JP2024082609A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の燃料電池システムで発電ユニットを構成する場合に、任意の燃料電池スタックの交換の際に、他の燃料電池スタックを運転停止させることなく交換可能にすること。
【解決手段】燃料電池スタックと、燃料電池スタックとの間でガスの授受を行う補機を含む補機構造体とを備える複数の発電モジュールと、発電モジュールに供給又は発電モジュールから排出されたガスが流れる主配管類と、主配管類と発電モジュールとを接続する分岐配管類とを備える配管モジュールと、を備える燃料電池システムにおいて、分岐配管類の各配管は、主配管類からの分岐部から発電モジュール側の端部までの間に遮断弁を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【選択図】図９

Description

本発明は、定置用の燃料電池システムに関する。

特許文献１には、定置用の燃料電池システムとして、１個の筐体内に４個の燃料電池スタックを互いに離間させて正面視で２行２列に配置した構成が開示されている。

特開２０１６－１７７８８３号公報

上記文献に記載された燃料電池システムは、改質器より下流側で燃料供給ラインＬＦ２が分岐し、分岐後の燃料供給ラインＬＦ２がそれぞれ燃料電池スタックに接続される構成になっている。このため、４個の燃料電池スタックのいずれかを交換する際には、他の燃料電池スタックも停止させなければならず、システム全体としての稼働率が低下してしまうという問題がある。

そこで本発明は、複数の燃料電池システムを用いて定置用の発電ユニットを構成する場合に、任意の燃料電池スタックの交換の際に、他の燃料電池スタックを運転停止させることなく交換可能にすることを目的とする。

本発明のある態様によれば、燃料電池スタックと、燃料電池スタックとの間でガスの授受を行う補機を含む補機構造体と、を備える複数の発電モジュールと、発電モジュールに供給又は発電モジュールから排出されたガスが流れる主配管類と、主配管類と発電モジュールとを接続する分岐配管類と、を備える配管モジュールと、を備える燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムにおいて、分岐配管類の各配管は、主配管類からの分岐部から発電モジュール側の端部までの間に遮断弁を備える。

上記態様によれば、複数の燃料電池システムを用いて定置用の発電ユニットを構成する場合に、任意の燃料電池スタックの交換の際に、他の燃料電池スタックを運転停止させることなく交換することが可能になる。

図１は、定置用燃料電池システムの概略構成を示す斜視図である。 図２は、定置用燃料電池システムの正面図である。 図３は、定置用燃料電池システムの背面図である。 図４は、定置用燃料電池システムの左側面図である。 図５は、定置用燃料電池システムの燃料系部品を抜粋した図である。 図６は、一対のクロスメンバと発電モジュールの、組付け前の状態を背面側から見た図である。 図７は、図１の燃料電池システムを利用した発電ユニットの一例を示す正面図である。 図８Ａは、吸気系の配管経路を示す図である。 図８Ｂは、排気系の配管経路を示す図である。 図８Ｃは、電力系の回路を示す図である。 図９は、配管モジュールの詳細図である。 図１０は、排気分岐管に設けた遮断弁の断面図である。 図１１は、排気分岐管に設けた遮断弁の変形例の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

本発明の実施形態に係る発電プラントは、複数の定置用燃料電池システム（以下、単に燃料電池システムともいう。）１を一列に配置した発電ユニット４８を複数備える。以下の説明では、燃料電池システム１、発電ユニット４８の順に説明する。

図１は、燃料電池システム１の概略構成を示す斜視図である。図２は、燃料電池システム１の正面図である。図３は燃料電池システム１の背面図である。図４は燃料電池システム１の左側面図である。図５は、燃料電池システム１の燃料系部品を抜粋した図である。なお、本実施形態において、燃料電池システム１の高さ方向を上下方向、後述する吸気管８及び排気管９等の流路方向を左右方向、上下方向及び左右方向に直交する方向を前後方向とする。また、前後方向については、後述する補機構造体７の各配管１３、１４との接続部が設けられる側を前（正面）とする。左右方向については、正面視を基準とする。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、定置用として用いられる。また、燃料電池システム１に用いられる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である。

燃料電池システム１は、２個の発電モジュール２と、１個の配管モジュール３と、１個の電装モジュールとしての電力回収モジュール４と、これらを支持する枠体５と、を備える。

発電モジュール２は、補機構造体７と、補機構造体７の上下方向の一方の面に配置された第１燃料電池スタック６Ａと、他方の面に配置された第２燃料電池スタック６Ｂと、を備える。燃料電池スタック６は、複数の単セルが上下方向に積層されたものである。第１燃料電池スタック６Ａの上下方向寸法は、第２燃料電池スタック６Ｂの上下方向寸法よりも大きい。つまり、第１燃料電池スタック６Ａは第２燃料電池スタック６Ｂに比べて単セルの積層数が多い。

なお、第１燃料電池スタック６Ａと第２燃料電池スタック６Ｂを区別する必要がない場合には、燃料電池スタック６と称する。また、本実施形態では補機構造体７の上下方向の両面に燃料電池スタック６が配置されている構成について説明するが、いずれか一方の面にのみ燃料電池スタック６が配置されている構成であっても構わない。

補機構造体７は、燃料電池スタック６とガスの授受を行う補機（例えば熱交換器、燃焼器等）を含む筐体である。

また、発電モジュール２は、発電モジュール２の燃料電池スタック６に供給する燃料を噴射する燃料噴射ユニット２４を備える。本実施形態の燃料噴射ユニット２４は２個の燃料噴射弁を備えるが、燃料噴射弁の数はこれに限られるわけではない。

