JP2010169269A - コージェネシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池等の排熱源から暖房用熱媒への排熱回収運転における熱交換効率を高く維持しつつも、暖房用熱媒を熱源とする排熱源の起動時の予熱運転においては過度の熱交換加熱に陥る事態の発生を確実に回避し得るコージェネシステムを提供する。
【解決手段】 暖房循環回路４に循環される温水と、排熱回収循環回路３に循環される燃料電池２の冷却水とを熱交換器５で熱交換させる。冷却水からの排熱回収による排熱利用暖房運転では第１熱動弁４７ｂを開に、第２熱動弁４５ｂを閉にして、戻り流路４７の低温の戻り温水を対向流に基づき熱交換加熱する。燃料電池２の起動予熱運転では第１熱動弁を閉に、第２熱動弁を開にして、高温往き路４５からの高温水を熱交換器に対し並行流で流し、冷却水に対する過度の熱交換加熱を抑制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば燃料電池等の排熱源の作動（発電）により生成される排熱との熱交換により暖房用熱媒を加熱する一方、燃料電池等の排熱源の起動時にはその予熱用熱源として暖房用熱媒を利用するようにしたコージェネシステムに関し、特に、燃料電池等の排熱源の起動時の予熱温度が過度に高温化することを簡単な構成により確実に回避し得る技術に係る。

従来、コージェネシステムとして、燃料電池の作動により生成される排熱との熱交換により暖房用熱媒を加熱するようにしたものが知られている（例えば特許文献１参照）。このものには、暖房端末での放熱により温度低下した戻り側暖房熱媒と、燃料電池のジャケット冷却水とを排熱回収用熱交換器に対し対向流になるように流すことにより、ジャケット冷却水の排熱により戻り側暖房熱媒を熱交換加熱するようにすることが開示されている。

又、他のコージェネシステムとして、燃料電池の作動により生成される排熱との熱交換により貯湯タンク内の水を加熱し、これを給湯用に供するようにしたものが知られている（例えば特許文献２参照）。このものには、燃料電池の起動時には貯湯タンク内の湯水を追い焚きバーナで燃焼加熱し、加熱後の高温水の熱エネルギーを熱交換により吸収させて燃料電池側に対しより高い熱エネルギーを与えるようにすることが開示されている。

特開２００４−３６１０２８号公報 特開２００２−４２８４０号公報

ところで、燃料電池等の排熱源からの排熱回収により暖房用熱媒を熱交換加熱するものにおいて、燃料電池等の排熱源の起動時には逆に暖房用熱媒を熱源として燃料電池等の排熱源を予熱することが考えられる。この場合、暖房用熱交換器において排熱源側の熱媒である例えばジャケット冷却水と、暖房用熱媒とを互いに熱交換させて暖房用熱媒で排熱源側の熱媒を加熱することになる。この際、熱交換効率を高めるために熱源側の暖房用熱媒はより高温のものが望ましく、暖房用熱媒として低温・高温の２温度のものが供給可能な場合であれば、高温の暖房用熱媒を暖房用熱交換器に供給することになる。

しかしながら、高温の暖房用熱媒を用いて燃料電池等の排熱源の起動時の予熱用熱源とする場合には、暖房側の運転状況によっては燃料電池等の排熱源に対し過度に高温の熱媒が供給されてしまうおそれがあり、そうなると燃料電池等の排熱源側の機能部品、例えばポンプ等の耐久性に悪影響を与えるおそれがある。

例えば図４に示すように、排熱源としての燃料電池２からの排熱により暖房用熱媒を熱交換加熱するという通常の排熱利用暖房運転の場合には、熱動弁４０１を開にして図外の暖房端末での放熱後に戻り流路４０２を通して戻される低温の暖房用熱媒（破線の矢印参照）を暖房用熱交換器４０３の入口４０４から内部に流す一方、燃料電池２との間で循環される燃料電池側熱媒（一点鎖線の矢印参照）を暖房用熱媒に対し対向流になるように上記熱交換器４０３内に流す。この熱交換器４０３内での液−液熱交換により、燃料電池２の作動（発電）により生成された反応熱が燃料電池側熱媒を介して上記戻り流路４０２の暖房用熱媒に回収されることになる。一方、燃料電池２の起動時には、上記熱動弁４０１を閉にし、代わりに熱動弁４０５を開にして図外の熱源機により燃焼加熱された高温（例えば８０℃）の暖房用熱媒を上記入口４０４から熱交換器４０３内に流すように切換える。これにより、高温の暖房用熱媒により冷え切った燃料電池側熱媒が熱交換加熱され、この燃料電池側熱媒によって燃料電池２が予熱されることになる。つまり、いずれの場合も、熱交換器４０３内において熱源側になる熱媒と、熱交換加熱される側の熱媒とが互いに対向流になるように流されて熱交換効率を高めるようにされる。なお、燃料電池２が固体高分子型燃料電池であれば、起動時には４０〜５０℃程度に加熱した燃料電池側熱媒を循環供給して予熱する必要がある。

