JP2010257580A - 燃料電池発電装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池発電装置の凍結を防止するために必要なエネルギーを低減する。
【解決手段】吸気口１２および排気口２２が形成された筐体１１と、筐体１１の内部に納められた燃料電池２１と、筐体１１の内部の気体を排気口２２から排出させる換気ファン１５と、を備えた燃料電池発電装置に、電気ヒータ１３と、制御手段とを設ける。電気ヒータ１３は、吸気口１２から導入される気体を加熱する。制御手段は、たとえばサーモスタットなどの温度センサ１４であって、筐体１１の内部の温度を測定し、その温度が所定の基準温度以下のときに電気ヒータ１３に通電させ、さらに換気ファン１５が動作中の場合には換気ファン１５が排出する気体の排出速度を低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電装置およびその運転方法に関する。

燃料電池発電システムは、燃料処理装置により生成された水素と酸素の結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、化学反応であるために発電効率が高く、汚染物質の排出が少ない環境性に優れた発電装置として評価されている。家庭用の燃料電池発電システムは、燃料処理装置、電池、インバータ、制御装置、熱交換装置やその他のサブシステム機能をコンパクトに纏めたパッケージ装置として構成されている。

このシステムには、水を扱う機器・配管が含まれている。このため、寒冷時に凍結損傷から保護する対策が不可欠である。

また、運転時においては燃料電池パッケージ内部の掃気のために外気を吸気として取り込む。寒冷時において部品の許容温度を下回る外気を導入することはシステム信頼性を低下させるため、ある温度を下回る寒冷時には吸気を加温する必要がある。

特許文献１に記載された非常用燃料電池システムでは、停止時はスペースヒータによって加温し、停電時には発電による排熱を用いてパッケージ室温を管理するようにしている。また、この非常用燃料電池システムにおいて、換気ファンの風量は、排熱量と外気温度に応じて調整されている。特許文献２には、燃料電池パッケージの排気部に開閉扉を設け、停止中にはこれを閉じて換気ファンを逆回転させ、発熱器で加温された空気をパッケージ内で循環させ、寒冷時の凍結を防止することが開示されている。

特開２００６−４６９９号公報 特開２００６−１４００５０号公報

燃料電池発電システムを寒冷気候での運転に対応させるためには、パッケージに搭載する機器の設計温度以上に加熱した空気でパッケージ内部を換気する必要がある。このため、電気的な手段で吸気加熱する場合、凍結防止ヒータに加えて吸気加熱ヒータを設けなければならない。これらの両方のヒータを個別に搭載した場合は構成が複雑になり、特に、家庭用の燃料電池発電装置においてはコスト面でも不利である。

さらに、電気的な手段でパッケージの温度を適切な温度に維持する場合、寒冷気候下での停電時で加熱電源が喪失すると、パッケージ内への外気の侵入に伴い、急激に内部温度が低下する可能性がある。パッケージ内の温度の急激な低下は、搭載機器類の凍結損傷を引き起こす可能性がある。

そこで、本発明は、燃料電池発電装置の凍結を防止するために必要なエネルギーを低減することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池発電装置において、吸気口および排気口が形成された筐体と、前記筐体の内部に納められた燃料電池と、前記筐体の内部の気体を前記排気口から排出させる換気ファンと、前記吸気口から導入される気体を加熱する電気ヒータと、前記吸気口から導入される気体の吸気温度が所定の基準温度以下のときに前記電気ヒータに通電させ、前記換気ファンが動作中でありかつ前記吸気温度が前記基準温度以下のときに前記換気ファンが排出する気体の排出速度を低下させる温度センサと、を有することを特徴とする。

また、本発明は、吸気口および排気口が形成された筐体と、前記筐体の内部に納められた燃料電池と、前記筐体の内部の気体を前記排気口から排出させる換気ファンと、前記吸気口から導入される気体を加熱する電気ヒータと、を備えた燃料電池発電装置の運転方法において、前記筐体の内部の温度が所定の基準温度以下のときに前記電気ヒータに通電させる工程と、前記換気ファンが動作中でありかつ前記筐体の内部の温度が前記基準温度以下のときに前記換気ファンが排出する気体の排出速度を低下させる工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池発電装置の凍結を防止するために必要なエネルギーを低減することができる。

本発明に係る燃料電池発電装置の第１の実施の形態における平断面図である。 本発明に係る燃料電池発電装置の第２の実施の形態における立断面図である。 本発明に係る燃料電池発電装置の第３の実施の形態における立断面図である。 本発明に係る燃料電池発電装置の第４の実施の形態における立断面図である。

本発明に係る燃料電池発電装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る燃料電池発電装置の第１の実施の形態における平断面図である。

本実施の形態の燃料電池発電装置は、筐体１１と、燃料電池２１と、換気ファン１５と、電気ヒータ１３と、温度センサ１４とを有している。筐体１１は、たとえば直方体の箱であって、壁面に吸気口１２および排気口２２が向かい合うように形成されている。燃料電池２１は、筐体１１の内部に納められている。

