JP7072366B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、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複数積層したセルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを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。

このような燃料電池装置には燃料電池モジュールのほか、外装ケース内に熱交換器、供給電力調整部、ラジエター、水タンク、燃料電池モジュールに燃料ガスを送り込むための燃料ポンプおよび燃料電池モジュールに空気を送り込むためのブロアなどの補機を内蔵している。

このような燃料電池装置において、外装ケース内を換気するために、外装ケースの側壁に吸気口が設けられており、吸気口に近接して配設された吸気ファンによって吸気口から外気を取り込み、対向する側壁に設けた排気口から外装ケース内の空気を排気するように構成されている（たとえば、特許文献１を参照）。

特開２００９－２７７６１２号公報

ところで、外装ケース内の換気が不十分であると、燃料電池モジュール等の放熱によって発生した熱が外部に排出されにくくなり、外装ケース内に熱が留まって次第に雰囲気温度が高温となってしまうおそれがある。この場合に、外装ケース内に配置される補機の寿命が短くなって燃料電池装置の信頼性が低下するおそれがあった。

本開示の燃料電池装置は、燃料電池セルが収納容器に収納されてなる燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを作動させるための複数の補機と、前記燃料電池モジュールおよび前記補機を収納し、長側面である第１内壁面および排気口を有する第２内壁面と、前記第１内壁面および前記第２内壁面をつなぐ短壁面と、を有する直方体形状の外装ケースと、前記外装ケース内を換気する気流を発生させるためのファンと、前記第１内壁面、前記短壁面、前記第２内壁面に沿って流れるように偏向させる気流偏向部材と、を備える。

本開示の燃料電池装置によれば、外装ケース内の換気効率を向上させることができ、これにより信頼性の高い燃料電池装置を実現することができる。

第１実施形態の燃料電池装置の一例を示すブロック図である。 燃料電池モジュールの一例を示す分解斜視図である。 燃料電池装置の一例を示す平面図である。 燃料電池装置の一例を示す側面図である。 燃料電池装置の一例を示す平面図である。 第２実施形態の燃料電池装置の気流偏向部材の外観を示す平面図である。 気流偏向部材の外観を示す正面図である 気流偏向部材の外観を示す斜視図である

図１は、第１実施形態の燃料電池装置の一例を示すブロック図である。また、図２は燃料電池モジュールの一例を示す分解斜視図である。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、収容容器２４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を含み、燃料電池モジュール２を作動させるための、熱交換器３１、蓄熱タンク３２、放熱器３３、凝縮水タンク３４、供給電力調整部３５、燃料供給装置４１および空気供給装置４２等の複数の補機とともに外装ケースに納められている。外装ケース内には上述の装置全てが収められる必要はなく、例えば、熱交換器３１や蓄熱タンク３２を外装ケースの外部に設けてもよい。また、上述の装置の一部を省略した燃料電池装置も可能である。

改質器１０には、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が接続されている。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４１が設けられている。原燃料と改質水は、加熱された改質器１０で改質反応し、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２３を多数接続したセルスタック２２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からセルスタック２２内に供給される。セルスタック装置２０において、セルスタック２２の外側には空気供給管１０３から酸素含有ガスである空気が導入されている。空気供給管１０３には、空気供給装置４２が接続されており、空気供給装置４２によって、セルスタック装置２０に空気を送り込む。改質ガスは、セルスタック２２内を通過するときに、この空気と反応して発電を行う。発電に使用されなかった改質ガスは、セルスタック２２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を加熱する。燃料電池モジュール２で発電された電力は供給電力調整部３５に送られ、負荷における電力消費および蓄電池への蓄電などに用いることができる。

燃料電池モジュール２は高温となるため、断熱材で包囲されて、外装ケース６０内に配置されている。本実施形態では、断熱材を含めて燃料電池モジュール２とすることもできる。また断熱材を固定する枠体を含めて燃料電池モジュール２とすることもできる。収容容器２４は、収容容器本体２４ａと蓋体２４ｂとからなり、蓋体２４ｂにはセルスタック装置２０から排出される排ガスが供給される熱交換器３１が接続されている。なお、燃料電池モジュール２は、収納容器２４内に収納される燃料電池セルの形態にあわせて、適宜その構造は変更してもよい。

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に導入されている熱媒体と排ガスとで熱交換される。熱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、熱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３４に送られる。凝縮水タンク３４において、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。不要な水は凝縮水タンク３４からドレイン１０９を介して排出される。

