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1. (JP2016021337) FUEL CELL SYSTEM
Document

Description

Title of Invention 燃料電池システム

Technical Field

0001  

Background Art

0002   0003  

Citation List

Patent Literature

0004  

Summary of Invention

Technical Problem

0005   0006  

Technical Solution

0007  

Advantageous Effects

0008  

Brief Description of Drawings

0009  

Description of Embodiments

0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054  

Reference Signs List

0055  

Claims

1   2   3   4   5   6   7   8   9    

Drawings

1   2   3   4   5   6   7   8    

Description

燃料電池システム

Technical Field

[0001]
本発明は、燃料電池システムに関し、特にカソード用空気を予熱する技術に関する。

Background Art

[0002]
従来の燃料電池システムでは、特許文献1などに示されているように、筐体内の上部に発電モジュールを収納し、下部に補機を収納している。
前記発電モジュールは、ケース内に少なくとも燃料電池スタックとオフガス燃焼部とを収納してなる。前記補機としては、前記発電モジュールにカソード用空気を供給するブロワなどを挙げることができる。
[0003]
また、特許文献1に記載の技術では、筐体の発電モジュール収納部を内壁と外壁との二重壁構造とすることにより、内壁と外壁との間を空気の流通空間としている。そして、ブロワが、前記流通空間から空気を吸引して、燃料電池スタックのカソードに空気を供給する構成としている。これにより、前記流通空間を流通する空気は、発電モジュールからの熱を受けて暖められる。ブロワが、この暖められた空気を吸引して、発電モジュール(燃料電池スタック)に供給することで、発電モジュールの発電効率の向上を図っている。

Citation List

Patent Literature

[0004]
patcit 1 : 特開2008−192347号公報

Summary of Invention

Technical Problem

[0005]
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、ブロワの吸引側に空気の受熱部がある構成のため、ブロワに高温の空気が流通することになり、ブロワの耐久性という点で問題があった。
[0006]
本発明は、このような実状に鑑み、ブロワの耐久性を損なうことなく、発電モジュールに供給するカソード用空気を高温化して、発電効率向上を図ることを課題とする。

Technical Solution

[0007]
本発明に係る燃料電池システムは、筐体と、前記筐体内に収納される発電モジュール及び補機とを含んで構成され、前記発電モジュールは、ケース内に少なくとも燃料電池スタックとオフガス燃焼部とを収納してなり、前記補機として、前記発電モジュールにカソード用空気を供給するブロワを備える。
本発明に係る燃料電池システムは、更に、前記筐体の内面と前記発電モジュールとの間に形成された空間部と、前記ブロワの吐出口と前記空間部とをつなぐ第1空気通路と、前記空間部と前記発電モジュールのカソード用空気取入口とをつなぐ第2空気通路と、を含んで構成される。

Advantageous Effects

[0008]
本発明によれば、前記空間部は、発電モジュールから熱を受けて高温となる。従って、前記空間部を流通するカソード用空気は熱交換により暖められる。
ブロワの吐出空気は、前記空間部を経て、発電モジュール(燃料電池スタックのカソード)に供給される。従って、前記空間部にて暖められたカソード用空気を発電モジュールに供給することで、発電効率を向上させることができる。
その一方、ブロワは、受熱部の上流側に設けられているので、耐久性を向上させることができる。

Brief Description of Drawings

[0009]
[fig. 1] 本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの概略構成図
[fig. 2] 同上燃料電池システムの第1のレイアウト例を示す図
[fig. 3] 同上燃料電池システムの第2のレイアウト例を示す図
[fig. 4] 同上燃料電池システムの第3のレイアウト例を示す図
[fig. 5] 同上燃料電池システムの第4のレイアウト例を示す図
[fig. 6] 第3及び第4レイアウト例の箱形容器の斜視図
[fig. 7] 図6のA−A断面図
[fig. 8] 同上燃料電池システムの第5のレイアウト例を示す図