換気ファン１５は、筐体１１の内部の気体を排気口２２から排出させる。換気ファン１５は、たとえば排気口２２の近傍に設けられていて、回転すると点線の矢印５１で示す方向への換気流を生じさせる。また、換気ファン１５が回転すると、換気流の発生に伴って、一点鎖線の矢印５２で示す方向への吸気流が生じる。

電気ヒータ１３は、吸気口１２から導入される気体を加熱する。電気ヒータ１３は、たとえば吸気口１２の全体を覆うように配置される。したがって、一点鎖線の矢印５２で示す方向への吸気流は、電気ヒータ１３を通過して筐体１１の内部に至る。

温度センサ１４は、筐体１１の内部の温度を測定し、その温度が所定の基準温度以下のときに電気ヒータ１３に通電させ、さらに換気ファン１５が動作中の場合には換気ファン１５が排出する気体の排出速度を低下させる制御手段である。より具体的には、温度センサは、たとえばサーモスタットであって、電気ヒータ１３に対して吸気流の下流側に電気ヒータ１３の近傍に配置される。また、温度センサ１４は、電気ヒータ１３および換気ファン１５のそれぞれに接続されている。吸気流の温度が所定の基準温度以下となると、温度センサ１４は電気ヒータ１３に通電させるようになっている。また、このとき、換気ファン１５が動作中である場合には、温度センサ１４は、換気ファン１５の回転数を低減させて、換気ファン１５が排出する気体の排出速度を低下させる。基準温度は、たとえば５℃とする。

燃料電池２１は水素を用いて発電する。このため、燃料電池２１の発電中は、万が一の水素の漏えいなどの際に爆発などが起きないように、換気ファン１５が回転して筐体１１の内部の気体を排気している。また、換気ファン１５によって燃料電池２１から発生する熱の一部を筐体１１の外に排出することで、筐体１１の内部の温度が過度に高くならないようにしている。

寒冷地などでの運転において、温度センサ１４が吸気流の温度が基準温度以下となった場合、電気ヒータ１３に電流が流れて、電気ヒータ１３の温度が上昇する。電気ヒータ１３に通電された場合、電気ヒータ１３が発生する熱が筐体１１の内部の気体および機器などに伝達されて、筐体１１の内部の温度は、循環する冷却水などが凍結しない温度に保たれる。

このように、本実施の形態では、燃料電池の筐体１１内に流入する気体を適切な温度に加温可能である。このため、寒冷気候下の運転であっても、発電装置全体の健全性を確保することができる。また、発電装置の停止時ならびに停電時であっても、凍結防止に対して有効な加熱保護の手段を備えているため、発電装置全体の健全性を確保することができる。

燃料電池２１の運転停止中で換気ファン１５が回転していない状態では、吸気口１２および排気口２２から逃げる熱の量は、それほど大きくない。しかし、燃料電池２１の発電中には、換気ファン１５が回転しているため、電気ヒータ１３が発生した熱は、排気流とともに筐体１１の外部に逃げていく。

本実施の形態では、換気ファン１５が動作中であり、かつ、筐体１１の内部の温度が基準温度以下となった場合には、換気ファン１５が排出する気体の排出速度は低下するため、排気口２２から筐体１１の外部に逃げる熱は小さくなる。このため、筐体１１の内部の温度を維持するために必要な電気ヒータ１３で消費する電力量が小さくなる。つまり、燃料電池発電装置の凍結を防止するために必要なエネルギーを低減することができる。

［第２の実施の形態］
図２は、本発明に係る燃料電池発電装置の第１の実施の形態における立断面図である。

本実施の形態では、筐体１１の下部に蓄熱体３１が設けられている。吸気口１２は、筐体１１の下端近傍に形成されていて、吸気口１２を覆う電気ヒータ１３は、蓄熱体３１の近傍に、たとえば筐体１１の床３２に接触して配置されている。このため、電気ヒータ１３は、蓄熱体３１を加熱可能である。尚、図示はしないが床３２の一部をくり抜き、電気ヒータ１３を直接蓄熱体３１に接触させて配置させても良い。

このような燃料電池発電装置でも、第１の実施の形態と同様に、凍結を防止するために必要なエネルギーを低減することができる。さらに、このような燃料電池発電装置では、寒冷気候下での運転時の吸気の加熱や停止時の凍結防止通電において、電気ヒータ１３が発生する余熱を蓄熱体３１に貯めることができる。このため、寒冷気候下に停電時が生じたとしても、蓄熱体３１に貯えられた熱により筐体１１の内部を加温することができ、筐体１１に格納された機器類を凍結損傷から守ることができる。

