JPWO2015046464A1 - 冷暖房装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 冷暖房装置を提供することを目的とする。【解決手段】 本発明の冷暖房装置は、燃料電池を備える燃料電池装置と、該燃料電池より排出される排ガスの熱を利用する加熱部と、燃料電池より排出される排ガスの熱を利用して冷却機能を生じさせる冷却部を有する熱音響冷却機14と、燃料電池より排出される排ガスを、熱音響冷却機14および加熱部のうち少なくとも一方に供給するための排ガス切り替え部25とを有することで、燃料電池の排ガスを有効利用した冷暖房装置を提供することができる。【選択図】 図1
Description
本発明は、熱音響冷却機と燃料電池装置を組み合わせてなる冷暖房装置に関する。
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス(水素含有ガス)と酸素含有ガス(空気)とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
また、近年では熱音響エネルギーにより冷凍機能を有する熱音響冷凍機が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
上述のように、次世代エネルギーの開発として、燃料電池装置や、熱音響冷凍機など各種の装置が開発されているものの、これらの各装置を組み合わせた新たな用途開発については、まだまだ検討の余地がある。
それゆえ、本発明おいては、熱音響エネルギーを用いる熱音響冷却機と、燃料電池装置とを組み合わせた新たな用途を提供することを目的とする。
本発明の冷暖房装置は、燃料電池を備える燃料電池装置と、該燃料電池より排出される排ガスの熱を利用する加熱部と、前記燃料電池より排出される排ガスの熱を利用して冷却機能を生じさせる冷却部を有する熱音響冷却機と、前記燃料電池より排出される排ガスを、前記熱音響冷却機および前記加熱部のうち少なくとも一方に供給するための排ガス切り替え部とを有することを特徴とする。
本発明の冷暖房装置は、燃料電池より排出される排ガスの供給先を、加熱部および熱音響冷却機のうち少なくとも一方に切り替えることで、加熱部での加熱機能または冷却部での冷却機能を組み合わせることで、効率のよい冷暖房装置とすることができる。
図1は本実施形態の冷暖房装置の構成の一例を示す構成図であり、図2は本実施形態の冷暖房装置の構成の他の一例を示す構成図であり、図3は、図1、図2に示す燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図であり、図4は図3に示す燃料電池モジュールの断面図である。なお、図1では冷房機能を、図2では暖房機能について説明するものであって、各装置の構成は同じであることから、以下構成について説明する場合において、主に図1を用いて説明するものとする。
図1に示す冷暖房装置は、燃料電池装置の一例である発電ユニットと、発電ユニットから排出される排ガスを用いて熱音響エネルギーを発生させ、発生させた熱音響エネルギーを用いて冷却(冷凍)を行う熱音響冷却機とを備えている。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。
図1に示す燃料電池装置である発電ユニットは、燃料電池セルを複数個有してなるセルスタック2、都市ガス等の原燃料を供給する原燃料供給手段4、セルスタック2を構成する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手段5、原燃料と水蒸気により原燃料を水蒸気改質する改質器3を備えている。なお、後述するが、セルスタック2と改質器3とを収納容器に収納することで燃料電池モジュール1(以下、モジュール1と略す場合がある。)が構成されており、図1においては、二点鎖線により囲って示している。なお、図には示していないが、モジュール1内には、発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させるための着火装置が設けられている。
また、図1に示す発電ユニットにおいては、セルスタック2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)を熱交換し、排ガスの温度を低下させるための熱交換器6を備えている。本実施形態において詳細は後述するが、熱交換器6が加熱部として機能するため、以下の説明では加熱部を熱交換器6として説明する。なお、熱交換器6において、排ガス中に含まれる水分が凝縮することで得られる凝縮水を純水に処理するための凝縮水処理装置7、凝縮水処理装置7にて処理された水(純水)を貯水するための水タンク8が設けられており、水タンク8と熱交換器6との間が凝縮水供給管9により接続されている。なお、熱交換器6での熱交換により生成される凝縮水の水質によっては、凝縮水処理装置7を設けない構成とすることもできる。さらに、凝縮水処理装置7が水を貯水する機能を有する場合には、水タンク8を設けない構成とすることもできる。
