JP4942386B2 - Power generation / hot water cogeneration system - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池装置と給湯装置からなる発電・給湯コジェネレーションシステムに関し、更に詳しくは、固体電解質形燃料電池を備える燃料電池装置と貯湯槽を備える給湯装置との発電・給湯コジェネレーションシステムに関する。 The present invention relates to a power generation / hot water cogeneration system including a fuel cell device and a hot water supply device, and more particularly to a power generation / hot water cogeneration system including a fuel cell device including a solid electrolyte fuel cell and a hot water supply device including a hot water storage tank.
近年、燃料電池を用いた電力供給システムは、自動車等の移動体用の電源又は家庭等の居住用の電源として注目され、開発が活発に行われている。家庭用燃料電池においては、家庭の電力をまかなうと同時に、給湯も可能な発電・給湯コジェネレーションシステムとして開発が行われている。これまで家庭では、発電所で発電した電力を使用し、家庭で使用する熱は家庭で発生させて使用していた。このため、発電所で発電の際に発生する熱は有効利用されていないという問題があった。発電・給湯コジェネレーションシステムは家庭で発電することが可能であり、その際に発生する熱を蓄えておくことで有効利用が可能になる。家庭用燃料電池に用いられている燃料電池の種類は、固体高分子形と呼ばれるもので、電解質が高分子で構成されており、プロトン伝導を有している。また、燃料電池自身の動作温度は約80℃であり、発電に寄与する燃料は水素のみが用いられるという特徴を有している。 In recent years, a power supply system using a fuel cell has attracted attention as a power source for moving bodies such as automobiles or a power source for residential use such as homes, and has been actively developed. Household fuel cells have been developed as a power generation / hot water cogeneration system that can supply hot water at the same time as supplying household electric power. Until now, households have used electricity generated at power plants and generated heat at home for use. For this reason, there has been a problem that heat generated during power generation at the power plant is not effectively utilized. The power generation / hot water cogeneration system can generate electricity at home, and can be used effectively by storing the heat generated at that time. The type of fuel cell used for household fuel cells is called a solid polymer type, and the electrolyte is made of a polymer and has proton conductivity. The operating temperature of the fuel cell itself is about 80 ° C., and only hydrogen is used as the fuel that contributes to power generation.
この家庭用燃料電池には、一般に、燃料として水素ではなく、家庭にある都市ガスやプロパンといった炭化水素系の燃料が用いられている。このため、複雑な燃料処理の工程が必要とされている。まず、これら家庭に用いられる炭化水素系の燃料は、付臭剤として硫黄成分が用いられている。この硫黄成分は燃料電池セルの電極に悪影響を及ぼす。このため脱硫器とよばれる脱硫触媒が充填された装置で硫黄分が除去される。この後、脱硫された燃料と水道水から作られた純水あるいは発電で生じた水蒸気、水を気体の状態で混合し、改質器と呼ばれる改質触媒が充填された700℃程度の雰囲気下へ送り込まれる。この改質器により炭化水素系の燃料と水蒸気から主成分の水素、副成分の二酸化炭素、一酸化炭素が生成される。また、この改質後のガスには未反応の炭化水素、水蒸気も含まれる。 In this household fuel cell, a hydrocarbon-based fuel such as city gas or propane at home is generally used as a fuel instead of hydrogen. For this reason, complicated fuel processing steps are required. First, the hydrocarbon fuel used in these households uses a sulfur component as an odorant. This sulfur component adversely affects the fuel cell electrode. For this reason, the sulfur content is removed by a device called a desulfurizer filled with a desulfurization catalyst. Thereafter, pure water made from desulfurized fuel and tap water or water vapor generated by power generation and water are mixed in a gaseous state, and the atmosphere is around 700 ° C. filled with a reforming catalyst called a reformer. It is sent to. This reformer generates main component hydrogen, subcomponent carbon dioxide, and carbon monoxide from a hydrocarbon fuel and water vapor. The reformed gas also includes unreacted hydrocarbons and steam.
上述したような炭化水素系の燃料より水素を作り出すことを改質というが、改質方法には水蒸気改質、部分酸化改質、オートサーマル改質と呼ばれる方法がある。上述した改質は、水蒸気改質に該当し、エネルギー的に最も効率がよい改質方法である。改質器によって燃料の大半を水素に変換できるが、このままでは固体高分子形燃料電池に投入することはできない。副成分である一酸化炭素は固体高分子形燃料電池の電極に悪影響を及ぼし、燃料電池の性能を劣化させてしまうからである。 Producing hydrogen from a hydrocarbon-based fuel as described above is called reforming, and reforming methods include methods called steam reforming, partial oxidation reforming, and autothermal reforming. The above-described reforming corresponds to steam reforming and is the reforming method having the highest energy efficiency. Although most of the fuel can be converted to hydrogen by the reformer, it cannot be put into the polymer electrolyte fuel cell as it is. This is because carbon monoxide, which is a subcomponent, adversely affects the electrode of the polymer electrolyte fuel cell and deteriorates the performance of the fuel cell.
そこで、シフト反応と呼ばれる反応を利用し、一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素と水素へ転化させる。残った一酸化炭素はCO選択酸化反応により二酸化炭素へと転化させる。これらのプロセスで一酸化炭素はppmオーダーまで低下し、この後、はじめて固体高分子形燃料電池の燃料として使用することが可能となる。この多量に水素を含んだ燃料とブロワー等によって送られてきた空気とが複数枚直並列に接続された固体高分子形燃料電池セルで反応することにより、直流の電力を発生させる。この直流の電力はDC/ACインバータで交流電力へ変化され、家庭にある電力系統へ接続される。この後、家庭にあるテレビ、冷蔵庫、洗濯機等の電気機器で消費される。また、急激な負荷変動、あるいは停電時の補機の動作に備えてバックアップ電源を備える場合もある。系統との連結には負荷変動、停電等の事故に備えて様々な機能が追加されている(例えば、特許文献1)。 Therefore, a reaction called shift reaction is used to convert carbon monoxide and water vapor into carbon dioxide and hydrogen. The remaining carbon monoxide is converted to carbon dioxide by a CO selective oxidation reaction. In these processes, carbon monoxide is reduced to the order of ppm, and after that, it can be used for the first time as a fuel for a polymer electrolyte fuel cell. The fuel containing a large amount of hydrogen and the air sent by a blower or the like react in a plurality of solid polymer fuel cells connected in series and parallel, thereby generating DC power. This DC power is converted into AC power by a DC / AC inverter and connected to a power system in the home. After that, it is consumed by electric devices such as televisions, refrigerators and washing machines in the home. In some cases, a backup power source is provided in preparation for sudden load fluctuations or operation of the auxiliary equipment during a power failure. Various functions have been added to the connection with the system in preparation for accidents such as load fluctuations and power outages (for example, Patent Document 1).
