JP2001351658A - 燃料電池発電装置用の冷却設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】メンテナンスが簡単で、かつスペース効率よく
設置できるものとする。 【解決手段】燃料電池発電装置１より取り出された高温
の冷却水の冷却に空冷式冷却設備１１を用いることと
し、本空冷式冷却設備１１の下部空間に、例えば、冷却
水を通流させるための冷却水ポンプ１５、冷却された水
の温度を制御するための調整弁１２ならびに膨張タンク
１３等の、冷却水系構成部品を配置して燃料電池発電装
置用の冷却設備を構成する。

Description

【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
において発電運転に際して生じる余剰発熱を除去し、燃
料電池本体の温度を一定に保持するための燃料電池発電
装置用の冷却設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】りん酸型水冷式燃料電池を組み込んだ燃
料電池発電装置においては、冷却水を通流させることに
より発電運転に伴って生じる発熱を除熱して燃料電池本
体を所定の運転温度に維持するとともに、この冷却で得
た熱を給湯や空調に効果的に利用している。

【０００３】出力が１００ｋＷ程度の小型の燃料電池発
電装置の場合には、燃料電池の発生熱を電池冷却水系に
組み込まれた熱交換器によって冷却し、外部に９０℃程
度の温度の温水として取出すのが一般的である。９０℃
程度の温水は、給湯用熱交換器や温水焚き冷温水機など
の熱利用設備に供給され、給湯や空調に利用される。一
方、需要家により消費される熱負荷には日変動や季節変
動があり、特に深夜や春秋の中間期には熱負荷が減少
し、燃料電池発電装置の必要除熱量を下回る場合があ
る。この場合には、冷却設備により余剰排熱を処理する
必要がある。また、夏期や冬期などの熱負荷の多いシー
ズンにおいても、燃料電池発電装置を運転した状態にお
いて熱利用設備の点検を行う場合には、余剰排熱を冷却
する設備が必要となる。そのため、熱利用設備と直列に
冷却設備を配設するのが一般的であり、熱負荷の変動を
冷却設備によって排熱処理することによって燃料電池発
電装置の安定した運転が確保されている。

【０００４】図３は、従来のこの種の燃料電池発電装置
の冷却設備に係わる構成を示す系統図である。燃料電池
発電装置１に組み込まれている燃料電池本体２は、冷却
板を適宜介装しながら複数の単位セルを積層して構成さ
れている。燃料電池本体２の冷却板には、水蒸気分離器
４に貯えられた電池冷却水が電池冷却水ポンプ５の作用
によって電池冷却水系配管６を通して供給される。冷却
板において燃料電池本体２の反応熱を吸収して高温にな
った電池冷却水は、電池冷却水系熱交換器３において外
部二次冷却水によって冷却され、再び水蒸気分離器４へ
と送られる。

【０００５】電池冷却水系熱交換器３において高温の電
池冷却水により加熱された外部二次冷却水は、９０℃程
度の温水として外部へ取出される。この温水を外部へ取
出す外部二次冷却水系配管７には、給湯用熱交換器８お
よび温水焚き冷温水機９が接続されており、温水の給湯
および空調に用いられる。外部二次冷却水系配管７に
は、さらに直列に冷却設備１０が連結されており、給湯
用熱交換器８での給湯需要や温水焚き冷温水機９での空
調需要が低下した際には、この冷却設備１０で二次冷却
水を冷却することによって電池冷却水系熱交換器３に送
られる外部二次冷却水の温度を一定に調節し、これによ
って電池冷却水の温度を一定に保持して、燃料電池本体
２の発電運転を安定に維持している。なお、図３におい
て、１２は調節弁、１３は密閉式膨張タンク（または開
放式シスターンタンク）、１４は温度センサー、１５は
冷却水ポンプ、１６は流量計である。

【０００６】上記の冷却設備１０としては、開放式クー
リングタワーや密閉式クーリングタワー、さらには図３
に模式的に示した空冷式冷却設備１１が用いられる。こ
のうち開放式クーリングタワーは、水と空気を充填槽で
直接接触させて冷却するもので、高い伝熱性能が得られ
るという長所があるが、冷却水側に腐食やスラリー、汚
れを生じるという難点がある。また、クーリングタワー
循環水中の不純物含有量を一定量以下に保つには循環水
の一部を系外に排出する強制ブローダウンが必要であ
り、さらに、外気への飛散や蒸発に伴う損失を補うため
に、循環水量の数％の水量を補給する必要がある。さら
に加えてレジオネラ菌対策のために定期的な薬品洗浄が
必要となる。すなわち、この開放式クーリングタワー
は、イニシャルコストは低いが、ランニングコストが高
くなるという欠点がある。

