JP2009032648A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池モジュールのメンテナンスを容易とすることができる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】外装ケース２内に、複数個の燃料電池セル１２を収納容器１０の内部に収納してなる燃料電池モジュール３と、収納容器１０内の排ガスを処理するための排ガス処理装置７と、排ガス処理装置７で処理された後の排ガスと水とで熱交換するための熱交換器８とを具備し、熱交換器８は、燃料電池モジュール３と直接または排ガス処理装置７を介して接続されるとともに、外装ケース２、燃料電池モジュール３および排ガス処理装置７のうちいずれか１つに掛け渡されたフック部３０と、フック部３０と係合可能に設けられた留め金具とを有し、レバー３３操作によって留め金具３２をフック部３０と係合させる掛け留め具３１とからなる固定部材２９によって固定されることから、熱交換器８を容易に取り外すことができ、燃料電池モジュール３のメンテナンスが容易となる。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池装置の稼動に伴って生じる排ガスを処理するための排ガス処理装置と、排ガス処理装置で処理した後の排ガスと水とで熱交換するための熱交換器を具備する燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に複数個収納してなる燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールを稼動するための補機類とを外装ケースに収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。

このような燃料電池装置においては、燃料電池装置の稼動に伴って生じる排ガスを浄化するための排ガス処理装置と、排ガス処理装置にて処理された後の排ガスの排熱を効果的に回収し、回収した熱と水とで熱交換するための熱交換器とを具備することが知られている。

そして、このような排ガス処理装置としては、例えば燃焼触媒を用いる排ガス処理装置が提案されており（例えば、特許文献１参照）、熱交換器としては、例えば、プレートを所定間隔で配置してフィンを組み合わせたプレートフィン型熱交換器等が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

図１５は、従来の燃料電池装置の一例の概略図を示したものであり、外装ケース１０２の一部である仕切部材１０４により、外装ケース１０２が上下に区画して形成され、燃料電池モジュール１０３は仕切部材１０４の上部に設置されている。そして、この燃料電池装置においては、燃料電池モジュール１０３の底面に、排ガス処理装置１０７と熱交換器１０８とが順に接続されている。

また図１６は、図１５で示した燃料電池装置より、燃料電池モジュール１０３、排ガス処理装置１０７、熱交換器１０８を抜粋して示した概略図（側面図）であり、燃料電池モジュール１０３と排ガス処理装置１０７とがネジにより固定されるとともに、排ガス処理装置１０７と熱交換器１０８とがネジにより固定されていることを示している。なお、図１６において、燃料電池モジュール１０３の外面には断熱材１０９が設けられており、断熱材１０９を斜線で示している。
特開２００６−３２２９１号公報 特開２００３−２４０４９２号公報

しかしながら、図１５に示した従来の燃料電池装置において、例えば燃料電池モジュール１０３のメンテナンスを行なうにあたり、燃料電池モジュール１０３を取り外す際、熱交換器１０８を接続したまま取り外す場合においては、重量のある燃料電池モジュール１０３をそのまま真っ直ぐ上部に持ち上げなければならず、燃料電池モジュール１０３のメンテナンスにおける作業の効率性が悪いという問題があった。一方、燃料電池モジュール１０３の重量や取り外しにおける利便性を考えて、先に排ガス処理装置１０７や熱交換器１０８を取り外すことが考えられるが、この場合、排ガス処理装置１０７や熱交換器１０８の周囲に配置されている断熱材１０９を取り外した後、排ガス処理装置１０７と熱交換器１０８とを接続するネジを取り外すこととなり、燃料電池モジュール１０３のメンテナンスにおける作業の効率性が悪いという問題があった。

したがって、本発明の目的は、排ガス処理装置と熱交換器とを具備する燃料電池装置において、燃料電池モジュールのメンテナンス時の作業効率を向上することができる燃料電池装置を提供することにある。

本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、複数個の燃料電池セルを収納容器の内部に収納してなる燃料電池モジュールと、前記収納容器内の排ガスを処理するための排ガス処理装置と、該排ガス処理装置で処理された後の排ガスと水とで熱交換するための熱交換器とを具備する燃料電池装置であって、前記熱交換器が前記燃料電池モジュールと直接または前記排ガス処理装置を介して接続されているとともに、前記熱交換器が、前記外装ケース、前記燃料電池モジュールおよび前記排ガス処理装置のうちいずれか１つに掛け渡されたフック部と、該フック部と係合可能に設けられた留め金具を有し、レバー操作によって前記留め金具を前記フック部と係合させる掛け留め具とからなる固定部材によって固定されていることを特徴とする。

このような燃料電池装置においては、外装ケース内に、複数個の燃料電池セルを収納容器の内部に収納してなる燃料電池モジュールと、収納容器内の排ガスを処理するための排ガス処理装置と、排ガス処理装置で処理された後の排ガスと水とで熱交換するための熱交換器を具備するとともに、熱交換器が燃料電池モジュールと直接または前記排ガス処理装置を介して接続されているとともに、熱交換器が、外装ケース、燃料電池モジュールおよび排ガス処理装置のうちいずれか１つに掛け渡されたフック部と、フック部と係合可能に設けられた留め金具を有し、レバー操作によって留め金具をフック部と係合する掛け留め具とからなる固定部材によって固定されることから、レバー操作を行なうだけで熱交換器を容易に着脱することができる。