水タンク8に貯水された水は、水タンク8と改質器3とを接続する水供給管10に備えられた水ポンプ11により改質器3に供給される。
さらに図1に示す発電ユニットは、モジュール1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)12、各種機器の動作を制御する制御装置13が設けられている。これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置が容易な燃料電池装置とすることができる。
続いて熱音響冷却機14について説明する。熱音響冷却機14は、原動機15、冷却機16、原動機15と冷却機16をつなぐ接続管17とで構成されている。なお、原動機15、冷却機16、接続管17の内部には、ヘリウムガス等のガスが充填されている。また、原動機15および冷却機16には、それぞれ蓄熱器18、19が配置されている。原動機15の蓄熱器18の一方側を高温部22(図1では上側)として、他方側を低温部20(図1では下側)として、この温度勾配により、熱音響エネルギー(音波)が生じる。
図1においては、後述するが蓄熱器18の高温部22の周囲に、モジュール1より排出される排ガスが流れるように構成されている。一方、図1においては、低温部20には何も設けていない構成としているが、より効率よく熱音響エネルギーを発生させるにあたり、低温部20の周囲に低温の冷媒(例えば水道水等)を流す構成とすることができる。この高温部22、低温部20、蓄熱器18が、熱音響エネルギー発生部となり、図1においては破線で示している。
熱音響エネルギー発生部にて発生した熱音響エネルギーは、原動機15および接続管17を流れる際に共鳴し、その熱音響エネルギーが冷却機16に伝搬される。冷却機16では、熱音響エネルギーがエネルギー変換されて熱エネルギーとなる。そして、蓄熱器19の一方側である高温部23(図1では上側)に流体を流すことで、蓄熱器19の他方側である低温部21(図1では下側)で、吸熱反応が生じて温度が低下し、冷却機能を有することとなる。すなわち、蓄熱器19と、高温部23および低温部21を含めて冷却部が構成されており、図1において破線で示している。
なお、冷却部において、高温部23は低温部21と比較して高温となればよいものであって、必ずしも一般的に意味する高温である必要はない。特に、高温部23の温度を低くすることで、低温部21がさらに低温となり、冷却機能、さらには冷凍機能を有することとなる。言い換えれば、冷却部が冷凍部としての機能を有することとなる。それゆえ、図1においては、後述する第2配管24を、第2配管24内を流れる第2の流体が、低温部21の周囲を流れたのち、高温部23の周囲に流れるように設けているが、必ずしも高温部23の周囲に設ける必要はない。
また、モジュール1から排出される排ガスを、熱交換器6および熱音響冷却機14のうち少なくとも一方に流れるように切り替えるための、排ガス切り替え部25が設けられている。このように、排ガス切り替え部25を設けることで、必要に応じて排ガスを熱交換器6や熱音響冷却機14に適宜流すことができ、それにより加熱効果や冷却効果を備えることができる。
したがって、夏季等の暑い時期にはモジュール1より排出される排ガスを熱音響冷却機14に流して、冷却部21で冷却された第2の流体を利用して冷房機能を有することができ、また冬季等の寒い時期には、モジュール1より排出される排ガスを熱交換器6に流して、熱交換器6で加熱された第1の流体を利用して暖房機能を有することができる。それゆえ、効率のよい冷暖房装置とすることができる。
なお、図1、図2においては、冷暖房対象部として、一般的な家屋を例示しているが、これに限られるものではなく、例えば、ビル等の建築物や、航空機、船舶等、空調を必要とするものであれば特に限りはない。
さらに、図1、2においては、この冷暖房対象部内の床下に循環配管26が設けられており、この循環配管26に、熱交換器6に接続され、第1の流体が流れる第1配管30と、冷却部の周囲に設けられ、第2の流体が流れる第2配管24とが接続されている例を示している。なお、第1配管30の一端と第2配管24の一端とが、第1の切り替え部27を介して循環配管26に接続されており、第1配管30の他端と第2配管24の他端とが、第2の切り替え部28を介して循環配管26に接続されている。したがって、制御装置13は、第1の切り替え部27及び第2の切り替え部28を制御することによって、循環配管26に第1の流体または第2の流体を流すことができ、冷暖房装置として有効に機能する。