ところが、上記の起動時の予熱において、暖房側で暖房端末が運転停止状態であれば暖房用熱媒の放熱がなく、熱源機による燃焼加熱を継続させると上記熱交換器４０３に対し熱源の過剰供給に陥ることになるため、熱源機を例えば間欠燃焼させる、熱源機の燃焼加熱の設定温度を変更調整する、あるいは、混水により熱媒温度を低下させる、等の対策制御を付加する必要が生じてしまう。この場合、特に燃焼停止又は燃焼量変更の対策の場合にはオーバーシュート等の要因により８０℃以上の高温の暖房用熱媒が熱交換器４０３に循環供給されてしまうおそれも考えられる。又、このような８０℃以上の高温の暖房用熱媒が熱交換器４０３に供給されてしまう例として、高温用暖房端末に対し高温（例えば８０℃）の暖房用熱媒を供給している暖房運転中であって上記暖房端末での放熱量(暖房負荷量)が比較的少ないときに、燃料電池２の起動時の予熱運転が重なった場合にも起こり得る。一方、上記の如き複雑な対策制御を採る以外に構造的な対策を考慮する際には、通常の排熱回収運転での熱交換効率を高く維持して熱交換効率を損なわないようにすることが求められることになる。このような事情は、排熱源が燃料電池である場合に限らず、他の排熱源、例えばガスエンジン等においても同様に生じると考えられる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池等の排熱源から暖房用熱媒への排熱回収運転における熱交換効率を高く維持しつつも、暖房用熱媒を熱源とする燃料電池等の排熱源の起動時の予熱運転においては過度の熱交換加熱に陥る事態の発生を確実に回避し得る、コージェネシステムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、排熱源の排熱が担持される熱媒を循環させる排熱回収循環回路と、暖房端末に対し暖房用熱媒を放熱用熱源として循環供給するための暖房循環回路と、上記排熱回収循環回路に流される排熱源側熱媒と暖房循環回路に流される暖房用熱媒との間で熱交換させる暖房用熱交換器とを備えたコージェネシステムを対象にして次の特定事項を備えることとした。すなわち、上記暖房用熱交換器内における上記排熱源側熱媒と暖房用熱媒との互いの流れ方向を並行流と対向流とに相互に切換える流れ方向切換機構を備えることとし、上記流れ方向切換機構として、暖房用熱媒を熱源として排熱源側熱媒を熱交換加熱する排熱源の起動時の起動予熱運転においては並行流に切換制御される一方、排熱源側熱媒からの排熱回収により暖房用熱媒を熱交換加熱する排熱利用暖房運転においては対向流に切換制御される構成とした（請求項１）。

この発明の場合、排熱利用暖房運転の際には暖房用熱交換器において対向流による熱交換に基づいて暖房用熱媒が熱交換効率よく排熱を回収して加熱される一方、排熱源の起動予熱運転の際には上記暖房用熱交換器において並行流による熱交換に基づいて暖房用熱媒から排熱源側熱媒への過度の熱交換加熱が抑えられた状態で熱交換させ得ることになる。これにより、排熱源から暖房用熱媒への排熱回収運転における熱交換効率を高く維持しつつも、暖房用熱媒を熱源とする排熱源の起動時の予熱運転においては過度の熱交換加熱に陥る事態の発生を確実に回避して、排熱源側の各種構成部品の耐久性に悪影響を及ぼす事態の発生も回避し得るようになる。しかも、このような作用を複雑な制御を付加することなく、簡易な切換制御により得ることが可能になる。

上記発明における流れ方向切換機構として、上記暖房用熱交換器に対する暖房用熱媒の流れ方向を相互に逆転させることにより並行流と対向流とに相互に切換えるように構成することができる（請求項２）。このようにすることにより、暖房用熱交換器に対する暖房用熱媒の供給及びその流れ方向の切換が容易に実現させ得ることになる。

又、上記暖房循環回路として、暖房用熱媒の循環流路として、暖房端末に対し暖房用熱媒を供給する往き流路と、暖房端末で放熱後の暖房用熱媒をその暖房端末から戻す戻り流路とを備えるようにし、上記排熱回収循環回路として、排熱源側熱媒を暖房用熱交換器内の一方の内部流路に対し一端側から他端側に流した後に排熱源に戻すように暖房用熱交換器と接続するようにした場合には、流れ方向切換機構を次のように具体的に構成し得る。すなわち、流れ方向切換機構として、上記暖房循環回路の戻り流路の上流側分岐点から下流側合流点までその戻り流路をバイパスして上記戻り流路により戻される暖房用熱媒を暖房用熱交換器内の他方の内部流路に対し他端側から一端側に流す戻りバイパス流路と、この戻りバイパス流路を開閉切換する第１開閉弁と、上記暖房循環回路の往き流路から分岐して往き流路により供給される暖房用熱媒を暖房用熱交換器の上記他方の内部流路に対し一端側から他端側に流す分岐往き流路と、この分岐往き流路を開閉切換する第２開閉弁とを備えて構成することができる（請求項３）。このようにすることにより、暖房用熱交換器に対する暖房用熱媒の流れ方向の切換を具体的かつ容易に実現させ得ることになる。

この場合の第１開閉弁は、暖房用熱交換器の一端側よりも下流側の戻りバイパス流路に介装することができ（請求項４）。このようにすることにより、戻りバイパス流路の開閉を確実に実現し得る上に、第２開閉弁も分岐往き流路に介装するだけで分岐往き流路の開閉も容易にかつ確実に実現し得ることになる。このため、流れ方向の切換も容易に実現させ得ることになる。

