JP4536022B2 - コージェネレーションシステム及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を用いて発電するとともに、燃料電池から回収した熱を用いて給湯などを行うコージェネレーションシステム及びその運転方法に関する。

近年、分散型電源としての燃料電池を系統電源（商用電源）と連系させて動作させるとともに、燃料電池の動作に伴って発生する廃熱を回収して給湯などを行うコージェネレーションシステムが注目を浴びている。このようなコージェネレーションを電力需要家宅に設置すれば、その需要家における電力需要の少なくとも一部を燃料電池からの電力で賄えるようになるとともに、その需要家における給湯や床暖房などに要する熱需要については燃料電池からの廃熱を利用できるようになるので、トータルとしての高いエネルギー効率を達成することができる。

図２は、従来のコージェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。ここでは、燃料電池として、改質器と燃料電池スタックとを備え、炭化水素系の燃料（メタノール、エタノール、メタン、天然ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ）、ガソリン、灯油など）を改質器で改質して水素を生成し、この水素と空気中の酸素とから燃料電池スタックにおいて直流電力を発生する、炭化水素改質型燃料電池が用いられるものとしている。特にここでは燃料として灯油が用いられるものとする。

コージェネレーションユニット１０には、燃料を改質して水素を発生する改質器１１と、改質器１１で発生した水素と空気中の酸素から燃料電池反応により直流電力を発生させる燃料電池スタック１２と、燃料電池を系統電源に連系させる機能を備え、燃料電池スタック１２で発生した直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ（ＰＣＳ）１３と、改質器１１からの熱や燃料電池スタック１２での燃料電池反応からの熱を回収する熱交換器１４とが設けられている。燃料電池の改質器１１や燃料電池スタック１２が動作している場合には、改質器１１における改質反応、燃料電池スタック１２での燃料電池反応はいずれも発熱反応であるので、改質器１１や燃料電池スタック１２を所定の温度に維持するためには改質器１１や燃料電池スタック１２から熱を回収する必要があり、熱交換器１４の一次側には、改質器１１や燃料電池スタック１２からの熱が供給されるようになっている。ここには図示していないが、燃料電池に対して燃料を供給するポンプや、燃料電池の起動時に改質器１１や燃料電池スタック１２を所定温度にまで加熱するヒータが、コージェネレーションユニット１０内に設けられている。

需要家の宅内の負荷に接続する分電盤１５は、系統電源に接続するとともにパワーコンディショナ１３にも接続し、これにより、負荷には、系統電源からの交流電力とパワーコンディショナ１３からの交流電力とが同一の配電線を介して供給されることになる。

熱交換器１４で回収した熱を利用して給湯を行うために、給湯ユニット２０が設けられている。給湯ユニット２０は、コージェネレーションユニット１０の熱交換器１４の二次側に接続する熱回収配管２１と、熱交換器１４で回収した熱を温水の形態で蓄積する垂直方向に細長い形状の貯湯槽２２と、貯湯槽２２から得られる温水の温度が低い場合に加熱する給湯器２３とを備えている。貯湯槽２２に低温水しか蓄えられていない場合にも、給湯器２３を用いて貯湯槽２２内の低温水あるいは上水を加熱することによって、所望の温度の温水が得られるようになっている。貯湯槽２２では、一定温度の温水を常時供給できるようにするために、温度成層が形成されるようにして温水が蓄えられる。すなわち、熱交換器１４の二次側に接続する熱回収配管２１は、貯湯槽２２の下端と上端とに接続し、貯湯槽２２の下端から貯湯槽２２内の水を熱交換器１４に供給し、熱交換器１４で加温された温水を貯湯槽２２の上端に供給するように構成されている。このような貯湯槽２２と熱交換器１４との間での水（温水）の循環は、例えばポンプ等を用いて達成させられる。なお、改質器１１における燃料の改質には水蒸気が必要であるが、この水蒸気は、熱回収配管２１によって熱交換器１４の二次側に供給された水の一部を改質器１１に供給することによって発生させられる。貯湯槽２２の下端には、給水管２４によって上水が供給されるようになっている。そして貯湯槽２２の上端には、貯湯槽２２内の温水を外部に供給するための温水出口２５が設けられている。

