WO2006095555A1

WO2006095555A1 - コージェネレーションシステム

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Publication number: WO2006095555A1
Application number: PCT/JP2006/302823
Authority: WO
Inventors: Tetsuya Ueda; Hideo Ohara; Akinori Yukimasa
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2006-09-14
Also published as: US20090020281A1; US7718290B2; JP4473269B2; JP2009281724A; JP2009168441A; JP4907702B2; CN1942721A; CN100570230C; JPWO2006095555A1; JP4414474B2

Abstract

本発明のコージェネレーションシステムは、発電装置（５）と、発電装置（５）を第１の熱媒体で冷却する冷却回路（１０）と、冷却回路（１０）上に設けられた熱交換器（１６）と、熱交換器（１６）を介して第１の熱媒体と熱交換する第２の熱媒体が流通する排熱回収回路（１２）と、排熱回収回路（１２）と接続し、熱交換器（１６）により熱交換された第２の熱媒体を蓄える蓄熱部（２０）と、制御部（２１）とを備え、第２の熱媒体が流れる方向に対して熱交換器（１６）の下流には、第１の温度検知器（１７）と、発電装置（５）の電力が供給されるヒータとがこの順に接続され、制御部（２１）は、第１の温度検知器（１７）によって検知される温度に基づいて、検知温度が所定の目標温度になるよう循環ポンプ（１３）の流量を制御する。かかる構成によれば、排熱回収における水温低下を防止し、安全性を確保した上で、水温を常に安定した高温に維持することができる。

Description

明細書

コージェネレーションシステム

技術分野

[0001] 本発明は、発電装置により発生した電力を家庭の電力負荷に供給し、発電装置により発生した熱を排熱回収回路により回収して家庭などの熱源として利用する、コージェネレーションシステムに関する。

背景技術

[0002] 従来のコージェネレーションシステムとしては、例えば、特許文献 1に開示されたものがある。図 7は、従来のコージェネレーションシステムの概略構成を示すブロック図である。

[0003] 図 7に示すように、このコージェネレーションシステム 500は、エンジン排熱回収回路 51により、発電装置としてのガスエンジン 52の排気経路 53に接続された排熱熱交翻 54と、ヒータ 56と、熱交翻 57と、排熱ポンプ 55と、が直列に接続されている。また、貯湯経路 58により、貯湯タンク 59 (蓄熱部）と、熱交換器 57と、循環温度センサ 61と、循環ポンプ 60と、が直列に接続されている。熱交換器 57は、エンジン排熱回収回路 51内の水 (第 1の熱媒体)と、貯湯経路 58内の水 (第 2の熱媒体)との間で熱交換できる構造となって、る。

[0004] コージェネレーションシステム 500の動作を以下に説明する。ガスエンジン 52の駆動により、内部に備え付けられた発電装置（図示せず)が電力を発生し、家庭などへ供給する。発電に伴って発生する熱は、排気経路 53に接続された排熱熱交換器 54 を介してエンジン排熱回収回路 51内の水へ伝えられる。排熱ポンプ 55がエンジン排熱回収回路 51内の水を循環させることにより、排熱熱交で回収された熱は、熱交換器 57を介して貯湯経路 58内の水へ伝えられる。循環ポンプ 60が貯湯経路 5 8内の水を循環させることにより、熱交で回収された熱は、貯湯タンク 59に温水として貯えられる。力かる構成によれば、ガスエンジン 52により発生した電力を使用すると同時に、この貯湯タンク 59に貯えられた温水を家庭などの給湯または暖房に使用することが可能となり、コージェネレーションシステムとしての機能が果たされる [0005] つぎに、コージェネレーションシステム 500の、水温制御方法について説明する。貯湯経路 58内の水は、熱交換器 57により加熱されるが、このとき循環温度センサ 61 が検知する水温が、常に回収可能な最高温度の目標値 (例えば 70°C)になるように、循環ポンプ 60の循環流量を制御する。例えば、熱交換器 57によりエンジン排熱回収回路 51から伝えられる熱量が少なくなれば、（具体的には、循環温度センサ 61で検出される温度が目標値より低下すれば)循環ポンプ 60の流量を減少させ、循環温度センサ 61で検知される温度を高温に維持するフィードバック制御を行っている。熱交で加温された水は、上方力ゝら貯湯タンク 59内へと供給される。熱交 57 へ供給される水は、貯湯タンク 59の下方力も取出される。この水温制御方法により、貯湯タンク 59内は上方に高温の温水をためる、いわゆる積層沸上げを行う。この方式では、貯湯タンク 59内の水が全て高温でなくても、上方の水温は高く維持される。使用時には、上方から温水を取り出すことで、常に高温の温水を使用することができる。この特長を生かすためには、上記水温制御方法において、循環温度センサ 61部の温度を常に高温に維持することが重要である。

[0006] 一方、ガスエンジン 52で発生した電力を家庭などに供給する場合、一般的には電力会社等が敷設して、る電力供給系統に接続 (図示せず)し、 V、わゆる系統連係を行う。系統連係により、ガスエンジンの発電能力だけで家庭などの電力負荷をまかないきれない場合には、外部から電力を供給する。系統連係を行う場合、ガスエンジン 52の発電電力に対し家庭などの電力負荷が小さ!/、と、電力供給側へと電気が流れる、いわゆる逆潮流が発生する。この逆潮流を防止するために、この従来のコージェネレーシヨンシステムでは、ヒータ 56〖こ通電し、余剰電力を熱エネルギーに変換する処理を行っている。

