JP2016217670A - コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】温水循環回路へ流れる温水を冷却する為のラジエータによる熱交換後の高温排気を配管が貫通固定された筐体側面板の下方から排出するように構成したコージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】貯湯ユニットから湯水循環配管へ流れる湯水の温度が所定温度以上の場合にファン３６ａとラジエータ３６ｂを備えた放熱手段３６によって外気と熱交換を行うコージェネレーションシステムにおいて、湯水循環配管は、燃料電池ユニットの外装ケースの右側面板と貯湯ユニットの外装ケースの左側面板を貫通して固定され、放熱手段３６は、燃料電池ユニット又は貯湯ユニットに設けられ、放熱手段３６による熱交換後の高温排気は、湯水循環配管が貫通する側面板の下方から排出される。
【選択図】図５

Description

本発明はコージェネレーションシステムに関し、ラジエータによる熱交換後の高温排気を配管が貫通固定された筐体側面板の下方から排出するように構成したコージェネレーションシステムに関する。

従来から、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）とを燃料電池セルスタックに供給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は、発電を行なう燃料電池ユニットと、熱交換後の湯水を貯留する貯湯タンクを有する貯湯ユニットと、この貯湯ユニットと前記燃料電池ユニットとの間に湯水を循環させて燃料電池ユニット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。

上記の燃料電池ユニットは、一般に、空気と改質燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルスタックとこの燃料電池セルスタックに供給する改質燃料ガスを純水（水蒸気）と燃料ガスから生成する改質器とを有する燃料電池発電部、この燃料電池発電部からの排気ガスと貯湯部の湯水との間で熱交換する熱交換器、前記改質器に供給する純水を排気ガスから回収して貯留する水処理装置等を備えている。

ところで、貯湯タンクから温水循環回路を介して燃料電池ユニットの排熱回収熱交換器へ流れる湯水の温度は、貯湯タンクへの蓄熱が進行すると上昇し、やがて、タンクが満蓄状態（高温の湯水で充満した状態）になると、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には純水が必要であるが、この純水は排熱回収熱交換器から回収された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。そのため、貯湯タンクの満蓄時には、放熱により排熱回収熱交換器へ流れる湯水温度を低下させる必要が生じる。

そこで、湯水循環回路にラジエータを設け、湯水循環回路を循環する高温の湯水と外気との間で熱交換させることで排熱回収熱交換器を流れる湯水温度を低下させる技術が実用に供されている。

特許文献１には、発電装置の排熱を熱媒によって回収し、排熱で加熱した湯水を貯湯タンクに貯湯すると共に熱媒を放熱するためのラジエータユニットを備えたコージェネレーションシステムが開示されている。このラジエータユニットでは、吸気口と排気口を同一面に形成することで、低温の冷気がラジエータユニット内を通り抜けて、熱媒が過度に冷却されることによるエネルギー損失を防いでいる。

特開２０１５−７２０９０号公報

しかし、上記コージェネレーションシステムにおいて、前記放熱用のラジエータにより排熱回収熱交換器へ流れる湯水温度を低下させる際、高温の排気が排出される。この場合、ラジエータの排気口の位置及び向きによっては、コージェネレーションシステムの周囲に立ち入る人へ高温排気が吹き付けられて不快感を誘発する虞がある。また、ラジエータからの高温排気は風量も多く、遠くまで流れるので、不快感を誘発する範囲も広い。

また、特許文献１に記載のコージェネレーションシステムのように、ラジエータの吸気口と排気口を同一面に設けた場合、排出された高温排気の一部が吸気口から吸い込まれるため、湯水循環回路を循環する高温湯水のラジエータによる冷却性能が低下するという問題がある。

本発明の目的は、温水循環回路へ流れる温水を冷却する為のラジエータによる熱交換後の高温排気を配管が貫通固定された筐体側面板の下方から排出するように構成したコージェネレーションシステムを提供することである。

