JP2016012526A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムから外部に燃料が流出することを確実に抑制する。【解決手段】燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４を少なくとも具備する燃料電池モジュール１１と、燃料電池モジュール１１を全体的に覆うように形成され、内部の空気が送風装置４２によって外部に送出されることにより内部が負圧化される空気層１０ａ３と、を備えている。【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの１形式として、特許文献１に示されているものが知られている。
これは燃料電池システムの排気通路の接続構造についてのものであり、特許文献１の図２に示されているように、燃料電池ユニット１１の排気出口１１Ａとボイラー１２の排気出口１２Ａとに接続し、燃料電池ユニット１１の排気ガスとボイラー１２の排気ガスとを合流させる排気通路１３を備えている。
そして、燃料電池ユニット１１の排気出口１１Ａが、ボイラー１２の排気出口１２Ａよりも上方に配置されていることが記載されている。排気通路の外壁を排気通路に沿って、外壁との間で換気通路を確保してさらに換気通路の外壁で覆う２重管ダクト構造が形成されている。これにより、排気通路１３内の排気ガス凝縮によって生じる水滴が、燃料電池ユニット１１へ混入することを抑制できるとする。
また、燃焼空気をポンプ３６で吸引するとともに、カソードエアをポンプ３７で吸引することで、吸気ダクトの吸気入口１１Ｂよりエアを吸い、燃焼排気、カソードオフガスを排気ダクトの排気出口１１Ａより燃料電池ユニット１１の筐体外に放出する構成が記載されている。

特開２００９−７６２８６号公報

しかし、特許文献1に係る燃料電池システムは、燃料電池ユニット１１の筐体自体の劣化、自然災害等で燃料電池ユニット１１の筐体が破損した場合、燃料電池ユニット１１内の燃料が燃料電池ユニット１１の外部に流出するおそれがある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムから外部に燃料が流出することを抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池を少なくとも具備する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを全体的に覆うように形成され、内部の空気が送風装置によって外部に送出されることにより前記内部が負圧化される空気層と、を備えている。
これによれば、燃料電池モジュールから燃料がリーク（流出）しても、空気層は負圧に保たれているので、空気層から外部にリーク（流出）するのを抑制することができる。よって、燃料電池システムから外部に燃料が流出することを確実に抑制することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１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を気密的に収容する筐体と、前記筐体を全体的に覆う外側筐体と、をさらに備え、前記空気層は、前記筐体と前記外側筐体との間に形成されている。
これによれば、前記燃料電池モジュールから筐体内に燃料がリーク（流出）し、さらに筐体から空気層へリークしても、空気層は負圧に保たれているので、空気層から外部にリーク（流出）するのを抑制することができる。このように、燃料電池モジュールからの燃料の流出抑制を２重構造とすることができる。よって、燃料電池システムから外部に燃料が流出することをより確実に抑制することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２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内に設けられ、前記燃料電池からのアノードオフガスを燃焼させる燃焼部と、前記燃料電池モジュールを収容する筐体と、前記筐体内に区画形成され前記燃料電池モジュールを気密的に収納するモジュール室と、前記筐体に設けられ前記筐体の外部の空気を前記モジュール室内に導入する換気用吸気部と、一端が前記モジュール室に連結されるとともに他端が前記燃料電池モジュール内の前記燃料電池に連結され、前記モジュール室内の空気を前記燃料電池に供給するカソードエア供給管と、前記燃焼部と前記筐体の外部とを連通し、前記燃焼部で生成された燃焼排ガスを前記筐体の外部に導出する排気管と、をさらに備え、前記カソードエア供給管は、前記一端と前記他端との間の途中部分に形成されて、前記モジュール室外に配設され内部を流れる気体を冷却する放熱部を備えている。
これによると、高温発熱体である燃料電池モジュールからの発熱で高温となったモジュール室内の空気を、カソードエア供給管内に吸引してカソードエア供給管の途中部分に形成された放熱部で放熱して温度を下げるので、燃料電池モジュールの放熱を図るとともに、カソードエア供給管およびその付帯設備が加熱するのを抑制することができる。

