(57)【要約】【課題】蓄熱時には潜熱材を通過した熱媒体が低温となり、放熱時には潜熱材を通過した熱媒体が高温となることができて、且つ蓄熱効率の高い蓄熱装置を提供する。【課題を解決するための手段】融点の異なる複数の潜熱材を用いて蓄熱する。融点の高い潜熱材を、高温の熱媒体が通過する蓄熱槽の出入口側に配置し、融点の低い潜熱材を、低温の熱媒体が通過する蓄熱槽の出入口側に配置する。蓄熱時には低融点潜熱材で冷却された熱媒体が送りだされるので、蓄熱効率が向上し、放熱時には高融点潜熱材で加熱された熱媒体が供給される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
潜熱材を収容している蓄熱槽と、その蓄熱槽に熱媒体を通過させる熱媒体通路を備えた蓄熱装置であって、高温の熱媒体が出入りする側に高融点の潜熱材が配置されており、低温の熱媒体が出入りする側に低融点の潜熱材が配置されていることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】
２以上の蓄熱槽と、それらの蓄熱槽に順々に熱媒体を通過させる熱媒体通路を備えた蓄熱装置であって、高温の熱媒体が通過する側の蓄熱槽に高融点の潜熱材が収容されており、低温の熱媒体が通過する側の蓄熱槽に低融点の潜熱材が収容されていることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項３】
少量の融点降下剤が混合されている無機水和塩によって高融点の潜熱材が実現されており、多量の融点降下剤が混合されている無機水和塩によって低融点の潜熱材が実現されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温の熱媒体を受け入れて熱エネルギーを蓄熱し、蓄熱した熱エネルギーを必要時に放出する蓄熱装置に関する。特に、蓄熱材の潜熱を利用して蓄熱する蓄熱装置に関する。本発明の蓄熱装置は、蓄熱時に蓄熱材に熱を伝達することによって自らは冷却されて蓄熱装置から送出される熱媒体の温度が安定し、放熱時に蓄熱材からの熱で加熱された状態で蓄熱装置から送出される熱媒体の温度が安定することを特徴とする。
【０００２】
【従来の技術】室温で凍結しており、高温の熱媒体にさらされると溶解するとともに溶解時に多量の潜熱を吸熱し、凍結するときに多量の潜熱を放出する潜熱材が知られている。温水で蓄熱する場合のように蓄熱材の顕熱を利用して蓄熱する場合と蓄熱材の潜熱を利用して蓄熱する場合を比較すると、蓄熱材の単位体積あたりの顕熱よりも潜熱の方が大きいことから、前者よりも後者の方が多量の熱を蓄熱することができる。同一体積の顕熱方式の蓄熱装置と潜熱方式の蓄熱装置を比較すれば、前者の蓄熱可能量よりも後者の蓄熱可能量が大きい。同一蓄熱可能量の蓄熱装置であれば、顕熱方式であれば大型となり、潜熱方式であれば小型化できる。
【０００３】
できるだけ小型の蓄熱装置でできるだけ多量の熱エネルギーを蓄熱するためには、単位体積あたりの潜熱が大きく、室温よりもわずかに高い温度で融解凍結する潜熱材を用いることが好ましい。従来の潜熱式蓄熱装置の研究は、この課題に向けられている。
【０００４】
しかしながら小型の蓄熱槽で多量の熱エネルギーを蓄熱できるというだけでは足らず、下記のような要求が存在することがある。
（１）蓄熱時に蓄熱材に熱を伝達することによって自らは冷却されて蓄熱装置から送出される熱媒体の温度が安定していること。
（２）放熱時に蓄熱材からの熱で加熱された状態で蓄熱装置から送出される熱媒体の温度が使いやすい温度で安定していること。
上記が必要とされる事情を次に例示する。
【０００５】
図６に、燃料電池を使用するコージェネレーションシステム（電気と熱の併給システム）で発生する熱を蓄熱しておく蓄熱装置を示す。コージェネレーションシステムでは、発電に伴って発生する熱を蓄熱槽に蓄熱し、蓄熱された熱を必要時に給湯装置や暖房装置等に供給する。総合的なエネルギー効率が高い。
図６の参照番号１０２は固体高分子型の燃料電池を示している。発電時には、燃料電池１０２が熱を発生する。燃料電池１０２が過熱することを防ぎ、同時に発電熱を回収するために、燃料電池１０２を通過する冷却水循環路１０４が用意されている。ポンプ１０８によって冷却水循環路１０４を矢印方向に循環する水は、燃料電池１０２を通過するときに燃料電池１０２を冷却するとともに自らは加熱され、加熱された状態で熱交換器１０６に流入する。一方、蓄熱槽１２０の底部から蓄熱槽１２０外に伸びて蓄熱槽１２０の上部に戻る温水循環路１１２が、熱交換器１０６を通過している。ポンプ１２６が稼働することによって温水循環路１１２を矢印方向に水が循環する。冷却水循環路１０４を循環する冷却水と温水循環路１１２を循環する温水は、熱交換器１０６で熱交換される。
