(57)【要約】  【課題】  冷暖房装置を提供することを目的とする。  【解決手段】  本発明の冷暖房装置は、燃料電池を備える燃料電池装置と、該燃料電池より排出される排ガスの熱を利用する加熱部と、燃料電池より排出される排ガスの熱を利用して冷却機能を生じさせる冷却部を有する熱音響冷却機１４と、燃料電池より排出される排ガスを、熱音響冷却機１４および加熱部のうち少なくとも一方に供給するための排ガス切り替え部２５とを有することで、燃料電池の排ガスを有効利用した冷暖房装置を提供することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池装置と、該燃料電池より排出される排ガスの熱を利用する加熱部と、前記燃料電池より排出される排ガスの熱を利用して冷却機能を生じさせる冷却部を有する熱音響冷却機と、前記燃料電池より排出される排ガスを、前記熱音響冷却機および前記加熱部のうち少なくとも一方に供給するための排ガス切り替え部とを有することを特徴とする冷暖房装置。
【請求項２】
前記加熱部が前記燃料電池より排出される排ガスと第１の流体とで熱交換を行なう熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の冷暖房装置。
【請求項３】
前記熱交換器に接続され、前記第１の流体が流れる第１配管と、
前記冷却部の周囲に設けられ、第２の流体が流れる第２配管と、を備え、
前記第１配管を流れた前記第１の流体または前記第２配管を流れた前記第２の流体を、冷暖房対象部内に流すように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の冷暖房装置。
【請求項４】
前記冷暖房対象部内に設けられた循環配管を備え、
前記第１配管の一端と前記第２配管の一端とが、第１の切り替え部を介して前記循環配管に接続され、
前記第１配管の他端と前記第２配管の他端とが、第２の切り替え部を介して前記循環配管に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の冷暖房装置。
【請求項５】
前記第１の切り替え部及び前記第２の切り替え部を制御する制御装置を備え、該制御装置は、あらかじめ定められた条件に基づいて、前記循環配管に前記第１の流体または前記第２の流体が流れるよう、前記第１の切り替え部及び前記第２の切り替え部を制御することを特徴とする請求項４に記載の冷暖房装置。
【請求項６】
外気温または前記冷暖房対象部の温度を測定する温度センサを備え、前記制御装置は、前記温度センサにより測定された温度が、第１の条件を満たす場合に、前記循環配管に第２の流体が流れるよう前記第１の切り替え部及び前記第２の切り替え部を制御することを特徴とする請求項５に記載の冷暖房装置。
【請求項７】
外気温または前記冷暖房対象部の温度を測定する温度センサを備え、前記制御装置は、前記温度センサにより測定された温度が、第２の条件を満たす場合に、前記循環配管に第１の流体が流れるよう前記第１の切り替え部及び前記第２の切り替え部を制御することを特徴とする請求項５に記載の冷暖房装置。
【請求項８】
前記制御装置は、前記第２の流体が前記循環配管を流れるように前記第１の切り替え部及び前記第２の切り替え部を制御する場合に、前記燃料電池から排出される排ガスが、前記熱音響冷却機に流れるよう、前記排ガス切り替え部を制御することを特徴とする請求項６に記載の冷暖房装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記第１の流体が前記循環配管を流れるように前記第１の切り替え部及び前記第２の切り替え部を制御する場合に、前記燃料電池から排出される排ガスが、前記熱交換器に流れるよう、前記排ガス切り替え部を制御することを特徴とする請求７に記載の冷暖房装置。
【請求項１０】
貯湯タンクと、一端が前記第１配管と第３の切り替え部を介して接続され、他端が前記貯湯タンクに接続される入水配管と、一端が前記貯湯タンクに接続され、他端が前記第１配管と第４の切り替え部を介して接続された出水配管とを備えることを特徴とする請求項３乃至請求項９のうちいずれかに記載の冷暖房装置。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記貯湯タンクに、貯水量センサまたは貯水温度センサを備え、前記制御装置は、前記貯水量センサまたは前記貯水温度センサにより測定された値に基づいて、前記燃料電池から排出される排ガスが、前記加熱部、または前記加熱部および前記熱音響冷却機に流れるよう、前記排ガス切り替え部を制御することを特徴とする請求項１０に記載の冷暖房装置。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記貯水量センサまたは前記貯水温度センサにより測定された値に基づいて、前記第３の切り替え部及び前記第４の切り替え部を制御することを特徴とする請求項１１に記載の冷暖房装置。
【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冷暖房装置に関する。
【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】
また、近年では熱音響エネルギーにより冷凍機能を有する熱音響冷凍機が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５９３７７号公報
【特許文献２】特開２０１３−１１７３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、次世代エネルギーの開発として、燃料電池装置や、熱音響冷凍機など各種の装置が開発されているものの、これらの各装置を組み合わせた新たな用途開発については、まだまだ検討の余地がある。【０００６】
