JP4473269B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents

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Description

本発明は、発電装置により発生した電力を家庭の電力負荷に供給し、発電装置により発生した熱を排熱回収回路により回収して家庭などの熱源として利用する、コージェネレーションシステムに関する。
従来のコージェネレーションシステムとしては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。図７は、従来のコージェネレーションシステムの概略構成を示すブロック図である。
図７に示すように、このコージェネレーションシステム５００は、エンジン排熱回収回路５１により、発電装置としてのガスエンジン５２の排気経路５３に接続された排熱熱交換器５４と、ヒータ５６と、熱交換器５７と、排熱ポンプ５５と、が直列に接続されている。また、貯湯経路５８により、貯湯タンク５９（蓄熱部）と、熱交換器５７と、循環温度センサ６１と、循環ポンプ６０と、が直列に接続されている。熱交換器５７は、エンジン排熱回収回路５１内の水（第１の熱媒体）と、貯湯経路５８内の水（第２の熱媒体）との間で熱交換できる構造となっている。
コージェネレーションシステム５００の動作を以下に説明する。ガスエンジン５２の駆動により、内部に備え付けられた発電装置（図示せず）が電力を発生し、家庭などへ供給する。発電に伴って発生する熱は、排気経路５３に接続された排熱熱交換器５４を介してエンジン排熱回収回路５１内の水へ伝えられる。排熱ポンプ５５がエンジン排熱回収回路５１内の水を循環させることにより、排熱熱交換器５４で回収された熱は、熱交換器５７を介して貯湯経路５８内の水へ伝えられる。循環ポンプ６０が貯湯経路５８内の水を循環させることにより、熱交換器５７で回収された熱は、貯湯タンク５９に温水として貯えられる。かかる構成によれば、ガスエンジン５２により発生した電力を使用すると同時に、この貯湯タンク５９に貯えられた温水を家庭などの給湯または暖房に使用することが可能となり、コージェネレーションシステムとしての機能が果たされる。
つぎに、コージェネレーションシステム５００の、水温制御方法について説明する。貯湯経路５８内の水は、熱交換器５７により加熱されるが、このとき循環温度センサ６１が検知する水温が、常に回収可能な最高温度の目標値（例えば７０℃）になるように、循環ポンプ６０の循環流量を制御する。例えば、熱交換器５７によりエンジン排熱回収回路５１から伝えられる熱量が少なくなれば、（具体的には、循環温度センサ６１で検出される温度が目標値より低下すれば）循環ポンプ６０の流量を減少させ、循環温度センサ６１で検知される温度を高温に維持するフィードバック制御を行っている。熱交換器５７で加温された水は、上方から貯湯タンク５９内へと供給される。熱交換器５７へ供給される水は、貯湯タンク５９の下方から取出される。この水温制御方法により、貯湯タンク５９内は上方に高温の温水をためる、いわゆる積層沸上げを行う。この方式では、貯湯タンク５９内の水が全て高温でなくても、上方の水温は高く維持される。使用時には、上方から温水を取り出すことで、常に高温の温水を使用することができる。この特長を生かすためには、上記水温制御方法において、循環温度センサ６１部の温度を常に高温に維持することが重要である。
一方、ガスエンジン５２で発生した電力を家庭などに供給する場合、一般的には電力会社等が敷設している電力供給系統に接続（図示せず）し、いわゆる系統連係を行う。系統連係により、ガスエンジンの発電能力だけで家庭などの電力負荷をまかないきれない場合には、外部から電力を供給する。系統連係を行う場合、ガスエンジン５２の発電電力に対し家庭などの電力負荷が小さいと、電力供給側へと電気が流れる、いわゆる逆潮流が発生する。この逆潮流を防止するために、この従来のコージェネレーションシステムでは、ヒータ５６に通電し、余剰電力を熱エネルギーに変換する処理を行っている。
特開２００４−２６３５８９号公報
しかしながら、上記従来のコージェネレーションシステムでは、ガスエンジン５２による発電電力がほぼ一定または必要に応じて緩やかに変化するのに対し、家庭などの負荷電力は急激かつ頻繁に変化する。そのため、ヒータ５６に供給される余剰電力が大きく変化し、熱交換器５７から貯湯経路５８に与えられる熱量も大きく変化するため、循環温度センサ６１に基づく循環ポンプ６０の流量をフィードバック制御する場合、水温（第２の熱媒体の温度）が大きくハンチングするという問題があった。そして、水温目標値７０℃に対し、例えば水温が７０℃から４０℃の間でハンチングした場合は、貯湯タンク５９には、平均５５℃の温水しか貯えることができない。すなわち、上記従来の構成と制御方法では、十分な貯湯温度（蓄熱部に貯留される第２の熱媒体の温度）が維持できないという課題があった。
