JP2014185833A - Heat storage device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat storage device including a heat medium circulation system with less heat exchange loss.SOLUTION: A heat exchange device includes: a heat utilization device that performs a heat generating operation and a heat absorbing operation; a heat storage tank including a heat storage material that stores therein waste heat generated when the heat utilization device performs the heat generating operation and that supplies the heat stored in the heat storage material during the heat absorbing operation; a heat medium circulation path passing through the heat utilization device and the heat storage tank and circulating a heat medium that performs heat exchange with each of the heat utilization device and the heat storage tank; a heat exchanger provided in the heat medium circulation path; and a circulation device circulating the heat medium in the heat medium circulation path. The heat medium circulation path includes a plurality of heat exchange channels passing through the heat utilization device and the heat storage tank, and the heat exchange channels are connected in series in a consecutive manner.

Description

本発明の実施形態は、水素電力貯蔵装置等において用いられる蓄熱装置に関する。   Embodiments of the present invention relate to a heat storage device used in a hydrogen power storage device or the like.

地球温暖化の対策として再生可能エネルギー利用の開発が進められており、一部で実用化もされている。その一つとして、枯渇の心配がない安全なエネルギー源として、風力や太陽光発電等の再生可能エネルギーが急速に普及している。この再生可能エネルギーにおける重要な問題点の一つとして、気候要因などによって出力が大きく変動する問題がある。出力を平準化させる方法としては、揚水発電を併用した方法や蓄電池等を用いた方法に並んで水素電力貯蔵技術が検討されている。   Development of the use of renewable energy is being promoted as a countermeasure against global warming, and some have been put into practical use. As one of them, renewable energy such as wind power and solar power generation is rapidly spreading as a safe energy source without fear of depletion. One of the important problems in this renewable energy is the problem that the output fluctuates greatly due to climate factors. As a method for leveling the output, hydrogen power storage technology is being studied along with a method using pumped-storage power generation and a method using a storage battery.

特に、固体酸化物型燃料電池/高温水蒸気電解セル(SOFC/SOECセル)を用いた水素電力貯蔵では、変換効率が高くなることが期待されている。SOFC/SOECセルを用いた水素電力貯蔵としては、本願出願人によって既に電力貯蔵システム及びその運用方法として、提案されている。   In particular, in hydrogen power storage using a solid oxide fuel cell / high-temperature steam electrolysis cell (SOFC / SOEC cell), conversion efficiency is expected to be high. As hydrogen power storage using SOFC / SOEC cells, the applicant of the present application has already been proposed as a power storage system and its operation method.

従来の電力貯蔵システムでは、図7、図8に概略して示した構成になっている。図7は、SOFC/SOECセル1をSOFCセル1a(固体酸化物型燃料電池セル)として使用した場合の構成を示している。図8は、SOFC/SOECセル1をSOECセル1b(高温水蒸気電解セル)として使用した場合の構成を示している。   The conventional power storage system has a configuration schematically shown in FIGS. FIG. 7 shows a configuration when the SOFC / SOEC cell 1 is used as the SOFC cell 1a (solid oxide fuel cell). FIG. 8 shows a configuration when the SOFC / SOEC cell 1 is used as the SOEC cell 1b (high temperature steam electrolysis cell).

最初に、図7を用いてSOFCセル1aの説明を行う。水素タンク9に蓄えられた水素ガスは、流路20a〜20fを通って流れることになる。即ち、水素タンク9内の水素ガスは、流路20a、20bを通って、熱交換器4aに供給される。熱交換器4aで加熱された水素ガスは、流路20cを通ってSOFCセル1aのアノード電極16aに供給される。   First, the SOFC cell 1a will be described with reference to FIG. Hydrogen gas stored in the hydrogen tank 9 flows through the flow paths 20a to 20f. That is, the hydrogen gas in the hydrogen tank 9 is supplied to the heat exchanger 4a through the flow paths 20a and 20b. The hydrogen gas heated by the heat exchanger 4a is supplied to the anode electrode 16a of the SOFC cell 1a through the flow path 20c.

SOFCセル1aのカソード電極16bには、空気が供給されており、カソード電極16bで電子を受け取った酸素原子が酸素イオン(O2-イオン)となる。この酸素イオンは、アノード電極16aとカソード電極16bとの間に配した電解質17に運ばれ、電解質材料と交換反応をしながらアノード電極16aに到達する。ここで、水素ガスと結びついて、電子を放出するとともに、水が作成される。放出された電子は、電力として取り出されることになる。
尚、アノード電極16aとカソード電極16bは、例えば、多孔質電極として構成されており、電解質17は、例えば、固体酸化物電解質として構成されている。
Air is supplied to the cathode electrode 16b of the SOFC cell 1a, and oxygen atoms that have received electrons at the cathode electrode 16b become oxygen ions (O 2− ions). The oxygen ions are carried to the electrolyte 17 disposed between the anode electrode 16a and the cathode electrode 16b, and reach the anode electrode 16a while undergoing an exchange reaction with the electrolyte material. Here, in combination with hydrogen gas, electrons are emitted and water is created. The emitted electrons are taken out as electric power.
The anode electrode 16a and the cathode electrode 16b are configured as, for example, porous electrodes, and the electrolyte 17 is configured as, for example, a solid oxide electrolyte.

作成された水と酸素イオンとは結合しなかった水素ガスは、流路20dを通って熱交換器4aに供給され、水と水素ガスとが有している熱は、熱交換器4aを介してSOFCセル1aに供給される水素ガスを温めることに利用される。   The produced hydrogen gas that is not bonded to water and oxygen ions is supplied to the heat exchanger 4a through the flow path 20d, and the heat of the water and hydrogen gas passes through the heat exchanger 4a. This is used to warm the hydrogen gas supplied to the SOFC cell 1a.

熱交換器4aを出た水と水素ガスは、流路20eに設けたブロア5aからの推進力を得て、流路20fを通って水素分離器11に供給される。水素分離器11で分離された水素ガスは、流路21b、20aを通って水素タンク9に貯蔵されたり、SOFCセル1aへの再供給に利用されることになる。水素分離器11で分離された水は、流路21aを通って外部に排出される。   The water and hydrogen gas exiting the heat exchanger 4a obtain a driving force from the blower 5a provided in the flow path 20e, and are supplied to the hydrogen separator 11 through the flow path 20f. The hydrogen gas separated by the hydrogen separator 11 is stored in the hydrogen tank 9 through the flow paths 21b and 20a or used for resupply to the SOFC cell 1a. The water separated by the hydrogen separator 11 is discharged to the outside through the flow path 21a.

SOFCセル1aのカソード電極16bに供給される空気は、流路25aに設けたブロア5bからの推進力を得て熱交換器4bに供給される。熱交換器4bで加熱された後、流路25bを通ってSOFCセル1aに供給される。SOFCセル1aのカソード電極16bで酸素イオンにならなかった酸素と窒素等は、流路25cを介して熱交換器4bに供給され、熱交換器4bに供給された酸素と窒素等が有している熱は、熱交換器4bでSOFCセル1aのカソード電極16bに供給される空気を温めることに利用される。熱交換器4bを出た酸素と窒素とは、大気中に放出されることになる。   The air supplied to the cathode electrode 16b of the SOFC cell 1a obtains a propulsive force from the blower 5b provided in the flow path 25a and is supplied to the heat exchanger 4b. After being heated by the heat exchanger 4b, it is supplied to the SOFC cell 1a through the flow path 25b. Oxygen, nitrogen, and the like that have not become oxygen ions at the cathode electrode 16b of the SOFC cell 1a are supplied to the heat exchanger 4b through the flow path 25c, and the oxygen, nitrogen, etc. supplied to the heat exchanger 4b have The heat that is used is used to heat the air supplied to the cathode electrode 16b of the SOFC cell 1a by the heat exchanger 4b. Oxygen and nitrogen exiting the heat exchanger 4b will be released into the atmosphere.

