JP2015050024A - 燃料電池発電システムおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型、軽量で省スペースな燃料電池発電システムを実現する。
【解決手段】実施形態によれば、燃料電池発電システムは、燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池と、燃料、空気又は水としての流体が流れる流路を内部に備え、流路を規定する内壁が樹脂で形成された樹脂モジュールとを備える。この燃料電池発電システムは、樹脂モジュールの流路の一部が切り欠かれて溝が形成され、機器が樹脂モジュールの溝に挿入された状態で、樹脂モジュール内部の流路と機器が有する流路とが接続される。
【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、燃料電池発電システムおよびその製造方法に関する。

燃料電池の一つとして固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell: PEFC）が知られている。固体高分子型燃料電池の電池セルは、燃料極としてのアノード側電極と、酸化剤極としてのカソード側電極と、これらのアノード側電極とカソード側電極とに挟まれた固体高分子電解質膜とを含んでいる。固体高分子型燃料電池は、上記電池セルをセパレータで挟持してなる積層物を複数枚積層して構成されている。

車載用の固体高分子型燃料電池の場合、機動性を重視するため、通常、燃料には純水素を使用し、酸化剤には空気を用いたシステムが多い。
ところが、定置用や家庭用の固体高分子型燃料電池の場合、インフラの問題から燃料には、メタン成分の多い都市ガスやプロパンガスを使用するシステムが求められる。この場合は、燃料を水素に改質するために、燃料に水蒸気を混合して水素を生成させる燃料処理器を用いる方法が一般的である。

いずれのシステムにおいても、アノード電極側に供給された水素がイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、カソード電極側の酸素と反応し、水を生成するとともに、外部に対して電気エネルギーが得られる。

ところで、固体高分子型燃料電池は、電気エネルギーを発生するとともに、約１００℃以下の排熱を生じる。これは、温度の高い電池温度から周囲温度への放熱分が熱として発生するからである。一方、燃料を水素に改質するための燃料処理器においても、通常、改質器等の改質反応の加熱に燃焼器を使うために、燃焼排ガスや燃料処理器外部からの排熱が生じる。

このような燃料電池が発電するときに発生する熱を利用すれば、電気エネルギーとのハイブリッド運転、すなわちコジェネレーション運転となるため、非常に経済的でエネルギー効率の高い、地球環境に優しい運転を実現できる。

近年、このような燃料電池発電システムを家庭に導入しようという開発が行われている。既に日本では実用化が始まっている。上記燃料電池発電システムは二酸化炭素の排出量が少なく、環境性や省エネ性の点で優れている。そのため、地球温暖化の防止を図れるエネルギーシステムとして脚光を浴びている。

この燃料電池発電システムは小型で設置面積が狭いほど、設置可能な場所が多くなるため、市場規模の拡大、省エネ機器の普及に繋がる。また、システムが小型、軽量であるほど、設置のための移動が容易になり、その商品性は向上する。

特開２０１２−１４６６２７号公報

したがって、燃料電池発電システムの普及を促進させるためには、発電効率や排熱効率のシステムの基本性能の向上のみならず、製造性を高めてコンパクト化を図れるようにすることが求められる。

この種の問題を解決するために、燃料電池発電システム内部の配管部を複数の樹脂モジュール配管で構成したものがある。ただ、現状の技術では、コンパクト化することの更なる課題として、樹脂モジュールに搭載する各種機器の出っ張りが生じているため、小型、軽量で省スペースな燃料電池発電システムが実現できていなかった。

本発明が解決しようとする課題は、小型、軽量で省スペースを実現する事が可能な燃料電池発電システムおよびその製造方法を提供することである。

実施形態によれば、燃料電池発電システムは、燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池と、燃料、空気又は水としての流体が流れる流路を内部に備え、流路を規定する内壁が樹脂で形成された樹脂モジュールとを備える。この燃料電池発電システムは、樹脂モジュールの流路の一部が切り欠かれて溝が形成され、機器が樹脂モジュールの溝に挿入された状態で、樹脂モジュール内部の流路と機器が有する流路とが接続される。

本発明によれば、小型、軽量で省スペースな燃料電池発電システムを実現する事ができる。

実施形態における燃料電池発電システムの基本システム構成図。 第１の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる樹脂ブロックモジュールの平面図。 第１の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる樹脂ブロックモジュールの正面図。 第１の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる取外し可能機器の構造図。 第１の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる取外し可能機器用固定蓋の構造図。 第１の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる取外し可能機器と樹脂ブロックモジュールの構成図。 従来の燃料電池発電システムに用いられる樹脂ブロックモジュールの平面図。 従来の燃料電池発電システムに用いられる樹脂ブロックモジュールの正面図。 第２の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる取外し可能機器の構造図。 第２の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる取外し可能機器と樹脂ブロックモジュールの構成図。 第３の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる取外し可能機器と樹脂ブロックモジュールの正面図。 第３の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる取外し可能機器と樹脂ブロックモジュールの平面図。 第３の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる取外し可能機器の樹脂ブロックモジュールの横断正面図。 第４の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる取外し可能機器と樹脂ブロックモジュールの構成図。 第４の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる取外し可能機器と樹脂ブロックモジュール及び固定板の構成図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、実施形態の燃料電池発電システムを示す概略構成図である。なお、本明細書で開示された燃料電池発電システムを構成する各構成要件は文脈が別段に明確に示すのでなければ、単数でも複数でも構わない。

実施形態の燃料電池発電システム１０１は、燃料改質装置をパッケージング内部に有する固体高分子型燃料電池発電システムであり、例えば、家庭用燃料電池発電システムに適用されるものである。以下の説明では、家庭用燃料電池発電システムを例にあげて説明するが、本実施形態の燃料電池発電システム１０１は、家庭用燃料電池発電システム以外の燃料電池発電システムにも適用可能である。

