JP2007294296A - 発電・給湯コジェネレーションシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】従来の発電・給湯コジェネレーションシステムを複数のユニットに分割し、家庭用として小型で壁掛け可能とし、設置性とメンテナンス性に優れた発電・給湯コジェネレーションシステムを供給することを課題とする。
【解決手段】燃料電池からなるモジュール41と、該燃料電池に燃料ガス、空気及び水を供給する供給部42と、前記燃料電池が排出した排熱を回収する排熱回収部43と、前記燃料電池で発生した電力を交流電力に変換して電力系統に接続する電力変換部44とを同一の容器に収容した発電ユニット40と、前記発電ユニット40の排熱回収で生じた温水を蓄える貯湯槽60と、該貯湯槽60の温水が不足したときに、該貯湯槽60に温水を補給する給湯器50とを具備し、前記貯湯槽60と前記給湯器50とが個別に分離して設置されることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
請求項1に記載の本発明は、少なくとも、固体酸化物形燃料電池を容器に収容した発電ユニットと、該発電ユニットの排熱回収で加熱した温水を蓄える貯湯槽と、該貯湯槽の温水が不足したときに温水を補給する給湯器とを具備し、前記貯湯槽と前記給湯器とが個別に分離して設置されることを特徴とする発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、発電ユニット、貯湯槽及び給湯器が個別に分離して設置されているため、設置スペースが小さくなり、家庭用として設置する場所への適合性が広がる。さらに、貯湯槽が独立して設置されることにより、水漏れが発生した場合にも、ガス供給部や電力変換装置の電装部へ与える影響がない。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、前記燃料電池に加え、ガス等の供給手段、排熱回収手段及び電力変換手段等を同一の発電ユニットの容器内に収めるため、さらに設置スペースが小さくなり、家庭用として設置する場所への適合性が広がる。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽が例えば略円筒形の複数のパイプであるため、隙間を利用して設置することが可能である。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽の貯湯量を、パイプの数を増減することにより、柔軟に対応することが可能となる。
請求項5に記載の本発明は、前記貯湯槽は、前記一方のパイプの上部と、前記他方のパイプの下部とが配管により連結されていることを特徴とする請求項3に記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯のためのパイプを直列に使用することになるので、お湯と水とが上下二層の状態(成層状態)で蓄えやすくなる。給湯が必要なときに上部のお湯だけを貯湯槽から取り出せるので、比較的小容量の貯湯槽を効率的に用いることができる。貯湯槽を格納する容器の高さを抑制する必要がある場合には、貯湯のためのパイプを直列に使うことが効果的である。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽としてパイプを複数設置して表面積が増大しても、真空断熱パイプを用いることで熱放散を防ぐことができる。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、発電ユニットを収容する容器を壁掛けタイプ等にすることができるため、設置性にすぐれ、また、前面の蓋が取り外し可能であるため、メンテナンス性を向上することができる。
請求項8に記載の本発明は、前記貯湯槽が収納される貯湯槽収納容器を具備するとともに、該貯湯槽収納容器上に前記発電ユニットが設置されていることを特徴とする請求項1乃至7のうちいずれかに記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽を格納する貯湯槽収納容器が架台を兼ねており、その上に発電ユニットを設置する。そのため、発電ユニットと貯湯槽間に存在する温水回収のための配管を最短にできる。発電ユニット、貯湯槽のそれぞれの容器に発電ユニット、貯湯槽間を接続する温水回収の配管を収めてしまうことも可能である。
請求項9に記載の本発明は、前記燃料電池の周囲の空気を、前記貯湯槽収納容器内に導入する空気導入手段を具備することを特徴とする請求項8記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、発電ユニット内には固体酸化物形燃料電池が格納されているため、この燃料電池の周囲の加熱された空気を貯湯槽収納容器内に導入し、貯湯タンク内の放熱損失を低減できる。この際、貯湯タンクと発電ユニットのそれぞれの容器が接続されていれば、発電ユニットの熱を貯湯槽が格納されている容器に容易に引き込むことができる。
請求項10に記載の本発明は、前記貯湯槽が、前記貯湯槽収納容器内の上面を支持していることを特徴とする請求項8又は9記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽自体に発電ユニットの加重を受け止める強度を持たせる。その結果、別途貯湯槽の貯湯槽収納容器に強度のあるフレームを設ける必要がなくなる。もともと、貯湯槽は水圧を受ける強度が必要とされるため、円筒状形状にするのが一般的であるが、上からの加重を支えるためには、例えば、リブつきの円筒構造や角型構造にすることになる。また、フレームを省略できることで、同一の貯湯槽の容器外寸法で、貯湯槽の内容積を増やすこともできる。
