(57)【要約】【課題】各機器を作動温度毎及び機能毎に配置して熱や流体の拡散を最小化するとともに、水供給装置のエア噛みを可及的に阻止することで、水を安定的に供給し、性能及び耐久性の低下を抑制させる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置２０と、前記水供給装置２０に水を供給する樹脂製の水容器２１と、前記水容器２１から供給される水に含まれる不純物を除去し、前記不純物が除去された前記水を前記水供給装置２０に供給するイオン交換装置２３と、前記燃料電池モジュール１２から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮し、凝縮された水を前記水容器２１に供給する凝縮器２５とを備えるとともに、前記水供給装置２０は、最下位置且つ最下流に配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールを昇温させる燃焼器と、
前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、
前記水供給装置に水を供給する水容器と、
前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、
前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置と、
を筐体に収容する燃料電池システムであって、
前記筐体は、前記燃料電池モジュール及び前記燃焼器が配置されるモジュール部と、
前記燃料ガス供給装置、前記酸化剤ガス供給装置、前記水供給装置及び前記水容器が配置される一方、前記水供給装置が最下位置且つ最下流に配置される流体供給部と、
前記電力変換装置及び前記制御装置が配置される電装部と、
に分割されるとともに、
平面視多角形状を有する前記モジュール部は、一の角部を挟んで第１の側面及び第２の側面を有し、前記第１の側面側に前記流体供給部が配置され、且つ前記第２の側面側に前記電装部が配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記流体供給部は、前記水容器から供給される水に含まれる不純物を除去し、前記不純物が除去された前記水を前記水供給装置に供給するイオン交換装置を備え、
前記イオン交換装置は、前記水容器よりも下方且つ下流に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記流体供給部は、前記燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気を凝縮し、凝縮された水を前記水容器に供給する凝縮器を備え、
前記凝縮器は、前記水容器よりも上方且つ上流に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水容器は、樹脂材で構成されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記筐体は、前記モジュール部、前記流体供給部及び前記電装部を開閉自在な開閉扉を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記筐体は、鉛直軸回りに回転可能な回転機構を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記筐体は、前記モジュール部、前記流体供給部及び前記電装部を水平方向に沿って縦仕切り板により分割することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池システムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池モジュールは、少なくとも固体電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される固体酸化物形燃料電池を設け、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される固体酸化物形燃料電池スタックと、
酸化剤ガスを前記固体酸化物形燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、
前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池モジュール、燃焼器、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置、水供給装置、水容器、電力変換装置及び制御装置が筐体に収容される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池に供給される燃料ガスは、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の化石燃料等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
【０００４】
