(57)【要約】【課題】熱交換損失の少ない熱媒体循環系を有する蓄熱装置を提供する。【解決手段】発熱動作及び吸熱動作を行う熱利用装置と、前記熱利用装置の発熱動作時に発熱した廃熱を蓄熱し、吸熱動作時に前記蓄熱材に蓄えた熱を供給する蓄熱材を有する蓄熱槽と、前記熱利用装置と前記蓄熱槽とを通り、前記熱利用装置と前記蓄熱槽との間でそれぞれ熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環路と、前記熱媒体循環路に設けられた熱交換器と、前記熱媒体を前記熱媒体循環路内で循環させる循環装置と、を有する蓄熱装置において、前記熱媒体循環路は、前記熱利用装置と前記蓄熱槽とを通る熱交換流路を複数有し、前記各熱交換流路が、連続して直列に接続されていることを特徴とする。【選択図】図１
2014185833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱動作及び吸熱動作を行う熱利用装置と、前記熱利用装置の発熱動作時に発熱した廃熱を蓄熱し、吸熱動作時に前記蓄熱材に蓄えた熱を供給する蓄熱材を有する蓄熱槽と、前記熱利用装置と前記蓄熱槽とを通り、前記熱利用装置と前記蓄熱槽との間でそれぞれ熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環路と、前記熱媒体循環路に設けられた熱交換器と、前記熱媒体を前記熱媒体循環路内で循環させる循環装置と、を有する蓄熱装置において、
前記熱媒体循環路は、前記熱利用装置と前記蓄熱槽とを通る熱交換流路を複数有し、
前記各熱交換流路が、連続して直列に接続されていることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】
発熱動作及び吸熱動作を行う熱利用装置と、前記熱利用装置の発熱動作時に発熱した廃熱を蓄熱し、吸熱動作時に前記蓄熱材に蓄えた熱を供給する蓄熱材を有する蓄熱槽と、前記熱利用装置と前記蓄熱槽とを通り、前記熱利用装置と前記蓄熱槽との間でそれぞれ熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環路と、前記熱媒体循環路に設けられた熱交換器と、前記熱媒体を前記熱媒体循環路内で循環させる循環装置と、を有する蓄熱装置において、
前記熱利用装置及び前記蓄熱槽が、それぞれ複数の熱利用単位部及び複数の蓄熱単位部から構成され、
前記熱利用単位部と前記蓄熱単位部とを直列に組み合わせた複数のユニットを通る熱交換流路が、形成されていることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項３】
前記熱利用単位部は、複数の発熱部分と複数の吸熱部分とから構成され、
前記ユニットが、前記発熱部分と前記蓄熱単位部と前記吸熱部分とを直列に組み合わせた構成であることを特徴とする請求項２に記載の蓄熱装置。
【請求項４】
前記熱利用単位部は、複数の発熱部分と複数の吸熱部分とから構成され、
前記ユニットが、前記発熱部分と、前記蓄熱単位部及び前記吸熱部分を直列に組み合わせた複数の蓄熱吸熱の組と、を直列に組み合わせた構成であることを特徴とする請求項２に記載の蓄熱装置。
【請求項５】
前記熱利用単位部は、複数の発熱部分と複数の吸熱部分とから構成され、
前記ユニットが、前記発熱部分と前記蓄熱単位部とを直列に組み合わせた複数の発熱蓄熱の組と、前記吸熱部分と、を直列に組み合わせた構成であることを特徴とする請求項２に記載の蓄熱装置。
【請求項６】
前記熱利用装置が、一対の伝熱ブロック間に挟まれた平型のセルを複数層に積み重ねて構成され、
前記熱交換流路が、前記各伝熱ブロックに形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の蓄熱装置。
【請求項７】
前記熱利用装置と前記蓄熱槽とは、一体構成された断熱材によって覆われていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の蓄熱装置。
【請求項８】
前記熱利用装置が、固体酸化物セルを用いた固体酸化物型燃料電池／高温水蒸気電解セルであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水素電力貯蔵装置等において用いられる蓄熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の対策として再生可能エネルギー利用の開発が進められており、一部で実用化もされている。その一つとして、枯渇の心配がない安全なエネルギー源として、風力や太陽光発電等の再生可能エネルギーが急速に普及している。この再生可能エネルギーにおける重要な問題点の一つとして、気候要因などによって出力が大きく変動する問題がある。出力を平準化させる方法としては、揚水発電を併用した方法や蓄電池等を用いた方法に並んで水素電力貯蔵技術が検討されている。
