JP5896231B2 - コージェネレーションシステムおよび貯湯タンクユニット - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池あるいはガスエンジンなどを利用したコージェネレーションシステム、およびこのコージェネレーションシステムの構成要素として用いるのに好適な貯湯タンクユニットに関する。

燃料電池を用いたコージェネレーションシステムとしては、いわゆる水自立型のものがある（たとえば、特許文献１を参照）。
このシステムでは、燃料電池を用いた発電部から排出される高温の排ガスから熱を回収する排熱回収用の熱交換部を有している。貯湯タンクへの蓄熱動作時においては、貯湯タンクの湯水が前記熱交換部に供給され、この湯水と排ガスとの間で熱交換が行なわれる。このことにより、発電部から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮させており、この凝縮水は、蒸発器などに供給されて燃料改質に利用される。
一方、排ガスにより加熱された湯水は、貯湯タンクに戻されて貯留され、蓄熱が図られる。このようなシステムでは、貯湯タンクにおける蓄熱が満杯状態になると、貯湯タンク内の湯水を前記熱交換部に供給しても、発電部からの排ガスを冷却することはできず、凝縮水は得られなくなる。また、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）などの高温型の燃料電池の発電部は、運転の起動および停止に長時間を要し、貯湯タンクにおける蓄熱が満杯状態になる都度その運転を停止させることが困難な場合がある。
そこで、従来においては、貯湯タンクにおける蓄熱が満杯状態になったときには、別途設けられた放熱器に湯水を供給する流路に切り替え、排熱回収用の熱交換部によって加熱された湯水を放熱器によって冷却させてから前記熱交換部に再供給させるようにしている。

しかしながら、前記従来技術においては、次のような不具合があった。
すなわち、放熱器は、放熱用の熱交換部を有する構成とされ、この放熱用の熱交換部に送風を行なう空冷用のファンと組み合わせて用いられるのが通例である。このような放熱器とファンとを組み合わせた全体のサイズは、比較的大きなものとなる。したがって、放熱器の設置スペースを確保する上で苦慮するものとなっていた。

特開２００１−３２５９８２号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、発電部の排熱回収用の熱交換部に供給される湯水を冷却するための放熱器をスペース効率良く適切に設置することが可能なコージェネレーションシステム、およびこのシステムの構成要素として好適に用いることが可能な貯湯タンクユニットを提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供されるコージェネレーションシステムは、貯湯タンクと、発電部の排熱回収用の熱交換部と、放熱器を有し、かつ前記貯湯タンクと前記排熱回収用の熱交換部とを接続する配管構造部と、を備えており、前記配管構造部は、前記貯湯タ
ンクから前記排熱回収用の熱交換部に供給されて加熱された湯水を前記貯湯タンクに戻す第１の状態と、前記排熱回収用の熱交換部によって加熱された湯水を前記放熱器を利用して冷却させてから前記熱交換部に再供給するように循環させる第２の状態とを切り替え設定可能とされている、コージェネレーションシステムであって、前記貯湯タンクを覆うように設けられた貯湯タンク用の断熱材には、前記放熱器用のファンの駆動時に空気流通が可能とされた凹状部が設けられ、前記放熱器は、前記凹状部に収容されていることを特徴としている。

このような構成によれば、コージェネレーションシステムの他の機器の支障にはならないようにして、放熱器設置用のスペースを適切に確保することができる。貯湯タンク用の断熱材に設けられた凹状部に放熱器が収容されていれば、放熱器を断熱材の外方に嵩張らない状態、または嵩張りが小さい状態とすることが可能である。さらに、断熱材を放熱器の支持手段として利用し、専用の支持部材を設ける必要を無くすことも可能となる。このようなことから、本発明では、コージェネレーションシステム全体の大型化などを抑制しつつ、放熱器を適切に設置することができる。放熱器用のファンの駆動時には、放熱器が収容される凹状部に空気流通を生じさせることができるために、放熱器に冷却用空気の供給を適切に行なわせることもできる。

