JP2009026486A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】パッケージ内で熱回収してパッケージ外の冷却器で温風として廃棄していた熱エネルギーを、燃料電池発電装置の凍結防止用に利用することができ、無駄な電力を消費することなくエネルギーを有効活用すること。
【解決手段】燃料ガスを水蒸気改質する燃料改質器25と、水蒸気改質された燃料ガスと空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池本体21と、装置内で発生した熱を熱交換して外部に排出する熱交換器2とをパッケージ1に収納する燃料電池発電装置である。パッケージ1外に設置した冷却器9から放出される排気12の一部を、冷却器9とパッケージ1とを連通する導風管13を介してパッケージ1内へ導くように構成し、この暖気をパッケージ1内に送風して機器の凍結を防止する。
【選択図】図1

Description

本発明は、パッケージ内に収納された機器の凍結防止機能を有する燃料電池発電装置に関する。
従来、燃料ガスを水蒸気改質して得られた燃料ガスと空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池発電装置がある。燃料電池発電装置は、燃料電池本体が設置されるパッケージ内の凍結防止が図られている。例えば、外気温度低下を温度センサーで検出し、外気温度が閾値を下回った段階で冷却水系機器を運転させ、ヒータによる温水循環により、冷却水系機器の凍結防止を図ったもの(例えば、特許文献1参照)、パッケージ外に設置された貯湯槽から温水を導入してパッケージ内の機器の凍結防止を図ったものがある(例えば、特許文献2参照)。また、パッケージ内の温度に応じてその換気ファンの駆動量を変化させパッケージ内の温度を調節して機器の凍結防止を図るもの(例えば、特許文献3参照)、逆変換装置の発した熱を温風として供給する方法でパッケージ内の機器の凍結防止を図るものがある(例えば、特許文献4参照)。
図6はパッケージ内に発熱体を設置して機器の凍結防止を図った燃料電池発電装置の概略図である。燃料電池発電装置のパッケージ1は、燃料ガスを水蒸気改質する燃料改質系機器、水蒸気改質された燃料ガスと空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池本体を収納する。パッケージ1には、燃料改質系機器及び燃料電池本体等が装置内で発生した熱を外部へ排出するための熱交換器2を備えている。また、パッケージ1の側壁に吸気口3を設けると共にパッケージ1の天井部に換気ファン4を設け、換気ファン4の回転でパッケージ1の空気をパッケージ外へ排気するようにしている。
熱交換器2に冷却水を循環させるための冷却水配管5が配設されている。冷却水配管5に設けられたポンプ6によりパッケージ1内の熱を取り出すために使用する冷却水を循環させる。また、冷却水配管5に設けられた制御弁7で冷却水循環流量を調整して冷却水温度を制御する。冷却水配管5から熱交換器2に流入する冷却水温度を温度センサー8で検出して制御弁7へフィードバックし、冷却水が目標温度になるように制御する。
パッケージ1外に設置した冷却器9が冷却水配管5に接続されている。図6に示す冷却器9は、冷却用ファン9aを備えた空冷式の冷却器である。冷却用ファン9aを回転させることにより、冷却器9の吸気側から導入された吸気11で冷却水が冷却され、冷却水から放出された熱で暖められた空気が排気側から排気12として廃棄されている。このように、冷却器9において冷却水配管5(往路側)から取り込まれた冷却水を空冷式で冷却して、冷却された冷却水を冷却水配管5(復路側)に戻している。
また、パッケージ1には機器の凍結を防止するためヒータ等で構成される発熱器10が設置されている。例えば、パッケージ内の温度を検出し、検出温度が凍結防止温度を下回らないように発熱器10で温度制御している。
以上のように、従来の燃料電池発電装置では、パッケージ1内で発生した熱は熱交換器2で回収して、パッケージ1の外部に設置した冷却器9で放熱していた。また、パッケージ1内に設置した発熱器10により機器の凍結を防止していた。
