ１が大きいほど、低温室壁部１６ｂを介した筐体１６の外部への伝熱量が減少するので、低温室外部放出熱量Ｑｏ１（Ｓ１，λ１，ｄ１）は小さくなる。したがって、低温室外部放出熱量Ｑｏ１（Ｓ１，λ１，ｄ１）は、これら低温室筐体壁面積Ｓ１、筐体壁熱伝導率λ１、及び低温室筐体壁厚ｄ１の値に応じて適宜、図２Ｂの各曲線Ｃ０〜Ｃ２に示すような異なる状態を取る。
さらに、低温室流入熱量Ｑｉ１（Ｓ２，λ２，ｄ２）は、断熱隔壁面積Ｓ２、断熱隔壁熱伝導率λ２、及び断熱隔壁厚ｄ２の値にかかわらず、低温室温度Ｔ１が大きいほど（高温室温度Ｔ２に近いほど）小さい値をとり、低温室温度Ｔ１が小さいほど（外気温Ｔｅｘに近いほど）大きい値をとる。
すなわち、低温室温度Ｔ１が高温室温度Ｔ２に近いほど、低温室Ｌと高温室Ｈの間の温度勾配が小さくなるため、低温室流入熱量Ｑｉ１（Ｓ２，λ２，ｄ２）も小さくなる。一方、低温室温度Ｔ１は、外気温Ｔｅｘに近いほど高温室温度Ｔ２との差が大きくなる。したがって、低温室温度Ｔ１が外気温Ｔｅｘに近いほど、低温室Ｌと高温室Ｈの間の温度勾配が大きくなるため、低温室流入熱量Ｑｉ１（Ｓ２，λ２，ｄ２）が大きくなる。
さらに、図示は省略するが、低温室流入熱量Ｑｉ１（Ｓ２，λ２，ｄ２）も、断熱隔壁面積Ｓ２、断熱隔壁熱伝導率λ２、及び断熱隔壁厚ｄ２の値に応じて低温室温度Ｔ１の値の変化に対する感度が異なる複数の状態を取る。
さらに、本実施形態で定める基準温度Ｔｒｅｆは、低温室Ｌ内のガス供給系統２０において耐熱の観点から許容される低温室温度Ｔ１の上限値又は当該上限値から所定のマージンを減算した値が用いられる。
したがって、本実施形態では、ガス供給系統２０の耐熱保護の観点から、低温室温度Ｔ１を基準温度Ｔｒｅｆ以下に維持すべく、低温室温度Ｔ１が基準温度Ｔｒｅｆ以上となる領域において、低温室外部放出熱量Ｑｏ１（Ｓ１，λ１，ｄ１）が低温室流入熱量Ｑｉ１（Ｓ２，λ２，ｄ２）以上となるように、低温室筐体壁面積Ｓ１、筐体壁熱伝導率λ１、低温室筐体壁厚ｄ１、断熱隔壁面積Ｓ２、断熱隔壁熱伝導率λ２、及び断熱隔壁厚ｄ２を定める。
例えば、断熱隔壁面積Ｓ２、断熱隔壁厚ｄ２、及び断熱隔壁熱伝導率λ２を決めた場合、低温室温度Ｔ１に応じた低温室流入熱量Ｑｉ１（Ｓ２，λ２，ｄ２）が図の曲線Ｃ３のように定まる。これに対し、低温室温度Ｔ１が基準温度Ｔｒｅｆ以上となる領域において、低温室外部放出熱量Ｑｏ１（Ｓ１，λ１，ｄ１）が低温室流入熱量Ｑｉ１（Ｓ２，λ２，ｄ２）以上となるように、低温室筐体壁面積Ｓ１、低温室筐体壁厚ｄ１、筐体壁熱伝導率λ１を定める。
具体的に、図２Ｂでは、曲線Ｃ０及び曲線Ｃ１で表される低温室外部放出熱量Ｑｏ１を参照して、低温室筐体壁面積Ｓ１＝Ｓ１0又はＳ１1、筐体壁熱伝導率λ１＝λ１0又はλ１1、及び低温室筐体壁厚ｄ１＝ｄ１0又はｄ１1と定めることができる。
なお、上記説明では外気温Ｔｅｘ及び高温室温度Ｔ２が変動しないと仮定したが、外気温Ｔｅｘ又は高温室温度Ｔ２が変動する場合であっても、当該変動を考慮して図２Ｂに示すグラフにおける低温室外部放出熱量Ｑｏ１及び低温室流入熱量Ｑｉ１の曲線を適宜定めることができる。したがって、外気温Ｔｅｘ又は高温室温度Ｔ２の値に応じた当該曲線を用いて、適宜、低温室筐体壁面積Ｓ１、筐体壁熱伝導率λ１、及び低温室筐体壁厚ｄ１を定めることができる。
以上説明した本実施形態の燃料電池システムＳでは、高温室Ｈには、燃料電池スタック１０を含む燃料電池モジュール１が配置されている。高温室Ｈ内は、燃料電池モジュール１の作動による発熱で高温環境となる。
特に、本実施形態では、燃料電池モジュール１を構成する燃料電池スタック１０が６００℃〜８００℃程度の作動温度である固体酸化物型燃料電池で構成されるとともに、この固体酸化物型燃料電池における発電のための燃料改質を行う改質装置１２も同様に高温で動作する。したがって、これら燃料電池スタック１０及び改質装置１２で構成される燃料電池モジュール１の作動によって高い熱が放出される。