［第３の実施の形態］
図３は、本発明に係る燃料電池発電装置の第１の実施の形態における立断面図である。

本実施の形態では、蓄熱体３１の上方に、蓄熱体３１と間隔を置いて筐体１１の床３２が設けられている。蓄熱体３１と筐体１１の床３２との間は、吸気口１２から延びる吸気通路１０が形成されている。この吸気通路１０は、たとえば筐体１１の床３２の水平方向のほぼ全体との間に形成されている。また、電気ヒータ１３は、吸気通路１０の内部に、たとえば吸気通路１０の水平方向のほぼ全体を覆うように設けられている。電気ヒータ１３は、蓄熱体３１を加熱可能である。

本実施の形態の燃料電池発電装置では、吸気口１２から取り込まれる吸気は、筐体１１の床３２と蓄熱体３１との間に形成された吸気通路１０を通じて筐体１１の内部に取り込まれる。このような燃料電池発電装置でも、第２の実施の形態と同様に、凍結を防止するために必要なエネルギーを低減することができる。さらに、寒冷気候下に停電時が生じたとしても、蓄熱体３１に貯えられた熱により筐体１１の内部を加温することができ、筐体１１に格納された機器類を凍結損傷から守ることができる。

また、電気ヒータ１３は、吸気通路１０を流れる間に吸気を加熱するため、吸気との接触距離が長くなる。このため、より確実に吸気を加温できる。また、吸気との接触面積が広いため、電気ヒータ１３の単位面積当たりの発熱量を小さくすることができる。電気ヒータ１３の単位面積当たりの発熱量を小さくすることにより、火災あるいはやけどの発生を抑制することができる。一方、寒冷気候下の停止時においては、吸気通路１０に設けた電気ヒータ１３による加熱を筐体１１の床３２の全体で行わせることができるので、加熱に偏りがなく、筐体１１に格納した機器類を凍結損傷から効率よく防ぐことができる。

［第４の実施の形態］
図４は、本発明に係る燃料電池発電装置の第１の実施の形態における立断面図である。

本実施の形態では、吸気口１２を筐体１１の上部に設けている。吸気口１２から、筐体１１の床３２と蓄熱体３１との間に形成された吸気通路１０までには、下降して延びる導入通路２３が形成されている。

本実施の形態の燃料電池発電装置では、吸気口１２から取り込まれる吸気は、導入通路２３および吸気通路１０を通じて筐体１１の内部に取り込まれる。このような燃料電池発電装置でも、第３の実施の形態と同様に、凍結を防止するために必要なエネルギーを低減することができる。さらに、寒冷気候下に停電時が生じたとしても、蓄熱体３１に貯えられた熱により筐体１１の内部を加温することができ、筐体１１に格納された機器類を凍結損傷から守ることができる。

また、この燃料電池発電装置では、寒冷気候下での停電時において、蓄熱体３１に貯えられた熱が吸気通路１０の空気を温めるため、暖かい空気が吸気通路１０に満たされる。このため、吸気通路１０が、筐体１１の内部の温度低下に伴って空気が収縮した際に発生する吸気現象に対する暖気バッファとなる。

また、導入通路２３を昇る暖かい空気の作用によって、吸気口１２を通じて生じる冷気の侵入を緩慢にすることができる。したがって、筐体１１に格納された機器類の凍結損傷からの保護効果をより高めることができる。導入通路２３の断面積を吸気通路１０の断面積よりも小さくしておくと、導入通路２３の上昇流の流量を小さくすることができるため、凍結損傷からの保護効果がさらに高めることができる。

［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

１０…吸気通路、１１…筐体、１２…吸気口、１３…電気ヒータ、１４…温度センサ、１５…換気ファン、２１…燃料電池、２２…排気口、２３…導入通路、３１…蓄熱体、３２…床

Claims (5)

1. 吸気口および排気口が形成された筐体と、
   前記筐体の内部に納められた燃料電池と、
   前記筐体の内部の気体を前記排気口から排出させる換気ファンと、
   前記吸気口から導入される気体を加熱する電気ヒータと、
   前記筐体の内部の温度を測定し、その温度が所定の基準温度以下のときに前記電気ヒータに通電させ、さらに前記換気ファンが動作中の場合には前記換気ファンが排出する気体の排出速度を低下させる制御手段と、
   を有することを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記筐体の下部に設けられた蓄熱体をさらに有し、
   前記電気ヒータは前記蓄熱体を加熱可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記蓄熱体の上方に設けられて前記蓄熱体との間に前記吸気口から延びる吸気通路を形成する床をさらに有し、
   前記電気ヒータは前記吸気通路を流れる気体を加熱可能に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記吸気口から前記吸気通路に向かって下降して延びる導入通路が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置。
5. 吸気口および排気口が形成された筐体と、前記筐体の内部に納められた燃料電池と、前記筐体の内部の気体を前記排気口から排出させる換気ファンと、前記吸気口から導入される気体を加熱する電気ヒータと、を備えた燃料電池発電装置の運転方法において、
   前記筐体の内部の温度が所定の基準温度以下のときに前記電気ヒータに通電させる工程と、
   前記換気ファンが動作中でありかつ前記筐体の内部の温度が前記基準温度以下のときに前記換気ファンが排出する気体の排出速度を低下させる工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。

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