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、発電装置の排熱及び発電装置の余剰電力で発生させた熱を第２の熱媒体へと回収して蓄熱部に貯留する際に、蓄熱部内における第２の熱媒体を高い目標温度に維持す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する。
発明者らは、上記従来の課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、水温のハンチングは、ヒータから供給される熱量の変動が循環温度センサで検出される温度に反映されるまでの間に時間差があるために発生することに気づいた。かかる時間差が存在すると、循環温度センサの温度が低下した時点では、熱交換器の内部を含めた経路上に相当量の水温の低い水が発生してしまい、ポンプの流量を下げてもすぐには水温は回復しない。また、水の熱容量や熱交換器、配管等が有する熱容量によっても、水温の応答は遅れることになる。かかる理由によって、暫くの間は貯湯タンクへと水温の低い水が供給されることになり、十分な貯湯温度（蓄熱部に貯留される第２の熱媒体の温度）が維持できなくなる。発明者らは、かかる知見を踏まえ、温度センサの下流側にヒータを設ければ、ヒータから供給される熱量の変動がポンプの流量に与える影響を緩やかにでき、貯湯タンク内の水温を高い目標温度に維持可能であることに想到した。
上記従来の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、発電装置と、前記発電装置を第１の熱媒体で冷却する冷却回路と、前記冷却回路上に設けられた熱交換器と、前記熱交換器を介して第１の熱媒体と熱交換する第２の熱媒体が通流する排熱回収回路と、前記排熱回収回路と接続し前記熱交換器により熱交換された第２の熱媒体を蓄える蓄熱部と、制御部とを備えるコージェネレーションシステムであって、第２の熱媒体が流れる方向に対して前記熱交換器の下流には、第１の温度検知器と、前記発電装置の電力が供給されるヒータとがこの順に接続され、さらに前記排熱回収回路には第２の熱媒体を循環させる循環ポンプが接続され、前記制御部は、前記第１の温度検知器によって検知される温度に基づいて、前記検知温度が所定の目標温度になるよう前記循環ポンプの流量を制御するとともに前記第１の温度検知器で検出される温度が、前記所定の目標温度よりも高い第１の判定温度以上になった場合に前記コージェネレーションシステムの運転を停止させる。
かかる構成では、ヒータが第１の温度検知器よりも下流に配設されているため、ヒータによる加熱の有無が第１の温度検知器によって検知される温度に直接影響しない。また、第１の熱媒体の温度は、第１の温度検知器が検知する温度に基づいて制御される。よって、発電装置の排熱及び発電装置の余剰電力で発生させた熱を第２の熱媒体へと回収して蓄熱部に貯留する際に、余剰電力の変動があっても第１の熱媒体の温度はハンチングせず、蓄熱部内における第２の熱媒体を高い目標温度に維持することが可能となる。またかかる構成では、貯湯タンク内の湯が沸騰等により異常に高温になることでユーザがやけど等をしないように安全性を確保することが可能となる。
本発明のコージェネレーションシステムは上述のような構成を有し、以下のような効果を奏する。すなわち、発電装置の排熱及び発電装置の余剰電力で発生させた熱を第２の熱媒体へと回収して蓄熱部に貯留する際に、上述のハンチングの問題が解消されるため、蓄熱部内における第２の熱媒体を高い目標温度に維持す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ができる。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態のコージェネレーションシステムの概略構成を示すブロック図である。以下、図１を参照しつつ、コージェネレーションシステム１００のハードウェアと制御系統について説明する。
