JP2020181693A - コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】断水が生じても発電を継続させる。【解決手段】コージェネレーションシステム１は、水素と空気とに基づいて発電する燃料電池モジュール２４と、熱媒体を貯留するタンク（貯湯タンク３０）と、燃料電池モジュール２４から排出される排気と、タンクから送出されてタンクに戻る熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器（第１熱交換器２８）と、断水が生じる可能性が高いことを示す断水事前情報を受信可能な通信部９０と、断水事前情報の受信に応じて、タンク内の熱媒体を排出させ、排出された熱媒体よりも温度が低い熱媒体をタンク内に供給させる熱媒体制御部９２と、を備える。【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する。

燃料電池で発電するとともに、発電により生じた排気の熱を利用して湯を生成するコージェネレーションシステムがある（例えば、特許文献１）。かかるコージェネレーションシステムでは、発電により生じた排気の熱を熱媒体に移動させ、熱媒体と水とを熱交換させることで湯が生成される。

特開２０１４−１９１９４９号公報

地震が発生すると、それに伴って断水が生じるおそれがある。地震により断水が生じると、熱媒体と熱交換させる水がコージェネレーションシステムに供給されなくなる場合がある。そうすると、熱媒体の熱が水と熱交換されなくなるため、熱媒体の熱が消費されなくなり、熱媒体の温度が低下しなくなる。温度が低下しなくなった熱媒体が発電で生じた熱を受け取ることになるため、熱媒体の温度は上昇していく。熱媒体の温度が過度に高温となると、燃料電池は、危険を回避するために発電を停止する。このように、コージェネレーションシステムでは、断水が生じると、発電を継続させることができなくなる場合がある。

本発明は、このような課題に鑑み、断水が生じても発電を継続させ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目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のコージェネレーションシステムは、水素と空気とに基づいて発電する燃料電池モジュールと、熱媒体を貯留するタンクと、燃料電池モジュールから排出される排気と、タンクから送出されてタンクに戻る熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、断水が生じる可能性が高いことを示す断水事前情報を受信可能な通信部と、断水事前情報の受信に応じて、タンク内の熱媒体を排出させ、排出された熱媒体よりも温度が低い熱媒体をタンク内に供給させる熱媒体制御部と、を備える。

本発明によれば、断水が生じても発電を継続させることが可能となる。

本実施形態によるコージェネレーションシステムの構成を示す概略図である。 熱媒体制御部の動作の流れを説明するフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態の態様について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態によるコージェネレーションシステム１の構成を示す概略図である。図１では、発電に関係する各種の原料や生成物などの流れの方向を一点鎖線の矢印で示し、一点鎖線の矢印の近傍に原料や生成物などを記載している。また、図１では、熱媒体の流れの方向を実線の矢印で示している。熱媒体は、例えば、水であるが、水に限らない。図１では、熱媒体の一例である水の温度を表現するために、実線の矢印の近傍に水または湯の記載をしている。また、図１では、熱媒体と熱交換する水および熱交換によって生成される湯の流れの方向を二点鎖線の矢印で示し、二点鎖線の矢印の近傍に水または湯を記載している。また、図１では、制御信号の流れの方向を破線の矢印で示している。

コージェネレーションシステム１は、燃料電池ユニット１０およびリモートコントローラ１２を含む。燃料電池ユニット１０は、水タンク２０、水ポンプ２２、燃料電池モジュール２４、ブロア２６、第１熱交換器２８、貯湯タンク３０、１次ポンプ３２、分離部３４、第２熱交換器３６、２次ポンプ３８、排出弁４０、排出ポンプ４２、供給弁４４および供給ポンプ４６を含む。

水タンク２０は、中空の容器であり、水を貯留する。水タンク２０は、水ポンプ２２を通じて燃料電池モジュール２４（より詳細には、後述の改質器５０）に接続される。水ポンプ２２は、水タンク２０内の水を燃料電池モジュール２４に送る。

燃料電池モジュール２４は、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）である。なお、燃料電池モジュール２４は、固体高分子形燃料電池に限らず、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）など他の方式の燃料電池であってもよい。

