JP6667161B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本開示は、コージェネレーションシステムに関する。

燃料電池システムは、熱と電力を生成するコージェネレーションシステムの１つとして知られている。コージェネレーションシステムにおいて、通常、電力は、消費電力を越えないように生成される。発電時には熱も生成されるが、熱が生成される期間は、熱が消費される期間と大きくずれている場合が多い。また、コージェネレーションシステムの単位時間あたりの発熱能力は、単位時間あたりの熱の必要量と大きく異なる。

特許文献１に開示されているように、需要と供給との差を埋めるために、貯湯タンク及びバックアップボイラを備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池の熱によって生成された温水が貯湯タンクに貯められる。貯湯タンクに貯められた温水で消費を賄うことができないとき、バックアップボイラを使って温水が生成される。

特許第５３７３６８１号公報

従来のコージェネレーションシステムにおいて、バックアップボイラには、市水が直接供給される。あるいは、貯湯タンクからバックアップボイラに温水が供給され、バックアップボイラで昇温された温水が蛇口に供給される。このような構成において、バックアップボイラには、市水の給水圧力及び水撃発生時の圧力に耐えうる十分な耐圧強度が要求される。このことは、バックアップボイラのコストを増大させ、ひいてはコージェネレーションシステムのコストを増大させる。

本開示の目的は、バックアップボイラの耐圧強度に関する要求を緩和するための技術を提供することにある。

（本開示の基礎となった知見）
ガス給湯器、電気給湯器などの給湯設備には、安全性を確保するために、耐圧に関する試験（耐圧性能試験）が課される。耐圧性能試験においては、例えば、１．７５ＭＰａの静水圧が給湯設備に１分間にわたって加えられる。水漏れ、変形、破損、その他の異常が生じない場合、給湯設備が十分な耐圧を有しているものと判断される。十分な耐圧性を付与するための設計が給湯設備には必要であり、そのような設計はしばしば高コストである。

すなわち、本開示は、
発電装置と、
第１貯湯領域と、前記第１貯湯領域の上方に位置している第２貯湯領域とを有し、温水が貯められる貯湯タンクと、
熱媒体を加熱するバックアップボイラと、
前記貯湯タンクの前記第１貯湯領域に貯められた前記温水を前記発電装置に導き、前記発電装置の熱によって加熱された前記温水を前記貯湯タンクの前記第２貯湯領域に導く第１水流路と、
高温側流路及び低温側流路を有する熱交換器と、
前記熱交換器の前記高温側流路に接続され、前記バックアップボイラによって加熱された前記熱媒体を前記熱交換器の前記高温側流路に流通させる熱媒体流路と、
前記熱交換器の前記低温側流路に接続され、前記貯湯タンクの前記第１貯湯領域に貯められた前記温水を前記熱交換器の前記低温側流路に導くとともに、前記熱交換器の前記高温側流路を流通する前記熱媒体によって加熟された前記温水を前記貯湯タンクの前記第２貯湯領域に導く第２水流路と、
を備えた、コージェネレーションシステムを提供する。

本開示の技術によれば、バックアップボイラの耐圧強度に関する要求を緩和することができる。つまり、本開示の技術によれば、貯湯タンク及びバックアップボイラを備えたコージェネレーションシステムにおいて、従来品よりも低い耐圧強度のバックアップボイラを使用することが可能になる。

