JP4133628B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents
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- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コージェネレーションシステムに係り、特に排熱回収システムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コージェネレーションの１例として、燃料電池と、燃料電池の排熱を熱回収する排熱回収熱交換器と、この熱交換器で熱回収された熱は温水として蓄えられる蓄熱槽から構成されたものがある。
【０００３】
また、従来、コージェネレーションの他例として、熱電併給装置と、熱電併給装置の排熱を熱回収する熱交換器と、この熱交換器で熱回収された熱は温水として蓄えられる貯湯タンクとから構成され、給湯需要に速やかに応じるため、特定時刻例えば浴槽内へのお湯張りのとき高温モードとして運転し、それ以外のときは低温モードとして運転するように貯湯式給湯システムがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３４３１５９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の熱回収システムにおける排熱回収量は、燃料電池の発電出力によるところが多く、発電出力が高い場合には排熱回収量は多く、逆に発電出力が低い場合には排熱回収量は少ない。しかしながら、燃料電池の実運用において、電力需要と熱需要は同じタイミングであるとは限らず、一時的に蓄熱槽内が熱余り、あるいは熱不足の状態となることがあり得る。
【０００６】
このようなことから、熱余りの際には、例えば熱交換器及び冷却ファンを組合わせた冷却モジュールにて熱を放出し、燃料電池の発電運転を継続するように構成したシステムが公知である。しかしながら、このシステムは熱を回収しない点と、冷却ファンの動力を消費する点から熱回収システムとして好ましくない。
【０００７】
また、熱余り時には発電を停止する運転方法も公知であるが、短時間で熱需要が発生する場合もあり、プラント停止・起動を頻繁に繰り返すことによる停止・起動電力を消費することからも好ましくない。
【０００８】
さらに、前述した特許文献１の貯湯式給湯システムは、安定した運転を継続し、回収熱量の面では、十分とはいえず、未だ改善の余地があると考えられる。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を改善するためになされたもので、安定した運転が継続でき、回収熱量を増加させることができる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する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための、請求項１に対応する発明は、電力の発生と該電力の発生に伴う排熱を発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置からの排熱を回収する排熱回収熱交換器と、前記排熱回収熱交換器で回収した排熱を熱媒体に代えて蓄える蓄熱槽と、前記排熱回収熱交換器で回収した熱媒体を前記蓄熱槽に移送するポンプと、前記蓄熱槽の熱利用状況を検知する熱利用状況検知部と、前記排熱回収熱交換器と前記蓄熱槽の間の熱媒体通路に設けられた排熱回収温度検知部と、前記熱利用状況検知部からの検知信号により前記排熱回収温度検知部における設定温度を演算し、当該排熱回収温度検知部での計測温度が前記設定温度となるよう前記ポンプの吐出流量を調整するものであって、前記熱利用状況検知部からの検知信号により熱利用状況が前記排熱回収熱交換器からの排熱回収量と比較して過小である場合には、前記熱媒体流量を減少することで排熱回収温度を上げる制御を行う制御装置と、を具備したコージェネレーションシステムである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
（１） 第１の実施の形態
図１および図２は、第１の実施形態を説明するための概略構成図であり、これは次のように、熱電併給装置例えば燃料電池プラント３０と、蓄熱槽９と、ポンプ７と、熱利用状況検知部１１、１３、１４、１５と、制御装置（制御手段）２０から構成されている。
【００１４】
燃料電池プラント３０は、図２に示すように、脱硫器１、水蒸気分離器２、複合ＣＯ（一酸化炭素）変成・除去器３、改質器４、燃料電池５、排熱回収熱交換器６Ａ、６Ｂと、ポンプ１７、２３、２５、２２、２６、２７、２８、弁１８、１９、２１、熱交換器２０、２４を備えている。
【００１５】
一般に燃料電池発電システムでは、燃料電池５に加え、都市ガスやＬＰＧなどの原燃料ガスから水素リッチガスを生成する燃料処理装置、燃料電池５からの排熱を回収する排熱回収熱交換器６Ａ、６Ｂが含まれている。
【００１６】
ここでは、燃料処理装置は、都市ガスやＬＰＧなどの原燃料ガスを供給し、脱硫器１で原燃料中に含まれる硫黄分を除去した後に水蒸気分離器２からの水蒸気と混合し改質器４に導入することで改質ガスを生成する。改質ガス中には燃料電池で許容される以上の一酸化炭素を含んでいるため、複合ＣＯ変成・除去器３で数ｐｐｍオーダー以下まで一酸化炭素濃度を低減し、燃料電池５に供給する。
【００１７】
燃料電池５内部で空気中の酸素と反応した後の燃料排ガスは、改質器４の燃焼バーナ部へと導入され、前述の改質反応の熱源となる。この燃焼排ガスの一部は改質用水蒸気生成の熱源として使用され、残りの熱は排熱回収熱交換器６Ａ、６Ｂで燃料電池５の空気極出口排ガス熱と共に熱回収され、後述する蓄熱槽９に蓄えられる。
【００１８】
