JP6299383B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明はコージェネレーションシステムに関し、特に排熱回収運転時に貯湯タンクが満蓄状態になると貯湯タンクの高温の湯水を外部に排出可能な機能を有するものに関する。

従来から、内部熱源機や外部熱源機等の排熱を回収して再利用することで総合エネルギー効率を高めたコージェネレーションシステムが実用に供されている。このコージェネレーションシステムは、熱源機として燃料電池やガスエンジン等を組み合わせた発電装置の排熱を回収する種々のタイプのものが実用化されている。

例えば、燃料電池を備えたコージェネレーションシステムは、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）との酸化還元反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換することで電力を発生させる発電ユニットと、この発電ユニットによる発電の際に副次的に発生する排気の排熱を湯水として回収して貯湯タンクに貯湯する貯湯ユニットと、発電ユニットと貯湯ユニットとの間に湯水を循環させる排熱回収循環回路等から構成されている。

ところで、貯湯タンクから排熱回収循環回路を介して発電ユニットの排熱回収熱交換器へ流れる湯水の温度は、貯湯タンクの蓄熱状況により上昇し、やがて、貯湯タンクが満蓄状態（高温の湯水で満タンの状態）となると、排熱回収熱交換器への湯水の温度が高くなりすぎて排熱回収が困難になる。発電ユニットの発電継続には水蒸気改質用の純水が必要であるが、この純水は排気ガスを冷却することで回収される凝縮水から生成されるため、湯水が高温となると十分な量の純水を回収できなくなるという問題がある。

そこで、上記の問題を解決する為に、貯湯タンクの満蓄時には、排熱回収熱交換器を流れる湯水温度を低下させる必要が生じる。従来では、排熱回収循環回路に湯水を冷却する為のラジエータが設置されているので、このラジエータを作動することによって、熱交換器へ供給される湯水の温度を低下させて凝縮水を回収している。

また、一般にラジエータは複雑な構造で高価なものであるから、排熱回収循環回路にラジエータを設置することは、製作コストの低減及び装置の小型化を図る上で不利であるので、例えば、特許文献１の燃料電池コージェネレーションには、排熱回収熱交換器から戻る高温の湯水を機外に排出し、上水源から低温の上水を導入して排熱回収熱交換器に供給することで、ラジエータを省略可能にした構造が開示されている。

特開２０１３−１２３８１号公報

しかし、上記の特許文献１の排熱回収熱交換器から戻る高温の湯水（例えば８０℃）を機外に排出し、低温の上水を補給して湯水の温度を低下させる技術においては、水道法上により、高温の湯水はそのまま機外に排出できないので、低温の上水と混合して湯水温度を４５℃以下に低下させてから機外に排出する必要がある。つまり、高温の湯水の排出時に、低温の上水を無駄に消費してしまうので、無駄なコストが発生し、コージェネレーションシステムの運転コストの利点を十分に活用できないという問題が生じる。また、高温の湯水をそのまま機外に排出できないので、低温の上水との混合部を設ける必要があり、構造上に無駄が生じるという問題もある。

本発明の目的は、コージェネレーションシステムにおいて、高温の湯水を排出する際に余分な低温の上水を混合する必要のないもの、運転コストの利点を十分に活用することができるもの、等を提供することである。

請求項１のコージェネレーションシステムは、発電を行う発電ユニットと、湯水を貯湯する貯湯タンクを有する貯湯ユニットと、前記発電ユニットと前記貯湯ユニットとの間に湯水を循環させる排熱回収循環回路とを備えたコージェネレーションシステムにおいて、前記貯湯ユニットは、前記貯湯タンクが満蓄状態になった場合、前記排熱回収循環回路を流れる高温の湯水又は前記貯湯タンク内に貯留された高温の湯水を、排出通路を介して機外に排出するように構成され、前記排出通路の最下流部には、前記高温の湯水をミスト状に排出可能なミストノズルが設けられたことを特徴としている。

請求項２のコージェネレーションシステムは、請求項１の発明において、前記排出通路は、前記排熱回収循環回路の前記発電ユニットの排熱回収熱交換器の下流側で且つ前記貯湯タンクの上流側から分岐されたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、コージェネレーションシステムにおいて、貯湯タンクが満蓄状態になった場合には、排熱回収循環回路を流れる高温の湯水又は貯湯タンク内に貯留された高温の湯水を、排出通路を介して機外に排出することができ、このとき、排出通路を流れる高温の湯水は、排出通路の最下流部に設けられたミストノズルによってミスト状になって排出される。

