JP2018116834A - High-temperature heat storage system and high-temperature heat storage method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、水素電力貯蔵装置などに用いられる高温蓄熱システム及び高温蓄熱方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a high-temperature heat storage system and a high-temperature heat storage method used for a hydrogen power storage device and the like.
従来、水蒸気の電気分解で発生した水素を貯蔵し、この貯蔵した水素によって発電を可能とする水素電力貯蔵装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
このような水素電力貯蔵装置の一例を、図4を用いて説明する。図4は、従来の水素電力貯蔵装置の構成を模式的に示した図である。
2. Description of the Related Art Conventionally, a hydrogen power storage device that stores hydrogen generated by electrolysis of water vapor and enables power generation using the stored hydrogen is known (see, for example, Patent Document 1).
An example of such a hydrogen power storage device will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram schematically showing a configuration of a conventional hydrogen power storage device.
図4に示すように、水素電力貯蔵装置10は、固体酸化物型電解セル(SOEC)及び固体酸化物型燃料電池(SOFC)の双方の機能を備えた電力/水素変換装置11(セルスタック部)と、この電力/水素変換装置11によって生成された水素を貯蔵する水素貯蔵装置12と、発電時に発生した高温の熱を貯蔵する蓄熱装置13を具備している。
As shown in FIG. 4, the hydrogen
そして、発電モード(SOFCモード)においては、電力/水素変換装置11に、水素貯蔵装置12で貯蔵された水素と、空気(酸素)が供給され、発電が行われる。このとき発生した熱が蓄熱装置13に貯蔵される。
In the power generation mode (SOFC mode), hydrogen and air (oxygen) stored in the
一方、水電解モード(SOECモード)においては、電力/水素変換装置11に、水蒸気と、蓄熱装置13に貯蔵された高温の熱が供給され、水蒸気が電気分解されて水素が生成される。このとき、生成された水素が水素貯蔵装置12に貯蔵される。
On the other hand, in the water electrolysis mode (SOEC mode), water vapor and high-temperature heat stored in the
このように、蓄熱装置13は、一時的に熱を蓄え、必要な時に熱を放出することで、エネルギーの有効利用を可能としている。蓄熱装置13における蓄熱温度は装置により異なるが、上述した水素電力貯蔵装置の例では、蓄熱装置13に700℃以上の高温の熱が蓄熱される。
As described above, the
ところで、高温の熱が蓄熱される蓄熱装置においては、断熱手段が重要になるとともに、伝熱方式でも工夫が必要となる。
例えば、伝熱方式として伝熱板を用いる場合、熱伝導率が大きいアルミは融点が660℃であることから、700℃以上の高温の蓄熱装置では用いることができない。また、融点の高い銅を伝熱板として用いたとしても、その接続部に融点の低い半田などを用いることができないため、熱抵抗が大きくなり、熱源と蓄熱装置の間の温度差が大きくなるという問題がある。
By the way, in a heat storage device in which high-temperature heat is stored, heat insulation means becomes important, and ingenuity is required even in a heat transfer system.
For example, when a heat transfer plate is used as the heat transfer method, aluminum having a high thermal conductivity has a melting point of 660 ° C., and thus cannot be used in a heat storage device having a high temperature of 700 ° C. or higher. Moreover, even if copper having a high melting point is used as the heat transfer plate, solder having a low melting point cannot be used for the connection portion, so that the thermal resistance increases and the temperature difference between the heat source and the heat storage device increases. There is a problem.
また、伝熱方式として熱媒体を用いて蓄熱装置に熱を供給しようとする場合、700℃以上の高温では水などの比熱の大きな熱媒体は用いることができず、窒素ガスなどの比熱の小さな熱媒体が用いられることになるが、この場合には、大量の熱媒体を循環させる必要がある。 In addition, when a heat medium is used as a heat transfer method to supply heat to the heat storage device, a heat medium having a large specific heat such as water cannot be used at a high temperature of 700 ° C. or higher, and a specific heat such as nitrogen gas is small. A heat medium is used. In this case, it is necessary to circulate a large amount of the heat medium.