燃料電池発電システム１０１は、主に、燃料処理系（FPS；Fuel Processing System）と、電池本体（CSA；Cell Stack Assembly）１０２とから構成される。
上記燃料処理系は、燃料１０３、脱硫器１０４、水蒸気発生器１０５、改質器１０６、ＣＯシフト反応器１０７、ＣＯ選択酸化器１０８、水蒸気分離器１０９、改質用燃焼器１１０、改質用水ポンプ１１１、排熱熱交換器１１２ａ，１１２ｂ、燃料用の流量計６１、及びタンク１８０を備えている。改質用燃焼器１１０は改質器１０６に設けられている。燃料１０３は、例えば、都市ガスやプロパン等の炭化水素系燃料である。

一方、電池本体１０２は、アノード極１１３、カソード極１１４を備えている。アノード極１１３とカソード極１１４とは、固体高分子電解質膜を挟んで設けられる。電池本体１０２は、燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池を含んでいる。また、電池本体１０２には、電池本体１０２を冷却するための冷却流路１７０が形成されている。

固体高分子型燃料電池発電システムの発電原理を簡単に説明する。
燃料に都市ガスを使用する場合、都市ガスから水素ガスへの改質は、上記燃料処理系で行われる。燃料１０３としての都市ガスは脱硫器１０４を通過する。このとき、脱硫器１０４の内部で、例えば、活性炭やゼオライト吸着等によって、都市ガス中の硫黄分が取り除かれる。脱硫器１０４を通過した都市ガスは改質器６を通過する。

一方、タンク１８０からフィルタ１３０を介して改質用水ポンプ１１１により供給された純水は、水蒸気発生器１０５で加熱されてガス化する。水蒸気発生器１０５から水蒸気分離器１０９に送られた気体から水蒸気のみが抽出され、水蒸気流量調節弁１２７を通過して、脱硫済の燃料ガスに合流する。水蒸気分離器１０９で分離された液体の水は、弁１８３を介してタンク１８０に送られる。改質器１０６の排気は、水蒸気発生器１０５に送られて水を加熱した後、タンク１８０に併設された排熱熱交換器１１２ａに送られ、その後排気される。

改質器１０６では、触媒により都市ガスと水蒸気との反応から水素が生成するが、同時にＣＯの生成も行われる。この水蒸気改質は吸熱反応のため、改質器１０６には改質用燃焼器１１０が含まれている。すなわち、改質用燃焼器１１０によって改質器１０６の内部は加熱されており、吸熱反応としての水蒸気改質反応が維持されている。

固体高分子型燃料電池は、電池本体１０２の電解質膜及び触媒層から構成されるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）でのＣＯ被毒が問題となるため、ＣＯはＣＯ₂ へ酸化させる必要がある。このため、ＣＯシフト反応器１０７ではＨ₂ Ｏによるシフト反応を進める必要がある。また、ＣＯ選択酸化用空気ブロア１１８の空気供給により、ＣＯ選択酸化器１０８では、触媒によりＣＯ被毒が発生しない程度に、酸化反応を進める必要がある。

また、簡単化のため図示しなかったが、改質器１０６を含めたこれらの触媒反応温度はそれぞれ異なり、改質器１０６の数百度からＣＯ選択酸化器１０８の百数十度と、改質ガスの上流と下流との温度差が大きいため、下流側温度を下げるための熱交換器を設けても構わない。

次に、各触媒での主なプロセス反応を以下に示す。
メタン成分が主体の都市ガス改質の場合、水蒸気改質反応は（１）式、ＣＯシフト反応は（２）式、ＣＯ選択酸化反応は（３）式のようになる。
ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ …式（１）
ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋Ｈ₂ …式（２）
２ＣＯ＋Ｏ₂ →２ＣＯ₂ …式（３）
ＣＯ選択酸化器１０８を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸ガス及び余った水蒸気等を含んでいる。これらのガスはアノード極１１３に送り込まれる。
アノード極１１３に送り込まれた水素ガスは、ＭＥＡの触媒層を経てプロトンＨ⁺ が電解質膜を通過し、カソード極用空気ブロア１１５によってカソード極１１４を通過する空気中の酸素及び電子と結びついて水が生成される。

したがって、アノード極１１３は−極、カソード極１１４は＋極となり、電位を持って直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷が接続されれば、本システムは電源としての機能を持つことになる。

発電に使われずに残ったアノード極１１３の出口ガスは、水蒸気発生器１０５及び改質器１０６の加熱用燃料ガスとして使われる。また、カソード極１１４の出口中の水蒸気及び燃焼排気ガス中の水蒸気は、排熱熱交換器１１２ａにより水分を回収し、システムでの水自立を図る。

一方、電池本体１０２の排熱は、冷却流路１７０を通過する電池冷却水ポンプ１２９の循環ラインに配置された排熱熱交換器１１２ｂによって熱回収される。
温水循環ポンプ１３３の運転により、排熱熱交換器１１２ａ及び１１２ｂで熱交換して暖められた温水は、蓄熱装置１３６内の貯湯槽１３８に蓄熱され、給湯やお風呂の温水として使われる。貯湯槽１３８には、必要に応じて水道管１８４を介して水道水が供給される。

貯湯槽１３８の熱が使われずに、タンク１８０の下部まで高温の温水が貯まった状態では、燃料電池発電システム１０１に戻る循環水温度が上昇する。その場合、温水が使われるまでシステムの運転を停止するか、若しくは、放熱器１３７を通じて大気に放熱するようにする。

