JP2004293816A - 給湯併行式処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの低減および装置の小型化を図る。
【解決手段】排熱流体を出力する主装置Ｋとその主装置Ｋの排熱流体にて貯湯する貯湯タンク２とを備えた給湯併行式処理装置において、主装置Ｋから出力される排熱流体と貯湯タンク２内の湯水とを熱交換させる熱交換用の排熱回収用管部２７が、主装置Ｋにて出力される排熱流体を貯湯タンク２の上部側から下部側へ向けて貯湯タンク２内を流動させるように貯湯タンク２の内部に備えられている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排熱流体を出力する主装置とその主装置の排熱流体にて貯湯する貯湯タンクとを備えた給湯併行式処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような給湯併行式処理装置は、例えば、主装置が燃料電池やガスエンジンなどから構成され、燃料電池の冷却水、燃料電池における改質装置の改質用バーナの燃焼排ガス、ガスエンジンの冷却水などを排熱流体として出力して、その出力される排熱流体にて貯湯タンクに貯湯するものである。
【０００３】
上記のような給湯併行式処理装置において、従来では、貯湯タンクの下部から湯水循環路に湯水を取り出し、その取り出した湯水を湯水循環路を通して循環させて貯湯タンクの上部に戻す形態で貯湯タンク内の湯水を循環させるための湯水循環ポンプと、主装置から出力される排熱流体と湯水循環路を通流する湯水とを熱交換させる熱交換用の排熱回収熱交換器とが設けられ、排熱回収熱交換器において、主装置から出力される排熱流体にて湯水循環路を通流する湯水を加熱することにより、温度成層を形成する状態で貯湯タンクに湯水を貯湯するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２５５０１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の給湯併行式処理装置では、湯水循環ポンプの作動により貯湯タンク内の湯水を湯水循環路にて循環させて、排熱回収熱交換器において、主装置から出力される排熱流体にて湯水循環路を通流する湯水を加熱することにより、貯湯タンクに湯水を貯湯するので、主装置から出力される排熱流体にて貯湯タンクに湯水を貯湯するためには、排熱回収熱交換器が必要となり、湯水循環ポンプの能力も大きなものが必要となる。
したがって、従来の給湯併行式処理装置では、主装置から出力される排熱流体にて貯湯タンクに湯水を貯湯するために、排熱回収熱交換器が必要となり、能力の大きな湯水循環ポンプも必要となるので、それだけコストアップや装置の大型化を招くことになる。
【０００６】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、コストの低減および装置の小型化を図ることができる給湯併行式処理装置を提供する点にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項１に記載の発明によれば、排熱流体を出力する主装置とその主装置の排熱流体にて貯湯する貯湯タンクとを備えた給湯併行式処理装置において、
前記主装置から出力される排熱流体と前記貯湯タンク内の湯水とを熱交換させる熱交換用の排熱回収用管部が、前記主装置にて出力される排熱流体を前記貯湯タンクの上部側から下部側へ向けて前記貯湯タンク内を流動させるように前記貯湯タンクの内部に備えられている。
【０００８】
すなわち、主装置から出力される排熱流体は、貯湯タンクの内部に備えられた排熱回収用管部によって、貯湯タンクの上部側から下部側へ向けて貯湯タンク内を流動することになるので、貯湯タンクの上部側ほど高温の排熱流体が流動する状態で排熱流体と貯湯タンク内の湯水とを熱交換させることができることになる。
したがって、貯湯タンクの上部側ほど高温になるように排熱流体にて貯湯タンク内の湯水を加熱させることができるので、温度成層を形成する状態で貯湯タンクに湯水を貯湯することができることになる。
【０００９】
そして、主装置から出力される排熱流体にて貯湯タンクに湯水を貯湯するためには、排熱回収用管部を貯湯タンクの内部に備えるだけでよいので、主装置から出力される排熱流体にて貯湯タンクに湯水を貯湯するための部材を貯湯タンクと兼用することができることとなって、コストの低減および装置の小型化を図ることができることになる。
【００１０】
以上のことから、請求項１に記載の発明によれば、貯湯タンクの内部に排熱回収用管部を備えるだけで、温度成層を形成する状態で貯湯タンクに湯水を貯湯することができることとなって、コストの低減および装置の小型化を図ることができる給湯併行式処理装置を提供できるに至った。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、前記排熱回収用管部が、前記主装置から出力される排熱流体を並列状態で前記貯湯タンクの上部側から下部側へ流動させるように構成されている。
【００１２】
すなわち、主装置から出力される排熱流体が、貯湯タンクの上部側から下部側へ向けて貯湯タンク内を並列状態で流動することになるので、並列状態で流動する排熱流体の夫々と貯湯タンク内の湯水とを熱交換させることができることになる。
