JP2022055702A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱タンク内の熱媒の降温を抑制する。【解決手段】燃料電池システム１０は燃料電池モジュール１１と蓄熱タンク１２と給湯器１３とを有する。蓄熱タンク１２は燃料電池モジュール１１より上方に位置する。蓄熱タンク１２は熱媒を貯蔵する。熱媒を燃料電池モジュールの排ガスと熱交換させる。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。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池システムに関するものである。

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。燃料電池モジュールの発電時の高温の排ガスと熱交換させる熱媒を介して、燃料電池モジュールの排熱が利用される（特許文献１参照）。

特開２０１８－１９５４５２号公報

熱交換させた熱媒は、一時的に蓄熱タンクに貯蔵され、使用者が給湯する場合のように所望の時期に熱媒に蓄積された熱が取出される。それゆえ、蓄熱タンクに貯蔵される熱媒の温度を設計上の温度以上に維持することが求められている。

従って、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、蓄熱タンク内の熱媒の降温を抑制する燃料電池システムを提供することにある。

上述した諸課題を解決すべく、第１の観点による燃料電池システムは、
燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールより上方に位置し、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、
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。

上記のように構成された本開示に係る燃料電池システムによれば、蓄熱タンク内の熱媒の降温が抑制される。

本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 図１の燃料電池モジュール、蓄熱タンク及び給湯器１３の配置状態を示す、支持部の上下方向に沿った断面図である。

以下、本開示を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム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。燃料電池システム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、水供給路１８、排気口１９を含んで構成されてよい。図２に示すように、燃料電池システム１０は、さらに、支持部２０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、水とに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を介して燃料電池システム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。

図２に示すように、蓄熱タンク１２は、燃料電池モジュール１１より上方に位置する。燃料電池システム１０における上方とは、定められた理想の姿勢で燃料電池システム１０が設置された状態において地上に対する鉛直上方と同じ方向である。燃料電池モジュール１１より上方とは、上下方向における位置が上側であることを限定し、上下方向に垂直な平面における位置は任意であることを意味する。さらには、蓄熱タンク１２は、燃料電池モジュール１１の上方に位置してよい。燃料電池モジュール１１の上方とは、上下方向における位置が上側であること、及び上下方向に垂直な平面における位置が重なることを意味する。

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。または、熱媒が水である構成において、熱媒をお湯として直接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、蓄熱タンク１２に並ぶように位置してよい。給湯器１３は、蓄熱タンク１２に近接して位置してよい。

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。熱媒循環路１４は、熱媒ポンプ１６から熱交換器２１の間において、第１の部分２４及び第２の部分２５を有してよい。第１の部分２４は、熱媒ポンプ１６の吐出口から上方に向かうように延在してよい。上方とは、鉛直上方のみでなく、斜め上方を含んでよい。第２の部分２５は、第１の部分２４から下方に延在してよい。下方とは、鉛直下方のみでなく、斜め下方を含んでよい。延在は、直線状の延在に限定されず、曲線状の延在であってよい。

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。ガス取得口２６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を介して、燃料電池モジュール１１及び給湯器１３にガスを供給してよい。

水供給路１８は、単一又は複数の水取得口２７を有してよい。水取得口２７は、少なくとも二股に分岐してよい。分岐した水供給路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、水供給路１８は、水タンク２３を介して間接的に燃料電池モジュール１１に接続されてよい。さらに、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、水供給路１８は、給湯器１３に直接的に接続されてよい。水供給路１８は、水取得口２７を介して、燃料電池モジュール１１及び給湯器１３に水を供給してよい。

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とは異なる位置に位置してよい。より具体的には、ガス取得口２６及び水取得口２７は燃料電池モジュール１１より下方に位置してよい。また、給湯口２８は給湯器１３より下方且つ燃料電池モジュール１１より上方に位置してよい。

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、燃料電池システム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、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。燃料電池システム１０は集合住宅などのパイプシャフト内に設置されてよく、支持部２０はパイプシャフト内で上述の位置で少なくとも蓄熱タンク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。

支持部２０は、上下方向の下端にスペーサを有してよい。スペーサは、例えば３つ以上の脚部であってよい。スペーサの上下方向における長さは、燃料電池システム１０の設置が想定される施設で用いられるガスメータ及び水道メータの高さより長くてよい。

以上のような構成の本実施形態の燃料電池システム１０では、蓄熱タンク１２が燃料電池モジュール１１より上方に位置する。このような構成により、燃料電池システム１０では、高温で稼働する燃料電池モジュール１１の放熱は対流により上方に伝導されやすいので、蓄熱タンク１２が加熱され得る。したがって、燃料電池システム１０は、蓄熱タンク１２内の熱媒の降温を抑制し得る。また、上述の構成により、燃料電池システム１０では、適用する施設に設置された場外で、蓄熱タンク１２からの熱媒の抜出し口が地面又は床から、少なくとも燃料電池モジュール１１の高さ分だけ離れて位置し得る。したがって、燃料電池システム１０では、蓄熱タンク１２内の熱媒を直接抜出して利用することが容易である。