それゆえ、工具類を用いることなく容易に熱交換器を着脱することができることから、燃料電池モジュールのメンテナンスにおける作業効率を向上することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記収納容器が、内部の排ガスを排気するための排気孔を備えるとともに、該排気孔に前記排ガス処理装置が設けられていることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、収納容器内の排ガスを排気するための排気孔に排ガス処理装置が設けられていることから、燃料電池装置を小型化することができる。

さらに、熱交換器のみを取り外すことで燃料電池モジュールを取り外すことができることから、燃料電池モジュールのメンテナンスにおける作業効率をさらに向上することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記収納容器が、内部の排ガスを排気するための排気孔を備え、該排気孔に前記排ガス処理装置が接続されるとともに、該排ガス処理装置に前記熱交換器が前記固定部材によって接続されていることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、収納容器内の排ガスを排気するための排気孔に排ガス処理装置が接続され、排ガス処理装置に熱交換器が、フック部と、フック部と係合可能に設けられた留め金具を有し、レバー操作によって留め金具をフック部と係合させる掛け留め具とからなる固定部材によって接続されていることから、排ガス処理装置と熱交換器とが強固に接続されるとともに、レバー操作を行なうだけで熱交換器を容易に取り外すことができる。

それゆえ、燃料電池モジュールのメンテナンスにおける作業効率を向上することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記外装ケースは、内部を上下に区画するための仕切部材を具備するとともに、前記燃料電池モジュールが前記仕切部材の上部に設置されていることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、外装ケースが、内部を上下に区画するための仕切部材を具備し、燃料電池モジュールが仕切部材の上部に設置されていることから、燃料電池装置をコンパクトとすることができるとともに、燃料電池モジュールのメンテナンスにおける作業効率が向上した燃料電池装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記排気孔が前記収納容器の底に設けられるとともに、前記熱交換器が内部に水を流通させる水流通路と前記排ガスを流通させる排ガス流通路とを有し、該排ガス流通路が上下方向に設置されていることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、収納容器の底に排気孔が設けられるとともに、内部に水を流通させる水流通路と排ガスを流通させる排ガス流通路とを有した熱交換器を、排ガス流通路が上下方向に設置されることから、排ガス処理装置で処理された後の排ガスが、熱交換器内をスムーズに流れ、効率よく熱交換を行うことができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記掛け留め具が前記熱交換器に設けられているとともに、前記フック部が、前記仕切部材、前記収納容器および前記排ガス処理装置のうちいずれか１つに設けられていることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、掛け留め具が熱交換器に設けられている、すなわち、掛け留め具がフック部に対して下側に設けられていることから、フック部と掛け留め具とを容易に取り外すことができる。

さらに、フック部は、仕切部材、収納容器および排ガス処理装置のうちいずれか１つに設けられていることから、熱交換器を着脱自在に固定することができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記掛け留め具が、前記熱交換器に水を供給するための水導入部の近傍に設けられていることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、掛け留め具が、熱交換器に水を供給するための水導入部の近傍に設けられていることから、熱交換器における温度の低い部位に掛け留め具が設けられることとなる。それゆえ、例えば、一般的に市販されているような金属製の固定部材を用いることができ、燃料電池装置のコストアップを抑制することができる。

本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、複数個の燃料電池セルを収納容器の内部に収納してなる燃料電池モジュールと、収納容器内の排ガスを処理するための排ガス処理装置と、排ガス処理装置で処理された後の排ガスと水とで熱交換するための熱交換器とを具備し、熱交換器が燃料電池モジュールと直接または排ガス処理装置を介して接続されているとともに、熱交換器が、外装ケース、燃料電池モジュールおよび排ガス処理装置のうちいずれか１つに掛け渡されたフック部と、フック部と係合可能に設けられた留め金具を有し、レバー操作によって留め金具をフック部と係合させる掛け留め具とからなる固定部材により固定されていることから、熱交換器を容易に着脱することができ、燃料電池モジュールのメンテナンスにおける作業効率を向上することができる。

図１は、本発明の燃料電池装置１を概略的に示す斜視図であり、一部外装ケースを構成する側面部を取り外して、外装ケースの内部が見えるようにして示している。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

図１において、燃料電池装置１は、外装ケース２の一部である仕切部材４の上部に、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール３（以下、モジュールと略す）が設置された燃料電池モジュール収納室５（以下、モジュール収納室と略す）が形成されている。また、仕切部材４の下部にはモジュール３を動作させるにあたり必要な補機類（図示せず）を収納するための補機収納室６が形成されている。なお、仕切部材４はモジュール収納室５と補機収納室６とを区画していればよく、モジュール収納室５と補機収納室６とが隙間を有して区画されていてもよい。

また、例えば外装ケース２を仕切部材４により左右に区画するとともに、一方が燃料電池モジュール３を収納するモジュール収納室５、他方が補機類を収納する補機収納室６とした燃料電池装置１とすることもできる。

なお、図１に示したような仕切部材４を用いて、外装ケースを上下に区画した形状とすることにより、燃料電池装置１をコンパクトな形状とすることができる。

ここで、燃料電池装置１の稼動に伴って生じる排ガスは、排ガス中に含まれる一酸化炭素などの有害成分を排ガス処理装置にて処理する必要があり、排ガス処理装置で処理された後の排ガスが熱交換器に供給され、排ガス（処理後の排ガス）と水とで熱交換されることとなる。

それゆえ、図１で示した燃料電池装置１においては、モジュール３の側面に、排ガス処理装置７と熱交換器８とが順に接続されている例を示している。なお、排ガス処理装置７については後に詳述する。

