JP2013134026A - コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】発電部の排熱回収用の熱交換部に供給される湯水を冷却するのに利用される放熱器の小型化などを適切に図ることが可能なコージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】貯湯タンク３から排熱回収用の熱交換部１１に供給されて加熱された湯水を貯湯タンク３に戻す第１の状態と、排熱回収用の熱交換部１１によって加熱された湯水を放熱器５によって冷却させてから熱交換部１１に再供給するように循環させる第２の状態とを切り替え設定可能とされている、コージェネレーションシステムＣ１であって、放熱器５は、補助熱源機４のファン４１が外部空気を吸い込む際の空気流通路となる位置に設けられ、ファン４１の駆動時には、外部空気が放熱器５の熱交換部５０を通過してからファン４１に供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池あるいはガスエンジンなどを利用したコージェネレーションシステムに関する。

燃料電池を用いたコージェネレーションシステムとしては、いわゆる水自立型のものがある。このようなシステムでは、燃料電池を用いた発電部から排出される高温の排ガスから熱を回収する排熱回収用の熱交換部を有している。貯湯タンクへの蓄熱動作時においては、貯湯タンクの湯水が前記熱交換部に供給され、この湯水と排ガスとの間で熱交換が行なわれる。このことにより、発電部から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮させており、この凝縮水は、蒸発器などに供給されて燃料改質に利用される。
一方、排ガスにより加熱された湯水は、貯湯タンクに戻されて貯留され、蓄熱が図られる。このようなシステムでは、貯湯タンクにおける蓄熱が満杯状態になると、貯湯タンク内の湯水を前記熱交換部に供給しても、発電部からの排ガスを冷却することはできず、凝縮水は得られなくなる。また、ＳＯＦＣなどの高温型の燃料電池の発電部は、運転の起動および停止に長時間を要し、貯湯タンクにおける蓄熱が満杯状態になる都度その運転を停止させることが困難な場合がある。
そこで、従来においては、貯湯タンクにおける蓄熱が満杯状態になったときには、別途設けられた放熱器と排熱回収用の熱交換部との間で湯水を循環させる湯水流路に切り替え、排熱回収用の熱交換部によって加熱された湯水を放熱器によって冷却させてから前記熱交換部に再供給させるようにしている。

しかしながら、前記従来技術においては、次のような不具合があった。
すなわち、放熱器は、放熱用の熱交換部と、この放熱用の熱交換部に送風を行なうための空冷用ファンとを組み合わせた構成とされているのが通例である。このような構成の放熱器は、比較的大きなサイズとなる。したがって、放熱器の取り付けスペースを確保する上で苦慮するものとなっていた。また、ファンを備えた放熱器は、その分だけコストも高いものとなる。

なお、特許文献１には、前記した放熱器を用いないようにしたコージェネレーションシステムが記載されている。同文献に記載されたシステムは、貯湯タンクの蓄熱量が不足する際に湯水を加熱するために設けられた補助熱源機を放熱器として利用している。より具体的には、この特許文献１では、冷却対象の湯水を、補助熱源機の熱交換部に供給し、かつ補助熱源機のファンを駆動させることにより冷却させている。ところが、このような手段においては、補助熱源機のバーナを燃焼駆動させて、補助熱源機によって湯水加熱を行なわせている際には、湯水の冷却は困難であり、補助熱源機を放熱器として用いることはできない。これでは、実用性に劣ることとなる。

