(57)【要約】【課題】排熱回収効率を向上させることで、エネルギー効率が優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池スタック１０１と、燃料ガス内部流路３１に接続されたアノードオフガス配管４２と、酸化剤ガス内部流路３２に接続されたカソードオフガス配管４４と、冷却媒体内部流路３３に接続されたオフ冷却媒体配管５２と、アノードオフガス、又はカソードオフガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器１０３、１０５と、を備え、オフ冷却媒体配管５２は、アノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４の少なくとも一方と接触するように、又はアノードオフガス配管４２及び／又はカソードオフガス配管４４の内側に設けられている、燃料電池コージェネレーションシステム。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード及びカソードと、アノードガスが前記アノードに接触して通流するように形成された燃料ガス内部流路と、カソードガスが前記カソードに接触して通流するように形成された酸化剤ガス内部流路と、冷却媒体が通流する冷却媒体内部流路と、を有する燃料電池スタックと、
前記燃料ガス内部流路の上流端に接続され、該燃料ガス内部流路に前記アノードガスを供給するアノードガス配管と、
前記燃料ガス内部流路の下流端に接続され、該燃料ガス内部流路からアノードオフガスが排出されるアノードオフガス配管と、
前記酸化剤ガス内部流路の上流端に接続され、該酸化剤ガス内部流路に前記カソードガスを供給するカソードガス配管と、
前記酸化剤ガス内部流路の下流端に接続され、該酸化剤ガス内部流路からカソードオフガスが排出されるカソードオフガス配管と、
前記冷却媒体内部流路の上流端に接続され、該冷却媒体内部流路に前記冷却媒体を供給する冷却媒体配管と、
前記冷却媒体内部流路の下流端に接続され、該冷却媒体内部流路からオフ冷却媒体が排出されるオフ冷却媒体配管と、
前記アノードオフガス又は前記カソードオフガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器と、を備え、
前記オフ冷却媒体配管は、前記アノードオフガス配管及び前記カソードオフガス配管の少なくとも一方と接触するように、又は前記アノードオフガス配管及び／又は前記カソードオフガス配管の中に設けられている、燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記オフ冷却媒体配管は、前記燃料電池スタックから前記熱交換器までの間で、前記カソードオフガス配管と前記アノードオフガス配管の少なくとも一方と接触するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項３】
前記オフ冷却媒体配管は、前記燃料電池スタックの端から所定の長さに亘って前記カソードオフガス配管と前記アノードオフガス配管の少なくとも一方と接触するように構成されている、請求項２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項４】
前記カソードオフガス配管は、前記燃料電池スタックの端から前記所定の長さに亘って前記オフ冷却媒体配管と接触し、かつ、該オフ冷却媒体配管に沿って延びるように形成された延伸部と、該延伸部と前記酸化剤ガス内部流路を接続するように形成された接続部と、を有するように構成されている、請求項３に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項５】
前記アノードオフガス配管は、前記燃料電池スタックの端から前記所定の長さに亘って前記オフ冷却媒体配管と接触し、かつ、該オフ冷却媒体配管に沿って延びるように形成された延伸部と、該延伸部と前記燃料ガス内部流路を接続するように形成された接続部と、を有するように構成されている、請求項３又は４に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項６】
前記オフ冷却媒体配管の前記アノードオフガス配管又は前記カソードオフガス配管と接触している部分以外の部分が断熱部材で覆われている、請求項２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項７】
前記オフ冷却媒体配管は、前記燃料電池スタックから前記熱交換器までの間で、前記カソードオフガス配管及び／又は前記アノードオフガス配管の中に設けられている、請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項８】
前記オフ冷却媒体配管は、前記燃料電池スタックの端から所定の長さに亘って、前記カソードオフガス配管及び／又は前記アノードオフガス配管の中に設けられている、請求項７に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項９】
前記カソードオフガス配管の中に前記オフ冷却媒体配管が配置され、
前記アノードオフガス配管の中に前記カソードオフガス配管が配置されている、請求項７に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項１０】
前記カソードオフガス配管及び／又は前記アノードオフガス配管は断熱部材で覆われている、請求項７に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項１１】
前記燃料電池スタックは、その両端に一対の端板が設けられ、
一方の前記端板における前記冷却媒体内部流路の下流端、前記燃料ガス内部流路の下流端、及び前記酸化剤ガス内部流路の下流端と、前記オフ冷却媒体配管、前記アノードオフガス配管、及び前記カソードオフガス配管と、がそれぞれ接続されている、請求項１〜１０に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項１２】
前記冷却媒体配管、前記アノードガス配管、及び前記カソードガス配管は、前記一方の端板の上部において、前記冷却媒体内部流の上流端、前記燃料ガス内部流路の上流端、及び前記酸化剤ガス内部流路の上流端に、それぞれ接続され、
前記オフ冷却媒体配管、前記アノードオフガス配管、及び前記カソードオフガス配管は、前記一方の端板の下部において、前記冷却媒体内部流路の下流端、前記燃料ガス内部流路の下流端、及び前記酸化剤ガス内部流路の下流端に、それぞれ接続されている、請求項１１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を利用した発電と、この発電に伴って生じた熱の回収と、を行って、電力と熱とを供給する燃料電池コージェネレーションシステムの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池を利用した発電装置と、この発電装置で発電が行われる際に生じる熱を利用して加熱した水（温水）を貯湯する貯湯槽と、を備えた、家庭用燃料電池コージェネレーションシステムが知られている。一般的な家庭用燃料電池コージェネレーションシステムでは、発電装置で発電して得た電力が家庭で使用する一部の電力負荷（例えば、照明や空調装置などの電化製品）に供給されるとともに、貯湯槽の温水が家庭内の熱負荷（例えば、給湯機器や床暖房などの熱利用機器）に供給される。
【０００３】
ここで、燃料電池として高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）を用いた場合、該ＰＥＦＣで用いられる電解質層は、充分な水素イオンの伝導性を保つために湿潤している必要があり、このため、加湿器で燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して、ＰＥＦＣに供給するのが一般的である。
【０００４】
このようなＰＥＦＣで用いられる加湿器として、加湿後のガスを加熱するための専用のヒーターが不要とする燃料電池の加湿装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている燃料電池の加湿装置では、ガスを加湿するための加湿タンクと、該加湿タンクと燃料電池を接続し、内管と外管を有する二重管から構成されたガス配管と、を備え、加湿タンクで加湿されたガスを内管内を通流させて燃料電池に供給し、内管と外管の間に温水を通流させて加湿されたガスを加熱するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３５３５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池コージェネレーションシステムは、通常、熱負荷又は電力負荷に応じて発電を行い、より高い総合効率を達成するように制御されているが、最大効率を達成するのは熱負荷及び電力負荷ともにロスなく利用されるときである。