それゆえ、本発明おいては、熱音響エネルギーを用いる熱音響冷却機と、燃料電池装置とを組み合わせた新たな用途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】
【０００７】
本発明の冷暖房装置は、燃料電池を備える燃料電池装置と、該燃料電池より排出される排ガスの熱を利用する加熱部と、前記燃料電池より排出される排ガスの熱を利用して冷却機能を生じさせる冷却部を有する熱音響冷却機と、前記燃料電池より排出される排ガスを、前記熱音響冷却機および前記加熱部のうち少なくとも一方に供給するための排ガス切り替え部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の冷暖房装置は、燃料電池より排出される排ガスの供給先を、加熱部および熱音響冷却機のうち少なくとも一方に切り替えることで、加熱部での加熱機能または冷却部での冷却機能を組み合わせることで、効率のよい冷暖房装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の冷暖房装置の構成の一例を示す構成図である。
【図２】本実施形態の冷暖房装置の他の構成の一例を示す構成図である。
【図３】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４】図３に示す燃料電池モジュールの断面図である。
【図５】本実施形態の冷暖房装置のさらに他の構成の一例を示す構成図である。
【図６】本実施形態の冷暖房装置のさらに他の構成の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は本実施形態の冷暖房装置の構成の一例を示す構成図であり、図２は本実施形態の冷暖房装置の構成の他の一例を示す構成図であり、図３は、図１、図２に示す燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図であり、図４は図３に示す燃料電池モジュールの断面図である。なお、図１では冷房機能を、図２では暖房機能について説明するものであって、各装置の構成は同じであることから、以下構成について説明する場合において、主に図１を用いて説明するものとする。
【００１１】
図１に示す冷暖房装置は、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。
【００１２】
図１に示す燃料電池装置である発電ユニットは、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。
【００１３】
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。本実施形態において詳細は後述するが、熱交換器６が加熱部として機能するため、以下の説明では加熱部を熱交換器６として説明する。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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、設置が容易な燃料電池装置とすることができる。
【００１６】
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の一方側を高温部２２（図１では上側）として、他方側を低温部２０（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。
【００１７】
図１においては、後述するが蓄熱器１８の高温部２２の周囲に、モジュール１より排出される排ガスが流れるように構成されている。一方、図１においては、低温部２０には何も設けていない構成としているが、より効率よく熱音響エネルギーを発生させるにあたり、低温部２０の周囲に低温の冷媒（例えば水道水等）を流す構成とすることができる。この高温部２２、低温部２０、蓄熱器１８が、熱音響エネルギー発生部となり、図１においては破線で示している。
【００１８】
熱音響エネルギー発生部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部２３（図１では上側）に流体を流すことで、蓄熱器１９の他方側である低温部２１（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、高温部２３および低温部２１を含めて冷却部が構成されており、図１において破線で示している。
【００１９】
なお、冷却部において、高温部２３は低温部２１と比較して高温となればよいものであって、必ずしも一般的に意味する高温である必要はない。特に、高温部２３の温度を低くすることで、低温部２１がさらに低温となり、冷却機能、さらには冷凍機能を有することとなる。言い換えれば、冷却部が冷凍部としての機能を有することとなる。それゆえ、図１においては、後述する第２配管２４を、第２配管２４内を流れる第２の流体が、低温部２１の周囲を流れたのち、高温部２３の周囲に流れるように設けているが、必ずしも高温部２３の周囲に設ける必要はない。
【００２０】
また、モジュール１から排出される排ガスを、熱交換器６および熱音響冷却機１４のうち少なくとも一方に流れるように切り替えるための、排ガス切り替え部２５が設けられている。このように、排ガス切り替え部２５を設けることで、必要に応じて排ガスを熱交換器６や熱音響冷却機１４に適宜流すことができ、それにより加熱効果や冷却効果を備えることができる。
【００２１】
したがって、夏季等の暑い時期にはモジュール１より排出される排ガスを熱音響冷却機１４に流して、冷却部２１で冷却された第２の流体を利用して冷房機能を有することができ、また冬季等の寒い時期には、モジュール１より排出される排ガスを熱交換器６に流して、熱交換器６で加熱された第１の流体を利用して暖房機能を有することができる。それゆえ、効率のよい冷暖房装置とすることができる。
