JP2012043566A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】搬入が容易で設置占有面積が小さく、総合効率を高める燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池背面板４は、燃料電池側面板２、３の後辺と燃料電池天板５の後辺とから、締結部材５２の突出長さより長い距離、燃料電池筐体５０の内側に取り付けられる。さらに、燃料電池６０と貯湯器６１とを別々に搬入し、燃料電池背面板４と貯湯背面板１４を向かい合った状態で近接して配置することにより、設置占有面積が小さくなり、燃料電池背面板４と貯湯背面板１４との間の空気層により断熱効果が高められることから、燃料電池システムのエネルギー総合効率を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般家庭や事業所などの敷地に設置される燃料電池システムに関するものである。

従来から、高効率な小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステム構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。

燃料電池システムでは、発電運転の際、その発電部の本体として配設される燃料電池本体（以降、「セルスタック」という）に、燃料ガスと酸化剤ガスとが各々供給される。そして、セルスタックでは、その供給される燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが電気化学反応して発電が進行する。この電気化学反応の進行により、水素及び酸素が有する化学的なエネルギーが、電気的なエネルギーと熱的なエネルギーに変換される。電気的なエネルギーとして発生する直流電力をインバータで交流電力に変換し、家庭内の電力負荷に供給される。熱的なエネルギーは、有効利用するために貯湯タンクでお湯として貯えられ、家庭などで使用するお湯や床下暖房の熱源として利用される。

このため燃料電池システムは図６に示すようにセルスタックなどの発電を行う燃料電池装置１０１と熱をお湯として保持する貯湯器１０２を別ユニットとして配置するものがある（例えば特許文献１参照）。

また、セルスタックを含む燃料電池発電システムと貯湯システムを、共通台板を備えている。
燃料電池コージェネレーションシステムとするものが提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２００４−１１１２０８号公報 特開２００５−３２４６１号公報

しかし、図６に示すように、燃料電池装置ユニット、貯湯器を別々に配置すると非常に多くの面積を占有するため、設置できる場所が非常に制限されるという課題があった。また、燃料電池装置ユニット、貯湯器ユニットの距離などは設置場所の状態によって異なるので、現場で配管の長さを調整するなど、設置作業が非常に複雑であった。

また、特許文献２に示すように、設置性を向上させるために、共通台板上に部品を固設して、現場での接続作業をなくすように一体化したものは、非常に重量が大きくなる課題がある。図６に示すように、これまでは複数のユニットに分割していたため、総重量は重くとも、ユニットあたりの重量は小さいので容易な搬入が可能であったが、共通台板の上に固設し、一つのユニットとすると、搬入する際のユニットあたりの重量が大きくなるため、容易な搬入ができなくなる課題を有している。

本発明はこのような事情に鑑みてなされてものであり、搬入が容易で設置占有面積が小
さく、エネルギーの総合効率を高める燃料電池システムを提供することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させる燃料電池と、
燃料電池で発生する熱により暖められた湯を貯める貯湯器と、
を有する燃料電池システムであって、
燃料電池は、構成部品を収納するとともに少なくとも燃料電池天板と燃料電池背面板と燃料電池側面板とを有する燃料電池筐体と、燃料電池背面板に突出して取り付けられるとともに構成部品を燃料電池背面板に固定するための締結部材と、を有し、
貯湯器は、貯湯タンクを収納するとともに少なくとも貯湯背面板を有する貯湯器筐体を有し、
燃料電池背面板は、燃料電池側面板の後辺と燃料電池天板の後辺とから、締結部材の突出長さより長い距離、燃料電池筐体の内側に取り付けられ、
燃料電池と貯湯器とは、貯湯背面板と燃料電池背面板とが空気層を挟んで向かい合った状態で配置されるように構成されている、ことを特徴とするものである。

これによって、燃料電池と貯湯器とを別々に搬入できることから、搬入が容易になり、燃料電池筐体の背面板は側面板の後辺と天板後辺とから締結部材の突出長さよりも長い距離内側に取り付けられている。このため、燃料電池筐体の背面板と貯湯器筐体の背面板を向かい合った状態で配置が可能となり、設置占有面積が小さくなる。また、燃料電池筐体の背面板と貯湯器筐体の背面板間の空気層により断熱効果が高められることから、燃料電池システムのエネルギー総合効率を高めることができる。

