JP2022080761A - 発電給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】動作性能の高い発電給湯システムを提供する。【解決手段】発電給湯システム１０は、燃料電池モジュール１１と、燃料電池モジュール１１の排ガスと熱交換させる熱媒を貯蔵する蓄熱タンク１２と、上下方向に垂直な方向において燃料電池モジュール１１と並ぶように位置して、蓄熱タンク１２に貯蔵した熱媒を利用して湯を供給可能な給湯器１３と、を備える。発電給湯システム１０は、燃料電池モジュール１１で用いられる燃料を生成する水蒸気改質反応に用いられる水を貯蔵する水タンク２３をさらに備え、水タンク２３は、蓄熱タンク１２に近接して位置してよい。【選択図】図２

Description

本開示は、発電給湯システムに関する。

燃料電池モジュールが発電する電力と、燃料電池モジュールの発電時の排熱を利用してお湯を供給する燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、例えば給湯器などの熱源機と組み合わせて用いられる（特許文献１参照）。

特開２０２０－１６５５８２号公報

燃料電池システムと熱源機とを組み合わせるにあたっては、従来それぞれが別の構成とされていた。したがって、燃料電池システムと熱源機とを組み合わせるにあたって、それぞれの構成同士を組み合わせるなど、その組み合わせにおいて、改善の余地があった。

上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされた本開示の目的は、動作性能の高い発電給湯システムを提供することにある。

一実施形態に係る発電給湯システムは、
燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールの排ガスと熱交換させる熱媒を貯蔵する蓄熱タンクと、
上下方向に垂直な方向において前記燃料電池モジュールと並ぶように位置して、前記蓄熱タンクに貯蔵した熱媒を利用して湯を供給可能な給湯器と、を備える。
ここで、発電給湯システムは、燃料電池モジュールと給湯器とを組み合わせた燃料電池システムである。

本開示によれば、動作性能の高い発電給湯システムを提供することができる。

本実施形態に係る発電給湯システムの概略構成図である。 図１の発電給湯システムにおける燃料電池モジュール、蓄熱タンク及び給湯器の配置の例を示す、支持部の上下方向に沿った断面図である。 燃料電池モジュール、蓄熱タンク及び給湯器の配置の別の例を示す、支持部の上下方向に沿った断面図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施形態が説明される。以下の説明で用いられる図は模式的なものである。図面上の寸法比率などは現実のものと必ずしも一致していない。

図１に示すように、一実施形態に係る発電給湯システム１０は、燃料電池モジュール１１、蓄熱タンク１２及び給湯器１３を含んで構成される。発電給湯システム１０は、さらに、熱媒循環路１４、ラジエータ１５、熱媒ポンプ１６、ガス供給路１７、第１の水供給路１８、排気口１９、熱交換器２１、気液分離器２２、水タンク２３、ガス取得口２６、水取得口２７及び第２の水供給路２９を含んで構成されてよい。図２に示すように、発電給湯システム１０は、さらに、支持部２０、給湯口２８及び多孔質部材３０を含んで構成されてよい。

燃料電池モジュール１１は、改質器及びセルスタックを有してよい。改質器は、原燃料として供給されるガスと、水とを用いて、水蒸気改質反応を生じさせることにより、水素などの燃料を生成する。セルスタックは、空気中に含まれる酸素などの酸化剤と、改質器が生成する燃料を用いた電気化学反応により発電する。また、セルスタックは電気化学反応により水を生成する。セルスタックから排出される未反応燃料及び未反応酸化剤は燃焼され、改質器において水蒸気改質反応を行わせるエネルギーを付与する。セルスタックから排出される水は、未反応燃料及び未反応酸化剤の燃焼による燃焼ガスとともに高温のガス状で燃料電池モジュール１１から排出される。

燃料電池モジュール１１から排出される排ガスは、燃焼ガス及びガス状の水を含んでよい。図１に示すように、燃料電池モジュール１１から排出される排ガスは、熱交換器２１を用いて熱媒と熱交換されてよい。熱交換により冷却された排ガスは、気液分離器２２により、ガス状の排ガスと、凝縮した液状の水に分離されてよい。分離された排ガスは、排気口１９から発電給湯システム１０の外部に排出されてよい。分離された水は、水タンク２３に一時的に貯蔵されてから、水蒸気改質反応に用いる水として、燃料電池モジュール１１に送られてよい。