燃料電池モジュール２４は、水素と空気とに基づいて発電する。燃料電池モジュール２４は、改質器５０および発電部５２を含む。

改質器５０には、水ポンプ２２を通じて水タンク２０が接続され、水タンク２０から水が供給される。また、改質器５０には、ガス管５４が接続され、ガス管５４を通じて都市ガスなどのガスが供給される。改質器５０は、供給されるガス（都市ガス）と水とから、ガスを改質して水素を生成する。生成された水素は、発電部５２に供給される。

ブロア２６は、発電部５２に空気を供給する。発電部５２は、改質器５０から供給される水素と、ブロア２６から供給される空気（より詳細には、酸素）とを化学反応させて、電気を生成（発電）する。

発電部５２では、発電に伴って排気が生じる。排気には、発電部５２に供給された空気の一部と、化学反応によって生成された水（水蒸気）が含まれる。発電部５２から排出される排気は、第１熱交換器２８に送られる。

貯湯タンク３０は、中空の容器であり、熱媒体を貯留する。貯湯タンク３０には、側面の鉛直下方に１次側出口６０が設けられ、側面の鉛直上方に１次側入口６２が設けられている。１次側出口６０は、１次ポンプ３２を通じて第１熱交換器２８に連通する。１次ポンプ３２は、貯湯タンク３０内の熱媒体を第１熱交換器２８に送る。

第１熱交換器２８は、燃料電池モジュール２４の発電部５２から排出される排気と、貯湯タンク３０から送出される熱媒体との間で熱交換を行う。これにより、排気の熱が熱媒体に移動される。

第１熱交換器２８は、貯湯タンク３０の１次側入口６２に連通する。熱交換されて温度が上昇した熱媒体は、１次側入口６２を通じて貯湯タンク３０に送られる。このように、貯湯タンク３０内の熱媒体は、貯湯タンク３０、１次ポンプ３２および第１熱交換器２８を循環する。

分離部３４は、第１熱交換器２８に接続される。ここで、発電部５２から排出される排気は、第１熱交換器２８で熱交換されることで温度が低下する。これにより、排気中の気体の水（水蒸気）は、第１熱交換器２８において凝縮されて液体の水となる。分離部３４には、凝縮された液体の水を含む排気が供給される。

分離部３４は、凝縮された液体の水を含む排気から、その液体の水を分離する。分離部３４で分離された液体の水は、水タンク２０に送られる。また、分離部３４で液体の水が分離された（液体の水が除かれた）排気は、燃料電池ユニット１０外に排出される。

また、貯湯タンク３０には、側面の鉛直上方に２次側出口６４が設けられ、側面の鉛直下方に２次側入口６６が設けられている。２次側出口６４は、第２熱交換器３６に連通する。また、第２熱交換器３６は、２次ポンプ３８を通じて貯湯タンク３０の２次側入口６６に連通する。２次ポンプ３８は、貯湯タンク３０内の熱媒体を、第２熱交換器３６に送り、第２熱交換器３６を通じて貯湯タンク３０に戻す。つまり、貯湯タンク３０内の熱媒体は、貯湯タンク３０、第２熱交換器３６および２次ポンプ３８を循環する。

第２熱交換器３６には、給水管７０が接続され、給水管７０を通じて水が供給される。第２熱交換器３６は、貯湯タンク３０から供給される熱媒体と、給水管７０を通じて供給される水との間で熱交換を行う。これにより、熱媒体の熱が給水管７０側の水に移動され、給水管７０側の水の温度が上昇して湯が生成される。生成された湯は、燃料電池ユニット１０外に送出され、例えば、需要家における給湯などで消費される。

また、貯湯タンク３０の鉛直上部には、熱媒体の排出流路として機能する排出管８０が連通されている。排出弁４０および排出ポンプ４２は、排出流路（排出管８０）に設けられている。排出弁４０は、排出流路を開閉する。排出ポンプ４２は、排出弁４０が開いた状態で、排出管８０を通じて貯湯タンク３０内の熱媒体を燃料電池ユニット１０外に排出する。ここで、貯湯タンク３０内の熱媒体は、相対的に鉛直上方に向かって温度が高くなる。このため、相対的に温度の高い熱媒体（湯）が、排出管８０を通じて排出される。

