JP2009048912A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】各機器を作動温度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、発生熱を有効に利用して熱効率の向上を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１２と、原燃料を前記燃料電池モジュール１２に供給する燃料ガス供給装置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２０と、電力変換装置２２とを備える。酸化剤ガス供給装置１８は、燃料電池モジュール１２が収容されるモジュール部９８及び電力変換装置２２が収容される電装部１０２から空気を前記酸化剤ガスとして吸入する酸化剤ガス吸入機構１０８を備える。
【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１３に示すように、パッケージ１ａ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２ａ、イオン交換装置３ａ及び脱硫器４ａが、前記パッケージ１の外面パネルである正面パネル５ａ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１ａの内部ではなく、装置本体の外郭をなす正面パネル５ａ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。

また、特許文献２に開示されている燃料電池発電装置では、図１４に示すように、ケース１ｂ内では、仕切り部材２ｂを介して上部空間３ｂと下部空間４ｂとに分割されている。上部空間３ｂには、内部に燃料改質器を有する燃料電池５ｂが配置される一方、下部空間４ｂには、電力変換装置６ｂ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７ｂと、水供給装置８ｂとが配置されている。仕切り部材２ｂの底部には、電力変換装置６ｂの上方に位置して空気供給装置である反応空気ブロワ９ｂが配置されている。

さらにまた、特許文献３に開示されているパッケージ型燃料電池発電装置は、図１５に示すように、パッケージ１ｃの内部は、断熱隔壁２ｃにより高温装置室３ｃ及び電気装置室４ｃに画成されている。電気装置室４ｃの外壁には、外気を取り入れる換気口５ｃが形成されるとともに、断熱隔壁２ｃには、通風孔６ｃが形成されている。高温装置室３ｃには、燃料電池７ｃ１、燃料改質装置７ｃ２、前記燃料電池７ｃ１に反応系空気を供給する反応空気ブロワ７ｃ３が配置される一方、電気装置室４ｃには、燃焼空気ブロア７ｃ４、電力変換装置８ｃ１、計測制御装置８ｃ２及び補機８ｃ３等の電気機器や、原燃料タンク８ｃ４等が収納されている。

特開２００６−１４０１６４号公報 特開２００６−０８６０１７号公報 特開平０５−２９０８６８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。

一方、上記の特許文献２では、ケース１ｂの下部空間４ｂには、ガス供給装置７ｂと反応空気ブロワ（空気供給装置）９ｂとが収容されるとともに、前記反応空気ブロワ９ｂは、前記ガス供給装置７ｂの上方に配置されている。このため、例えば、反応空気ブロワ９ｂによりケース内での空気を吸気して室内温度の上昇を防止する際、ガス供給装置７ｂにガス漏れ等が発生すると、漏れたガスが前記反応空気ブロワ９ｂにより吸入されて発電効率が低下するという問題がある。

また、上記の特許文献３では、外部の空気が換気口５ｃから電気装置室４ｃ内に導入され、電力変換装置８ｃ１、計測制御装置８ｃ２等を冷却した後、断熱隔壁２ｃに設けられている通風孔６ｃを通って高温装置室３ｃに供給されている。このため、パッケージ１ｃ内における空気経路が長尺化し、このパッケージ１ｃ内の温度上昇を良好に抑制することが困難になる。しかも、反応空気ブロワ７ｃ３は、高温装置室３ｃ内に配置されており、この反応空気ブロワ７ｃ３が高温環境下で稼動されている。従って、反応空気ブロワ７ｃ３の耐久性及び寿命の低下が懸念されている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、各機器を作動温度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、発生熱を有効に利用して熱効率の向上を図ることが可能な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。

筐体は、燃料電池モジュール及び燃焼器が配置されるモジュール部と、前記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の側面側に第１流体供給部及び第２流体供給部が配置され、且つ前記第２の側面側に電装部が配置され、さらに前記第１流体供給部の上面側に前記第２流体供給部が配置されている。そして、酸化剤ガス供給装置は、モジュール部及び電装部から空気を酸化剤ガスとして吸入する酸化剤ガス吸入機構を備えている。