請求項４に係る発明は、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、改質用原料と改質水とから燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質部をさらに備え、前記カソードエア供給管の放熱部を、前記改質部で利用する前記改質水で冷却するように構成した。
これによると、改質部で利用する改質水を使ってカソードエア供給管の放熱部を冷却するので、空気中で放熱する場合よりも、さらに高効率で冷却することができる。また、既存の改質部で利用する改質水の設備を使うことで、省スペース化を図るとともに、コストアップを抑制することができる。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４の何れか一項記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池からの直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ装置と、前記筐体の外に配設され前記インバータ装置を収容するインバータ装置室と、をさらに備えている。
これによると、温度が燃料電池モジュールによって上昇し易い筐体内と比べて比較的温度が安定している屋内の空気により、インバータ装置を安定的に冷却することができる。

請求項６に係る発明は、請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記空気層に設けられ前記筐体の外部の空気を前記空気層に導入する空気導入部と、前記空気層に設けられ前記空気層内の空気を前記筐体内に導出する空気導出部と、前記筐体から前記筐体内の空気を外部に導出する換気用排気部と、前記換気用排気部に設けられ、前記換気用排気部から導出される気体の可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度検出装置と、をさらに備えている。
これによると、筐体内の空気を集めて外部に導出する換気用排気部に可燃ガス濃度検出装置が設けられている。そのため、万一筐体内に可燃ガスが流出した場合でも、可燃ガスの流出を確実に検出することができる。

請求項７に係る発明は、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記モジュール室内の前記カソードエア供給管の導入部または前記カソードエア供給管自体の導入部に設けられ、前記カソードエア供給管に導入される気体の可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度検出装置をさらに備えている。
これによると、モジュール室内全体の空気を集めて吸引するモジュール室内のカソードエア供給管の導入部またはカソードエア供給管自体の導入部に可燃ガス濃度検出装置が設けられている。そのため、万一モジュール室内に可燃ガスが流出した場合でも、モジュール室内の可燃ガスの流出を確実に検出することができる。

本発明に係る第１実施形態の燃料電池システムを示す概要図である。 第２実施形態の燃料電池システムを示す概要図である。 第２実施形態の燃料電池システムの他の実施例を示す概要図である。 第３実施形態の燃料電池システムを示す概要図である。 第４実施形態の燃料電池システムを示す概要図である。 第５実施形態の燃料電池システムを示す概要図である。

（第１実施形態）
以下、本発明による燃料電池システムの第１実施形態について説明する。図１に示すように、燃料電池システム１００は、発電ユニット１０、および貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ１、外側筐体１０ａ２、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５を備えている。

燃料電池モジュール１１は、図１に示すように、燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図１にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、貯湯槽２１の下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。

熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通り燃焼排ガス用排気口１０ｅを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。

上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。

さらに、インバータ装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電圧に変換して補機や後述する制御装置１５に出力する。補機は、燃料電池モジュール１１に改質用原料、水、空気を供給するためのモータ駆動の改質水ポンプ１１ｂ１，原料ポンプ１１ａ１、換気ファン４２よびカソードエアブロワ１１ｃ１などから構成されている。この補機は直流電圧にて駆動されるものである。

燃料電池モジュール１１（３０）は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３、燃料電池３４および燃焼部３６を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。
蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

蒸発部３２には、一端（下端）が水タンク１４に接続された水供給管１１ｂの他端が接続されている。また、蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａが接続されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。

改質部３３は、上述した燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部３３は改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。

燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部３３は省略することができる。

セル３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。

燃料電池３４は、燃料電池３４の温度を検出する温度センサ３４ｄを備えている。温度センサ３４ｄは、その検出結果を制御装置１５に送信するようになっている。
燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。

燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２および改質部３３との間に設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４からのアノードオフガス（燃料オフガス）と燃料電池３４からのカソードオフガス（酸化剤オフガス）とが燃焼されて改質部３３を加熱する。

燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて火炎３７が発生している。燃焼部３６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が設けられている。また、燃焼部３６には、燃焼部３６の温度を検出するための一対の温度センサ３６ｂ１，３６ｂ２が設けられている。温度センサ３６ｂ１，３６ｂ２の検出結果（出力信号）は制御装置１５に送信されている。

筐体１０ａ１は、直方体状で気密的に形成されている。筐体１０ａ１内には、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５が収容されている。
筐体１０ａ１は、全体的に外側筐体１０ａ２で気密的に覆われている。筐体１０ａ１と外側筐体１０ａ２の間には、空気層１０ａ３が形成されている。筐体１０ａ１は、空気層１０ａ３に全体的に覆われている。筐体１０ａ１の一側壁１０ｂ側の空気層１０ａ３内には、換気排気用ダクト５１および燃焼排気用ダクト５２が配置されている。

