JP2018080858A - コジェネレーションシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】設置費用および製造コストを低減することができるコジェネレーションシステムを提供することを目的とする。【解決手段】発電ユニット10の燃料電池モジュール11の発電に伴って発生する排水、および、貯湯槽21からの排水を吸水するとともに吸水した排水を筐体10aの外部に放出する排水機構70を備える。排水機構70は、排水を吸水するとともに前記排水を放出する多孔質材料からなる気化部71と、一時貯水部としての排水を貯えるタンク72と、タンク72と気化部71とを接続し、タンク72に貯えられた排水を気化部71に供給する排水供給部73と、を有する。そして、気化部71を、ラジエータ22bの放熱部22b1に設ける。これにより、気化部71は、タンク72に貯められた排水を、気化(蒸発)させて水蒸気として、筐体10aの外部に放出することができる。【選択図】図2

Description

本発明は、コジェネレーションシステムに関する。
近年、発電装置と貯湯槽とを備え、発電装置から排出される燃焼排ガスの排熱と貯湯槽に貯えられて循環される湯との間で熱交換して排熱を湯に回収するコジェネレーションシステムは盛んに提案されている。例えば、下記特許文献1には、燃料電池装置と、燃料電池装置の発電に伴って発生する熱を熱交換して湯を生成し、生成した湯を貯湯する貯湯ユニットを備えたコジェネレーションシステム(以下、「第一従来システム」という。)が示されている。この第一従来システムでは、熱交換器における熱交換によりセルスタックから排出される燃焼排ガスに含まれる水が凝縮水となり、この凝縮水が水タンクに貯水されるようになっている。そして、この第一従来システムでは、水タンクが満水になると、排水管を介して、オーバーフローした凝縮水が外部に排水されるようになっている。
また、例えば、下記特許文献2には、燃料電池発電装置と、貯湯タンクと、貯湯タンクの湯水を利用して燃料電池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、を備えるコジェネレーションシステム(以下、「第二従来システム」という。)が示されている。この第二従来システムでは、排熱回収循環回路にバイパス通路とバイパス通路に接続されたラジエータとが設けられており、満水の貯湯タンクをバイパスするために、排熱回収循環回路をバイパス通路に切り替えてラジエータを駆動するようになっている。そして、第二従来システムでは、バイパス通路に、コジェネレーションシステムに含まれる構成部材または構成部品に伝熱可能に配置された補助的な放熱部としてガス給湯器が設けられるようになっている。
特開2014−216188号公報 特開2015−121370号公報
上記第一従来システムでは、水タンクからオーバーフローした凝縮水を、排水管を介して外部に排水する。この場合、上記第一従来システムを家庭に設置する際には、例えば、排水管を下水系統に接続するための専用の配管を設置する必要があり、設置工事費用が増大する。また、上記第二従来システムでは、貯湯タンクが満水時にラジエータによる冷却性能を向上させるために、バイパス通路およびガス給湯器を設ける必要がある。このように、冷却性能を向上させるために、ガス給湯器を設けたり、ガス給湯器とシステムとを接続する配管を別途設けたりする場合には、コジェネレーションシステムの製造コストが増大する。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、設置費用および製造コストを低減することができるコジェネレーションシステムを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、請求項1に係るコジェネレーションシステムの発明は、発電装置を系統電源に連系させるとともに、発電装置の発電に伴って発生する排熱との間で熱交換することによって排熱を回収して湯を生成し、生成した湯を貯湯槽に貯湯するコジェネレーションシステムであって、発電装置の発電に伴って発生する排水、および、貯湯槽からの排水を一時的に貯める一時貯水部と、一時貯水部に貯められた排水を気化する気化部と、を備える。
本発明のコジェネレーションシステムでは、一時貯水部は、発電装置および貯湯槽からの排水を一時的に貯める。気化部は、加熱による強制的な蒸発により、または、周囲の空気の蒸気圧(飽和蒸気圧)に応じた自然の蒸発により、一時貯水部に貯められた排水を気化させる。このように、気化部が排水を気化させることにより、排水は気体になって(水蒸気になって)周囲の空気中に放出される。
これにより、本発明のコジェネレーションシステムでは、発電装置からの排水、および、貯湯槽からの排水を液体のまま外部に排水するために下水系統に接続する配管を設置する必要がなくなるので、設置費用を低減することができる。また、気化部が排水を気化させる際の気化熱により、例えば、冷却を必要とする装置の冷却性能を向上させるために、別途機器などを設ける必要がなくなるので、製造コストを低減することができる。
本発明によるコジェネレーションシステムを示す概要図である。 本発明の第一実施形態に係る燃料電池タイプのコジェネレーションシステムの概要図である。 図1の排水機構の構成を説明するための図である。 図2の排水機構の排水供給部の構成を説明するための断面図である。 本発明の第二実施形態に係るコジェネレーションシステムの概要図である。 本発明の第三実施形態に係るコジェネレーションシステムの概要図である。 本発明の変形例に係り、気化部と一時貯水部とを一体に構成した場合を説明するための概要図である。 本発明の変形例に係るガスエンジンタイプのコジェネレーションシステムの発電機の概要図である。
<第一実施形態>
(コジェネレーションシステムの概要)
以下、本発明によるコジェネレーションシステムの第一実施形態について説明する。まず、本発明の一時貯水部および気化部が適用されるコジェネレーションシステム1の構成の概要から説明する。図1に示すように、コジェネレーションシステム1は、発電ユニット10および貯湯ユニット20を備えている。
発電ユニット10は、電力(以下に説明する各実施形態では交流電力)を発生させるものである。このため、発電ユニット10は、発電機11、熱交換器12、電力変換装置13および発電装置制御装置15(以下、制御装置15という。)を備えている。ここで、発電機11および電力変換装置13は、本発明の発電装置を構成する。発電機11は、直流電力を発電する。発電機としては、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池または原動機により発電する発電機を用いることができる。
