JPWO2012091029A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

水素含有燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、セルスタックへ酸化剤を供給する酸化剤供給部と、電気的な処理を行うことによって発熱する発熱部と、酸化剤に対してセルスタックの上流側に配置され、酸化剤によって発熱部の熱を除去する熱交換部と、を備える燃料電池システム。

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、特許文献１に示すものが知られている。この燃料電池システムは、水素含有燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、水素含有燃料や酸化剤等を供給するための補機やセンサなどを備えている。更に、この燃料電池システムは、セルスタックで発電された電気の調整を行うパワーコンディショナーや、システム内の制御を行うシステム制御器などを備えている。パワーコンディショナーやシステム制御器などの電子部品は、電気的な処理を行うものであるため発熱する。従って、燃料電池システムは、外気を取り込んで電子部品に風を送ることによって、電子部品を冷却するためのファンを備えている。

特開２００８−１９２３９３号公報

ここで、従来より、燃料電池システムにおいては、部品点数を減らすと共にコストを低くすることが要求されている。上述の燃料電池システムで用いられているファンは、電子部品の冷却のためだけに設けられているものであり、セルスタックでの発電に直接的に寄与するものではない。また、部品としてのコストも高く、システムのコストアップに影響する。従って、冷却用のファンを省略することが求められていた。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、冷却用のファンを不要とし、部品点数を減らすと共にコストダウンを図ることのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る燃料電池システムは、水素含有燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、セルスタックへ酸化剤を供給する酸化剤供給部と、電気的な処理を行うことによって発熱する発熱部と、酸化剤に対してセルスタックの上流側に配置され、酸化剤によって発熱部の熱を除去する熱交換部と、を備える。

この燃料電池システムは、セルスタックに供給される酸化剤によって発熱部の熱を除去（すなわち冷却）する熱交換部を備えている。酸化剤供給部は、セルスタックの発電において必須とされる構成要素である。すなわち、熱交換部は、燃料電池システムにおいて必須の構成要素である酸化剤供給部を用いて発熱部を冷却することによって、冷却用のファンを省略することができる。以上によって、燃料電池システムは、冷却用のファンを不要とし、部品点数を減らすと共にコストダウンを図ることができる。

また、燃料電池システムにおいて、熱交換部は、酸化剤の流路を内部に有する箱体と、流路内において、当該流路に沿って延びるフィンと、を備え、発熱部は、箱体の外側に設けられてもよい。発熱部は、熱交換部の箱体の外側に設けられているため、発熱部からの熱は箱体に伝達される。熱交換部の箱体は、内部の流路に酸化剤が流れるため、当該酸化剤に熱を放出することができる。流路にはフィンが設けられているため、熱は効率よく酸化剤に放出される。また、フィンは、流路に沿って延びているため、酸化剤の流れを妨げない。

本発明によれば、冷却用のファンを不要とし、部品点数を減らすと共にコストダウンを図ることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック構成図である。 図２は、システム内の熱交換部に関する構成を示すブロック構成図である。 図３は、熱交換部の構成を示す斜視図である。 図４は、熱交換部を底面側からみた断面図である。 図５（ａ）は、熱交換部の変形例を示す断面図であり、図５（ｂ）は、熱交換部の変形例を示す断面図である。

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、各図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。

図１に示されるように、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。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。

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。

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。

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。

水気化部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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、セルスタック５のカソード１３へ供給される酸化剤を用いて、システム内の電子部品等を冷却することができる。図１及び図２に示すように、燃料電池システム１は、電気的な処理を行うことによって発熱する発熱部２０と、発熱部２０の熱を除去する熱交換部２１と、を備えている。燃料電池システム１の各構成部品は、図２に示すように、筐体１００に密閉状態で収納される。燃料電池システム１は、筐体１００に開口部を形成することにより空気の流れを形成して電子部品等を冷却するファンを備えていないため、筐体１００を密閉状態とすることが可能である。なお、筐体１００は、密閉状態でなくともよい。

