(57)【要約】【課題】  システムの主要部分をシステム全体の最適化設計に有用な合理的な構造とすることにより、配管放熱、機器放熱を本質的に低減し、効率向上に貢献する。【解決手段】  燃料電池本体２、改質器（燃料処理装置）３、凝縮器（熱回収装置）４は、個別のユニットとして構成され、構造的に一体化および分離可能に構成される。各機器２〜４の内部には、配管２０１〜２０３，３０１，３０２，４０１，４０２が組み込まれる。一体化設置時において、改質器３は接合面Ｓ１０で燃料電池本体２および凝縮器４とそれぞれ面接合され、燃料電池本体２と凝縮器４は接合面Ｓ２０で面接合される。改質器３と燃料電池本体２は接合面Ｓ１０で配管接続部Ａ，Ｂにより配管接続される。改質器３と凝縮器４は接合面Ｓ１０で配管接続部Ｃにより配管接続される。燃料電池本体２と凝縮器４は接合面Ｓ２０で配管接続部Ｄ，Ｅにより配管接続される。【選択図】  図１
2006185647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤を電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、前記燃料を処理して前記燃料電池本体に供給する燃料処理装置と、前記燃料電池本体および前記燃料処理装置から排出されるガスの熱を回収する熱回収装置を含む複数の機器と、機器間を接続する配管を有する燃料電池発電システムにおいて、
前記複数の機器は、構造的に一体化および分離可能な複数のユニットから構成され、
前記各ユニットは、一体化設置時に他ユニットに対して面接合される接合面と、自ユニットの内部に組み込まれた配管を有し、
一体化設置時に前記接合面で面接合されかつ配管接続される各２つのユニットは、一方のユニットの表面に露出する第１の配管端部と他方のユニットの表面に露出する第２の配管端部からなる一対の配管端部を有し、当該一対の配管端部間を接続することにより、当該２つのユニット間の配管接続を行うように構成され、
一体化設置時に前記接合面で面接合されかつ配管接続される各２つのユニットは、当該２つのユニット間の配管接続を行うための前記一対の配管端部が、当該接合面で同位置となるか、または、当該接合面に隣接する外部露出表面上に当該接合面を挟んで並ぶように構成されている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
一体化設置時に前記接合面で面接合されかつ配管接続される各２つのユニットは、当該２つのユニット間の配管接続を行うための前記一対の配管端部が、当該接合面で同位置となる場合には当該一対の配管端部間の突合せ接続により配管接続され、当該接合面を挟んで並ぶ場合には当該一対の配管端部間にコ字形状の接続配管を介在させて配管接続されるように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
一体化設置時に前記接合面で面接合されかつ配管接続される各２つのユニットは、
当該２つのユニット間の配管接続を行うための前記一対の配管端部間に挿入されるシール手段と、
当該一対の配管端部同士を圧着するように固定するロック手段を有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
一体化設置時に前記接合面で面接合されかつ配管接続される各２つのユニットは、
当該２つのユニット間の配管接続を行うための前記一対の配管端部間を着脱可能に接続するカプラ手段を有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記各ユニットは略直方体形状である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記燃料電池本体、前記燃料処理装置、および前記熱回収装置は、互いに独立した３つのユニットとして構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記３つのユニットは、それぞれ略直方体形状であり、
一体化設置時に、前記３つのユニットのうち、第１のユニットにおける単一の接合面に第２と第３のユニットが並べて接合されると共に、第２と第３のユニット間が接合され、かつ、各２つのユニット間は、当該ユニット間の接合面における前記一対の配管端部間の突合せ接続により配管接続されている
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