又、上記の場合には、流れ方向切換機構による切換制御として、起動予熱運転においては第１開閉弁を閉状態に、第２開閉弁を開状態にそれぞれ切換制御する一方、排熱利用暖房運転においては上記第１開閉弁を開状態に、第２開閉弁を閉状態にそれぞれ切換制御するというように、簡易な制御により実現させ得ることになる（請求項５）。

さらに、暖房循環回路として、暖房用熱媒を加熱する補助熱源機を備え、上記循環流路として、上記補助熱源機による加熱により高温にされた暖房用熱媒を高温用暖房端末に対し循環供給する高温往き流路と、低温の暖房用熱媒を低温用暖房端末に対し循環供給する低温往き流路とを備えるようにし、上記分岐往き流路を高温往き流路から分岐させる構成とすることができる（請求項６）。このようにすることにより、起動予熱運転における排熱源側熱媒を、高温にされた暖房用熱媒により早期に熱交換加熱して予熱を終了させることが可能となる一方、熱源として高温の暖房用熱媒を供給したとしても排熱源側熱媒に対する過度の熱交換加熱が抑制されて排熱源側の各種構成部品の耐久性に悪影響を及ぼすこともない。その上に、分岐往き流路を高温往き流路から分岐させる構成としているため、暖房循環回路側の暖房運転状況の如何に拘わらず、分岐往き流路を通して暖房用熱交換器に対し、暖房運転状況に影響を受けるなりゆきの温度の暖房用熱媒ではなくて、より安定的に制御された温度の暖房用熱媒を供給し得ることになる。

このように高温の暖房用熱媒を供給する構成の場合には、排熱回収循環回路として、排熱源側熱媒が循環される循環流路に介装された貯留タンクを備えた構成にし、上記流れ方向切換機構として、上記貯留タンク内を強制加熱する再加熱運転において、第１開閉弁を閉状態に、第２開閉弁を開状態にそれぞれ切換制御して、補助熱源機により加熱された高温の暖房用熱媒を暖房用熱交換器に流す構成とすることができる（請求項７）。このような再加熱運転を実行すると、排熱源側熱媒が高温の暖房用熱媒により熱交換加熱され、その排熱源側熱媒が貯留タンクに循環供給されて貯留タンク内が強制的に再加熱されることになる。これにより、例えば長期に亘り貯留タンク内の熱媒が不使用であっても、レジオネラ菌等を不活性にし得ることになる。

以上のコージェネシステムにおける排熱源としては燃料電池を用いることができ（請求項８）、又、その燃料電池としては固体高分子型燃料電池とすることができ（請求項９）、固体高分子型燃料電池を用いた場合にはより低温で発電が可能となり起動時の予熱も早期に完了させ得ることになる。

以上、説明したように、請求項１〜請求項９のいずれかのコージェネシステムによれば、排熱利用暖房運転の際には対向流による熱交換に基づいて燃料電池等の排熱源から暖房用熱媒への排熱回収運転における熱交換効率を高く維持しつつも、その排熱源の起動予熱運転の際には並行流による熱交換に基づいて過度の熱交換加熱に陥る事態の発生を確実に回避することができ、排熱源側の耐久性に悪影響を及ぼす事態の発生も確実に回避することができることになる。しかも、このような効果を複雑な制御を付加することなく、簡易な切換制御により得ることができるようになる。

特に、請求項２によれば、暖房用熱交換器に対する暖房用熱媒の供給及びその流れ方向の切換を容易に実現させることができ、請求項３によれば、暖房用熱交換器に対する暖房用熱媒の流れ方向の切換を具体的かつ容易に実現させることができるようになる。

そして、請求項４によれば、請求項３の戻りバイパス流路の開閉を確実に行うことができるようになるだけでなく、第２開閉弁も分岐往き流路に介装するだけで分岐往き流路の開閉も容易にかつ確実に行うことができることになり、その結果、流れ方向の切換も容易に実現させることができるようになる。加えて、請求項５によれば、流れ方向切換機構による流れ方向の切換を第１開閉弁又は第２開閉弁の開閉切換という簡易な制御により実現させることができるようになる。

さらに、請求項６によれば、起動予熱運転における排熱源側熱媒を、高温にされた暖房用熱媒により早期に熱交換加熱して予熱を終了させることができる一方、熱源として高温の暖房用熱媒を供給したとしても排熱源側熱媒に対する過度の熱交換加熱を抑制して排熱源側の各種構成部品の耐久性に悪影響を及ぼすこともない。その上に、分岐往き流路を高温往き流路から分岐させる構成としているため、暖房循環回路側の暖房運転状況の如何に拘わらず、分岐往き流路を通して暖房用熱交換器に対し、暖房運転状況に影響を受けるなりゆきの温度の暖房用熱媒ではなくて、より安定的に制御された温度の暖房用熱媒を供給することができるようになる。

一方、請求項７によれば、再加熱運転の実行が可能となり、この再加熱運転の実行によって貯留タンク内を強制的に再加熱することができ、これにより、例えば長期に亘り貯留タンク内の熱媒が不使用であっても、レジオネラ菌等を不活性にすることができるようになる。

