JP2005016363A - コージェネレーションシステム - Google Patents

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和茂 前田
Akihito Hayano
彰人 早野
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Abstract

【課題】インバータの発生熱を回収してシステムのエネルギー効率を一層高めることができるコージェネレーションシステムを提供すること。
【解決手段】熱と電力とを発生する熱電併給装置2と、熱電併給装置2の発生熱を回収する第1熱回収装置10と、温水を貯えるための貯湯タンク22と、熱電併給装置2の発生電力を商用系統14に系統連系するインバータ12と、インバータ12で発生した熱を回収する第2熱回収装置38と、を具備するコージェネレーションシステム。このシステムでは、熱電併給装置2の発生熱は第1熱回収装置10により回収され、またインバータ12の発生熱は第2熱回収装置38により回収され、これらの回収熱は貯湯タンク22に温水として貯えられる。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱と電力を発生するコージェネレーションシステム、特にインバータの発生熱を回収してこれを有効に利用するようにしたコージェネレーションシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、熱と電力とを発生する熱電併給装置を用いたコージェネレーションシステムが実用に供されている。熱電併給装置は、例えば、内燃機関及び発電装置の組合せから構成され、内燃機関の排熱が排熱回収装置により回収され、温水として貯湯タンクに貯えられる。また、発電装置の発生電力がインバータを介して電力負荷に送給され、この発生電力を利用して各種電気機器が作動される(例えば、特許文献1参照)。このようなコージェネレーションシステムにおいては、熱電併給装置を電力と熱の消費場所に設置することができ、これにより送電ロスなどをなくすことができ、また発電装置の発生電力に加えて、内燃機関の排熱を回収することができ、このようなことから、エネルギー効率の高いシステムとして提供することができる。
【0003】
このようなコージェネレーションシステムに用いられるインバータは、熱を発生して高温になり易く、高温になると作動効率が低下して入力電力に対して出力電力が低下する。このようなことから、作動効率の低下を抑えるために、インバータに比較的大きな放熱器を設け、インバータの発生熱をこの放熱器から空気中へ放散したり、或いは冷却ファン等の補機を設け、インバータを強制的に冷却している。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−335627号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来のコージェネレーションシステムでは、上述したように、インバータの発生熱を大気中に放散しており、このように大気中に放散するということは、エネルギーを無駄に排出することになる。また、冷却ファンなどを用いて強制冷却すると、冷却ファンを作動させるために電力エネルギーを必要とし、コージェネレーションシステム全体のエネルギー効率が低下することになる。
【0006】
本発明の目的は、インバータの発生熱を回収してシステムのエネルギー効率を一層高めることができるコージェネレーションシステムを提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に記載のコージェネレーションシステムは、熱と電力を発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置の発生熱を回収する第1熱回収装置と、熱を温水として貯えるための貯湯タンクと、前記熱電併給装置の発生電力を商用系統に系統連系するインバータと、前記インバータで発生した熱を回収する第2熱回収装置と、を備えていることを特徴とする。
【0008】
このコージェネレーションシステムにおいては、熱電併給装置の発生熱を回収する第1熱回収装置に加えて、第2熱回収装置が設けられているので、インバータの発生熱はこの第2熱回収装置で回収され、従って、熱電併給装置及びインバータの排熱を回収してコージェネレーションシステムのエネルギー効率を高めることができる。
