JP2019175661A - 燃料電池発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化可能な燃料電池発電設備を提供する。【解決手段】発電部１０と熱回収部２０を備える燃料電池発電設備２００において、熱回収部２０にヒートパイプ１００を備え、ヒートパイプ１００は、扁平に成形された複数重ねられた板状部材１３２よりなる加熱部１３０と、板状部材１３２の端部が接続され蓄熱材を周囲に備えてなる蓄熱部１２０と、蓄熱部１２０の端部に接続される放熱用流体を周囲に流す放熱部１１０よりなり、発電部１０から気体を介して排出される熱を、気体を板状部材１３２の間を通すことにより、加熱部１３０にて回収し、加熱部１３０で回収した熱を、蓄熱部１２０で蓄熱し、加熱部１３０又は蓄熱部１２０から伝えられる熱を、放熱部１１０より放熱用流体に伝える。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池発電設備に蓄熱材やヒートパイプを用いることで燃料電池発電設備の小型化を図る技術に関する。

近年、燃料電池発電設備の改良が進み、家庭でも燃料改質を伴う発電によって、家庭で用いる電力の供給や給湯を実現できるようになってきている。しかしながら、これまでは燃料電池発電設備の一次エネルギー利用効率を高める為に、大型の貯湯槽と組み合わせる事でメリットを出してきたものの、近年の技術革新に伴い、燃料電池設備の発電効率が向上したことで、お湯として取り出されるエネルギー量が減少し、組み合わされる貯湯槽が小型化されてきている。しかし一方で、燃料電池発電設備のより一層の普及拡大を図るためには、更なる小型化や低コスト化が望まれている。

特許文献１には、蓄熱装置及び蓄熱装置を備えた燃料電池発電設備に関する技術が開示されている。燃料電池発電設備に設けられた排熱発生源から与えられる熱を回収する加熱部と、アルカリ土類金属の水酸化物の水和物にて構成される蓄熱材を担持した蓄熱部、及び、その蓄熱部にて蓄熱される熱を放熱する放熱部を備え、前記加熱部からの熱を前記蓄熱部、及び前記放熱部に伝達するヒートパイプが設けられている。このヒートパイプは複数本設けられて、加熱源となる排熱回収水と接することで、加熱部から熱をヒートパイプによって蓄熱部及び放熱部に運んでいる。このことで、燃料電池発電設備の小型化を実現している。

特開２０００−１７１１７９号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるような技術を用いた場合には、ヒートパイプに熱を伝える熱源流体には排熱回収水を必要とすると考えられる。これは、ヒートパイプの熱伝達部の伝熱性が低いためだと考えられ、実施例にも、発電部の冷却に用いた気体から熱交換器を用いて排熱回収水に熱を回収していると説明されている。この熱交換のシステムには、熱交換器や水循環ポンプなどが必要となるため、小型化の妨げになると考えられる。

そこで、本発明はこの様な課題を解決する為に、小型化可能な燃料電池発電設備を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の一態様による燃料電池発電設備は、以下のような特徴を有する。

（１）発電部と熱回収部を備える燃料電池発電設備において、前記熱回収部にヒートパイプを備え、該ヒートパイプは、扁平に成形された複数重ねられた板状部材よりなる加熱部と、前記板状部材の端部が接続され蓄熱材を周囲に備えてなる蓄熱部と、該蓄熱部の端部に接続される放熱用流体を周囲に流す放熱部よりなり、前記発電部から気体を介して排出される熱を、前記気体を前記板状部材の間を通すことにより前記加熱部にて回収し、前記加熱部で回収した熱を、前記蓄熱部で蓄熱し、前記加熱部又は前記蓄熱部から伝えられる熱を、前記放熱部より前記放熱用流体に伝えること、を特徴とする。

