JP5988625B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池システムに関する。

近年、特許文献１に示されるような燃料電池システムが普及しつつある。このような燃料電池システムは、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、燃料電池によって発電された直流電流を電力系統と同期のとれた交流電流（１００Ｖや２００Ｖ）に変換するための電力変換装置と、燃料電池発電装置の統括制御を行うためのシステム制御基板を備えている。このシステム制御基板にはマイクロコンピュータが実装されている。このマイクロコンピュータには、燃料電池発電装置が備える各種センサからの検出信号が入力され、そして、マイクロコンピュータは各種センサからの検出信号に基づき、ポンプ、ヒータ、ブロワ等の補機の制御を行っている。

これらの補機のうち、ヒータには、安価で信頼性の高い交流ヒータ（以下、ＡＣヒータとする）が用いられるのが一般的である。そして、ＡＣヒータのオン・オフには、電磁石により可動接点を固定接点に対し離接させる有接点リレーを用いる。そして、電気部品を集約化するため、この有接点リレーはシステム制御基板に実装されている。燃料電池発電装置では燃料としてガスを使用するので、もし仮にガス漏れが発生した場合であっても、電力変換装置や有接点リレーの接点付近にガスが存在しないように、電力変換装置及びシステム制御基板をケーシング内に収納し、更に、ケーシング内に外気をファンにより導入している。

特開２００３−２１７６３５号公報

上述のとおり、システム制御基板上に有接点リレーが実装されている場合には、この有接点リレーに電力変換装置や系統電源から供給される１００Ｖや２００Ｖ等の高圧の交流電流が入力される。このため、システム制御基板において、高圧の交流電流が入力される交流回路と直流回路との絶縁性を確保するために、交流回路と直流回路とを離間させる必要が有る。この結果、システム制御基板が大型化してしまい、これに伴いケーシングが大型化し、燃料電池システムがコストアップしてしまうという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、システム制御基板の大型化に起因するコストアップを防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するためになされた、請求項１に係る発明によると、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、燃料電池と系統電源に接続され、燃料電池で発電された電力を交流電力に変換する電力変換装置と、燃料電池システムの運転に必要な補機であって、電力変換装置又は系統電源から供給される交流電力によって稼働する交流補機と、電力変換装置と系統電源とを接続する電線と交流補機とを接続する交流用導線に設けられ、交流用導線を遮断・連通し且つ接点を有する有接点リレーと、燃料電池及び電力変換装置を制御するとともに、有接点リレーのオン・オフを行う制御部を有するシステム制御基板と、電力変換装置を収納するケーシングとを有し、有接点リレーはケーシング内に収納されている一方で、システム制御基板はケーシングの外部に前記ケーシングから離間して配設され、前記システム制御基板と前記有接点リレーとはシリアル通信による信号線を介して接続されている。

請求項２に係る発明は、請求項１において、システム制御基板は、パターンとランドが形成された基板と基板上に実装された電子部品とからなり、少なくとも電子部品の端子と基板のランドとの接続部は、防水処理がされている。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、有接点リレーはケーシング内に収納されている一方で、システム制御基板はケーシングの外部に配設されている。これにより、有接点リレーはシステム制御基板には配設されていないため、システム制御基板には、有接点リレーに流れる高圧の交流電流が入力されない。よって、システム制御基板において直流電流が流れる直流回路と高圧の交流電流が流れる交流回路との絶縁距離を確保する必要が無い。このため、システム制御基板を、絶縁距離を確保するスペース分は少なくとも小型化することができ、これに伴いケーシングを小型化することができるので、基板の大型化に起因する燃料電池システムのコストアップを防止することができる。
また、システム制御基板の制御部と有接点リレーとは信号線を介して接続され、システム制御基板はケーシングから離間して配設されている。ここで、信号線は、少数の導線で構成されている一方で、燃料電池システムに運転に必要な直流電流で稼働する補機は多いことから、各補機とシステム制御基板の制御部とを接続する電流（電源電圧）供給用の導線は多い。このため、システム制御基板を、ケーシングから離間して補機の近傍に配設させた場合に、少数の導線で構成される信号線は長くなるが、その一方で、システム制御基板の制御部と各補機とを接続する多数の電流（電源電圧）供給用の導線を短縮させることができる。このため、燃料電池システムのコストを低減することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、システム制御基板において、少なくとも電子部品の端子と基板のランドとの接続部は、防水処理がされている。これにより、ケーシングの外部に配設した場合に、電子部品の端子と基板のランドとの接続部は、湿気や水分等の異物から保護される。

本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。 本発明による燃料電池システムの一実施の形態の配線を表した説明図である。図２において、実線は電流（電源電圧）供給用の導線であり、点線は信号線である。 制御部の構成を表した説明図である。 （Ａ）は、システム制御基板の断面図である。（Ｂ）は、（Ａ）のＸ拡大図である。 システム制御基板をケーシングから離間して配設した実施形態の説明図である。 本発明の燃料電池システムの他の実施形態の概要を示す概要図である。

