JP2006086017A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の熱による影響を防止できるとともに、電力変換装置の漏電や短絡を防止できる燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】ケース１０３内に、燃料電池１０６と、該燃料電池１０６に供給する燃料ガスを生成する燃料改質器と、燃料改質器に被改質ガスを供給するガス供給装置１０８と、燃料改質器に水を供給するための水供給装置１１３と、燃料電池１０６で発生した直流電力を交流電力に変換して外部負荷に供給する電力変換装置１１１とを配置してなる燃料電池発電装置において、ケース１０３の上部に、燃料電池１０６と燃料改質器を配置するとともに、ケース１０３の下部に、電力変換装置１１１、水供給装置１１３及びガス供給装置１０８を、電力変換装置１１１と水供給装置１１３との間にガス供給装置１０８が位置するように配置してなる。
【選択図】図６

Description

本発明は、ケース内に、燃料電池と、燃料改質器と、ガス供給装置と、水供給装置と、電力変換装置とを具備してなる燃料電池発電装置に関する。

燃料電池は、固体電解質層を燃料極と空気極で挟持した構造の単電池（以下セルと記載する）に、ガス供給装置より、反応ガスとして燃料極に水素を含む燃料ガスを、また空気極に酸素を含む空気を供給し、電気化学反応により電気エネルギーを得るものである。通常、１つのセルで得られる発生電圧は１Vに満たない低電圧であり、また発生電流も電極面積により制限を受けて少ない。

そこで、実用的な燃料電池発電装置においては、複数のセルを電気的に直列接続してセルスタックを構成し、さらに、この複数のセルスタックを電気的に直列、あるいは並列に接続して燃料電池を構成し、発生電圧、あるいは発生電流を高めて発生電力を大きくしている。

反応ガスとして使用する水素を含む燃料ガスとしては、現在のインフラを考慮すると、都市ガスやプロパンガスの使用が有力となっている。しかし、これらのガスを燃料電池に直接導入すると、燃料電池の電極でカーボンが析出し、燃料電池の破損等が起こり、発電ができなくなる。そのため、これらの燃料ガスに、水供給装置から供給された水より生成した水蒸気を混合して加湿して燃料改質器に通し、高温の触媒の存在下で水蒸気改質反応を起こさせ、水素リッチなガスに変換する対策がとられている。

燃料電池で発電した直流電力は電力変換装置に導入され、交流電力に変換され、必要に応じ昇圧されて外部負荷に供給される。また、燃料電池で発電した直流電力の一部は、燃料電池発電装置の補器用電源としても使用される。

近年、例えば家庭用の分散発電型の小型燃料電池の需要が高まっており、上記の燃料電池、燃料改質器、ガス供給装置、水供給装置、電力変換装置等の燃料電池発電装置の構成装置を、同一のケース内に小型コンパクトに収納する必要が生じている。この場合、同一のケース内に、高熱を発生する燃料電池、高温が必要な燃料改質器、耐高温性に難のあるガス供給装置や電力変換装置が混在することになり、これらの燃料電池発電装置の構成装置間の作動温度の違いによる影響が問題となっている。

この問題を解決するために、システム稼動中に高温となる高温部と発電量を制御する制御部とを離間して配置した燃料電池発電装置（例えば特許文献１参照）、構成装置の作動温度の高いものから順に上段より配置した燃料電池発電装置（例えば特許文献２参照）等が提案されている。
特開２００３−２１７６３５号公報 特開２００３−２９７４０９号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に記載された燃料電池発電装置では、水を供給するための水タンクが、電力変換装置（燃料電池の制御装置も含む）の近傍に存在するため、水タンクの表面に凝縮した水滴、水分により電力変換装置が漏電したり、短絡してしまう危険性があった。

また、特許文献１、２の燃料電池発電装置では、燃料電池の温度が８０℃程度にしかならない固体高分子形の燃料電池には有効であるが、燃料電池の温度が７００℃以上にまで上昇する固体電解質形の燃料電池では、ケース内全体の温度が上昇してしまうため、ただ離間しただけでは制御部への高温による影響を十分に防止することができないという問題があった。