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、蓄熱タンク１２が燃料電池モジュール１１の上方に位置する。このような構成により、燃料電池システム１０は、蓄熱タンク１２内の熱媒の降温をさらに抑制し得る。

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、給湯器１３は上下方向に垂直な方向において、蓄熱タンク１２と並ぶように位置する。このような構成により、燃料電池システム１０では、給湯器１３が稼働している時の給湯器１３からの放熱により蓄熱タンク１２が加熱され得る。したがって、燃料電池システム１０は、蓄熱タンク１２内の熱媒の降温をさらに抑制し得る。

また、本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１１から排出される排ガスと、給湯器１３から排出される排ガスとを排出する共通の排気口１９を備える。このような構成により、燃料電池システム１０は、別々の排気口を設ける構成に比べて、小型化され得る。また、上述の構成により、燃料電池システム１０は、給湯器１３から排出される高温の排ガスを、燃料電池モジュール１１において熱媒により冷却された排ガスに混合させる。したがって、燃料電池システム１０は、低温の排ガスが排気されるので、周囲が低温である場合における白煙の発生を抑制し、且つ排気口１９近傍における安全性を向上させる。

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、排気口１９がラジエータ１５の排気を排出する。ラジエータ１５の排気温度は、給湯器１３の排ガスの温度より低いことが一般的である。したがって上述の構成により、燃料電池システム１０は、給湯器１３から排出される高温の排ガスを、さらに降温させて排出させ得る。

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、ガス供給路１７はガス取得口２６から分岐して燃料電池モジュール１１及び給湯器１３にガスを供給し、水供給路１８は水取得口２７から分岐して燃料電池モジュール１１及び給湯器１３に水を供給する。このような構成により、燃料電池システム１０は、構成が簡素化され、製造コストを低減し得る。

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、熱媒ポンプ１６から熱交換器２１への熱媒の供給路は、熱媒ポンプ１６の吐出口から上方に延在する第１の部分２４及び第１の部分２４から下方に延在する第２の部分２５を有する。このような構成により、燃料電池システム１０は、熱媒ポンプ１６における空気の混入の発生の可能性を低減しながら、排水性を向上し得る。

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、支持部２０にレールが設けられる。このような構成により、燃料電池システム１０は、集合住宅のパイプシャフトに設置される場合に、燃料電池モジュール１１、蓄熱タンク１２、給湯器１３などをパイプシャフトの外部に容易に移動させ得る。したがって、燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１１、蓄熱タンク１２、給湯器１３などの保守管理を容易にさせ得る。

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、支持部２０はガスメータ及び水道メータの高さより長い脚部を有する。このような構成により、燃料電池システム１０では、燃料電池システム１０を構成する各構成要素の、ガスメータ及び水道メータと同じ高さ位置への設置が防がれる。したがって、燃料電池システム１０は、一時的に動かすことが困難なガスメータ及び水道メータを干渉させずに、各構成要素の保守管理を容易にさせ得る。

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、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とは異なる位置に位置する。このような構成により、燃料電池システム１０では、すべてが同じ位置である構成に比べて、上下方向に垂直な方向におけるガス取得口２６、水取得口２７及び給湯口２８を設置する広さを狭小化させ得る。

本開示を諸図面や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や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、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

１０ 燃料電池システム
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 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
２４ 第１の部分
２５ 第２の部分
２６ ガス取得口
２７ 水取得口
２８ 給湯口

Claims (9)

1. 燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールより上方に位置し、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、
   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
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記蓄熱タンクは、前記燃料電池モジュールの上方に位置する
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記給湯器は、上下方向に垂直な方向において、前記蓄熱タンクと並ぶように位置する
   燃料電池システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと、前記給湯器から排出される排ガスとを排出する排気口を、さらに備える
   燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池モジュールの排ガスとの熱交換前の熱媒を冷却するラジエータを、さらに備え、
   前記排気口は、前記ラジエータの排気を排出する
   燃料電池システム。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   ガス取得口から分岐して前記燃料電池モジュール及び前記給湯器にガスを供給するガス供給路と、
   水取得口から分岐して前記燃料電池モジュール及び前記給湯器に水を供給する水供給路と、をさらに備える
   燃料電池システム。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   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
   燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
   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
   燃料電池システム。
9. 請求項１から８に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記熱媒を、前記燃料電池モジュールの排ガスと熱交換させる熱交換器に供給する熱媒ポンプを、さらに備え、
   前記熱媒ポンプから前記熱交換器の供給路は、前記熱媒ポンプの吐出口から上方に延在する第１の部分及び前記第１の部分から下方に延在する第２の部分を有する
   燃料電池システム。

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