(57)【要約】【課題】燃料電池などの高温機器の放熱を抑制して効率の向上を図る。【解決手段】燃料ガスと空気とが供給されて発電を行う燃料電池（２０）と、燃料電池（２０）に供給する燃料ガスを改質するための改質器（２１）と、燃料電池（２０）の燃料排ガスを燃料電池（２０）の空気排ガスを利用して燃焼させる燃焼器（２２）と、燃焼器（２２）の燃焼排ガスと燃料電池（２０）に供給する空気とを熱交換させる熱回収熱交換器（２３）とを備えている。燃料電池（２０）と改質器（２１）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とは、断熱材で形成されたケーシング（３０）に収納されている。ケーシング（３０）は、高温用断熱材で形成されたケーシング本体（３１）と、ケーシング本体（３１）の外側を覆い且つ高温用断熱材より熱伝達率が小さい断熱材よりなる断熱層（３２）とを備えている。ケーシング（３０）の外側には、ケーシング（３０）からの熱を受ける貯湯タンク（４０）が設置されている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気とが供給されて発電を行う燃料電池（２０）と、
該燃料電池（２０）の燃料排ガスを燃料電池（２０）の空気排ガスを利用して燃焼させる燃焼器（２２）と、
該燃焼器（２２）の燃焼排ガスと上記燃料電池（２０）に供給する空気とを熱交換させる熱回収熱交換器（２３）とを少なくとも備えた燃料電池発電システムであって、
少なくとも上記燃料電池（２０）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とは、該燃料電池（２０）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とが覆われるように、断熱材で形成されたケーシング（３０）に収納されている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１において、
燃料電池（２０）に供給する燃料ガスを改質するための改質器（２１）を備え、
該改質器（２１）がケーシング（３０）に燃料電池（２０）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）と共に収納されている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１において、
上記ケーシング（３０）は、高温用断熱材で形成されたケーシング本体（３１）と、該ケーシング本体（３１）の外側を覆い且つ上記高温用断熱材より熱伝達率が小さい断熱材よりなる断熱層（３２）とを備えている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１において、
上記ケーシング（３０）の外側には、該ケーシング（３０）からの熱を受けるように貯湯タンク（４０）が設置されている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項４において、
上記ケーシング（３０）の外側には、水が循環してケーシング（３０）からの熱を回収する水コイル（４１）が巻回され、該水コイル（４１）が貯湯タンク（４０）に接続されている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に、高温機器の放熱対策に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池は、反応に使用する電解質の種類によって、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体高分子型、固体電解質型の４種類が主なものとして知られている。このうち、固体電解質型燃料電池は、ジルコニア系セラミックスを電解質とする燃料電池で、水素とともに一酸化炭素も燃料として利用できるため、実用化に向けて開発が進められている。
【０００３】
上記燃料電池は、燃料極、空気極、及び電解質から構成されている。そして、上記発電システムにおいて、都市ガス等の燃料は、燃料極上で水蒸気と反応して水素と一酸化炭素に改質される一方、空気極に導入された空気中の酸素が、電解質との界面で解離して酸素イオンになる。この酸素イオンは、電解質中を拡散して燃料極へ移動し、改質反応によって生成された水素及び一酸化炭素と電気化学的に反応する。これにより水及び二酸化炭素が生成され、この反応の際に放出された電子のエネルギーによって発電が行われる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１５５７５４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、上記発電システムは、燃料電池及び燃焼器などを備えているが、これら高温機器の放熱については何らの対策も施されていなかった。