蓄熱槽９は、排熱回収熱交換器６Ａ、６Ｂで回収した排熱を熱媒体に代えて蓄えるものであり、蓄熱槽９は水，エチレングリコール・プロピレングリコール等の不凍液を溶解した水，潜熱を利用したパラフィン・脂肪酸，化学潜熱を利用した化学蓄熱材料，吸着熱を利用したゼオライト等を媒体としてエネルギーを保持するもので、燃料電池５をコージェネレーションとして使用する場合に組み合わせて使用される。
【００１９】
ポンプ７は、排熱回収熱交換器６Ａ、６Ｂで回収した熱媒体を蓄熱槽９に移送するものである。ここで、排熱回収熱交換器６Ａは、図２の改質器４の排熱の熱交換を行なうものであり、排熱回収熱交換器６Ｂは図２の燃料電池５の排熱の熱交換を行なうものである。図１に記載の熱源機には、燃料電池５及び改質器４の両方を含むことは言うまでもない。
【００２０】
熱利用状況検知部１１は例えば熱量計であり、熱の使用量と燃料電池５の発電量の比較により熱余りか否かを判断する。また、ポンプ７の吐出流量は流量調整弁８の開度設定あるいはポンプ７の動力電流・電圧制御、ＰＷＭ制御、交流位相制御等による出力制御により行う。
【００２１】
熱利用状況検知部１３は、蓄熱槽９内部の上部の温度又は熱量を検知し、結果として蓄熱槽９内部の温水の熱利用状況を検知するものである。熱利用状況検知部１４は、蓄熱槽９内部の下部の温度又は熱量を検知し、結果として蓄熱槽９内部の温水の熱利用状況を検知するものである。熱利用状況検知部１５は、蓄熱槽９とポンプ７との間の熱媒体通路内における温度又は熱量を検知し、結果として蓄熱槽９内部の温水の熱利用状況を検知するものである。
【００２２】
前記温度を検知する温度検知器は例えば設定温度を検知する温度スイッチや熱電対，サーミスタ等の温度計、あるいは熱媒の温度変化による比重の変化を利用した浮子スイッチのいずれかを使用する。
【００２３】
制御装置（制御手段）２０は、熱利用状況検知部１１、１３、１４、１５のいずれからの信号及び燃料電池５と蓄熱槽９の間の熱媒体伝送路に配設され、排熱回収部の温度を調整する排熱回収温度調整部１０からの信号によりポンプ７の吐出流量を変化させたり、これ以外に燃料電池プラント３０の燃料量、空気量、水量等を制御するために、ポンプ１７、２３、２２、２６、２７、２８、流量調整弁８、弁１８、１９、２１、２９、に指令信号を与えるものである。
【００２４】
以上述べた第１の実施形態は、熱媒流量調整を弁８を使用せずに出力可変制御に対応したポンプ１２の出力調整により行う構成となっている。
【００２５】
第１の実施形態によれば、例えば熱利用状況検知部１１からの信号によりポンプ７の吐出流量を変化させ、排熱回収熱交換器で回収する排熱温度を可変に制御する排熱回収システムであり、熱利用状況が燃料電池５からの排熱回収量と比較して過小である場合には、排熱回収温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽９内の熱飽和を遅延させることができる。また熱不足の時には排熱回収温度を下げ、熱媒流量を増やすことで比較的急速の熱補給が実現できる。この結果、安定した運転が継続でき、回収熱量を増加させることができるコージェネレーションシステムを提供できる。
【００２６】
図１及び図２の作用の概略についてまとめて記載する。
【００２７】
１．ポンプ７は、熱利用状況検知部１１、１３、１４、１５の信号が制御装置２０に入力されることから、制御装置２０の機能によりその出力が可変となる。
【００２８】
（１）熱利用状況検知部１３の温度が低くなって熱不足となった場合には、ポンプ７の出力を上げ、低温水を大量回収することになる（急速熱回収状態となる）
（２）熱利用状況検知部１４の温度が高くなって熱余りとなった場合には、ポンプ７の出力を下げ、高温水を小量回収することになる（高温熱回収状態となる）
（３）熱利用状況検知部１５の温度が高くなって熱余りとなった場合には、ポンプ７の出力を下げ、高温水を小量回収することになる（高温熱回収状態となる）
（４）熱利用状況検知部１１の熱量が低減し熱余りとなった場合には、ポンプ７の出力を下げ、高温水を小量回収することになる（高温熱回収状態となる）
（５）熱利用状況検知部１１の熱量が増加し熱不足となった場合には、ポンプ７の出力を上げ、低温水を大量回収することになる（急速熱回収状態となる）
２．ポンプ７の出力は、排熱回収温度検知部１０が設定値となるように、制御装置２０は制御を行なう。
【００２９】
３．排熱回収温度検知部１０の設定値は熱利用状況検知部１３、１４、１５の信号により、制御装置２０は演算する。ここで一例を示す。例えば、標準時では、熱利用状況検知部１５の温度が１５℃で、排熱回収温度検知部１０の設定温度が６０℃である。また、熱飽和時では、熱利用状況検知部１５の温度が４０℃で、排熱回収温度検知部１０の設定温度が７０℃である。運転限界時では、熱利用状況検知部１５の温度が６０℃で、発電停止を行なう。
【００３０】
図３は、前述した第１の実施形態の変形例を説明するための図である。ここでは、熱媒流量調整を流量調整弁８を使用せずに出力可変制御に対応したポンプ１２の出力調整により行う構成である。
【００３１】
（２） 第２の実施の形態
図４及び図５は、本発明の２の実施の形態を説明するための図である。ここでは、熱利用状況検知部１１の機能を蓄熱槽９に熱利用状況検知部１３、熱利用状況検知部１４に代表する温度計測器として配設したものである。
【００３２】
熱利用状況検知部１４は熱利用状況検知部１３よりも蓄熱槽内の比較的低温部に配設されており、蓄熱槽９が熱飽和しそうか否かの判断に使用する。
【００３３】
一方、熱利用状況検知部１３は熱利用状況検知部１４よりも蓄熱槽内の比較的高温部に配設されており、蓄熱槽９が熱不足か否かの判断に使用する。熱利用状況検知部１３と熱利用状況検知部１４は蓄熱槽９内の１点で兼用することも可能であり、また、いずれか一方でも運用は可能である。熱利用状況検知部の設置数を増やすことにより熱利用状況をより詳細に把握できるようになる。
【００３４】