【０００７】
しかしながら、利用者が使用する実際の熱負荷や電力負荷に、電力や熱（温水）が供給されるまでには、様々なエネルギーロスがあり、理想の効率とは乖離したものとなりがちである。例えば、燃料電池コージェネレーションシステムの場合、システムで発生する排熱の回収は、燃料ガス生成装置におけるバーナの燃焼排ガス、燃料電池スタックからのカソードオフガス、アノードオフガス、排出冷却水等から行うが、バーナや燃料電池スタックから熱回収を行う熱交換器に至る各熱流体が通流する配管の放熱対策は、各配管に対する発泡樹脂などの断熱材によるものが主流で、断熱機能が充分ではなく排熱回収効率が低いという課題があった。また、断熱効率を向上するために真空断熱構造の適用、断熱材増量などを行った場合、システムのコスト面、コンパクト面が課題となる。
【０００８】
このように、従来の燃料電池コージェネレーションシステムでの排熱回収を行うための各熱流体が通流する配管における放熱対策は充分ではなく、熱回収を行うまでの放熱ロスにより排熱回収効率が低く、未だ改善の余地があった。
【０００９】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、排熱回収効率を向上させることで、エネルギー効率が優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、アノード及びカソードと、アノードガスが前記アノードに接触して通流するように形成された燃料ガス内部流路と、カソードガスが前記カソードに接触して通流するように形成された酸化剤ガス内部流路と、冷却媒体が通流する冷却媒体内部流路と、を有する燃料電池スタックと、前記燃料ガス内部流路の上流端に接続され、該燃料ガス内部流路に前記アノードガスを供給するアノードガス配管と、前記燃料ガス内部流路の下流端に接続され、該燃料ガス内部流路からアノードオフガスが排出されるアノードオフガス配管と、前記酸化剤ガス内部流路の上流端に接続され、該酸化剤ガス内部流路に前記カソードガスを供給するカソードガス配管と、前記酸化剤ガス内部流路の下流端に接続され、該酸化剤ガス内部流路からカソードオフガスが排出されるカソードオフガス配管と、前記冷却媒体内部流路の上流端に接続され、該冷却媒体内部流路に前記冷却媒体を供給する冷却媒体配管と、前記冷却媒体内部流路の下流端に接続され、該冷却媒体内部流路からオフ冷却媒体が排出されるオフ冷却媒体配管と、前記アノードオフガス又は前記カソードオフガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器と、を備え、前記オフ冷却媒体配管は、前記アノードオフガス配管及び前記カソードオフガス配管の少なくとも一方と接触するように、又は前記アノードオフガス配管及び／又は前記カソードオフガス配管の中に設けられている。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記オフ冷却媒体配管は、前記燃料電池スタックから前記熱交換器までの間で、前記アノードオフガス配管と前記カソードオフガス配管の少なくとも一方と接触するように構成されていてもよい。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記オフ冷却媒体配管は、前記燃料電池スタックの端から所定の長さに亘って前記アノードオフガス配管と前記カソードオフガス配管の少なくとも一方と接触するように構成されていてもよい。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記カソードオフガス配管は、前記燃料電池スタックの端から前記所定の長さに亘って前記オフ冷却媒体配管と接触し、かつ、該オフ冷却媒体配管に沿って延びるように形成された延伸部と、該延伸部と前記酸化剤ガス内部流路を接続するように形成された接続部と、を有するように構成されていてもよい。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記アノードオフガス配管は、前記燃料電池スタックの端から前記所定の長さに亘って前記オフ冷却媒体配管と接触し、かつ、該オフ冷却媒体配管に沿って延びるように形成された延伸部と、該延伸部と前記燃料ガス内部流路を接続するように形成された接続部と、を有するように構成されていてもよい。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記オフ冷却媒体配管の前記アノードオフガス配管又は前記カソードオフガス配管と接触している部分以外の部分が断熱部材で覆われていてもよい。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記オフ冷却媒体配管は、燃料電池スタックから前記熱交換器までの間で、前記カソードオフガス配管及び／又は前記アノードオフガス配管の中に設けられていてもよい。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記オフ冷却媒体配管は、前記燃料電池スタックの端から所定の長さに亘って、前記カソードオフガス配管及び／又は前記アノードオフガス配管の中に設けられていてもよい。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記カソードオフガス配管の中にオフ冷却媒体配管が配置され、前記アノードオフガス配管の中にカソードオフガス配管が配置されていてもよい。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記カソードオフガス配管及び／又は前記アノードオフガス配管は断熱部材で覆われていてもよい。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記燃料電池スタックは、その両端に一対の端板が設けられ、一方の前記端板における前記冷却媒体内部流路の下流端、前記燃料ガス内部流路の下流端、及び前記酸化剤ガス内部流路の下流端と、前記オフ冷却媒体配管、前記アノードオフガス配管、及び前記カソードオフガス配管と、がそれぞれ接続されていてもよい。
【００２１】
さらに、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記冷却媒体配管、前記アノードガス配管、及び前記カソードガス配管は、前記一方の端板の上部において、前記冷却媒体内部流の上流端、前記燃料ガス内部流路の上流端、及び前記酸化剤ガス内部流路の上流端に、それぞれ接続され、前記オフ冷却媒体配管、前記アノードオフガス配管、及び前記カソードオフガス配管は、前記一方の端板の下部において、前記冷却媒体内部流路の下流端、前記燃料ガス内部流路の下流端、及び前記酸化剤ガス内部流路の下流端に、それぞれ接続されていてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃料電池コージェネレーションシステムによれば、熱容量の小さいアノードオフガス配管及び／又はカソードオフガス配管が熱容量の大きいオフ冷却媒体配管の断熱体としても機能することができ、また、オフ冷却媒体配管の外気との接触面積を低減することができる。このため、各配管からの外気への総合放熱量を低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステムの熱回収効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池コージェネレーションシステムの燃料電池スタックと各配管との接続構造を模式的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図２に示す矢印Ａ方向から見た模式図である。
【図４】図４は、図１に示す燃料電池コージェネレーションシステムのアノードオフガス配管、カソードオフガス配管、及びオフ冷却媒体配管の接触構造を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステムにおける燃料電池スタックと各配管との接続構造を示す模式図である。
【図６】図６は、本変形例１の燃料電池コージェネレーションシステムにおける燃料電池スタックと各配管との接続構造を示す模式図である。
