JP5659637B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

燃料電池システムは、燃料電池に供給された燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池システムに関する。

家庭用の燃料電池コージェネレーションシステム（以下、「燃料電池システム」という。）に適した方式として固体高分子形燃料電池システムの開発が盛んである。しかし、燃料となる水素はいまだインフラが充分に整っていないため、都市ガス、ＬＰガス、灯油等の原料を水素生成装置で改質して水素含有ガスを生成している。さらに、発生した水素と空気中の酸素を利用して固体高分子形燃料電池で反応させて発電し、反応により生じた熱を回収して湯水として貯湯槽に貯える。貯湯槽に貯えた湯水を外部への熱供給に有効利用する燃料電池システムが開発されている。

このような燃料電池システムの設置スペースの縮小化を図るため、燃料電池システム全体をパッケージ内に配置した燃料電池発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

一方、燃焼電池システムは水素を使って発電するので、燃料電池や水素生成装置やシステムの配管には、水素や水素を生成するための原料ガスなどの可燃性ガスが流れている。万が一これらの可燃性ガスが漏れた場合も燃料電池システムを安全に維持するため、燃料電池システム内に可燃性ガスを検出するための可燃ガスセンサーが設けられている。可燃ガスセンサーが可燃性ガスの漏洩を検知した時には燃料電池システムの運転が停止し、漏洩した可燃性ガスが爆発限界に達しないように換気ファンで機器内を換気する構成としている燃料電池システムが知られている（特許文献２）。

また、図８は特許文献１、特許文献２に記載された従来の燃料電池システムを示すものである。

図８に示すように、筐体３２の内部は、原料と水から水素リッチな燃料ガスを生成する水素生成装置５と、水素生成装置５で得られた燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池４と、発電した電気を外部系統へ供給するインバーター６と、燃料電池４の反応により生じた熱を回収して湯水として貯える貯湯タンク１０と、貯湯タンク１０内のお湯がなくなったときに、貯湯タンク１０内の水、または湯を加熱する追焚装置１１とこれら燃料電池システム全体の運転を制御する制御器９とを備えている。

特開２００５−３２４６１号公報 特開２００９−７０７４７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池システムの水素生成装置、燃料電池、貯湯タンク、追焚装置などの構成要素を１つの筐体に収めているため、設置スペースの縮小化は図れるものの、構成要素を１つの筐体に収めることにより、燃料電池システムの重量が非常に大きくなるため、トラックなどで設置現場近辺へ燃料電池システムを搬送後、実際の設置場所への人手による搬送が非常に困難であるという問題がある。また、燃料電池システムの筐体の寸法が大きくなるため、実際の設置場所へ至る搬送通路の寸法が大きく取れる現場でないと設置できないという問題もあった。

更に水素や水素を生成するための原料ガスなどの可燃性ガスの漏洩に対してシステム安全性確保のため、燃料電池システムの筐体を換気ファンで換気しているが、水素生成装置、燃料電池、貯湯タンクが１つの筐体に収められているため、お湯を蓄えている貯湯タンクが筐体内の換気により冷却されるため、貯湯タンクの放熱ロスが生じて、システムの運転効率が悪化する問題も有していた。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
直方体で形成され、燃料電池を内部に収納する燃料電池ユニットと、
燃料電池ユニットの下面に設けられ、燃料電池ユニットを支持する第１の脚部と、
燃料電池で発生した熱を回収して加熱された温水を貯める貯湯タンクと、
直方体で形成され、貯湯タンクを内部に収納する貯湯ユニットと、
貯湯ユニットの下面に設けられ、貯湯ユニットを支持する第２の脚部と第３の脚部と、を有し、
第１の脚部が燃料電池ユニットの下方から貯湯ユニットの下方に突出するか、又は、第２の脚部が貯湯ユニットの下方から燃料電池ユニットの下方に突出するように構成され、
第１の脚部と第２の脚部とが脚部連結金具で連結され、
第１の脚部と第３の脚部と脚部連結金具とは、アンカーボルト取付用のアンカー穴が形成され、
第１の脚部と第３の脚部と脚部連結金具とは、基礎とアンカーボルトで固定される構成としたものである。