換気排気用ダクト５１および燃焼排気用ダクト５２は、空気層１０ａ３の上部において煙突部５３の内管５３ａに連通している。煙突部５３は、内管５３ａと外管５３ｂとからなる２重管構造で構成されている。内管５３ａと外管５３ｂとの間に、空気導入部としての吸気用流路ＦＰ１が形成されている。吸気用流路ＦＰ１は、外部と空気層１０ａ３とを連通している。外気は、吸気用流路ＦＰ１を通って空気層１０ａ３内に流入（吸気）される。

筐体１０ａ１の一側壁１０ｂには、空気導出部としての吸気口１０ｃ、換気用排気部としての換気用排気口１０ｄおよび燃焼排ガス用排気口１０ｅが形成されている。吸気口１０ｃは、筐体１０ａ１内に外気を吸い込む。換気用排気口１０ｄは、筐体１０ａ１内の空気を外部に排出する。燃焼排ガス用排気口１０ｅは、熱交換器１２からの燃焼排ガスを外部に排出する。
換気用排気口１０ｄには、換気排気逆止弁４１が設けられている。換気排気逆止弁４１は、筐体１０ａ１から換気排気用ダクト５１への空気の流れは許容するが、逆方向の流れを規制するものである。

吸気口１０ｃには、空気層１０ａ３内部の空気を外部に送出する送風装置としての換気ファン４２が設けられている。換気ファン４２は、外部と空気層１０ａ３と連通する煙突部５３の吸気用流路ＦＰ１からの外部の空気を、空気層１０ａ３内に導入する。さらに空気層１０ａ３の空気を筐体１０ａ１内に導入するものである。すなわち、換気ファン４２は、空気層１０ａ３内の空気を外部である筐体１０ａ１内に送出するものである。換気ファン４２は、空気層１０ａ３内の空気を筐体１０ａ１内に送出することで、空気層１０ａ３を外部の空気（大気）より低圧（負圧）に維持する。換気用排気口１０ｄには、換気排気用ダクト５１が接続されている。換気排気用ダクト５１の他端は、煙突部５３の内管５３ａに接続されている。換気ファン４２が駆動されると、筐体１０ａ１内の空気（換気排気）は、換気用排気口１０ｄ、換気排気用ダクト５１および煙突部５３の内管５３ａを通って外部に排出される（破線の矢印で示す）。

筐体１０ａ１内の空気を外部に導出する換気用排気部Ａは、換気用排気口１０ｄから燃焼排ガスとの合流部１０ｆ、さらに内管５３までの間で構成される。合流部１０ｆは、燃焼排気用ダクト５２の上部であって、燃焼排気用ダクト５２が煙突部５３の内管５３ａに開口する位置にある。換気用排気部Ａの合流部１０ｆまたは、内管５３ａ内には、気体の可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度検出装置としての可燃ガス濃度センサ１１ｇが設けられている。可燃ガス濃度センサ１１ｇが検出した可燃ガス濃度の値は、信号として制御装置１５に出力される。

燃焼排ガス用排気口１０ｅには、燃焼排気逆止弁４３が設けられている。燃焼排ガス用排気口１０ｅには、燃焼排気用ダクト５２の一端が接続されている。燃焼排気用ダクト５２の他端は、換気排気用ダクト５１に合流されている。燃焼排気逆止弁４３は、排気管１１ｄから燃焼排気用ダクト５２への空気の流れは許容するが、逆方向の流れを規制するものである。燃料電池システムの発電中において、燃料電池モジュール１１から排出される燃焼排ガスは、燃焼排ガス用排気口１０ｅ、および燃焼排気用ダクト５２を通って換気排気用ダクト５１に導出され（一点鎖線の矢印で示す）、換気排気と合流されて、換気排気用ダクト５１および煙突部５３の内管５３ａを通って外部に排出される。

また、前記制御装置１５には、上述した温度センサ３４ｄ，３６ｂ１，３６ｂ２、可燃ガス濃度センサ１１ｇ、改質水ポンプ１１ｂ１、原料ポンプ１１ａ１、カソードエアブロワ１１ｃ１、換気ファン４２および着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が接続されている。制御装置１５はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、燃料電池システムの運転を実施している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

