JP2020184455A - Cogeneration system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コージェネレーションシステムに関する。 The present invention relates to a cogeneration system.
従来、この種のコージェネレーションシステムとしては、発電に伴って発熱する燃料電池（熱源装置）と、燃料電池からの排熱と水との間で熱交換する熱交換器と、熱交換器の熱交換により加熱された湯水を貯留する貯湯タンクと、貯湯タンクに接続されポンプの駆動により湯水を循環させる循環配管とを備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このシステムは、凍結防止用のヒータと、ヒータの周囲に配置された蓄熱材とを備え、ヒータへの通電中にその発熱を蓄熱材に蓄えておき、ヒータへの通電終了後に蓄熱材から放熱させることで循環配管内の水などの凍結防止を図るものとしている。 Conventionally, as this type of cogeneration system, a fuel cell (heat source device) that generates heat as a result of power generation, a heat exchanger that exchanges heat between exhaust heat from the fuel cell and water, and heat of the heat exchanger. It is known that a hot water storage tank for storing hot water heated by exchange and a circulation pipe connected to the hot water storage tank and circulating hot water by driving a pump are provided (see, for example, Patent Document 1). This system is equipped with a heater for preventing freezing and a heat storage material arranged around the heater, and the heat generated is stored in the heat storage material while the heater is energized, and heat is dissipated from the heat storage material after the energization of the heater is completed. By doing so, it is intended to prevent freezing of water in the circulation pipe.
上述したコージェネレーションシステムでは、ヒータへの通電終了後に凍結防止を図ることができるものの、そのために蓄熱材を備える必要がある。このため、蓄熱材の使用量が増えてコストの増加を招くことがある。 In the above-mentioned cogeneration system, it is possible to prevent freezing after the heating of the heater is completed, but it is necessary to provide a heat storage material for that purpose. For this reason, the amount of heat storage material used may increase, leading to an increase in cost.
本発明は、蓄熱材の使用量を抑えつつ、システム内の凍結防止を図ることを主目的とする。 An object of the present invention is to prevent freezing in the system while reducing the amount of heat storage material used.
本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。 The present invention has taken the following measures to achieve the above-mentioned main object.
本発明のコージェネレーションシステムは、
発電に伴って熱を発生する熱源装置を備えるコージェネレーションシステムであって、
前記熱源装置からの排熱と水との間で熱交換する熱交換器と、
水が循環する循環配管に接続され、前記熱交換器の熱交換により加熱された湯水を貯留する貯湯タンクと、
前記貯湯タンクの下部側が露出するように該貯湯タンクの上部側を覆う蓄熱材と、
を備えることを要旨とする。
The cogeneration system of the present invention
A cogeneration system equipped with a heat source device that generates heat as it generates electricity.
A heat exchanger that exchanges heat between the exhaust heat from the heat source device and water,
A hot water storage tank that is connected to a circulation pipe that circulates water and stores hot water that has been heated by heat exchange in the heat exchanger.
A heat storage material that covers the upper side of the hot water storage tank so that the lower side of the hot water storage tank is exposed.
The gist is to prepare.
本発明のコージェネレーションシステムは、熱交換器の熱交換により加熱された湯水を貯留して蓄熱する貯湯タンクの下部側が露出するように、貯湯タンクの上部側を覆う蓄熱材を備える。これにより、貯湯タンクの全体を蓄熱材で覆うものに比して蓄熱材の使用量を抑えることができる。また、湯水を貯留する貯湯タンクの熱を貯湯タンクの下部から放熱させることでシステム内の凍結防止を図ることができる。このように、貯湯タンクの熱を有効利用して凍結防止を図ることにより、例えば循環配管や他の水配管などを蓄熱材で覆う必要がないものとすることができる。したがって、蓄熱材の使用量を抑えつつ、システム内の凍結防止を図ることができる。 The cogeneration system of the present invention includes a heat storage material that covers the upper side of the hot water storage tank so that the lower side of the hot water storage tank that stores and stores the hot water heated by the heat exchange of the heat exchanger is exposed. As a result, the amount of the heat storage material used can be reduced as compared with the case where the entire hot water storage tank is covered with the heat storage material. Further, by dissipating the heat of the hot water storage tank for storing hot water from the lower part of the hot water storage tank, it is possible to prevent freezing in the system. In this way, by effectively utilizing the heat of the hot water storage tank to prevent freezing, it is possible to eliminate the need to cover, for example, a circulation pipe or another water pipe with a heat storage material. Therefore, it is possible to prevent freezing in the system while suppressing the amount of heat storage material used.
本発明のコージェネレーションシステムにおいて、前記貯湯タンクは、前記コージェネレーションシステムの筐体における金属製の底板に金属製のブラケットを介して配設されているものとしてもよい。こうすれば、貯湯タンクの熱を筐体の底板に効率よく伝えて、底板から放熱させることができるから、筐体内を全体的に温めてシステム内全体の凍結防止を図ることができる。 In the cogeneration system of the present invention, the hot water storage tank may be arranged on a metal bottom plate in the housing of the cogeneration system via a metal bracket. By doing so, the heat of the hot water storage tank can be efficiently transferred to the bottom plate of the housing and heat is dissipated from the bottom plate, so that the inside of the housing can be warmed as a whole and the entire system can be prevented from freezing.
本発明のコージェネレーションシステムにおいて、前記循環配管に設けられたヒータと、前記貯湯タンク内または前記循環配管内の水温が所定水温以下の場合に、前記循環配管を循環する水を加熱するように前記ヒータを制御する制御装置と、を備えるものとしてもよい。こうすれば、熱交換による加熱だけでは貯湯タンク内の湯水の温度を維持することができない場合でも、貯湯タンク内の湯水の温度が下がるのを防止することができるから、貯湯タンクからの放熱を適切に継続可能としてシステム内の凍結防止を図ることができる。 In the cogeneration system of the present invention, when the temperature of the heater provided in the circulation pipe and the water temperature in the hot water storage tank or the circulation pipe is equal to or lower than a predetermined water temperature, the water circulating in the circulation pipe is heated. A control device for controlling the heater may be provided. In this way, even if the temperature of the hot water in the hot water storage tank cannot be maintained only by heating by heat exchange, it is possible to prevent the temperature of the hot water in the hot water storage tank from dropping, so that heat is dissipated from the hot water storage tank. It is possible to prevent freezing in the system by making it appropriately sustainable.