これによって、燃料電池システムは燃料電池ユニットと貯湯ユニットに分割されるため、燃料電池ユニット、貯湯ユニットの各ユニットの重量は軽くなるため、設置場所への人手による燃料電池ユニットと貯湯ユニットの搬送が容易になる。また、燃料電池ユニットと貯湯ユニットとの距離を小さくして設置することができるので、設置スペースを縮小化することができる。また、貯湯ユニットと燃料電池ユニットのいずれかを修理する場合には、貯湯ユニットあるいは燃料電池ユニットを容易に基礎から取り外すことができ、機器メンテ性を向上することができる。

本発明の燃料電池システムは、また、燃料電池ユニットと貯湯ユニットとの距離を小さくして設置することができるので設置スペースを縮小化することができ、さらに、燃料電池システムの搬入性を向上させるとともに、搬入通路寸法の少ない設置現場への燃料電池システムの設置を可能とし、燃料電池システムの設置条件を緩和することができる。また、貯湯ユニットと燃料電池ユニットのいずれかを修理する場合には、貯湯ユニットあるいは燃料電池ユニットを容易に基礎から取り外すことができ、機器メンテ性を向上することができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構造断面図 本発明の実施の形態１における貯湯ユニットの斜視図 本発明の実施の形態１における燃料電池ユニットの斜視図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムを設置した状態の上面図 本発明の実施の形態２における脚部連結金具の斜視図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムを設置した状態の上面図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの斜視図 従来の燃料電池システムの構造断面図

第１の形態の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
直方体で形成され、燃料電池を内部に収納する燃料電池ユニットと、
燃料電池ユニットの下面に設けられ、燃料電池ユニットを支持する第１の脚部と、
燃料電池で発生した熱を回収して加熱された温水を貯める貯湯タンクと、
直方体で形成され、貯湯タンクを内部に収納する貯湯ユニットと、
貯湯ユニットの下面に設けられ、貯湯ユニットを支持する第２の脚部と第３の脚部と、を有し、
第１の脚部が燃料電池ユニットの下方から貯湯ユニットの下方に突出するか、又は、第２の脚部が貯湯ユニットの下方から燃料電池ユニットの下方に突出するように構成され、
第１の脚部と第２の脚部とが脚部連結金具で連結され、
第１の脚部と第３の脚部と脚部連結金具とは、アンカーボルト取付用のアンカー穴が形成され、
第１の脚部と第３の脚部と脚部連結金具とは、基礎とアンカーボルトで固定される構成としている。

これによって、燃料電池システムは燃料電池ユニットと貯湯ユニットに分割されるため、燃料電池ユニット、貯湯ユニットの各ユニットの重量は軽くなるため、設置場所への人手による燃料電池ユニットと貯湯ユニットの搬送が容易になる。また、燃料電池ユニットと貯湯ユニットの筐体寸法が小さくなるため、従来燃料電池システムでは設置不可能であった搬送通路の寸法が小さい現場へも設置可能となる。

また、貯湯ユニット内には発電するための燃料電池がないため、水素や水素を生成するための原料ガスの漏洩による爆発を防ぐための換気ファンが不要になるため、換気による貯湯タンクの冷却を排除できる。更に貯湯ユニットと燃料電池ユニットが密着する面が、断熱構造となるため、貯湯ユニット側から燃料電池ユニットへの放熱を抑えることができる。そのため、貯湯タンクの放熱ロスを抑え、燃料電池システムの運転効率の向上ができる。

なお、燃料電池システムは燃料電池ユニットと貯湯ユニットに分割されるが、前記貯湯ユニットの前記第１の脚部の上方に、前記燃料電池ユニットの前記第２の脚部が配されない一方の長辺部を配することにより、前記燃料電池ユニットと貯湯ユニットは密着して設置されるため、従来の燃料電池システムと同様に設置スペースの縮小化を実現できる。