以上のように構成された第２の実施の形態では、熱利用状況検知部１３にて温度低下を検知した場合に、熱不足であると判断し、排熱回収熱交換器６で回収する排熱温度排熱回収温度を下げ、熱媒流量を増加することで蓄熱槽９内に導入する熱量を増加させる。
【００３５】
一方熱利用状況検知部１４にて温度上昇を検知した場合に、熱余りであると判断し、排熱回収熱交換器６で回収する排熱回収温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽９内の熱飽和を遅延させる。
【００３６】
熱利用状況検知部１３および熱利用状況検知部１４の両方を使用した場合の排熱回収温度設定例を図５に示す。ここでは、熱利用状況検知部１３（蓄熱槽上部温度）が３５℃まで上昇するまでは排熱回収温度設定を４０℃とし、以降６０℃で熱回収した後に、熱利用状況検知部１４（蓄熱槽下部温度）が４０℃まで上昇した場合には排熱回収温度設定を７０℃と設定している。
【００３７】
以上述べた第２の実施の形態によれば、第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【００３８】
なお、図４の熱利用状況検知部１３ないしは熱利用状況検知部１４の温度検知器は、図４に限らず少なくとも１つを蓄熱部９に配設してもよい。この場合、蓄熱槽９の比較的低温部に配設した熱利用状況検知部１４で熱余り（温度高）と検知した場合には排熱回収設定温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽９内の熱飽和を遅延させる。一方、蓄熱槽９の比較的高温部に配設した熱利用状況検知部１３で熱不足（温度低）と検知した場合には排熱回収設定温度を下げ、熱媒流量を増やすことで蓄熱槽９内に導入する熱量を増加させる。排熱回収熱交換器６は熱媒流量を増加させると排熱回収温度は低下するものの回収熱量は増加する性質を持つ。熱利用状況検知部１３、熱利用状況検知部１４の温度検知器は、例えば温度スイッチ等を使用する。
【００３９】
（３） 第３の実施の形態
図６及び図７は、第３の実施の形態を説明するための図である。ここでは熱利用状況検知部１５の機能を得るため、蓄熱槽９から排熱回収熱交換器６のまでの熱媒流路に熱利用状況検知部１５として温度検知器を配設したものである。温度検知器は例えば設定温度を検知する温度スイッチや熱電対，サーミスタ等の温度計を使用する。
【００４０】
このように構成した第３の実施の形態において、熱利用状況検知部１５にて温度上昇を検知した場合に、熱余りであると判断し、排熱回収熱交換器６で回収する排熱回収温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽９内に導入する熱量を増加させる。
【００４１】
熱利用状況検知部１５を使用した場合の排熱回収温度設定例を図７に示す。ここでは、熱利用状況検知部１５（排熱利用戻り温度）が３５℃まで上昇した場合には排熱回収温度設定を７０℃と設定している。
【００４２】
以上述べた第３の実施の形態によれば、第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【００４３】
（４）第４の実施の形態
図８及び図９は、第４の実施の形態を説明するための図である。ここでは、熱利用状況検知部１３、熱利用状況検知部１４、熱利用状況検知部１５として温度検知が可能な熱電対，サーミスタ等の温度計を使用する。また、温度計測器は例えば熱電対，サーミスタ等の温度計、あるいは熱媒の温度変化による比重の変化を利用した浮子スイッチである。
【００４４】
このように構成した第４の実施の形態によれば、熱利用状況検知部１３にて温度低下を検知した場合に、熱不足であると判断し、排熱回収熱交換器６で回収する排熱回収温度を下げ、熱媒流量を増加することで蓄熱槽９内に導入する熱量を増加させる。
【００４５】
一方熱利用状況検知部１４にて温度上昇を検知した場合に、熱余りであると判断し、排熱回収熱交換器９で回収する排熱回収温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽９内の熱飽和を遅延させる。
【００４６】
熱利用状況検知部１３および熱利用状況検知部１４の両方を使用した場合の排熱回収温度設定例を図８に示す。ここでは、熱利用状況検知部１３（蓄熱槽上部温度）が３５℃まで上昇するまでは排熱回収設定温度を４０℃とし、以降、熱利用状況検知部１３（蓄熱槽上部温度）が５５℃まで上昇する間、排熱回収設定温度は漸次６０℃まで上昇し、熱利用状況検知部１４（蓄熱槽下部温度）が３５℃以上に上昇した場合には、４５℃まで上昇する間、排熱回収設定温度は漸次７０℃まで上昇している。
【００４７】
熱利用状況検知部１５を使用した場合の排熱回収温度設定例を第８図に示す。ここでは、熱利用状況検知部１５（排熱利用戻り温度）が３５℃まで上昇するまでは排熱回収設定温度を６０℃とし、以降、熱利用状況検知部１５（排熱利用戻り温度）が４５℃まで上昇する間、排熱回収設定温度は漸次７０℃まで上昇している。
【００４８】
以上述べた第４の実施の形態によれば、第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【００４９】
（４） 第５の実施の形態
図１０及び図１１は、本発明の第５の実施形態を説明するための図である。ここでは、前述した図１の熱利用状況検知部１３、熱利用状況検知部１５に第２、第３の温度設定値を次のように定めるようにしたものである。
【００５０】
熱利用状況検知部１３ないしは熱利用状況検知部１４の検知温度が第２の設定温度を超えた場合、あるいは第２の設定温度を超えて設定時間経過した場合、燃料電池の発電を停止する。燃料電池５の発電運転の開始（再起動）は熱利用状況検知部１３ないしは熱利用状況検知部１４の検知温度が第３の設定温度以下になった場合にこれを行う。
【００５１】
