JP6068202B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュール、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置、水供給装置、電力変換装置及び制御装置が筐体に収容される燃料電池システムに関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池スタックは、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器、炭化水素を主体とする原燃料（燃料ガス）と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器、及び前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器を備える燃料電池モジュールとして構成されている。

上記の燃料電池モジュールと、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置及び水を供給する水供給装置である流体供給部と、前記燃料電池モジュールの発電を制御するＥＣＵ（制御装置）、及び発電した電力の要求仕様電力への変換を担うインバータ（電力変換装置）を備える電装部とは、筐体内に収容されて燃料電池システムを構成している。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池発電装置では、図５に示すように、ケース１００１内に、燃料電池１００２と、前記燃料電池１００２に供給される燃料ガスを生成する燃料改質器（図示せず）と、前記燃料改質器に被改質ガスを供給するガス供給装置１００３と、前記燃料改質器に水を供給するための水供給装置１００４と、前記燃料電池１００２で発生した直流電力を交流電力に変換して外部負荷に供給する電力変換装置１００５とが配置されている。

ケース１００１の上部には、燃料電池１００２と燃料改質器とが配置されるとともに、前記ケース１００１の下部には、電力変換装置１００５、水供給装置１００４及びガス供給装置１００３が、前記電力変換装置１００５と前記水供給装置１００４との間に前記ガス供給装置１００３が位置するように配置されている。

また、特許文献２に開示されている燃料電池装置では、図６に示すように、外装ケース１０１１内に設けられた仕切部材１０１２により、燃料電池モジュール１０１３が収納されたモジュール収納室１０１４と、原燃料ガス供給装置１０１５が収納された補機収納室１０１６とに区画されている。

外装ケース１０１１の側壁には、モジュール収納室１０１４の空気を排気するための排気口１０１７が設けられており、前記モジュール収納室１０１４と前記排気口１０１７とは、排気流路１０１８により接続されている。そして、仕切部材１０１２には、補機収納室１０１６の空気をモジュール収納室１０１４に供給するための空気流通部１０１９が形成されている。

さらに、特許文献３に開示されている燃料電池システムでは、図７に示すように、パッケージ１０２１と、燃料ガスと酸化剤ガスから電力を発生する燃料電池１０２２と、電源回路１０２３とを備えている。パッケージ１０２１は、隔壁１０２４を介して電源回路１０２３が設けられた第１室１０２５と、燃料電池１０２２が設けられた第２室１０２６とに分離されている。

第１室１０２５を構成するパッケージ１０２１には、前記第１室１０２５に外気を導入するための第１吸気口１０２７と、前記第１室１０２５のガスを該第１室１０２５の外に排気するための第１排気口１０２８が設けられている。第１室１０２５の第１吸気口１０２７には、前記第１室１０２５内に外気を給気する給気器（ファン）１０２９が設けられている。

さらにまた、特許文献４に開示されている固体酸化物形燃料電池システムでは、図８に示すように、固体酸化物形燃料電池１０３１と、前記固体酸化物形燃料電池１０３１を内蔵するハウジング１０３２と、前記固体酸化物形燃料電池１０３１からの排ガスとの熱交換により水を加熱して温水を生成するための熱交換器１０３３とを備えている。

ハウジング１０３２には、熱交換器１０３３より排出される排ガスを外部に排出するための排ガス排出口１０３４と、前記排ガス排出口１０３４より排出された排ガスを偏向させるための偏向手段１０３５とが設けられている。排ガス排出口１０３４より排出された排ガスは、偏向手段１０３５によってハウジング１０３２の外側面に対して斜め方向に排出されている。

特開２００６−０８６０１７号公報 特開２００９−２０５８２５号公報 特開２０１１−１１９０９５号公報 特開２０１１−２０４４４６号公報

上記の特許文献１では、ケース１００１内の換気及び冷却について考慮されていない。このため、比較的低温で使用される機器、例えば、電力変換装置１００５に熱影響が及ぶという問題がある。しかも、ケース１００１の上部には、燃料電池１００２と燃料改質器とが配置されるとともに、前記ケース１００１の下部には、電力変換装置１００５、水供給装置１００４及びガス供給装置１００３が配置されている。従って、ケース１００１は、高さ方向の寸法が長尺化し易く、前記ケース１００１の設置安定性が低下するという問題がある。