特開２００３−２１４７０５号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、発電部の排熱回収用の熱交換部に供給される湯水を冷却するための放熱器の小型化などを適切に図ることが可能なコージェネレーションシステムを提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明により提供されるコージェネレーションシステムは、貯湯タンクと、発電部の排熱回収用の熱交換部と、バーナおよびファンを有する湯水加熱用の補助熱源機と、放熱器を有し、かつ前記貯湯タンクと前記排熱回収用の熱交換部とを接続する配管構造部と、を備えており、前記配管構造部は、前記貯湯タンクから前記排熱回収用の熱交換部に供給されて加熱された湯水を前記貯湯タンクに戻す第１の状態と、前記排熱回収用の熱交換部によって加熱された湯水を前記放熱器によって冷却させてから前記熱交換部に再供給するように循環させる第２の状態とを切り替え設定可能とされている、コージェネレーションシステムであって、前記放熱器は、前記補助熱源機のファンが外部空気を吸い込む際の空気流通路となる位置に設けられ、前記ファンの駆動時には、外部空気が前記放熱器の放熱用の熱交換部を通過してから前記ファンに供給されるように構成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、補助熱源機のファンを駆動させた際には、このファンが外部空気を吸い込む作用に基づき、外部空気は放熱器の放熱用の熱交換部を通過する。したがって、放熱器の空冷用の熱交換部に送風を行なうための専用のファンを放熱器に具備させる必要はない。その結果、放熱器の低コスト化を図ることができるとともに、小型化をも図ることができ、放熱器の取り付けスペースの確保に苦慮するといった不具合も抑制可能である。
本発明によれば、前記した特許文献１とは異なり、補助熱源機のバーナを燃焼駆動させている際であっても、放熱器の放熱用の熱交換部を空冷することができる。したがって、補助熱源機のバーナが燃焼駆動している際に、発電部の排熱回収用の熱交換部に冷却水を供給することが困難になるといった不具合はなく、実用性に優れたものとなる。
さらに、重要な効果として、補助熱源機のファンの駆動時には、放熱器の熱交換部を通過して昇温を生じた空気が前記ファンに吸引されて補助熱源機に取り込まれる。したがって、前記昇温を生じた空気の熱を補助熱源機において有効に利用することができる。たとえば、前記の熱は、補助熱源機が具備する熱交換器を加熱するのに利用したり、あるいは補助熱源機の各部の凍結防止に利用することが可能となる。このようなことから、本発明によれば、放熱器から放出された熱を無駄にせず、システム全体のエネルギ効率を高める効果も得られる。

本発明において、好ましくは、前記補助熱源機は、通気口を有する外装ケース内に収容され、かつこの外装ケースの外部空気が前記通気口を介して前記外装ケース内に流入してから前記ファンに供給されるように構成されており、前記放熱器は、前記放熱用の熱交換部の周囲を囲むケースを備え、かつこのケースの内部が前記外装ケースの通気口に連通するように設けられていることにより、前記外装ケースの外部の空気は、前記通気口および前記放熱器のケース内を通過するように構成されている。

このような構成によれば、全体の構成を簡易にしつつ、補助熱源機のファンの駆動時には、放熱器のケース内に多くの外部空気を効率良く送り込むことが可能となる。

本発明において、好ましくは、前記放熱器は、前記外装ケース内に収容され、または前記外装ケースの外面部に取り付けられ、前記放熱器のケースの内部は、前記通気口に対面して連通するように設けられている。

このような構成によれば、補助熱源機のファンと放熱器とを、たとえばダクトを用いて接続するような必要がなく、全体の構成を簡易にする上で好ましいものとなる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係るコージェネレーションシステムの一例を示す概略説明図である。 本発明の他の例を示す概略説明図である。 本発明の他の例を示す概略説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示すコージェネレーションシステムＣ１は、燃料電池システム１、貯湯式の給湯装置Ａ、およびこれらを接続する配管構造部２を備えている。配管構造部２には、放熱器５が設けられている。

燃料電池システム１は、いわゆる水自立型であり、従来既知のものと同様である。簡略すると、この燃料電池システム１は、たとえばＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）を用いた発電部１０、および排熱回収用の熱交換部１１を備えている。図示説明は省略するが、発電部１０は、セルスタック、蒸発器、燃料改質器、およびオフガス燃焼室などを有しており、発電動作に伴い高温の排ガスを排出する。排熱回収用の熱交換部１１は、前記の排ガスから熱を回収するための部分である。この熱交換部１１において排ガスが冷却されると凝縮水が得られるが、この凝縮水はイオン交換処理などが適宜なされてから蒸発器に供給され、燃料改質に利用される。

