JP2004353896A - コジェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で貯湯槽内の温度を検出して熱電併給装置の起動と停止を行い、効率良い運転が可能なコジェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】電力と熱とを生成する熱電併給装置として燃料電池１を備えており、電力を電気負荷４に出力すると共に、熱で加熱された媒体を循環配管１１を介して貯湯槽１０に蓄熱し、貯湯槽から給湯配管１２を介して給湯負荷１５に出力するコジェネレーションシステムは、循環配管１１、給湯配管１２に、温度センサＴ１，Ｔ２を備えており、温度センサの検出結果に基づいて燃料電池１を起動、停止する制御装置２０を備える。循環配管１１の下部の温度センサＴ１の検出温度が第１の所定値より高いときに燃料電池１を停止し、給湯配管１２の上部の温度センサＴ２の検出温度が第２の所定値より低いときに燃料電池１を起動する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力と熱を生成するコジェネレーションシステムに係り、特に、生成された熱を蓄熱する貯湯槽の配管に設置した温度センサの出力に基づいて熱電併給装置を起動、停止するコジェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池等を使用したコジェネレーションシステムは、電力と熱を発生し、高効率な運用が可能なシステムである。したがって、電力と熱の需要のバランスが良い場合には、その設置によって、商用電力および燃料の購入コストの低減等の経済的なメリットと、二酸化炭素排出量の低減などの環境的なメリットが見込まれる。
【０００３】
しかしながら、特に、住宅等では、電力と熱の需要が必ずしもバランスよく発生するとは限らず、商用電力および燃料の購入コストの低減等の経済的なメリット、また、二酸化炭素排出量の低減等の環境的なメリットを生み出すには、何らかの制御をすることで電力と熱の需要に合わせた運転とする必要がある。このため、運転方法としても、２４時間の連続運転を行う場合や、電力や熱の需要に合わせた間欠運転を行う場合など、様々なものが考えられている。
【０００４】
そして、従来の温水供給システムは、温水供給装置と、該温水供給装置で生じた温水を貯蔵する貯湯槽と、該貯湯槽内部に設けられた温度センサと、該温度センサの検出結果に基づいて蓄熱余裕の有無を判断して温水供給装置に制御信号を出力する制御手段とを備えている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開２００２−３４９９６５号公報（特許請求の範囲、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記構造のコジェネレーションシステムは、貯湯槽内に複数の温度センサを設置する必要があり、施工が複雑になったり、コストがかかったりという問題があった。また、貯湯式の給湯システムの場合、貯湯槽から出湯した後で温水を設定温度にするため、水との混合等の必要がある。このため出湯した温水温度を検出する温度センサを備えており、構成が複雑となっている。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、簡単な構成で熱電併給装置の起動と停止を行い、熱の無駄を無くして効率良い運転が可能なコジェネレーションシステムを提供することにある。すなわち、貯湯槽内に新たな温度センサを設置することなく、貯湯槽から出湯した温水温度を検出するための既存の温度センサによって、蓄熱余裕の有無を判定し、熱余りを無くして効率の良い運転を可能としたコジェネレーションシステムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係るコジェネレーションシステムは、電力と熱とを生成する熱電併給装置を備えており、該電力を電気負荷に出力すると共に、前記熱で加熱された媒体を第１の配管を介して貯湯槽に蓄熱し、貯湯槽から第２の配管を介して給湯負荷に出力するシステムであり、第１及び第２の配管は、それぞれ温度センサを備えており、該温度センサの検出結果に基づいて熱電併給装置を起動、停止する制御装置を備えることを特徴とする。すなわち、供給された燃料ガスを用いて熱電併給装置で電力と熱を生成し、生成した熱を、第１の配管内を流通する水を介して蓄熱し、第１及び第２の配管に設置した温度センサで貯湯槽の蓄熱余裕を判断して熱電併給装置の起動、停止を制御している。
