JPWO2019004032A1 - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

燃料電池セル(23)が収納容器(24)に収納されてなる燃料電池モジュール(2)と、燃料電池モジュール(2)を作動させるための複数の補機と、燃料電池モジュール(2)および補機を収納する外装ケース(60)と、を備え、複数の補機のうちの少なくとも一つの補機が、燃料電池モジュール(2)の上方側に配設されている上方補機であり、燃料電池モジュール(2)の上方側に配設されたファン(35a)をさらに備えることによって信頼性の高い燃料電池装置を実現することができる。

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補機は、燃料電池モジュールから排出される熱の影響を少なくするため、外装ケース内部において、燃料電池モジュールの下方に配置される場合が多い（たとえば、特許文献１を参照）。

特開２００９−１８１７００号公報

本開示の燃料電池装置によれば、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する外装ケースと、を備える。前記複数の補機のうちの少なくとも一つの補機が、前記燃料電池モジュールの上方側に配設されている上方補機であり、前記燃料電池モジュールの上方側に配設されたファンをさらに備えることを特徴とする。

本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とから、より明確になるであろう。
本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。 本実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す分解斜視図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例を示す平面図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例を示す側面図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例を示す側面図である。 本実施形態の燃料電池装置の棚部材本体の一例を示す平面図である。 本実施形態の燃料電池装置の空気系棚部材および燃料系棚部材の一例を示す平面図である。 本実施形態の燃料電池装置の空気系棚部材および燃料系棚部材および補機の一例を示す平面図である。 本実施形態の燃料電池装置の棚部材および補機の一例を示す平面図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例を示す部分側面図である。

以下、図面を参考にして、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
図１は、本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（以下、筐体２４という場合がある）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を備える。さらに燃料電池装置１は、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（図示せず）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で発電された電気は供給電力調整部３５に送られ、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。

改質器１０およびセルスタック装置２０は高温となるため、断熱材で包囲されて筐体２４に収められ、燃料電池モジュール２として、外装ケース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。筐体２４は、筐体本体２４ａと蓋体２４ｂからなる。蓋体２４ｂにはセルスタック装置２０から排出される排ガスを処理する熱交換器３１が接続されている。

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に導入されている媒体と排ガスとで熱交換を行う。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、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においては、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。不要な水はドレイン１０９から排出される。

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には暖められた水を導出する給湯管１０８ｂと、冷たい水を供給する給水管１０８ａとが設けられている。

図３は、本実施形態の一例である燃料電池装置を示す平面図である。図４は、本実施形態の一例である燃料電池装置を示す側面図である。燃料電池装置の内部を示すために外装ケース、配管類などの一部の部品は省略されている。また、図５は本実施形態の一例である燃料電池装置を示す側面図であり、図４が示す側面とは反対側の側面を示す図である。燃料電池装置１は、外装ケース６０内に燃料電池モジュール２が配置されている。熱交換器３１は、燃料電池モジュール２の蓋体２４ｂに固定され、燃料電池モジュール２の側面に配置されている。上方から見て燃料電池モジュール２の長手方向に、供給電力調整部３５および蓄熱タンク３２が並んで配置されている。供給電力調整部３５は、いわゆるパワーコンディショナであり、その筐体内に配線基板などが収納されている。

本実施形態は、たとえば、直方体状の燃料電池モジュール２の上方側（以下、上方側という場合がある。）に、燃料供給装置４１および空気供給装置４２が配置されており、これらを上方補機とすることができる。ここで、燃料供給装置４１および空気供給装置４２は、棚部材５０に固定することができる。ここでいう、「上方側」とは、燃料電池モジュール２の筐体２４を上下に二等分する仮想面よりも上側にあることをいう。なお、棚部材５０とは、後述する棚部材本体５１と、空気系棚部材５２、燃料系棚部材５３および延出部５４を含んで構成することができる。

このように、複数の補機のうち、少なくとも一つの補機が燃料電池モジュール２の上方側に配置される上方補機とすることで、補機のメンテナンス作業が容易になる。なお上方補機は燃料供給装置４１および空気供給装置４２に限られるものではなく、適宜設定することができる。特に上方補機は、メンテナンス頻度や耐久性を考慮して設定すればよい。

そして、燃料電池モジュール２の上方側にはファン３５ａが設けられている。本実施形態におけるファン３５ａは、供給電力調整部３５の内の暖まった空気を供給電力調整部３５外であって外装ケース６０内に排出する排気ファンである。補機が配置された方向に排気するように、ファン３５ａが配置されている。