SOFCセル1aと蓄熱槽2との間には、熱媒体である窒素ガス(N2ガス)を循環させる循環路3が構成されており、発電する際にSOFCセル1aで発熱した熱は廃熱されることになるが、このときの廃熱で窒素ガスを温めることによりSOFCセル1aから取り出すことができる。取り出した熱は、蓄熱槽2に蓄えておくことができる。即ち、窒素ガスは、SOFCセル1aと蓄熱槽2とを通る熱交換流路3a内を流れることによって、SOFCセル1aからの廃熱を取り出して、蓄熱槽2に蓄えることができる。
また、窒素ガスに推進力を与えるブロア5が、循環路3内に配設されている。
Between the SOFC cell 1a and the heat storage tank 2, there is a circulation path 3 for circulating nitrogen gas (N 2 gas), which is a heat medium, and the heat generated in the SOFC cell 1a during power generation is waste heat. However, it can be taken out from the SOFC cell 1a by warming the nitrogen gas with the waste heat at this time. The extracted heat can be stored in the heat storage tank 2. That is, the nitrogen gas can flow out in the heat exchange flow path 3a passing through the SOFC cell 1a and the heat storage tank 2, thereby taking out waste heat from the SOFC cell 1a and storing it in the heat storage tank 2.
In addition, a blower 5 that gives propulsive force to the nitrogen gas is disposed in the circulation path 3.

蓄熱槽2での蓄熱温度は、例えば、800℃のように高温であるため、800℃の高温で動作するブロア5を用いる代わりに、300℃程度の温度で動作するブロア5を用いた方が、現実的である。そこで、蓄熱槽2とブロア5の上流側との間、及びSOFCセル1aとブロア5の下流側との間に熱交換器4を配設させた構成にして、蓄熱槽2から出た窒素ガスの温度を熱交換器4で取り出して300℃近くまで下げるとともに、熱交換器4によって取り出した熱を用いて、SOFCセル1aに供給される窒素ガスの加熱に利用することができる。   Since the heat storage temperature in the heat storage tank 2 is as high as 800 ° C., for example, it is better to use the blower 5 operating at a temperature of about 300 ° C. instead of using the blower 5 operating at a high temperature of 800 ° C. Is realistic. Therefore, the nitrogen gas emitted from the heat storage tank 2 is configured by arranging the heat exchanger 4 between the heat storage tank 2 and the upstream side of the blower 5 and between the SOFC cell 1a and the downstream side of the blower 5. This temperature can be taken out by the heat exchanger 4 and lowered to nearly 300 ° C., and the heat taken out by the heat exchanger 4 can be used to heat the nitrogen gas supplied to the SOFC cell 1a.

次に、図8を用いてSOECセル1bの説明を行う。図8では、図7で示したSOFC/SOECセル1をSOECセル1bとして使用した構成であり、SOECセル1bにおけるアノード電極18b、カソード電極18aの構成位置、及び熱交換器4とブロア5との間の配管構成が異なっているだけで、他の構成は図7と同様の構成になっている。   Next, the SOEC cell 1b will be described with reference to FIG. In FIG. 8, the SOFC / SOEC cell 1 shown in FIG. 7 is used as the SOEC cell 1b. The positions of the anode electrode 18b and the cathode electrode 18a in the SOEC cell 1b and the heat exchanger 4 and the blower 5 are arranged. The other configuration is the same as that of FIG. 7 except that the piping configuration is different.

即ち、SOECセル1bにおいて、水蒸気を電気分解するために、電力が外部から供給される構成になっており、また、電気分解に必要とする熱を蓄熱槽2で蓄えておいた熱を利用することができる。そして、SOFCセル1aとSOECセル1bとでは、アノード電極(16a、18b)とカソード電極(16b、18a)との配置関係が逆になっている。   That is, in the SOEC cell 1b, electric power is supplied from the outside in order to electrolyze water vapor, and the heat stored in the heat storage tank 2 is used for the heat necessary for electrolysis. be able to. In the SOFC cell 1a and the SOEC cell 1b, the arrangement relationship between the anode electrodes (16a, 18b) and the cathode electrodes (16b, 18a) is reversed.

流路22aを通って加熱蓄熱器10に供給された水は、加熱蓄熱器10よって加熱され水蒸気となって流路22bから流路20bに供給される。流路20bに供給された水蒸気は、更に熱交換器4aで加熱された後、流路20cを通ってSOECセル1bのカソード電極18aに供給される。   The water supplied to the heating regenerator 10 through the flow path 22a is heated by the heating regenerator 10 to become water vapor and supplied from the flow path 22b to the flow path 20b. The water vapor supplied to the flow path 20b is further heated by the heat exchanger 4a, and then supplied to the cathode electrode 18a of the SOEC cell 1b through the flow path 20c.

カソード電極18aでは、供給された電力によって水蒸気が電子を受け取り、電気分解を行って水素と酸素イオン(O2-イオン)とを発生させる。発生した水素ガスと水素ガスを発生させなかった水蒸気の一部は、流路20dを通って熱交換器4aに供給される。発生した酸素イオンは、カソード電極18aとアノード電極18bとの間に配した電解質17に運ばれ、電解質材料と交換反応をしながらアノード電極18bに到達する。ここで酸素イオンは、酸素に変換されるとともに電子を放出する。発生した酸素は、流路25cを通って熱交換器4bに供給される。放出した電子は、カソード電極18aに供給されて、水蒸気の電気分解に利用される。 In the cathode electrode 18a, water vapor receives electrons by the supplied electric power, and electrolysis is performed to generate hydrogen and oxygen ions (O 2 − ions). Part of the generated hydrogen gas and the water vapor that did not generate hydrogen gas is supplied to the heat exchanger 4a through the flow path 20d. The generated oxygen ions are carried to the electrolyte 17 disposed between the cathode electrode 18a and the anode electrode 18b, and reach the anode electrode 18b while undergoing an exchange reaction with the electrolyte material. Here, oxygen ions are converted into oxygen and emit electrons. The generated oxygen is supplied to the heat exchanger 4b through the flow path 25c. The emitted electrons are supplied to the cathode electrode 18a and used for electrolysis of water vapor.

SOECセル1bにおける水蒸気の電気分解には熱を必要とするが、SOFCセル1aの発電時に発生した廃熱を蓄えておいた蓄熱槽2の熱を利用することができる。そして、熱交換器4aでは、SOECセル1bから出た水素ガスと水蒸気の有していた熱が、熱交換器4aを介してSOECセル1bのカソード電極18aに供給される水蒸気の加熱に利用される。   Although heat is required for the electrolysis of water vapor in the SOEC cell 1b, the heat of the heat storage tank 2 storing the waste heat generated during power generation of the SOFC cell 1a can be used. In the heat exchanger 4a, the heat of the hydrogen gas and the water vapor emitted from the SOEC cell 1b is used to heat the water vapor supplied to the cathode electrode 18a of the SOEC cell 1b via the heat exchanger 4a. The

熱交換器4aにおいて熱が取り出された水素ガスと水蒸気は、流路20eに設けたブロア5aからの推進力を得て、加熱蓄熱器10を通り、流路20fから水素分離器11に供給される。加熱蓄熱器10では、流路20eを通って供給された水素ガスと水蒸気とから得た熱を、水を蒸発させる熱源に利用することができる。そして、水素分離器11で分離された水素ガスは、流路21bを通って、水素タンク9に蓄えられる。水素分離器11で分離された水は、流路21aを通って外部に排出される。   The hydrogen gas and water vapor from which heat is extracted in the heat exchanger 4a obtains a propulsive force from the blower 5a provided in the flow path 20e, passes through the heating regenerator 10, and is supplied to the hydrogen separator 11 from the flow path 20f. The In the heating regenerator 10, heat obtained from the hydrogen gas and water vapor supplied through the flow path 20e can be used as a heat source for evaporating water. The hydrogen gas separated by the hydrogen separator 11 passes through the flow path 21b and is stored in the hydrogen tank 9. The water separated by the hydrogen separator 11 is discharged to the outside through the flow path 21a.

