JP5932685B2 - コージェネレーション装置 - Google Patents

Description

本発明は，コージェネレーション装置であって，特に，電力需要や熱需要の変動に適切に対応できるようにしたものに関する。

従来から，電力と熱とをともに発生するコージェネレーション装置が使用されている。従来のコージェネレーション装置の一例として，特許文献１に記載されているものが挙げられる。同文献の図１に示されるコージェネレーション装置は，「発電機２０」と，「エンジン２２」とを有している。そして，エンジン２２で発電機２０を駆動するとともに，エンジン２２の排気熱を「熱交換器２６」で回収するようになっている。

このコージェネレーション装置はさらに，「熱発電素子４６」を有している。そして，熱発電素子４６の「高温部４６ｂ」を，エンジン２２から熱交換器２６へ排出ガスを導く「排気通路２２ｈ」に近接させて配置している。一方で熱発電素子４６の「低温部４６ａ」は，エンジン２２へ冷却水を導く「冷却水通路４２ｃ」に近接している。これにより，エンジン２２の排気熱の一部を，熱発電素子４６により電気エネルギーとして回収するようになっている。このコージェネレーション装置は，熱交換器２６に加えて熱発電素子４６を設けることにより，エネルギー効率をより高めようとしたものである。

特開2009−299532号公報

しかしながら，前記した従来文献のコージェネレーション装置には，次のような問題点があった。実際のコージェネレーション装置では，電力需要は一定ではなく変動するものであるが，前記した従来文献のコージェネレーション装置では基本的に，発電機２０の発電量を調整することで電力需要の変動に対応することになる。

すなわち，電力需要が下向きに変化した場面を考えると，エンジン２２の出力を下げて発電機２０の発電量を低下させるのである。このとき，エンジン２２の排出ガスの発生量も減少する。逆の場面では，エンジン２２の出力を上げるとともに，エンジン２２の排出ガスの発生量も増大する。このようにエンジン２２の出力変動に伴ってその排出ガスの発生量が変動すると，熱発電素子４６の温度差もそれにしたがって上下することになる。このため，エンジン２２の出力変動の頻度がそのまま熱発電素子４６の温度差の変動の頻度となり，熱発電素子４６の耐久性がよくない。

またコージェネレーション装置では，熱交換器２６に対する熱需要も一定ではない。熱交換器２６に対する熱需要とは，熱交換器２６で冷却水が加熱されて得られる湯の必要量のことである。湯の供給先の状況により，必要な給湯量が急激に変動することもある。この場面でもやはり，エンジン２２の出力調整により対応することになる。ここで給湯量増大の場面ではエンジン２２の出力も増大されることになる。しかしこれでは，発電機２０の発電量が電力需要を上回ってしまうこともありうる。このため，エンジン２２の出力増大を，電力需要の増大以外の理由で行うことは好ましくない。

本発明は，前記した従来のコージェネレーション装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，熱発電素子を用いてエネルギー変換効率を高めつつ，電力需要あるいは熱需要の変動への対応性をよくしたコージェネレーション装置を提供することにある。

本発明のコージェネレーション装置は，高温排出ガスおよび電力を発生する主機と，主機で発生した高温排出ガスと熱媒質との間での熱交換を行い，昇温した熱媒質を得る熱交換器とを有する装置であって，高温部と低温部とを有し高温部と低温部との間の温度差により電力を発生する熱発電素子と，主機から排出された高温排出ガスの一部を熱交換器へ導くとともに，その途中で熱発電素子の高温部を昇温させる第１ガス路と，主機から排出された高温排出ガスの残部を，熱発電素子を経由することなく熱交換器へ導く第２ガス路と，第１ガス路と第２ガス路との間での高温排出ガスの流量配分を調節する流量配分調節器と，流量配分調節器を制御する制御部とを有している。そして第１の本発明では，制御部は，主機における高温排出ガスの発生量が増大する状況では，第２ガス路への流量配分を大きくし，主機における高温排出ガスの発生量が減少する状況では，第１ガス路への流量配分を大きくするものである。