まず、コージェネレーションシステム１００のハードウェアについて説明する。コージェネレーションシステム１００は、改質装置１と、原料供給経路２と、水素供給経路３と、燃焼排ガス経路４と、発電装置５（燃料電池）とを有する。発電装置５の水素極（図示せず）には水素供給経路３と排水素経路６とが、酸素極（図示せず）には空気ブロワ７と排空気経路８とが、それぞれ接続されている。発電装置５が発生させる電力は、電力変換装置２２により取出されて、外部負荷へと供給される。改質装置１にはバーナ９が備えつけられており、排水素経路６と接続され、水素排ガスを燃焼する。コージェネレーションシステム１００は、さらに冷却水経路１０と、排熱回収回路１２と、貯湯タンク２０とを有する。冷却水経路１０は、発電装置５を冷却する第１の熱媒体である冷却水が流れる冷却回路であり、冷却水ポンプ１１を備えている。排熱回収回路１２は、第１の熱媒体を冷却する第２の熱媒体である水が流れる冷却回路である。排熱回収回路１２には、水の循環方向に、循環ポンプ１３、排空気経路８に取付けられた熱交換器１４、燃焼排ガス経路４に取付けられた熱交換器１５、冷却水経路１０に取付けられた熱交換器１６、第１の温度検知器１７、ヒータ１８、貯湯タンク２０（蓄熱部、蓄熱手段）がこの順に接続されている。貯湯タンク２０には、適宜市水が供給される。本実施形態では、発電装置５には固体高分子型燃料電池が用いられる。
次に、コージェネレーションシステム１００の制御系統について説明する。コージェネレーションシステム１００の制御系統は、制御部２１（制御手段）と、循環ポンプ１３と、第１の温度検知器１７と、ヒータ１８と、電力変換装置２２とを有する。第１の温度検知器１７と、ヒータ１８との位置関係は以下の通りである。すなわち、排熱回収回路１２において、第２の熱媒体が流れる方向おける熱交換器１６の下流に、第１の温度検知器１７と、ヒータ１８とが、この順に接続されている。
制御部２１は例えばＣＰＵ８０とメモリ８１と計時装置８２とＩ／Ｏ（図示せず）とを備えたマイコン基板で構成されている。制御部２１は、図示されない外部負荷の負荷量に応じて発電装置５の出力を制御する。具体的には、制御部２１は、制御部２１に記憶されたプログラムに従い、外部負荷の負荷量に基づいて、空気ブロワ７からの空気供給量および改質装置１からの水素供給量（原料供給経路２からの原料供給量およびバーナ９による加熱量）を制御することにより発電量を制御する。制御部２１は、第１の温度検知器１７と、逆潮流検知器３３（後述）とからの検出信号を受け取り、制御部２１に記憶されたプログラムに従って、循環ポンプ１３の動作および電力変換装置２２からヒータ１８への給電（後述）を制御する。制御部２１は、図示されない温度検知器（例えば、発電装置５の内部や冷却水経路１０の内部に設置される）の検出結果に基づいて冷却水ポンプ１１を制御することで、冷却水経路の内部の水の温度を制御する。なお、制御部２１は複数が備えられていてもよい。すなわち、制御部２１による制御は分散制御であっても、集中制御であってもよい。
図２は、本発明の第１実施形態のコージェネレーションシステムの電力系統を概略的に示すブロック図である。発電装置としての発電装置５で発生した直流電力を交流に変換する電力変換装置２２は、家庭などの電力負荷３１（外部負荷）とともに、電力会社等が敷設する電力供給系統３２に接続されている。電力変換装置２２には、内部付加としてヒータ１８が制御部２１を介して接続されている。制御部２１はヒータ１８への給電をＯＮ／ＯＦＦするスイッチを備えていて、このＯＮ／ＯＦＦを制御する。電力供給系統３２の受電点には、逆潮流検知器３３が設けられている。逆潮流検知器３３には、例えば電流センサが用いられる。逆潮流検知器３３の検知出力は、制御部２１に入力されており、検知結果を制御部２１に送る。このような系統連係接続において、発電装置５は電力負荷３１の消費電力に見合った発電を行うが、電力負荷３１の消費電力が急変した場合は、改質装置１（図１参照）による発電装置５への水素供給量を瞬時に応答させることができないため、発電装置５の発電電力を瞬時に追従させることができない。発電装置５の発電電力よりも外部負荷が大きい場合は、不足分の電力が電力供給系統３２から供給されるが、発電電力よりも外部負荷が小さい場合は、電力供給系統３２側へ電気が逆潮流する。電力系統を流れる交流波形には制約があり、逆潮流が発生すると、交流出力補機の使用状況によってはこの制約の範囲外の電流を系統に流して系統内の交流波形を乱してしまう。コージェネレーションシステム１００では、逆潮流検知器３３が逆潮流を検知した場合、その余剰電力（発電装置５から出力される電力のうち、外部負荷に供給されない余剰部分）をヒータ１８に供給することによって熱エネルギーに変換する。これらの制御は、制御部２１によって行われる。かかる制御により、余剰電力のエネルギーを温水の熱エネルギーとして有効利用でき、コージェネレーションシステム１００のエネルギー効率が向上する。
