JP5251390B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、改質装置と、燃料電池本体と、冷却水系機器とを同一パッケージ内に収納して構成される燃料電池発電装置に関し、更に詳しくは、冬期時に危惧される冷却水系機器内部の水の凍結を防止した燃料電池発電装置に関する。

パッケージ型燃料電池発電装置は、改質装置、燃料電池本体、冷却水系機器等の主要な構成機器を同一パッケージ内に収納し、屋外に据え付けられて運転される。このようなパッケージ型燃料電池発電装置は、パッケージ内に、燃料電池本体などから可燃性ガスが漏洩した場合の保護などの目的のため、夏季・冬季を問わず、常時一定量以上の換気が行われている。また、夏季時には外気温度は４０℃近くまで上昇するが、改質装置や燃料電池本体などのような、作動時に高温状態で維持されている機器（以下、高温機器という）からの放熱によって、夏季時に冷却水系機器や電気系統等が過熱されると、水処理樹脂などの寿命を著しく損なったり、電気系統等が熱的損傷を被るといった問題が生じることから、高温機器からの放熱によって、他の構成機器が過熱されないように、換気量を多めに流すか、高温機器の換気と、冷却水系機器等の換気はそれぞれ別ルートで行われるなどの手段が取られている。

ところで、燃料電池発電装置の作動時は、改質装置や燃料電池本体は、高温状態で維持されているため、仮に外気温が氷点下となっても、これらの機器内を流通する冷却水は凍結するおそれが少ない。これに対し、冷却水系機器等は、発熱が殆どないので、外気温が氷点下となりうる環境下においては、冷却水系機器内の水の凍結を防止するため、配管保温ヒーター、スチームトレース、スペースヒーター等の発熱器をパッケージ内に配置して冷却水系機器を加温することが従来より行われている。

図９は、従来のこの種の燃料電池発電装置の基本構成を示す断面図である。本図において、１はパッケージ、２ａ，２ｂはパッケージ１に配された吸気口、３はパッケージ１内に組込まれた換気ファン、４は排気部である。吸気口２ａは、高温機器６に近接するパッケージの側壁下部に設けられており、吸気口２ｂは、冷却水系機器７に近接するパッケージの側壁下部に設けられている。また、５は、パッケージ１の内部を加温するための発熱器であり、８は、換気ファン３と発熱器５を制御するための制御装置である。本構成の燃料電池発電装置では、水の凍結が危惧される発電時（主に冬季）には、換気ファン３の駆動量と、発熱器５の発熱量を制御装置８によって制御することにより、パッケージ１の内部を加温して冷却水系機器７の水の凍結を防止している。

また、下記特許文献１に開示されている燃料電池発電装置は、外気温度を温度センサーで測定し、測定された温度が所定の閾値を下回ると、ヒーターにより加熱した温水を冷却水系機器に通流して凍結を防止することとしている。また、下記特許文献２に開示されている燃料電池発電装置は、貯湯槽に貯えられた温水をパッケージ内部の凍結防止用配管に通流することによって冷却水系機器を所定温度以上に保持し、凍結を防止することとしている。また、特許文献３に開示された燃料電池発電装置は、運転停止時に排気口を閉じて換気ファンを逆転させることにより外気の影響を最小限にとどめて凍結を防止することとしている。
特開平１１‐２１４０２５号公報 特開２００３‐２８２１０５号公報 特開２００６‐１４００５０号公報

屋外に据え付けて使用されるパッケージ型の燃料電池発電装置においては、冬期の発電運転時に冷却水系機器の凍結を生じないように種々の方策が採られている。

しかしながら、例えば図９に示した例では、換気空気により加温される部分が換気空気の流れる特定方向に限定されるので、パッケージ内に分散する各種の冷却水系機器の凍結防止策としては必ずしも十分でないという難点があった。また、発熱器５が必要となるので、燃料電池発電装置の発電中にも発熱器５がＯＮ‐ＯＦＦされることから補機動力が増加し、発電効率が低下する問題があった。