また、貯湯ユニットと燃料電池ユニットのいずれかが故障して、基礎より取り外して修理する必要のある場合は、例えば貯湯ユニットを取り外す必要がある場合は、貯湯ユニットの第３の脚部にあるアンカーボルトと脚部連結金具と貯湯ユニットの第１の脚部を締結している連結ボルトを外せば容易に貯湯ユニットを基礎より取り外すことができる。以上のように故障修理の際に、貯湯ユニットあるいは燃料電池ユニットを容易に基礎から取り外すことができ、機器メンテ性を向上することができる。

第２の形態の燃料電池システムは、第１の形態の燃料電池システムにおいて、貯湯ユニットと燃料電池ユニットとが近接して設置されるとき、貯湯ユニットと燃料電池ユニットとの直方体の上部が上部連結金具で互いに連結される。

この構成により、貯湯ユニットと燃料電池ユニットとが確実に固定されるため、貯湯ユニットと燃料電池ユニットが密着する面の断熱構造を確実となるため、貯湯ユニット側から燃料電池ユニットへの放熱を抑えることができる。そのため、貯湯タンクの放熱ロスを
抑え、燃料電池システムの運転効率の向上ができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの断面図である。図１において、基礎１の上に設置された燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット２と貯湯ユニット３とを有している。燃料電池ユニット２の筐体２ａと貯湯ユニット３の筐体３ａとは、鉛直方向が最も長い直方体で形成されている。

燃料電池ユニット２の内部には、燃料ガスと酸化剤ガスである空気とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池４と、都市ガスなどの、炭化水素を含む原料ガスと水とから主成分が水素である水素リッチな燃料ガスを生成する水素生成装置５と、が配置されている。さらに、燃料電池ユニット２の内部には、燃料電池４で発電した電力を外部系統に供給するインバータ６と、燃料電池ユニット２内の可燃性ガスの漏洩を検出するための可燃ガスセンサー７と、燃料電池ユニット２内を換気するための換気ファン８と、燃料電池ユニット２の運転動作を制御する制御器９と、が設けられている。

一方、貯湯ユニット３の内部には、燃料電池４で発生した熱を回収することで加熱された温水を貯める貯湯タンク１０と、貯湯タンク１０内のお湯がなくなった際に、貯湯タンク１０内の水又はお湯を加熱する追焚装置１１とを備えている。

燃料電池ユニット２の下面外壁には燃料電池ユニット２を支持する第１の脚部１３が、貯湯ユニット３の下面外壁には貯湯ユニット３を支持する第２の脚部１２が設けられており、第１の脚部１３と第２の脚部１２とは脚部連結金具１４で締結されている。このように、燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット２と貯湯ユニット３とが隣接し密着させて、設置される。

図２は貯湯ユニット３を下面から見た第２の脚部１２近傍の斜視図である。複数の第２の脚部１２が、貯湯ユニット３の下面の長辺に平行に、貯湯ユニット３の下面外壁に設けられている。第２の脚部１２は、例えば、２つ設けられている。また、第２の脚部１２は、貯湯ユニット３の下面の長辺より長いので、貯湯ユニット３の下面から燃料電池ユニット２の下面側に突出している。第２の脚部１２は、貯湯ユニット３が設置される場合における燃料電池ユニット２に近い側の端部（以下、「燃料電池ユニット２側の端部」とする。）の下面に、基礎１に固定するための第１のアンカー穴１６が形成されている。また、燃料電池ユニット２側の端部の側面に、脚部連結金具１４と締結するための連結穴１８が形成されている。さらに、第２の脚部１２は、燃料電池ユニット２側と反対側の端部の下面に、基礎１に固定するため第２のアンカー穴１７が形成されている。

図３は燃料電池ユニット２を下面から見たときの脚部近傍の斜視図である。第１の脚部１３は、複数、好ましくは２つ設けられ、筐体２ａの下面外壁の貯湯ユニット３側の一方の長辺から燃料電池ユニット２が設置されない側に突出して、下面の長辺と垂直に固定されている。第１の脚部１３は、図３に示すように、第２の脚部１２が燃料電池ユニット２側に突出している分、燃料電池ユニット２の下面のうち貯湯ユニットと対抗する面の下辺となる辺から、内側に短くなっている。なお、実施の形態１では、第２の脚部１２が燃料電池ユニット２側に突出している構成の説明を行ったが、第１の脚部１３が貯湯ユニット側に突出しており、第２の脚部１２がその分短くなる構成でも良い。