特許文献 1：特開 2004— 263589号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] しかしながら、上記従来のコージェネレーションシステムでは、ガスエンジン 52による発電電力がほぼ一定または必要に応じて緩やかに変化するのに対し、家庭などの負荷電力は急激かつ頻繁に変化する。そのため、ヒータ 56に供給される余剰電力が大きく変化し、熱交から貯湯経路 58に与えられる熱量も大きく変化するため、循環温度センサ 61に基づく循環ポンプ 60の流量をフィードバック制御する場合、水温 (第 2の熱媒体の温度）が大きくハンチングするという問題があった。そして、水温目標値 70°Cに対し、例えば水温が 70°C力も 40°Cの間でノヽンチングした場合は、貯湯タンク 59には、平均 55°Cの温水し力貯えることができない。すなわち、上記従来の構成と制御方法では、十分な貯湯温度 (蓄熱部に貯留される第 2の熱媒体の温度 )が維持できな、と、う課題があった。

[0008] 本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、発電装置の排熱及び発電装置の余剰電力で発生させた熱を第 2の熱媒体へと回収して蓄熱部に貯留する際に、蓄熱部内における第 2の熱媒体を高い目標温度に維持することが可能なコージエネレーシヨンシステムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 発明者らは、上記従来の課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、水温のハンチングは、ヒータ力供給される熱量の変動が循環温度センサで検出される温度に反映されるまでの間に時間差があるために発生することに気づいた。かかる時間差が存在すると、循環温度センサの温度が低下した時点では、熱交換器の内部を含めた経路上に相当量の水温の低い水が発生してしまい、ポンプの流量を下げてもすぐには水温は回復しない。また、水の熱容量や熱交換器、配管等が有する熱容量によつても、水温の応答は遅れることになる。力かる理由によって、暫くの間は貯湯タンクへと水温の低い水が供給されることになり、十分な貯湯温度 (蓄熱部に貯留される第 2の熱媒体の温度）が維持できなくなる。発明者らは、力かる知見を踏まえ、温度センサの下流側にヒータを設ければ、ヒータ力供給される熱量の変動がポンプの流量に与える影響を緩やかにでき、貯湯タンク内の水温を高い目標温度に維持可能であることに想到した。

上記従来の課題を解決するために、本発明のコージェネレーションシステムは、発電装置と、前記発電装置を第 1の熱媒体で冷却する冷却回路と、前記冷却回路上に設けられた熱交換器と、前記熱交換器を介して第 1の熱媒体と熱交換する第 2の熱媒体が通流する排熱回収回路と、前記排熱回収回路と接続し前記熱交換器により熱交換された第 2の熱媒体を蓄える蓄熱部と、制御部とを備え、第 2の熱媒体が流れる方向に対して前記熱交換器の下流には、第 1の温度検知器と、前記発電装置の電力が供給されるヒータとがこの順に接続され、さらに前記排熱回収回路には第 2の熱媒体を循環させる循環ポンプが接続され、前記制御部は、前記第 1の温度検知器によって検知される温度に基づいて、前記検知温度が所定の目標温度になるよう前記循環ポンプの流量を制御する。

[0010] かかる構成では、ヒータが第 1の温度検知器よりも下流に配設されているため、ヒータによる加熱の有無が第 1の温度検知器によって検知される温度に直接影響しない。また、第 1の熱媒体の温度は、第 1の温度検知器が検知する温度に基づいて制御される。よって、発電装置の排熱及び発電装置の余剰電力で発生させた熱を第 2の熱媒体へと回収して蓄熱部に貯留する際に、余剰電力の変動があっても第 1の熱媒体の温度はハンチングせず、蓄熱部内における第 2の熱媒体を高い目標温度に維持することが可能となる。

上記のコージェネレーションシステムにおいて、前記制御部は、前記第 1の温度検知器で検出される温度が、第 1の判定温度以上になった場合に運転を停止させてもよい。

[0011] かかる構成では、貯湯タンク内の湯が沸騰等により異常に高温になることでユーザがやけど等をしな、ように安全性を確保することが可能となる。

上記のコージェネレーションシステムは、さらに、前記第 2の熱媒体が流れる方向に対して前記ヒータの下流に第 2の温度検知器を備え、前記制御部は、前記第 2の温度検知器により検知される温度が第 1の閾値以上に上昇した場合に、前記循環ボンプの流量を上昇させるよう制御してもよ、。

[0012] かかる構成では、ヒータによる第 2の熱媒体の過熱を防止することが可能となる。

[0013] 上記のコージェネレーションシステムにおいて、前記制御部は、前記第 2の温度検知器で検出される温度が、前記第 1の閾値よりも高い第 2の閾値以上になった場合に、前記循環ポンプの流量をさらに上昇させてもよい。

[0014] かかる構成では、ヒータによる第 2の熱媒体の過熱を防止することが可能となる。 [0015] 上記のコージェネレーションシステムにおいて、前記制御部は、前記第 2の温度検知器で検出される温度が、前記第 1の閾値よりも高い第 2の閾値以上になった場合に運転を停止させてもよい。

力かる構成では、貯湯タンク内の湯が沸騰等により異常に高温になることでユーザがやけど等をしな、ように安全性を確保することが可能となる。

[0016] 上記のコージェネレーションシステムにおいて、前記制御部は、前記第 2の温度検知器で検出される温度が、前記第 1の閾値よりも高い第 2の閾値以上になった場合に前記循環ポンプの流量をさらに上昇させてもよい。