【０００３】
特に、固体酸化物型燃料電池／高温水蒸気電解セル（SOFC/SOECセル）を用いた水素電力貯蔵では、変換効率が高くなることが期待されている。SOFC/SOECセルを用いた水素電力貯蔵としては、本願出願人によって既に電力貯蔵システム及びその運用方法として、提案されている。
【０００４】
従来の電力貯蔵システムでは、図７、図８に概略して示した構成になっている。図７は、SOFC／SOECセル1をSOFCセル1a（固体酸化物型燃料電池セル）として使用した場合の構成を示している。図８は、SOFC／SOECセル1をSOECセル1b（高温水蒸気電解セル）として使用した場合の構成を示している。
【０００５】
最初に、図７を用いてSOFCセル1aの説明を行う。水素タンク9に蓄えられた水素ガスは、流路20a〜20fを通って流れることになる。即ち、水素タンク9内の水素ガスは、流路20a、20bを通って、熱交換器4aに供給される。熱交換器4aで加熱された水素ガスは、流路20cを通ってSOFCセル1aのアノード電極16aに供給される。
【０００６】
SOFCセル1aのカソード電極16bには、空気が供給されており、カソード電極16bで電子を受け取った酸素原子が酸素イオン（O2-イオン）となる。この酸素イオンは、アノード電極16aとカソード電極16bとの間に配した電解質17に運ばれ、電解質材料と交換反応をしながらアノード電極16aに到達する。ここで、水素ガスと結びついて、電子を放出するとともに、水が作成される。放出された電子は、電力として取り出されることになる。  
尚、アノード電極16aとカソード電極16bは、例えば、多孔質電極として構成されており、電解質17は、例えば、固体酸化物電解質として構成されている。
【０００７】
作成された水と酸素イオンとは結合しなかった水素ガスは、流路20dを通って熱交換器4aに供給され、水と水素ガスとが有している熱は、熱交換器4aを介してSOFCセル1aに供給される水素ガスを温めることに利用される。
【０００８】
熱交換器4aを出た水と水素ガスは、流路20eに設けたブロア5aからの推進力を得て、流路20fを通って水素分離器11に供給される。水素分離器11で分離された水素ガスは、流路21b、20aを通って水素タンク9に貯蔵されたり、SOFCセル1aへの再供給に利用されることになる。水素分離器11で分離された水は、流路21aを通って外部に排出される。
【０００９】
SOFCセル1aのカソード電極16bに供給される空気は、流路25aに設けたブロア5bからの推進力を得て熱交換器4bに供給される。熱交換器4bで加熱された後、流路25bを通ってSOFCセル1aに供給される。SOFCセル1aのカソード電極16bで酸素イオンにならなかった酸素と窒素等は、流路25cを介して熱交換器4bに供給され、熱交換器4bに供給された酸素と窒素等が有している熱は、熱交換器4bでSOFCセル1aのカソード電極16bに供給される空気を温めることに利用される。熱交換器4bを出た酸素と窒素とは、大気中に放出されることになる。
【００１０】
SOFCセル1aと蓄熱槽2との間には、熱媒体である窒素ガス（N2ガス）を循環させる循環路3が構成されており、発電する際にSOFCセル1aで発熱した熱は廃熱されることになるが、このときの廃熱で窒素ガスを温めることによりSOFCセル1aから取り出すことができる。取り出した熱は、蓄熱槽2に蓄えておくことができる。即ち、窒素ガスは、SOFCセル1aと蓄熱槽2とを通る熱交換流路3a内を流れることによって、SOFCセル1aからの廃熱を取り出して、蓄熱槽2に蓄えることができる。  
また、窒素ガスに推進力を与えるブロア5が、循環路3内に配設されている。
【００１１】
蓄熱槽2での蓄熱温度は、例えば、800℃のように高温であるため、800℃の高温で動作するブロア5を用いる代わりに、300℃程度の温度で動作するブロア5を用いた方が、現実的である。そこで、蓄熱槽2とブロア5の上流側との間、及びSOFCセル1aとブロア5の下流側との間に熱交換器4を配設させた構成にして、蓄熱槽2から出た窒素ガスの温度を熱交換器4で取り出して300℃近くまで下げるとともに、熱交換器4によって取り出した熱を用いて、SOFCセル1aに供給される窒素ガスの加熱に利用することができる。
