(57)【要約】【課題】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を有する燃料電池発電装置において、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。【解決手段】プロセス機器と制御機器との間に設けた隔壁に、隔壁開口部を設ける。制御機器が発生する熱によって暖められた空気を、隔壁開口部を通して流動し、プロセス機器を暖めることにより、燃料電池発電装置の凍結を防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
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請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
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２または請求項３に記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−  であり、
正極（または、酸素極、空気極）では、
１/２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →Ｈ２Ｏ  の反応により、Ｈ２Ｏ（水）が生成する。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【特許文献１】特開２００５―２５９４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
請求項２に記載の発明は、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請求項１記載の燃料電池発電装置に係るものである。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
請求項３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請求項２記載の燃料電池発電装置に係るものである。
【００１２】
本発明は、請求項２に記載の発明において、隔壁に設けた隔壁開口部が、隔壁開口部開閉手段により、開閉されるものである。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４に記載の発明は、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２または請求項３に記載の燃料電池発電装置に係るものである。
【００１３】
本発明は、請求項２または請求項３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それぞれ設置するものであり、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。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１、請求項２、請求項３または請求項４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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
請求項１または請求項２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ることによって実施することができる。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、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４に記載の発明は、請求項２または請求項３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。
【００１６】
以下において、請求項１または請求項２に記載の発明の実施例を実施例１に、請求項３に記載の発明の実施例を実施例２に、請求項４に記載の発明の実施例を実施例３に、それぞれ記載し説明する。
【実施例１】
【００１７】
請求項１または請求項２に記載の発明の実施例１を図１にて説明する。図１は、実施例１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。
【００１８】
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。
【００１９】
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２】
【００２０】
請求項３に記載の発明の実施例２を図２、図３にて説明する。図２、図３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、実施例１と同様である。
【００２１】
実施例２では、実施例1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。
【００２２】
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。
【００２３】
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３】
【００２４】
請求項４に記載の発明の実施例３を図４、図５にて説明する。図４、図５は、実施例３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２と同様である。
【００２５】
実施例３では、実施例２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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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３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。
【００２９】
また、実施例３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。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池発電装置を表した図
【図２】、
【図３】本発明の実施例２に係る燃料電池発電装置を表した図
【図４】、
【図５】本発明の実施例３に係る燃料電池発電装置を表した図
【符号の説明】
【００３１】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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