【0009】
また、本発明の請求項2に記載のコージェネレーションシステムでは、前記第1熱回収装置は、前記熱電併給装置を通して冷却水を循環する第1冷却水循環流路と、前記第1冷却水循環流路を流れる冷却水と前記貯湯タンクの水との間で熱交換を行う第1熱交換器とを備え、前記第2熱回収装置は、前記インバータを通して冷却水を循環する第2冷却水循環流路と、前記第2冷却水循環流路を流れる冷却水と前記貯湯タンクの水との間で熱交換を行う第2熱交換器とを備えていることを特徴とする。
【0010】
このコージェネレーションシステムにおいては、第1熱回収装置は第1冷却水循環流路と、貯湯タンクの水との間で熱交換する第1熱交換器とを備えているので、熱電併給装置の排熱は冷却水を介して温水として貯湯タンクに貯えられる。また、第2熱回収装置は第2冷却水循環流路と、貯湯タンクの水との間で熱交換する第2熱交換器を備えているので、インバータの排熱も冷却水を介して温水として貯湯タンクに貯えることができ、コージェネレーションシステムの効率を高めることができる。尚、第2熱交換器は、貯湯タンク内に配設するようにしてもよく、或いは貯湯タンクの水を循環する循環流路に配設するようにしてもよい。
【0011】
また、本発明の請求項3に記載のコージェネレーションシステムでは、前記熱電併給装置は、内燃機関とこの内燃機関により駆動される発電装置との組合せから構成され、前記第2熱回収装置は、前記内燃機関の吸気流路に関連して設けられた放熱手段を備え、前記インバータの発生熱が前記放熱手段から放熱され、これによって、前記吸気流路を通して前記内燃機関に送給される燃焼用空気が加熱されることを特徴とする。
【0012】
このコージェネレーションシステムにおいては、熱電併給装置は内燃機関と発電装置との組合せから構成され、第2熱回収装置は内燃機関の吸気流路に関連して設けられた放熱手段を備えているので、インバータの排熱は放熱手段から吸気流路に放熱され、吸気流路を通して内燃機関に送給される燃焼用空気が暖められる。従って、内燃機関の燃焼効率が高められ、これによって、コージェネレーションシステムの効率を高めることができる。
【0013】
また、本発明の請求項4に記載のコージェネレーションシステムでは、前記熱電併給装置が燃料用ガスを改質して動作する燃料電池から構成され、前記第2熱回収装置は、前記燃料電池の改質反応器又は空気極に関連して設けられた放熱手段を備え、前記インバータの発生熱が前記放熱手段から放熱され、これによって、前記改質反応器又は前記燃料電池の前記空気極側に送給される空気が加熱されることを特徴とする。
【0014】
このコージェネレーションシステムにおいては、熱電併給装置は燃料電池から構成され、第2熱回収装置は燃料電池の改質反応器又は空気極に関連して設けられた放熱手段を備えているので、インバータの排熱は放熱手段から放熱され、これによって、改質反応器又は燃料電池の空気極に送給される空気が暖められる。従って、燃料電池の発電効率が高められ、これによって、コージェネレーションシステムの効率を高めることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に関するコージェネレーションシステムの実施形態について説明する。
第1の実施形態
図1は、第1の実施形態のコージェネレーションシステムを簡略的に示す図である。この第1の実施形態では、インバータからの排熱が温水として貯湯タンクに貯えられるように構成されている。
【0016】
図1において、図示のコージェネレーションシステムは、熱電併給装置2と、熱電併給装置2の排熱を温水として蓄熱するための貯湯装置4とを備えている。熱電併給装置2は、ガスエンジン、ディーゼルエンジンなどの内燃機関6と、この内燃機関6によって駆動される発電装置8との組合せから構成されている。内燃機関6は稼働時に燃焼排熱を発生し、この排熱は第1排熱回収装置10によって後述するように貯湯装置4に貯えられる。
【0017】
