JP2016110723A - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

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Jun Yoshida
潤 吉田
藤井 宏明
Hiroaki Fujii
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Abstract

【課題】小型化と部品点数削減及び発電の高効率化を行う燃料電池コージェネレーションシステムを提供する。【解決手段】燃料電池10Aを備える燃料電池ユニット10と、燃料電池ユニット10から排出される排熱を回収する熱媒体を蓄える蓄熱器11と、運転中、放熱が必要な部品13と、蓄熱器11及び放熱が必要な部品13を収容する筐体16と、放熱が必要な部品13の上方の筐体16内に設けられた換気器15と、放熱が必要な部品13の下方の筐体16内に設けられた放熱器12と、を備える。筐体16内において、放熱が必要な部品13と蓄熱器11とが区分して配置され、放熱が必要な部品13は、換気器15及び放熱器12を動作させている場合に、放熱器12の吸気孔12Aを通過して筐体16内に生じる空気の流れ上に配置されている。【選択図】図1

Description

本発明は燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば、燃料電池を備える燃料電池ユニット、及び燃料電池ユニットから排出される排熱を回収する熱媒体を蓄える蓄熱器(例えば、温水を貯める貯湯タンク)に加え、熱交換器、各種ポンプ、ブロワ、弁等の補器、インバータ回路、制御回路、配管、換気器等の様々な機器から構成される。よって、燃料電池コージェネレーションシステムが大型化し、場所によっては、燃料電池コージェネレーションシステムの設置、メンテナンスが困難な場合がある。
そこで、貯湯槽収納容器の上に、発電ユニットを配置した構成を備える燃料電池コージェネレーションシステムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。これにより、燃料電池コージェネレーションシステムの設置性及びメンテナンス性が改善する。
また、筐体内に発電ユニットと貯湯ユニットを一体化した構成を備える燃料電池コージェネレーションシステムも提案されている(例えば、特許文献2参照)。これにより、燃料電池コージェネレーションシステムをコンパクトに構成できる。
特許4942386号公報(図5) 特開2013−254608号公報
しかし、従来例は、蓄熱器を備えた燃料電池コージェネレーションシステムの小型化と部品点数削減、及び発電の高効率化について未だ改善の余地がある。また、システムのメンテナンス性の向上についても、改善の余地がある。詳細は、以下の実施形態において説明する。
本発明の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、蓄熱器を備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、従来に比べ、小型化と部品点数削減、及び発電の高効率化を行い得る燃料電池コージェネレーションシステムを提供する。また、本発明の一態様は、従来に比べ、システムのメンテナンス性を向上し得る燃料電池コージェネレーションシステムを提供する。
上記課題を解決するため、本発明の一態様の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池を備える燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットから排出される排熱を回収する熱媒体を蓄える蓄熱器と、運転中、放熱が必要な部品と、前記蓄熱器及び前記放熱が必要な部品を収容する筐体と、前記放熱が必要な部品の上方の前記筐体内に設けられた換気器と、前記放熱が必要な部品の下方の前記筐体内に設けられた放熱器と、を備え、前記筐体内において、前記放熱が必要な部品と前記蓄熱器とが区分して配置され、前記放熱が必要な部品は、前記換気器及び前記放熱器を動作させている場合に、前記放熱器の吸気孔を通過して前記筐体内に生じる空気の流れ上に配置されている。
本発明の一態様は、上記のような特徴を備えることにより、従来に比べ、蓄熱器を備えた燃料電池コージェネレーションシステムの小型化と部品点数削減、及び発電の高効率化を行い得るという効果を奏する。また、システムのメンテナンス性を向上し得るという効果を奏する。
