JP5598396B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸素を反応させ発電する燃料電池システムに関するものである。

従来の燃料電池システムは、原料ガスである天然ガスなどから水素ガスを生成する燃料ガス生成装置と、この水素ガスと酸化剤としての酸素（気体）との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池（以降、スタックと呼ぶ）と、このスタックに酸素（気体）を供給する空気供給部（空気ブロワ）と、燃料電池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装置（インバータ）と、燃料電池や改質装置で発生する熱を冷却水を介して回収する熱回収装置とを備えている。

燃料電池システムを家庭用の発電機として使用する場合、燃料電池システムは、排気や騒音などが発生するため、一般的には屋外に設置される。そのため、気温の低い場所に設置した場合、配管内やスタックの水が凍結してしまう危険性があり、寒冷地での使用に適さないという問題があった。この問題に対して、図４に示すように、燃料電池システム１０３は、筐体１０１の内部空間に設けられているＰＥＦＣスタック１０２と、ＰＥＦＣスタック１０２を含む内部機器を搭載する搭載プレート１０５と、内部空間に配置され、当該内部空間を加熱するシーズヒータ１０４とを有し、シーズヒータ１０４は、筐体の内部空間の底面側に配置され、底面とシーズヒータ１０４との間に間隔を設けた構成が提案されている（特許文献１参照）。

国際公開第２００９／０３４９９７号

しかしながら、前記従来の構成では、搭載プレートと底面との間に、大きなシーズヒータをまんべんなく張り巡らせていることから、消費電力が大きくなるという課題を有していた。また、シーズヒータが故障した際には、筐体底面に配置された大きなシーズヒータを取り出す必要があるため、交換作業が困難である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、被加熱体を搭載する搭載板に必要最小限の発熱量を有した凍結防止用のヒータを配置し、消費電力を抑えながら被加熱体や燃料電池システム内の配管等の機器の凍結を防止することを目的とする。また、搭載板は前面を開放した場合に、前面に垂直な方向から見て外部に露出しない第一の位置から、前面を開放した場合に、外部に露出する第ニの位置とで移動可能に設けられ、ヒータ故障時には、搭載板を移動させることで、容易に交換作業が出来る燃料電池システムを提供することを目的とする。ここで、前面を開放した場合に外部に露出しない第一の位置に搭載板を配しているのは、搭載板の前方に別の機器を配置することで、燃料電池システムのコンパクト化を実現する為である。

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、燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前面を開放可能とする前蓋を有する筺体を備えた燃料電池システムであって、被加熱体と、前記被加熱体を加熱するヒータと、前記被加熱体及び前記ヒータを搭載する搭載板をさらに備え、前記搭載板は、第一の位置と第二
の位置とで移動可能に設けられ、前記第一の位置は、前記前面を開放した場合に、前記前面に垂直な方向から見て、外部に露出しない位置であり、前記第二の位置は、前記前面を開放した場合に、外部に露出する位置であることを特徴とするものである。

被加熱体とヒータが同一の搭載板に取り付けられることにより、被加熱体はヒータによって加熱されるとともに、ヒータは凍結の恐れのある配管等の機器の近傍に配置し、必要最小限の発熱量を有した仕様とすることで、消費電力を抑えながら自然対流により空間全体を加熱することで凍結を防止することができる。また、搭載板は外部に露出した位置に移動可能に構成されているため、被加熱体とヒータを搭載板と一体に取り出すことができる。ここで、前面を開放した場合に外部に露出しない第一の位置に搭載板を配しているのは、搭載板の前方に別の機器を配置することで、燃料電池システムのコンパクト化を実現する為である。

本発明の燃料電池システムは、ヒータの消費電力を抑えながら、被加熱体の凍結を防止することができ、被加熱体やヒータの故障時には、容易に交換作業ができるサービス性に優れた燃料電池を提供することが出来る。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態１における空気供給装置の構成図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図 従来の燃料電池システムの構成図

