JP5009495B2 - 電気発生のための統合燃料電池を備える加熱システム用熱交換器 - Google Patents

Description

この発明は、請求項１の特徴部分の前の前提部分に記載された、電気発生のための統合燃料電池を備える加熱システム用熱交換器に関し、この種の熱交換器を備えるシステムにも関する。

電気および熱エネルギーを発生のための統合燃料電池を備える加熱システムは、ＥＰ−Ａ−０８１８８４０から知られ、この加熱システムの操作員、“地域エネルギー需要家”は、少なくとも部分的に、エネルギーの指定された形に関する自分の要求を満たすことができる。暖房および／または処理水加熱を含む加熱システムで、ガス状燃料の形に利用可能にした１次エネルギーから最大量の熱エネルギーを発生できる方法についての種々の可能性が記載してある。経済的理由から、種々の対策が提案され、既知の手順の更なる単純化が実現され、人は１次エネルギーの理想的利用を求めて努力し続けている。ＥＰ−Ａ−０８１８８４０から知られる方法では、燃料の改質のために純水が必要である。この方法を単純化するための一つの対策は、部分酸化での改質プロセスによる、液体形でも存在し得る、燃料の処理である。この部分酸化は、改質中に純水を追加の抽出物として利用可能にするという必要以上に高価となる必要性を与えることになる。

更なる対策は、ａ）電気および熱エネルギーも発生するためのシステムと地域エネルギー消費者の間に熱貯蔵所を配置すること、およびｂ）もし必要なら、公共電気エネルギー供給配電網に放出する過剰な電気エネルギーを発生することである。この種の超過量の発生では、地域エネルギー消費者の現時点の要求を超える、過剰な熱エネルギーも屡々発生する。この熱エネルギーは、一時的に熱貯蔵所に貯蔵できる。電気エネルギーは、熱貯蔵所が満杯になるまでしか過剰に発生しない。熱エネルギーの過剰は、もし、地域エネルギー消費者が時折比較的大量の電気エネルギーを要求するならば発生することも有り得る。過剰な熱の貯蔵は、この場合も有利である。

統合燃料電池を備える加熱システムから熱貯蔵所までの熱の輸送は、適当な伝熱媒体を使って行わねばならない。この構成で、熱輸送は、二つの排気流から、即ち燃料電池の排気流からと追加バーナの排気流から熱貯蔵所へおよび／または地域エネルギー需要家へ行うべきである。二つの独立の変量が二つの排気流によって与えられ、それらの範囲は、それぞれゼロと最大値との間に拡がる。液体形伝熱媒体、特に水または油を都合よく熱輸送のために用意し、それで熱を地域エネルギー消費者に輸送することができる。

この発明の目的は、熱の伝達を − 特に排気ガス流の可変性を考慮に入れて、経済的に実行できる手段を創出することである。

この目的は、請求項１で定義する熱交換器によって達成される。この構成で、この発明による熱交換器のための熱の経済的伝達は、特別且つコンパクトな設計に由来する。

この熱交換器は、電気発生のための統合燃料電池および追加バーナを備える加熱システムのために用意してある。このシステムでは、電気および熱エネルギーをガス状燃料からまたはこの燃料電池によっておよび／または追加バーナによってガス形態にした燃料から発生できる。高温排気ガスの形で存在する熱エネルギーの一部をこの熱交換器で液体伝熱媒体、特に水または油に伝達できる。この伝熱媒体は、暖房および／または処理水加熱（温水の準備）の目的での熱輸送のために用意してある。この熱交換器は、熱伝導性の良い材料で作ったユニットであることは勿論、コンパクトなユニットを構成する。この熱交換器内部に二つの別々の通路が二重壁ジャケットに配置してある。このジャケットは、連通管となる構造化した内部空間を有する。この構造化のために、伝熱媒体がこの内部空間の少なくとも有力部分を貫流する。

従属請求項２ないし７は、この発明による熱交換器の有利な実施例に関する。この熱交換器を備えるシステムがそれぞれ請求項８ないし１０の主題である。
以下に図面を参照してこの発明を説明する。

