JP6873002B2 - 蓄熱タンクおよび燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄熱タンクおよび燃料電池装置に関する。

従来、発電装置からの排熱を利用して温水を生成するシステムが開発されており、近年においては、発電装置として燃料電池を用いたシステムの開発が進められている。発電装置の一例である燃料電池装置では、水素含有ガス（燃料ガス）と酸素含有ガス（通常は空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池装置の開発が進められている。燃料電池装置においては、発電に伴って発生する排熱を利用して生成した温水を蓄熱タンク（「貯湯タンク」ともいう）に蓄積し、温水需要に対する供給を行っている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１４−２９８０５号公報

しかしながら、従来における蓄熱タンクは、水道圧に耐え得る堅牢な円筒状の金属製（例えば、特殊ステンレス鋼）のタンクであったため、機械的強度は十分ではあったものの、軽量化および低コスト化が図れないという課題があった。そのため、機械的な強度を確保しつつ、軽量化および低コスト化を図ることのできる蓄熱タンクおよび燃料電池装置が求められている。

本開示の蓄熱タンクは、発電装置からの排熱を蓄熱する熱媒体を貯留し、耐圧性が水道圧よりも低く、かつ周壁が、少なくとも１つの凹部分または凸部分を有する。

また、本開示の燃料電池装置は、上記の蓄熱タンクと、前記発電装置として燃料電池セルを有する燃料電池モジュールとを備える。

本開示の蓄熱タンクによれば、軽量および低コストで、十分な強度を有する蓄熱タンクを実現することができる。

また、本開示の燃料電池装置によれば、軽量および低コストで、十分な強度を有する蓄熱タンクを備えた燃料電池装置を提供することができる。

第１実施形態に係る燃料電池装置の一例における構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る燃料電池装置の一例における内部の様子を示す模式的な斜視図である。 第１実施形態に係る燃料電池装置における蓄熱タンクの一例を示す外観斜視図である。 図３の蓄熱タンクを逆の方向から見た外観斜視図である。 第２実施形態に係る燃料電池装置の筐体の具体例を示す斜視図である。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る燃料電池装置の一例の構成を示すブロック図である。図１に示す燃料電池装置５０は、少なくとも燃料電池モジュール３６を有する燃料電池本体３１と、少なくとも蓄熱タンク２を有する給湯装置１とを組み合わせて構成される。

給湯装置１は、燃料電池本体３１から熱媒体が流入する流入口１２および熱媒体が流出する流出口１１を有する蓄熱タンク２と、流入口１２に接続された流入管８と、流出口１１に接続された流出管７とを含み、熱媒体が循環する循環部１３とを備えている。蓄熱タンク２は、発電装置である燃料電池本体３１において生じた排熱を蓄熱する熱媒体を貯留するタンクである。

また、蓄熱タンク２の内部には、熱媒体と給湯用水とが熱交換する第１熱交換部４が配設される。第１熱交換部４には、給湯用水が流通する給水管５と、熱媒体と熱交換した給湯用水が流通する給湯管６とが接続される。

蓄熱タンク２の外部には給湯用配管９が配設される。給水管５は、給湯用配管９の水道水を流通させる給水側に接続され、給湯管６は、給湯用配管９の給湯を流通させる給湯側に接続される。給水側と給湯側との間には混合弁１０が配設される。混合弁１０によって、給湯側に給水側の水道水を混合して、給湯温度を調節することができる。また、給湯管６の給湯側には、第１熱交換部４での熱交換量が不足する場合に、給湯管６からの出湯の温度を上昇させるべく、バックアップ用のボイラー（図示せず）を配設することもできる。なお、給湯装置１の動作は不図示の制御装置によって制御される。

ここで、上述したような給湯装置１においては、蓄熱タンク２に直接給湯用配管９が接続されていない。それゆえ、例えば、蓄熱タンク２に給水管５として直接水道管が接続されている場合には、蓄熱タンク２は水道水圧に耐えることができる耐圧性が必要となるが、本実施形態の蓄熱タンク２には必ずしも耐圧性は要求されないこととなる。それゆえ、蓄熱タンク２は樹脂、耐久性が低い金属等で設けることもできるし、その形状も円筒状に限らず角柱状とすることもできる。例えば樹脂により蓄熱タンク２を構成した場合には、より軽量で安価な給湯装置１とすることができ、さらに複雑な形状であっても容易に成形することができる。

さらに、蓄熱タンク２に貯留された熱媒体が直接給湯されるわけではないことから、蓄熱タンク２内に貯留する熱媒体の設計の自由度も確保できる。それゆえ、熱媒体として、水のほか、不凍液等を用いることもできる。

