JP5063814B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムのメンテナンス方法 - Google Patents

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Description

本発明は、水素と酸素を反応させ発電する燃料電池システム及び燃料電池システムのメンテナンス方法に関するものである。
従来の燃料電池システムは、天然ガス等から水素ガス（燃料ガス）を生成する改質器と、この水素ガスと酸化剤としての酸素（空気）との電気化学的反応により発電を行う燃料電池（以降、適宜スタックと呼ぶこともある）と、スタックで発生した電気エネルギーを商用電圧・周波数に変換する電力変換回路（以降、適宜インバータと呼ぶこともある）と、パッケージ内の換気を行う換気装置と、スタックや改質器を円滑に作動させるための補助機器（補機）と、を備えていて、これらの機器がパッケージ内に配置されている（例えば、特許文献１参照）。
図６は、特許文献１に開示されている燃料電池装置の概略構成を示す模式図である。
図６に示すように、特許文献１に開示されている燃料電池装置は、パッケージ１０１と、燃料改質装置１０２と、燃料電池１０３と、インバータを有する電気制御装置１０４と、補機１０５と、換気装置としてパッケージ１０１内に外気を取り入れるための換気ファン１０６と、を備えている。
パッケージ１０１内において、一番下方に補機１０５が配置され、補機１０５の上方には、燃料改質装置１０２と電気制御装置１０４が横に並んで配置されている。電気制御装置１０４の上方には、燃料電池１０３が配置されている。また、パッケージ１０１の側面で、燃料改質装置１０２よりも上方の部分には、換気ファン１０６が配置されている。
ところで、燃料改質装置１０２内部には、天然ガス等の原料ガスと水（水蒸気）とを改質反応により水素ガスを生成する改質器と該改質器を加熱するためのバーナを有している。バーナはメンテナンスの必要な部品であり、改質器から着脱できるように構成されている。一般に、バーナは、改質器内の広い領域を加熱できるように、改質器の全長に近い長さをしており、改質器上部から抜き差しして着脱できるように構成されている。
また、特に、家庭用の燃料電池システムでは、多種多様な構造を有している様々な家庭に配置することができるようにコンパクトに構成しなければならないという要求が極めて強いため、各構成部品間の隙間を可能な限り小さくしてコンパクトな燃料電池システムを構成することが一般的である。
特開２００３−２２９１４８号公報
しかしながら、特許文献１に開示されているような従来の燃料電池装置の構成では、バーナをメンテナンスするために、バーナを改質器から取り外す際、改質器の上部にバーナを抜くために必要な空間が充分ではないため、一旦、改質器自体をパッケージ１０１から取り外し、バーナを交換する必要があり、メンテナンス性が悪いという課題を有していた。
また、例えば、改質器上方に位置するパッケージ１０１の天面が着脱可能な天板で構成されている場合には、バーナを改質器から取り外す際、天板を取り外すことで、パッケージ１０１から改質器を取り外すことなく、バーナを改質器から取り外すことが可能となる。
しかしながら、このような場合であっても、パッケージ１０１の天板を取り外す必要があるため、メンテナンス中にパッケージ１０１上部から雨などの水が浸入する可能性があり、メンテナンス性が悪いという課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、水素生成装置のバーナのメンテナンス性を向上することができる燃料電池システム及び燃料電池システムのメンテナンス方法を提供することを目的とする。
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、上方から着脱自在に収納されているバーナと改質器を有する水素生成装置と、前記水素生成装置により生成された水素と酸化剤ガスとを反応させて発電するスタックと、少なくとも天板を有し、前記水素生成装置と前記スタックがその内部に配置されている本体パッケージと、を備える燃料電池システムであって、前記水素生成装置の上方には着脱可能に構成された着脱式配管が設けられ、前記着脱式配管が前記本体パッケージから取り外された場合に前記バーナの上方に形成される空間が、前記バーナの大きさ以上になるように構成され、前記水素生成装置の上方に配置されるとともに、前記スタックを配置するための仕切り板を備え、前記仕切り板は前記水素生成装置の上方が開口している。
これにより、メンテナンス時に着脱式配管を取り外すだけで、水素生成装置の上方にバーナの大きさ以上の空間を確保することができ、水素生成装置のバーナの着脱を容易にすることができる。また、水素生成装置全体を本体パッケージから取り出さなくても、バーナを水素生成装置、ひいては、本体パッケージから着脱することができるため、メンテナンス性を向上させることができる。
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記着脱式配管の上方に補助機器が設けられ、前記補助機器の下面と前記水素生成装置との上面との間の高さは、前記バーナの高さより大きくなるように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記着脱式配管は、気体を流すための配管であってもよい。
