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技術 燃料電池装置

出願人 京セラ株式会社
発明者 中村竜一
出願日 2016年5月24日 (4年6ヶ月経過) 出願番号 2016-103773
公開日 2017年11月30日 (2年11ヶ月経過) 公開番号 2017-212084
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(本体)
主要キーワード カットモデル 天板パネル 底板パネル 筐体周囲 代表形状 断面四角 排ガス導出口 終端開口
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この項目の情報は公開日時点(2017年11月30日)のものです。
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課題

熱交排ガス排気口付近結露が発生しても、その結露による結露水を素早く蒸散させることができる燃料電池装置を提供する。

解決手段

本発明の燃料電池装置は、発電を行う燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールより排出される排ガスを熱交換して冷却する熱交換器と、発電運転補助する補機と、複数のフレームならびに該フレームに取り付けられた複数のパネルを有する筐体と、を有し、前記筐体は、その内部の、前記燃料電池モジュール,熱交換器および前記補機のいずれにも干渉しない位置に、対向するパネル同士の間に配設されてその両端がそれぞれ筐体外部に向けて開口する筒状の放熱用通風路を備えており、熱交排ガス流路を経由して、前記熱交換器の排ガスを、前記放熱用通風路の内部に排出する。

概要

背景

燃料電池装置として、収納容器内燃料ガス水素含有ガス)と酸素含有ガス(空気)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備える燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールの動作に必要な熱交換器等の補機とが、外装ケースケーシング)等の筐体収納された構成が知られている(特許文献1を参照)。

このような燃料電池装置では、熱交換器内で、燃料電池モジュールから排出される、水蒸気を含む高温排ガスと、水とを熱交換させて温水を生成しており、この熱交換後の排ガスが、燃料電池装置を収容する外装ケース等の筐体の前面もしくは側面に設けられた排気口から筐体外に直接排気される(特許文献2,3を参照)。

なお、筐体の熱交排ガスの排気口の外側には、この排気口内への雨水等の進入を防止する排気カバーまたは排気ガードが配設されている場合もある(特許文献2,4等を参照)。

概要

熱交排ガスの排気口付近結露が発生しても、その結露による結露水を素早く蒸散させることができる燃料電池装置を提供する。本発明の燃料電池装置は、発電を行う燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールより排出される排ガスを熱交換して冷却する熱交換器と、発電運転補助する補機と、複数のフレームならびに該フレームに取り付けられた複数のパネルを有する筐体と、を有し、前記筐体は、その内部の、前記燃料電池モジュール,熱交換器および前記補機のいずれにも干渉しない位置に、対向するパネル同士の間に配設されてその両端がそれぞれ筐体外部に向けて開口する筒状の放熱用通風路を備えており、熱交排ガス流路を経由して、前記熱交換器の排ガスを、前記放熱用通風路の内部に排出する。

目的

本発明の目的は、熱交排ガスの排気口付近で結露が発生しても、その結露による結露水を素早く蒸散させることができる燃料電池装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

収納容器内燃料ガス酸素含有ガスを用いて発電を行うセルスタック収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールより排出される排ガス熱交換して冷却する熱交換器と、前記燃料電池モジュールの発電運転補助する補機と、複数のフレームならびに該フレームに取り付けられた複数のパネルを有する筐体と、を備え、前記筐体は、その内部に、少なくとも前記燃料電池モジュールと前記熱交換器と、前記各補機とが、それぞれ独立して配置され、前記筐体内部における、前記燃料電池モジュール,前記熱交換器および前記補機のいずれにも干渉しない位置に、前記複数のパネルのうち、対向するパネル同士の間に配設されてその両端がそれぞれ筐体外部に向けて開口する筒状の放熱用通風路と、前記熱交換器で熱交換された排ガスを、前記放熱用通風路の内部に排出する熱交排ガス流路と、を有することを特徴とする燃料電池装置

請求項2

前記熱交排ガス流路の終端開口が、前記筒状の放熱用通風路の底面を除く、側壁面または天壁面にあり、該終端開口に正対する距離を空けた位置に、前記排ガスの整流用部材を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。

