(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一のユニットケース内に燃料電池本体、燃料改質装置、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、電源装置全体の制御を行う制御装置及び補機類を内蔵した燃料電池電源装置において、
前記燃料改質装置は、全体が断熱材によって被覆されるとともに前記ユニットケースの上段に配設され、
前記制御装置と前記燃料電池本体とは、断熱材が間挿されるとともに前記ユニットケースの中段位置に配設される
ことを特徴とする燃料電池電源装置。
【請求項２】
前記制御装置は、背面側および外周部を断熱材によって被覆されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池電源装置。
【請求項３】
前記制御装置と前記燃料電池本体との間に熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池電源装置。
【請求項４】
前記熱交換器は、前記燃料電池本体から排出される反応ガスと貯湯タンクの水との間で熱交換することを特徴とする請求項３記載の燃料電池電源装置。
【請求項５】
前記ユニットケースに設けられた第１吸気口と前記制御装置とを連結するダクトを設け、且つ前記断熱材に第２吸気口と排気口とを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか１項記載の燃料電池電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
定置式の燃料電池電源装置が開発されつつあり、例えば固体高分子形燃料電池で直流電力を生じさせ、この直流電力をインバータを介して交流電力に変換して取り出すようにしたものがある。この種の燃料電池電源装置で、原燃料として都市ガス等の炭化水素系燃料が用いられる場合は、水素を主体とした燃料に改質するための燃料改質装置が単一のユニットケース内に内蔵される。ユニットケース内には、この他に燃料電池本体、全体の制御を行う制御装置、燃料電池に関連して設けられるポンプやファン等の補機類が内蔵される。
【０００３】
燃料改質装置は通常、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器とから構成され、これらの機器内にはそれぞれ所定の触媒が充填されており、これらの触媒はいずれも高温で作用するため加熱する必要がある。このため、改質器にはバーナが併設され、起動時にはこのバーナで原燃料を燃焼させ、改質器内の触媒を約６５０〜７００℃に昇温する。又、改質器の昇温に伴ってＣＯ変成器、ＣＯ除去器の触媒も徐々に昇温するが、起動時の改質ガスは不安定であるため、直ちに燃料電池に供給せずにＰＧバーナに送り込んで燃焼する。
【０００４】
一方、制御装置は多数の電子部品から構成されており、この制御装置は熱から保護しなければならない。このため、制御装置は燃料改質装置から遠ざけて配置する必要があり、その手段としては例えばユニットケース内を仕切り壁によって二分し、一方の仕切り部屋内に燃料改質装置を配設すると共に、他方の仕切り部屋内に制御装置を配設している（例えば、特許文献１）。
【０００５】
この場合、ポンプやファン等の補機類は制御装置側の部屋の下段に設置され、更に燃料電池を冷却するための水タンクと関連付けて、中段には燃料電池が配置される。中段及び下段はこれらの部材によって占有されるため、前記制御装置は必然的に上段に設置されることになる。
【０００６】
又、断熱隔壁によりパッケージ内を燃料電池及び燃料改質装置を含む高温装置室と、電力変換装置及び計測制御装置を含む電気装置室とに画成し、電気装置室の外壁に形成された換気孔から吸入した空気を断熱隔壁に形成された通風孔を介して高温装置室に導き、温度の上昇した空気を高温装置室内に吸気口を有するブロワ（例えば、反応空気ブロワ或は燃焼空気ブロワ）で吸入することにより発生する強制風流によってパッケージ内を強制換気するようにした技術が開示されている（例えば、特許文献２）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１８５１８０号公報