図１に示す熱システムは、この発明による熱交換器１、例えばスタック状ユニット２０に構成した、燃料電池Ｚを備える部分システム２、および図１でＢとも称する追加バーナ３を含む。新鮮な空気を参照数字８と関連する外界から、ダクト２８を通して、およびガス状またはガス化した燃料Ｇを供給源９から管路２９を通して燃料電池Ｚへ送る（供給源９は、公共本管システムから供給する天然ガスでもよい）。新鮮な空気Ｆを同様に供給管路３８を通して、および燃料Ｇを供給管路３９を通して追加バーナ３へ送る。部分システム２におよび追加バーナ３に発生する排気ガスをそれぞれダクト２２および３２’を介して熱交換器１へ送る。燃料電池Ｚによって、電気および熱エネルギーを燃料Ｇから発生することができおよび／または熱エネルギーを追加バーナ３によって発生することができる。排気および燃料電池Ｚで完全には使われなかった燃料によるアフタバーニングが部分ユニット２で起る。

燃料電池Ｚによって発生した直流電流をコンバータ２１で交流に変換する。この様に用意した電気エネルギーＥを地域需要家４（負荷Ｌ_Ｅ）へまたは外部本線システム７へ電線路７０ａまたは７０ｂを介して伝送する。高温排気ガスの形で存在する熱エネルギーの一部を熱交換器１の中で液体伝熱媒体、特に水または油へ伝達する。加熱目的で熱Ｑの輸送をもたらすこの伝熱媒体は、循環ポンプ４０および５０を使って管路５１、５２、４３および４４を通して運ぶ。この構成で、この熱Ｑ（管路５２）を、一方では、地域需要家４（負荷Ｌ_Ｑ）へ完全にまたは部分的に輸送し、他方で、参照文字Ｓ_Ｑで表す熱Ｑの余分の部分を、熱貯蔵所５へ輸送することができる。吸引ファン８０を使って、この排気ガスを部分システム２（ダクト１２ａ）からダクト８３へ運び出し、そこでそれを追加バーナ３（ダクト１３ａ）の排気ガスと共に総合ガスＡとして一体となって外界８ａへ出される。追加バーナ３の排気ガスは、ファン３０が作る過圧の結果として輸送される。もし、部分ユニット２だけまたは追加バーナ３だけしか作動しないと、逆止フラップ３２および８２が排気ガスの逆流を防ぐ。

この発明による熱交換器１は、熱伝導性の良い材料で作ったコンパクトなユニットになる。燃料電池Ｚの排気ガス（またはより厳密には部分システム２からの排気ガス）および追加バーナの排気ガス用の二つの別々の通路１２および１３がこの熱交換器の内部に二重壁ジャケット１０に配置してある。図１に象徴的に示す熱交換器１を特定の実施例について図２に縦断面図として更に詳しく示す。このジャケット１０は、複数の室に構造化し且つ連通管となる内部空間１１を有する。この構造化のために、伝熱媒体は、この内部空間１１（全内部空間１１または少なくともその有力部分）を貫流し、それでそれに熱Ｑを二つの排気ガス通路１２および１３から供給することができる。ジャケット１０を作った材料の熱伝導性が良いために、この伝熱媒体は、たとえ二つの排気ガス流の一つが止っても、ジャケット１０の全ての領域で熱を吸収することができる。使用する材料は、アルミニウム合金が都合よく、ジャケット１０は、少なくとも部分的にアルミニウム鋳造プロセスで作ってある。

図１のシステムは、中央制御ユニット６（Ｃとも称する）によって制御および調整する。例えば、制御信号を信号回線６１および６３を介してファン３０および８０へ送信する。部分システム２は、信号回線６２を介して制御ユニット６に接続してあり、且つ追加バーナ３は、信号回線６３’を介してこの制御ユニット６に接続してある。“仮想発電所７”への接続６７がある。地域消費者４へのおよび熱貯蔵所５への更なる接続が、それぞれ、信号回線６４および６５によって確立している。ポンプ４０および５０も、図示しない回線を介して、中央制御ユニット６に接続してある。例として、貯蔵所５からの熱Ｑの輸送を、熱交換器１での所定の出口温度に関して都合よく調整する。ポンプ５０の輸送量は、この調整を行うために変動する。

図２の熱交換器１で、二つの排気ガス通路１２と１３の間の隔壁１４は、二重壁に作ってある。この隔壁１４は、やはり伝熱媒体が貫流するような種類の、構造化した内部空間を有する。

