JP2008235091A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池モジュールの起動性及び始動性を良好に向上させ、各機器を作動温度域毎及び機能毎に配置して熱や流体の拡散を最小化するとともに、比較的低温で使用される機器に熱影響が及ぶことを可及的に阻止することを可能にし、しかも設置安定性に優れる。
【解決手段】燃料電池システム１０を構成する筐体２６は、モジュール部８８、第１流体供給部９０ａ、第２流体供給部９０ｂ及び電装部９２に分割されるとともに、前記第１流体供給部９０ａは、前記モジュール部８８の第１の側面に配置され、且つ、前記電装部９２は、前記モジュール部８８の第２の側面に配置される。第２流体供給部９０ｂは、モジュール部８８の下面に配置される。モジュール部８８には、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４が収容されるとともに、前記燃料電池モジュール１２が前記燃焼器１４の上方に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池モジュール、燃焼器、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置、水供給装置、電力変換装置及び制御装置が筐体に収容される燃料電池システムに関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。

この場合、単一のユニットケース内に、燃料電池、改質装置、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する電力変換装置、制御装置及び補機類を内蔵した燃料電池システム（燃料電池装置）が知られている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池装置では、図１０に示すように、パッケージ１を備えており、メンテナンスの必要な部品である浄化装置２、イオン交換装置３及び脱硫器４が、前記パッケージ１の外面パネルである正面パネル５の近傍に配置されている。

これにより、メンテナンスを必要とする部品は、パッケージ１の内部ではなく、装置本体の外郭をなす正面パネル５の近傍に配置されている。従って、燃料電池装置の運転を継続するのに交換や再生等が必要な部品について、メンテナンスを容易に行うことができる、としている。

特開２００６−１４０１６４号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、各機器の作動温度域や機能を考慮した配置（レイアウト）がなされていない。このため、特に、高温型燃料電池（固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池等）や、中温型燃料電池（リン酸形燃料電池や水素分離膜形燃料電池等）が用いられる際、作動温度が低温である低温部が、熱や流体の拡散による影響を受け易いという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池モジュールの起動性及び始動性を良好に向上させ、各機器を作動温度域毎及び機能毎に配置して熱や流体の拡散を最小化するとともに、比較的低温で使用される機器に熱影響が及ぶことを可及的に阻止することが可能な、しかも設置安定性に優れる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを昇温させる燃焼器と、前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置とを筐体に収容する燃料電池システムに関するものである。

そして、筐体は、燃料電池モジュール及び燃焼器が収容され、且つ前記燃料電池モジュールが前記燃焼器の上方に配置されるモジュール部と、燃料ガス供給装置及び水供給装置が配置される第１流体供給部と、酸化剤ガス供給装置が配置される第２流体供給部と、電力変換装置及び制御装置が配置される電装部とに分割されている。

平面視多角形状を有するモジュール部は、一の角部を挟んで第１の側面及び第２の側面を有し、前記第１の側面に第１流体供給部が配置され、且つ前記第２の側面に電装部が配置され、さらに前記モジュール部の下面に第２流体供給部が配置されている。

また、筐体は、モジュール部、第１流体供給部、第２流体供給部及び電装部を開閉自在な開閉扉を備えることが好ましい。従って、モジュール部、第１流体供給部、第２流体供給部及び電装部毎に応じた保守やメンテナンスが容易且つ確実に遂行可能になる。

さらに、第１流体供給部は、水供給装置が最下部に配置されることが好ましい。これにより、水供給装置に、例えば、水漏れが発生しても、燃料ガス供給装置が被水することを阻止することが可能になる。

さらにまた、第１流体供給部は、燃料ガスを検知する検知器を備えるとともに、前記検知器は、前記第１流体供給部の最上部に配置されることが好ましい。これにより、燃料ガス供給装置から燃料ガスの漏れが発生しても、検知器を介してガス漏れを迅速且つ確実に検出することが可能になる。