請求項3

前記放熱用通風路の底面が、前記対向するパネル同士のうち、前記筐体の前面を除く後面側または側面側に位置するパネルに向かって下り傾斜状の傾斜面であることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池装置。

請求項4

前記熱交換器が、前記燃料電池モジュールより排出される排ガスと水とで熱交換する熱交換器であって、前記放熱用通風路内に、前記熱交換器に送給する水の温度を低下させるラジエータと、該ラジエータ冷却用ファンとを備え、前記熱交排ガス流路の終端開口が、前記ラジエータ冷却用のファンの回転により発生する前記放熱用通風路内の空気流れの、該ファンより下流側にあることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の燃料電池装置。

技術分野

0001

本発明は、燃料電池装置に関する。

背景技術

0002

燃料電池装置として、収納容器内燃料ガス水素含有ガス)と酸素含有ガス(空気)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備える燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールの動作に必要な熱交換器等の補機とが、外装ケースケーシング)等の筐体収納された構成が知られている(特許文献1を参照)。

0003

このような燃料電池装置では、熱交換器内で、燃料電池モジュールから排出される、水蒸気を含む高温排ガスと、水とを熱交換させて温水を生成しており、この熱交換後の排ガスが、燃料電池装置を収容する外装ケース等の筐体の前面もしくは側面に設けられた排気口から筐体外に直接排気される(特許文献2,3を参照)。

0004

なお、筐体の熱交排ガスの排気口の外側には、この排気口内への雨水等の進入を防止する排気カバーまたは排気ガードが配設されている場合もある(特許文献2,4等を参照)。

先行技術

0005

特開2003−214712号公報
特開2013−191324号公報
特開2014−123523号公報
特開2011−204446号公報

発明が解決しようとする課題

0006

ところで、燃料電池装置の周り気温湿度等の環境は様々に変化するため、周囲の気温が低い場合や排気口から水分を多く含む熱交排ガスが排出された場合に、この排気ガード自身やその周辺筐体表面に、結露水が付着してしまう場合があった。

0007

結露水は、連続して発生すると、筐体表面や筐体周囲基礎(地面)等に濡れを生じて、見栄えを悪くしたり、機器故障等の疑念を生じさせたりする場合がある。そのため、この熱交排ガスの排気口付近で発生する結露水の解消が課題となっていた。

0008

本発明の目的は、熱交排ガスの排気口付近で結露が発生しても、その結露による結露水を素早く蒸散させることができる燃料電池装置を提供することである。

課題を解決するための手段

0009

本発明の実施態様に係る燃料電池装置は、収納容器内に燃料ガスと酸素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールより排出される排ガスを熱交換して冷却する熱交換器と、前記燃料電池モジュールの発電運転補助する補機と、複数のフレームならびに該フレームに取り付けられた複数のパネルを有する筐体と、を備え、
前記筐体は、その内部に、少なくとも前記燃料電池モジュールと前記熱交換器と、前記各補機とが、それぞれ独立して配置され、前記筐体内部における、前記燃料電池モジュール,前記熱交換器および前記補機のいずれにも干渉しない位置に、
前記複数のパネルのうち、対向するパネル同士の間に配設されてその両端がそれぞれ筐体外部に向けて開口する筒状の放熱用通風路と、
前記熱交換器で熱交換された排ガスを、前記放熱用通風路の内部に排出する熱交排ガス流路と、を有することを特徴とする燃料電池装置である。

発明の効果

0010

本発明の実施態様に係る燃料電池装置によれば、熱交排ガスの排気口付近で結露が発生しても、その結露による結露水を素早く蒸散させることができる。

図面の簡単な説明

0011

本発明の実施形態の燃料電池装置において外装パネルを外した状態を示す外観斜視図である。
本実施形態の燃料電池装置の内部構造を示す一部断面図である。
他の実施形態の燃料電池装置の内部構造を示す一部断面図である。