一方、固体高分子形燃料電池は、高分子膜を用いているため動作温度を80℃程度に抑える必要があり、燃料電池セル内部を循環する冷却水を流す必要がある。この冷却水は温度が上昇するため、これを貯湯槽に蓄えるか、又はこれと水道水を熱交換する。これ以外にも燃料電池のオフガスとの熱交換あるいは燃焼、または改質器の燃焼の排ガスとの熱交換により貯湯槽にお湯を蓄える。貯湯槽には70℃のお湯が蓄えられ、家庭の風呂等に必要な給湯として使われる。また、給湯を使いすぎて貯湯槽のお湯がなくなった場合に備えて追い炊き用の給湯器も備える必要がある。 On the other hand, since the polymer electrolyte fuel cell uses a polymer membrane, it is necessary to suppress the operating temperature to about 80 ° C., and it is necessary to flow cooling water circulating inside the fuel cell. Since the temperature of this cooling water rises, it is stored in a hot water tank or heat exchange is performed between this cooling water and tap water. In addition to this, hot water is stored in a hot water tank by heat exchange or combustion with off-gas of the fuel cell, or heat exchange with exhaust gas of combustion of the reformer. Hot water of 70 ° C is stored in the hot water storage tank, and it is used as hot water required for home baths. In addition, it is necessary to provide a hot water heater for additional cooking in case the hot water is used excessively and the hot water in the hot water tank is exhausted.
しかしながら、従来の発電・給湯コジェネレーションシステムは、発電部、改質部、燃料処理部及びガス供給部を備えた発電ユニットと、貯湯槽と、バックアップボイラーおよび燃料電池のための加湿ユニットを備えた貯湯ユニットとから構成されるため、大型で、設置性に問題があった。 However, the conventional power generation / hot water cogeneration system includes a power generation unit including a power generation unit, a reforming unit, a fuel processing unit, and a gas supply unit, a hot water storage tank, a backup boiler, and a humidification unit for a fuel cell. Since it is composed of a hot water storage unit, it is large and has a problem in installation.
上記問題点に鑑み、本発明は、従来の発電・給湯コジェネレーションシステムを複数のユニットに分割し、家庭用として小型で壁掛け可能とし、設置性とメンテナンス性に優れた発電・給湯コジェネレーションシステムを供給することを課題とする。 In view of the above problems, the present invention divides a conventional power generation / hot water cogeneration system into a plurality of units, enables a small and wall-mountable home use, and provides a power generation / hot water cogeneration system excellent in installation and maintenance. The issue is to supply.
上記課題を解決するために、本発明は、以下の特徴を有する。
請求項1に記載の本発明は、少なくとも、固体酸化物形燃料電池を容器に収容した発電ユニットと、前記発電ユニットの排熱回収で加熱した温水を蓄えかつ軸方向を上下方向とする複数のパイプからなる貯湯槽と、前記貯湯槽の温水が不足したときに温水を補給する給湯器とを具備し、前記貯湯槽と前記給湯器とが個別に分離して設置されることを特徴とする発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、発電ユニット、貯湯槽及び給湯器が個別に分離して設置されているため、設置スペースが小さくなり、家庭用として設置する場所への適合性が広がる。さらに、貯湯槽が独立して設置されることにより、水漏れが発生した場合にも、ガス供給部や電力変換装置の電装部へ与える影響がない。
また、このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽が例えば略円筒形の複数のパイプであるため、隙間を利用して設置することが可能である。
In order to solve the above problems, the present invention has the following features.
The present invention of claim 1 includes at least a power generation unit and the solid oxide fuel cell is accommodated in a container, a plurality of the vertical direction accumulated and axial hot water heated by exhaust heat recovery of the power generation unit A hot water storage tank comprising a pipe and a water heater for replenishing hot water when the hot water in the hot water tank is insufficient, and the hot water storage tank and the water heater are installed separately. This is a power generation / hot water cogeneration system.
In such a power generation / hot water cogeneration system, the power generation unit, the hot water tank, and the water heater are separately installed, so that the installation space is reduced, and the adaptability to the installation location for home use is expanded. Furthermore, since the hot water storage tank is installed independently, there is no influence on the gas supply section or the electrical equipment section of the power converter when water leakage occurs.
In such a power generation / hot water cogeneration system, the hot water storage tank is, for example, a plurality of substantially cylindrical pipes, and therefore can be installed using gaps.
請求項2に記載の本発明は、前記発電ユニットが、前記燃料電池に燃料ガス、酸素含有ガス及び水を供給する供給手段と、前記燃料電池が排出した排熱を回収する排熱回収手段と、前記燃料電池で発生した電力を交流電力に変換して電力系統に接続する電力変換手段とを前記容器に具備することを特徴とする請求項1に記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、前記燃料電池に加え、ガス等の供給手段、排熱回収手段及び電力変換手段等を同一の発電ユニットの容器内に収めるため、さらに設置スペースが小さくなり、家庭用として設置する場所への適合性が広がる。
According to a second aspect of the present invention, the power generation unit includes a supply unit that supplies a fuel gas, an oxygen-containing gas, and water to the fuel cell, and an exhaust heat recovery unit that recovers the exhaust heat discharged from the fuel cell. 2. The power generation / hot water cogeneration system according to claim 1, wherein the container includes power conversion means for converting electric power generated in the fuel cell into AC power and connecting the power to the power system.
In such a power generation / hot water cogeneration system, in addition to the fuel cell, gas supply means, exhaust heat recovery means, power conversion means, etc. are housed in the same power generation unit container, so the installation space is further reduced. , Compatibility with the place where it is installed for home use is expanded.
請求項3に記載の本発明は、前記貯湯槽は、前記パイプの上部同士及び下部同士が配管により連結されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽の貯湯量を、パイプの数を増減することにより、柔軟に対応することが可能となる。
請求項4に記載の本発明は、前記貯湯槽は、前記一方のパイプの上部と、前記他方のパイプの下部とが配管により連結されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯のためのパイプを直列に使用することになるので、お湯と水とが上下二層の状態(成層状態)で蓄えやすくなる。給湯が必要なときに上部のお湯だけを貯湯槽から取り出せるので、比較的小容量の貯湯槽を効率的に用いることができる。貯湯槽を格納する容器の高さを抑制する必要がある場合には、貯湯のためのパイプを直列に使うことが効果的である。
The present invention according to claim 3 is the power generation / hot water cogeneration system according to claim 1 or 2 , wherein the hot water storage tank is configured such that upper and lower portions of the pipes are connected by piping. is there.
In such a power generation / hot water cogeneration system, the amount of hot water stored in the hot water storage tank can be flexibly handled by increasing or decreasing the number of pipes.
The present invention according to claim 4, wherein the hot water storage tank has an upper of the one pipe, and a lower portion of the other pipe according to claim 1 or 2, characterized in that it is connected by a pipe This is a power generation / hot water cogeneration system.
In such a power generation / hot water cogeneration system, hot water storage pipes are used in series, so that hot water and water are easily stored in two upper and lower layers (stratified state). Since only the hot water in the upper part can be taken out from the hot water storage tank when hot water supply is necessary, a relatively small capacity hot water storage tank can be used efficiently. When it is necessary to suppress the height of the container for storing the hot water tank, it is effective to use pipes for hot water storage in series.
請求項5に記載の本発明は、前記貯湯槽が、真空断熱パイプからなることを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれかに記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽としてパイプを複数設置して表面積が増大しても、真空断熱パイプを用いることで熱放散を防ぐことができる。
A fifth aspect of the present invention is the power generation / hot water cogeneration system according to any one of the first to fourth aspects, wherein the hot water storage tank is a vacuum heat insulating pipe.
In such a power generation / hot water cogeneration system, even if a plurality of pipes are installed as hot water storage tanks to increase the surface area, heat dissipation can be prevented by using vacuum heat insulating pipes.