以上述べた第５の実施の形態によれば、第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【００５２】
＜変形例＞
本発明は、前述の実施形態では、熱電併給装置として、燃料電池を例にあげて説明したが、これは例えばガスエンジンやガスタービンのごとき熱電併給装置であれば何でもよい。
【００５３】
また、前述した図２の実施形態では、排熱回収熱交換器６Ａ、６Ｂを２個備えた例を説明し、図２以外の実施形態では排熱回収熱交換器を１個備えた例について説明したが、これに限らず排熱回収熱交換器は何個備えても前述の実施形態と同様に実施できる。
【００５４】
さらに、前述の第１の実施形態に、新たに発電運転停止手段と発電運転開始手段を追加し、発電運転停止手段は熱利用状況検知部の信号により蓄熱槽内の温度或いは蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が第１の設定値に達したとき熱電併給装置の発電運転を停止するものであり、また発電運転開始手段は蓄熱槽内の温度或いは蓄熱槽から排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が第１の設定値より低い第２の設定値に達したとき熱電併給装置の発電運転を開始するようにしたものである。
【００５５】
また、前述した実施形態の１の設定値と、第２の設定値の少なくとも一方は、熱需要の予測演算によって変更されるように構成してもよい。熱需要の予測演算は、具体的には次のように行なう。▲１▼前日あるいは1週間前の実際の熱需要データを事前に制御装置のメモリーに保存しておく。▲２▼熱利用状況検知部の信号から算出した現状の蓄熱量が、▲１▼データと比較し、過剰と判断される場合には、排熱回収温度設定値を上方修正する。▲３▼熱利用状況検知部の信号から算出した現状の蓄熱量が、▲１▼データと比較し、不足と判断される場合には、排熱回収温度設定値を下方修正する。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、安定した運転が継続でき、回収熱量を増加させることができるコージェネレーションシステムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるコージェネレーションシステムの第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】本発明におけるコージェネレーションシステムの第１の実施の形態の詳細を示す構成図。
【図３】本発明におけるコージェネレーションシステムの第１の実施形態の変形例の要部のみを示す構成図。
【図４】本発明におけるコージェネレーションシステムの第２の実施の形態の要部のみを示す構成図。
【図５】本発明におけるコージェネレーションシステムの第２の実施の形態で想定される排熱回収温度設定例を示す図。
【図６】本発明におけるコージェネレーションシステムの第３の実施の形態の要部のみを示す構成図。
【図７】本発明におけるコージェネレーションシステムの第３の実施の形態で想定される排熱回収温度設定例を示す図。
【図８】本発明におけるコージェネレーションシステムの第４の実施の形態で想定される１つ目の排熱回収温度設定例を示す図。
【図９】本発明におけるコージェネレーションシステムの第４の実施の形態で想定される２つ目の排熱回収温度設定例を示す図。
【図１０】本発明におけるコージェネレーションシステムの第５の実施の形態で想定される１つ目の排熱回収温度設定例を示す図。
【図１１】本発明におけるコージェネレーションシステムの第５の実施の形態で想定される２つ目の排熱回収温度設定例を示す図。
【符号の説明】
１…脱硫器、２…水蒸気分離器、３…ＣＯ変成・除去器、４…改質器、５…燃料電池、６Ａ、６Ｂ、６…排熱回収熱交換器、７…ポンプ、８…流量調整弁、９…蓄熱槽（蓄熱部）、１０…排熱回収温度調整部、１１…熱利用状況検知部、１２、１７、２３、２２、２６…ポンプ、１３、１４、１５…熱利用状況検知部、１８、１９…弁、２０…制御装置、２０．２４…熱交換器、３０…燃料電池プラント。
【発明の属する技術分野】
本発明は、コージェネレーションシステムに係り、特に排熱回収システムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コージェネレーションの１例として、燃料電池と、燃料電池の排熱を熱回収する排熱回収熱交換器と、この熱交換器で熱回収された熱は温水として蓄えられる蓄熱槽から構成されたものがある。
【０００３】
また、従来、コージェネレーションの他例として、熱電併給装置と、熱電併給装置の排熱を熱回収する熱交換器と、この熱交換器で熱回収された熱は温水として蓄えられる貯湯タンクとから構成され、給湯需要に速やかに応じるため、特定時刻例えば浴槽内へのお湯張りのとき高温モードとして運転し、それ以外のときは低温モードとして運転するように貯湯式給湯システムがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３４３１５９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の熱回収システムにおける排熱回収量は、燃料電池の発電出力によるところが多く、発電出力が高い場合には排熱回収量は多く、逆に発電出力が低い場合には排熱回収量は少ない。しかしながら、燃料電池の実運用において、電力需要と熱需要は同じタイミングであるとは限らず、一時的に蓄熱槽内が熱余り、あるいは熱不足の状態となることがあり得る。
【０００６】
このようなことから、熱余りの際には、例えば熱交換器及び冷却ファンを組合わせた冷却モジュールにて熱を放出し、燃料電池の発電運転を継続するように構成したシステムが公知である。しかしながら、このシステムは熱を回収しない点と、冷却ファンの動力を消費する点から熱回収システムとして好ましくない。
