(57)【要約】  【課題】供給電力調整部を安全に冷却するとともに、寿命低下を抑制することができる燃料電池装置を提供する。  【解決手段】外装ケース内２３に、燃料電池セルの発電により生じる直流電力を交流電力に変換するとともに、変換された交流電力の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部９とを備え、外装ケース２３は外気吸気口２９を備えるとともに、供給電力調整部９は吸気口３０および吸気ファン３１を備え、外気吸気口２９と供給電力調整部９の吸気口３０とが外気流路３２により直接接続されており、供給電力調整部９の吸気口３０が、外気吸気口２９よりも高い位置に配置されていることから、供給電力調整部９を安全に冷却することができるとともに、外気に含まれる埃や雨等が供給電力調整部９に入り込むことを抑制でき、寿命低下を抑制することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外装ケース内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルと、該燃料電池セルの発電により生じる直流電力を交流電力に変換するとともに、変換された交流電力の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部とを備える燃料電池装置であって、前記外装ケースは外気を吸気するための外気吸気口を備えるとともに、前記供給電力調整部は吸気口および吸気ファンを備え、前記外気吸気口と前記供給電力調整部の前記吸気口とが外気流路により直接接続されており、前記供給電力調整部の前記吸気口が前記外気吸気口よりも高い位置に配置されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するためのブロワを備えるとともに、前記供給電力調整部は排気口を備えており、前記供給電力調整部の内部に吸気された外気が、前記供給電力調整部の内部を流れた後、前記ブロワに供給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に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガス（燃料ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを、それぞれの燃料電池セルの間に集電部材を介して複数個配置して電気的に直列に接続してなるセルスタックを、燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドに固定してセルスタック装置を構成し、そのセルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような燃料電池装置においては、燃料電池セルの発電により生じた直流電力を交流電力に変換するとともに、変換された交流電力の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）を備えることが知られており、パワーコンディショナの発熱により生じた熱を放熱することを目的として、外気取り込み口近傍にパワーコンディショナ冷却用のフィンが接合されている燃料電池装置や（例えば、特許文献２参照。）、換気ファンを取り付けて効率よくパワーコンディショナの熱を放熱させ、その熱を他の装置の凍結防止に用いるように構成された燃料電池装置が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５９３７７号公報
【特許文献２】特開２００７−２０７４４１号公報
【特許文献３】特開２００６−２５２９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池装置内の空気を供給電力調整部（パワーコンディショナ）の冷却用の空気として用いる場合に、燃料電池装置内に燃料ガスの漏出が起こって、パワーコンディショナに供給されると、漏出した燃料ガスがパワーコンディショナの熱により自然発火して火災が生じるおそれがあった。
【０００６】
一方、パワーコンディショナの冷却用として外気を用いる場合、外気を吸気するための吸気口の配置場所、さらにはパワーコンディショナの吸気口と外気の吸気口との接続構造によっては、外気に含まれる埃や雨等がパワーコンディショナの内部に入り込み、パワーコンディショナの寿命が低下するおそれがあった。
【０００７】
それゆえ、本発明は、供給電力調整部を安全に冷却することができるとともに、供給電力調整部の寿命低下を抑制した燃料電池装置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】
【０００８】
本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルと、該燃料電池セルの発電により生じる直流電力を交流電力に変換するとともに、変換された交流電力の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部とを備える燃料電池装置であって、前記外装ケースは外気を吸気するための外気吸気口を備えるとともに、前記供給電力調整部は吸気口および吸気ファンを備え、前記外気吸気口と前記供給電力調整部の前記吸気口とが外気流路により直接接続されており、前記供給電力調整部の前記吸気口が前記外気吸気口よりも高い位置に配置されていることを特徴とする。