次に、上述した燃料電池システムの基本的動作の一例について説明する。制御装置１５は、スタートスイッチ（図示なし）が押されて運転が開始される場合、または計画運転にしたがって運転が開始される場合には、起動運転（暖気運転）を開始する。

起動運転が開始されるときは、制御装置１５は、補機を作動させる。具体的には、制御装置１５は、原料ポンプ１１ａ１，改質水ポンプ１１ｂ１を作動させ、蒸発部３２に改質用原料および凝縮水（改質水）の供給を開始する。また、カソードエアブロワ１１ｃ１を作動させ、燃料電池３４にカソードエアの供給を開始する。そして、燃焼部３６において、燃料電池３４から導出されたアノードオフガスが着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２によって着火される。改質部３３が所定温度以上となれば、起動運転が終了し、発電運転を開始する。発電運転中では、制御装置１５は、燃料電池３４の発電する電力が、外部電力負荷１６ｃの消費電力となるように補機を制御して、改質ガスおよびカソードエアを燃料電池３４に供給する。

このような発電運転中に、ストップスイッチ（図示なし）が押されて発電運転が停止される場合、または運転計画にしたがって運転が停止される場合には、制御装置１５は、燃料電池システムの停止運転（停止処理）を実施する。制御装置１５は、改質用原料および凝縮水の蒸発部３２への供給を停止し、改質ガスおよびカソードエアの燃料電池３４への供給を停止する。

このような停止運転が終了すると、燃料電池システムは待機状態（待機時）となる。待機時は、燃料電池システムの発電停止状態（すなわち、起動運転、発電運転、停止運転のいずれの運転中でない状態である。）のことであり、発電指示（スタートスイッチのオンなど）を待っている状態のことである。

第１実施形態の燃料電池システム１００において、筐体１０ａ１は、外側筐体１０ａ２により全体的に覆われている。そして、筐体１０ａ１と外側筐体１０ａ２との間に空気層１０ａ３が形成され、空気層１０ａ３は換気ファン４２の駆動によって外側筐体１０ａ２の外部より気圧が低い負圧化されている。
そのため、燃料電池システム１００の発電運転中に、燃料電池モジュール１１から可燃ガスである燃料が、万一筐体１０ａ１内に流出したとしても、まず、気密的に形成された筐体１０ａ１によりで外部への燃料流出を抑制する。そして、筐体１０ａ１内に流出した燃料は、換気用排気口１０ｄから換気排気用ダクト５１を経て、煙突部５３から外部へ排気される。
筐体１０ａ１から空気層１０ａ３に燃料が万一流出したとしても、空気層１０ａ３は負圧化されているので、外側筐体１０ａ２から外部へ燃料が流出することが抑制される。空気層１０ａ３に流出した燃料は、換気ファン４２によって筐体１０ａ１に再び導入され、換気用排気口１０ｄおよび換気排気用ダクト５１を経て、煙突部５３から外部へ排気される。

また、第１実施形態において、換気用排気部Ａの合流部１０ｆまたは、内管５３ａ内に可燃ガス濃度センサ１１ｇが設けられている。この合流部１０ｆＡは、筐体１０ａ１内から排気される空気および空気層１０ａ３から筐体１０ａ１を介して排気される空気が必ず通過する場所である。そのため、筐体１０ａ１内および空気層１０ａ３内に流出した可燃ガスが存在すれば確実に検出することができる。
なお、第１実施形態において、合流部１０ｆに可燃ガス濃度センサ１１ｇが設けられるものとしたが、これに限定されず、例えば換気用排気口１０ｄに設けられるものでもよい。

上述した説明から明らかなように、第１実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４を少なくとも具備する燃料電池モジュール１１と、燃料電池モジュール１１を全体的に覆うように形成され、内部の空気が換気ファン４２によって外部に送出されることにより内部が負圧化される空気層１０ａ３と、を備えている。
これによれば、燃料電池モジュール１１から燃料が万一リーク（流出）しても、空気層１０ａ３は負圧に保たれているので、空気層１０ａ３から外部にリーク（流出）するのを抑制することができる。

