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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025037372
(43)【公開日】2025-03-18
(54)【発明の名称】発電システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20250311BHJP
H01M 8/00 20160101ALI20250311BHJP
H01M 8/04014 20160101ALI20250311BHJP
F25B 21/02 20060101ALI20250311BHJP
F24H 1/00 20220101ALI20250311BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 Z
H01M8/00 Z
H01M8/04014
F25B21/02 N
F25B21/02 K
F24H1/00 A
F24H1/00 631A
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023144267
(22)【出願日】2023-09-06
(71)【出願人】
【識別番号】000236056
【氏名又は名称】三菱電機ビルソリューションズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003199
【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】森本 哲彦
【テーマコード（参考）】
3L122
5H127
【Ｆターム（参考）】
3L122AA02
3L122AA03
3L122AA12
3L122AA28
3L122AA53
3L122AA73
3L122AB22
3L122AB33
5H127AA07
5H127AB02
5H127AB21
5H127AB23
5H127AC15
5H127BA05
5H127BA13
5H127BA18
5H127BA34
5H127BA37
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB19
5H127BB37
5H127GG04
5H127GG09
(57)【要約】
【課題】ペルチェチラーのエネルギーを有効に利用することができる発電システムを提供する。
【解決手段】発電システムは、燃料電池と、燃料電池が発電する直流電流を変換するインバータと、ペルチェ素子によって一次側流体と二次側流体との間の熱移動を行うことで、二次側流体を冷却する冷却運転または二次側流体を加熱する加熱運転を行うペルチェチラーと、ペルチェチラーに接続され、ペルチェチラーから熱移動が行われた後に排出される一次側流体である空気を内部に通す排気配管と、を備え、排気配管は、インバータに一次側流体が当たるように一次側流体を排出する第１流路と、インバータに一次側流体が当たらないように一次側流体を排出する第２流路と、を有し、ペルチェチラーが冷却運転を行っているときに一次側流体が第２流路を通り、ペルチェチラーが加熱運転を行っているときに一次側流体が第１流路を通る。
【選択図】図４
【解決手段】発電システムは、燃料電池と、燃料電池が発電する直流電流を変換するインバータと、ペルチェ素子によって一次側流体と二次側流体との間の熱移動を行うことで、二次側流体を冷却する冷却運転または二次側流体を加熱する加熱運転を行うペルチェチラーと、ペルチェチラーに接続され、ペルチェチラーから熱移動が行われた後に排出される一次側流体である空気を内部に通す排気配管と、を備え、排気配管は、インバータに一次側流体が当たるように一次側流体を排出する第１流路と、インバータに一次側流体が当たらないように一次側流体を排出する第２流路と、を有し、ペルチェチラーが冷却運転を行っているときに一次側流体が第２流路を通り、ペルチェチラーが加熱運転を行っているときに一次側流体が第１流路を通る。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池と、
前記燃料電池が発電する直流電流を交流電流に変換するインバータと、
前記燃料電池が発電する電気によって動作し、ペルチェ素子によって一次側流体と二次側流体との間の熱移動を行うことで、前記二次側流体を冷却する冷却運転または前記二次側流体を加熱する加熱運転を行うペルチェチラーと、
前記ペルチェチラーに接続され、前記ペルチェチラーから熱移動が行われた後に排出される前記一次側流体である空気を内部に通す排気配管と、
を備え、
前記排気配管は、
前記インバータに前記一次側流体が当たるように前記一次側流体を排出する第１流路と、
前記インバータに前記一次側流体が当たらないように前記一次側流体を排出する第２流路と、
を有し、
前記ペルチェチラーが前記冷却運転を行っているときに前記一次側流体が前記第２流路を通り、前記ペルチェチラーが前記加熱運転を行っているときに前記一次側流体が前記第１流路を通る発電システム。
前記燃料電池が発電する直流電流を交流電流に変換するインバータと、
前記燃料電池が発電する電気によって動作し、ペルチェ素子によって一次側流体と二次側流体との間の熱移動を行うことで、前記二次側流体を冷却する冷却運転または前記二次側流体を加熱する加熱運転を行うペルチェチラーと、
前記ペルチェチラーに接続され、前記ペルチェチラーから熱移動が行われた後に排出される前記一次側流体である空気を内部に通す排気配管と、
を備え、
前記排気配管は、
前記インバータに前記一次側流体が当たるように前記一次側流体を排出する第１流路と、
前記インバータに前記一次側流体が当たらないように前記一次側流体を排出する第２流路と、
を有し、
