JP6906432B2 - 蓄熱システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置と、熱音響冷凍装置と、蓄熱媒体を用いて熱を蓄えることができる蓄熱タンクとを備える蓄熱システムに関する。

燃料電池装置を備えるコージェネレーションシステムは、燃料電池装置による発電時に発生する排熱（温熱）を有効利用することにより、システム全体での高い総合効率を実現している。このとき、燃料電池装置から排出される温熱を蓄熱タンクで蓄えておき、その蓄えた温熱を暖房装置などで消費するようなシステムがある。
但し、冬季の温熱需要に比べて他の季節、特に夏季の温熱需要は小さくなるので、蓄熱タンクで蓄えた温熱がそれほど消費されずに余ることも考えられる。その場合、燃料電池装置の排熱を有効利用できなくなる。

特許文献１には、夏季等の冷熱需要が大きい時季には、燃料電池装置から排出された温熱を冷熱に変換して供給できるシステムが記載されている。具体的には、燃料電池装置から排出される温熱を、熱音響現象を利用した熱音響冷凍装置を用いて冷熱に変換するシステムが記載されている。

特許第６１３３９９８号公報

特許文献１に記載のシステムでは、燃料電池装置から排出された温熱を蓄熱タンクに蓄えることができるため、温熱需要が大きくなるタイミングであっても、温熱用途に十分な温熱を供給できる。しかし、冷熱を蓄えることはできないため、冷熱需要が大きくなるタイミングでは、燃料電池装置から冷房用途などに十分な冷熱を供給できない可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池装置から排出された熱を温熱及び冷熱の両方の状態で蓄えることができる蓄熱システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る蓄熱システムの特徴構成は、燃料電池装置と、熱音響冷凍装置と、蓄熱媒体を用いて熱を蓄えることができる蓄熱タンクとを備え、
前記熱音響冷凍装置は、環状に形成され、内部に作動媒体が充填されたループ管と、前記ループ管の途中に設けられ、低温側と前記燃料電池装置から排出された熱を保有する排熱媒体の熱エネルギーが供給される高温側との間の温度勾配により音響エネルギーを発生させる第１変換部と、前記ループ管の途中に設けられ、前記第１変換部から前記ループ管を通って伝搬された音響エネルギーが熱エネルギーに変換されることで低温側と高温側との間で生じる温度勾配を利用して、当該低温側から外部に冷熱を排出できる第２変換部とを有する蓄熱システムであって、
前記蓄熱タンクは、上方が相対的に高温で下方が相対的に低温になる温度成層を形成する状態で内部に前記蓄熱媒体を貯えることができ、前記蓄熱タンクの上方側に設けられる上方口と下方側に設けられる下方口とを介して前記蓄熱媒体を前記蓄熱タンクの内外に流動させることができるように構成され、
前記蓄熱タンクに相対的に高温の前記蓄熱媒体を新たに貯える温熱蓄積運転を行うとき、前記蓄熱タンクの前記下方口から取り出した前記蓄熱媒体を前記排熱媒体で加熱した後、当該蓄熱媒体を前記蓄熱タンクの前記上方口に戻すように流動させ、
前記蓄熱タンクに相対的に低温の前記蓄熱媒体を新たに貯える冷熱蓄積運転を行うとき、前記蓄熱タンクの前記上方口から取り出した前記蓄熱媒体を前記熱音響冷凍装置の前記第２変換部で冷却した後、当該蓄熱媒体を前記蓄熱タンクの前記下方口に戻すように流動させ、
流体が前記第１変換部と前記第２変換部との間で循環できる流体循環路を備え、
前記冷熱蓄積運転を行うとき、
前記流体循環路を通って前記第１変換部と前記第２変換部との間で流体を循環させ、
前記第１変換部の高温側を構成する第１高温側熱交換部に前記排熱媒体を供給することで当該第１高温側熱交換部を相対的に高温にさせ、前記第１変換部の低温側を構成する第１低温側熱交換部に前記流体循環路を循環する流体を供給することで当該第１低温側熱交換部を相対的に低温にさせ、前記第１高温側熱交換部及び前記第１低温側熱交換部によって生じる温度勾配により前記音響エネルギーを発生させ、
当該音響エネルギーが前記ループ管を通って前記第１変換部から前記第２変換部に伝搬された状態で、前記第２変換部の高温側を構成する第２高温側熱交換部に前記流体循環路を循環する流体を供給し、前記第２変換部の低温側を構成する第２低温側熱交換部に前記蓄熱タンクの前記上方口から取り出した前記蓄熱媒体を供給して、前記作動媒体の音響エネルギーが熱エネルギーに変換されることで生じる温度勾配により、前記蓄熱タンクの前記上方口から取り出した前記蓄熱媒体を前記第２低温側熱交換部で冷却する点にある。