図２は、本発明の燃料電池装置１の他の実施態様を概略的に示す図であり、図１と同様仕切部材４により上下に区画された外装ケース２内で、仕切部材４の上部にモジュール３を配置した燃料電池装置１の他の例を示す。なお、図２においては、一部外装ケースを構成する側面部を取り外して、外装ケースの内部が見えるようにして示している。

また、図２においては、熱交換器８の内部に設けられ、水を流通させる水流通路を斜線にて示し、排ガスを流通させる排ガス流通路がその水流通路と隣接して設けられているプレートフィン型の熱交換器８を模式的に示している。ここで、図２における燃料電池装置１においては、熱交換器８の内部に設けられた排ガス流通路が上下方向を向き、処理後の排ガスが排ガス流通路を上から下に流通するように、熱交換器８がモジュール３の底面に接続されている。それゆえ、図２に示す燃料電池装置１においては、外装ケースの大きさ（横幅や奥行き）をよりコンパクトとすることができる。

なお、本発明においては、熱交換器８として、プレートフィン型の熱交換器の他、水流通路を形成する配管の外壁に複数のフィンを排ガス流通路と平行となるように設けた熱交換器等を用いることができる。なお、以降の図において、プレートフィン型の熱交換器を用いて説明する。

また、図２においては、モジュール３の底面に断熱材８を設けた例を示しているが、モジュール３の輻射熱をより効果的に断熱すべく、モジュール３の全面を覆うように断熱材９を配置することが好ましい。

ところで、モジュール３内に収納される燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルである場合、燃料電池装置１の定常運転時は、燃料電池セルの発電時における温度が非常に高温となるため、モジュール３から排気される排ガスの温度も非常に高温となる。それゆえ、本発明の燃料電池装置１は、燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルである場合に特に有用であるとともに、熱交換器８の周囲にも断熱材を設けることが好ましい。

なお、熱交換器８に流入する燃料電池装置１の稼動に伴って生じる排ガスの温度としては、２５０℃以下であるのが好ましく、さらには２００℃以下であるのがより好ましい。この温度域であれば、ボイラーと定義されるものではないため、より安全な燃料電池装置とすることができる。

ここで、図２に示した燃料電池装置１においては、モジュール３のメンテナンスを行なうにあたり、モジュール３を仕切部材４より取り外すこととなるが、その際モジュール３を上側に持ち上げて取り外すこととなる。それゆえ、モジュール３の重量や取り外しにおける利便性を考慮して、熱交換器８を取り外した後にモジュール３を仕切部材４より取り外すことが好ましいが、図１５や図１６に示したように、熱交換器８がネジにて固定されている場合には、熱交換器８の周囲に設けられた断熱材を取り除き、熱交換器８を接続するネジを取り外す作業が必要となり、モジュール３のメンテナンスにおける作業効率が悪いという問題がある。以降、まず本発明の燃料電池装置１におけるモジュール３について説明する。

図３は、図２に示したモジュール３を抜粋して示した外観斜視図である。モジュール３は、直方体状の収納容器１０の内部に、内部をガスが流通するガス流路を有する燃料電池セル１２を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル１２間に集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続するとともに、燃料電池セル１２の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド１３に固定してなる燃料電池セルスタック１４（以下、セルスタックという場合がある。）を収納して構成されている。なお、図２においては、燃料電池セル１２として、燃料電池セル１２の内部に設けられたガス流路を長手方向に燃料ガスが流れる中空平板型で、支持体の表面に、燃料側電極、固体電解質及び酸素側電極を順に設けてなる固体酸化物形燃料電池セル１２を例示している。

また、燃料電池セル１２にて使用する水素ガスを得るために、天然ガスや灯油等の燃料を改質して燃料ガス（水素ガス）を生成するための改質器１５をセルスタック１４の上部に配置している。そして、改質器１５で生成された燃料ガスは、ガス流通管１６によりマニホールド１３に供給され、マニホールド１３を介して燃料電池セル１２の内部に設けられたガス流路に供給される。そして、これらの構成により燃料電池セルスタック装置１１が構成されている。

なお、図３においては、収納容器１０の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されている燃料電池セルスタック装置１１を後方に取り出した状態を示している。ここで、図３に示したモジュール３においては、燃料電池セルスタック装置１１を、収納容器１０内にスライドして収納することが可能である。

図４は、図３で示すモジュール３の断面図である。モジュール３を構成する収納容器１０は、内壁１７と外壁１８を有する二重構造で、外壁１８により収納容器１０の外枠が形成されるとともに、内壁１７によりセルスタック１４（燃料電池セルスタック装置１１）を収納する発電室１９が形成されている。

さらにモジュール３においては、内壁１７と外壁１８との間を、燃料電池セル１２に導入する反応ガスの流路としており、例えば、燃料電池セル１２に導入する酸素含有ガス等の反応ガスが流れる。

ここで内壁１７には、内壁１７の上面よりセルスタック１４の側面側にまで延び、セルスタック１４の配列方向における幅に対応し、内壁１７と外壁１８とで形成される流路に連通して、セルスタック１４に反応ガスを導入するための反応ガス導入部材２０が備えられている。また、反応ガス導入部材２０の下端側（燃料電池セル１２の下端側）には、燃料電池セル１２に反応ガスを導入するための吹出口２１が設けられている。