第１の脚部１３の貯湯ユニット３と遠い側の端部の底面には、燃料電池ユニット２を基礎１とアンカーボルトで固定するための第３のアンカー穴２０が設けられている。また、第１の脚部１３の貯湯ユニット３側の端部の側面には、脚部連結金具１４と締結する第２の連結穴２１が設けられている。

第４の脚部１９は、燃料電池ユニット２を支持し、貯湯ユニット３と近い側の長辺側で長辺と平行に筐体２ａの下面外壁に固定されている。

図４は燃料電池システム１００を基礎１に設置した状態の上面図である。図２及び図４に示すように、貯湯ユニット３は、第３の脚部１５にある第２のアンカー穴１７に第２のアンカーボルト２２を、第２の脚部１２にある第１のアンカー穴１６に第１のアンカーボルト２３を、取付けて基礎１に固定される。このように、本実施の形態では、第２の脚部１２と第３の脚部１５とは、一体で設けられており、金属製の支持機構の一端と多端との関係になっているが、それぞれ別体で構成されても良い。

一方、燃料電池ユニット２は、図３及び図４に示すように、第１の脚部１３にある第３のアンカー穴２０に第３のアンカーボルト２４を取付けて基礎１に固定される。更に貯湯ユニット３の第２の脚部１２の燃料電池ユニット２側の端部に形成されている第１の連結穴１８と、燃料電池ユニット２の第１の脚部１３の貯湯ユニット３側の端部に形成されている第２の連結穴２１とを、脚部連結金具１４で連結する。具体的には、第１の連結穴１８と脚部連結金具１４の第５のアンカー穴５１の一方とに対し第１の連結ボルト２５を側方から挿入して締結し、第２の連結穴２１と脚部連結金具１４の第５のアンカー穴５１の他方とに対し第２の連結ボルト２６を側方から挿入して締結する。このように、貯湯ユニット３と燃料電池ユニット２とを連結する。

以上のように燃料電池システム１００を構成することにより、燃料電池システム１００は燃料電池ユニット２と貯湯ユニット３に分割されるため、燃料電池ユニット２、貯湯ユニット３の各ユニットの重量は軽くなるため、設置場所への人手による燃料電池ユニット２と貯湯ユニット３の搬送が容易になる。また、燃料電池ユニット２と貯湯ユニット３の筐体寸法が小さくなるため、従来、燃料電池システム１００では設置不可能であった搬送通路の寸法が小さい現場へも設置可能となる。

なお、燃料電池システム１００は燃料電池ユニット２と貯湯ユニット３に分割されるが、前記貯湯ユニット３の第２の脚部１２の上方に、燃料電池ユニット２の第１の脚部１３が配されない一方の長辺部を配することにより、燃料電池ユニット２と貯湯ユニット３は密着して設置されるため、従来の燃料電池システム１００と同様に設置スペースの縮小化を実現できる。

また、機器が地震等で転倒しないために、コンクリート製などで形成される基礎１にアンカーボルトで固定する方法が一般に用いられる。

貯湯ユニット３は第３の脚部１５に取付けたアンカーボルト２２、第２の脚部１２に取付けたアンカーボルト２３で基礎１に固定され転倒防止を図っている。一方、燃料電池ユニット２は、第１の脚部１３に設けたアンカーボルト２４で基礎１に固定されている。さらに、脚部連結金具１４により貯湯ユニット３の第２の脚部１２と燃料電池ユニット２の第１の脚部１３を締結することにより、貯湯ユニット３の第２の脚部１２に設けたアンカーボルト２３によって燃料電池ユニット２の転倒防止を図っている。一般的には重量の大きい機器を基礎に固定する際に１台あたり４本のアンカーボルトを使用するが、本実施形態における燃料電池システム１００では前述した構成により使用するアンカーボルトの本数を減らすことが可能である。

