JP2008262849A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンススペース及び排気空間を確保しながら設置面積の増大を抑制した燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池３０と改質器２０とこれらを収容する燃料電池側筐体１１とを有する燃料電池ユニット１０と、蓄熱槽８７と加熱装置８８とこれらを収容する蓄熱側筐体８９とを有する蓄熱ユニット８０とを備えた燃料電池システム１００であって、燃料電池側筐体１１には改質器２０で燃料を燃焼して発生した改質器排ガスｅ１を排出する第１の排気口１１ｈが形成され、蓄熱側筐体８９には加熱装置８８で燃料を燃焼して発生した加熱装置排ガスｅ２を排出する第２の排気口８９ｈが形成されている。さらに、改質器排ガスｅ１の排出方向と加熱装置排ガスｅ２の排出方向とが向かい合うように、燃料電池ユニット１０と蓄熱ユニット８０とが配置されて構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特にメンテナンススペース及び排気空間を確保しながら設置面積の増大を抑制した燃料電池システムに関するものである。

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、環境に優しい発電装置として注目されている。燃料電池は発電に水素を必要とするが、水素自体を供給するインフラが普及していないことから入手が比較的困難であるため、都市ガスや灯油等の原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器を燃料電池に併設することが多い。また、燃料電池は発電の際に発熱を伴うが、この発熱を蓄熱して有効利用すべく蓄熱槽を併設することも行われている。上記事情を背景に、燃料電池と、改質器と、蓄熱槽としての貯湯槽と、貯湯槽から供給される給湯を燃料を燃焼させて追い焚き加熱する補助加熱器とを備える燃料電池システムがある（例えば、特許文献１参照。）。また、燃料電池システムは、ルームエアコンや給湯器等に比べて部品点数が多いため、納入先での組立を簡潔かつ効率よく行うために機能別にユニット化したものがある（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００５−３５３２９２号公報（段落００２９、図１等） 特開平５−２１０８４号公報（図１、図２等）

上述のように燃料電池システムは部品点数が多いことからメンテナンス時にメンテナンスを行う者が屈んで作業する必要性が生じ、所定のメンテナンススペースを確保する要請がある。また、一般に改質器は原料の改質に必要な改質熱を燃料を燃焼させることで得ており、補助加熱器も燃料を燃焼させて追い焚き加熱していることから、改質器及び補助加熱器は燃焼後の排ガスを排出するものであるところ、各機器の排出口の前には所定の排気空間を確保するという規制がある。メンテナンススペース及び排気空間の確保を考慮すると、燃料電池システムの設置面積は大きくならざるを得なかった。

本発明は上述の課題に鑑み、メンテナンススペース及び排気空間を確保しながら設置面積の増大を抑制した燃料電池システム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システムは、例えば図１に示すように、燃料電池３０と、第１の燃料を燃焼して発生する燃焼熱により原料を改質して燃料電池３０に供給する水素含有ガスを生成する改質器２０と、前記第１の燃料を燃焼して発生した改質器排ガスｅ１を排出する第１の排気口１１ｈが形成された、燃料電池３０及び改質器２０を収容する燃料電池側筐体１１とを有する燃料電池ユニット１０と；燃料電池３０の発電に伴って生じた熱を蓄える蓄熱槽８７と、第２の燃料を燃焼して発生する燃焼熱により蓄熱槽８７内に蓄えられた熱を利用する際の媒体を加熱する加熱装置８８と、前記第２の燃料を燃焼して発生した加熱装置排ガスｅ２を排出する第２の排気口８９ｈが形成された、蓄熱槽８７及び加熱装置８８を収容する蓄熱側筐体８９とを有する蓄熱ユニット８０とを備え；燃料電池ユニット１０及び蓄熱ユニット８０を見下ろしたときに、第１の排気口１１ｈから排出される改質器排ガスｅ１の排出方向と第２の排気口８９ｈから排出される加熱装置排ガスｅ２の排出方向とが向かい合うように、燃料電池ユニット１０と蓄熱ユニット８０とが配置されて構成されている。

このように構成すると、燃料電池ユニット及び蓄熱ユニットを見下ろしたときに、第１の排気口から排出される改質器排ガスの排出方向と第２の排気口から排出される加熱装置排ガスの排出方向とが向かい合うように、燃料電池ユニットと蓄熱ユニットとが配置されているので、燃料電池ユニットのメンテナンススペース及び排気空間と蓄熱ユニットのメンテナンススペース及び排気空間とを共有させることができ、燃料電池システムの設置面積の増大を抑制することができる。

また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池システム１００において、燃料電池ユニット１０と蓄熱ユニット８０とが所定の距離Ｄを隔てて配置されている。所定の距離Ｄは、典型的にはメンテナンスを支障なく行うことができる距離である。

このように構成すると、メンテナンススペースを確実に確保することができる。なお、燃料電池ユニット及び蓄熱ユニットのそれぞれに所定の距離の排気空間を設けることが規制されている場合は、所定の距離Ｄを規制されている排気空間を確保できる距離とすることで規制を遵守することができる。

また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム１００において、燃料電池ユニット１０及び蓄熱ユニット８０を共通に載置する架台９１をさらに備える。