上記（１）に記載の態様により、燃料電池発電設備において発電部から発生する熱を効率的に蓄熱部や放熱用流体に伝える事ができる。加熱部にはヒートパイプを扁平に形成した板状部材を複数重ねることにより、加熱部の伝熱性を高めて、気体から熱回収して蓄熱部及び放熱部に伝熱可能な構成となっており、蓄熱部で蓄熱しつつ放熱部で放熱用流体に熱を伝える事ができる。加熱部に複数積層した板状部材を用いたことで、熱伝達性の向上を図って、気体から熱が回収できるため、加熱用流体に液体を用いる必要がなくなり、水循環ポンプや熱交換器などを省いて、省スペース化を図ることで、結果的に燃料電池発電設備の小型化に貢献できる。

（２）（１）に記載の燃料電池発電設備において、前記加熱部に備える前記板状部材のうち、第１板状部材と第２板状部材の間には金属製の波板が配置され、該波板により前記第１板状部材の一面と前記第２板状部材の一面とが接続され、前記第１板状部材と前記第２板状部材と前記波板の間を、前記気体が通されることで、前記加熱部により前記気体から熱を回収すること、が好ましい。

上記（２）に記載の態様により、加熱部に備える板状部材の間に波板を配置する事で、加熱部の伝熱性を更に高めることに貢献する。このことは、加熱部の小型化に貢献できるので、全体的な設備の小型化に寄与することが可能となる。

（３）（２）に記載の燃料電池発電設備において、前記加熱部には、前記気体を導き、前記板状部材を覆うための加熱側容器が備えられ、該加熱側容器の下部にはドレン回収口が配置され、該ドレン回収口から前記発電部で使用可能な純水を精製する水処理部までを繋ぐ流路が設けられていること、が好ましい。

上記（３）に記載の態様により、板状部材によって熱を奪われることで、気体から水分が凝縮してドレンとなり、これを発電部で利用可能となるので、外部からの水の供給が不要となる、或いは供給量を絞ることができるので、燃料電池発電設備による効率的な発電が可能となる。

本実施形態の、燃料電池発電設備のブロック図である。 本実施形態の、熱回収部の模式図である。 本実施形態の、熱回収部の断面図である。

まず、本発明の実施形態について図面を用いて説明を行う。図１に、本実施形態の、燃料電池発電設備２００のブロック図を示す。燃料電池発電設備２００は、発電部１０と熱回収部２０と水処理部３０と貯湯槽４０を備えている。発電部１０には外部より都市ガスラインＬ１が接続されており、発電部１０からは熱回収部２０に排ガスラインＬ２が接続されている。熱回収部２０からは、水処理部３０とドレンラインＬ４によって接続され、貯湯槽４０と給湯ラインＬ３によって接続される。水処理部３０からは発電部１０に給水ラインＬ５で接続される。

図２に、熱回収部２０の模式図を示す。図３に、熱回収部２０の断面図を示す。図３は、図２のＡＡ断面にあたる。熱回収部２０には、ヒートパイプ１００を備えている。ヒートパイプ１００は、放熱側容器１１１の内部に挿入されている放熱部１１０と、蓄熱部容器１２１を貫通している蓄熱部１２０、加熱側容器１３１の内部に挿入されている加熱部１３０よりなる。放熱部１１０と蓄熱部１２０、蓄熱部１２０と加熱部１３０はそれぞれ端部が繋がっている。このヒートパイプ１００の内部は図示しない中空構造となっており、その内壁に沿ってウィックと呼ばれる毛細管構造を持たせた素材が設けられている。

また、ヒートパイプ１００内部には作動液と呼ばれる液体が封入されている。ここで作動液は特に限定しないが、水など腐食性や毒性が低く、可燃性のない流体が好ましい。この作動液が蒸気流となってヒートパイプ１００内部を移動し、ウィックによる毛細管現象によって蒸気流とは逆方向に作動液が移動する。こうした作動液の動きによって熱伝達がスムーズに行われる。