この構成では、貯湯槽２２の上端において、熱交換器１４からの例えば６０℃程度の温水が貯湯槽２２内に蓄えられ、また、貯湯槽２２に蓄えられた温水が外部に供給される。図Ｚにおいて、貯湯槽内の高さ方向の各位置における温度がＴ₁〜Ｔ_nで示されている。燃料電池から回収される熱により、熱回収配管２１を介して貯湯槽２２の上端に温水が供給されるので、貯湯槽２２内では、上側が例えば６０℃の温水、下側がほぼ上水の温度の低温水というように、温度成層が形成される。この場合、貯湯槽２２内では対流が起こるわけではないので、貯湯槽２２内で一様な温度勾配が形成されるわけではない。実際には、上端側からある深さのところまでは、ほぼ一定温度の温水であり、そこから急激に温度が下がって、すぐに低温水となり、そのまま貯湯槽２２の下端までが低温水の領域となる。燃料電池が運転し続けてると、上端から貯湯槽２２に温水が供給され続けるので、温水と低温水との境目が、貯湯槽２２内で下端側に移動する。貯湯槽２２から外部に温水を供給すると、その供給した分に相当する上水が貯湯槽２２の下端から供給されるので、温水と低温水との境目が、貯湯槽２２内で上端側に移動する。このようにしてこの給湯ユニット３０では、燃料電池の廃熱を貯湯槽２２内に蓄えることができるとともに、貯湯槽２２内での温水と低温水との境目が上端側に達しない限り、ほぼ一定の温度の温水を外部に対して供給することができる。

温水出口２５からの温水配管２６は、給湯器２３を介して、需要家の宅内の例えば、風呂、シャワー、洗面所、台所、厨房などに接続している。給湯器２３は、温水配管２６を流れる温水をボイラによって所望の加熱する構成のものである。さらに、貯湯槽２２内の温水の温度よりも低い温度の温水を需要家の宅内側で必要とする場合に備え、温水出口２５と給湯器２３との間の温水配管２６には、上水が供給される温度調整弁(混合弁)２７が設けられている。この温度調整弁２７において貯湯槽２２からの温水に上水を混合することによって、温水の温度を低下させて所望の温度することができるようになっている。

さらにこのコージェネレーションシステムでは、コージェネレーションユニット２０（燃料電池）及び給湯器２３に燃料である灯油を送るための燃料タンク４０が設けられている。ここでは燃料タンク４０には残油検知機は設けられていないが、特開平１１−３１６０１７号公報（特許文献１）には、灯油タンクにタンク内の灯油の残量を検出する残油検知機を設け、タンク内の灯油が少なくなった場合に灯油の配送業者に自動的に連絡がなされるようにした灯油残量検出装置が開示されている。
特開平１１−３１６０１７号公報

しかしながら、上述した従来のコージェネレーションシステムでは、燃料タンク内の灯油が切れてしまうと、給湯器も灯油を燃料とするので、燃料電池が発電しなくなるだけではなく、貯湯槽内の温水がなくなってしまえば、給湯もできなくなる、という問題点がある。貯湯槽内に温水が蓄えれれていたとしても、その温水より高温の温水が必要となる場合にも、給湯ができなくなる。上述したようなコージェネレーションシステムを導入した需要家においては、燃料電池による発電が停止しても、その分の電力は系統電源側から供給されるので、燃料切れによる発電停止による影響をあまり受けることはない。しかしながら、燃料切れによって給湯が停止してしまうと、他に温水を得る手段を準備していないことが多いので、深刻な問題を引き起こすことがある。

そこで本発明の目的は、燃料が少なくなった場合であっても給湯の停止をできるだけ起こさないコージェネレーションシステムおよびその運転方法を提供することにある。

本発明のコージェネレーションシステムは、燃料電池と、燃料電池の動作に伴って発生する熱を回収する熱交換器と、熱交換器を循環して加熱された水を貯蔵する貯湯槽と、貯湯槽から得られる水及び上水を混合する温度調整弁と、温度調整弁から流出する水を所定の温度まで加温する機能を有する給湯器と、燃料電池及び給湯器に同一の燃料を供給する燃料タンクと、を有するコージェネレーションシステムであって、燃料タンクにおける残油量を検出する残油検知機と、残油量が第１の所定の値以下である場合に、燃料電池の出力電力が低下し、あるいは燃料電池が停止するように、燃料電池を制御する制御手段と、を有する。