蓄熱タンク１２は、熱媒を貯蔵する。熱媒は、燃料電池モジュール１１から排出される排ガスとの熱交換に用いられる。熱媒は、例えば、水、不凍液などの比熱の大きな流体である。本実施形態においては、熱媒は水である。蓄熱タンク１２に貯蔵された熱媒は、蓄熱タンク１２及び熱交換器２１の間で循環してよい。ここで、蓄熱タンク１２は熱媒である水を取り込む専用の供給路を備えてよいし、分岐した第１の水供給路１８から熱媒である水を取り込んでよい。

図２に示すように、本実施形態において、蓄熱タンク１２は、燃料電池モジュール１１の下方に位置する。発電給湯システム１０における下方とは、発電給湯システム１０が設置された状態において地上に対する鉛直方向（以下、上下方向とも称する）における下方を意味する。燃料電池モジュール１１の下方とは、上下方向における位置が燃料電池モジュール１１の下側であることであって、上下方向に垂直な方向における位置は任意であることを意味する。

ここで、図３に示すように、蓄熱タンク１２は、燃料電池モジュール１１の上方に位置する構成であってよい。本開示において、蓄熱タンク１２は、燃料電池モジュール１１の上方又は下方に位置する。

図１に示すように、給湯器１３は、蓄熱タンク１２に貯蔵した熱媒を利用して湯を供給可能である。給湯器１３は、例えば、熱媒との熱交換により加熱した水をお湯として供給可能である。また、熱媒が水である構成において、熱媒をお湯として直接に供給可能であってよい。給湯器１３はガスにより燃焼するバーナを有してよく、熱媒だけでは熱が不足する場合、バーナを用いて加熱可能であってよい。バーナは、燃料として供給されるガスを燃焼させて水を加熱してよい。燃焼による排ガスは、給湯器１３から排出されてよい。

図２に示すように、給湯器１３は、上下方向に垂直な方向において、燃料電池モジュール１１と並ぶように位置する。給湯器１３は、燃料電池モジュール１１に対して、上下方向に垂直な方向において、どちらの側にも位置し得る。本開示において、給湯器１３は、燃料電池モジュール１１の左方又は右方に位置する。給湯器１３は、燃料電池モジュール１１に近接して位置してよい。ここで、「近接して位置する」とは、２つの構成要素が伝熱する程度に近接配置されていることを意味する。このとき、２つの構成要素の間に固体の熱媒体が存在してよい。また、２つの構成要素の間に固体の熱媒体が存在しなくてよいし、２つの構成要素が接していてよい。

図１に示すように、熱媒循環路１４は、蓄熱タンク１２及び熱交換器２１の間で熱媒を循環させてよい。熱媒循環路１４の一部は、ラジエータ１５及び熱媒ポンプ１６を介して、熱交換器２１に接続されてよい。

ラジエータ１５は、蓄熱タンク１２から抜出された熱媒、言い換えると、燃料電池モジュール１１の排ガスとの熱交換前の熱媒を冷却してよい。ラジエータ１５は、例えば、回転数を調整可能なファンを有してよい。ラジエータ１５は、ファンの回転数を調整することにより、熱媒の冷却を調整可能であってよい。

熱媒ポンプ１６は、熱媒を昇圧することにより、熱媒を熱交換器２１に供給してよい。

ガス供給路１７は、単一又は複数のガス取得口２６を有してよい。ガス供給路１７は、少なくとも二股に分岐してよい。分岐したガス供給路１７は、燃料電池モジュール１１及び給湯器１３に接続されてよい。ガス供給路１７は、ガス取得口２６からのガスを、燃料電池モジュール１１及び給湯器１３に供給してよい。

第１の水供給路１８は、単一又は複数の水取得口２７を有してよい。第１の水供給路１８は、少なくとも二股に分岐してよい。分岐した第１の水供給路１８は、燃料電池モジュール１１及び給湯器１３に直接的又は間接的に接続されてよい。具体的には、第１の水供給路１８を通った水は、水タンク２３を介して間接的に燃料電池モジュール１１に供給されてよい。ここで、第２の水供給路２９は、水タンク２３の水を燃料電池モジュール１１に供給する水供給路である。