請求項１のコージェネレーションシステムは、燃料電池ユニットと、貯湯ユニットと、前記燃料電池ユニットと前記貯湯ユニットの間で湯水を循環する湯水循環配管とを備えたコージェネレーションシステムであって、前記貯湯ユニットから湯水循環配管へ流れる湯水の温度が所定温度以上の場合にファンとラジエータを備えた放熱手段によって外気と熱交換を行うコージェネレーションシステムにおいて、前記湯水循環配管は、前記燃料電池ユニットの筐体側面板と前記貯湯ユニットの筐体側面板を貫通して固定され、前記放熱手段は、前記燃料電池ユニット又は前記貯湯ユニットに設けられ、前記放熱手段による熱交換後の高温排気は、前記湯水循環配管が貫通する筐体側面板の下方から排出される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、前記放熱手段による熱交換後の高温排気は、筐体の底板の開口部を通過して下方に流出した後、筐体の下端側のベースフレームの設置面と筐体の底板との間の隙間を流れて前記湯水循環配管が貫通する筐体側面板の下方から外方へ排出されることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、ファンとラジエータを備えた放熱手段は、燃料電池ユニット又は貯湯ユニットに設けられ、放熱手段による熱交換後の高温排気は、湯水循環配管が貫通して固定される燃料電池ユニットの筐体側面板又は貯湯ユニットの筐体側面板の下方から排出されるように構成したので、湯水循環配管が貫通して固定される筐体側面板の外側
付近は湯水循環配管があるため人が立ち入らない場所であるため、高温排気による不快感誘発を防止することができる。

請求項２の発明によれば、放熱手段による熱交換後の高温排気は、筐体の底板の開口部を通過して下方に流出した後、筐体の下端側のベースフレームの設置面と筐体の底板との間の隙間を流れて湯水循環配管が貫通固定された筐体側面板の下方から外方へ排出されるので、放熱手段のファンの運転音や風切り音や高温排気の吹き出し音による騒音を低減することができる。

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。 上記コージェネレーションシステムの燃料電池ユニットの概略構成図である。 上記コージェネレーションシステムの貯湯ユニットの概略構成図である。 上記燃料電池ユニットの斜視図である。 上記燃料電池ユニットの部分縦断左側面図である。

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。

最初に、本発明の燃料電池発電システム１の全体構成について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電システム１は、発電を行なう燃料電池ユニット２と、熱交換後の湯水を貯留する貯湯ユニット３と、燃料電池ユニット２と貯湯ユニット３との間に湯水を循環させる為の湯水循環回路２５等を備えている。尚、湯水循環回路２５が「湯水循環配管」に相当する。

次に、燃料電池ユニット２について簡単に説明する。
図２に示すように、燃料電池ユニット２は、湯水を加熱する為の貯湯ユニット３の外部熱源であり、燃料電池発電モジュール５、燃料改質空気用送風手段６、カソード空気用送風手段７、燃料ガス昇圧手段８、排気ガス排出通路９、排熱回収用熱交換器１１、水処理手段１２、インバータ１３、脱硫器１５、送風用のファン３６ａとラジエータ３６ｂとを有する放熱手段３６等を備え、これらの機器や配管類が外装ケース１４内に収納されて構成されている。

燃料電池発電モジュール５は、燃料電池セルスタック５ａ、蒸発器５ｂ、燃料改質器５ｃ、オフガス燃焼室５ｄ等を備え、燃料改質器５ｃによって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタック５ａで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５にて発電された直流電力は、インバータ１３を介して交流電力に変換されて外部に出力される。燃料電池発電モジュール５から排出される排気ガスは、排熱回収用熱交換器１１にて湯水循環回路２５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。

燃料電池セルスタック５ａは、複数の燃料電池セルで構成されている。蒸発器５ｂは、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成して燃料改質器５ｃに供給するものである。燃料改質器５ｃは、ニッケルや白金等の改質触媒を有し、脱硫された燃料ガスと空気と水蒸気とを混合して反応させて改質燃料ガスを生成する。

次に、脱硫器１５について説明する。
図２に示すように、脱硫器１５は、燃料改質器５ｃに供給される燃料ガスに含有されている硫黄化合物の除去（脱硫）を行う為のものであり、燃料ガス昇圧手段８の燃料ガス供給通路１６に設けられている。この脱硫器１５は、脱硫材としてゼオライトやシリカゲル、活性炭等が内部に充填されているが、特に脱硫材の材料は限定されるものではない。