媒体は、蓄熱タンク３２、放熱器３３および熱交換器３１を順に循環する。蓄熱タンク３２には媒体が蓄えられている。媒体は蓄熱タンク３２から放熱器３３に送られて冷却された後、熱交換器３１に送られる。熱交換器３１において、媒体は、排ガスと熱交換を行って加熱される。温度が上昇した媒体は蓄熱タンク３２に還流する。蓄熱タンク３２には冷水を供給する給水管１０８ａと、温水を導出する給湯管１０８ｂと、が設けられている。なお、蓄熱タンク３２は、直接外部へ温水を供給することもでき、また別の熱交換器等を用いて間接的に外部へ温水を供給することもできる。

図３は、燃料電池装置の一例を示す平面図である。なお、内部構造がよくわかるように燃料電池装置の天板を取り除いた平面図としている。図４および図５は、燃料電池装置の一例を示す側面図である。なお、内部構造がよくわかるように燃料電池装置の側壁を一部取り除いた側面図としている。

本実施形態は、たとえば、燃料電池装置１の外装ケース６０内に、燃料供給装置４１および空気供給装置４２などの補機が配置されている。これら燃料供給装置４１および空気供給装置４２を含む各種補機は、燃料電池装置１の外装ケース６０内に適宜配置される。本実施形態では、例えば、燃料供給装置４１および空気供給装置４２は、燃料電池装置１の上方側に配置されている。ここで、「上方側」とは、外装ケース６０内において、燃料電池モジュール２の収容容器２４を上下に二等分する仮想面よりも上側をいう。なお、下方側は、前記仮想面よりも下側をいう。燃料供給装置４１および空気供給装置４２は、上方側に配置するために、外装ケース６０内に設けられた棚部材５０に固定することができる。

空気供給装置４２は、空気取り入れ口４２ａから流入した空気が、エアフィルタ４２ｂを通ってブロア４２ｃを経由し、さらに空気供給管１０３を通って燃料電池モジュール２に供給されるように構成されている。本実施形態では、空気取り入れ口４２ａが、上方側に配置されているので、比較的高温の空気を空気供給装置４２に取り込むことができる。これにより、燃料電池モジュール２を高温に保つことができ、燃料電池装置１の発電効率を向上させることができる。なお、空気供給管１０３は、その一部を樹脂配管とすることができる。

燃料電池装置１には、外装ケース６０内を換気するためのファン３５ａが配設されている。高温の空気は上方に滞留するので、外装ケース６０内の比較的高温の空気を外部に排気するには、ファン３５ａを燃料電池装置１の上方側に配設すればよい。また、ファン３５ａを上方側に配置することで、燃料供給装置４１および空気供給装置４２周辺の空気を換気することができる。ファン３５ａは、例えば、送風方向（回転羽根の回転軸方向）が、水平方向と平行であって、中央に向かう方向となるように配設されている。水平方向と平行であるとは、ファン３５ａの送風方向と水平方向とのなす角度が±１０°の範囲内であればよい。なおファン３５ａは単体で設けてもよく、後述するように、供給電力調整部３５に設けられた排気ファンを兼用することもできる。本実施形態においては、供給電力調整部３５に設けられた排気ファンを兼用する例にて説明する。

本実施形態は、ファン３５ａによって発生した気流を偏向する気流偏向部材７０を備えている。気流偏向部材７０は、ファン３５ａによって発生した気流を、外装ケース６０の第１内壁面６１に対向しない方向に流れるように偏向させる。これによって、ファン３５ａによって発生した気流の流れ方向が、第１内壁面６１に対して、直交方向以外の方向となるように偏向される。第１内壁面６１は、直方体形状の外装ケース６０の、天面および底面を除く４つの内側面のうちいずれか１つである。例えば、外装ケース６０の４つの内側面は、平面視で長辺に相当する一対の内側面（長側面）と、短辺に相当するもう一対の内側面（短側面）とからなる。本実施形態では、第１内壁面６１を長側面としており、気流が長側面である第１内壁面６１に斜め方向に向かうように、気流偏向部材７０が設けられる。