ただし、冷暖房対象部において冷暖房機能を有すればよいため、第1配管30と第2配管24とをそれぞれ別個の配管として、それぞれが循環配管の機能を有してもよく、また例えば第1配管30を流れる第1の流体や第2配管24を流れる第2の流体、又はこれらの流体により加熱・冷却された空気等を冷暖房対象部に直接供給するよう、各配管は開放端の構造としてもよい。なお、この場合、循環配管は不要となる。ちなみに、この場合、空気を第1配管30や第2配管24に供給するにあたっては、各配管の一端側にブロワを備え付けることが好ましい。
以下に、図1および図2に示した冷暖房装置の運転方法について説明する。燃料電池装置の起動時においては、制御装置13は、原燃料供給手段4、酸素含有ガス供給手段5、水ポンプ11、着火装置を作動させる。この時点では、モジュール1の温度が低いため燃料電池セルでの発電や改質器3での改質反応は行われない。原燃料供給手段4により供給された燃料ガスは、発電に使用されなかった燃料ガスとしてほぼ全供給量が燃焼され、その燃焼熱により、モジュール1や改質器3の温度が上昇する。改質器3においては、温度が水蒸気改質可能な温度となれば、水蒸気改質を行ない、燃料電池セルの発電に必要な水素含有ガスである燃料ガスが生成される。なお、制御装置13は、改質器3が水蒸気改質可能な温度となった後に、水ポンプ11を作動するように制御してもよい。燃料電池セルは、発電開始可能な温度となれば、改質器3にて生成された燃料ガスと、酸素含有ガス供給手段5より供給される酸素含有ガスとで発電を開始する。セルスタック2で生じた電気は、供給電力調整部12にて交流に変換された後、外部負荷に供給される。
なお、燃料電池セルにて発電が開始された後は、制御装置13は、燃料電池装置を効率よく運転するにあたり、予め設定された、燃料利用率(Uf)、空気利用率(Ua)、改質器3での水蒸気改質における燃料中の炭素および水のモル比の割合であるS/Cの値に基づき、原燃料供給手段4、酸素含有ガス供給手段5、水ポンプ11等の動作を制御する。なお、燃料利用率とは、発電で使用された燃料ガス量/原燃料供給手段4より供給された燃料ガス(原燃料)量により求められる値であり、また空気利用率とは、発電で使用された空気量/酸素含有ガス供給手段5より供給された空気量により求められる値である。
セルスタック2の運転に伴って生じた排ガスは、排ガス切り替え部25により、熱交換器6及び熱音響冷却機14のうち少なくとも一方に流れる。なお、排ガスを熱交換器6及び熱音響冷却機14のいずれに流すかは、使用者による設定のほか、自動的に切り換えることも可能である。
例えば、冷暖房対象部に冷暖房切り替えスイッチが設けられており(停止も含む)、使用者がスイッチを切り替えて冷房を利用する場合や、所定の条件を満たす場合に冷房を自動運転する場合は、制御装置13は、モジュール1より排出される排ガスの少なくとも一部(好ましくは全部)が、熱音響冷却機14に流れるよう、排ガス切り替え部25を制御する。熱音響冷却機14に向けて流れた排ガスは、熱音響冷却機14の原動機15における熱音響エネルギー発生部を構成する高温部22を流れる。具体的には、蓄熱器18が内部に配置された配管の一方側(高温部22)の周囲を取り囲むように、モジュール1より排出される排ガスが流れる配管(流路)が設けられており、このような構成により、排ガスが熱音響エネルギー発生部の高温部22を流れる構成とされている。以下の説明においても、各配管が熱音響冷却機14の配管の周囲を取り囲むように配置されて、各流体が熱音響冷却機14の各部位を流れるように構成されている。
それにより、蓄熱器18の一方側と他方側とで温度勾配を生じ、熱音響エネルギーを発生することができる。なお、熱音響エネルギー発生部である低温部20は、高温部22と温度差が大きくなることで、より効率よく熱音響エネルギーを発生することができるため、例えば低温部20に常温の水道水等を供給すればよい。
この場合において、制御装置13は、第1の切り替え部27及び第2の切り替え部28を、第2配管24を流れる第2の流体(水や空気等)が循環配管26を流れるように制御する。すなわち、第2配管24を流れる第2の流体は、冷却部20の低温部21を流れる間に冷却され、その冷却された第2の流体が、冷却部20の高温部23を介して循環配管26を流れることで、冷暖房対象部が冷却されることとなり、冷房機能を有することとなる。なお、第2配管24を、冷却部の低温部21を流れた第2の流体が高温部23に流れる構成とすることで、冷却部の冷却機能をより強化することができる。また、この第2配管24および循環配管26を流れる第2の流体の量(流速)は、第1の切り替え部27から第2の切り替え部28の間に設けられたポンプ31を制御することで、適宜調整することができる。