【００１２】
次に、図８を用いてSOECセル1bの説明を行う。図８では、図７で示したSOFC／SOECセル1をSOECセル1bとして使用した構成であり、SOECセル1bにおけるアノード電極18b、カソード電極18aの構成位置、及び熱交換器4とブロア5との間の配管構成が異なっているだけで、他の構成は図７と同様の構成になっている。
【００１３】
即ち、SOECセル1bにおいて、水蒸気を電気分解するために、電力が外部から供給される構成になっており、また、電気分解に必要とする熱を蓄熱槽2で蓄えておいた熱を利用することができる。そして、SOFCセル1aとSOECセル1bとでは、アノード電極（16a、18b）とカソード電極（16b、18a）との配置関係が逆になっている。
【００１４】
流路22aを通って加熱蓄熱器10に供給された水は、加熱蓄熱器10よって加熱され水蒸気となって流路22bから流路20bに供給される。流路20bに供給された水蒸気は、更に熱交換器4aで加熱された後、流路20cを通ってSOECセル1bのカソード電極18aに供給される。
【００１５】
カソード電極18aでは、供給された電力によって水蒸気が電子を受け取り、電気分解を行って水素と酸素イオン（O2-イオン）とを発生させる。発生した水素ガスと水素ガスを発生させなかった水蒸気の一部は、流路20dを通って熱交換器4aに供給される。発生した酸素イオンは、カソード電極18aとアノード電極18bとの間に配した電解質17に運ばれ、電解質材料と交換反応をしながらアノード電極18bに到達する。ここで酸素イオンは、酸素に変換されるとともに電子を放出する。発生した酸素は、流路25cを通って熱交換器4bに供給される。放出した電子は、カソード電極18aに供給されて、水蒸気の電気分解に利用される。
【００１６】
SOECセル1bにおける水蒸気の電気分解には熱を必要とするが、SOFCセル1aの発電時に発生した廃熱を蓄えておいた蓄熱槽2の熱を利用することができる。そして、熱交換器4aでは、SOECセル1bから出た水素ガスと水蒸気の有していた熱が、熱交換器4aを介してSOECセル1bのカソード電極18aに供給される水蒸気の加熱に利用される。
【００１７】
熱交換器4aにおいて熱が取り出された水素ガスと水蒸気は、流路20eに設けたブロア5aからの推進力を得て、加熱蓄熱器10を通り、流路20fから水素分離器11に供給される。加熱蓄熱器10では、流路20eを通って供給された水素ガスと水蒸気とから得た熱を、水を蒸発させる熱源に利用することができる。そして、水素分離器11で分離された水素ガスは、流路21bを通って、水素タンク9に蓄えられる。水素分離器11で分離された水は、流路21aを通って外部に排出される。
【００１８】
SOECセル1bのアノード電極18bに供給される空気は、流路25aに設けたブロア5bからの推進力を得て熱交換器4bに供給される。熱交換器4bで加熱された後、流路25bを通ってSOECセル1bに供給される。SOECセル1bのカソード電極18aで発生した酸素は、空気とともに流路25cを通って熱交換器4bに供給され、熱交換器4bに供給された酸素と空気が有している熱は、熱交換器4bでSOECセル1bのアノード電極18bに供給される空気を温めることに利用される。その後、熱交換器4bを出た酸素と空気は、大気中に放出されることになる。あるいは、酸素は、図示せぬ酸素タンクに蓄えておくことができる。酸素タンクに蓄えた酸素ガスは、SOFCセル1aのカソード電極16bに供給するように構成しておくことができる。
【００１９】
SOECセル1bと蓄熱槽2との間には、熱媒体である窒素ガスを循環させる循環路3が構成されており、蓄熱槽2に蓄えられていた熱は、窒素ガスを循環させることでSOECセル1bでの水蒸気の電気分解に利用される。SOECセル1bを通って排出された窒素ガスは、熱交換器4を介して、蓄熱槽2に供給される窒素ガスの加熱に利用される。また、循環路3内で窒素ガスを循環させるためのブロア5が、循環路3内に配設されている。  
また、必要に応じて、蓄熱槽2に蓄えられている熱を加熱蓄熱器10の熱源として利用することもできる。
【００２０】
上述したように、高い変換効率を実現するためには、SOFCセル1aで発生した熱をSOECセル1bで利用することが前提に構成されており、このためには、蓄熱装置（蓄熱槽2）が必要とされる。
【００２１】