【特許文献２】
特開平５−２９０８６８号公報
【特許文献３】
特開平１１−２３３１３１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１の場合には、ユニットケース内を二分する仕切り壁が必要となり、又特許文献２の場合にはパッケージ内を高温装置室と電気装置室とに画成する断熱隔壁が必要となるため、ユニットケース又はパッケージが大きくなって小型コンパクトの要求が満足できない問題がある。又、特許文献１では、燃料電池も固体高分子形の場合は作動温度が約８０℃に昇温するため、直上の制御装置を熱気の上昇によって加熱してしまう問題があった。これを防止するために、仕切り壁の上部に水パイプを配設して冷却するようにしているが、水パイプの外周面で凝縮した水滴が制御装置に滴下する難点があった。特許文献２では、高温装置室内において燃料改質装置と燃料電池とが横方向に隣接配置されているため、強制換気はするものの高温の燃料改質装置により燃料電池が熱影響を受けて性能低下を引き起こす問題がある。
【０００９】
本発明は、このような従来の事態に対処するためになされ、仕切り壁又は断熱隔壁を不要としてユニットケースを小型コンパクトにし、且つ構成部材の作動（作用）温度の高低によって配置を高温のものから順に上段から定めることにより、高熱による影響を極力避けて各構成部材が性能低下を引き起こすことなく作動できるようにし、しかも制御装置を熱から保護すると共に、水パイプの水滴からも保護するようにした燃料電池電源装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、本発明の請求項１は、単一のユニットケース内に燃料電池本体、燃料改質装置、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、電源装置全体の制御を行う制御装置及び補機類を内蔵した燃料電池電源装置において、前記燃料改質装置は、全体が断熱材によって被覆されるとともに前記ユニットケースの上段に配設され、前記制御装置と前記燃料電池本体とは、断熱材が間挿されるとともに前記ユニットケースの中段位置に配設されることを特徴とする燃料電池電源装置である。
【００１１】
又、本発明の請求項２は、請求項１の燃料電池電源装置において、前記制御装置は、背面側および外周部を断熱材によって被覆されていることを特徴とする。
【００１２】
更に、本発明の請求項３は、請求項１又は請求項２の燃料電池電源装置において、前記制御装置と燃料電池本体との間に熱交換器を設けたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項４は、請求項３の燃料電池電源装置において、前記熱交換器は、燃料電池本体から排出される反応ガスと貯湯タンクの水との間で熱交換することを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項５は、請求項１乃至請求項４いずれか１項の燃料電池電源装置において、前記ユニットケースに設けられた第１吸気口と前記制御装置とを連結するダクトを設け、且つ前記断熱材に第２吸気口と排気口とを設けたことを特徴とする。
【００１５】
上記のような構成の本発明では、燃料改質装置はユニットケースの上段に配設するので仕切り壁又は断熱隔壁を設ける必要がなくなり、制御装置は中段位置に燃料電池と共に配設したので高温雰囲気の燃料改質装置による熱影響を極力避けることができる。又、制御装置を断熱材で被覆することにより、更に制御装置と燃料電池との間に熱交換器を設けることで、或は外部から取り込んだ空気で制御装置を空冷することで制御装置を熱から充分保護することができる。この場合、従来のような冷却用の水パイプが不要となり、制御装置を水滴から保護することもできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池電源装置の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、単一のユニットケースの外装板を取り除いた状態での前面側の概略斜視図である。図２は、背面側の概略斜視図である。図３は、燃料電池電源装置のシステム構成を示す説明図である。図４は、本発明に係る燃料電池電源装置の他の実施形態を示す説明図である。図５（ａ）は本発明に係る燃料電池電源装置の概略正面図、（ｂ）はそのＹ−Ｙ線概略断面図、（ｃ）は制御装置での空気の流れを示す概略斜視図である。