配管モジュール３は、発電モジュール２に供給する空気が流れる吸気管８と、発電モジュール２から排出されたガスが流れる排気管９と、発電モジュール２に供給する燃料が流れる燃料配管１１と、燃料噴射ユニット２４を冷却するための冷却水が流れる噴射ユニット用冷却水配管１０、１２とを備える。なお、噴射ユニット用冷却水配管１０、１２については、以下の説明において単に「冷却水配管１０、１２」ということもある。また、冷却水配管１０を入側冷却水配管１０、冷却水配管１２を出側冷却水配管１２ということもある。

電力回収モジュール４は、発電モジュール２の発電電力を回収し後述する電力コンバータ４３へ伝送する機器及び配線や、補機類等の駆動に必要な電力を外部設備から引き込むための機器及び配線等を収めた電力ボックス１９を備える。電力ボックス１９は絶縁処理が施された金属部材で形成されている。なお、絶縁処理には公知の処理を用いることができる。

枠体５は、２個の発電モジュール２と１個の配管モジュール３を取り囲むように配置された複数のフレーム部材、クロスメンバ２０及び第１、第２ステー２１、２２で構成されている。

枠体５の内側で、２個の発電モジュール２は上下方向に重ねて配置され、その間に配管モジュール３が配置されている。以下、上下の発電モジュール２を区別する必要がある場合には、上側を上側発電モジュール２Ａ、下側を下側発電モジュール２Ｂという。

２個の発電モジュール２を上下方向に重ねて配置することで、２個の発電モジュール２を同一面に設置する構成（以下、これを平置きともいう。）に比べて、燃料電池システム１の設置に要する面積を小さくできる。さらに、平置きの場合には、吸気管８及び排気管９等の配管類を隣り合う発電モジュール２の間に配置し、そこから各補機構造体７へ分岐する配管を設置することになる。これに対し、本実施形態の燃料電池システム１では上下方向に重ねて配置された発電モジュール２の間に配管モジュール３が配置されているので、上面から見た場合に、平置きに比べて配管類が専有する面積が小さくなる。すなわち、本実施形態の燃料電池システム１によれば、複数の発電モジュール２を備える燃料電池システム１を設置するのに必要な面積をより小さくすることが可能となる。

枠体５は、例えば、上側発電モジュール２Ａを取り囲む上側部分と、下側発電モジュール２Ｂを取り囲む下側部分と、配管モジュール３を散り囲む中間部分と、を含んでいる。上側部分は、上側発電モジュール２Ａを取り囲むように箱型に組まれた少なくとも１２本のフレーム部材と、フレーム部材で画成される左右の側面を前後方向に横切るように配置されたクロスメンバ２０と、フレーム部材で画成される前後の側面（つまり正面と背面）を左右方向に横切るように配置された第１ステー２２及び第２ステー２１と、を備える。下側部分は上側部分と同じ構成である。中間部分は、上側部分と下側部分とを上下方向に所定の間隔をもって接続する少なくとも４本のフレーム部材を備える。

燃料電池システム１は、燃料噴射ユニット２４や補機構造体７に含まれる補機類や後述する吸気分岐管１３及び排気分岐管１４が備える弁体及び各弁体を駆動するアクチュエータ等（以下、これらをまとめて「補機類」ともいう）の動作に必要な電力を外部に設置した電源から供給するための電力線を備える。また燃料電池システム１は、外部に設置した制御装置から補機類へ制御に必要な信号を送るための信号線も備える。以下、これらをまとめて「電力・信号線」ともいう。そして、電力・信号線は、電力回収モジュール４から接続先の補機類まで枠体５のフレーム部材に沿って取り回されている。電力・信号線は、外部に設置した電源及び制御装置に接続される主配線と、主配線から分岐して各燃料電池システム１の補機類に接続される分岐配線とに分けることができる。

上側発電モジュール２Ａは、補機構造体７の上側に第１燃料電池スタック６Ａが配置され、下側に第２燃料電池スタック６Ｂは配置された状態となっている。以下、この状態を正立状態ともいう。一方、下側発電モジュール２Ｂは、構造は上側発電モジュール２Ａと同じであるが、補機構造体７の下側に第１燃料電池スタック６Ａが配置され、上側に第２燃料電池スタック６Ｂが配置された状態となっている。つまり、上側発電モジュール２Ａを前後方向に延びる軸を中心として上下反転させた状態となっている。以下、この状態を倒立状態ともいう。なお、枠体５の上側発電モジュール２Ａを取り囲む部分と、枠体５の下側発電モジュール２Ｂを取り囲む部分も同様に、同じ構造が上下反転した関係になっている。このように、同じ構造の２個の発電モジュール２を、一方は正立状態、他方は倒立状態で使用することで、複数種類の発電モジュール２を使用する場合に比べてコストを低減できる。さらに、上下で同じ構造を採用することで、配管モジュール３と発電モジュール２との間の各配管や各配線についても、同じ形状・寸法のものを使用でき、これによってもコストを低減できる。

また、２個の発電モジュール２は、前後方向の中心軸Ｃｍが枠体５の前後方向の中心軸Ｃｆに対して背面側にオフセットした位置に配置されている（図４参照のこと。）。発電モジュール２は枠体５の右側面及び左側面に設けられた一対のクロスメンバ２０及び枠体５の背面に設けられた第１ステー２２に固定支持されている。クロスメンバ２０は、枠体の左右の側面を画成するフレーム部材のうちの上下方向に延びる一対のフレーム部材同士を接続している。第１ステー２２は枠体５の背面を画成する一対のフレーム部材同士を接続している。なお、発電モジュール２の枠体５への固定方法については後述する。