なお図４において、反応ガス導入部材２０は、互いに所定間隔を空けて並設された一対の板部材により反応ガス導入流路を形成し、下端側で底部材に接合して形成されている。また、図４においては、反応ガス導入部材２０は、収納容器１０の内部に並置された２つのセルスタック１４（燃料電池セルスタック装置１１）間に位置するように配置されている。なお、反応ガス導入部材２０は、収納されるセルスタック１４の数により、例えばセルスタック１４を挟み込むように配置してもよい。

そして、反応ガス導入部材２０の内部に、温度センサ２２の測温部２３が位置するよう、温度センサ２２が収納容器１０の上面側より挿入されている。なお、温度センサ２２としては、例えば熱電対を用いることができる。

ここで、燃料電池セル１２は所定の温度範囲で運転されるため、発電室１９内（好ましくはセルスタック１４もしくはその近傍）の温度を測定するとともに、その温度管理を行なうことが必要となる。特に燃料電池セル１２が、固体酸化物形燃料電池セル１２の場合においては、その運転温度が非常に高く、燃料電池セル１２（セルスタック１４）の温度が過度に上昇すると、発電量が低下する、さらには劣化や熱応力により燃料電池セル１２（セルスタック１４）に破損等を生じるおそれがあるため、セルスタック１２近傍の温度を効果的に測定するとともに、その温度管理を行なうことが特に必要となる。それゆえ、温度センサ２２は、測温部２３がセルスタック１４の最も高い温度となる中央部側（セルスタック１４の配列方向の中央部で、かつ燃料電池セル１２の長手方向における中央部に位置する部位）を測定できるように配置することが好ましい。

また発電室１９内には、モジュール３内の熱が極端に放散され、燃料電池セル１２（セルスタック１４）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール３内の温度を高温に維持するための断熱材２４が適宜設けられている。

ここで、燃料電池セル１２（セルスタック１４）の温度を高温で維持すべく、断熱材２４をセルスタック１４の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル１２の配列方向に沿ってセルスタック１４の側面側に並設するとともに、セルスタック１４の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱材２４を並設することが好ましい。なお、好ましくは、セルスタック１４の両側面側に並設することが好ましい。それにより、セルスタック１４の温度が低下することを効果的に抑制できる。

また、セルスタック１４の側面側に、セルスタック１４の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱材２４を設けることにより、反応ガス導入部材２０より供給されるガスが、セルスタック１４の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック１４を構成する燃料電池セル１２間の反応ガスの流れを促進することができる。

なお、反応ガス導入部材２０側に配置する断熱材２４の下端側には、反応ガスを燃料電池セル１２に供給するための切り欠き部を有していることが好ましい。

また、内壁１７により形成される底面（内部底面）および燃料電池セル１２の配列方向に沿って形成された側面（内部側面）に対して所定間隔を空けて併設された排ガス用内壁２５により排ガス流路が形成され、さらに収納容器１０の底に設けられた排気孔２６と排ガス流路が通じている。

それにより、燃料電池装置１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路を流れた後、排気孔２６より排気される構成となっている。

なお、排気孔２６は収納容器１０の底（底面）の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。

そして、図２に示したように、排気孔２６より排気される排ガスは、後述する排ガス処理装置７（図３においては排ガス処理装置２７）にて処理された後、処理後の排ガスと水とで熱交換する熱交換器８に供給されて熱交換が行われる。そして、排気孔２６を収納容器１０の底に設けることにより、収納容器１０の底面に直接または後述する排ガス処理装置を介して熱交換器８を接続することができ、燃料電池装置１をコンパクトとすることができる。

なお、排ガス流路を流れる排ガスは非常に高温であることから、内壁１７と外壁１８との間を流れる反応ガスと熱交換することができ、さらに効率よく熱交換するにあたり、例えば、排ガス流路や、内壁１７と外壁１８とで形成される空間を蛇行流路とすることもできる。なお、図４においては、排ガス流路や、内壁１７と外壁１８とで形成される空間に、蛇行流路を形成するための部材を設けている例を示している。

ところで、燃料電池装置１の稼動に伴って生じる排ガスには、一酸化炭素等の有害成分を含む場合があり、これらの有害成分を含む排ガスが燃料電池装置１の外部に排気されないよう、排ガス処理装置等にて処理した後に、外部に排気する必要がある。

ここで、図４においては、モジュール３（収納容器１０）内部の排ガスを排気するための排気孔２６に排ガス処理装置２７を設けている例を示している。

このような燃料電池装置１においては、排ガス処理装置２７を排気孔２６に設けることで、熱交換器８を排気孔２６に接続することができ、燃料電池装置１を小型化することができる。

そして、排ガス処理装置２７を排気孔２６に設けることにより、温度の高い排ガスが排ガス処理装置２７に供給され、効率よく排ガスを処理することができる。

なお、このように排気孔２６に設ける排ガス処理装置２７としては、一般的に知られるハニカム型の燃焼触媒（以下、ハニカム触媒と略す）を例示することができる。それにより、効率よく排ガスの処理を行うことができるとともに、安価とすることができる。なお、ハニカム触媒としては、排ガスの温度等により、セラミックスよりなるハニカム触媒や、金属製のハニカム触媒（メタルハニカム触媒）等を適宜使用することができ、特には取り扱い上の容易性等よりメタルハニカム触媒を用いることが好ましい。なお、以下の説明において、排ガス処理装置２７としてハニカム触媒を用いて説明する場合には、同じ符号を付与して説明する。