続いて、本実施形態の燃料電池発電システムの起動時の運転方法について説明する。

運転起動の指令が始まると、燃焼空気切替弁１２５が開いた状態で燃焼用空気ブロア１２６が起動し、改質器１０６内の燃焼室を空気パージする。この場合、燃焼用空気は燃焼用空気ブロア１２６より、起動燃料の予混合空気としてだけでなく、拡散空気としても燃焼室内に供給される。空気パージが完了すると、起動燃料の着火のための例えば点火プラグからの火花を燃焼室内で発生させる。

メイン燃料遮断弁２２を閉じ、脱気用遮断弁１２３を開いた状態で、燃料入口遮断弁１２０及び起動用燃料遮断弁２１を開くと、燃料入口遮断弁１２０及び起動用燃料遮断弁２１を通過した起動燃料が、燃料昇圧ブロア１３１で昇圧され、燃焼室内で着火されることにより、火炎が形成される。脱硫器１０４から燃料昇圧ブロア１３１に送られる燃料の流量は、燃料用の流量計６１で計測される。

燃焼室内で使用されるバーナは、起動用と発電用とを兼ねた一体型バーナである。メタン主体の起動燃料は発電時のオフガス燃料としての水素主体の燃料より燃焼速度が遅く、吹き消えし易い。そのため、本実施形態では、予混合燃焼させて燃焼性を向上させる。

燃焼が継続し、燃焼ガスの加熱によって改質器１０６や、図示はしていないが電気ヒータ等で加熱されたＣＯシフト反応器１０７、ＣＯ選択酸化器１０８、水蒸気分離器１０９等が所定の温度になると、改質用水ポンプ１１１により水蒸気分離器１０９に供給された改質水はそこで蒸気となり、水蒸気流量調節弁１２７が開き、燃料改質ラインに供給された後、同時にメイン燃料遮断弁２２が開いて供給される燃料と共に、燃料処理系内に供給され改質反応が始まる。このタイミングで、起動用燃料遮断弁２１、脱気用遮断弁１２３及び燃焼空気切替弁１２５は閉じる。

改質反応が始まった後、ＣＯ選択酸化用空気ブロア１１８の空気で酸化され、ＣＯ選択酸化器１０８の出口から出た改質ガスは、主として水素、炭酸ガス、水蒸気等の成分からなり、電池本体１０２のアノード極１１３に供給される。

アノード極１１３の出口から出るオフガスは、オフガス逆止弁１２４を通過した後、改質用燃焼器１１０に供給される。改質用燃焼器１１０に供給されたオフガス燃料は着火して、メイン燃料用空気と安定した拡散燃焼を開始する。

その後、カソード極用空気ブロア１１５から電池本体１０２のカソード極１１４に空気が供給され、インバータ（図示せず）が起動すると、燃料電池発電システム１０１の発電が開始する。発電に寄与しないまま残ったアノード極１１３の出口から出るオフガスは、改質用燃焼器１１０に供給され続ける。

本実施形態の燃料電池発電システム１０１は、樹脂ブロックモジュール（単に「樹脂モジュール」ともいう。）を具備している。この樹脂ブロックモジュールは内部に流体（燃料、空気又は水）が流れる流路（配管など）を備えている。この流路を規定する内壁は樹脂で形成されている。このような樹脂ブロックモジュールは、例えば、樹脂成形を用いて形成される。

本実施形態では、図１において破線で囲まれた部分を樹脂ブロックモジュール（樹脂モジュール）４０としている。図２に、本実施形態における燃料電池発電システムに用いられる樹脂ブロックモジュール４０の平面図（設置時の正面図）を示す。また、図３に、本実施形態における燃料電池発電システムに用いられる樹脂ブロックモジュール４０の正面図を示す。
本実施形態の樹脂ブロックモジュール４０は、起動用燃料遮断弁（電磁弁）２１、メイン燃料遮断弁（電磁弁）２２及び燃料用の流量計６１を搭載（設置）している。

また、樹脂ブロックモジュール４０は、図２，図３に示すように、樹脂で成形された樹脂配管部（流路体）４９，５０，５４を備え、さらに、図２に示すように、樹脂配管部（流路体）５０をシールするための燃料流量計用の台形型Ｏ（オー）リング６２、長方形型のＯリング６３を備えている。

また、樹脂ブロックモジュール４０は、樹脂配管部（流路体）５４をシールするための遮断弁用Ｏリング（大）４３及び遮断弁用Ｏリング（小）４４を備えている。各Ｏリングを介して樹脂ブロックモジュール４０と各機器２１，２２，６１とは図示しないネジにより固定される。

さらに、樹脂ブロックモジュール４０の外部には、図２に示すように、例えば、中継コネクタ基板（子基板）４５や、熱交、空気フィルタの他機器を止める複数の支持部４６がある。

中継コネクタ基板４５とは、回転機等の電力を必要とする機器の配線、例えば、燃料昇圧ブロア１３１用の電力及び制御信号の中継線を繋ぐための基板を意味している。
なお、樹脂ブロックモジュール４０のパッケージング内部への設置は例えば脚部４７にねじ止めするがこれに限ったものではない。

燃料入口遮断弁１２０が開き、脱硫器１０４を通過した燃料は、燃料流量計入口接続部４８から樹脂配管部４９を介して樹脂ブロックモジュール４０の内部に供給される。なお、燃料入口遮断弁１２０は実際には２連の遮断弁であるが、図では簡略化して一つの弁として示してある。

燃料は燃料用の流量計６１を通過した後、樹脂配管部５０に入り、そして、燃料は樹脂配管部５０と比較して断面積が大きいバッファタンク部（バッファ部）５１を経てバッファタンク出口接続部（出口接続部）５２から一旦樹脂ブロックモジュール４０の外部に出る。
燃料は、燃料昇圧ブロア１３１を介して、燃料遮断弁入口接続部（入口接続部）５３から再び樹脂ブロックモジュール４０の内部に供給される。