Description of Embodiments

[0010]
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図1は本発明の一実施形態を示す燃料電池システム(特に固体酸化物形燃料電池システム)の概略構成図である。
[0011]
本実施形態の燃料電池システムの主要部である発電モジュール1は、ケース2内に、改質器3と、燃料電池スタック4(複数の燃料電池セル5の組立体)と、オフガス燃焼部6とを配置して構成される。
[0012]
ケース2外には、燃料供給用のポンプ7、水供給用のポンプ8、カソード用空気供給用のブロワ9が設けられている。そして、ケース2外からケース2内へ、ポンプ7からの燃料の供給通路10と、ポンプ8からの水の供給通路11と、ブロワ9からのカソード用空気の供給通路12とが設けられている。
[0013]
改質器3は、容器内に改質触媒を充填して構成されており、外部からの燃料(水素生成用の燃料)及び水の供給通路10、11が接続されている。また、改質器3はその内部若しくはその前段に供給通路11から供給される水を気化させる水気化部(図示せず)を備えている。従って、改質器3は、水を気化させて得た水蒸気の存在下で、燃料を水蒸気改質反応により改質し、水素リッチな改質ガスを生成する。尚、水蒸気改質反応に替えて、又はこれと併用して、部分酸化反応や自己熱改質反応などを用いるようにしてもよい。
[0014]
燃料電池スタック4は、複数の固体酸化物形燃料電池セル5を直列(及び並列)に接続してなる組立体である。各セル5は固体酸化物電解質の両面にアノード(燃料極)及びカソード(酸化剤極)を積層してなり、アノードには改質器3出口からの改質ガスの供給通路13により改質ガスが供給され、カソードには外部からの空気の供給通路12により空気が供給される。
[0015]
従って、燃料電池セル5の各々において、カソードにて、下記(1)式の電極反応が生起され、アノードにて、下記(2)式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
カソード: 1/2O +2e →O 2−(固体電解質) ・・・(1)
アノード: O 2−(固体電解質)+H →H O+2e ・・・(2)
[0016]
オフガス燃焼部6は、ケース2内に設けられ、燃料電池スタック4での未反応の改質ガス(オフガス)を余剰の空気の存在下で燃焼させ、その燃焼熱により改質器3及び燃料電池スタック4を高温状態に維持する。従って、ケース2内は、燃料電池スタック4での発電及びオフガスの燃焼に起因して、例えば600〜1000℃程度の高温になる。ケース2内での燃焼によって生成された高温の排気ガスは排気通路(図示せず)によりシステム外に排出されるが、その廃熱は適宜熱利用される。
[0017]
燃料電池システムの制御装置14は、マイクロコンピュータを含む制御ユニットを主体として構成され、ポンプ7、8、及びブロワ9による燃料、水、カソード用空気の供給量を制御すると共に、燃料電池スタック4の出力側に設けられるパワーコンディショナー(図示せず)を介して、燃料電池スタック4からの電流掃引を制御し、これらによって発電電力を制御する。
[0018]
上記の燃料電池システム、すなわち、発電モジュール1、補機(ポンプ7、8及びブロワ9)及び制御装置14は、全て、筐体内に収納される。
[0019]
図2は燃料電池システムの第1のレイアウト例を示す図である。
筐体20は、縦長の直方体形状で、その中の上部に発電モジュール1を収納し、下部に補機(ポンプ7、8、及びブロワ9)及び制御装置14を収納する。但し、図2では、補機として、カソード用空気供給用のブロワ9のみを示している。
[0020]
ここにおいて、筐体20の天板20aと発電モジュール1のケース2の上面2aとの間に、仕切板21が配置される。
仕切板21は、筐体20に取付けられて、天板20aと平行に配置され、天板20aとの間に空間部22を形成する。仕切板21は、また、発電モジュール1のケース2の上面2aに対しても平行に近接配置され、発電モジュール1から輻射熱を受ける。
[0021]
一方、筐体20内の下部(補機室)に配置されるブロワ9は、吸入口9aにより、筐体20外の空気を吸入する。
本例では、筐体20は外部空気取入用の換気口23を有し、ブロワ9は、筐体20に設けられた換気口23を介して、筐体20外の空気を吸入する。この換気口23は、ブロワ9の吸入口9a近傍に設置される。
又は、ブロワ9の吸入口9aに接続した配管を筐体20を貫通させて筐体20外に開口する、或いは、ブロワ9の吸入口9aを換気口23に接続することにより、筐体20外の空気を直接的に吸入するようにしてもよい。
[0022]
尚、外部空気取入用の換気口23とブロワ9の吸入口9aとが連結していない場合、換気口23の設置高さは、吸入口9aと同じ、または吸入口9aより下方であることが好ましい。また、換気口23は、吸入口9aと対向する面に向けて配置することが好ましい。筐体20内の空気より比較的低温な筐体20外の空気をブロワ9に取込みやすくするためである。
