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技術 燃料電池システム

出願人 ダイニチ工業株式会社京セラ株式会社
発明者 小柳智器田中健太郎白石晋平
出願日 2017年8月31日 (3年3ヶ月経過) 出願番号 2017-168051
公開日 2019年3月22日 (1年9ヶ月経過) 公開番号 2019-045062
状態 未査定
技術分野 燃料電池(本体) 流体加熱器の細部
主要キーワード 熱媒体循環流路 温水導入管 取出用開口 キャビテーション泡 凝縮水流路 熱媒体循環 中心軸線周り 一体成型品
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年3月22日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

蓄熱タンク内熱媒体を、気泡等を巻き込むことなく、スムーズに導出することのできる燃料電池システムを提供する。

解決手段

セルスタックを収容する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールからの排熱蓄熱する熱媒体を貯留する蓄熱タンク10と、熱媒体と熱交換を行う熱交換器と、蓄熱タンク10と熱交換器とに接続され、蓄熱タンク内の熱媒体を熱交換器を経由して循環させる熱媒体循環流路Hと、導出口10aから蓄熱タンク10の内部に挿入された取出管取水管1)と、を備え、蓄熱タンクの内部に挿入された取出管の先端の取出用開口面1aが、蓄熱タンク内の熱媒体(温水)の流動方向と対向しない向きに配向されている。

概要

背景

発電装置からの排熱を利用して温水を生成するシステムが開発されており、近年においては、発電装置として燃料電池を用いたシステムの開発が進められている。発電装置の一例である燃料電池装置では、水素含有ガス燃料ガス)と酸素含有ガス(通常は空気)とを用いて電力を得ることができる燃料電池装置の開発が進められている。燃料電池装置においては、発電に伴って発生する排熱を利用して生成した温水を、蓄熱タンク(「貯湯タンク」ともいう)に蓄積し、温水の需要に対する供給を行っている(たとえば、特許文献1を参照)。

蓄熱タンクに貯留された熱媒体(たとえば温水)を利用する場合、蓄熱タンク内の温水は、タンク内で比較的温度の高い水が溜まる領域、すなわち蓄熱タンク内の水に形成される温度成層境界より上側に位置する、蓄熱タンクの上部または頂部(天部)に設けられた導出口から導出される。また、温度の低い水は、蓄熱タンクの下部または底部に設けられた導入口から、タンク内に導入される。

概要

蓄熱タンク内の熱媒体を、気泡等を巻き込むことなく、スムーズに導出することのできる燃料電池システムを提供する。セルスタックを収容する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールからの排熱を蓄熱する熱媒体を貯留する蓄熱タンク10と、熱媒体と熱交換を行う熱交換器と、蓄熱タンク10と熱交換器とに接続され、蓄熱タンク内の熱媒体を熱交換器を経由して循環させる熱媒体循環流路Hと、導出口10aから蓄熱タンク10の内部に挿入された取出管取水管1)と、を備え、蓄熱タンクの内部に挿入された取出管の先端の取出用開口面1aが、蓄熱タンク内の熱媒体(温水)の流動方向と対向しない向きに配向されている。

目的

本発明の目的は、蓄熱タンク内の熱媒体を、気泡等を巻き込むことなく、スムーズに導出することのできる燃料電池システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

酸素含有ガス燃料ガスとを用いて発電を行なうセルを収容する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールからの排熱蓄熱する熱媒体貯留し、熱媒体の導出口と導入口を有する蓄熱タンクと、前記熱媒体と熱交換を行う熱交換器と、前記蓄熱タンクと前記熱交換器とに接続され、前記蓄熱タンク内の前記熱媒体を、前記熱交換器を経由して循環させる熱媒体循環流路と、前記熱媒体循環流路と接続され、前記導出口から前記蓄熱タンクの内部に挿入された取出管と、を備え、前記蓄熱タンクの内部に挿入された前記取出管の先端の取出用開口面が、前記蓄熱タンク内の前記熱媒体の流動方向と対向しない向きに配向されている燃料電池システム

