JP2022082273A - 発電給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池モジュールの水濡れの可能性を低減する。【解決手段】発電給湯システム１０は燃料電池モジュール１１と給湯器１２とを有する。給湯器１２は燃料電池モジュール１１より下方に位置する。給湯器１２は燃料電池モジュールの駆動に伴い発生する熱又はバーナが発生する熱を利用して供給水を加熱可能である。供給水を外部から供給する。【選択図】図２

Description

本開示は、発電給湯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（特許文献１参照）。

特開２０２０－１６５５８２号公報

燃料電池モジュールは、発電中に高温に維持される必要があるため、断熱材により覆われることが一般的である。断熱材は、一般的に濡れることにより、断熱性の低下及び劣化が進む。それゆえ、燃料電池モジュール１１の水濡れの可能性の低減が求められている。

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、燃料電池モジュールの水濡れの可能性を低減させる発電給湯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の観点による発電給湯システムは、
燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールより下方に位置し、前記燃料電池モジュールの駆動に伴い発生する熱又は内蔵するバーナが発生する熱を利用して、外部から供給される供給水を加熱可能な給湯器と、を備える。

上記のように構成された本開示に係る発電給湯システムによれば、燃料電池モジュールの水濡れの可能性が低減する。

本実施形態に係る発電給湯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、給湯器等の配置状態を示す、支持部の上下方向に沿った断面図である。 図１の発電給湯システムの変形例の概略構成図である。 図３の燃料電池モジュール、給湯器等の配置状態を示す、支持部の上下方向に沿った断面図である。

以下、本開示を適用した発電給湯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発電給湯システム１０は、燃料電池モジュール１１及び給湯器１２を含んで構成される。発電給湯システム１０は、更に、排気口１３、第１の熱交換器１４、熱媒タンク１５、中和部１６、及び排水部１７を含んで構成されてよい。図２に示すように、発電給湯システム１０は、更に、板１８、支持部１９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、図１に示すように、ガス取得口２０を介して供給される燃料ガスと、取水口２１から間接的に供給される水とに水蒸気改質反応を生じさせることにより、水素等の電池の燃料を生成する。セルスタックは、空気中に含まれる酸素などの酸化剤と、改質器が生成する電池の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。燃料電池モジュール１１から排出される排ガスを介して、燃料電池モジュール１１の駆動に伴い発生する熱は熱媒に回収されてよい。図１に示すように、例えば、排ガスが第２の熱交換器２２を用いて熱媒と熱交換することにより、熱が回収されてよい。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。熱媒は、第２の熱交換器２２を通過する循環路２３を循環してよい。循環路２３には、熱媒ポンプ２４が設けられてよい。熱媒ポンプ２４は、熱媒を循環させてよい。

熱交換により冷却された排ガスは、気液分離器２５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。分離された水、言換えると燃料電池モジュール１１から排出された水は、水タンク２６に一時的に貯留されてよい。水タンク２６に貯留される水は、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。水タンク２６に貯留される水の一部は、中和部１６を介して発電給湯システム１０の外部に排出されてよい。

給湯器１２は、バーナ２７を内蔵する。給湯器１２には、発電給湯システム１０の外部から、取水口２１を介して水が供給水として供給される。給湯器１２は、燃料電池モジュール１１の駆動に伴い発生する熱、またはバーナ２７が発生する熱を利用して供給水を加熱可能である。給湯器１２は、加熱した温水を出湯可能であってよい。

給湯器１２は、多様な態様で、燃料電池モジュール１１の駆動に伴い発生する熱を利用して供給水を加熱してよい。給湯器１２は、例えば、熱媒を、後述する、第１の熱交換器１４で熱交換させることにより、供給水を加熱可能であってよい。または、熱媒が水である構成において、循環路２３における第２の熱交換器２２の上流の位置に供給水を加え、第２の熱交換器２２における熱交換により供給水を加熱可能であってよい。給湯器１２は、燃料電池モジュール１１の駆動に伴い発生する熱だけでは加熱不足である場合、バーナ２７を用いて加熱可能であってよい。バーナ２７には、ガス取得口２０を介して燃料ガスが供給されてよい。

図２に示すように、給湯器１２は、燃料電池モジュール１１より下方に位置する。発電給湯システム１０における下方とは、定められた理想の姿勢で発電給湯システム１０が設置された状態において地上に対する鉛直下方と同じ方向である。燃料電池モジュール１１より下方とは、上下方向における位置が下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、給湯器１２は、燃料電池モジュール１１の下方に位置してよい。燃料電池モジュール１１の下方とは、上下方向における位置が下側（直下）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、排気口１３は、燃料電池モジュール１１及び給湯器１２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１３は、燃料電池モジュール１１に気液分離器２５を介して間接的に接続されてよい。また、排気口１３は、給湯器１２に直接的に接続されてよい。排気口１３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１２から排出される排ガスを、発電給湯システム１０から排出してよい。