[0023]
ブロワ9の吐出口9bには、第1空気通路24が接続されている。第1空気通路24は、筐体20の天板20aと仕切板21との間の空間部22の一端側に接続されている。
前記空間部22の他端側には、第2空気通路25が接続されている。第2空気通路25は、発電モジュール1のカソード用空気取入口26に接続されている。
[0024]
上記の構成においては、発電モジュール1上方の仕切板21は、発電モジュール1からの輻射熱を受けて高温となる。また、筐体20の天板20aは一般的に太陽光に曝されることが多く、太陽からの輻射熱を受けて高温となる。従って、これらの間の空間部22を流通するカソード用空気は熱交換により暖められる。
[0025]
ブロワ9は、筐体20外の空気を吸入し、吐出空気は、第1空気通路24、空間部22、第2空気通路25を経て、発電モジュール1のカソード用空気取入口26に供給される。従って、前記空間部22にて暖められたカソード用空気を発電モジュール1(燃料電池スタックのカソード)に供給することで、発電効率を向上させることができる。
[0026]
上記のように、発電モジュール1のケース上面2aからの輻射熱のみならず、筐体20の天板20aを通じて得られる太陽からの輻射熱を、カソード用空気の予熱に有効に利用できるため、カソード用空気の受熱量が大きくなる。その結果として、発電モジュール1の低温化をより効果的に抑制できるため、発電効率がより向上する。
[0027]
また、筐体20の天板20aは太陽からの輻射熱を受けて高温となるが、空間部22を流れるカソード用空気との熱交換により冷却されるので、天板20aの高温化を回避できる。このため、筐体20の設置場所の制約を緩和することができる。
[0028]
その一方、ブロワ9は、受熱部である空間部22の上流側に設けられているので、耐久性を向上させることができる。これにより、ブロア9の冷却機構が不要となる他、低コストなブロア9を使用できる等の利点もある。
[0029]
また、本例では、第1空気通路24と第2空気通路25は、空間部22の一端側と他端側とに接続されるため、空間部22の全域で熱交換を行わせることができ、熱交換効率を向上させることができる。
[0030]
また、本例では、筐体20は外部空気取入用の換気口23を有し、この換気口23は、下部に配置されるブロア9の吸入口9a近傍に設置される構成のため、ブロア9は、筐体20内又は筐体20外の、比較的低温の空気を確実に吸入することができる。
[0031]
また、本例では、仕切板21は筐体20に一体的に取付けられるため、発電モジュール1の収納時などに、作業性を悪化させることはない。
[0032]
図3は燃料電池システムの第2のレイアウト例を示す図であり、異なる部分について説明する。
本例では、筐体20の側面で、仕切板21より少し低い位置に、内部空気排出用の換気口28が設けられている。具体的には、内部空気排出用の換気口28は、排気ファンを備えていてもよいし、強制排気管に接続されていてもよい。
この換気口28は、前記空間部22への第1空気通路24の接続位置の側と第2空気通路25の接続位置の側とのうち、第1空気通路24の接続位置の側に設けられる。
[0033]
仕切板21上方の空間部22では、第1空気通路24の接続位置の側から、第2空気通路25の接続位置の側へ、すなわち図で右方へ、カソード用空気が流れる。
これに対し、仕切板21の下方では、外部空気取入用の換気口23から取入れられた空気が、仕切板21に沿って、第2空気通路25の接続位置の側から、第1空気通路24の接続位置の側へ、すなわち図3に示すレイアウト例においては右方から左方へ流れ、換気口28より排出される。
[0034]
このようなレイアウトとすることで、空間部22を流れる低温のカソード用空気と、換気口28へ向かう高温の空気との間で、仕切板21を介して熱交換を行わせ、カソード用空気の高温化を図ることができる。
[0035]
尚、換気口28へ向かう高温の空気と空間部22を流れるカソード用空気とが対向流で流れやすくするために、好ましくは、外部空気取入用の換気口23は、第2空気通路25が接続される側に設けるとよい。これにより、換気口28へ向かう高温の空気とカソード用空気とが対向流となる距離を長く確保することができる。
[0036]
また、より好ましくは、図3に示すレイアウト例のように、外部空気取入用の換気口23を、第2空気通路25が接続される側の筐体20下部に設けるとよい。外部空気取入用の換気口23から筐体20内に取込まれた空気が、筐体20下部に収納された補機の発熱によって温められながら筐体20内を上昇する。そして、補機の発熱によって温められた空気は、発電モジュール1からの輻射熱を受けて更に高温になる。これにより、発電モジュール1からの輻射熱を受けて更に高温になった空気と、カソード用空気とを対向流で熱交換させることができる。
[0037]
図4は燃料電池システムの第3のレイアウト例を示す図であり、異なる部分について説明する。
本例では、発電モジュール1のケース2の外面のうち相対的に高温となる上面2a上に、扁平で中空の箱形容器31を設置し、箱形容器31により空間部32を形成してある。