燃料電池１０２を通過したときに燃料電池１０２を冷却しつつ自らは加熱された冷却水は、熱交換器１０６を通過するときに、温水循環路１１２を循環する温水を加熱して自らは冷却される。冷却された冷却水は、シスターン１１０を経て再度燃料電池１０２を冷却するように利用される。
蓄熱槽１２０の底部から取り出された低温の水は、熱交換器１０６を通過するときに、冷却水循環路１０４を循環する冷却水を冷却して自らは加熱される。加熱された温水は、蓄熱槽１２０の上部に戻り、蓄熱槽１２０に収容されている蓄熱材１２２に蓄熱する。蓄熱材１２２に蓄熱する間に、温水循環路１２４を循環する温水は冷却され、冷却された後で再び熱交換器１０６を通過する。
【０００６】
温水を利用するために蛇口１１８が開けられると、給水路１３０から温水循環路１２４に水道水が送られる。温水循環路１２４に送り込まれた水道水は、蓄熱材１２２によって加熱され、加熱された状態で給湯経路１１６に送出される。蛇口１１８から温水が得られる。
発電が行われている間に蛇口１１８が開けられた場合には、ポンプ１２６が稼働しているために、給水路１３０から送り込まれた水の一部が温水循環路１１２を通過する。温水循環路１１２を通過する水は、熱交換器１０６で加熱された後に、分岐１１４で温水循環路１２４を通過した水と合流し、蛇口１１８に供給される。温水循環路１１２を通過する水道水の量は、温水循環路１２４を通過する水道水の量と比較すると少量であり、蛇口１１８に供給される温水の温度は、温水循環路１２４を通過して加熱された水道水の温度とほぼ等しくなる。
発電が行われていないときには、ポンプ１２６が稼働していない。温水循環路１１２の流動抵抗は、温水循環路１２４の流動抵抗よりも大きく、蛇口１１８が開けられると、給水路１３０から送り込まれた水の大部分は温水循環路１２４を通過して加熱される。蛇口１１８に供給される温水の温度は、温水循環路１２４を通過して加熱された水道水の温度とほぼ等しくなる。
【０００７】
上記のシステムでは、蓄熱中に蓄熱槽１２０の下部から送出される温水の温度は、基本的に蓄熱材１２２の融点に等しい。冷却水循環路１０４を循環する冷却水は蓄熱材１２２の融点まで冷却される。又、放熱中に蓄熱槽１２０の上部から送出される温水の温度は、基本的に蓄熱材１２２の融点に等しい。
【０００８】
上記のシステムでは、（１）蓄熱時に熱交換器１０６に送出される温水の温度が、燃料電池１０２を適度に冷却できる温度で安定していることが必要とされ、（２）放熱時に蛇口１１８に送出される温水の温度が使いやすい温度で安定していることが必要とされる。
【０００９】
小型の蓄熱槽で多量の熱エネルギーを蓄熱するというだけなら、単位体積あたりの潜熱が大きく、室温よりもわずかに高い温度で融解凍結する潜熱材１２２を用いることが好ましい。しかしながら、それでは、上記した（１）（２）の要求に応えることができない。
例えば、室温よりもわずかに高い３０℃程度で融解凍結する潜熱材１２２を利用すると、潜熱で加温されて蛇口１１８に送出される温水の温度が３０℃程度となり、使いやすい温度とならない。そこで、蓄熱量を犠牲にして５０℃程度で融解凍結する潜熱材１２２を利用すると、潜熱で加温されて蛇口１１８に送出される温水の温度が５０℃程度となって使いやすくはなるが、潜熱によって吸熱されて熱交換器１０６に送出される温水の温度が５０℃程度となってしまい、燃料電池１０２を冷却することができなくなってしまう。
【００１０】
以上から理解されるように、コージェネレーションシステムに必要な蓄熱装置は、（１）小型の蓄熱槽で多量の熱エネルギーを蓄熱できること、（２）蓄熱時に潜熱材の潜熱によって吸熱されて蓄熱装置から送出される熱媒体の温度が冷却に適した温度で安定していること、（３）放熱時に潜熱材の潜熱で加熱された状態で蓄熱装置から送出される熱媒体の温度が使いやすい温度で安定していることが必要とされる。
【００１１】
特許文献１に、複数の蓄熱槽を直列に接続した蓄熱装置が開示されている。この技術を利用してコージェネレーションシステムの蓄熱装置を構成すると、最も下流に接続された蓄熱槽の潜熱材が溶解していない状態を長期に亘って維持できるために、顕熱と潜熱を利用して蓄熱することができる。しかしながら、顕熱を利用する方式では、充分な蓄熱量が得られないばかりか、送出される熱媒体の温度が安定しない。潜熱を利用する場合には、潜熱材が融点で安定する現象を利用することができ、送出される熱媒体の温度が安定する。
【００１２】
【特許文献１】
特開平０７−１５１３６０号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】潜熱材を利用する現状の蓄熱装置は、小型の蓄熱槽で多量の熱エネルギーを蓄熱できることのみに主眼をおいて設計されており、「蓄熱時に潜熱材の潜熱に吸熱されて蓄熱装置から送出される熱媒体の温度が安定していることや、放熱時に潜熱材の潜熱で加熱された状態で蓄熱装置から送出される熱媒体の温度が使いやすい温度で安定していること」という要求が存在しているということについては意識されていない。