第１の発明は、燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前面を開放可能とする前蓋を有する筺体を備えた燃料電池システムであって、被加熱体と、前記被加熱体を加熱するヒータと、前記被加熱体及び前記ヒータを搭載する搭載板をさらに備え、前記搭載板は、第一の位置と第二の位置とで移動可能に設けられ、前記第一の位置は、前記前面を開放した場合に、前記前面に垂直な方向から見て、外部に露出しない位置であり、前記第二の位置は、前記前面を開放した場合に、外部に露出した位置であることにより、ヒータの消費電力を抑えながら被加熱体の凍結を防止することができ、搭載板が移動可能に構成されているため、被加熱体とヒータを搭載板と一体に取り出すことができるので、被加熱体やヒータの故障時には、容易に交換ができる。また、ヒータを被加熱体ではなく、搭載板に取り付けることで、被加熱体はヒータによって加熱されるとともに、自然対流によって空間全体が加熱されることで、ヒータ近傍の配管等の機器の凍結も防止することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の前記被加熱体を空気供給装置としたことにより、空気供給装置の凍結を防止することができる。さらに、空気供給装置として一般的に用いられるダイヤフラム式では、低温の空気が入り込むとダイヤフラムゴムが硬化し、圧送する空気の体積が低下し、発電に必要な風量を出力できなくなる場合が発生するが、ヒータによりダイヤフラム式空気供給装置に入り込む空気が暖められるので、ダイヤフラムゴムの硬化が抑制され、ダイヤフラム式空気供給装置が必要能力を出力することでき、燃料電池システムの発電を安定化させることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、定期的にメンテナンスが必要なメンテナンス装置を前記筺体内にさらに備え、前記被加熱体は、前記第一の位置にあるとき、前記メンテナンス装置が前記第二の位置に配置され、前記メンテナンス装置は、前記筺体から取外し可能に構成されていることにより、メンテナンス装置を前面に臨む第二の
位置に配置し、被加熱体を第一の位置に配置する為、スペースを有効活用することができ、燃料電池システム本体の小型化を実現できる。

第４の発明は、特に、第３の発明の前記被加熱体は、前記第二の位置にあるとき、前記筺体から取外し可能に構成されていることにより、前記加熱体の故障時には、容易に交換作業ができる。

第５の発明は、特に、第１から第４の発明において、前記搭載板に設けられる搭載板レールと、前記筺体に設けられる筺体レールをさらに備え、前記搭載板レール及び前記筺体レールは、前記搭載板を第一の位置と第二の位置とでスライドするように、互いに対向して設けられていることにより、小さな力で搭載板を移動させることができる。また、レールを介して搭載板が筐体に取り付けられていることから、ヒータによる熱が筐体を伝わって外部へ逃げることも抑制できる。

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、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）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図を示すものである。

図１は、前面を開放可能とする前蓋を有する燃料電池システムであり、本体パッケージ１は、燃料電池システム本体の外郭を形成するパッケージで、改質器３やスタック５とその周辺の構成要素を内部に収納するものであり、例えば、金属製の板と梁で構成される。本体パッケージ１の上面には天板２がネジ等で着脱可能に取り付けられている。天板２は、本実施の形態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。

改質器３は、触媒からなる改質部とこの改質部を加熱するバーナー４により構成され、本体パッケージ１内の下方に配置される。

空気供給装置（例えば、空気ブロワや空気供給ファン）９は、スタック５や改質器３に空気（酸素）を供給する装置であり、重量物（約６ｋｇ）かつ振動体であることから本体パッケージ１内の最下方で、前面を開放しても外部に露出しない位置に配置される。

スタック５は、固体高分子電解質膜の両側に触媒を担持した燃料極と空気極を形成して一体化された触媒層を、水素ガスや空気を送り込むための流路を形成したセパレータで挟持してセルを構成し、セルを集合化して構成される。スタック５は、本体パッケージ１内の改質器３の斜め上方に配置される。

電気回路６は、１００Ｖ以上を扱う高電圧回路と低電圧回路から構成されている。高電圧回路は、本体パッケージ１の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で構成されている。低電圧回路は、本体パッケージ１内の改質器３やスタック５等の各装置を制御する制御手段であり、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後述する第１の補助機器７である原料ガス配管から改質器３に供給される原料ガスの流量を調整することで燃料電池システムにおける発電電力の制御や、改質器３やスタック５の温度制御を行っている。電気回路６は、本体パッケージ１内のスタック５の上方に配置される。

