JP5398214B2

JP5398214B2 - 燃料電池装置

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Publication number: JP5398214B2
Application number: JP2008247330A
Authority: JP
Inventors: 竜一中村; 晋平白石; 秀則中林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: JP2010080259A

Description

本発明は、外装ケース内に、複数の燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガス（燃料ガス）と酸素含有ガス（空気等）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並設し電気的に直列に接続してなるセルスタックを、燃料電池セルに反応ガス（水素含有ガスまたは酸素含有ガス）を供給するマニホールドに固定したセルスタック装置や、それを収納してなる燃料電池モジュール、さらには燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルの場合、燃料電池セルの発電により生じる熱が高温となる。それにより、燃料電池モジュールからの輻射熱も高温となり、燃料電池モジュールを収納するモジュール収納室を構成する外装ケースが高温となるおそれがある。

それゆえ、外装ケースの排気口に換気ファンを設け、モジュール収納室内の空気を燃料電池装置の外部に排気することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７−５９３７７号公報特開２００６−２５２９６４号公報

しかしながら、換気ファンを用いてモジュール収納室内の空気を排気する場合において、排気口の近傍の空気は換気されやすいものの、換気ファンより遠い部位の空気は十分に換気することが難しくなり、外装ケースの一部の温度が上昇するおそれがある。

また、燃料電池モジュールと外装ケースとの隙間が狭い場合には、その狭い隙間に位置する空気が十分に換気されず、外装ケースの一部の温度が上昇するおそれがある。

それゆえ、本発明の目的は、燃料電池モジュールを収納するモジュール収納室内の空気を効率よく燃料電池装置の外部に排気することができ、外装ケースの温度の上昇を効率よく抑制することができる燃料電池装置を提供することにある。

本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、直方体状の収納容器内に複数の燃料電池セル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を動作させるための補機とを有し、前記外装ケース内に設けられた仕切部材により前記燃料電池モジュールが収納されたモジュール収納室と前記補機が収納された補機収納室とに区画されてなる燃料電池装置であって、前記モジュール収納室を構成する前記外装ケースの上部に前記モジュール収納室内の空気を排気するための排気口を、前記モジュール収納室を構成する前記外装ケースの１つの側壁に備え、前記燃料電池モジュールが前記仕切部材上に配置された台座部材上に配置されているとともに、前記台座部材が、前記補機収納室内の空気を前記台座部材の内部を介して前記モジュール収納室内に供給するための複数の空気流通口を有し、該複数の空気流通口が、前記台座部材のうち、少なくとも前記外装ケースの前記排気口を有する側壁と隣り合う側壁に面する部位と、前記外装ケースの前記排気口を有する側壁に対向して配置される、前記外装ケースの側壁に面する部位とに設けられており、かつ、前記外装ケースの前記排気口を有する側壁と隣り合う、前記外装ケースの側壁に面して設けられた前記空気流通口が、前記外装ケースの前記排気口を有する側壁に対向して配置される側壁側に設けられていることを特徴とする。

このような燃料電池装置においては、燃料電池モジュールを配置するための台座部材に、補機収納室内の空気を台座部材の内部を介してモジュール収納室内に供給するための複数の空気流通口を有していることから、モジュール収納室内の空気を効率よく換気することができ、外装ケースの温度の上昇を効率よく抑制することができる。

