JP2007165118A - 燃料電池ユニット及び予熱ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】酸化剤ガスの温度が低いことに伴う構成機器の損傷を防ぐ燃料電池ユニット及び燃料電池ユニットの損傷を防ぐ予熱ユニットを提供すること。
【解決手段】酸素を含有する酸化剤ガスｔを加熱する加熱装置２３、２４と、加熱装置２３、２４を収容するボックス２１とを備え、ボックス２１に、酸化剤ガスｔを流す吸気ダクトを接続する吸気口２８ａと、加熱された酸化剤ガスｔを導出する導出口２１ａ、２１ｂとが形成され、ボックス２１が、燃料電池に着脱可能な底板に取り付けられて構成されている予熱ユニット燃料電池ユニットに取り付けて燃料電池ユニットを構築した。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池ユニット及び予熱ユニットに関し、特に酸化剤ガスが低温であっても損傷を抑制することができる燃料電池ユニット及び予熱ユニットに関する。

水素と酸素とを使用して、これらの電気化学的反応により発電する燃料電池は、クリーンな発電装置として注目されている。酸素は空気に含まれる形として、水素は改質器によって都市ガス等の炭化水素系燃料が改質された水素含有ガスに含まれて、燃料電池に供給されることが多い。燃料電池に供給される水素含有ガス及び空気は、プロトン交換膜の電気伝導度を高く維持する観点から、所定の温度及び湿度に調節される。このような燃料電池は、水素含有ガスを生成する改質器と、燃料電池に供給する空気を加湿する加湿器を有し加湿された空気を燃料電池に供給する空気供給装置と共に筐体に収容され、燃料電池ユニットが構築されていることが多い。標準的な燃料電池ユニットは筐体の対向する両側面にスリット状のガラリが形成されており、この一方から空気を導入し、他方から燃料電池ユニット内における発電に伴って生成された排ガスを排気している。

上述の標準的な燃料電池ユニットでは、−１０℃以上の外気を導入するように設計されていることが多いが、外気が設計条件よりも低い温度の場合には、燃料電池ユニット内の機器の凍結や空気を加湿するための加湿水の凍結、低温による空気の加湿不足等が生じ、燃料電池ユニットが損傷を受けることがある。

本発明は上述の課題に鑑み、酸化剤ガスの温度が低いことに伴う構成機器の損傷を防ぐことができる燃料電池ユニット及び燃料電池ユニットの損傷を防ぐ予熱ユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池ユニットは、例えば図１及び図３に示すように、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池５１と；燃料電池５１に導入する酸素を含有する酸化剤ガスｔを流す吸気ダクトＤ１を接続する吸気口２８ａが形成された吸気部材２０とを備え；燃料電池５１と吸気部材２０とが連続した筐体１２、１３、５９に収容されて構成されている。

このように構成すると、燃料電池に導入する酸素を含有する酸化剤ガスを流す吸気ダクトを接続する吸気口が形成された吸気部材を備えるので、吸気ダクトを介して凍結温度よりも高い温度の酸化剤ガスを導入することができ、ひいては燃料電池ユニットの損傷を防ぐことができる。なお「凍結温度」とは、典型的には、燃料電池ユニット内の機器や加湿水が凍結を始める温度のうち最も高い温度である。

また、請求項１に記載の燃料電池ユニットにおいて、前記燃料電池での発電に伴って生成された排ガスを流す排気ダクトを接続する排気口が形成された排気部材を備えていてもよい。このように構成すると、凍結を防ぐために燃料電池ユニットを室内に設置した場合であっても排気ダクトを介して排ガスを屋外に導くことができ、燃料電池ユニットの凍結を防ぎつつ室内環境の排ガスによる汚染を防ぐことができる。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明に係る燃料電池ユニットは、例えば図１に示すように、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池５１と；燃料電池５１に導入する酸素を含有する酸化剤ガスｔを加熱する加熱装置２３、２４（例えば図３参照）とを備え；燃料電池５１と加熱装置２３、２４とが連続した筐体１２、１３、５９に収容されて構成されている。加熱装置は、典型的には、電気ヒータを有し、さらに放熱板を有していてもよい。