本発明は、電力変換装置の熱による影響を防止できるとともに、電力変換装置の漏電や短絡を防止できる燃料電池発電装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池発電装置は、ケース内に、燃料電池と、該燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料改質器に被改質ガスを供給するガス供給装置と、前記燃料改質器に水を供給するための水供給装置と、前記燃料電池で発生した直流電力を電源出力仕様に変換して外部負荷に供給する電力変換装置とを具備してなる燃料電池発電装置において、前記ケースの上部に、前記燃料電池と前記燃料改質器を配置するとともに、前記ケースの下部に、前記電力変換装置、前記水供給装置及び前記ガス供給装置を配置し、前記電力変換装置と前記水供給装置との間に前記ガス供給装置を配置してなることを特徴とする。

このような燃料電池発電装置では、その構成装置を、互いに作動温度の違いによる影響を受けることなく、水供給装置から水分が漏洩した場合にも漏洩水分による電力変換装置の短絡、漏電等のトラブルもなく、同一のケース内に小型コンパクトに配置することができる。

即ち、ケースの上部に燃料電池と燃料改質器を具備するため、これらの装置で発生した熱は上方に放散し、ケース下部に配置された電力変換装置における熱の影響を最小限に抑制できる。

なお、ここで言う電力変換装置は、電圧、周波数、単線出力、三線出力、単相出力、三相出力等、燃料電池で発生した直流電力を、使用に合わせた種々の出力仕様に変換する装置をいう。また、電力変換装置内に、燃料電池に供給するガス流量等を制御する制御装置を内蔵する場合もある。

また、本発明の燃料電池発電装置は、燃料電池内に燃料改質器を有しており、ケースの上部空間寸法が前記燃料電池寸法に規制されていることを特徴とし、さらにケースの上部空間と燃料電池との隙間の空気を排出するブロアを有することを特徴とする。

燃料電池と燃料改質器とを一体としてケース上部に配置する構造にすることにより、小型コンパクト、高熱効率の点でより優れた効果が得られる。

また、このような燃料電池発電装置では、ケースの上部空間に収容された燃料電池の外周面と、ケースの内壁面との間には、わずかな隙間が形成されており、この隙間に存在している空気がブロアにより排出されるため、固体電解質形の燃料電池発電装置の高温化を防止できる。また、その隙間の空気を燃料電池内に供給することもできる。

また、本発明の燃料電池発電装置は、ガス供給装置が、燃料改質器に空気を供給する機能を有していることを特徴とする。このような燃料電池発電装置では、例えば燃料電池起動時等、燃料改質器の温度が低く、水蒸気改質反応が十分に進行しない場合に、部分酸化反応による改質が可能となる。また、燃料電池停止時に、燃料電池内や燃料改質器内に残留している燃料ガス、被改質ガス等を、簡単にパージすることができる。

さらに、本発明の燃料電池発電装置は、電力変換装置の上方に、燃料電池に空気を供給する空気供給装置が設けられ、該空気供給装置により、前記電力変換装置周辺の空気が前記燃料電池に供給されることを特徴とする。電力変換装置は自ら発熱し、耐高温性に弱いが、本発明の燃料電池発電装置では、電力変換装置の周辺の空気が燃料電池に強制的に供給されるため、電力変換装置を空冷して冷却することができるとともに、燃料電池に供給する空気を予熱することができ、燃料電池発電装置のエネルギー効率を高めることができる。

また、本発明の燃料電池発電装置は、電力変換装置が収納容器内に収納され、該収納容器内の空気が空気供給装置により前記燃料電池に供給されることを特徴とする。このような燃料電池発電装置では、電力変換装置の周囲の空気を強制的にかつ強力に燃料電池に供給することができるため、電力変換装置を冷却することができるとともに、燃料電池内に加熱された空気が供給され、発電効率を向上できる。

さらに、電力変換装置は、水供給装置よりも上方に配置されていることを特徴とする。電力変換装置が収納容器内に収納され、その収納容器内の空気が燃料電池に供給されるため、水供給装置よりも上方、即ち、燃料電池に近づけたとしても電力変換装置の高温化を防止できるとともに、水供給装置よりも上方に電力変換装置が配置されているため、漏洩水分による電力変換装置の短絡、漏電等のトラブルを防止できる。