【０００６】
特に、固体電解質型燃料電池は、作動温度が高いので、放熱を抑制する必要がある。ところが、従来、放熱対策が何らなされていないので、効率の向上が図られていないという問題があった。
【０００７】
本発明は、斯かる点に鑑みて成されたもので、燃料電池などの高温機器の放熱を抑制して効率の向上を図ることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
具体的に、図１に示すように、請求項１に係る発明は、燃料ガスと空気とが供給されて発電を行う燃料電池（２０）と、該燃料電池（２０）の燃料排ガスを燃料電池（２０）の空気排ガスを利用して燃焼させる燃焼器（２２）と、該燃焼器（２２）の燃焼排ガスと上記燃料電池（２０）に供給する空気とを熱交換させる熱回収熱交換器（２３）とを少なくとも備えた燃料電池発電システムを対象としている。そして、少なくとも上記燃料電池（２０）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とは、該燃料電池（２０）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とが覆われるように、断熱材で形成されたケーシング（３０）に収納されている。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、上記請求項１の発明において、燃料電池（２０）に供給する燃料ガスを改質するための改質器（２１）を備え、該改質器（２１）がケーシング（３０）に燃料電池（２０）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）と共に収納されている。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、上記請求項１の発明において、上記ケーシング（３０）が、高温用断熱材で形成されたケーシング本体（３１）と、該ケーシング本体（３１）の外側を覆い且つ上記高温用断熱材より熱伝達率が小さい断熱材よりなる断熱層（３２）とを備えた構成としている。
【００１１】
また、請求項４に係る発明は、上記請求項１の発明において、上記ケーシング（３０）の外側に、該ケーシング（３０）からの熱を受けるように貯湯タンク（４０）が設置された構成としている。
【００１２】
また、請求項５に係る発明は、上記請求項４の発明において、上記ケーシング（３０）の外側に、水が循環してケーシング（３０）からの熱を回収する水コイル（４１）が巻回され、該水コイル（４１）が貯湯タンク（４０）に接続された構成としている。
【００１３】
すなわち、本発明では、燃料電池（２０）において、燃料ガスが燃料極で水蒸気と反応して水素と一酸化炭素に改質される一方、空気極に導入された空気中の酸素が電解質との界面で解離して酸素イオンになる。この酸素イオンは、電解質中を拡散して燃料極へ移動し、改質反応によって生成された水素及び一酸化炭素と電気化学的に反応する。これにより水及び二酸化炭素が生成され、この反応の際に放出された電子によって発電が行われる。このようにして生成された直流電力は、交流電力に変換され、電力負荷に供給される。
【００１４】
上記発電動作中において、燃料電池（２０）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とは高温状態にあり、所定の作動温度に維持される。そして、上記燃料電池（２０）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とは、ケーシング（３０）の内部に収納されて外気と断熱されているので、外部への放熱が抑制される。
【００１５】
特に、請求項２に係る発明では、改質器（２１）もケーシング（３０）に収納されて外気と断熱されているので、外部への放熱が抑制される。
【００１６】
また、請求項３に係る発明では、上記ケーシング（３０）が、高温用断熱材のケーシング本体（３１）と、ロックウール又は発泡ウレタンなどの断熱層（３２）とによって２重に断熱されているので、ケーシング（３０）の内部が確実に所定温度に保持される。
【００１７】
また、請求項４に係る発明では、上記ケーシング（３０）の外側には、貯湯タンク（４０）が隣接して設置されているので、上記ケーシング（３０）から放熱される熱の一部は、貯湯タンク（４０）の温水に回収される。
【００１８】
また、請求項５に係る発明では、上記ケーシング（３０）の放熱を水コイル（４１）を流れる水が受けるので、上記ケーシング（３０）からの放熱がより確実に回収される。