また、酸化剤ガス吸入機構は、モジュール部で燃料電池モジュールからの発生熱により昇温された空気を酸化剤ガス供給装置に導入する第１風導管と、電力変換装置を構成する発熱部品からの発生熱により昇温された空気を前記酸化剤ガス供給装置に導入する第２風導管とを備えることが好ましい。

第１風導管は、燃料電池モジュールからの発生熱で昇温された空気を、酸化剤ガスとして酸化剤ガス供給装置に強制的に導入している。このため、高温の酸化剤ガスが得られて熱効率が有効に向上するとともに、排熱の回収率が向上し、経済的である。

一方、第２風導管は、発熱部品からの発生熱により昇温された空気を、酸化剤ガスとして酸化剤ガス供給装置に強制的に導入するため、高温の酸化剤ガスが得られて熱効率が有効に向上するとともに、排熱の回収率が向上し、経済的である。

しかも、酸化剤ガスの吸入が第１風導管と第２風導管との２系統で行われるため、モジュール部及び電装部では、優先して冷却したい部位から温められた空気を強制的に吸入することができ、安定化及び耐久性の向上が図られる。

さらに、発熱部品は、電力変換装置の上方に配置されることが好ましい。発熱部品からの発生熱により、他の部品が不要に温められることを抑制することができるからである。

さらにまた、発熱部品からの発生熱を放熱する冷却部材を備え、前記冷却部材は、前記発生熱を熱伝導させる熱伝導体を介して第２風導管に連結されることが好ましい。このため、発熱部品からの発生熱は、冷却部材を介して効率的に放熱される。しかも、第２風導管は、発熱部品からの発生熱を空気を介して効率よく吸収することができるとともに、冷却部材及び熱伝導体を介しても効率よく吸収することができるので、前記発熱部品からの発生熱による電力変換装置の温度上昇を抑制し、安定化及び耐久性の向上が図られる。

また、酸化剤ガス吸入機構は、第１風導管に連結され、モジュール部から酸化剤ガス供給装置に吸入される空気の流量を調整する流量調整弁と、前記モジュール部の温度を検出する温度検出手段と、前記検出された温度に基づいて前記流量調整弁を制御する制御手段とを備えることが好ましい。

従って、電力変換装置の冷却を主とし、常時冷却する一方、高温部であるモジュール部の冷却を副とし、検出温度に基づいて前記モジュール部の冷却を制御することができる。これにより、低温部である電力変換装置は、常時冷却によって有効な冷却が可能になる一方、モジュール部は、発生熱が少ない状態で空気の吸入による無駄な冷却を抑制することができる。従って、低温部での冷却効率の低下を抑制するとともに、熱効率の向上を図り、しかも排熱の回収率の向上が可能になる。

さらに、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。このため、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。

さらにまた、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。従って、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、保守やメンテナンスの作業性が良好に向上する。

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、第２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及び第２流体供給部は、筐体の外壁部を構成しており、前記第１及び第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。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。

さらに、筐体は、第１流体供給部及び第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。このため、燃料ガス供給装置からガス漏れが発生しても、酸化剤ガス供給装置が漏れたガスを吸入することを阻止することができる。

さらにまた、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。

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。

本発明によれば、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。

さらに、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、分割されている。従って、燃料ガス供給装置からガス漏れが発生しても、酸化剤ガス供給装置が漏れたガスを吸入することを阻止することができる。

しかも、酸化剤ガス供給装置は、モジュール部及び電装部から空気を酸化剤ガスとして吸入する酸化剤ガス吸入機構を備えている。これにより、燃料電池システムの運転によりモジュール部から発生する熱で昇温された空気は、酸化剤ガスとして吸入されるため、熱効率が向上するとともに、排熱の回収率が向上し、経済的である。

一方、燃料電池システムの運転により電装部（発熱部品）から発生する熱で昇温された空気は、酸化剤ガスとして吸入されるため、熱効率が向上するとともに、排熱の回収率が向上し、経済的である。

