JP5941148B2 - ハイブリッドシステム - Google Patents
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Description
本発明は、熱音響冷却機と燃料電池装置を組み合わせてなるハイブリッドシステムに関する。
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス(水素含有ガス)と酸素含有ガス(空気)とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
現在このような燃料電池装置を備えるハイブリッドシステムにおいて、総合効率を向上させるべく、燃料電池装置の発電により生じる熱を利用して、お湯を生成することや、スターリングエンジン等の他の発電装置と組み合わせたハイブリッドシステムも提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
さらに、近年では熱音響エネルギーに着目した高温発生装置も提案されている(例えば、特許文献3参照。)。
上述したように、現在、燃料電池装置と他のシステムとを組み合わせたハイブリッドシステムが提唱されており、これらのハイブリッドシステムは、用途環境に応じて適宜使用されることが想定されているが、総合効率の向上の点でまだまだ改善の余地がある。
本発明では、用途環境としてコンビニエンスストアやスーパー等の商業施設において、特に有用となるハイブリッドシステムを提供することを目的とする。
本発明のハイブリッドシステムは、燃料電池装置と、熱音響冷却機とを備えてなるハイブリッドシステムであって、前記燃料電池装置は、該燃料電池装置より排出される排ガスと流体とで熱交換を行ない、前記排ガスの温度を低下させるための熱交換器を備え、前記熱音響冷却機は、高温側と低温側との温度勾配により熱音響エネルギーを発生させる熱音響エネルギー発生部と、該熱音響エネルギー発生部より伝搬された熱音響エネルギーがエネルギー変換されて生じる高温側と低温側との温度勾配を利用して、低温側が冷却機能を備える冷却部とを備えてなり、前記燃料電池装置より排出される排ガスが、前記熱音響エネルギー発生部の高温側を流れた後、前記熱交換器を流れるように構成されており、前記冷却部の高温側を流体が流れるとともに、前記冷却部の高温側を流れた前記流体が、前記熱交換器を流れるように構成されていることを特徴とする。
また、本発明のハイブリッドシステムは、燃料電池装置と、熱音響冷却機とを備えてなるハイブリッドシステムであって、前記燃料電池装置は、該燃料電池装置より排出される排ガスと流体とで熱交換を行ない、前記排ガスの温度を低下させるための熱交換器を備え、前記熱音響冷却機は、高温側と低温側との温度勾配により熱音響エネルギーを発生させる熱音響エネルギー発生部と、該熱音響エネルギー発生部より伝搬された熱音響エネルギーがエネルギー変換されて生じる高温側と低温側との温度勾配を利用して、低温側が冷却機能を備える冷却部とを備えてなり、前記燃料電池装置より排出される排ガスが、前記熱音響エネルギー発生部の高温側を流れた後、前記熱交換器を流れるように構成されており、前記冷却部の高温側を流体が流れるとともに、前記冷却部の高温側を流れた前記流体が、前記熱音響エネルギー発生部の低温側を流れた後に、前記熱交換器を流れるように構成されていることを特徴とする。
また、本発明のハイブリッドシステムは、燃料電池装置と、熱音響冷却機とを備えてなるハイブリッドシステムであって、前記燃料電池装置は、該燃料電池装置より排出される排ガスと流体とで熱交換を行ない、前記排ガスの温度を低下させるための熱交換器を備え、前記熱音響冷却機は、高温側と低温側との温度勾配により熱音響エネルギーを発生させる熱音響エネルギー発生部と、該熱音響エネルギー発生部より伝搬された熱音響エネルギーがエネルギー変換されて生じる高温側と低温側との温度勾配を利用して、低温側が冷却機能を備える冷却部とを備えてなり、前記燃料電池装置より排出される排ガスが、前記熱音響エネルギー発生部の高温側を流れた後、前記熱交換器を流れるように構成されており、前記冷却部の高温側を流体が流れるとともに、前記冷却部の高温側を流れた前記流体が、前記熱音響エネルギー発生部の低温側を流れた後に、前記熱交換器を流れるように構成されていることを特徴とする。
本発明のハイブリッドシステムは、燃料電池装置より排出される排ガスを、熱音響エネルギー発生部の高温側を流れるように構成されていることから、熱音響エネルギー発生部で音波を効率よく発生させることができ、それに伴い冷却部での冷却機能を強化できる熱音響冷却機と、燃料電池装置とを組み合わせることで、特に電力および、冷蔵や冷凍を必要とするコンビニエンスストアやスーパー等の商業施設において有用なハイブリッドシステムとすることができる。
図1は、本実施形態のハイブリッドシステムの構成の一例を示す構成図である。
図1に示すハイブリッドシステムは、燃料電池装置の一例である発電ユニットと、発電ユニットから排出される排ガスを用いて熱音響エネルギーを発生させ、発生させた熱音響エネルギーを用いて冷却(冷凍)を行う熱音響冷却機とを備えている。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。