このように構成すると、燃料電池に導入する酸素を含有する酸化剤ガスを加熱する加熱装置を備えるので、凍結温度よりも高い温度に加熱した酸化剤ガスを燃料電池に供給することができ、燃料電池ユニット内の機器や加湿水の凍結、酸化剤ガスの加湿不足の発生を防ぐことができ、ひいては燃料電池ユニットの損傷を防ぐことができる。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明に係る予熱ユニットは、例えば図３に示すように、酸素を含有する酸化剤ガスｔを加熱する加熱装置２３、２４と；加熱装置２３、２４を収容するボックス２１とを備え；ボックス２１に、酸化剤ガスｔを流す吸気ダクトＤ１を接続する吸気口２８ａと、加熱された酸化剤ガスｔを導出する導出口２１ａ、２１ｂとが形成され；ボックス２１が、燃料電池を収容する筐体５９（例えば図１参照）に着脱可能な底板１１に取り付けられて構成されている。

このように構成すると、酸化剤ガスを加熱する加熱装置を備えるので、凍結温度よりも高い温度に加熱した酸化剤ガスを燃料電池に供給することができる。また、ボックスに酸化剤ガスを流す吸気ダクトを接続する吸気口が形成されているので、吸気ダクトを介して凍結温度よりも高い温度の酸化剤ガスを導入することができる。また、ボックスが、燃料電池を収容する筐体に着脱可能な底板に取り付けられているので、標準的な燃料電池ユニットの量産性を保ちつつ、ボックスが取り付けられた底板を付加することにより、大規模な改造をすることなく寒冷地仕様に変更することが可能となる。ここで「標準的な燃料電池」は、典型的には、吸気ダクト及び排気ダクトの接続口が形成されておらず、かつ、酸化剤ガスを加熱する加熱装置を備えていない燃料電池である。

また、請求項４に記載の発明に係る予熱ユニットは、例えば図１に示すように、請求項３に記載の予熱ユニットにおいて、燃料電池での発電に伴って生成された排ガスｅを流す排気ダクトＤ２を接続する排気口３８ａが形成された排気部材３０を備える。

このように構成すると、排ガスを流す排気ダクトを接続する排気口が形成された排気部材を備えるので、凍結を防ぐために燃料電池ユニットを室内に設置した場合であっても排気ダクトを介して排ガスを屋外に導くことができ、燃料電池ユニットの凍結を防ぎつつ室内環境の排ガスによる汚染を防ぐことができる。

本発明に係る、吸気ダクトを接続する吸気口が形成された筐体を備える燃料電池ユニットによれば、吸気ダクトを介して凍結温度よりも高い温度の酸化剤ガスを導入することができ、ひいては燃料電池ユニットの損傷を防ぐことができる。

また、本発明に係る加熱装置を備える燃料電池ユニットによれば、凍結温度よりも高い温度に加熱した酸化剤ガスを燃料電池に供給することができ、燃料電池ユニット内の機器や加湿水の凍結、酸化剤ガスの加湿不足の発生を防ぐことができ、ひいては燃料電池ユニットの損傷を防ぐことができる。