図1は、第1実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムの一例を示す図である。 図2は、第1実施形態の変形例の燃料電池コージェネレーションシステムの一例を示す図である。 図3は、第2実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムの一例を示す図である。
(第1実施形態)
本発明者らは、蓄熱器を備えた燃料電池コージェネレーションシステムの小型化と部品点数削減、及び発電の高効率化について鋭意検討し、以下の知見を得た。
特許文献1では、貯湯槽収納容器の上に発電ユニットがあり、蓄熱が必要な貯湯タンクの上方に、放熱が必要なインバータ回路が配置されている。よって、貯湯タンクの断熱材の厚みを増やす等の収納容器の放熱対策を講じるか、インバータ回路の冷却に高出力の冷却ファンを用いることが必要である。貯湯タンクの断熱材の厚みを増やすと、燃料電池コージェネレーションシステムのサイズがアップする。インバータ回路の冷却に高出力の冷却ファンを用いると、燃料電池コージェネレーションシステムの発電効率が悪化する。なお、特許文献1の場合、貯湯槽収納容器の上に発電ユニットを施工現場で設置する場合、少数の作業者では負担がかかりすぎるという問題もある。
特許文献2では、筐体内で、熱媒体を蓄える蓄熱器と放熱が必要な部品と、が区分けされない状態で筐体内に配置されており、蓄熱器の蓄熱及び上記部品の放熱の両立に難点がある。
そこで、本実施形態の第1の態様の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池を備える燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットから排出される排熱を回収する熱媒体を蓄える蓄熱器と、運転中、放熱が必要な部品と、蓄熱器及び上記放熱が必要な部品を収容する筐体と、上記放熱が必要な部品の上方の前記筐体内に設けられた換気器と、上記放熱が必要な部品の下方の前記筐体内に設けられた放熱器と、を備え、筐体内において、上記放熱が必要な部品と蓄熱器とが区分して配置され、上記放熱が必要な部品は、換気器及び放熱器を動作させている場合に、放熱器の吸気孔を通過して筐体内に生じる空気の流れ上に配置されている。
かかる構成によると、放熱が必要な部品と熱媒体を蓄える蓄熱器とが筐体内で区分けして配置され、かつ、放熱が必要な部品が、換気器及び放熱器を動作させている場合に放熱器の吸気孔を通過して筐体内に生じる空気の流れ上に配置されている。これにより、燃料電池コージェネレーションシステムの運転中、蓄熱器の熱ロスを抑制しながら、放熱が必要な部品を高効率に放熱できる。
また、本実施形態の第2の態様の燃料電池コージェネレーションシステムは、第1の態様の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、放熱器を動作させていない場合、放熱器の吸気孔は、筐体内に空気を導くための換気孔として機能する。
かかる構成により、放熱器を動作させていない場合でも筐体内を換気できるとともに、吸気孔と換気孔とを共通化できるので、燃料電池コージェネレーションシステムの部品点数を削減できる。
また、本実施形態の第3の態様の燃料電池コージェネレーションシステムは、第1又は第2の態様の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、放熱器の吸気孔と換気器の排気孔と、が筐体を形成する同一の面に設けられている。
かかる構成により、放熱器の吸気孔と換気器の排気孔とを同一の面に設けているので、燃料電池コージェネレーションシステムのメンテナンス性が向上する。つまり、この面を外すだけで、他の面を外すことなく、筐体内の全ての部品のメンテナンスを行い得る。また、同一の面に吸気孔と排気孔を配置することで、法定で定められた離隔距離を取る必要がある面が一つになるので、燃料電池コージェネレーションシステムの設置面積を小さくできる。
[装置構成]
図1は、第1実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムの一例を示す図である。
図1に示す例では、本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステム100は、燃料電池ユニット10と、蓄熱器11と、部品13と、筐体16と、換気器15と、放熱器12と、熱交換器20と、を備える。