請求項2

前記導出口が前記蓄熱タンクの上部側面に設けられ、前記導入口が前記蓄熱タンクの下部または底部に設けられ、前記取出用開口面が、水平面に対し下向きに配向されている請求項1に記載の燃料電池システム。

請求項3

前記取出用開口面は、前記蓄熱タンク内の取出管の軸線方向に対して傾斜して配向されている請求項2に記載の燃料電池システム。

請求項4

前記取出管は、前記蓄熱タンクの外部に突出した継手を有し、該継手を介して、前記取出管の基端と前記熱媒体循環流路の始端とが接続されており、少なくとも前記取出管の基端および前記熱媒体循環流路の始端のいずれか一方が、水平より下方に向けて傾斜するよう配設されている請求項1〜3のいずれか1つに記載の燃料電池システム。

請求項5

前記蓄熱タンクは、前記熱媒体循環流路と接続され、前記導入口から前記蓄熱タンクの内部に挿入された吐出管を有し、前記吐出管の吐出用開口は、前記吐出管の先端部を除く周面に複数配設されている請求項1〜4のいずれか1つに記載の燃料電池システム。

請求項6

前記熱媒体循環流路における、熱媒体が前記熱交換器から前記蓄熱タンクに向かう復路に、前記熱媒体の流れに予め決められた圧力値以上の圧力がかかったときにのみ開く弁が配設されている請求項1〜5のいずれか1つに記載の燃料電池システム。

技術分野

0001

本発明は、燃料電池システムに関する。

背景技術

0002

発電装置からの排熱を利用して温水を生成するシステムが開発されており、近年においては、発電装置として燃料電池を用いたシステムの開発が進められている。発電装置の一例である燃料電池装置では、水素含有ガス燃料ガス)と酸素含有ガス(通常は空気)とを用いて電力を得ることができる燃料電池装置の開発が進められている。燃料電池装置においては、発電に伴って発生する排熱を利用して生成した温水を、蓄熱タンク(「貯湯タンク」ともいう)に蓄積し、温水の需要に対する供給を行っている(たとえば、特許文献1を参照)。

0003

蓄熱タンクに貯留された熱媒体(たとえば温水)を利用する場合、蓄熱タンク内の温水は、タンク内で比較的温度の高い水が溜まる領域、すなわち蓄熱タンク内の水に形成される温度成層境界より上側に位置する、蓄熱タンクの上部または頂部(天部)に設けられた導出口から導出される。また、温度の低い水は、蓄熱タンクの下部または底部に設けられた導入口から、タンク内に導入される。

先行技術

0004

特開2014−29805号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、温水等の熱媒体の利用のために、取出管取水管等を用いて、蓄熱タンク内に形成された温度成層より上側の高温の熱媒体を抜き出す際に、熱媒体等の流体渦流が発生する場合がある。この場合、取水管の先端の取水用開口面の向きによっては、渦流によって発生した気泡が巻き込まれて取水管に吸い込まれ、熱媒体循環流路を伝って各機器まで運ばれて、障害を引き起こす恐れがある。

0006

本発明の目的は、蓄熱タンク内の熱媒体を、気泡等を巻き込むことなく、スムーズに導出することのできる燃料電池システムを提供することである。

課題を解決するための手段

0007

本開示の燃料電池システムは、酸素含有ガスと燃料ガスとを用いて発電を行なうセルを収容する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールからの排熱を蓄熱する熱媒体を貯留し、熱媒体の導出口と導入口を有する蓄熱タンクと、前記熱媒体と熱交換を行う熱交換器と、前記蓄熱タンクと前記熱交換器とに接続され、前記蓄熱タンク内の前記熱媒体を、前記熱交換器を経由して循環させる熱媒体循環流路と、前記熱媒体循環流路と接続され、前記導出口から前記蓄熱タンクの内部に挿入された取出管と、を備え、
前記蓄熱タンクの内部に挿入された前記取出管の先端の取出用開口面が、前記蓄熱タンク内の前記熱媒体の流動方向と対向しない向きに配向されていることを特徴とする。