給湯用配管９の不図示の給湯用蛇口が開かれると、給湯用配管９の水道水が給水管５から第１熱交換部４に流入する。第１熱交換部４に流入した水道水は、蓄熱タンク２に貯留された熱媒体と熱交換しながら第１熱交換部４を移動し、第１熱交換部４から給湯管６に流入する。

燃料電池本体３１は、都市ガス等の原燃料を供給する原燃料供給装置３２、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３３、セルスタック３４および改質器３５を有する燃料電池モジュール（以下、「モジュール」とも称する）３６を備えている。なお、図１に示す燃料電池本体３１では、モジュール３６を二点鎖線により囲って示している。また、図１には示していないが、セルスタック３４と改質器３５との間には、セルスタック３４の発電に使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させるための着火装置を設けるほか、燃焼後の排ガスやセルスタック３４から排出される発電に使用されなかった排ガスを浄化するための浄化装置を設けることができる。なお、セルスタック３４としては、固体酸化物形の燃料電池セルを組み合わせてなるセルスタック３４とすることができる。

また、図１に示す燃料電池本体３１においては、セルスタック３４を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と熱媒体との間で熱交換を行なう第２熱交換部３７を備えている。さらに、第２熱交換部３７で生成された凝縮水を純水に処理するための水処理装置３８、水処理装置３８にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク３９が設けられており、水タンク３９と第２熱交換部３７との間が凝縮水供給管４０により接続されている。なお、水処理装置３８としてはイオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂装置を用いることができる。

水タンク３９に貯水された水は、水タンク３９と改質器３５とを接続する水供給管４１に備えられた水ポンプ４２により改質器３５に供給される。

さらに図１に示す燃料電池本体３１は、各種機器の動作を制御する制御装置４３が設けられているほか、モジュール３６にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）４４を備えている。

さらに、給湯装置１の循環部１３には、第２熱交換部３７に流入する熱媒体を冷却するラジエータ４５と、ラジエータ４５で冷却した熱媒体を第２熱交換部３７に圧送する循環ポンプ４６を備えている。さらに、循環部１３の第２熱交換部３７の入口側には、第２熱交換部３７に流入する熱媒体の温度を測定するための入口温度センサ４７が設けられており、第２熱交換部３７の出口側には、第２熱交換部３７より流出する熱媒体の温度を測定するための出口温度センサ４８が設けられている。

また、制御装置４３は、モジュール３６の発電に合わせて、原燃料供給装置３２、酸素含有ガス供給装置３３、水ポンプ４２の各装置の動作を制御するほか、入口温度センサ４７、出口温度センサ４８により測定された温度情報に基づいて、ラジエータ４５、循環ポンプ４６の動作を制御する。なお、制御装置４３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)を備えている。なお、ＣＰＵは、燃料電池装置の運転の制御を実施するものであり、ＲＡＭはプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは、上記の制御のためのプログラムを記憶するものである。

ここで、図１に示した燃料電池装置５０の運転方法について説明する。

セルスタック３４の発電に必要な燃料ガスを生成するにあたり、制御装置４３は原燃料供給装置３２、水ポンプ４２を作動させる。それにより、改質器３５に原燃料（天然ガス、灯油等）と水とが供給され、改質器３５で水蒸気改質を行なうことにより、水素を含む燃料ガスが生成されて燃料電池セルの燃料極層側に供給される。

一方、制御装置４３は酸素含有ガス供給装置３３を動作させることにより、燃料電池セルの酸素極層側に酸素含有ガス（空気）を供給する。

なお、制御装置４３はモジュール３６において着火装置を作動させることにより、セルスタック３４の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる。それにより、モジュール内の温度（セルスタック３４や改質器３５の温度）が上昇し、効率よい発電を行なうことができる。

セルスタック３４の発電に伴って生じた排ガスは、浄化装置にて浄化された後、第２熱交換部３７に供給され、循環部１３を流れる熱媒体とで熱交換される。第２熱交換部３７での熱交換により温度の上昇した熱媒体は、循環部１３を流れて蓄熱タンク２に貯留される。一方、第２熱交換部３７での熱交換によりセルスタック３４より排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管４０を通じて、水処理装置３８に供給される。凝縮水は、水処理装置３８にて純水とされて、水タンク３９に貯水される。水タンク３９に貯水された水は、水ポンプ４２により水供給管４１を介して改質器３５に供給される。このように、凝縮水を有効利用することにより、水自立運転を行なうことができる。

