特開 2024-32377 燃料電池装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024032377

(43)【公開日】2024-03-12

(54)【発明の名称】燃料電池装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240305BHJP

   H01M 8/0662 20160101ALI20240305BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

H01M8/0662

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022135994

(22)【出願日】2022-08-29

(71)【出願人】

【識別番号】000109026

【氏名又は名称】ダイニチ工業株式会社

(72)【発明者】

【氏名】横尾 直樹

(72)【発明者】

【氏名】神林 達也

(72)【発明者】

【氏名】山本 蓮馬

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB23

5H127AC14

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA18

5H127BA33

5H127BA34

5H127BA57

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB18

5H127BB19

5H127BB37

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE12

5H127EE19

5H127EE25

5H127EE27

5H127EE29

5H127GG04

5H127GG10

(57)【要約】

【課題】補機に接続されている配管の着脱を容易に行うことができ、メンテナンス性に優れた燃料電池装置を提供すること。
【解決手段】補機をつなぐ配管の少なくとも一つは、互いに略９０°異なる方向に延びる第１流路７１１、第２流路７１２、第３流路７１３を備えて構成されて、第１流路７１１を軸に回動可能であり、第３流路７１３と補機とを接続する回動管接続部（流入部継手８４）は、回動する第３流路７１３の軌道上に開口する接続口８６を有する。すなわち、配管を回動させた軌道上に補機との接続口が設けられているので、第１流路７１１を軸に回動させるだけで容易に配管と補機とを接続することができる。これにより、メンテナンス性を向上させることができる。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池の運転に使用される流体が流れる流体流路と、
前記流体流路に設けられる複数の補機と、を備え
前記流体流路は、複数の前記補機の間に配設される複数の配管を有し、
前記配管の少なくとも一つは、互いに略９０°異なる方向に延びる第１流路、第２流路、第３流路を備えて構成され、前記第１流路を軸に回動可能であり、
前記第３流路と前記補機とを接続する回動管接続部は、回動する前記第３流路の軌道上に開口する接続口を有する燃料電池装置。

【請求項2】

前記第１流路、前記第２流路、前記第３流路はこの順で連続している請求項１記載の燃料電池装置。

【請求項3】

前記接続口は、メンテナンスの際に開閉するメンテナンス面から視認可能に設けられている請求項１または２記載の燃料電池装置。

【請求項4】

前記補機の一つとして、原燃料から硫黄を取り除く脱硫器を備え、
前記脱硫器は、脱硫剤を充填した容器の上面に燃料流入部と、燃料流出部を有し、
前記燃料流入部と前記燃料流出部の径は異なる大きさに形成され、
前記燃料流入部または前記燃料流出部のいずれか一方に前記回動管接続部が取り付けられている請求項１記載の燃料電池装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

水素を含有する燃料ガスと酸素含有ガス（空気）とを用いて発電を行ない、電気を外部に供給する燃料電池装置が知られている。このような燃料電池装置では、発電に必要な燃料や水などの流体が流れる配管を多数備えており、燃料電池モジュールおよびシステムを構成する複数の補機は、これらの配管を介して互いに接続されている（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－０４９７８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、燃料電池装置においては、発電性能を維持するために定期的な交換を必要とする補機がある。また、故障時には修理のために補機を取り出さなければならないこともある。このようなメンテナンスの際には、補機に接続されている配管を取り外さなければならないが、配管を簡単に着脱できる構造にはなっていなかったため、交換作業を容易に行うことができるよう改善が望まれていた。

【0005】

本発明は、上記課題を解決するためのもので、配管の着脱を容易に行うことができ、メンテナンス性に優れた燃料電池装置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】

【0006】

本発明は、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池の運転に使用される流体が流れる流体流路と、
前記流体流路に設けられる複数の補機と、を備え
前記流体流路は、複数の前記補機の間に配設される複数の配管を有し、
前記配管の少なくとも一つは、互いに略９０°異なる方向に延びる第１流路、第２流路、第３流路を備えて構成され、前記第１流路を軸に回動可能であり、
前記第３流路と前記補機とを接続する回動管接続部は、回動する前記第３流路の軌道上に開口する接続口を有する燃料電池装置である。

【発明の効果】

【0007】

上述のように構成することにより、配管の着脱を容易に行うことができるため、メンテナンス性に優れた燃料電池装置となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態の燃料電池装置のシステム構成図である。