燃料と酸化剤を電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、前記燃料を処理して前記燃料電池本体に供給する燃料処理装置と、前記燃料電池本体および前記燃料処理装置から排出されるガスの熱を回収する熱回収装置を含む複数の機器と、機器間を接続する配管を有する燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池本体、前記燃料処理装置、および前記熱回収装置は、これらの機器間の配管を含めて構造的に一体化されている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項９】
燃料と酸化剤を電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、前記燃料を処理して前記燃料電池本体に供給する燃料処理装置と、前記燃料電池本体および前記燃料処理装置から排出されるガスの熱を回収する熱回収装置を含む複数の機器と、機器間を接続する配管を有する燃料電池発電システムを構成するためのユニットにおいて、
前記複数の機器を構成するために、他ユニットと構造的に一体化および分離可能に構成され、
他ユニットとの一体化設置時に当該他ユニットに対して面接合される接合面と、内部に組み込まれた配管を有し、
他ユニットとの一体化設置時に当該他ユニットに対して前記接合面で面接合されかつ配管接続される場合に、自ユニットの表面に露出する第１の配管端部を有し、当該第１の配管端部と当該他ユニットの表面に露出する第２の配管端部からなる一対の配管端部間を接続することにより、当該他ユニットとの間の配管接続を行うように構成され、
他ユニットとの一体化設置時に当該他ユニットに対して前記接合面で面接合されかつ配管接続される場合に、当該他ユニットとの間の配管接続を行うための前記一対の配管端部が、当該接合面で同位置となるか、または、当該接合面に隣接する外部露出表面上に当該接合面を挟んで並ぶように構成されている
ことを特徴とする燃料電池発電システム用ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池本体、燃料処理装置、熱回収装置を含む複数の機器と、機器間を接続する配管を有する燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして、燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有する。このような燃料電池としては、近年まで、比較的大型のＰＡＦＣ（りん酸形）が主に開発されてきたが、最近では、小型のＰＥＦＣ（個体高分子形燃料電池）の開発が活発化しており、家庭用燃料電池発電システムの普及も間近な状況となっている。
【０００３】
ところで、この家庭用燃料電池発電システムは、従来の産業用や電力向け燃料電池発電システムに比べて、極めて小型であるため、物理的に放熱ロスの割合が高くなることから、発電効率や排熱回収効率を上げることが難しい。効率を上げるためには、高価な高性能断熱材を使用することが一般的なアプローチであるが、コストが高くなるという問題がある。また、高性能断熱材を使用したとしても、産業用の標準的な発電効率の４０％レベルを得ることは難しかった。
【０００４】
図６は、従来の典型的な水素燃料利用型の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。以下には、この燃料電池発電システムについて、構成、作用、効果の順に説明する。
【０００５】
この図６において、１は、燃料電池発電システム全体の構成を、外装ケースやカバー等によりパッケージングした燃料電池パッケージである。この燃料電池パッケージ１中には、ＤＣ電力を発生する燃料電池本体２、水素を生成する改質器３、および排ガス中の水分を凝縮させる凝縮器４が設置されている。これらの機器２〜４は、各々が個別に最適化設計された一つのシステムであり、放熱を最小とするために、断熱材５により覆われている。
【０００６】
燃料電池本体２は、アノードとカソードに燃料と酸化剤をそれぞれ供給し、電気化学反応によりＤＣ電力を発生する装置である。燃料電池本体２は、発電を行うために、改質器３からの改質燃料をアノードに導入、排出するアノード入口２１、アノード出口２２、および酸化剤である空気をカソードに導入、排出するカソード入口２３、カソード出口２４を有する。燃料電池本体２はまた、温水取出系６における凝縮器４からの温水を電池冷却用の冷却水として導入、排出する冷却水入口２５、冷却水出口２６、を有する。