また、上記の特許文献２では、外装ケース１０１１内が、燃料電池モジュール１０１３が収納されたモジュール収納室１０１４と、原燃料ガス供給装置１０１５の他、空気供給用ブロアＢＲ等の各種機器が収納された補機収納室１０１６とに区画されている。これにより、補機収納室１０１６では、燃料ガスの漏れが発生した際に、空気供給用ブロアＢＲが前記燃料ガスを吸引するおそれがある。その上、外装ケース１０１１は、高さ方向の寸法が長尺化し易く、前記外装ケース１０１１の設置安定性が低下するという問題がある。

さらに、上記の特許文献３では、第２室１０２６内において、燃料ガス供給器ＦＳの上方に酸化剤ガス供給器ＯＳが配置されている。このため、燃料ガスの漏れを検知することが困難になるおそれがある。しかも、電源回路１０２３は、パッケージ１０２１の最上部に配置されるため、他の補機からの熱の影響を受け易いという問題がある。さらに、第１室１０２５と第２室１０２６とには、それぞれ専用の換気装置が設けられており、構成が複雑化するとともに、経済的ではないという問題がある。

さらにまた、上記の特許文献４では、ハウジング１０３２の上部側に、固体酸化物形燃料電池１０３１、改質器及び空気予熱器を含む燃料電池モジュールが配置されるとともに、前記ハウジング１０３２の下部側には、熱交換器１０３３及びインバータ１０３６が配置されている。従って、ハウジング１０３２は、高さ方向の寸法が長尺化し易く、前記ハウジング１０３２の設置安定性が低下するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、良好な換気処理が図られるとともに、高さ方向の寸法を良好に短尺化して設置安定性を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置とを筐体に収容する燃料電池システムに関するものである。

筐体は、燃料電池モジュールが配置されるモジュール部と、燃料ガス供給装置が配置される第１流体供給部と、酸化剤ガス供給装置及び水供給装置が配置される第２流体供給部と、電力変換装置及び制御装置が配置される電装部とに仕切部材によって互いに遮断されるように区分けされている。そして、第１流体供給部と電装部との間には、モジュール部及び第２流体供給部が介装され、且つ前記モジュール部の下面に前記第２流体供給部が配置されている。

電装部と第２流体供給部との間には、電装部内の空気を前記第２流体供給部に導く空気流通口が設けられるとともに、前記電装部は、筐体の外部の空気を前記筐体の内部に導く空気導入口を設ける一方、第１流体供給部は、前記筐体の内部の空気を該筐体の外部に導く空気排出口及び換気ファンを備えている。筐体の内部には、空気導入口から電装部、モジュール部の上方、第１流体供給部及び空気排出口に連なる第１換気流通路と、前記空気導入口から前記電装部、空気流通口及び第２流体供給部に連なる第２換気流通路とが形成されている。第２流体供給部は、筐体の下壁部を構成し、酸化剤ガス供給装置及び水供給装置が下壁部に配置されている。

また、この燃料電池システムでは、第１流体供給部には、燃料ガスの漏れを検知する燃料ガス検知器と、前記燃料ガスの硫黄成分を除去する脱硫器と、燃料ガス供給装置と、燃料電池モジュールから排出される排ガスと貯湯タンクから供給される貯湯水との熱交換を行う貯湯用熱交換器とが配設されることが好ましい。

このため、燃料ガスに関連する機器類は、同一区画である第１流体供給部に集められており、燃料ガスの漏れを迅速且つ確実に検知することができる。しかも、外部の空気は、第１換気流通路に沿って空気導入口から電装部、モジュール部の上方、第１流体供給部及び空気排出口の順に流通している。従って、第１流体供給部には、暖気が滞留し難くなり、前記第１流体供給部を適温に保持することが可能になる。