従って、高温の湯水をミストノズルから放出する際に、高温の湯水がミスト状になることで、外気と接触する表面積が増加して湯水温度の低下が促進されるので、高温の湯水の排出時に余分な低温の上水を混合する必要がなくなり、無駄なコストの発生を防止することで、コージェネレーションシステムの設置による運転コストの利点を十分に活用可能になる。

請求項２の発明によれば、排出通路は、排熱回収循環回路の発電ユニットの排熱回収熱交換器の下流側で且つ貯湯タンクの上流側から分岐されたので、貯湯タンクが満蓄状態になった場合でも貯湯タンク内の湯水を排水せずに維持することができる。

本発明の実施例に係るコージェネレーションシステムの発電ユニットの概略構成図である。 貯湯ユニットの概略構成図である。 部分変更形態に係る貯湯ユニットの概略構成図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ず、本発明のコージェネレーションシステム１の全体構成について説明する。
図１，図２に示すように、コージェネレーションシステム１は、発電を行う発電ユニット２と、湯水を貯湯する貯湯タンク１１を有する貯湯ユニット３と、発電ユニット２と貯湯ユニット３との間に湯水を循環させる排熱回収循環回路１５等を備え、発電ユニット２の排気と貯湯タンク１１内の湯水とを熱交換させる排熱回収に伴い排気中の水分を回収する機能を有するものである。

次に、発電ユニット２について説明する。
図１に示すように、発電ユニット２は、発電モジュール４と、カソード空気ブロア５ａと、燃料ガス昇圧ブロア５ｂと、燃料改質空気ブロア５ｃと、排気排出通路６と、排熱回収熱交換器７と、水処理装置８と、インバータ９等を備え、これらの各種器具が外装ケース１０に収納されて構成されている。発電モジュール４にて発電された直流電力は、インバータ９を介して交流電力に変換されて外部に出力される。

発電モジュール４は、燃料電池セルスタック４ａと、蒸発器４ｂと、燃料改質器４ｃと、オフガス燃焼室４ｄ等を備え、燃料改質器４ｃによって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタック４ａで化学反応させることで発電を行うものでる。

排熱回収熱交換器７は、排気排出通路６の内部に設けられ、排熱回収循環回路１５の一部を構成する熱交換通路部７ａを備えている。この排熱回収熱交換器７において、発電モジュール４から排出される排気を、熱交換通路部７ａを流れる湯水との間で熱交換させて、排気中に含まれる水蒸気は冷却され凝縮されて凝縮水となる。

水処理装置８は、排熱回収熱交換器７にて凝縮された凝縮水を、回収通路８ａを介して回収し、処理タンクのイオン交換樹脂により不純物を取り除いた水を、貯留タンクに一時的に貯留し、送水ポンプの駆動により、貯留タンク内の水を、水供給通路８ｂを介して発電モジュール４の蒸発器４ｂに供給するものである。

次に、貯湯ユニット３について説明する。
図２に示すように、貯湯ユニット３は、排気の熱を湯水として蓄熱する為の貯湯タンク１１と、補助熱源機１２と、給水通路１３と、給湯通路１４と、排熱回収循環回路１５と、混合弁１６と、三方弁１７と、制御ユニット１８等を備え、これら大部分は外装ケース２０内に一体的に収納されている。

貯湯タンク１１は、発電ユニット２で加熱された高温の湯水（例えば、６５〜９０℃）を貯留可能な密閉タンクで構成され、貯留された湯水の放熱を防ぐ為にタンク周囲は断熱材で覆われている。貯湯タンク１１の外周部には、下側から上側に向かって等間隔に複数の温度センサ２１ａ〜２１ｄが順に設けられ、これら複数の温度センサ２１ａ〜２１ｄにより貯湯タンク１１内の複数の貯留層の湯水温度が検出される。

補助熱源機１２は、バーナーや熱交換器等を内蔵した公知のガス給湯器で構成されている。補助熱源機１２は、貯湯タンク１１内の湯水温度が低下した場合等の特別な場合に限り、制御ユニット１８から指令が送信されて燃焼作動され、湯水を加熱するものである。

給水通路１３は、上水源から低温の上水を貯湯タンク１１等に供給するものであり、上流給水通路部１３ａ、下流給水通路部１３ｂを有し、上流端が上水源に接続され、下流端が貯湯タンク１１の下部に接続されている。上流給水通路部１３ａと下流給水通路部１３ｂとの間から給湯通路１４に接続するバイパス通路２３が分岐されている。上流給水通路部１３ａには、温度センサ２１ｅと減圧弁２４が設けられている。

