JP3945978B2 - 燃料電池電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に家庭用として開発された小型の燃料電池電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を主体とした電源装置があり、これを家庭用に形成したものは従来図６に示すように、屋外に燃料電池電源装置Ａを据え付け、内部に収納されている燃料電池により発電し、その電力（直流）をＤＣ／ＡＣインバータＢにより交流に変換し、配電盤Ｃを介して例えば屋内のパソコンＤ、照明器具Ｅ、冷蔵庫Ｆ、エアコンＧ、テレビＨ等に供給する。この場合、燃料電池電源装置Ａの出力は１ｋＷ程度であるため、屋内の全ての電気機器に電力供給することは難しく、不足分は商用電源から電力供給する形態となっている。
【０００３】
又、燃料電池電源装置Ａでは発電の過程で熱が発生するので、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水を貯湯タンクＩに蓄えて風呂Ｊ、キッチンＫ等に給湯することが行われる。市水は燃料電池電源装置Ａ内の燃料電池にも供給してこれを冷却する。
【０００４】
燃料電池電源装置Ａ内には、都市ガス等の燃料ガスを水素リッチガスに改質する改質装置（脱硫器、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器）と、この改質装置から供給される改質ガス中の水素ガスと外部から取り込まれる空気中の酸素ガスとで電気化学反応を起こして電力と水とを生成する燃料電池（例えば、固体高分子形燃料電池）と、この燃料電池に冷却水を供給する水タンクやポンプと、バルブ類等の補機が収納されている。更に、燃料電池からの電力（直流）を高圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、制御装置と、起動時に燃料電池が発電状態になるまで改質装置からの改質ガスを燃焼するＰＧバーナ等の構成部材も収納されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記家庭用の燃料電池電源装置Ａは、小型コンパクトであることが望ましく、このため前記構成部材は外装ケース（外箱）内に無駄なスペースが生じないように収納される。この際、前記改質装置は高熱雰囲気下で作動するため、内箱内に収納して他の構成部材から仕切るように配慮している。
【０００６】
改質装置における改質器は下部にバーナを備えており、このバーナには起動時に前記燃料ガスの一部が供給されて燃焼されるが、その際ファンを介して空気を供給しなければならない。改質器は前記のように内箱内に収納されているので、バーナに空気を効率良く供給することが問題となり、又バーナでの燃焼排ガスの排出についても問題となる。起動時には、改質ガスは燃料電池に供給されずに前記ＰＧバーナで燃焼されるが、その排ガスの排出についても問題となる。更に、燃料電池の発電中は、空気極に外部から取り込んだ空気（酸素ガス）が供給され燃料極には改質ガス（水素ガス）が供給されて反応するが、この反応にあずからなかった未反応水素ガスは改質器バーナの燃料として使用されるが、未反応酸素ガスは燃料電池から排出される。燃料電池での反応は発熱反応であり、排出される未反応酸素ガスの温度は８０℃位になるため外部への排出が問題となる。
一方、改質器のバーナーからの燃焼排ガス及びＰＧバーナからの燃焼排ガスは高温（４５０〜７００℃）であるため、それらの燃焼排ガスを外部に排出すると、火傷や火災等の危険が生じる恐れがある。
【０００７】
本発明は、このような従来の諸問題を全て解決するためになされ、改質器のバーナへの空気供給を効率良く行えると共に、改質器バーナでの燃焼排ガス及びＰＧバーナでの燃焼排ガス並びに燃料電池からの未反応酸素ガスの外部への排出を安全に行えるようにした燃料電池電源装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、都市ガス等の原燃料ガスを水素リッチガスに改質する改質装置が内箱に収納され、この内箱と共にＰＧバーナ、燃料電池、水タンク、ポンプ類、コンバータ等の機器が外箱に収納された燃料電池電源装置であって、前記内箱には空気を取り込むための吸気孔が設けられ、前記外箱には空気取り入れ口が両側面の下部に設けられると共に、内部で発生する排ガスを排出するための排気孔が正面側上部に設けられた燃料電池電源装置を要旨とする。