配管モジュール３の各配管は、いずれも流路の向きが枠体５の左右方向となるよう配置されている。吸気管８及び排気管９は図示しないステー等を介して枠体５に支持されている。また、燃料配管１１及び冷却水配管１０、１２は、枠体５に設けられたブラケット２５に支持されている。

配管モジュール３は、上記の通り上側発電モジュール２Ａと下側発電モジュール２Ｂとの間に配置されている。より具体的には、吸気管８は上面視で燃料電池スタック６と重なる位置に配置され、排気管９は上面視で燃料電池スタック６と重ならない位置に配置されている。高温の排気が流れる排気管９をこのように配置することで、排気管９から発せられた熱が上方に抜けやすくなるので、燃料噴射ユニット２４等の電装品の温度上昇を抑制できる。

吸気管８及び排気管９の左右方向の両端にはフランジ部が設けられている。そして、後述するように複数の燃料電池システム１を左右方向に連結する際には、このフランジ部がボルト等により締結される。

排気管９は、両端のフランジ部を除けば円筒状の単管部材である。これに対し吸気管８は、両端のフランジ部に挟まれた部分の流路断面積がフランジ部に設けられた開口部の面積に比べて大きい。そして、吸気管８の両端のフランジ部に挟まれた部分の流路断面積は、排気管９の両端のフランジ部に挟まれた部分の流路断面積に比べて大きい。換言すると、吸気管８は排気管９に比べて流路の容積が大きい。なお、本実施形態の吸気管８は左右の側面に円形の開口部を備える直方体であるが、これに限られるわけではなく、上述した条件を満たす形状であればよい。

燃料配管１１及び冷却水配管１０、１２の両端には、図示しないリブ加工が施されている。複数の燃料電池システム１を左右方向に連結する際には、隣り合う燃料電池システム１の燃料配管１１同士及び冷却水配管１０、１２同士が、図示しないゴム配管等を介して接続される。

吸気管８と発電モジュール２は、吸気分岐管１３を介して接続されている。より具体的には、吸気管８から分岐した吸気分岐管１３が、補機構造体７に設けられた吸気口７Ａに接続されている。

排気管９と発電モジュール２は、排気分岐管１４を介して接続されている。より具体的には、排気管９から分岐した排気分岐管１４が、補機構造体７に設けられた排気口７Ｂに接続されている。発電モジュール２から排出される排気は高温になり、また、補機構造体７と排気分岐管１４との接続部も高温になるので、排気分岐管は金属部材で形成されている。なお、吸気分岐管１３は、内部を流れる空気の温度及び補機構造体７と吸気分岐管１３との接続部の温度が排気分岐管１４に比べて低いので、高温になる発電モジュール２、排気分岐管１４及び排気管９から熱が伝達しにくい部分についてはゴム配管を用いることができる。

上記の通り上側発電モジュール２Ａは正立状態、下側発電モジュール２Ｂは倒立状態になっており、両発電モジュール２の間に配管モジュール３が配置されている。これにより、両発電モジュール２ともに、上下方向寸法が第１燃料電池スタック６Ａに比べて短い第２燃料電池スタック６Ｂが配管モジュール３に近い側に配置されることになる。換言すると、上側発電モジュール２Ａが倒立状態で下側発電モジュール２Ｂが成立状態の場合に比べて、配管モジュール３から各補機構造体７までの距離が短くなる。

吸気口７Ａ及び排気口７Ｂは、上面視で補機構造体７の正面側に配置されている。また、上記の通り発電モジュール２は枠体５に対して背面側にオフセットした位置にある。したがって、吸気口７Ａ及び排気口７Ｂと枠体５との間の距離が確保され、吸気分岐管１３及び排気分岐管１４の取り回しに余裕が生まれる。なお、本実施形態では、補機構造体７の燃料電池スタック６に対して正面側に突出した部分の下面に設けられ、排気分岐管１４が下方から接続されている、これも「上面視で補機構造体７の正面側に配置されている」に含まれる。また、排気口７Ｂが吸気口７Ａと同様に、正面方向に開口し、排気分岐管１４が正面から接続される構成であってもよい。

また、仮に吸気口７Ａ又は排気口７Ｂのいずれかが上面視で補機構造体７の背面側に配置されていると、これに接続される配管があることにより、発電モジュール２を背面側にオフセットできる量が制限される。その結果、正面側及び背面側に無効空間が生じる。一方、本実施形態の燃料電池システム１は吸気口７Ａ及び排気口７Ｂが正面側に集約されているので、発電モジュール２の背面を、枠体５の背面により近付けることができる。つまり、本実施形態によれば、枠体５の背面と発電モジュール２の背面との間に生じる無効空間（図４のＩＳ）をより小さくすることができる。

また、上側発電モジュール２Ａでは、正面視で左側に吸気口７Ａが、右側に排気口７Ｂがそれぞれ配置されている。一方、下側発電モジュール２Ｂでは、正面視で右側に吸気口７Ａが、左側に排気口７Ｂがそれぞれ配置されている。つまり、上側発電モジュール２Ａと下側発電モジュール２Ｂで、吸気口７Ａ及び排気口７Ｂの配置が逆になっている。これにより、吸気管８の、上側発電モジュール２Ａ用の吸気分岐管１３との接続部と、下側発電モジュール２Ｂ用の吸気分岐管１３との接続部の位置を、左右方向にずらすことができる。吸気分岐管１３には弁体や弁体を駆動するアクチュエータ等（いずれも図示せず）の付帯機器があるが、このように２個の接続部の位置を左右方向にずらすことで、付帯機器の位置を分散させることができ、２本の吸気分岐管１３の取り回しに余裕が生まれる。また、２個の接続部が近い位置にあると、いずれか一方の吸気分岐管１３に空気が流れにくくなる等の問題が生じるおそれがあるが、上記のように２個の接続部の位置を左右方向にずらすことで、当該問題を解消できる。排気管９の２個の排気分岐管１４との接続部についても同様である。

