JP5026353B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素を反応させ発電する燃料電池発電システムに関するものである。

従来の燃料電池発電システムは、本体パッケージ内に隔壁を設けて、改質器、スタックを配置したガス使用エリアと、制御装置を配置した非ガスエリアに分離している（例えば、特許文献１参照）。

図３は、従来の燃料電池発電システムの構成図である。

本体パッケージ１００には、都市ガス配管から供給される都市ガスを水蒸気改質反応により水素リッチな燃料ガスに改質する改質器１０１と、改質器１０１から供給される燃料ガスと空気との供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池スタック１０２と、燃料電池スタック１０２の冷却媒体（冷却水など）の循環流路に組み込まれて冷却媒体を冷却する熱交換器１０３と、燃料電池スタック１０２からの排ガス中の水蒸気を凝縮させて水を回収する凝縮器１０４と、貯湯タンク１０５の底部に接続された冷水管１０６から冷水の供給を受けて改質器１０１への水の供給や凝縮器１０４および熱交換器１０３へ冷却水の供給を行なう水系統１０７と、燃料電池スタック１０２からの直流電力を交流電力に変換して商用電源からの配線に供給する電力変換回路１０８と、本体パッケージ１００内の各部をコントロールする制御装置１０９とが配置されている。

貯湯パッケージ１１０には、図示するように、水道管からの給水管が底部に取り付けられると共に給湯管が頂部に取り付けられた貯湯タンク１０５が配置されており、貯湯タンク１０５の底部と頂部には、本体パッケージ１００に接続される冷水管１０６と温水管１１１とが取り付けられている。

この構成により、発電と温水の提供が効率良く行える燃料電池システムを実現することができる。
特開２００４−１１１２０８号公報

しかしながら、従来の燃料電池発電システムは、燃料電池本体と貯湯槽が別体であるため、住宅などの建物に燃料電池システムを導入するには、かなりの広さの設置スペースを必要とするという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池を建物内に日常生活に邪魔にならないように設置することができ、電力と熱を有効に利用し、且つ省スペースな燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、本体パッケージ内に設けた貯湯槽と、前記本体パッケージ内に設けたスタックおよび改質器と、前記本体パッケージ内に設けた電力変換回路を有する電気回路と、前記本体パッケージ上部に設けた換気ファンと、前記本体パッケージ下部に設けた吸気口から構成し、前記貯湯槽の横に前記スタック、前記改質器および前記電気回路を前記貯湯槽と略同一高さになるように縦方向に配置するとともに、前記スタックおよび前記改質器は前記電気回路より上に設けたものである。

これによって、省スペースな貯湯槽一体型燃料電池を提供できる。

また、改質器やスタックから原料ガスや水素などの可燃性ガスが万一漏出した場合においても、可燃性ガスは改質器やスタックを設けた本体パッケージに漏出するが、本体パッケージで改質器およびスタックより下部に設けた吸気口から吸い込まれた外気が本体パッケージに漏出した可燃性ガスを押し出して、本体パッケージ上部に設けた換気ファンにより外部に排出される。

また、埃の多い環境で長期間使用されて高電圧回路の接点等に埃が蓄積した場合や、湿気の高い環境で長期間使用されて電気回路の接点等に水分が付着した場合にアーク等が発生することが万が一にも重なった場合においても、電気回路は改質器やスタックより下にあり、且つ原料ガスや水素などの可燃性ガスは空気より軽いため、原料ガスや水素などの可燃性ガスが電気回路に至ることはなく、爆発等の危険性は全くなくなる。

本発明の燃料電池発電システムは、省スペースな貯湯槽一体型燃料電池を提供できる。

また、改質器やスタックから原料ガスや水素などの可燃性ガスが万一漏出した場合に、且つ、埃の多い環境で長期間使用されて高電圧回路の接点等に埃が蓄積したり、湿気の高い環境で長期間使用されて高電圧回路の接点等に水分が付着したりした場合にアーク等が発生することが万が一にも重なった場合においても、爆発等の危険性は全くなくなる。

第１の発明は、本体パッケージ内に設けた貯湯槽と、本体パッケージ内に設けたスタックおよび改質器と、前記本体パッケージ内に設けた電力変換回路を有する電気回路と、本体パッケージ上部に設けた換気ファンと、本体パッケージ下部に設けた吸気口から構成し、貯湯槽の横に前記スタック、前記改質器および前記電気回路を前記貯湯槽と略同一高さになるように縦方向に配置するとともに、前記スタックおよび前記改質器は前記電気回路より上に設けたものである。