【図７】図７は、本変形例２の燃料電池コージェネレーションシステムにおける燃料電池スタックと各配管との接続構造を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池コージェネレーションシステムの燃料電池スタックと各配管との接続構造を模式的に示す斜視図である。
【図９】図９は、図８に示す矢印Ｂ方向から見た模式図である。
【図１０】図１０は、図８に示す燃料電池コージェネレーションシステムのアノードオフガス配管、カソードオフガス配管、及びオフ冷却媒体配管の構造を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、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。
【００２５】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１は、オフ冷却媒体配管が、アノードオフガス配管及びカソードオフガス配管の少なくとも一方と接触する形態を例示するものである。
【００２６】
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの概略構成を示す模式図である。
【００２７】
図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００は、燃料電池スタック１０１と、アノードガス配管４１、アノードオフガス配管４２と、カソードガス配管４３、カソードオフガス配管４４と、冷却媒体配管５１、オフ冷却媒体配管５２と、熱利用を図る熱交換器として第１熱交換器１０３、第３熱交換器１０５と、を備えている。
【００２８】
すなわち、本発明の燃料電池コージェネレーションシステム１００は、アノードガス配管４１とアノードオフガス配管４２を備えていればよく、燃料ガス供給手段を必ずしも備える必要はない。例えば、水素ガスインフラストラクチャが整備されているような場合には、燃料ガス供給手段は不要である。以下では、燃料電池コージェネレーションシステム１００が燃料ガス供給手段としての『燃料ガス供給装置』を備える例を示す。『燃料ガス供給装置』としては、例えば、水素生成装置、水素ボンベ等が挙げられる。以下では、『燃料ガス供給装置』が「水素生成装置」である例を示す。
【００２９】
また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステム１００は、カソードガス配管４３とカソードオフガス配管４４を備えていればよく、カソードガス供給手段を必ずしも備える必要はない。例えば、燃料電池コージェネレーションシステム１００が、外部からカソードガスを供給されるような場合には、カソードガス供給手段は不要である。以下では、燃料電池コージェネレーションシステム１００がカソードガス供給手段としての『酸化剤ガス供給装置』を備える例を示す。『酸化剤ガス供給装置』としては、例えば、空気供給器、酸化剤ガスボンベ等が挙げられる。以下では、『酸化剤ガス供給装置』が「空気供給器」である例を示す。
【００３０】
また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステム１００は、冷却媒体配管５１、オフ冷却媒体配管５２を備えていればよく、冷却媒体供給手段を必ずしも備える必要はない。例えば、燃料電池コージェネレーションシステム１００が外部から冷却媒体を供給されるような場合には、冷却媒体供給手段は不要である。以下には、燃料電池コージェネレーションシステム１００が冷却媒体供給手段としての『冷却媒体タンク』を備える例を示す。
【００３１】
さらに、本発明の燃料電池コージェネレーションシステム１００は、熱利用を図る第１熱交換器１０３、第３熱交換器１０５を備えていればよく、熱利用機器を必ずしも備える必要はない。例えば、燃料電池コージェネレーションシステム１００が熱利用を図るための熱媒体を外部に供給するような場合には、熱利用機器は不要である。以下では、燃料電池コージェネレーションシステム１００が『熱利用機器』を備える例を示す。
【００３２】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００の構成について、図１を参照しながら詳細に説明する。
【００３３】
［燃料電池コージェネレーションシステムの構成］
図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００は、例えば、燃料電池スタック１０１、水素生成装置１０２、熱利用を図るための第１〜第４熱交換器１０３〜１０６、空気供給器１０７、熱利用機器１０９、及び制御器１１０を備えていて、燃料電池１０１で発生した電力と熱を利用者に供給するように構成されている。
【００３４】
「燃料電池スタック」１０１のタイプ（型式）は、燃料電池スタックを冷却するよう構成されているタイプであれば特に限定されない。例えば、燃料電池スタック１０１として、固体高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池等を用いることができる。また、燃料電池スタック１０１として、内部マニホールド型と外部マニホールド型との双方を用いることができる。以下には、「燃料電池スタック」１０１が内部マニホールド型である例を示す。
【００３５】
具体的には、燃料電池スタック１０１は、「アノード」２Ａ、「カソード」２Ｂ、「燃料ガス内部流路」３１、「酸化剤ガス内部流路」３２、及び「冷却媒体内部流路」３３を有している。燃料ガス内部流路３１は、アノード２Ａにアノードガスを供給し、酸化剤ガス内部流路３２は、カソード２Ｂにカソードガスを供給するように構成されている。また、冷却媒体内部流路３３は、燃料電池スタック１０１内で発生した熱を冷却媒体で回収するように構成されている。なお、燃料電池スタック１０１の詳細な構成は、後述する。
【００３６】
「水素生成装置」１０２は、例えば、改質器、変成器、浄化器（いずれも図示せず）、及びバーナ１０２Ａを有していて、原料ガス（例えば、メタン等の炭素と水素から構成される有機化合物を含むガス）と水から水素を含有するアノードガスを生成する。水素生成装置１０２には、「アノードガス配管」４１を介して燃料電池スタック１０１の燃料ガス内部流路３１の上流端と接続されている。燃料ガス内部流路３１の下流端には、「アノードオフガス配管」４２を介してバーナ１０２Ａが接続されている。また、バーナ１０２Ａには、燃焼排ガス配管４５が接続されている。なお、アノードオフガス配管４２の途中には、第１熱交換器１０３が設けられていて、燃焼排ガス配管４５の途中には、第２熱交換器１０４が設けられている。
【００３７】
これにより、水素生成装置１０２で生成されたアノードガスが、アノードガス配管４１を介して燃料ガス内部流路３１に供給される。そして、アノード２Ａで使用されなかったアノードガス（これをアノードオフガスという）は、アノードオフガス配管４２を介してバーナ１０２Ａに供給され、バーナ１０２Ａで燃焼される。バーナ１０２Ａで、アノードオフガスが燃焼することで生成された燃焼排ガスは、燃料電池コージェネレーションシステム１００外（大気中）に排出構成される。
【００３８】
また、「空気供給器」１０７は、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を使用することができ、「カソードガス配管」４３を介して、燃料電池スタック１０１の酸化剤ガス内部流路３２の上流端に接続されている。また、酸化剤ガス内部流路３２の下流端には、「カソードオフガス配管」４４が接続されている。なお、カソードオフガス配管４４の途中には、第３熱交換器１０５が設けられている。
【００３９】
これにより、空気供給器１０７からカソードガスが、カソードガス配管４３を介して酸化剤ガス内部流路３２に供給される。そして、カソード２Ｂで使用されなかったカソードガス（これをカソードオフガスという）は、カソードオフガス配管４４を介して、大気中に排出される。
【００４０】
また、燃料電池コージェネレーションシステム１００は、冷却媒体を貯えるように構成された『冷却媒体タンク』１０８を備えていて、冷却媒体タンク１０８は、「冷却媒体配管」５１を介して燃料電池スタック１０１の冷却媒体内部流路３３の上流端と接続されている。また、冷却媒体内部流路３３の下流端は、「オフ冷却媒体配管」５２を介して冷却媒体タンク１０８と接続されている。ここで、冷却媒体は、水であってもよく、不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等であってもよい。なお、オフ冷却媒体配管５２の途中には第４熱交換器１０６が設けられている。
【００４１】