図２の実施例で、ジャケット１０の内部空間１１は、室が設けてあり、即ち、それはジャケット室１１’によって作った構造を有する。特に、二つの排気通路１２と１３の間の隔壁１４も室が設けてある。（隣接室１１’間の開口は図示せず）。隔壁１４の室１１”は、伝熱媒体がこの隔壁１４を同様に貫流できるような方法で（逐次配置の形で）ジャケット室１１’間に配置してある。

この発明による熱交換器１は、少数の単体構造部品で構成してあるか、または好ましくはたった一つの単体構造部品を含む。各単体構造部品は、鋳造体であるか、または少なくとも個々の部品が鋳造体であるのが好ましい。

二つの排気ガス通路１２および１３は、この熱交換器の先端から末端まで伸びる。伝熱媒体用の図示しない入口点がこの末端に配置してあり、対応する、同様に図示しない出口点がこの先端に配置してある。

追加バーナ３（一点鎖線３’によって輪郭を示す）は、図２の熱交換器１でバーナ排気ガス用に設けた通路１３のこの入口点に直接配置することができる。熱交換器１は、燃料電池Ｚを含むユニット２０の排気出口スタブに都合よく取付けることができる。

図示法を変えて、図３は、図１のシステムを僅かに修正した形で示す。熱交換器１、燃料電池Ｚを備える部分システム２および追加バーナ３は、ブロック１２３に合併してある。外界８（図１参照）から吸引した新鮮な空気Ｆ −矢印Ｆ’として示す −を、熱交換器１で部分的に冷却した排気ガスＡ −矢印Ａ’− によって対向流形熱交換器１８で予熱する。この予熱した新鮮な空気Ｆを管路２８および３８からブロック１２３へ送込む。対向流形熱交換器１８は、同時に排気ガスを外界８ａへ放出する煙突として設計することができる。

図１のシステムと対照的に、図３では燃料Ｇを供給源９から管路３９’を介してファン３０へ送込み、そこで可燃混合気が発生する。この混合気は、供給管路３８を通ってバーナ３の入口に流れ込む。もし、ファン３０が作動していなければ、逆止フラップ３２が、ファン８０を貫流する排気ガスが管路１３ａを通って熱交換器１へ入れないことを保証する。逆に、もし、ファン８０が作動しなければ、逆止フラップ８２が、排気ガスが熱交換器１に入り込むのを防ぐ。

図４および５は、統合した燃料電池を備える加熱システムの二つの修正した実施例を示す。両修正形では、過剰な酸素を含む燃料電池Ｚの排気ガスを、新鮮な空気の代りに追加バーナ３へ送込む。ファン３０は、もう必要ない。もし必要なら、新鮮な空気Ｆを、追加の管路３８ａ −図５参照− を介してバーナ３の送込み管路３８に供給することができる。この供給は、弁３６によって制御する。燃料Ｇは、管路３９”を使って個々に送込み管路３８に混入する。

電気発生のための燃料電池を統合し且つ追加バーナを含む、加熱システムの概略図。 本発明による熱交換器の縦断面図。 図１に示すシステムの第２の説明図。 図３に対応する図で修正したシステム。 更に修正したシステム。

符号の説明

１ 熱交換器
３ 追加バーナ
５ 熱貯蔵所
１０ 二重壁ジャケット
１１ 内部空間
１１’ ジャケット室
１１” 隔壁室
１２ 排気通路
１２ａ ダクト
１３ａ ダクト
１３ 排気通路
１４ 隔壁
１８ 煙突
２０ ユニット
３０ 押込みファン
３２ 逆止フラップ
３８ ダクト
３８ａ ダクト
４０ 循環ポンプ
４３ 管路
４４ 管路
５０ 循環ポンプ
５１ 管路
５２ 管路
８０ 吸引ファン
８２ 逆止フラップ
８３ ダクト
Ｂ 追加バーナ
Ｅ 電気エネルギー
Ｆ 新鮮な空気
Ｌ_Ｑ 暖房および／または処理水加熱用加熱システム
Ｑ 熱エネルギー
Ｚ 燃料電池

Claims (12)