また、特許文献１や特許文献２に開示された方法では、貯湯層などの付帯設備が別途必要となるので、装置コストが嵩むばかりか、装置全体が大型化する傾向にあった。

また、特許文献３に開示された方法では、外気導入が制限されるので防爆の点で不安があり、燃料電池発電装置の運転中には適用し難い問題があった。

したがって、本発明の目的は、低温環境下にあっても冷却水系機器等の水の凍結による破損を確実かつ安価に防止され、信頼性の高い燃料電池発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電装置は、炭化水素を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質装置と、前記水素含有ガス及び酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池本体と、前記燃料電池本体を冷却する冷却水系機器と、がパッケージ内に収納され、該パッケージには、パッケージ内に換気用の空気を導入するための複数の吸気口と、パッケージ内の空気を排気する換気ファンを備えた排気口とが設けられた燃料電池発電装置において、
前記吸気口のうち、前記冷却水系機器までの吸気流通経路が最も短い吸気口に、開閉手段が設けられ、
前記開閉手段は、外気温度があらかじめ設定した閾値以下になったときに、当該吸気口を閉止するように構成されている
ことを特徴とする。

本発明の燃料電池発電装置によれば、外気温度があらかじめ設定した閾値以下になると、冷却水系機器までの吸気流通経路が最も短い吸気口が閉止するので、冷却水系機器は、吸気空気によって冷却されにくい。また、改質装置や燃料電池本体は、運転時に高温状態で維持されるので、これらの装置からの放熱により加熱された空気によって冷却水系機器が加熱される。このため、低温時であっても、冷却水系機器の異常温度低下を防止でき、冷却水の凍結を防止できるので、長期にわたって安定して発電することができる。

本発明の燃料電池発電装置は、前記換気ファンの手前にバッフル板が配置され、該バッフル板とパッケージ内壁との隙間から空気が入り込むように構成されていることが好ましい。この態様によれば、外気温度があらかじめ設定した閾値以下になったときに、改質装置や燃料電池本体によって余熱された空気が冷却水系機器の配置された領域に導入され易くなるので、該余熱空気によって冷却水系機器が加熱され、冷却水系機器の異常温度低下をより効果的に防止できる。

本発明の燃料電池発電装置の前記開閉手段は、バイメタル、形状記憶合金、及び、形状記憶合金と板ばねとの積層体から選ばれる部材からなるヒンジに、開閉部材が取り付けられて構成されていることが好ましい。この態様によれば、温度に応じてヒンジの形状が変化するので、電気的又は機械的手段を用いなくても、外気の温度変化に伴い、開閉手段を自動で作動でき、運転コストを低減できる。

本発明の燃料電池発電装置の前記開閉手段は、気体又は液体の熱膨張により、開閉部材を開閉するように構成されていることが好ましい。特には、ブルドン管又はベローズ内に、気体又は液体が封入されて、封入された気体又は液体の熱膨張により、開閉部材を開閉するように構成されていることが好ましい。この態様によれば、圧力に応じてブルドン管やベローズが変形するので、電気的又は機械的手段を用いなくても、外気の温度変化に伴い、開閉手段を自動で作動でき、運転コストを低減できる。

本発明の燃料電池発電装置は、前記開閉部材の表面に集熱塗料が塗布されていることが好ましい。閉止動作時に、開閉部材は、太陽光による集熱により加熱されるので、冷却水系機器近傍の温度が上昇し、外気温が低下しても冷却水系機器内の水の凍結を効果的に防止できる。

