(57)【要約】    【課題】  ブロワ９の耐久性を損なうことなく、発電モジュール１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。    【解決手段】  筐体２０内には、上部に発電モジュール１が収納され、下部にブロワ９などの補機が収納される。仕切板２１は、筐体２０の天板２０ａと発電モジュール１のケース上面２ａとの間に配置され、天板２０ａとの間に空間部２２を形成する。第１空気通路２４は、ブロワ９の吐出口９ｂと空間部２２とをつなぐ。第２空気通路２５は、空間部２２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。発電モジュール１のケース上面２ａ上に箱形容器を設置して、空間部を形成してもよい。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【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。
【背景技術】
【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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１９２３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【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。
【課題を解決するための手段】
【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。
【発明の効果】
【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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図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
【図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
【図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
【図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
【図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
【図６】第３及び第４レイアウト例の箱形容器の斜視図
【図７】図６のＡ−Ａ断面図
【図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
【発明を実施するための形態】
【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：  １／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）    ・・・（１）
アノード：  Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋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。
【符号の説明】
【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2016021337.tif 000009
【図８】
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