JP2021046980A - Heat exchanging device and fuel cell system - Google Patents
Heat exchanging device and fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2021046980A JP2021046980A JP2019170527A JP2019170527A JP2021046980A JP 2021046980 A JP2021046980 A JP 2021046980A JP 2019170527 A JP2019170527 A JP 2019170527A JP 2019170527 A JP2019170527 A JP 2019170527A JP 2021046980 A JP2021046980 A JP 2021046980A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- heat
- medium
- heat medium
- water supply
- hot water
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Details Of Fluid Heaters (AREA)
- Details Of Heat-Exchange And Heat-Transfer (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
- Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)
Abstract
Description
本開示は、熱交換装置、及び燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to heat exchangers and fuel cell systems.
従来、熱交換器を備えた給湯装置として、例えば特許文献1に示すように、蓄熱用流体を貯留するタンクの内部に給湯用熱交換器を配置し、電動ポンプによって汲み上げられた蓄熱用流体が流れる一次側通路と、給湯用配管に接続された二次側通路とを備えたものが開示されている。 Conventionally, as a hot water supply device equipped with a heat exchanger, for example, as shown in Patent Document 1, a hot water supply heat exchanger is arranged inside a tank for storing a heat storage fluid, and the heat storage fluid pumped up by an electric pump is used. Those provided with a flowing primary side passage and a secondary side passage connected to a hot water supply pipe are disclosed.
ところで、上述のような給湯装置では、給湯水を温めるために蓄熱用流体をポンプで汲み上げる必要があり、熱交換装置の簡素化という点で未だ改善の余地があった。 By the way, in the above-mentioned hot water supply device, it is necessary to pump the heat storage fluid in order to heat the hot water supply, and there is still room for improvement in terms of simplification of the heat exchange device.
本開示は、このような問題点を解決することを課題とするものであり、その目的は、ポンプを用いない簡素な構成でも媒体間で熱交換が可能な熱交換装置、及び燃料電池システムを提案することである。 An object of the present disclosure is to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a heat exchange device and a fuel cell system capable of heat exchange between media even in a simple configuration without using a pump. To make a suggestion.
本開示の熱交換装置は、循環熱媒体を収容する熱媒タンクと、前記熱媒タンクの下部開口に連結され、流入する加熱媒体と熱交換して前記循環熱媒体を加熱する加熱用熱交換器と、前記熱媒タンクの上部開口に連結されると共に前記加熱用熱交換器の上方に配置され、前記循環熱媒体と熱交換して給湯水を加熱する給湯用熱交換器とを備えることを特徴とする。 The heat exchange apparatus of the present disclosure is a heat exchange for heating that is connected to a heat medium tank accommodating a circulating heat medium and a lower opening of the heat medium tank and exchanges heat with an inflowing heating medium to heat the circulating heat medium. A hot water supply heat exchanger connected to the upper opening of the heat medium tank and arranged above the heating heat exchanger to exchange heat with the circulating heat medium to heat hot water supply water. It is characterized by.
本開示の燃料電池システムは、燃料電池装置と、前記熱交換装置とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池装置における燃料の燃焼によって生成された排ガスを加熱媒体として前記熱交換装置を作動させることを特徴とする。 The fuel cell system of the present disclosure is a fuel cell system including a fuel cell device and the heat exchange device, and operates the heat exchange device using exhaust gas generated by combustion of fuel in the fuel cell device as a heating medium. It is characterized by letting it.