これに対して、本実施形態の燃料電池システムＳの構成によると、高温室Ｈが高温室壁部１６ａを介して外気と接しているため、燃料電池モジュール１の発熱の一部を高温室壁部１６ａを介して放出することができる。
一方で、断熱隔壁１８が、高温室Ｈと低温室Ｌは筐体１６の断面を区画して設けられているため、高温室Ｈから低温室Ｌへの熱伝導が好適に遮断される。したがって、高温室Ｈから低温室Ｌ内へ熱流入が抑制され、低温室Ｌ内のガス供給系統２０に対する熱害を抑制することができる。
さらに、仮に断熱隔壁１８によって高温室Ｈから低温室Ｌ内への熱伝達の完全に遮断できなくとも、低温室Ｌ内に流入した熱は断熱隔壁１８より熱伝達性能が高い低温室壁部１６ｂを介して外部に放熱される。したがって、低温室Ｌ内における過剰な熱の滞留が抑制される。
また、筐体１６は水密構造を有しており、且つ低温室壁部１６ｂに設けられた第１空気管路通過孔４０、第１燃料管路通過孔４４、及び第１排ガス管路通過孔４８に、それぞれ、水密性シール材６０、６２、６４が設けられているので、筐体１６内部への水分の侵入、特に高温室Ｈ内への水分の侵入が抑制される。これにより、高温室Ｈ内への水分の侵入に起因する燃料電池スタック１０及び改質装置１２の温度の低下及びこれらを構成する部品の酸化劣化等の不具合の発生を抑制することができる。
特に、本実施形態では、このような高温室Ｈ内への水分の侵入の抑制を、低温室Ｌを構成する低温室壁部１６ｂの第１空気管路通過孔４０、第１燃料管路通過孔４４、及び第１排ガス管路通過孔４８に各水密性シール材６０、６２、６４を設けることで実現している。すなわち、各水密性シール材６０、６２、６４を放熱性が向上した低温室Ｌを構成する低温室壁部１６ｂに設けることで水分の侵入を抑制することができるので、高温室Ｈの熱の影響を受け易い位置にこれらシール材を設ける場合と比較して各水密性シール材６０、６２、６４に要求される耐熱性の基準を低くすることができる。
すなわち、各水密性シール材６０、６２、６４を高い耐熱性を有する特殊な材料ではなく、上述した汎用のシール材で構成することができるので、各水密性シール材６０、６２、６４を設けることによるコストアップを抑制することができる。
以上説明した本実施形態の燃料電池システムＳによれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態の燃料電池システムＳは、燃料電池スタック１０及び改質装置１２を含む燃料電池モジュール１を備える。そして、燃料電池システムＳは、燃料電池モジュール１が配置される高温室Ｈと、燃料電池モジュール１に燃料及び酸化剤としての空気を供給するガス供給系統２０が配置される低温室Ｌと、を備える筐体１６を有する。さらに、燃料電池システムＳは、高温室Ｈと低温室Ｌを画定するように筐体１６の断面を区画するとともに、ガス供給系統２０による燃料電池モジュール１への燃料の供給及び空気の供給をそれぞれ許容する供給路としての第２燃料管路通過孔４６及び第２空気管路通過孔４２が形成された断熱隔壁１８を備える。
これにより、筐体１６内において、熱源となる燃料電池モジュール１が配置された高温室Ｈから低温室Ｌへの熱流入を断熱隔壁１８により抑制しつつ、低温室Ｌを構成する筐体１６の低温室壁部１６ｂから該低温室Ｌ内の熱を放熱することができる。これにより、低温室Ｌ内にエアブロア等の装置を設けることなく、低温室Ｌ内に配置されるガス供給系統２０に影響を及ぼすほどの過剰の熱の滞留を抑制することができる。すなわち、システム構成の簡素化及びコストダウンを図りつつも、低温室Ｌ内の所望の放熱性を実現することができる。
また、本実施形態の燃料電池システムＳでは、筐体１６は水密構造を有する。
これにより、筐体１６内部の水分の侵入が抑制される。したがって、筐体１６の内の断熱隔壁１８に水分の侵入を遮断するためのシール材を設けずとも、高温室Ｈ内への水分の侵入が好適に抑制される。すなわち、高温にさらされる断熱隔壁１８に高い耐熱性を有する高価なシール材を用いることなく高温室Ｈ内への水分の侵入を抑制でき、結果として、水分が燃料電池モジュール１に水分が接触することに起因する燃料電池モジュール１の温度低下及び酸化劣化の抑制を図ることができる。
