JP2007132613A - コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】
制御電源が遮断された場合でも、熱電併給手段を十分に冷却できるようなコージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】
電力と熱を発生する燃料電池２と、貯湯槽６と、燃料電池２の発電熱を吸収した熱媒を貯湯槽６と燃料電池２の間で循環させる熱媒循環路と、貯湯槽６をバイパスして前記熱媒を燃料電池２に還流させるバイパス路と、前記熱媒を貯湯槽６に流す流路と前記熱媒を前記バイパス路に流す流路を切替える貯湯槽バイパス弁１２及び循環路開閉弁１３と、制御手段を有するコージェネレーションシステム１において、貯湯槽バイパス弁１２及び循環路開閉弁１３は前記制御手段への給電が停止された場合に前記熱媒の流路を貯湯槽６側に機械的に切替える。
【選択図】 図１

Description

本発明はエンジン発電機や燃料電池のような熱電併給手段が発生する電力を負荷に供給すると共に、前記熱電併給手段の運転に伴って発生する熱を給湯・暖房等に利用するコージェネレーションシステムに関する。

エンジン発電機や燃料電池のような、電力と共に熱を発生する熱電併給手段の排熱を給湯・暖房等に利用するコージェネレーションシステムにおいては、熱の発生と熱需要の時間的なずれを調整するために貯湯槽を備えるのが一般的である。

特許文献１には発電機の排熱を回収して熱媒を加熱する排熱用熱交換手段と、貯湯槽と、前記熱媒で前記貯湯槽内の水を加熱する加熱用熱交換手段と、前記排熱用熱交換手段と前記加熱用熱交換手段の間で前記熱媒を循環させる熱媒循環配管と、前記加熱用熱交換手段をバイパスして前記熱媒を前記排熱用熱交換手段に還流させるバイパス配管と、前記熱媒を前記加熱用熱交換手段に流す流路と前記熱媒を前記バイパス配管に流す流路を切替える切替バルブを具備するコージェネレーションシステムが開示されている。このコージェネレーションシステムは熱媒の温度が貯湯槽内の水の温度より低い場合に、熱媒をバイパス配管に流すので、貯湯槽内の水の熱が熱媒に奪われることがない。そのため、安定した温度の湯を貯湯槽から供給することができる。
特開平１１−２２３３８５号公報

特許文献１に記載のコージェネレーションシステムの制御装置は商用電源で駆動されている。制御装置は発電機の起動停止も制御するので、コージェネレーションシステムとは別系統の電力で駆動される必要があるからである。また、発電機特に燃料電池は一旦停止すると、再起動に時間が掛かる上にエネルギーを消費するので、頻繁な起動停止を行うことは望ましくない。そのため、何らかの原因で制御装置を駆動する電源（以下、「制御電源」と言う。）が一時的にダウンしても、発電機の運転をそのまま継続したいという技術的要請がある。しかしながら、制御電源がダウンすると流路の切り替えができなくなるから、制御電源ダウンの直前に貯湯槽をバイパスする流路を選択していた場合、熱媒が発電機の排熱を吸収して高温になっても貯湯槽に放熱できないという問題がある。そのため、発電機を冷却することができず、発電機を損傷する場合がある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、制御電源が遮断された場合に、熱電併給手段を十分に冷却できるようなコージェネレーションシステムを提供することを目的とする。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第１の構成は、電力と熱を発生する熱電併給手段と、前記熱電併給手段が発生する熱を蓄熱する貯熱槽と、前記貯熱槽と前記熱電併給手段との間で熱媒を循環させる熱媒循環路と、前記貯熱槽をバイパスして前記熱媒を前記熱電併給手段に還流させるバイパス路と、前記熱媒の流路を前記貯熱槽と前記バイパス路との何れかに切替える流路切替手段と、前記流路切替手段の切替え動作を制御する制御手段とを有するコージェネレーションシステムにおいて、前記流路切替手段は、前記制御手段への給電が停止された場合には前記熱媒の流路を前記貯熱槽側に機械的に切替えるものであることを特徴とする。