各燃料は樹脂配管部５４で分岐後、起動用燃料遮断弁２１、メイン燃料遮断弁２２に入り、各遮断弁の開閉制御により流れが決定され、起動時は起動用燃料遮断弁出口接続部（出口接続部）５５、定常時はメイン燃料遮断弁出口接続部（出口接続部）５６から樹脂ブロックモジュール４０の外部の接続配管（図示せず）に導かれる。

ここで、第１の実施形態で用いる燃料用の流量計６１を樹脂ブロックモジュール４０へ接続する方法としての台形型コンテナ埋め込み方式の詳細を説明する。
図４は、第１の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる取外し可能機器の構造図である。図５は、第１の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる取外し可能機器用固定蓋の構造図である。図６は、第１の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる取外し可能機器と樹脂ブロックモジュールの構成図である。
この例では、流量計６１として台形型コンテナ流量計６１ａを用いる。図４には台形型コンテナ流量計６１ａの正面断面図を示す。図５には流量計用固定蓋６４の正面断面図を示す。この流量計用固定蓋６４は、樹脂ブロックモジュール４０に台形型コンテナ流量計６１ａをシールして固定するための蓋である。図６には、樹脂ブロックモジュール４０に台形型コンテナ流量計６１ａを埋め込んだ状態の正面断面図を示す。

図４に示した台形型コンテナ流量計６１ａは、長手方向（流体の流動方向）に直交する横断面が上辺が長い台形型をなしている。台形型コンテナ流量計６１ａの長手方向に沿った外周面のほぼ中央部には台形型Ｏリング６２が設けられる。

図６で示すように、樹脂ブロックモジュール４０内の流路は途中で切欠かれている。この切欠かれた部分が台形型コンテナ流量計６１ａの全体を挿入するための溝をなしており、流路が切欠かれてなる２か所の端部が溝の内部に露出している。この溝の長手方向の長さは台形型コンテナ流量計６１ａの長手方向の長さと等しい。また、この溝の横断面の形状は、台形型コンテナ流量計６１ａを挿入できる様に同じ台形型をなしている。

台形型コンテナ流量計６１ａが樹脂ブロックモジュール４０の溝に挿入されると、樹脂ブロックモジュール４０の樹脂配管部の流路４９，５０（図２参照）は台形型コンテナ流量計６１ａ内の流路６５（図６参照）と接続されて、台形型Ｏリング６２の下部および側部が押圧される。

これらの接続された流路は台形型Ｏリング６２における押圧された部分によりシールされる。樹脂ブロックモジュール４０に台形型コンテナ流量計６１ａが挿入された状態では、樹脂ブロックモジュール４０からの出っ張りは生じない。

本実施形態では、台形型コンテナ流量計６１ａ内の流路の長手方向に直交する横断面が上辺が長い台形型をなしているため、台形型コンテナ流量計６１ａを樹脂ブロックモジュール４０へ挿入する事は、この横断面が例えば長方形型であるときと比較して容易になる。

また、前述のように流量計の横断面の形が台形型であれば、台形型コンテナ流量計６１ａを樹脂ブロックモジュール４０へ挿入した際の台形型コンテナ流量計６１ａの壁面と樹脂ブロックモジュール４０の壁面との間のシールは容易となる。この理由は、この台形型コンテナ流量計６１ａを樹脂ブロックモジュール４０へ挿入した際の台形型Ｏリング６２の傾斜部分への押圧は水平方向および垂直方向の双方に生じ、押圧の方向が例えば垂直方向のみであるときと比較して十分なシール効果が得られるからである。この様にして、樹脂ブロックモジュール４０内の流路に流れる流体の内部漏れを防ぐことが出来る。

また、樹脂ブロックモジュール４０内の流路に流れる流体の外部漏れに関しては、図５に示す流量計用固定蓋６４および長方形型Ｏリング６３によって防ぐ事が出来る。
流量計用固定蓋６４は長方形型をなしている。この流量計用固定蓋６４の一面の内周には長方形型Ｏリング６３が配置される。流量計用固定蓋６４における長方形型Ｏリング６３の外周側には、流量計用固定蓋６４を樹脂ブロックモジュール４０へ固定するための４ヶ所のねじ部７１ａが設けられる。

流量計用固定蓋６４を樹脂ブロックモジュール４０へ固定するには、台形型コンテナ流量計６１ａを樹脂ブロックモジュール４０へ挿入した状態で、台形型コンテナ流量計６１ａに流量計用固定蓋６４を被せるように配置して、ねじをねじ部７１ａから樹脂ブロックモジュール４０へねじ込む。この流量計用固定蓋６４は、台形型コンテナ流量計６１ａの上面全体を覆い、かつ長方形型Ｏリング６３が台形型コンテナ流量計６１ａの上面に接触するように配置される。

このような固定を行う事で、流量計用固定蓋６４の長手方向のほぼ中央部に台形型Ｏリング６２の上部が接触して、この接触部分が流量計用固定蓋６４により押圧される。また、台形型コンテナ流量計６１ａを樹脂ブロックモジュール４０へ挿入した状態では、台形型コンテナ流量計６１ａの外周部分を長方形型Ｏリング６３が取り囲んだ状態となる。この長方形型Ｏリング６３は、固定された流量計用固定蓋６４により台形型コンテナ流量計６１ａの上面との間で押圧される。この様にして、樹脂配管部５０及び台形型コンテナ流量計６１ｂの流路６５からの外部への流体の漏れを完全に防止することが出来る。