第１の熱交換器１４は、前述のように、熱媒と供給水とを熱交換させてよい。言換えると、熱媒は、供給水を用いて冷却されてよい。熱媒は、第１の熱交換器１４だけでなく、ラジエータ等を用いて冷却されてよい。第１の熱交換器１４は、循環路２３に設けられてよい。または、第１の熱交換器１４は、熱媒タンク１５から熱媒を取出す、循環路２３とは別の配管に設けられてよい。

第１の熱交換器１４は、発電給湯システム１０内の任意の位置に設けられてよい。第１の熱交換器１４は、例えば、給湯器１２内に設けられてよい。さらには、第１の熱交換器１４は、給湯器１２内のバーナ２７の排ガスを排出する通路内に設けられてよい。第１の熱交換器１４は、当該通路内において、バーナ２７の燃焼及び排気のために設けられるブロワが送込む空気と熱媒とを熱交換させてよい。

熱媒タンク１５は、熱媒を貯留してよい。熱媒タンク１５は、循環路２３に設けられてよい。したがって、熱媒は、熱媒タンク１５及び第２の熱交換器２２の間で、循環路２３を介して循環してよい。

図２に示すように、熱媒タンク１５は、燃料電池モジュール１１に隣接してよい。熱媒タンク１５が燃料電池モジュール１１に隣接するとは、熱媒タンク１５の外壁の少なくとも一部及び燃料電池モジュール１１の外壁の少なくとも一部が隣接することを意味する。さらには、熱媒タンク１５及び燃料電池モジュール１１の互いに隣接する部分は、断熱材を挟持してよい。

熱媒タンク１５は、上下方向において、燃料電池モジュール１１と同じ長さでよく、異なる長さでよい。熱媒タンク１５は、例えば、上下方向において、燃料電池モジュール１１より長くてよい。熱媒タンク１５の上下方向の一部が、上下方向に垂直な方向において、燃料電池モジュール１１に並ぶように位置してよい。熱媒タンク１５の上下方向の他の一部が、上下方向に垂直な方向において、バーナ２７に並ぶように位置してよい。

図１に示すように、中和部１６は、燃料電池モジュール１１及び給湯器１２から直接又は間接的に排出される水を中和させてよい。中和部１６は、例えば、中和剤を保有してよい。中和剤は、例えば、塩基性物質であってよい。なお、燃料電池モジュール１１の排ガスは水蒸気とともに燃焼ガスを含んでおり、凝縮した水は一般的に酸性である。また、給湯器１２の、特にバーナ２７の燃焼による排ガスは水蒸気とともに二酸化炭素を含んでおり、排気の過程で凝縮した水は一般的に酸性である。

図２に示すように、中和部１６は、水タンク２６より下方に位置してよい。中和部１６は、給湯器１２内に位置してよい。

図１に示すように、排水部１７は、中和部１６が中和した水を、発電給湯システム１０の外部に排水する。排水部１７は、例えば、排水桝、排水用の配管である。図２に示すように、排水部１７は、中和部１６より下方に位置してよい。

図２に示すように、板１８は、燃料電池モジュール１１及び給湯器１２の間に位置してよい。板１８は、給湯器１２を、燃料電池モジュール１１から覆ってよい。板１８は、給湯器１２の筐体の上方を構成する天板であってよい。または、板１８は、給湯器１２とは別部材であってよい。板１８は、例えば、配管を介して排水部１７に連結していてよい。

支持部１９は、燃料電池モジュール１１に対して定められた位置で、給湯器１２を支持してよい。支持部１９は、例えば、燃料電池モジュール１１及び給湯器１２を収容する筐体の一部であってよい。筐体は発電給湯システム１０を構成する他の構成要素を収容してよい。支持部１９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給湯器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。発電給湯システム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１９はパイプシャフト内で上述の位置で少なくとも給湯器１２を支持してよい。

以上のような構成の本実施形態の発電給湯システム１０では、給湯器１２が燃料電池モジュール１１より下方に位置する。給湯器１２に設けられるバーナ２７の排ガス中の水蒸気の一部は排気路を通過中に凝縮することが一般的である。上述のような構成により、発電給湯システム１０では、給湯器１２の凝縮水が燃料電池モジュール１１にかかることを防ぎ得る。したがって、発電給湯システム１０は、燃料電池モジュール１１の水濡れの可能性を低減し得る。

また、本実施形態の発電給湯システム１０では、給湯器１２が燃料電池モジュール１１の下方に位置する。このような構成により、発電給湯システム１０は、上下方向に垂直な方向におけるサイズを小型化させ得る。したがって、発電給湯システム１０は、例えば、パイプシャフトのような水平方向に狭小な空間に設置され得る。

また、本実施形態の発電給湯システム１０は、燃料電池モジュール１１及び給湯器１２の水を中和させる中和部１６を備える。燃料電池モジュール１１及び給湯器１２は別々に中和部を有していることが一般的である。一方、上述の構成を有する発電給湯システム１０は、燃料電池モジュール１１及び給湯器１２が共有する中和部１６を有するので、別々の中和部を有する構成に比べて、構成が簡潔化され且つサイズが小型化され得る。