さらに、この燃料電池システムでは、第２流体供給部には、酸化剤ガス供給装置と、燃料電池モジュールから排出される排ガスから得られる凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、前記凝縮水に含まれる不純物を除去するイオン交換装置と、水供給装置とが配設されることが好ましい。これにより、容積や重量の大きな機器類や水回りに関連する機器類は、燃料電池システムの下部に配置されるため、燃料電池システム全体の重心を下げることができる。このため、燃料電池システム全体の設置安定性が良好に向上するとともに、水漏れが発生した際の影響を抑制することが可能になる。

さらにまた、この燃料電池システムでは、電装部は、電力変換装置が制御装置の上方に配置されることが好ましい。従って、電装部では、電力変換装置の熱が最後に除去されるため、制御装置は、高温に曝されることがなく、前記電装部を適温に保持することができる。

また、この燃料電池システムでは、換気ファンは、貯湯用熱交換器と空気排出口との間に配置されることが好ましい。これにより、貯湯用熱交換器から放出された熱は、第１流体供給部に滞留し難くなるため、前記第１流体供給部を適温に保持することが可能になる。

さらに、この燃料電池システムでは、モジュール部の上部には、第１流体供給部と電装部とを繋ぐ配線が敷かれる橋架板が設置されることが好ましい。このため、配線は、燃料電池モジュールに接触することがなく、しかも橋架板による放熱が促進されることから、前記配線が高温になることを抑制することができる。

さらにまた、この燃料電池システムでは、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュール、すなわち、高温型燃料電池であることが好ましく、従って、良好な効果が得られる。

本発明によれば、筐体の内部には、空気導入口から電装部、モジュール部の上方、第１流体供給部及び空気排出口に連なる第１換気流通路が形成されている。このため、筐体の外部の空気は、最も冷却が必要な電装部を冷却した後、前記筐体の内部に滞留する暖気を排出することができる。従って、電装部を確実に冷却するとともに、筐体の内部を適温に保持することが可能になる。

しかも、筐体の内部には、空気導入口から電装部、空気流通口及び第２流体供給部に連なる第２換気流通路が形成されている。これにより、筐体の外部の空気は、最も冷却が必要な電装部を冷却した後、酸化剤ガス供給装置に供給されるため、前記筐体の内部に滞留する暖気を排出することができる。その上、燃料ガスの漏れが発生した際に、酸化剤ガス供給装置が前記燃料ガスを吸引することを確実に抑制することが可能になる。

また、本発明によれば、筐体内は、燃料電池モジュールが配置されるモジュール部と、燃料ガス供給装置が配置される第１流体供給部と、酸化剤ガス供給装置及び水供給装置が配置される第２流体供給部と、電力変換装置及び制御装置が配置される電装部とに区分けされている。このため、筐体内は、作動温度毎及び機能毎に区分けされており、熱や流体の拡散を最小化するとともに、機能上、最適な配置が遂行可能になる。

さらに、筐体内は、燃料ガス供給装置が配置される第１流体供給部と、酸化剤ガス供給装置が配置される第２流体供給部とに、区分けされている。従って、燃料ガス供給装置から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを酸化剤ガス供給装置により吸入することを阻止することができる。

さらにまた、モジュール部の一方の側面には、第１流体供給部が配置されている。これにより、第１流体供給部は、筐体の外壁部を構成しており、前記第１流体供給部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。同様に、モジュール部の他方の側面には、電装部が配置されている。従って、電装部は、筐体の外壁部を構成しており、前記電装部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。

また、モジュール部の下面には、第２流体供給部が配置されている。このため、第２流体供給部は、筐体の下壁部を構成しており、前記第２流体供給部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。

これにより、比較的低温で使用される機器、例えば、ポンプ類を含む第１流体供給部及び第２流体供給部や制御装置を含む電装部は、熱影響が及ぶことを可及的に阻止され、良好な機能を確実に維持して作動することが可能になる。