この場合、単一のユニットケース内に、燃料電池、改質装置、前記燃料電池で発生した直流電力を電源出力仕様に変換する電力変換装置、制御装置及び補機類を内蔵した燃料電池システム（燃料電池装置）が知られている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池装置は、図１０に示すように、パッケージ１を備えており、メンテナンスの必要な部品である浄化装置２、イオン交換装置３及び脱硫器４が、前記パッケージ１の外面パネルである正面パネル５の近傍に配置されている。
【０００６】
これにより、メンテナンスを必要とする部品は、パッケージ１の内部ではなく、装置本体の外郭をなす正面パネル５の近傍に配置されている。従って、燃料電池装置の運転を継続するのに交換や再生等が必要な部品について、メンテナンスを容易に行うことができる、としている。
【０００７】
また、通常、水蒸気改質を行う構成では、改質反応に使用される水蒸気量を確保するために、水を補給する必要がある。その際、外部からの水の補給を不要とし、補機損失を抑制してシステム効率の向上を図るため、種々の提案がなされている。
【０００８】
例えば、特許文献２に開示されている固体酸化物形燃料電池システムでは、図１１に示すように、水素リッチな改質ガスを生成する改質器１ａと、改質用燃料の水を加熱する水加熱手段２ａと、燃料電池３ａと、前記燃料電池３ａより排出される排気ガスから水及び熱を回収する水・熱回収器４ａと、前記水・熱回収器４ａが回収した水を蓄える水回収用タンク５ａと、前記水回収用タンク５ａから水加熱手段２ａに水を供給するポンプ６ａとを具備している。
【０００９】
また、特許文献３に開示されている燃料電池発電装置の水回収装置では、図１２に示すように、燃料電池スタック１ｂ及び燃料改質器２ｂを収容した燃料電池モジュール３ｂを備えている。この燃料電池モジュール３ｂから排出される排ガス中の水蒸気は、熱回収装置４ｂ及び自然冷却部５ｂを含む凝縮器により液化されるとともに、この液化した水は、前記燃料電池モジュール３ｂに供給されている。その際、凝縮器の下流部には、水を回収するための水タンク６ｂが配設されており、この水タンク６ｂの水圧を利用して水を燃料電池モジュール３ｂに供給している。
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１４０１６４号公報
【特許文献２】特開２００６−３０９９８２号公報
【特許文献３】特開２００６−２３６５９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の特許文献１では、各機器の作動温度や機能を考慮した配置（レイアウト）がなされていない。このため、特に、高温型燃料電池（固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池等）や、中温型燃料電池（リン酸形燃料電池や水素分離膜形燃料電池等）が用いられる際、作動温度が低温である低温部が、熱や流体の拡散による影響を受け易いという問題がある。
【００１２】
また、上記の特許文献２では、水・熱回収器４ａ、水回収用タンク５ａ及びポンプ６ａの相互の配置関係については、何ら考慮されていない。従って、特に、ポンプ６ａにエア噛みが発生すると、このポンプ６ａが劣化するとともに、電圧変動やコーキングが発生し、発電性及び耐久性が低下するという問題がある。
【００１３】
さらにまた、上記の特許文献３では、水タンク６ｂの水圧（水頭圧）のみで水を燃料電池モジュール３ｂに供給する水流量が制御されるため、例えば、始動時や部分負荷時等の応答性が低下するという問題がある。
【００１４】
しかも、長期の発電等によってシステム内に圧力損失の差が惹起されると、燃料電池モジュール３ｂに供給される水流量が変化してしまう。これにより、最適なＳ／Ｃ（スチーム／カーボン）に維持することが困難になるという問題がある。
【００１５】
その上、水タンク６ｂは、水頭圧を利用するために、燃料電池モジュール３ｂの側方上部側に配置しなければならない。このため、システム全体のレイアウトの自由度が低下するとともに、水タンク６ｂから水漏れが発生した際に、他の設備への影響が懸念される。
【００１６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、各機器を作動温度毎及び機能毎に配置して熱や流体の拡散を最小化するとともに、水供給装置のエア噛みを可及的に阻止することで、水を安定的に供給し、性能及び耐久性の低下を抑制させ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】
【００１７】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを昇温させる燃焼器と、前記燃料電池モジュールに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池モジュールに水を供給する水供給装置と、前記水供給装置に水を供給する水容器と、前記燃料電池モジュールで発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置と、前記燃料電池モジュールの発電量を制御する制御装置とを筐体に収容する燃料電池システムに関するものである。
