JP2008117575A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電起動時の電力消費量を低減する。
【解決手段】燃料電池発電システム１を、燃料電池５と、燃料電池５から出力された発電電力を所定電力に変換して後段の負荷へ供給する電力変換器６と、太陽光を受ける位置に燃料電池５に隣接して設置され、電力変換器６を収納する箱体としてのキュービクル７と、キュービクル７内の上部へ対流する電力変換器６から放出された変換損失熱及び太陽光を受けてキュービクル内に蓄えられた太陽熱を排出熱として箱体７外へ排出するダクト８と、ダクト８が備える排出空間内に設けた第１熱交換部１１及び燃料電池５内に設けた第２熱交換部１２の間で循環させた熱媒体を介して熱交換する熱交換手段９と、を備えて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、純水素使用の燃料電池によって所定の発電電力を出力する燃料電池発電システムに関し、特に発電起動時の昇温技術に関する。

現状、純水素使用の燃料電池発電システムでは、定格電力を出力させるために、燃料電池の温度を所定値まで昇温させる必要がある（例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の作動電圧は６０℃〜１００℃程度）。したがって、従来から、特許文献１，２を始めとする種々の昇温技術を備えてなるものが案出されてきた。特許文献１は、燃料電池の発電起動時に、水をバーナにより加熱させた後に第一の熱交換器を通し、第一の熱交換器によって第一の熱媒体を昇温することにより、燃料電池を昇温するものである。また特許文献２は、貯水タンクにヒータを内蔵し、このヒータに通電することにより冷却水の加熱が行われ、ヒータによって冷却水を加熱することにより、燃料電池の暖機を促進するものである。始動冷機時には、ヒータへバッテリ或いは燃料電池から電力が供給される。

特開２００２−９３４４６号公報 特開平７−９４２０２号公報

しかし、これらの技術は、いずれも燃料電池を温めるための熱源を別に有しており、所定温度まで昇温させる段階で、熱源の燃料費用が必要となる点で問題があった。特に熱源としてバーナを使う場合は、燃焼ガスの性質上、安全装置等の設置が必要となり、装置全体が複雑になる点で問題があった。

そこで、本発明では上記課題を鑑み、排熱を燃料電池の昇温に利用することで昇温用の熱源を省き、発電起動時の電力消費量を低減する燃料電池発電システムの提供を課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明に係る燃料電池発電システムは、所定の発電温度で所定の発電電力を出力する燃料電池と、燃料電池の発電電力を所定電力に変換して後段の負荷へ供給する電力変換器と、電力変換器を収納するとともに太陽光を受ける位置に設置される箱体と、電力変換器の変換熱または太陽熱のうち少なくとも一方を、排出熱として箱体外へ排出するダクトと、ダクト内に設けた第１熱交換部及び燃料電池内に設けた第２熱交換部との間で熱媒体を介して熱交換する熱交換手段と、第１熱交換部で回収した排出熱を第２熱交換部から放出し燃料電池を発電温度まで昇温するように熱交換手段を制御する制御装置と、を備えてなるように構成される。

請求項２の発明に係る燃料電池発電システムは、ダクトが、箱体の天井板及び側面板と、天井板から下方へ所定間隔をおいて配置されるように側面板に取り付けた下面板とによって、天井板面に沿う扁平箱状に区画形成され、下面板が、箱体の一方の側面板に近接する位置に排出熱の取入口を備えており、取入口から他方の側面板に対して下り傾斜するように取り付けられてなるように構成される。

請求項１の発明によれば、排出熱を燃料電池の昇温に利用することで昇温用の熱源を省くことが可能となり、発電起動時の電力消費量を低減できる。

請求項２の発明によれば、ダクトの下面板を取入口から下り傾斜するように形成したので、箱体内を上昇する対流熱に対しては、取入口へ向かって上り傾斜することとなり、ダクト内へ取り入れ易くできる。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る燃料電池システムを示す構成図である。

図１に示すように、燃料電池発電システム１は、燃料電池５と、燃料電池５から出力された発電電力を所定電力に変換して後段の負荷へ供給する電力変換器６と、太陽光を受ける位置に燃料電池５に隣接して設置され、電力変換器６を収納する箱体としてのキュービクル７と、キュービクル７内の上部へ対流する電力変換器６から放出された変換損失熱及び太陽光を受けてキュービクル内に蓄えられた太陽熱を排出熱として箱体７外へ排出するダクト８と、ダクト８が備える排出空間内に設けた第１熱交換部１１及び燃料電池５内に設けた第２熱交換部１２の間で循環させた熱媒体を介して熱交換する熱交換手段９と、を備えて構成されている。