本発明のコージェネレーションシステムにおいて、前記循環配管は、前記ヒータの下流側の配管が前記コージェネレーションシステムの筐体における金属製の底板に金属製のブラケットを介して固定されているものとしてもよい。こうすれば、ヒータの加熱に伴って発生する熱を筐体の底板に効率よく伝達させて、底板から放熱させることができるから、筐体内を全体的に温めてシステム内全体の凍結防止を図ることができる。 In the cogeneration system of the present invention, in the circulation pipe, the pipe on the downstream side of the heater may be fixed to a metal bottom plate in the housing of the cogeneration system via a metal bracket. By doing so, the heat generated by the heating of the heater can be efficiently transferred to the bottom plate of the housing and dissipated from the bottom plate, so that the inside of the housing can be warmed as a whole to prevent freezing of the entire system. be able to.
本発明のコージェネレーションシステムにおいて、前記ヒータは、前記循環配管を循環する水が該ヒータ内を流通するように設けられているものとしてもよい。こうすれば、循環配管を循環する水にヒータの発熱を効率よく伝えることができるから、ヒータの数を削減しつつ貯湯タンクに貯留される湯水の水温が低下するのを防止することができる。したがって、システム内の凍結防止をより適切に図ることができる。 In the cogeneration system of the present invention, the heater may be provided so that water circulating in the circulation pipe flows through the heater. By doing so, the heat generated by the heater can be efficiently transmitted to the water circulating in the circulation pipe, so that it is possible to prevent the temperature of the hot water stored in the hot water storage tank from dropping while reducing the number of heaters. Therefore, it is possible to more appropriately prevent freezing in the system.
次に、本発明を実施するための形態について説明する。 Next, a mode for carrying out the present invention will be described.
図１は燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は燃料電池システム１０の一部の配置の概略を示す配置図であり、図３は循環水ヒータ６５の構成の概略を示す構成図である。燃料電池システム１０は、図１に示すように、発熱を伴って発電を行う発電ユニット２０や、発電ユニット２０からの熱により加熱された湯水を貯留する貯湯タンク８０、システム全体を制御する制御装置９０などを備える。これらは、筐体１２内に収容されている。なお、燃料電池システム１０は、発電ユニット２０により発電された電力を図示しない住宅の家電製品などに供給可能であり、貯湯タンク８０に貯留された湯水を浴室シャワーや洗面所などに供給可能である。 FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of the fuel cell system 10, FIG. 2 is a layout diagram showing an outline of a part of the arrangement of the fuel cell system 10, and FIG. 3 is an outline of the configuration of the circulating water heater 65. It is a block diagram which shows. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 includes a power generation unit 20 that generates power with heat generation, a hot water storage tank 80 that stores hot water heated by the heat from the power generation unit 20, and a control device that controls the entire system. 90 and the like are provided. These are housed in the housing 12. The fuel cell system 10 can supply the electric power generated by the power generation unit 20 to home appliances and the like of a house (not shown), and can supply the hot water stored in the hot water storage tank 80 to a bathroom shower, a washroom, and the like. ..
発電ユニット２０は、図１に示すように、発電モジュール３０と、原燃料ガス供給装置４０と、エア供給装置４５と、改質水供給装置５０と、排熱回収装置６０とを備える。 As shown in FIG. 1, the power generation unit 20 includes a power generation module 30, a raw fuel gas supply device 40, an air supply device 45, a reformed water supply device 50, and an exhaust heat recovery device 60.
発電モジュール３０は、改質水を気化して水蒸気を生成する気化器３２と、天然ガスやＬＰガスなどの原燃料ガスを水蒸気改質により改質する改質器３３と、改質ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池スタック３５などを有する。気化器３２と改質器３３と燃料電池スタック３５は、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１内に収容されている。モジュールケース３１内には、燃料電池スタック３５の起動や、気化器３２における水蒸気の生成、改質器３３における水蒸気改質反応に必要な熱を供給するために、燃料電池スタック３５を通過した燃料オフガス（アノードオフガス）と酸化剤オフガス（カソードオフガス）とを燃焼させる燃焼部３６が設けられている。 The power generation module 30 includes a vaporizer 32 that vaporizes reformed water to generate steam, a reformer 33 that reforms raw fuel gas such as natural gas and LP gas by steam reforming, and reformed gas and oxidation. It has a fuel cell stack 35 and the like that generate power by being supplied with an agent gas. The vaporizer 32, the reformer 33, and the fuel cell stack 35 are housed in a box-shaped module case 31 formed of a heat insulating material. In the module case 31, the fuel that has passed through the fuel cell stack 35 in order to start the fuel cell stack 35, generate steam in the vaporizer 32, and supply heat required for the steam reforming reaction in the reformer 33. A combustion unit 36 for burning off gas (anode off gas) and oxidizing agent off gas (cathode off gas) is provided.
燃料電池スタック３５は、酸素イオン伝導体からなる固体電解質と、固体電解質の一方の面に設けられたアノードと、固体電解質の他方の面に設けられたカソードとを備える固体酸化物燃料電池セルが積層されたものである。燃料電池スタック３５は、アノードに供給される燃料ガス中の水素とカソードに供給されるエア中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。 The fuel cell stack 35 includes a solid oxide fuel cell cell including a solid electrolyte composed of an oxygen ion conductor, an anode provided on one surface of the solid electrolyte, and a cathode provided on the other surface of the solid electrolyte. It is a laminated product. The fuel cell stack 35 generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen in the fuel gas supplied to the anode and oxygen in the air supplied to the cathode.