熱交換器12は、一端が発電機11の排熱が排出される発電機11の排出口に接続された流路11dの他端に接続されている。熱交換器12は、貯湯ユニット20に設けられた湯水循環回路22上に配設されている。熱交換器12は、流路11dを介して供給される排熱と湯水循環回路22を循環する湯水との間で熱交換を行うものである。
電力変換装置13は、発電機11から供給された直流電力(電流、電圧)を交流電力(電流、電圧)に変換するものである。また、電力変換装置13は、変換した交流電力(電流、電圧)を出力する機能を備えている。電力変換装置13は、系統連系出力経路16bを介して系統電源16aと電気的に接続されている。電力変換装置13から出力される交流電力および系統電源16aからの交流電力は系統連系出力経路16bに出力されるようになっている。また、電力変換装置13は、系統連系出力経路16bを介して供給される系統電源16aからの交流電力を直流電力に変換して出力する機能も備えている。系統連系出力経路16bには、ブレーカ16dが設けられている。ブレーカ16dは、系統電源16aからの送電が行われている場合であって、何らかの原因により系統連系出力経路16bに異常な電流(例えば過電流)が流れたときに、自動で系統連系出力経路16bを開路とするようになっている。これにより発電ユニット10は異常な電流による損傷などから回避される。
制御装置15は、発電機11の制御を少なくとも行うものである。具体的には、系統電源16aから電力供給があるときは、電力使用場所A1に設置されている負荷装置16c(例えば、電化製品など)の消費電力となるように発電機11の発電量の制御を行う。このとき、発電機11の発電する電力より負荷装置16cの消費電力が上回る場合は、その不足電力を系統電源16aから受電して補うようになっている。
貯湯ユニット20は、貯湯槽21および湯水循環回路22を備えている。
貯湯槽21は、発電ユニット10(発電機11)の排熱を熱交換により回収した湯水を貯めるものである。貯湯槽21には、貯湯槽21内の湯水(貯湯水)を循環させるための湯水循環回路22が接続されている。発電ユニット10(発電機11)の発電中にポンプの駆動によって湯水循環回路22を湯水が循環すると、湯水が流路11dを介して排出された発電ユニット10(発電機11)の排熱を熱交換器12を介して回収することで、湯水が加熱されるようになっている。なお、発電機11の排熱とは、例えば、発電ユニット10の場合、燃料電池の排熱やエンジンの排熱などをいう。しかし、それに限定せず発電ユニット10それ自体の熱など回収可能な排熱なら何でも利用できる。
貯湯槽21には、給湯管61が接続されている。給湯管61には、貯湯槽21に貯留している湯水を給湯として利用する湯水使用場所A2に設置されている複数の湯利用機器A2aが接続されている。この湯利用機器としては、浴槽、シャワ、キッチン(キッチンの蛇口)、洗面所(洗面所の蛇口)などがある。また、給湯管61には、貯湯槽21の湯水を熱源として利用する湯水使用場所A2に設置されている熱利用機器A2bが接続されている。この熱利用機器としては、浴室暖房、床暖房、浴槽の湯の追い炊き機構などがある。
次に、本発明の第一実施形態を具体的に説明する。図2に示すように、第一実施形態におけるコジェネレーションシステム1は、発電ユニット10、貯湯ユニット20および排水機構70を備えている。なお、第一実施形態におけるコジェネレーションシステム1は、燃料電池タイプのコジェネレーションシステムである。コジェネレーションシステム1は、筐体10aを備えている。筐体10aは、パネル板(例えば金属製)で箱状に構成されている。筐体10aの内部には発電ユニット10、貯湯ユニット20および排水機構70が収容されている。
発電機11としての燃料電池モジュール11は、後述するように燃料電池34を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール11は、改質用原料、改質水および酸化剤ガスとしての空気すなわちカソードエアが供給されている。改質用原料としては天然ガス、LPガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料がある。本実施形態においては天然ガスを用いる場合を説明する。具体的に、燃料電池モジュール11は、一端が供給源Gs、例えば、都市ガス(天然ガス)のガス供給管に接続されて、改質用原料が供給される改質用原料供給管11aの他端が接続されている。改質用原料供給管11aは、原料ポンプ11a1が設けられている。さらに、燃料電池モジュール11は、一端が貯水器14に接続されて改質水が供給される改質水供給管11bの他端が接続されている。改質水供給管11bは、改質水ポンプ11b2が設けられている。さらに、燃料電池モジュール11は、一端がカソードエアブロワ11c1に接続されて、カソードエアが供給されるカソードエア供給管11cの他端が接続されている。カソードエアブロワ11c1は、電動モータにより駆動される。
熱交換器12は、燃料電池モジュール11から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽21からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽21は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する(図2にて矢印の方向に循環する)湯水循環回路22が接続されている。湯水循環回路22上には、貯湯槽21の下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ22a、高温部であるラジエータ22bおよび熱交換器12が配設されている。
ラジエータ22bは、熱交換器12と貯湯槽21との間に設けられて、湯水循環回路22を循環する貯湯水を、空気(筐体10aの内部の空気)との熱交換によって冷却して、熱交換器12に流入させる貯湯水を冷却するものである。ラジエータ22bには、ラジエータ22bに空気(筐体10aの内部の空気)を供給するための送風ファン22b2が設けられている。送風ファン22b2は、制御装置15の制御により作動する。
送風ファン22b2が作動すると、ラジエータ22bの放熱部22b1を空気が通過することにより、湯水循環回路22を循環する貯湯水が空気との間で熱交換されて、熱交換器12に流入する貯湯水の湯温が低下する。そして、ラジエータ22bは、熱交換により余剰となった排熱(余剰排熱)を放熱部22b1から放熱する。送風ファン22b2が作動していない場合には、ラジエータ22bに空気が供給されないので、ラジエータ22bにおいて、湯水循環回路22を循環する貯湯水が空気と熱交換されず、熱交換器12に流入する貯湯水の湯温は低下しない。
