(57)【要約】【課題】設置面積を小さくでき、水素ボンベに対しての加熱条件のばらつきを低減できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素及び空気中の酸素を燃料とする燃料電池システムにおいて、システム筐体内に、燃料電池５、水素ボンベ６、及び空気ポンプ７を、下側からこの順に配置することにより、燃料電池システム１の設置面積を小さくできる。また、全ての水素ボンベ６を、縦向きかつ水平方向に重なるように配置する。熱源である燃料電池５の排熱を全ての水素ボンベ６に対して均等に伝達させ、加熱条件のばらつきを低減させることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の水素貯蔵容器と、
前記複数の水素貯蔵容器から送給される水素を酸素と反応させて発電する燃料電池とを備え、
前記複数の水素貯蔵容器は、前記燃料電池の上方において、鉛直方向に延びる向き、且つ、各々が水平方向に異なる位置に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池からの排気を前記複数の水素貯蔵容器に到達させる通気口を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記通気口に空気を導入する送風装置を備え、
前記送風装置は前記排気を前記複数の水素貯蔵容器へと到達させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記複数の水素貯蔵容器の表面との間に通風路を形成する通風路部材を備え、
前記通気口の上に前記通風路が位置することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記複数の水素貯蔵容器の各々と前記通風路部材との間に、位置決め部材を備えたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記複数の水素貯蔵容器の各々の少なくとも一部は、水平方向における同一直線上に互いに重なるように、一列に配置されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項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する
【背景技術】
【０００２】
一般に、水素及び酸素を燃料とする燃料電池は、水素ボンベ内に充填した水素と、空気中の酸素とを使用して発電し、電源として利用される。このため燃料電池システムは水素ボンベを収容しているが、燃料電池本体の寸法上の制約から、収容できる水素ボンベの大きさには限りがある。また、水素ボンベは、内部に水素吸蔵合金を備えたものが知られている。水素吸蔵合金が水素を放出する際の反応は吸熱反応であり、水素を放出するためには水素ボンベを加熱する必要がある。
【０００３】
従来、特許文献１には、水素貯蔵容器が燃料電池本体とは別に独立した燃料電池システムが提案されている。このシステムにおいて、水素貯蔵容器は燃料電池本体に隣接して配置される。水素貯蔵容器は、水素吸蔵合金を内蔵した複数のボンベを、横向きの状態で上下方向に２列分積み重ねて収容している。
【０００４】
水素貯蔵容器の側面には排ガス導入部が設けられ、燃料電池が発生する排ガスがボンベ周辺を横方向に通過してボンベを加熱する。また、ボンベ周辺を通過した排ガスは、排ガス導入部と対向する側面に設けられた排気口から排気される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−０６０８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の構造では、水素貯蔵容器が燃料電池本体に隣接して配置されているため、燃料電池システム全体として設置面積（フットプリント）が大きくなってしまうという問題があった。