JP5251370B2 - 燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の冷却方法に関する。

燃料電池発電装置は、改質系機器及び燃料電池等の発電反応プロセスに直接的に寄与する機器（以下、「プロセス機器」という）と、プロセス機器を制御する制御装置及び電力変換装置等の電気系統の機器（以下、「電気機器」という。）を備えている。現在では、プロセス機器及び電気機器を同一のケース（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の開発も進められている。このようなパッケージ型の燃料電池発電装置では、プロセス機器を収容するエリアと電気機器を収納するエリアをケース内で分けるのが一般的である。これにより、プロセス機器側で取り扱われる可燃性ガスがケース内で漏洩した場合でも、それらが電気機器の火花等で発火することが抑制され、かつ、プロセス機器の熱が電気機器の動作に影響を及ぼすことを抑制できる。

例えば特許文献１には、プロセス機器と電気機器を収容するケースを、外気取り入れ用の換気ファンを備えた上流側パッケージ室と、排気口を備えた下流側パッケージ室に分け、両者をダクトで連結することが開示されている。上流側パッケージ室には電気機器が収容され、下流側パッケージ室にはプロセス機器が収容されている。そして、換気ファンの送風圧力を調節することにより、上流側パッケージ室を外気圧より高い気圧に保ち、かつ、下流側パッケージ室を上流側パッケージ室内の気圧よりは低いが外気圧よりは高い気圧に保つことができる、と記載されている。

また特許文献２及び特許文献３には、プロセス機器と電気機器の各収納エリアを仕切壁等で区画し、両エリアの冷却・換気を１つのファンで行う構成と、各収納エリアについて別々に換気して冷却することが開示されている。また特許文献３には、電気機器収納エリアの排気をプロセス機器収納エリアに排気して、耐寒性向上を図った換気構造も開示されている。
特開平４−７５２６３号公報 特開平９−１９９１５２号公報 特開２００５−３２７５５６号公報

しかし、特許文献１のように電気機器収納エリアとプロセス機器収納エリアを連結した場合、部分負荷運転中や待機運転中は、各機器の発熱量が低下する為、寒冷地においては機器が冷却されすぎることがある。これを抑制するためには、部分負荷運転中や待機運転中に換気風量を低減することも考えられる。しかし換気風量を低減すると、部分負荷運転や待機運転から通常運転に切り替わった場合、換気風量が上昇する前に、発電装置の発電量が急上昇して電気系機器（特に電力変換装置）の発熱量が急上昇するため、これら機器の温度を所望する範囲に維持することができなくなる。従って、換気風量は常に一定値以上に維持する必要がある。このため、寒冷地に燃料電池発電装置を設置する場合、部分負荷運転中や待機運転中に機器が冷却されすぎることを抑制するために、保温ヒータを用いる必要があった。このため、燃料電池発電装置のランニングコストが上昇していた。

この問題は、特許文献２や３に記載するように、プロセス機器と電気機器の各収納エリアを別々に冷却・換気する場合においても同様に生じていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、寒冷地に設置される場合においても、部分負荷運転中や待機運転中に機器が冷却されすぎることを抑制することができ、かつランニングコストが上昇することを抑制できる燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の冷却方法を提供することにある。

本発明によれば、直流電力を発電する燃料電池と、
前記燃料電池が発電した直流電力を他の電気機器に利用可能な形態に変換する電力変換装置と、
前記燃料電池及び前記電力変換装置を収容する収容ケースと、
を備え、
前記収容ケースは、
前記燃料電池を収容する第１区画と、前記電力変換装置を収容する第２区画と、前記第１区画及び前記第２区画を分離する隔壁と、
を有し、
さらに、
前記収容ケースの前記第１区画に設けられた第１換気手段と、
前記収容ケースの前記第２区画に設けられた第２換気手段と、
前記隔壁に設けられた開口と、
前記電力変換装置に取り付けられ、前記開口を介して前記第２区画から前記第１区画に延伸している放熱部材と、
を備える燃料電池発電装置が提供される。