熱交換器12において、燃料電池モジュール11からの燃焼排ガスは、流路11d(以下、「排気管11d」という。)を通って熱交換器12内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。排気管11dは、熱交換器12から外部に熱交換の後の燃焼排ガスを放出する流路である。凝縮後の燃焼排ガスは、排気管11dを通り、通気口10dから筐体10aの外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、熱交換器12から凝縮水供給管12aを通って貯水器14に供給される。なお、貯水器14は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するように構成しても良い。
発電ユニット10においては、熱交換器12にて生じた凝縮水が供給された貯水器14から溢れ出た水は、オーバーフローライン14aを介して、後述する排水機構70の一時貯水部としてのタンク72に貯水される。また、排気管11dは、熱交換器12の下流側で分岐して後述する排水機構70のタンク72に連通するドレン管路12bが設けられている。ドレン管路12bは、後述する排水機構70のタンク72に連通している。
このように、熱交換器12、貯湯槽21および湯水循環回路22から排熱回収システムが構成されている。排熱回収システムは、燃料電池モジュール11(すなわち、発電機11)の排熱を貯湯水に回収して蓄える。具体的に、排熱回収システムにおいては、制御装置15は、例えば、貯湯槽21内部の上層側の水温および下層側の水温や、熱交換器12に流入する水温および流出する水温、給水管42に設けられた水温計測装置67による計測値(水温)等を取得する。そして、制御装置15は、取得した水温に基づいて、湯水循環回路22における貯湯水循環ポンプ22aおよびラジエータ22bの送風ファン22b2を作動させて貯湯槽21の貯湯水を循環させ、熱交換器12による熱交換を行う。これにより、排熱回収システムは、燃料電池モジュール11(すなわち、発電機11)の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
電力変換装置13は、燃料電池34から出力される直流電力を入力し所定の交流電力に変換して、交流の系統電源16aおよび負荷装置16c(例えば、電化製品)に接続されている系統連系出力経路16bに出力する。また、電力変換装置13は、系統電源16aからの交流電力を、系統連系出力経路16bを介して入力し所定の直流電力に変換して補機(各ポンプ、ブロワなど)や制御装置15に出力する。
燃料電池モジュール11は、カバー31、蒸発部32、改質部33および燃料電池34を備えている。カバー31は、断熱性材料で箱状に形成されている。蒸発部32は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部32は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部33に供給するものである。
蒸発部32には、一端(下端)が貯水器14に接続された改質水供給管11bの他端が接続されている。また、蒸発部32には、一端が供給源Gsに接続された改質用原料供給管11aが接続されている。
改質部33は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部32から供給された混合ガス(改質用原料、水蒸気)から改質ガス(アノードガス)を生成して改質ガス送出管38から導出するものである。
燃料電池34は、燃料極、空気極(酸化剤極)、および、両極の間に介装された電解質からなる複数のセル34aが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池34は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池34の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は400〜1000℃程度である。なお、400℃以下でも定格以下の発電量の発電は、可能である。また、600℃で発電開始を許容している。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部33は省略することができる。
セル34aの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路34bが形成されている。セル34aの空気極側には、酸化剤ガスである空気(カソードエア)が流通する空気流路34cが形成されている。
燃料電池34は、マニホールド35上に設けられている。マニホールド35には、改質部33からの改質ガスが改質ガス送出管38を介して供給される。燃料流路34bは、その下端(一端)がマニホールド35の燃料導出口に接続されており、燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ11c1によって送出されたカソードエアは、カソードエア供給管11cを介して供給され、空気流路34cの下端から導入され上端から導出されるようになっている。
燃料電池34においては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給されたカソードエアによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化1および化2に示す反応が生じ、空気極では、下記化3に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン(O2−)が電解質を通過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。
(化1)
+O2−→HO+2e
(化2)
CO+O2−→CO+2e
(化3)
1/2O+2e→O2−
燃焼部36は、燃料電池34と蒸発部32および改質部33との間に設けられている。燃焼部36は、燃料電池34からのアノードオフガス(燃料オフガス)が燃料電池34からのカソードオフエア(酸化剤オフガス)により燃焼されて、燃焼ガス(火炎37)にて蒸発部32および改質部33を加熱する。