【００２２】
なお、図１、図２においては、冷暖房対象部として、一般的な家屋を例示しているが、これに限られるものではなく、例えば、ビル等の建築物や、航空機、船舶等、空調を必要とするものであれば特に限りはない。
【００２３】
さらに、図１、２においては、この冷暖房対象部内の床下に循環配管２６が設けられており、この循環配管２６に、熱交換器６に接続され、第１の流体が流れる第１配管３０と、冷却部の周囲に設けられ、第２の流体が流れる第２配管２４とが接続されている例を示している。なお、第１配管３０の一端と第２配管２４の一端とが、第１の切り替え部２７を介して循環配管２６に接続されており、第１配管３０の他端と第２配管２４の他端とが、第２の切り替え部２８を介して循環配管２６に接続されている。したがって、制御装置１３は、第１の切り替え部２７及び第２の切り替え部２８を制御することによって、循環配管２６に第１の流体または第２の流体を流すことができ、冷暖房装置として有効に機能する。
【００２４】
ただし、冷暖房対象部において冷暖房機能を有すればよいため、第１配管３０と第２配管２４とをそれぞれ別個の配管として、それぞれが循環配管の機能を有してもよく、また例えば第１配管３０を流れる第１の流体や第２配管２４を流れる第２の流体、又はこれらの流体により加熱・冷却された空気等を冷暖房対象部に直接供給するよう、各配管は開放端の構造としてもよい。なお、この場合、循環配管は不要となる。ちなみに、この場合、空気を第１配管３０や第２配管２４に供給するにあたっては、各配管の一端側にブロワを備え付けることが好ましい。
【００２５】
以下に、図１および図２に示した冷暖房装置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。
【００２６】
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。
【００２７】
セルスタック２の運転に伴って生じた排ガスは、排ガス切り替え部２５により、熱交換器６及び熱音響冷却機１４のうち少なくとも一方に流れる。なお、排ガスを熱交換器６及び熱音響冷却機１４のいずれに流すかは、使用者による設定のほか、自動的に切り換えることも可能である。
【００２８】
例えば、冷暖房対象部に冷暖房切り替えスイッチが設けられており（停止も含む）、使用者がスイッチを切り替えて冷房を利用する場合や、所定の条件を満たす場合に冷房を自動運転する場合は、制御装置１３は、モジュール１より排出される排ガスの少なくとも一部（好ましくは全部）が、熱音響冷却機１４に流れるよう、排ガス切り替え部２５を制御する。熱音響冷却機１４に向けて流れた排ガスは、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を構成する高温部２２を流れる。具体的には、蓄熱器１８が内部に配置された配管の一方側（高温部２２）の周囲を取り囲むように、モジュール１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の高温部２２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。
【００２９】
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である低温部２０は、高温部２２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、例えば低温部２０に常温の水道水等を供給すればよい。
【００３０】
この場合において、制御装置１３は、第１の切り替え部２７及び第２の切り替え部２８を、第２配管２４を流れる第２の流体（水や空気等）が循環配管２６を流れるように制御する。すなわち、第２配管２４を流れる第２の流体は、冷却部２０の低温部２１を流れる間に冷却され、その冷却された第２の流体が、冷却部２０の高温部２３を介して循環配管２６を流れることで、冷暖房対象部が冷却されることとなり、冷房機能を有することとなる。なお、第２配管２４を、冷却部の低温部２１を流れた第２の流体が高温部２３に流れる構成とすることで、冷却部の冷却機能をより強化することができる。また、この第２配管２４および循環配管２６を流れる第２の流体の量（流速）は、第１の切り替え部２７から第２の切り替え部２８の間に設けられたポンプ３１を制御することで、適宜調整することができる。
【００３１】
また、図１および図２においては、冷暖房対象部に温度センサ２９を設けている例を示している。例えば、制御装置１３は、温度センサ２９が適宜設定される第１の条件（例えば２５℃以上を１ｈ以上継続する場合等）を満たす場合に、第１の切り替え部２７及び第２の切り替え部２８を自動的に切り換えて、循環配管２６を第２の流体が流れるように制御してもよい。なお、図１および図２においては、温度センサ２９を冷暖房対象部に設けた例を示しているが、冷暖房対象部に限定されるものではなく、冷暖房対象部外に配置して外気温を測定するようにしてもよい。
【００３２】
一方、使用者がスイッチを切り替えて暖房を利用する場合や、所定の条件を満たす場合に暖房を自動運転する場合は、制御装置１３は、モジュール１より排出される排ガスの少なくとも一部（好ましくは全部）が、加熱部である熱交換器６を流れるよう、排ガス切り替え部２５を制御する。熱交換器６に向けて流れた排ガスは、熱交換器６と接続された第１配管３０を流れる第１の流体（水や空気等）とで熱交換されて、第１の流体が加熱される。
【００３３】