ここで、熱交換器８は、外装ケース２（仕切部材４）、収納容器１０（モジュール３）および排ガス処理装置（詳細は後述する）のいずれか１つと固定部材によって固定されることにより、モジュール３と接続されることとなる。しかしながら、モジュール３のメンテナンスを行なうにあたり、熱交換器８を取り外す際において、熱交換器８が固定部材としてネジを用いてモジュール３に接続されている場合には、例えば熱交換器８の周囲に配置されている断熱材を取り外した後、熱交換器８を接続するネジを取り外す作業が必要となり、作業効率性が悪いという問題がある。

それゆえ本発明においては、熱交換器８を、外装ケース２（仕切部材４）、収納容器１０（モジュール３）および排ガス処理装置７（詳細は後述する）のいずれか１つに掛け渡されたフック部と、フック部と係合可能に設けられた留め金具を有し、レバー操作によって留め金具をフック部と係合させる掛け留め具とからなる固定部材によって固定することにより、熱交換器８がモジュール４と接続されることとなる。

それにより、熱交換器８を取り外す際、レバーを操作するだけで、フック部と掛け留め具（留め金具）とを取り外すことができ、工具を用いることなく容易に熱交換器８とを取り外すことができ、モジュール３のメンテナンスにおける作業効率を向上することができる。

また、固定部材はモジュール３に熱交換器８を着脱自在に接続できればよく、固定部材を１つとしても複数としてもよいが、固定部材を介してモジュール３に熱交換器８をより強固に接続できるよう、複数個の固定部材を用いることが好ましい。なお、固定部材の具体的構成は、以降の図を用いて具体的に説明する。

図５、図６および図７は、本発明の燃料電池装置１のうち、モジュール３と熱交換器８との接続について概略的に示すために、モジュール３および熱交換器８を抜粋して示した図であり、図５は熱交換器８を、固定部材２９によってモジュール３と接続する場合の側面図を、図６は熱交換器８を、固定部材２９によってモジュール３と接続する場合の正面図を、図７は熱交換器８を、固定部材２９によって仕切部材４と接続する場合の側面図をそれぞれ示している。なお、図５、図６および図７においては、図４で示したように、排気孔２６にハニカム触媒２７を設けてなるモジュール３を用いる場合を示しており、モジュール３の外面に設けられる断熱材９の一部を取り外した状態を示している。

ここで、熱交換器８は、内部に設けられた排ガス流通路が上下方向に配置され、処理後の排ガスが排ガス流通路を上から下に流通するように、モジュール３の底面と接続されている。

また、図６に示したように、モジュール３の底（底部）に備えられた排気孔２６にハニカム触媒２７が設けられていることから、燃料電池装置１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時等）に伴って生じる排ガスが直線的に流れることとなり、排ガスと熱交換器８内を流れる水とで効率よく熱交換を行うことができる。

そして、図５、図６および図７においては、熱交換器８が固定部材２９によって固定されることにより、熱交換器８がモジュール３と接続されている。

このような固定部材２９としては、フック部３０、フック部３０と係合可能に設けられた留め金具（図５〜図７においてはアームに相当し、図５〜図７の説明においてはアーム３２と称する。なお、後述する図９〜図１２においても同様である。）を有し、レバー３３を操作することによりフック部３０とアーム３２とを係合する掛け留め具３１を設けている。

なお、図５および図６においては、フック部３０をモジュール３（収納容器１０）の底面に設けた例を示しており、図７においてはフック部３０を外装ケース２（仕切部材４）に設けた例を示している。

それにより、熱交換器８に設けられた掛け留め具３１にあるアーム３２を、フック部３０に引っ掛け、レバー３３を奥側に倒すことにより、熱交換器８とモジュール３とが固定部材２９によって接続することができる。

一方、熱交換器８を取り外す際には、レバー３３を手前側に引き、フック部３０に引っ掛けているアーム３２を、フック部３０よりはずすことで、熱交換器８を容易に取り外すことができる。すなわち、熱交換器８は固定部材２９を介してモジュール３と容易に接続することができる。また、あわせてこのような固定部材２９においては、工具類を使用することなく、熱交換器８を容易に取り外すことができ、モジュール３のメンテナンスにおける作業効率を向上することができる。

なお、掛け留め具３１は、フック部３０との固定をより強固なものとするため、例えばアーム３２にバネ部材３４を有する掛け留め具３１とすることができ、図５、図６および図７ではこのような掛け留め具３１を有する固定部材２９によって、モジュール３と熱交換器８とが接続されている。なお、このような固定部材２９としては、例えば、パチン錠、キャッチクリップ、クランプ、ファスナー、蓋止め等を用いることができる。

また、図５、図６および図７においては、熱交換器８としてプレートフィン型熱交換器８を図示している。それゆえ、掛け留め具３１は熱交換器８に確実に固定できればどの面に設けてもよいが、プレートが積層されている面以外の面（好ましくは、最も面積が大きい面）に設けることが好ましい。なおその際、掛け留め具３１の台座部分となる部位を固定し、アーム３２やレバー３３は適宜可動するようにするものとする。以降においても同様である。

ここで、図５、図６および図７に示したプレートフィン型熱交換器８においては、熱交換器８の側面（プレートが積層されている面以外の面）の下部に、内部に設けられた水流通路を水が下から上に流れるよう水導入部３６が設けられており、熱交換器８の側面の上部に熱交換後水供給部３５が設けられている。そして、これら水導入部３６と熱交換後水供給部３５には、それぞれ水供給管が接続され（図示せず）、燃料電池装置の外部に設けられる貯湯タンクに、熱交換後の水（お湯）が貯水されることとなる。