気流偏向部材７０によって流れ方向が偏向され、第１内壁面６１に向かった気流は、第１内壁面６１に斜めから衝突し、第１内壁面６１に沿って流れることになる。この気流は、排気口６０ａから外装ケース６０外部へと排気される。本実施形態では、ファン３５ａによって発生した気流を気流偏向部材７０で偏向し、第１内壁面６１に沿って流れるように構成したので、第１内壁面６１近傍に留まる空気を押し流すことができる。さらに、第１内壁面６１に隣接する他の内壁面と連なる部分である隅部にも気流が到達し易くなり、この隅部に留まる空気も押し流すことができるので、外装ケース６０内の換気効率が向上する。これにより、燃料電池モジュール２からの放熱によって発生した熱が留まることを防止して外装ケース６０内の温度上昇を抑制することができるので、外装ケース６０内に配置される補機への熱の影響を軽減し、補機の信頼性の低下を抑制できる。

気流偏向部材７０は、ファン３５ａによって発生した気流の流れを、所望の方向に偏向できる構成であれば、どのようなものであってもよい。例えば、邪魔板、案内板のような板状部材をファン３５ａに対向して設けてもよいし、ダクトのような管状部材をファン３５ａに接続して設けてもよい。板状部材であれば、気流の流れ方向は、その延びる方向と平行な方向に偏向される。管状部材であれば、気流の流れ方向は、吹き出し口となる開口の向く方向に偏向される。

本実施形態は、例えば、気流偏向部材７０がダクトとなっており、その吹き出し口７１の向きが、第１内壁面６１に対向しない方向となるように設けられている。ダクトは、ファン３５ａによって発生した気流の風量を保持して吹き出し口７１から吹き出すことができる。本実施形態では、気流を偏向させるためにダクトの管路を屈曲させているが、例えば、管路断面の形状または管路断面の断面積は、ファン３５ａとの接続部分から吹き出し口７１まで一定としている。気流偏向部材７０の管路断面の形状は、特に限定されず、円形状（真円および楕円を含む）であってもよく、四角形状（正方形および矩形を含む）であってもよく、その他の多角形状などであってもよい。

外装ケース６０には、換気のために外装ケース６０内の空気を排気する排気口が設けられる。ファン３５ａが燃料電池装置１の上方側に配設される場合は、排気口６０ａが上方側に設けられる。この場合、下方側にさらに排気口が設けられていてもよい。ファン３５ａが燃料電池装置１の下方側に配設される場合は、排気口６０ａが下方側に設けられる。この場合、上方側にさらに排気口が設けられていてもよい。本実施形態では、ファン３５ａが上方側に配設されており、排気口６０ａが上方側に１箇所設けられている。ファン３５ａの送風方向が水平方向に平行であって、排気口６０ａが上方側のみであれば、ファン３５ａの動作によって外装ケース６０内の、特に上方側の空気は、排気口６０ａから外部へと排気される。ファン３５ａと排気口６０ａとは、同じ高さ位置にあってもよい。同じ高さ位置とは、例えば、燃料電池装置１を側面視したときに、ファン３５ａの回転軸が、排気口６０ａと重なる位置である。

ファン３５ａの送風能力を適宜設定することで、ファン３５ａによって発生し、気流偏向部材７０によってその方向が偏向され、第１内壁面６１に衝突したのち、第１内壁面６１に沿って流れる気流は、第１内壁面６１から、それに連なる短壁面６３に沿って流れ、さらには、第１内壁面６１に対向する第２内壁面６２に沿って流れるように構成することもできる。また、外装ケース６０内の空気を排気する排気口６０ａを、第２内壁面６２に設けることによって、第２内壁面６２に沿って流れる気流は、この排気口６０ａから装置外部へと排気される。このように、複数の内壁面に沿って気流が流れるように構成することで、外装ケース６０内の広い範囲において効率よく空気を押し流して換気を行うことが可能となる。なお、排気口６０ａは、気流偏向部材７０より偏向された気流が、少なくとも第１内壁面６１の一方の隅部に流れた後に、排気口６０ａに向かうように設ければよく、第１内壁面６１に設けることもできる。

さらに、排気口を１箇所とすることにより、ファン３５ａから排気口６０ａまで、外装ケース６０内部の気流の流れを一方向にすることができる。これにより、気流が分散せずに流速を保持することができるので、外装ケース６０内の複数の内壁面に沿って流れてきた空気を外装ケース６０の外に効率よく押し流すことができる。以上により、外装ケース６０内の換気効率がさらに向上し、燃料電池モジュール２からの放熱によって発生した熱を外装ケース６０内に留まらせることなく外部に排出することができる。

