JP2010267441A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外気温度が高い場合に換気ファンの性能要求を抑制しながら、筺体内の全ての機器の耐熱温度以下に筺体内温度を維持することを可能とし、しかも、筺体内の機器配置の自由度を確保可能な燃料電池発電装置を提供すること。
【解決手段】この燃料電池発電装置１は、原燃料を燃料ガスに改質する改質器１０と、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発電する燃料電池本体１１と、発電に伴い発生する排熱を回収する電池系排熱回収器１２及びガス系排熱回収器１３とを収納した筺体２と、筺体２内に設けられるとともに、筺体２内の熱気を吸気し、吸気した熱気を冷気に変換し、変換した冷気を筺体２内に放出するヒートポンプ２８とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電に係る機器を筺体内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、燃料電池発電装置は、発電に伴う排熱を給湯、空調等に利用可能なコージェネレーションシステムとして注目されている（例えば、特許文献１）。

また、燃料電池発電装置では、風雨からの保護や安全性維持のため、各種機器を金属等の筺体内に収納することが知られている。この各種機器を筺体内に収納したパッケージ型の燃料電池発電装置では、換気ファンによって外気を筺体内に導入することによって、機器放熱により上昇する筺体内温度を、各種機器の耐熱温度以下に維持している。

ところで、上述のようなパッケージ型の燃料電池発電装置では、筺体内の一部の電子機器（例えば、自動調節弁のアクチュエーター）の耐熱温度が、５０℃程度に低く設定されている。したがって、夏季の日中等外気温度が４０℃近くなる場合に、換気ファンによる外気導入のみで、耐熱性の低い機器を含めた全ての機器の耐熱温度（例えば、５０℃）以下に筺体内温度を維持しようとすると、換気ファンの性能要求が過大となってしまう。

そこで、換気ファンによって導入した外気を耐熱性の低い機器に直接導風するダクトを筺体内に設けることにより、耐熱温度の低い機器を局所冷却することも知られている（例えば、特許文献２）。このようなダクトを筺体内に設けた燃料電池発電装置では、耐熱性の低い機器が局所冷却されるため、換気ファンの性能要求を過大にせずとも、筺体内の全ての機器の耐熱温度を満たすことができる。

特開２００８−２８１３３１号公報 特開平１０-２８４１０５号公報

しかしながら、上述のようなダクトを筺体内に設けた燃料電池発電装置では、ダクト内の冷気が筺体内の雰囲気と熱交換して局所冷却効果が低下してしまう。また、冷却効果を上げるため十分な風量を確保するには、ダクトの直径を太くする必要がある。したがって、筺体内におけるダクトの占有部が大きくなり、筺体内の機器配置の制約が大きくなってしまう。特に、筺体内に耐熱性の低い機器が多数存在する場合、筺体内に太いダクトが複雑に配置されるため、筺体内の機器配置の制約が非常に大きくなってしまうという問題点があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、外気温度が高い場合に換気ファンの性能要求を抑制しながら、筺体内の全ての機器の耐熱温度以下に筺体内温度を維持することを可能とし、しかも、筺体内の機器配置の自由度を確保可能な燃料電池発電装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池発電装置は、原燃料を燃料ガスに改質する改質器と、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発電する燃料電池本体と、前記発電に伴い発生する排熱を回収する排熱回収器とを収納した筺体と、前記筺体内に設けられるとともに、前記筺体内の熱気を吸気し、吸気した熱気を冷気に変換し、変換した冷気を前記筺体内に放出するヒートポンプと、を具備することを特徴とする。

この構成によれば、ヒートポンプから放出される冷気によって、筺体内の筺体内温度の上昇を抑制することができる。したがって、外気温度が高い場合に換気ファンの性能要求を抑制しながら、筺体内の全ての機器の耐熱温度以下に筺体内温度を維持することができる。しかも、ヒートポンプの占有部は一箇所に限られるため、筺体内に耐熱性の低い機器が多数設けられる場合であっても、筺体内の機器配置の自由度を確保することができる。