本開示によれば、ポンプを用いない簡素な構成でも媒体間で熱交換が可能な熱交換装置、及び燃料電池システムを提案することができる。 According to the present disclosure, it is possible to propose a heat exchange device and a fuel cell system capable of heat exchange between media even with a simple configuration without using a pump.
以下、図面を参照して、本開示をより具体的に説明する。 Hereinafter, the present disclosure will be described in more detail with reference to the drawings.
(熱交換装置の構成)
図1は、本開示の一実施形態である熱交換装置100と、後述する燃料電池装置200の基幹部材であり熱交換装置100に加熱媒体である排ガスHMを供給する燃料電池モジュール136とを示す。熱交換装置100は、給湯水WM等を温める循環熱媒体CMを収容する熱媒タンク10と、熱媒タンク10の下部開口12に熱媒流路20を介して連結され、燃料電池モジュール136から供給される加熱媒体(排ガスHM)と熱交換して循環熱媒体CMを加熱する加熱用熱交換器30と、熱媒タンク10の上部開口14に熱媒流路20を介して連結されると共に加熱用熱交換器30の上方に配置され、循環熱媒体CMと熱交換して給湯水WMを加熱する給湯用熱交換器50とを備えている。本実施形態では、加熱媒体である排ガスHMは、燃料電池モジュール136において原燃料から生成された水素の燃焼により生成される高温ガスであり、燃料電池モジュール136に接続された排気ダクト60を経由して加熱用熱交換器30に供給されている。また、給湯水WMは、水道管から給水管70経由で給湯用熱交換器50に供給され、給湯用熱交換器50で加熱された給湯水WMは給湯管72経由で浴室やキッチン等に供給される。
(Structure of heat exchanger)
FIG. 1 shows a
なお、本明細書、特許請求の範囲、要約書および図面では、熱媒タンク10の上部開口14が位置する側を上方(図1における上側)とし、熱媒タンク10の下部開口12が位置する側を下方(図1における下側)とする。また、図1において紙面に垂直な手前方向を前方、紙面に垂直な奥行き方向を後方とする。
In the present specification, claims, abstract and drawings, the side where the
加熱用熱交換器30は、排ガスHM(加熱媒体)と循環熱媒体CMとで熱交換を行わせる熱交換器である。本実施形態において、加熱用熱交換器30は、図1及び図3に示すように、燃料電池モジュール136からの排ガスHMを加熱媒体として排気ダクト60経由で取り込み、加熱用熱交換器30内を流れる循環熱媒体CMと熱交換させる。
The
図3及び図4に、加熱用熱交換器30の詳細な構成を示す。加熱用熱交換器30は、図3の右上から左下に向かって延びる略円筒形状を備えており、燃料電池モジュール136からの排ガスHMが加熱用熱交換器30の長手方向に沿って流れている。加熱用熱交換器30は、内部に同心状に3つの媒体流路を備えている。3つの媒体流路は、最外周に設けられ循環熱媒体CMが通る第1循環媒体流路CC1と、最内周に設けられ循環熱媒体CMが通る第2循環媒体流路CC2と、第1循環媒体流路CC1と第2循環媒体流路CC2の間の径方向位置に設けられ燃料電池モジュール136からの排ガスHMが通る加熱媒体流路HCとを備えている。すなわち、加熱媒体流路HCの径方向両側に第1循環媒体流路CC1及び第2循環媒体流路CC2が隣接して配置されている。
3 and 4 show a detailed configuration of the
本実施形態に係る熱交換装置100は、燃料電池モジュール136からの排ガスHMを加熱媒体として循環熱媒体CMとの熱交換を行わせる。排ガスHMは、燃料電池モジュール136において原燃料(例えば都市ガス等)に対して後述する改質器135を通して得られた水素に、酸素含有ガスを供給し燃焼させることによって排出される高温の二酸化炭素や水(水蒸気)等が主成分である。本実施形態では、循環熱媒体CMとして水道水を用いているが、比熱が大きく導管を腐食させない他の様々な媒体を用いてもよい。
The
加熱用熱交換器30の上方(図3の右上)から排気ダクト60経由で供給された排ガスHMは、加熱用熱交換器30内の加熱媒体流路HCを経由して流れ、循環熱媒体CMと熱交換した後に加熱用熱交換器30の下方(図3の左下)に設けられた排ガス流出口38から外部に排出される。加熱媒体流路HCは、図3及び図4に示すように、排ガスHMの流動方向に直交する径方向において第1循環媒体流路CC1と第2循環媒体流路CC2の間に挟まれているので、排ガスHMから外部に逃げる熱量を低減して、排ガスHMの熱を効率よく循環熱媒体CMに伝えることができる。
The exhaust gas HM supplied from above the heating heat exchanger 30 (upper right in FIG. 3) via the
なお、本実施形態では、第1循環媒体流路CC1、加熱媒体流路HC及び第2循環媒体流路CC2が略同心状に配置されるように構成したが、この態様には限定されない。第1循環媒体流路CC1、加熱媒体流路HC及び第2循環媒体流路CC2は、互いに偏心して配置されていてもよい。また、第1循環媒体流路CC1、加熱媒体流路HC及び第2循環媒体流路CC2がこの順序で排ガスHMの流動方向に直交する一方向に並んでいてもよい。 In the present embodiment, the first circulation medium flow path CC1, the heating medium flow path HC, and the second circulation medium flow path CC2 are arranged so as to be substantially concentrically arranged, but the present embodiment is not limited to this embodiment. The first circulation medium flow path CC1, the heating medium flow path HC, and the second circulation medium flow path CC2 may be arranged eccentrically with each other. Further, the first circulation medium flow path CC1, the heating medium flow path HC, and the second circulation medium flow path CC2 may be arranged in this order in one direction orthogonal to the flow direction of the exhaust gas HM.