燃料電池ユニット10は、燃料電池10Aを備える。なお、燃料電池10Aは、いずれの種類であっても構わない。燃料電池10Aとして、例えば、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等を例示できる。つまり、燃料電池ユニット10として、例えば、高分子電解質形燃料電池のセルスタック、固体酸化物形燃料電池のホットモジュール等を例示できる。
燃料電池ユニット10は、燃料電池コージェネレーションシステム100の運転中、所定の温度に保つ必要がある。例えば、燃料電池10Aが固体酸化物燃料電池の場合、改質反応及び燃料電池10Aの運転温度が、高温(例えば、600℃−800℃)となる。よって、燃料電池ユニット10の周囲を断熱材で覆い、外部への放熱を抑える構成を取る必要がある。
燃料電池ユニット10は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を備えてもよい。改質器を備えない場合、水素含有ガスを貯蔵する容器、水素インフラ等の水素含有ガスの供給源から水素含有ガスが燃料電池ユニット10に供給される形態であってもよい。また、燃料電池10A内で改質反応により水素含有ガスが生成される形態であってもよい。本形態として、例えば、内部改質形の固体酸化物燃料電池を例示できる。
また、燃料電池ユニット10は、燃料電池10Aの他、燃料電池ユニット10の内部の高温を利用して発電用の空気を加熱する空気加熱器を備えてもよい。
燃料電池ユニット10における改質反応は、いずれの形態であってもよい。例えば、改質反応として、水蒸気改質反応、オートサーマル反応又は部分酸化反応等が例示される。図1には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器等が設けられる。改質反応が部分酸化、又はオートサーマル反応であれば、更に、空気を供給する空気供給器が設けられる。
なお、原料として、例えば、メタンを主成分とする都市ガスや天然ガス等を用いることができる。なお、燃料電池コージェネレーションシステム100は、原料として都市ガスや天然ガス等を用いる場合、一般的に、これらのガス中の硫黄化合物を除去する脱硫器(図示せず)を備える。
このようにして、燃料電池ユニット10の燃料電池10Aでは、水素含有ガス(燃料ガス)中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが反応することで発電が行われる。燃料電池ユニット10により発電された直流出力は、インバータ回路13Aで交流に変換され、家庭用電力に利用できる。
蓄熱器11は、燃料電池ユニット10から排出される排熱を回収する熱媒体を蓄える。
蓄熱器11は、蓄熱状態を保つ必要がある。よって、蓄熱器11の周囲を断熱材で覆い、外部への放熱(熱ロス)を抑える構成を取る必要がある。
蓄熱器11は、燃料電池ユニット10から排出される排熱を回収する熱媒体を蓄えることができれば、どのような構成であっても構わない。例えば、上記の排熱を回収するための熱交換器20において、燃料電池ユニット10の燃焼器(図示せず)からの燃焼排ガスを加熱流体に用い、蓄熱器11からの熱媒体を受熱流体に用いて、両者間で熱交換が行われても構わない。そして、熱交換器20を通過した熱媒体が蓄熱器11に蓄えられても構わない。なお、熱媒体として、例えば、水、不凍液等を例示できる。熱媒体として水を用いる場合の具体例については、第2実施形態で説明する。
燃料電池コージェネレーションシステム100の運転中、部品13は、その温度を使用温度範囲の上限値以下に維持するため、放熱が必要となる。部品13は、燃料電池コージェネレーションシステム100の運転中、放熱を必要とするものであれば、どのようなものであっても構わない。部品13として、例えば、燃料電池10Aの発電電力を商用電力に系統連系可能に電力変換するインバータ回路13A、燃料電池コージェネレーションシステム100の動作を制御する制御器13B、熱媒体の送出等に用いるポンプ等の精密機械部品13C等を例示できる。
筐体16は、少なくとも熱媒体を蓄える蓄熱器11及び放熱が必要な部品13を収容する。具体的には、本実施形態では、筐体16内に、蓄熱器11及び部品13の他、燃料電池ユニット10及び熱交換器20を収容する、蓄熱器11及び燃料電池ユニット10を一体とする構成を取っている。具体的には、筐体16が2つの領域200及び領域300に区分されて、領域200には、蓄熱器11、燃料電池ユニット10及び熱交換器20が配されている。また、領域300には、放熱が必要な部品13が配されている。
