蓄熱装置およびそれを用いた燃料電池システム
【課題】燃料電池を用いたコジェネレーションシステムにおいて、設置スペースの拡大を抑制しつつ、蓄熱量を増加させる。
【解決手段】燃料電池から回収された排熱を蓄熱する蓄熱装置３６に、排熱回収装置の熱交換器１２で回収した排熱を水に貯える貯湯タンク３７と、排熱回収装置が回収した排熱を潜熱蓄熱材に貯える蓄熱タンク３８と、を備える。潜熱蓄熱材は、水の顕熱蓄熱に比べて単位容積当たり約１桁大きい蓄熱容量を持つため、蓄熱装置３６全体の蓄熱量を変えずに貯湯タンク３７を小型化することができる。また、貯湯タンク３７と蓄熱タンク３８とを併用することにより、潜熱蓄熱材の相変化の回数を減らすことができ、劣化を抑制できる。
【解決手段】燃料電池から回収された排熱を蓄熱する蓄熱装置３６に、排熱回収装置の熱交換器１２で回収した排熱を水に貯える貯湯タンク３７と、排熱回収装置が回収した排熱を潜熱蓄熱材に貯える蓄熱タンク３８と、を備える。潜熱蓄熱材は、水の顕熱蓄熱に比べて単位容積当たり約１桁大きい蓄熱容量を持つため、蓄熱装置３６全体の蓄熱量を変えずに貯湯タンク３７を小型化することができる。また、貯湯タンク３７と蓄熱タンク３８とを併用することにより、潜熱蓄熱材の相変化の回数を減らすことができ、劣化を抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱装置およびそれを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極であるアノード側電極と酸化剤極であるカソード側電極を向い合わせた電池セルをセパレータで挟持した構造物を複数枚積層して構成されている。車載用などでは機動性を重視するため、通常、燃料には純水素を使用し、酸化剤には空気を用いたシステムが多い。
【０００３】
ところが、定置用や家庭用になると、インフラの問題から燃料にはメタン成分の多い都市ガスやプロパンガスを使用するシステムが求められる。この場合は、燃料を水素に改質するために、燃料に水蒸気を混合して水素を生成させる燃料処理器を用いる方法が一般的である。いずれのシステムもアノード電極側に供給された水素がイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、カソード電極側の酸素と反応し、水を生成するとともに、外部に対して電気エネルギが得られる。
【０００４】
ところで、この固体高分子型燃料電池は、電気エネルギの発生とともに、約１００℃以下の排熱を生じる。このため、電池効率が１００％にならない限り、つまり電池本体温度が周囲温度のままで発電できるようにならない限り、温度の高い電池から周囲への放熱分が熱として発生する。燃料を水素に改質するための燃料処理器においても、通常、改質器などの改質反応の加熱に燃焼器を使うため、燃焼排ガスや燃料処理器外部からの排熱が生じる。
【０００５】
このような排熱を利用すれば、電気エネルギとのハイブリッド運転、すなわちコジェネレーション運転となるため、非常に経済的でエネルギ効率の高い、地球環境に優しい運転が実現できる。近年、このような燃料電池システムを家庭に導入しようという開発活動が日本を中心に非常に高まっており、実用化は間近に来ている。地球温暖化を防止する方法として、二酸化炭素の排出量が少ないこのエネルギが脚光を浴び、その省エネ性や経済性に注目が集まっているためである。省エネ性や経済性を高めためのシステム運転としては、熱利用量を増やすことが特に有効であることが各家庭での実証試験において確認されている。
【０００６】
一方、各家庭の熱需要は、主に炊事やお風呂への給湯が支配的であり、家族構成だけでなく、設置地域や環境温度に左右される。一般的には夏場より冬場、温暖地より寒冷地の方が熱需要は高く、燃料電池システムの省エネ性は高まる。ただ、家庭の発電負荷と熱負荷は時間軸的には必ずしも一致しておらず、前者は朝晩、後者は夕食後にピークを迎えることが多い。このため、システムの排熱を一時的に蓄熱する熱利用系が別に設置され、貯湯タンクに温水として蓄熱される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３３３２０７号公報
【特許文献２】特開２００３−２４０４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
燃料電池を用いたコジェネレーションシステムの排熱蓄熱量を増加させるには、温水温度を高める、あるいは貯湯タンクの容量を大きくする方法が考えられる。温水は、システムの構成で限界温度が決まるという制約がある。また、貯湯タンク容量は設置性やコスト面の商品性から制約を受ける。貯湯タンク容量を増やすと、コストアップするとともに、設置スペースが広く必要となり、一般ユーザにとっては現実的では無い。
【０００９】
また、たとえば特許文献１および特許文献２には、熱利用系に潜熱型蓄熱タンクのみを用いる方法が開示されている。しかし、本蓄熱方式のみでは、必ずしもユーザの使い勝手が良いものではない。
【００１０】
そこで、本発明は、燃料電池を用いたコジェネレーションシステムにおいて、設置スペースの拡大を抑制しつつ、蓄熱量を増加させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池と、前記燃料電池の排熱を回収する排熱回収装置と、前記排熱回収装置が回収した排熱を水に貯える貯湯タンクと、前記排熱回収装置が回収した排熱を潜熱蓄熱材に貯える蓄熱タンクと、を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、燃料電池から回収された排熱を蓄熱する蓄熱装置において、前記排熱回収装置が回収した排熱を水に貯える貯湯タンクと、前記排熱回収装置が回収した排熱を潜熱蓄熱材に貯える蓄熱タンクと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池を用いたコジェネレーションシステムにおいて、設置スペースの拡大を抑制しつつ、蓄熱量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態における蓄熱装置の詳細を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態のブロック図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態における蓄熱装置のノーマル貯湯時の温水フローを示すブロック図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態における蓄熱装置の蓄熱貯湯運転時の温水フローを示すブロック図である。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態における蓄熱装置の蓄熱放熱運転時の温水フローを示すブロック図である。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態における蓄熱装置の詳細を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態のブロック図である。
【００１７】
