(57)【要約】【課題】燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に搬送されるガスにより、ガス通路内の電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方を冷却することができ、電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方を冷却する冷却装置を廃止または簡略化できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池１または改質器２と、ガス吸込口３０をもちガスを燃料電池１または改質器２に流すガス通路３と、ガス吸込口３０から吸い込んだガスをガス通路３を経て燃料電池１または改質器２に搬送するガス搬送源とを備える。電気系機器６または機械系機器７がガス通路３内に配設されている。燃料電池１または改質器２に向けて供給されるガスによりガス通路３内の電気系機器６または機械系機器７を冷却する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムに使用される燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方と、
ガス吸込口をもちガスを前記燃料電池及び前記改質器のうちの少なくとも一方に流すガス通路と、
前記ガス吸込口から吸い込んだガスを前記ガス通路を経て前記燃料電池及び前記改質器のうちの少なくとも一方に搬送するガス搬送源とを具備する燃料電池システムにおいて、
電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方が前記ガス通路内に配設されており、
前記燃料電池及び前記改質器のうちの少なくとも一方に向けて供給されるガスにより、前記ガス通路内の前記電気系機器及び前記機械系機器のうちの少なくとも一方を冷却することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記ガス通路において前記電気系機器及び前記機械系機器のうちの少なくとも一方よりも上流にガス浄化部が配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２において、前記ガス通路は、前記電気系機器及び前記機械系機器のうちの少なくとも一方を収容する収容室を有するケーシングと、前記ケーシングの前記収容室と前記燃料電池及び前記改質器のうちの少なくとも一方とを連通させる連通路とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか一項において、前記ガス通路は、ガスを前記燃料電池及び前記改質器のうちの少なくとも一方に供給しないように、前記燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方を迂回するバイパス路を有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか一項において、前記電気系機器は制御基盤及びインバータのうちの少なくとも一つであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか一項において、前記機械系機器は駆動モータ及びポンプのうちの少なくとも一つであることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は制御基盤等の電気系機器及び／又はモータ等の機械系機器を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、当該システムを制御する制御基盤、燃料電池で発電された直流出力を交流に変換するインバータ等の電気系機器が設けられている。これらの電気系機器は発熱するため、高温となりがちである。この場合、長寿命化には不利である。このためこれらの電気系機器を送風により冷却する専用のファン等を設け、ファン等で空冷する方式が採用されている。また特許文献１には、燃料電池システムに用いられているインバータを水冷させる方式も開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１１５３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
更に、産業界では、燃料電池システムに使用される電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方を効果的に冷却させることが要請されている。
【０００４】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に向けて搬送されるガスにより、ガス通路内の電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方を冷却することができ、従って、電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方を冷却する冷却装置を廃止または簡略化することができる燃料電池システムを提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池システムに使用される燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方と、ガス吸込口をもちガスを燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に流すガス通路と、ガス吸込口から吸い込んだガスをガス通路を経て燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に搬送するガス搬送源とを具備する燃料電池システムにおいて、