また、排ガス導入部からの距離が近い列のボンベと遠い列のボンベとでは、同じように加熱することは難しく、加熱条件にはばらつきがあるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、設置面積を小さくでき、水素ボンベに対しての加熱条件のばらつきを低減できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池システムは、複数の水素貯蔵容器と、前記複数の水素貯蔵容器から送給される水素を酸素と反応させて発電する燃料電池とを備え、前記複数の水素貯蔵容器は、前記燃料電池の上方において、鉛直方向に延びる向き、且つ、各々が水平方向に異なる位置に配置されていることを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムであって、更に前記燃料電池からの排気を前記複数の水素貯蔵容器に到達させる通気口を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項３記載の燃料電池システムは、請求項２に記載の燃料電池システムであって、更に前記通気口に空気を導入する送風装置を備え、前記送風装置は前記排気を前記複数の水素貯蔵容器へと到達させることを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項４記載の燃料電池システムは、請求項２または３に記載の燃料電池システムであって、更に前記複数の水素貯蔵容器の表面との間に通風路を形成する通風路部材を備え、前記通気口の上に前記通風路が位置することを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項５記載の燃料電池システムは、請求項４に記載の燃料電池システムであって、更に前記複数の水素貯蔵容器の各々と前記通風路部材との間に、位置決め部材を備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項６記載の燃料電池システムは、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、更に前記複数の水素貯蔵容器の各々の少なくとも一部は、水平方向における同一直線上に互いに重なるように、一列に配置されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載の燃料電池システムによれば、燃料電池と水素貯蔵容器とを上下方向に重なるように、かつ、水素貯蔵容器を鉛直方向に延びる向きに配置することにより、燃料電池システムの設置面積（フットプリント）を小さくできる。また、燃料電池の上方に水素貯蔵容器を配置することにより、熱は対流により鉛直上方向に伝達されやすいため、効率良く燃料電池の排熱を水素貯蔵容器に伝達させることができる。また、水素貯蔵容器の各々は水平方向に重なる位置に配置され、鉛直方向に重ならないため、水素貯蔵容器毎の加熱条件のばらつきを低減できる。
【００１５】
また、請求項２記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の排熱を含む排気が通気口を通して水素貯蔵容器の表面に直接到達し、より効率良く燃料電池の排熱を水素貯蔵容器に伝達させることができる。
【００１６】
また、請求項３記載の燃料電池システムによれば、送風装置により燃料電池からの排気をより効率良く通気口を通して水素貯蔵容器の表面へ到達させることができる。
【００１７】
また、請求項４記載の燃料電池システムによれば、水素貯蔵容器と通風路部材との間に設けられる通風路により、水素貯蔵容器の周囲に燃料電池からの排気を集中させて到達させることができるため、より効率良く燃料電池の排熱を水素貯蔵容器に伝達させることができる。また、通風路部材に断熱材を用いた場合、より効率よく、燃料電池の排熱を水素貯蔵容器に伝達させることができる。
【００１８】
また、請求項５記載の燃料電池システムによれば、位置決め部材により水素貯蔵容器の位置と通風路部材の位置とが固定でき、通風路が所定の間隔に保持できる。また、通風路部材が柔らかくて変形しやすい素材であっても、通風路が所定の間隔に保持できる。通風路が確保されることにより、燃料電池からの排気をより確実に水素貯蔵容器に伝達させることができる。
【００１９】
また、請求項６記載の燃料電池システムによれば、水素貯蔵容器を水平方向に同一直線上に重なるように一列に配置することにより、燃料電池システムを薄型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの全体を表した斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に従って切断し、水素ボンベ６とその周辺の詳細を矢印方向に見た断面を表した図面である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線に従って切断し、水素ボンベ６とその周辺の詳細を矢印方向に見た断面を表した図面である。