本実施の形態の燃料電池システムは、燃料処理系と、電池本体２と、蓄熱装置３６とを有している。燃料処理系および電池本体２の大部分は、１つのパッケージ１６内に収められている。電池本体２は、ＣＳＡ（Cell Stack Assembly）とも呼ばれる。
【００１８】
ＦＰＳ（Fuel Processing System）とも呼ばれる燃料処理系は、燃料供給源３、脱硫器４、水蒸気発生器５、改質器６、ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９、改質用水ポンプ１１、２つの排熱熱交換器８１，８２、タンク８０を備えている。改質器６には、改質用燃焼器１０が設けられている。燃料供給源３は、たとえばパッケージ１６の外部に設けられて、都市ガスやプロパンなどの炭化水素系燃料を供給する。
【００１９】
電池本体２は、アノード極１３、カソード極１４を備えている。アノード極１３とカソード極１４とは、固体高分子電解質膜を挟んで設けられる。電池本体２には、電池本体２を冷却するための冷却流路７０が形成されている。
【００２０】
たとえば都市ガスを燃料として使用する場合、燃料処理系は、都市ガスから水素ガスへの改質を行う。都市ガスは、燃料供給源３から、ブロワ３１によって、弁２０、脱硫器４、弁２２を通過して、改質器６に送られる。都市ガスなどの燃料は、脱硫器４の内部で、たとえば活性炭やゼオライト吸着などによって硫黄分が取り除かれる。また、タンク８０からフィルタ３０を介して改質用水ポンプ１１によって送られた水は、水蒸気発生器５で加熱されてガス化する。水蒸気発生器５から水蒸気分離器９に送られた気体から水蒸気のみが抽出され、弁２７を通過して、脱硫済の燃料ガスに合流する。水蒸気分離器９で分離された液体の水は、弁８３を介してタンク８０に送られる。改質器６の排気は、水蒸気発生器５に送られて水を加熱した後、タンク８０に併設された排熱熱交換器８１に送られ、その後排気される。
【００２１】
改質用燃焼器１０によって改質器６の内部は加熱されており、吸熱反応である水蒸気改質反応が維持されている。改質用燃焼器１０には、弁２１を介して燃料供給源３から燃料が供給されるとともに、ブロア２６によって、弁２５を介して、あるいはこの弁２５を介さずに、空気などの酸素が供給される。また、改質用燃焼器１０には、電池反応に用いられなかった水素を含有する電池本体２のアノード極１３から排出されるガスが、逆止弁２４を介して供給される。
【００２２】
改質器６では触媒により都市ガスと水蒸気の反応から、水素が生成するが同時にＣＯが生成される。固体高分子型燃料電池では、電池本体２の固体高分子電解質膜および触媒層から構成されるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）でのＣＯ被毒が問題となるため、ＣＯはＣＯ２へ酸化させる必要がある。このため、ＣＯシフト反応器７ではＨ２Ｏによるシフト反応を進める必要がある。また、ＣＯ選択酸化用空気ブロア１８の空気供給により、ＣＯ選択酸化器８では触媒のＣＯ被毒が発生しない程度に酸化反応を進める必要がある。また、改質器６を含めたこれらの触媒反応温度はそれぞれ異なり、改質器６の数百度からＣＯ選択酸化器８の百数十度と、改質ガスの上流と下流の温度差が大きいため、下流側温度を下げるための水熱交換器を設けてもよい。
【００２３】
次に、各触媒での主なプロセス反応を以下に示す。たとえば、メタン成分が主体の都市ガス改質の場合、水蒸気改質反応は（１）式、ＣＯシフト反応は（２）式、ＣＯ選択酸化反応は（３）式のようになる。
【００２４】
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２ …（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ …（２）
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２ …（３）
ＣＯ選択酸化器８を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸ガスおよび余った水蒸気などを含有する。これらのガスは、アノード極１３に送り込まれる。アノード極１３に送り込まれた水素ガスは、ＭＥＡの触媒層を経てプロトンＨ＋が電解質膜を通過し、カソード極用空気ブロア１５によってカソード極１４を通過する空気中の酸素および電子と結びついて水が生成される。したがって、アノード極１３は−極、カソード極１４は＋極となり、電位を持って直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷が接続されれば、本システムは電源としての機能を持つことになる。
【００２５】
発電に使われずに残ったアノード極１３の出口ガスは、水蒸気加熱器５および改質器６の加熱用燃料ガスとして使われる。また、カソード極１４の出口中の水蒸気および燃焼排気ガス中の水蒸気は、排熱熱交換器８１により、水分が回収され、システムでの水自立が図られる。一方、電池本体２の排熱は、冷却流路７０を通過する電池冷却水ポンプ２９の循環ラインに配置された排熱熱交換器８２によって熱回収される。温水循環ポンプ３３の運転により、排熱熱交換器８１，８２で熱交換して暖められた温水は、蓄熱装置３６に蓄熱され、給湯やお風呂への温水として使われる。蓄熱装置３６には、必要に応じて水道管８４を介して水道水が供給される。
【００２６】
図１は、本実施の形態における蓄熱装置の詳細を示すブロック図である。図１において、カソード極１４の出口中の水蒸気および燃焼排気ガス中の水蒸気と熱交換する排熱熱交換器８１、および、電池冷却水ポンプ２９の循環ラインに配置された排熱熱交換器８２は、まとめて熱交換器１２として示している。この熱交換器１２および電池冷却水ポンプなどは、燃料電池２および改質器６などの排熱を回収する排熱回収装置を形成している。
【００２７】
蓄熱装置３６は、貯湯タンク３７および蓄熱タンク３８を有している。貯湯タンク３７および蓄熱タンク３８は、たとえば樹脂で形成される。
【００２８】
貯湯タンク３７には、加熱された水道水が貯えられている。蓄熱タンク３８には、２種類の異なる温度の潜熱蓄熱材が上下に区分けされて内蔵されている。潜熱蓄熱材とは、使用温度の範囲で相変化することにより、顕熱だけでなく、潜熱をも貯える材料である。本実施の形態では、たとえば、下側の高温側蓄熱タンク６０に、パラフィン系のトリアコンタン（融点６５℃）や有機物系ステアリン酸（融点７１℃）が内蔵され、上側の低温側蓄熱タンク６１には、パラフィン系のエイコサン（融点３６℃）やトリミリスチン（融点３３℃）が内蔵されている。蓄熱タンク３８の内部には、潜熱蓄熱材に囲まれて２本の配管９１，９２が貫通している。
【００２９】
貯湯タンク３７と熱交換器１２との間には、水を循環させる配管が設けられていて、この配管の途中には第一の逆止弁４１、第一の電動遮断弁４３および温水循環ポンプ３３が設けられている。この配管には、蓄熱タンク３８を貫通する配管９１が第二の電動遮断弁４４を介して接続されている。第一の逆止弁４１は、この接続部よりも貯湯タンク３７側に設けられている。さらに、蓄熱タンク３８を貫通する配管９１は、第二の電動遮断弁４４を介して接続する側に対して蓄熱タンク３８の反対側から延びる配管によって、第二の逆止弁４２を介して第一の電動遮断弁４３および温水循環ポンプ３３の間に接続されている。