燃料ガスは、ガス供給源から電磁弁８ａとガスガバナ８ｂを通って燃料昇圧ブロワ８ｃに取り込まれ、昇圧された燃料ガスは、バッファタンク８ｄと流量センサ８ｅを通って脱硫器１５に流入し、脱硫器１５で脱硫された燃料ガスは、燃料電池発電部５において蒸発器５ｂを介して燃料改質器５ｃに供給される。

次に、貯湯ユニット３について簡単に説明する。
図３に示すように、貯湯ユニット３は、貯湯、給湯、床暖房パネル等の温水暖房端末への温水の供給、風呂への給湯及び風呂の追い焚き等の機能を有するものであり、貯湯タンク２１、補助熱源機２２、第１，第２熱交換器２３，２４、湯水循環回路２５、給水通路２６、出湯通路２７、風呂給湯追焚回路２８、温水暖房回路２９、熱利用循環回路３１、制御ユニット３２等を備え、これら大部分は外装ケース３３内に収納されて構成されている。

貯湯タンク２１は、燃料電池発電モジュール５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、８０〜９０℃）を貯留可能な密閉タンクで構成されている。貯湯タンク２１は、貯留された温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。

図１に示すように、燃料電池ユニット２の燃料ガス供給通路１６と貯湯ユニット３の燃料ガス供給通路３５は、夫々の外装ケース１４，３３の外部において燃料ガス共通通路３７と接続され、この燃料ガス共通通路３７を介して燃料ガス供給通路１６，３５は燃料ガスの供給源に接続されている。

次に、燃料電池ユニット２と貯湯ユニット３の間で湯水を循環する湯水循環回路（配管）について説明する。
図１，図２に示すように、コージェネレーションシステム１は、燃料電池ユニット２の外装ケース１４の右側面板１４Ａと、貯湯ユニット３の外装ケース３３の左側面板３３Ａが相対向するように並列して配設されており、夫々側面板１４Ａ，３３Ａの下端近傍部の開口を貫通した状態で湯水循環回路２５が接続されている。

湯水循環回路２５は、外部熱源である燃料電池ユニット２の排熱回収用熱交換器１１と貯湯タンク２１との間に湯水を循環させる閉回路であり、往き側通路２５ａ、戻り側通路２５ｂを有し、貯湯タンク２１の下部に往き側通路２５ａの上流端が接続され、貯湯タンク２１の上部に戻り側通路２５ｂの下流端が接続されている。

往き側通路２５ａの途中部から戻り側通路２５ｂの途中部にバイパスするバイパス通路２５ｃが分岐され、この分岐部には、貯湯切換弁３４が設置されている。往き側通路２５ａの燃料電池ユニット２側には、湯水を急速に冷却可能な放熱手段３６のラジエータ３６ｂ、排熱回収用熱交換器１１に湯水を流通させる為の循環ポンプ３８が設置されている。往き側通路２５ａと戻り側通路２５ｂとの間に、排熱回収用熱交換器１１の２次側熱交換通路部１１ｂが接続されている。

湯水循環回路２５を循環する湯水の温度は、ラジエータ入口側の循環湯水温度センサ２５ｃ、ラジエータ出口側の循環湯水温度センサ２５ｄ、熱交換器入口側の循環湯水温度センサ２５ｅ、熱交換器出口側の循環湯水温度センサ２５ｆ、戻り側通路２５ｂの循環湯水温度センサ２５ｇにより検出される。

前記貯湯ユニット３から湯水循環回路２５へ流れる湯水の温度が所定温度（例えば、約５０℃）以上の場合、具体的にはラジエータ入口側の循環湯水温度センサ２５ｃで所定以上の温度が検知された場合、ファン３６ａとラジエータ３６ｂを備える放熱手段３６によって外気と熱交換が行われる。

通常の排熱回収運転では、図３に示すように、貯湯切換弁３４はバイパス通路２５ｃを遮断するように切り換えられ、湯水が貯湯タンク２１から往き側通路２５ａを通ってラジエータ３６ｂに送給され、ラジエータ３６ｂで急速に冷却されて、循環ポンプ３８を介して排熱回収用熱交換器１１の２次側熱交換通路部１１ｂに送られ加熱され、加熱された湯水は、戻り側通路２５ｂを通って貯湯タンク２１に戻される。ラジエータ３６ｂで外気と熱交換されて排出される高温排気は、ファン３６ａによって、燃料電池ユニット２の外装ケース１４の外側に排出される。この高温排気の排出経路については後述する。