【０００７】
改質器３は、バーナ燃焼により改質用の熱エネルギーを得て燃料を改質する装置である。改質器３は、改質燃料生成用の燃料と水を導入する燃料入口３１、水入口３２、および生成した改質燃料を排出して燃料電池本体２に供給する燃料出口３３を有する。改質器３はまた、燃料電池本体２のアノードからの未反応ガスをバーナ燃料としてバーナ燃焼室に導入するバーナ燃料入口３４、バーナ燃焼用の空気をバーナ燃焼室に導入するバーナ空気入口３５、バーナ燃焼室からの燃焼排ガスを排出するバーナ排ガス出口３６、を有する。
【０００８】
凝縮器４は、燃料電池本体２と改質器３からの排ガス中の熱を回収する装置である。凝縮器４は、改質器３からのバーナ排ガスと燃料電池本体２のカソードからの未反応空気を導入、排出する排ガス入口４１、排ガス出口４２、および温水取出系６の温水を導入、排出する温水入口４３、温水出口４４、を有する。
【０００９】
この燃料電池発電システムの基本的な作用は、次の通りである。発電時において、改質器３の燃料入口３１から導入された燃料は、水入口３２から改質器３内に導入されて気化した水蒸気と合流し、水素リッチな燃料に改質される。改質された燃料は、改質器３の燃料出口３３から排出された後、アノード入口２１から燃料電池本体２に導入されて発電に使われる。
【００１０】
燃料電池本体２に供給された燃料の未反応ガスは、アノード出口２２から排出されて、バーナ燃料入口３４から改質器３のバーナ燃焼室に導入され、バーナ空気入口３５から導入されたバーナ空気と共に燃焼し、改質エネルギーとして使われる。また、燃料電池本体２の発電に必要な空気は、カソード入口２３から導入され、未反応空気はカソード出口２４から排出される。
【００１１】
一方、改質器３のバーナ燃焼室で燃焼された燃焼排ガスは、排ガス入口４１から凝縮器４内に導入され、水を除去された後、排ガス出口４２から排出される。
【００１２】
温水取出系６においては、凝縮器４で燃焼排ガスのエネルギーを回収すると共に、燃料電池本体２で発電の際発生する熱を回収し、温水として取り出し、外部の温水利用先に供給する。また、このような温水取出系６による熱回収により、燃料電池本体２の温度および排ガスの温度を適正に保つことができるという作用もある。
【００１３】
以上が、図６に示す従来の典型的な燃料電池発電システムの基本的な作用である。なお、実際には、燃料電池に空気を供給するための空気ブロアや温水循環用ポンプ、制御装置等の図示していない補機システムが多数存在するが、それらの補機システムは、本発明の特徴部分との相関が低いため、本明細書中では説明を省略している。
【特許文献１】特開２００３−７４５１９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述したような従来の燃料電池発電システムには、次のような問題点がある。
【００１５】
すなわち、図６に示したような従来の燃料電池発電システムにおいては、機器毎に個別に最適化設計されているため、配管の取り回しが長くなり、結果としてシステム全体の放熱量が大きくなる（配管放熱）。また、個々の機器は個別に設置されて個別に保温施工されているため、機器単位でのトータル放熱量も大きくなる（機器放熱）。
【００１６】
これらの問題点のうち、配管放熱については、システム全体の配管長を如何にして減らすかがポイントとなる。これに対して、特許文献１では、ロジックプレート化した配管が提案されている。このようなロジックプレート化した配管を使用した場合、施工性を向上できかつある程度の配管短縮が期待できるものの、構造的に配管伝熱が増加することから、システム全体の放熱ロス低減にはつながらない。
【００１７】
一方、機器放熱を減らす目的で、ＴｉＯ系等の高性能断熱材を使用することも考えられるが、このような高性能断熱材を使用した場合、コストが高くなる上、断熱材の表面積が大きいために一定の放熱ロスは不可避であり、結果として、発電効率、排熱回収効率を上げることが難しいという問題がある。
