(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池熱電共生システムを提供する。【解決手段】燃料電池熱電共生システム１００は、燃料電池システム１０と、保温装置２０と、熱交換器３０と、を含む。保温装置２０は、ハウジング２１と、複数の仕切り板２２と、温度センサ２３と、を含み、複数の仕切り板２２は、ハウジング２１内に設置され、温度センサ２３によりハウジング２１内の水温を制御する。熱交換器３０は、第１熱交換管路４０により燃料電池システム１０と接続し、第２熱交換管路５０により保温装置２０と接続し、熱交換器３０を利用し、第１熱交換管路４０及び第２熱交換管路５０中の水に熱交換を行わせ、燃料電池システム１０が発生する廃熱を回収し、再利用し、保温装置２０内の水を加熱し、エネルギー源節約の目的を達成し、保温装置２０内の仕切り板２２の設計を利用し、その蓄熱能力及び保温効果を同時に向上することができる。【選択図】図１
2011138737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの燃料電池から構成される燃料電池システムと、
複数の開口を形成するハウジングと、前記ハウジング内に設置される複数の仕切り板と、当該保温装置に結合し、前記ハウジング中の水温を検出する少なくとも１つの温度センサと、を有する保温装置と、
第１熱交換管路により燃料電池システムと接続し、第２熱交換管路により保温装置と接続し、そのうち、前記第１熱交換管路は、前記燃料電池システムが発生する水を前記第１熱交換管路中で流通させ、且つ前記燃料電池システムに回流させ、循環システムを形成し、前記第２熱交換路は、前記第１熱交換管路と前記第２熱交換管路中の水に熱交換を行なわせる熱交換器と、
を含み、前記第１熱交換管路及び前記第２熱交換管路が前記熱交換器において熱交換を行う時、両者の間に物資の伝達転移を有さない燃料電池熱電共生システム。
【請求項２】
前記開口は、熱交換排出口と、熱交換給水口と、ヒーター給水口と、ヒーター水戻り口と、を含む請求項１記載の燃料電池熱電共生システム。
【請求項３】
前記開口は、更に、補水口と、給水口と、を含む請求項２記載の燃料電池熱電共生システム。
【請求項４】
前記開口は、それぞれ弁と連通する請求項１記載の燃料電池熱電共生システム。
【請求項５】
前記仕切り板は、間隔を置いて交錯して配列され、水流が前記仕切り板を経由する時、渦流を発生させ、前記ハウジング内部の熱伝導効果を低減し、水温が前記ハウジング内部で特定の分布を有するようにする請求項１記載の燃料電池熱電共生システム。
【請求項６】
前記第２熱交換管路は、さらに、比例式電動三方弁を含み、水流が前記熱交換器を経由する量を制御する請求項１記載の燃料電池熱電共生システム。
【請求項７】
更に、制御器を含み、前記温度センサが発生する温度信号に基づき、前記比例式電動三方弁を制御する請求項６記載の燃料電池熱電共生システム。
【請求項８】
前記第１熱交換管路は、導出導管と、少なくとも１つのフィルタと、導入導管と、を含み、前記導出導管の第１端部は、前記燃料電池システムと接続し、第２端部は、前記フィルタと接続し、前記導入導管の第３端部は、前記フィルタと接続し、その第４端部は、前記燃料電池システムと接続し、前記燃料電池システムが発生する水を前記第１端部から流出させ、前記フィルタを経由して前記第４端部から前記燃料電池システムに戻る請求項１記載の燃料電池熱電共生システム。
【請求項９】
前記フィルタは、イオン水フィルタであり、前記燃料電池システムに戻る水の品質を確保する請求項８記載の燃料電池熱電共生システム。
【請求項１０】
前記第１熱交換管路から前記熱交換器に流入し、前記熱交換器から流出する水の温度差が２０℃内である請求項１記載の燃料電池熱電共生システム。
【請求項１１】
前記第２熱交換管路から前記熱交換器に流入し、前記熱交換器から流出する水の温度差が２０℃内である請求項１記載の燃料電池熱電共生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池熱電共生システムに関し、特に、燃料電池が発生する廃熱を利用し、熱交換により水温を加熱し、暖房が必要な熱水及び用水を供給する熱量電池熱電共生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、一般の日常生活において最も深く依存している電力エネルギー源は、初級エネルギー源（例えば、オイル、天然ガス、核エネルギー等）であり、発電所は、初級エネルギー源のエネルギーを電力に変換した後、使用者に送電する。しかしながら、エネルギー量変換の過程において、大部分のエネルギー量は、廃棄エネルギー源となり、煙を経て大気へ排出されるか、海水を経て海中へ排出されるか、伝送配電線の線路に沿って散失する。また、エネルギーが電力に変換され使用者に伝送され、且つクーラーの動作に使用される時、室内の熱エネルギー及びクーラーに入力される電気エネルギーを併せて大気へ排出する。このことから分かるように、一般の従来のエネルギー変換の利用効率は、普遍的に低く、且つ環境の汚染を招いている。人類は、この種の科学技術の発展において、大量のエネルギーを浪費し、環境を破壊している。