また、図1および図2においては、冷暖房対象部に温度センサ29を設けている例を示している。例えば、制御装置13は、温度センサ29が適宜設定される第1の条件(例えば25℃以上を1h以上継続する場合等)を満たす場合に、第1の切り替え部27及び第2の切り替え部28を自動的に切り換えて、循環配管26を第2の流体が流れるように制御してもよい。なお、図1および図2においては、温度センサ29を冷暖房対象部に設けた例を示しているが、冷暖房対象部に限定されるものではなく、冷暖房対象部外に配置して外気温を測定するようにしてもよい。
一方、使用者がスイッチを切り替えて暖房を利用する場合や、所定の条件を満たす場合に暖房を自動運転する場合は、制御装置13は、モジュール1より排出される排ガスの少なくとも一部(好ましくは全部)が、加熱部である熱交換器6を流れるよう、排ガス切り替え部25を制御する。熱交換器6に向けて流れた排ガスは、熱交換器6と接続された第1配管30を流れる第1の流体(水や空気等)とで熱交換されて、第1の流体が加熱される。
続いて、制御装置13は、第1の切り替え部27及び第2の切り替え部28を、第1配管30を流れる第1の流体が循環配管26を流れるように制御する。すなわち、第1配管30を流れる第1の流体は、熱交換器6を流れる間に加熱され、その加熱された第1の流体が循環配管26を流れることで、冷暖房対象部が温められることとなり、暖房機能を有することとなる。また、この第1配管30および循環配管26を流れる第1の流体の量(流速)は、第1の切り替え部27から第2の切り替え部28の間に設けられたポンプ31を制御することで、適宜調整することができる。
ちなみに、冷暖房対象部内に設けられた温度センサ29に基づいて自動的に暖房機能をスタートさせるにあたっては、制御装置13は、温度センサ29が適宜設定される第2の条件(例えば10℃未満を1h以上継続する場合等)を満たす場合に、第1の切り替え部27及び第2の切り替え部28を自動的に切り換えて、循環配管26を第1の流体が流れるように制御してもよい。
上述のような運転方法を採用することにより、燃料電池装置と熱音響冷却機14とを組み合わせた新たな用途展開として、効率の良い冷暖房装置とすることができる。
なお、例えば使用者が冷暖房の切り替えスイッチをオフとしている場合や、温度センサにより測定された温度が、第1および第2の条件を満たしていない場合(例えば、10℃以上25℃未満を1h以上継続する場合)は、制御装置13は、そのまま排ガスを外部に排気することを目的として熱音響冷却機14に流すよう、排ガス切り替え部25を制御してもよい。この場合、制御装置13はあわせてポンプ31を停止する制御をおこなうことが好ましい。なお、第1の条件、第2の条件は適宜設定すればよい。
一方、改質器3で水蒸気改質を行うための水を熱交換器6で生成したい場合には、制御装置3は、必要に応じた量の凝縮水が得られるよう、排ガス切り替え部25およびポンプ31の動作を制御することもできる。ただし、循環配管26を大量の第1の流体が流れないように、ポンプ31の動作は適宜制御することが好ましい。
ちなみに、図1、図2に示す冷暖房装置においては、燃料電池セルとして固体酸化物形の燃料電池セル(セルスタック2)を用いることで、モジュール1より排出される排ガスの熱が非常に高温となる。この排ガスを用いることで、熱交換器6での加熱された第1の流体の生成や、熱音響冷却機14での冷却された第2の流体を効率よく生成することが可能となる。
続いて、本実施形態における燃料電池装置について説明する。
図3は、本実施形態の冷暖房装置を構成する燃料電池装置におけるモジュールの一例を示す外観斜視図であり、図4は図3の断面図である。
図3に示すモジュール1においては、収納容器34の内部に、内部を燃料ガスが流通する燃料ガス流路(図示せず)を有する柱状の燃料電池セル32を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル32間が集電部材(図3においては図示せず)を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル32の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材(図示せず)でマニホールド33に固定してなるセルスタック2を2つ備え、セルスタック2の上方に、燃料電池セル32に供給する燃料ガスを生成するための改質器3が配置されたセルスタック装置40を収納して構成されている。なお、セルスタック2の両端部には、セルスタック2(燃料電池セル32)の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電気引き出し部を有する導電部材が配置されている(図示せず)。上述の各部材を備えることで、セルスタック装置40が構成される。なお、図3においては、セルスタック装置40が2つのセルスタック2を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック2を1つだけ備えていてもよい。