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、システムの主要部分をシステム全体の最適化設計に有用な合理的な構造とすることにより、配管放熱、機器放熱を本質的に低減し、効率向上に貢献可能な燃料電池発電システムとそのためのユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上記のような目的を達成するために、燃料電池本体、燃料処理装置という高温に維持すべき機器を熱回収装置と一体化可能に構成することにより、システム全体の配管長を短縮し、かつ、機器表面積を低減できるようにしたものであり、その結果、配管放熱、機器放熱を本質的に低減し、効率向上に貢献できるようにしたものである。
【００２０】
本発明の燃料電池発電システムは、燃料と酸化剤を電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、前記燃料を処理して前記燃料電池本体に供給する燃料処理装置と、前記燃料電池本体および前記燃料処理装置から排出されるガスの熱を回収する熱回収装置を含む複数の機器と、機器間を接続する配管を有する燃料電池発電システムにおいて、前記複数の機器が、構造的に一体化および分離可能な複数のユニットから構成され、各ユニットが次のように構成されていることを特徴としている。
【００２１】
すなわち、各ユニットは、一体化設置時に他ユニットに対して面接合される接合面と、自ユニットの内部に組み込まれた配管を有する。そして、一体化設置時に前記接合面で面接合されかつ配管接続される各２つのユニットは、一方のユニットの表面に露出する第１の配管端部と他方のユニットの表面に露出する第２の配管端部からなる一対の配管端部を有し、当該一対の配管端部間を接続することにより、当該２つのユニット間の配管接続を行うように構成される。また、一体化設置時に前記接合面で面接合されかつ配管接続される各２つのユニットは、当該２つのユニット間の配管接続を行うための前記一対の配管端部が、当該接合面で同位置となるか、または、当該接合面に隣接する外部露出表面上に当該接合面を挟んで並ぶように構成される。
【００２２】
また、本発明の燃料電池発電システム用ユニットは、上記の燃料電池発電システムの特徴を、システムを構成するためのユニットの観点から把握したものである。
【００２３】
一方、本発明の別の燃料電池発電システムは、燃料と酸化剤を電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、前記燃料を処理して前記燃料電池本体に供給する燃料処理装置と、前記燃料電池本体および前記燃料処理装置から排出されるガスの熱を回収する熱回収装置を含む複数の機器と、機器間を接続する配管を有する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体、前記燃料処理装置、および前記熱回収装置が、これらの機器間の配管を含めて構造的に一体化されていることを特徴としている。
【００２４】
以上のような特徴を有する本発明によれば、燃料電池本体と燃料処理装置を熱回収装置と一体化できるようにこれらの機器全体を最適化設計することにより、各機器を個別に最適化設計して断熱材で覆った場合に比べて、一体化部分の配管設計を合理化して配管長を大幅に短縮できると共に、一体化部分の機器配置を合理化して機器表面積を大幅に縮小できるため、システム全体の放熱ロスを大幅に低減できる。特に、燃料電池本体、燃料処理装置という高温に維持すべき機器を熱回収装置と一体化することにより、配管放熱、機器放熱を本質的に低減して、燃料電池本体と燃料処理装置からの排熱を熱回収装置により効率よく回収することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃料電池本体、燃料処理装置という高温に維持すべき機器を熱回収装置と一体化可能に構成することにより、配管放熱、機器放熱を本質的に低減し、効率向上に貢献可能な燃料電池発電システムとそのためのユニットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下には、本発明を適用した実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、説明の簡略化の観点から、図６に示した従来技術と同一部分には同一符号を付している。
【００２７】
［第１の実施形態］
［システム構成］
図１の（ａ），（ｂ）は、本発明を適用した第１の実施形態に係る燃料電池発電システムを示すブロック図であり、図面の簡略化の観点から、発電を行うための燃料・酸化剤の供給・排出系（ａ）と温水取出系（ｂ）を分けて示している。また、図２の（ａ），（ｂ）は、図１に示す燃料電池発電システムの主要構造（ユニット構造）部分の外観を模式的に示す斜視図であり、（ａ）は分離状態、（ｂ）は一体化設置状態をそれぞれ示している。