【図４】本発明の第１変形例の水素ボンベ６の断面を示した図面であって、図２に相当する図面である。
【図５】本発明の第２変形例の燃料電池システムの全体を表した構成の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の燃料電池システムは、例えば信号機などの電気設備に設置され、災害などによる停電時において非常用のバックアップ電源として使用される。以下、本発明の実施の形態について図１を参照して説明する。
【００２２】
＜燃料電池システムの全体構成＞
燃料電池システム１は、システム筐体２を備える。システム筐体２は、内部空間を上下に仕切るように設けられた保持棚３と保持棚４とを備える。保持棚３の下方には燃料電池５が配置される。保持棚３上には水素貯蔵容器として３個の水素ボンベ６が配置される。保持棚４上には空気ポンプ７が配置される。
【００２３】
＜システム筐体＞
システム筐体２は上下に長く延びる箱型の筐体であり、前面と上面とにそれぞれ開口部を備える。以下の説明の為に、各図中に矢印で示す方向を使用し、開口部のある面を前、反対側を後とする。前面の開口部には開閉式の扉が設けられるが、図１では説明のために扉を取り外した状態で示してある。上面の開口部には開閉式の上蓋８が設けられる。上蓋８は側面に複数の排気口９を備える。
【００２４】
保持棚３上には、縦板１０が設けられる。縦板１０は、保持棚３上の空間を前後方向に仕切るように設けられ、システム筐体２の内壁面に固定される。縦板１０の後方には水素配管１４が配置され、前方には３個の水素ボンベ６が配置される。
【００２５】
＜燃料電池＞
燃料電池５は例えば固体高分子形燃料電池（polymer electrolyte fuel cell）等の燃料電池である。燃料電池５は、内部に図示しないスタックを備える。スタックは、膜／電極接合体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟み込んで構成された板状のセルを複数枚積層したものである。各セルの負極側に沿って流される水素と、同じく正極側に沿って流される酸素とが反応することにより、正極板と負極板との間に電気エネルギーが取り出される。
【００２６】
スタックの周囲には、スタックを取り囲むように燃料電池ガイド１１が配置される。燃料電池ガイド１１の内側にはスタックを冷却する為のスタック通風路が設けられる。燃料電池ガイド１１の上下には開口部が設けられ、スタック通風路は開口部を通して燃料電池ガイド１１の外側の空間と連通している。
【００２７】
燃料電池ガイド１１の上側の開口部には、送風装置として左右３列×前後２列のファン１２が配置される。ファン１２の送風方向は上向きである。ファン１２が駆動することにより、スタック通風路内部の空気が吸引され、燃料電池５の上方に配置された保持棚３に向かって送風される。燃料電池ガイド１１の下側の開口部から、スタック通風路に空気が吸引される。また、保持棚３には後述する通気口２６が設けられ、ファン１２によって送風された空気は通気口２６に導入される。
【００２８】
本実施形態ではファン１２は燃料電池ガイド１１の上側の開口部に配置する構成としたが、下側の開口部に配置する構成であってもよい。
【００２９】
＜空気ポンプ＞
空気ポンプ７は、空気を取り込み燃料電池５に供給する。空気中に含まれる酸素は、スタックの正極側に流され、水素と反応して発電に使用される。
【００３０】
次に、水素ボンベ６とその周辺部品の詳細について、図１〜図３を参照して説明する。
【００３１】
＜水素ボンベ＞
水素ボンベ６は円筒形状であり、一端に水素を充填及び放出するバルブ２４を備える。水素ボンベ６は内部に水素吸蔵合金を備え、水素を貯蔵している。バルブ２４は各々の水素配管１４と着脱可能に接続される。水素ボンベ６は、水素配管１４を通して燃料電池５に水素を供給する。
【００３２】
水素ボンベ６は、バルブ２４が上に位置する向き（即ち、縦向き）に配置される。また、３個の水素ボンベ６は左右方向に重なるように一直線に並んで配置される。尚、水素ボンベ６の併設数は、図１に示す３個に限らず、必要に応じて３個以上であってもよい。
【００３３】
＜カバー＞
水素ボンベ６の周囲には、通風路部材としてのカバー２１が配置される。カバー２１は、水素ボンベ６の側面から所定の間隔を空け、水素ボンベ６の周囲を取り囲むように中空円筒状に配置される。水素ボンベ６の側面とカバー２１との間には通風路２５が形成される。カバー２１の材質は、例えば、金属や樹脂等の剛体、ゴム等の弾性体、アルミシートなどであってよいが、断熱性の高い材質を使用することが、より好ましい。