また、本発明は、上記燃料電池発電装置において、前記排熱回収器は、前記改質器及び／又は前記燃料電池本体から排出されるガスに含まれるガス系排熱を回収し、前記ヒートポンプは、前記熱気を前記冷気に変換することにより取得した熱を、前記排熱回収器によって回収された前記ガス系排熱に放熱することを特徴とする。

この構成によれば、ヒートポンプが取得した熱をガス系排熱に放熱することによって、ガス系排熱の温度レベルを中温排熱から高温排熱に変換することができる。したがって、ガス系排熱を、給湯加熱だけでなく吸収式冷凍機にも利用することが可能となり、ガス系排熱の利用用途を拡大することができる。

本発明によれば、外気温度が高い場合に換気ファンの性能要求を抑制しながら、筺体内の全ての機器の耐熱温度以下に筺体内温度を維持することを可能とし、しかも、筺体内の機器配置の自由度を確保可能な燃料電池発電装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池発電装置の概略図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池発電装置における気流の流れを示す図である。 本発明の実施例及び比較例における条件を示す図である。 本発明の変形例に係る燃料電池発電装置における概略図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池発電装置の概略図である。図１に示すように、燃料電池発電装置１は、金属等の筺体２内に各種機器を収納したパッケージ型の燃料電池発電装置である。

筺体２の側壁には、吸気口３が設けられており、吸気口３の近くには、吸気口３から筺体２内に外気（冷気）を取り込むための換気ファン４が設けられている。また、筺体２の天井部には、筺体２内の雰囲気（熱気）を外部に排気するための排気口５が設けられている。なお、換気ファン４は、排気口５の近傍に設置されてもよい。

筺体２内には、改質器１０、燃料電池本体１１、電池系排熱回収器１２、ガス系排熱回収器１３、回収水タンク１４、ヒートポンプ２８等が収納されており、収納された各種機器は、原燃料ラインＬ１、燃料ガスラインＬ２等の配管により接続されている。

改質器１０は、触媒層１０ａとバーナ１０ｂとから構成される。触媒層１０ａは、原燃料ラインＬ１と、燃料ガスラインＬ２とに接続されており、バーナ１０ｂは、起動用燃料ラインＬ６と、燃焼空気ラインＬ７と、燃料極オフガスラインＬ３と、燃焼排ガスラインＬ８とに接続されている。

改質器１０のバーナ１０ｂは、触媒層１０ａを加熱するために、燃焼空気ブロワ１６から燃焼空気ラインＬ７を通じて供給された燃焼空気を用いて、燃料極オフガスラインＬ３を通じて供給された燃料極オフガスを燃焼させる。また、バーナ１０ｂは、燃焼排ガスラインＬ８を通じて燃焼排ガスを排出する。なお、燃料極オフガスラインＬ３を通じて供給される燃料極オフガスは、燃焼促進のために、燃料予熱器１７において予熱されている。燃料予熱器１７における燃料極オフガスの予熱は、燃焼排ガスラインＬ８を通じて排出された燃焼排ガスとの熱交換により行われる。

バーナ１０ｂにより加熱された触媒層１０ａは、脱硫器１８を経て原燃料ラインＬ１を通じて供給された原燃料を、触媒反応により燃料ガスに改質する。改質された燃料ガスは、変成器１９とＣＯ除去器２０とを経て、燃料ガスラインＬ２を通じて燃料電池本体１１の燃料極１１ａに供給される。

燃料電池本体１１は、燃料極１１ａと、空気極１１ｂと、冷却板１１ｃとから構成される。燃料極１１ａは、燃料ガスラインＬ２と、燃料極オフガスラインＬ３とに接続されており、空気極１１ｂは、反応空気ラインＬ４と、空気極オフガスラインＬ１０とに接続されており、冷却板１１ｃには電池冷却水ラインＬ５が組み込まれている。