また、燃料ガス供給装置は、酸化剤ガス供給装置よりも上方に配置されることが好ましい。酸化剤ガス供給装置は、エアポンプを備える一方、燃料ガス供給装置は、燃料ガスポンプを備えている。特に、Ａ／Ｆ（空気／燃料ガス）の値が大きい燃料電池システムにおいては、エアポンプは、燃料ガスポンプに比べて体積が大きく、且つ、重量物となっている。従って、酸化剤ガス供給装置を燃料ガス供給装置よりも下方に配置することにより、設置安定性の向上を図ることができる。しかも、燃料ガス供給装置から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを酸化剤ガス供給装置により吸入することを回避することが可能になる。

さらに、筐体は、鉛直軸回りに回転可能な回転機構を備えることが好ましい。このため、筐体を回転させることにより、モジュール部、第１流体供給部、第２流体供給部又は電装部を開閉するための開閉扉を、作業者が開閉し易い位置に配置させることができ、各部における保守やメンテナンスの作業性が良好に向上する。

さらにまた、筐体は、モジュール部、第１流体供給部及び電装部を水平方向に沿って縦仕切り板により分割することが好ましい。作動温度毎及び機能毎にモジュール部、第１流体供給部及び電装部に分割されるため、熱や流体の拡散を最小化し得るとともに、機能上、良好に配置することが可能になる。しかも、第１流体供給部は、筐体の外壁部を構成しており、前記第１流体供給部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。同様に、電装部も、筐体の外壁部を構成しており、前記電装部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。

また、筐体は、モジュール部及び第２流体供給部を鉛直方向に沿って横仕切り板により分割することが好ましい。作動温度毎及び機能毎にモジュール部及び第２流体供給部に分割されるため、熱や流体の拡散を最小化し得るとともに、機能上、良好に配置することができる。しかも、第２流体供給部は、筐体の下壁部を構成しており、前記第２流体供給部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。

さらに、燃料電池モジュールは、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールであることが好ましく、これにより、良好な効果が得られる。

さらにまた、固体酸化物形燃料電池モジュールは、少なくとも固体電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される固体酸化物形燃料電池を設け、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される固体酸化物形燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記固体酸化物形燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器とを備えることが好ましい。

燃焼器が駆動されることにより発生する熱（数百℃）は、上昇してこの燃焼器の上方に配置されている燃料電池モジュールの周辺に確実に供給されている。従って、燃料電池モジュールは、燃焼器から上昇する熱によって短時間で良好に昇温され、燃料電池システムの起動性及び始動性が向上する。

また、燃料電池スタックの上方に、熱交換器、蒸発器及び改質器が配置されることが好ましい。燃焼器からの熱は、燃料電池スタックに集まり易くなり、前記燃料電池スタックの昇温時間を有効に短縮化して、起動性及び始動性の向上が図られる。

本発明によれば、モジュール部において、燃料電池モジュールが燃焼器の上方に配置されているため、前記燃焼器からの熱は、上昇して前記燃料電池モジュールの周辺に確実に供給される。従って、燃料電池モジュールは、短時間で良好に昇温され、燃料電池システムの起動性及び始動性が向上する。

さらに、筐体内は、燃料電池モジュール及び燃焼器が収容されるモジュール部と、燃料ガス供給装置及び水供給装置が配置される第１流体供給部と、酸化剤ガス供給装置が配置される第２流体供給部と、電力変換装置及び制御装置が配置される電装部とに分割されている。このため、筐体内は、作動温度毎及び機能毎に分割されており、熱や流体の拡散を最小化するとともに、機能上、最適な配置が遂行可能になる。

しかも、燃料ガス供給装置が配置される第１流体供給部と、酸化剤ガス供給装置が配置される第２流体供給部とが、分割されるため、前記燃料ガス供給装置から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを前記酸化剤ガス供給装置により吸入することを阻止することができる。

