(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、燃料電池本体を冷却し一定温度に保持するための水蒸気分離器およびこの水蒸気分離器の飽和水を燃料電池本体に送るためのポンプを備える冷却水系と、燃料電池本体より生じる電力を取り出す電力変換系とを同一の筐体へ収納してなるパッケージ型燃料電池発電装置において、
装置高さＨ１〔ｍ〕および前記水蒸気分離器の水位高さH２〔ｍ〕が下記不等式を満たすことを特徴とするパッケージ型燃料電池発電装置。
２．０〔ｍ〕≦H１≦２．８〔ｍ〕
１＋ｈ１＋ｈ２≦H２＜Ｈ１
ｈ１：ポンプの設置高さ〔ｍ〕、ｈ２：水蒸気分離器とポンプ間の流路抵抗相当の水頭〔ｍ〕
【請求項２】
前記装置高さＨ１が２．０〔ｍ〕≦Ｈ１≦２．５〔ｍ〕であることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ型燃料電池発電装置。
【請求項３】
パッケージ型燃料電池発電装置の架台と屋根パネルの少なくともいずれか一方が装置本体に分離可能に取り付けられてなり、搬送時に分離されることを特徴とする請求項１または２に記載のパッケージ型燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、都市型発電装置として建屋の内部に設置されることの多いオンサイト用パッケージ型燃料電池発電装置に関し、とくにその装置高さに係わる。
【０００２】
【従来の技術】
都市型発電装置として建屋の内部に設置されることの多いオンサイト用パッケージ型燃料電池発電装置の代表例として、図３に従来の出力１００ｋＷのパッケージ型燃料電池発電装置の外形寸法図を示す。
図に見られるように、発電装置本体２１の床面はおおよそ  ３．５ｍ×  ２．３ｍで、装置高さは約  ３．２ｍである。本発電装置本体２１に収納されている燃料電池スタックは、所要の出力が得られるように従来の電極面積のセルを積層して構成されており、その全高は  ２．６ｍに達している。本燃料電池スタックを架台２３上に据え付け、換気フード２２を含む屋根パネルを取り付けると装置高さは、上記のように、約  ３．２ｍとなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
パッケージ型燃料電池発電装置を信頼性の高い装置とするためには、数々の条件を考慮に入れる必要がある。装置高さについても、燃料電池スタックの内部での反応ガスの流れの挙動、燃料電池スタックの冷却性能、燃料電池スタックの耐震性等の基本条件を考慮するのは勿論のこと、設置場所の条件、設置場所への搬入ルートや搬入手段を念頭におくことが必要である。
【０００４】
図４は、リン酸型燃料電池の基本構成を示す斜視図である。図に見られるように、燃料電池スタック１は方形平板状の単電池２を積層して直方体状に形成されており、その４つの側面に、燃料供給用マニホールド３と燃料排出用マニホールド４、および空気供給用マニホールド５と空気排出用マニホールド６を、それぞれ相対して組み込み、燃料と空気とを供給して発電するものである。本構成では、燃料供給用マニホールド３より供給された燃料は、積層された複数の単電池２に形成された燃料通流溝７に分配されて流れ、同様に空気供給用マニホールド５より供給された空気は、複数の単電池２に形成された空気通流溝８に分配されて流れることとなる。したがって、燃料電池スタック１の高さが高すぎると、中央部の単電池２と上層部、下層部の単電池２で流れる燃料や空気の流量に差が生じ、均等に流れなくなるので、所定の性能が得られなくなる。このため、従来のリン酸型燃料電池では、分配される高さ、したがってマニホールドの高さが  １．５ｍを越えると、燃料電池スタックを上下２つのブロックに分割し、それぞれにマニホールドを設けて、各単電池に燃料や空気を均等に流す方式が採られているが、このように燃料電池スタックを２つのブロックに分割すると、マニホ─ルドやそれに付随する部品が２倍となるのでコストが高くなってしまうという問題点がある。
【０００５】
また、燃料電池スタック１の高さが高くなれば、それだけ耐震性が悪くなるので、輸送の際に支持するための構造部材を組み込む必要があり、コスト上も不利となる。