【０００７】
また、熱余り時には発電を停止する運転方法も公知であるが、短時間で熱需要が発生する場合もあり、プラント停止・起動を頻繁に繰り返すことによる停止・起動電力を消費することからも好ましくない。
【０００８】
さらに、前述した特許文献１の貯湯式給湯システムは、安定した運転を継続し、回収熱量の面では、十分とはいえず、未だ改善の余地があると考えられる。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を改善するためになされたもので、安定した運転が継続でき、回収熱量を増加させることができる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する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための、請求項１に対応する発明は、電力の発生と該電力の発生に伴う排熱を発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置からの排熱を回収する排熱回収熱交換器と、前記排熱回収熱交換器で回収した排熱を熱媒体に代えて蓄える蓄熱槽と、前記排熱回収熱交換器で回収した熱媒体を前記蓄熱槽に移送するポンプと、前記蓄熱槽の熱利用状況を検知する熱利用状況検知部と、前記排熱回収熱交換器と前記蓄熱槽の間の熱媒体通路に設けられた排熱回収温度検知部と、前記熱利用状況検知部からの検知信号により前記排熱回収温度検知部における設定温度を演算し、当該排熱回収温度検知部での計測温度が前記設定温度となるよう前記ポンプの吐出流量を調整するものであって、前記熱利用状況検知部からの検知信号により熱利用状況が前記排熱回収熱交換器からの排熱回収量と比較して過小である場合には、前記熱媒体流量を減少することで排熱回収温度を上げる制御を行う制御装置と、を具備したコージェネレーションシステムである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
（１） 第１の実施の形態
図１および図２は、第１の実施形態を説明するための概略構成図であり、これは次のように、熱電併給装置例えば燃料電池プラント３０と、蓄熱槽９と、ポンプ７と、熱利用状況検知部１１、１３、１４、１５と、制御装置（制御手段）２０から構成されている。
【００１４】
燃料電池プラント３０は、図２に示すように、脱硫器１、水蒸気分離器２、複合ＣＯ（一酸化炭素）変成・除去器３、改質器４、燃料電池５、排熱回収熱交換器６Ａ、６Ｂと、ポンプ１７、２３、２５、２２、２６、２７、２８、弁１８、１９、２１、熱交換器２０、２４を備えている。
【００１５】
一般に燃料電池発電システムでは、燃料電池５に加え、都市ガスやＬＰＧなどの原燃料ガスから水素リッチガスを生成する燃料処理装置、燃料電池５からの排熱を回収する排熱回収熱交換器６Ａ、６Ｂが含まれている。
【００１６】
ここでは、燃料処理装置は、都市ガスやＬＰＧなどの原燃料ガスを供給し、脱硫器１で原燃料中に含まれる硫黄分を除去した後に水蒸気分離器２からの水蒸気と混合し改質器４に導入することで改質ガスを生成する。改質ガス中には燃料電池で許容される以上の一酸化炭素を含んでいるため、複合ＣＯ変成・除去器３で数ｐｐｍオーダー以下まで一酸化炭素濃度を低減し、燃料電池５に供給する。
【００１７】
燃料電池５内部で空気中の酸素と反応した後の燃料排ガスは、改質器４の燃焼バーナ部へと導入され、前述の改質反応の熱源となる。この燃焼排ガスの一部は改質用水蒸気生成の熱源として使用され、残りの熱は排熱回収熱交換器６Ａ、６Ｂで燃料電池５の空気極出口排ガス熱と共に熱回収され、後述する蓄熱槽９に蓄えられる。
【００１８】
蓄熱槽９は、排熱回収熱交換器６Ａ、６Ｂで回収した排熱を熱媒体に代えて蓄えるものであり、蓄熱槽９は水，エチレングリコール・プロピレングリコール等の不凍液を溶解した水，潜熱を利用したパラフィン・脂肪酸，化学潜熱を利用した化学蓄熱材料，吸着熱を利用したゼオライト等を媒体としてエネルギーを保持するもので、燃料電池５をコージェネレーションとして使用する場合に組み合わせて使用される。
【００１９】
ポンプ７は、排熱回収熱交換器６Ａ、６Ｂで回収した熱媒体を蓄熱槽９に移送するものである。ここで、排熱回収熱交換器６Ａは、図２の改質器４の排熱の熱交換を行なうものであり、排熱回収熱交換器６Ｂは図２の燃料電池５の排熱の熱交換を行なうものである。図１に記載の熱源機には、燃料電池５及び改質器４の両方を含むことは言うまでもない。
【００２０】
熱利用状況検知部１１は例えば熱量計であり、熱の使用量と燃料電池５の発電量の比較により熱余りか否かを判断する。また、ポンプ７の吐出流量は流量調整弁８の開度設定あるいはポンプ７の動力電流・電圧制御、ＰＷＭ制御、交流位相制御等による出力制御により行う。
【００２１】
熱利用状況検知部１３は、蓄熱槽９内部の上部の温度又は熱量を検知し、結果として蓄熱槽９内部の温水の熱利用状況を検知するものである。熱利用状況検知部１４は、蓄熱槽９内部の下部の温度又は熱量を検知し、結果として蓄熱槽９内部の温水の熱利用状況を検知するものである。熱利用状況検知部１５は、蓄熱槽９とポンプ７との間の熱媒体通路内における温度又は熱量を検知し、結果として蓄熱槽９内部の温水の熱利用状況を検知するものである。
【００２２】
前記温度を検知する温度検知器は例えば設定温度を検知する温度スイッチや熱電対，サーミスタ等の温度計、あるいは熱媒の温度変化による比重の変化を利用した浮子スイッチのいずれかを使用する。
【００２３】
制御装置（制御手段）２０は、熱利用状況検知部１１、１３、１４、１５のいずれからの信号及び燃料電池５と蓄熱槽９の間の熱媒体伝送路に配設され、排熱回収部の温度を調整する排熱回収温度調整部１０からの信号によりポンプ７の吐出流量を変化させたり、これ以外に燃料電池プラント３０の燃料量、空気量、水量等を制御するために、ポンプ１７、２３、２２、２６、２７、２８、流量調整弁８、弁１８、１９、２１、２９、に指令信号を与えるものである。