発熱部２０は、燃料電池システム１内において通電されることによって発熱する電子部品等によって構成される。図１においては、制御部１１及びパワーコンディショナー１０が、発熱部２０に含まれる。なお、システム内において電気的な処理を行うものであれば、発熱部２０に含むことができ、図１に示されていない電子部品等を含んでもよい。図３に示す例では、発熱部２０は、制御部１１やパワーコンディショナー１０などの電子部品を実装させた制御基盤によって構成されている。

熱交換部２１は、酸化剤に対してセルスタック５の上流側に配置されている。熱交換部２１は、発熱部２０からの熱を回収し、回収した熱を酸化剤へ放出することによって、発熱部２０を冷却する。図２の例では、酸化剤供給部９は、カソードブロワ９ａと、酸化剤の供給源とカソードブロワ９ａとを接続する供給ライン９ｂと、を有している。この例では、熱交換部２１は、酸化剤供給部９を構成するカソードブロワ９ａとセルスタック５との間に配置されている。ただし、熱交換部２１は、酸化剤の流れが形成されており、セルスタック５より上流側であればどこに配置されていてもよい。図２において、熱交換部２１は、カソードブロワ９ａの上流側、すなわち供給ライン９ｂに配置されていてもよい。

次に、図３及び図４を用い、熱交換部２１のより詳細な構成について説明する。図３及び図４に示すように、熱交換部２１は、内部空間を有する箱体２２と、箱体２２の内部空間に配置されるフィン２３と、酸化剤入口２６と、酸化剤出口２７と、を備えている。

箱体２２は、直方体をなしており、外側に発熱部２０が設けられる。箱体２２は、側面板２２ｂに酸化剤入口２６が形成され、当該側面板２２ｂと対向する側面板２２ｃに酸化剤出口２７が形成される。これによって箱体２２の内部空間は、酸化剤入口２６から酸化剤出口２７へ向かって酸化剤が流れる流路ＦＬとして機能する。箱体２２の上板２２ａの外面には発熱部２０が取り付けられている。なお、発熱部２０を構成する制御基盤には絶縁加工が施されている。熱交換部２１の取り付け向きは特に限定されず、上板２２ａが横向きに配置されてもよく、上板２２ａが下向きに配置されてもよい。

熱交換部２１は、箱体２２の内部空間に複数のフィン２３を備えている。フィン２３は、流路ＦＬに沿って延びている。フィン２３は、互いに平行をなすように、一定間隔で複数並べられる。各フィン２３が互いに向かい合う方向（すなわち、各フィン２３が並ぶ方向）は、流路ＦＬと直交する。図３及び図４の例では、フィン２３は、上板２２ａに固定されており、底板２２ｄに向かって下方へ延びている。フィン２３は、底板２２ｄからは離間している。フィン２３の両端部は、側板２２ｂ，２２ｃから離間している。これによって、酸化剤入口２６から箱体２２内部に流入した酸化剤は、フィン２３の手前で分岐され、各フィン２３の間を通り、酸化剤出口２７の手前で合流して当該酸化剤出口２７から排出される。フィン２３は、箱体２２の壁を構成する各板のうち、発熱部２０が設けられている板（本実施形態では上板２２ａ）と固定されている。これによって、フィン２３は、発熱部２０からの熱を効率よく酸化剤へ放出することができる。流路ＦＬに沿った方向（酸化剤入口２６から酸化剤出口２７へ向かう方向）において、各フィン２３の長さは同一であるが、各フィンの長さは特に限定されない。例えば、酸化剤入口２６及び酸化剤出口２７付近のフィン２３が長く、フィン同士が対向する方向（流路ＦＬと直交する方向）において、酸化剤入口２６及び酸化剤出口２７から遠ざかるに従って、フィン２３の長さが短くなってもよい。これによって、酸化剤が箱体２２の内部空間全体に広がり易くなる。

以上のように、燃料電池システム１は、セルスタック５に供給される酸化剤によって発熱部２０の熱を除去（すなわち冷却）する熱交換部２１を備えている。酸化剤供給部９は、セルスタック５の発電において必須とされる構成要素である。すなわち、熱交換部２１は、燃料電池システム１において必須の構成要素である酸化剤供給部９を用いて発熱部２１を冷却することによって、冷却用のファンを省略することができる。以上によって、燃料電池システム１は、冷却用のファンを不要とし、部品点数を減らすと共にコストダウンを図ることができる。