このように構成すると、燃料電池ユニット及び蓄熱ユニット並びに両者間の配管及び配線を架台に載置した状態で燃料電池システムの設置場所に納入することが可能になり、燃料電池システムの搬入据え付けが簡便になって導入促進に寄与する。

また、請求項４に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図４に示すように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、第１の排気口１５ｈが、燃料電池側筐体１１Ａの天板から鉛直上方に伸びた後水平方向に伸びるように曲がって形成された排気管１５の開口で構成され；排気管１５が、前記天板の面内で回転可能に構成されている。

このように構成すると、排気管が天板の面内で回転可能に構成されているので、燃料電池側筐体に対して第１の排気口の向きを自由に設定することができ、配置される燃料電池ユニットの向きの自由度を向上させることができる。

本発明によれば、燃料電池ユニット及び蓄熱ユニットを見下ろしたときに、第１の排気口から排出される改質器排ガスの排出方向と第２の排気口から排出される加熱装置排ガスの排出方向とが向かい合うように、燃料電池ユニットと蓄熱ユニットとが配置されているので、燃料電池ユニットのメンテナンススペース及び排気空間確保と蓄熱ユニットのメンテナンススペース及び排気空間確保とを共有させることができ、燃料電池システムの設置面積の増大を抑制することができる。

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システム１００について説明する。燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット１０と蓄熱ユニット８０とを備えている。燃料電池ユニット１０は、燃料電池３０と、燃料電池３０に供給する水素含有ガスとしての改質ガスｇ（図３参照）を生成する改質器２０とを有している。蓄熱ユニット８０は、蓄熱槽としての貯湯槽８７と、貯湯槽８７から熱需要（不図示）に供給される温水ｗ１（図３参照）を追い焚き加熱する加熱装置としての追い焚き器８８とを有している。燃料電池システム１００は、図１に示すような配置関係で、燃料電池ユニット１０と蓄熱ユニット８０とが設けられている。

ここで図２を参照して、燃料電池ユニット１０の構成について説明する。図２は燃料電池ユニット１０の概略構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。なお、ここでは各機器の配置を主に説明し、各機器の機能及び作用は後述する。燃料電池ユニット１０は、上述の燃料電池３０及び改質器２０のほか、原料ブロワ２８、空気ブロワ２９、電気制御盤３６（制御装置）やパワーコンディショナ３４を有している。燃料電池３０、改質器２０、電気制御盤３６、パワーコンディショナ３４は、燃料電池側筐体１１に収容されている。燃料電池側筐体１１内では、電気制御盤３６及びパワーコンディショナ３４の上方に燃料電池３０が配置され、これらの隣りに改質器２０が配置されている。また、正面から見て改質器２０の手前には、原料ブロワ２８及び空気ブロワ２９が配置されている。また、正面から見て電気制御盤３６及びパワーコンディショナ３４の手前には、熱交換器７０が配置されている。また、燃料電池側筐体１１の正面の中央部分あるいは正面の中央より上方には、改質器２０からの改質器排ガスｅ１（図３参照）を排出する第１の排気口としての改質器排ガス排気口１１ｈが形成されている。改質器排ガス排気口１１ｈには、両ブロワ２８、２９の下方に配設された排ガス管５９が接続されている。排ガス管５９は、典型的には断面が円形（楕円を含む）又は矩形のダクトで構成されている。

再び図１に戻って説明を続ける。蓄熱ユニット８０は、正面から見て貯湯槽８７の手前に追い焚き器８８が配置されている。貯湯槽８７、追い焚き器８８、及び図１では不図示の蓄熱水ポンプ８３（図３参照）が蓄熱側筐体８９に収容されている。蓄熱側筐体８９の正面の上方には、追い焚き器８８からの加熱装置排ガスとしての追い焚き排ガスｅ２を排出する第２の排気口としての追い焚き排ガス排気口８９ｈが形成されている。

燃料電池ユニット１０と蓄熱ユニット８０とは、１つの（一体に形成された）架台９１に載置されている。架台９１は、典型的にはミゾ形鋼を組み合わせて製作された鋼鉄製であるが、プレキャストコンクリートなどで製作されていてもよい。燃料電池ユニット１０と蓄熱ユニット８０とが工場において架台９１に載置され、この状態で設置場所に納入される場合は、配管及び配線工事も完了した状態で設置場所に納入することが可能となり、施工精度が向上するために品質が向上すると共に設置場所における工事の省力化につながり、不要材の発生の抑制に寄与することとなって好適である。