請求項6に記載の本発明は、前記容器が、取り外し可能な蓋を有する前方部と、固定可能な側方部とを有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、発電ユニットを収容する容器を壁掛けタイプ等にすることができるため、設置性にすぐれ、また、前面の蓋が取り外し可能であるため、メンテナンス性を向上することができる。
請求項7に記載の本発明は、前記貯湯槽が収納される貯湯槽収納容器を具備するとともに、前記貯湯槽収納容器上に前記発電ユニットが設置されていることを特徴とする請求項1乃至6のうちいずれかに記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽を格納する貯湯槽収納容器が架台を兼ねており、その上に発電ユニットを設置する。そのため、発電ユニットと貯湯槽間に存在する温水回収のための配管を最短にできる。発電ユニット、貯湯槽のそれぞれの容器に発電ユニット、貯湯槽間を接続する温水回収の配管を収めてしまうことも可能である。
請求項8に記載の本発明は、前記燃料電池の周囲の空気を、前記貯湯槽収納容器内に導入する空気導入手段を具備することを特徴とする請求項7記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、発電ユニット内には固体酸化物形燃料電池が格納されているため、この燃料電池の周囲の加熱された空気を貯湯槽収納容器内に導入し、貯湯タンク内の放熱損失を低減できる。この際、貯湯タンクと発電ユニットのそれぞれの容器が接続されていれば、発電ユニットの熱を貯湯槽が格納されている容器に容易に引き込むことができる。
請求項9に記載の本発明は、前記貯湯槽が、前記貯湯槽収納容器内の上面を支持していることを特徴とする請求項7又は8記載の発電・給湯コジェネレーションシステムである。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽自体に発電ユニットの加重を受け止める強度を持たせる。その結果、別途貯湯槽の貯湯槽収納容器に強度のあるフレームを設ける必要がなくなる。もともと、貯湯槽は水圧を受ける強度が必要とされるため、円筒状形状にするのが一般的であるが、上からの加重を支えるためには、例えば、リブつきの円筒構造や角型構造にすることになる。また、フレームを省略できることで、同一の貯湯槽の容器外寸法で、貯湯槽の内容積を増やすこともできる。
According to a sixth aspect of the present invention, in the power generation according to any one of the first to fifth aspects, the container includes a front part having a removable lid and a lateral part that can be fixed.・ It is a hot water supply cogeneration system.
In such a power generation / hot water cogeneration system, since the container for storing the power generation unit can be a wall-mounted type, etc., it is easy to install, and the front lid can be removed, so that maintainability is improved. be able to.
The present invention according to claim 7, together with the hot water tank is provided with a hot water storage tank container to be housed, claims 1 to, wherein the power generating unit to the hot water tank housing on the container is provided 6. A power generation / hot water cogeneration system according to claim 6.
In such a power generation / hot water cogeneration system, a hot water storage container for storing a hot water storage tank also serves as a frame, and a power generation unit is installed thereon. Therefore, the piping for recovering the hot water existing between the power generation unit and the hot water tank can be shortened. It is also possible to store hot water recovery piping connecting between the power generation unit and the hot water storage tank in the respective containers of the power generation unit and the hot water storage tank.
The present invention is claimed in claim 8, wherein the air around the fuel cell, power generation and hot water supply cogeneration system according to claim 7, characterized by comprising an air introducing means for introducing into the hot water storage tank storing container It is.
In such a power generation / hot water cogeneration system, since the solid oxide fuel cell is stored in the power generation unit, the heated air around the fuel cell is introduced into the hot water storage container to store the hot water storage Heat loss in the tank can be reduced. At this time, if the respective containers of the hot water storage tank and the power generation unit are connected, the heat of the power generation unit can be easily drawn into the container in which the hot water storage tank is stored.
The present invention according to claim 9 is the power generation / hot water cogeneration system according to claim 7 or 8 , wherein the hot water storage tank supports an upper surface in the hot water storage tank storage container.
In such a power generation / hot water cogeneration system, the hot water tank itself has a strength to receive the weight of the power generation unit. As a result, there is no need to separately provide a strong frame in the hot water storage container of the hot water storage tank. Originally, hot water storage tanks are required to have the strength to receive water pressure, so it is common to use a cylindrical shape, but in order to support the load from above, for example, a ribbed cylindrical structure or a square structure Will do. In addition, since the frame can be omitted, the internal volume of the hot water storage tank can be increased with the same outer dimensions of the hot water storage tank.
本発明の発電・給湯コジェネレーションシステムにより、貯湯槽と給湯器を分離して設置するため、家庭用としての設置性に優れ、貯湯槽に貯える湯量に対して柔軟に対応でき、メンテナンス性を向上させることができる。 The power generation / hot water cogeneration system of the present invention separates and installs the hot water storage tank and hot water heater, making it easy to install for home use, flexibly adapting to the amount of hot water stored in the hot water storage tank, and improving maintainability Can be made.
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の一例である発電・給湯コジェネレーションシステムを示す概略構成図である。本発明の発電・給湯コジェネレーションシステムは、燃料電池1に固体電解質形燃料電池を用いている。燃料電池1に必要な酸素源及び燃料となるガスは、送風機11により家庭にある都市ガス、プロパンガス等が供給される。
空気供給源としてはコンプレッサーなどがあるが、本発明のような家庭用など小型の燃料電池システムでは、消費電力が小さい回転系のブロワーを用いた方が補機の電力損失を小さくできる。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a power generation / hot water cogeneration system which is an example of the present invention. The power generation / hot water cogeneration system of the present invention uses a solid oxide fuel cell as the fuel cell 1. As the oxygen source necessary for the fuel cell 1 and the gas serving as the fuel, city gas, propane gas, and the like in the home are supplied by the blower 11.
As an air supply source, there is a compressor or the like. However, in a small fuel cell system for home use such as the present invention, the power loss of the auxiliary machine can be reduced by using a rotating blower with low power consumption.
送風機11は、例えば、固体電解質形燃料電池では出力1kWにつき空気流量を0〜120L/分の範囲で供給できる能力があることが望ましい。実際に燃料電池の反応に必要な空気量は1kWのシステムにつき0〜60L/分程度であるが、固体電解質形燃料電池を用いるシステムでは、その高温動作のため、燃料電池の冷却機能も併せ持つ必要がある。このため、発電に必要な空気流量をより多く供給できる能力が必要である。送風機11の空気供給圧力は高ければ高いほど望ましいが、一般的に消費電力が増大するため、全機器の消費電力の1/3程度以下にするために、供給圧力は2kPa以下のものになる。 The blower 11 is desirably capable of supplying an air flow rate in the range of 0 to 120 L / min per 1 kW output in a solid oxide fuel cell, for example. The actual amount of air required for the reaction of the fuel cell is about 0 to 60 L / min per 1 kW system. However, in the system using the solid oxide fuel cell, it is necessary to have a cooling function of the fuel cell because of its high temperature operation. There is. For this reason, the capacity | capacitance which can supply more air flow volume required for electric power generation is required. The air supply pressure of the blower 11 is preferably as high as possible. However, since power consumption generally increases, the supply pressure is 2 kPa or less in order to make it about 1/3 or less of the power consumption of all devices.