また、従来より一般的に用いられる冷却用のファンの出力に比べ、セルスタック５に酸化剤を供給するカソードポンプ９ａの出力は（ただし、燃料電池システムの大きさによるが）大きい。従って、酸化剤供給部９は、従来の冷却用のファンに比べ、大量の酸化剤を熱交換部に流すことができる。従って、発熱部２０の冷却効率は、従来の冷却用ファンを用いる場合に比して、大幅に上昇する。

また、従来の冷却用のファンを用いる場合、外気を取り込む必要があるため、燃料電池システムを収容する筐体に外気を取込むために、開口部を形成して筐体を開放する必要がある。これによって、外気と発熱部との間の空気の流れが形成される。しかしながら、本実施形態における燃料電池システム１は、酸化剤供給部９による酸化剤の流れを利用して冷却を行うため、筐体１００を密閉構造としてもよい。筐体１００を密閉構造とした場合、防塵効果や、防音効果を得ることができる。また、発熱部２０の電子部品に対する湿気防止効果も得ることができる。

また、燃料電池システム１において、熱交換部２１は、酸化剤の流路ＦＬを内部に有する箱体２２と、流路ＦＬ内において、当該流路ＦＬに沿って延びるフィン２３と、を備える。発熱部２０は、箱体２２の外側に配置されている。発熱部２０は、熱交換部２１の箱体２２の外側に設けられているため、発熱部２０からの熱は箱体２２に伝達される。また、発熱部２０は、箱体２２の上板２２ａの上面と面接触するように設けられているため、発熱部２０からの熱は効率よく箱体２２に伝達される。熱交換部２１の箱体２２は、内部の流路ＦＬに酸化剤が流れるため、当該酸化剤に熱を放出することができる。流路ＦＬにはフィン２３が設けられているため、熱は効率よく酸化剤に放出される。また、フィン２３は、流路ＦＬに沿って延びているため、酸化剤の流れを妨げない。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る燃料電池システムは、実施形態に係る上記燃料電池システム１に限定されない。

例えば、フィンの２３の形状は特に限定されず、発熱部２０の熱を酸化剤に放出できる構造であればどのような構造であってもよい。また、酸化剤の流れを妨げない構造が好ましい。例えば、図５（ａ）に示すような熱交換部３１を適用してもよい。熱交換部３１のフィン３３は、前述のフィン２３よりも短く、互い違いになるように配置されている。また、図５（ｂ）に示すような熱交換部４１を適用してもよい。熱交換部４１のフィン４３は、酸化剤入口２６側の端部が酸化剤入口２６に向かって傾き、酸化剤出口２６側の端部が酸化剤出口２７に向かって傾いている。フィン３３やフィン４３を適用することによって、酸化剤は、箱体２２内の流路ＦＬ全体にわたって広がりやすくなる。これによって、発熱部２０の冷却効率を向上させることができる。

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、水素発生部が有する改質器は不要となる。

本発明は、燃料電池システムに利用可能である。

１…燃料電池システム、４…水素発生部、５…セルスタック、９…酸化剤供給部、１０…パワーコンディショナー（発熱部）、１１…制御部（発熱部）、２０…発熱部、２１，３１，４１…熱交換部、２２…箱体（熱交換部）、２３，３３，４３…フィン（熱交換部）、ＦＬ…流路。

Claims (2)

1. 水素含有燃料を用いて水素含有ガスを発生させる水素発生部と、
   前記水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、
   前記セルスタックへ酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
   電気的な処理を行うことによって発熱する発熱部と、
   前記酸化剤に対して前記セルスタックの上流側に配置され、前記酸化剤によって前記発熱部の熱を除去する熱交換部と、を備える燃料電池システム。
2. 前記熱交換部は、
   前記酸化剤の流路を内部に有する箱体と、
   前記流路内において、当該流路に沿って延びるフィンと、を備え、
   前記発熱部は、前記箱体の外側に設けられる請求項１記載の燃料電池システム。

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