また、燃料電池ユニット１０と蓄熱ユニット８０とは、互いに正面が向かい合うようにして、向かい合った正面が所定の距離Ｄだけ離れて架台９１に載置・固定されている。互いに正面が向かい合っているので、改質器排ガス排気口１１ｈが形成された燃料電池側筐体１１の面と追い焚き排ガス排気口８９ｈが形成された蓄熱側筐体８９の面とが、平面図において向かい合っていることとなる。これは、燃料電池ユニット１０及び蓄熱ユニット８０を見下ろしたときに、改質器排ガス排気口１１ｈ（第１の排気口）から排出される改質器排ガスｅ１の排出方向と追い焚き排ガス排気口８９ｈ（第２の排気口）から排出される加熱装置排ガスｅ２の排出方向とが向かい合う一形態である。このとき、改質器排ガスｅ１の排出方向と加熱装置排ガスｅ２の排出方向とは平行で向きが逆となっている（改質器排ガス排気口１１ｈ（第１の排気口）から排出される改質器排ガスｅ１と追い焚き排ガス排気口８９ｈ（第２の排気口）から排出される加熱装置排ガスｅ２とが平面図（投影面）において同一直線状にあってもなくてもよい。）。典型的には、改質器排ガス排気口１１ｈ（第１の排気口）から排出される改質器排ガスｅ１の排出方向に仮想直線を延ばすと、蓄熱側筐体８９の追い焚き排ガス排気口８９ｈが形成された面に当たるようになっている。所定の距離Ｄは、メンテナンススペースを確保する観点から、メンテナンスを行う者が支障なくメンテナンスを行える距離を確保する。特に燃料電池ユニット１０は、機器数が比較的多く、機器まわりの部品点数も多くなる一方で、小型化を図るために燃料電池側筐体１１をできるだけ小さくしようとする傾向にあるため、底面を除く５面からメンテナンスを行えることが好ましい。したがって、燃料電池システム１００を納入場所に設置する際には、図１中の燃料電池ユニット１０の下方のみならず、図１中の燃料電池ユニット１０の上方及び左右についてもメンテナンススペースを確保することが好ましい。メンテナンスを行う際にはメンテナンスを行う者が屈んで作業する必要性も生じうるため、メンテナンススペースとしての所定の距離Ｄを６００ｍｍ程度確保することが好ましい。

また、現在、各排気口１１ｈ、８９ｈの前面にはそれぞれ６００ｍｍ以上の排気空間を設けることが関連法規により規定されている。改質器排ガス排気口１１ｈが形成された燃料電池側筐体１１の面と追い焚き排ガス排気口８９ｈが形成された蓄熱側筐体８９の面とが向かい合うように構成されていることで、改質器排ガス排気口１１ｈの排気空間と追い焚き排ガス排気口８９ｈの排気空間とを兼ねることができ、別々に排気空間を設ける場合に比べて燃料電池システム１００の設置面積を小さくすることができる。なお、排気空間の規定を遵守する観点から、所定の距離Ｄは現在のところ６００ｍｍ以上となる。

本実施の形態では排気空間とメンテナンススペースとが共に６００ｍｍであるので、所定の距離Ｄを６００ｍｍとすれば、燃料電池システム１００の設置面積を最も小さくすることができる。状況により排気空間とメンテナンススペースとが異なる距離となる場合は、長い方の距離を所定の距離Ｄとすればよい。なお、本実施の形態では所定の距離Ｄを６００ｍｍとしたが、所定の距離Ｄは必要なメンテナンススペースと排気空間の規制値によって５５０ｍｍ、５００ｍｍ、４５０ｍｍ、４００ｍｍ、３５０ｍｍ、６５０ｍｍ等適切な値を採用すればよい。

引き続き図３を参照して、燃料電池システム１００を構成する各機器の機能及び作用を説明する。
改質器２０は、原料ｍ１とプロセス水（不図示）とを導入し水蒸気改質反応により水素に富む水素含有ガスとしての改質ガスｇを生成する改質部２５と、原料ｍ１の水蒸気改質反応に用いる改質熱を発生する燃焼部２３とを備えている。原料ｍ１は、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等の炭化水素系の燃料であり、加熱用の燃焼に適するものが用いられる。改質部２５に導入するプロセス水（不図示）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、水素を主成分とするガスであり、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３０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３０に供給したときに酸化剤ガス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。

改質部２５には、改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒としては、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。改質触媒の作用により原料ｍ１が改質され、生成された水素に富むガスに所定量以上の一酸化炭素が含まれていると、燃料電池３０の電極触媒が被毒する。そのため、改質部２５は、変成触媒が充填された変成部（不図示）、及び選択酸化触媒が充填された選択酸化部（不図示）を有し、改質器２０から導出される改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が約１０体積ｐｐｍ以下、好適には１体積ｐｐｍ程度となるようにするのが好ましい。変成触媒には、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。選択酸化触媒には、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。なお、改質触媒における反応は吸熱反応であるが、変成触媒を有する変成部及び選択酸化触媒を有する選択酸化部における反応は発熱反応となる。

改質部２５には、原料ｍ１を導入するための原料管５５と、プロセス水（不図示）を導入するためのプロセス水管（不図示）とが接続されている。プロセス水管（不図示）は、改質部２５直近の原料管５５に接続されていると、原料ｍ１とプロセス水（不図示）とが混合された状態で改質部２５に導入されて好適である。しかしながら、プロセス水管（不図示）が改質部２５に直接接続されていてもよい。原料管５５には、原料弁６５が設けられている。また、改質部２５（改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる部位を有する場合は当該部位）には改質ガスｇを導出する改質ガス管５１が接続されている。