燃料電池本体１１は、燃料ガスラインＬ２を通じて燃料極１１ａに供給された燃料ガスと、反応空気ブロワ１５から反応空気ラインＬ４を通じて空気極１１ｂに供給された反応空気との電気化学反応に基づいて発電する。発電に伴い発熱した燃料電池本体１１は、冷却板１１ｃに組み込まれた電池冷却水ラインＬ５を通流する電池冷却水により冷却される。

電池系排熱回収器１２には、電池冷却水ラインＬ５と、電池系排熱回収ラインＬ９とが組み込まれており、燃料電池本体１１の冷却によって得られた電池系排熱を回収する。具体的には、電池系排熱回収器１２は、電池冷却水ラインＬ５を通流する電池冷却水と、温水ポンプ２１によって電池系排熱回収ラインＬ９に汲み上げられた冷水との熱交換により、電池冷却水ラインＬ５を通流する電池冷却水を冷却し、電池系排熱回収ラインＬ９を通流する冷水を９０℃程度の高温水に変換する。

ガス系排熱回収器１３には、燃焼排ガスラインＬ８と、空気極オフガスラインＬ１０と、ガス系排熱回収ラインＬ１１とが組み込まれており、燃焼排ガスラインＬ８を通流する燃焼排ガスと空気極オフガスラインＬ１０を通流する空気極オフガスとに含まれるガス系排熱を回収する。具体的には、ガス系排熱回収器１３は、ガス系排熱を有する燃焼排ガス及び空気極オフガスと、温水ポンプ２２によってガス系排熱回収ラインＬ１１に汲み上げられた冷水との熱交換により、ガス系排熱回収ラインＬ１１を通流する冷水を６０℃程度の中温水に変換する。

回収水タンク１４は、燃焼排ガスラインＬ８と、空気極オフガスラインＬ１０と、排気ガスラインＬ１２と、回収水ラインＬ１３と、補給水ラインＬ１４とに接続されている。回収水タンク１４には、燃焼排ガスラインＬ８及び空気極オフガスラインＬ１０を通じて、ガス系排熱が回収された燃焼排ガスと空気極オフガスとが排出される。燃焼排ガスと空気極オフガスに含まれるガスである排気ガスは、排気ガスラインＬ１２を通じて筺体２の外部に排出され、燃焼排ガスと空気極オフガスに含まれる水分である回収水は、回収水ポンプ２３によって、回収水ラインＬ１３から電池冷却水タンク２４に供給される。また、回収水タンク１４では、回収水が不足した場合に、補給水弁２５を介して、補給水ラインＬ１４から市水が補充される。電池冷却水タンク２４に供給された回収水は、電池冷却水ポンプ２６によって電池冷却水ラインＬ５に汲み上げられる他、改質用ポンプ２７によって改質用水ラインＬ１５に汲み上げられ、原燃料と混合されて改質器１０に導入される。

ヒートポンプ２８は、ヒートポンプ熱交換器２８ａと、圧縮機２８ｂと、ヒートポンプ熱交換器２８ｃと、膨張弁２８ｄとから構成される。ヒートポンプ２８を構成する各種機器は、冷媒ラインＬ１６に接続されている。

ヒートポンプ熱交換器２８ａの一方の側面には、吸気口２８ａ１が設けられており、対向する他方の側面には、排気口２８ａ２が設けられている。ヒートポンプ熱交換器２８ａの内部には、筺体２内の熱気を吸気口２８ａ１からヒートポンプ熱交換器２８ａ内に導入するためのファン２８ａ３が設けられている。また、ヒートポンプ熱交換器２８ａには、冷媒ラインＬ１６が組み込まれている。ヒートポンプ熱交換器２８ａは、冷媒ラインＬ１６を通流する冷媒と吸気口２８ａ１から導入された熱気との熱交換により、導入された熱気を冷気に変換し、変換した冷気を排気口２８ａ２から筺体２内に排出する。

