【実施例】
【0017】
先ず、本発明のコージェネレーションシステム1の全体構成について説明する。
図1,
図2に示すように、コージェネレーションシステム1は、発電を行う発電ユニット2と、湯水を貯湯する貯湯タンク11を有する貯湯ユニット3と、発電ユニット2と貯湯ユニット3との間に湯水を循環させる排熱回収循環回路15等を備え、発電ユニット2の排気と貯湯タンク11内の湯水とを熱交換させる排熱回収に伴い排気中の水分を回収する機能を有するものである。
【0018】
次に、発電ユニット2について説明する。
図1に示すように、発電ユニット2は、発電モジュール4と、カソード空気ブロア5aと、燃料ガス昇圧ブロア5bと、燃料改質空気ブロア5cと、排気排出通路6と、排熱回収熱交換器7と、水処理装置8と、インバータ9等を備え、これらの各種器具が外装ケース10に収納されて構成されている。発電モジュール4にて発電された直流電力は、インバータ9を介して交流電力に変換されて外部に出力される。
【0019】
発電モジュール4は、燃料電池セルスタック4aと、蒸発器4bと、燃料改質器4cと、オフガス燃焼室4d等を備え、燃料改質器4cによって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタック4aで化学反応させることで発電を行うものでる。
【0020】
排熱回収熱交換器7は、排気排出通路6の内部に設けられ、排熱回収循環回路15の一部を構成する熱交換通路部7aを備えている。この排熱回収熱交換器7において、発電モジュール4から排出される排気を、熱交換通路部7aを流れる湯水との間で熱交換させて、排気中に含まれる水蒸気は冷却され凝縮されて凝縮水となる。
【0021】
水処理装置8は、排熱回収熱交換器7にて凝縮された凝縮水を、回収通路8aを介して回収し、処理タンクのイオン交換樹脂により不純物を取り除いた水を、貯留タンクに一時的に貯留し、送水ポンプの駆動により、貯留タンク内の水を、水供給通路8bを介して発電モジュール4の蒸発器4bに供給するものである。
【0022】
次に、貯湯ユニット3について説明する。
図2に示すように、貯湯ユニット3は、排気の熱を湯水として蓄熱する為の貯湯タンク11と、補助熱源機12と、給水通路13と、給湯通路14と、排熱回収循環回路15と、混合弁16と、三方弁17と、制御ユニット18等を備え、これら大部分は外装ケース20内に一体的に収納されている。
【0023】
貯湯タンク11は、発電ユニット2で加熱された高温の湯水(例えば、65〜90℃)を貯留可能な密閉タンクで構成され、貯留された湯水の放熱を防ぐ為にタンク周囲は断熱材で覆われている。貯湯タンク11の外周部には、下側から上側に向かって等間隔に複数の温度センサ21a〜21dが順に設けられ、これら複数の温度センサ21a〜21dにより貯湯タンク11内の複数の貯留層の湯水温度が検出される。
【0024】
補助熱源機12は、バーナーや熱交換器等を内蔵した公知のガス給湯器で構成されている。補助熱源機12は、貯湯タンク11内の湯水温度が低下した場合等の特別な場合に限り、制御ユニット18から指令が送信されて燃焼作動され、湯水を加熱するものである。
【0025】
給水通路13は、上水源から低温の上水を貯湯タンク11等に供給するものであり、上流給水通路部13a、下流給水通路部13bを有し、上流端が上水源に接続され、下流端が貯湯タンク11の下部に接続されている。上流給水通路部13aと下流給水通路部13bとの間から給湯通路14に接続するバイパス通路23が分岐されている。上流給水通路部13aには、温度センサ21eと減圧弁24が設けられている。
【0026】
給湯通路14は、貯湯タンク11に貯湯された湯水を風呂等の所望の給湯先に供給するものであり、上流給湯通路部14a、下流給湯通路部14bを有し、上流端が貯湯タンク11に接続され、下流端が給湯栓25に接続されている。上流給湯通路部14aには、流量センサ22aと温度センサ21fが設けられ、下流給湯通路部14bには、流量センサ22bと温度センサ21gが設けられている。上流給湯通路部14aの途中部から分岐してドレン放出部25に接続される排出通路26が設けられ、この排出通路26に圧力リリーフ弁27が設けられている。