熱電併給装置2は、この形態では発電装置8の出力側には系統連系用インバータ12が設けられている。このインバータ12は発電装置8の発電電力を商用系統14から供給される電力と同じ電圧及び周波数に変換する。ここで商用系統14の電力とは、例えば単相3線式100/200Vであり、配電線16を介して電力負荷18に電気的に接続される。この電力負荷18とは、家庭用のテレビ、冷蔵庫、洗濯機、その他の各種電気機器であり、商用系統14からの電力がこれら電気機器に送給される。インバータ12はコージェネレーション用配電線20を介して配電線16に電気的に接続され、熱電併給装置2において発生した発電電力は、インバータ12及びコージェネ用配電線20を介して電力負荷18に供給される。
【0018】
貯湯装置4は、温水を貯えるための貯湯タンク22と、この貯湯タンク22を介して温水を循環させるための温水循環流路24とを備えている。温水循環流路24の一方端側は貯湯タンク22の底部に接続され、他方端側は貯湯タンク22の上部に接続され、これにより貯湯タンク22内の水(温水)はこの温水循環流路24を介して循環される。この温水循環流路24には温水を循環するための温水循環ポンプ26が設けられている。
【0019】
貯湯タンク22には、更に、水を供給するための水供給流路を構成する給水ライン28及び温水を給湯するための温水出湯流路を構成する出湯ライン30が接続されている。この給水ライン28の一端側が貯湯タンク22の底部に接続され、その他端側が水道管等の水供給源(図示せず)に接続されている。この給水ライン28には、必要に応じて減圧逆止弁が配置され、これにより、貯湯タンク22から給水ライン28側に温水が逆流するのを防止する。また、給湯ライン30の一端側は貯湯タンク22の上部に接続され、その他端側には1個又は複数個のカラン(図示せず)が接続されており、カランを開栓すると、貯湯タンク22内の温水が給湯ライン30を通して供給される。
【0020】
次に、内燃機関6の排熱を回収する第1排熱回収装置10について説明すると、図示の第1排熱回収装置10は、内燃機関6を通して冷却水を循環する第1冷却水循環流路32と、貯湯タンク22の水(温水)との間で熱交換を行うための第1熱交換器34とを備えている。第1熱交換器34は貯湯装置4の温水循環流路24に配設され、この第1交換器34に冷却水循環流路32が接続されている。内燃機関6を冷却するための冷却水は、第1冷却水循環流路32を通して内燃機関6及び第1熱交換器34を循環し、第1熱交換器34において、第1冷却水循環流路32を流れる冷却水と貯湯装置4の温水循環流路24を流れる水(温水)との間で熱交換が行われる。この第1冷却水循環流路32には、冷却水を循環させるための第1循環ポンプ36が配設されている。
【0021】
また、インバータ12には、その排熱を回収するための第2排熱回収装置38が配設されている。図示の第2排熱回収装置38は、インバータ12を通して冷却水を循環する第2冷却水循環流路40と、貯湯タンク22の水(温水)との間で熱交換を行うための第2熱交換器42とを備えている。第2熱交換器42は貯湯装置4の温水循環流路24に配設され、この第2熱交換器42に第2冷却水循環流路40が接続されている。インバータ12を冷却するための冷却水は、第2冷却水循環流路40を通してインバータ12及び第2熱交換器42を循環し、第2熱交換器42において、第2冷却水循環流路40を流れる冷却水と温水循環流路24を流れる水(温水)との間で熱交換が行われる。この第2冷却水循環流路40には、冷却水を循環させるための第2循環ポンプ44が配設される。尚、この第2熱交換器42は、温水循環流路24における第1熱交換器34の配設部位よりも上流側に配設され、温水循環流路24を流れる水は、第2熱交換器42を流れた後に第1熱交換器34を流れる。
【0022】
このコージェネレーションシステムにおいては、熱電併給装置2が稼働して内燃機関6の排熱により冷却水の温度が上昇すると、冷却水が第1冷却水循環流路32を通して循環され、第1熱交換器34にてこの冷却水と温水循環流路24を流れる水(温水)との間で熱交換され、これによって、内燃機関6の排熱が貯湯タンク22に温水として貯えられる。また、インバータ12の排熱により冷却水の温度が上昇すると、冷却水が第2冷却水循環流路40を通して循環され、第2熱交換器42にてこの冷却水と温水循環流路24を流れる水(温水)との間で熱交換され、これによって、インバータ12の排熱も貯湯タンク22に温水として貯えられる。従って、内燃機関6及びインバータ12の排熱を温水として回収することができ、コージェネレーションシステムのエネルギー効率を高めることができる。