圧縮機２８ｂは、所定の駆動電力により、冷媒ラインＬ１６を通流する冷媒を圧縮することによって、ヒートポンプ熱交換器２８ａにおける熱交換により上昇した冷媒の温度を、更に上昇させる。

ヒートポンプ熱交換器２８ｃには、冷媒ラインＬ１６と、ガス系排熱回収ラインＬ１１とが組み込まれている。ヒートポンプ熱交換器２８ｃは、圧縮機２８ｂで高温化された冷媒とガス系排熱回収ラインＬ１１を通流する中温水との熱交換によって、ガス系排熱回収ラインＬ１１を通流する６０℃程度の中温水を９０℃程度の高温水に変換する。

膨張弁２８ｄは、冷媒ラインＬ１６を通流する冷媒を減圧することによって、ヒートポンプ熱交換器２８ｃにおける熱交換により低下した冷媒の温度を、更に低下させる。

次に、以上のように構成された燃料電池発電装置１において筺体内温度の上昇を抑制するための動作について説明する。図２は、燃料電池発電装置１における筺体２内の気流の流れを示す図である。図２において、実線は冷気の流れを示し、破線は、熱気の流れを示す。

図２に示すように、換気ファン４を駆動することよって、吸気口３から筺体２内に外気（冷気）が導入される。筺体２内に導入された冷気は、筺体２内の機器放熱を吸熱し、熱気となる。筺体２内の機器放熱を吸熱した熱気は、筺体２の天井部に設けられた排気口５から、筺体２の外部に排出される。

また、筺体２内の機器放熱を吸熱した熱気は、ヒートポンプ熱交換器２８ａ内に設けられたファン２８ａ３によって、吸気口２８ａ１からヒートポンプ熱交換器２８ａ内に導入される。ヒートポンプ熱交換器２８ａ内に導入された筺体２内の熱気は、ヒートポンプ熱交換器２８ａに組み込まれた冷媒ラインＬ１６を通流する冷媒との熱交換によって、冷気に変換される。変換された冷気は、排気口２８ａ２から筺体２内に放出される。筺体２内に放出された冷気は、筺体２内の機器放熱を吸熱して、一部が排気口５から筺体２の外部に排出され、一部がヒートポンプ熱交換器２８ａに再導入される。

このように、ヒートポンプ熱交換器２８ａでは、筺体２内の熱気を熱源とする冷媒の吸熱反応により、筺体２内に冷気が放出される。このため、燃料電池発電装置１では、ヒートポンプ熱交換器２８ａから放出される冷気によって、筺体内温度の上昇を抑制することができる。したがって、外気温度が高い場合に換気ファン４にかかる負担を低減でき、換気ファン４の性能要求を抑制しながら、筺体２内の全ての機器の耐熱温度以下に筺体内温度を維持することができる。また、ヒートポンプ２８の占有部は一箇所に限られるため、筺体２内に耐熱性の低い機器が多数設けられる場合であっても、筺体内の機器配置の自由度を確保することができる。

さらに、ヒートポンプ熱交換器２８ｃでは、圧縮機２８ｂにより高温化した冷媒を熱源とする冷媒の放熱反応により、ガス系排熱回収ラインＬ１１の６０℃程度の中温水が９０℃程度の高温水に変換される。ここで、９０℃程度の高温排熱は、吸収式冷凍機への投入等が可能であるのに対して、６０℃程度の中温排熱の用途は、給湯加温に限られる。したがって、ガス系排熱の温度レベルを中温排熱から高温排熱に変換することにより、ガス系排熱の利用用途を拡大することができる。