実施例

0012

図1は、本実施形態の燃料電池装置において、内部構造を示すために外装パネルを外した状態を示す図であり、図2は、その内部構造を示すための一部断面図(いわゆるカットモデル)である。なお、本実施形態においては、図1のように燃料電池装置10および筐体20の設置正面(手前)から背面側(奥側)を望む方向(図示X軸の方向)を、装置の前後方向と呼び、前面(正面)側から見たY軸の方向を装置の左右方向、鉛直上下(天地)のZ軸の方向を装置の上下方向、として説明する。

0013

本実施形態の燃料電池装置10は、図1に示すように、少なくとも、セルスタックを収納してなる燃料電池モジュール1と、熱交換器2と、発電運転を補助する補機として、純水化装置等を含む凝縮水水処理ユニットA,水タンク水ポンプとを含む改質水供給手段B,ガスポンプを含む燃料ガス供給手段Cおよび空気ブロアを含む酸素含有ガス供給手段D等を備える。なお、図1を含む各図には、燃料電池装置10の主な構成要素のみを記載しており、本実施形態の燃料電池装置は、これらの構成以外の他の構成要素を含んでいてもよい。また、燃料電池モジュール1や各補機A,B,C,Dの位置は適宜変更することができる。たとえば、燃料電池モジュール1は、燃料電池装置10において、一番上側に配置することもできる。さらに、各図においては、燃料電池モジュール1と各補機A,B,C,D等とを接続する配管配線、および、熱交換器2に接続される冷水温水配管や、装置の制御手段等の図示を省略している。

0014

これら各機器を収納する筐体20は、複数のフレーム11,12,13,14,15、ならびに、これらフレームに取り付けられた複数の外装パネル、すなわち装置前後(正面−背面)を覆う前面パネル21,後面パネル22と、装置左右の側面を覆う左側面パネル23,右側面パネル24と、装置上面を蓋する天板パネル25および装置下面(底面)を構成する底板パネル26とから構成されている。なお、図1においては、装置の内部構造を見易くするために、底板パネル26以外のパネルの図示を省略している。

0015

筐体20の内部は、家庭向け燃料電池システムガスコージェネレーションシステム)等の場合、図1のように、主に燃料電池モジュール1および熱交換器2を含む高温運用機器を収容するホットモジュール収容室30(中央のフレーム14,15より左の区画)と、各補機を含む低温運用機器を主に収容する補機収容室40(中央のフレーム14,15より右の区画)とに分画されており、これらの収容室内に、各機器がそれぞれ独立して配置されている。

0016

そして、本実施形態の燃料電池装置10においては、図1図2に示すように、筐体20内部の、燃料電池モジュール1,熱交換器2および配管・配線等を含む各補機A,B,C,D等のいずれにも干渉しない位置に、その両端が筐体20の前後方向(図示X軸方向)に向けて開口する筒状の放熱用通風路3が形成されており、この放熱用通風路3の壁面(側壁3a)に、熱交換器2から排出された水分を含む排ガス(以下、熱交排ガスと言う)を、放熱用通風路3内に排気するための熱交排ガス流路4が接続されている。これが、本実施形態の燃料電池装置10の最大の特徴である。

0017

なお、図1図2における放熱用通風路3内の熱交排ガス流路4の開口(以下、排気口)は、熱交排ガスの整流部材を兼用する排気口カバー5により覆われているため、図では直接視認できない。この点については、後記で詳しく説明する。

0018

燃料電池装置10を構成する各機器(モジュール)を説明すると、本実施形態の燃料電池装置10は、固体酸化物形燃料電池SOFC)であり、発電を行う燃料電池モジュール1は、断熱材が張り巡らされた収容容器内に、燃料電池セルが積層されたセルスタックと、セルスタックに供給される燃料ガスを加熱して改質する改質器と、セルスタックから排出される排ガス中の残存燃料燃焼させる燃焼部等を収容したものである。

