(57)【要約】【課題】蓄熱タンク内の熱媒体を、気泡等を巻き込むことなく、スムーズに導出することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】セルスタックを収容する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールからの排熱を蓄熱する熱媒体を貯留する蓄熱タンク１０と、熱媒体と熱交換を行う熱交換器と、蓄熱タンク１０と熱交換器とに接続され、蓄熱タンク内の熱媒体を熱交換器を経由して循環させる熱媒体循環流路Ｈと、導出口１０ａから蓄熱タンク１０の内部に挿入された取出管（取水管１）と、を備え、蓄熱タンクの内部に挿入された取出管の先端の取出用開口面１ａが、蓄熱タンク内の熱媒体（温水）の流動方向と対向しない向きに配向されている。【選択図】図２
2019045062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素含有ガスと燃料ガスとを用いて発電を行なうセルを収容する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールからの排熱を蓄熱する熱媒体を貯留し、熱媒体の導出口と導入口を有する蓄熱タンクと、
前記熱媒体と熱交換を行う熱交換器と、
前記蓄熱タンクと前記熱交換器とに接続され、前記蓄熱タンク内の前記熱媒体を、前記熱交換器を経由して循環させる熱媒体循環流路と、
前記熱媒体循環流路と接続され、前記導出口から前記蓄熱タンクの内部に挿入された取出管と、を備え、
前記蓄熱タンクの内部に挿入された前記取出管の先端の取出用開口面が、前記蓄熱タンク内の前記熱媒体の流動方向と対向しない向きに配向されている燃料電池システム。
【請求項２】
前記導出口が前記蓄熱タンクの上部側面に設けられ、前記導入口が前記蓄熱タンクの下部または底部に設けられ、
前記取出用開口面が、水平面に対し下向きに配向されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記取出用開口面は、前記蓄熱タンク内の取出管の軸線方向に対して傾斜して配向されている請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記取出管は、前記蓄熱タンクの外部に突出した継手を有し、該継手を介して、前記取出管の基端と前記熱媒体循環流路の始端とが接続されており、
少なくとも前記取出管の基端および前記熱媒体循環流路の始端のいずれか一方が、水平より下方に向けて傾斜するよう配設されている請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記蓄熱タンクは、前記熱媒体循環流路と接続され、前記導入口から前記蓄熱タンクの内部に挿入された吐出管を有し、
前記吐出管の吐出用開口は、前記吐出管の先端部を除く周面に複数配設されている請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記熱媒体循環流路における、熱媒体が前記熱交換器から前記蓄熱タンクに向かう復路に、前記熱媒体の流れに予め決められた圧力値以上の圧力がかかったときにのみ開く弁が配設されている請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電装置からの排熱を利用して温水を生成するシステムが開発されており、近年においては、発電装置として燃料電池を用いたシステムの開発が進められている。発電装置の一例である燃料電池装置では、水素含有ガス（燃料ガス）と酸素含有ガス（通常は空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池装置の開発が進められている。燃料電池装置においては、発電に伴って発生する排熱を利用して生成した温水を、蓄熱タンク（「貯湯タンク」ともいう）に蓄積し、温水の需要に対する供給を行っている（たとえば、特許文献１を参照）。
【０００３】
蓄熱タンクに貯留された熱媒体（たとえば温水）を利用する場合、蓄熱タンク内の温水は、タンク内で比較的温度の高い水が溜まる領域、すなわち蓄熱タンク内の水に形成される温度成層の境界より上側に位置する、蓄熱タンクの上部または頂部（天部）に設けられた導出口から導出される。また、温度の低い水は、蓄熱タンクの下部または底部に設けられた導入口から、タンク内に導入される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２９８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、温水等の熱媒体の利用のために、取出管や取水管等を用いて、蓄熱タンク内に形成された温度成層より上側の高温の熱媒体を抜き出す際に、熱媒体等の流体に渦流が発生する場合がある。この場合、取水管の先端の取水用開口面の向きによっては、渦流によって発生した気泡が巻き込まれて取水管に吸い込まれ、熱媒体循環流路を伝って各機器まで運ばれて、障害を引き起こす恐れがある。
