JP7660693B2 - 熱電併給システム - Google Patents

Description

本開示は、熱電併給システムに関するものである。

燃料電池によって電力を発電させるとともに、燃料電池から排出される熱を回収して、回収した熱を用いて市水を加熱して供給する家庭用コージェネレーションシステムが知られている（特許文献１参照）。

特開２００２－２９８８６３号公報

燃料電池を用いたコージェネレーションシステムでは、回収した熱だけでは、供給する温水に求められる熱を付与することが難しく、温水を更に加熱するために給湯器の設置を必要としていた。

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、要求される熱をより媒体に付与可能な熱電併給システムを提供することにある。

一実施形態において、（１）熱電併給システムは、燃料電池と、前記燃料電池から発生する熱を回収する媒体を流動させる熱供給路と、前記燃料電池の外側に近接して位置するか、または内部に位置し、前記廃熱回収路を循環する前記媒体に前記燃料電池で発生する熱を回収させる第１の熱交換部と、を備える。

（２）上記（１）に記載の熱電併給システムは、前記燃料電池の排ガスと前記熱供給路を流動する前記媒体とを熱交換させる第２の熱交換部を、更に備える。

（３）上記（２）に記載の熱電併給システムにおいて、前記熱供給路において、前記第１の熱交換部は前記第２の熱交換部の下流側に位置する。

（４）上記（２）又は（３）に記載の熱電併給システムにおいて、前記熱供給路は、前記第１の熱交換部の下流側に位置し且つ放熱部を含む分岐路を有する。

（５）上記（４）に記載の熱電併給システムにおいて、前記分岐路は更に、前記熱供給路において、前記第２の熱交換部の上流側に接続される。

（６）上記（４）又は（５）に記載の熱電併給システムにおいて、前記放熱部は、前記第２の熱交換部の前記排ガスの排出路に位置する。

（７）上記（１）乃至（６）のいずれか１つに記載の熱電併給システムにおいて、前記燃料電池は、筐体と、前記筐体内に収納される改質器を、更に備え、前記第１の熱交換部における前記媒体の流路は、前記筐体の内部に、又は外部において該筐体に近接して設けられる。

（８）上記（７）に記載の熱電併給システムは、前記改質器及び前記燃料電池セルの少なくとも一方から、前記第１の熱交換部における前記流路への伝熱を抑制する遮熱機構を、更に備える。

（９）上記（７）に記載の熱電併給システムにおいて、前記第１の熱交換部の流路は、前記筐体の外側に接触可能である。

（１０）上記（１）乃至（９）のいずれか１つに記載の熱電併給システムにおいて、前記燃料電池は、前記燃料電池セルが配置される収納部と、前記燃料電池セルより排出される排ガスが流通する排ガス流路と、前記排ガス流路に接して配置され、前記収納部と前記排ガス流路とを分画する断熱材と、を備え、前記第１の熱交換部における前記熱供給路は、前記燃料電池の内部において前記排ガス流路に接して設けられおり、少なくとも一部が前記断熱材に埋設されている。

（１１）上記（１０）に記載の熱電併給システムにおいて、前記排ガス流路は、下流側に前記排ガスに含まれる水分を排出するドレイン部を有し、前記ドレイン部の上流側に前記排ガスに含まれる排気を排出する排出部を有する。

（１２）上記（１１）に記載の熱電併給システムは、前記排ガス流路と近接して、前記燃料電池セルに供給される酸素含有ガスが流れる酸素含有ガス流路を有し、前記酸素含有ガス流路に接続された導入部が、前記ドレイン部と前記排出部との間に位置している。

（１３）上記（１０）乃至（１２）のいずれか１つに記載の熱電併給システムにおいて、前記収納部の内部又は前記排ガス流路における前記熱交換部よりも上流側に、燃焼触媒が配設されている。

（１４）上記（１０）乃至（１３）のいずれか１つに記載の熱電併給システムは、前記第１の熱交換部に媒体を流す場合に、前記燃料電池での燃料利用率を低下させる又は空気利用率を上昇させるように制御する制御装置を備える。

上記のように構成された本開示に係る熱電併給システムによれば、媒体に要求される熱を効率よく付与し得る。

第１の実施形態に係る熱電併給システムの概略構成図である。 遮熱機構が閉鎖状態である場合の、図１の燃料電池の内部構成を概略的に示す構造図である。 遮熱機構が閉鎖状態である場合の、図１の燃料電池の内部構成の変形例を概略的に示す構造図である。 遮熱機構が開放状態である場合の、図１の燃料電池の内部構成を概略的に示す構造図である。 図１の燃料電池の変形例の内部構成を概略的に示す構造図である。 管路に媒体が流動している場合の、本実施形態に係る熱電併給システムの燃料電池が有する筐体の斜視図である。 本実施形態に係る熱電併給システムの燃料電池が有する筐体の変形例の斜視図である。 管路に媒体が流動していない場合の、本実施形態に係る熱電併給システムの燃料電池が有する筐体の斜視図である。 第２の実施形態に係る熱電併給システムの概略構成図である。 第３の実施形態に係る熱電併給システムの概略構成図である。 第４の実施形態に係る燃料電池の概略構成図である。 第４の実施形態に係る燃料電池の別の構成例を示す図である。 第４の実施形態に係る熱電併給システムの概略構成図である。

以下、本開示を適用した熱電併給システムの実施形態について、図面を参照して説明する。各図中、同一又は相当する部分には、同一符号が付されている。以下の実施形態の説明において、同一又は相当する部分については、説明を適宜省略又は簡略化する。また、図は模式的なものである。図面上の寸法比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。