発明の効果

0008

本開示の燃料電池システムによれば、蓄熱タンク内に生じる気泡等を巻き込むことなく、蓄熱タンク内の熱媒体を、スムーズに導出することができる。

図面の簡単な説明

0009

本実施形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
燃料電池システムの蓄熱タンクにおける温水の導出管および導入管取り付け状態を示す外観斜視図である。
蓄熱タンクに取り付けられる温水導出管の形状を示す外観斜視図である。
蓄熱タンクに取り付けられる温水導入管の形状を示す外観斜視図である。
燃料電池システムの蓄熱タンクにおける温水の導出管の取り付け角度を示す外観斜視図である。
温水導出管の他の形状例を示す外観斜視図である。

実施例

0010

図1は、本実施形態の燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
この例に示す燃料電池システムは、改質器102およびセルスタック101を有するセルスタック装置を内部に備えて構成される燃料電池モジュール100と、燃料電池モジュール100を作動させるための、熱交換器103、放熱器104(ラジエータ)、凝縮水タンク105と、原燃料供給装置原燃料ポンプ111)、空気供給装置空気ブロア110)、および、蓄熱タンク10等の複数の補機を備えている。なお、これら燃料電池モジュール100と各補機類とは、図示しない外装ケース筐体)に収容されている。

0011

改質器102およびセルスタック101からなる燃料電池モジュール100は、高温となるため、断熱材で包囲されて収納容器(符号100)に収められており、この燃料電池モジュール100の外部には、内部から排出される排ガスと蓄熱タンク10から供給された水(低温熱媒)との間で熱交換を行う熱交換器103が接続されている。

0012

熱交換器103では、水(低温)と排ガスとで熱交換が行われ、排ガスは冷却され、水(低温)は排ガスの熱によって加熱される。排ガスは冷却されて、含まれる水蒸気が、気水分離器により水と気体に分離され、気体は、排気流路Eを通って、ガス排気口から外部に排出される。

0013

熱媒である水(水道水等)は、熱媒循環ポンプ112により蓄熱タンク10、放熱器104および熱交換器103を、順に循環する。蓄熱タンク10には水道水等が蓄えられている。水道水等は、蓄熱タンク10から放熱器104に送られて冷却された後、熱交換器103に送られる。熱交換器103において、熱媒体は、排ガスと熱交換を行って加熱される。そして、温度が上昇した水(水道水等)は、蓄熱タンク10に還流する。

0014

蓄熱タンク10には、熱媒体(たとえば、温水)を蓄熱タンク10から導出するための導出口10aが設けられている。また、温度の低い水を蓄熱タンク10内に導入する導入口10bが設けられている。

0015

上記熱媒体の利用として、温水等の熱媒体を、直接、給湯として利用する場合には、水道水が接続される部分が、導入口10bとなる。一方で、熱媒体を、床暖房等のような循環系として利用してもよい。

0016

図2図6は、本実施形態の燃料電池システムにおける、蓄熱タンクと、温水の導出管および導入管との接続構造の一例を示す外観斜視図である。なお、以下において、熱媒体を、水道水等の水とした例を示している。これにより、取出管(符号1)および吐出管(符号2)を、それぞれ取水管1および吐水管2として説明する。

0017

図2に示す本実施形態の蓄熱タンク10は、先にも述べたように、燃料電池モジュール100からの排熱を蓄熱する熱媒体(水道水)を貯留するものであり、その一側面(図では裏側面)の上部に、水(温水)の導出口10aが配設され、他の一面(この例では前記一面に対向する前面)の下部に、温度の低下した水をタンク内に還流させるための導入口10bが配設されている。そのため、蓄熱タンク10内の水の温度は、導出口10aが配設された蓄熱タンク10の上部から、導入口10bが配設された蓄熱タンク10の下部に向かって層状に分布して低くなっており、蓄熱タンク10内で温度成層を形成している。

0018

蓄熱タンク10上部(図面ではタンクの裏側)の導出口10aに挿入された取水管1は、導出口10aから略水平にタンク内に挿入されており、タンク内に位置する先端側には、取出用開口(開口面1a)が形成されている。そして、この取出用開口面1aは、蓄熱タンク10内の水道水(熱媒体)の流動方向と対向しない向き(この例では、先述の蓄熱タンク10内に発生する渦流(図2二点鎖線で描画)の回転方向に対向しない方向)に配向されている。