このコージェネレーション装置では，主機における高温排出ガスの発生量の増減の頻度に対して，熱発電素子における高温部と低温部との間の温度差の増減の頻度が抑制される。これにより，熱発電素子の耐久性が高い。

第２の本発明のコージェネレーション装置は，上記と同様に構成された装置であって，制御部が，熱交換器における昇温した熱媒質の需要量が多い状況では，第２ガス路への流量配分を大きくし，熱交換器における昇温した熱媒質の需要量が少ない状況では，第１ガス路への流量配分を大きくするものである。このコージェネレーション装置では，熱媒質の需要量の変動があった場合でも，主機の高温排出ガスの発生量をあまり変動させることなく，対処することができる。

本発明によれば，熱発電素子を用いてエネルギー変換効率を高めつつ，電力需要あるいは熱需要の変動への対応性をよくしたコージェネレーション装置が提供されている。

実施の形態に係るコージェネレーション装置の構成を示すブロック図である。 ホットモジュールにおける発生電力と排ガス発生量との関係を示すグラフである。 変形例に係るコージェネレーション装置の構成を示すブロック図である。 ガスエンジンにおける回転速度と排ガス発生量との関係を示すグラフである。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，図１に示すコージェネレーション装置に本発明を適用したものである。図１のコージェネレーション装置は，ホットモジュール１と，熱交換器２と，熱発電素子モジュール３とを有している。

ホットモジュール１は，都市ガスと空気との供給を受けて電力を発生する，コージェネレーション装置の主機である。図１におけるホットモジュール１は，燃料電池により構成されたものである。ホットモジュール１は燃料電池スタックの他に，改質器や予熱器などを内蔵している。ホットモジュール１は，電力を発生するばかりでなく，主として水蒸気と二酸化炭素とからなる高温の排ガスを排出する。ホットモジュール１の空気取り入れ箇所には，ブロワ１１が設けられて強制吸気を行うようになっている。

熱交換器２は，ホットモジュール１から排出された高温の排ガスと，冷却水との間で熱交換を行い，冷却水を昇温させて湯とするとともに，排ガスを降温させるものである。このため，ホットモジュール１から熱交換器２へ排ガスを導くガス管５が設けられている。ガス管５の途中の一部分には，第１分岐管５１と第２分岐管５２との２本に分岐している分岐区間が設けられている。また，熱交換器２から出力される湯を貯蔵する貯湯ユニット４が設けられており，貯湯ユニット４から需要先へ湯が供給されるようになっている。

熱交換器２においては，ガス管５により供給された排ガス中に，液相の水が生成する。排ガス中には水蒸気が多く含まれているからである。この水をドレン水という。図１のコージェネレーション装置はこのため，熱交換器２からドレン水を回収するようになっている。そして，回収したドレン水を貯蔵するドレン水タンク２１と，ドレン水タンク２１に溜まったドレン水をホットモジュール１へ還流させるポンプ２２とが設けられている。ドレン水をホットモジュール１へ還流させるのは，都市ガスを改質して水素を得る反応を起こさせるためである。なお，ガス管５から熱交換器２に供給された排ガスのうちドレン水とならなかった部分は，屋外へ排出される。

熱発電素子モジュール３は，ホットモジュール１の排ガスの熱を受ける高温部３１と，熱をあまり受けない低温部３２との間の温度差により電力を発生するものである。このため，ガス管５の途中に，熱発電素子モジュール３は，第１分岐管５１を流れる排ガスから熱を受けるように配置されている。第２分岐管５２は，熱発電素子モジュール３から離れて配置されている。このため，第２分岐管５２を流れる排ガスは，熱発電素子モジュール３によりほとんど熱を奪われない。また，熱発電素子モジュール３において第１分岐管５１から熱を受けるのは高温部３１である。低温部３２は，高温部３１に比して，第１分岐管５１から遠い。このため，第１分岐管５１に排ガスが流れることにより，熱発電素子モジュール３の高温部３１と低温部３２との間に温度差が生じる。