以下、図１を用いて、本発明による燃料電池システム１００の一実施の形態ついて説明する。なお、図１に示す燃料電池システム１００は、固体酸化物形の燃料電池システムである。燃料電池システム１００は、箱状の筐体１１、燃料電池モジュール２０、排熱回収システム３０、電力変換装置５０、及びシステム制御基板６０を備えている。本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池モジュール２０から排出される排熱を排熱回収システム３０で回収して湯水を生成・貯湯する貯湯槽３１を有する所謂コジェネレーションシステムである。

筐体１１は、筐体１１内を区画して第１室Ｒ１及び第２室Ｒ２を形成する仕切部材１２を備えている。第１室Ｒ１は第１空間を形成し、第２室Ｒ２は第２空間を形成する。仕切部材１２は、筐体１１を上下に区画する（仕切る）板状部材である。筐体１１内には、仕切部材１２より上方及び下方に第１室Ｒ１及び第２室Ｒ２が形成される。

筐体１１の第２室Ｒ２内には、箱状の電力変換装置用ケーシング１９（以下、ケーシング１９と略す）が配置されている。そして、後述の電力変換装置５０、第１電源部５５、及び有接点リレー７１〜７３（図２参照）が、ケーシング１９内に収納されている。なお、筐体１１の壁面をケーシング１９の壁面の一部としても差し支え無い。

ケーシング１９には、図１に示すように、筐体１１に形成された空気導入口１１ｃと連通する空気導入口１９ａと、筐体１１の第２室Ｒ２に連通する空気排出口１９ｂが形成されている。ケーシング１９は、空気導入口１１ｃ、空気排出口１９ｂの形成部以外が密閉構造となっている。そして、空気導入口１９ａ及び空気排出口１１ｂの少なくとも一方には、換気用ファン１６が設けられている。この換気用ファン１６が作動すると、外気が、空気導入口１１ｃ、１９ａを介してケーシング１９内に吸い込まれ、空気排出口１１ｂから第２室Ｒ２に送出される。これにより、もし仮に筐体１１（第２室Ｒ２）内で可燃性ガス（例えば改質用原料）のガス漏れが発生した場合であっても、ケーシング１９内には、ガスが流入することない。このため、電力変換装置５０や有接点リレー７１〜７３（図２参照）の接点付近にガスが存在しない状態を保つことができ、漏れた可燃性ガスに引火することを確実に防止することができるようになっている。

燃料電池モジュール２０は、第１室Ｒ１内に当該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて収納されている。燃料電池モジュール２０は、モジュール用ケーシング２１（以下、ケーシング２１と略す）、燃料電池２４を少なくとも含んで構成されるものである。本実施形態では、燃料電池モジュール２０は、ケーシング２１、蒸発部２２、改質部２３及び燃料電池２４を備えている。

ケーシング２１は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング２１は、第１室Ｒ１内に該第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて図示しない支持構造により支持されている。ケーシング２１内には、蒸発部２２、改質部２３、燃料電池２４、及び燃焼部２６である燃焼空間Ｒ３が配設されている。このとき、蒸発部２２、改質部２３が燃料電池２４の上方に位置するように配設されている。

蒸発部２２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２２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２３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧ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。

この蒸発部２２には、一端（下端）が水タンク１３内に配設された給水管４１の他端が接続されている。給水管４１には、改質水ポンプ４１ａが設けられている。改質水ポンプ４１ａは、蒸発部２２に改質水を供給するとともにその改質水供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。

また、蒸発部２２には、燃料供給源（図示省略）からの改質用原料が改質用原料供給管４２を介して供給されている。改質用原料供給管４２には、上流から順番に一対の原料バルブ４２ａ、流量センサ４２ｂ、脱硫器４２ｃ、及び原料ポンプ４２ｄが設けられている。原料バルブ４２ａは改質用原料供給管４２を開閉する電磁開閉弁である。流量センサ４２ｂは、燃料電池２４に供給されている燃料（改質用原料）の流量すなわち単位時間あたりの流量を検出するものであり、その検出結果を制御部６１に送信している。脱硫器４２ｃは改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。原料ポンプ４２ｄは、燃料電池２４に燃料（改質用原料）を供給する供給装置であり、制御部６１からの制御指令値にしたがって燃料供給源からの燃料供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。

改質部２３は、後述する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２２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２３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ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は燃料電池２４の燃料極に導出されるようになっている。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。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

燃料電池２４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセル２４ａ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２４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２３は省略することができる。

セル２４ａ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２４ｂが形成されている。セル２４ａ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２４ｃが形成されている。