ここで、台座部材の内部を介して補機収納室内の空気をモジュール収納室内に供給することから、補機収納室内の空気をモジュール収納室内に供給するための流路を簡単な形状とすることができ、補機収納室内の空気を容易にモジュール収納室内に供給することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記補機収納室に、前記台座部材に接続され、前記複数の空気流通口を通して前記補機収納室内の空気を前記モジュール収納室内に供給するための空気供給装置を具備することが好ましい。
さらに、モジュール収納室を構成する外装ケースの１つの側壁に排気口が設けられているとともに、複数の空気流通口が、台座部材のうち、少なくとも外装ケースの排気口を有する側壁と隣り合う側壁に面する部位と、外装ケースの排気口を有する側壁に対向して配置される側壁に面する部位とに設けられていることから、モジュール収納室内の空気を効率よく換気することができ、外装ケースの温度の上昇を効率よく抑制することができる。
またさらに、前記外装ケースの前記排気口を有する側壁と隣り合う側壁に面して設けられた前記空気流通口が、前記外装ケースの前記排気口を有する側壁に対向して配置される側壁側に設けられていることにより、外装ケースの排気口を有する側壁と隣り合う側壁に面して設けられた台座部材の空気流通口を、外装ケースの排気口を有する側壁に対向して配置される側壁側に設ける、すなわち外装ケースの排気口を有する側壁と隣り合う側壁に面して設けられた台座部材の空気流通口を、排気口より遠い部位に設けることにより、燃料電池モジュールの側面側と外装ケースとの間に位置する空気を効率よく排気口に向けて流すことができ、外装ケースの一部の温度が上昇することを効率よく抑制することができる。

このような燃料電池装置においては、複数の空気流通口を通して補機収納室内の空気をモジュール収納室内に供給するための空気供給装置を具備することから、補機収納室内の空気を効率よくモジュール収納室内に供給することができ、外装ケースの温度の上昇を効率よく抑制することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記仕切部材のうち、前記外装ケースの前記排気口を有する側壁に対向して配置される側壁と前記燃料電池モジュールとの間に、前記補機収納室内の空気を前記モジュール収納室側に供給するための空気流通孔を備えることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、仕切部材のうち、排気口から遠い部位である外装ケースの排気口を有する側壁に対向して配置されると燃料電池モジュールとの間に、補機収納室内の空気をモジュール収納室内に供給するための空気流通孔を備えることから、排気口よりも遠い部位の空気を効率よく排気口に向けて流すことができ、外装ケースの温度の上昇を効率よく抑制することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記台座部材は、内部が中空であることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、台座部材は、内部が中空であることから、補機収納室内の空気を各空気流通口より効率よくモジュール収納室内に流すことができる。それにより、モジュール収納室内の空気を効率よく換気することができ、外装ケースの温度の上昇を効率よく抑制することができる。あわせて、補機収納室内の空気をモジュール収納室内に供給するにあたり、簡単な構成とすることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記空気流通口が、前記外装ケースの前記排気口を有する側壁に面する部位に設けられていることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、排気口を有する側壁に面する部位に空気流通口が設けられていることから、補機収納室内の空気が４方向よりモジュール収納室内に供給される。それにより、モジュール収納室内の空気を効率よく換気することができ、外装ケースの温度の上昇を効率よく抑制することができる。

本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、直方体状の収納容器内に複数の燃料電池セル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を動作させるための補機とを有し、前記外装ケース内に設けられた仕切部材により前記燃料電池モジュールが収納されたモジュール収納室と前記補機が収納された補機収納室とに区画されてなる燃料電池装置であって、前記モジュール収納室を構成する前記外装ケースの上部に前記モジュール収納室内の空気を排気するための排気口を備え、前記燃料電池モジュールが前記仕切部材上に配置された台座部材上に配置されているとともに、前記台座部材が、前記補機収納室内の空気を前記台座部材の内部を介して前記モジュール収納室内に供給するための複数の空気流通口を有することから、モジュール収納室内の空気を効率よく換気することができ、外装ケースの温度の上昇を効率よく抑制することができる。

図１は、本発明の燃料電池装置の一例を示す外観斜視図であり、外装ケース２を構成する側面部の一部を取り外して、外装ケース２の内部が見えるようにして示している。なお、図１においては、外装ケース２内に収納する部材を一部省略して示している。また図２は、図１に示す燃料電池装置１を概略的に示す側面図であり、図１と同様に外装ケース２を構成する側面部を取り外して、外装ケース２の内部が見えるようにして示している。なお、以降の図において同一の構成については、同一の番号を付与するものとする。