これにより、配管を取り外した場合に配管から水が漏れて本体パッケージ内に水が入り、本体パッケージ内に設けられた電気配線がショートする等の悪影響を及ぼすことを抑制することができる。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記本体パッケージは、着脱可能な側面板を少なくとも一つ有しており、前記着脱可能な側面板が取り外されて前記着脱式配管が取り外された場合に、前記バーナが前記側面板の取り外された前記本体パッケージの側面を介して前記水素生成装置から取り外されるように構成されていてもよい。
これにより、燃料電池システムのメンテナンスをよりいっそう簡易に行うことができる。
さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、前記本体パッケージの第１の側面板に形成され、前記本体パッケージ内に空気を取り込むための吸気口と、前記本体パッケージの第２の側面板に形成され、前記本体パッケージ外部に空気を排出するための排気口と、をさらに備え、前記吸気口は、前記スタックより下方に位置するように設けられ、前記排気口は、前記水素生成装置より上方に位置し、かつ、前記吸気口に対向するように設けられていてもよい。
これにより、本体パッケージ内を流れる換気用の空気が、水素生成装置の側方の吸気口から吸気され、補助機器の上方かつスタックの側方に設けられている排気口から排気されるため、スタック及び水素生成装置を換気用の空気が流れる経路の外に配置することができ、換気による温度変化を受けにくくすることができる。このため、水素生成装置やスタックに温度変化が生じ、温度制御のために余分な電力やガスが必要となり、燃料電池システム全体での発電効率が低下することを抑制することができる。また、補助機器に換気用の空気を積極的に当てることができ、補助機器の温度上昇を抑制することができる。
また、本発明に係る燃料電池システムのメンテナンス方法は、上方から着脱自在に収納されているバーナと改質器を有する水素生成装置と、前記水素生成装置により生成された水素と酸化剤ガスとを反応させて発電するスタックと、少なくとも天板を有し、前記水素生成装置と前記スタックがその内部に配置されている本体パッケージと、を備える燃料電池システムのメンテナンス方法であって、前記水素生成装置の上方には着脱可能に構成された着脱式配管が設けられ、前記着脱式配管が前記本体パッケージから取り外された場合に前記バーナの上方に形成される空間が、前記バーナの大きさ以上になるように構成され、前記水素生成装置の上方に配置されるとともに、前記スタックを配置するための仕切り板を備え、前記仕切り板は前記水素生成装置の上方が開口していて、前記着脱式配管を前記本体パッケージから取り外し、前記バーナを前記水素生成装置から取り外す。
これにより、メンテナンス時に着脱式配管を取り外すだけで、水素生成装置の上方にバーナの大きさ以上の空間を確保することができ、水素生成装置のバーナの着脱を容易にすることができる。また、水素生成装置全体を本体パッケージから取り出さなくても、バーナを水素生成装置、ひいては、本体パッケージから着脱することができるため、メンテナンス性を向上させることができる。
また、本発明に係る燃料電池システムのメンテナンス方法では、前記着脱式配管の上方に補助機器が設けられ、前記補助機器の下面と前記水素生成装置との上面との間の高さは、前記バーナの高さより大きくなるように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムのメンテナンス方法では、前記着脱式配管が、気体を流すための配管であってもよい。
これにより、配管を取り外した場合に配管から水が漏れて本体パッケージ内に水が入り、本体パッケージ内に設けられた電気配線がショートする等の悪影響を及ぼすことを抑制することができる。
また、本発明に係る燃料電池システムのメンテナンス方法では、前記本体パッケージが、着脱可能な側面板を少なくとも一つ有しており、前記着脱可能な側面板を取り外して、前記着脱式配管を取り外し、前記バーナを前記側面板の取り外された前記本体パッケージの側面を介して前記水素生成装置から取り外してもよい。
これにより、燃料電池システムのメンテナンスをよりいっそう簡易に行うことができる。
また、本発明に係る燃料電池システムのメンテナンス方法では、前記燃料電池システムが、前記本体パッケージの第１の側面板に形成され、前記本体パッケージ内に空気を取り込むための吸気口と、前記本体パッケージの第２の側面板に形成され、前記本体パッケージ外部に空気を排出するための排気口と、をさらに備え、前記吸気口が、前記スタックより下方に位置するように設けられ、前記排気口が、前記水素生成装置より上方に位置し、かつ、前記吸気口に対向するように設けられていてもよい。
