JP5245290B2

JP5245290B2 - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP5245290B2
Application number: JP2007137899A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　　誠
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2027-05-24
Also published as: JP2008293779A

Description

本発明は、燃料と酸化剤の供給を受けて電気エネルギーを発生する燃料電池発電装置、特に、燃料電池の電池反応に関わるプロセス機器内に存在する水の凍結を防止する燃料電池発電装置に関する。

燃料電池発電装置は、燃料電池の電池反応に関わるプロセス機器と、プロセス機器を制御する制御機器とから構成される。プロセス機器は、複数の単セルを積層して製作される燃料電池を主に、改質器、熱交換器、冷却水循環ポンプ、空気供給ブロアなどから構成される。制御機器は、ＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）などの制御装置、インバータ、電源装置などから構成される。

燃料電池発電装置は、燃料と酸化剤を電気化学反応させて電力を得るものである。酸化剤としては、酸素や空気などが用いられ、燃料としては、水素もしくは天然ガスなどの炭化水素原料を改質器で改質して得られる水素を含む改質ガスを用いる。この改質ガスを得る改質反応には、水を必要とする。
燃料として水素を、酸化剤として空気をそれぞれ用いたときに、燃料電池の負極（または、水素極、燃料極）で生じる反応は、
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ であり、
正極（または、酸素極、空気極）では、
１/２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ →Ｈ_２Ｏの反応により、Ｈ_２Ｏ（水）が生成する。

また、この電池反応により、燃料電池は発熱するため、冷却水を燃料電池に供給して冷却することを要する。このように、プロセス機器内には、電池反応により生成した水、燃料電池の冷却水、改質反応に要する水などが存在する。
燃料電池発電装置が寒冷地などに設置された場合、その周囲温度が０℃以下になるときには、プロセス機器内に存在する生成水、冷却水などが凍結し、機器や配管の破壊を生じることがある。このため、プロセス機器内の水の凍結を防止する技術が開発されており、特許文献１には、次のような技術が開示されている。

燃料電池発電装置には、凍結防止用ヒータ、温度検出手段および装置内部を換気する換気用ファンが設置されている。装置の運転停止中に、温度検出手段が閾値以下の温度を検出したときには、凍結防止用ヒータと換気用ファンを作動する。凍結防止ヒータによる熱を換気用ファンにより強制的に対流し、装置内部を均一に保温して、凍結を防止するものである。
特開２００５―２５９４９４号公報

しかし、特許文献１の技術では、凍結防止用ヒータを設置するため、その設置スペースを要し、装置全体の小型化が困難となる。また、凍結防止用ヒータ、換気用ファンを作動するため、ヒータ、ファンが無い場合より電気を消費し、発電コストを増大する欠点がある。このため、凍結防止技術として、発電装置の小型化を可能とし、発電コストを増大することなく、凍結を防止する技術が求められる。

そこで、本発明は、燃料電池発電装置の小型化を可能とし、発電コストを増大することなく、燃料電池発電装置の凍結を防止する手段を提供することを課題とする。
なお、燃料電池発電装置の運転中は、電池反応により、燃料電池は発熱するため、燃料電池発電装置の周囲温度が低下しても、凍結を生じるおそれはない。しかし、発電をしない運転停止中は、燃料電池発電装置の周囲温度の低下により、凍結を生じるおそれがあるため、凍結を防止する手段が必要となる。

上記課題は、燃料電池発電装置の制御機器が発生する熱により、プロセス機器を暖め、プロセス機器内に存在する水の凍結を防止することにより解決できる。
請求項１に記載の発明は、燃料電池の電池反応に関わるプロセス機器と、前記プロセス機器を制御する制御機器とを有する燃料電池発電装置において、前記制御機器が発生する熱により、前記プロセス機器を暖めることを特徴とする燃料電池発電装置に係るものである。ＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）などの制御装置、インバータ、電源装置などから構成される燃料電池発電装置の制御機器は、発電装置の運転停止中においても、通電されている。すなわち、運転停止中において、運転制御スイッチはＯＦＦ状態にあり、発電しないが、装置の電源スイッチはＯＮ状態にある。