燃焼部２３は、改質部２５の改質触媒が設けられている位置に隣接するように、改質器２０内に配設されており、改質熱を発生するための装置として、バーナー（不図示）が設けられている。燃焼部２３は、第１の燃料としての燃焼用燃料ｍ２、並びに水素含有ガスであるアノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入すると共に、燃焼用空気ａ１を導入し、バーナー（不図示）でこれらを燃焼させて水蒸気改質反応に用いる改質熱を得ることができるように構成されている。燃焼部２３は、燃料電池ユニット１０の状態に応じて、燃焼用燃料ｍ２、アノードオフガスｐ、改質ガスｇのいずれか１種類あるいは２種類以上を導入して燃焼させる。燃焼用燃料ｍ２は、本実施の形態では、原料ｍ１と同じものが使用される。すなわち、原料ｍ１及び燃焼用燃料ｍ２は、原料供給ラインとしての燃料管５７を流れる燃料ｍが分流したものを用途に応じて呼称を変えたものであり、成分は同じものである。アノードオフガスｐの成分は、典型的には、約半分が水素、残りの半分に二酸化炭素、窒素、原料あるいはその化合物（例えばメタン等）が含まれている。燃料管５７には、気体の燃料ｍを送る燃料ブロワ２８が配設されている。燃料ブロワ２８は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調節することができ、これにより燃料ｍの流量を増減することができるように構成されている。なお、燃料ｍが液体の場合は燃料ブロワ２８に代えて燃料ポンプが配設されるが、本実施の形態では燃料ブロワ２８として説明する。

燃焼部２３には、アノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入可能なアノードオフガス管５２と、燃焼用燃料ｍ２を導入する燃焼燃料管５６と、燃焼用空気ａ１を導入する燃焼空気管５８とが接続されている。燃焼燃料管５６には、燃焼燃料弁６６が設けられている。また、燃焼部２３には、バーナー（不図示）で燃焼した後の改質器排ガスｅ１を排出する排ガス管５９が接続されている。上述のように、排ガス管５９は改質器排ガス排気口１１ｈ（図１参照）に接続されている。

燃料電池３０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池３０は、改質ガスｇを導入するアノード３１と、酸化剤ガスｔを導入するカソード３２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部３３とを含んで構成されている。カソード３２に導入される酸化剤ガスｔは、典型的には空気である。燃料電池３０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜をアノード３１とカソード３２とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部３３を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池３０では、アノード３１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カソード３２に移動すると共に電子がアノード３１とカソード３２とを結ぶ導線を通ってカソード３２に移動して、カソード３２に供給された酸化剤ガス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、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池３０は、出力ケーブル４１を介してパワーコンディショナ３４と電気的に接続されている。

パワーコンディショナ３４は、燃料電池３０で発電された直流電力を交流電力に変換するインバータを有している。また、パワーコンディショナ３４は、燃料電池３０における発電電流の大きさを、燃料電池３０の出力が最低発電量（例えば定格出力の３０％等）と定格出力とになる幅の間で任意に決定することができるように構成されている。つまり、パワーコンディショナ３４は、燃料電池３０の発電電力を調節することができるものである。燃料電池３０では、パワーコンディショナ３４で設定された電流を発電するだけの水素と酸素とが反応することとなる。

アノード３１と改質部２５とは、改質ガス管５１を介して接続されている。改質ガス管５１には改質ガス弁６１が設けられている。また、アノード３１と燃焼部２３とは、アノードオフガス管５２を介して接続され、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐを燃焼部２３に導入することができるようになっている。アノードオフガス管５２には、アノードオフガス弁６２が配設されている。また、改質ガス弁６１の上流側の改質ガス管５１と、アノードオフガス弁６２よりも下流のアノードオフガス管５２とが、バイパス管５３で接続されている。バイパス管５３にはバイパス弁６３が設けられている。カソード３２には、酸化剤ガスｔを導入する酸化剤ガス管５４と、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑを排出するカソードオフガス管５４Ｑとが接続されている。酸化剤ガス管５４は、空気管５４Ａから分岐した管の１つであり、空気管５４Ａから分岐した他の１つは燃焼空気管５８である。空気管５４Ａには、カソード３２に酸化剤ガスｔを送ると共に燃焼部２３に燃焼用空気ａ１を送る空気ブロワ２９が配設されている。空気ブロワ２９は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調節することができ、これにより燃焼用空気ａ１や酸化剤ガスｔの流量を増減することができるように構成されている。酸化剤ガス管５４には、酸化剤ガス遮断弁６４が設けられている。また、酸化剤ガス管５４には、典型的には、酸化剤ガスｔを加湿する加湿器（不図示）が配設される。

燃料電池３０の冷却部３３には冷却水管７４、７５がそれぞれ接続されている。冷却水管７４、７５により、燃料電池３０から導出された冷却水ｃが熱交換器７０を通過し、熱交換器７０を通過して温度が下がった冷却水ｃが燃料電池３０に導入されるように循環流路が形成されている。冷却水管７５には内部を流れる冷却水ｃを循環させる冷却水ポンプ７３が配置されている。冷却水ポンプ７３は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調整し、燃料電池３０の発熱量に応じて冷却水ｃの流量を調整することができるように構成されている。冷却水ポンプ７３のインバータと制御装置３６とは信号ケーブルで接続されている。