燃料電池２４は、マニホールド２５上に設けられている。マニホールド２５には、改質部２３からの改質ガスが改質ガス供給管４３を介して供給される。燃料流路２４ｂは、その下端（一端）がマニホールド２５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４４ａ（カソードエア送出（送風）手段）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４４を介して供給され、空気流路２４ｃ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。

カソードエアブロワ４４ａは、第２室Ｒ２内に配設されている。カソードエアブロワ４４ａは、第２室Ｒ２内の空気を吸入し燃料電池２４の空気極に吐出するものであり、その吐出量は制御部６１により調整制御（例えば燃料電池２４の負荷電力量（消費電力量）に応じて制御）されるものである。

燃料電池２４においては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１及び化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路２４ｂ及び空気流路２４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガス及び酸化剤ガス（空気）が導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

そして、燃料流路２４ｂ及び空気流路２４ｃから導出した、発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）は、燃料電池２４と蒸発部２２及び改質部２３との間の燃焼空間Ｒ３にて、発電に使用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）によって燃焼され、その燃焼ガス（火炎）によって蒸発部２２及び改質部２３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール２０内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは排気口２１ａから燃料電池モジュール２０の外に排気される。このように、燃焼空間Ｒ３が、燃料電池２４からのアノードオフガスと燃料電池２４からのカソードオフガスとが燃焼されて改質部２３を加熱する燃焼部２６である。燃焼部２６は、供給された可燃ガスが燃焼されるものである。可燃ガスは、燃えるガスであり、本実施形態では改質用燃料、アノードオフガスである。

燃焼部２６（燃焼空間Ｒ３）では、アノードオフガスが燃焼されて火炎２７が発生している。燃焼部２６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２６ａ１，２６ａ２（交流補機）が設けられている。着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２は、交流電流により加熱する交流ヒータ（ＡＣヒータ）である。また、燃焼部２６には、燃焼部２６の温度を検出する温度センサ２６ｂが設けられている。本実施形態では、温度センサ２６ｂは、一対の熱電対２６ｂ１，２６ｂ２から構成されている。熱電対２６ｂ１は、蒸発部２２と燃料電池２４との間に配設され、熱電対２６ｂ１は、改質部２３と燃料電池２４との間に配設されている。熱電対２６ｂ１，２６ｂ２の検出結果（検出（出力）信号）は制御部６１に送信されている。

排熱回収システム３０は、燃料電池２４の排熱と貯湯水との間で熱交換することで排熱を貯湯水に回収して蓄える排熱回収系である。排熱回収システム３０は、貯湯水を貯湯する貯湯槽３１と、貯湯水が循環する貯湯水循環ライン３２と、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器３３と、が備えられている。

貯湯槽３１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽３１の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽３１に貯留された高温の温水が貯湯槽３１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。

貯湯水循環ライン３２の一端は貯湯槽３１の下部に、他端は貯湯槽３１の上部に接続されている。貯湯水循環ライン３２上には、一端から他端に向かって順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ３２ａ、第１温度センサ３２ｂ、熱交換器３３、及び第２温度センサ３２ｃが配設されている。貯湯水循環ポンプ３２ａは、貯湯槽３１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環ライン３２を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽３１の上部に吐出するものであり、制御部６１によって流量（送出量）が制御されるようになっている。貯湯水循環ポンプ３２ａは、第２温度センサ３２ｃの検出温度（貯湯水の貯湯槽３１の入口温度）が所定の温度または温度範囲となるように、制御部６１によって送出量が制御されるようになっている。

第１温度センサ３２ｂは、熱交換器３３の貯湯水導入側の貯湯水循環ライン３２であって熱交換器３３と貯湯槽３１との間に配設されている。第１温度センサ３２ｂは、貯湯水の熱交換器３３の入口温度すなわち貯湯水の貯湯槽３１の出口温度を検出するものであり、その検出結果を制御部６１に送信するようになっている。

第２温度センサ３２ｃは、熱交換器３３の貯湯水導出側の貯湯水循環ライン３２に配設されている。第２温度センサ３２ｃは、貯湯水の熱交換器３３の出口温度すなわち貯湯水の貯湯槽３１の入口温度を検出するものであり、その検出結果を制御部６１に送信するようになっている。

熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０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３１からの貯湯水が供給され燃焼排ガスと貯湯水が熱交換する熱交換器である。この熱交換器３３は、筐体１１内に配設されている。本実施形態では、熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０の下部に設けられており、少なくとも熱交換器３３の下部は仕切部材１２を貫通して第２室Ｒ２に突出されて配設されている。

