(57)【要約】【課題】燃料電池モジュールと貯湯タンクを同一筐体内に収めるという小型コンパクト化を図る中で、浄化器の熱劣化も抑える。【解決手段】筐体７内上側に燃料電池モジュール８を配置し、この燃料電池モジュール８の下方に貯湯タンク９が配置され、水を供給する水供給部１０と、空気を供給する空気供給部１１と、原料ガスを供給する原料ガス供給部１２及び水を浄化する浄化器１３があり、この浄化器１３と貯湯タンク９の間に水供給部１０、空気供給部１１、原料ガス供給部１２を配置することにより、貯湯タンク９からの熱による浄化器１３の熱劣化を抑制できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガス及び水を用いて水素含有ガスを生成する改質器、及び、水素含有ガス及び酸素を反応させて発電する燃料電池を備えた燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールの上方又は下方に配置され、前記燃料電池モジュールが発生する熱を温水として貯める貯湯タンクと、
前記改質器に水を供給する水供給部と、
前記燃料電池モジュールに空気を供給する空気供給部と、
前記燃料電池モジュールに原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記改質器に供給する水を浄化する浄化器と、
前記燃料電池モジュール、前記貯湯タンク、前記水供給部、前記空気供給部、前記原料ガス供給部及び前記浄化器を収容する筐体と、
を備え、
前記浄化器と前記貯湯タンクとの間に、前記水供給部、前記空気供給部及び前記原料ガス供給部のうちの少なくとも１つが配置されている、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、
前記浄化器は、前記燃料電池モジュール及び前記貯湯タンクの下方に配置され、
前記浄化器と前記燃料電池モジュールとの間に、前記水供給部、前記空気供給部及び前記原料ガス供給部のうちの少なくとも１つが配置されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池で発生した電力を変換する電力変換回路をさらに備え、
前記浄化器は、前記燃料電池モジュール及び前記電力変換回路の下方に配置され、
前記浄化器と前記貯湯タンクとの間に、前記供給部、前記空気供給部及び前記原料ガス供給部のうち少なくとも１つが配置されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、家庭用の燃料電池コージェネシステムとして固体高分子形（ＰＥＦＣ）に加えて固体酸化物形（ＳＯＦＣ）の開発も急速に行われるようになった。このＳＯＦＣは空気極（陰極）で生成した酸化物イオンが電解質を透過し、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るので、水素だけでなく一酸化炭素等も燃料として使用できる。そのためＰＥＦＣのようにピュアな水素を必要とせず、変成ならびに改質などを伴う複雑で大掛かりな水素生成機などが不要となり、部品点数を少なくできる。また、発電の動作温度がＰＥＦＣの６０〜８０℃に対し、６００〜８００℃と高く、これを利用し、循環水の湯温をＰＥＦＣより容易に高く設定でき、給湯として使用する貯湯タンク内の湯温も高く保てるので、この貯湯タンク容量をＰＥＦＣより大幅に小さくすることが可能である。いわゆる小型化、高信頼性、低コストである新方式として注目をあびてきている。（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、前記公報に記載された従来の燃料電池システムの構成を示す正面図と側面図である。図５に示すように大掛かりな水素生成機がなく、また、部品点数も減り、さらに、貯湯タンク１が小型化され、全体的に重量も減るため、一つの筺体２内にＳＯＦＣを含む燃料電池モジュール３と貯湯タンク１を納め、この燃料電池モジュール３の側方、この場合は後方に貯湯タンク１を置き、水、空気、原料ガスの供給部４及び電力変換回路５は貯湯タンク１の側方、この場合は前方に置くとともに、燃料電池モジュール３の下方に配置し、燃料電池モジュール３内の改質部に浄化水を送る浄化器６は貯湯タンク１、供給部４、電力変換回路５の近傍、この場合は貯湯タンク１の前下方で供給部４及び電力変換回路５の下方に配置される構成となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２９４２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来この種の構成では、物理吸着の他に化学反応吸着も要する浄化器は熱に弱いにもかかわらず、高温に至る貯湯タンクなどの近傍に位置していた。今回の従来例は小型化が可能なＳＯＦＣを引用したが、他の方式の燃料電池システムも含め、特に燃料電池モジュールと貯湯タンクを同一筐体内に収める製品仕様の場合、小型コンパクト化を図りつつ、浄化器の熱劣化を抑えなければならないという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池モジュールと貯湯タンクを同一筐体内に収めるという小型コンパクト化を図る中で、浄化器の熱劣化も抑制できる燃料電池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】