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の機械系回路を示す概略構成説明図である。図２は、前記燃料電池システム１０の斜視説明図であり、図３は、前記燃料電池システム１０の平面説明図であり、図４は、前記燃料電池システム１０の正面説明図であり、図５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（例えば、トーチヒータ）１４と、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）を前記燃料電池モジュール１２に供給する燃料ガス供給装置（燃料ガスポンプ１６ａ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（空気ポンプ１８ａ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２０ａ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６参照）。

図４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、脱硫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５参照）。

改質器４０は、脱硫された都市ガス（燃料ガス）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６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１排ガス通路４４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４参照）。

図５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、酸化剤ガス供給装置１８は、空気供給管５２に接続される。空気供給管５２の途上に設けられた切換弁７０には、空気分岐通路７２が接続される。この空気分岐通路７２は、燃焼器１４に接続される。燃焼器１４は、例えば、トーチヒータを備えており、空気及び電流が供給される。

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８８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９０（又は、負荷や２次電池等）が接続される。

図２〜図４に示すように、筐体２６は、全体として矩形状を有する外枠９２を有する。この外枠９２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９４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９６とが、設けられる。

図２及び図３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９８は、一の角部を挟んで第１の側面である第１縦仕切り板９４及び第２の側面である第２縦仕切り板９６を有する。第１縦仕切り板９４側には、第１流体供給部１００ａ及び第２流体供給部１００ｂが配置される一方、第２縦仕切り板９６側には、電装部１０２が配置されることにより、前記第１流体供給部１００ａ、第２流体供給部１００ｂ及び前記電装部１０２は、それぞれ筐体２６の外壁部を構成する。第１流体供給部１００ａの上方には、第２流体供給部１００ｂが配置される。

図２及び図４に示すように、モジュール部９８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。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１０２には、電力変換装置２２及び制御装置２４が配置される。なお、図２及び図３に示すように、電装部１０２は、第１及び第２流体供給部１００ａ、１００ｂよりも大きな容積に設定されているが、前記第１及び第２流体供給部１００ａ、１００ｂを前記電装部１０２よりも大きな容積に設定してもよい。

第１流体供給部１００ａ及び第２流体供給部１００ｂは、横仕切り板１０４を介して鉛直方向に分割される。第１流体供給部１００ａには、水供給装置２０、燃料ガス供給装置１６及び検知器８８が収容されるとともに、前記検知器８８は、前記燃料ガス供給装置１６の上方に配置される。燃料ガス供給装置１６は、載置台１０６を介して水供給装置２０の上方に保持される。

第２流体供給部１００ｂには、酸化剤ガス供給装置１８が配置される。図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１８は、モジュール部９８及び電装部１０２から空気を酸化剤ガスとして吸入する酸化剤ガス吸入機構１０８を備える。

酸化剤ガス吸入機構１０８は、モジュール部９８で燃料電池モジュール１２からの発生熱により昇温された空気を空気ポンプ１８ａに導入する第１風導管１１０ａと、電力変換装置２２を構成する発熱部品である電装部品（トランス等）１１２からの発生熱により昇温された空気を前記空気ポンプ１８ａに導入する第２風導管１１０ｂとを備える。

第１風導管１１０ａは、モジュール部９８内で第１フィルタ１１４ａと、空気の流量を調整する流量調整弁１１６とが配設されるとともに、この流量調整弁１１６には、前記モジュール部９８の温度を検出する温度検出手段（温度センサ）１１８が装着される。制御装置２４は、温度検出手段１１８により検出されたモジュール部９８内の温度に基づいて、流量調整弁１１６を制御する制御手段としての機能を有する。

第１風導管１１０ａのモジュール部９８内に配置される端部は、このモジュール部９８内で拡開するよう構成されることが好ましい。第２風導管１１０ｂは、第２フィルタ１１４ｂを介して電装部１０２内に配置されるとともに、その端部が電装部品１１２に対応して拡開して構成される。電装部品１１２は、電力変換装置２２の上方に配置されるとともに、前記電装部品１１２には、該電装部品１１２からの発生熱を放熱する冷却フィン（冷却部材）１２０が複数設けられる（図７参照）。

