JP5932690B2 - 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，商用電源の停電への対応性を高めたものに関する。

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。また，「商用電源１２」からの電力取得も可能な形となっている。しかしながらこのコージェネレーション装置は，自身が停止していてなおかつ商用電源も停電しているときには，自力で起動することができないものである。

コージェネレーション装置の自力起動を可能とする電源として，特許文献２に記載された温度差二次電池が挙げられる。コージェネレーション装置のエンジンの排気熱を同文献の温度差二次電池の高温熱源とすることで，同温度差二次電池を充電することができると考えられる。こうして充電された温度差二次電池の放電電力を，コージェネレーション装置の自力起動に利用することが考えられる。

特開2009−299532号公報 特開平8−185903号公報

しかしながら，前記した従来の技術には，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，高温熱源たる排ガスの温度は，１００℃を大きく超えるほどの高温となることがある。特許文献２に記載された温度差二次電池はこのような高温には対応できないのである。なぜなら同文献の温度差二次電池は，水溶液系の電解液を用いているからである。１００℃を大幅に超える高温では電解液の気化が激しく起こるからである。同文献の技術では温度差二次電池の構造の工夫により高温対応性をある程度高めているものの，対応できる温度範囲は電解液の沸点程度までにとどまり，著しく不十分である。

本発明は，前記した従来の技術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，商用電源の停電時の自力起動を問題なくできるように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を熱交換器へ導くとともに，その途中で，高温排出ガスの少なくとも一部により，熱発電素子の高温部を昇温させる排出ガス路と，少なくとも主機と商用電源とから電力を取得して電力供給先へ供給する配電盤と，バッテリユニットとを有し，バッテリユニットは，主機の運転中には熱発電素子の発生電力により充電されるとともに，主機の停止中かつ商用電源の停電中に主機を起動させる際には，主機に対して電力を供給するものである。

このコージェネレーション装置では，通常運転中には，熱発電素子の発生電力によりバッテリユニットが充電される。このため，コージェネレーション装置の停止中に商用電源が停電した場合でも，バッテリユニットから主機に電力を供給することで，コージェネレーション装置を起動できる。これにより，商用電源の停電への対応性が高い。

本発明のコージェネレーション装置ではさらに，配電盤が，熱発電素子からも電力を取得するものであり，熱発電素子は，主機の運転中であって前記バッテリユニットが満充電でないときには，発生した電力によりバッテリユニットを充電させ，主機の運転中であってバッテリユニットが満充電であるときには，発生した電力を配電盤へ供給するものであることが望ましい。これにより，熱発電素子の高い発電効率をより有効に活用できる。

本発明によれば，商用電源の停電への対応性を高め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。 実施の形態に係るコージェネレーション装置の自力起動時の作用を示すブロック図である。 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。

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への流量配分を適宜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。

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，コージェネレーション装置の各動作部分を制御するものである。制御部７による制御対象には，ブロワ１１，ポンプ２２，調整弁５３が含まれている。なお，本発明において「主機」というときは，ホットモジュール１自体の他に，上記のブロワ１１，ポンプ２２，制御部７が含まれる。

図１のコージェネレーション装置にはさらに，電池を内蔵するバッテリユニット８が設けられている。バッテリユニット８は，コージェネレーション装置が停止していてかつ商用電源が停止しているときに，コージェネレーション装置が自力で起動するための電源となるものである。バッテリユニット８は，コージェネレーション装置の通常運転時に，熱発電素子モジュール３が発生する電力により充電されるようになっている。つまり，熱発電素子モジュール３が発生する電力の少なくとも一部は，バッテリユニット８の充電のために使用される。ただし，熱発電素子モジュール３の発生電力を，インバータユニット６を介して配電盤６１へ供給することもできる。例えば，バッテリユニット８が満充電状態にあるときに，熱発電素子モジュール３の発生電力が配電盤６１へ供給される。

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，停電時におけるコージェネレーション装置の起動時の動作を説明する。ここで説明するのは，商用電源からの電力に停電が生じたときのコージェネレーション装置の起動動作である。つまり，コージェネレーション装置を停止させて商用電源からの電力で給電先の電力需要を賄っている状況を考える。この状況にて商用電源の停電が発生した場合には，コージェネレーション装置を急遽起動しなければならない。このような場合における動作である。

まず，コージェネレーション装置を停止させて商用電源からの電力で給電先の電力需要を賄っている状況を簡単に説明する。この状況では，ブロワ１１，ポンプ２２，制御部７は休止状態にある。これらの機器および調整弁５３への電力供給も当然，されていない。通常，この状況からコージェネレーション装置を起動させる場合には，燃料である都市ガスの供給をオンするとともに，商用電源からの電力によりブロワ１１，ポンプ２２，制御部７を作動させてホットモジュール１による発電および熱発生を開始させることになる。