この構成によれば、流路切替手段は制御手段を駆動する電源が遮断した場合に熱媒を貯熱槽に流すから、熱電併給手段が発生した熱を吸収した熱媒は貯熱槽に熱を放出し、熱を失って低温になった熱媒が熱電併給手段に還流する。したがって、制御電源がダウンしても熱電併給手段を冷却することができる。なお、ここで熱電併給手段とは、熱機関等を動力とする発電機のみならず、燃料電池等の電気化学的な発電手段を含む広い概念である。電力を発生させると、その副産物として熱を排出する装置は全て、ここでいう熱電併給手段に含まれる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第２の構成は、前記第１の構成において、前記流路切替手段は、前記熱媒循環路と前記バイパス路の分岐点又は合流点に配置された三方弁であることを特徴とする。

この構成も、制御電源がダウンしても熱電併給手段を冷却することができる。なお、三方弁は非通電時に弁体が特定の位置に保持される弁であれば形式は問わないが、ソレノイドバルブが最適である。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第３の構成は、前記第１の構成において、前記流路切替手段は、前記熱媒循環路の前記バイパス路と並行する部分に設けられた電磁開閉弁である循環路開閉弁；及び前記バイパス路に設けられた電磁開閉弁であるバイパス路開閉弁；から構成され、前記循環路開閉弁は非通電時に開弁するノーマルオープン型であることを特徴とする。

この構成によれば、循環路開閉弁を非通電時に開弁するノーマルオープン型の電磁開閉弁としたので、制御電源がダウンすると、熱電併給手段の発電熱を吸収した熱媒は貯熱槽を通って放熱した後、熱電併給手段に還流する。また正常運転時においても、循環路開閉弁を開弁して、貯熱槽の熱媒を熱電併給手段に還流させる時間が長いので、ノーマルオープン型の電磁開閉弁の使用によって消費電力を節減できる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第４の構成は、前記第３の構成において、前記バイパス開閉弁は非通電時に閉弁するノーマルクローズ型であることを特徴とする。

この構成によれば、バイパス開閉弁は非通電時に閉弁するノーマルクローズ型の電磁開閉弁としたので、制御電源がダウンすると、熱電併給手段の発電熱を吸収した熱媒は貯熱槽をバイパスせずに全て貯熱槽に流れる。また正常運転時においても、バイパス開閉弁を閉弁して、熱媒を貯熱槽に流入させる時間が長いので、ノーマルクローズ型の電磁開閉弁の使用によって消費電力を節減できる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第５の構成は、前記第１乃至第４の何れかの構成において、前記貯熱槽は前記熱媒循環路を流れる熱媒と前記貯熱槽内の熱媒の間で熱交換を行う熱交換器を備えることを特徴とする。

この構成によれば、熱媒は熱媒循環路の中で循環し外部に出ることがないので、貯熱槽内の熱媒を清浄に保つことができる。

本発明に係るコージェネレーションシステムの第６の構成は、前記第１乃至第４の何れかの構成において、前記熱媒は水であり、前記貯熱槽は、前記熱電併給手段が発生する熱を温水として貯湯する成層式貯湯槽であることを特徴とする

この構成によれば、貯熱槽と熱媒循環路の間に熱交換器が介在しないので、熱交換に起因する損失が発生しない。そのため、コージェネレーションシステムの効率が向上する。

以上のように本発明によれば、制御電源がダウンした場合でも熱電併給手段で発生した熱を吸収して高温になった熱媒は貯熱槽に流れて、熱を貯熱槽に放熱するから、制御電源がダウンしても、熱電併給手段を十分に冷却することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例に係るコージェネレーションシステム１の配管系統図である。コージェネレーションシステム１は、燃料電池２、熱交換器３、暖房用補助ボイラ４、ファンコイルユニット５、貯湯槽６、ラジエータ７及び後述するその他の機器から構成される。なおコージェネレーションシステム１は図示しない制御用のコンピュータによって制御されている。

燃料電池２は、図示しない電力負荷に電力を供給する熱電併給手段であり、電力の副産物として生じる熱を冷却水に吸収させて排出する冷却配管（図示せず）を備えている。また、熱を吸収して高温になった冷却水は、前記冷却配管から流出して熱交換器３の一次側管路３ａに流入する。

熱交換器３は、燃料電池２から流出して一次側管路３ａに流入する冷却水と、ファンコイルユニット５から流出して二次側管路３ｂに流入する暖房水（暖房用熱媒）の間で熱交換を行って、前記暖房水を加熱する装置である。