本発明のコージェネレーションシステムでは、制御手段は、例えば、燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換するとともに燃料電池を系統電源に連系させるパワーコンディショナと、残油検知機からの信号に応じて前記パワーコンディショナを制御する制御装置と、からなる。この場合、制御装置は、残油量が、第１の所定の値よりも大きい第２の所定の値以下となったときに、ネットワークを介して、燃料を配送する配送センターに対して、残油量が減ってきたことを通知するようにすることが好ましい。

本発明のコージェネレーションシステムの運転方法は、燃料電池と、燃料電池の動作に伴って発生する熱を回収する熱交換器と、熱交換器を循環して加熱された水を貯蔵する貯湯槽と、貯湯槽から得られる水及び上水を混合する温度調整弁と、温度調整弁から流出する水を所定の温度まで加温する機能を有する給湯器と、燃料電池及び給湯器に同一の燃料を供給する燃料タンクと、を有するコージェネレーションシステムの運転方法であって、燃料タンクにおける燃料の残油量を検出し、残油量が第１の所定の値以下である場合に、燃料電池の出力電力が低下し、あるいは燃料電池が停止するように、燃料電池を制御する。

本発明において、燃料としては、例えば灯油が使用される。

本発明では、燃料タンクにおける残油量を検出し、残油量が少なくなってきた場合に、燃料電池からの出力を低下させ、あるいは燃料電池を停止させることにより、燃料を優先的に給湯器に割り当てることができる。したがって、燃料がなくなるまでの時間を長くすることができるようになるとともに、油切れにより給湯不可となる可能性を低減することができる。

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の一形態のコージェネレーションシステムの構成を示している。

このコージェネレーションシステムは、図１に示したコージェネレーションシステムと同様のものであるが、燃料タンク内の残油量を検出する残油検知機を設けるとともに、パワーコンディショナ１３を制御する制御装置５０を設けた点で図２に示したものと異なっている。図２において、図１に示したものにおけるものと同一の構成要素には同一の参照符号が付与されており、これらについては、重複する説明は簡略化する。図１では制御装置５０は、給湯ユニット２０に取り付けられているが、給湯ユニット２０とは別体のものとして設けてもよい。同様に、給湯器２３も、貯湯槽２２から離して設けるようにしてもよい。

図１に示すコージェネレーションシステムは、例えば灯油を燃料とするものであって、燃料である灯油は、灯油の配送業者などによって、燃料タンク４０に供給され貯蔵されるようになっている。燃料タンク４０には、燃料タンク４０内の灯油の残量を検出する残油検知機４１が取り付けられており、灯油の残量の検出結果は、信号線を介して制御装置５０に送られるようになっている。

コージェネレーションユニット１０には、燃料タンク４０から灯油が供給され、この灯油を改質して水素を発生する改質器１１と、改質器１１で発生した水素と空気中の酸素から燃料電池反応により直流電力を発生させる燃料電池スタック１２と、燃料電池を系統電源に連系させる機能を備え、燃料電池スタック１２で発生した直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ（ＰＣＳ）１３と、改質器１１からの熱や燃料電池スタック１２での燃料電池反応からの熱を回収する熱交換器１４とが設けられている。ここでは、図２に示したものと同様に、熱交換器１４の一次側には、改質器１１や燃料電池スタック１２からの熱が供給されるようになっている。

パワーコンディショナ１３は、燃料電池を系統電源に連系させる機能を有するが、燃料電池を系統電源に連系させる場合には、系統電源側での保安上の理由により、経済産業省資源エネルギー庁がまとめた「系統連系ガイドライン」に記載されているように、燃料電池側から系統電源側に逆潮流が起きてならず、特に系統電源の停電時には、パワーコンディショナ１３から交流電力が出力されないようにする必要がある。そこでパワーコンディショナ１３は、逆潮流の防止や停電時の出力停止のために、燃料電池の発電量を制御し、また、停電時などに燃料電池を停止させる機能を備えている。本実施形態では、パワーコンディショナ１３は、制御装置５０からの信号によっても、燃料電池の出力を絞ったり、燃料電池を停止させたりすることができる機能を備えている。

需要家の宅内の負荷に接続する分電盤１５は、系統電源に接続するとともにパワーコンディショナ１３にも接続し、これにより、負荷には、系統電源からの交流電力とパワーコンディショナ１３からの交流電力とが同一の配電線を介して供給されることになる。