その際、第２流体供給部が筐体の下壁部を構成しており、特に容積及び重量の大きな酸化剤ガス供給装置は、燃料電池システムの下部に配置されている。従って、燃料電池システム全体の重心を下げることができ、前記燃料電池システム全体の設置安定性が良好に向上する。

さらに、第１流体供給部と電装部との間には、モジュール部が介装されている。このため、筐体は、第１流体供給部、モジュール部及び電装部の配列方向である横幅方向に長尺化する一方、この横幅方向に交差する奥行き方向の寸法及び高さ方向の寸法が有効に短尺化され、前記筐体の設置性が大幅に向上する。

しかも、第１流体供給部、モジュール部及び電装部は、横並びに配置されるため、正面から各部位への保守やメンテナンスが可能になり、メンテナンス性の向上が容易に図られる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの一方の側部側からの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムの他方の側部側からの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムの概略正面説明図である。 特許文献１の燃料電池発電装置の概略斜視説明図である。 特許文献２の燃料電池装置の概略正面説明図である。 特許文献３の燃料電池システムの概略正面説明図である。 特許文献４の固体酸化物形燃料電池システムの概略正面説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、定置用として使用されるが、その他、車載用等の種々の用途にも用いられている。

燃料電池システム１０は、燃料ガス（例えば、水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）である前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置１８と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置２０と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２２とを備え、これらが単一の筐体２４に収容される（図２〜図４参照）。

燃料電池モジュール１２は、図１に示すように、複数の固体酸化物形の燃料電池２６が鉛直方向（又は水平方向）に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック２８を備える。燃料電池２６は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３０とセパレータ３２とを積層して構成される。

燃料電池モジュール１２は、原燃料と水蒸気との混合ガスを改質して燃料ガス（改質ガス）を生成するとともに、燃料電池スタック２８に前記燃料ガスを供給する改質器３４と、水を蒸発させるとともに、水蒸気を前記改質器３４に供給する蒸発器３６と、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタック２８に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器３８と、前記燃料電池スタック２８から排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器４０、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器４２とを備える。

燃料ガス供給装置１４は、都市ガス（１３Ａ）を改質器３４に供給する原燃料通路４４を備える。原燃料通路４４の途上には、一対の調整弁４６ａ、４６ｂが調圧器４８を介装して配置される。原燃料通路４４には、調整弁４６ｂの下流に燃料ポンプ５０が設けられるとともに、前記燃料ポンプ５０の下流には、バッファタンク５２、流量センサ５４及び脱硫器５６が、順次、配設される。原燃料通路４４には、調整弁４６ａと調圧器４８との間に位置して原燃料分岐通路５８が設けられる。この原燃料分岐通路５８は、起動用燃焼器４２に接続されるとともに、途上に調整弁４６ｃが配設される。

酸化剤ガス供給装置１６は、空気供給管６０を備える。空気供給管６０には、上流から下流に向かって、集塵フィルタ６２、流量センサ６４及び空気ポンプ６６が配置される。空気供給管６０は、熱交換器３８に接続される。空気供給管６０から空気分岐通路６８が分岐し、前記空気分岐通路６８は、バーナ用ブロア７０を配設して起動用燃焼器４２に接される。起動用燃焼器４２は、例えば、バーナを備えており、上記のように、原燃料及び空気が供給される。

水供給装置１８は、凝縮水タンク７２を備える。凝縮水タンク７２には、水位センサ７４が設けられるとともに、前記凝縮水タンク７２の下部には、水通路７６が連通する。水通路７６は、蒸発器３６に接続され、その途上には、上流から下流に向かって、イオン交換装置７８、純水ポンプ８０及び流量センサ８２が配設される。凝縮水タンク７２には、貯湯用熱交換器８４が排水通路８６を介して接続される。

貯湯用熱交換器８４は、排気管８８を介して熱交換器３８に接続される。熱交換器３８は、燃料電池スタック２８から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）と、被加熱流体である空気とを、互いに対向流に流して熱交換を行う。熱交換後の排ガスは、排気管８８に排出される一方、熱交換後の空気は、酸化剤ガスとして燃料電池スタック２８に供給される。