SOECセル1bのアノード電極18bに供給される空気は、流路25aに設けたブロア5bからの推進力を得て熱交換器4bに供給される。熱交換器4bで加熱された後、流路25bを通ってSOECセル1bに供給される。SOECセル1bのカソード電極18aで発生した酸素は、空気とともに流路25cを通って熱交換器4bに供給され、熱交換器4bに供給された酸素と空気が有している熱は、熱交換器4bでSOECセル1bのアノード電極18bに供給される空気を温めることに利用される。その後、熱交換器4bを出た酸素と空気は、大気中に放出されることになる。あるいは、酸素は、図示せぬ酸素タンクに蓄えておくことができる。酸素タンクに蓄えた酸素ガスは、SOFCセル1aのカソード電極16bに供給するように構成しておくことができる。   The air supplied to the anode electrode 18b of the SOEC cell 1b obtains a propulsive force from the blower 5b provided in the flow path 25a and is supplied to the heat exchanger 4b. After being heated by the heat exchanger 4b, it is supplied to the SOEC cell 1b through the flow path 25b. Oxygen generated at the cathode electrode 18a of the SOEC cell 1b is supplied to the heat exchanger 4b through the flow path 25c together with air, and the heat of the oxygen and air supplied to the heat exchanger 4b is heat exchange. It is used to warm the air supplied to the anode electrode 18b of the SOEC cell 1b by the vessel 4b. Thereafter, the oxygen and air that have exited the heat exchanger 4b are released into the atmosphere. Alternatively, oxygen can be stored in an oxygen tank (not shown). The oxygen gas stored in the oxygen tank can be configured to be supplied to the cathode electrode 16b of the SOFC cell 1a.

SOECセル1bと蓄熱槽2との間には、熱媒体である窒素ガスを循環させる循環路3が構成されており、蓄熱槽2に蓄えられていた熱は、窒素ガスを循環させることでSOECセル1bでの水蒸気の電気分解に利用される。SOECセル1bを通って排出された窒素ガスは、熱交換器4を介して、蓄熱槽2に供給される窒素ガスの加熱に利用される。また、循環路3内で窒素ガスを循環させるためのブロア5が、循環路3内に配設されている。
また、必要に応じて、蓄熱槽2に蓄えられている熱を加熱蓄熱器10の熱源として利用することもできる。
Between the SOEC cell 1b and the heat storage tank 2, a circulation path 3 that circulates nitrogen gas as a heat medium is configured, and the heat stored in the heat storage tank 2 is circulated by circulating the nitrogen gas. Used for electrolysis of water vapor in cell 1b. The nitrogen gas discharged through the SOEC cell 1b is used for heating the nitrogen gas supplied to the heat storage tank 2 via the heat exchanger 4. A blower 5 for circulating nitrogen gas in the circulation path 3 is disposed in the circulation path 3.
In addition, the heat stored in the heat storage tank 2 can be used as a heat source for the heating regenerator 10 as necessary.

上述したように、高い変換効率を実現するためには、SOFCセル1aで発生した熱をSOECセル1bで利用することが前提に構成されており、このためには、蓄熱装置(蓄熱槽2)が必要とされる。   As described above, in order to achieve high conversion efficiency, it is assumed that the heat generated in the SOFC cell 1a is used in the SOEC cell 1b. For this purpose, a heat storage device (heat storage tank 2) is used. Is needed.

蓄熱装置としては、溶融塩の潜熱を利用した方式が考えられており、溶融塩を封入したカプセルを並べた蓄熱槽とSOFC/SOECセル1を積層したスタックとの間に、熱媒体としての窒素ガスを循環させることで、蓄熱槽(蓄熱槽2)とSOFC/SOECセル1との間で熱を伝える構成になっている。   As a heat storage device, a method utilizing the latent heat of molten salt is considered, and nitrogen as a heat medium is placed between a heat storage tank in which capsules containing molten salt are arranged and a stack in which SOFC / SOEC cell 1 is laminated. By circulating gas, heat is transferred between the heat storage tank (heat storage tank 2) and the SOFC / SOEC cell 1.

特開2010−176939号公報JP 2010-176939 A

上述したように、電力貯蔵システムでは、蓄熱槽2とSOFC/SOECセル1との間で熱交換を行うため、循環路3を通って窒素ガスを循環させる必要がある。しかも、蓄熱槽2から出てくるときの窒素ガスの温度は、例えば約800℃と高温になっている。上記背景技術の欄においても記載したが、窒素ガスを循環させるために用いるブロア5として、800℃で動作するブロアを用いたときには、高価なブロアを使用しなければならなくなる。   As described above, in the power storage system, in order to exchange heat between the heat storage tank 2 and the SOFC / SOEC cell 1, it is necessary to circulate nitrogen gas through the circulation path 3. Moreover, the temperature of the nitrogen gas when it comes out of the heat storage tank 2 is as high as about 800 ° C., for example. As described in the background art section above, when a blower operating at 800 ° C. is used as the blower 5 used for circulating nitrogen gas, an expensive blower must be used.

そこで、300℃程度で動作するブロア5を使用し、300℃-800℃の熱交換器4を用いてブロア5に供給する窒素ガスの温度を300℃に下げて、窒素ガスを循環させる方式を採用することの方が現実的である。この場合、熱交換器での損失が大きくなり、蓄熱槽2での蓄熱効率が低下する課題があった。   Therefore, using a blower 5 that operates at about 300 ° C, the temperature of the nitrogen gas supplied to the blower 5 using the heat exchanger 4 at 300 ° C to 800 ° C is lowered to 300 ° C, and the nitrogen gas is circulated. Employment is more realistic. In this case, there is a problem that the loss in the heat exchanger increases and the heat storage efficiency in the heat storage tank 2 decreases.

これについて、循環路3の構成を示す図9を用いて説明する。熱交換器4が300℃-800℃の熱交換器であって、その熱効率が95%とする。このとき、蓄熱槽2から出て熱交換器4に入るときの窒素ガスの温度を800℃として考えると、熱交換器4では、800℃から300℃に熱交換する500℃の差分のうち95%、即ち、475℃分の熱が熱交換されて取り出されるものと考えることができる。その結果、ブロア5に供給されるときの窒素ガスの温度としては、325℃になる。   This will be described with reference to FIG. 9 showing the configuration of the circulation path 3. The heat exchanger 4 is a heat exchanger of 300 ° C.-800 ° C., and its thermal efficiency is 95%. At this time, assuming that the temperature of the nitrogen gas exiting the heat storage tank 2 and entering the heat exchanger 4 is 800 ° C., the heat exchanger 4 has 95 %, That is, heat of 475 ° C. can be taken out through heat exchange. As a result, the temperature of the nitrogen gas when supplied to the blower 5 is 325 ° C.

ブロア5から300℃の窒素ガスが吐出されると、熱交換器4には300℃の窒素ガスが供給される。熱交換器4では、熱交換して取り出しておいた上記の475℃分の熱が供給されることになり、775℃に昇温した窒素ガスがSOFCセル1aに供給されることになる。   When 300 ° C. nitrogen gas is discharged from the blower 5, 300 ° C. nitrogen gas is supplied to the heat exchanger 4. In the heat exchanger 4, the heat of 475 ° C. that has been taken out by heat exchange is supplied, and the nitrogen gas heated to 775 ° C. is supplied to the SOFC cell 1a.

この結果、SOFCセル1aの入口側での窒素ガス温度が、蓄熱槽2を出て熱交換器4に入るときの窒素ガスの温度である800℃よりも25℃低い状態になる。そのため、例えば、SOFCセル1aの入口と出口との間で40℃の温度差があった場合であっても、即ち、SOFCセル1aの廃熱によって窒素ガスは40℃上昇した状態でSOFCセル1aから出てくるものとなる。そのため、窒素ガスは、SOFCセル1aに供給されたときの温度である775℃よりも40℃高い815℃の温度でSOFCセル1aから出てくることになり、815℃の温度で蓄熱槽2に供給されることになる。   As a result, the nitrogen gas temperature on the inlet side of the SOFC cell 1a is 25 ° C. lower than 800 ° C., which is the nitrogen gas temperature when leaving the heat storage tank 2 and entering the heat exchanger 4. Therefore, for example, even when there is a temperature difference of 40 ° C. between the inlet and outlet of the SOFC cell 1a, that is, the SOFC cell 1a in a state where the nitrogen gas is raised by 40 ° C. due to the waste heat of the SOFC cell 1a. Will come out of. Therefore, nitrogen gas comes out of the SOFC cell 1a at a temperature of 815 ° C., which is 40 ° C. higher than the temperature when the SOFC cell 1a is supplied at 775 ° C., and enters the heat storage tank 2 at a temperature of 815 ° C. Will be supplied.