また、本発明に係る予熱ユニットによれば、酸化剤ガスを加熱する加熱装置を備えるので凍結温度よりも高い温度に加熱した酸化剤ガスを燃料電池に供給することができ、ボックスに酸化剤ガスを流す吸気ダクトを接続する吸気口が形成されているので吸気ダクトを介して凍結温度よりも高い温度の酸化剤ガスを導入することができ、ボックスが燃料電池を収容する筐体に着脱可能な底板に取り付けられているので標準的な燃料電池ユニットの量産性を保ちつつボックスが取り付けられた底板を付加することにより大規模な改造をすることなく寒冷地仕様に変更することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池ユニット１００を説明する。図１は、燃料電池ユニット１００の縦断面図である。燃料電池ユニット１００は、標準的な燃料電池ユニットである標準ユニット５０と、機器類等が凍結する温度よりも高い温度の酸化剤ガスｔを標準ユニット５０に供給する予熱ユニット１０とを備えている。ここで「標準的な燃料電池」とは、吸気ダクト及び排気ダクトの接続口が形成されておらず、かつ、酸化剤ガスを加熱する加熱装置を備えていない燃料電池である。予熱ユニット１０は、酸化剤ガスｔを導入する吸気部材２０と、標準ユニット５０における発電に伴って発生した排ガスｅを排出する排気部材３０とを有している。吸気部材２０及び排気部材３０は、共通の底板１１に載置されている。底板１１は、標準ユニット５０に適合する形状及び大きさに形成されている。なお、酸素を含有する酸化剤ガスｔは、典型的には空気であり、以下では酸化剤ガスを空気ｔとして説明する。

図２に燃料電池ユニット１００の斜視図を示す。標準ユニット５０の上部に設けられた予熱ユニット１０は、２分割のカバー１２、１３に覆われている。２分割のカバー１２、１３で覆われていることにより、吸気筒２８及び排気筒３８の取り外しをせずにカバー１２、１３内部に収容されている機器のメンテナンスをすることができるようになっている。なお、カバー１２、１３を取り付ける際は、パッキン等を用いて底板１１とカバー１２、１３とで囲まれた空間内を気密にすることが好ましい。

次に図３を参照して、予熱ユニット１０の吸気部材２０について説明する。図３は吸気部材２０の分解斜視図である。吸気部材２０は、加熱装置としてのヒータ２３及び放熱板２４と、空気ｔの塵埃等を除去するフィルタ２５Ａ、２５Ｂと、これら（ヒータ２３、放熱板２４、フィルタ２５Ａ、２５Ｂ）を収容するボックス２１とを備えている。ボックス２１は、上部が開口した箱体２１Ａと、箱体２１Ａの開口の一部を閉塞する天板２１Ｂと、天板２１Ｂの上から箱体２１Ａの開口の残部を閉塞する蓋板２１Ｃとを有している。天板２１Ｂには、空気ｔを通す通気孔２１ｈが形成されており、この通気孔２１ｈを取り囲むようにガスケット２６を挟んで吸気筒２８が取り付けられている。吸気筒２８には空気ｔを流す吸気ダクトＤ１（図１参照）が接続可能であり、この吸気筒２８の先端が吸気口２８ａとなっている。なお、吸気筒２８を設けずに、天板２１Ｂの通気孔２１ｈにカプラ等で直接吸気ダクトＤ１を接続するように構成してもよい。この場合、通気孔２１ｈが吸気口となる。

ここで図４を参照して、箱体２１Ａについて説明する。図４は箱体２１Ａの平面図である。箱体２１Ａは、直方体の一面（上面）が開口した基本形状を有し、開口面に直交する４つの側面の開口側の縁部が内側に折れ曲がっており、折れ曲がった部分に天板２１Ｂ及び蓋板２１Ｃをビス等で固定可能なビス孔２１ｖが形成されている。また、開口面に直交する４つの側面のうちの１つの側面には、凍結温度よりも高い温度の空気ｔを導出する２つの導出口２１ａ、２１ｂが形成されている。導出口２１ａ、２１ｂは、典型的には配管が接続可能なソケットの端部に形成されている。