【００２８】
この図１と図２の（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態において、燃料電池発電システムの燃料電池パッケージ１内部の燃料電池本体２、改質器（燃料処理装置）３、凝縮器（熱回収装置）４は、それぞれ略直方体形状の個別のユニットとして構成されており、構造的に一体化および分離可能に構成されている。これらの機器２〜４はまた、各々が略直方体形状であるだけでなく、これら３つの機器２〜４を一体化した場合に、全体としても、コンパクトな略直方体形状の構造体となるように構成されている。
【００２９】
ここで、各機器２〜４のユニットの構成は、次の通りである。図１と図２の（ａ）に示すように、改質器３は、燃料電池本体２および凝縮器４と面接合するための単一の接合面Ｓ１１と、自ユニットの内部に組み込まれた燃料配管３０１およびバーナ配管３０２を有する。
【００３０】
燃料電池本体２は、改質器３および凝縮器４とそれぞれ面接合するための接合面Ｓ１２，Ｓ２１と、自ユニットの内部に組み込まれたアノード配管２０１、カソード配管２０２、および冷却水配管２０３を有する。凝縮器４は、改質器３および燃料電池本体２とそれぞれ面接合するための接合面Ｓ１３，Ｓ２２と、自ユニットの内部に組み込まれた排ガス配管４０１および温水配管４０２を有する。
【００３１】
なお、図１、図２には図示していないが、各機器２〜４は、従来と同様、放熱を最小とするために、機器毎に断熱材５で覆われている。
【００３２】
［一体化設置時の機器接合・配管接続構成］
次に、これらの機器２〜４の一体化設置時における機器接合構成と配管接続構成について説明する。すなわち、図２の（ａ）に示すように、一体化設置時において、改質器３は、接合面Ｓ１１で燃料電池本体２および凝縮器４の各接合面Ｓ１２，Ｓ１３とそれぞれ面接合され、燃料電池本体２と凝縮器４の間は、接合面Ｓ２１，２２で面接合される。
【００３３】
なお、図１、図２の（ｂ）において、Ｓ１０は、一体化設置状態において接合された接合面Ｓ１１〜Ｓ１３からなる単一の接合面を示しており、また、Ｓ２０は、一体化設置状態において接合された接合面Ｓ２１，Ｓ２２からなる単一の接合面を示している。これらの接合面Ｓ１０，Ｓ２０は、一体化設置状態における機器間の接合面であると同時に、機器を分離する境界面となる。
【００３４】
このような一体化設置状態において、接合面Ｓ１０で面接合される改質器３と燃料電池本体２は、接合面Ｓ１０の２箇所で配管接続される。すなわち、改質器３の燃料配管３０１の出口（図６の燃料出口３３に相当する）と燃料電池本体２のアノード配管２０１の入口（図６のアノード入口２１に相当する）は、接合面Ｓ１０の配管接続部Ａで配管接続される。また、改質器３のバーナ配管３０２の入口（図６のバーナ燃料入口３４に相当する）と燃料電池本体のアノード配管２０１の出口（図６のアノード出口２２に相当する）は、接合面Ｓ１０の配管接続部Ｂで配管接続される。
【００３５】
また、接合面Ｓ１０で面接合される改質器３と凝縮器４は、接合面Ｓ１０の１箇所で配管接続される。すなわち、改質器３のバーナ配管３０２の出口（図６のバーナ排ガス出口３６に相当する）と凝縮器４の排ガス配管４０１の入口（図６の排ガス入口４１に相当する）は、接合面Ｓ１０の配管接続部Ｃで配管接続される。
【００３６】
さらに、接合面Ｓ２０で面接合される燃料電池本体２と凝縮器４は、接合面Ｓ２０の２箇所で配管接続される。すなわち、燃料電池本体２のカソード配管２０２の出口（図６のカソード出口２４に相当する）と凝縮器４の排ガス配管４０１における第２の入口（図６の排ガス入口４１に相当する）は、接合面Ｓ２０の配管接続部Ｄで配管接続される。また、凝縮器４の温水配管４０２の出口（図６の温水出口４４に相当する）と燃料電池本体２の冷却水配管２０３の入口（図６の冷却水入口２５に相当する）は、接合面Ｓ２０の配管接続部Ｅで配管接続される。
【００３７】
このように、本実施形態において、凝縮器４の排ガス配管４０１の入口が、改質器３および燃料電池本体２に対して、配管接続部Ｃ，Ｄという、２つの異なる位置にそれぞれ設けられているのは、図６に示す従来技術における凝縮器４の排ガス入口４１との明確な差異である。
【００３８】