放熱部１１０と蓄熱部１２０が中空の棒状に形成されているのに対して、加熱部１３０は、図３に示される様に５枚の板状部材１３２を積層して形成し、その板状部材１３２の間に金属製の波板１３３が配置されている。便宜上、板状部材１３２を、第１板状部材１３２ａ、第２板状部材１３２ｂ、第３板状部材１３２ｃ、第４板状部材１３２ｄ、及び第５板状部材１３２ｅとするが、特に断り無く板状部材１３２と記載する場合は、第１板状部材１３２ａ乃至第５板状部材１３２ｅのうちの何れか１つ又は全てを指すものとする。なお、本実施形態では板状部材１３２を５枚としているが、この枚数はあくまで一例に過ぎず、必要に応じて適宜変更することが望ましい。

板状部材１３２と波板１３３との関係については、例えば、第１板状部材１３２ａと第２板状部材１３２ｂの間にそれぞれの面に接するように波板１３３が配置され、板状部材１３２と波板１３３との間には、通路１３５が形成される。これら板状部材１３２は扁平に形成されており、内部にはウィックが配置され、蓄熱部１２０と放熱部１１０の空洞部分と連通する構造になっている。なお、近年の研究ではウィックを用いない平板であっても一定の効果は得られることが分かっているが、ウィックを内部に配置した方が効果は高くなるため、ウィックを用いた板状部材１３２を用いることが好ましい。

加熱部１３０は、加熱側容器１３１の内部に配置されていて、加熱側容器１３１には、排熱供給口１３６とドレン排出口１３７、排ガス排出口１３４が備えられている。排熱供給口１３６は、排ガスラインＬ２と接続されている。また、ドレン排出口１３７はドレンラインＬ４に接続されている。

ヒートパイプ１００に設けられた蓄熱部１２０は、蓄熱部容器１２１の内部を貫通して設けられている。蓄熱部容器１２１の内部には、蓄熱材１２２が備えられている。蓄熱材１２２は潜熱蓄熱に適した中温型か高温型の原料を用いたものが望ましく、例えばミョウバン水和物や水酸化されたアルカリ土類金属の水和物などが考えられる。蓄熱材１２２は、ヒートパイプ１００の蓄熱部１２０を取り囲むように配置されている。

ヒートパイプ１００に設けられた放熱部１１０は、放熱側容器１１１の内部に配置されている。放熱側容器１１１には、取水口１１２と排出口１１３が設けられており、内部は放熱用流体として用いる水で満たされている。排出口１１３は図１に示す給湯ラインＬ３に接続され、貯湯槽４０へと温められた水（お湯）が送られる。なお、ヒートパイプ１００の放熱部１１０に関しても、必要に応じて加熱部１３０に用いた板状部材１３２を積層するような構成を用いる事が好ましい。

また、放熱側容器１１１と蓄熱部容器１２１と加熱側容器１３１はそれぞれ離間し、ヒートパイプ１００が外部にむき出しになるような図となっているが、実際には、放熱側容器１１１と蓄熱部容器１２１の間、蓄熱部容器１２１と加熱側容器１３１の間のヒートパイプ１００の外部には適切な断熱処理が行われている。

本実施形態の作用について次に説明を行う。図１に示される燃料電池発電設備２００の発電部１０には、都市ガスラインＬ１より都市ガスが供給される。そして、都市ガスを元に水素を取り出し、空気中の酸素と反応させて電気を取り出す。この電気は図示しない制御盤に送られる。一方、発電部１０では化学反応に伴う熱が発生するため、これを冷却するための図示しない冷却装置により発電部１０は冷却され、その排ガスは排ガスラインＬ２を通じて熱回収部２０に供給される。

熱回収部２０では、図２に示される様に排ガスラインＬ２に接続した排熱供給口１３６から供給された熱い空気（排ガス）は、ヒートパイプ１００の加熱部１３０の波板１３３と板状部材１３２の間を通されて加熱部１３０に熱を伝えながら排ガス排出口１３４へと通される。この際に、排ガス中の水分などが凝縮してドリップとして生じるので、この水分はドレン排出口１３７よりドレンラインＬ４へと流される。一方、加熱部１３０の熱はヒートパイプ１００の効果によって、蓄熱部１２０及び放熱部１１０へと伝達される。

