(57)【要約】【課題】発電しながら高効率で冷却する熱電併給システムを提供する。【解決手段】液化アンモニアを気化器２において気化し、その気化潜熱を伝熱管３内部の冷媒から奪って冷熱を得て、ポンプ９によって熱交換器６においてブロア７からの送風から熱を奪う循環を繰り返す。気化したアンモニアは改質器４において改質されて水素ガスとなって燃料電池装置５へ導入され、燃料電池発電の燃料として使用される。発電が実現できるので、全体としての消費電力は少なく、高効率な冷却が実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化燃料ガスによって発電し冷熱を得る熱電併給システムにおいて、液化燃料ガスを気化する気化器と、前記気化器に気化熱を供給する熱冷媒とを備え、前記気化器によって気化した燃料ガスを燃料として発電し、前記熱冷媒によって空調を冷房、もしくは発熱体を冷却する熱電併給システム。
【請求項２】
前記燃料ガスは、アンモニアである請求項１記載の熱電併給システム。
【請求項３】
前記燃料ガスは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、メタノール、エタノールのうち少なくとも１種からなる請求項１記載の熱電併給システム。
【請求項４】
発電によって発生する排熱を回収する熱交換器と、前記熱交換器の熱を気化器に導入する熱配管とを備えた請求項１から３のいずれか１項に記載の熱電併給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空調冷房と発電を同時におこなう熱電併給システム（コジェネレーションシステム）に関し、特にデータセンターにおいて発熱するコンピューターサーバーを冷却しつつ、コンピューターサーバーへ電力を供給するシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界的なＩＴ産業の発展に伴い、情報を大規模に管理するデータセンターが各国各地で昼夜連続稼動している。そのデータセンターが消費する電力は莫大な量であり、大型データセンターが要求する電力は、小型発電所が供給する電力に匹敵する規模にもなっている。なかでもコンピューターサーバーから発する熱の冷却に使われる電力はデータセンター全体の消費電力の３０〜５０％を占めていると言われており、高効率な冷却システムと安価な電力供給手段が強く望まれている。
【０００３】
このような冷却システムと電力供給手段を同時に備えたシステムは、暖房システムと電力供給手段を同時に備えたシステムとともに熱電併給システム、熱併給発電、コジェネレーションなどと呼ばれている。このうち冷却システムと電力供給手段を同時に備えたシステムもしくは、発電時の排熱を吸収式冷凍機の熱源として用いて冷房や冷凍として用いて冷熱出力を得るものが一般的である（例えば特許文献１または特許文献２）。
【特許文献１】特開平２−１３０２４７号公報
【特許文献２】特開平３−１２２４６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の熱電併給システムは、排熱によって加熱して冷熱を得る（冷却する）システムが複雑であるという欠点があった。加熱することで冷やすという方式は、吸収式冷凍機や吸着式冷凍機などに見られる。真空下で水を蒸発させ、その際に奪われる気化熱で冷熱を得て、蒸気は臭化リチウム溶液などの吸収剤に吸収させる。蒸気の吸収が進むと吸収剤の濃度が低下して吸収効率が落ちるので、吸収剤の濃度を戻すために熱源が必要となり、ここで加熱され水が蒸発される。蒸発した水は凝縮させてふたたび水に戻す。このような、蒸発、吸収、加熱再生、凝縮という４つの工程を必要としていた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、簡単な構造で冷却する冷却システムを擁する熱電併給システムを提供し、特に電力消費の莫大なデータセンターの消費電力を減らして電力不足を解決するとともに地球温暖化防止に寄与することを目指すことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の熱電併給システムは、液化燃料ガスによって発電し冷熱を得る熱電併給システムにおいて、液化燃料ガスを気化する気化器と、前記気化器に気化熱を供給する熱冷媒とを備え、前記気化器によって気化した燃料ガスを燃料として発電し、前記熱冷媒によって空調を冷房、もしくは発熱体を冷却する熱電併給システムとしたものである。
【０００７】