コージェネレーションシステム１は、制御ユニット３２によって制御される。各種の温度センサ、各種の流量センサ等の検出信号が制御ユニット３２に送信され、この制御ユニット３２により、燃料電池ユニット２と貯湯ユニット３の動作、各種のポンプの作動・停止、各種弁の開閉状態の切り換え及び開度調整等を制御し、各種運転（湯水循環運転、風呂注湯運転、風呂追い焚き運転、暖房運転、給湯運転等）を実行する。

また、制御ユニット３２は、所定の条件成立時に、循環ポンプ３８の流量を一時的に増加させることによって排熱回収用熱交換器１１の２次側熱交換通路部１１ｂ（熱媒体通路に相当する）内に発生した気泡を排熱回収用熱交換器１１内から排出させる気泡除去制御を行うことができる。

次に、本発明の放熱手段３６の具体的な構成と、高温排気の排出通路について説明する。
図４，図５は、燃料電池ユニット２の外装ケース１４（筐体に相当する）（図１，図２参照）は、４本の縦フレーム４０と、４本の縦フレーム４０の上端を矩形状に連結する４本の横フレーム４１と、前面の中段の横フレーム４２と、後面の中段の横フレーム（図示略）と、４本の縦フレーム４０の下端を矩形状に連結する４本の横フレーム（図示略）に加えて、次のような複数の側面板や底板とで構成されている。但し、図４，図５は、これら複数の側面板を取り外した状態で図示されている。上記の側面板や底板として、外装ケース１４の、前側面板、左側面板と、右側面板１４Ａと、後側面板と、天面板と、底板４３とを有する。

図４，図５に示すように、燃料電池ユニット２の外装ケース１４内の下端近傍部に、ラジエータ３６ｂが配設され、ラジエータ３６ｂの前側には２つのファン３６ａが左右に並べて配設され、これらファン３６ａはボルト４４を介して固定されている。ラジエータ３６ｂと２つのファン３６ａは、直方体箱状のラジエータケース４５に収容され、２つのファン３６ａの前側には後述の第２空気通路４８が形成されている。

前記ラジエータケース４５の前面側には、吸入部空気通路４６を空けて、複数の外気吸入孔（吸入開口５１ａ）が形成されたルーバ５１が配設されている。前記ラジエータケース４５の上側には、吸入部空気通路４６に連通した第１空気通路４７が形成され、吸入部空気通路４６に流入した空気を第１空気通路４７に導入するように構成してある。尚、この第１空気通路４７の前後方向中央部には、燃料電池ユニット２において発電した電力のうちの余剰電力を消費する為の電気ヒータ５５が左右方向向きに配設されている。

第１空気通路４７とラジエータ３６ｂとの境界部には第１空気通路４７からラジエータ３６ｂへ空気を導入する開口部（図示略）が形成されている。ラジエータ３６ｂへ導入された空気は、ファン３６ａにより、ラジエータケース４５内のファン３６ａの前側に形成された第２空気通路４８へ排出される。

燃料電池ユニット２の外装ケース１４の下端側において、燃料電池ユニット２を据え付ける設置面５２上に前後１対のベースフレーム５３が配設されて複数のボルトで設置面５２に固定され、燃料電池ユニット２の外装ケース１４が平行な１対のベースフレーム５３上に載置され、複数のビスやボルトでベースフレーム５３に固定される。

ベースフレーム５３は鋼製の断面ほぼＬ字形状の部材であり、上端の水平なフランジ部５３ａと、縦板部５３ｂと、水平な底板部５３ｃとを有する。外装ケース１４の下端の前端部と後端部が１対のベースフレーム５３のフランジ部５３ａ上に載置固定される。尚、１対のベースフレーム５３の左右両端部は外装ケース１４よりも所定長さ左右に突出している。