燃焼部36には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ36a1,36a2が設けられている。燃焼部36で生じた燃焼排ガスは、燃料電池モジュール11から排気管11dを通って熱交換器12に送られる。
筐体10aには、外気を吸い込むための吸気口10b、筐体10a内の空気を外部に排出するための換気用排気口10c、および熱交換器12からの燃焼排ガスを外部に排出するとともにラジエータ22bに組み付けられた後述する排水機構70からの水蒸気を外部に排出する通気口10dが形成されている。吸気口10bには、逆止弁54が設けられている。逆止弁54は、外部から筐体10a内への空気の流れは許容するが、逆方向への流れを規制するものである。
換気用排気口10cには、換気ファン55が設けられている。換気ファン55は筐体10a内の空気(換気排気)を外部に送出するものである。
貯湯槽21は、密封式の耐圧容器である。貯湯槽21は、圧力逃し弁21aを備えている。圧力逃し弁21aは、貯湯槽21内の圧力が所定圧力以上となった場合、その圧力(内部の気体および貯湯水)を外部に逃がすために開状態となる。圧力逃し弁21aから排出された貯湯水(排水)は、貯湯水排水管23を通って後述する排水機構70のタンク72に排出される。
貯湯槽21は、図2に示すように、筐体10aの内部に収納されて、水供給装置Sw、例えば水道管に減圧弁41を介して接続された給水管42から水道の水が給水される。貯湯槽21は、前述した排熱回収システムによる排熱回収にて温められて生成された、例えば、70℃の湯を貯める。
貯湯槽21の湯は、給湯管61から混合弁62に流入する。混合弁62は、水供給管42aを介して給水管42にも接続されている。混合弁62は、貯湯槽21から給湯管61を介して流入する湯と水供給装置Swから給水管42、水供給管42aを介して流入する水との湯/水混合比を調整して、貯湯槽21の温度よりも低い設定温度T、例えば50℃以下好ましくは30℃±5℃に調整された混合湯を生成する。混合湯は、混合湯供給管63を介して給湯器Whの給水側に接続される。給湯器Whは、混合湯供給管63から給水された混合湯を直接または加熱して、給湯栓69から出湯するものである。
図2に示すように、一端が混合湯供給管63に接続され、他端が給水管42に接続されたバイパス通路64が設けられている。バイパス通路64には、非通電時には閉状ノーマルオープンの電磁開閉弁65が設けられている。電磁開閉弁65は、制御装置15の制御により、混合弁62の駆動中は閉状態に切り替えられる。一方、例えば、混合弁62または混合弁62の制御系の故障により、湯と水の制御ができなくなってすなわち水を増やすことができない状態となり、混合湯供給管63の混合湯計測温度Thが上昇し予め設定された混合湯上限温度Txを超えた場合には、電磁開閉弁65は、制御装置15の制御により開状態に切り替えられる。電磁開閉弁65の開状態により給水管42から水を混合湯供給管63に導くことにより、混合湯供給管63における混合湯の温度を下げて、高温出湯を防止することができる。混合湯計測温度Thは、混合湯供給管63のバイパス通路64との合流部よりも下流側に設けられた湯温計測装置66例えばサーミスタ等にて計測され、制御装置15に出力される。具体的には、混合湯の設定温度である設定温度Tは、例えば30℃、混合湯上限温度Txは、例えば50℃に設定される。
(排水機構70の構成)
排水機構70は、図2に示すように、気化部71と、一時貯水部としてのタンク72と、排水供給部73と、を備えている。第一実施形態における気化部71は、熱交換器12による熱交換において湯水循環回路22を循環する貯湯水を冷却することによって発生する余剰排熱を放熱する高温部としてのラジエータ22bに設けられる。気化部71は、図2および図3に示すように、ラジエータ22bの放熱部22b1すなわち送風ファン22b2の配置面とは逆側の面と、通気口10dと、の間に設けられる。気化部71は、図2および図3に示すように、ケーシング71a内に、多孔質材料、例えばフェルト(不織布)や、ろ紙、スポンジ等から構成された多孔質部71bを収容して構成されている。これにより、多孔質部71bの内部には、多数の小さな空間が存在する。気化部71は、ラジエータ22bの放熱部22b1全体を覆うように配置される。
また、気化部71は、図2および図3に示すように、送風ファン22b2によりラジエータ22bを通過する空気を流通させる通風孔74が多数設けられている。通風孔74は、図2に示すように、気化部71の多孔質部71bに設けられており、放熱部22b1に対向する面71b1から通気口10dに対向する面71b2まで貫通している。
タンク72は、図2および図3に示すように、気化部71に対して鉛直方向にて下方に配置されている。タンク72は、燃料電池モジュール11の発電に伴って発生する排水を導通させるドレン管路12bおよびオーバーフローライン14aと、貯湯槽21からの排水を導通させる貯湯水排水管23と、が集合配管72aを介して連通されている。これにより、貯水器14から溢れ出た(オーバーフローした)凝縮水、排気管11dからの凝縮水(ドレン)、および、圧力逃し弁21aから排出された貯湯水は、排水としてタンク72に貯えられる。
排水供給部73は、気化部71とタンク72とを接続し、タンク72に貯えられた排水を気化部71に供給する。排水供給部73は、図4に示すように、外管73aと、外管73a内に収容される多孔質部73bと、からなる。外管73aは、金属管あるいは樹脂管が用いられる。多孔質部73bは、気化部71と同様に、多孔質材料(例えば、フェルト(不織布)、ろ紙、スポンジ等)からなる。
このように構成される第一実施形態の排水機構70においては、一時貯水部としてのタンク72に一時的に排水が貯められる。排水供給部73(より詳しくは、多孔質部73b)は、毛細管現象に基づく吸水力により排水を吸水することによってタンク72に一時的に貯められた排水をタンク72の上方に配置された気化部71まで排水を吸い上げ、吸い上げた排水を気化部71に対して放出する。気化部71は、多孔質材料から構成されているので、排水供給部73(多孔質部73b)によって供給された(放出された)排水を、毛細管現象に基づく吸水力により、吸水する。このような気化部71および排水供給部73の吸水が連続して行われることにより、タンク72に貯められた排水は、気化部71の内部に多数存在する空間に一旦貯められる。