【００３０】
貯湯タンク３７から、たとえば家庭内の給湯器などには配管が延びていて、この配管の途中には、第四の電動遮断弁４７および給湯加圧ポンプ４８が設けられている。この配管は、第四の電動遮断弁４７の上流側で第三の電動遮断弁４６を介して、第四の電動遮断弁４７の下流側で第三の逆止弁４５を介して、蓄熱タンク３８を貫通する配管９２に接続されている。給湯加圧ポンプ４８は、水張りや気抜きを考慮すると下部に配置されることが望ましい。
【００３１】
このように、貯湯タンク３７と蓄熱タンク３８とは直列に設けられていて、貯湯タンク３７に貯えられた水と蓄熱タンク３８内の潜熱蓄熱材とは熱交換可能に構成されている。
【００３２】
蓄熱タンク３８は、貯湯タンク３７の下部に配置されていてもよい。第一の逆止弁４１、第一の電動遮断弁４３及び第二の電動遮断弁４４を三方弁で代用してもよい。
【００３３】
この蓄熱装置３６は、たとえばノーマル貯湯、蓄熱貯湯、および、蓄熱放熱の３つの運転モードで運転される。各運転モードにおける弁の開閉、ポンプの駆動などは、たとえば制御装置によって制御される。
【００３４】
図３は、本実施の形態における蓄熱装置のノーマル貯湯時の温水フローを示すブロック図である。
【００３５】
ノーマル貯湯運転時には、第一の電動遮断弁４３を開き、第二の電動遮断弁４４は閉じる。ノーマル貯湯運転時は、温水循環ポンプ３３を駆動し、燃料電池システム１６の排熱を排熱熱交換器１２にて６０〜９０℃の温水として回収し、蓄熱装置３６の貯湯タンク３７に貯める。給湯時には、温水利用時は、第三の電動遮断弁４６を閉じて、第四の電動遮断弁４７を開き、給湯加圧ポンプ４８を運転して、貯湯タンク３７の温水を利用する。
【００３６】
図４は、本実施の形態における蓄熱装置の蓄熱貯湯運転時の温水フローを示すブロック図である。
【００３７】
蓄熱貯湯運転は、貯湯タンク３７の蓄熱量が最大容量に達した後、たとえば貯湯タンク３７下部の温度が上昇し貯湯が完了したと判断された後に開始する。この場合、温水循環ポンプ３３は駆動したまま、第一の電動遮断弁４３を閉じ、第二の電動遮断弁４４を開く。
【００３８】
この状態において、温水は、貯湯タンク３７を経て、蓄熱タンク３８の蓄熱熱交換器４８を通過後、温水循環ポンプ３３に戻る。この際、たとえばパラフィン系の潜熱蓄熱材は固体状態から液体状態に相変化して、顕熱および潜熱として蓄熱する。上流側の高温側蓄熱タンク６０と下流側の低温側蓄熱タンク６１に内蔵された２種類の潜熱蓄熱材は異なる融点を持ち、下流側の低温側蓄熱タンク６１通過した温水は、燃料電池２および燃料処理系への戻り温度が低めに制御される。
【００３９】
温水利用時は、第三の電動遮断弁４６を閉じて、第四の電動遮断弁４７を開き、給湯加圧ポンプ４８を運転する。この給湯加圧ポンプ４８は、家屋の給湯配管の長さや径が支配する圧損に応じて、必要給湯量と給湯温度の関係を満たすように、任意に可変出力制御される。
【００４０】
図５は、本実施の形態における蓄熱装置の蓄熱放熱運転時の温水フローを示すブロック図である。
【００４１】
蓄熱放熱運転時は、貯湯タンク３７のバックアップ的な温水利用である。蓄熱放熱運転時には、第三の電動遮断弁４６を開き、第四の電動遮断弁４７を閉じて、給湯加圧ポンプ４８を運転する。この場合、貯湯タンク３７に貯まっていた温水が使われた後に冷たくなった水が、蓄熱タンク３８の低温側蓄熱タンク６１及び高温側蓄熱タンク６０で加熱され、給湯加圧ポンプ４８を経て炊事やお風呂の給湯に利用される。
【００４２】
具体的な蓄熱放熱運転時の開始判断は、たとえば貯湯タンク３７上部の温度が低下し、貯湯タンク３７での高温水利用が終了した場合である。この際、たとえば異なる融点を有する２種類のパラフィン系の潜熱蓄熱材はそれぞれ放熱することにより、液体状態から固体状態に相変化する。これにより潜熱蓄熱材の温度低下に伴う顕熱の放出および相変化による潜熱の放出によって貯湯タンク３７から送られる水を加熱して給湯することができる。本実施の形態では、低温側蓄熱タンク６１の潜熱蓄熱材とし融点が３３℃のトリミルスチンなどを用いるため、貯湯タンク３７から送られる水が夏場などに３０℃程度まで上昇したとしても、潜熱蓄熱材から受熱可能である。
【００４３】
潜熱蓄熱材は、水の顕熱蓄熱に比べて単位容積当たり約１桁大きい蓄熱容量を持つ。このため、蓄熱装置３６全体の蓄熱量を変えずに貯湯タンク３７を小型化することができ、蓄熱タンク３８を別途設けたとしても、蓄熱装置３６全体を小型化できる。たとえば、貯湯タンク３７の容量を１５０Ｌ（リットル）、蓄熱タンク３８の容量を２０Ｌの合計１７０Ｌとすると、容量が２００Ｌの貯湯タンク３７を単独で用いた場合に比べて、蓄熱量増加するにも関わらずコンパクト化できる。また、潜熱蓄熱材のみを用いて蓄熱する場合に比べて、水よりは高価な潜熱蓄熱材の必要量が限定されるためコストダウンを図ることができる。
【００４４】
蓄熱装置３６のコンパクト化によって、設置場所の制約が少なくなる。また、軽量化に伴って、蓄熱装置３６の運搬が容易になる。
【００４５】
さらに、貯湯タンク３７の水への蓄熱が完了した後に潜熱蓄熱材への蓄熱が開始されるため、蓄熱時における潜熱蓄熱材と熱交換する水の平均的な温度は、潜熱蓄熱材のみを用いて蓄熱する場合に比べて、高くなる。このため、蓄熱材への蓄熱に要する時間が短くなる。また、貯湯タンク３７から湯が供給できなくなった後に、潜熱蓄熱材からの放熱を開始させると、放熱時における潜熱蓄熱材と熱交換する水の平均的な温度は低くなる。このため、放熱が終了するまでの時間が短くなる。このように、潜熱蓄熱材の蓄熱および放熱の時間が短くなることにより、蓄熱材の耐久性が大幅に向上させることができる。
【００４６】
本実施の形態では、蓄熱の際は、貯湯タンク３７に優先して蓄熱し、その後蓄熱タンク３８に蓄熱する。放熱の際は、貯湯タンク３７から優先して放熱し、その後蓄熱タンク３８から放熱している。このため、蓄熱タンク３８の内部の潜熱蓄熱材の相変化の回数は少なくなり、潜熱蓄熱材の劣化を抑制することができる。また、潜熱蓄熱材の相変化に伴う体積変化が少なくなるため、潜熱蓄熱材を貯える蓄熱タンク３８などの劣化も抑制することができる。
【００４７】
また、潜熱蓄熱材を用いる蓄熱タンク３８は、貯湯タンク３７に貯えられた湯を加熱するために従来設けられていた補助燃焼バーナや補助電気ヒータの代替となるため、これらの機器が不要となる。このため、蓄熱装置３６の大幅なコストダウンだけでなく、燃料電池システム全体のコストダウンにもなり、一般家庭への導入が容易となる。潜熱蓄熱材として、異なる融点を有する２種類の高温側蓄熱材と低温側蓄熱材とを用いることで、燃料電池２への温水戻り温度を低めに制御でき、安定して燃料電池システムを運転できる。
【００４８】
貯湯タンク３７および蓄熱タンク３８を樹脂製とすることにより、金属製とするよりも軽量化およびコストダウンすることができる。特に、沸点が水よりも高い潜熱蓄熱材を用いることにより、蓄熱媒体が沸騰しない状態でより高い温度の湯を供給できるようになるため、貯湯タンク３７の内部の圧力を従来の０．８ＭＰａ程度に高める必要がない。本実施の形態の貯湯タンク３７の内部の圧力は、たとえば０．１７ＭＰａ程度とすることができる。また、潜熱蓄熱材は、金属の容器に収納するとその容器が腐食するおそれがあるが、本実施の形態では、潜熱蓄熱材を高圧で保持する必要がないため、樹脂製の容器に収納しても問題ない。