給湯装置Ａは、貯湯タンク３および補助熱源機４を有している。貯湯タンク３の上下部には、出湯管３０および入水管３１が接続されており、貯湯タンク３内には入水管３１からの入水圧が作用している。このため、出湯管３０の出湯口３０ａに配管接続されている先栓（図示略）が開かれた際には、貯湯タンク３内の湯水は前記の入水圧の作用により出湯口３０ａから出湯可能である。

補助熱源機４は、貯湯タンク３内の熱量不足などを生じた際に湯水加熱を行なうためのものである。この補助熱源機４は、たとえば瞬間式ガス給湯器と同様な構成であり、缶体４３内に配されたバーナ４０、バーナ４０に燃焼用空気を供給すべく缶体４３内に送風を行なうためのファン４１、およびバーナ４０によって発生させた燃焼ガスから熱回収を行なって湯水を加熱する熱交換器４２を有している。本実施形態では、貯湯タンク３の上部に接続された配管２０ｄに補助熱源機４の熱交換器４２が接続されており、貯湯タンク３に流入する湯水を補助熱源機４によって加熱可能な構成とされている。ただし、本発明はこれとは異なり、出湯管３０を流通する湯水を補助熱源機４によって加熱可能な構成とすることも可能であり、補助熱源機４の設置箇所は問わない。

配管構造部２は、後述する複数の配管２０ａ〜２０ｇ、ポンプＰ、三方弁Ｖ１,Ｖ２を具備しており、熱回収用の熱交換部１１に比較的低温の湯水を供給可能とするものである。この配管構造部２は、次に述べる第１および第２の状態を切り替え設定可能である。

第１の状態は、貯湯タンク３内の湯水を排熱回収用の熱交換部１１に送り込み、かつこの熱交換部１１によって加熱された湯水を貯湯タンク３に戻す状態である。この第１の状態では、ポンプＰを駆動させた際に、貯湯タンク３の下部から流出した湯水は、矢印Ｎ１１〜Ｎ１４で示す経路で流れる。具体的には、貯湯タンク３の下部から流出した湯水は、
配管２０ａ、排熱回収用の熱交換部１１、配管２０ｂ，２０ｃ、補助熱源機４の熱交換器４２、および配管２０ｄを順次通過し、貯湯タンク３内の上部に流入する。したがって、この第１の状態においては、排熱回収用の熱交換部１１を利用して貯湯タンク３の湯水を加熱し、貯湯タンク３に蓄熱を図ることができる。また、排熱回収用の熱交換部１１においては、発電部１０から排出される排ガスを冷却し、排ガス中の水蒸気を凝縮させることにより、凝縮水が得られる。

第２の状態は、排熱回収用の熱交換部１１と放熱器５との間で湯水を循環させる状態であり、三方弁Ｖ１，Ｖ２の湯水流れ方向を切り替えることにより設定可能である。この第２の状態では、矢印Ｎ２１〜Ｎ２５で示す経路で湯水が流れる。具体的には、ポンプＰを駆動させた際には、ポンプＰの吐出側の湯水は、三方弁Ｖ１および配管２０ｅを通過して放熱器５に送り込まれ、その後は配管２０ｆ，２０ａを通過して排熱回収用の熱交換部１１に送られる。その後は、配管２０ｂ，２０ｇを通過してポンプＰに戻る。第２の状態を設定した場合には、放熱器５を利用して冷却された湯水を排熱回収用の熱交換部１１に供給することができるために、発電部１０から排出される排ガスを熱交換部１１において適切に冷却し、凝縮水を得ることが可能である。この第２の状態は、貯湯タンク３における蓄熱量が満杯となった場合に設定される。

放熱器５は、放熱用の熱交換部５０と、この放熱用の熱交換部５０の周囲を囲み、かつ上下両面が開口した枠状のケース５１とを備えている。本実施形態では、後述するように、補助熱源機４のファン４１を放熱器５用のファンとしても利用するため、放熱器５自体には、空冷用のファンは設けられていない。放熱器５は、補助熱源機４を収容する外装ケース６Ａ内に収容され、かつファン４１が外部空気を吸い込む際の空気流通路となる位置に設けられている。