筐体16は、燃料電池コージェネレーションシステム100を外部環境と隔離する部材である。よって、筐体16は、剛性及び耐食性を備える材料で構成する方がよい。なお、筐体16の内面に、断熱材を設けて外部への放熱を抑える構成を取ることが多い。
換気器15は、放熱が必要な部品13の上方の筐体16内に設けられる。具体的には、図1に示すように、換気器15は、排気孔15Aとファン15Bとを備える。排気孔15Aは、部品13よりも上方の筐体16の面16Aの部分に形成されている。そして、ファン15Bが、排気孔15Aと対置するように筐体16内に設けられている。
放熱器12は、放熱が必要な部品13の下方の筐体16内に設けられる。具体的には、図1に示すように、放熱器12は、吸気孔12Aとファン12Bとフード12Cとを備える。吸気孔12Aは、部品13よりも下方の筐体16の面16Aの部分に形成されている。そして、ファン12Bは、吸気孔12Aと対置するように筐体16内に設けられている。フード12Cは、ファン12Bに接続された湾曲部材であり、吸気孔12Aを通過して筐体16内に流入する空気の流れを部品13の方向に向ける機能を備える。
以上により、本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステム100は、放熱が必要な部品13と熱媒体を蓄える蓄熱器11とが筐体16内で区分けして配置され、かつ、放熱が必要な部品13が、換気器15及び放熱器12を動作させている場合に放熱器12の吸気孔12Aを通過して筐体16内に生じる空気の流れ上に配置されている。これにより、燃料電池コージェネレーションシステム100の運転中、蓄熱器11の熱ロスを抑制しながら、部品13を高効率に放熱できる。
例えば、換気器15のファン15B及び放熱器12のファン12Bの動作によって吸気孔12Aから筐体16内に外気(空気)を取り込み、排気孔15Aから筐体16外に空気を排出する。すると、図1の矢印に示す如く、筐体16内に空気の流れが生じ、この空気を用いて、放熱が必要な部品13の一例であるインバータ回路13A、制御器13B及び精密機械部品13Cのそれぞれを冷却できる。よって、燃料電池コージェネレーションシステム100の運転中、これらのインバータ回路13A、制御器13B及び精密機械部品13Cのそれぞれの温度を、これらの使用温度範囲の上限値以下に適切に維持できる。なお、上記の空気を用いて、筐体16内で可燃ガスの漏れが発生した場合、可燃ガス濃度を燃焼範囲の下限以下にまで十分に希釈してから可燃ガスを外部に排出することができる。
また、部品13の放熱により加熱された熱気は、筐体16の上方に滞留しやすい。そこで、本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステム100では、換気器15を部品13の上方の筐体16内に設け、放熱器12を部品13の下方の筐体内に設けている。よって、吸気孔12Aからの空気を用いて、筐体16の上方に溜まった熱気を容易に筐体16外に排出できる。
また、本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステム100は、放熱器12を動作させていない場合、放熱器12の吸気孔12Aは、筐体16に空気を導くための換気孔として機能する。
これにより、放熱器12を動作させていない場合でも筐体16内を換気できるとともに、吸気孔12Aと換気孔とを共通化できるので、燃料電池コージェネレーションシステム100の部品点数を削減できる。なお、この場合、放熱が必要な部品13は、換気孔から筐体16内に流入する空気により冷却することも可能である。
また、本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステム100は、放熱器12の吸気孔12Aと換気器15の排気孔15Aと、が筐体16を形成する同一の面16Aに設けられている。具体的には、箱型の筐体16の鉛直方向の一つの外殻体が、面16Aにより構成されている。
これにより、放熱器12の吸気孔12Aと換気器15の排気孔15Aとを同一の面16Aに設けているので、燃料電池コージェネレーションシステム100のメンテナンス性が向上する。つまり、この面16Aを外すだけで、他の面を外すことなく、筐体16内の全ての部品のメンテナンスを行い得る。また、同一の面16Aに吸気孔12Aと排気孔15Aを配置することで、法定で定められた離隔距離を取る必要がある面16Aが一つになるので、燃料電池コージェネレーションシステム100の設置面積を小さくできる。