熱交換器３３は、ケーシング３３ａを備えている。ケーシング３３ａの上部には、燃料電池モジュール２０のケーシング２１の下部に設けられ燃焼排ガスが導出される排気口２１ａに連通する接続管４５が接続されている。ケーシング３３ａの下部には、第１排気口１１ａに接続されている排気管４６が接続されている。ケーシング３３ａの底部には、純水器１４に接続されている凝縮水供給管４７が接続されている。ケーシング３３ａ内には、貯湯水循環ライン３２に接続されている熱交換部（凝縮部）３３ｂが配設されている。

このように構成された熱交換器３３においては、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスは、接続管４５を通ってケーシング３３ａ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部３３ｂを通る際に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４６を通って第１排気口１１ａから外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管４７を通って純水器１４に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部３３ｂに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。

また、燃料電池システムは、水タンク１３及び純水器１４を備えている。水タンク１３及び純水器１４は第２室Ｒ２内に配設されている。水タンク１３は、純水器１４から導出された純水を貯めておくものである。

純水器１４は、活性炭とイオン交換樹脂を内蔵しており、例えばフレーク状の活性炭と粒状のイオン交換樹脂を充填している。また被処理水の状態によっては、中空糸フィルタを設置しても良い。純水器１４は、熱交換器３３からの凝縮水を活性炭とイオン交換樹脂によって純水化するものである。純水器１４は、配管４８を介して水タンク１３に連通しており、純水器１４内の純水は配管４８を通って水タンク１３に導出される。

水タンク１３には、凍結防止ヒータ１３ａ（交流補機）が設けられている。同様に、純水器１４にも、凍結防止ヒータ１４ａ（交流補機）が設けられている。凍結防止ヒータ１３ａ（凍結防止ヒータ１４ａ）は、通電されて加熱され、水タンク１３（純水器１４）内の純水が凍結するのを防止する。

また、燃料電池システムは、第２室Ｒ２を形成する筐体１１に形成された空気導入口１１ｃと、第１室Ｒ１を形成する筐体１１に形成された空気排出口１１ｂと、仕切部材１２に形成された空気導入口１２ａに設けられた換気用ブロワ１５と、を備えている。この換気用ブロワ１５が作動すると、外気が空気導入口１１ｃを介して第２室Ｒ２内に吸い込まれ、換気用ブロワ１５によって第１室Ｒ１内に送出され、第１室Ｒ１内の空気が空気排出口１１ｂを介して外部に排出される。

電力変換装置５０は、燃料電池２４と系統電源５１に接続され、燃料電池２４で発電された電力を交流に変換するものである。電力変換装置５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂ、電力変換装置制御部５０ｃを備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａは、燃料電池２４及びＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂに接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａは、電線５４を介して、電線５２に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａは、燃料電池２４から出力される直流電流（例えば４０Ｖ）を入力し、所定の電圧（例えば３５０Ｖ）の直流電流に昇圧又は降圧して出力するものである。

ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａから出力される直流電流を入力し、交流電流（例えば１００Ｖや２００Ｖ）に変換して出力するものである。また、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂは、系統電源５１から入力した交流電流（例えば１００Ｖや２００Ｖ）を所定の電圧の直流電流（例えば３５０Ｖ）に変換して出力する機能も有している。本実施形態では、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂは、直流を交流に変換する機能と、交流を直流に変換する機能の両機能を内蔵した１つの機器で構成しているが、それぞれの機能を別の機器で構成するようにしても差し支え無い。

電力変換装置制御部５０ｃは、制御部６１と互いに通信可能に接続されており、制御部６１の指示にしたがってＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂの駆動、有接点リレー７１〜７３のオン・オフを制御する。

第１電源部５５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａ及びＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂに接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａとＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂからの直流電流を入力して所定の電圧（例えば２４Ｖ）の直流電流に降圧し、第２電源部５６や直流補機４１ａ、４２ｄ、３２ａ、４４ａ、４２ａ、１５に供給する。第２電源部５６は、第１電源部５５に接続されていて、第１電源部５５からの直流電流を入力して所定の低電圧（例えば５Ｖ）の直流電流に降圧して、制御部６１に供給する。第１電源部５５や第２電源部５６は、ＤＣ−ＤＣレギュレータを有している。

系統電源（または商用電源）５１は、当該系統電源５１に接続された電線５２を介して負荷装置５３に電力を供給するものである。負荷装置５３は、交流電源で駆動される負荷であり、例えばドライヤ、冷蔵庫、テレビなどの電化製品である。

さらに、燃料電池システムは、制御部６１を備えている。図２に示すように、上述した温度センサ２６ｂ１，２６ｂ２，３２ｂ，３２ｃ、流量センサ４２ｂは、それぞれ信号線８１〜８４によって制御部６１の入出力インターフェイス（図示省略）に接続されている。（図２参照）。制御部６１はマイクロコンピュータ６１ａ（図３参照）を有しており、マイクロコンピュータ６１ａ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イス、ＣＰＵ、ＲＡＭ、及び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。