電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方がガス通路内に配設されており、燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に向けて供給されるガスにより、ガス通路内の電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方を冷却することを特徴とするものである。
【０００６】
電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方は、一般的には作動により熱を帯びるため、放熱機器または発熱機器である。このように作動に伴い熱を帯びる電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方を冷却することが、これらの耐久性を維持するためには好ましい。
【０００７】
ガス搬送源が作動すると、燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に向けてガスがガス通路内を流れる。このように燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に向けてガス通路内を流れるガスにより、ガス通路内に配設されている電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方は冷却される。即ち、ガス搬送源は、ガス吸込口から吸い込んだガス（例えば空気）をガス通路を経て燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に搬送する搬送機能と、ガス通路内の電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方を冷却する冷却機能との双方を併有する。
【０００８】
また、燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に向けて供給されるガスの温度が過剰に低いときには、そのガスはガス通路内の電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方に接触するため、予熱される。
【０００９】
ガス通路は、ガスを燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に流すものである。この場合、ガス通路は、ガスを燃料電池及び改質器のうちの双方に流すものでも良いし、あるいは、ガスを燃料電池及び改質器のうちのいずれか一方に流すものでも良い。本明細書では、『電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方』は、電気系機器及び機械系機器のうちの双方がガス通路に配設されている形態、電気系機器及び機械系機器のうちのいずれか一方がガス通路に配設されている形態を含む意味である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムによれば、ガス吸込口から吸い込んだガスはガス搬送源によりガス通路を経て燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に搬送する。このように燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に搬送されるガスにより、ガス通路内の電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方を冷却することができる。従って、電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方を冷却する冷却装置を廃止または簡略化することができる。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に向けて供給されるガスの温度が過剰に低いときには、そのガスをガス通路内の電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方に接触させて予熱させることができる。このようにガスの温度が過剰に低いときであっても、その予熱したガスを燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に供給できるため、燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方の機能を良好に確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