電源スイッチをＯＮ状態とし、制御機器が通電されているのは、負荷による電気の使用状況あるいはコジェネレーションシステムでの温水の使用状況に応じて、制御機器の指令により、発電装置の運転を開始し、発電するためである。通電された制御機器は発熱するため、その熱により、プロセス機器を暖めるものである。
さらに、前記燃料電池発電装置の筐体内に設置された前記プロセス機器と前記制御機器との間に隔壁を設けて、前記筐体内をプロセス機器室と制御機器室に仕切り、かつ、前記隔壁の上部に上部隔壁開口部を、前記隔壁の下部に下部隔壁開口部を、それぞれ設けたことを特徴とする。

本発明は、燃料電池発電装置の筐体内に設置されたプロセス機器と制御機器の間に、隔壁を設けて、筐体内をプロセス機器室と制御機器室に仕切り、さらに隔壁の上部および下部にそれぞれ隔壁開口部を設けたものである。燃料電池発電装置の運転停止中においても、通電された制御機器は発熱するため、制御機器周囲の空気は暖められる。暖められた空気は、制制御機器室の上部に上昇し、さらに隔壁の上部に設けられた隔壁開口部を経て、プロセス機器室内に流入する。このとき、プロセス機器室の下部の冷たい空気は、隔壁の下部に設けられた隔壁開口部を通って、制御機器室内に流入することとなる。

したがって、燃料電池発電装置の筐体内の空気は、二つの隔壁開口部を通って流動する対流現象を生じ、制御機器の発熱によって暖められた空気により、プロセス機器が暖められる。
またさらに、請求項１に記載の発明は、前記上部隔壁開口部に上部隔壁開口部開閉手段を、前記下部隔壁開口部に下部隔壁開口部開閉手段を、それぞれ設け、前記上部隔壁開口部開閉手段および前記下部隔壁開閉手段により、前記上部隔壁開口部および前記下部隔壁開口部を、前記燃料電池発電装置の運転中には閉じ、前記燃料電池発電装置の運転停止中には開けることを特徴とする。

隔壁に設けた隔壁開口部が、隔壁開口部開閉手段により、開閉されることにより、燃料電池発電装置の運転停止中に、隔壁開口部が開けられることにより、制御機器室で暖められた空気がプロセス機器室内に流入し、プロセス機器を暖めて、凍結を防止するものである。
請求項２に記載の発明は、さらに、前記制御機器室の側壁を構成する前記筐体の側壁の上部に、上部側壁開口部および前記上部側壁開口部を開閉する上部側壁開口部開閉手段を、前記制御機器室の側壁を構成する前記筐体の側壁の下部に、下部側壁開口部および前記下部側壁開口部を開閉する下部側壁開口部開閉手段を、それぞれ設け、前記上部側壁開口部開閉手段および前記下部側壁開口部開閉手段により、前記上部側壁開口部および前記下部側壁開口部を、前記燃料電池発電装置の運転中には開け、前記燃料電池発電装置の運転停止中には、閉じることを特徴とする。

制御機器室の側壁を構成する筐体側壁の上部および下部に、側壁開口部および側壁開口部を開閉する側壁開口部開閉手段をそれぞれ設置することにより、燃料電池発電装置の運転中には、側壁開口部を開き、制御機器室内の空気を装置外へ排出し、燃料電池発電装置の運転停止中には、上部および下部側壁開口部を閉じて、制御機器室内の空気を、プロセス機器室内に流入させて、プロセス機器を暖めて、凍結を防止するものである。