図２に示すように、制御部６１には、直流電流（直流電源電圧）を供給するための直流用導線９１〜９７によって、それぞれ、改質水ポンプ４１ａ、原料ポンプ４２ｄ、貯湯水循環ポンプ３２ａ、カソードエアブロワ４４ａ、原料バルブ４２ａ、換気用ブロワ１５、及び換気用ファン１６が接続している。これら、改質水ポンプ４１ａ、原料ポンプ４２ｄ、貯湯水循環ポンプ３２ａ、カソードエアブロワ４４ａ、換気用ブロワ１５、換気用ファン１６は、直流電流で稼働するモータ９０（図３参照）を有し、燃料電池２４の制御に必要な直流補機である。なお、直流補機である原料バルブ４２ａは、モータ９０の代わりに、ソレノイドを有している。図３に示すように、制御部６１は、それぞれの直流補機に対応するドライバ６１ｂを有している。ドライバ６１ｂは、マイクロコンピュータ６１ａの指令に基づき、それぞれの直流補機に駆動電流を供給するためのものである。

本実施形態では、制御部６１は、それぞれのドライバ６１ｂに対応するスイッチング素子６１ｃを有している。各スイッチング素子６１ｃは、それぞれ、第１電源部５５と接続されている。また、システム制御基板６０は、直流補機４１ａ、４２ｄ、３２ａ、４４ａ、４２ａ、１５、１６の数だけ、各スイッチング素子６１ｃと直流用導線９１〜９７を接続するためのコネクタ等の接続部６７が設けられている。そして、この接続部６７には、各直流補機４１ａ、４２ｄ、３２ａ、４４ａ、４２ａ、１５、１６が接続する直流用導線９１〜９７が接続している。このような構成により、各スイッチング素子６１ｃに各直流補機４１ａ、４２ｄ、３２ａ、４４ａ、４２ａ、１５、１６が接続している。言い換えると、各スイッチング素子６１ｃは、第１電源部５５と各直流用導線９１〜９７の間の電路に設けられている。各スイッチング素子６１ｃは、後述のＰＷＭ信号に基づき前記電路を遮断・連通する。

各ドライバ６１ｂは、マイクロコンピュータ６１ａの指令に基づきパルス波のデューティー比を変化させて変調するＰＷＭ回路を有していて、各スイッチング素子６１ｃにＰＷＭ信号を出力する。各スイッチング素子６１ｃは、入力されたＰＷＭ信号に基づき、第１電源部５５と各直流用導線９１〜９７とを接続する電路を遮断・連通する。これにより、各直流補機を駆動するモータ９０の出力やソレノイドが制御される。

図２に示すように、着火ヒータ２６ａ１、２６ａ２は、有接点リレー７１を介して電線５４に接続されている。また、凍結防止ヒータ１３ａ、１４ａは、それぞれ有接点リレー７２、７３を介して電線５４に接続されている。言い換えると、有接点リレー７１〜７３は、電線５４と各ヒータ２６ａ１、２６ａ２、１３ａ、１４ａとを接続する交流電力（交流電源電圧）を供給するための交流用導線７５〜７７に設けられている。有接点リレー７１〜７３は、電磁石により可動接点を固定接点に対し離接させるリレーであり、その可動接点の固定接点に対する離接動により交流用導線７５〜７７を遮断し連通するものである。

本実施形態では、各有接点リレー７１〜７３の電磁石を構成するコイルは、それぞれ信号線８６〜８８によって電力変換装置制御部５０ｃに接続されている。そして、電力変換装置制御部５０ｃは、シリアル通信による信号線８５によって制御部６１に接続されている。つまり、制御部６１と各有接点リレー７１〜７３の電磁石を構成するコイルとは、信号線８５を介して接続されている。なお、シリアル通信とは、一度に1ビットずつ、逐次的にデータを送る通信のことをいう。このように、信号線８５は、シリアル通信による信号線なので、信号線８５の本数は、例えば２〜４本であり少数である。

ケーシング１９内の交流用導線７５〜７７は、ケーシング１９に形成された取出口１９ｃからケーシング１９の外に取り出される。取出口１９ｃには、防水コネクタやグロメット等で構成された取出固定部材１９ｄが液密に（または気密に）取り付けられている。取出固定部材１９ｄは、交流用導線７５〜７７を、取出口１９ｃから取り出すとともに、ケーシング１９の取出口１９ｃ部分に固定している。これにより、取出口１９ｃからケーシング１９内への水分等の異物やガスの侵入が防止される。なお、図２に示す実施形態では、各有接点リレー７１〜７３に接続されている交流用導線７５〜７７は、それぞれ別の取出口１９ｃからケーシング１９の外部に取り出されているが、交流用導線７５〜７７が同一の取出口１９ｃからケーシング１９の外に取り出される実施形態であっても差し支え無い。