この構成により、省スペースな貯湯槽一体型燃料電池を提供できる。

また、改質器やスタックから原料ガスや水素などの可燃性ガスが万一漏出した場合に、且つ、埃の多い環境で長期間使用されて電気回路の接点等に埃が蓄積したり、湿気の高い環境で長期間使用されて電気回路の接点等に水分が付着したりした場合にアーク等が発生することが万が一にも重なった場合においても、爆発等の危険性は全くなくなる。

第２の発明は、第１の発明において、本体パッケージ内の第１室に貯湯槽を設け、本体パッケージ内の第２室にスタック、改質器および電気回路を設け、第２室上部に換気ファンを設け、第２室下部に吸気口を設けたものである。

この構成により、省スペースな貯湯槽一体型燃料電池を提供できる。

また、改質器やスタックから原料ガスや水素などの可燃性ガスが万一漏出した場合に、且つ、埃の多い環境で長期間使用されて電気回路の接点等に埃が蓄積したり、湿気の高い環境で長期間使用されて電気回路の接点等に水分が付着したりした場合にアーク等が発生することが万が一にも重なった場合においても、爆発等の危険性がなくなる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、可燃ガスセンサを換気ファンの吸気側に近接させて配置したものである。

この構成により、改質器やスタックから原料ガスや水素などの可燃性ガスが万一漏出した場合においても、本体パッケージ内の空気は全て換気ファンに集まり排気口から排出されるため、可燃性ガスの漏洩をいち早く検知し燃料電池発電システムの運転を停止するなどの措置を取ることができ、安全性をさらに高めることができる。

第４の発明は、第１の発明において、温度異常検出手段を本体パッケージの上部に設けたものである。

この構成により、改質器およびスタックの配置された本体パッケージで異常燃焼等により異常温度上昇が発生した場合は、本体パッケージ上部に設けた温度異常検出手段が温度異常をいち早く検知し、燃料電池発電システムの運転を停止するなどの措置を取ることができ、安全性をさらに高めることがｓできる。

第５の発明は、第２の発明において、温度異常検出手段を第２室の上部に設けたものである。

この構成により、改質器およびスタックの配置された本体パッケージで異常燃焼等により異常温度上昇が発生した場合は、第２室上部に設けた温度異常検出手段が温度異常をいち早く検知し、燃料電池発電システムの運転を停止するなどの措置を取ることができ、安全性をさらに高めることができる。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの構成図を示すものである。

図１において、本体パッケージ２の中には改質器５、スタック６などの可燃性ガスが流通する部品が配置されている。

改質器５には、原料ガス配管８と、燃焼ファン９を取付けたバーナ１０と改質器排気口１１が設けられている。

スタック６は、改質器５と水素配管１２で接続され、バーナ１０と排水素配管１３で接続されており、空気ブロワ１４と空気配管１５で接続されている。また、熱交換器１６と冷水管１７と温水管１８で接続されている。

本体パッケージ２の外壁には、排気口１９および換気ファン２０が設置されており、前記改質器５およびスタック６より風上になるように設けた吸気口２１が設置されている。

貯湯槽３には水道管からの給水管２２が底部に取り付けられると共に、給湯管２３が頂部に取り付けられている。貯湯槽３の底部には熱交換器１６に接続される冷水管２４が取り付けられており、貯湯槽３の頂部には、熱交換器１６に接続される温水管２５が取り付けられている。

電気回路２６は、前記改質器５およびスタック６より下に配置されると共に１００Ｖ以上を扱う高電圧回路２７と、低電圧回路２８から構成されている。高電圧回路２７は、商用電源に接続されると共に、スタック６からの直流電力を交流電力に変換して商用電源に供給する電力変換回路２９と交流商用電源を直流低電圧に変換する電源回路３０から構成されている。

電力変換回路２９は、昇圧回路やインバータ回路などの回路（図示せず）と電圧センサや電流センサなどのセンサ（図示せず）とにより構成されており、燃料電池スタック６からの直流電力を商用電源の交流電力と同位相の交流電力に変換して商用電源に接続された負荷（図示せず）に供給できるよう接続されている。

低電圧回路２８は、本体パッケージ２内の各部を制御する制御手段である。制御手段である低電圧回路２８は、負荷の消費電力に基づいて都市ガス配管から改質器５に供給される都市ガスの流量を調整すると共に改質器５に供給される水の流量を調整することによるシステムにおける発電電力の制御や改質器５やスタック６の温度制御など種々の制御を行なっている。

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

原料ガス配管８から供給されたメタンなどの原料ガスは、改質器５の中でバーナ１０によって加熱され改質反応を起こし水素に変換され水素配管１２を通ってスタック６へ供給される。