また，第１分岐管５１と第２分岐管５２との分岐点には，調整弁５３が設けられている。調整弁５３は，三方弁である。調整弁５３により，ホットモジュール１から排出された排ガスの第１分岐管５１および第２分岐管５２への流量配分を調整できるようになっている。なお，第１分岐管５１と第２分岐管５２とはその後，再び合流して１本となって熱交換器２へ排ガスを導くようになっている。

図１のコージェネレーション装置にはさらに，インバータユニット６が設けられている。インバータユニット６は，コージェネレーション装置で発生した電力を，商用電源からの電力と同じ交流に変換して需要先に供給するためのものである。ここで電力の供給先には，コージェネレーション装置自体の一部であるブロワ１１，ポンプ２２，調整弁５３，後述する制御部７が含まれている。

図１のコージェネレーション装置では，ホットモジュール１と熱発電素子モジュール３とでインバータユニット６を共用している。インバータユニット６と電力供給先との間には，配電盤６１が設けられている。配電盤６１は，インバータユニット６の他に商用電源からも電力を受けるようになっている。なお，ホットモジュール１とインバータユニット６との間に，電力計６２が設けられている。

図１のコージェネレーション装置にはさらに，制御部７が設けられている。制御部７は，調整弁５３を制御するものである。つまり，ホットモジュール１から排出された排ガスの第１分岐管５１および第２分岐管５２への流量配分を制御するものである。制御部７は，貯湯ユニット４から，給湯先への湯の供給状況に関する情報を受けるようになっている。また電力計６２から，ホットモジュール１の発生電力についての情報を受けるようになっている。

続いて，図１のコージェネレーション装置の動作例を説明する。ここでは，通常運転時における熱発電素子モジュール３への排ガス供給量の制御の動作を説明する。すなわち調整弁５３の制御を説明する。ここで説明する調整弁５３の制御には，次の２通りがある。
１．ホットモジュール１の発生出力の変動に応じた制御
２．貯湯ユニット４から湯の供給先への給湯需要の変動に応じた制御

まず，ホットモジュール１の発生出力の変動に応じた制御（１．）について説明する。ホットモジュール１の発生出力は，都市ガスの供給量の調整により調整可能である。そして，電力供給先における電力需要が大きいときに，商用電源からの電力取得の増大に頼ることなく対応しようとする場合には，ホットモジュール１の発生出力を増大させて対応することになる。このため都市ガスの供給量を増やすことになる。

このときには，ホットモジュール１の発生電力が増大するばかりでなく，ホットモジュール１からの排ガスの発生量も増大することになる。このことを図２のグラフに示す。そこで図１のコージェネレーション装置ではこの場合に，制御部７の制御により調整弁５３を操作して，排ガスの第１分岐管５１への流量配分比を減らして第２分岐管５２への流量配分比を増やす。

また，ホットモジュール１の発生出力を減少させるときには，逆のことを行う。つまり，都市ガスの供給量を減らすとともに，調整弁５３を逆向きに操作する。これにより，排ガスの第１分岐管５１への流量配分比を増やして第２分岐管５２への流量配分比を減らす。この操作は，電力計６２の検知信号に基づいて行うことができる。

つまり，ホットモジュール１の発生出力と流量配分比との関係は，次のようになる。
第１分岐管５１への流量配分 第２分岐管５２への流量配分
大出力時 → 少 多
少出力時 → 多 少
なお，ホットモジュール１の発生出力ごとの調整弁５３の具体的な流量配分比については，あらかじめテーブル等として制御部７に用意しておけばよい。

こうした操作により，熱発電素子モジュール３のある第１分岐管５１の排ガス流量をなるべく一定に維持するのである。このため熱発電素子モジュール３における低温部３２と高温部３１との温度差も，ほぼ一定に維持される。したがって図１のコージェネレーション装置では，ホットモジュール１の発生出力の増減を反復した場合でも，熱発電素子モジュール３の温度差の変動はそれほど激しくない。これにより，熱発電素子モジュール３の耐久性が高い。