【０００７】
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、原料ガス及び水を用いて水素含有ガスを生成する改質器、及び、水素含有ガス及び酸素を反応させて発電する燃料電池を備えた燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの上方又は下方に配置され、前記燃料電池モジュールが発生する熱を温水として貯める貯湯タンクと、前記改質
器に水を供給する水供給部と、前記燃料電池モジュールに空気を供給する空気供給部と、前記燃料電池モジュールに原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記改質器に供給する水を浄化する浄化器と、前記燃料電池モジュール、前記貯湯タンク、前記水供給部、前記空気供給部、前記原料ガス供給部及び前記浄化器を収容する筐体と、を備え前記浄化器と前記貯湯タンクとの間に、前記水供給部、前記空気供給部及び前記原料ガス供給部のうちの少なくとも１つが配置されているものである。
【０００８】
これによって、貯湯タンクと燃料電池モジュールを同一筐体内に配置した場合に、水供給部、空気供給部、原料ガス供給部のいずれかが、浄化器と貯湯タンクの間にあるので、この間にある供給部が浄化器への貯湯タンクからの高温熱を遮ることになる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池モジュールと貯湯タンクを同一筐体内に収めるという小型コンパクト化を図る中で、浄化器の熱劣化も抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムを示す外観斜視図
【図２】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を示す要部斜視図
【図３】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を示す要部斜視図
【図４】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示す要部斜視図
【図５】従来の燃料電池システムの構成を示す正面図と側面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の発明は、原料ガス及び水を用いて水素含有ガスを生成する改質器、及び、水素含有ガス及び酸素を反応させて発電する燃料電池を備えた燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの上方又は下方に配置され、前記燃料電池モジュールが発生する熱を温水として貯める貯湯タンクと、前記改質器に水を供給する水供給部と、前記燃料電池モジュールに空気を供給する空気供給部と、前記燃料電池モジュールに原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記改質器に供給する水を浄化する浄化器と、前記燃料電池モジュール、前記貯湯タンク、前記水供給部、前記空気供給部、前記原料ガス供給部及び前記浄化器を収容する筐体と、を備え、前記浄化器と前記貯湯タンクとの間に、前記水供給部、前記空気供給部及び前記原料ガス供給部のうちの少なくとも１つが配置されている、燃料電池システムである。
【００１２】
この構成により、貯湯タンクと燃料電池モジュールを同一筐体内に配置した場合に、水供給部、空気供給部、原料ガス供給部のいずれかが、浄化器と貯湯タンクの間にあるので、この間にある水供給部、空気供給部、原料ガス供給部のいずれかが、浄化器への貯湯タンクからの高温熱を遮り、小型コンパクト化を図る中で、浄化器の熱劣化も抑制できる。
【００１３】
第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、固体酸化物形燃料電池であり、前記浄化器は、前記燃料電池モジュール及び前記貯湯タンクの下方に配置され、前記浄化器と前記燃料電池モジュールとの間に、前記水供給部、前記空気供給部及び前記原料ガス供給部のうちの少なくとも１つが配置されている燃料電池システムである。