図１は、本開示の一実施形態にかかるコージェネレーションシステムの構成図である。

本開示の第１態様にかかるコージェネレーションシステムは、
発電装置と、
第１貯湯領域と、前記第１貯湯領域の上方に位置している第２貯湯領域とを有し、温水が貯められる貯湯タンクと、
熱媒体を加熱するバックアップボイラと、
前記貯湯タンクの前記第１貯湯領域に貯められた前記温水を前記発電装置に導き、前記発電装置の熱によって加熱された前記温水を前記貯湯タンクの前記第２貯湯領域に導く第１水流路と、
高温側流路及び低温側流路を有する熱交換器と、
前記熱交換器の前記高温側流路に接続され、前記バックアップボイラによって加熱された前記熱媒体を前記熱交換器の前記高温側流路に流通させる熱媒体流路と、
前記熱交換器の前記低温側流路に接続され、前記貯湯タンクの前記第１貯湯領域に貯められた前記温水を前記熱交換器の前記低温側流路に導くとともに、前記熱交換器の前記高温側流路を流通する前記熱媒体によって加熟された前記温水を前記貯湯タンクの前記第２貯湯領域に導く第２水流路と、
を備えたものである。

本開示のコージェネレーションシステムにおいて、バックアップボイラは、熱交換器を介して、貯湯タンクの温水又は市水を間接的に加熱する。バックアップボイラは、市水の給水圧力及び水撃発生時の圧力が加わる経路から完全に切り離されている。したがって、バックアップボイラには高い耐圧強度が要求されない。比較的低い耐圧強度しか有さないバックアップボイラも本開示のコージェネレーションシステムに使用可能である。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかるコージェネレーションシステムは、前記貯湯タンクの前記第１貯湯領域に接続された市水の供給管をさらに備えている。貯湯タンクは、市水の供給圧力に耐えうる十分な耐圧強度を有しているので、市水の供給管の接続先として貯湯タンクは適切である。

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様にかかるコージェネレーションシステムは、暖房端末を有する暖房流路をさらに備え、前記暖房流路は、前記熱交換器の前記高温側流路と前記バックアップボイラの熱媒体出口との間において前記熱媒体流路から分岐し、前記熱交換器の前記高温側流路と前記バックアップボイラの熱媒体入口との間において前記熱媒体流路に合流している。第３態様によれば、バックアップボイラを使用して暖房端末が運転されるので、貯湯タンクに貯められた温水の量に依存せず、暖房端末が十分な暖房能力を発揮しうる。

本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つにかかるコージェネレーションシステムは、前記第１水流路における前記温水の流量に対する、前記第２水流路における前記温水の流量の比率を調節する制御弁をさらに備えている。制御弁によって設定された比率にて、温水の一部が発電装置に供給され、温水の残部が熱交換器に供給される。つまり、制御弁によれば、発電装置の熱で温水を生成しながら、バックアップボイラの熱で温水を生成することも可能である。

本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つにかかるコージェネレーションシステムの前記熱交換器は、前記バックアップボイラの筐体の外部に配置されている。この構成は、コージェネレーションシステムの設計の自由度を向上させる。

本開示の第６態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つにかかるコージェネレーションシステムの前記熱交換器は、前記バックアップボイラの筐体の内部に配置されている。この構成は、コージェネレーションシステムの小型化に有利である。

本開示の第７態様において、例えば、第１〜第６態様のいずれか１つにかかるコージェネレーションシステムの前記発電装置が燃料電池を含む。燃料電池システムにおいて、バックアップボイラの重要性が比較的低く、バックアップボイラの低コスト化に対する要求が強い。したがって、本開示の技術は、燃料電池システムに特に有用である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

図１に示すように、本実施形態のコージェネレーションシステム１００は、発電装置１１、貯湯タンク１３、バックアップボイラ１５、熱交換器１７及び熱媒体流路１９を備えている。発電装置１１は、電力を生成する。発電装置１１の熱（排熱）によって生成された温水が貯湯タンク１３に貯められる。貯湯タンク１３に貯められた温水が所定のユースポイントに供給される。温水が不足したとき、バックアップボイラ１５を使って温水が生成される。図１において、各矢印は、水又は温水の流れ方向を示している。

発電装置１１は、例えば、燃料電池を含む。つまり、コージェネレーションシステム１００は、燃料電池システムでありうる。燃料電池は、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、リン酸型燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池である。燃料電池の排熱によって水が加熱される。発電装置１１の他の例は、ガスエンジン発電装置である。ガスエンジン発電装置の排熱によって水が加熱される。