加熱用熱交換器30の第1循環媒体流路CC1及び第2循環媒体流路CC2には、熱媒タンク10の下部開口12から熱媒流路20を介して循環熱媒体CMが供給されている。第1循環媒体流路CC1及び第2循環媒体流路CC2に供給された循環熱媒体CMは、排ガスHMから供給された熱により温度上昇する。そして、後述する給湯水流路WC1,WC2に低温の給湯水WMが供給されていないとき、加熱された循環熱媒体CMは対流により加熱用熱交換器30と第2給湯用熱交換器50Bとの境界部に設けられた連通口32を経由して上昇し、給湯用熱交換器50へと向かう。なお、加熱用熱交換器30と給湯用熱交換器50とは、熱媒流路20を介して連結されてもよい。
Circulating heat medium CM is supplied to the first circulation medium flow path CC1 and the second circulation medium flow path CC2 of the
加熱用熱交換器30の上方には、熱媒タンク10の上部開口14に熱媒流路20を介して連結された給湯用熱交換器50が設けられている。給湯用熱交換器50は、図3に示すように、上部開口14に連通し図3の左上から右下に向けて延びる第1給湯用熱交換器50Aと、第1給湯用熱交換器50Aの下端部に連結され、図3の右上から左下に向けて加熱用熱交換器30に沿って延びる第2給湯用熱交換器50Bとを備えている。
Above the
第1給湯用熱交換器50A及び第2給湯用熱交換器50Bは、内部に同心状に2つの媒体流路を備えている。2つの媒体流路は、外周側に設けられ循環熱媒体CMが通る外側循環流路CO1,CO2、並びに内周側に設けられ給湯水WMが通る給湯水流路WC1,WC2とを備えている。すなわち、第1給湯用熱交換器50A及び第2給湯用熱交換器50Bの内部において、給湯水WMが通る給湯水流路WC1,WC2と循環熱媒体CMが通る外側循環流路CO1,CO2とが径方向に隣接して配置されている。また、給湯水流路WC1,WC2を形成する導管の外周面から径方向外側に熱回収用フィンHF1,HF2が突出している。熱回収用フィンHF1,HF2の材質には、例えばステンレス鋼、銅、若しくはアルミニウム等の金属、又はそれらを含む合金等を用いることができる。また、熱回収用フィンHF1,HF2は、給湯水流路WC1,WC2を形成する導管と一体形成することができる。他方、外側循環流路CO1,CO2の外側を画定する導管は、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等の合成樹脂材料のブロー成形等によって形作ることができる。しかし、この態様に限定されず、他の合成樹脂材料や金属材料を用いて形成することもできる。給湯水流路WC1,WC2は、図3に示すように連結流路WCCにより連結されている。
The first hot water
第2給湯用熱交換器50Bの外側循環流路CO2と、加熱用熱交換器30の第1循環媒体流路CC1とは、図3に示すように、連通口32を介して互いに連通している。また、第1給湯用熱交換器50Aの外側循環流路CO1及び第2給湯用熱交換器50Bの外側循環流路CO2は、図3に示す連結部52を介して連通している。これによって、給湯水流路WC1,WC2に低温の給湯水WMが供給されていないとき、熱媒タンク10の下部開口12から供給され排ガスHMにより加熱された循環熱媒体CMは、対流により上昇して、加熱用熱交換器30の第1循環媒体流路CC1及び第2循環媒体流路CC2から、第2給湯用熱交換器50Bの外側循環流路CO2及び第1給湯用熱交換器50Aの外側循環流路CO1を経由して、上部開口14から熱媒タンク10内へと戻る。このような構成によって、熱媒流路20にポンプを設けなくても、循環熱媒体CMの上下方向の温度差に起因する対流によって、循環熱媒体CMを加熱して上昇させ、熱媒タンク10に還流させることができる。
As shown in FIG. 3, the outer circulation flow path CO2 of the second hot water
次に熱媒タンク10の構成について説明する。熱媒タンク10は、内部に循環熱媒体CMの収容空間を備えた容器体であり、図2に示すように、加熱用熱交換器30と接続される下部開口12と、給湯用熱交換器50(第1給湯用熱交換器50A)と接続される上部開口14と、熱媒タンク10の側面に形成される複数の凸部13とを備えている。また、熱媒タンク10は、断熱材11により覆われると共に、熱媒タンク10の下部側面には、図1、図5及び図6に示すように、熱媒タンク10を冷却するための冷却用ファン16が配置されている。
Next, the configuration of the
図5及び図6は、図1に示す熱交換装置100を左斜め後方から見た図である。図5は断熱材11を装着した使用時の状態を示し、図6は、図5の状態から断熱材11のみを取り外した状態を示している。断熱材11の下部後方には、冷却用ファン16から取り込んだ空気を排出するための開口15が設けられている。
5 and 6 are views of the
図6に示すように、冷却用ファン16の上方における熱媒タンク10の側面には、複数の凸部13Aが二次元的に配置されている。凸部13Aは、熱媒タンク10に断熱材11を装着したときに、凸部13Aの頂部が断熱材11の裏面に当接するように構成されている。これによって、複数の凸部13Aの間の領域は、冷却用ファン16によって外部から取り込まれた空気を上方に導く第1空気流路CUを構成している。つまり第1空気流路CUは、冷却用ファン16と熱媒タンク10の上部側面とを連通させている。
As shown in FIG. 6, a plurality of
熱媒タンク10の後部側面には、更なる凸部13Bが略鉛直方向に複数並べられている。凸部13Bについても、熱媒タンク10に断熱材11を装着したときに、凸部13Bの頂部が断熱材11の裏面に当接するように構成されている。これによって、凸部13Bに隣接する断熱材11と熱媒タンク10の側面との間の領域は第2空気流路CDを構成する。第2空気流路CDは、冷却用ファン16によって第1空気流路CU経由で熱媒タンク10の上部の水平流路CHに導かれた空気を、更に開口15まで下方に導く。従って、熱媒タンク10内の循環熱媒体CMが所定温度以上になった場合に冷却用ファン16を作動させ、空気が熱媒タンク10の側面を強制対流することにより熱媒タンク10内の循環熱媒体CMを効率的に冷却することができる。上記所定温度は、例えば75℃とすることができる。
On the rear side surface of the
他方、例えば燃料電池装置200の始動時など循環熱媒体CMの熱を用いて燃料電池装置200の始動を促進したい場合には、冷却用ファン16の作動を停止させる。これによって、熱媒タンク10の側面における空気の強制対流を停止させることができる。本実施形態では、図6に示す第1空気流路CU、水平流路CH及び第2空気流路CDからなる空気流路は、熱媒タンク10の下部のみにおいて外部に開放され、熱媒タンク10の上部では外部に対して開放されていない。そのため、冷却用ファン16を作動させていない状態において、熱媒タンク10の側面によって温められた空気は上方に移動し、水平流路CH及びその近傍に滞留する。従って、熱媒タンク10の側面において自然対流が起こりにくくすることができるので、熱媒タンク10内の循環熱媒体CMの温度を下がりにくくすることができる。