原燃料ガス供給装置４０は、ガス供給源１と気化器３２とを接続する原燃料ガス供給管４１を有する。原燃料ガス供給管４１には、ガス供給源１側から順に、ガス供給弁４２やガスポンプ４３、脱硫器４４、図示しない流量センサなどが設けられている。また、原燃料ガス供給管４１のガス供給弁４２とガスポンプ４３との間には、オリフィス４１ａが設けられている。原燃料ガス供給装置４０は、ガス供給弁４２を開弁した状態でガスポンプ４３を駆動することにより、ガス供給源１からの原燃料ガスを脱硫して気化器３２へ供給する。 The raw fuel gas supply device 40 has a raw fuel gas supply pipe 41 that connects the gas supply source 1 and the vaporizer 32. The raw fuel gas supply pipe 41 is provided with a gas supply valve 42, a gas pump 43, a desulfurizer 44, a flow rate sensor (not shown), and the like in order from the gas supply source 1 side. Further, an orifice 41a is provided between the gas supply valve 42 of the raw material fuel gas supply pipe 41 and the gas pump 43. The raw material fuel gas supply device 40 drives the gas pump 43 with the gas supply valve 42 opened to desulfurize the raw material fuel gas from the gas supply source 1 and supply it to the vaporizer 32.
改質器３３で生成された改質ガスを燃料電池スタック３５へ供給する改質ガス供給管３４には、改質ガスの一部を脱硫器４４に還流させて脱硫に必要な水素を供給するための還流管３７が連結されている。還流管３７は、一端が改質ガス供給管３４に接続され、他端が原燃料ガス供給管４１におけるガスポンプ４３の上流側（オリフィス４１ａとガスポンプ４３との間）に接続される。なお、還流管３７には、改質ガス供給管３４から脱硫器４４に還流させる改質ガスの流量を調整するためのオリフィス３７ａが設けられている。 A part of the reformed gas is returned to the desulfurization device 44 to supply hydrogen necessary for desulfurization to the reformed gas supply pipe 34 that supplies the reformed gas generated by the reformer 33 to the fuel cell stack 35. A return pipe 37 for the purpose is connected. One end of the recirculation pipe 37 is connected to the reforming gas supply pipe 34, and the other end is connected to the upstream side (between the orifice 41a and the gas pump 43) of the gas pump 43 in the raw fuel gas supply pipe 41. The reflux pipe 37 is provided with an orifice 37a for adjusting the flow rate of the reformed gas to be refluxed from the reformed gas supply pipe 34 to the desulfurizer 44.
また、還流管３７には、その還流管３７を流れる改質ガスが冷却されて凝縮された凝縮水を排出するための排水管３８（図２では一点鎖線で図示）が連結されている。排水管３８は、一端が還流管３７におけるオリフィス３７ａの上流側に接続され、他端が排熱回収装置６０の後述する熱交換器７０に接続されている。排水管３８は、水が滞留可能に屈曲した形状となっており、還流管３７を流れる改質ガス中のガス成分（水素）が排水管３８を通って外部へ排出されないように、滞留した水によって排水管３８を水封する水封部（水封構造）を形成する。 Further, a drain pipe 38 (shown by a chain line in FIG. 2) for discharging condensed water in which the reforming gas flowing through the reflux pipe 37 is cooled and condensed is connected to the reflux pipe 37. One end of the drain pipe 38 is connected to the upstream side of the orifice 37a in the reflux pipe 37, and the other end is connected to the heat exchanger 70 described later of the exhaust heat recovery device 60. The drain pipe 38 has a bent shape so that water can stay, and the retained water is prevented so that the gas component (hydrogen) in the reforming gas flowing through the return pipe 37 is not discharged to the outside through the drain pipe 38. A water-sealing portion (water-sealing structure) for water-sealing the drain pipe 38 is formed.
エア供給装置４５は、外気と連通するフィルタ４７と燃料電池スタック３５とを接続するエア供給管４６を有する。エア供給管４６には、エアブロワ４８が設けられており、エアブロワ４８を駆動することにより、フィルタ４７を介して吸入したエアを燃料電池スタック３５へ供給する。なお、エア供給管４６には、図示しない流量センサなどが設けられている。 The air supply device 45 has an air supply pipe 46 that connects the filter 47 that communicates with the outside air and the fuel cell stack 35. An air blower 48 is provided in the air supply pipe 46, and by driving the air blower 48, air sucked through the filter 47 is supplied to the fuel cell stack 35. The air supply pipe 46 is provided with a flow rate sensor or the like (not shown).
改質水供給装置５０は、改質水を貯蔵する改質水タンク５３と気化器３２とを接続する改質水供給管５１を有する。改質水タンク５３には、改質水ポンプ５２が設けられており、改質水ポンプ５２を駆動することにより改質水タンク５３内の改質水を汲み上げて改質水供給管５１を介して気化器３２へ供給する。なお、改質水供給管５１には、図示しない流量センサなどが設けられている。 The reformed water supply device 50 has a reformed water supply pipe 51 that connects the reformed water tank 53 for storing the reformed water and the vaporizer 32. The reforming water tank 53 is provided with a reforming water pump 52, and by driving the reforming water pump 52, the reforming water in the reforming water tank 53 is pumped up and passed through the reforming water supply pipe 51. Is supplied to the vaporizer 32. The reformed water supply pipe 51 is provided with a flow rate sensor or the like (not shown).
排熱回収装置６０は、循環ポンプ６３の駆動により貯湯タンク８０の湯水（水）を循環させる循環配管６１と、循環配管６１内の湯水と燃焼部３６からの燃焼排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器７０とを有する。また、循環配管６１には、循環ポンプ６３の駆動により循環する湯水を加熱するための循環水ヒータ６５と、循環する湯水を冷却するためのラジエータ６８と、ラジエータ６８に送風するラジエータファン６９と、循環する湯水の水温を検出するための温度センサ６４とが設けられている。 The exhaust heat recovery device 60 exchanges heat between the circulation pipe 61 that circulates the hot water (water) of the hot water storage tank 80 by driving the circulation pump 63, and the hot water in the circulation pipe 61 and the combustion exhaust gas from the combustion unit 36. It has a heat exchanger 70 to perform. Further, the circulation pipe 61 includes a circulating water heater 65 for heating the hot water circulated by driving the circulation pump 63, a radiator 68 for cooling the circulating hot water, and a radiator fan 69 for blowing air to the radiator 68. A temperature sensor 64 for detecting the temperature of the circulating hot water is provided.
