特許 5777433 燃料電池発電システムおよびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5777433

(24)【登録日】2015年7月17日

(45)【発行日】2015年9月9日

(54)【発明の名称】燃料電池発電システムおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20060101AFI20150820BHJP

   H01M 8/10 20060101ALN20150820BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 N

   H01M8/04 J

   !H01M8/10

【請求項の数】17

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2011-160796(P2011-160796)

(22)【出願日】2011年7月22日

(65)【公開番号】特開2012-146627(P2012-146627A)

(43)【公開日】2012年8月2日

【審査請求日】2014年1月16日

(31)【優先権主張番号】特願2010-175640(P2010-175640)

(32)【優先日】2010年8月4日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2010-286349(P2010-286349)

(32)【優先日】2010年12月22日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】301060299

【氏名又は名称】東芝燃料電池システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100159651

【弁理士】

【氏名又は名称】高倉 成男

(74)【代理人】

【識別番号】100088683

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100109830

【弁理士】

【氏名又は名称】福原 淑弘

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140176

【弁理士】

【氏名又は名称】砂川 克

(74)【代理人】

【識別番号】100158805

【弁理士】

【氏名又は名称】井関 守三

(74)【代理人】

【識別番号】100124394

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 立志

(74)【代理人】

【識別番号】100112807

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 貴志

(74)【代理人】

【識別番号】100111073

【弁理士】

【氏名又は名称】堀内 美保子

(72)【発明者】

【氏名】新井 康弘

(72)【発明者】

【氏名】篠原 隆之

(72)【発明者】

【氏名】宇田川 純

(72)【発明者】

【氏名】殿城 賢三

(72)【発明者】

【氏名】冨樫 法仁

【審査官】 久保田 創

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−３０５０１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０６９１７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１５６７５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０１６７５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２８３６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２８４３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０２１２７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０４３０６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１９０７１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２７７０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１５８７１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１９５６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０３０７０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１６３１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２４２２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０６３３０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０５２６４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２１１５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２０３０９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の外側に設けられ、複数の機器を設置する部分を有し、燃料、空気又は水が流れる複数の流路の集合体として構成され、前記複数の流路を規定する内壁がすべて樹脂で形成された樹脂モジュールと
を具備し、
前記複数の流路は、前記複数の機器にそれぞれ対応するように形成され、かつ、前記樹脂モジュールの中でまとめて形成され、
前記樹脂モジュールには溶着部材が振動溶着により溶着しており、
前記樹脂モジュールは、振動溶着時に発生した磨耗粉を封じ込める磨耗粉封止部を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。

【請求項2】

前記樹脂モジュールは、前記流路の入口及び出口に設けられた入口接続部及び出口接続部を備えており、前記入口接続部及び前記出口接続部は、クイックファスナ構造であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。

【請求項3】

燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の外側に設けられ、複数の機器を設置する部分を有し、燃料、空気又は水が流れる複数の流路の集合体として構成され、前記複数の流路を規定する内壁が樹脂で形成された樹脂モジュールと
を具備し、
前記複数の流路は、前記複数の機器にそれぞれ対応するように形成され、かつ、前記樹脂モジュールの中でまとめて形成されており、
前記樹脂モジュールの内部は、前記流路よりも断面積が大きく、前記流路に繋がったバッファ部をさらに備えていることを特徴する燃料電池発電システム。

【請求項4】

前記樹脂モジュールは、Ｏリングを介して機器を設置する構造であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。

【請求項5】

前記樹脂モジュールの樹脂材料は、ポリフェニレンサルファイドを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。

【請求項6】

燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の外側に設けられ、複数の機器を設置する部分を有し、燃料、空気又は水が流れる複数の流路の集合体として構成され、前記複数の流路を規定する内壁が樹脂で形成された樹脂モジュールと
を具備し、
前記複数の流路は、前記複数の機器にそれぞれ対応するように形成され、かつ、前記樹脂モジュールの中でまとめて形成されており、
前記樹脂モジュールは、複数の流路を樹脂で一体に成型したものであり、
前記樹脂モジュールにシール部材を介して設置される機器をさらに具備し、
前記樹脂モジュールおよび前記機器の一方に貫通穴、他方に前記貫通穴より径の小さい小径穴が設けられ、前記貫通穴と前記小径穴に固定ねじが捻じ込み固定され、
前記固定ねじとして、インサート部材が不要なタッピングねじが使用され、当該ねじの個々のねじ山の角度が２０°〜３５°の範囲内にあることを特徴とする燃料電池発電システム。

【請求項7】

前記樹脂モジュールは、
前記シール部材が配置される場所に位置する第１の凸構造部と、
前記固定ねじが捻じ込み固定される複数の場所に位置する第２の複数の凸構造部と、
前記第１の凸構造部および前記第２の複数の凸構造部のうちの少なくとも２つを連結するリブと
を含むことを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電システム。

【請求項8】

前記樹脂モジュールと相対する位置における前記機器の材料は、前記樹脂モジュールの材料と同じであることを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池発電システム。

【請求項9】

前記樹脂モジュールと前記機器との設置面に、複数のシール部材が配置され、これらのシール部材に区切られた各領域にそれぞれ異なる流体の導通口が設けられていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。

【請求項10】

燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の外側に設けられ、複数の機器を設置する部分を有し、燃料、空気又は水が流れる複数の流路の集合体として構成され、前記複数の流路を規定する内壁がすべて樹脂で形成された樹脂モジュールと
を具備し、
前記複数の流路は、前記複数の機器にそれぞれ対応するように形成され、かつ、前記樹脂モジュールの中でまとめて形成されている燃料電池発電システムの製造方法において、
複数の流路を樹脂で一体に成型して前記樹脂モジュールを形成し、
前記樹脂モジュールに機器をシール部材を介して設置し、
前記樹脂モジュールおよび前記機器の一方に貫通穴、他方に前記貫通穴より径の小さい小径穴を設け、前記貫通穴と前記小径穴に固定ねじを捻じ込み固定し、
前記固定ねじとして、インサート部材が不要なタッピングねじを使用し、当該ねじの個々のねじ山の角度が２０°〜３５°の範囲内にあることを特徴とする燃料電池発電システムの製造方法。

【請求項11】

水素リッチなガスと酸素とを反応させて直流電力を作る燃料電池本体と、前記水素リッチなガスを生成する，バーナを備えた改質装置とを具備する燃料電池発電システムにおいて、
前記改質装置に原燃料を供給する第１の流路と、前記改質装置から排出される改質ガスが流通する第２の流路を備える第１の集積配管と、
前記燃料電池本体に空気を供給する第３の流路と、前記改質装置に空気を供給する第４の流路と、前記改質装置のバーナに空気を供給する第５の流路を備えた第２の集積配管と、
前記バーナに原燃料と空気を供給する第６の流路と、前記燃料電池本体から排出されるアノードオフガスが流通する第７の流路を備えた第３の集積配管と、
前記燃料電池本体に空気を供給する第８の流路と、前記燃料電池本体から排出されるカソードオフガスが流通する第９の流路を備えた第４の集積配管と、
前記燃料電池本体に改質ガスと空気を供給する第１０の流路と、前記アノードオフガスが流通する第１１の流路を備えた第５の集積配管と、
前記改質装置から排出される改質ガスが流通する第１２の流路と、前記燃料電池本体に空気を供給する第１３の流路を備えた第６の集積配管と、
前記改質装置に冷却水を供給する第１４の流路を備えた第７の集積配管と、
前記燃料電池本体に冷却水を供給する第１５の流路を備えた第８の集積配管と、
前記燃料電池本体と前記改質装置に冷却水を供給する第１６の流路と、前記燃料電池本体から排出された冷却水が流通する第１７の流路を備えた第９の集積配管のうち、全ての第１〜第９の集積配管、又はいずれか一つの集積配管を備え、当該集積配管が前記樹脂モジュールの中に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。

【請求項12】

前記第１〜第５の集積配管と、前記第８・第９の集積配管と、前記第６の集積配管と前記第７の集積配管の機能を有した第１０の集積配管のうち、全ての前記集積配管、又はいずれか一つの集積配管を備え、当該集積配管が前記樹脂モジュールの中に形成されていることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池発電システム。