一方、燃料電池スタックの冷却性能を確保するためには、装置の高さを所定の高さ以上とする必要がある。図５は、リン酸型燃料電池の一般的な冷却系の基本構成を示す系統図である。図において、燃料電池本体１１は模式的に示されており、図示しない単電池を複数個積層する毎に、冷却管を付設した冷却板１２が配設されており、この冷却管に冷却水を通流することにより燃料電池本体１１を冷却して、一定温度に保持している。この冷却水には、水蒸気分離器１３の液相部より冷却水循環ポンプ１４によって吸引される水が用いられており、燃料電池本体１１を冷却し、加熱されて一部が蒸気となった水と蒸気との二相流は、再び水蒸気分離器１３の気相部へと戻される。なお、この水蒸気分離器１３では、燃料改質用の蒸気を改質器１６へ供給するとともに、外部の排熱回収設備１５へ蒸気を放出して凝縮水を受け取ることにより熱的なバランスを保っている。このように燃料電池本体１１の冷却には、水蒸気分離器１３の液相部より冷却水循環ポンプ１４によって吸引される水が用いられるので、有効ＮＰＳＨ（Ｎｅｔ  Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｓｕｃｔｉｏｎ  Ｈｅａｄ  ）が冷却水循環ポンプ１４の所要ＮＰＳＨを上回るように、水蒸気分離器１３の水位高を選定する必要があり、仮に有効ＮＰＳＨが所要ＮＰＳＨを下回ると、冷却水循環ポンプ１４がキャビテーションを起こして破損したり、冷却水流量が不足して燃料電池本体１１が過熱する等の事態を生じる恐れがある。すなわち、燃料電池本体１１の冷却性能を確保するためには、この水蒸気分離器１３の水位高、したがって、水蒸気分離器１３を一体として収納するパッケージ型燃料電池発電装置の高さを所定値以上とすることが必須条件となる。
【０００６】
さらに、パッケージ型燃料電池発電装置は建屋の内部に設置される場合が多く、例えば地下室に据え付ける場合には、ドライエリアから搬入扉を通過し、機械室または電力室へ搬入されるのが一般的である。したがって、パッケージ型燃料電池発電装置は、この搬入ルートより搬入できる寸法である必要がある。
この発明は、上記のごとき問題点を考慮してなされたもので、燃料電池本体の反応ガス通流性能および構造上の信頼性が高く、同時に冷却性能の信頼性が高く、さらには、一般のビルへの設置が容易なパッケージ型燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、燃料電池本体と、燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、燃料電池本体を冷却し一定温度に保持するための水蒸気分離器およびこの水蒸気分離器の飽和水を燃料電池本体に送るためのポンプを備える冷却水系と、燃料電池本体より生じる電力を取り出す電力変換系とを同一の筐体へ収納してなるパッケージ型燃料電池発電装置において、装置高さＨ１〔ｍ〕および前記水蒸気分離器の水位高さH２〔ｍ〕が下記不等式を満たすこととする。
２．０〔ｍ〕≦H１≦２．８〔ｍ〕
１＋ｈ１＋ｈ２≦H２＜Ｈ１
ｈ１：ポンプの設置高さ〔ｍ〕、ｈ２：水蒸気分離器とポンプ間の流路抵抗相当の水頭〔ｍ〕
【０００８】
また、燃料電池本体と、燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、燃料電池本体を冷却し一定温度に保持する冷却水系と、燃料電池本体より生じる電力を取り出す電力変換装置とを同一の筐体へ収納してなるパッケージ型燃料電池発電装置において、搬送時の装置高さを  ２．５ｍ以下とすることとする。
さらに、上記のパッケージ型燃料電池発電装置において、架台と屋根パネルの少なくともいずれか一方を装置本体に分離可能に取り付け、搬送時に分離することとする。
【０００９】
【作用】
すでに図４により説明したごとく、燃料電池スタックにおいては、燃料供給用マニホールド３より供給された燃料、および空気供給用マニホールド５より供給された空気を、積層された複数の単電池２の燃料通流溝７および空気通流溝８に分配して流す方式が採られるので、燃料電池スタック１の高さが高すぎると、中央部の単電池２と上層部、下層部の単電池２で流れる燃料や空気の流量に差が生じ、均等に流れなくなる。従来の燃料電池スタックでは、分配して流す高さが  １．５ｍを越えると、上下２つのブロックに分割する方式が採られているが、２つのブロックに分割すると、マニホ─ルドやそれに付随する部品が２倍となりコスト上も割高となってしまうので、分配して流す高さを  １．５ｍ以下、したがって燃料電池スタックの高さを  ２．３ｍ以下に抑えることが望ましい。