さらにまた、モジュール部の第１の側面には、第１流体供給部が配置されている。従って、第１流体供給部は、筐体の外壁部を構成しており、前記第１流体供給部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。同様に、モジュール部の第２の側面には、電装部が配置されている。このため、電装部は、筐体の外壁部を構成しており、前記電装部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。一方、モジュール部の下面には、第２流体供給部が配置されている。このため、第２流体供給部は、筐体の下壁部を構成しており、前記第２流体供給部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。

これにより、比較的低温で使用される機器、例えば、ポンプ類を含む第１流体供給部及び第２流体供給部や制御装置を含む電装部は、熱影響が及ぶことを可及的に阻止されるため、良好な機能を確実に維持して作動することが可能になる。

その際、第２流体供給部が筐体の下壁部を構成しており、特に容積及び重量の大きな酸化剤ガス供給装置は、燃料電池システムの下部に配置されている。従って、燃料電池システム全体の重心を下げることができ、前記燃料電池システム全体の設置安定性が良好に向上する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の平面説明図であり、図３は、前記燃料電池システム１０の正面説明図であり、図４は、前記燃料電池システム１０の回路図である。

燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール１２と、前記燃料電池モジュール１２を昇温させる燃焼器１４と、前記燃料電池モジュール１２に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（燃料ガスポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（エアポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２０と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置２２と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２４とを備え、これらが単一の筐体２６に収容される。

燃料電池モジュール１２は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体２８とセパレータ３０とが積層される固体酸化物形の燃料電池３２を設け、複数の前記燃料電池３２が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック３４を備える（図５参照）。

図３に示すように、燃料電池スタック３４の積層方向上端側には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック３４に供給する前に加熱する熱交換器３６と、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器３８と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器４０とが配設される。

燃料電池スタック３４の積層方向下端側には、前記燃料電池スタック３４を構成する燃料電池３２に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構４２が配設される（図４参照）。

改質器４０は、都市ガス中に含まれるエタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₆）及びブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の高級炭化水素（Ｃ₂₊）を、主としてメタン（ＣＨ₄）を含む原燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。

燃料電池３２は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体２８では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。

熱交換器３６は、図５に示すように、燃料電池スタック３４から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）を流すための第１排ガス通路４４と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路４６とを有する。第１排ガス通路４４は、蒸発器３８に水を蒸発させるための熱源として排ガスを供給するための第２排ガス通路４８に連通する。この第２排ガス通路４８は、排気管５０に連通する。空気通路４６の上流側は、空気供給管５２に連通するとともに、前記空気通路４６の下流側は、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス供給連通孔５３に連通する。

蒸発器３８は、互いに同軸上に配設される外管部材５４ａと内管部材５４ｂとを備える２重管構造を採用し、この２重管は、第２排ガス通路４８内に配置される。外管部材５４ａと内管部材５４ｂとの間には、原燃料通路５６が形成されるとともに、前記内管部材５４ｂ内には、水通路５８が形成される。蒸発器３８の第２排ガス通路４８は、主排気管６０に連通する。

外管部材５４ａには、改質器４０の入口部に連結される混合燃料供給管６２が接続される。改質器４０の出口側には、改質ガス供給路６４の一端が連結されるとともに、前記改質ガス供給路６４の他端は、燃料電池スタック３４の燃料ガス供給連通孔６６に連通する。燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４は、断熱材６８に囲繞される（図３参照）。

図４に示すように、燃料ガス供給装置１６は、原燃料通路５６に接続されるとともに、前記原燃料通路５６の途上には、切換弁７０を介して原燃料分岐通路７２が設けられる。この原燃料分岐通路７２は、燃焼器１４に接続される。