On the other hand, when it is desired to promote the start of the
本実施形態において、熱媒タンク10は、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等の合成樹脂材料のブロー成形等によって形作ることができる。しかし、この態様に限定されず、熱媒タンク10は、他の合成樹脂材料や金属材料を用いて形成することもできる。
In the present embodiment, the
次に、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム300について図7等を用いて説明する。
Next, the
本実施形態に係る燃料電池システム300は、上述の熱交換装置100と、熱交換装置100に加熱媒体としての排ガスHMを供給する燃料電池装置200とを備えている。
The
図7に示す燃料電池装置200は、都市ガス等の原燃料を供給する原燃料供給装置132と、燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給装置133と、セルスタック134及び改質器135を有する燃料電池モジュール136とを備えている。なお、図7に示す燃料電池装置200では、燃料電池モジュール136を二点鎖線によって囲んで示している。セルスタック134としては、例えば固体酸化物形の燃料電池セルを組み合わせたものとすることができる。
The
燃料電池モジュール136のセルスタック134を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガスHMは、図1及び図7に示すように排気ダクト60を経由して熱交換装置100の加熱用熱交換器30に供給される。また、燃料電池装置200は、排ガスHMが加熱用熱交換器30において循環熱媒体CMと熱交換を行うことで生成された水を純水に処理するための水処理装置138と、水処理装置138にて処理された純水を貯水するための水タンク139とを備えている。水タンク139と加熱用熱交換器30との間は水供給管140により接続されている。また、水タンク139に貯水された水は、水供給管141を通じて改質器135に供給されている。
As shown in FIGS. 1 and 7, the exhaust gas HM generated by the power generation of the fuel cell cells constituting the
燃料電池装置200は、更に、各種機器の動作を制御する制御部143と、燃料電池モジュール136において発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電力を外部負荷等に供給する電力調整部144とを備えている。
The
制御部143は、燃料電池モジュール136における発電に合わせて、原燃料供給装置132及び酸素含有ガス供給装置133等の各装置の動作を制御する。これによって、改質器135に原燃料と水が供給され、改質器135で水蒸気改質を行うことにより、水素を含む燃料ガスが生成されて燃料電池セルに供給される。また、制御部143は、酸素含有ガス供給装置133を動作させることにより、燃料電池セルに酸素含有ガスを供給する。図7において制御信号の流れを破線で示している。各制御信号は、有線又は無線のいずれの手段を用いて送受信されてもよい。
The
また、制御部143は、熱媒タンク10内の温度を取得し、その結果に基づいて熱交換装置100内の冷却用ファン16を制御する。なお、熱交換装置100内の循環熱媒体CMを後述する循環ポンプ40で循環させるようにして、制御部143が当該循環ポンプ40の制御を行うようにしてもよい。
Further, the
制御部143は、マイクロコンピュータを有しており、入出力インターフェイス、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random-Access Memory)およびROM(Read-Only Memory)等を備えている。CPUは、制御プログラムを実行することができる。RAMは、例えばプログラムの実行に必要な変数や演算結果を一時的に記憶することができ、ROMは、例えば制御プログラムを記憶することができる。
The
(循環熱媒体の加熱時)
次に、燃料電池モジュール136からの排ガスHMにより循環熱媒体CMを加熱する手順について図3等を用いて説明する。なお、ここでは、給湯水流路WC1,WC2に低温の給湯水WMが連続的に供給されていないとして説明する。循環熱媒体CMを加熱する際は、燃料電池モジュール136からの排ガスHMを加熱媒体として循環熱媒体CMと熱交換を行わせる。加熱用熱交換器30の上方(図3の右上)から排気ダクト60経由で供給された排ガスHMは、加熱用熱交換器30内の加熱媒体流路HCを経由して流れ、循環熱媒体CMと熱交換した後に加熱用熱交換器30の下方(図3の左下)に設けられた排ガス流出口38から外部に排出される(排ガスHMの流れを図3に黒矢印で示している)。
(When heating the circulating heat medium)
Next, a procedure for heating the circulating heat medium CM with the exhaust gas HM from the
加熱用熱交換器30の第1循環媒体流路CC1及び第2循環媒体流路CC2には、熱媒タンク10の下部開口12から循環熱媒体CMが供給されている(循環熱媒体CMの流れを図3に白矢印で示している)。循環熱媒体CMは、排ガスHMから供給された熱により温度上昇し、対流により加熱用熱交換器30と第2給湯用熱交換器50Bとの境界部に設けられた連通口32を経由して上昇し、給湯用熱交換器50へと向かう。
Circulating heat medium CM is supplied to the first circulation medium flow path CC1 and the second circulation medium flow path CC2 of the
対流により上昇した循環熱媒体CMは、第2給湯用熱交換器50Bの外側循環流路CO2及び第1給湯用熱交換器50Aの外側循環流路CO1を経由して、上部開口14から熱媒タンク10内へと戻る。このような構成によって、熱媒流路20中にポンプを設けなくても、循環熱媒体CMを排ガスHMにより加熱して、循環熱媒体CMの上下方向の温度差に起因する対流によって上昇させることで再び熱媒タンク10に還流させることができる。
The circulating heat medium CM raised by convection passes through the outer circulation flow path CO2 of the second hot water
なお、図7において、循環熱媒体CMを加熱する際の循環熱媒体CMの流れ方向を実線矢印で示している。 In FIG. 7, the flow direction of the circulating heat medium CM when the circulating heat medium CM is heated is indicated by a solid arrow.
