JP2010091147A - 燃料電池発電設備を備えた冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】各種発熱機器を安定的に高効率で冷却する冷却システムを提供すること。
【解決手段】純水を気化伝熱ユニット３内で気化させ、その際に蒸発潜熱を奪い、発熱機器や発熱部品を冷却する。気化した水蒸気は真空配管７を通って吸引され、水蒸気改質形の燃料電池システム９に導入し、燃料配管１０から供給されるメタンと反応させ水素を得る。冷却に必要なエネルギーは水蒸気を吸引するエネルギーと純水を製造するエネルギーのみであり、一方燃料電池発電においては水蒸気を得るための蒸発潜熱分を必要としない発電が実現できるので、全体としての消費電力は少なく、高効率な冷却が実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空調冷房用もしくは発熱機器を冷却する冷却システムに関し、特にデータサーバーやコンピューターサーバー内の発熱する電子部品を直接冷却する冷却システム、もしくはサーバーキャビネット内の加熱された空気を冷却する燃料電池発電設備を備えた冷却システムに関するものである。

近年、世界的なＩＴ産業の発展に伴い、情報を大規模に管理するデータセンターが各国各地で昼夜連続稼動している。そのデータセンターが消費する電力は莫大な量であり、なかでもサーバー機から発する熱の冷却に使われる電力はデータセンター全体の消費電力の３０〜５０％を占めていると言われており、高効率な冷却システムが強く望まれている。

従来このような冷却システムはサーバー機が設置された部屋全体を冷房する手段が用いられてきたが、熱容量が小さく熱伝導も良好でない空気を冷却してサーバーを間接的に冷却するこの方式は非効率であるので、吸熱熱交換体を発熱する電子部品の近傍もしくは直接接触させて冷却する方式が数多く提案されている。

例えば、冷媒を循環させる冷凍サイクル（いわゆるヒートポンプ）を用いて、吸熱熱交換体である蒸発室内に冷媒を微小液滴として噴霧し、気化効率を高めたものなどが提案されている（例えば特許文献１参照）。

また、発熱する電子部品に密接させた気化器内で冷媒を気化し、上昇する冷媒を気化器よりも上方に位置する凝縮器で凝縮させ、液体へ戻った冷媒は気化器へ重力下降して循環する熱サイフォン型冷却システムが提案されている（例えば特許文献２参照）。
国際公開第０２／０４６６７７号パンフレット 特開２００２−１６８５４７号公報

しかしながら、従来のヒートポンプを用いる限り、熱力学的に効率の限界がある。用いる冷媒にも依るが、移動できるエネルギー（冷却できる熱量）と入力するエネルギーの比は最高５程度であり、またその比も凝縮側の気温によっては変化し、不安定であるという課題があった。

また冷却効率に関わる問題とは別に、データセンター自体の電力消費があまりに大きいため、慢性的な電力不足におちいっているという問題があった。大型のデータセンターでは数千キロワットの電力を要求するところもあり、小型の発電所しか擁しない商用電力ではまかないきれないという問題である。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、安定的に高効率で冷却する冷却システムを提供し、特に電力消費の莫大なデータセンターの消費電力を減らして電力不足を解決するとともに地球温暖化防止に寄与することを目指すことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の冷却システムは、熱を伝える伝熱部と水が気化する気化部から構成される気化伝熱ユニットと、前記気化伝熱ユニットに純水を供給する純水供給手段と、前記気化伝熱ユニットから気化した水蒸気を吸引する水蒸気吸引手段と備え、前記純水供給手段から純水を前記気化伝熱ユニットに供給し、供給された純水を前記気化部から気化することで前記伝熱部から気化潜熱を奪い、気化した水蒸気は、前記水蒸気吸引手段によって吸引されて水蒸気改質型の燃料電池へ導入され、燃料から水素を得るための水蒸気として用いられる、燃料電池発電設備を備えた冷却システムとしたものである。