なお、筺体２内部の構成は、図１及び図２に示すものに限られるものではなく、例えば、図４に示すように、機器配置及び仕切り板の設置等の工夫を行うことで、よりヒートポンプ２８による冷却の効果を高めることが可能である。図４は、本発明の変形例に係る燃料電池発電装置の筺体２の上部からの断面図である。図４に示す燃料電池発電装置６においては、筺体２内に、ヒートポンプ熱交換器２８ａの吸気口２８ａ１側と排気口２８ａ２側とを分ける仕切り板２９を設ける。仕切り板２９を設けることにより、筺体２内を冷気側と熱気側とに分けることができるため、ヒートポンプ２８による冷却の効果を高めることができる。

（実施例）
以下に実施例及び比較例を挙げて、本発明の実施の形態について具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。図３は、本実施例及び比較例における各種条件を示す表である。

本実施例では、燃料電池発電装置１は、１００ｋＷ級のりん酸形燃料電池とした。１００ｋＷ級のりん酸形燃料電池の場合、筺体２内の機器放熱は約１０〜２０ｋＷである。そこで、図３に示すように、本実施例では、筺体２内の機器放熱を１５ｋＷとして想定した。また、筺体２内の全ての機器の耐熱温度を満たす目標筺体内温度が５０℃、外気温度が４０℃である場合を想定した。

本実施例では、上記条件下で、筺体２内にＣＯＰ５のヒートポンプ２８が設けられる。ここで、ＣＯＰ５とは、ヒートポンプ２８の圧縮機２８ｂに与える動力の５倍の熱を吸熱することが可能であることを示す。

このヒートポンプ２８の圧縮機２８ｂに２ｋＷの起動電力を投入することにより、筺体２内の機器放熱１５ｋＷのうち、１０ｋＷ（２ｋＷ×５）分を、ヒートポンプ熱交換器２８ａによって吸熱することができる。

したがって、本実施例では、筺体２内の残りの機器放熱５ｋＷ分のみを、換気ファン４によって導入する外気により吸熱する。ここで、機器放熱５ｋＷ分を吸熱するために、換気ファン４に要求される外気導入量[Ｎｍ^３／ｍｉｎ]は、空気の密度を１．２９ｋｇ／Ｎｍ^３とし、空気の比熱を１．００７ｋＪ／ｋｇ／Ｋとし、許容温度上昇値ΔＴを１０Ｋ（目標筺体内温度５０℃−外気温度４０℃）すると、
５［ｋＪ／ｓｅｃ］×６０［ｓｅｃ／ｍｉｎ］／１．２９［ｋｇ／Ｎｍ^３］／１．００７［ｋＪ／ｋｇ／Ｋ］／１０［Ｋ］＝２３［Ｎｍ^３／ｍｉｎ］
である。

また、本実施例では、ヒートポンプ２８によって吸熱した筺体２内の機器放熱１０ｋＷ分を、ヒートポンプ熱交換器２８ｃにおいて、ガス系排熱回収ラインＬ１１を通流する中温水に放熱する。ここで、１０ｋＷの熱量は、２８７ｋｇ／ｈの水を３０℃上昇させることが可能なエネルギーであるため、ガス系排熱回収ラインＬ１１を通流する中温水のうち、２８７ｋｇ／ｈ相当量をヒートポンプ熱交換器２８ｃにおいて、９０℃の高温水に変換することができる。

（比較例）
比較例では、実施例と同様に、筺体２内の機器放熱を１５ｋＷとし、目標筺体内温度が５０℃、外気温度が４０℃である場合を想定した。

ただし、比較例では、上記条件下で、筺体２内にヒートポンプ２８を設けずに、筺体２内の機器放熱１５ｋＷ分を換気ファン４による外気導入のみで吸熱する。ここで、機器放熱１５ｋＷ分を吸熱するために、換気ファン４に要求される外気導入量[Ｎｍ^３／ｍｉｎ]は、空気の密度を１．２９ｋｇ／Ｎｍ^３とし、空気の比熱を１．００７ｋＪ／ｋｇ／Ｋとし、許容温度上昇値ΔＴを１０Ｋ（目標筺体内温度５０℃−外気温度４０℃）すると、
１５［ｋＪ／ｓｅｃ］×６０［ｓｅｃ／ｍｉｎ］／１．２９［ｋｇ／Ｎｍ^３］／１．００７［ｋＪ／ｋｇ／Ｋ］／１０［Ｋ］＝６９［Ｎｍ^３／ｍｉｎ］
である。

