(57)【要約】【課題】電力変換回路と燃料電池とを効率よく冷却する。【解決手段】貯湯タンク５２の底部に接続された冷水管５４からの水をラジエータ４２，インバータ４８ａを冷却する冷却器４８ｂ，凝縮器３８，熱交換器３６，温水管５６を経由して貯湯タンク５２の頂部に戻す系統を構成する。インバータ４８ａは、貯湯タンク５２の底部からの水により冷却されるから、燃料電池スタック３４の動作温度に拘わらず、効率よく冷却することができる。しかも、冷却器４８ｂに供給される水は冷却ファン４２ａ付きのラジエータ４２で冷却されるから、貯湯タンク５２の底部の水の温度が高いときでもインバータ４８ａを十分に冷却することができる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、貯湯可能な貯湯槽と、前記燃料電池から排熱を用いて前記貯湯槽の循環する水を加温する熱交換器とを備える燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池からの電力を所定の電力に変換して供給する電力変換回路と、
前記貯湯槽から前記熱交換器への水管路を流れる水により前記電力変換回路の少なくとも一部を冷却する冷却手段と、
を備える燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記冷却手段は、前記電力変換回路の一部を構成するインバータを冷却する手段である請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記貯湯槽から前記冷却手段への水管路に放熱器を備える請求項１または２記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記放熱器は、冷却ファンを備える請求項３記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項３または４記載の燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池と前記熱交換器と前記冷却手段と前記放熱器とを第１パッケージ内に配置し、
前記貯湯槽を前記第１パッケージとは異なる第２パッケージ内に配置してなる
燃料電池発電システム。
【請求項６】
炭化水素系の燃料を水蒸気改質反応により水素リッチな前記燃料ガスに改質して前記燃料電池に供給する改質手段を備える請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記炭化水素系の燃料は都市ガスである請求項６記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、詳しくは、燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と貯湯可能な貯湯槽と燃料電池から排熱を用いて貯湯槽の水を加温する熱交換器とを備える燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池発電システムとしては、燃料電池の冷却水により燃料電池からの直流電力を交流電力に変換するインバータを冷却するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、燃料電池，貯湯槽，インバータ，燃料電池の順に結ぶ循環流路を形成して冷却水を流し、燃料電池で加温された冷却水を貯湯槽の湯水との熱交換により冷却し、この冷却された冷却水によりインバータと燃料電池とを冷却している。また、この特許文献１には、水道水を冷却水としてインバータ，燃料電池をその順に冷却して貯湯槽に蓄えるものも記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−７５４２７号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池発電システムでは、燃料電池の冷却水を用いてインバータを冷却するため、燃料電池の動作温度とインバータの動作温度とが大きく異なる場合には、効率が低くなる。動作温度の低い固体高分子型の燃料電池をシステムに適用したときには、燃料電池の動作温度が８０〜１２０℃であるのに対してインバータの動作温度は一般的に４０℃以下であるため、インバータと燃料電池の両方を冷却するためには、冷却水の温度を３０℃以下まで冷却する必要があり、貯湯槽の湯水との熱交換によっては困難なものとなる。
【０００５】
一方、水道水を冷却水としてインバータ，燃料電池をその順に冷却して貯湯槽に蓄えるものは、インバータや燃料電池の冷却については良好に行なうことができるが、冷却水は循環させずに貯湯槽に蓄えるから、貯湯槽が満水のときにはインバータや燃料電池を冷却するために貯湯槽に蓄えられた湯を排水しなければならない。また、冷却水が循環しないことから、燃料電池の熱を貯湯槽の湯温として十分に蓄えることができず、システム全体としてはエネルギ効率が低いものとなってしまう。
【０００６】
本発明の燃料電池発電システムは、電力変換回路と燃料電池とを効率よく冷却することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池発電システムは、システム全体のエネルギ効率を向上させることを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池が配置されるパッケージと貯湯槽が配置されるパッケージとの小型化および一般化を図ることを目的の一つとする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池発電システムは、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００８】