【００２４】
以上述べた第１の実施形態は、熱媒流量調整を弁８を使用せずに出力可変制御に対応したポンプ１２の出力調整により行う構成となっている。
【００２５】
第１の実施形態によれば、例えば熱利用状況検知部１１からの信号によりポンプ７の吐出流量を変化させ、排熱回収熱交換器で回収する排熱温度を可変に制御する排熱回収システムであり、熱利用状況が燃料電池５からの排熱回収量と比較して過小である場合には、排熱回収温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽９内の熱飽和を遅延させることができる。また熱不足の時には排熱回収温度を下げ、熱媒流量を増やすことで比較的急速の熱補給が実現できる。この結果、安定した運転が継続でき、回収熱量を増加させることができるコージェネレーションシステムを提供できる。
【００２６】
図１及び図２の作用の概略についてまとめて記載する。
【００２７】
１．ポンプ７は、熱利用状況検知部１１、１３、１４、１５の信号が制御装置２０に入力されることから、制御装置２０の機能によりその出力が可変となる。
【００２８】
（１）熱利用状況検知部１３の温度が低くなって熱不足となった場合には、ポンプ７の出力を上げ、低温水を大量回収することになる（急速熱回収状態となる）
（２）熱利用状況検知部１４の温度が高くなって熱余りとなった場合には、ポンプ７の出力を下げ、高温水を小量回収することになる（高温熱回収状態となる）
（３）熱利用状況検知部１５の温度が高くなって熱余りとなった場合には、ポンプ７の出力を下げ、高温水を小量回収することになる（高温熱回収状態となる）
（４）熱利用状況検知部１１の熱量が低減し熱余りとなった場合には、ポンプ７の出力を下げ、高温水を小量回収することになる（高温熱回収状態となる）
（５）熱利用状況検知部１１の熱量が増加し熱不足となった場合には、ポンプ７の出力を上げ、低温水を大量回収することになる（急速熱回収状態となる）
２．ポンプ７の出力は、排熱回収温度検知部１０が設定値となるように、制御装置２０は制御を行なう。
【００２９】
３．排熱回収温度検知部１０の設定値は熱利用状況検知部１３、１４、１５の信号により、制御装置２０は演算する。ここで一例を示す。例えば、標準時では、熱利用状況検知部１５の温度が１５℃で、排熱回収温度検知部１０の設定温度が６０℃である。また、熱飽和時では、熱利用状況検知部１５の温度が４０℃で、排熱回収温度検知部１０の設定温度が７０℃である。運転限界時では、熱利用状況検知部１５の温度が６０℃で、発電停止を行なう。
【００３０】
図３は、前述した第１の実施形態の変形例を説明するための図である。ここでは、熱媒流量調整を流量調整弁８を使用せずに出力可変制御に対応したポンプ１２の出力調整により行う構成である。
【００３１】
（２） 第２の実施の形態
図４及び図５は、本発明の２の実施の形態を説明するための図である。ここでは、熱利用状況検知部１１の機能を蓄熱槽９に熱利用状況検知部１３、熱利用状況検知部１４に代表する温度計測器として配設したものである。
【００３２】
熱利用状況検知部１４は熱利用状況検知部１３よりも蓄熱槽内の比較的低温部に配設されており、蓄熱槽９が熱飽和しそうか否かの判断に使用する。
【００３３】
一方、熱利用状況検知部１３は熱利用状況検知部１４よりも蓄熱槽内の比較的高温部に配設されており、蓄熱槽９が熱不足か否かの判断に使用する。熱利用状況検知部１３と熱利用状況検知部１４は蓄熱槽９内の１点で兼用することも可能であり、また、いずれか一方でも運用は可能である。熱利用状況検知部の設置数を増やすことにより熱利用状況をより詳細に把握できるようになる。
【００３４】
以上のように構成された第２の実施の形態では、熱利用状況検知部１３にて温度低下を検知した場合に、熱不足であると判断し、排熱回収熱交換器６で回収する排熱温度排熱回収温度を下げ、熱媒流量を増加することで蓄熱槽９内に導入する熱量を増加させる。
【００３５】
一方熱利用状況検知部１４にて温度上昇を検知した場合に、熱余りであると判断し、排熱回収熱交換器６で回収する排熱回収温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽９内の熱飽和を遅延させる。
【００３６】
熱利用状況検知部１３および熱利用状況検知部１４の両方を使用した場合の排熱回収温度設定例を図５に示す。ここでは、熱利用状況検知部１３（蓄熱槽上部温度）が３５℃まで上昇するまでは排熱回収温度設定を４０℃とし、以降６０℃で熱回収した後に、熱利用状況検知部１４（蓄熱槽下部温度）が４０℃まで上昇した場合には排熱回収温度設定を７０℃と設定している。
【００３７】
以上述べた第２の実施の形態によれば、第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【００３８】
なお、図４の熱利用状況検知部１３ないしは熱利用状況検知部１４の温度検知器は、図４に限らず少なくとも１つを蓄熱部９に配設してもよい。この場合、蓄熱槽９の比較的低温部に配設した熱利用状況検知部１４で熱余り（温度高）と検知した場合には排熱回収設定温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽９内の熱飽和を遅延させる。一方、蓄熱槽９の比較的高温部に配設した熱利用状況検知部１３で熱不足（温度低）と検知した場合には排熱回収設定温度を下げ、熱媒流量を増やすことで蓄熱槽９内に導入する熱量を増加させる。排熱回収熱交換器６は熱媒流量を増加させると排熱回収温度は低下するものの回収熱量は増加する性質を持つ。熱利用状況検知部１３、熱利用状況検知部１４の温度検知器は、例えば温度スイッチ等を使用する。
【００３９】
（３） 第３の実施の形態