暖房用補助ボイラ４は、熱交換器３の二次側管路３ｂから流出する暖房水の温度がファンコイルユニット５の要求温度を下回る場合に運転されて、暖房水を加熱する補助熱源装置である。

ファンコイルユニット５は、熱交換器３の二次側管路３ｂ及び暖房用補助ボイラ４を通過して流入する高温の暖房水の熱を暖房対象の空間に放出する暖房機である。なお、８は熱交換器３の二次側管路３ｂから暖房用補助ボイラ４及びファンコイルユニット５を通って二次側管路３ｂに戻る暖房水循環路において暖房水を循環させる循環ポンプである。また、９はファンコイルユニット５をバイパスする管路（暖房用熱媒バイパス路）を開閉する暖房用熱媒バイパス路開閉弁である。

貯湯槽６は、冷却水を貯留する容器である。燃料電池２の運転中に燃料電池２から流出する冷却水は熱交換器３で暖房水に熱を与えても十分に高温なので、貯湯槽６の頂部から注入されて、必要に応じて図示しない給湯負荷（例えばカラン、シャワーヘッド等）や熱負荷（例えば、浴槽追い焚き用熱交換器）に供給される。また、貯湯槽６の底部には滞留している間に熱を失って低温になった冷却水が溜まっているので、これを抽出して燃料電池２に還流する。なお、貯湯槽６の下部には給水管、上部には給湯管が接続されるが、ここでは図示を省略している。

ラジエータ７は、燃料電池２に還流する冷却水の温度が所定の温度を超えている場合（十分に冷却されていない場合）に、冷却水を所定の温度まで冷却する放熱器である。

このように、燃料電池２で発生する発電熱を吸収して高温になった冷却水は、熱交換器３を通って貯湯槽６の頂部に注がれ、貯湯槽６の底部から抽出された低温の冷却水は必要に応じてラジエータ７で放熱されて燃料電池２に還流する。以下、本明細書では燃料電池２（熱電併給手段）と貯湯槽６（貯熱槽）の間で冷却水（熱媒）が循環する回路を「熱媒循環路」と呼ぶことにする。なお、燃料電池２の内部には図示しない冷却水循環ポンプが備えられて、発電熱を吸収して高温になった冷却水を熱媒循環路に送出している。

１０は三方弁である。三方弁１０は熱交換器３の一次側管路３ａから貯湯槽６に向かう流路１０aと熱交バイパス流路１１から貯湯槽６に向かう流路１０bを選択する切替弁である。ファンコイルユニット５が運転されている場合は、流路１０aを選択し、燃料電池２から流出する高温の冷却水を熱交換器３を通過させて、ファンコイルユニット５に熱を供給する。ファンコイルユニット５が停止している場合は、流路１０ｂを選択し、燃料電池２から流出する高温の冷却水は熱交換器３をバイパスして、直接、貯湯槽６に流れる。

１２は貯湯槽バイパス弁、１３は循環路開閉弁である。貯湯槽バイパス弁１２及び循環路開閉弁１３は熱媒循環路において、貯湯槽６をバイパスして冷却水を燃料電池２に還流する流路（貯湯槽バイパス路）と冷却水を貯湯槽６に流し込む流路を切替える流路切替手段を構成している。すなわち、貯湯槽バイパス弁１２を開弁して循環路開閉弁１３を閉弁すると、冷却水は全て貯湯槽６をバイパスして燃料電池２に還流し、貯湯槽バイパス弁１２を閉弁して循環路開閉弁１３を開弁すると、冷却水は全て貯湯槽６を経由して燃料電池２に還流する。

三方弁１０を通過する冷却水の温度が所定の温度（例えば４０℃）より低い場合は、貯湯槽バイパス弁１２を開き、循環路開閉弁１３を閉じて、冷却水を直接ラジエータ７に流す。逆に三方弁１０を通過する冷却水の温度が所定の温度（例えば４５℃）より高い場合は、貯湯槽バイパス弁１２を閉じ、循環路開閉弁１３を開いて、冷却水を貯湯槽６に流し込むと共に、貯湯槽６の下層の温水をラジエータ７に流す。貯湯槽６に一定温度以上の湯を貯めるためである。なお、貯湯槽バイパス弁１２及び循環路開閉弁１３はソレノドバルブであり、貯湯槽バイパス弁１２はソレノイドが励磁されていない場合に閉弁するノーマルクローズ型であり、循環路開閉弁１３はソレノイドが励磁されていない場合に開弁するノーマルオープン型である。つまり、貯湯槽バイパス弁１２は駆動用の電源がダウンすると閉弁し、循環路開閉弁１３は駆動用の電源がダウンすると開弁する。