【０００８】
前記のごとく構成された本発明のコジェネレーションシステムは、貯湯槽の配管に設置した温度センサの出力に基づいて蓄熱余裕の有無を判定して熱電併給装置を起動、停止するように構成し、温水の温度が高いときには熱電併給装置を停止して熱余りを防止し、温水の温度が低いときには熱電併給装置を起動して蓄熱するため、効率の良い運転を達成することができる。
【０００９】
また、本発明に係るコジェネレーションシステムの好ましい具体的な態様としては、前記温度センサは、第１の配管の貯湯槽の下部から熱電併給装置に接続される配管に設置される第１の温度センサと、第２の配管の貯湯槽の上部から給湯負荷に接続される配管に設置される第２の温度センサとから構成され、制御装置は、第１の温度センサの検出温度が第１の所定値より高いときに熱電併給装置を停止し、第２の温度センサの検出温度が第２の所定値より低いときに熱電併給装置を起動することを特徴としている。
【００１０】
この構成によれば、貯湯槽と熱電併給装置とを接続する循環配管の温度を検出して蓄熱余裕を判断し、温度が低いときには熱電併給装置を起動することにより蓄熱することができる。また、貯湯槽と給湯負荷とを接続する給湯配管の温度を検出して蓄熱余裕を判断し、温度が高いときには熱電併給装置を停止するため、熱余りを防止してシステムの効率を高めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコジェネレーションシステムの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るコジェネレーションシステムの概略構成を示す模式図であり、熱電併給装置として燃料電池を用いたコジェネレーションシステムである。なお、熱電併給装置は燃料電池に限らず、ディーゼルエンジン等を用いた他の熱電併給装置であってもよい。
【００１２】
図１において、コジェネレーションシステムは、燃料電池１と、貯湯槽１０とを備えており、燃料電池１は供給される都市ガス等の燃料ガス（図示せず）から電力と熱とを生成し、この電力を分電盤２を介して商用電源３に供給して電気負荷４に出力すると共に、燃料電池１で発生する熱を循環配管１１を流れる水（熱媒）を介して貯湯槽１０に蓄熱し、給湯配管１２を流れる温水を給湯負荷１５に出力するように構成されている。燃料電池１は図示していないが、燃料ガスから水素を改質する改質装置、水素と酸素を化学反応させて電力と水を生成する燃料電池スタック、生成させた電力を交流に変換するインバータ、改質装置および燃料電池スタックから発生する熱を集める熱交換器等を備えている。
【００１３】
燃料電池１で生じた温水を貯蔵する貯湯槽１０は、温度成層式であり、貯湯槽内部は上層部が高温で下層部が低温の温度勾配を持った湯が貯められるように構成されている。そして、貯湯槽内下部の比較的低温の水を燃料電池１へ供給するための配管１１ａと、燃料電池１で生じた温水を貯湯槽１０へ供給するための配管１１ｂと、水を貯湯槽１０から燃料電池１へ循環させるためのポンプ１３により循環配管１１を構成している。この循環配管１１の貯湯槽１０下部の低温側配管には温度センサＴ１が設置されている。
【００１４】
また、給湯配管１２は、貯湯槽１０下部へ上水源１４から上水を供給するための配管１２ａ、貯湯槽１０上部から住宅内の給湯負荷１５で利用する給湯用の温水を出すための配管１２ｂにより構成され、この給湯配管１２の出湯側の貯湯槽１０上部には高温側の温度センサＴ２が設置されている。そして、このシステムは、２つの温度センサＴ１，Ｔ２の検出結果に基づいて蓄熱余裕の有無を判断して燃料電池１に制御信号を出力する制御装置２０を備えている。
【００１５】
さらに、住宅内で利用する温水の温度を設定温度としたとき、貯湯槽上部から出た温水の温度が設定温度より高い場合、これを設定温度とするために上水と混合するためのミキシングバルブ１６が配管１２ｂに設置され、上水が流れる配管１４ａが合流している。また、配管１２ｂには貯湯槽上部から出た温水の温度が設定温度より低い場合、これを設定温度とするために加熱する補助熱源としてガス給湯器１７も備えている。
【００１６】