この燃料電池電源装置において、
前記外箱内にダクトが排気孔に接続して配設され、改質装置の改質器で生じる燃焼排ガスと、ＰＧバーナで生じる燃焼排ガスと、燃料電池から排出される未反応酸素ガスとを前記ダクトに合流させると共に、前記排気孔から排出すること、
又、前記排気孔の前方部に金属製のカバーを取り付けたこと、
を特徴とするものである。
【０００９】
本発明では、改質装置を収納した内箱に吸気孔を設けたことで、この吸気孔から流入した空気を高熱雰囲気下で予熱し、ファンを介して改質器のバーナに供給することができる。外箱には空気取り入れ口が設けられているため、その空気取り入れ口から流入した空気を内箱の吸気孔に送り込むことができる。改質器のバーナで生じた燃焼排ガス及びＰＧバーナで生じた燃焼排ガス並びに燃料電池から排出された未反応酸素ガスは、外箱内に配設されたダクト内に集められて外箱の排気孔から排出される。この排気孔の前方部には金属製のカバーが取り付けられているので、高温の燃焼排ガスがカバーに接触して冷却され、排ガス温度を下げることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池電源装置の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１において、１は燃料電池電源装置であり、外装ケースである外箱２の内部に必要な構成部材が収納されている。この外箱２の正面側上部には横長の排気孔３（図２）が設けられ、この排気孔３に接続されたダクト４が外箱２内の上部に配設されている。排気孔３の前方部には、熱伝導性の良好な金属製のカバー材５が横長に取り付けられ、排気孔３に対応する位置にスリット状の孔５ａが並設されている。又、外箱２の両側面の下部にはルーバー状の空気取り入れ口６が設けられている。
【００１１】
７は改質装置を収納した内箱であり、前記外箱２内の正面側から見て左端部付近に設置されており、上端部には空気を取り込むための吸気孔８が１箇所又は複数箇所に設けられている。この内箱７に収納された改質装置は、図３及び図４のように脱硫器９と、改質器１０と、ＣＯ変成器１１と、ＣＯ除去器１２とから構成されている。
【００１２】
前記改質器１０は下部にバーナ１０ａを備え、このバーナ１０ａには起動時に燃料ガスの一部が供給されると共に、内箱７の下端部に取り付けられたファン１０ｂにより空気が供給されて燃焼し、改質器１０内に充填された触媒の温度を適温（６５０〜７００℃）まで上昇させる。このバーナ１０ａへの空気の供給は、前記外箱２の空気取り入れ口６から流入した空気が内箱７の吸気孔８から内部に流入し、前記ファン１０ｂにより吸気されてバーナ１０ａに送り込まれることで行われる。このようにすると、内箱７に流入した空気が高温雰囲気下で予熱され、その暖気がファン１０ｂでバーナ１０ａに供給されることとなって熱効率が向上する。バーナ１０ａでの燃焼排ガスは、内箱７の上端部に設けられた排気トップ７ａを介して前記ダクト４内に流入する。
【００１３】
燃料電池電源装置１に供給される都市ガス等の原燃料ガスは、前記内箱７内の脱硫器９内に入り、ここで硫黄分が除去された後改質器１０に送り込まれるが、その際後記する水タンクから水が供給されて気化器１３により気化された水蒸気が混入される。改質器１０では燃料ガスの水蒸気改質が行われ、水素、二酸化炭素、及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。
【００１４】
この改質ガスは前記ＣＯ変成器１１に供給され、改質ガス中に含まれている一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。次いで、改質ガスはＣＯ変成器１１からＣＯ除去器１２に供給され、選択酸化により改質ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を減少させる。一酸化炭素は燃料電池の触媒を被毒するため、濃度１０ｐｐｍ以下にすることが好ましい。