図1に示す発電ユニットは、燃料電池セルを複数個有してなるセルスタック2、都市ガス等の原燃料を供給する原燃料供給手段4、セルスタック2を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段5、原燃料と水蒸気により原燃料を水蒸気改質する改質器3を備えている。なお、後述するが、セルスタック2と改質器3とを収納容器に収納することで燃料電池モジュール1(以下、モジュール1と略す場合がある。)が構成されており、図1においては、二点鎖線により囲って示している。なお、図には示していないが、モジュール1内には、発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させるための着火装置が設けられている。
また、図1に示す発電ユニットにおいては、セルスタック2を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス(排熱)を熱交換し、排ガスの温度を低下させるための熱交換器6を備えている。なお、熱交換器6において、排ガス中に含まれる水分が凝縮することで得られる凝縮水を純水に処理するための凝縮水処理装置7、凝縮水処理装置7にて処理された水(純水)を貯水するための水タンク8が設けられており、水タンク8と熱交換器6との間が凝縮水供給管9により接続されている。なお、熱交換器6での熱交換により生成される凝縮水の水質によっては、凝縮水処理装置7を設けない構成とすることもできる。さらに、凝縮水処理装置7が水を貯水する機能を有する場合には、水タンク8を設けない構成とすることもできる。
水タンク8に貯水された水は、水タンク8と改質器3とを接続する水供給管10に備えられた水ポンプ11により改質器3に供給される。
さらに図1に示す発電ユニットは、モジュール1にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部(パワーコンディショナ)12、各種機器の動作を制御する制御装置13が設けられている。これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる。
続いて熱音響冷却機14について説明する。熱音響冷却機14は、原動機15、冷却機16、原動機15と冷却機16をつなぐ接続管17とで構成されている。なお、原動機15、冷却機16、接続管17の内部には、ヘリウムガス等のガスが充填されている。また、原動機15および冷却機16には、それぞれ蓄熱器18、19が配置されている。原動機15の蓄熱器18の一方側を高温(図1では上側)として、他方側を低温(図1では下側)として、この温度勾配により、熱音響エネルギー(音波)が生じる。それゆえ、蓄熱器18の一方側を加熱するための高温の流体を流す高温側流路20Aを設け、他方側を冷却するための低温の流体を流す低温側流路20Bを設け、この蓄熱器18と、高温側流路および低温側流路を含めて熱音響エネルギー発生部20が構成されている。また、図1においては、この高温側流路20A、低温側流路20Bおよび蓄熱器18をひとくくりとして、熱音響エネルギー発生部20として破線で示している。
熱音響エネルギー発生部20にて発生した熱音響エネルギーは、原動機15および接続管17を流れる際に共鳴し、その熱音響エネルギーが冷却機16に伝搬される。冷却機16では、熱音響エネルギーがエネルギー変換されて熱エネルギーとなる。そして、蓄熱器19の一方側である高温側(図1では上側)に流体を流す流路21Aを設けることで、蓄熱器19の他方側(図1では下側)で、吸熱反応が生じて温度が低下し、冷却機能を有することとなる。すなわち、蓄熱器19と、高温側である流路21Aおよび低温側となる部位21Bを含めて冷却部21が構成されている。なお、冷却部21において、流路21Aは、他方側の低温側と比較して高温の流体が流れる流路であることを意味するものであり、必ずしも高温の流体が流れる必要はない。特に、冷却部21における流路21Aを流れる流体の温度を低くすることで、低温側となる部位21Bがさらに低温となり、冷凍機能を有することとなる。言い換えれば、冷却部21が冷凍部としての機能を有することとなる。それゆえ、例えば流路21Aに、常温の水道水等を流すことで、低温側となる部位21Bを例えば−70℃程度まで温度を下げることが可能となる。なお、図1においては、この流路21A、低温側となる部位21Bおよび蓄熱器19をひとくくりとして、冷却部21として破線で示している。
ここで、図1に示したハイブリッドシステムの運転方法について説明する。燃料電池装置の起動時においては、制御装置13は、原燃料供給手段4、酸素含有ガス供給手段5、水ポンプ11、着火装置を作動させる。この時点では、モジュール1の温度が低いため燃料電池セルでの発電や改質器3での改質反応は行われない。原燃料供給手段4により供給された燃料ガスは、発電に使用されなかった燃料ガスとしてほぼ全供給量が燃焼され、その燃焼熱により、モジュール1や改質器3の温度が上昇する。改質器3においては、温度が水蒸気改質可能な温度となれば、水蒸気改質を行ない、燃料電池セルの発電に必要な水素含有ガスである燃料ガスが生成される。なお、制御装置13は、改質器3が水蒸気改質可能な温度となった後に、水ポンプ11を作動するように制御してもよい。燃料電池セルは、発電開始可能な温度となれば、改質器3にて生成された燃料ガスと、酸素含有ガス供給手段5より供給される酸素含有ガスとで発電を開始する。セルスタック2で生じた電気は、供給電力調整部12にて交流に変換された後、外部負荷に供給される。