第１の補助機器７は、改質器３やスタック５を円滑に作動させるための装置や配管で構
成される。例えば、外部から供給される原料ガスを改質器３に搬送する原料ガス配管、原料ガスの供給を制御する制御弁、原料ガスを昇圧して改質器３に送るガス昇圧ポンプ、スタック５に空気を搬送する空気配管、貯湯槽から供給される水を搬送し、貯湯槽へ供給する湯を搬送させる貯湯配管、貯湯配管内で水を循環させる循環ポンプ、改質器３からの排ガスの熱を回収し貯湯槽へ供給する水に伝達する熱交換器、スタック５で反応に使われなかった水素ガス（排水素ガス）を搬送する排水素ガス配管、排水素ガスから得られる凝縮水を蓄積する凝縮水タンク、空気浄化装置などがある。

第１の補助機器７は、改質器３の横で、且つスタック５の下方に配置される。第１の補助機器７は、本体パッケージ１の外部に設けられる貯湯槽と、貯湯槽から水を供給され、貯湯槽へ湯を排出する貯湯配管により接続されている。また、第１の補助機器７は、本体パッケージ１の外部と都市ガスなどの原料ガスを供給される原料ガス配管で接続されている。

第２の補助機器８は、改質器３やスタック５を円滑に作動させるための装置や配管で構成され、改質器３の上方で、且つスタック５と電気回路６の横に配置される。第２の補助機器８は、空気や原料ガスや水素ガスなどの気体を扱う装置や配管で構成された部分と水を扱う装置や配管で構成されている。

第２の補助機器８の中で気体を扱う装置や配管としては、例えば、改質器３で生成された水素ガスをスタック５に搬送するための水素ガス配管、空気供給装置９から供給される空気をスタック５に搬送するための空気配管、スタック５に搬送される空気や水素ガスの量を制御する制御弁、スタック５から排出される空気を搬送するための空気配管、スタック５で反応に使われなかった水素ガス（排水素ガス）を改質器３に供給する排水素ガス配管などがある。

第２の補助機器８の中で水を扱う装置や配管としては、例えば、スタック５での水素ガスと酸素の化学反応によって発生する熱によるスタック５の温度上昇を防ぐための冷却水を搬送するための冷却水配管、冷却水配管内に冷却水を循環するための循環ポンプ、スタック５での化学反応により温められた冷却水から熱を回収し、貯湯槽へ供給する水に伝達するための熱交換器、改質器３に原料ガスの改質反応のために必要な水を搬送するための改質水ポンプ、改質水ポンプから改質器３に搬送される水の量を制御する制御弁などがある。

なお、図示しないが第１の補助機器７と第２の補助機器８の間は水素ガス配管、空気配管、水配管、貯湯配管で接続される。

次に、本体パッケージ１内の各装置間の接続について説明する。改質器３は第１の補助機器７と原料ガス配管で接続され、本体パッケージ１外部から原料ガスの供給を受ける。スタック５は、改質器３と第２の補助機器８である水素ガス配管により接続され、改質器３から水素ガスの供給を受ける。また、スタック５は空気供給装置９と空気配管で接続され、空気の供給を受ける。電気回路６は、スタック５と電気ケーブルで接続され、スタック５で発電された直流電力が電気回路６に伝達される。電気回路６と改質器３及びバーナー４は電気ケーブルで接続され、電気回路６によりバーナー４の動作を制御される。電気回路６と第１の補助機器７及び第２の補助機器８のポンプや制御弁は電気ケーブルで接続され、電気回路６により動作を制御される。

次に、空気供給装置９の取付け構成について説明する。空気供給装置９と空気供給装置９を加熱するヒータ１４は、前面に垂直な方向から見て、前面を開放した場合でも外部に露出しない位置に配置されている。図２に本発明の第１の実施の形態における空気供給装
置の取付け構成図を示す。搭載板１５上に空気供給装置９と空気供給装置９を加熱するヒータ１４を取り付ける。本体パッケージ１内の底板に筐体レール１２を取り付け、搭載板１５にも搭載板レール１３を取り付けることで、空気供給装置９とヒータ１４を搭載した搭載板１５は筐体レール１２上を、前面を開放しても外部に露出しない第一の位置から、前面に露出する第二の位置にスライド移動することができる。また、レールを介して搭載板が筐体に取り付けられていることから、ヒータによる熱が筐体を伝わって外部へ逃げることも抑制できる。