次に、コージェネレーションシステム１００の動作について、発電と熱利用に分けて以下に説明する。まず、コージェネレーションシステム１００により発電を行うための動作について説明する。炭化水素や水などの原料は、原料供給経路２より改質装置１に供給され、改質装置１内でバーナ９によって加熱され、改質触媒上で改質反応により水素に転換される。この水素は、水素供給経路３から発電装置５の水素極に供給され、発電装置５内で消費された後、余った水素が、排水素経路６を介してバーナ９に供給され、改質装置１を加熱するための燃料として使用される。発電装置５の酸素極には、空気ブロワ７から空気が供給され、発電装置５内で酸素が消費された後、排空気経路８から外部へ排出される。発電装置５内では、水素と空気中の酸素とが反応して電力が発生する。発生した直流電力は電力変換装置２２によって交流に変換され、家庭などに設置された外部負荷へと供給される。
次に、コージェネレーションシステム１００において、発電装置５が発電と同時に発生する排熱を回収する動作について説明する。発電装置５は、発電運転中に熱を発生する。発電装置５が発生する熱は、冷却水経路１０内を冷却水ポンプ１１により循環する水（第１の熱媒体）により発電装置５の外部へと取り出され、熱交換器１６を介して排熱回収回路１２内の水（第２の熱媒体）に伝えられる。伝達された熱により、排熱回収回路１２中の水は温水となる。温水は、循環ポンプ１３によって圧送され、貯湯タンク２０に貯えられる。貯湯タンク２０に蓄えられた温水は、家庭などにおいて給湯または暖房に使用される。かかる動作により、コージェネレーションシステム１００は、発電装置および給湯給熱装置としての機能を果たす。
コージェネレーションシステム１００は、排熱の回収効率を向上させるために、排熱回収回路１２に複数の熱交換器を備える。すなわち、冷却水経路１０に取付けられた熱交換器１６の上流に、燃焼排ガス経路４から排出される熱を回収するための熱交換器１５が、さらにその上流に、排空気経路８から排出される熱を回収するための熱交換器１４が、それぞれ接続されている。かかる構成により、発電装置５から排出される熱をさらに効率よく回収できる。
次に、本発明を特徴づけるコージェネレーションシステム１００における貯湯タンク２０に供給される温水の温度を制御する動作について説明する。排熱回収回路１２内の水は、貯湯タンク２０の下部に配設された取出口から取り出され、熱交換器１４、熱交換器１５、熱交換器１６により加熱される。制御部２１は、第１の温度検知器１７が検知する水温（第１の検知温度）が、常に回収可能な最高温度、すなわち冷却水経路１０内の水温（第１実施形態では７０℃）に略等しくなるように、循環ポンプ１３の流量Ｑを制御する。運転中に、もし、排熱回収回路１２に伝えられる熱量（発電装置５から供給される熱量）が少なくなれば、循環ポンプ１３の流量を絞り、第１の温度検知器１７の部位における水温を高温に維持する。コージェネレーションシステム１００は、いわゆる積層沸上げを行う。すなわち、貯湯タンク２０の下方から取り出された水は、熱交換器１４、１５、１６を経て高温の温水となり、貯湯タンク２０の上部に配設された供給口より供給される。積層沸上げでは、上層に高温の水が溜められるため、貯湯タンク２０内の水の全量を高温にしなくても、温水の使用時には貯湯タンク２０内の温水を上層より取り出せば、高温の温水を使用することができるという特長がある。積層沸上げの特長を生かすためには、第１の温度検知器１７の部位における水温（貯湯タンク２０に供給される温水の温度）を常に安定した高温に維持する必要がある。コージェネレーションシステム１００の特徴は、余剰電力をヒータ１８に供給して水温を上昇させる機構を備えていながら、貯湯タンク２０に供給される温水を常に一定温度以上に維持できる点にある。以下、コージェネレーションシステム１００における水温制御動作について説明する。
図３は、本発明の第１実施形態において制御部によって実行される水温制御プログラムの一例を概略的に示すフローチャートである。図３において、Ｔ１は、第１の温度検知器によって検知される水温を示す。また、目標温度範囲は、例えば、６５℃以上７０℃以下とする。第１の判定温度は、例えば７５℃とする。以下、図３のフローチャートに基づいて、第１実施形態における制御部２１の動作を説明する。