酸化剤ガス供給装置１８は、空気供給管５２に接続されるとともに、前記空気供給管５２の途上に設けられた切換弁７４には、空気分岐通路７６が接続される。この空気分岐通路７６は、燃焼器１４に接続される。燃焼器１４は、例えば、バーナを備えており、上記のように、原燃料及び空気が供給される。なお、このバーナに代えて他の手段（電気ヒータ等）を用いることができ、その際、必要に応じて原燃料、空気、電力の供給を選択的に行うように構成すればよい。

水供給装置２０には、水通路５８が連通する。燃料ガス供給装置１６、酸化剤ガス供給装置１８及び水供給装置２０は、制御装置２４により制御されるとともに、前記制御装置２４には、燃料ガスを検知する検知器７８が電気的に接続される。電力変換装置２２には、例えば、商用電源８０（又は、負荷や２次電池等）が接続される。

図１〜図３に示すように、筐体２６は、全体として矩形状を有する外枠８２を有する。この外枠８２内には、筐体２６内を矢印Ｂ方向（水平方向）に分割するための第１縦仕切り板８４と、矢印Ｃ方向（矢印Ｂ方向に交差する水平方向）に分割するための第２縦仕切り板８６とが、設けられる。

図１及び図２に示すように、平面視四角形状（多角形状）を有するモジュール部８８は、一の角部を挟んで第１の側面である第１縦仕切り板８４及び第２の側面である第２縦仕切り板８６を有する。第１縦仕切り板８４には、第１流体供給部９０ａが配置される一方、第２縦仕切り板８６には、電装部９２が配置されることにより、前記第１流体供給部９０ａ及び前記電装部９２は、それぞれ筐体２６の外壁部を構成する。モジュール部８８の下面には、横仕切り板９４を介して第２流体供給部９０ｂが配置される。

図１及び図３に示すように、モジュール部８８には、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４が収容されるとともに、前記燃料電池モジュール１２は、前記燃焼器１４の上方に配置される。なお、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４は、断熱材６８内に収容されている。電装部９２には、電力変換装置２２及び制御装置２４が配置される。

第１流体供給部９０ａには、水供給装置２０、燃料ガス供給装置１６及び検知器７８が収容される。水供給装置２０は、第１流体供給部９０ａの最下部に配置されるとともに、検知器７８は、燃料ガス供給装置１６の上方に配置される。燃料ガス供給装置１６は、第１流体供給部９０ａ内で載置台９６を介して保持される。第２流体供給部９０ｂには、酸化剤ガス供給装置１８が収容される。

図１及び図２に示すように、筐体２６は、平面視四角形状を有し、この筐体２６の各側面を開閉自在な第１開閉扉１０２ａ、第２開閉扉１０２ｂ、第３開閉扉１０２ｃ及び第４開閉扉１０２ｄを備える。第１開閉扉１０２ａ〜第４開閉扉１０２ｄの一端部は、蝶番（又は、ヒンジ）１０４を介して、筐体２６の外枠８２に対し開閉自在に支持される。

第１開閉扉１０２ａは、モジュール部８８、第２流体供給部９０ｂ及び電装部９２の一部を一体に開閉し、第２開閉扉１０２ｂは、前記モジュール部８８、前記第２流体供給部９０ｂ及び第１流体供給部９０ａの一部を一体に開閉する。第３開閉扉１０２ｃは、第１流体供給部９０ａ及び電装部９２の一部を一体に開閉し、第４開閉扉１０２ｄは、電装部９２を開閉する。

筐体２６は、図１及び図３に示すように、回転機構１１０を介して鉛直軸回りに回転可能に構成される。この回転機構１１０は、例えば、回転テーブル等の公知の構造を採用している。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

図４に示すように、燃料ガス供給装置１６の駆動作用下に、原燃料通路５６には、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２０の駆動作用下に、水通路５８には、水が供給されるとともに、空気供給管５２には、酸化剤ガス供給装置１８を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。

