JP2005332604A - 流体加熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池、改質器で発生する熱を効率的に利用し、水などの流体を好適に加熱可能とする流体加熱システムを提供する。
【解決手段】
内部を水が流通する外側空間１１Ａを有し、外筺体１１と内筺体１２とからなる筺体１０と、ＦＣスタック４と、ＦＣスタック４に水素を供給する改質器３と、ＦＣスタック４および改質器３の下流側に接続され、カソードオフガスおよび改質器排ガスと、水との間で熱交換する熱交換器７とを具備した流体加熱システム１であって、ＦＣスタック４、改質器３および熱交換器７が、筺体１０内に配置されたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池および／または改質器で発生する熱を利用して、水などの流体を加熱する流体加熱システムに関する。

近年、家庭用電源、工業用電源として、燃料電池の開発が盛んである。燃料電池は、電力を発生すると共に熱を発生する。そこで、燃料電池の運転に際してエネルギー効率を高めるために、熱を回収して利用するシステムが提案されている。例えば、この熱を利用して水を加熱し、湯を提供する給湯システムである（特許文献１、特許文献２参照）。

図３に示すように、従来の給湯システム１０１は、燃料電池ユニット１０１Ａ（以下、ＦＣユニットとする）と、これに併設された貯湯槽１０１Ｂとを備えている。ＦＣユニット１０１Ａは、主として、都市ガス、ＬＰＧなどの燃料ガス、水および空気から水素を生成する改質器１０３と、燃料電池が積層してなる燃料電池スタック１０４（以下、ＦＣスタックとする）と、改質器１０３およびＦＣスタック１０４の熱を利用して水を加熱する熱交換器１０７と、インバータ１０８とを備えて構成されている。

そして、給湯システム１０１を作動させると、ＦＣスタック１０４は、改質器１０３から供給される水素と、空気中の酸素とを作用させて発電し、電力を発生する。この電力は、インバータ１０８を介して出力端子１０８ａに導かれる。この電力の発生と共にＦＣスタック１０４は発熱し、ＦＣスタック１０４のカソード側（燃料極側）から、熱の一部を帯びたカソードオフガスが排出される。そして、このカソードオフガスは、配管１０４ｆを経由して外部に排出される。さらに、ＦＣスタック１０４は、途中位置に循環ポンプを有する配管１０５ｂを流通する冷却媒体によって、所定温度に維持されている。さらにまた、改質器１０３から、その作動熱を帯びた排ガス（以下、改質器排ガスという）が、配管１０３ｆを経由して外部に排出される。

熱交換器１０７は、配管１０３ｆの一部と、配管１０４ｆの一部と、配管１０５ｂの一部と、途中位置に循環ポンプ１２１ａとを有し貯湯槽１０１Ｂ内の水を循環させる配管１２１の一部と、を備えて構成されている。
したがって、ＦＣスタック１０４の発電中に、循環ポンプ１２１ａを稼動させることで、配管１０３ｆを流通する改質器排ガスの熱、配管１０４ｆを流通するカソードオフガスの熱、および、配管１０５ｂを流通する冷却媒体の熱を、配管１２１を流通する水に移動させることで、水を所定に加熱し、湯として貯湯槽１０１Ｂに戻すことができるようになっている。
このようにして、貯湯槽１０１Ｂの水を所定に加熱し、湯として、貯湯槽１０１Ｂに貯溜可能となっている。
特開２００２−２８９２４２号公報（００１５〜００２９、図１） 特開２００２−２８９２３４号公報（００１１〜００２２、図１）

しかしながら、給湯システム１０１は、改質器１０３およびＦＣスタック１０４で発生する熱は、これらの中間に配置された熱交換器１０７を介して回収されるため、熱損失が生じるという問題があった。すなわち、改質器１０３およびＦＣスタック１０４と、貯湯槽１０１Ｂとが、離れているため、改質器１０３、ＦＣスタック１０４から放射される放射熱を利用することはできなかった。
また、貯湯槽１０１Ｂ内の水を循環させるため、動力源として循環ポンプ１２１ａを設けねばならず、給湯システム１０１のエネルギー効率の悪化原因となっていた。

そこで、本発明は、前記問題を解決するため、燃料電池、改質器で発生する熱を効率的に利用し、水などの流体を好適に加熱可能とする流体加熱システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、内部を流体が流通する空間を有する筺体と、燃料電池および当該燃料電池に水素を供給する改質器の少なくとも一方からなる発熱体と、を具備した流体加熱システムであって、前記発熱体が、前記筺体内に配置されたことを特徴とする流体加熱システムである。