【００３４】
また、カバー２１は、溶接またはボルト等による固定方法で、保持棚３に固定されてもよい。また、保持棚３には、カバー２１の寸法に合わせて円周状の凹みを設けてもよい。カバー２１が凹みに嵌合し、前後左右方向への移動が制限される。
【００３５】
＜スペーサ＞
通風路２５には、位置決め部材としてのスペーサ２３が配置される。スペーサ２３は水素ボンベ６の円周に沿って１２０度に分割される位置かつ上下方向に２箇所（合計６個）配置される。スペーサ２３は、必要に応じて数を増減させてもよいが、通風路２５を通る空気の流れを極端に妨げない程度が好ましい。スペーサ２３の材質は、金属、樹脂、またはゴム等の弾性体であってよい。スペーサ２３は、水素ボンベ６の表面またはカバー２１の内壁面、もしくはその両方に、接着等の手段により固定される。また、スペーサ２３は、水素ボンベ６またはカバー２１と一体型で形成されてもよい。スペーサ２３により、通風路２５は所定の間隔に保持される。
【００３６】
＜固定部材＞
水素ボンベ６は、固定部材２２により支持される。固定部材２２は、Ｌ字型の金属薄板形状である。固定部材２２の一端は縦板１０に設けられた切り欠き部に嵌合し、他端は保持棚３に取り付けボルト等で固定される。固定部材２２は水素ボンベ６に対してバルブ２４より下方の位置に当接し、水素ボンベ６を支持する。水素ボンベ６が固定されることにより、カバー２１も所定の位置に固定される。
【００３７】
以上のように構成された水素ボンベ６、カバー２１は、水素配管１４の接続と固定部材２２の取り付けボルトとを取り外すことにより、前方から着脱が可能であり、交換作業も容易に行うことができる。
【００３８】
＜通気口＞
保持棚３には、図２に示すように、水素ボンベ６が配置される位置に応じて通気口２６が設けられる。通気口２６を介して、保持棚３の上下の空間は連通している。通気口２６の周囲には、中空円筒状のボンベ載置部２７が配置される。ボンベ載置部２７の大きさは、通気口２６の内径よりも大きく、水素ボンベ６の外径よりも小さい。
【００３９】
保持棚３には、ボンベ載置部２７の形状に合わせた凹みが円周状に設けられ、ボンベ設置部２７の前後左右方向への移動が制限される。ボンベ設置部２７の上に、水素ボンベ６が配置される。また、ボンベ載置部２７は、溶接またはボルト等による固定方法で、保持棚３に固定されてもよい。
【００４０】
ボンベ載置部２７の側面には、複数の開口が設けられる。以上のようなボンベ載置部２７を設けることにより、水素ボンベ６が通気口２６を塞ぐことがなく、保持棚３の上下の空間が連通し、空気が出入りできる。燃料電池５の排気がファン１２により通風路２５に導入され、水素ボンベ６の側面に到達する。
【００４１】
＜燃料電池システムの動作＞
次に、本実施形態の燃料電池システム１の動作について説明する。燃料電池システム１は、図示しない電力制御装置と接続される。電力制御装置は二次電池、ＣＰＵ、及び各種制御回路などを含み、燃料電池システム１全体を制御する。
【００４２】
例えば災害などにより商用電源が遮断されると、二次電池の電力によって弁動作がなされ、水素ボンベ６は水素配管１４を通して燃料電池５に水素を供給する。また、空気ポンプ７が動作して空気を吸引し、燃料電池５に空気を供給する。燃料電池５はスタックにおいて水素及び空気中の酸素を燃料として発電し、所望の装置に電力を供給する。
【００４３】
発電によりスタックの温度が上昇すると、ファン１２が動作し、燃料電池カバー１１の下側の開口部から空気を吸引する。吸引された空気はスタック通風路を通過し、スタックを冷却する。即ち、燃料電池５は空冷式である。ファン１２は、スタックの温度が十分に高くなった後で動作させるのが望ましく、動作温度としては４５℃以上が望ましい。動作温度が所定の温度範囲よりも低くなった場合には、ファン１２を停止することもできる。また、動作温度に応じてファン１２の回転数や風量を調整するようにしてもよい。スタックの温度は温度計などを用いて測定し、その結果を、図示しない制御装置に送信することで、ファン１２の動作を制御することができる。
【００４４】
スタックの排熱を含んだ空気は、燃料電池５の排気としてファン１２の動作により上向きに送付され、通気口２６を通過して水素ボンベ６の表面に到達する。カバー２１により排気が集められ、図２で示した矢印のように通風路２５を通過し、水素ボンベ６を加熱する。
【００４５】