【００１４】
この構成により、特に高温になる固体酸化物形燃料電池を有する燃料電池モジュールの場合、水供給部、空気供給部、原料ガス供給部のいずれかが、浄化器と燃料電池モジュールの間にあるので、貯湯タンクからの高温熱に加え、この間にある水供給部、空気供給部、原料ガス供給部のいずれかが、浄化器への燃料電池モジュールからの高温熱も遮り、小型コンパクト化を図る中で、更に浄化器の熱劣化を抑制できる。
【００１５】
第３の発明は、特に、第１又は第２の発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池で発生した電力を変換する電力変換回路をさらに備え、前記浄化器は、前記燃料電池モジュール及び前記電力変換回路の下方に配置され、前記浄化器と前記貯湯タンクとの間に、前記供給部、前記空気供給部及び前記原料ガス供給部のうち少なくとも１つが配置されている燃料電池システムである。
【００１６】
この構成により、水供給部、空気供給部、原料ガス供給部のいずれかが、浄化器と貯湯タンクの間にあるので、この水供給部、空気供給部、原料ガス供給部のいずれかが、浄化器への電力変換回路からの熱も遮り、小型コンパクトな燃料電池システムの中で高温となる主な部位からの浄化器への熱影響を抑えることができる。
【００１７】
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。また、以下の説明では、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。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す外観斜視図であり、図２は、実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す要部斜視図である。
【００１９】
図１、図２において、筐体７内に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と、変成を伴わない簡素な改質器を内部に備えた燃料電池モジュール８と、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）と比較し小容量となる貯湯タンク９があり、筐体７内上側に燃料電池モジュール８を配置し、この燃料電池モジュール８の下方に貯湯タンク９が配置されている。この構成において、他の主機能部として、改質器に水を供給する水供給部１０と、燃料電池モジュール８に空気を供給する空気供給部１１と、原料ガスを供給する原料ガス供給部１２があり、この水供給部１０、空気供給部１１、原料ガス供給部１２が貯湯タンク９の下方にあり、さらに改質器に供給する水を浄化する物理吸着及び化学反応吸着の機能を要する浄化器１３が、水供給部１０、空気供給部１１、原料ガス供給部１２の下方にある。すなわち、浄化器１３と貯湯タンク９の間に水供給部１０、空気供給部１１、原料ガス供給部１２を配置している。また、燃料電池で得られた直流電力を交流電力に変換する電力変換回路１４があり、この電力変換回路１４は燃料電池モジュール８の上方に配置している。
【００２０】
なお、ここでは燃料電池システムとして改質器を内部に備えたＳＯＦＣ方式の燃料電池モジュール８としているが、別方式の燃料電池モジュールでもよく、また、燃料電池モジュール８と貯湯タンク９は貯湯タンク９が上側で燃料電池モジュール８が下側の構成でもよい。また、水供給部１０、空気供給部１１、原料ガス供給部１２のいずれかが、浄化器１３と貯湯タンク９の間に配置されても良い。さらに貯湯タンク９の容量は小容量としているが、この容量に限定されるものでもない。
【００２１】
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。
【００２２】
まず、使用者がスタートボタンを押すなどして燃料電池システムの駆動開始が指示されると、必要媒体に生成された水、空気、原料ガスがＳＯＦＣ及び改質器を含む燃料電池モジュール８に供給され、これら媒体が電気化学的に反応する。これにより、発電が行われる。この発電により得られた直流電力は電力変換回路１４を介して系統電源に供給される。この時、ＳＯＦＣは動作温度が６００〜８００℃と非常に高く、市水との熱交換性が高い。そのため、貯湯タンク９内に貯める湯温を容易に７０〜７５℃と高くでき、貯湯タンク９の容量を大幅に小さく（例えばＰＥＦＣの約１／３の７０Ｌ程に）することができ、さらに、ＰＥＦＣのように大掛かりな水素生成機が不要であるということとが相まって、貯湯タンク９を下側としその貯湯タンク９の上部に燃料電池モジュール８を配置するとい
う構成などが可能となった。
【００２３】