前記ペルチェチラーが前記冷却運転を行っているときに前記一次側流体が前記第２流路を通り、前記ペルチェチラーが前記加熱運転を行っているときに前記一次側流体が前記第１流路を通る発電システム。
【請求項2】
前記燃料電池で発電に利用された燃料ガスを燃焼させるバーナーと、
前記バーナーからの排熱と給湯水との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器で加熱された給湯水を溜める貯湯槽と、
を更に備え、
前記ペルチェチラーは、前記加熱運転において、前記貯湯槽から供給された給湯水を前記二次側流体として加熱する請求項１に記載の発電システム。
前記バーナーからの排熱と給湯水との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器で加熱された給湯水を溜める貯湯槽と、
を更に備え、
前記ペルチェチラーは、前記加熱運転において、前記貯湯槽から供給された給湯水を前記二次側流体として加熱する請求項１に記載の発電システム。
【請求項3】
前記燃料電池と前記ペルチェチラーとの間に電気的に接続され、前記燃料電池によって発電された直流電流を前記ペルチェチラーに供給するコンバータ、
を更に備え、
前記ペルチェチラーのペルチェ素子は、前記コンバータから供給された直流電流によって熱移動を行い、
前記排気配管は、
前記第２流路から分岐し、前記コンバータに当たるように前記一次側流体の一部を排出する第３流路、
を更に有し、
前記ペルチェチラーが前記冷却運転を行っているときに前記一次側流体が前記第３流路を通らず、前記ペルチェチラーが前記加熱運転を行っているときに前記一次側流体が前記第３流路を通る請求項１または請求項２に記載の発電システム。
を更に備え、
前記ペルチェチラーのペルチェ素子は、前記コンバータから供給された直流電流によって熱移動を行い、
前記排気配管は、
前記第２流路から分岐し、前記コンバータに当たるように前記一次側流体の一部を排出する第３流路、
を更に有し、
前記ペルチェチラーが前記冷却運転を行っているときに前記一次側流体が前記第３流路を通らず、前記ペルチェチラーが前記加熱運転を行っているときに前記一次側流体が前記第３流路を通る請求項１または請求項２に記載の発電システム。
【請求項4】
前記第２流路は、発電に利用される空気を前記燃料電池に供給する配管に接続され、
前記ペルチェチラーが前記冷却運転を行っているときに、前記一次側流体が前記第２流路を通って前記燃料電池に反応のための空気として供給される請求項１または請求項２に記載の発電システム。
前記ペルチェチラーが前記冷却運転を行っているときに、前記一次側流体が前記第２流路を通って前記燃料電池に反応のための空気として供給される請求項１または請求項２に記載の発電システム。
【請求項5】
前記ペルチェチラーのペルチェ素子に流れる電流の向きを、前記冷却運転が行われる冷却方向と前記加熱運転が行われる加熱方向との間で変化させる切替回路と、
前記第１流路の途中に設けられ、前記第１流路を開閉する冷風ダンパと、
前記第２流路の途中に設けられ、前記第２流路を開閉する温風ダンパと、
前記切替回路と連動して、前記冷風ダンパおよび前記温風ダンパの開閉動作を切り替えるダンパ回路と、
を更に備え、
前記ダンパ回路は、
前記切替回路に流れる電流が前記冷却方向の状態であるときに、前記冷風ダンパを閉じて、前記温風ダンパを開け、
前記切替回路に流れる電流が前記加熱方向の状態であるときに、前記冷風ダンパを開けて、前記温風ダンパを閉じる請求項４に記載の発電システム。
前記第１流路の途中に設けられ、前記第１流路を開閉する冷風ダンパと、
前記第２流路の途中に設けられ、前記第２流路を開閉する温風ダンパと、
前記切替回路と連動して、前記冷風ダンパおよび前記温風ダンパの開閉動作を切り替えるダンパ回路と、
を更に備え、
前記ダンパ回路は、
前記切替回路に流れる電流が前記冷却方向の状態であるときに、前記冷風ダンパを閉じて、前記温風ダンパを開け、
前記切替回路に流れる電流が前記加熱方向の状態であるときに、前記冷風ダンパを開けて、前記温風ダンパを閉じる請求項４に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、発電システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１は、燃料電池を利用した発電システムを開示する。発電システムには、吸着剤に冷媒を吸着および脱離させることで冷凍能力を発揮する吸着式冷凍機が含まれる。当該発電システムにおいて、吸着式冷凍機で冷媒が吸着される際に発生する凝縮熱によって、燃料電池で利用する空気が余熱される。そのため、発電システムのエネルギー効率が向上し得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１１－１５３７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
燃料電池を中心とした発電等を行うシステムでは、吸着式冷凍機に代えてペルチェチラーが採用されることがある。ペルチェチラーは、ペルチェ素子を利用したチラーであり、対象媒体の冷却だけでなく加熱を行うことができる。対象媒体の加熱が行われる際には、大気温度よりも低温の冷風が発生する。一方で、特許文献１に記載の発電システムでは、冷風を利用することがない。このように、当該冷風を有効に活用する技術が検討されてこなかった。
【0005】
本開示は、上述の課題を解決するためになされた。本開示の目的は、燃料電池による発電を行うシステムにおいてペルチェチラーのエネルギーを有効に利用することができる発電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】
【0006】