0019

また、取出用開口面1aは、蓄熱タンク10の導出口10aに取り付けられた際には水平面に対し下向き、つまり、蓄熱タンク10内の水面に対し下向きに配向されている。したがって、取出用開口面1aは、蓄熱タンク10の下方を向く方向で、かつ、蓄熱タンク10内に発生する渦流の回転方向に対向しない方向を向くことから、水平に対して斜め下方を向くように配向されることになる。

0020

蓄熱タンク10下部(図面ではタンクの表側)の導入口10bに挿入された吐水管2は、導入口10bから略水平にタンク内に挿入されており、その先端部(タンク内)には、先端を除く周面に複数の吐出用開口2aが設けられている。

0021

図3は、蓄熱タンク10に挿入される取水管1(取出管)の一形状例であり、図4は、蓄熱タンク10に挿入される吐水管2(吐出管)の一形状例である。

0022

図3に示す取水管1は、金属または樹脂、あるいは金属と樹脂との一体成型品からなる管状で、蓄熱タンク10の外に位置する基端部(図中の1c)には、後記する熱媒体循環流路Hの始端部Ha(往路)と接続される継手部1cが設けられている。また、取水管1の先端(図示手前側で、かつ、タンクの内側)には、先にも述べた取出用開口面1aが、蓄熱タンク10の導出口10aに取り付けられた際、水平に対して斜め下方に向くように、取水管1の先端部を軸線方向に対して斜めに切った断面として形成されている。

0023

また、図3に示す取水管1の形状は一例であり、タンク外に向かって直管ストレート)状に形成してもよく、図6に示す取水管1’の例のように、先端の取出用開口面1a’が下方を向くように形成してもよい。なお、図3の取水管1の折れ曲がり(屈曲部)が水平方向であるのに対し、図6の取水管1’は、管の先端部全体が斜め下方に向かって折れ曲がり(屈曲)している。

0024

これらの構成により、取水管1(1’を含む)からの取水によりタンク内に渦流が発生し、この渦流により気泡等が発生した場合でも、取水管1の先端の取出用開口面1aが、渦流の回転方向と対向しない向き(逆向き)に配向されているため、この気泡等が取出用開口面1aから吸い込まれるのを、抑えることができる。

0025

また、たとえば、熱媒体循環流路Hに熱媒体循環用のポンプが配設された場合、この循環用ポンプの作動により、蓄熱タンク10内の熱媒体に一方向の渦流が発生する場合がある。この場合には、取水管1の先端の取出用開口面1aを、蓄熱タンク10内に発生する渦流の回転方向と対向しない向きに配向することにより、この渦流により発生する気泡や、取水管1の先端から生じるキャビテーション泡等の吸い込みを、抑制することができる。したがって、本開示の燃料電池システムは、いわゆるエア噛み等、気泡等の吸い込みに起因する各機器の異常の発生が抑制される。その結果、熱媒体循環流路Hに向けて、蓄熱タンク10内の熱媒体を安定して供給することが可能になる。

0026

さらに、取水管1の先端の取出用開口面1aが、タンク内の水面(上方)に対し下向き、つまり、蓄熱タンク10の下方に向けて配向されていることから、渦流により水面から水中に巻き込まれた空気(気泡)が取水管1に流入するのを、抑制することができる。

0027

なお、取出用開口面1aの形状を、図3のように取水管1の軸線方向に対して斜めに配向した場合には、開口面積が大きくなるので、蓄熱タンク10内の水が取出用開口面1aに入りやすくなる。これにより、水面によって取出用開口1aが閉塞されにくくなるので、取水管1内にエアが溜まるのを抑制することができる。

0028

つぎに、図4に示す吐水管2は、取水管1と同様、金属または樹脂、あるいは金属と樹脂との一体成型品からなる管状で、蓄熱タンク10の外に位置する基端部(図中の2c)には、熱媒体循環流路Hの終端部Hb(復路)と接続される継手部2cが設けられている。また、蓄熱タンク10の導入口10bから略水平に蓄熱タンク10内に挿入される、吐水管2の先端部2b(タンク内)には、先端部2bを除く周面に、複数の吐出用開口2aが設けられている。

