JP5042143B2 - 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７は、従来の燃料電池発電システムを示すものである。

パッケージ１００内を隔壁１０１により分離することにより設けられた第１室１０２および第２室１０３と、第１室１０２の内部に配置された改質器１０４と、第１室の内部に配置された燃料電池本体１０５と、改質器１０４および燃料電池本体１０５を制御する第２室の内部に配置された制御装置１０６と、燃料電池本体１０５に空気を供給する空気ブロワ１０７とを備え、 第１室１０２と第２室１０３は、別々に換気が行われていた。
特開２００２−３２９５１５号公報

昨今、燃料電池発電システムの普及拡大のためには、大幅なコストダウンが必要とされており、スタックについては積層枚数を減らしてコストダウンと小型化を狙うことが技術トレンドとなっている。

積層枚数が減った分、スタック電圧が低下するので、電流を増やすことが必要である。

しかしながら、上記従来例の構成では、燃料電池本体（スタック）１０５と、燃料電池本体（スタック）１０５で発生した直流電力を交流電力に変換する電力変換回路を含んだ制御装置１０６が離れて配置しているため、燃料電池本体（スタック）１０５と電力変換回路を電気的に接続する電力線での電力ロスが大きくな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、スタックと電力変換回路を電気的に接続する電力線での電力ロスを低減することを目的とする。

上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、本体パッケージの内部に配置された改質器およびスタックと、前記スタックの積層方向の両端に設けた一対のスタック出力端子と、前記本体パッケージの内部に配置されると共に前記スタックと近接して配置された電力変換回路と、前記電力変換回路に設けられた一対の電力変換回路入力端子と、スタック出力端子と電力変換回路入力端子を電気的に接続するスタック出力線と、を有し、前記スタックの積層方向が、前記一対の電力変換回路入力端子を結ぶ直線に対して平行であることを特徴とするものである。

これによって、スタックと電力変換回路とを最短距離で電気的に接続するので、スタックと電力変換回路を電気的に接続する電力線での電力ロスを低減することができる。

本発明の燃料電池発電システムは、スタックと電力変換回路を近接して配置し、スタックと電力変換回路とを最短距離で電気的に接続するので、スタックと電力変換回路を電気的に接続するスタック出力線での電力ロスを低減し、発電効率の高い燃料電池発電システムを提供することができる。

第１の発明は、本体パッケージの内部に配置された改質器およびスタックと、スタックの積層方向の両端に設けた一対のスタック出力端子と、本体パッケージの内部に配置されると共にスタックと近接して配置された電力変換回路と、電力変換回路に設けられた一対の電力変換回路入力端子と、スタック出力端子と電力変換回路入力端子を電気的に接続するスタック出力線と、を有し、スタックの積層方向が、一対の電力変換回路入力端子を結ぶ直線に対して平行であることにより、スタックと電力変換回路とを最短距離で電気的に接続するので、スタックと電力変換回路を電気的に接続するスタック出力線での電力ロスを低減し、燃料電池発電システムの発電効率を高めることができる。

第２の発明は、第１の発明において、本体パッケージ内を第１室および第２室に分離する隔壁を有し、第１室の内部に改質器およびスタックが配置され、第２室の内部に電力変換回路および制御回路が配置され、前記スタックと前記電力変換回路を電気的に接続する前記電力線は、前記隔壁の一部を貫通するように設けられることにより、スタックと電力変換回路とを最短距離で電気的に接続するので、スタックと電力変換回路を電気的に接続するスタック出力線での電力ロスを低減し、燃料電池発電システムの発電効率を高めることができる。

第３の発明は、第２の発明において、スタックの積層方向が、隔壁と平行とすることにより、スタックのスタック出力端子と電力変換回路の電力変換回路入力端子とを最短距離で電気的に接続するので、スタックと電力変換回路を電気的に接続するスタック出力線での電力ロスを低減することができる。

第４の発明は、第２または第３の発明において、スタックが隔壁に隣接するとともに本体パッケージの面に隣接し、電力変換回路が隔壁に隣接するとともに本体パッケージの面に隣接することにより、スタックと電力変換回路とが近接して配置され、スタックと電力変換回路とを最短距離で電気的に接続するので、スタックと電力変換回路を電気的に接続するスタック出力線での電力ロスを更に低減することができる。

第５の発明は、第２から第４のうちいずれかの発明において、スタックと電力変換回路が隔壁を介して対向して配置されることにより、スタックと電力変換回路とが近接して配置され、スタックと電力変換回路とを最短距離で電気的に接続するので、スタックと電力変換回路を電気的に接続するスタック出力線での電力ロスを更に低減することができる。