蓄熱装置としては、溶融塩の潜熱を利用した方式が考えられており、溶融塩を封入したカプセルを並べた蓄熱槽とSOFC/SOECセル1を積層したスタックとの間に、熱媒体としての窒素ガスを循環させることで、蓄熱槽（蓄熱槽2）とSOFC/SOECセル1との間で熱を伝える構成になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２０１０−１７６９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
上述したように、電力貯蔵システムでは、蓄熱槽2とSOFC/SOECセル1との間で熱交換を行うため、循環路3を通って窒素ガスを循環させる必要がある。しかも、蓄熱槽2から出てくるときの窒素ガスの温度は、例えば約800℃と高温になっている。上記背景技術の欄においても記載したが、窒素ガスを循環させるために用いるブロア5として、800℃で動作するブロアを用いたときには、高価なブロアを使用しなければならなくなる。
【００２４】
そこで、300℃程度で動作するブロア5を使用し、300℃-800℃の熱交換器4を用いてブロア5に供給する窒素ガスの温度を300℃に下げて、窒素ガスを循環させる方式を採用することの方が現実的である。この場合、熱交換器での損失が大きくなり、蓄熱槽2での蓄熱効率が低下する課題があった。
【００２５】
これについて、循環路3の構成を示す図９を用いて説明する。熱交換器4が300℃-800℃の熱交換器であって、その熱効率が95%とする。このとき、蓄熱槽2から出て熱交換器4に入るときの窒素ガスの温度を800℃として考えると、熱交換器4では、800℃から300℃に熱交換する500℃の差分のうち95％、即ち、475℃分の熱が熱交換されて取り出されるものと考えることができる。その結果、ブロア5に供給されるときの窒素ガスの温度としては、325℃になる。
【００２６】
ブロア5から300℃の窒素ガスが吐出されると、熱交換器4には300℃の窒素ガスが供給される。熱交換器4では、熱交換して取り出しておいた上記の475℃分の熱が供給されることになり、775℃に昇温した窒素ガスがSOFCセル1aに供給されることになる。
【００２７】
この結果、SOFCセル1aの入口側での窒素ガス温度が、蓄熱槽2を出て熱交換器4に入るときの窒素ガスの温度である800℃よりも25℃低い状態になる。そのため、例えば、SOFCセル1aの入口と出口との間で40℃の温度差があった場合であっても、即ち、SOFCセル1aの廃熱によって窒素ガスは40℃上昇した状態でSOFCセル1aから出てくるものとなる。そのため、窒素ガスは、SOFCセル1aに供給されたときの温度である775℃よりも40℃高い815℃の温度でSOFCセル1aから出てくることになり、815℃の温度で蓄熱槽2に供給されることになる。
【００２８】
その結果、800℃まで貯めることのできる蓄熱槽2において蓄熱することができるのは、800℃との差分である15℃分であり、窒素ガスがSOFCセル1aにおいて40℃上昇したにも係らず、上昇した40℃の37.5％しか有効利用されないことになる。残りの62.5％は、熱交換器損失として捨てられてしまうことになる。
【００２９】
このため、蓄熱効率が低くなり、システムとしても効率も低くなるという問題を生じることになる。  
尚、上記数値は、説明を行うために用いた例示的な数値である。
【００３０】
本発明が解決しようとする課題は、熱交換損失の少ない熱媒体循環系を有する蓄熱装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本実施形態に係わる蓄熱装置は、発熱動作及び吸熱動作を行う熱利用装置と、前記熱利用装置の発熱動作時に発熱した廃熱を蓄熱する蓄熱材を有する蓄熱槽と、前記熱利用装置と前記蓄熱槽とを通り、前記熱利用装置と前記蓄熱槽との間でそれぞれ熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環路と、前記熱媒体循環路に設けられた熱交換器と、前記熱媒体を前記熱媒体循環路内で循環させる循環装置と、を有する蓄熱装置において、前記熱媒体循環路は、前記熱利用装置と前記蓄熱槽とを通る熱交換流路を複数有し、前記各熱交換流路が、連続して直列に接続されていることを最も主要な特徴としている。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の実施形態によれば、熱交換損失の少ない熱媒体循環系とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】蓄熱装置の全体的な配置構成図である。（実施例１）