【０００９】
このような燃料電池装置においては、外気吸気口と供給電力調整部の吸気口とが、外気流路により直接接続されていることから、燃料電池装置内に燃料ガスの漏出が起こった場合であっても、供給電力調整部内に燃料ガスが吸気されることを抑制（防止）することができる。それにより、供給電力調整部を安全に冷却することができる。
【００１０】
また、供給電力調整部の吸気口が、外気吸気口よりも高い位置に配置されていることから、外気に含まれる埃や雨等が、供給電力調整部の内部に入り込むことを抑制することができる。それにより、供給電力調整部の寿命低下を抑制することができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池装置は、前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するためのブロワを備えるとともに、前記供給電力調整部は排気口を備えており、前記供給電力調整部の内部に吸気された外気が、前記供給電力調整部の内部を流れた後、前記ブロワに供給されるように構成されていることが好ましい。
【００１２】
このような燃料電池装置においては、供給電力調整部の内部に吸気された外気は、供給電力調整部の内部を流れる間に、供給電力調整部の熱とで熱交換される。ここで、供給電力調整部の内部を流れて温められた外気（空気）を、供給電力調整部の排気口より排気するにあたり、燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するためのブロワに供給するように排気することにより、温められた空気を燃料電池セルに供給することができることから、燃料電池セルの発電効率を向上することができ、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう燃料電池セルと、燃料電池セルの発電により生じる直流電力を交流電力に変換するとともに、変換された交流電力の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部とを備え、外装ケースは外気を吸気するための外気吸気口を備えるとともに、供給電力調整部は吸気口および吸気ファンを備え、外気吸気口と供給電力調整部の吸気口とが外気流路により直接接続されており、供給電力調整部の吸気口が外気吸気口よりも高い位置に配置されていることから、供給電力調整部を安全に冷却することができるとともに、供給電力調整部の寿命低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の燃料電池装置の構成の一例を示す概略的に示す側面図である。
【図３】本発明の燃料電池装置の構成の他の一例を示す概略的に示す側面図である。
【図４】本発明の燃料電池装置の構成のさらに他の一例を示す概略的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の燃料電池装置を備える燃料電池システムの一例を示した構成図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。
【００１６】
図１に示す燃料電池システムは、発電を行なう発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間に水を循環させるための循環配管とから構成されており、発電ユニットが本発明の燃料電池装置に相当する。
【００１７】
図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）は、複数個の燃料電池セル（図示せず）を配列してなる燃料電池セルスタック１（以下、セルスタックと略す場合がある。）、天然ガス等の原燃料を供給するための原燃料供給手段２、セルスタック１を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段３、原燃料と水蒸気により水蒸気改質反応を行なう改質器４を具備している。なお、改質器４は、後述する水ポンプ５により供給される純水を気化し、原燃料供給手段２から供給された原燃料と水蒸気とを混合するための気化部（図示せず）と、内部に改質触媒を備え、混合された原燃料と水蒸気とを反応させて燃料ガス（水素含有ガス）を生成するための改質部（図示せず）とを備えている。それにより、改質器４にて生成された燃料ガスと酸素含有ガス供給手段３により供給される酸素含有ガスとで、燃料電池セルの発電が行なわれる。
【００１８】
なお、詳細は後述するが、図１において、セルスタック１や改質器４を収納容器内に収納することで、本発明の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールが構成される。なお図１においては、燃料電池モジュールを構成する各装置類を二点鎖線により囲って示している（図１においてＭで示している）。
【００１９】