図５に示すように、蒸発器３８では、原燃料通路５６を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、混合燃料供給管６２を介して改質器４０の入口部に供給される。混合燃料は、改質器４０内で水蒸気改質され、Ｃ₂₊の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガス（燃料ガス）が得られる。この改質ガスは、改質器４０の出口部に連通する改質ガス供給路６４を通って燃料電池スタック３４の燃料ガス供給連通孔６６に供給される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。

一方、空気供給管５２から熱交換器３６に供給される空気は、この熱交換器３６の空気通路４６に沿って移動する際、第１排ガス通路４４に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３６で加温された空気は、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス供給連通孔５３に供給され、図示しないカソード電極に供給される。

従って、電解質・電極接合体２８では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体２８の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３６の第１排ガス通路４４を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。

この排ガスは、第２排ガス通路４８に沿って移動することにより、水通路５８を通過する水を蒸発させる。蒸発器３８を通過した排ガスは、主排気管６０を介して外部に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図１及び図３に示すように、筐体２６内に水平方向に分割形成されているモジュール部８８には、燃料電池モジュール１２と燃焼器１４とが配置されるとともに、前記燃料電池モジュール１２は、前記燃焼器１４の上方に配置されている。このため、燃焼器１４が駆動されることにより発生する熱（数百℃）は、上昇してこの燃焼器１４の上方に配置されている燃料電池モジュール１２の周辺に確実に供給されている。従って、燃料電池モジュール１２は、燃焼器１４から上昇する熱によって短時間で良好に昇温され、燃料電池システム１０の起動性及び始動性が向上するという効果が得られる。

さらに、筐体２６内は、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４が収容されるモジュール部８８と、燃料ガス供給装置１６及び水供給装置２０が配置される第１流体供給部９０ａと、酸化剤ガス供給装置１８が配置される第２流体供給部９０ｂと、電力変換装置２２及び制御装置２４が配置される電装部９２とに分割されている。このため、筐体２６内は、作動温度毎及び機能毎に分割されており、熱や流体の拡散を最小化するとともに、機能上、最適な配置が遂行可能になる。

しかも、燃料ガス供給装置１６が配置される第１流体供給部９０ａと、酸化剤ガス供給装置１８が配置される第２流体供給部９０ｂとが、分割されるため、前記燃料ガス供給装置１６から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを前記酸化剤ガス供給装置１８により吸入することを阻止することができる。

さらにまた、第１の実施形態では、モジュール部８８の第１の側面（第１縦仕切り板８４）には、第１流体供給部９０ａが配置されている。従って、第１流体供給部９０ａは、実質的に筐体２６の外壁部を構成しており、前記第１流体供給部９０ａの冷却が促進されて高温化し難くなっている。

同様に、モジュール部８８の第２の側面（第２縦仕切り板８６）には、電装部９２が配置されている。このため、電装部９２は、実質的に筐体２６の外壁部を構成しており、前記電装部９２の冷却が促進されて高温化し難くなっている。一方、モジュール部８８の下面（横仕切り板９４）には、第２流体供給部９０ｂが配置されている。このため、第２流体供給部９０ｂは、筐体２６の下壁部を構成しており、前記第２流体供給部９０ｂの冷却が促進されて高温化し難くなっている。

これにより、低温部（４０℃前後）に維持する必要がある制御装置２４を含む電装部９２や、ポンプ類を含む第１流体供給部９０ａ及び第２流体供給部９０ｂは、良好な機能を確実に維持して作動することが可能になるという利点がある。

その際、第２流体供給部９０ｂは、筐体２６の下壁部を構成しており、特に容積及び重量の大きな酸化剤ガス供給装置１８は、燃料電池システム１０の下部に配置されている。従って、燃料電池システム１０全体の重心を下げることができ、前記燃料電池システム１０全体の設置安定性が良好に向上するという効果がある。

