JP6817681B2

JP6817681B2 - 貯湯システム

Info

Publication number: JP6817681B2
Application number: JP2016251013A
Authority: JP
Inventors: 潤岩見; 俊哉御堂; 哲朗大西
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2016-12-26
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2036-12-26
Also published as: JP2018105533A

Description

本発明は、貯湯システムに関する。

従来、燃料電池等の熱電併給装置と、貯湯タンクと、排熱熱交換器と、を備える貯湯式給湯装置を適用したコジェネレーションシステムが知られている（例えば特許文献１参照）。

このシステムにおいては、ユーザーの長期不在等により長期にわたって不使用状態が継続すると、貯湯タンク内等の湯水に菌繁殖の可能性があるため、滅菌対策を行う必要有と判定されると滅菌処理を実行している。

滅菌処理は、補助熱源装置を用いて加熱制御を行うものである。

特開２００４−２６３９１２号公報

しかしながら、特許文献１に示されるシステムにおいては、排熱熱交換器の他に、補助熱源装置を必要とする。このため、製造コストが高い、大型化する、といったデメリットがあった。

本発明は上記従来の問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは、熱交換器とは別に熱源装置を必要とせずに滅菌することができる貯湯システムを提供することにある。

請求項１に係る発明は、燃料電池装置と、貯湯装置と、熱交換器と、水質判定部と、制御部と、を備える貯湯システムであって、前記貯湯装置は、貯湯タンクと、途中に前記貯湯タンクを有し湯が通流する循環路と、前記循環路の途中に設けられ湯を通流させる搬送手段と、を有し、前記熱交換器は、前記燃料電池装置から排出される排気ガスが通流する一次側流路および前記循環路の途中に接続されて前記循環路を通流する湯が通流する二次側流路を有し、前記水質判定部は、前記貯湯タンクに貯められる湯の水質が所定条件を満たす適正状態かあるいは前記所定条件を満たさない不適状態のいずれであるかを判定するものであり、前記制御部は、前記水質判定部が前記適正状態と判定した場合に、前記搬送手段を制御して、前記循環路を通流する湯の流量を第１所定流量として前記二次側流路の出口温度を第１所定温度とする通常モードと、前記水質判定部が前記不適状態と判定した場合に、前記搬送手段を制御して、前記循環路を通流する湯の流量を前記第１所定流量よりも小さい第２所定流量として前記二次側流路の出口温度を前記第１所定温度よりも高い第２所定温度とし、かつ、前記二次側流路を通流する湯の総量が前記貯湯タンクの容量よりも大きい所定総量に達するまで継続する水質適正化モードと、を実行可能であることを特徴とする。

また請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、計時手段をさらに備え、前記貯湯装置は、前記貯湯タンクに貯められる湯の温度を検知する湯温検知手段と、前記貯湯タンクからの出湯およびその停止を行う出湯手段と、前記貯湯タンクからの出湯を検知する出湯検知手段と、をさらに有し、前記水質判定部は、前記出湯検知手段が検知した前記貯湯タンクからの出湯および前記計時手段が計測した時間から求まる、前記貯湯タンクからの出湯が行われない湯不使用継続時間と、前記湯温検知手段が検知した前記温度と、に基いて、前記適正状態か前記不適状態かを判定することを特徴とする。

また請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記貯湯装置は、前記貯湯タンクからの出湯およびその停止を行う出湯手段をさらに有し、前記制御部は、前記水質判定部が前記不適状態と判定した場合に、前記出湯手段による前記貯湯タンクからの出湯を禁止する出湯禁止制御を実行し、前記水質適正化モードにおいて前記総量が前記所定総量に達すると、前記水質適正化モードを終了し、前記出湯禁止制御を解除することを特徴とする。

請求項１に係る発明にあっては、水質適正化モードにおいて熱交換器を用いて滅菌処理を行うことができ、熱交換器とは別に熱源装置を必要としない。

請求項２に係る発明にあっては、湯不使用継続時間のみならず、貯湯タンクに貯められる湯の温度にも基いて貯湯タンクに貯められる湯の水質が適正状態か不適状態かを判定するため、的確に判定しやすくなる。