燃料電池は、定格で連続運転されたときに優れた効率を発揮する（例えば、２４時間の連続運転）。単位時間あたりの燃料電池の排熱量は比較的少ないものの、連続運転が行われたときの積算の排熱量は大きく、貯湯タンクに十分な量の温水が貯められる。そのため、燃料電池システムにおいて、バックアップボイラ１５の重要性が比較的低く、バックアップボイラ１５の低コスト化に対する要求が強い。したがって、本開示の技術は、燃料電池システムに特に有用である。

貯湯タンク１３は、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。貯湯タンク１３は、第１貯湯領域１３ａ及び第２貯湯領域１３ｂを有する。第１貯湯領域１３ａ及び第２貯湯領域１３ｂは、それぞれ、貯湯タンク１３の内部空間の一部である。第２貯湯領域１３ｂは、第１貯湯領域１３ａの上方に位置している。例えば、鉛直方向における貯湯タンク１３の中間位置よりも下の内部空間が第１貯湯領域１３ａであり、鉛直方向における貯湯タンク１３の中間位置よりも上の内部空間が第２貯湯領域１３ｂである。第１貯湯領域１３ａには相対的に低温の温水（又は水）が貯められる。第２貯湯領域１３ｂには相対的に高温の温水が貯められる。

貯湯タンク１３の第１貯湯領域１３ａには、市水の供給管２５が接続されている。貯湯タンク１３の温水が消費されると、供給管２５を通じて市水が貯湯タンク１３の第１貯湯領域１３ａに補給される。したがって、貯湯タンク１３には市水の給水圧力がかかっている。貯湯タンク１３は、市水の供給圧力に耐えうる十分な耐圧強度を有しているので、市水の供給管２５の接続先として貯湯タンク１３は適切である。

バックアップボイラ１５は、例えば、ガス給湯器である。バックアップボイラ１５は、バーナー、熱交換器、ポンプ、弁などの必要な機器で構成されている。本実施形態において、バックアップボイラ１５は、熱交換器１７を介して、貯湯タンク１３の温水を間接的に加熱する。バックアップボイラ１５は、市水の給水圧力及び水撃発生時の圧力が加わる経路から完全に切り離されている。したがって、バックアップボイラ１５には高い耐圧強度が要求されない。比較的低い耐圧強度しか有さないバックアップボイラも本実施形態に使用可能である。

バックアップボイラ１５は、熱媒体出口１５ｑ及び熱媒体入口１５ｐを有する。バックアップボイラ１５は、熱媒体を加熱する。熱媒体は、バックアップボイラ１５の内部で加熱されたのち、熱媒体出口１５ｑからバックアップボイラ１５の外部に供給される。熱媒体は、バックアップボイラ１５の外部で冷却されたのち、熱媒体入口１５ｐからバックアップボイラ１５の内部に導かれる。

熱交換器１７（第１熱交換器）は、液体と液体との間で熱交換を生じさせる液−液熱交換器であり、高温側流路１７ａ及び低温側流路１７ｂを有する。熱交換器１７として、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。

本実施形態において、熱交換器１７は、バックアップボイラ１５の筐体の外部に配置されている。この構成は、コージェネレーションシステム１００の設計の自由度を向上させる。ただし、熱交換器１７は、バックアップボイラ１５の筐体の内部に配置されていてもよい。この構成は、コージェネレーションシステム１００の小型化に有利である。

