JP2006179404A - 空冷式燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の排熱を簡易かつ有効に除去することができる空冷式燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】 空冷式燃料電池発電装置１０は、酸化剤および水素を用いて電気化学的に発電を行う燃料電池スタック１２を備えており、発電に伴う発熱は空冷により除去される。この空冷式燃料電池発電装置１０は、水を気化させて燃料電池スタック１２からの排熱を除去する吸水材１６を備えている。吸水材１６は、貯水容器２０から水１８を吸い上げて内部に水を保持する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空冷式燃料電池発電装置に係り、特に水素に富んだガスと酸化剤ガスを供給して電気化学的に発電を行い、発電に伴う発熱を空冷により除去する空冷式燃料電池発電装置に関するものである。

従来から、水素に富んだガスと酸化剤ガスを燃料電池に供給して電気化学的な発電を行う燃料電池発電装置が知られている。このような水素を利用した燃料電池発電装置は、起動時間が短いことから、これまでのバッテリーやエンジンによる自家発電装置に替わる非常用発電装置として利用されることが期待されている。

このような燃料電池発電装置は発電に伴い発熱する。したがって、燃料電池に使用されている電解質・電極触媒の耐熱性および効率のよい発電の維持の観点から、燃料電池発電装置を一定の温度に維持するため冷却を行う必要がある。大型の燃料電池発電装置においては、燃料電池スタックを水冷することが一般的に行われており、この燃料電池スタックを冷却した温水は、コージェネレーションシステムとして外部で利用されることが多い。

また、近年開発が進み注目されている固体高分子型燃料電池システムにおいても、システム内に炭化水素系燃料の改質装置が設けられる場合には、その改質装置の排熱や発電に伴う排熱を熱交換器で回収して貯湯槽に蓄熱するなどするコージェネレーションシステムが開発されつつある。

一方、システム内に改質装置を設けずに、外部で調達された水素に富むガスを燃料として発電を行うシステムにおいては、燃料電池スタックでの発電に伴う発熱のみが熱源となる。この場合には、高温となる改質装置がないため、装置を水冷しなくてもよい場合があり、水冷に必要となるポンプや配管などの付属設備を省くために、空冷による冷却がなされることがある。特に、改質装置を内蔵していない比較的発電出力の小さい燃料電池発電装置においては、一般的に空冷が行われている。

このような空冷式の燃料電池発電装置は、水冷設備を必要としないので、設備的には有利であるが、排熱の媒体が空気であるためにエネルギー密度が低い。したがって、空冷式の燃料電池発電装置は、冬季などにおいては温風を暖房の一助として利用することはできるものの、一般的なコージェネレーションシステムなどにおいては利用しにくい。

エネルギー密度が低いと言っても、排熱の総量は水冷式の燃料電池発電装置と同等であり、リン酸型燃料電池や固体高分子型燃料電池では、発電出力と同等あるいはそれ以上の熱が排出される。例えば１ｋＷの出力で燃料電池を運転する場合には、運転に伴い１ｋＷのヒータが発熱していることと同等となり、特に夏季において冷房負荷あるいは換気負荷の増大をもたらす。

また、商用電源の遮断時（すなわち停電時）に、例えばコンピュータシステムのような重要機器の維持のためのバックアップ発電装置（非常用発電装置あるいは無停電電源装置）として、空冷式の燃料電池発電装置を用いる場合には、設備や燃料貯蔵の観点から、燃料電池の発電電力は上記重要機器の運転に必要とされる規模に限定される。このため、燃料電池発電装置が運転される非常時には、発電装置が設置されている部屋の換気装置（例えば換気ファン）や冷房装置が停止されるのが一般的である。したがって、非常時に空冷式の燃料電池発電装置が運転されると、発電装置から排出される排熱によって室温が上昇し、例えば通常４０℃以下と言われているコンピュータシステムの正常動作温度を上回ってしまい、コンピュータシステムの正常動作に支障をきたすことが懸念される。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池の排熱を簡易かつ有効に除去することができる空冷式燃料電池発電装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、燃料電池の排熱を簡易かつ有効に除去することができる空冷式燃料電池発電装置が提供される。この空冷式燃料電池発電装置は、酸化剤および水素を用いて電気化学的に発電を行う燃料電池を備えており、発電に伴う発熱は空冷により除去される。この空冷式燃料電池発電装置は、水を気化させて上記燃料電池からの排熱を除去する気化層を備えている。

