JP2002075427A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の直流出力を交流に変換するインバ
ータの冷却を効率良く行うことができ、インバータの小
型化及びインバータを配設するのに必要なスペースを小
さくできる燃料電池発電システムを提供する。 【解決手段】 燃料電池発電システムは、燃料電池１、
改質器２及びインバータ３が一つのハウジング４内に収
容された燃料電池ユニットを備えている。インバータ３
は入力側が燃料電池１の出力側に接続され、出力側が配
電盤５を介して負荷６に接続されている。燃料電池の冷
却設備は、貯湯槽８、熱交換器９、配管10及びポンプ11
からなる。配管10は閉ループをなし、燃料電池１を冷却
して昇温された冷媒を熱交換器９に導き、熱交換された
後の冷媒をインバータ３を経て燃料電池１へ導く。熱交
換器９は貯湯槽８内に設けら、貯湯槽８には水道水を供
給する給水管12ａが下部に連結され、上部には給湯管12
ｂが連結されている。

Description

【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
ムに係り、詳しくはインバータの冷却方法に特徴を有す
る燃料電池発電システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ビルや住宅の電力エネルギー源と
して燃料電池を用いることが検討されている。燃料電池
は、周知のように、たとえば酸素と水素とを化学反応さ
せることで生じる起電力を利用するものであり、化学エ
ネルギーが直接的に電気エネルギーに変換されるので優
れた変換効率が得られる。

【０００３】燃料電池の出力は直流のため、燃料電池発
電システムでは燃料電池の直流出力を交流に変換するイ
ンバータが必要となる。また、燃料電池の作動は発熱を
伴うため、燃料電池に冷却水を供給して冷却している。
燃料電池を安定してかつ効率的に作動させるためには冷
却水の供給温度を３０〜４０℃程度とする必要がある。
燃料電池を間欠的に運転することは効率的ではないので
通常は連続運転されるため、燃料電池からは６０〜８０
℃程度の高温の冷却水が常時排出され、その温排水の処
理も必要となる。

【０００４】例えば、特開平５−１２１０８１号公報に
は図６に示すような燃料電池の発電システムが提案され
ている。この発電システムでは、燃料電池３１によって
得られた電気エネルギーは、インバータ３２を介して各
電力負荷に供給されるようになっている。燃料電池３１
には冷却設備が付設されている。冷却設備は、貯湯槽３
３、冷却塔３４、循環ポンプ３５からなり、循環ポンプ
３５により３５℃程度の冷却水を燃料電池３１に供給す
るとともに、燃料電池３１を冷却して６５℃程度に昇温
した冷却水（温排水）を給湯用熱源として利用するよう
に構成されている。燃料電池３１から排出された温排水
は、まず貯湯槽３３内の加熱コイルに導かれて貯湯槽３
３内の水を、例えば６０℃程度に昇温するとともに、温
排水自体の温度はたとえば４０℃程度にまで低下する。
冷却水の水温が低下しない場合には、温排水は冷却塔３
４において大気中への放熱がなされてさらに冷却された
後、循環ポンプ３５により燃料電池３１へ供給される。

【０００５】また、貯湯槽３３の水を直接使用せずに、
燃料電池３１によって運転される給湯用ヒートポンプ３
６によってさらに高温、例えば８０℃程度に昇温して他
の貯湯槽３７に貯留しておき、その貯湯槽３７内の高温
の湯を使用するように構成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来はイン
バータ３２の冷却に関しては格別な配慮がなされておら
ず、単にヒートシンクが取り付けられているだけであっ
た。しかし、インバータ３２の冷却を通常のヒートシン
クで行うと、冷却効率があまり良くなく、しかもヒート
シンクの体積がヒートシンクを含めたインバータ３２の
体積の１／４〜１／３を占め、インバータ３２を配設す
るのに必要なスペースが大きくなるという問題もある。
また、冷却効率があまり良くないため、インバータ３２
の体格が大きくなるという問題もある。