【００１８】
そして、筐体は、燃料電池モジュール及び燃焼器が配置されるモジュール部と、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置、水供給装置及び水容器が配置される一方、前記水供給装置が最下位置且つ最下流に配置される流体供給部と、電力変換装置及び制御装置が配置される電装部とに分割されるとともに、平面視多角形状を有する前記モジュール部は、一の角部を挟んで第１の側面及び第２の側面を有し、前記第１の側面側に前記流体供給部が配置され、且つ前記第２の側面側に前記電装部が配置されている。
【００１９】
また、流体供給部は、水容器から供給される水に含まれる不純物を除去し、前記不純物が除去された前記水を水供給装置に供給するイオン交換装置を備え、前記イオン交換装置は、前記水容器よりも下方且つ下流に配置されることが好ましい。このため、水容器からイオン交換装置に水が供給される際、水頭圧を利用して前記イオン交換装置における気泡の発生を抑制することができる。また、水容器内にシリカ等の異物が混入しても、イオン交換装置により燃料電池モジュールへの混入を抑制できる。
【００２０】
しかも、イオン交換装置は、水供給装置よりも上流に配置されるため、前記水供給装置による高圧力（水圧）が前記イオン交換装置に付与されることがない。これにより、イオン交換装置の耐久性、寿命及びシール性を良好に維持することが可能になる。
【００２１】
さらに、流体供給部は、燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水蒸気を凝縮し、凝縮された水を水容器に供給する凝縮器を備え、前記凝縮器は、前記水容器よりも上方且つ上流に配置されることが好ましい。従って、燃料電池モジュールから排出される排ガス中の水分は、重力により水容器に対して効率的に回収される。
【００２２】
さらにまた、水容器は、樹脂材で構成されることが好ましい。このため、例えば、燃料電池システムの運転停止中に、水容器に水が長時間にわたって貯留されていても、前記水に金属イオンが溶出することを可及的に阻止することができる。これにより、燃料電池モジュールに対して最適な水を供給し、さらに、水道水ではなく、純水による循環系（リサイクル系）を実現することにより、イオン交換装置の負荷軽減による耐久性の向上が容易に図られる。
【００２３】
また、筐体は、モジュール部、流体供給部及び電装部を開閉自在な開閉扉を備えることが好ましい。これにより、各機器毎に応じた保守及びメンテナンスが効率的に遂行される。
【００２４】
さらに、筐体は、鉛直軸回りに回転可能な回転機構を備えることが好ましい。このため、筐体を回転させることにより、モジュール部、流体供給部又は電装部を開閉する開閉扉を、作業者が開閉し易い位置に配置させることができ、保守やメンテナンスの作業性が良好に向上する。
【００２５】
さらにまた、筐体は、モジュール部、流体供給部及び電装部を水平方向に沿って縦仕切り板により分割することが好ましい。作動温度毎及び機能毎にモジュール部、流体供給部及び電装部に分割されるため、熱や流体の拡散を最小化し得るとともに、機能上、良好に配置することが可能になる。しかも、流体供給部は、筐体の外壁部を構成しており、前記流体供給部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。同様に、電装部も、筐体の外壁部を構成しており、前記電装部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。
【００２６】
また、燃料電池モジュールは、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールであることが好ましく、これにより、良好な効果が得られる。
【００２７】
さらに、固体酸化物形燃料電池モジュールは、少なくとも固体電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される固体酸化物形燃料電池を設け、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される固体酸化物形燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記固体酸化物形燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器とを備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、筐体内は、燃料電池モジュール及び燃焼器が収容されるモジュール部と、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置、水供給装置及び水容器が配置される流体供給部と、電力変換装置及び制御装置が配置される電装部とに分割されている。このため、筐体内は、作動温度毎及び機能毎に分割されており、熱や流体の拡散を最小化するとともに、機能上、最適な配置が遂行可能になる。