【図２】他の蓄熱装置の全体的な配置構成図である。（実施例２）
【図３】断熱材を共通にした構成について、その効果を示す説明図である。（実施例２）
【図４】熱利用装置と蓄熱槽と流路とを示す構成図である。（実施例２）
【図５】別の蓄熱装置の全体的な配置構成図である。（実施例３）
【図６】更に別の蓄熱装置の全体的な配置構成図である。（実施例４）
【図７】水素電力貯蔵システムの発電モードにおける全体的な構成図である。(従来例)
【図８】水素電力貯蔵システムの電解モードにおける全体的な構成図である。(従来例)
【図９】熱交換器の熱損失を説明する図である。（説明図）
【図１０】熱媒体循環路の変形例を示す全体的な配置構成図である。（実施例１）
【図１１】SOFC/SOECセルのスタックを示す斜視図である。（実施例２）
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の実施形態について、添付図面に基づいて以下において具体的に説明する。  
図１〜図６及び図１０、図１１を用いて、実施例１〜実施例４の説明を行うが、各実施例の説明では、SOFC／SOECセル1（固体酸化物型燃料電池／高温水蒸気電解セル）をSOFCセル1a（固体酸化物型燃料電池セル）として使用した場合の構成例を示している。SOFCセル1aを用いた全体的のシステム構成としては、図７で説明したと同様の構成を備えている。
【００３５】
そのため、図７で説明した構成と同様の構成については、図７で用いた部材符号を用いることで、重複する説明は省略する。また、熱交換器4の前後における熱媒体の温度としては、図９で説明した温度を利用している。
【００３６】
また、熱媒体として窒素ガス（N2ガス）を用いた構成、及び循環装置として300℃程度の温度で動作するブロア5を用いた構成で説明を行うが、熱媒体としては、窒素ガスに限定されるものではなく、二酸化炭素ガス（CO2ガス）、ヘリウムガス（Heガス）等を使用することもできる。また、ブロア5も300℃程度の温度で動作するものに限定されるものではない。本実施の形態では、好適に適用できる適宜の熱媒体、ブロアを用いて構成することができる。
【００３７】
以下においては、SOFC／SOECセル1をSOFCセル1aとして使用した場合について説明を行うが、SOFC／SOECセル1をSOECセル1bとして使用した場合であっても、本実施の形態を好適に適用することができる。そして、この場合には、窒素ガスの流れる方向が逆向きになる。また、熱交換器4とブロア5との間における流路の配管は、図８に示した配管構成になる。
【実施例１】
【００３８】
本発明の実施形態に係る実施例１の構成を、図１、図２を用いて説明する。図１に示すように、本実施の形態に係る蓄熱装置では、窒素ガスの循環路3としてSOFCセル1aのスタックと蓄熱槽2との間にn個の熱交換流路3aが構成されている。熱交換流路3aでは、窒素ガスを用いてSOFCセル1aで発生した廃熱を取り出すことができ、取り出した熱は、蓄熱槽2に貯めることができる。
【００３９】
熱交換器4からSOFCセル1aに流入した窒素ガスの温度は、熱交換器4における熱交換損失のため、蓄熱槽2を出たときの例えば800℃の温度に比べて、25℃低い温度になっている。そのため、SOFCセル1aを出たときの窒素ガスの温度は、SOFCセル1aにおける廃熱で40℃上昇した815℃になっている。そして、815℃の温度で蓄熱槽2に流入することになる。
【００４０】
その結果、800℃まで貯めることのできる蓄熱槽2において蓄熱することができるのは、800℃との差分である15℃分であり、窒素ガスがSOFCセル1aにおいて40℃上昇したにも係らず、上昇した40℃の37.5％しか有効利用されないことになる。残りの62.5％は、熱交換器損失として捨てられてしまうことになる。
【００４１】
本実施例では、蓄熱槽2を出た800℃の温度になっている窒素ガスは、流路3bを通ってSOFCセル1aの入り口に導かれる。これを繰り返すことで、蓄熱槽2を出た800℃の温度になっている窒素ガスは、n−1回熱交換流路3aを通ってSOFCセル1aと蓄熱槽2との間を流れることができる。しかもこのときには、SOFCセル1aに流入する窒素ガスの温度は、蓄熱槽2を出た800℃の温度になっているので、SOFCセル1aを出るときには、840℃の温度まで上昇している。そのため、窒素ガスは蓄熱槽2には840℃の温度状態で流入することができ、40℃分の温度を蓄熱槽2に蓄えることができる。