すなわち、図６に示す従来技術においては、機器毎に個別に最適化設計されていることから、改質器３および燃料電池本体２からの排ガスが、予め合流させられた後に、単一の排ガス入口４１から凝縮器４に導入されるようになっており、その結果、改質器３および燃料電池本体２から凝縮器４に排ガスを送るための配管の構成が複雑化し、この部分の配管長が長くなっていた。
【００３９】
これに対して、図１に示す本実施形態においては、システム全体の最適化設計の観点から、改質器３および燃料電池本体２からの排ガスが、異なる入口、すなわち、２箇所の配管接続部Ｃ，Ｄから凝縮器４にそれぞれ導入されるようになっており、その結果、改質器３および燃料電池本体２から凝縮器４に排ガスを送るための配管の構成が極めて簡略化され、この部分の配管長が大幅に短縮されている。
【００４０】
［配管接続部・機器接合構成の具体例］
以上のような各配管接続部Ａ〜Ｅは、接合面Ｓ１０，Ｓ２０に露出する配管端部間を接続することによりそれぞれ形成されている。図３は、本実施形態における配管接続部の構成と一体化設置時における機器接合構成の具体例を、改質器３と燃料電池本体２について模式的に示す断面図であり、（ａ）は分離状態、（ｂ）は合体状態である。
【００４１】
この図３に示すように、改質器３と燃料電池本体２の配管接続部Ａ，Ｂは、改質器３の接合面Ｓ１１に露出する配管端部フランジ７０１と、燃料電池本体２の接合面Ｓ１２に露出する配管端部フランジ７０２からなる一対の配管端部フランジ７０１，７０２、およびこれらの配管端部フランジ７０１，７０２間に挿入されるシール用のＯリング７０３から構成されている。この場合、改質器３と燃料電池本体２は、機器毎に断熱材５で覆われており、配管端部フランジ７０１，７０２のみが断熱材５を貫通して接合面Ｓ１１，Ｓ１２に露出している。
【００４２】
また、各一対の配管端部フランジ７０１，７０２は、図３の（ｂ）に示すように、所定の位置関係となるように改質器３と燃料電池本体２の接合面Ｓ１１，Ｓ１２を接合した場合に、接合面Ｓ１０で完全に重なる同位置となるように配置されており、改質器３と燃料電池本体２の合体時には、Ｏリング７０３を介して突合せ接続されるようになっている。
【００４３】
なお、このような機器接合状態への固定は、既存の各種の固定・連結技術を用いて実現可能であるが、図３では一例として、接合面Ｓ１０の両側から弾性力を利用して機器２，３を圧着挟持するコ字形状のロック治具７０４を示している。このようなロック治具７０４は、機器の角部、あるいは、機器に予め設けられた凹部や段部等に嵌め込むだけの簡単な操作で、機器間の固定を容易に実現できるものである。
【００４４】
なお、図３中では、配管接続部Ａ，Ｂの構成のみを示しているが、図示していない他の配管接続部Ｃ〜Ｅについても、同様に各一対の配管端部フランジ７０１，７０２およびＯリング７０３により構成されているものとする。
【００４５】
［基本的な作用］
以上のような本実施形態に係る燃料電池発電システムの基本的な作用は、次の通りである。すなわち、発電時において、改質器３の燃料入口３１から導入された燃料は、水入口３２から導入されて気化した水蒸気と合流し、水素リッチな燃料に改質される。改質された燃料は、改質器３の燃料配管３０１から配管接続部Ａを介して燃料電池本体２のアノード配管２０１に導入され、発電に使われる。
【００４６】
燃料電池本体２に供給された燃料の未反応ガスは、燃料電池本体２のアノード配管２０１から配管接続部Ｂを介して改質器３のバーナ燃焼室に導入され、バーナ空気入口３５から導入されたバーナ空気と共に燃焼し、改質エネルギーとして使われる。また、燃料電池本体２の発電に必要な空気は、カソード入口２３からカソード配管２０２に導入され、未反応空気は、配管接続部Ｄを介して凝縮器４の排ガス配管４０１に導入される。
【００４７】
一方、改質器３のバーナ燃焼室で燃焼された燃焼排ガスは、バーナ配管３０２から配管接続部Ｃを介して凝縮器４の排ガス配管４０１に導入され、水を除去された後、排ガス出口４２から排出される。
【００４８】
温水取出系６においては、凝縮器４の温水配管４０２により排ガス配管４０１を流れる燃焼排ガスのエネルギーを回収すると共に、燃料電池本体２の冷却水配管２０３により発電の際発生する熱を回収し、温水として取り出し、外部の温水利用先に供給する。また、このような温水取出系６による熱回収により、燃料電池本体２の温度および排ガスの温度を適正に保つことができるという作用もある。
【００４９】