図１に示すように、本開示の第１の実施形態に係る熱電併給システム１００は、燃料電池１５、熱供給路１８、及び、第１の熱交換部１９を含んで構成される。熱電併給システム１００は、例えば、家庭に設けられる。熱電併給システム１００は、第２の熱交換部２０及び、後述する遮熱機構を更に含んで構成されてよい。

燃料電池１５は、原燃料ガス、空気、及び水を用いて発電する。燃料電池１５は、発電のための稼働中に熱を発する。燃料電池１５が発する熱は、媒体を用いて回収される。熱供給路１８は、媒体を流動させることにより熱供給路１８が配置される領域に熱を供給する。

燃料電池１５は、改質器及びセルスタック（燃料電池セル）の少なくとも一方を有してよい。燃料電池１５は、筐体内に改質器及びセルスタックを内包する燃料電池モジュールとしてよい。改質器は、原燃料として供給されるガスと水とで、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、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、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１５から排出される。なお、セルスタックは、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であってよい。この場合、他の構成は適宜任意の構成を用いればよい。

燃料電池１５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１５から排出される排ガスは、後述する第２の熱交換部２０を用いて媒体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２３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、熱電併給システム１００の外部に排出されてよい。分離された水は、水蒸気改質反応に用いる水として、燃料電池１５に送られてよい。

熱供給路１８は、第１の熱交換部１９に媒体を流動させて熱を回収する。熱供給路１８は、第２の熱交換部２０に媒体を流動させて熱を回収してよい。媒体は、例えば、水などの比熱の大きな流体である。

第１の熱交換部１９は、熱供給路１８を流動する媒体に、燃料電池１５から発生する熱を回収させる。図２に示すように、第１の熱交換部１９は、熱供給路１８を流動する媒体が管路（媒体の流路）２５を流動する際に、外面の熱を媒体に伝熱することにより熱を回収する。

第１の熱交換部１９は、燃料電池１５（筐体）の外側に近接して位置するか、または内部（筐体の内部）に位置してよい。第１の熱交換部１９は、燃料電池１５の外側に近接して位置する場合には、燃料電池１５の外側に接触可能に位置してよいし、燃料電池の熱を受熱できる範囲内で、燃料電池に接触せずに位置してもよい。また、第１の熱交換部１９は、燃料電池１５の内部に位置する場合には、改質器及びセルスタックの少なくとも一方の周囲において、断熱材を介在せずに位置してよい。例えば、図２～５に示されるように、第１の熱交換部１９は、熱供給路１８を流動する媒体が通る管路２５を、改質器２６及びセルスタック２７の少なくとも一方の周囲に設けることにより形成してよい。この場合に、管路２５は、改質器２６及びセルスタック２７の少なくとも一方の周囲に、断熱材を介さずに設けてよい。本開示において、断熱材とは熱移動を防ぐ材料であり、例えば、グラスウール等の繊維系断熱材、樹脂発泡体等の発泡系断熱材であってよい。したがって、本開示において、後述する遮熱機構３１及び筐体２９は断熱材には含まれない。なお、断熱材を介せずにとは、管路２５の少なくとも一部の表面と改質器２６及びセルスタック２７の少なくとも一方の表面との間を最短距離で結ぶ直線上に断熱性を有する材料が位置しないことを意味する。したがって、管路２５よりも、改質器２６又はセルスタック２７に近くに、断熱性を有する材料で作成されるパッキン２８が位置する構成であっても、第１の熱交換部１９として機能し得る。

改質器２６及びセルスタック２７の少なくとも一方を収容する筐体２９が設けられてよい。筐体２９は金属製であってよい。例えば、筐体２９は、改質器２６及びセルスタック２７の３つの側面を覆ってよい。図５に示されるように、第１の熱交換部１９における媒体の管路２５は、改質器２６及びセルスタック２７の少なくとも一方の熱を伝熱可能な範囲で、筐体２９の外側に近接して位置してよい。

図６に示されるように、管路２５は、筐体２９の長手面上を水平方向に沿って延び、短手面上で折り返す、つづら折り形状としてよい。それゆえ、管路２５は筐体２９の外表面上に長く延在し得る。管路２５の筐体２９の外表面上における入口及び出口は、水平方向を向いてよい。

図７に示されるように、管路２５は、筐体２９内に設けられてよい。より具体的に、２枚の板が、板間に管路２５が形成されるようにプレス加工されて、筐体２９が製造されてよい。管路２５の筐体２９内からの入口及び出口は、下方を向いてよい。管路２５の形状は、筐体２９の長手面の内側を水平方向に沿って延び、短手面の内側で折り返す、つづら折り形状としてよい。管路２５が筐体２９内に設けられる構成において、図２及び３に示されるように、管路２５及び筐体２９の間に断熱材３０が位置してよい。

図２～図４に示されるように、熱電併給システム１００は、遮熱機構３１ａ，３１ｂを有してよい。図２～図４に示されるように、遮熱機構３１ａは、少なくとも一つの遮熱板３１ｓを有してよい。遮熱機構３１ａは、例えば複数の遮熱板３１ｓを有する。遮熱板３１ｓは、矩形であってよい。遮熱板３１ｓは、矩形の一辺を軸に回動可能に支持されてよい。遮熱板３１ｓは、閉鎖状態と開放状態とのいずれかに切替可能であってよい。言い換えれば、遮熱機構３１ａは、ブラインド状の部材である。遮熱板３１ｓは、閉鎖状態において、管路２５と改質器２６又はセルスタック２７との間を遮断してよい。遮熱板３１ｓは、開放状態において、管路２５と改質器２６又はセルスタック２７との間を開放してよい。