【００２９】
さらに、モジュール部の第１の側面側には、流体供給部が配置されている。従って、流体供給部は、筐体の外壁部を構成しており、前記流体供給部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。同様に、モジュール部の第２の側面側には、電装部が配置されている。このため、電装部は、筐体の外壁部を構成しており、前記電装部の冷却が促進されて高温化し難くなっている。これにより、比較的低温で使用される機器、例えば、ポンプ類を含む流体供給部及び制御装置を含む電装部は、熱影響が及ぶことを可及的に阻止されるため、良好な機能を確実に維持して作動することが可能になる。
【００３０】
さらにまた、流体供給部では、燃料ガス供給装置、酸化剤ガス供給装置、水供給装置及び水容器が配置されるとともに、前記水供給装置が最下位置且つ最下流に配置されている。従って、水供給装置から水漏れが発生しても、他の装置に該水漏れによる影響が及ぶことを阻止することができる。
【００３１】
しかも、水容器から水供給装置に対して水が水頭圧により供給されるため、前記水供給装置のエア噛みの発生を可及的に防止することが可能になる。これにより、水供給装置の性能低下、改質器へのエア混入、電極への炭素付着（コーキング）及び燃料電池モジュールの発電電圧の不安定化を有効に回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の機械系回路を示す概略構成説明図である。図２は、前記燃料電池システム１０の斜視説明図であり、図３は、前記燃料電池システム１０の平面説明図であり、図４は、前記燃料電池システム１０の正面説明図であり、図５は、前記燃料電池システム１０の回路図である。
【００３３】
燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール１２と、前記燃料電池モジュール１２を昇温させる燃焼器（例えば、トーチヒータ）１４と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する燃料ガス供給装置（燃料ガスポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（エアポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２０と、前記水供給装置２０に水を供給する樹脂製の水容器２１と、前記水容器２１から供給される水に含まれる不純物を除去し、前記不純物が除去された前記水を前記水供給装置２０に供給するイオン交換装置（イオン交換フィルタ）２３と、前記燃料電池モジュール１２から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮し、凝縮された水を前記水容器２１に供給する凝縮器（熱交換器）２５と、前記燃料電池モジュール１２で発生した直流電力を要求仕様電力に変換する電力変換装置２２と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２４とを備え、これらが単一の筐体２６に収容される。
【００３４】
燃料電池モジュール１２は、図示しないが、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される固体電解質（固体酸化物）をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体２８とセパレータ３０とが積層される固体酸化物形の燃料電池３２を設け、複数の前記燃料電池３２が鉛直方向に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック３４を備える（図６参照）。
【００３５】
図４に示すように、燃料電池スタック３４の積層方向上端側には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック３４に供給する前に加熱する熱交換器３６と、脱硫原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器３８と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器４０とが配設される。
【００３６】
燃料電池スタック３４の積層方向下端側には、前記燃料電池スタック３４を構成する燃料電池３２に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って締め付け荷重を付与するための荷重付与機構４２が配設される（図５参照）。
【００３７】
改質器４０は、都市ガス（燃料ガス）中に含まれるエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ6）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高級炭化水素（Ｃ2+）を、主としてメタン（ＣＨ4）を含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