【００１７】
図１において、１は単一ユニットケースのフレームであり、棚を形成する横桟１ａ、１ｂにより上、中、下段に区分され、上段の側方には補助棚１ｃが設けられている。
【００１８】
２は上段の横桟１ａ上に配設された燃料改質装置であり、全体が断熱材によって被覆され、図示は省略したが内部には改質器と、改質器バーナと、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とが設けられている。
【００１９】
補助棚１ｃの上には改質器バーナ用空気ポンプ３が配設され、燃料改質装置２内の改質器に管接続されている。改質器バーナ用空気ポンプ３の前方にはＰＧバーナ４が補助棚１ｃに吊り下げ状態に固定され、燃料改質装置２内のＣＯ除去器に管接続されている。
【００２０】
５は中段の横桟１ｂ上に取り付けられた制御装置であり、基板上に多数の電子部品が実装されて形成されており、この制御装置５の背面側及び外周部は断熱材５ａ、５ｂでそれぞれ被覆されている。
【００２１】
６は燃料電池本体であり、図２のように中段に位置させて固定され、前記制御装置５と背中合わせの状態になっている。制御装置５の背面側断熱材５ａは燃料電池本体６の発熱が制御装置５に熱伝導するのを阻止する。又、制御装置５の外周部側の断熱材５ｂは燃料改質装置２又はＰＧバーナ４等からの放射熱を阻止する。
【００２２】
７は燃料電池本体６の側方に配設された電力変換装置（電源ボックス）であり、ＤＣ／ＡＣインバータ及びＤＣ／ＤＣコンバータ、補機用コンバータ等が内蔵され、燃料電池本体７で発電された直流電力を交流電力に変換し、又は補機等を駆動するために直流電力を安定化する。
【００２３】
下段の底板上には、燃料改質装置２の改質器に原燃料を送り込むための燃料ポンプ８や、燃料電池本体６に反応空気を送り込むための空気ポンプ９等の補機が配設されている。又、図２のように燃料電池本体６の下方には冷却及びガス加湿用の水タンク１０が設けられている。
【００２４】
図２において、４ａはＰＧバーナ４に空気を供給するためのファンであり、２ａは燃料改質装置２のＣＯ除去器を冷やすためのファンである。その他に、説明は省略するが熱回収用の複数の熱交換器が適所に配設され、更に各部材を接続するための配管や電気的配線が実装されている。
【００２５】
図示は省略したが、フレーム１の前面、両側面、背面及び上面には外装板がそれぞれ取り付けられて単一のユニットケース１１（図４）が構成され、ユニットケース１１の前面要所には排気ガスの排出口１１ａが設けられ、この排出口１１ａの内側には排気ダクト（図略）が接続される。
【００２６】
このように構成された燃料電池電源装置により発電するには、図３にその概略を示すように天然ガス又はメタノール等の原燃料を前記燃料ポンプ８により燃料改質装置２に送り込む。起動時には、改質器バーナに原燃料を送り込んで燃焼させ、この燃焼ガスによって改質器の触媒を所定温度まで昇温させる。
【００２７】
燃料改質装置２により水素主体の改質ガスが生成されるが、前記のように起動時の段階では改質ガスが安定していないため、改質ガスを前記ＰＧバーナ４に送り込んで燃焼させる。
【００２８】
燃料改質装置２による改質ガスが安定した時点で、ＰＧバーナ４での燃焼を停止し、改質ガスを燃料電池本体６に供給して発電を行う。この場合、燃料電池本体６は固体高分子型燃料電池であって、アノード（燃料極）に改質ガスが供給されると共に、カソード（空気極）には空気ポンプ９により反応空気が供給され、固体高分子電解質膜を介して電気化学反応が生じることにより直流電力が発電される。
【００２９】