請求項３に係る発明にあっては、水質適正化モード中は不適状態である可能性の高い湯が利用されることがない。

図１は、本発明の第１実施形態に係る貯湯システムの概略構成図である。図２は、同上の貯湯システムの制御系統のブロック図である。図３は、同上の貯湯システムの運転例のフロー図である。

本発明に係る貯湯システム１の第１実施形態について図１〜図３に基いて説明する。

図１および図２に示すように、貯湯システム１は、燃料電池装置２と、貯湯装置３と、熱交換器４と、水質判定部１１と、制御部１０と、を備える。

燃料電池装置２は、改質装置２１と、水蒸気発生器２２と、燃料電池２３と、を備える。

改質装置２１は、原燃料ガスと水蒸気とを用いて、燃料電池２３に供給するのに適した改質ガスを生成する。原燃料ガスとしては、メタン、エタンをはじめとする炭化水素やこれらを含む天然ガスやＬＰガス等が好適に挙げられるが、特に限定されない。

改質装置２１は、図示しないが、改質器の他に、脱硫器、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器を適宜備える。改質器は、バーナ等の加熱装置により改質触媒を加熱しながら原燃料ガスを水蒸気改質反応により改質する。

水蒸気発生器２２は、改質装置２１に供給する水蒸気を発生させる。

改質装置２１に、ガス供給管２４を介して原燃料ガスを供給するとともに、水蒸気供給管２５を介して水蒸気発生器２２で発生した水蒸気を供給して、水素が豊富に含まれる改質ガスを生成する。

燃料電池２３は、第１実施形態では、固体酸化物形燃料電池であり、公知の固体酸化物形燃料電池が適宜利用可能であり、概略のみ説明する。

燃料電池２３は、図示しないが、燃料極（アノード）に改質ガスが供給されるとともに、空気極（カソード）に空気（酸素）が供給される。図１中の符号２６は、空気極に空気を送るブロア等の送風手段を示す。

空気極では、供給された酸素が、外部を通って移動してきた電子を受け取って酸化物イオンとなり、電解質を通って燃料極へと向かう。

燃料極では、電解質を通って移動してきた酸化物イオンと、供給された水素や一酸化炭素とにより水や二酸化炭素が生成する反応が生じるとともに、酸化物イオンが放出した電子が外部（負荷）へと向かう。

燃料電池２３で発生して外部を通る電子により、図示しないが、負荷に電気的なエネルギーが与えられる。このとき、パワーコンディショナ等が適宜利用可能である。

燃料電池２３には、排気流路２７が接続される。排気流路２７は、燃料電池２３から排気ガスを排出するための流路である。排気ガスは、燃料電池２３の燃料極から排出される排気ガスと空気極から排出される排気ガスとが合流した排気ガスである。なお、燃料電池２３の燃料極から排出される排気ガスと、空気極から排出される排気ガスのいずれかのみであってもよい。

貯湯装置３は、貯湯タンク３１と、循環路３２と、搬送手段３３と、を有する。

循環路３２は、途中に貯湯タンク３１を有し湯が通流する。第１実施形態では、循環路３２は、上流端が貯湯タンク３１の下部に接続され、下流端が貯湯タンク３１の上部に接続される。循環路３２の途中に、熱交換器４の二次側流路４２が接続される。

循環路３２の途中には、搬送手段３３を構成する、湯を通流させるポンプ３３１および流量調整弁３３２が設けられる。また、循環路３２の途中には、流量検知手段３２１が設けられる。流量検知手段３２１は、例えば流量計により構成される。流量計は、公知の様々なものが適宜利用可能である。また、循環路３２の二次側流路４２のすぐ下流側の部分に、出口温度検知手段３２２が設けられる。出口温度検知手段３２２は、例えばサーミスタあるいは熱電対等により構成される。また、循環路３２の二次側流路４２の下流側でかつ貯湯タンク３１の上流側の部分に、燃料電池装置２で発生した電力の余剰分を利用して発熱させる余剰電力ヒータ３５が設けられる。