なお、燃料電池セルにて発電が開始された後は、制御装置13は、燃料電池装置を効率よく運転するにあたり、予め設定された、燃料利用率(Uf)、空気利用率(Ua)、改質器3での水蒸気改質における燃料中の炭素および水のモル比の割合であるS/Cの値に基づき、原燃料供給手段4、酸素含有ガス供給手段5、水ポンプ11等の動作を制御する。なお、燃料利用率とは、発電で使用された燃料ガス量/原燃料供給手段4より供給された燃料ガス(原燃料)量により求められる値であり、また空気利用率とは、発電で使用された空気量/酸素含有ガス供給手段5より供給された空気量により求められる値である。
セルスタック2の運転に伴って生じた排ガスは、熱音響冷却機14の原動機15における熱音響エネルギー発生部20を構成する高温側流路20Aを流れる。なお、具体的には、蓄熱器18が内部に配置された配管の一方側(高温側)の周囲を取り囲むように、燃料電池装置より排出される排ガスが流れる配管(流路)が設けられており、このような構成により、排ガスが熱音響エネルギー発生部20の高温側流路20Aを流れる構成とされている。以下の説明においても、各配管が熱音響冷却機14の配管の周囲を取り囲むように配置されて、各流体が熱音響冷却機14の各部位を流れるように構成されている。
それにより、蓄熱器18の一方側と他方側とで温度勾配を生じ、熱音響エネルギーを発生することができる。なお、熱音響エネルギー発生部20である蓄熱器18の低温側は、高温側と温度差が大きくなることで、より効率よく熱音響エネルギーを発生することができるため、例えば低温側流路20Bに常温の水道水等を供給すればよい。
また、図1に示すハイブリッドシステムにおいては、燃料電池セルとして固体酸化物形の燃料電池セル(セルスタック2)を用いることで、モジュール1より排出される排ガスの熱が非常に高温となり、より温度勾配を生じやすくなる。それにより、熱音響エネルギーをより効率よく発生することができ、その発生した熱音響エネルギーを用いることで、優れた冷却機能を有することが可能な熱音響冷却機14とすることができる。
なお、高温側流路20Aは一端が熱交換器6に接続されている。すなわち、燃料電池装置より排出される排ガスが、熱音響エネルギー発生部の高温側である高温側流路20Aを流れた後、熱交換器6を流れるように構成されている。なお熱交換器6においては、熱交換器6に供給された排ガスの温度を常温程度にまで低下させることが好ましく、燃料電池装置から排出された排ガスは、例えば水や、燃料電池装置に供給する燃料ガスや酸素含有ガス等と熱交換することが好ましい。
また、熱交換器6での熱交換によりセルスタック2より排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管9を通じて、凝縮水処理装置7に供給される。凝縮水は、凝縮水処理装置7にて純水とされて、水タンク8に供給される。水タンク8に貯水された水は、水ポンプ11により水供給管13を介して改質器3に供給される。このように、凝縮水を有効利用することにより、水自立運転を行なうことができる。
以上の通り、本実施形態のハイブリッドシステムにおいては、燃料電池装置による発電のほか、熱音響冷却機14における冷却機16としての機能を有することから、特にコンビニエンスストアやスーパー等の商業施設において有用で、かつ総合効率の向上したハイブリッドシステムとすることができる。
続いて、本実施形態における燃料電池装置について説明する。
図2は、本実施形態のハイブリッドシステムを構成する燃料電池装置におけるモジュールの一例を示す外観斜視図であり、図3は図2の断面図である。
図2に示すモジュール1においては、収納容器22の内部に、内部を燃料ガスが流通する燃料ガス流路(図示せず)を有する柱状の燃料電池セル23を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル23間が集電部材(図2においては図示せず)を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル23の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材(図示せず)でマニホールド24に固定してなるセルスタック2を2つ備え、セルスタック2の上方に、燃料電池セル23に供給する燃料ガスを生成するための改質器3が配置されたセルスタック装置30を収納して構成されている。なお、セルスタック2の両端部には、セルスタック2(燃料電池セル23)の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電気引き出し部を有する導電部材が配置されている(図示せず)。上述の各部材を備えることで、セルスタック装置30が構成される。なお、図2においては、セルスタック装置30が2つのセルスタック2を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック2を1つだけ備えていてもよい。