[0017] かかる構成では、ヒータによる第 2の熱媒体の過熱を効率よく防止できる。

上記のコージェネレーションシステムは、さらに、前記第 2の温度検知器で検知される温度が前記第 2の閾値より高い第 3の閾値以上になった場合に運転を停止させてちょい。

[0018] かかる構成では、ヒータによる第 2の熱媒体の過熱を効率よく防止できると同時に、貯湯タンク内の湯が沸騰等により異常に高温になることでユーザがやけど等をしないように安全性を確保することが可能となる。

[0019] 上記のコージェネレーションシステムにおいて、前記ヒータには、前記発電装置で発生する電力のうち外部負荷に供給されない余剰電力を供給してもよい。

[0020] かかる構成では、発電装置が発生させる電力を熱源として有効活用できるため、システムのエネルギー効率が向上する。

[0021] 上記のコージェネレーションシステムにお、て、前記発電装置は、燃料電池であつてもよい。

[0022] 固体高分子形燃料電池は熱と電力を同時に発生させることができ、汎用性も高いため、コージェネレーションシステムの発電装置として好適である。

[0023] 上記のコージェネレーションシステムにおいて、前記発電装置が固体高分子形燃料電池であり、かつ前記蓄熱部が貯湯タンクであり、前記制御部の制御により、電力供給系統力前記ヒータに給電することによって、前記貯湯タンク内の水を前記所定の目標温度より高い温度に加熱してもよい。

[0024] かかる構成では、余剰電力がない場合であっても貯湯タンクの水を高温に加熱できるため、貯湯タンク中での雑菌の繁殖を防止できる。

発明の効果

[0025] 本発明のコージェネレーションシステムは上述のような構成を有し、以下のような効果を奏する。すなわち、発電装置の排熱及び発電装置の余剰電力で発生させた熱を第 2の熱媒体へと回収して蓄熱部に貯留する際に、上述のハンチングの問題が解消されるため、蓄熱部内における第 2の熱媒体を高い目標温度に維持することが可能なコージェネレーションシステムを提供することができる。

図面の簡単な説明

[0026] [図 1]本発明の第 1実施形態のコージェネレーションシステムの概略構成を示すプロック図である。

[図 2]本発明の第 1実施形態のコージェネレーションシステムの電力系統を概略的に示すブロック図である。

[図 3]本発明の第 1実施形態における制御部による水温制御プログラムの一例を概略的に示すフローチャートである。

[図 4]本発明の第 2実施形態のコージェネレーションシステムの概略構成を示すプロック図である。

[図 5]本発明の第 2実施形態における制御部による水温制御プログラムの一例を概略的に示すフローチャートである。

[図 6]本発明の第 2実施形態の変形例における制御部による水温制御プログラムの T

2に基づく制御の部分の一例を概略的に示すフローチャートである。

[図 7]従来のコージェネレーションシステムの概略構成を示すブロック図である。符号の説明

[0027] 1 改質装置

2 原料供給経路

3 水素供給経路

4 燃料排ガス経路

5 発電装置 (燃料電池）

6 排水素経路空気ブロワ排空気経路

ノ ¹ ~~ナ

冷却水経路冷却水ポンプ排熱回収回路循環ポンプ熱交換器

熱交換器

第 1の温度検知器ヒータ

第 2の温度検知器貯湯タンク

制御部

電力変換装置電力負荷

電力供給系統逆潮流検知器エンジン ^熱回収回路ガスエンジン排気経路

排熱熱交換器排熱ポンプ

ヒータ

熱交換器

貯湯経路

貯湯タンク 60 循環ポンプ

61 循環温度センサ

80 CPU

81 メモリ

82 計時装置

100 -ジエネレ -ションシステム

200 -ジエネレ -シヨンシステム

300 -ジエネレ -シヨンシステム

400 -ジエネレ -シヨンシステム

500 -ジェネレ -シヨンシステム

発明を実施するための最良の形態

[0028] 以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

(第 1実施形態）

図 1は、本発明の第 1実施形態のコージェネレーションシステムの概略構成を示すブロック図である。以下、図 1を参照しつつ、コージェネレーションシステム 100のハードウアと制御系統について説明する。

[0029] まず、コージェネレーションシステム 100のハードウェアについて説明する。コージエネレーシヨンシステム 100は、改質装置 1と、原料供給経路 2と、水素供給経路 3と、燃焼排ガス経路 4と、発電装置 5 (燃料電池)とを有する。発電装置 5の水素極 (図示せず）には水素供給経路 3と排水素経路 6とが、酸素極（図示せず）には空気ブロワ 7 と排空気経路 8とが、それぞれ接続されている。発電装置 5が発生させる電力は、電力変換装置 22により取出されて、外部負荷へと供給される。改質装置 1にはパーナ 9 が備えつけられており、排水素経路 6と接続され、水素排ガスを燃焼する。コージエネレーシヨンシステム 100は、さらに冷却水経路 10と、排熱回収回路 12と、貯湯タンク 2 0とを有する。冷却水経路 10は、発電装置 5を冷却する第 1の熱媒体である冷却水が流れる冷却回路であり、冷却水ポンプ 11を備えている。排熱回収回路 12は、第 1の熱媒体を冷却する第 2の熱媒体である水が流れる冷却回路である。排熱回収回路 1 2には、水の循環方向に、循環ポンプ 13、排空気経路 8に取付けられた熱交換器 14 、燃焼排ガス経路 4に取付けられた熱交 l5、冷却水経路 10に取付けられた熱交 l6、第 1の温度検知器 17、ヒータ 18、貯湯タンク 20 (蓄熱部、蓄熱手段）がこの順に接続されている。貯湯タンク 20には、適宜巿水が供給される。本実施形態では、発電装置 5には固体高分子型燃料電池が用いられる。