続いて、制御装置１３は、第１の切り替え部２７及び第２の切り替え部２８を、第１配管３０を流れる第１の流体が循環配管２６を流れるように制御する。すなわち、第１配管３０を流れる第１の流体は、熱交換器６を流れる間に加熱され、その加熱された第１の流体が循環配管２６を流れることで、冷暖房対象部が温められることとなり、暖房機能を有することとなる。また、この第１配管３０および循環配管２６を流れる第１の流体の量（流速）は、第１の切り替え部２７から第２の切り替え部２８の間に設けられたポンプ３１を制御することで、適宜調整することができる。
【００３４】
ちなみに、冷暖房対象部内に設けられた温度センサ２９に基づいて自動的に暖房機能をスタートさせるにあたっては、制御装置１３は、温度センサ２９が適宜設定される第２の条件（例えば１０℃未満を１ｈ以上継続する場合等）を満たす場合に、第１の切り替え部２７及び第２の切り替え部２８を自動的に切り換えて、循環配管２６を第１の流体が流れるように制御してもよい。
【００３５】
上述のような運転方法を採用することにより、燃料電池装置と熱音響冷却機１４とを組み合わせた新たな用途展開として、効率の良い冷暖房装置とすることができる。
【００３６】
なお、例えば使用者が冷暖房の切り替えスイッチをオフとしている場合や、温度センサにより測定された温度が、第１および第２の条件を満たしていない場合（例えば、１０℃以上２５℃未満を１ｈ以上継続する場合）は、制御装置１３は、そのまま排ガスを外部に排気することを目的として熱音響冷却機１４に流すよう、排ガス切り替え部２５を制御してもよい。この場合、制御装置１３はあわせてポンプ３１を停止する制御をおこなうことが好ましい。なお、第１の条件、第２の条件は適宜設定すればよい。
【００３７】
一方、改質器３で水蒸気改質を行うための水を熱交換器６で生成したい場合には、制御装置３は、必要に応じた量の凝縮水が得られるよう、排ガス切り替え部２５およびポンプ３１の動作を制御することもできる。ただし、循環配管２６を大量の第１の流体が流れないように、ポンプ３１の動作は適宜制御することが好ましい。
【００３８】
ちなみに、図１、図２に示す冷暖房装置においては、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る。この排ガスを用いることで、熱交換器６での加熱された第１の流体の生成や、熱音響冷却機１４での冷却された第２の流体を効率よく生成することが可能となる。
【００３９】
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。
【００４０】
図３は、本実施形態の冷暖房装置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４は図３の断面図である。
【００４１】
図３に示すモジュール１においては、収納容器３４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３２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３２間が集電部材（図３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３２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３３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３２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４０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３２）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４０が構成される。なお、図３においては、セルスタック装置４０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。
【００４２】
また、図３においては、燃料電池セル３２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３２を例示している。なお、燃料電池セル３２の間に酸素含有ガスが流通する。
【００４３】
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３２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３４の形状も適宜変更することができる。
【００４４】
また、図３に示す改質器３においては、原燃料供給管３９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３６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３７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３８を介してマニホールド３３に供給され、マニホールド３３より燃料電池セル３２の内部に設けられた燃料ガス流路に供給される。
【００４５】
また図３においては、収納容器３４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４０を後方に取り出した状態を示している。ここで、図３に示したモジュール１においては、セルスタック装置４０を、収納容器３４内にスライドして収納することが可能である。
【００４６】
なお、収納容器３４の内部には、マニホールド３３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３２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３５が配置されている。