ここでは、圧力が規定されるのではなく、消費電力との関係より市販品のもので選択するとこのような圧力範囲にならざるを得ない。このため、燃料電池装置自身の空気流路の圧力損失も2kPa以下になるような構成になっている。また、送風機11には、ごみを除去するようなフィルター、又は木の葉等の大型のごみで吸気口がつまらないようなメッシュ状の吸気口が用いられてもよい。さらに、一般の家庭とは異なる環境、例えば、海岸の近くや雨または雪の多い地区等の環境下では、それに応じたフィルターや吸気口が取り付けられてもよい。送風機11の流量制御は、回転数を決定する電力の周波数を、例えば、インバーター等のような機器で周波数変換したもの又は電源の電流値若しくは電圧値を変化させて制御を行ってもよい。 Here, the pressure is not defined, but if it is selected with a commercially available product from the relationship with the power consumption, such a pressure range is unavoidable. For this reason, the pressure loss of the air flow path of the fuel cell device itself is configured to be 2 kPa or less. Moreover, the air blower 11 may be a filter that removes dust, or a mesh-like air inlet that does not bob the air inlet with large-sized dust such as leaves. Further, in an environment different from that of a general home, for example, in an environment such as a coastal area or a region where there is a lot of rain or snow, a filter or an air inlet corresponding to the environment may be attached. The flow rate control of the blower 11 may be performed by changing the frequency of electric power for determining the number of rotations with a device such as an inverter, or changing the current value or voltage value of the power source.
この送風機11で発生した空気は、流量計12を介して燃料電池1へ供給される。流量計12は空気流量の検出に使用する。流量指示値とこの値にもとづいて送風機11の回転数を規定する。また、この流量計12は、予め、送風機11の回転数と空気流量との関係を求めておくことで使用しないことも可能である。この場合は、記憶装置等に流量と回転数との関係を記憶させておき、温度等を感知してソフトウェアで回転数を制御することにより、流量計12を使用しない制御が可能になる。
さらに、流量計12を介した空気は、燃料電池1の構成に応じて燃料電池1に入る前で分岐されていてもよいし、その内部で分岐されていてもよい。燃料電池にはセルと呼ばれる発電の最小単位があり、これを複数本束ねたものがスタックと呼ばれ、ひとつのユニットになる。このユニットごとに空気を供給してもよい。
The air generated by the blower 11 is supplied to the fuel cell 1 via the
Furthermore, the air through the
各家庭にある都市ガスやプロパン等の燃料ガスは、配管を通して、まず切断弁13に供給される。この切断弁13は基本的に燃料電池1が動作しない間は閉ざされており、動作する間は開かれている。閉ざされている間は、燃料電池1に燃料ガスが供給されることはない。また、切断弁13は、燃料電池1に異常事態が生じた際の緊急停止時にも使用できる。切断弁13は、都市ガスの供給圧力が2kPa程度であるため、それ以上の供給圧力に対してガスをシャットアウトできる方がよい。また、切断弁13は流量制御14にその機能を組み込むことも可能であり、流量0の設定でガスが遮断できればよい。切断弁13を介して流入した燃料ガスは、流量制御14において燃料電池1に適切なガス流量に制御され、燃料電池1に供給される。
The fuel gas such as city gas and propane in each household is first supplied to the cutting
流量制御14は、マスフロコントローラーのように流量を感知しながら、指示値に合致するように制御するもの、又は流量の検知は別で行い、ソレノイドバルブのように電磁弁を比例開閉し流量を制御するものであってもよい。または、昇圧機能を有する流量制御装置であってもよい。この場合はポンプ機能によって圧力を高めるのでその回転数に応じて流量を制御させてもよい。流量を自分自身又は外部から検知することができない機器も、予め、流量制御のバルブの開閉度と燃料の流量との関係を求めておくことで使用することが可能である。この場合は、記憶装置に流量と開度信号を記憶させておき、温度、劣化率、開度のヒステリシス等の構成からソフトウェアにて、燃料の流量を求めることなく制御が可能である。
The
流量制御14で流量制御された燃料は、燃料電池1の構成に応じて燃料電池1に入る前で分岐されていてもよいし、その内部で分岐されてもよい。この燃料ガスの分岐には、所定量の流量が流れるように固定された流量制御バルブがついていてもよいし、流量配分が所定量になるような流路設計がなされていてもよい。または流量制御14が複数装着され各流路ごとに流量を制御してもかまわない。
The fuel whose flow rate is controlled by the
次に、改質に用いられる水蒸気は、各家庭にある水道水が用いられ、配管を通してまず切断弁13に供給される。この際、家庭の水道圧は数気圧から5気圧程度まで変動するため、減圧弁によって一定の圧力になるように減圧されてもよい。
切断弁15は、基本的に燃料電池1が動作しない間は閉じた状態にあり、燃料電池1に水が供給されることはない。切断弁15は、減圧弁以上の差圧に対して水道水が遮断できるようにする。切断弁15は流量制御17にその機能を組み込むことも可能である。切断弁15を介してきた水道水は、浄水器16によって純水にろ過される。
浄水器16は、フィルター、活性炭又はイオン交換樹脂等で構成されており、水道水に含まれるゴミや塩素その他のミネラル成分等が除去される。この浄水器16は、各地区の水道水の状態が異なるように、その地区に対応した構成にすることも可能である。
Next, as the steam used for reforming, tap water in each household is used, and is first supplied to the cutting
The
The
切断弁15を介してきた水道水は、流量制御17で燃料電池1に適切な水流量に制御され、燃料電池1に供給される。
マスフロコントローラーのように流量を感知しながら、指示値に合致するように制御するもの、又は、流量の検知は別で行い、ソレノイドバルブのように電磁弁を比例開閉し流量を制御するものであってもよい。または、昇圧機能を有する流量制御装置であってもよい。この場合は、ポンプ機能によって圧力を高めるのでその回転数に応じて流量を制御させてもよい。
流量を自分自身又は外部から検知することができない機器も、予め、流量制御のバルブの開閉度と燃料の流量との関係を求めておくことで使用することが可能である。この場合は記憶装置に流量と開度信号との関係を記憶させておき、温度、劣化率、開度のヒステリシス等の構成からソフトウェアにて、燃料の流量を求めることなく、制御が可能である。
The tap water that has passed through the
Controls to match the indicated value while sensing the flow rate like a mass flow controller, or controls flow rate separately by detecting the flow rate and proportionally opening and closing the solenoid valve like a solenoid valve. There may be. Alternatively, it may be a flow rate control device having a boosting function. In this case, since the pressure is increased by the pump function, the flow rate may be controlled according to the rotation speed.
A device that cannot detect the flow rate from itself or from the outside can also be used by obtaining the relationship between the degree of opening and closing of the flow rate control valve and the fuel flow rate in advance. In this case, the relationship between the flow rate and the opening signal is stored in the storage device, and control is possible without obtaining the fuel flow rate by software from the configuration such as temperature, deterioration rate, opening hysteresis, etc. .
流量制御17は、マスフロコントローラーのように流れる流量を感知しながら指示値に合致するように制御するもの、又は、流量の検知は別で行い、ソレノイドバルブのように電磁弁を比例開閉し流量を制御するものであってもよい。ポンプのように回転式で水を送るようになっていてもよい。流量を自分自身あるいは外部から検知することができない機器も、予め、流量制御のバルブの開閉度と流れる水流量の関係を求めておくことで使用することが可能である。この場合は、記憶装置に流量と開度信号との関係を記憶させておき、温度、劣化率、開度のヒステリシス等の構成からソフトウェアにて、燃料の流量を求めることなく、制御が可能である。 The flow rate control unit 17 controls the flow rate so as to match the indicated value while sensing the flow rate flowing like a mass flow controller, or the flow rate is detected separately, and the electromagnetic valve is opened and closed proportionally like a solenoid valve. It may be one that controls. You may come to send water by a rotary type like a pump. A device that cannot detect the flow rate from itself or from the outside can be used by obtaining the relationship between the degree of opening and closing of the flow rate control valve and the flowing water flow rate in advance. In this case, the relationship between the flow rate and the opening signal is stored in the storage device, and control is possible without obtaining the fuel flow rate with software from the configuration of temperature, deterioration rate, opening hysteresis, etc. is there.