【図2】燃料電池装置の外観斜視図である。

【図3】燃料供給装置の一部を抜粋した図である。

【図4】脱硫器から脱硫器往き配管を取り外した図である。

【図5】脱硫器を上面から見た図である。

【図6】脱硫器の容器蓋の構造を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

好適と考える本発明の実施形態を、本発明の作用を示して簡単に説明する。

【0010】

本発明は、燃料電池の運転に使用される流体が流れる流体流路の構造に関し、補機をつなぐ配管の少なくとも一つは、互いに略９０°異なる方向に延びる第１流路、第２流路、第３流路を備えて構成されて第１流路を軸に回動可能であり、第３流路と補機とを接続する回動管接続部は、回動する第３流路の軌道上に開口する接続口を有する。すなわち、配管を回動させた軌道上に補機との接続口が設けられているので、第１流路を軸に回動させるだけで容易に配管と補機とを接続することができる。これにより、メンテナンス性を向上させることができる。

【0011】

また、第１流路、第２流路、第３流路をこの順で連続させて配管を構成する。これにより、最短の配管長で補機と接続することができるため、製造コストを低減することができる。

【0012】

また、接続口は、メンテナンスの際に開閉するメンテナンス面から視認可能に設けられている。これにより、配管をメンテナンス面の方向に回動させることで取り外すことができ、また接続位置も視認できるため、メンテナンス性をより向上させることができる。

【0013】

また、補機である脱硫器は、容器の上面に燃料流入部と燃料流出部を有しており、燃料流入部と燃料流出部の径は異なる大きさに形成されていて、燃料流入部または燃料流出部のいずれか一方に回動管接続部が取り付けられる。これにより、燃料流入部と燃料流出部がともに上面に設けらている脱硫器であっても、メンテナンスの際に配管を間違って接続してしまうことを防止することができる。

【実施例0014】

以下、本発明の一実施例を図面により説明する。

【0015】

図１は本実施形態の燃料電池装置のシステム構成図である。燃料電池装置１００は、燃料電池モジュール１を含み、燃料電池モジュール１を作動させるための、第１熱交換器２、蓄熱タンク３、凝縮水タンク４、放熱器５、空気供給装置１４、燃料供給装置１５、改質水供給装置１６等の複数の補機が筐体５０内に納められている。筐体５０内には上述の装置全てが収められる必要はなく、例えば、第１熱交換器２や蓄熱タンク３を筐体５０の外部に設けてもよい。また、上述の装置の一部を省略した燃料電池装置も可能である。

【0016】

燃料電池モジュール１は、箱状の収納容器１０の内部に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池１１と、燃料電池１１に供給する燃料ガスを生成する改質器１２と、を収容して構成される。

【0017】

燃料電池１１の構成については特に限定はしないが、例えば、複数の燃料電池セルが配列されてなるセルスタック構造を有していてもよい。セルスタック構造の燃料電池１１は、例えば、各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を用いて、マニホールドに固定することによって構成される。

【0018】

改質器１２は、天然ガス、ＬＰガス等の原燃料ガスを水蒸気改質し、燃料電池１１に供給する燃料ガスを生成する。改質器１２には、原燃料ガスを供給する燃料供給装置１５と、改質水を供給する改質水供装置１６が接続されており、原燃料ガスと改質水は加熱された改質器１２で改質反応し、水素を含む燃料ガスが生成される。

【0019】

燃料電池１１には、改質器１２で生成された燃料ガスと、空気供給装置１４によって導入された空気（酸素含有ガス）が供給される。燃料ガスは、燃料電池セル内を通過するときに酸素含有ガスと反応して発電が行われる。発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスは、燃料電池１１の上部で合流して燃焼する。この燃料ガスの燃焼によって高温の排ガスが生成され、改質器１２はこの熱によって加熱される。このようにして燃料電池モジュール１内で生じた排ガスは、第１熱交換器２に供給される。

【0020】

第１熱交換器２には配管を介して、蓄熱タンク３、熱媒ポンプＰ１および放熱器５が接続され、第１熱媒循環ラインＨＣ１が形成されている。この第１熱媒循環ラインＨＣ１には熱媒体が導入されており、第１熱交換器２ではこの熱媒体と前述の排ガスとで熱交換が行われて熱媒体が加熱される。熱媒体としては水などを用いることができ、蓄熱タンク３は熱交換により温度が上昇した熱媒体を蓄える。蓄熱タンク３に蓄えられた熱媒体は、放熱器５に送られて冷却され、再び第１熱交換器２で排ガスと熱交換を行った後、蓄熱タンク３に還流する。これにより、蓄熱タンク３には上部から温度の高い熱媒体が蓄えられ温度成層が形成される。