これにより、本体パッケージ内を流れる換気用の空気が、水素生成装置の側方の吸気口から吸気され、補助機器の上方かつスタックの側方に設けられている排気口から排気されるため、スタック及び水素生成装置を換気用の空気が流れる経路の外に配置することができ、換気による温度変化を受けにくくすることができる。このため、水素生成装置やスタックに温度変化が生じ、温度制御のために余分な電力やガスが必要となり、燃料電池システム全体での発電効率が低下することを抑制することができる。また、補助機器に換気用の空気を積極的に当てることができ、補助機器の温度上昇を抑制することができる。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムのメンテナンス方法によれば、水素生成装置のバーナのメンテナンス性を向上させることが可能となる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。 図２は、本実施の形態１に係る燃料電池システムにおける本体パッケージの外観を示す模式図である。 図３は、図２に示す本体パッケージの内部構成を概略的に示す模式図である。 図４は、本実施の形態１に係る燃料電池システムにおけるバーナをメンテナンスするときの状態を示す模式図である。 図５は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの換気風路を示す模式図である。 図６は、特許文献１に開示されている燃料電池装置の概略構成を示す模式図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムは、上方から着脱自在に収納されているバーナを有する水素生成装置と、水素生成装置により生成された水素と酸化剤ガスとを反応させて発電するスタックと、少なくとも天板を有し、水素生成装置とスタックがその内部に配置されている本体パッケージと、を備える燃料電池システムであって、水素生成装置の上方には着脱可能に構成された着脱式配管が設けられ、着脱式配管が本体パッケージから取り外された場合にバーナの上方に形成される空間が、バーナの大きさ以上になるように構成されている態様を例示するものである。
［燃料電池システムの構成］
まず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図１を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。
図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、バーナ４を有する水素生成装置１２、酸化剤ガス供給器１３、スタック５、冷却水タンク１４、及び電気回路６を備えていて、図２に示す本体パッケージ１（図１では図示せず）内に配置されている（図３参照）。
水素生成装置１２は、改質器３とバーナ４を有している。バーナ４は、水素生成装置１２の上面から抜き差しして着脱できるように構成されており、例えば、ネジやクイックファスナーにより水素生成装置１２に固定されている。
改質器３には、原料ガス供給流路（図示せず）が接続されていて、原料ガス供給流路は、図示されない原料ガス源から改質器３に原料ガス（例えば、メタンを主成分とする天然ガス）を供給するように構成されている。また、原料ガス供給流路には、原料ガスの供給を制御する制御弁や原料ガスを昇圧して改質器３に送出する送出器（昇圧ポンプ）が設けられている。
なお、上記原料ガス源は、都市ガス（天然ガス）インフラ、ＬＰＧボンベ等が例示される。また、原料ガスは、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むガスを使用することができる。具体的には、エタン、プロパンなどの炭化水素を含むガス、気体のアルコールを含むガス等が例示される。
バーナ４には、オフ燃料ガス流路５２を介して、スタック５が接続されている。バーナ４は、改質器３から排出された水素含有ガスやスタック５で使用されなかった燃料ガス等の燃焼用のガス（可燃性ガス）と、燃焼用の空気と、が供給されるように構成されている。これにより、バーナ４では、可燃性ガスと、空気とを燃焼させて、燃焼排ガスが生成される。そして、この燃焼排ガスの伝熱により、改質器３等の各機器が加熱される。なお、燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路５５を通流して燃料電池システム１００外（大気中）に排出される。また、バーナ４に供給されるガスは、水素含有ガスなどに限らず、例えば、原料ガスをそのまま用いても良い。
燃焼排ガス流路５５の途中には、第２熱交換器１７が設けられている。第２熱交換器１７では、燃焼排ガス流路５５を通流する燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換がなされる。そして、燃焼排ガス流路５５では、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮して水（凝縮水）が生成される。生成された凝縮水は、凝縮水流路６３を通流して、凝縮水タンク１８に貯えられる。
改質器３の内部空間には、改質触媒（図示せず）が設けられていて、原料ガス供給流路から供給された原料ガスと別途供給された水蒸気とが、水蒸気改質反応して水素を含有する水素含有ガスが生成される。そして、改質器３で生成された水素含有ガスは、燃料ガスとして、燃料ガス供給流路５１を通流してスタック５に供給される。