本発明によれば、直流電力を発電する燃料電池を収容ケースの第１区画に収容し、
前記燃料電池が発電した直流電力を他の電気機器で利用可能な形態に変換する電力変換装置を、前記収容ケースのうち隔壁によって前記第１区画と分離された第２区画に収容し、
前記収容ケースの前記第１区画に第１換気手段を設け、
前記収容ケースの前記第２区画に第２換気手段を設け、
前記隔壁に開口を設け、前記電力変換装置に取り付けられた放熱部材を、前記開口を介して前記第２区画から前記第１区画に延伸させる、燃料電池発電装置の冷却方法が提供される。

本発明によれば、寒冷地に設置される場合においても、部分負荷運転中や待機運転中に機器が冷却されすぎることを抑制することができ、かつランニングコストが上昇することを抑制できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、第１の実施形態にかかる燃料電池発電装置の構成を示す図である。この燃料電池発電装置は、燃料電池１１０、電力変換装置（直交変換装置）２１０、及び収容ケース３００を有している。燃料電池１１０は、直流電力を発電する。直交変換装置２１０は、燃料電池が発電した直流電力を他の電気機器に利用可能な形態に変換する。具体的には、直交変換装置２１０は、燃料電池１１０が発電した直流電力を交流電力に変換する。

なお、電力変換装置は直交変換装置２１０に限定されず、例えば燃料電池発電装置が発電した電力の電圧を変換するトランスであっても良いし、可変電圧可変周波数インバータであってもよい。

収容ケース３００は、改質器１００、燃料電池１１０、直交変換装置２１０、及び制御装置２５０を収容する。収容ケース３００は、改質器１００及び燃料電池１１０を収容する第１区画３１０と、直交変換装置２１０及び制御装置２５０を収容する第２区画３２０と、第１区画３１０及び第２区画３２０を分離する隔壁３３０とを有している。

燃料電池発電装置は、さらに、水系機器としての電池冷却系機器２２０、水回収系機器２３０、及び水処理装置２４０を第２区画３２０に備える。電池冷却系機器２２０、水回収系機器２３０、及び水処理装置２４０には、燃料電池１１０を冷却する冷却水が循環している。水処理装置２４０はイオン交換樹脂を保持しており、冷却水をイオン交換樹脂で処理する。なお、第１区画３１０内部では、寒冷地に設置する場合でも、防爆換気上、一定風量を確保する必要があり、改質器１００及び燃料電池１１０からの放熱でも下方雰囲気温度が低下する。特に床面付近に敷設される冷却水配管は、十分な断熱施工を行う必要が生じることから、本実施形態のように、燃料電池１１０や反応器への冷却水供給配管など一部を除き、水系機器を第２区画３２０内に配置するのが望ましい。

燃料電池発電装置は、さらに、収容ケース３００の第１区画３１０に設けられた第１換気手段（吸気口１３４、換気ファン１４２、及び排気口１４４）と、収容ケース３００の第２区画３２０に設けられた第２換気手段（換気ファン２６２、吸気口２６４、及び排気口２６６）と、隔壁３３０に設けられた開口３３２と、直交変換装置２１０に取り付けられた放熱部材２１２を備えている。放熱部材２１２は、開口３３２を介して第２区画３２０から第１区画３１０に延伸している。放熱部材２１２は、ヒートシンクであっても良いし、ヒートパイプであっても良い。なお開口３３２は放熱部材２１２によってふさがれていても良いし、放熱部材２１２との間で多少の隙間があってもよい。

換気ファン１４２は、排気口１４４の内側に設けられており、第１区画３１０の内部を排気する。そして排気口１４４から第１区画３１０の内部が排気されることにより、吸気口１３４から第１区画３１０の内部に吸気される。このようにして第１区画３１０の内部には風が生じるが、放熱部材２１２は、風の流れにおいて改質器１００及び燃料電池１１０の上流に位置している。