貯湯用熱交換器８４には、給湯装置９０の貯湯タンク（給湯タンク）９１から導出された給湯管９２に接続される。給湯管９２には、給湯ポンプ９６が配設され、貯湯用熱交換器８４に低温の水を供給する。貯湯用熱交換器８４では、供給される水と排ガスとを熱交換させ、昇温された温水を温水供給管９２ａから貯湯タンク９１に戻す。凝縮水タンク７２には、定格排気管（定格時に大気開放する配管）１００とドレイン管１０２とが接続される。

図２及び図３に示すように、筐体２４は、矩形状を有する。図４に示すように、筐体２４は、燃料電池モジュール１２が配置されるモジュール部１１０と、燃料ガス供給装置１４が配置される第１流体供給部１１２と、酸化剤ガス供給装置１６及び水供給装置１８が配置される第２流体供給部１１４と、電力変換装置２０及び制御装置２２が配置される電装部１１６と、に区分けされる。

モジュール部１１０、第１流体供給部１１２、第２流体供給部１１４及び電装部１１６の区分けは、それぞれ仕切り部材により互いに遮断してもよく、又は、見かけ上、空間的に４つの領域に振り分けてもよい。本実施形態では、筐体２４内には、電装部１１６を仕切って鉛直方向に延在する縦仕切り板１１８が設けられる。縦仕切り板１１８の下部側には、断面Ｌ字状の基台部１２０が設けられるとともに、第１流体供給部１１２側には、短尺な縦仕切り板１２２が設けられる。

第１流体供給部１１２と電装部１１６との間には、モジュール部１１０及び第２流体供給部１１４が介装され、且つ前記モジュール部１１０の下面に前記第２流体供給部１１４が配置される。電装部１１６と第２流体供給部１１４との間には、すなわち、縦仕切り板１１８には、前記電装部１１６内の空気を前記第２流体供給部１１４に導く空気流通口１２４が設けられる。電装部１１６は、筐体２４の外部の空気を前記筐体２４の内部に導く空気導入口１２６を備える。空気導入口１２６は、筐体２４の側面に形成される。第１流体供給部１１２は、筐体２４の内部の空気を前記筐体２４の外部に導く空気排出口１２８及び換気ファン１３０を備える。空気排出口１２８は、筐体２４の側面に形成される。

筐体２４の内部には、空気導入口１２６から電装部１１６、モジュール部１１０の上方、第１流体供給部１１２及び空気排出口１２８に連なる第１換気流通路１３２と、前記空気導入口１２６から前記電装部１１６、空気流通口１２４及び第２流体供給部１１４に連なる第２換気流通路１３４とが形成される。

第１流体供給部１１２には、燃料ガスの漏れを検知する燃料ガス検知器１３６と、前記燃料ガスの硫黄成分を除去する脱硫器５６と、燃料ガス供給装置１４と、燃料電池モジュール１２から排出される排ガスと貯湯タンク９１から供給される貯湯水との熱交換を行う貯湯用熱交換器８４と、給湯ポンプ９６と、が配設される。

第２流体供給部１１４には、酸化剤ガス供給装置１６と、燃料電池モジュール１２から排出される排ガスから得られる凝縮水を貯留する凝縮水タンク７２と、前記凝縮水に含まれる不純物を除去するイオン交換装置７８と、水供給装置１８と、が配設される。

電装部１１６は、電力変換装置２０が制御装置２２の上方に配置される。換気ファン１３０は、貯湯用熱交換器８４と空気排出口１２８との間に配置される。モジュール部１１０の上部には、第１流体供給部１１２と電装部１１６とを繋ぐ配線１３８が敷かれる橋架板１４０が設置される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１０の起動時には、燃料ガス供給装置１４の駆動作用下に、原燃料通路４４には、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料が供給される。この原燃料は、原燃料通路４４から原燃料分岐通路５８を通って起動用燃焼器４２に供給される。一方、酸化剤ガス供給装置１６では、バーナ用ブロア７０の駆動作用下に、空気が空気分岐通路６８を通って起動用燃焼器４２に供給される。