本発明では、蓄熱時に潜熱材を通過した熱媒体が、次の熱回収に適した温度にまで冷却されて送出され、放熱時に潜熱材を通過した熱媒体が、使いやすい温度にまで加熱されて送出される蓄熱装置を提供する。即ち、潜熱によって冷却されて低温となった熱媒体を送出すこともできるし、潜熱によって加熱されて高温となった熱媒体を送出すこともできる蓄熱装置を提供する。
特に、（１）小型の蓄熱槽で多量の熱エネルギーを蓄熱できること、（２）蓄熱時に潜熱材の潜熱で吸熱されたために冷却されて蓄熱装置から送出される温水の温度が燃料電池の冷却に適した温度で安定していること、（３）放熱時に潜熱材の潜熱で加熱されて蓄熱装置から送出される温水の温度が使いやすい温度で安定しているという要求を満たすことができる蓄熱装置を提供する。
【００１４】
【課題を解決するための手段と作用】本発明の蓄熱装置は、潜熱材を収容している蓄熱槽と、その蓄熱槽に熱媒体を通過させる熱媒体通路を備えている。本発明の蓄熱装置は、高温の熱媒体が出入りする側に高融点の潜熱材が配置されており、低温の熱媒体が出入りする側に低融点の潜熱材が配置されていることを特徴とする。
【００１５】
蓄熱装置の蓄熱槽に蓄熱するときには、高温の熱媒体が蓄熱槽に導入される。本発明では、高温の熱媒体が入る側に、高融点の潜熱材が収容されている。熱媒体の出口側には、入口側よりも低融点の潜熱材が収容されている。蓄熱が開始されると、高温の熱媒体は、入口側で凍結している高融点の潜熱材に熱エネルギーを供給する。潜熱材は温度が上昇し、融点まで温度上昇したところで溶解が始まって多量の熱を吸熱する。溶解の開始時から全ての潜熱材が溶解し終わるまでの期間は、熱媒体から供給された熱エネルギーは潜熱材に吸熱されて潜熱として蓄熱されることから、溶解中の潜熱材は温度変化を起こさずに融点を保つ。入口側の潜熱材を通過して潜熱材に熱エネルギーを供給した熱媒体の温度は、高融点の潜熱材の融点とほぼ同じ温度になっている。入口側の潜熱材の融点とほぼ同一温度になっている熱媒体は、次に出口側に収容されている低融点の潜熱材にも熱を供給する。低融点の潜熱材も溶解して吸熱し、潜熱蓄熱を行う。蓄熱槽を出るときの熱媒体は、出口側に収容されている低融点の潜熱材の融点とほぼ同じ温度まで冷却されている。潜熱で蓄熱するから小型の蓄熱槽で多量の熱エネルギーを蓄熱することができる。蓄熱時には低融点の潜熱材で吸熱されて冷却された熱媒体が送出されることから、送出される熱媒体の温度は低融点の潜熱材の融点で安定する。
放熱時には蓄熱槽に低温の熱媒体が入る。熱媒体が通過する方向は蓄熱時とは逆となる。蓄熱時の出口側から熱媒体が蓄熱槽に入り、蓄熱時の入口側から熱媒体が出る。放熱が開始されると、低温の熱媒体はまず入口側で融解している低融点の潜熱材から熱エネルギーを供給される。蓄熱して溶解している低融点潜熱材に低温の熱媒体を通過させると、低融点潜熱材は熱媒体に熱エネルギーを供給して凍結し始める。凍結の開始時から全ての潜熱材の凍結が完了するまでの期間、潜熱材は潜熱を放熱するために温度変化を起こさず融点を保つ。入口側の潜熱材を通過して熱エネルギーを供給された熱媒体の温度は、低融点の潜熱材の融点とほぼ同じ温度にまで温度が上がっている。次に熱媒体は、出口側に収容されている高融点の潜熱材を通過する。高融点の潜熱材は、凍結して放熱することで、更に熱媒体に熱を供給する。蓄熱槽を出るときの熱媒体は、出口側に収容されている高融点潜熱材の融点とほぼ同じ温度にまで昇温している。
放熱時に高融点潜熱材の潜熱で加熱されて蓄熱装置から送出される温水の温度は高融点潜熱材の融点で安定する。
本発明の蓄熱装置によると、蓄熱時に送出される熱媒体の温度は低融点の潜熱材の融点で安定し、放熱時に送出される熱媒体の温度は高融点の潜熱材の融点で安定する。前者の低温を利用して燃料電池を効率的に冷却し、後者の高温を利用して快適な温度の温水を給湯するといったことが可能となる。
【００１６】
上記の蓄熱装置を用いることにより、蓄熱時に蓄熱槽を通過した熱媒体の出口温度は、出口側に配置された融点の低い潜熱材と同じ温度まで下がっている。充分冷却されているために、熱媒体はすぐに熱の回収に再利用することができる。また蓄熱槽には、熱媒体から多くの熱エネルギーが供給されて潜熱蓄熱されており、蓄熱効率がよい。さらに、放熱時に潜熱材を通過した熱媒体の出口温度は、出口側に配置された融点の高い潜熱材と同じ温度まで昇温しており、より広い用途に用いることが可能となる。
【００１７】