なお、本実施の形態１では、改質器３で生成される水素含有ガスが、そのままスタック５に供給されるよう構成されているが、改質器３の下流に、改質器３で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減する変成器や酸化反応により低減するＣＯ除去器を備える形態を採用しても構わない。
スタック５は、アノードとカソードを有する燃料電池（いずれも図示せず）が１以上積層されて構成されている。スタック５を構成する燃料電池の種類は、限定されず、固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池、固体酸化物形燃料電池等が例示される。なお、スタック５は、公知の燃料電池のスタックを用いることができ、ここでは、その具体的構成の説明は省略する。
スタック５には、酸化剤ガス供給流路５３を介して、酸化剤ガス供給器１３が接続されている。酸化剤ガス供給器１３は、フィルター等からなる空気浄化器とファンやブロワ等のファン類を有している。また、スタック５には、オフ酸化剤ガス流路５４が接続されている。なお、オフ酸化剤ガス流路５４の下流端は、大気開放されている。
これにより、水素生成装置１２（改質器３）で生成された燃料ガスが、燃料ガス供給流路５１を介してスタック５のアノードに供給される。また、酸化剤ガス供給器１３から酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給流路５３を介してスタック５のカソードに供給される。
スタック５では、アノードに供給された燃料ガスと、カソードに供給された酸化剤ガスと、が、電気化学的に反応して、電気と熱が発生する。なお、アノードで使用されなかった燃料ガス（以下、オフ燃料ガス）は、オフ燃料ガス流路５２を介してバーナ４に供給され、燃焼用の可燃ガスとして使用される。また、カソードで使用されなかった酸化剤ガス（以下、オフ酸化剤ガス）は、オフ酸化剤ガス流路５４を通流して、大気中に排出される。
また、スタック５には、冷却水循環流路６１が接続されている。冷却水循環流路６１の途中には、冷却水タンク１４、冷却水ポンプ１９、及び第１熱交換器１６が設けられている。また、冷却水タンク１４の内部には、スタック５で発生した余剰の電力を消費するためのヒータ２０が設けられている。冷却水ポンプ１９としては、冷却水循環流路６１内の冷却水の流量を調整しながら循環させることができれば、どのような態様であってもよい。また、ヒータ２０としては、シーズヒータ等の電気ヒータを用いることができる。
冷却水タンク１４には、給水流路６２を介して、凝縮水タンク１８が接続されている。給水流路６２の途中には、給水ポンプ２１及び浄化器２２が設けられている。給水ポンプ２１は、給水流路６２内の水（凝縮水）の流量調整しながら通流させることができれば、どのような態様であってもよい。
また、浄化器２２は、給水流路６２内の水を浄化することができれば、どのような形態であってもよく、本実施の形態１においては、イオン交換樹脂が充填された筐体で構成されている。浄化器２２は、凝縮水に含まれる不純物（主に、イオン）をイオン交換樹脂に吸着させて、浄化する。なお、浄化器２２としては、上記イオン交換樹脂以外の他の形態として、活性炭フィルターや逆浸透膜を用いる態様が挙げられる。
貯湯タンク１５には、貯湯水循環流路６４が接続されている。貯湯水循環流路６４の途中には、貯湯水ポンプ２３、第２熱交換器１７、及び第１熱交換器１６が設けられている。貯湯水ポンプ２３は、貯湯水循環流路６４内の貯湯水の流量を調整しながら循環させることができれば、どのような態様であってもよい。これにより、貯湯タンク１５内の貯湯水は、貯湯水循環流路６４を通流する間に、第２熱交換器１７で、燃焼排ガス流路５５を通流する燃焼排ガスにより加熱され、第１熱交換器１６で、冷却水循環流路６１を通流する冷却水により加熱されて、貯湯タンク１５に戻る。
電気回路６は、１００Ｖ以上を扱う高電圧回路と低電圧回路とを有している。高電圧回路は、燃料電池システム１００外部の商用電源に接続され、スタック５で発電される直流電力を交流電力に変換して商用電源に接続された負荷に供給するインバータと、交流商用電源を直流低電圧に変換する電源回路と、を有している。電気回路６の高電圧回路により、スタック５で発生した電力が、外部電力負荷（例えば、家庭の電力機器）に供給される。
低電圧回路は、燃料電池システム１００を構成する各機器を制御する制御器である。
低電圧回路は、例えば、商用電源に接続された負荷の消費電力に基づいて、燃料電池システム１００における発電電力の制御や、水素生成装置１２やスタック５の温度制御を行っている。
低電圧回路を構成する制御器は、燃料電池システム１００を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよく、例えば、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。なお、制御器は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して、燃料電池システム１００の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器は、マイクロコントローラで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ(ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)、論理回路等によって構成されていてもよい。