また、燃料電池モジュール１１を気密的に収容する筐体１０ａ１と、筐体１０ａ１を全体的に覆う外側筐体１０ａ２と、をさらに備え、空気層１０ａ３は、筐体１０ａ１と外側筐体１０ａ２との間に形成されている。
これによれば、燃料電池モジュール１１から筐体１０ａ１内に燃料がリーク（流出）し、さらに筐体１０ａ１から空気層１０ａ３へリークしても、空気層１０ａ３は負圧に保たれているので、空気層１０ａ３から外部にリーク（流出）するのを抑制することができる。このように、燃料電池モジュールからの燃料の流出抑制を２重構造とすることができる。

また、空気層１０ａ３に設けられ筐体１０ａ１の外部の空気を空気層１０ａ３に導入する吸気用流路ＦＰ１と、空気層１０ａ３に設けられ空気層１０ａ３内の空気を筐体１０ａ１内に導出する吸気口１０ｃと、筐体１０ａ１から筐体１０ａ１内の空気を外部に導出する換気用排気部Ａの合流部１０ｆに設けられ、換気用排気部Ａから導出される気体の可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度センサ１１ｇと、をさらに備えている。
これによると、筐体１０ａ１内の空気を集めて外部に導出する換気用排気部Ａの合流部１０ｆまたは、内管５３ａ内に可燃ガス濃度センサ１１ｇが設けられている。そのため、万一筐体１０ａ１内に可燃ガスが流出した場合でも、可燃ガスの流出を確実に検出することができ、燃料電池システムの安全性をさらに向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明による燃料電池システムの第２実施形態について図２に基づいて以下に説明する。
本第２実施形態の燃料電池システム２００では、筐体１０ａ１内が横隔壁１０ｇによって、燃料電池モジュール１１および熱交換器１２を気密的に収容するモジュール室Ｒ１と換気エアが流通する冷却室Ｒ２とが区画形成されている。モジュール室Ｒ１には換気用排気口が設けられておらず、吸気口１０ｃより導入された空気は、カソードエア供給管１１ｃに導入されて、すべて排気管１１ｄより燃焼排ガスとして外部に排気される。
すなわち、カソードエア供給管１１ｃは、カソードエアを導入する導入部１１ｃ３である一端がモジュール室Ｒ１に連結されるとともに、他端が燃料電池モジュール１１内の燃料電池３４に連結されている。そして、カソードエア供給管１１ｃの一端と他端との間の途中部分には、モジュール室Ｒ１外としての冷却室Ｒ２に配設され内部を流れるカソードエアを冷却する放熱部１１ｃ４が設けられている。

冷却室Ｒ２の一側壁１０ｂには、空気層１０ａ３と冷却室Ｒ２とを連通させる吸気口１０ｈが設けられ、吸気口１０ｈには吸気ファン４４が設けられている。冷却室Ｒ２の一側壁１０ｂとは反対側の壁には冷却室Ｒ２内の空気を空気層１０ａ３に排出する排気口１０ｉが設けられている。可燃ガス濃度センサ１１ｇが、カソードエア供給管１１ｃの導入部１１ｃ３の開口部前に設けられている。これらの点において第１実施例と相違し、その他の構成は同様であるので、同じ符号を付与して説明を省略する。吸気口１０ｃは、外部の空気をモジュール室Ｒ１内に導入する換気用吸気部に相当する。
なお、吸気部１０ｃに換気ファン４２を設けるものとしたが、設けなくてもよい。その場合、カソードエアブロワ１１ｃ１が、送風装置に相当し、空気層１０ａ３を負圧化する。

第２実施形態の燃料電池システム２００では、筐体１０ａ１を区画して燃料電池モジュール１１を収容したモジュール室Ｒ１と冷却室Ｒ２とを設け、燃料電池３４にカソードエアを供給するカソードエア供給管１１ｃの放熱部１１ｃ４を冷却室Ｒ２に配設している。
そのため、高温発熱体である燃料電池モジュール１１からの発熱で高温となったモジュール室Ｒ１内の空気を、カソードエア供給管１１ｃ内に吸引してカソードエア供給管１１ｃの途中部分に形成された放熱部で放熱して温度を下げる。
これによって、燃料電池モジュール１１自体の放熱を図るとともに、カソードエア供給管１１ｃおよびカソードエアブロワ１１ｃ１が加熱するのを抑制することができる。