次に燃料電池モジュール８と貯湯タンク９を同一の筐体７内に配置の構成においての小型コンパクト化と主機能部の温度関係について説明する。小型コンパクト化を容易に実現できるＳＯＦＣ方式の貯湯タンク９は前述のようにＰＥＦＣ方式などより高温になる。一方、浄化器１３は改質器に供給する水を純水に浄化しなければならず、物理吸着及び化学反応吸着を有する機能が必要で、活性炭及びイオン交換樹脂などから成り、その中で化学反応吸着を行うイオン交換樹脂は、温度上昇、すなわち熱劣化により、強塩基性陰イオンが弱塩基化し、性能低下するという性質がある。これに対し、水供給部１０、空気供給部１１、原料ガス供給部１２は特に温度上昇により熱劣化する機能部ではなく、この水供給部１０、空気供給部１１、原料ガス供給部１２が、高温になる貯湯タンク９と浄化器１３の間に位置するため、この水供給部１０、空気供給部１１、原料ガス供給部１２のいずれかが、浄化器１３への貯湯タンク９からの高温熱を遮る。また、貯湯タンク９と同様にＳＯＦＣ方式の燃料電池モジュール８も前述のようにＰＥＦＣ方式などより高温になる。そして浄化器１３への燃料電池モジュール８からの高温熱も水供給部１０、空気供給部１１、原料ガス供給部１２のいずれかが遮る。さらに、電力変換回路１４は周知のように電力用半導体素子と受動素子との組合せ回路で高温に至る。そして、この電力変換回路１４においても、水供給部１０、空気供給部１１、原料ガス供給部１２のいずれかがその高温熱を遮る。
【００２４】
以上のように、本発明の形態においては、燃料電池モジュール８と貯湯タンク９を同一筐体内に収めるという小型コンパクト化を図る中で、浄化器１３への高温熱を遮り、この浄化器１３の熱劣化を抑制できる。
【００２５】
（実施の形態２）
図３は、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を示す要部斜視図である。
【００２６】
実施の形態１と異なる点は、図３に示すように、電力変換回路１４が燃料電池モジュール８の下方で貯湯タンク９の上方に配置した構成で、他の基本構成は実施の形態１と同様である。
【００２７】
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。
【００２８】
基本的な動作、作用は実施の形態１と同様であるが、構成上、電力変換回路１４が燃料電池モジュール８の下方に配置する場合の燃料電池モジュール８、貯湯タンク９、水供給部１０、空気供給部１１、原料ガス供給部１２及び浄化器１３の配置例を示し、実施の形態１と同様に浄化器１３は貯湯タンク９、燃料電池モジュール８、電力変換回路１４からの高温熱から遮られる。
【００２９】
以上のように、電力変換回路１４の配置が変わっても、浄化器１３への高温熱を遮り、この浄化器１３の熱劣化を抑制できる。
【００３０】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示す要部斜視図である。
【００３１】
実施の形態１及び実施の形態２と異なる点は、図４に示すように、電力変換回路１４が貯湯タンク９の下方に配置した構成で、他の基本構成は実施の形態１及び実施の形態２と同様である。
【００３２】
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。
【００３３】
基本的な動作、作用は実施の形態１及び実施の形態２と同様であるが、構成上、電力変換回路１４が貯湯タンク９の下方に配置する場合の燃料電池モジュール８、貯湯タンク９、水供給部１０、空気供給部１１、原料ガス供給部１２及び浄化器１３の配置例を示し、実施の形態１及び実施の形態２と同様に浄化器１３は貯湯タンク９、燃料電池モジュール８、電力変換回路１４からの高温熱から遮られる。
【００３４】
以上のように、電力変換回路１４の配置が変わっても、浄化器１３への高温熱を遮り、この浄化器１３の熱劣化を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、縦長スリム筐体において、浄化器の熱劣化を容易に抑えることができるため、部品交換等のメンテナンス頻度が減るので、今後、普及が望まれる狭小地設置、例えば、集合住宅向けの仕様、すなわち、マンション玄関側方などにある、縦長形のパイプスペースなどのメンテナンスがしづらい所への製品基本構成として適用できる。
【符号の説明】
【００３６】
７  筐体
８  燃料電池モジュール
９  貯湯タンク
１０  水供給部
１１  空気供給部
１２  原料ガス供給部
１３  浄化器
１４  電力変換回路
【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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