また、図3においては、燃料電池セル32として、内部を燃料ガスが長手方向に流通する燃料ガス流路を有する中空平板型で、燃料ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル32を例示している。なお、燃料電池セル32の間に酸素含有ガスが流通する。
また、本実施形態の燃料電池装置においては、燃料電池セル32が固体酸化物形の燃料電池セルであればよく、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器34の形状も適宜変更することができる。
また、図3に示す改質器3においては、原燃料供給管39を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成する。なお、改質器3は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部36と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒(図示せず)が配置された改質部37とを備えている。そして、改質器3で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管38を介してマニホールド33に供給され、マニホールド33より燃料電池セル32の内部に設けられた燃料ガス流路に供給される。
また図3においては、収納容器34の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置40を後方に取り出した状態を示している。ここで、図3に示したモジュール1においては、セルスタック装置40を、収納容器34内にスライドして収納することが可能である。
なお、収納容器34の内部には、マニホールド33に並置されたセルスタック2の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル32の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、酸素含有ガス導入部材35が配置されている。
図4に示すように、モジュール1を構成する収納容器34は、内壁41と外壁42とを有する二重構造で、外壁42により収納容器34の外枠が形成されるとともに、内壁41によりセルスタック装置40を収納する発電室43が形成されている。さらに収納容器34においては、内壁41と外壁42との間を、燃料電池セル32に導入する酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流路44としている。
ここで、収納容器34内には、収納容器34の上部より、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口(図示せず)とフランジ部45とを備え、下端部に燃料電池セル32の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口46が設けられてなる酸素含有ガス導入部材35が、内壁41を貫通して挿入されて固定されている。なお、フランジ部45と内壁41との間には断熱部材47が配置されている。
なお、図4においては、酸素含有ガス導入部材35が、収納容器34の内部に並置された2つのセルスタック2間に位置するように配置されているが、セルスタック2の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器34内にセルスタック2を1つだけ収納する場合には、酸素含有ガス導入部材35を2つ設け、セルスタック2を両側面側から挟み込むように配置することができる。
また発電室43内には、モジュール1内の熱が極端に放散され、燃料電池セル32(セルスタック2)の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール1内の温度を高温に維持するための断熱部材47が適宜設けられている。