第２風導管１１０ｂの端部は、電装部品１１２との間に間隙１２２を設けるとともに、第２風導管１１０ｂ内には、前記冷却フィン１２０と前記第２風導管１１０ｂとに接触して熱伝導を向上させるための熱伝導体１２４が設けられる。この熱伝導体１２４は、例えば、メタルハニカムや、金属メッシュや発泡金属等により構成される。

図２及び図３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１２６ａ、第２開閉扉１２６ｂ、第３開閉扉１２６ｃ及び第４開閉扉１２６ｄを備える。第１開閉扉１２６ａ〜第４開閉扉１２６ｄの一端部は、蝶番（又は、ヒンジ）１２８を介して、筐体２６の外枠９２に対し開閉自在に支持される。

第１開閉扉１２６ａは、モジュール部９８及び電装部１０２の一部を一体に開閉し、第２開閉扉１２６ｂは、前記モジュール部９８、第１流体供給部１００ａ及び第２流体供給部１００ｂの一部を一体に開閉する。第３開閉扉１２６ｃは、前記第１流体供給部１００ａ、前記第２流体供給部１００ｂ及び電装部１０２の一部を一体に開閉し、第４開閉扉１２６ｄは、前記電装部１０２を開閉する。

なお、第１開閉扉１２６ａ及び第２開閉扉１２６ｂが、モジュール部９８のみを開閉し、第３開閉扉１２６ｃが第１流体供給部１００ａ及び第２流体供給部１００ｂのみを開閉し、第４開閉扉１２６ｄが、電装部１０２のみを開閉するように構成してもよい。

筐体２６は、図２及び図４に示すように、回転機構１３０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１３０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５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６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、燃料電池システム１０では、酸化剤ガス供給装置１８を構成する酸化剤ガス吸入機構１０８が、図８に示すフローチャートに沿って制御される。

酸化剤ガス吸入機構１０８では、第１風導管１１０ａに配設された流量調整弁１１６に温度検出手段１１８が取り付けられており、この温度検出手段１１８は、モジュール部９８の温度を検出する。

そして、温度検出手段１１８に検出されたモジュール部９８の温度が、設定温度（例えば、５０〜８０℃）以上であるか否かが判断される（ステップＳ１）。モジュール部９８内の温度が設定温度以上であると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、流量調整弁１１６が開放される。このため、酸化剤ガス供給装置１８を構成する空気ポンプ１８ａは、モジュール部９８内で昇温された空気を酸化剤ガスとして第１風導管１１０ａから吸引する。

上記のように、空気ポンプ１８ａを介して空気供給管５２に供給される酸化剤ガスは、予め、モジュール部９８内の発生熱により昇温された状態で、熱交換器３６に供給される。これにより、熱効率が向上するとともに、排熱の回収率が向上して経済的であるという効果が得られる。

一方、酸化剤ガス吸入機構１０８を構成する第２風導管１１０ｂは、電装部１０２内の電力変換装置２２を構成する電装部品１１２に対応して開口している。このため、電装部品１１２から発生する熱で昇温された空気は、酸化剤ガスとして第２風導管１１０ｂを介して吸入されるため、熱効率が向上するとともに、排熱の回収率が向上する。

その際、電装部品１１２では、図７に示すように、電装部品１１２に設けられている複数の冷却フィン１２０を覆って第２風導管１１０ｂが配置されるとともに、この冷却フィン１２０と前記第２風導管１１０ｂとは、熱伝導体１２４を介して接触している。従って、冷却フィン１２０による放熱が良好に遂行されるとともに、第２風導管１１０ｂにより吸引される酸化剤ガスは、電装部品１１２の発生熱を効率的且つ確実に吸収することができる。これにより、電力変換装置２２の温度上昇を抑制して、安定化及び耐久性の向上を図ることが可能になる。