【００１５】
このようにして内箱７内の改質装置で燃料ガスは水素リッチガスに改質されるが、起動時には改質装置の各反応器の温度が安定せず、良質の改質ガスが得られないため燃料電池１５（外箱２内の正面側から見て右端部の中段付近に固定）に供給できない。そこで、改質ガスは各反応器が安定するまでの間、外箱２内の中央部付近に設置されたＰＧ（プロセスガス）バーナ１６に送り込んで燃焼させる。このＰＧバーナ１６での燃焼排ガスは、排気トップ１６ａを介して前記ダクト４に流入する。
【００１６】
改質装置が安定すると、ＰＧバーナ１６への改質ガスの供給は遮断され、改質ガスは前記燃料電池１５に供給されて発電が行われる。この場合、燃料電池１５は固体高分子形燃料電池であって、図５のように燃料極１５ａと空気極１５ｂとを備え、前記改質ガスは燃料極１５ａに供給される。この燃料極１５ａに供給された改質ガス中の水素ガスと、空気極１５ｂに供給される空気中の酸素ガスとが固体高分子電解質膜を介して電気化学反応し、電力と水とが生成される。空気極１５ｂに供給する空気は、燃料電池１５の下方に取り付けられたエアポンプ１７を介して行われ、前記外箱２の空気取り入れ口６から取り込んだ空気が送り込まれる。燃料電池１５の空気極１５ｂで未反応に終わった空気（酸素ガス）は、管路１５ｄ（図４）を経て前記ダクト４に流入する。
【００１７】
燃料電池１５は、運転中の電気化学反応に発熱を伴うため、燃料電池１５付近に配設された水タンク１８から水ポンプ１９を介して燃料電池１５の冷却部１５ｃに冷却水を供給して冷却する。冷却後の水は水タンク１８に戻されて循環使用されるが、水タンク１８内の水量は徐々に減少するため適宜市水を供給して補充する。
【００１８】
前記水ポンプ１９に隣接して複数の水ポンプ２０が設置されているが、これらの水ポンプ２０は前記改質装置の気化器１３、熱交換器１４（図５）或はＣＯ変成器１１やＣＯ除去器１２の出口側に設けられた熱交換器にそれぞれ水タンク１８から水を供給する。
【００１９】
水ポンプ１９，２０の上方には複数のガスポンプ２１（図１）が設置されており、これらのガスポンプ２１は前記改質器１０への燃料ガス供給用、前記ＰＧバーナ１６への空気供給用等として用いられる。
【００２０】
このように水ポンプ１９，２０及びガスポンプ２１等のポンプ類は、前記高温雰囲気の改質装置とは離れた位置にまとめて設置することで、熱の影響をなるべく受けないように配慮してある。又、バルブ類も改質装置から離れた位置、例えば燃料電池１５の近傍位置にまとめて設置する。
【００２１】
２２はＤＣ／ＤＣコンバータであり、燃料電池１５より上方に設置され、燃料電池１５で発電された直流電圧を約１８０Ｖに昇圧し、前記ＤＣ／ＡＣインバータＢに送り込む。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の近くには制御装置（図略）も設置される。
【００２２】
ところで、前記改質器１０のバーナ１０ａは、起動時に燃料ガスが供給され、燃料電池１５が正常運転に入ると燃料ガスの供給は遮断されるが、燃料電池１５の運転中も改質器１０の内部に充填された触媒を所定の温度に保持するために燃焼が続行される。それに必要な燃料供給は、燃料電池１５の燃料極１５ａから排出される未反応の改質ガスをバーナ１０ａに送り込むことでなされる。
【００２３】
このバーナ１０ａでの燃焼排ガスは、前記のように内箱７の排気トップ７ａを介してダクト４内に流入し、このダクト４を通って外箱２の排気孔３から外部に排出される。起動時にＰＧバーナ１６で燃焼された改質ガスの燃焼ガスも排気トップ１６ａを介してダクト４内に流入し、更に燃料電池１５の運転中に空気極１５ｂから排出される未反応の空気（酸素ガス）も管路１５ｄを介してダクト４内に流入する。従って、これらの排ガスは全てダクト４内に合流し、前記外箱２の排気孔３から排出される。
【００２４】