これに対してもし，第２分岐管５２が存在しない構成であると，ホットモジュール１で発生した排ガスの全量が熱発電素子モジュール３を通過することとなる。そのような構成では，ホットモジュール１の発生出力の増減の反復がそのまま，熱発電素子モジュール３の温度差の変動に反映されてしまう。これでは，熱発電素子モジュール３に高い耐久性を期待することができない。

続いて，貯湯ユニット４から湯の供給先への給湯需要の変動に応じた制御（２．）について説明する。湯の供給先とは主として，厨房とか浴場などであり，給湯需要は一定ではない。給湯需要が多い時間帯には，熱交換器２への給熱量を増やす必要がある。そのためにはホットモジュール１の出力を増大させることが考えられるが，それではホットモジュール１の電力発生量も増大してしまう。それでも電力需要より少ない範囲内であれば，商用電源からの電力取得量を減らすことで対応できるが，コージェネレーション装置の発生電力が電力需要を超えてしまうことも考えられる。このため，ホットモジュール１の出力はあまり増やさず，熱交換器２への給熱量のみを増やすことが望ましい。

そこで図１のコージェネレーション装置では，制御部７の制御により調整弁５３を次のように操作することで対応する。給湯需要が増大するときには，調整弁５３を操作して，排ガスの第１分岐管５１への流量配分比を減らして第２分岐管５２への流量配分比を増やす。熱発電素子モジュール３のある第１分岐管５１を通過して来た排ガスは，熱発電素子モジュール３で熱を奪われている分温度が低下しているのに対し，熱発電素子モジュール３のない第２分岐管５２を通過して来た排ガスは，ほぼ，ホットモジュール１から排出されたときのままの高い温度にある。

よって，このように調整弁５３を操作することで，熱交換器２への給熱量のみを増やし，給湯需要の増大に対応することができる。しかも，調整弁５３の操作による上記の対応は，ホットモジュール１の出力そのものを増大させることに比べて，熱交換器２における応答速度が速いという利点もある。

なお，この操作をすることで，熱発電素子モジュール３の発電量が低下することは避けられない。しかしそれは，商用電源からの電力取得増加で対処可能である。また，仮にホットモジュール１の出力を増大させることで対処するとしても，その増大幅はそれほど大きくない。

逆に給湯需要が減少するときには，調整弁５３を操作して，排ガスの第１分岐管５１への流量配分比を増やして第２分岐管５２への流量配分比を減らす。このように調整弁５３を操作することで，ホットモジュール１の出力はそのままで，熱交換器２への給熱量のみを減らし，給湯需要の減少に対応することができる。

つまり，給湯需要の多寡と流量配分比との関係は，次のようになる。
第１分岐管５１への流量配分 第２分岐管５２への流量配分給湯需要が多いとき → 少 多
給湯需要が少ないとき → 多 少
なお，給湯需要の程度ごとの調整弁５３の具体的な流量配分比については，あらかじめテーブル等として制御部７に用意しておけばよい。むろん，調整弁５３による両分岐管への配分比は，上記のような２水準のみに限定されるわけではない。

また現実には，給湯需要の多寡は，１日の中の時間帯により決まったパターンとなっていることが多い。このため，厨房繁忙時や入浴者の多い時間帯などをあらかじめ，第１分岐管５１への流量配分を下げる時間帯として定めておいてもよい。

次に，図１のコージェネレーション装置の変形例として，燃料電池を用いたホットモジュール１の代わりにガスエンジンと発電機を用いた例を示す。図３にその構成を示す。図３のコージェネレーション装置の，図１のコージェネレーション装置との相違点は，以下の通りである。それ以外は基本的に両者は共通である。