これによって、冷却したい発熱体から最小限のエネルギーを使って水のもつ気化潜熱分を奪うことが可能となり、高効率な冷却が実現する。

従来のヒートポンプと呼ばれる冷却システムでは、気化した冷媒を発熱体から離れたところで圧縮して凝縮させ、その際に放熱する熱を冷却ファンなどで取り去った後、液化した冷媒を循環させている。この場合、冷媒を圧縮するエネルギーと冷却ファンを駆動するエネルギーが必要となるが、本発明ではこのエネルギーを必要としないので高効率な冷却が実現できるのである。

必要となるエネルギーは実質的に水蒸気を吸引する水蒸気吸引手段が使うエネルギーのみである。本発明のように気化伝熱ユニットから水蒸気を吸引しているだけなので圧縮するエネルギーと冷却ファンを駆動するエネルギーは必要なく効率が高くなるということである。

また、従来のヒートポンプは凝縮器で放熱した熱を大気で冷却しているが、このとき大気の気温によって効率は変動してしまうという問題がある。気温が高い場合は凝縮器から熱を奪う能力が落ちてしまうからである。本方式では温度によってあまり変化しない水の気化潜熱のみを用いるので、効率の変動はほとんどないと言ってよく、安定した効率を維持できるのである。

そして本発明の冷却システムは、水蒸気吸引手段によって吸引された水蒸気が、水蒸気改質型の燃料電池へ導入され、燃料から水素を得るための水蒸気として用いられる燃料電池発電設備を備えているので、さらに電力消費が削減できコストメリットを向上させることが可能となる。

水蒸気改質型の燃料電池とは、メタンなどの燃料と水蒸気を反応させて水素を得て発電しているシステムである。このとき必要となる水蒸気は、水を熱で蒸発させて得ているので、どうしても水の気化潜熱分だけロスが生じてしまう。一方で、本発明の冷却システムは水蒸気を放出させているので、この水蒸気を燃料電池に導入することによって、水の気化潜熱の要らない分だけ高効率な燃料電池発電が実現できる。

このように高効率な燃料電池発電設備を導入することによって、発電で得られた電力を、水蒸気を吸引するポンプの駆動や発熱する側の機器、この場合サーバー機に使用すれば、一般的にはエネルギー単価の安い天然ガスを電力と置き換えることができるという意味で電力消費が削減でき、コストメリットが向上する。

また特に大規模データセンターでは数千ｋＷ以上もの電力を要求する場合があり、商用電力による電力供給不足が大きな問題となっているので、高効率な燃料電池設備を備えればこの問題も解決させることができる。

本発明の燃料電池発電設備を備えた冷却システムは、発熱する機器を安定的に高効率で冷却することができ、とくには電力消費の莫大なデータセンターの消費電力を減らして地球温暖化防止に寄与することが可能となる。

第１の発明は、熱を伝える伝熱部と水が気化する気化部から構成される気化伝熱ユニットと、前記気化伝熱ユニットに純水を供給する純水供給手段と、前記気化伝熱ユニットから気化した水蒸気を吸引する水蒸気吸引手段と備え、前記純水供給手段から純水を前記気化伝熱ユニットに供給し、供給された純水を前記気化部から気化することで前記伝熱部から気化潜熱を奪い、気化した水蒸気は、前記水蒸気吸引手段によって吸引されて水蒸気改質型の燃料電池へ導入され、燃料から水素を得るための水蒸気として用いられる燃料電池発電設備を備えた冷却システムとすることにより、気化した水蒸気を吸引するエネルギーのみを用いて気化潜熱を奪うことができるので、高効率な冷却を実現することができる。またその気化潜熱は温度によって大きく変化しないので、気温にあまり左右されない安定した効率の冷却が可能となる。同時に、燃料電池発電にとって必要な水蒸気の潜熱分だけ要らなくなるので、高効率な燃料電池発電が可能となり、延いては高効率な冷却が実現するのである。