請求項８によれば、排熱源として燃料電池を用いてコージェネシステムを構築することができ、請求項９によれば、その燃料電池として固体高分子型燃料電池を用いて最適なコージェネシステムを構築することができる。

本発明の第１実施形態を示す模式図である。 第２実施形態を示す模式図である。 第３実施形態を示す模式図である。 本発明と対比される想定のコージェネシステムの部分図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るコージェネシステムを示し、符号２は排熱源としての燃料電池、３は燃料電池２から排熱を回収して貯湯する排熱回収循環回路、４は暖房用熱媒として温水を用いて温水循環式暖房機能を実現する暖房循環回路、５は排熱回収循環回路３と暖房循環回路４との間で熱交換させるための暖房用熱交換器である。これは燃料電池２から回収した排熱を暖房循環回路４の暖房用温水の熱交換加熱に利用する一方、燃料電池２の起動時には暖房用温水を燃料電池２の予熱用の熱源として利用するようにしたシステムである。

燃料電池２は例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）により構成され、電力生成に伴い発生する排熱を冷却水との熱交換により回収して温水を生成するようになっている。そして、燃料電池２の側に備えられた循環ポンプ２１の作動により、排熱回収循環回路３に対し温水となった冷却水を循環させるようになっている。この冷却水が燃料電池側熱媒であり、かかる冷却水として後述の貯留タンク３１に給水・貯留される水道水が用いられている。

排熱回収循環回路３は、貯留タンク３１と燃料電池２との間で燃料電池側熱媒としての冷却水を循環させる循環流路３２を基本構成要素として備えている。そして、貯留タンク３１に供給・貯留した水（水道水）を上記の冷却水として用いて、燃料電池２からの排熱回収により水を湯の状態にして貯留タンク３１に貯湯することで、回収した排熱を蓄熱するようにしている。貯留タンク３１には、その底部に外部の給水源からの給水流路３３が接続され、頂部には給湯等に利用するための取り出し流路３４が接続されている。循環流路３２は、燃料電池２から上記の暖房用熱交換器５及び貯湯切換弁３５を通って貯留タンク３１の頂部に往く熱媒往き流路３６と、貯留タンク３１の底部から循環ポンプ２１を通して燃料電池２に戻る熱媒戻り流路３７と、貯湯切換弁３５から分岐して貯留タンク３１を経由しないで熱媒戻り流路３７に連通接続される非タンク循環流路３８とを備えている。そして、貯湯切換弁３５の貯留タンク３１側を連通し非タンク循環流路３８の側を遮断した切換状態（タンク連通状態）にすれば、燃料電池２と貯留タンク３１との間で冷却水が循環（タンク間循環）され、貯湯切換弁３５の貯留タンク３１側を遮断し非タンク循環流路３８の側を連通した切換状態(タンク遮断状態)にすれば、貯留タンク３１を経由しないで燃料電池２と暖房用熱交換器５との間で冷却水が循環（非タンク循環）されるようになっている。

ここで、暖房用熱交換器５は一方の内部流路に流される上記冷却水と、他方の内部流路に流れる暖房用の温水との間で液−液熱交換する液−液熱交換器として構成されている。そして、熱媒往き流路３６は、この熱媒往き流路３６を流れる冷却水が暖房用熱交換器５内の一方の内部流路に対しその一端（図１の左端）５１側から他端（同図の右端）５２側へ流れるように暖房用熱交換器５と接続されている。なお、図１又は他の図面において、暖房用熱交換器５は図面の左右方向に延びるように図示しているが、これに限らず、上下方向に延びるように配置してもよく、この場合には上記の一端や他端は上端又は下端となる。以下、図示したものに沿って「左端」又は「右端」と表示する。

暖房循環回路４は、燃焼熱により循環温水を熱交換加熱するバックアップ用の補助熱源機４１と、上記の暖房用熱交換器５とを通り、図外の低温用暖房端末又は高温用暖房端末との間で温水を循環させる循環流路４２を備えている。循環流路４２は、膨張タンク４３に戻されて貯留される低温水を暖房用の循環ポンプ４４の作動により上記補助熱源機４１に送り、ここで燃焼加熱された高温水を高温往き流路４５から図外の高温用暖房端末（例えば浴室乾燥機等）に供給するようになっている。又、上記の循環ポンプ４４の作動により、膨張タンク４３内の低温水を低温往き流路４６を介して図外の低温用暖房端末（例えば床暖房機等）に供給し、上記の高温用暖房端末や低温用暖房端末等の全ての暖房端末から放熱により低温になった低温水を戻り流路４７を通して膨張タンク４３に戻すというように、循環させるようになっている。