【０００７】本発明は前記従来の問題点に鑑みてなされ
たものであって、その目的は燃料電池の直流出力を交流
に変換するインバータの冷却を効率良く行うことがで
き、インバータの小型化及びインバータを配設するのに
必要なスペースを小さくできる燃料電池発電システムを
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め請求項１に記載の発明では、燃料電池の冷却に使用す
る冷却媒体を、燃料電池の直流出力を交流に変換するイ
ンバータの冷却用に共用するため、前記冷却媒体を燃料
電池に導く配管の上流側に前記インバータを配設した。

【０００９】この発明では、燃料電池の冷却に使用され
る冷媒によってインバータも冷却される。冷媒はインバ
ータの冷却に使用された後、燃料電池の冷却に使用され
る。燃料電池の冷却に使用された後の冷媒の温度は６０
℃以上に上昇するため、インバータの冷却に使用すると
冷却効率が悪くなる。しかし、燃料電池の冷却前にイン
バータを冷却した場合は、冷媒の温度は上昇するが、燃
料電池の冷却に十分使用できる温度であり、燃料電池の
冷却に必須の冷媒を使用して、インバータを効率良く冷
却できる。

【００１０】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記配管は閉ループをなし、燃料電
池を冷却して昇温された冷媒を給湯用熱源として使用す
る熱交換器に導くように形成されている。

【００１１】この発明では、冷媒は閉ループをなす状態
で循環される。燃料電池を冷却して昇温された冷媒は、
熱交換器に導かれて給湯用熱源として使用される。そし
て、熱交換器で給湯用の水を温めることにより自身が冷
却された冷媒がインバータへ送られ、インバータを冷却
した後、燃料電池へ送られて燃料電池を冷却する。冷媒
は閉ループの配管内を循環するため、水以外の液体も使
用でき、不凍液を使用することにより冬季（厳寒季）に
燃料電池の運転を停止した状態で冷媒が配管内で凍結す
る虞がない。

【００１２】請求項３に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記冷却媒体は水道水であり、前記
配管は燃料電池を冷却して昇温された水道水を貯湯槽に
導くように形成されている。この発明では、燃料電池の
運転時に水道水が冷媒として配管に供給され、インバー
タ及び燃料電池を冷却して昇温された湯が貯湯槽に貯留
される。そして、貯湯槽の湯が使用される。従って、熱
交換器を使用して冷媒の熱で給湯用の水を温める構成に
比較して、水を温める効率が良くなる。

【００１３】請求項４に記載の発明では、請求項１〜請
求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記燃料
電池及びインバータは同一ハウジング内に収容されてい
る。この発明では、燃料電池発電システムがコンパクト
になる。

【００１４】請求項５に記載の発明では、燃料電池ユニ
ットのハウジングを、燃料電池の直流出力を交流に変換
するインバータのヒートシンクとした。従って、この発
明では、燃料電池ユニットのハウジングがヒートシンク
の役割を果たすため、インバータのヒートシンクを配置
するスペースを確保する必要がなくなる。また、冷却媒
体をインバータを通過させる配管あるいはインバータを
経由して循環させる配管が不要となり、簡単な構成で従
来のヒートシンクを取り付けた場合より効率良くインバ
ータを冷却できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、本発
明を具体化した第１の実施の形態を図１及び図２に従っ
て説明する。

【００１６】図１に示すように、燃料電池発電システム
は、燃料電池１、改質器２及びインバータ３が一つのハ
ウジング４内に収容された燃料電池ユニットを備えてい
る。燃料電池１は例えば固体高分子形の燃料電池からな
り、改質器２で改質された原燃料と、空気とが供給さ
れ、改質ガス中の水素を空気中の酸素と反応させて直流
の電気エネルギーを発生する。原燃料としては例えば都
市ガスやＬＰガス等が使用される。

【００１７】インバータ３は入力側が燃料電池１の出力
側に接続され、出力側が配電盤５を介して負荷６に接続
されている。配電盤５は系統電源（商用電源）７とも接
続されている。配電盤５は図示しない制御装置により、
燃料電池１からの供給電力が負荷６の要求電力に足りな
いとき、系統電源７から電力を補うように構成されてい
る。