次に、コージェネレーションシステム 100の制御系統について説明する。コージエネレーシヨンシステム 100の制御系統は、制御部 21 (制御手段）と、循環ポンプ 13と、第 1の温度検知器 17と、ヒータ 18と、電力変換装置 22とを有する。第 1の温度検知器 17と、ヒータ 18との位置関係は以下の通りである。すなわち、排熱回収回路 12において、第 2の熱媒体が流れる方向おける熱交の下流に、第 1の温度検知器 17と、ヒータ 18と力この順に接続されている。

制御部 21は例えば CPU80とメモリ 81と計時装置 82と IZO (図示せず）とを備えたマイコン基板で構成されている。制御部 21は、図示されない外部負荷の負荷量に応じて発電装置 5の出力を制御する。具体的には、制御部 21は、制御部 21に記憶されたプログラムに従い、外部負荷の負荷量に基づいて、空気ブロワ 7からの空気供給量および改質装置 1からの水素供給量 (原料供給経路 2からの原料供給量およびバーナ 9による加熱量)を制御することにより発電量を制御する。制御部 21は、第 1の温度検知器 17と、逆潮流検知器 33 (後述）とからの検出信号を受け取り、制御部 21に記憶されたプログラムに従って、循環ポンプ 13の動作および電力変換装置 22からヒータ 18への給電 (後述）を制御する。制御部 21は、図示されない温度検知器 (例えば、発電装置 5の内部や冷却水経路 10の内部に設置される）の検出結果に基づいて冷却水ポンプ 11を制御することで、冷却水経路の内部の水の温度を制御する。なお、制御部 21は複数が備えられていてもよい。すなわち、制御部 21による制御は分散制御であっても、集中制御であってもよい。

図 2は、本発明の第 1実施形態のコージエネレーションシステムの電力系統を概略的に示すブロック図である。発電装置としての発電装置 5で発生した直流電力を交流に変換する電力変換装置 22は、家庭などの電力負荷 31 (外部負荷)とともに、電力会社等が敷設する電力供給系統 32に接続されている。電力変換装置 22には、内部付加としてヒータ 18が制御部 21を介して接続されている。制御部 21はヒータ 18への給電を ONZOFFするスィッチを備えていて、この ONZOFFを制御する。電力供給系統 32の受電点には、逆潮流検知器 33が設けられている。逆潮流検知器 33には、例えば電流センサが用いられる。逆潮流検知器 33の検知出力は、制御部 21に入力されており、検知結果を制御部 21に送る。このような系統連係接続において、発電装置 5は電力負荷 31の消費電力に見合った発電を行うが、電力負荷 31の消費電力が急変した場合は、改質装置 1 (図 1参照）による発電装置 5への水素供給量を瞬時に応答させることができないため、発電装置 5の発電電力を瞬時に追従させることができない。発電装置 5の発電電力よりも外部負荷が大きい場合は、不足分の電力が電力供給系統 32から供給されるが、発電電力よりも外部負荷が小さい場合は、電力供給系統 32側へ電気が逆潮流する。電力系統を流れる交流波形には制約があり、逆潮流が発生すると、交流出力補機の使用状況によってはこの制約の範囲外の電流を系統に流して系統内の交流波形を乱してしまう。コージェネレーションシステム 100 では、逆潮流検知器 33が逆潮流を検知した場合、その余剰電力 (発電装置 5から出力される電力のうち、外部負荷に供給されない余剰部分)をヒータ 18に供給することによって熱エネルギーに変換する。これらの制御は、制御部 21によって行われる。か力る制御により、余剰電力のエネルギーを温水の熱エネルギーとして有効利用でき、コージエネレーションシステム 100のエネルギー効率が向上する。

次に、コージェネレーションシステム 100の動作について、発電と熱利用に分けて以下に説明する。まず、コージェネレーションシステム 100により発電を行うための動作について説明する。炭化水素や水などの原料は、原料供給経路 2より改質装置 1 に供給され、改質装置 1内でパーナ 9によって加熱され、改質触媒上で改質反応により水素に転換される。この水素は、水素供給経路 3から発電装置 5の水素極に供給され、発電装置 5内で消費された後、余った水素が、排水素経路 6を介してパーナ 9 に供給され、改質装置 1を加熱するための燃料として使用される。発電装置 5の酸素極には、空気ブロワ 7から空気が供給され、発電装置 5内で酸素が消費された後、排空気経路 8から外部へ排出される。発電装置 5内では、水素と空気中の酸素とが反応して電力が発生する。発生した直流電力は電力変換装置 22によって交流に変換され、家庭などに設置された外部負荷へと供給される。次に、コージェネレーションシステム 100において、発電装置 5が発電と同時に発生する排熱を回収する動作について説明する。発電装置 5は、発電運転中に熱を発生する。発電装置 5が発生する熱は、冷却水経路 10内を冷却水ポンプ 11により循環する水 (第 1の熱媒体）により発電装置 5の外部へと取り出され、熱交を介して排熱回収回路 12内の水 (第 2の熱媒体）に伝えられる。伝達された熱により、排熱回収回路 12中の水は温水となる。温水は、循環ポンプ 13によって圧送され、貯湯タンク 2 0に貯えられる。貯湯タンク 20に蓄えられた温水は、家庭などにおいて給湯または暖房に使用される。力かる動作により、コージェネレーションシステム 100は、発電装置および給湯給熱装置としての機能を果たす。