これにより、図示されない冷却媒体ポンプによって、冷却媒体タンク１０８から冷却媒体配管５１を介して冷却媒体内部流路３３に冷却媒体が供給される。冷却媒体内部流路３３に供給された冷却媒体は、冷却媒体内部流路３３を通流する間に、燃料電池スタック１０１で発生した熱を回収し、オフ冷却媒体配管５２に排出される。オフ冷却媒体配管５２に排出された冷却媒体（これをオフ冷却媒体という）は、オフ冷却媒体配管５２を通流して冷却媒体タンク１０８に戻る。
【００４２】
なお、アノードガス配管４１及びアノードオフガス配管４２の材料は、例えば、ＳＵＳ等の金属で形成されていてもよい。また、カソードガス配管４３、カソードオフガス配管４４、冷却媒体配管５１、及びオフ冷却媒体配管５２の材料は、特に限定されないが、例えば、テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー(ＰＦＡ)、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂で形成されていてもよい。
【００４３】
また、燃料電池コージェネレーションシステム１００は、『熱利用機器』１０９と、熱利用機器１０９を含み、熱媒体（例えば、水や不凍液等）が通流するように構成された熱媒体循環路５３と、図示されない熱媒体ポンプと、を備えている。ここで、熱利用機器１０９としては、例えば、給湯や床暖房が挙げられる。この場合、熱媒体循環路５３は、例えば、蓄熱器（貯湯タンク）に接続されてもよく、また、床暖房の経路に接続されてもよい。
【００４４】
熱媒体循環路５３の途中には、本実施の形態１においては、第１熱交換器１０３、第２熱交換器１０４、第３熱交換器１０５、及び第４熱交換器１０６が、この順で設けられている。第１熱交換器１０３は、熱媒体とアノードオフガスとの間で熱交換するように構成されていて、第２熱交換器１０４は、熱媒体と燃焼排ガスとの間で熱交換するように構成されている。また、第３熱交換器１０５は、熱媒体とカソードオフガスとの間で熱交換するように構成されていて、第４熱交換器１０６は、熱媒体と冷却媒体との間で熱交換するように構成されている。これにより、熱媒体は、熱媒体循環路５３を通流する間に、アノードオフガス、燃焼排ガス、カソードオフガス、及び冷却媒体と熱交換して加熱され、熱利用機器１０９に供される。
【００４５】
なお、本実施の形態１においては、熱媒体循環路５３の途中に第１熱交換器１０３、第２熱交換器１０４、第３熱交換器１０５、及び第４熱交換器１０６を、この順で設ける構成としたが、各熱交換器の設けられる順番は限定されない。但し、効率よく熱交換する観点から、上記順番で設けられていることが好ましい。
【００４６】
制御器１１０は、例えば、マイコン等のコンピュータによって構成されており、燃料電池コージェネレーションシステム１００に関する各種の制御を行う。
【００４７】
次に、図２及び図３を参照しながら、燃料電池スタック１０１の構成及び各配管との接続構造について説明する。
【００４８】
［燃料電池スタックと各配管との接続構造］
図２は、図１に示す燃料電池コージェネレーションシステム１００の燃料電池スタック１０１と各配管との接続構造を模式的に示す斜視図である。また、図３は、図２に示す矢印Ａ方向から見た模式図である。なお、図２及び図３においては、各配管の構造を理解しやすくするためにハッチングを付し、断熱部材を二点差線で示している。また、図２においては、燃料電池スタック１０１における上下方向を図における上下方向として表し、図３においては、その一部を省略している。
【００４９】
図２及び図３に示すように、燃料電池スタック１０１は、板状のセル１０が複数積層されたセル積層体７０と、該セル積層体７０の両端に配置された「端板」７１Ａ、７１Ｂと、セル積層体７０と端板７１Ａ、７１Ｂをセルの積層方向において締結する締結具（図示せず）と、を有する。また、端板７１Ａとセル積層体７０の間には、絶縁板７２Ａ及び集電板７３Ａが配置されている。同様に、端板７１Ｂとセル積層体７０との間には、絶縁板７２Ｂ及び集電板７３Ｂが配置されている。セル積層体７０には、燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、冷却媒体供給マニホールド（図示せず）、燃料ガス排出マニホールド１２１、酸化剤ガス排出マニホールド１２２、及び冷却媒体排出マニホールド１２３が設けられている。
【００５０】
セル１０は、本実施の形態１においては、高分子電解質形燃料電池で構成されていて、図３に示すように、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）３と、一対のガスケット５、５と、アノードセパレータ４Ａと、カソードセパレータ４Ｂと、を有する。また、ＭＥＡ３は、高分子電解質膜１と、アノード２Ａと、カソード２Ｂを有する。
【００５１】
アノードセパレータ４Ａのアノード２Ａと接触する主面（以下、内面という）には、アノードガスが通流する燃料ガス流路（図示せず）が、その上流端と下流端が、それぞれ、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールド１２１に接続されるように設けられていて、内面の反対側の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流する冷却媒体流路（図示せず）が、その上流端と下流端が、それぞれ、冷却媒体供給マニホールドと冷却媒体排出マニホールド１２３に接続されるように設けられている。同様に、カソードセパレータ４Ｂのカソード２Ｂと接触する主面（以下、内面という）には、カソードガスが通流する酸化剤ガス流路（図示せず）が、その上流端と下流端が、それぞれ、酸化剤ガス供給マニホールドと酸化剤ガス排出マニホールド１２２に接続されるように設けられていて、内面の反対側の主面（以下、外面という）には、冷却媒体流路（図示せず）が、その上流端と下流端が、それぞれ、冷却媒体供給マニホールドと冷却媒体排出マニホールド１２３に接続されるように設けられている。
【００５２】
また、図２に示すように、端板７１Ｂ、絶縁板７２Ｂ、及び集電板７３Ｂのそれぞれの上部には、燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、及び冷却媒体供給マニホールドに対応する貫通孔が設けられている。また、端板７１Ａ、絶縁板７２Ａ、及び集電板７３Ａのそれぞれの下部には、燃料ガス排出マニホールド１２１、酸化剤ガス排出マニホールド１２２、及び冷却媒体排出マニホールド１２３に対応する貫通孔２１、２２、２３が設けられている。
【００５３】
なお、燃料ガス供給マニホールド、端板７１Ｂ、絶縁板７２Ｂ、及び集電板７３Ｂのそれぞれに設けられた燃料ガス供給マニホールドに対応する貫通孔、燃料ガス流路、燃料ガス排出マニホールド１２１、端板７１Ａ、絶縁板７２Ａ、及び集電板７３Ａに設けられた燃料ガス排出マニホールド１２１に対応する貫通孔２１から燃料ガス内部流路３１が構成される（図１参照）。また、端板７１Ｂに設けられた燃料ガス供給マニホールドに対応する貫通孔が燃料ガス内部流路３１の上流端を構成し、端板７１Ａに設けられた貫通孔２１が燃料ガス内部流路３１の下流端を構成する。
【００５４】
同様に、酸化剤ガス供給マニホールド、端板７１Ｂ、絶縁板７２Ｂ、及び集電板７３Ｂのそれぞれに設けられた酸化剤ガス供給マニホールドに対応する貫通孔、酸化剤ガス流路、酸化剤ガス排出マニホールド１２２、及び端板７１Ａ、絶縁板７２Ａ、及び集電板７３Ａに設けられた酸化剤ガス排出マニホールド１２２に対応する貫通孔２２から酸化剤ガス内部流路３２が構成される（図１参照）。また、端板７１Ｂに設けられた酸化剤ガス供給マニホールドに対応する貫通孔が酸化剤ガス内部流路３２の上流端を構成し、端板７１Ａに設けられた貫通孔２２が酸化剤ガス内部流路３２の下流端を構成する。
【００５５】
また、冷却媒体供給マニホールド、端板７１Ｂ、絶縁板７２Ｂ、及び集電板７３Ｂのそれぞれに設けられた冷却媒体供給マニホールドに対応する貫通孔、冷却媒体流路、冷却媒体排出マニホールド１２３、及び端板７１Ａ、絶縁板７２Ａ、及び集電板７３Ａに設けられた冷却媒体排出マニホールド１２３に対応する貫通孔２３から冷却媒体内部流路３３が構成される（図１参照）。また、端板７１Ｂに設けられた冷却媒体供給マニホールドに対応する貫通孔が冷却媒体内部流路３３の上流端を構成し、端板７１Ａに設けられた貫通孔２３が冷却媒体内部流路３３の下流端を構成する。
【００５６】
また、図２及び図３に示すように、端板７１Ｂの燃料ガス供給マニホールドに対応する貫通孔、酸化剤ガス供給マニホールドに対応する貫通孔、及び冷却媒体供給マニホールドに対応する貫通孔には、それぞれ、アノードガス配管４１、カソードガス配管４３、及び冷却媒体配管５１が、適宜な手段により接続されている。同様に、端板７１Ａの燃料ガス排出マニホールドに対応する貫通孔２１、酸化剤ガス排出マニホールドに対応する貫通孔２２、及び冷却媒体排出マニホールドに対応する貫通孔２３には、それぞれ、アノードオフガス配管４２、カソードオフガス配管４４、及びオフ冷却媒体配管５２が、適宜な手段により接続されている。