第６の発明は、第２から第５のうちいずれかの発明において、スタックの天面と電力変換回路上面とを同一高さに配置したことにより、スタックと電力変換回路とを最短距離で電気的に接続するので、スタックと電力変換回路を電気的に接続するスタック出力線での電力ロスを更に低減することができる。

第７の発明は、第２から第６のうちいずれかの発明において、スタック出力線を、スタック天面に設けたスタック出力端子と、電力変換回路上部に設けた電力変換回路入力端子とを電気的に接続することにより、スタックと電力変換回路とを最短距離で電気的に接続するので、スタックと電力変換回路を電気的に接続するスタック出力線での電力ロスを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１、図２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である。

図１、図２において、本体パッケージ２内には改質器６、スタック７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６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。水供給装置１２は水配管１３を介して改質器６に接続されている。

スタック７は、改質器６と水素配管１４で接続され、バーナ１０と排水素配管１５で接続されており、空気ブロワ１６と空気配管１７で接続されている。また、凝縮器１８と排空気配管１９で接続されている。

本体パッケージ２の外壁には、排気口２０および排気ファン２１が設置されており、前記改質器６およびスタック７より風上になるように設けた第１吸気口２２が設置されている。

電気回路２３は、商用電源２４に接続されると共に、スタック７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２５と、制御回路２６から構成されている。

電力変換回路２５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、スタック７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。

スタック７と電力変換回路２５はスタック出力線２７により電気的に接続され、スタック７の積層方向に平行に前記電力変換回路２５に電力変換回路入力端子３２を設けている。

単セル２９が電力変換回路入力端子３２と平行に積層されており、単セル２９の積層方向の両側を、一対の集電板３０を用いて挟持し、集電板３０にはスタック出力線２７を接続するスタック出力端子３１が設けてある。

制御回路２６は、負荷の消費電力に基づいて都市ガス配管から改質器６に供給される都市ガスの流量を調整すると共に改質器６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６やスタック７の温度制御など種々の制御を行なっている。

本体パッケージ２の外壁には、電気回路２３より風上側に第２吸気口２８が設けられている。

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６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１４を通ってスタック７へ供給される。

一方、空気ブロワ１６から送られる空気は空気配管１７を通ってスタック７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。

スタック７で発生した直流電力は、スタック出力線２７を介して電力変換回路２５に入力され、電力変換回路２５で所定の電圧まで昇圧または減圧し、外部負荷からの電力要求
に応じて発電量を変化させる。

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１５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。

また、反応で生成した水および水蒸気を含んだ排空気は排空気配管１９を通って凝縮器１８に導かれ、水を分離する。凝縮器１８で分離された水は水配管１３を介して水供給装置１２から改質器６に供給され、改質反応の原料として使われる。

これら一連の動作を制御回路２６で行うものである。

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の内部に配置された改質器６とスタック７と、前記スタック７の積層方向の両端に設けたスタック出力端子３１と、本体パッケージ２の内部に配置されると共にスタック２と近接して配置された電力変換回路２５と、スタック７の積層方向に平行に電力変換回路２５に設けた電力変換回路入力端子３２と、スタック出力端子３１と電力変換回路入力端子３２を電気的に接続するスタック出力線２７とから構成するので、スタック７と電力変換回路２５とを最短距離で電気的に接続し、スタック出力線２７での電力ロスを低減することができ、発電効率の高い燃料電池発電システムを提供することができる。

そして、スタック出力線２７での電力ロスが増えないことから、スタック電流を増やすことが可能となり、スタック７の積層枚数を減らしてコストダウンと小型化を狙うことが可能となる。

また、スタック７の積層方向を電力変換回路入力端子３２と平行にしたものであり、この構成により、スタック出力端子３１と電力変換回路入力端子３２が更に近接するので、スタック出力線２７が更に短くなり、スタック出力線２７での電力ロスを更に低減することができる。

また、水素配管１４、排水素配管１５、空気配管１７、排空気配管１９が、集電板３０の両側に接続されるので、スタック出力端子３１と電力変換回路入力端子３２が更に近接するものである。

また、スタック出力線２７での電力ロスが増えないことから、スタック電流を増やすことが可能となり、スタック７の積層枚数を減らしてコストダウンと小型化を狙うことが可能となる。

反対に、スタック７の積層方向が電力変換回路入力端子３２と平行でない場合は、図３に示すように集電板の一方が電力変換回路２５から離れた位置となり、即ちスタック出力端子３１の一方が離れて配置されるため、一方のスタック出力線２７が長くなり、スタック出力線２７での電力ロスが増加するものである。