遮熱機構３１ａは、改質器２６及びセルスタック２７の少なくとも一方から、第１の熱交換部１９における管路２５への輻射熱を制御する。より具体的に、図２に示すように、閉鎖状態の遮熱機構３１ａは、改質器２６又はセルスタック２７からの輻射及び周囲の気体の対流の一部を妨げる。遮熱機構３１ａを迂回する対流のみが、管路２５まで到達してよい。図４に示すように、開放状態の遮熱機構３１ａは、改質器２６又はセルスタック２７からの周囲の気体の対流を通過させ、改質器２６又はセルスタック２７からの輻射の一部を妨げる。

なお、遮熱機構３１ａは、管路２５の最も高い位置よりも上方及び最も低い位置よりも下方の少なくとも一方において、図３に示すような閉止板３１ｃを備えていてよい。閉止板３１ｃは、遮熱板３１ｓが閉鎖状態となった場合に、遮熱板３１ｓと管路２５との間の空間における上下方向の少なくとも一方を閉止する。この場合、閉止板３１ｃが、遮熱板３１ｓと管路２５との空間における上下方向の少なくとも一方を閉止することで、高温のガスの流れを止める又は弱めることができる。なお、閉止板３１ｃは、遮熱板３１ｓと同様に、それぞれ回動可能に支持される複数の板を備え、閉鎖状態と開放状態とのいずれかに切替可能であってよい。閉止板３１ｃは、一枚の板であってよい。

図５に示すように、遮熱機構３１ｂは、筐体２９の外部に、管路２５を位置させることにより構成してよい。第１の熱交換部１９の流路としての管路２５は、筐体２９の外側に接触可能である。

より具体的に、管路２５は、板状の可動部材３２ｍに取り付けられる。可動部材３２ｍは、筐体２９に離隔又は接近するように平行移動してよい。筐体２９に接触している可動部材３２ｍが実線で示され、筐体２９から離隔している可動部材３２ｍが点線で示される。筐体２９は、改質器２６又はセルスタック２７からの輻射又は排ガスの対流によって、例えば約４００～６００℃に加熱される。可動部材３２ｍが筐体２９に接触している場合、可動部材３２ｍに取り付けられた管路２５はより強く加熱される。一方、可動部材３２ｍが筐体２９から離隔している場合、管路２５への加熱は弱まる。

伝熱調整のための遮熱機構の稼働は、モータにより実現されてよい。遮熱機構の稼働は、熱膨張係数の異なる板を張り合わせたバイメタルにより実現されてよい。遮熱機構の稼働は、ワックスを含むサーモエレメントにより実現されてよい。遮熱機構の稼働は、例えば、遮熱機構３１ａの状態の切替又は可動部材３２ｍの変位である。

また、遮熱機構の稼働は、弾性部材及び熱媒の圧力により実現されてよい。以下に、弾性部材及び熱媒の圧力に基づく可能が可能な遮熱機構の具体例が説明される。図６及び図８を参照して、管路２５は、第１の部分２５ｎと、第２の部分２５ｗと、バネ（弾性体）３２ｅと、を含んでよい。第１の部分２５ｎは、筐体２９に固定されてよいし、燃料電池の熱を受熱できる範囲内で、筐体２９に接触せずに位置してもよい。第２の部分２５ｗは、筐体２９の長手面上を水平方向に沿って延びてよい。第１の部分２５ｎ及び第２の部分２５ｗは円筒状であってよい。第１の部分２５ｎの直径は、第２の部分２５ｗの直径よりも小さくてよい。又は、第１の部分２５ｎの直径は、第２の部分２５ｗの直径よりも大きくてよい。第１の部分２５ｎ及び第２の部分２５ｗの一方は、筐体２９の短手面上で、内部に第１の部分２５ｎ及び第２の部分２５ｗの他方が軸方向に沿って摺動可能に挿入された状態で、当該他方に接続されてよい。バネ３２ｅは、第２の部分２５ｗを第１の部分２５ｎ側に付勢するように設けられてよい。バネ３２ｅは、第１の部分２５ｎの周りに巻き回されてよい。

バネ３２ｅが収縮している場合、第２の部分２５ｗは筐体２９の長手面に直接又は後述する可動部材を介して接触してよい。また、バネ３２ｅが収縮している場合、第２の部分２５ｗは燃料電池１６の熱を受熱できる範囲内で、筐体２９の長手面に近接してよい。一方で、バネ３２ｅが伸張している場合、第２の部分２５ｗは、筐体２９の長手面から離隔してよい。

管路２５は、管路２５内の媒体の静圧を受ける。静圧はバネ３２ｅを伸張させる方向に力を力がかかる。したがって、静圧の増加に応じて、媒体はバネ３２ｅを伸張させるように第２の部分２５ｗに力を印加する。静圧が低下している場合、媒体が管路２５に加える力は、弱くなる。媒体が管路２５の第２の部分２５ｗを第１の部分２５ｎから離す力も弱くなってよい。したがって、バネ３２ｅは収縮し、第２の部分２５ｗは筐体２９の長手面に近接してよい。これに対して、静圧が上昇している場合、媒体が管路２５の第２の部分２５ｗを第１の部分２５ｎから離す力も、強くなってよい。したがって、バネ３２ｅは伸張し、第２の部分２５ｗは筐体２９の長手面から離隔してよい。