燃料電池５には、例えば、固体高分子型燃料電池が使用されている。また電力変換器６は、電力変換の際に変換損失熱を発生するトランスやインバータ等から構成されている。キュービクル７は、電力変換器６等の収納空間を確保するように、略正方形の天井板２１及び側面板２２から六面体状に形成されている。キュービクル７内には、電力変換器６の他、通電時に熱源になるものとして、進相コンデンサ、リアクトル、ＶＣＢ、これらを接続する電線等が収納されている。本システム１は、キュービクル７の少なくとも天井板２１が太陽光を受けることができる位置として、例えば工場の電源装置等の設置スペースや集合住宅の屋上等に設置されている。

ダクト８の排出空間は、キュービクル７の天井板２１及び側面板２２上部と、天井板２１から下方へ所定間隔をおいて配置されるように側面板２２に取り付けた下面板２３とによって、天井板２１面に沿う扁平箱状に区画形成されている。

ダクト８の下面板２３には、キュービクル７の一方の側面板２２に近接する位置に、キュービクル７上部に対流した変換損失熱及び太陽熱をダクト８の排出空間に取り入れる取入口２５が設けられている。ダクト８の下面板２３は、取入口２５に近接する一方の側面板２２から対向する他方の側面板２２に対して下り傾斜するように取り付けられている。

またキュービクル７の天井板２１には、取入口２５から所定長さの排出経路をおいた位置に、取り入れた熱を排出空間からキュービクル７外へ放出する放出口２６が設けられている。放出口２６には、強制排出用の換気扇２７が設けられている。またダクト８の下面板２３と他方の側面板２２とで形成される角部には、その角部に沿って、ダクト８内の漏水をキュービクル７外へ排出する排水溝２８が設けられている。

熱交換手段９の第１熱交換部１１は、ダクト８内において、熱媒体を通過させる長尺の細管１５を、天井板２１に密着させながら対向する側面板２２間で交互に折り返して蛇行させるように構成されている。細管１５は、熱交換効率の良い材料を用いて形成されている。また同手段９の第２熱交換部１２は、燃料電池９内の温度調整対象部に密着して設けられている。第１熱交換部１１と第２熱交換部１２との間には、熱媒体を両交換部１１，１２間で循環させる循環ポンプ１６、及び所定量の熱媒体を蓄える循環水槽１７が熱媒体流路１８を介して設けられている。

また、キュービクル７の外側及び内側には、システム１の周囲温度Ｔ１を検出する周囲温度検出器５１及びキュービクル７の内部温度であるキュービクル温度Ｔ２を検出するキュービクル温度検出器５２が設けられ、ダクト８にはその内部温度としてダクト温度Ｔ３を検出するダクト温度検出器５３が、燃料電池５にはその内部温度として燃料電池温度Ｔ４を検出する燃料電池温度検出器５４が、そして循環水槽１７には熱媒体温度Ｔ５を検出する熱媒体温度検出器５５が、それぞれ設けられている。

また本システム１は、各温度検出器５１〜５５で検出した温度データＤＴ１〜ＤＴ５を記憶するとともに、検出した温度データＤＴ１〜ＤＴ５に基づいて、燃料電池５、電力変換器６、熱交換手段９等のシステム構成機器を連動制御する制御装置４１とを備えている。

次に、上記構成の本システムについて、一の昇温制御手順を説明する。
本システム１は、商用電源（図示略）と連系して、工場や家庭に設置された電気設備や電化製品等の負荷へ電力を供給するものである。例えば、工場における設備機器等の負荷への電力供給量は、平日において、午前の設備稼働開始とともに上昇し、昼食後に最大となり、設備稼働終了に伴い減少し、翌日の稼働開始まで微量を維持するパターンが一般的である。

本システム１は、このようなパターンの工場に使用される場合、過去の電力需要傾向からピーク電力時刻ｔｐを割り出して予め設定し、そのピーク電力時刻ｔｐに合わせて、商用電源の商用電力とともに発電電力を負荷へ供給するように、制御装置４１によって動作制御される。