本発明において、好ましくは、前記ファンは、前記放熱器とは分離され、かつ前記凹状部とは異なる箇所に設置されている。

このような構成によれば、断熱材に設けられた凹状部については、放熱器を収容させ得るサイズであればよく、放熱器およびファンの双方を収容させるサイズに形成する必要はない。したがって、たとえば断熱材の厚みが余り大きくない場合であっても、この部分に放熱器を収容可能な凹状部を適切に形成することが可能となる。一方、ファンについては、放熱器とは分離しているために、比較的狭いスペースにも設置することが可能となる。

本発明において、好ましくは、前記断熱材には、追加の凹状部が設けられ、かつ前記ファンは、この追加の凹状部に収容されており、前記凹状部および前記追加の凹状部は、前記ファンの駆動時に前記凹状部に空気流通が生じるように互いに連通している。

このような構成によれば、放熱器に加えて、放熱器用のファンについても貯湯タンクの断熱材を利用してスペース効率良く設置することができ、より好ましい。

本発明において、好ましくは、前記断熱材には、前記凹状部および前記追加の凹状部を互いに連通させる空気流通路が形成されている。

このような構成によれば、凹状部および追加の凹状部を互いに連通させるための流路を、断熱材とは別の部材を用いて形成する必要がなく、部品点数の増加などを抑制するのに好ましい。

本発明において、好ましくは、前記貯湯タンク、前記断熱材、前記放熱器、および前記ファンを収容する外装ケースを備えており、この外装ケースには、前記ファンの駆動時において、外部空気を前記外装ケース内に流入させて前記放熱器および前記凹状部に向かわせることが可能な給気口と、前記放熱器および前記凹状部を通過した後の空気を前記外装ケースの外部に排気させるための排気口とが設けられている。

このような構成によれば、貯湯タンク、断熱材、放熱器、およびファンをユニット化して集約することができる。放熱器には、外装ケースの外部空気が供給され、かつ放熱器を通過して温度上昇を生じた空気は外装ケースの外部に適切に供給されるために、放熱器の
放熱効率を良好なものにすることもできる。

本発明の第２の側面によって提供される貯湯タンクユニットは、貯湯タンクおよびこの貯湯タンクを覆う断熱材と、これら貯湯タンクおよび断熱材を収容する外装ケースと、を備えている、貯湯タンクユニットであって、前記外装ケース内に収容された放熱器およびファンを、さらに備えており、前記断熱材には、前記ファンの駆動時に空気流通が可能とされた凹状部が設けられ、前記放熱器は、前記凹状部に収容されていることを特徴としている。

このような構成によれば、本発明の第１の側面によって提供されるコージェネレーションシステムの構成要素として好適に用いることができ、前記コージェネレーションシステムについて述べたのと同様な効果が得られる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係るコージェネレーションシステムの一例を示す概略説明図である。 図１に示すコージェネレーションシステムの貯湯タンクの周辺部の要部分解断面図である。 本発明の他の例を示す概略説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示すコージェネレーションシステムＣ１は、燃料電池システム１、貯湯タンク３を有する貯湯タンクユニットＵ、補助熱源機４、およびこれらを接続する配管構造部２を備えている。貯湯タンクユニットＵには、後述するように、放熱器５およびファン６が組み込まれている。

燃料電池システム１は、いわゆる水自立型であり、従来既知のものと同様である。簡略すると、この燃料電池システム１は、たとえばＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）を用いた発電部１０、および排熱回収用の熱交換部１１を備えている。図示説明は省略するが、発電部１０は、セルスタック、蒸発器、燃料改質器、およびオフガス燃焼室などを有しており、発電動作に伴い高温の排ガスを排出する。排熱回収用の熱交換部１１は、前記の排ガスから熱を回収するための部分である。この熱交換部１１において排ガスが冷却されると凝縮水が得られる。この凝縮水は、イオン交換処理などが適宜なされてから蒸発器に供給され、燃料改質に利用される。