循環水ヒータ６５は、循環配管６１を循環する湯水が内部を流通する際に湯水を瞬間的に加熱するものである。循環水ヒータ６５は、図３に示すように、一端が閉塞された底付きの略円筒状のヒータケース６６と、ヒータケース６６内に配置され両端が開口した円筒状のヒータ本体６７とを備える。なお、ヒータ本体６７は、例えばセラミックヒータである。この循環水ヒータ６５では、循環配管６１を循環する湯水がヒータ本体６７の一端側の流入口６５ａから流入し、ヒータ本体６７内を他端側まで流通し、ヒータ本体６７の他端側からヒータ本体６７の外周面とヒータケース６６の内周面との間を流通した後、ヒータケース６６に形成された流出口６５ｂから循環配管６１に流出する（図３中の矢印参照）。また、循環水ヒータ６５の流出口６５ｂに接続される循環配管６１は、金属製のブラケット６２を介して筐体１２の金属製の底板１４に支持されている。 The circulating water heater 65 instantaneously heats the hot water when the hot water circulating in the circulation pipe 61 circulates inside. As shown in FIG. 3, the circulating water heater 65 includes a substantially cylindrical heater case 66 having a bottom with one end closed, and a cylindrical heater body 67 arranged in the heater case 66 and having both ends open. .. The heater body 67 is, for example, a ceramic heater. In the circulating water heater 65, hot water circulating in the circulation pipe 61 flows in from the inflow port 65a on one end side of the heater main body 67, circulates in the heater main body 67 to the other end side, and is a heater from the other end side of the heater main body 67. After flowing between the outer peripheral surface of the main body 67 and the inner peripheral surface of the heater case 66, the water flows out from the outlet 65b formed in the heater case 66 to the circulation pipe 61 (see the arrow in FIG. 3). Further, the circulation pipe 61 connected to the outlet 65b of the circulating water heater 65 is supported by the metal bottom plate 14 of the housing 12 via the metal bracket 62.
燃焼部３６からの燃焼排ガスは、熱交換器７０の熱交換により水蒸気成分が凝縮され、凝縮された水（凝縮水）が凝縮水供給管７１を介して改質水タンク５３に回収可能となっている。凝縮水供給管７１には水精製器７２が設けられており、水精製器７２により精製（浄化）された水が改質水タンク５３に回収される。また、残りの排気ガス（ガス成分）は、排気ガス排出管７３を介して外気へ排出される。なお、熱交換器７０には、凝縮水供給管７１と排気ガス排出管７３とが接続される他、上述したように還流管３７の凝縮水を排出するための排水管３８も接続されており、熱交換器７０内でこれらが互いに連通している。このため、熱交換器７０からの凝縮水は、排水管３８にも流入可能であり、排水管３８から溢れた水（凝縮水）は、凝縮水供給管７１から水精製器７２を介して改質水タンク５３に回収可能である。 The water vapor component of the combustion exhaust gas from the combustion unit 36 is condensed by heat exchange of the heat exchanger 70, and the condensed water (condensed water) can be recovered in the reformed water tank 53 via the condensed water supply pipe 71. ing. A water purifier 72 is provided in the condensed water supply pipe 71, and the water purified (purified) by the water purifier 72 is collected in the reformed water tank 53. Further, the remaining exhaust gas (gas component) is discharged to the outside air through the exhaust gas discharge pipe 73. In addition to connecting the condensed water supply pipe 71 and the exhaust gas discharge pipe 73 to the heat exchanger 70, a drain pipe 38 for discharging the condensed water of the recirculation pipe 37 is also connected as described above. , These communicate with each other in the heat exchanger 70. Therefore, the condensed water from the heat exchanger 70 can also flow into the drain pipe 38, and the water overflowing from the drain pipe 38 (condensed water) is modified from the condensed water supply pipe 71 via the water purifier 72. It can be collected in the quality water tank 53.
貯湯タンク８０は、略円筒状の金属製タンクであり、図２に示すように、下部側が露出するように上部側を覆う蓄熱材８１が設けられている。本実施形態では、貯湯タンク８０の上面と側面の上半分とを蓄熱材８１が覆い、底面と側面の下半分とが露出するものとなっている。また、貯湯タンク８０は、底部が金属製のブラケット８２を介して、筐体１２の金属製の底板１４に支持されている。なお、上述した排水管３８は、発電モジュール３０（還流管３７）から下方に延在して貯湯タンク８０の底部の下側を回り込んでから上方に延在して、熱交換器７０に接続されている。 The hot water storage tank 80 is a substantially cylindrical metal tank, and as shown in FIG. 2, a heat storage material 81 is provided to cover the upper side so that the lower side is exposed. In the present embodiment, the heat storage material 81 covers the upper surface and the upper half of the side surface of the hot water storage tank 80, and the bottom surface and the lower half of the side surface are exposed. Further, the hot water storage tank 80 is supported by the metal bottom plate 14 of the housing 12 via a bracket 82 whose bottom is made of metal. The drainage pipe 38 described above extends downward from the power generation module 30 (reflux pipe 37), wraps around the lower side of the bottom of the hot water storage tank 80, and then extends upward to connect to the heat exchanger 70. Has been done.
制御装置９０は、図示は省略するが、ＣＰＵを中心としたマイクロコンピュータであり、ＣＰＵの他に、ＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマ，入出力ポートおよび通信ポートを含む。制御装置９０には、各流量センサからの検出流量や循環配管６１の温度センサ６４からの循環水温ＴＨ１などの各種検出信号が入力ポートを介して入力される。また、制御装置９０は、各部への駆動信号や制御信号などを出力ポートを介して出力する。 Although not shown, the control device 90 is a microcomputer centered on a CPU, and includes a ROM, a RAM, a timer, an input / output port, and a communication port in addition to the CPU. Various detection signals such as the detected flow rate from each flow rate sensor and the circulating water temperature TH1 from the temperature sensor 64 of the circulation pipe 61 are input to the control device 90 via the input port. Further, the control device 90 outputs a drive signal, a control signal, and the like to each unit via the output port.