しかも、電装部品１１２は、電力変換装置２２の上部に配置されている発熱部品である電装部品１１２からの発生熱を介し、電力変換装置２２の他の部品が暖められることを良好に抑制することができる。

酸化剤ガス吸入機構１０８では、上記の動作が運転終了時まで行われる（ステップＳ３参照）。特に、低温始動時等において、モジュール部９８の温度が設定温度未満であると判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ４に進んで、流量調整弁１１６が閉じられる。このため、モジュール部９８から空気の吸引が停止されて、このモジュール部９８の冷却が停止されている。従って、燃料電池モジュール１２の部分負荷運転や低負荷運転等のように、発生熱の少ない状態での前記燃料電池モジュール１２の温度低下を有効に阻止することが可能になる。

このように、第１の実施形態では、電力変換装置２２の冷却を主とし、常時冷却する一方、高温部であるモジュール部９８の冷却を副とし、温度検出手段１１８からの検出温度に基づいて、前記モジュール部９８の冷却を制御することができる。

これにより、低温部である電力変換装置２２は、常時冷却によって有効な冷却が可能になる一方、モジュール部９８は、発生熱が少ない状態で空気の吸入による無駄な冷却を抑制することができる。これにより、低温部での冷却効率の低下を抑制するとともに、熱効率の向上を図り、しかも排熱の回収率の向上が可能になるという利点がある。

さらにまた、酸化剤ガス吸入機構１０８は、酸化剤ガスの吸入が第１風導管１１０ａと第２風導管１１０ｂとの２系統で行われている。このため、モジュール部９８及び電装部１０２では、優先して冷却したい部位から温められた空気を強制的に吸入することができ、安定化及び耐久性の向上が図られる。

また、第１の実施形態では、図２〜図４に示すように、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９８と、水供給装置２０、燃料ガス供給装置１６及び検知器８８が配置される第１流体供給部１００ａと、酸化剤ガス供給装置１８が配置される第２流体供給部１００ｂと、電力変換装置２２及び制御装置２４が配置される電装部１０２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。

さらに、第１の実施形態では、モジュール部９８の第１の側面（第１縦仕切り板９４）側には、第１流体供給部１００ａ及び第２流体供給部１００ｂが配置されている。従って、第１流体供給部１００ａ及び第２流体供給部１００ｂ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１００ａ及び前記第２流体供給部１００ｂ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９８の第２の側面（第２縦仕切り板９６）側には、電装部１０２が配置されている。このため、電装部１０２は、実質的に筐体２６の外壁部を構成しており、前記電装部１０２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１０２と、ポンプ類（燃料ガスポンプ１６ａ、空気ポンプ１８ａ及び水ポンプ２０ａ）を含む第１流体供給部１００ａ及び第２流体供給部１００ｂとは、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。

さらにまた、第１の実施形態では、図２及び図３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１２６ａ、第２開閉扉１２６ｂ、第３開閉扉１２６ｃ及び第４開閉扉１２６ｄが設けられている。従って、例えば、モジュール部９８のメンテナンスを行う際には、第１開閉扉１２６ａ及び／又は第２開閉扉１２６ｂを開放するだけでよく、前記モジュール部９８内のメンテナンス作業が容易に行われる。