なお、本実施形態では同じ構造の発電モジュール２を正立状態と倒立状態で用いているので、上記のように吸気口７Ａ及び排気口７Ｂの配置が逆になるのは当然である。しかし、仮に構造が異なる２個の発電モジュール２を用いる場合でも、上述した問題を解消するため、上側発電モジュール２Ａと下側発電モジュール２Ｂで、吸気口７Ａ及び排気口７Ｂの配置を逆にする。

ところで、発電プラント等で燃料電池システム１を使用する場合には、例えば、各配管からの漏れの有無の確認、消耗品や不具合のある部品の交換等といった保守・点検作業が必要となる。本実施形態の燃料電池システム１は、発電モジュール２は枠体５に対して背面側にオフセットして配置され、かつ上下の発電モジュール２の吸気口７Ａ及び排気口７Ｂが全て正面側に配置されているので、配管モジュール３に含まれる後述する遮断弁等の付帯機器も正面側に集約できる。このため、本実施形態の燃料電池システム１によれば、保守・点検作業の際の作業員の移動量が少なくなり、作業効率の向上を図ることができる。

また、保守・点検作業の際に、作業の対象部の位置が低いと、作業員は屈み込んだり、場合によっては横たわったりすることになる。これとは反対に、作業の対象部の位置が高いと、作業員は背伸びをしたり、踏み台に乗ったりすることになる。いずれの場合も作業性を悪化させる要因となる。しかし、本実施形態の燃料電池システム１では、上側発電モジュール２Ａは正立状態、下側発電モジュール２Ｂは倒立状態になっており、両発電モジュール２の間に配管モジュール３が配置されている。これにより、上下の発電モジュール２の補機構造体７の位置が、燃料電池システム１の上下方向の中央に寄ることとなるので、作業性の悪化を抑制できる。

そして、発明者らが調査したところ、作業の対象部の設置面からの高さがおおよそ４００ｍｍ－１５００ｍｍの範囲にあれば、作業性の悪化を抑制し得ることが明らかになった。そこで、発電モジュール２及び枠体５の寸法は任意に設定し得るものではあるが、上記の作業性の観点から、上下の発電モジュール２の吸気口７Ａ及び排気口７Ｂの設置面からの高さが、４００ｍｍ－１５００ｍｍの範囲内になるように、発電モジュール２及び枠体５の寸法を設定する。なお、後述する燃料供給管２６と補機構造体７との接続部もこの範囲内にあることが望ましい。

燃料噴射ユニット２４は、枠体５の正面に設けられた第２ステー２１に固定支持されている。燃料は、燃料配管１１から燃料噴射ユニット２４へ燃料分岐管１５を介して供給され、燃料噴射ユニット２４から燃料供給管２６を介して補機構造体７へ供給され、そこから発電モジュール２へ供給される。燃料供給管２６と補機構造体７との接続部は、吸気口７Ａ及び排気口７Ｂと同様に、上面視で補機構造体７の正面側に配置される。また、燃料噴射ユニット２４は、燃料噴射弁の噴射部を取り囲む冷却水ギャラリ２７を備える。冷却水ギャラリ２７と入側冷却水配管１０は第１冷却水分岐管１７により接続され、冷却水ギャラリ２７と出側冷却水配管１２は第２冷却水分岐管１６により接続されている。つまり、冷却水は、入側冷却水配管１０から第１冷却水分岐管１７を介して冷却水ギャラリ２７に供給され、そこで燃料噴射弁を冷却し、第２冷却水分岐管１６を介して出側冷却水配管１２へ流入する。

入側冷却水配管１０は燃料配管１１に対して非挿入面側に、出側冷却水配管１２は燃料配管１１に対して挿入面側に配置されている。換言すると、入側冷却水配管１０が排気管９から最も遠い位置に配置され、出側冷却水配管１２が排気管９に最も近い位置に配置され、燃料配管１１が入側冷却水配管１０と出側冷却水配管１２との間に配置されている。このような配置にする理由は次の通りである。

冷却水配管１０、１２を流れる冷却水は、上述した通り燃料噴射ユニット２４を冷却するためのものである。したがって、燃料噴射ユニット２４の冷却に供される前の冷却水が流れる入側冷却水配管１０は、高温の排気が流れる排気管９からの伝熱量が少ない方が望ましい。一方、燃料噴射ユニット２４の冷却に供された冷却水は、その後に図示しないラジエータで冷却されるので、出側冷却水配管１２は入側冷却水配管１０に比べると排気管９からの伝熱量の許容量が大きい。また、燃料は燃料電池スタック６での反応性の観点からは蒸発しやすい方（つまり温度が高い方）が望ましいが、燃料配管１１内で気泡が発生するほどの高温になることは望ましくない。そこで、排気管９からの伝熱量を抑制したい入側冷却水配管１０を排気管９から最も遠い位置に、排気管９の熱による弊害が少ない出側冷却水配管１２を排気管９に最も近い位置に、燃料噴射後に蒸発し易い温度まで温度上昇することが望ましい燃料配管１１をこれらの間に、それぞれ配置する。