そして、本実施の形態１においては、酸化剤ガス供給器１３、第２熱交換器１７、凝縮水タンク１８、給水ポンプ２１、浄化器２２、及び貯湯水ポンプ２３が第１の補助機器として例示される。また、冷却水タンク１４、第１熱交換器１６、冷却水ポンプ１９、及びヒータ２０が第２の補助機器として例示される。
なお、上記の各機器は、例示であって、上記機器以外の機器が、第１の補助機器７又は第２の補助機器８であってもよい。例えば、原料ガス供給流路に設けられた制御弁や昇圧ポンプ（いずれも図示せず）が、第１の補助機器７であってもよい。また、スタック５に供給される燃料ガスや酸化剤ガスの流量を調整するための制御弁が、第２の補助機器８であってもよい。また、第１の補助機器７として例示した機器が、第２の補助機器８として構成されてもよく、第２の補助機器８として例示した機器が、第１の補助機器７として構成されてもよい。
また、本実施の形態１においては、燃料ガス供給流路５１、酸化剤ガス供給流路５３、及び燃焼排ガス流路５５を構成する配管の一部が、着脱可能に構成されていて、当該着脱可能な部分が、着脱式配管３１を構成する。なお、着脱式配管３１と他の配管との装着又は脱離は、例えば、ネジやクイックファスナーにより行うことができる。また、着脱式配管３１は、燃料ガス供給流路５１、酸化剤ガス供給流路５３、及び燃焼排ガス流路５５の配管の一部で構成されているとしたが、これに限定されない。着脱式配管３１は、これらの流路のうち、少なくとも１の流路を構成する配管の一部で構成されていてもよい。また、着脱式配管３１は、他の流路（例えば、オフ酸化剤ガス流路５４や冷却水循環流路６１等）を構成する配管の一部で構成されていてもよい。さらに、着脱式配管３１は、脱離した際に液体（水）が漏れて、電気配線がショートするのを抑制する観点から、気体が通流する流路を構成する配管の一部で構成されていることが好ましい。
［本体パッケージの構成］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の本体パッケージ１の概略構成について、図２及び図３を参照しながら説明する。
図２は、本実施の形態１に係る燃料電池システムにおける本体パッケージの外観を示す模式図である。図３は、図２に示す本体パッケージの内部構成を概略的に示す模式図である。なお、図２及び図３においては、本体パッケージ（燃料電池システム）における上下方向を図における上下方向として表している。
図２に示すように、燃料電池システム１００の本体パッケージ１は、金属製の板と梁で構成されている。具体的には、直方体状のフレーム２５と、該フレーム２５の６つの面を覆うように設けられた外装板２４を有している。なお、６つの外装板２４のうち、本体パッケージ１の上面に配置された外装板２４を天板２という。天板２は、ネジ等でフレーム２５に着脱可能に取り付けられている。なお、天板２は、本実施の形態１では着脱可能に構成されているが、着脱できない構成としてもよい。
本体パッケージ１の１つの側面（以下、第１の側面）に位置する外装板（第１の側面板）２４の下部には、吸気口９が設けられていて、第１の側面と対向する面（以下、第２の側面）に位置する外装板（第２の側面板）２４の上部には、排気口１０が設けられている。また、本体パッケージ１の第１の側面及び第２の側面以外の１の側面（以下、正面）に位置する外装板２４は、着脱可能なようにネジ２６等でフレーム２５に取り付けられている。なお、本実施の形態１においては、吸気口９と排気口１０には、それぞれ、異物が本体パッケージ１内に入らないようするためのフードが設けられている。
また、図３に示すように、本体パッケージ１の内部には、水素生成装置１２、スタック５、電気回路６、第１の補助機器７、第２の補助機器８が配置されている。なお、貯湯タンク１５は、本体パッケージ１内に配置されてもよく、また、本体パッケージ１とは異なるパッケージ内に配置されてもよい。
本体パッケージ１の下部には、第１の補助機器７と水素生成装置１２が本体パッケージ１の底面と隙間を有するように（本体パッケージ１の底面から所定の高さ離れた位置に）配置されている。具体的には、第１の補助機器７は、本体パッケージ１の第１の側面側に配置されていて、水素生成装置１２は、本体パッケージ１の第２の側面側に配置されている。すなわち、第１の補助機器７は、吸気口９に近い側に設けられていて、水素生成装置１２は、吸気口９に遠い側に設けられている。なお、第１の補助機器７を構成する各機器は、吸気口９から取り込まれた外気が、本体パッケージ１内を通流するように、互いに離れて配置されている。
第１の補助機器７と水素生成装置１２の上方には、仕切り板１１が配置されている。仕切り板１１の上面には、スタック５が配置されていて、スタック５の上方には、電気回路６が配置されている。なお、スタック５と水素生成装置１２は、本体パッケージ１をコンパクト化する観点（本体パッケージ１の底面を小さくする観点）から、鉛直方向から見て、その一部が互いに重なり合うように、配置されていることが好ましく、互いに重なるように配置されていることがより好ましい。