上記特徴構成によれば、蓄熱システムにおいて、燃料電池装置から排出される熱を、温熱蓄積運転によって温熱の状態で蓄熱タンクに蓄えることができ、熱音響冷凍装置を用いた冷熱蓄積運転によって冷熱の状態で蓄熱タンクに蓄えることができる。
従って、燃料電池装置から排出された熱を温熱及び冷熱の両方の状態で蓄えることもできる蓄熱システムを提供できる。
さらに、上記特徴構成によれば、冷熱蓄積運転を行うとき、第１変換部では、その高温側を構成する第１高温側熱交換部に排熱媒体を供給することで第１高温側熱交換部を相対的に高温にさせ、その低温側を構成する第１低温側熱交換部に流体循環路を循環する流体を供給することで第１低温側熱交換部を相対的に低温にさせ、第１高温側熱交換部及び第１低温側熱交換部によって生じる温度勾配により前記音響エネルギーを発生させる。つまり、第１変換部において、熱エネルギーを音響エネルギーに変換できる。
また、冷熱蓄積運転を行うとき、第２変換部では、その音響エネルギーがループ管を通って第１変換部から第２変換部に伝搬された状態で、その高温側を構成する第２高温側熱交換部に流体循環路を循環する流体を供給し、その低温側を構成する第２低温側熱交換部に蓄熱タンクの上方口から取り出した蓄熱媒体を供給して、作動媒体の音響エネルギーが熱エネルギーに変換されることで生じる温度勾配により、蓄熱タンクの上方口から取り出した蓄熱媒体を第２低温側熱交換部で冷却し、冷熱を蓄熱タンクで蓄えることができる。
つまり、第２変換部において、音響エネルギーを熱エネルギーに変換できる。

本発明に係る蓄熱システムの別の特徴構成は、前記燃料電池装置は、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池部と、前記燃料電池部での発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部とを有し、
前記温熱蓄積運転を行うとき、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスを前記排熱媒体として、当該排熱媒体の熱エネルギーを、前記蓄熱タンクの前記下方口から取り出した前記蓄熱媒体を加熱するために消費し、
前記冷熱蓄積運転を行うとき、前記燃焼部から排出される前記燃焼排ガスを前記排熱媒体として、当該排熱媒体の熱エネルギーを、前記第１変換部の高温側を加熱するために消費し、
熱エネルギーが消費されて温度が低下した前記燃焼排ガス中から凝縮水を回収し、当該凝縮水を前記改質部での原燃料の水蒸気改質に用いる点にある。

上記特徴構成によれば、温熱蓄積運転を行うとき、燃料電池装置の燃焼部から排出される燃焼排ガスが保有する熱エネルギーを、蓄熱タンクから取り出した蓄熱媒体を加熱するために消費する。また、冷熱蓄積運転を行うとき、燃料電池装置の燃焼部から排出される燃焼排ガスが保有する熱エネルギーを、熱音響冷凍装置の第１変換部の高温側を加熱するために消費する。つまり、温熱蓄積運転を行うとき及び冷熱蓄積運転を行うときの何れでも、燃焼排ガスから熱エネルギーが奪われることで燃焼排ガスは冷却され、燃焼排ガスに含まれていた水分が凝縮する。その結果、その凝縮水を、改質部での原燃料の水蒸気改質に利用できる水として回収できる。

本発明に係る蓄熱システムの更に別の特徴構成は、前記流体循環路の途中に、流体からの単位時間当たりの放熱量を調節できる放熱器を備える点にある。

上記特徴構成によれば、流体循環路を流れる流体からの放熱量を調節して、流体の温度を低下させることができる。つまり、流体循環路を流れる流体が供給される第１低温側熱交換部の温度を低下させることで、第１変換部の低温側と高温側との温度差を十分に確保できる。また、流体循環路を流れる流体が供給される第２高温側熱交換部の温度を低下させることで、第２変換部の高温側の温度を低くして、第２変換部の低温側を構成する第２低温側熱交換部に供給される、蓄熱タンクの上方口から取り出した蓄熱媒体を低い温度に冷却できる。

本発明に係る蓄熱システムの更に別の特徴構成は、前記冷熱蓄積運転が行われているとき、前記放熱器は、前記第２低温側熱交換部の温度が０℃以上になるように、前記流体循環路を流れる流体からの単位時間当たりの放熱量を調節する点にある。

上記特徴構成によれば、流体循環路を流れる流体からの放熱量を放熱器によって調節して、その流体が供給される第１低温側熱交換部及び第２高温側熱交換部の温度を調節することができる。つまり、それらの温度に応じて変化する第２低温側熱交換部の温度も、放熱器の動作によって調節できる。従って、流体循環路を流れる流体からの単位時間当たりの放熱量を調節して、第２低温側熱交換部が０℃以上になるようにすることで、第２低温側熱交換部で水分が凍結することを回避できる。

本発明に係る蓄熱システムの更に別の特徴構成は、前記流体循環路を流れる流体の流速を調節できる流速調節器を備え、
前記冷熱蓄積運転が行われているとき、前記流速調節器は、前記第２低温側熱交換部の温度が０℃以上になるように、前記流体循環路を流れる流体の流速を調節する点にある。

上記特徴構成によれば、流体循環路を流れる流体の流速を流速調節器によって調節して、その流体が供給される第１低温側熱交換部及び第２高温側熱交換部の温度も調節できる。従って、流速調節器の動作を調節して、第２低温側熱交換部が０℃以上になるようにすることで、第２低温側熱交換部で水分が凍結することを回避できる。