まず，ホットモジュール１が廃され代わりにガスエンジン９と発電機１０が設けられている。ガスエンジン９は，公知の点火プラグやスタータモータを内蔵している。ただしスタータモータについては，発電機１０で兼用する構成も可能である。ガスエンジン９と発電機１０とは，ドライブシャフト１２で連結されている。ドライブシャフト１２には，回転計１３が付設されている。回転計１３から制御部７へ，ドライブシャフト１２の回転速度の信号が出力されるようになっている。回転計１３は，図１のコージェネレーション装置における電力計６２の代わりとなるものである。このため図３のコージェネレーション装置には，電力計６２が設けられていない。ただし図３のコージェネレーション装置でも，回転計１３を設ける代わりに電力計６２を設ける構成とすることもできる。

図３のコージェネレーション装置ではまた，ブロワ１１が設けられておらず，ガスエンジン９自体による自然吸気方式となっている。さらに，ドレン水タンク２１およびポンプ２２が廃止されている。ただし図３のコージェネレーション装置でも，熱交換器２で排ガスから発生するドレン水を利用する構成を設けることは可能である。

図３のコージェネレーション装置でも，図１のコージェネレーション装置と同様に，
１．発電機１０の発生出力の変動に応じた制御
２．貯湯ユニット４から湯の供給先への給湯需要の変動に応じた制御
の各動作が可能である。

図３のコージェネレーション装置における発電機１０の発生出力の変動に応じた制御（１．）について説明する。これも基本的に，［００２４］〜［００２９］で述べたことと同様である。ガスエンジン９の回転速度（すなわち発電機１０の出力）と排ガス発生量との関係は，図４に示されるとおり，前述の図２と同じく右上がりの傾向にあるからである。なお，図３のコージェネレーション装置では，電力計６２の検知信号の代わりに回転計１３の出力信号に基づいて上記の制御がなされる。ただし，回転計１３に替えて電力計６２が備えられている場合にはむろん，電力計６２の検知信号が用いられる。

次に，図３のコージェネレーション装置における貯湯ユニット４から湯の供給先への給湯需要の変動に応じた制御（２．）であるが，これについては，［００３０］〜［００３６］で説明したことに対して，敢えて説明するほどの相違点はない。

以上詳細に説明したように本実施の形態に係るコージェネレーション装置では，ホットモジュール１もしくはガスエンジン９から熱交換器２へ排ガスを導くガス管５に，第１分岐管５１と第２分岐管５２との２本に分岐している分岐区間を設けている。そして，その分岐区間の一方である第１分岐管５１に熱発電素子モジュール３を設けるとともに，もう一方の第２分岐管５２には熱発電素子モジュール３を設けないこととしている。これにより，ホットモジュール１もしくはガスエンジン９で発生した排ガスの一部については熱発電素子モジュール３を通してから熱交換器２へ導くとともに，残部の排ガスについては熱発電素子モジュール３を通さずに直に熱交換器２へ導くようにしている。

さらに，第１分岐管５１と第２分岐管５２との分岐点に調整弁５３を設けている。これにより，熱発電素子モジュール３を経由して熱交換器２へ向かう排ガスと，熱発電素子モジュール３を経由せずに直接に熱交換器２へ向かう排ガスとの流量配分を調整できるようにしている。こうすることで，ホットモジュール１もしくはガスエンジン９の出力を増減させた場合でも，熱発電素子モジュール３における低温部３２と高温部３１との温度差をなるべく一定に維持する制御を可能としている。これにより熱発電素子モジュール３の長寿命化を図っている。また，ホットモジュール１もしくはガスエンジン９の出力をあまり変動させることなく，給湯需要の多寡に対応する制御をも可能としている。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，本実施の形態では，両分岐管間での排ガスの流量配分の調整を，分岐点に設けた三方弁である調整弁５３により行っている。しかしこれに限らず，両分岐管の合流点に調整弁５３を設けてもよい。さらには三方弁に替えて，第１分岐管５１と第２分岐管５２とのいずれか一方もしくは両方に開度調整可能な二方弁を設けることでも同様のことが可能である。ここで「開度調整可能」には，デューティ制御によるものを含むものとする。