また、この場合、熱媒体を循環するための圧縮機が必要となるが、圧縮機も700℃以上で運転できるものは無いため、圧縮機を室温領域に配置し、熱交換器を介して熱媒体を循環させる必要がある。このため、熱交換器の効率が100%に満たない場合には、熱損失が生じることになり、さらに、熱交換器を含めた圧力損失も大きくなるため、圧縮機の所要動力も増大する。
このように、窒素ガスなどを熱媒体とする伝熱方式では、高温になるほど熱損失と所要動力を合わせたシステム損失が増加してしまうという問題がある。
In this case, a compressor for circulating the heat medium is required. However, since there is no compressor that can be operated at 700 ° C. or higher, the compressor is arranged in a room temperature region and heat is passed through the heat exchanger. It is necessary to circulate the medium. For this reason, when the efficiency of the heat exchanger is less than 100%, heat loss occurs, and furthermore, the pressure loss including the heat exchanger also increases, so the required power of the compressor also increases.
As described above, the heat transfer system using nitrogen gas or the like as a heat medium has a problem that the system loss including the heat loss and the required power increases as the temperature increases.
一方、高温で有効な伝熱方式として、放射伝熱方式がある。この放射伝熱方式における伝熱量は、下記の式1によって示すことができる。
式1に示すように、放射伝熱方式における伝熱量は、一般に、温度の4乗の差で増加するため、高温になるほど単位面積当たりの伝熱量が急激に増加し、伝熱が容易になる。また、放射伝熱方式では、動力を必要としないためシステム損失も少ないという利点がある。 As shown in Equation 1, the amount of heat transfer in the radiant heat transfer method generally increases due to the difference of the fourth power of the temperature. Therefore, as the temperature increases, the amount of heat transfer per unit area increases rapidly and heat transfer becomes easier. . In addition, the radiant heat transfer method has an advantage that the system loss is small because no power is required.
しかしながら、放射伝熱方式における伝熱量は、伝熱面の温度と放射率との関係で変動するため、伝熱量を安定的に制御できないという問題がある。このため、放射伝熱方式を蓄熱装置に用いる場合には、セルスタックの温度を最適に制御することが困難で、安定的な熱出力を得ることができないという問題があった。
このように、従来の熱伝導方式、熱媒体循環方式、放射伝熱方式は、いずれも上述したような問題があるため、有効な伝熱方式の開発が課題となっていた。
However, since the amount of heat transfer in the radiant heat transfer system varies depending on the relationship between the temperature of the heat transfer surface and the emissivity, there is a problem that the amount of heat transfer cannot be stably controlled. For this reason, when the radiant heat transfer method is used for the heat storage device, there is a problem that it is difficult to optimally control the temperature of the cell stack and a stable heat output cannot be obtained.
As described above, since the conventional heat conduction method, heat medium circulation method, and radiant heat transfer method all have the problems described above, the development of an effective heat transfer method has been an issue.
本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、高温であっても、システム損失が少なく、温度制御が可能な高温蓄熱システム及び高温蓄熱方法を得ることを目的とする。 Embodiments of the present invention have been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a high-temperature heat storage system and a high-temperature heat storage method capable of controlling the temperature with little system loss even at high temperatures. To do.
上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る高温蓄熱システムは、発電モードと水電解モードの運転状態を有するセルスタック部と、前記セルスタック部に対向して設けられた第1の蓄熱体と、前記セルスタック部に熱媒体を供給する圧縮機と、前記セルスタック部と前記圧縮機との間を循環する熱媒体流路に設けられた第2の蓄熱体と、前記熱媒体流路に設けられ前記セルスタック部に対する前記熱媒体の流向を切り替える切替装置と、前記切替装置の切替制御及び前記熱媒体の流量制御を行う制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明の実施形態に係る高温蓄熱方法は、本実施形態に係る高温蓄熱システムを用いてセルスタック部の温度を制御することを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, a high-temperature heat storage system according to an embodiment of the present invention includes a cell stack unit having an operation state in a power generation mode and a water electrolysis mode, and a first provided to face the cell stack unit. A heat storage body, a compressor for supplying a heat medium to the cell stack section, a second heat storage body provided in a heat medium flow path circulating between the cell stack section and the compressor, and the heat medium A switching device that is provided in a flow path and switches the flow direction of the heat medium with respect to the cell stack unit, and a control unit that performs switching control of the switching device and flow rate control of the heat medium.
Moreover, the high temperature thermal storage method which concerns on embodiment of this invention controls the temperature of a cell stack part using the high temperature thermal storage system which concerns on this embodiment, It is characterized by the above-mentioned.
本発明によれば、高温であっても、システム損失が少なく、温度制御が可能な高温蓄熱システム及び高温蓄熱方法を得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if it is high temperature, there is little system loss and the high temperature thermal storage system and high temperature thermal storage method in which temperature control is possible can be obtained.