さらに、第１の水供給路１８は、水を浄化する浄化装置を介して、水タンク２３に接続されてよい。また、第１の水供給路１８は、給湯器１３に直接的に接続されてよい。第１の水供給路１８は、水取得口２７からの水を、燃料電池モジュール１１及び給湯器１３に供給してよい。

図２に示すように、ガス取得口２６及び水取得口２７は、上下方向において、給湯器１３からの給湯口２８から離れて位置してよい。より具体的には、ガス取得口２６及び水取得口２７は、上下方向において、燃料電池モジュール１１及び給湯器１３より、蓄熱タンク１２の近くに位置してよい。

図１に示すように、排気口１９は、燃料電池モジュール１１及び給湯器１３に直接的又は間接的に接続されてよい。具体的には、排気口１９は、燃料電池モジュール１１に気液分離器２２を介して間接的に接続されてよい。また、排気口１９は、給湯器１３に直接的に接続されてよい。排気口１９は、燃料電池モジュール１１から排出される排ガス、及び給湯器１３から排出される排ガスを、発電給湯システム１０から排出してよい。排気口１９は、ラジエータ１５が熱媒の冷却のための熱交換により加熱された空気である排気を排出してよい。

図２に示すように、排気口１９の内部に、多孔質部材３０が設けられてよい。多孔質部材３０は、水タンク２３及び給湯器１３の少なくとも一方より排出される水を毛細管現象によって吸い上げて蒸発させる。例えば水タンク２３がオーバーフローしても、多孔質部材３０が、水タンク２３から溢れた水を吸い上げて蒸発させることができる。多孔質部材３０は、燃料電池モジュール１１及び給湯器１３の少なくとも１つから排出される排ガスの熱を用いて、吸い上げた水を蒸発させてよい。多孔質部材３０は、例えばセラミック、布、スポンジなどの樹脂などで構成されてよいが、これに限定されない。

図２に示すように、支持部２０は、燃料電池モジュール１１に対して定められた位置で、蓄熱タンク１２を支持してよい。支持部２０は、例えば、燃料電池モジュール１１、蓄熱タンク１２及び給湯器１３を収容する筐体の一部であってよい。支持部２０は、筐体に限定されず、燃料電池モジュール１１に対して定められた位置で蓄熱タンク１２を支持可能な骨組み、固定金具、プレートなどであってよい。発電給湯システム１０は集合住宅などのパイプシャフト内に設置されてよい。支持部２０は、パイプシャフト内で、蓄熱タンク１２が燃料電池モジュール１１の上方又は下方に位置するように、蓄熱タンク１２を支持してよい。

支持部２０には、レールが設けられてよい。レールは、燃料電池モジュール１１、蓄熱タンク１２及び給湯器１３の少なくとも一部を、別々に又は一緒に、上下方向に垂直な１方向に引出し可能にさせる。

以上のような構成の本実施形態に係る発電給湯システム１０において、給湯器１３は上下方向に垂直な方向において燃料電池モジュール１１と並ぶように位置する。燃料電池モジュール１１の熱が給湯器１３に伝わることによって、給湯器１３に供給される水及びお湯が温められる。そのため、給湯器１３において燃焼させるガスの量を減らすことができ、動作性能の高い発電給湯システム１０を提供することができる。ここで、給湯器１３に供給される水及びお湯が燃料電池モジュール１１からの伝熱によって温められる効果を高めるために、給湯器１３への水及びお湯の供給路の一部が、燃料電池モジュール１１の近くを通ってよい。

また、燃料電池モジュール１１は、高温状態を保つため、一般に断熱材によって覆われる。給湯器１３は一種の熱源である。そのため、発電給湯システム１０において、燃料電池モジュール１１を覆う断熱材のうち給湯器１３との間に設けられるものは、他の断熱材よりも薄くすることができる。そのため、発電給湯システム１０をより小さくすることができ、発電給湯システム１０は例えば空間が限られたパイプシャフト内にも設置しやすくなる。

また、発電給湯システム１０において、蓄熱タンク１２は、燃料電池モジュール１１の上方又は下方に位置する。ただし、蓄熱タンク１２の上下方向に垂直な方向における位置は任意である。そのため、発電給湯システム１０において、蓄熱タンク１２の配置について設計の自由度を高めることができる。例えば蓄熱タンク１２は、ガス供給路１７、第１の水供給路１８及び第２の水供給路２９の一部と近接させて配置することも容易である。