また、可燃ガス濃度センサ１１ｇが、モジュール室Ｒ１内全体の空気を集めて吸引するモジュール室Ｒ１内のカソードエア供給管１１ｃの導入部Ｒ１ａに配置されているので、万一燃料電池モジュール１１からモジュール室Ｒ１内に可燃ガスが流出した場合でも、モジュール室Ｒ１内への可燃ガスの流出を確実に検出することができる。その他の作用効果は、第１実施形態と同様である。

上述した説明から明らかなように、第２実施形態の燃料電池システム２００は、燃料電池モジュール１１内に設けられ、燃料電池３４からのアノードオフガスを燃焼させる燃焼部３６と、燃料電池モジュール１１を収容する筐体１０ａ１と、筐体１０ａ１内に区画形成され燃料電池モジュール１１を気密的に収納するモジュール室Ｒ１と、筐体１０ａ１に設けられ筐体１０ａ１の外部の空気をモジュール室Ｒ１内に導入する吸気口１０ｃと、一端がモジュール室Ｒ１に連結されるとともに他端が燃料電池モジュール１１内の燃料電池３４に連結され、モジュール室Ｒ１内の空気を燃料電池３４に供給するカソードエア供給管１１ｃと、燃焼部３６と筐体１０ａ１の外部とを連通し、燃焼部３６で生成された燃焼排ガスを筐体１０ａ１の外部に導出する排気管１１ｄと、をさらに備え、カソードエア供給管１１ｃは、一端と他端との間の途中部分に形成されて、モジュール室Ｒ１外に配設され内部を流れる気体を冷却する放熱部１１ｃ４を備えている。

これによると、高温発熱体である燃料電池モジュール１１からの発熱で高温となったモジュール室Ｒ１内の空気を、カソードエア供給管１１ｃ内に吸引してカソードエア供給管１１ｃの途中部分に形成された放熱部１１ｃ４で放熱して温度を下げるので、燃料電池モジュール１１の放熱を図るとともに、カソードエア供給管１１ｃおよびカソードエアブロワ１１ｃ１が加熱することを抑制することができる。

また、モジュール室Ｒ１内のカソードエア供給管１１ｃの導入部１１ｃ３に設けられ、カソードエア供給管１１ｃに導入される気体の可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度センサ１１ｇをさらに備えている。
これによると、モジュール室Ｒ１内全体の空気を集めて吸引するモジュール室Ｒ１内のカソードエア供給管１１ｃの導入部１１ｃ３に可燃ガス濃度センサ１１ｇが設けられている。そのため、万一モジュール室Ｒ１内に可燃ガスが流出した場合でも、モジュール室Ｒ１内の可燃ガスの流出を確実に検出することができる。これにより燃料電池システムの安全性をさらに向上させることができる。

なお、第２実施形態において、可燃ガス濃度センサ１１ｇを、カソードエア供給管１１ｃの開口部前、すなわちモジュール室Ｒ１内のカソードエア供給管１１ｃの導入部Ｒ１ａに設けるものとしたが、これに限定されず、例えば、カソードエア供給管１１ｃ自体の導入部１１ｃ３に設けてもよい。
また、冷却室Ｒ２の吸気口１０ｈを冷却室Ｒ２と空気層１０ａ３とを連通させるものとしたが、これに限定されず、例えば、図３に示すように、外側筐体１０ａ２まで開口部を貫通させて冷却室Ｒ２と外側筐体１０ａ２の外部とを連通させてもよい。
また、排気口１０ｉを冷却室Ｒ２と空気層１０ａ３とを連通させるものとしたが、これに限定されず、例えば、図３に示すように、外側筐体１０ａ２まで開口部を貫通させて冷却室Ｒ２と外側筐体１０ａ２の外部とを連通させてもよい。また、吸気ファン４４を、換気排気用ダクト５１および燃焼排気用ダクト５２が設けられた一側壁１０ｂ側に設けるものとしたが、これに限定されず、例えば、図３に示すように、一側壁１０ｂの反対側の側壁に設けてもよい。

（第３実施形態）
次に、本発明による燃料電池システムの第３実施形態について図４に基づいて以下に説明する。
本第３実施形態では、カソードエア供給管１１ｃとの間で熱交換を行う熱交換装置１７が冷却室Ｒ２に設けられている点において、第２実施形態と相違するその他の構成は第２実施形態と同様であるので、同じ符号を付与して説明を省略する。

