JPWO2012090964A1 - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、発電部で発電した電力を調整する、又は発電部の動作を制御する制御部と、発電部及び制御部を少なくとも収容する筐体と、筐体内にて外部の空気を流通させて、当該筐体内を冷却する空気流路と、空気流路に設けられ、空気を圧送する送風部と、を備え、空気流路は、制御部を冷却した後に発電部を冷却するように空気を流通させる。A power generation unit including a cell stack that generates power using a hydrogen-containing gas, a control unit that adjusts the power generated by the power generation unit or controls the operation of the power generation unit, and a housing that houses at least the power generation unit and the control unit And an air flow path that circulates external air inside the housing and cools the inside of the housing, and a blower section that is provided in the air flow path and pumps air, and the air flow path is a control section. After cooling the air, air is circulated so as to cool the power generation unit.
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来、燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、発電部で発電した電力を調整する又は発電部の動作を制御する制御部と、が筐体内に収容されて構成されている。このような燃料電池システムでは、例えば特許文献1に記載されているように、筐体内にファン(送風部)を設置し、このファンを作動させることで、外部の空気を筐体内に取り込んで換気し、発電部や制御部等の機器を冷却することが図られている。
Conventionally, in a fuel cell system, a power generation unit including a cell stack that generates power using a hydrogen-containing gas and a control unit that adjusts the power generated by the power generation unit or controls the operation of the power generation unit are housed in a housing. Has been configured. In such a fuel cell system, for example, as described in
しかし、上述したような燃料電池システムでは、ファンで筐体内を一様に換気し冷却することから、例えば筐体内を効率的に冷却することが困難となり、過剰な送風能力を有するファンが必要となる場合がある。その結果、システムの経済性が低下するおそれがある。 However, in the fuel cell system as described above, since the inside of the housing is uniformly ventilated and cooled by the fan, for example, it becomes difficult to efficiently cool the inside of the housing, and a fan having an excessive blowing capacity is required. There is a case. As a result, the economics of the system may be reduced.
そこで、本発明は、過剰な送風能力を有する送風部の必要性を低減し、システムの経済性を向上させることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell system which can reduce the necessity of the ventilation part which has excess ventilation capability, and can improve the economical efficiency of a system.
上記課題を解決するため、本発明の一側面に係る燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを含む発電部と、発電部で発電した電力を調整する、又は発電部の動作を制御する制御部と、発電部及び制御部を少なくとも収容する筐体と、筐体内にて外部の空気を流通させて、当該筐体内を冷却する空気流路と、空気流路に設けられ、空気を圧送する送風部と、を備え、空気流路は、制御部を冷却した後に発電部を冷却するように空気を流通させる。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to one aspect of the present invention includes a power generation unit including a cell stack that generates power using a hydrogen-containing gas, and adjusts the power generated by the power generation unit, or A control unit that controls the operation, a housing that houses at least the power generation unit and the control unit, an air flow path that circulates external air in the housing and cools the inside of the housing, and an air flow path And an air flow path that pumps air, and the air flow path circulates the air so as to cool the power generation section after cooling the control section.
この本発明の燃料電池システムでは、筐体内を一様に換気し冷却するのではなく、空気流路によって筐体内を選択的且つ適正な順序で冷却することができる。すなわち、外部の空気にあっては、発電部よりも低い温度での動作が要される制御部をまず冷却し、そしてその後に、発電部を冷却することとなる。よって、筐体内にて機器を効率的に冷却することができ、過剰な送風能力を有する送風部の必要性を低減してシステムの経済性を向上可能となる。 In the fuel cell system of the present invention, the inside of the housing can be selectively and appropriately cooled by the air flow path, instead of being uniformly ventilated and cooled. That is, in the case of external air, the control unit that requires operation at a temperature lower than that of the power generation unit is first cooled, and then the power generation unit is cooled. Therefore, it is possible to efficiently cool the device in the housing, and it is possible to improve the economic efficiency of the system by reducing the necessity of a blowing unit having an excessive blowing capacity.