【請求項13】

前記第１〜第７，第９の集積配管のうち、全ての前記集積配管、又はいずれか一つの集積配管を備え、前記第８の集積配管の機能を前記第４の集積配管と前記第５の集積配管が備え、当該集積配管が前記樹脂モジュールの中に形成されていることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池発電システム。

【請求項14】

前記第２，第４〜第９の集積配管と、前記第１・第３の集積配管の機能を有した第１１の集積配管のうち、全ての前記集積配管、又はいずれか一つの集積配管を備え、当該集積配管が前記樹脂モジュールの中に形成されていることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池発電システム。

【請求項15】

前記第１〜第３，第６，第７，第９の集積配管と、前記第４，第５，第８の集積配管の機能を有した第１２の集積配管のうち、全ての前記集積配管、又はいずれか一つの集積配管を備え、当該集積配管が前記樹脂モジュールの中に形成されていることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池発電システム。

【請求項16】

前記第４〜第９の集積配管と、前記第１，第２，第３の集積配管の機能を備えた第１３の集積配管のうち、全ての前記集積配管、又はいずれか一つの集積配管を備え、当該集積配管が前記樹脂モジュールの中に形成されていることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池発電システム。

【請求項17】

水素リッチなガスと酸素とを反応させて直流電力を作る燃料電池本体を具備する燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池本体に原燃料を供給する第１８の流路を備えた第１４の集積配管と、
前記燃料電池本体に空気を供給する第１９の流路と、前記燃料電池本体から排出される空気が流通する第２０の流路と、前記燃料電池本体にバイパスする空気が流通する第２１の流路を備えた第１５の集積配管と、
前記燃料電池本体に流通する冷却水の第２２の流路を備えた第１６の集積配管のうち、全ての第１４〜１６の集積配管、又は、いずれか一つの集積配管を備え、当該集積配管が前記樹脂モジュールの中に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、燃料電池発電システムおよびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池の一つとして固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell: PEFC）が知られている。固体高分子型燃料電池の電池セルは、燃料極であるアノード側電極と、酸化剤極であるカソード側電極と、これらのアノード側電極とカソード側電極とに挟まれた固体高分子電解質膜とを含んでいる。固体高分子型燃料電池は、上記電池セルをセパレータで挟持してなる積層物を複数枚積層して構成されている。

【0003】

車載用の固体高分子型燃料電池の場合、機動性を重視するため、通常、燃料には純水素を使用し、酸化剤には空気を用いたシステムが多い。

【0004】

ところが、定置用や家庭用の固体高分子型燃料電池の場合、インフラの問題から燃料には、メタン成分の多い都市ガスやプロパンガスを使用するシステムが求められる。この場合は、燃料を水素に改質するために、燃料に水蒸気を混合して水素を生成させる燃料処理器を用いる方法が一般的である。

【0005】

いずれのシステムにおいても、アノード電極側に供給された水素がイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、カソード電極側の酸素と反応し、水を生成するとともに、外部に対して電気エネルギーが得られる。

【0006】

ところで、固体高分子型燃料電池は、電気エネルギーを発生するとともに、約１００℃以下の排熱を生じる。これは、温度の高い電池温度から周囲温度への放熱分が熱として発生するからである。一方、燃料を水素に改質するための燃料処理器においても、通常、改質器等の改質反応の加熱に燃焼器を使うために、燃焼排ガスや燃料処理器外部からの排熱が生じる。

【0007】

このような燃料電池が発電するときに発生する熱を利用すれば、電気エネルギーとのハイブリッド運転、すなわちコジェネレーション運転となるため、非常に経済的でエネルギー効率の高い、地球環境に優しい運転を実現できる。

【0008】

近年、このような燃料電池発電システムを家庭に導入しようという開発が行われている。既に日本では実用化が始まっている。上記燃料電池発電システムは二酸化炭素の排出量が少なく、環境性や省エネ性の点で優れている。そのため、地球温暖化の防止を図れるエネルギーシステムとして脚光を浴びている。

【0009】

この燃料電池発電システムは小型で設置面積が狭いほど、設置可能な場所が多くなるため、市場規模の拡大、省エネ機器の普及に繋がる。また、システムが小型、軽量であるほど、設置のための移動が容易になり、その商品性は向上する。

【0010】

したがって、燃料電池発電システムの普及を促進させるためには、発電効率や排熱効率のシステムの基本性能の向上のみならず、製造性を高めてコンパクト化を図れるようにすることが求められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開２００４−１７８９１６号公報

【特許文献2】特開２００４−３１６６６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明が解決しようとする課題は、製造性を高めてコンパクト化を実現する燃料電池発電システムおよびその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

実施形態の燃料電池発電システムは、燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の外側に設けられ、複数の機器を設置する部分を有し、燃料、空気又は水が流れる複数の流路の集合体として構成され、前記複数の流路を規定する内壁がすべて樹脂で形成された樹脂モジュールとを具備し、前記複数の流路は、前記複数の機器にそれぞれ対応するように形成され、かつ、前記樹脂モジュールの中でまとめて形成され、前記樹脂モジュールには溶着部材が振動溶着により溶着しており、前記樹脂モジュールは、振動溶着時に発生した磨耗粉を封じ込める磨耗粉封止部を備えていることを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの機器搭載部の構成の一例を示す平面図。

【図2】図１中に示される遮断弁および樹脂ブロックモジュールを含む機器設置部周りの構成の一例を示す断面図。

【図3】機器設置部周りの樹脂ブロックモジュール側の構造の一例を示す斜視図。

【図4】フックにより遮断弁を樹脂ブロックモジュールに固定させる変形例を示す機器固定部周りの断面図。

【図5】第２の実施形態の燃料電池発電システムを示す概略構成図。

【図6】同実施形態の燃料電池発電システムの樹脂ブロックモジュールの構成図。

【図7】図６の樹脂ブロックモジュールの平面図。

【図8】図６の樹脂ブロックモジュールの正面図。

【図9】図８の丸で囲んだ部分の拡大図。

【図10】第３の実施形態に係る燃料電池発電システムのブロック図。

【図11】図９の燃料電池発電システムに使用される集積配管の説明図。

【図12】図１１の集積配管における流路の説明図。

【図13】図１０の燃料電池発電システムに使用される第６の集積配管の具体的な構成例を示す説明図。

【図14】第４の実施形態に係る燃料電池発電システムのブロック図。

【図15】第５の実施形態に係る燃料電池発電システムのブロック図。

【図16】第６の実施形態に係る燃料電池発電システムのブロック図。

【図17】第７の実施形態に係る燃料電池発電システムのブロック図。

【図18】第８の実施形態に係る燃料電池発電システムのブロック図。

【図19】第９の実施形態に係る燃料電池発電システムのブロック図。

【図20】従来に係る配管の構成の説明図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

【0016】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの機器搭載部の構成の一例を示す平面図である。

【0017】

本実施形態の燃料電池発電システム１は、例えば、家庭用燃料電池発電システムに適用されるものである。以下の説明では、家庭用燃料電池発電システムを例にあげて説明するが、本実施形態の燃料電池発電システム１は、家庭用燃料電池発電システム以外の燃料電池発電システムにも適用可能である。

【0018】

図１に示されるように、本実施形態の燃料電池発電システム１は、内部に流体（燃料、空気又は水）が流れる複数の流路（配管など）を樹脂で一体に成型した樹脂ブロックモジュール（単に「樹脂モジュール」ともいう。）５０を具備する。

【0019】

この樹脂ブロックモジュール５０には、Ｏリングなどのシール部材を介して各種の機器が設置される。機器としては例えば複数の遮断弁１０を搭載しており、各流路は例えば遮断弁用Ｏリング（大）１１及び遮断弁用Ｏリング（小）１２でそれぞれシールされている。

【0020】

流体は、ブロア（図示せず）を介して接続部５１から樹脂ブロックモジュール５０に供給される。燃料は樹脂配管部５２で分岐後、遮断弁１０に入り、各遮断弁の開閉制御により流れが決定され、必要に応じて接続部５３もしくは接続部５４より樹脂ブロックモジュール５０外部の接続配管（図示せず）に導かれるようになっている。