気化部71は、高温部であるラジエータ22bの放熱部22b1に設けられている。上述したように、ラジエータ22bおよび送風ファン22b2が作動している状態では、湯水循環回路22を循環する貯湯水と周辺空気との間で熱交換が行われ、ラジエータ22bの放熱部22b1から余剰排熱が放熱される。これにより、排水を吸水した気化部71は、余剰排熱によって加熱され、吸水している排水も加熱される。このように加熱された排水は、気化部71から気化(蒸発)し、水蒸気として送風ファン22b2による通風によって強制的に通気口10dから筐体10aの外部に排出される。このとき、気化部71には多数の通風孔74が設けられているので、送風ファン22b2は、負荷(圧損)が小さい状態で作動して、水蒸気となった排水を通気口10dから筐体10aの外部に排出する。
また、気化部71は、例えば、筐体10aの内部の温度に基づく空気の蒸気圧(飽和蒸気圧)に応じて、排水を自然の蒸発により気化させる。したがって、ラジエータ22bの送風ファン22b2が作動していない状態であっても、気化部71は、排水を気化して、水蒸気として外部に排出する。そして、気化部71は、内部の空間に吸水した排水を蒸発により(気化により)水蒸気として外部に放出することにより、繰り返し、排水供給部73によって放出される排水を内部の空間に吸水する。
以上の説明からも理解できるように、第一実施形態のコジェネレーションシステム1によれば、発電装置を構成する燃料電池モジュール11及び電力変換装置13を系統電源16aに連系させるとともに、燃料電池モジュール11の発電に伴って発生する排熱との間で熱交換することによって排熱を回収して湯を生成し、生成した湯を貯湯槽21に貯湯するコジェネレーションシステム1であって、発電ユニット10(燃料電池モジュール11)の発電に伴って発生する排水であってドレン管路12b、オーバーフローライン14aを介して排出される排水、および、貯湯槽21からの排水であって貯湯水排水管23を介して排出される排水を吸水するとともに吸水した排水を一時的に貯める一時貯水部としてのタンク72と、タンク72に貯められた排水を気化する気化部71と、を備える。
第一実施形態のコジェネレーションシステム1では、タンク72が発電ユニット10(燃料電池モジュール11)および貯湯槽21からの排水を一時的に貯める。気化部71は、作動しているラジエータ22bからの排熱を用いた加熱による強制的な蒸発により、または、ラジエータ22bが作動していないときには周囲の空気の蒸気圧(飽和蒸気圧)に応じた自然の蒸発により、タンク72に貯められた排水を気化させる。このように、気化部71が排水を気化させることにより、排水は気体になって(水蒸気になって)周囲の空気中に放出される。
これにより、第一実施形態のコジェネレーションシステム1では、発電ユニット10(燃料電池モジュール)からの排水、および、貯湯槽21からの排水を液体のまま外部に排水するために下水系統に接続する配管を設置する必要がなくなるので、設置費用を低減することができる。また、気化部71が排水を気化させる際の気化熱により、例えば、冷却を必要とする装置であるラジエータ22bの冷却性能を向上させるために、別途機器などを設ける必要がなくなるので、製造コストを低減することができる。
また、この場合、タンク72と気化部71とを接続し、タンク72に貯えられた排水を気化部71に供給する排水供給部73と、を有して構成される。
これによれば、タンク72に貯えられた排水は、排水供給部73によって気化部71に供給される。気化部71は、排水供給部73から供給された排水を気化して、筐体10aの外部に放出することができる。したがって、例えば、排水が多い場合であっても、排水を一時的にタンク72に貯めておき気化部71が排水を気化するので、排水を液体のまま放出することを防止することができる。
また、この場合、排水供給部73は、排水を吸水するとともに排水を放出する多孔質材料からなり、タンク72に貯えられた排水を毛細管現象に基づく吸水力により吸水して気化部71に排水を供給する。
これによれば、排水供給部73は、毛細管現象に基づく吸水力によりタンク72内の排水を吸水して気化部71に供給することができるので、例えば、タンク72内の排水を汲み上げるポンプを設ける必要がない。したがって、コジェネレーションシステム1の製造コストが増大することを抑制することができる。
また、この場合、タンク72は、気化部71に対して、鉛直方向にて下方に設けられる。
これによれば、多孔質材料からなる排水供給部73は、気化部71と、気化部71に対して鉛直方向にて下方に設けられたタンク72と、を連結することができる。これにより、排水供給部73は、毛細管現象に基づく吸水力よって確実にタンク72内の排水を気化部71に供給することができる。
また、これらの場合、気化部71は、排水を吸水するとともに排水を放出する多孔質材料からなる。
これによれば、多孔質材料からなる多孔質部71bを有する気化部71は、多孔質部71bの内部に存在する小さな多数の空間内に排水を取り込んで排水を吸水することができるので、小型化が可能であり、ラジエータ22bの放熱部22b1に設けるためのスペースを容易に確保することができる。また、多孔質部71bを有する気化部71は、吸水した排水を速やかに気化して外部に放出することができる。したがって、吸水した排水を効率よく気化して外部に放出することができる。
また、これらの場合、貯湯槽21に貯えられた湯が循環され、発電ユニット10(燃料電池モジュール11)から排出される燃焼排ガスに含まれる排熱と循環される湯との間で熱交換をして排熱を湯に回収する熱交換器12と、を備え、気化部71を、発電ユニット10(燃料電池モジュール11)の発電によって発生する余剰排熱を放熱する高温部としてのカバー31、および、熱交換器12の熱交換によって発生する余剰排熱を放熱する高温部としてのラジエータ22bの放熱部22b1のうちの一方であるラジエータ22bの放熱部22b1に設けるように構成される。
これによれば、利用されることなくラジエータ22bの放熱部22b1を介して筐体10aの外部に放熱されていた余剰排熱を利用して、気化部71が吸水した排水を気化(蒸発)させて水蒸気として筐体10aの外部に放出することができる。したがって、コジェネレーションシステム1の作動効率を向上させることができる。
また、この場合、熱交換器12の熱交換によって発生する余剰排熱を放熱する高温部は、熱交換器12から熱交換の後の燃焼排ガスを外部に放出する流路である排気管11d、および、熱交換器12と貯湯槽21との間に設けられて熱交換器12に流入させる湯を冷却するラジエータ22bの放熱部22b1のうちの少なくとも一方であるラジエータ22bの放熱部22b1である。
これによれば、気化部71は、余剰排熱を放熱する高温部であるラジエータ22b(より具体的にはラジエータ22bの放熱部22b1)に設けられる。これにより、吸水した排水をラジエータ22bの放熱部22b1が放熱する余剰排熱を利用して気化(蒸発)させ、排水を水蒸気として筐体10aの外部に放出する。