本開示に係る発電システムは、燃料電池と、燃料電池が発電する直流電流を交流電流に変換するインバータと、燃料電池が発電する電気によって動作し、ペルチェ素子によって一次側流体と二次側流体との間の熱移動を行うことで、二次側流体を冷却する冷却運転または二次側流体を加熱する加熱運転を行うペルチェチラーと、ペルチェチラーに接続され、ペルチェチラーから熱移動が行われた後に排出される一次側流体である空気を内部に通す排気配管と、を備え、排気配管は、インバータに一次側流体が当たるように一次側流体を排出する第１流路と、インバータに一次側流体が当たらないように一次側流体を排出する第２流路と、を有し、ペルチェチラーが冷却運転を行っているときに一次側流体が第２流路を通り、ペルチェチラーが加熱運転を行っているときに一次側流体が第１流路を通る。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、ペルチェチラーが加熱運転を行っているときに、一次側流体は、第１流路を通ってインバータに当たる。この一次側流体は、大気温度よりも低温の冷風である。当該冷風によって、インバータが冷却される。このため、燃料電池による発電を行うシステムにおいてペルチェチラーのエネルギーを有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施の形態１における発電システムの概要図である。
【図2】実施の形態１における発電システムのペルチェチラーの概要図である。
【図3】実施の形態１における発電システムのダンパ回路の概要を示す図である。
【図4】実施の形態１における発電システムのペルチェチラーが加熱運転を行っているときの概要図である。
【図5】実施の形態１における発電システムのペルチェチラーが冷却運転を行っているときの概要図である。
【図6】実施の形態１における発電システム１の変形例の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
本開示を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には同一の符号が付される。当該部分の重複説明は適宜に簡略化ないし省略される。
【0010】
【0011】
図１に示される発電システム１は、都市ガスまたはＬＰガス等の燃料ガスから電気およびお湯を段階的に作り出すコジェネレーションシステムである。例えば、発電システム１は、住居、ビル、等の人が居住または活動する建物に設けられる。発電システム１は、パワコンユニット２と給湯ユニット１６とペルチェチラー３０とを備える。なお、図１において、実線の矢印は、気体または液体である流体の配管および経路を示す。破線の矢印は、電気の経路を示す。
【0012】
パワコンユニット２は、燃料ガスから電気およびお湯を作り出す。パワコンユニット２は、燃料電池ユニット３とインバータ１０と熱交換器１１と改質水タンク１２と改質水ポンプ１３と燃料昇圧ポンプ１４とカソード側空気ファン１５とを備える。
【0013】
燃料電池ユニット３は、空気中の酸素分子と燃料ガスとの間の酸化反応から、電気を取り出す燃料電池である。本実施の形態では、固体酸化物を電解質として利用したＳＯＦＣ方式の燃料電池が例示される。燃料電池ユニット３は、脱硫器４と改質器５と反応器６とバーナー７とを備える。
【0014】
脱硫器４には、供給口から燃料供給管２０を介して燃料ガスが供給される。燃料供給管２０の途中には、燃料昇圧ポンプ１４が設けられる。脱硫器４には、燃料昇圧ポンプ１４で昇圧された燃料ガスが吹き込まれる。脱硫器４は、燃料ガスを脱硫する、即ち燃料ガス中の硫黄成分を除去する。
【0015】
改質器５には、吹込管２１を介して脱硫器４で脱硫された燃料ガスが吹き込まれる。改質器５は、改質水タンク１２から改質水管２２を介して改質用水の供給を受ける。改質水管２２の途中には、改質水ポンプ１３が設けられる。改質器５には、改質水ポンプ１３で昇圧された改質用水が吹き込まれる。改質器５は、燃料ガスと改質用水とを反応させて、改質された燃料ガスを生成する。改質された燃料ガスは、燃料電池の酸化反応に利用される成分が改質前よりも多い燃料ガスである。例えば、改質された燃料ガスには、水素分子のガスが改質前よりも多い。
【0016】
反応器６は、燃料極部６ａと空気極部６ｂとを有する。燃料極部６ａには、改質された燃料ガスが吹き込まれる。空気極部６ｂには、吸気配管を通って、カソード側空気ファン１５で昇圧された空気が吹き込まれる。例えば、燃料極部６ａと空気極部６ｂとの間の電解質を酸素イオンが移動することで、総括的に以下の式（１）のような酸化反応が起こる。反応器６では、酸化反応によって燃料極部６ａと空気極部６ｂとの間に生じる電位差に基づいて流れる電気が取り出される。以降では、当該参加反応によって電気が取り出されることは、発電とも呼称される。
２Ｈ２＋Ｏ２＝２Ｈ２Ｏ （１）
２Ｈ２＋Ｏ２＝２Ｈ２Ｏ （１）
【0017】
バーナー７には、燃料極部６ａで反応した後の燃料ガスと、空気極部６ｂで反応した後の空気と、が吹き込まれる。バーナー７は、燃料ガスと空気とを燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する。
【0018】
インバータ１０は、反応器６で発電された電気である直流電流を交流電流に変換する。例えば、インバータ１０で変換された交流電流は、商用電源として住居等で利用される。
【0019】
熱交換器１１には、バーナー７から燃焼ガスが吹き込まれる。熱交換器１１は、燃焼ガスと水との熱交換を行って、加熱された水である給湯水を生成する。水は、水道管等の水源または給湯ユニット１６から供給される。熱交換器１１から、熱交換が行われた後の燃焼ガスが排気される。
【0020】