第２の発明は、第１の発明に加え、燃料電池から排気される水蒸気、もしくは排水される水を回収し、純水供給手段へ導入して水が循環して使用される冷却システムとすることにより、純水供給に関わるエネルギーを減らすことができ、高効率な冷却が実現するのである。純水供給手段（純水製造装置）へ再循環して戻ってきた水はもともと純水が気化伝熱ユニットと燃料電池を通り、燃料の燃焼不純物や配管内の不純物が溶け込んでいるだけであるので、水道水や井戸水と比べると不純物の量は少ないはずである。この不純物の少ない水を純水とするには負荷が小さいので、純水供給に関わるエネルギーも少なくすることが可能なのである。

第３の発明は、第１または第２の発明に加え、複数の気化伝熱ユニットに対し、１個の水蒸気吸引手段および（または）１個の純水供給手段を有する冷却システムとすることにより、水蒸気吸引手段あるいは純水供給手段を大型化させることができるので、水蒸気吸引に関わるエネルギーや純水供給に関わるコスト（つまりエネルギー）を、気化伝熱ユニット１台あたりにすると小さくすることができる。つまりより少ないエネルギーで冷却することが可能となり高効率冷却が実現する。

以下、本発明の燃料電池発電設備を備えた冷却システムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池発電設備を備えた冷却システムの概略図である。また図２、図３は、同実施の形態の燃料電池発電設備を備えた冷却システムに用いた気化伝熱ユニットの断面図である。図４は、同実施の形態の燃料電池発電設備を備えた冷却システムにおける燃料電池システムの概略図である。図５は、一般的な水蒸気改質型の燃料電池システムの概略図である。

図１において、純水製造装置２は凝縮水配管１から導入される凝縮水を純水に浄化して、複数の気化伝熱ユニット３へ送り込む純水供給手段である。気化伝熱ユニット３では、純水配管５から純水が、流量調整弁４において純水の導入量が調整されて導入され、内部で気化し水蒸気となる。

水蒸気は真空配管７を通って、水蒸気吸引手段である真空ポンプ６によって吸引され、真空排気配管８より燃料電池システム９へ導入される。燃料電池システム９ではその水蒸気と燃料配管１０から供給されるメタンとを使って水素を得て発電がおこなわれる。

発電後、燃料電池システム９から水蒸気が排気され、燃料電池排気配管１２を通って凝縮器１１へ導入される。ここで水蒸気が凝縮され、液体の水となって凝縮水配管１を通って純水製造装置２へと再還流する。

図２において、箱状の気化伝熱ユニット３はその片側面である伝熱部１４を介して発熱部品１３と密着しており、発熱部品１３の発する熱を吸熱する。気化伝熱ユニット３の内部には、気化部である気化室１５があり、純水配管５と真空配管７と連通している。気化室１５の伝熱部１４側表面は、親水性皮膜１２で覆われており、そこで純水が気化して気化潜熱を伝熱部１４から奪う構成である。

図３は、気化伝熱ユニット３の別の形態例である。伝熱部１０にはフィン１７が配列されており、フィン１７周囲の空気を冷却することによって間接的に図示していない発熱機器を冷却するものである。

図４において、図１の真空ポンプより排気された水蒸気が、真空排気配管８を通って水素生成器１８へ導入される。水素生成器１８は燃焼部１９で加熱され、都市ガスなどの燃料配管１０から導入されるメタンガスと真空排気配管８から導入される水蒸気が反応して水素を生成し、発電用水素配管２１を通って燃料電池スタック２０へ水素を導く。燃料電池スタック２０では水素と空気中の酸素が反応して発電される仕組みである。燃料電池スタック２０において水素をすべて発電に使わずに一部が燃焼用水素配管２２を通って燃焼部１９へと導く。燃焼部１９ではその水素を燃焼させて水素生成器１８の加熱に用いる。燃料電池スタック２０で排気される水蒸気は燃料電池排気配管１２を通って、図１における凝縮器１１へと導かれる。