このような流体加熱システムによれば、燃料電池および改質器の少なくとも一方からなる発熱体が筺体内に配置されているため、発熱体から発生する放射熱は、循環ポンプなどの動力源を備えずに、筺体内部を流通する流体に伝わるため、熱損失が発生しにくくなる。したがって、燃料電池および改質器の少なくとも一方からなる発熱体にて発生する熱を効率的に利用し、流体を加熱することができる。

本発明によれば、熱を効率的に利用し、水などの流体を好適に加熱可能とする流体加熱システムを提供することができる。

次に、本発明の一実施形態について、図１を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る給湯システムの構成を示す図である。

≪給湯システムの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係る給湯システム１（流体加熱システム）は、特許請求の範囲における流体を水とし、改質器３およびＦＣスタック４で発生する熱を利用して、水を加熱するシステムである。給湯システム１は、主として、筺体１０と、発熱体である改質器３およびＦＣスタック４と、熱交換器７とを備えて構成されている。
なお、本実施形態において、特許請求の範囲における排出流体は、改質器３から排出される改質器排ガスと、ＦＣスタック４から排出されるカソードオフガスとに相当する。

＜筺体＞
筺体１０は、内部が空洞であり、外形が円柱状の外筺体１１と、この内側に配置され、内部が空洞であり、外形が円柱状の内筺体１２とを備えている。すなわち、筺体１０は、外筺体１１と内筺体１２との間に形成される空間１１Ａ（以下、外側空間という）と、内筺体１２内の空洞との二重構造を有している。外筺体１１の下部には水の入口となる配管１１ａが、外筺体１１の上部には加熱された水（つまり、湯）の出口となる配管１１ｂがそれぞれ設けられており、外側空間１１Ａに水が流通するようになっている。配管１１ａの上流側は、開閉弁（図示しない）を介して、上水道などの水源に接続しており、配管１１ｂの下流側は、開閉弁（図示しない）を介して、浴槽などの湯を利用する設備に接続している。したがって、前記２つの開閉弁を操作することで、外側空間１１Ａに湯を貯溜することも可能となっている。
内筺体１２は、その内部に隔壁１２ａを有しており、前記空洞は上室１２Ａと下室１２Ｂとに分割されている。なお、外筺体１１および内筺体１２は、熱伝導率が高く、耐腐食性を有する材料から形成されることが好ましい。

＜改質器＞
改質器３は、水素を発生させる機器であって、下室１２Ｂに配置されている。改質器３の上流側には、都市ガス、ＬＰＧなどの燃料ガスを導入する配管３ａと、水を導入する配管３ｂと、空気を導入する配管３ｃがそれぞれ接続されている。改質器３の内部には、触媒が装填されており、この触媒存在下において、触媒燃焼反応、部分酸化反応などにより、燃料ガスと水と空気中の酸素とを作用させて、水素を生成可能となっている。
一方、改質器３の下流側には、発生した水素をＦＣスタック４に導く配管３ｅと、前記改質反応により生じた二酸化炭素などの改質器排ガス（排出流体）を、外部に排出する配管３ｆとが接続されている。

また、下室１２Ｂ内には断熱材（図示しない）が充填されており、高温で作動する改質器３の熱により、水が過剰に加熱されないようになっている。すなわち、改質器３で発生する熱を完全に遮断し、水の加熱を防止するのではなく、断熱材の充填量を調整して、水が所定に加熱されるように設定することが好ましい。また、場合によっては、内筺体１２の壁を薄くして、改質器３の熱が水に伝わりやすくしてもよい。

＜ＦＣスタック＞
本実施形態に係るＦＣスタック４は、複数の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が積層されたものである。
ＦＣスタック４の上流側には、改質器３で発生した水素をＦＣスタック４のアノード側（燃料極側）に導く配管３ｅと、配管３ｃの途中位置に接続し、ＦＣスタック４のカソード側（空気極側）に空気を導く配管４ａとが接続されている。そして、ＦＣスタック４は、水素と空気中の酸素とにより、電気化学反応を生じさせて電力を発生すると共に、熱を発生可能となっている。ＦＣスタック４の出力端子（図示しない）には、インバータ（図示しない）を介する配線が接続されており、電流を取り出し可能となっている。ＦＣスタック４の下流側には、アノード側から排出される未反応の水素を含むアノードオフガスを改質器３に供給する配管４ｅと、カソード側から排出されるカソードオフガス（排出流体）を外部に導く配管４ｆとが接続されている。
また、作動中、発熱するＦＣスタック４を所定温度に冷却（調整）するため、内部を冷却媒体が流通し、途中位置に循環ポンプ５ａを有する配管５ｂがＦＣスタック４に設けられている。そして、ＦＣスタック４の作動中、循環ポンプ５ａを作動させることで、ＦＣスタック４を所定に冷却（調整）可能となっている。
さらに、配管４ａの途中位置に加湿器を設け、ＦＣスタック４のカソード側に加湿された空気を供給し、ＦＣスタック４を安定して作動させるようにしてもよい。