【０００３】
エネルギー変換後の利用効率が低いという問題を改善する為、建築物、オフィス及び産業の独立電力供給システムを開発しており、それは、１ＫＷ〜１０ＫＷの熱電共生システムを利用し、熱水を製造するのみで蒸気を発生せず、この種の独立の電力供給システムの取り付け可能な場所は、住宅、宿舎、商業ビル、工場等を含み、且つこの独立電力供給システムが使用する燃料は、初期は、ガスを主としていたが、近頃は、ガソリン、軽油、又はガスの内燃又は外燃エンジン発電機を主とするように発展している。
【０００４】
しかしながら、この独立電力供給システムは、ガス、ガソリン、軽油等のいずれの燃料を使用するかに関らず、これら燃料は、何れも消耗エネルギー（非再生エネルギー）であり、且つこれらの燃料を燃焼させる時、二酸化炭素を発生し、地球を汚染し、温室効果及び酸性雨等の環境の悪化を引き起こす。更に、人類は、既に天然エネルギー源の残存量が有限であり、持続的に乱用されれば、遠くない将来に消費し尽くす可能性があることを認知している。従って、世界先進国家は、新たな代替エネルギー源の研究開発に力を注ぎ、燃料電池（fuel cell）は、そのうちの一種の重要且つ発展の潜在力及び実用価値を備えた選択となる。従来の内部燃焼器と比較し、燃料電池は、エネルギー変換効率が高く、排気がクリーンであり、騒音が低く、且つ従来の燃油を使用しない等の多くの利点を有し、また、燃料電池は、熱回収の能力を具備することができ、熱水又は冷暖房の応用に適用することができる。
【０００５】
現在、市場の熱電共生システム中の保温桶の設計は、一般に殻状の桶槽であり、内部は、隔熱綿以外に、如何なるものも設置しないので、保温桶全体の温度分布は、平均され、冷熱水が混合すれば、桶槽内の温度は、容易に低減され、その保温効果が良好でなく、別途加熱装置を設置し、保温桶を絶えず加熱することによって、桶内の温度を保持する必要がある。しかしながら、このようにすると、別途のコストが増加し、エネルギーを消耗する。  
これに鑑みて、エネルギー源の消耗を減少し、且つ保温効果が良好な熱電共生システムを如何に提供するかは、重要な研究課題となっている。
なお、燃料電池の廃熱を利用する先行技術として、例えば特許文献１及び２に開示されているものがある。しかしながら、特許文献１及び２には、燃料電池の廃熱に基づいて水温を加熱する際の保温装置の蓄熱能力や保温効果を改善し向上させるものではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３１２４９号公報
【特許文献２】特開２００６−２０７９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、燃料電池が発生する廃熱を利用し、熱交換方式により水温を加熱し、暖房が必要な熱水又は用水を供給する燃料電池熱電共生システムの改善を提供する。
【０００８】
本発明は、保温装置のハウジング内に仕切り板を設置することにより、仕切り板間に渦流を発生させることができ、熱水が冷却され難くし、保温効果を向上する燃料電池熱電共生システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成する為、本発明が提供する燃料電池熱伝共生システムは、少なくとも１つの燃料電池から構成される燃料電池システムと、複数の開口を形成するハウジングと、ハウジング内に設置される複数の仕切り板と、当該保温装置に結合し、ハウジング中の水温を検出する少なくとも１つの温度センサと、を有する保温装置と、第１熱交換管路により燃料電池システムと接続し、第２熱交換管路により保温装置と接続し、そのうち、第１熱交換管路は、燃料電池システムが発生する水を第１熱交換管路中で流通させ、且つ燃料電池システムに回流させ、循環システムを形成し、第２熱交換器は、第１熱交換管路と第２熱交換管路中の水に熱交換を行なわせる熱交換器と、を含み、そのうち第１熱交換管路及び第２熱交換管路が熱交換器において熱交換を行う時、両者の間に物資の伝達転移を有さない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施により、少なくとも以下の効果を達成することができる：