本発明に係る蓄熱システムの更に別の特徴構成は、前記蓄熱タンクから外部に取り出された前記蓄熱媒体が、前記第２低温側熱交換部を経由せず、前記第１高温側熱交換部を経由した後で前記蓄熱タンクに戻るまでの間に流れる温熱回収用流路と、
前記蓄熱タンクから外部に取り出された前記蓄熱媒体が、前記第１高温側熱交換部を経由せず、前記第２低温側熱交換部を経由した後で前記蓄熱タンクに戻るまでの間に流れる冷熱回収用流路とを備える点にある。

上記特徴構成によれば、温熱蓄積運転を行うとき、蓄熱タンクから外部に取り出された蓄熱媒体を温熱回収用流路に流すことで、その途中の第１高温側熱交換部において蓄熱媒体を加熱できる。
また、冷熱蓄積運転を行うとき、蓄熱タンクから外部に取り出された蓄熱媒体を冷熱回収用流路に流すことで、その途中の第２低温側熱交換部において蓄熱媒体を冷却できる。

本発明に係る蓄熱システムの更に別の特徴構成は、流体が前記第１変換部と前記第２変換部との間で循環できる流体循環路を備え、
前記温熱蓄積運転を行うとき、前記第１変換部の高温側を構成する第１高温側熱交換部で、前記蓄熱タンクの前記下方口から取り出した前記蓄熱媒体を前記排熱媒体で加熱した後、当該蓄熱媒体を前記蓄熱タンクの前記上方口に戻すように流動させる点にある。

上記特徴構成によれば、温熱蓄積運転を行うとき、第１変換部の高温側を構成する第１高温側熱交換部で、蓄熱タンクの前記下方口から取り出した蓄熱媒体を排熱媒体で加熱した後、その蓄熱媒体を蓄熱タンクの上方口に戻すように流動させることで、温熱を蓄熱タンクに蓄えることができる。

本発明に係る蓄熱システムの更に別の特徴構成は、前記流体循環路の途中に、前記第１高温側熱交換部で熱交換を行った後の前記排熱媒体と、前記流体循環路を流れる流体との熱交換を行う熱交換部を備える点にある。

上記特徴構成によれば、燃料電池装置から排出された熱を保有する排熱媒体から、熱交換部を用いて更に熱を奪うことができる。つまり、この熱交換部を用いて排熱媒体を更に冷却できる。従って、排熱媒体が燃焼排ガスの場合には、その燃焼排ガス中に含まれる水分を十分に回収できるようになる。

蓄熱システムの構成を示す概略図である。 第１実施形態の蓄熱システムの構成を示す図である。 温熱蓄積運転を説明する図である。 冷熱蓄積運転を説明する図である。 第２実施形態の蓄熱システムの構成を示す図である。 参考形態の蓄熱システムでの温熱蓄積運転を説明する図である。 参考形態の蓄熱システムでの冷熱蓄積運転を説明する図である。 別構成の熱音響冷凍装置を示す図である。

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して本発明の第１実施形態に係る蓄熱システムについて説明する。
図１は、蓄熱システムの構成を示す概略図である。図２は、第１実施形態の蓄熱システムの構成を示す図である。図１に示すように、蓄熱システムは、燃料電池装置２０と、熱音響冷凍装置３０と、蓄熱媒体を用いて熱を蓄えることができる蓄熱タンク１とを備える。

燃料電池装置２０は、発電を行う電源装置であると共に、熱を発生する熱源装置でもある。図２に示す燃料電池装置２０は、改質部２３と、アノード２４及びカソード２５を有する燃料電池部５０と、燃焼部２７とを有する。燃料電池部５０では、アノード２４とカソード２５との間に電解質部２６が設けられている。例えば、燃料電池部５０は固体酸化物形の燃料電池である。図２に示す例では、都市ガスなどの炭化水素を含む原燃料ガスが原燃料供給路２１を通って改質部２３に供給される。また、改質部２３には、凝縮水を貯える水タンク３から、水供給路２２を通って改質用水が供給される。改質部２３において原燃料ガスの水蒸気改質が行われ、生成された水素を主成分とする燃料ガスは、燃料電池部５０のアノード２４に供給される。また、燃料電池部５０のカソード２５には空気供給路２８を通って酸素（空気）が供給される。尚、燃料電池部５０での発電反応では、全ての水素が消費される訳ではなく、アノード２４から排出される排出アノードガス中には燃料成分が残存している。その後、燃焼部２７において、アノード２４から排出される排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる。そして、燃焼部２７で発生した燃焼熱が例えば改質部２３に供給される。燃料電池装置２０が固体酸化物形の燃料電池部５０を備える場合、燃焼排ガスの温度は例えば１６０℃などである。後述するように、本実施形態では、燃焼部２７から排出される燃焼排ガスを冷却する（熱エネルギーを回収する）ことで燃焼排ガス中から凝縮水を回収し、その凝縮水を改質部２３での原燃料の水蒸気改質に用いる。図２に示す例では、凝縮水は燃焼排ガス路２９から分岐するように接続された水回収路２を通って水タンク３へと流れ込む。
燃料電池装置２０の動作は制御装置Ｃが制御する。