また、図2においては、燃料電池セル23として、内部を燃料ガスが長手方向に流通する燃料ガス流路を有する中空平板型で、燃料ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル23を例示している。なお、燃料電池セル23の間に酸素含有ガスが流通する。
また、本実施形態の燃料電池装置においては、燃料電池セル23が固体酸化物形の燃料電池セルであればよく、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器22の形状も適宜変更することができる。
また、図2に示す改質器3においては、原燃料供給管28を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成する。なお、改質器3は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部25と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒(図示せず)が配置された改質部26とを備えている。そして、改質器3で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管27を介してマニホールド24に供給され、マニホールド24より燃料電池セル23の内部に設けられた燃料ガス流路に供給される。
また図2においては、収納容器22の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置30を後方に取り出した状態を示している。ここで、図2に示したモジュール1においては、セルスタック装置30を、収納容器22内にスライドして収納することが可能である。
なお、収納容器22の内部には、マニホールド24に並置されたセルスタック2の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル23の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、酸素含有ガス導入部材29が配置されている。
図3に示すように、モジュール1を構成する収納容器22は、内壁31と外壁32とを有する二重構造で、外壁32により収納容器22の外枠が形成されるとともに、内壁31によりセルスタック装置30を収納する発電室33が形成されている。さらに収納容器22においては、内壁31と外壁32との間を、燃料電池セル23に導入する酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流路39としている。
ここで、収納容器22内には、収納容器22の上部より、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口(図示せず)とフランジ部43とを備え、下端部に燃料電池セル23の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口34が設けられてなる酸素含有ガス導入部材29が、内壁31を貫通して挿入されて固定されている。なお、フランジ部43と内壁31との間には断熱部材35が配置されている。
なお、図3においては、酸素含有ガス導入部材29が、収納容器22の内部に並置された2つのセルスタック2間に位置するように配置されているが、セルスタック2の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器22内にセルスタック2を1つだけ収納する場合には、酸素含有ガス導入部材29を2つ設け、セルスタック2を両側面側から挟み込むように配置することができる。
また発電室33内には、モジュール1内の熱が極端に放散され、燃料電池セル23(セルスタック2)の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール1内の温度を高温に維持するための断熱部材35が適宜設けられている。
断熱部材35は、セルスタック2の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル23の配列方向に沿ってセルスタック2の側面側に配置するとともに、セルスタック2の側面における燃料電池セル23の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材35を配置することが好ましい。なお、セルスタック2の両側面側に断熱部材35を配置することが好ましい。それにより、セルスタック2の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス導入部材29より導入される酸素含有ガスが、セルスタック2の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック2を構成する燃料電池セル23間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック2の両側面側に配置された断熱部材35においては、燃料電池セル23に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック2の長手方向および燃料電池セル23の積層方向における温度分布を低減するための開口部36が設けられている。