また、スタック５は、本体パッケージ１内を通過する換気風が当たることを抑制する観点から、鉛直方向から見て、本体パッケージ１の角（端）に近い側に配置されていることが好ましい。換言すると、本体パッケージ１の側面を覆う２枚の外装板２４で囲まれるように配置されていることが好ましい。これにより、スタック５の下面は、仕切り板１１により、本体パッケージ１内を通過する換気風が当たることが妨げられる。
また、仕切り板１１は、水素生成装置１２の上方部分が開口している。そして、仕切り板１１の開口している部分を含む水素生成装置１２の上方の空間には、着脱式配管３１が配置されている。本実施の形態１においては、着脱式配管３１が配置されている空間が、バーナ４の大きさ以上になるように構成されている。着脱式配管３１が配置されている空間の上方には、第２の補助機器８が配置されている。また、第２の補助機器８の第２の側面側には、換気ファン２７が設けられている。つまり、第２の補助機器８の下面と水素生成装置１２との上面との間の高さは、バーナの高さより大きくなるように構成されている。
そして、吸気口９は、スタック５よりも下方に位置するように設けられている。吸気口９は、該吸気口９から本体パッケージ１内に取り込まれた外気（換気風）が、スタック５に当たらないようにする観点から、本体パッケージ１におけるスタック５に近い側の側面を覆う外装板（側面板）２４に設けられていることが好ましい。
また、排気口１０は、スタック５よりも上方に位置するように、かつ、吸気口９と対向するように設けられている。ここで、「対向するように」とは、排気口１０と吸気口９が同一の外装板２４に設けられていないことをいい、より詳しくは、排気口１０が、互いに対向する一対の外装板２４の一方の外装板２４に設けられ、吸気口９が、他方の外装板２４に設けられていることをいう。
［燃料電池システムのメンテナンス方法］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００におけるバーナ４のメンテナンスについて、図２乃至図４を参照しながら説明する。
図４は、本実施の形態１に係る燃料電池システムにおけるバーナをメンテナンスするときの状態を示す模式図である。
バーナ４のメンテナンスは、水素生成装置１２からバーナ４を取り外して行う。具体的には、まず、本体パッケージ１の正面の外装板２４を固定しているネジ２６を外して、該外装板２４を取り外す（図２参照）。次に、着脱式配管３１を取り付けているネジ等を外して、該着脱式配管３１を本体パッケージ１から取り出す（図３参照）。そして、バーナ４を水素生成装置１２に取り付けているネジ等を外して、バーナ４を水素生成装置１２から上方に引き抜いて取り外す（図４参照）。このとき、上述したように、着脱式配管３１が配置されている空間が、バーナ４の大きさ以上となるように構成されているため、バーナ４は、水素生成装置１２全体を本体パッケージ１から取り出すことなく、着脱式配管３１を本体パッケージ１から取り出すだけで本体パッケージ１から取り出すことができる。
なお、バーナ４のメンテナンスの際に、水が流れる流路（例えば、冷却水循環流路６１等）を構成する配管の一部を取り外すと、配管から水が漏れて、本体パッケージ１内に水が入り、電気配線等でショートが発生することを抑制する観点から、水が流れる流路を構成する配管の一部を取り外さないようにすることが望ましい。
［燃料電池システムの作用効果］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の作用効果について説明する。
まず、燃料電池システム１００の動作中における本体パッケージ１内の換気の風の流れについて、図５を参照しながら説明する。
図５は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの換気風路を示す模式図である。
図５に示すように、燃料電池システム１００の動作中、換気ファン２７が動作することにより、吸気口９から外気が本体パッケージ１内に取り入れられる。吸気口９から取り入れられた外気は、第１の補助機器７の下方から、第１の補助機器７を構成する各機器の間を通過して、仕切り板１１の開口から着脱式配管３１が設けられている空間を通過し、第２の補助機器８を構成する各機器の間を抜けて、排気口１０から本体パッケージ１（燃料電池システム１００）外に排出される。この本体パッケージ１内の外気（換気風）の流れを換気風路という。
ところで、第１の補助機器７と第２の補助機器８は、電気回路６により温度制御されていないが、各補助機器の中には、ポンプ等のように自らの動作により発熱して温度上昇する補助機器がある。したがって、換気風を積極的に当該補助機器に当てることにより冷却して、当該補助機器の動作保証温度を超えないようにすることが必要である。