また、本発明の燃料電池発電装置は、電力変換装置は、ケースの壁面に位置していることを特徴とする。このような燃料電池発電装置では、ケースの壁面に開閉扉等を設け、該開閉扉を開けることにより、電力変換装置のメンテナンスを行うことができる。

さらに、本発明の燃料電池発電装置は、燃料電池の下面を貫通して被改質ガス供給管、水供給管が設けられていることを特徴とする。このような燃料電池発電装置では、被改質ガス及び水が燃料電池の下方から供給されるため、供給配管の長さを短くすることができ、配管通過時の圧力損失を小さくすることができ、例えば、ブロアー、水ポンプ等の、供給装置の動力を削減することができる。

また、本発明の燃料電池発電装置は、燃料電池の側面を貫通して被改質ガス供給管、水供給管が設けられていることを特徴とする。このような燃料電池発電装置では、被改質ガス供給管、水供給管のメンテナンスが容易であり、さらに、ケースの外面に開閉扉等を設け、該開閉扉を開けることにより、改質ガス供給管、水供給管が接続されたセルスタックのメンテナンスをも行うことができる。

本発明の燃料電池発電装置では、燃料電池、燃料改質器、ガス供給装置、水供給装置、電力変換装置等の燃料電池発電装置の構成装置を、互いに作動温度の違いによる影響を受けることなく、また、水供給装置から水分が漏洩した場合にも漏洩水分による電力変換装置等の短絡、漏電等のトラブルもなく、同一のケース内に小型コンパクトに配置することができる。

先ず、本発明の燃料電池発電装置に好適な燃料改質器を内蔵する燃料電池（以下、燃料電池組立体と記載する）の一例について説明する。

燃料電池組立体は図１、２及び図３を参照して説明すると、略直方体形状のハウジング２を具備している。このハウジング２の６個の壁面の外面には適宜の断熱材から形成された断熱壁（遮熱部材）、即ち上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁９、前断熱壁１０及び後断熱壁１１が配設されている。ハウジング２内には発電・燃焼室１２が規定されている。

前断熱壁１０及び／又は後断熱壁１１は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁１０及び／又は後断熱壁１１を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室１２内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。

ハウジング２内の上端部には空気室（ガス室）１６が配設されている。空気室１６は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース１７内に規定されている。空気室１６には、発電・燃焼室に向かって空気（酸素含有ガス）を送り込むための空気導入管（ガス供給手段）２２の上端が連通している。空気導入管２２は複数本あり、その形状は円筒や中空板構造などが考えられる。図１、２では円筒の空気導入管２２を記載した。空気導入管２２は後述するセルスタック間に配置されており、セルの下端部において開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気導入管２２はセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。

そして、空気室１６には、低温ガス供給管１８が設けられており、この低温ガス供給管１８は、上断熱壁４を貫通し、外部に延設されている。

この低温ガス供給管１８は、空気室１６内に供給されるガスと同一種、即ち、低温の空気を空気室１６内に供給するものであり、低温ガス供給管１８により供給される空気は、予熱された空気の温度よりも低温である必要がある。特には、室温程度が望ましい。

低温ガス供給管１８は、図２に示すように、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ、即ち、燃料電池セル集合体の中央部を冷却するような空気室１６の位置に接続されている。言い換えれば、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ間に配設された空気導入管２２のケース１７側板への開口部集合体中央に対して、対向するケース１７側板の位置に開口するように低温ガス供給管１８が設けられている。

ハウジング２の両側部、更に詳しくは右側断熱壁８の内側及び左側断熱壁９の内側には、全体として平板形状である熱交換器２４が配設されている。熱交換器２４の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース２６から構成されている。

かかるケース２６内にはその横方向中間に位置する仕切板２８が配設されており、ケース２６内は内側に位置する排出路３０と外側に位置する流入路３２とに区画されている。排出路３０内には上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁３４及び３６が配置されている。更に詳述すると、排出路３０内には、その前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３４と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁３６とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路３０はジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

同様に、流入路３２内にも上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁３８及び４０、即ちその前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３８と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁４０とが交互に配置されており、かくして流入路３２もジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