ここで、蓄熱槽に収容される潜熱材の種類は、入口側と出口側の２種類のみに限定されることはなく、融点の異なる３種類以上の潜熱材を用いることも可能である。３種類以上の潜熱材を用いる場合には、高い温度の熱媒体の出入り口側に最も融点の高い潜熱材を収容し、低い温度の熱媒体の出入り口側に近づくに連れて、順に融点の低い潜熱材を収容することにより、効率よく蓄熱と放熱を行うことができる。即ち、蓄熱の場合には、高温の熱媒体と高融点の潜熱材の間で熱交換が始まり、熱媒体の温度が下がるのに従って、徐々に融点の低い潜熱材に蓄熱されるので、熱媒体と潜熱材の融点の温度差が少なく、効率のよい蓄熱が行われる。放熱の場合には、低温の熱媒体と低融点の潜熱材の間で熱交換が始まり、熱媒体の温度が上がると共に融点の高い潜熱材から順に熱を供給されるので、同様に効率のよい放熱が行われる。
【００１８】
請求項２に示されるように、２以上の蓄熱槽と、それらの蓄熱槽に順々に熱媒体を通過させる熱媒体通路によって蓄熱装置を構成することもできる。この場合には、高温の熱媒体が通過する側の蓄熱槽に高融点の潜熱材を収容しておき、低温の熱媒体が通過する側の蓄熱槽に低融点の潜熱材を収容しておく。
【００１９】
蓄熱時の高温の熱媒体は、最初に融点の高い潜熱材を収容した蓄熱槽に入る。潜熱材は熱媒体にさらされて溶解し、蓄熱する。熱媒体が最初の蓄熱槽を出るときには、潜熱材の融点まで温度が下がっているが、次に通過する蓄熱槽の潜熱材の融点よりも温度が高いので、次の蓄熱槽に収容された潜熱材も溶解して蓄熱する。このように、複数の融点の異なる潜熱材が収容された蓄熱槽と熱交換を繰り返すことで、最初高温であった熱媒体は熱を奪われて低い温度となる。蓄熱槽では、収容されている各々の潜熱材が各々の融点で溶解し、大量の潜熱蓄熱が行われる。放熱時には、低温の熱媒体が、融点の低い潜熱材を収容した蓄熱槽から順に通過して熱を供給される。最後に融点の高い潜熱材を収容した蓄熱槽を通過した熱媒体は高温となる。
本発明の蓄熱装置は、好適な融点温度の潜熱材を収容した蓄熱槽を選んで熱媒体通路に配置することにより、潜熱材を通過した熱媒体に求められる出口温度を調節することが可能となる。
【００２０】
少量の融点降下剤が混合されている無機水和塩によって高融点の潜熱材を実現し、多量の融点降下剤が混合されている無機水和塩によって低融点の潜熱材を実現することができる。
本発明の潜熱材に使用する無機水和塩は、（１）潜熱蓄熱できる熱量が多いこと、（２）融点が、放熱時に蓄熱装置から送出される熱媒体に求められる温度とほぼ同じであることが好ましい。例えば、コージェネレーションシステムの蓄熱槽に使用可能な特性を有する無機水和塩としては、酢酸ナトリウム３水和塩やチオ硫酸ナトリウム５水和塩が知られている。
無機水和塩と混合することによって、潜熱材全体の融点を下げることのできる融点降下剤としては、水や、塩化ナトリウム等の塩類や、ハロゲン化合物が知られている。また、主成分の無機水和塩に対して、より融点の低い無機水和塩を混合して融点を降下させることもできる。この場合の、主成分の無機水和塩に添加する融点の低い無機水和塩も融点降下剤とみなすことができる。
【００２１】
上記に示したような無機水和塩と融点降下剤の混合割合を変えることによって、融点を異にする潜熱材を得ることができるので、種々の特性の蓄熱槽を簡単に製造することができる。この場合、蓄熱槽の高温の熱媒体が出入りする側に少量の融点降下剤が混合されている無機水和塩を配置し、低温の熱媒体が出入りする側に多量の融点降下剤が混合されている無機水和塩を配置しておく。潜熱材の融点は、高い温度の熱媒体の出入り口側で高く、低い温度の熱媒体の出入り口側が低くなっている。蓄熱時に送出される熱媒体の温度は低融点の潜熱材の融点で安定し、放熱時に送出される熱媒体の温度は高融点の潜熱材の融点で安定することが、融点降下剤が混合されている無機水和塩を用いた蓄熱装置で可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下に説明する実施例の主要な特徴を次に列記する。
（形態１）蓄熱装置は、融点の異なる２種類の潜熱材を収容する蓄熱槽と、蓄熱槽を通過する熱媒体通路と、熱源から熱を回収する熱回収路と、蓄熱槽の潜熱材が放熱する熱を供給する熱供給路を備えている。
（形態２）給水路と熱媒体通路と熱回収路が、一つの分岐点で接続されている。さらに、熱供給路と熱媒体通路と熱供給路が、他の分岐点で接続されている。
（形態３）蓄熱槽の中には無機水和塩と融点降下剤から構成される潜熱材が充填されている。温度の高い熱媒体が出入りする側と温度の低い熱媒体が出入りする側では、無機水和塩と融点降下剤との混合割合が異なっており、潜熱材の融点が多段階で変化している。