なお、図示を省略するが、放熱も蓄熱も必要としない部品(例えば、空気フィルター、イオン交換樹脂等)については、筐体16の適所に配置しても構わない。例えば、筐体16の領域300における放熱器12の下方にこれらの部品を配置してもよい。これにより、筐体16のスペースを有効に利用できる。
(変形例)
第1実施形態の変形例の燃料電池コージェネレーションシステムは、第1実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、筐体内を、放熱が必要な部品を備える第1室と熱媒体を蓄える蓄熱器を備える第2室とに仕切る隔壁を備える。
かかる構成により、このような隔壁を備えない場合に比べ、換気器及び放熱器を動作させている場合に放熱器の吸気孔を通過して筐体の第1室内に生じる空気が、筐体の第2室に流入することを抑制できる。よって、筐体の第1室内に生じる空気を上記放熱が必要な部品に適切に導くことができ、その結果、燃料電池コージェネレーションシステムの運転中、蓄熱器の熱ロスを更に抑制しながら、放熱が必要な部品を更に高効率に放熱できる。
また、第1室と第2室とを隔壁により分離して配置し、放熱が必要な部品が配された第1室側に蓄熱器の熱を対流させないように構成している。よって、換気器を小型(小電力)化できるので、燃料電池コージェネレーションシステムの運転時の消費電力が減り、発電効率が向上する。
本変形例の燃料電池コージェネレーションシステムは、上記特徴以外は、第1実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムと同様に構成してもよい。
[装置構成]
図2は、第1実施形態の変形例の燃料電池コージェネレーションシステムの一例を示す図である。
図2に示す例では、本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステム100は、燃料電池ユニット10と、蓄熱器11と、部品13と、筐体16と、換気器15と、放熱器12と、熱交換器20と、隔壁30と、第1室30Aと、第2室30Bと、を備える。燃料電池ユニット10、蓄熱器11、部品13、筐体16、換気器15、放熱器12及び熱交換器20については第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
隔壁30は、筐体16内を、放熱が必要な部品13を備える第1室30Aと熱媒体を蓄える蓄熱器11を備える第2室30Bとに仕切る。隔壁30は、筐体16内を、第1室30Aと第2室30Bとに仕切るものであれば、どのような構成であっても構わない。例えば、隔壁30により、図2に示すように、筐体16内を第1室30Aと第2室30Bとに完全に仕切ってもいいし、部分的に仕切ってもいい。筐体16内を第1室30Aと第2室30Bとに部分的に仕切ると、隔壁30の適所において第1室30A及び第2室30Bの間の通気が可能となる。
以上により、このような隔壁30を備えない場合に比べ、換気器15及び放熱器12を動作させている場合に放熱器12の吸気孔12Aを通過して筐体16の第1室30A内に生じる空気が、筐体16の第2室30Bに流入することを抑制できる。よって、第1室30A内に生じる空気を上記放熱が必要な部品13に適切に導くことができ、その結果、燃料電池コージェネレーションシステム100の運転中、蓄熱器11の熱ロスを更に抑制しながら、部品13を更に高効率に放熱できる。
また、第1室30Aと第2室30Bとを隔壁30により分離して配置し、放熱が必要な部品13が配された第1室30A側に蓄熱器11の熱を対流させないように構成している。よって、換気器15を小型(小電力)化できるので、燃料電池コージェネレーションシステム100の運転時の消費電力が減り、発電効率が向上する。
(第2実施形態)
第2実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムは、第1実施形態又は第1実施形態の変形例の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、熱媒体として水が用いられ、蓄熱器として、温水を貯える貯湯タンクが用いられる。
かかる構成によると、燃料電池コージェネレーションシステムは、運転中、貯湯タンクの熱ロスを抑制しながら、放熱が必要な部品を高効率に放熱できる。
本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムは、上記特徴以外は、第1実施形態又は第1実施形態の変形例の燃料電池コージェネレーションシステムと同様に構成してもよい。
[装置構成]