本第３実施形態の燃料電池システム３００は、水供給管１１ｂと、カソードエア供給管１１ｃとの間で熱交換を行う熱交換装置１７が冷却室Ｒ２に設けられているので、カソードエア供給管１１ｃが冷却室Ｒ２内で放熱（空冷）によりカソードエアを冷却するよりも効率的に冷却することができる。その他の作用効果は、第２実施形態と同様である。

上述した説明から明らかなように、本第３実施形態の燃料電池システムにおいては、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池３４に供給する改質部３３と、改質部３３に供給する改質水を貯水する水タンク１４と、をさらに備え、カソードエア供給管１１ｃの放熱部１１ｃ４を、改質部３３で利用する改質水で冷却するように構成した。
これによると、改質部３３で利用する改質水を使ってカソードエア供給管１１ｃの放熱部１１ｃ４を冷却するので、空気中で放熱する場合よりも、さらに高効率で冷却することができる。また、既存の改質部３３で利用する改質水の設備を使うことで、大きな設備を追加することのなく省コストの設備とすることができる。
なお、第３実施形態において、冷却室Ｒ２に熱交換装置１７が設けられ、空気中への放熱と改質水による熱交換との両方を行うものとしたが、これに限定されず、例えば、冷却室Ｒ２のない筐体１０ａ１内に熱交換装置１７が設けられ、改質水との熱交換だけを行うものでもよい。

（第４実施形態）
次に、本発明による燃料電池システムの第４実施形態について図５に基づいて以下に説明する。
本第４実施形態の燃料電池システム４００においては、外側筐体１０ａ２が設けられておらず、筐体１０ａ１と外側筐体との間に形成される空気層１０ａ３が存在しない。モジュール室Ｒ１の吸気口１０ｃに換気ファンが設けられていない。冷却室Ｒ２の吸気口１０ｈおよび排気口１０ｉが冷却室Ｒ２と外部とを連通するものである。これらの点において第２実施形態と相違する。その他の構成は第２実施形態の燃料電池システムと同様であるので、同じ符号を付与して説明を省略する。

本第４実施形態における燃料電池システム４００によると、燃料電池３４を気密的に収容する燃料電池モジュール１１のケーシング３１と、燃料電池モジュール１１を気密的に収納する筐体１０ａ１との間に空気層１０ａ４が形成され、燃料電池モジュール１１を全体的に覆うようになっている。そして、送風装置としてのカソードエアブロワ１１ｃ１がモジュール室Ｒ１内の空気をカソードエア供給管１１ｃにより吸引して排気管１１ｄにより外部に送出することで、モジュール室Ｒ１内が負圧化される。その他の作用効果は、第２実施形態と同様である。

上述した説明から明らかなように、第４実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４を少なくとも具備する燃料電池モジュール１１と、燃料電池モジュール１１を全体的に覆うように形成され、内部の空気がカソードエアブロワ１１ｃ１によって外部に送出されることにより内部が負圧化される空気層１０ａ４と、を備えている。
これによれば、燃料電池モジュール１１から燃料が万一リーク（流出）しても、空気層１０ａ４は負圧に保たれているので、空気層１０ａ４から外部にリーク（流出）するのを抑制することができる。

（第５実施形態）
次に、本発明による燃料電池システムの第５実施形態について図６に基づいて以下に説明する。
本第５実施形態の燃料電池システム５００においては、インバータ装置１３および制御装置１５が、筐体１０ａ１の外に配設されインバータ装置１３を収容するインバータ装置室Ｒ３に収容されている。インバータ装置室Ｒ３には冷却ファン４５が設けられ外気によってインバータ装置１３および制御装置１５を冷却している。これらの点において第１実施形態と相違する。その他の構成は第１実施形態と同様であるので、同じ符号を付与して説明を省略する。

本第５実施形態の燃料電池システム５００によると、インバータ装置１３、制御装置１５などの電気機器は、安定して冷却することが望ましい。そのため、高温の発熱体である燃料電池モジュール１１が収容されている筐体１０ａ１よりも、筐体１０ａ１の外に配置されたインバータ装置室Ｒ３内に収容して冷却ファン４５で冷却することで、効率的で安定した冷却を行うことができる。その他の作用効果は第１実施形態と同様である。