箱体２１Ａの内部には、吸気口２８ａから導入した空気ｔが箱体２１Ａの外周に沿って流れるようにＬ字状の隔壁２２が設けられている。言い換えれば、隔壁２２によって箱体２１Ａの外周にＬ字状の空気流路２２ｒが形成されている。隔壁２２は、開口面に直交する４つの側面と同様の高さを有している。空気流路２２ｒには、ヒータ２３（図３参照）が配設される。空気流路２２ｒが形成されることにより、吸気口２８ａから導入した空気ｔが必ずヒータ２３を通過するようになっており、凍結温度以下の空気ｔがショートパス（近道）して導出口２１ａ、２１ｂから導出されることを防いでいる。なお、隔壁２２の形状はＬ字状に限らず、凍結温度以下の空気ｔのショートパスを防ぐことができ、より好ましくはボックス２１をコンパクトにすることができれば、他の形状であってもよい。

再び図３に戻って吸気部材２０の説明を続ける。空気流路２２ｒには、上述のようにヒータ２３が配設される。ヒータ２３は、典型的には、電気を入力して発熱する電気ヒータと、標準ユニット５０（図１参照）で発生した熱を排ガスや冷却水等の熱媒体を介して導入し発熱する発熱体とを有しており、標準ユニット５０の運転状態に応じて電気ヒータ及び発熱体を選択的に使用することができるように構成されている。しかしながら、標準ユニット５０の運転状況にかかわらず安定した熱を発生できる電気ヒータのみを有することとしてもよい。また、本実施の形態では、ヒータ２３の上に、発熱を拡散する放熱板２４が載置されている。放熱板２４には、熱が伝導しやすいアルミや銅などが材料として用いられ、表面積が大きくなるように放熱板表面に凹凸が形成され、あるいはフィンが形成されていてもよい。ヒータ２３及び放熱板２４により、空気流路２２ｒを通過する空気ｔは、標準ユニット５０に導入するために許容される温度以上に加熱させられる。なお、放熱板２４がなくても空気ｔを標準ユニット５０に導入するために許容される温度以上に加熱することができるときは、放熱板２４を設けなくてもよい。

箱体２１Ａ内の空気流路２２ｒの外側には、フィルタ２５Ａ、２５Ｂが配設されている。フィルタ２５Ａ、２５Ｂは、標準ユニット５０（図１参照）で使用するものと同様のものを使用してもよい。本実施の形態では、フィルタ２５Ａ、２５Ｂは円筒状に形成されており、フィルタ２５Ａを出た空気ｔが導出口２１ａから導出され、フィルタ２５Ｂを出た空気ｔが導出口２１ｂから導出されるように箱体２５Ａ内に配設されている。

ヒータ２３、放熱板２４、フィルタ２５Ａ、２５Ｂが収容された箱体２１Ａの開口部には、天板２１Ｂが載置される。これにより、ヒータ２３及び放熱板２４が配設されていない部分の空気流路２２ｒが閉塞される。天板２１Ｂに設けられた吸気筒２８は、空気流路２２ｒに連通している。そして、天板２１Ｂの上には蓋板２１Ｃが載置される。これにより箱体２１Ａの開口は完全に塞がれる。天板２１Ｂ及び蓋板２１Ｃは、パッキンを挟んで箱体２１Ａにビスで固定されており、吸気口２８ａ及び導出口２１ａ、２１ｂを除いて気密性が保たれている。このようにして、ボックス２１が構成されている。なお、機密性を向上させるために、箱体２１Ａ、天板２１Ｂ、蓋板２１Ｃの接続部分にシール剤を塗布してもよい。上述のように、予熱ユニット１０のカバー１２、１３がパッキン等を介して取り付けられて気密に構成されている場合は、二重に気密となったボックス２１の空間内にフィルタ２５Ａ、２５Ｂが収容されることとなり、凍結防止の確実性が増大する。