図６及び図７は、第３の実施の形態を説明するための図である。ここでは熱利用状況検知部１５の機能を得るため、蓄熱槽９から排熱回収熱交換器６のまでの熱媒流路に熱利用状況検知部１５として温度検知器を配設したものである。温度検知器は例えば設定温度を検知する温度スイッチや熱電対，サーミスタ等の温度計を使用する。
【００４０】
このように構成した第３の実施の形態において、熱利用状況検知部１５にて温度上昇を検知した場合に、熱余りであると判断し、排熱回収熱交換器６で回収する排熱回収温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽９内に導入する熱量を増加させる。
【００４１】
熱利用状況検知部１５を使用した場合の排熱回収温度設定例を図７に示す。ここでは、熱利用状況検知部１５（排熱利用戻り温度）が３５℃まで上昇した場合には排熱回収温度設定を７０℃と設定している。
【００４２】
以上述べた第３の実施の形態によれば、第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【００４３】
（４）第４の実施の形態
図８及び図９は、第４の実施の形態を説明するための図である。ここでは、熱利用状況検知部１３、熱利用状況検知部１４、熱利用状況検知部１５として温度検知が可能な熱電対，サーミスタ等の温度計を使用する。また、温度計測器は例えば熱電対，サーミスタ等の温度計、あるいは熱媒の温度変化による比重の変化を利用した浮子スイッチである。
【００４４】
このように構成した第４の実施の形態によれば、熱利用状況検知部１３にて温度低下を検知した場合に、熱不足であると判断し、排熱回収熱交換器６で回収する排熱回収温度を下げ、熱媒流量を増加することで蓄熱槽９内に導入する熱量を増加させる。
【００４５】
一方熱利用状況検知部１４にて温度上昇を検知した場合に、熱余りであると判断し、排熱回収熱交換器９で回収する排熱回収温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽９内の熱飽和を遅延させる。
【００４６】
熱利用状況検知部１３および熱利用状況検知部１４の両方を使用した場合の排熱回収温度設定例を図８に示す。ここでは、熱利用状況検知部１３（蓄熱槽上部温度）が３５℃まで上昇するまでは排熱回収設定温度を４０℃とし、以降、熱利用状況検知部１３（蓄熱槽上部温度）が５５℃まで上昇する間、排熱回収設定温度は漸次６０℃まで上昇し、熱利用状況検知部１４（蓄熱槽下部温度）が３５℃以上に上昇した場合には、４５℃まで上昇する間、排熱回収設定温度は漸次７０℃まで上昇している。
【００４７】
熱利用状況検知部１５を使用した場合の排熱回収温度設定例を第８図に示す。ここでは、熱利用状況検知部１５（排熱利用戻り温度）が３５℃まで上昇するまでは排熱回収設定温度を６０℃とし、以降、熱利用状況検知部１５（排熱利用戻り温度）が４５℃まで上昇する間、排熱回収設定温度は漸次７０℃まで上昇している。
【００４８】
以上述べた第４の実施の形態によれば、第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【００４９】
（４） 第５の実施の形態
図１０及び図１１は、本発明の第５の実施形態を説明するための図である。ここでは、前述した図１の熱利用状況検知部１３、熱利用状況検知部１５に第２、第３の温度設定値を次のように定めるようにしたものである。
【００５０】
熱利用状況検知部１３ないしは熱利用状況検知部１４の検知温度が第２の設定温度を超えた場合、あるいは第２の設定温度を超えて設定時間経過した場合、燃料電池の発電を停止する。燃料電池５の発電運転の開始（再起動）は熱利用状況検知部１３ないしは熱利用状況検知部１４の検知温度が第３の設定温度以下になった場合にこれを行う。
【００５１】
以上述べた第５の実施の形態によれば、第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【００５２】
＜変形例＞
本発明は、前述の実施形態では、熱電併給装置として、燃料電池を例にあげて説明したが、これは例えばガスエンジンやガスタービンのごとき熱電併給装置であれば何でもよい。
【００５３】
また、前述した図２の実施形態では、排熱回収熱交換器６Ａ、６Ｂを２個備えた例を説明し、図２以外の実施形態では排熱回収熱交換器を１個備えた例について説明したが、これに限らず排熱回収熱交換器は何個備えても前述の実施形態と同様に実施できる。
【００５４】
さらに、前述の第１の実施形態に、新たに発電運転停止手段と発電運転開始手段を追加し、発電運転停止手段は熱利用状況検知部の信号により蓄熱槽内の温度或いは蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が第１の設定値に達したとき熱電併給装置の発電運転を停止するものであり、また発電運転開始手段は蓄熱槽内の温度或いは蓄熱槽から排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が第１の設定値より低い第２の設定値に達したとき熱電併給装置の発電運転を開始するようにしたものである。
【００５５】
また、前述した実施形態の１の設定値と、第２の設定値の少なくとも一方は、熱需要の予測演算によって変更されるように構成してもよい。熱需要の予測演算は、具体的には次のように行なう。▲１▼前日あるいは1週間前の実際の熱需要データを事前に制御装置のメモリーに保存しておく。▲２▼熱利用状況検知部の信号から算出した現状の蓄熱量が、▲１▼データと比較し、過剰と判断される場合には、排熱回収温度設定値を上方修正する。▲３▼熱利用状況検知部の信号から算出した現状の蓄熱量が、▲１▼データと比較し、不足と判断される場合には、排熱回収温度設定値を下方修正する。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、安定した運転が継続でき、回収熱量を増加させることができるコージェネレーションシステムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるコージェネレーションシステムの第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】本発明におけるコージェネレーションシステムの第１の実施の形態の詳細を示す構成図。