図１において、燃料電池装置１は、支柱３を有する外装ケース２内に仕切部材４を有し、仕切部材４により燃料電池モジュール７（以下、モジュールと略す場合がある。）が配置されるモジュール収納室５と、モジュール７を動作させるための補記収納室６とが上下に区画されている。なお、モジュール７は、仕切部材４上に配置された台座部材９上に配置されており、複数の燃料電池セル（図示せず）を収納容器内に収納して構成されている。また、仕切部材４はモジュール収納室５と補機収納室６とを区画していればよく、モジュール収納室５と補機収納室６とが隙間を有して区画されていてもよい。

また、図１および図２においては、補機収納室６内に、後述する空気供給装置１１およびモジュール７より排出される排ガスと水とで熱交換するための熱交換器１２を備える例を示している。

なお、図１に示したような仕切部材４を用いて、外装ケース２を上下に区画した形状とすることにより、燃料電池装置１をコンパクトな形状とすることができる。

また図１においては、外装ケース２の強度を高めるべく、外装ケース２の高さ方向に立設する支柱３が設けられている。なお、図１においては支柱３を外装ケース２の各隅に計４本設けた例を示しているが、外装ケース２の大きさや重量等にあわせて適宜本数を増減することができる。また、図１においては支柱３を外装ケース２の高さ方向に立設する場合を示しているが、例えば、外装ケース２の幅方向や奥行き方向に設けることもできる。なお、図２において支柱３は省略して示している。

次に、本発明の燃料電池装置１におけるモジュール７について説明する。モジュール７は、収納容器内に、例えば、内部をガスが流通するガス流路を有する柱状の燃料電池セルの複数個を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル間に集電部材を配置して電気的に直列に接続してなるセルスタックを、セルスタックを構成する燃料電池セルの下端をガラスシール材等の絶縁性接合材でマニホールドに固定してなるセルスタック装置を収納して構成される（図示せず）。なお、燃料電池セルの上方に、燃料電池セルに水素含有ガスを供給するための改質器を配置することもできる。また、収納容器の外面にはモジュール７からの輻射熱を抑制する目的で、断熱材を設けることが好ましい。

ここで、セルスタックを構成する燃料電池セルとしては、各種燃料電池セルが知られているが、燃料電池装置１を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、燃料電池セルのほか、燃料電池セルの動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置１を小型化することができる。あわせて、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

なお、燃料電池セルの形状としては各種形状の燃料電池セルを用いることができるが、効率よく燃料電池セルの発電を行なう上で、中空平板型の燃料電池セルとすることができる。このような中空平板型の燃料電池セルとしては、断面が扁平状で柱状の支持体の一方側主面に、燃料極層、固体電解質層、空気極層を順次積層してなるとともに、他方側主面にインターコネクタを積層してなる中空平板型燃料電池セルを用いることができる。

ところで、上述したように燃料電池セルとして固体酸化物形燃料電池セルを用いる場合において、燃料電池セルの発電温度が８００℃〜１０００℃程度と非常に高温となり、それに伴いモジュール７の温度も高温となる。それに伴い、モジュール７の輻射熱によりモジュール収納室５を構成する外装ケース２が高温となるおそれがある。

それゆえ、モジュール収納室５内の温度を下げるべく、外装ケース２の上部にモジュール収納室５の空気を排気するための排気口８を設けるとともに、排気口８の近傍に、換気ファンを設置することが提案されている。

しかしながら、換気ファンを用いてモジュール収納室５内の空気を換気する場合において、換気ファンの設置された部位から遠い部位の空気は十分に換気できないおそれがあり、またモジュール７と外装ケース２との隙間が狭い場合（例えば、モジュール７が支柱３と接して配置されている場合等）には、モジュール収納室５内の一部の空気が流れにくくなり、外装ケース２の一部の温度が上昇するおそれがある。