[0038]
そして、ブロア9の吐出口9bと箱形容器31の一端部とをつなぐ第1通路24と、箱形容器31の他端部と発電モジュール1のカソード用空気取入口26とをつなぐ第2通路25とを設けている。
[0039]
上記の構成においては、箱形容器31の壁面は、発電モジュール1からの熱を受けて高温となり、箱形容器31内の空間部32を流通するカソード用空気は、箱形容器31の壁部との熱交換、及び輻射による伝熱により暖められる。従って、カソード用空気に対する予熱効果を得ることができ、発電効率を向上させることができる。
[0040]
その一方、ブロワ9は、受熱部である空間部32の上流側に設けられているので、耐久性の向上等を図ることができる。
また、筐体20の天板20aについては、発電モジュール1からの熱を空間部32により遮断できるので、高温化を防止できる。
[0041]
特に本例によれば、箱形容器31を用いて空間部32を形成するため、組立性が向上する。尚、ここでは容器31は箱形としたが、発電モジュール1との接触面を大きくとれれば、これに限るものではない。
[0042]
また、本例では、箱形容器31を用いて空間部32を形成するため、ブロワ9の下流側の高気密性を簡便に保つことができる。これにより、発電モジュール1に、必要量のカソード用空気を確実に供給することができる。
[0043]
図5は燃料電池システムの第4のレイアウト例を示す図であり、異なる部分について説明する。
本例では、発電モジュール1のケース2の側面2bに接するように、扁平で中空の箱形容器41を設置し、箱形容器41により空間部42を形成してある。
[0044]
そして、ブロア9の吐出口9bと箱形容器41の一端部とをつなぐ第1通路24と、箱形容器41の他端部と発電モジュール1のカソード用空気取入口26とをつなぐ第2通路25とを設けている。
[0045]
特に本例によれば、発電モジュール1のケース2の上面2aに比べ、ケース2の側面2bの方が、面積が大きい場合に、熱交換のための伝熱面積を大きくとることができ、予熱効果を大きくすることができる。
[0046]
また、本例では、発電モジュール1のケース2の側面2bに接するように、扁平で中空の箱形容器41を設置し、箱形容器41により空間部42を形成した形態を示したが、筐体20の側面板と発電モジュール1のケース2の側面2bとの間に、図2や図3に示したような仕切板21を備えることにより、空間部42を形成してもよい。
[0047]
図6は図4又は図5のレイアウト例において使用する箱形容器31、41の斜視図、図7は図6のA−A断面図である。
これらの図に示されるように、箱形容器31、41には、発電モジュール1との接合面側から箱形容器31、41内に突出する伝熱促進部材(フィン)45を設けるとよい。
[0048]
伝熱促進部材(フィン)45は、発電モジュール1のケース2の上面2a又は側面2bの熱を空間部32、42内を流れるカソード用空気に、より効率良く、伝えることができる。
伝熱促進部材(フィン)45は、また、カソード用空気の流通方向に沿って設けることで、流通の妨げとなるのを抑制できる。
[0049]
本例では、箱形容器31、41の内部側に伝熱促進部材(フィン)45を設ける形態を示したが、筐体20と仕切板21によって空間部32を形成する形態(図2及び図3)において、空間部32の内部側に伝熱促進部材(フィン)45を設けてもよい。このとき、伝熱促進部材(フィン)45は、より発電モジュール1に近い仕切板21側に設けると、より好ましい。
[0050]
図8は燃料電池システムの第5のレイアウト例を示す図であり、異なる部分について説明する。
本例では、筐体20内に、筐体20内の上部に収納される発電モジュール1のケース2の底面2cに沿う仕切板51を設け、筐体20内の上部空間を密閉している。
これにより、発電モジュール1のケース2の外面のうち高温側の面である上面2a及び側面2bと、これらを囲む筐体20の内面との間に、空間部52を形成している。
[0051]
そして、ブロア9の吐出口9bと空間部52の一端部とをつなぐ第1通路24と、空間部52の他端部と発電モジュール1のカソード用空気取入口26とをつなぐ第2通路25とを設けている。
[0052]
特に本例によれば、熱交換のための伝熱面積を広くとることができるため、予熱効果を大きくすることができる。また、筐体20の天板20a部のみならず、側板20b部についても高温化を抑制できる。
[0053]
尚、上記の実施形態では、燃料電池スタック4のアノードには、改質器2により生成される水素リッチな改質ガスを供給したが、純水素を供給可能な場合は、改質器2を省略することができる。また、改質器2に代えて、オフガス燃焼熱を利用して水素を分離する脱水素反応器を配置し、外部からの燃料として有機ハイドライドを供給する形態においても、上記の実施形態の効果を得ることができる。
[0054]
また、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