排出孔３からはかなり高温の排ガスが排出されるが、前記のように排出孔３の前方部には金属製のカバー材５が取り付けられているため、排ガスの温度は低下する。即ち、高温の排ガスはカバー材５に接触して冷却される。カバー材５は横長に形成されているため、排ガスにより加熱された熱は端部まで対流して放熱する。従って、カバー材５の温度が異常に高まることはない。又、排ガスはカバー材５によって一部分流され、これにより排ガスの熱が分散される。尚、内箱７の排気トップ７ａとダクト４との間、ＰＧバーナ１６の排気トップ１６ａとダクト４との間にそれぞれ熱交換器を設けて燃焼排ガスの温度を下げてから排出すると好ましい。
【００２５】
この場合、カバー材５は排気孔３を隠蔽して外観を良好にするばかりか、その表面側に模様等のデザインを付与することで装飾機能を発揮することができる。特に、外箱２の正面側上部で人目に付き易い箇所であることから美観を高めることが可能である。
【００２６】
前記空気取り入れ口６は外箱２の側面下部に位置して排気孔３から離れており、しかも燃焼排ガスは上方に逸散するので、排出された燃焼排ガスが空気取り入れ口６から外箱２内に取り込まれることはない。又、外箱２の右側の空気取り入れ口６から外箱２内に取り込まれた空気は、ポンプ類、水タンク、燃料電池、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を冷やしながら通過し、前記吸気孔８から内箱７内に流入する。内箱７内に流入した空気は、前記のように改質装置による高温雰囲気下で予熱された後、前記ファン１０ｂにより改質器１０のバーナ１０ａに供給される。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による燃料電池発電装置は、改質装置を収納した内箱に吸気孔を設け、この吸気孔から流入した空気を高温雰囲気下で予熱して改質器のバーナに供給するので、熱効率を高めることができる。外箱には空気取り入れ口が両側面の下部に設けられると共に、排気孔が正面側上部に設けられているため、燃焼排ガスが空気取り入れ口から流入することはない。改質器バーナ及びＰＧバーナで生じた燃焼排ガス並びに燃料電池から排出される未反応空気（酸素ガス）は全て外箱内に配設されたダクト内に合流して外箱の排気孔から排出することができる。排気孔の前方部には金属製のカバー材を取り付けることで、排出時に高温の燃焼排ガスを冷却し、火傷や火災等の危険を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池電源装置の概略透視斜視図
【図２】外箱における排気孔付近の概略分解斜視図
【図３】燃料電池電源装置の一部破断側面図及び一部拡大断面図
【図４】燃料電池電源装置の要部概略透視斜視図
【図５】燃料電池電源装置を含むシステム全体の構成図
【図６】同、システムの使用状態を示す説明図
【符号の説明】
１…燃料電池電源装置
２…外箱
３…排気孔
４…ダクト
５…カバー材
６…空気取り入れ口
７…内箱
８…吸気孔
９…脱硫器
１０…改質器
１１…ＣＯ変成器
１２…ＣＯ除去器
１３…気化器
１５…燃料電池
１６…ＰＧバーナ
１７…エアポンプ
１８…水タンク
１９、２０…水ポンプ
２１…ガスポンプ
２２…ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims (3)

1. 都市ガス等の原燃料ガスを水素リッチガスに改質する改質装置が内箱に収納され、この内箱と共にＰＧバーナ、燃料電池、水タンク、ポンプ類、コンバータ等の機器が外箱に収納された燃料電池電源装置であって、前記内箱には空気を取り込むための吸気孔が設けられ、前記外箱には空気取り入れ口が両側面の下部に設けられると共に、内部で発生する排ガスを排出するための排気孔が正面側上部に設けられた燃料電池電源装置。
2. 前記外箱内にダクトが排気孔に接続して配設され、改質装置の改質器で生じる燃焼排ガスと、ＰＧバーナで生じる燃焼排ガスと、燃料電池から排出される未反応酸素ガスとを前記ダクトに合流させると共に、前記排気孔から排出する請求項１記載の燃料電池電源装置。
3. 前記排気孔の前方部に金属製のカバー材を取り付けた請求項１又は２記載の燃料電池電源装置。

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