JP7256710B2 - 吸気予熱装置および燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明による実施形態は、吸気予熱装置および燃料電池発電システムに関する。

外気温度が氷点下となる寒冷地に設置される燃料電池発電システムでは、外部から供給される空気の温度が下がると、燃料電池発電システム内にある機器や配管が凍結し、故障や破損の原因となる。機器や配管の凍結を防止するため、寒冷地に設置される燃料電池発電システムには、外気温度が低くなると燃料電池発電システムに供給される空気を予め加温する吸気予熱ユニットが設けられている。

従来の吸気予熱ユニットは、燃料電池のパッケージ内部に設置され、吸気口から吸入された空気の流路を有し、流路を通る空気をヒータなどによってパッケージ内部の機器等が凍結しない温度まで予熱し、予熱された空気を燃料電池に供給する構成が一般的であった。

しかしながら、従来の吸気予熱ユニットは、吸気予熱ユニットが不要な標準型の燃料電池発電システムに対して大きく構成を変える必要があったため、構成が複雑かつ高価なものになる傾向にあった。

特開２０１３－６９５２０号公報

本発明が解決しようとする課題は、標準型の燃料電池発電システムの設計を活用することで構成の簡素化および低コスト化が可能な吸気予熱装置および燃料電池発電システムを提供することである。

本実施形態による吸気予熱装置は、筐体と、吸気口と、接続口と、空気の流路と、加熱部と、を備える。筐体は、燃料電池パッケージに接続可能である。吸気口は、筐体に設けられ、筐体の外部から筐体の内部に空気を吸入する。接続口は、筐体に設けられ、筐体を燃料電池パッケージに接続する。空気の流路は、筐体の内部に、吸気口から接続口まで設けられている。加熱部は、流路上に配置され、空気を加熱する。

第１の実施形態による吸気予熱ユニットを示す断面図である。 第１の実施形態による燃料電池発電システムを示す断面図である。 第２の実施形態による吸気予熱ユニットを示す断面図である。 第３の実施形態による吸気予熱ユニットを示す断面図である。 第４の実施形態による吸気予熱ユニットを示す断面図である。 第４の実施形態による吸気予熱ユニットを示す側面図である。 第５の実施形態による吸気予熱ユニットを示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号または類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、吸気予熱装置の一例である第１の実施形態による吸気予熱ユニット１を示す断面図である。図２は、第１の実施形態による燃料電池発電システム２を示す断面図である。

吸気予熱ユニット１は、図２に示される燃料電池パッケージ３とともに燃料電池発電システム２を構成し、燃料電池パッケージ３に吸入される空気（すなわち、吸気）を予熱する装置である。燃料電池発電システム２は、吸気予熱ユニットが内蔵されていない標準型の燃料電池発電システムの設計を基本とし、寒冷地仕様とする場合のオプションとして、標準型の燃料電池発電システムの設計に軽微な変更を加えるだけで吸気予熱ユニット１を設置できる構成である。

具体的には、図１に示すように、吸気予熱ユニット１は、筐体４と、吸気口５と、接続口６と、空気の流路７と、加熱部８と、を備える。

筐体４は、図２に示される燃料電池パッケージ３に接続可能である。筐体４が燃料電池パッケージ３に接続可能であることで、寒冷地仕様とする場合にオプションで吸気予熱ユニット１を燃料電池発電システム２に設置することができる。

吸気口５は、筐体４に設けられている。吸気口５は、筐体４の外部から筐体４の内部に空気Ａを吸入する。

より詳しくは、図１に示すように、吸気口５は、筐体４の前壁部４１上の上端部近傍位置に設けられている。筐体４の上端部近傍位置に吸気口５が設けられていることで、積雪によって吸気口５が塞がれることを回避することができる。

接続口６は、筐体４に設けられている。接続口６は、筐体４を燃料電池パッケージ３に接続する。より詳しくは、接続口６は、前壁部４１と反対側の筐体４の後壁部４２上に設けられている。

流路７は、筐体４の内部に吸気口５から接続口６まで設けられている。流路７は、吸気口５から吸入された空気Ａを接続口６まで流動させ、接続口６から空気Ａを排出して燃料電池パッケージ３内に供給する。

より詳しくは、流路７は、筐体４の内部において２回折り返されていることで、上流側流路部７１と、中流側流路部７２と、下流側流路部７３との互いに隣り合うように連続する３列の流路部７１～７３を有する。さらに詳しくは、流路７は、筐体４の上壁部４３から底壁部４４側に延びる上流側流路壁７４と、上流側流路壁７４の下流側において筐体４の底壁部４４から上壁部４３側に延びる下流側流路壁７５とによって３列の流路部７１～７３に区分されている。