流量制御17で流量制御された水は、燃料電池1の構成に応じて燃料電池1に入る前で分岐されていてもよいし、その内部で分岐されていてもかまわない。燃料ガスの分岐には、所定量の流量が流れるように固定された流量制御バルブを備えてもよいし、又は、流量配分が所定量になるように流路設計されてもよい。流量制御17が複数装着され、各流路ごとに流量を制御してもよい。
流量制御17を介して燃料電池1に導入された水は、燃料電池内部あるいは近接する領域で気化され、水蒸気となって改質部へと供給される。この水蒸気は改質部へ供給される前で燃料ガスと混合されるような構成になっている。基本的には気化部で混合されるのがよい。これは、気化した水蒸気を燃料ガスがキャリアとして搬送するため、効率よく気化した水蒸気を運ぶことが可能となる。
The water whose flow rate is controlled by the flow rate control 17 may be branched before entering the fuel cell 1 according to the configuration of the fuel cell 1, or may be branched inside. The branch of the fuel gas may be provided with a flow control valve fixed so that a predetermined amount of flow flows, or a flow path may be designed so that the flow distribution becomes a predetermined amount. A plurality of flow rate controls 17 may be mounted to control the flow rate for each flow path.
The water introduced into the fuel cell 1 through the flow rate control 17 is vaporized in the fuel cell or in an adjacent region, and is supplied as steam to the reforming unit. This water vapor is configured to be mixed with fuel gas before being supplied to the reforming section. Basically, it should be mixed in the vaporizing section. This is because the vaporized water vapor is transported by the fuel gas as a carrier, so that the vaporized water vapor can be efficiently carried.
この気化器の構造は、2重管構造でそれぞれの管に水と燃料を流してもよいし、気化する空間を設けて、熱容量の大きい、例えば、セラミックのボールを置くことで気化熱があっても温度変化が小さく、十分に気化させることができ、その空間を燃料ガスが流れキャリアとして改質装置に搬入することができるようにしてもよい。 The structure of this vaporizer may be a double pipe structure in which water and fuel may flow through each pipe, or a space for vaporization is provided, and a large heat capacity, for example, a ceramic ball is placed to generate heat of vaporization. However, the temperature change is small and the gas can be sufficiently vaporized, and the fuel gas may flow through the space and be carried into the reformer as a carrier.
さらに、燃料電池1からの排ガス中の水蒸気、又は水蒸気と未反応の燃料ガスを、エジェクター構造とすることで切断弁15、浄水器16及び流量制御17が不要なシステムを構成することも可能である。このエジェクター構造とは、燃料ガスをノズルから吹き込む構造のことで、吹き込まれた燃料ガスがオフガス中を通過することにより、所定量のオフガスが燃料ガスに巻き込まれ、水蒸気と未反応の反応ガスと混合される。このときの巻き込まれる水蒸気量を、エジェクター構造にすることにより、新たな水蒸気、これを気化する装置、さらには水蒸気の元になる水道水も不要になる。または、燃料電池1の排ガス中の水蒸気を熱交換等によって凝固させ、再利用することで、切断弁15、浄水器16を小型化または不要なシステムとして構成することも可能である。
Furthermore, it is also possible to configure a system that does not require the cutting
排ガス中から得られる水は基本的に蒸留水であるため、浄水器を通さなくても燃料電池の水蒸気源として用いることができる。このため、水蒸気として用いる水道水の一部、又は全部をこの排ガスから得られた水に置き換えることで浄水器16の小型化、又は撤去することが可能となる。この場合は、水圧が働かないためにポンプ等の圧力をあげる装置が必要になる場合もある。
Since the water obtained from the exhaust gas is basically distilled water, it can be used as a water vapor source for a fuel cell without passing through a water purifier. For this reason, it becomes possible to downsize or remove the
さらに、燃料ガス供給系には、起動又は停止用として酸素を送り込む装置が構成されていてもよい。例えば、ポンプ18で大気中の空気を加圧圧縮し、切断弁19を開くことにより、燃料ガス中へ導入される構成である。ポンプ18にはゴミが入らないようなフィルターを備えてもよい。また、ポンプ18は空気流量が制御できる構成でもよい。さらに、このポンプ18はブロワーと呼ばれる送風機であってもよい。このポンプ18で送られた空気中の酸素は、部分酸化改質とよばれる改質反応に用いられる。これは、起動時は装置内の温度が低いため、水蒸気改質方法を用いた場合は、気化させた水蒸気が装置内で凝縮してしまうため、水蒸気改質に必要な水蒸気が改質部まで届かず、改質反応が起こらなくなるからである。ポンプ18は起動中、動作し続けてもよいが、運転中は水蒸気改質を行うので、起動から運転への移行を早くするため、装置内に水蒸気が凝固しない状態の温度に達したときは、ポンプ18の動作を停止し、電磁弁である切断弁19を閉じて空気の供給を停止し、水蒸気を供給してもよい。移行の期間はこれらを併用してもよい。
Further, the fuel gas supply system may be configured with a device for sending oxygen for starting or stopping. For example, the air in the atmosphere is pressurized and compressed by the
さらに、例えば(図示しない)起動用のバーナーを取り付けることで、燃料電池1を暖めることができ、これによって水蒸気を供給しても凝縮しないシステムを構成することも可能である。この場合はポンプ18、切断弁19は不要にすることも可能である。
さらに起動時の着火源として、着火装置24も必要になる。着火装置24は高電圧の電圧を発生させ、これとアースの部分で放電を行わせることにより、燃料ガスに着火が可能となる。着火装置24は、燃料電池1の外部に配置され、そこから配線され、放電部分は耐酸化性、耐熱性に強い金属が用いられる。アース部は、燃料電池1の金属の筐体部や配管部又はセル自身とすることでその部分に放電を行わせ、燃焼を行わせる。また、放電を用いずにヒーターを取り付けその熱で着火を行う方式でもよい。このように起動を介して、供給された燃料、水蒸気及び空気により、燃料電池1の内部では電気化学反応により、直流の電力が発生する。燃料電池の場合は電気化学反応であるため、直流の電流値と、燃料ガス流量又は空気流量とは比例関係にある。これは固体電解質中を酸素イオンの形で電気が流れるため、それに含まれる電荷量と酸素イオンの数は比例するからである。このため、電流計20によって電流値を計測することにより、必要な燃料ガス流量を求めることができる。
Furthermore, for example, by attaching a starter burner (not shown), the fuel cell 1 can be warmed, whereby a system that does not condense even if water vapor is supplied can be configured. In this case, the
Furthermore, an
この電流計20は、セルの並列接続の数にあわせて複数設置されていてもよい。この電流計20は、分流器やシャント抵抗と呼ばれるものを用いてもよいし、インバーター21に回路的に組み込んで用いてもよい。さらに、インバーター21への直流入力電圧及び直流入力電流又はインバーターからの交流出力電圧及び交流出力電流と燃料ガス流量、空気ガス流量及び水流量との関係を求めて制御回路内の記憶装置に記憶させておくことで、ソフトウェアで制御可能となり、電流計21をなくすことも可能である。この場合、燃料電池の動作温度で異なるガス流量、水蒸気流量、空気流量になるので温度補正を加える必要もある。 A plurality of ammeters 20 may be installed according to the number of cells connected in parallel. As the ammeter 20, a so-called shunt resistor or a shunt resistor may be used, or the ammeter 20 may be incorporated into the inverter 21 as a circuit. Further, the relationship between the DC input voltage and DC input current to the inverter 21 or the AC output voltage and AC output current from the inverter and the fuel gas flow rate, air gas flow rate and water flow rate is obtained and stored in the storage device in the control circuit. Therefore, it is possible to control by software, and the ammeter 21 can be eliminated. In this case, since the gas flow rate, the water vapor flow rate, and the air flow rate differ depending on the operating temperature of the fuel cell, it is necessary to add temperature correction.