その結果、800℃まで貯めることのできる蓄熱槽2において蓄熱することができるのは、800℃との差分である15℃分であり、窒素ガスがSOFCセル1aにおいて40℃上昇したにも係らず、上昇した40℃の37.5%しか有効利用されないことになる。残りの62.5%は、熱交換器損失として捨てられてしまうことになる。   As a result, the heat storage tank 2 that can store up to 800 ° C can store heat for 15 ° C, which is the difference from 800 ° C, even though the nitrogen gas rose by 40 ° C in the SOFC cell 1a. As a result, only 37.5% of the increased 40 ° C will be used effectively. The remaining 62.5% will be discarded as heat exchanger loss.

このため、蓄熱効率が低くなり、システムとしても効率も低くなるという問題を生じることになる。
尚、上記数値は、説明を行うために用いた例示的な数値である。
For this reason, the heat storage efficiency is lowered, and there is a problem that the efficiency of the system is also lowered.
The above numerical values are exemplary numerical values used for explanation.

本発明が解決しようとする課題は、熱交換損失の少ない熱媒体循環系を有する蓄熱装置を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a heat storage device having a heat medium circulation system with little heat exchange loss.

本実施形態に係わる蓄熱装置は、発熱動作及び吸熱動作を行う熱利用装置と、前記熱利用装置の発熱動作時に発熱した廃熱を蓄熱する蓄熱材を有する蓄熱槽と、前記熱利用装置と前記蓄熱槽とを通り、前記熱利用装置と前記蓄熱槽との間でそれぞれ熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環路と、前記熱媒体循環路に設けられた熱交換器と、前記熱媒体を前記熱媒体循環路内で循環させる循環装置と、を有する蓄熱装置において、前記熱媒体循環路は、前記熱利用装置と前記蓄熱槽とを通る熱交換流路を複数有し、前記各熱交換流路が、連続して直列に接続されていることを最も主要な特徴としている。   The heat storage device according to the present embodiment includes a heat utilization device that performs a heat generation operation and a heat absorption operation, a heat storage tank that has a heat storage material that stores waste heat generated during the heat generation operation of the heat utilization device, the heat utilization device, and the heat utilization device. A heat medium circulation path that circulates a heat medium that passes through the heat storage tank and performs heat exchange between the heat utilization device and the heat storage tank, a heat exchanger provided in the heat medium circulation path, and the heat A heat storage device that circulates a medium in the heat medium circuit, wherein the heat medium circuit has a plurality of heat exchange channels that pass through the heat utilization device and the heat storage tank, The main feature is that the heat exchange channels are connected in series continuously.

本発明の実施形態によれば、熱交換損失の少ない熱媒体循環系とすることができる。   According to the embodiment of the present invention, a heat medium circulation system with little heat exchange loss can be obtained.

蓄熱装置の全体的な配置構成図である。(実施例1)It is a whole arrangement block diagram of a thermal storage device. Example 1 他の蓄熱装置の全体的な配置構成図である。(実施例2)It is a general arrangement configuration diagram of another heat storage device. (Example 2) 断熱材を共通にした構成について、その効果を示す説明図である。(実施例2)It is explanatory drawing which shows the effect about the structure which made the heat insulating material common. (Example 2) 熱利用装置と蓄熱槽と流路とを示す構成図である。(実施例2)It is a block diagram which shows a heat utilization apparatus, a thermal storage tank, and a flow path. (Example 2) 別の蓄熱装置の全体的な配置構成図である。(実施例3)It is a whole arrangement block diagram of another heat storage device. (Example 3) 更に別の蓄熱装置の全体的な配置構成図である。(実施例4)It is the whole arrangement block diagram of another heat storage device. Example 4 水素電力貯蔵システムの発電モードにおける全体的な構成図である。(従来例)It is a whole block diagram in the electric power generation mode of a hydrogen power storage system. (Conventional example) 水素電力貯蔵システムの電解モードにおける全体的な構成図である。(従来例)It is a whole block diagram in the electrolysis mode of a hydrogen power storage system. (Conventional example) 熱交換器の熱損失を説明する図である。(説明図)It is a figure explaining the heat loss of a heat exchanger. (Explanation) 熱媒体循環路の変形例を示す全体的な配置構成図である。(実施例1)It is a whole arrangement block diagram which shows the modification of a heat carrier circuit. Example 1 SOFC/SOECセルのスタックを示す斜視図である。(実施例2)It is a perspective view which shows the stack | stuck of a SOFC / SOEC cell. (Example 2)

本発明の実施形態について、添付図面に基づいて以下において具体的に説明する。
図1〜図6及び図10、図11を用いて、実施例1〜実施例4の説明を行うが、各実施例の説明では、SOFC/SOECセル1(固体酸化物型燃料電池/高温水蒸気電解セル)をSOFCセル1a(固体酸化物型燃料電池セル)として使用した場合の構成例を示している。SOFCセル1aを用いた全体的のシステム構成としては、図7で説明したと同様の構成を備えている。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings.
Examples 1 to 4 will be described with reference to FIGS. 1 to 6, 10, and 11. In each example, SOFC / SOEC cell 1 (solid oxide fuel cell / high temperature steam) An example of a configuration in the case where an electrolysis cell) is used as a SOFC cell 1a (solid oxide fuel cell) is shown. The overall system configuration using the SOFC cell 1a is the same as that described with reference to FIG.

そのため、図7で説明した構成と同様の構成については、図7で用いた部材符号を用いることで、重複する説明は省略する。また、熱交換器4の前後における熱媒体の温度としては、図9で説明した温度を利用している。   Therefore, about the structure similar to the structure demonstrated in FIG. 7, the overlapping description is abbreviate | omitted by using the member code | symbol used in FIG. Further, as the temperature of the heat medium before and after the heat exchanger 4, the temperature described in FIG. 9 is used.

また、熱媒体として窒素ガス(N2ガス)を用いた構成、及び循環装置として300℃程度の温度で動作するブロア5を用いた構成で説明を行うが、熱媒体としては、窒素ガスに限定されるものではなく、二酸化炭素ガス(CO2ガス)、ヘリウムガス(Heガス)等を使用することもできる。また、ブロア5も300℃程度の温度で動作するものに限定されるものではない。本実施の形態では、好適に適用できる適宜の熱媒体、ブロアを用いて構成することができる。 In addition, the description will be made with a configuration using nitrogen gas (N 2 gas) as a heat medium and a blower 5 operating at a temperature of about 300 ° C. as a circulation device. However, the heat medium is limited to nitrogen gas. However, carbon dioxide gas (CO 2 gas), helium gas (He gas), or the like can also be used. The blower 5 is not limited to one that operates at a temperature of about 300 ° C. In this embodiment, it can be configured using an appropriate heat medium and blower that can be suitably applied.

以下においては、SOFC/SOECセル1をSOFCセル1aとして使用した場合について説明を行うが、SOFC/SOECセル1をSOECセル1bとして使用した場合であっても、本実施の形態を好適に適用することができる。そして、この場合には、窒素ガスの流れる方向が逆向きになる。また、熱交換器4とブロア5との間における流路の配管は、図8に示した配管構成になる。   In the following, the case where the SOFC / SOEC cell 1 is used as the SOFC cell 1a will be described, but the present embodiment is preferably applied even when the SOFC / SOEC cell 1 is used as the SOEC cell 1b. be able to. In this case, the flow direction of nitrogen gas is reversed. Moreover, the piping of the flow path between the heat exchanger 4 and the blower 5 has the piping configuration shown in FIG.

本発明の実施形態に係る実施例1の構成を、図1、図2を用いて説明する。図1に示すように、本実施の形態に係る蓄熱装置では、窒素ガスの循環路3としてSOFCセル1aのスタックと蓄熱槽2との間にn個の熱交換流路3aが構成されている。熱交換流路3aでは、窒素ガスを用いてSOFCセル1aで発生した廃熱を取り出すことができ、取り出した熱は、蓄熱槽2に貯めることができる。   The configuration of Example 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. As shown in FIG. 1, in the heat storage device according to the present embodiment, n heat exchange flow paths 3 a are formed between the stack of SOFC cells 1 a and the heat storage tank 2 as the nitrogen gas circulation path 3. . In the heat exchange channel 3a, waste heat generated in the SOFC cell 1a can be taken out using nitrogen gas, and the taken out heat can be stored in the heat storage tank 2.