【００１０】
したがって、上記のように、パッケージ型燃料電池発電装置の高さを  ２．０ｍ以上でかつ  ２．８ｍ以下とすることとすれば、燃料電池スタックを搭載する架台の高さを  ０．２ｍ、上部に配する配管、排気ダクトの所要高さを  ０．３ｍとして、燃料電池スタックの高さは  ２．３ｍ以下に抑えられることとなるので、燃料電池スタックは一体として構成しても十分な反応ガス通流性能をもつこととなり、また、分割しないので必要部品点数が少なく相対的に安価となる。
【００１１】
また、このようにパッケージ型燃料電池発電装置の高さを選定すれば、高さが低くなるばかりでなく、燃料電池スタックも一体として構成されるので、耐震性に優れた構造となり、輸送時においても付加する支持部材が簡便となり、安価となる。
一方、この種の燃料電池発電装置においては、すでに図５を用いて説明したごとく、水蒸気分離器の飽和水を冷却水循環ポンプにより吸引して燃料電池本体に送り冷却する方式が用いられており、本方式においては、燃料電池本体の冷却を確実に行うには、系の有効ＮＰＳＨが冷却水循環ポンプの所要ＮＰＳＨ以上となるよう設定する必要がある。
【００１２】
有効ＮＰＳＨは、水蒸気分離器の水位高さＨ〔ｍ〕から、ポンプの設置高さすなわちポンプ軸中心の装置最下部からの高さｈ１  〔ｍ〕、および水蒸気分離器とポンプ間の流路抵抗相当の水頭ｈ２  〔ｍ〕を減じた（Ｈ−ｈ１  −ｈ２  ）〔ｍ〕で表される。通常の装置では、出来るだけポンプを下部に設置したとしてもｈ１  は  ０．３〔ｍ〕程度、流路を太くかつ短くしてもｈ２  は０．１５〔ｍ〕程度となる。また通常用いられる冷却水循環ポンプの所要ＮＰＳＨは、最低でも１〔ｍ〕以上である。したがって、水蒸気分離器の水位高さＨは、装置最下部から１．４５〔ｍ〕以上に設定されることが必要となる。水蒸気分離器は円滑に蒸気を放出できるだけの十分な気相空間を上部に保有しなければならないので、この高さを加味すると水蒸気分離器の頂部の装置最下部からの高さは  １．８〔ｍ〕以上となる。
【００１３】
したがって、上記のようにパッケージ型燃料電池発電装置の高さを  ２．０ｍ以上でかつ  ２．８ｍ以下とすることとすれば、上部に配置する弁や配管のスペースを加味しても、水蒸気分離器の頂部の装置最下部からの高さを  １．８〔ｍ〕以上とすることができるので、燃料電池本体の冷却を確実に行うことができる。
つぎに、パッケージ型燃料電池発電装置の設置対象として想定される既存の電気通信用ビルでは、地下室に据え付ける場合が多く、ドライエリアから搬入扉を通過し、機械室または電力室へ搬入されるのが一般的である。全国の  ２０００  を越える電気通信ビルの中から、契約電力が  ６００ｋＷ以上で、かつ首都圏に存在するものを抽出し、搬入条件を調査した結果によれば、幅が  ３．０ｍで高さが  ３．５ｍの装置では、ドライエリアの寸法、形状の制約によって搬入可能率は約５０％に制限される。なお本数値は、搬入扉については搬入用の架台やスペーサ分のスペースを考慮して、幅、高さとも  ０．２ｍの余裕をとることとして算定したものである。これに対して、幅は同一とし、高さのみ変えた場合の搬入可能率をみると、高さが  ３．１ｍのとき７０％であり、さらに高さが  ２．７ｍでは８５％と大幅に向上する。
【００１４】
したがって、上記のように、パッケージ型燃料電池発電装置において、例えば架台と屋根パネルの少なくともいずれか一方を装置本体に分離可能に取り付け、搬送時に分離する等の手段を加味して、装置の高さを  ２．５ｍ以下とすることとすれば、搬入扉のみならず搬入路の他の制約条件も緩和され、搬入可能率が飛躍的に高くなり、ほぼすべての電気通信ビルに搬入、据え付けが可能となるものと期待される。
【００１５】
【実施例】
図１は、本発明のパッケージ型燃料電池発電装置の第１の実施例を示す外形図である。本装置は出力１００ｋＷのパッケージ型燃料電池発電装置で、発電装置本体２１Ａとその上部の換気フード２２とによる装置の高さは、  ２．０〜２．８  ｍと幅を持って表示されているが、電極面積を増大させ、これに対応して所定出力を得るに必要な燃料電池スタックの単電池の積層数を減じて、燃料電池スタックの高さを低くすることによって得られるものである。
【００１６】