燃料電池1で生じた直流の電力は、電流計を介してインバーター21へ供給される。インバーター21では直流電力が交流電力へ変換される。一般的に、燃料電池の供給電圧は低いためにこの電圧を昇圧するための機能がインバーター21に含まれていてもよい。この昇圧機能は、昇圧チョッパーと呼ばれる直流電圧を昇圧するもの、又は、インバーターで交流に変換後、交流電圧として昇圧するものであってもよい。 The DC power generated in the fuel cell 1 is supplied to the inverter 21 via the ammeter. In the inverter 21, DC power is converted into AC power. In general, since the supply voltage of the fuel cell is low, the inverter 21 may include a function for boosting this voltage. This boosting function may be a function of boosting a DC voltage called a boosting chopper, or a function of boosting as an AC voltage after being converted into AC by an inverter.
さらに、インバーター21には電力系統と連結する上で各種保護継電器の機能をも含めてもよい。例えば、燃料電池システムの電圧が異常に上昇した場合には過電圧継電器、燃料電池システムの電圧が異常に低下した場合には不足電圧継電器がある。系統が短絡事故、地絡事故した場合の継電器も含まれてよい。逆潮流がある場合は単独運転防止のために、周波数上昇継電器、周波数低下継電器が必要になり、逆潮流がない場合は、単独運転防止のため、逆電力継電器および周波数低下継電器が必要になる。システム内に各種検知機能がある場合はこれら継電器をなくすことも可能である。 Further, the inverter 21 may include various protective relay functions in connection with the power system. For example, there is an overvoltage relay when the voltage of the fuel cell system rises abnormally, and an undervoltage relay when the voltage of the fuel cell system drops abnormally. A relay in the event of a short circuit or ground fault in the system may also be included. When there is a reverse power flow, a frequency increase relay and a frequency decrease relay are required to prevent isolated operation, and when there is no reverse power flow, a reverse power relay and a frequency decrease relay are required to prevent isolated operation. If there are various detection functions in the system, it is possible to eliminate these relays.
インバーター21から出力された交流電力は、電力系統及び補機用の電力源として接続される。
バッテリー22は起動時、電力がない場所でも起動できるようにするため、または負荷電力の変動に対して燃料電池システムが追従できない場合若しくは電力系統が停電した場合に燃料電池システムが停止しないようにするためのものでもある。これについては、コストを重視し、不要なシステムとしてもかまわない。
The AC power output from the inverter 21 is connected as a power source for the power system and auxiliary equipment.
The battery 22 can be started at a place where there is no power at the time of start-up, or the fuel cell system is not stopped when the fuel cell system cannot follow the fluctuation of the load power or when the power system fails. It is also for. For this, it is possible to place an emphasis on cost and an unnecessary system.
一方、コジェネレーションシステムのもうひとつの給湯は家庭にある水道水より作られる。本発明の発電・給湯コジェネレーションシステム内では、水道水は、減圧弁28と混合器31とに供給される。減圧弁28は貯湯槽30内の水圧を一定にするためのものであり、1気圧ないし2気圧の水圧に設定される。この減圧弁28は混合器31との分岐前に設置されていてもかまわない。減圧弁28を通して供給された水道水は貯湯槽30に蓄えられる。この水をポンプ29によって燃料電池1の熱交換器に送ることでお湯となって回収できる。ポンプ29は、熱交換器の温度や燃料電池1の発電量に応じて、回転数の制御またはON、OFF制御により、その間隔を制御することで熱交換させる。回収されたお湯は貯湯槽の上部から蓄えられるため、お湯と水の比重が異なることから交じり合うことなく、お湯と水とが上下2層の状態で蓄えることが可能になる。このとき、お湯の温度は高い貯湯領域で70〜90℃程度になる。
On the other hand, another hot water supply of the cogeneration system is made from tap water at home. In the power generation / hot water supply cogeneration system of the present invention, tap water is supplied to the
このようにお湯を貯湯槽30の上部に蓄えるため、お湯を使用する場合は、下方から水圧で押され、上方に排水口を設けておけば、お湯のみが得られる仕組みとなっている。また、貯湯槽30は断熱材で覆われているため、蓄えたお湯からの熱の放出が少なく、高い温度で長時間お湯を蓄えることができる。さらに、貯湯槽30には排圧弁が設けられており、貯湯槽内で、例えば熱交換により水蒸気が発生し、貯湯槽内の圧力が上昇した場合は、自動的に排水し、圧力を低下させることができる。さらに、排水弁を手動で操作できるようにしておけば、メンテナンス等で貯湯槽30内の水を抜く際に便利である。貯湯槽30に蓄えられた高温のお湯は、混合器31で水道水と混合され、所定の温度に低下される。これにより、やけど等の心配をすることなく、家庭でも十分に使える40〜60℃程度のお湯の温度にすることが可能である。さらに、バックアップ用の給湯器32に供給しても機器をいためることなく使用することが可能になる。 Since hot water is stored in the upper part of the hot water storage tank 30 in this way, when hot water is used, it is pushed by water pressure from below, and if a drain outlet is provided above, only hot water is obtained. Moreover, since the hot water storage tank 30 is covered with the heat insulating material, there is little discharge | release of the heat from the stored hot water, and hot water can be stored for a long time at high temperature. Further, the hot water tank 30 is provided with a discharge pressure valve, and when water vapor is generated in the hot water tank by, for example, heat exchange and the pressure in the hot water tank increases, the water is automatically drained and the pressure is reduced. be able to. Furthermore, if the drain valve can be operated manually, it is convenient when draining the hot water tank 30 for maintenance or the like. Hot hot water stored in the hot water tank 30 is mixed with tap water in the mixer 31 and lowered to a predetermined temperature. Thereby, it is possible to make the temperature of hot water of about 40 to 60 ° C. sufficiently usable at home without worrying about burns or the like. Furthermore, even if it supplies to the hot water heater 32 for backup, it becomes possible to use it, without irritating an apparatus.