これにより、気化部71は、ラジエータ22bの放熱部22b1が放熱する余剰排熱を利用して排水を気化(蒸発)させるので、気化熱によってラジエータ22bの放熱部22b1を良好に冷却することができる。これにより、ラジエータ22bの放熱部22b1の冷却性能を向上させるための機器などを別途設ける必要がなくなるので、製造コストを低減することができる。
また、この場合、気化部71に、ラジエータ22bに設けられた送風ファン22b2によりラジエータ22bを通過した空気を流通させる通風孔74が設けられる。
これによれば、気化部71に通風孔74を設けることができるので、ラジエータ22bを通過する空気の抵抗(圧損)を抑制することができる。これにより、ラジエータ22bの冷却性能が悪化することを防止することができる。
さらに、これらの場合、気化部71によって気化された排水は、発電ユニット10(燃料電池モジュール11)及び貯湯槽21が収容される筐体10aに設けられた通気口10dを介して外部に排出される。
これによれば、気化部71によって気化(蒸発)された排水は、筐体10aに設けられた通気口10dから確実に筐体10aの外部に排出することができる。
(第二実施形態)
上記第一実施形態においては、高温部をラジエータ22bとし、排水機構70の気化部71をラジエータ22bの放熱部22b1に設けるようにした。このように、高温部をラジエータ22bとすることに代えて、高温部として、熱交換器12を通過した燃焼排ガスを導通させる流路としての排気管11dとすることも可能である。以下、この第二実施形態を詳細に説明するが、上記第一実施形態と同一部分に同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
第二実施形態においては、図5に示すように、排水機構70の気化部71が熱交換器12よりも下流側に位置する高温部である排気管11dに設けられている。熱交換器12よりも下流側の排気管11dは、熱交換器12による熱交換の後の燃焼排ガスを余剰排熱とともに筐体10aの外部に排出する。また、この第二実施形態における排水機構70の気化部71は、図5に示すように、筐体10aの通気口10dに近接して設けられている。
この第二実施形態においても、排水機構70は、上記第一実施形態と同様に作動する。すなわち、図5に示すように、ドレン管路12b、オーバーフローライン14aおよび貯湯水排水管23は、集合配管72aを介してタンク72に連通されているので、タンク72に排水が一時的に貯められる。排水供給部73(より詳しくは、多孔質部73b)は、毛細管現象に基づく吸水力により排水を吸水することによってタンク72に一時的に貯められた排水をタンク72の上方に配置された気化部71まで排水を吸い上げる。そして、排水供給部73は、吸い上げた排水を気化部71に対して供給(放出)する。
気化部71は、排水供給部73(多孔質部73b)によって供給された(放出された)排水を、毛細管現象に基づく吸水力により吸水する。このような気化部71による吸水および排水供給部73による吸水および放出が連続して行われることにより、第二実施形態においても、タンク72に一時的に貯められた排水は、気化部71の内部に多数存在する空間に一旦貯められる。
気化部71は、高温部である排気管11dに設けられている。燃料電池モジュール11が作動している状態では、熱交換器12によって湯水循環回路22を循環する貯湯水と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、熱交換の後の燃焼排ガスが排気管11dを流通することにより排気管11dから余剰排熱が放熱される。これにより、排水を吸水した気化部71は、余剰排熱によって加熱され、吸水している排水も加熱される。このように加熱された排水は、気化部71から気化(蒸発)し、水蒸気となる。ここで、この第二実施形態においては、図5に示すように、気化部71が筐体10aの通気口10dに近接して配置されている。
これにより、水蒸気となった(気化された)排水は、例えば、筐体10aの外部における風等によって通気口10dから筐体10aの外部に排出される。尚、筐体10aには、換気用排気口10cおよび換気ファン55が設けられているので、筐体10a内に水蒸気が放出された場合であっても、換気ファン55の作動により水蒸気は換気用排気口10cから外部に排出される。そして、気化部71は、内部の空間に吸水した排水を蒸発により(気化により)水蒸気として外部に放出することにより、繰り返し、排水供給部73によって放出される排水を内部の空間に吸水する。
以上の説明からも理解できるように、この第二実施形態においても、気化部71が排水を、気化させて(蒸発させて)水蒸気として筐体10aの外部に放出することができる。したがって、上記第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第三実施形態)
上記第一実施形態では高温部としてラジエータ22bの放熱部22b1に排水機構70の気化部71を設けるようにし、上記第二実施形態では高温部として排気管11dに排水機構70の気化部71を設けるようにした。ところで、発電装置である燃料電池モジュール11においては上述したように燃焼部36を備えており、カバー31から余剰排熱が放熱される。そこで、この第三実施形態では、高温部としてカバー31とする。以下、この第三実施形態を詳細に説明するが、上記第一実施形態および上記第二実施形態と同一部分に同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
第三実施形態においては、図6に示すように、排水機構70の気化部71が燃料電池モジュール11を覆うカバー31に設けられている。そして、この第三実施形態における気化部71は、図6に示すように、高温部であるカバー31と、換気ファン55を介して換気用排気口10cと、の間に設けられている。上述したように、カバー31の内部には、蒸発部32および改質部33を加熱するための燃焼部36が設けられている。燃焼部36によってアノードオフガス(燃料オフガス)がカソードオフエア(酸化剤オフガス)により燃焼されて発生した熱は蒸発部32および改質部33を加熱し、余剰の熱はカバー31を介して筐体10aの内部に放熱される。
この第三実施形態においても、排水機構70は、上記第一実施形態および上記第二実施形態と同様に作動する。すなわち、図6に示すように、ドレン管路12b、オーバーフローライン14aおよび貯湯水排水管23は、集合配管72aを介してタンク72に連通されているので、タンク72に排水が一時的に貯められる。排水供給部73(より詳しくは、多孔質部73b)は、毛細管現象に基づく吸水力により排水を吸水することによってタンク72に一時的に貯められた排水をタンク72の上方に配置された気化部71まで排水を吸い上げる。そして、排水供給部73は、吸い上げた排水を気化部71に対して供給(放出)する。