【0021】

図２は、図１中に示される遮断弁１０および樹脂ブロックモジュール５０を含む機器設置部周りの構成の一例を示す断面図である。なお、図１と共通する要素には同一の符号を付している。

【0022】

樹脂で一体に成型した樹脂ブロックモジュール５０は、流通部ボス（第１の凸構造部）６０と複数のボス（第２の複数の凸構造部）５５とを含んでいる。遮断弁１０は、これらの流通部ボス６０および複数のボス５５を介して樹脂ブロックモジュール５０に取り付けられる。流通部ボス６０と遮断弁１０との接触面には、前述の遮断弁用Ｏリング（大）１１及び遮断弁用Ｏリング（小）１２が配置されており、これらに区切られた各領域にそれぞれ異なる流体の導通口が設けられている。

【0023】

遮断弁１０側の遮断弁ベース板１４に大径穴１３を設けるとともに、樹脂ブロックモジュール５０側のボス５５に下穴５６を設け、固定ねじ４０を大径穴１３を通して下穴５６にねじ込ませることにより、遮断弁１０が樹脂ブロックモジュール５０に固定される。

【0024】

遮断弁ベース板１４と樹脂ブロックモジュール５０とは、同一の材料で構成され、例えば材料としてＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）が使用される。

【0025】

固定ねじ４０としては、インサート部材（金属インサート等）が不要なタッピングねじを使用する。この場合、例えばノンサート（登録商標）と称されるねじを使用してもよい。固定ねじ４０の個々のねじ山の角度は、２０°〜３５°の範囲内とし、望ましくは２５°〜３０°の範囲内とする。このようにすることで、ねじが樹脂にクラックを発生させずに、適度なトルクで樹脂に鋭く切れ込み、遮断弁１０を樹脂ブロックモジュール５０に確実に固定することができる。

【0026】

固定ねじ４０がＭ３ねじの場合、大径穴１３として例えば直径３．２ｍｍの貫通穴、下穴５６には例えば直径２．５ｍｍの穴を設ける。これにより、固定ねじ４０自らが下穴５６の樹脂を適度にねじ切りし、遮断弁１０が樹脂ブロックモジュール５０に固定される。

【0027】

このように遮断弁１０が樹脂ブロックモジュール５０に固定されることにより、樹脂ブロックモジュール５０側の流路５７（Ａ）、流路５８（Ｂ）が遮断弁１０側の流路１５（Ｃ）と導通し、回路Ａ−Ｃ−Ｂが形成される。また、遮断弁１０内部の機構（図示しない）により、流れが制御される。

【0028】

図３は、機器設置部周りの樹脂ブロックモジュール５０側の構造の一例を示す斜視図である。

【0029】

樹脂で一体に成型した樹脂ブロックモジュール５０は、流通部ボス（第１の凸構造部）６０および複数のボス（第２の複数の凸構造部）５５のうちの少なくとも２つを連結する補強板（リブ）５９もしくは補強板（リブ）６１をさらに含むように構成されていてもよい。図３の例では、隣接するボス５５同士が補強板５９で連結され、かつ、流通部ボス６０とボス５５とが補強板６１で連結されている。このように構成することにより、遮断弁１０の樹脂ブロックモジュール５０との接触面における反り、歪み、しなりが抑制されるため、部材の損傷や折損を防ぐことができる。また、遮断弁１０の設置が安定し、流路接合部における位置ずれや流体の漏れなどを防ぐことができる。

【0030】

本実施形態によれば、製造性を高めてコンパクト性を高めるともに、信頼性を高めた燃料電池発電システムおよびその製造方法を提供することができる。

【0031】

例えば、遮断弁１０を固定する際に、Ｏリング（大）およびＯリング（小）がねじの締結力により押圧されることでシール性が確保され、Ａ−Ｃ−Ｂの回路が形成されると共に、遮断弁１０の樹脂ブロックモジュール５０との接触面にてＡ−Ｃの回路とＣ−Ｂの回路とが導通することを防ぐことができる。

【0032】

また、流路を流れる流体の温度は、燃料電池発電システムの運転状況により変化するが、この場合、機器側と樹脂ブロックモジュール５０側でねじの固定部まわりの材料が異なると、線膨張係数の違いによって、相対すべりが発生し、長期的に緩みの原因になることがある。これに対し、前述のように同一材料を適用することによって、相対すべりが発生せず、温度変化による経年的な緩みの発生を防ぐことができる。

【0033】

また、温度変化などによってボスに荷重が加わると、根元部まわりに発生する応力が大きくなることがあるが、前述のように補強板を適用することによって、損傷や折損を防ぐことができる。また、成型時の樹脂の流れが向上するため、成型不良による樹脂強度の低下を防止することができる。

【0034】

図４は、フックにより遮断弁１０を樹脂ブロックモジュール５０に固定させる変形例を示す機器固定部周りの断面図である。

【0035】

樹脂で一体に成型した樹脂ブロックモジュール５０は、前述のボス５５を含んでおらず、代わりに、フック６２を含んでいる。すなわち、前述の図２および図３の例では、ボス５５や固定ねじ４０を用いて遮断弁１０を樹脂ブロックモジュール５０に固定する場合を例示したが、この図４の例では、ボス５５や固定ねじ４０は不要であり、代わりにフック６２が用いられる。このフック６２に遮断弁ベース板１４を嵌合させることにより、遮断弁１０を樹脂ブロックモジュール５０に固定させる。

【0036】

フック６２は図４の下方への拘束力は有しないが、前述の遮断弁用Ｏリング（大）１１や遮断弁用Ｏリング（小）１２により、大径穴１３近傍においても常に図上方への押し上げ力が発生しており、ねじによる固定と同等のシール性を有している。

【0037】

この変形例によれば、固定ねじ４０などを用いないため、遮断弁１０などの機器の設置、固定作業が容易になる。また、樹脂ブロックモジュール５０と機器の材料が異なり線膨張係数の差によって相対変位が発生した際も、フック６２は互いの変位を拘束せず、またねじとは異なり相対変位による緩みも発生しない。このため、製造性とねじ固定部の長期信頼性を高めた燃料電池発電システムおよびその製造方法を提供することができる。

【0038】

なお、第１の実施形態で説明した技術は、後述する各実施形態にも適用することが可能である。

【0039】

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態の燃料電池発電システムを示す概略構成図である。なお、本明細書で開示された燃料電池発電システムを構成する各構成要件は文脈が別段に明確に示すのでなければ、単数でも複数でも構わない。

【0040】

本実施形態の燃料電池発電システム１０１は、燃料改質装置をパッケージング内部に有する固体高分子型燃料電池発電システムであり、例えば、家庭用燃料電池発電システムに適用されるものである。以下の説明では、家庭用燃料電池発電システムを例にあげて説明するが、本実施形態の燃料電池発電システム１０１は、家庭用燃料電池発電システム以外の燃料電池発電システムにも適用可能である。

【0041】

燃料電池発電システム１０１は、主に、燃料処理系（FPS；Fuel Processing System）と、電池本体（CSA；Cell Stack Assembly）１０２とから構成される。

【0042】

上記燃料処理系は、燃料１０３、脱硫器１０４、水蒸気発生器１０５、改質器１０６、ＣＯシフト反応器１０７、ＣＯ選択酸化器１０８、水蒸気分離器１０９、改質用燃焼器１１０、改質用水ポンプ１１１、排熱熱交換器１１２ａ，１１２ｂ、燃料流量計１４１、及びタンク１８０を備えている。改質用燃焼器１１０は改質器１０６に設けられている。燃料１０３は、例えば、都市ガスやプロパン等の炭化水素系燃料である。

【0043】

一方、電池本体１０２は、アノード極１１３、カソード極１１４を備えている。アノード極１１３とカソード極１１４とは、固体高分子電解質膜を挟んで設けられる。電池本体１０２は、燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池を含んでいる。また、電池本体１０２には、電池本体１０２を冷却するための冷却流路１７０が形成されている。

【0044】

固体高分子型燃料電池発電システムの発電原理を簡単に説明する。

【0045】

燃料に都市ガスを使用する場合、都市ガスから水素ガスへの改質は、上記燃料処理系で行われる。燃料１０３である都市ガスは脱硫器１０４を通過する。このとき、脱硫器１０４の内部で、例えば、活性炭やゼオライト吸着等によって、都市ガス中の硫黄分が取り除かれる。脱硫器１０４を通過した都市ガスは改質器６を通過する。