【００４７】
図４に示すように、モジュール１を構成する収納容器３４は、内壁４１と外壁４２とを有する二重構造で、外壁４２により収納容器３４の外枠が形成されるとともに、内壁４１によりセルスタック装置４０を収納する発電室４３が形成されている。さらに収納容器３４においては、内壁４１と外壁４２との間を、燃料電池セル３２に導入する酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流路４４としている。
【００４８】
ここで、収納容器３４内には、収納容器３４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４５とを備え、下端部に燃料電池セル３２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４６が設けられてなる酸素含有ガス導入部材３５が、内壁４１を貫通して挿入されて固定されている。なお、フランジ部４５と内壁４１との間には断熱部材４７が配置されている。
【００４９】
なお、図４においては、酸素含有ガス導入部材３５が、収納容器３４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３４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３５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。
【００５０】
また発電室４３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３２（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４７が適宜設けられている。
【００５１】
断熱部材４７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３２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３２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４７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４７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３５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３２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４７においては、燃料電池セル３２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３２の積層方向における温度分布を低減するための開口部４８が設けられている。
【００５２】
また、燃料電池セル３２の配列方向に沿った内壁４１の内側には、排ガス用内壁４９が設けられており、内壁４１と排ガス用内壁４９との間が、発電室４３内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路５０とされている。なお、排ガス流路５０は、収納容器３４の底部に設けられた排気孔５１と通じている。また、排ガス用内壁４９のセルスタック２側にも断熱部材４７が設けられている。
【００５３】
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５０を流れた後、排気孔５１より排気される構成となっている。なお、排気孔５１は収納容器３４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。
【００５４】
なお、酸素含有ガス導入部材３５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５２が、その測温部５３が燃料電池セル３２の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル３２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。
【００５５】
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３２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３２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３２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３２（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３２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。
【００５６】
図５、図６は本実施形態の冷暖房装置の構成のさらに他の一例を示す構成図であり、図５では冷房機能を、図６では暖房機能について説明するものであって、各装置の構成は同じであることから、以下構成について説明する場合において、主に図５を用いて説明するものとする。
【００５７】
図５、図６に示す冷暖房装置は、図１、２に示す冷暖房装置と比較して、第１の流体として水を用い、熱交換器６で加熱されて生成されたお湯を貯湯するための貯湯タンク５４を備える貯湯ユニットを設けている点で異なる。
【００５８】