本発明の第２の態様によれば、燃料電池の排熱を簡易かつ有効に除去することができる空冷式燃料電池発電装置が提供される。この空冷式燃料電池発電装置は、酸化剤および水素を用いて電気化学的に発電を行う燃料電池を備えており、発電に伴う発熱は空冷により除去される。この空冷式燃料電池発電装置は、上記燃料電池を収納する筐体と、上記筐体に取り付けられる放熱用換気ファンと、水を気化させて上記燃料電池からの排熱を除去する気化層とを備えている。気化層は、上記放熱用ファンの下流側または上流側に配置される。

本発明によれば、気化層によって水が気化されるときに、その潜熱分の熱を燃料電池の排熱から除去することができるので、燃料電池の排熱を簡易かつ有効に除去することができる。

以下、本発明に係る空冷式燃料電池発電装置の実施形態について図１（ａ）から図６（ｂ）を参照して詳細に説明する。なお、図１（ａ）から図６（ｂ）において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態における燃料電池発電装置１０を示す正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の側面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、燃料電池発電装置１０は、酸化剤および水素を用いて電気化学的発電を行う燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２を覆う金属カバー１４とを備えている。

金属カバー１４は、例えばアルミニウムのような熱伝達性のよい金属で形成されており、発熱源である燃料電池スタック１２の少なくとも３面（図１（ｂ）に示す例では、正面、上面、および背面）を覆っている。金属カバー１４は、孔のない平坦な板から形成してもよいし、あるいは、パンチングメタルのように多数の開口が形成された板から形成してもよい。また、適当な開口を有する網状の金属材により金属カバー１４を形成することもできる。なお、金属カバー１４の内表面（すなわち燃料電池スタック１２に対向する面）は、輻射効率を高めるために、適当な方法で黒色に着色されていることが好ましい。

図１（ｂ）に示すように、金属カバー１４の外表面には適当な厚さの吸水材１６が取り付けられている。この吸水材１６は、水を気化させて燃料電池スタック１２からの排熱を除去する気化層であり、水を吸い上げて内部に水を保持することができるものであれば、どのようなものであってもよい。このような吸水材１６としては、紙、布、多孔質セラミック、発泡金属、金属細線を織った網状のもの、または合成樹脂製のスポンジ材など種々のものを使用することができる。

また、金属カバー１４の下部には、吸水材１６に供給する水１８を貯留するための貯水容器２０が設けられており、吸水材１６の下端部は貯水容器２０の内部に位置するようになっている。したがって、貯水容器２０に貯留された水１８が毛細管現象により吸水材１６に浸透していくようになっている。

燃料電池スタック１２が発した熱は輻射により金属カバー１４または直接吸水材１６に伝達されるが、吸水材１６に浸透した水がこの熱により気化するときに、その潜熱分の熱を除去して装置が冷却される。気化に伴い吸水材１６に保持されている水が減少すると、毛細管現象により貯水容器２０から水１８が補給されるので、上述した冷却効果は貯水容器２０の水がなくなるまで維持される。したがって、貯水容器２０に適宜水を補給することにより、長時間の運転を行うことが可能である。

なお、図１（ａ）および図１（ｂ）では、金属カバー１４を設けた例を示しているが、吸水材１６がそれ自身で形状を維持できる程度の強度を有するのであれば、金属カバー１４を設けずに直接吸水材１６で燃料電池スタック１２を覆ってもよい。