コージェネレーションシステム 100は、排熱の回収効率を向上させるために、排熱回収回路 12に複数の熱交を備える。すなわち、冷却水経路 10に取付けられた熱交翻16の上流に、燃焼排ガス経路 4から排出される熱を回収するための熱交換器 15が、さらにその上流に、排空気経路 8から排出される熱を回収するための熱交が、それぞれ接続されている。力かる構成により、発電装置 5から排出される熱をさらに効率よく回収できる。

次に、本発明を特徴づけるコージェネレーションシステム 100における貯湯タンク 2 0に供給される温水の温度を制御する動作について説明する。排熱回収回路 12内の水は、貯湯タンク 20の下部に配設された取出口力も取り出され、熱交^^ 14、熱交換器 15、熱交換器 16により加熱される。制御部 21は、第 1の温度検知器 17が検知する水温 (第 1の検知温度）が、常に回収可能な最高温度、すなわち冷却水経路 1 0内の水温 (第 1実施形態では 70°C)に略等しくなるように、循環ポンプ 13の流量 Q を制御する。運転中に、もし、排熱回収回路 12に伝えられる熱量 (発電装置 5から供給される熱量）が少なくなれば、循環ポンプ 13の流量を絞り、第 1の温度検知器 17の部位における水温を高温に維持する。コージェネレーションシステム 100は、いわゆる積層沸上げを行う。すなわち、貯湯タンク 20の下方から取り出された水は、熱交換器 14、 15、 16を経て高温の温水となり、貯湯タンク 20の上部に配設された供給口より供給される。積層沸上げでは、上層に高温の水が溜められるため、貯湯タンク 20内の水の全量を高温にしなくても、温水の使用時には貯湯タンク 20内の温水を上層より取り出せば、高温の温水を使用することができるという特長がある。積層沸上げの特長を生かすためには、第 1の温度検知器 17の部位における水温 (貯湯タンク 20に供給される温水の温度）を常に安定した高温に維持する必要がある。コージエネレーションシステム 100の特徴は、余剰電力をヒータ 18に供給して水温を上昇させる機構を備えていながら、貯湯タンク 20に供給される温水を常に一定温度以上に維持できる点にある。以下、コージェネレーションシステム 100における水温制御動作について説明する。

[0032] 図 3は、本発明の第 1実施形態において制御部によって実行される水温制御プログラムの一例を概略的に示すフローチャートである。図 3において、 T1は、第 1の温度検知器によって検知される水温を示す。また、目標温度範囲は、例えば、 65°C以上 70°C以下とする。第 1の判定温度は、例えば 75°Cとする。以下、図 3のフローチヤ一トに基づいて、第 1実施形態における制御部 21の動作を説明する。

[0033] 水温制御スタート後、制御部 21は、ステップ S 11において T1が目標温度範囲の中にある力否かの判定を行う。 T1が目標温度範囲の中にある場合は、ステップ S 11の判定を繰り返す。ステップ S 11において、 T1が目標温度範囲の中にない場合は、制御部 21は、循環ポンプ 13の操作量 (流量)を変化させる（S12)。このとき、 T1が目標温度範囲の下限よりも低い場合には、制御部 21は、流量がより小さくなるように循環ポンプ 13の操作量を変化させ、 T1が目標温度範囲の上限よりも高い場合には、流量がより大きくなるように循環ポンプ 13の操作量を変化させる。操作量を変化させた後は、 T1が第 1の判定温度以上力否かの判定が行われる（S13)。 T1が第 1の判定温度以上である場合には、制御部 21はコージェネレーションシステム 100の運転を停止する（S14)。 T1が第 1の判定温度未満の場合には、ステップ S11に戻る。なお、上述の制御は T1に基づく循環ポンプ 13の制御のみに着目したものであり、割り込み処理や並列処理等により適宜に他の制御 (燃料電池の運転等）が行われることは言うまでもない。また、コージェネレーションシステム 100の運転が終了された場合には、 T1に基づく循環ポンプ 13の制御も終了する。

[0034] 力かる制御によれば、 T1は目標温度範囲内に維持される。ヒータ 18は第 1の温度検知器 17よりも下流 (第 1の温度検知器 17と貯湯タンク 20の間）に配設されているため、ヒータ 18による加熱の有無は Tlに直接影響しない。 T1が目標温度範囲内に維持されてヽれば、貯湯タンク 20へと供給される温水の温度は所定の温度以上に維持される。よって、貯湯タンク 20内の水温を高い目標温度に維持可能となる。従来のように、ヒータ 18により加熱された後の水温で循環ポンプ 13のフィードバック制御を行えば、予測困難な負荷電力の急激な変化に伴うヒータ 18の加熱量の変動により水温のハンチングが生じる。本実施形態では、ヒータ 18による加熱の前の水温に基づいて循環ポンプ 13のフィードバック制御を行うため、ハンチングの問題は生じない。なお、図 3に示した制御はあくまで例示であり、第 1の温度検知器が検知する温度が所定の目標温度になるように制御するものであれば、どのような制御が行われてもよい。本実施形態のコージェネレーションシステムでは、第 1の熱媒体と第 2の熱媒体の熱交換を行う熱交換器 16の下流に、第 1の温度検知器 17と、発電装置 5の余剰電力が供給されるヒータ 18がこの順に接続されており、制御部 21は、第 1の温度検知器 17によって検知される温度 T1に基づいて、 T1が所定の目標温度範囲に入るように循環ポンプ 13の流量を制御する。力かる構成によれば、発電装置の排熱及び発電装置の余剰電力で発生させた熱を第 2の熱媒体へと回収して蓄熱部に貯留する際に、上述のハンチングの問題が解消されるため、蓄熱部内における第 2の熱媒体を高い目標温度に維持することが可能となる。