【０００６】
本発明の目的は、蓄熱タンク内の熱媒体を、気泡等を巻き込むことなく、スムーズに導出することのできる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の燃料電池システムは、酸素含有ガスと燃料ガスとを用いて発電を行なうセルを収容する燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールからの排熱を蓄熱する熱媒体を貯留し、熱媒体の導出口と導入口を有する蓄熱タンクと、前記熱媒体と熱交換を行う熱交換器と、前記蓄熱タンクと前記熱交換器とに接続され、前記蓄熱タンク内の前記熱媒体を、前記熱交換器を経由して循環させる熱媒体循環流路と、前記熱媒体循環流路と接続され、前記導出口から前記蓄熱タンクの内部に挿入された取出管と、を備え、
前記蓄熱タンクの内部に挿入された前記取出管の先端の取出用開口面が、前記蓄熱タンク内の前記熱媒体の流動方向と対向しない向きに配向されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の燃料電池システムによれば、蓄熱タンク内に生じる気泡等を巻き込むことなく、蓄熱タンク内の熱媒体を、スムーズに導出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池システムの蓄熱タンクにおける温水の導出管および導入管の取り付け状態を示す外観斜視図である。
【図３】蓄熱タンクに取り付けられる温水導出管の形状を示す外観斜視図である。
【図４】蓄熱タンクに取り付けられる温水導入管の形状を示す外観斜視図である。
【図５】燃料電池システムの蓄熱タンクにおける温水の導出管の取り付け角度を示す外観斜視図である。
【図６】温水導出管の他の形状例を示す外観斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
この例に示す燃料電池システムは、改質器１０２およびセルスタック１０１を有するセルスタック装置を内部に備えて構成される燃料電池モジュール１００と、燃料電池モジュール１００を作動させるための、熱交換器１０３、放熱器１０４（ラジエータ）、凝縮水タンク１０５と、原燃料供給装置（原燃料ポンプ１１１）、空気供給装置（空気ブロア１１０）、および、蓄熱タンク１０等の複数の補機を備えている。なお、これら燃料電池モジュール１００と各補機類とは、図示しない外装ケース（筐体）に収容されている。
【００１１】
改質器１０２およびセルスタック１０１からなる燃料電池モジュール１００は、高温となるため、断熱材で包囲されて収納容器（符号１００）に収められており、この燃料電池モジュール１００の外部には、内部から排出される排ガスと蓄熱タンク１０から供給された水（低温熱媒）との間で熱交換を行う熱交換器１０３が接続されている。
【００１２】
熱交換器１０３では、水（低温）と排ガスとで熱交換が行われ、排ガスは冷却され、水（低温）は排ガスの熱によって加熱される。排ガスは冷却されて、含まれる水蒸気が、気水分離器により水と気体に分離され、気体は、排気流路Ｅを通って、ガス排気口から外部に排出される。
【００１３】
熱媒である水（水道水等）は、熱媒循環ポンプ１１２により蓄熱タンク１０、放熱器１０４および熱交換器１０３を、順に循環する。蓄熱タンク１０には水道水等が蓄えられている。水道水等は、蓄熱タンク１０から放熱器１０４に送られて冷却された後、熱交換器１０３に送られる。熱交換器１０３において、熱媒体は、排ガスと熱交換を行って加熱される。そして、温度が上昇した水（水道水等）は、蓄熱タンク１０に還流する。
【００１４】
蓄熱タンク１０には、熱媒体（たとえば、温水）を蓄熱タンク１０から導出するための導出口１０ａが設けられている。また、温度の低い水を蓄熱タンク１０内に導入する導入口１０ｂが設けられている。
【００１５】
上記熱媒体の利用として、温水等の熱媒体を、直接、給湯として利用する場合には、水道水が接続される部分が、導入口１０ｂとなる。一方で、熱媒体を、床暖房等のような循環系として利用してもよい。
【００１６】
図２〜図６は、本実施形態の燃料電池システムにおける、蓄熱タンクと、温水の導出管および導入管との接続構造の一例を示す外観斜視図である。なお、以下において、熱媒体を、水道水等の水とした例を示している。これにより、取出管（符号１）および吐出管（符号２）を、それぞれ取水管１および吐水管２として説明する。