図２（ａ）は本発明の第２の実施形態における空冷式燃料電池発電装置１１０を示す正面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の側面図である。一般的に、燃料電池スタックは、安全や防塵の観点から筐体内に収納されることが多い。本実施形態は、上述した第１の実施形態の燃料電池スタック１２、金属カバー１４（図２（ａ）では図示せず）、および吸水材１６（図２（ａ）では図示せず）を筐体１１２内に収容した例である。

図２（ａ）に示すように、筐体１１２の側面の最上部には、筐体１１２の内部を換気する放熱用の換気ファン１１４が取り付けられている。図２（ｂ）に示すように、換気ファン１１４が取り付けられる筐体１１２の側面には適当な形状の開口部１１６が形成されている。なお、換気ファン１１４が取り付けられた筐体１１２の側面と反対側の側面の下部には、外部から吸気を行うための開口部（図示せず）が形成されている。

このように、本実施形態によれば、燃料電池スタック１２を収容している筐体１１２の内部が換気ファン１１４により換気されるので、上述した吸水材１６（図１（ｂ）参照）の気化が一層促進されるとともに、燃料電池スタック１２自体の冷却も換気によって促進される。

図３（ａ）は本発明の第３の実施形態における空冷式燃料電池発電装置２１０を示す正面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の側面図である。本実施形態における空冷式燃料電池発電装置２１０は、図１（ｂ）に示す金属カバー１４、吸水材１６、および貯水容器２０を有していない。その代わりに、換気ファン１１４の下流側に後述する排熱除去装置（気化装置）２１２が取り付けられている。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）では、排熱除去装置２１２を換気ファン１１４の下流側に取り付けた例を示しているが、この排熱除去装置２１２は換気ファン１１４の上流側に取り付けてもよい。

換気ファン１１４が筐体１１２内の燃料電池スタック１２の排熱を筐体１１２の外部に排出するとき、排出される温風によって排熱除去装置２１２内の水を蒸発させて、蒸発に使用された潜熱分の熱を奪うようになっている。これにより、筐体１１２から排出される温風の温度が低下し、燃料電池発電装置２１０が設置されている部屋の温度上昇を有効に抑制することができる。

図４（ａ）は排熱除去装置２１２の一例を示す拡大図、図４（ｂ）は図４（ａ）の背面図である。図４（ａ）に示すように、この排熱除去装置２１２ａは、換気ファン１１４に対応して設けられた筐体１１２の開口部１１６を覆うスクリーン状の吸水材（吸水シート）２１４と、吸水シート２１４を固定する外枠２１６と、吸水シート２１４の下部に配置された貯水容器２１８とを備えている。

吸水シート２１４は、水を気化させて燃料電池スタック１２からの排熱を除去する気化層であり、換気ファン１１４の通風に対して過剰な圧損を与えず、かつ、水を吸い上げて内部に水を保持することができる吸水材であれば、どのようなものであってもよい。このような吸水材としては、通風性に優れた、紙、布、吸水性に富んだ布をひも状に編みさらにこれを格子状あるいは簾状に配したもの、多孔質セラミック板、発泡金属板、金属細線を織った網状のもの、あるいは合成樹脂製のスポンジ材など種々のものを使用することができる。また、吸水シート２１４の下端部は貯水容器２１８の内部に位置するようになっており、貯水容器２１８に貯留された水２２０が毛細管現象により吸水シート２１４に浸透していくようになっている。

このような構成により、筐体１１２から排出される温風の温度を低下させ、筐体１１２が設置されている部屋の温度上昇を有効に抑制することができる。気化に伴い吸水シート２１４に保持されている水が減少すると、毛細管現象により貯水容器２１８から水２２０が補給されるので、上述した冷却効果は貯水容器２１８の水がなくなるまで維持される。したがって、貯水容器２１８に適宜水を補給することにより、長時間の運転を行うことが可能である。