特に、本実施形態では、ガス供給系統２０は、筐体１６の外部から低温室Ｌを介して燃料電池モジュール１に燃料を供給する燃料配管２６と、筐体１６の外部から低温室Ｌを介して燃料電池モジュール１に空気を供給する酸化剤配管としての空気配管２２と、を有する。そして、筐体１６の低温室壁部１６ｂには、燃料配管２６が挿通される燃料配管通過孔としての第１燃料管路通過孔４４と、空気配管２２が挿通される酸化剤配管通過孔としての第１空気管路通過孔４０と、が形成される。そして、第１燃料管路通過孔４４及び第１空気管路通過孔４０には、水密性シール材６０、６２が設けられる。
これにより、水密性シール材６０、６２によって第１燃料管路通過孔４４及び第１空気管路通過孔４０の水密性をより向上させることができるので、筐体１６内部への水分の侵入、特に高温室Ｈ内への水分の侵入をより確実に抑制することができる。
特に、本実施形態では、既に説明したように放熱性が向上した低温室Ｌの低温室壁部１６ｂに水密性シール材６０、６２を設けている。したがって、水密性シール材６０、６２に高い耐熱性を有する特殊な材料を用いずに済むので、水密性シール材６０、６２を汎用のシール材である車両用のリップパッキン、スクィーズドパッキン（Ｏリング）、又はガスケット等で構成することができる。結果として、水密性シール材６０、６２を構成することによるコストアップを抑制しつつ、高温室Ｈ内への水分の侵入を好適に防止することができる。
一方、本実施形態では、低温室Ｌは、該低温室Ｌの温度（低温室温度Ｔ１）が所定温度である基準温度Ｔｒｅｆ以上となる場合に、該低温室Ｌから筐体１６の外部への放出熱量である低温室外部放出熱量Ｑｏ１が、断熱隔壁１８を介した高温室Ｈからの流入熱量である低温室流入熱量Ｑｉ１以上となる目標熱収支条件を満たすように設計される。
すなわち、低温室温度Ｔ１が基準温度Ｔｒｅｆ以上の領域において、低温室Ｌの放熱性能が流入熱量を上回ることとなる。これにより、低温室温度Ｔ１が基準温度Ｔｒｅｆに到達した場合、低温室Ｌ内の熱収支が放熱側になって低温室温度Ｔ１の上昇が抑制される。結果として、低温室温度Ｔ１を低下させるための追加の換気装置等を設けることなく、低温室温度Ｔ１の過剰な温度上昇を抑制することが可能となる低温室Ｌの構成を提供することができる。
特に、本実施形態では、目標熱収支条件を満たすように、筐体１６の低温室壁部１６ｂの面積（低温室筐体壁面積Ｓ１）、低温室壁部１６ｂの熱伝導率（筐体壁熱伝導率λ１）、低温室壁部１６ｂの厚さ（低温室筐体壁厚ｄ１）、断熱隔壁１８の面積（断熱隔壁面積Ｓ２）、断熱隔壁１８の熱伝導率（断熱隔壁熱伝導率λ２）、及び断熱隔壁１８の厚さ（断熱隔壁厚ｄ２）が定められる。
これにより、上記目標熱収支条件を実現し得る低温室Ｌのより具体的な構成が実現されることとなる。特に、燃料電池システムＳを搭載する車両のスペース（容積）の制限などに応じて、各面積、各熱伝導率、及び各厚さの少なくとも何れかを適宜調節して目標熱収支条件を実現し得る燃料電池システムＳを構築することができる。
特に、目標熱収支条件を満たすように、低温室筐体壁面積Ｓ１と断熱隔壁面積Ｓ２の比率を定めることが好ましい。
これにより、低温室筐体壁面積Ｓ１と断熱隔壁面積Ｓ２を適切に設定することで、高温室壁部１６ａ及び断熱隔壁１８を構成する材料の断熱性能やこれらの厚さに依存することなく、低温室温度Ｔ１を基準温度Ｔｒｅｆ以下に維持できる低温室Ｌを構成することができる。したがって、高温室壁部１６ａ及び断熱隔壁１８を形成するために選択し得る材料の汎用性及び厚さの選択性が広がるので、材料のコストダウンを図ることが可能であるとともに、設計自由度が向上する。
より具体的に、低温室筐体壁面積Ｓ１を断熱隔壁面積Ｓ２よりも大きくするほど低温室Ｌ内の放熱性が高くなり、逆に低温室筐体壁面積Ｓ１を断熱隔壁面積Ｓ２よりも小さくするほど低温室Ｌ内の放熱性が低くなるので、所望の基準温度Ｔｒｅｆに応じて、低温室筐体壁面積Ｓ１と断熱隔壁面積Ｓ２の相対的な大小関係を適切に調整することで、目標熱収支条件を満たす低温室Ｌを簡易に構成することができる。