【００４９】
なお、本実施の形態では、融点が異なる２種類の潜熱蓄熱材を用いているが、１種類あるいは３種類以上の潜熱蓄熱材を用いてもよい。潜熱蓄熱材としては、融点が、貯湯タンク３７に供給される水の温度より高く、燃料電池システムの排熱を回収する排熱回収媒体の最高温度より低いものであればどのようなものでもよい。貯湯タンク３７に供給される水は、一般的に水道水であり、水道水の温度は夏場でも３０℃を超えない。また、燃料電池システムの排熱を回収する排熱回収媒体としては、通常、水が常圧で用いられるため、この排熱回収媒体の最高温度はおよそ９５℃を超えることがない。そこで、潜熱蓄熱材としては、融点が３０℃以上９５℃以下のものを用いるとよい。
【００５０】
また、たとえば２階建以上の家屋などでは、家庭内部に敷設する温水配管が長くなって圧損が大きくなり、給湯の供給流量が不足する場合がある。しかし、本実施の形態では、給湯加圧ポンプ４８を運転することにより、必要な供給量を確保できるため、給湯の使い勝手や快適性が向上する。
【００５１】
［第２の実施の形態］
図６は、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態における蓄熱装置の詳細を示すブロック図である。
【００５２】
本実施の形態では、蓄熱タンク３８を貫通して水が流れる配管９３を１本としている。
【００５３】
貯湯タンク３７と熱交換器１２との間には、水を循環させる配管が設けられていて、この配管の途中には第一の逆止弁４１、第一の電動遮断弁４３および温水循環ポンプ３３が設けられている。この配管には、蓄熱タンク３８を貫通する配管９３が第二の電動遮断弁４４を介して接続されている。第一の逆止弁４１は、この接続部よりも貯湯タンク３７側に設けられている。さらに、蓄熱タンク３８を貫通する配管９３は、第二の電動遮断弁４４を介して接続する側に対して蓄熱タンク３８の反対側から延びる配管によって、第五の電動遮断弁５０を介して第一の電動遮断弁４３および温水循環ポンプ３３の間に接続されている。また、蓄熱タンク３８を貫通する配管９３は、第二の電動遮断弁４４を介して接続する側に対して蓄熱タンク３８の反対側から延びる配管によって、第四の電動遮断弁４７の上流側で第三の電動遮断弁４６を介して、貯湯タンク３７から家庭内の給湯器などに延びる配管に接続されている。
【００５４】
貯湯タンク３７から家庭内の給湯器などに延びる配管の途中には、第四の電動遮断弁４７および給湯加圧ポンプ４８が設けられている。この配管は、第四の電動遮断弁４７の下流側で第三の逆止弁４５および第六の電動遮断弁５１を介して、蓄熱タンク３８を貫通する配管９３に接続されている。
【００５５】
運転方法は第１の実施の形態に準じている。本実施の形態において、ノーマル運転の温水利用時は、第二の電動遮断弁４４、第三の電動遮断弁４６、第五の電動遮断弁５０、第六の遮断弁５１を閉じて、第一の電動遮断弁４３と第四の電動遮断弁４７を開く。また、蓄熱運転の温水利用時は、第三の電動遮断弁４６、第六の電動遮断弁５１、第一の電動遮断弁４３を閉じて、第二の電動遮断弁４４、第四の電動遮断弁４７、第五の電動遮断弁５０を開く。放熱運転の温水利用時は、第二の電動遮断弁４４、第四の電動遮断弁４７、第五の電動遮断弁５０を閉じて、第一の電動遮断弁４３、第三の電動遮断弁４６、第六の電動遮断弁５１を開く。
【００５６】
このような本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、設置スペースの拡大を抑制しつつ、蓄熱量を増加させることができる。また、弁の数は若干増加するものの、蓄熱タンク３８の内部の構造を第１の実施の形態に比べて単純化することができる。このため、潜熱蓄熱材を燃料電池システム全体の寿命よりも短い間隔で交換しなければならない場合、交換部分の構造を単純化させ、メンテナンスに必要な手間およびコストを低減することができる。
【００５７】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【符号の説明】
【００５８】
２…電池本体、３…燃料供給源、４…脱硫器、５…水蒸気発生器、６…改質器、７…ＣＯシフト反応器、８…ＣＯ選択酸化器、９…水蒸気分離器、１０…改質用燃焼器、１１…改質用水ポンプ、１２…熱交換器、１３…アノード極、１４…カソード極、１５…カソード極用空気ブロア、１６…パッケージ、１８…ＣＯ選択酸化用空気ブロア、２０…弁、２１…弁、２２…弁、２４…逆止弁、２５…弁、２６…ブロア、２７…弁、２９…電池冷却水ポンプ、３０…フィルタ、３１…ブロワ、３３…温水循環ポンプ、３６…蓄熱装置、３７…貯湯タンク、３８…蓄熱タンク、４１…第一の逆止弁、４２…第二の逆止弁、４３…第一の電動遮断弁、４４…第二の電動遮断弁、４５…第三の逆止弁、４６…第三の電動遮断弁、４７…第四の電動遮断弁、４８…給湯加圧ポンプ、５０…第五の電動遮断弁、５１…第六の電動遮断弁、６０…高温側蓄熱タンク、６１…低温側蓄熱タンク、７０…冷却流路、８０…タンク、８１…排熱熱交換器、８２…排熱熱交換器、８３…弁、８４…水道管、９１…配管、９２…配管、９３…配管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱装置およびそれを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極であるアノード側電極と酸化剤極であるカソード側電極を向い合わせた電池セルをセパレータで挟持した構造物を複数枚積層して構成されている。車載用などでは機動性を重視するため、通常、燃料には純水素を使用し、酸化剤には空気を用いたシステムが多い。
【０００３】
ところが、定置用や家庭用になると、インフラの問題から燃料にはメタン成分の多い都市ガスやプロパンガスを使用するシステムが求められる。この場合は、燃料を水素に改質するために、燃料に水蒸気を混合して水素を生成させる燃料処理器を用いる方法が一般的である。いずれのシステムもアノード電極側に供給された水素がイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、カソード電極側の酸素と反応し、水を生成するとともに、外部に対して電気エネルギが得られる。
【０００４】
ところで、この固体高分子型燃料電池は、電気エネルギの発生とともに、約１００℃以下の排熱を生じる。このため、電池効率が１００％にならない限り、つまり電池本体温度が周囲温度のままで発電できるようにならない限り、温度の高い電池から周囲への放熱分が熱として発生する。燃料を水素に改質するための燃料処理器においても、通常、改質器などの改質反応の加熱に燃焼器を使うため、燃焼排ガスや燃料処理器外部からの排熱が生じる。
【０００５】
このような排熱を利用すれば、電気エネルギとのハイブリッド運転、すなわちコジェネレーション運転となるため、非常に経済的でエネルギ効率の高い、地球環境に優しい運転が実現できる。近年、このような燃料電池システムを家庭に導入しようという開発活動が日本を中心に非常に高まっており、実用化は間近に来ている。地球温暖化を防止する方法として、二酸化炭素の排出量が少ないこのエネルギが脚光を浴び、その省エネ性や経済性に注目が集まっているためである。省エネ性や経済性を高めためのシステム運転としては、熱利用量を増やすことが特に有効であることが各家庭での実証試験において確認されている。