燃料電池システムは、燃料電池システムに使用される燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方と、ガス吸込口をもちガスを燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に流すガス通路と、ガス吸込口から吸い込んだガスをガス通路を経て燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に搬送するガス搬送源とを具備する。電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方がガス通路内に配設されており、燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方に向けて供給されるガスによりガス通路内の電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方を冷却する。電気系機器、機械系機器としては、作動により熱を発生させるものを採用できる。電気系機器及び機械系機器は、放熱性または発熱性を有する機器として機能できる。このような電気系機器としては、燃料電池システムに使用される制御基盤、インバータ等の電力変換器が例示される。機械系機器として駆動モータ、ポンプ等が例示される。
【００１３】
改質器は、燃料電池における発電反応に使用し易くするため、改質原料を改質させるものである。ガス通路を流れるガスとしては、空気等の酸素含有ガスが好ましい。ガス浄化部はガス浄化機能を有するものであればよく、塵埃等を捕獲するフィルタ部材が例示される。フィルタ部材はガス吸込口に設けることができる。更に、電気系機器は、燃料電池システムの発電出力を増加させるにつれて、ガス搬送源による冷却出力を増加させる形態を例示することができる。この場合、燃料電池システムの発電出力が増加するときには、一般的には電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方における発熱量が増加する。このためガス搬送源の搬送出力を増加させることによりガス搬送源による冷却出力を増加させれば、電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方に対する冷却性能を増加させることができる。
【００１４】
ガス通路は、電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方を収容する収容室を有するケーシングと、ケーシングの収容室と燃料電池及び改質器のうちの少なくとも一方とを連通させる連通路とを有する形態を例示することができる。ケーシングは、電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方を収容するものであれば良く、ハウジング、箱体を含み得る意味である。ケーシングを設ければ、電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方のサイズが大きいときであっても、電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方をケーシング内に収容できる。
【００１５】
電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方が長辺部及び短辺部を有する場合には、ガス通路において、長辺部がガス流れ方向に沿うように配設されている形態を例示することができる。この場合、ガス通路を流れるガスと電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方との接触時間を確保するのに有利となり、電気系機器及び機械系機器のうちの少なくとも一方に対する冷却性を高めることができる。
【実施例１】
【００１６】
以下、本発明の実施例１について図１を参照して具体的に説明する。本実施例に係る燃料電池システムは、図１に示すように、スタックを構成する燃料電池１と、改質器２と、ガス吸込口３０をもち空気を燃料電池１及び改質器２の双方に流すガス通路３と、ガス吸込口３０から吸い込んだ空気をガス通路３を経て燃料電池１に搬送する第１ガス搬送源４と、ガス吸込口３０から吸い込んだ空気をガス通路３を経て改質器２に搬送する第２ガス搬送源５とを備えている。ガス通路３内に電気系機器６及び機械系機器７が配設されている。第１ガス搬送源４及び第２ガス搬送源５は互いに独立して駆動する。
【００１７】
スタックを構成する燃料電池１は、燃料が供給される燃料極１０と、空気が供給される酸化剤極１１と、燃料極１０と酸化剤極１１とで挟持された高分子膜型の電解質膜１２と、燃料電池１を冷却する冷却部１３とを有する。冷却部１３は冷却水を循環させる循環路１３ａと、循環路１３ａの冷却水を貯留する水タンク１３ｃとを有する。
【００１８】
改質器２は、燃料電池１における発電反応に使用し易くするため、改質原料を改質させるものであり、改質原料を改質反応させる改質器本体２０と、改質器本体２０を加熱する燃焼器２２とを有する。改質原料として発電用の燃料（例えば天然ガス等）及び水が使用される。改質器本体２０において発電用の燃料が水蒸気改質され、発電用の改質ガスとなる。生成された改質ガスは、通路１５及び弁装置１５ｍを経て燃料電池１の燃料極１０に供給される。燃焼器２２は、燃焼用の空気により燃焼用の燃料を燃焼させて改質器本体２０を高温領域に加熱させる。
【００１９】
ガス通路３は、電気系機器６及び機械系機器７を収容する収容室３２を有するケーシング３１と、ケーシング３１の収容室３２と燃料電池１とを連通させる第１連通路３３と、ケーシング３１の収容室３２と改質器２の燃焼器２２とを連通させる第２連通路３４とを有する。第１連通路３３及び第２連通路３４は収容室３２に連通しつつも互いに独立している。ケーシング３１の収容室３２の外方に燃料電池１及び改質器２が設けられている。
【００２０】