【0046】

一方、タンク１８０からフィルタ１３０を介して改質用水ポンプ１１１により供給された純水は、水蒸気発生器１０５で加熱されてガス化する。水蒸気発生器１０５から水蒸気分離器１０９に送られた気体から水蒸気のみが抽出され、水蒸気流量調節弁１２７を通過して、脱硫済の燃料ガスに合流する。水蒸気分離器１０９で分離された液体の水は、弁１８３を介してタンク１８０に送られる。改質器１０６の排気は、水蒸気発生器１０５に送られて水を加熱した後、タンク１８０に併設された排熱熱交換器１１２ａに送られ、その後排気される。

【0047】

改質器１０６では、触媒により都市ガスと水蒸気との反応から水素が生成するが、同時にＣＯの生成も行われる。この水蒸気改質は吸熱反応のため、改質器１０６には改質用燃焼器１１０が含まれている。すなわち、改質用燃焼器１１０によって改質器１０６の内部は加熱されており、吸熱反応である水蒸気改質反応が維持されている。

【0048】

固体高分子型燃料電池は、電池本体１０２の電解質膜及び触媒層から構成されるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）でのＣＯ被毒が問題となるため、ＣＯはＣＯ₂ へ酸化させる必要がある。このため、ＣＯシフト反応器１０７ではＨ₂ Ｏによるシフト反応を進める必要がある。また、ＣＯ選択酸化用空気ブロア１１８の空気供給により、ＣＯ選択酸化器１０８では、触媒によりＣＯ被毒が発生しない程度に、酸化反応を進める必要がある。

【0049】

また、簡単化のため図示しなかったが、改質器１０６を含めたこれらの触媒反応温度はそれぞれ異なり、改質器１０６の数百度からＣＯ選択酸化器１０８の百数十度と、改質ガスの上流と下流との温度差が大きいため、下流側温度を下げるための熱交換器を設けても構わない。

【0050】

次に、各触媒での主なプロセス反応を以下に示す。

【0051】

メタン成分が主体の都市ガス改質の場合、水蒸気改質反応は（１）式、ＣＯシフト反応は（２）式、ＣＯ選択酸化反応は（３）式のようになる。

【0052】

ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ …（１）
ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋Ｈ₂ …（２）
２ＣＯ＋Ｏ₂ →２ＣＯ₂ …（３）
ＣＯ選択酸化器１０８を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸ガス及び余った水蒸気等を含んでいる。これらのガスはアノード極１１３に送り込まれる。

【0053】

アノード極１１３に送り込まれた水素ガスは、ＭＥＡの触媒層を経てプロトンＨ⁺ が電解質膜を通過し、カソード極用空気ブロア１１５によってカソード極１１４を通過する空気中の酸素及び電子と結びついて水が生成される。

【0054】

したがって、アノード極１１３は−極、カソード極１１４は＋極となり、電位を持って直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷が接続されれば、本システムは電源としての機能を持つことになる。

【0055】

発電に使われずに残ったアノード極１１３の出口ガスは、水蒸気発生器１０５及び改質器１０６の加熱用燃料ガスとして使われる。また、カソード極１１４の出口中の水蒸気及び燃焼排気ガス中の水蒸気は、排熱熱交換器１１２ａにより水分を回収し、システムでの水自立を図る。

【0056】

一方、電池本体１０２の排熱は、冷却流路１７０を通過する電池冷却水ポンプ１２９の循環ラインに配置された排熱熱交換器１１２ｂによって熱回収される。

【0057】

温水循環ポンプ１３３の運転により、排熱熱交換器１１２ａ及び１１２ｂで熱交換して暖められた温水は、蓄熱装置１３６内の貯湯槽１３８に蓄熱され、給湯やお風呂の温水として使われる。貯等槽１３８には、必要に応じて水道管１８４を介して水道水が供給される。

【0058】

貯湯槽１３８の熱が使われずに、タンク１８０の下部まで高温の温水が貯まった状態では、燃料電池発電システム１０１に戻る循環水温度が上昇する。その場合、温水が使われるまでシステムの運転を停止するか、若しくは、放熱器１３７を通じて大気に放熱するようにする。

【0059】

続いて、本実施形態の燃料電池発電システムの起動時の運転方法について説明する。

【0060】

運転起動の指令が始まると、燃焼空気切替弁１２５が開いた状態で燃焼用空気ブロア１２６が起動し、改質器１０６内の燃焼室を空気パージする。この場合、燃焼用空気は燃焼用空気ブロア１２６より、起動燃料の予混合空気としてだけでなく、拡散空気としても燃焼室内に供給される。空気パージが完了すると、起動燃料の着火のための例えば点火プラグからの火花を燃焼室内で発生させる。

【0061】

メイン燃料遮断弁１２２を閉じ、脱気用遮断弁１２３を開いた状態で、燃料入口遮断弁１２０及び起動用燃料遮断弁１２１を開くと、燃料入口遮断弁１２０及び起動用燃料遮断弁１２１を通過した起動燃料が、燃料昇圧ブロア１３１で昇圧され、燃焼室内で着火されることにより、火炎が形成される。脱硫器１０４から燃料昇圧ブロア１３１に送られる燃料の流量は、燃料流量計１４１で計測される。

【0062】

燃焼室内で使用されるバーナは、起動用と発電用とを兼ねた一体型バーナである。メタン主体の起動燃料は発電時のオフガス燃料である水素主体の燃料より燃焼速度が遅く、吹き消えし易い。そのため、本実施形態では、予混合燃焼させて燃焼性を向上させる。

【0063】

燃焼が継続し、燃焼ガスの加熱によって改質器１０６や、図示はしていないが電気ヒータ等で加熱されたＣＯシフト反応器１０７、ＣＯ選択酸化器１０８、水蒸気分離器１０９等が所定の温度になると、改質用水ポンプ１１１により水蒸気分離器１０９に供給された改質水はそこで蒸気となり、水蒸気流量調節弁１２７が開き、燃料改質ラインに供給された後、同時にメイン燃料遮断弁１２２が開いて供給される燃料と共に、燃料処理系内に供給され改質反応が始まる。このタイミングで、起動用燃料遮断弁１２１、脱気用遮断弁１２３及び燃焼空気切替弁１２５は閉じる。

【0064】

改質反応が始まった後、ＣＯ選択酸化用空気ブロア１１８の空気で酸化され、ＣＯ選択酸化器１０８の出口から出た改質ガスは、主として水素、炭酸ガス、水蒸気等の成分からなり、電池本体１０２のアノード極１１３に供給される。

【0065】

アノード極１１３の出口から出るオフガスは、オフガス逆止弁１２４を通過した後、改質用燃焼器１１０に供給される。改質用燃焼器１１０に供給されたオフガス燃料は着火して、メイン燃料用空気と安定した拡散燃焼を開始する。

【0066】

その後、カソード極用空気ブロア１１５から電池本体１０２のカソード極１１４に空気が供給され、インバータ（図示せず）が起動すると、燃料電池発電システム１０１の発電が開始する。発電に寄与しないまま残ったアノード極１１３の出口から出るオフガスは、改質用燃焼器１１０に供給され続ける。

【0067】

本実施形態の燃料電池発電システム１０１は、樹脂ブロックモジュールを具備している。この樹脂ブロックモジュールは内部に流体（燃料、空気又は水）が流れる流路を備えている。この流路を規定する内壁は樹脂で形成されている。このような樹脂ブロックモジュールは、例えば、樹脂成形を用いて形成される。

【0068】

本実施形態では、図５において破線で囲まれた部分を樹脂ブロックモジュール（樹脂モジュール）１４０としている。図６に、樹脂ブロックモジュール１４０のより具体的な構成図を示す。図７に、図６の樹脂ブロックモジュール１４０の平面図（設置時の正面図）を示す。また、図８に、図６の樹脂ブロックモジュール１４０の正面図を示す。