なお、台形型Ｏリング６２用の溝は例えば台形型コンテナ流量計６１ａの面に設けられ、長方形型Ｏリング６３用の溝は例えば流量計用固定蓋６４の面に設けられる。しかし、台形型Ｏリング６２用の溝や長方形型Ｏリング６３用の溝は各Ｏリングが接触する樹脂ブロックモジュール４０側の面に設けられていても良い。

また、本実施形態では台形型Ｏリング６２を設ける位置を台形型コンテナ流量計６１ａの長手方向のほぼ中央としているが、台形型Ｏリング６２を設ける位置を境とする台形型コンテナ流量計６１ａの左右部分の長さが若干異なっても構わない。むしろ、長さを異ならせて、流体流れ方向との関係を予め把握しておけば、台形型コンテナ流量計６１ａを樹脂ブロックモジュール４０へ挿入する際の台形型コンテナ流量計６１ａにかかる流体流れ方向を間違えるリスクを解消することが出来るメリットがある。

従来の燃料電池発電システムに搭載する樹脂ブロックモジュールを図７及び図８に示す。図７は従来の燃料電池発電システムに用いられる樹脂ブロックモジュールの平面図である。図８は従来の燃料電池発電システムに用いられる樹脂ブロックモジュールの正面図である。
従来の樹脂ブロックモジュール１４０は、図７，図８に示すように、樹脂で成形された樹脂配管部１４９，１５０，１５４を備え、さらに、図７に示すように、樹脂配管部１４９，１５０をそれぞれシールするための燃料流量計用Ｏリング１４２を備えている。また、樹脂ブロックモジュール１４０は、樹脂配管部（流路体）１５４をシールするための遮断弁用Ｏリング（大）１４３及び遮断弁用Ｏリング（小）１４４を備えている。各Ｏリングを介して樹脂ブロックモジュール１４０と各機器１２１，１２２，１４１とは図示しないネジにより固定される。

さらに、樹脂ブロックモジュール１４０の外部には、図７に示すように、例えば、中継コネクタ基板１４５や、熱交、空気フィルタの他機器を止める複数の支持部１４６がある。

中継コネクタ基板１４５とは、回転機等の電力を必要とする機器の配線、例えば、燃料昇圧ブロア１３１用の電力及び制御信号の中継線を繋ぐための基板を意味している。
なお、樹脂ブロックモジュール１４０のパッケージング内部への設置は例えば脚部１４７にねじ止めするがこれに限ったものではない。

従来の樹脂ブロックモジュール１４０に対して設けられる流量計１４１はＬ型のフランジ（つば）を経て、樹脂ブロックモジュール１４０の上部にＯリング接続シールされて、図８に示すように、樹脂ブロックモジュール１４０から出っ張るように搭載された構成となっている。このため、図７に示した従来の樹脂ブロックモジュール１４０内の流量計１４１の流路は樹脂配管部１５０に対して直線的では無い。

これに対し、本実施形態では、図４ないし図６に示すように、台形型コンテナ流量計６１ａを樹脂ブロックモジュール４０の溝に挿入して取り付けているので、台形型コンテナ流量計６１ａの流路６５は図２に示すように樹脂配管部５０に対して直線的である。

したがって、本実施形態における燃料電池発電システムに搭載する樹脂ブロックモジュール４０は、燃料電池発電システムに搭載する従来の樹脂ブロックモジュール１４０に比べて全体の容積を小さくすることが出来るため、システム全体を軽量、コンパクト化出来る。
これにより、システムの据付性を大幅に向上させることができるので、ＣＯ₂を削減して地球環境に優しい燃料電池発電システムを数多く提供することが出来る。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態における家庭用燃料電池発電システムの構成のうち第１の実施形態で説明した同一部分の説明は省略する。
次に、樹脂ブロックモジュール４０に対する流量計の接続方法としての楕円型Ｏリング傾斜接続方式を図９〜図１０を用いて詳細に説明する。
本実施形態では、流量計として楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂを用いる。
図９は、第２の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの正面断面図である。図１０は、第２の実施形態における燃料電池発電システムに用いられる樹脂ブロックモジュール４０の溝に楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂを埋め込んだ状態の正面断面図である。

図９に示すように、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの上部における、流路からみて外側の４隅には取付鍔６８が設けられ、それぞれが楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの上部における短手方向に突出する。図９，図１０に示すように、樹脂ブロックモジュール４０には、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂを取付鍔６８を含めて挿入するための溝が設けられている。この溝は、樹脂ブロックモジュール４０の流路の一部を切欠くように設けられる。

樹脂ブロックモジュール４０に楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂを挿入した状態では、図１０に示すように樹脂ブロックモジュール４０の流路と楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの流路７０とが連結され、図９に示すように樹脂ブロックモジュール４０からの楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの出っ張りは生じない。

また、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂにおける樹脂ブロックモジュール４０内の流路との接続面の長手方向の一端部と他端部は、図１０に示すようにそれぞれ傾斜して傾斜接続面６６をなしている。この傾斜接続面６６には図１０に示すように楕円型Ｏリング６７が取り付けられ、楕円型Ｏリング６７の内側は流路となっている。この傾斜接続面に取り付けた楕円型Ｏリング６７で形成される楕円の長軸は、図１０に示すように垂直または水平方向に対して例えば４５度傾斜している。

また、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの上部における４ヶ所の取付鍔６８における中央には、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂを樹脂ブロックモジュール４０に固定するための楕円型Ｏリング傾斜流量計固定用の第１ねじ部７１ｂが設けられる。