特開平11−214025号公報 特開2003−282105号公報 特開2003−36874号公報 特開2006−252964号公報
しかしながら、従来の燃料電池発電装置は、パッケージ内の排熱を系外に排出するだけであったので、パッケージ内で発生した熱が有効利用されず、凍結防止のために無駄な電力を消費していた。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、パッケージ内で回収された熱を燃料電池発電装置の凍結防止用に利用することができ、無駄な電力を消費することなくエネルギーを有効活用することができる燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
本発明の燃料電池発電装置は、燃料ガスを水蒸気改質する燃料改質系機器と、水蒸気改質された燃料ガスと空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池本体と、装置内で発生した熱を熱交換して外部に排出する熱交換器とをパッケージ内に収納し、前記熱交換器で回収されたパッケージ内の熱をパッケージ外に設置した冷却器で放出する燃料電池発電装置において、前記冷却器から排気される温風の一部を前記パッケージへ導く導風管を設け、前記パッケージ内に前記温風を送風することを特徴とする。
この構成によれば、熱交換器で回収されたパッケージ内の熱をパッケージ外に設置した冷却器で放出する一方、冷却器で熱せられた空気である暖気をパッケージに導いてパッケージ内部に送風するようにしたので、パッケージ内で発生した熱をパッケージ内の機器の凍結防止のために有効利用することができ、発熱器を削減して無駄な電力消費を抑制することも可能である。
また本発明は、上記燃料電池発電装置において、前記冷却器から前記パッケージに前記導風管を経由して導いた暖気をパッケージ下部から送風することを特徴とする。
この構成により、パッケージ下部から暖気を送風するので、パッケージ全体を暖めることができ、パッケージ全体の凍結防止を図ることができる。
また本発明は、上記燃料電池発電装置において、前記冷却器から前記パッケージに前記導風管を経由して導いた暖気を、パッケージ内部の特定の機器に対して集中的に送風することを特徴とする。
この構成により、凍結防止を必要とする機器に対して集中的に暖気を送風することができ、より確実に、かつ効率的に特定機器の凍結を防止することができる。
上記燃料電池発電装置において、前記導風管のパッケージ側の端部をパッケージ内部の下部まで延長する導風路を形成して、パッケージ下部から暖気を送風するようにしても良い。また、前記パッケージの下部に外気を取り込む吸気口を形成すると共にパッケージ内の空気を排気する換気装置をパッケージ上部に設け、前記冷却器で熱せられた暖気を前記吸気口に導くように前記導風管を構成し、パッケージ下部から暖気を送風するように構成しても良い。
また上記燃料電池発電装置において、前記導風管のパッケージ側の端部をパッケージ内部の凍結対象機器の近傍まで延長する導風管延出部を形成するようにしても良い。
本発明によれば、パッケージ内の熱を燃料電池発電装置の凍結防止用に利用することができ、無駄な電力を消費することなくエネルギーを有効活用することができる。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池発電装置の概略的な構成図である。前述した図6の燃料電池発電装置と同一部分には同一符号を付して説明の重複を避ける。
本実施の形態の燃料電池発電装置は、冷却器9から放出される排気12の一部を、冷却器9とパッケージ1とを連通する導風管13を介してパッケージ1へ導くように構成されている。冷却器9から放出される排気12の一部(暖気)を取り込むように、導風管13の一端開口部14が冷却器9の排気側に向けて配置されている。導風管13の他端開口部15はパッケージ1の上部に設けた導入口16に連結されている。本実施の形態では、導風管13の他端開口部15を斜めに傾けており、暖気がパッケージ1の下方に向いて吹き込むようにしている。また、導風管13には、弁13aが設けられており、夏場の高温下などパッケージ1内に暖気を送ることが好ましくない場合に手動で弁13aを閉じることができるようにしているが、パッケージ1内に設けられた温度センサーの検出値に基づいて、凍結の恐れがある場合にのみ自動で弁13aを開くように構成してもよい。なお、導風管13を通してパッケージ1に暖気が送り込まれるので、凍結防止用の発熱器はパッケージ1内に設置していない。