図５は、一般的な水蒸気改質型の燃料電池システムの概略図であり、本実施の形態の図１の燃料電池システムつまり図４との比較を説明するための図である。

図５において、純水装置３９で浄化された純水が、水素用純水配管４０を通って水素生成器３１へ導入される。水素用純水配管４０を通って導入された純水は水素生成器３１内で加熱されて水蒸気となり、燃料配管３０から供給されるメタンと共に水素の原料となる。その水素は発電用水素配管３４を通って燃料電池スタック３３へ導入され、空気中の酸素と反応して発電される仕組みである。燃料電池スタック３３において水素をすべて発電に使わずに一部が燃焼用水素配管３５を通って燃焼部３２へと戻る。燃焼部３２ではその水素を燃焼させて水素生成器３１の加熱に用いる。一方燃料電池スタック３３で排気される水蒸気は廃水蒸気配管３６を通って凝縮器３７に導入され、液体の水となり凝縮器配管３８を通って純水装置３９へ再還流する。

以上のように構成された冷却システムについて、以下その動作、作用を説明する。

図１において、水は循環しているので便宜上まず純水装置２からの動作を説明する。純水製造装置２は、逆浸透膜やイオン交換樹脂で構成され、水中の不純物を取り除き純水を製造する。できれば水の電気伝導度が１μＳ／ｃｍ以下、願わくは０．１μＳ／ｃｍ以下まで下げたほうがよい。なぜなら図２の気化室１１で蒸発残渣であるスケールが早期に析出して堆積し、メンテナンス費用が高くなるからである。

こうして作られた純水は純水配管５を通って流量調整弁４に達する。流量調整弁４では必要な冷却能力に応じて過不足なく純水を気化伝熱ユニット３に送るためのものであり、大きい冷却能力が必要なときは流量調整弁４を開いて多くの純水を送り、冷却能力が少なくてもいい場合は流量調整弁４を絞って少ない純水を送る構成になっている。

このようにして純水は気化伝熱ユニット３へ送られる。

次に、図２において、純水は純水配管５から気化伝熱ユニット３内の気化室１１に導入される。このとき純水は親水性皮膜１２の表面において薄く広がって気化する。気化と同時に伝熱部１０から気化潜熱を奪うのである。

一方で、気化伝熱ユニット３はＣＰＵなどの発熱部品９と密着しており、その熱が伝熱部１０に伝わっているので、伝熱部１０の熱を奪うことで発熱部品９は冷却されることになる。

気化室１１の親水性皮膜１２は酸化亜鉛などの金属酸化物皮膜のような親水性皮膜や薄い親水性樹脂不織布でできたウイックでも良い。この表面が親水性であることにより、純水が薄く広く広がりやすくなり、その表面積が大きくなることで気化が促進され、効率よく気化潜熱を奪うことが可能となるのである。

このようにして気化した水蒸気は真空配管７を通って、図１のように真空ポンプ６に達し、真空排気配管８から排気される。

ここでエネルギー効率について説明する。ＣＰＵである発熱部品９が８０Ｗの放熱をするとし、それに対する気化伝熱ユニット３冷却能力を、余裕を持たせて１００Ｗ（０．１ｋＷ）とする。一方、純水配管５より導入される純水の温度を２０℃とすれば、その蒸発潜熱は２．４５ｋＪ／ｇであるので、導入量は、０．１／２．４５＝０．０４０８ｇ／ｓｅｃ（＝２．４５ｍＬ／ｍｉｎ）となる。流量調整弁４はこの値になるよう調整すればよい。

大型データセンターにおいてはサーバー機が数百台設置されていることが少なくなく、本実施の形態においても例えば、発熱部品９が１００台設置されているのに対し、合計１０ｋＷを集中的に冷却するとすれば、純水は２４５ｍＬ／ｍｉｎ（＝１４．７Ｌ／ｈｒ）必要となる。つまり純水製造装置２の能力としてこれだけ必要となる。この規模の純水製造装置は中型規模であり、その電力消費は原水の水質にもよるが一般的に１００Ｗ〜５００Ｗである。

また一方でこれだけの量の純水が気化して水蒸気となるので、この水蒸気量は約３３０Ｌ／ｍｉｎ（２０℃）であり、これだけの水蒸気を真空ポンプ６が吸引すればよい。排気速度が約３３０Ｌ／ｍｉｎ程度の真空ポンプは一般的に５００Ｗ程度であるので、純水製造の消費電力と合わせ、合計の消費電力は０．６〜１ｋＷとなり、１０ｋＷの冷却に対し非常に少ない電力ですむことになる。