このため、起動用燃焼器４２内では、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが着火されて燃焼が開始される。従って、熱交換器３８、改質器３４及び蒸発器３６に燃焼ガスが供給されてこれらが加温（昇温）される。

次いで、燃料ガス供給装置１４では、燃料ポンプ５０が駆動され、原燃料通路４４から脱硫器５６に原燃料が供給される。脱硫器５６で脱硫された原燃料は、改質器３４に供給される。一方、水供給装置１８では、純水ポンプ８０を介して水通路７６に供給される水は、蒸発器３６で蒸発された後、改質器３４に供給される。

改質器３４では、原燃料と水蒸気との混合燃料が水蒸気改質され、Ｃ₂₊の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガス（燃料ガス）が得られる。この改質ガスは、燃料電池スタック２８に供給される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。

酸化剤ガス供給装置１６では、空気ポンプ６６の作用下に、空気供給管６０に空気が供給され、この空気は、熱交換器３８に供給される。空気は、熱交換器３８に沿って移動する際、後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３８で加温された空気は、燃料電池スタック２８に導入され、図示しないカソード電極に供給される。

従って、電解質・電極接合体３０では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体３０から排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３８を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。

排ガスは、蒸発器３６に供給されて水を蒸発させる。蒸発器３６を通過した排ガスは、排気管８８を介して貯湯用熱交換器８４に送られる。貯湯用熱交換器８４には、給湯装置９０の貯湯タンク９１から低温の水が供給される。給湯装置９０では、給湯ポンプ９６の作用下に、給湯管９２に水が供給され、この水は、貯湯用熱交換器８４に導入されて排ガスと熱交換される。これにより、温水供給管９２ａから貯湯タンク９１には、昇温された温水が戻され、この温水が家庭用温水として利用される。

この場合、本実施形態では、図４に示すように、筐体２４の内部には、空気導入口１２６から電装部１１６、モジュール部１１０の上方、第１流体供給部１１２及び空気排出口１２８に連なる第１換気流通路１３２が形成されている。このため、換気ファン１３０が駆動されると、筐体２４の外部の空気は、最も冷却が必要な電装部１１６を冷却した後、前記筐体２４の内部に滞留する暖気を空気排出口１２８から該筐体２４の外部に排出することができる。従って、電装部１１６を確実に冷却するとともに、筐体２４の内部を適温に保持することが可能になる。

しかも、筐体２４の内部には、空気流通口１２４及び第２流体供給部１１４に連なる第２換気流通路１３４が形成されている。これにより、筐体２４の外部の空気は、最も冷却が必要な電装部１１６を冷却した後、空気ポンプ６６の駆動作用下に酸化剤ガス供給装置１６に供給されるため、前記筐体２４の内部に滞留する暖気を排出することができる。その上、燃料ガスの漏れが発生した際に、酸化剤ガス供給装置１６が前記燃料ガスを吸引することを確実に抑制することが可能になるという効果が得られる。

また、図２〜図４に示すように、筐体２４内は、燃料電池モジュール１２が配置されるモジュール部１１０と、燃料ガス供給装置１４が配置される第１流体供給部１１２と、酸化剤ガス供給装置１６及び水供給装置１８が配置される第２流体供給部１１４と、電力変換装置２０及び制御装置２２が配置される電装部１１６と、に区分けされている。このため、筐体２４内は、作動温度毎及び機能毎に区分けされており、熱や流体の拡散を最小化するとともに、機能上、最適な配置が遂行可能になる。

さらに、筐体２４内は、燃料ガス供給装置１４が配置される第１流体供給部１１２と、酸化剤ガス供給装置１６が配置される第２流体供給部１１４とに、区分けされている。従って、燃料ガス供給装置１４から燃料ガスの漏れが発生しても、この燃料ガスを酸化剤ガス供給装置１６により吸入することを阻止することができる。