図2は本実施の形態の燃料電池発電装置のパッケージ1内の系統図である。
燃料電池スタックを構成する燃料電池本体21は、燃料極22及び空気極23からなる複数の単位セルと、当該単位セルを複数個重ねる毎に配設される冷却管を有する冷却板24とから構成される。燃料電池本体21の前段に、燃料改質系機器としての燃料改質器25及びCO変成器26が設けられている。
燃料改質器25のバーナへは、燃焼用空気ブロア27が接続されている。燃料改質器25は、原燃料供給系28を経て供給される天然ガスなどの原燃料を、水素に富むガスに改質した改質ガスを生成する。燃料改質器25では、水蒸気分離器29で分離され水蒸気供給系30を経て水蒸気が供給されると共に、改質触媒下にてバーナでのオフガス燃焼による燃焼熱により加熱して、水素に富むガスに改質して改質ガスを生成する。燃料改質器25で生成された改質ガスは、CO変成器26を有する改質ガス供給系31を経由して燃料電池本体21の燃料極22に供給される。一方、燃料極22から電池反応に寄与しない水素を含むオフガスが、オフガス供給系32を経て燃料改質器25のバーナに燃料として供給される。燃料改質器25から出た燃焼排ガスは、燃焼排ガス系33により水回収用凝縮器34へと送られる。オフガス供給系32及び燃焼排ガス系33には熱交換器50が設けられている。熱交換器50は燃焼用空気ブロア27で導入される空気の熱交換も行っている。
燃料電池本体21には、空気極23に空気を供給する反応用空気ブロア35を備えた空気供給系36と、電池反応後の空気を水回収用凝縮器34へ供給する空気排出系37とが接続されている。
燃料電池本体21の冷却板24の冷却管には、燃料電池本体21の発電時に冷却水を循環するため冷却水循環系38が接続されている。冷却水循環系38は、水蒸気分離器29、電池冷却水循環ポンプ39および電池冷却系熱回収用熱交換器40を備えている。電池冷却系熱回収用熱交換器40は電池冷却系復路側配管41から冷却した高温水が供給され、排熱回収した高温水が電池冷却系往路側配管42を経由してパッケージ外へ取り出される。パッケージ外に設置した冷却器で排熱回収した高温水を冷却した後、電池冷却系復路側配管41から冷却した高温水として供給する。
水蒸気分離器29では、燃料電池本体21の冷却管から排出された水と蒸気との二相流となった冷却水を、水蒸気と冷却水とに分離する。ここで分離された水蒸気は、燃料改質器25に向かう原燃料と混入するように、水蒸気供給系30を経て送出される。その際、元圧の低い原燃料と水蒸気とを混合するためにエゼクタ43を使用している。このエゼクタ43は、蒸気を駆動流体とすると共に、原燃料を被駆動流体としている。原燃料供給系28は、脱硫反応器44を経由してエゼクタ43に原燃料を供給する。
水回収用凝縮器34には、燃焼排ガス系33及び空気排出系37がそれぞれ接続されており、凝縮水を貯めるタンク45を備えている。水回収用凝縮器34は、燃焼排ガス系33及び空気排出系37から送り込まれる排ガスを冷却水で冷却して排ガス中の水蒸気を凝縮して熱回収する排ガス熱回収用熱交換器として動作する。水回収用凝縮器34のタンク45からはプロセス排気がパッケージ外へ排出される。また、タンク45には回収水の量が所定値を下回ると補給水がパッケージ外から供給される。
水回収用凝縮器34のタンク45には、パッケージ外からタンク内に排ガス凝縮用に冷却した回収水を供給する排ガス凝縮系復路配管46が接続される。またタンク45には、排ガスから熱回収して温度が高くなった回収水をタンク45からパッケージ外へ取り出して不図示の冷却器へ導く排ガス凝縮系往路配管47が接続される。排ガス凝縮系往路配管47に設けられた回収水循環ポンプ48により回収水を水回収用凝縮器34のタンク45とパッケージ外の冷却器との間で循環させるようにしている。
