(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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１と、セルスタック部１に対向して設けられた第１の蓄熱体２と、セルスタック部１に熱媒体９を供給する圧縮機５と、セルスタック部１と圧縮機５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４と、熱媒体流路に設けられセルスタック部１に対する熱媒体９の流向を切り替える切替装置７と、切替装置７の切替制御及び熱媒体９の流量制御を行う制御部８と、を備えたことを特徴とする高温蓄熱システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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高温蓄熱システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記セルスタック部の運転状態が前記発電モード又は前記水電解モードのいずれの運転状態であるかによって、前記セルスタック部に対する前記熱媒体の流向が逆向きになるように前記切替装置を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の高温蓄熱システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記セルスタック部の運転状態が前記発電モード又は前記水電解モードのいずれの運転状態であっても、前記セルスタック部がそれぞれ一定の温度となるように前記熱媒体の流量を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高温蓄熱システム。
【請求項４】
前記第１の蓄熱体は、複数の第１の蓄熱カプセルからなり、各第１の蓄熱カプセルの伝熱面が前記セルスタック部の伝熱面と平行になるように配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高温蓄熱システム。
【請求項５】
前記第１の蓄熱カプセルは矩形状であることを特徴とする請求項４に記載の高温蓄熱システム。
【請求項６】
前記第２の蓄熱体は、円柱状の複数の第２の蓄熱カプセルからなり、前記熱媒体流路の内部に配置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高温蓄熱システム。
【請求項７】
前記第１の蓄熱カプセル及び／又は前記第２の蓄熱カプセルには、蓄熱材として溶融塩が充填されていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の高温蓄熱システム。
【請求項８】
前記熱媒体が前記セルスタック部に供給される空気であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の高温蓄熱システム。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の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高温蓄熱方法。
【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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２３２１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【数１】
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【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。
【発明の効果】
【００１６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る高温蓄熱システムの発電モード（ＳＯＦＣモード）における動作図である。
【図２】本発明の実施形態に係る高温蓄熱システムの水電解モード（ＳＯＥＣモード）における動作図である。
【図３】入射角と反射率の関係を説明する図である。
【図４】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。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
［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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
（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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【数２】
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【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
（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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
［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。
【００３５】
（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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
（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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
［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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【符号の説明】
【００４５】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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