熱交換器７０は、冷却水ｃと蓄熱水ｈとの間で熱交換を行う機器であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。熱交換器７０は、燃料電池３０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃと冷却水ｃよりも温度が低い蓄熱水ｈとがカウンターフローにより熱交換し、燃料電池３０の排熱を冷却水ｃから蓄熱水ｈに伝達するように構成されている。熱交換器７０は、燃料電池３０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃを導入する冷却水導入口と蓄熱水ｈとの熱交換により温度が下がった冷却水ｃを導出する冷却水導出口と、温度が低い蓄熱水ｈを導入する蓄熱水導入口と冷却水ｃとの熱交換により温度が上昇した蓄熱水ｈを導出する蓄熱水導出口とを有している。熱交換器３０の冷却水導入口には冷却水管７４が、冷却水導出口には冷却水管７５が、それぞれ接続されている。

熱交換器７０の蓄熱水導出口には蓄熱水管８４が、蓄熱水導入口には蓄熱水管８５が、それぞれ接続されている。蓄熱水管８４は、熱交換器７０から導出された蓄熱水ｈが貯湯槽８７の上部に流入するように貯湯槽８７の上部に接続されており、好適には頂部に接続される。蓄熱水管８５は、熱交換器７０に導入される蓄熱水ｈが貯湯槽８７の下部から採水されるように貯湯槽８７の下部に接続されており、好適には底部に接続される。蓄熱水管８４、８５は熱交換器７０及び貯湯槽８７と接続されて循環流路を形成している。蓄熱水管８５には内部を流れる蓄熱水ｈを循環する蓄熱水ポンプ８３が配置されている。蓄熱水ポンプ８３は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調整し、熱交換器７０での交換熱量に応じて蓄熱水ｈの流量を調整することができるように構成されている。蓄熱水ポンプ８３のインバータと制御装置３６とは信号ケーブルで接続されている。

貯湯槽８７は、頂部に温度が高い蓄熱水ｈを導入する蓄熱水導入口が、底部に温度が低い蓄熱水ｈを導出する蓄熱水導出口が形成されている。上述のように、貯湯槽８７の蓄熱水導入口には蓄熱水管８４が、蓄熱水導出口には蓄熱水管８５が接続されている。熱交換器７０で燃料電池３０の排熱を受熱した蓄熱水ｈは蓄熱水管８４を通って貯湯槽８７に流入し、貯湯槽８７に燃料電池３０の排熱が蓄熱されるように構成されている。流入して貯湯槽８７に貯留された蓄熱水ｈは、上部の温度が高く下部の温度が低い温度成層が形成されている。さらに貯湯槽８７の上部には、温水ｗ１（貯湯槽８７内に蓄えられた熱を利用する際の媒体）を導出する熱負荷温水導出管９０が接続されており、この熱負荷温水導出管９０に給湯や暖房等の熱需要で利用されるための温水ｗ１が導出される。熱負荷温水導出管９０には、温水ｗ１を加温する追い焚き器８８が挿入配置されている。追い焚き器８８は第２の燃料としての燃焼用燃料ｍ３と燃焼用空気ａ２とを導入し、バーナーでこれらを燃焼させて燃焼熱で温水ｗ１を加温できるように構成されている。本実施の形態では、第２の燃料としての燃焼用燃料ｍ３は、第１の燃料としての燃焼用燃料ｍ２と同じものが用いられるが、異なる種類の燃料であってもよい。追い焚き器８８におけるバーナーでの燃焼で発生した追い焚き排ガスｅ２は、追い焚き排ガス排気口８９ｈから排出されるように構成されている。また、貯湯槽８７の下部には熱需要で利用されて減少した水量を補う補給水導入口が設けられている。補給水導入口からは補給水ｗ２が導入される。

蓄熱水管８４にはバイパス管８６が接続されており、バイパス管８６の他端は蓄熱水ポンプ８３よりも上流側で蓄熱水管８５に接続されている。バイパス管８６は、蓄熱水管８４を流れる蓄熱水ｈを貯湯槽８７に流入させずに蓄熱水管８５に導く管である。バイパス管８６には蓄熱水ｈの温度を下げることができる冷却装置としてのラジエータ８１が配設されている。ラジエータ８１は、燃料電池３０を冷却するのに必要な冷却水ｃの温度となるまでに冷却水ｃから熱を奪うことができないほど貯湯槽８７から導出される蓄熱水ｈの温度が高いときに、熱交換器７０に導入される蓄熱水ｈの温度を冷却水ｃから熱を奪うことができる温度になるまで冷却できるように構成されている。ラジエータ８１は冷却板としてのフィンを備えており、フィンに蓄熱水ｈを導入して空気と熱交換することにより蓄熱水ｈの温度を低下させることができるように構成されている。さらに、ラジエータ８１はより多くの空気をフィンに供給して交換熱量を増加するために、強制的にフィンに空気を送る送気ファン（不図示）を備えている。

蓄熱水管８４とバイパス管８６との分岐部には、蓄熱水ｈの流れ方向を切り替える三方弁８２が配設されている。三方弁８２と制御装置３６とは信号ケーブルで接続されており、三方弁８２は制御装置３６からの信号を受信して切替動作をするように構成されている。また、三方弁８２の設置位置は、貯湯槽８７及びラジエータ８１の上流側に限られず、貯湯槽８７及びラジエータ８１の下流側であってもよい。また、三方弁８２に代えて二方弁を２個用いることにより、蓄熱水ｈの流れ方向を切り替え、あるいは貯湯槽８７に流入する蓄熱水ｈの流量とラジエータ８１に流入する蓄熱水ｈの流量との配分を調整することができるように構成してもよい。ラジエータ８１、三方弁８２、蓄熱水ポンプ８３は、蓄熱側筐体８９（図１参照）に収容されている。