上述の図１、図２に示す冷暖房装置においては、特に使用者の設定や自動運転において冷暖房のスイッチがオフとなっている場合や、冷暖房機能が余剰となる場合に、モジュール１より排出される排ガスの熱の有効活用においてまだ改善の余地がある。
【００５９】
そこで、図５、図６に示す冷暖房装置においては、貯湯ユニットを設けることで、モジュール１より排出される排ガスの熱のうち、冷暖房で使用されない熱を用いてお湯を生成し、このお湯を給湯として提供することで、さらに総合効率の向上した冷暖房装置とすることができる。
【００６０】
ここで、貯湯タンク５４には、一端が第１配管３０と第３の切り替え部５５を介して接続され、他端が貯湯タンク５４に接続される入水配管５６と、一端が貯湯タンク５４に接続され、他端が第１配管３０と第４の切り替え部５７を介して接続された出水配管５８とを備えている。なお、第１配管３０のうち、熱交換器６と第４の切り替え部との間にはポンプ５９が設けられているほか、貯湯タンク５４には貯湯タンク５４内に貯水されたお湯の温度や量を測定するための貯水量センサまたは貯水温度センサを備えている。なお、以下の説明にいてはこれらのセンサをまとめて貯湯タンクセンサ６０というものとする。
【００６１】
例えば、循環配管２６を第１の流体が流れない状態の場合や、冷暖房対象部に設けられた温度センサ２９が測定する温度が所定の温度範囲（例えば１０℃以上２５℃未満）となるようにポンプ３１を作動させるにあたり、ポンプ３１の動作が所定条件を満たす場合（例えば、運転停止が１ｈ以上継続する場合等）、貯湯タンクセンサ６０により測定されるお湯の温度やお湯の量が所定の範囲以下である場合などにおいては、より総合効率を向上させるにあたって、以下の制御をおこなうことが好ましい。
【００６２】
例えば、貯湯タンクセンサ６０により測定されるお湯の温度やお湯の量に基づいて行う場合について説明する。まず貯湯タンクセンサ６０より伝送される貯湯タンクのお湯の温度やお湯の量が所定の範囲内であるかどうかを判定する。所定の範囲内にある場合には、それまでに行っていた制御を継続する。
【００６３】
所定の範囲外となった場合には、まず制御装置１３は、モジュール１より排出される排ガスの少なくとも一部が熱交換器６に流れるように、排ガス切り替え部２５を制御する。続いて、熱交換器６で生成されたお湯の少なくとも一部が入水配管５６に流れるように第３の切り替え部５５するとともに、貯湯タンク５４の水が出水配管５８を介して熱交換器６に流れるよう、第４の切り替え部５７を制御する。
【００６４】
なお、制御装置１３は、この制御を行う前の制御が暖房機能を必要としている制御である場合には、第３の切り替え部５５と第４の切り替え部５７とを、第１配管３０を流れる水の一部が入水配管５６および出水配管５８を流れるように制御すればよい。一方、この制御を行う前の制御が冷房機能を必要としている制御である場合には、第３の切り替え部５５と第４の切り替え部５７とを、全量の水が入水配管５６および出水配管５８を流れるように制御すればよい。制御装置１３は、この制御にあわせて、排ガス切り替え部２５も、モジュール１から排出される排ガスの全量もしくは一部が、熱交換器６に流れるように制御すればよい。
【００６５】
具体的には、貯湯タンクセンサ６０より伝送される貯湯タンクのお湯の温度やお湯の量が所定の範囲外である場合において、外気温または冷暖房対象部の温度が第１の条件（例えば２５℃以上を１ｈ以上継続する場合等）を満たす場合には、制御装置１３は、モジュール１より排出される排ガスが、熱交換器６と熱音響冷却機１４との両方に供給されるように排ガス切り替え部２５を制御すればよい。また、外気温または冷暖房対象部の温度が第２の条件（例えば１０℃未満を１ｈ以上継続する場合等）を満たす場合には、制御装置１３は、モジュール１より排出される排ガスが、熱交換器６にのみ供給されるように排ガス切り替え部２５を制御すればよい。
【００６６】
このような構成により、冷暖房機能に加えて、さらに給湯機能を有することで、総合効率の向上した冷暖房装置とすることができる。
【００６７】
なお、上述における、循環配管２６を第１の流体が流れない状態の場合や、冷暖房対象部に設けられた温度センサ２９が測定する温度が所定の温度範囲（例えば１０℃以上２５℃未満）となるようにポンプ３１を作動させるにあたり、ポンプ３１の動作が所定条件を満たす場合（例えば、運転停止が１ｈ以上継続する場合等）においても、上記と同様の制御をおこなうことで、総合効率の向上した冷暖房装置とすることができる。
【００６８】
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。
【００６９】
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】
【００７０】
１：燃料電池モジュール
６：熱交換器
１４：熱音響冷却機
２４：第２配管
２５：排ガス切り替え部
２６：循環配管
２７：第１の切り替え部
２８：第２の切り替え部
２９：温度センサ
３０：第１配管
５４：貯湯タンク
５５：第３の切り替え部
５６：入水配管
５７：第４の切り替え部
５８：出水配管
６０：貯湯タンクセンサ
【図１】
2015046464.tif 000003
【図２】
2015046464.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015046464.tif 000006
【図５】
2015046464.tif 000007
【図６】
2015046464.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月28日(2016.10.28)
【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】
燃料電池を備える燃料電池装置と、
該燃料電池より排出される排ガスと第１の流体とで熱交換を行なう熱交換器と、