また、図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）においては、セルスタック１を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と循環配管１３を流れる水とで熱交換を行なう熱交換器６、熱交換により生成された凝縮水を浄化する（好ましくは、純水を生成する。）ための凝縮水浄化装置７、熱交換器６で生成された凝縮水を凝縮水浄化装置７に供給するための凝縮水供給管１５が設けられており、凝縮水浄化装置７にて処理された凝縮水は、タンク連結管１６にて連結された水タンク８に貯水された後、水ポンプ５により改質器４（気化部、図示せず）に供給される。なお、凝縮水浄化装置７に水タンクの機能を持たせることで、水タンク８をなくすこともできる。
【００２０】
さらに図１に示す燃料電池装置は、燃料電池セルにて発電された直流電力を交流電力に変換するとともに、変換された交流電力の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部９、熱交換器６の出口に設けられ熱交換器６の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１１のほか、制御装置１０が設けられており、循環配管１３内で水を循環させる循環ポンプ１２とあわせて発電ユニットが構成されている。なお、図１において、供給電力調整部９と外部負荷との接続は省略して示しており、供給電力調整部９としてはパワーコンディショナ（パワコン）を例示することができる。以下の説明において、供給電力調整部９としてパワーコンディショナを用いて説明する。そして、詳細は後述するが、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１４を具備して構成されている。
【００２１】
また、セルスタック１と熱交換器６との間には、セルスタック１（燃料電池セル）の運転に伴い生じる排ガスを処理するための排ガス処理装置が設けられている（図示せず）。なお、排ガス処理装置は、収納容器内に排ガス処理手段を収納してなり、排ガス処理手段としては、一般的に公知の燃焼触媒を用いることができる。
【００２２】
一方、凝縮水浄化装置７に供給される凝縮水の量が少ない場合や凝縮水処理手段で処理された後の凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を浄化して改質器４に供給することもでき、図１においては外部から供給される水を浄化する手段として各水処理装置を具備している。
【００２３】
ここで、外部より供給される水を改質器４に供給するための各水処理装置としては、水を浄化するための活性炭フィルタ装置１９、逆浸透膜装置２０およびイオン交換樹脂装置２１の各装置のうち、少なくともイオン交換樹脂装置２１（好ましくは全ての装置）を具備する。そして、イオン交換樹脂装置２１にて生成された純水は水タンク８に貯水される。なお、図１に示す燃料電池装置（発電ユニット）おいては、外部より供給される水の量を調整するための給水弁１８が設けられている。
【００２４】
また、改質器４に供給する水を純水に処理するための各水処理装置を一点鎖線により囲って示している（外部水浄化装置Ｘとして示している）。
【００２５】
なお、燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と水とでの熱交換により生成された凝縮水のみで、改質器４での水蒸気改質反応に必要な水（純水）をまかなうことができる場合においては、外部水浄化装置Ｘを設けなくてもよい。
【００２６】
ここで、図１に示した燃料電池装置（発電ユニット）の運転方法について説明する。燃料電池セルの発電に用いられる燃料ガスを生成するために水蒸気改質を行なうにあたり、改質器４で使用される主な純水は、熱交換器６においてセルスタック１（燃料電池セル）の運転に伴って生じた排ガスと循環配管１３を流れる水との熱交換により生成される凝縮水が用いられる。なお、循環配管１３を流れて排ガスとの熱交換により温度が上昇した水（即ちお湯）は、貯湯タンク１８に貯湯される。熱交換器６にて生成された凝縮水は、凝縮水供給管１５を流れて凝縮水浄化装置７に供給される。凝縮水浄化装置７に備える凝縮水浄化手段（イオン交換樹脂等）にて処理された凝縮水（純水）は、タンク連結管１６を介して水タンク８に供給される。水タンク８に貯水された水は、水ポンプ５により改質器４に供給され、原燃料供給手段２より供給される原燃料とで水蒸気改質が行われ、生成された燃料ガスが燃料電池セル（セルスタック１）に供給される。燃料電池セルにおいては、改質器４を介して供給された燃料ガスと、酸素含有ガス供給手段３より供給される酸素含有ガスとを用いて発電が行われ、燃料電池セルで発電された電流が、供給電力調整部（パワーコンディショナ）９を介して外部負荷に供給される。以上の方法により、凝縮水を有効に利用して、水自立運転を行なうことができる。
【００２７】
一方で、凝縮水の生成量が少ない場合や、凝縮水浄化装置７にて浄化された凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を用いることもできる。
【００２８】