以下、本発明に係る高温蓄熱システム及び高温蓄熱方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
なお、本実施形態では、本発明に係る高温蓄熱システムを、図4を用いて説明した水素電力貯蔵装置に適用した例について説明する。また、図1及び図2では、水素電力貯蔵装置における、電力/水素変換装置(セルスタック部)、蓄熱装置及び酸素・空気系のガス配管を抜き出して説明している。
Hereinafter, embodiments of a high-temperature heat storage system and a high-temperature heat storage method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
In the present embodiment, an example in which the high-temperature heat storage system according to the present invention is applied to the hydrogen power storage device described with reference to FIG. 4 will be described. 1 and 2 illustrate the power / hydrogen conversion device (cell stack unit), the heat storage device, and the oxygen / air-based gas piping in the hydrogen power storage device.
[構成]
(高温蓄熱システムの構成)
図1及び図2に示すように、本実施形態の高温蓄熱システムは、セルスタック部1と、セルスタック部1を囲むように配置された蓄熱カプセル群からなる第1の蓄熱体2と、熱媒体9を循環させる圧縮機5と、セルスタック部1と圧縮機5との間に接続され熱媒体9が循環する熱媒体流路を形成するガス配管3と、ガス配管3の流路内に設けられた蓄熱カプセル群からなる第2の蓄熱体4と、ガス配管3を循環する熱媒体9の熱交換を行う熱交換器6と、圧縮機5と熱交換器6との間に設けられ熱媒体9の流路を切り替える切替弁(切替装置)7と、圧縮機5を例えばインバータ制御することでガス配管3内の熱媒体9の流量を制御するとともに、切替弁7を制御することでガス配管3内の熱媒体9の流向を切り替える制御部8と、から構成される。
[Constitution]
(Configuration of high-temperature heat storage system)
As shown in FIGS. 1 and 2, the high-temperature heat storage system of the present embodiment includes a cell stack unit 1, a first
なお、本実施形態では、熱媒体9の一例として空気を用いているが、他の熱媒体ガスを用いることもできる。
また、本実施形態では、熱媒体9の流量制御の一例として制御部8が圧縮機5を制御する手法を用いているが、例えば、ガス配管3に流量調整弁などを設け、制御部8がこれを制御することで熱媒体9の流量を制御する手法を用いることもできる。
In the present embodiment, air is used as an example of the heat medium 9, but other heat medium gas may be used.
Moreover, in this embodiment, although the
セルスタック部1は、固体酸化物型電解セル(SOEC)及び固体酸化物型燃料電池(SOFC)の機能を備えており(図示せず)、発電モード(SOFCモード)では、セルスタック部1が発熱し、電力を生成するとともに、熱の一部は放射伝熱により第1の蓄熱体2に蓄熱される。一方、水電解モード(SOECモード)では、第1の蓄熱体2と第2の蓄熱体4からの熱により、水蒸気が電気分解されて水素が生成される。
The cell stack unit 1 has functions of a solid oxide electrolytic cell (SOEC) and a solid oxide fuel cell (SOFC) (not shown). In the power generation mode (SOFC mode), the cell stack unit 1 While generating heat and generating electric power, a part of the heat is stored in the first
(第1の蓄熱体2の構成)
第1の蓄熱体2は、複数の第1の蓄熱カプセル2a〜2dからなり、セルスタック部1を囲むように配置される。図1及び図2に示す例では、矩形状のセルスタック部1の4面に対向するように、矩形状の第1の蓄熱カプセル2a〜2dが配置されている。
(Configuration of the first heat storage body 2)
The first
各第1の蓄熱カプセル2a〜2dは、外壁が例えば炭化ケイ素(SiC)からなり、内部に例えば炭酸ナトリウム−炭酸カリウム(Na2CO3-K2CO3)等の溶融塩からなる蓄熱材が充填されている。
Each of the first
このように矩形状の各第1の蓄熱カプセル2a〜2dは、矩形状のセルスタック部1の4面にそれぞれ平行となるように対向して配置されていることで、セルスタック部1の発熱量の約90%が、放射伝熱により各第1の蓄熱カプセル2a〜2dに蓄熱される。
As described above, each of the rectangular first
ところで、セルスタック部1から第1の蓄熱体2(第1の蓄熱カプセル2a〜2d)への放射伝熱量は、上記の式1に示したように放射率εに比例する。そして、放射率εと反射率αとの関係は、下記の式2によって示すことができる。
また、図3に示すように、反射率αは、一般に、入射角が水平(90°)に近づくと1に近づくことが知られている。したがって、セルスタック部1から第1の蓄熱カプセル2a〜2dへの放射伝熱量を大きくするためには、伝熱面に対して入射角を垂直(0°)にすることが望ましい。