一方、電装部１０２内の制御装置２４の保守点検等を行う際には、第４開閉扉１２６ｄ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１００ａ及び第２流体供給部１００ｂのポンプ類の保守点検等を行う際には、第３開閉扉１２６ｃ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９８、第１流体供給部１００ａ、第２流体供給部１００ｂ及び電装部１０２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１３０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１２６ａ、第２開閉扉１２６ｂ、第３開閉扉１２６ｃ又は第４開閉扉１２６ｄ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９４及び第２縦仕切り板９６を介してモジュール部９８、第１流体供給部１００ａ、第２流体供給部１００ｂ及び電装部１０２に分割されている。そして、モジュール部９８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１００ａには、検知器８８、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１００ｂには、酸化剤ガス供給装置１８が配置され、電装部１０２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９８、第１流体供給部１００ａ、第２流体供給部１００ｂ及び電装部１０２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９８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、第１流体供給部１００ａ及び第２流体供給部１００ｂは、横仕切り板１０４を介して鉛直方向に分割されている。従って、燃料ガス供給装置１６からガス漏れが発生しても、酸化剤ガス供給装置１８が漏れたガスを吸入することを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。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１４０の機械系回路を示す概略構成説明図である。なお、第１の実施形態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１４０は、燃料電池モジュール１２を昇温させる燃焼器（例えば、バーナー）１４２を備える。原燃料通路５６には、燃料ガス供給装置１６の下流に切替バルブ１４４が配設され、この切替バルブ１４４に接続される原燃料分岐通路１４６は、燃焼器１４２に接続される。燃焼器１４２は、原燃料と空気とが供給されることにより燃焼を行う。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１６０の機械系回路を示す概略構成説明図である。図１１は、燃料電池システム１６０の正面説明図であり、図１２は、前記燃料電池システム１６０の回路図である。

図１１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、燃焼器１４が配設される。この燃料電池スタック３４の積層方向下端側には、熱交換器３６と蒸発器３８と改質器４０とが配設される。

このように構成される燃料電池システム１６０では、上記の第１及び第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機械系回路を示す概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの斜視説明図である。 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。 前記燃料電池システムを構成する電装部材の冷却フィン及び第２風導管の熱伝導の説明図である。 酸化剤ガス吸入機構の制御を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。 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。 特許文献１の燃料電池装置の概略斜視説明図である。 特許文献２の燃料電池発電装置の説明図である。 特許文献３のパッケージ型燃料電池発電装置の説明図である。

符号の説明

１０、１４０、１６０…燃料電池システム
１２…燃料電池モジュール １４、１４２…燃焼器
１６…燃料ガス供給装置 １６ａ…燃料ガスポンプ
１８…酸化剤ガス供給装置 １８ａ…空気ポンプ
２０…水供給装置 ２０ａ…水ポンプ
２２…電力変換装置 ２４…制御装置
２６…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
８８…検知器 ９２…外枠
９４、９６…縦仕切り板 ９８…モジュール部
１００ａ、１００ｂ…流体供給部 １０２…電装部
１０４…横仕切り板 １０８…酸化剤ガス吸入機構
１１０ａ、１１０ｂ…風導管 １１２…電装部品
１１６…流量調整弁 １１８…温度検出手段
１２０…冷却フィン １２４…熱伝導体
１２６ａ〜１２６ｄ…開閉扉 １３０…回転機構

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の側面側に前記第１流体供給部及び前記第２流体供給部が配置され、且つ前記第２の側面側に前記電装部が配置され、さらに前記第１流体供給部の上面側に前記第２流体供給部が配置され、
   前記酸化剤ガス供給装置は、前記モジュール部及び前記電装部から空気を前記酸化剤ガスとして吸入する酸化剤ガス吸入機構を備え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、前記酸化剤ガス吸入機構は、前記モジュール部で前記燃料電池モジュールからの発生熱により昇温された空気を前記酸化剤ガス供給装置に導入する第１風導管と、
   前記電力変換装置を構成する発熱部品からの発生熱により昇温された空気を前記酸化剤ガス供給装置に導入する第２風導管と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記発熱部品は、前記電力変換装置の上方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２又は３記載の燃料電池システムにおいて、前記発熱部品からの発生熱を放熱する冷却部材を備え、
   前記冷却部材は、前記発生熱を熱伝導させる熱伝導体を介して前記第２風導管に連結されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス吸入機構は、前記第１風導管に連結され、前記モジュール部から前記酸化剤ガス供給装置に吸入される空気の流量を調整する流量調整弁と、
   前記モジュール部の温度を検出する温度検出手段と、
   前記検出された温度に基づいて前記流量調整弁を制御する制御手段と、
   を備え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、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。
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、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。
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、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。
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、前記筐体は、前記第１流体供給部及び前記第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。
10. 請求項１〜９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。
11. 請求項１０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。

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