熱交換器4からSOFCセル1aに流入した窒素ガスの温度は、熱交換器4における熱交換損失のため、蓄熱槽2を出たときの例えば800℃の温度に比べて、25℃低い温度になっている。そのため、SOFCセル1aを出たときの窒素ガスの温度は、SOFCセル1aにおける廃熱で40℃上昇した815℃になっている。そして、815℃の温度で蓄熱槽2に流入することになる。   The temperature of the nitrogen gas flowing into the SOFC cell 1a from the heat exchanger 4 is 25 ° C. lower than the temperature of, for example, 800 ° C. when leaving the heat storage tank 2 due to heat exchange loss in the heat exchanger 4. It has become. Therefore, the temperature of the nitrogen gas when leaving the SOFC cell 1a is 815 ° C., which is increased by 40 ° C. due to waste heat in the SOFC cell 1a. Then, it flows into the heat storage tank 2 at a temperature of 815 ° C.

その結果、800℃まで貯めることのできる蓄熱槽2において蓄熱することができるのは、800℃との差分である15℃分であり、窒素ガスがSOFCセル1aにおいて40℃上昇したにも係らず、上昇した40℃の37.5%しか有効利用されないことになる。残りの62.5%は、熱交換器損失として捨てられてしまうことになる。   As a result, the heat storage tank 2 that can store up to 800 ° C can store heat for 15 ° C, which is the difference from 800 ° C, even though the nitrogen gas rose by 40 ° C in the SOFC cell 1a. As a result, only 37.5% of the increased 40 ° C will be used effectively. The remaining 62.5% will be discarded as heat exchanger loss.

本実施例では、蓄熱槽2を出た800℃の温度になっている窒素ガスは、流路3bを通ってSOFCセル1aの入り口に導かれる。これを繰り返すことで、蓄熱槽2を出た800℃の温度になっている窒素ガスは、n−1回熱交換流路3aを通ってSOFCセル1aと蓄熱槽2との間を流れることができる。しかもこのときには、SOFCセル1aに流入する窒素ガスの温度は、蓄熱槽2を出た800℃の温度になっているので、SOFCセル1aを出るときには、840℃の温度まで上昇している。そのため、窒素ガスは蓄熱槽2には840℃の温度状態で流入することができ、40℃分の温度を蓄熱槽2に蓄えることができる。   In this embodiment, the nitrogen gas having a temperature of 800 ° C. exiting the heat storage tank 2 is guided to the entrance of the SOFC cell 1a through the flow path 3b. By repeating this, the nitrogen gas having a temperature of 800 ° C. exiting the heat storage tank 2 can flow between the SOFC cell 1a and the heat storage tank 2 through the heat exchange channel 3a n−1 times. it can. In addition, at this time, the temperature of the nitrogen gas flowing into the SOFC cell 1a is 800 ° C. from the heat storage tank 2, so that the temperature rises to 840 ° C. when leaving the SOFC cell 1a. Therefore, nitrogen gas can flow into the heat storage tank 2 at a temperature of 840 ° C., and a temperature of 40 ° C. can be stored in the heat storage tank 2.

このように構成されているので本発明の実施形態においては、1ターン目のみ熱交換器4の熱交換損失によって、窒素ガスの温度としてはSOFCセル1aの入口での温度が下がることになるが、2ターン目からは熱交換損失が無くなるため、熱交換損失は1/nに低減される。また、1ターンでの伝熱量は1/nであり、窒素ガスの流量も1/nになる。このためブロア5も熱交換器4も小型のものを用いることができるようになり、コストの低減を図ることができる。   Since it is configured in this manner, in the embodiment of the present invention, the temperature at the inlet of the SOFC cell 1a is lowered as the temperature of the nitrogen gas due to the heat exchange loss of the heat exchanger 4 only in the first turn. From the second turn, the heat exchange loss disappears, so the heat exchange loss is reduced to 1 / n. In addition, the heat transfer amount per turn is 1 / n, and the flow rate of nitrogen gas is also 1 / n. Therefore, both the blower 5 and the heat exchanger 4 can be used in a small size, and the cost can be reduced.

上述したように、本発明の実施形態によれば、熱交換器4の熱交換損失を大幅に低減させることができ、しかも、ブロア5や熱交換器4を小型にすることができ、コストも低減できる。   As described above, according to the embodiment of the present invention, the heat exchange loss of the heat exchanger 4 can be greatly reduced, and the blower 5 and the heat exchanger 4 can be reduced in size, and the cost is also reduced. Can be reduced.

図1では、n個設けた熱交換流路3aが、直線的に配した構成を示したが、例えば、図10に示すように、n/2個のところで折り返す配置構成にしておくこともできる。このように構成することにより、熱交換器4とSOFCセル1a及び蓄熱槽2とを接続する流路3c、3fの管路長を短く構成することができる。   FIG. 1 shows a configuration in which the n heat exchange channels 3a are arranged linearly. However, for example, as shown in FIG. . By configuring in this way, the pipe lengths of the flow paths 3c, 3f connecting the heat exchanger 4, the SOFC cell 1a, and the heat storage tank 2 can be shortened.

本発明の実施形態に係る実施例2の構成を、図2〜図4、図11を用いて説明する。尚、実施例1と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
実施例2は、SOFCセル1aのスタックと蓄熱材を内包する蓄熱槽2を有した構成になっている。SOFCセル1aのスタックと蓄熱槽2とをそれぞれ複数に分割し、分割されたスタックの1つと、分割された蓄熱槽2の1つとを図2に太線で囲って示したユニット30として複数構成する。
The structure of Example 2 which concerns on embodiment of this invention is demonstrated using FIGS. 2-4, FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as Example 1, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
Example 2 has a configuration having a heat storage tank 2 containing a stack of SOFC cells 1a and a heat storage material. The SOFC cell 1a stack and the heat storage tank 2 are each divided into a plurality of parts, and one of the divided stacks and one of the divided heat storage tanks 2 are configured as a unit 30 surrounded by a thick line in FIG. .

循環路3を直列に配した各単位セル32内を通し、更に熱交換器4とブロア5とに接続させて、窒素ガスを循環させる。直列に接続した複数の単位セル32は断熱材6で覆われている。また、図11に示すように、SOFC/SOECセル1のスタックは、例えば安定化ジルコニア等のセラミックスからなる固体酸化物電解質22の両面に、例えば白金等による多孔質電極21a、21bが配置され、更に多孔質電極21a、21bの他面側に、導電性を有するエンドプレート23a、23bまたは同じく導電性を有するセパレータ板24が配置された構成になっている。
エンドプレート23a、23bやセパレータ板24としては、銅厚板などによって構成しておくことができる。
Nitrogen gas is circulated through each unit cell 32 in which the circulation path 3 is arranged in series and further connected to the heat exchanger 4 and the blower 5. A plurality of unit cells 32 connected in series are covered with a heat insulating material 6. Further, as shown in FIG. 11, the SOFC / SOEC cell 1 stack has porous electrodes 21a and 21b made of, for example, platinum on both surfaces of a solid oxide electrolyte 22 made of ceramics such as stabilized zirconia, Further, conductive end plates 23a and 23b or a conductive separator plate 24 are arranged on the other surface side of the porous electrodes 21a and 21b.
The end plates 23a and 23b and the separator plate 24 can be made of thick copper plates or the like.

エンドプレート23a、23bと隣接するセパレータ板24との間で挟まれたもの、あるいは隣接するセパレータ板24で挟まれたものを単位セル32としている。この単位セル32を、例えば複数積層することによって、SOFC/SOECセル1のスタックが構成されている。そして、SOFC/SOECセル1における電流Aは単位セルの積層方向に流れるようになっている。   A unit cell 32 is formed between the end plates 23a, 23b and the adjacent separator plate 24 or between the adjacent separator plates 24. For example, a stack of SOFC / SOEC cells 1 is formed by stacking a plurality of the unit cells 32. The current A in the SOFC / SOEC cell 1 flows in the unit cell stacking direction.