【００１９】
【発明の実施の形態１】
以下、本発明の実施形態１を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム（１０）は、固体電解質型燃料電池（２０）を用いた発電システムであり、改質器（２１）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とを備えている。
【００２１】
上記燃料電池（２０）は、図示しないが、ジルコニア系セラミックスからなる電解質と、この電解質の両側に配置された燃料極及び空気極とを有している。固体電解質型燃料電池（２０）では、空気中の酸素が空気極（陰極）でイオン化して電解質を通過し、燃料極で燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応して水と二酸化炭素が生成される。そして、この反応時に放出される電子によって発電が行われ、燃料電池（２０）から直流電力が出力される。
【００２２】
上記燃料電池（２０）の燃料極側には、燃料供給管（１１）が接続されると共に、燃料排ガス通路（１２）が接続される一方、上記空気極側には、空気供給管（１３）が接続されると共に、空気排ガス通路（１４）が接続されている。
【００２３】
上記燃料供給管（１１）は、燃料電池（２０）に燃料ガスを供給する通路を構成している。該燃料供給管（１１）の一端（上流側の端部）は、燃料である都市ガスの供給源に接続され、他端（下流側の端部）が燃料電池（２０）の燃料極側に接続されている。上記燃料供給管（１１）の経路中には、改質器（２１）が設けられると共に、図示しないが、改質器（２１）より上流側に脱硫器が設けられている。
【００２４】
上記改質器（２１）は、プレリフォーマを構成し、貴金属触媒が収納されている。該改質器（２１）は、後述する燃料排ガスの一部が混合され、燃料排ガスが混合された原料ガスとしての都市ガス中のエタンやプロパンなどをメタンに改質している。尚、上記脱硫器は、原料ガスとして供給された都市ガスから硫黄分を吸着除去している。
【００２５】
上記空気供給管（１３）は、燃料電池（２０）に空気を供給する通路を構成している。該空気供給管（１３）の一端は、屋外に開口し、他端が燃料電池（２０）の空気極側に接続されている。上記空気供給管（１３）には、熱回収熱交換器（２３）が設けられている。
【００２６】
上記燃料排ガス通路（１２）は、燃料電池（２０）の燃料極側と燃焼器（２２）とに接続され、上記空気排ガス通路（１４）は、燃料電池（２０）の空気極側と燃焼器（２２）とに接続されている。該燃焼器（２２）は、燃料電池（２０）の上端部に設けられ、燃料排ガス中に残存する水素などの可燃成分を、空気排ガスを利用して燃焼するように構成されている。
【００２７】
上記燃料排ガスは、全部が燃焼器（２２）に投入されるのではなく、残存する水素等を燃料として再利用するために、一部は燃料再循環通路（１５）を介して改質器（２１）の上流側の燃料供給管（１１）に供給されている。
【００２８】
一方、上記燃焼器（２２）には、燃焼排ガス管（１６）が接続されている。該燃焼排ガス管（１６）は、熱回収熱交換器（２３）を介して室外に開口している。そして、燃焼器（２２）で燃料排ガスを燃やした後の燃焼排ガスは、上記燃焼器（２２）から熱回収熱交換器（２３）を通過し、室外へ放出される。その際に、上記熱回収熱交換器（２３）において燃焼排ガスの排熱が空気供給管（１３）を流れる空気に与えられ、該空気が予熱される。
【００２９】
上記燃料電池（２０）と改質器（２１）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とは、高温機器を構成し、本発明の特徴としてケーシング（３０）に収納されている。該ケーシング（３０）は、断熱材より形成され、ケーシング本体（３１）と断熱層（３２）とを備えている。上記ケーシング（３０）は、燃料電池（２０）と改質器（２１）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とを覆い、該燃料電池（２０）、改質器（２１）、燃焼器（２２）及び熱回収熱交換器（２３）と外気とを断熱するように構成されている。
【００３０】
上記ケーシング本体（３１）は、セラミックスブランケットなどの高温用断熱材によって構成されている。また、上記断熱層（３２）は、ロックウール又は発泡ウレタンなどの低コストで且つ上記ケーシング本体（３１）よりも熱伝達率が小さい材料によって構成されている。
【００３１】