したがって、排熱流体と貯湯タンク内の湯水とを熱交換させる部分を大きくすることができるので、排熱流体にて貯湯タンク内の湯水を効率よく加熱することができることになる。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、前記排熱回収用管部が、前記主装置から出力される排熱流体を蛇行状態で前記貯湯タンクの上部側から下部側へ流動させるように構成されている。
【００１４】
すなわち、主装置から出力される排熱流体が、貯湯タンクの上部側から下部側へ向けて貯湯タンク内を蛇行状態で流動することになるので、例えば、主装置から出力される排熱流体を貯湯タンクの上部側から下部側へ向けて貯湯タンク内を直線状態で流動させるよりも、排熱流体と貯湯タンク内の湯水とを熱交換させる部分を大きくすることができることになる。
したがって、排熱流体にて貯湯タンク内の湯水をより一層効率よく加熱することができることになる。
【００１５】
請求項４に記載の発明によれば、前記主装置が、燃料電池における改質装置にて構成され、前記排熱流体が、前記改質装置に備えられる改質用バーナの燃焼排ガスである。
【００１６】
すなわち、改質用バーナの燃焼排ガスが、貯湯タンクの内部に備えられた排熱回収用管部によって、貯湯タンクの上部側から下部側へ向けて貯湯タンク内を流動することになり、改質用バーナの燃焼排ガスにて貯湯タンクに湯水が貯湯されることになる。
そして、燃料電池では、水素と酸素を反応させて発電するので、家庭用として設置する場合において、騒音の問題が生じる虞がないことから、請求項１の発明において説明した如く、貯湯タンクの内部に排熱回収用管部を備えることにより、装置の小型化を図れることがとくに有用なものとなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる給湯併行式処理装置をコージェネレーションシステムに適応した例を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
このコージェネレーションシステムは、図１および図２に示すように、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池システム１、その燃料電池システム１にて出力される排熱流体にて貯湯タンク２に貯湯して給湯する貯湯ユニット３、燃料電池システム１および貯湯ユニット３の運転を制御する運転制御部４などから構成されている。
【００１８】
前記燃料電池システム１には、燃料電池５、燃料電池５に供給する水素含有ガスとしての燃料ガスを生成するガス生成部６、燃料電池５に酸素含有ガスとしての空気を供給するブロア７、燃料電池５から出力される直流電力を交流電力に変換して電力消費機器に供給するインバータ８が設けられている。
【００１９】
前記燃料電池５は、例えば、高分子型の燃料電池を備え、ガス生成部６にて生成されて燃料ガス供給路９を通して供給される燃料ガス中の水素と、ブロア７から空気供給路１０を通して供給される空気中の酸素とを電気化学反応させて発電するように構成されている。
【００２０】
前記ガス生成部６は、供給される都市ガスなどの炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫部１１、供給される改質水にて水蒸気を生成する水蒸気生成部１２、水蒸気生成部１２にて生成された水蒸気を脱硫原燃料ガスに混合させて改質反応させる改質処理部１３、その改質処理部１３から排出される改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気にて二酸化炭素に変成処理する変成部１４、その変成部１４から排出される変成ガス中に残留している一酸化炭素を除去するＣＯ除去部１５を備えて構成されている。
【００２１】
前記改質処理部１３における改質反応が吸熱反応であるので、改質用バーナ１６ａの燃焼熱により改質処理部１３を加熱する改質処理用加熱部１６が設けられている。
そして、改質装置Ｋが、水蒸気生成部１２、改質処理部１３、改質処理用加熱部１６などから構成されている。
【００２２】
前記改質用バーナ１６ａは、燃料電池５からのオフガスを排燃料ガス路１７を通して供給するとともに、ブロア７からの空気を空気供給路１０から分岐された燃焼用空気供給路１８を通して供給することにより燃焼させるように構成されている。
また、改質用バーナ１６ａにおける燃焼排ガスは、水蒸気生成部１２において、水蒸気を生成するための熱源として使用するように構成されている。
【００２３】
前記脱硫部５に原燃料ガスを供給する燃料ガス供給路９の流路中には、燃料電池１への燃料ガス供給量を調整する燃料ガス供給量調整弁１９が設けられている。
そして、運転制御部５が、燃料ガス供給量調整弁１９の開度とブロア７の作動状態を制御することにより、燃料電池５に供給する燃料ガスの供給量および空気の供給量を調整して、燃料電池５からの発電出力を調整するように構成されている。
【００２４】
前記貯湯ユニット３は、温度成層を形成する状態で湯水を貯湯する貯湯タンク２、湯水循環路２０を通して貯湯タンク２内の湯水などを循環させる湯水循環ポンプ２１、湯水循環路２０を通流する湯水を加熱させる排熱式熱交換器２２、バーナ２３の燃焼により貯湯タンク２から取り出した湯水を加熱させる補助加熱用熱交換器２４などを備えて構成されている。