請求項１または請求項２に記載の発明によれば、制御機器で発生した熱により、プロセス機器が暖められる。従来技術で使用する凍結防止用ヒータ、ファンを使用することなく、プロセス機器内に存在する水の凍結防止を可能とする。このため、本発明によれば、燃料電池発電装置の小型化が可能であり、発電コストを増大することなく、燃料電池発電装置の凍結を防止することができる。

請求項１に記載の発明は、プロセス機器と制御機器との間に設けた隔壁の上部および下部に、それぞれ隔壁開口部を設け、隔壁に設けた隔壁開口部を、隔壁開口部開閉手段により、開閉することによって実施することができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、制御機器室の側壁を構成する筐体側壁の上部および下部に、側壁開口部および側壁開口部を開閉する側壁開口部開閉手段を設置する。側壁開口部開閉手段により、燃料電池発電装置の運転中には、側壁開口部を開き、燃料電池発電装置の運転停止中には、側壁開口部を閉じることによって、本発明を実施することができる。

以下において、請求項１に記載の発明の実施例を実施例１に、請求項２に記載の発明の実施例を実施例２に、それぞれ記載し説明する。

参考例

参考例を図１にて説明する。図１は、参考例に係る燃料電池発電装置１の筐体内に設置されたプロセス機器２と制御機器３を、前面から見た図である。プロセス機器２は、複数の単セルを積層して製作される燃料電池を主に、改質器、熱交換器、冷却水循環ポンプ、空気供給ブロアなどから構成される。制御機器３は、ＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）などの制御装置、インバータ、電源装置などから構成される。

プロセス機器２と制御機器３の間に設けられた隔壁４によって、筐体内はプロセス機器室２１と制御機器室３１に仕切られている。隔壁４の上部には上部隔壁開口部４１が、隔壁４の下部には下部隔壁開口部４２がそれぞれ設けられているため、プロセス機器室２１と制御機器室３１内の空気は、上部隔壁開口部４１および下部隔壁開口部４２を通り、流出入する。燃料電池発電装置１の運転停止中においても、通電された制御機器３は、５０Ｗほど発熱するため、制御機器３の周囲の空気は暖められる。暖められた空気は、制制御機器室３１の上部に上昇し、さらに隔壁４の上部に設けられた上部隔壁開口部４１を経て、プロセス機器室２１内に流入する。このとき、プロセス機器室２１の下部の冷たい空気は、隔壁４の下部に設けられた下部隔壁開口部４２を通って、制御機器室３１内に流入することとなる。

したがって、燃料電池発電装置１の筐体内の空気は、上部隔壁開口部４１および下部隔壁開口部４２を通り、流動する対流現象を生じ、制御機器３の発熱をもとに、プロセス機器２が暖められる。図１上の矢印は、この流動する空気の流れの方向を示したものである。

実施例１を図２、図３にて説明する。図２、図３は、実施例１にかかる燃料電池発電装置１の筐体内に設置されたプロセス機器２と制御機器３を、前面から見た図である。図２は、燃料電池発電装置１の運転中の状態を示す図であり、図３は、運転停止中の状態を示す図である。
プロセス機器２と制御機器３の間に設けられた隔壁４によって、筐体内がプロセス機器室２１と制御機器室３１に仕切られ、さらに、隔壁４の上部には上部隔壁開口部４１が、隔壁４の下部には下部隔壁開口部４２がそれぞれ設けられていることは、参考例と同様である。

実施例１では、参考例と異なり、上部隔壁開口部４１には上部隔壁開口部開閉手段５１が、下部隔壁開口部４２には下部隔壁開口部開閉手段５２が、それぞれ設けられており、上部隔壁開口部開閉手段５１によって、上部隔壁開口部４１が開閉され、下部隔壁開口部開閉手段５２によって、下部隔壁開口部４２が開閉される。そして、燃料電池発電装置１の運転中には、図２に示すように、上部隔壁開口部開閉手段５１および下部隔壁開口部開閉手段５２によって、上部隔壁開口部４１、下部隔壁開口部４２はともに閉じられている。このため、プロセス機器室２１と制御機器室３１内の空気は、上部隔壁開口部４１、下部隔壁開口部４２を通り、流出入することはない。