なお、図５および図６に示したように、熱交換後水供給部３５が、モジュール３の底面側に設けられた断熱材９で囲まれた領域に位置する場合には、水供給管は、断熱材９の一部を切り欠いて接続することができる。

また熱交換器８の下側には、処理後の排ガスと水とでの熱交換により生成される凝縮水と、熱交換後の排ガスとを分離するための気液分離部材３７が設けられており、熱交換器８の側面方向に熱交換後の排ガスを排気し、熱交換器８の下方向に凝縮水を排水することができる。なお、燃料電池装置１の構造により気液分離部材３７の構造は適宜調整することができる。

そして、モジュール３と熱交換器８とを上述したフック部３０と、フック部３０と係合するアーム３２を有する掛け留め具３１とからなる固定部材２９によって接続することにより、熱交換器８をネジで固定する場合に必要なフランジ等が必要なくなるため、モジュール３の底面に設ける断熱材９を、熱交換器８の近傍にまで配置することができ、モジュール３の断熱効果を向上することができる。

ところで、図６（図４）にて示したように、排ガス処理装置２７としてハニカム触媒２７を排気孔２６に設けるにあたっては、排気孔２６とハニカム触媒２７に隙間を生じると、ハニカム触媒２７にて処理されていない排ガスが熱交換器８に供給されるおそれがある（すなわち、ハニカム触媒２７にて処理されていない排ガスが、気液分離部材３７より排気されるおそれがある。）。また、排気孔２６とハニカム触媒２７との隙間より、モジュール３内の熱が外部に放熱され、モジュール３内の温度が低下するおそれもある。

それゆえ、ハニカム触媒２７の外周面に断熱材を設ける（図示せず）ことが好ましい。それにより、排気孔２６とハニカム触媒２７とに隙間を生じることが抑制でき、ハニカム触媒２７で処理されていない排ガスが、熱交換器８に供給されることを抑制できる。さらに、ハニカム触媒２７の外周面に断熱材を設けることにより、モジュール３内の温度が低下することを抑制できる。さらには、ハニカム触媒２７の外周面に断熱材を設けることにより、ハニカム触媒２７の保温効果を得ることができ、効率よく排ガスを処理することができる。

なお、ハニカム触媒２７の外周面に設ける断熱材としては、例えば板状の断熱材からハニカム触媒２７の形状をくり貫いた形状とすることや、ウール状の断熱材を用いることができるが、特に排気孔２６とハニカム触媒２７とに隙間が生じることを抑制する点で、ウール状の断熱材を用いることが好ましい。

ところで、ハニカム触媒２７の外周面に断熱材を設けることにより、燃料電池装置１を定常に稼動している際には、ハニカム触媒２７は排気孔２６に接続されているが、例えばトラック等で運搬した場合に、運搬時の振動等によりハニカム触媒２７が外れる（落下する）おそれがある。それゆえ、ハニカム触媒２７を固定するための固定部材を有することが好ましい。固定部材としては、排ガスが流通することができ、かつハニカム触媒２７を固定できる形状であればよく、適宜設定することができる。

なお、図５および図７においては、モジュール３の底面に、モジュール３内に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給管２８が設けられている。

図８は、本発明の燃料電池装置の他の実施態様を概略的に示す図であり、図２と同様に仕切部材４により上下に区画された外装ケース２内で、仕切部材４の上部にモジュール３を配置してなる燃料電池装置３９の例を示す。

ここで、図８に示した燃料電池装置３９においては、モジュール３の底面に、モジュール３より排気される排ガスを処理するための排ガス処理装置７が接続され、熱交換器８の内部に設けられた排ガス流通路が上下方向を向き、処理後の排ガスが排ガス流通路を上から下に流通するように、排ガス処理装置７と熱交換器８とが接続されている。すなわち、熱交換器８は、排ガス処理装置７を介してモジュール３に接続されている。このような燃料電池装置３９においては、排ガス処理装置７として、処理効率のよい排ガス処理装置７を用いることができる。

ここで排ガス処理装置７としては、例えば内部をモジュール３（収納容器１０）より排気される排ガスが流通可能な容器に、例えば、γ−アルミナ、α−アルミナ、コージェライト等の多孔質担体に例えば、白金、パラジウム等の貴金属類の他、マンガン、コバルト、銀、銅、ニッケル等を担持した燃焼触媒等を用いることができる。なお、その他の構成については、上述したのと同様である。

ここで、図８に示した燃料電池装置３９において、モジュール３のメンテナンスを行なうにあたり、上述した場合と同様に、モジュール３を上側に持ち上げて仕切部材４より取り外すこととなる。それゆえ、モジュール３の重量や取り外しにおける利便性を考慮して、熱交換器８を取り外した後にモジュール３を仕切部材４より取り外すことが好ましいが、排熱処理手段７と熱交換器８とがネジにて固定されている場合には、モジュール３のメンテナンスにおける作業効率が悪く、モジュール３の底面側に設ける断熱材が、排ガス処理装置７の近傍にまで配置することが難しくなり、モジュール３の断熱効果が悪くなるという問題もある。