こうして構成された燃料電池システム１０では、制御装置９０は、運転中の発電処理において、原燃料ガス供給制御とエア供給制御と改質水供給制御とを実行する。原燃料ガス供給制御では、システム要求出力に基づいて目標ガス流量を設定し、設定した目標ガス流量により原燃料ガスが供給されるようガスポンプ４３を制御する。エア供給制御では、目標ガス流量に対して所定の空燃比となるように目標エア流量を設定し、設定した目標エア流量によりエアが供給されるようエアブロワ４８を制御する。改質水供給制御では、システム要求出力に基づいて目標水量を設定し、設定した目標水量により改質水が供給されるよう改質水ポンプ５２を制御する。 In the fuel cell system 10 configured in this way, the control device 90 executes raw fuel gas supply control, air supply control, and reformed water supply control in the power generation process during operation. In the raw fuel gas supply control, a target gas flow rate is set based on the system required output, and the gas pump 43 is controlled so that the raw fuel gas is supplied according to the set target gas flow rate. In the air supply control, the target air flow rate is set so as to have a predetermined air-fuel ratio with respect to the target gas flow rate, and the air blower 48 is controlled so that air is supplied by the set target air flow rate. In the reformed water supply control, a target water amount is set based on the system required output, and the reformed water pump 52 is controlled so that the reformed water is supplied according to the set target water amount.
また、制御装置９０は、排熱回収装置６０の循環配管６１内に湯水を循環させながら熱交換器７０による熱交換が行われるように循環ポンプ６３を制御する排熱回収制御も実行する。排熱回収制御では、熱交換器７０を通過した後の湯水の温度を検出する図示しない温度センサや温度センサ６４により検出される循環水温ＴＨ１が目標温度となるように、循環ポンプ６３やラジエータファン６９を制御する。この排熱回収制御により、貯湯タンク８０には、熱交換により加熱された湯水が貯湯されることになる。本実施形態では、貯湯タンク８０の上部側は、蓄熱材８１により覆われているから、上部側に貯湯されている湯水の温度を適切に維持して、貯湯タンク８０からの湯水の供給を適切に行うことができる。一方、貯湯タンク８０の下部側は、蓄熱材８１に覆われずに露出しているから、下部側に貯湯されている湯水の熱を放熱させて筐体１２内を温めることができる。このため、例えばシステム内の温度や外気温度が所定の凍結防止温度以下となっている低温状態などにおいて、循環配管６１以外の筐体１２内の各配管（凝縮水供給管７１や排水管３８など）や水精製器７２、改質水タンク５３などが凍結するのを防止することができる。したがって、筐体１２内の各配管などの凍結防止のためのヒータや蓄熱材を省略することができる。 The control device 90 also executes exhaust heat recovery control that controls the circulation pump 63 so that heat exchange is performed by the heat exchanger 70 while circulating hot water in the circulation pipe 61 of the exhaust heat recovery device 60. In the exhaust heat recovery control, the circulation pump 63 and the radiator fan so that the circulating water temperature TH1 detected by a temperature sensor (not shown) or a temperature sensor 64 that detects the temperature of hot water after passing through the heat exchanger 70 becomes the target temperature. Control 69. Due to this exhaust heat recovery control, hot water heated by heat exchange is stored in the hot water storage tank 80. In the present embodiment, since the upper side of the hot water storage tank 80 is covered with the heat storage material 81, the temperature of the hot water stored in the upper side is appropriately maintained, and the hot water is appropriately supplied from the hot water storage tank 80. Can be done. On the other hand, since the lower side of the hot water storage tank 80 is exposed without being covered with the heat storage material 81, the heat of the hot water stored in the lower side can be dissipated to heat the inside of the housing 12. Therefore, for example, in a low temperature state where the temperature inside the system and the outside air temperature are equal to or lower than the predetermined antifreeze temperature, each pipe (condensed water supply pipe 71, drain pipe 38, etc.) in the housing 12 other than the circulation pipe 61 is used. ), The water purifier 72, the reformed water tank 53, and the like can be prevented from freezing. Therefore, it is possible to omit the heater and the heat storage material for preventing freezing of each pipe in the housing 12.
次に、制御装置９０により実行される凍結防止制御について説明する。図４は凍結防止制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。凍結防止制御ルーチンでは、制御装置９０は、まず、温度センサ６４からの循環水温ＴＨ１が所定水温Ｔｒｅｆ以下であるか否かを判定する（Ｓ１００）。所定水温Ｔｒｅｆは、貯湯タンク８０の下部側からの十分な放熱が見込まれない温度として予め定めらている。制御装置９０は、循環水温ＴＨ１が所定水温Ｔｒｅｆ以下でないと判定すると、そのまま凍結防止制御ルーチンを終了する。 Next, the antifreeze control executed by the control device 90 will be described. FIG. 4 is a flowchart showing an example of the antifreeze control routine. In the antifreeze control routine, the control device 90 first determines whether or not the circulating water temperature TH1 from the temperature sensor 64 is equal to or lower than the predetermined water temperature Tref (S100). The predetermined water temperature Tref is predetermined as a temperature at which sufficient heat dissipation from the lower side of the hot water storage tank 80 is not expected. When the control device 90 determines that the circulating water temperature TH1 is not equal to or lower than the predetermined water temperature Tref, the control device 90 terminates the antifreezing control routine as it is.