【００１７】
図２に示す本実施形態の蓄熱タンク１０は、先にも述べたように、燃料電池モジュール１００からの排熱を蓄熱する熱媒体（水道水）を貯留するものであり、その一側面（図では裏側面）の上部に、水（温水）の導出口１０ａが配設され、他の一面（この例では前記一面に対向する前面）の下部に、温度の低下した水をタンク内に還流させるための導入口１０ｂが配設されている。そのため、蓄熱タンク１０内の水の温度は、導出口１０ａが配設された蓄熱タンク１０の上部から、導入口１０ｂが配設された蓄熱タンク１０の下部に向かって層状に分布して低くなっており、蓄熱タンク１０内で温度成層を形成している。
【００１８】
蓄熱タンク１０上部（図面ではタンクの裏側）の導出口１０ａに挿入された取水管１は、導出口１０ａから略水平にタンク内に挿入されており、タンク内に位置する先端側には、取出用開口（開口面１ａ）が形成されている。そして、この取出用開口面１ａは、蓄熱タンク１０内の水道水（熱媒体）の流動方向と対向しない向き（この例では、先述の蓄熱タンク１０内に発生する渦流（図２に二点鎖線で描画）の回転方向に対向しない方向）に配向されている。
【００１９】
また、取出用開口面１ａは、蓄熱タンク１０の導出口１０ａに取り付けられた際には水平面に対し下向き、つまり、蓄熱タンク１０内の水面に対し下向きに配向されている。したがって、取出用開口面１ａは、蓄熱タンク１０の下方を向く方向で、かつ、蓄熱タンク１０内に発生する渦流の回転方向に対向しない方向を向くことから、水平に対して斜め下方を向くように配向されることになる。
【００２０】
蓄熱タンク１０下部（図面ではタンクの表側）の導入口１０ｂに挿入された吐水管２は、導入口１０ｂから略水平にタンク内に挿入されており、その先端部（タンク内）には、先端を除く周面に複数の吐出用開口２ａが設けられている。
【００２１】
図３は、蓄熱タンク１０に挿入される取水管１（取出管）の一形状例であり、図４は、蓄熱タンク１０に挿入される吐水管２（吐出管）の一形状例である。
【００２２】
図３に示す取水管１は、金属または樹脂、あるいは金属と樹脂との一体成型品からなる管状で、蓄熱タンク１０の外に位置する基端部（図中の１ｃ）には、後記する熱媒体循環流路Ｈの始端部Ｈａ（往路）と接続される継手部１ｃが設けられている。また、取水管１の先端（図示手前側で、かつ、タンクの内側）には、先にも述べた取出用開口面１ａが、蓄熱タンク１０の導出口１０ａに取り付けられた際、水平に対して斜め下方に向くように、取水管１の先端部を軸線方向に対して斜めに切った断面として形成されている。
【００２３】
また、図３に示す取水管１の形状は一例であり、タンク外に向かって直管（ストレート）状に形成してもよく、図６に示す取水管１’の例のように、先端の取出用開口面１ａ’が下方を向くように形成してもよい。なお、図３の取水管１の折れ曲がり（屈曲部）が水平方向であるのに対し、図６の取水管１’は、管の先端部全体が斜め下方に向かって折れ曲がり（屈曲）している。
【００２４】
これらの構成により、取水管１（１’を含む）からの取水によりタンク内に渦流が発生し、この渦流により気泡等が発生した場合でも、取水管１の先端の取出用開口面１ａが、渦流の回転方向と対向しない向き（逆向き）に配向されているため、この気泡等が取出用開口面１ａから吸い込まれるのを、抑えることができる。
【００２５】
また、たとえば、熱媒体循環流路Ｈに熱媒体循環用のポンプが配設された場合、この循環用ポンプの作動により、蓄熱タンク１０内の熱媒体に一方向の渦流が発生する場合がある。この場合には、取水管１の先端の取出用開口面１ａを、蓄熱タンク１０内に発生する渦流の回転方向と対向しない向きに配向することにより、この渦流により発生する気泡や、取水管１の先端から生じるキャビテーション泡等の吸い込みを、抑制することができる。したがって、本開示の燃料電池システムは、いわゆるエア噛み等、気泡等の吸い込みに起因する各機器の異常の発生が抑制される。その結果、熱媒体循環流路Ｈに向けて、蓄熱タンク１０内の熱媒体を安定して供給することが可能になる。
【００２６】
さらに、取水管１の先端の取出用開口面１ａが、タンク内の水面（上方）に対し下向き、つまり、蓄熱タンク１０の下方に向けて配向されていることから、渦流により水面から水中に巻き込まれた空気（気泡）が取水管１に流入するのを、抑制することができる。
【００２７】
なお、取出用開口面１ａの形状を、図３のように取水管１の軸線方向に対して斜めに配向した場合には、開口面積が大きくなるので、蓄熱タンク１０内の水が取出用開口面１ａに入りやすくなる。これにより、水面によって取出用開口１ａが閉塞されにくくなるので、取水管１内にエアが溜まるのを抑制することができる。
【００２８】