なお、上述の例においては第２熱交換部３７にて生成される凝縮水のみを改質器３５に供給する構成の燃料電池装置５０を用いて説明したが、改質器３５に供給する水として水道水を利用することもできる。この場合、水道水に含まれる不純物を処理するための水処理装置として、例えば、活性炭フィルター、逆浸透膜装置、イオン交換樹脂装置等を、この順に接続することで、純水を効率よく精製することができる。なお、水道水を用いる場合においても、水処理装置３８にて生成した純水が、水タンク３９に貯水されるよう各装置を接続することができる。

図２は、本実施形態に係る燃料電池装置の一例における内部の様子を示す模式的な斜視図である。ここで、以下の実施形態では、便宜上、矢符Ａの方向から（すなわち、ｙ方向に）見た場合を燃料電池装置５０の正面とする。また、正面に向かって左方向をｘ方向とし、高さ方向をｚ方向とする。さらに、図２においては、主に燃料電池モジュール３６と蓄熱タンク２を表示しており、その他の補機、並びにこれらを接続する配管および配線等については、図示を省略している。なお、上記の補機、配管、および配線類は、図２に示されている燃料電池モジュール３６および蓄熱タンク２を除いた空間または隙間等に配設される。

燃料電池装置５０は、図２に示されるように、１６本のフレーム６１ａ〜６１ｐを組み合わせて構成されたフレーム構体６１、およびフレーム構体６１の各面（６面）に配設された外装パネル（図示せず）からなる筐体６０を有する。筐体６０の中には、セルスタック３４を収納する燃料電池モジュール３６、蓄熱タンク２、および燃料電池モジュール３６の発電運転を補助する複数の補機などが収容される。

さらに、蓄熱タンク２の右隣には燃料電池モジュール３６が配設されて、燃料電池モジュール３６から送出された熱媒体が流入管８を介して流入口１２から流入し、流出口１１から流出管７に熱媒体が流出する（図１を参照）。

図３は、本実施形態に係る燃料電池装置における蓄熱タンクの一例を示す外観斜視図である。蓄熱タンク２は、発電装置である燃料電池本体３１において生じた排熱を蓄熱する熱媒体を貯留する。そして、蓄熱タンク２は、耐圧性が水道圧よりも低く、かつ、その周壁が、少なくとも１つの凹部分または凸部分を有している。これによって、機械的強度が高くない材料（例えば、樹脂材料）で蓄熱タンク２を作製した場合であっても、その機械的強度を向上させることができる。

なお、通常、水道圧は５００ｋＰａ程度であり、従来の蓄熱タンクでは圧力に耐えられるよう減圧弁を設けて３５０ｋＰａ程度に減圧することが一般的に行われている。

耐圧性が水道圧よりも低いとは、蓄熱タンクの耐圧性が、３５０ｋＰａ以下の耐圧性を有していることを意味している。さらには、２００ｋＰａ以下の耐圧性の蓄熱タンクとすることでコストを低減した蓄熱タンクとすることができる。

蓄熱タンク２の構造は、図１〜図４で示す本実施形態に限定されることはなく、第１実施形態で示した蓄熱タンク２に水を追加するために３５０ｋＰａ以下の水道圧となるように減圧弁等を介して水道管が接続されていてもよい。また、第１実施形態で示した蓄熱タンク２に水を追加するために直接水道管が接続されていてもよいが、この場合において、蓄熱タンク２に水道圧がかからないよう、蓄熱タンクの上限水位を蓄熱タンク２の上端と空間を空けた位置に設定することがよい。

図３に示す蓄熱タンク２は、例えば樹脂製であり、機械的強度を高めるために、周壁２２に凹部分又は凸部分としての横凹溝２３及び縦凹溝２４を設けて構成されている。なお、横凹溝および縦凹溝は、凹溝の一例である。

ここで、横凹溝２３および縦凹溝２４は、周壁２２の厚みを一定にしつつ、表面の凹凸と内部の凸凹とを一体的に形成する。

凹溝のうち、少なくとも１つは、周壁２２の壁面に沿って延びる横凹溝２３又は縦凹溝２４である。この構成により、周壁２２の強度を上げ、蓄熱タンク２の変形を抑制することができる。

さらに、凹溝２３、２４の少なくとも１つは、周壁２２の全周にわたって配設されていてもよく、図３（および図４）に示されるように、横凹溝２３の１つが、周壁２２の全周にわたって配設されている。これによって、周壁２２の全周に均等に圧力が分散され、部分的な変形を抑制することができる。