本発明の燃料電池システムは、搬入が容易で設置占有面積が小さく、総合効率を高めることができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池及び貯湯器の斜視図 同実施の形態の燃料電池及び貯湯器の天板方向からの断面図 同実施の形態の燃料電池及び貯湯器の内部構造を示す斜視図 本発明の実施の形態２における燃料電池の斜視図 同実施の形態の燃料電池を上から見た場合の断面図 従来例における燃料電池及び貯湯器の外観図

第１の形態の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させる燃料電池と、
燃料電池で発生する熱により暖められた湯を貯める貯湯器と、
を有する燃料電池システムであって、
燃料電池は、構成部品を収納するとともに少なくとも燃料電池天板と燃料電池背面板と燃料電池側面板とを有する燃料電池筐体と、燃料電池背面板に突出して取り付けられるとともに構成部品を燃料電池背面板に固定するための締結部材と、を有し、
貯湯器は、貯湯タンクを収納するとともに少なくとも貯湯背面板を有する貯湯器筐体を有し、
燃料電池背面板は、燃料電池側面板の後辺と燃料電池天板の後辺とから、締結部材の突出長さより長い距離、燃料電池筐体の内側に取り付けられ、
燃料電池と貯湯器とは、貯湯背面板と燃料電池背面板とが空気層を挟んで向かい合った
状態で配置されるように構成されている、ことを特徴とするものである。

これによって、燃料電池と貯湯器とを別々に搬入できることから、搬入が容易になり、燃料電池筐体の背面板は側面板の後辺と天板後辺とから締結部材の突出長さよりも長い距離内側に取り付けられている。このため、燃料電池筐体の背面板と貯湯器筐体の背面板を向かい合った状態で配置が可能となり、設置占有面積が小さくなる。また、燃料電池筐体の背面板と貯湯器筐体の背面板間の空気層により断熱効果が高められることから、燃料電池の総合効率を高めることができる。

また、第２の形態の燃料電池システムは、第１の形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池筐体の背面板を覆う板が、燃料電池筐体の背面に着脱自在に固定されることを特徴とするものである。

これによって、設置場所の関係からやむを得ず燃料電池筐体の背面板と貯湯器の背面板を向かい合った状態で設置できない場合に、燃料電池筐体の背面板を覆う板を取り付けることにより燃料電池筐体の背面板とそれを覆う板との間に空気層ができ、断熱効果が高まることから燃料電池の総合効率を高めることができる。また、外観に現れた締結部材、例えばビスを見えなくすることができる為、外観デザイン性を高めることができる。

（実施の形態１）
図１は実施の形態１における燃料電池及び貯湯器の斜視図であり、図２は実施の形態１の燃料電池及び貯湯器の天板方向からの断面図、図３は実施の形態１の燃料電池及び貯湯器の内部構造を示す斜視図である。

燃料電池６０は、金属製の燃料電池筐体５０を有している。

燃料電池筐体５０は、正面に配置される燃料電池正面板１、右側面に配置される燃料電池右側面板２、背面に配置される燃料電池背面板４、天面に配置される燃料電池天板５、燃料電池６０を支持する４個の燃料電池脚６、を有している。さらに、燃料電池正面板１は、上部に外気を吸気するための燃料電池上部通気口７、下部に排気を行うための燃料電池下部通気口８、を有している。燃料電池６０は燃料電池脚６により、地面に設けられた基礎と接続されている。

貯湯器６１は、金属製の貯湯筐体５１を有している。

貯湯筐体５１は、正面に配置される貯湯正面板１１、右側面に配置される貯湯右側面板１２、左側面に配置される貯湯左側面板１３、背面に配置される貯湯背面板１４、天面に配置される貯湯天板１５、を有している。さらに、貯湯筐体５１は、貯湯器６１を指示するための４個の貯湯脚１６を有している。貯湯器６１は貯湯脚１６により、地面に設けられた基礎と接続されている。