給湯ユニット１６は、貯湯槽１７と廃熱回収ポンプ１８と補助給湯器１９とを備える。貯湯槽１７には、熱交換器１１等で加熱された給湯水が貯められる。例えば、貯湯槽１７において、給湯水は、温度差によって、上下方向において温度の異なる複数の層に分離する。貯湯槽１７は、行き配管２３と戻り配管２４とによって熱交換器１１と接続される。貯湯槽１７は、水道管等の水源、熱交換器１１、および補助給湯器１９から水または湯水の供給を受ける。例えば、貯湯槽１７に貯められた給湯水は、住居において、給湯水または暖房用水として利用される。
【0021】
廃熱回収ポンプ１８は、行き配管２３の途中に設けられる。廃熱回収ポンプ１８は、貯湯槽１７、行き配管２３、熱交換器１１、および戻り配管２４を順に通る水流を生み出す。補助給湯器１９は、加熱バーナーである。例えば、補助給湯器１９は、図示されないガスを空気によって燃焼させるバーナーである。補助給湯器１９は、貯湯槽１７に貯められた給湯水の熱量が低下した場合、貯湯槽１７の内部の給湯水または水源からの水を加熱して、貯湯槽１７に供給する。
【0022】
ペルチェチラー３０は、ペルチェ素子を利用して熱交換を行うチラーである。ペルチェチラー３０は、ノンフロン式のチラーであるため、フロン等の冷媒を利用したチラーと比べてオゾン層破壊の心配がない。また、ペルチェチラー３０は、圧縮機を利用しないので、フロン等の冷媒を利用したチラーと比べて動作時の騒音が極めて小さい。
【0023】
ペルチェチラー３０は、一次側流体と二次側流体との間で熱移動を行う。一次側流体は、空気である。一次側流体は、吸気口３０ａから取り入れられて、排気口３０ｂから排出される。本例において、二次側流体は、水である。二次側流体は、給水口３０ｃから取り入れられて、排水口３０ｄから排出される。ペルチェチラー３０は、二次側流体を冷却する冷却運転および二次側流体を加熱する加熱運転を行い得る。一例として、二次側流体である給湯水は、貯湯槽１７から送り配管２５を通って、給水口３０ｃに取り入れられる。その後、正確に温度調整されて排水口３０ｄから排出された給湯水は、送り配管２６を通って住居等で給湯水として利用される。
【0024】
【0025】
熱移動器３１は、ペルチェ素子を利用して、一次側流体と二次側流体との間で熱を移動させる。熱の移動は、ペルチェ素子に電流が流されることで行われる。この際、電流の方向によって、熱移動の方向が異なる。熱移動器３１には、Ｎ型半導体３１ａとＰ型半導体３１ｂと金属体３１ｃとの組が複数設けられる。図２には当該組のうちの一つの概要が示される。一例として、Ｎ型半導体３１ａおよびＰ型半導体３１ｂは、吸気口３０ａと排気口３０ｂとの間の一次側流体と熱交換が可能である。金属体３１ｃは、給水口３０ｃと排水口３０ｄとの間の二次側流体と熱交換が可能である。ペルチェ素子では、Ｎ型半導体３１ａおよびＰ型半導体３１ｂと、金属体３１ｃと、の間で熱移動が行われる。当該熱移動によって生じた一次側流体および二次側流体との間の温度勾配によって、ペルチェ素子と一次側流体との熱交換およびペルチェ素子と二次側流体との熱交換がそれぞれ行われる。
【0026】
排気ファン３２は、熱移動器３１と排気口３０ｂとの間に設けられる。排気ファン３２は、吸気口３０ａから熱移動器３１、排気口３０ｂを通る一次側流体の流れを生成する。水側ポンプ３３は、給水口３０ｃと熱移動器３１との間に設けられる。水側ポンプ３３は、給水口３０ｃから熱移動器３１、排水口３０ｄを通る二次側流体の流れを生成する。
【0027】
コンバータ３４は、ＤＣ／ＤＣコンバータである。コンバータ３４は、燃料電池ユニット３の反応器６とペルチェチラー３０との間に電気的に接続される。コンバータ３４は、燃料電池ユニット３で発電された直流電流をペルチェチラー３０に供給する。この際、コンバータ３４は、燃料電池ユニット３で発電された直流電流の電圧等をペルチェチラー３０での利用に適した数値に変換する。
【0028】
図２に示されるように、温度センサ３５は、送り配管２６の途中に設けられる。温度センサ３５は、二次側流体の温度を測定する。温度調節器３６は、コンバータ３４と熱移動器３１との間に電気的に接続される。温度調節器３６は、温度センサ３５から二次側流体の温度の測定結果を受信する。温度調節器３６は、図示されない制御装置からの二次側流体の温度指令値Ｏと温度センサ３５からの測定温度との差が小さくなるよう、二次側流体の温度を調節する。この際、温度調節器３６は、コンバータ３４から熱移動器３１へ流れる電流の大きさ等を制御することで、排出される二次側流体の温度を調節する。例えば、温度調節器３６は、電流のＯＮとＯＦＦとを切り替えることで、熱移動器３１において規定の時間あたりに移動する熱の量を制御し、排出される二次側流体の温度を調節する。なお、温度調節器３６によって行われる温度制御は、電流の大きさを直接調整される等によって行われてもよい。また、温度制御の手法には、ＰＩＤ制御等の任意の手法が採用されればよい。
【0029】
切替回路３７は、コンバータ３４と熱移動器３１との間に電気的に接続される。具体的には、切替回路３７は、コンバータ３４の＋極と－極とにそれぞれ接続される。切替回路３７は、熱移動器３１のＮ型半導体３１ａとＰ型半導体３１ｂとにそれぞれ接続される。なお、図２に示されるように、例えば、温度調節器３６は、切替回路３７とＮ型半導体３１ａとの間に設けられる。切替回路３７は、コンバータ３４の＋極および－極と、熱移動器３１のＮ型半導体３１ａおよびＰ型半導体３１ｂと、の接続状態を２つの接点Ｘ１によって切り替えることで、熱移動器３１に流れる電流の方向を切り替える。具体的には、切替回路３７は、熱移動器３１に流れる電流の方向を、加熱方向と冷却方向との間で変化させる。加熱方向は、熱移動器３１において加熱運転が行われる電流の方向である。冷却方向は、加熱方向とは逆の方向であって、熱移動器３１において冷却運転が行われる電流の方向である。
【0030】
特に図１に示されるように、発電システム１は、排気配管１００とダンパユニット６０とを更に備える。
【0031】