[0035] また、本実施形態のコージェネレーションシステムでは、電力負荷 31に供給されない余剰電力をヒータ 18へ供給する。かかる構成では、発電装置 5が発生させる電力を熱源として有効活用できるため、システムのエネルギー効率が向上する。

[0036] また、本実施形態のコージェネレーションシステムでは、発電装置 5が固体高分子形燃料電池である。固体高分子形燃料電池は熱と電力を同時に発生させることができ、汎用性も高いため、コージェネレーションシステムの発電装置として好適である。なお、発電装置 5は、燃料電池に限られず、エンジンを利用した発電機等であってもよい。

[0037] 上述の説明では、ヒータ 18は、第 1の温度検知器 17と貯湯タンク 20との間に配設されたが、貯湯タンク 20の取出口と熱交 16との間に配設されていてもよい。熱交翻16と第 1の温度検知器 17とヒータ 18とが、この順に排熱回収回路 12上に配設されていればよい。

(第 2実施形態）

図 4は、本発明の第 2実施形態のコージェネレーションシステムの概略構成を示すブロック図である。第 2実施形態のコージェネレーションシステム 200は、第 1実施形態のコージェネレーションシステム 100の排熱回収回路 12において、ヒータ 18の下流に第 2の温度検知器 19を付カ卩したものであり、その他の部分はコージエネレーションシステム 100の構成と同様である。よって、第 1実施形態と第 2実施形態において共通する要素には同一の符号および名称を付して、説明を省略する。

第 2の温度検知器 19は、排熱回収回路 12の内部を通流する水の温度を検出する装置である。第 2の温度検知器 19はヒータ 18の下流にある。すなわち、第 2の熱媒体が流れる方向に対して、熱交換器 16の下流に、第 1の温度検知器 17と、ヒータ 18 と、第 2の温度検知器 19とが、この順に配設されている。第 2の温度検知器 19は、熱交翻 17およびヒータ 18によって加熱された後の水温を検出し、制御部 21に送る。次に、コージェネレーションシステム 200の特徴となる動作について説明する。第 1 実施形態で説明したように、循環ポンプ 13の循環流量は、第 1の温度検知器 17が検知する水温 (T1)が目標温度範囲内にあるように、制御部 21により制御される。ここで、余剰電力をヒータ 18に供給した場合、ヒータ 18において温水がさらに加熱され、目標温度範囲の上限よりも高い温度となる場合がある。このとき、余剰電力の大きさによってはヒータ 18による加熱量が大きくなり、ヒータ 18出口の水が沸騰する恐れがある。沸騰を回避するために、第 2実施形態では、第 2の温度検知器 19が検出する水温 (T2)に基づいて、制御部 21が循環ポンプ 13の流量を制御することにより、ヒータ 18による過熱を防止する。すなわち、 T2が第 1の閾値以上に上昇した場合は、制御部 21は、循環ポンプ 13の出力上昇により排熱回収回路 12中の水の流量を第 1の所定量だけ増力 tlさせる。 T2が第 2の閾値以上 (第 2の閾値〉第 1の閾値）に上昇した場合は、制御部 21は、安全のためシステムの運転を停止させる。

図 5は、本発明の第 2実施形態において制御部によって実行される水温制御プログラムの一例を概略的に示すフローチャートである。図 5において、 T1は第 1の温度検知器 17によって検知される水温を示し、 T2は第 2の温度検知器 19によって検知される水温を示す。また、目標温度範囲は、例えば、 65°C以上 70°C以下とする。第 1の判定温度は、例えば 75°Cとする。以下、図 5のフローチャートに基づいて、第 2実施形態における制御部 21の動作を説明する。

[0039] 水温制御スタート後、制御部 21は、ステップ S21において T1が目標温度範囲の中にある力否かの判定を行う。 T1が目標温度範囲の中にない場合は、制御部 21は、循環ポンプ 13の操作量 (流量)を変化させる（S22)。このとき、 T1が目標温度範囲の下限よりも低い場合には、制御部 21は、流量がより小さくなるように循環ポンプ 13 の操作量を変化させ、 T1が目標温度範囲の上限よりも高い場合には、制御部 21は、流量がより大きくなるように循環ポンプ 13の操作量を変化させる。操作量を変化させた後は、ステップ S21に戻る。ステップ S21において、 T1が目標温度範囲の中にある場合は、 T2が第 1の閾値以上である力否かの判定が行われる（S23)。 T2が第 1 の閾値以上でないと判定された場合には、ステップ S21に戻る。 T2が第 1の閾値以上であると判定された場合には、循環流量が増加するように、循環ポンプ 13の操作量が変更される（S24)。流量の増加により、熱交換器 14、 15、 17によって第 2の熱媒体へと伝達される熱量が少なくなり、過熱が抑制される。ステップ S24の後、 T2が第 2の閾値以上である力否かの判定が行われる（S25)。 T2が第 2の閾値以上であると判定された場合には、制御部 21はコージェネレーションシステム 200の運転を停止する（S26)。 T2が第 2の閾値以上でないと判定された場合には、ステップ S21に戻る。なお、上述の制御は T1と T2に基づく循環ポンプ 13の制御のみに着目したものであり、割り込み処理や並列処理等により適宜に他の制御 (燃料電池の運転等）が行われることは言うまでもない。また、コージェネレーションシステム 100の運転が終了された場合には、 T1と T2に基づく循環ポンプ 13の制御も終了する。

