JP7151233B2 - コジェネレーションシステム - Google Patents

Description

本開示の発明は、発電装置と、当該発電装置の排熱により加熱された水を貯留する貯湯タンクとを含むコジェネレーションシステムに関する。

従来、この種のコジェネレーションシステムとして、発電装置と、発電装置の排熱により加熱された水を貯留する貯湯タンクと、貯湯タンクに接続された湯水循環路と、湯水循環路に設けられた循環ポンプと、湯水循環路に設けられると共に電力が供給されることで湯水を加熱する電気ヒータとを含むものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このコジェネレーションシステムにおいて、電気ヒータは、系統電源からの電力の供給が停止されると共に発電装置によって発電された電力のみを外部電力負荷に供給する自立発電運転中に、当該発電装置によって発電された電力のうち、外部電力負荷によって消費されない余剰電力を消費して湯水循環路の湯水を加熱する。

特開２０１８－７６９９８号公報

上記従来のコジェネレーションシステムでは、貯湯タンクに対して上水道からの水が断続的に供給されることで当該貯湯タンク内に空気が入り込み、空気を含む水が循環ポンプにより吸引されてしまうことがある。そして、湯水循環路を流通する水に混入した空気が通電されている電気ヒータに接触してしまうと、電気ヒータの空焚きを生じてしまい、当該電気ヒータが破損してしまうおそれがある。

そこで、本開示は、発電装置の余剰電力を消費して循環通路内の水を加熱するヒータの空焚きの発生を良好に抑制することができるコジェネレーションシステムの提供を主目的とする。

本開示のコジェネレーションシステムは、発電装置と、前記発電装置の排熱により加熱された水を貯留する貯湯タンクと、前記貯湯タンクに接続された循環通路と、前記発電装置の余剰電力を消費して前記循環通路内の水を加熱するヒータとを含むコジェネレーションシステムにおいて、前記貯湯タンクが、前記循環通路の入口端に接続される水流出口と、前記循環通路の出口端に接続される水流入口と、給水源からの水が供給される水供給口とを含み、前記貯湯タンク内に、前記水供給口に供給された水の前記水流出口への流入を規制する邪魔板が配置されているものである。

本開示のコジェネレーションシステムの貯湯タンクは、中途にヒータを含む循環通路の入口端に接続される水流出口と、当該循環通路の出口端に接続される水流入口と、給水源からの水が供給される水供給口とを含む。そして、貯湯タンク内には、水供給口に供給された水の水流出口への流入を規制する邪魔板が配置されている。これにより、邪魔板によって給水源から水供給口に供給された水が水流出口から循環通路へと流入するのを規制し、水供給口に供給された水に含まれている空気が循環通路内に流入するのを良好に抑制することができる。この結果、ヒータが発電装置の余剰電力を消費して循環通路内の水を加熱する際に、当該ヒータと循環通路内の水に含まれる空気との接触による空焚きの発生を良好に抑制することが可能となる。

また、前記貯湯タンクの前記水流出口は、前記水供給口よりも下側に配置されてもよい。すなわち、水供給口に供給された水は、邪魔板によって案内されて貯湯タンク内の上部へと流れていくことから、水流出口を水供給口よりも下側に配置することで、給水源から水供給口に供給された水に含まれている空気が循環通路内に流入するのを極めて良好に抑制することが可能となる。

更に、前記コジェネレーションシステムは、前記循環通路に設けられており、前記貯湯タンクの前記水流出口から水を吸引して前記水流入口に圧送する循環ポンプを更に含んでもよく、前記循環ポンプは、前記貯湯タンクの前記水流出口よりも上側に配置されてもよい。これにより、循環ポンプにより循環通路側に吸引された貯湯タンク内の異物が当該循環ポンプに達してしまうのを良好に抑制することが可能となる。

また、前記貯湯タンク内には、複数の孔部を有する多孔板が少なくとも前記水供給口を上方から覆うように配置されてもよく、前記邪魔板は、前記多孔板の下面から下方に延在してもよい。

更に、前記発電装置は、燃料電池を含んでもよく、前記コジェネレーションシステムは、前記燃料電池の排熱と前記循環通路を流通する水とを熱交換させる熱交換器を更に含んでもよい。

また、前記ヒータは、セラミックヒータであってもよい。このように、ヒータとして低コストかつコンパクトなセラミックヒータを採用することでコジェネレーションシステムの大型化やコストアップを良好に抑制することができる。そして、邪魔板により水供給口に供給された水の前記水流出口への流入を規制することで、セラミックヒータの空焚きによる破損を極めて良好に抑制してコジェネレーションシステムの信頼性をより向上させることが可能となる。