気化部71は、排水供給部73(多孔質部73b)によって供給された(放出された)排水を、毛細管現象に基づく吸水力により吸水する。このような気化部71および排水供給部73の吸水が連続して行われることにより、第三実施形態においても、タンク72に貯められた排水は、気化部71の内部に多数存在する空間に一旦貯められる。
気化部71は、高温部であるカバー31に設けられている。燃料電池モジュール11が作動している状態では、燃焼部36によって蒸発部32および改質部33が加熱されるので、カバー31から余剰排熱が放熱される。これにより、排水を吸水した気化部71は、余剰排熱によって加熱され、吸水している排水も加熱される。このように加熱された排水は、気化部71から気化(蒸発)し、水蒸気となる。ここで、この第三実施形態においては、図6に示すように、気化部71が筐体10aの換気用排気口10cとカバー31との間に配置されている。
これにより、水蒸気となった(気化された)排水は、換気ファン55の作動によって換気用排気口10cから強制的に筐体10aの外部に排出される。そして、気化部71は、内部の空間に吸水した排水を蒸発により(気化により)水蒸気として外部に放出することにより、繰り返し、排水供給部73によって放出される排水を内部の空間に吸水する。
以上の説明からも理解できるように、この第三実施形態においても、排水を、気化(蒸発)させて水蒸気として筐体10aの外部に放出することができる。したがって、上記第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
(上記各実施形態の変形例)
本発明の実施にあたっては、上記第一実施形態、上記第二実施形態および上記第三実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形例を採用することができる。
例えば、上記各実施形態の排水機構70においては、タンク72を気化部71に対してほぼ鉛直方向にて下方に配置するようにした。上述したように、排水供給部73は毛細管現象に基づく吸水力により排水を吸水することができるので、タンク72が気化部71から離れた位置に配置した場合であっても、排水供給部73が気化部71に排水を供給することができる。この場合、例えば、排水供給部73による気化部71への排水の供給量の低下や供給スピードの低下が考えられる。しかし、気化部71が排水を気化させて(蒸発させて)水蒸気として外部に放出している限り、排水供給部73はタンク72から排水を吸水して気化部71に供給することができるので、上記各実施形態と同様の効果が期待できる。
また、上記各実施形態の排水機構70においては、ドレン管路12b、オーバーフローライン14aおよび貯湯水排水管23と連通するタンク72を設けるようにした。そして、上記各実施形態の排水機構70においては、気化部71とタンク72とを接続する排水供給部73を設けるようにした。上述したように、多孔質材料からなる気化部71は、内部の多数の空間内に排水を吸水することができるので、図7に示すように、タンク72および排水供給部73を省略することも可能である。すなわち、この場合には、気化部71、タンク72および排水供給部73が多孔質材料から一体に構成されており、気化部71が一時貯水部の機能および排水供給機能を有する。
この場合には、例えば、ドレン管路12b、オーバーフローライン14aおよび貯湯水排水管23が気化部71に対して直接連通するように構成される。そして、この場合には、一時貯水部(タンク72)および排水供給部73と一体に構成された気化部71が排出される排水を直接吸水するようにする。気化部71は、上記各実施形態と同様に、高温部であるラジエータ22bの放熱部22b1、排気管11dまたはカバー31に設けられることにより、吸水した排水を気化(蒸発)させて水蒸気として筐体10aの外部に放出することができる。したがって、この場合においても、上記各実施形態と同様の効果が期待できるとともに、タンク72および排水供給部73を省略することができるので、製造コストの低減を図ることができる。
また、上記各実施形態の排水機構70においては、排水供給部73が多孔質部73bを有するようにした。この場合、例えば、ポンプ等を用いて、外管73a内に排水を流通させて気化部71に排水を供給することも可能である。また、上記各実施形態の排水機構70においては、多孔質部73bを外管73a内に収容するようにしたが、外管73aを省略して多孔質部73bを露出させるようにすることも可能である。さらに、上記各実施形態の排水機構70においては、排水供給部73を複数(例えば、図4に示すように五つ)設けるようにした。この場合、例えば、気化部71の大きさに合わせて一つの幅広且つ板状の排水供給部73を用いることも可能である。これらの場合であっても、上記各実施形態と同様に、排水供給部73は、一時的にタンク72に貯められた排水を吸い上げて気化部71に供給することができる。したがって、これらの場合においても、上記各実施形態と同様の効果が期待できる。
また、上記各実施形態の排水機構70は、それぞれ、ラジエータ22bの放熱部22b1、排気管11dまたはカバー31を高温部とした。しかし、高温部は一つに限定されるものではなく、ラジエータ22bの放熱部22b1、排気管11dおよびカバー31のうちから二つ以上を高温部とすることも可能である。これにより、例えば、ラジエータ22bの放熱部22b1および排気管11dを高温部とした場合には、ラジエータ22bの送風ファン22b2が作動していない場合であっても、排気管11dに設けられた気化部71が吸水した排水を気化(蒸発)させて、排水を水蒸気として筐体10aの外部に放出することができる。したがって、上記各実施形態と同様の効果が得られるとともに、より確実に排水を水蒸気として筐体10aの外部に放出することができる。
また、上記各実施形態においては、貯湯槽21を筐体10aの内部に収納するようにした。しかし、貯湯槽21を筐体10aの外部に配置することも可能である。この場合においても、上記各実施形態と同様の効果が期待できる。
また、上記各実施形態においては、発電ユニット10と、貯湯槽21と、熱交換器12、および、湯水循環回路22と、を備えたコジェネレーションシステムとした。しかし、発電ユニット10すなわち燃料電池システムのみであっても、排水機構70は、高温部としての排気管11dまたはカバー31に気化部71が設けられることにより、排水としての凝縮水を気化(蒸発)させて水蒸気として筐体10aの外部に放出することができる。したがって、貯湯槽21、熱交換器12および湯水循環回路22を省略した燃料電池システムであっても、上記各実施形態と同様の効果が得られる。