制御装置３６は、燃料電池システム１００の運転を制御する。制御装置３６は、燃料ブロワ２８及び空気ブロワ２９に信号を送信して発停を制御すると共に、燃料ブロワ２８及び空気ブロワ２９から吐出される流体の流量を制御する。また、制御装置３６は、冷却水ポンプ７３及び蓄熱水ポンプ８３に信号を送信して発停を制御すると共に、冷却水ポンプ７３及び蓄熱水ポンプ８３から吐出される流体の流量を制御する。なお、各ブロワ２８、２９及び各ポンプ７３、８３に信号を送信することには、これらに送電する動力盤（不図示）に信号を送信することも含む。また、制御装置３６は、パワーコンディショナ３４に信号を送信して燃料電池３０における発電電流を設定する。また、制御装置３６は、各弁６１〜６６とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、開閉信号を送信して弁の開閉動作をさせることができるように構成されている。また、制御装置３６は、三方弁８２と信号ケーブルで接続されており、信号を送信して蓄熱水ｈの流路を切り替えることができるように構成されている。

引き続き図３を参照して、燃料電池システム１００の作用を説明する。停止している燃料電池システム１００の運転を開始するには、燃料ブロワ２８を起動して燃焼部２３に燃焼用燃料ｍ２を供給すると共に空気ブロワ２９を起動して燃焼部２３に燃焼用空気ａ１を供給する。このとき、燃焼燃料弁６６は開、その他の弁６１〜６５は閉となっている。燃焼部２３で燃焼用燃料ｍ２が燃焼して改質熱が発生し、改質部２５が昇温したら、原料弁６５を開にして原料ｍ１を改質部２５に導入する。改質部２５の温度は温度検出器（不図示）で検出する。改質部２５にはプロセス水（不図示）も導入され、燃焼部２３から改質熱を得て原料ｍ１が水蒸気改質反応を起こし、改質ガスｇが生成される。改質器２０では、上述のように改質ガスｇが生成されるが、運転開始当初は改質ガスｇの組成が安定していないため、改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を閉にし、バイパス弁６３を開にして、組成が安定していない改質ガスｇを燃料電池３０に供給せずに燃焼部２３に導いて燃焼させる。このとき、燃焼部２３に導入した組成が安定していない改質ガスｇを主として燃焼させ、不足分の燃焼用燃料ｍ２を燃焼燃料弁６６の開度を調節して燃焼部２３に導入する。組成が安定していない改質ガスｇで足りる場合は燃焼燃料弁６６を閉とする。

改質器２０で生成される改質ガスｇの組成が安定し、改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が所定の値まで低減するようになると、制御装置３６が改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を開に、バイパス弁６３を閉にして、改質ガスｇが燃料電池３０に導入されるようにする。これにより、燃料電池３０のアノード３１に改質ガスｇが導入される。他方、制御装置３６は、酸化剤ガス遮断弁６４を開にし、これによって燃料電池３０のカソード３２に酸化剤ガスｔが導入される。

燃料電池３０ではアノード３１に導入された改質ガスｇ中の水素と、カソード３２に導入された酸化剤ガスｔ中の酸素とによる電気化学的反応が行われる。電気化学的反応は、アノード３１側では以下の（１）式に示す反応が行われ、カソード３２側では以下の（２）式に示す反応が行われる。
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、アノード３１側の電子が外部電気回路を通ってカソード３２側に移動する際に電力を得ることができる。アノード３１側の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード３２側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。この電気化学的反応は発熱反応である。

燃料電池３０によって得られる電力は直流電力であるため、パワーコンディショナ３４で交流電力に変換されて電力負荷（不図示）に、及び各ブロワ２８、２９、各ポンプ７３、８３に送電される。燃料電池３０で発電される電力は、電力負荷及び各ブロワ２８、２９、各ポンプ７３、８３の消費電力の合計に対して所定の値（例えば合計消費電力の９０％）となるように、パワーコンディショナ３４で設定される。この設定値に対して適切な供給量となるように、制御装置３６により燃料電池３０に供給される改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの量が調節される。不足分の電力は、商用電源（不図示）から交流電力の供給を受ける。

燃料電池３０の作動中、アノード３１からはアノードオフガスｐが排出される。排出されたアノードオフガスｐは、アノードオフガス管５２を介して改質器２０の燃焼部２３に導かれて燃焼される。燃焼部２３におけるアノードオフガスｐの燃焼により、改質部２５における改質に用いる改質熱を発生させることができる。燃焼部２３へ導入されるアノードオフガスｐの燃焼だけでは発生する改質熱が不足する場合は、燃焼燃料弁６６の開度を調節して燃焼用燃料ｍ２を燃焼部２３に導入する。燃焼部２３における燃焼によって生じた改質器排ガスｅ１は、排ガス管５９及び改質器排ガス排気口１１ｈを介して系外に排出される。他方、カソード３２からはカソードオフガスｑが排出され、カソードオフガス管５４Ｑを介して系外に排出される。