ここで、本システム１では、燃料電池５の発電温度をＴｐとし、燃料電池５の内部温度を１℃上昇させるのに必要な熱量を表す燃料電池５の熱容量Ｑｐと、熱交換手段９の熱媒体を水とした場合、循環水槽１７の水温を１℃上昇させるのに必要な熱量を表す循環水槽１７の熱容量Ｑｗを制御装置４１に予め設定する。また各温度検出器５１〜５５で検出された温度データＤＴ１〜ＤＴ５は、所定の間隔で制御装置４１に逐次記憶される。

制御装置４１は、燃料電池５が発電を行っていない場合、キュービクル温度Ｔ２と燃料電池温度Ｔ４とを比較し、Ｔ２＞Ｔ４の時には、熱交換手段９を動作させ、ダクト８内の第１熱交換部１１で回収したキュービクル７内の変換損失熱及び太陽熱を、第２熱交換部１２から燃料電池５へ放出するように循環水を循環制御して、燃料電池温度Ｔ４を常時運転可能な発電温度Ｔｐまで昇温する。なお、必要に応じて従来からの昇温用ヒータも併用するが、Ｔ２＜Ｔ４の時には、熱交換手段９を停止させ、昇温用ヒータのみで燃料電池５を昇温する。

上記構成の本システム１によれば、第１熱交換部１１で回収したキュービクル７内の変換損失熱及び太陽熱を、第２熱交換部１２から燃料電池５へ供給することができる。よって、燃料電池５を昇温して、発電温度Ｔｐとの温度差を無くすか或いは小さくした状態で待機でき、より短時間で燃料電池から定格電力を出力させることができる。

さらに、本システム１では、キュービクル７外へ排出していた変換損失熱や太陽熱を燃料電池５の昇温に利用するので、別体で設けていたバーナやヒータ等が不要となり、昇温用電力を省くことができ、発電起動時の電力消費量を低減できる。また、燃料電池５を発電温度Ｔｐに維持でき必要な時に直ぐ定格発電が出力可能となる。

また、ダクト８は、その下面板２３が取入口２５から下り傾斜して形成され、傾斜最下端の角部に排水溝２８を設けたので、万一、キュービクル７内の細管１５から漏水があっても、排水溝２８に流し込んでキュービクル７外へ排水でき、キュービクル７内に収納されている電力変換器等の構成機器にその漏水がかからないようにできる。また下面板２３は、キュービクル７内を上昇する対流熱に対しては、ダクト８の取入口２５へ向かって上り傾斜することとなり、ダクト８内へ取り入れ易くする。

次に、図２は、本システムについて、他の昇温制御手順Ｓ１を示すフローチャートである。図２により、他の制御手順として、例えば本システムによる１日の制御手順を説明する。
本システム１は、夜間など電力需要の少ない時間帯では、燃料電池５の発電動作を停止させ、負荷への電力供給は商用電源のみからとする。また、キュービクル７内の機器等からの放熱が少なく太陽熱も得られないことから、熱交換手段９による熱交換動作も停止する。

日の出後、太陽光がキュービクル７に当たるようになり、また工場設備が稼動し始めると、キュービクル７内部の温度が上昇し始める。制御装置４１は、キュービクル温度検出器５２によってキュービクル温度Ｔ２が予め設定した温度、例えば３０℃、に達したことを検出したら（Ｓ１−１、Ｓ１−２）、キュービクル温度Ｔ２とともに、その他の周囲温度Ｔ１、ダクト温度Ｔ３、燃料電池温度Ｔ４、循環水温度Ｔ５の温度データＤＴ１〜ＤＴ５を読み出す（Ｓ１−３）。これらの温度データＤＴ１〜ＤＴ５、予め求めておいた燃料電池の熱容量Ｑｐ、循環水槽の熱容量Ｑｗ、及び燃料電池５が内蔵している昇温用ヒータの熱量Ｑｈに基づいて、燃料電池５を発電温度Ｔｐに昇温するための所要時間ｔｓを算出する（Ｓ１−４）。この所要時間ｔｓの算出は、キュービクル７内の温度が３０℃以上で検出されている間、所定の時間間隔毎、例えば５分間隔毎に継続して行われる。所要時間ｔｓは、算出時刻ｔｃ毎に最新のものに書き換えられる。