図１及び図２に示すように、熱音響冷凍装置３０Ａ（３０）は、環状に形成され、内部に作動媒体が充填されたループ管３９と、ループ管３９の途中に設けられ、低温側と燃料電池装置２０から排出された熱を保有する排熱媒体の熱エネルギーが供給される高温側との間の温度勾配により音響エネルギーを発生させる第１変換部３４と、ループ管３９の途中に設けられ、第１変換部３４からループ管３９を通って伝搬された音響エネルギーが熱エネルギーに変換されることで低温側と高温側との間で生じる温度勾配を利用して、その低温側から外部に冷熱を排出できる第２変換部３８とを有する。本実施形態では、燃料電池装置２０の燃焼部２７から排出された燃焼排ガスが排熱媒体になる。ループ管３９には、窒素、ヘリウムなどの不活性ガスが封入されている。

第１変換部３４は、高温側を構成する第１高温側熱交換部３１と、低温側を構成する第１低温側熱交換部３３と、それら第１高温側熱交換部３１及び第１低温側熱交換部３３の間に設けられる第１スタック３２とを有する。第２変換部３８は、高温側を構成する第２高温側熱交換部３５と、低温側を構成する第２低温側熱交換部３７と、それら第２高温側熱交換部３５及び第２低温側熱交換部３７の間に設けられる第２スタック３６とを有する。第１スタック３２及び第２スタック３６は、ループ管３９内で、ステンレス鋼などで形成された複数の薄板が格子状やハニカム状などに微少間隔で設けられることにより、複数の微少通路が平行に形成された構造になっている。

蓄熱タンク１は、上方が相対的に高温で下方が相対的に低温になる温度成層を形成する状態で内部に蓄熱媒体を貯えることができ、蓄熱タンク１の上方側に設けられる上方口４０と下方側に設けられる下方口４１，４２とを介して蓄熱媒体を蓄熱タンク１の内外に流動させることができるように構成される。例えば、蓄熱タンク１には、蓄熱媒体としての水が蓄えられる。

図２に示すように、蓄熱システムは、流体が第１変換部３４と第２変換部３８との間で循環できる流体循環路４４を備える。本実施形態では、水を流体として用いる。加えて、流体循環路４４の途中に、流体からの単位時間当たりの放熱量を調節できる放熱器４５を備える。流体循環路４４を流れる流体の流速を調節できる流速調節器としてのポンプＰ３を備える。放熱器４５は放熱ファン４５ａを備え、その放熱ファン４５ａの回転速度を調節することで、流体からの単位時間当たりの放熱量を調節できる。
ポンプＰ３及び放熱器４５の動作は制御装置Ｃが制御する。

本実施形態の蓄熱システムでは、蓄熱タンク１に貯えられている蓄熱媒体は蓄熱媒体流路４３を通って循環できる。蓄熱媒体流路４３は、温熱回収用流路４３ａと冷熱回収用流路４３ｂと共通流路４３ｃとを有する。そして、蓄熱タンク１に貯えられている蓄熱媒体を、上方口４０から取り出して下方口４２に戻す流動状態、及び、下方口４１から取り出して上方口４０に戻す流動状態の何れかに切り替えることができる。

蓄熱タンク１に貯えられている蓄熱媒体を、上方口４０から取り出して下方口４２に戻す流動状態にするとき、三方弁Ｖ１がＢ−Ｃで流通できるように切り替えられ、且つ、ポンプＰ１が作動される。それにより、蓄熱タンク１の上方口４０から共通流路４３ｃへと取り出された蓄熱媒体は、三方弁Ｖ１を通って冷熱回収用流路４３ｂに至り、第２低温側熱交換部３７を経由して、蓄熱タンク１の下方口４２に戻る。それに対して、蓄熱タンク１に貯えられている蓄熱媒体を、下方口４１から取り出して上方口４０に戻す流動状態にするとき、三方弁Ｖ１がＡ−Ｃで流通できるように切り替えられ、且つ、ポンプＰ２が作動される。それにより、蓄熱タンク１の下方口４１から温熱回収用流路４３ａへと取り出された蓄熱媒体は、第１高温側熱交換部３１を経由し、三方弁Ｖ１及び共通流路４３ｃを通って蓄熱タンク１の上方口４０に戻る。
ポンプＰ１及びポンプＰ２及び三方弁Ｖ１の動作は制御装置Ｃが制御する。

このように、本実施形態では、蓄熱タンク１から外部に取り出された蓄熱媒体が、第２低温側熱交換部３７を経由せず、第１高温側熱交換部３１を経由した後で蓄熱タンク１に戻るまでの間に流れる温熱回収用流路４３ａと、蓄熱タンク１から外部に取り出された蓄熱媒体が、第１高温側熱交換部３１を経由せず、第２低温側熱交換部３７を経由した後で蓄熱タンク１に戻るまでの間に流れる冷熱回収用流路４３ｂとが別々に設けられている。

