(57)【要約】  【課題】  総合効率の向上したハイブリッドシステムを提供することを目的とする。  【解決手段】  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、熱音響冷却機１４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２０と、該熱音響エネルギー発生部２０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２１とを備えてなり、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２０の高温側を流れるように構成されていることから、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。【選択図】  図１
2014024946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
前記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るとともに、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いることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドシステム。
【請求項３】
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請求項２に記載のハイブリッドシステム。
【請求項４】
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請求項２に記載のハイブリッドシステム。
【請求項５】
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２乃至請求項４のうちいずれかに記載のハイブリッドシステム。
【請求項６】
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５に記載のハイブリッドシステム。
【請求項７】
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６のうちのいずれかに記載のハイブリッドシステム。
【請求項８】
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７に記載のハイブリッドシステム。
【請求項９】
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７または請求項８に記載のハイブリッドシステム。
【請求項１０】
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７乃至請求項９のうちいずれかに記載のハイブリッドシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。）。【０００３】
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。）。【０００４】
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。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−５９３７７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１７４６８６号公報
【特許文献３】特開２００７−２６３５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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るように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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２】本実施形態の燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。
【図３】図２に示す燃料電池モジュールの断面図である。
【図４】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。
【図５】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６】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７】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】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９】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１０】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熱音響エネルギー発生部における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１２】図１１に示す配管と接続された部位における排ガス管の内部に燃焼触媒が配置されていることを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【符号の説明】
【００８２】
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
【図１】
2014024946.tif 000003
【図２】
2014024946.tif 000004
【図３】
2014024946.tif 000005
【図４】
2014024946.tif 000006
【図５】
2014024946.tif 000007
【図６】
2014024946.tif 000008
【図７】
2014024946.tif 000009
【図８】
2014024946.tif 000010
【図９】
2014024946.tif 000011
【図１０】
2014024946.tif 000012
【図１１】
2014024946.tif 000013
【図１２】
2014024946.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成27年12月1日(2015.12.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
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。
【国際調査報告】
2014024946.tif 000015
2014024946.tif 000016
2014024946.tif 000017
2014024946.tif 000018