ここで図１に戻って、予熱ユニット１０の排気部材３０について説明する。排気部材３０は、円筒状の排気筒３８にサポート３９が取り付けられて構成されている。排気筒３８には燃料電池５１での発電に伴って生成された排ガスｅを流す排気ダクトＤ２が接続可能であり、この排気筒３８先端が排気口３８ａとなっている。排気部材３０は、底板１１に載置されている。排気筒３８は、サポート３９を介し、底板１１との間隔をあけて底板１１に取り付けられているので、排気筒３８の排気口３８ａと反対側の端部への配管接続が容易になっている。なお、排気口は、排気筒３８に形成される以外に、予熱ユニット１０のカバー１２、１３に直接形成されていてもよい。

次に、標準ユニット５０について説明する。標準ユニット５０は、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池５１と、燃料電池５１に供給する水素を含有する改質ガスｇを都市ガス等の原料燃料ｍから生成する改質器５２と、燃料電池５１及び改質器５２に空気ｔを供給する空気供給装置５３と、改質器５２に導入する原料燃料ｍを脱硫する脱硫器５４と、燃料電池５１を冷却する冷却水ｃから熱を奪う熱交換器５５と、燃料電池５１で発電した直流電力Ｐｄを交流電力Ｐａに変換するインバータ５６とを備えている。

燃料電池５１は、典型的には固体高分子型燃料電池である。燃料電池５１は、改質ガスｇを導入する燃料極と、空気ｔを導入する空気極と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部とを含んで構成されている。燃料電池５１は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜を燃料極と空気極とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池５１では、燃料極に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過して空気極に移動すると共に電子が燃料極と空気極とを結ぶ導線を通って空気極に移動して、空気極に供給された空気ｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力Ｐｄを取り出すことができる。なお、水素を含有する改質ガスｇの代わりに、水素ガスを燃料電池５１に供給してもよい。

改質器５２は、原料燃料ｍと水ｓとを導入し水蒸気改質反応により、水素を主成分とする、水素に富む改質ガスｇを生成する改質部と、原料燃料ｍの水蒸気改質反応に必要な改質熱を発生する燃焼部とを有している。燃焼部には空気ｔが供給される。改質部内には、原料燃料ｍの水蒸気改質反応を活性化する改質触媒が充填されている。原料燃料ｍは、典型的には、都市ガスであるが、これ以外にメタン、エタン等の天然ガスやメタノール等の鎖式炭化水素はもとより、灯油、ガソリン、ナフサ等の石油製品やＬＰＧ等の炭化水素を主成分とする混合物等の、加熱用の燃焼に適するものも含まれる。改質部に導入する水ｓは水蒸気であってもよい。また、水素に富む改質ガスｇとは、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池５１に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池５１に供給したときに空気ｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。なお、燃料電池５１に改質ガスｇではなく水素ガスが供給される場合は、改質器５２を設けなくてもよい。

空気供給装置５３は、燃料電池５１に空気ｔを送るブロワと、改質器５２の燃焼部に空気ｔを送るブロワと、空気ｔを加湿する加湿器とを有している。空気供給装置５３は、供給する空気の清浄度及び流量調整の容易性の観点から、典型的には２台のブロワを有しているが、１台のブロワで燃料電池５１及び改質器５２の燃焼部に空気ｔを供給するようにしてもよい。脱硫器５４は、原料燃料ｍから硫黄分を除去する活性炭等の脱硫剤が充填されている。脱硫器５４で原料燃料ｍから硫黄分が除去されることにより、改質器５２の改質部に充填された改質触媒の硫黄被毒を防いでいる。なお、硫黄分がほとんど含まれておらず、脱硫しなくても改質触媒の硫黄被毒を生じない原料燃料ｍを使用する場合は、脱硫器５４を設けなくてもよい。

熱交換器５５は、燃料電池５１で発生した熱を奪った冷却水ｃと、貯湯ユニット（不図示）の熱回収水ｈとの間で熱交換を行わせる機器であり、プレート式熱交換器が好適に用いられる。熱交換器５５により、冷却水ｃは冷却され、熱回収水ｈは加熱される。熱回収水ｈを介して貯湯ユニット（不図示）に蓄えられた熱は、必要に応じて給湯や暖房用水等の熱需要（不図示）に供給される。インバータ５６は、直流電力Ｐｄから変換した交流電力Ｐａを、必要に応じて家電製品等の電力需要（不図示）、あるいはブロワ等の燃料電池ユニット１００の補機類に送電する。なお、供給先の電気機器が直流電力を要求する場合は、インバータ５６を設けなくてもよい。