さらにまた、第１の実施形態では、図１及び図２に示すように、筐体２６を構成する各側面に対応して第１開閉扉１０２ａ、第２開閉扉１０２ｂ、第３開閉扉１０２ｃ及び第４開閉扉１０２ｄが設けられている。従って、例えば、モジュール部８８のメンテナンスを行う際には、第１開閉扉１０２ａ及び／又は第２開閉扉１０２ｂを開放するだけでよく、前記モジュール部８８内のメンテナンス作業が容易に行われる。

一方、電装部９２内の制御装置２４の保守点検等を行う際には、第４開閉扉１０２ｄのみを開放させるだけでよく、前記制御装置２４の保守点検作業が迅速且つ容易に遂行される。さらに、第１流体供給部９０ａや第２流体供給部９０ｂのポンプ類の保守点検等を行う際には、各々対応する開閉扉のみを開放させるだけでよく、前記ポンプ類の保守点検作業が迅速且つ容易に遂行される。これにより、モジュール部８８、第１流体供給部９０ａ、第２流体供給部９０ｂ及び電装部９２毎に応じた保守やメンテナンスが、効率的に遂行可能になるという効果がある。

その際、筐体２６は、回転機構１１０を介して鉛直軸回りに回転可能に構成されている。このため、筐体２６を回転させることにより、第１開閉扉１０２ａ、第２開閉扉１０２ｂ、第３開閉扉１０２ｃ又は第４開閉扉１０２ｄのいずれかを、作業者が開閉し易い位置に配置させることができ、保守やメンテナンスの作業性が一層向上するという利点がある。

また、筐体２６の内部は、第１縦仕切り板８４及び第２縦仕切り板８６を介してモジュール部８８、第１流体供給部９０ａ及び電装部９２に分割されるとともに、横仕切り板９４を介して第２流体供給部９０ｂに分割されている。そして、モジュール部８８には、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４が配置され、第１流体供給部９０ａには、検知器７８、燃料ガス供給装置１６及び水供給装置２０が配置され、第２流体供給部９０ｂには、酸化剤ガス供給装置１８が配置され、電装部９２には、電力変換装置２２及び制御装置２４が配置されている。

このため、筐体２６内は、作動温度毎及び機能毎にモジュール部８８、第１流体供給部９０ａ、第２流体供給部９０ｂ及び電装部９２に分割されており、熱や流体の拡散を最小化し得るとともに、機能上、良好に配置することが可能になる。なお、高温部であるモジュール部８８において、例えば、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４を囲繞して断熱する断熱材６８を相当に肉厚に構成することにより、外部への熱影響を抑制することも考えられる。

さらにまた、第１の実施形態では、水供給装置２０が第１流体供給部９０ａの最下部に配置されている。従って、水供給装置２０に、例えば、水漏れが発生しても、燃料ガス供給装置１６が被水することを阻止することが可能になる。

さらに、第１流体供給部９０ａでは、検知器７８がこの第１流体供給部９０ａの最上部に配置されている。このため、燃料ガス供給装置１６から燃料ガスの漏れが発生しても、検知器７８を介してガス漏れを迅速且つ確実に検出することが可能になる。

また、筐体２６内では、燃料ガス供給装置１６が酸化剤ガス供給装置１８よりも上方に配置されている。酸化剤ガス供給装置１８は、エアポンプを備える一方、燃料ガス供給装置１６は、燃料ガスポンプを備えている。特に、Ａ／Ｆの値が大きい燃料電池システム１０においては、エアポンプは、燃料ガスポンプに比べて体積が大きく、且つ、重量物となっている。

従って、酸化剤ガス供給装置１８を燃料ガス供給装置１６よりも下方に配置することにより、設置安定性の向上を図ることができる。しかも、燃料ガス供給装置１６から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを酸化剤ガス供給装置１８により吸入することを回避することが可能になる。

ここで、筐体２６内は、検知器７８、燃料ガス供給装置１６及び水供給装置２０が配置される第１流体供給部９０ａと、酸化剤ガス供給装置１８が配置される第２流体供給部９０ｂとに分割されている。これにより、特に、燃料ガス供給装置１６から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを酸化剤ガス供給装置１８が吸入することを確実に阻止することができる。