[0040] かかる制御では、 T2が上昇すれば循環ポンプ 13の循環流量が増加して T2を下降させるので、ヒータ 18による過熱が防止される。よって、ヒータによる第 2の熱媒体の過熱を防止することができる。あるいは貯湯タンク 20に供給される温水が沸騰することを防止できる。また、 T2が第 2の閾値以上となった場合にはコージェネレーションシステム 200の運転が停止されるので、コージェネレーションシステムの熱暴走を防止できる。また、貯湯タンク内の湯が沸騰等により異常に高温になることでユーザがやけど等をしないように安全性を確保することが可能となる。なお、第 2実施形態のコージェネレーションシステムにおいても、第 1実施形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。

[変形例]

上述の説明では、 T2の閾値は 2個であった力より多くの閾値を用いて段階的に制御が行われてもよい。閾値の個数は必要に応じて変更可能であり、 2個でも 4個以上でもよい。あるいは、閾値ではなぐ演算式やテーブルなどを用いて、水温から流量の制御目標値を決定してもよ!/ヽ。

[0041] 例えば、 T2が第 1の閾値以上に上昇した場合は、制御部 21は、循環ポンプ 13の出力を上昇させ、排熱回収回路 12中の水の流量を第 1の所定量だけ増力！]させる。 T 2が第 2の閾値以上 (第 2の閾値〉第 1の閾値）に上昇した場合は、制御部 21は、循環ポンプ 13の出力上昇により排熱回収回路 12中の水の流量をさらに第 2の所定量増加させる。さらに、 T2が第 3の閾値以上 (第 3の閾値〉第 2の閾値)となった場合には、コージェネレーションシステム 200の運転が停止される。

[0042] 図 6は、本発明の第 2実施形態の変形例において制御部によって実行される水温制御プログラムの T2に基づく制御の部分の一例を概略的に示すフローチャートである。 T1に基づく制御については、図 5と同様であるので図および説明を省略する。図 6においては、第 1の閾値が 85°C、第 2の閾値が 90°C、第 3の閾値が 95°C、第 1の所定量が 5%、第 2の所定量が 5%の場合を例として示す。また、 Qは循環ポンプ 13が吐出する水の流量を示す。以下、図 6を参照しつつ、本変形例における制御部 21による水温制御を説明する。なお、本変形例のコージェネレーションシステム 300は、装置の構成としては第 2実施形態のコージェネレーションシステム 200と同様であるので説明を省略する。

[0043] 過昇温防止制御スタート後、 T2≥85°C (S31)の場合は、制御部 21は、 Qを 5%ァップ（S32)させる。さらに T2≥90°C (S33)の場合は、制御部 21は、さらに Qを 5%ァップ (S34)させる。循環ポンプ 13が吐出する水の流量を制御したにもかかわらず、ヒータ 18が暴走し T2≥95°C (S35)となった場合は、制御部 21は、安全のためシステム運転を停止（S36)させる。なお、制御部 21は、 T2く 90°C (S37)となった場合は、 Qを 5%ダウン（S38)させ、 T2く 85°C (S39)となった場合は、さらに Qを 5%ダウン（ S40)させる。このような過昇温防止制御によって、制御部 21は、ヒータ 18で加熱された水が沸騰することを未然に防止し、万一の故障等によりヒータ 18が暴走した場合でも、安全にシステムを停止させる。なお、上述の制御は T2に基づく循環ポンプ 1 3の制御のみに着目したものであり、割り込み処理や並列処理等により適宜に他の制御 (燃料電池の運転等）が行われることは言うまでもない。また、コージェネレーションシステム 100の運転が終了された場合には、 T2に基づく循環ポンプ 13の制御も終了する。

[0044] なお、ステップ S33において「Qを 5%アップ」とは、 Qが Qの 105%となるように制

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御部 21が循環ポンプ 18を制御することを指す。また、ステップ S5において「Qをさらに 5%アップ」とは、 Qが Qの 110%となるように制御部 21が循環ポンプ 18を制御す

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ることを指す。ステップ S9において「Qを 5%ダウン」とは、 Qが Qの 105%となるよう

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に制御部 21が循環ポンプ 18を制御することを指す。また、ステップ S11において「Q を 5%ダウン」とは、 Qが Qの 100%となるように制御部 21が循環ポンプ 18を制御す

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ることを旨す。

[0045] Qは図 5に示すように T1に基づいて制御されて決定された流量を指す。

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[0046] 本変形例では、第 1の温度検知器が検知した温度と第 2の温度検知器が検知した温度を組合せて流量を段階的に制御する。より高温の場合にはより流量を増やすことで、迅速に温度を下げることができる。力かる制御によれば、貯湯タンク 20へ供給される温水の水温を適正な範囲（例えば、 70°C以上 95°C以下）に効率よく維持することが可能となる。よって、ヒータによる第 2の熱媒体の過熱を効率よく防止できる。 (第 3実施形態）