図５（ａ）は排熱除去装置２１２の他の例を示す拡大図、図５（ｂ）は図５（ａ）の背面図である。図５（ａ）に示すように、この排熱除去装置２１２ｂは、換気ファン１１４に対応して設けられた筐体１１２の開口部１１６を覆う複数の吸水板３１４と、吸水板３１４を固定する外枠２１６と、吸水板３１４の下部に配置された貯水容器２１８とを備えている。

吸水板３１４は、適当な厚さおよび幅の板状に形成されており、換気ファン１１４の通風方向と略直角の方向に延びる複数の吸水板３１４が互いに平行に配置されている。この吸水板３１４の材質としては、上述した吸水シート２１４と同様のものが使用できる。吸水板３１４の下端部は貯水容器２１８の内部に位置するようになっており、貯水容器２１８に貯留された水２２０が毛細管現象により吸水板３１４に浸透していくようになっている。図５（ａ）および図５（ｂ）に示す例によれば、各吸水板３１４の間隔を任意に調整することで、換気ファン１１４の通風に対して圧損を与えないような構成を簡単に設計することができる。

ここで、図４（ａ）から図５（ｂ）に示した貯水容器２１８は、アクリル樹脂や透明塩化ビニール樹脂、ポリカーボネイト樹脂のように透明または半透明な材質で形成されていることが好ましい。このように貯水容器２１８を透明または半透明の材質で形成することにより、貯水容器２１８内の水位の確認および水量の調整が容易となる。

また、排熱除去装置２１２内の吸水材は、図４（ａ）から図５（ｂ）に示すものに限られず、換気ファン１１４からの排気が吸水材に有効に接触して排出される構造を有していれば、どのようなものであってもよい。

また、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、排熱除去装置２１２の貯水容器２１８に水を供給する供給管４１０と、貯水容器２１８からオーバーフローした余剰水を排出するドレン管４１２とを設けてもよい。このような構成により、手動または自動によって外部から水を簡単に貯水容器２１８に供給することできる。自動で水を供給した場合に貯水容器２１８で余剰水が生じても、この余剰水がドレン管４１２から自動的に排水されるので、貯水容器２１８内の水位を一定に保つことが可能となる。

この場合において、燃料電池スタック１２における電気化学的発電の副生成物として排出される水を供給管４１０から貯水容器２１８に供給してもよい。このようにすれば、貯水容器２１８に必要な水を燃料電池スタック１２における発電により生成することができ、燃料電池発電装置から排出される排水の量を削減することもできる。具体的には、図６（ａ）に示すように、燃料電池スタック１２における発電により生成された水を排出する排水管４１４を排熱除去装置２１２の供給管４１０に連結する。燃料電池スタック１２からの排水の供給が過剰な場合には、貯水容器２１８のドレン管４１２から排出される。このような構成にすれば、貯水容器２１８への水の補給回数を減らすことができ、あるいは貯水容器２１８への水の補給の必要がなくなる。

上述した各実施形態における燃料電池発電装置は、商用電源が遮断された（すなわち停電した）ときに使用される非常用発電装置として利用することができる。このような非常用発電装置においては、負荷に対して極力多くの電力を供給することが必要であり、換気ファンの動力のみで冷却を行うことができる装置は特に有用である。したがって、上述した実施形態における燃料電池発電装置はこのような非常用発電装置に好適に利用することができる。また、図１（ａ）および図１（ｂ）に示す燃料電池発電装置によれば、換気ファンの動力をもなくすことができる。さらに、停電時においては、発電装置が設置されている部屋の冷房装置や換気装置は停止されることが一般的であるが、上述した実施形態における燃料電池発電装置によれば、発電装置の駆動により発生する熱を極力抑えることが可能となるので、特に夏季においては有用となる。