【図３】本発明におけるコージェネレーションシステムの第１の実施形態の変形例の要部のみを示す構成図。
【図４】本発明におけるコージェネレーションシステムの第２の実施の形態の要部のみを示す構成図。
【図５】本発明におけるコージェネレーションシステムの第２の実施の形態で想定される排熱回収温度設定例を示す図。
【図６】本発明におけるコージェネレーションシステムの第３の実施の形態の要部のみを示す構成図。
【図７】本発明におけるコージェネレーションシステムの第３の実施の形態で想定される排熱回収温度設定例を示す図。
【図８】本発明におけるコージェネレーションシステムの第４の実施の形態で想定される１つ目の排熱回収温度設定例を示す図。
【図９】本発明におけるコージェネレーションシステムの第４の実施の形態で想定される２つ目の排熱回収温度設定例を示す図。
【図１０】本発明におけるコージェネレーションシステムの第５の実施の形態で想定される１つ目の排熱回収温度設定例を示す図。
【図１１】本発明におけるコージェネレーションシステムの第５の実施の形態で想定される２つ目の排熱回収温度設定例を示す図。
【符号の説明】
１…脱硫器、２…水蒸気分離器、３…ＣＯ変成・除去器、４…改質器、５…燃料電池、６Ａ、６Ｂ、６…排熱回収熱交換器、７…ポンプ、８…流量調整弁、９…蓄熱槽（蓄熱部）、１０…排熱回収温度調整部、１１…熱利用状況検知部、１２、１７、２３、２２、２６…ポンプ、１３、１４、１５…熱利用状況検知部、１８、１９…弁、２０…制御装置、２０．２４…熱交換器、３０…燃料電池プラント。
Claims (9)
- 電力の発生と該電力の発生に伴う排熱を発生する熱電併給装置と、
前記熱電併給装置からの排熱を回収する排熱回収熱交換器と、
前記排熱回収熱交換器で回収した排熱を熱媒体に代えて蓄える蓄熱槽と、
前記排熱回収熱交換器で回収した熱媒体を前記蓄熱槽に移送するポンプと、
前記蓄熱槽の熱利用状況を検知する熱利用状況検知部と、
前記排熱回収熱交換器と前記蓄熱槽の間の熱媒体通路に設けられた排熱回収温度検知部と、
前記熱利用状況検知部からの検知信号により前記排熱回収温度検知部における設定温度を演算し、当該排熱回収温度検知部での計測温度が前記設定温度となるよう前記ポンプの吐出流量を調整するものであって、前記熱利用状況検知部からの検知信号により熱利用状況が前記排熱回収熱交換器からの排熱回収量と比較して過小である場合には、前記熱媒体流量を減少することで排熱回収温度を上げる制御を行う制御装置と、
を具備したコージェネレーションシステム。 - 前記熱利用状況検知部は前記蓄熱槽内部の熱媒体の温度又は熱量を検出する温度検出器又は熱量検出器である請求項１記載のコージェネレーションシステム。
- 前記熱利用状況検知部は前記蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度又は熱量を検出する温度検出器又は熱量検出器である請求項１記載のコージェネレーションシステム。
- 前記熱利用状況検知部は、前記蓄熱槽内部の熱媒体の温度又は熱量を検出する第１温度検出器又は第１熱量検出器及び前記蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の熱媒体の温度又は熱量を検出する第２温度検出器又は第２熱量検出器である請求項１記載のコージェネレーションシステム。
- 前記熱利用状況検知部の信号により前記蓄熱槽内の温度或いは前記蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が第１の設定値に達したとき前記熱電併給装置の発電運転を停止する発電運転停止手段と、
を更に具備した請求項１記載のコージェネレーションシステム。 - 前記熱利用状況検知部の信号により前記蓄熱槽内の温度或いは前記蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が第１の設定値より小さくなったとき前記熱電併給装置の発電運転を開始する発電運転開始手段と、
を更に具備した請求項１記載のコージェネレーションシステム。 - 前記熱利用状況検知部の信号により前記蓄熱槽内の温度或いは前記蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が前記第１の設定値より低い第２の設定値に達したとき前記熱電併給装置の発電運転を開始する発電運転開始手段と、
を更に具備した請求項１記載のコージェネレーションシステム。 - 前記熱利用状況検知部の信号により前記蓄熱槽内の温度或いは前記蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が第１の設定値に達したとき前記熱電併給装置の発電運転を停止する発電運転停止手段と、
前記蓄熱槽内の温度或いは前記蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が前記第１の設定値より低い第２の設定値に達したとき熱電併給装置の発電運転を開始する発電運転開始手段と、
を更に具備した請求項１記載のコージェネレーションシステム。 - 前記第１の設定値と、前記第２の設定値の少なくとも一方は、熱需要の予測演算によって変更される請求項５〜８のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
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