【0069】

本実施形態の樹脂ブロックモジュール１４０は、起動用燃料遮断弁（電磁弁）１２１、メイン燃料遮断弁（電磁弁）１２２及び燃料流量計１４１を搭載（設置）している。樹脂ブロックモジュール１４０に搭載する機器は、電磁弁１２１，１２２および燃料流量計１４１には限定されず、例えば、電磁弁、流量計及びオリフィスを含む複数の機器の少なくとも一つを搭載（設置）する構成であればよい。同様に、本実施形態では、電磁弁１２１，１２２及び流量計４１はＯリングを介して搭載（設置）する構成とするが、これには限定されず、例えば、Ｏリングを介して搭載（設置）する機器は、電磁弁、流量計及びオリフィスを含む複数の機器の少なくとも一つとする構成であればよい。

【0070】

また、樹脂ブロックモジュール１４０は、図６〜図８に示すように、樹脂で成形された樹脂配管部（流路体）１４９，１５０，１５４を備え、さらに、図７に示すように、樹脂配管部（流路体）１５０，１５４をシールするための燃料流量計用Ｏリング１４２、遮断弁用Ｏリング（大）１４３及び遮断弁用Ｏリング（小）１４４を備えている。各Ｏリングを介して樹脂ブロックモジュール１４０と各機器１２１，１２２，１４１とは図示しないネジにより固定される。

【0071】

さらに、樹脂ブロックモジュール１４０の外部には、図７に示すように、例えば、中継コネクタ基板（子基板）１４５や、熱交、空気フィルタの他機器を止める複数の支持部１４６がある。

【0072】

中継コネクタ基板１４５とは、回転機等の電力を必要とする機器の配線、例えば、燃料昇圧ブロア１３１用の電力及び制御信号の中継線を繋ぐための基板を意味している。

【0073】

なお、樹脂ブロックモジュール１４０のパッケージング内部への設置は例えば脚部１４７にねじ止めするがこれに限ったものではない。

【0074】

燃料入口遮断弁１２０が開き、脱硫器１０４を通過した燃料は、燃料流量計入口接続部１４８から樹脂ブロックモジュール１４０の内部に供給される。なお、燃料入口遮断弁１２０は実際には２連の遮断弁であるが、図では簡略化して一つの弁として示してある。

【0075】

燃料は燃料流量計１４１を通過した後、樹脂配管部１５０に入り、そして、燃料は樹脂配管部１５０と比較して断面積が大きいバッファタンク部（バッファ部）１５１を経てバッファタンク出口接続部（出口接続部）１５２から一旦樹脂ブロックモジュール１４０の外部に出る。

【0076】

燃料は、燃料昇圧ブロア１３１を介して、燃料遮断弁入口接続部（入口接続部）１５３から再び樹脂ブロックモジュール１４０の内部に供給される。

【0077】

各燃料は樹脂配管部１５４で分岐後、起動用燃料遮断弁１２１、メイン燃料遮断弁１２２に入り、各遮断弁の開閉制御により流れが決定され、起動時は起動用燃料遮断弁出口接続部（出口接続部）１５５、定常時はメイン燃料遮断弁出口接続部（出口接続部）１５６から樹脂ブロックモジュール１４０の外部の接続配管（図示せず）に導かれる。

【0078】

ここで、樹脂ブロックモジュール１４０の各外部配管接続部である、燃料流量計入口接続部１４８、バッファタンク出口接続部１５２、燃料遮断弁入口接続部１５３、起動用燃料遮断弁出口接続部１５５及びメイン燃料遮断弁出口接続部１５６は、全てメス型のクイックファスナ継手（クイックファスナ構造）となっており、相手方のオス型継手とＯリングシールされて外部の接続配管と連結される。クイックファスナ継手とは、ＳＵＳバネ板の特性を生かしたパイプ継ぎ手金具のことである。

【0079】

ただし、本実施形態のように必ずしも樹脂ブロックモジュール側をメス構造にする必要は無く、相手方継手の都合に合わせて一部又は全部がオス型であっても構わない。

【0080】

樹脂ブロックモジュール１４０の蓋溶着部は、バッファタンク溶着蓋１５７、起動用燃料遮断弁溶着蓋１５８、メイン燃料用遮断弁溶着蓋１５９、樹脂配管部蓋（図示せず）を備えている。バッファタンク溶着蓋１５７は側面からの振動溶着により形成され、起動用燃料遮断弁溶着蓋１５８とメイン燃料用遮断弁溶着蓋１５９は表面からの振動溶着により形成され、樹脂配管部蓋は裏面からの振動溶着により形成される。すなわち、一実施形態の燃料電池発電システムの製造方法は、燃料と酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池と、燃料、空気又は水が流れる流路を内部に備え、前記流路を規定する内壁が樹脂で形成された樹脂モジュールとを具備してなることを特徴とする燃料電池発電システムにおいて、前記樹脂モジュールと溶着部材を振動溶着により溶着させることを特徴とする。

【0081】

起動用燃料遮断弁１２１はＯリング１４３，１４４を介して図示しないネジにより起動用燃料遮断弁溶着蓋１５８に固定される。同様に、メイン燃料遮断弁１２２はＯリング１４３，１４４を介して図示しないネジによりメイン燃料用遮断弁溶着蓋１５９に固定される。

【0082】

図９は、図７の丸で囲んだ部分Ａの拡大図である。図９において、１６１は樹脂ブロックモジュール１４０と溶着蓋１５８／１５９との溶着面を示している。溶着面１６１は、溶着蓋１５８／１５９側の振動による摩擦熱により溶着蓋１５８／１５９が樹脂ブロックモジュール１４０に溶着することにより（振動溶着により）形成される。この時の振動溶着により磨耗粉が発生する。図９に示すように、本実施形態の場合、溶着面１６１の隣接部に、磨耗粉を封じ込める磨耗粉封止部としての、ブロック内側閉込め部（空間）１６２とブロック外側閉込め部（空間）１６３とが設けられている。そのため、振動溶着により発生した磨耗粉は、閉込め部１６２，１６３の内部に捕獲され、封止される。これにより、流路内部への磨耗粉への流出を十分に抑制できるようになる。

【0083】

なお、ブロック外側での磨耗粉の発生は上記のリスク（流路内部への磨耗粉の流出）が無いため、ブロック外側閉込め部１６３は省略することが可能である。

【0084】

また、本実施形態においては、燃料入口部を対象とした１台の樹脂ブロックモジュールの例を示したが、空気系や水系の配管においても応用可能であり、１台のシステムが複数の同様な樹脂ブロックモジュールで構成されていても構わない。

【0085】

本実施形態によれば、従来の家庭用燃料電池発電システムに比べて以下の効果が得られる。

【0086】

燃料電池発電システムの内部に、複数の流路（配管）を集合させた樹脂ブロックモジュールを少なくとも１台以上配置することにより（サブアセンブリ化することにより）、システム全体を軽量、コンパクト化できる。例えば、金属配管等を備えた従来システムに比べて２割程度サイズを小さくできる。これにより、燃料電池発電システムの据付性が向上し、ＣＯ₂ が削減し地球環境に優しい燃料電池発電システムの普及拡大につながる。

【0087】

また、樹脂ブロックモジュールの外部配管との接続構造をＯリングシールによるクイックファスナ継手構造にすることにより、樹脂ブロックの製造性のみならずシステム全体の製造性が向上する。

【0088】

この樹脂ブロックモジュールを実現させるための技術として、樹脂材料にＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を採用し、本体と蓋部の溶着を振動溶着する場合、ＰＰＳは難燃性、非溶出性、耐熱温度が各高いため、燃料ラインへの適用のみならす、他の配管系への応用も十分可能である。例えば、非溶出性を有することにより、流路内を流れる水に樹脂成分が溶け出すという汚染を防止でき、水の配管系への応用が容易になる。また、透明性が低いＰＰＳを用いれば、低透光性の樹脂ブロックモジュールを実現できる。これにより、樹脂ブロックモジュールの流路を流れる流体（例えば燃料）は光の影響を受けずに済む。