さらにまた、モジュール部１１０の一方の側面には、第１流体供給部１１２が配置されている。これにより、第１流体供給部１１２は、筐体２４の外壁部を構成しており、前記第１流体供給部１１２の冷却が促進されて高温化し難くなっている。同様に、モジュール部１１０の他方の側面には、電装部１１６が配置されている。従って、電装部１１６は、筐体２４の外壁部を構成しており、前記電装部１１６の冷却が促進されて高温化し難くなっている。

また、モジュール部１１０の下面には、第２流体供給部１１４が配置されている。このため、第２流体供給部１１４は、筐体２４の下壁部を構成しており、前記第２流体供給部１１４の冷却が促進されて高温化し難くなっている。

これにより、比較的低温で使用される機器、例えば、ポンプ類（燃料ポンプ５０や空気ポンプ６６）を含む第１流体供給部１１２及び第２流体供給部１１４や制御装置２２を含む電装部１１６は、熱影響が及ぶことを可及的に阻止され、良好な機能を確実に維持して作動することが可能になる。

その際、第２流体供給部１１４が筐体２４の下壁部を構成しており、特に容積及び重量の大きな酸化剤ガス供給装置１６は、燃料電池システム１０の下部に配置されている。従って、燃料電池システム１０全体の重心を下げることができ、前記燃料電池システム１０全体の設置安定性が良好に向上する。

さらに、第１流体供給部１１２と電装部１１６との間には、モジュール部１１０が介装されている。これにより、筐体２４は、第１流体供給部１１２、モジュール部１１０及び電装部１１６の配列方向である横幅方向に長尺化する一方、この横幅方向に交差する奥行き方向の寸法及び高さ方向の寸法が有効に短尺化され、前記筐体２４の設置性が大幅に向上する。

しかも、第１流体供給部１１２、モジュール部１１０及び電装部１１６が、横並びに配置されるため、正面から各部位への保守やメンテナンスが可能になり、メンテナンス性の向上が容易に図られる。

また、第１流体供給部１１２には、燃料ガスの漏れを検知する燃料ガス検知器１３６と、前記燃料ガスの硫黄成分を除去する脱硫器５６と、燃料ガス供給装置１４と、燃料電池モジュール１２から排出される排ガスと貯湯タンク９１から供給される貯湯水との熱交換を行う貯湯用熱交換器８４とが配設されている。

このため、燃料ガスに関連する機器類は、同一区画である第１流体供給部１１２に集められており、燃料ガスの漏れを迅速且つ確実に検知することができる。しかも、外部の空気は、第１換気流通路１３２に沿って空気導入口１２６から電装部１１６、モジュール部１１０の上方、第１流体供給部１１２及び空気排出口１２８の順に流通している。従って、第１流体供給部１１２には、暖気が滞留し難くなり、前記第１流体供給部１１２を適温に保持することが可能になる。

さらに、第２流体供給部１１４には、酸化剤ガス供給装置１６と、燃料電池モジュール１２から排出される排ガスから得られる凝縮水を貯留する凝縮水タンク７２と、前記凝縮水に含まれる不純物を除去するイオン交換装置７８と、水供給装置１８とが配設されている。

これにより、容積や重量の大きな機器類や水回りに関連する機器類は、燃料電池システム１０の下部に配置されるため、前記燃料電池システム１０全体の重心を下げることができる。このため、燃料電池システム１０全体の設置安定性が良好に向上するとともに、水漏れが発生した際の影響を抑制することが可能になる。

さらにまた、電装部１１６は、電力変換装置２０が制御装置２２の上方に配置されている。従って、電装部１１６では、電力変換装置２０の熱が最後に除去されるため、制御装置２２は、高温に曝されることがなく、前記電装部１１６を適温に保持することができる。

また、換気ファン１３０は、貯湯用熱交換器８４と空気排出口１２８との間に配置されている。これにより、貯湯用熱交換器８４から放出された熱は、第１流体供給部１１２に滞留し難くなるため、前記第１流体供給部１１２を適温に保持することが可能になる。