【００１８】燃料電池発電システムは、貯湯槽８、熱交
換器９、配管１０及びポンプ１１からなる冷却設備を備
えている。配管１０は閉ループをなし、燃料電池１を冷
却して昇温された冷却媒体（冷媒）を給湯用熱源として
使用する熱交換器９に導き、熱交換された後の冷媒をイ
ンバータ３を経て燃料電池１へ導くように形成されてい
る。即ち、冷媒を燃料電池１に導く配管１０の上流側に
インバータ３が配設されている。熱交換器９は貯湯槽８
内に設けられ、貯湯槽８には給水管１２ａが下部に連結
され、上部には給湯管１２ｂが連結されている。貯湯槽
８の水が使用されると、給水管１２ａから水道水が自動
的に供給されるようになっている。

【００１９】インバータ３には、多数の放熱フィンを備
えた通常のヒートシンクに代えて、図２に示すように、
ジグザグに屈曲された配管１０の一部が内蔵されたヒー
トシンク１３が取り付けられている。

【００２０】次に前記のように構成された装置の作用を
説明する。燃料電池１で発生した直流電力はインバータ
３で交流に変換され、配電盤５を介して負荷６に供給さ
れる。

【００２１】燃料電池１及びインバータ３はその作動に
より発熱する。過熱による作動不良を防止するため、配
管１０を流れる冷媒により、燃料電池１及びインバータ
３の冷却が行われる。冷媒は閉ループに形成された配管
１０中をポンプ１１の作用により一定方向に循環する。

【００２２】燃料電池１を冷却した後の冷媒は温度が６
０〜８０℃程度に上昇され、配管１０によって熱交換器
９に導かれる。冷媒は熱交換器９において貯湯槽８内の
水と熱交換して水を温め、自身は３５℃程度に冷却され
る。次に冷媒はインバータ３に導かれ、ヒートシンク１
３を通過する間にインバータ３を冷却した後、燃料電池
１へ導かれる。ヒートシンク１３の温度は６０℃以上あ
り、冷媒の温度が３５℃程度であっても、従来のヒート
シンクに比較して効率よくインバータ３が冷却され、イ
ンバータ３を通過した後の冷媒は４０℃程度で燃料電池
１の冷却に使用される。

【００２３】この実施の形態では以下の効果を有する。 （１） 燃料電池１の冷却に使用する冷媒をインバータ
３の冷却用に共用し、冷媒を燃料電池１に導く配管１０
の上流側にインバータ３を配設した。従って、燃料電池
１の運転に必須の冷媒を使用することにより、従来装置
に比較してインバータ３を効率良く冷却できる。その結
果、インバータ３の小型化及びインバータ３を配設する
のに必要なスペースを小さくできる。また、インバータ
３の冷却が良好であれば、インバータを構成するスイッ
チング素子自体の体格、定格を小さくでき、製造コスト
を安くできる。

【００２４】（２） 配管１０は閉ループをなし、燃料
電池１を冷却して昇温された冷媒を給湯用熱源として使
用する熱交換器９に導くように形成されている。従っ
て、冷媒として水以外の液体も使用でき、冷媒として不
凍液を使用することにより冬季に燃料電池１の運転を停
止しても冷媒が配管１０内で凍結する虞がない。

【００２５】（３） インバータ３を冷却する冷媒の経
路をヒートシンク１３に設けたため、単に配管１０をイ
ンバータ３の周囲に配置する構成に比較して、インバー
タ３を効率良く冷却できるとともに、配管１０の取り回
しも簡単になる。

【００２６】（４） 燃料電池１、改質器２及びインバ
ータ３が同一ハウジング４内に収容されているため、燃
料電池発電システムがコンパクトになる。 （第２の実施の形態）次に第２の実施の形態を図３に従
って説明する。この実施の形態では燃料電池１の冷却に
使用された冷媒は再度インバータ３や燃料電池１の冷却
に使用せず、他の用途に使用する点、即ち冷媒が閉ルー
プをなす配管１０内を循環しない点が前記実施の形態と
大きく異なっている。前記実施の形態と同一部分は同一
符号を付して詳しい説明を省略する。