【0021】

また、第１熱交換器２には、凝縮水回収路２０を介して凝縮水タンク４が接続されている。燃料電池モジュール１で発生した排ガスが熱交換によって冷却されると、排ガス中に含まれる水蒸気が水と気体に分離され、分離された水は、凝縮水回収流路２０を通って凝縮水タンク４に回収される。凝縮水タンク４では、イオン交換器（図示せず）などを経て、回収した水から不純物を取り除いて純水化する。純水化した水は水供給装置１６により改質器１２に供給され、改質水として使用される。一方で、水分が取り除かれた気体は、排気流路２１を通ってから筐体５０の外に排出される。

【0022】

改質器１２に原燃料を供給する燃料供給装置１５は、燃料の供給源から繋がる原燃料流路２２上に、第１電磁弁１５０、圧力センサ１５１、脱硫器１５２、ガス流量計１５３、燃料ポンプ１５４、第２電磁弁１５５等の補機が設けられている。改質器１２に改質水を供給する改質水供給装置１６は、凝縮水タンク４から繋がる改質水流路２３上に改質水ポンプ１６０等の補機が設けられている。燃料電池モジュール１に酸素含有ガスを供給する空気供給装置１４は、酸素含有ガス流路２４上に、空気流量計１４０、ブロワ１４１等の補機が設けられている。なお、ここに挙げた補機は一例であって、この他の補機を備える構成としてもよい。

【0023】

さらに、燃料電池装置１００には、各種機器の動作を制御する制御装置３０が設けられているほか、燃料電池モジュール１にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）４０を備えている。

【0024】

また、燃料電池装置１００は、第２熱交換器６、蓄熱タンク３から熱媒を循環させる与熱ポンプＰ２およびこれらを繋ぐ配管を含む第２熱媒循環ラインＨＣ２を備えていてもよい。第２熱媒循環ラインＨＣ２では、外部から供給流路２５を介して供給された水道水を、蓄熱タンク３に貯留された高温の熱媒体を用いて第２熱交換器６で加温する。加温された水を外部の給湯器等の再加熱装置に向けて送給流路２６を介して送給することができる。燃料電池装置１００は、外部への温水供給を行わない、いわゆるモノジェネレーションシステムであってもよい。

【0025】

このように、燃料電池装置１００は、燃料電池１１の運転に使用される流体が流れる流体流路を備えている。流体としては、原燃料、水、空気があり、本実施形態における原燃料流路２２、凝縮水回収流路２０、改質水流路２３、酸素含有ガス流路２４は、流体流路の一例である。

【0026】

図２は、燃料電池装置の外観斜視図である。燃料電池装置１００の外装ケース５０は、直方体形状であって、底板５１と、上面パネル５２と、複数の側面パネル５３～５６を備えている。側面パネルは、左側面パネル５３、右側面パネル５４、正面パネル５５、背面パネル５６を備えている。また、燃料電池装置１００には、メンテナンスを行うメンテナンス面があらかじめ設定されていて、上面パネル５２と、複数の側面パネル５３～５６の一部は、メンテナンス時に取り外されるメンテナンスパネルである。本実施形態では、右側面パネル５４と正面パネル５５がメンテナンスパネルになっている。

【0027】

右側面パネル５４は、上部パネル５４１と下部パネル５４２から構成されている。上部パネル５４１は、開閉可能なカバー部５４１ａを備えていて、このカバー部５４１ａを外すと燃料電池装置１００の電源スイッチやブレーカスイッチを操作することができるようになっている。そして、メンテナンスの際には下部パネル５４２は取り付けたまま、上部パネル５４１だけを取り外すことができるようになっている。また、下部パネル５４２には、原燃料や水等の流路が継手を介して接続されている。ここでは継手の一例として、原燃料流路２２に接続される原燃料継手６０、水供給流路２７に接続される水供給継手６１、水送給流路２８に接続される水送給継手６２、排水流路２５に接続される排水継手６３を有している。

【0028】

次に、図３～図５を加えて、本実施形態の燃料電池装置における、流体流路と補機とを接続する構造について説明する。以下では、流体流路として原燃料流路２２を例に説明する。