ＦＣスタック４は、内筺体１２の上室１２Ａに配置されている。これにより、従来、ＦＣスタック４の運転温度を所定に保つため、ＦＣスタック４の外周面を覆うように保温材を設ける必要があったが、本実施形態では内筺体１２の外側を所定温度の水が流通・貯溜し、この水がＦＣスタック４の保温層としての機能を奏すため、前記保温材は不要となり、安価で給湯システム１を構築可能となる。
また、保温材を設けないことによって、ＦＣスタック４自体からの放射熱が水へ伝わりやすくもなる。さらに、給湯システム１が寒冷地に設置された場合であっても、ＦＣスタック４を取り囲む外側空間１１Ａを流通・貯溜する水によって、ＦＣスタック４の凍結が防止される。さらにまた、給湯システム１の外気温が低下しても、ＦＣスタック４は容易に起動可能となる。また、水の比熱は高く、一旦所定温度ととなった水の温度は低下しにくいため、運転停止時におけるＦＣスタック４の温度降下率の大幅な低減を防止でき、例えば、夜間停止後の温度降下を小さくし、翌日の運転開始時の立ち上げ時間の短縮につなげることもできる。

＜熱交換器＞
熱交換器７は、改質器３およびＦＣスタック４の下流側に接続しており、改質器３およびＦＣスタック４で発生した熱を、外側空間１１Ａを流通する水に伝える機器である。熱交換器７は、筺体１０内に配置されており、主として、改質器３から排出される改質器排ガスが流通する配管３ｆの一部と、ＦＣスタック４から排出されるカソードオフガスが流通する配管４ｆの一部と、ＦＣスタック４を所定温度に冷却する冷却媒体が流通する配管５ｂの一部とを備えている。さらに具体的には、熱交換器７は、これら一部が内筺体１２の外周面を覆うように、螺旋状、ジグザグに配置されることによって構成されており、内筺体１２の外周面を覆うような円筒状を呈している。
したがって、改質器排ガス、カソードオフガスおよび冷却媒体は、熱交換器７を経由する部分において、内筺体１２の外周面に沿って流通することになる。これにより、改質器排ガス、カソードオフガスおよび冷却媒体の熱は、外側空間１１Ａを流通・貯溜する水に、好適に伝わり、その結果として、水を加熱して湯とすることができるようになっている。
このように、本実施形態では、従来の循環ポンプ１２１ａ（図３参照）などの動力源を必要としないため、給湯システム１の運転コストを抑えることができる。

≪給湯システム１の動作≫
続いて、給湯システム１の動作について説明する。

改質器３に、燃料ガス、水、空気が導入されると、触媒燃焼反応などにより水素が発生する。この水素は配管３ｅを経由して、ＦＣスタック４のアノード側に供給される。一方、触媒反応により改質器３内で発生した改質器排ガスは、配管３ｆを経由して、給湯システム１の外部に排出される。

そして、ＦＣスタック４では、改質器３からアノード側に供給された水素と、配管４ａを経由してカソード側に供給された空気中の酸素とが電気化学反応を生じ、ＦＣスタック４が発電可能な状態となる。そして、ＦＣスタック４の出力端子に接続するインバータなどを介して電流を取り出すと、前記電気化学反応が進行し、ＦＣスタック４が発電する。

このようにＦＣスタック４の発電よる電力の発生と共に、前記電気化学反応は発熱反応であるため、ＦＣスタック４が発熱する。ＦＣスタック４にて発生した熱の一部は、放射熱として、内筺体１２を介して、外側空間１１Ａの水に伝わり、この水を加熱する。また、熱の一部はカソードオフガスと共に排出され、配管４ｆを経由し給湯システム１の外部に導かれる。さらに、熱の一部は、配管５ｂを循環する冷却媒体に吸収されて循環する。
なお、ＦＣスタック４のアノード側から排出される未反応の水素を含むアノードオフガスは、配管４ｅを経由して改質器３に導入され、改質器３において燃料として使用される。