以上説明したように、換気ファン４とヒートポンプ２８を併用した実施例では、ヒートポンプ２８により筺体内温度の上昇を抑制することができるため、換気ファン４のみを使用した比較例と比較して、換気ファン４による外気導入量を１／３に抑えることができる。したがって、実施例では、外気温度が４０℃近くなる場合に、換気ファンの性能要求を抑制しながら、筺体２内の全ての機器の耐熱温度を満たす５０℃以下に筺体内温度を維持することができる。

さらに、比較例では、筺体２内の熱気を排気口５から外部に排出するにすぎないため、ガス系排熱の温度レベルは６０℃程度の中温排熱にすぎない。一方、実施例では、ヒートポンプ２８が取得した筺体２内の熱気の熱をガス系排熱に放熱することによって、ガス系排熱の温度レベルを６０℃の中温排熱から９０℃の高温排熱に変換できる。したがって、本実施例では、ガス系排熱の利用用途を拡大することもできる。

１…燃料電池発電装置、２…筺体、３…吸気口、４…換気ファン、５…排気口、１０…改質器、１０ａ…触媒層、１０ｂ…バーナ、１１…燃料電池本体、１１ａ…燃料極、１１ｂ…空気極、１１ｃ…冷却板、１２…電池系排熱回収器、１３…ガス系排熱回収器、１４…回収水タンク、１５…反応空気ブロワ、１６…燃焼空気ブロワ、１７…燃料予熱器、１８…脱硫器、１９…変成器、２０…ＣＯ除去器、２１、２２…温水ポンプ、２３…回収水ポンプ、２４…電池冷却水タンク、２５…補給水弁、２６…電池冷却水ポンプ、２７…改質用ポンプ、２８…ヒートポンプ、２８ａ…ヒートポンプ熱交換器、２８ａ１…吸気口、２８ａ２…排気口、２８ａ３…ファン、２８ｂ…圧縮機、２８ｃ…ヒートポンプ熱交換器、２８ｄ…膨張弁、２９…仕切り板、Ｌ１…原燃料ライン、Ｌ２…燃料ガスライン、Ｌ３…燃料極オフガスライン、Ｌ４…反応空気ライン、Ｌ５…電池冷却水ライン、Ｌ６…起動用燃料ライン、Ｌ７…燃焼空気ライン、Ｌ８…燃焼排ガスライン、Ｌ９…電池系排熱回収ライン、Ｌ１０…空気極オフガスライン、Ｌ１１…ガス系排熱回収ラインＬ、Ｌ１２…排気ガスライン、Ｌ１３…回収水ライン、Ｌ１４…補給水ライン、Ｌ１５…改質用水ライン、Ｌ１６…冷媒ライン、

Claims (2)

1. 原燃料を燃料ガスに改質する改質器と、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発電する燃料電池本体と、前記発電に伴い発生する排熱を回収する排熱回収器とを収納した筺体と、
   前記筺体内に設けられるとともに、前記筺体内の熱気を吸気し、吸気した熱気を冷気に変換し、変換した冷気を前記筺体内に放出するヒートポンプと、
   を具備することを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記排熱回収器は、前記改質器及び／又は前記燃料電池本体から排出されるガスに含まれるガス系排熱を回収し、
   前記ヒートポンプは、前記熱気を前記冷気に変換することにより取得した熱を、前記排熱回収器によって回収された前記ガス系排熱に放熱す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。

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