ケース２６の内側壁の上端部には排出開口４２が形成されており、排出路３０は排出開口４２を介して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器２４の各々の発電・燃焼室１２側、即ち、燃料電池セル側、及び燃料電池セルの上下には、蓄熱材からなる蓄熱壁（遮熱部材）が配置されている。即ち右側蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂ、前蓄熱壁４４ｃ及び後蓄熱壁４４ｄ、下蓄熱壁４４ｅ、上蓄熱壁４４ｆが、セル集合体を取り囲むように配設されている。かかる右側蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂの上部には、排出開口４２の下縁と実質上同高に位置して開口する開口部４５が形成されており、排出開口４２は開口部４５を通して発電・燃焼室１２に連通せしめられている。

ハウジング２の６個の壁面の外面に形成された断熱壁４、６、８、９、１０、１１は、アルミナ／シリカ系の汎用断熱材から形成されており、セル集合体を取り囲むように形成された蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆは、密度が前記断熱材４、６、８、９、１０より大きいアルミナ純度の高い断熱材から形成されている。

ケース２６の上壁における外側部には流入開口４８が形成されており、流入路３２はかかる流入開口４８を介して空気室１６に連通せしめられている。熱交換器２４、流入開口４８は、ガス供給流路を構成している。流入路３２の各々の後方には上下方向に細長く延びる排気管５２（図１にその上端部のみを図示している）が配設されている。排出路３０の下端部は排気管５２に接続されており、流入路３２の下端部は、ハウジング２の底面を貫通する発電用空気供給管５４に接続されている。

上述した発電・燃焼室の下部には４個の発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄが配置されている。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄは、夫々、上述した空気導入管２２間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ間に、空気導入管２２が配設されている。図１、２と共に、図３、４を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは前後方向（図１において紙面に垂直な方向）に細長く延びる直方体形状の燃料ガスケース５８ａを具備している。

燃料ガス室を規定している燃料ガスケース５８ａの上面上にはセルスタック６０ａが装着されている。セルスタック６０ａは上下方向に細長く延びる直立セル６２を燃料ガスケース５８ａの長手方向（即ち前後方向）に複数個縦列配置して構成されている。図５に明確に図示する如く、セル６２の各々は電極支持基板６４、内側電極層である燃料極層６６、固体電解質層６８、外側電極層である酸素極層７０、及びインターコネクタ７２から構成されている。

電極支持基板６４は上下方向に細長く延びる柱状の板状片であり、その断面形状は平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板６４にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は６個）の燃料ガス通路７４が形成されている。電極支持基板６４の各々は燃料ガスケース５８ａの上壁上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。

燃料ガスケース５８ａの上壁には図１において紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個のスリット（図示していない）が形成されており、電極支持基板６４の各々に形成されている燃料ガス通路７４がスリットの各々に従って燃料ガス室に連通せしめられる。

インターコネクタ７２は電極支持基板６４の片面（図５のセルスタック６０ａにおいて上面）上に配設されている。燃料極層６６は電極支持基板６４の他面（図５のセルスタック６０ａにおいて下面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。固体電解質層６８は燃料極層６６の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。酸素極層７０は、固体電解質層６８の主部上、即ち電極支持基板６４の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板６４を挟んでインターコネクタ７２に対向して位置せしめられている。

セルスタック６０ａにおける隣接するセル６２間には集電部材７６が配設されており、一方のセル６２のインターコネクタ７２と他方のセル６２の酸素極層７０とを接続している。セルスタック６０ａの両端、即ち図５において上端及び下端に位置するセル６２の片面及び他面にも集電部材７６が配設されている。セルスタック６０ａの両端に位置する集電部材７６には電力取出手段（図示していない）が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング２の前断熱壁１０、後断熱壁１１、または下断熱材６を通してハウジング２外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄを相互に直列接続し、４個のセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。

図４を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは、セルスタック６０ａの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状（或いは円筒形状）であるのが好都合である改質ケース（燃料改質器）７８ａも具備している。改質ケース７８ａの前面には燃料ガス送給管８０ａの一端即ち上端が接続されている。