また、発電部で発電を行うための周辺機器としての補機を備え、空気流路は、制御部、発電部及び補機をこの順で冷却するように、又は制御部、補機及び発電部をこの順で冷却するように、空気を流通させる場合がある。 In addition, an auxiliary device as a peripheral device for generating power in the power generation unit is provided, and the air flow path cools the control unit, the power generation unit and the auxiliary device in this order, or the control unit, the auxiliary device and the power generation unit. The air may be circulated so as to cool in this order.
また、空気流路の下流側は、空気を外部へ排出してもよい。また、空気流路の下流側は、空気をセルスタックへ供給してもよい。これらの場合、筐体内に熱がこもるのを抑制することができる。 Further, air may be discharged to the outside on the downstream side of the air flow path. Further, the downstream side of the air flow path may supply air to the cell stack. In these cases, it is possible to suppress heat from being accumulated in the housing.
また、上記作用効果を好適に奏する構成として、具体的には、制御部は、箱体に収容されており、空気流路では、箱体に形成された流入口から当該箱体内に空気が流入されると共に、箱体に形成された流出口から箱体外へ空気が流出される構成が挙げられる。 Further, as a configuration that preferably exhibits the above-described effects, specifically, the control unit is housed in a box, and in the air flow path, air flows into the box from an inflow port formed in the box. In addition, there is a configuration in which air flows out of the box from an outlet formed in the box.
また、筐体の内部は、複数の機器毎に画設された複数の室部を有し、空気流路は、複数の機器を動作保障温度の低い順で冷却するように、複数の室部に空気を順次に流通させてもよい。これにより、複数の機器を選択的且つ適正な順序で冷却することができ、筐体内にて機器をより効率的に冷却することができる。その結果、過剰な送風能力を有する送風部の必要性を一層低減することが可能となる。 In addition, the inside of the housing has a plurality of chambers provided for each of a plurality of devices, and the air flow path includes a plurality of chamber portions so as to cool the plurality of devices in the order of the lowest guaranteed operating temperature. Air may be circulated sequentially. Thereby, a some apparatus can be cooled selectively and in an appropriate order, and an apparatus can be cooled more efficiently in a housing | casing. As a result, it becomes possible to further reduce the necessity of a blower unit having an excessive blowing capacity.
本発明によれば、過剰な送風能力を有する送風部の必要性を低減し、システムの経済性を向上させることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to reduce the necessity of an air blowing unit having an excessive air blowing capacity and improve the economic efficiency of the system.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略ブロック図である。図1に示すように、燃料電池システム1は、脱硫部2と、水気化部3と、水素発生部4と、セルスタック5と、オフガス燃焼部6と、水素含有燃料供給部7と、水供給部8と、酸化剤供給部9と、パワーコンディショナー10と、制御部11と、を備えている。
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
燃料電池システム1は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック5にて発電を行う。燃料電池システム1におけるセルスタック5の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)、リン酸形燃料電池(PAFC:Phosphoric Acid Fuel Cell)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC:Molten Carbonate Fuel Cell)、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック5の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図1に示す構成要素を適宜省略してもよい。
The
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物(酸素等、他の元素を含んでいてもよい)若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、LPG(液化石油ガス)、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。 As the hydrogen-containing fuel, for example, a hydrocarbon fuel is used. As the hydrocarbon fuel, a compound containing carbon and hydrogen in the molecule (may contain other elements such as oxygen) or a mixture thereof is used. Examples of hydrocarbon fuels include hydrocarbons, alcohols, ethers, and biofuels. These hydrocarbon fuels are derived from conventional fossil fuels such as petroleum and coal, and synthetic systems such as synthesis gas. Those derived from fuel and those derived from biomass can be used as appropriate. Specific examples of hydrocarbons include methane, ethane, propane, butane, natural gas, LPG (liquefied petroleum gas), city gas, town gas, gasoline, naphtha, kerosene, and light oil. Examples of alcohols include methanol and ethanol. Examples of ethers include dimethyl ether. Examples of biofuels include biogas, bioethanol, biodiesel, and biojet.
酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス(通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい)、酸素富化空気が用いられる。 As the oxidizing agent, for example, air, pure oxygen gas (which may contain impurities that are difficult to remove by a normal removal method), or oxygen-enriched air is used.