【００３８】
燃料電池３２は、作動温度が数百℃と高温であり、電解質・電極接合体２８では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素が得られ、この水素がアノード電極に供給される。
【００３９】
熱交換器３６は、図６に示すように、燃料電池スタック３４から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）を流すための第１排ガス通路４４と、被加熱流体である空気を排ガスと対向流に流すための空気通路４６とを有する。第１排ガス通路４４は、蒸発器３８に水を蒸発させるための熱源として排ガスを供給するための第２排ガス通路４８に連通する。この第２排ガス通路４８は、排気管５０に連通する。空気通路４６の上流側は、空気供給管５２に連通するとともに、前記空気通路４６の下流側は、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス供給連通孔５３に連通する。
【００４０】
蒸発器３８は、互いに同軸上に配設される外管部材５４ａと内管部材５４ｂとを備える２重管構造を採用し、この２重管は、第２排ガス通路４８内に配置される。外管部材５４ａと内管部材５４ｂとの間には、原燃料通路５６が形成されるとともに、前記内管部材５４ｂ内には、水通路５８が形成される。蒸発器３８の第２排ガス通路４８は、主排気管６０に連通する。
【００４１】
外管部材５４ａには、改質器４０の入口部に連結される混合燃料供給管６２が接続される。改質器４０の出口側には、改質ガス供給路６４の一端が連結されるとともに、前記改質ガス供給路６４の他端は、燃料電池スタック３４の燃料ガス供給連通孔６６に連通する。燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４は、断熱材６８に囲繞される（図４参照）。
【００４２】
図５に示すように、燃料ガス供給装置１６は、原燃料通路５６に接続される。酸化剤ガス供給装置１８は、空気供給管５２に接続されるとともに、前記空気供給管５２の途上に設けられた切換弁８４には、空気分岐通路８６が接続される。この空気分岐通路８６は、燃焼器１４に接続される。燃焼器１４は、例えば、トーチヒータを備えており、空気及び電流が供給される。
【００４３】
図１及び図５に示すように、凝縮器２５の下流には、水容器２１が接続され、前記水容器２１の下流には、イオン交換装置２３が接続され、さらに、前記イオン交換装置２３の下流には、水供給装置２０が接続される。この水供給装置２０には、水通路５８が連通する。
【００４４】
燃料ガス供給装置１６、酸化剤ガス供給装置１８及び水供給装置２０は、制御装置２４により制御されるとともに、前記制御装置２４には、燃料ガスを検知する検知器８８が電気的に接続される。電力変換装置２２には、例えば、商用電源９０（又は、負荷や２次電池等）が接続される。
【００４５】
図２〜図４に示すように、筐体２６は、全体として矩形状を有する外枠９２を有する。この外枠９２内には、筐体２６内を矢印Ｂ方向（水平方向）に分割するための第１縦仕切り板９４と、矢印Ｃ方向（矢印Ｂ方向に交差する水平方向）に分割するための第２縦仕切り板９６とが設けられる。
【００４６】
図２及び図３に示すように、平面視四角形状（多角形状）を有するモジュール部９８は、一の角部を挟んで第１の側面である第１縦仕切り板９４及び第２の側面である第２縦仕切り板９６を有する。第１縦仕切り板９４側には、流体供給部１００が配置される一方、第２縦仕切り板９６側には、電装部１０２が配置されることにより、前記流体供給部１００及び前記電装部１０２は、それぞれ筐体２６の外壁部を構成する。
【００４７】
図２及び図４に示すように、モジュール部９８には、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４が収容されるとともに、前記燃料電池モジュール１２は、前記燃焼器１４の上方に配置される。燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４は、断熱材６８内に収容されている。電装部１０２には、電力変換装置２２及び制御装置２４が配置される。なお、図２及び図３に示すように、電装部１０２は、流体供給部１００よりも大きな容積に設定されているが、前記流体供給部１００を前記電装部１０２よりも大きな容積に設定してもよい。
【００４８】
図４に示すように、流体供給部１００は、横仕切り板１０４を介して第１供給部１０６と第２供給部１０８とに、上下に２分割される。第１供給部１０６には、燃料ガス供給装置１６及び検知器８８が収容されるとともに、前記検知器８８は、前記燃料ガス供給装置１６の上方に配置される。
【００４９】