上記ケーシング本体（３１）は、例えば、縦長の矩形体に形成されている。そして、上記ケーシング本体（３１）には、燃料電池（２０）と改質器（２１）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とが収納されている。上記断熱層（３２）は、ケーシング本体（３１）の外周面全体に設けられて該ケーシング本体（３１）を覆うように設けられている。
【００３２】
更に、上記ケーシング（３０）の外側には、貯湯タンク（４０）が隣接されている。該貯湯タンク（４０）は、給湯用の温水を溜めるものであって、図示しないが、浴槽などに給湯配管を介して接続されている。そして、上記貯湯タンク（４０）は、ケーシング（３０）から放熱される熱を受けるようにケーシング（３０）の外側に設置されている。
【００３３】
〈発電動作〉
次に、上述した燃料電池発電システム（１０）の発電動作について説明する。
【００３４】
先ず、燃料供給管（１１）には、燃料ガスとして都市ガスが送り込まれ、空気供給管（１３）には、空気が送り込まれる。上記燃料ガスは、脱硫器を通過して硫黄分が除去される。この燃料ガスは、燃料電池（２０）からの燃料排ガスの一部が混合された後、改質器（２１）に流入し、燃料ガス中のエタンやプロパンなどがメタンに改質され、燃料電池（２０）の燃料極側に流入する。
【００３５】
一方、上記空気供給管（１３）の空気は、熱回収熱交換器（２３）を通過し、燃焼排ガスの排熱を回収して予熱される。予熱された空気は、燃料電池（２０）の燃料極側に流入する。
【００３６】
上記燃料電池（２０）において、燃料ガスが燃料極上で水蒸気と反応して水素と一酸化炭素に改質される一方、空気極に導入された空気中の酸素が電解質との界面で解離して酸素イオンになる。この酸素イオンは、電解質中を拡散して燃料極へ移動し、改質反応によって生成された水素及び一酸化炭素と電気化学的に反応する。これにより水及び二酸化炭素が生成され、この反応の際に放出された電子によって発電が行われる。このようにして生成された直流電力は、図示しないが、所定の交流電力に変換され、電力負荷に供給される。
【００３７】
上記燃料電池（２０）の燃料排ガスと空気排ガスは燃焼器（２２）に投入される一方、燃料排ガスの一部は、上述したように燃料再循環通路（１５）を介して改質器（２１）に戻される。上記燃焼器（２２）においては、燃料排ガスが空気排ガスを利用して燃やされる。そして、上記燃焼器（２２）の高温の燃焼排ガスは、熱回収熱交換器（２３）を通過する際に、燃料電池（２０）へ供給される空気に排熱を与え、該空気を加熱する。熱回収熱交換器（２３）を通過した燃焼排ガスは、その後、室外に排出される。
【００３８】
上記発電動作中において、燃料電池（２０）と改質器（２１）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とは高温状態にあり、所定の作動温度に維持される。そして、上記燃料電池（２０）と改質器（２１）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とは、ケーシング（３０）の内部に収納されて外気と断熱されているので、外部への放熱が抑制される。特に、上記ケーシング（３０）が、高温用断熱材のケーシング本体（３１）と、ロックウール又は発泡ウレタンなどの断熱層（３２）とによって２重に断熱されているので、ケーシング（３０）の内部が確実に所定温度に保持される。
【００３９】
更に、上記ケーシング（３０）の外側には、貯湯タンク（４０）が隣接して設置されているので、上記ケーシング（３０）から放熱される熱の一部は、貯湯タンク（４０）の温水に回収される。
【００４０】
〈実施形態１の効果〉
以上のように、本実施形態によれば、燃料電池（２０）と改質器（２１）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とをケーシング（３０）に収納して外気と断熱するようにしたために、燃料電池（２０）及び燃焼器（２２）などの高温機器の放熱を確実に抑制することができる。この結果、上記燃料電池（２０）及び燃焼器（２２）などを所定温度の雰囲気中に保つことができることから、発電等の効率を向上させることができる。
【００４１】
特に、上記燃料電池（２０）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）の他、改質器（２１）をもケーシング（３０）に収納するようにしたので、燃料電池（２０）及び燃焼器（２２）などの高温機器の放熱をより確実に抑制することができる。
【００４２】
また、上記ケーシング（３０）をケーシング本体（３１）と断熱層（３２）との２重構造としているので、燃料電池（２０）及び燃焼器（２２）などの高温機器の放熱を確実に抑制することができる。
【００４３】
特に、上記断熱層（３２）をロックウールなどで構成することができるので、安価にケーシング（３０）を作製することができる。