電気系機器６は、当該システムの制御基盤６１と、燃料電池１で発電した直流電力を交流に変換させる電力変換器として機能するインバータ６２とされている。制御基盤６１及びインバータ６２は放熱部品または発熱部品であるため、使用につれて放熱または発熱する傾向がある。制御基盤６１とインバータ６２との間には、双方の空冷性を確保する空冷空間ＷＡが形成されている。機械系機器７は、燃料電池１を冷却する冷却水を搬送するポンプ７１の本体部７１ａとされているが、これに限定されるものではない。ポンプ７１の本体部７１ａは駆動が長時間にわたると、放熱または発熱する傾向がある。ポンプ７１が駆動すると、循環路１３ａの冷却水が循環し、燃料電池１が冷却される。
【００２１】
図１に示すように、第１連通路３３には、燃料電池１の酸化剤極１１に空気を搬送する第１ガス搬送源４（例えば第１ブロア）及び第１弁装置８１が配設されている。第２連通路３４には、改質器２の燃焼器２２に空気を搬送する第２ガス搬送源５（例えば第２ブロア）及び第２弁装置８３が配設されている。ケーシング３１の流路断面積は、第１連通路３３の流路断面積と第２連通路３４の流路断面積との合計よりも大きく設定されており、収容性、ガス通過容易性が確保されている。このようにケーシング３１の流路断面積は大きいため、ケーシング３１内を流れる空気の流速が過剰に高くなることが抑制され、空冷用の空気が電気系機器６及び機械系機器７に接触する時間を確保できる。
【００２２】
このようなケーシング３１を用いているため、電気系機器６及び機械系機器７をケーシング３１内にパッケージ化することができる。故に、電気系機器６及び機械系機器７のサイズが大きいときであっても、電気系機器６及び機械系機器７をケーシング３１内にまとめて収容することができる。なお、ケーシング３１の空気の流れ方向（矢印Ｘ方向）において制御基盤６１及びインバータ６２は直列に配置されている。ケーシング３１は制御基盤６１に対面するようにガス吸込口３０を有する。従って制御基盤６１を効果的に空冷できる。
【００２３】
ケーシング３１のガス吸込口３０には、ガス浄化機能を有するガス浄化部３７が設けられている。ガス浄化部３７は塵埃を捕獲するフィルタ部材とされている。フィルタ部材は交換可能とされている。
【００２４】
図１に示すように、ガス通路３において、電気系機器６及び機械系機器７よりも上流に位置して、ガス浄化部３７が配設されている。ガス浄化部３７で浄化された清浄な空気により、電気系機器６及び機械系機器７が冷却されるため、電気系機器６及び機械系機器７を塵埃等から保護できる。なお、ケーシング３１は電気系機器６及び機械系機器７をメンテナンスするための開閉扉３８を有する。通常時には開閉扉３８は防塵等のため閉鎖されているが、システムが停止するメンテナンス時には開閉扉３８は開放される。
【００２５】
本実施例によれば、発電運転時には、第１ガス搬送源４及び第２ガス搬送源５が作動し、ケーシング３１のガス吸込口３０から吸い込んだ空気（酸素含有ガス）を燃料電池１の酸化剤極１１に搬送すると共に、改質器２の燃焼器２２に燃焼用の空気を搬送する。このように燃料電池１及び改質器２に向けて空気が供給されるとき、その空気によりガス通路３内の電気系機器６及び機械系機器７は冷却される。
【００２６】
即ち、第１ガス搬送源４は、ガス吸込口３０から吸い込んだ空気をガス通路３を経て燃料電池１に搬送する搬送機能と、ガス吸込口３０から吸い込んだ空気によりガス通路３内の電気系機器６または機械系機器７を冷却する冷却機能との双方を併有する。同様に、第２ガス搬送源５は、ガス吸込口３０から吸い込んだ空気をガス通路３を経て改質器２の燃焼器２２に搬送する搬送機能と、ガス吸込口３０から吸い込んだ空気によりガス通路３内の電気系機器６または機械系機器７を冷却する冷却機能との双方を併有する。
【００２７】
本実施例によれば、ガス吸込口３０から吸い込んだ空気は、第１ガス搬送源４及び第２ガス搬送源５によりガス通路３を経て燃料電池１及び改質器２に搬送される。電気系機器６及び機械系機器７が熱を帯びるときであっても、上記したように燃料電池１及び改質器２に向けて搬送される空気により、ガス通路３内の電気系機器６または機械系機器７を冷却することができる。これにより電気系機器６及び機械系機器７の過熱が抑制される。従って、電気系機器６または機械系機器７を冷却する冷却装置を廃止または簡略化することができる。
【００２８】
上記したよう本実施例によれば、ガス吸込口３０のガス浄化部３７を経て浄化された空気を燃料電池１、改質器２の燃焼器２２に搬送するため、燃料電池１、改質器２の燃焼器２２に塵埃等が進入することが抑制される。更にまた、ガス吸込口３０のガス浄化部３７を経て浄化された空気により電気系機器６または機械系機器７を冷却させるため、電気系機器６または機械系機器７を塵埃等が保護することができる。このようにガス浄化部３７は、燃料電池１及び改質器２の系統に対するガス浄化機能と、電気系機器６及び機械系機器７の系統に対するガス浄化機能との双方に共通化されているものである。故にガス浄化部３７の個数を低減させることができる。
【００２９】
寒冷地または冬期等のように、空気の温度が過剰に低いときがある。この場合には、空気の温度が低すぎ、燃料電池１または改質器２の本来の機能が充分に発揮されないおそれがある。この点について本実施例によれば、ガス通路３のガス吸込口３０から吸い込んで空気を、放熱性または発熱性を有する電気系機器６または機械系機器７に接触させて予熱させることができる。このように空気の温度が過剰に低いときであっても、その予熱した空気を燃料電池１及び改質器２に供給できるため、燃料電池１または改質器２の機能を良好に確保することができ、寒冷地、冬期等における使用に有利である。
【００３０】