【0023】
尚、この実施形態では、第2熱回収装置38の第2熱交換器42を温水循環流路24に配設しているが、このような構成に代えて、貯湯タンク22内に配設して貯湯タンク22内の水との間で熱交換するように構成することもできる。或いは、インバータ12の放熱部が第2熱交換器を兼ねるように構成し、温水循環流路24を流れる水(温水)が直接的にインバータ12を通して流れ、温水循環流路24の水との間で直接熱交換を行って加熱するようにしてもよい。
【0024】
第2の実施形態
次に、図2を参照して、第2の実施形態のコージェネレーションシステムについて説明する。図2は、第2の実施形態のコージェネレーションシステムの一部を簡略的に示す図である。尚、以下の実施形態において、第1の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
【0025】
図2において、図示のコージェネレーションシステムの熱電併給装置2Aは、第1の実施形態と同様に、内燃機関6Aと発電装置8の組合せから構成され、内燃機関6Aの排熱が第1熱回収装置10によって貯湯装置4の貯湯タンク22に温水として貯えられるように構成されている。
【0026】
この第2の実施形態では、インバータ12の排熱により内燃機関6Aの燃焼用空気が加熱されるように構成され、このことに関連して、次の通り構成されている。内燃機関6Aの吸気側には、吸気流路52を規定する吸気管54が接続され、この吸気流路52の上流端側にはエアクリーナ58が設けられている。また、その排気側には、排気流路60を規定する排気管62が接続されている。従って、エアクリーナ58から吸気流路52を通して燃焼用空気が内燃機関6Aに送給され、内燃機関6Aに供給される燃料による燃焼エネルギーにより内燃機関6Aが運転され、内燃機関6Aからの燃焼排ガスが排気流路60を通して排出される。
【0027】
この第2の実施形態では、インバータ12の排熱を回収する第2排熱回収装置38Aが、熱を放熱する放熱手段64を備えている。インバータ12は回路ハウジング66内に収容され、この回路ハウジング66の周囲に、放熱手段64を構成する放熱フィン68が多数設けられている。第2排熱回収装置38Aは、更に、熱回収ハウジング70を含み、この熱回収ハウジング70内に回路ハウジング66が内蔵されている。熱回収ハウジング70は吸気流路52に配設され、その一端側に吸気流路52の上流側部が連通され、その他端側に吸気流路52の下流側部が連通され、エアクリーナ58を通して吸入された空気は、吸気流路52の上流側部、熱回収ハウジング70の内部及び吸気流路の下流側部を通して内燃機関6Aに吸入される。第2の実施形態のその他の構成は、上述した第1の実施形態と実質上同一である。
【0028】
このコージェネレーションシステムにおいては、インバータ12からの熱(排熱)が放熱フィン68を介して熱回収ハウジング70内へ放熱され、この放熱によって吸気流路52を流れる燃焼用空気が温められる。従って、内燃機関6Aに送給される燃焼用空気が、インバータ12からの回収熱により加熱され、これによって、内燃機関6Aの燃焼効率が向上し、コージェネレーションシステムの運転効率を高めることができる。
【0029】
第3の実施形態
次に、図3を参照して、第3の実施形態のコージェネレーションシステムについて説明する。図3は、第3の実施形態のコージェネレーションシステムの一部を簡略的に示す図である。
【0030】
図3において、図示のコージェネレーションシステムの熱電併給装置2Bは、燃料電池72から構成され、図示していないが、燃料電池72の排熱が、第1及び第2の実施形態と同様にして貯湯装置の貯湯タンクに温水として貯えられるように構成されている。
【0031】
この第3の実施形態では、インバータ12の排熱により燃料電池72の空気極側74に送給される空気が加熱されるように構成され、このことに関連して、次の通り構成されている。
【0032】
まず、燃料電池72及びこれに関連する構成について概説すると、燃料電池72としては、例えば固体酸化物形燃料電池が用いられ、この固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオンを伝導する固体電解質の両側に燃料ガス及び空気中の酸素をそれぞれ酸化、還元する機能を有する電極を取り付けたものである。固体電解質の材料としては一般にはイットリアをドープしたジルコニアが用いられ、700℃から1000℃の高温で、燃料ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化剤ガス中の酸素とを電気化学反応させて発電するものである。