又、戻り流路４７は、膨張タンク４３に戻るまでの間に戻りバイパス流路４７ａに分岐して暖房用熱交換器５を通過したり、あるいは、暖房用熱交換器５を通過せずにそのまま膨張タンク４３に戻ったりするようになっている。すなわち、戻り流路４７には戻りバイパス流路４７ａが付設され、この戻りバイパス流路４７ａは上流側の分岐点ｄ１から下流側の合流点ｄ２までの間の戻り流路４７をバイパスして途中において暖房用熱交換器５を通過するように形成されている。詳しくは、戻りバイパス流路４７ａは上流側位置の分岐点ｄ１から分流させた戻り温水を暖房用熱交換器５内の他方の内部流路に対しその右端５３から流入させ、右端５３から左端５４に流れた後に左端５４から流出する戻り温水を下流側の合流点ｄ２において戻り流路４７に合流させるようになっている。加えて、戻りバイパス流路４７ａの下流側であって暖房用熱交換器５の左端５４と合流点ｄ２との間に、第１開閉弁としての第１熱動弁４７ｂが介装されている。

さらに、上記の高温往き流路４５の途中の分岐点ｄ３から分岐した高温分岐往き流路４５ａが暖房用熱交換器５の左端５４に接続され、この高温分岐往き流路４５ａには第２開閉弁としての第２熱動弁４５ｂが介装されている。これら高温分岐往き流路４５ａ、第２熱動弁４５ｂ、戻りバイパス流路４７ａ及び第１熱動弁４７ｂによって、暖房用熱交換器５の他方の内部流路を流れる暖房用温水の流れ方向を相互に逆転させる流れ方向切換機構１０が構成されている。

以上のコージェネシステムは図外のコントローラ（制御手段）によって運転制御されるようになっている。運転制御としては、燃料電池２が発電運転中（電力生成中）にあるときであって、かつ、暖房運転要求があるときの通常運転制御として燃料電池２の排熱を回収して暖房用温水の熱交換加熱に利用する排熱利用暖房運転制御と、燃料電池２の発電運転が停止状態にあるときから起動される際に暖房用温水を熱源として燃料電池２を予熱する起動予熱運転制御と、長期不在時等にレジオネラ菌対策として貯留タンク３１内を再加熱（沸かし上げ）する貯留タンク再加熱運転制御とを備えている。

排熱利用暖房運転制御は、貯湯切換弁３５をタンク遮断状態に切換えて熱媒循環流路３２を非タンク循環にした状態で循環ポンプ２１を作動させる一方、第１熱動弁４７ｂを開状態に、第２熱動弁４５ｂを閉状態にそれぞれ変換する。これにより、燃料電池２で昇温した冷却水が暖房用熱交換器５に対し左端５１から右端５２へ流れる一方（図１の一点鎖線の矢印参照）、戻り流路４７から戻される低温の戻り温水が戻りバイパス流路４７ａにも分流されて暖房用熱交換器５に対し右端５３から左端５４へ流れることになる（同図の破線の矢印参照）。このため、暖房用熱交換器５内において、冷却水と戻り温水とが互いに対向流となって流れつつ液−液熱交換されることになり、戻り温水は対向流による液−液熱交換に基づき熱交換効率よく加熱されることになる。なお、戻り温水を熱交換加熱した後であっても暖房用熱交換器５の右端５２から出た冷却水の温度が所定温度まで降温していない場合には、貯湯切換弁３５をタンク連通状態又は望ましくは貯留タンク３１にも連通すると同時に非タンク循環流路３８にも連通して双方に分流し得る中間切換状態に切換えて貯留タンク３１内の貯留湯水との熱交換又は混合により所定温度（例えば４５℃以下）まで降温させた上で燃料電池２に戻すようにすればよい。

起動予熱運転制御は、貯湯切換弁３５をタンク遮断状態に切換えて熱媒循環流路３２を非タンク循環にした状態で循環ポンプ２１を作動させる一方、第１熱動弁４７ｂを閉状態に、第２熱動弁４５ｂを開状態にそれぞれ変換する。これにより、運転停止中に低温状態に降温した冷却水が暖房用熱交換器５に対し左端５１から右端５２へ流れる一方（図１の一点鎖線の矢印参照）、高温分岐往き流路４５ａから高温水が暖房用熱交換器５に対し左端５４から右端５３へ流れた後に戻りバイパス流路４７ａの上流側部分及び戻り流路４７を通って膨張タンク４３に戻されることになる（同図の実線の矢印参照）。このため、暖房用熱交換器５内において、冷却水と高温水とが互いに並行流となって流れつつ液−液熱交換されることになり、冷却水は高温水により熱交換加熱されはするものの、並行流による液−液熱交換に基づき過度に加熱されることが回避されることになる。例えば、熱媒循環流路３２での冷却水の循環流量が１Ｌ／ｍｉｎで３０℃の状態である一方、高温分岐往き流路４５ａからの高温水の循環流量が１０Ｌ／ｍｉｎで通常は８０℃であるところ若干オーバーして８５℃の状態で流れてきた場合を考えてみる。この場合、並行流であると、循環流量の大きな違いから仮にミキシングした最悪の場合を考えてみたとしても、熱交換加熱後の冷却水の温度は８０℃［（８５×１０＋３０×１）／（１０＋１）＝８０］までの温度に保つことができ、対向流の場合には冷却水が熱源側温度（８５℃）に限りなく近い温度まで加熱されてしまうことに比べて、冷却水が過度に熱交換加熱されてしまうことを回避することができるようになる。これにより、循環ポンプ２１等の燃料電池２側の機能部品の耐久性に悪影響を与えることなく、それらの耐久性を良好に維持させることができるようになる。