第 3実施形態のコージェネレーションシステムは、ヒータ 18への余剰電力が生じたことによる給電とは別に、一定時間ヒータ 18に給電することによって、貯湯タンク 20内の水を、排熱回収の目標温度 (例えば 70°C)より高い、雑菌の繁殖が抑制可能と推定される温度 (例えば、 90°C)に沸上げることを特徴とする。ハードウェアおよび制御系統については、第 1実施形態（図 1)と同様であるので、説明を省略する。 [0047] 発電装置 5に 60°C〜70°Cの運転温度となる低温型の燃料電池 (例えば、高分子電解質形燃料電池)を用いた場合、余剰電力によるヒータ 18への給電がないときは、貯湯タンク 20内の水は 70°C程度までしか上昇しない。温水を長時間使用しないと、排熱回収回路 12及び貯湯タンク 20を含む排熱回収系内の水は更新されることなく、排熱回収系内に長期間滞留してしまう。かかる場合、 70°C程度の温度では死滅しな、雑菌（レジオネラ菌等）が繁殖する可能性がある。

[0048] 本実施形態のコージェネレーションシステム 400は、制御部 21の制御により、排熱回収系内に繁殖する雑菌を死滅させる目的で、所定の時間ごとに定期的にヒータ 18 へ発電装置 5または電力供給系統 32より給電する。給電時において制御部 21は、排熱回収回路 12及び貯湯タンク 20内の水を循環させ、排熱回収回路及び貯湯タンク内の水を通常の排熱回収の目標温度よりも高い 90°C程度まで上昇させる。なお、該所定の期間は、タイマー（図示せず)等によって設定された一定間隔であってもよいし、制御部 21が計時装置 82を利用して計測してもよい。制御部 21が、貯湯タンク 20内の温水の使用頻度をセンシングして温水使用が滞留する時刻を設定し、設定時刻に沸上げを行ってもよい。なお、電力供給系統 32からヒータ 18へ給電する場合、図 2において、電力供給系統 32とヒータ 18とを、制御部 21を介して電力供給可能に接続することが好ましい。

[0049] 本実施形態のコージェネレーションシステムでは、制御部 21が、貯湯タンク 20の内部の水を、所定の時間毎に、ヒータ 18により貯湯タンク 20への温水供給の目標温度 (例えば 70°C)よりも高い温度 (例えば 90°C)へと加熱する。かかる構成では、余剰電力がない場合であっても貯湯タンクの水を高温に加熱できるため、貯湯タンク中での雑菌の繁殖を防止できる。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなぐその構造及び Z又は機能の詳細を実質的に変更できる。

産業上の利用可能性

[0050] 本発明に力かるコージェネレーションシステムは、発電装置の排熱及び発電装置の余剰電力で発生させた熱を第 2の熱媒体へと回収して蓄熱部に貯留する際に、蓄熱部内における第 2の熱媒体を高い目標温度に維持することが可能なコージエネレーシヨンシステムであり、家庭用等の定置用発電設備等として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 発電装置と、前記発電装置を第 1の熱媒体で冷却する冷却回路と、前記冷却回路上に設けられた熱交換器と、前記熱交換器を介して第 1の熱媒体と熱交換する第 2 の熱媒体が流通する排熱回収回路と、前記排熱回収回路と接続し前記熱交換器により熱交換された第 2の熱媒体を蓄える蓄熱部と、制御部とを備え、第 2の熱媒体が流れる方向における前記熱交換器の下流には、第 1の温度検知器と、前記発電装置の電力が給電されるヒータとがこの順に接続され、さらに前記排熱回収回路には第 2 の熱媒体を循環させる循環ポンプが接続され、前記制御部は、前記第 1の温度検知器によって検知される温度に基づいて、前記検知温度が所定の目標温度になるよう前記循環ポンプの流量を制御するコージェネレーションシステム。

[2] 前記制御部は、前記第 1の温度検知器で検出される温度が、第 1の判定温度以上になった場合に運転を停止させる、請求項 2に記載のコージェネレーションシステム。

[3] さらに、前記第 2の熱媒体が流れる方向における前記ヒータの下流に第 2の温度検知器を備え、前記制御部は、前記第 2の温度検知器により検知される温度が第 1の閾値以上に上昇した場合に、前記循環ポンプの流量を上昇させるよう制御する、請求項 1に記載のコージェネレーションシステム。

[4] 前記制御部は、前記第 2の温度検知器で検出される温度が、前記第 1の閾値よりも高い第 2の閾値以上になった場合に運転を停止させる、請求項 3に記載のコージェネレーシヨンシステム。

[5] 前記制御部は、前記第 2の温度検知器で検出される温度が、前記第 1の閾値よりも高い第 2の閾値以上になった場合に前記循環ポンプの流量をさらに上昇させる、請求項 3に記載のコージェネレーションシステム。

[6] さらに、前記第 2の温度検知器で検知される温度が前記第 2の閾値より高い第 3の閾値以上になった場合に運転を停止させる、請求項 5に記載のコージェネレーションシステム。

[7] 前記ヒータには、前記発電装置で発生する電力のうち外部負荷に供給されない余剰電力を供給する、請求項 1に記載のコージェネレーションシステム。

[8] 前記発電装置は、燃料電池である請求項 1に記載のコージェネレーションシステム前記発電装置が固体高分子形燃料電池であり、かつ前記蓄熱部が貯湯タンクであり、前記制御部の制御により、電力供給系統力前記ヒータに給電することによって、前記貯湯タンク内の水を前記所定の目標温度より高ヽ温度に加熱する請求項 1に記載のコージェネレーションシステム _n