また、水素配管１４、排水素配管１５、空気配管１７、排空気配管１９が、集電板３０の両側に接続される構成となるため、スタック出力端子３１と電力変換回路入力端子３２間に水素配管１４、排空気配管１９が配置されることとなり、スタック出力端子３１と電力変換回路入力端子３２間の距離が長くなるものである。
（実施の形態２）

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４、図５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である。

図４、図５において、本体パッケージ２は、隔壁１によりガス経路を有する第１室３とガス経路のない第２室４に分離する構成となっている。なお、隔壁１の上部には空隙５を設けている。第１室３内には改質器６、スタック７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６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。水供給装置１２は水配管１３を介して改質器６に接続されている。

スタック７は、改質器６と水素配管１４で接続され、バーナ１０と排水素配管１５で接続されており、空気ブロワ１６と空気配管１７で接続されている。また、凝縮器１８と排空気配管１９で接続されている。

第１室３の外壁には、第２室４が風上に、第１室３が風下になるように設けた排気口２０および排気ファン２１が設置されており、改質器６およびスタック７より風上になるように設けた第１吸気口２２が設置されている。

電気回路２３は、商用電源２４に接続されると共に、スタック７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２５と、制御回路２６から構成されており、第２室の内部に配置されている。

電力変換回路２５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、スタック７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。

スタック７と電力変換回路２５はスタック出力線２７により電気的に接続されており、前記スタック出力線２７は隔壁１の上部に設けられた空隙５を貫通している。

単セル２９が電力変換回路入力端子３２と平行に積層されており、単セル２９の積層方向の両側を、一対の集電板３０を用いて挟持し、集電板３０にはスタック出力線２７を接続するスタック出力端子３１が設けてある。

制御回路２６は、負荷の消費電力に基づいて都市ガス配管から改質器６に供給される都市ガスの流量を調整すると共に改質器６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６やスタック７の温度制御など種々の制御を行なっている。

第２室の外壁には、電気回路２３より風上側に第２吸気口２８が設けられている。

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６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１４を通ってスタック７へ供給される。

一方、空気ブロワ１６から送られる空気は空気配管１７を通ってスタック７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。

スタック７で発生した直流電力は、スタック出力線２７を介して電力変換回路２５に入力され、電力変換回路２５で所定の電圧まで昇圧または減圧し、外部負荷からの電力要求
に応じて発電量を変化させる。

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１５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。

また、反応で生成した水および水蒸気を含んだ排空気は排空気配管１９を通って凝縮器１８に導かれ、水を分離する。凝縮器１８で分離された水は水配管１３を介して水供給装置１２から改質器６に供給され、改質反応の原料として使われる。

これら一連の動作を制御回路２６で行うものである。

以上のように、本実施の形態２においては、本体パッケージ２内を第１室３および第２室４に分離すると共に上部に空隙５を設けた隔壁１と、第１室３の内部に配置されたスタック７と、第２室４の内部に配置され電力変換回路２５と制御回路２６から構成される電気回路２３と、スタック７と電力変換回路２５を電気的に接続するスタック出力線２７とから構成し、前記スタック出力線２７は前記空隙５を貫通することにより、スタック７と電力変換回路２５とを最短距離で電気的に接続するので、スタック７と電力変換回路２５を電気的に接続するスタック出力線での電力ロスを低減することができ、発電効率の高い燃料電池発電システムを提供することができる。

また、スタック出力線での電力ロスが増えないことから、スタック電流を増やすことが可能となり、スタックの積層枚数を減らしてコストダウンと小型化を狙うことが可能となる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について、図４、図５に基づいて説明する。

本実施の形態３は、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。

なお、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３は、スタック７の積層方向を隔壁１と平行にしたものであり、単セル２９が隔壁１と平行に積層されており、単セル２９の積層方向の両側を集電板３０の一対を用いて挟持し、集電板３０にはスタック出力線２７を接続するスタック出力端子３１が接続されている。電力変換回路２５には電力変換回路入力端子３２を設けている。

この構成により、スタック出力線２７を接続する、スタック出力端子３１と電力変換回路入力端子３２が近接するので、スタック出力線２７が短くなり、スタック出力線２７での電力ロスを低減することができる。

反対に、スタック７の積層方向が隔壁１と平行でない場合は、図６に示すように集電板の一方が電力変換回路２５から離れた位置となり、即ちスタック出力端子３１の一方が離れて配置されるため、一方のスタック出力線２７が長くなり、スタック出力線２７での電力ロスが増加するものである。
（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４に基づいて説明する。