(給湯水の加熱時)
次に、循環熱媒体CMにより給湯水WMを加熱する手順について説明する。給湯水WMを加熱するには、図3の状態から、図8に示すように給湯水流路WC1,WC2に低温の給湯水WMを供給する。図3の例では上方から下方に向けて流れるように給湯水WMを供給している(給湯水WMの流れを図8に黒矢印で示している)。これによって、外側循環流路CO1,CO2内の循環熱媒体CMと給湯水流路WC1,WC2内の給湯水WMとの間で熱回収用フィンHF1,HF2により効果的に熱交換が行われる。その結果、給湯水WMが加熱されると共に循環熱媒体CMが冷却される。冷却された循環熱媒体CMは、対流により下方に向かって下降する(循環熱媒体CMの流れを図8に白矢印で示している)。図3に示した「循環熱媒体の加熱」により、熱媒タンク10内の上部に高温の循環熱媒体CMが収容されている(本実施形態では、熱媒タンク10内の上部と下部の循環熱媒体CMの温度差は3〜5℃である)。そのため、図8に示す循環熱媒体CMの流動方向の逆転により、高温の循環熱媒体CMが上部開口14から継続的に外側循環流路CO1内に供給される。一方、給湯水流路WC1内には、給水管70(図1参照)から低温の給湯水WMが継続的に供給される。従って、高温の循環熱媒体CMと低温の給湯水WMとの温度差によって、循環熱媒体CMと給湯水WMとの間で効率的な熱交換が行われる。
(When heating hot water)
Next, a procedure for heating the hot water supply water WM with the circulating heat medium CM will be described. In order to heat the hot water supply water WM, a low temperature hot water supply water WM is supplied to the hot water supply water flow paths WC1 and WC2 as shown in FIG. 8 from the state of FIG. In the example of FIG. 3, the hot water supply water WM is supplied so as to flow from the upper side to the lower side (the flow of the hot water supply water WM is shown by a black arrow in FIG. 8). As a result, heat exchange is effectively performed by the heat recovery fins HF1 and HF2 between the circulating heat medium CM in the outer circulation flow paths CO1 and CO2 and the hot water supply water WM in the hot water supply water flow paths WC1 and WC2. As a result, the hot water supply water WM is heated and the circulating heat medium CM is cooled. The cooled circulating heat medium CM descends downward due to convection (the flow of the circulating heat medium CM is shown by a white arrow in FIG. 8). Due to the "heating of the circulating heat medium" shown in FIG. 3, the high-temperature circulating heat medium CM is housed in the upper part of the heat medium tank 10 (in the present embodiment, the circulation of the upper part and the lower part in the heat medium tank 10). The temperature difference of the heat medium CM is 3 to 5 ° C.). Therefore, due to the reversal of the flow direction of the circulating heat medium CM shown in FIG. 8, the high temperature circulating heat medium CM is continuously supplied into the outer circulation flow path CO1 from the
なお、本実施形態では、循環熱媒体CMと給湯水WMとの温度差を大きくするために、低温の給湯水WMを給湯水流路WC1の上方から供給するように構成したが、この態様には限定されない。低温の給湯水WMを給湯水流路WC2の下方から供給するように構成してもよい。 In the present embodiment, in order to increase the temperature difference between the circulating heat medium CM and the hot water supply water WM, the low temperature hot water supply water WM is supplied from above the hot water supply water flow path WC1. Not limited. The low-temperature hot water supply water WM may be configured to be supplied from below the hot water supply water flow path WC2.
なお、図7において、給湯水WMを加熱する際の循環熱媒体CMの流れ方向を破線矢印で示している。 In FIG. 7, the flow direction of the circulating heat medium CM when heating the hot water supply water WM is indicated by a broken line arrow.
図8の例では、給湯水WMの加熱時に排ガスHMが加熱用熱交換器30に供給されないと仮定しているがこの態様には限定されない。給湯水WMを給湯用熱交換器50により加熱しつつ、循環熱媒体CMを更に加熱用熱交換器30により加熱するようにしてもよい。
In the example of FIG. 8, it is assumed that the exhaust gas HM is not supplied to the
また、本実施形態では、低温の給湯水WMを供給することによって循環熱媒体CMの流動方向が自然対流により逆転するように構成したが、この態様には限定されない。循環熱媒体CMの流路にポンプを設けて、給湯水WMの加熱時に強制的に循環熱媒体CMを上方から下方に向けて流動するように構成してもよい。 Further, in the present embodiment, the flow direction of the circulating heat medium CM is reversed by natural convection by supplying the low-temperature hot water supply water WM, but the present embodiment is not limited to this embodiment. A pump may be provided in the flow path of the circulating heat medium CM so that the circulating heat medium CM forcibly flows from the upper side to the lower side when the hot water supply water WM is heated.