給湯通路１４は、貯湯タンク１１に貯湯された湯水を風呂等の所望の給湯先に供給するものであり、上流給湯通路部１４ａ、下流給湯通路部１４ｂを有し、上流端が貯湯タンク１１に接続され、下流端が給湯栓２５に接続されている。上流給湯通路部１４ａには、流量センサ２２ａと温度センサ２１ｆが設けられ、下流給湯通路部１４ｂには、流量センサ２２ｂと温度センサ２１ｇが設けられている。上流給湯通路部１４ａの途中部から分岐してドレン放出部２５に接続される排出通路２６が設けられ、この排出通路２６に圧力リリーフ弁２７が設けられている。

上流給湯通路部１４ａと下流給湯通路部１４ｂとの間には、混合弁１６が設けられ、この混合弁１６に給水通路１３から分岐したバイパス通路２３が接続されている。混合弁１６は、出湯温度が目標給湯設定温度になるように低温の上水と高温の湯水の混合比を制御するものである。

下流給湯通路部１４ｂの途中部には、補助熱源機１２が設置されている。上流給水通路部１３ａから分岐した分岐通路２８が、下流給湯通路部１４ｂの補助熱源機１２の上流側に接続され、分岐通路２８には、高温出湯回避用の電磁弁２９が設けられている。

図１，図２に示すように、排熱回収循環回路１５は、貯湯タンク１１と発電ユニット２との間に湯水を循環させて発電ユニット２の排熱を回収する閉回路であり、低温側循環通路部１５ａ、高温側循環通路部１５ｂ等を有し、上流端が貯湯タンク１１の下部に接続され、下流端が貯湯タンク１１の上部に接続されている。低温側循環通路部１５ａと高温側循環通路部１５ｂとの間には、排熱回収熱交換器７の熱交換通路部７ａが接続されている。尚、低温側循環通路部１５ａの上流端と下流給水通路部１３ｂの下流端は、共通の通路部で構成されている。

低温側循環通路部１５ａには、温度センサ２１ｈが設けられ、高温側循環通路部１５ｂには、温度センサ２１ｉが設けられている。貯湯ユニット３の出口付近（発電ユニット２の入口付近）の低温側循環通路部１５ａ内の湯水の温度が、温度センサ２１ｈにより検出され、貯湯ユニット３の入口付近（発電ユニット２の出口付近）の高温側循環通路部１５ｂ内の湯水の温度が、温度センサ２１ｉにより検出される。

循環ポンプ３１は、排熱回収循環回路１５に湯水を循環させる為の循環ポンプであり、低温側循環通路部１５ａの発電ユニット２側に設けられている（図１参照）。尚、循環ポンプ３１は、低温側循環通路部１５ａの貯湯ユニット３側に設けられても良い。

通常の排熱回収運転時には、貯湯タンク１１から循環ポンプ３１の駆動を介して湯水が、低温側循環通路部１５ａを通り排熱回収熱交換器７の熱交換通路部７ａに送られ、排熱回収熱交換器７で加熱された湯水は、高温側循環通路部１５ｂを流れて貯湯タンク１１に戻されて貯留される。給湯運転時には、貯湯タンク１１に貯留された高温の湯水（例えば、６５〜９０℃）は、給湯通路１４に供給される。

次に、本発明に関連する排出通路３２について説明する。
図２に示すように、排出通路３２は、貯湯タンク１１が満蓄状態になった場合に排熱回収循環回路１５を流れる高温の湯水を、ドレン放出部２５を介して機外に排出するものであり、排熱回収循環回路１５のうちの排熱回収熱交換器７の熱交換通路部７ａより下流側で且つ貯湯タンク１１より上流側である高温側循環通路部１５ｂから分岐してドレン放出部２５に延びるように設けられている。

排出通路３２の下流端部分は、下方に延びるように設置され、この排出通路３２の最下流部には、高温の湯水をミスト状に排出可能なミストノズル３３が設けられている。このミストノズル３３は、高温の湯水をミスト状に放出可能な公知のミストノズルで構成されている。具体的に、ミストノズル３３は、例えば、排出通路３２を流れる６５〜９０℃の湯水を給水圧によってミスト状にすることで４５℃以下に低下するように構成されている。ミストノズル３３から放出される際に温度低下した湯水は、ドレン放出部２５を介して機外に排出される。