脱硫部2は、水素発生部4に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部2は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部2の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部2は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部4へ供給する。
The
水気化部(水気化器)3は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部4に供給される水蒸気を生成する。水気化部3における水の加熱は、例えば、水素発生部4の熱、オフガス燃焼部6の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム1内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図1では、一例としてオフガス燃焼部6から水素発生部4へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部3は、生成した水蒸気を水素発生部4へ供給する。
The water vaporization unit (water vaporizer) 3 generates water vapor supplied to the
水素発生部4は、脱硫部2からの水素含有燃料を用いて水素リッチガス(水素含有ガス)を発生させる。水素発生部4は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部4での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部4は、セルスタック5に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック5のタイプが固体高分子形燃料電池(PEFC)やリン酸形燃料電池(PAFC)であった場合、水素発生部4は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成(例えば、シフト反応部、選択酸化反応部)を有する。水素発生部4は、水素リッチガスをセルスタック5のアノード12へ供給する。
The
セルスタック5は、水素発生部4からの水素リッチガス及び酸化剤供給部9からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック5は、水素リッチガスが供給されるアノード12と、酸化剤が供給されるカソード13と、アノード12とカソード13との間に配置される電解質14と、を備えている。セルスタック5は、パワーコンディショナー10を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック5は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部6へ供給する。なお、水素発生部4が備えている燃焼部(例えば、改質器を加熱する燃焼器など)をオフガス燃焼部6と共用してもよい。
The
オフガス燃焼部6は、セルスタック5から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部6によって発生する熱は、水素発生部4へ供給され、水素発生部4での水素リッチガスの発生に用いられる。
The off gas combustion unit 6 burns off gas supplied from the
水素含有燃料供給部7は、脱硫部2へ水素含有燃料を供給する。水供給部8は、水気化部3へ水を供給する。酸化剤供給部9は、セルスタック5のカソード13へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部7、水供給部8、及び酸化剤供給部9は、例えばポンプによって構成されており、制御部11からの制御信号に基づいて駆動する。
The hydrogen-containing
パワーコンディショナー10は、セルスタック5からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー10は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。
The
制御部11は、燃料電池システム1全体の制御処理を行う。制御部11は、例えばCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部11は、水素含有燃料供給部7、水供給部8、酸化剤供給部9、パワーコンディショナー10、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部11は、燃料電池システム1内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム1内の各機器へ制御信号を出力する。
The
図2は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す概略ブロック図である。図2に示すように、燃料電池システム1は、発電部21と、上記パワーコンディショナー10と、補機モジュール22と、を含み、これらが筐体23内に画設されるよう気密に収容されている。
FIG. 2 is a schematic block diagram showing the main part of the fuel cell system according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the
発電部21は、発電を行うモジュールであり、上記脱硫部2、上記水気化部3、上記水素発生部4、上記セルスタック5、上記オフガス燃焼部6、上記水素含有燃料供給部7、上記水供給部8及び上記酸化剤供給部9を少なくとも有している。この発電部21は、箱体(室部)21aに収容されてモジュール化されている。
The