(１) 燃料電池システム自身が発生する廃熱を利用し、熱交換器により水温を加熱し、暖房が必要な熱水又は用水を供給し、エネルギー源を節約する効果を達成する。
(２) 仕切り板の設計を利用し、仕切り板に渦流を発生させ、保温装置中の上下層の温度差を大きくし、熱水が冷却され難くし、蓄熱能力及び保温効果及び廃熱応用上の効率を向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施例の燃料電池熱電共生システムの構成図である。
【図２】本発明の一実施例の燃料電池熱電共生システムの保温装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の技術的内容を実施可能に説明し、且つ本明細書が開示する内容、特許請求の範囲及び図面に基づき、本発明に関する目的、詳細な特徴及び利点を説明する。
【００１３】
図１は本発明の一実施例の燃料電池熱電共生システム１００の構成図である。図２は本発明の一実施例の燃料電池熱電共生システム１００の保温装置２０の断面図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施例の燃料電池熱電共生システム１００は、燃料電池システム１０（fuel cell combined heat and power system）と、保温（thermal insulation）装置２０と、熱交換器３０と、を含む。
【００１５】
燃料電池システム１０は、少なくとも１つの燃料電池から構成され、燃料電池は、水素ガス及び酸素ガスを利用し、電気化学反応を行い、電気エネルギー、熱エネルギー及び純水を発生する。この実施例中、燃料電池システム１０のワット数は、１ＫＷ、１０ＫＷ、５０ＫＷ、１００ＫＷ又はその他の熱エネルギーの回収を達成できる燃料電池システム１０のワット数である。
【００１６】
図２に示すように、保温装置２０は、高温水を保存することに用いる。保温装置２０は、ハウジング２１と、複数の仕切り板２２と、少なくとも１つの温度センサ２３と、を有する。
【００１７】
ハウジング２１は、複数の開口を形成し、これらの開口は、熱交換排水口２１０と、熱交換給水口２１１と、ヒーター給水口２１２と、ヒーター水戻り口２１３と、含み、または、更に補水口２１４と、給水口２１５を含み、且つ各開口は、それぞれ弁２１６と連通し、水流量を制御する。
【００１８】
熱交換排水口２１０は、燃料電池システム１０が発生する水と保温装置２０内の水が熱交換を行なう時、保温装置２０内の水を排出することに用い、熱交換器３０を経由して熱交換を行い加熱した後、熱交換給水口２１１を介して保温装置２０内に回流し、保温装置２０内の水温を一定の温度に維持することにより、暖房が必要な熱水又は一般用水を供給することができる。
【００１９】
暖房が必要な熱水を供給する時、ヒーター給水口２１２によりヒーターに連通し、熱交換器３０により加熱保温装置２０内の水を適時加熱し、保温装置２０の水温を恒温に維持させ、ヒーター給水口２１２によりヒーターが必要な熱水を供給し、ヒーターが使用した水がヒーター水戻り口２１３を介して保温装置２０内に回流し、保温装置２０内の水を絶えず循環再利用させることができる。
【００２０】
また、一般用水を供給する時、給水口２１５により保温装置２０内の熱水を使用者に供給し、例えば、一般の民生用水として利用することができる。保温装置２０内の水源となる水量が不足している時、補水口２１４により保温装置２０内に冷水を加え、保温装置２０内の水量を充足させる。
【００２１】
複数の仕切り板２２は、ハウジング２１内に設置され、この仕切り板２２は、間隔を置いて交錯して配列され、水流をこれら仕切り板２２に経由させる時、渦流を発生させ、ハウジング２１内部の熱伝導効果を低減させ、ハウジング２１内の上下層の温度差を大きくし、水温をハウジング２１内部で特定の分布を有することができるようにし、且つ同時保温装置２０内の水温が比較的高い水が容易に冷却しないようにし、保温装置２０の保温効果及び蓄熱能力を何れも向上させることができる。
【００２２】
温度センサ２３は、保温装置２０に結合され、且つハウジング２１内に設置し、ハウジング２１中の水温を検出し、温度信号を発生する。好適には、温度センサ２３は、各２つの仕切り板２２の間に設置されることができ、保温装置２０中の各層の水温を検出し、更に重要であるのは、温度センサ２３は、ハウジング２１の最下層に設置する必要があり、保温装置２０底部の比較的低い水温の検出に用いることである。