高温側循環通路部１５ｂは、上流通路部１５ｃ、下流通路部１５ｄを有し、上流通路部１５ｃと下流通路部１５ｄとの間の排出通路３２が分岐する分岐部には、三方弁１７が設けられている。上流通路部１５ｃの下流端が三方弁１７（ポートＡ）に接続され、排出通路３２の上流端が三方弁１７（ポートＢ）に接続され、下流通路部１５ｄの上流端が三方弁１７（ポートＣ）に接続され、この三方弁１７により上流通路部１５ｃが下流通路部１５ｄと排出通路３２の何れかに択一的に接続される。

このように、貯湯ユニット３は、貯湯タンク１１が満蓄状態になった場合、三方弁１７を切り換えることで、排熱回収循環回路１５を流れる高温の湯水を、排出通路３２を介して機外に排出するように構成されている。

貯湯ユニット３は、制御ユニット１８によって制御される。各種のセンサの検出信号が制御ユニット１８に送信され、この制御ユニット１８により、貯湯ユニット３の動作、各種のポンプの作動・停止、各種の弁の開閉状態の切り換え及び開度調整等を制御し、各種運転（排熱回収運転、上水導入運転、給湯運転等）を実行する。

制御ユニット１８は、ユーザーが操作可能な操作リモコンとの間でデータ通信可能であり、操作リモコンのスイッチ操作により各種の運転が設定されると、その指令信号が操作リモコンから制御ユニット１８に送信される。例えば、操作リモコンのスイッチ操作により目標給湯設定温度が設定されると、その目標給湯設定温度データが操作リモコンから制御ユニット１８に送信される。

次に、本発明のコージェネレーションシステム１の作用及び効果について説明する。
このコージェネレーションシステム１は、水処理装置８の貯留タンク内の水の貯留状態と貯湯タンク１１の湯水の貯湯状態等に応じて、貯湯タンク１１内の湯水を排熱回収循環回路１５に循環させて排熱回収熱交換器７で排気と熱交換する通常の排熱回収運転と、貯湯タンク１１内の湯水を使用せずに上水源から低温の上水を導入して排熱回収熱交換器７で排気と熱交換する上水導入運転を有する。

通常の排熱回収運転においては、三方弁１７をポートＡ−ポートＣ間を接続する開弁状態に設定する。つまり、三方弁１７は、排出通路３２を閉止して排熱回収循環回路１５を循環状態になるように制御される。循環ポンプ３１の駆動により貯湯タンク１１の下端部から低温側循環通路部１５ａを経て熱交換通路部７ａに流入した湯水は、オフガス燃焼室４ｄから排出された排気と熱交換し、この湯水を暖め、加熱された湯水が高温側循環通路部１５ｂを通って貯湯タンク１１に貯留され、この運転を繰り返すことで貯湯タンク１１に高温の湯水が貯留される。

一方、発電ユニット２においては、排熱回収熱交換器７で排気に含まれる水蒸気が冷却されて凝縮水を発生し、この凝縮水は、回収通路８ａを介して水処理装置８の処理タンクに送られ、処理タンク内で凝縮水の不純物を除去し、この浄化された水を貯留タンクに送り一時的に貯留する。その後、この貯留タンクに貯留された水は、水供給通路８ｂを介して発電モジュール４の蒸発器４ｂに送られ、改質用の水として再利用される。

しかし、貯湯タンク１１から低温側循環通路部１５ａを介して排熱回収熱交換器７へ送られる湯水の温度は、貯湯タンク１１の蓄熱状況によって徐々に上昇し、やがて、貯湯タンク１１が満蓄状態となり、排熱回収循環回路１５を循環する湯水が排熱回収熱交換器７における露点近傍の温度に達する。すると、排気の温度低下が小さくなり、排熱回収熱交換器７で発生する凝縮水の量が低減して十分な量の凝縮水を回収できなくなり、改質用の純水の供給が不足するので、以下に説明する上水導入運転に切り換える。

この上水導入運転においては、循環ポンプ３１の駆動を停止して、貯湯ユニット３の三方弁１７のポートＡ−ポートＢ間を接続する開弁状態に設定する。つまり、貯湯タンク１１内の湯水の温度が所定の設定温度以上且つ貯留タンク内の水が所定の設定水位に低下時には、三方弁１７を介して貯湯タンク１１への湯水の循環を停止して排出通路３２を開放することによって、排熱回収循環回路１５から高温の湯水を排出するとともに、給水通路１３から低温の上水を、給水圧を利用して低温側循環通路部１５ａへ導入する。

低温側循環通路部１５ａを経て熱交換通路部７ａに流入した低温の上水は、オフガス燃焼室４ｄから排出された排気に含まれる水蒸気と熱交換し、この上水を暖め、加熱された湯水が高温側循環通路部１５ｂと排出通路３２とを通ってドレン放出部２５に排出される。尚、排出通路３２から高温の湯水を排出する際には、高温の湯水は、排出通路３２の最下流部に設けられたミストノズル３３によってミスト状の水滴となってドレン放出部２５に放出され、ドレン放出部２５を介して機外へ排出される。