混合器31で混合されたお湯は給湯器32へ供給される。給湯器32はバックアップ用の給湯装置であり、貯湯槽30のお湯がなくなったときに動作する。混合器31からでてきたお湯が所定温度の場合には給湯器32は動作しない。貯湯槽30内にお湯がなくなり、その結果、混合器31からの温水温度が低下した場合は給湯器32が作動し、所定の温度にする。給湯器32は単能器と呼ばれるお湯を作り出すのみでなく、風呂の追炊き機能、浴室乾燥機能、床暖房機能を有していてもよい。さらに、これらの機能は、給湯器32に組み込まれていない場合は別途取り付けることも可能である。 Hot water mixed in the mixer 31 is supplied to the water heater 32. The hot water heater 32 is a hot water supply device for backup, and operates when the hot water in the hot water storage tank 30 runs out. When the hot water coming out of the mixer 31 has a predetermined temperature, the water heater 32 does not operate. When there is no hot water in the hot water storage tank 30 and as a result, the temperature of the hot water from the mixer 31 is lowered, the water heater 32 is activated to a predetermined temperature. The water heater 32 may not only create hot water called a single-function device, but may also have a bath preparation function, a bathroom drying function, and a floor heating function. Further, these functions can be attached separately when they are not incorporated in the water heater 32.
以上、本発明のコジェネレーションシステムの基本構成について説明したが、そのほかには、安全装置、制御装置も組み込まれている。安全装置用のセンサーとしてはまず、燃料電池1内にある燃料電池セルの状態を把握するために、電圧をモニターする電圧感知器26が必要である。この電圧は各セルあるいはセルを複数本束ねたスタック、さらには各スタックを束ねたモジュールであってもよいし、任意のセルあるいは複数箇所をトータル的にモニターしてもよい。さらに、燃焼状態を把握するために燃焼感知器25も必要である。これは燃料電池内のオフガスを燃焼させているため、炎の整流作用を用いて燃焼を感知する。 Although the basic configuration of the cogeneration system of the present invention has been described above, a safety device and a control device are also incorporated. As a safety device sensor, first, in order to grasp the state of the fuel cell in the fuel cell 1, a voltage sensor 26 for monitoring the voltage is necessary. This voltage may be a cell or a stack in which a plurality of cells are bundled, a module in which each stack is bundled, or an arbitrary cell or a plurality of locations may be monitored in total. Furthermore, a combustion sensor 25 is also necessary to grasp the combustion state. This is because the off gas in the fuel cell is burned, and the combustion is sensed using the rectifying action of the flame.
さらに、温度を感知する温度感知器27は重要である。燃料電池モジュール部の温度、改質部の温度、燃焼部の温度、さらには燃料電池1の周囲の温度等も検知される。これら温度の検知には、熱電対、測温抵抗体、バイメタルスイッチ、温度フューズ等が用いられる。これら、電圧感知器26、燃焼感知器25、温度感知器27は安全装置用のセンサーとしてのみでなく、制御用のセンサーとして使用してもよいし、データ採取用の機器として使用してもよい。 Furthermore, the temperature sensor 27 that senses the temperature is important. The temperature of the fuel cell module part, the temperature of the reforming part, the temperature of the combustion part, the temperature around the fuel cell 1 and the like are also detected. For detecting these temperatures, a thermocouple, a resistance temperature detector, a bimetal switch, a temperature fuse, or the like is used. The voltage sensor 26, the combustion sensor 25, and the temperature sensor 27 may be used not only as sensors for safety devices but also as control sensors or as data collection devices. .
データ採取用の機器は、電流又は電力を感知する機器がある。これによって、燃料電池で発電する電力、補機に使われる電力、家庭で使われる電力を把握することができる。さらに、給湯関連に用いられる水量を感知したり、ガスの流量を感知したりする機器によりデータを採取できる。ガスの使用量に関しては、本システムに感知器を備えなくとも、家庭にあるガスメーターからデータを採取できるシステムを構築しておいてもよい。
安全装置には、本システムを室内に配置する場合や装置内にガスがたまる場合に備えてガス感知器33が設置されていてもよい。このガス感知器33によって燃料ガスの漏れ、不完全燃焼を感知することができる。
A device for collecting data includes a device that senses current or power. As a result, it is possible to grasp the power generated by the fuel cell, the power used for the auxiliary machine, and the power used at home. Furthermore, data can be collected by a device that senses the amount of water used for hot water supply or senses the gas flow rate. Regarding the amount of gas used, a system that can collect data from a gas meter at home may be constructed without providing a sensor in the system.
The safety device may be provided with a
本システム全体の制御は、一箇所に集中して制御してもよいし、インバーター21の演算機器又は給湯器32の演算機器を用いて制御することも可能である。複数の制御を配置し、これらの制御間を通信可能にして全体を制御してもよい。
制御はリモコン操作可能とし、家庭の台所、風呂等から運転の指示が可能であり、発電量や貯湯量の表示、更に、電気やお湯の使い方等の指示をしてもよい。さらに、外部との通信機能を備えた場合は、電話回線、LAN、光ファイバー、電波等の通信手段により、制御や発電量、貯湯量及びその使用量等の各種データを遠隔地で知ることができる。
The control of the entire system may be performed in a centralized manner, or may be controlled using the arithmetic device of the inverter 21 or the arithmetic device of the water heater 32. A plurality of controls may be arranged, and the entire control may be performed by enabling communication between these controls.
The control can be performed by a remote control, and operation can be instructed from a home kitchen, a bath, etc., and the power generation amount and hot water storage amount can be displayed, and further instructions such as how to use electricity and hot water can be given. Furthermore, when equipped with an external communication function, various data such as control, power generation amount, hot water storage amount and usage amount can be remotely known by communication means such as a telephone line, LAN, optical fiber, and radio wave. .
本発明の家庭用コジェネレーションシステムは、家庭で使用するエネルギーの基本である電気及びお湯に特化して説明してきたが、種々のエネルギー機器と複合して用いることも可能である。例えば、クーラーやファンヒーター等の空調機器の熱源、電力源又はヒートポンプの熱源、電力源等である。さらに、ガスタービンやガスエンジン等の発電機を組み合わせることにより、更なる発電効率の向上が期待できる。さらに、太陽電池と組み合わせることにより、循環形の燃料が不要、または少量ですむ家庭用コジェネレーションシステムとすることも可能である。これは、昼間は、太陽電池による電力で家庭の電力を供給すると共に、水を電気分解して貯蔵しておくことにより、これをもとに夜間必要な電力を燃料電池で発電し家庭の電力をすべてまかなうことができるため、究極の地球環境にやさしい家庭用発電システムができる。 The home cogeneration system of the present invention has been described specifically for electricity and hot water, which are the basics of energy used at home, but can also be used in combination with various energy devices. For example, a heat source of an air conditioner such as a cooler or a fan heater, a power source, a heat source of a heat pump, or a power source. Furthermore, further improvement in power generation efficiency can be expected by combining generators such as gas turbines and gas engines. Furthermore, by combining with solar cells, it is possible to provide a household cogeneration system that does not require or requires a small amount of circulating fuel. In the daytime, household electricity is supplied by solar cells, and water is electrolyzed and stored, so that the electricity necessary for nighttime is generated by the fuel cell based on this water. Because it is possible to cover all of the above, it is possible to create an ultimate home power generation system that is friendly to the global environment.
(実施の形態)
以下に、本発明の発電・給湯コジェネレーションシステムの実施の形態について説明する。
図2は、一般の集合住宅に備えるパイプシャフトに本発明を設置した例を示す図である。集合住宅のパイプシャフト80は、略直方体の形状を有しており、扉と、ガスメーター、上下水道及びガスの配管が通る空間とからなる。図2に示すように、本実施例では、本発明のコジェネレーションシステムは、発電ユニット40、給湯器(バックアップボイラー)50及び貯湯槽60の3つに分割されてパイプシャフト内に配置されている。発電ユニット40及び給湯器50はパイプシャフト80の扉90に取り付けられ、貯湯槽60はパイプシャフト内の配管70と平行にその空間に配置されている。
(Embodiment)
Hereinafter, embodiments of the power generation / hot water supply cogeneration system of the present invention will be described.