さらにまた、燃料電池モジュール１２では、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールにより構成されることにより、良好な効果が得られるが、固体酸化物形燃料電池モジュールに代えて、他の高温型燃料電池モジュールや中温型燃料電池モジュールにも好適に用いることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）及び水素分離膜形燃料電池（ＨＭＦＣ）等が良好に採用可能である。

また、第１の実施形態では、燃料電池スタック３４の上部側に、熱交換器３６、蒸発器３８及び改質器４０が配置される一方、前記燃料電池スタック３４の下部に、燃焼器１４が配置されている。このため、燃焼器１４からの熱は、燃料電池スタック３４に集まり易くなり、前記燃料電池スタック３４の昇温時間を有効に短縮化して、起動性及び始動性の向上が図られる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１２０の概略斜視説明図であり、図７は、前記燃料電池システム１２０の平面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１２０を構成する筐体１２２は、平面視四角形状を有する。この筐体１２２は、モジュール部８８の他の側面のみを開閉自在な第１モジュール部開閉扉１２４ａと、前記モジュール部８８の別の側面のみを開閉自在な第２モジュール部開閉扉１２４ｂと、第１流体供給部９０ａのみを開閉自在な第１流体供給部開閉扉１２６と、電装部９２のみを開閉自在な電装部開閉扉１２８と、第２流体供給部９０ｂの一方の側面のみを開閉自在な第２流体供給部開閉扉１２９ａと、前記第２流体供給部９０ｂの他方の側面のみを開閉自在な第２流体供給部開閉扉１２９ｂとを有する。これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

また、このように構成される第２の実施形態では、例えば、モジュール部８８の保守点検を行う際には、第１モジュール部開閉扉１２４ａ及び／又は第２モジュール部開閉扉１２４ｂを開放させることにより、前記モジュール部８８のみが外部に開放される。これにより、特に、燃料電池システム１２０の運転停止直後にモジュール部８８の保守点検等を行う際、このモジュール部８８内の高温流体が電装部９２や第１流体供給部９０ａ及び第２流体供給部９０ｂ等に拡散することがない。

さらにまた、第１流体供給部９０ａのメンテナンス等を行う際には、第１流体供給部開閉扉１２６を開放することにより、この第１流体供給部９０ａのみが外部に開放される。従って、第１流体供給部９０ａと電装部９２との間では、熱の移動や流体の拡散を惹起することがない。このため、モジュール部８８、第１流体供給部９０ａ、第２流体供給部９０ｂ及び電装部９２を、個別に保守及びメンテナンスすることができるとともに、熱の移動や流体の拡散を可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１３０の平面説明図である。

燃料電池システム１３０は、筐体１３２を備え、この筐体１３２は、平面視四角形状を有するとともに、第１縦仕切り板１３４及び第２縦仕切り板１３６を介してモジュール部８８、第１流体供給部９０ａ及び電装部９２に分割される。第１縦仕切り板１３４は、第２縦仕切り板１３６よりも長尺に構成されることにより、第１流体供給部９０ａは、電装部９２よりも大きな容積に設定される。