しかしながら商用電源の停電によりコージェネレーション装置を起動する場合には当然，商用電源を利用することができない。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，バッテリユニット８の電力を利用するのである。すなわち，商用電源の停電が発生すると，まず，配電盤６１からバッテリユニット８へその旨が報知される。つまり配電盤６１は，停電報知部としての機能を有している。この報知を受けるとバッテリユニット８は，主機，具体的にはブロワ１１，ポンプ２２，および制御部７に対して電力を供給する。これにより，ホットモジュール１による発電および熱発生が開始される。熱発電素子モジュール３による電力発生も開始される。ホットモジュール１および熱発電素子モジュール３により発生された電力は，インバータユニット６および配電盤６１を経て給電先へ供給される。

配電盤６１からの給電先には前述のように，ブロワ１１，ポンプ２２，制御部７が含まれている。このため，ホットモジュール１および熱発電素子モジュール３による発生電力が安定すれば，これらの機器へのバッテリユニット８による電力供給を停止してよい。その後は，もっぱらホットモジュール１および熱発電素子モジュール３による発生電力が，電力需要を賄うこととなる。商用電源の停電が解消するまでこの状況を続行すればよい。また，熱発電素子モジュール３の発生電力によるバッテリユニット８の再充電も行われる。なお，放電したバッテリユニット８の充電を，深夜時間帯等に商用電源からの電力により行うこともできるように構成されていてもよい。

上記におけるバッテリユニット８からの電力供給量は最大で１００Ｗ程度である。また，バッテリユニット８からの電力供給を続行する時間は最大で１時間程度である。このためバッテリユニット８の電池容量は，１００Ｗｈ程度あれば十分である。

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とが設けられている。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。

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，停電時の起動の動作が可能である。図３のコージェネレーション装置における停電時の起動について説明する。基本的には［００２１］〜［００２４］で説明したことと同様であるが，相違点は，停電検知時のバッテリユニット８による電力供給先の範囲である。図３のコージェネレーション装置でこのときにバッテリユニット８が電力を供給するのは，ガスエンジン９と制御部７である。ブロワ１１やポンプ２２は存在しないため，これらに対して電力を供給することはない。電力供給先としてのガスエンジン９とは，具体的には上記の点火プラグとスタータモータである。

図３のコージェネレーション装置におけるバッテリユニット８からの電力供給量は最大で１００Ｗ程度である。バッテリユニット８の電池容量は，図１の場合より小さくて済み，５０Ｗｈ程度あれば十分である。上記の電力供給先の中でも特にスタータモータは，起動動作の初期のみしか動作しないからである。

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，バッテリユニット８を設けている。また，ホットモジュール１もしくはガスエンジン９から熱交換器２へ排ガスを導くガス管５の途中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を設けている。そして，コージェネレーション装置の通常運転中には熱発電素子モジュール３の発生電力によりバッテリユニット８を充電するようにしている。

さらに，ホットモジュール１を用いる装置の場合にはブロワ１１，ポンプ２２，制御部７に対してバッテリユニット８から電力を供給できるようにしている。また，ガスエンジン９を用いる装置の場合にはガスエンジン９の点火プラグやスタータモータ，そして制御部７に対してバッテリユニット８から電力を供給できるようにしている。これにより，商用電源の停電が起こった場合でも，バッテリユニット８により適宜の箇所に電力を給電しつつ起動できるコージェネレーション装置となっている。

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，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。
（４）分岐区間がなく，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１本であるもの（この場合には調整弁は存在しない。）。

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。ただしディーゼルエンジンの場合，バッテリユニット８による電力供給先の中の「点火プラグ」がなく，代わりにグロープラグとなる。

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
３１ 高温部
３２ 低温部
５ ガス管
６１ 配電盤
７ 制御部
８ バッテリユニット
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を前記熱交換器へ導くとともに，その途中で，高温排出ガスの少なくとも一部により，前記熱発電素子の前記高温部を昇温させる排出ガス路と，
   少なくとも前記主機と商用電源とから電力を取得して電力供給先へ供給する配電盤と，
   バッテリユニットとを有し，
   前記バッテリユニットは，
   前記主機の運転中には前記熱発電素子の発生電力により充電されるとともに，
   前記主機の停止中かつ商用電源の停電中に前記主機を起動させる際には，前記主機に対して電力を供給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. 請求項１に記載のコージェネレーション装置において，
   前記配電盤は，前記熱発電素子からも電力を取得するものであり，
   前記熱発電素子は，
   前記主機の運転中であって前記バッテリユニットが満充電でないときには，発生した電力により前記バッテリユニットを充電させ，
   前記主機の運転中であって前記バッテリユニットが満充電であるときには，発生した電力を前記配電盤へ供給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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