また、貯湯タンク３０の鉛直下部には、熱媒体の供給流路として機能する供給管８２が連通されている。供給弁４４および供給ポンプ４６は、供給流路（供給管８２）に設けられている。供給弁４４は、供給流路を開閉する。供給ポンプ４６は、供給弁４４が開いた状態で、供給管８２を通じて熱媒体（水）を貯湯タンク３０に供給する。供給管８２を通じて貯湯タンク３０に供給される熱媒体の温度は、排出管８０を通じて排出される熱媒体の温度よりも低い。

なお、供給管８２を通じて貯湯タンク３０に供給される熱媒体である水は、例えば、給水管７０を通じて供給される水とは別個の供給源（例えば、非常時用の貯水槽など）から供給されてもよい。

また、貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が過度に高くなると、過度に高温となった熱媒体によって燃料電池ユニット１０の各機器が損傷するおそれがある。このような危険を回避するために、発電部５２は、貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が所定の上限温度に到達すると、発電を停止する。所定の上限温度は、熱媒体の温度によって各機器を損傷させないような温度に設定される。また、貯湯タンク３０内の熱媒体は相対的に鉛直上方に向かって温度が高くなるため、貯湯タンク３０内の熱媒体の温度を検出する温度計は、２次側出口６４付近または１次側入口６２付近に設けられてもよい。

リモートコントローラ１２は、例えば、屋内に設置され、屋外に設置される燃料電池ユニット１０と通信可能となっている。リモートコントローラ１２は、発電部５２における発電など、燃料電池ユニット１０の各部の動作を制御する。

リモートコントローラ１２は、通信部９０および熱媒体制御部９２を含む。通信部９０は、コージェネレーションシステム１の外部から送信される信号を受信する受信機能を有する。具体的には、通信部９０は、気象庁から送信される緊急地震速報を受信することができる。通信部９０は、緊急地震速報を無線で受信してもよいし、有線で受信してもよい。通信部９０は、受信した緊急地震速報を熱媒体制御部９２に送信する。

熱媒体制御部９２は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路から構成される。

ここで、地震が発生すると、例えば、地震の揺れで給水管７０が破損するなどして、断水が生じる場合がある。断水が生じると、給水管７０を通じて第２熱交換器３６に水が供給されなくなる。そうすると、第２熱交換器３６を通る熱媒体と熱交換する相手の水がないため、第２熱交換器３６を通る熱媒体の熱が消費されなくなり、第２熱交換器３６から貯湯タンク３０に送られる熱媒体の温度が低下しなくなる。これにより、第１熱交換器２８に送られる熱媒体の温度が上昇する。また、第１熱交換器２８を通る熱媒体は、断水が生じても、発電部５２から排出される排気から熱を受け取る。このため、第１熱交換器２８から貯湯タンク３０に送られる熱媒体の温度がさらに上昇する。これらが繰り返されて、貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が上昇していく。

貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が上昇していき、所定の上限温度に到達すると、上述のように、発電部５２は、危険を回避するために発電を停止する。このように、燃料電池ユニット１０は、断水が生じると、発電を停止させることがあり、発電を継続させることができなくなる場合がある。

そこで、熱媒体制御部９２は、地震の揺れ（波）が到達する前に通知される緊急地震速報の受信に応じて、貯湯タンク３０内の熱媒体を排出させ、排出された熱媒体よりも温度が低い熱媒体を貯湯タンク３０内に供給させる。

具体的には、熱媒体制御部９２は、緊急地震速報を受信していない通常時、排出弁４０および供給弁４４を閉状態に維持させ、排出ポンプ４２および供給ポンプ４６を停止させている。この状態では、排出管８０を通じた熱媒体の排出、および、供給管８２を通じた熱媒体の供給は行われない。

熱媒体制御部９２は、通信部９０を通じて緊急地震速報を受信すると、排出弁４０および供給弁４４を開状態にさせ、排出ポンプ４２および供給ポンプ４６の動作を開始させる。そうすると、貯湯タンク３０内の熱媒体が排出管８０を通じて排出され、温度の低い熱媒体が供給管８２を通じて貯湯タンク３０内に供給される。