この場合においては、まず給水弁１８（例えば、電磁弁やエア駆動バルブ等）が開放され、水道水等の外部から供給される水が、給水管１７を通して活性炭フィルタ１９に供給される。活性炭フィルタ１９にて処理された水は、続いて逆浸透膜２０に供給される。逆浸透膜２０にて処理された水は、引き続きイオン交換樹脂装置２１に供給され、イオン交換樹脂装置２１で処理されることにより生成された純水が、水タンク８に貯水される。水タンク８に貯水された純水は、上述した方法により、燃料電池セルの発電に利用される。
【００２９】
図２は、本発明の燃料電池装置の一例を概略的に示す側面図であり、外装ケース２３を構成する側面部を取り外して、外装ケース２３の内部が見えるようにして示している。
【００３０】
図２において燃料電池装置２２は、外装ケース２３内に仕切部材２４を有し、仕切部材２４の上方が、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納してなるモジュールＭが配置されたモジュール収納室２５（以下、モジュール収納室という場合がある。）とされている。また、仕切部材２４の下方が、モジュール２５を動作させるための補機を収納するための補記収納室２７とされている。
【００３１】
なお、図２に示す燃料電池装置２２においては、補機収納室２６内に収納される補機類（図１参照）を省略して示しており、補機収納室２６内に収納する補機類として、酸素含有ガス供給手段３としてのブロワ２８、熱交換器６、供給電力調整部９（パワーコンディショナ、以下、パワコンと略す場合がある。）を示している。なお、本発明において補機とは、モジュールＭを動作するにあたり使用される装置や配管等であって、補機収納室２６内に収納されるものを意味するものとする。また、仕切部材２４はモジュール収納室２５と補機収納室２６とを区画していればよく、モジュール収納室２５と補機収納室２６とが隙間を有して区画されていてもよい。
【００３２】
また、例えば外装ケース２３を仕切部材２４により左右に区画するとともに、一方がモジュール２５を収納するモジュール収納室２５、他方が補機類を収納する補機収納室２６とすることもできる。
【００３３】
なお、図２に示したように、外装ケース２３を上下に区画した形状とすることにより、コンパクトな形状の燃料電池装置２２とすることができる。
【００３４】
ここで、燃料電池装置２２を構成するモジュールＭについて説明する。モジュールＭとしては、既知の燃料電池モジュールを用いることができ、例えば、収納容器内に、内部をガスが流通するガス流路を有する柱状の燃料電池セルを立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル間に集電部材を介して電気的に直列に接続してセルスタック１を構成するとともに、燃料電池セルの下端をガラスシール材等の絶縁性接合材によってマニホールドに固定してなるセルスタック装置と、燃料電池セルの上方に配置され、燃料電池セルに燃料ガスを供給するための改質器４とを収納して構成される（図示せず）。
【００３５】
改質器４は、水蒸気改質を行うために水ポンプ５より供給される水（純水）を気化させるための気化部と、改質触媒を備える改質部とを備えて構成される。ここで、改質器４は、改質反応を行うことができれば、モジュール収納室２５および補機収納室２６のうちいずれかに配置することもできるが、効率よく改質反応を行うにあたり、改質器４をモジュール２５内に配置することが好ましい。それにより、燃料電池セル発電に供されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱や、燃料電池セルの発電により生じる熱等を有効利用することができ、効率よく改質反応を行うことができる。
【００３６】
また、セルスタック１を構成する燃料電池セルとしては、各種燃料電池セルが知られているが、燃料電池装置２２を小型化する上で、固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、燃料電池セルのほか、燃料電池セルの動作に必要な補機類を小型化することができることから、燃料電池装置２２を小型化することができる。あわせて、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。
【００３７】
なお、燃料電池セルの形状としては各種形状の燃料電池セルを用いることができるが、効率よく燃料電池セルの発電を行なう上で、中空平板型の燃料電池セルとすることができる。このような中空平板型の燃料電池セルとしては、内側に燃料極層が、外側に酸素極層が形成された燃料極支持タイプの中空平板型燃料電池セルを用いることができる。
【００３８】
このようにして構成されたモジュールＭは、仕切部材２４上に設けられた台座２７上に配置されている。なお、台座２７は内部にブロワ２８よりモジュールＭ内に供給される酸素含有ガスが流れるための流路を有している。
【００３９】
ここで、燃料電池装置２２の補機収納室２６には、燃料電池セルの発電により生じた燃料電池セルの発電により生じた直流電力を交流電力に変換して外部負荷に供給するためのパワコン９が収納されている。
【００４０】
ところで、パワコン９はその作動に伴い熱を生じるため、パワコン９の発熱により生じた熱を放熱し冷却することが好ましい。それゆえ、パワコン９は冷却用の空気を吸気するための吸気口３０と吸気ファン３１とを備えるとともに、排気口３２を備えている。
【００４１】