本発明の燃料電池発電システムは、
燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、貯湯可能な貯湯槽と、前記燃料電池から排熱を用いて前記貯湯槽の循環する水を加温する熱交換器とを備える燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池からの電力を所定の電力に変換して供給する電力変換回路と、
前記貯湯槽から前記熱交換器への水管路を流れる水により前記電力変換回路の少なくとも一部を冷却する冷却手段と、
を備えることを要旨とする。
【０００９】
この本発明の燃料電池発電システムでは、貯湯槽から、燃料電池からの排熱を用いて貯湯槽の循環する水を加温する熱交換器への水管路を流れる水により、燃料電池からの電力を所定の電力に変換して供給する電力変換回路の少なくとも一部を冷却する。即ち、燃料電池の動作温度に拘わらない貯湯槽からの水によって電力変換回路の一部を冷却することができる。この結果、冷却効率のよいものとすることができ、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。ここで、前記冷却手段は前記電力変換回路の一部を構成するインバータを冷却する手段であるものとすることもできる。
【００１０】
こうした本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記貯湯槽から前記冷却手段への水管路に放熱器を備えるものとすることもできる。こうすれば、貯湯槽からの水の温度が高いときでも冷却性能を保持することができる。この態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記放熱器は、冷却ファンを備えるものとすることもできる。こうすれば、さらに冷却性能を保持することができる。
【００１１】
こうした放熱器を備える態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池と前記熱交換器と前記冷却手段と前記放熱器とを第１パッケージ内に配置し、前記貯湯槽を前記第１パッケージとは異なる第２パッケージ内に配置してなるものとすることもできる。こうすれば、システムのコンパクト化、即ち小型化を図ることができる。また、第２パッケージには通常の貯湯設備に関するものだけを配置するものとすることができるから、第２パッケージの一般化を図ることができ、これにより第１パッケージの一般化も図ることができる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池発電システムにおいて、炭化水素系の燃料を水蒸気改質反応により水素リッチな前記燃料ガスに改質して前記燃料電池に供給する改質手段を備えるものとすることもできる。この場合、前記炭化水素系の燃料は都市ガスであるものとすることもできる。こうすれば、システムを一般家庭への設置に適するものとすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池発電システム２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池発電システム２０は、図示するように、本体パッケージ３０と、貯湯タンク５２を備える貯湯パッケージ５０とから構成されている。
【００１４】
本体パッケージ３０には、都市ガス配管から供給される都市ガス（１３Ａ）を水蒸気改質反応により水素リッチな燃料ガスに改質する改質器３２と、改質器３２から供給される燃料ガスと空気との供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池スタック３４と、燃料電池スタック３４の冷却媒体（冷却水など）の循環流路（図中、破線で示す循環流路）に組み込まれて冷却媒体を冷却する熱交換器３６と、燃料電池スタック３４からの排ガス中の水蒸気を凝縮させて水を回収する凝縮器３８と、貯湯タンク５２の底部に接続された冷水管５４から冷水の供給を受けて改質器３２への水の供給や凝縮器３８および熱交換器３６へ冷却水の供給を行なう水系統４０と、燃料電池スタック３４からの直流電力を交流電力に変換して商用電源からの配線に供給するインバータ４２ａを中心として構成された電力変換回路４８と、本体パッケージ３０内の各部をコントロールする制御装置４９とが配置されている。
【００１５】
水系統４０は、貯湯タンク５２の底部に接続された冷水管５４からの水をラジエータ４２，インバータ４８ａを冷却する冷却器４８ｂ，凝縮器３８，熱交換器３６，温水管５６を経由して貯湯タンク５２の頂部に戻す系統と、冷水管５４からの水を水タンク４４，精製器４６を経由して改質器３２に供給する系統とからなり、ラジエータ４２の上流側と水タンク４４の下流側の配管にはポンプ４１，４５が、水タンク４４の上流側には電磁弁４３が取り付けられている。冷却器４８ｂは、図示しないが、インバータ４８ａの熱を伝熱により貯湯タンク５２の底部からの水に伝達して放熱する一般的な冷却器として構成されている。ラジエータ４２には、冷却ファン４２ａが取り付けられており、この冷却ファン４２ａはラジエータ４２への流入水の温度が所定温度（例えば３５℃）以上か否かによりオンオフするサーモスタット４２ｂによって駆動および駆動停止する。
【００１６】