これにより、緊急地震速報の受信後の貯湯タンク３０内の熱媒体の温度は、緊急地震速報の受信前よりも低下する。換言すると、熱媒体制御部９２は、緊急地震速報を受信すると、貯湯タンク３０内の熱媒体（例えば、湯）を温度の低い熱媒体（例えば、水）に置換させる。

また、熱媒体制御部９２は、断水が復旧するまで、または、実際には断水が生じなかったとみなされるまで、排出弁４０および供給弁４４を開状態に維持させ、排出ポンプ４２および供給ポンプ４６の動作を継続してもよい。また、熱媒体制御部９２は、断水が復旧した旨の情報を取得した場合や、地震に伴う断水が実際には生じなかった旨の情報を取得した場合には、排出弁４０および供給弁４４を閉状態にさせ、排出ポンプ４２および供給ポンプ４６の動作を停止させてもよい。

また、断水が生じた場合、その断水を復旧させるには時間がかかることもある。断水が復旧するまで熱媒体の置換を継続すると、置換させる熱媒体を大量に消費することもある。そこで、熱媒体制御部９２は、断水が復旧するまで、熱媒体の置換を断続的に繰り返してもよい。

具体的には、熱媒体制御部９２は、熱媒体を置換させることで貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が十分に低下した場合（例えば、貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が所定の第１温度以下となった場合）、排出弁４０および供給弁４４を閉状態にさせ、排出ポンプ４２および供給ポンプ４６を停止させる。所定の第１温度は、例えば、供給管８２を通じて供給される水の温度に近い温度に設定される。

また、熱媒体制御部９２は、熱媒体の置換を停止させることで貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が高くなった場合（例えば、貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が所定の第２温度以上となった場合）、排出弁４０および供給弁４４を開状態にさせ、排出ポンプ４２および供給ポンプ４６の動作を開始させる。所定の第２温度は、上述の上限温度と第１温度との間の温度であり、例えば、通常時に第２熱交換器３６に送られる熱媒体の温度付近などに設定される。これにより、熱媒体制御部９２は、排出弁４０および供給弁４４を閉状態にさせている間、熱媒体の消費を抑制することができる。

また、熱媒体制御部９２は、貯湯タンク３０内の温度に基づいて熱媒体の置換を断続的に繰り返す態様に限らない。例えば、熱媒体制御部９２は、排出弁４０および供給弁４４の開状態の継続時間に基づいて、排出弁４０および供給弁４４を閉状態にさせてもよいし、排出弁４０および供給弁４４の閉状態の継続時間に基づいて、排出弁４０および供給弁４４を開状態にさせてもよい。

図２は、熱媒体制御部９２の動作の流れを説明するフローチャートである。熱媒体制御部９２は、起動されると図２の一連の処理を行う。

熱媒体制御部９２は、通信部９０を通じて緊急地震速報を受信したか否かを判断する（Ｓ１００）。緊急地震速報を受信していない場合（Ｓ１００におけるＮＯ）、熱媒体制御部９２は、緊急地震速報を受信するまで待機する。

緊急地震速報を受信した場合（Ｓ１００におけるＹＥＳ）、熱媒体制御部９２は、貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が第２温度以上であるか否かを判断する（Ｓ１１０）。

貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が第２温度以上である場合（Ｓ１１０におけるＹＥＳ）、熱媒体制御部９２は、排出弁４０を開状態にさせ（Ｓ１２０）、排出ポンプ４２の動作を開始させる（Ｓ１３０）。次に、熱媒体制御部９２は、供給弁４４を開状態にさせ（Ｓ１４０）、供給ポンプ４６の動作を開始させて（Ｓ１５０）、ステップＳ１１０の処理に戻る。

貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が第２温度以上ではない場合（Ｓ１１０におけるＮＯ）、熱媒体制御部９２は、貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が第１温度以下であるか否かを判断する（Ｓ１６０）。

貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が第１温度以下である場合（Ｓ１６０におけるＹＥＳ）、熱媒体制御部９２は、供給弁４４を閉状態にさせ（Ｓ１７０）、供給ポンプ４６を停止させる（Ｓ１８０）。次に、熱媒体制御部９２は、排出弁４０を閉状態にさせ（Ｓ１９０）、排出ポンプ４２を停止させて（Ｓ２００）、ステップＳ１１０の処理に戻る。