貯湯タンクユニットＵは、外装ケース７内に貯湯タンク３、および貯湯タンク３を覆う断熱材８が収容された構成であり、さらに放熱器５、およびファン６も、外装ケース７内に収容されている。貯湯タンク３の上下部には、出湯管３０および入水管３１が接続されており、貯湯タンク３内には入水管３１からの入水圧が作用している。このため、出湯管３０の出湯口３０ａに配管接続されている先栓（図示略）が開かれた際には、貯湯タンク３内の湯水は前記の入水圧の作用により出湯口３０ａから出湯可能である。

補助熱源機４は、たとえば貯湯タンク３内の熱量不足を生じた場合や、熱消費量の多い暖房給湯や風呂給湯を行なうような場合に湯水加熱を行なうためのものである。この補助熱源機４は、たとえば瞬間式ガス給湯器と同様な構成であり、缶体４３内に配されたバー
ナ４０、バーナ４０に燃焼用空気を供給するためのファン４１、およびバーナ４０によって発生させた燃焼ガスから熱回収を行なって湯水を加熱する熱交換器４２を有している。本実施形態では、貯湯タンク３の上部に接続された配管２０ｄに補助熱源機４の熱交換器４２が接続されており、貯湯タンク３に流入する湯水を補助熱源機４によって加熱可能な構成とされている。ただし、これとは異なり、出湯管３０を流通する湯水を補助熱源機４によって加熱可能な構成とすることも可能である。本実施形態では、補助熱源機４が貯湯タンクユニットＵとは別の外装ケース４９内に収容されているが、このような構成に代えて、貯湯タンクユニットＵの外装ケース７内に補助熱源機４を収容し、補助熱源機４と貯湯タンク３側との間を仕切板によって仕切った構成することもできる。

配管構造部２は、後述する複数の配管２０ａ〜２０ｇ、ポンプＰ、および三方弁Ｖ１,Ｖ２を具備しており、熱回収用の熱交換部１１に比較的低温の湯水を供給可能とするものである。この配管構造部２は、次に述べる第１および第２の状態を切り替え設定可能である。

第１の状態は、貯湯タンク３内の湯水を排熱回収用の熱交換部１１に送り込み、かつこの熱交換部１１によって加熱された湯水を貯湯タンク３に戻す状態である。この第１の状態では、ポンプＰを駆動させた際に、貯湯タンク３の下部から流出した湯水は、矢印Ｎ１１〜Ｎ１４で示す経路で流れる。具体的には、貯湯タンク３の下部から流出した湯水は、配管２０ａ、排熱回収用の熱交換部１１、配管２０ｂ，２０ｃ、補助熱源機４の熱交換器４２、および配管２０ｄを順次通過し、貯湯タンク３内の上部に流入する。したがって、この第１の状態においては、排熱回収用の熱交換部１１を利用して貯湯タンク３の湯水を加熱し、貯湯タンク３に蓄熱を図ることができる。また、排熱回収用の熱交換部１１においては、発電部１０から排出される排ガスを冷却し、排ガス中の水蒸気を凝縮させることにより、凝縮水が得られる。

第２の状態は、排熱回収用の熱交換部１１と放熱器５との間で湯水を循環させる状態であり、三方弁Ｖ１，Ｖ２の湯水流れ方向を切り替えることにより設定可能である。この第２の状態では、矢印Ｎ２１〜Ｎ２５で示す経路で湯水が流れる。具体的には、ポンプＰを駆動させた際には、ポンプＰの吐出側の湯水は、三方弁Ｖ１および配管２０ｅを通過して放熱器５に送り込まれ、その後は配管２０ｆ，２０ａを通過して排熱回収用の熱交換部１１に送られる。その後は、配管２０ｂ，２０ｇを通過してポンプＰに戻る。第２の状態を設定した場合には、放熱器５を利用して冷却された湯水を排熱回収用の熱交換部１１に供給することができるために、発電部１０から排出される排ガスを熱交換部１１において適切に冷却し、凝縮水を得ることが可能である。この第２の状態は、貯湯タンク３における蓄熱量が満杯となった場合に設定される。