水温制御スタート後、制御部２１は、ステップＳ１１においてＴ１が目標温度範囲の中にあるか否かの判定を行う。Ｔ１が目標温度範囲の中にある場合は、ステップＳ１１の判定を繰り返す。ステップＳ１１において、Ｔ１が目標温度範囲の中にない場合は、制御部２１は、循環ポンプ１３の操作量（流量）を変化させる（Ｓ１２）。このとき、Ｔ１が目標温度範囲の下限よりも低い場合には、制御部２１は、流量がより小さくなるように循環ポンプ１３の操作量を変化させ、Ｔ１が目標温度範囲の上限よりも高い場合には、流量がより大きくなるように循環ポンプ１３の操作量を変化させる。操作量を変化させた後は、Ｔ１が第１の判定温度以上か否かの判定が行われる（Ｓ１３）。Ｔ１が第１の判定温度以上である場合には、制御部２１はコージェネレーションシステム１００の運転を停止する（Ｓ１４）。Ｔ１が第１の判定温度未満の場合には、ステップＳ１１に戻る。なお、上述の制御はＴ１に基づく循環ポンプ１３の制御のみに着目したものであり、割り込み処理や並列処理等により適宜に他の制御（燃料電池の運転等）が行われることは言うまでもない。また、コージェネレーションシステム１００の運転が終了された場合には、Ｔ１に基づく循環ポンプ１３の制御も終了する。
かかる制御によれば、Ｔ１は目標温度範囲内に維持される。ヒータ１８は第１の温度検知器１７よりも下流（第１の温度検知器１７と貯湯タンク２０の間）に配設されているため、ヒータ１８による加熱の有無はＴ１に直接影響しない。Ｔ１が目標温度範囲内に維持されていれば、貯湯タンク２０へと供給される温水の温度は所定の温度以上に維持される。よって、貯湯タンク２０内の水温を高い目標温度に維持可能となる。従来のように、ヒータ１８により加熱された後の水温で循環ポンプ１３のフィードバック制御を行えば、予測困難な負荷電力の急激な変化に伴うヒータ１８の加熱量の変動により水温のハンチングが生じる。本実施形態では、ヒータ１８による加熱の前の水温に基づいて循環ポンプ１３のフィードバック制御を行うため、ハンチングの問題は生じない。なお、図３に示した制御はあくまで例示であり、第１の温度検知器が検知する温度が所定の目標温度になるように制御するものであれば、どのような制御が行われてもよい。
本実施形態のコージェネレーションシステムでは、第１の熱媒体と第２の熱媒体の熱交換を行う熱交換器１６の下流に、第１の温度検知器１７と、発電装置５の余剰電力が供給されるヒータ１８がこの順に接続されており、制御部２１は、第１の温度検知器１７によって検知される温度Ｔ１に基づいて、Ｔ１が所定の目標温度範囲に入るように循環ポンプ１３の流量を制御する。かかる構成によれば、発電装置の排熱及び発電装置の余剰電力で発生させた熱を第２の熱媒体へと回収して蓄熱部に貯留する際に、上述のハンチングの問題が解消されるため、蓄熱部内における第２の熱媒体を高い目標温度に維持することが可能となる。
また、本実施形態のコージェネレーションシステムでは、電力負荷３１に供給されない余剰電力をヒータ１８へ供給する。かかる構成では、発電装置５が発生させる電力を熱源として有効活用できるため、システムのエネルギー効率が向上する。
また、本実施形態のコージェネレーションシステムでは、発電装置５が固体高分子形燃料電池である。固体高分子形燃料電池は熱と電力を同時に発生させることができ、汎用性も高いため、コージェネレーションシステムの発電装置として好適である。なお、発電装置５は、燃料電池に限られず、エンジンを利用した発電機等であってもよい。
上述の説明では、ヒータ１８は、第１の温度検知器１７と貯湯タンク２０との間に配設されたが、貯湯タンク２０の取出口と熱交換器１６との間に配設されていてもよい。熱交換器１６と第１の温度検知器１７とヒータ１８とが、この順に排熱回収回路１２上に配設されていればよい。
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態のコージェネレーションシステムの概略構成を示すブロック図である。第２実施形態のコージェネレーションシステム２００は、第１実施形態のコージェネレーションシステム１００の排熱回収回路１２において、ヒータ１８の下流に第２の温度検知器１９を付加したものであり、その他の部分はコージェネレーションシステム１００の構成と同様である。よって、第１実施形態と第２実施形態において共通する要素には同一の符号および名称を付して、説明を省略する。
第２の温度検知器１９は、排熱回収回路１２の内部を通流する水の温度を検出する装置である。第２の温度検知器１９はヒータ１８の下流にある。すなわち、第２の熱媒体が流れる方向に対して、熱交換器１６の下流に、第１の温度検知器１７と、ヒータ１８と、第２の温度検知器１９とが、この順に配設されている。第２の温度検知器１９は、熱交換器１７およびヒータ１８によって加熱された後の水温を検出し、制御部２１に送る。
