JP2015121370A - コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯タンクの満蓄時に排熱回収循環回路の湯水の冷却性能を低コストで向上し得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。【解決手段】コージェネレーションシステム１は、燃料電池発電装置２と、貯湯タンク６と、この貯湯タンク６の湯水を利用して燃料電池発電装置２の発電に伴う排熱を回収する排熱回収循環回路４とを備え、排熱回収循環回路４は、往き側通路２１と、戻り側通路２２と、戻り側通路２２から分岐され往き側通路２１に接続されたバイパス通路２３と、往き側通路２１におけるバイパス通路２３が接続された接続部よりも下流側に設置されたラジエータ２５とを備え、貯湯タンク６の満蓄時に排熱回収循環回路４を貯湯タンク６をバイパスするバイパス通路２３側に切り換えてラジエータ２５を駆動し、バイパス通路２３に、コージェネレーションシステム１に含まれる構成部材又は構成部品に伝熱可能に配置された補助的放熱部２３ａを設けている。【選択図】図１

Description

本発明はコージェネレーションシステムに関し、特に貯湯タンクの満蓄時に排熱回収循環回路を流れる湯水に対する冷却性能を向上したものに関する。

従来から、発電装置の発電に伴う排熱を回収して再利用することで総合エネルギー効率を高め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。このコージェネレーションシステムにおいては、燃料電池やガスエンジン等の排熱を回収する種々のタイプのものが実用化されている。例えば、燃料電池を備えた燃料電池コージェネレーションシステムは、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）との酸化還元反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換することで電力を発生させ、この発電の際に副次的に発生する熱を湯水として回収する。

即ち、上記の燃料電池コージェネレーションシステムは、発電を行なう燃料電池発電装置と、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯タンクを有する貯湯給湯装置と、この貯湯給湯装置と前記燃料電池発電装置との間に湯水を循環させて燃料電池発電装置の排気ガスから排熱を回収する排熱回収循環回路等を備えて構成されている。

ところで、貯湯タンクから排熱回収循環回路を介して燃料電池発電装置の排熱回収熱交換器へ流れる湯水の温度は、貯湯タンクの蓄熱状況により上昇し、やがて、貯湯タンクが満蓄状態（高温の湯水で満タンの状態）となると、排熱回収熱交換器への湯水の温度が高くなりすぎて排熱回収が困難になる。燃料電池発電装置の発電継続には純水が必要であるが、この純水は排気ガスを冷却することで回収される凝縮水から生成されるため、湯水が高温となると十分な量の純水を回収できなくなる。そこで、貯湯タンクの満蓄時には、排熱回収熱交換器を流れる湯水温度を低下させる必要が生じる。

このような場合、特許文献１のコージェネレーションシステムにおいて、排熱回収循環回路は、貯湯タンクから排熱回収熱交換器に至る往き側通路と、排熱回収熱交換器で加熱された湯水を前記貯湯タンクに戻す戻り側通路と、戻り側通路から分岐され往き側通路に接続されたバイパス通路とを備え、往き側通路におけるバイパス通路が接続された接続部よりも下流側部分にラジエータが設置され、貯湯タンクの満蓄時には、排熱回収循環回路を貯湯タンクをバイパスするバイパス通路側に切り換え、ラジエータを駆動することで湯水の温度を低下させる技術が開示されている。

特開２００７−６４５２６号公報

しかし、特許文献１のコージェネレーションシステムのように、排熱回収循環回路にラジエータが設置されている場合、一般的にラジエータは複雑な構造で高価なものであり、製作コストの低減及び装置の小型化を図る上では不利となるので、ラジエータには性能を抑制した小型なものが望ましいが、そうすると、夏場等の外気温度が高い場合、小型のラジエータでは湯水を十分に冷却できなくなる虞がある。

本発明の目的は、貯湯タンクの満蓄時に排熱回収循環回路を流れる湯水に対する冷却性能を低コストで向上し得るコージェネレーションシステムを提供すること、排熱回収循環回路に設置されたラジエータを小型化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、等である。