なお１４は、燃料電池２から流入する冷却水の温度を検出する冷却水温度検出器である。

このように構成されているので、コージェネレーションシステム１の制御電源が何らかのトラブルでダウンすると、貯湯槽バイパス弁１２が閉弁し、循環路開閉弁１３が開弁するので、制御電源がダウンする直前に貯湯槽バイパス弁１２と循環路開閉弁１３がどのような状態にあったとしても、高温の冷却水は貯湯槽６の頂部に注がれ、貯湯槽２の底部から低温の冷却水が抽出されて燃料電池２に流れるから、燃料電池２の冷却を行うことができる。

なお、本実施例では流路切替手段の具体例として、貯湯槽バイパス弁１２と循環路開閉弁１３の組み合わせを示したが、貯湯槽バイパス弁１２と循環路開閉弁１３の組み合わせに代えて、熱媒循環路と貯湯槽バイパス路の分岐点１２ａあるいは合流点１２ｂに三方弁を備えてもよい。この場合、前記三方弁はソレノイドが励磁されていない場合に冷却水を貯湯槽６に流す流路を選択するように構成する。

また、本実施例では貯熱槽の具体例として、燃料電池２で発生する熱を吸収した高温の冷却水そのものを貯留する貯湯槽６を示したが、貯湯槽６内に熱交換器を備えて、高温の冷却水と貯湯槽６内部の湯水の間で熱交換を行い、熱交換をして低温になった冷却水が（貯湯槽６に注がれずに）燃料電池２に還流するように構成してもよい。

本発明の実施例に係るコージェネレーションシステムの配管系統図である。

符号の説明

１ コージェネレーションシステム
２ 燃料電池
３ 熱交換器
４ 暖房用補助ボイラ
５ ファンコイルユニット
６ 貯湯槽（貯熱槽）
７ ラジエータ
８ 循環ポンプ
９ 暖房用熱媒バイパス路開閉弁
１０ 三方弁
１１ 熱交バイパス流路
１２ 貯湯槽バイパス弁
１３ 循環路開閉弁
１４ 冷却水温度検出器

Claims (6)

1. 電力と熱を発生する熱電併給手段と、
   前記熱電併給手段が発生する熱を蓄熱する貯熱槽と、
   前記貯熱槽と前記熱電併給手段との間で熱媒を循環させる熱媒循環路と、
   前記貯熱槽をバイパスして前記熱媒を前記熱電併給手段に還流させるバイパス路と、
   前記熱媒の流路を前記貯熱槽と前記バイパス路との何れかに切替える流路切替手段と、
   前記流路切替手段の切替え動作を制御する制御手段と
   を有するコージェネレーションシステムにおいて、
   前記流路切替手段は、前記制御手段への給電が停止された場合には前記熱媒の流路を前記貯熱槽側に機械的に切替えるものであること
   を特徴とするコージェネレーションシステム。
2. 前記流路切替手段は、前記熱媒循環路と前記バイパス路の分岐点又は合流点に配置された三方弁であること
   を特徴とする請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
3. 前記流路切替手段は、
   前記熱媒循環路の前記バイパス路と並行する部分に設けられた電磁開閉弁である循環路開閉弁；
   及び前記バイパス路に設けられた電磁開閉弁であるバイパス路開閉弁；
   から構成され、
   前記循環路開閉弁は非通電時に開弁するノーマルオープン型であること
   を特徴とする請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
4. 前記バイパス開閉弁は非通電時に閉弁するノーマルクローズ型であること
   を特徴とする請求項３に記載のコージェネレーションシステム。
5. 前記貯熱槽は前記熱媒循環路を流れる熱媒と前記貯熱槽内の熱媒の間で熱交換を行う熱交換器を備えること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
6. 前記熱媒は水であり、
   前記貯熱槽は、前記熱電併給手段が発生する熱を温水として貯湯する成層式貯湯槽であること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載コージェネレーションシステム。
   
   
   
   

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