次に、コージェネレーションシステム２００の特徴となる動作について説明する。第１実施形態で説明したように、循環ポンプ１３の循環流量は、第１の温度検知器１７が検知する水温（Ｔ１）が目標温度範囲内にあるように、制御部２１により制御される。ここで、余剰電力をヒータ１８に供給した場合、ヒータ１８において温水がさらに加熱され、目標温度範囲の上限よりも高い温度となる場合がある。このとき、余剰電力の大きさによってはヒータ１８による加熱量が大きくなり、ヒータ１８出口の水が沸騰する恐れがある。沸騰を回避するために、第２実施形態では、第２の温度検知器１９が検出する水温（Ｔ２）に基づいて、制御部２１が循環ポンプ１３の流量を制御することにより、ヒータ１８による過熱を防止する。すなわち、Ｔ２が第１の閾値以上に上昇した場合は、制御部２１は、循環ポンプ１３の出力上昇により排熱回収回路１２中の水の流量を第１の所定量だけ増加させる。Ｔ２が第２の閾値以上（第２の閾値＞第１の閾値）に上昇した場合は、制御部２１は、安全のためシステムの運転を停止させる。
図５は、本発明の第２実施形態において制御部によって実行される水温制御プログラムの一例を概略的に示すフローチャートである。図５において、Ｔ１は第１の温度検知器１７によって検知される水温を示し、Ｔ２は第２の温度検知器１９によって検知される水温を示す。また、目標温度範囲は、例えば、６５℃以上７０℃以下とする。第１の判定温度は、例えば７５℃とする。以下、図５のフローチャートに基づいて、第２実施形態における制御部２１の動作を説明する。
水温制御スタート後、制御部２１は、ステップＳ２１においてＴ１が目標温度範囲の中にあるか否かの判定を行う。Ｔ１が目標温度範囲の中にない場合は、制御部２１は、循環ポンプ１３の操作量（流量）を変化させる（Ｓ２２）。このとき、Ｔ１が目標温度範囲の下限よりも低い場合には、制御部２１は、流量がより小さくなるように循環ポンプ１３の操作量を変化させ、Ｔ１が目標温度範囲の上限よりも高い場合には、制御部２１は、流量がより大きくなるように循環ポンプ１３の操作量を変化させる。操作量を変化させた後は、ステップＳ２１に戻る。ステップＳ２１において、Ｔ１が目標温度範囲の中にある場合は、Ｔ２が第１の閾値以上であるか否かの判定が行われる（Ｓ２３）。Ｔ２が第１の閾値以上でないと判定された場合には、ステップＳ２１に戻る。Ｔ２が第１の閾値以上であると判定された場合には、循環流量が増加するように、循環ポンプ１３の操作量が変更される（Ｓ２４）。流量の増加により、熱交換器１４、１５、１７によって第２の熱媒体へと伝達される熱量が少なくなり、過熱が抑制される。ステップＳ２４の後、Ｔ２が第２の閾値以上であるか否かの判定が行われる（Ｓ２５）。Ｔ２が第２の閾値以上であると判定された場合には、制御部２１はコージェネレーションシステム２００の運転を停止する（Ｓ２６）。Ｔ２が第２の閾値以上でないと判定された場合には、ステップＳ２１に戻る。なお、上述の制御はＴ１とＴ２に基づく循環ポンプ１３の制御のみに着目したものであり、割り込み処理や並列処理等により適宜に他の制御（燃料電池の運転等）が行われることは言うまでもない。また、コージェネレーションシステム１００の運転が終了された場合には、Ｔ１とＴ２に基づく循環ポンプ１３の制御も終了する。
かかる制御では、Ｔ２が上昇すれば循環ポンプ１３の循環流量が増加してＴ２を下降させるので、ヒータ１８による過熱が防止される。よって、ヒータによる第２の熱媒体の過熱を防止することができる。あるいは貯湯タンク２０に供給される温水が沸騰することを防止できる。また、Ｔ２が第２の閾値以上となった場合にはコージェネレーションシステム２００の運転が停止されるので、コージェネレーションシステムの熱暴走を防止できる。また、貯湯タンク内の湯が沸騰等により異常に高温になることでユーザがやけど等をしないように安全性を確保することが可能となる。なお、第２実施形態のコージェネレーションシステムにおいても、第１実施形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。
［変形例］
上述の説明では、Ｔ２の閾値は２個であったが、より多くの閾値を用いて段階的に制御が行われてもよい。閾値の個数は必要に応じて変更可能であり、２個でも４個以上でもよい。あるいは、閾値ではなく、演算式やテーブルなどを用いて、水温から流量の制御目標値を決定してもよい。