また、本実施形態の発電給湯システム１０では、中和部１６は水タンク２６より下方に位置する。このような構成により、発電給湯システム１０では、水タンク２６に貯留される凝縮水が自重により中和部１６に流れ得る。したがって、発電給湯システム１０には、水タンク２６の凝縮水を中和部１６に送出するポンプ等が不要である。

また、本実施形態の発電給湯システム１０では、中和部１６より下方に排水部１７が位置する。このような構成により、、発電給湯システム１０では、中和部１６に中和される水が自重により排水部１７に流れ得る。したがって、発電給湯システム１０には、中和部１６で中和された水を排水部１７に送出するポンプ等が不要である。

また、本実施形態の発電給湯システム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１２から排出される排ガスとを排出する共通の排気口１３を備える。このような構成により、発電給湯システム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、発電給湯システム１０は、給湯器１２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、発電給湯システム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１３近傍における安全性を向上させる。

また、本実施形態の発電給湯システム１０は、燃料電池モジュール１１に隣接する熱媒タンク１５を備える。燃料電池モジュール１１及び熱媒タンク１５は高温を維持させる必要があり、断熱材で被覆される。上述の構成を有する発電給湯システム１０では、互いに隣接する部分における断熱材を共有させ得る。したがって、発電給湯システム１０では、断熱材の共有により、サイズの小型化及び製造コストの低減を実現し得る。

本開示の内容は、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことができる。したがって、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれる。例えば、各実施形態において、各機能部、各手段、各ステップなどは論理的に矛盾しないように他の実施形態に追加し、若しくは、他の実施形態の各機能部、各手段、各ステップなどと置き換えることが可能である。また、各実施形態において、複数の各機能部、各手段、各ステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本開示の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施することもできる。

例えば、本実施形態において、水タンク２６に貯留される水の一部は中和部１６を介して発電給湯システム１０の外部に排出される構成であるが、異なる態様で排出されてよい。例えば、図３、４に示すように、燃料電池モジュール１１から排出される水、言換えると、水タンク２６に貯留される水の一部は、気化器２８を介して、排出されてよい。気化器２８は、例えば、気液分離器２５から排出される排ガス又は給湯器１２の排ガスを排出する排気路内に設けられ、排ガスの熱により水を気化してよい。気化器２８は、例えば、毛細管現象により水を吸上げ、水と高温の排ガスとの接触面積を確保する多孔質の部材であってよい。

１０ 発電給湯システム
１１ 燃料電池モジュール
１２ 給湯器
１３ 排気口
１４ 第１の熱交換器
１５ 熱媒タンク
１６ 中和部
１７ 排水部
１８ 板
１９ 支持部
２０ ガス取得口
２１ 取水口
２２ 第２の熱交換器
２３ 循環路
２４ 熱媒ポンプ
２５ 気液分離器
２６ 水タンク
２７ バーナ
２８ 気化器

Claims (11)

1. 燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールより下方に位置し、前記燃料電池モジュールの駆動に伴い発生する熱又は内蔵するバーナが発生する熱を利用して、外部から供給される供給水を加熱可能な給湯器と、を備える
   発電給湯システム。
2. 請求項１に記載の発電給湯システムにおいて、
   前記給湯器は、前記燃料電池モジュールの下方に位置する
   発電給湯システム。
3. 請求項１又は２に記載の発電給湯システムにおいて、
   前記燃料電池モジュール及び前記給湯器から排出される水を中和させる中和部を、更に備える
   発電給湯システム。
4. 請求項３に記載の発電給湯システムにおいて、
   前記中和部は、前記燃料電池モジュールが排出する水を貯留する水タンクより下方に位置する
   発電給湯システム。
5. 請求項３又は４に記載の発電給湯システムにおいて、
   前記中和部より下方に位置し、前記中和部が中和した水を排水する排水部を、更に備える
   発電給湯システム。
6. 請求項１又は２に記載の発電給湯システムにおいて、
   前記燃料電池モジュールから排出される水及び前記給湯器から排出される水の少なくとも一方を気化する気化器を、更に備える
   発電給湯システム。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の発電給湯システムにおいて、
   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、更に備える
   発電給湯システム。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の発電給湯システムにおいて、
   前記燃料電池モジュールの駆動に伴い発生する熱を回収させる熱媒の循環路に設けられ、前記熱媒を前記供給水と熱交換させる熱交換器を、更に備える
   発電給湯システム。
9. 請求項８に記載の発電給湯システムにおいて、
   前記燃料電池モジュールに隣接し、前記熱媒を貯留する熱媒タンクを、更に備える
   発電給湯システム。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の発電給湯システムにおいて、
    前記燃料電池モジュールに対して定められた位置で、前記給湯器を支持する支持部を、更に備える
    発電給湯システム。
11. 請求項１０に記載の発電給湯システムにおいて、
    前記支持部は、前記燃料電池モジュール及び前記給湯器を収容する筐体の一部である
    発電給湯システム。
    

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