本開示のコジェネレーションシステムを示す概略構成図である。 本開示のコジェネレーションシステムの貯湯タンクを示す拡大図である。

次に、図面を参照しながら、本開示の発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本開示のコジェレネーションシステム１０を示す概略構成図である。同図に示すコジェレネーションシステム１０は、住宅等に設置されるコジェレネーションシステムとして構成されている。コジェレネーションシステム１０は、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池ＦＣを有する発電ユニット２０と、燃料電池ＦＣで発生した排熱を回収するための排熱回収系統３０と、燃料電池ＦＣの排熱により加熱された湯水を貯留する貯湯タンク４０と、システム全体を制御する制御装置５０とを含む。

発電ユニット２０は、燃料電池ＦＣに加えて、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケースや、気化器、改質器、例えば天然ガスやＬＰガスといった原燃料ガス（原燃料）を気化器に供給するための原燃料ガス供給系統、燃料電池ＦＣにカソードガスとしての空気を供給するための空気供給系統、気化器に改質水を供給するための改質水供給系統等を含む（何れも図示省略）。更に、発電ユニット２０は、燃料電池ＦＣの出力端子に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータや、当該ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電力を交流電力に変換するインバータ、電源基板等を含む（何れも図示省略）。インバータの出力端子は、系統電源の電力ラインに接続される。これにより、燃料電池ＦＣからの直流電力をインバータにより交流電力に変換して家電製品等の負荷に供給することが可能となる。また、電源基板は、燃料電池ＦＣからの直流電力や系統電源からの交流電源を低圧の直流電力に変換し、原燃料ガス供給系統、空気供給系統、改質水供給系統、排熱回収系統３０等に含まれるバルブやポンプ、ブロワといった補機、制御装置５０、各種センサ類等に当該直流電力を供給する。

排熱回収系統３０は、図１に示すように、貯湯タンク４０に接続された循環配管（循環通路）３１と、循環配管３１を流通する水と燃料電池ＦＣ（燃焼部）からの燃焼排ガスとを熱交換させる熱交換器３２と、循環配管３１で湯水を循環させるように当該循環配管３１に組み込まれた循環ポンプ３３と、循環配管３１に組み込まれたラジエータ３４と、ラジエータ３４に空気を送り込む電動ファン（ラジエータファン）３５と、発電ユニット２０（インバータあるいは上記ＤＣ／ＤＣコンバータ）からの電力を消費して循環配管３１内の水を加熱する電気ヒータ３６と、電気ヒータ３６により加熱された湯水の温度を検出するサーミスタ（温度センサ）３７とを含む。補機としての循環ポンプ３３、電動ファン３５および電気ヒータ３６は、何れも制御装置５０により制御される。

図１に示すように、循環配管３１の入口端は、貯湯タンク４０の最下部（本実施形態では、底部の中央部）に形成された水流出口４１に接続されており、当該循環配管３１の出口端は、貯湯タンク４０の上部に形成された水流入口４２に接続されている。また、循環ポンプ３３は、その全体（少なくとも吸入口）が貯湯タンク４０の水流出口４１よりも上側に位置するようにコジェネレーションシステム１０の筐体内に配置されており、貯湯タンク４０の水流出口４１から水を吸引して水流入口４２側に圧送する。更に、ラジエータ３４は、熱交換器３２と循環ポンプ３３との間に位置するように循環配管３１に組み込まれ、電気ヒータ３６は、循環ポンプ３３とラジエータ３４との間に位置するように循環配管３１に組み込まれる。また、本実施形態では、電気ヒータ３６として低コストかつコンパクトなセラミックヒータが採用されている。これにより、コジェネレーションシステム１０の大型化やコストアップを良好に抑制することが可能となる。そして、サーミスタ３７は、電気ヒータ３６に近接するように当該電気ヒータ３６の下流側に設置される。

貯湯タンク４０の下部には、上述の水流出口４１よりも上側に位置するように水供給口４３が形成されており、当該水供給口４３には、中途にバルブ（図示省略）を含むと共に図示しない給水源（上水道）に接続された給水管Ｌｗが接続される。これにより、当該バルブを開弁させることで、貯湯タンク４０内に水（水道水）を供給することができる。また、貯湯タンク４０の上部には、出湯口４４が形成されており、当該出湯口４４は、出湯管Ｌｈを介して図示しない水栓に接続される。また、出湯管Ｌｈには、貯湯タンク４０と出湯口との間に位置するように温水ヒータ等を含む給湯器６０が組み込まれている。