各ヒータ２６ａ１、２６ａ２、１３ａ、１４ａ（交流補機）は、燃料電池システム１００の運転に必要な補機である。以下に、ヒータ２６ａ１、２６ａ２、１３ａ、１４ａの役割について説明する。燃料電池２４の起動運転時には、制御部６１は、有接点リレー７１をオンする（閉じる）指令を、電力変換装置制御部５０ｃを介して有接点リレー７１に出力する。よって、有接点リレー７１がオン状態（閉じた状態）となり、系統電源５１から交流電流が着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２に供給され、着火ヒータ２６ａ１，２６ａ２が加熱されて、燃焼部２６において、改質用原料が着火される。

制御部６１が、温度センサ（後述する）で検出された温度の情報に基づき、水タンク１３や純水器１４内の水が凍結しそうと判断した場合には、制御部６１は、有接点リレー７２、７３をオンする（閉じる）指令を、電力変換装置制御部５０ｃを介して有接点リレー７２、７３に出力する。よって、有接点リレー７２、７３がオン状態（閉じた状態）となり、系統電源５１から交流電流が凍結防止ヒータ１３ａ、１４ａに供給され、凍結防止ヒータ１３ａ、１４ａが加熱され、水タンク１３や純水器１４内の水の凍結が防止される。筐体１１の第２室Ｒ２には、図示しない温度センサが配設され、この温度センサはその位置の温度を検出し、その検出結果を制御部６１に送信するようになっている。

次に図４を用いて、制御部６１及び第２電源部５６から構成されたシステム制御基板６０の構造について説明する。システム制御基板６０は、基板６４と複数の電子部品６５（例えば、ＣＰＵ、チップ部品等である）とから構成されている。基板６４には、パターン６４ａとランド６４ｂが形成されている（図４（Ｂ）参照）。そして、電子部品６５の端子６５ａがランド６４ｂに半田付けにより接続されて、複数の電子部品６５が基板６４に実装されている。図４の（Ａ）に示すように、複数の電子部品６５により制御部６１や第２電源部６２が構成されている。図４に示す実施形態では、制御部６１と第２電源部６２とは、単一の基板６４上に構成されているが、制御部６１と第２電源部６２とが別体の基板上に構成されている実施形態であっても差し支え無い。

本実施形態では、少なくとも電子部品６５の端子６５ａと基板６４のランド６４ｂとの接続部は、防水処理がされている。本実施形態の防水処理は、例えばポッティング処理である。このポッティング処理は次のように行われる。（１）電子部品６５を基板６４上に実装後、基板６４の外縁を取り囲む枠体（図示省略）を基板６４に取り付けた後に、基板６４の姿勢を水平にする。（２）エポキシ等の合成樹脂で構成されたポッティング材（液状封止材料）を基板６４上に流し込み（または塗布し）、電子部品６５の端子６５ａ、基板６４のパターン６４ａやランド６４ｂとの接続部をポッティング材で覆う。このように、少なくとも電子部品６５の端子６５ａと基板６４のランド６４ｂとの接続部は防水処理がなされているので、当該接続部は湿気や水分等の異物から保護される。なお、少なくとも基板６４のパターン６４ａやランド６４ｂとの接続部を、防水性被膜や防水性ゴムで覆うことにより、当該部分に防水処理を施すことにしても差し支え無い。

次に、図２に戻って説明する。システム制御基板６０はケーシング１９の外部に配設されている。システム制御基板６０は、ネジ止め等でケーシング１９の外面や筐体１１の第２室Ｒ２に取り付けられている。なお、システム制御基板６０とケーシング１９との間には、絶縁性を確保するために、絶縁部材（図示省略）が配設されている。図２に示す実施形態では、システム制御基板６０は、ケーシング１９の外面（側面）に、取り付けられている。

このように、システム制御基板６０はケーシング１９の外部に配設されているので、信号線８１〜８４や直流用導線９１〜９６を、ケーシング１９の内部から外部にケーシング１９を通して取り出す必要が無く、ケーシング１９を通すために必要となる防水コネクタやグロメットが不要となる。

なお、電力変換装置５０システム制御基板６０は、稼働時に発熱する。熱を発生するシステム制御基板６０がケーシング１９の外部に配設されているので、電力変換装置５０とシステム制御基板６０の稼働に伴う熱が分散され（熱分散）、その結果、発熱する電力変換装置５０を収納するケーシング１９内の過熱が緩和される。

第２電源部５６と第１電源部５５とは接続線５７によって接続されている。ケーシング１９内の接続線５７は、ケーシング１９に形成された取出口１９ｅからケーシング１９の外部に取り出されている。また、換気用ファン１６と制御部６１（スイッチング素子６１ｃ）とは直流用導線９７によって接続されている。ケーシング１９内の直流用導線９７は、取出口１９ｅからケーシング１９の外部に取り出されている。取出口１９ｅには、防水コネクタやグロメット等で構成された取出固定部材１９ｆが液密に（または気密に）が取り付けられている。取出固定部材１９ｆは、接続線５７や直流用導線９７を取出口１９ｅから取り出すとともに、ケーシング１９の取出口１９ｅの部分に固定している。