また、回収水ポンプ51によって水回収用凝縮器34のタンク下部から回収水を取り出し、熱交換器52を経由して水処理装置53に供給されるようにしている。回収水は水処理装置53に導入されて純水化された後、冷水ポンプ54により冷却水循環系38における電池冷却水循環ポンプ39の上流側に供給するようにしている。なお、水処理装置53にて純水化された水の一部はリザーブタンク55に蓄えられる。また、回収水ポンプ51によりタンク45より取り出されて熱交換器52で冷却された回収水の一部はインバータ装置56を経由してリザーブタンク55に蓄えられるようになっている。
以上のように構成された燃料電池発電装置において、電池冷却系往路側配管42を通ってパッケージ外の空冷式の冷却器へ導かれた冷却水を冷却した際に発生した暖気をパッケージ1内の機器の凍結防止用に利用することができる。また、排ガス凝縮系往路配管47を通ってパッケージ外の空冷式の冷却器へ導かれた冷却水を冷却した際に発生した暖気をパッケージ1内の機器の凍結防止用に利用することができる。以下、図1の熱交換器2が電池冷却系熱回収用熱交換器40であるとして説明する。
この場合、図1の熱交換器2に電池冷却系熱回収用熱交換器40が相当し、図1の冷却水配管5に電池冷却系往路配管42及び電池冷却系復路側配管41が相当する。図2に示す燃料電池本体21,水回収用凝縮器34,水処理装置53,補給水配管73等のパッケージ1内に収納された機器が凍結防止対象の機器となる。
燃料電池発電装置の運転中は、電池冷却水循環ポンプ39により冷却水が冷却水循環系38を循環する。冷却水循環系38を循環する冷却水は、燃料電池本体21で冷却板24を通過する際に燃料電池本体21の熱を回収して温度が高くなる。燃料電池本体21の熱を回収して温度が高くなった冷却水は電池冷却系熱回収用熱交換器40に供給され、そこで電池冷却系復路側配管41から供給される冷却水との熱交換で冷却水循環系38の冷却水の熱が回収される。
一方、電池冷却系熱回収用熱交換器40において熱回収した冷却水は電池冷却系往路側配管42からパッケージ1外の冷却器9に導かれる。冷却器9では冷却用ファン9aを回転させて、冷却器9の吸気側から導入された吸気11で冷却水を冷却する。冷却器9において、空冷式で冷却した冷却水を、電池冷却系復路側配管41を通して電池冷却系熱回収用熱交換器40へ還流させる。
冷却器9では冷却水の冷却に使用された空気が暖気となって放出される。導風管13の一端開口部14は冷却器9の排気側に開口する一方、導風管13の他端開口部15は導入口16からパッケージ1に連通している。したがって、換気ファン4がパッケージ1内の空気を排気することにより、導風管13の一端部開口14から冷却器9から放出される排気12の一部(暖気)が引き込まれてパッケージ1側へ送られる。冷却器9から放出された暖気は導風管13を通ってパッケージ1に至り、パッケージ1上部の導入口16よりパッケージ1下方に向けて送風される。パッケージ1内に収納されている燃料電池本体21,水回収用凝縮器34,水処理装置53,補給水配管73等は導入口16から送風される温風によって暖められ、これらの機器が凍結温度以下になるのを防止する。
導入口16からパッケージ1内に導入された暖気は下方に向けて進んだ後、換気ファン4によって上方に吸い上げられて吸気口3から取り込まれた空気と共にパッケージ1外へ排気される。
このように本実施の形態によれば、冷却器9から放出される排気12の一部(暖気)を、導風管13を介してパッケージ1に送り込み、燃料電池本体21,水回収用凝縮器34,水処理装置53,補給水配管73等の凍結防止に利用するようにしたので、従来は廃棄されていた冷却器9から放出される暖気を凍結防止用の熱源として活用することができ、パッケージ1内に配されていた発熱器を削除でき、無駄な電力を消費することなく、エネルギーの有効活用を行ないながら機器の凍結防止を図ることができる。