より具体的には、本実施形態においては、外装ケース６Ａの底壁部に通気口６０が設けられており、ファン４１の駆動時には、外部の空気が通気口６０を介して外装ケース６Ａ内に流入するように構成されている。放熱器５は、ケース５１の内部が通気口６０に直接対面し、かつ連通するように位置決めされた上で、外装ケース６Ａの底壁部に取り付けられている。このような構成によれば、ファン４１の駆動時には、このファン４１の負圧吸引力が放熱器５のケース５１の内部にも及ぶことなり、外装ケース６Ａの外部の空気は、外装ケース６Ａの通気口６０および放熱器５の内部を順次通過して外装ケース６Ａ内に流入し、その後ファン４１の吸気口に吸い込まれる。外装ケース６Ａは、貯湯タンク３を収容する外装ケース６Ｂと一体・別体のいずれでもよいが、２つの外装ケース６Ａ，６Ｂが一体に形成されている場合には、それらの内部は仕切壁などを介して仕切られ、ファン４１の駆動時における通気口６０および放熱器５の内部を通過する空気の流量確保が図られている。

次に、前記したコージェネレーションシステムＣ１の作用について説明する。

貯湯タンク３における蓄熱状態が満杯になった場合には、配管構造部２は前記した第２の状態に設定され、放熱器５と排熱回収用の熱交換部１１との間で湯水が循環される。この期間中には、補助熱源機４のファン４１を駆動する。ファン４１が駆動すると、このファン４１によって外装ケース６Ａの外部の空気が通気口６０を介して吸引されるが、この通気口６０を通過した空気の全量が放熱器５の内部を通過する。したがって、この空気流通によって放熱用の熱交換部５０およびその内部を流通する湯水が効率よく冷却され、排熱回収用の熱交換部１１には冷却水を適切に供給することができる。その結果、排熱回収用の熱交換部１１においては、排ガスが適切に冷却され、燃料改質などに利用可能な凝縮水を得ることができる。

このように、本実施形態では、放熱器５を適切に機能させるための手段として、補助熱源機４のファン４１を利用しており、放熱器５自体に冷却用ファンを設ける必要はない。このため、放熱器５のコストを低減できる他、放熱器５を小型化して、外装ケース６Ａ内の限られたスペースに適切に設置することが可能となる。補助熱源機４のファン４１は、バーナ４０の駆動時および非駆動時のいずれの時期においても駆動させることが可能である。したがって、本実施形態では、前記した特許文献１とは異なり、補助熱源機４のバーナ４０を駆動させて湯水加熱を行なっている際であっても、放熱器５を適切に機能させて湯水冷却を図ることができる利点も得られる。

放熱器５を通過した空気は、放熱器５から放出された熱を含んでいるが、この空気は、ファン４１から補助熱源機４の缶体４３内に供給される。したがって、補助熱源機４では、前記の熱を熱交換器４２によって回収することが可能であり、システム全体のエネルギ効率を高める効果も期待できる。冬季においては、補助熱源機４の熱交換器４２に前記の空気を作用させることによって、熱交換器４２の凍結防止を図ることも可能である。

図２および図３は、本発明の他の実施形態を示している。これらの図において、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付している。

図２に示すコージェネレーションシステムＣ２においては、放熱器５が外装ケース６Ａの底壁部の下面部に取り付けられている。この取り付けに際しては、前記実施形態と同様に、放熱器５のケース５１の内部が外装ケース６Ａの通気口６０に直接対面して連通した状態とされている。

本実施形態によれば、ファン４１が駆動した際には、やはり放熱器５のケース５１の内部に外部の空気を通過させることが可能であり、放熱器５の機能を適切に発揮させることができる。放熱器５が外装ケース６Ａの外面部に取り付けられているが、これは放熱器５を外装ケース６Ａ内に収容するスペースを確保することが難しいといった場合に好適である。

図３に示すコージェネレーションシステムＣ３においては、放熱器５と外装ケース６Ａとがダクト７を介して接続されている。このダクト７は、放熱器５のケース５１の内部と外装ケース６Ａの通気口６０とを結ぶ空気流通路を形成している。