また，本実施の形態では，ホットモジュール１もしくはガスエンジン９から熱交換器２に至るガス管の途中の一部分を分岐区間としている。しかしこれに限らず，次のような形態でもよい。
（１）第１分岐管５１と第２分岐管５２とが合流せず，２本のまま熱交換器に至るもの（熱交換器内で両排ガスが合流してもよいし，熱交換器内にも２本の排ガス路が独立に存在してもよい。）。
（２）ホットモジュール１もしくはガスエンジン９からもともと２本の第１分岐管５１と第２分岐管５２として出力され（つまり，ホットモジュール１もしくはガスエンジン９の内部で分岐する。），一方が熱発電素子モジュール３を経由してから合流して熱交換器に至るもの。
（３）ホットモジュール１もしくはガスエンジン９から熱交換器に至るまでずっと２本であるもの（ただしこの場合には調整弁として三方弁は使えない。）。

また，図３の形態のコージェネレーション装置では，ガスエンジン９の代わりに別種のエンジン（ガソリンエンジン，ディーゼルエンジン等）を用いてもよい。また，ガスエンジンもしくはガソリンエンジンの場合，回転速度信号を点火信号から取ることもできる。

１ ホットモジュール（主機）
２ 熱交換器
３ 熱発電素子モジュール
５１ 第１分岐管（第１ガス路）
５２ 第２分岐管（第２ガス路）
５３ 調整弁（流量配分調節器）
６１ 配電盤
７ 制御部
９ ガスエンジン
１０ 発電機

Claims (2)

1. 高温排出ガスおよび電力を発生する主機と，
   前記主機で発生した高温排出ガスと熱媒質との間での熱交換を行い，昇温した熱媒質を得る熱交換器とを有するコージェネレーション装置において，
   高温部と低温部とを有し前記高温部と前記低温部との間の温度差により電力を発生する熱発電素子と，
   前記主機から排出された高温排出ガスの一部を前記熱交換器へ導くとともに，その途中で前記熱発電素子の前記高温部を昇温させる第１ガス路と，
   前記主機から排出された高温排出ガスの残部を，前記熱発電素子を経由することなく前記熱交換器へ導く第２ガス路と，
   前記第１ガス路と前記第２ガス路との間での高温排出ガスの流量配分を調節する流量配分調節器と，
   前記流量配分調節器を制御する制御部とを有し，
   前記制御部は，
   前記主機における高温排出ガスの発生量が増大する状況では，前記第２ガス路への流量配分を大きくし，
   前記主機における高温排出ガスの発生量が減少する状況では，前記第１ガス路への流量配分を大きくするものであることを特徴とするコージェネレーション装置。
2. 高温排出ガスおよび電力を発生する主機と，
   前記主機で発生した高温排出ガスと熱媒質との間での熱交換を行い，昇温した熱媒質を得る熱交換器とを有するコージェネレーション装置において，
   高温部と低温部とを有し前記高温部と前記低温部との間の温度差により電力を発生する熱発電素子と，
   前記主機から排出された高温排出ガスの一部を前記熱交換器へ導くとともに，その途中で前記熱発電素子の前記高温部を昇温させる第１ガス路と，
   前記主機から排出された高温排出ガスの残部を，前記熱発電素子を経由することなく前記熱交換器へ導く第２ガス路と，
   前記第１ガス路と前記第２ガス路との間での高温排出ガスの流量配分を調節する流量配分調節器と，
   前記流量配分調節器を制御する制御部とを有し，
   前記制御部は，
   前記熱交換器における昇温した熱媒質の需要量が多い状況では，前記第２ガス路への流量配分を大きくし，
   前記熱交換器における昇温した熱媒質の需要量が少ない状況では，前記第１ガス路への流量配分を大きくするものであることを特徴とするコージェネレーション装置。

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