以上の説明では、図1の熱交換器2が電池冷却系熱回収用熱交換器40であるとして説明したが、電池冷却系熱回収用熱交換器40に代えて水回収用凝縮器34を熱交換器2とすることもできる。この場合は、排ガス凝縮系往路配管47および排ガス凝縮系復路配管46が図1の冷却水配管5に相当し、ここを流れる低温水を冷却する冷却器9からの排気12を上記の実施の形態と同様に、パッケージ1内の機器の凍結防止を図ることができる。
(第2の実施の形態)
図3は本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池発電装置の概略的な構成図である。前述した図1、図2及び図6の燃料電池発電装置と同一部分には同一符号を付して説明の重複を避ける。
本実施の形態の燃料電池発電装置は、パッケージ1上部の導入口16からパッケージ1内の下部まで延びる導風路17を形成して、パッケージ1の下部まで導風管を延長することにより、パッケージ1下部から暖気を送風するように構成している。導風路17の上端開口部18は導入口16を形成していて、導風管13の他端開口部15に連結されている。また導風路17の下端開口部19はパッケージ1下部に位置している。
本実施の形態では、導風路17の形成面としてパッケージ1の側壁を一部兼用しているが、パッケージ1から分離したダクトで形成しても良い。その他の構成は第1の実施の形態と同一である。
以上のように構成された本実施の形態では、パッケージ1の外に設置した冷却器9から放出された排気12の一部が暖気として導風管13からパッケージ1へ送られる。パッケージ1内部には導風管13の先端をパッケージ下部まで延長するように導風路17が形成されているので、パッケージ1内に導入された暖気は導風路17によってパッケージ下部まで導かれて下端開口部19から送風される。パッケージ下部の下端開口部19から送風された暖気は、吸気口3から取り込まれる空気と共に上方に流れていき、パッケージ1天井の換気ファン4から排気される。したがって、導風管13によってパッケージ1に導入された暖気はパッケージ床面に広がると共にパッケージ1下部から上部に向けて流れるので、パッケージ1全体を凍結温度以上に保つことができ、パッケージ全体の凍結防止を図ることができる。
(第3の実施の形態)
図4は本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池発電装置の概略的な構成図である。前述した図1、図2及び図6の燃料電池発電装置と同一部分には同一符号を付して説明の重複を避ける。
本実施の形態の燃料電池発電装置は、パッケージ1の導入口16に連結した導風管13の他端開口部15をパッケージ1内部の凍結防止対象機器S近傍まで延出する導風管延出部71を設けている。たとえば、凍結防止対象機器Sとして冷却水系機器が対象となる。なお、パッケージ1内部の凍結防止対象機器Sに対して選択集中的に暖気を送風する構成としては導風管延出部71に限定されるものでは無く、他の形状の導風路であっても良い。その他の構成は第1の実施の形態と同様である。
このように、パッケージ1内部の凍結防止対象機器Sの配置位置まで導風管延出部71で暖気を導くようにしたので、凍結防止対象機器Sに対して選択集中的に暖気を当てることができ、少ない熱量で効果的に凍結防止することができる。また、パッケージ1の導入口16から送風したのでは障害物などにより温風が届きづらい凍結防止対象機器Sに対しても、導風管延出部71で凍結防止対象機器Sまで確実に温風を届けることができ、確実に凍結防止を図ることができる。
(第4の実施の形態)
図5は本発明の第4の実施の形態に係る燃料電池発電装置の概略的な構成図である。前述した図1、図2及び図6の燃料電池発電装置と同一部分には同一符号を付して説明の重複を避ける。
本実施の形態の燃料電池発電装置は、導風管13から送風される暖気をパッケージ1の外側を通して吸気口3に導く導風路72を形成している。導風路72の一端開口部72aを導風管13の他端開口部15に連通し、導風路72の他端開口部72bをパッケージ1の吸気口3のところに配置している。なお、導風路72の形成面としてパッケージ1の外壁面を利用しているが、独立したダクト又は配管等で導風路72を形成しても良い。その他の構成は第1の実施の形態と同様である。