電力ボックス１９は、枠体５の背面の、上下の発電モジュール２の間に配置される。発電モジュール２と電力ボックス１９は、分岐電力線としてのバスバ１８を介して電気的に接続されている。バスバ１８は燃料電池スタック６の補機構造体７と接する面と対向する面（つまり、上面と下面）から取り出され、排気管９がある方向とは異なる方向に延びて、枠体５のフレーム部材に沿って設けられた配線通路２３内を通って電力ボックス１９に接続されている。ここでいう「排気管９がある方向とは異なる方向に延びて」とは、排気管９に近づかないことを意味する。電力ボックス１９内には外部に設置された電力コンバータ４３に接続される主電力線５３が収容されており、バスバ１８はこの主電力線５３に接続される。なお、配線通路２３も電力ボックス１９と同様に絶縁処理が施された金属部材で形成されている。これにより、保守・点検作業等のために分解した際に、バスバ１８や電線類等の活電部がフレーム部材に接触する頻度を低下させることができる。

２個の発電モジュール２を平置きする場合には、電力ボックス１９を設置するスペースを発電モジュール２の設置スペースとは別に設ける必要があるが、本実施形態の構成によれば、その必要がなくなる。つまり、燃料電池システム１の設置に要する面積を削減できる。

次に、図６を参照して、発電モジュール２の枠体５への取り付け方法について説明する。

図６は一対のクロスメンバ２０と発電モジュール２の、組付け前の状態を背面側から見た図である。なお、この段階では、枠体５に第１ステー２２は取り付けられていない。

一対のクロスメンバ２０の対向する面には、前後方向（水平方向）に延びて、少なくとも背面側の端部が開放端となっているガイド溝３３が設けられている。発電モジュール２の補機構造体７には、ガイド溝３３に対応する形状の第１スライド部３１及び第２スライド部３２が設けられている。なお、図６では、第２スライド部３２を備えるスライド部材３０を補機構造体７とは別体として作成し、これを補機構造体７に取り付ける構成となっているが、第２スライド部３２を補機構造体７の筐体と一体として形成してもよい。

そして、枠体５の背面を挿入面、正面を非挿入面とし、挿入面から第１スライド部３１及び第２スライド部３２をガイド溝３３に沿わせて発電モジュール２を移動させることにより、発電モジュール２を枠体５の内側に挿入する。そして、挿入後に、第１ステー２２を用いて発電モジュール２と枠体５を剛結する。これにより、発電モジュール２が枠体５に固定される。このとき、ガイド溝３３がクロスメンバ２０の一端から他端まで設けられているならば、発電モジュール２の位置を確認しながら発電モジュール２を枠体５に挿入して、発電モジュール２の位置決めをする必要がある。しかし、本実施形態では、ガイド溝３３の正面側の端部の位置を、発電モジュール２が適切に位置決めされたときの第１スライド部３１の位置に合わる。換言すると、第１スライド部３１がガイド溝３３の正面側の端部に当接するまで挿入すれば、発電モジュール２の位置決めが完了する。これにより、位置決めが容易になる。また、挿入面が背面側にあり、補機構造体７と各配管の接続部は補機構造体７の正面側にあり、各配管は補機構造体７がスライドした場合の軌跡との干渉を避けて取り回されているので、各配管との接続を解除すれば発電モジュール２を枠体５から抜き出すことができる。つまり、発電モジュール２の交換時等に、各配管を枠体５から外す必要がない。

また、上記のように発電モジュール２を枠体５に固定すると、発電モジュール２の特に補機構造体７が、枠体５の左右の側面に設けられた一対のクロスメンバ２０を接続する構造部材としても機能する。枠体５の上側部分は、左右の各側面は一対のクロスメンバ２０により、正面は第２ステー２１により、背面は第２ステー２１により、それぞれ面剛性が強化されているが、補機構造体７が左右の各側面を横断する構造部材として機能することで、上側部分全体としての剛性が向上する。下側部分についても同様である。これにより、地震等の外力による変形や倒壊を抑制できる。

次に、複数の燃料電池システム１を備える発電ユニット４８について図７を参照して説明する。
図７は、発電ユニット４８の一例を示す正面図である。

図７に示す通り、複数の燃料電池システム１が左右方向に隣接して配置され、それぞれの枠体５同士がボルト等により剛結される。これにより、剛結された一対のフレーム部材が互いに補強部材として機能し、枠体５の変形が抑制される。また、各燃料電池システム１の吸気管８、排気管９、燃料配管１１及び冷却水配管１０、１２も連結される。隣り合う燃料電池システム１の吸気管８は、継手となる配管を介して連結される。排気管９も同様である。継手となる配管は、両端にフランジ部を備え、流路断面が吸気管８、排気管９のフランジ部に設けた開口部と同形状の円管部材で形成される。隣り合う燃料電池システム１の燃料配管１１及び冷却水配管１０、１２は、継手となる配管（例えばゴム配管等）を介して連結される。その結果、連結された直線状の吸気管（吸気主配管）８、排気管（排気主配管）９、燃料配管（燃料主配管）１１及び冷却水配管１０、１２が、上側発電モジュール２Ａの列と下側発電モジュール２Ｂの列との間に配置されることとなる。また、隣り合う燃料電池システム１の電力ボックス１９内に収められた配線類は電気的に接続される。