1. 電気発生のための燃料電池（Ｚ）および追加バーナ（３）を備える加熱システム用熱交換器（１）であって、電気および熱エネルギー（Ｅ、Ｑ）を前記加熱システムでガス状燃料からまたはガス形態にした燃料から前記燃料電池によって発生でき、および／または熱エネルギー（Ｑ）を前記追加バーナによって発生でき、高温排気ガスの形で存在する熱エネルギーの一部を熱交換器で液体伝熱媒体に伝達でき、および前記液体伝熱媒体が暖房および／または処理水加熱の目的で熱輸送のために用意してある熱交換器に於いて、
   該熱交換器が熱伝導性の良い材料で作ったユニットになること、内部に前記燃料電池の排気ガスおよび前記追加バーナの排気ガスのそれぞれ用の二つの別々の通路（１２、１３）が二重壁ジャケット（１０）の内側に配置してあること、該ジャケットが連通管となる内部空間（１１）を有すること、そして、前記液体伝熱媒体が内部空間を貫流することを特徴とする加熱システム用熱交換器。
2. 前記液体伝熱媒体が水または油であることを特徴とする請求項１に記載された熱交換器。
3. 前記二つの別々の排気ガスのための通路（１２、１３）の間の隔壁（１４）が二重壁に作ってあり、前記液体伝熱媒体がまた前記隔壁も貫流できるように構造化した内部空間を有することを特徴とする請求項１に記載された熱交換器。
4. 前記ジャケット（１０）の内部空間（１１）は、室が設けてあり、即ち、ジャケット室（１１’）内に作られた構造にされ、および、特に排気通路（１２、１３）間の隔壁（１４）も室の構造にされ、前記隔壁の室（１１’）は、ジャケットの内部空間に接続され、前記液体伝熱媒体が前記隔壁を貫流できることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載された熱交換器。
5. 前記熱交換器が幾つかの単体構造部品から成り、および該単体構造部品の各々または該部品の少なくとも一つが鋳造体であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された熱交換器。
6. 前記熱交換器が一つの単体構造部品からなることを特徴とする請求項５に記載された熱交換器。
7. 前記二つの排気ガス通路（１２、１３）が熱交換器の先端から末端まで伸びること、および前記液体伝熱媒体用の入口点が前記末端に配置してあり、対応する出口点が前記先端に配置してあることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載された熱交換器。
8. 前記追加バーナ（３）がバーナ排気ガス用に設けた前記通路（１３）の入口点に直接配置することができること、および前記追加バーナーを前記燃料電池（Ｚ）を含むユニット（２０）の排気ガス出口に取付けることができることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載された熱交換器。
9. 使用する材料がアルミニウム合金であること、およびジャケット（１０）が、少なくとも部分的に、鋳造アルミニウムで作ってあることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載された熱交換器。
10. 循環路（５０、５１、５２）を前記液体伝熱媒体で輸送する熱エネルギー（Ｑ）を熱貯蔵所（５）の中へ輸送できること、熱輸送を前記熱交換器で所定の出口温度に関して調整すること、および前記熱貯蔵所が更なる循環路（４０、４３、４４）を介して熱輸送の目的で暖房および／または処理水加熱用加熱システム（Ｌ _Ｑ ）に接続してあることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載された熱交換器を備えるシステム。
11. 別々のダクト（１２ａ、１３ａ）が前記熱交換器（１）の出口で二つの排気ガス通路（１２、１３）に結合してあること、逆止フラップ（８２）および吸引ファン（８０）が前記燃料電池（Ｚ）の排気流用の前記ダクト（１２ａ）に配置してあること、新鮮な空気（Ｆ）、特に予熱した新鮮な空気を押込みファン（３０）で逆止フラップ（３２）を介して前記追加バーナ（３）の中へ供給できること、そして、煙突（１８）に入る前または入ると、二つの排気流用ダクト（１２ａ、１３ａ）が共通のダクト（８３）に結合してあることを特徴とする請求項１０に記載されたシステム。
12. 前記熱交換器（１）の出口において、前記燃料電池排気ガスの流れのためのダクト（１２ａ）が前記追加バーナ（３）の入口ダクト（３８）へ分岐せずに通じていること、前記追加バーナ排気の流れのためのダクト（１３ａ）が吸引ファン（８０）を介して煙突（１８）に通じていること、および新鮮な空気（Ｆ）用の追加のダクト（３８ａ）を前記追加バーナの送込みダクト（３８）に取付けることができることを特徴とする請求項１０に記載されたシステム。

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