一方、発電ユニット２においては、低温の上水が導入されることで、排熱回収熱交換器７の冷却能力が増すので、通常の排熱回収運転の場合と比較して多めの凝縮水が発生し、この凝縮水を、回収通路８ａを介して水処理装置８の処理タンクに送られ、処理タンク内で処理した後に貯留タンクに貯留することができる。

このように、満蓄状態となった貯湯タンク１１内の湯水に代えて低温の上水を熱交換に利用する事で、水蒸気との間の熱交換を促進し、十分な量の凝縮水を回収することができ、改質用の水不足による異常運転を回避することができる。その後、貯留タンクの水位が設定水位以上に回復した場合や貯湯タンク１１内の湯水の温度が所定の設定温度より低下した場合は、上水源からの上水の導入を停止して、通常の排熱回収運転に切り換える。

以上説明したように、コージェネレーションシステム１において、貯湯タンク１１が満蓄状態になった場合には、排熱回収循環回路１５を流れる高温の湯水を、排出通路３２を介して機外に排出することができる。このとき、排出通路３２を流れる高温の湯水は、排出通路３２の最下流部に設けられたミストノズル３３によってミスト状になって排出される。

従って、高温の湯水をミストノズル３３から放出する際に、高温の湯水がミスト状になることで、外気と接触する表面積が増加して湯水温度の低下が促進されるので、高温の湯水の排出時に余分な低温の上水を混合する必要がなくなり、無駄なコストの発生を防止することで、コージェネレーションシステム１の設置による運転コストの利点を十分に活用可能になる。

また、排出通路３２は、排熱回収循環回路１５の発電ユニット２の排熱回収熱交換器７の下流側で且つ貯湯タンク１１の上流側から分岐されたので、貯湯タンク１１が満蓄状態になった場合でも貯湯タンク１１内の湯水を排水せずに維持することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］図３に示すように、上流通路部１５ｃと下流通路部１５ｄとの間の分岐部に三方弁１７を設けた構造に代えて、排出通路３２の途中部に開閉弁４１を設けた構造であっても良い。この構造の場合、上水導入運転時に、開閉弁４１を開弁状態に切り換えると、排熱回収循環回路１５を流れる高温の湯水は、排出通路３２を介して機外に排出されると共に、高温の湯水の一部が貯湯タンク１１に戻される。

［２］前記実施例において、排熱回収循環回路１５から分岐する排出通路３２に代えて、給湯通路１４の上流給湯通路部１４ａから分岐する排出通路を設け、この排出通路の途中部に開閉弁を設け、排出通路の最下流部にミストノズル３３を設けた構造であっても良い。この構造の場合、上水導入運転時に、循環ポンプ３１を駆動させた状態で開閉弁を開弁状態に切り換えると、排熱回収循環回路１５から貯湯タンク１１に戻った高温の湯水を、上流給湯通路部１４ａから排出通路に流して機外に排出することができる。

［３］前記実施例において、発電ユニット２として燃料電池について説明したが、これに限定する必要はなく、ガスエンジン等を採用しても良いし、これら以外にも種々の公知なものを採用可能である。

［４］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例の種々の変更を付加した形態で実施可能で、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ コージェネレーションシステム
２ 発電ユニット
３ 貯湯ユニット
７ 排熱回収熱交換器
１１ 貯湯タンク
１５ 排熱回収循環回路
３２ 排出通路
３３ ミストノズル

Claims (2)

1. 発電を行う発電ユニットと、湯水を貯湯する貯湯タンクを有する貯湯ユニットと、前記発電ユニットと前記貯湯ユニットとの間に湯水を循環させる排熱回収循環回路とを備えたコージェネレーションシステムにおいて、
   前記貯湯ユニットは、前記貯湯タンクが満蓄状態になった場合、前記排熱回収循環回路を流れる高温の湯水又は前記貯湯タンク内に貯留された高温の湯水を、排出通路を介して機外に排出するように構成され、
   前記排出通路の最下流部には、前記高温の湯水をミスト状に排出可能なミストノズルが設けられたことを特徴とするコージェネレーションシステム。
2. 前記排出通路は、前記排熱回収循環回路の前記発電ユニットの排熱回収熱交換器の下流側で且つ前記貯湯タンクの上流側から分岐されたことを特徴とする請求項１に記載のコージェネレーションシステム。