また、本実施形態の燃料電池システムＳにおいて、燃料電池スタック１０を構成する燃料電池は、固体酸化物型燃料電池である。このように、動作温度が高温である固体酸化物型燃料電池により構成される燃料電池スタック１０、及びその改質装置１２等からなる燃料電池モジュール１を有する燃料電池システムＳにおいて、低コストに低温室Ｌ内の放熱性を向上させることはより重要視されるところ、上述した本実施形態に係る構成であれば当該要求を実現できる。
（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図３は、第２実施形態による燃料電池システムの構成を説明する図である。
図示のように、本実施形態の燃料電池システムＳでは、第１実施形態で説明した構成に加えて、高温室Ｈに、燃料電池スタック１０及び改質装置１２からなる燃料電池モジュール１を囲う断熱被覆体７０が設けられている。
断熱被覆体７０は、中空の略矩形状に形成され、内部に燃料電池モジュール１が収容されている。この構成により、燃料電池モジュール１を収容する断熱被覆体７０内から外部への熱の放出が抑制され、燃料電池モジュール１の温度低下による熱損失が抑制される。これは、すなわち、高温室Ｈ内における高温室壁部１６ａと断熱被覆体７０の間の空間への熱放出が抑制されることを意味する。したがって、高温室Ｈから断熱隔壁１８を介して低温室Ｌに流入する熱も低減させることができ、低温室Ｌ内の過剰な熱滞留を抑制する効果をさらに高めることにも寄与する。
以上説明した本実施形態の燃料電池システムＳによれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態の燃料電池システムＳでは、高温室Ｈには、燃料電池モジュール１を囲う断熱被覆体７０が設けられる。
これにより、燃料電池モジュール１の熱損失を抑制しつつも、高温室Ｈから断熱隔壁１８を介した低温室Ｌへの熱流入量をさらに低減させ、当該低温室Ｌの過剰な熱滞留を抑制する効果をさらに高めることができる。
（第３実施形態）
以下、第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態又は第２実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図４は、第３実施形態による燃料電池システムの構成を説明する図である。
図示のように、本実施形態では、第２実施形態で説明した断熱被覆体７０において、当該断熱被覆体７０の一部領域である低温室Ｌと対向する辺部を、第１実施形態で説明した断熱隔壁１８として構成する。すなわち、断熱隔壁１８が断熱被覆体７０と一体に構成されている。また、本実施形態では、断熱被覆体７０における断熱隔壁１８以外の部分が、高温室壁部１６ａの内面に密着して接するよう設けられている。
本実施形態によれば、断熱被覆体７０と断熱隔壁１８を一体に構成することで、簡易且つ低コストに断熱隔壁１８を構成することができる。すなわち、断熱被覆体７０と断熱隔壁１８に別個の断熱材料で構成することによる作業の煩雑化及び材料コストの増加を好適に抑制することができる。
また、断熱被覆体７０における断熱隔壁１８以外の部分が、高温室壁部１６ａの内面に密着して接するよう設けられている。これにより、断熱被覆体７０により遮断しきれない熱は、空間を介することなく直接的に断熱性の低い高温室壁部１６ａに伝達され、筐体１６の外部に放出されることとなる。したがって、高温室壁部１６ａを介して高温室Ｈ内の熱を筐体１６の外部に放出する機能がより向上することとなる。
さらに、本実施形態では図に示すように、断熱被覆体７０は、断熱隔壁１８の厚さとそれ以外の部分の厚さが異なるように形成されている。特に、断熱被覆体７０における断熱隔壁１８の厚さは、断熱被覆体７０におけるそれ以外の部分よりも所定厚さ分厚く構成されている。