排気配管１００は、排出管１０１と第１冷風管１０２と第２冷風管１０３と第１温風管１０４と第２温風管１０５と外気管１０６とを有する。排出管１０１は、排気口３０ｂに接続され、一次側流体をペルチェチラー３０から排出する管である。
【0032】
第１冷風管１０２は、一端部において、分岐管１１０によって排出管１０１と繋がれる。第１冷風管１０２のうち一端部とは反対側の他端部の開口は、インバータ１０に向けられる。このように、第１冷風管１０２は、インバータ１０に当たるように一次側流体を排出する。なお、第１冷風管１０２は、インバータ１０の内部に繋げられてもよいし、第１冷風管１０２の途中にインバータ１０の内部を冷却するためのヒートシンク等が設けられてもよい。この場合においても、一次側流体は、インバータ１０に当たることとなる。
【0033】
第２冷風管１０３の一端部は、分岐管１１０によって、第１冷風管１０２の途中部分に接続される。第２冷風管１０３の他端部は、コンバータ３４に向けられる。このように、第２冷風管１０３は、コンバータ３４に当たるように、一次側流体の一部を排出する。なお、第２冷風管１０３は、コンバータ３４の内部に繋げられてもよいし、第２冷風管１０３の途中にコンバータ３４の内部を冷却するためのヒートシンク等が設けられてもよい。この場合においても、一次側流体は、コンバータ３４に当たることとなる。
【0034】
第１温風管１０４の一端部は、分岐管１１１によって、排出管１０１と第１冷風管１０２との分岐部分に接続される。第１温風管１０４の他端部は、吸気配管として、反応器６の空気極部６ｂに接続される。第１温風管１０４の途中には、カソード側空気ファン１５が設けられる。
【0035】
第２温風管１０５の一端部は、分岐管１１２によって、第１温風管１０４の途中部分に接続される。第２温風管１０５の他端部は、補助給湯器１９の吸気部分に接続される。
【0036】
外気管１０６の一端部は、分岐管１１３によって、第１温風管１０４の途中部分に接続される。具体的には、外気管１０６の一端部は、第１温風管１０４における排出管１０１との接続部分と第２温風管１０５との接続部分との間に位置する途中部分に接続される。外気管１０６の他端部は、外気に開放される。外気管１０６の他端部において、外気が外気管１０６の内部に自由に取り込まれ得る。
【0037】
ダンパユニット６０は、冷風ダンパ６１と温風ダンパ６２と吸気ダンパ６３とダンパ回路６４とを備える。冷風ダンパ６１と温風ダンパ６２と吸気ダンパ６３とは、いずれも管内の風路を遮断または開放することで、管を開閉可能なモーターダンパである。なお、図１および図２において、ダンパ回路６４の図示が省略されている。
【0038】
冷風ダンパ６１は、第１冷風管１０２において、排出管１０１との接続部分から第２冷風管１０３との接続部分までの間に設けられる。冷風ダンパ６１は、第１冷風管１０２の設置部分を開閉可能である。
【0039】
温風ダンパ６２は、第１温風管１０４において、排出管１０１との接続部分から外気管１０６との接続部分までの間に設けられる。温風ダンパ６２は、第１温風管１０４の設置部分を開閉可能である。
【0040】
吸気ダンパ６３は、外気管１０６において、第１温風管１０４との接続部分から外気への開放部分までの間に設けられる。吸気ダンパ６３は、外気管１０６の設置部分を開閉可能である。
【0041】
ダンパ回路６４は、冷風ダンパ６１、温風ダンパ６２、および吸気ダンパ６３の開閉動作を制御可能である。ダンパ回路６４は、切替回路３７と連動して動作する。
【0042】
【0043】
ダンパ回路６４において、セレクタスイッチＣＯＳは、リレーＸ１のコイルＣＸ１への通電を制御する。リレーＸ１は、図２に示された切替回路３７の２つの接点Ｘ１と対応する。セレクタスイッチＣＯＳがＯＮ状態であるとき、リレーＸ１のコイルＣＸ１に電流が流れる。この状態において、図３には示されない切替回路３７では、冷却方向の電流が流れる。即ち、セレクタスイッチＣＯＳがＯＮ状態であるとき、ペルチェチラー３０は、冷却運転を行う。また、セレクタスイッチＣＯＳがＯＦＦ状態であるとき、切替回路３７には加熱方向の電流が流れ、ペルチェチラー３０は加熱運転を行う。
【0044】
ダンパ回路６４において、冷却接点Ｘ１ａと加熱接点Ｘ１ｂとは、リレーＸ１と対応する。冷却接点Ｘ１ａは、ａ接点である。加熱接点Ｘ１ｂは、ｂ接点である。セレクタスイッチＣＯＳがＯＮ状態であるとき、ペルチェチラー３０は冷却運転を行い、冷却接点Ｘ１ａは閉成しており、加熱接点Ｘ１ｂは開放している。セレクタスイッチＣＯＳがＯＦＦ状態であるとき、ペルチェチラー３０は加熱運転を行い、冷却接点Ｘ１ａは開放しており、加熱接点Ｘ１ｂは閉成している。
【0045】
冷風ダンパ６１と温風ダンパ６２と吸気ダンパ６３とは、コイルに電流が流れていないときに閉となり、コイルに電流が流れているときに開となる。冷却接点Ｘ１ａが閉成しているとき、温風ダンパ６２のコイルＣ６２に電流が流れ、温風ダンパ６２が開く。加熱接点Ｘ１ｂが閉成しているとき、冷風ダンパ６１のコイルＣ６１および吸気ダンパ６３のコイルＣ６３に電流が流れ、冷風ダンパ６１および吸気ダンパ６３が開く。
【0046】
このように、ダンパ回路６４は、切替回路３７と連動している。具体的には、ダンパ回路６４は、切替回路３７で冷却方向の電流が流れているとき、冷風ダンパ６１および吸気ダンパ６３を閉じて、温風ダンパ６２を開ける。ダンパ回路６４は、切替回路３７で加熱方向の電流が流れているとき、冷風ダンパ６１および吸気ダンパ６３を開けて、温風ダンパ６２を閉じる。
【0047】
次に、ペルチェチラー３０の運転によって変わる一次側流体の流路を説明する。
図４は実施の形態１における発電システムのペルチェチラーが加熱運転を行っているときの概要図である。図５は実施の形態１における発電システムのペルチェチラーが冷却運転を行っているときの概要図である。なお、図４および図５では、温度調節器３６の図示が省略される。