また、上記各実施形態における燃料電池34は固体酸化物形燃料電池であったが、本発明を高分子電解質形燃料電池に適用するようにしてもよい。
さらに、上記各実施形態において、コジェネレーションシステム1は燃料電池タイプのコジェネレーションシステムであったが、原動機により発電するガスエンジンタイプのコジェネレーションシステムでもよい。発電機11がエンジン発電機(原動機)である場合の構成について、図8を用いて説明する。エンジン発電機(原動機)は、燃料供給装置(図示省略)から供給される燃料と空気との燃焼による熱エネルギーを回転エネルギー(運動エネルギー)に変換するエンジン80aと、この回転エネルギーから電気エネルギーである電力を生成する発電機本体80bを備えている。エンジン80aには、ガスタービンエンジン、レシプロエンジン等の内燃機関、蒸気タービンエンジン等の外燃機関が含まれる。
ガスエンジンタイプのコジェネレーションシステムの場合、熱交換器12において、エンジン80aを冷却する冷却水と湯水循環回路22を循環する貯湯水との間で熱交換が行われる。ところで、ガスエンジンタイプのコジェネレーションシステムの場合、排水としては、例えば、エンジン80aを冷却する冷却水がある。排水が冷却水の場合であっても、排水機構70においては、気化部71は、排水である冷却水を吸水する。そして、気化部71を、例えば、ラジエータ22bの放熱部22b1に設けることにより、気化部71は余剰排熱によって加熱される。これにより、この場合においても、排水機構70は、排水を気化(蒸発)させて水蒸気として外部に排出することができる。したがって、ガスエンジンタイプのコジェネレーションシステムの場合においても、上記各実施形態と同様の効果が得られる。
10…発電ユニット、10a…筐体、10b…吸気口、10c…換気用排気口、10d…通気口、11…燃料電池モジュール、11d…排気管、12…熱交換器、12a…凝縮水供給管、12b…ドレン管路、14…貯水器、14a…オーバーフローライン、20…貯湯ユニット、21…貯湯槽、21a…圧力逃し弁、22…湯水循環回路、22b…ラジエータ、22b1…放熱部、22b2…送風ファン、23…貯湯水排水管、31…カバー、34…燃料電池、36…燃焼部、36a1,36a2…着火ヒータ、37…火炎、38…改質ガス送出管、55…換気ファン、70…排水機構、71…気化部、71b…多孔質部、72…タンク、72a…集合配管、73…排水供給部、73a…外管、73b…多孔質部、74…通風孔、80a…エンジン、80b…発電機本体

Claims (10)

  1. 発電装置を系統電源に連系させるとともに、前記発電装置の発電に伴って発生する排熱との間で熱交換することによって前記排熱を回収して湯を生成し、前記生成した前記湯を貯湯槽に貯湯するコジェネレーションシステムであって、
    前記発電装置の前記発電に伴って発生する排水、および、前記貯湯槽からの排水を一時的に貯める一時貯水部と、
    前記一時貯水部に貯められた前記排水を気化する気化部と、を備えたコジェネレーションシステム。
  2. 前記一時貯水部と前記気化部とを接続し、前記一時貯水部に貯えられた前記排水を前記気化部に供給する排水供給部を設けた請求項1に記載のコジェネレーションシステム。
  3. 前記排水供給部は、
    前記排水を吸水するとともに吸水した前記排水を放出する多孔質材料からなり、
    前記一時貯水部に貯えられた前記排水を毛細管現象に基づく吸水力により吸水して前記気化部に前記排水を供給する請求項2に記載のコジェネレーションシステム。
  4. 前記一時貯水部は、
    前記気化部に対して、鉛直方向にて下方に設けられた請求項3に記載のコジェネレーションシステム。
  5. 前記一時貯水部および前記気化部は、
    前記排水を吸水するとともに前記排水を放出する多孔質材料から一体に構成された請求項1に記載のコジェネレーションシステム。
  6. 前記貯湯槽に貯えられた前記湯が循環され、前記発電装置から排出される燃焼排ガスに含まれる前記排熱と循環される前記湯との間で熱交換をして前記排熱を前記湯に回収する熱交換器を備え、
    前記気化部を、
    前記発電装置の前記発電によって発生する余剰排熱を放熱する高温部、および、前記熱交換器の前記熱交換によって発生する余剰排熱を放熱する高温部のうちの少なくとも一方の前記高温部に設けるように構成された請求項1乃至請求項5のうちの何れか一項に記載のコジェネレーションシステム。
  7. 前記発電装置の前記発電によって発生する前記余剰排熱を放熱する前記高温部は、前記発電装置を収容するカバーであり、
    前記熱交換器の前記熱交換によって発生する前記余剰排熱を放熱する前記高温部は、前記熱交換器から外部に前記熱交換の後の前記燃焼排ガスを放出する流路、および、前記熱交換器と前記貯湯槽との間に設けられて前記熱交換器に流入させる前記湯を冷却するラジエータのうちの少なくとも一方である請求項6に記載のコジェネレーションシステム。
  8. 前記熱交換器の前記熱交換によって発生する前記余剰排熱を放熱する前記高温部は、前記ラジエータであり、
    前記気化部に、
    前記ラジエータに設けられた送風ファンにより前記ラジエータを通過した空気を流通させる通風孔が設けた請求項7に記載のコジェネレーションシステム。
  9. 前記気化部によって気化された前記排水は、
    前記発電装置及び前記貯湯槽の少なくとも一方が収容される筐体に設けられた通気口を介して外部に排出される請求項1乃至請求項8のうちの何れか一項に記載のコジェネレーションシステム。
  10. 前記発電装置は、
    燃料と酸化剤ガスとにより前記発電をする燃料電池または原動機により前記発電をする発電機を含んで構成されている請求項1乃至請求項9のうちの何れか一項に記載のコジェネレーションシステム。
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JP2020119668A (ja) * 2019-01-21 2020-08-06 大阪瓦斯株式会社 発電システム
JP2020149834A (ja) * 2019-03-13 2020-09-17 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム

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