(変形例)
図9は、本実施形態の変形例を示す図である。この変形例は、図1に示す実施形態と比較して、熱媒タンク10の上部開口14と給湯用熱交換器50との間に循環ポンプ40が設けられていること、並びに第1給湯用熱交換器50A及び第2給湯用熱交換器50Bが加熱用熱交換器30と略平行になるように配置されていることを除いて概ね近似した構成を有している。ここでは、図1に示す実施形態との差異点を中心に説明する。なお、図1に示す実施形態と構成又は機能が共通する部位には同一の符号を付して説明する。
(Modification example)
FIG. 9 is a diagram showing a modified example of the present embodiment. In this modification, as compared with the embodiment shown in FIG. 1, a
図9に示す変形例では、熱媒タンク10の上部開口14と給湯用熱交換器50との間に循環ポンプ40が設けられている。循環ポンプ40は、循環熱媒体CMの流動を制御する。この変形例では、「循環熱媒体の加熱」が行われているときは、循環ポンプ40は作動させない。そして循環熱媒体CMは、排ガスHMと熱交換を行うことで加熱され、自然対流により上方へ移動する。他方、「給湯水の加熱」が行われているときは、循環ポンプ40を作動させる。すると循環熱媒体CMは、図9に白矢印で示す方向に強制対流する。これによって、高温の循環熱媒体CMが上部開口14から継続的に給湯用熱交換器50内の外側循環流路CO1に供給される。また、給湯水流路WC1内には、給水管70から低温の給湯水WMが継続的に供給される。従って、高温の循環熱媒体CMと低温の給湯水WMとの温度差によって、循環熱媒体CMと給湯水WMとの間で効率的な熱交換が行われる。特にこの変形例では、給湯開始時に循環ポンプ40を作動させ、循環熱媒体CMの流動方向を速やかに逆転させることができる。従って、給湯開始の指示を受けてから給湯水WMの温度を上昇させるまでの時間を短縮することができる。
In the modified example shown in FIG. 9, a
以上述べたように、本実施形態の熱交換装置100は、循環熱媒体CMを収容する熱媒タンク10と、熱媒タンク10の下部開口12に熱媒流路20を介して連結され、流入する加熱媒体(排ガスHM)と熱交換して循環熱媒体CMを加熱する加熱用熱交換器30と、熱媒タンク10の上部開口14に熱媒流路20を介して連結されると共に加熱用熱交換器30の上方に配置され、循環熱媒体CMと熱交換して給湯水WMを加熱する給湯用熱交換器50とを備えるように構成した。このような構成の採用によって、熱媒流路20中にポンプを設けなくても、循環熱媒体CMを排ガスHMにより加熱して、循環熱媒体CMの上下方向の温度差に起因する対流によって上昇させることで再び熱媒タンク10に還流させることができる。従って、熱交換装置100を小型化することができる。
As described above, the
また、本実施形態では、加熱用熱交換器30は、加熱媒体の流動方向に直交する方向に隣接して配置される少なくとも3つの媒体流路を有し、加熱媒体の媒体流路(加熱媒体流路HC)の両側に循環熱媒体CMの媒体流路(第1循環媒体流路CC1及び第2循環媒体流路CC2)が隣接して配置されるように構成した。このような構成の採用によって、加熱媒体流路HCは、排ガスHM(加熱媒体)の流動方向に直交する方向において第1循環媒体流路CC1と第2循環媒体流路CC2の間に挟まれているので、排ガスHMから外部に逃げる熱量を低減して、排ガスHMの熱を効率よく循環熱媒体CMに伝えることができる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施形態では、少なくとも3つの媒体流路は、加熱媒体の流動方向に直交する径方向に隣接して配置されるように構成した。このような構成の採用によって、加熱媒体流路HCは、径方向において第1循環媒体流路CC1と第2循環媒体流路CC2の間に挟まれているので、排ガスHMから外部に逃げる熱量を更に効果的に低減して、排ガスHMの熱を効率よく循環熱媒体CMに伝えることができる。 Further, in the present embodiment, at least three medium flow paths are arranged so as to be adjacent to each other in the radial direction orthogonal to the flow direction of the heating medium. By adopting such a configuration, the heating medium flow path HC is sandwiched between the first circulation medium flow path CC1 and the second circulation medium flow path CC2 in the radial direction, so that the amount of heat escaping from the exhaust gas HM to the outside can be reduced. It can be further effectively reduced and the heat of the exhaust gas HM can be efficiently transferred to the circulating heat medium CM.
また、本実施形態では、給湯用熱交換器50は、循環熱媒体CMの流動方向に直交する径方向に隣接して配置される少なくとも2つの媒体流路を有し、給湯水WMの媒体流路(給湯水流路WC1,WC2)の径方向外側に循環熱媒体CMの媒体流路(外側循環流路CO1,CO2)が隣接して配置され、循環熱媒体CMの媒体流路内には給湯水WMの媒体流路を形成する導管の外周面から径方向外側に突出する熱回収用フィンHF1,HF2が形成されるように構成した。このような構成の採用によって、給湯水流路WC1,WC2が外側循環流路CO1,CO2によって径方向外側から囲まれることに加え、熱回収用フィンHF1,HF2によって両流路間の熱交換が更に促進される。従って、循環熱媒体CMの熱を効率よく給湯水WMに伝えることができる。
Further, in the present embodiment, the hot water
また、本実施形態では、熱媒タンク10の下部側面に、冷却用ファン16が配置されるように構成した。このような構成の採用によって、冷却用ファン16からの空気が熱媒タンク10の下部側面で循環熱媒体CMにより温められて上昇する。従って、空気の強制対流に加えて自然対流が起こり易いようにして、熱媒タンク10内の循環熱媒体CMを効果的に冷却することができる。
Further, in the present embodiment, the cooling
また、本実施形態では、熱媒タンク10の側面の少なくとも一部が断熱材11により覆われており、断熱材11と熱媒タンク10の側面との間には、冷却用ファン16に連通する空気流路が形成されるように構成した。このような構成の採用によって、冷却用ファン16からの空気が、断熱材11と熱媒タンク10の側面との間の狭所を通って流れるので、強制対流により熱媒タンク10の側面における熱伝達が促進される。従って、熱媒タンク10内の循環熱媒体CMを効果的に冷却することができる。また、冷却用ファン16を作動させていないときは、熱媒タンク10の側面からの放熱が断熱材11によって低減される。従って、冷却用ファン16停止時における熱媒タンク10内の循環熱媒体CMの保温性能を向上させることができる。