更に、貯湯タンク４０の内部には、図２に示すように、複数の孔部４５ｈを有する多孔板４５が配置されている。多孔板４５は、比較的短い間隔をおいて水流出口４１および水供給口４３を上方から覆うように貯湯タンク４０の内部に固定され、図示するように水平に延在する。かかる多孔板４５を貯湯タンク４０内に配置することで、当該貯湯タンク４０内の上部に高温の湯水が貯留されると共に下部に低温の湯水が貯留されるように温度成層を形成することができる。更に、貯湯タンク４０の内部には、多孔板４５の下方の領域を水流出口４１側の領域と水供給口４３側の領域とに仕切るように邪魔板４７が配置されている。本実施形態において、邪魔板４７は、開口部を有さない板体であり、その下端が貯湯タンク４０の内底面と接触するように多孔板４５の下面に固定されている。これにより、水供給口４３に供給された水が循環配管３１に接続された水流出口４１に直接流入するのを邪魔板４７によって規制することが可能となる。

制御装置５０は、ＣＰＵや各種プログラムを記憶するＲＯＭ、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入力ポートおよび出力ポート等を含むコンピュータである。制御装置５０は、無線式または有線式の通信回線を介して接続された図示しないリモコンや各種センサ類からの信号等を入力ポートを介して入力する。そして、制御装置５０は、リモコンや各種センサ類からの信号等に基づいてポンプ、ブロワといった発電ユニット２０の補機への制御信号を生成すると共に当該制御信号を出力ポートを介して出力することにより、燃料電池ＦＣから所望の電力（常用定格電力）が出力されるように該当する補機を制御する。更に、制御装置５０は、リモコンや各種センサからの信号等に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータやインバータ、電源基板等への制御信号を生成すると共に当該制御信号を出力ポートを介して出力することにより、これらの機器を制御する。

上述のように構成されるコジェレネーションシステム１０において、発電ユニット２０（燃料電池ＦＣ）に要求される出力が常用定格出力よりも低い場合、制御装置５０は、余剰電力を消費するように電気ヒータ３６を作動させる。更に、この際、制御装置５０は、サーミスタ３７により検出される水温が所定温度になるように、循環ポンプ３３をデューティ制御すると共に、必要に応じて電動ファン３５を作動させる。これにより、発電ユニット２０（燃料電池ＦＣ）に要求される出力が低い場合であっても、熱交換器３２により燃料電池ＦＣの排熱を回収したり、電気ヒータ３６に燃料電池ＦＣの余剰電力を消費させたりしながら、燃料電池ＦＣの運転を継続させることが可能となる。また、電動ファン３５を適宜作動させてラジエータ３４に空気を送り込むことで、循環配管３１を流通する湯水を冷却し（放熱させ）、貯湯タンク４０内の湯水の温度が必要以上に高まるのを抑制することができる。

ここで、コジェレネーションシステム１０では、貯湯タンク４０内の水位の低下に応じて上水道からの水が断続的に供給されることから、給水管Ｌｗ内の空気が水道水に混入して貯湯タンク４０内に送り込まれてしまうことがある。これを踏まえて、本実施形態では、上述のように、水供給口４３に供給された水の水流出口４１への流入を規制する邪魔板４７が貯湯タンク４０内に配置されている。これにより、邪魔板４７によって給水源から水供給口４３に供給された水が循環ポンプ３３により吸引されて水流出口４１から循環配管３１へと流入するのを規制し、水供給口４３に供給された水に含まれている空気が循環配管３１内に流入するのを良好に抑制することができる。

この結果、電気ヒータ３６が発電ユニット２０（燃料電池ＦＣ）の余剰電力を消費して循環配管３１内の水を加熱する際に、当該電気ヒータ３６と循環配管３１内の水に含まれる空気との接触による空焚きの発生を良好に抑制することが可能となる。そして、邪魔板により水供給口４３から水流出口４１への水の流入を規制することで、電気ヒータ３６として、低コストかつコンパクトである一方、空焚きにより破損しやすいセラミックヒータが採用されたコジェネレーションシステム１０において、当該電気ヒータ３６の空焚きによる破損を極めて良好に抑制して信頼性をより向上させることができる。

また、上記コジェネレーションシステム１０では、貯湯タンク４０の水流出口４１が水供給口４３よりも下側に配置されており、当該水供給口４３に供給された水は、図２に示すように、邪魔板４７によって案内されて貯湯タンク４０内の上部へと流れていく。これにより、コジェネレーションシステム１０では、給水源から水供給口４３に供給された水に含まれている空気が循環配管３１内に流入するのを極めて良好に抑制することが可能となる。

更に、上記コジェネレーションシステム１０では、循環ポンプ３３が貯湯タンク４０の水流出口４１よりも上側に配置される。これにより、貯湯タンク４０内に異物が混入しても、循環ポンプ３３により循環配管３１側に吸引された異物が当該循環ポンプ３３の吸引口に達してしまうのを良好に抑制することが可能となる。