また換気ファン２６２は、吸気口２６４の内側に設けられており、第２区画３２０の内部に空気を取り込む。そして吸気口２６４から第２区画３２０の内側に空気が取り込まれることにより、排気口２６６から第２区画３２０の内部が排気される。このようにして第２区画３２０の内部には風が生じるが、直交変換装置２１０は、風の流れにおいて水系機器の上流に位置している。

第１区画３１０は排気によって内部の空気を入れ替え、第２区画３２０は吸気によって内部の空気を入れ替えている。このため、第２区画３２０内の圧力は、第１区画３１０内の圧力より高くなっている。

また燃料電池発電装置は、さらに改質器１００及び制御装置２５０を備えている。改質器１００は、収容ケース３００の第１区画３１０に収容されており、配管１０２を介して供給される原料ガスを改質して、改質ガスを生成する。燃料電池１１０は、この改質ガスを利用して直流電力を発電する。制御装置２５０は、収容ケース３００の第２区画３２０に収容されており、改質器１００、燃料電池１１０、換気ファン１４２，２６２、直交変換装置２１０、及び水系機器を制御する。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。直交変換装置２１０で生じた熱は、放熱部材２１２に伝わる。放熱部材２１２は、隔壁３３０に設けられた開口３３２を介して第１区画３１０の内部に延伸しており、第１区画３１０内を流れる風によって冷却される。このため、燃料電池発電装置が部分負荷運転や待機運転をしている間、換気ファン２６２を停止させても放熱部材２１２の冷却に関しては問題が生じない。従って、必要に応じて換気ファン２６２を停止させることにより、機器、たとえば水系機器の冷却水が冷却されすぎて凍結することを抑制できる。

従って、例えば燃料電池発電装置が部分負荷運転や待機運転をしている間に冷却水を保温するためにヒータを動作させる必要が少なくなり、燃料電池発電装置のランニングコストが上昇することを抑制できる。また、ヒータの数を減らすことができる場合もあり、この場合は、燃料電池発電装置の初期コストを削減できる。

なお、改質器１００及び燃料電池１１０は運転中に高温になるため、燃料電池発電装置が部分負荷運転や待機運転をしている間に換気ファン１４２を稼動し続けても、改質器１００及び燃料電池１１０の温度低下は問題にならない。

また、開口３３２及び放熱部材２１２は、第１区画３１０の内部に生じる風の流れにおいて改質器１００及び燃料電池１１０の上流に位置している。従って、放熱部材２１２の冷却効率は高くなる。

また改質器１００及び燃料電池１１０が収容されている第１区画３１０と、直交変換装置２１０及び制御装置２５０などの電気機器が収容されている第２区画３２０とは、隔壁３３０を用いて分離されている。従って、改質器１００及び燃料電池１１０から可燃性ガスが漏洩した場合でも、それらが電気機器の火花等で発火することが抑制される。また、隔壁３３０には開口３３２が設けられているが、第２区画３２０は第１区画３１０より圧力が高いため、第１区画３１０内に可燃性ガスが漏洩した場合でも、可燃性ガスが開口３３２を介して第２区画３２０内に流入することが抑制される。

また、隔壁３３０の開口３３２が放熱部材２１２によってふさがれている場合、放熱部材２１２から隔壁３３０に熱が伝わるため、放熱部材２１２の放熱効率が高くなる。

図２は、第２の実施形態にかかる燃料電池発電装置の構成を示す図である。この燃料電池発電装置は、第３換気手段としての吸気口４３４及び換気ファン４３２を備えている点、及び第１区画３１０の内部にダクト４２０が形成されている点を除いて、第１の実施形態と同様の構成である。吸気口４３４及び換気ファン４３２は、ダクト４２０に設けられている。