又、再加熱運転制御は、貯湯切換弁３５をタンク連通状態に切換えて熱媒循環流路３２をタンク間循環にした状態で循環ポンプ２１を作動させる一方、起動予熱運転制御と同様に第１熱動弁４７ｂを閉状態に、第２熱動弁４５ｂを開状態にそれぞれ変換する。これにより、暖房用熱交換器５において高温水により加熱された冷却水が貯留タンク３１に供給され、貯留タンク３１内がレジオネラ菌等を不活性にし得る温度(例えば６０℃以上)まで沸かし上げることができる。

以上、要するに流れ方向切換機構１０を備えたことにより、暖房用熱交換器５での熱交換を対向流による熱交換と、並行流による熱交換とに切換えることができるようになる。これにより、燃料電池２の排熱により暖房用温水を熱交換加熱するという排熱利用暖房運転における熱交換効率を高く維持しつつも、暖房用温水を熱源とする燃料電池２の起動予熱運転においては過度の熱交換加熱に陥る事態の発生を確実に回避することができるようになる。

＜第２実施形態＞
図２は、本発明の第２実施形態に係るコージェネシステムを示す。この第２実施形態は上記の第１実施形態をより具体的に構成したものに相当する。すなわち、第２実施形態は、第１実施形態の構成に加えて、貯留タンク３１からこれに貯留された貯湯に混水して温調した予混合給水を対象にして加熱する給湯回路６と、補助熱源機４１で加熱された高温水を利用して液−液熱交換加熱するふろ追い焚き回路７とを備え、補助熱源機４１や給湯回路６の給湯熱源機６１として潜熱回収機能を付加した高効率型のものを用いたものである。なお、第１実施形態と同じ構成のものには第１実施形態と同じ符号を付して重複した詳細な説明を省略し、異なる点について説明を加える。

給湯回路６は、給湯熱源機６１と、この給湯熱源機６１に対し上記の予混合給水を供給する予混合給水流路６２と、給湯熱源機６１で熱交換加熱された湯を給湯する給湯流路６３とを備えている。給湯熱源機６１は燃焼バーナ６４の燃焼に伴う顕熱により主加熱する一次熱交換器６５と、燃焼排ガスから潜熱を回収して予熱する二次熱交換器６６とを備え、上記の予混合給水流路６２は予混合給水をまず二次熱交換器６６に通して予熱した上で、一次熱交換器６５に通すようになっている。又、給湯流路６３の途中には、排熱回収循環回路３の給水流路３３から分岐された混水用給水流路６７が合流され、一次熱交換器６５からの出湯に対し混水用給水流路６７からの給水が混水されて、設定給湯温度に温調されるようになっている。又、この混水用給水流路６７の合流点よりも下流側位置の給湯流路６３から分岐した注湯回路８が上記ふろ追い焚き回路７に接続され、注湯回路８を通して給湯流路６３の湯が浴槽７１に注湯可能とされている。

ふろ追い焚き回路７は、液−液熱交換式の加熱部としてのバスヒータ７２が、ふろ戻り流路７３及びふろ往き流路７４からなる追い焚き循環流路７５に介装されたものである。そして、追い焚き用循環ポンプ７６の作動により浴槽７１からふろ戻り流路７３を通して取り出された浴槽水がバスヒータ７２に送られ、このバスヒータ７２において暖房循環回路４の高温往き流路４５から分岐供給される高温水を熱源とする液−液熱交換により追い焚き加熱され、追い焚き加熱後の浴槽湯水がふろ往き流路７４を通して浴槽７１に送られるようになっている。

暖房循環回路４の補助熱源機４１は、給湯熱源機６１と同様に、燃焼バーナ４１ａの燃焼に伴う顕熱により主加熱する一次熱交換器４８と、燃焼排ガスから潜熱を回収して予熱する二次熱交換器４９とを備えている。そして、戻り流路４７により戻された戻り温水をまず二次熱交換器４９に通して予熱した上で膨張タンク４３に戻し、膨張タンク４３から取り出した温水を一次熱交換器４８に通して加熱した高温水を高温往き流路４５に供給するようになっている。

又、図２中の符号９１は高温用暖房端末、９２は低温用暖房端末であり、共に放熱後は戻り温水となって戻り流路４７により戻されることになる。又、排熱回収循環回路３には、暖房用熱交換器５の手前位置の熱媒往き流路３６から分岐して、貯湯切換弁３５と貯留タンク３１との中間位置の熱媒往き流路３６に合流する熱媒バイパス流路３９が接続され、この熱媒バイパス流路３９は途中に介装された電磁弁３９ａを開にすることで燃料電池２からの冷却水を暖房用熱交換器５と、熱媒バイパス流路３９とに分流させ得るようになっている。