本パッケージ型燃料電池発電装置は、装置の高さが  ２．０〜２．８  ｍになっているので、燃料電池スタックの高さは最大でも  ２．３ｍ以下に抑えられることとなり、燃料電池スタックは一体として構成しても十分な反応ガス通流性能をもつこととなる。また、分割しないので必要部品点数が少なく相対的に安価となる。また、水蒸気分離器の飽和水を冷却水循環ポンプにより吸引して燃料電池本体に送り冷却する冷却系の水蒸気分離器の水位高さが、最低でも装置最下部から１．４５〔ｍ〕以上に設定することができるので、系の有効ＮＰＳＨが冷却水循環ポンプの所要ＮＰＳＨを確実に上回り、燃料電池本体の冷却が確実に行われることとなるので、信頼性の高いパッケージ型燃料電池発電装置となる。
【００１７】
図２は、本発明のパッケージ型燃料電池発電装置の第２の実施例を示す外形図である。本装置も出力１００ｋＷのパッケージ型燃料電池発電装置で、高さ  ２．５ｍの発電装置本体２１Ｂの上部に高さ  ０．５ｍの着脱式換気フード２２Ａが備えられている。
本実施例のパッケージ型燃料電池発電装置は、上記の実施例１の装置と同様に十分な反応ガス通流性能と冷却性能をもった信頼性の高い装置であるばかりでなく、さらに着脱式換気フード２２Ａが発電装置本体２１Ｂと分離可能に組み込まれているので、ビルの設置場所に搬送し搬入する際には、着脱式換気フード２２Ａを取り外し、発電装置本体２１Ｂを単体として搬送することができる。このとき装置の高さは  ２．５ｍに抑えられるので、前述のごとく、ほとんどの電気通信ビルの設置場所に容易に搬入できることとなる。
【００１８】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、燃料電池本体と、燃料電池本体に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、燃料電池本体を冷却し一定温度に保持するための水蒸気分離器およびこの水蒸気分離器の飽和水を燃料電池本体に送るためのポンプを備える冷却水系と、燃料電池本体より生じる電力を取り出す電力変換系とを同一の筐体へ収納してなるパッケージ型燃料電池発電装置において、装置高さＨ１〔ｍ〕および前記水蒸気分離器の水位高さH２〔ｍ〕が下記不等式を満たすこととしたので、反応ガス通流性能および構造上の信頼性が高く、同時に冷却性能が高いパッケージ型燃料電池発電装置が得られることとなった。
２．０〔ｍ〕≦H１≦２．８〔ｍ〕
１＋ｈ１＋ｈ２≦H２＜Ｈ１
ｈ１：ポンプの設置高さ〔ｍ〕、ｈ２：水蒸気分離器とポンプ間の流路抵抗相当の水頭〔ｍ〕
【００１９】
また、前述のパッケージ型燃料電池発電装置において、例えば架台と屋根パネルの少なくとも一方を装置本体に分離可能に取り付け、搬送時に分離する手段を付加する等により搬送時の装置高さを2.5m以下とすることとすれば、反応ガス通流性能および構造上の信頼性が高く、同時に冷却性能の信頼性が高く、さらには、一般のビルへの設置が容易となるので、パッケージ型燃料電池発電装置として最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による出力１００ｋＷのパッケージ型燃料電池発電装置の第１の実施例を示す外形図
【図２】本発明による出力１００ｋＷのパッケージ型燃料電池発電装置の第２の実施例を示す外形図
【図３】従来の出力１００ｋＷのパッケージ型燃料電池発電装置の外形寸法図
【図４】リン酸型燃料電池の基本構成を示す斜視図
【図５】リン酸型燃料電池の一般的な冷却系の基本構成を示す系統図
【符号の説明】
１    燃料電池スタック
２    単電池
３    燃料供給用マニホールド
４    燃料排出用マニホールド
５    空気供給用マニホールド
６    空気排出用マニホールド
７    燃料通流溝
８    空気通流溝
１１    燃料電池本体
１２    冷却板
１３    水蒸気分離器
１４    冷却水循環ポンプ
１５    排熱回収設備
２１    発電装置本体
２１Ａ  発電装置本体
２１Ｂ  発電装置本体
２２    換気フード
２２Ａ  着脱式換気フード
【図１】
0003576283.tif 000002
【図２】
0003576283.tif 000003
【図３】
0003576283.tif 000004
【図４】
0003576283.tif 000005
【図５】
0003576283.tif 000006