この構成により、燃料電池モジュール２の上方側のファン３５ａによって、燃料電池モジュール２の上方側の空気を滞留しないようにすることができる。そのため、燃料電池モジュール２の上方側の温度上昇を抑制することができるので、上方補機への熱の影響を軽減し、上方補機の信頼性の低下を抑制できる。

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。空気取り入れ口４２ａは、燃料電池モジュール２の上方側に配置されている。このことによって、上方側に上がってきた暖かい空気を空気供給装置４２に取り込めるので、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。

また、供給電力調整部３５の排気ファンを利用することによって、上方側の空気を動かすことができるので、外装ケース６０内の空気を動かすための専用のファンを設けなくてもよく、コストを削減することができる。

なお、上方側に設けられるファン３５ａは、供給電力調整部３５の排気ファンに限られず、上方補機周囲に空気流を発生させることができるファンであればよい。例えば、上方側の外装ケース６０に配置され、外装ケース６０内の空気を換気する換気ファンであってもよい。

また、空気供給装置４２の空気取り入れ口４２ａがファン３５ａ側を向いている。「向いている」とは、ファン３５ａの排気方向と空気取り入れ口４２ａが取り込む方向が交差していることを意味する。この構成によって、ファン３５ａから排出された排気を空気供給装置４２の空気取り入れ口４２ａに取り込むことができる。すなわち、供給電力調整部３５を冷却したあとの暖かい空気を燃料電池モジュール２に取り込むことで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。

外装ケース６０の内部には上方補機が配置される棚部材５０を備えている。本実施形態における棚部材５０は燃料電池モジュール２の上方に設けられている。具体的には、燃料電池モジュール２における筐体２４を覆う枠体（図示せず）に棚部材５０が取り付けられていてもよい。

棚部材５０は、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の筐体２４の外周に設けられた断熱材及び枠体と棚部材５０との間に空間Ｓが設けられている。燃料電池モジュール２の筐体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との間の空間Ｓによって、筐体２４から棚部材５０への伝熱を軽減できる。これにより、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。

また、ファン３５ａ及び棚部材５０は、ファン３５ａから発生した空気流が、棚部材５０によって棚部材５０の上側の上方補機の方に流れる気流と、燃料電池モジュール２と棚部材５０との間の空間Ｓを流れる気流とに分かれるように配置されている。気流を分ける部分（分流部）は、棚部材５０の側面でファン３５ａからの空気流が当たる部分であり、たとえば、孔や整流板などであってもよい。また、整流板などを設けなくても、棚部材５０の側面でファン３５ａからの空気流が当たる部分であって、空気流を棚部材５０の上下に分ける構成であれば、分流部として機能することができる。たとえば、棚部材５０の縁部分の一部が上に折り曲げられていてもよい。さらに、棚部材５０の上面に分流部としての孔を設け、この孔に空気流を流し込むものでもよい。このような構成によって、棚部材５０の下方の空間Ｓにも空気流を発生させることで、空間Ｓの空気の滞留を抑制し、棚部材５０周辺の温度上昇を軽減することができる。

図６Ａは、本実施形態の燃料電池装置の棚部材本体の一例を示す平面図である。図６Ｂは、本実施形態の燃料電池装置の空気系棚部材および燃料系棚部材の一例を示す平面図である。図６Ｃは、本実施形態の燃料電池装置の空気系棚部材および燃料系棚部材および補機の一例を示す平面図である。図６Ｄは、本実施形態の燃料電池装置の棚部材および補機の一例を示す平面図である。棚部材５０は、棚部材本体５１と、空気系棚部材５２、燃料系棚部材５３および延出部５４を含み、空気系棚部材５２と燃料系棚部材５３とは、それぞれ棚部材本体５１から分離できるように構成されている。図６Ｃに示されるように、空気系棚部材５２には、エアフィルタ４２ｂやブロア４２ｃなどの、空気供給管１０３に接続される空気供給装置４２が載置、固定され、燃料系棚部材５３には燃料供給装置４１が載置、固定されている。また、補機を載置した空気系棚部材５２および燃料系棚部材５３は、棚部材本体５１に着脱可能に固定されている。そして、棚部材本体５１は、燃料電池装置１に着脱可能に固定されている。それにより、補機を棚部材５０につけたまま、燃料電池装置１から取り外して補機のメンテナンスを行うことができるので、メンテナンスの作業効率を向上させることができる。