空気供給源としてはコンプレッサーなどがあるが、本発明のような家庭用など小型の燃料電池システムでは、消費電力が小さい回転系のブロワーを用いた方が補機の電力損失を小さくできる。
さらに、流量計12を介した空気は、燃料電池1の構成に応じて燃料電池1に入る前で分岐されていてもよいし、その内部で分岐されていてもよい。燃料電池にはセルと呼ばれる発電の最小単位があり、これを複数本束ねたものがスタックと呼ばれ、ひとつのユニットになる。このユニットごとに空気を供給してもよい。
切断弁15は、基本的に燃料電池1が動作しない間は閉じた状態にあり、燃料電池1に水が供給されることはない。切断弁15は、減圧弁以上の差圧に対して水道水が遮断できるようにする。切断弁15は流量制御17にその機能を組み込むことも可能である。切断弁15を介してきた水道水は、浄水器16によって純水にろ過される。
浄水器16は、フィルター、活性炭又はイオン交換樹脂等で構成されており、水道水に含まれるゴミや塩素その他のミネラル成分等が除去される。この浄水器16は、各地区の水道水の状態が異なるように、その地区に対応した構成にすることも可能である。
マスフロコントローラーのように流量を感知しながら、指示値に合致するように制御するもの、又は、流量の検知は別で行い、ソレノイドバルブのように電磁弁を比例開閉し流量を制御するものであってもよい。または、昇圧機能を有する流量制御装置であってもよい。この場合は、ポンプ機能によって圧力を高めるのでその回転数に応じて流量を制御させてもよい。
流量を自分自身又は外部から検知することができない機器も、予め、流量制御のバルブの開閉度と燃料の流量との関係を求めておくことで使用することが可能である。この場合は記憶装置に流量と開度信号との関係を記憶させておき、温度、劣化率、開度のヒステリシス等の構成からソフトウェアにて、燃料の流量を求めることなく、制御が可能である。
流量制御17を介して燃料電池1に導入された水は、燃料電池内部あるいは近接する領域で気化され、水蒸気となって改質部へと供給される。この水蒸気は改質部へ供給される前で燃料ガスと混合されるような構成になっている。基本的には気化部で混合されるのがよい。これは、気化した水蒸気を燃料ガスがキャリアとして搬送するため、効率よく気化した水蒸気を運ぶことが可能となる。
さらに起動時の着火源として、着火装置24も必要になる。着火装置24は高電圧の電圧を発生させ、これとアースの部分で放電を行わせることにより、燃料ガスに着火が可能となる。着火装置24は、燃料電池1の外部に配置され、そこから配線され、放電部分は耐酸化性、耐熱性に強い金属が用いられる。アース部は、燃料電池1の金属の筐体部や配管部又はセル自身とすることでその部分に放電を行わせ、燃焼を行わせる。また、放電を用いずにヒーターを取り付けその熱で着火を行う方式でもよい。このように起動を介して、供給された燃料、水蒸気及び空気により、燃料電池1の内部では電気化学反応により、直流の電力が発生する。燃料電池の場合は電気化学反応であるため、直流の電流値と、燃料ガス流量又は空気流量とは比例関係にある。これは固体電解質中を酸素イオンの形で電気が流れるため、それに含まれる電荷量と酸素イオンの数は比例するからである。このため、電流計20によって電流値を計測することにより、必要な燃料ガス流量を求めることができる。
バッテリー22は起動時、電力がない場所でも起動できるようにするため、または負荷電力の変動に対して燃料電池システムが追従できない場合若しくは電力系統が停電した場合に燃料電池システムが停止しないようにするためのものでもある。これについては、コストを重視し、不要なシステムとしてもかまわない。
安全装置には、本システムを室内に配置する場合や装置内にガスがたまる場合に備えてガス感知器33が設置されていてもよい。このガス感知器33によって燃料ガスの漏れ、不完全燃焼を感知することができる。
制御はリモコン操作可能とし、家庭の台所、風呂等から運転の指示が可能であり、発電量や貯湯量の表示、更に、電気やお湯の使い方等の指示をしてもよい。さらに、外部との通信機能を備えた場合は、電話回線、LAN、光ファイバー、電波等の通信手段により、制御や発電量、貯湯量及びその使用量等の各種データを遠隔地で知ることができる。
以下に、本発明の発電・給湯コジェネレーションシステムの実施の形態について説明する。
図2は、一般の集合住宅に備えるパイプシャフトに本発明を設置した例を示す図である。集合住宅のパイプシャフト80は、略直方体の形状を有しており、扉と、ガスメーター、上下水道及びガスの配管が通る空間とからなる。図2に示すように、本実施例では、本発明のコジェネレーションシステムは、発電ユニット40、給湯器(バックアップボイラー)50及び貯湯槽60の3つに分割されてパイプシャフト内に配置されている。発電ユニット40及び給湯器50はパイプシャフト80の扉90に取り付けられ、貯湯槽60はパイプシャフト内の配管70と平行にその空間に配置されている。
さらに、貯湯槽60は、保温のために断熱材で覆われた真空断熱パイプからなる。このようにしたことで、貯湯槽としてパイプを複数設置して表面積が増大しても、真空断熱パイプを用いることで熱放散を防ぐことができる。