【0089】

振動溶着時に課題となる生成磨耗粉の処理は、溶着面に隣接する閉込め部に磨耗粉を捕獲できるため、ブロック内部の樹脂配管部への磨耗粉流出リスクを回避できる。

【0090】

また、振動溶着は溶着面を任意に広くすることができるため、他の例えば超音波溶着方法等に比べて配管としての内圧強度を高めることができる。

【0091】

本実施形態の樹脂ブロックモジュール１４０の場合、燃料の流路中に燃料昇圧ブロア１３１が介在している。燃料昇圧ブロア１３１は脈動を起こす。この脈動は燃料流量計１４１の指示値に誤差を与える原因となる。このような燃料流量計１４１の指示値の誤差は、樹脂ブロックモジュール１４０の内部に設けたバッファタンク部１５１により十分に小さくできる。

【0092】

また、従来技術の場合、指示値の誤差の問題を解消するために、燃料電池発電システムとは別置きのバッファタンクが必要であったが、本実施形態の場合、上記の通りに、バッファタンク部１５１は樹脂ブロックモジュール１４０の内部に設けられているので、別置きのバッファタンクは不要となり、コストアップを抑制できる。

【0093】

樹脂ブロックモジュール１４０の外部には、熱交換器等の外部機器を保持（設置）するための複数の支持部１４６があり、それにより、中継コネクタ基板１４５を設置、固定できるため、システムのパッケージング集積度を高めることができる。

【0094】

したがって、本実施形態の構成によれば、大幅に製造性とコンパクト性を高めた燃料電池発電システムの設置が可能となり、省スペース、省エネで経済性が大きい、イニシャルコストを極力抑えた家庭用燃料電池発電システムを提供することができるようになる。

【0095】

ところで、都市ガスなど炭化水素系燃料から水素を得て発電を行う燃料電池発電システムでは、水素を得るための化学反応処理のために多くの機器、計器が必要とされる。また、それに伴い、それらを連結する多数の配管が存在する。
現在、パッケージサイズが大きいのは、機器及び計器自身のサイズや数量による所もさることながら、多数の配管が存在することも一因である。また、システム価格が下がらないのは、配管点数が多いこと、及びそれらの組立のために多くの費用がかかっていることにある。

【0096】

図２０（Ａ），（Ｂ）は従来技術による配管の構成を示し、図２０（Ａ）は平面図、図２０（Ｂ）は図２０（Ａ）の側面図を示す。
流れとしては、図２０の左側から入った流体は配管２０１で分岐され、遮断弁２０２ａ，２０２ｂのラインに夫々流れるようになっている。ここで、配管２０１の材料として金属を用いる場合、配管２０１には夫々継手２０３が溶接で取り付けられる。また、分岐を行うために配管同士で溶接が行われ、あるいは機器の設置位置に合わせるために配管の曲げ加工が行われる。

【0097】

そうした配管同士の溶接、曲げ加工には、溶接を行うための配管長さが必要となり、また、配管を曲げるには配管径に応じた曲げＲが必要となる。これにより、配管のために多くのスペースが必要となってしまっている。また、配管を製作するための溶接工数、部品点数が多くなることによる部品費の増加、及びそれらを組立てる組立費が多くかかってしまっている状況である。

【0098】

そこで、以下の第３〜第９の実施形態では、配管のためのスペースを大幅に削減可能な燃料電池発電システムの例について説明する。

【0099】

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る燃料電池発電システムついて、図１０、図１１（Ａ），（Ｂ）、図１２（Ａ），（Ｂ）及び図１３を参照して説明する。ここで、図１０は第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの全体のブロック図を示す。図１１は集積配管の説明図であり、図１１（Ａ）は平面図、図１１（Ｂ）は側面図を示す。図１２は集積配管の流路の構成図であり、図１２（Ａ）は平面図、図１２（Ｂ）は側面図を示す。図１３は、第６の集積配管の具体的な構成例を示す。

【0100】

前記燃料電池発電システムは、燃料電池本体２１１と改質装置２１２とを備えている。燃料電池本体２１１は、アノード極２１１ａとカソード極２１１ｂと電解質膜（図示せず）と、燃料電池本体２１１の発電による発熱を抑制するための冷却層２１１ｃを備えている。アノード極２１１ａには水素リッチなガスを、且つカソード極２１１ｂには空気を供給することで電気エネルギーを発生する。また、アノード極２１１ａには、微量の空気が改質ガスと共に供給される。

【0101】

前記改質装置２１２は、アノード極２１１ａで必要な水素リッチなガスを都市ガスなどの原燃料から生成する改質部２１２ａと、改質部２１２ａで化学反応のために必要な熱を作るためのバーナ部２１２ｂとを備えている。改質装置２１２は、都市ガスなどの原燃料中に含まれる硫黄等の腐臭剤を除去するために脱硫剤（図示せず）を備え、同脱硫剤には改質部２１２ａで生成された水素ガスの一部がリサイクルガスとして供給される。

【0102】

改質部２１２ａは、一般には水蒸気改質などによる改質反応と一酸化炭素変性反応及び一酸化炭素選択反応が行われる。それぞれの化学反応式は次のとおりとなる。なお、選択酸化反応のために改質部２１２ａに空気が供給される。
改質反応：ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２，ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
変性反応：ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２
選択酸化反応：ＣＯ＋（１／２）Ｏ_２→ＣＯ_２
前記燃料電池発電システムは、燃料電池本体２１１及び改質装置２１２の他、熱交換器２１３、貯湯槽２１４、冷却水タンク２１５、冷却水ポンプ２１６、改質水ポンプ２１７、イオン交換樹脂層２１８、カソード空気ブロワ２１９、選択酸化ブロワ２２０、バーナ空気ブロワ２２１、原燃料ブロワ２２２、及び燃料電池発電システムの各機器を連結する第１〜第９の集積配管２２３_１，２２３_２，２２３_３，２２３_４，２２３_５，２２３_６，２２３_７，２２３_８，２２３_９を備えている。

【0103】

カソード極２１１ｂからの排気及びバーナ部２１２ｂからの排気は熱交換器２１３で熱交換され、その熱は貯湯槽２１４に蓄えられ、給湯，暖房などに利用される。また、熱交換器２１３で熱交換が行われたカソード極２１１ｂからの排気及びバーナ部２１２ｂからの排気は、燃料電池パッケージ２２４の外に排出される。燃料電池本体２１１の冷却層２１１ｃには、冷却水ポンプ２１６より冷却水が循環される。冷却水タンク２１５は、熱交換器２１３と配管で連通され、熱交換器２１３で発生した凝縮水が蓄えられる。

【0104】

前記第１〜第９の集積配管２２３_１〜２２３_９の構成は、下記のとおりである。
第１の集積配管２２３_１は、改質装置２１２の改質部２１２ａ及びバーナ部２１２ｂに原燃料を供給する第１の流路２２５_１と、改質装置２１２から排出される改質ガスが流通する第２の流路２２５_２を備えている。第２の集積配管２２３_２は、燃料電池本体２１１のカソード極２１１ｂに空気を供給する第３の流路２２５_３と、改質装置２１２の改質部２１２ａに空気を供給する第４の流路２２５_４と、改質装置２１２のバーナ２１２ｂに空気を供給する第５の流路２２５_５を備えている。

【0105】

第３の集積配管２２３_３は、バーナ部２１２ｂに原燃料と空気を供給する第６の流路２２５_６と、前記燃料電池本体２１１のアノード極２１１ａから排出されるアノードオフガスが流通する第７の流路２２５_７を備えている。第４の集積配管２２３_４は、燃料電池本体２１１のカソード極２１１ｂに空気を供給する第８の流路２２５_８と、燃料電池本体２１１のカソード極２１１ｂから排出されるカソードオフガスが流通する第９の流路２２５_９を備えている。第５の集積配管２２３_５は、燃料電池本体２１１に改質ガスと空気が流通する第１０の流路２２５_１０と、アノード極２１１ａからのアノードオフガスが流通する第１１の流路２２５_１１を備えている。