これによって、液化燃料ガスの気化熱を冷却に用いるとともに液化燃料ガスの燃焼エネルギーを発電に用いることができるので熱電併給システムが実現する。また液化燃料ガスの気化器そのものは簡単な構造であるので、複雑な冷却システムを必要とせず冷熱を得ることが可能となるのである。
【０００８】
例えば、液化燃料ガスとしてアンモニアを用いる場合、アンモニアの燃焼熱は２２３００ｋＪ／ｋｇであり、蒸発潜熱は１２６３ｋＪ／ｋｇである。発電効率を実際的な値である３０％とするとアンモニア１ｋｇあたり６６９０ｋＪの発電量が得られる。一方気化熱を冷却に用いるときの熱交換効率を同じく実際的な値である９０％とすると１１３７ｋＪ相当の冷却能力を得ることができる。その比は約１：６であり、すなわち１００ｋＷの発電を行ったとき、１７ｋＷの冷却能力があるということである。データセンターでの電力消費における冷却にかかる電力は３０〜５０％と言われているので、その半分近くをまかなうことが可能であると言える。
【０００９】
現在アンモニアから発電する技術は実用化に至っていないが、研究レベルではアンモニアを水素改質して燃料電池発電するシステムが実証済みである。また、アンモニアは水素含有率が高く、液化が容易なので、来る水素エネルギー社会において、水素運搬キャリアとして有望であり、さらに発電に関する研究開発が進む可能性が高いと言われている。
【００１０】
炭化水素系燃料は既に発電技術が確立されており、アンモニアほどの蒸発潜熱はないものの気化熱による冷却と発電の両立が可能である。
【００１１】
例えば液化燃料ガスとしてブタンを用いる場合、ブタンの燃焼熱は４９３００ｋＪ／ｋｇであり、蒸発潜熱は３８６ｋＪ／ｋｇである。発電効率を３０％とするとブタン１ｋｇあたり１４７９０ｋＪの発電量が得られる。一方気化熱を冷却に用いるときの熱交換効率を９０％とすると３４７ｋＪ相当の冷却能力を得ることができる。すなわち１００ｋＷの発電を行ったとき、２．３ｋＷの冷却能力があるということである。
【００１２】
このように液化燃料ガスの気化を利用することで冷却を実現しながら発電しているので、複雑な工程を必要としない熱電併給システムが実現できる。特に大規模データセンターでは数千ｋＷ以上もの電力を要求する場合があり、商用電力による電力供給不足が大きな問題となっているので、高効率な発電設備を備えればこの問題解決に寄与することが可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の冷却システムは、簡単な構造で冷却しながら発電することができ、とくには電力消費の莫大なデータセンターの消費電力を減らして地球温暖化防止に寄与することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
第１の発明は、液化燃料ガスによって発電し冷熱を得る熱電併給システムにおいて、液化燃料ガスを気化する気化器と、前記気化器に気化熱を供給する熱冷媒とを備え、前記気化器によって気化した燃料ガスを燃料として発電し、前記熱冷媒によって空調を冷房、もしくは発熱体を冷却する熱電併給システムとすることにより、液化燃料ガスの気化熱を冷却に用いることで冷却しているので簡単な構造で冷却を実現しながら発電が可能となるのある。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、燃料ガスは、アンモニアである熱電併給システムとすることにより、比較的大きな蒸発潜熱をもつアンモニアを用いているので高効率な冷却が実現する。またアンモニアには炭素が含まれないので、工程の中で二酸化炭素が発生せず、地球温暖化防止に寄与することができる。
【００１６】
第３の発明は、第１の発明において、燃料ガスは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、メタノール、エタノールのうち少なくとも１種からなる熱電併給システムとすることにより、これら炭化水素系燃料は常温以下で液体もしくは高圧下で液体であって取り扱いが容易であり、発電時に特殊な設備を必要としないので、簡単な構造で冷却を実現しながら発電が可能となる。
【００１７】
第４の発明は、第１から第３いずれかの発明に加え、発電によって発生する排熱を回収する熱交換器と、前記熱交換器の熱を気化器に導入する熱配管とを備えた熱電併給システムとすることにより、冷却を必要としない場合もしくは暖房を必要とする場合には、気化器に排熱を導入する簡単な構造で、同時に発電をすることが可能となる。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における熱電併給システムの概略図である。