請求項１のコージェネレーションシステムは、発電装置と、貯湯タンクと、この貯湯タンクの湯水を利用して前記発電装置の発電に伴う排熱を回収する排熱回収循環回路とを備えたコージェネレーションシステムであって、前記排熱回収循環回路は、前記貯湯タンクから前記熱源機に至る往き側通路と、前記熱源機で加熱された湯水を前記貯湯タンクに戻す戻り側通路と、前記戻り側通路から分岐され前記往き側通路に接続されたバイパス通路と、前記往き側通路における前記バイパス通路が接続された接続部よりも下流側に設置された放熱器とを備え、前記貯湯タンクの満蓄時には、前記排熱回収循環回路を前記貯湯タンクをバイパスする前記バイパス通路側に切り換えて前記放熱器を駆動するコージェネレーションシステムにおいて、前記バイパス通路に、コージェネレーションシステムに含まれる構成部材又は構成部品に伝熱可能に配置された補助的放熱部を設けたことを特徴としている。

請求項２のコージェネレーションシステムは、請求項１の発明において、前記構成部材は、コージェネレーションシステムの外装ケースであることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、バイパス通路に、コージェネレーションシステムに含まれる構成部材又は構成部品に伝熱可能に配置された補助的放熱部を設けたので、排熱回収循環回路の放熱器が設置された通路部分以外の通路部分である補助的放熱部で湯水を放熱して冷却することができる。

従って、排熱回収循環回路を流れる湯水に対する冷却性能の向上を低コストで実現することができる。湯水の冷却速度が向上して排熱回収が促進されるので、運転コストを低減することができる。冷却性能が全体的に向上することで、ラジエータには性能を抑制した小型なものを設置可能となり、排熱回収循環回路に高価で大型なラジエータを設ける必要がなくなるので、製作コストを低減することができる。

請求項２の発明によれば、構成部材は、コージェネレーションシステムの外装ケースであるので、外気温度と同程度の比較的低い温度であり且つ熱容量の大きい外装ケースによって放熱性能を容易に確保することができる上、補助的放熱部の配置箇所を容易に確保することができる。

本発明の実施例に係るコージェネレーションシステムの概略構成図である。 貯湯タンクとバイパス通路部の斜視図である。 部分変更形態に係る中和器とバイパス通路部の斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

本発明のコージェネレーションシステム１の全体構成について説明する。
図１に示すように、コージェネレーションシステム１は、発電を行なう燃料電池発電装置２（熱源機に相当する）と、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯給湯装置３と、この貯湯給湯装置３と燃料電池発電装置２との間に湯水を循環させて燃料電池発電装置２の排気ガスから排熱を回収する排熱回収循環回路４等を備え、これら大部分が外装ケース５に収納されて一体的に構成されている。

次に、燃料電池発電装置２について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電装置２は、湯水を加熱する為の貯湯給湯装置３の熱源機であり、燃料電池発電モジュール、この燃料電池発電モジュールに空気、燃料ガス、純水等を供給する為の各種の供給装置、発電後の排気ガスを排出する為の排気通路、この排気通路に設置された排熱回収熱交換器２ａ、排熱回収熱交換器２ａで生成された凝縮水を回収して純水に浄化する水処理装置、燃料電池発電モジュールの出力を調整する為のインバータ等を備え、これらの各種機器がケース部材２ｂに一体的に収納されて構成されている。

燃料電池発電モジュールは、燃料電池セルスタック、蒸発器、燃料改質器、オフガス燃焼室等を備え、蒸発器で燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成して燃料改質器に供給し、燃料改質器で脱硫された燃料ガスと空気と水蒸気とを混合して生成した改質燃料ガスを燃料電池セルスタックに供給し、燃料電池セルスタックで改質燃料ガスと酸化剤としての空気を化学反応させることで発電を行うものである。

燃料電池発電モジュールにて発電された直流電力は、インバータを介して交流電力に変換されて外部に出力される。排気通路の途中部には、排熱回収熱交換器２ａが設置され、燃料電池発電モジュールから排出される排気ガスは、排気通路を通り、排熱回収熱交換器２ａにて排熱回収循環回路４を循環する湯水との間で熱交換され温度が低下した後に外部に排出される。

次に、貯湯給湯装置３について説明する。
図１に示すように、貯湯給湯装置３は、貯湯、給湯等の機能を有するものであり、貯湯タンク６、給水系通路７、出湯系通路８、補助熱源機９、後述する排熱回収循環回路４等を備え、補助熱源機９を除いた大部分は外装ケース５内に一体的に収納されて構成されている。