図４は実施の形態１における発電システムのペルチェチラーが加熱運転を行っているときの概要図である。図５は実施の形態１における発電システムのペルチェチラーが冷却運転を行っているときの概要図である。なお、図４および図５では、温度調節器３６の図示が省略される。
【0048】
図４には、排気配管１００のうちペルチェチラー３０が加熱運転を行っているときの流路が示される。ペルチェチラー３０は、一次側流体から二次側流体に熱を移動させる。二次側流体である給湯水は、温度調節器３６によって温度制御がされながら、加熱される。加熱された給湯水は、住居等で利用される。一次側流体は、ペルチェ素子によって熱を奪われる。このため、ペルチェチラー３０の排気口３０ｂからは、大気温度よりも低い温度の冷風が排気される。
【0049】
この際、冷風ダンパ６１および吸気ダンパ６３は、開いている。温風ダンパ６２は、閉じている。その結果、排気配管１００では、一次側流体の排出流路として、第１流路Ｆ１、第３流路Ｆ３、および外気流路Ｆｏが形成される。
【0050】
第１流路Ｆ１は、排出管１０１、分岐管１１１、および分岐管１１０を含む第１冷風管１０２を順に通ってインバータ１０に当たるような経路である。一次側流体は、第１流路Ｆ１を通った後、インバータ１０に当たって、大気へ排気される。
【0051】
第３流路Ｆ３は、分岐管１１０で第１流路Ｆ１から分岐した後、第２冷風管１０３を通ってコンバータ３４に当たるような流路である。一次側流体は、第３流路Ｆ３を通った後、コンバータ３４に当たって、大気へ排気される。なお、第３流路Ｆ３は、第１流路Ｆ１の一部を含むとみなされる、即ち排出管１０１、分岐管１１１、第１冷風管１０２の一部、分岐管１１０、および第２冷風管１０３を順に通る流路とみなされてもよい。
【0052】
外気流路Ｆｏは、吸気配管として機能する経路である。外気流路Ｆｏは、外気管１０６、分岐管１１３、分岐管１１２を含む第１温風管１０４の一部を順に通って反応器６の空気極部６ｂに取り込まれる流路である。また、外気流路Ｆｏは、分岐管１１２で分岐した後、第２温風管１０５を通って補助給湯器１９に取り込まれる流路も含む。
【0053】
インバータ１０およびコンバータ３４は、第１流路Ｆ１または第３流路Ｆ３を通った当該冷風が当たることで、冷却される。この際、空気極部６ｂでは、外気から取り込まれた空気が発電に利用される。また、補助給湯器１９では、外気から取り込まれた空気がバーナーの燃焼用空気として利用される。
【0054】
図５には、排気配管１００のうちペルチェチラー３０が冷却運転を行っているときの流路が示される。ペルチェチラー３０は、二次側流体から一次側流体に熱を移動させる。二次側流体である給湯水は、温度調節器３６によって温度制御がされながら、冷却される。冷却された給湯水は、住居等で利用される。一次側流体は、ペルチェ素子によって熱を与えられる。ペルチェチラー３０の排気口３０ｂからは、大気温度よりも高い温度の温風が排気される。
【0055】
この際、冷風ダンパ６１および吸気ダンパ６３は、閉じている。温風ダンパ６２は、開いている。その結果、排気配管１００では、一次側流体の排出流路として、第２流路Ｆ２および第４流路Ｆ４が形成される。なお、冷却運転が行われているとき、一次側流体は、第１流路Ｆ１および第３流路Ｆ３を通らない。
【0056】
第２流路Ｆ２は、インバータ１０に当たらないように一次側流体を排出する流路である。第２流路Ｆ２は、排出管１０１、分岐管１１１、および分岐管１１３と分岐管１１２を含む第１温風管１０４を順に通って空気極部６ｂに取り込まれる流路である。第２流路Ｆ２は、吸気配管として機能する流路である。即ち、一次側流体は、第２流路Ｆ２を通った後、空気極部６ｂにおいて発電に利用される。
【0057】
第４流路Ｆ４は、分岐管１１２で第２流路Ｆ２から分岐した後、第２温風管１０５を通って補助給湯器１９に取り込まれる流路である。一次側流体は、第４流路Ｆ４を通った後、補助給湯器１９においてバーナーの燃焼用空気として利用される。なお、第４流路Ｆ４は、第２流路Ｆ２の一部を含むとみなされる、即ち排出管１０１、分岐管１１１、および分岐管１１３を含む第１温風管１０４の一部、分岐管１１２、および第２温風管１０５を順に通る流路とみなされてもよい。
【0058】
反応器６において、大気よりも温度の高い空気が発電に利用されるため、発電効率が向上する。補助給湯器１９において、大気よりも温度の高い空気が燃焼に利用されるため、エネルギー効率が向上する。
【0059】
以上で説明した実施の形態１によれば、発電システム１は、燃料電池とインバータ１０とペルチェチラー３０と排気配管１００とを備える。排気配管１００は、第１流路Ｆ１と第２流路Ｆ２とを有する。ペルチェチラー３０が冷却運転を行っているとき、温風である一次側流体は、インバータ１０には当たらない第２流路Ｆ２を通る。ペルチェチラー３０が加熱運転を行っているとき、冷風である一次側流体は、インバータ１０に当たる第１流路Ｆ１を通る。インバータ１０は、電力を変換する際に発熱する。冷風は、このインバータ１０を冷却する。冷却によって、インバータ１０の平均的な動作温度が低下するため、インバータ１０の故障が発生しにくくなる。このように、燃料電池による発電を行うシステムにおいてペルチェチラー３０のエネルギーを有効に利用することができる。
【0060】
更に、ペルチェチラー３０は、燃料電池が発電した電流を利用して熱移動を行う。このように、ペルチェチラー３０で利用する電気がペルチェチラー３０の近傍で発電されるため、発電所から送電された電気を利用する場合と比べて、送電中の電気のロスが低減される。このため、省エネルギー化が達成され、ＣＯ２の排出が抑制され得る。また、発電所から住居等に電気が届かない停電の状態になったとしても、ガス等によってペルチェチラー３０は、動作し得る。
【0061】