第２供給部１０８には、酸化剤ガス供給装置１８、凝縮器２５、水容器２１、イオン交換装置２３及び水供給装置２０が配置されるとともに、前記水供給装置２０は、流体供給部１００の最下位置且つ最下流に配置される。凝縮器２５の下方且つ下流に水容器２１が配置され、前記水容器２１の下方且つ下流にイオン交換装置２３が配置され、前記イオン交換装置２３の下方且つ下流に水供給装置２０が配置される。
【００５０】
酸化剤ガス供給装置１８及び凝縮器２５は、第２供給部１０８内で載置台１１０ａを介して保持され、水容器２１は、載置台１１０ｂを介して保持され、イオン交換装置２３は、載置台１１０ｃを介して保持される。
【００５１】
図２及び図３に示すように、筐体２６は、平面視四角形状を有し、この筐体２６の各側面を開閉自在な第１開閉扉１１２ａ、第２開閉扉１１２ｂ、第３開閉扉１１２ｃ及び第４開閉扉１１２ｄを備える。第１開閉扉１１２ａ〜第４開閉扉１１２ｄの一端部は、蝶番（又は、ヒンジ）１１４を介して、筐体２６の外枠９２に対し開閉自在に支持される。
【００５２】
第１開閉扉１１２ａは、モジュール部９８及び電装部１０２の一部を一体に開閉し、第２開閉扉１１２ｂは、前記モジュール部９８及び流体供給部１００の一部を一体に開閉する。第３開閉扉１１２ｃは、流体供給部１００及び電装部１０２の一部を一体に開閉し、第４開閉扉１１２ｄは、前記電装部１０２を開閉する。
【００５３】
なお、第１開閉扉１１２ａ及び第２開閉扉１１２ｂが、モジュール部９８のみを開閉し、第３開閉扉１１２ｃが流体供給部１００のみを開閉し、第４開閉扉１１２ｄが、電装部１０２のみを開閉するように構成してもよい。
【００５４】
筐体２６は、図２及び図４に示すように、回転機構１２０を介して鉛直軸回りに回転可能に構成される。この回転機構１２０は、例えば、回転テーブル等の公知の構造を採用している。
【００５５】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００５６】
図５に示すように、燃料ガス供給装置１６の駆動作用下に、原燃料通路５６には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２０の駆動作用下に、水通路５８には、水が供給されるとともに、空気供給管５２には、酸化剤ガス供給装置１８を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
【００５７】
図６に示すように、蒸発器３８では、原燃料通路５６を流れる原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、混合燃料供給管６２を介して改質器４０の入口部に供給される。混合燃料は、改質器４０内で水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、改質器４０の出口部に連通する改質ガス供給路６４を通って燃料電池スタック３４の燃料ガス供給連通孔６６に供給される。このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガスが得られ、この水素ガスを主成分とする燃料ガスは、アノード電極（図示せず）に供給される。
【００５８】
一方、空気供給管５２から熱交換器３６に供給される空気は、この熱交換器３６の空気通路４６に沿って移動する際、第１排ガス通路４４に沿って移動する後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器３６で加温された空気は、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス供給連通孔５３に供給され、図示しないカソード電極に供給される。
【００５９】
従って、電解質・電極接合体２８では、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電が行われる。各電解質・電極接合体２８の外周部に排出される高温（数百℃）の排ガスは、熱交換器３６の第１排ガス通路４４を通って空気と熱交換を行い、この空気を所望の温度に加温して温度低下が惹起される。
【００６０】
この排ガスは、第２排ガス通路４８に沿って移動することにより、水通路５８を通過する水を蒸発させる。蒸発器３８を通過した排ガスは、主排気管６０を介して凝縮器２５に送られて水蒸気が凝縮される一方、排ガス成分が外部に排出される。
【００６１】
この場合、第１の実施形態では、図２〜図４に示すように、筐体２６内は、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４が収容されるモジュール部９８と、検知器８８、燃料ガス供給装置１６、酸化剤ガス供給装置１８、凝縮器２５、水容器２１、イオン交換装置２３及び水供給装置２０が配置される流体供給部１００と、電力変換装置２２及び制御装置２４が配置される電装部１０２とに分割されている。このため、筐体２６内は、作動温度毎及び機能毎に分割されており、熱や流体の拡散を最小化するとともに、機能上、最適な配置が遂行可能になる。
【００６２】