パワーコンディショナー10は、上述したように、発電部21のセルスタック5で発電した電力を調整するものである。パワーコンディショナー10は、発電部21の動作を制御する上記制御部11としての制御基盤を有している。このパワーコンディショナー10は、発電部21と同様に、箱体(室部)10aに収容されてモジュール化されている。補機モジュール22は、発電部で発電を行うための周辺機器である。この補機モジュール22は、発電部21及びパワーコンディショナー10と同様に、箱体(室部)22aに収容されてモジュール化されている。
As described above, the
また、燃料電池システム1は、空気流路25及びカソードブロア(送風部)26を備えている。空気流路25は、筐体23内にて外部の空気を流通させて、当該筐体23内を冷却する。カソードブロア26は、空気流路25に設けられ、当該空気流路25にて空気を発電部21におけるセルスタック5のカソード13(図1参照)へ向けて圧送し送風する。
In addition, the
ここで、本実施形態の空気流路25は、筐体23内においてパワーコンディショナー10、発電部21及び補機モジュール22をこの順で冷却するように空気を流通させる。具体的には、以下に示すように、複数のモジュール(機器)をその動作保障温度の低い順で冷却するように、複数の箱体10a,21a,22aに空気を順次に流通させる。
Here, the
すなわち、空気流路25においては、カソードブロア26の稼動により、まず、煙道管(空気配管)Tを介して筐体23内に取り込まれた外部の空気(野外空気)が、パワーコンディショナー10を収容する箱体10aの流入口からパワーコンディショナー10内に流入され、パワーコンディショナー10が冷却される。そして、当該空気が箱体10aの流出口からパワーコンディショナー10外に流出される。
That is, in the
続いて、パワーコンディショナー10を冷却した後の空気が、発電部21を収容する箱体21aの流入口から発電部21内に流入され、発電部21が冷却される。そして、当該空気が箱体21aの流出口から発電部21外に流出される。
Subsequently, the air after cooling the
続いて、発電部21を冷却した後の空気が、補機モジュール22を収容する箱体22aの流入口から補機モジュール22内に流入され、補機モジュール22が冷却される。そして、当該空気が箱体22aの流出口から補機モジュール22外に流出される。最後に、補機モジュール22を冷却した後の空気が、セルスタック5のカソード13(図1参照)へカソードブロア26を介して供給される。つまり、複数のモジュールを冷却し温度が高まった空気が、空気流路25の下流側によりセルスタック5のカソード13へ供給される。
Subsequently, the air after cooling the
なお、このように本実施形態では、カソードブロア26は、空気流路25において補機モジュール22の下流側で発電部21の上流側に設けられているが、これに限定されるものではなく、空気流路25に設けられていればよい。また、カソードブロア26に代えて、他の送風部を備えていてもよい。この場合、空気流路25の下流側が筐体23外に通じ、当該下流側で空気を外部へ排出してもよい。
As described above, in the present embodiment, the
以上、本実施形態の燃料電池システム1においては、筐体23内を一様に換気し冷却するのではなく、空気流路25によって筐体23内を選択的且つ適正な順序で冷却することができる。すなわち、外部から導入された空気は、筐体23内において、発電部21及び補機モジュール22よりも低い温度での動作が要されるパワーコンディショナー10をまず冷却し、そしてその後に、発電部21及び補機モジュール22を冷却することとなる。
As described above, in the
従って、本実施形態によれば、筐体23内にてパワーコンディショナー10、発電部21及び補機モジュール22を効率的に冷却することができる。その結果、過剰な送風能力を有するカソードブロア26の必要性を低減し、システムの経済性を向上することが可能となる。さらに、このように過剰な送風能力のカソードブロア26が不要となるため、カソードブロア26の消費電力や騒音が過剰になるのを抑制することができる。
Therefore, according to the present embodiment, the
また、本実施形態では、上述したように、空気流路25の下流側で空気をセルスタック5へ供給するため、筐体23内に熱がこもるのを抑制することができる。さらには、この場合、筐体23内を冷却して温度が高まった空気をセルスタック5に供給することが可能となる。
Moreover, in this embodiment, since air is supplied to the
また、本実施形態では、上述したように、筐体23内において複数のモジュール(パワーコンディショナー10、発電部21及び補機モジュール22)が箱体10a,21a,22aにより画設されている。そして、空気流路25は、動作保障温度の低い順で冷却するようにこれらの箱体10a,21a,22aに空気を順次に流通させている。これにより、筐体23内を一層適正な順序で好適に冷却でき、筐体23内にて複数のモジュールをより効率的に冷却することができる。その結果、過剰な送風能力を有するカソードブロア26の必要性を一層低減することが可能となる。
In the present embodiment, as described above, a plurality of modules (the
また、本実施形態では、空気流路25にて必要以上の圧力損失が発生するのを抑制することができる。さらに、各モジュールが要する温度のそれぞれに応じて当該各モジュールを冷却することが可能となる。
Moreover, in this embodiment, it can suppress that the pressure loss more than necessary in the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments. The present invention is modified without departing from the scope described in the claims or applied to others. It may be.