ダクト４２０は、隔壁３３０の一部を用いて構成されており、吸気口４３４及び換気ファン４３２による風を第１区画３１０と外部の間で通す。そして隔壁３３０に設けられた開口３３２は、隔壁３３０のうちダクト４２０を構成する部分に設けられており、放熱部材２１２は、ダクト４２０の中に延伸する。なお、本図において換気ファン４３２は、ダクト４２０内の風の流れにおいて開口３３２より上流側に設けられているが、開口３３２より下流側に設けられても良い。

本実施形態において、放熱部材２１２はダクト４２０の中に延伸しており、かつダクト４２０の中は換気ファン４３２によって外部から取り入れられた空気が流れる。ダクト４２０を流れた空気は、放熱部材２１２を冷却した後、第１区画３１０の他の部分に排気される。このため、燃料電池発電装置が部分負荷運転や待機運転をしている間、換気ファン４３２を動作させ続ければよくなり、換気ファン２６２を停止させても問題は生じない。従って、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、換気ファン４３２内における空気の流れを、第１区画３１０の他の部分より早くすることができるため、放熱部材２１２の冷却効率を高くすることができる。

図３は、第３の実施形態にかかる燃料電池発電装置の構成を示す図である。この燃料電池発電装置は、吸気口２６４及び排気口２６６それぞれに可変ダンパーを取り付けた点を除いて、第２の実施形態にかかる燃料電池発電装置の構成と同様である。これら可変ダンパーは、制御装置２５０によって開度が制御される。具体的には、２つの可変ダンパーは、換気ファン２６２が動作している間は開き、換気ファン２６２が停止している間は閉じる。さらに、排気口２６６又は直交変換装置２１０の近傍に設置された温度計の検出値が設定温度となるように、可変ダンパーの開度及び換気ファン２６２の回転数が制御される。なお、可変ダンパーは互いに独立して開度が制御されても良い。

本実施形態によっても、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、換気ファン２６２が停止している間、例えば燃料電池発電装置が部分負荷運転や待機運転をしていて燃料電池の発電量が所定値以下のときは可変ダンパーが閉じる。従って、燃料電池発電装置が部分負荷運転や待機運転をしている間に電池冷却系機器２２０、水回収系機器２３０、及び水処理装置２４０を流れる冷却水が冷却されすぎることをさらに抑制できる。

また、換気ファン２６２が動作している間は２つの可変ダンパーの開度を互いに独立して制御することにより、第２区画３２０の中の圧力を、精度よく第１区画３１０の中の圧力より高い状態に維持することができる。

図４は、第４の実施形態にかかる燃料電池発電装置の構成を示す図である。この燃料電池発電装置は、隔壁３３０に切替ダンパー３３４が設けられている点を除いて、第２の実施形態にかかる燃料電池発電装置と同様の構成である。切替ダンパー３３４は隔壁３３０の一部であり、ダクト４２０の排気側の端部の接続先を第１区画３１０及び第２区画３２０の間で切り替える。切替ダンパー３３４の切り替えは、例えば制御装置２５０によって制御される。

本実施形態によっても、寒冷地の冬季において、燃料電池発電装置が部分負荷運転や待機運転を行っている間、ダクト４２０の排気側の端部を第１区画３１０に接続することにより、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、寒冷地の冬季において、燃料電池発電装置が高負荷運転を行っている間、ダクト４２０の排気側の端部を第２区画３２０に接続することにより、直交変換装置２１０の排熱を用いて水系機器の保温を行うことができる。これにより、保温ヒータで消費される電力量をさらに少なくすることができる。また、夏季においては、ダクト４２０の排気側の端部を第２区画３２０に接続することにより、第２区画３２０内の温度が上昇しすぎることを抑制できる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。例えば上記した各実施形態において、放熱部材２１２は直交変換装置２１０に接続していたが、制御装置２５０に接続していても良い。また、直交変換装置２１０及び制御装置２５０の双方に放熱部材２１２を設け、隔壁３３０の開口３３２を、２つの放熱部材２１２それぞれに対応して設けても良い。