蓄熱タンク１では、後述するように温熱及び冷熱を蓄えることができるが、その温熱及び冷熱は、蓄熱システムの外部に出力できる。本実施形態では、蓄熱タンク１の上方側には上側接続路６が接続され、下方側には下側接続路７が接続されている。また、上側接続路６及び下側接続路７は共に給水路４及び熱出力路５に接続されている。具体的には、上側接続路６は給水路４ｂ及び熱出力路５ａに接続され、下側接続路７は給水路４ａ及び熱出力路５ｂに接続される。

そして、三方弁Ｖ２がＡ−Ｃで流通できるように切り替えられ、三方弁Ｖ３がＡ−Ｃで流通できるように切り替えられているとき、給水路４を通って供給される水は、三方弁Ｖ３を経由して給水路４ａに至り、その後、下側接続路７を通って蓄熱タンク１の下方から、蓄熱タンク１の内部に流入する。また、蓄熱タンク１の内部の水は、上側接続路６を通って取り出され、熱出力路５ａ及び三方弁Ｖ２を経由して、熱出力路５から熱負荷装置（図示せず）に向けて供給される。
それに対して、三方弁Ｖ２がＢ−Ｃで流通できるように切り替えられ、三方弁Ｖ２がＢ−Ｃで流通できるように切り替えられているとき、給水路４を通って供給される水は、三方弁Ｖ３を経由して給水路４ｂに至り、その後、上側接続路６を通って蓄熱タンク１の上方から、蓄熱タンク１の内部に流入する。また、蓄熱タンク１の内部の水は、下側接続路７を通って取り出され、熱出力路５ｂ及び三方弁Ｖ２を経由して、熱出力路５から熱負荷装置（図示せず）に向けて供給される。
三方弁Ｖ２及び三方弁Ｖ３の動作は制御装置Ｃが制御する。

〔温熱蓄積運転〕
図３は、温熱蓄積運転を説明する図であり、ガスや各媒体の流動を太線で強調表示している。蓄熱タンク１に相対的に高温の蓄熱媒体を新たに貯える温熱蓄積運転を行うとき、蓄熱タンク１の下方口４１から取り出した蓄熱媒体を排熱媒体で加熱した後、その蓄熱媒体を蓄熱タンク１の上方口４０に戻すように流動させる。
つまり、温熱蓄積運転を行うとき、燃焼部２７から排出される燃焼排ガスを排熱媒体として、その排熱媒体の熱エネルギーを、蓄熱タンク１の下方口４１から取り出した蓄熱媒体を加熱するために消費する。具体的には、温熱蓄積運転を行うとき、流体循環路４４で流体を循環させず、第１変換部３４の高温側を構成する第１高温側熱交換部３１で、蓄熱タンク１の下方口４１から取り出した蓄熱媒体を排熱媒体（燃焼排ガス）で加熱した後、その蓄熱媒体を蓄熱タンク１の上方口４０に戻すように流動させる。このように、第１高温側熱交換部３１では、排熱媒体（燃焼排ガス）を用いて、蓄熱媒体の昇温が行われる。その結果、排熱媒体である燃焼排ガスの温度は低下し、燃焼排ガスに含まれる水分が凝縮水となる。そして、その凝縮水は燃焼排ガス路２９から分岐するように接続された水回収路２を通って水タンク３へと流れ込む。

〔冷熱蓄積運転〕
図４は、冷熱蓄積運転を説明する図であり、ガスや各媒体の流動を太線で強調表示している。蓄熱タンク１に相対的に低温の蓄熱媒体を新たに貯える冷熱蓄積運転を行うとき、蓄熱タンク１の上方口４０から取り出した蓄熱媒体を熱音響冷凍装置３０Ａの第２変換部３８（第２低温側熱交換部３７）で冷却した後、その蓄熱媒体を蓄熱タンク１の下方口４２に戻すように流動させる。つまり、冷熱蓄積運転を行うとき、燃焼部２７から排出される燃焼排ガスを排熱媒体として、その排熱媒体の熱エネルギーを、第１変換部３４の高温側を加熱するために消費する。具体的には、冷熱蓄積運転を行うとき、流体循環路４４を通って第１変換部３４と第２変換部３８との間で流体を循環させ、第１変換部３４の高温側を構成する第１高温側熱交換部３１に排熱媒体を供給することで第１高温側熱交換部３１を相対的に高温にさせ、第１変換部３４の低温側を構成する第１低温側熱交換部３３に流体循環路４４を循環する流体を供給することでその第１低温側熱交換部３３を相対的に低温にさせ、第１高温側熱交換部３１及び第１低温側熱交換部３３によって生じる温度勾配により音響エネルギーを発生させ、その音響エネルギーがループ管３９を通って第１変換部３４から第２変換部３８に伝搬された状態で、第２変換部３８の高温側を構成する第２高温側熱交換部３５に流体循環路４４を循環する流体を供給し、第２変換部３８の低温側を構成する第２低温側熱交換部３７に蓄熱タンク１の上方口４０から取り出した蓄熱媒体を供給して、作動媒体の音響エネルギーが熱エネルギーに変換されることで生じる温度勾配により、蓄熱タンク１の上方口４０から取り出した蓄熱媒体を第２低温側熱交換部３７で冷却する。