たとえば、空気供給装置４２および燃料供給装置４１のうち、空気供給装置４２のみをメンテナンスする場合には、空気系棚部材５２のみを棚部材本体５１から取り外すことによって、空気系棚部材５２に載置された空気供給装置４２をメンテナンスすることができる。また、燃料供給装置４１のみをメンテナンスする場合には、燃料系棚部材５３のみを棚部材本体５１から取り外すことによって、燃料系棚部材５３に載置された燃料供給装置４１をメンテナンスすることができる。このように棚部材５０が分割可能であって、少なくとも一部が着脱可能に設けられていることによって、メンテナンス作業をおこなう補機だけを取り外せるので、メンテナンスの作業効率をさらに向上させることができる。

図７は、本実施形態の燃料電池装置の一例を示す部分側面図である。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄおよび図７に示されるように、空気供給装置４２は、棚部材５０に載置され、棚部材５０上に空気取り入れ口４２ａを備えたエアフィルタ４２ｂを備える。エアフィルタ４２ｂを通過した空気は、燃料電池モジュール２の側方に延びる延出部５４に取り付けられたブロア４２ｃに供給される。延出部５４の一端は、空気系棚部材５２上に固定されている。延出部５４は、燃料電池モジュール２の側壁に沿って下方に伸び、Ｌ字状に折曲げられて、延出部５４の他端において、ブロア載置部５４ａを構成している。ブロア４２ｃはブロア載置部５４ａに載置されて固定されている。ブロア４２ｃを通過した空気は、空気供給管１０３を介してセルスタック装置２０に供給される。このように、補機を延出部５４に取付けることによって、燃料電池モジュール２側方の空間も有効利用ができるので、燃料電池装置１の小型化を実現することができる。なお、延出部５４は棚部材５０の一部を折り曲げたものであってもよい。

また、燃料電池モジュール２の側面を一端がブロア４２ｃに接続された空気供給管１０３が下に向かって延び、他端が燃料電池モジュール２の下方に接続されている。このように、ブロア４２ｃを燃料電池モジュール２の上方側に配置することによって、燃料電池モジュール２から水分を含む空気等が逆流したとしても、配管内で冷却されて液化されて、重力によって下方に移動し、燃料電池モジュール２に戻っていくことができる。さらに、水分がブロア４２ｃに流入することを抑制することができる。

また、水などが流れる循環ライン１０５などの配管は、燃料電池モジュール２の上方を避けて設けている。万一、配管で水漏れが起こった場合においても、燃料電池モジュール２や補機に漏水がかかることがないので、燃料電池装置１の信頼性を高めることができる。

また、燃料供給装置４１は、原燃料を燃料電池モジュール２内の改質器１０に送り込むための装置であるが、原燃料供給管１００は、金属管で構成されることが多い。金属管は、燃料供給装置４１のポンプの振動による金属疲労や筐体２４に接触して振動が増幅されるおそれがある。そこで、燃料供給装置４１の下流側の配管をゴム配管にして、振動を軽減する構成であってもよい。

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
２３ 燃料電池セル
２４ 筐体（収納容器）
３５ 供給電力調整部
３５ａ ファン
５０ 棚部材
６０ 外装ケース

Claims (10)

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する外装ケースと、を備え、
   前記複数の補機のうちの少なくとも一つの補機が、前記燃料電池モジュールの上方側に配設されている上方補機であり、
   前記燃料電池モジュールの上方側に配設されたファンをさらに備えることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記燃料電池モジュールに供給する酸素含有ガスの取り込み口が、前記燃料電池モジュールの上方側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 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備え、
   前記ファンは、前記供給電力調節部の熱を排出する排気ファンであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記取り込み口が前記排気ファン側に向いていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 外装ケースの内部には前記上方補機が載置される棚部材を備え、
   該棚部材は、前記燃料電池モジュールの直上から空間をあけて設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
6. 前記ファンから発生した空気流が、前記棚部材と前記燃料電池モジュールとの間の空間に向かって分流される構成となっていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
7. 前記棚部材は、着脱可能に設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池装置。
8. 前記棚部材は、分割可能であって、少なくとも一部が着脱可能に設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池装置。
9. 前記燃料電池モジュールの側方に延びる延出部を有し、
   前記上方補機のうちの少なくとも１つの補機は、前記延出部に取り付けられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
10. 水または熱媒体が流れる配管をさらに備え、
    前記配管は、前記燃料電池モジュールの上方を除く位置に配設されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の燃料電池装置。