また、燃料電池セル23の配列方向に沿った内壁31の内側には、排ガス用内壁37が設けられており、内壁31と排ガス用内壁37との間が、発電室33内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路40とされている。なお、排ガス流路40は、収納容器22の底部に設けられた排気孔38と通じている。また、排ガス用内壁37のセルスタック2側にも断熱部材35が設けられている。
それにより、モジュール1の稼動(起動処理時、発電時、停止処理時)に伴って生じる排ガスは、排ガス流路40を流れた後、排気孔38より排気される構成となっている。なお、排気孔38は収納容器22の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。
なお、酸素含有ガス導入部材29の内部には、セルスタック2近傍の温度を測定するための熱電対42が、その測温部41が燃料電池セル23の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル23の配列方向における中央部に位置するように配置されている。
また、上述の構成のモジュール1においては、少なくとも一部の燃料電池セル23における燃料ガス流路より排出される発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル23の上端部側と改質器3との間で燃焼させることにより、燃料電池セル23の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃料電池セル23(セルスタック2)の上方に配置された改質器3を温めることができ、改質器3で効率よく改質反応を行なうことができる。なお、通常発電時においては、上記燃焼や燃料電池セル23の発電に伴い、モジュール1内の温度は500〜800℃程度となる。それゆえ、モジュール1より排出される排ガスの温度も非常に高温となる。
図4は、本実施形態のハイブリッドシステムの構成の他の一例を示す構成図である。本実施形態は、図1に示した本実施形態のハイブリッドシステムと対比して、燃料電池装置が貯湯ユニットを備えており、熱交換器6において、燃料電池装置より排出される排ガスと、貯湯タンク44と熱交換器6とを循環する循環水とで熱交換を行なう点で異なっている。
すなわち、図4に示すハイブリッドシステムにおいては、図1に示すハイブリッドシステムと比較して、熱交換器6に水を循環させる循環配管45、熱交換器6の出口に設けられ熱交換器6の出口を流れる水(循環水流)の水温を測定するための出口水温センサ46、循環配管45内で水を循環させるための循環ポンプ47、循環配管45を流れた熱交換された後の水(お湯)を貯水する貯湯タンク44をさらに有している。
このようなハイブリッドシステムにおいては、熱音響冷却機14の原動機15(熱音響エネルギー発生部20)における高温側流路20Aを流れた排ガスは、続いて熱交換器6に供給され、熱交換器6において、循環配管45を流れる循環水とで熱交換され、お湯が生成されることとなる。
すなわち、図4に示すハイブリッドシステムにおいては、燃料電池装置での発電、熱音響冷却機における冷却機能に加えて、貯湯ユニットにおけるお湯の生成、の3つの機能を有することとなる。それゆえ、総合効率の向上したハイブリッドシステムとすることができる。
図5、図6は、本実施形態のハイブリッドシステムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。
これらのハイブリッドシステムにおいては、図4に示すハイブリッドシステムと比較して、冷却機16の流路21Aの一端が、熱交換器6または貯湯タンク44に接続されている。すなわち、常温の水を流路21Aに流すとともに、流路21Aを流れた水が、直接熱交換器6に流れる、または貯湯タンク44および循環配管45を介して熱交換器6に流れるように構成されている。なお、図5に示すハイブリッドシステムにおいては、循環配管45の代わりに、熱交換器6と貯湯タンク44との間が、湯回収管48により接続されている。
上述したように、冷却機16の蓄熱器19の一方側である高温側の温度を低温に保持することにより、蓄熱器19の他方側である低温側の温度を低下させることができ、冷却機16として効率よく機能することとなる。また冷却機16の蓄熱器19の高温側の温度をさらに低温に保持することで、冷却機16が冷凍機としての機能を有することとなる。
そこで、図5,6に示す発電システムにおいては、冷却機16の流路21Aに常温の水を流すことにより、蓄熱器19の高温側の温度を低温に保持することができ、効率よく冷却機16として機能させることができる。さらに、この流路21Aを流れた水が、直接熱交換器6に流れる、または貯湯タンク44および循環配管45を介して熱交換器6に流れることにより、水を有効利用することができる。それにより、さらに総合効率の向上したハイブリッドシステムとすることができる。