また、発電システム１は、バーナー７と熱交換器１１と貯湯槽１７とを更に備える。バーナー７では、燃料電池で利用された燃料ガスが燃焼されて、排熱として排出される。熱交換器１１では、当該排熱と給湯水との熱交換が行われて給湯水が加熱される。加熱された給湯水は、貯湯槽１７に溜められる。ペルチェチラー３０は、加熱運転において、貯湯槽１７から供給された給湯水を二次側流体として加熱する。貯湯槽１７から直接的に供給される場合と比べて、ペルチェチラー３０によってより高精度に給湯水の温度制御がなされる。このため、住居等へ供給する給湯水の温度をより高い精度で制御することができる。
【0062】
また、発電システム１は、コンバータ３４を更に備える。ペルチェチラー３０がコンバータ３４で変換された電流を利用して加熱運転を行っているとき、排気配管１００の第３流路Ｆ３によって、ペルチェチラー３０から排出される一次側流体である冷風は、コンバータ３４に当たる。コンバータ３４は、冷風によって冷却される。このため、コンバータ３４がより低い温度で動作することができ、コンバータ３４の故障率を低下させることができる。
【0063】
また、ペルチェチラー３０が冷却運転を行っているとき、排気配管１００の第２流路Ｆ２を通った一次側流体である温風は、燃料電池の空気極部６ｂに反応のための空気として供給される。燃料電池では、大気よりも高い温度の空気が反応に利用される。このため、燃料電池におけるエネルギー効率を向上させることができる。
【0064】
また、発電システム１は、切替回路３７と冷風ダンパ６１と温風ダンパ６２とダンパ回路６４とを更に備える。ダンパ回路６４と切替回路３７とは、連動して動作する。ダンパ回路６４は、切替回路３７に流れる電流が冷却方向の状態であるときに、冷風ダンパ６１を閉じて、温風ダンパ６２を開ける。この場合、一次側流体である温風は、第１流路Ｆ１を通らず、第２流路Ｆ２を通る。また、ダンパ回路６４は、切替回路３７に流れる電流が加熱方向の状態であるときに、冷風ダンパ６１を開けて、温風ダンパ６２を閉じる。この場合、一次側流体である冷風は、第２流路Ｆ２を通らず、第１流路Ｆ１を通る。このように、ペルチェチラー３０の運転状態と、排気配管１００の流路とを同時に切り替えることができる。
【0065】
なお、ペルチェチラー３０で冷却運転が行われているとき、吸気ダンパ６３は、全閉状態でなく、適度に開放された状態であってもよい。この状態において、第２流路Ｆ２および第４流路Ｆ４には、一次側流体と大気との混合気体が通過してもよい。この場合であっても、大気よりも温度の高い空気が発電および燃焼に利用され得る。
【0066】
なお、燃料電池は、ＳＯＦＣ方式のものに限定されない。また、燃料電池において利用される燃焼ガスおよび燃料電池において起こる化学反応は、本実施の形態に示された例に限定されない。
【0067】
なお、ペルチェチラー３０の二次側流体は、貯湯槽１７ではなく、上水道等の水源から供給されてもよい。また、ペルチェチラー３０の二次側流体は、水ではなく任意の流体であってもよい。
【0068】
なお、発電システム１には、貯湯槽１７による給湯設備が設けられなくてもよい。
図６は実施の形態１における発電システム１の変形例の概要図である。
図６に示されるように、実施の形態１における排気配管１００は、貯湯槽１７等が設けられていない発電システム１にも適用されることが可能である。
図６は実施の形態１における発電システム１の変形例の概要図である。
図６に示されるように、実施の形態１における排気配管１００は、貯湯槽１７等が設けられていない発電システム１にも適用されることが可能である。
【0069】
以上の説明をまとめると、本開示に係る技術の取りうる構成は、以下に付記として示す各構成などを含む。
（付記１）
燃料電池と、
前記燃料電池が発電する直流電流を交流電流に変換するインバータと、
前記燃料電池が発電する電気によって動作し、ペルチェ素子によって一次側流体と二次側流体との間の熱移動を行うことで、前記二次側流体を冷却する冷却運転または前記二次側流体を加熱する加熱運転を行うペルチェチラーと、
前記ペルチェチラーに接続され、前記ペルチェチラーから熱移動が行われた後に排出される前記一次側流体である空気を内部に通す排気配管と、
を備え、
前記排気配管は、
前記インバータに前記一次側流体が当たるように前記一次側流体を排出する第１流路と、
前記インバータに前記一次側流体が当たらないように前記一次側流体を排出する第２流路と、
を有し、
前記ペルチェチラーが前記冷却運転を行っているときに前記一次側流体が前記第２流路を通り、前記ペルチェチラーが前記加熱運転を行っているときに前記一次側流体が前記第１流路を通る発電システム。
（付記２）
前記燃料電池で発電に利用された燃料ガスを燃焼させるバーナーと、
前記バーナーからの排熱と給湯水との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器で加熱された給湯水を溜める貯湯槽と、
を更に備え、
前記ペルチェチラーは、前記加熱運転において、前記貯湯槽から供給された給湯水を前記二次側流体として加熱する付記１に記載の発電システム。
（付記３）
前記燃料電池と前記ペルチェチラーとの間に電気的に接続され、前記燃料電池によって発電された直流電流を前記ペルチェチラーに供給するコンバータ、
を更に備え、
前記ペルチェチラーのペルチェ素子は、前記コンバータから供給された直流電流によって熱移動を行い、
前記排気配管は、
前記第２流路から分岐し、前記コンバータに当たるように前記一次側流体の一部を排出する第３流路、
を更に有し、
前記ペルチェチラーが前記冷却運転を行っているときに前記一次側流体が前記第３流路を通らず、前記ペルチェチラーが前記加熱運転を行っているときに前記一次側流体が前記第３流路を通る付記１または付記２に記載の発電システム。
（付記４）