貯湯装置３に貯められる湯は、循環路３２を通流し、途中で熱交換器４の二次側流路４２を通流するときに、燃料電池２３から排出される排気ガスから熱を回収する。

熱交換器４は、気体が通流する一次側流路４１と、液体が通流する二次側流路４２とが、熱伝導性の高い隔壁４３を介して隣接する気−液熱交換器である。一次側流路４１には、燃料電池２３から排出される排気ガスが通流するもので、排気流路２７の途中に一次側流路４１が設けられる。二次側流路４２には、循環路３２を通流する湯が通流するもので、循環路３２の途中に二次側流路４２が設けられる。

貯湯装置３は、湯温検知手段３１１と、出湯手段３６と、出湯検知手段３７と、を有する。

湯温検知手段３１１は、貯湯タンク３１に貯められる湯の温度を検知する。湯温検知手段３１１は、例えばサーミスタあるいは熱電対等により構成される。

出湯手段３６は、貯湯タンク３１からの出湯およびその停止を行う。貯湯タンク３１には、出湯路３６１の上流端が接続される。出湯路３６１の下流端には、カランあるいはシャワー等の吐出部３６２が設けられる。出湯路３６１には、途中に電磁弁等からなる開閉弁３６３が設けられる。この開閉弁３６３により、貯湯タンク３１からの出湯およびその停止が行われる。なお、出湯路３６１の下流端に吐出部３６２が設けられる代わりに、温水床暖房装置等の熱負荷に接続されてもよい。

また、開閉弁３６３が開となっている場合に、図示しない水栓あるいは出湯路３６１の途中に設けられる流量調整弁により、出湯する湯水の流量の調整あるいは出湯およびその停止が行われる。このような出湯路３６１、吐出部３６２および開閉弁３６３により、出湯手段３６が構成される。

出湯検知手段３７は、貯湯タンク３１からの出湯を検知する。出湯検知手段３７は、例えば流量計により構成されるが、特に流量計に限定されない。

第１実施形態では、貯湯装置３に給水手段３８が設けられる。給水手段３８は、給水路３８１と、開閉弁３８２とを有する。

給水路３８１は、その上流端が水道３８０に接続され、下流端が循環路３２の貯湯タンク３１のすぐ下流側に接続される。なお、給水路３８１の上流端は、水道３８０ではなく、他の給水源に接続されてもよい。

開閉弁３８２は、給水路３８１の途中に設けられる電磁弁等からなり、給水路３８１を通流する水道３８０からの水の供給および供給停止を切り替える。

貯湯システム１は、計時手段１２を備える。計時手段１２は、例えばいわゆるタイマーであり、公知のものが適宜利用可能である。

貯湯システム１は、水質判定部１１を備える。水質判定部１１は、貯湯タンク３１に貯められる湯の水質が所定条件を満たす適正状態かあるいは所定条件を満たさない不適状態のいずれであるかを判定するものである。水質判定部１１は、後述する制御部１０がその一機能として有してもよいし、制御部１０とは別に設けられてもよい。

第１実施形態では、水質判定部１１は、湯不使用継続時間と、湯温検知手段３１１が検知した温度と、に基いて、適正状態か不適状態かを判定する。

湯不使用継続時間は、出湯検知手段３７が検知した貯湯タンク３１からの出湯と、計時手段１２が計測した時間から求まる、貯湯タンク３１からの出湯が行われない時間である。言い換えると、湯不使用継続時間は、前回の出湯の終了時から、次回の出湯の開始時までの時間である。

具体例を説明する。（１）湯温検知手段３１１が検知した温度が６０℃以上であった場合、湯不使用継続時間にかかわらず、適正状態であると判定する。

（２）湯温検知手段３１１が検知した温度が６０℃未満であった場合、さらに（２−１）湯温検知手段３１１が検知した温度が５０℃以上であった場合、湯不使用継続時間が２４時間未満であれば適正状態であり、湯不使用継続時間が２４時間以上であれば不適状態であると判定する。また（２−２）湯温検知手段３１１が検知した温度が５０℃未満であった場合、湯不使用継続時間にかかわらず、不適状態であると判定する。なお、水質判定部１１における適正状態か不適状態かの判定は、上記のものに限定されない。