一方、空気ブロワ１４から送られる空気は空気配管１５を通ってスタック６へ供給され、これら供給された水素と空気中の酸素を反応させ発電を行うものである。

そして反応に使われなかった残りの水素（排水素）は排水素配管１３を通ってバーナ１０に供給され改質反応の加熱燃料として用いられる。

なお、換気ファン２０の吸気側であって換気ファン２０に近接して可燃ガスセンサ３１が設けられ、本体パッケージ２の上部には温度過昇防止スイッチ３２が設けられている。

以上のように、本実施の形態においては、本体パッケージ２内に設けた貯湯槽３と、同じく本体パッケージ２内に設けたスタック６および改質器５と、高電圧回路２７と低電圧回路２８から構成される電気回路２６と、本体パッケージ２上部に設けた換気ファン２０と、本体パッケージ２下部に設けた吸気口２１から構成し、貯湯槽３の横にスタック６および改質器５、電気回路２６を貯湯槽３と略同一高さになるように縦方向に配置するとともに、スタック６および改質器５は高電圧回路２７より上に設けたことにより、省スペースな貯湯槽一体型燃料電池を提供できる。

また、改質器５やスタック６から原料ガスや水素などの可燃性ガスが万一漏出した場合に、且つ、埃の多い環境で長期間使用されて高電圧回路２７の接点等に埃が蓄積したり、湿気の高い環境で長期間使用されて高電圧回路２７の接点等に水分が付着したりした場合にアーク等が発生することが万が一にも重なった場合においても、爆発等の危険性がなくなる。
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムの構成図を示すものである。

図２に示すように、本体パッケージ２内を、貯湯槽３を有する第１室４と、改質器５、スタック６などの可燃性ガスが流通する部品を配置した第２室７に分離するための隔壁１を設けている。

改質器５には、原料ガス配管８と、燃焼ファン９を取付けたバーナ１０と改質器排気口１１が備え付けられている。

スタック６は、改質器５と水素配管１２で接続され、バーナ１０と排水素配管１３で接続されており、空気ブロワ１４と空気配管１５で接続されている。また、熱交換器１６と冷水管１７と温水管１８で接続されている。

本体パッケージ２の外壁には、排気口１９および換気ファン２０が設置されており、改質器５およびスタック６より風上になるように設けた吸気口２１が設置されている。

貯湯槽３には水道管からの給水管２２が底部に取り付けられると共に、給湯管２３が頂部に取り付けられている。貯湯槽３の底部には熱交換器１６に接続される冷水管２４が取り付けられており、貯湯槽３の頂部には、熱交換器１６に接続される温水管２５が取り付けられている。

電気回路２６は、前記改質器５およびスタック６より下に配置されると共に１００Ｖ以上を扱う高電圧回路２７と、低電圧回路２８から構成されている。高電圧回路２７は、商用電源に接続されると共に、スタック６からの直流電力を交流電力に変換して商用電源に供給する電力変換回路２９と交流商用電源を直流低電圧に変換する電源回路３０から構成されている。

電力変換回路２９は、昇圧回路やインバータ回路などの回路（図示せず）と電圧センサや電流センサなどのセンサ（図示せず）とにより構成されており、燃料電池スタック６からの直流電力を商用電源の交流電力と同位相の交流電力に変換して商用電源に接続された負荷（図示せず）に供給できるよう接続されている。

低電圧回路２８は、本体パッケージ２内の各部を制御する制御手段である。制御手段である低電圧回路２８は、負荷の消費電力に基づいて都市ガス配管から改質器５に供給される都市ガスの流量を調整すると共に改質器５に供給される水の流量を調整することによるシステムにおける発電電力の制御や改質器５やスタック６の温度制御など種々の制御を行なっている。

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

原料ガス配管８から供給されたメタンなどの原料ガスは、改質器５の中でバーナ１０によって加熱され改質反応を起こし水素に変換され水素配管１２を通ってスタック６へ供給される。

一方、空気ブロワ１４から送られる空気は空気配管１５を通ってスタック６へ供給され、これら供給された水素と空気中の酸素を反応させ発電を行うものである。

そして反応に使われなかった残りの水素（排水素）は排水素配管１３を通ってバーナ１０に供給され改質反応の加熱燃料として用いられる。

以上のように、本実施の形態２においては、第１室４に設けた貯湯槽３と、第２室７に設けたスタック６および改質器５と、高電圧回路２７と低電圧回路２８から構成される電気回路２６と、第２室７上部に設けた換気ファン２０と、第２室７下部に設けた吸気口２１から構成し、貯湯槽３の横にスタック６、改質器５および電気回路２６を貯湯槽３と略同一高さになるように縦方向に配置すると共に、スタック６および改質器５は高電圧回路２７より上に設けたことにより、第１室４に貯湯槽３が縦置きに配置され、第２室７にスタック６、改質器５、熱交換器１６、高電圧回路２７、低電圧回路２８が縦置きに配置されることにより、省スペースな貯湯槽一体型燃料電池を提供できる。