【0029】

図３は、燃料供給装置の一部を抜粋した図である。流体流路の一例である原燃料流路２２は、燃料供給装置１６を構成している。燃料供給装置１６は上流から順に、第１電磁弁１５０、圧力センサ１５１、脱硫器１５２、ガス流量計１５３、を備えるとともに、これらを接続して流路を構成する配管である電磁弁往き配管７０、脱硫器往き配管７１、流量計往き配管７２を備えている。配管は、熱伝導率の高い銅配管であり、適宜曲げ加工が施されている。

【0030】

第１電磁弁１５０は、図１に示すようにケーシング内に２つの電磁弁１５０ａ、１５０ｂを連ねて構成されており、この電磁弁１５０ａ、１５０ｂを開閉することで原燃料流路２２の開状態と閉状態とを切り替えて、燃料電池装置１００への原燃料の供給と遮断を制御する。そして、第１電磁弁１５０には、電磁弁往き配管７０と、脱硫器往き配管７１が接続される。電磁弁往き配管７０は、原燃料継手６０を介して燃料電池装置１００外部の燃料供給源と接続されており、脱硫器往き配管７１は、原燃料中に含まれる硫黄を除去するための脱硫器１５２と接続されている。

【0031】

脱硫器１５２は、内部に脱硫剤が充填された筒状の容器本体８０と、この容器本体８０の上面に設けられた容器蓋８１を有し、容器蓋８１は原燃料が流入する燃料流入部８２と、脱硫剤を通過して硫黄が取り除かれた原燃料が流出する燃料流出部８３を備えている。燃料流入部８２から脱硫器１５２内に流入した原燃料は、容器本体８０内を下方に流れ、容器本体８０の下端部で折り返して上方に向かって流れ、容器本体８０内を流れる間に脱硫剤に硫黄が吸着される。そして、燃料流入部８２には流入部継手８４が取り付けられており、流入部継手８４を介して脱硫器往き配管７１が接続されている。同様に、燃料流出部８３には流出部継手８５が取り付けられており、流出部継手８５を介して流量計往き配管７２が接続されている。

【0032】

ここで、脱硫器往き配管７１は、互いに略９０°異なる方向に延びる第１流路７１１、第２流路７１２、第３流路７１３を備えている。つまり、第１流路７１１と略９０°の角度をなすように配管を曲げて第２流路７１２が形成され、第２流路と略９０°の角度をなすように配管を曲げて第３流路７１３が形成され、第３流路７１３は第１流路７１１とも略９０°の角度を形成している。

【0033】

第１流路７１１は、配管の上流側の補機である第１電磁弁１５１に接続されていて、第１電磁弁１５１との接続部を中心にして回動可能に設けられる。そのため、脱硫器往き配管７１は、第１流路７１１を軸に回動したとき、第２流路７１２は回動する円の半径、第３流路７１３は第２流路７１２を半径とする円の接線に相当する。また、第３流路７１３は、配管の下流側の補機である脱硫器１５２に接続されている。本構成においては、第３流路７１３は流入部継手８４を介して脱硫器１５２の燃料流入部８２に接続されており、流入部継手８４が回動管接続部となる。

【0034】

図４は、脱硫器から脱硫器往き配管を取り外した図であり、図５は、脱硫器を上面から見た図である。図５においては、第１流路７１１を軸に脱硫器往き配管７１を回動させたときの第３流路７１３の軌道を破線で示している。流入部継手８４はＬ字形状をなすとともに、第３流路７１３が接続される接続口８６を備えていて、この接続口８６は破線で示した第３流路７１３の軌道上に開口している。これにより、脱硫器往き配管７１は、第１流路７１１を軸に回動させるだけで接続口８６に容易に着脱することができる。

【0035】

脱硫器１５２は、脱硫剤の吸着作用を利用して原燃料に含まれる硫黄を除去している。脱硫剤が吸着することのできる硫黄成分量には限界があるため、燃料電池装置１００を継続して使用すると次第に硫黄の除去性能が低下する。そこで、脱硫剤が寿命を迎える前に、定期的に脱硫器１５２を新品に交換するようになっている。脱硫器１５２を交換する際は、メンテナンスパネルを取り外し、燃料流入部８２と脱硫器往き配管７１との接続と、燃料流出部８３と流量計往き配管７２との接続を外す。このとき、脱硫器往き配管７１は、上述のように第１流路７１１を軸に回動させることで容易に脱硫器１５２から取り外すことができる。また、脱硫器１５２を新品に交換した後は、先ほどとは逆方向に脱硫器往き配管７１を回動させればよい。このように、第１流路７１１を軸に回動させるだけで、脱硫器往き配管７１を容易に着脱することができる。