（形態４）蓄熱装置は、融点の高い潜熱材を収容する第１の蓄熱槽と、第１の蓄熱槽よりも融点の低い潜熱材を収容する第２の蓄熱槽と、第２の蓄熱槽よりもさらに融点の低い潜熱材を収容する第３の蓄熱槽と、前記３つの蓄熱槽を直列に接続する熱媒体通路を備えている。
（形態５）蓄熱装置には、蓄熱時に熱媒体が蓄熱槽を通過する熱媒体通路と、放熱時に熱媒体が蓄熱槽を通過する熱媒体通路の２つの熱媒体通路が設けられている。
（形態６）収容する潜熱材の種類と量が全て等しい第１の蓄熱槽と第２の蓄熱槽が、熱媒体通路によって並列に接続されている。
【００２３】
【実施例】本発明をコージェネレーションシステムの蓄熱槽に適用した実施例を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１実施例）  図１は、本実施例に係わるコージェネレーションシステムの構成を模式的に示している。本実施例のコージェネレーションシステムは、電力と発電熱を発生する燃料電池セル４２と、燃料電池セル４２の燃料となる水素ガスを発生させる改質器４８と、内部に潜熱材４、６が収容された蓄熱槽２等を備えている。
蓄熱槽２の上部には、第１の潜熱材４として、融点が５８℃の酢酸ナトリウム水和物が収容されている。蓄熱槽４の下部には、第２の潜熱材６として、融点が４２℃のリン酸ナトリウム水和物が収容されている。第１の潜熱材４と第２の潜熱材６の間は、潜熱材同士が混じることのないように、隔壁が設けられている。蓄熱槽２の中を、上部から下部にかけて熱媒体通路８が通過している。蓄熱槽２の内部に収容された第１の潜熱材４及び第２の潜熱材６は、熱媒体通路８の中を通過する熱媒体と熱交換が可能に配置されている。
【００２４】
蓄熱槽２の上部には、熱媒体通路８が熱回収路１０と熱供給路１２に接続する箇所に分岐１８が設けられている。また、蓄熱槽２の底部には、熱媒体通路８と熱回収路１０と給水路２２が接続する箇所に分岐１６が設けられている。熱媒体通路８と、熱回収路１０と、熱供給路１２の中を、給水路２２から供給された水が通過することができる。
【００２５】
蓄熱槽２に蓄熱を行う時は、給水路２２からの新たな給水は行われない。ポンプ１４が稼働して、熱回収路１０と熱媒体通路８の中を水が循環する。水は、熱媒体通路８を上から下に流れる。熱回収路１０は、第１の熱交換器３２と第２の熱交換器３４を経由して熱媒体通路８に接続しており、熱回収路１０を循環する水は、熱交換器３２，３４で熱交換して発電熱を回収する。
燃料電池セル４２が発電時に発生する熱は、燃料電池セル４２を循環する冷却用循環路４４の冷却水によって回収される。冷却水循環路４４は、第１の熱交換器３２を経由しており、冷却水と、熱回収路１０を循環する水との間で熱交換が行われる。ここで、熱回収路１０の水が温められると同時に、冷却水循環路４４の冷却水は冷却されて燃料電池セル４２に戻る。
改質器４８は、燃料電池セル４２の燃料となる水素ガスを原料の炭化水素系ガスから得るために、発電中はバーナ４６の燃焼熱で高温に保たれる。発電中には、改質器４８から高温の燃焼排ガスが発生する。改質器４８の燃焼排ガスと熱回収路１０を循環する水との間で熱交換する第２の熱交換器３４が設けられており、熱回収路１０を循環する水は、第２の熱交換器３４の第２の熱交換によってさらに高温の温水となる。温水は、分岐１８を経て、熱媒体通路８に入る。
【００２６】
第１の熱交換器３２と第２の熱交換器３４で熱交換を行った温水は、熱媒体通路８を通って、蓄熱槽２に上部から入る。熱媒体通路８を通る温水は、最初に第１の潜熱材４に熱を供給し、次に第２の潜熱材６に熱を供給する。供給された熱は、第１の潜熱材４と第２の潜熱材６に潜熱として蓄熱される。図２（ａ）に、熱媒体通路８を循環する温水の温度と、熱媒体通路８の分岐１８からの距離との関係を示す。
発電熱を回収して高温となった温水は、蓄熱槽２の上部から蓄熱槽２に入り、第１の潜熱材４である酢酸ナトリウム水和物と熱交換により熱を供給して、徐々に温度が下がる。熱を供給された第１の潜熱材４は温度が上昇し、融点である５８℃まで温度上昇したところで溶解が始まって多量の熱を吸熱する。溶解の開始時から全ての潜熱材が溶解し終わるまでの期間は、温水から供給された熱は第１の潜熱材４に吸熱されて潜熱として蓄熱されることから、溶解中の潜熱材は温度変化を起こさずに融点の５８℃を保つ。また、潜熱材の溶解中は、潜熱材の凍結している部分に溶解している部分が入り込んで熱の循環がよく行われており、第１の潜熱材の温度はほぼ均一になっている。そこで、第１の潜熱材４を通過して熱を供給した温水の温度は、潜熱材の融点である５８℃とほぼ同じ温度になっている。５８℃となった温水は、次に第２の潜熱材６のリン酸ナトリウムに熱を供給する。温水と熱交換を行うことで、融点が４２℃の第２の潜熱材６が溶解して潜熱蓄熱を行う。第２の潜熱材６を通過して熱を供給した温水の温度は、潜熱材の融点である４２℃とほぼ同じ温度に下がって、蓄熱槽２を出る。