つぎに、図４に示す吐水管２は、取水管１と同様、金属または樹脂、あるいは金属と樹脂との一体成型品からなる管状で、蓄熱タンク１０の外に位置する基端部（図中の２ｃ）には、熱媒体循環流路Ｈの終端部Ｈｂ（復路）と接続される継手部２ｃが設けられている。また、蓄熱タンク１０の導入口１０ｂから略水平に蓄熱タンク１０内に挿入される、吐水管２の先端部２ｂ（タンク内）には、先端部２ｂを除く周面に、複数の吐出用開口２ａが設けられている。
【００２９】
なお、図４に示す吐水管２において、周面に設けられた吐出用開口２ａは、吐水管２の中心軸線を挟んで水平に対向する位置に、それぞれ１つずつ、合計２つ設けられている。これは、蓄熱タンク１０内に吐出する水の流れによって上部の高温領域と下部の低温領域とが混合されるのを抑制することで、タンク内に形成されている温度成層を壊さないための構成である。そのため、吐出用開口２ａは、吐水管２の中心軸線周りに等配となる位置に３つあるいは４つ等、さらに多くの開口を形成することができる。また、吐出用開口２ａの形状や配置、個数等は、蓄熱タンク１０内の温度成層を壊さないことを前提に、自由に設定することが可能である。
【００３０】
つぎに、図５に示すように、取水管１の継手部１ｃを含むタンク外部１ｂと、継手部１ｃに続く熱媒体循環流路Ｈの始端部Ｈａ（往路）とは、図中に「Ｌｅｖｅｌ」で示す「水平」より下方に向けて傾斜するように、配設されている。なお、図５中のθは、水平に対する下向きの角度（°）を示すものであり、図５の例の場合、取水管１の継手部１ｃと熱媒体循環流路Ｈの始端部Ｈａとは、水平に対して、下向き約５〜２０°になるように配設されている。
【００３１】
この下向き傾斜により、継手部１ｃに続く熱媒体循環流路Ｈ（配管）内で滞留した温水（熱媒体）の温度が低下して（冷えて）しまった場合でも、この始端部Ｈａ（配管）内の温度が低下した熱媒体が重力で下方に流れるので、取水管１を通じて蓄熱タンク１０内に逆流することがない。これにより、蓄熱タンク１０内の温水（熱媒体）の温度が低下するのを抑制することができる。
【００３２】
他方、熱媒体循環流路Ｈの終端部Ｈｂ（復路）側は、図２に示すように、予め決められた圧力値以上の圧力がかかったときにのみ弁が開く、弁Ｖが配設されている。この弁Ｖは、たとえば、終端部Ｈｂ方向に向けて予め決められた圧力値以上の圧力がかかった時に弁Ｖが開いて、熱媒体循環流路Ｈ内の熱媒体を蓄熱タンク１０に向けて流過させるもので、配管内の温度が低下した水（熱媒体）を、蓄熱タンク１０内に還流させるよう構成されている。具体例として、熱媒体循環流路Ｈに熱媒体循環用のポンプが配設された場合には、この循環用ポンプの作動により終端部Ｈｂにポンプ圧がかかった時に弁Ｖが開き、蓄熱タンク１０内に水が流入する。
【００３３】
この弁Ｖにより、先に述べた始端部Ｈａ（往路）側の下向き傾斜と同様、吐水管２に繋がる熱媒体循環流路Ｈ（配管）内で滞留した水（熱媒体）の温度が低下して（冷えて）しまった場合でも、ポンプ圧などの予め決められた圧力値以上の圧力がかからなければ弁Ｖは開かず、この温度が低下した熱媒体が、吐水管２を通じて蓄熱タンク１０内に流入することがないので、蓄熱タンク１０内の温水（熱媒体）の温度が低下するのを抑制することができる。
【００３４】
したがって、これら始端部Ｈａ（往路）側と終端部Ｈｂ（復路）側の構成により、蓄熱タンク１０は、熱媒体循環流路Ｈ（配管）内で冷えた熱媒体の流入を防止して、タンク内に貯留された温水の放熱を抑制することができる。
【００３５】
以上、本発明の実施形態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。
【００３６】
たとえば、蓄熱タンク１０の形状等は、箱型に限らず、他の形状であってもよく、導出口１０ａおよび導入口１０ｂの配置も、タンクの形状に合わせて変更してもよい。また、取水管１および吐水管２の形状や材質等も、流過する流体（熱媒体）の圧力や粘度等の性質に合わせて適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  取水管（取出管）
１ａ  開口面
２  吐水管（吐出管）
２ａ  開口
１０  蓄熱タンク
１０ａ  導出口
１０ｂ  導入口
１００  燃料電池モジュール
Ｈ  熱媒体循環流路
Ｈａ  始端部
Ｈｂ  終端部
Ｃ  凝縮水流路
Ｄ  排水流路
Ｅ  排気流路
Ｍ  改質水流路
【図１】
2019045062.tif 000003
【図２】
2019045062.tif 000004
【図３】
2019045062.tif 000005
【図４】
2019045062.tif 000006
【図５】
2019045062.tif 000007
【図６】
2019045062.tif 000008