熱交換器１４で回収した熱を利用して給湯を行うために、給湯ユニット２０が設けられている。給湯ユニット２０は、コージェネレーションユニット１０の熱交換器１４の二次側に接続する熱回収配管２１と、熱交換器１４で回収した熱を温水の形態で蓄積する垂直方向に細長い形状の貯湯槽２２と、貯湯槽２２から得られる温水の温度が低い場合に加熱する給湯器２３とを備えている。貯湯槽２２に低温水しか蓄えられていない場合にも、給湯器２３を用いて貯湯槽２２内の低温水あるいは上水を加熱することによって、所望の温度の温水が得られるようになっている。貯湯槽２２では、一定温度の温水を常時供給できるようにするために、図２において説明した場合と同様にして、温度成層が形成されるようにして温水が蓄えられる。すなわち、熱交換器１４の二次側に接続する熱回収配管２１は、貯湯槽２２の下端と上端とに接続し、貯湯槽２２の下端から貯湯槽２２内の水を熱交換器１４に供給し、熱交換器１４で加温された温水を貯湯槽２２の上端に供給するように構成されている。なお、改質器１１における燃料の改質には水蒸気が必要であるが、この水蒸気は、熱回収配管２１によって熱交換器１４の二次側に供給された水の一部を改質器１１に供給することによって発生させられる。貯湯槽２２の下端には、給水管２４によって上水が供給されるようになっている。そして貯湯槽２２の上端には、貯湯槽２２内の温水を外部に供給するための温水出口２５が設けられている。

温水出口２５からの温水配管２６は、給湯器２３を介して、需要家の宅内の例えば、風呂、シャワー、洗面所、台所、厨房などに接続している。給湯器２３は、燃料タンク４０から灯油が燃料として供給されるものであって、温水配管２６を流れる温水をボイラによって所望の加熱する構成のものである。さらに、貯湯槽２２内の温水の温度よりも低い温度の温水を需要家の宅内側で必要とする場合に備え、温水出口２５と給湯器２３との間の温水配管２６には、上水が供給される温度調整弁(混合弁)２７が設けられている。この温度調整弁２７において貯湯槽２２からの温水に上水を混合することによって、温水の温度を低下させて所望の温度することができるようになっている。

制御装置５０は、残油検知機４１で検出された残油量が所定値を下回った場合に、パワーコンディショナ１３に対し、燃料電池の出力を抑制し、あるいは燃料電池を完全に停止させるように指令を出すように構成されている。

次に、本実施形態のコージェネレーションシステムの動作について説明する。

燃料タンク４０内の残油量が所定値（しきい値）以上である場合には、制御装置５０は、パワーコンディショナに対して指令を出力しないので、燃料電池は定格出力で運転することができる。このように運転していて燃料タンク４０内の灯油の残量が所定値を下回ったことを残油検知機４１が検出し、そのことが制御装置５０に伝えられると、制御装置５０は、パワーコンディショナ１３に対し、燃料電池の出力を抑制し、あるいは燃料電池を完全に停止させるように指令を出力する。このような指令を受信すると、パワーコンディショナ１３は、燃料電池の出力を抑制し、あるいは燃料電池を完全に停止させる。このように燃料電池の出力を抑制すると、その分、燃料タンク４０から燃料電池に供給される灯油量が削減する。燃料電池を完全に停止させれば、もちろん、燃料タンク４０から燃料電池へは灯油は供給されなくなる。その結果、燃料電池に供給されるはずだった灯油が燃料タンク４０内に残り、この灯油は給湯器２３に供給できるようになるので、結果として、従来のコージェネレーションシステムに比べ、灯油の残量が少なくなってきた場合であっても、給湯を続行することが可能になる。

ここで、給湯を続行できることについて、理由を説明する。燃料電池を用いて電力と給湯用の熱を発生するコージェネレーションユニット１０は、電力及び温水の熱エネルギーの全体としてエネルギー効率（総合効率）としては高い値を示すが、給湯に用いられる分のみを考えると、エネルギー効率は５０％程度である。これに対し、給湯器２３での熱のエネルギー効率は一般に８０％以上と高い。したがって、同じ温度、同じ給湯量とするのであれば、燃料電池を主たる熱源として温水を発生させるよりも、給湯器２３を熱源とした方が灯油の消費量を少なくすることができ、その分、油切れにより給湯不可となる可能性を低減することができる。