燃料供給装置４１によって改質器１０に供給される燃料ガスは、例えば、メタンガスなどの可燃性ガスであるため、燃料電池装置１は、外装ケース６０内に燃料ガスを検知するガスセンサ８０を備える。ガスセンサ８０によって燃料ガスが検知されると、燃料供給装置４１の動作を停止させたり、ガス漏れを報知するなどの対応が可能となる。本実施形態では、ガスセンサ８０は、内壁面の排気口６０ａ側にあり、吹き出し口７１の向きに対して吹き出し口７１と排気口６０ａとの間にある。すなわち、上記のように、気流偏向部材７０であるダクトの吹き出し口７１から吹き出した気流は、第１内壁面６１、短壁面６３、第２内壁面６２に沿って流れ、排気口６０ａから排気されるが、この吹き出し口７１と排気口６０ａとの間の気流の流れに沿った位置にガスセンサ８０が設けられている。なお、気流の流れ方向は一方向であるので、ガスセンサ８０の位置よりも下流でガス漏れがあると、ガスセンサ８０で検知することが困難となる。したがって、内壁面（短壁面６３あるいは第２内壁面６２）に沿った位置であり、この気流の最下流である排気口６０ａ側に設けている。ここで、内壁面に沿った位置とは、図３の平面図に示すように、対向する任意の２つの内壁面の間の寸法（第１内壁面６１と第２内壁面６２との間の距離である寸法ｄ、短壁面６３とこれに対向する内壁面との間の距離である寸法ｗ）をそれぞれ三等分（ｄ／３、ｗ／３）したときに、対応する内壁面側の範囲内にあることをいう。また、排気口６０ａ側とは、排気口６０ａが設けられた第２内壁面６２に沿う範囲であり、かつ短壁面６３から排気口６０ａまでの間にあることをいう。

本実施形態においては、ガスセンサ８０は、図３にハッチングで示した範囲内に設けられているのが好ましい。この構成により、ガス漏れが生じた場合には、漏れたガスが気流によってガスセンサ８０まで運ばれるので、確実にガス漏れを検知することができる。

また、換気用のファン３５ａとして、供給電力調整部３５の排気ファンを利用することができる。供給電力調整部３５は、その筐体内に配線基板などの発熱部材が収納されており、筐体内の空気を排気ファンによって筐体外部へと排気することで、配線基板を冷却している。このような供給電力調整部３５の排気ファンを換気用のファン３５ａとして利用する。換気用のファンを別途設ける必要がないので、消費電力を抑え、コストの上昇を防ぐことができる。

排気ファンは、供給電力調整部３５の外装ケース６０内における配置位置、供給電力調整部３５の筐体内の排気効率などが考慮されて設けられる。換気用のファン３５ａとして、供給電力調整部３５の排気ファンを利用する場合、換気用のファン３５ａとしての考慮はされていないので、気流偏向部材７０を用いて、気流の流れを制御することで、排気ファンとしても換気用ファンとしても機能させることができる。この排気ファンからの気流により、排気ファンから排出される空気の温度よりもさらに高温である燃料電池モジュール２からの放熱によって発生した熱を外装ケース６０外部に排出するので、外装ケース６０内の温度上昇を抑制することができる。

本実施形態において棚部材５０は、例えば、燃料電池モジュール２の直上から空間をあけて設けられている。すなわち、燃料電池モジュール２の収容容器２４の外周に設けられた断熱材及び枠体と棚部材５０との間に空隙が設けられている。燃料電池モジュール２の収容容器２４は、燃料電池モジュール２の動作によって表面温度が上昇するが、燃料電池モジュール２と棚部材５０との間の空隙によって、収容容器２４から棚部材５０への伝熱を軽減できるので、棚部材５０はもちろんのこと、棚部材５０に載置した補機の信頼性の低下を抑制することができる。

図６は、第２実施形態の燃料電池装置の気流偏向部材の外観を示す平面図である。図７は、気流偏向部材の外観を示す正面図であり、図８は、気流偏向部材の外観を示す斜視図である。第２実施形態は、気流偏向部材７０Ａの形状が異なっている以外は、第１実施形態と同じ構成であるので、以下では、気流偏向部材７０Ａについて説明し、他の構成については、説明を省略する。