コジェネレーションシステムは、住宅におけるエネルギー需要に応じて運転しているが、貯湯槽１０内が温水で満たされた場合は燃料電池１の運転を停止し、貯湯槽１０内の温水が少なくなった場合に燃料電池１を起動することで効率の良い運転が可能となる。このような運転を実現するために、制御装置２０は前記２つの温度センサＴ１，Ｔ２の検出結果に基づいて蓄熱余裕の有無を判断して燃料電池１に制御信号を出力する。すなわち、温度センサＴ１で貯湯槽１０の底部の温度を計測し、温度センサＴ２で貯湯槽１０の上部の温度を計測し、これらの温度に基づいて燃料電池１の運転を制御している。
【００１７】
前記の如く構成された本実施形態のコジェネレーションシステムにおいて実施される制御について、図２，３のフローチャートを参照して以下に説明する。図２はコジェネレーションシステムの停止制御フローチャートで、図３はコジェネレーションシステムの起動制御フローチャートである。図中、停止温度、起動温度とは、蓄熱余裕の有無を判断するための基準となる温度である。
【００１８】
例えば、コジェネレーションシステムが住宅内の電気負荷４に応じた発電を行うと、これに伴い燃料電池１からは熱も得られる。すなわち、燃料電池１には、燃料ガスが供給され、供給された燃料ガスは改質装置にて水素に変換され、燃料電池スタックに送られる。燃料電池スタック内では水素と酸素を反応させて直流の電気と熱が発生する。出力される直流電力はインバータにて交流電力に変換され、商用電源３に分電盤２を介して供給される。
【００１９】
また、改質装置及び燃料電池スタックで発生する熱は、循環配管１１により熱交換器内を循環する水に供給され、貯湯槽１０に蓄熱される。したがって、貯湯槽１０下部の例えば１０℃の水は、燃料電池１内の熱交換器で加熱され、昇温して例えば６０℃の温水となり、貯湯槽１０上部に流入する。このため貯湯槽１０は上部から徐々に６０℃の温水で満たされ、下部の１０℃の水が減少して蓄熱量が増加する。
【００２０】
貯湯槽１０全体が温水で満たされてくると、貯湯槽下部より燃料電池１に供給される水の温度が１０℃より徐々に上昇する。燃料電池１が稼働状態であるとき、貯湯槽１０より燃料電池１に供給される水の温度は、温度センサＴ１において常時検出しており、この検出結果に基づき制御装置２０において、図２のように燃料電池１の停止の判断を行う。すなわち、温度センサＴ１の検出結果を読み取り（ステップＳ１）、温度センサＴ１の検出結果を停止温度（第１の所定値）と比較し（ステップＳ２）、検出結果が停止温度より高い場合は制御装置２０より停止信号を出力して燃料電池１を停止し（ステップＳ３）、停止温度よりも低い場合は燃料電池１を停止しない（ステップＳ４）で運転し続ける。
【００２１】
この停止温度は、燃料電池１からの排熱温度が例えば６０℃であれば、４０℃など６０℃よりも低い温度で設定されるもので、予め設定されていたり、運転する中で日々使用する給湯量などを学習し、季節や曜日によって日々変更されたりするものであってもよい。この温度を高めにすれば、貯湯槽内はより多くの温水を保有することになるが、燃料電池１から温水を取得する際の効率は低くなる。一方、この温度を低めにすれば、貯湯槽内の温水は少なくなるが、燃料電池１から温水を取得する際の効率は高くなる。
【００２２】
このような制御によって燃料電池１の運転を停止した後、住宅内では洗顔や、入浴に伴い温水の利用があり、貯湯槽内の６０℃の温水は上部から出水されて減少し、下部より１０℃の上水が上水源１４から流入してくる。前記の燃料電池１の停止判断の基準となった停止温度が４０℃であれば、貯湯槽内は上部が約６０℃、下部が約１０℃、その間が約４０℃となっており、貯湯槽上部から出ていく給湯用の温水温度は、約６０℃より徐々に低下していく。
【００２３】
この貯湯槽１０より流出していく温水の温度は、温度センサＴ２において常時検出しており、この検出結果に基づき制御装置２０において図３のように燃料電池１の起動の判断を行う。すなわち、温度センサＴ２の検出結果を読み取り（ステップＳ１０）、温度センサＴ２の検出結果を起動温度（第２の所定値）と比較し（ステップＳ１１）、検出温度が起動温度より低い場合は制御装置２０より起動信号を出力して燃料電池１を起動し（ステップＳ１２）、起動温度よりも高い場合は燃料電池１を起動しない（ステップＳ１３）で停止し続ける。この起動温度は、給湯で利用する温水の温度が４０℃前後であることを考えると、４０℃以下に設定するとガス給湯器１７による加熱を行ってしまい、別途光熱費が発生してしまうため、６０℃から４０℃の間で例えば、５０℃などに設定されるのが好ましい。