【００２７】冷媒には水道水が使用され、インバータ３
に冷媒を供給する配管１４ａは水道（図示せず）と連結
され、配管１４ａの途中には電磁弁１５が設けられてい
る。インバータ３を冷却した冷媒は配管１０により燃料
電池１へ導かれる。燃料電池１の冷却に使用された冷媒
は配管１４ｂで貯湯槽８に供給される。貯湯槽８には下
部に給湯管１６が連結されている。

【００２８】この実施の形態では、燃料電池１の運転時
に電磁弁１５が開かれて水道水が直接インバータ３に供
給される。インバータ３を冷却した水道水は燃料電池１
へ導かれ、燃料電池１を冷却して６５℃程度に加熱され
た温水が配管１４ｂを経て貯湯槽８へ導かれる。貯湯槽
８に貯留された温水は給湯管１６から、フロ、台所等に
供給される。

【００２９】この実施の形態では前記実施の形態の
（１）、（３）及び（４）の効果を有する他に次の効果
を有する。（５） 冷媒に水道水が使用され、燃料電池
１を冷却して昇温された水道水が直接貯湯槽８に導かれ
て貯留される。従って、熱交換器９を使用して冷媒の熱
で給湯用の水を温める構成に比較して、水を温める効率
が良くなる。

【００３０】（６） 水道水が直接インバータ３に供給
されるため、インバータ３に供給される冷媒の温度が循
環タイプの場合に比較して低温となり、冷却効率がより
向上する。

【００３１】（７） 熱交換器９及び冷媒を循環させる
ためのポンプ１１が不要になり、構造が簡単になるとと
もに、製造コストが安くなる。実施の形態は前記に限定
されるものではなく、例えば次のように構成してもよ
い。

【００３２】○ 第２の実施の形態のように冷媒として
水道水をインバータ３に直接供給するとともに、燃料電
池１から排出される温水を貯湯槽８に貯留するタイプの
システムにおいて、温水の一部をインバータ３に供給可
能としてもよい。例えば図４に示すように、両配管１４
ａ，１４ｂの途中を連結管１７で接続し、配管１４ｂと
連結管１７との分岐部に三方弁１８を設け、三方弁１８
より下流側に逆止め弁１９を設ける。そして、通常は三
方弁１８を燃料電池１から排出される温水が配管１４ｂ
のみを流れる状態に保持される。また、冬季等水道水の
温度が低く、インバータ３を冷却後、燃料電池１に供給
される冷媒の温度が３０℃より低くなる場合は、三方弁
１８を操作して、燃料電池１を冷却後の温水の一部を連
結管１７を介して配管１４ａ側、即ちインバータ３へ供
給するようにする。この場合、冬季等に燃料電池１へ供
給される冷媒の温度が低すぎる状態になるのを防止でき
る。連結管１７、三方弁１８及び逆止め弁１９が、昇温
された水道水の一部をインバータ３の冷却水に混合可能
な手段を構成する。三方弁１８は電磁弁でも手動操作弁
でもよい。

【００３３】○ インバータ３の冷却に冷媒を使用せず
に、図５に示すように、燃料電池ユニットのハウジング
４を金属製とし、ハウジング４をインバータ３のヒート
シンクとしてもよい。例えば、インバータ３にはヒート
シンクのフィンをなくした形状の板材を取り付け、ハウ
ジング４には該板材に面接触する形状の取付部を形成し
て、インバータ３を前記板材を介してハウジング４に取
り付ける。この構成では、ハウジング４がヒートシンク
の役割を果たすため、インバータ３のヒートシンクを配
置するスペースを別に確保する必要がなくなる。また、
ハウジング４のヒートシンクとして機能する壁面の面積
は、従来のインバータ３のヒートシンクのフィンの合計
面積より遙かに大きくなる。従って、冷却媒体をインバ
ータ３を通過させる配管１４ａあるいはインバータ３を
経由して循環させる配管１０が不要となり、簡単な構成
で従来のヒートシンクを取り付けた場合より効率良くイ
ンバータ３を冷却できる。