ここで、図１および図２に示す燃料電池装置１においては、モジュール７を配置するための台座部材９に複数の空気流通口１０が設けられており、補機収納室６内の空気が、台座部材９の内部を介して、空気流通口１０よりモジュール収納室５内に供給される。

それゆえ、モジュール収納室５内の空気を効率よく換気することができ、モジュール収納室５内の温度を下げることができる。あわせてモジュール収納室５を構成する外装ケース２の温度の上昇を効率よく抑制することができる（外装ケース２の温度を下げることができる）。

ここで、台座部材９に補記収納室６内の空気を供給するための空気供給装置１１を接続することが好ましい。なお、空気供給装置１１としては、例えば空気ブロワや換気ファンが例示でき、図１においては空気ブロワ１１を例示している。それにより、補機収納室６内のより多くの空気をモジュール収納室５内に供給することができ、外装ケース２の温度の上昇を効率よく抑制することができる。なお、図１においては、空気供給装置１１は、補機収納室６内に配置されるとともに、仕切部材４に設けられた空気流通路１３を介して台座部材９に接続されている。

ここで、補機収納室６内の空気を、台座部材９を介してモジュール収納室５内に供給する構成とすることにより、補機収納室６内の空気をモジュール収納室５内に供給するための流路を簡単な形状とすることができる。具体的には、例えば、台座部材９内に設けられる流路をＴ字状や十字状とし、その交差部に空気供給装置１１を接続する構成とすることができる。それにより、補機収納室６内の空気をモジュール収納室５内に供給するための流路を簡単な形状とすることができる。

また、台座部材９の形状を、内部が中空の形状とした場合においては、これらの流路が不要となることから、さらに簡単な構成とできるとともに、モジュール収納室内の空気を効率よく換気することができ、外装ケースの温度の上昇を効率よく抑制することができる。なお、図１および図２においては、台座部材９の形状を、内部が中空の形状とした場合を示している。以降の図においても同様である。

ここで図１においては、排気口８を、モジュール収納室５を構成する外装ケース２の１つの側壁の上部に設けるとともに、空気流通口１０を、外装ケース２の排気口８を有する側壁と隣り合う側壁に面する部位と、外装ケース２の排気口８を有する側壁に対向して配置される側壁に面する部位（すなわち、外装ケース２のうち、排気口８が設けられていない側壁に面する部位）とに設けている例を示している。

外装ケース２の排気口８を有する側壁とモジュール７との間に位置する空気は、排気口８に向けて流れやすいが、排気口８から遠い部位に位置する空気は、排気口８に向けて流れにくい場合があり、それによりモジュール収納室５内の空気が換気されにくくなる場合がある。それゆえ、排気口８から遠い部位に位置する空気は、排気口８に向けて強制的に流れるようにすることが好ましい。

ここで、台座部材９に複数の空気流通口１０を設けるにあたり、少なくとも外装ケース２の排気口８を有する側壁と隣り合う側壁に面する部位と、外装ケース２の排気口８を有する側壁に対向して配置される側壁に面する部位とに空気流通口１０を設けることにより、補機収納室６から供給される空気により、排気口８から遠い部位の空気を排気口８に向けて流すことができる。それにより、モジュール収納室５内の空気を効率よく換気することができ、外装ケース２の温度の上昇を効率よく抑制することができる。なお、図１においては、空気流通口１０を、外装ケース２の排気口８を有する側壁と隣り合う側壁に面する部位と、外装ケース２の排気口８を有する側壁に対向して配置される側壁に面する部位との計３箇所に設けている例を示している。

なお、空気流通口１０は、モジュール７の大きさや、モジュール７と外装ケース２との隙間の大きさ等に基づいて、その配置場所や大きさ等を適宜設定することができる。

図３は、本発明の燃料電池装置の他の一例を示す外観斜視図であり、外装ケース２を構成する側面部の一部を取り外して、外装ケース２の内部が見えるようにして示している。なお、図３においては、外装ケース２内に収納する部材を一部省略して示している。また図４は、図３に示す燃料電池装置１４を概略的に示す側面図であり、図３と同様に外装ケース２を構成する側面部を取り外して、外装ケース２の内部が見えるようにして示している。なお、以降の図において同一の構成については、同一の番号を付与するものとする。