また、改質器５やスタック６から原料ガスや水素などの可燃性ガスが万一漏出した場合に、且つ、埃の多い環境で長期間使用されて高電圧回路２７の接点等に埃が蓄積したり、湿気の高い環境で長期間使用されて高電圧回路２７の接点等に水分が付着したりした場合にアーク等が発生することが万が一にも重なった場合においても、爆発等の危険性なくなる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について、上記と同様に図１に基づいて説明する。

本実施の形態３は、実施の形態１と基本的な構成は同じであるが、ここでは、以下の点について、更に詳細に説明する。

尚、上記の実施の形態１において既に説明した内容については、その説明を省略する。

本実施の形態３は、本体パッケージ２において換気ファン２０の吸気側の換気ファン２０に近接して可燃ガスセンサ３１を設けたもので、可燃性ガス流通部品から可燃性ガスが万一漏出した場合でも、本体パッケージ２内の空気は全て換気ファン２０に集まり排気口１９から排出されるため、可燃性ガスの漏洩をいち早く検知し燃料電池発電システムの運転を停止するなどの措置を取ることができ、安全性をさらに高めることができるものである。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４について、上記と同様に図１に基づいて説明する。

本実施の形態４は、本実施の形態１と基本的な構成は同じであるが、ここでは、以下の点について、更に詳細に説明する。

尚、上記の実施の形態１において既に説明した内容については、その説明を省略する。

実施の形態４は、本体パッケージ２の上部に温度過昇防止スイッチ３２を設けたもので、本体パッケージ２において改質器５中での異常燃焼が生じた場合には本体パッケージ２の上部に設けた温度過昇防止スイッチ３２が温度異常として検出し、燃料電池発電システムの運転を停止するなどの措置を取ることができ、安全性をさらに高めることができるものである。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５について、上記と同様に図２に基づいて説明する。

本実施の形態５は、本実施の形態２と基本的な構成は同じであるが、ここでは、以下の点について、更に詳細に説明する。

尚、上記の実施の形態２において既に説明した内容については、その説明を省略する。

本実施の形態５は、第２室７の上部に温度過昇防止スイッチ３２を設けたもので、第２室７において改質器５中での異常燃焼が生じた場合には第２室７の上部に設けた温度過昇防止スイッチ３２が温度異常として検出し、燃料電池発電システムの運転を停止するなどの措置を取ることができ、安全性をさらに高めることができるものである。

以上のように、本発明の燃料電池発電システムは、省スペースな貯湯槽一体型燃料電池を提供できる。

また、改質器やスタックから原料ガスや水素などの可燃性ガスが万一漏出した場合に、且つ、埃の多い環境で長期間使用されて高電圧回路の接点等に埃が蓄積したり、湿気の高い環境で長期間使用されて高電圧回路の接点等に水分が付着したりした場合にアーク等が発生することが万が一にも重なった場合においても、爆発等の危険性は全くなくなる。

本発明の実施の形態１、３、４における燃料電池発電システムの構成図 本発明の実施の形態２、５における燃料電池発電システムの構成図 従来の燃料電池発電システムの構成図

符号の説明

２ 本体パッケージ
３ 貯湯槽
４ 第１室
５ 改質器
６ スタック
７ 第２室
２０ 換気ファン
２１ 吸気口
２６ 電気回路
２７ 高電圧回路
２８ 低電圧回路
３１ 可燃ガスセンサ
３２ 温度過昇防止スイッチ

Claims (5)

1. 本体パッケージ内に設けた貯湯槽と、前記本体パッケージ内に設けたスタックおよび改質器と、前記本体パッケージ内に設けた電力変換回路を有する電気回路と、前記本体パッケージ上部に設けた換気ファンと、前記本体パッケージ下部に設けた吸気口から構成し、前記貯湯槽の横に前記スタック、前記改質器および前記電気回路を前記貯湯槽と略同一高さになるように縦方向に配置するとともに、前記スタックおよび前記改質器は前記電気回路より上に設けた燃料電池発電システム。
2. 前記本体パッケージ内の第１室に前記貯湯槽を設け、前記本体パッケージ内の第２室に前記スタック、前記改質器および前記電気回路を設け、前記第２室上部に前記換気ファンを設け、前記第２室下部に前記吸気口を設けた請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 可燃ガスセンサを前記換気ファンの吸気側に近接させて配置した請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
4. 温度異常検出手段を前記本体パッケージの上部に設けた請求項１に記載の燃料電池発電システム。
5. 温度異常検出手段を前記第２室の上部に設けた請求項２に記載の燃料電池発電システム。

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