本実施の形態４は、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。

なお、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。

実施の形態４は、スタック７は隔壁１に隣接すると共に本体パッケージ２の天面３３に隣接して配置し、電力変換回路２５は隔壁１に隣接すると共に本体パッケージ２の天面３３に隣接して配置したもので、スタック７と電力変換回路２５が近接して配置されるので、スタック出力線２７が短くなり、スタック出力線２７での電力ロスを更に低減することができる。
（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４、図５に基づいて説明する。

本実施の形態５は、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。

なお、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。

実施の形態５は、スタック７と電力変換回路２５が隔壁１を介して対向しているもので、スタック７と電力変換回路２５が隣接して配置されるので、スタック７と電力変換回路２５が近接して配置され、スタック出力線２７が短くなり、スタック出力線２７での電力ロスを更に低減することができる。
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６について、上記と同様に図４、図５に基づいて説明する。

本実施の形態は、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。

なお、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。

実施の形態５は、スタック７の天面と電力変換回路２５の上面を同一高さに配置したもので、スタック７と電力変換回路２５が近接且つ同一高さにして配置されるので、スタック出力線２７が短くなり、スタック出力線２７での電力ロスを更に低減することができる。

本実施の形態は、実施の形態６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。

なお、上記の実施の形態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７は、スタック出力線２７が、スタック７の天面に設けたスタック出力端子３１と、電力変換回路２５の上部に設けた電力変換回路入力端子３２とを電気的に接続するので、スタック出力線２７が短くなり、スタック出力線２７での電力ロスを更に低減することができる。

本発明の燃料電池発電システムは、スタックと電力変換回路を近接して配置し、スタックと電力変換回路とを最短距離で電気的に接続するので、スタックと電力変換回路を電気的に接続するスタック出力線での電力ロスを低減することができ、また、スタック電流を増やすことも可能となり、スタックの積層枚数を減らしてコストダウンと小型化を狙うことも可能となるので、多様な方式の燃料電池発電システムの用途にも適用できる。

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 同燃料電池発電システムの上面図 同燃料電池発電システムの対比例を示す燃料電池発電システム上面図 本発明の実施の形態２〜７における燃料電池発電システムの構成図 同燃料電池発電システムの上面図 同燃料電池発電システムの対比例を示す燃料電池発電システム上面図 従来の燃料電池発電システムの構成図

符号の説明

１ 隔壁
２ 本体パッケージ
３ 第１室
４ 第２室
５ 空隙
６ 改質器
７ スタック
２５ 電力変換回路
２６ 制御回路
２７ スタック出力線
３１ スタック出力端子
３２ 電力変換回路入力端子
３３ 天面

Claims (7)

1. 本体パッケージの内部に配置された改質器およびスタックと、
   前記スタックの積層方向の両端に設けた一対のスタック出力端子と、
   前記本体パッケージの内部に配置されると共に前記スタックと近接して配置された電力変換回路と、
   前記電力変換回路に設けられた一対の電力変換回路入力端子と、
   スタック出力端子と電力変換回路入力端子を電気的に接続するスタック出力線と、を有し、
   前記スタックの積層方向が、前記一対の電力変換回路入力端子を結ぶ直線に対して平行である、燃料電池発電システム。
2. 前記本体パッケージ内を第１室および第２室に分離する隔壁を有し、前記第１室の内部に前記改質器および前記スタックが配置され、前記第２室の内部に前記電力変換回路および制御回路が配置され、前記スタックと前記電力変換回路を電気的に接続する前記電力線は、前記隔壁の一部を貫通するように設けられる請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 前記スタックの積層方向が、前記隔壁と平行である請求項２記載の燃料電池発電システム。
4. 前記スタックが前記隔壁に隣接するとともに前記本体パッケージの面に隣接し、前記電力変換回路が前記隔壁に隣接するとともに前記本体パッケージの面に隣接する請求項２または３記載の燃料電池発電システム。
5. 前記スタックと前記電力変換回路が前記隔壁を介して対向している請求項２から４のいずれか１項記載の燃料電池発電システム。
6. 前記スタックの天面と前記電力変換回路の上面とを同一高さに配置した請求項２から５のいずれか１項記載の燃料電池発電システム。
7. 前記スタック出力線は、前記スタックの天面に設けた前記スタック出力端子と、前記電力変換回路の上部に設けた前記電力変換回路入力端子とを電気的に接続する請求項２から６のいずれか１項記載の燃料電池発電システム。

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