Further, in the present embodiment, at least a part of the side surface of the
また、本実施形態では、断熱材11と熱媒タンク10の側面との間には、冷却用ファン16と熱媒タンク10の上部側面を連通させる第1空気流路CUと、上部側面と熱媒タンク10の下部側面に配置された開口15とを連通させる第2空気流路CDとが形成されるように構成した。このような構成の採用によって、冷却用ファン16を作動させたときは、第1空気流路CU経由で熱媒タンク10の上部に導かれた空気を更に第2空気流路CD経由で開口15まで導くことができる。従って、空気が熱媒タンク10の側面を強制対流することにより熱媒タンク10内の循環熱媒体CMを効率的に冷却することができる。他方、冷却用ファン16の作動を停止させたときは、熱媒タンク10の側面によって温められた空気は上方に移動し、水平流路CH及びその近傍に滞留する。従って、熱媒タンク10の側面において自然対流を起こりにくくすることができるので、熱媒タンク10内の循環熱媒体CMの温度を下がりにくくすることができる。
Further, in the present embodiment, between the heat insulating material 11 and the side surface of the
また、本実施形態では、熱媒タンク10の側面に、複数の凸部13が形成されるように構成した。このような構成の採用によって、熱媒タンク10の側面の表面積を増大させて、熱媒タンク10内の循環熱媒体CMを冷却し易くすることができる。また、凸部13を断熱材11で覆うことによって、容易に凸部13近傍に第1空気流路CU及び第2空気流路CDを形成することができる。更に、熱媒タンク10の側面の少なくとも一部を断熱材11で覆うことにより、凸部13の頂部が断熱材11に当接するため、熱媒タンク10が内圧によって膨らむのを低減することができる。
Further, in the present embodiment, a plurality of
また、本実施形態では、熱媒タンク10の上部開口14と給湯用熱交換器50との間に循環ポンプ40を設け、循環ポンプ40は熱媒タンク10から給湯用熱交換器50に向かう方向に循環熱媒体CMを流すように作動するように構成した。このような構成の採用によって、給湯開始時に循環ポンプ40を作動させ、循環熱媒体CMの流動方向を速やかに逆転させることができる。従って、循環熱媒体CMと給湯水WMとの熱交換の効率を向上させると共に、給湯開始の指示を受けてから給湯水WMの温度を上昇させるまでの時間を短縮することができる。
Further, in the present embodiment, a
また、本実施形態の燃料電池システム300は、燃料電池装置200と、上記いずれかの熱交換装置100とを備える燃料電池システム300であって、燃料電池装置200における燃料の燃焼によって生成された排ガスHMを加熱媒体として熱交換装置100を作動させるように構成した。このような構成の採用によって、燃料電池装置200における発電によって生成された排ガスHMを効率的に活用して給湯水WMの加熱を行うことができる。
Further, the
本開示を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部に含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部を1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。 Although the present disclosure has been described based on the drawings and examples, it should be noted that those skilled in the art can easily make various modifications and modifications based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these modifications and modifications are included in the scope of the present invention. For example, the functions included in each component can be rearranged so as not to be logically inconsistent, and a plurality of components can be combined or divided into one. It should be understood that these are also included in the scope of the present invention.
例えば、本実施形態では、加熱媒体として燃料電池装置200からの排ガスHMを利用するように構成したが、この態様には限定されない。燃料電池装置200以外の他の装置からの高温の液体又は気体を加熱媒体としてもよい。
For example, in the present embodiment, the exhaust gas HM from the
また、本実施形態では、熱媒タンク10の側面のほぼ全領域を断熱材11で覆うように構成したが、この態様には限定されない。熱媒タンク10の側面の一部のみを断熱材11によって覆うように構成してもよい。
Further, in the present embodiment, the heat insulating material 11 covers almost the entire side surface of the
また、本実施形態では、給湯水流路WC1,WC2を形成する導管の外周面から径方向外側に突出する熱回収用フィンHF1,HF2が形成されるように構成したが、この態様には限定されず、熱回収用フィンHF1,HF2を設けない構成としてもよい。また、給湯水流路WC1,WC2を形成する導管の外周面に凹凸を設けたり表面処理を施すことにより熱伝達を促進するようにしてもよい。 Further, in the present embodiment, the heat recovery fins HF1 and HF2 protruding radially outward from the outer peripheral surface of the conduit forming the hot water supply water flow paths WC1 and WC2 are formed, but the present embodiment is limited to this embodiment. Instead, the heat recovery fins HF1 and HF2 may not be provided. Further, heat transfer may be promoted by providing unevenness or surface treatment on the outer peripheral surface of the conduit forming the hot water supply water passages WC1 and WC2.