加熱部８は、流路７上に配置されている。加熱部８は、流路７を流れる空気を加熱する。第１の実施形態において、加熱部８は、シーズヒータなどの電気ヒータで構成されている。

より詳しくは、加熱部８は、３列の流路部７１～７３のうちの中流側流路部７２上に配置されている。中流側流路部７２上に配置されていることで、加熱部８は、吸気予熱ユニット１の外部への放熱を抑制しながら効率的に空気を加熱することができる。また、流路７が２回折り返されていることで、加熱部８は、中流側流路部７２を流れる空気だけでなく、中央側流路部７２に隣り合う上流側流路部７１および下流側流路部７３を流れる空気も加熱することができる。すなわち、加熱部８によれば、自己再熱回収が可能である。

一方、図２に示すように、燃料電池パッケージ３は、隔壁３０で仕切られた機械室３１と電気室３２とを有する。機械室３１内には、吸気予熱ユニット１から供給された空気中の酸素と燃料の供給源（図示せず）から供給された燃料中の水素を反応させて発電するセルスタック３３（すなわち、電池本体）と、吸気予熱ユニット１から供給された空気を、流路３９を通してセルスタック３３に導入するブロワ３４と、機械室３１内で漏れた燃料を排気口３５を通して排気するための換気ファン３６とが配置されている。これらの機器の他にも、機械室３１内には、ポンプ（図示せず）などのプロワ３４以外の補機類が配置されている。電気室３２内には、セルスタック３３に電気的に接続されたインバータや制御基板などの電気機器３１０や、ファン３７が配置されている。機械室３１内よりも電気室３２内の圧力を高くするため、電気室３２内のファン３７は、電気室３２内に正圧を形成するように電気室３２の吸気口３８付近に配置され、機械室３１内の換気ファン３６は、機械室３１内に負圧を形成するように機械室３１の排気口３５付近に配置されている。機械室３１内よりも電気室３２内の圧力を高くすることで、機械室３１側から電気室３２側に燃料ガスが流入して電気機器３１０に悪影響を与えることを抑制することができる。

上記のように構成された吸気予熱ユニット１は、図２に示すように、接続口６を介して機械室３１および電気室３２に１つずつ接続されることで、寒冷地仕様の燃料電池発電システム２を構成することができる。

このような燃料電池発電システム２において、寒冷地の低温の外気Ａは、吸気口５から筐体４の内部に吸入され、上流側流路部７１、中流側流路部７２および下流側流路部７３を順に流れる過程で加熱部８によって少なくとも燃料電池パッケージ３内を凍結させない温度まで加熱される。

加熱部８で加熱された空気Ａは、接続口６から排出されて燃料電池パッケージ３内に供給される。より詳しくは、機械室３１に接続された一方の吸気予熱ユニット１の加熱部８によって加熱された空気Ａは、機械室３１内に供給され、電気室３２に接続された他方の吸気予熱ユニット１の加熱部８によって加熱された空気Ａは、電気室３２内に供給される。

機械室３１内に供給された空気Ａの一部は、ブロワ３４によってセルスタック３３に導入されて発電に用いられる。機械室３１内に供給された空気Ａの他の一部は、換気ファン３６による機械室３１の換気に用いられる。

電気室３２内に供給された空気Ａは、電気室３２内を凍結させない温度まで電気室３２内を加熱したうえで電気室３２の排気口３１１から排気される。

第１の実施形態によれば、寒冷地仕様の場合にオプションで燃料電池パッケージ３に吸気予熱ユニット１を接続できることで、標準型の燃料電池発電システムの設計を活用して構成の簡素化および低コスト化を図ることができる。

なお、発電の停止中などの燃料電池パッケージ３への空気Ａの供給が不要な場合においても、中流側流路部７２上の加熱部８によって吸気予熱ユニット１内の空気Ａを加熱すれば、吸気予熱ユニット１内に高温の空気Ａを効率的に溜めることができる。これにより、燃料電池パッケージ３への低温の外気の流入を抑制することができる。

（第２の実施形態）
次に、吸気口の開閉機構を備える第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態による吸気予熱ユニット１を示す断面図である。

図３に示すように、第２の実施形態による吸気予熱ユニット１は、第１の実施形態の構成に加えて、更に、吸気口５を開閉可能な開閉機構９を備える。

図３に示すように、開閉機構９は、上下に隣り合うように吸気口５に配置された複数の板状部材９１を有する。各板状部材９１は、それぞれの回転軸９２を中心に回転することで、吸気口５の開口面積を変更可能である。例えば、板状部材９１は、図３において実線で示すように、板状部材９１の外側（外気側）の端部が板状部材９１の内側（流路７側）の端部よりも下方に位置するように傾斜することで、吸気予熱ユニット１の内部への雨水の侵入を抑制しつつ、吸気口５を開放することができる。一方、図３において破線で示すように、板状部材９１が実線の状態よりも更に大きく傾斜して隣り合う板状部材９１同士が接触または近接することで、吸気口５を遮蔽することができる。