尚、冷熱蓄積運転を行っているとき、第２低温側熱交換部３７に霜が付き故障の原因となる恐れがある。そこで、本実施形態では、冷熱蓄積運転が行われているとき、制御装置Ｃによる制御の下で、放熱器４５は、第２低温側熱交換部３７の温度が０℃以上になるように、流体循環路４４を流れる流体からの単位時間当たりの放熱量を調節する。或いは、冷熱蓄積運転が行われているとき、制御装置Ｃによる制御の下で、流速調節器としてのポンプＰ３は、第２低温側熱交換部３７の温度が０℃以上になるように、流体循環路４４を流れる流体の流速を調節する。また或いは、冷熱蓄積運転が行われているとき、制御装置Ｃによる制御の下で、第２低温側熱交換部３７の温度が０℃以上になるように、第２低温側熱交換部３７で冷却される、蓄熱タンク１の上方口４０から取り出した蓄熱媒体の単位時間当たりの流量を調節する。尚、上述のような運転は予め設定された期間だけ行えばよい。

以上のように、本実施形態の蓄熱システムでは、燃料電池装置２０から排出される熱を、温熱蓄積運転によって温熱の状態で蓄熱タンク１に蓄えることができ、熱音響冷凍装置３０を用いた冷熱蓄積運転によって冷熱の状態で蓄熱タンク１に蓄えることができる。従って、燃料電池装置２０から排出された熱を温熱及び冷熱の両方の状態で蓄えることもできる蓄熱システムを提供できる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の蓄熱システムは、燃料電池装置２０から排出された熱を保有する排熱媒体からの熱回収の態様が上記実施形態と異なっている。以下に第２実施形態の蓄熱システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図５は、第２実施形態の蓄熱システムの構成を示す図である。図示するように、この蓄熱システムは、流体循環路４４の途中に、第１高温側熱交換部３１で熱交換を行った後の排熱媒体（燃焼排ガス）と、流体循環路４４を流れる流体との熱交換を行う熱交換部４７を備える。蓄熱システムは、この熱交換部４７を備えることで、排熱媒体（燃焼排ガス）から第１実施形態よりも多くの熱を回収できる。つまり、燃焼排ガスをより低温にできるので、燃焼排ガス中に含まれている水分をより多く凝縮させて水タンク３に回収できる。

＜参考形態＞
本願の権利範囲に入るものではないが、参考形態の蓄熱システムは、燃料電池装置２０から排出された熱を保有する排熱媒体からの熱回収の態様が上記実施形態と異なっている。以下に参考形態の蓄熱システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図６及び図７は、参考形態の蓄熱システムの構成を示す図である。具体的には、図６は温熱蓄積運転を説明する図であり、図７は冷熱蓄積運転を説明する図である。図示するように、本参考形態の蓄熱システムにおいて、蓄熱タンク１は、温熱回収用蓄熱タンク１Ｂと冷熱回収用蓄熱タンク１Ａとを有して構成される。また、蓄熱システムは、第１高温側熱交換部３１で熱交換を行った後の排熱媒体（燃焼排ガス）と、温熱回収用蓄熱タンク１Ｂから外部に取り出された蓄熱媒体との熱交換を行う温熱回収用熱交換部４６とを備える。蓄熱システムは、温熱回収用蓄熱タンク１Ｂから外部に取り出された蓄熱媒体が、第２低温側熱交換部３７を経由せず、第１高温側熱交換部３１を経由した後で温熱回収用蓄熱タンク１Ｂに戻るまでの間に流れる温熱回収用流路４３ａと、冷熱回収用蓄熱タンク１Ａから外部に取り出された蓄熱媒体が、第１高温側熱交換部３１を経由せず、第２低温側熱交換部３７を経由した後で冷熱回収用蓄熱タンク１Ａに戻るまでの間に流れる冷熱回収用流路４３ｂとを備える。

〔温熱蓄積運転〕
図６は、温熱蓄積運転を説明する図であり、ガスや各媒体の流動を太線で強調表示している。この場合、温熱回収用蓄熱タンク１Ｂから外部に取り出された蓄熱媒体が、温熱回収用流路４３ａを通って、第２低温側熱交換部３７を経由せず、温熱回収用熱交換部４６を経由した後で温熱回収用蓄熱タンク１Ｂに戻る。そして、温熱蓄積運転を行うとき、温熱回収用熱交換部４６で、温熱回収用蓄熱タンク１Ｂの下方口４１から取り出した蓄熱媒体を、第１高温側熱交換部３１で熱交換を行った後の排熱媒体（燃焼排ガス）で加熱した後、その蓄熱媒体を温熱回収用蓄熱タンク１Ｂの上方口４０に戻すように流動させる。これにより、温熱回収用蓄熱タンク１Ｂに温熱が蓄えられる。