これにより、断熱被覆体７０及び高温室壁部１６ａを介した筐体１６の外部への熱伝達経路における断熱性よりも、断熱隔壁１８を介した低温室Ｌへの熱伝達経路における断熱性が高くなっている。したがって、断熱被覆体７０で遮断しきれず熱が漏れ出る場合であって、当該熱を低温室Ｌに流入させることなく筐体１６外部へ放出させる機能がより好適に発揮されることとなる。
また、本実施形態では、断熱被覆体７０における断熱隔壁１８以外の部分が、高温室壁部１６ａの内面の略全体に亘って密着するように設けられている。これにより、筐体１６が断熱被覆体７０を支持及び補強し、強度を高める機能も果たすこととなる。このように断熱被覆体７０を筐体１６の内面に密着させることによる支持・補強機能は、燃料電池システムＳが振動等の外力にさらされる可能性にある車両等の移動体に搭載される場合に特に有用である。
以上説明した本実施形態の燃料電池システムＳによれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態の燃料電池システムＳでは、断熱被覆体７０の一部領域が、断熱隔壁１８として構成される。
これにより、断熱被覆体７０と断熱隔壁１８を別個に構成する場合と比べて、燃料電池システムＳを構成するための作業の煩雑性及びコストを抑制しつつ、当該断熱隔壁１８を構成することができる。
また、本実施形態の燃料電池システムＳでは、断熱被覆体７０は、筐体１６の高温室壁部１６ａに接するように設けられている。
これにより、断熱被覆体７０により遮断しきれない熱は、少なくとも断熱被覆体７０と高温室壁部１６ａが接触する領域において、空間を介することなく直接的に断熱性の低い高温室壁部１６ａに伝達され、筐体１６の外部に放出されることとなる。したがって、高温室壁部１６ａを介して高温室Ｈ内の熱を筐体１６の外部に放出する機能がより向上することとなる。
なお、本実施形態では、断熱被覆体７０における断熱隔壁１８以外の部分が、高温室壁部１６ａの内面の略全体に亘って密着するように設けられている例について説明した。しかしながら、これに限られず、断熱被覆体７０における断熱隔壁１８以外の部分の一部の領域が、高温室壁部１６ａに接する構成であっても良い。
（変形例）
以下、第３実施形態の変形例について説明する。
図５は、第３実施形態の変形例について説明する図である。
図示のように、本変形例では、上記第３実施形態の構成に加えて、断熱隔壁１８に空気層１８ｂが設けられている。これにより、高温室Ｈから低温室Ｌに至る熱伝達に対する断熱性をより向上させることができる。
特に、この場合、断熱被覆体７０における断熱隔壁１８とそれ以外の部分を同じ厚さに構成するか、或いは断熱隔壁１８を相対的に薄く形成した場合であっても、高い断熱性能の空気層１８ｂによって高温室Ｈから低温室Ｌへの熱の流入をより確実に抑制することができる。したがって、断熱被覆体７０において断熱隔壁１８の部分とその他の部分を均一の厚さに構成した断熱被覆体７０であっても、高温室Ｈから低温室Ｌへの熱の抑制機能を好適に維持しつつその設計自由度を向上させることができる。
（第４実施形態）
以下、第４実施形態について説明する。なお、第１〜３実施形態の何れかの要素と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図６は、第４実施形態による燃料電池システムの構成を説明する図である。
図示のように、本実施形態の燃料電池システムＳは、図４で説明した第３実施形態の燃料電池システムＳに加えて、筐体１６の外部に配置された燃料供給装置としての燃料タンク９０と、筐体１６の外部に配置された酸化剤供給装置としてのエアブロア９２と、を有している。
燃料タンク９０は、内部に液体状態の燃料を貯留する。そして、燃料タンク９０には、内部の燃料を燃料配管２６に送り出すポンプ９０ａが設けられている。また、エアブロア９２は、外気を取り込み、空気配管２２に空気を送り出す。