図２に示すように燃料電池背面板４は、内部の構成部品を燃料電池背面板４に固定するための複数の締結部材５２が、外側から内側に向かって取り付けられている。

図２に示すように燃料電池背面板４は、燃料電池右側面板２及び燃料電池左側面板３の後辺と燃料電池天板５の後辺とからこの締結部材５２の突出長さよりも長い距離、内側に取り付けられている。このため、燃料電池背面板４と貯湯背面板１４とが向かい合った状態で近接して配置されることが可能となり、燃料電池システムの設置面積を非常に小さくすることができる。

次に図３を用いて本発明の実施の形態１における燃料電池６０及び貯湯器６１の内部構成を説明する。図３は同実施の形態の燃料電池６０及び貯湯器６１の外装板を取り外した内部の主な部品の構成を表す斜視図である。

燃料電池６０は、空気などをセルスタック２３及び燃料生成器２２に供給する酸化剤ガス供給部２１と、都市ガスなどの原料ガスから水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料生成器２２と、空気中の酸素と燃料ガス中の水素から電力を発生するセルスタック２３と、を有している。さらに、燃料電池６０は、少なくともセルスタック２３で発生する熱を回収する冷却水を貯める冷却水タンク２４と、空気、水および原料ガス中の不純物を取り除く浄化部２６と、燃料電池６０全体の制御を行うとともにセルスタック２３で発生する直流電力を交流電力に変換するインバータを有する回路部２７と、補機部２８などを有している。補機部２８は、例えば、燃料電池６０が動作するためのポンプや弁などがある。冷却水タンク２４と熱交換部３０と補機部２８の一部とが燃料電池背面板４に燃料電池本体外側から内側に向かって締結部材５２により固定されている。

なお、締結部材５２の取付方向の構成上、燃料電池６０と貯湯器６１とを隣接して設置させた後、これらの部品は着脱不可能となるが、締結部材の取付方向を燃料電池本体内側から外側に向かって取り付けることで、着脱自在に構成しても良い。

また、冷却水を介して燃料電池６０で発生する熱を回収するのは熱交換部３０である。燃料電池６０で発生した熱は最終的に貯湯タンク３１でお湯として貯蔵され、貯湯タンク３１のお湯は混合弁３２で適切な温度に調節されたのち利用される。

貯湯器６１は貯湯タンク３１と混合弁３２とより構成されるとともに、補助熱源機３３が設けられており、貯湯タンク３１の水温が低いときには、補助熱源機３３で加熱し、給湯などにお湯を使用する。

次に燃料電池６０の動作の概略を説明する。燃料電池６０は、外部よりメタンやプロパンなどの炭化水素系の原料ガスを導入する。本実施の形態においては、都市ガスである１３Ａガスが使用される。導入された原料ガスは、燃料生成器２２で触媒反応として（化１）で示される反応を起こすのであるが、本化学反応は吸熱反応であるため反応中、熱を与える必要がある。

（化１）に示す反応が発生すると、水素と二酸化炭素が生成されるのである。しかし、同時に（化２）に示す反応により一酸化炭素が発生する。この一酸化炭素は、（化３）に示されるような水性シフト反応により一酸化炭素の濃度が低減され、（化４）に示されるように一酸化炭素選択酸化反応により、例えば２０ｐｐｍ以下の微量となるまで除去される。セルスタック２３内の電極の被毒を抑制するためである。

このようにして原料ガスから生成した水素、二酸化炭素と水蒸気の他に、微量な一酸化炭素を含む燃料ガスはセルスタック２３の燃料極に送られる。一方、空気ブロワやコンプレッサーなどの酸化剤ガス供給部２１より、空気が浄化部２６の空気浄化部分に送られ、さらにセルスタック２３の空気極に送られる。

なお、本実施の形態では酸化剤ガス供給部２１から空気が浄化部２６に送られたが、浄化部２６を通った空気を酸化剤ガス供給部２１よりセルスタック２３に導いても良い。セルスタック２３では、送られてきた空気と水素により、（化５）に示す反応により、水を生成し、同時に熱と電気も発生させる。

電気は回路部２７で直流から交流に変換されたのち、燃料電池装置外でも電力として利用される。熱は冷却水タンク２４に保持されている冷却水がセルスタック２３を流れることによりセルスタック２３から持ち運ばれ、冷却水タンク２４に再び水は戻り循環する。