上述のように、燃料電池３０における電気化学的反応は発熱反応であるため、燃料電池３０の運転を継続するために発生した熱を冷却水ｃで除去する。燃料電池３０に改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔが導入されて発電が行われるようになると、制御装置３６は、冷却水ポンプ７３及び蓄熱水ポンプ８３を起動して冷却水ｃ及び蓄熱水ｈを循環させる。冷却部３３に導入された冷却水ｃは、燃料電池３０における電気化学的反応で発生した熱によって温度が上昇する。燃料電池３０は冷却水ｃによって発熱が除去されて、運転に適した温度（約６０℃〜８０℃程度）に維持される。冷却部３３から導出された冷却水ｃは熱交換器７０に向かって流れ、熱交換器７０に導入される。熱交換器７０に導入された冷却水ｃは、蓄熱水ｈと熱交換して温度が低下し、再び冷却部３３に導入され、以降は上述のサイクルを続ける。

他方、熱交換器７０に導入された蓄熱水ｈは、冷却水ｃと熱交換して温度が上昇する。温度が上昇した蓄熱水ｈは熱交換器７０から導出されて貯湯槽８７に向かって流れ、典型的には上部から貯湯槽８７に流入する。貯湯槽８７に流入した蓄熱水ｈは、給湯や暖房等の熱需要（不図示）で使用することができる程度の温度になっている。貯湯槽８７内は、蓄熱水ｈの密度差により、上部に温度が高い水が、下部に温度が低い水が貯留されて温度成層が形成される。このため、形成された温度成層を極力崩さないという観点から、貯湯槽８７に流入する蓄熱水ｈの動圧が低い（流速が小さい）方が好ましい。ただし動圧が低すぎると蓄熱水管８４の径が太くなり設置スペース及び設置コストが大になるので、許容範囲内で動圧を低くする。

貯湯槽８７内に貯留された蓄熱水ｈは、上部の温度の高い水が温水ｗ１として熱需要（不図示）に供給され、温水ｗ１の熱が消費される。このように燃料電池３０で発生した熱を有効利用することにより、燃料電池システム１００の効率が向上することとなる。貯湯槽８７から導出される温水ｗ１の温度が熱需要（不図示)どの利用に適した温度よりも低い場合には、追い焚き器８８に燃焼用燃料ｍ３及び燃焼用空気ａ２を導入し燃焼用燃料ｍ３を燃焼させて温水ｗ１を加熱する。追い焚き器８８における燃焼によって生じた追い焚き排ガスｅ２は、追い焚き排ガス排気口８９ｈを介して系外に排出される。熱需要（不図示）に供給された温水ｗ１は、熱が利用されて温度が低下した後に貯湯槽８７の下部に戻される。あるいは、温水ｗ１の熱だけでなく温水ｗ１自体が消費される場合は、減少した分の水を補給水ｗ２として外部（例えば市水等）から貯湯槽８７の下部に導入する。これにより、貯湯槽８７の下部に温度が低い水が貯留される。貯湯槽８７下部の温度が低い蓄熱水ｈは、蓄熱水管８５を流れて熱交換器７０に導入される。熱交換器７０に導入された蓄熱水ｈは、冷却水ｃと熱交換して温度が上昇し、熱交換器７０から導出される。

熱需要（不図示）における熱の消費がなく、貯湯槽８７の下部に貯留された水（熱交換器７０に向けて導出される水）の温度が、燃料電池３０を冷却するために求められる温度（燃料電池３０の運転を継続できる温度）にまで冷却水ｃを冷却できない温度となった場合（いわゆる満蓄となった場合）、そのまま貯湯槽８７内の蓄熱水ｈを熱交換器７０に導入すると燃料電池３０の運転を継続することができなくなる。このような場合、制御装置３６は三方弁８２を切り替えて、熱交換器７０から導出された蓄熱水ｈを貯湯槽８７ではなくラジエータ８１に導く。蓄熱水管８４からラジエータ８１に導入された蓄熱水ｈは大気に放熱し、温度が低下して蓄熱水管８５に流入し、熱交換器７０に導入される。消費できない熱をラジエータ８１で放熱することで、燃料電池３０の運転を継続することができる。

以上の説明では、燃料電池ユニット１０の燃料電池側筐体１１の正面の中央部分あるいは正面の中央より上方に改質器排ガス排気口１１ｈ（第１の排気口）が形成されている実施の形態としたが、第１の排気口が以下のように形成されていてもよい。
図４は、変形例に係る燃料電池ユニット１０Ａの平面図である。燃料電池ユニット１０Ａの筐体１１Ａ（燃料電池側筐体）には、正面の中央部分あるいは正面の中央より上方に第１の排気口が形成されておらず、代わりに筐体１１Ａの天板に排気管としてのエルボ１５が取り付けられている。エルボ１５が取り付けられる部分の筐体１１Ａの天板には、エルボ１５を固定するためのボルト１１ｂが立設されている。筐体１１Ａの内部の構成は、燃料電池ユニット１０（図２参照）と比較して、排ガス管５９（図２参照）がエルボ１５と連通するように必要に応じて曲部が設けられるなどして加工されている以外は、燃料電池ユニット１０（図２参照）と同様である。