【００５７】
そして、「オフ冷却媒体配管５２は、アノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４の少なくとも一方と接触する」ように設けられている。ここで、「オフ冷却媒体配管５２は、アノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４の少なくとも一方と接触する」とは、オフ冷却媒体配管５２が、例えば、後述する断熱部材６１等の他の部材を介して近接することを除くことを意味する。
【００５８】
これにより、熱容量の小さいアノードオフガス配管４２及び／又はカソードオフガス配管４４が熱容量の大きいオフ冷却媒体配管５２の断熱体としても機能することができ、また、オフ冷却媒体配管５２の外気との接触面積を低減することができる。さらに、オフ冷却媒体配管５２からアノードオフガス配管４２及び／又はカソードオフガス配管４４に移動した熱は、第１熱交換器１０３及び／又は第３熱交換器１０５で回収される。このため、オフ冷却媒体配管５２からの外気への放熱量を低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステム１００の熱回収効率を向上させることができる。
【００５９】
より詳細には、オフ冷却媒体配管５２は、「燃料電池スタック１０１から第１熱交換器１０３又は第３熱交換器１０５までの間で、アノードオフガス配管４２とカソードオフガス配管４４の少なくとも一方と接触する」ように構成されている。ここで、「燃料電池スタック１０１から第１熱交換器１０３又は第３熱交換器１０５までの間で接触する」とは、燃料電池スタック１０１から第１熱交換器１０３又は第３熱交換器１０５までの間で、オフ冷却媒体配管５２がアノードオフガス配管４２とカソードオフガス配管４４の一方と接触する部分と、アノードオフガス配管４２とカソードオフガス配管４４の両方と接触しない部分と、が混在していてもよいことを意味する。勿論、燃料電池スタック１０１から第１熱交換器１０３又は第３熱交換器１０５までの間で、オフ冷却媒体配管５２がアノードオフガス配管４２とカソードオフガス配管４４の両方と接触してもよい。なお、オフ冷却媒体配管５２とアノードオフガス配管４２の接触位置と、オフ冷却媒体配管５２とカソードオフガス配管４４の接触位置と、が一致してもよく、また、一致しなくてもよい。
【００６０】
具体的には、図２及び図３に示すように、アノードオフガス配管４２とオフ冷却媒体配管５２は、燃料電池スタック１０１の端（端板７１Ａ）と第１熱交換器１０３との間で接触するように構成されている。本実施の形態１においては、例えば、オフ冷却媒体配管５２は、端板７１Ａから該端板７１Ａの厚み方向に直線状に延びている。アノードオフガス配管４２は、端板７１Ａから該端板７１Ａの厚み方向にある程度延びてオフ冷却媒体配管５２に向けて屈曲し、そこからオフ冷却媒体配管５２に向けて延びてオフ冷却媒体配管５２に接触し、そこで屈曲してオフ冷却媒体配管５２と接触しながら第１の「所定の長さ」に亘ってオフ冷却媒体配管５２に並んで延びるように形成されている。なお、アノードオフガス配管４２の端板７１Ａからオフ冷却媒体配管５２と接触するまでの部分の形状は任意である。
【００６１】
同様に、カソードオフガス配管４４とオフ冷却媒体配管５２は、燃料電池スタック１０１の端（端板７１Ａ）と第３熱交換器１０５との間で接触するように構成されている本実施の形態１においては、例えば、カソードオフガス配管４４は、端板７１Ａから該端板７１Ａの厚み方向にある程度延びてオフ冷却媒体配管５２に向けて屈曲し、そこからオフ冷却媒体配管５２に向けて延びてオフ冷却媒体配管５２に接触し、そこで屈曲してオフ冷却媒体配管５２と接触しながら第１の所定の長さに亘ってオフ冷却媒体配管５２に並んで延びるように形成されている。なお、カソードオフガス配管４４の端板７１Ａからオフ冷却媒体配管５２と接触するまでの部分の形状は任意である。
【００６２】
ここで、第１の「所定の長さ」とは、燃料電池スタック１０１の端と、第１熱交換器１０３と、又は第３熱交換器１０５と、までの間の長さよりも短い長さをいい、燃料電池コージェネレーションシステム１００の構成によって適宜変更される。なお、各配管からの外気への総合放熱量を低減する観点から、第１の所定の長さは、できるだけ長い方が好ましい。また、本実施の形態１においては、アノードオフガス配管４２とオフ冷却媒体配管５２と、カソードオフガス配管４４とオフ冷却媒体配管５２と、は、同じ第１の所定の長さに亘って接触する構成としたが、これに限定されず、アノードオフガス配管４２とオフ冷却媒体配管５２の接触する長さと、カソードオフガス配管４４とオフ冷却媒体配管５２の接触する長さは異なってもよい。
【００６３】
これにより、オフ冷却媒体配管５２を通流する冷却媒体が有する熱は、冷却媒体配管５２からアノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４に移動する。アノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４に移動した熱は、それぞれの配管を通流するガスに移動し、第１熱交換器１０３及び第３熱交換器１０５で熱媒体に移動する。
【００６４】
また、アノードガス配管４１、カソードガス配管４３、及び冷却媒体配管５１は、それぞれ、断熱部材６１に覆われている。また、オフ冷却媒体配管５２のアノードオフガス配管４２又はカソードオフガス配管４４と接触している部分以外の部分が断熱部材６１で覆われていてもよく、本実施の形態１においては、アノードオフガス配管４２、カソードオフガス配管４４、及びオフ冷却媒体配管５２は、それぞれの配管が接触する部分以外の部分を断熱部材６１に覆われている。これにより、各配管から外気への放熱量をより低減することができる。
【００６５】
ここで、図４を参照しながら、アノードオフガス配管４２、カソードオフガス配管４４、及びオフ冷却媒体配管５２の接触構造について説明する。図４は、図１に示す燃料電池コージェネレーションシステム１００のアノードオフガス配管４２、カソードオフガス配管４４、及びオフ冷却媒体配管５２の接触構造を模式的に示す断面図である。
【００６６】
図４（ａ）に示すように、各配管は、その断面形状が円状に形成されていて、それぞれの配管がその外周において接触するように配置されていてもよい。また、例えば、図４（ｂ）に示すように、中央に円状の断面形状のオフ冷却媒体配管５２が位置し、これをアノードオフガス配管４２とカソードオフガス配管４４とが円環状に囲むように、オフ冷却媒体配管５２、アノードオフガス配管４２、及びカソードオフガス配管４４を配置してもよい。この場合、アノードオフガス配管４２とカソードオフガス配管４４とは、共に、両者で１つの円環を成す部分円環形状を有する。また、例えば、図４（ｃ）に示すように、中央に矩形状の断面形状のオフ冷却媒体配管５２が位置し、これをアノードオフガス配管４２とカソードオフガス配管４４とが矩形の環状に囲むように、オフ冷却媒体配管５２、アノードオフガス配管４２、及びカソードオフガス配管４４を配置してもよい。この場合、アノードオフガス配管４２とカソードオフガス配管４４とは、共に、両者で１つの矩形環を成す部分矩形環形状を有する。このような異形の断面形状を有するアノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４は、例えば、素管を引き抜き加工、プレス加工等することによって、あるいはビレットを押し出し加工することによって製造することができる。
【００６７】
［燃料電池コージェネレーションシステムの動作］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００の動作について、図１乃至図３を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、制御器１１０が燃料電池コージェネレーションシステム１００を制御することにより遂行される。
【００６８】
まず、水素生成装置１０２からアノードガス配管４１を介して燃料ガス内部流路３１にアノードガスが供給される。また、空気供給器１０７からカソードガス配管４３を介して酸化剤ガス内部流路３２にカソードガスが供給される。燃料ガス内部流路３１に供給されたアノードガスは、燃料ガス内部流路３１を通流する間に、各セル１０のアノード２Ａに供給され、酸化剤ガス内部流路３２に供給されたカソードガスは、酸化剤ガス内部流路３２を通流する間に、各セル１０のカソード２Ｂに供給される。