制御装置４１は、予め設定した一日のピーク電力時刻ｔｐに燃料電池５を起動して発電動作を開始するように設定されている。算出時刻ｔｃからピーク電力時刻ｔｐまでの間隔が所要時間ｔｓよりも長い場合（Ｓ１−５）は、ピーク電力時刻ｔｐに合わせて燃料電池温度Ｔ４が発電温度Ｔｐとなるように、ピーク電力時刻ｔｐから所要時間ｔｓ前に少なくとも熱交換手段９を起動させ燃料電池５を昇温する（Ｓ１−６）。すなわちＴ２＞Ｔ４の場合は、熱交換手段９のみを動作させ、Ｔ２＜Ｔ４の場合は、熱交換手段９と昇温用ヒータとを併用して昇温する。

また同様に間隔が短い場合は、Ｔ２とＴ４の大小関係に関わらず、熱交換手段９と昇温用ヒータとを併用して、ピーク電力時刻ｔｐまでに昇温を完了させる（Ｓ１−７）。制御装置４１は、燃料電池５の内部温度Ｔ４が発電温度Ｔｐとなっていることを確認した上で、ピーク電力時刻ｔｐに合わせて燃料電池５を発電動作させ、発電電力を商用電力とともに負荷へ供給する。制御装置４１は、燃料電池５の発電開始とともに、熱交換手段９と昇温用ヒータとの昇温動作を停止する。そして、制御装置４１は、発電開始から予め規定した経過時間後に、燃料電池５の発電を停止する。

本システム１によれば、予め設定したピーク電力時刻ｔｐに合わせて運転条件を最適値にセットでき、高効率運転が可能となる。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の形状並びに構成を適宜に変更して実施することも可能である。
（１）本システムは、商用系統と連系するものだけでなく、単独で電力供給可能に構成することもできる。
（２）本システムは、燃料電池が発電を行っている時にはその内部で反応熱を発生しているが、その反応熱については、第２熱交換部で回収し第１熱交換部からキュービクル外へ排出させても良い。この場合は、燃料電池温度の上昇を抑えて一定に維持可能となる。
（３）図２のプログラムは、平日だけでなく休日等の他の電力需要量のパターンに従って、ピーク電力時刻を割り出し、そのピーク電力時刻に合わせて、燃料電池の昇温を促しても良い。また１日のパターンだけでなく、一週間や一ヶ月間等の長期間にわたってパターン化して昇温制御することも可能である。

本発明に係る燃料電池システムを示す構成図である。 本システムによる他の昇温制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１・・システム、５・・燃料電池、６・・電力変換器、７・・箱体としてのキュービクル、８・・ダクト、９・・熱交換手段、１１・・第１熱交換部、１２・・第２熱交換部、１５・・細管、１６・・循環ポンプ、１７・・熱媒体槽としての循環水槽、１８・・熱媒体流路、２１・・天井板、２２・・側面板、２３・・下面板、２５・・取入口、２６・・放出口、２７・・換気扇、２８・・排水溝、４１・・制御装置、５１・・周囲温度検出器、５２・・キュービクル温度検出器、５３・・ダクト温度検出器、５４・・燃料電池温度検出器、５５・・循環水温度検出器、Ｔ１・・周囲温度、Ｔ２・・キュービクル温度、Ｔ３・・ダクト温度、Ｔ４・・燃料電池温度、Ｔ５・・循環水温度、ｔｃ・・算出時刻、ｔｐ・・ピーク電力時刻、ｔｓ・・所要時間、ｔｓ・・所要時間、ｔｓ・・所要時間、Ｑｐ・・燃料電池の熱容量、Ｑｗ・・循環水槽の熱容量。

Claims (2)

1. 所定の発電温度で所定の発電電力を出力する燃料電池と、
   燃料電池の発電電力を所定電力に変換して後段の負荷へ供給する電力変換器と、
   電力変換器を収納するとともに太陽光を受ける位置に設置される箱体と、
   電力変換器の変換熱または太陽熱のうち少なくとも一方を、排出熱として箱体外へ排出するダクトと、
   ダクト内に設けた第１熱交換部及び燃料電池内に設けた第２熱交換部との間で熱媒体を介して熱交換する熱交換手段と、
   第１熱交換部で回収した排出熱を第２熱交換部から放出し燃料電池を発電温度まで昇温するように熱交換手段を制御する制御装置と、を備えてなる、
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. ダクトは、
   箱体の天井板及び側面板と、天井板から下方へ所定間隔をおいて配置されるように側面板に取り付けた下面板とによって、天井板面に沿う扁平箱状に区画形成され、
   下面板は、
   箱体の一方の側面板に近接する位置に排出熱の取入口を備えてなり、取入口から他方の側面板に対して下り傾斜するように形成されてなる、
   請求項１に記載の燃料電池発電システム。

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