断熱部材47は、セルスタック2の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル32の配列方向に沿ってセルスタック2の側面側に配置するとともに、セルスタック2の側面における燃料電池セル32の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材47を配置することが好ましい。なお、セルスタック2の両側面側に断熱部材47を配置することが好ましい。それにより、セルスタック2の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス導入部材35より導入される酸素含有ガスが、セルスタック2の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック2を構成する燃料電池セル32間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック2の両側面側に配置された断熱部材47においては、燃料電池セル32に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック2の長手方向および燃料電池セル32の積層方向における温度分布を低減するための開口部48が設けられている。
また、燃料電池セル32の配列方向に沿った内壁41の内側には、排ガス用内壁49が設けられており、内壁41と排ガス用内壁49との間が、発電室43内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路50とされている。なお、排ガス流路50は、収納容器34の底部に設けられた排気孔51と通じている。また、排ガス用内壁49のセルスタック2側にも断熱部材47が設けられている。
それにより、モジュール1の稼動(起動処理時、発電時、停止処理時)に伴って生じる排ガスは、排ガス流路50を流れた後、排気孔51より排気される構成となっている。なお、排気孔51は収納容器34の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。
なお、酸素含有ガス導入部材35の内部には、セルスタック2近傍の温度を測定するための熱電対52が、その測温部53が燃料電池セル32の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル32の配列方向における中央部に位置するように配置されている。
また、上述の構成のモジュール1においては、少なくとも一部の燃料電池セル32における燃料ガス流路より排出される発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル32の上端部側と改質器3との間で燃焼させることにより、燃料電池セル32の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃料電池セル32(セルスタック2)の上方に配置された改質器3を温めることができ、改質器3で効率よく改質反応を行なうことができる。なお、通常発電時においては、上記燃焼や燃料電池セル32の発電に伴い、モジュール1内の温度は500〜800℃程度となる。それゆえ、モジュール1より排出される排ガスの温度も非常に高温となる。
図5、図6は本実施形態の冷暖房装置の構成のさらに他の一例を示す構成図であり、図5では冷房機能を、図6では暖房機能について説明するものであって、各装置の構成は同じであることから、以下構成について説明する場合において、主に図5を用いて説明するものとする。
図5、図6に示す冷暖房装置は、図1、2に示す冷暖房装置と比較して、第1の流体として水を用い、熱交換器6で加熱されて生成されたお湯を貯湯するための貯湯タンク54を備える貯湯ユニットを設けている点で異なる。
上述の図1、図2に示す冷暖房装置においては、特に使用者の設定や自動運転において冷暖房のスイッチがオフとなっている場合や、冷暖房機能が余剰となる場合に、モジュール1より排出される排ガスの熱の有効活用においてまだ改善の余地がある。
そこで、図5、図6に示す冷暖房装置においては、貯湯ユニットを設けることで、モジュール1より排出される排ガスの熱のうち、冷暖房で使用されない熱を用いてお湯を生成し、このお湯を給湯として提供することで、さらに総合効率の向上した冷暖房装置とすることができる。
ここで、貯湯タンク54には、一端が第1配管30と第3の切り替え部55を介して接続され、他端が貯湯タンク54に接続される入水配管56と、一端が貯湯タンク54に接続され、他端が第1配管30と第4の切り替え部57を介して接続された出水配管58とを備えている。なお、第1配管30のうち、熱交換器6と第4の切り替え部との間にはポンプ59が設けられているほか、貯湯タンク54には貯湯タンク54内に貯水されたお湯の温度や量を測定するための貯水量センサまたは貯水温度センサを備えている。なお、以下の説明にいてはこれらのセンサをまとめて貯湯タンクセンサ60というものとする。