［配管長短縮・機器表面積縮小による放熱の低減］
本実施形態に係る燃料電池発電システムにおいてはまた、前述したような機器接合・配管接続構成の特徴から、配管長を短縮でき、機器表面積を縮小できるため、システム全体の放熱ロスを低減できる。以下にはこの作用について説明する。
【００５０】
まず、本実施形態によれば、燃料電池本体２と改質器３を凝縮器４と一体化できるようにこれらの機器全体を最適化設計することにより、各機器を個別に最適化設計して断熱材で覆った従来技術に比べて、一体化部分の配管設計を合理化して配管長を大幅に短縮できると共に、一体化部分の機器配置を合理化して機器表面積を大幅に縮小できる。
【００５１】
ここで、配管長に関しては、図６に示す従来技術における機器間の複雑な配管構成に比べて、本実施形態においては、図１に示すように機器間の配管が極めて簡略化されており、配管長が大幅に短縮されていることは明らかである。
【００５２】
また、機器表面積に関しては、図２の（ｃ）に示すような配管プレート１００（特許文献１のロジックプレート等）を用いた従来技術に比べ、図２の（ｂ）に示す本実施形態において、機器表面積が大幅に縮小されていることは明らかである。すなわち、図２の（ｃ）に示す従来技術においては、複数の機器間の配管を一体化した配管プレート１００上に、各種の寸法形状の機器が個別に設置されており、機器表面積は、各機器の表面積と配管プレートの表面積を加算した面積となるが、図２の（ｂ）に示す本実施形態においては、隣接する機器間がそれぞれ接合されることで複数の機器がコンパクトに一体化され、接合面の面積に応じて機器表面積が大幅に縮小されている。
【００５３】
このように、本実施形態においては、一体化部分の配管設計を合理化して配管長を大幅に短縮できると共に、一体化部分の機器配置を合理化して機器表面積を大幅に縮小できるため、配管長に応じた配管放熱、および、機器表面積に応じた機器放熱を、それぞれ大幅に低減でき、その結果、システム全体の放熱ロスを大幅に低減できる。特に、燃料電池本体、改質器という高温に維持すべき機器を凝縮器と一体化することにより、配管放熱、機器放熱を本質的に低減して、燃料電池本体と改質器からの排熱を凝縮器により効率よく回収することができる。
【００５４】
［効果］
以上のように、本実施形態に係る燃料電池発電システムによれば、燃料電池本体、改質器という高温に維持すべき機器、および凝縮器を、構造的に一体化および分離可能な複数のユニットとして構成することにより、配管放熱、機器放熱を本質的に低減し、効率向上に貢献可能な燃料電池発電システムとそのためのユニットを提供することができる。
【００５５】
したがって、本実施形態の燃料電池発電システムを、１ｋＷ級の小型燃料電池発電システムに適用した場合には、放熱量を抑制することが可能となり、高発電効率、高排熱回収効率のシステムを実現することができる。
【００５６】
また、配管接続部を、一対のフランジ配管端部およびＯリングにより構成すると共に、機器間の固定に、ロック治具を用いているため、機器間の着脱を容易に行うことができ、施工性および保守性に優れているという効果も得られる。
【００５７】
［第２の実施形態］
図４の（ａ），（ｂ）は、本発明を適用した第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの主要構造（ユニット構造）部分の外観を模式的に示す斜視図であり、（ａ）は配管接続前、（ｂ）は配管接続状態をそれぞれ示している。本実施形態は、第１の実施形態における配管接続部の構成を変更した変形例である。
【００５８】
この図４に示すように、接合面Ｓ１０で接合される改質器３と凝縮器４の間の配管接続は、一体化設置時における当該接合面Ｓ１０に隣接する外部露出表面Ｓ３０に、当該接合面Ｓ１０を挟んで並ぶように設けられた一対の配管開口部８０１，８０２、およびこれらの配管開口部８０１，８０２間に挿入されるコ字形状の接続配管８０３により行われる。この場合、一対の配管開口部８０１，８０２は、接続配管８０３の配管長をできるだけ短縮する観点から、その間隔ができるだけ短くなるような最接近位置に配置される。
【００５９】
なお、改質器３と燃料電池本体２の間の配管接続、および燃料電池本体２と凝縮器４の間の配管接続も、同様に、一対の配管開口部８０１，８０２およびコ字形状の接続配管８０３により行われる。なお、このような配管接続部以外は、第１の実施形態と同様に構成されている。
【００６０】