尚、排気とは、燃料電池５の発電時に発生した熱を含む気体を示す。燃料電池５の発電時にスタックを冷却した気体冷媒、または発電に使用した反応済み空気、または発電時に発生する対流熱や伝導熱などを含んだ気体なども、排気として利用することができる。
【００４６】
また、水素ボンベ６を加熱した後の空気は更に上昇し、空気ポンプ７の周囲に達する。空気ポンプ７が取り込む空気の温度が高いほど、空気加湿性能が増加し、燃料電池５の発電性能が向上する。空気ポンプ７の周囲を通過した後、空気は排気口９を通って燃料電池システム１外に排出される。
【００４７】
＜作用効果＞
以上のように構成された燃料電池システム１によれば、燃料電池５と水素ボンベ６が上下方向に配置され、かつ、水素ボンベ６が鉛直方向に延びる向きで配置されるため、燃料電池システム１の設置面積を小さくできる。また、水素ボンベ６の各々が水平方向に重なる位置に配置され、燃料電池５からの排気が当たる鉛直方向において重ならないため、各々の水素ボンベ６の加熱条件のばらつきを低減させることができる。
【００４８】
システム筐体２内には、燃料電池５、水素ボンベ６、及び空気ポンプ７が、下側からこの順に配置されており、熱源である燃料電池５の排熱を効果的に利用することができる。
【００４９】
燃料電池５の排熱を含む排気は、ファン１２により通気口２６に導入され、水素ボンベ６の表面に直接到達する。
【００５０】
カバー２１により通風路２５に燃料電池５からの排気を集中させて通過させることができるので、より効率良く燃料電池５の排熱を水素ボンベ６に伝達させることができる。カバー２１には断熱性の高い材質を使用することで、燃料電池５の排熱を外側に逃がさず、水素ボンベ６に集中して伝達させることができる。
【００５１】
スペーサ２３により通風路２５が所定の間隔で維持でき、燃料電池５からの排気をより均等に水素ボンベ６に伝達しやすくなる。また、カバー２１が、弾性体または柔らかく変形しやすい素材であっても、スペーサ２３によりカバー２１が支持され、通風路２５が適切な間隔に維持できる。
【００５２】
水素ボンベ６を左右方向に一直線上に重ねるように配置することにより、燃料電池システム１の形状を前後方向において薄型化できる。
【００５３】
＜その他の変更＞
以上のように、本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定されるものではなく、種々の変更が可能である。以下に、上記実施形態に加えうる変更の例について説明する。
【００５４】
例えば、上述した燃料電池システム１は、保持棚３にボンベ載置部２７を配置する構成としたが、図４に示すように、保持棚３に網目部材３０を設ける構成としてもよい。網目部材３０は、カバー２１の内径と同じ大きさの円形であることが好ましい。網目部材３０の網目を空気が通過し、保持棚３の上下の空間が連通しているので、空気が出入りできる。この場合でも上記同様の効果を得る。
【００５５】
また、上記実施形態では６個のファン１２を使用したが、例えば、ブロアを使用してもよい。ファンまたはブロアの併設数は上記に示した６個に限らず、必要に応じて増減させてもよい。
【００５６】
また、上記実施形態では燃料電池５は空冷式であるが、例えば、図５に示すように、水冷式の燃料電池であってもよい。図５において、燃料電池システムは、燃料電池５ａとラジエータ３１とを備える。ラジエータ３１は燃料電池５ａの上方に配置される。燃料電池５ａとラジエータ３１とは、冷却水経路３２により接続される。図５中の矢印で示すように燃料電池５ａとラジエータ３１との内部を冷却水が循環し、燃料電池５ａ内部のスタックが冷却される。ラジエータ３１は冷却水の保有熱を回収する。ファン１２がラジエータ３１を冷却し、排気を水素ボンベ６に到達させる。尚、ここで言う排気とは、ラジエータ３１を冷却した空気を示す。この場合でも燃料電池５ａの排熱を水素ボンベ６に伝達させることができ、上記同様の効果を得る。
【符号の説明】
【００５７】
１  燃料電池システム
２  システム筐体
３  保持棚
５  燃料電池
６  水素ボンベ
１０  縦板
１２  ファン
２１  カバー
２２  固定部材
２３  位置決め部材
２５  通風路
２６  通気口
【図１】
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【図２】
2016181378.tif 000004
【図３】
2016181378.tif 000005
【図４】
2016181378.tif 000006
【図５】
2016181378.tif 000007