また、エンドプレート23a、23bとセパレータ板24には、燃料ガスと空気が直交する方向に流通するように空気流路25と燃料ガス流路26が形成されていると共に、熱交換流路3aがワンスルーの形態をなすように設けられている。   The end plates 23a and 23b and the separator plate 24 are formed with an air flow path 25 and a fuel gas flow path 26 so that the fuel gas and air flow in directions orthogonal to each other, and the heat exchange flow path 3a It is provided to form a one-through configuration.

図4に示すように、蓄熱槽2は溶融塩の入った円筒形カプセルを複数並べ、全体を気密容器31で覆った構成になっている。そして、円筒形カプセルが、蓄熱材8として構成されている。この気密容器31と蓄熱材8との間を窒素ガスが流れる。気密容器31と熱交換流路3aとが気密に接続されることにより、SOFC/SOECセル1との間で熱交換を行う窒素ガスの流路を形成している。
上述したユニット30について更に説明を行うと、SOFC/SOECセル1における単位セル32に蓄熱槽2を組み合わせたものをユニット30として構成している。
As shown in FIG. 4, the heat storage tank 2 has a configuration in which a plurality of cylindrical capsules containing molten salt are arranged and covered with an airtight container 31. A cylindrical capsule is configured as the heat storage material 8. Nitrogen gas flows between the airtight container 31 and the heat storage material 8. The hermetic container 31 and the heat exchange flow path 3a are hermetically connected to form a nitrogen gas flow path for exchanging heat with the SOFC / SOEC cell 1.
The unit 30 described above will be further described. The unit 30 is configured by combining the unit cell 32 in the SOFC / SOEC cell 1 with the heat storage tank 2.

図2に示すように、ブロア5によって推進力を得た窒素ガスは、熱交換器4で加熱された後、単位セル32→蓄熱槽2→単位セル32→・・・→蓄熱槽2と順番に送られ、熱交換器4に戻って冷却された後、ブロア5に供給される。この場合も実施例1と同様に1ターン目のみ熱交換器の熱交換損失によって、単位セル32の入口における窒素ガスの温度は下がるが、2ターン目からは熱交換損失が生じないため、熱交換損失は1/nに低減される。   As shown in FIG. 2, the nitrogen gas obtained by the blower 5 is heated by the heat exchanger 4, and then the unit cell 32 → the heat storage tank 2 → the unit cell 32 →. , Is returned to the heat exchanger 4 and cooled, and then supplied to the blower 5. Also in this case, as in Example 1, the temperature of nitrogen gas at the inlet of the unit cell 32 is reduced by the heat exchange loss of the heat exchanger only in the first turn, but no heat exchange loss occurs from the second turn. Exchange loss is reduced to 1 / n.

また、窒素ガスの流量も1/nになり、ブロア5も熱交換器4も小型の構成で対応することができ、コストの低減になる。更に、実施例1では循環路3における配管の圧力損失が大きく、ターン数が制限されることになるが、実施例2で示した構成では圧力損失の増加も小さくなり、ターン数を大きく取れる。そのため、窒素ガスの流量を大きく低減させることができる。また、循環路3として配管の引き回しが不要になるため、コンパクトな構成にすることができる。   Further, the flow rate of nitrogen gas is also reduced to 1 / n, and both the blower 5 and the heat exchanger 4 can be accommodated with a small configuration, thereby reducing the cost. Further, in the first embodiment, the pressure loss of the piping in the circulation path 3 is large and the number of turns is limited. However, in the configuration shown in the second embodiment, the increase in pressure loss is small and the number of turns can be increased. Therefore, the flow rate of nitrogen gas can be greatly reduced. In addition, since it is not necessary to route the piping as the circulation path 3, a compact configuration can be achieved.

また、図3の左側に示すように、蓄熱槽2用の断熱材6とSOFC/SOECセル1用の断熱材6とが個別に必要であったが、蓄熱槽2と単位セル32とをユニット30として一体的に構成することで、図3の右側に示すように断熱材6を一体化した状態に構成できる。   Moreover, as shown on the left side of FIG. 3, the heat insulating material 6 for the heat storage tank 2 and the heat insulating material 6 for the SOFC / SOEC cell 1 were separately required, but the heat storage tank 2 and the unit cell 32 were united. By integrally configuring as 30, it is possible to configure the heat insulating material 6 in an integrated state as shown on the right side of FIG.

特に、SOFC/SOECセル1を用いた水素電力貯蔵システムにおいて、高い効率を維持するためには蓄熱効率を高くする必要があり、更に800℃の高温を貯蔵することから断熱材6としての断熱層の厚さを厚く構成する必要がある。本発明の実施例2では、上述したように断熱材6を一体化した状態に構成することができるため、断熱材6を一体化することにより全体の体積が大幅に低減される。そして、水素電力貯蔵システムを配設する面積を少なくすることができる。   In particular, in a hydrogen power storage system using the SOFC / SOEC cell 1, it is necessary to increase the heat storage efficiency in order to maintain high efficiency, and furthermore, since a high temperature of 800 ° C. is stored, the heat insulating layer as the heat insulating material 6 It is necessary to make the thickness of the thicker. In Example 2 of the present invention, since the heat insulating material 6 can be integrated as described above, the entire volume is significantly reduced by integrating the heat insulating material 6. And the area which arrange | positions a hydrogen power storage system can be decreased.

図11に示すように、SOFC/SOECセル1のスタック構成としては、水素ガスや水蒸気が供給される燃料ガス流路26と、空気が供給される空気通路25と、多孔質電極21a、21bを有した構成になっており、この構成が単位セル32の構成になっている。隣接する単位セル32同士が接続されることで、SOFC/SOECセル1のスタックが構成されている。   As shown in FIG. 11, the stack configuration of the SOFC / SOEC cell 1 includes a fuel gas passage 26 to which hydrogen gas and water vapor are supplied, an air passage 25 to which air is supplied, and porous electrodes 21a and 21b. This configuration is a unit cell 32 configuration. A stack of SOFC / SOEC cells 1 is configured by connecting adjacent unit cells 32 to each other.

そのため各単位セル32の周辺に、熱交換流路3aを引き回すことが困難であった。また、SOFCセル1aでの発熱時に、SOFC/SOECセル1のスタック両端から冷却する方法もあるが、単位セル32内での発熱量が大きいため、SOFC/SOECセル1のスタック内部において温度勾配が発生してしまう。   Therefore, it is difficult to route the heat exchange flow path 3a around each unit cell 32. In addition, there is a method of cooling from both ends of the SOFC / SOEC cell 1 stack when heat is generated in the SOFC cell 1a, but the temperature gradient in the SOFC / SOEC cell 1 stack is large due to the large amount of heat generated in the unit cell 32. Will occur.

SOFC/SOECセル1のスタックにおける特性は、温度依存性が大きく、SOFC/SOECセル1のスタック内における各単位セル32での特性に、ばらつきが生じてしまうことになる。   The characteristics of the stack of the SOFC / SOEC cell 1 are highly temperature dependent, and the characteristics of the unit cells 32 in the stack of the SOFC / SOEC cell 1 will vary.

本発明の実施例2の構成によれば、エンドプレート23a、23b及びセパレータ板24を構成する各銅厚板での伝熱量は少なくなり、伝熱距離も小さくなることで、温度のばらつきが小さくでき、良好な特性が得られる。   According to the configuration of the second embodiment of the present invention, the amount of heat transfer in each of the thick copper plates constituting the end plates 23a and 23b and the separator plate 24 is reduced, and the heat transfer distance is also reduced, thereby reducing temperature variations. And good characteristics can be obtained.

また、本発明の実施例2の構成によれば、熱交換器の熱交換損失を大幅に低減させることができる。その結果、ブロア5や熱交換器4を小型化することができ、コストも低減できる。しかも、SOFC/SOECセル1のスタックを特性が良好な条件下で運転できる。   Moreover, according to the structure of Example 2 of this invention, the heat exchange loss of a heat exchanger can be reduced significantly. As a result, the blower 5 and the heat exchanger 4 can be reduced in size and the cost can be reduced. In addition, the stack of SOFC / SOEC cell 1 can be operated under good characteristics.