【0033】
このような燃料電池72では、原燃料ガスとして天然ガス、LPガスなどが使用され、原燃料用ガスがガス供給源73から供給される。ガス供給源73からの原燃料ガスは脱硫装置76に送給され、この脱硫装置76にて脱硫される。脱硫された原燃料ガスは燃料エゼクタ78に送給され、その原燃料ガスと燃料電池72にて燃料電池発電反応を行なった後の高温の反応燃焼ガスとが燃料エゼクタ78にて混合される。混合された混合燃料ガス(原燃料ガスと反応燃料ガスとの混合燃料ガス)は断熱改質反応器80に送給され、この断熱改質反応器80にてその一部が改質反応され、改質された後の混合燃料ガスが燃料電池72の燃料極側82に供給される。燃料電池72においては、燃料極側82に供給された混合燃料ガスと空気極側74に供給された空気(酸素が利用される)との燃料電池反応により発電が行なわれる。また、このとき、燃料電池72内で炭化水素の改質反応も同時に行なわれる。そして、燃料電池発電反応した反応燃焼ガスの一部が燃料エグゼタ78に送給されるとともに、その残部が燃焼装置84に送給されて燃焼され、燃焼による燃焼ガスが再生器86を通して排出される。
【0034】
この燃料電池72の空気極側74には空気が送給される。空気ブロア88からの空気は再生器86に送給され、その後燃料電池72の空気極側74内に配設された高温熱交換器90を通して空気極側74に送給され、更に空気極側74を通って燃焼装置84に送給され、燃焼用空気として用いられる。再生器86においては、燃焼装置84からの燃焼ガスと空気ブロア88からの空気との間で熱交換されてこの空気が加熱され、また高温熱交換器90においては、燃料電池72の空気極側74の空気と再生器86からの空気との間で熱交換が行われてこの空気が更に高温に加熱される。
【0035】
この第3の実施形態では、インバータ12の排熱を回収する第2排熱回収装置38Bが、第2の実施形態と同様の構成の放熱手段64を備えている。インバータ12は、周囲に放熱フィン68が設けられた回路ハウジング66内に収容され、この回路ハウジング66が熱回収ハウジング70に内蔵され、この熱回収ハウジング70が空気ブロア88と再生器86との間に配設され、空気ブロア88からの空気は熱回収ハウジング70内を通って再生器86に送給される。第3の実施形態のその他の構成は、上述した第1の実施形態と実質上同一である。
【0036】
このコージェネレーションシステムにおいては、インバータ12からの熱(排熱)が放熱フィン68を介して熱回収ハウジング70内へ放熱され、この放熱によって空気ブロア88から再生器86に送給される空気が温められる。従って、燃料電池72の空気極側74に送給される空気が、インバータ12からの回収熱により加熱され、これによって、燃料電池72の発電効率が高められ、コージェネレーションシステムの運転効率を高めることができる。
【0037】
第3の実施形態では、インバータ12の発生熱(排熱)を回収して、燃料電池72の空気極側74に送給される空気を温めているが、このような構成に代えて、次のように構成することができる。即ち、断熱改質反応器に空気を送給する空気送給流路にインバータ12の発生熱を回収する第2熱回収装置38Bを設け、インバータ82の発生熱を利用して断熱改質反応器80に送給される燃焼用空気を加熱するようにしてもよい。
【0038】
また、第3の実施形態では、燃料電池72として固体酸化物形燃料電池を用いているが、その他の形態の燃料電池、例えばリン酸形燃料電池などを用いるようにしてもよい。
【0039】
以上、本発明に従うコージェネレーションシステムの実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく様々の変形乃至修正が可能である。
【0040】
【発明の効果】
本発明の請求項1に記載のコージェネレーションシステムによれば、インバータの熱を回収する第2熱回収装置が設けられているので、インバータの発生熱はこの第2熱回収装置で回収され、従って、熱電併給装置の発生熱に加えてインバータの排熱を回収してコージェネレーションシステムのエネルギー効率を高めることができる。