燃料ガス送給管８０ａは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管８０ａの他端は上記燃料ガスケース５８ａの前面に接続されている。改質ケース７８ａの後面には被改質ガス供給管８２ａの一端が接続されている。被改質ガス供給管８２ａは改質ケースから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出している。

被改質ガス供給管８２ａは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源（図示していない）に接続されており、被改質ガス供給管８２ａを介して改質ケース７８ａに被改質ガスが供給される。改質ケース７８ａ内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。

図示の実施形態においては、改質ケース７８ａは燃料ガス送給管８０ａを介して燃料ガスケース５８ａに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図４に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管８２ａの下面と燃料ガスケース５８ａの後端部下面或いは後面との間に適宜の支持部材８４ａを付設することもできる。

図３において説明すると、発電ユニット５６ｃは上述した発電ユニット５６ａと実質上同一であり、発電ユニット５６ｂ及び５６ｄは、発電ユニット５６ａ及び５６ｃに対して前後方向が逆に配置されていること、従って改質ケース７８ｂ及び７８ｄと燃料ガスケース５８ｂ及び５８ｄとを接続する燃料ガス送給管（図示していない）が後側に配置され、被改質ガス供給管８２ｂ及び８２ｄが改質ケースから下方に延び、ハウジング２の下面を通ってハウジング２外に延出している。

上述したとおりの燃料電池組立体においては、被改質ガスが被改質ガス供給管８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄを介して改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄに供給され、改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄを通して燃料ガスケース５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ内に規定されている燃料ガス室に供給され、次いでセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに供給される。

セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。

発電に使用されることなくセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄから上方に流動した燃料ガス及び空気は、起動時に発電・燃焼室１２内に配設されている点火手段（図示していない）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室１２内は例えば１０００℃程度の高温になる。改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄは発電・燃焼室１２内に配設され、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室１２内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。

発電・燃焼室１２内に生成された燃焼ガスは熱交換器２４に形成されている排出開口４２から排出路３０に流入し、ジグザグ状に延在する排出路３０を流動した後に二重筒体５０の外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体５０における排出路を流動する際には、二重筒体５０における流入路を空気が流動し、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。

そしてまた、燃焼ガスが熱交換器２４の排出路３０をジグザグ状に流動せしめられる際には、空気が熱交換器２４の流入路３２をジグザグ状に対向するように流動せしめられる。かくして燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。

長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング２の前断熱壁１０或いは後断熱壁１１を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出す。

そして、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部を新しいものに交換して、或いは発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部におけるセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄのみを新しいものに交換して、再びハウジング２内の所要位置に装着すればよい。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部あるいは全部における改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内に収容されている改質触媒を交換することが必要な場合にも、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出し、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部における改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ自体を新しいものに或いは改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒のみを新しいものに交換すればよい。

改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。

一方、空気は発電用空気供給管５４を通して熱交換器２４の流入路３２に供給され、熱交換器２４を通過して予熱（加熱）された空気は、空気室１６に一旦貯留され、空気導入管２２を通って燃焼・発電室１２のセルスタック間に供給される。この際、空気導入管２２はセルスタック６０の燃料電池セル６２の上端の燃料ガス通路７４近傍で燃焼する燃焼ガス雰囲気中を通過する。従って、空気室１６の予熱空気はセルスタック６０上部の燃焼領域でさらに加熱され、高温に暖められた空気がセルに供給される。

通常運転時は前記熱交換器２４で予熱された空気が空気室１６に導入され、この空気室１６から空気導入管２２を用いて燃焼・発電室１２へ空気が導入されるが、発電室の温度が想定以上に上昇した場合は、前記熱交換器２４を通らない低温ガス供給管１８を通ってきた低温の空気が空気室１６に導入され、熱交換器２４を通過して予熱された空気と混合されて、空気室１６の空気温度がある程度低下する。この空気を発電室１２、即ち、セルスタック間に供給することにより、通常運転時より温度の低い空気がセルスタック間に導入されるので、発電室１２、即ち燃料電池セルの過度に上昇した温度が低下されるので、発電室内の温度を適宜にコントロールできる良好な燃料電池組立体が提供される。

