JP2009164002A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直射日光による日射熱の影響を軽減でき、換気ファンの消費電力も抑制できて発電装置全体の発電効率を向上すること。
【解決手段】本パッケージ型の燃料電池発電装置は、パッケージ１１の上方となる屋根部分に遮光機能および熱回収機能を有する冷媒通流部となる冷却水タンク２０が設置されている。冷却水タンク２０はパッケージ１１内の熱回収装置１２と貯湯槽１５との間に形成した冷却水経路２１の途中に設けられており、冷媒として熱回収装置１２に循環させる冷却水を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロセス機器や電気機器をケース（キュービクルを含む）に収納したパッケージ型の燃料電池発電装置に関する。

近年、原燃料から水素を含む改質ガスを生成する改質器と、改質ガスの水素を燃料として発電を行う燃料電池とを備え、燃料電池による発電を行うと共に、原燃料から改質ガスを生成する過程で発生する熱や燃料電池において発電する過程で発生する熱を利用する構成の燃料電池コジェネレーションシステムが開発されている（例えば、特許文献１参照）。

図５に示すように、改質器１にメタンガス等の炭化水素系ガスを含む気体を原燃料２とし供給し、この原燃料から水素を含む改質ガス３を生成する。燃料電池４で改質ガス３の水素と大気中の酸素とを燃料として発電する。熱回収装置５が燃料電池４に冷却水を循環させて排熱を回収し、熱回収装置５から熱回収した冷却水（温水）を蓄熱ユニット６に蓄える。このようにして、燃料電池４により発電した電気と、蓄熱ユニット６に貯留された温水とを利用できる構成としたものである。

燃料電池発電装置は、大きく分けて、改質系機器、燃料電池、電池冷却系機器等の発電反応プロセスに直接的に寄与する機器（プロセス機器）、および直交変換装置やプロセス機器を制御する制御装置等の電気系統の機器（電気機器）を備えている。現在では、これら発電に要するプロセス機器や電気機器をケースに収納したパッケージ型の燃料電池発電装置の開発も進められている。

図６はパッケージ型の燃料電池発電装置の概略図である。
パッケージ１１の内部に、プロセス機器及び電気機器からなる燃料電池発電装置本体を収納している。同図にはプロセス機器の一部である熱回収装置１２、大型換気ファン１３及び冷却水経路１４を図示している。パッケージ１１の外部に貯湯槽１５が設置されている。熱回収装置１２に対して冷却水（市水）を供給すると共に熱回収装置１２にて熱回収した冷却水を貯湯槽１５へ戻すように冷却水経路１４が配管されている。パッケージ１１内は熱回収装置１２にて回収しきれなかった排熱で温度上昇するため、大型換気ファン１３を廻して強制換気することでパッケージ内温度の上昇を抑制している。

なお、燃料電池コジェネレーションシステムでは、燃料電池（改質器を含む）から発生する排熱を回収するだけでなく、燃料電池の熱回収装置とは別に太陽熱集熱器を備え、太陽熱を回収して蓄熱ユニット又は貯湯槽に蓄えるシステムが提案されている（特許文献１、特許文献２）。
特開２００２−２８９２１２号公報 特開２００５−２５７１８８号公報

しかしながら、パッケージ型の燃料電池発電装置を屋外に設置して用いる場合、太陽の直射日光によってもパッケージ内温度が上昇するので、直射日光による温度上昇まで見込むとファンが大型化して発電装置全体のコストが高くなる問題があった。
また、大型の換気ファンを備えた場合には、換気ファンの補機電力が増えるため、発電効率が低下するといった問題もあった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、換気ファンを大型化しなくても直射日光による日射熱の影響を軽減でき、換気ファンの消費電力も抑制できて発電装置全体の発電効率を向上でき、太陽熱を有効な熱資源として回収可能な燃料電池発電装置を提供することを目的とする。