例えば、Ｔ２が第１の閾値以上に上昇した場合は、制御部２１は、循環ポンプ１３の出力を上昇させ、排熱回収回路１２中の水の流量を第１の所定量だけ増加させる。Ｔ２が第２の閾値以上（第２の閾値＞第１の閾値）に上昇した場合は、制御部２１は、循環ポンプ１３の出力上昇により排熱回収回路１２中の水の流量をさらに第２の所定量増加させる。さらに、Ｔ２が第３の閾値以上（第３の閾値＞第２の閾値）となった場合には、コージェネレーションシステム２００の運転が停止される。
図６は、本発明の第２実施形態の変形例において制御部によって実行される水温制御プログラムのＴ２に基づく制御の部分の一例を概略的に示すフローチャートである。Ｔ１に基づく制御については、図５と同様であるので図および説明を省略する。図６においては、第１の閾値が８５℃、第２の閾値が９０℃、第３の閾値が９５℃、第１の所定量が５％、第２の所定量が５％の場合を例として示す。また、Ｑは循環ポンプ１３が吐出する水の流量を示す。以下、図６を参照しつつ、本変形例における制御部２１による水温制御を説明する。なお、本変形例のコージェネレーションシステム３００は、装置の構成としては第２実施形態のコージェネレーションシステム２００と同様であるので説明を省略する。
過昇温防止制御スタート後、Ｔ２≧８５℃（Ｓ３１）の場合は、制御部２１は、Ｑを５％アップ（Ｓ３２）させる。さらにＴ２≧９０℃（Ｓ３３）の場合は、制御部２１は、さらにＱを５％アップ（Ｓ３４）させる。循環ポンプ１３が吐出する水の流量を制御したにもかかわらず、ヒータ１８が暴走しＴ２≧９５℃（Ｓ３５）となった場合は、制御部２１は、安全のためシステム運転を停止（Ｓ３６）させる。なお、制御部２１は、Ｔ２＜９０℃（Ｓ３７）となった場合は、Ｑを５％ダウン（Ｓ３８）させ、Ｔ２＜８５℃（Ｓ３９）となった場合は、さらにＱを５％ダウン（Ｓ４０）させる。このような過昇温防止制御によって、制御部２１は、ヒータ１８で加熱された水が沸騰することを未然に防止し、万一の故障等によりヒータ１８が暴走した場合でも、安全にシステムを停止させる。なお、上述の制御はＴ２に基づく循環ポンプ１３の制御のみに着目したものであり、割り込み処理や並列処理等により適宜に他の制御（燃料電池の運転等）が行われることは言うまでもない。また、コージェネレーションシステム１００の運転が終了された場合には、Ｔ２に基づく循環ポンプ１３の制御も終了する。
なお、ステップＳ３３において「Ｑを５％アップ」とは、ＱがＱ０の１０５％となるように制御部２１が循環ポンプ１８を制御することを指す。また、ステップＳ５において「Ｑをさらに５％アップ」とは、ＱがＱ０の１１０％となるように制御部２１が循環ポンプ１８を制御することを指す。ステップＳ９において「Ｑを５％ダウン」とは、ＱがＱ０の１０５％となるように制御部２１が循環ポンプ１８を制御することを指す。また、ステップＳ１１において「Ｑを５％ダウン」とは、ＱがＱ０の１００％となるように制御部２１が循環ポンプ１８を制御することを指す。
Ｑ０は図５に示すようにＴ１に基づいて制御されて決定された流量を指す。
本変形例では、第１の温度検知器が検知した温度と第２の温度検知器が検知した温度を組合せて流量を段階的に制御する。より高温の場合にはより流量を増やすことで、迅速に温度を下げることができる。かかる制御によれば、貯湯タンク２０へ供給される温水の水温を適正な範囲（例えば、７０℃以上９５℃以下）に効率よく維持することが可能となる。よって、ヒータによる第２の熱媒体の過熱を効率よく防止できる。
（第３実施形態）
第３実施形態のコージェネレーションシステムは、ヒータ１８への余剰電力が生じたことによる給電とは別に、一定時間ヒータ１８に給電することによって、貯湯タンク２０内の水を、排熱回収の目標温度（例えば７０℃）より高い、雑菌の繁殖が抑制可能と推定される温度（例えば、９０℃）に沸上げることを特徴とする。ハードウエアおよび制御系統については、第１実施形態（図１）と同様であるので、説明を省略する。
発電装置５に６０℃〜７０℃の運転温度となる低温型の燃料電池（例えば、高分子電解質形燃料電池）を用いた場合、余剰電力によるヒータ１８への給電がないときは、貯湯タンク２０内の水は７０℃程度までしか上昇しない。温水を長時間使用しないと、排熱回収回路１２及び貯湯タンク２０を含む排熱回収系内の水は更新されることなく、排熱回収系内に長期間滞留してしまう。かかる場合、７０℃程度の温度では死滅しない雑菌（レジオネラ菌等）が繁殖する可能性がある。