例えば、上記実施形態の空気流路25は、パワーコンディショナー10、発電部21及び補機モジュール22をこの順に冷却するよう空気を流通させているが、パワーコンディショナー10、補機モジュール22及び発電部21をこの順に冷却するよう空気を流通させる場合もある。
For example, although the
また、上記実施形態では、空気流路25が空気をモジュール内に流通させているが、この空気流路25は、モジュールの外表面(箱体10a,21a,22aの外壁)に接するように空気を流通させ、これにより、モジュールを冷却(外表面を冷却)してもよい。また、上記実施形態では、煙道管Tを介して野外空気を筐体23内に流通させているが、室内空気を外部の空気として筐体23内に流通させる場合には、煙道管Tは不要となる。なお、上記において「モジュール」とは、例えば、所定機能を実現するためのものとして、1又は複数の要素(部品や機器)が機能上又は構成上において集約されて纏まったものを意味する。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施形態では、水素含有燃料として、純水素や水素富化ガス等の改質が不要なガスを供給することもできる。この場合、水素発生部4が有する改質器は不要となる。
In the above embodiment, a gas that does not require reforming, such as pure hydrogen or a hydrogen-enriched gas, can be supplied as the hydrogen-containing fuel. In this case, the reformer which the
本発明によれば、過剰な送風能力を有する送風部の必要性を低減し、システムの経済性を向上させることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to reduce the necessity of an air blowing unit having an excessive air blowing capacity and improve the economic efficiency of the system.
1…燃料電池システム、5…セルスタック、10…パワーコンディショナー(制御部,機器)、10a,21a,22a…箱体(室部)、11…制御部、21…発電部(機器)、22…補機モジュール(補機,機器)、23…筐体、25…空気流路、26…カソードブロア(送風部)。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記発電部で発電した電力を調整する、又は前記発電部の動作を制御する制御部と、
前記発電部及び前記制御部を少なくとも収容する筐体と、
前記筐体内にて外部の空気を流通させて、当該筐体内を冷却する空気流路と、
前記空気流路に設けられ、前記空気を圧送する送風部と、を備え、
前記空気流路は、前記制御部を冷却した後に前記発電部を冷却するように前記空気を流通させる燃料電池システム。A power generation unit including a cell stack that generates power using a hydrogen-containing gas;
A controller that adjusts the power generated by the power generation unit or controls the operation of the power generation unit;
A housing that houses at least the power generation unit and the control unit;
An air flow path for circulating outside air in the housing and cooling the housing;
A blower section provided in the air flow path and pumping the air,
The fuel cell system in which the air flow channel distributes the air so as to cool the power generation unit after cooling the control unit.
前記空気流路は、前記制御部、前記発電部及び前記補機をこの順で冷却するように、又は前記制御部、前記補機及び前記発電部をこの順で冷却するように、前記空気を流通させる請求項1記載の燃料電池システム。An auxiliary machine as a peripheral device for generating power in the power generation unit,
The air flow path is configured to cool the control unit, the power generation unit, and the auxiliary machine in this order, or to cool the control unit, the auxiliary machine, and the power generation unit in this order. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is distributed.
前記空気流路では、前記箱体に形成された流入口から当該箱体内に前記空気が流入されると共に、前記箱体に形成された流出口から前記箱体外へ前記空気が流出される請求項1〜4の何れか一項記載の燃料電池システム。The control unit is accommodated in a box,
In the air flow path, the air flows into the box from an inlet formed in the box, and the air flows out of the box from an outlet formed in the box. Item 5. The fuel cell system according to any one of Items 1 to 4.
前記空気流路は、複数の前記機器を動作保障温度の低い順で冷却するように、複数の前記室部に前記空気を順次に流通させる請求項1〜5の何れか一項記載の燃料電池システム。The inside of the housing has a plurality of chambers provided for each of a plurality of devices,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the air flow passage sequentially circulates the air through the plurality of chamber portions so as to cool the plurality of devices in order of decreasing operation guarantee temperature. system.
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