【0027】
上流給湯通路部14aと下流給湯通路部14bとの間には、混合弁16が設けられ、この混合弁16に給水通路13から分岐したバイパス通路23が接続されている。混合弁16は、出湯温度が目標給湯設定温度になるように低温の上水と高温の湯水の混合比を制御するものである。
【0028】
下流給湯通路部14bの途中部には、補助熱源機12が設置されている。上流給水通路部13aから分岐した分岐通路28が、下流給湯通路部14bの補助熱源機12の上流側に接続され、分岐通路28には、高温出湯回避用の電磁弁29が設けられている。
【0029】
図1,
図2に示すように、排熱回収循環回路15は、貯湯タンク11と発電ユニット2との間に湯水を循環させて発電ユニット2の排熱を回収する閉回路であり、低温側循環通路部15a、高温側循環通路部15b等を有し、上流端が貯湯タンク11の下部に接続され、下流端が貯湯タンク11の上部に接続されている。低温側循環通路部15aと高温側循環通路部15bとの間には、排熱回収熱交換器7の熱交換通路部7aが接続されている。尚、低温側循環通路部15aの上流端と下流給水通路部13bの下流端は、共通の通路部で構成されている。
【0030】
低温側循環通路部15aには、温度センサ21hが設けられ、高温側循環通路部15bには、温度センサ21iが設けられている。貯湯ユニット3の出口付近(発電ユニット2の入口付近)の低温側循環通路部15a内の湯水の温度が、温度センサ21hにより検出され、貯湯ユニット3の入口付近(発電ユニット2の出口付近)の高温側循環通路部15b内の湯水の温度が、温度センサ21iにより検出される。
【0031】
循環ポンプ31は、排熱回収循環回路15に湯水を循環させる為の循環ポンプであり、低温側循環通路部15aの発電ユニット2側に設けられている(
図1参照)。尚、循環ポンプ31は、低温側循環通路部15aの貯湯ユニット3側に設けられても良い。
【0032】
通常の排熱回収運転時には、貯湯タンク11から循環ポンプ31の駆動を介して湯水が、低温側循環通路部15aを通り排熱回収熱交換器7の熱交換通路部7aに送られ、排熱回収熱交換器7で加熱された湯水は、高温側循環通路部15bを流れて貯湯タンク11に戻されて貯留される。給湯運転時には、貯湯タンク11に貯留された高温の湯水(例えば、65〜90℃)は、給湯通路14に供給される。
【0033】
次に、本発明に関連する排出通路32について説明する。
図2に示すように、排出通路32は、貯湯タンク11が満蓄状態になった場合に排熱回収循環回路15を流れる高温の湯水を、ドレン放出部25を介して機外に排出するものであり、排熱回収循環回路15のうちの排熱回収熱交換器7の熱交換通路部7aより下流側で且つ貯湯タンク11より上流側である高温側循環通路部15bから分岐してドレン放出部25に延びるように設けられている。
【0034】
排出通路32の下流端部分は、下方に延びるように設置され、この排出通路32の最下流部には、高温の湯水をミスト状に排出可能なミストノズル33が設けられている。このミストノズル33は、高温の湯水をミスト状に放出可能な公知のミストノズルで構成されている。具体的に、ミストノズル33は、例えば、排出通路32を流れる65〜90℃の湯水を給水圧によってミスト状にすることで45℃以下に低下するように構成されている。ミストノズル33から放出される際に温度低下した湯水は、ドレン放出部25を介して機外に排出される。
【0035】
高温側循環通路部15bは、上流通路部15c、下流通路部15dを有し、上流通路部15cと下流通路部15dとの間の排出通路32が分岐する分岐部には、三方弁17が設けられている。上流通路部15cの下流端が三方弁17(ポートA)に接続され、排出通路32の上流端が三方弁17(ポートB)に接続され、下流通路部15dの上流端が三方弁17(ポートC)に接続され、この三方弁17により上流通路部15cが下流通路部15dと排出通路32の何れかに択一的に接続される。