また、本実施形態では、熱媒タンク10の下部側面に、冷却用ファン16が配置されるように構成したが、この態様には限定されない。冷却用ファン16を設けない構成としてもよいし、熱媒タンク10の下部側面以外の場所に設けてもよい。また、本実施形態では、冷却用ファン16が空気を吸い込んで熱媒タンク10の側面に吹き付ける方向に作動させているが、空気を噴出させる方向に作動させてもよい。その場合、開口15が吸気口となる。
Further, in the present embodiment, the cooling
また、本実施形態では、熱媒タンク10の下部側面に冷却用ファン16及び開口15を設けるように構成したが、この態様には限定されない。冷却用ファン16及び開口15は、熱媒タンク10の下部以外の場所に配置してもよい。
Further, in the present embodiment, the cooling
また、本実施形態では、熱媒タンク10の側面に複数の凸部13を設けるように構成したが、この態様には限定されず、複数の凸部13を設けなくてもよい。また、熱媒タンク10の側面での熱伝達を促進したり、熱媒タンク10の内圧に対する変形を低減する他の形状を採用してもよい。
Further, in the present embodiment, a plurality of
本実施形態では、燃料電池装置200が備える制御部143が冷却用ファン16及び循環ポンプ等を制御するように構成したが、この態様には限定されず、熱交換装置100が独自の制御部を備え、当該独自の制御部が冷却用ファン16及び循環ポンプを制御するようにしてもよい。
In the present embodiment, the
本実施形態の熱交換装置100に供給される給湯水WMは、燃料電池装置200又は給湯装置等が有する制御部により流量制御されるように構成することができる。また、熱交換装置100が独自の制御部を備え、当該独自の制御部が給湯水WMの流量制御を行うようにしてもよい。
The hot water supply water WM supplied to the
本開示によれば、ポンプを用いない簡素な構成でも媒体間で熱交換が可能な熱交換装置100、及び燃料電池システム300を提案することが可能となる。
According to the present disclosure, it is possible to propose a
10 熱媒タンク
11 断熱材
12 下部開口
13,13A,13B 凸部
14 上部開口
15 開口
16 冷却用ファン
20 熱媒流路
30 加熱用熱交換器
32 連通口
38 排ガス流出口
40 循環ポンプ
50 給湯用熱交換器
50A 第1給湯用熱交換器
50B 第2給湯用熱交換器
52 連結部
60 排気ダクト
70 給水管
72 給湯管
100 熱交換装置
132 原燃料供給装置
133 酸素含有ガス供給装置
134 セルスタック
135 改質器
136 燃料電池モジュール
138 水処理装置
139 水タンク
140 水供給管
141 水供給管
143 制御部
144 電力調整部
CC1 第1循環媒体流路
CC2 第2循環媒体流路
CD 第2空気流路
CH 水平流路
CM 循環熱媒体
CO1,CO2 外側循環流路
CU 第1空気流路
HF1,HF2 熱回収用フィン
HC 加熱媒体流路
HM 排ガス(加熱媒体)
WC1,WC2 給湯水流路
WCC 連結流路
WM 給湯水
10 Heat medium tank 11
WC1, WC2 hot water supply flow path WCC connection flow path WM hot water supply water
Claims (10)
前記熱媒タンクの下部開口に連結され、流入する加熱媒体と熱交換して前記循環熱媒体を加熱する加熱用熱交換器と、
前記熱媒タンクの上部開口に連結されると共に前記加熱用熱交換器の上方に配置され、前記循環熱媒体と熱交換して給湯水を加熱する給湯用熱交換器と
を備えることを特徴とする熱交換装置。 A heat medium tank that houses the circulating heat medium and
A heat exchanger for heating, which is connected to the lower opening of the heat medium tank and exchanges heat with the inflowing heating medium to heat the circulating heat medium.
It is characterized by being connected to the upper opening of the heat medium tank and arranged above the heating heat exchanger, and provided with a hot water supply heat exchanger that exchanges heat with the circulating heat medium to heat the hot water supply water. Heat exchange device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019170527A JP2021046980A (en) | 2019-09-19 | 2019-09-19 | Heat exchanging device and fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019170527A JP2021046980A (en) | 2019-09-19 | 2019-09-19 | Heat exchanging device and fuel cell system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021046980A true JP2021046980A (en) | 2021-03-25 |
Family
ID=74878187
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019170527A Pending JP2021046980A (en) | 2019-09-19 | 2019-09-19 | Heat exchanging device and fuel cell system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2021046980A (en) |
-
2019
- 2019-09-19 JP JP2019170527A patent/JP2021046980A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101843380B1 (en) | Cooling and heating device | |
JP4316527B2 (en) | Regenerative heat supply device | |
CN113793947B (en) | Fuel cell waste heat utilization system and energy system | |
KR100611181B1 (en) | Fuel cell device and related control method | |
JP2008082579A (en) | Plate fin type heat exchanger and fuel cell system | |
JP2889807B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2001255010A (en) | Cogeneration system | |
JP2021046980A (en) | Heat exchanging device and fuel cell system | |
JP6376786B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5092960B2 (en) | Fuel cell cogeneration system | |
JP2018527699A (en) | Fuel cell system | |
JP2016110723A (en) | Fuel battery cogeneration system | |
JP5755963B2 (en) | Thermal storage water heater | |
JP2009026486A (en) | Fuel cell power generation device | |
JP2008309389A (en) | Hot water storage tank and heat pump water heater using the same | |
JP5854369B2 (en) | Cogeneration system | |
JP2016217670A (en) | Cogeneration system | |
JP2018160429A (en) | Fuel cell system | |
JP2019175640A (en) | Fuel cell system | |
JP4467261B2 (en) | Fuel cell cogeneration system | |
JP6304613B1 (en) | Exhaust heat hot water storage hot water supply system | |
JP5749999B2 (en) | Heat storage device | |
JP4045975B2 (en) | Hot water heater | |
JP6320233B2 (en) | Heat source device with power generation function | |
JP2018037300A (en) | Fuel battery device |