板状部材９１の回転は、手動および自動のいずれであってもよい。板状部材９１を自動で回転させる場合、例えば、板状部材９１を回転させるアクチュエータ（図示せず）は、燃料電池パッケージ３の電気機器３１０側から発電停止を通知する信号を受信したことに応じて、吸気口５を遮蔽する位置まで板状部材９を回転させてもよい。

第２の実施形態によれば、発電の停止中などの燃料電池パッケージ３への空気Ａの供給が不要な場合に、開閉機構９で吸気口５を遮蔽することで、燃料電池パッケージ３への低温の外気Ａの流入を防止することができる。

（第３の実施形態）
次に、バイパス流路を備える第３の実施形態について説明する。図４は、第３の実施形態による吸気予熱ユニット１を示す断面図である。

図４に示すように、第３の実施形態における吸気予熱ユニット１は、第１の実施形態の構成に加えて、更に、バイパス流路１０を形成可能に構成されている。

バイパス流路１０は、筐体４の内部に、加熱部８を経由せずに吸気口５側から接続口６側まで設けられる。より詳しくは、図４に示される例において、バイパス流路１０は、上流側流路部７１の上流端と、中流側流路部７２の下流端とで構成される。

また、第３の実施形態において、上流側流路壁７４は、切替部の一例である可動壁部７４１を有する。可動壁部７４１は、空気が加熱部８を経由する流路７およびバイパス流路１０のいずれを流れるのかを切り替える。

より詳しくは、可動壁部７４１は、図４において破線で示すように、吸気口５と下流側流路部７３とを最短経路で連通するように可動壁部７４１以外の上流側流路壁７４に対して傾斜した位置に移動することで、上流側流路部７１の上流端と中流側流路部７２の下流端とで構成されたバイパス流路１０を形成することができる。なお、可動壁部７４１以外の上流側流路壁７４は、図４の紙面垂直方向の端部が筐体４に固定されている。このため、可動壁部７４１がバイパス流路１０を形成する位置に移動しても、上流側流路壁７４は落下しない。

また、可動壁部７４１は、図４において実線に示すように、可動壁部７４１以外の上流側流路壁７４と直線状になる位置に移動することで、バイパス流路１０を解除して、第１の実施形態と同様に上流側流路部７１と中流側流路部７２とを仕切る。

可動壁部７４１の移動は、手動および自動のいずれであってもよい。可動壁部７４１を自動で移動させる場合、例えば、可動壁部７４１を移動させるアクチュエータ（図示せず）は、温度センサ（図示せず）で検出された外気温が空気Ａの予熱を要しない所定温度以上である場合に、バイパス流路１０を形成する位置まで可動壁部７４１を移動させてもよい。

第３の実施形態によれば、燃料電池発電システム２の周囲温度が高いため空気Ａを予熱する必要がない場合には、バイパス流路１０を形成することで空気Ａを予熱せずに直接燃料電池パッケージ３に供給することができる。これにより、流路７をショートカットできるので、流路７の圧損および補機動力を低減させることができる。

（第４の実施形態）
次に、加熱部が温水の流路である第４の実施形態について説明する。図５は、第４の実施形態による吸気予熱ユニット１を示す断面図である。なお、図５では、図２に示したブロワ３４や電気室３２の図示を省略している。図６は、第４の実施形態による吸気予熱ユニット１を示す正面図である。

これまでは、加熱部が電気ヒータで構成される例について説明した。これに対して、第４の実施形態における加熱部は、燃料電池の発電で発生した熱を回収した温水の流路８１で構成されている。

より詳しくは、図５および図６に示すように、流路８１は、中流側流路部７２の上流端側から下流端側に亘って、空気Ａの流動方向に直交する方向に蛇行するように配置された管状の流路である。流路８１の上流端および下流端は、吸気予熱ユニット１の外部に配置された管状の流路１２の下流端および上流端にそれぞれ接続されている。

吸気予熱ユニット１の外部の流路１２上には、互いに接続された流路８１、１２内で水Ｗ１を循環させるためのポンプ１３が配置されている。

吸気予熱ユニット１の外部の流路１２は、部分的に機械室３１の内部に配置されている。機械室３１の内部の流路１２上には、セルスタック３３を冷却する冷却水との熱交換を行うための熱交換器１４が設けられている。セルスタック３３の発電によって加熱された冷却水は、冷却水の流路１３を通って熱交換器１４に到達し、熱交換器１４において流路１２内の水と熱交換することで、流路１２内の水を加熱する。加熱された流路１２内の水は、ポンプ１３によって吸気予熱ユニット１内の流路８１に導入され、流路７を流れる空気と熱交換することで空気を予熱する。