この第２実施形態においても、第１実施形態と同様の運転制御、すなわち、排熱利用暖房運転制御と、起動予熱運転制御と、貯留タンク再加熱運転制御とが図外のコントローラ（制御手段）によって運転制御されるようになっている。そして、第１実施形態で説明したものと同様の作用効果、すなわち、流れ方向切換機構１０を備えたことにより、暖房用熱交換器５での熱交換を対向流による熱交換と、並行流による熱交換とに切換えることができるようになり、これにより、燃料電池２の排熱により暖房用温水を熱交換加熱するという排熱利用暖房運転における熱交換効率を高く維持しつつも、暖房用温水を熱源とする燃料電池２の起動予熱運転においては過度の熱交換加熱に陥る事態の発生を確実に回避することができるようになる。なお、第１実施形態で説明した運転制御以外の運転制御として貯留タンク３１への貯湯運転制御、つまり、燃料電池２からの冷却水を貯留タンク３１との間で循環させて燃料電池２の排熱回収により貯留タンク３１内に湯として蓄熱するための運転制御を行う場合には、燃料電池２からの冷却水を暖房用熱交換器５と、熱媒バイパス流路３９との双方に分流させる際などにおいて、暖房循環回路４側の第１熱動弁４７ｂ及び第２熱動弁４５ｂ（後述の第３実施形態においては第１熱動弁４７ｂ及び第２熱動弁４６ｂ）を共に閉弁状態に切換制御するようにする。このようにすることにより、燃料電池２の冷却水の有する排熱が暖房用熱交換器５を介して暖房循環回路４の側に放熱されてしまうことを回避することができ、暖房循環回路４の側への放熱ロスを阻止して効率よく排熱回収による貯湯運転を行うことができる。

＜第３実施形態＞
図３は、本発明の第３実施形態に係るコージェネシステムを示す。この第３実施形態は第１実施形態における流れ方向切換機構１０の変更形態に係る流れ方向切換機構１０ａを備えたものである。第３実施形態のその他の構成は第１実施形態と同じであり、第１実施形態と同じ構成のものには第１実施形態と同じ符号を付して重複した詳細な説明を省略し、異なる点について説明を加える。

流れ方向切換機構１０ａは、第１実施形態の流れ方向切換機構１０における高温分岐往き流路４５ａ及び第２熱動弁４５ｂの代わりに、低温往き流路４６の途中の分岐点ｄ４から分岐した低温分岐往き流路４６ａを暖房用熱交換器５の左端５４に接続し、この低温分岐往き流路４６ａに第２開閉弁として第２熱動弁４６ｂを介装したものである。そして、これら低温分岐往き流路４６ａ、第２熱動弁４６ｂ、戻りバイパス流路４７ａ及び第１熱動弁４７ｂによって、暖房用温水の流れ方向切換機構１０ａを構成している。すなわち、暖房用熱交換器５において燃料電池２からの冷却水と並行流にして流す対象として、第１実施形態での高温水ではなくて、第３実施形態では低温水にしたものである。

この第３実施形態の場合、排熱利用暖房運転制御を第１実施形態で説明したものと同様の制御を行って、戻り温水を対向流による液−液熱交換に基づき熱交換効率よく加熱することができる。又、起動予熱運転制御は、貯湯切換弁３５をタンク遮断状態に切換えて熱媒循環流路３２を非タンク循環にした状態で循環ポンプ２１を作動させる一方、第１熱動弁４７ｂを閉状態に、第２熱動弁４６ｂを開状態にそれぞれ変換する。これにより、運転停止中に低温状態に降温した冷却水が暖房用熱交換器５に対し左端５１から右端５２へ流れる一方（図３の一点鎖線の矢印参照）、低温分岐往き流路４６ａを通して膨張タンク４３から供給される低温水が暖房用熱交換器５に対し左端５４から右端５３へ流れた後に戻りバイパス流路４７ａの上流側及び戻り流路４７を通って膨張タンク４３に再び戻されることになる（同図の実線の矢印参照）。この場合においても、膨張タンク４３からの低温水は例えば５０℃程度であるため、この低温水による冷却水の熱交換加熱によって燃料電池２の起動時に必要となる予熱の下限温度(例えば３５℃)以上の熱を燃料電池２に対し付与することができる。

従って、高温水を用いた貯留タンク３１に対する再加熱運転制御を行う必要がなければ、暖房用熱交換器５において並行流によって冷却水を熱交換加熱する熱源として低温水を用いることができることになる。

＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記第１〜第３の各実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記各実施形態で用いる暖房用熱交換器５の形式は液−液熱交換器であればよく、図例の形式には限られない。又、上記各実施形態における燃料電池２を他の排熱源に置換してコージェネシステムを構成することができる。例えばガスエンジンを排熱源として用いることができ、この場合にはガスエンジンの冷却水を排熱源側熱媒として用いることができる。

上記各実施形態における暖房用熱媒として、温水の他にもオイルや不凍液等を用いることができる。さらに、貯留タンク３１に飲用水の貯湯をする構成を省略すれば、燃料電池２の排熱が担持される燃料電池側の熱媒として冷却水以外にも上記の如きオイルや不凍液等を用いることができる。

さらに、上記各実施形態では、暖房用熱交換器５に対する暖房用温水の流れ方向を切換えるための流れ方向切換機構１０，１０ａを示したが、これに限らず、暖房用温水の流れ方向は所定の一方向への流れ方向で不変とし、代わりに、燃料電池側の熱媒である冷却水の暖房用熱交換器５に対する流れ方向を正・逆に切換えるための流れ方向切換機構を備えるようにしてもよい。