0029

なお、図4に示す吐水管2において、周面に設けられた吐出用開口2aは、吐水管2の中心軸線を挟んで水平に対向する位置に、それぞれ1つずつ、合計2つ設けられている。これは、蓄熱タンク10内に吐出する水の流れによって上部の高温領域と下部の低温領域とが混合されるのを抑制することで、タンク内に形成されている温度成層を壊さないための構成である。そのため、吐出用開口2aは、吐水管2の中心軸線周りに等配となる位置に3つあるいは4つ等、さらに多くの開口を形成することができる。また、吐出用開口2aの形状や配置、個数等は、蓄熱タンク10内の温度成層を壊さないことを前提に、自由に設定することが可能である。

0030

つぎに、図5に示すように、取水管1の継手部1cを含むタンク外部1bと、継手部1cに続く熱媒体循環流路Hの始端部Ha(往路)とは、図中に「Level」で示す「水平」より下方に向けて傾斜するように、配設されている。なお、図5中のθは、水平に対する下向きの角度(°)を示すものであり、図5の例の場合、取水管1の継手部1cと熱媒体循環流路Hの始端部Haとは、水平に対して、下向き約5〜20°になるように配設されている。

0031

この下向き傾斜により、継手部1cに続く熱媒体循環流路H(配管)内で滞留した温水(熱媒体)の温度が低下して(冷えて)しまった場合でも、この始端部Ha(配管)内の温度が低下した熱媒体が重力で下方に流れるので、取水管1を通じて蓄熱タンク10内に逆流することがない。これにより、蓄熱タンク10内の温水(熱媒体)の温度が低下するのを抑制することができる。

0032

他方、熱媒体循環流路Hの終端部Hb(復路)側は、図2に示すように、予め決められた圧力値以上の圧力がかかったときにのみ弁が開く、弁Vが配設されている。この弁Vは、たとえば、終端部Hb方向に向けて予め決められた圧力値以上の圧力がかかった時に弁Vが開いて、熱媒体循環流路H内の熱媒体を蓄熱タンク10に向けて流過させるもので、配管内の温度が低下した水(熱媒体)を、蓄熱タンク10内に還流させるよう構成されている。具体例として、熱媒体循環流路Hに熱媒体循環用のポンプが配設された場合には、この循環用ポンプの作動により終端部Hbにポンプ圧がかかった時に弁Vが開き、蓄熱タンク10内に水が流入する。

0033

この弁Vにより、先に述べた始端部Ha(往路)側の下向き傾斜と同様、吐水管2に繋がる熱媒体循環流路H(配管)内で滞留した水(熱媒体)の温度が低下して(冷えて)しまった場合でも、ポンプ圧などの予め決められた圧力値以上の圧力がかからなければ弁Vは開かず、この温度が低下した熱媒体が、吐水管2を通じて蓄熱タンク10内に流入することがないので、蓄熱タンク10内の温水(熱媒体)の温度が低下するのを抑制することができる。

0034

したがって、これら始端部Ha(往路)側と終端部Hb(復路)側の構成により、蓄熱タンク10は、熱媒体循環流路H(配管)内で冷えた熱媒体の流入を防止して、タンク内に貯留された温水の放熱を抑制することができる。

0035

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

0036

たとえば、蓄熱タンク10の形状等は、箱型に限らず、他の形状であってもよく、導出口10aおよび導入口10bの配置も、タンクの形状に合わせて変更してもよい。また、取水管1および吐水管2の形状や材質等も、流過する流体(熱媒体)の圧力や粘度等の性質に合わせて適宜変更することができる。

0037

1取水管(取出管)
1a 開口面
2吐水管(吐出管)
2a 開口
10蓄熱タンク
10a導出口
10b 導入口
100燃料電池モジュール
H熱媒体循環流路
Ha始端部
Hb終端部
凝縮水流路
排水流路
E排気流路
改質水流路

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