上述のように電力変換装置制御部５０ｃと制御部６１とはシリアル通信による信号線８５によって接続されている。ケーシング１９内の信号線８５は、ケーシング１９に形成された取出口１９ｇからケーシング１９の外部に取り出されている。取出口１９ｇには、それぞれ、防水コネクタやグロメット等で構成された取出固定部材１９ｈが液密に（または気密に）が取り付けられている。取出固定部材１９ｈは、信号線８５を取出口１９ｇから取り出すとともに、ケーシング１９の取出口１９ｇの部分に固定している。このような構造により、取出口１９ｃ、１９ｇからケーシング１９内への水分等の異物やガスの侵入が防止される。

上述した実施形態によれば、燃料電池システム１００では、図２に示すように、有接点リレー７１〜７３はケーシング１９内に収納されている一方で、システム制御基板６０はケーシング１９の外部に配設されている。これにより、有接点リレー７１〜７３はシステム制御基板６０には配設されていないため、システム制御基板６０には、有接点リレーに流れる高圧の交流電流が入力されない。よって、システム制御基板６０において、直流電流が流れる直流回路と高圧の交流電流が流れる交流回路との絶縁距離を確保する必要が無い。このため、システム制御基板６０を、絶縁距離を確保するスペース分は少なくとも小型化することができ、これに伴いケーシング１９を小型化することができるので、燃料電池システム１００のコストアップを防止することができる。

また、システム制御基板６０は、ケーシング１９の外部に配設されていることから、ケーシング１９の内部から外部にケーシング１９を通して、システム制御基板６０の制御部６１と各直流補機４１ａ、４２ｄ、３２ａ、４４ａ、４２ａ、１５とをそれぞれ接続する直流用導線９１〜９６を取り出す必要が無く、ケーシング１９の外部に配設されているシステム制御基板６０の制御部６１から直接各直流補機４１ａ、４２ｄ、３２ａ、４４ａ、４２ａ、１５に直流用導線９１〜９６で接続させることができる。このため、ケーシング１９の直流用導線９１〜９６を取り出すための取出口を形成する必要が無く、更に、直流用導線９１〜９６をケーシング１９外に取り出すための多数のコネクタやグロメットをケーシング１９に設ける必要が無いことから、燃料電池システム１００のコストアップを防止することができる。

また、図４に示すように、システム制御基板６０において、少なくとも電子部品６５の端子６５ａと基板６４のランド６４ｂとの接続部は、防水処理がされている。これにより、システム制御基板６０をケーシング１９の外部に配設した場合に、電子部品６５の端子６５ａと基板６４のランド６４ｂとの接続部は、湿気や水分等の異物から保護される。

（システム制御基板をケーシングから離間して配設した実施形態）
上述した実施形態においては、システム制御基板６０をケーシング１９に直接取り付けるようにしたが、システム制御基板６０をケーシング１９から離間して配設するようにしてもよい。この実施形態について図５を用いて上述した実施形態と異なる点について説明する。なお、同一部材については同一の符号を付して、その記載を省略する。
図５に示す実施形態では、システム制御基板６０は、ケーシング１９から離間されて、直流補機４１ａ、４２ｄ、３２ａ、４４ａ、４２ａ、１５の近傍又はケーシング１９より直流補機４１ａ、４２ｄ、３２ａ、４４ａ、４２ａ、１５に近い位置に配設させている。このため、上述した図２に示す実施形態と比較して、信号線８５や接続線５７、直流用導線９７は長くなる一方で、システム制御基板６０と各直流補機４１ａ、４２ｄ、３２ａ、４４ａ、４２ａ、１５とを接続する多数の直流用導線９１〜９６が短くなる。また、システム制御基板６０が、ケーシング１９から離間されて配設されているので、システム制御基板６０からケーシング１９に熱が伝達することが無い。このため、電力変換装置５０とシステム制御基板６０の稼働に伴う熱が分散され（熱分散）、その結果、熱を発生する電力変換装置５０を収納しているケーシング１９内の過熱が緩和される。