熱媒体流路１９は、バックアップボイラ１５と熱交換器１７とを接続している流路である。熱媒体流路１９を通じて、バックアップボイラ１５と熱交換器１７との間で熱媒体が循環する。熱媒体としては、水、不凍液、オイルなどの液体が挙げられる。本実施形態において、熱媒体流路１９は、送り部分１９ａ及び戻り部分１９ｂを有する。送り部分１９ａ及び戻り部分１９ｂは、それぞれ、熱交換器１７の高温側流路１７ａに接続されている。詳細には、送り部分１９ａは、バックアップボイラ１５の熱媒体出口１５ｑと熱交換器１７の高温側流路１７ａの入口とを接続している。戻り部分１９ｂは、熱交換器１７の高温側流路１７ａの出口とバックアップボイラ１５の熱媒体入口１５ｐとを接続している。熱媒体流路１９を通じて、バックアップボイラ１５によって加熱された熱媒体が熱交換器１７の高温側流路１７ａを流通する。熱媒体流路１９は、少なくとも１つの配管で構成されている。このことは、本明細書において説明する他の流路にも当てはまる。

コージェネレーションシステム１００は、さらに、第１水流路２１及び第２水流路２３を備えている。

第１水流路２１は、発電装置１１と貯湯タンク１３とを接続している流路である。第１水流路２１を通じて、発電装置１１と貯湯タンク１３との間で温水が循環する。発電装置１１の熱によって加熱された温水が貯湯タンク１３に貯められる。詳細には、第１水流路２１は、送り部分２１ａ及び戻り部分２１ｂを有する。送り部分２１ａは、貯湯タンク１３の底部及び発電装置１１に接続されており、貯湯タンク１３の第１貯湯領域１３ａに貯められた温水を発電装置１１に導く。送り部分２１ａには、ポンプ５１及び制御弁５５が設けられている。戻り部分２１ｂは、発電装置１１及び貯湯タンク１３の上部に接続されており、発電装置１１の熱によって加熱された温水を貯湯タンク１３の第２貯湯領域１３ｂに導く。

第２水流路２３は、貯湯タンク１３と熱交換器１７とを接続している流路である。第２水流路２３を通じて、貯湯タンク１３と熱交換器１７との間で温水が循環する。熱交換器１７において加熱された温水が貯湯タンク１３に貯められる。詳細には、第２水流路２３は、送り部分２３ａ及び戻り部分２３ｂを有する。送り部分２３ａは、制御弁５５及び熱交換器１７の低温側流路１７ｂに接続されており、貯湯タンク１３の第１貯湯領域１３ａに貯められた温水を熱交換器１７の低温側流路１７ｂに導く。戻り部分２３ｂは、熱交換器１７の低温側流路１７ｂ及び貯湯タンク１３の上部に接続されており、熱交換器１７の高温側流路１７ａを流通する熱媒体によって加熟された温水を貯湯タンク１３の第２貯湯領域１３ｂに導く。

本実施形態において、制御弁５５は、第１水流路２１における温水の流量に対する、第２水流路２３における温水の流量の比率を調節する。第１水流路２１における温水の流量は、第１水流路２１を通じて貯湯タンク１３の第１貯湯領域１３ａから発電装置１１に供給されるべき温水の流量である。第２水流路２３における温水の流量は、第２水流路２３を通じて貯湯タンク１３の第１貯湯領域１３ａから熱交換器１７に供給されるべき温水の流量である。ポンプ５１を動作させると、制御弁５５によって設定された比率にて、温水の一部が発電装置１１に供給され、温水の残部が熱交換器１７に供給される。つまり、制御弁５５によれば、発電装置１１の熱で温水を生成しながら、バックアップボイラ１５の熱で温水を生成することも可能である。温水の全部が発電装置１１又は熱交換器１７に供給されてもよい。

本実施形態において、ポンプ５１は、貯湯タンク１３と制御弁５５との間において第１流路２１（送り部分２１ａ）に配置されている。第２流路２３（送り部分２３ａ）の始端は、制御弁５５の１つの出口に接続されている。言い換えれば、第２流路２３が第１流路２１から分岐している。このような構造によれば、ポンプ５１が第１流路２１及び第２流路２３に共用されるので、コストの増加を抑制することができる。もちろん、第１流路２１及び第２流路２３が個別に貯湯タンク１３に接続されていてもよく、第１流路２１及び第２流路２３のそれぞれにポンプが設けられていてもよい。この場合、温水の分配は不要である。