図１０に示すように、樹脂ブロックモジュール４０における楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂとの接続面６９は、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの傾斜接続面６６の傾斜角度と同じ角度で傾斜しており、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの傾斜接続面と同寸法の楕円型をなしている。楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの流路７０は、互いの傾斜した接続面同士を密着させることで楕円型Ｏリング６７が押圧されてシールされる。楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの樹脂ブロックモジュール４０との固定は４ヶ所の楕円型Ｏリング傾斜流量計固定用の第１ねじ部７１ｂで行う。この固定により、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの取付鍔６８は、図１０に示すように樹脂ブロックモジュール４０における前述した接続面の上部に位置するので、樹脂ブロックモジュール４０は図１０に示すように楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの上部でネジ止めされる。

この取付け方法により、傾斜接続面の楕円型Ｏリング６７が押圧され、密着、シールされる。このように、傾斜接続面の楕円型Ｏリング６７を押圧すると、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂを樹脂ブロックモジュール４０へ挿入した際の楕円型Ｏリング６７への押圧方向は水平方向および垂直方向の双方に生じ、十分なシール効果が得られる。このため、流体が流れる部分の内部リーク及び外部リークを防ぐことが出来る。加えて、第１の実施形態の様に、樹脂ブロックモジュール４０へ挿入した流量計に被せる蓋６４やこの蓋６４用の長方形型Ｏリング６３を用いなくともシールを行うことができる。

なお、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの傾斜接続面６６及び樹脂ブロックモジュール４０の傾斜接続面６９のそれぞれの角度については、傾斜接続面同士の密着性を考慮すると樹脂ブロックモジュール４０の底面に対して浅い方が望ましいと思われる。しかしこの角度が浅いと楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの長手方向の長さが延びてしまう為に楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの容積が大きくなり、ひいては樹脂ブロックモジュール４０の容積が大きくなってしまう。このため、本実施形態においてはそれぞれの傾斜接続面の角度を４５度としている。このように傾斜接続面の角度を４５度とすると、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂを樹脂ブロックモジュール４０へ挿入した際の楕円型Ｏリング６７への押圧方向は水平方向および垂直方向の双方に均等に生ずるので、水平方向および垂直方向の双方に対する適切なシール効果を得ることができる。

また、４ヶ所の楕円型Ｏリング傾斜流量計固定用の第１ねじ部７１ｂは、その垂直線が楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂと樹脂ブロックモジュール４０との接続部中心高さと交差する位置に設けることで、ねじ止めにより楕円型Ｏリング６７に加わる押圧が楕円型Ｏリング６７の各部に均等に加わるようにして、十分なシール効果が得られるようにしている。但し、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂを樹脂ブロックモジュール４０に挿入した際の双方の密着性が確保出来るのであれば、前述した傾斜接続面の角度やねじ部７１ｂの位置は特に限定されない。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態は、第２の実施形態を変形したものである。
この第３の実施形態における楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの樹脂ブロックモジュール４０への接続方法の原理は第２の実施形態と同じであるが、これらの固定方法や傾斜接続面の傾斜角度が第２の実施形態と異なる。

図１１は、第３の実施形態における楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂを樹脂ブロックモジュール４０へ接続した状態の正面図である。図１２は、第３の実施形態における楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂを樹脂ブロックモジュール４０へ接続した状態の平面図である。図１３は、第３の実施形態における楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂを樹脂ブロックモジュール４０へ接続した状態の横断正面図である。この図１３は、図１２に示した流動方向に沿ったＡ−Ａ線の部分の横断正面図である。

楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂにおける樹脂ブロックモジュール４０との傾斜接続面の近傍には、図１２に示すように短手方向の両端部のそれぞれに計２ヶ所の角型の鍔６１ｂ２が設けられる。これらの鍔６１ｂ２は楕円型Ｏリング傾斜流量計固定用の第２ねじ部７１ｃを有する。

樹脂ブロックモジュール４０における傾斜接続面の近傍には、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂにおける前述した鍔を挿入するためお窪みが設けられる。楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂの角型の鍔６１ｂ２は樹脂ブロックモジュール４０の窪みに挿入され、第２ねじ部７１ｃを用いてねじ止めにより固定される。これにより楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂと樹脂ブロックモジュール４０との固定を行う。この固定により、樹脂ブロックモジュール４０内の流路と楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂ内の流路とが楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂ側の楕円型Ｏリング６７を介して接続される。

このため、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂにおける楕円型Ｏリング６７が設けられた面は樹脂ブロックモジュール４０に対して確実に固定される。楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂと樹脂ブロックモジュール４０との傾斜接続面の傾斜角は図１３に示した例では４５度以上であるが、特に限定されない。

このように、第３の実施形態では、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂに設けた鍔６１ｂ２は、樹脂ブロックモジュール４０の窪みに挿入されて、ねじ部７１ｃを用いてねじ止めにより固定される。したがって、楕円型Ｏリング傾斜流量計６１ｂと樹脂ブロックモジュール４０との固定の精度が向上させる事が出来る。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。
図１４及び図１５に第４の実施形態を示す。
第４の実施形態では、樹脂ブロックモジュール４０に取り付ける流量計としてＬ字型流量計６１ｃを用いる。
図１４は、樹脂ブロックモジュール４０へのＬ字型流量計６１ｃの挿入方法を示す図である。
図１４に示すように、樹脂ブロックモジュール４０には、窪んだ挿入スペース（溝）が設けられる。この挿入スペースは、樹脂ブロックモジュール４０の流路の一部が切欠かれて設けられたスペースである。切欠かれた流路の２か所の端部は共に挿入スペースの内部の一面に連なって所定の間隔をなす。これらの端部はＬ字型流量計６１ｃの流路との接続面となる。これらの接続面は挿入スペースの内部の前述した一面から所定の高さを有する突起として挿入スペースの内部に露出する。