この際、固体高分子電解質膜を湿潤状態に保持するため、改質ガス及び／又は反応空気を水タンク１０で加湿してから燃料電池本体６に供給する。又、電気化学反応により燃料電池本体６は徐々に昇温するが、これを適正運転温度（約８０℃）に保持するために水タンク１０から冷却水を燃料電池本体６の冷却部に供給して冷却し、冷却後に水タンク１０に戻す。
【００３０】
燃料電池本体６で発電した直流電力は、電力変換装置７に導入されそのＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧され、又はＤＣ／ＡＣインバータにより交流電力に変換されて出力される。又、補機用コンバータで安定化した直流電力は、ポンプやファン等の補機類の駆動電源として使用され、交流電力は家庭内の電気機器の駆動電源として利用される。
【００３１】
これら一連の発電運転において、前記制御装置５は燃料改質装置２、燃料電池本体６、電力変換装置７、その他補機類の動作を制御する。
【００３２】
制御装置５は、前記のようにユニットケース１１内の中段位置に燃料電池本体６と背中合わせに配設され、背面側の断熱材５ａによって燃料電池本体６とは熱遮断され、外周部の断熱材５ｂによって直上の燃料改質装置２及び側方のＰＧバーナ４とは熱遮断されている。これにより、制御装置５は高熱の影響を殆ど受けない。又、この場合は制御装置５の上方に冷却用の水パイプが無いため、凝縮水の滴下が全く生じず、水濡れからも完全に保護される。
【００３３】
前記燃料改質装置２は、ユニットケース１１の上段に位置させたことから従来のようにユニットケース１１内を仕切り壁又は断熱隔壁で二分する必要がない。燃料改質装置２の改質器バーナ又はＰＧバーナ４からの燃焼排ガスは前記排気ダクトに流入してユニットケース１１前面の排気口１１ａ（図５）から外部に排出される。図示は省略したが、排気ダクトの要所に熱交換器を設けて燃焼排ガスと熱交換を行い、燃焼排ガスの温度を下げて排気口から外部に排出する。又、熱交換器から熱回収して貯湯タンク１２（図４）の水を加温することにより熱電併給（コージェネレーション）するように構成する。燃料改質装置２の内部にも熱交換器（図略）を設けて熱回収を行うことが好ましい。
【００３４】
図４は、本発明の他の実施形態を示す概略説明図である。この実施形態においては、上記制御装置５と燃料電池本体６との間に熱交換器１３を設けたことを特徴とする。この熱交換器１３は、燃料電池本体６から排出される反応ガスと貯湯タンク１２の水との間で熱交換する。例えば、カソードから排出される未反応空気は燃料電池本体６の作動温度とほぼ同じ温度（約８０℃）を有しており、貯湯タンク１２からの水との間で効率良く熱交換を行うことができる。これにより、燃料電池本体６の熱から制御装置５を保護すると共に、排出反応ガスの熱を貯湯タンク１２の水を加温する熱源として有効利用する。
【００３５】
又、燃料電池本体６から排出される反応ガスのうち、アノードから排出される未反応改質ガス（未反応に終わった改質ガス）を利用して熱交換器１３により熱交換することもできる。この場合は、燃料電池本体６のアノードから排出される未反応改質ガスと貯湯タンク１２の水との間で熱交換させる。アノードから排出される未反応改質ガスは燃料電池本体６の作動温度とほぼ同じ温度（約８０℃）を有しており、貯湯タンク１２の水との間で効率良く熱交換することができる。熱交換後の未反応改質ガスは前記燃料改質装置２の改質器バーナに導入されて燃焼される。
【００３６】
このようにして、燃料電池本体６から排出される未反応空気又は未反応改質ガスと貯湯タンク１２の水とにより熱交換器１３で熱交換させることで、燃料電池本体６側から前記制御装置５に高熱が伝達するのを阻止して制御装置５を熱から保護できると共に、貯湯タンク１２の水を加温する熱源として有効利用することができる。尚、熱交換器１３は前記断熱材５ａ、５ｂと併用することも可能である。
【００３７】
図５（ａ）は、ユニットケース１１の要所例えば前面下部に設けられ第１吸気口１１ｂから取り込んだ空気を利用して制御装置５を空冷する実施形態を示すものである。この場合、第１吸気口１１ｂから取り込んだ空気は、図５（ｂ）、（ｃ）のようにダクト１４を介して前記断熱材５ｂの底面に設けた第２吸気口５ｃから制御装置５の前面側に流入させ、断熱材５ｂの側面に設けた排気口５ｄから流出させる。これにより、制御装置５を空冷することができる。