貯湯タンク用の断熱材８は、貯湯タンク３の保温性を高めるためのものであり、この断熱材８として、貯湯タンク３の胴部用の断熱材８（８Ａ，８Ｂ）、および上部用の断熱材８（８Ｃ）がある（図２も参照）。これらは、いずれも発泡スチロールなどの発泡樹脂成形体であり、断熱材８Ａ，８Ｂは、貯湯タンク３の左右両側から貯湯タンク３の胴部３ａを挟むように取り付けられる。上部用の断熱材８Ｃは、貯湯タンク３の上部鏡板部３ｂを覆う。本実施形態では、貯湯タンク３の下部鏡板部３ｃが断熱材によって覆われていないが、この部分を断熱材によって覆ってもよいことは勿論である。下部鏡板部３ｃには、貯湯タンク３を起立させて支持するための支持脚（図示略）が設けられている。

放熱器５は、配管２０ｅ，２０ｆが連結される湯水流通用の管体５０ａと複数のフィン５０ｂとを有する放熱用の熱交換部５０を具備している。図示説明は省略するが、この放熱器５は、放熱用の熱交換部５０の周囲を囲む枠体を備えた構成とすることもできる。本実施形態では、放熱器５とファン６とは分離しており、放熱器５自体には空冷用のファン
は設けられていない。図１では、配管２０ｅ，２０ｆの一部が、断熱材８Ａの内部を通過した状態に示されているが、配管２０ｅ，２０ｆについては、このような構造とされてもよいし、あるいは断熱材８Ａと外装ケース７の側壁７２との間に配置させてもよい。

断熱材８Ａの外周面の一部には、前面側（図１の右側）が開口した凹状部８０Ａが形成されており、この凹状部８０Ａに、放熱器５が起立した姿勢で収容されている。放熱器５の重量は、断熱材８Ａによって受けられているが、その材質が既述した発泡樹脂成形体であれば、放熱器５を支持するのに十分な耐久強度を確保することが可能である。外装ケース７の側壁７２には、放熱器５の正面に位置する給気口７０、およびその上方に位置する排気口７１が設けられている。

断熱材８Ｃの下面部には、下部開口状の追加の凹状部８０Ｂが形成されており、この追加の凹状部８０Ｂには、ファン６（モータＭ付き）が収容されている。このファン６は、断熱材８Ｃに支持されている。断熱材８Ａには、凹状部８０Ａのうち、放熱器５よりも奥部側の位置を、追加の凹状部８０Ｂに連通させる空気流通路８１が形成されている。ファン６は、たとえばシロッコファンであり、その吸気口は空気流通路８１側に対向している。ファン６の吐出口は、外装ケース７の排気口７１に対向するように設けられている。追加の凹状部８０Ｂは、断熱材８Ｃの一側面に開口した側面開口部８２をも有しており、この側面開口部８２の存在により、ファン６の吐出口を外装ケース７の排気口７１に接近させて対向させることが可能である。

次に、前記したコージェネレーションシステムＣ１の作用について説明する。

貯湯タンク３における蓄熱状態が満杯になった場合には、配管構造部２は前記した第２の状態に設定され、放熱器５と排熱回収用の熱交換部１１との間で湯水が循環される。この期間中には、ファン６を駆動させる。ファン６が駆動すると、外装ケース７の外部空気が給気口７０、放熱器５、および空気流通路８１を通過してからファン６に到達し、その後はこのファン６の吐出口から排気口７１に向けて吐出され、外装ケース７の外部に排気される。したがって、このような空気流通により、放熱器５に供給される湯水が効率良く冷却され、排熱回収用の熱交換部１１には冷却水を適切に供給することができる。その結果、排熱回収用の熱交換部１１においては、排ガスが適切に冷却され、燃料改質などに利用可能な凝縮水を得ることができる。

放熱器５は、既述したように、断熱材８Ａに設けられた凹状部８０Ａに収容されて支持されている。したがって、放熱器５の設置スペースの確保に苦慮することがなく、コージェネレーションシステムＣ１の他の機器の設置の支障にはならないようにして、放熱器５を適切に設置することができる。また、放熱器５が凹状部８０Ａに収容されていれば、放熱器５を断熱材８Ａの外方に嵩張らないようにすることも可能である。さらに、断熱材８Ａは、放熱器５の重量を負担するブラケットとしての役割をも果たすために、放熱器専用のブラケットを別途設ける必要もない。