以上のような構成を有する本実施形態によれば、第１の実施形態と同様な作用および効果が得られることに加えて、さらに次のような効果が得られる。すなわち、本実施形態においては、機器間の全ての配管接続部が、一体化設置時における単一の外部露出表面Ｓ３０上に設けられていることから、機器間を分離する必要なしに、機器間の配管接続部に容易にアクセスすることができるため、この点で、より保守性に優れている。
【００６１】
［他の実施形態］
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。例えば、前記実施形態においては、配管接続部を構成する配管端部をフランジ状としたが、配管接続部には、配管接続に一般的に使用されている着脱可能なカプラ等、既存の各種の配管接続技術を自由に適用可能である。
【００６２】
すなわち、本発明のユニット構造は、２つのユニット間の配管接続が、これらのユニットの表面に露出する一対の配管端部間の接続によって行われる限り、具体的な機器接合構成や配管接続構成は適宜変更可能であり、同様に優れた効果が得られるものである。
【００６３】
本発明においては、さらに、分離可能なユニット構造とせずに、図５に示すように、燃料電池本体２、改質器３、凝縮器４を、これらの機器間の配管を含めて、構造的に完全に一体化設計することも可能である。ここで、図５の（ａ），（ｂ）は、図１の（ａ），（ｂ）と同様に、発電を行うための燃料・酸化剤の供給・排出系と温水取出系をそれぞれ示すブロック図である。この図５においては、機器間を構造的に完全に一体化していることから、機器間に分離可能な接合面や配管接続部は存在せず、機器間の境界のみが破線で示されている。
【００６４】
この図５に示す構成によれば、機器の分離が容易でないことから、保守性は低下するものの、完全一体化設計であることから、燃料電池発電システム全体の一層の小型化、一層の高効率化を実現できる。したがって、１ｋＷ級の小型燃料電池発電システムに適用した場合に、放熱量をさらに抑制することが可能となり、より高発電効率、より高排熱回収効率のシステムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態に係る燃料電池発電システムを示す図であり、（ａ），（ｂ）は、発電を行うための燃料・酸化剤の供給・排出系と温水取出系をそれぞれ示すブロック図。
【図２】図１に示す燃料電池発電システムのユニット構造の分離状態（ａ）と一体化設置状態（ｂ）、および従来の配管プレート構造（ｃ）の外観をそれぞれ模式的に示す斜視図。
【図３】図２に示す機器間の接合構成例について、分離状態（ａ）と合体状態（ｂ）をそれぞれ模式的に示す断面図。
【図４】本発明を適用した第２の実施形態に係る燃料電池発電システムのユニット構造の配管接続前（ａ）と配管接続状態（ｂ）の外観をそれぞれ模式的に示す斜視図。
【図５】本発明を適用した他の実施形態に係る燃料電池発電システムを示す図であり、（ａ），（ｂ）は、発電を行うための燃料・酸化剤の供給・排出系と温水取出系をそれぞれ示すブロック図。
【図６】従来の典型的な燃料電池発電システムの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００６６】
１…燃料電池パッケージ
２…燃料電池本体
２０１…アノード配管
２０２…カソード配管
２０３…冷却水配管
２１…アノード入口
２２…アノード出口
２３…カソード入口
２４…カソード出口
２５…冷却水入口
２６…冷却水出口
３…改質器
３０１…燃料配管
３０２…バーナ配管
３１…燃料入口
３２…水入口
３３…燃料出口
３４…バーナ燃料入口
３５…バーナ空気入口
３６…バーナ排ガス出口
４…凝縮器
４０１…排ガス配管
４０２…温水配管
４１…排ガス入口
４２…排ガス出口
４３…温水入口
４４…温水出口
５…断熱材
６…温水取出系
Ｓ１０，Ｓ２０…（機器間の）接合面
Ｓ１１〜Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２…（各機器の）接合面
Ｓ３０…外部露出表面
Ａ〜Ｅ…配管接続部
７０１，７０２…配管端部フランジ
７０３…Ｏリング
７０４…ロック治具
８０１，８０２…配管開口部
８０３…接続配管
【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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