尚、本実施の形態では搭載板１５は搭載板レール１３と筐体レール１２を介してスライド可能な構成としたが、搭載板１５が前面を開放しても外部に露出しない第一の位置から、前面に露出する第二の位置に移動可能であれば、搭載板１５を筐体に直接固定してもよい。その際には、搭載板１５と筐体との間には熱の逃げを防止する為に、断熱材を貼り付けた方が望ましい。

以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。

まず、本体パッケージ１外部の都市ガス管などと接続された第１の補助機器７の原料ガス配管から制御弁によりガスの量を制御されながら改質器３にメタンなどの原料ガスが供給される。改質器３では、原料ガスは改質部とバーナー４に供給され、水素への改質反応とバーナー４の燃焼に使用される。バーナー４は電気回路６の制御により改質部を加熱することで改質反応を起こし原料ガスを水素ガスに変換し、生成された水素ガスは第２の補助機器８の水素ガス配管を通ってスタック５へ供給される。一方、空気供給装置９は電気回路６に制御されて、空気配管を通してスタック５に空気を供給する。スタック５では、供給された水素ガスと空気中の酸素を化学反応させて直流電力を発電する。発電された直流電力は、電気回路６のインバータにより交流電力に変換され商用電源に供給される。

燃料電池システムは、より長期間（例えば１０年）で使用されるようにするために、タイマー（図示せず）により、家庭で電力消費量及びお湯の使用量が少ない時間帯（例えば夜間）は燃料電池システムを停止する。家庭内で電力消費量やお湯の消費量が比較的多い朝から、燃料電池システムを起動させて、発電及び給湯を再開するというサイクルで使用することが一般的である。しかし、夜間で発電が停止している時（待機工程中）、特に寒冷地方の冬場では、本体パッケージ１外の空気は氷点下（例えば−１０℃）になることが多々ある。水が凍結するおそれのある温度（たとえば４℃）以下を温度検知部（図示せず）が検知した場合、燃料電池システム内の水回路や水タンクなどが凍結しないようにヒータ１４に通電することで、ヒータ１４は、搭載板１５と周囲の空気を加熱し、自然対流により本体パッケージ１内部全体が加熱される。

その後、水が凍結するおそれのない温度（例えば１０℃以上）を温度検知部が検知すれば、ヒータ１４への通電は停止する。これにより、本体パッケージ１内の空気温度は１０℃以上に保たれるので燃料電池システムの構成部品の凍結を防止できる。また、燃料電池システムが待機工程から起動工程に移った場合でも、ダイヤフラム式の空気供給装置９に加熱された空気が供給されるので、温度低下によるダイヤフラムゴムの硬化が無くなり、ゴムの動作抵抗が増大することが無い為、寒冷地方に燃料電池システムを設置しても、ダイヤフラム式の空気供給装置９の運転効率低下による消費電力の上昇や風量不足を防止することができる。

次に、空気供給装置９の交換作業について説明する。燃料電池システムは、一定期間運転後（例えば１０年後）に部品を交換する必要が生じる。本発明の第一の位置、即ち前面を開放した場合でも外部に露出しない位置に配置された空気供給装置９を交換する際には、外装パッケージ１（前蓋）を外し、空気供給装置９の底部に配した搭載板レール１３と
、本体パッケージ１内の底板に配した筐体レール１２を連結するビスを取り除き、レールを使って空気供給装置９とヒータ１４を搭載した搭載板１５を前面に臨む第二の位置にスライド移動させる。前面に露出した位置にスライド移動させることにより交換が出来るようになる為、本体パッケージの左右蓋や後蓋を外す必要はない。

また、空気供給装置９を前面を開放した場合でも外部に露出しない位置に配置したことにより、遮音効果による低騒音化を実現することができ、振動体である空気供給装置９を搭載板レール１３、筐体レール１２を介して本体パッケージ１に取付けることで、本体パッケージに振動を伝えにくくする効果もある。

以上のように、本実施の形態においては、ヒータ１４の消費電力を抑えながら、空気供給装置９の凍結やダイヤフラムゴムの硬化による効率の低下を防止することができ、空気供給装置９やヒータ１４の故障時には、本体パッケージ１（前蓋）のみを取り外し、空気供給装置９とヒータ１４を搭載した搭載板１５を、前面を開放した場合でも外部に露出しない位置から外部に露出した位置に、レールを使って容易に移動させることが出来るので、容易に交換作業を行うことができる。