【0036】
このように、貯湯ユニット3は、貯湯タンク11が満蓄状態になった場合、三方弁17を切り換えることで、排熱回収循環回路15を流れる高温の湯水を、排出通路32を介して機外に排出するように構成されている。
【0037】
貯湯ユニット3は、制御ユニット18によって制御される。各種のセンサの検出信号が制御ユニット18に送信され、この制御ユニット18により、貯湯ユニット3の動作、各種のポンプの作動・停止、各種の弁の開閉状態の切り換え及び開度調整等を制御し、各種運転(排熱回収運転、上水導入運転、給湯運転等)を実行する。
【0038】
制御ユニット18は、ユーザーが操作可能な操作リモコンとの間でデータ通信可能であり、操作リモコンのスイッチ操作により各種の運転が設定されると、その指令信号が操作リモコンから制御ユニット18に送信される。例えば、操作リモコンのスイッチ操作により目標給湯設定温度が設定されると、その目標給湯設定温度データが操作リモコンから制御ユニット18に送信される。
【0039】
次に、本発明のコージェネレーションシステム1の作用及び効果について説明する。
このコージェネレーションシステム1は、水処理装置8の貯留タンク内の水の貯留状態と貯湯タンク11の湯水の貯湯状態等に応じて、貯湯タンク11内の湯水を排熱回収循環回路15に循環させて排熱回収熱交換器7で排気と熱交換する通常の排熱回収運転と、貯湯タンク11内の湯水を使用せずに上水源から低温の上水を導入して排熱回収熱交換器7で排気と熱交換する上水導入運転を有する。
【0040】
通常の排熱回収運転においては、三方弁17をポートA−ポートC間を接続する開弁状態に設定する。つまり、三方弁17は、排出通路32を閉止して排熱回収循環回路15を循環状態になるように制御される。循環ポンプ31の駆動により貯湯タンク11の下端部から低温側循環通路部15aを経て熱交換通路部7aに流入した湯水は、オフガス燃焼室4dから排出された排気と熱交換し、この湯水を暖め、加熱された湯水が高温側循環通路部15bを通って貯湯タンク11に貯留され、この運転を繰り返すことで貯湯タンク11に高温の湯水が貯留される。
【0041】
一方、発電ユニット2においては、排熱回収熱交換器7で排気に含まれる水蒸気が冷却されて凝縮水を発生し、この凝縮水は、回収通路8aを介して水処理装置8の処理タンクに送られ、処理タンク内で凝縮水の不純物を除去し、この浄化された水を貯留タンクに送り一時的に貯留する。その後、この貯留タンクに貯留された水は、水供給通路8bを介して発電モジュール4の蒸発器4bに送られ、改質用の水として再利用される。
【0042】
しかし、貯湯タンク11から低温側循環通路部15aを介して排熱回収熱交換器7へ送られる湯水の温度は、貯湯タンク11の蓄熱状況によって徐々に上昇し、やがて、貯湯タンク11が満蓄状態となり、排熱回収循環回路15を循環する湯水が排熱回収熱交換器7における露点近傍の温度に達する。すると、排気の温度低下が小さくなり、排熱回収熱交換器7で発生する凝縮水の量が低減して十分な量の凝縮水を回収できなくなり、改質用の純水の供給が不足するので、以下に説明する上水導入運転に切り換える。
【0043】
この上水導入運転においては、循環ポンプ31の駆動を停止して、貯湯ユニット3の三方弁17のポートA−ポートB間を接続する開弁状態に設定する。つまり、貯湯タンク11内の湯水の温度が所定の設定温度以上且つ貯留タンク内の水が所定の設定水位に低下時には、三方弁17を介して貯湯タンク11への湯水の循環を停止して排出通路32を開放することによって、排熱回収循環回路15から高温の湯水を排出するとともに、給水通路13から低温の上水を、給水圧を利用して低温側循環通路部15aへ導入する。
【0044】