樹脂ブロックモジュール４０内の挿入スペースの前述した一面に対向する面には、Ｌ字型流量計６１ｃを挿入した際にフランジのそれぞれを支持するための突起部が設けられる。

また、Ｌ字型流量計６１ｃは、両端にＬ字型のフランジ（つば）６１ｃ２が設けられてなり、これらフランジ６１ｃ２を含めたＬ字型流量計６１ｃの全体はコの字状をなす。Ｌ字型流量計６１ｃにおけるフランジでない部分をＬ字型流量計６１ｃの本体と呼ぶ。以下、Ｌ字型流量計６１ｃの一端に設けられるフランジ６１ｃ２を第１のフランジと呼び、Ｌ字型流量計６１ｃの他端に設けられるフランジ６１ｃ２を第２のフランジと呼ぶ。

Ｌ字型流量計６１ｃの本体及びフランジ内には流路が設けられ、第１のフランジの流路の一端はＬ字型流量計６１ｃの本体内の流路の一端に連なる。第２のフランジの流路の一端はＬ字型流量計６１ｃの本体内の流路の他端に連なる。

第１および第２のフランジの流路の他端は、樹脂ブロックモジュール４０における流路との接続面となる。第１および第２のフランジにおける接続面は同じ方向を向き、この方向は、Ｌ字型流量計６１ｃの本体内の流路における流動方向に直交した方向である。これらの接続面にはＯリングが取り付けられる。このＯリングは樹脂ブロックモジュール４０側の接続面に取り付けても良い。

本実施形態では、Ｌ字型流量計６１ｃを樹脂ブロックモジュール４０の窪んだ挿入スペースに対して回転するように挿入することで、各フランジ内の流路の他端としての接続面のそれぞれが樹脂ブロックモジュール４０における流路の２か所の接続面のそれぞれに対してＯリングを介して１対１で接続可能な構造としている。

この接続により、樹脂ブロックモジュール４０内の第１の流路、Ｌ字型流量計６１ｃの第１のフランジ内の流路、Ｌ字型流量計６１ｃの本体内の流路、Ｌ字型流量計６１ｃの第２のフランジ内の流路、樹脂ブロックモジュール４０内の第２の流路の順で一本の流路が形成される。

図１５は、樹脂ブロックモジュール４０へ挿入したＬ字型流量計６１ｃの固定方法を示す図である。
本実施形態では、図１５に示すように、Ｌ字型流量計６１ｃには、圧着用つば部７２を有する固定板７３が設けられる。この固定板７３を設ける理由は、樹脂ブロックモジュール４０内の挿入スペースへ挿入したＬ字型流量計６１ｃが樹脂ブロックモジュール４０に密着して固定出来るようにするためである。この固定板７３における長手方向の両端部には固定板用ねじ部７１ｄが設けられる。

図１５の右図は、図１５の左図に示した、固定板７３の長手方向に沿ったＡ−Ａ線の部分の横断正面図である。固定板７３の圧着用つば部７２は、前述した挿入を行った際にＬ字型流量計６１ｃと樹脂ブロックモジュール４０との間に生じた隙間を埋めるためのつばである。圧着用つば部７２は、Ｌ字型流量計６１ｃが樹脂ブロックモジュール４０に挿入した際に樹脂ブロックモジュール４０の挿入スペースの開口面から底面に向かうように固定板７３の一面に取り付けられる。

Ｌ字型流量計６１ｃを樹脂ブロックモジュール４０に挿入した状態で、固定板７３をＬ字型流量計６１ｃに被せて、この固定板７３を固定板用ねじ部７１ｄを用いてネジ止め固定すると、前述したフランジにおける接続面のＯリングが押圧される。この押圧により、Ｌ字型流量計６１ｃのフランジの内部の流路と樹脂ブロックモジュール４０の内部の流路とがシールされる。
このように、第４の実施形態では、樹脂ブロックモジュール４０で切欠かれた流路同士が向かい合っていなくとも、他の実施形態で得た効果を得ることができる。

以上説明した第１〜第４の実施形態によれば、従来の家庭用燃料電池発電システムに搭載する樹脂ブロックモジュールに比べて、システム全体の容積を小さくすることが出来るため、システム全体の軽量化およびコンパクト化が実現出来る。

したがって、各実施形態の構成によれば、コンパクト化した樹脂ブロックモジュールの採用により、大幅に製造性とコンパクト性を高めた燃料電池発電システムの設置が可能となり、省スペース、省エネで経済性が大きくイニシャルコストを極力抑えた家庭用燃料電池発電システムを提供することが出来る。

また、各実施形態では、流量計を樹脂ブロックモジュール４０に挿入して、この流量計の流路と樹脂ブロックモジュール４０の流路とを接続する事について説明した。しかし、これに限らず、例えば、起動用燃料遮断弁（電磁弁）２１やメイン燃料遮断弁（電磁弁）２２を樹脂ブロックモジュール４０に挿入して、この遮断弁の流路と樹脂ブロックモジュールの流路とを接続する事としても良い。また、樹脂ブロックモジュール４０の流路とを接続する機器は、この樹脂ブロックモジュール４０の流路と接続するための流路を有する機器であれば特に限定されない。