コージェネレーションシステム１００は、さらに、暖房端末２９を有する暖房流路２７をさらに備えている。暖房流路２７を通じて、バックアップボイラ１５と暖房端末２９との間で熱媒体が循環する。詳細には、暖房流路２７は、送り部分２７ａ及び戻り部分２７ｂをさらに有する。暖房流路２７の送り部分２７ａは、熱交換器１７の高温側流路１７ａとバックアップボイラ１５の熱媒体出口１５ｑとの間において熱媒体流路１９（詳細には、送り部分１９ａ）から分岐している。暖房流路２７の戻り部分２７ｂは、熱交換器１７の高温側流路１７ａとバックアップボイラ１５の熱媒体入口１５ｐとの間において熱媒体流路１９（詳細には、戻り部分１９ｂ）に合流している。暖房端末２９は、例えば、床暖房又は室内ラジエタである。本実施形態によれば、バックアップボイラ１５を使用して暖房端末２９が運転されるので、貯湯タンク１３に貯められた温水の量に依存せず、暖房端末２９が十分な暖房能力を発揮しうる。

コージェネレーションシステム１００は、さらに、給湯流路３０を備えている。給湯流路３０は、貯湯タンク１３の上部に接続されており、貯湯タンク１３から蛇口３０ａなどの所定のユースポイントまで延びている流路である。給湯流路３０には、混合弁５７が設けられている。市水の供給管２５から分岐管２５１が分岐しており、分岐管２５１が混合弁５７の１つの入口に接続されている。混合弁５７において、貯湯タンク１３の温水と市水とが混合され、所望の温度の温水がユースポイントに供給される。蛇口３０ａはバックアップボイラ１５の熱媒体が循環する流路に連通しておらず、蛇口３０ａを開閉してもバックアップボイラ１５に水撃は加わらない。

所定のユースポイントは、シャワーであってもよく、浴槽３３であってもよい。本実施形態において、給湯流路３０から浴槽流路３１が分岐している。浴槽流路３１は、混合弁５７と蛇口３０ａとの間において、給湯流路３０から分岐しており、浴槽３３に接続されている。浴槽流路３１を通じて、貯湯タンク１３の温水が浴槽３３に直接供給される。

浴槽流路３１は、熱交換器３５（第２熱交換器）を経由している。熱交換器３５は、バックアップボイラ１５を使用して浴槽３３の温水を再加熱するための熱交換器である。本実施形態において、熱交換器３５は、液体と液体との間で熱交換を生じさせる液−液熱交換器であり、高温側流路３５ａ及び低温側流路３５ｂを有する。熱交換器３５として、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。

浴槽流路３１は、上流部分３１ａ及び下流部分３１ｂを有する。上流部分３１ａは、給湯流路３０と熱交換器３５の低温側流路３５ｂの入口とを接続している。下流部分３１ｂは、熱交換器３５の低温側流路３５ｂの出口と浴槽３３とを接続している。浴槽流路３１の上流部分３１ａには、開閉弁５９が設けられている。開閉弁５９を開くと、給湯流路３０から浴槽流路３１に温水が流入する。

コージェネレーションシステム１００は、さらに、第１再加熱流路３２及び第２再加熱流路３７を備えている。第１再加熱流路３２及び第２再加熱流路３７は、それぞれ、バックアップボイラ１５を使用して浴槽３３の温水を再加熱するための流路である。