エルボ１５は、改質器排ガスｅ１の流れ方向に直交する断面が円形の９０°エルボである。エルボ１５の一端には、フランジ１５ｆが形成されている。フランジ１５ｆには、筐体１１Ａに立設されたボルト１１ｂを挿通するためのボルト孔が形成されている。本実施の形態では、ボルト孔は等間隔となるように４つ形成されている。筐体１１Ａに取り付けられるボルト１１ｂは、フランジ１５に形成されたボルト孔に適合する位置に立設されている。エルボ１５の、フランジ１５ｆが形成されているのとは逆側の端部は、改質器排ガスｅ１を排出する改質器排ガス排気口１５ｈ（第１の排気口）となっている。エルボ１５を筐体１１Ａに取り付けると、エルボ１５は筐体１１Ａの天板から鉛直上方に伸びた後水平方向に伸びるように曲がっていることとなる。

エルボ１５は、フランジ１５ｆに形成されたボルト孔に挿通するボルト１１ｂを変えることにより、筐体１１Ａの天板の面内で９０°単位で回転可能となっている。これにより、改質器排ガス排気口１５ｈの向き（改質器排ガスｅ１排出方向）を筐体１１に対して変更することができる。このように構成すると、改質器排ガスｅ１の排出方向と蓄熱ユニット８０から排出される加熱装置排ガスｅ２（図１参照）の排出方向とが向かい合う状態を維持しつつ、燃料電池ユニット１０Ａを設置する向き（筐体１１Ａの縦横）を設置場所（現場）に合わせて変更することができる。つまり、配置される燃料電池ユニット１０Ａの向きの自由度を向上させることができる。

なお、上述の説明では、フランジ１５ｆに形成されたボルト孔を４つとして、エルボ１５を筐体１１Ａの天板の面内で９０°単位で回転可能としているが、例えばフランジ１５ｆに形成されたボルト孔を８つとして４５°単位で回転可能としてもよく、つまり、フランジ１５ｆに形成されるボルト孔の数を調整することで回転の単位角度を任意に設定することができる。このとき、ボルト孔の数に合わせて筐体１１Ａに立設するボルト１１ｂの数を増やさなくてもよい（この場合は、エルボ１５が筐体１１Ａに取り付けられたときにボルト１１ｂが挿通しないボルト孔が存在することとなる。）。また、燃料電池ユニット１０Ａと同様に、蓄熱ユニット８０（図１参照）の方も、蓄熱側筐体に対して第２の排気口が回転可能なように構成してもよい。

以上の説明では、燃料電池３０が固体高分子形燃料電池であるとして説明したが、りん酸形燃料電池等の固体高分子形燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子形燃料電池とすると、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システムの燃料電池ユニットと蓄熱ユニットとの配置構成を示す模式的平面図である。 燃料電池ユニットの概略構成図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの模式的系統図である。 変形例に係る燃料電池ユニットの平面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池ユニット
１１、１１Ａ 燃料電池側筐体
１１ｈ、１５ｈ 第１の排気口
１５ 排気管
３０ 燃料電池
２０ 改質器
８７ 蓄熱槽
８８ 加熱装置
８９ 蓄熱側筐体
８９ｈ 第２の排気口
８０ 蓄熱ユニット
９１ 架台
１００ 燃料電池システム
ｅ１ 改質器排ガス
ｅ２ 加熱装置排ガス
ｇ 水素含有ガス
ｍ１ 原料
ｍ２ 第１の燃料
ｗ１ 媒体
Ｄ 所定の距離

Claims (4)

1. 燃料電池と、第１の燃料を燃焼して発生する燃焼熱により原料を改質して前記燃料電池に供給する水素含有ガスを生成する改質器と、前記第１の燃料を燃焼して発生した改質器排ガスを排出する第１の排気口が形成された、前記燃料電池及び前記改質器を収容する燃料電池側筐体とを有する燃料電池ユニットと；
   前記燃料電池の発電に伴って生じた熱を蓄える蓄熱槽と、第２の燃料を燃焼して発生する燃焼熱により前記蓄熱槽内に蓄えられた熱を利用する際の媒体を加熱する加熱装置と、前記第２の燃料を燃焼して発生した加熱装置排ガスを排出する第２の排気口が形成された、前記蓄熱槽及び前記加熱装置を収容する蓄熱側筐体とを有する蓄熱ユニットとを備え；
   前記燃料電池ユニット及び前記蓄熱ユニットを見下ろしたときに、前記第１の排気口から排出される前記改質器排ガスの排出方向と前記第２の排気口から排出される前記加熱装置排ガスの排出方向とが向かい合うように、前記燃料電池ユニットと前記蓄熱ユニットとが配置されて構成された；
   燃料電池システム。
2. 前記燃料電池ユニットと前記蓄熱ユニットとが所定の距離を隔てて配置された；
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池ユニット及び前記蓄熱ユニットを共通に載置する架台をさらに備える；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１の排気口が、前記燃料電池側筐体の天板から鉛直上方に伸びた後水平方向に伸びるように曲がって形成された排気管の開口で構成され；
   前記排気管が、前記天板の面内で回転可能に構成された；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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