0019

熱交換器2は、燃料電池モジュール1より排出される高温の排ガスを熱交換して、後述する凝縮水を作りだすためのものである。なお、熱交換器2は、燃焼排ガス流通する燃焼排ガス流路と、貯湯装置から水ポンプ等により送給された冷水(貯湯水)が流通する温水流路とが向流接触する熱交換部を備え、ここで水と熱交換を行うことで、給湯等に用いる温水(熱水)を作り出すことができる。

0020

また、熱交換器2は、熱交換により燃焼排ガス中に含まれる水分が凝縮された凝縮水が導出される凝縮水導出口と、熱交換の終わった熱交排ガスが導出される熱交排ガス導出口と、を備えており、従来、この熱交排ガス導出口から導出され、装置外に直接排気されていた熱交排ガスが、本実施形態の燃料電池装置10では、熱交排ガス流路4を通じて、放熱用通風路3内に排気されるようになっている。

0021

一方、凝縮水導出口は、熱交換器2の下部(底部)側に形成されており、この凝縮水導出口から導出された凝縮水は、純水化装置を含む水処理ユニットAを経由して浄化され、改質水供給手段Bの水タンクに貯留されて、燃料電池モジュール1内の改質器で、燃料ガスの改質剤として利用される。

0022

また、補機である、燃料ガス供給手段Cは、都市ガスLPガス等の原燃料ガスを改質器に供給するガスポンプを備えるものであり、酸素含有ガス供給手段Dは、装置外の大気等、酸素を含有するガスをセルスタックに供給するための送風機ブロア)を備える。なお、水処理ユニットA,改質水供給手段Bと、これら燃料ガス供給手段Cおよび酸素含有ガス供給手段Dを含む各補機は、種々のタイプ,形状を有するものであるが、図1図2中では、全ての補機類方形代表形状として描画している。

0023

そして、熱交換器2から導出される熱交排ガスの排出場所である放熱用通風路3は、先にも述べたように、筐体20内の、燃料電池モジュール1,熱交換器2および配管・配線等を含む各補機A,B,C,Dのいずれにも干渉しない位置に配置されており、その両端が、筐体20前後の前面パネル21および後面パネル22に設けられた開口と一致している。この構成により、筐体前後方向(図示X軸方向)に向けて開口する筒状の放熱用通風路3内に、装置の外気が流通(通風)するようになっている。

0024

また、放熱用通風路3内に設けられた熱交排ガス流路4の排気口には、図1図2に示すように、熱交排ガスを上下方向に分けて放熱用通風路3内に導出するための整流部材を兼用する排気口カバー5が配設されている。これにより、熱交排ガス流路4から排出された熱交排ガスは、図中の黒塗り矢印のように、放熱用通風路3の側壁3aに沿って上下に広がるようになっている。

0025

さらに、放熱用通風路3の底面3bは、図2のように、筐体20後側の後面パネル22に向かって下方に傾く下り傾斜面に形成されている。なお、この場合、前面パネル21に対する放熱用通風路底面3bの傾斜角度θは、通常91〜100°(下り傾斜角で−1〜−10°)、最大135°である。また、前面パネル21および後面パネル22の開口には、筐体20表面の見栄えを向上させるとともに、放熱用通風路3内への雨水等の進入を防止する、通風ガード27Aおよび27Bが取り付けられている。

0026

以上の構成により、本実施形態の燃料電池装置10は、熱交排ガスの排気口付近で結露が発生しても、その結露による結露水を素早く蒸散させることができる。すなわち、熱交排ガスによる結露(結露水)は、熱交排ガス流路4の出口付近に位置する放熱用通風路3の内壁面で発生すると考えられるが、この結露水は、放熱用通風路3の内壁面または底面等をつたううちに、放熱用通風路3内を通る気流(風)により蒸発するため、液体(結露水)のまま筐体外部に出て行くおそれが少ない。

0027

また、蒸散が間に合わず、放熱用通風路3内から液体(結露水)として筐体外部に出て行く場合も、その結露水は、放熱用通風路底面3bの傾斜に沿って、筐体20後側の後面パネル22側に排出されるため、筐体前面の基礎(地面)等に濡れを生じて見栄えを悪くしたり、機器故障等の疑念を生じさせたりするおそれがない。