【００４２】
このように構成されているので本発明の実施形態においては、1ターン目のみ熱交換器4の熱交換損失によって、窒素ガスの温度としてはSOFCセル1aの入口での温度が下がることになるが、2ターン目からは熱交換損失が無くなるため、熱交換損失は1/nに低減される。また、1ターンでの伝熱量は1/nであり、窒素ガスの流量も1/nになる。このためブロア5も熱交換器4も小型のものを用いることができるようになり、コストの低減を図ることができる。
【００４３】
上述したように、本発明の実施形態によれば、熱交換器4の熱交換損失を大幅に低減させることができ、しかも、ブロア5や熱交換器4を小型にすることができ、コストも低減できる。
【００４４】
図１では、n個設けた熱交換流路3aが、直線的に配した構成を示したが、例えば、図１０に示すように、n/2個のところで折り返す配置構成にしておくこともできる。このように構成することにより、熱交換器4とSOFCセル1a及び蓄熱槽2とを接続する流路3c、3fの管路長を短く構成することができる。
【実施例２】
【００４５】
本発明の実施形態に係る実施例２の構成を、図２〜図４、図１１を用いて説明する。尚、実施例１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。 
実施例２は、SOFCセル1aのスタックと蓄熱材を内包する蓄熱槽2を有した構成になっている。SOFCセル1aのスタックと蓄熱槽2とをそれぞれ複数に分割し、分割されたスタックの１つと、分割された蓄熱槽2の１つとを図２に太線で囲って示したユニット30として複数構成する。
【００４６】
循環路3を直列に配した各単位セル32内を通し、更に熱交換器4とブロア5とに接続させて、窒素ガスを循環させる。直列に接続した複数の単位セル32は断熱材6で覆われている。また、図１１に示すように、SOFC／SOECセル1のスタックは、例えば安定化ジルコニア等のセラミックスからなる固体酸化物電解質22の両面に、例えば白金等による多孔質電極21a、21bが配置され、更に多孔質電極21a、21bの他面側に、導電性を有するエンドプレート23a、23bまたは同じく導電性を有するセパレータ板24が配置された構成になっている。
エンドプレート23a、23bやセパレータ板24としては、銅厚板などによって構成しておくことができる。
【００４７】
エンドプレート23a、23bと隣接するセパレータ板24との間で挟まれたもの、あるいは隣接するセパレータ板24で挟まれたものを単位セル32としている。この単位セル32を、例えば複数積層することによって、SOFC／SOECセル1のスタックが構成されている。そして、SOFC／SOECセル1における電流Ａは単位セルの積層方向に流れるようになっている。
【００４８】
また、エンドプレート23a、23bとセパレータ板24には、燃料ガスと空気が直交する方向に流通するように空気流路25と燃料ガス流路26が形成されていると共に、熱交換流路3aがワンスルーの形態をなすように設けられている。
【００４９】
図４に示すように、蓄熱槽2は溶融塩の入った円筒形カプセルを複数並べ、全体を気密容器31で覆った構成になっている。そして、円筒形カプセルが、蓄熱材8として構成されている。この気密容器31と蓄熱材8との間を窒素ガスが流れる。気密容器31と熱交換流路3aとが気密に接続されることにより、SOFC／SOECセル1との間で熱交換を行う窒素ガスの流路を形成している。  
上述したユニット30について更に説明を行うと、SOFC／SOECセル1における単位セル32に蓄熱槽2を組み合わせたものをユニット30として構成している。
【００５０】
図２に示すように、ブロア5によって推進力を得た窒素ガスは、熱交換器4で加熱された後、単位セル32→蓄熱槽2→単位セル32→・・・→蓄熱槽2と順番に送られ、熱交換器4に戻って冷却された後、ブロア5に供給される。この場合も実施例１と同様に1ターン目のみ熱交換器の熱交換損失によって、単位セル32の入口における窒素ガスの温度は下がるが、2ターン目からは熱交換損失が生じないため、熱交換損失は1/nに低減される。
【００５１】
また、窒素ガスの流量も1/nになり、ブロア5も熱交換器4も小型の構成で対応することができ、コストの低減になる。更に、実施例１では循環路3における配管の圧力損失が大きく、ターン数が制限されることになるが、実施例２で示した構成では圧力損失の増加も小さくなり、ターン数を大きく取れる。そのため、窒素ガスの流量を大きく低減させることができる。また、循環路3として配管の引き回しが不要になるため、コンパクトな構成にすることができる。