ところで、燃料電池システムの発電出力が増加するときには、燃料電池１の発電出力が少ないときよりも、一般的には電気系機器６における発熱量、機械系機器７における発熱量が増加する。また、燃料電池システムの発電出力を増加させるときには、燃料電池１の発電出力が少ないときよりも、燃料電池１の燃料極１０、改質器２の燃焼器２２に搬送する空気の流量を増加させる必要がある。
【００３１】
そこで燃料電池１の発電出力を増加させるときには、制御基盤６１は、第１ガス搬送源４及び第２ガス搬送源５の回転数を増加させる。これによりガス吸込口３０から単位時間当たり吸い込む空気量を増加させ、第１ガス搬送源４、第２ガス搬送源５による空冷出力を増加させることができる。これによりケーシング３１内に収容されている電気系機器６または機械系機器７に対する空冷性能を、燃料電池システムの発電出力の増加に応じて増加させることができる。
【実施例２】
【００３２】
図２は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。図２に示すように、燃料電池１の酸化剤極１１に繋がる第１連通路３３には第１弁装置８１（例えば三方弁）が設けられている。更に、燃料電池１に空気を供給しないように、燃料電池１を迂回する第１バイパス通路８２が設けられている。第１弁装置８１は、燃料電池１の酸化剤極１１に供給する単位時間当たりの空気の流量Ｖ１と、第１バイパス通路８２を通過させる単位時間当たりの空気の流量Ｖ２とを変化させるものである。
【００３３】
従って、燃料電池１における発電運転の事情により、燃料電池１の酸化剤極１１に供給する空気の流量を減少させる場合には、第１弁装置８１により、第１バイパス通路８２を通過させる空気の流量Ｖ２を増加させつつ、燃料電池１の燃料極１０に供給する空気の流量Ｖ１を減少させることができる。この場合において、燃料電池１に供給されない空気（第１バイパス通路８２から排出される空気）が電気系機器６及び機械系機器７を冷却するので、電気系機器６及び機械系機器７に対する空冷性能を高く維持することができる。
【００３４】
また図２に示すように、改質器２の燃焼器２２に繋がる第２連通路３４には第２弁装置８３（例えば三方弁）が設けられている。更に、改質器２の燃焼器２２に空気を供給しないように、改質器２の燃焼器２２を迂回する第２バイパス通路８４が設けられている。第２弁装置８３は、改質器２の燃焼器２２に供給する単位時間当たりの空気の流量Ｖ３と、第２バイパス通路８４を通過させる単位時間当たりの空気の流量Ｖ４とを変化させるものである。従って、改質器２における事情により、改質器２の燃焼器２２に供給する空気の流量を減少させる場合には、第２弁装置８３により、第２バイパス通路８４を通過させる空気の流量Ｖ４を増加させつつ、改質器２の燃焼器２２に供給する空気の流量Ｖ３を減少させることができる。この場合、改質器２の燃焼器２２に供給されない空気（第２バイパス通路８４から排出される空気）が電気系機器６及び機械系機器７を冷却するので、電気系機器６及び機械系機器７に対する空冷性能を高く維持することができる。
【実施例３】
【００３５】
図３は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。制御基盤６１は長辺部６１ｍ及び短辺部６１ｓを有する。インバータ６２は長辺部６２ｍ及び短辺部６２ｓを有する。ガス通路３のケーシング３１の収容室３２において、制御基盤６１の長辺部６１ｍ、インバータ６２の長辺部６２ｍが空気流れ方向（矢印Ｘ方向）に沿うように配設されている。これによりケーシング３１の収容室３２を流れる空気と制御基盤６１との接触時間を確保するのに有利となる。同様に、空気とインバータ６２との接触時間を確保するのに有利となる。これにより制御基盤６１及びインバータ６２に対する空冷性を高めることができる。
【実施例４】
【００３６】
図４は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。上記した実施例１によれば、改質器２で改質した改質ガスを燃料電池１の燃料極１０に供給することにしているが、これに限らず、改質部を廃止すると共に、純度が高い燃料ガス（水素ガス）を貯蔵する貯蔵タンク等の燃料ガス貯蔵部９０を設けている。そして、燃料ガス貯蔵部９０で貯蔵している純度が高い燃料ガスを、通路１５及び弁装置１５ｍを介して燃料電池１の燃料極１０に供給する。
【００３７】
（その他）上記した実施例によれば、第１ガス搬送源４及び第２ガス搬送源５はブロアとされているが、これに限らず、ファン等でもよく、要するに空気等のガスを搬送できるものであれば良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、携帯用等に使用される燃料電池システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施例１に係り、燃料電池システムの構成図である。
【図２】実施例２に係り、燃料電池システムの構成図である。
【図３】実施例３に係り、燃料電池システムの構成図である。
【図４】実施例４に係り、燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
図中、１は燃料電池、２は改質器、２２は燃焼器、３はガス通路、３０はガス吸込口、３１はケーシング、３２は収容室、３３は第１連通路、３４は第２連通路、４は第１ガス搬送源、５は第２ガス搬送源、６は電気系機器、７は機械系機器を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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