【００２３】
図１に示すように、熱交換器３０は、第１熱交換管路４０により燃料電池システム１０と接続し、第２熱交換管路５０により保温装置２０と接続する。
【００２４】
第１熱交換管路４０は、燃料電池システム１０が発生する水を第１熱交換管路４０中に流通させ、且つ燃料電池システム１０に回流させ、循環システムを形成し、好適には、第１熱交換管路４０から熱交換器３０に流入し、熱交換器３０から流出する水の温度差を２０℃内にすることができる。
【００２５】
第１熱交換管路４０は、導出導管４１と、フィルタ４２と、導入導管４３と、を含む。図１に示すように、導出導管４１の第１端部４１０は、燃料電池システム１０と接続し、その第２端部４１１は、フィルタ４２と接続し、導入導管４３の第３端部４３０は、フィルタと接続し、その第４端部４３１は、燃料電池システム１０と接続し、燃料電池システム１０が発生する水を第１端部４１０から流出後、熱交換器３０及びフィルタ４２を経た後、第４端部４３１から燃料電池システム１０に戻る。
【００２６】
フィルタ４２は、イオン水フィルタであり、燃料電池システム１０から排出され、熱交換器３０を経た水を濾過することに用いることができ、燃料電池システム１０に戻る水の品質を確保する。
【００２７】
第２熱交換管路５０は、水を第２熱交換管路５０及び保温装置２０の間で流通させることができ、熱交換器３０は、第１熱交換管路４０及び第２熱交換管路５０中の水に熱交換を行わせ、且つ熱交換器３０の作用を経過した後、第２熱交換管路５０から熱交換器３０に流入し、熱交換器３０から流出した水の温度差を２０℃内にすることができる。
【００２８】
第１熱交換管路４０及び第２熱交換管路５０は、熱交換器３０において熱交換を行う時、両者の間に物質の伝達転移を有さない。
【００２９】
図１に示すように、第２熱交換管路５０は、更に、比例式電動三方弁５１を含み、熱交換排水口２１０が流出する水が熱交換器３０を経由するかどうかを選択することに用い、水流が熱交換器３０を流れる量を制御することができる。
【００３０】
好適には、燃料電池熱電共生システム１００は、制御器６０を更に含むことができ、温度センサ２３が発生する温度信号に基づき、比例式電動三方弁５１の開く程度を制御することができる。
【００３１】
温度センサ２３が検出する保温装置２０内の水温が低すぎる場合（例えば、５５℃より低い）、制御器６０は、比例式電動三方弁５１を制御することができ、熱交換排水口２１０から流出される水流が熱交換器３０を経るようにし、熱交換後、保温装置２０内に戻り、保温装置２０内の水を全速で加熱する。
【００３２】
温度センサ２３は、保温装置２０内の水温が高すぎることを検出した場合（５５℃より高い）、制御器６０は、比例式電動三方弁５１を制御することができ、熱交換排水口２１０が流出する水を直接保温装置２０内に戻すことができ、熱交換器３０を経ず、燃料電池システム１０が温度の高すぎにより問題が発生することを回避する。
【００３３】
燃料電池システム１０自身が発生する廃熱を利用し、熱交換器３０が水温を加熱し、暖房が必要な熱水を供給するか用水を供給し、エネルギー源を節約する効果を達成する。また、保温装置２０内の仕切り板２２の設計により、２つの仕切り板２２間に渦流を発生させることができ、ハウジング２１内の上下層の温度差を大きくし、熱水を冷却され難くし、蓄熱能力及び保温効果及び廃熱応用上の効率を向上することができる。
【００３４】
なお、本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、本発明はこれに限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で各種の変更や応用を加えることができることは勿論である。
【符号の説明】
【００３５】
１００  燃料電池熱電共生システム
１０  燃料電池システム
２０  保温装置
２１  ハウジング
２２  仕切り板
２３  温度センサ
３０  熱交換器
４０  第１熱交換管路
４１  導出導管
４２  フィルタ
４３  導入導管
５０  第２熱交換管路
５１  比例式電動三方弁
６０  制御器
２１０  熱交換排水口
２１１  熱交換給水口
２１２  ヒーター給水口
２１３  ヒーター水戻り口
２１４  補水口
２１５  給水口
２１６  弁
４１０  第１端部
４１１  第２端部
４３０  第３端部
４３１  第４端部
【図１】
2011138737.tif 000003
【図２】
2011138737.tif 000004