放熱器５とファン６とは分離されており、ファン６は凹状部８０Ａには収容されていない。このため、凹状部８０Ａとしては、放熱器５のみを収容できるサイズであればよい。本実施形態とは異なり、たとえば放熱器５の背後に冷却用のファンを組付けて、これらを一纏めにして凹状部８０Ａに収容させようとすると（このような構成も、本発明の技術的範囲に含まれる）、放熱器５およびファンのトータルの厚みが大きくなるため、凹状部８０Ａの深さをかなり深くする必要があり、断熱材８Ａの厚みが不足する場合が生じ得る。これに対し、本実施形態によれば、そのような虞をなくすことが可能である。また、ファン６を放熱器５と分離させて個別に設置させるようにすれば、このファン６用の設置スペースの確保も容易となる。

ファン６は、断熱材８Ｃに形成された追加の凹状部８０Ｂに収容されて断熱材８Ｃに支持されているために、やはり放熱器５と同様に、その設置スペースの確保に苦慮することは解消される。ファン６専用の支持ブラケットを用いる必要もない。さらに、凹状部８０Ａおよび追加の凹状部８０Ｂを連通させる空気流通路８１は、断熱材８Ａを用いて形成しているために、たとえばダクトを用いてそれらの間を繋ぐような必要もない。

このようなことから、本実施形態では、貯湯タンクユニットＵ、ひいてはコージェネレーションシステムＣ１の全体の大型化や部品点数の増加などを抑制しつつ、放熱器５およびファン６を適切に設置することが可能である。

図３は、本発明の他の実施形態を示している。同図において、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付している。

図３に示すコージェネレーションシステムＣ２においては、外装ケース７の排気口７１が、給気口７０よりも下方に設けられており、この排気口７１に対向する箇所に、たとえばプロペラファンなどのファン６Ａが設けられている。このファン６Ａは、たとえば外装ケース７の側壁７２に取り付けられている。一方、断熱材８Ａには、上端が凹状部８０Ａに繋がり、かつ下端が断熱材８Ａの下面に開口した空気流通路８１Ａが設けられている。外装ケース７は、給気口７０および排気口７１の形成箇所以外は、比較的気密性が高い構造に設けられており、ファン６Ａの駆動時には、その吸引負圧が空気流通路８１Ａの下端開口部に作用するようになっている。なお、ファン６Ａの吸引負圧を空気流通路８１Ａの下端開口部により効率良く作用させるための手段として、それらの間をダクトなどを用いて繋いでもよい。

本実施形態によれば、ファン６Ａの駆動時には、やはり外装ケース７の外部空気を給気口７０から凹状部８０Ａに流入させ、かつこの空気を放熱器５に対して適切に作用させることができる。本実施形態から理解されるように、本発明においては、放熱器用のファンについては、断熱材の外部に設置した構成とすることができる。また、ファンの種類も限定されない。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係るコージェネレーションシステム、および貯湯タンクユニットの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

断熱材の凹状部に放熱器を収容させる場合、この放熱器の略全体が凹状部に収容されていることが好ましいものの、必ずしもこれに限定されず、放熱器の一部が凹状部の外部にはみ出していてもよい。また、放熱器は断熱材によって支持された構成（放熱器の重量が断熱材によって受けられた構成）とすることが好ましいものの、やはりこれに限定されず、たとえば放熱器の重量を外装ケースに取り付けられたブラケットなどに全負担または一部負担させた状態で放熱器を断熱材の凹状部に収容させた構成としてもかまわない。このような構成であっても、放熱器の設置スペースの確保という本発明の意図に沿う。また、前記構成によれば、放熱器用のブラケットを用いる不利はあるものの、断熱材の強度が比較的弱いような場合であっても、放熱器を適切に設置することができる利点が得られる。放熱器は、空冷機能を備えたものであればよく、やはりその具体的な構成は限定されない。