以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下その動作、作用を説明する。

水素生成装置５に原料ガスと水が供給されると、水素リッチな燃料ガスが生成される。燃料電池４に生成された燃料ガスと空気が供給されると燃料電池４で発電され、発電した電気はインバーター６に送られた後、機器外の系統電源へ供給される。一方、燃料電池４が発電する際に発生した熱により、貯湯タンク１０内の水を加熱し貯湯タンク１０に蓄える。貯湯タンク１０に蓄えたお湯は、給湯などに使用し、貯湯タンク１０内のお湯がなくなった際は、追焚装置１１で貯湯タンク１０内の水またはお湯を加熱して外部へ供給する構成としている。

燃料電池ユニット２にある水素生成装置５、燃料電池４やそれらを接続する配管内には、水素や原料ガスの可燃ガスが流れている。万が一可燃ガスが漏洩した場合は、燃料電池ユニット２にある可燃ガスセンサー７で可燃性ガスを検出して、燃料電池ユニット２の運転を停止する。また、燃料電池ユニット２に可燃性ガスが漏洩しても爆発限界に至らないように、換気ファン８で燃料電池ユニット２の内部を換気している。以上の構成により燃料電池ユニット２の可燃性ガス漏洩に対する安全性を確保している。

貯湯ユニット３内には発電するための燃料電池４がないため、水素や水素を生成するための原料ガスの漏洩による爆発を防ぐための換気ファン８が不要になるため、換気による貯湯タンク１０の冷却を排除できる。更に貯湯ユニット３と燃料電池ユニット２が密着する面が、断熱構造となるため、貯湯ユニット３側から燃料電池ユニット２への放熱を抑えることができる。そのため、貯湯タンク１０の放熱ロスを抑え、燃料電池システム１００の運転効率を向上することができる。

（実施の形態２）
図５は本発明の第２の実施形態における脚部連結金具１４の斜視図、図６は本発明の第２の実施形態における燃料電池システム１００を基礎に設置した状態の上面図である。実施形態１と同構成部品は同じ名称を用い説明を省略する。

図５において、脚部連結金具１４はＬ字状の形状をし、その底面部にはアンカーボルトを固定するための第４のアンカー穴２７が設けられている。

図６において、貯湯ユニット３は第３の脚部１５にある第２のアンカー穴１７にアンカーボルト２２を取付けて基礎１に固定する。一方、燃料電池ユニット２は第１の脚部１３にある第３のアンカー穴２０にアンカーボルト２４を取付けて基礎１に固定する。更に貯湯ユニット３の第２の脚部１２にある連結穴１８と燃料電池ユニット２の第１の脚部１３にある連結穴２１を用いて脚部連結金具１４を連結ボルト２５、連結ボルト２６を用いて締結し、脚部連結金具１４の第４のアンカー穴２７に第４のアンカーボルト２８を取付けて基礎１に固定する。

以上のように燃料電池システム１００を構成することにより、貯湯ユニット３は第３の脚部１５に取付けたアンカーボルト２２で基礎１に固定されているほか、第２の脚部１２に締結した脚部連結金具１４に取付けた第４のアンカーボルト２８によって基礎１に固定され転倒防止を図っている。一方、燃料電池ユニット２は、第１の脚部１３に設けたアンカーボルト２４で基礎１に固定されているほか、第１の脚部１３に締結した脚部連結金具１４に取付けた第４のアンカーボルト２８によって基礎１に固定され転倒防止を図っている。一般的には重量の大きい機器を基礎に固定する際に１台あたり４本のアンカーボルトを使用するが、本実施形態における燃料電池システム１００では前述した構成により使用するアンカーボルトの本数を減らすことが可能である。