図９〜図１２は、本発明の燃料電池装置のうち、固定部材２９によってモジュール３に接続される熱交換器８の接続について概略的に示すために、モジュール３、排ガス処理装置７および熱交換器８を抜粋して示した図であり、図９は固定部材２９を構成するフック部３０を排ガス処理装置２７に設けて、熱交換器８をモジュール３と接続する場合の側面図を、図１０は固定部材２９を構成するフック部３０を排ガス処理装置２７に設けて、熱交換器８をモジュール３と接続する場合の正面図を、図１１は固定部材２９を構成するフック部３０をモジュール３（収納容器１０）の底面に設けて、熱交換器８をモジュール３と接続する場合の側面図を、図１２は固定部材２９を構成するフック部３０を仕切部材４に設けて、熱交換器８をモジュール３と接続する場合の側面図を、それぞれ示している。なお、各図において掛け留め具３１は、熱交換器８の側面に設けている。

それにより、熱交換器８に設けられた掛け留め具３１にあるアーム３２を、フック部３０に引っ掛け、レバー３３を奥側に倒すことにより、熱交換器８は排ガス処理装置７（モジュール３）を介してモジュール３と接続することができる。

一方、熱交換器８を取り外す際には、レバー３３を手前側に引き、フック部３０に引っ掛けているアーム３２を、フック部３０よりはずすことで、熱交換器８と排ガス処理装置７（モジュール３）とを容易に取り外すことができる。すなわち、熱交換器８は固定部材２９によってモジュール３と着脱自在に接続することができる。また、あわせてこのような固定部材２９においては、工具類を使用することなく、熱交換器８を容易に取り外すことができ、モジュール３のメンテナンスにおける作業効率を向上することができる。

そして、排ガス処理装置７と熱交換器８とを上述したフック部３０と、フック部３０と係合するアーム３２を有する掛け留め具３１とからなる固定部材２９によって接続することにより、排ガス処理装置７と熱交換器８とをネジで固定する場合に必要なフランジ等が必要なくなるため、モジュール３の底面に設ける断熱材９を、排ガス処理装置７の近傍にまで配置することができ、モジュール３の断熱効果を向上することができる。

なお、モジュール３と排ガス処理装置７との固定は、ネジでの固定の他、リベット等により固定することができる。

また、上述したように固定部材２９により熱交換器８を排ガス処理装置７を介してモジュール３に接続する構成においては、フック部３０を設けるにあたり、排ガス処理装置７と熱交換器８とをより強固に接続することや、燃料電池装置３９の製造容易性等を考慮して、フック部３０を排ガス処理装置７に設けることがより好ましい。

図１３および図１４は、本発明の燃料電池装置３９の他の態様を示したものであり、掛け留め具３１が、熱交換器８に水を供給するための水導入部３６の近傍（下端側）に設けられている例を示している。

上述したように、モジュール３の発電により生じる排ガスの温度は高温となるため、熱交換器８の処理後の排ガス導入側（本図では上端側）の温度が高温となるとともに、熱交換器８の水導入部３６側においては、熱交換器８の温度は処理後の排ガス導入側に比べて低くなる。

ここで、例えば熱交換器８に水を供給する水供給管に破損や目詰まり等が生じた場合、燃料電池装置３９の稼動に伴って生じる排ガスと水とが熱交換を行うことができずに、温度の高い排ガスが十分な熱交換を行うことができないまま、排ガス流通路を流通する場合が想定される。この場合、熱交換器８の温度が上昇し、アーム３２に設けられたバネ部材３４が劣化し、排ガス処理装置７（モジュール３）と熱交換器８との接続が弱くなる場合がある。

それゆえ、掛け留め具３１は熱交換器８において温度の低い部位に設けることが好ましく、熱交換器８の水導入部３６の近傍（下端側）に設けることが好ましい。それにより、市販されている金属製の掛け留め具３１等を用いることができる。

なお、水導入部３６の近傍とは、熱交換器８の大きさや排ガスの温度等により適宜定めることができるが、例えば熱交換器８の温度（表面温度）が５０〜６０℃以下となる部位とすることができる。

ここで、掛け留め具３１を熱交換器８の水導入部３６の近傍（下端側）に設けた場合に、フック部３０と係合する（引っ掛ける）ためのアーム３２とが係合して固定することができない場合がある。

それゆえ、図１３および図１４においては、留め金具としてアーム３２の他にフック用受け部材４０を設ける（すなわち、留め金具がアーム３２とフック用受け部材４０とからなる）とともに、フック用受け部材４０の一端側をフック部３０と係合させ、フック用受け部材４０の他端側をアーム３２と係合させることで、フック部３０と掛け留め具３１とを係合することができる。それにより、排ガス処理装置７（モジュール３）と熱交換器８とを着脱自在に接続することができる。

この場合において、排ガス処理装置７と熱交換器８とを取り外すにあたっては、レバー３３を緩め、フック用受け部材４０を取り外すことにより、排ガス処理装置７（モジュール３）と熱交換器８とを工具を用いることなく容易に取り外すことができる。それにより、モジュール３を仕切部材４より容易に取り外すことが可能となり、モジュール３のメンテナンスにおける作業効率を向上することができる。

なお、掛け留め具３１を耐熱性の部材により構成することができる場合においては、熱交換器８の上端側に掛け留め具３１を設けることができ、その場合においては、フック用受け部材４０を介さず（すなわち留め金具をアーム３２より構成する）に、排ガス処理装置７（モジュール３）と熱交換器８とを着脱自在に接続することができる。

また、排ガス処理装置７（モジュール３）と熱交換器８とを着脱自在に接続するにあたり、排ガス処理装置７と熱交換器８との接続部より処理後の排ガス等が漏出することを有効に抑制すべく、排ガス処理装置７と熱交換器８との間（接続部）にガスケット部材（図示せず）を設けることが好ましい。