本発明のパッケージ型の燃料電池発電装置は、パッケージ内に設置した熱回収装置に冷却水を循環させて熱回収するパッケージ型の燃料電池発電装置において、前記パッケージの上方に冷媒を通流させる冷媒通流部を配置することを特徴とする。

この構成によれば、パッケージの上方に冷媒を通流させる冷媒通流部を配置したことにより、冷媒通流部を流れる冷媒の冷却作用によりパッケージ内の温度上昇を抑制することができる。

また本発明は、上記パッケージ型の燃料電池発電装置において、前記冷媒通流部は、パッケージ内に入射する太陽光を遮光する遮光機能と、パッケージ内に入射する太陽光熱を回収する熱回収機能と、を有することを特徴とする。

この構成により、冷媒通流部が遮光機能と熱回収機能とを奏することにより、パッケージ内の温度上昇を抑制する効果を高めることができる。

また本発明は、上記パッケージ型の燃料電池発電装置において、前記冷媒通流部を流れる冷媒として、前記熱回収装置に循環させている冷却水を用いることを特徴とする。

この構成により、冷媒通流部を流れる冷媒として熱回収装置に循環させている冷却水を用いることで、冷却水経路を１系統にすることができ、配管系統の簡素化を図ることが可能になる。

本発明によれば、換気ファンを大型化しなくても直射日光による日射熱の影響を軽減でき、換気ファンの消費電力も抑制できて発電装置全体の発電効率を向上でき、太陽熱を有効な熱資源として回収することができる。

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。
図１は一実施の形態に係る燃料電池発電システムの概略的な全体構成図である。本実施の形態の燃料電池発電システムは、プロセス機器及び電気機器を収納したパッケージ１１が屋外に設置されており、パッケージ１１に隣接して貯湯槽１５が設置されている。パッケージ１１の上方となる屋根部分に遮光機能および熱回収機能を有する冷媒通流部となる冷却水タンク２０が設置されている。冷却水タンク２０はパッケージ１１内の熱回収装置１２と貯湯槽１５との間に形成した冷却水経路２１の途中に設けられている。貯湯槽１５の冷却水送出口１５ａと冷却水タンク２０の流入口（図２の符号３０）との間を冷却水供給配管２２で連結し、冷却水タンク２０の流出口（図２の符号３１）とパッケージ１１の冷却水入口１１ａとの間を連結配管２３で連結している。パッケージ１１内には熱回収装置１２に冷却水を循環させる冷却水配管２４が形成されており、一端が冷却水入口１１ａに連結され、他端が冷却水出口１１ｂに連結されている。パッケージ１１の冷却水出口１１ｂと貯湯槽１５の冷却水取込み口１５ｂとの間を冷却水回収配管２５で連結している。これら配管２２〜２５及び冷却水タンク２０で冷却水経路２１を形成している。また、パッケージ１１内にはパッケージ内部の空気を換気する小型換気ファン２６が設置されている。小型換気ファン２６は、後述する理由から、図６に示した大型換気ファン１３に比べて小型で消費電力が小さいもので対応可能である。

図２は冷却水タンク２０の構成図であり、同図（ａ）は冷却水タンク２０を太陽光の入射方向となる上方から見た上面図、同図（ｂ）は冷却水タンク２０を流入口側から見た側面図、同図（ｃ）は冷却水タンク２０の正面図、同図（ｄ）は同図（ａ）に示すＡ-Ａ線矢視断面図である。冷却水タンク２０は、パッケージ１１の天井部分の外形と同一形状にして、パッケージ１１の天井部分の全体を冷却水タンク２０で覆うことができるようにしている。本例ではパッケージ１１の天井部分が長方形状をなしているので、冷却水タンク２０も略同一寸法の長方形状としている。パッケージ１１の天井部分を覆う冷却水タンク２０の上面及び又は下面は遮光性の材料で構成されており、太陽光が直接パッケージ１１に入射することを防いでいる。