さらに、モジュール部１１０の上部には、第１流体供給部１１２と電装部１１６とを繋ぐ配線１３８が敷かれる橋架板１４０が設置されている。このため、配線１３８は、燃料電池モジュール１２に接触することがなく、しかも橋架板１４０による放熱が促進されることから、前記配線１３８が高温になることを抑制することができる。

さらにまた、燃料電池モジュール１２は、固体酸化物形燃料電池モジュール、すなわち、高温型燃料電池により構成されることにより、良好な効果が得られる。なお、固体酸化物形燃料電池モジュールに代えて、他の高温型燃料電池モジュールや中温型燃料電池モジュールにも好適に用いることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）及び水素分離膜形燃料電池（ＨＭＦＣ）等が良好に採用可能である。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池モジュール
１４…燃料ガス供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
１８…水供給装置 ２０…電力変換装置
２２…制御装置 ２４…筐体
２６…燃料電池 ２８…燃料電池スタック
３４…改質器 ３６…蒸発器
３８…熱交換器 ４０…排ガス燃焼器
４２…起動用燃焼器 ４４…原燃料通路
５０…燃料ポンプ ５６…脱硫器
５８…原燃料分岐通路 ６０…空気供給管
６６…空気ポンプ ６８…空気分岐通路
７０…バーナ用ブロア ７２…凝縮水タンク
７６…水通路 ８０…純水ポンプ
８４…貯湯用熱交換器 ８６…排水通路
８８…排気管 ９０…給湯装置
９１…貯湯タンク ９２…給湯管
９６…給湯ポンプ １１２、１１４…流体供給部
１１６…電装部 １２４…空気流通口
１２６…空気導入口 １２８…空気排出口
１３０…換気ファン １３２、１３４…換気流通路
１３６…燃料ガス検知器 １３８…配線
１４０…橋架板

Claims (7)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、
   前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、
   前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置と、
   を筐体に収容する燃料電池システムであって、
   前記筐体は、前記燃料電池モジュールが配置されるモジュール部と、
   前記燃料ガス供給装置が配置される第１流体供給部と、
   前記酸化剤ガス供給装置及び前記水供給装置が配置される第２流体供給部と、
   前記電力変換装置及び前記制御装置が配置される電装部と、
   に仕切部材によって互いに遮断されるように区分けされ、
   前記第１流体供給部と前記電装部との間には、前記モジュール部及び前記第２流体供給部が介装され、且つ前記モジュール部の下面に前記第２流体供給部が配置され、
   前記電装部と前記第２流体供給部との間には、前記電装部内の空気を前記第２流体供給部に導く空気流通口が設けられるとともに、
   前記電装部は、前記筐体の外部の空気を該筐体の内部に導く空気導入口を設ける一方、
   前記第１流体供給部は、前記筐体の内部の空気を該筐体の外部に導く空気排出口及び換気ファンを備え、
   前記筐体の内部には、前記空気導入口から前記電装部、前記モジュール部の上方、前記第１流体供給部及び前記空気排出口に連なる第１換気流通路と、
   前記空気導入口から前記電装部、前記空気流通口及び前記第２流体供給部に連なる第２換気流通路と、が形成され、
   前記第２流体供給部は、前記筐体の下壁部を構成し、前記酸化剤ガス供給装置及び前記水供給装置が前記下壁部に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記第１流体供給部には、前記燃料ガスの漏れを検知する燃料ガス検知器と、
   前記燃料ガスの硫黄成分を除去する脱硫器と、
   前記燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと貯湯タンクから供給される貯湯水との熱交換を行う貯湯用熱交換器と、
   が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記第２流体供給部には、前記酸化剤ガス供給装置と、
   前記燃料電池モジュールから排出される排ガスから得られる凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、
   前記凝縮水に含まれる不純物を除去するイオン交換装置と、
   前記水供給装置と、
   が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記電装部は、前記電力変換装置が前記制御装置の上方に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記換気ファンは、前記貯湯用熱交換器と前記空気排出口との間に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記モジュール部の上部には、前記第１流体供給部と前記電装部とを繋ぐ配線が敷かれる橋架板が設置されることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に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は、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池システム。

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