尚、上記形態では、貯湯槽60を、略円筒形状の2本のパイプから構成し、パイプの上部同士と下部同士をそれぞれに配管61により連結したが、本発明では、図4に示すように、貯湯槽75を、一方のパイプ75aの上部と、他方のパイプ75bの下部とを配管75cにより連結して構成しても良い。また、パイプの数は2本に限定されるものではなく、3本以上であっても良い。このような貯湯槽75では、貯湯のためのパイプ75a、75bを直列に接続して使用することになるので、お湯と水とが上下二層の状態(成層状態)で蓄えやすくなり、給湯が必要なときに上部のお湯だけを貯湯槽から取り出しやすいので、比較的小容量の貯湯槽を効率的に用いることができる。
図5は、本発明の他の形態を示すもので、この発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽76が収納される貯湯槽収納容器77を具備するとともに、該貯湯槽収納容器77上に発電ユニット40が設置されている。発電ユニット40の容器40a内には、上記したように、燃料電池41,供給部42と、排熱回収部43と、パワーコンディアショナ(電力変換器)44と、純水装置45が収容されている。
そして、容器40aには、外部からの空気を取り入れる導入孔81が形成されており、また、容器40a及び貯湯槽収納容器77にはそれぞれ連通孔83が形成され、さらに、貯湯槽収納容器77の下部には、空気を導出する導出孔85が形成されている。連通孔83に設置されたファンが回転することにより、導入孔81から空気が容器40a内に導入され、燃料電池41の周囲の加熱された空気が連通孔83を介して貯湯槽収納容器77に供給され、導出孔85から排出される。
また、貯湯槽収納容器77内には、貯湯槽76を構成するパイプ76a、76bが収容されており、これらのパイプ76a、76bの上下面が、貯湯槽収納容器77の上下の内壁面に当接し、貯湯槽収納容器77上に設置された発電ユニット40を支持している。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽76を格納する貯湯槽収納容器77が架台を兼ねており、その上に発電ユニット40を設置するため、発電ユニット40と貯湯槽76間に存在する温水回収のための配管を最短にできる。
また、発電ユニット40内の加熱された空気を貯湯槽収納容器77内に導入し、貯湯槽76内の放熱損失を低減できる。
さらに、貯湯槽76自体に発電ユニット40の加重を受け止める強度を持たせることができ、貯湯槽収納容器77に強度のあるフレームを設ける必要がなくなり、安価で小型のシステムを提供できる。
30、60 貯湯槽
32、50 給湯器
40 発電ユニット
41 モジュール(燃料電池)
61 接合部(連接部)
70 配管パイプ
40a 容器
75、76 貯湯槽
75a、75b、76a、76b パイプ
75c 配管
77 貯湯槽収納容器
Claims (10)
- 少なくとも、固体酸化物形燃料電池を容器に収容した発電ユニットと、
該発電ユニットの排熱回収で加熱した温水を蓄える貯湯槽と、
該貯湯槽の温水が不足したときに温水を補給する給湯器とを具備し、
前記貯湯槽と前記給湯器とが個別に分離して設置される
ことを特徴とする発電・給湯コジェネレーションシステム。 - 前記発電ユニットは、前記燃料電池に燃料ガス、酸素含有ガス及び水を供給する供給手段と、前記燃料電池が排出した排熱を回収する排熱回収手段と、前記燃料電池で発生した電力を交流電力に変換して電力系統に接続する電力変換手段とを前記容器に具備する
ことを特徴とする請求項1に記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。 - 前記貯湯槽は、軸方向を上下方向とする複数のパイプからなる
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。 - 前記貯湯槽は、前記パイプの上部同士及び下部同士が配管により連結されている
ことを特徴とする請求項3に記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。 - 前記貯湯槽は、前記一方のパイプの上部と、前記他方のパイプの下部とが配管により連結されている
ことを特徴とする請求項3に記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。 - 前記貯湯槽は、真空断熱パイプからなる
ことを特徴とする請求項1乃至5のうちいずれかに記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。 - 前記容器は、取り外し可能な蓋を有する前方部と、固定可能な側方部とを有する
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。 - 前記貯湯槽が収納される貯湯槽収納容器を具備するとともに、該貯湯槽収納容器上に前記発電ユニットが設置されている
ことを特徴とする請求項1乃至7のうちいずれかに記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。 - 前記燃料電池の周囲の空気を、前記貯湯槽収納容器内に導入する空気導入手段を具備する
ことを特徴とする請求項8記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。 - 前記貯湯槽が、前記貯湯槽収納容器内の上面を支持していることを特徴とする請求項8又は9記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。
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