【００２５】
そして、貯湯タンク２には、その下部から貯湯タンク２に水道水圧を用いて給水するように構成され、貯湯タンク２から取り出された量だけの水を貯湯タンク２に給水するように構成されている。
【００２６】
前記排熱式熱交換器２２においては、冷却水循環ポンプ２５を作動させて燃料電池５にて発生する熱を回収した冷却水循環路２６の冷却水を通流させることにより、湯水循環路２０を通流する湯水を加熱させるように構成されている。
そして、補助加熱手段Ｍが、バーナ２３や補助加熱用熱交換器２４などから構成され、バーナ２３の燃焼量を調整することにより、湯水の温度が給湯設定温度になるように加熱させるように構成されている。
【００２７】
前記貯湯タンク２には、主装置としての燃料電池５における改質装置Ｋから出力される排熱流体にて貯湯タンク２に湯水を貯湯させる構成が備えられているので、以下、この構成について説明を加える。
前記貯湯タンク２の内部には、排熱流体である改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスと貯湯タンク２内の湯水とを熱交換させる熱交換用の排熱回収用管部２７が備えられている。
前記排熱回収用管部２７は、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスを貯湯タンク２の上部側から下部側へ向けて貯湯タンク２内を流動させるように貯湯タンク２の内部に備えられている。
また、排熱流体である改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスは、水蒸気生成部１２において、水蒸気を生成するための熱源として使用されたのち、排熱流体供給路２８を通して排熱回収用管部２７に供給されるように構成されている。
【００２８】
説明を加えると、排熱回収用管部２７は、貯湯タンク２の上下方向に沿って貯湯タンク２の上下方向のほぼ全長にわたる直線状に形成され、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスを、貯湯タンク２の上下方向に沿って、貯湯タンク２の上下方向のほぼ全長にわたって直行状態で流動させるように構成されている。
そして、排熱回収用管部２７に供給された改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスは、貯湯タンク２の上端部から下端部で向けて直行状態で流動する過程で、貯湯タンク２内の湯水を加熱させるように構成されている。
【００２９】
また、排熱回収用管部２７は、貯湯タンク２の上部側ほど高温の燃焼排ガスが流動する状態で燃焼排ガスを流動させるので、貯湯タンク２の上部側ほど高温になるように燃焼排ガスにて貯湯タンク２内の湯水を加熱させることでき、温度成層を極力乱すことなく、貯湯タンク２に湯水を貯湯するように構成されている。
【００３０】
そして、運転制御部４は、燃料電池システム１の運転中に、冷却水循環ポンプ２５および湯水循環ポンプ２１を作動させることにより、排熱式熱交換器２２において、冷却水循環路２６を通流する冷却水にて湯水循環路２０を通流する湯水を加熱させて貯湯タンク２に湯水を貯湯するように構成されている。
また、燃料電池システム１の運転中には、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスが、排熱流体供給路２８を通して排熱回収用管部２７に供給されるので、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスが排熱回収用管部２７を流動することにより貯湯タンク２に湯水を貯湯するように構成されている。
【００３１】
〔第２実施形態〕
この第２実施形態は、上記第１実施形態における排熱回収用管部２７の別実施形態を示すものであるので、その点を中心に図面に基づいて説明を加える。
ちなみに、その他の構成については、上記第１実施形態と同様であるので、同符号を記すなどにより、その詳細な説明は省略する。
【００３２】
前記排熱回収用管部２７が、図３に示すように、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスを並列状態で貯湯タンク２の上部側から下部側へ向けて貯湯タンク２内を流動させるように貯湯タンク２の内部に備えられている。
説明を加えると、排熱回収用管部２７が、貯湯タンク２の上下方向に沿う直線状の複数の管路２７ａを並列状態で備えて、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスを、貯湯タンク２の上下方向に沿って並列状態で流動させるように構成されている。
そして、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスは、貯湯タンク２の上端部から複数の管路２７ａに分岐するように流動して、複数の管路２７の夫々を流動したのち、貯湯タンク２の下端部で合流させるように構成されている。
【００３３】
〔第３実施形態〕