図3は、第2実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムの一例を示す図である。
図3に示す例では、本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステム100は、燃料電池ユニット10と、蓄熱器111と、部品13と、筐体16と、換気器15と、放熱器12と、熱交換器20と、バックアップボイラー40と、を備える。燃料電池ユニット10、部品13、筐体16、換気器15、放熱器12及び熱交換器20については第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステム100では、熱媒体として水が用いられ、蓄熱器111として、温水を貯える貯湯タンク111が用いられる。具体的には、燃料電池ユニット10により発電された直流出力は、インバータ回路13Aで交流に変換され、家庭用電力に使用できる。また、給水接続口から貯湯タンク111へ流入した市水は、熱交換器20に送られて、燃料電池ユニット10が発電するときに発生する排熱を回収する。熱回収が行われた温水は、再び貯湯タンク111へ戻される。貯湯タンク111の温水は、バックアップボイラー40で適温に調温された後、給湯に利用される。なお、貯湯タンク111の温水が満水の場合でも、換気器15及び放熱器12を動作させた状態で、燃料電池ユニット10の発電を継続できる。
以上により、本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステム100は、運転中、貯湯タンク111の熱ロスを抑制しながら、部品13を高効率に放熱できる。
なお、図3では、図1の燃料電池コージェネレーションシステム100において、熱媒体として水を用い、蓄熱器111として、温水を貯える貯湯タンク111を用いる例を示しているが、これに限らない。図2の燃料電池コージェネレーションシステム100において、熱媒体として水を用い、蓄熱器111として、温水を貯える貯湯タンク111を用いても構わない。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の一態様の燃料電池コージェネレーションシステムは、同一筐体内に燃料電池ユニットと蓄熱器を備え、従来に比べ、小型化と部品点数削減、及び発電の高効率化を行えるものとして有用である。
10 燃料電池ユニット
11 蓄熱器
12 放熱器
13 部品
15 換気器
16 筐体
20 熱交換器
30 隔壁
40 バックアップボイラー
100 燃料電池コージェネレーションシステム

Claims (5)

  1. 燃料電池を備える燃料電池ユニットと、
    前記燃料電池ユニットから排出される排熱を回収する熱媒体を蓄える蓄熱器と、
    運転中、放熱が必要な部品と、
    前記蓄熱器及び前記放熱が必要な部品を収容する筐体と、
    前記放熱が必要な部品の上方の前記筐体内に設けられた換気器と、
    前記放熱が必要な部品の下方の前記筐体内に設けられた放熱器と、
    を備え、
    前記筐体内において、前記放熱が必要な部品と前記蓄熱器とが区分して配置され、前記放熱が必要な部品は、前記換気器及び前記放熱器を動作させている場合に、前記放熱器の吸気孔を通過して前記筐体内に生じる空気の流れ上に配置されている燃料電池コージェネレーションシステム。
  2. 前記放熱器を動作させていない場合、前記放熱器の吸気孔は、前記筐体内に空気を導くための換気孔として機能する請求項1に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  3. 前記放熱器の吸気孔と前記換気器の排気孔と、が前記筐体を形成する同一の面に設けられている請求項1又は2に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  4. 前記筐体内を、前記放熱が必要な部品を備える第1室と前記蓄熱器を備える第2室とに仕切る隔壁を備える請求項1−3のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
  5. 前記熱媒体として、水が用いられ、前記蓄熱器として、温水を貯える貯湯タンクが用いられる請求項1−4のいずれかに記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
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