この循環する経路中に配置された熱交換部３０で貯湯タンク３１につながる水と熱交換されることにより、冷却水の温度はほぼ一定に保たれる。セルスタック２３で消費されなかった燃料ガスはオフガスとして燃料生成器２２のバーナー部分に流され燃焼される。燃焼により発生した熱は、（化１）の吸熱反応で必要とされる熱として有効に利用される。

本実施の形態では、燃料電池装置で発生する熱のうち、セルスタック２３で発生する熱のほか、セルスタック２３で使用されず排出される空気と燃料生成器２２のバーナーで発生した燃焼排ガスも熱交換部３０によって回収し、冷却水の温度上昇に使用した。

本実施の形態では燃料電池装置を動作させるポンプや熱交換機などの補機は補機部２８に収納してあるが、燃料電池装置を構成する燃料生成器２２やセルスタック２３などに関係する各補機を配置し、全体に分割しても良い。

燃料電池装置で発生した熱により加熱された冷却水と熱交換部３０で交換し、温度が上昇した水は貯湯タンク３１に貯められる。貯湯タンク３１の底部から水が取り出され、燃料電池装置と貯湯器の接続配管を介して、熱交換部３０に導かれる。

熱交換部３０で温度が上昇した水は、燃料電池６０と貯湯器６１との接続配管を介して、貯湯タンク３１の上部から水が戻される。つまり貯湯タンク３１の水は底部から取り出され、加熱された後、上部に戻ることになり、貯湯タンク３１の水温は、底部は低いが、上部は高温となり給湯などに利用できるのである。

本実施の形態では、貯湯タンク３１の上部には６０℃以上の水が溜まるように循環する水の量を調整することにしたが、４０℃以上１００℃未満であれば給湯に適する。家庭などで燃料電池発電装置のお湯を利用するときは、貯湯タンク３１の上部からの温度の高い水（つまりお湯）が混合弁３２に流れ込むようになる。

混合弁３２では利用者が要求した水の温度になるように、貯湯タンク３１からのお湯に外部から接続されている水道配管などの水を混合し、利用者の要求する温度にした後に、風呂や台所などの利用者の要求した場所で要求した温度の湯水が利用できる。

燃料電池６０の動作開始時や貯湯タンク３１に貯められているお湯の量を超えるお湯の
需要が有った場合には、貯湯タンク３１の上部であっても利用者の要求する温度のお湯を供給できない場合もある。このとき混合弁３２は必要により外部の水を混合した後、補助熱源機３３で加熱し利用者の要求温度にした後に利用される。

次に燃料電池６０及び貯湯器６１の設置について説明する。

本実施の形態では、燃料電池６０と貯湯器６１とを別々に搬入し、施工現場で燃料電池背面板４と貯湯器背面板１４とを向かい合わせで互いに近接して設置するものである。これによって、軽量化とコンパクト化が図れ、さらに設置面積を非常に小さいものにできる。また、燃料電池背面板４と貯湯器背面板１４との間の空気層により断熱効果が高められることから、燃料電池システムのエネルギー総合効率を高めることができる。

なお、本実施の形態では設置面積を小さくするために、燃料電池６０と貯湯器６１を共に縦に長い構成を取っている。設置面積を小さくするために、構成部品を上下に配置する。例えば、燃料電池装６０は、設置面積を少なくするために燃料生成器２２の上にセルスタック２３を配置し、セルスタック２３のさらに上に冷却水タンク２４を配置する構成としている。

セルスタック２３で使用されなかった燃料ガスは燃料生成器２２のバーナーで燃焼され熱として利用されるのであるが、セルスタック２３から排出される燃料ガスには多くの水分を含んでいる。

セルスタック２３よりも燃料生成器２２が上部にあると配管の途中で結露した水分が経路を閉塞させることが僅かな時間でも発生し、バーナーの火が消えてしまうなどのトラブルが発生する。セルスタック２３が燃料生成器２２の上部にあると、結露が発生しても、順次バーナー部分に送られるため、水分による閉塞などが無く、バーナー燃焼が安定して起こる。