なお、冷却水タンク２０でパッケージ１１の天井部分の全部を覆うことができれば遮光効果が最大となるが、温度抑制効果との関係で冷却水タンク２０の遮光範囲を決定するようにしても良い。

また、冷却水タンク２０の冷却水流入側に流入口３０が設けられ、冷却水流出側に流出口３１が設けられている。冷却水タンク２０のタンク内は空洞となっており、流入口３０から供給される冷却水（市水）３２で満たされ、流出口３１から冷却水３２が排出される。本例では、冷却水タンク２０を流れる冷却水３２の通流方向に対して、流入口３０と流出口３１とを直交する方向に互いにずれた位置に設置している。これにより、タンク内の冷却水３２が水流で攪拌されてタンク全体が均一の温度となるように調整される。

以上のように構成された本実施の形態の動作について説明する。
貯湯槽１５に供給される市水が冷却水経路２１に冷却水として供給される。冷却水経路２１に設けられた不図示の冷却水ポンプにて、冷却水供給配管２２を経由して冷却水タンク２０の流入口３０から冷却水がタンク内へ供給されている。パッケージ１１の天井部分が冷却水タンク２０で覆われているので、パッケージ１１が屋外に設置されている場合は、パッケージ１１の天井部分が冷却水タンク２０によって遮光されることとなる。冷却水タンク２０は冷却水３２で満たされているので、太陽光熱の多くは冷却水３２で吸熱され、しかも当該冷却水３２はタンク内を攪拌されながら通流してタンク外へ排出されるので、太陽光熱のパッケージ１１側への熱伝導を効果的に遮断することができ、パッケージ１１内の温度上昇が抑制されることとなる。

冷却水タンク２０の流出口３１から出た冷却水は連結配管２３を経由してパッケージ１１内の冷却水配管２４に供給される。冷却水配管２４に供給された冷却水は熱回収装置１２へ供給される。熱回収装置１２における熱交換で排熱を回収した冷却水は冷却水回収配管２５を経由して貯湯槽１５へ戻される。

なお、冷却水タンク２０において太陽光熱を吸熱することで冷却水３２が温度上昇するが、循環量を調整することで、熱回収装置１２における熱交換効率の低下を防止することができる。

一方、パッケージ１１内は冷却水タンク２０による遮光効果によって太陽光熱による温度上昇は抑制されているので、換気による冷却能力は従来型のものに比べて低い能力で対応可能である。したがって、小型換気ファン２６の換気能力で十分にパッケージ１１内の温度上昇を抑制することができる。

（実施例）
図３は、冷却水タンクを備えたパッケージ型の燃料電池発電装置（図１）のエネルギーフローを示す図である。１ｋＷのＦＣ発電装置を用いた場合を例示している。
入力エネルギー（原燃料）を３０００Ｗとし、直射日光によるパッケージ内への入熱を２００Ｗとする。入力エネルギー（原燃料）３０００Ｗは、
電気エネルギー：９００Ｗ（３０％）
熱回収エネルギー：１５００Ｗ（５０％）
排気によるロス：３００Ｗ（１０％）
パッケージ内温度上昇によるロス：３００Ｗ（１０％）
に変換される。
また、直射日光によるパッケージ内への入熱２００Ｗは、
太陽熱によるパッケージ内温度上昇分：１００Ｗ
冷却水タンクによる太陽熱の熱回収エネルギー：１００Ｗ
に変換されるものとする。
総合効率＝（発電エネルギー＋熱回収エネルギー）/入力エネルギーとすると、総合効率は８３％（=2500W/3000W）となる。
パッケージ内温度上昇に寄与する熱量＝ロス（パッケージ温度上昇分）＋太陽熱によるパッケージ温度上昇分とすると、４００Ｗとなる。

（比較例）
図４は、冷却水タンクを備えていないパッケージ型の燃料電池発電装置（図６）のエネルギーフローを示す図である。上記実施例と同様に、１ｋＷのＦＣ発電装置を用いた場合を例示している。