また、空気室１６内の空気温度は、低温ガス供給管１８から供給された外気と、熱交換器２４を通過して予熱された空気と混合されるため、室温ほど低温の空気ではないので、熱い燃料電池セル６０に供給しても、燃料電池セル６０のクラックや熱衝撃破壊を引き起こすなどの不具合を避けることが出来るので、燃料電池発電システム全体の機能劣化が抑えられ寿命が延ばすことができる。

さらに、低温ガス供給管１８による低温ガスの供給を、空気供給管２２の開口部中央部に向けて供給することにより、さらに、両側の熱交換器から加熱された空気を開口部中央部に向けて供給することにより、最も加熱しやすいセル集合体の中央部に空気供給管２２により供給される空気を最も低温とでき、中央部から離れるに従って高い温度とすることができ、最適な冷却手段とすることができる。

また、ハウジング２内であってセル集合体の周囲に、蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂ、前蓄熱壁４４ｃ及び後蓄熱壁４４ｄ、下蓄熱壁４４ｅ、上蓄熱壁４４ｆを、ハウジング２の外面に上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁９、前断熱壁１０及び後断熱壁１１を配置することにより、セル周囲の高温の熱を蓄熱壁により蓄熱するとともに、外部への熱放散を蓄熱壁及び断熱材と併せて効果的に抑制することができ、分散型発電用の燃料電池組立体において、発熱量の少ない部分負荷運転時においても、有効に発電温度を維持できる。

即ち、分散型発電用の燃料電池組立体では発電量は少ないため小型であり、定常運転時には熱自立し、効果的に発電するが、燃料ガス量を少なくして発電量を少なくした場合、発熱量が少なくなり、熱自立しなくなる傾向にあるが、本発明では、断熱壁によりハウジング内に熱を有効に閉じ込め、定常運転時の高温の熱を蓄熱壁に吸収させ、部分負荷運転し発熱量が少なくなった場合に熱を放散させ、ハウジング内の温度を有効に維持できる。

尚、本発明では、改質ケースはセルスタックの上方以外の場合でも、改質ケースをハウジング内に設けない場合であっても良い。

そして、本発明では、被改質ガス供給管８２a〜８２ｄは、ハウジング２の外部において、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置９１に接続されている。この燃料ガス供給装置９１により、被改質ガスが被改質ガス供給管８２a〜８２ｄに等量分配され、供給される。なお、上記形態では、空気室に低温ガス供給手段を設け、空気供給管により、燃料電池セルの外面に空気を供給する場合について説明したが、空気供給管により燃料電池セルの内部に空気を供給するようにしても良いことは勿論である。尚、この場合、燃料電池セルの内側には空気極が、外側には燃料極が形成されることは言うまでもない。

図６は、本発明の固体酸化物形の燃料電池を有する燃料電池発電装置を示すもので、燃料電池発電装置は、仕切部材１０１により上部空間１０３ａと下部空間１０３ｂに分離されたケース１０３の上部空間１０３ａに、内部に燃料改質器を有する燃料電池（燃料電池組立体）１０６が配置され、その下部に、電力変換装置１１１と、燃料改質器に被改質ガス及び空気を供給するガス供給装置１０８と、水供給装置１１３とが、水平方向に並べてこの順で配置された構造を有している。

言い換えれば、燃料電池１０６内に燃料改質器が内蔵されており、ケース１０３の上部空間１０３ａ寸法が燃料電池１０６寸法に規制されている。即ち、ケースの壁と燃料電池１０６とは、僅かな隙間しか形成しないように構成され、ケース１０３の上部空間１０３ａの寸法は、燃料電池１０６の外形寸法よりも３ｃｍ以下の隙間を有するように構成されている。この上部空間１０３ａは完全に密閉するのではなく、新鮮な外気を導入する導入孔と、上部空間１０３ａと燃料電池１０６の隙間の空気を排出するブロアを設けることが望ましい。この場合には、燃料電池１０６が高温となることを抑制でき、下部空間１０３ｂの電力変換装置１１１への影響を最小限とできる。

また、電力変換装置１１１と水供給装置１１３との間にガス供給装置１０８が配置されており、電力変換装置１１１は、ケース１０３の壁面に位置して配置されて、壁面に面している。これにより、ケース１０３の壁面に開閉扉等を設け、該開閉扉を開けることにより、電力変換装置１１１のメンテナンスを容易に行うことができる。