そして、これら燃料タンク９０及びエアブロア９２は、筐体１６の外部、特に燃料電池システムＳ内に筐体１６からの熱伝達の影響が少ない位置、好ましくは外気と同程度の低温環境である位置に配置されている。すなわち、このような低温環境下に配置される燃料タンク９０及びエアブロア９２から燃料配管２６及び空気配管２２に送り出される燃料及び空気も、高温室Ｈの温度に対して低温となる。
本実施形態では、このような低温の燃料及び空気は、低温室Ｌを通過して燃料電池モジュール１に供給される。したがって、高温室Ｈから低温室Ｌ内に熱が流入しても、低温の燃料及び空気が通る燃料配管２６及び空気配管２２からの冷熱により、当該低温室Ｌ内の過剰な温度上昇が抑制される。
以上説明した本実施形態の燃料電池システムＳによれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態によれば、筐体１６の外部に、燃料配管２６に燃料を送り出す燃料供給装置としての燃料タンク９０と、空気配管２２に空気を送り出す酸化剤供給装置としてのエアブロア９２と、が配置される。
すなわち、筐体１６の外部の相対的な低温領域に燃料及び空気の供給源である燃料タンク９０及びエアブロア９２が配置される。これにより、燃料タンク９０及びエアブロア９２から燃料配管２６及び空気配管２２にそれぞれ送り出される低温の燃料及び空気が低温室Ｌを経由するにあたり、低温室Ｌ内の冷却し、その温度上昇を抑制することができる。
さらに、逆に低温室Ｌ内を冷却することで受熱する燃料及び空気は、昇温して高温室Ｈ内の燃料電池モジュール１に供給されるにあたり好適な温度に近づく。したがって、本実施形態の燃料電池システムＳの構成により、低温室Ｌを低温環境に維持する機能及び燃料電池モジュール１への供給に適する温度への燃料及び空気の加熱の双方に寄与することができる。結果として、燃料電池システムＳにおけるエネルギー効率の向上にも資することとなる。
さらに、本実施形態の燃料電池システムＳの構成は、当該燃料電池システムＳが車両に搭載される場合により好ましい効果を発揮する。具体的には、車両において燃料電池システムＳを搭載する場合には、車種毎の要求される航続距離や出力等のスペックに応じて燃料タンク９０及びエアブロア９２の仕様が決められている。
したがって、例えば筐体１６の低温室Ｌ内に燃料タンク９０及びエアブロア９２を配置する構成をとると、車種に応じて燃料電池システムＳの仕様を変更することが要求される。しかしながら、本実施形態の燃料電池システムＳのように、車種毎に異なる仕様が要求される燃料タンク９０及びエアブロア９２を筐体１６の外部に配置するようにしたことで、予め車種に応じた仕様の燃料タンク９０及びエアブロア９２を搭載した車両に、共通仕様の筐体１６及びその内部の燃料電池モジュール１を適用するだけで、車両に燃料電池システムＳの搭載が可能となる。すなわち、燃料電池システムＳの車両への搭載にあたり、車種等に対する汎用性が向上するので、生産性及びコストの観点からより好適となる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更及び修正が可能である。
基準温度Ｔｒｅｆは、低温室Ｌ内のガス供給系統２０において耐熱の観点から許容される低温室温度Ｔ１の上限値又は当該上限値以外にも、状況に応じて所望の値に設定することができる。例えば、低温室温度Ｔ１を耐熱上限値よりも大幅に低い値に設定して、ガス供給系統２０の熱害をより確実に抑制するようにしても良い。
さらに、上記実施形態では、燃料電池スタック１０が固体酸化物型燃料電池により構成される例を説明した。しかしながら、燃料電池スタック１０は、固体高分子型燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、又はりん酸形燃料電池等の作動時に発熱を伴う他の種類の燃料電池により構成しても良い。