【００１９】
図１において液化アンモニアタンク１からバルブＡ８の操作によって液体アンモニアが気化器２に導入される。ここで液体アンモニアは伝熱管３から熱を得て気化し、気体アンモニアとなって改質器４へ導入される。改質器４において気体アンモニアは水素と窒素に分解されて、窒素は大気へ放出され、水素は燃料電池装置５へ導入され、発電を行う。
【００２０】
一方伝熱管３の内部には冷媒が封入されており、ポンプ９によって冷媒が伝熱管３と熱交換器６の間を循環する。このとき熱交換器６が冷却され、ブロア７の送風によって冷却したい図示していない発熱体（もしくは部屋全体）を冷却する。図中一点鎖線で囲んだ区画は発熱体近傍に位置し、区画以外の要素に近接している構成とは限らず、便宜的に近接しているよう表したものである。
【００２１】
燃料電池装置５には排熱回収器１０が設けられ、発電によって排熱される熱を回収して、暖房が必要なときに応じてバルブＢ１１、バルブＣ１２を切り替える。
【００２２】
以上のように構成された熱電併給システムについて、以下その動作、作用を説明する。
【００２３】
まず冷却（冷房）が必要なとき、バルブＢ１１は閉止し、バルブＢ１２を開放としておく。次にポンプ９を動作させ、伝熱管３の内部の冷媒を循環させる。冷媒は、塩化カルシウム水溶液などのブラインやエチレングリコールなどの不凍液などとし、凍結防止を施すことが望ましい。
【００２４】
次に送風手段としてのブロア７を作動させる。ブロア７は空気を矢印のように送り出し熱交換器６において伝熱管３の熱と熱交換を始める。
【００２５】
一方でバルブＡ８を開き、アンモニアタンクより液化アンモニアを気化器２に導入する。気化器２においては液化アンモニアが気化し、その潜熱を伝熱管３の内部の冷媒より奪うことになる。熱を奪われて温度の下がった冷媒はポンプ９の駆動によって熱交換器６に運ばれ、そこでブロア７より送り出される風と熱交換し風を冷やすことが可能となる。それによって冷やしたい発熱体もしくは冷房したい室内の温度を下げることができる。
【００２６】
一方気化したアンモニアは改質器４に導入される。アンモニアの改質は例えば特開２００１−３００３１４号公報にあるように、窒素吸蔵金属を触媒とし、１５０℃以上の高温下で窒素ガスと水素ガスに転化することができる。この窒素ガスと水素ガスの混合気体は燃料電池装置５に導入され、そのうち水素ガスが燃料電池発電に用いられる。
【００２７】
このようにして冷媒が気化器２と熱交換器６を循環して冷却能力を得ると同時に発電することができる熱電併給システムが実現する。
【００２８】
もし暖房が必要な場合は、バルブＢ１１を開栓しバルブＣ１２を閉栓する。燃料電池発電では排熱が発生するので、燃料電池装置５の発熱部に排熱回収器１０を設け、そこに伝熱管３を配設して燃料電池装置５の熱を冷媒によって移動させる。
【００２９】
冷媒は熱交換器６へ導入され、そこでブロア７によって暖房の風を得る。さらに冷媒は伝熱管３を通って気化器２に導入され気化に要する熱を液化アンモニアへ与えることになる。このようにして冷媒が燃料電池装置５と熱交換器６と気化器２を循環して、燃料電池装置５の熱が暖房と気化に用いられる。
【００３０】
燃料のアンモニアをメタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、メタノール、エタノールなどとしても良い。これらは常温で液体もしくは高圧化で液体となっており、アンモニアと同じく気化時に冷熱を得ることができ、燃料電池発電もおこなうことができる。アンモニアほど気化潜熱が大きくないという欠点は有するものの、改質して水素を取り出すことは比較的容易である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上のように、本発明にかかる熱電併給システムは簡単な構造で冷却しながら発電することができるので、冷却が必要で電力を要求する各種機械、設備に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施の形態における熱電併給システムの概略図
【符号の説明】
【００３３】
１    液化アンモニアタンク
２    気化器
３    伝熱管
４    改質器
５    燃料電池装置
６    熱交換器
７    ブロア
【図１】
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