前記第２流路は、発電に利用される空気を前記燃料電池に供給する配管に接続され、
前記ペルチェチラーが前記冷却運転を行っているときに、前記一次側流体が前記第２流路を通って前記燃料電池に反応のための空気として供給される付記１から付記３のいずれか一項に記載の発電システム。
（付記５）
前記ペルチェチラーのペルチェ素子に流れる電流の向きを、前記冷却運転が行われる冷却方向と前記加熱運転が行われる加熱方向との間で変化させる切替回路と、
前記第１流路の途中に設けられ、前記第１流路を開閉する冷風ダンパと、
前記第２流路の途中に設けられ、前記第２流路を開閉する温風ダンパと、
前記切替回路と連動して、前記冷風ダンパおよび前記温風ダンパの開閉動作を切り替えるダンパ回路と、
を更に備え、
前記ダンパ回路は、
前記切替回路に流れる電流が前記冷却方向の状態であるときに、前記冷風ダンパを閉じて、前記温風ダンパを開け、
前記切替回路に流れる電流が前記加熱方向の状態であるときに、前記冷風ダンパを開けて、前記温風ダンパを閉じる付記４に記載の発電システム。
（付記１）
燃料電池と、
前記燃料電池が発電する直流電流を交流電流に変換するインバータと、
前記燃料電池が発電する電気によって動作し、ペルチェ素子によって一次側流体と二次側流体との間の熱移動を行うことで、前記二次側流体を冷却する冷却運転または前記二次側流体を加熱する加熱運転を行うペルチェチラーと、
前記ペルチェチラーに接続され、前記ペルチェチラーから熱移動が行われた後に排出される前記一次側流体である空気を内部に通す排気配管と、
を備え、
前記排気配管は、
前記インバータに前記一次側流体が当たるように前記一次側流体を排出する第１流路と、
前記インバータに前記一次側流体が当たらないように前記一次側流体を排出する第２流路と、
を有し、
前記ペルチェチラーが前記冷却運転を行っているときに前記一次側流体が前記第２流路を通り、前記ペルチェチラーが前記加熱運転を行っているときに前記一次側流体が前記第１流路を通る発電システム。
（付記２）
前記燃料電池で発電に利用された燃料ガスを燃焼させるバーナーと、
前記バーナーからの排熱と給湯水との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器で加熱された給湯水を溜める貯湯槽と、
を更に備え、
前記ペルチェチラーは、前記加熱運転において、前記貯湯槽から供給された給湯水を前記二次側流体として加熱する付記１に記載の発電システム。
（付記３）
前記燃料電池と前記ペルチェチラーとの間に電気的に接続され、前記燃料電池によって発電された直流電流を前記ペルチェチラーに供給するコンバータ、
を更に備え、
前記ペルチェチラーのペルチェ素子は、前記コンバータから供給された直流電流によって熱移動を行い、
前記排気配管は、
前記第２流路から分岐し、前記コンバータに当たるように前記一次側流体の一部を排出する第３流路、
を更に有し、
前記ペルチェチラーが前記冷却運転を行っているときに前記一次側流体が前記第３流路を通らず、前記ペルチェチラーが前記加熱運転を行っているときに前記一次側流体が前記第３流路を通る付記１または付記２に記載の発電システム。
（付記４）
前記第２流路は、発電に利用される空気を前記燃料電池に供給する配管に接続され、
前記ペルチェチラーが前記冷却運転を行っているときに、前記一次側流体が前記第２流路を通って前記燃料電池に反応のための空気として供給される付記１から付記３のいずれか一項に記載の発電システム。
（付記５）
前記ペルチェチラーのペルチェ素子に流れる電流の向きを、前記冷却運転が行われる冷却方向と前記加熱運転が行われる加熱方向との間で変化させる切替回路と、
前記第１流路の途中に設けられ、前記第１流路を開閉する冷風ダンパと、
前記第２流路の途中に設けられ、前記第２流路を開閉する温風ダンパと、
前記切替回路と連動して、前記冷風ダンパおよび前記温風ダンパの開閉動作を切り替えるダンパ回路と、
を更に備え、
前記ダンパ回路は、
前記切替回路に流れる電流が前記冷却方向の状態であるときに、前記冷風ダンパを閉じて、前記温風ダンパを開け、
前記切替回路に流れる電流が前記加熱方向の状態であるときに、前記冷風ダンパを開けて、前記温風ダンパを閉じる付記４に記載の発電システム。
【符号の説明】
【0070】
１ 発電システム、 ２ パワコンユニット、 ３ 燃料電池ユニット、 ４ 脱硫器、 ５ 改質器、 ６ 反応器、 ６ａ 燃料極部、 ６ｂ 空気極部、 ７ バーナー、 １０ インバータ、 １１ 熱交換器、 １２ 改質水タンク、 １３ 改質水ポンプ、 １４ 燃料昇圧ポンプ、 １５ カソード側空気ファン、 １６ 給湯ユニット、 １７ 貯湯槽、 １８ 廃熱回収ポンプ、 １９ 補助給湯器、 ２０ 燃料供給管、 ２１ 吹込管、 ２２ 改質水管、 ２３ 行き配管、 ２４ 戻り配管、 ２５ 送り配管、２６ 送り配管、 ３０ ペルチェチラー、 ３０ａ 吸気口、 ３０ｂ 排気口、 ３０ｃ 給水口、 ３０ｄ 排水口、 ３１ 熱移動器、 ３１ａ Ｎ型半導体、 ３１ｂ Ｐ型半導体、 ３１ｃ 金属体、 ３２ 排気ファン、 ３３ 水側ポンプ、 ３４ コンバータ、 ３５ 温度センサ、 ３６ 温度調節器、 ３７ 切替回路、 ６０ ダンパユニット、 ６１ 冷風ダンパ、 ６２ 温風ダンパ、 ６３ 吸気ダンパ、 ６４ ダンパ回路、 １００ 排気配管、 １０１ 排出管、 １０２ 第１冷風管、 １０３ 第２冷風管、 １０４ 第１温風管、 １０５ 第２温風管、 １０６ 外気管、 １１０，１１１，１１２，１１３ 分岐管、 ＣＯＳ セレクタスイッチ、 Ｆ１ 第１流路、 Ｆ２ 第２流路、 Ｆ３ 第３流路、 Ｆ４ 第４流路、 Ｆｏ 外気流路、 Ｘ１ 接点、 Ｘ１ リレー、 Ｘ１ａ 冷却接点、 Ｘ１ｂ 加熱接点
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】