【００５２】
また、図３の左側に示すように、蓄熱槽2用の断熱材6とSOFC／SOECセル1用の断熱材6とが個別に必要であったが、蓄熱槽2と単位セル32とをユニット30として一体的に構成することで、図３の右側に示すように断熱材6を一体化した状態に構成できる。
【００５３】
特に、SOFC/SOECセル1を用いた水素電力貯蔵システムにおいて、高い効率を維持するためには蓄熱効率を高くする必要があり、更に800℃の高温を貯蔵することから断熱材6としての断熱層の厚さを厚く構成する必要がある。本発明の実施例２では、上述したように断熱材6を一体化した状態に構成することができるため、断熱材6を一体化することにより全体の体積が大幅に低減される。そして、水素電力貯蔵システムを配設する面積を少なくすることができる。
【００５４】
図１１に示すように、SOFC/SOECセル1のスタック構成としては、水素ガスや水蒸気が供給される燃料ガス流路26と、空気が供給される空気通路25と、多孔質電極21a、21bを有した構成になっており、この構成が単位セル32の構成になっている。隣接する単位セル32同士が接続されることで、SOFC/SOECセル1のスタックが構成されている。
【００５５】
そのため各単位セル32の周辺に、熱交換流路3aを引き回すことが困難であった。また、SOFCセル1aでの発熱時に、SOFC/SOECセル1のスタック両端から冷却する方法もあるが、単位セル32内での発熱量が大きいため、SOFC/SOECセル1のスタック内部において温度勾配が発生してしまう。
【００５６】
SOFC/SOECセル1のスタックにおける特性は、温度依存性が大きく、SOFC/SOECセル1のスタック内における各単位セル32での特性に、ばらつきが生じてしまうことになる。
【００５７】
本発明の実施例２の構成によれば、エンドプレート23a、23b及びセパレータ板24を構成する各銅厚板での伝熱量は少なくなり、伝熱距離も小さくなることで、温度のばらつきが小さくでき、良好な特性が得られる。
【００５８】
また、本発明の実施例２の構成によれば、熱交換器の熱交換損失を大幅に低減させることができる。その結果、ブロア5や熱交換器4を小型化することができ、コストも低減できる。しかも、SOFC/SOECセル1のスタックを特性が良好な条件下で運転できる。
【実施例３】
【００５９】
本発明の実施形態に係る実施例３の構成を、図５を用いて説明する。尚、実施例１、２と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。  
実施例３では、SOFC/SOECセル1のスタックをSOFCセル1aとSOECセル1bとに分け、SOFCセル1a−蓄熱槽2−SOECセル1bの順番でユニット30を構成して、このユニット30を複数直列的に接続した構成になっている。
【００６０】
このように構成することによって、運転条件に依存してSOFCセル1aとSOECセル1bにおけるそれぞれの必要容量が異なる場合には、それぞれにおける必要容量の大きさを変えた構成にすることができる。
【００６１】
例えば、SOECセル1bでは、風力発電の短期的な変動により、短時間で大電流の変換が必要になるが、SOFCセル1aでは小電流で長時間の出力をする場合がある。また、熱の流れは、発電時にはSOFCセル1a→蓄熱槽2へと流れ、電解時には蓄熱槽2→SOECセル1bへと流れる。
【００６２】
実施例３のように構成することによって、窒素ガスの流れ方向は常に一方向にすることができ、流れの方向を切り替える必要が無くなる。このため、循環路3の配管構成が簡素化され、コストの低減になる。また、循環路3に窒素ガスの流量を調整する図示せぬ電磁弁を設けたとしても、電磁弁の不具合が無くなり、信頼性も向上する。
【００６３】
このように、本発明の実施例３の構成によれば、SOFCセル1aを用いた発電時とSOECセル1bを用いた電解時とにおけるそれぞれの電流容量が異なる場合であっても、効率よく対応することが可能となり、窒素ガスを循環させる循環路3の配管構成を簡素化することができ、信頼性の高い蓄熱装置を得ることができる。
【実施例４】
【００６４】
本発明の実施形態に係る実施例４の構成を、図６を用いて説明する。尚、実施例１〜３と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。  