管路２５は、筐体２９の長手面と対向する連結板である可動部材３２ｍに固定されてよい。この構成により、管路２５に過大な荷重が加わることが防がれ得る。可動部材３２ｍと筐体２９との間に弾性体を設けてもよい。さらには、管路２５の一部が弾性体であってよい。この構成により、出湯弁３３を開くことで、管路２５の弾性体が収縮して、管路２５が筐体２９の長手面に接触してもよい。また、出湯弁３３を開くことで、管路２５の弾性体が収縮して、燃料電池１６の熱を受熱できる範囲内で、筐体２９の長手面に近接してよい。また、出湯弁３３を閉じることで、管路２５の弾性体が伸張して、管路２５は筐体２９の長手面から離隔してもよい。

燃料電池１５における発電のためには、改質器２６及びセルスタック２７それぞれの温度が理想的な温度域に維持されることが求められる。上述の構成を有する第１の熱交換部１９を用いると、改質器２６及びセルスタック２７は熱媒により冷却される。それゆえ、燃料電池１５では発電に必要な熱量だけでなく、熱媒を加熱するための熱量を発生させている。このような構成において、媒体の供給を停止する場合、熱媒の加熱は不要でありながらも、第１の熱交換部１９における熱交換により改質器２６及びセルスタック２７は冷却される。一方で、遮熱機構は、第１の熱交換部１９において熱交換させる熱量を調整し得るので、熱媒の加熱が不要な場合、改質器２６及びセルスタック２７の冷却が抑制され得る。したがって、遮熱機構を用いることにより、熱媒の加熱が不要な場合、燃料電池１５に供給する原燃料ガスの供給量を低減させ得るので、発電効率を上昇させ得る。

図１に示されるように、第２の熱交換部２０は、例えば、熱交換器である。第２の熱交換部２０は、燃料電池１５から排出される排ガスと熱供給路１８を流動する媒体とを熱交換させる。第２の熱交換部２０は、熱供給路１８において、第１の熱交換部１９の上流側に位置してよい。燃料電池１５から排出される排ガスは、一般的に改質器２６及びセルスタック２７の周囲温度よりも低温（例えば約２００～３００℃）である。したがって、第２の熱交換部２０は、第１の熱交換部１９に対して媒体の予熱器として機能する。

熱供給路１８は、例えば、給湯路である。熱供給路１８において、第２の熱交換部２０の上流側には、媒体の供給量を調整する第１の流量調整弁４３が設けられてよい。熱供給路１８において、第１の熱交換部１９の下流側には、出湯弁３３が設けられてよい。熱供給路１８における下流側の端よりも上流側の端は、媒体の圧力は高く調整されてよい。例えば、熱供給路１８の上流側の端は、高圧である上水管に接続されていてよい。出湯弁３３は、開くことにより媒体を下流側に流す。また、出湯弁３３が開いている場合、出湯弁３３の上流側で、管路２５内の媒体の静圧は低下する。出湯弁３３が閉じている場合、出湯弁３３の上流側で、管路２５の媒体の静圧は、開いている場合に比べて低下する。それゆえ、出湯弁３３が開閉されることで、管路２５内の媒体の静圧が調整されてよい。上述した遮熱機構が、管路２５内の媒体の静圧が調整されることによって稼働されてよい。より具体的には、出湯弁３３が開いている場合、図６を参照して、バネ３２ｅは収縮し、第２の部分２５ｗは筐体２９の長手面に近接してよい。また出湯弁３３が閉じている場合、図８を参照して、バネ３２ｅは伸張し、管路２５は筐体２９の長手面から離隔してもよい。

熱供給路１８は、第１の流量調整弁４３及び第２の熱交換部２０の間において低温送出路３４に分岐してよい。低温送出路３４は、第２の熱交換部及び第１の熱交換部を迂回させてよい。低温送出路３４には、媒体の供給量を調整する第２の流量調整弁４５が設けられてよい。第２の流量調整弁４５により低温送出路３４に迂回する媒体の流量を調整することにより、熱供給路１８から送出される媒体の温度が調整され得る。低温送出路３４で流動する低温の媒体を、熱供給路１８で流動する高温の媒体と混合することにより、熱供給路１８よりも低温化させた媒体が送出され得る。

熱供給路１８は、更に詳細には、熱電併給システム１００が設けられる施設の外部から供給される上水を、第１の熱交換部１９等の熱交換部に流動させることにより加熱して、例えば、需要家施設にお湯を供給する。

図９に示すように、本開示の第２の実施形態に係る熱電併給システム２００は、熱電併給システム１００に類似する構成を有する。以下、熱電併給システム１００と同じ構成は再度説明されず、熱電併給システム１００とは異なる構成が説明される。

熱供給路１８は、燃料電池１５の下流側で、出湯路１８ａ及び循環路１８ｂに分岐する。

循環路１８ｂには、放熱部１３が設けられてよい。放熱部１３は、例えば、ラジエータであり、ブロワが供給する大気と、媒体とを熱交換させることにより、当該媒体を放熱させる。

放熱部１３の下流側には、ポンプ２４が設けられてよい。ポンプ２４は、放熱部１３から第２の熱交換部２０に向けて媒体が流れるように昇圧してよい。

ポンプ２４の下流側には、第２の熱交換部２０が位置してよい。第２の熱交換部２０の下流側には、第１の熱交換部１９が位置してよい。

図１０に示すように、本開示の第３の実施形態に係る熱電併給システム３００は、熱電併給システム２００に類似する構成を有する。以下、熱電併給システム２００と同じ構成は再度説明されず、熱電併給システム２００とは異なる構成が説明される。