電力変換回路４８は、上述したようにインバータ４８ａを中心として構成されており、インバータ４８ａの他に昇圧回路などの回路と電圧センサや電流センサなどのセンサを備えており、燃料電池スタック３４からの直流電力を商用電源の交流電力と同位相の交流電力に変換して商用電源に接続された図示しない負荷に供給できるよう接続されている。電力変換回路４８からの電力は、負荷によって消費される電力に基づいて商用電源側に電力が供給される現象（いわゆる、逆潮流）が生じないように制御装置４９により制御されている。これにより、商用電源側に影響を与えることなく、一般家庭などの商用電源からの電力を使用するところに設置することができる。
【００１７】
制御装置４９は、負荷の消費電力に基づいて都市ガス配管から改質器３２に供給される都市ガスの流量を調整すると共に改質器３２に供給される水の流量を調整することによるシステムにおける発電電力の制御や改質器３２や燃料電池スタック３４の温度制御など種々の制御を行なっている。これらの制御については、本発明の中核をなさないから、その詳細な説明は省略する。
【００１８】
貯湯パッケージ５０には、図示するように、水道管からの給水管が底部に取り付けられると共に給湯管が頂部に取り付けられた貯湯タンク５２が配置されており、貯湯タンク５２の底部と頂部には、本体パッケージ３０に接続される冷水管５４と温水管５６とが取り付けられている。貯湯パッケージ５０は、貯湯タンク５２に冷水管５４や温水管５６が取り付けられていることを除けばシンプルな構成となっており、小型化および一般化に適したものとなっている。
【００１９】
以上説明した実施例の燃料電池発電システム２０によれば、貯湯タンク５２の底部からの水によりインバータ４８ａを冷却するから、燃料電池スタック３４の動作温度に拘わらず、インバータ４８ａを効率よく冷却することができる。しかも、冷却器４８ｂに供給される水は冷却ファン４２ａ付きのラジエータ４２で冷却されるから、貯湯タンク５２の底部の水の温度が高いときでもインバータ４８ａを十分に冷却することができる。また、本発明の燃料電池発電システム２０によれば、貯湯パッケージ５０を貯湯タンク５２とこれに接続される配管だけの構成とし、それ以外の構成を本体パッケージ３０内に配置したから、貯湯パッケージ５０のシンプル化や小型化，一般化を図ることができる。これにより、燃料電池発電システム２０の小型化を図ることができると共に本体パッケージ３０の一般化も図ることができる。もとより、凝縮器３８や熱交換器３６に供給する貯湯タンク５２の底部からの水はその温度により必要に応じてラジエータ４２で冷却されるから、凝縮器３８における燃料電池スタック３４からの排ガス中の水蒸気の凝縮や燃料電池スタック３４の冷却を適正に行なうことができる。また、燃料電池スタック３４からの熱を用いて貯湯タンク５２内の水を加温して給湯するから、システム全体のエネルギ効率を高めることができる。
【００２０】
実施例の燃料電池発電システム２０では、サーモスタット４２ｂのオンオフにより冷却ファン４２ａを駆動および駆動停止するものとしたが、サーモスタット４２ｂに代えて温度センサを取り付け、制御装置４９により温度センサにより検出された温度に基づいて冷却ファン４２ａを駆動制御するものとしてもよい。
【００２１】
実施例の燃料電池発電システム２０では、ラジエータ４２に冷却ファン４２ａを取り付けるものとしたが、ラジエータ４２の性能によっては冷却ファン４２ａを取り付けないものとしても差し支えない。
【００２２】
実施例の燃料電池発電システム２０では、都市ガス（１３Ａ）を改質器３２に供給して水素リッチな燃料ガスを生成するものとしたが、都市ガス（１２Ａ）やガスボンベに充填されたプロパンガスを改質器３２０に供給して燃料ガスを生成するものとしてもよく、これらのガス以外の炭化水素系の燃料を改質器３２に供給して燃料ガスを生成するものとしてもよい。
【００２３】
実施例の燃料電池発電システム２０では、都市ガス（１３Ａ）を改質器３２により水素リッチな燃料ガスとして燃料電池スタック３４に供給するものとしたが、水素リッチな燃料ガスや純水素を蓄える水素タンクから燃料電池スタック３４にに供給するものとしてもよい。
【００２４】
実施例の燃料電池発電システム２０では、システムで得られる電力を商用電源に接続された負荷に供給できるよう接続したが、商用電源に接続されていない負荷に電力を供給するものとしてもよい。
【００２５】
実施例の燃料電池発電システム２０では、貯湯タンク５２としては常時満水で温度のみ変化させるクローズタイプのもの用いたが、貯湯タンクとして貯湯量が変化するタイプのものを用いるものとしてもよい。
【００２６】
実施例の燃料電池発電システム２０では、燃料電池スタック３４として固体高分子型の燃料電池を用いたが、固体高分子型の燃料電池に限られず、如何なるタイプの燃料電池であっても構わない。
【００２７】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池発電システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【符号の説明】
２０　燃料電池発電システム、３０　本体パッケージ、３２　改質器、３４　燃料電池スタック、３６　熱交換器、３８　凝縮器、４０　水系統、４１　ポンプ、４２　ラジエータ、４２ａ　冷却ファン、４２ｂ　サーモスタット、４３　電磁弁、４４　水タンク、４５　ポンプ、４６　精製器、４８　電力変換回路、４８ａ　インバータ、４８ｂ　冷却器、４９　制御装置、５０　貯湯パッケージ、５２　貯湯タンク、５４　冷水管、５６　温水管。
【図１】
2004111209.tif 000003