蓄熱器を備え、該蓄熱器の一方側が高温部とされ、他方側が低温部とされて、前記燃料電池より排出される排ガスの熱を利用して冷却機能を生じさせる冷却部を有する熱音響冷却機と、
前記燃料電池より排出される排ガスを、前記熱音響冷却機および前記熱交換器のうち少なくとも一方に供給するための排ガス切り替え部と、
前記熱交換器に接続され、前記第１の流体が流れる第１配管と、
前記冷却部の前記低温側を流れた後に前記高温側を流れるように設けられ、第２の流体が流れる第２配管と、を備え、
前記第１配管を流れた前記第１の流体または前記第２配管のうち前記高温側を流れた後の前記第２の流体を、冷暖房対象部内に流すように構成されていることを特徴とする冷暖房装置。
【請求項２】
前記冷暖房対象部内に設けられた循環配管を備え、
前記第１配管の一端と前記第２配管の一端とが、第１の切り替え部を介して前記循環配管に接続され、
前記第１配管の他端と前記第２配管の他端とが、第２の切り替え部を介して前記循環配管に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の冷暖房装置。
【請求項３】
前記第１の切り替え部及び前記第２の切り替え部を制御する制御装置を備え、該制御装置は、あらかじめ定められた条件に基づいて、前記循環配管に前記第１の流体または前記第２の流体が流れるよう、前記第１の切り替え部及び前記第２の切り替え部を制御することを特徴とする請求項２に記載の冷暖房装置。
【請求項４】
外気温または前記冷暖房対象部の温度を測定する温度センサを備え、前記制御装置は、前記温度センサにより測定された温度が、第１の条件を満たす場合に、前記循環配管に第２の流体が流れるよう前記第１の切り替え部及び前記第２の切り替え部を制御することを特徴とする請求項３に記載の冷暖房装置。
【請求項５】
外気温または前記冷暖房対象部の温度を測定する温度センサを備え、前記制御装置は、前記温度センサにより測定された温度が、第２の条件を満たす場合に、前記循環配管に第１の流体が流れるよう前記第１の切り替え部及び前記第２の切り替え部を制御することを
特徴とする請求項３に記載の冷暖房装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記第２の流体が前記循環配管を流れるように前記第１の切り替え部及び前記第２の切り替え部を制御する場合に、前記燃料電池から排出される排ガスが、前記熱音響冷却機に流れるよう、前記排ガス切り替え部を制御することを特徴とする請求項４に記載の冷暖房装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記第１の流体が前記循環配管を流れるように前記第１の切り替え部及び前記第２の切り替え部を制御する場合に、前記燃料電池から排出される排ガスが、前記熱交換器に流れるよう、前記排ガス切り替え部を制御することを特徴とする請求項５に記載の冷暖房装置。
【請求項８】
貯湯タンクと、一端が前記第１配管と第３の切り替え部を介して接続され、他端が前記貯湯タンクに接続される入水配管と、一端が前記貯湯タンクに接続され、他端が前記第１配管と第４の切り替え部を介して接続された出水配管とを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちいずれかに記載の冷暖房装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記貯湯タンクに、貯水量センサまたは貯水温度センサを備え、前記制御装置は、前記貯水量センサまたは前記貯水温度センサにより測定された値に基づいて、前記燃料電池から排出される排ガスが、前記加熱部、または前記加熱部および前記熱音響冷却機に流れるよう、前記排ガス切り替え部を制御することを特徴とする請求項８に記載の冷暖房装置。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記貯水量センサまたは前記貯水温度センサにより測定された値に基づいて、前記第３の切り替え部及び前記第４の切り替え部を制御することを特徴とする請求項９に記載の冷暖房装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の冷暖房装置は、燃料電池を備える燃料電池装置と、該燃料電池より排出される排ガスと第１の流体とで熱交換を行なう熱交換器と、蓄熱器を備え、該蓄熱器の一方側が高温部とされ、他方側が低温部とされて、前記燃料電池より排出される排ガスの熱を利用して冷却機能を生じさせる冷却部を有する熱音響冷却機と、前記燃料電池より排出される排ガスを、前記熱音響冷却機および前記熱交換器のうち少なくとも一方に供給するための排ガス切り替え部と、前記熱交換器に接続され、前記第１の流体が流れる第１配管と、前記冷却部の前記低温側を流れた後に前記高温側を流れるように設けられ、第２の流体が流れる第２配管と、を備え、前記第１配管を流れた前記第１の流体または前記第２配管のうち前記高温側を流れた後の前記第２の流体を、冷暖房対象部内に流すように構成されていることを特徴とする。
【手続補正３】
【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】
本発明の冷暖房装置は、燃料電池より排出される排ガスの供給先を、熱交換器および熱音響冷却機のうち少なくとも一方に切り替えることで、熱交換器での加熱機能または冷却部での冷却機能を組み合わせることで、効率のよい冷暖房装置とすることができる。
【国際調査報告】
2015046464.tif 000009
2015046464.tif 000010
2015046464.tif 000011
2015046464.tif 000012
2015046464.tif 000013