【００２４】
この温度は、停止温度と同様に、予め設定されていたり、運転する中で給湯利用の設定温度などを学習し、季節や曜日によって日々変更されたりするものであってもよい。この温度を高めにすれば、ガス給湯器による加熱の可能性が減少するが、燃料電池の起動・停止が頻繁に行われて起動損が多くなり効率が悪くなる可能性がある。一方、この温度を低めにすれば、ガス給湯器による加熱の可能性が増加するが、燃料電池１の起動・停止が減少し効率的な運用実現の可能性がある。
【００２５】
前記のとおり、コジェネレーションシステムは電力と熱を発生し、電力と熱の需要のバランスが良い場合には、高効率な運用が可能なシステムである。しかしながら、実際の住宅内の電気需要、熱需要は日々変動し、また、邸別に需要の大きさは異なり、電気と熱のバランスも異なる。したがって、商用電力および燃料の購入コストの低減などの経済的なメリット、また、二酸化炭素排出量の低減などの環境的なメリットを生み出すには、何らかの制御をすることで電力と熱の需要に合わせた運転とする必要があり、複雑な制御が検討されている。
【００２６】
しかしながら、本発明のコジェネレーションシステムでは、日別、季節別、邸別のスケジュール設定など特別なことを行わず、同一の仕様で、簡単に、給湯需要が大きい日、大きい季節、大きい邸では、自動的に２４時間連続運転となり、給湯需要が小さい日、小さい季節、小さい邸では、自動的に必要な時間だけ運転する間欠運転が実現できる。このように、本発明のコジェネレーションシステムにおける制御は、簡易で、かつ日、季節、邸別などの電気需要、熱需要の変動に対応可能なシステムを実現できる。
【００２７】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、給湯配管に設置された補助熱源としてのガス給湯器は、電気ヒータ等の他の熱源機器でもよい。また、燃料電池に供給される燃料は、都市ガスやＬＰガス等の他、純水素、石油系燃料、アルコール系燃料等、適宜の燃料を使用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明のコジェネレーションシステムは、貯湯槽内に新たな温度センサを設置することなく、貯湯槽上部から出湯した温水温度や、燃料電池に供給される貯湯槽下部の水温を検出するための既存の温度センサによって、蓄熱余裕の有無を判定し、コジェネレーションシステムを起動することができる。また、日別、季節別、邸別のスケジュール設定など特別なことを行わず、同一の仕様で、簡易で、かつ、日、季節、邸別などの電気需要、熱需要の変動に対応可能なシステムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコジェネレーションシステムの一実施形態の概略構成を示す模式図。
【図２】図１のコジェネレーションシステムの停止制御フローチャート。
【図３】図１のコジェネレーションシステムの起動制御フローチャート。
【符号の説明】
１…燃料電池（熱電併給装置）、３…商用電源、４…電気負荷、１０…貯湯槽、１１…循環配管、１２…給湯配管、１５…給湯負荷、２０…制御装置、Ｔ１，Ｔ２…温度センサ

Claims (2)

1. 電力と熱とを生成する熱電併給装置を備えており、該電力を電気負荷に出力すると共に、前記熱で加熱された媒体を第１の配管を介して貯湯槽に蓄熱し、該貯湯槽から第２の配管を介して給湯負荷に出力するコジェネレーションシステムであって、
   前記第１及び第２の配管は、それぞれ温度センサを備えており、該温度センサの検出結果に基づいて前記熱電併給装置を起動、停止する制御装置を備えることを特徴とするコジェネレーションシステム。
2. 前記温度センサは、前記第１の配管の前記貯湯槽の下部から前記熱電併給装置に接続される配管に設置される第１の温度センサと、前記第２の配管の前記貯湯槽の上部から前記給湯負荷に接続される配管に設置される第２の温度センサとから構成され、
   前記制御装置は、前記第１の温度センサの検出温度が第１の所定値より高いときに前記熱電併給装置を停止し、前記第２の温度センサの検出温度が第２の所定値より低いときに前記熱電併給装置を起動することを特徴とする請求項１に記載のコジェネレーションシステム。

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