ヒートパイプ１００の蓄熱部１２０に熱が伝達されることで、蓄熱部容器１２１内部に用意された蓄熱材１２２に熱が蓄積される。そして、ヒートパイプ１００の放熱部１１０に熱が伝えられ、図示しない水道などと接続される取水口１１２から放熱側容器１１１に取り入れられた水に、放熱部１１０から伝えられた熱によって加熱をし、給湯ラインＬ３を介して貯湯槽４０に温められたお湯を供給する。なお、ドレンラインＬ４から水処理部３０に送られた水は、水処理部３０に備えられたイオン交換樹脂によって処理された後に、給水ラインＬ５を介して発電部１０に供給される。発電部１０で使用される水は、このドレンで概ね賄うことが可能である。

本実施形態の燃料電池発電設備２００は上記構成であるので、下記に説明する作用・効果を奏する。

まず、効果として、燃料電池発電設備２００の小型化が実現できる。これは、本実施形態の発電部１０と熱回収部２０を備える燃料電池発電設備２００において、熱回収部２０にヒートパイプ１００を備え、ヒートパイプ１００は、扁平に成形された複数重ねられた板状部材１３２よりなる加熱部１３０と、板状部材１３２の端部が接続され蓄熱材を周囲に備えてなる蓄熱部１２０と、蓄熱部１２０の端部に接続される放熱用流体を周囲に流す放熱部１１０よりなり、発電部１０から気体を介して排出される熱を、気体を板状部材１３２の間を通すことにより加熱部１３０にて回収し、加熱部１３０で回収した熱を、蓄熱部１２０で蓄熱し、加熱部１３０又は蓄熱部１２０から伝えられる熱を、放熱部１１０より放熱用流体に伝えること、を特徴とするからである。

また、加熱部１３０に備える板状部材１３２のうち、第１板状部材１３２ａと第２板状部材１３２ｂの間には金属製の波板１３３が配置され、波板１３３により第１板状部材１３２ａの一面と第２板状部材１３２ｂの一面とが接続され、第１板状部材１３２ａと第２板状部材１３２ｂと波板１３３の間を、気体が通されることで、加熱部１３０により気体からの熱を回収すること、が好ましい。

上述したように、本実施形態の燃料電池発電設備２００には、熱回収部２０にヒートパイプ１００を用いている。ここで、ヒートパイプ１００の加熱部１３０には、板状部材１３２を複数重ねて積層した構成とし、第１板状部材１３２ａと第２板状部材１３２ｂの間には金属製の波板１３３が配置されている。この様に加熱部１３０の表面積を広げるように板状部材１３２を積層し、その間に波板１３３を配置したことで、発電部１０から発生する熱の回収効率を高めることが可能となった。このような加熱部１３０を備える事で、加熱部１３０に発電部１０からの排ガスをそのまま通し、排ガスからの熱回収が可能となる。

この結果、特許文献１に示される様な排熱回収水を利用した熱回収を行う必要がなくなり、排熱回収水を利用するにあたって必要となる熱交換器や水循環ポンプなどの設備を必要としなくなって、結果的に熱回収部２０をコンパクトにすることが可能となる。発電部１０には、都市ガスから水素を取り出し、水素と酸素と反応させる過程で熱が発生する。これを適宜冷却する必要があるが、空冷してその排ガスを加熱部１３０に流して、ヒートパイプ１００による熱回収が可能となることで、燃料電池発電設備２００の小型化に貢献ができる。

また、熱回収部２０に蓄熱部１２０を備えて、蓄熱部１２０の蓄熱部容器１２１内部に用意された蓄熱材１２２にヒートパイプ１００を通じて伝えられる熱が蓄熱される。この蓄熱材１２２に蓄熱できる単位体積あたりの蓄熱量は、潜熱により蓄熱する場合の温水の単位体積あたりの蓄熱量よりも多くなる。よって、貯湯槽４０の大きさを以前よりも小さくすることが可能となる。貯湯槽４０の容量は、従来は例えば小型なものでも２５Ｌ程度、大きなものでは１５０Ｌ程度に設定されている。そして、貯湯槽４０を燃料電池発電設備２００と一体化することで、設備全体の大きさを小さくするよう工夫されているが、貯湯槽４０の容量を減らすことが可能となることで燃料電池発電設備２００の小型化を一層進められる。場合によっては貯湯槽４０を燃料電池発電設備２００内部に設けず、熱回収部２０より直接給湯するというようなことも可能となる。