実施例４では、SOFC/SOECセル1のスタックをSOFCセル1aとSOECセル1bとに分け、蓄熱槽2−SOECセル1bの組を複数形成し、SOFCセル1a−蓄熱槽2−SOECセル1b −蓄熱槽2−SOECセル1bの順番でユニット35を構成する。このユニット35を複数直列的に接続した構成になっている。  
そして、図６（ａ）には、SOFCセル1aモードにおける窒素ガスの流れを矢印で示し、図６（ｂ）には、SOECセル1bモードにおける窒素ガスの流れを矢印で示している。
【００６５】
このように構成することによって、実施例３で記述したように、SOFCセル1aのスタックとSOECセル1bのスタックの容量が1/2の場合でも、部品を共通化することができる。また、循環させる窒素ガスの必要流量を流量の少ない発電時に合わせられるため、ブロア5や熱交換器4の小型化と低コスト化につながることになる。
【００６６】
尚、実施例４の構成例として、蓄熱槽2−SOECセル1bの組合せを２回繰り返した構成を示しているが、３回以上繰り返した構成にしておくこともできる。また、発電時の電流容量が大きい場合には、SOFCセル1a―蓄熱槽2の組み合わせを複数回配した構成にしておくこともできる。
【００６７】
本発明の実施形態では、熱利用装置と蓄熱槽とを通る熱交換流路を複数設けており、複数の熱交換流路が、連続した状態で直列に接続された構成になっている。循環装置に供給する熱媒体の温度を下げるとともに、熱利用装置に流入する熱媒体の温度を上昇させる熱交換器を用いることによって、上述したように熱交換器の熱効率に基づいた損失が発生する。この損失によって、熱交換器から熱利用装置内に流入する熱媒体の温度は、蓄熱槽から熱交換器に流入するときの温度よりも下がった状態になる。
【００６８】
しかし、本発明の実施形態では、熱交換器を出て蓄熱槽において熱の受け渡しを行った熱媒体が、引き続いて再び熱利用装置内に流入する構成になっている。しかも、熱媒体が引き続いて再び熱利用装置内に流入するこのときには、熱媒体は蓄熱槽を出た温度で熱利用装置内に流入することができる。
【００６９】
蓄熱槽から出た熱媒体が再度熱利用装置内を流れる状態を複数回、即ち、熱交換流路を形成した個数分、熱利用装置内への再流入を行うことができるので、2ターン目以降において熱利用装置内に流入する熱媒体の温度は、常に蓄熱槽から出た状態のままの温度になり、温度降下を生じない。
【００７０】
その結果、熱損失としては、一度だけ熱利用装置内を流れる場合に比べて、本発明の実施の形態では1/nに低減させることができる。また、１ターンにおける熱の伝熱量は1/nになるので、窒素ガス流量も1/nにできる。このように、本発明の実施の形態では、循環装置も熱交換器も小型の機器を用いることができるようになるので、コストの低減を図ることができる。
【００７１】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら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。
【符号の説明】
【００７２】
１…ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣセル・スタック、１ａ…ＳＯＦＣセル・スタック、１ｂ…ＳＯＥＣセル・スタック、２…蓄熱槽、３…循環路、３ａ…熱交換流路、３ｂ〜３ｆ…流路、４…熱交換器、５…ブロア、６…断熱材、７…伝熱ブロック、８…蓄熱材、９…水素タンク、１０…加熱蓄熱器、１１…水素分離器、１４ａ、１４ｂ…熱交換器、１５ａ、１５ｂ…ブロア、１６ａ、１８ｂ…アノード電極、１６ｂ、１８ａ…カソード電極、１７…電解質、２０…蓄熱装置、２１ａ、２１ｂ…多孔質電極、２２…電解質、２３ａ、２３ｂ…エンドプレート、２４…セパレータ板、２５…空気通路、２６…燃料ガス流路、３０、３５…ユニット、３１…気密容器、３２…単位セル。
【図１】
2014185833.tif 000003
【図２】
2014185833.tif 000004
【図３】
2014185833.tif 000005
【図４】
2014185833.tif 000006
【図５】
2014185833.tif 000007
【図６】
2014185833.tif 000008
【図７】
2014185833.tif 000009
【図８】
2014185833.tif 000010
【図９】
2014185833.tif 000011
【図１０】
2014185833.tif 000012
【図１１】
2014185833.tif 000013