図３に示した燃料電池装置１４のように、モジュール７と外装ケース２との隙間が特に狭い場合（例えば、モジュール７が支柱３と接して配置されている場合等）においては、外装ケース２の排気口８を有する側壁に対向して配置される側壁に面する部位に設けられた空気流通口１０より供給される補機収納室６内の空気のほとんどは、モジュール７の側面側（排気口８を有する側壁と隣り合う側壁に対向する側面側）に流れないこととなる。

それにより、外装ケース２の排気口８を有する側壁と隣り合う側壁とモジュール７との間の空気の換気が十分にできず、外装ケース２の一部の温度が上昇するおそれがある。

それゆえ、図３に示した燃料電池装置１４においては、外装ケース２の排気口８を有する側壁と隣り合う側壁に面して設けられた台座部材９の空気流通口１０を、外装ケース２の排気口８を有する側壁に対向して配置される側壁側に設けた例を示している。

それにより、外装ケース２の排気口８を有する側壁と隣り合う側壁とモジュール７との間に位置する空気を、効率よく排気口８に向けて流すことができ、外装ケース２の一部の温度が上昇することを抑制することができる。

図５は、本発明の燃料電池装置の他の一例を示す外観斜視図であり、外装ケース２を構成する側面部の一部を取り外して、外装ケース２の内部が見えるようにして示している。なお、図５においては、外装ケース２内に収納する部材を一部省略して示している。また図６は、図５に示す燃料電池装置１５を概略的に示す側面図であり、図５と同様に外装ケース２を構成する側面部を取り外して、外装ケース２の内部が見えるようにして示している。なお、以降の図において同一の構成については、同一の番号を付与するものとする。

上述したように、外装ケース２の排気口８を有する側壁とモジュール７との間に位置する空気は、排気口８に向けて流れやすいが、排気口８から遠い部位に位置する空気は、排気口８に向けて流れにくい場合があり、それによりモジュール収納室５内の空気が換気されにくくなる場合がある。それゆえ、排気口８から遠い部位に位置する空気は、排気口８に向けて強制的に流れるようにすることが好ましい。

ここで、図５および図６に示した燃料電池装置１５においては、仕切部材４のうち、外装ケース２の排気口８を有する側壁に対向して配置される側壁とモジュール７との間に、補機収納室６内の空気をモジュール収納室５内に供給するための空気流通孔１６が設けられている。

それにより、特に排気口８から遠い部位に位置する、外装ケース２の排気口８を有する側壁に対向して配置される側壁とモジュール７との間の空気を、排気口８側に向けて流すことができることから、モジュール収納室５内の空気を効率よく換気することができる。それにより、モジュール収納室５内の温度を下げることができ、モジュール収納室５を構成する外装ケース２の温度の上昇を効率よく抑制することができる。

図７は、本発明の燃料電池装置の他の一例を示す外観斜視図であり、外装ケース２を構成する側面部の一部を取り外して、外装ケース２の内部が見えるようにして示している。なお、図７においては、外装ケース２内に収納する部材を一部省略して示している。また図８は、図７に示す燃料電池装置１７を概略的に示す側面図であり、図７と同様に外装ケース２を構成する側面部を取り外して、外装ケース２の内部が見えるようにして示している。なお、以降の図において同一の構成については、同一の番号を付与するものとする。

外装ケース２の排気口８を有する側壁とモジュール７との間に位置する空気は、排気口８に向けて流れやすいが、外装ケース２の排気口８を有する側壁とモジュール７との間に位置する空気をより効率よく排気口８に向けて流すために、台座部材９のうち外装ケース２の排気口８を有する側壁に面する部位に空気流通口１０を設けることができる。