低温側循環通路部15aを経て熱交換通路部7aに流入した低温の上水は、オフガス燃焼室4dから排出された排気に含まれる水蒸気と熱交換し、この上水を暖め、加熱された湯水が高温側循環通路部15bと排出通路32とを通ってドレン放出部25に排出される。尚、排出通路32から高温の湯水を排出する際には、高温の湯水は、排出通路32の最下流部に設けられたミストノズル33によってミスト状の水滴となってドレン放出部25に放出され、ドレン放出部25を介して機外へ排出される。
【0045】
一方、発電ユニット2においては、低温の上水が導入されることで、排熱回収熱交換器7の冷却能力が増すので、通常の排熱回収運転の場合と比較して多めの凝縮水が発生し、この凝縮水を、回収通路8aを介して水処理装置8の処理タンクに送られ、処理タンク内で処理した後に貯留タンクに貯留することができる。
【0046】
このように、満蓄状態となった貯湯タンク11内の湯水に代えて低温の上水を熱交換に利用する事で、水蒸気との間の熱交換を促進し、十分な量の凝縮水を回収することができ、改質用の水不足による異常運転を回避することができる。その後、貯留タンクの水位が設定水位以上に回復した場合や貯湯タンク11内の湯水の温度が所定の設定温度より低下した場合は、上水源からの上水の導入を停止して、通常の排熱回収運転に切り換える。
【0047】
以上説明したように、コージェネレーションシステム1において、貯湯タンク11が満蓄状態になった場合には、排熱回収循環回路15を流れる高温の湯水を、排出通路32を介して機外に排出することができる。このとき、排出通路32を流れる高温の湯水は、排出通路32の最下流部に設けられたミストノズル33によってミスト状になって排出される。
【0048】
従って、高温の湯水をミストノズル33から放出する際に、高温の湯水がミスト状になることで、外気と接触する表面積が増加して湯水温度の低下が促進されるので、高温の湯水の排出時に余分な低温の上水を混合する必要がなくなり、無駄なコストの発生を防止することで、コージェネレーションシステム1の設置による運転コストの利点を十分に活用可能になる。
【0049】
また、排出通路32は、排熱回収循環回路15の発電ユニット2の排熱回収熱交換器7の下流側で且つ貯湯タンク11の上流側から分岐されたので、貯湯タンク11が満蓄状態になった場合でも貯湯タンク11内の湯水を排水せずに維持することができる。
【0050】
次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
[1]
図3に示すように、上流通路部15cと下流通路部15dとの間の分岐部に三方弁17を設けた構造に代えて、排出通路32の途中部に開閉弁41を設けた構造であっても良い。この構造の場合、上水導入運転時に、開閉弁41を開弁状態に切り換えると、排熱回収循環回路15を流れる高温の湯水は、排出通路32を介して機外に排出されると共に、高温の湯水の一部が貯湯タンク11に戻される。
【0051】
[2]前記実施例において、排熱回収循環回路15から分岐する排出通路32に代えて、給湯通路14の上流給湯通路部14aから分岐する排出通路を設け、この排出通路の途中部に開閉弁を設け、排出通路の最下流部にミストノズル33を設けた構造であっても良い。この構造の場合、上水導入運転時に、循環ポンプ31を駆動させた状態で開閉弁を開弁状態に切り換えると、排熱回収循環回路15から貯湯タンク11に戻った高温の湯水を、上流給湯通路部14aから排出通路に流して機外に排出することができる。
【0052】
[3]前記実施例において、発電ユニット2として燃料電池について説明したが、これに限定する必要はなく、ガスエンジン等を採用しても良いし、これら以外にも種々の公知なものを採用可能である。
【0053】
[4]その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例の種々の変更を付加した形態で実施可能で、本発明はそのような変更形態を包含するものである。