燃料電池５１の燃料極に供給された改質ガスｇから、電気化学的反応に利用された水素が除かれたガスは、燃料極オフガスとして改質器５２の燃焼部に導かれ、改質熱を生成するための燃焼に供される。燃料極オフガスには、電気化学的反応に利用されなかった水素が含まれている。他方、燃料電池５１の空気極に供給された空気ｔから、電気化学的反応に利用された酸素が除かれたものは、空気極オフガスとして排気チャンバ５８に導かれる。改質器５２の燃焼部で燃焼後に発生する燃焼ガスもまた、排気チャンバ５８に導かれる。

上述の燃料電池５１、改質器５２、空気供給装置５３、脱硫器５４、熱交換器５５、インバータ５６、排気チャンバ５８は、筐体５９に収容されている。筐体５９は、典型的には直方体である。本実施の形態では、幅と高さがほぼ同じ長さで、奥行きが幅の約半分の長さを有する直方体となっているが、この形状に限られない。標準ユニット５０の、空気供給装置５３近傍の筐体５９の側面には、空気を導入するためのガラリ５９ｇが形成されている。また、対向する筐体５９の側面にも同様にガラリ５９ｇが形成されている。

燃料電池ユニット１００は、標準ユニット５０の上部に予熱ユニット１０が取り付けられて構成されている。典型的には、標準ユニット５０の上に、予熱ユニット１０の吸気部材２０及び排気部材３０が取り付けられた底板１１が載せられ、その上に２分割のカバー１２、１３が覆われて構成されている（図２参照）。標準ユニット５０への予熱ユニット１０の取り付けは、取付手段としてのビス１５（図２参照）で固定されている。取付手段は、ビス１５の他、スナップ係合の留め具（不図示）等、他の公知の取付手段を用いてもよい。標準ユニット５０は筐体５９の中に燃料電池５１を収容し、予熱ユニット１０は筐体を構成するカバー１２、１３の中にヒータ２３を有する吸気部材２０を収容しており、標準ユニット５０と予熱ユニット１０とは接続されているので、燃料電池５１とヒータ２３を有する吸気部材２０とは連続した筐体に収容されていることとなる。このように、連続した筐体には、一体に成形されたもののみならず、２以上の筐体が接続して全体として１つになっているものも含む。

なお、予熱ユニット１０を標準ユニット５０に取り付けるのに先立って、吸気部材２０の導出口２１ａ、２１ｂが形成された各ソケット、及び排気部材３０の排気筒３８に、それぞれ配管６１、６２、６３を取り付けておく。配管６１は、比較的長いフィルタ２５Ｂを通過した空気ｔが導出される導出口２１ｂが形成されたソケットに接続されており、ボックス２１内の空気ｔを空気供給装置５３内のブロワにて燃料電池５１へと導く。配管６２は、比較的短いフィルタ２５Ａを通過した空気ｔが導出される導出口２１ａが形成されたソケットに接続されており、ボックス２１内の空気ｔを空気供給装置５３内のブロワにて改質器５２の燃焼部へと導く。配管６３は、排気筒３８と排気チャンバ５８とを接続しており、排気チャンバ５８内の排ガスｅを排気筒３８へと導く。予熱ユニット１０を標準ユニット５０に取り付ける際は、標準ユニット５０の筐体に形成されたガラリ５９ｇは筐体５９内の換気のために用いられ（燃料電池５１等に供給される空気ｔは吸気口２８ａから導入される）、あるいは凍結温度以下の空気が筐体５９内部に侵入するおそれがあるときはガラリ５９ｇを塞いでもよい。