第４の実施形態によれば、セルスタック３３の排熱を利用して空気を予熱することができるので、燃料電池発電システム２のエネルギー効率を向上させることができる。

（第５の実施形態）
次に、加熱部が排気ガスの流路である第５の実施形態について説明する。図７は、第５の実施形態による吸気予熱ユニット１を示す断面図である。

図５および図６では、加熱部が燃料電池の発電で発生した熱を回収した温水の流路８１で構成される例について説明した。これに対して、第５の実施形態における加熱部は、図５および図６に示した流路８１を、燃料電池から排出された排気ガスの流路として機能させる構成である。

より詳しくは、図７に示すように、流路８１は、機械室３１の排気口３５に接続された排気ガスＧの流路１５に接続されている。流路１５には、セルスタック３３の発電によって高温になった空気極（カソード）の排気ガスＧが流入する。流路１５に流入した高温の排気ガスＧは、流路１５を通って吸気予熱ユニット１内の流路８１に導入され、流路７を流れる空気Ａと熱交換することで空気Ａを予熱する。

第５の実施形態によれば、第４の実施形態と同様にセルスタック３３の排熱を利用して空気Ａを予熱することができるので、燃料電池発電システム２のエネルギー効率を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 吸気予熱ユニット、３ 燃料電池パッケージ、４ 筐体、５ 吸気口、６ 接続口、７ 流路、８ 加熱部

Claims (10)

1. 燃料電池パッケージに接続可能な筐体と、
   前記筐体に設けられ、前記筐体の外部から前記筐体の内部に空気を吸入する吸気口と、
   前記筐体に設けられ、前記筐体を前記燃料電池パッケージに接続する接続口と、
   前記筐体の内部に、前記吸気口から前記接続口まで設けられた前記空気の流路と、
   前記流路上に配置され、前記空気を加熱する加熱部と、
   を備え、
   前記流路は、前記筐体の内部において少なくとも２回折り返されていることで、少なくとも３列の隣り合う流路部を有し、前記加熱部は、前記少なくとも３列の流路部のうちの中流側の流路部上に配置されている、燃料電池発電システムの吸気予熱装置。
2. 前記加熱部は、前記少なくとも３列の流路部のうちの中流側の流路部上における前記空気の流動方向の中央位置に配置されている、請求項１に記載の吸気予熱装置。
3. 前記加熱部は、前記中流側の流路部を流れる空気と、前記中流側の流路部に隣接する他の流路部を流れる空気とを加熱する、請求項１または２に記載の吸気予熱装置。
4. 前記吸気口を開閉可能な開閉機構を更に備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の吸気予熱装置。
5. 前記吸気口は、前記筐体の上端部近傍位置に設けられている、請求項１～４のいずれか１項に記載の吸気予熱装置。
6. 前記筐体の内部に、前記加熱部を経由せずに前記吸気口側から前記接続口側まで設けられるバイパス流路と、
   前記空気が前記加熱部を経由する流路および前記バイパス流路のいずれを流れるのかを切り替える切替部と、
   を更に備える、請求項１～５のいずれか１項に記載の吸気予熱装置。
7. 前記加熱部は、電気ヒータを有する、請求項１～６のいずれか１項に記載の吸気予熱装置。
8. 前記加熱部は、前記燃料電池パッケージの発電で発生した熱を回収した温水の流路を有する、請求項１～６のいずれか１項に記載の吸気予熱装置。
9. 前記加熱部は、前記燃料電池パッケージから排出された排気ガスの流路を有する、請求項１～６のいずれか１項に記載の吸気予熱装置。
10. 燃料電池パッケージと、
    吸気予熱装置と、を備え、
    前記吸気予熱装置は、
    前記燃料電池パッケージに接続可能な筐体と、
    前記筐体に設けられ、前記筐体の外部から前記筐体の内部に空気を吸入する吸気口と、
    前記筐体に設けられ、前記筐体を前記燃料電池パッケージに接続する接続口と、
    前記筐体の内部に、前記吸気口から前記接続口まで設けられた前記空気の流路と、
    前記流路上に配置され、前記空気を加熱する加熱部と、
    を有し、
    前記流路は、前記筐体の内部において少なくとも２回折り返されていることで、少なくとも３列の隣り合う流路部を有し、前記加熱部は、前記少なくとも３列の流路部のうちの中流側の流路部上に配置されている、燃料電池発電システム。

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