制御部１０は、例えばマイクロコンピュータを有し、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶媒体に記憶されたプログラムを実行することで、各要素の動作を制御するもので、公知の様々なものが適宜利用可能であり、詳細な説明は省略する。

図２に示すように、制御部１０は、水質判定部１１、流量検知手段３２１、出口温度検知手段３２２、湯温検知手段３１１、出湯検知手段３７および計時手段１２との間でのデータの送受信が可能である。また、制御部１０は、循環路３２の搬送手段３３および出湯手段３６を制御することができる。

この貯湯システム１の基本的な運転方法について説明する。

貯湯システム１は、熱需要および電力需要の両方がある場合、高いエネルギー効率で熱および電力を供給することができる。すなわち、燃料電池装置２を作動させて、家電製品等の電力負荷に電力を供給するとともに、熱交換器４により廃熱を回収して貯湯タンク３１に湯として貯め、温水床暖房装置、温水ミスト装置あるいは給湯装置等の熱負荷に湯（熱）を供給する。

また、電力需要のみがある場合でも、貯湯タンク３１がバッファとして機能して湯（熱）を貯めておけるため、エネルギー効率を高く維持することができる。

また、熱需要のみがある場合、第１実施形態では、余剰電力ヒータ３５により余剰電力を熱に変換することで電力の有効利用が可能であり、エネルギー効率を高く維持することができる。

このように熱需要または電力需要がある場合、貯湯システム１は、通常モードで運転する。図３に示すように、貯湯システム１の開始直後、ステップＳ１において、通常モードでの運転が開始される。ステップＳ２において、水質判定部１１が適正状態と判定している場合に、通常モードが継続される。

通常モードでは、制御部１０は、搬送手段３３を制御して、循環路３２を通流する湯の流量を第１所定流量として、最終的に、二次側流路４２の出口温度を第１所定温度とするものである。

第１実施形態では、燃料電池２３が固体酸化物形燃料電池であり、燃料電池２３から排出されて熱交換器４の一次側流路４１に流入する排気ガスの温度は２００〜３００℃である。このとき、熱交換器４の二次側流路４２より流出する湯の温度（出口温度）が６０℃となるように制御される。すなわち、第１所定温度が６０℃である。厳密に出口温度を６０℃とするのは困難であるため、通常は５９〜６１℃、５５〜６５℃等、ある程度の範囲をもって第１所定温度が設定される。ここで、出口温度を６０℃とするのは、熱負荷が要する温度が６０℃であることが多く、また、熱交換器４における腐食による劣化が抑えられるという理由からである。なお、第１実施形態では、第１所定温度が６０℃を中心とする上記温度範囲であったが、これらに限定されない。

制御部１０は、最終的に二次側流路４２の出口温度が第１所定温度となるように、直接的には搬送手段３３を制御する。このとき、制御部１０は、循環路３２を通流する湯の流量を第１所定流量となるように搬送手段３３を制御する。第１所定流量は、一次側流路４１に流入する排気ガスの温度および流量と、二次側流路４２に流入する湯の温度とに応じて定まる。第１所定流量は、具体的に求められなくてもよく、フィードバック制御等により最終的に二次側流路４２の出口温度が第１所定温度となればよい。

貯湯システム１においては、熱需要および電力需要の両方とも無い場合、燃料電池装置２を停止させる。第１実施形態では、燃料電池２３が固体酸化物形燃料電池であるため、頻繁に作動と停止を繰り返すことはできないが、停止が長期にわたりそうな場合には、燃料電池装置２を停止させる。燃料電池装置２の停止が継続すると、貯湯タンク３１に貯められる湯の温度が低下していく。そこで、ステップＳ２において水質判定部１１が不適状態と判定した場合に、ステップＳ３において通常モードを終了し、ステップＳ４において水質適正化モードが開始される。