さらに、本実施形態では、制御装置５０は、残油量が少なくなってきたときに、ネットワーク５１を介して、遠隔地にある灯油の配送センター５２などにその旨を自動的に通知するようにしてもよい。コージェネレーションシステムを一般の需要家宅に設置する場合には、遠隔地にある監視センターからコージェネレーションシステムを遠隔監視するのが一般的であるので、この遠隔監視の仕組みを用いて、配送センター５２に通知を行うようにすることができる。配送センター５２は、この通知を受けて、タンクローリーなどにより、燃料タンク４０に灯油を配達してタンク内に灯油を注入すればよい。このような自動通知の仕組みを設けることによって、油切れ自体を防止することができるようになる。この場合、残油量が減ったことに伴って燃料電池の出力を低下させ、あるいは停止させる際に用いられる残油量のしきい値よりも、配送センター５２に通知する際のしきい値の方を大きくしておくべきである。

以上の説明では、燃料は灯油であるとしたが、燃料として、灯油以外にも、例えば、メタノール、エタノール、メタン、天然ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ）、ガソリンを用いることができ、これらの燃料を用いる場合であっても、燃料タンク内での燃料の残量に応じて上述したような制御を行えばよい。

本発明の実施の一形態のコージェネレーションシステムを示す図である。 従来のコージェネレーションシステムの一例を示す図である。

符号の説明

１０ コージェネレーションユニット
１１ 改質器
１２ 燃料電池スタック
１３ パワーコンディショナ
１４ 熱交換器
１５ 分電盤
２０ 給湯ユニット
２１ 熱回収配管
２２ 貯湯槽
２３ 給湯器
２４ 給水管
２５ 温水出口
２６ 温水配管
２７ 温度調整弁
４０ 燃料タンク
４１ 残油検知機
５０ 制御装置
５１ ネットワーク
５２ 配送センター

Claims (8)

1. 燃料電池と、前記燃料電池の動作に伴って発生する熱を回収する熱交換器と、前記熱交換器を循環して加熱された水を貯蔵する貯湯槽と、前記貯湯槽から得られる水及び上水を混合する温度調整弁と、前記温度調整弁から流出する水を所定の温度まで加温する機能を有する給湯器と、前記燃料電池及び前記給湯器に同一の燃料を供給する燃料タンクと、を有するコージェネレーションシステムであって、
   前記燃料タンクにおける残油量を検出する残油検知機と、
   前記残油量が第１の所定の値以下である場合に、前記燃料電池の出力電力が低下し、あるいは前記燃料電池が停止するように、前記燃料電池を制御する制御手段と、
   を有する、コージェネレーションシステム。
2. 前記制御手段は、前記燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換するとともに前記燃料電池を系統電源に連系させるパワーコンディショナと、前記残油検知機からの信号に応じて前記パワーコンディショナを制御する制御装置と、からなる、請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
3. 前記制御装置は、前記残油量が、前記第１の所定の値よりも大きい第２の所定の値以下となったときに、ネットワークを介して、前記燃料を配送する配送センターに対して、残油量が減ってきたことを通知する、請求項２に記載のコージェネレーションシステム。
4. 前記燃料が灯油である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
5. 燃料電池と、前記燃料電池の動作に伴って発生する熱を回収する熱交換器と、前記熱交換器を循環して加熱された水を貯蔵する貯湯槽と、前記貯湯槽から得られる水及び上水を混合する温度調整弁と、前記温度調整弁から流出する水を所定の温度まで加温する機能を有する給湯器と、前記燃料電池及び前記給湯器に同一の燃料を供給する燃料タンクと、を有するコージェネレーションシステムの運転方法であって、
   前記燃料タンクにおける燃料の残油量を検出し、
   前記残油量が第１の所定の値以下である場合に、前記燃料電池の出力電力が低下し、あるいは前記燃料電池が停止するように、前記燃料電池を制御する、コージェネレーションシステムの運転方法。
6. 前記燃料電池は、系統電源に連系されて運転される、請求項５に記載のコージェネレーションシステムの運転方法。
7. 前記残油量が、前記第１の所定の値よりも大きい第２の所定の値以下となったときに、ネットワークを介して、前記燃料を配送する配送センターに対して、残油量が減ってきたことを通知する、請求項５または６に記載のコージェネレーションシステムの運転方法。
8. 前記燃料が灯油である、請求項５乃至７のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステムの運転方法。

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