蓄熱槽２を出た水は、再び分岐１６を通過して熱回収路１０を循環する。熱回収路１０に入った水の温度は４２℃以下に下がっており、燃料電池セル４２の発電熱と改質器４８の燃焼排ガスの熱を大量に回収することができると同時に、冷却水循環路４４の水を充分冷却することができる。
【００２７】
第１の潜熱材４と第２の潜熱材６が溶解して潜熱蓄熱を行った蓄熱槽２が、放熱を行うときは、給水路２２から熱媒体である水が供給される。発電が行われていないとき、ポンプ１４は停止するので水は熱回収路１０を通過しない。給水路２２から供給された水は、分岐１６から熱媒体通路８に入り、蓄熱槽２を通過する。
放熱時に蓄熱槽２を通過する水は、最初に第２の潜熱材６から熱を供給されて温められ、次に第１の潜熱材４から熱を供給されて更に高温となる。図２（ｂ）に、熱媒体通路８を循環する温水の温度と、熱媒体通路８の分岐１６からの距離との関係を示す。放熱が開始されると、給水路２２から供給された水は第２の潜熱材６を通過して熱交換を行う。蓄熱して溶解している第２の潜熱材６に低温の水を通過させると、第２の潜熱材６は水に熱を供給して凍結を開始する。凍結の開始時から全ての潜熱材の凍結が完了するまでの期間に亘って、第２の潜熱材６は潜熱を放熱しつつ融点の４２℃を保つ。凍結が進む間、凍結している部分と溶解している部分は熱の循環がよく行われているので、第２の潜熱材６全体の温度はほぼ均一になっている。そこで、第２の潜熱材６を通過した熱媒体通路８内の水の温度は、第２の潜熱材６の融点とほぼ同じ約４２℃まで温められる。次に、熱媒体通路８内の水は、第１の潜熱材４と熱交換を行う。第１の潜熱材４が、凍結して潜熱を放熱することで、更に熱媒体通路８内の水は加熱される。蓄熱槽２を出るときの水、即ち、熱媒体通路８の上部における水の温度は、第１の潜熱材４の融点とほぼ同じ約５８℃まで昇温している。
高温となった熱媒体通路８内の水は、分岐１８を通って熱供給路１２に供給される。熱供給路１２は、ミキシングユニット２４と補助熱源２６を経由して様々な温水利用装置に供給される。温水利用装置が必要とする温水の温度が５８℃よりも低い場合には、ミキシングユニット２４が温水と水道水を混合し、温水利用装置が必要とする温度に調整する。温水利用装置が必要とする温水の温度が５８℃よりも高い場合には、補助熱源２６が点火して、温水を更に加熱して温水利用装置が必要とする温度にした後に供給する。温水利用装置が必要とする温水の温度が５８℃を超えることはめったにないために、熱供給路１２に５８℃の温水が供給されている限り、補助熱源２６が点火されることはほとんどない。熱供給路１２に供給される温水は使いやすい５８℃で安定している。補助熱源２６は専ら、蓄熱槽２の蓄熱量を使い切ってしまった後に利用される。
【００２８】
発電中に温水の供給が行われる場合には、ポンプ１４が稼働しているために、熱回収路１０の中を水が通過する。給水路２２から供給された水は、分岐１６から，熱媒体通路８と熱回収路１０に入る。熱回収路１０を通過した温水の温度は燃料電池セル４２で行われている発電の量に対応して変化する。しかし、熱回収路１０に供給される水の量は、熱媒体通路８に供給される水の量に較べると非常に少量であるため、分岐１８で合流したときの温水の温度は、ほぼ５８℃となる。さらに、ミキシングユニット２４と補助熱源２６によって、温水利用装置に供給する温水の温度の調整を正確に行う。
【００２９】
本実施例のコージェネレーションシステムに適用された蓄熱装置は、２種類の融点の異なる潜熱材を収容した蓄熱槽を備えており、大量の潜熱蓄熱を行うことができる。また、蓄熱時に蓄熱槽を通過して冷却された水の出口温度を、蓄熱槽の底部に配置された低融点の第２の潜熱材と同じ温度まで下げることができる。この水を再び発電熱の回収に使用すると、燃料電池セル４２の発電熱を大量に回収すると同時に、燃料電池の冷却水を効率よく冷却することができる。更に、放熱時に潜熱材を通過して加熱された水の出口温度は、蓄熱槽の上部に配置された高融点の第１の潜熱材と同じ温度まで昇温しており、より広い用途に用いることが可能となる。
【００３０】
（第２実施例）  本実施例における蓄熱装置の蓄熱槽２には、酢酸ナトリウムと水とから成る潜熱材が充填されている。酢酸ナトリウムと水の混合比を調整することによって、潜熱材の融点が５段階に調整されている。
温度の高い熱媒体が出入りする蓄熱槽２の上部に、融点が最も高い第１潜熱材が収容されている。第１潜熱材は酢酸ナトリウム３水和物のみからなり、水を含まない。第１潜熱材の下に第２潜熱材が配置され、第２潜熱材の下に第３潜熱材が配置され、第３潜熱材の下に第４潜熱材が配置され、第４潜熱材の下方であって温度の低い熱媒体が出入りする蓄熱槽２の底部に、第５潜熱材が配置されている。番号の大きい潜熱材ほど水の混入量が多く、融点が下げられている。これらの潜熱材は、互いに混じり合うことがないように、それぞれが樹脂製の容器に充填されている。発電装置および発電装置と蓄熱装置を経由する経路は第１実施例と同一の構成を有している。