このようなＦＣスタック４の発電に並行して、配管１１ａから外側空間１１Ａに水が導入される。

そうすると、熱交換器７において、改質器排ガス、カソードオフガスおよび配管５ｂ内を循環する冷却媒体と、水との間で熱交換される。つまり、改質器排ガス、カソードオフガスおよび前記冷却媒体の熱が、水に移動し、水が加熱されて湯となる。

さらに具体的には、ＦＣスタック４を構成する固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の運転温度は、一般に、７０〜８０℃であるため、７０〜８０℃のカソードオフガスが配管４ｆ内を流通し、同温度の冷却媒体が配管５ｂ内を流通する。これらと、配管３ｆ内を流通する改質器排ガスにより、水は加熱され、６０〜７０℃の湯となる。

そして、湯は配管１１ｂから外部に排出され、例えば、浴室用の湯や、床暖房用の湯として使用される。

このように、給湯システム１によれば、従来の循環ポンプ１２１ａ（図３参照）を必要としないため、低コストで運転可能なだけでなく、改質器３、ＦＣスタック４からの放射熱を利用することができる。また、熱交換器７を筺体１０内であって内筺体１２の外周面に備えたため、改質器排ガス、カソードオフガス、冷却媒体の熱を好適に利用して、水を加熱することができる。すなわち、改質器３およびＦＣスタック４で発生する熱を無駄なく利用可能であるため、熱損失はほとんど発生しない。

以上、本発明の好適な実施形態について一例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

前記した実施形態では、燃料電池を固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）としたが、燃料電池の種類はこれに限定されず、その他に例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などであってもよい。

前記した実施形態では、加熱対象を水としたが、加熱する対象はこれに限定されず、その他に例えば、空気、油などであってもよい。

前記した実施形態では、ＦＣスタック４が上室１２Ａに、改質器３が下室１２Ｂに配置された縦型（塔型）の給湯システム１としたが、ＦＣスタック４と改質器３との配置はこれに限定されず、例えば、内筺体１２内にＦＣスタック４と改質器３とが横置きで配置された横型の給湯システム１であってもよい。

前記した実施形態では、図１に示すように、水が、配管１１ａから外側空間１１Ａに排出された後、熱交換器７により、所定温度に加熱されるとしたが、例えば、図２に示すように、配管１１ａの下流側に配管Ｐを接続し、この配管Ｐを熱交換器７を経由した後、外側空間１１Ａに水を吐出するように配置してもよい。このように配管Ｐを設けると、熱交換率はさらに高まる。また、配管Ｐの下流端から吐出する水によって、外側空間１１Ａ内に貯溜する水が撹拌されやすくなり、筺体１０内で湯の温度差が生じにくくなる。

前記した実施形態では、発熱体であるＦＣスタック４と改質器３の両方が、内筺体１２内に配置された構成としたが、ＦＣスタック４および改質器３の少なくとも一方が筺体１０内に配置されればよい。

前記した実施形態では、二重構造を有する筺体１０の内筺体１２の内部に、改質器３およびＦＣスタック４を配置して給湯システム１を構成したが、二重構造の筺体１０を使用せず、改質器３およびＦＣスタック４に適宜なシーリングを施し、防水仕様にして、そのまま筺体１０の内部に配置してもよい。

本実施形態に係る給湯システムの構成を示す図である。 本実施形態に係る給湯システムの変形例を示す図である。 従来の給湯システムの構成を示す図である。

符号の説明

１ 給湯システム
３ 改質器（発熱体）
４ ＦＣスタック（発熱体）
７ 熱交換器
１０ 筺体

Claims (4)

1. 内部を流体が流通する空間を有する筺体と、
   燃料電池および当該燃料電池に水素を供給する改質器の少なくとも一方からなる発熱体と、を具備した流体加熱システムであって、
   前記発熱体が、前記筺体内に配置されたことを特徴とする流体加熱システム。
2. 前記発熱体の下流側に接続されると共に、前記筺体内に配置され、前記発熱体から排出される排出流体と前記筺体内を流通する流体との間で熱交換する熱交換器を、さらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の流体加熱システム。
3. 前記流体を前記熱交換器内に流通させて、当該流体と前記排出流体との間で熱交換した後、前記筺体内に供給する配管を、さらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の流体加熱システム。
4. 前記流体は、水であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の流体加熱システム。

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