例えば、循環配管26を第1の流体が流れない状態の場合や、冷暖房対象部に設けられた温度センサ29が測定する温度が所定の温度範囲(例えば10℃以上25℃未満)となるようにポンプ31を作動させるにあたり、ポンプ31の動作が所定条件を満たす場合(例えば、運転停止が1h以上継続する場合等)、貯湯タンクセンサ60により測定されるお湯の温度やお湯の量が所定の範囲以下である場合などにおいては、より総合効率を向上させるにあたって、以下の制御をおこなうことが好ましい。
例えば、貯湯タンクセンサ60により測定されるお湯の温度やお湯の量に基づいて行う場合について説明する。まず貯湯タンクセンサ60より伝送される貯湯タンクのお湯の温度やお湯の量が所定の範囲内であるかどうかを判定する。所定の範囲内にある場合には、それまでに行っていた制御を継続する。
所定の範囲外となった場合には、まず制御装置13は、モジュール1より排出される排ガスの少なくとも一部が熱交換器6に流れるように、排ガス切り替え部25を制御する。続いて、熱交換器6で生成されたお湯の少なくとも一部が入水配管56に流れるように第3の切り替え部55するとともに、貯湯タンク54の水が出水配管58を介して熱交換器6に流れるよう、第4の切り替え部57を制御する。
なお、制御装置13は、この制御を行う前の制御が暖房機能を必要としている制御である場合には、第3の切り替え部55と第4の切り替え部57とを、第1配管30を流れる水の一部が入水配管56および出水配管58を流れるように制御すればよい。一方、この制御を行う前の制御が冷房機能を必要としている制御である場合には、第3の切り替え部55と第4の切り替え部57とを、全量の水が入水配管56および出水配管58を流れるように制御すればよい。制御装置13は、この制御にあわせて、排ガス切り替え部25も、モジュール1から排出される排ガスの全量もしくは一部が、熱交換器6に流れるように制御すればよい。
具体的には、貯湯タンクセンサ60より伝送される貯湯タンクのお湯の温度やお湯の量が所定の範囲外である場合において、外気温または冷暖房対象部の温度が第1の条件(例えば25℃以上を1h以上継続する場合等)を満たす場合には、制御装置13は、モジュール1より排出される排ガスが、熱交換器6と熱音響冷却機14との両方に供給されるように排ガス切り替え部25を制御すればよい。また、外気温または冷暖房対象部の温度が第2の条件(例えば10℃未満を1h以上継続する場合等)を満たす場合には、制御装置13は、モジュール1より排出される排ガスが、熱交換器6にのみ供給されるように排ガス切り替え部25を制御すればよい。
このような構成により、冷暖房機能に加えて、さらに給湯機能を有することで、総合効率の向上した冷暖房装置とすることができる。
なお、上述における、循環配管26を第1の流体が流れない状態の場合や、冷暖房対象部に設けられた温度センサ29が測定する温度が所定の温度範囲(例えば10℃以上25℃未満)となるようにポンプ31を作動させるにあたり、ポンプ31の動作が所定条件を満たす場合(例えば、運転停止が1h以上継続する場合等)においても、上記と同様の制御をおこなうことで、総合効率の向上した冷暖房装置とすることができる。
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、上述のハイブリッドシステムにおいては、燃料電池装置の一例として固体酸化物形の燃料電池セルを備える燃料電池装置を用いて説明したが、例えば固体高分子形の燃料電池装置としてもよい。固体高分子形の燃料電池装置を用いる場合には、例えば改質反応において生じる熱を有効利用すればよく、適宜構成を変更すればよい。
1:燃料電池モジュール
6:熱交換器
14:熱音響冷却機
24:第2配管
25:排ガス切り替え部
26:循環配管
27:第1の切り替え部
28:第2の切り替え部
29:温度センサ
30:第1配管
54:貯湯タンク
55:第3の切り替え部
56:入水配管
57:第4の切り替え部
58:出水配管
60:貯湯タンクセンサ
6:熱交換器
14:熱音響冷却機
24:第2配管
25:排ガス切り替え部
26:循環配管
27:第1の切り替え部
28:第2の切り替え部
29:温度センサ
30:第1配管
54:貯湯タンク
55:第3の切り替え部
56:入水配管
57:第4の切り替え部
58:出水配管
60:貯湯タンクセンサ