第１の実施形態にかかる燃料電池発電装置の構成を示す図である。 第２の実施形態にかかる燃料電池発電装置の構成を示す図である。 第３の実施形態にかかる燃料電池発電装置の構成を示す図である。 第４の実施形態にかかる燃料電池発電装置の構成を示す図である。

符号の説明

１００ 改質器
１０２ 配管
１１０ 燃料電池
１３４ 吸気口
１４２ 換気ファン
１４４ 排気口
２１０ 直交変換装置
２１２ 放熱部材
２２０ 電池冷却系機器
２３０ 水回収系機器
２４０ 水処理装置
２５０ 制御装置
２６２ 換気ファン
２６４ 吸気口
２６６ 排気口
３００ 収容ケース
３１０ 第１区画
３２０ 第２区画
３３０ 隔壁
３３２ 開口
３３４ 切替ダンパー
４２０ ダクト
４３２ 換気ファン
４３４ 吸気口

Claims (9)

1. 直流電力を発電する燃料電池と、
   前記燃料電池が発電した直流電力を他の電気機器に利用可能な形態に変換する電力変換装置と、
   前記燃料電池及び前記電力変換装置を収容する収容ケースと、
   を備え、
   前記収容ケースは、
   前記燃料電池を収容する第１区画と、前記電力変換装置を収容する第２区画と、前記第１区画及び前記第２区画を分離する隔壁と、
   を有し、
   さらに、
   前記収容ケースの前記第１区画に設けられた第１換気手段と、
   前記収容ケースの前記第２区画に設けられた第２換気手段と、
   前記隔壁に設けられた開口と、
   前記電力変換装置に取り付けられ、前記開口を介して前記第２区画から前記第１区画に延伸している放熱部材と、
   を備える燃料電池発電装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池発電装置において、
   前記第２区画に位置し、前記燃料電池を冷却する冷却水が循環する水系機器をさらに備える燃料電池発電装置。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池発電装置において、
   前記第２区画内の圧力は前記第１区画内の圧力より高い燃料電池発電装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池発電装置において、
   前記第１区画において前記放熱部材に風を当てる第３換気手段を備える燃料電池発電装置。
5. 請求項４に記載の燃料電池発電装置において、
   前記第１区画に設けられ、前記隔壁の一部を用いて構成され、前記第３換気手段による風を前記第１区画と外部の間で通風するダクトを備え、
   前記開口は、前記隔壁のうち前記ダクトを構成する部分に設けられている燃料電池発電装置。
6. 請求項５に記載の燃料電池発電装置において、
   前記第３換気手段は、外部から前記第１区画内に吸気する吸気手段であり、
   前記隔壁のうち前記ダクトの排気側端部に位置する部分に設けられ、前記ダクトの排気側端部の接続先を前記第１区画及び前記第２区画の間で切り替える切替ダンパーを備える燃料電池発電装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池発電装置において、
   前記第２換気手段は、
   前記収容ケースの前記第２区画に設けられた換気口と、
   前記換気口に取り付けられた可変ダンパーと、
   前記換気口の内側に取り付けられたファンと、
   前記可変ダンパーを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池の発電量が所定値以下のときに、前記可変ダンパーを閉じる燃料電池発電装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一つに記載の燃料電池発電装置において、
   前記電力変換装置は、前記燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換する直交変換装置である燃料電池発電装置。
9. 直流電力を発電する燃料電池を収容ケースの第１区画に収容し、
   前記燃料電池が発電した直流電力を他の電気機器で利用可能な形態に変換する電力変換装置を、前記収容ケースのうち隔壁によって前記第１区画と分離された第２区画に収容し、
   前記収容ケースの前記第１区画に第１換気手段を設け、
   前記収容ケースの前記第２区画に第２換気手段を設け、
   前記隔壁に開口を設け、前記電力変換装置に取り付けられた放熱部材を、前記開口を介して前記第２区画から前記第１区画に延伸させる、燃料電池発電装置の冷却方法。

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