【０００６】
一方、各家庭の熱需要は、主に炊事やお風呂への給湯が支配的であり、家族構成だけでなく、設置地域や環境温度に左右される。一般的には夏場より冬場、温暖地より寒冷地の方が熱需要は高く、燃料電池システムの省エネ性は高まる。ただ、家庭の発電負荷と熱負荷は時間軸的には必ずしも一致しておらず、前者は朝晩、後者は夕食後にピークを迎えることが多い。このため、システムの排熱を一時的に蓄熱する熱利用系が別に設置され、貯湯タンクに温水として蓄熱される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３３３２０７号公報
【特許文献２】特開２００３−２４０４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
燃料電池を用いたコジェネレーションシステムの排熱蓄熱量を増加させるには、温水温度を高める、あるいは貯湯タンクの容量を大きくする方法が考えられる。温水は、システムの構成で限界温度が決まるという制約がある。また、貯湯タンク容量は設置性やコスト面の商品性から制約を受ける。貯湯タンク容量を増やすと、コストアップするとともに、設置スペースが広く必要となり、一般ユーザにとっては現実的では無い。
【０００９】
また、たとえば特許文献１および特許文献２には、熱利用系に潜熱型蓄熱タンクのみを用いる方法が開示されている。しかし、本蓄熱方式のみでは、必ずしもユーザの使い勝手が良いものではない。
【００１０】
そこで、本発明は、燃料電池を用いたコジェネレーションシステムにおいて、設置スペースの拡大を抑制しつつ、蓄熱量を増加させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池と、前記燃料電池の排熱を回収する排熱回収装置と、前記排熱回収装置が回収した排熱を水に貯える貯湯タンクと、前記排熱回収装置が回収した排熱を潜熱蓄熱材に貯える蓄熱タンクと、を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、燃料電池から回収された排熱を蓄熱する蓄熱装置において、前記排熱回収装置が回収した排熱を水に貯える貯湯タンクと、前記排熱回収装置が回収した排熱を潜熱蓄熱材に貯える蓄熱タンクと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池を用いたコジェネレーションシステムにおいて、設置スペースの拡大を抑制しつつ、蓄熱量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態における蓄熱装置の詳細を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態のブロック図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態における蓄熱装置のノーマル貯湯時の温水フローを示すブロック図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態における蓄熱装置の蓄熱貯湯運転時の温水フローを示すブロック図である。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態における蓄熱装置の蓄熱放熱運転時の温水フローを示すブロック図である。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態における蓄熱装置の詳細を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態のブロック図である。
【００１７】
本実施の形態の燃料電池システムは、燃料処理系と、電池本体２と、蓄熱装置３６とを有している。燃料処理系および電池本体２の大部分は、１つのパッケージ１６内に収められている。電池本体２は、ＣＳＡ（Cell Stack Assembly）とも呼ばれる。
【００１８】
ＦＰＳ（Fuel Processing System）とも呼ばれる燃料処理系は、燃料供給源３、脱硫器４、水蒸気発生器５、改質器６、ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９、改質用水ポンプ１１、２つの排熱熱交換器８１，８２、タンク８０を備えている。改質器６には、改質用燃焼器１０が設けられている。燃料供給源３は、たとえばパッケージ１６の外部に設けられて、都市ガスやプロパンなどの炭化水素系燃料を供給する。
【００１９】
電池本体２は、アノード極１３、カソード極１４を備えている。アノード極１３とカソード極１４とは、固体高分子電解質膜を挟んで設けられる。電池本体２には、電池本体２を冷却するための冷却流路７０が形成されている。
【００２０】
たとえば都市ガスを燃料として使用する場合、燃料処理系は、都市ガスから水素ガスへの改質を行う。都市ガスは、燃料供給源３から、ブロワ３１によって、弁２０、脱硫器４、弁２２を通過して、改質器６に送られる。都市ガスなどの燃料は、脱硫器４の内部で、たとえば活性炭やゼオライト吸着などによって硫黄分が取り除かれる。また、タンク８０からフィルタ３０を介して改質用水ポンプ１１によって送られた水は、水蒸気発生器５で加熱されてガス化する。水蒸気発生器５から水蒸気分離器９に送られた気体から水蒸気のみが抽出され、弁２７を通過して、脱硫済の燃料ガスに合流する。水蒸気分離器９で分離された液体の水は、弁８３を介してタンク８０に送られる。改質器６の排気は、水蒸気発生器５に送られて水を加熱した後、タンク８０に併設された排熱熱交換器８１に送られ、その後排気される。
【００２１】
改質用燃焼器１０によって改質器６の内部は加熱されており、吸熱反応である水蒸気改質反応が維持されている。改質用燃焼器１０には、弁２１を介して燃料供給源３から燃料が供給されるとともに、ブロア２６によって、弁２５を介して、あるいはこの弁２５を介さずに、空気などの酸素が供給される。また、改質用燃焼器１０には、電池反応に用いられなかった水素を含有する電池本体２のアノード極１３から排出されるガスが、逆止弁２４を介して供給される。
【００２２】
改質器６では触媒により都市ガスと水蒸気の反応から、水素が生成するが同時にＣＯが生成される。固体高分子型燃料電池では、電池本体２の固体高分子電解質膜および触媒層から構成されるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）でのＣＯ被毒が問題となるため、ＣＯはＣＯ２へ酸化させる必要がある。このため、ＣＯシフト反応器７ではＨ２Ｏによるシフト反応を進める必要がある。また、ＣＯ選択酸化用空気ブロア１８の空気供給により、ＣＯ選択酸化器８では触媒のＣＯ被毒が発生しない程度に酸化反応を進める必要がある。また、改質器６を含めたこれらの触媒反応温度はそれぞれ異なり、改質器６の数百度からＣＯ選択酸化器８の百数十度と、改質ガスの上流と下流の温度差が大きいため、下流側温度を下げるための水熱交換器を設けてもよい。
【００２３】