筐体１３２の各側面に対応して、第１開閉扉１３８ａ、第２開閉扉１３８ｂ、第３開閉扉１３８ｃ及び第４開閉扉１３８ｄが設けられる。第１開閉扉１３８ａは、モジュール部８８、第２流体供給部９０ｂ及び電装部９２の一部を一体に開閉し、第２開閉扉１３８ｂは、前記モジュール部８８、前記第２流体供給部９０ｂ及び第１流体供給部９０ａの一部を一体に開閉する。第３開閉扉１３８ｃは、第１流体供給部９０ａを開閉し、第４開閉扉１３８ｄは、電装部９２及び第１流体供給部９０ａの一部を一体に開閉する。これにより、第３の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１５０の平面説明図である。なお、第３の実施形態に係る燃料電池システム１３０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１５０は、筐体１５２を備える。筐体１５２は、モジュール部８８のみを開閉する第１モジュール部開閉扉１５４ａ及び第２モジュール部開閉扉１５４ｂと、第１流体供給部９０ａのみを開閉する第１流体供給部開閉扉１５６と、電装部９２のみを開閉する電装部開閉扉１５８と、第２流体供給部９０ｂのみを開閉する第２流体供給部開閉扉１６０ａ、１６０ｂとを設ける。従って、この第４の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムの平面説明図である。 前記燃料電池システムの正面説明図である。 前記燃料電池システムの回路図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池モジュールの要部断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムの平面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの平面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの平面説明図である。 特許文献１の燃料電池装置の概略斜視説明図である。

符号の説明

１０、１２０、１３０、１５０…燃料電池システム
１２…燃料電池モジュール １４…燃焼器
１６…燃料ガス供給装置 １８…酸化剤ガス供給装置
２０…水供給装置 ２２…電力変換装置
２４…制御装置 ２６、１２２、１３２、１５２…筐体
２８…電解質・電極接合体 ３０…セパレータ
３２…燃料電池 ３４…燃料電池スタック
３６…熱交換器 ３８…蒸発器
４０…改質器 ７８…検知器
８０…商用電源 ８２…外枠
８４、８６、１３４、１３６…縦仕切り板
８８…モジュール部 ９０ａ、９０ｂ…流体供給部
９２…電装部 ９４…横仕切り板
１０２ａ〜１０２ｄ、１３８ａ〜１３８ｄ…開閉扉
１１０…回転機構
１２４ａ、１２４ｂ、１５４ａ、１５４ｂ…モジュール部開閉扉
１２６、１２９ａ、１２９ｂ、１５６、１６０ａ、１６０ｂ…流体供給部開閉扉
１２８、１５８…電装部開閉扉

Claims (11)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールを昇温させる燃焼器と、
   前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、
   前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、
   前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置と、
   を筐体に収容する燃料電池システムであって、
   前記筐体は、前記燃料電池モジュール及び前記燃焼器が収容され、且つ前記燃料電池モジュールが前記燃焼器の上方に配置されるモジュール部と、
   前記燃料ガス供給装置及び前記水供給装置が配置される第１流体供給部と、
   前記酸化剤ガス供給装置が配置される第２流体供給部と、
   前記電力変換装置及び前記制御装置が配置される電装部と、
   に分割されるとともに、
   平面視多角形状を有する前記モジュール部は、一の角部を挟んで第１の側面及び第２の側面を有し、前記第１の側面に前記第１流体供給部が配置され、且つ前記第２の側面に前記電装部が配置され、さらに前記モジュール部の下面に前記第２流体供給部が配置されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記筐体は、前記モジュール部、前記第１流体供給部、前記第２流体供給部及び前記電装部を開閉自在な開閉扉を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記第１流体供給部は、前記水供給装置が最下部に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１流体供給部は、前記燃料ガスを検知する検知器を備えるとともに、
   前記検知器は、前記第１流体供給部の最上部に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給装置は、前記酸化剤ガス供給装置よりも上方に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記筐体は、鉛直軸回りに回転可能な回転機構を備えることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記筐体は、前記モジュール部、前記第１流体供給部及び前記電装部を水平方向に沿って縦仕切り板により分割することを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記筐体は、前記モジュール部及び前記第２流体供給部を鉛直方向に沿って横仕切り板により分割することを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項９記載の燃料電池システムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池モジュールは、少なくとも固体電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される固体酸化物形燃料電池を設け、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される固体酸化物形燃料電池スタックと、
    酸化剤ガスを前記固体酸化物形燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
    炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、
    前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項１０記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの上方に、前記熱交換器、前記蒸発器及び前記改質器が配置されることを特徴とする燃料電池システム。

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