水質適正化モードでは、制御部１０は、搬送手段３３を制御して、循環路３２を通流する湯の流量を第２所定流量として、最終的に、二次側流路４２の出口温度を第２所定温度とするものである。第２所定温度は、第１所定温度よりも高い温度である。第１実施形態では、通常モードの出口温度である第１所定温度が６０℃を中心とする上記温度範囲であるのに対し、第２所定温度は７０℃以上の温度である。

ここで、第２所定温度を７０℃以上とすることで、使用されずに貯湯タンク３１に貯められて劣化しているおそれのある湯の水質を適正化する。具体的には、湯中に存在する菌等の微生物やウィルスを滅する滅菌を行うことにより、湯の水質の適正化を行う。なお、第１実施形態では、第２所定温度が７０℃以上の範囲であったが、これに限定されない。

制御部１０は、最終的に二次側流路４２の出口温度が第２所定温度となるように、直接的には搬送手段３３を制御する。このとき、制御部１０は、循環路３２を通流する湯の流量を第２所定流量となるように搬送手段３３を制御する。第２所定流量は、第１所定流量と同じ要領で定まるもので、第２所定温度が第１所定温度よりも高い温度であることから、第２所定流量は第１所定流量よりも小さい。第２所定流量は、第１所定流量と同様に、フィードバック制御等により最終的に二次側流路４２の出口温度が第２所定温度となればよく、具体的に求められなくてもよい。

水質適正化モードは、二次側流路４２を通流する湯の総量が、貯湯タンク３１の容量よりも大きい所定総量に達するまで、継続する。二次側流路４２を通流する湯の総量は、流量検知手段３２１が検知した流量を、計時手段１２が計測した時間で積算することで求まる。

水質適正化モードでは、二次側流路４２を通流する湯の総量が、貯湯タンク３１の容量よりも大きい所定総量に達するまで継続することで、貯湯タンク３１に貯められていた湯のほとんどを二次側流路４２に通流させて滅菌を行うことができる。ここで、二次側流路４２を通流する湯の総量が貯湯タンク３１の容量と同じ量に達しても、貯湯タンク３１に貯められていた湯の全てが二次側流路４２を通流することはまずない。すなわち、貯湯タンク３１から循環路３２に流出する湯は、貯湯タンク３１内の出口に近い方から順番通りに流出するわけではないため、二次側流路４２を通流する湯の総量が貯湯タンク３１の容量と同じであると、二巡する湯があるとともに一巡もしない湯が発生する。そこで、第１実施形態では、上記のように通流する湯の総量を貯湯タンク３１の容量よりも大きい所定総量とするものである。具体的には、貯湯タンク３１に貯められていた湯が平均して１．１周するように、貯湯タンク３１の容量の１．１倍を所定総量としている。

なお、所定総量の貯湯タンク３１の容量に対する比は、１．１に限定されず、１．５、２、３、３以上であってもよい。ただし、二次側流路４２を通流する湯の総量が所定総量に達して水質適正化モードが終了した後、水質判定部１１により適正状態と判定されるように、所定総量を設定する。

また第１実施形態では、図３に示すように、ステップＳ２において水質判定部１１が不適状態と判定している場合に、ステップＳ５における出湯禁止制御が開始される。

出湯禁止制御においては、制御部１０は、出湯手段３６による貯湯タンク３１からの出湯を禁止する。具体的には、制御部１０は、出湯路３６１の開閉弁３６３を閉じる。これにより、利用者が湯を利用しようとしても、貯湯タンク３１から出湯されない。

ステップＳ６において、水質適正化モードにおいて二次側流路４２を通流する湯の総量が所定総量に達するか否かが判定され、湯の総量が所定総量に達していないと判定された場合には、水質適正化モードが継続する。

ステップＳ６において、湯の総量が所定総量に達したと判定された場合には、制御部１０は、ステップＳ７において水質適正化モードを終了させ、ステップＳ８において出湯禁止制御を解除して、ステップＳ１へと戻る。水質適正化モードが終了した直後のステップＳ２においては、水質判定部１１が適正状態と判定されるため、通常モードが継続される。

上述した貯湯システム１にあっては、水質適正化モードにおいて熱交換器４を用いて滅菌処理を行うことができ、熱交換器４とは別に熱源装置を必要としない。このため、製造コストが高い、大型化する、といったデメリットがない。