【００３８】
又、断熱材５ｂの排気口５ｄから排出した空気は、図示を省略した管路を介して前記改質器バーナやＰＧバーナに燃焼用空気を送り込むための空気ポンプ３及び／又は燃料電池本体６に反応空気を送り込むための空気ポンプ９に供給することができる。尚、前記ダクト１４内には、図示は省略したが空気取込用のファン及び空気清浄用のフィルタを設けることが好ましい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１の発明によれば、単一のユニットケース内に構成部材を内蔵した燃料電池電源装置において、燃料改質装置はユニットケースの上段に配設し、制御装置はほぼ中段に断熱材を介して燃料電池と背中合わせに配設したので、熱を遮断するための仕切り壁又は断熱隔壁を設けて二分する必要がなく、又冷却用の水パイプを上部に設ける必要がなくなる。これにより、ユニットケースを小型コンパクトに形成できると共に、作動温度の高い（約７００℃）改質器を上段、次に温度の高い（約８０℃）燃料電池本体を中段、温度の比較的低い（約６０℃以下）補機類を下段にそれぞれ配置することから各構成部材の性能を低下させることなく作動させることができ、又制御装置を水濡れから完全に保護することができる。
【００４０】
又、本発明に係る請求項２の発明によれば、請求項１の燃料電池電源装置において、前記制御装置は断熱材により被覆されているので、制御装置への熱伝達を遮断して周囲の高温から保護することができる。
【００４１】
本発明に係る請求項３の発明によれば、請求項１又は請求項２の燃料電池電源装置において、前記制御装置と燃料電池本体との間に熱交換器を設けたので、制御装置への熱伝達を積極的に遮断して周囲の高温から保護することができる。
【００４２】
本発明に係る請求項４の発明によれば、請求項３の燃料電池電源装置において、前記熱交換器は、燃料電池本体から排出される反応ガスと貯湯タンクの水との間で熱交換することを特徴とし、これにより燃料電池側の熱から制御装置を保護すると共に、貯湯タンクの水を加温する熱源として有効利用することができる。
【００４３】
更に、本発明に係る請求項５の発明によれば、請求項１乃至請求項４いずれか１項の燃料電池電源装置において、前記ユニットケースに設けられた第１吸気口と前記制御装置とを連結するダクトを設け、且つ前記断熱材に第２吸気口と排気口とを設けたので、前記ユニットケースの吸気口から取り込んだ空気を制御装置に誘導して空冷することができる。前記熱交換器と組み合わせることで、より一層効率良く制御装置を熱から保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池電源装置の実施形態を示すもので、外装板を外した状態で前面側から見た概略斜視図である。
【図２】同じく、背面側から見た概略斜視図である。
【図３】燃料電池電源装置のシステム構成を示す説明図である。
【図４】本発明に係る燃料電池電源装置の他の実施形態を示す説明図である。
【図５】本発明に係る燃料電池電源装置の更に他の実施形態を示すもので、（ａ）は燃料電池電源装置の概略正面図、（ｂ）はそのＹ−Ｙ線概略断面図、（ｃ）は制御装置での空気の流れを示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１…フレーム
２…燃料改質装置
３…改質器バーナ用空気ポンプ
４…ＰＧバーナ
５…制御装置
５ａ、５ｂ…断熱材
６…燃料電池本体
７…電力変換装置
８…燃料ポンプ
９…空気ポンプ
１０…水タンク
１１…ユニットケース
１１ｂ…吸気口
１２…貯湯タンク
１３…熱交換器
１４…ダクト
【図１】
0003837383.tif 000002
【図２】
0003837383.tif 000003
【図３】
0003837383.tif 000004
【図４】
0003837383.tif 000005
【図５】
0003837383.tif 000006