Further, as shown in FIG. 3, it is known that the reflectance α generally approaches 1 when the incident angle approaches horizontal (90 °). Therefore, in order to increase the amount of radiant heat transfer from the cell stack unit 1 to the first
このような観点により、本実施形態では、セルスタック部1が矩形に形成されていることに応じて、第1の蓄熱カプセル2a〜2dも矩形とし、伝熱面(すなわち、第1の蓄熱カプセル2a〜2dにおけるセルスタック部1と対向する面)がセルスタック部1の各面と平行になるように配置している。
From this point of view, in the present embodiment, the first
なお、第1の蓄熱カプセル2a〜2dの形状は、セルスタック部1の形状に応じて適宜変更することができる。例えば、セルスタック部1が円柱状であれば、第1の蓄熱カプセル2a〜2dを円環状とし、円柱状のセルスタック部1の外周に間隙を介して同心状に配置してもよい。いずれにしろ、セルスタック部1と第1の蓄熱カプセル2a〜2dを相互に対向して配置することが可能な形状であれば、どのような形状であってもよい。
The shape of the first
また、図1及び図2に示す例では、配置される第1の蓄熱カプセル2a〜2dの数を4としているが、これに限られるものではなく、例えば、セルスタック部1の形状や必要な蓄熱容量などに応じて適宜増減することができる。
Moreover, in the example shown in FIG.1 and FIG.2, although the number of the 1st
(第2の蓄熱体の構成)
第2の蓄熱体4は、複数の円柱状の第2の蓄熱カプセル4a〜4dからなり、セルスタック部1と熱交換器6との間のガス配管3の流路内に設けられる。各第2の蓄熱カプセル4a〜4dは、外壁が例えば炭化ケイ素(SiC)からなり、内部に例えば炭酸ナトリウム−炭酸カリウム(Na2CO3-K2CO3)等の溶融塩からなる蓄熱材が充填されている。
(Configuration of second heat storage body)
The second
また、各第2の蓄熱カプセル4a〜4dは、ガス配管3を流れる空気(酸素)からの熱伝達によって蓄熱されるが、この熱伝達率を高くするために流速を早くすると、圧力損失及び所要動力が増加しシステム効率が下がる。したがって、本実施形態では、第2の蓄熱カプセル4a〜4dを円柱形とし、高い熱伝達率と低い圧力損失の両立を可能としている。
In addition, each of the second
さらに、図1及び図2に示す例では、配置される第2の蓄熱カプセル4a〜4dの数を4としているが、これに限られるものではなく、例えば、セルスタック部1の形状や必要な蓄熱容量などに応じて適宜増減することができる。
Furthermore, in the example shown in FIGS. 1 and 2, the number of the second
なお、第1の蓄熱カプセル2a〜2d及び/又は第2の蓄熱カプセル4a〜4dにおいて、外壁の素材は他の素材、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)などを用いることができるし、蓄熱材も他の素材を用いることができる。
In the first
[作用]
上記のように構成された高温蓄熱システムの作用を、SOFCモード(発電モード)とSOECモード(水電解モード)に分けて説明する。なお、図1及び図2において、ガス配管3に隣接して付された矢線は熱媒体9の流向を示すものである。
[Action]
The operation of the high-temperature heat storage system configured as described above will be described separately for the SOFC mode (power generation mode) and the SOEC mode (water electrolysis mode). 1 and 2, an arrow line adjacent to the
(SOFCモード(発電モード))
SOFCモードでは、図1に示すように、セルスタック部1は発熱状態にあり、その発熱量の約90%が対向する第1の蓄熱カプセル2a〜2dに放射伝熱され、残りの発熱量はガス配管3を循環する熱媒体9により第2の蓄熱カプセル4a〜4dに運ばれる。次いで、熱媒体9は熱交換器6、切替弁7、圧縮機5、熱交換器6を経てセルスタック部1に循環する。
(SOFC mode (power generation mode))
In the SOFC mode, as shown in FIG. 1, the cell stack unit 1 is in a heat generation state, and about 90% of the heat generation amount is radiated to the first
ところで、第1の蓄熱カプセル2a〜2dでは、その表面温度が変化するため、セルスタック部1からの放射伝熱量は一定にはならない。そのため、本実施形態では、セルスタック部1の温度が一定の温度、例えば約750℃となるように、制御部8によって熱媒体9の流量を制御する。
このように、セルスタック部1の温度を一定に制御することにより、安定的な熱出力を得ることができるため、水素電力貯蔵システムのシステム効率を向上させることができる。
By the way, in the 1st
Thus, since the stable heat output can be obtained by controlling the temperature of the cell stack part 1 to be constant, the system efficiency of the hydrogen power storage system can be improved.