【０００７】密閉式クーリングタワーは、チューブの内
部に冷却する水を通水し、チューブの外側に外部水を散
布してチューブの外壁での水の蒸発により熱を奪って内
部の水を冷却するもので、内部の水の汚染は生じない
が、外部冷却用の散水の汚染が生じる。したがって、開
放式クーリングタワーに比較して強制ブローダウン量や
水補給量は低減されるが、その対応措置を講じる必要が
ある。

【０００８】空冷式冷却設備は、冷却する水をフィン付
きチューブ内に通水し、チューブの外部に送風機による
強制通風を行って風冷するものである。したがって、冷
却する水の汚染は無くなり、密閉式クーリングタワーの
ような外部散水の汚染の問題もないので、前二者に比べ
てメンテナンスが大幅に低減される。また、必要な補給
水量も開放式シスターンタンクを選定した場合でも蒸発
量の補充程度でよく、前二者に比べて大幅に低減する。
したがって、空冷式冷却設備ではランニングコストの大
幅低減が可能である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のごとく、空冷式
冷却設備は、冷却水の汚染がなく、かつランニングコス
トの安い設備として、燃料電池発電装置の余剰排熱処理
用の冷却設備に用いられている。しかしながら、この空
冷式冷却設備においても、なお以下のごとき問題点があ
る。

【００１０】すなわち、空冷式冷却設備においては、既
に述べたように放熱方式が風冷式の乾き冷却であるた
め、夏期の日中の外気温が高い場合の条件での冷却を想
定して冷却設備を設計する必要がある。このため、空冷
式冷却設備においては、設備の大型化が避けられない。
冷却ファンによる冷却風速を増大させて冷却効率を上げ
れば設備の小型化が図られるが、このように冷却風速を
増大させると、風切り音や吸込み／吹出し音が増大し、
周囲への騒音が増大することとなる。燃料電池発電装置
の設備には特に低騒音が要求され、所定値以上の騒音は
許容されないので、ある程度の大型化は避けられない。
したがって、燃料電池発電装置用の設備としての空冷式
冷却設備には、設備が大型化し、イニシャルコストが高
くなるという難点がある。このため、従来の空冷式冷却
設備においては、騒音の許容値や設置許容スペースの制
約によって採用できない場合も生じている。

【００１１】本発明の目的は、上記のごとき従来技術の
難点を解消し、メンテナンスが簡単で、かつスペース効
率よく設置可能な燃料電池発電装置用の冷却設備、さら
には、夏期の外気温が高い場合においても運転可能な小
型の冷却設備を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、燃料電池発電装置で生じる余
剰排熱を処理する冷却設備を、 （１）燃料電池発電装置から取出される高温の水を冷却
する空冷式冷却設備の下部空間に、例えば、冷却水を通
流させるためのポンプ、冷却された水の温度を制御する
ための弁および膨張タンク等の、空冷式冷却設備に付帯
する冷却系構成部品を配して構成することとする。

【００１３】（２）あるいは、燃料電池発電装置から取
出される高温の水を冷却する空冷式冷却設備の吸気口部
に、この空冷式冷却設備を通流した水の一部を噴霧する
水噴霧用ノズルを配して構成することとする。上記の
（１）のごとく燃料電池発電装置用の冷却設備を構成す
れば、燃料電池発電装置より取出された冷却水が空冷式
冷却設備で冷却され、余剰排熱が除去されるので、冷却
水の汚染がなく、メンテナンスが極めて簡単となる。ま
た、空冷式冷却設備に付帯する冷却系構成部品が冷却設
備の内部に収納されるので、冷却設備の設置場所周辺の
機器取付けスペースやサービススペースが不要となるた
め、大型の空冷式冷却設備を設置しても全システムとし
ての所要スペースは狭い範囲に抑えられる。また、建設
工事の簡素化が可能となるため、建設工期の短縮が可能
となる。

【００１４】また、上記の（２）のごとく燃料電池発電
装置用の冷却設備を構成すれば、夏期などの外気温上昇
時に水噴霧用ノズルより水を噴霧することによって、水
の蒸発による湿り冷却と空気の顕熱変化による乾き冷却
とを組み合わせて空冷式冷却設備の周囲温度を下げるこ
とが可能となり、冷却効果が上昇するので、空冷式冷却
設備を小型化することができることとなる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例を用いて説
明する。 ＜実施例１＞図１は、本発明の燃料電池発電装置用の冷
却設備の第１の実施例の構成を示す系統図である。図１
において、図３に示した従来の構成に用いられているも
のと同一機能を有する構成部品には同一符号を付し、重
複する説明は省略する。

【００１６】本実施例の構成の特徴は、給湯用熱交換器
８および温水焚き冷温水機９を通流した水、さらには空
冷式冷却設備１１により冷却され除熱された水を電池冷
却水系熱交換器３に制御して送るための調節弁１２、密
閉式膨張タンク（または開放式シスターンタンク）１
３、温度センサー１４、冷却水ポンプ１５、流量計１
６、およびこれらに付属する配管系を、空冷式冷却設備
１１の下部空間に収納して冷却設備１０Ａを構成した点
にある。