本発明は、家庭用や工業用の熱電併給システムとして利用可能であり、特に燃料電池２等による電力生成と、暖房循環回路４による暖房とを共に得られるため、電力産業や住宅設備産業等において利用可能である。

２ 燃料電池（排熱源）
３ 排熱回収循環回路
４ 暖房循環回路
５ 暖房用熱交換器
１０，１０ａ 流れ方向切換機構
３１ 貯留タンク
４２ 暖房用温水の循環流路
４５ 高温往き流路
４６ 低温往き流路
４７ 戻り流路
４５ａ 高温分岐往き流路
４５ｂ 第２熱動弁（第２開閉弁）
４６ａ 低温分岐往き流路
４６ｂ 第２熱動弁（第２開閉弁）
４７ａ 戻りバイパス流路
４７ｂ 第１熱動弁（第１開閉弁）
ｄ１ 上流側の分岐点
ｄ２ 下流側の合流点

Claims (9)

1. 排熱源の排熱が担持される熱媒を循環させる排熱回収循環回路と、暖房端末に対し暖房用熱媒を放熱用熱源として循環供給するための暖房循環回路と、上記排熱回収循環回路に流される排熱源側熱媒と暖房循環回路に流される暖房用熱媒との間で熱交換させる暖房用熱交換器とを備えたコージェネシステムであって、
   上記暖房用熱交換器内における上記排熱源側熱媒と暖房用熱媒との互いの流れ方向を並行流と対向流とに相互に切換える流れ方向切換機構を備え、
   上記流れ方向切換機構は、暖房用熱媒を熱源として排熱源側熱媒を熱交換加熱する排熱源の起動時の起動予熱運転においては並行流に切換制御される一方、排熱源側熱媒からの排熱回収により暖房用熱媒を熱交換加熱する排熱利用暖房運転においては対向流に切換制御されるように構成されている
   ことを特徴とするコージェネシステム。
2. 請求項１に記載のコージェネシステムであって、
   上記流れ方向切換機構は、上記暖房用熱交換器に対する暖房用熱媒の流れ方向を相互に逆転させることにより並行流と対向流とに相互に切換えるように構成されている、コージェネシステム。
3. 請求項２に記載のコージェネシステムであって、
   上記暖房循環回路は、暖房用熱媒の循環流路として、暖房端末に対し暖房用熱媒を供給する往き流路と、暖房端末で放熱後の暖房用熱媒をその暖房端末から戻す戻り流路とを備え、
   上記排熱回収循環回路は、排熱源側熱媒を暖房用熱交換器内の一方の内部流路に対し一端側から他端側に流した後に排熱源に戻すように暖房用熱交換器と接続され、
   上記流れ方向切換機構は、上記暖房循環回路の戻り流路の上流側分岐点から下流側合流点までその戻り流路をバイパスして上記戻り流路により戻される暖房用熱媒を暖房用熱交換器内の他方の内部流路に対し他端側から一端側に流す戻りバイパス流路と、この戻りバイパス流路を開閉切換する第１開閉弁と、上記暖房循環回路の往き流路から分岐して往き流路により供給される暖房用熱媒を暖房用熱交換器の上記他方の内部流路に対し一端側から他端側に流す分岐往き流路と、この分岐往き流路を開閉切換する第２開閉弁とを備えて構成されている、コージェネシステム。
4. 請求項３に記載のコージェネシステムであって、
   上記第１開閉弁は、暖房用熱交換器の一端側よりも下流側の戻りバイパス流路に介装されている、コージェネシステム。
5. 請求項３又は請求項４に記載のコージェネシステムであって、
   上記流れ方向切換機構は、起動予熱運転においては第１開閉弁を閉状態に、第２開閉弁を開状態にそれぞれ切換制御する一方、排熱利用暖房運転においては上記第１開閉弁を開状態に、第２開閉弁を閉状態にそれぞれ切換制御するように構成されている、コージェネシステム。
6. 請求項３〜請求項５のいずれかに記載のコージェネシステムであって、
   上記暖房循環回路は、暖房用熱媒を加熱する補助熱源機を備え、上記循環流路として、上記補助熱源機による加熱により高温にされた暖房用熱媒を高温用暖房端末に対し循環供給する高温往き流路と、低温の暖房用熱媒を低温用暖房端末に対し循環供給する低温往き流路とを備えており、
   上記分岐往き流路は高温往き流路から分岐されている、コージェネシステム。
7. 請求項６に記載のコージェネシステムであって、
   上記排熱回収循環回路は、排熱源側熱媒が循環される循環流路に介装された貯留タンクを備え、
   上記流れ方向切換機構は、上記貯留タンク内を強制加熱する再加熱運転において、第１開閉弁を閉状態に、第２開閉弁を開状態にそれぞれ切換制御して、補助熱源機により加熱された高温の暖房用熱媒を暖房用熱交換器に流すように構成されている、コージェネシステム。
8. 請求項１〜請求項７のいずれかに記載のコージェネシステムであって、
   上記排熱源は燃料電池である、コージェネシステム。
9. 請求項８に記載のコージェネシステムであって、
   上記燃料電池は固体高分子型燃料電池である、コージェネシステム。

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