第１再加熱流路３２は、浴槽３３及び浴槽流路３１に接続されている。詳細には、第１再加熱流路３２は、開閉弁５９と熱交換器３５との間において、浴槽流路３１（上流部分３１ａ）に接続されている。第１再加熱流路３２には、ポンプ５３が設けられている。開閉弁５９を閉じてポンプ５３を運転すると、浴槽流路３１及び第１再加熱流路３２を通じて、浴槽３３と熱交換器３５との間で浴槽３３の温水が循環する。

第２再加熱流路３７は、送り部分３７ａ及び戻り部分３７ｂを有する。第２再加熱流路３７の送り部分３７ａは、暖房流路２７の送り部分２７ａから分岐し、熱交換器３５の高温側流路３５ａの入口まで延びている。第２再加熱流路３７の戻り部分３７ｂは、熱交換器３５の高温側流路３５ａの出口に接続され、暖房流路２７の戻り部分２７ｂに合流している。第２再加熱流路３７を通じて、バックアップボイラ１５と熱交換器３５との間で熱媒体が循環する。熱交換器３５において、バックアップボイラ１５で加熱された熱媒体と浴槽３３の温水との間で熱交換が行われる。これにより、浴槽３３の温水が再加熱される。

第２再加熱流路３７は、熱媒体流路１９の送り部分１９ａから分岐し、熱媒体流路１９の戻り部分１９ｂに合流していてもよい。適切な量の熱媒体がバックアップボイラ１５から熱交換器１７、暖房端末２９及び熱交換器３５に供給されるように、熱媒体流路１９、暖房流路２７及び第２再加熱流路３７には、開閉弁、制御弁などの弁機構が設けられていてもよい。

本明細書に開示された技術は、燃料電池システムなどのコージェネレーションシステムに有用である。

１１ 発電装置（燃料電池）
１３ 貯湯タンク
１５ バックアップボイラ
１５ｑ 熱媒体出口
１５ｐ 熱媒体入口
１７ 熱交換器
１９ 熱媒体流路
２１ 第１水流路
２３ 第２水流路
２５ 市水の供給管
２７ 暖房流路
２９ 暖房端末
５５ 制御弁

Claims (6)

1. 発電装置と、
   第１貯湯領域と、前記第１貯湯領域の上方に位置している第２貯湯領域とを有し、温水が貯められる貯湯タンクと、
   熱媒体を加熱するバックアップボイラと、
   前記貯湯タンクの前記第１貯湯領域に貯められた前記温水を前記発電装置に導き、前記発電装置の熱によって加熱された前記温水を前記貯湯タンクの前記第２貯湯領域に導く第１水流路と、
   高温側流路及び低温側流路を有する熱交換器と、
   前記熱交換器の前記高温側流路に接続され、前記バックアップボイラによって加熱された前記熱媒体を前記熱交換器の前記高温側流路に流通させる熱媒体流路と、
   前記熱交換器の前記低温側流路に接続され、前記貯湯タンクの前記第１貯湯領域に貯められた前記温水を前記熱交換器の前記低温側流路に導くとともに、前記熱交換器の前記高温側流路を流通する前記熱媒体によって加熟された前記温水を前記貯湯タンクの前記第２貯湯領域に導く第２水流路と、
   前記第１水流路における前記温水の流量に対する、前記第２水流路における前記温水の流量の比率を調節する制御弁と、
   を備えた、コージェネレーションシステム。
2. 前記貯湯タンクの前記第１貯湯領域に接続された市水の供給管をさらに備えた、請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
3. 暖房端末を有する暖房流路をさらに備え、
   前記暖房流路は、前記熱交換器の前記高温側流路と前記バックアップボイラの熱媒体出口との間において前記熱媒体流路から分岐し、前記熱交換器の前記高温側流路と前記バックアップボイラの熱媒体入口との間において前記熱媒体流路に合流している、請求項１又は２に記載のコージェネレーションシステム。
4. 前記熱交換器は、前記バックアップボイラの筐体の外部に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
5. 前記熱交換器は、前記バックアップボイラの筐体の内部に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
6. 前記発電装置が燃料電池を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。

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