このようなガスケット部材としては、上述したように排ガスの温度が高温となることから、耐熱性に優れたガスケット部材を用いることが好ましい。それゆえ、例えば二枚の金属板を、中央部に空洞部を有するように張り合わせて作製されたメタルガスケット等を用いることができる。

それにより、排ガス処理装置７（モジュール３）と熱交換器８とを気密性を有して接続することができることから、排ガス処理装置７と熱交換器８との接続部より、モジュール３（収納容器１０）から排気される排ガスが漏出することを抑制（防止）することができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、図１においてモジュール３、排ガス処理装置７および熱交換器８をモジュール収納室５に位置するようにした例を示したが、モジュール３の側面に排ガス処理装置７を接続し、熱交換器８を補機収納室６に位置して排ガス処理装置７と熱交換器８とを固定部材２９により接続する、すなわちモジュール３と排ガス処理装置７を仕切部材４の上部に位置するようにし、熱交換器８を仕切部材４の下部に位置するように配置することもできる。

また、固定部材２９の例として、アーム３２にバネ部材３４を具備する固定部材２９を図示したが、フック部３０とアーム３２により熱交換器８とモジュール３（場合によっては、排ガス処理装置７）とを強固に接続することができる場合には、バネ部材３４を有さない固定部材２９を用いることができる。

本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。 本発明の燃料電池装置の他の一例を示す概略図である。 本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。 本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールの他の一例を示す断面図である。 熱交換器が燃料電池モジュールと直接接続されていることを示す、本発明の燃料電池装置の一部を抜粋した側面図である。 熱交換器が燃料電池モジュールと直接接続されていることを示す、本発明の燃料電池装置の一部を抜粋した正面図である。 フック部を仕切部材に設けた例を示す、本発明の燃料電池装置の一部を抜粋した側面図である。 本発明の燃料電池装置のさらに他の一例を示す概略図である。 熱交換器が排ガス処理装置を介して燃料電池モジュールに接続されている場合を示す、本発明の燃料電池装置の一部を抜粋した側面図である。 熱交換器が排ガス処理装置を介して燃料電池モジュールに接続される場合を示す、本発明の燃料電池装置の一部を抜粋した正面図である。 熱交換器が排ガス処理装置を介して燃料電池モジュールに接続される場合を示し、フック部をモジュールの底面に設けた例を示す、本発明の燃料電池装置の一部を抜粋した側面図である。 熱交換器が排ガス処理装置を介して燃料電池モジュールに接続される場合を示し、フック部を仕切部材に設けた例を示す、本発明の燃料電池装置の一部を抜粋した側面図である。 熱交換器が排ガス処理装置を介して燃料電池モジュールに接続される場合を示し、留め金具がアームとフック用受け部材とからなる例を示す、本発明の燃料電池装置の一部を抜粋した側面図である。 熱交換器が排ガス処理装置を介して燃料電池モジュールに接続される場合を示し、留め金具がアームとフック用受け部材とからなる例を示す、本発明の燃料電池装置の一部を抜粋した正面図である。 従来の燃料電池装置の一例を示す概略図である。 従来の燃料電池モジュールと熱交換器との接続を示す燃料電池装置の一部を抜粋した側面図である。

符号の説明

１、３９：燃料電池装置
２：外装ケース
３：燃料電池モジュール
４：仕切部材
７、２７：排ガス処理装置
８：熱交換器
９：断熱材
１０：収納容器
２６：排気孔
２９：固定部材
３０：フック部
３１：掛け留め具
３２：アーム
３３：レバー
３４：バネ部材
４０：フック用受け部材

Claims (7)

1. 外装ケース内に、複数個の燃料電池セルを収納容器の内部に収納してなる燃料電池モジュールと、前記収納容器内の排ガスを処理するための排ガス処理装置と、該排ガス処理装置で処理された後の排ガスと水とで熱交換するための熱交換器とを具備する燃料電池装置であって、前記熱交換器が前記燃料電池モジュールと直接または前記排ガス処理装置を介して接続されているとともに、前記熱交換器が、前記外装ケース、前記燃料電池モジュールおよび前記排ガス処理装置のうちいずれか１つに掛け渡されたフック部と、該フック部と係合可能に設けられた留め金具を有し、レバー操作によって前記留め金具を前記フック部と係合させる掛け留め具とからなる固定部材によって固定されていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記収納容器が、内部の排ガスを排気するための排気孔を備えるとともに、該排気孔に前記排ガス処理装置が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記収納容器が、内部の排ガスを排気するための排気孔を備え、該排気孔に前記排ガス処理装置が接続されるとともに、該排ガス処理装置に前記熱交換器が前記固定部材によって接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
4. 前記外装ケースは、内部を上下に区画するための仕切部材を具備するとともに、前記燃料電池モジュールが前記仕切部材の上部に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
5. 前記排気孔が前記収納容器の底に設けられるとともに、前記熱交換器が内部に水を流通させる水流通路と前記排ガスを流通させる排ガス流通路とを有し、該排ガス流通路が上下方向に設置されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池装置。
6. 前記掛け留め具が前記熱交換器に設けられているとともに、前記フック部が、前記仕切部材、前記収納容器および前記排ガス処理装置のうちいずれか１つに設けられていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
7. 前記掛け留め具が、前記熱交換器に水を供給するための水導入部の近傍に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池装置。

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