本実施形態によっても、ファン４１を駆動させた際には、放熱器５の内部に外部の空気を通過させてからファン４１に吸引させることができ、本発明の意図する作用が得られる。部品点数を削減し、製造コストの低減化を徹底する観点からすれば、図１や図２に示すように、ダクトを用いない構成とすることが好ましいものの、本実施形態のような補助的な部材を用いてもかまわない。ダクトを用いる場合、本実施形態とは異なり、放熱器５とファン４１の吸気口とを直結して、これらの間に空気流通路を形成した構成とすることもできる。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係るコージェネレーションシステムの各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

放熱器の放熱用の熱交換部は、空冷による放熱作用が得られる構造であればよく、その具体的な構成は問わない。補助熱源機は、バーナおよびファンを具備していることにより湯水加熱が可能であればよく、バーナとしては、たとえばガスバーナに代えて、オイルバーナなどとすることができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムは、水自立型の燃料電池システムを備えたものに限らず、これ以外の燃料電池システム、あるいはガスエンジンなどを用いたシステムとして構成することもできる。コージェネレーションシステムにおいては、発電部の排熱回収用の熱交換部において凝縮水を得ることに代えて、または加えて、たとえば発電部の温度上昇防止などを目的として、発電部からの排熱回収を継続したい場合があり、このような場合にも本発明は有効である。なお、補助熱源機は、貯湯タンクの蓄熱状態が満杯であっても使用される場合があり、たとえば熱消費量の多い暖房給湯や風呂給湯などを行なう際には補助熱源機が適宜運転される。

Ｃ１〜Ｃ３ コージェネレーションシステム
Ａ 給湯装置
１ 燃料電池システム
２ 配管構造部
３ 貯湯タンク
４ 補助熱源機
５ 放熱器
６Ａ 外装ケース
１０ 発電部
１１ 排熱回収用の熱交換部
４０ バーナ（補助熱源機の）
４１ ファン（補助熱源機の）
５０ 放熱用の熱交換部（放熱器の）
５１ ケース（放熱器の）
６０ 通気口（外装ケースの）

Claims (3)

1. 貯湯タンクと、
   発電部の排熱回収用の熱交換部と、
   バーナおよびファンを有する湯水加熱用の補助熱源機と、
   放熱器を有し、かつ前記貯湯タンクと前記排熱回収用の熱交換部とを接続する配管構造部と、を備えており、
   前記配管構造部は、前記貯湯タンクから前記排熱回収用の熱交換部に供給されて加熱された湯水を前記貯湯タンクに戻す第１の状態と、前記排熱回収用の熱交換部によって加熱された湯水を前記放熱器によって冷却させてから前記熱交換部に再供給するように循環させる第２の状態とを切り替え設定可能とされている、コージェネレーションシステムであって、
   前記放熱器は、前記補助熱源機のファンが外部空気を吸い込む際の空気流通路となる位置に設けられ、前記ファンの駆動時には、外部空気が前記放熱器の放熱用の熱交換部を通過してから前記ファンに供給されるように構成されていることを特徴とする、コージェネレーションシステム。
2. 請求項１に記載のコージェネレーションシステムであって、
   前記補助熱源機は、通気口を有する外装ケース内に収容され、かつこの外装ケースの外部空気が前記通気口を介して前記外装ケース内に流入してから前記ファンに供給されるように構成されており、
   前記放熱器は、前記放熱用の熱交換部の周囲を囲むケースを備え、かつこのケースの内部が前記外装ケースの通気口に連通するように設けられていることにより、前記外装ケースの外部の空気は、前記通気口および前記放熱器のケース内を通過するように構成されている、コージェネレーションシステム。
3. 請求項２に記載のコージェネレーションシステムであって、
   前記放熱器は、前記外装ケース内に収容され、または前記外装ケースの外面部に取り付けられ、前記放熱器のケースの内部は、前記通気口に対面して連通するように設けられている、コージェネレーションシステム。

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