【００６９】
そして、アノード２Ａに供給されたアノードガスとカソード２Ｂに供給されたカソードガスとが、電気化学的に反応して電力と熱が発生する。発生した電力は、適宜、電力負荷（図示せず）に供給される。一方、発生した熱は、冷却媒体タンク１０８から冷却媒体配管５１を介して冷却媒体内部流路３３に供給された冷却媒体が回収する。
【００７０】
熱を回収した冷却媒体は、オフ冷却媒体として、冷却媒体内部流路３３からオフ冷却媒体配管５２に排出される。オフ冷却媒体は、オフ冷却媒体配管５２を通流する間に、第４熱交換器１０６で熱媒体と熱交換して（熱媒体を加熱して）、冷却媒体タンク１０８に供給される。
【００７１】
また、アノード２Ａで使用されなかったアノードガスは、アノードオフガスとして、燃料ガス内部流路３１からアノードオフガス配管４２に排出される。アノードオフガスは、アノードオフガス配管４２を通流する間に、第１熱交換器１０３で熱媒体と熱交換して（熱媒体を加熱して）、バーナ１０２Ａに供給される。バーナ１０２Ａでは、アノードオフガスが燃焼され、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管４５を通流する間に、第２熱交換器１０４で熱媒体と熱交換して（熱媒体を加熱して）、燃料電池コージェネレーションシステム１００外に排出される。
【００７２】
また、カソード２Ｂで使用されなかったカソードガスは、カソードオフガスとして、酸化剤ガス内部流路３２からカソードオフガス配管４４に排出される。カソードオフガスは、カソードオフガス配管４４を通流する間に、第３熱交換器１０５で熱媒体と熱交換して（熱媒体を加熱して）、燃料電池コージェネレーションシステム１００外に排出される。
【００７３】
さらに、オフ冷却媒体が有する熱の一部が、オフ冷却媒体配管５２を通流する間に、図２乃至図４に示す接触構造によって、アノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４を介してアノードオフガス及びカソードオフガスに移動する。そして、アノードオフガス及びカソードオフガスに移動したオフ冷却媒体が有する熱は、第１熱交換器１０３及び第３熱交換器１０５で熱媒体に回収される（熱媒体を加熱する）。加熱された熱媒体は、熱利用機器１０９に供給される。
【００７４】
このように、本実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００では、熱容量の小さいアノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４が熱容量の大きいオフ冷却媒体配管５２の断熱体としても機能することができ、また、オフ冷却媒体配管５２の外気との接触面積を低減することができる。
【００７５】
また、従来は、オフ冷却媒体配管５２を通流する間に大気中に放出されたオフ冷却媒体が有する熱の一部を、アノードオフガス及びカソードオフガスが回収して、第１熱交換器１０３及び第３熱交換器１０５で熱媒体がこの熱を回収して、熱利用機器１０９に供することができる。このため、本実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００では、オフ冷却媒体配管５２からの外気への放熱量を低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステム１００の熱回収効率を向上させることができる。
【００７６】
なお、本実施の形態１においては、オフ冷却媒体配管５２は、アノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４の両方と接触する構成としたが、これに限定されず、アノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４のいずれか一方と接触する構成としてもよい。
【００７７】
また、本実施の形態１においては、燃料電池スタック１０１は、複数のセル１０が積層されたセル積層体７０を有する構成としたが、これに限定されず、１つのセル１０を有する構成としてもよい。また、燃料電池スタック１０１として、高分子電解質形燃料電池を用いたが、これに限定されず、固体酸化物燃料電池等を用いてもよい。さらに、水素生成装置１０２は、変成器及び浄化器を有する構成としたが、例えば、燃料電池スタック１０１として、一酸化炭素に対して被毒しにくい、固体酸化物燃料電池を用いる場合には、これらの機器を設けない構成としてもよい。
【００７８】
さらに、本実施の形態１においては、燃料電池スタック１０１は、内部マニホールド型を用いたが、これに限定されず、外部マニホールド型を採用してもよい。この場合、オフ冷却媒体配管５２、アノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４は、それぞれのマニホールドの下流端に接続される。
【００７９】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、オフ冷却媒体配管が、アノードオフガス配管及びカソードオフガス配管の少なくとも一方と燃料電池スタックの内部燃料ガス流路の出口において接触する形態を例示するものである。
【００８０】
［燃料電池コージェネレーションシステムの構成］
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステムにおける燃料電池スタックと各配管との接続構造を示す模式図である。なお、図５においては、各配管の構造を理解しやすくするためにハッチングを付し、断熱部材を二点差線で示している。
【００８１】
本発明の実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００は、実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００と基本的構成は同じであるが、オフ冷却媒体配管５２は、燃料電池スタック１０１の端から第２の「所定の長さ」に亘って、アノードオフガス配管４２とカソードオフガス配管４４の少なくとも一方と接触するように構成されている。ここで、第２の「所定の長さ」とは、燃料電池スタック１０１の端と第１熱交換器１０３又は第３熱交換器１０５までの間の長さよりも短い長さをいい、燃料電池コージェネレーションシステム１００の構成によって異なるものである。なお、各配管からの外気への総合放熱量を低減する観点から、第２の所定の長さは、できるだけ長い方が好ましい。
【００８２】
これにより、オフ冷却媒体配管５２の中で最も熱容量の大きい燃料電池スタック１０１との接続部分（燃料電池スタック１０１の端と最も近い部分）を、アノードオフガス配管４２及び／又はカソードオフガス配管４４が接触することで、各配管からの外気への総合放熱量をより低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステム１００の熱回収効率をより向上させることができる。
【００８３】
次に、図５を参照しながら、本実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００における燃料電池スタック１０１と各配管との接続構造について詳細に説明する。
【００８４】
［燃料電池スタックと各配管との接続構造］
図５に示すように、本実施の形態２においては、アノードオフガス配管４２は、オフ冷却媒体配管５２に沿って延びるように形成された「延伸部」４２ａと、該延伸部４２ａと燃料ガス内部流路３１を接続するように形成された「接続部」４２ｂと、から構成されている。延伸部４２ａの一方の端部は、オフ冷却媒体配管５２の燃料電池スタック１０１側の端と接触するように、オフ冷却媒体配管５２に沿って延びている。また、延伸部４２ａの一方の端は、閉鎖されていて、燃料電池スタック１０１の端（端板７１Ａ）と接触している。そして、延伸部４２ａは、燃料電池スタック１０１の端から第２の所定の長さに亘ってオフ冷却媒体配管５２と接触するように構成されている。また、接続部４２ｂは、その上流端が燃料ガス内部流路３１の下流端と接続され、その下流端が延伸部４２ａに接続されている。なお、延伸部４２ａにおける接続部４２ｂとの接続点は、延伸部４２ａの一方の端と接続点との間に存在するガスを流動させやすくする観点から、延伸部４２ａの一方の端に近いことが好ましい。
【００８５】