また、上記各実施形態及び変形例は、任意に組み合わせが可能である。例えば、第１実施形態の図２Ａ及び図２Ｂで説明した低温室壁部１６ｂ及び断熱隔壁１８の面積、熱伝導率、及び厚さの設定は、第２〜第４実施形態の燃料電池システムＳにも適用が可能である。例えば、図５に示す第３実施形態の燃料電池システムＳにおいては、筐体壁熱伝導率λ１として、断熱隔壁１８の材料部分の熱伝導率λａ及び空気層１８ｂの熱伝導率λｂの合成熱伝導率λｔｏｔａｌを採用することで、図２Ａ及び図２Ｂで説明した方法を同様に実行できる。なお、この合成熱伝導率λｔｏｔａｌは、例えば、（１／λａ）＋（１／λｂ）＝（１／λｔｏｔａｌ）に既知のλａ及びλｂを当てはめて解くことで算出することができる。また、図６に示す第４実施形態では、低温室流入熱量Ｑｉ１として、燃料配管２６及び空気配管２２の燃料及び空気から低温室Ｌに与えられる冷熱分を減算するなどして補正することで、図２Ａ及び図２Ｂで説明した方法を同様に実行できる。
さらに、上記各実施形態及び変形例では、燃料電池モジュール１が燃料電池スタック１０及び改質装置１２で構成される例を説明したが、燃料電池モジュール１が他の蒸発器等の作動時に発熱をともなう他の装置を含んでいても良い。さらに、例えば燃料電池スタック１０を構成する燃料電池のタイプ等によって燃料の改質が要求されない場合には、燃料電池モジュール１が改質装置１２を含まなくても良い。
また、上記各実施形態及び変形例では、断熱隔壁１８は、例えば図１等に示すように、断面略直線状に筐体１６の断面を区画する形状に構成されている。しかしながら、断熱隔壁１８は、断面略直線状以外の形状に構成されても良い。すなわち、断熱隔壁１８は、少なくとも高温室Ｈを画定する辺の一部が筐体１６の壁部（高温室壁部１６ａ）を構成する形態であれば、断面略直線状以外の形状に構成しても良い。
例えば、図７に示すように、高温室壁部１６ａを確保しつつ一部を屈曲させた断熱隔壁１８としても良い。さらに、図８に示すように、図７の構成に加えて、燃料電池モジュール１を断熱被覆体７０で囲う構成としても良い。

Claims (12)

  1. 燃料電池を含む燃料電池モジュールを有する燃料電池システムであって、
    前記燃料電池モジュールが配置される高温室と、前記燃料電池モジュールに燃料及び酸化剤を供給するガス供給系統が配置される低温室と、を備えた筐体と、
    前記高温室と前記低温室を画定するように前記筐体の断面を区画するとともに、前記ガス供給系統による前記燃料電池モジュールへの燃料及び酸化剤の供給を許容する供給路が形成された断熱隔壁と、
    を備え、
    前記断熱隔壁の端部は、前記筐体を構成する壁部に当接し、
    前記低温室は、前記断熱隔壁及び該断熱隔壁よりも熱伝達性能が高い低温室壁部により囲まれた空間により構成される、
    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であって、
    前記筐体は、水密構造を有する、
    燃料電池システム。
  3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記ガス供給系統は、前記筐体の外部から前記低温室及び前記供給路を介して前記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料配管と、前記筐体の外部から前記低温室及び前記供給路を介して前記燃料電池モジュールに酸化剤を供給する酸化剤配管と、を有し、
    前記筐体の低温室壁部には、前記燃料配管が挿通される燃料配管通過孔と、前記酸化剤配管が挿通される酸化剤配管通過孔と、が形成され、
    前記燃料配管通過孔及び前記酸化剤配管通過孔には、水密性シール材が設けられる、
    燃料電池システム。
  4. 燃料電池を含む燃料電池モジュールを有する燃料電池システムであって、
    前記燃料電池モジュールが配置される高温室と、前記燃料電池モジュールに燃料及び酸化剤を供給するガス供給系統が配置される低温室と、を備えた筐体と、