また、貯湯ユニット３と燃料電池ユニット２のいずれかが故障して、基礎１より取り外して修理する必要がある場合は、例えば貯湯ユニット３を取り外す必要がある場合は、貯
湯ユニット３の第３の脚部１５にあるアンカーボルト２２と脚部連結金具１４と貯湯ユニット３の第２の脚部１２を締結している連結ボルト２５を外せば、燃料電池ユニット２を外すことなく容易に貯湯ユニット３を基礎１より取り外すことができる。

以上のように故障修理の際に、貯湯ユニット３のみあるいは燃料電池ユニット２のみを容易に基礎から取り外すことができ、機器メンテ性を向上することができる。

（実施の形態３）
図７は本発明の第３の実施形態における燃料電池システム１００の斜視図である。実施形態１、実施形態２と同構成部品は同じ名称を用い説明を省略する。

図７において、貯湯ユニット３と燃料電池ユニット２を密着して設置するとき、貯湯ユニット３と燃料電池ユニット２の直方体の上部を連結する固定具として、貯湯ユニット３には第１の上部連結金具２９、燃料電池ユニット２には第２の上部連結金具３０が設けられ、第１の上部連結金具２９と第２の上部連結金具３０は連結ボルト３１で締結されている。

以上のような構成により、貯湯ユニット３と燃料電池ユニット２が確実に固定されるため、貯湯ユニット３と燃料電池ユニット２が密着する面の断熱構造を確実となるため、貯湯ユニット３側から燃料電池ユニット２への放熱を抑えることができる。そのため、貯湯タンク１０の放熱ロスを抑え、燃料電池システム１００の運転効率の向上ができる。

また、第１の上部連結金具２９と第２の上部連結金具３０により貯湯ユニット３と燃料電池ユニット２が確実に固定されるため、貯湯ユニット３と燃料電池ユニット２の隙間を均一でき、設置後の燃料電池システム１００の美観性を向上することができる。更に、貯湯ユニット３と燃料電池ユニット２の脚部を脚部連結金具１４で連結し、貯湯ユニット３と燃料電池ユニット２の上部を第１の上部連結金具２９と第２の上部連結金具３０で連結固定することにより、風や地震などの振動で貯湯ユニット３と燃料電池ユニット２が揺れるのを抑制することが可能となる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池発電システムは、設置スペースを縮小化することができるので、固体高分子形燃料電池や固体酸化物形燃料電池に適用できる。

２ 燃料電池ユニット
３ 貯湯ユニット
４ 燃料電池
１０ 貯湯タンク
１２ 第２の脚部
１３ 第１の脚部
１４ 脚部連結金具
１５ 第３の脚部
１６ 第１のアンカー穴
１７ 第２のアンカー穴
１９ 第４の脚部
２０ 第３のアンカー穴
２７ 第４のアンカー穴
２８ 第４のアンカーボルト
２９ 第１の上部連結金具
３０ 第２の上部連結金具
１００ 燃料電池システム

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
   直方体で形成され、前記燃料電池を内部に収納する燃料電池ユニットと、
   前記燃料電池ユニットの下面に設けられ、前記燃料電池ユニットを支持する第１の脚部と、
   前記燃料電池で発生した熱を回収して加熱された温水を貯める貯湯タンクと、
   直方体で形成され、前記貯湯タンクを内部に収納する貯湯ユニットと、
   前記貯湯ユニットの下面に設けられ、前記貯湯ユニットを支持する第２の脚部と第３の脚部と、
   を有し、
   前記第１の脚部が前記燃料電池ユニットの下方から前記貯湯ユニットの下方に突出するか、又は、前記第２の脚部が前記貯湯ユニットの下方から前記燃料電池ユニットの下方に突出するように構成され、
   前記第１の脚部と前記第２の脚部とが脚部連結金具で連結され、
   前記第１の脚部と前記第３の脚部と前記脚部連結金具とは、アンカーボルト取付用のアンカー穴が形成され、
   前記第１の脚部と前記第３の脚部と前記脚部連結金具とは、基礎とアンカーボルトで固定される、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記貯湯ユニットと前記燃料電池ユニットとが近接して設置されるとき、前記貯湯ユニットと前記燃料電池ユニットとの直方体の上部が上部連結金具で互いに連結されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。