同様に、カソードオフガス配管４４は、オフ冷却媒体配管５２に沿って延びるように形成された延伸部４４ａと、該延伸部４４ａと酸化剤ガス内部流路３２を接続するように形成された接続部４４ｂと、から構成されている。延伸部４４ａの一方の端部は、オフ冷却媒体配管５２の燃料電池スタック１０１側の端と接触するように、オフ冷却媒体配管５２に沿って延びている。また、延伸部４４ａの一方の端は、閉鎖されていて、燃料電池スタック１０１の端（端板７１Ａ）と接触している。そして、延伸部４４ａは、燃料電池スタック１０１の端から第２の所定の長さに亘ってオフ冷却媒体配管５２と接触するように構成されている。また、接続部４４ｂはその上流端が酸化剤ガス内部流路３２の下流端と接続され、その下流端が延伸部４４ａに接続されている。なお、延伸部４４ａにおける接続部４４ｂとの接続点は、延伸部４４ａの一方の端と接続点との間に存在するガスを流動させやすくする観点から、延伸部４４ａの一方の端に近いことが好ましい。
【００８６】
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００では、オフ冷却媒体配管５２の中で最も熱容量の大きい燃料電池スタック１０１との接続部分（燃料電池スタック１０１の端と最も近い部分）が、アノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４と接触することで、各配管からの外気への総合放熱量をより低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステム１００の熱回収効率をより向上させることができる。
【００８７】
なお、本実施の形態２においては、オフ冷却媒体配管５２は、アノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４の両方と接触する構成としたが、これに限定されず、アノードオフガス配管４２又はカソードオフガス配管４４のいずれか一方と接触する構成としてもよい。また、本実施の形態２においては、アノードオフガス配管４２とオフ冷却媒体配管５２と、カソードオフガス配管４４とオフ冷却媒体配管５２と、は、同じ第２の所定の長さに亘って接触する構成としたが、これに限定されず、アノードオフガス配管４２とオフ冷却媒体配管５２の接触する長さと、カソードオフガス配管４４とオフ冷却媒体配管５２の接触する長さは異なってもよい。
【００８８】
［変形例１］
次に、本実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００の変形例１について、図６を参照しながら説明する。
【００８９】
図６は、本変形例１の燃料電池コージェネレーションシステムにおける燃料電池スタックと各配管との接続構造を示す模式図である。なお、図６においては、各配管の構造を理解しやすくするためにハッチングを付し、断熱部材を二点差線で示している。
【００９０】
図６に示すように、本変形例１の燃料電池コージェネレーションシステム１００における燃料電池スタック１０１では、アノードオフガス配管４２とカソードオフガス配管４４の形状が、実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００と異なる。具体的には、アノードオフガス配管４２は、燃料電池スタック１０１の端（端板７１Ａ）との接続端から、端板７１Ａの主面に沿って、オフ冷却媒体配管５２に接触するまで延び、そこから、第２の所定の長さに亘ってオフ冷却媒体配管５２と接触しながら、該オフ冷却媒体配管５２に沿って延びるように構成されている。同様に、カソードオフガス配管４４は、燃料電池スタック１０１の端（端板７１Ａ）との接続端から、端板７１Ａの主面に沿って、オフ冷却媒体配管５２に接触するまで延び、そこから、第２の所定の長さに亘ってオフ冷却媒体配管５２と接触しながら、該オフ冷却媒体配管５２に沿って延びるように構成されている。
【００９１】
このように構成された本変形例１の燃料電池コージェネレーションシステム１００であっても、実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００と同様の作用効果を奏する。なお、本変形例１においては、オフ冷却媒体配管５２は、アノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４の両方と接触する構成としたが、これに限定されず、アノードオフガス配管４２又はカソードオフガス配管４４のいずれか一方と接触する構成としてもよい。
【００９２】
[変形例２]
次に、本実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００の変形例２について、図７を参照しながら説明する。
【００９３】
図７は、本変形例２の燃料電池コージェネレーションシステムにおける燃料電池スタックと各配管との接続構造を示す模式図である。なお、図７においては、各配管の構造を理解しやすくするためにハッチングを付し、断熱部材を二点差線で示している。
【００９４】
図７に示すように、本変形例２の燃料電池コージェネレーションシステム１００における燃料電池スタック１０１では、アノードオフガス配管４２とカソードオフガス配管４４の一部が、端板７１Ａ内に配置されている点が、変形例１の燃料電池コージェネレーションシステム１００における燃料電池スタック１０１と異なる。具体的には、オフ冷却媒体配管５２の燃料電池スタック１０１側の端から所定の長さまでの部分が、端板７１Ａに埋め込まれている。また、アノードオフガス配管４２の接続部４２ｂと、延伸部４２ａの一部が、端板７１Ａに埋め込まれており、同様に、カソードオフガス配管４４の接続部４４ｂと、延伸部４４ａの一部が、端板７１Ａに埋め込まれている。
【００９５】
なお、端板７１Ａは、例えば、板状の２つの部材を用意し、一方の部材に、アノードオフガス配管４２の接続部４２ｂ及びカソードオフガス配管４４の接続部４４ｂを埋め込み、また、オフ冷却配管５２が嵌合する貫通孔を設け、他方の部材に、アノードオフガス配管４２の延伸部４２ａ、カソードオフガス配管４４の延伸部４４ａ、及びオフ冷却配管５２のそれぞれが、嵌合する貫通孔を設けて、これらの部材を張り合わせることで、作成することができる。
【００９６】
このように構成された、本変形例２の燃料電池コージェネレーションシステム１００であっても、実施の形態２に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００と同様の作用効果を奏する。なお、本変形例２においては、オフ冷却媒体配管５２は、アノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４の両方と接触する構成としたが、これに限定されず、アノードオフガス配管４２又はカソードオフガス配管４４のいずれか一方と接触する構成としてもよい。
【００９７】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３は、オフ冷却媒体配管が、アノードオフガス配管及びカソードオフガス配管の少なくとも一方の中に設けられている形態を例示するものである。
【００９８】
図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池コージェネレーションシステムの燃料電池スタックと各配管との接続構造を模式的に示す斜視図である。また、図９は、図８に示す矢印Ｂ方向から見た模式図である。なお、図８及び図９においては、各配管の構造を理解しやすくするためにハッチングを付し、断熱部材を二点差線で示している。また、図８においては、燃料電池スタック１０１における上下方向を図における上下方向として表し、図９においては、その一部を省略している。
【００９９】
図８及び図９に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００は、実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００と基本的構成は同じであるが、「オフ冷却媒体配管５２は、燃料電池スタック１０１から第１熱交換器１０３又は第３熱交換器１０５までの間で、カソードオフガス配管４４及び／又はアノードオフガス配管４２の中（内部空間）に設けられている」。
【０１００】
これにより、熱容量の小さいアノードオフガス配管４２及び／又はカソードオフガス配管４４が熱容量の大きいオフ冷却媒体配管５２の断熱体としても機能することができ、また、オフ冷却媒体配管５２の外気との接触面積を低減することができる。さらに、オフ冷却媒体配管５２からアノードオフガス配管４２及び／又はカソードオフガス配管４４に移動した熱は、第１熱交換器１０３及び／又は第３熱交換器１０５で回収される。このため、オフ冷却媒体配管５２からの外気への放熱量を低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステム１００の熱回収効率を向上させることができる。