上記の通り連結された吸気管８、排気管９、燃料配管１１及び冷却水配管１０、１２が直線状であることにより、屈曲部がある場合に比べて圧力損失を抑制できる。また、これらの配管はいずれも正面側からアクセス可能なので、作業性に優れる。

また、上述した通り、各燃料電池システム１の吸気管８は、左右の側面に設けたフランジ部に挟まれた部分（以下、「流路部分」ともいう。）の流路断面積がフランジ部に設けた開口部の面積に比べて大きく、流路部分の容積が排気管９に比べて大きい。このため、上述した継手を介して吸気管８に供給された空気は、流路部分にためられてから上側発電モジュール２Ａに接続される吸気分岐管１３と下側発電モジュール２Ｂに接続される吸気分岐管１３に流入する。すなわち、流路部分が内燃機関の吸気系におけるサージタンクと同様の機能を果たし、上下２個の発電モジュール２に供給される空気の均等化等の効果が得られる。

複数の燃料電池システム１が連結された列（以下、燃料電池列ともいう。）の左右方向の一方の端部（図７においては右端）には、第２枠体４０が連結される。第２枠体４０には、一端が吸気管８に接続される空気導入管４１と、一端が排気管９に接続される排気導出管４２と、電力コンバータ４３と、一端が燃料配管１１に接続される燃料導入管４５と、一端が冷却水配管１０に接続される冷却水導入管４４と、一端が冷却水配管１２に接続される冷却水導出管４６とが固定支持されている。以下、第２枠体４０、空気導入管４１、排気導出管４２、電力コンバータ４３、燃料導入管４５、冷却水導入管４４及び冷却水導出管４６をまとめ、外部接続モジュール４７ともいう。そして、燃料電池列と外部接続モジュール４７とを合わせたものを発電ユニット４８という。

燃料電池列の左右方向の他方の端部では、吸気管８、排気管９、燃料配管１１の開口部が蓋又は栓により閉じられている。また、冷却水配管１０の端部と冷却水配管１２の端部とが接続されている。

空気導入管４１の他端は、発電ユニット４８の外部に設けられた、ブロワ等の吸気設備５７に接続されている。排気導出管４２の他端は発電ユニット４８の外部に設けられた排気処理装置等の排気設備５８に接続されている。

燃料導入管４５の他端は、燃料タンク、圧力調整弁等を備える燃料設備（図示せず）に接続されている。冷却水導入管４４及び冷却水導出管４６の他端は、冷却水タンク、循環ポンプ及びラジエータ等を備える冷却設備（図示せず）に接続されている。

電力コンバータ４３は、燃料電池列の各電力ボックス１９と電力配線を介して電気的に接続されている。つまり、燃料電池列の各発電モジュール２で発電した電力は、１個の電力コンバータ４３を介して出力される。このように電力コンバータ４３を１個に集約することで、次のような効果が得られる。まず、個々の燃料電池システム１に電力コンバータ４３を配置する構成に比べて発電ユニットの設置面積を小さくできる。また、電力コンバータ４３の冷却機構を設ける場合に、冷却対象が一箇所になるので冷却機構の構成が簡単になり、コストを削減できる。なお、さらに多くの燃料電池システム１を連結する場合には、図７において外部接続モジュール４７の右側に、左側と同様に燃料電池列を形成してもよい。この場合、空気導入管４１、排気導出管４２、燃料導入管４５、冷却水導入管４４及び冷却水導出管４６はそれぞれ分岐して、右側に連結した燃料電池列にも接続する。電力配線も同様で、右側の燃料電池列も電力コンバータ４３に電気的に接続する。

ところで、各燃料電池システム１の発電モジュール２は、非挿入面側から各配管１３、１４、２６と補機構造体７との接続を解除し、挿入面側の主電力線と分岐電力線との接続を解除し、電力・信号線の主配線と分岐配線との接続を解除すれば、挿入面から取り出すことができる。ただし、複数の燃料電池システム１からなる発電ユニットでは、各燃料電池システム１の吸気管８及び排気管９が直列に接続されているので、補機構造体７と吸気分岐管１３及び排気分岐管１４との接続を解除するだけでは、吸気口７Ａ及び排気口７Ｂが大気解放状態となってしまう。これでは１個の発電モジュール２を交換するために発電ユニットの運転を停止しなければならない。

また、点検等のために燃料電池システム１を停止させる場合には、空気及び燃料ガスの供給を停止する必要があるが、発電ユニットを運転させつつ特定の発電モジュール２だけを点検等するためには、点検等する発電モジュール２への供給のみを停止させる機構が必要である。これについては、バスバ１８を含む電力の伝達経路及び電力・信号線についても同様である。

そこで本実施形態の燃料電池システム１は、上述した特定の発電モジュール２のみを停止させることを可能にするために以下に説明する機構になっている。

図８Ａは吸気系の配管経路を示す図、図８Ｂは排気系の配管経路を示す図、図８Ｃは発電モジュール２で発電した電力を伝達する電力系の回路を示す図である。

図８Ａに示す通り、吸気系は各燃料電池システム１の吸気管８と、これらを接続する継手５４と、で構成される吸気主配管と、吸気主配管に接続される空気導入管４１と、後述する吸気接続管７３と、吸気設備５７と、各燃料電池システム１の吸気分岐管１３と、を備える。吸気設備５７は、吸気主配管に空気を供給するブロワである。各吸気分岐管１３には、流路を開閉可能な遮断弁５０が設けられている。なお、遮断弁５０は図１～図７では省略している。