【００４４】
また、上記ケーシング（３０）の放熱を貯湯タンク（４０）が受けるようにしたので、該ケーシング（３０）からの放熱を確実に回収することができる。この結果、放熱ロスを低減することができる。
【００４５】
【発明の実施の形態２】
次に、本発明の実施形態２を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４６】
図２に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム（１０）は、ケーシング（３０）の外側に水コイル（４１）を設けるようにしたものである。
【００４７】
すなわち、上記水コイル（４１）の一端は、貯湯タンク（４０）の下部に接続され、他端が貯湯タンク（４０）の上部に接続されている。そして、上記水コイル（４１）は、ケーシング（３０）の外側を巻回し、貯湯タンク（４０）の水（温水）が循環するように構成されている。
【００４８】
したがって、上記ケーシング（３０）の放熱を水コイル（４１）の水が受けるので、該ケーシング（３０）からの放熱を確実に回収することができる。この結果、排熱回収量を向上し、放熱ロスをより低減することができる。その他の構成、作用及び効果は、実施形態１と同じである。
【００４９】
【発明の他の実施の形態】
上記実施形態においては、ケーシング（３０）に燃料電池（２０）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）の他、改質器（２１）を収納するようにしたが、本願請求項１に係る発明では、ケーシング（３０）に燃料電池（２０）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とのみ収納するようにしてもよい。
【００５０】
また、上記改質器（２１）は、本願請求項１に係る発明では、必ずしも設ける必要はない。
【００５１】
また、上記ケーシング（３０）は、本願請求項１及び２に係る発明では、必ずしも２重構造に構成する必要はなく、実施形態におけるケーシング（３０）のみで構成するようにしてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
したがって、本発明によれば、燃料電池（２０）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）とをケーシング（３０）に収納して外気と断熱するようにしたために、燃料電池（２０）及び燃焼器（２２）などの高温機器の放熱を確実に抑制することができる。この結果、上記燃料電池（２０）及び燃焼器（２２）などを所定温度の雰囲気中に保つことができることから、発電等の効率を向上させることができる。
【００５３】
また、請求項２に係る発明によれば、燃料電池（２０）と燃焼器（２２）と熱回収熱交換器（２３）の他、改質器（２１）をもケーシング（３０）に収納するようにしたので、燃料電池（２０）及び燃焼器（２２）などの高温機器の放熱をより確実に抑制することができる。
【００５４】
また、請求項３に係る発明によれば、上記ケーシング（３０）をケーシング本体（３１）と断熱層（３２）との２重構造としているので、燃料電池（２０）及び燃焼器（２２）などの高温機器の放熱を確実に抑制することができる。
【００５５】
特に、上記断熱層（３２）をロックウールなどで構成することができるので、安価にケーシング（３０）を作製することができる。
【００５６】
また、請求項４に係る発明によれば、上記ケーシング（３０）の放熱を貯湯タンク（４０）が受けるようにしたので、該ケーシング（３０）からの放熱を確実に回収することができる。この結果、放熱ロスを低減することができる。
【００５７】
また、請求項５に係る発明によれば、上記ケーシング（３０）の放熱を水コイル（４１）の温水等が受けるので、該ケーシング（３０）からの放熱を確実に回収することができる。この結果、排熱回収量を向上し、放熱ロスをより低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示す燃料電池発電システムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態２を示す燃料電池発電システムの概略構成図である。
【符号の説明】
１０　　　　　　燃料電池発電システム
２０　　　　　　燃料電池
２１　　　　　　改質器
２２　　　　　　燃焼器
２３　　　　　　熱回収熱交換器
３０　　　　　　ケーシング
３１　　　　　　ケーシング本体
３２　　　　　　断熱層
４０　　　　　　貯湯タンク
４１　　　　　　水コイル
【図１】
2004087362.tif 000003
【図２】
2004087362.tif 000004