発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２１，１２１…起動用燃料遮断弁（電磁弁）、２２，１２２…メイン燃料遮断弁（電磁弁）、４０…樹脂ブロックモジュール（樹脂モジュール）、４３…遮断弁用Ｏリング（大）、４４…遮断弁用Ｏリング（小）、４５…中継コネクタ基板（子基板）、４６…支持部、４７…脚部、４８…燃料流量計入口接続部（入口接続部）、１４９，１５０，１５４…樹脂配管部（流路体）、５１…バッファタンク部（バッファ部）、５２…バッファタンク出口接続部（出口接続部）、５３…燃料遮断弁入口接続部（入口接続部）、５５…起動用燃料遮断弁出口接続部（出口接続部）、５６…メイン燃料遮断弁出口接続部（出口接続部）、６１…流量計、６１ａ…台形型コンテナ流量計、６１ｂ…楕円型Ｏリング傾斜流量計、６１ｃ…Ｌ字型コンテナ流量計、６２…台形型Ｏリング、６３…長方形型Ｏリング、６４…流量計用固定蓋、６５…台形型流量計の流路、６６…楕円型Ｏリング傾斜流量計の傾斜接続面、６７…楕円型Ｏリング、６８…取付鍔、６９…樹脂ブロックモジュールの傾斜接続面、７０…楕円型Ｏリング傾斜流量計の流路、７１…ねじ部、７１ａ…台形型コンテナ流量計固定用ねじ部、７１ｂ…楕円型Ｏリング傾斜流量計固定用の第１ねじ部、７１ｃ…楕円型Ｏリング傾斜流量計固定用の第２ねじ部、７１ｄ…固定板用ねじ部、７２…圧着用つば部、７３…固定板、１０１…燃料電池発電システム、１０２…電池本体、１０３…燃料供給源、１０４…脱硫器、１０５…水蒸気発生器、１０６…改質器、１０７…ＣＯシフト反応器、１０８…ＣＯ選択酸化器、１０９…水蒸気分離器、１１０…改質用燃焼器、１１１…改質用水ポンプ、１１２ａ，１１２ｂ…排熱熱交換器、１１３…アノード極、１１４…カソード極、１１５…カソード極用空気ブロア、１１８…ＣＯ選択酸化用空気ブロア、１２０…燃料入口遮断弁、１２３…脱気用遮断弁、１２４…オフガス逆止弁、１２５…燃焼空気切替弁、１２６…燃焼用空気ブロア、１２７…水蒸気流量調節弁、１２９…電池冷却水ポンプ、１３０…フィルタ、１３１…燃料昇圧ブロア、１３３…温水循環ポンプ、１３６…蓄熱装置、１３７…放熱器、１３８…貯湯槽。

Claims (12)

1. 燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池と、
   前記燃料、空気又は水としての流体が流れる流路を内部に備え、前記流路を規定する内壁が樹脂で形成された樹脂モジュールとを備え、
   前記樹脂モジュールの前記流路の一部が切り欠かれて溝が形成され、
   前記機器が前記樹脂モジュールの溝に挿入された状態で、前記樹脂モジュール内部の流路と前記機器が有する流路とが接続される
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記機器は、
   流体の流動方向に直交する横断面が上辺の長い台形型で、
   前記機器の内部における前記流体の流動方向に沿った外周面に台形型Ｏリングが取り付けられ、
   前記樹脂モジュールの前記溝の前記横断面は上辺の長い台形型であり、
   前記樹脂モジュールの前記溝に挿入された機器に蓋を被せて前記蓋をネジ止め固定する事で、前記機器における前記樹脂モジュール内部の流路との接続面と前記樹脂モジュール内部における前記機器の流路との接続面とを前記台形型Ｏリングを介して接続した
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記蓋の一面には、前記挿入された機器に被せた際に前記機器と対向する長方形型のＯリングが取り付けられ、
   前記長方形型のＯリングの外周側で前記蓋と前記樹脂モジュールとがネジ止め固定される
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記機器は、
   前記樹脂モジュールの流路との接続面が傾斜しており、この接続面に楕円型のＯリングが取り付けられ、
   前記機器が前記樹脂モジュールの溝に挿入された状態で、前記機器における前記樹脂モジュール内部の流路との接続面と前記樹脂モジュール内部における前記機器の流路との接続面とを前記楕円型Ｏリングを介して接続した
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記機器の前記接続面の角度を４５度とした
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記樹脂モジュールの前記溝における前記機器の流路との接続面が傾斜しており、
   前記機器が前記樹脂モジュールの溝に挿入された状態で、前記機器の端部と前記樹脂のジュールとをネジ止め固定した
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
7. 前記ネジ止め固定する位置を前記接続面の中心高さと交差する位置とした
   ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システム。
8. 前記樹脂モジュールの前記溝における前記機器の流路との接続面が傾斜しており、
   前記機器における前記流体の流動方向における端部に鍔が設けられ、
   前記機器を前記鍔を介して前記樹脂モジュールにネジ止め固定した
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
9. 前記機器の本体の両端に前記本体の内部の流路と連なる流路を有するＬ字型のフランジを有した構造であり、
   前記フランジの内部の流路は、前記機器を前記樹脂モジュールの前記溝に挿入した状態で前記機器の本体の内部における前記流体の流動方向に直交するように設けられ、
   前記挿入した機器に固定板を被せて前記固定板を前記樹脂モジュールにネジ止め固定することで前記機器の前記フランジの内部の流路と前記樹脂モジュールの流路とをＯリングを介して接続した
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
10. 前記機器は前記流体の流量計である
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
11. 前記機器は前記流体の遮断弁である
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
12. 燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池、および燃料、空気又は水としての流体が流れる流路を内部に備え、前記流路を規定する内壁が樹脂で形成された樹脂モジュールとを備えた燃料電池発電システムの製造方法であって、
    前記樹脂モジュールの前記流路の一部を切り欠いて溝を形成し、
    前記機器が前記樹脂モジュールの溝に挿入された状態で、前記樹脂モジュール内部の流路と前記機器が有する流路とを接続した
    ことを特徴とする燃料電池発電システムの製造方法。

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