上述した説明から明らかなように、第５実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池３４からの直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ装置１３と、筐体１０ａ１の外に配設されインバータ装置１３を収容するインバータ装置室Ｒ３と、をさらに備えている。
これによると、温度が燃料電池モジュール１１によって上昇し易い筐体１０ａ１内と比べて比較的温度が安定している屋内の空気により、少なくともインバータ装置１３を安定的に冷却することができる。
なお、本第５実施形態において、インバータ装置１３とともに制御装置１５を筐体１０ａ１の外に配設されたインバータ装置室Ｒ３に収容したが、これに限定されず、例えば、制御装置１５を筐体１０ａ１内に収容し、インバータ装置１３のみをインバータ装置室Ｒ３に収容するものでもよい。

斯様に、上記した実施の形態で述べた具体的構成は、本発明の一例を示したものにすぎず、本発明はそのような具体的構成に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の態様を採り得るものである。

１０ａ１…筐体、１０ａ２…外側筐体、１０ａ３…空気層、１０ａ４…空気層、１０ｃ…吸気口（空気導出部、換気吸気部）、１０ｄ…換気用排気口（換気用排気部）、１０ｆ…合流部（換気用排気部）、１１…燃料電池モジュール、１１ｃ…カソードエア供給管、１１ｃ１…カソードエアブロワ（送風装置）、１１ｃ４…放熱部、１１ｃ３…導入部、１１ｄ…排気管、１１ｇ…可燃ガス濃度センサ（可燃ガス濃度検出装置）、１３…インバータ装置、３３…改質部、３４…燃料電池、３６…燃焼部、４２…換気ファン、１００，２００，３００，４００，５００…燃料電池システム、ＦＰ１…吸気用流路（空気導入部）、Ａ…換気用排気部、Ｒ１…モジュール室、Ｒ１ａ…導入部、Ｒ３…インバータ装置室。

Claims (7)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池を少なくとも具備する燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールを全体的に覆うように形成され、内部の空気が送風装置によって外部に送出されることにより前記内部が負圧化される空気層と、
   を備えている燃料電池システム。
2. 前記燃料電池モジュールを気密的に収容する筐体と、
   前記筐体を全体的に覆う外側筐体と、
   をさらに備え、
   前記空気層は、前記筐体と前記外側筐体との間に形成されている請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池モジュール内に設けられ、前記燃料電池からのアノードオフガスを燃焼させる燃焼部と、
   前記燃料電池モジュールを収容する筐体と、
   前記筐体内に区画形成され前記燃料電池モジュールを気密的に収納するモジュール室と、
   前記筐体に設けられ前記筐体の外部の空気を前記モジュール室内に導入する換気用吸気部と、
   一端が前記モジュール室に連結されるとともに他端が前記燃料電池モジュール内の前記燃料電池に連結され、前記モジュール室内の空気を前記燃料電池に供給するカソードエア供給管と、
   前記燃焼部と前記筐体の外部とを連通し、前記燃焼部で生成された燃焼排ガスを前記筐体の外部に導出する排気管と、をさらに備え、
   前記カソードエア供給管は、前記一端と前記他端との間の途中部分に形成されて、前記モジュール室外に配設され内部を流れる気体を冷却する放熱部を備えている請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 改質用原料と改質水とから燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質部をさらに備え、
   前記カソードエア供給管の放熱部を、前記改質部で利用する前記改質水で冷却するように構成した請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池からの直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ装置と、
   前記筐体の外に配設され前記インバータ装置を収容するインバータ装置室と、
   をさらに備えている請求項１乃至請求項４の何れか一項記載の燃料電池システム。
6. 前記空気層に設けられ前記筐体の外部の空気を前記空気層に導入する空気導入部と、
   前記空気層に設けられ前記空気層内の空気を前記筐体内に導出する空気導出部と、
   前記筐体から前記筐体内の空気を外部に導出する換気用排気部と、
   前記換気用排気部に設けられ、前記換気用排気部から導出される気体の可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度検出装置と、
   をさらに備えている請求項２記載の燃料電池システム。
7. 前記モジュール室内の前記カソードエア供給管の導入部または前記カソードエア供給管自体の導入部に設けられ、前記カソードエア供給管に導入される気体の可燃ガス濃度を検出する可燃ガス濃度検出装置をさらに備えている請求項３記載の燃料電池システム。

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