図7は、本実施形態の発電システムの構成のさらに他の一例を示す構成図であり、図6に示すハイブリッドシステムと比較して、流路21Aと低温側流路20Bとが一体化されて、この低温側流路20Bの一端が熱交換器6に接続されている。すなわち、冷却部21の流路21Aを流れた流体が、熱音響エネルギー発生部20の低温側流路20Bを流れた後に、熱交換部6に流れるように構成されている。
上述したように、熱音響エネルギー発生部20における蓄熱器18の一方側と他方側との温度勾配を大きくすることで、より熱音響エネルギーが発生しやすくなる。ここで、冷却部21の流路21Aを流れた常温の水を引き続いて熱音響エネルギー発生部20の低温側流路20Bを流れるようにすることで、熱音響エネルギー発生部20における蓄熱器18の一方側と他方側とで、より温度勾配が生じやすくなる。
さらに、この冷却部21の流路21Aを流れる常温の水を、熱音響エネルギー発生部20の低温側流路20Bを流れた後に、貯湯タンク44の下部(低温側)に供給することにより、水をさらに有効利用することができる。それにより、さらに総合効率の向上したハイブリッドシステムとすることができる。
図8は、本実施形態のハイブリッドシステムの構成のさらに他の一例を示す構成図である。
図8に示すハイブリッドシステムにおいては、燃料電池装置が貯湯ユニットを有しておらず、熱交換器6において、燃料電池装置の排ガスと熱交換を行なう流体が、冷却部21の流路21A、熱音響エネルギー発生部20の低温側流路20B、熱交換器6をこの順に流れる循環流路49を備えている。すなわち各流路が一体化されている。
また、循環流路49の途中にはポンプ50が設けられている。それにより、それぞれの熱交換部において独立した流路を設ける必要がなく、熱音響冷却機14をより簡単な構成とすることができる。なお、このポンプ50の動作を制御することで、熱音響冷却機14の冷却機能を制御することができる。
また、循環流路49の構成を、循環流路49を流れる流体が、冷却部21の流路21Aを流れたのち、熱音響エネルギー発生部20の低温側流路20Bを流れる構成とすることにより、冷却部21の流路21Aに温度の低い流体を流すことができ、それにより冷却部21が高い冷却機能を有することができる。なお、循環流路49を流れる流体としては特に制限はないが、例えば常温の水道水、空気等とすることができる。
また、図8に示すハイブリッドシステムにおいては、循環流路49に、循環流路49を流れる流体を冷却するための冷却機51を備えている。
循環流路49を流れる流体は、熱音響エネルギー発生部20の低温側を流れる過程、熱交換器6にて燃料電池装置より排出された排ガスと熱交換する過程において、温度が上昇する場合がある。特に、熱交換器6での燃料電池装置より排出された排ガスとの熱交換により、大幅に温度が上昇する場合がある。このような温度の上昇した流体が冷却部21の高温側に流れると、低温側での温度が上昇し、冷却機能が低下するおそれがある。
これに対し、図8に示すハイブリッドシステムにおいては、循環流路49に、循環流路49を流れる流体を冷却するための冷却機51を備えていることから、循環流路49を流れる流体を低温に維持することができ、冷却部21での冷却機能が低下することを抑制できる。
なお、冷却機51は循環流路49を流れる流体を冷却することができればよく、特に構成が限定されるものではない。例えば、ラジエターのほか、水道水が貯水された容器内を循環流路49が通過するように設けたものや、内部に水道水が流れる筒状体の周囲に、循環流路49を設けた構成とすることもできる。
ちなみに、図8において、熱交換エネルギー発生部20において、燃料電池装置より排出される排ガスが流れ、一部が流路21Aとされる排ガス管を排ガス管52として示しており、また熱音響エネルギー発生部20において、蓄熱器18が配置された配管を配管53として示している。なお、これらの配管については後述する。
図9、10は、本実施形態のハイブリッドシステムの構成の他の一例を示す構成図であり、図8に示すハイブリッドシステムと比較して、図9においては、冷却機51において、循環流路49を流れる流体と改質器3に供給される原燃料とで熱交換を行う構成を、図10においては、冷却機51において、循環流路49を流れる流体とセルスタック2に供給される酸素含有ガスとで熱交換を行う構成を、それぞれ示している。すなわち、冷却機51が熱交換部として機能する。
特に、燃料電池セル23として固体酸化物形の燃料電池セル23を用いてなる燃料電池装置においては、燃料電池セル23の発電が非常に高温となるため、モジュール1に供給される原燃料や酸素含有ガスの温度が高いことが好ましい。ここで、冷却機51において、循環流路49を流れる流体と、原燃料または酸素含有ガスとで熱交換することにより、モジュール1に供給される原燃料や酸素含有ガスの温度を高くすることができる。それにより、燃料電池装置の発電効率を向上することができ、総合効率の向上したハイブリッドシステムとすることができる。