貯湯タンク６は、燃料電池発電モジュールにおける排熱を回収して湯水として貯留する為のものであり、高温の湯水（例えば、６５〜９０℃）を貯留可能な密閉タンクで構成されている。貯湯タンク６は、貯留された湯水の放熱を防ぐ為にタンク周囲は断熱材で覆われている。貯湯タンク６内の複数の貯留層の湯水の温度が複数のタンク湯水温度センサにより検出される。

給水系通路７は、上水源から低温の上水を貯湯タンク６に供給するものであり、上流給水通路７ａ、下流給水通路７ｂを有し、上流給水通路７ａの上流端が上水源に接続され、下流給水通路７ｂの下流端が貯湯タンク６の下部に接続されている。上流給水通路７ａに逆止弁７ｃが設置されている。

出湯系通路８は、貯湯タンク６内に貯湯された湯水を給湯栓等の所望の給湯先に供給するものであり、高温の湯水が流れる上流出湯通路８ａ、低温の上水と高温の湯水が混合調整された混合湯水が流れる下流出湯通路８ｂを有し、上流出湯通路８ａの上流端が貯湯タンク６の上部に接続され、下流出湯通路８ｂの下流端が給湯栓に接続されている。

上流出湯通路８ａと下流出湯通路８ｂとの間に混合弁１１が設置され、この混合弁１１に上流給水通路７ａと下流給水通路７ｂとの間から分岐した混合通路１２が接続されている。混合通路１２に逆止弁１２ａが設置されている。混合弁１１は、出湯温度が指令温度になるように低温の上水と高温の湯水の混合比を制御するものである。混合通路１２から分岐した分岐通路１３が下流出湯通路８ｂに接続され、分岐通路１３に高温出湯回避用の電磁弁１４が設置されている。

外装ケース５の外部において、下流出湯通路８ｂの途中部に補助熱源機９が設置されている。補助熱源機９は、貯湯タンク６内の湯水温度が設定温度以下の場合等の特別な場合に限り、制御ユニットから指令が送信されて燃焼作動され、下流出湯通路８ｂを流れる湯水を再加熱するものである。

補助熱源機９は、燃焼用空気を供給する為の送風ファン、燃料ガスを燃焼させるバーナーユニット、燃焼ガスの主として顕熱を回収する顕熱回収用熱交換器、顕熱回収後の燃焼排気ガスの主として潜熱を回収する潜熱回収用熱交換器等を備え、燃料ガスを燃焼して湯水の加熱を行う公知のガス給湯器で構成されている。

補助熱源機９の潜熱回収により発生したドレン水は、ドレン通路１５を通って、外装ケース５の内部に設置された中和器１６に送られる。この中和器１６は、ドレン通路１５により供給される酸性のドレン水を中和し貯留する為のものであり、箱形の容器、この容器内に収容されたアルカリ性の中和剤等を有する。中和器１６の排出口に排水通路１７の上流端が接続されている。

次に、排熱回収循環回路４について説明する。
図１に示すように、排熱回収循環回路４は、燃料電池発電装置２の排熱回収熱交換器２ａと貯湯タンク６との間に湯水を循環させ、この湯水を利用して燃料電池発電装置２の発電に伴う排熱を回収する閉回路であり、貯湯タンク６から排熱回収熱交換器２ａに至る往き側通路２１、排熱回収熱交換器２ａで加熱された湯水を貯湯タンク６に戻す戻り側通路２２を有し、貯湯タンク６の下部に往き側通路２１の上流端が接続され、貯湯タンク６の上部に戻り側通路２２の下流端が接続されている。

戻り側通路２２の上流戻り側通路部２２ａと下流戻り側通路部２２ｂとの間から貯湯タンク６をバイパスするバイパス通路２３が分岐され、往き側通路２１の上流往き側通路部２１ａと下流往き側通路部２１ｂとの間に接続され、この接続部に貯湯切換弁２４が設置されている。この貯湯切換弁２４は、上流往き側通路部２１ａと下流往き側通路部２１ｂとの接続又は下流往き側通路部２１ｂとバイパス通路２３との接続を択一的に選択可能である。尚、バイパス通路２３は、戻り側通路２２との分岐部を戻り側通路２２の貯湯タンク寄り部分に設けることで、極力長く形成されることが望ましい。