また仮に外気温が高いなどの理由で、純水が４０℃ほどの高温状態でしか得られないとしても、冷却能力にはほとんど差があらわれない。４０℃の水の蒸発潜熱は２．４ｋＪ／ｇであり、２０℃のとき（２．４５ｋＪ／ｇ）と３％としか違わないからである。つまり安定した冷却能力が維持できるということである。

気化伝熱ユニット３の別の形態として図３のようなものも考えられる。図３において伝熱部１０よりフィン１７が複数配置されている。発熱機器もしくは発熱部品が気化伝熱ユニット３と接合できない場合はこの形態が望ましい。図示していない送風装置によって、フィン１７に空気を当てて冷やし、その冷やされた空気で図示していない発熱機器を冷却する、もしくは発熱機器をから出る熱を送風装置から送られた空気で奪い、その暖められた空気をフィン１７で熱交換して冷やすという構成である。

直接発熱部品に接していないので、冷却効率は低下するが、発熱部品の拡張性（交換など）が高まるので有用性がある。

次に図１の真空排気配管８から排気された水蒸気が燃料電池システム９へ導入されたあとの動作と効果について説明する。この燃料電池システム９をあらわしたのが図４であり、水蒸気は水素生成器１８へ導かれる。

水素生成器１８では燃料配管１０から得られるメタンと水蒸気が反応して水素と二酸化炭素になる。この水素が燃料電池スタック２０へ導かれ、空気中の酸素と反応して発電される。一方で燃料電池スタック２０では水素を一部余らせて、その水素を燃焼部１９へと導く。燃焼部１９では水素を空気中の酸素で燃焼させて熱を得て、その熱によって水素生成器１８を加熱している。メタンと水蒸気の反応は吸熱反応であり、この反応の促進には加熱が必要だからである。

水蒸気改質型燃料電池では、主に天然ガス中のメタンガスと水蒸気を原料に水素を生成して、水素酸素を反応させて発電している。このため水蒸気が必要であるが、本実施例においては既に水蒸気が導入される構成であるので、水から水蒸気を得るための蒸発潜熱を必要としない。

メタンと水蒸気の反応式は、（化１）であり、メタン１モルに対し水蒸気２モルを必要としている。

メタン１モルの燃焼エネルギーは高位発熱量ベースで８９０ｋＪあり、水の蒸発潜熱を２．４５ｋＪ／ｇとすると、水２モルの蒸発潜熱は８８ｋＪであり、メタンの発熱量の１０％ほどある。この熱量分だけ、図５のような一般的な燃料電池システムでは必要となるのである。

図５において、水素用純水配管４０から得られる純水を水素生成器３１内で水蒸気にするための熱量が奪われるということである。すなわち水素生成器３１に必要なエネルギーは、メタンと水蒸気を水素に代えるエネルギーと水を蒸発させるエネルギーを合わせた分であり、燃焼用水素配管３５に戻る水素の量を、その熱量分だけは確保する必要があるということである。

一方で本発明に係る実施の形態２の燃料電池システムにおいては図４のように、水蒸気がそのまま導入されることになる。つまり水素生成器１８に必要なエネルギーは、メタンと水蒸気を水素に代えるエネルギーだけでよくなり、燃焼用水素配管２２にもどる水素の量は図５に比べ少なくてすむということである。原理的にはメタン１モルに対し、図５のような一般的な燃料電池発電に比べて蒸発潜熱の８８ｋＪ分を発電に使えるということである。

図５のような一般的な燃料電池システムでの発電効率は３５〜４０％程度であるが、本実施例によると４０〜４５％ほどになる。この値は火力発電やガスタービン発電と比べても高い数字であり、本発明の冷却システムに備えられたこの燃料電池発電はきわめて高い相乗効果を発揮していると言える。特にデータセンターのような冷却に関して著しい電力消費が問題となっている設備において、本実施例のように燃料電池発電と組み合わせる意義は大きい。