上述のように、予熱ユニット１０と標準ユニット５０とを備える燃料電池ユニット１００は、吸気ダクトＤ１を介して空気ｔを吸気部材２０の吸気口からボックス２１に導入する。吸気ダクトＤ１を介して空気ｔを導入するので、燃料電池ユニット１００を室内に設置してもよい。ボックス２１に流入した空気ｔは、ヒータ２３及び放熱器２４にて凍結温度よりも高い温度に加熱される。加熱された空気ｔは、配管６１を介して空気供給装置５３内のブロワにて燃料電池５１へ、また配管６２を介して空気供給装置５３内のブロワにて改質器５２の燃焼部へと供給される。改質器５２の燃焼部に供給される空気ｔは燃料電池５１に供給される空気ｔほど清浄度が要求されないので、ボックス内のフィルタ２５Ａ、２５Ｂの長さが異なっている。凍結温度よりも高い温度の空気ｔが空気供給装置５３及び改質器５２の燃焼部に供給されるので、燃料電池ユニット１００内の機器や加湿水が凍結することがなく、また求められる湿度まで空気ｔを加湿することができる。

改質器５２の燃焼部に供給された空気ｔは燃料を燃焼するのに利用され、改質器５２ではこの燃焼の熱で、導入した原料燃料ｍを水蒸気改質して改質ガスｇを生成する。改質器５２で生成された改質ガスｇは、燃料電池５１へと供給される。配管６１を流れてきた空気ｔは、所定の湿度に加湿された後に燃料電池５１へと供給される。改質ガスｇと空気ｔとが供給された燃料電池５１では、改質ガスｇ中の水素と空気ｔ中の酸素との電気化学的反応により発電し発熱する。燃料電池５１で発電された直流電力Ｐｄは、インバータ５６で交流電力Ｐａに変換された後に電力需要（不図示）等に送電される。燃料電池５１で発生した熱は、冷却水ｃ、熱交換器５５、熱回収水ｈを介して貯湯ユニット（不図示）に蓄えられ、必要に応じて熱需要（不図示）に供給される。

燃料電池５１における電気化学的反応後に排出される燃料極オフガスは、改質器５２の燃焼部に導かれ、燃焼に利用される。改質器５２の燃焼部で燃焼後に発生した燃焼ガスは排気チャンバ５８に流入する。燃料電池５１における電気化学的反応後に排出される空気極オフガスも排気チャンバ５８に流入する。排気チャンバ５８内の燃焼ガス及び空気極オフガスは混合し、排ガスｅとして配管６３を介して排気部材３０に至る。排気部材３０に導入された排ガスｅは、排気ダクトＤ２を介して外部へと排出される。排気ダクトＤ２を介して排ガスｅを排出するので、燃料電池ユニット１００を室内に設置しても排ガスｅを室内に放出することがない。また、上述のように吸気口２８ａには吸気ダクトＤ１が接続されているので、排ガスｅが吸気口から逆流して室内に放出されることがない。

以上で説明した燃料電池ユニット１００は、予熱ユニット１０と標準ユニット５０とがビス１５等の取付手段で取り付けられているので、標準ユニット５０から予熱ユニット１０を取り外し、予熱ユニット１０を取り外した後の標準ユニット５０の上部に蓋をすることで、予熱ユニット１０が設けられていない標準ユニット５０単体として使用することもできる。これを別の観点から見ると、標準ユニット５０を量産しておき、必要に応じて上部の蓋を取り外した標準ユニット５０の上に予熱ユニット１０を取り付けることで、寒冷地での使用にも耐えうる燃料電池ユニット１００とすることができる。また、既に設置されている標準ユニット５０や製造済みの標準ユニット５０についても予熱ユニット１０を付加するだけで簡単に寒冷地仕様に変更することができる。このように標準ユニット５０に取り付け可能な予熱ユニット１０は、燃料電池ユニット自体の入れ替えを要さずに簡便かつ低コストで標準ユニット５０を寒冷地仕様に変えることができる。