往き側通路２１のバイパス通路２３との接続部より下流側であって下流往き側通路部２１ｂに、湯水を急速に冷却可能なラジエータ２５（放熱器に相当する）と排熱回収熱交換器２ａに湯水を流通させる為の循環ポンプ２６とが設置されている。往き側通路２１の下流往き側通路部２１ｂと戻り側通路２２の上流戻り側通路部２２ａとの間に排熱回収熱交換器２ａが接続されている。

次に、バイパス通路２３の構造及びその取り付け構造について説明する。
図１，図２に示すように、バイパス通路２３には、コージェネレーションシステム１に含まれる構成部材又は構成部品に伝熱可能に配置された補助的放熱部２３ａが設けられている。即ち、バイパス通路２３の補助的放熱部２３ａは、コージェネレーションシステム１に含まれる構成部材として外装ケース５の外装板５ａに設けられている。

バイパス通路２３は、例えば、銅管等からなる。補助的放熱部２３ａの大部分は、蛇行状に構成され、外装ケース５の外装板５ａの裏面側に複数の取付部材２７を介して密着状に固定されることで、補助的放熱部２３ａと外装板５ａとは伝熱可能となるように構成されている。尚、補助的放熱部２３ａの形状は特に限定する必要はなく、補助的放熱部２３ａと外装板５ａとが伝熱可能であれば、種々の形状を採用可能である。

ここで、外装板５ａについて説明する。外装ケース５は、金属製薄板からなる複数の外装板５ａを備えて直方体状の箱状に構成されている。複数の外装板５ａは、一般的に、前側板、左右１対の側板、後側板、天板、底板等を有している。各外装板５ａは、例えば、厚さが０．３〜０．５ｍｍのカラー鋼板で構成されている。図２に示す外装板５ａは、左側板に相当するものであるが、左側板以外の外装板５ａにバイパス通路２３を伝熱可能に設けても良い。

次に、本発明のコージェネレーションシステム１の作用及び効果について説明する。
通常の排熱回収運転においては、貯湯切換弁２４を貯湯タンク６側に設定し、循環ポンプ２６の駆動によって、貯湯タンク６の下部から往き側通路２１を経て排熱回収熱交換器２ａに流入した湯水は、排気ガスと熱交換されて加熱され、加熱された湯水は、戻り側通路２２を通って貯湯タンク６の上部に戻され、この運転を繰り返すことで貯湯タンク６に高温の湯水が貯留される。

しかし、貯湯タンク６から往き側通路２１を介して排熱回収熱交換器２ａへ流れる湯水の温度は、貯湯タンク６の蓄熱状況によって徐々に上昇し、やがて、貯湯タンク６が満蓄状態となり、排熱回収循環回路４を循環する湯水が排熱回収熱交換器２ａにおける露点近傍の温度に達する。すると、排気ガスの温度低下が小さくなり、排熱回収熱交換器２ａで発生する凝縮水の量が低減して十分な量の凝縮水を回収できなくなり、改質用の純水の供給が不足するので、湯水を冷却する排熱排出運転に切り換える。

排熱排出運転においては、貯湯切換弁２４をバイパス側に設定し、ラジエータ２５を起動する。これにより、下流往き側通路部２１ｂと上流戻り側通路部２２ａとバイパス通路２３とからなる閉回路が構成され、循環ポンプ２６の駆動により、下流往き側通路部２１ｂを流れてラジエータ２５で冷却され排熱回収熱交換器２ａに流入した湯水は、排気ガスと熱交換されて加熱され、加熱された湯水が上流戻り側通路部２２ａを通ってバイパス通路２３を流れ、再びラジエータ２５で冷却され、この運転を繰り返すことで、湯水を強制的に冷却しながら、排気ガス中の水蒸気から凝縮水を回収する。

排熱排出運転時に、高温の湯水はラジエータ２５に送られる前にバイパス通路２３の補助的放熱部２３ａを通る。補助的放熱部２３ａは、外気温度と同程度の比較的低い温度であり且つ熱容量が大きい外装板５ａに伝熱可能に設けられているので、湯水は補助的放熱部２３ａにて外装板５ａに伝熱されて冷却され、その後、湯水はラジエータ２５に送られて更に冷却される。従って、ラジエータ２５のみの場合と比較して全体的に冷却性能が向上し、凝縮水の回収率が向上する。