各構成装置のケース１０３内の固定法は特に指定するものではない。必要に応じ、各構成部１１１、１０８、１１３の間に仕切り板を設置し、この仕切り板に固定しても良い。固体酸化物形燃料電池の場合、燃料電池１０６と燃料改質器は７００℃以上の高温となるため、仕切部材１０１を、断熱性のある仕切板で構成するか、あるいは、燃料電池１０６を、断熱性容器で囲うのが望ましい。

このような配置により、耐高温性に弱い電力変換装置１１１を、燃料電池１０６と燃料改質器の高温の影響を減らすことができる。また、都市ガスや水素ガスが漏洩した場合に、これらのガスは空気より軽く上方に揮散するため、電力変換装置１１１との接触による爆発等の危険性も少ない。さらに、水供給装置より水が漏洩した場合にも、漏洩した水が電力変換装置１１１に接触する危険が少なく、短絡等の危険を減らすことができる。

都市ガス等の被改質ガスが、都市ガスラインから、必要に応じ昇圧され、ガス供給装置１０８に供給され、発電量に必要な所定量が、被改質ガス供給管８２ａ〜８２ｄを通り、燃料電池１０６内の燃料改質器に供給される。被改質ガスは、同時に、水供給装置１１３より、水供給管１３７を通して燃料改質器に供給された水分と水蒸気改質反応を起こし、水素含有ガスに改質され、燃料電池１０６に供給される。

また、例えば、部分酸化反応による改質を行わせる場合、あるいは、装置停止時の燃料改質器のパージを行う場合には、ガス供給装置１０８にブロア等により空気を供給し、必要量が、改質用空気供給管１３５を通り、燃料改質器に供給される。

一方、発電用空気が、電力変換装置１１１上方におけるケース１０３の仕切部材１０１に設置された空気供給装置である空気ブロア１１２により、燃料電池１０６内に供給される。これにより、電力変換装置１１１の周辺の空気が燃料電池１０６に強制的に供給されるため、電力変換装置１１１を空冷して冷却することができるとともに、燃料電池１０６に供給する空気を予熱することができ、燃料電池発電装置のエネルギー効率を高めることができる。

また、電力変換装置１１１は、図７に示すように、収納容器１３１内に収納され、収納容器１３１内の空気が空気供給装置である空気ブロアにより、発電用空気を燃料電池１０６に供給するように構成しても良い。これにより、電力変換装置１１１の周囲の空気を強制的にかつ強力に燃料電池１０６に供給することができるため、電力変換装置１１１を空冷できるとともに、燃料電池１０６内に加熱された発電用空気を供給でき、発電効率を向上できる。

また、このように電力変換装置１１１が収納容器１３１内に収納され、その収納容器１３１内の空気が燃料電池１０６に供給されるため、水供給装置１１３よりも上方、即ち、燃料電池１０６に近づけたとしても電力変換装置１１１の高温化を防止できるとともに、水供給装置１１３よりも上方に電力変換装置１１１が配置されているため、漏洩水分による電力変換装置１１１の短絡、漏電等のトラブルを防止できる。

さらに、図７に示すように、電力変換装置１１１からの発電用空気を供給する発電用空気供給管５４、ガス供給装置１０８からの被改質ガス、改質用空気を燃料電池１０６内の燃料改質器に供給する被改質ガス供給管８２ａ〜８２ｄ、改質用空気供給管１３５、さらに水供給装置１１３からの水を燃料電池１０６内の燃料改質器に供給する水供給管１３７が、燃料電池１０６の下面を貫通しており、燃料電池１０６の下面を介して供給されるようになっている。

被改質ガス等を燃料電池１０６の下部より供給することにより、供給配管の長さを短くすることができ、配管通過時の圧力損失を小さくすることができ、例えば、ブロアー、水ポンプ等の、供給装置の動力を削減することができる。