図11(a)〜(d)は、本実施形態のハイブリッドシステムにおける排ガス管と配管との配置関係を示す外観斜視図もしくは断面図である。
図11は、図8において破線で囲った配管53と排ガス管52との接続やその形状の一例を抜粋して示す外観斜視図または断面図を示しており、(a)は、排ガス管52が配管53の周囲を覆っている構造(以下、排ガス管52と配管53とにおいて、排ガス管52が配管53を覆っている部位における構造を二重管54とよぶ。)とした外観斜視図、(b)は(a)におけるA−A線断面図、(c)は他の一例を示す断面図、(d)はさらに他の一例を示す断面図である。以下に、それぞれの構成について順に説明する。
図11(a)、(b)においては、配管53のうち蓄熱器18の高温側を抜粋して示しており、配管53の外周を覆うように排ガス管52を配置して二重管54の構造としている。それにより、燃料電池装置より排出されて排ガス管52内(言い換えれば、高温側流路20A内であり、以下同意である。)を流れる排ガスの熱が、効率よく配管53に伝熱されることとなり、熱音響エネルギー発生部20における温度勾配を大きくすることができる。
なお、図11(a)、(b)においては、排ガス管52を流れる排ガスが、上方より下方に向けて流れる構成の一例を示しているが、二重管54の構造であれば、排ガス管52を流れる排ガスが、上下方向のほか、左右方向に流れる構成とすることもできる。
また、排ガス管52を流れる排ガスの配管53への伝熱性を向上するにあたり、排ガス管52の熱伝導率を、配管53の熱伝導率よりも高くすることもできる。それにより、排ガス管52を流れる排ガスの熱を、より効率よく配管53に伝熱することができ、熱音響冷却機14の性能を向上することができる。
図11(c)は、排ガス管52のうち、二重管54となる部位である配管53の外周にあたる部位の内壁に、配管53に向けて突出する突出部55を設けた構成を示している。
このような構成とすることにより、排ガス管52を流れる排ガスが乱流を生じ、排ガス管52を流れる排ガスの熱を、より効率よく配管53に伝熱することができる。なお、図11(c)においては、この突出部55を排ガス管52の内壁に設けた構成を例示したが、配管53の二重管54となる部位における外壁に排ガス管52に向けて突出する突出部を設けた場合には、排ガス管52を流れる排ガスが乱流を生じるほかに、配管53の表面積を増大させることができ、さらに効率よく、排ガス管52を流れる排ガスの熱を配管53に伝熱することができる。なお、突出部55を排ガス管52および配管53の両方に設けることもできるが、この場合排ガス管52を流れる排ガスの流れを阻害しない程度に設けることが好ましい。
図11(d)は、排ガス管52のうち、熱音響エネルギー発生部の高温側に対応する部位(二重管54となる部位)の外周に断熱部材56を設けた構成を示している。このように、排ガス管52の熱音響エネルギー発生部の高温側に対応する部位の外周に断熱部材56を設けることで、排ガス管52を流れる排ガスの熱が放熱することを抑制でき、より高温の熱を配管53に伝熱することができる。なお、図11(d)においては、排ガス管52のうち、熱音響エネルギー発生部の高温側に対応する部位の外周に断熱部材56を設けた例を示しているが、排ガス管52を流れる排ガスの熱を高温に維持するにあたっては、排ガス管52の全体を断熱部材56にて覆うようにしてもよい。
さらに、上記においては、排ガス管52と配管53とを二重管とした構成について説明したが、排ガス管52を流れる排ガスの熱を効率よく配管53に伝熱することができれば、二重管の形状に限られるものではない。例えば、排ガス管52を、配管53の外周をらせん状に取り巻くように設けてもよい。
図12は、図11(b)に示す排ガス管52と配管53との構成において、排ガス管52の配管53と接続された部位(二重管54の部位)の内部に燃焼触媒57が配置されている例を示している。
上述したように、排ガス管52を流れる排ガスの熱を配管53に伝熱することで、熱音響エネルギー発生部20における温度勾配を大きくすることができる。ここで、排ガス管52を流れる排ガスには、未燃焼の燃料ガスが含まれる場合がある。それゆえ、少なくとも排ガス管52の配管53と接続された部位の内部に燃焼触媒57を設けることにより、排ガス中に含まれる未燃ガス成分が燃焼触媒57で燃焼反応するため、燃焼触媒を設けていない例と比較してさらに高温とすることができる。これにより、排ガス管52を流れる排ガスの実質熱量をさらに多くすることができる。それゆえ、配管53に伝わる熱量を多くすることができることから、熱音響エネルギー発生部20における温度勾配を大きくすることができ、冷却部16が高い冷却機能を有することができる。なお、燃焼触媒57は、少なくとも排ガス管52の配管53と接続された部位の内部に配置されていればよく、排ガス管52の他の部位に設けることもできる。
ここで、燃焼触媒57としては、一般に使用される燃焼触媒を用いることができ、例えば、γ−アルミナやα−アルミナやコージェライト等の多孔質担体に白金やパラジウム等の貴金属類等の触媒を担持させた燃焼触媒等を用いることができる。