さらに、第１の実施形態では、モジュール部９８の第１の側面（第１縦仕切り板９４）側には、流体供給部１００が配置されている。従って、流体供給部１００は、実質的に筐体２６の外壁部を構成しており、前記流体供給部１００の冷却が促進されて高温化し難くなっている。同様に、モジュール部９８の第２の側面（第２縦仕切り板９６）側には、電装部１０２が配置されている。このため、電装部１０２は、実質的に筐体２６の外壁部を構成しており、前記電装部１０２の冷却が促進されて高温化し難くなっている。
【００６３】
これにより、低温部（４０℃前後）に維持する必要がある制御装置２４を含む電装部１０２及びポンプ類を含む流体供給部１００は、良好な機能を確実に維持して作動することが可能になるという利点がある。
【００６４】
さらにまた、第１の実施形態では、図１及び図２に示すように、筐体２６を構成する各側面に対応して第１開閉扉１１２ａ、第２開閉扉１１２ｂ、第３開閉扉１１２ｃ及び第４開閉扉１１２ｄが設けられている。従って、例えば、モジュール部９８のメンテナンスを行う際には、第１開閉扉１１２ａ及び／又は第２開閉扉１１２ｂを開放するだけでよく、前記モジュール部９８内のメンテナンス作業が容易に行われる。
【００６５】
一方、電装部１０２内の制御装置２４の保守点検等を行う際には、第４開閉扉１１２ｄのみを開放させるだけでよく、前記制御装置２４の保守点検作業が迅速且つ容易に遂行される。さらに、流体供給部１００のポンプ類の保守点検等を行う際には、第３開閉扉１１２ｃのみを開放させるだけでよく、前記ポンプ類の保守点検作業が迅速且つ容易に遂行される。これにより、モジュール部９８、流体供給部１００及び電装部１０２毎に応じた保守やメンテナンスが、効率的に遂行可能になるという効果がある。
【００６６】
その際、筐体２６は、回転機構１２０を介して鉛直軸回りに回転可能に構成されている。このため、筐体２６を回転させることにより、第１開閉扉１１２ａ、第２開閉扉１１２ｂ、第３開閉扉１１２ｃ又は第４開閉扉１１２ｄを、作業者が開閉し易い位置に配置させることができ、保守やメンテナンスの作業性が一層向上するという利点がある。
【００６７】
また、筐体２６の内部は、第１縦仕切り板９４及び第２縦仕切り板９６を介してモジュール部９８、流体供給部１００及び電装部１０２に分割されている。そして、モジュール部９８には、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４が配置され、流体供給部１００には、検知器８８、燃料ガス供給装置１６、酸化剤ガス供給装置１８、凝縮器２５、水容器２１、イオン交換装置２３及び水供給装置２０が配置され、電装部１０２には、電力変換装置２２及び制御装置２４が配置されている。
【００６８】
このため、筐体２６内は、作動温度毎及び機能毎にモジュール部９８、流体供給部１００及び電装部１０２に分割されており、熱や流体の拡散を最小化し得るとともに、機能上、良好に配置することが可能になる。なお、高温部であるモジュール部９８において、例えば、燃料電池モジュール１２及び燃焼器１４を囲繞して断熱する断熱材６８を相当に肉厚に構成することにより、外部への熱影響を抑制することも考えられる。
【００６９】
さらに、燃料電池モジュール１２では、高温型燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールにより構成されることにより、良好な効果が得られるが、固体酸化物形燃料電池モジュールに代えて、他の高温型燃料電池モジュールや中温型燃料電池モジュールにも好適に用いることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）及び水素分離膜形燃料電池（ＨＭＦＣ）等が良好に採用可能である。
【００７０】
さらにまた、第１の実施形態では、流体供給部１００では、水供給装置２０が最下位置且つ最下流に配置されている。従って、水供給装置２０から水漏れが発生しても、他の装置に水漏れによる影響が及ぶことを阻止することができる。
【００７１】
しかも、水容器２１は、水供給装置２０の上方且つ上流側に配置されており、前記水容器２１から前記水供給装置２０に対して、水が水頭圧により供給されている。このため、水供給装置２０のエア噛みの発生を可及的に阻止することができる。
【００７２】
これにより、水供給装置２０の性能低下、改質器４０へのエア混入、電極（特に、アノード電極）への炭素付着（コーキング）及び前記燃料電池モジュール１２の発電電圧の不安定化を有効に阻止することができるという効果が得られる。
【００７３】
また、イオン交換装置２３は、水容器２１よりも下方且つ下流に配置されている。従って、水容器２１からイオン交換装置２３に水が水頭圧により供給されるため、前記イオン交換装置２３における気泡の発生を抑制することができる。
【００７４】
ここで、イオン交換装置２３が水供給装置２０の下流に配置されていると、このイオン交換装置２３に混入した気泡が圧力緩衝機能を有してしまう。従って、燃料電池モジュール１２への水供給遅れが発生して炭素付着が惹起し、燃料電池システム１０の性能及び耐久性が低下するおそれがある。これにより、イオン交換装置２３を水供給装置２０の上流側に配置することにより、上記の問題を解消することができる。