以上の説明では、予熱ユニット１０が加熱装置としてのヒータ２３及び放熱板２４を有することとしたが、燃料電池ユニット１００が低温の外気からの保護のために室内に設置され、吸気ダクトＤ１が凍結温度よりも高い温度の空気ｔを導入するように敷設されている場合は、ヒータ２３及び放熱板２４を設けなくてもよい。

以上の説明では、予熱ユニット１０に吸気ダクトＤ１を接続する吸気口２８ａが形成されているとしたが、燃料電池ユニット１００を設置する地域の気象条件が、燃料電池ユニット１００の屋外設置が可能な条件であり、季節によっては空気ｔの予熱が必要になるような場合は、吸気ダクトＤ１を接続する吸気口が形成されていなくてもよい。この場合は、ダクトによる強制吸排気を行わないこととなるが、ダクトを接続しない吸気口からヒータ２３に空気ｔを導いて予熱する。

以上の説明では、燃料電池ユニット１００が、標準ユニット５０に予熱ユニット１０を後付できるように構成されていることとしたが、標準ユニット５０の筐体５９を、予熱ユニットを組み込めるだけの大きさとし、一体に形成されていてもよい。この場合も、燃料電池５１とヒータ２３を有する吸気部材２０とは連続した筐体に収容されていることとなるのはいうまでもない。また、このような一体の筐体に標準ユニット５０の主要機器と予熱ユニット１０の主要部材を収容する場合も、標準ユニット５０の主要機器の構成を変更する必要がないため、生産設備を変更する必要がない。

以上の説明では、予熱ユニット１０を標準ユニット５０の上部に取り付ける構成としたが、標準ユニット５０の構成によっては、予熱ユニット１０を側面に取り付けるように構成してもよい。

以上の説明では、燃料電池５１が固体高分子型燃料電池として説明したが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子型燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。

本発明の実施の形態に係る燃料電池ユニットの縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池ユニットの斜視図である。 本発明の実施の形態に係る予熱ユニットを構成する吸気部材の分解斜視図である。 本発明の実施の形態に係る予熱ユニットを構成するボックスの一部材である箱体の平面図である。

符号の説明

１０ 予熱ユニット
１２、１３ ケース
２０ 吸気部材
２１ ボックス
２１ａ、２１ｂ 導出口
２３ ヒータ
２４ 放熱板
２８ａ 吸気口
３０ 排気部材
３８ａ 排気口
５０ 標準ユニット
５１ 燃料電池
５９ 筐体
１００ 燃料電池ユニット
Ｄ１ 吸気ダクト
Ｄ２ 排気ダクト
ｔ 空気（酸化剤ガス）

Claims (4)

1. 水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池と；
   前記燃料電池に導入する酸素を含有する酸化剤ガスを流す吸気ダクトを接続する吸気口が形成された吸気部材とを備え；
   前記燃料電池と前記吸気部材とが連続した筐体に収容されて構成された；
   燃料電池ユニット。
2. 水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池と；
   前記燃料電池に導入する酸素を含有する酸化剤ガスを加熱する加熱装置とを備え；
   前記燃料電池と前記加熱装置とが連続した筐体に収容されて構成された；
   燃料電池ユニット。
3. 酸素を含有する酸化剤ガスを加熱する加熱装置と；
   前記加熱装置を収容するボックスとを備え；
   前記ボックスに、前記酸化剤ガスを流す吸気ダクトを接続する吸気口と、加熱された前記酸化剤ガスを導出する導出口とが形成され；
   前記ボックスが、燃料電池を収容する筐体に着脱可能な底板に取り付けられて構成された；
   予熱ユニット。
4. 燃料電池での発電に伴って生成された排ガスを流す排気ダクトを接続する排気口が形成された排気部材を備える；
   請求項３に記載の予熱ユニット。
   

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