したがって、プロセス機器室２１内において、燃料の水素などの可燃性ガスが洩れた場合にも、制御機器室３１内に流入することはないため、制御機器３のスイッチング動作時に生じる火花による着火のおそれはない。
燃料電池発電装置１の運転停止中には、図３に示すように、上部隔壁開口部開閉手段５１および下部隔壁開口部開閉手段５２によって、上部隔壁開口部４１、下部隔壁開口部４２はともに開けられている。このため、プロセス機器室２１と制御機器室３１内の空気は、上部隔壁開口部４１および下部隔壁開口部４２を通り、流出入する。燃料電池発電装置１の運転停止中においても、通電された制御機器３は発熱するため、制御機器３の周囲の空気は暖められる。暖められた空気は、制制御機器室３１の上部に上昇し、さらに隔壁４の上部に設けられた上部隔壁開口部４１を経て、プロセス機器室２１内に流入する。このとき、プロセス機器室２１の下部の冷たい空気は、隔壁４の下部に設けられた下部隔壁開口部４２を通って、制御機器室３１内に流入することとなる。

したがって、燃料電池発電装置１の筐体内の空気は、上部隔壁開口部４１および下部隔壁開口部４２を通り、流動する対流現象を生じ、制御機器３の発熱をもとに、プロセス機器２が暖められる。図３上の矢印は、この流動する空気の流れの方向を示したものである。

実施例２を図４、図５にて説明する。図４、図５は、実施例２にかかる燃料電池発電装置１の筐体内に設置されたプロセス機器２と制御機器３を、前面から見た図である。図４は、燃料電池発電装置１の運転中の状態を示す図であり、図５は、運転停止中の状態を示す図である。
プロセス機器２と制御機器３の間に設けられた隔壁４によって、筐体内がプロセス機器室２１と制御機器室３１に仕切られ、隔壁４の上部には上部隔壁開口部４１が、隔壁４の下部には下部隔壁開口部４２がそれぞれ設けられていること、さらに、上部隔壁開口部４１には上部隔壁開口部開閉手段５１が、下部隔壁開口部４２には下部隔壁開口部開閉手段５２が、それぞれ設けられており、上部隔壁開口部開閉手段５１によって、上部隔壁開口部４１が開閉され、下部隔壁開口部開閉手段５２によって、下部隔壁開口部４２が開閉されることは、実施例１と同様である。

実施例２では、実施例１と異なり、制御機器室３１の側壁６を構成する筐体側壁の上部に、上部側壁開口部６１および上部側壁開口部６１を開閉する上部側壁開口部開閉手段７１が設置され、また、筐体側壁の下部には、下部側壁開口部６２および下部側壁開口部６２を開閉する下部側壁開口部開閉手段７２が設置されている。
燃料電池発電装置１の運転中には、図４に示すように、上部側壁開口部開閉手段７１および下部側壁開口部開閉手段７２によって、上部側壁開口部６１、下部側壁開口部６２がともに開き、制御機器室３１内の空気が、装置外へ排出される。

燃料電池発電装置の運転停止中には、図５に示すように、上部側壁開口部開閉手段７１および下部側壁開口部開閉手段７２によって、上部側壁開口部６１、下部側壁開口部６２がともに閉じられる。このとき、上部隔壁開口部開閉手段５１および下部隔壁開口部開閉手段５２によって、上部隔壁開口部４１、下部隔壁開口部４２はともに開けられる。このため、プロセス機器室２１と制御機器室３１内の空気は、上部隔壁開口部４１および下部隔壁開口部４２を通り、流出入する。