【００１７】図１のごとき構成においては、燃料電池発
電装置からの余剰排熱が空冷式冷却設備１１により冷却
されるので冷却水の汚染がなく、メンテナンスが極めて
容易であるとともに、上記のごとく冷却系の構成部品が
冷却設備１０Ａの内部に組み込まれているので、現地で
のこれらの機器の設置スペースが不要となり、燃料電池
発電装置と冷却設備に係わる全体の所要設置スペースを
少なくすることができる。また、冷却設備１０Ａの内部
に組み込むことによって、上記の冷却系の構成部品の配
管、配線を工場において施工したのち出荷することがで
きるので、現地工事の工程が減少し、簡略化され、工期
の短縮が可能となる。さらにこのように現地工事が簡略
化することにより据付け作業が容易となり、設備の信頼
性が向上する。

【００１８】＜実施例２＞図２は、本発明の燃料電池発
電装置用の冷却設備の第２の実施例の構成を示す系統図
である。本図においても、図３に示した従来の構成に用
いられている構成部品と同一機能を有するものには同一
符号が付されている。本実施例に用いられている冷却設
備１０Ｂの構成の特徴は、空冷式冷却設備１１の下部の
吸気口部に、空冷式冷却設備１１で冷却された冷却水の
一部を噴霧する複数個の水噴霧用ノズル１８が設置され
ている点にある。

【００１９】かかる構成においては、空冷式冷却設備１
１には、水噴霧用ノズル１８より噴霧され冷却された冷
却水と熱交換した低温空気が冷却用空気として用いられ
るので、空冷式冷却設備１１の冷却性能が向上する。し
たがって、より小型化した冷却設備で同一の冷却性能が
得られることとなる。なお、図２に見られるごとく、水
噴霧用ノズル１８に噴霧水を導く配管にフィン１９を配
設すれば、冷却用空気がより効果的に冷却され、冷却性
能が向上する。このとき、空冷式冷却設備１１は噴霧水
によって洗浄されるので、塵埃等の異物が付着しても即
座に除去され、安定した冷却性能を維持することができ
る。また、水噴霧用ノズル１８より噴霧された冷却水を
空冷式冷却設備１１に直接噴霧することにより、夏期の
日中等の外気温が高い場合においても、蒸発潜熱による
冷却効果が加わるので冷却性能が一層増大する。したが
って、空冷式冷却設備１１、ひいては冷却設備１０Ｂの
小型化が可能となり、イニシャルコストも低減される。

【００２０】

【発明の効果】上述のごとく、本発明においては、燃料
電池発電装置で生じる余剰排熱を処理する冷却設備を、 （１）請求項１、特に請求項２に記載のごとく構成する
こととしたので、メンテナンスが簡単で、かつ全体シス
テムとしてスペース効率よく設置可能な燃料電池発電装
置用の冷却設備が得られることとなった。

【００２１】（２）また、請求項３記載のごとく構成す
ることとすれば冷却性能が向上するので、夏期の外気温
が高い場合においても運転可能な小型の冷却設備として
特に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池発電装置用の冷却設備の第１
の実施例の構成を示す系統図

【図２】本発明の燃料電池発電装置用の冷却設備の第１
の実施例の構成を示す系統図

【図３】従来のこの種の燃料電池発電装置用の冷却設備
に係わる構成を示す系統図

【符号の説明】

１ 燃料電池発電装置 ２ 燃料電池本体 ３ 電池冷却水系熱交換器 ４ 水蒸気分離器 ５ 電池冷却水ポンプ ８ 給湯用熱交換器８ ９ 温水焚き冷温水機 １０Ａ，１０Ｂ 冷却設備 １１ 空冷式冷却設備 １２ 調節弁 １３ 密閉式膨張タンク（または開放式シスターンタ
ンク） １４ 温度センサー １５ 冷却水ポンプ １６ 流量計 １８ 水噴霧用ノズル １９ フィン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池発電装置で生じる余剰排熱を処理
   する冷却設備で、燃料電池発電装置から取出される高温
   の水を冷却する空冷式冷却設備の下部の空間に、空冷式
   冷却設備に付帯する冷却水系構成部品を配して構成され
   ている燃料電池発電装置用の冷却設備。
2. 【請求項２】上記の空冷式冷却設備に付帯する冷却水系
   構成部品が、少なくとも、冷却水を通流させるためのポ
   ンプ、冷却された水の温度を制御するための弁および膨
   張タンクを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料
   電池発電装置用の冷却設備。
3. 【請求項３】燃料電池発電装置で生じる余剰排熱を処理
   する冷却設備で、燃料電池発電装置から取出される高温
   の水を冷却する空冷式冷却設備の吸気口部に、この空冷
   式冷却設備を通流した水の一部を噴霧する水噴霧用ノズ
   ルを配して構成されている燃料電池発電装置用の冷却設
   備。