WO2012090964A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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。

Description

燃料電池システム

　本発明は、燃料電池システムに関する。

　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。

特開２００７－２０７４４１号公報

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

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。 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。

　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。

　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。

　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（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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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）。

Claims (6)

1. 　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、
   　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。
2. 　前記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、
   　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。
3. 　前記空気流路の下流側は、前記空気を外部へ排出する請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 　前記空気流路の下流側は、前記空気を前記セルスタックへ供給する請求項１又は２記載の燃料電池システム。
5. 　前記制御部は、箱体に収容されており、
   　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。
6. 　前記筐体の内部は、複数の機器毎に画設された複数の室部を有し、
   　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。

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