また、貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が第１温度以下ではない場合（Ｓ１６０におけるＮＯ）、熱媒体制御部９２は、ステップＳ１１０の処理に戻る。また、熱媒体制御部９２は、図示を省略するが、断水が復旧した旨の情報を取得した場合、または、地震に伴う断水が実際には生じなかった旨の情報を取得した場合には、ステップＳ１７０からステップＳ２００までの処理を割り込みで行い、ステップＳ１００の処理に戻る。

以上のように、本実施形態のコージェネレーションシステム１の熱媒体制御部９２は、緊急地震速報の受信に応じて、貯湯タンク３０内の熱媒体を排出させ、排出された熱媒体よりも温度が低い熱媒体を貯湯タンク３０内に供給させる。

これにより、本実施形態のコージェネレーションシステム１では、地震の揺れが到達する前（すなわち、断水が生じる前）に、貯湯タンク３０内の熱媒体の温度の低下が開始される。つまり、本実施形態のコージェネレーションシステム１では、緊急地震速報の受信のように、断水の発生確率が高い状況において、断水に備えて、予め、貯湯タンク３０内の熱媒体の温度を低下させる。本実施形態のコージェネレーションシステム１では、断水前に貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が低くされるので、断水が生じても、貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が上限温度に到達するまでの時間を長くすることができる。

したがって、本実施形態のコージェネレーションシステム１によれば、断水が生じても発電を継続させることが可能となる。

なお、熱媒体制御部９２は、緊急地震速報の受信に応じて、貯湯タンク３０内の熱媒体の置換を行っていた。しかし、貯湯タンク３０内の熱媒体の置換は、緊急地震速報の受信に応じて行われる態様に限らない。

例えば、高層マンションなどでは、水が給水用のポンプによって一旦高層階に汲み上げられてから各階に供給される。このような高層マンションで停電が生じると、給水用のポンプが停止され、水が汲み上げられなくなり、その結果、各階において断水が生じるおそれがある。

そこで、通信部９０は、電力会社などから停電情報を受信可能であってもよい。停電情報は、例えば、計画停電を行うことを事前に知らせるための情報を含む。熱媒体制御部９２は、停電情報の受信に応じて、貯湯タンク３０内の熱媒体を排出させ、排出された熱媒体よりも温度が低い熱媒体を貯湯タンク３０内に供給させてもよい。この態様によれば、停電による断水に備えて、予め、貯湯タンク３０内の熱媒体の温度が低下されるため、停電によって断水が生じても、発電部５２の発電を継続させることが可能となる。

上述のように、地震および停電が生じると、断水が生じる可能性が、地震や停電が生じていないような通常時よりも高いため、緊急地震速報および停電情報は、断水が生じる可能性が通常時よりも高いことを示す断水事前情報である。なお、断水事前情報は、緊急地震速報および停電情報に限らず、給水管７０を通じた水の供給が絶たれる可能性が通常時よりも高い（すなわち、断水の可能性が高い）ことを示すものであればよい。

すなわち、熱媒体制御部９２は、断水が生じる可能性が高いことを示す断水事前情報の受信に応じて、貯湯タンク３０内の熱媒体を排出させ、排出された熱媒体よりも温度が低い熱媒体を貯湯タンク３０内に供給させてもよい。この態様によれば、断水が生じても発電を継続させることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、上記実施形態において、排出管８０を通じて排出された熱媒体の熱を再利用してもよい。

本発明は、コージェネレーションシステムに利用することができる。

１ コージェネレーションシステム
２４ 燃料電池モジュール
２８ 第１熱交換器（熱交換器）
３０ 貯湯タンク（タンク）
９０ 通信部
９２ 熱媒体制御部

Claims (1)

1. 水素と空気とに基づいて発電する燃料電池モジュールと、
   熱媒体を貯留するタンクと、
   前記燃料電池モジュールから排出される排気と、前記タンクから送出されて前記タンクに戻る前記熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、
   断水が生じる可能性が高いことを示す断水事前情報を受信可能な通信部と、
   前記断水事前情報の受信に応じて、前記タンク内の前記熱媒体を排出させ、排出された前記熱媒体よりも温度が低い前記熱媒体を前記タンク内に供給させる熱媒体制御部と、
   を備えるコージェネレーションシステム。

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