Reference Signs List

[0055]
1 発電モジュール
2 ケース
2a ケース上面
2b ケース側面
2c ケース底面
3 改質器
4 燃料電池スタック
5 燃料電池セル
6 オフガス燃焼部
7 燃料供給用のポンプ
8 水供給用のポンプ
9 空気供給用のブロワ
9a 吸入口
9b 吐出口
10 燃料の供給通路
11 水の供給通路
12 空気の供給通路
13 改質ガスの供給通路
14 制御装置
20 筐体
20a 天板
20b 側板
21 仕切板
22 空間部
23 外部空気取入用の換気口
24 第1空気通路
25 第2空気通路
26 カソード用空気取入口
28 内部空気排出用の換気口
31 箱形容器
32 空間部
41 箱形容器
42 空間部
45 伝熱促進部材(フィン)
51 仕切板
52 空間部

Claims

[1]
筐体と、前記筐体内に収納される発電モジュール及び補機と、を含んで構成され、
前記発電モジュールは、ケース内に少なくとも燃料電池スタックとオフガス燃焼部とを収納してなり、
前記補機として、前記発電モジュールにカソード用空気を供給するブロワを備える、燃料電池システムであって、
前記筐体の内面と前記発電モジュールとの間に形成された空間部と、
前記ブロワの吐出口と前記空間部とをつなぐ第1空気通路と、
前記空間部と前記発電モジュールのカソード用空気取入口とをつなぐ第2空気通路と、
を更に含んで構成される、燃料電池システム。
[2]
前記空間部は、前記発電モジュールのケース外面のうち高温側の面の回りに形成されることを特徴とする、請求項1記載の燃料電池システム。
[3]
前記発電モジュールのケース外面とその外方にある前記筐体の内面との間に配置される仕切板を備え、
前記空間部は、前記筐体の内面と前記仕切板との間に形成されることを特徴とする、請求項1又は請求項2記載の燃料電池システム。
[4]
前記仕切板は、前記筐体の天板と前記発電モジュールのケース上面との間に設けられ、
前記空間部は、前記筐体の天板と前記仕切板との間に形成されることを特徴とする、請求項3記載の燃料電池システム。
[5]
前記空間部は、前記発電モジュールの外方に配置される中空の容器により形成されることを特徴とする、請求項1又は請求項2記載の燃料電池システム。
[6]
前記容器は、前記発電モジュールのケース上面上に配置されることを特徴とする、請求項5記載の燃料電池システム。
[7]
前記容器は、前記発電モジュールのケース側面上に配置されることを特徴とする、請求項5記載の燃料電池システム。
[8]
前記空間部は、前記発電モジュールのケース上面及びケース側面と、これらを囲む前記筐体の内面との間に形成されることを特徴とする、請求項1又は請求項2記載の燃料電池システム。
[9]
前記空間部は、前記空間部の壁面の熱を前記空間部内を流れるカソード用空気に伝える伝熱促進部材を有することを特徴とする、請求項1〜請求項8のいずれか1つに記載の燃料電池システム。

Drawings

[ Fig. 1]

[ Fig. 2]

[ Fig. 3]

[ Fig. 4]

[ Fig. 5]

[ Fig. 6]

[ Fig. 7]

[ Fig. 8]