本発明の主目的は、高効率な冷却を目指すものであるが、高効率な冷却とはすなわち消費電力の少ない冷却、さらに言えば消費エネルギーの少ない冷却のことである。本実施例のように、高効率な冷却に燃料電池発電を組み合わせて相乗効果を発揮して、高効率な発電が得られるということは、全体として消費エネルギーの少ない冷却が達成されるということに他ならず、これは高効率な冷却と同義であると言える。

このようにして図４の燃料電池スタック２０において高効率に発電されたあと、水素酸素の反応後の水蒸気が排気される。排気された水蒸気は燃料電池排気配管１２を通って、図１の凝縮器１１に導入される。

凝縮器１１は熱交換器と冷却ファンを組み合わせたものであって、必ずしも水蒸気を圧縮させて（エネルギーを多量に使って）凝縮させる必要はない。つまり水蒸気を全量液体の水として凝縮させる必要はない。この水蒸気の由来は、最初の純水製造装置２に端を発して純水配管５を通るものと、燃料電池システム９におけるメタンから得られるものが合わさった量の水蒸気であり、この下流の純水製造装置２で必要とされる水の量以上の水蒸気が凝縮器１１へ導入されているからである。したがって凝縮器１１においてその全量を凝縮させず、その一部、つまり気化伝熱ユニット３で冷却に必要な水量だけを凝縮するだけでよい。

このようにして凝縮器１１で液化した水が凝縮水配管１を通って純水製造装置２へ再還流して水は循環して使われるのである。その水は各配管の汚れ、燃料ガスの成分などが溶け込んでいるので、純水製造装置２において常に浄化する必要があるが、基本的には密閉系に近い循環なので、水道水や井戸水を原水として純水へ浄化するよりもその浄化要求レベルは低いのである。すなわち、純水製造装置２での各種フィルターの交換などは頻繁におこなう必要はなく、メンテナンス費用も少なくてすむのである。ここにおいても本発明の冷却システムと燃料電池との相乗効果が発揮されているということである。

本発明にかかる燃料電池発電設備を備えた冷却システムは、非常に高効率で消費電力の少ない冷却を実現できるので、冷却が必要な各種機械、設備に利用できる。例えばエアコンのような家電機器、射出成型機などの設備機械などに応用できる。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池発電設備を備えた冷却システムの概略図 同実施の形態の燃料電池発電設備を備えた冷却システムに用いた気化伝熱ユニットの断面図 同実施の形態の燃料電池発電設備を備えた冷却システムに適用できる気化伝熱ユニットの変形例の断面図 同実施の形態の燃料電池発電設備を備えた冷却システムにおける燃料電池システムの概略図 一般的な水蒸気改質型の燃料電池システムの概略図

符号の説明

２ 純水製造装置
３ 気化伝熱ユニット
６ 真空ポンプ
９ 燃料電池システム
１１ 凝縮器
１３ 発熱部品
１４ 伝熱部
１５ 気化室

Claims (3)

1. 空調冷房用もしくは発熱機器を冷却する冷却システムであって、熱を伝える伝熱部と水が気化する気化部から構成される気化伝熱ユニットと、前記気化伝熱ユニットに純水を供給する純水供給手段と、前記気化伝熱ユニットから気化した水蒸気を吸引する水蒸気吸引手段と備え、前記純水供給手段から純水を前記気化伝熱ユニットに供給し、供給された純水を前記気化部から気化することで前記伝熱部から気化潜熱を奪い、気化した水蒸気は、前記水蒸気吸引手段によって吸引されて水蒸気改質型の燃料電池へ導入され、燃料から水素を得るための水蒸気として用いられる燃料電池発電設備を備えた冷却システム。
2. 燃料電池システムから排気される水蒸気、もしくは排水される水を回収し、純水供給手段へ導入して水が循環して使用される請求項１記載の燃料電池発電設備を備えた冷却システム。
3. 複数の気化伝熱ユニットに対し、１個の水蒸気吸引手段および／または１個の純水供給手段を有する請求項１または２記載の燃料電池発電設備を備えた冷却システム。

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