また、水素生成装置１２とスタック５は、電気回路６により温度制御されており、水素生成装置１２やスタック５に換気風が当たることにより、水素生成装置１２やスタック５の温度が低下した場合、温度を調整するために、電気回路６が第１の補助機器７と第２の補助機器８を制御して、原料ガスを余分に燃焼させて温度を上げる等の動作を行う必要がある。このため、燃料電池システム１００での原料ガスの消費に対する発電量の割合を示す発電効率が低下する可能性がある。したがって、燃料電池システム１００の発電効率の低下を抑制するためには、水素生成装置１２とスタック５を換気風の影響を受けないように構成して、余分な原料ガスを使用しないようにすることが必要である。
しかしながら、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、上述したような換気風路ができるように、本体パッケージ１内に各機器を配置することにより、燃料電池システム１００の発電効率の低下を抑制することができる。
また、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、排気口１０が、電気回路６から離れた位置に配置されている。このため、電気回路６には、本体パッケージ１内の換気風が通過しない構成となっている。
ところで、万一、本体パッケージ１内で原料ガスや水素ガス等の可燃性ガスの漏れが発生した場合、燃料電池システム１００は発電動作を停止し、漏れた可燃性ガスは、換気風により排気口１０から本体パッケージ１外に排出される。このとき、上述したように、換気風が電気回路６を通過しないように構成されているため、電気回路６を構成する高電圧回路により、可燃性ガスが着火することを抑制することができる。また、換気風により運ばれた漏洩ガスが電気回路６内に滞留することが抑制されるため、燃料電池システム１００の再起動時に、電気回路６内で着火することを抑制することができる。
なお、電気回路６自体は発熱するため、冷却する必要があるため、電気回路６専用の吸気口と排気口が、換気風路に影響がないように、電気回路６近傍の本体パッケージ１の外装板２４に構成されており、換気動作が行われる。
以上のように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、バーナ４のメンテナンスの際に、本体パッケージ１から水素生成装置１２を取り外すことなく、着脱式配管３１を外すだけで、水素生成装置１２からバーナ４を取り外すことができる。このため、燃料電池システム１００のメンテナンス性を向上させることができる。
また、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、図５に示すような本体パッケージ１内の換気風路ができるように、本体パッケージ１内に燃料電池システム１００を構成する各機器を配置している。これにより、換気風による冷却が必要な電気回路６により温度制御されていない、第１の補助機器７と第２の補助機器８には、換気風が当たって、第１の補助機器７及び第２の補助機器８を構成する各機器を冷却することができる。一方、換気風を当てたくない水素生成装置１２とスタック５を換気風路の外に配置して、換気風による温度変化を受けにくくすることで、燃料電池システム１００の発電効率の低下を抑制することができる。
なお、本実施の形態１においては、補助機器は、第１の補助機器７と第２の補助機器８に分けて構成しているが、第２の補助機器８のみで構成してもよい。この場合、図２等で示した第１の補助機器７を構成する各機器は、第２の補助機器８が配置されている空間に配置される。また、補助機器は、第１の補助機器７のみで構成してもよい。この場合、図２等で示した第２の補助機器８を構成する各機器は、第１の補助機器７が配置されている空間に配置される。
また、着脱式配管３１が取り外された場合のバーナ４の上方に形成される空間には、電気配線など、容易に移動させることができたり着脱することができたりするものが残ってもよい。着脱式配管３１を取り外せば、実質的にバーナ４のメンテナンスを行うことができるからである。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
本発明に係る燃料電池システム及び燃料電池システムのメンテナンス方法は、水素生成装置のバーナのメンテナンス性を向上することができるため、燃料電池の分野で有用である。
１ 本体パッケージ
２ 天板
３ 改質器
４ バーナ
５ スタック
６ 電気回路
７ 第１の補助機器
８ 第２の補助機器
９ 吸気口
１０ 排気口
１１ 仕切り板
１２ 水素生成装置
１３ 酸化剤ガス供給器
１４ 冷却水タンク
１５ 貯湯タンク
１６ 第１熱交換器
１７ 第２熱交換器
１８ 凝縮水タンク
１９ 冷却水ポンプ
２０ ヒータ
２１ 給水ポンプ
２２ 浄化器
２３ 貯湯水ポンプ
２４ 外装板
２５ フレーム
２６ ネジ
２７ 換気ファン
３１ 着脱式配管
５１ 燃料ガス供給流路
５２ オフ燃料ガス流路
５３ 酸化剤ガス供給流路
５４ オフ酸化剤ガス流路
５５ 燃焼排ガス流路
６１ 冷却水循環流路
６２ 給水流路
６３ 凝縮水流路
６４ 貯湯水循環流路
１００ 燃料電池システム
１０１ パッケージ
１０２ 燃料改質装置
１０３ 燃料電池
１０４ 電気制御装置
１０５ 補機
１０６ 換気ファン

Claims (12)

  1. 上方から着脱自在に収納されているバーナと改質器を有する水素生成装置と、
    前記水素生成装置により生成された水素と酸化剤ガスとを反応させて発電するスタックと、