一方、制御装置９０は、Ｓ１００で循環水温ＴＨ１が所定水温Ｔｒｅｆ以下であると判定すると、循環ポンプ６３を作動させると共に（Ｓ１１０）、循環水ヒータ６５をオンとする（Ｓ１２０）。なお、循環水温ＴＨ１が所定水温Ｔｒｅｆ以下に低下している場合、通常はラジエータファン６９が駆動していることはないが、ラジエータファン６９が駆動していれば制御装置９０はラジエータファン６９の駆動を停止させる。また、制御装置９０は、例えば、所定水温Ｔｒｅｆよりも高く、貯湯タンク８０の下部側から十分に放熱可能となる温度を設定温度として、循環水ヒータ６５を駆動制御する。そして、制御装置９０は、循環水温ＴＨ１が設定温度を超える状態が所定時間継続するのを待つ（Ｓ１３０）。なお、所定時間は、貯湯タンク８０の貯湯量や循環配管６１の流量（循環ポンプ６３の吐出量）などに基づいて、貯湯タンク８０内の湯水が十分に昇温されたと判定できる程度の時間に予め定められている。制御装置９０は、循環水温ＴＨ１が設定温度を超える状態が所定時間継続したと判定すると、循環水ヒータ６５をオフとすると共に（Ｓ１４０）、循環ポンプ６３を停止して（Ｓ１５０）、凍結防止制御ルーチンを終了する。これにより、低温状態などにおいて下部側からの放熱により貯湯タンク８０内の水温が低下した場合でも、貯湯タンク８０の湯水の温度を十分に放熱できる温度まで高めることができるから、システム内の凍結防止を適切に行うことができる。このため、排水管３８や改質水供給管５１、凝縮水供給管７１などの配管や水精製器７２、改質水タンク５３などの凍結を防止することができる。特に、排水管３８は、貯湯タンク８０の底部の下側を回り込むように配設したから、凍結をより確実に防止して、凍結防止用ヒータを不要とすることができる。 On the other hand, when the control device 90 determines in S100 that the circulating water temperature TH1 is equal to or lower than the predetermined water temperature Tref, the control device 90 operates the circulation pump 63 (S110) and turns on the circulating water heater 65 (S120). When the circulating water temperature TH1 is lowered to the predetermined water temperature Tref or less, the radiator fan 69 is not normally driven, but if the radiator fan 69 is driven, the control device 90 drives the radiator fan 69. To stop. Further, the control device 90 drives and controls the circulating water heater 65, for example, with a set temperature set at a temperature higher than the predetermined water temperature Tref and sufficiently dissipating heat from the lower side of the hot water storage tank 80. Then, the control device 90 waits for the state in which the circulating water temperature TH1 exceeds the set temperature continues for a predetermined time (S130). The predetermined time is such that it can be determined that the temperature of the hot water in the hot water storage tank 80 has been sufficiently raised based on the amount of hot water stored in the hot water storage tank 80, the flow rate of the circulation pipe 61 (the discharge amount of the circulation pump 63), and the like. It is predetermined. When the control device 90 determines that the state in which the circulating water temperature TH1 exceeds the set temperature continues for a predetermined time, the circulating water heater 65 is turned off (S140) and the circulation pump 63 is stopped (S150) to prevent freezing. End the routine. As a result, even if the water temperature in the hot water storage tank 80 drops due to heat dissipation from the lower side in a low temperature state or the like, the temperature of the hot water in the hot water storage tank 80 can be raised to a temperature at which heat can be sufficiently dissipated, thus preventing freezing in the system. Can be done properly. Therefore, it is possible to prevent freezing of pipes such as the drain pipe 38, the reformed water supply pipe 51, and the condensed water supply pipe 71, the water purifier 72, and the reformed water tank 53. In particular, since the drain pipe 38 is arranged so as to wrap around the lower side of the bottom of the hot water storage tank 80, it is possible to more reliably prevent freezing and eliminate the need for an antifreezing heater.
以上説明した燃料電池システム１０は、貯湯タンク８０の下部側が露出するように貯湯タンク８０の上部側を覆う蓄熱材８１を備える。これにより、貯湯タンク８０の全体を蓄熱材で覆うものに比して蓄熱材８１の使用量を抑えつつ、貯湯タンク８０の下部側から放熱させることでシステム内の凍結防止を図ることができる。また、貯湯タンク８０の全体を蓄熱材で覆うものでは、循環配管６１内を循環する湯水の水温が高くなりやすいから、冷却のためにラジエータファン６９を駆動する頻度が多いものとなる。本実施形態では、貯湯タンク８０の下部側を露出して放熱を促すことにより、ラジエータファン６９を駆動する頻度を低減させることができるから、電力消費を抑えることもできる。これらのことから、貯湯タンク８０に貯湯されている湯水の熱を有効利用して、システム内の凍結防止を図ると共にシステムのエネルギ効率を向上させることができる。 The fuel cell system 10 described above includes a heat storage material 81 that covers the upper side of the hot water storage tank 80 so that the lower side of the hot water storage tank 80 is exposed. As a result, it is possible to prevent freezing in the system by dissipating heat from the lower side of the hot water storage tank 80 while suppressing the amount of the heat storage material 81 used as compared with the case where the entire hot water storage tank 80 is covered with the heat storage material. Further, in the case where the entire hot water storage tank 80 is covered with the heat storage material, the temperature of the hot water circulating in the circulation pipe 61 tends to be high, so that the radiator fan 69 is frequently driven for cooling. In the present embodiment, the frequency of driving the radiator fan 69 can be reduced by exposing the lower side of the hot water storage tank 80 to promote heat dissipation, so that power consumption can also be suppressed. From these facts, it is possible to effectively utilize the heat of the hot water stored in the hot water storage tank 80 to prevent freezing in the system and improve the energy efficiency of the system.
また、貯湯タンク８０は、筐体１２の金属製の底板１４に金属製のブラケット８２を介して配設されているから、貯湯タンク８０の熱を底板１４に効率よく伝えて底板１４から放熱させることができる。このため、筐体１２内を全体的に温めてシステム内全体の凍結防止を図ることができる。 Further, since the hot water storage tank 80 is arranged on the metal bottom plate 14 of the housing 12 via the metal bracket 82, the heat of the hot water storage tank 80 is efficiently transferred to the bottom plate 14 to dissipate heat from the bottom plate 14. be able to. Therefore, the inside of the housing 12 can be warmed as a whole to prevent the entire system from freezing.
また、循環水温ＴＨ１が所定水温Ｔｒｅｆ以下の場合に循環水ヒータ６５を駆動するから、貯湯タンク８０内の湯水の温度が低下した場合でも、貯湯タンク８０からの放熱を継続可能としてシステム内の凍結防止を図ることができる。 Further, since the circulating water heater 65 is driven when the circulating water temperature TH1 is equal to or lower than the predetermined water temperature Tref, even if the temperature of the hot water in the hot water storage tank 80 drops, heat dissipation from the hot water storage tank 80 can be continued and the system is frozen. It can be prevented.