また、空気等からなる熱媒体9の流量は、熱媒体だけで伝熱する場合の1/10程度であり、圧縮機5などの所要動力も少なく済む。また、流量が少なくなることで、酸素・空気系のガスを熱媒体9として用いることができるため、窒素ガスなどの熱媒体専用の循環系が不要となり、水素電力貯蔵システムを大幅に簡素化することができる。 In addition, the flow rate of the heat medium 9 made of air or the like is about 1/10 that of heat transfer using only the heat medium, and the required power of the compressor 5 and the like is small. Moreover, since the oxygen / air-based gas can be used as the heat medium 9 by reducing the flow rate, a circulation system dedicated to the heat medium such as nitrogen gas is not necessary, and the hydrogen power storage system is greatly simplified. be able to.
(SOECモード(水電解モード))
SOECモードでは、図2に示すように、セルスタック部1は吸熱状態にあり、第1の蓄熱カプセル2a〜2dからの放射伝熱と第2の蓄熱カプセル4a〜4dから流入する高温の熱媒体9によって加熱される。
(SOEC mode (water electrolysis mode))
In the SOEC mode, as shown in FIG. 2, the cell stack unit 1 is in an endothermic state, and radiant heat transfer from the first
熱媒体9は、切替弁7を図2に示すように切り替えることにより、セルスタック部1、熱交換器6、切替弁7、圧縮機5、熱交換器6、第2の蓄熱カプセル4a〜4dを経てセルスタック部1に循環する。
The heat medium 9 switches the switching
ところで、上述したように、第1の蓄熱カプセル2a〜2dは、その表面温度が変化するため、セルスタック部1への放射伝熱量も一定にはならない。そのため、本実施形態では、SOECモードにおいても、セルスタック部1の温度が、一定の温度、例えば約650℃になるように、制御部8によって熱媒体9の流量を制御する。
By the way, as above-mentioned, since the surface temperature of the 1st
このように、SOECモードにおいても、セルスタック部1の温度を一定に制御することにより、安定的な熱出力を得ることができるため、水素電力貯蔵システムのシステム効率を向上させることができる。 As described above, even in the SOEC mode, a stable heat output can be obtained by controlling the temperature of the cell stack unit 1 to be constant, so that the system efficiency of the hydrogen power storage system can be improved.
[効果]
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、放射伝熱手段を用いた第1の蓄熱体2と、熱媒体による伝熱手段を用いた第2の蓄熱体4を併用したことにより、SOFCモード及びSOECモードのいずれの運転状態においても、セルスタック部1の温度を所定温度に制御することが可能となる。
[effect]
As described above, according to the embodiment of the present invention, the first
したがって、高温であっても、システム損失が少ない高温蓄熱システム及び高温蓄熱方法を得ることができる。また、これにより、セルスタック部1の熱出力を安定化することができるため、水素電力貯蔵システムのシステム効率を向上させることができる。 Therefore, it is possible to obtain a high temperature heat storage system and a high temperature heat storage method with little system loss even at high temperatures. Moreover, since the heat output of the cell stack part 1 can be stabilized by this, the system efficiency of a hydrogen power storage system can be improved.
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。また、この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. This embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, combinations, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. Further, this embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…セルスタック部、2…第1の蓄熱体、2a〜2d…第1の蓄熱カプセル、3…ガス配管、4…第2の蓄熱体、4a〜4d…第2の蓄熱カプセル、5…圧縮機、6…熱交換器、7…切替弁(切替装置)、8…制御部、9…熱媒体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cell stack part, 2 ... 1st thermal storage body, 2a-2d ... 1st thermal storage capsule, 3 ... Gas piping, 4 ... 2nd thermal storage body, 4a-4d ... 2nd thermal storage capsule, 5 ... Compression , 6 ... heat exchanger, 7 ... switching valve (switching device), 8 ... control unit, 9 ... heat medium
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