以上説明したように、バイパス通路２３に、コージェネレーションシステム１に含まれる構成部材又は構成部品（本実施例では外装ケース５の外装板５ａ）に伝熱可能に配置された補助的放熱部２３ａを設けたので、排熱回収循環回路４のラジエータ２５が設置された通路部分以外の通路部分である補助的放熱部２３ａで湯水を放熱して冷却することができる。

従って、排熱回収循環回路４を流れる湯水に対する冷却性能の向上を低コストで実現する。湯水の冷却速度が向上して排熱回収が促進されるので、運転コストを低減することができる。冷却性能が全体的に向上することで、ラジエータ２５には性能を抑制した小型なものを設置可能となり、排熱回収循環回路４に高価で大型なラジエータ２５を設ける必要がなくなるので、製作コストを低減することができる。

また、構成部材は、コージェネレーションシステム１の外装ケース５であるので、外気温度と同程度の比較的低い温度であり且つ熱容量の大きい外装ケース５によって放熱性能を容易に確保することができる上、補助的放熱部２３ａの配置箇所を容易に確保することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例において、コージェネレーションシステム１に含まれる構成部材として外装ケース５の外装板５ａに補助的放熱部２３ａを配置しているが、特にこの構造に限定する必要はなく、この外装ケース５の外装板５ａに代えて、コージェネレーションシステム１に含まれる構成部品として中和器１６にバイパス通路２３Ａの補助的放熱部２３Ａａを伝熱可能に配置しても良い。

即ち、図３に示すように、螺旋状に構成した補助的放熱部２３Ａａを中和器１６の外周面に沿うように複数の取付部材２７Ａを介して接触状に配置し、補助的放熱部２３Ａａを流れる湯水と中和器１６に貯留されているドレン水との間で熱交換可能に構成する。ドレン水は高温の湯水と比較して温度が低く且つ熱容量が大きいので、湯水の冷却を促進することができる。尚、補助的放熱部２３Ａａと中和器１６の形状は特に限定する必要はなく、補助的放熱部２３Ａａと中和器１６とが伝熱可能であれば、種々の形状を採用可能である。

［２］前記実施例において、燃料電池発電装置２と貯湯給湯装置３とを一体的に構成しているが、特にこの構造に限定する必要はなく、燃料電池発電装置２と貯湯給湯装置３とを別体に構成したものであっても良い。この構造の場合、燃料電池発電装置２側にバイパス通路２３やラジエータ２５を設置し、燃料電池発電装置２のガス配管、脱硫器、水処理装置のイオン交換樹脂容器や純水タンクにバイパス通路２３の補助的放熱部２３ａを伝熱可能に配置しても良い。

［３］前記実施例において、コージェネレーションシステム１に含まれる構成部材又は構成部品として、外装ケース５の外装板５ａに代えて、暖房水を床暖房パネル等に供給する温水暖房回路の膨張タンクでも良く、補助的放熱部２３ａを伝熱可能に配置することができれば、構成部材又は構成部品は適宜変更可能である。

［４］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ コージェネレーションシステム
２ 燃料電池発電装置
３ 貯湯給湯装置
４ 排熱回収循環回路
５ 外装ケース
６ 貯湯タンク
２１ 往き側通路
２２ 戻り側通路
２３ バイパス通路
２３ａ 補助的放熱部
２５ ラジエータ（放熱器）

Claims (2)

1. 発電装置と、貯湯タンクと、この貯湯タンクの湯水を利用して前記発電装置の発電に伴う排熱を回収する排熱回収循環回路とを備えたコージェネレーションシステムであって、前記排熱回収循環回路は、前記貯湯タンクから前記熱源機に至る往き側通路と、前記熱源機で加熱された湯水を前記貯湯タンクに戻す戻り側通路と、前記戻り側通路から分岐され前記往き側通路に接続されたバイパス通路と、前記往き側通路における前記バイパス通路が接続された接続部よりも下流側に設置された放熱器とを備え、前記貯湯タンクの満蓄時には、前記排熱回収循環回路を前記貯湯タンクをバイパスする前記バイパス通路側に切り換えて前記放熱器を駆動するコージェネレーションシステムにおいて、
   前記バイパス通路に、コージェネレーションシステムに含まれる構成部材又は構成部品に伝熱可能に配置された補助的放熱部を設けたことを特徴とするコージェネレーションシステム。
2. 前記構成部材は、コージェネレーションシステムの外装ケースであることを特徴とする請求項１に記載のコージェネレーションシステム。