なお、吸気ファン３１はファンが常時一定の回転数を保つように作動させるほか、例えばパワコン９の温度を測定する温度センサを設け、温度センサが測定する温度が所定の温度となるように、制御装置１０が、適宜ファンの回転数を変更するように制御することや、セルスタック１の発電量や温度に基づいてファンの回転数を変更するように制御することもできる。
【００４２】
ここで、燃料電池装置２２内（補機収納室２６内）の空気をパワコン９の冷却用の空気として用いる場合、補機収納室２６内に燃料ガスの漏出が起こってパワコン９に供給されると、パワコン９の熱により燃料ガスが自然発火して火災が生じるおそれがある。
【００４３】
それゆえ、図２に示す燃料電池装置２２においては、外装ケース２３（外壁）に外気吸気口２９を備えるとともに、外気吸気口２９とパワコン９の吸気口３０とを外気流路３２により直接接続するように構成している。
【００４４】
それにより、補機収納室２６内に漏出した燃料ガスがパワコン９に吸気されることを抑制（防止）することができることから、パワコン９を安全に冷却することができ、安全性および信頼性を向上した燃料電池装置２２とすることができる。
【００４５】
なお、図２に示す燃料電池装置２２においては、吸気口３０をパワコン９の底面側に設けるとともに、吸気口３０（パワコン９）よりも下方に外気吸気口２９を設けた例を示している。
【００４６】
ここで、吸気口３０が、外気吸気口２９よりも高い位置に配置されていることから、外気に含まれる埃や雨等が、外気流路３２を吸気口３０に向けて流れることを抑制することができる。それにより、パワコン９の寿命低下を抑制する（寿命が向上する）ことができ、信頼性の向上した燃料電池装置２２とすることができる。
【００４７】
なお、図２に示すパワコン９においては、吸気ファン３１を吸気口３０の近傍に設けた例を示しているが、パワコン９の内部を流れた外気を排気するための排気口３２の近傍に配置することも可能である。この場合には、吸気ファン３１は排気（換気）ファンの役割も果たすこととなる。
【００４８】
図３は、本発明の燃料電池装置の他の一例を概略的に示す側面図であり、外装ケース２３を構成する側面部を取り外して、外装ケース２３の内部が見えるようにして示している。
【００４９】
図３に示す燃料電池装置３４においては、外気吸気口２９を外装ケース２３のパワコン９の側面と対向する部位に設けている。
【００５０】
このような燃料電池装置３４においては、外気吸気口２９より吸気された外気は、外気流路３２内を折れ曲がりながら流れることから、外気に含まれる埃や雨等が吸気口３０に向けて流れることを抑制することができ、パワコン９の寿命低下を抑制する（寿命が向上する）ことができる。
【００５１】
また、外気吸気口２９を外装ケース２３のパワコン９の側面と対向する部位に設けることにより、パワコン９を収納するケースを用いて外気流路３２を形成することができ、燃料電池装置３４のコストを削減することができる。
【００５２】
図４は、本発明の燃料電池装置のさらに他の一例を概略的に示す側面図であり、外装ケース２３を構成する側面部を取り外して、外装ケース２３の内部が見えるようにして示している。
【００５３】
図４に示す燃料電池装置３５においては、パワコン９の内部を流れた外気を排気するための排気口３２とブロワ２８の吸気口とが、ブロワ吸気流路３６により直接接続されている例を示している。
【００５４】
パワコン９の内部に吸気された外気は、パワコン９の内部を流れる間に熱交換され温められる。それゆえ、パワコン９より排気される熱交換後の外気を燃料電池セル（モジュールＭ）に供給することにより、燃料電池セルの発電効率が向上する。ここで、図４に示す燃料電池装置３５においては、パワコン９の内部を流れた外気は、ブロワ吸気流路３６を流れて、ブロワ２８に直接供給されることから、温められた外気を燃料電池セルに供給することができ、発電効率の向上した燃料電池装置３５とすることができる。
【００５５】
なお、発電効率を向上させるにあたり、パワコン９の内部を流れる間に熱交換され温められた外気が燃料電池セルに供給されればよい。そのため、ブロワ吸気流路３６の出口（ブロワ２８側）は、ブロワ２８の吸気口の近辺に配置されていればよく、ブロワ２８の吸気口に直接接続されていなくてもよい。また、ブロワ２８に空気吸気管が設けられている場合には、ブロワ吸気流路３６は空気吸気管に接続されていてもよい。
【００５６】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【００５７】
例えば、外気流路３２を流れる外気が、複数回折り返して流れた後にパワコン９に供給されるように外気流路３２を構成することも可能である。この場合においては、外気に含まれる埃や雨等がパワコン９に流れることをさらに抑制できる。
【符号の説明】
【００５８】
９：供給電力調整部（パワーコンディショナ）
１０：制御装置
２２、３４、３５：燃料電池装置
２８：ブロワ
２９：外気吸気口
３０：吸気口
３１：吸気ファン
３２：外気流路
３３：排気口
３６：ブロワ吸気流路
Ｍ：燃料電池モジュール
【図１】
2011029117.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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