また、循環水ヒータ６５の流出口６５ｂ側の循環配管６１が金属製の底板１４に金属製のブラケット６２を介して固定されているから、循環水ヒータ６５の駆動に伴って発生する熱を底板１４に効率よく伝達させて、底板１４から放熱させることができる。このため、筐体１２内を全体的に温めてシステム内全体の凍結防止を図ることができる。 Further, since the circulation pipe 61 on the outlet 65b side of the circulating water heater 65 is fixed to the metal bottom plate 14 via the metal bracket 62, the heat generated by driving the circulating water heater 65 is transferred to the bottom plate. It can be efficiently transmitted to 14 to dissipate heat from the bottom plate 14. Therefore, the inside of the housing 12 can be warmed as a whole to prevent the entire system from freezing.
また、循環水ヒータ６５は、循環配管６１を循環する水が内部を流通するように構成されているから、循環水ヒータ６５（ヒータ本体６７）の熱を効率よく伝えることができる。このため、循環水ヒータの数を削減しつつ貯湯タンク８０の湯水の水温が低下するのを防止することができる。 Further, since the circulating water heater 65 is configured so that the water circulating in the circulation pipe 61 circulates inside, the heat of the circulating water heater 65 (heater main body 67) can be efficiently transferred. Therefore, it is possible to prevent the temperature of the hot water in the hot water storage tank 80 from dropping while reducing the number of circulating water heaters.
上述した実施形態では、循環配管６１を循環する水が循環水ヒータ６５内を流通するように構成されているものとしたが、これに限られず、循環配管６１の外周面に巻き付けられるようにヒータが設けられるものなどとしてもよい。また、循環水ヒータ６５を備えるものに限られず、循環水ヒータ６５を備えないものとしてもよい。 In the above-described embodiment, the water circulating in the circulation pipe 61 is configured to circulate in the circulation water heater 65, but the present invention is not limited to this, and the heater is wound around the outer peripheral surface of the circulation pipe 61. May be provided. Further, the device is not limited to the one provided with the circulating water heater 65, and may not be provided with the circulating water heater 65.
実施形態では、循環水ヒータ６５の流出口６５ｂ側の凝縮水供給管７１が底板１４に金属製のブラケット６２で固定されているものとしたが、これに限られず、耐熱樹脂などの樹脂製のブラケットなどで固定されているものなどとしてもよい。また、貯湯タンク８０が底板１４に金属製のブラケット８２を介して配設されているものとしたが、これに限られず、耐熱樹脂などの樹脂製のブラケットなどで固定されているものなどとしてもよい。また、貯湯タンク８０は、金属製に限られず、耐熱樹脂などの樹脂製などとしてもよい。 In the embodiment, it is assumed that the condensed water supply pipe 71 on the outlet 65b side of the circulating water heater 65 is fixed to the bottom plate 14 with a metal bracket 62, but the present invention is not limited to this, and is made of a resin such as a heat-resistant resin. It may be fixed with a bracket or the like. Further, the hot water storage tank 80 is arranged on the bottom plate 14 via a metal bracket 82, but the present invention is not limited to this, and the hot water storage tank 80 may be fixed by a resin bracket such as a heat-resistant resin. Good. Further, the hot water storage tank 80 is not limited to the metal one, and may be made of a resin such as a heat-resistant resin.
実施形態では、循環配管６１の循環水温ＴＨ１が所定水温Ｔｒｅｆ以下の場合に循環水ヒータ６５を駆動するものとしたが、これに限られず、貯湯タンク８０内の水温が所定水温以下の場合に循環水ヒータ６５を駆動するものなどとしてもよい。また、低温状態などの場合に循環水ヒータ６５を駆動するものであればよく、例えば、筐体１２内の温度や外気温を検出するための温度センサの検出温度が所定の凍結防止温度以下の場合に循環水ヒータ６５を駆動するものなどとしてもよい。 In the embodiment, the circulating water heater 65 is driven when the circulating water temperature TH1 of the circulation pipe 61 is equal to or lower than the predetermined water temperature Tref, but the present invention is not limited to this, and circulation occurs when the water temperature in the hot water storage tank 80 is equal to or lower than the predetermined water temperature. It may be used to drive the water heater 65. Further, it may be any one that drives the circulating water heater 65 in a low temperature state, and for example, the detection temperature of the temperature sensor for detecting the temperature inside the housing 12 and the outside air temperature is equal to or lower than the predetermined antifreezing temperature. In some cases, the circulating water heater 65 may be driven.
実施形態では、貯湯タンク８０の上半分が蓄熱材８１で覆われているものとしたが、これに限られず、貯湯タンク８０の下部側が露出するように上部側が蓄熱材８１で覆われるものであればよく、蓄熱材８１で覆われる上部側と露出する下部側との比率は適宜定めるものとすればよい。 In the embodiment, the upper half of the hot water storage tank 80 is covered with the heat storage material 81, but the present invention is not limited to this, and the upper half of the hot water storage tank 80 may be covered with the heat storage material 81 so that the lower side is exposed. The ratio between the upper side covered with the heat storage material 81 and the exposed lower side may be appropriately determined.
実施形態では、本発明のコージェネレーションシステムを、燃料電池システム１０に適用して説明したが、これに限られず、発電に伴って熱を発生する熱源装置を備えるシステムに適用するものなどとしてもよい。 In the embodiment, the cogeneration system of the present invention has been described by applying it to the fuel cell system 10, but the present invention is not limited to this, and may be applied to a system including a heat source device that generates heat with power generation. ..