【００７５】
また、イオン交換装置２３は、水容器２１よりも下方に配置されている。このため、水容器２１内の水にシリカ等が混入しても、イオン交換装置２３により前記シリカを除去することができ、燃料電池モジュール１２への被毒物質の混入を抑制することが可能になる。
【００７６】
一方、イオン交換装置２３は、水供給装置２０よりも上方に配置されているため、前記水供給装置２０による高圧力（水圧）が前記イオン交換装置２３に付与されることがない。これにより、イオン交換装置２３の耐久性、寿命及びシール性を良好に維持することが可能になる。
【００７７】
さらに、凝縮器２５は、水容器２１よりも上方且つ上流に配置されている。従って、燃料電池モジュール１２から排出される排ガス中の水分は、重力により水容器２１に対して効率的に回収することができる。その際、水容器２１は、樹脂材で構成されている。このため、例えば、燃料電池システム１０の運転停止中に、水容器２１に水が長時間にわたって貯留されていても、前記水に金属イオンが溶出することを阻止することが可能になる。これにより、燃料電池モジュール１２に対して、最適な水を供給するとともに、イオン交換装置２３の負荷軽減による耐久性の向上が容易に図られる。
【００７８】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１４０の機械系回路を示す概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００７９】
燃料電池システム１４０では、燃料電池モジュール１２を昇温させる燃焼器（例えば、バーナー）１４２を備える。原燃料通路５６には、燃料ガス供給装置１６の下流に切替バルブ１４４が配設され、この切替バルブ１４４に接続される原燃料分岐通路１４６は、燃焼器１４２に接続される。燃焼器１４２は、原燃料と空気とが供給されることにより燃焼を行う。
【００８０】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１６０の正面説明図であり、図９は、前記燃料電池システム１６０の回路図である。
【００８１】
図８に示すように、燃料電池スタック３４の積層方向上端側には、燃焼器１４が配設される。この燃料電池スタック３４の積層方向下端側には、熱交換器３６と蒸発器３８と改質器４０とが配設される。
【００８２】
このように構成される燃料電池システム１６０では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池システムの平面説明図である。
【図４】前記燃料電池システムの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池システムの回路図である。
【図６】前記燃料電池システムを構成する燃料電池モジュールの要部断面説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの正面説明図である。
【図９】前記燃料電池システムの回路図である。
【図１０】特許文献１の燃料電池装置の概略斜視説明図である。
【図１１】特許文献２の個体酸化物形燃料電池システムの説明図である。
【図１２】特許文献３の燃料電池発電装置の水回収装置の説明図である。
【符号の説明】
【００８４】
１０、１４０、１６０…燃料電池システム
１２…燃料電池モジュール            １４、１４２…燃焼器
１６…燃料ガス供給装置              １８…酸化剤ガス供給装置
２０…水供給装置                    ２１…水容器
２２…電力変換装置                  ２３…イオン交換装置
２４…制御装置                      ２５…凝縮器
２６…筐体                          ２８…電解質・電極接合体
３０…セパレータ                    ３２…燃料電池
３４…燃料電池スタック              ３６…熱交換器
３８…蒸発器                        ４０…改質器
５８…水通路                        ９２…外枠
９８…モジュール部                  １００…流体供給部
１０２…電装部                      １０６、１０８…供給部
１１２ａ〜１１２ｄ…開閉扉          １２０…回転機構
【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】
2009037867.tif 000012
【図１１】
2009037867.tif 000013
【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年8月3日(2007.8.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
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