ラジエータケース４５に対応する位置で、前側のベースフレーム５３とその後方近傍部位には、通路形成部材５４が配設されている。この通路形成部材５４は、縦向きの前面板５４ａと、この前面板５４ａの下端から後方へ水平に延びる底面板５４ｂと、左端を仕切る鉛直な左端仕切り板５４ｃと、右端を仕切る鉛直な右端仕切り板５４ｄとを有する。
第２空気通路４８内に排出された高温排気は、外装ケース１４の底板４３に形成された開口部（図示略）とラジエータケース４５に形成された開口から、通路形成部材５４内の第３空気通路４９へ排出される。

１対のベースフレーム５３と底板４３と設置面５２の間の空間は、左端仕切り板５４ｃに対応する位置で図示外の仕切り板により仕切られ、１対のベースフレーム５３と底板４３と設置面５２の間の空間のうち前記仕切り板よりも右方の空間が第４空気通路５０とされ、この第４空気通路５０の右端は大気開放されている。第３空気通路４９の高温排気は第４空気通路５０へ排出され、第４空気通路５０の右端から外部へ排出される。

次に、上記のコージェネレーションシステム１の作用、効果について説明する。
放熱手段３６による熱交換後の高温排気は、ファン３６ａにより第２空気通路４８へ排出され、第２空気通路４８から外装ケース１４の底板４３の開口部を通過して下方の第３空気通路４９へ排出された後、外装ケース１４の底板４３の下側の第４空気通路５０へ排出され、湯水循環配管２５が貫通固定された外装ケース１４の右側面板１４Ａの下方から外部へ排出される。燃料電池ユニット２の外装ケース１４の右側面板１４Ａの外側の空間へは人が立ち入ることが出来ないため、高温排気による不快感を防止することができる。

また、外気を吸引する吸入開口５１ａが外装ケース１４の前面に形成され、放熱手段３６による熱交換後の高温排気が排出される排出口５６が外装ケース１４の右側面に形成されて、吸入開口５１ａと排出口５６とが異なる面に位置しているため、排出された直後の高温排気が吸入開口５１ａから吸い込まれることによる、湯水循環回路２５を循環する高温湯水の冷却性能の低下を防止することができる。

さらに、放熱手段３６による熱交換後の高温排気は、外装ケース１４の底板４３の開口部を通過して下方に流出した後、外装ケース１４の下端側のベースフレーム５３と底板４３と設置面５２との間の隙間を流れて湯水循環回路２５が貫通固定された右側面板１４Ａの下方から外方へ排出されるので、放熱手段のファンの運転音や風切り音や高温排気の吹き出し音による騒音を低減することができる。

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］前記実施例では、前記放熱手段３６を燃料電池ユニット２に設置した場合を例にして説明したが、前記放熱手段３６を貯湯ユニット３に設置してもよい。
［２］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 燃料電池ユニット
３ 貯湯ユニット
１４ 外装ケース
２５ 湯水循環回路
３３ 外装ケース
３６ 放熱手段
３６ａ ファン
３６ｂ ラジエータ
４６ 吸入部空気通路
４７ 第１空気通路
４８ 第２空気通路
４９ 第３空気通路
５０ 第４空気通路
５３ ベースフレーム

Claims (2)

1. 燃料電池ユニットと、貯湯ユニットと、前記燃料電池ユニットと前記貯湯ユニットの間で湯水を循環する湯水循環配管とを備えたコージェネレーションシステムであって、前記貯湯ユニットから湯水循環配管へ流れる湯水の温度が所定温度以上の場合にファンとラジエータを備えた放熱手段によって外気と熱交換を行うコージェネレーションシステムにおいて、
   前記湯水循環配管は、前記燃料電池ユニットの筐体側面板と前記貯湯ユニットの筐体側面板を貫通して固定され、
   前記放熱手段は、前記燃料電池ユニット又は前記貯湯ユニットに設けられ、
   前記放熱手段による熱交換後の高温排気は、前記湯水循環配管が貫通する筐体側面板の下方から排出されることを特徴とするコージェネレーションシステム。
2. 前記放熱手段による熱交換後の高温排気は、筐体の底板の開口部を通過して下方に流出した後、筐体の下端側のベースフレームの設置面と筐体の底板との間の隙間を流れて前記湯水循環配管が貫通する筐体側面板の下方から外方へ排出され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。