循環路１８ｂには、放熱部１４が設けられてよい。放熱部１４は、例えば、ラジエータである。放熱部１４は、第２の熱交換部２０の排ガスの排出路に位置する。より具体的には、放熱部１４は、第２の熱交換部２０の排ガスの排出路における、気液分離器２３より下流側に位置する。

放熱部１４の下流側には、ポンプ２１が設けられてよい。循環路１８ｂは、ポンプ２１の下流側で、熱供給路１８と合流してよい。ポンプ２１は、放熱部１４から第２の熱交換部２０に向けて媒体が流れるように昇圧してよい。

以上のような構成の本実施形態の熱電併給システム１００，２００及び３００は、燃料電池１５の外側に近接して位置するか、または内部に位置し、熱供給路１８を流動する媒体に燃料電池１５から発生する熱を回収させる第１の熱交換部１９を有する。一般的な燃料電池を用いた熱電併給システムでは、燃料電池の排ガスと媒体とを熱交換させることにより廃熱を回収していたが、媒体を十分に加熱することが難しく、一時的に多量の湯を供給することが難しかった。排ガスから廃熱を回収する、一時的な多量の熱の供給が難しい熱電併給システムでは熱を一時的に多量に供給する要請に応じるために、給湯器を設ける必要がある。一方、上述の構成を有する本実施形態の熱電併給システム１００，２００及び３００は、燃料電池１５自体が、一般的に排ガスより高温で稼働するので、排ガスから廃熱回収をする構成に比べて、多量の熱を回収し得る。したがって、熱電併給システム１００，２００及び３００は、一時的に多量の湯を供給し得る。それゆえ、熱電併給システム１００，２００及び３００では、一時的な多量の湯を供給可能なので、給湯器を設置しなくてよい。したがって、熱電併給システム１００，２００及び３００は小型化され得る。

また、本実施形態の熱電併給システム１００，２００及び３００は、燃料電池１５の排ガスと熱供給路１８を流動する媒体とを熱交換させる第２の熱交換部２０を有する。このような構成により、熱電併給システム１００，２００及び３００は、燃料電池１５の排ガスの温度を下げ得る。

また、本実施形態の熱電併給システム１００，２００及び３００の熱供給路１８において、第１の熱交換部１９は第２の熱交換部２０の下流側に位置する。このような構成により、媒体は、第２の熱交換部２０で加熱された後に、燃料電池１５から発生する熱を回収させる第１の熱交換部１９に流入する。それゆえ、低温の媒体が燃料電池１５から多量の熱を奪うことが、防がれ得る。したがって、燃料電池１５の発電効率が維持され得る。

また、本実施形態の熱電併給システム２００及び３００の熱供給路１８は、第１の熱交換部１９の下流側に位置し且つ放熱部１３，１４を含む分岐路としての循環路１８ｂを有する。このような構成により、熱電併給システム２００及び３００は、湯を供給していない場合に媒体に蓄積される熱を冷却し得る。したがって、熱電併給システム２００及び３００は、排ガスからの水の回収量の極端な低下を防ぎ得る。

また、本実施形態の熱電併給システム３００の熱供給路１８の放熱部１４は、第２の熱交換部２０の排ガスの排出路に位置する。このような構成により、放熱部１４を冷却するブロワ等が不要になり、構成の簡潔化及び製造コストの削減が実行され得る。

また、本実施形態の熱電併給システム１００，２００及び３００の燃料電池１５は、筐体２９と、筐体２９が収容する改質器２６及びセルスタック２７の少なくとも一方とを、更に備え、第１の熱交換部１９における媒体の流路は、筐体２９の内部に、又は外部において筐体２９に近接して設けられる。このような構成により、媒体は、第１の熱交換部１９において、筐体２９の高温領域又はその周囲に近接し得る。それゆえに、媒体は、第１の熱交換部１９において、より効率的に加熱され得る。

また、本実施形態の熱電併給システム１００，２００及び３００は、改質器２６及びセルスタック２７の少なくとも一方から、第１の熱交換部１９における流路としての管路２５への伝熱を抑制する遮熱機構３１を有する。このような構成により、管路２５の過剰な加熱が抑制され得る。

また、本実施形態の熱電併給システム１００，２００及び３００の第１の熱交換部１９の流路としての管路２５は、筐体２９の外側に接触可能である。このような構成により、管路２５が筐体２９の外側に位置しつつ、管路２５ひいては媒体がより強く加熱され得る。

図１１は、第４の実施形態に係る熱電併給システムに適用される燃料電池の概略構成図を示す。

熱電併給システムの燃料電池４１６は、燃料電池セル４９０（セルスタック）によって発電を行い、発生した熱を利用して媒体の温度を上昇させる。

燃料電池４１６は、燃料電池セル４９０と、収納部４２９と、排ガス流路４９５と、断熱材４３０と、を備える。また、燃料電池４１６は、酸素含有ガス流路４９４を有する。また、燃料電池４１６は、改質器４２６を備えてよい。