本発明の実施形態に係る実施例3の構成を、図5を用いて説明する。尚、実施例1、2と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
実施例3では、SOFC/SOECセル1のスタックをSOFCセル1aとSOECセル1bとに分け、SOFCセル1a−蓄熱槽2−SOECセル1bの順番でユニット30を構成して、このユニット30を複数直列的に接続した構成になっている。
The configuration of Example 3 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as Example 1, 2, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
In Example 3, the stack of SOFC / SOEC cell 1 is divided into SOFC cell 1a and SOEC cell 1b, and unit 30 is configured in the order of SOFC cell 1a-heat storage tank 2-SOEC cell 1b. It is a configuration connected in series.

このように構成することによって、運転条件に依存してSOFCセル1aとSOECセル1bにおけるそれぞれの必要容量が異なる場合には、それぞれにおける必要容量の大きさを変えた構成にすることができる。   With this configuration, when the required capacities of the SOFC cell 1a and the SOEC cell 1b are different depending on the operating conditions, the required capacities of the respective capacities can be changed.

例えば、SOECセル1bでは、風力発電の短期的な変動により、短時間で大電流の変換が必要になるが、SOFCセル1aでは小電流で長時間の出力をする場合がある。また、熱の流れは、発電時にはSOFCセル1a→蓄熱槽2へと流れ、電解時には蓄熱槽2→SOECセル1bへと流れる。   For example, the SOEC cell 1b needs to convert a large current in a short time due to short-term fluctuations in wind power generation, but the SOFC cell 1a may output a long time with a small current. Further, the heat flow flows from the SOFC cell 1a to the heat storage tank 2 during power generation, and flows from the heat storage tank 2 to the SOEC cell 1b during electrolysis.

実施例3のように構成することによって、窒素ガスの流れ方向は常に一方向にすることができ、流れの方向を切り替える必要が無くなる。このため、循環路3の配管構成が簡素化され、コストの低減になる。また、循環路3に窒素ガスの流量を調整する図示せぬ電磁弁を設けたとしても、電磁弁の不具合が無くなり、信頼性も向上する。   By configuring as in the third embodiment, the flow direction of nitrogen gas can always be one direction, and there is no need to switch the flow direction. For this reason, the piping configuration of the circulation path 3 is simplified and the cost is reduced. Further, even if a solenoid valve (not shown) for adjusting the flow rate of nitrogen gas is provided in the circulation path 3, the problem of the solenoid valve is eliminated and the reliability is improved.

このように、本発明の実施例3の構成によれば、SOFCセル1aを用いた発電時とSOECセル1bを用いた電解時とにおけるそれぞれの電流容量が異なる場合であっても、効率よく対応することが可能となり、窒素ガスを循環させる循環路3の配管構成を簡素化することができ、信頼性の高い蓄熱装置を得ることができる。   Thus, according to the configuration of the third embodiment of the present invention, even when the current capacities during power generation using the SOFC cell 1a and during electrolysis using the SOEC cell 1b are different, they can be efficiently handled. It is possible to simplify the piping configuration of the circulation path 3 for circulating the nitrogen gas, and a highly reliable heat storage device can be obtained.

本発明の実施形態に係る実施例4の構成を、図6を用いて説明する。尚、実施例1〜3と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
実施例4では、SOFC/SOECセル1のスタックをSOFCセル1aとSOECセル1bとに分け、蓄熱槽2−SOECセル1bの組を複数形成し、SOFCセル1a−蓄熱槽2−SOECセル1b −蓄熱槽2−SOECセル1bの順番でユニット35を構成する。このユニット35を複数直列的に接続した構成になっている。
そして、図6(a)には、SOFCセル1aモードにおける窒素ガスの流れを矢印で示し、図6(b)には、SOECセル1bモードにおける窒素ガスの流れを矢印で示している。
The configuration of Example 4 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as Examples 1-3, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
In Example 4, the stack of SOFC / SOEC cell 1 is divided into SOFC cell 1a and SOEC cell 1b, and a plurality of sets of heat storage tank 2-SOEC cell 1b are formed, SOFC cell 1a-heat storage tank 2-SOEC cell 1b-- The unit 35 is configured in the order of the heat storage tank 2-SOEC cell 1b. A plurality of units 35 are connected in series.
FIG. 6A shows the flow of nitrogen gas in the SOFC cell 1a mode with an arrow, and FIG. 6B shows the flow of nitrogen gas in the SOEC cell 1b mode with an arrow.

このように構成することによって、実施例3で記述したように、SOFCセル1aのスタックとSOECセル1bのスタックの容量が1/2の場合でも、部品を共通化することができる。また、循環させる窒素ガスの必要流量を流量の少ない発電時に合わせられるため、ブロア5や熱交換器4の小型化と低コスト化につながることになる。   With this configuration, as described in the third embodiment, it is possible to share components even when the capacity of the stack of the SOFC cell 1a and the stack of the SOEC cell 1b is ½. Further, since the required flow rate of the nitrogen gas to be circulated can be adjusted at the time of power generation with a low flow rate, the blower 5 and the heat exchanger 4 can be reduced in size and cost.

尚、実施例4の構成例として、蓄熱槽2−SOECセル1bの組合せを2回繰り返した構成を示しているが、3回以上繰り返した構成にしておくこともできる。また、発電時の電流容量が大きい場合には、SOFCセル1a―蓄熱槽2の組み合わせを複数回配した構成にしておくこともできる。   In addition, although the structure which repeated the combination of the thermal storage tank 2-SOEC cell 1b twice is shown as a structural example of Example 4, it can also be set as the structure repeated 3 times or more. If the current capacity during power generation is large, the SOFC cell 1a-heat storage tank 2 combination may be arranged multiple times.

本発明の実施形態では、熱利用装置と蓄熱槽とを通る熱交換流路を複数設けており、複数の熱交換流路が、連続した状態で直列に接続された構成になっている。循環装置に供給する熱媒体の温度を下げるとともに、熱利用装置に流入する熱媒体の温度を上昇させる熱交換器を用いることによって、上述したように熱交換器の熱効率に基づいた損失が発生する。この損失によって、熱交換器から熱利用装置内に流入する熱媒体の温度は、蓄熱槽から熱交換器に流入するときの温度よりも下がった状態になる。   In the embodiment of the present invention, a plurality of heat exchange channels that pass through the heat utilization device and the heat storage tank are provided, and the plurality of heat exchange channels are connected in series in a continuous state. By using the heat exchanger that lowers the temperature of the heat medium supplied to the circulation device and raises the temperature of the heat medium flowing into the heat utilization device, a loss based on the heat efficiency of the heat exchanger occurs as described above. . Due to this loss, the temperature of the heat medium flowing from the heat exchanger into the heat utilization device becomes lower than the temperature when flowing from the heat storage tank to the heat exchanger.

しかし、本発明の実施形態では、熱交換器を出て蓄熱槽において熱の受け渡しを行った熱媒体が、引き続いて再び熱利用装置内に流入する構成になっている。しかも、熱媒体が引き続いて再び熱利用装置内に流入するこのときには、熱媒体は蓄熱槽を出た温度で熱利用装置内に流入することができる。   However, in the embodiment of the present invention, the heat medium that has passed through the heat exchanger and transferred heat in the heat storage tank is configured to continuously flow into the heat utilization device again. Moreover, when the heat medium continues to flow into the heat utilization apparatus again, the heat medium can flow into the heat utilization apparatus at a temperature that has left the heat storage tank.

蓄熱槽から出た熱媒体が再度熱利用装置内を流れる状態を複数回、即ち、熱交換流路を形成した個数分、熱利用装置内への再流入を行うことができるので、2ターン目以降において熱利用装置内に流入する熱媒体の温度は、常に蓄熱槽から出た状態のままの温度になり、温度降下を生じない。   Since the heat medium that has flowed out of the heat storage tank can flow again through the heat utilization device a plurality of times, that is, the number of heat exchange channels formed can be reflowed into the heat utilization device, the second turn After that, the temperature of the heat medium flowing into the heat utilization device is always the temperature that is left from the heat storage tank, and no temperature drop occurs.