    少なくとも天板を有し、前記水素生成装置と前記スタックがその内部に配置されている本体パッケージと、を備える燃料電池システムであって、
    前記水素生成装置の上方には着脱可能に構成された着脱式配管が設けられ、
    前記着脱式配管が前記本体パッケージから取り外された場合に前記バーナの上方に形成される空間が、前記バーナの大きさ以上になるように構成され、
    前記水素生成装置の上方に配置されるとともに、前記スタックを配置するための仕切り板を備え、
    前記仕切り板は前記水素生成装置の上方が開口している、燃料電池システム。
  2. 前記着脱式配管の上方に補助機器が設けられ、
    前記補助機器の下面と前記水素生成装置との上面との間の高さは、前記バーナの高さより大きくなるように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記着脱式配管は、気体を流すための配管である、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記着脱式配管は、前記水素生成装置で生成された水素を前記スタックに供給するための燃料ガス供給流路と、前記スタックのアノードで使用されなかった水素を前記バーナに供給するためのオフ燃料ガス流路と、を含んでいる、請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記本体パッケージは、着脱可能な側面板を少なくとも一つ有しており、
    前記着脱可能な側面板が取り外されて前記着脱式配管が取り外された場合に、前記バーナが前記側面板の取り外された前記本体パッケージの側面を介して前記水素生成装置から取り外されるように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記本体パッケージの第１の側面板に形成され、前記本体パッケージ内に空気を取り込むための吸気口と、
    前記本体パッケージの第２の側面板に形成され、前記本体パッケージ外部に空気を排出するための排気口と、をさらに備え、
    前記吸気口は、前記スタックより下方に位置するように設けられ、
    前記排気口は、前記水素生成装置より上方に位置し、かつ、前記吸気口に対向するように設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 上方から着脱自在に収納されているバーナと改質器を有する水素生成装置と、
    前記水素生成装置により生成された水素と酸化剤ガスとを反応させて発電するスタックと、
    少なくとも天板を有し、前記水素生成装置と前記スタックがその内部に配置されている本体パッケージと、を備える燃料電池システムのメンテナンス方法であって、
    前記水素生成装置の上方には着脱可能に構成された着脱式配管が設けられ、
    前記着脱式配管が前記本体パッケージから取り外された場合に前記バーナの上方に形成される空間が、前記バーナの大きさ以上になるように構成され、
    前記水素生成装置の上方に配置されるとともに、前記スタックを配置するための仕切り板を備え、
    前記仕切り板は前記水素生成装置の上方が開口していて、
    前記着脱式配管を前記本体パッケージから取り外し、前記バーナを前記水素生成装置から取り外す、燃料電池システムのメンテナンス方法。
  8. 前記着脱式配管の上方に補助機器が設けられ、
    前記補助機器の下面と前記水素生成装置との上面との間の高さは、前記バーナの高さより大きくなるように構成されている、請求項７に記載の燃料電池システムのメンテナンス方法。
  9. 前記着脱式配管は、気体を流すための配管である、請求項７又は８に記載の燃料電池システムのメンテナンス方法。
  10. 前記着脱式配管は、前記水素生成装置で生成された水素を前記スタックに供給するための燃料ガス供給流路と、前記スタックのアノードで使用されなかった水素を前記バーナに供給するためのオフ燃料ガス流路と、を含んでいる、請求項９に記載の燃料電池システムのメンテナンス方法。
  11. 前記本体パッケージは、着脱可能な側面板を少なくとも一つ有しており、
    前記着脱可能な側面板を取り外して、前記着脱式配管を取り外し、前記バーナを前記側面板の取り外された前記本体パッケージの側面を介して前記水素生成装置から取り外す、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムのメンテナンス方法。
  12. 前記本体パッケージの第１の側面板に形成され、前記本体パッケージ内に空気を取り込むための吸気口と、
    前記本体パッケージの第２の側面板に形成され、前記本体パッケージ外部に空気を排出するための排気口と、をさらに備え、
    前記吸気口は、前記スタックより下方に位置するように設けられ、
    前記排気口は、前記水素生成装置より上方に位置し、かつ、前記吸気口に対向するように設けられている、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システムのメンテナンス方法。
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