次に、各触媒での主なプロセス反応を以下に示す。たとえば、メタン成分が主体の都市ガス改質の場合、水蒸気改質反応は（１）式、ＣＯシフト反応は（２）式、ＣＯ選択酸化反応は（３）式のようになる。
【００２４】
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２ …（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ …（２）
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２ …（３）
ＣＯ選択酸化器８を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸ガスおよび余った水蒸気などを含有する。これらのガスは、アノード極１３に送り込まれる。アノード極１３に送り込まれた水素ガスは、ＭＥＡの触媒層を経てプロトンＨ＋が電解質膜を通過し、カソード極用空気ブロア１５によってカソード極１４を通過する空気中の酸素および電子と結びついて水が生成される。したがって、アノード極１３は−極、カソード極１４は＋極となり、電位を持って直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷が接続されれば、本システムは電源としての機能を持つことになる。
【００２５】
発電に使われずに残ったアノード極１３の出口ガスは、水蒸気加熱器５および改質器６の加熱用燃料ガスとして使われる。また、カソード極１４の出口中の水蒸気および燃焼排気ガス中の水蒸気は、排熱熱交換器８１により、水分が回収され、システムでの水自立が図られる。一方、電池本体２の排熱は、冷却流路７０を通過する電池冷却水ポンプ２９の循環ラインに配置された排熱熱交換器８２によって熱回収される。温水循環ポンプ３３の運転により、排熱熱交換器８１，８２で熱交換して暖められた温水は、蓄熱装置３６に蓄熱され、給湯やお風呂への温水として使われる。蓄熱装置３６には、必要に応じて水道管８４を介して水道水が供給される。
【００２６】
図１は、本実施の形態における蓄熱装置の詳細を示すブロック図である。図１において、カソード極１４の出口中の水蒸気および燃焼排気ガス中の水蒸気と熱交換する排熱熱交換器８１、および、電池冷却水ポンプ２９の循環ラインに配置された排熱熱交換器８２は、まとめて熱交換器１２として示している。この熱交換器１２および電池冷却水ポンプなどは、燃料電池２および改質器６などの排熱を回収する排熱回収装置を形成している。
【００２７】
蓄熱装置３６は、貯湯タンク３７および蓄熱タンク３８を有している。貯湯タンク３７および蓄熱タンク３８は、たとえば樹脂で形成される。
【００２８】
貯湯タンク３７には、加熱された水道水が貯えられている。蓄熱タンク３８には、２種類の異なる温度の潜熱蓄熱材が上下に区分けされて内蔵されている。潜熱蓄熱材とは、使用温度の範囲で相変化することにより、顕熱だけでなく、潜熱をも貯える材料である。本実施の形態では、たとえば、下側の高温側蓄熱タンク６０に、パラフィン系のトリアコンタン（融点６５℃）や有機物系ステアリン酸（融点７１℃）が内蔵され、上側の低温側蓄熱タンク６１には、パラフィン系のエイコサン（融点３６℃）やトリミリスチン（融点３３℃）が内蔵されている。蓄熱タンク３８の内部には、潜熱蓄熱材に囲まれて２本の配管９１，９２が貫通している。
【００２９】
貯湯タンク３７と熱交換器１２との間には、水を循環させる配管が設けられていて、この配管の途中には第一の逆止弁４１、第一の電動遮断弁４３および温水循環ポンプ３３が設けられている。この配管には、蓄熱タンク３８を貫通する配管９１が第二の電動遮断弁４４を介して接続されている。第一の逆止弁４１は、この接続部よりも貯湯タンク３７側に設けられている。さらに、蓄熱タンク３８を貫通する配管９１は、第二の電動遮断弁４４を介して接続する側に対して蓄熱タンク３８の反対側から延びる配管によって、第二の逆止弁４２を介して第一の電動遮断弁４３および温水循環ポンプ３３の間に接続されている。
【００３０】
貯湯タンク３７から、たとえば家庭内の給湯器などには配管が延びていて、この配管の途中には、第四の電動遮断弁４７および給湯加圧ポンプ４８が設けられている。この配管は、第四の電動遮断弁４７の上流側で第三の電動遮断弁４６を介して、第四の電動遮断弁４７の下流側で第三の逆止弁４５を介して、蓄熱タンク３８を貫通する配管９２に接続されている。給湯加圧ポンプ４８は、水張りや気抜きを考慮すると下部に配置されることが望ましい。
【００３１】
このように、貯湯タンク３７と蓄熱タンク３８とは直列に設けられていて、貯湯タンク３７に貯えられた水と蓄熱タンク３８内の潜熱蓄熱材とは熱交換可能に構成されている。
【００３２】
蓄熱タンク３８は、貯湯タンク３７の下部に配置されていてもよい。第一の逆止弁４１、第一の電動遮断弁４３及び第二の電動遮断弁４４を三方弁で代用してもよい。
【００３３】
この蓄熱装置３６は、たとえばノーマル貯湯、蓄熱貯湯、および、蓄熱放熱の３つの運転モードで運転される。各運転モードにおける弁の開閉、ポンプの駆動などは、たとえば制御装置によって制御される。
【００３４】
図３は、本実施の形態における蓄熱装置のノーマル貯湯時の温水フローを示すブロック図である。
【００３５】
ノーマル貯湯運転時には、第一の電動遮断弁４３を開き、第二の電動遮断弁４４は閉じる。ノーマル貯湯運転時は、温水循環ポンプ３３を駆動し、燃料電池システム１６の排熱を排熱熱交換器１２にて６０〜９０℃の温水として回収し、蓄熱装置３６の貯湯タンク３７に貯める。給湯時には、温水利用時は、第三の電動遮断弁４６を閉じて、第四の電動遮断弁４７を開き、給湯加圧ポンプ４８を運転して、貯湯タンク３７の温水を利用する。
【００３６】
図４は、本実施の形態における蓄熱装置の蓄熱貯湯運転時の温水フローを示すブロック図である。
【００３７】
蓄熱貯湯運転は、貯湯タンク３７の蓄熱量が最大容量に達した後、たとえば貯湯タンク３７下部の温度が上昇し貯湯が完了したと判断された後に開始する。この場合、温水循環ポンプ３３は駆動したまま、第一の電動遮断弁４３を閉じ、第二の電動遮断弁４４を開く。
【００３８】
この状態において、温水は、貯湯タンク３７を経て、蓄熱タンク３８の蓄熱熱交換器４８を通過後、温水循環ポンプ３３に戻る。この際、たとえばパラフィン系の潜熱蓄熱材は固体状態から液体状態に相変化して、顕熱および潜熱として蓄熱する。上流側の高温側蓄熱タンク６０と下流側の低温側蓄熱タンク６１に内蔵された２種類の潜熱蓄熱材は異なる融点を持ち、下流側の低温側蓄熱タンク６１通過した温水は、燃料電池２および燃料処理系への戻り温度が低めに制御される。
【００３９】
温水利用時は、第三の電動遮断弁４６を閉じて、第四の電動遮断弁４７を開き、給湯加圧ポンプ４８を運転する。この給湯加圧ポンプ４８は、家屋の給湯配管の長さや径が支配する圧損に応じて、必要給湯量と給湯温度の関係を満たすように、任意に可変出力制御される。
【００４０】
図５は、本実施の形態における蓄熱装置の蓄熱放熱運転時の温水フローを示すブロック図である。
【００４１】
蓄熱放熱運転時は、貯湯タンク３７のバックアップ的な温水利用である。蓄熱放熱運転時には、第三の電動遮断弁４６を開き、第四の電動遮断弁４７を閉じて、給湯加圧ポンプ４８を運転する。この場合、貯湯タンク３７に貯まっていた温水が使われた後に冷たくなった水が、蓄熱タンク３８の低温側蓄熱タンク６１及び高温側蓄熱タンク６０で加熱され、給湯加圧ポンプ４８を経て炊事やお風呂の給湯に利用される。