燃料電池発電装置１の運転停止中においても、通電された制御機器３は発熱するため、制御機器３の周囲の空気は暖められる。暖められた空気は、制制御機器室３１の上部に上昇し、さらに隔壁４の上部に設けられた上部隔壁開口部４１を経て、プロセス機器室２１内に流入する。このとき、プロセス機器室２１の下部の冷たい空気は、隔壁４の下部に設けられた下部隔壁開口部４２を通って、制御機器室３１内に流入することとなる。

したがって、燃料電池発電装置１の筐体内の空気は、上部隔壁開口部４１および下部隔壁開口部４２を通り、流動する対流現象を生じ、制御機器３の発熱をもとに、プロセス機器２が暖められる。図４、図５上の矢印は、この流動する空気の流れの方向を示したものである。
なお、実施例２では、上部隔壁開口部４１に設けられた上部隔壁開口部開閉手段５１によって、上部隔壁開口部４１が開閉され、また、下部隔壁開口部４２に設けられた下部隔壁開口部開閉手段５２によって、下部隔壁開口部４２が開閉されるが、上部隔壁開口部開閉手段５１および下部隔壁開口部開閉手段５２を設けない実施例において、筐体側壁の上部に、上部側壁開口部６１および上部側壁開口部６１を開閉する上部側壁開口部開閉手段７１を設置し、また、筐体側壁の下部に、下部側壁開口部６２および下部側壁開口部６２を開閉する下部側壁開口部開閉手段７２を設置することもできる。

また、実施例２において、上部側壁開口部６１に、排気用ファンを設けて、制御機器室３１内の空気を装置外へ排出することもできる。

参考例に係る燃料電池発電装置を表した図本発明の実施例１に係る燃料電池発電装置の運転中の状態を示す図本発明の実施例１に係る燃料電池発電装置の運転停止中の状態を示す図本発明の実施例２に係る燃料電池発電装置の運転中の状態を示す図本発明の実施例２に係る燃料電池発電装置の運転停止中の状態を示す図

１燃料電池発電装置
２プロセス機器
２１プロセス機器室
３制御機器
３１制御機器室
４隔壁
４１上部隔壁開口部
４２下部隔壁開口部
５１上部隔壁開口部開閉手段
５２下部隔壁開口部開閉手段
６制御機器室側壁
６１上部側壁開口部
６２下部側壁開口部
７１上部側壁開口部開閉手段
７２下部側壁開口部開閉手段

Claims

燃料電池発電装置の筐体内に設置された燃料電池の電池反応に関わるプロセス機器と、前記プロセス機器を制御する制御機器とを有し、前記制御機器が発生する熱により前記プロセス機器を暖める燃料電池発電装置において、
前記プロセス機器と前記制御機器との間に隔壁を設けて前記筐体内をプロセス機器室と制御機器室に仕切り、かつ、前記隔壁の上部に上部隔壁開口部を、前記隔壁の下部に下部隔壁開口部を備え、
前記上部隔壁開口部に上部隔壁開口部開閉手段を、前記下部隔壁開口部に下部隔壁開口部開閉手段をそれぞれ設け、
前記上部隔壁開口部開閉手段および前記下部隔壁開閉手段により、前記上部隔壁開口部および前記下部隔壁開口部を前記燃料電池発電装置の運転中には閉じ、前記燃料電池発電装置の運転停止中には開けることを特徴とする燃料電池発電装置。
前記制御機器室の側壁を構成する前記筐体の側壁の上部に、上部側壁開口部および前記上部側壁開口部を開閉する上部側壁開口部開閉手段を、前記制御機器室の側壁を構成する前記筐体の側壁の下部に、下部側壁開口部および前記下部側壁開口部を開閉する下部側壁開口部開閉手段を、それぞれ設け、前記上部側壁開口部開閉手段および前記下部側壁開口部開閉手段により、前記上部側壁開口部および前記下部側壁開口部を、前記燃料電池発電装置の運転中には開け、前記燃料電池発電装置の運転停止中には閉じ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。