燃料電池４１６の収納部４２９には、燃料電池セル４９０が配置される。本実施形態において、燃料電池４１６は、収納部４２９内に改質器４２６及び燃料電池セル４９０を内包する。収納部４２９は、筐体４３１に含まれていてよい。具体的には、収納部４２９は、筐体４３１の内壁の一部、及び後述する断熱材４３０の一部であってよい。当該筐体４３１の内壁の一部及び断熱材の一部は、収納部４２９が有する内部空間を画定してよい。より具体的には、金属製の筐体４３１が、収納部４２９の境界の一部を区画してよい。例えば、筐体４３１が、断面が長方形状である収納部４２９の残りの３つの辺（排ガス流路４９５に隣接しない辺）を区画してよい。断熱材４３０が、収納部４２９の境界の他の一部を区画してよい。例えば、断熱材４３０が、収納部４２９の断面の１つの辺を区画してよい。改質器４２６は、原燃料として供給されるガスと、水とで、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。燃料電池セル４９０は、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、空気中に含まれる酸素などの酸化剤と、改質器４２６が生成する燃料を用いた電気化学反応により発電する。燃料電池４１６は、発電のための稼働中に熱を発する。また、燃料電池セル４９０は電気化学反応により水を生成する。燃料電池セル４９０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４２６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。燃料電池セル４９０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４１６から排出される。発電のための稼働中に発した熱及び燃焼熱は、燃料電池４１６で発生する熱として、媒体を用いて回収される。ここで、燃料電池セル４９０は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であってよい。

燃料電池４１６において、燃料電池セル４９０より排出される排ガスは排ガス流路４９５を流通して、排出される。排ガスは、発電に使用されなかった燃料ガスの他、燃料電池セル４９０より排出された燃料ガスを燃焼させた燃焼ガス（排気、気体）及びガス状の水の少なくとも１つを含む。また、燃料電池４１６において、断熱材４３０が排ガス流路４９５に接して配置されており、収納部４２９と排ガス流路４９５とを分画している。断熱材４３０は、熱移動を防ぐ材料であり、例えば、グラスウール等の繊維系断熱材、樹脂発泡体等の発泡系断熱材であってよい。

排ガス流路４９５は、下流側に排ガスに含まれる水分を排出するドレイン部４９３を有する。また、排ガス流路４９５は、ドレイン部４９３の上流側に排ガスに含まれる排気を排出する排出部４９１を有する。酸素含有ガス流路４９４は、排ガス流路４９５と近接して設けられ、燃料電池セル４９０に供給される酸素含有ガスが流れる。酸素含有ガス流路４９４に接続された導入部４９２が、ドレイン部４９３と排出部４９１との間に位置している。排ガス流路４９５を流通する排ガスは、近接する酸素含有ガス流路４９４の酸素含有ガスによって冷やされる。冷やされた排ガスのうち、水分が凝縮した液状の水（ドレン）がドレイン部４９３から排出され、気体が排出部４９１から排出される。分離されてドレイン部４９３から排出された水は、改質器４２６の水蒸気改質反応に用いる水として、燃料電池４１６に送られてよい。このような燃料電池４１６の構成によって、気液分離器を設けなくても、排ガスから水蒸気改質反応に用いる水を分離できるため、システム全体として小型化を実現することができる。言い換えれば、図１、９及び１０において、気液分離器２３が省略され得る。

排ガスは、酸素含有ガス流路４９４の酸素含有ガスとの熱交換によって冷却される。一方で、酸素含有ガスは排ガスとの熱交換によって加熱される。加熱された酸素含有ガスが改質器４２６及び燃料電池セル４９０に流入することで、改質器４２６及び燃料電池セル４９０の冷却が低減され得る。それ故に、燃料電池セル４９０及び改質器４２６の温度が高温に保たれ得る。したがって、燃料電池セル４９０及び改質器４２６の発電効率が維持され得る。

熱供給路４２５は、燃料電池４１６の内部（収納部４２９の内部）に位置する。本実施形態において、熱供給路４２５は、排ガス流路４９５に接して設けられ、内部を媒体が流れるように構成される。また、熱供給路４２５は、少なくとも一部が断熱材４３０に埋設されている。熱供給路４２５の少なくとも一部は、排ガス流路４９５に露出してよい。図１１に示すように、本実施形態において、熱供給路４２５は、断熱材４３０に埋設して構成される。排ガス流路４９５及び排ガス流路４９５に接して設けられる熱供給路４２５は、第１の実施形態乃至第３の実施形態に記載の第１の熱交換部１９に対応する第１の熱交換部４１９を構成する。このような燃料電池４１６の構成によって、高温である収納部４２９の内部において燃料電池４１６で発生する熱を効率的に媒体が回収できるため、熱の有効利用が可能になる。

ここで、排ガスの燃焼促進のために燃焼触媒４９６が用いられることがある。本実施形態に係る燃料電池４１６において、燃焼触媒４９６は、収納部４２９の内部又は排ガス流路４９５における熱供給路４２５よりも上流側に配設されている。ここで、別の例として、燃料電池４１６は燃焼触媒４９６を使用しない構成も可能である。燃焼触媒４９６を使用しない場合には、図１２に示すように、燃焼部分と改質器４２６との間の燃焼距離Ｌを大きくとって空気量が十分であるように構成されることが好ましい。

図１３に示すように、本開示の一実施形態に係る熱電併給システム４００は、上記の燃料電池４１６を備えて構成される。熱電併給システム４００は給湯システムである。つまり、燃料電池４１６において熱供給路４２５を流れる媒体は水であって、給湯として供給される。例えば熱電併給システム４００は暖房システムを有していてよい。この場合、熱供給路４２５を流れた媒体が、暖房システムを循環してよく、媒体としては水の他、不凍液等であってよい。すなわち、熱供給路４２５を流れる媒体は、直接又は間接的に利用者に供給されてよい。