FIG. 2 is a diagram showing an example in which the present invention is installed on a pipe shaft provided in a general apartment house. The
このように配置したことで、既存の余剰スペースを有効に活用することができるため、家庭用として設置する場所への適合性が広がる。さらに、貯湯槽60が独立して設置されることにより、水漏れが発生した場合にも、ガス等の供給部や電力変換器の電装部へ与える影響がなくなる。
By arranging in this way, the existing surplus space can be used effectively, so the adaptability to the place to be installed for home use is expanded. Furthermore, since the
貯湯槽60は、軸方向を上下方向とする略円筒形状の2本のパイプからなり、パイプの上部同士と下部同士がそれぞれに配管61により連結されるため、個々のパイプが上部及び下部で連通され、一つのタンクのように取り扱うことができる。このようにしたことで、狭い隙間を利用して貯湯槽を設置することが可能となる。また、貯湯槽の貯湯量を、連結するパイプの数を増減することにより、柔軟に対応することが可能となる。また、貯湯槽は、上方から加熱されたお湯を投入し、下方から取り出すため上下方向に温度勾配を有することが望ましい。このためには、パイプの高さと直径との比、即ち、アスペクト比が大きいほど好ましい温度勾配が確保される。
さらに、貯湯槽60は、保温のために断熱材で覆われた真空断熱パイプからなる。このようにしたことで、貯湯槽としてパイプを複数設置して表面積が増大しても、真空断熱パイプを用いることで熱放散を防ぐことができる。
The hot
Furthermore, the
図3は、本発明の発電ユニット内部の構成を示す図である。図3に示すように、発電ユニット40は、容器内に、固体酸化物形燃料電池セルを収容するモジュール(燃料電池)41と、このモジュール41に都市ガスや水、空気を供給する供給部42と、排気ガスより排熱を回収する排熱回収部43と、燃料電池で発生した電力を交流電力に変換し、電力系統と接続するパワーコンディアショナ(電力変換器)44と、供給する水を純水に替えるための純水装置45とを具備して構成されている。供給部42は、空気を供給する送風機、その流量を計測する流量計、水道水の切断弁、流量制御装置、都市ガスの切断弁、流量制御装置等を具備している。排熱回収部43は、熱交換器、ポンプ等を具備している。パワーコンディショナ44は、電流計、バッテリー、インバーター等を具備している。純水装置45は、水を純粋に替える浄水器等を具備している。
FIG. 3 is a diagram showing an internal configuration of the power generation unit of the present invention. As shown in FIG. 3, the
この発電ユニット40は、容器の側方部でパイプシャフトの扉に固定し、前方部には、発電ユニットの内部が視認できるように取り外しが可能な蓋を有している。蓋を有することで、パイプシャフトの扉を開けることなく、蓋を取り外して発電ユニットの内部が視認でき、メンテナンス時に容易に部品の交換ができるようになる。尚、パイプシャフトの外部から発電ユニット内部を視認できなくても、扉の内側面に発電ユニットと給湯器を設けることができる。
尚、上記形態では、貯湯槽60を、略円筒形状の2本のパイプから構成し、パイプの上部同士と下部同士をそれぞれに配管61により連結したが、本発明では、図4に示すように、貯湯槽75を、一方のパイプ75aの上部と、他方のパイプ75bの下部とを配管75cにより連結して構成しても良い。また、パイプの数は2本に限定されるものではなく、3本以上であっても良い。このような貯湯槽75では、貯湯のためのパイプ75a、75bを直列に接続して使用することになるので、お湯と水とが上下二層の状態(成層状態)で蓄えやすくなり、給湯が必要なときに上部のお湯だけを貯湯槽から取り出しやすいので、比較的小容量の貯湯槽を効率的に用いることができる。
図5は、本発明の他の形態を示すもので、この発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽76が収納される貯湯槽収納容器77を具備するとともに、該貯湯槽収納容器77上に発電ユニット40が設置されている。発電ユニット40の容器40a内には、上記したように、燃料電池41,供給部42と、排熱回収部43と、パワーコンディアショナ(電力変換器)44と、純水装置45が収容されている。
そして、容器40aには、外部からの空気を取り入れる導入孔81が形成されており、また、容器40a及び貯湯槽収納容器77にはそれぞれ連通孔83が形成され、さらに、貯湯槽収納容器77の下部には、空気を導出する導出孔85が形成されている。連通孔83に設置されたファンが回転することにより、導入孔81から空気が容器40a内に導入され、燃料電池41の周囲の加熱された空気が連通孔83を介して貯湯槽収納容器77に供給され、導出孔85から排出される。
また、貯湯槽収納容器77内には、貯湯槽76を構成するパイプ76a、76bが収容されており、これらのパイプ76a、76bの上下面が、貯湯槽収納容器77の上下の内壁面に当接し、貯湯槽収納容器77上に設置された発電ユニット40を支持している。
このような発電・給湯コジェネレーションシステムでは、貯湯槽76を格納する貯湯槽収納容器77が架台を兼ねており、その上に発電ユニット40を設置するため、発電ユニット40と貯湯槽76間に存在する温水回収のための配管を最短にできる。
また、発電ユニット40内の加熱された空気を貯湯槽収納容器77内に導入し、貯湯槽76内の放熱損失を低減できる。
さらに、貯湯槽76自体に発電ユニット40の加重を受け止める強度を持たせることができ、貯湯槽収納容器77に強度のあるフレームを設ける必要がなくなり、安価で小型のシステムを提供できる。
This
In the above embodiment, the hot
FIG. 5 shows another embodiment of the present invention. In this power generation / hot water cogeneration system, a hot water storage
The
Further,
In such a power generation / hot water cogeneration system, the hot
Further, the heated air in the
Furthermore, the
1 燃料電池
30、60 貯湯槽
32、50 給湯器
40 発電ユニット
41 モジュール(燃料電池)
61 接合部(連接部)
70 配管パイプ
40a 容器
75、76 貯湯槽
75a、75b、76a、76b パイプ
75c 配管
77 貯湯槽収納容器
1
61 Junction (joint part)
70
Claims (9)
前記発電ユニットの排熱回収で加熱した温水を蓄えかつ軸方向を上下方向とする複数のパイプからなる貯湯槽と、
前記貯湯槽の温水が不足したときに温水を補給する給湯器とを具備し、
前記貯湯槽と前記給湯器とが個別に分離して設置されることを特徴とする
発電・給湯コジェネレーションシステム。 At least a power generation unit containing a solid oxide fuel cell in a container;
A hot water storage tank comprising a plurality of pipes to the vertical direction accumulated and axial hot water heated by exhaust heat recovery of the power generation unit,
A hot water heater for replenishing hot water when the hot water in the hot water tank is insufficient,
The power generation / hot water cogeneration system, wherein the hot water storage tank and the water heater are separately installed.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の発電・給湯コジェネレーションシステム。 3. The power generation / hot water cogeneration system according to claim 1, wherein in the hot water storage tank, upper portions and lower portions of the pipes are connected by piping.
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