この実施形態によれば、図５に示すように、システム制御基板６０と有接点リレー７１〜７３とは信号線８５を介して接続され、システム制御基板６０はケーシング１９から離間して配設されている。ここで、信号線８５は、少数（２〜４本程度）の導線で構成されている一方で、燃料電池システム２００の運転に必要な直流電流で稼働する直流補機４１ａ、４２ｄ、３２ａ、４４ａ、４２ａ、１５は多いことから、各直流補機４１ａ、４２ｄ、３２ａ、４４ａ、４２ａ、１５とシステム制御基板６０の制御部６１とを接続する電流供給用の直流用導線９１〜９６は多い。このため、システム制御基板６０を、ケーシング１９から離間して直流補機４１ａ、４２ｄ、３２ａ、４４ａ、４２ａ、１５の近傍に配設させた場合に、少数の導線で構成される信号線８５は長くなるが、その一方で、システム制御基板６０の制御部６１と各直流補機４１ａ、４２ｄ、３２ａ、４４ａ、４２ａ、１５とを接続する多数の直流用導線９１〜９６を短縮させることができる。このため、燃料電池システム１００のコストを低減することができる。

（高分子電解質形燃料電池システムの実施形態）
なお、上述した実施形態では、本発明を、固体酸化物形燃料電池を備えている燃料電池システムに適用するようにしたが、高分子電解質形燃料電池を備えた燃料電池システムに適用するようにしてもよい。この場合、燃料電池システムは、図６に示すように、燃料電池１２４、改質器１３０、排熱回収システム（上述したものと同様なものである）を備えている。燃料電池１２４は、燃料ガス（水素ガス）及び酸化剤ガス（酸素を含む空気）が供給されて水素と酸素の化学反応により発電して直流電圧（例えば４０Ｖ）を出力するものである。

改質器１３０は、燃料（改質用燃料）を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１２４に供給するものであり、バーナ（燃焼部）１２６、改質部１２３、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）１３１、及び一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）１３２から構成されている。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがある。

燃焼部１２６は、起動運転時に外部から燃焼用燃料及び燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池の燃料極からアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各可燃性ガスを燃焼して燃焼ガスを改質部１２３に導出するものである。

改質部１２３は、外部から供給された燃料に蒸発器１２２からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部１３１に導出される。

ＣＯシフト部１３１は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部１３２に導出される。

ＣＯ選択酸化部１３２は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ浄化用の空気とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１２４の燃料極に導出される。

以上説明した実施形態では、各有接点リレー７１〜７３は、電力変換装置制御部５０ｃを介して制御部６１と接続している。しかし、各有接点リレー７１〜７３が、直接、信号線８６〜８８によって制御部６１と接続している実施形態であっても差し支え無い。また、各有接点リレー７１〜７３が、電力変換装置制御部５０ｃの代わりに中継点であるインターフェイスを介して制御部６１と接続している実施形態であっても差し支え無い。

以上説明した実施形態では、図２に示す各直流補機４１ａ、４２ｄ、３２ａ、４４ａ、４２ａ、１５、１６は、２４Ｖの直流電源で駆動する。しかし、これらの各直流補機のいずれかが、１２Ｖの直流電源で駆動する直流補機に交換された実施形態であっても差し支え無い。この実施形態の場合には、第１電源部５５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ａとＤＣ／ＡＣインバータ５０ｂからの直流電流を１２Ｖの直流電流に降圧する。

１３ａ…凍結防止ヒータ（交流補機）、１４ａ…凍結防止ヒータ１４ａ（交流補機）、１９…ケーシング、２４…燃料電池、２６ａ１，２６ａ２…着火ヒータ（交流補機）、５０…電力変換装置、５１…系統電源、５２、５４…電線、７１〜７３…有接点リレー、６０…システム制御基板、６１…制御部、６４…基板、６４ａ…パターン、６４ｂ…ランド、６５…電子部品、６５ａ…端子、６６…防水処理、７５〜７７…交流用導線、８１〜８８…信号線、９１〜９７…直流用導線、１００…燃料電池システム、２００…燃料電池システム。

Claims (2)

1. 燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池と系統電源に接続され、前記燃料電池で発電された電力を交流電力に変換する電力変換装置と、
   前記燃料電池システムの運転に必要な補機であって、前記電力変換装置又は前記系統電源から供給される交流電力によって稼働する交流補機と、
   前記電力変換装置と前記系統電源とを接続する電線と前記交流補機とを接続する交流用導線に設けられ、前記交流用導線を遮断・連通し且つ接点を有する有接点リレーと、
   前記燃料電池及び前記電力変換装置を制御するとともに、前記有接点リレーのオン・オフを行う制御部を有するシステム制御基板と、
   前記電力変換装置を収納するケーシングとを有し、
   前記有接点リレーは前記ケーシング内に収納されている一方で、前記システム制御基板は前記ケーシングの外部に前記ケーシングから離間して配設され、
   前記システム制御基板と前記有接点リレーとはシリアル通信による信号線を介して接続されている燃料電池システム。
2. 請求項１において、
   前記システム制御基板は、パターンとランドが形成された基板と前記基板上に実装された電子部品とからなり、
   少なくとも前記電子部品の端子と前記基板のランドとの接続部は、防水処理がされている燃料電池システム。

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