それにより、補機収納室６内の空気が４方向よりモジュール収納室５内に供給され、
モジュール収納室５内の空気を効率よく換気することができる。それに伴い、モジュール収納室５内の温度を下げることができ、外装ケース２の温度の上昇を効率よく抑制することができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、排気口８の近傍の空気は排気口８へ流れやすいことから、台座部材９のうち、外装ケース２の排気口８を有する側壁に面する部位に空気流通口１０を設ける場合において、空気流通口１０の大きさを、外装ケース２の他の外壁と面する部位に設けられた空気流通口１０の大きさよりも小さくすることができる。

それにより、排気口８から遠い部位に位置する空気流通口１０側により多くの補機収納室６内の空気が流れることとなり、モジュール収納室５内の空気を効率よく換気することができ、あわせて外装ケース２の温度の上昇を効率よく抑制することができる。

また、中空状の台座部材９において、台座部材９の強度を高めることを目的として補強材を設けることもできる。なお、補強材は中空状の台座部材９内に供給される補機収納室６内の空気の流配を考慮したうえで、適宜設けることができる。

また、排気口８から遠い位置の空気を効率よく排気口８に向けて流すために、空気流通孔１６に空気供給装置１０から供給される空気の一部を供給してもよく、また別途空気供給装置１０を設けることもできる。

本発明の燃料電池装置の一例を示す外観斜視図である。図１に示す燃料電池装置を概略的に示す側面図である。本発明の燃料電池装置の他の一例を示す外観斜視図である。図３に示す燃料電池装置を概略的に示す側面図である。本発明の燃料電池装置のさらに他の一例を示す外観斜視図である。図５に示す燃料電池装置を概略的に示す側面図である。本発明の燃料電池装置のさらに他の一例を示す外観斜視図である。図７に示す本発明の燃料電池装置を概略的に示す側面図である。

符号の説明

１、１４、１５、１７：燃料電池装置
２：外装ケース
４：仕切部材
５：モジュール収納室
６：補機収納室
７：燃料電池モジュール
８：排気口
９：台座部材
１０：空気流通口
１１：空気供給装置
１６：空気流通孔

Claims

外装ケース内に、直方体状の収納容器内に複数の燃料電池セル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を動作させるための補機とを有し、前記外装ケース内に設けられた仕切部材により前記燃料電池モジュールが収納されたモジュール収納室と前記補機が収納された補機収納室とに区画されてなる燃料電池装置であって、前記モジュール収納室を構成する前記外装ケースの上部に前記モジュール収納室内の空気を排気するための排気口を、前記モジュール収納室を構成する前記外装ケースの１つの側壁に備え、前記燃料電池モジュールが前記仕切部材上に配置された台座部材上に配置されているとともに、前記台座部材が、前記補機収納室内の空気を前記台座部材の内部を介して前記モジュール収納室内に供給するための複数の空気流通口を有し、該複数の空気流通口が、前記台座部材のうち、少なくとも前記外装ケースの前記排気口を有する側壁と隣り合う側壁に面する部位と、前記外装ケースの前記排気口を有する側壁に対向して配置される、前記外装ケースの側壁に面する部位とに設けられており、かつ、前記外装ケースの前記排気口を有する側壁と隣り合う、前記外装のケース側壁に面して設けられた前記空気流通口が、前記外装ケースの前記排気口を有する側壁に対向して配置される側壁側に設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
前記補機収納室に、前記台座部材に接続され、前記複数の空気流通口を通して前記補機収納室内の空気を前記モジュール収納室内に供給するための空気供給装置を具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
前記仕切部材のうち、前記外装ケースの前記排気口を有する側壁に対向して配置される側壁と前記燃料電池モジュールとの間に、前記補機収納室内の空気を前記モジュール収納室内に供給するための空気流通孔を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池装置。
前記台座部材は、内部が中空であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の燃料電池装置。
前記空気流通口が、前記外装ケースの前記排気口を有する側壁に面する部位に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の燃料電池装置。