【００４２】
具体的な蓄熱放熱運転時の開始判断は、たとえば貯湯タンク３７上部の温度が低下し、貯湯タンク３７での高温水利用が終了した場合である。この際、たとえば異なる融点を有する２種類のパラフィン系の潜熱蓄熱材はそれぞれ放熱することにより、液体状態から固体状態に相変化する。これにより潜熱蓄熱材の温度低下に伴う顕熱の放出および相変化による潜熱の放出によって貯湯タンク３７から送られる水を加熱して給湯することができる。本実施の形態では、低温側蓄熱タンク６１の潜熱蓄熱材とし融点が３３℃のトリミルスチンなどを用いるため、貯湯タンク３７から送られる水が夏場などに３０℃程度まで上昇したとしても、潜熱蓄熱材から受熱可能である。
【００４３】
潜熱蓄熱材は、水の顕熱蓄熱に比べて単位容積当たり約１桁大きい蓄熱容量を持つ。このため、蓄熱装置３６全体の蓄熱量を変えずに貯湯タンク３７を小型化することができ、蓄熱タンク３８を別途設けたとしても、蓄熱装置３６全体を小型化できる。たとえば、貯湯タンク３７の容量を１５０Ｌ（リットル）、蓄熱タンク３８の容量を２０Ｌの合計１７０Ｌとすると、容量が２００Ｌの貯湯タンク３７を単独で用いた場合に比べて、蓄熱量増加するにも関わらずコンパクト化できる。また、潜熱蓄熱材のみを用いて蓄熱する場合に比べて、水よりは高価な潜熱蓄熱材の必要量が限定されるためコストダウンを図ることができる。
【００４４】
蓄熱装置３６のコンパクト化によって、設置場所の制約が少なくなる。また、軽量化に伴って、蓄熱装置３６の運搬が容易になる。
【００４５】
さらに、貯湯タンク３７の水への蓄熱が完了した後に潜熱蓄熱材への蓄熱が開始されるため、蓄熱時における潜熱蓄熱材と熱交換する水の平均的な温度は、潜熱蓄熱材のみを用いて蓄熱する場合に比べて、高くなる。このため、蓄熱材への蓄熱に要する時間が短くなる。また、貯湯タンク３７から湯が供給できなくなった後に、潜熱蓄熱材からの放熱を開始させると、放熱時における潜熱蓄熱材と熱交換する水の平均的な温度は低くなる。このため、放熱が終了するまでの時間が短くなる。このように、潜熱蓄熱材の蓄熱および放熱の時間が短くなることにより、蓄熱材の耐久性が大幅に向上させることができる。
【００４６】
本実施の形態では、蓄熱の際は、貯湯タンク３７に優先して蓄熱し、その後蓄熱タンク３８に蓄熱する。放熱の際は、貯湯タンク３７から優先して放熱し、その後蓄熱タンク３８から放熱している。このため、蓄熱タンク３８の内部の潜熱蓄熱材の相変化の回数は少なくなり、潜熱蓄熱材の劣化を抑制することができる。また、潜熱蓄熱材の相変化に伴う体積変化が少なくなるため、潜熱蓄熱材を貯える蓄熱タンク３８などの劣化も抑制することができる。
【００４７】
また、潜熱蓄熱材を用いる蓄熱タンク３８は、貯湯タンク３７に貯えられた湯を加熱するために従来設けられていた補助燃焼バーナや補助電気ヒータの代替となるため、これらの機器が不要となる。このため、蓄熱装置３６の大幅なコストダウンだけでなく、燃料電池システム全体のコストダウンにもなり、一般家庭への導入が容易となる。潜熱蓄熱材として、異なる融点を有する２種類の高温側蓄熱材と低温側蓄熱材とを用いることで、燃料電池２への温水戻り温度を低めに制御でき、安定して燃料電池システムを運転できる。
【００４８】
貯湯タンク３７および蓄熱タンク３８を樹脂製とすることにより、金属製とするよりも軽量化およびコストダウンすることができる。特に、沸点が水よりも高い潜熱蓄熱材を用いることにより、蓄熱媒体が沸騰しない状態でより高い温度の湯を供給できるようになるため、貯湯タンク３７の内部の圧力を従来の０．８ＭＰａ程度に高める必要がない。本実施の形態の貯湯タンク３７の内部の圧力は、たとえば０．１７ＭＰａ程度とすることができる。また、潜熱蓄熱材は、金属の容器に収納するとその容器が腐食するおそれがあるが、本実施の形態では、潜熱蓄熱材を高圧で保持する必要がないため、樹脂製の容器に収納しても問題ない。
【００４９】
なお、本実施の形態では、融点が異なる２種類の潜熱蓄熱材を用いているが、１種類あるいは３種類以上の潜熱蓄熱材を用いてもよい。潜熱蓄熱材としては、融点が、貯湯タンク３７に供給される水の温度より高く、燃料電池システムの排熱を回収する排熱回収媒体の最高温度より低いものであればどのようなものでもよい。貯湯タンク３７に供給される水は、一般的に水道水であり、水道水の温度は夏場でも３０℃を超えない。また、燃料電池システムの排熱を回収する排熱回収媒体としては、通常、水が常圧で用いられるため、この排熱回収媒体の最高温度はおよそ９５℃を超えることがない。そこで、潜熱蓄熱材としては、融点が３０℃以上９５℃以下のものを用いるとよい。
【００５０】
また、たとえば２階建以上の家屋などでは、家庭内部に敷設する温水配管が長くなって圧損が大きくなり、給湯の供給流量が不足する場合がある。しかし、本実施の形態では、給湯加圧ポンプ４８を運転することにより、必要な供給量を確保できるため、給湯の使い勝手や快適性が向上する。
【００５１】
［第２の実施の形態］
図６は、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態における蓄熱装置の詳細を示すブロック図である。
【００５２】
本実施の形態では、蓄熱タンク３８を貫通して水が流れる配管９３を１本としている。
【００５３】
貯湯タンク３７と熱交換器１２との間には、水を循環させる配管が設けられていて、この配管の途中には第一の逆止弁４１、第一の電動遮断弁４３および温水循環ポンプ３３が設けられている。この配管には、蓄熱タンク３８を貫通する配管９３が第二の電動遮断弁４４を介して接続されている。第一の逆止弁４１は、この接続部よりも貯湯タンク３７側に設けられている。さらに、蓄熱タンク３８を貫通する配管９３は、第二の電動遮断弁４４を介して接続する側に対して蓄熱タンク３８の反対側から延びる配管によって、第五の電動遮断弁５０を介して第一の電動遮断弁４３および温水循環ポンプ３３の間に接続されている。また、蓄熱タンク３８を貫通する配管９３は、第二の電動遮断弁４４を介して接続する側に対して蓄熱タンク３８の反対側から延びる配管によって、第四の電動遮断弁４７の上流側で第三の電動遮断弁４６を介して、貯湯タンク３７から家庭内の給湯器などに延びる配管に接続されている。
【００５４】
貯湯タンク３７から家庭内の給湯器などに延びる配管の途中には、第四の電動遮断弁４７および給湯加圧ポンプ４８が設けられている。この配管は、第四の電動遮断弁４７の下流側で第三の逆止弁４５および第六の電動遮断弁５１を介して、蓄熱タンク３８を貫通する配管９３に接続されている。
【００５５】
運転方法は第１の実施の形態に準じている。本実施の形態において、ノーマル運転の温水利用時は、第二の電動遮断弁４４、第三の電動遮断弁４６、第五の電動遮断弁５０、第六の遮断弁５１を閉じて、第一の電動遮断弁４３と第四の電動遮断弁４７を開く。また、蓄熱運転の温水利用時は、第三の電動遮断弁４６、第六の電動遮断弁５１、第一の電動遮断弁４３を閉じて、第二の電動遮断弁４４、第四の電動遮断弁４７、第五の電動遮断弁５０を開く。放熱運転の温水利用時は、第二の電動遮断弁４４、第四の電動遮断弁４７、第五の電動遮断弁５０を閉じて、第一の電動遮断弁４３、第三の電動遮断弁４６、第六の電動遮断弁５１を開く。