この第３実施形態では、上記第１実施形態における排熱回収用管部２７の別実施形態を示すものであるので、その点を中心に図面に基づいて説明を加える。
ちなみに、その他の構成については、上記第１実施形態と同様であるので、同符号を記すなどにより、その詳細な説明は省略する。
【００３４】
前記排熱回収用管部２７が、図４に示すように、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスを蛇行状態で貯湯タンク２の上部側から下部側へ向けて貯湯タンク２内を流動させるように貯湯タンク２の内部に備えられている。
説明を加えると、排熱回収用管部２７が、螺旋状に形成され、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスを、貯湯タンク２の上部側から下部側へ貯湯タンク内を螺旋状に流動させるように構成されている。
【００３５】
〔別実施形態〕
（１）上記第２実施形態では、複数の管路２７ａの夫々が、貯湯タンク２の上下方向に沿う直線状に形成されている例を示したが、複数の管路２７ａの夫々を螺旋状に形成して、複数の管路２７ａの夫々において、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスを、貯湯タンク２の上部側から下部側へ貯湯タンク内を螺旋状に流動させるように構成して実施することも可能である。
【００３６】
（２）上記第１〜第３実施形態では、主装置を燃料電池５における改質装置Ｋにて構成し、排熱回収用管部２７を流動させる排熱流体が、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスである例を示したが、主装置および排熱流体ともに適宜変更が可能である。
例えば、主装置を燃料電池５にて構成し、排熱流体を燃料電池５の冷却水としたり、あるいは、主装置をガスエンジンにて構成し、排熱流体をガスエンジンの冷却水として実施することが可能である。
【００３７】
ちなみに、主装置を、燃料電池５における改質装置Ｋと燃料電池５とから構成し、排熱流体を、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスと燃料電池５の冷却水とする場合には、図１において、排熱式熱交換器２２、湯水循環路２０や湯水循環ポンプ２２を省略して、貯湯タンク２の内部に、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガス用の排熱回収用管部と燃料電池５の冷却水用の排熱回収用管部とを並列状態で備えて、排熱用回収用管部を２つ設けて実施することも可能である。
【００３８】
（３）上記第１〜第３実施形態では、排熱流体である改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスを、水蒸気生成部１２において、水蒸気を生成するための熱源として使用されたのち、排熱回収用管部２７に供給するようにしているが、例えば、水蒸気生成部１２に別の熱源を設けて、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスを、直接排熱回収用管部２７に供給するように構成して実施することも可能である。
【００３９】
（４）上記第１〜第３実施形態では、燃料電池５が、高分子型である例を示したが、リン酸型のものなど各種の燃料電池を適応することが可能である。
【００４０】
（５）上記実施形態では、本発明にかかる給湯併行式処理装置をコージェネレーションシステムに適応した例を示したが、コージェネレーションシステムに限らず、その他各種のシステムにも適応することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】コージェネレーションシステムの概略構成図
【図２】コージェネレーションシステムの制御ブロック図
【図３】第２実施形態における排熱回収用管部を示す図
【図４】第３実施形態における排熱回収用管部を示す図
【符号の説明】
２ 貯湯タンク
５ 燃料電池
１６ａ 改質用バーナ
２７ 排熱回収用管部
Ｋ 改質装置

Claims (4)

1. 排熱流体を出力する主装置とその主装置の排熱流体にて貯湯する貯湯タンクとを備えた給湯併行式処理装置であって、
   前記主装置から出力される排熱流体と前記貯湯タンク内の湯水とを熱交換させる熱交換用の排熱回収用管部が、前記主装置にて出力される排熱流体を前記貯湯タンクの上部側から下部側へ向けて前記貯湯タンク内を流動させるように前記貯湯タンクの内部に備えられている給湯併行式処理装置。
2. 前記排熱回収用管部が、前記主装置から出力される排熱流体を並列状態で前記貯湯タンクの上部側から下部側へ流動させるように構成されている請求項１に記載の給湯併行式処理装置。
3. 前記排熱回収用管部が、前記主装置から出力される排熱流体を蛇行状態で前記貯湯タンクの上部側から下部側へ流動させるように構成されている請求項１または２に記載の給湯併行式処理装置。
4. 前記主装置が、燃料電池における改質装置にて構成され、前記排熱流体が、前記改質装置に備えられる改質用バーナの燃焼排ガスである請求項１〜３のいずれか１項に記載の給湯併行式処理装置。

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