本実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。本実施形態では、発電モジュール３０が「熱源装置」に相当し、熱交換器７０が「熱交換器」に相当し、貯湯タンク８０が「貯湯タンク」に相当し、蓄熱材８１が「蓄熱材」に相当する。また、筐体１２が「筐体」に相当し、底板１４が「底板」に相当し、ブラケット８２が貯湯タンク用の「ブラケット」に相当する。また、循環水ヒータ６５が「ヒータ」に相当し、制御装置９０が「制御装置」に相当する。また、ブラケット６２が循環配管用の「ブラケット」に相当する。 The correspondence between the main elements of the present embodiment and the main elements of the invention described in the column of means for solving the problem will be described. In the present embodiment, the power generation module 30 corresponds to the "heat source device", the heat exchanger 70 corresponds to the "heat exchanger", the hot water storage tank 80 corresponds to the "hot water storage tank", and the heat storage material 81 corresponds to the "heat storage material". Corresponds to. Further, the housing 12 corresponds to the "housing", the bottom plate 14 corresponds to the "bottom plate", and the bracket 82 corresponds to the "bracket" for the hot water storage tank. Further, the circulating water heater 65 corresponds to the "heater", and the control device 90 corresponds to the "control device". Further, the bracket 62 corresponds to a "bracket" for circulation piping.
なお、本実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、本実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、本実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。 The correspondence between the main elements of the present embodiment and the main elements of the invention described in the column of means for solving the problem is the invention described in the column of the means for solving the problem in the present embodiment. Since it is an example for concretely explaining a mode for carrying out the above, the elements of the invention described in the column of means for solving the problem are not limited. That is, the interpretation of the invention described in the column of means for solving the problem should be performed based on the description in the column, and the present embodiment is the invention described in the column of means for solving the problem. It is just a concrete example of.
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 Although the embodiments for carrying out the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention. Of course.
本発明は、コージェネレーションシステムの製造産業などに利用可能である。 The present invention can be used in the manufacturing industry of cogeneration systems and the like.
１ ガス供給源、１０ 燃料電池システム、１２ 筐体、１４ 底板、２０ 発電ユニット、３０ 発電モジュール、３１ モジュールケース、３２ 気化器、３３ 改質器、３４ 改質ガス供給管、３５ 燃料電池スタック、３６ 燃焼部、３７ 還流管、３７ａ オリフィス、３８ 排水管、４０ 原燃料ガス供給装置、４１ 原燃料ガス供給管、４１ａ オリフィス、４２ ガス供給弁、４３ ガスポンプ、４４ 脱硫器、４５ エア供給装置、４６ エア供給管、４７ フィルタ、４８ エアブロワ、５０ 改質水供給装置、５１ 改質水供給管、５２ 改質水ポンプ、５３ 改質水タンク、６０ 排熱回収装置、６１ 循環配管、６２ ブラケット、６３ 循環ポンプ、６４ 温度センサ、６５ 循環水ヒータ、６５ａ 流入口、６５ｂ 流出口、６６ ヒータケース、６７ ヒータ本体、６８ ラジエータ、６９ ラジエータファン、７０ 熱交換器、７１ 凝縮水供給管、７２ 水精製器、７３ 排気ガス排出管、８０ 貯湯タンク、８１ 蓄熱材、８２ ブラケット、９０ 制御装置。 1 gas supply source, 10 fuel cell system, 12 housing, 14 bottom plate, 20 power generation unit, 30 power generation module, 31 module case, 32 vaporizer, 33 reformer, 34 reformed gas supply pipe, 35 fuel cell stack, 36 Combustion part, 37 Circulation pipe, 37a orifice, 38 Drain pipe, 40 Raw fuel gas supply device, 41 Raw fuel gas supply pipe, 41a orifice, 42 Gas supply valve, 43 Gas pump, 44 Smelter, 45 Air supply device, 46 Air supply pipe, 47 filter, 48 air blower, 50 reformed water supply device, 51 reformed water supply pipe, 52 reformed water pump, 53 reformed water tank, 60 exhaust heat recovery device, 61 circulation piping, 62 bracket, 63 Circulation pump, 64 temperature sensor, 65 circulating water heater, 65a inlet, 65b outlet, 66 heater case, 67 heater body, 68 radiator, 69 radiator fan, 70 heat exchanger, 71 condensed water supply pipe, 72 water purifier , 73 Exhaust gas discharge pipe, 80 Hot water storage tank, 81 Heat storage material, 82 Bracket, 90 Control device.
Claims (5)
前記熱源装置からの排熱と水との間で熱交換する熱交換器と、
水が循環する循環配管に接続され、前記熱交換器の熱交換により加熱された湯水を貯留する貯湯タンクと、
前記貯湯タンクの下部側が露出するように該貯湯タンクの上部側を覆う蓄熱材と、
を備えるコージェネレーションシステム。 A cogeneration system equipped with a heat source device that generates heat as it generates electricity.
A heat exchanger that exchanges heat between the exhaust heat from the heat source device and water,
A hot water storage tank that is connected to a circulation pipe that circulates water and stores hot water that has been heated by heat exchange in the heat exchanger.
A heat storage material that covers the upper side of the hot water storage tank so that the lower side of the hot water storage tank is exposed.
A cogeneration system equipped with.
前記貯湯タンクは、前記コージェネレーションシステムの筐体における金属製の底板に金属製のブラケットを介して配設されている
コージェネレーションシステム。 The cogeneration system according to claim 1.
The hot water storage tank is a cogeneration system in which a metal bottom plate in a housing of the cogeneration system is arranged via a metal bracket.
前記循環配管に設けられたヒータと、
前記貯湯タンク内または前記循環配管内の水温が所定水温以下の場合に、前記循環配管を循環する水を加熱するように前記ヒータを制御する制御装置と、
を備えるコージェネレーションシステム。 The cogeneration system according to claim 1 or 2.
The heater provided in the circulation pipe and
A control device that controls the heater so as to heat the water circulating in the circulation pipe when the water temperature in the hot water storage tank or the circulation pipe is equal to or lower than a predetermined water temperature.
A cogeneration system equipped with.
前記循環配管は、前記ヒータの下流側の配管が前記コージェネレーションシステムの筐体における金属製の底板に金属製のブラケットを介して固定されている
コージェネレーションシステム。 The cogeneration system according to claim 3.
The circulation pipe is a cogeneration system in which a pipe on the downstream side of the heater is fixed to a metal bottom plate in a housing of the cogeneration system via a metal bracket.
前記ヒータは、前記循環配管を循環する水が該ヒータ内を流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。 The cogeneration system according to claim 3 or 4.
The heater is a cogeneration system provided so that water circulating in the circulation pipe flows through the heater.
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