熱電併給システム４００は、水が流れる複数の流路と、熱供給路４２５を含む燃料電池４１６と、制御装置４３５と、を有する。熱電併給システム４００は、冷却加熱装置４２２を有してよい。熱電併給システム４００は、例えば家庭に設けられる。

本実施形態に係る熱電併給システム４００は、水が流れる複数の流路として、外部水流路８１と、給湯流路４１２と、熱交換流路４８２と、水流路４８４と、を有する。

外部水流路４８１は、熱電併給システム４００の外部より供給される水が流れる流路である。外部水流路４８１において、入水した水の温度を測定する温度センサ４５５が設けられてよい。また、外部水流路４８１への入水量を測定する流量センサ４６２が設けられてよい。外部水流路４８１には、水の供給量を調整する第１の流量調整弁４４３が設けられてよい。

給湯流路４１２は、外部に加熱された水（お湯）を供給する流路である。給湯流路４１２の出口における水の温度を測定する温度センサ４５６が設けられてよい。

熱交換流路４８２は、外部水流路４８１と給湯流路４１２とを接続し、熱供給路４２５を通る流路である。

水流路４８４は、外部水流路４８１と給湯流路４１２とを接続する別の流路である。水流路４８４は、水流路４８４を通る水量を調整する第２の流量調整弁４４６が設けられてよい。

熱電併給システム４００において、給湯流路４１２からの水が水流路４８４を通って外部水流路４８１に入って循環することがある。外部水流路４８１に、水を循環させるように昇圧する循環ポンプ４４０が設けられてよい。

冷却加熱装置４２２は、給湯流路４１２の近傍に設けられ、給湯流路４１２を流れる水を加熱又は冷却する。冷却加熱装置４２２は例えばバーナ、電気ヒータ等であってよい。冷却加熱装置４２２は、例えばバーナであって、ガス燃料を供給する燃料噴射ラインと、ブロアにより外気を強制吸気して供給する空気供給ラインとを有してよい。冷却加熱装置４２２は、点火口において、ガス燃料及び外気を混合して燃焼させる。冷却加熱装置４２２の燃焼により水が加熱される。また、冷却加熱装置４２２はブロアによって風を発生させて水を冷却することができる。冷却加熱装置４２２によって、外部に供給されるお湯の温度をさらに適切に調整することができる。

制御装置４３５は、１以上のプロセッサ及びメモリを含む。プロセッサは、特定のプログラムを読み込ませて特定の機能を実行する汎用のプロセッサ及び特定の処理に特化した専用のプロセッサを含んでよい。専用のプロセッサは、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を含んでよい。プロセッサは、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ；Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）を含んでよい。ＰＬＤは、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）を含んでよい。制御装置３５は、１つ又は複数のプロセッサが協働するＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－ａ－Ｃｈｉｐ）及びＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎ ａ Ｐａｃｋａｇｅ）のいずれかであってよい。制御装置４３５は、循環ポンプ４４０、第１の流量調整弁４４３、第２の流量調整弁４４６、冷却加熱装置４２２等の熱電併給システム４００の構成要素を制御してよい。また、本実施形態において、制御装置４３５は、燃料電池４１６の運転を制御する。

制御装置４３５は、給湯の要求に応じて、燃料電池４１６を含む熱電併給システム４００の構成要素を制御する。例えば給湯の要求が連続してある場合に、制御装置４３５は、第１の流量調整弁４４３及び第２の流量調整弁４４６を制御して、熱供給路４２５に媒体（水）を流す。このとき、制御装置４３５は、燃料電池４１６での燃料利用率を低下させる又は空気利用率を上昇させるように制御する。具体的には、制御装置４３５は、燃料供給率を増加させることにより、燃料利用率を低下させ、燃料電池４１６で消費されずに残る燃料を燃焼させてよい。このような制御によって、燃料電池４１６の内部の温度を下がりにくくして、熱が有効利用されるようにする。

本実施形態に係る燃料電池４１６及び熱電併給システム４００は、上記の構成によって、熱を有効利用し、小型化することができる。そのため、本実施形態に係る燃料電池４１６及び熱電併給システム４００は、コンパクト化、小型化が求められる家庭用のコージェネレーションシステムに適している。

本開示に係る実施形態について説明する図は模式的なものである。図面上の寸法比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。

本開示に係る実施形態について、諸図面及び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又は改変を行うことが可能であることに注意されたい。従って、これらの変形又は改変は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部等を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。

本開示に記載された構成要件の全て、及び／又は、開示された全ての方法、又は、処理の全てのステップについては、これらの特徴が相互に排他的である組合せを除き、任意の組合せで組み合わせることができる。また、本開示に記載された特徴の各々は、明示的に否定されない限り、同一の目的、同等の目的、または類似する目的のために働く代替の特徴に置換することができる。したがって、明示的に否定されない限り、開示された特徴の各々は、包括的な一連の同一、又は、均等となる特徴の一例にすぎない。

さらに、本開示に係る実施形態は、上述した実施形態のいずれの具体的構成にも制限されるものではない。本開示に係る実施形態は、本開示に記載された全ての新規な特徴、又は、それらの組合せ、あるいは記載された全ての新規な方法、又は、処理のステップ、又は、それらの組合せに拡張することができる。

本開示において「第１」及び「第２」等の記載は、当該構成を区別するための識別子である。本開示における「第１」及び「第２」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。例えば、第１の熱交換部は、第２の熱交換部と識別子である「第１」と「第２」とを交換することができる。識別子の交換は同時に行われる。識別子の交換後も当該構成は区別される。識別子は削除してよい。識別子を削除した構成は、符号で区別される。本開示における「第１」及び「第２」等の識別子の記載のみに基づいて、当該構成の順序の解釈、小さい番号の識別子が存在することの根拠に利用してはならない。