【００３４】○ ハウジング４をインバータ３のヒート
シンクとして使用する場合、インバータ３をハウジング
４の外側に固定してもよい。 ○ インバータ３を冷媒で冷却する構成において、ヒー
トシンク１３内の冷媒の流路を１本の流路が屈曲した構
成に代えて、流路が複数に分岐された後、更に再び１本
に集合される構成としたり、板状のヒートシンク１３の
ほぼ全体にわたって拡がる扁平な流路を備える構成とし
てもよい。

【００３５】○ インバータ３を冷媒で冷却する構成に
おいて、冷媒の流れる配管１０の一部をインバータのヒ
ートシンク１３に内蔵する構成に代えて、配管１０をヒ
ートシンクの表面に接触するように配設したり、インバ
ータ３の周囲を取り囲むように配設してもよい。

【００３６】○ 燃料電池１及びインバータ３を一つの
ハウジング４内に収容する構成に代えて、インバータ３
を燃料電池１から離れた場所に配設してもよい。 ○ 貯湯槽８内の水を加熱するのに、燃料電池１の冷却
水の熱だけを利用する代わりに、改質器２の排熱を熱媒
体で回収し、管路を介してその熱媒体を貯湯槽８に設け
た別の熱交換器に供給し、貯湯槽８内の水を加熱するの
に使用する構成としてもよい。この場合、燃料電池発電
システムの熱効率が向上する。

【００３７】○ 給湯管１２ｂ，１６の途中にヒータを
設け、貯湯槽８から供給される湯の温度が所定の温度あ
るいは所望の温度より低い場合は、ヒータで加熱して給
湯するようにしてもよい。

【００３８】前記実施の形態から把握される請求項記載
以外の発明（技術思想）について、以下に記載する。 （１） 請求項３に記載の発明において、燃料電池を冷
却して昇温された水道水の一部をインバータの冷却水に
混合可能な手段を備えている。

【００３９】（２） 請求項１〜請求項４のいずれか一
項に記載の発明において、インバータには冷媒が流れる
配管の一部がジグザグ状に屈曲された状態で内蔵された
ヒートシンクが装備されている。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１〜請求項５
に記載の発明によれば、燃料電池の直流出力を交流に変
換するインバータの冷却を効率良く行うことができ、イ
ンバータの小型化及びインバータを配設するのに必要な
スペースを小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施の形態の燃料電池発電システムの
構成図。

【図２】 ヒートシンクの模式斜視図。

【図３】 第２の実施の形態の燃料電池発電システムの
構成図。

【図４】 別の実施の形態の燃料電池発電システムの構
成図。

【図５】 別の実施の形態の燃料電池発電システムの構
成図。

【図６】 従来技術の燃料電池発電システムの構成図。

【符号の説明】

１…燃料電池、３…インバータ、４…ハウジング、８…
貯湯槽、９…熱交換器、１０，１４ａ，１４ｂ…配管。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池の冷却に使用する冷却媒体を、
   燃料電池の直流出力を交流に変換するインバータの冷却
   用に共用するため、前記冷却媒体を燃料電池に導く配管
   の上流側に前記インバータを配設した燃料電池発電シス
   テム。
2. 【請求項２】 前記配管は閉ループをなし、燃料電池を
   冷却して昇温された冷媒を給湯用熱源として使用する熱
   交換器に導くように形成されている請求項１に記載の燃
   料電池発電システム。
3. 【請求項３】 前記冷却媒体は水道水であり、前記配管
   は燃料電池を冷却して昇温された水道水を貯湯槽に導く
   ように形成されている請求項１に記載の燃料電池発電シ
   ステム。
4. 【請求項４】 前記燃料電池及びインバータは同一ハウ
   ジング内に収容されている請求項１〜請求項３のいずれ
   か一項に記載の燃料電池発電システム。
5. 【請求項５】 燃料電池ユニットのハウジングを、燃料
   電池の直流出力を交流に変換するインバータのヒートシ
   ンクとした燃料電池発電システム。