その結果、熱損失としては、一度だけ熱利用装置内を流れる場合に比べて、本発明の実施の形態では1/nに低減させることができる。また、1ターンにおける熱の伝熱量は1/nになるので、窒素ガス流量も1/nにできる。このように、本発明の実施の形態では、循環装置も熱交換器も小型の機器を用いることができるようになるので、コストの低減を図ることができる。   As a result, the heat loss can be reduced to 1 / n in the embodiment of the present invention as compared with the case of flowing through the heat utilization apparatus only once. Moreover, since the heat transfer amount in one turn is 1 / n, the nitrogen gas flow rate can also be reduced to 1 / n. As described above, in the embodiment of the present invention, both the circulation device and the heat exchanger can use small-sized devices, so that the cost can be reduced.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, combinations, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1…SOFC/SOECセル・スタック、1a…SOFCセル・スタック、1b…SOECセル・スタック、2…蓄熱槽、3…循環路、3a…熱交換流路、3b〜3f…流路、4…熱交換器、5…ブロア、6…断熱材、7…伝熱ブロック、8…蓄熱材、9…水素タンク、10…加熱蓄熱器、11…水素分離器、14a、14b…熱交換器、15a、15b…ブロア、16a、18b…アノード電極、16b、18a…カソード電極、17…電解質、20…蓄熱装置、21a、21b…多孔質電極、22…電解質、23a、23b…エンドプレート、24…セパレータ板、25…空気通路、26…燃料ガス流路、30、35…ユニット、31…気密容器、32…単位セル。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... SOFC / SOEC cell stack, 1a ... SOFC cell stack, 1b ... SOEC cell stack, 2 ... Heat storage tank, 3 ... Circulation path, 3a ... Heat exchange flow path, 3b-3f ... Flow path, 4 ... Heat Exchanger, 5 ... Blower, 6 ... Heat insulation, 7 ... Heat transfer block, 8 ... Heat storage material, 9 ... Hydrogen tank, 10 ... Heat storage, 11 ... Hydrogen separator, 14a, 14b ... Heat exchanger, 15a, 15b ... Blower, 16a, 18b ... Anode electrode, 16b, 18a ... Cathode electrode, 17 ... Electrolyte, 20 ... Heat storage device, 21a, 21b ... Porous electrode, 22 ... Electrolyte, 23a, 23b ... End plate, 24 ... Separator plate , 25 ... air passage, 26 ... fuel gas flow path, 30, 35 ... unit, 31 ... airtight container, 32 ... unit cell.

Claims (8)

発熱動作及び吸熱動作を行う熱利用装置と、前記熱利用装置の発熱動作時に発熱した廃熱を蓄熱し、吸熱動作時に前記蓄熱材に蓄えた熱を供給する蓄熱材を有する蓄熱槽と、前記熱利用装置と前記蓄熱槽とを通り、前記熱利用装置と前記蓄熱槽との間でそれぞれ熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環路と、前記熱媒体循環路に設けられた熱交換器と、前記熱媒体を前記熱媒体循環路内で循環させる循環装置と、を有する蓄熱装置において、
前記熱媒体循環路は、前記熱利用装置と前記蓄熱槽とを通る熱交換流路を複数有し、
前記各熱交換流路が、連続して直列に接続されていることを特徴とする蓄熱装置。
A heat storage device having a heat storage device that performs heat generation operation and heat absorption operation; and a heat storage tank that stores waste heat generated during the heat generation operation of the heat utilization device and supplies heat stored in the heat storage material during the heat absorption operation; A heat medium circulation path that circulates a heat medium that exchanges heat between the heat utilization apparatus and the heat storage tank through the heat utilization apparatus and the heat storage tank, and heat exchange provided in the heat medium circulation path In a heat storage device having a storage device, and a circulation device that circulates the heat medium in the heat medium circulation path,
The heat medium circuit has a plurality of heat exchange channels that pass through the heat utilization device and the heat storage tank,
Each said heat exchange flow path is connected in series continuously, The heat storage apparatus characterized by the above-mentioned.
発熱動作及び吸熱動作を行う熱利用装置と、前記熱利用装置の発熱動作時に発熱した廃熱を蓄熱し、吸熱動作時に前記蓄熱材に蓄えた熱を供給する蓄熱材を有する蓄熱槽と、前記熱利用装置と前記蓄熱槽とを通り、前記熱利用装置と前記蓄熱槽との間でそれぞれ熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環路と、前記熱媒体循環路に設けられた熱交換器と、前記熱媒体を前記熱媒体循環路内で循環させる循環装置と、を有する蓄熱装置において、
前記熱利用装置及び前記蓄熱槽が、それぞれ複数の熱利用単位部及び複数の蓄熱単位部から構成され、
前記熱利用単位部と前記蓄熱単位部とを直列に組み合わせた複数のユニットを通る熱交換流路が、形成されていることを特徴とする蓄熱装置。
A heat storage device having a heat storage device that performs heat generation operation and heat absorption operation; and a heat storage tank that stores waste heat generated during the heat generation operation of the heat utilization device and supplies heat stored in the heat storage material during the heat absorption operation; A heat medium circulation path that circulates a heat medium that exchanges heat between the heat utilization apparatus and the heat storage tank through the heat utilization apparatus and the heat storage tank, and heat exchange provided in the heat medium circulation path In a heat storage device having a storage device, and a circulation device that circulates the heat medium in the heat medium circulation path,
The heat utilization device and the heat storage tank are each composed of a plurality of heat utilization unit parts and a plurality of heat accumulation unit parts,
A heat storage device, characterized in that a heat exchange flow path is formed through a plurality of units in which the heat utilization unit and the heat storage unit are combined in series.
前記熱利用単位部は、複数の発熱部分と複数の吸熱部分とから構成され、
前記ユニットが、前記発熱部分と前記蓄熱単位部と前記吸熱部分とを直列に組み合わせた構成であることを特徴とする請求項2に記載の蓄熱装置。
The heat utilization unit is composed of a plurality of heat generating portions and a plurality of heat absorbing portions,
The heat storage device according to claim 2, wherein the unit has a configuration in which the heat generation portion, the heat storage unit portion, and the heat absorption portion are combined in series.
前記熱利用単位部は、複数の発熱部分と複数の吸熱部分とから構成され、
前記ユニットが、前記発熱部分と、前記蓄熱単位部及び前記吸熱部分を直列に組み合わせた複数の蓄熱吸熱の組と、を直列に組み合わせた構成であることを特徴とする請求項2に記載の蓄熱装置。
The heat utilization unit is composed of a plurality of heat generating portions and a plurality of heat absorbing portions,
The heat storage according to claim 2, wherein the unit has a configuration in which the heat generating portion and a plurality of heat storage endothermic sets in which the heat storage unit portion and the heat absorption portion are combined in series are combined in series. apparatus.
前記熱利用単位部は、複数の発熱部分と複数の吸熱部分とから構成され、
前記ユニットが、前記発熱部分と前記蓄熱単位部とを直列に組み合わせた複数の発熱蓄熱の組と、前記吸熱部分と、を直列に組み合わせた構成であることを特徴とする請求項2に記載の蓄熱装置。
The heat utilization unit is composed of a plurality of heat generating portions and a plurality of heat absorbing portions,
3. The unit according to claim 2, wherein the unit has a configuration in which a plurality of exothermic heat storage units in which the exothermic part and the heat storage unit are combined in series and the endothermic part are combined in series. Thermal storage device.
前記熱利用装置が、一対の伝熱ブロック間に挟まれた平型のセルを複数層に積み重ねて構成され、
前記熱交換流路が、前記各伝熱ブロックに形成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の蓄熱装置。
The heat utilization device is configured by stacking a plurality of flat cells sandwiched between a pair of heat transfer blocks,
The heat storage device according to any one of claims 1 to 5, wherein the heat exchange channel is formed in each of the heat transfer blocks.
前記熱利用装置と前記蓄熱槽とは、一体構成された断熱材によって覆われていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の蓄熱装置。   The heat storage device according to any one of claims 1 to 6, wherein the heat utilization device and the heat storage tank are covered with an integrally configured heat insulating material. 前記熱利用装置が、固体酸化物セルを用いた固体酸化物型燃料電池/高温水蒸気電解セルであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の蓄熱装置。   The heat storage device according to any one of claims 1 to 7, wherein the heat utilization device is a solid oxide fuel cell / high temperature steam electrolysis cell using a solid oxide cell.
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