本発明の冷暖房装置は、燃料電池を備える燃料電池装置と、該燃料電池より排出される排ガスと第1の流体とで熱交換を行なう熱交換器と、蓄熱器を備え、該蓄熱器の一方側が高温部とされ、他方側が低温部とされて、前記燃料電池より排出される排ガスの熱を利用して冷却機能を生じさせる冷却部を有する熱音響冷却機と、前記燃料電池より排出される排ガスを、前記熱音響冷却機および前記熱交換器のうち少なくとも一方に供給するための排ガス切り替え部と、前記熱交換器に接続され、前記第1の流体が流れる第1配管と、前記冷却部の前記低温側を流れた後に前記高温側を流れるように設けられ、第2の流体が流れる第2配管と、を備え、前記第1配管を流れた前記第1の流体または前記第2配管のうち前記高温側を流れた後の前記第2の流体を、冷暖房対象部内に流すように構成されていることを特徴とする。
本発明の冷暖房装置は、燃料電池より排出される排ガスの供給先を、熱交換器および熱音響冷却機のうち少なくとも一方に切り替えることで、熱交換器での加熱機能または冷却部での冷却機能を組み合わせることで、効率のよい冷暖房装置とすることができる。
Claims (12)
- 燃料電池を備える燃料電池装置と、該燃料電池より排出される排ガスの熱を利用する加熱部と、前記燃料電池より排出される排ガスの熱を利用して冷却機能を生じさせる冷却部を有する熱音響冷却機と、前記燃料電池より排出される排ガスを、前記熱音響冷却機および前記加熱部のうち少なくとも一方に供給するための排ガス切り替え部とを有することを特徴とする冷暖房装置。
- 前記加熱部が前記燃料電池より排出される排ガスと第1の流体とで熱交換を行なう熱交換器であることを特徴とする請求項1に記載の冷暖房装置。
- 前記熱交換器に接続され、前記第1の流体が流れる第1配管と、
前記冷却部の周囲に設けられ、第2の流体が流れる第2配管と、を備え、
前記第1配管を流れた前記第1の流体または前記第2配管を流れた前記第2の流体を、冷暖房対象部内に流すように構成されていることを特徴とする請求項2に記載の冷暖房装置。 - 前記冷暖房対象部内に設けられた循環配管を備え、
前記第1配管の一端と前記第2配管の一端とが、第1の切り替え部を介して前記循環配管に接続され、
前記第1配管の他端と前記第2配管の他端とが、第2の切り替え部を介して前記循環配管に接続されていることを特徴とする請求項3に記載の冷暖房装置。 - 前記第1の切り替え部及び前記第2の切り替え部を制御する制御装置を備え、該制御装置は、あらかじめ定められた条件に基づいて、前記循環配管に前記第1の流体または前記第2の流体が流れるよう、前記第1の切り替え部及び前記第2の切り替え部を制御することを特徴とする請求項4に記載の冷暖房装置。
- 外気温または前記冷暖房対象部の温度を測定する温度センサを備え、前記制御装置は、前記温度センサにより測定された温度が、第1の条件を満たす場合に、前記循環配管に第2の流体が流れるよう前記第1の切り替え部及び前記第2の切り替え部を制御することを特徴とする請求項5に記載の冷暖房装置。
- 外気温または前記冷暖房対象部の温度を測定する温度センサを備え、前記制御装置は、前記温度センサにより測定された温度が、第2の条件を満たす場合に、前記循環配管に第1の流体が流れるよう前記第1の切り替え部及び前記第2の切り替え部を制御することを特徴とする請求項5に記載の冷暖房装置。
- 前記制御装置は、前記第2の流体が前記循環配管を流れるように前記第1の切り替え部及び前記第2の切り替え部を制御する場合に、前記燃料電池から排出される排ガスが、前記熱音響冷却機に流れるよう、前記排ガス切り替え部を制御することを特徴とする請求項6に記載の冷暖房装置。
- 前記制御装置は、前記第1の流体が前記循環配管を流れるように前記第1の切り替え部及び前記第2の切り替え部を制御する場合に、前記燃料電池から排出される排ガスが、前記熱交換器に流れるよう、前記排ガス切り替え部を制御することを特徴とする請求7に記載の冷暖房装置。
- 貯湯タンクと、一端が前記第1配管と第3の切り替え部を介して接続され、他端が前記貯湯タンクに接続される入水配管と、一端が前記貯湯タンクに接続され、他端が前記第1配管と第4の切り替え部を介して接続された出水配管とを備えることを特徴とする請求項3乃至請求項9のうちいずれかに記載の冷暖房装置。
- 前記制御装置は、前記貯湯タンクに、貯水量センサまたは貯水温度センサを備え、前記制御装置は、前記貯水量センサまたは前記貯水温度センサにより測定された値に基づいて、前記燃料電池から排出される排ガスが、前記加熱部、または前記加熱部および前記熱音響冷却機に流れるよう、前記排ガス切り替え部を制御することを特徴とする請求項10に記載の冷暖房装置。
- 前記制御装置は、前記貯水量センサまたは前記貯水温度センサにより測定された値に基づいて、前記第3の切り替え部及び前記第4の切り替え部を制御することを特徴とする請求項11に記載の冷暖房装置。
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