貯湯タンク用の断熱材は、貯湯タンクの少なくとも一部を覆い、断熱性を発揮するものであればよく、その具体的な材質も限定されない。放熱器を収容させるための凹状部は、貯湯タンクの胴部を覆う断熱材に代えて、上部鏡板部または下部鏡板部を覆う断熱材に設
けられていてもよい。

本発明に係るコージェネレーションシステムは、水自立型の燃料電池システムを備えたものに限らず、これ以外の燃料電池システム、あるいはガスエンジンなどを用いたシステムとして構成することもできる。コージェネレーションシステムにおいては、発電部の排熱回収用の熱交換部において凝縮水を得ることに代えて、または加えて、たとえば発電部の温度上昇防止などを目的として、発電部からの排熱回収を継続したい場合があり、このような場合にも本発明は有効である。

Ｃ１，Ｃ２ コージェネレーションシステム
Ｕ 貯湯タンクユニット
１ 燃料電池システム
２ 配管構造部
３ 貯湯タンク
５ 放熱器
６，６Ａ ファン
７ 外装ケース
８（８Ａ〜８Ｃ） 断熱材
１０ 発電部
１１ 排熱回収用の熱交換部
７０ 給気口（外装ケースの）
７１ 排気口（外装ケースの）
７２ 側壁（外装ケースの）
８０Ａ 凹状部
８０Ｂ 追加の凹状部
８１，８１Ａ 空気流通路

Claims (6)

1. 貯湯タンクと、
   発電部の排熱回収用の熱交換部と、
   放熱器を有し、かつ前記貯湯タンクと前記排熱回収用の熱交換部とを接続する配管構造部と、を備えており、
   前記配管構造部は、前記貯湯タンクから前記排熱回収用の熱交換部に供給されて加熱された湯水を前記貯湯タンクに戻す第１の状態と、前記排熱回収用の熱交換部によって加熱された湯水を前記放熱器を利用して冷却させてから前記熱交換部に再供給するように循環させる第２の状態とを切り替え設定可能とされている、コージェネレーションシステムであって、
   前記貯湯タンクを覆うように設けられた貯湯タンク用の断熱材には、前記放熱器用のファンの駆動時に空気流通が可能とされた凹状部が設けられ、
   前記放熱器は、前記凹状部に収容されていることを特徴とする、コージェネレーションシステム。
2. 請求項１に記載のコージェネレーションシステムであって、
   前記ファンは、前記放熱器とは分離され、かつ前記凹状部とは異なる箇所に設置されている、コージェネレーションシステム。
3. 請求項１または２に記載のコージェネレーションシステムであって、
   前記断熱材には、追加の凹状部が設けられ、かつ前記ファンは、この追加の凹状部に収容されており、
   前記凹状部および前記追加の凹状部は、前記ファンの駆動時に前記凹状部に空気流通が生じるように互いに連通している、コージェネレーションシステム。
4. 請求項３に記載のコージェネレーションシステムであって、
   前記断熱材には、前記凹状部および前記追加の凹状部を互いに連通させる空気流通路が形成されている、コージェネレーションシステム。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のコージェネレーションシステムであって、
   前記貯湯タンク、前記断熱材、前記放熱器、および前記ファンを収容する外装ケースを備えており、
   この外装ケースには、前記ファンの駆動時において、外部空気を前記外装ケース内に流入させて前記放熱器および前記凹状部に向かわせることが可能な給気口と、前記放熱器および前記凹状部を通過した後の空気を前記外装ケースの外部に排気させるための排気口とが設けられている、コージェネレーションシステム。
6. 貯湯タンクおよびこの貯湯タンクを覆う断熱材と、
   これら貯湯タンクおよび断熱材を収容する外装ケースと、
   を備えている、貯湯タンクユニットであって、
   前記外装ケース内に収容された放熱器およびファンを、さらに備えており、
   前記断熱材には、前記ファンの駆動時に空気流通が可能とされた凹状部が設けられ、
   前記放熱器は、前記凹状部に収容されていることを特徴とする、貯湯タンクユニット。

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