このように、導風管13から送風される暖気を、導風路72を経由してパッケージ1の吸気口3に導いているので、吸気口3からパッケージ1内に暖気を取り込ませることができる。パッケージ1下方の吸気口3から導入される暖気を、換気ファン4によりパッケージ1の天井部まで吸い上げて排気しているので、吸気口3から取り込まれる暖気をパッケージ1の全体に行渡らせることができ、パッケージ1全体の保温が可能になり、パッケージ1全体の凍結防止が行える。
本発明は、発電運転中にパッケージ内に収納された機器が凍結する可能性のある燃料電池発電装置に適用可能である。
第1の実施の形態に係る燃料電池発電装置の概略的な構成図 第1〜第4の実施の形態の燃料電池発電装置におけるパッケージ内の系統図 第2の実施の形態に係る燃料電池発電装置の概略的な構成図 第3の実施の形態に係る燃料電池発電装置の概略的な構成図 第4の実施の形態に係る燃料電池発電装置の概略的な構成図 従来の燃料電池発電装置の概略的な構成図
符号の説明
1…パッケージ、2…熱交換器、3…吸気口、4…換気ファン、5…冷却水配管、6…ポンプ、7…制御弁、8…温度センサー、9…冷却器、9a…冷却用ファン、10…発熱器、11…吸気、12…排気、13…導風管、13a…手動弁、14…一端開口部、15…他端開口部、16…導入口、17、72…導風路、18…上端開口部、19…下端開口部、21…燃料電池本体、22…燃料極、23…空気極、24…冷却板、25…燃料改質器、26…CO変成器、27…燃焼用空気ブロア、28…原燃料供給系、29…水蒸気分離器、30…水蒸気供給系、31…改質ガス供給系、32…オフガス供給系、33…燃焼排ガス系、34…水回収用凝縮器、35…反応用空気ブロア、36…空気供給系、37…空気排出系、38…冷却水循環系、39…電池冷却水循環ポンプ、40…電池冷却系熱回収用熱交換器、41…電池冷却系復路側配管、42…電池冷却系往路側配管、43…エゼクタ、44…脱硫反応器、45…タンク、46…排ガス凝縮系復路配管、47…排ガス凝縮系往路配管、48…回収水循環ポンプ、50…熱交換器、51…回収水ポンプ、52…熱交換器、53…水処理装置、54…冷水ポンプ、55…リザーブタンク、56…インバータ装置、71…導風管延出部、S…凍結防止対象機器、73…補給水配管

Claims (6)

  1. 燃料ガスを水蒸気改質する燃料改質系機器と、水蒸気改質された燃料ガスと空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池本体と、装置内で発生した熱を熱交換して外部に排出する熱交換器とをパッケージ内に収納し、前記熱交換器で回収されたパッケージ内の熱をパッケージ外に設置した冷却器で放出する燃料電池発電装置において、
    前記冷却器で熱せられた暖気の一部を前記パッケージへ導く導風管を設け、前記パッケージ内に前記暖気を送風することを特徴とする燃料電池発電装置。
  2. 前記冷却器から前記パッケージに前記導風管を経由して導いた暖気をパッケージ下部から送風することを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
  3. 前記導風管のパッケージ側の端部をパッケージ内部の下部まで延長する導風路を形成して、パッケージ下部から暖気を送風することを特徴とする請求項2記載の燃料電池発電装置。
  4. 前記パッケージの下部に外気を取り込む吸気口を形成すると共にパッケージ内の空気を排気する換気装置をパッケージ上部に設け、前記冷却器で熱せられた暖気を前記吸気口に導くように前記導風管を構成し、パッケージ下部から暖気を送風することを特徴とする請求項2記載の燃料電池発電装置。
  5. 前記冷却器から前記パッケージに前記導風管を経由して導いた暖気を、パッケージ内部の特定の機器に対して集中的に送風することを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
  6. 前記導風管のパッケージ側の端部をパッケージ内部の凍結対象機器の近傍まで延長する導風管延出部を形成したことを特徴とする請求項5記載の燃料電池発電装置。
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