〔冷熱蓄積運転〕
図７は、冷熱蓄積運転を説明する図であり、ガスや各媒体の流動を太線で強調表示している。この場合、冷熱回収用蓄熱タンク１Ａから外部に取り出された蓄熱媒体が、冷熱回収用流路４３ｂを通って、第１高温側熱交換部３１を経由せず、第２低温側熱交換部３７を経由した後で冷熱回収用蓄熱タンク１Ａに戻る。そして、冷熱蓄積運転を行うとき、流体循環路４４を通って第１変換部３４と第２変換部３８との間で流体を循環させ、第１変換部３４の高温側を構成する第１高温側熱交換部３１に排熱媒体を供給することでその第１高温側熱交換部３１を相対的に高温にさせ、第１変換部３４の低温側を構成する第１低温側熱交換部３３に流体循環路４４を循環する流体を供給することでその第１低温側熱交換部３３を相対的に低温にさせ、第１高温側熱交換部３１及び第１低温側熱交換部３３によって生じる温度勾配により音響エネルギーを発生させ、その音響エネルギーがループ管３９を通って第１変換部３４から第２変換部３８に伝搬された状態で、第２変換部３８の高温側を構成する第２高温側熱交換部３５に流体循環路４４を循環する流体を供給し、第２変換部３８の低温側を構成する第２低温側熱交換部３７に冷熱回収用蓄熱タンク１Ａの上方口４０から取り出した蓄熱媒体を供給して、作動媒体の音響エネルギーが熱エネルギーに変換されることで生じる温度勾配により、冷熱回収用蓄熱タンク１Ａの上方口４０から取り出した蓄熱媒体を第２低温側熱交換部３７で冷却する。これにより、冷熱回収用蓄熱タンク１Ａに冷熱が蓄えられる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、蓄熱システムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
例えば、図８に示す熱音響冷凍装置３０Ｂ（３０）のように、ループ管５１が、第１変換部３４を通る第１ループ管５１ａと、第２変換部３８を通る第２ループ管５１ｂとを備える構成にしてもよい。
他にも、上記実施形態では、流体循環路４４を閉鎖された流路としているが、その途中を大気開放してもよい。例えば、流体循環路４４の途中に膨張タンクを設け、その膨張タンクを待機開放する構成を採用してもよい。

＜２＞
上記実施形態において、蓄熱タンク１に貯える蓄熱媒体、流体循環路４４を流れる流体の種類は上述した具体例に限定されず、適宜変更可能である。

＜３＞
上記実施形態において、冷熱蓄積運転を行っている間の設定タイミングで温熱蓄積運転を行ってもよい。例えば、図２及び図５などに示した蓄熱システムにおいて、冷熱蓄積運転を行っている間の設定タイミングで、所定期間だけ温熱蓄積運転を行い、その後、再び冷熱蓄積運転を行ってもよい。このような運転を行うと、蓄熱タンク１の上部（上方口４０の近傍）には温熱蓄積運転によって相対的に温度の高い蓄熱媒体が貯えられる。そして、再び冷熱蓄積運転が開始されると、その相対的に温度の高い蓄熱媒体が第２低温側熱交換部３７に供給されて、第２低温側熱交換部３７の温度が上昇する。その結果、冷熱蓄積運転を行っている間に第２低温側熱交換部３７に霜が付いたとしても、その霜が溶けることを期待できる。
ここで、冷熱蓄積運転を行っている間のどのようなタイミングで温熱蓄積運転を行うのかは適宜設定可能である。例えば、冷熱蓄積運転の連続期間が所定期間以上になったことや第２低温側熱交換部３７の温度が所定温度以下になったことなどの所定の条件を満たした場合に、所定期間だけ温熱蓄積運転を行うことができる。

＜４＞
上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用でき、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変できる。

本発明は、燃料電池装置から排出された熱を温熱及び冷熱の両方の状態で蓄えることができる蓄熱システムに利用できる。

１ 蓄熱タンク
１Ａ 冷熱回収用蓄熱タンク
１Ｂ 温熱回収用蓄熱タンク
２０ 燃料電池装置
２３ 改質部
２４ アノード
２５ カソード
２７ 燃焼部
３０ 熱音響冷凍装置
３０Ａ 熱音響冷凍装置
３０Ｂ 熱音響冷凍装置
３１ 第１高温側熱交換部
３３ 第１低温側熱交換部
３４ 第１変換部
３５ 第２高温側熱交換部
３７ 第２低温側熱交換部
３８ 第２変換部
３９ ループ管
４０ 上方口
４１ 下方口
４２ 下方口
４３ａ 温熱回収用流路（蓄熱媒体流路）
４３ｂ 冷熱回収用流路（蓄熱媒体流路）
４４ 流体循環路
４５ 放熱器
４６ 温熱回収用熱交換部
４７ 熱交換部
５０ 燃料電池部
５１ ループ管

Claims (8)