ここで、蓄熱タンク１２は、燃料電池モジュール１１の下方に位置することができる。例えば蓄熱タンク１２の熱媒が漏れた場合に、燃料電池モジュール１１及び給湯器１３への影響を回避できるためである。また、蓄熱タンク１２が燃料電池モジュール１１の下方に位置する構造は、支持部２０が筐体の場合においては、特に設置前の発電給湯システム１０を運搬しやすくする。設置前の発電給湯システム１０の蓄熱タンク１２には熱媒が満たされていないため、発電給湯システム１０の重心が高い位置にある。そのため、設置作業者が発電給湯システム１０を持ち運びやすい。

また、発電給湯システム１０において、水タンク２３は、蓄熱タンク１２に近接して位置することができる。蓄熱タンク１２からの熱が水タンク２３に伝わることによって、水タンク２３の凍結を防止することができる。水タンク２３は、図２のように蓄熱タンク１２の一部に嵌め込まれる構造であってよい。また、筐体内の空間利用効率を高めて、発電給湯システム１０のサイズを小さくするために、水タンク２３の形状は直方体であってよい。また、同じ理由から、蓄熱タンク１２の形状が直方体であってよい。

また、発電給湯システム１０において、水供給路（第１の水供給路１８及び第２の水供給路２９）の一部は、蓄熱タンク１２に近接して位置することができる。蓄熱タンク１２からの熱が水供給路に伝わることによって、水供給路の凍結を防止することができる。ここで、第１の水供給路１８又は第２の水供給路２９の一部だけが、蓄熱タンク１２に近接して位置してよい。

また、発電給湯システム１０において、ガス供給路１７の一部は、蓄熱タンク１２に近接して位置することができる。蓄熱タンク１２からの熱がガス供給路１７に伝わることによって、ガス供給路１７の凍結を防止することができる。また、温められたガスが給湯器１３に供給されるため、給湯器１３における着火性が向上し、窒素酸化物及び一酸化炭素の発生を低減することができる。

本開示を諸図面及び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及び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、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。

１０ 発電給湯システム
１１ 燃料電池モジュール
１２ 蓄熱タンク
１３ 給湯器
１４ 熱媒循環路
１５ ラジエータ
１６ 熱媒ポンプ
１７ ガス供給路
１８ 第１の水供給路
１９ 排気口
２０ 支持部
２１ 熱交換器
２２ 気液分離器
２３ 水タンク
２６ ガス取得口
２７ 水取得口
２８ 給湯口
２９ 第２の水供給路
３０ 多孔質部材

Claims (9)

1. 燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールの排ガスと熱交換させる熱媒を貯蔵する蓄熱タンクと、
   上下方向に垂直な方向において前記燃料電池モジュールと並ぶように位置して、前記蓄熱タンクに貯蔵した熱媒を利用して湯を供給可能な給湯器と、を備える、発電給湯システム。
2. 前記燃料電池モジュールで用いられる燃料を生成する水蒸気改質反応に用いられる水を貯蔵する水タンクをさらに備え、
   前記水タンクは、前記蓄熱タンクに近接して位置する、請求項１に記載の発電給湯システム。
3. 前記水タンクの水を前記燃料電池モジュールに供給する水供給路の一部は、前記蓄熱タンクに近接して位置する、請求項２に記載の発電給湯システム。
4. 前記水タンク及び前記給湯器の少なくとも一方より排出される水を毛細管現象によって吸い上げて蒸発させる多孔質部材をさらに備える、請求項２又は３に記載の発電給湯システム。
5. 前記多孔質部材は、前記燃料電池モジュール及び前記給湯器の少なくとも１つから排出される排ガスの熱を用いて、吸い上げた水を蒸発させる、請求項４に記載の発電給湯システム。
6. ガスを前記燃料電池モジュール及び前記給湯器に供給するガス供給路の一部は、前記蓄熱タンクに近接して位置する、請求項１から５のいずれか一項に記載の発電給湯システム。
7. 前記蓄熱タンクは、前記燃料電池モジュールの下方に位置する、請求項１から６のいずれか一項に記載の発電給湯システム。
8. 前記燃料電池モジュールに対して定められた位置で、前記蓄熱タンクを支持する支持部を、さらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の発電給湯システム。
9. 前記支持部は、前記燃料電池モジュール、前記蓄熱タンク及び前記給湯器を収容する筐体の一部である、請求項８に記載の発電給湯システム。

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