一方、図８に示すように、発電用空気供給管５４、被改質ガス供給管８２ａ〜８２ｄ、改質用空気供給管１３５、水供給管１３７を、燃料電池１０６の側面まで引き回し、該側面を貫通させ、燃料電池１０６の側面を介して、発電用空気、被改質ガス、改質用空気、水を供給するようにしても良い。この場合には、空気供給管５４、被改質ガス供給管８２ａ〜８２ｄ、改質用空気供給管１３５、水供給管１３７が高い位置に存在するため、該配管のメンテナンスを容易に行うことができるとともに、燃料電池１０６の側壁を開閉可能とすることにより、燃料電池１０６内部のセルスタックのメンテナンスも行うことができる。尚、図８では、燃料電池１０６の一方側側面を貫通するように、発電用空気供給管５４、被改質ガス供給管８２ａ〜８２ｄ、改質用空気供給管１３５、水供給管１３７を、燃料電池１０６の側面まで引き回した例について説明したが、本発明では、燃料電池１０６の両側面に引き回しても良い。

尚、空気ブロア１１２の設置位置は特に限定するものではなく、例えば、ガス供給装置１０８と電力変換装置１１１との間に設置しても良い。特に、空気を、電力変換装置１１１に対して加圧供給するように配置した場合、可燃性反応ガス漏洩時に、漏洩ガスの電力変換装置１１１への接触を防止する効果が大きくなり望ましい。特に、燃料ガスとして空気より重いプロパンガス等を使用する場合に有効である。

本発明の燃料電池発電装置に用いられる燃料電池を示す断面図。 図１の平面図。 図１の燃料電池組立体に使用されている発電ユニット集合体を示す斜視図。 図３の発電ユニットを示す斜視図。 図３のセルスタックを示す断面図。 本発明の燃料電池発電装置の模式図。 本発明の他の燃料電池発電装置の模式図。 本発明のさらに他の燃料電池発電装置の模式図。

符号の説明

２：ハウジング
１２：発電・燃焼室
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ：発電ユニット
５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ：燃料ガスケース
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ：セルスタック
６２：燃料電池セル
７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ：改質ケース（燃料改質器）
１０３：ケース
１０６：燃料電池
１０８：ガス供給装置
１１３：水供給装置
１１２：空気ブロア
１１１：電力変換装置

Claims (10)

1. ケース内に、燃料電池と、該燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料改質器と、前記燃料改質器に被改質ガスを供給するガス供給装置と、前記燃料改質器に水を供給するための水供給装置と、前記燃料電池で発生した直流電力を電源出力仕様に変換して外部負荷に供給する電力変換装置とを具備してなる燃料電池発電装置において、前記ケースの上部に、前記燃料電池と前記燃料改質器を配置するとともに、前記ケースの下部に、前記電力変換装置、前記水供給装置及び前記ガス供給装置を配置し、前記電力変換装置と前記水供給装置との間に前記ガス供給装置を配置してなることを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 燃料電池内に燃料改質器を有しており、ケースの上部空間寸法が前記燃料電池寸法に規制されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
3. ケースの上部空間と燃料電池との隙間の空気を排出するブロアを有することを特徴とする請求項1又は２記載の燃料電池発電装置。
4. ガス供給装置は、燃料改質器に空気を供給する機能を有していることを特徴とする請求項1乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池発電装置。
5. 電力変換装置の上方に、燃料電池に空気を供給する空気供給装置が設けられ、該空気供給装置により、前記電力変換装置周辺の空気が前記燃料電池に供給されることを特徴とする請求項1乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池発電装置。
6. 電力変換装置が収納容器内に収納され、該収納容器内の空気が空気供給装置により前記燃料電池に供給されることを特徴とする請求項1乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池発電装置。
7. 電力変換装置は、水供給装置よりも上方に配置されていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電装置。
8. 電力変換装置は、ケースの壁面に面していることを特徴とする請求項1乃至７のうちいずれかに記載の燃料電池発電装置。
9. 燃料電池の下面を貫通して被改質ガス供給管、水供給管が設けられていることを特徴とする請求項1乃至８のうちいずれかに記載の燃料電池発電装置。
10. 燃料電池の側面を貫通して被改質ガス供給管、水供給管が設けられていることを特徴とする請求項1乃至８のうちいずれかに記載の燃料電池発電装置。

Images