1. 燃料電池装置と、熱音響冷凍装置と、蓄熱媒体を用いて熱を蓄えることができる蓄熱タンクとを備え、
   前記熱音響冷凍装置は、環状に形成され、内部に作動媒体が充填されたループ管と、前記ループ管の途中に設けられ、低温側と前記燃料電池装置から排出された熱を保有する排熱媒体の熱エネルギーが供給される高温側との間の温度勾配により音響エネルギーを発生させる第１変換部と、前記ループ管の途中に設けられ、前記第１変換部から前記ループ管を通って伝搬された音響エネルギーが熱エネルギーに変換されることで低温側と高温側との間で生じる温度勾配を利用して、当該低温側から外部に冷熱を排出できる第２変換部とを有する蓄熱システムであって、
   前記蓄熱タンクは、上方が相対的に高温で下方が相対的に低温になる温度成層を形成する状態で内部に前記蓄熱媒体を貯えることができ、前記蓄熱タンクの上方側に設けられる上方口と下方側に設けられる下方口とを介して前記蓄熱媒体を前記蓄熱タンクの内外に流動させることができるように構成され、
   前記蓄熱タンクに相対的に高温の前記蓄熱媒体を新たに貯える温熱蓄積運転を行うとき、前記蓄熱タンクの前記下方口から取り出した前記蓄熱媒体を前記排熱媒体で加熱した後、当該蓄熱媒体を前記蓄熱タンクの前記上方口に戻すように流動させ、
   前記蓄熱タンクに相対的に低温の前記蓄熱媒体を新たに貯える冷熱蓄積運転を行うとき、前記蓄熱タンクの前記上方口から取り出した前記蓄熱媒体を前記熱音響冷凍装置の前記第２変換部で冷却した後、当該蓄熱媒体を前記蓄熱タンクの前記下方口に戻すように流動させ、
   流体が前記第１変換部と前記第２変換部との間で循環できる流体循環路を備え、
   前記冷熱蓄積運転を行うとき、
   前記流体循環路を通って前記第１変換部と前記第２変換部との間で流体を循環させ、
   前記第１変換部の高温側を構成する第１高温側熱交換部に前記排熱媒体を供給することで当該第１高温側熱交換部を相対的に高温にさせ、前記第１変換部の低温側を構成する第１低温側熱交換部に前記流体循環路を循環する流体を供給することで当該第１低温側熱交換部を相対的に低温にさせ、前記第１高温側熱交換部及び前記第１低温側熱交換部によって生じる温度勾配により前記音響エネルギーを発生させ、
   当該音響エネルギーが前記ループ管を通って前記第１変換部から前記第２変換部に伝搬された状態で、前記第２変換部の高温側を構成する第２高温側熱交換部に前記流体循環路を循環する流体を供給し、前記第２変換部の低温側を構成する第２低温側熱交換部に前記蓄熱タンクの前記上方口から取り出した前記蓄熱媒体を供給して、前記作動媒体の音響エネルギーが熱エネルギーに変換されることで生じる温度勾配により、前記蓄熱タンクの前記上方口から取り出した前記蓄熱媒体を前記第２低温側熱交換部で冷却する蓄熱システム。
2. 前記燃料電池装置は、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池部と、前記燃料電池部での発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部とを有し、
   前記温熱蓄積運転を行うとき、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスを前記排熱媒体として、当該排熱媒体の熱エネルギーを、前記蓄熱タンクの前記下方口から取り出した前記蓄熱媒体を加熱するために消費し、
   前記冷熱蓄積運転を行うとき、前記燃焼部から排出される前記燃焼排ガスを前記排熱媒体として、当該排熱媒体の熱エネルギーを、前記第１変換部の高温側を加熱するために消費し、
   熱エネルギーが消費されて温度が低下した前記燃焼排ガス中から凝縮水を回収し、当該凝縮水を前記改質部での原燃料の水蒸気改質に用いる請求項１に記載の蓄熱システム。
3. 前記流体循環路の途中に、流体からの単位時間当たりの放熱量を調節できる放熱器を備える請求項１又は２に記載の蓄熱システム。
4. 前記冷熱蓄積運転が行われているとき、前記放熱器は、前記第２低温側熱交換部の温度が０℃以上になるように、前記流体循環路を流れる流体からの単位時間当たりの放熱量を調節する請求項１〜３の何れか一項に記載の蓄熱システム。
5. 前記流体循環路を流れる流体の流速を調節できる流速調節器を備え、
   前記冷熱蓄積運転が行われているとき、前記流速調節器は、前記第２低温側熱交換部の温度が０℃以上になるように、前記流体循環路を流れる流体の流速を調節する請求項１〜４の何れか一項に記載の蓄熱システム。
6. 前記蓄熱タンクから外部に取り出された前記蓄熱媒体が、前記第２低温側熱交換部を経由せず、前記第１高温側熱交換部を経由した後で前記蓄熱タンクに戻るまでの間に流れる温熱回収用流路と、
   前記蓄熱タンクから外部に取り出された前記蓄熱媒体が、前記第１高温側熱交換部を経由せず、前記第２低温側熱交換部を経由した後で前記蓄熱タンクに戻るまでの間に流れる冷熱回収用流路とを備える請求項１〜５の何れか一項に記載の蓄熱システム。
7. 流体が前記第１変換部と前記第２変換部との間で循環できる流体循環路を備え、
   前記温熱蓄積運転を行うとき、前記第１変換部の高温側を構成する第１高温側熱交換部で、前記蓄熱タンクの前記下方口から取り出した前記蓄熱媒体を前記排熱媒体で加熱した後、当該蓄熱媒体を前記蓄熱タンクの前記上方口に戻すように流動させる請求項１〜６の何れか一項に記載の蓄熱システム。
8. 前記流体循環路の途中に、前記第１高温側熱交換部で熱交換を行った後の前記排熱媒体と、前記流体循環路を流れる流体との熱交換を行う熱交換部を備える請求項１〜７の何れか一項に記載の蓄熱システム。

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