また、水質判定部１１は、湯不使用継続時間のみから貯湯タンク３１に貯められる湯の水質が適正状態か不適状態かを判定するのではなく、湯温検知手段３１１が検知した温度にも基いて、適正状態か不適状態かを判定する。このため、水質判定部１１は的確に判定を行うことができる。

また、貯湯タンク３１に貯められる湯の水質が不適状態と判定されると出湯禁止制御を行うため、適正状態となるまで出湯が禁止されて、生きた菌やウィルスを含む湯を利用することが抑えられる。

なお、燃料電池装置２は、固体酸化物形燃料電池を備えるものに限定されず、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池等、他の高温を要する電解質形の燃料電池であってもよい。

また、本実施形態でいう湯とは、通常は４０℃以上の温水であるが、温度は特に限定されず、また、水以外の液体であってもよい。

湯温検知手段３１１は、貯湯タンク３１に直接設けられなくてもよく、例えば循環路３２の貯湯タンク３１からの出口付近に設けられてもよい。

出湯路３６１の上流端は、貯湯タンク３１に直接接続されなくてもよく、例えば循環路３２の貯湯タンク３１からの出口付近に接続されてもよい。

１貯湯システム
１０制御部
１１水質判定部
１２計時手段
２燃料電池装置
３貯湯装置
３１貯湯タンク
３１１湯温検知手段
３２循環路
３３搬送手段
３６出湯手段
３７出湯検知手段
４熱交換器
４１一次側流路
４２二次側流路

Claims

燃料電池装置と、貯湯装置と、熱交換器と、水質判定部と、制御部と、を備える貯湯システムであって、
前記貯湯装置は、貯湯タンクと、途中に前記貯湯タンクを有し湯が通流する循環路と、前記循環路の途中に設けられ湯を通流させる搬送手段と、を有し、
前記熱交換器は、前記燃料電池装置から排出される排気ガスが通流する一次側流路および前記循環路の途中に接続されて前記循環路を通流する湯が通流する二次側流路を有し、
前記水質判定部は、前記貯湯タンクに貯められる湯の水質が所定条件を満たす適正状態かあるいは前記所定条件を満たさない不適状態のいずれであるかを判定するものであり、
前記制御部は、前記水質判定部が前記適正状態と判定した場合に、前記搬送手段を制御して、前記循環路を通流する湯の流量を第１所定流量として前記二次側流路の出口温度を第１所定温度とする通常モードと、前記水質判定部が前記不適状態と判定した場合に、前記搬送手段を制御して、前記循環路を通流する湯の流量を前記第１所定流量よりも小さい第２所定流量として前記二次側流路の出口温度を前記第１所定温度よりも高い第２所定温度とし、かつ、前記二次側流路を通流する湯の総量が前記貯湯タンクの容量よりも大きい所定総量に達するまで継続する水質適正化モードと、を実行可能であることを特徴とする貯湯システム。
計時手段をさらに備え、
前記貯湯装置は、前記貯湯タンクに貯められる湯の温度を検知する湯温検知手段と、前記貯湯タンクからの出湯およびその停止を行う出湯手段と、前記貯湯タンクからの出湯を検知する出湯検知手段と、をさらに有し、
前記水質判定部は、前記出湯検知手段が検知した前記貯湯タンクからの出湯および前記計時手段が計測した時間から求まる、前記貯湯タンクからの出湯が行われない湯不使用継続時間と、前記湯温検知手段が検知した前記温度と、に基いて、前記適正状態か前記不適状態かを判定することを特徴とする請求項１記載の貯湯システム。
前記貯湯装置は、前記貯湯タンクからの出湯およびその停止を行う出湯手段をさらに有し、
前記制御部は、前記水質判定部が前記不適状態と判定した場合に、前記出湯手段による前記貯湯タンクからの出湯を禁止する出湯禁止制御を実行し、前記水質適正化モードにおいて前記総量が前記所定総量に達すると、前記水質適正化モードを終了し、前記出湯禁止制御を解除することを特徴とする請求項１または２記載の貯湯システム。