図８Ｂに示す通り、排気系は、各燃料電池システム１の排気管９と、これらを接続する継手５５と、で構成される排気主配管と、排気主配管に接続される排気導出管４２と、各燃料電池システム１の排気分岐管１４と、後述する排気接続管７０と、排気設備５８と、を備える。そして、各排気分岐管１４には、流路を開閉可能な遮断弁５１が設けられている。なお、遮断弁５１は図１～図７では省略している。

図８Ｃに示す通り、電力系は各燃料電池システム１の主電力線５３と、これらを接続する電力線５６と、電力コンバータ４３と、各燃料電池システム１のバスバ１８と、を備える。そして、各バスバ１８には回路遮断器５２が設けられている。なお、回路遮断器５２は図１～図７では省略している。

図９は、配管モジュール３の詳細図である。

吸気分岐管１３に設けられる遮断弁５０は、主配管としての吸気管８からの分岐部と発電モジュール側の端部との間に設けられている。換言すると、吸気分岐管１３は、遮断弁５０よりも発電モジュール側で分割可能な構造になっている。遮断弁５０としては、例えば手動式のボールバルブを用いることができる。

燃料分岐管１５、第２冷却水分岐管１６及び第１冷却水分岐管１７も、遮断弁６０～６２を備える。これらの遮断弁６０～６２にも、例えば手動式のボールバルブを用いることができる。

排気分岐管１４に設けられる遮断弁５１は、主配管としての排気管９からの分岐部と発電モジュール側の端部との間に設けられている。換言すると、排気分岐管１４は、遮断弁５１よりも発電モジュール側で分割可能な構造になっている。なお、本実施形態では、排気分岐管１４が二分割構造になっているが、これに限られるわけではない。ここで、排気分岐管１４に設ける遮断弁５１について図９、１０を参照して説明する。

図１０は、遮断弁５１の弁体付近の断面図である。遮断弁５１は、燃料電池スタック６から排気管９への流れ方向（図中の白抜き矢印）を正方向とした場合に、弁体５１Ａ１がスイング軸５１Ａ２を軸として正方向に回動することで開弁するスイングバルブである。

上記構成によれば、遮断弁５１が逆止弁としても機能する。すなわち、例えば発電ユニット４８の運転中に任意の発電モジュール２だけを交換する場合、遮断弁５１を閉じてから排気分岐管１４と補機構造体７との接続を解除するが、解除後に何らかの要因で弁体５１Ａ１に開弁方向に力が加わっても、排気管９側からの圧力によって閉弁状態を維持できる。つまり、高温の排気の流出を抑制できる。また、開弁状態での弁体５１Ａ１の流路の張り出しがより小さくなるよう設計することで、弁体５１Ａ１による圧力損失を抑制できる。さらにいえば、一般的にスイングバルブはボールバルブ等に比べて使用可能な温度範囲が広く、汎用品であっても固体酸化物形燃料電池の排気のような高温ガスの流路への使用が可能なものがある。

また、遮断弁５１は弁体５１Ａ１を電動アクチュエータ５１Ｃにより開閉駆動する電動式であり、スイング軸５１Ａ２と電動アクチュエータ５１Ｃとがロッド５１Ｂを介して接続されている。これにより、電動アクチュエータ５１Ｃを排気管９及び排気分岐管１４から離れた場所に設置して熱害から守ることができる。なお、電動アクチュエータ５１Ｃは、枠体５に固定してもよいし、枠体５にステーを取り付け、そこに固定してもよい。上記のように電動アクチュエータ５１Ｃの熱害を回避できれば、電動アクチュエータ５１Ｃの動作の信頼性が向上し、かつ、要求される耐熱性能が低くなるのでコスト低減にもつながる。

なお、吸気分岐管１３、燃料分岐管１５、第２冷却水分岐管１６及び第１冷却水分岐管１７にはボールバルブを用い、排気分岐管１４にはスイングバルブを用いる理由は、流れるガスの温度の違いである。ボールバルブはボールとボールシート（弁座）とが密着することで漏れを防止するが、流れるガスの取り得る温度範囲が広いと、ボールとボールシートの膨張係数の違い等により、温度範囲の全域で密着性を確保することが難しい。一方、スイングバルブは上記の通り広い温度範囲に対応可能である。そこで、常温から高温（例えば５００℃以上）まで変化する排気についてはスイングバルブを使用し、排気に比べて低温で使用温度範囲が狭い吸気や燃料等についてはボールバルブを使用する。

以上のように本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック６と、燃料電池スタック６との間でガスの授受を行う補機を含む補機構造体７と、を備える複数の発電モジュール２と、発電モジュール２に供給又は発電モジュール２から排出されたガスが流れる主配管類８、９、１０と、主配管類８、９、１０と発電モジュール２とを接続する分岐配管類１３、１４、１５と、を備える配管モジュールと、を備える。そして、各分岐配管類１３、１４、１５は、主配管類８、９、１０からの分岐部から発電モジュール２側の端部までの間に遮断弁５０、５１、６０を備える。このように分岐配管類１３、１４、１５のそれぞれに独立した遮断弁５０、５１、６０を備えることで、発電モジュール単位で各流体の回路を遮断できる。また、遮断弁５０、５１、６０よりも発電モジュール２側に分岐配管類１３、１４、１５の端部があるということは、遮断弁５０、５１、６０よりも発電モジュール２側に配管の分割部があるということである。これにより、各分岐配管類１３、１４、１５の流路遮断、配管接続の解除等の作業をそれぞれ独立して行うことができる。