本発明の燃料電池発電装置の前記開閉部材は、表面に凹凸を有し、閉止動作時に上面となる面に集熱塗料が塗布され、それ以外の少なくとも一部の面に反射塗料が塗布されていることが好ましい。閉止動作時に上面となる面に集熱塗料が塗布されているので、開閉部材が太陽光による集熱で加熱されて、冷却水系機器近傍の温度が上昇し、外気温が低下しても冷却水系機器内の水の凍結を効果的に防止できる。また、それ以外の面には反射塗料が塗布されているので、定常運転時にパッケージ内の温度が上昇するのを抑制でき、燃料電池発電装置の構成機器の熱的損傷を抑制できる。

本発明の燃料電池発電装置によれば、冷却水系機器の異常温度低下を防止でき、冷却水の凍結を防止できるので、長期にわたって安定して発電することができる。

図１，２は、本発明の燃料電池発電装置の概略構成図の一実施形態であって、図１は同装置の定常運転時の構成図であり、図２は、同装置の低温運転時の構成図である。この燃料電池発電装置１０は、図９に示した従来例の燃料電池発電装置に対し、冷却水系機器１７近傍に設けられた吸気口１２ｂが、外気温度に応じて開閉するように構成されている点で主に相違している。以下、図面を用いて更に詳細に説明する。

燃料電池発電装置１０は、高温機器１６と、冷却水系機器１７とが、パッケージ１１に収納されている。

高温機器１６は、特に図示しないが、炭化水素を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質装置と、水素含有ガス及び酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池本体とで主に構成されている。

冷却水系機器１７は、特に図示しないが、改質装置や燃料電池本体から吐出されるガスから水を回収して貯留する回収水貯留タンクと、回収水貯留タンク内の水を脱炭酸処理、脱イオン処理、不純物除去などの処理をする水処理装置と、水処理後の水を貯留して燃料電池本体の冷却水などに使用する処理水貯留タンクと、これらを連結する配管などで主に構成されている。なお、処理水貯留タンク内の水は、改質装置での改質反応に使用する改質水や、燃料電池発電装置に供給する水素含有ガスや酸化剤ガスの加湿用途にも使用することもできる。

パッケージ１１の上壁には、排気口１４が設けられており、該排気口１４の手前には、パッケージ１１内の空気を排気する換気ファン１３が配置されている。この換気ファン１３の駆動量は、制御装置１８によって制御される。また、換気ファン１３の手前には、バッフル板１９が配置されており、バッフル板１９と、パッケージ内壁との隙間Ｓから空気が入り込むように構成されている。

パッケージ１１の側壁下部には、パッケージ内に換気用の空気を導入するための吸気口１２ａ，１２ｂが設けられている。

吸気口１２ａは、高温機器１６に近接するパッケージの側壁下部に設けられている。この実施形態では、吸気口１２ａは１個であるが、複数個設けられていてもよい。

また、吸気口１２ｂは、冷却水系機器１７に近接するパッケージの側壁下部に設けられており、この吸気口１２ｂには開閉部材３２を備えた開閉装置３０が設けられている。この実施形態では、吸気口１２ｂは１個であるが、複数個設けられていてもよい。

本発明において、開閉装置３０は、外気温度に応じて吸気口１２ｂを開閉できるように構成されているものであればよく、電気的な動力により開閉部材を開閉させて吸気口１２ｂを開放・閉止するものや、電気的な動力を使用せずに開閉部材を自動で作動させて吸気口１２ｂを開放・閉止するものが挙げられ、特に後者の電気的な動力を使用せずに開閉部材を自動で作動させてなる開閉手段が、運転コストを低減でき、経済的に優れることから好ましく採用できる。

電気的な動力を用いた開閉装置としては、例えば、パッケージの外部に温度センサーを設け、該温度センサーによる検出値があらかじめ設定した閾値以下になると、開閉部材が閉じて、吸気口１２ｂが閉止されるように構成されたもの等が挙げられる。