以上説明したように、本開示のコジェネレーションシステム１０は、発電モジュール３０を含む発電装置としての発電ユニット２０と、当該発電ユニット２０（発電モジュール３０）の排熱により加熱された水を貯留する貯湯タンク４０と、当該貯湯タンク４０に接続された循環通路３１と、発電ユニット２０の余剰電力を消費して循環通路３１内の水を加熱する電気ヒータ３６とを含み、貯湯タンク４０は、循環通路３１の入口端に接続される水流出口４１と、循環通路３１の出口端に接続される水流入口４２と、給水源からの水が供給される水供給口４３とを含み、貯湯タンク４０内には、水供給口４３に供給された水の水流出口４１への流入を規制する邪魔板４７が配置されている。これにより、電気ヒータ３６が発電ユニット２０の余剰電力を消費して循環配管３１内の水を加熱する際に、当該電気ヒータ３６と循環配管３１内の水に含まれる空気との接触による空焚きの発生を良好に抑制することが可能となる。

なお、上記コジェネレーションシステム１０において、邪魔板４７は多孔板４５の下面から下方に延在するように配置されるが、多孔板４５の設置高さによっては、多孔板４５の下面と邪魔板４７の上端との間に隙間が形成されてもよい。また、上記コジェネレーションシステム１０では、電気ヒータ３６としてセラミックヒータが採用されるが、これに限られるものではない。すなわち、電気ヒータ３６は、例えば発熱体としてニクロム線を含むヒータといったセラミックヒータ以外のものであってもよい。更に、コジェネレーションシステム１０の発電ユニット２０は、例えばガスエンジン等の原動機および発電機といった燃料電池ＦＣ以外の発電要素を含むものであってもよい。

そして、本開示の発明は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。

本開示の発明は、コジェネレーションシステムの製造産業等において利用可能である。

１０ コジェネレーションシステム、２０ 発電ユニット、３０ 排熱回収系統、３１ 循環配管、３２ 熱交換器、３３ 循環ポンプ、３４ ラジエータ、３５ 電動ファン、３６ 電気ヒータ、３７ サーミスタ、４０ 貯湯タンク、４１ 水流出口、４２ 水流入口、４３ 水供給口、４４ 出湯口、４５ 多孔板、４５ｈ 孔部、４７ 邪魔板、５０ 制御装置、６０ 給湯器。

Claims (6)

1. 発電装置と、前記発電装置の排熱により加熱された水を貯留する貯湯タンクと、前記貯湯タンクに接続された循環通路と、前記発電装置の余剰電力を消費して前記循環通路内の水を加熱するヒータとを含むコジェネレーションシステムにおいて、
   前記貯湯タンクは、前記循環通路の入口端に接続される水流出口と、前記循環通路の出口端に接続される水流入口と、給水源からの水が供給される水供給口とを含み、前記貯湯タンク内には、前記水供給口に供給された水の前記水流出口への流入を規制する邪魔板が配置され、前記貯湯タンクの前記水流出口は、前記水供給口よりも下側に配置されているコジェネレーションシステム。
2. 発電装置と、前記発電装置の排熱により加熱された水を貯留する貯湯タンクと、前記貯湯タンクに接続された循環通路と、前記発電装置の余剰電力を消費して前記循環通路内の水を加熱するヒータとを含むコジェネレーションシステムにおいて、
   前記貯湯タンクは、前記循環通路の入口端に接続される水流出口と、前記循環通路の出口端に接続される水流入口と、給水源からの水が供給される水供給口とを含み、前記貯湯タンク内には、前記水供給口に供給された水の前記水流出口への流入を規制する邪魔板が配置され、前記貯湯タンク内には、複数の孔部を有する多孔板が少なくとも前記水供給口を上方から覆うように配置されており、前記邪魔板は、前記多孔板の下面から下方に延在するコジェネレーションシステム。
3. 請求項２に記載のコジェネレーションシステムにおいて、
   前記貯湯タンクの前記水流出口は、前記水供給口よりも下側に配置されているコジェネレーションシステム。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載のコジェネレーションシステムにおいて、
   前記循環通路に設けられており、前記貯湯タンクの前記水流出口から水を吸引して前記水流入口に圧送する循環ポンプを更に備え、
   前記循環ポンプは、前記貯湯タンクの前記水流出口よりも上側に配置されているコジェネレーションシステム。
5. 請求項１から４の何れか一項に記載のコジェネレーションシステムにおいて、
   前記発電装置は、燃料電池を含み、
   前記燃料電池の排熱と前記循環通路を流通する水とを熱交換させる熱交換器を更に備えるコジェネレーションシステム。
6. 請求項１から５の何れか一項に記載のコジェネレーションシステムにおいて、前記ヒータは、セラミックヒータであるコジェネレーションシステム。
   

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