こうした燃料電池発電設備２００の小型化は、既に給湯設備を備えている家庭にて、燃料電池発電設備２００を追加で設置しようと考えた場合に、大きなメリットとなる。従来技術で示した通り、燃料電池発電設備２００の効率が向上したことで、コージェネレーションに拘らなくともコストメリットが出るようになってきている。また、既に給湯設備がある場合には、貯湯槽４０に大量のお湯を作ったとしても使い切れないといった問題が生じる事もある。つまり、別の給湯設備が既にある場合には、燃料電池発電設備２００のコージェネレーションを生かし切れない可能性がある。そして、大きな貯湯槽が既に別設備として設置されている場合には、燃料電池発電設備２００に大きな設置場所を必要としない方がメリットは大きくなる。

この様な事情から、燃料電池発電設備２００が発する熱の回収を気体によって行い、又、蓄熱部１２０に蓄熱材１２２を用いることで、燃料電池発電設備２００の薄型化や小型化などが実現できる。装置の小型化によって設置する場所の選択肢を増やせることは、ユーザーにとっても大きなメリットとなる。更に、加熱部１３０からの凝結水を回収して発電部１０に供給する構成なので、その点もコストメリットに繋がる。

以上、本発明に係る燃料電池発電設備２００の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、図１に示すような貯湯槽４０だが、熱回収部２０の蓄熱部１２０に十分に熱量を蓄熱することができれば、貯湯槽４０の大きさは更に小さくすることが可能となる。また、ヒートパイプ１００の加熱部１３０だけが板状部材１３２を積層して構成されているが、放熱部１１０側にも設けることを妨げない。

１０ 発電部
２０ 熱回収部
３０ 水処理部
４０ 貯湯槽
１００ ヒートパイプ
１１０ 放熱部
１２０ 蓄熱部
１３０ 加熱部
１３１ 加熱側容器
１３２ 板状部材
１３３ 波板
２００ 燃料電池発電設備
Ｌ１ 都市ガスライン
Ｌ２ 排ガスライン
Ｌ３ 給湯ライン
Ｌ４ ドレンライン
Ｌ５ 給水ライン

Claims (3)

1. 発電部と熱回収部を備える燃料電池発電設備において、
   前記熱回収部にヒートパイプを備え、該ヒートパイプは、扁平に成形された複数重ねられた板状部材よりなる加熱部と、前記板状部材の端部が接続され蓄熱材を周囲に備えてなる蓄熱部と、該蓄熱部の端部に接続される放熱用流体を周囲に流す放熱部よりなり、
   前記発電部から気体を介して排出される熱を、前記気体を前記板状部材の間を通すことにより前記加熱部にて回収し、
   前記加熱部で回収した熱を、前記蓄熱部で蓄熱し、
   前記加熱部又は前記蓄熱部から伝えられる熱を、前記放熱部より前記放熱用流体に伝えること、
   を特徴とする燃料電池発電設備。
2. 請求項１に記載の燃料電池発電設備において、
   前記加熱部に備える前記板状部材のうち、第１板状部材と第２板状部材の間には金属製の波板が配置され、該波板により前記第１板状部材の一面と前記第２板状部材の一面とが接続され、
   前記第１板状部材と前記第２板状部材と前記波板の間を、前記気体が通されることで、前記加熱部により前記気体から熱を回収すること、
   を特徴とする燃料電池発電設備。
3. 請求項２に記載の燃料電池発電設備において、
   前記加熱部には、前記気体を導き、前記板状部材を覆うための加熱側容器が備えられ、該加熱側容器の下部にはドレン回収口が配置され、該ドレン回収口から前記発電部で使用可能な純水を精製する水処理部までを繋ぐ流路が設けられていること、
   を特徴とする燃料電池発電設備。

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