また、電気的な動力を用いない開閉装置としては、例えば、バイメタル、形状記憶合金、及び、形状記憶合金と板ばねとの積層体から選ばれる部材からなるヒンジに、開閉部材が取り付けられて構成されているものが好ましい一例として挙げられる。図３，４を参照して説明する。この開閉装置３０’は、パッケージ１１壁面の開口部端部に、ヒンジ３１を介して開閉部材３２が取り付けられている。また、開閉部材３２には、雨の吹き込みを防止するための雨返し３３が、ヒンジ３１近傍に固定されている。例えば、ヒンジ３１をバイメタルで形成した場合、所定温度（例えば５℃）を超えているとＵ字状の形状をなし（図３参照）、所定温度以下（例えば５℃以下）になると湾曲が伸びるような変形をする（図４参照）ように設計することで、ヒンジ３１の形状変化により、動力を使用しなくても吸気口１２ｂを開閉動作できる。また、ヒンジ３１を、形状記憶合金と板ばねとの積層体で形成した場合、所定温度を超えると形状記憶合金の復元力により開放状態を保ち、所定温度以下ではバネ力により閉止動作するように設計することで、動力を使用しなくても吸気口１２ｂを開閉動作できる。また、形状記憶合金として、例えば２方向性形状記憶合金を使用した場合、形状記憶合金単独でも同様に効果が得られる。

また、別の態様としては、図５，６に示す開閉装置が一例として挙げられる。この開閉装置３０’’は、パッケージ１１壁面の開口部の上部端部にヒンジ３１ａを介して開閉部材３２が配置され、開口部の下部に、空気、窒素などの熱膨張係数の高い気体や、アルコール、水銀などの熱膨張係数の高い液体が封入された、ブルドン管又はベローズが備えた昇降装置３５が配置されている。そして、開閉部材３２と昇降装置３５とがクランク３６を介して接続している。この開閉装置３０’’では、外気温度が高いと、ブルドン管、ベローズ内に封入された気体や液体が膨張して圧力が上昇するので、昇降装置３５が上昇して開閉部材３２が押し上げられ、吸気口１２ｂが開口する。一方、外気温度が低いと、ブルドン管やベローズ内の圧力が低くなるので、昇降装置３５が下降して開閉部材３２が閉じ、吸気口１２ｂが封止される。

本発明の燃料電池発電装置において、開閉部材３２は、表面に、黒色無反射塗料などの集熱塗料が塗布されていることが好ましい。開閉部材３２の表面に集熱塗料が塗装されていると、閉止動作時に、開閉部材３２の表面が太陽光による集熱により加熱されるので、冷却水系機器１７が設置された領域の温度が上昇して加温できる。

上記構成から成る燃料電池発電装置は、定常運転時は、図１に示すように、換気ファン１４により吐出された換気風は負圧により吸気口１２ａ，１２ｂから別々に外気導入される。そして、吸気口１２ａからパッケージ１１内に導入された空気は、高温機器１６が設置された領域の空気を換気して排気口１４から外部に排気され、吸気口１２ｂからパッケージ１１内に導入された空気は、冷却水系機器１７が設置された領域の空気を換気して排気口１４から外部に排気され、高温機器１６と冷却水系機器１７とを別々の経路で換気して、冷却水系機器１７などを高温機器１６からの放熱により過熱されないようにして運転している。

一方、外気温度があらかじめ設定した閾値以下（例えば５℃以下）になると、開閉部材３２が閉じて吸気口１２ｂが閉止され、吸気口１２ｂからの外気導入が抑制され、パッケージ内には、吸気口１２ａからのみ外気が導入される。吸気口１２ａから導入された空気は、高温機器１６からの放熱によって加熱され、そして、バッフル板１９により換気ファン１３への換気風の流れが分割されることにより、冷却水系機器１７が設置された領域に、高温機器６からの放熱によって加熱された換気風の一部が流れて加温される。その結果、低温下であっても冷却水系機器１７の異常温度低下が防止され、冷却水系機器１７内部の水が凍結するのを防止でき、長期にわたって安定して運転することができる。