図３に、蓄熱槽２の上部に設けられた分岐１８からの距離に対する熱媒体通路８内を上部から底部に通過する温水の温度の関係を実線で示し、分岐１８からの距離と蓄熱槽２の中に収容された潜熱材の融点の関係を点線で示す。
発電熱を回収して高温となった温水は、上部から蓄熱槽２に入り、第１潜熱材と熱交換を行う。熱交換によって第１潜熱材が溶解して潜熱蓄熱を行い、温水の温度は第１潜熱材の融点とほぼ同じまで下がる。蓄熱槽２の底部に近づくに連れて潜熱材の融点が順に下がっており、全ての潜熱材を加熱して自身は冷却されることによって、熱媒体通路８を通過する温水の温度も徐々に下がる。蓄熱槽２の底部から出た温水の温度は、底部に収容された第５潜熱材の融点とほぼ同じ温度にまで冷却されている。
【００３１】
本実施例における蓄熱装置の蓄熱槽には、同一の種類の無機水和塩と水の混合割合を変えることによって融点を変えた潜熱材が用いられており、非常に簡易に蓄熱槽の製造を行うことができる。また蓄熱槽の上部と底部で、無機水和塩と水との混合割合を多段階で変えることにより、潜熱材の融点を徐々に変化させている。これにより、熱交換を行う水と潜熱材の温度差を小さくすることができるので、熱交換時の熱の損失を少なくして効率よく熱を供給することができる。
【００３２】
本実施例の潜熱材は、酢酸ナトリウム３水和物に水を添加して融点を調整しているが、他の種類の無機水和塩と融点降下剤を組み合わせて融点を調整した潜熱材を用いてもよい。例えば、チオ硫酸ナトリウム５水和物の無機水和塩を用いたり、塩化ナトリウムの融点降下剤を用いることができる。又、過冷却防止剤や層分離防止剤を添加することもできる。
【００３３】
（第３実施例）  本実施例の蓄熱装置の構成を、図４に示す。第１実施例と構成の同一のものに対しては、同一符号を付与して重複説明を割愛する。
本実施例では、融点の高い潜熱材を収容する第１の蓄熱槽５２と、第１の蓄熱槽よりも融点の低い潜熱材を収容する第２の蓄熱槽５４と、第２の蓄熱槽よりもさらに融点の低い潜熱材を収容する第３の蓄熱槽５６を備えている。前記３つの蓄熱槽５２，５４，５６は、蓄熱時に熱媒体が循環する熱媒体循環路５８と、放熱時に水が蓄熱槽を通過する温水供給路６０の２つの経路によって直列に接続されている。
【００３４】
熱媒体循環路５８は、第１の熱交換器３２と、第２の熱交換器３４と、蓄熱槽５２，５４，５６の間に設けられており、内部に熱媒体が充填されている。蓄熱時には、ポンプ１４が稼働して熱媒体循環路５８の中を熱媒体が循環する。熱媒体循環路５８を循環する熱媒体は、燃料電池セル４２の冷却水と熱交換器３２で熱交換を行って高温となり、改質器４８の高温の燃焼排ガスと熱交換器３４で熱交換を行ってさらに高温となる。高温となった熱媒体は、第１の蓄熱槽５２に入って熱交換を行う。凍結している第１の蓄熱槽５２の潜熱材は溶解して潜熱蓄熱を行い、熱媒体は第１の蓄熱槽５２の潜熱材の融点とほぼ同じ温度となって第１の蓄熱槽５２を出る。次に熱媒体は、第２の蓄熱槽５４に入る。第２の蓄熱槽５４の潜熱材の融点は、第１の蓄熱槽５２の潜熱材よりも低いために、第１の蓄熱槽５２の潜熱材の融点とほぼ同じ温度の熱媒体と熱交換を行い、溶解して潜熱蓄熱を行う。熱媒体は第２の蓄熱槽５４の潜熱材の融点とほぼ同じ温度となって第２の蓄熱槽を出て、第３の蓄熱槽５６に入る。第３の蓄熱槽５６の潜熱材の融点は、第２の蓄熱槽５４の潜熱材よりも更に低いために、熱媒体との熱交換を行って溶解して潜熱蓄熱を行う。熱媒体は、第３の蓄熱槽５６を出るときに、第３の蓄熱槽５６の潜熱材の融点とほぼ同じ温度まで冷却されており、再び熱交換器３２，３４を循環して熱を回収する。
【００３５】
蓄熱槽５２，５４，５６が放熱するときには、温水供給路６０を通過する水に熱が供給される。放熱が開始されると、給水路２２から温水供給路６０に供給された水は、第３の蓄熱槽５６に入り、熱交換を行う。蓄熱して溶解している第３の蓄熱槽５６に低温の水を通過させると、第３の蓄熱槽５６の潜熱材は水に熱を供給して凍結を開始する。第３の蓄熱槽５６を通過した温水供給路６０内の水の温度は、第３の蓄熱槽５６の潜熱材の融点とほぼ同じ温度まで暖められる。第３の蓄熱槽５６を出た温水供給路６０内の水は、第２の蓄熱槽５４の潜熱材と第１の蓄熱槽５２の潜熱材と順に熱交換を行い、第１の蓄熱槽５２の潜熱材の融点とほぼ同じ温度まで昇温して温水となって、ミキシングユニット２４に入る。ミキシングユニット２４に入った温水は、温度を調整された後に、様々な温水利用装置に供給される。
【００３６】