【0106】

第６の集積配管２２３_６は、改質装置２１２から排出される改質ガスが流通する第１２の流路２２５_１２と、改質部２１２ａ及びアノード極２１１ａに供給する空気が流通する第１３の流路２２５_１３を備えている。第６の集積配管２２３_６は、図１３に示すように、遮断弁２２６ａ，２２６ｂ、オリフィス２２７ａ，２２７ｂ，２２７ｃ、バッファタンク２２８及び流量計２２９を備えている。第１２の流路２２５_１２は途中で分岐し、一方の分岐管２３０に供給された改質ガスは遮断弁２２６ａ，オリフィス２２７ａを経て第１の集積配管２２３_１へ排出されるようになっている。第２の集積配管２２３_２から選択酸化ブロワ２２０により第６の集積配管２２３_６に供給された空気は、バッファタンク２２８，オリフィス２２７ｂ，流量計２２９，遮断弁２２６ｂを経た後に改質装置２１２の改質部２１２ａに供給されるとともに、遮断弁２２６ｂを経た後にオリフィス２２７ｃを経て第５の集積配管２２３_５に供給される。

【0107】

第７の集積配管２２３_７は、改質装置２１２に冷却水を供給する第１４の流路２２５_１４を備えている。第８の集積配管２２３_８は、燃料電池本体２１１の冷却層２１１ｃに冷却水を供給する第１５の流路２２５_１５を備えている。第９の集積配管２２３_９は、燃料電池本体２１１の冷却層２１１ｃと改質装置２１２の改質部２１２ａに冷却水を供給する第１６の流路２２５_１６と、前記燃料電池本体から排出された冷却水が流通する第１７の流路２２５_１７を備えている。

【0108】

前記集積配管例えば第１の集積配管２２３_１は、図１１（Ａ），（Ｂ）に示すように、上部に遮断弁２２６ａ，２２６ｂが取り付けられている。集積配管例えば第１の集積配管２２３_１は、図１２（Ａ），（Ｂ）に示すように、四角形状のブロック部分２２７の内部に流体の流路が構成されている。なお、図１２（Ｂ）中の矢印Ｘは遮断弁２２６ａへの流体の入出口となる。

【0109】

図１２のような集積配管のブロック部分は、非金属系材料を用いて金型成型で行うのが製造コストの点から有効である。非金属系材料としては、例えばポリプロピレンやポリサルファイドが機能性、成形性、流通性及びコストの点から有効である。また、流路の形成手段としては、例えば、一般的な成形技術であるスライド工法や蓋構造を採用した上で振動溶着、超音波溶着が用いられる。

【0110】

第３の実施形態によれば、第１〜第９の集積配管２２３_１〜２２３_９を各部材の接続に使用した構成であるので、配管のためのスペースを大幅に削減することができる。具体的には、従来の配管（図２０）の横方向の長さＬ_１を１としたとき、集積配管を採用することにより、図１１の集積配管２２３_１の長さＬ_２を０．６の長さまで削減することができる。また、部品点数も従来３個の配管が必要となっていたところが、第３の実施形態では１個の配管で構成することができる。なお、図１１では集積配管を簡略化して示しているが、実際の燃料電池発電システムではより複雑な構成となっている。例えば、上述した図１３の第６の集積配管２２３_６のように、集積配管に付加される機能が多いほど、集積配管の効果は高い。このように、第３の実施形態によれば、配管のためのスペースを大幅に削減できるので、低コスト化が可能となる。また、従来のように、配管を機器と接合するための継手の溶接、配管同士の溶接、および配管の曲げ加工などの作業を省略できるので、作業性を向上できる。

【0111】

（第４の実施形態）
第４の実施形態に係る燃料電池発電システムについて、図１４を参照して説明する。但し、図１０〜図１３と同部材は同符号を付して説明を省略する。
第４の実施形態に係る燃料電池発電システムは、図１０の燃料電池発電システムに対し、第６の集積配管と第７の集積配管を用いる代わりに、第６の集積配管と第７の集積配管との機能を兼ね備えた第１０の集積配管２４１を具備することを特徴とする。即ち、第１０の集積配管２４１は、改質装置２１２の改質部２１２ａから排出される改質ガスが流通する第１の流路２４１_１と、改質部２１２ａ及びアノード極２１１ａに供給する空気が流通する第２の流路２４１_２と、改質部２１２ａに冷却水を供給する第３の流路２４１_３を備えている。
第４の実施形態によれば、第３の実施形態に比べ、集積配管を更に１つ削減できるので、いっそう配管のためのスペースを削減できる。

【0112】

（第５の実施形態）
第５の実施形態に係る燃料電池発電システムについて、図１５を参照して説明する。但し、図１０〜図１４と同部材は同符号を付して説明を省略する。
第５の実施形態に係る燃料電池発電システムは、図１４の燃料電池発電システムに対し、第８の集積配管を用いる代りに、第８の集積配管の機能を前記第４の集積配管２２３_４と前記第５の集積配管２２３_５を備えていることを特徴とする。即ち、第４の集積配管２２３_４は、燃料電池本体２１１のカソード極２１１ｂに空気を供給する第８の流路２２５_８と、燃料電池本体２１１のカソード極２１１ｂから排出されるカソードオフガスが流通する第９の流路２２５_９の他に、燃料電池本体２１１の冷却層２１１ｃに供給する冷却水が流通する流路２４２を備えている。第５の集積配管２２３_５は、燃料電池本体２１１に改質ガスと空気が流通する第１０の流路２２５_１０と、アノード極２１１ａからのアノードオフガスが流通する第１１の流路２２５_１１の他に、冷却水が流通する流路２４３を備えている。
第５の実施形態によれば、第４の実施形態に比べ、集積配管を更に１つ削減できるので、いっそう配管のためのスペースを削減できる。

【0113】

（第６の実施形態）
第６の実施形態に係る燃料電池発電システムについて、図１６を参照して説明する。但し、図１０〜図１５と同部材は同符号を付して説明を省略する。
第６の実施形態に係る燃料電池発電システムは、図１５の燃料電池発電システムに対し、第１の集積配管と第３の集積配管を用いる代りに、第１の集積配管と第３の集積配管の機能を兼ね備えた第１１の集積配管２４４を備えていることを特徴とする。

【0114】

即ち、第１１の集積配管２４４は、改質装置２１２の改質部２１２ａ及びバーナ部２１２ｂに供給する原燃料を供給する第１の流路２２５_１と、改質装置２１２から排出される改質ガスが流通する第２の流路２２５_２と、バーナ部２１２ｂに原燃料と空気を供給する第６の流路２２５_６と、燃料電池本体２１１のアノード極２１１ａから排出されるアノードオフガスが流通する第７の流路２２５_７を備えている。
第６の実施形態によれば、第５の実施形態に比べ、集積配管を更に１つ削減できるので、いっそう配管のためのスペースを削減できる。

【0115】

（第７の実施形態）
第７の実施形態に係る燃料電池発電システムについて、図１７を参照して説明する。但し、図１０〜図１６と同部材は同符号を付して説明を省略する。
第７の実施形態に係る燃料電池発電システムは、図１６の燃料電池発電システムに対し、第４の集積配管と第５の集積配管を用いる代わりに、第４の集積配管２２３_４と前記第５の集積配管２２３_５の機能を備えた第１２の集積配管２４５を備えていることを特徴とする。また、第１２の集積配管２４５は、図１０の燃料電池発電システムに対し、第４，第５，第８の集積配管の機能を有している。

【0116】

即ち、第１２の集積配管２４５は、燃料電池本体２１１のカソード極２１１ｂに空気を供給する第８の流路２２５_８と、燃料電池本体２１１のカソード極２１１ｂから排出されるカソードオフガスが流通する第９の流路２２５_９と、燃料電池本体２１１に改質ガスと空気が流通する第１０の流路２２５_１０と、アノード極２１１ａからのアノードオフガスが流通する第１１の流路２２５_１１と、燃料電池本体２１１の冷却層２１１ｃに冷却水を供給する第１５の流路２２５_１５を備えている。

【0117】

第７の実施形態によれば、第６の実施形態に比べ、集積配管を更に１つ削減できるので、いっそう配管のためのスペースを削減できる。

【0118】

（第８の実施形態）
第８の実施形態に係る燃料電池発電システムについて、図１８を参照して説明する。但し、図１０〜図１７と同部材は同符号を付して説明を省略する。
第８の実施形態に係る燃料電池発電システムは、図１６の燃料電池発電システムに対し、第２の集積配管と第１１の集積配管を用いる代わりに、第２の集積配管と第１１の集積配管の機能を兼ね備えた第１３の集積配管２４６を備えていることを特徴とする。また、第１３の集積配管２４５は、図１０の燃料電池発電システムに対し、第１，第２，第３の集積配管の機能を有している。