本発明の燃料電池発電装置の第二の実施形態にについて、図７，８を用いて説明する。図７は、同燃料電池発電装置の吸気口１２ｂの定常運転時の概略図であり、図８は、低温時の概略図である。第一の実施形態との同一箇所は、同一符号を付して説明を省略する。

この実施形態では、開閉装置３０’’’が、開閉部材３２ａの表面が凹凸状に形成されており、閉止状態の時に上面となる面（図中の面Ａ）に集熱塗料が塗装され、それ以外の面（図中の面Ｂ）の少なくとも一面に、銀色、白色等の反射塗料が塗装されている点が、上記実施形態と相違する。

この実施形態では、波付け加工により開閉部材３２ａの表面に凹凸を形成しているが、平板の表面に板を溶接して凹凸を形成してもよく、型成型により凹凸を形成してもよい。

この実施形態によれば、定常運転時は、開閉部材３２ａは反射塗装面に太陽光があたっているので、太陽光によって開閉部材３２ａが過熱されにくくパッケージ内の温度上昇を抑制できる。一方、閉止動作時には、開閉部材が太陽光による集熱により加熱されて、冷却水系機器１７近傍の温度が上昇するので、外気温が低下しても冷却水系機器１７内の水の凍結を効果的に防止できる。

本発明の燃料電池発電装置の定常運転時の概略図である。 本発明の燃料電池発電装置の低温運転時の概略図である 同燃料電池発電装置の吸気口の定常運転時の概略図である。 同燃料電池発電装置の吸気口の低温運転時の概略図である。 同燃料電池発電装置の他の例の吸気口の定常運転時の概略図である。 同燃料電池発電装置の他の例の吸気口の低温運転時の概略図である。 本発明の第二の実施形態の燃料電池発電装置の吸気口の定常運転時の概略図である。 同燃料電池発電装置の吸気口の低温運転時の概略図である。 従来の燃料電池発電装置の概略図である。

符号の説明

１，１１：パッケージ
２ａ，２ｂ，１２ａ，１２ｂ：吸気口
３，１３：換気ファン
４，１４：排気口
５：発熱器
６，１６：高温機器
７，１７：冷却水系機器
８，１８：制御装置
１０：燃料電池発電装置
１９：バッフル板
３０：開閉装置
３１：ヒンジ
３２，３２ａ：開閉部材
３５：昇降装置
３６：クランク

Claims (6)

1. 炭化水素を水蒸気改質して水素含有ガスを生成する改質装置と、前記水素含有ガス及び酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池本体と、前記燃料電池本体を冷却する冷却水系機器とがパッケージ内に収納され、該パッケージには、パッケージ内に換気用の空気を導入するための複数の吸気口と、パッケージ内の空気を排気する換気ファンを備えた排気口とが設けられた燃料電池発電装置において、
   前記吸気口のうち、前記冷却水系機器までの吸気流通経路が最も短い吸気口に、開閉手段が設けられ、
   前記開閉手段は、外気温度があらかじめ設定した閾値以下になったときに、当該吸気口を閉止するように構成されていることを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記換気ファンの手前にバッフル板が配置され、該バッフル板とパッケージ内壁との隙間から空気が入り込むように構成されている、請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記開閉手段は、バイメタル、形状記憶合金、及び形状記憶合金と板ばねとの積層体から選ばれる部材からなるヒンジに、開閉部材が取り付けられて構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記開閉手段は、ブルドン管又はベローズ内に、気体又は液体が封入されて、封入された気体又は液体の熱膨張により、開閉部材を開閉するように構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置。
5. 前記開閉部材の表面に集熱塗料が塗布されている、請求項３又は４に記載の燃料電池発電装置。
6. 前記開閉部材は、表面に凹凸を有し、閉止動作時に上面となる面に集熱塗料が塗布され、それ以外の少なくとも一部の面に反射塗料が塗布されている、請求項５に記載の燃料電池発電装置。