また、本体パッケージ１内の各部の配置は、図１の本体パッケージ１内の左右の中心線に対称に左右に入れ替えてもよい。つまり、改質器３と第２の補助機器８を本体パッケージ１内の左側に配置し、第１の補助機器７とスタック５と電気回路６を本体パッケージ１内の右側に配置してもよい。

また、本実施の形態においては、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、第１の補助機器７を構成する装置や配管は、第２の補助機器８として配置される。

なお、本実施の形態においては、前面が開放可能としているが、側面や上面が開放可能でもよく、また、前面と側面といったように複数面が開放可能としてもよい。これによって、交換を行う部品の近傍にある外蓋を取り外すことが可能となり、容易に交換作業を行うことができる。

（実施の形態２）
図３は本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの構成図を示すものである。
図３は図１の構成図に水の電解質を除去するイオン交換装置１１を加えたものである。イオン交換装置１１は、一定期間運転を行うと、イオン交換装置１１内に満たされたイオン交換樹脂が劣化してしまう為、定期的（例えば２年毎）に交換をする必要が生じる。前述の空気供給装置に比べて交換までの期間が短いことから、よりメンテナンス性を求められる部品となる。

イオン交換装置１１を前面に臨む第二の位置に配置し、本体パッケージ１内から着脱可能にすることで、メンテナンス性が高く、またスペースを有効活用できることから燃料電池システムの小型化を実現できる。

以上のように、本実施の形態においては、第１の発明において、定期的にメンテナンスが必要なイオン交換装置１１を本体パッケージ１内にさらに備え、空気供給装置９が第一の位置にあるとき第二の位置には前記イオン交換装置１１が配され、イオン交換装置１１は本体パッケージ１内から取外し可能に構成されたことにより、空気供給装置９以上にメンテナンス性を求められるイオン交換装置１１を前面に臨む位置に配置し、空気供給装置９を前面を開放した場合でも外部に露出しない位置に配置する為、スペースを有効活用す
ることができ、燃料電池システム本体の小型化を実現できる。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムは、第１もしくは第２の発明において、空気供給装置９は前面に臨む第二の位置にあるとき、本体パッケージ１内から着脱自在に構成されたものである。

以上のように、本実施の形態においては、空気供給装置９は前面に臨む第二の位置にあるとき、本体パッケージ１内から着脱自在に構成されたことにより、交換も容易に行うことが出来る。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池システム内の機器の凍結を防止するとともに、凍結防止用のヒータの消費電力を抑え、ヒータ故障時には容易に交換作業ができる為、様々な形態の本体パッケージの燃料電池システムや貯湯槽一体型燃料電池システムに適用できる。

１ 本体パッケージ
２ 天板
３ 改質器
４ バーナー
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 空気供給装置（空気ブロワ）
１１ イオン交換装置
１２ 筐体レール
１３ 搭載板レール
１４ ヒータ
１５ 搭載板

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
   前面を開放可能とする前蓋を有する筺体を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の補機と、前記補機を加熱するヒータと、前記補機及び前記ヒータを搭載する搭載板と、
   をさらに備え、
   前記搭載板は、第一の位置と第二の位置とで移動可能に設けられ、
   前記前面を開放した場合に、前記前面に垂直な方向から見て、
   前記第一の位置は、外部に露出しない位置であり、
   前記第二の位置は、外部に露出する位置である、
   燃料電池システム。
2. 前記補機は空気供給装置である、
   請求項１記載の燃料電池システム。
3. 定期的にメンテナンスが必要なメンテナンス装置を前記筺体内にさらに備え、
   前記補機は、前記第一の位置にあるとき、前記メンテナンス装置が前記第二の位置に配置され、前記メンテナンス装置は、前記筺体から取外し可能に構成されている、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記補機は、前記第二の位置にあるとき、前記筺体から取外し可能に構成されている、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記搭載板に設けられる搭載板レールと、前記筺体に設けられる筺体レールをさらに備え、
   前記搭載板レール及び前記筺体レールは、前記搭載板を第一の位置と第二の位置とでスライドするように、互いに対向して設けられている、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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