なお、上述した各実施形態における燃料電池発電装置の燃料電池スタックとしては、低温で作動可能で起動時間の短い固体高分子型燃料電池を用いることが好ましい。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態における空冷式燃料電池発電装置を示す正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の側面図である。 図２（ａ）は本発明の第２の実施形態における空冷式燃料電池発電装置を示す正面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の側面図である。 図３（ａ）は本発明の第３の実施形態における空冷式燃料電池発電装置を示す正面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の側面図である。 図４（ａ）は図３（ｂ）の空冷式燃料電池発電装置の排熱除去装置の一例を示す拡大図、図４（ｂ）は図４（ａ）の背面図である。 図５（ａ）は図３（ｂ）の空冷式燃料電池発電装置の排熱除去装置の他の例を示す拡大図、図５（ｂ）は図５（ａ）の背面図である。 図６（ａ）は図３（ｂ）の空冷式燃料電池発電装置の排熱除去装置の他の例を示す拡大図、図６（ｂ）は図６（ａ）の背面図である。

符号の説明

１０，１１０，２１０ 燃料電池発電装置
１２ 燃料電池スタック
１４ 金属カバー
１６，２１４，３１４ 吸水材
２０，２１８ 貯水容器
１１２ 筐体
１１４ 換気ファン
２１２ 排熱除去装置
４１０ 供給管
４１２ ドレン管
４１４ 排水管

Claims (14)

1. 酸化剤および水素を用いて電気化学的に発電を行う燃料電池を備え、発電に伴う発熱を空冷により除去する空冷式燃料電池発電装置であって、
   水を気化させて前記燃料電池からの排熱を除去する気化層を備えたことを特徴とする空冷式燃料電池発電装置。
2. 前記気化層は、前記燃料電池を覆うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の空冷式燃料電池発電装置。
3. 前記気化層は、水を吸い上げて内部に水を保持する吸水材であることを特徴とする請求項１または２に記載の空冷式燃料電池発電装置。
4. 前記気化層は、前記吸水材に供給する水を貯留するための貯水容器を備えたことを特徴とする請求項３に記載の空冷式燃料電池発電装置。
5. 前記燃料電池および前記気化層を収納する筐体と、
   前記筐体に取り付けられた換気ファンと、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の空冷式燃料電池発電装置。
6. 酸化剤および水素を用いて電気化学的に発電を行う燃料電池を備え、発電に伴う発熱を空冷により除去する空冷式燃料電池発電装置であって、
   前記燃料電池を収納する筐体と、
   前記筐体に取り付けられる換気ファンと、
   前記換気ファンの下流側または上流側に配置され、水を気化させて前記燃料電池からの排熱を除去する気化層と、
   を備えたことを特徴とする空冷式燃料電池発電装置。
7. 前記気化層は、水を吸い上げて内部に水を保持する吸水材であることを特徴とする請求項６に記載の空冷式燃料電池発電装置。
8. 前記吸水材は、スクリーン状の吸水材、網状の吸水材、格子状の吸水材、および複数列に配置された板状の吸水材のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項７に記載の空冷式燃料電池発電装置。
9. 前記気化層は、前記吸水材に供給する水を貯留するための貯水容器を備えたことを特徴とする請求項７または８に記載の空冷式燃料電池発電装置。
10. 前記貯水容器は、透明または半透明の材質からなることを特徴とする請求項９に記載の空冷式燃料電池発電装置。
11. 前記気化層は、
    前記貯水容器に水を供給する供給管と、
    前記貯水容器からオーバーフローした水を排出するドレン管と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項９または１０に記載の空冷式燃料電池発電装置。
12. 前記燃料電池における発電により生成された水を排出する排水管を前記気化層の供給管に連結したことを特徴とする請求項１１に記載の空冷式燃料電池発電装置。
13. 前記空冷式燃料電池発電装置は、商用電源が遮断されたときの非常用発電装置として使用されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の空冷式燃料電池発電装置。
14. 前記燃料電池は固体高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の空冷式燃料電池発電装置。

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