本実施例の蓄熱装置は、収容する潜熱材の融点が異なる複数の蓄熱槽を備えている。蓄熱槽が融点の違いによってユニット化しているので、蓄熱槽の組み合わせを変えて複数の蓄熱槽を接続することにより、容易に必要とされる蓄熱量や温水の供給温度を有する蓄熱装置を得ることができる。
また、蓄熱槽を通過する熱媒体の通路を、蓄熱を行うための循環路と放熱を行うための通路に分けることによって、蓄熱と放熱を同時に行うことができる。
【００３７】
（第４実施例）  本実施例の蓄熱装置の構成を図５に示す。本実施例の蓄熱装置は、同一の形状の蓄熱槽２ａと蓄熱槽２ｂを備えている。熱媒体循環路８は、蓄熱槽２ａ、２ｂの上部で分岐して蓄熱槽２ａ，２ｂを並列に接続し、蓄熱槽２ａ，２ｂの下部で再び合流している。蓄熱槽２ａと２ｂの上部には、融点の高い第１の潜熱材が、同一量収容されている。蓄熱槽２ａと２ｂの底部には、融点の低い第２の潜熱材が、同一量収容されている。蓄熱が行われるときには、高温の熱媒体が蓄熱槽２ａと２ｂを通過する。蓄熱槽２ａと２ｂは同一量の蓄熱を行い、蓄熱槽２ａと２ｂを通過した熱媒体の出口温度はいずれも第２の潜熱材の温度とほぼ等しくなる。放熱が行われて低温の熱媒体が蓄熱槽２ａと２ｂを通過するときには、蓄熱槽２ａと２ｂを通過した熱媒体の出口温度は、いずれも第１の潜熱材の温度とほぼ等しくなる。
本実施例の蓄熱装置は、同一の構成を有する蓄熱槽２ａと２ｂを並列で接続して蓄熱を行っている。熱媒体通路８の接続箇所を増減させることによって、使用する蓄熱槽の数を増減させることができるので、蓄熱量の調整を容易に行うことができる。
【００３８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、実施例では、蓄熱材に、無機水和塩若しくは無機水和塩と融点降下剤の混合物を使用しているが、パラフィン等の有機物化合物や、糖アルコール類を使用することもできる。また、熱媒体として水を用いたが、不凍液等の液体を用いることも可能である。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。
【００３９】
【発明の効果】本願発明の蓄熱装置によると、蓄熱槽に収容する潜熱材として、融点の異なる複数の潜熱材を使用する。一つの蓄熱槽の中に複数の潜熱材が収容される場合には、高温の熱媒体が通過する蓄熱槽の出入口側に融点の高い潜熱材を収容し、低温の熱媒体が通過する蓄熱槽の出入口側には、融点の低い潜熱材を収容する。２以上の蓄熱槽に単一の融点を有する潜熱材を収容して接続する場合には、高い温度の熱媒体が通過する側に融点の高い潜熱材を収容した蓄熱槽を配置し、低い温度の熱媒体が通過する側に融点の低い潜熱材を収容した蓄熱槽を配置する。これにより、蓄熱時には、最初に融点の高い潜熱材が高温の熱媒体にさらされて溶解し、潜熱蓄熱する。熱媒体は、融点の低い潜熱材にまで順に熱を供給して、最も温度の低い潜熱材の融点まで温度が下がる。蓄熱槽の出口では熱媒体の温度が低くなっているので、熱媒体を熱の回収に利用すると再び多くの熱を回収することができる。同時に、融点の異なる潜熱材を収容するそれぞれの蓄熱槽は、大量の熱が潜熱蓄熱されるので、蓄熱効率がよい。
放熱時には、融点の低い潜熱材が最初に低温の熱媒体にさらされて凍結して放熱する。下流に収容されている、より融点の高い熱媒体から熱を供給されて、蓄熱槽を出るときには出口に収容されている潜熱材の融点と同じ高い温度まで昇温するので、熱媒体を様々な熱の供給のために用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の蓄熱装置の構成を模式的に示す図。
【図２】第１実施例の潜熱材を通過した距離に対する熱媒体の温度変化の関係を示す図。
【図３】第２実施例の潜熱材を通過した距離に対する熱媒体の温度変化の関係を示す図。
【図４】第３実施例の蓄熱装置の構成を模式的に示す図。
【図５】第４実施例の蓄熱装置の構成を模式的に示す図。
【図６】従来の蓄熱装置の構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
２，２ａ，２ｂ，５２，５４，５６，１２０：蓄熱槽
４：第１の潜熱材
６：第２の潜熱材
８：熱媒体通路
１０，１１２：熱回収路
１２：熱供給路
１４，１２６：ポンプ
１６，１８，２０，１１４，１２８：分岐
２２，１３０：給水路
２４：ミキシングユニット
２６：補助熱源
３２，３４，１０６：熱交換器
４２，１０２：燃料電池セル
４４，１０４：冷却用循環路
５８：熱媒体循環路
６０：温水供給路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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