第１実施形態の気流偏向部材７０は、上記のようにダクトであり、管路断面の形状が一定となっている。本実施形態の気流偏向部材７０Ａは、第１実施形態と同様にダクトであるが、吹き出し口７１Ａに向かって先細である。例えば、気流偏向部材７０Ａの管路断面形状が四角形状である場合には、吹き出し口７１Ａに向かって、幅方向の寸法は一定のままで、高さ方向の寸法が徐々に小さくなるものであってもよく、吹き出し口７１Ａに向かって、高さ方向の寸法は一定のままで、幅方向の寸法が徐々に小さくなるものであってもよく、吹き出し口７１Ａに向かって、高さ方向の寸法も幅方向の寸法も徐々に小さくなるものであってもよい。本実施形態の例では、図６の平面図に示すように、幅方向の寸法が徐々に小さくなっており、図７の正面図に示すように、高さ方向の寸法も徐々に小さくなっている。

ダクトである気流偏向部材７０Ａを、吹き出し口７１Ａに向かって先細となる形状とすることで、吹き出し口７１Ａに向かうにつれて管路断面の断面積が小さくなり、気流偏向部材７０Ａ内において、流速は増加する。したがって、本実施形態のような先細の気流偏向部材７０Ａを用いることで、ファン３５ａによって生じた気流の流速よりも流速を増加させて吹き出し口７１Ａから吹き出させることができる。このように、気流の流速を増加させることで、換気効率がさらに向上する。

ダクトである気流偏向部材７０Ａは、部材全体にわたって先細となっていてもよく、一部が先細となっていてもよい。本実施形態では、ファン３５ａとの接続部分から管路長さが所定長さ分までは管路断面が一定または断面積がやや大きくなっており、残りの管路長さ分については、吹き出し口７１Ａに向かって先細となっている。

本実施形態の気流偏向部材７０Ａは、図８に示すように、ファン３５ａの周りを３面の板状部材で囲うことによりダクトを形成しているが、本実施形態では少なくとも３面によって囲われていれば、気流の出口を吹き出し口と呼ぶ。なお、ファン３５ａの周りを４面の板状部材で囲って筒状の気流偏向部材７０Ａを形成してもよい。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明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。

１ 燃料電池装置
２ 燃料電池モジュール
２２ セルスタック
２３ 燃料電池セル
２４ 筐体
３５ 供給電力調整部
３５ａ ファン
６０ 外装ケース
６０ａ 排気口
６１ 第１内壁面
６２ 第２内壁面
６３ 短壁面
７０，７０Ａ 気流偏向部材
７１，７１Ａ 吹き出し口
８０ ガスセンサ

Claims (6)

1. 燃料電池セルが収納容器に収納されてなる燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールを作動させるための複数の補機と、
   前記燃料電池モジュールおよび前記補機を収納し、長側面である第１内壁面および排気口を有する第２内壁面と、前記第１内壁面および前記第２内壁面をつなぐ短壁面と、を有する直方体形状の外装ケースと、
   前記外装ケース内を換気する気流を発生させるためのファンと、
   前記ファンによって発生した気流が、前記第１内壁面、前記短壁面、前記第２内壁面に沿って流れるように偏向させる気流偏向部材と、を備える燃料電池装置。
2. 前記気流偏向部材は、前記気流を吹き出す吹き出し口を有し、
   前記吹き出し口の向きが、前記第１内壁面に対向しない方向となる請求項１記載の燃料電池装置。
3. 前記排気口は１箇所である、請求項２記載の燃料電池装置。
4. 前記燃料電池セルには、発電に必要な燃料ガスおよび酸素含有ガスが供給され、
   前記外装ケースの内部には前記燃料ガスを検知するガスセンサをさらに備え、
   前記ガスセンサは、前記第２内壁面に沿った位置にあり、前記吹き出し口の向きに対して前記吹き出し口と前記排気口との間にある、請求項３記載の燃料電池装置。
5. 前記気流偏向部材は、前記吹き出し口を有するダクトを含み、
   前記ダクトは、前記吹き出し口に向かって先細である、請求項２～４のいずれか１つに記載の燃料電池装置
6. 前記燃料電池モジュールにて発電された電力を外部負荷に供給する供給電力調整部をさらに備え、
   前記ファンは、前記供給電力調整部の熱を排出する排気ファンである、請求項１～５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。

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