    前記高温室と前記低温室を画定するように前記筐体の断面を区画するとともに、前記ガス供給系統による前記燃料電池モジュールへの燃料及び酸化剤の供給を許容する供給路が形成された断熱隔壁と、
    を備え、
    前記断熱隔壁の端部は、前記筐体を構成する壁部に当接し、
    前記筐体は、水密構造を有し、
    前記ガス供給系統は、前記筐体の外部から前記低温室及び前記供給路を介して前記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料配管と、前記筐体の外部から前記低温室及び前記供給路を介して前記燃料電池モジュールに酸化剤を供給する酸化剤配管と、を有し、
    前記筐体の低温室壁部には、前記燃料配管が挿通される燃料配管通過孔と、前記酸化剤配管が挿通される酸化剤配管通過孔と、が形成され、
    前記燃料配管通過孔及び前記酸化剤配管通過孔には、水密性シール材が設けられ、
    前記筐体の外部に、前記燃料配管に燃料を送り出す燃料供給装置と、前記酸化剤配管に酸化剤を送り出す酸化剤供給装置と、が配置される、
    燃料電池システム。
  5. 請求項３又は４に記載の燃料電池システムであって、
    前記水密性シール材は、パッキン又はガスケットである、
    燃料電池システム。
  6. 燃料電池を含む燃料電池モジュールを有する燃料電池システムであって、
    前記燃料電池モジュールが配置される高温室と、前記燃料電池モジュールに燃料及び酸化剤を供給するガス供給系統が配置される低温室と、を備えた筐体と、
    前記高温室と前記低温室を画定するように前記筐体の断面を区画するとともに、前記ガス供給系統による前記燃料電池モジュールへの燃料及び酸化剤の供給を許容する供給路が形成された断熱隔壁と、
    を備え、
    前記断熱隔壁の端部は、前記筐体を構成する壁部に当接し、
    前記低温室は、該低温室の温度が所定温度以上となる場合に、該低温室から前記筐体の外部への放出熱量が、前記断熱隔壁を介した前記高温室からの流入熱量以上となる目標熱収支条件を満たすように構成され、
    前記所定温度は、前記ガス供給系統において耐熱の観点から許容される前記低温室の温度の上限値又は当該上限値から所定のマージンを減算した値である、
    燃料電池システム。
  7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
    前記目標熱収支条件を満たすように、前記筐体の低温室壁部の面積、前記筐体の低温室壁部の熱伝導率、前記筐体の低温室壁部の厚さ、前記断熱隔壁の面積、前記断熱隔壁の熱伝導率、及び前記断熱隔壁の厚さの少なくとも何れか一つが定められた、
    燃料電池システム。
  8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
    前記目標熱収支条件を満たすように、前記筐体の低温室壁部の面積と前記断熱隔壁の面積の比率が定められた、
    燃料電池システム。
  9. 請求項１〜８の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記高温室には、前記燃料電池モジュールを囲う断熱被覆体が設けられた、
    燃料電池システム。
  10. 請求項９に記載の燃料電池システムであって、
    前記断熱被覆体の一部領域が、前記断熱隔壁として構成される、
    燃料電池システム。
  11. 請求項９又は１０に記載の燃料電池システムであって、
    前記断熱被覆体は、前記筐体の高温室壁部に接するように設けられた、
    燃料電池システム。
  12. 請求項１〜１１の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池は、固体酸化物型燃料電池である、
    燃料電池システム。
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