本実施形態のコージェネレーションシステム４００は、制御部２１の制御により、排熱回収系内に繁殖する雑菌を死滅させる目的で、所定の時間ごとに定期的にヒータ１８へ発電装置５または電力供給系統３２より給電する。給電時において制御部２１は、排熱回収回路１２及び貯湯タンク２０内の水を循環させ、排熱回収回路及び貯湯タンク内の水を通常の排熱回収の目標温度よりも高い９０℃程度まで上昇させる。なお、該所定の期間は、タイマー（図示せず）等によって設定された一定間隔であってもよいし、制御部２１が計時装置８２を利用して計測してもよい。制御部２１が、貯湯タンク２０内の温水の使用頻度をセンシングして温水使用が滞留する時刻を設定し、設定時刻に沸上げを行ってもよい。なお、電力供給系統３２からヒータ１８へ給電する場合、図２において、電力供給系統３２とヒータ１８とを、制御部２１を介して電力供給可能に接続することが好ましい。
本実施形態のコージェネレーションシステムでは、制御部２１が、貯湯タンク２０の内部の水を、所定の時間毎に、ヒータ１８により貯湯タンク２０への温水供給の目標温度（例えば７０℃）よりも高い温度（例えば９０℃）へと加熱する。かかる構成では、余剰電力がない場合であっても貯湯タンクの水を高温に加熱できるため、貯湯タンク中での雑菌の繁殖を防止できる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明にかかるコージェネレーションシステムは、発電装置の排熱及び発電装置の余剰電力で発生させた熱を第２の熱媒体へと回収して蓄熱部に貯留する際に、蓄熱部内における第２の熱媒体を高い目標温度に維持することが可能なコージェネレーションシステムであり、家庭用等の定置用発電設備等として有用である。
本発明の第１実施形態のコージェネレーションシステムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態のコージェネレーションシステムの電力系統を概略的に示すブロック図である。 本発明の第１実施形態における制御部による水温制御プログラムの一例を概略的に示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態のコージェネレーションシステムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態における制御部による水温制御プログラムの一例を概略的に示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態の変形例における制御部による水温制御プログラムのＴ２に基づく制御の部分の一例を概略的に示すフローチャートである。 従来のコージェネレーションシステムの概略構成を示すブロック図である。
符号の説明
１ 改質装置
２ 原料供給経路
３ 水素供給経路
４ 燃料排ガス経路
５ 発電装置（燃料電池）
６ 排水素経路
７ 空気ブロワ
８ 排空気経路
９ バーナ
１０ 冷却水経路
１１ 冷却水ポンプ
１２ 排熱回収回路
１３ 循環ポンプ
１４ 熱交換器
１５ 熱交換器
１６ 熱交換器
１７ 第１の温度検知器
１８ ヒータ
１９ 第２の温度検知器
２０ 貯湯タンク
２１ 制御部
２２ 電力変換装置
３１ 電力負荷
３２ 電力供給系統
３３ 逆潮流検知器
５１ エンジン排熱回収回路
５２ ガスエンジン
５３ 排気経路
５４ 排熱熱交換器
５５ 排熱ポンプ
５６ ヒータ
５７ 熱交換器
５８ 貯湯経路
５９ 貯湯タンク
６０ 循環ポンプ
６１ 循環温度センサ
８０ ＣＰＵ
８１ メモリ
８２ 計時装置
１００ コージェネレーションシステム
２００ コージェネレーションシステム
３００ コージェネレーションシステム
４００ コージェネレーションシステム
５００ コージェネレーションシステム

Claims (1)

  1. 発電装置と、前記発電装置を第１の熱媒体で冷却する冷却回路と、前記冷却回路上に設けられた熱交換器と、前記熱交換器を介して第１の熱媒体と熱交換する第２の熱媒体が流通する排熱回収回路と、前記排熱回収回路と接続し前記熱交換器により熱交換された第２の熱媒体を蓄える蓄熱部と、制御部とを備えるコージェネレーションシステムであって、第２の熱媒体が流れる方向における前記熱交換器の下流には、第１の温度検知器と、前記発電装置の電力が給電されるヒータとがこの順に接続され、さらに前記排熱回収回路には第２の熱媒体を循環させる循環ポンプが接続され、前記制御部は、前記第１の温度検知器によって検知される温度に基づいて、前記検知温度が所定の目標温度になるよう前記循環ポンプの流量を制御するとともに前記第１の温度検知器で検出される温度が、前記所定の目標温度よりも高い第１の判定温度以上になった場合に前記コージェネレーションシステムの運転を停止させるコージェネレーションシステム。
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