本実施形態によれば、燃料電池スタック６から主配管類に含まれる排気管９への流れ方向を正方向とした場合に、分岐配管類に含まれる排気分岐配管１４が備える遮断弁５１は、弁体５１Ａ１が正方向に回動することで開弁するスイングバルブである。これにより、遮断弁５１が逆止弁としても機能して、高温の排気の流出を抑制できる。また、開弁状態での弁体５１Ａ１の流路の張り出しがより小さくなるよう設計することで、弁体５１Ａ１による圧力損失を抑制できる。さらには、スイングバルブはボールバルブ等に比べて使用可能な温度範囲が広く、汎用品であっても固体酸化物形燃料電池の排気のような高温ガスの流路への使用に適したものがある。

本実施形態によれば、排気分岐管１４が備える遮断弁５１は、弁体５１Ａ１を電動アクチュエータ５１Ｃにより開閉する電動式であり、弁体５１Ａ１のスイング軸５１Ａ２と電動アクチュエータ５１Ｃとがロッド５１Ｂを介して接続されている。これによれば、電動アクチュエータ５１Ｃを、排気管９及び排気分岐管１４から離れた場所に設置することで熱害から守ることができる。そして、電動アクチュエータ５１Ｃの熱害を回避できれば、電動アクチュエータ５１Ｃの動作の信頼性が向上し、かつ、要求される耐熱性能が低くなるのでコスト低減にもつながる。

本実施形態によれば、分岐配管類に含まれる吸気分岐管１３及び燃料分岐管１５が備える遮断弁５０、６０は、手動式のボールバルブである。これにより、開閉作業を容易かつ短時間で行うことができる。

本実施形態では、複数の発電モジュール２で発電された電力をシステム外部の電力コンバータへ送る主電力線５３と、主電力線５３と燃料電池スタック６とを接続するバスバ１８（分岐電力線）と、を備える電装モジュールを備え、バスバ１８には回路遮断器５２が介装されている。これにより、発電モジュール単位で電力の回路を遮断できる。

次に、遮断弁５１の変形例について説明する。

［変形例］
図１０は、変形例に係る遮断弁５１の断面図である。

遮断弁５１がスイングバルブである点は上記実施形態と同じだが、上記実施形態の遮断弁５１が電動式であるのに対し、本変形例に係る遮断弁５１は手動式である。本変形例に係る遮断弁５１は、作業者が操作する操作子７２とともに回転するウォーム７０と、スイング軸５１Ａ２に設けられたウォームホイール７１と、を備えるウォームギヤを開閉機構として備える。ウォーム７０とウォームホイール７２とは噛み合っており、操作子７２を回転させるとスイング軸５１Ａ２も回転し、弁体５１Ａ１が開閉する。なお、ウォーム７０の進み角は、ウォームホイール７２側から回転させようとした場合に摩擦の関係からウォーム７０が動かなくなる、いわゆるセルフロック現象が生じる程度の大きさ、例えば２０度以下、であることが望ましい。

本変形例によれば、排気分岐管１４が備える遮断弁５１は、開閉機構を手動で操作する手動式であり、作業者が操作する操作子とともに回転するウォームと、前記弁体のスイング軸に設けられたウォームホイールと、を備えるウォームギヤ機構により開閉する。これにより、弁体５１Ａ１に何らかの要因で開弁方向の力が作用しても、排気管９側からの圧力に加え、さらにセルフロック現象によって閉弁状態を維持できる。また、電動式に比べてコストを低減できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１ 燃料電池システム、 ２ 発電モジュール、 ３ 配管モジュール、 ４ 電力回収モジュール、 ５ 枠体、 ６ 燃料電池スタック、 ７ 補機構造体、 ８ 吸気管（吸気主配管）、 ９ 排気管（排気主配管）、 ４１ 吸気接続管、 ４２ 排気接続管、 ４３ 電力コンバータ、 ４７ 外部接続モジュール、 ６０ 発電ユニット、 ６４ 可動機構

Claims (6)

1. 燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックとの間でガスの授受を行う補機を含む補機構造体と、を備える複数の発電モジュールと、
   前記発電モジュールに供給又は前記発電モジュールから排出されたガスが流れる主配管類と、前記主配管類と前記発電モジュールとを接続する分岐配管類と、を備える配管モジュールと、
   を備える燃料電池システムにおいて、
   前記分岐配管類の各配管は、前記主配管類からの分岐部から前記発電モジュール側の端部までの間に遮断弁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に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池スタックから前記主配管類に含まれる排気管への流れ方向を正方向とした場合に、
   前記分岐配管類に含まれる排気分岐配管が備える前記遮断弁は、弁体が正方向に回動することで開弁するスイングバルブである、燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記排気分岐配管が備える前記遮断弁は、前記弁体を電動アクチュエータにより開閉する電動式であり、前記弁体のスイング軸と前記電動アクチュエータとがロッドを介して接続されている、燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記排気分岐配管が備える前記遮断弁は、開閉機構を手動で操作する手動式であり、作業者が操作する操作子とともに回転するウォームと、前記弁体のスイング軸に設けられたウォームホイールと、を備えるウォームギヤ機構により開閉する、燃料電池システム。
5. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記分岐配管類に含まれる吸気分岐管及び燃料分岐管が備える前記遮断弁は、手動式のボールバルブである、燃料電池システム。
6. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   複数の前記発電モジュールで発電された電力をシステム外部の電力コンバータへ送る主電力線と、前記主電力線と前記燃料電池スタックとを接続する分岐電力線と、を備える電装モジュールを備え、
   前記分岐電力線には回路遮断器が介装されている、燃料電池システム。

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