さらにまた、蓄熱タンク２の周壁２２には、少なくとも、燃料電池モジュールと対向する位置の壁面に横凹溝２３を設けてもよく、周壁２２の上下方向に延びる縦凹溝２４を設けてもよい。これによって、蓄熱タンク２の燃料電池モジュール３６側の強度を特に向上させ燃料電池モジュール３６側に水圧や熱によって膨張・変形してしまうことを抑制することができる。

なお、図３に示される蓄熱タンク２は、図示していないが、燃料電池本体３１において生成された熱媒体が流入する流入口、熱媒体が流出する流出口、給水管および給湯管などを備えていてもよい。また、その位置については、適宜設定することができる。

図４は、図３の蓄熱タンクを逆の方向から見た外観斜視図である。図４の外観斜視図は、上記図３の外観斜視図を補完するものであり、図３では示されていない蓄熱タンク２の外観を示している。なお、図４において、上記図３と同一の部材については同一の符号を付し、その説明は省略する。

図４に示されるように、蓄熱タンク２は、主に４本の横凹溝２３、１本の縦凹溝２４が設けられている。周壁２２における燃料電池モジュール３６と対向する領域における凹溝２３、２４が占める割合は、燃料電池モジュール３６と対向しない領域の周壁２２における凹溝２３、２４が占める割合より高くなっている。これによって、燃料電池モジュール３６と反対側の左側に敢えて圧力を集中させ、燃料電池モジュール３６側に膨張することを抑制させるものである。

横凹溝２３は、内部に向けて凸となる形状であり、かつ水平方向に延びているので、蓄熱タンク２内における水の上下方向の移動が抑制され、蓄熱タンク２内の水温の均一化を防止することができる。

蓄熱タンクの横凹溝２３および縦凹溝２４の断面形状は、円弧状又は矩形状であってもよい。また、図３又は図４で示すように蓄熱タンク２の下部が突き出した形状となっていてもよい。この構成により、さらに蓄熱タンクの耐久性を向上することができる。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係る燃料電池装置の筐体の具体例を示す斜視図である。図５に示すように、筐体６０Ａと蓄熱タンク２との間に、例えば発泡スチロールなどの緩衝部材６２を適宜配設し、蓄熱タンク２を各種の衝撃から保護する。

これによって、フレーム構体６１と蓄熱タンク２とが直接接触して蓄熱タンク２に傷が付くことを防止する。さらに、緩衝部材６２を断熱材料で構成することで、この緩衝部材６２を介して熱がフレーム構体６１に伝導して、蓄熱タンク２の温度が低下してしまうことを防止する。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、上述の説明において、樹脂製の蓄熱タンクについて説明したが、蓄熱タンクの材料は樹脂に限るものではなく、他の合金などであってもよい。

２，２Ａ 蓄熱タンク
２２ 周壁
２３ 横凹溝
２４ 縦凹溝
３６ 燃料電池モジュール
３１ 燃料電池本体
５０ 燃料電池装置
５２ タンク本体

Claims (7)

1. 発電装置からの排熱を蓄熱する熱媒体を貯留し、耐圧性が水道圧よりも低く、かつ周壁が、少なくとも１つの凹部分または凸部分を有する蓄熱タンクと、
   前記発電装置として燃料電池セルを有する燃料電池モジュールとを備え、
   前記周壁は、少なくとも１つの前記凹部分を有し、前記凹部分のうち少なくとも１つは、前記周壁の壁面に沿って延びる凹溝であり、
   前記周壁のうち前記燃料電池モジュールと対向する領域における前記凹溝が占める割合は、前記周壁のうち前記燃料電池モジュールと対向しない領域における前記凹溝が占める割合より、高い、燃料電池装置。
2. 前記凹溝は、内部に向けて凸となる形状であり、かつ水平方向に延びている請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記凹溝の少なくとも１つは、全周にわたって延びている請求項１または２に記載の燃料電池装置。
4. 前記燃料電池モジュールと前記蓄熱タンクとは対向して配置されており、前記凹溝の少なくとも１つは前記周壁のうち前記燃料電池モジュールと対向する壁面に設けられている請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
5. 前記燃料電池モジュールと対向する凹溝の少なくとも１つが、上下方向に延びる請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 前記燃料電池モジュール及び前記蓄熱タンクを収容する外装ケースと、
   前記外装ケースと、前記蓄熱タンクとの間に位置する緩衝材と、をさらに備える請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の燃料電池装置。
7. 前記周壁は樹脂性材料からなる請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池装置。

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