【0036】

なお、脱硫器１５２の交換に際し、本実施形態では脱硫器往き配管７１を回動可能な配管として説明したが、流量計往き配管７２を回動可能にしてもよい。

【0037】

また、燃料電池装置１００は、脱硫器１５２の他にも定期的な交換やメンテナンスが必要な補機を有している。例えば、凝縮水から不純物を取り除いて純水化するイオン交換樹脂、空気中の粉塵を除去するエアフィルタなどがメンテナンスが必要な補機である。よって、原燃料の配管に限らず、水や空気の流路を構成する配管においても、上述のような接続構造を適用することで、メンテナンス性を向上させることができる。さらには、故障した際に交換することも想定して、例示した以外の補機の接続に適用してもよい。

【0038】

燃料電池装置１００は、右側面パネル５４がメンテナンスパネルに設定されている。流入部継手８４の接続口８６をメンテナンス面から視認可能に設けることで、配管を手前に引くようにして引き抜くと、第１流路７１１が回動するので容易に取り外すことができる。反対に配管を接続する際には、確実に接続することができる。

【0039】

ところで、本実施形態の脱硫器往き配管７１は、第１流路７１１、第２流路７１２、第３流路７１３がこの順で連続して設けられているが、この構成に限らない。例えば、第１流路７１１と第２流路７１２との間に第３流路７１３と同じ方向に延びる流路を形成したり、第２流路７１２と第３流路７１３との間に第１流路７１１と同じ方向に延びる流路を追加することもできる。さらには、第１流路７１１、第２流路７１２、第３流路７１３以外の流路は、他の流路と９０°の角度をなしていなくてもよい。つまり、互いに９０°異なる方向に延びる第１流路７１１、第２流路７１２、第３流路７１３を備え、第１流路７１１を回転軸とし、第３流路７１３が補機と接続されるように構成されていれば、配管を回転させて着脱することができる。

【0040】

ただし、第１流路７１１、第２流路７１２、第３流路７１３をこの順で連続して設けると、配管を曲げ加工する工数は最小となり、最短の配管長で第１電磁弁１５０と脱硫器１５２を繋ぐことができる。しかしながら、燃料電池装置１００の内部には多数の補機が設けられており、配管が入り組んで配置されていると回動させるスペースを確保できない可能性もある。したがって、他の補機や配管を避けるため、必要に応じて、第１流路７１１、第２流路７１２、第３流路７１３の間に他の配管を挟んで構成してもよい。

【0041】

図６は、脱硫器の容器蓋を示す図である。脱硫器１５２の容器蓋８１には、筒状の燃料流入部８２と燃料流出部８３が設けられており、燃料流入部８２と燃料流出部８３の径は異なる大きさに設計されている（φａ＜φｂ）。燃料流入部８２と燃料流出部８３が近接して設けられていると、配管を取り違えて接続してしまうおそれがあるが、口径を異なる大きさにすることで、配管の接続間違いを防止することができる。

【0042】

さらに、燃料流入部８２と燃料流出部８３は容器蓋８１の上面からの高さが異なるように設計されている（Ｈａ＞Ｈｂ）。燃料流入部８２と燃料流出部８３にはそれぞれ流入部継手８４、流出部継手８５が取り付けられており、この継手が外れないように固定部材（図示せず）で固定するようにしてもよい。固定部材にはクイックファスナなどが用いられる。燃料流入部８２と燃料流出部８３の高さを異ならせることで、クイックファスナ同士の干渉を防ぐことができるので、燃料流入部８２と燃料流出部８３を近接して設けることができ、設計の自由度が向上する。

【符号の説明】

【0043】

１１ 燃料電池
１５２ 脱硫器
２０ 凝縮水回収流路
２２ 原燃料流路
２３ 改質水流路
２４ 酸素含有ガス流路
７０ 電磁弁往き配管
７１ 脱硫器往き配管
７１１ 第１流路
７１２ 第２流路
７１３ 第３流路
７２ 流量計往き配管
８２ 燃料流入部
８３ 燃料流出部
８４ 流入部継手
８６ 接続口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】