さらに、本開示に係る実施形態は、上述した実施形態のいずれの具体的構成にも制限されるものではない。本開示に係る実施形態は、本開示に記載された全ての新規な特徴又はそれらの組合せに拡張することができる。

１００，２００，３００，４００ 熱電併給システム
１３，１４ 放熱部
１５，４１６ 燃料電池
１８ 熱供給路
１８ａ 出湯路
１８ｂ 循環路
１９，４１９ 第１の熱交換部
２０ 第２の熱交換部
２１，２４ ポンプ
２３ 気液分離器
２５，４２５ 管路
２５ｎ 第１の部分
２５ｗ 第２の部分
２６，４２６ 改質器
２７ セルスタック
２８ パッキン
２９ 筐体
３０ 断熱材
３１ａ，３１ｂ 遮熱機構
３２ｍ 可動部材
３３ 出湯弁
３４ 低温送出路
４３ 第１の流量調整弁
４５ 第２の流量調整弁
４１２ 給湯流路
４２２ 冷却加熱装置
４２９ 収納部
４３０ 断熱材
４３１ 筐体
４３５ 制御装置
４４０ 循環ポンプ
４４３ 第１の流量調整弁
４４６ 第２の流量調整弁
４５５ 温度センサ
４５６ 温度センサ
４６２ 流量センサ
４８１ 外部水流路
４８２ 熱交換流路
４８４ 水流路
４９０ 燃料電池セル
４９１ 排出部
４９２ 導入部
４９３ ドレイン部
４９４ 酸素含有ガス流路
４９５ 排ガス流路
４９６ 燃焼触媒

Claims (14)

1. 筐体内に、固体酸化物形燃料電池セルと改質器とを収納してなる燃料電池と、
   前記燃料電池から発生する熱を回収する媒体を流動させる熱供給路と、
   前記媒体に前記燃料電池で発生する熱を回収させる第１の熱交換部と、
   前記熱供給路を流れた媒体が直接外部に出湯されるように前記熱供給路上に位置する出湯弁と、を備え、
   前記第１の熱交換部における前記媒体の流路は、前記筐体の内部に、又は外部において該筐体に近接して設けられ、
   熱電併給システム。
2. 請求項１に記載の熱電併給システムにおいて、
   前記燃料電池の排ガスと前記熱供給路を流動する前記媒体とを熱交換させる第２の熱交換部を、更に備える
   熱電併給システム。
3. 請求項２に記載の熱電併給システムにおいて、
   前記熱供給路において、前記第１の熱交換部は前記第２の熱交換部の下流側に位置する
   熱電併給システム。
4. 請求項２又は３に記載の熱電併給システムにおいて、
   前記熱供給路は、前記第１の熱交換部の下流側に位置し且つ放熱部を含む分岐路を有する
   熱電併給システム。
5. 請求項４に記載の熱電併給システムにおいて、
   前記分岐路は更に、前記熱供給路において、前記第２の熱交換部の上流側に接続される
   熱電併給システム。
6. 請求項４に記載の熱電併給システムにおいて、
   前記放熱部は、前記第２の熱交換部の前記排ガスの排出路に位置する
   熱電併給システム。
7. 請求項１～３のいずれか１項に記載の熱電併給システムにおいて、
   前記改質器及び前記燃料電池セルの少なくとも一方から、前記第１の熱交換部における前記流路への伝熱を抑制する遮熱機構を、更に備える
   熱電併給システム。
8. 請求項１～３のいずれか１項に記載の熱電併給システムにおいて、
   前記第１の熱交換部の流路は、前記筐体の外側に接触可能である
   熱電併給システム。
9. 請求項１～３のいずれか１項に記載の熱電併給システムにおいて、
   前記燃料電池は、前記燃料電池セルが配置される収納部と、前記燃料電池セルより排出される排ガスが流通する排ガス流路と、前記排ガス流路に接して配置され、前記収納部と前記排ガス流路とを分画する断熱材と、を備え、前記第１の熱交換部における前記熱供給路は、前記燃料電池の内部において前記排ガス流路に接して設けられおり、少なくとも一部が前記断熱材に埋設されている
   熱電併給システム。
10. 請求項９に記載の熱電併給システムにおいて、
    前記排ガス流路は、下流側に前記排ガスに含まれる水分を排出するドレイン部を有し、前記ドレイン部の上流側に前記排ガスに含まれる排気を排出する排出部を有する、熱電併給システム。
11. 請求項１０に記載の熱電併給システムにおいて、
    前記排ガス流路と近接して、前記燃料電池セルに供給される酸素含有ガスが流れる酸素含有ガス流路を有し、前記酸素含有ガス流路に接続された導入部が、前記ドレイン部と前記排出部との間に位置している、熱電併給システム。
12. 請求項９に記載の熱電併給システムにおいて、
    前記収納部の内部又は前記排ガス流路における前記熱交換部よりも上流側に、燃焼触媒が配設されている、熱電併給システム。
13. 請求項1に記載の熱電供給システムにおいて、
    前記熱供給路は、前記筐体の外側又は内側であって、長手面を水平方向に沿ってのびて折り返している、
    熱電併給システム。
14. 請求項１～３のいずれか１項に記載の熱電併給システムにおいて、
    前記第１の熱交換部に媒体を流す場合に、前記燃料電池での燃料利用率を低下させる又は空気利用率を上昇させるように制御する制御装置を備える、熱電併給システム。

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