入力エネルギー（原燃料）を３０００Ｗとし、直射日光によるパッケージ内への入熱を２００Ｗとする。入力エネルギー（原燃料）３０００Ｗは、
電気エネルギー：９００Ｗ（３０％）
熱回収エネルギー：１５００Ｗ（５０％）
排気によるロス：３００Ｗ（１０％）
パッケージ内温度上昇によるロス：３００Ｗ（１０％）
に変換される。
また、直射日光によるパッケージ内への入熱２００Ｗは、冷却水タンクによる熱回収がないので、
太陽熱によるパッケージ内温度上昇分：２００Ｗ
に変換される。すなわち、直射日光によるパッケージ内への入熱はそのままパッケージ内温度上昇分となる。
総合効率＝（発電エネルギー＋熱回収エネルギー）/入力エネルギーとすると、総合効率は８０％（=2400W/3000W）となる。
パッケージ内温度上昇に寄与する熱量＝ロス（パッケージ温度上昇分）＋太陽熱によるパッケージ温度上昇分とすると、５００Ｗとなる。

ここで、比較例においてパッケージ内温度上昇（５００Ｗ）を換気ファンで温度抑制するために必要な換気量をＡ[ｍ^３／ｈ]とすると、上記実施例における必要換気量は０．８Ａ[ｍ^３／ｈ]となる。すなわち、冷却水タンクを備えることにより、必要な換気量は温度上昇に寄与する熱量が０．８倍になるので、０．８Ａ[ｍ^３／ｈ]に減少させることができる。

本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではない。たとえば、冷却水タンク２０で構成した冷媒通流部に冷媒として熱回収装置１２に供給する冷却水を利用しているが、冷却水以外の冷媒を用いることも可能である。また、冷却水タンク２０へ冷媒を供給する経路を冷却水経路２１から分離した経路としても良い。さらに、冷却水タンク２０以外にも冷媒を通流させる冷媒通流部であって遮光手段として用いることができるものであれば、配管群またはその他の既存の構成要素を利用することも可能である。

本発明は、パッケージ型の燃料電池発電装置においてパッケージ内温度を抑制する構造に適用可能である。

一実施の形態に係る燃料電池発電システムの概略的な全体構成図 （ａ）冷却水タンクの上面図、（ｂ）冷却水タンクの側面図、（ｃ）冷却水タンクの正面図、（ｄ）図２（ａ）に示すＡ-Ａ線矢視断面図 冷却水タンクを備えたパッケージ型の燃料電池発電装置のエネルギーフローを示す図 冷却水タンクを備えていないパッケージ型の燃料電池発電装置のエネルギーフローを示す図 従来の燃料電池コジェネレーションシステムの構成図 従来のパッケージ型の燃料電池発電装置の構成図

符号の説明

１…改質器、２…原燃料、３…改質ガス、４…燃料電池、５、１２…熱回収装置、６…蓄熱ユニット、１１…パッケージ、１３…大型換気ファン、１４、２１…冷却水経路、１５…貯湯槽、２０…冷却水タンク、２２…冷却水供給配管、２３…連結配管、２４…冷却水配管、２５…冷却水回収配管、２６…小型換気ファン、３０…流入口、３１…流出口、３２…冷却水

Claims (3)

1. パッケージ内に設置した熱回収装置に冷却水を循環させて熱回収するパッケージ型の燃料電池発電装置において、
   前記パッケージの上方に冷媒を通流させる冷媒通流部を配置することを特徴とするパッケージ型の燃料電池発電装置。
2. 前記冷媒通流部は、パッケージ内に入射する太陽光を遮光する遮光機能と、パッケージ内に入射する太陽光熱を回収する熱回収機能と、を有することを特徴とする請求項１記載のパッケージ型の燃料電池発電装置。
3. 前記冷媒通流部を流れる冷媒として、前記熱回収装置に循環させている冷却水を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のパッケージ型の燃料電池発電装置。
   

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