また、図12においては、配管53と接続された部位における排ガス管52の内部に配置される燃焼触媒57が脱落しないように、燃焼触媒57の配置場所には仕切部材58が配置されている。なお図12においては、配管53と接続された部位における排ガス管において、排ガスの流れ方向に対する入口側と出口側(上下)の2ヶ所に仕切部材58を設けた例を示している。なお、仕切部材58としては、耐熱性を有し、排ガスの流れを妨げず、さらに燃焼触媒57が脱落することを抑制できるものであればよく、例えば金属等で作製されたメッシュ状の部材等を用いることができる。
なお、図12においては、図11(b)で示した構成を用いて説明したが、例えば図11(c)および(d)で示した構成についても同様に燃焼触媒57を設けることができる。
以上、本発明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。
例えば、上述のハイブリッドシステムにおいては、燃料電池装置の一例として固体酸化物形の燃料電池セルを備える燃料電池装置を用いて説明したが、例えば固体高分子形の燃料電池装置としてもよい。固体高分子形の燃料電池装置を用いる場合には、例えば改質反応において生じる熱を有効利用すればよく、適宜構成を変更すればよい。
1:燃料電池モジュール
6:熱交換器
14:熱音響冷却機
20:熱音響エネルギー発生部
21:冷却部
44:貯湯タンク
49:循環流路
51:冷却機
52:排ガス管
53:配管
6:熱交換器
14:熱音響冷却機
20:熱音響エネルギー発生部
21:冷却部
44:貯湯タンク
49:循環流路
51:冷却機
52:排ガス管
53:配管
Claims (8)
- 燃料電池装置と、熱音響冷却機とを備えてなるハイブリッドシステムであって、前記燃料電池装置は、該燃料電池装置より排出される排ガスと流体とで熱交換を行ない、前記排ガスの温度を低下させるための熱交換器を備え、前記熱音響冷却機は、高温側と低温側との温度勾配により熱音響エネルギーを発生させる熱音響エネルギー発生部と、該熱音響エネルギー発生部より伝搬された熱音響エネルギーがエネルギー変換されて生じる高温側と低温側との温度勾配を利用して、低温側が冷却機能を備える冷却部とを備えてなり、
前記燃料電池装置より排出される排ガスが、前記熱音響エネルギー発生部の高温側を流れた後、前記熱交換器を流れるように構成されており、
前記冷却部の高温側を流体が流れるとともに、前記冷却部の高温側を流れた前記流体が、前記熱交換器を流れるように構成されている
ことを特徴とするハイブリッドシステム。 - 燃料電池装置と、熱音響冷却機とを備えてなるハイブリッドシステムであって、前記燃料電池装置は、該燃料電池装置より排出される排ガスと流体とで熱交換を行ない、前記排ガスの温度を低下させるための熱交換器を備え、前記熱音響冷却機は、高温側と低温側との温度勾配により熱音響エネルギーを発生させる熱音響エネルギー発生部と、該熱音響エネルギー発生部より伝搬された熱音響エネルギーがエネルギー変換されて生じる高温側と低温側との温度勾配を利用して、低温側が冷却機能を備える冷却部とを備えてなり、
前記燃料電池装置より排出される排ガスが、前記熱音響エネルギー発生部の高温側を流れた後、前記熱交換器を流れるように構成されており、
前記冷却部の高温側を流体が流れるとともに、前記冷却部の高温側を流れた前記流体が、前記熱音響エネルギー発生部の低温側を流れた後に、前記熱交換器を流れるように構成されている
ことを特徴とするハイブリッドシステム。 - 前記流体が、前記冷却部の高温側、前記熱音響エネルギー発生部の低温側、前記熱交換器をこの順に流れる循環流路を備え、該循環流路のうち、前記熱交換器と前記冷却部の高温側との間に、前記循環流路を流れる流体を冷却するための冷却機を備えていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のハイブリッドシステム。
- 前記冷却機が、前記循環流路を流れる流体と、前記燃料電池装置に供給されるガスとで熱交換する熱交換器であることを特徴とする請求項3に記載のハイブリッドシステム。
- 前記熱音響エネルギー発生部が、内部に蓄熱器が配置された配管を備え、前記燃料電池装置より排出される排ガスが流れる排ガス管が、前記配管における前記熱音響エネルギー発生部の高温側の周囲に配置されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のうちのいずれかに記載のハイブリッドシステム。
- 前記排ガス管のうち、前記配管における前記熱音響エネルギー発生部の高温側に対応する部位の外周に断熱部材が設けられていることを特徴とする請求項5に記載のハイブリッドシステム。
- 前記排ガス管の熱伝導率が、前記配管の熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項5または請求項6に記載のハイブリッドシステム。
- 前記排ガス管の前記配管と接続された部位の内部に燃焼触媒が配置されていることを特徴とする請求項5乃至請求項7のうちいずれかに記載のハイブリッドシステム。
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