【0041】
また、本発明の請求項2に記載のコージェネレーションシステムによれば、第2熱回収装置は第2冷却水循環流路と、貯湯タンクの水との間で熱交換する第2熱交換器を備えているので、インバータの排熱は冷却水を介して、熱電併給装置の排熱を温水として貯える貯湯タンクに貯えられ、コージェネレーションシステムの排熱の回収効率を高めることができる。
【0042】
また、本発明の請求項3に記載のコージェネレーションシステムによれば、インバータの発生熱が放熱手段から内燃機関に吸気流路に放熱されるので、吸気流路を通して内燃機関に送給される燃焼用空気が温められ、これによって、内燃機関の燃焼効率を高めることができる。
【0043】
また、本発明の請求項4に記載のコージェネレーションシステムによれば、インバータの発生熱が放熱手段から放熱されるので、改質反応器又は燃料電池の空気極に送給される空気が温められ、これによって、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従うコージェネレーションシステムの第1の実施形態を簡略的に示す図である。
【図2】本発明に従うコージェネレーションシステムの第2の実施形態の一部を簡略的に示す図である。
【図3】本発明に従うコージェネレーションシステムの第3の実施形態の一部を簡略的に示す図である。
【符号の説明】
2,2A,2B 熱電併給装置
4 貯湯装置
6,6A 内燃機関
8 発電装置
10 第1熱回収装置
12 インバータ
14 商用系統
16 電力負荷
22 貯湯タンク
24 温水循環流路
32 第1冷却水循環流路
34 第1熱交換器
38,38A,38B 第2熱回収装置
40 第2冷却水循環流路
42 第2熱交換器
52 吸気流路
64 放熱手段
70 熱回収ハウジング
72 燃料電池
74 空気極側
82 燃料極側
80 断熱改質反応器
86 再生器
88 空気ブロア

Claims (4)

  1. 熱と電力を発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置の発生熱を回収する第1熱回収装置と、熱を温水として貯えるための貯湯タンクと、前記熱電併給装置の発生電力を商用系統に系統連系するインバータと、前記インバータで発生した熱を回収する第2熱回収装置と、を備えていることを特徴とするコージェネレーションシステム。
  2. 前記第1熱回収装置は、前記熱電併給装置を通して冷却水を循環する第1冷却水循環流路と、前記第1冷却水循環流路を流れる冷却水と前記貯湯タンクの水との間で熱交換を行う第1熱交換器とを備え、前記第2熱回収装置は、前記インバータを通して冷却水を循環する第2冷却水循環流路と、前記第2冷却水循環流路を流れる冷却水と前記貯湯タンクの水との間で熱交換を行う第2熱交換器とを備えている請求項1に記載のコージェネレーションシステム。
  3. 前記熱電併給装置は、内燃機関とこの内燃機関により駆動される発電装置との組合せから構成され、前記第2熱回収装置は、前記内燃機関の吸気流路に関連して設けられた放熱手段を備え、前記インバータの発生熱が前記放熱手段から放熱され、これによって、前記吸気流路を通して前記内燃機関に送給される燃焼用空気が加熱される請求項1に記載のコージェネレーションシステム。
  4. 前記熱電併給装置が燃料用ガスを改質して動作する燃料電池から構成され、前記第2熱回収装置は、前記燃料電池の改質反応器又は空気極に関連して設けられた放熱手段を備え、前記インバータの発生熱が前記放熱手段から放熱され、これによって、前記改質反応器又は前記燃料電池の前記空気極側に送給される空気が加熱される請求項1に記載のコージェネレーションシステム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006329598A (ja) * 2005-05-30 2006-12-07 Taisei Corp 建造物の地下に蓄熱する蓄熱システム、および建造物
JP2008130339A (ja) * 2006-11-20 2008-06-05 Equos Research Co Ltd 燃料電池システム

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