【００５６】
このような本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、設置スペースの拡大を抑制しつつ、蓄熱量を増加させることができる。また、弁の数は若干増加するものの、蓄熱タンク３８の内部の構造を第１の実施の形態に比べて単純化することができる。このため、潜熱蓄熱材を燃料電池システム全体の寿命よりも短い間隔で交換しなければならない場合、交換部分の構造を単純化させ、メンテナンスに必要な手間およびコストを低減することができる。
【００５７】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【符号の説明】
【００５８】
２…電池本体、３…燃料供給源、４…脱硫器、５…水蒸気発生器、６…改質器、７…ＣＯシフト反応器、８…ＣＯ選択酸化器、９…水蒸気分離器、１０…改質用燃焼器、１１…改質用水ポンプ、１２…熱交換器、１３…アノード極、１４…カソード極、１５…カソード極用空気ブロア、１６…パッケージ、１８…ＣＯ選択酸化用空気ブロア、２０…弁、２１…弁、２２…弁、２４…逆止弁、２５…弁、２６…ブロア、２７…弁、２９…電池冷却水ポンプ、３０…フィルタ、３１…ブロワ、３３…温水循環ポンプ、３６…蓄熱装置、３７…貯湯タンク、３８…蓄熱タンク、４１…第一の逆止弁、４２…第二の逆止弁、４３…第一の電動遮断弁、４４…第二の電動遮断弁、４５…第三の逆止弁、４６…第三の電動遮断弁、４７…第四の電動遮断弁、４８…給湯加圧ポンプ、５０…第五の電動遮断弁、５１…第六の電動遮断弁、６０…高温側蓄熱タンク、６１…低温側蓄熱タンク、７０…冷却流路、８０…タンク、８１…排熱熱交換器、８２…排熱熱交換器、８３…弁、８４…水道管、９１…配管、９２…配管、９３…配管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の排熱を回収する排熱回収装置と、
前記排熱回収装置が回収した排熱を水に貯える貯湯タンクと、
前記排熱回収装置が回収した排熱を潜熱蓄熱材に貯える蓄熱タンクと、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記蓄熱媒体の融点は前記貯湯タンクに供給される水の温度よりも高く、前記燃料電池の排熱を回収する排熱回収媒体の温度よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記貯湯タンクに貯えられた水と前記潜熱蓄熱材とが熱交換可能に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記蓄熱タンクは、第１の潜熱蓄熱材を収納した高温側蓄熱タンクと、前記高温側蓄熱タンクよりも低い融点の第２の潜熱蓄熱材を収納した低温側蓄熱タンクと、を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記蓄熱タンクには前記貯湯タンクの蓄熱容量を超えた排熱が貯えられるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記潜熱蓄熱材が放熱可能な温度以下のときに前記貯湯タンクから放熱されるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記貯湯タンクは樹脂性容器であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記貯湯タンクおよび前記蓄熱タンクの下流に設けられた能力可変の昇圧水ポンプを有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池から回収された排熱を蓄熱する蓄熱装置において、
前記排熱回収装置が回収した排熱を水に貯える貯湯タンクと、
前記排熱回収装置が回収した排熱を潜熱蓄熱材に貯える蓄熱タンクと、
を有することを特徴とする蓄熱装置。
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の排熱を回収する排熱回収装置と、
前記排熱回収装置が回収した排熱を水に貯える貯湯タンクと、
前記排熱回収装置が回収した排熱を潜熱蓄熱材に貯える蓄熱タンクと、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記蓄熱媒体の融点は前記貯湯タンクに供給される水の温度よりも高く、前記燃料電池の排熱を回収する排熱回収媒体の温度よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記貯湯タンクに貯えられた水と前記潜熱蓄熱材とが熱交換可能に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記蓄熱タンクは、第１の潜熱蓄熱材を収納した高温側蓄熱タンクと、前記高温側蓄熱タンクよりも低い融点の第２の潜熱蓄熱材を収納した低温側蓄熱タンクと、を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記蓄熱タンクには前記貯湯タンクの蓄熱容量を超えた排熱が貯えられるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記潜熱蓄熱材が放熱可能な温度以下のときに前記貯湯タンクから放熱されるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記貯湯タンクは樹脂性容器であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記貯湯タンクおよび前記蓄熱タンクの下流に設けられた能力可変の昇圧水ポンプを有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池から回収された排熱を蓄熱する蓄熱装置において、
前記排熱回収装置が回収した排熱を水に貯える貯湯タンクと、
前記排熱回収装置が回収した排熱を潜熱蓄熱材に貯える蓄熱タンクと、
を有することを特徴とする蓄熱装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１８６６６８（Ｐ２０１０−１８６６６８Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３０７９８（Ｐ２００９−３０７９８）
【出願日】平成２１年２月１３日（２００９．２．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３０１０６０２９９）東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１３日（２００９．２．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３０１０６０２９９）東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【Ｆターム（参考）】
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