【０１０１】
また、本実施の形態３に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００では、「カソードオフガス配管４４の中（内部空間）にオフ冷却媒体配管５２が配置され、アノードオフガス配管４２の中（内部空間）にカソードオフガス配管４４が配置されている」。
【０１０２】
これにより、保持熱量の大きいカソードオフガス配管４４をアノードオフガス配管４２の中（内部空間）に配置することで、カソードオフガス配管４４からの放熱量も低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステム１００の熱回収効率をより向上させることができる。
【０１０３】
次に、図８及び図９を参照しながら、燃料電池スタック１０１の構成及び各配管との接続構造について説明する。
【０１０４】
［燃料電池スタックと各配管との接続構造］
図８及び図９に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００における燃料電池スタック１０１の端板７１Ａ、絶縁板７２Ａ、及び集電板７３Ａの上部には、燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、及び冷却媒体供給マニホールドのそれぞれに対応する貫通孔が設けられている。端板７１Ａの燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、及び冷却媒体供給マニホールドのそれぞれに対応する貫通孔には、それぞれ、アノードガス配管４１、カソードガス配管４３、及び冷却媒体配管５１が、適宜な手段により接続されている。また、端板７１Ａ、絶縁板７２Ａ、及び集電板７３Ａの下部には、燃料ガス排出マニホールド１２１、酸化剤ガス排出マニホールド１２２、及び冷却媒体排出マニホールド１２３のそれぞれに対応する貫通孔２１、２２、２３が設けられている。端板７１Ａの貫通孔２１、２２、２３には、それぞれ、アノードオフガス配管４２、カソードオフガス配管４４、及びオフ冷却媒体配管５２が、適宜な手段により接続されている。
【０１０５】
また、本実施の形態３では、アノードオフガス配管４２は、オフ冷却媒体配管５２に沿って延びるように形成された延伸部４２ａと、該延伸部４２ａと燃料ガス内部流路３１を接続するように形成された接続部４２ｂと、から構成されている。同様に、カソードオフガス配管４４は、オフ冷却媒体配管５２に沿って延びるように形成された延伸部４４ａと、該延伸部４４ａと酸化剤ガス内部流路３２を接続するように形成された接続部４４ｂと、から構成されている。
【０１０６】
オフ冷却媒体配管５２は、カソードオフガス配管４４の延伸部４４ａの中（内部空間）に配置されていて、カソードオフガス配管４４の延伸部４４ａは、アノードオフガス配管４２の延伸部４２ａの中（内部空間）に配置されている。換言すると、オフ冷却媒体配管５２、カソードオフガス配管４４の延伸部４４ａ、及びアノードオフガス配管４２の延伸部４２ａは、３重管構造となっている。また、各配管４２、４４、５２の３重管構造となっている部分には、それぞれの配管４２、４４、５２を支持するための支持部材８０が設けられている。この支持部材８０により、各配管４２、４４、５２の間隔が維持される。なお、支持部材８０によって、各流体の通流が妨げられることはない。
【０１０７】
ここで、図１０を参照しながら、アノードオフガス配管４２（の延伸部４２ａ）、カソードオフガス配管４４（の延伸部４４ａ）、及びオフ冷却媒体配管５２の構造について説明する。図１０は、図８に示す燃料電池コージェネレーションシステム１００のアノードオフガス配管４２、カソードオフガス配管４４、及びオフ冷却媒体配管５２の構造を模式的に示す断面図である。図１０（ａ）に示すように、アノードオフガス配管４２、カソードオフガス配管４４、及びオフ冷却媒体配管５２は、その断面形状が円状に形成されていてもよく、また、図１０（ｂ）に示すように、アノードオフガス配管４２、カソードオフガス配管４４、及びオフ冷却媒体配管５２は、その断面形状が略矩形に形成されてもよい。
【０１０８】
このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態３に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００では、オフ冷却媒体配管５２が、アノードオフガス配管４２及びカソードオフガス配管４４の中（内部空間）に配置されているため、オフ冷却媒体配管５２からの放熱をアノードガス及びカソードガスが充分に回収することができ、燃料電池コージェネレーションシステム１００の熱回収効率をより向上させることができる。
【０１０９】
さらに、本実施の形態３に係る燃料電池コージェネレーションシステム１００では、カソードオフガス配管４４の中（内部空間）にオフ冷却媒体配管５２を配置し、アノードオフガス配管４２の中（内部空間）にカソードオフガス配管４４を配置することで、カソードオフガス配管４４からの放熱量も低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステム１００の熱回収効率をより向上させることができる。
【０１１０】
なお、本実施の形態３においては、オフ冷却媒体配管５２の燃料電池スタック１０１の端との接続端近傍部分がカソードオフガス配管４４及び／又はアノードオフガス配管４２の中（内部空間）に配置される構成としなかったが、これに限定されず、オフ冷却媒体配管５２の接続端近傍部分が、カソードオフガス配管４４及び／又はアノードオフガス配管４２の中（内部空間）に配置される構成としてもよい。
【０１１１】
また、本実施の形態３においては、オフ冷却媒体配管５２がアノードオフガス配管４２とカソードオフガス配管４４の両方の中（内部空間）に配置されるように構成したが、これに限定されず、アノードオフガス配管４２又はカソードオフガス配管４４のいずれか一方の配管の中（内部空間）に配置されるように構成されてもよい。さらに、オフ冷却媒体配管５２とアノードオフガス配管４２がカソードオフガス配管４４の中（内部空間）に配置されてもよく、オフ冷却媒体配管５２とカソードオフガス配管４４がアノードオフガス配管４２の中（内部空間）に配置されてもよい。
【０１１２】
さらに、本実施の形態３においては、アノードガス配管４１、カソードガス配管４３、及び冷却媒体配管５１と、アノードオフガス配管４２、カソードオフガス配管４４、及びオフ冷却媒体配管５２を一方の端板７１Ａに設ける構成としたが、これに限定されず、実施の形態１のように、アノードガス配管４１、カソードガス配管４３、及び冷却媒体配管５１を他方の端板７１Ｂに設け、アノードオフガス配管４２、カソードオフガス配管４４、及びオフ冷却媒体配管５２を一方の端板７１Ａに設ける構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、各配管からの外気への総合放熱量を低減し、燃料電池コージェネレーションシステムの熱回収効率を向上させることが可能なため、燃料電池の分野で有用である。
【符号の説明】
【０１１４】
１  高分子電解質膜
２Ａ  アノード
２Ｂ  カソード
３  電極接合体
４Ａ  アノードセパレータ
４Ｂ  カソードセパレータ
５  ガスケット
１０  セル
２１  貫通孔
２２  貫通孔
２３  貫通孔
３１  燃料ガス内部流路
３２  酸化剤ガス内部流路
３３  冷却媒体内部流路
４１  アノードガス配管
４２  アノードオフガス配管
４２ａ  延伸部
４２ｂ  接続部
４３  カソードガス配管
４４  カソードオフガス配管
４４ａ  延伸部
４４ｂ  接続部
４５  燃焼排ガス配管
５１  冷却媒体配管
５２  オフ冷却媒体配管
５３  熱媒体循環路
６１  断熱部材
７０  セル積層体
７１Ａ  端板
７１Ｂ  端板
７２Ａ  絶縁板
７２Ｂ  絶縁板
７３Ａ  集電板
７３Ｂ  集電板
１００  燃料電池コージェネレーションシステム
１０１  燃料電池スタック
１０２  水素生成装置
１０２Ａ  バーナ
１０３  第１熱交換器
１０４  第２熱交換器
１０５  第３熱交換器
１０６  第４熱交換器
１０７  空気供給器
１０８  冷却媒体タンク
１０９  熱利用機器
１１０  制御器
１２１  燃料ガス排出マニホールド
１２２  酸化剤ガス排出マニホールド
１２３  冷却媒体排出マニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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