0028

したがって、本実施形態の燃料電池装置10においては、結露水は、発生したとしても、筐体20外部からは認識されにくく、筐体周囲の基礎等に濡れを生じ難い。また、これにより、基礎のコンクリート劣化したり、カビが発生したりといった、装置周辺で発生する長期的なメンテナンストラブルを、大幅に低減することができる。

0029

なお、本実施形態の燃料電池装置10は、筐体20の放熱用通風路3内、すなわちホットモジュール収容室30や補機収容室40ではない位置に、熱交換器2に供給される冷水(貯湯水)の温度が高過ぎる(たとえば、貯湯装置内の貯湯水が全て熱水で満たされている)場合に、熱交換器2に送給する貯湯水の温度を下げるために用いられるラジエータ6が配設されており、この放熱用通風路3が、ラジエータ6に風(外気)を当てるための空気流路を兼用するように構成されている。さらに、このラジエータ6の背後(図では筐体20の前面側でかつ前面パネル21側)には、ラジエータ6内に筐体20の後面側から外気を引き込み、その外気を筐体20の前面側に強制排気する、ラジエータ6冷却用電動ファン7が配設されている。

0030

そのため、電動ファン7が作動した場合、この筐体20の放熱用通風路3内には、図2中に白抜き矢印で示すような、筐体20の前面側に向かう気流(空気流れ)が発生し、この気流により、熱交排ガスの排気口付近で発生した結露水を、より早く蒸散させることができる。なお、電動ファン7による強制排気をより効率よく利用するために、熱交排ガスの排気口は、気流(空気流れ)の、該電動ファン7より下流側に配置することが望ましい。

0031

また、本実施形態の燃料電池装置10は、構成上ラジエータを必要としない場合、図3に示すように、放熱用通風路3内にラジエータおよびファンを設置しない構成とすることもできる。この場合でも、前記と同様、熱交排ガスの排気口付近で結露が発生しても、その結露水は、放熱用通風路3内を通る気流(風)により蒸発するため、液体のまま筐体外部に出て行くおそれが少ない、という効果を奏することができる。

0032

さらに、前記実施形態では、放熱用通風路3を、断面四角状の筒体としたが、その断面形状はどのような形でもよい。なお、筒体がどのような断面形状であれ、熱交排ガス流路4の排気口は、結露水の発生を考慮して、放熱用通風路3の底面3b(底壁)を除く、側壁面または天壁面に設けられる。また、風圧による熱交排ガスの逆流や、雨水等の進入を防止するために、熱交排ガス流路4の排気口には、排気口カバー5のような、熱交排ガス用の整流部材を設置することが望ましい。

0033

また、前記実施形態では、放熱用通風路3を、対向する、前面パネル21と後面パネル22との間(X軸方向)に設けたが、この放熱用通風路3は、同様に対向する、左側面パネル23と右側面パネル24との間(Y軸方向)に配設してもよく、天板パネル25と底板パネル26との間(Z軸方向)に配置することも可能である。前記左右の側面パネル23,24の間の場合、放熱用通風路3の底面の下り傾斜方向は、左右どちらでもよいが、結露水が目に付き難い点を考慮すると、建物等の壁面側に傾斜させるのが望ましい。

0034

さらに、放熱用通風路3の両端開口へ取り付けられる通風ガード27Aおよび27Bの全体形状小孔形状も、設置場所に合わせて変更することが可能である。

0035

1燃料電池モジュール
2熱交換器
3放熱用通風路
4 熱交排ガス流路
5排気口カバー
6ラジエータ
7電動ファン
10燃料電池装置
11,12,13,14,15フレーム
20筐体
21前面パネル
22後面パネル
23左側面パネル
24右側面パネル
25天板パネル
26底板パネル
27A,27B通風ガード
30ホットモジュール収容室
40 補機収容室

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