【0119】

即ち、第１３の集積配管２４６は、改質装置２１２の改質部２１２ａ及びバーナ部２１２ｂに供給する原燃料を供給する第１の流路２２５_１と、改質装置２１２から排出される改質ガスが流通する第２の流路２２５_２と、燃料電池本体２１１のカソード極２１１ｂに空気を供給する第３の流路２２５_３と、改質装置２１２に空気を供給する第４の流路２２５_４と、改質装置２１２のバーナ２１２ｂに原燃料と空気を供給する第５の流路２２５_５と、バーナ部２１２ｂに原燃料と空気を供給する第６の流路２２５_６と、燃料電池本体２１１のアノード極２１１ａから排出されるアノードオフガスが流通する第７の流路２２５_７を備えている。

【0120】

第８の実施形態によれば、第７の実施形態に比べ、集積配管を更に１つ削減できるので、いっそう配管のためのスペースを削減できる。

【0121】

（第９の実施形態）
第９の実施形態に係る燃料電池発電システムについて、図１９を参照して説明する。但し、図１０と同部材は同符号を付して説明を省略する。本燃料電池発電システムは、改質装置を用いずに例えば純水素を原燃料として用いるタイプである。
第９の実施形態に係る燃料電池発電システムは、第１４〜第１６の集積配管２５１，２５２，２５３を備えている。第１４の集積配管２５１は、燃料電池本体２１１に原燃料を供給する第１８の流路２２５_１８を備えている。第１８の流路２２５_１８には、原燃料の圧力を監視するセンサー２５４と、原燃料の供給を遮断する弁２５５ａ，２５５ｂが介装されている。

【0122】

第１５の集積配管２５２は、燃料電池本体２１１のカソード極２１１ｂに空気を供給する第１９の流路２２５_１９と、カソード極２１１ｂから排出される空気が流通する第２０の流路２２５_２０と、カソード極２１１ｂをバイパスする空気が流通する第２１の流路（バイパス流路）２２５_２１を備えている。カソード電極２１１ｂの前後の第１９の流路２２５_１９、第２０の流路２２５_２０には、夫々燃料電池本体２１１の起動時に空気の流れを遮断する弁２５５ｃ，２５５ｄが介装されている。第１９の流路２２５_１９には、空気ブロワ２５６より空気が供給される。第２１の流路２２５_２１には、発電時に空気の流れを遮断する弁２５５ｅと、起動時にカソード極２１１ｂをバイパスした空気を加熱するためのヒータ２５７が介装されている。第１６の集積配管２５３は、燃料電池本体２１１に流通する冷却水の第２２の流路２２５_２２を備えている他、冷却水ポンプ２１６に供給する冷却水、冷却水ポンプ２１６から排出される冷却水、及び冷却水ポンプ２１６の呼び水が流通する流路を備えている。

【0123】

前記第１５・第１６の集積配管２５２，２５３間には、触媒燃焼器２５８、熱交換器２５９，２６０、冷却水タンク２１５が配置されている。触媒燃焼器２５８は、アノード極２１１ａから排出される未反応ガスと、カソード電極２１１ｂから排出される未反応ガスの燃焼処理を行う。触媒燃焼器２５８からの排気は熱交換器２５９，２６０で熱交換が行われ、その熱は貯湯槽２１４に蓄えられ、給湯，暖房などに利用される。熱交換器２６０から排出されるガスは、燃料パッケージ２２４の外に排出されるとともに、凝縮した水は冷却水タンク２１５に蓄えられる。冷却水ポンプ２１６の入口には、冷却水ポンプ２１６の起動時に冷却水タンク２１５から呼び水を導入する流路が形成されている。

【0124】

第９の実施形態によれば、第１４〜第１６の集積配管２５１，２５２，２５３を採用することにより、配管ためのスペースを大幅に削減することができる。
以上説明した第３〜第９の実施形態によれば、配管のためのスペースを大幅に削減することができる。

【0125】

なお、上記第３〜第９の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、第３の実施形態で説明したように、集積配管を採用することの効果は集積配管に付加される機能が多いほど有効となる。従って、第８の実施形態で示した４個の集積配管を採用するのが理想であるが、機器の形状やメンテナンス性等を考慮して集積配管の数は選択される。さらには、一つの集積配管に流通される流体の種類は、上記実施形態で示したものだけでなく、様々な組合せに対して行うことが可能である。例えば、排熱回収系統などについても集積配管化が可能なことは言うまでもない。

【0126】

以上詳述したように、前述の各実施形態によれば、製造性を高めてコンパクト化を実現することができる。

【0127】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0128】

１０…遮断弁、１１…Ｏリング（大）、１２…遮断弁用Ｏリング（小）、１３…大径穴、１４…遮断弁ベース板、１５…流路（Ｃ）、４０…固定ねじ、５０…樹脂ブロックモジュール、５１…接続部、５２…樹脂配管部、５３…接続部、５４…接続部、５５…ボス、５６…下穴、５７…流路（Ａ）、５８…流路（Ｂ）、５９…補強板（リブ）、６０…流路部ボス、６１…補強板（リブ）、６２…フック、１０１…燃料電池発電システム、１０２…電池本体、１０３…燃料供給源、１０４…脱硫器、１０５…水蒸気発生器、１０６…改質器、１０７…ＣＯシフト反応器、１０８…ＣＯ選択酸化器、１０９…水蒸気分離器、１１０…改質用燃焼器、１１１…改質用水ポンプ、１１２ａ，１１２ｂ…排熱熱交換器、１１３…アノード極、１１４…カソード極、１１５…カソード極用空気ブロア、１１８…ＣＯ選択酸化用空気ブロア、１２０…燃料入口遮断弁、１２１…起動用燃料遮断弁（電磁弁）、１２２…メイン燃料遮断弁（電磁弁）、１２３…脱気用遮断弁、１２４…オフガス逆止弁、１２５…燃焼空気切替弁、１２６…燃焼用空気ブロア、１２７…水蒸気流量調節弁、１２９…電池冷却水ポンプ、１３０…フィルタ、１３１…燃料昇圧ブロア、１３３…温水循環ポンプ、１３６…蓄熱装置、１３７…放熱器、１３８…貯等槽、１４０…樹脂ブロックモジュール（樹脂モジュール）、１４１…燃料流量計、１４２，１４３，１４４…Ｏリング、１４５…中継コネクタ基板（子基板）、１４６…支持部、１４７…脚部、１４８…燃料流量計入口接続部（入口接続部）、１４９，１５０，１５４…樹脂配管部（流路体）、１５１…バッファタンク部（バッファ部）、１５２…バッファタンク出口接続部（出口接続部）、１５３…燃料遮断弁入口接続部（入口接続部）、１５５…起動用燃料遮断弁出口接続部（出口接続部）、１５６…メイン燃料遮断弁出口接続部（出口接続部）、１５７…バッファタンク溶着蓋、１５８…起動用燃料遮断弁溶着蓋、１５９…メイン燃料用遮断弁溶着蓋、１６１…溶着面、１６２，１６３…ブロック内側閉込め部（磨耗粉封止部）、１７０…冷却流路、１８０…タンク、１８４…水道管、２１１…燃料電池本体、２１１ａ…アノード極、２１１ｂ…カソード極、２１１ｃ…冷却層、２１２…燃料電池改質装置、２１２ａ…改質部、２１２ｂ…バーナ部、２１３，２５９，２６０…熱交換器、２１４…貯湯槽、２１５…冷却水タンク、２１６…冷却水ポンプ、２１７…改質水ポンプ、２１８…イオン交換樹脂槽、２１９…カソード空気ブロワ、２２０…選択酸化ブロワ、２２１…バーナ空気ブロワ、２２２…原燃料ブロワ、２２３_１〜２２３_９、２４４，２４５，２５１〜２５３…集積配管、２２４…燃料電池パッケージ、２２５_１〜２２５_２２，２４１_１〜２４１_３，２４２，２４３…流路、２５４…センサー、２５５ａ〜２５５ｅ…弁。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】