また、冷却水は冷却水タンク２４に貯められ、セルスタック２３の内部を通り、熱交換されるのであるが、加熱等により気泡が発生することがある。経路内部で発生した気泡は水の流れまたは上部に移動するのであるが、セルスタック２３が上部に配置されると、冷却水経路で発生した気泡はセルスタック２３の冷却水経路にとどまり、水の流れを妨害するなどの問題が発生する。しかし、セルスタック２３よりも、冷却水タンク２４を上部にすることにより、気泡が容易に抜け、セルスタック２３の温度調整が精密にできるだけでなく、熱交換がスムースにおこなわれるので、排熱回収の高い燃料電池発電装置が実現できるのである。

本実施の形態によれば、燃料電池６０と貯湯器６１とは、個々に搬入することができるが、設置した後は隣接して一体になっているため、位置関係が現地の状況によらず決まっている。そのため、工場などの現場以外で作成した、あらかじめ接続に最適な形状の部材が使用できるため、容易に接続ができる。

また、本実施の形態では燃料電池背面板４は、燃料電池筐体５０の側面のうち、貯湯器向かい合わせになる面となる。したがって、図１において、燃料電池筐体５０の右側の側面板を貯湯右側面板１２と向かい合わせて設置する場合、燃料電池筐体５０の右側の側面板が燃料電池正面板１となる。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における燃料電池６０の斜視図であり、図５は同実施の形態の燃料電池６０を上から見た場合の断面図である。燃料電池６０の正面には燃料電池正
面板１が、右側面には燃料電池右側面板２が、左側面には燃料電池左側面板３が、背面には燃料電池背面板４が、天井には燃料電池天板５が設けられている。燃料電池６０は燃料電池脚８により、地面に設けられた基礎と接続されている。正面板１には上部通気口９と下部通気口１０が設けられている。この時、燃料電池の背面板４を覆う背面板カバー４１が、締結部材５２により着脱自在に固定されている。

設置場所の関係からやむを得ず燃料電池背面板４と貯湯背面板１４とを向かい合った状態で設置できない場合に、燃料電池背面板４を覆う背面板カバー４１を取り付ける。これにより、燃料電池背面板４と背面板カバー４１との間に空気層ができ、断熱効果が高まることから燃料電池装置の総合効率を高めることができる。また、外観に現れた締結部材、例えばビスの多くを見えなくすることができる為、外観デザイン性を高めることができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池のエネルギー総合効率を高めることができるので、固体高分子形燃料電池システムや固体酸化物形燃料電池システムなど、様々な定置用燃料電池システムに適用できる。

１ 燃料電池正面板
２ 燃料電池右側面板（燃料電池側面板）
３ 燃料電池左側面板（燃料電池側面板）
４ 燃料電池背面板
５ 燃料電池天板
６ 燃料電池脚
７ 燃料電池上部通気口
８ 燃料電池下部通気口
１１ 貯湯正面板
１２ 貯湯右側面板
１３ 貯湯左側面板
１４ 貯湯背面板
１５ 貯湯天板
１６ 貯湯脚
２１ 酸化剤ガス供給部
２２ 燃料生成器
２３ セルスタック
２４ 冷却水タンク
２６ 浄化部
２７ 回路部
２８ 補機部
３０ 熱交換部
３１ 貯湯タンク
３２ 混合弁
３３ 補助熱源機
４１ 背面板カバー
５０ 燃料電池筐体
５１ 貯湯筐体
６０ 燃料電池
６１ 貯湯器

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させる燃料電池と、
   前記燃料電池で発生する熱により暖められた湯を貯める貯湯器と、
   を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、構成部品を収納するとともに少なくとも燃料電池天板と燃料電池背面板と燃料電池側面板とを有する燃料電池筐体と、前記燃料電池背面板に突出して取り付けられるとともに構成部品を前記燃料電池背面板に固定するための締結部材と、を有し、
   前記貯湯器は、貯湯タンクを収納するとともに少なくとも貯湯背面板を有する貯湯器筐体を有し、
   前記燃料電池背面板は、前記燃料電池側面板の後辺と前記燃料電池天板の後辺とから、前記締結部材の突出長さより長い距離、前記燃料電池筐体の内側に取り付けられ、
   前記燃料電池と前記貯湯器とは、前記貯湯背面板と前記燃料電池背面板とが空気層を挟んで向かい合った状態で配置されるように構成されている、
   燃料電池システム。
2. 前記燃料電池背面板を覆う背面カバーが、前記燃料電池の背面に着脱自在に固定される、
   請求項１に記載の燃料電池システム。

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