JP5445811B2 - Cogeneration system and storage tank side unit - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池と貯留タンクとを組み合わせたコージェネレーションシステムに関するものである。 The present invention relates to a cogeneration system that combines a fuel cell and a storage tank.
燃料電池が発電時に発生した排熱が持つ熱エネルギーを湯水等の液体を介して回収し、貯留タンクに貯留可能なコージェネレーションシステムが知られている(特許文献1,2)。かかる構成のコージェネレーションシステムは、燃料電池を冷却する際の排熱を有効利用できるため、エネルギー効率が高い。
特許文献1,2に開示されたコージェネレーションシステムは、燃料電池が発生する熱によって水を昇温し、この湯を貯留タンクに貯留するものである。
In the cogeneration systems disclosed in
燃料電池は前記した様に発電時に発熱するので、発電を維持するためには電池を冷却する必要がある。この様に燃料電池を使用したコージェネレーションシステムでは、通常運転時においては燃料電池から熱を奪う必要がある。ところが燃料電池は低温状態では起動しにくく、起動時には逆に燃料電池を温めてやらなければならない。
ここで起動時に電気ヒータで燃料電池を昇温する方策も考えられるが、電気ヒータを使用する方策は、コージェネレーションシステムを起動する際に商用電源を使用することとなり、コージェネレーションシステムを採用する趣旨に反することとなる。
そこで起動時に暖房用の予備熱源を利用して燃料電池を昇温する方策が考えられた。すなわち燃料電池を利用したコージェネレーションシステムを床暖房機器やファンコンベクタ等の暖房に利用する場合、床暖房機器等に必要な熱量を燃料電池の発熱だけで賄えない場合があり、バーナ等の熱源を予備的に備えたものがある。
この様な構成のコージェネレーションシステムでは、燃料電池の排熱によって昇温された湯水が循環する排熱回収流路に、別途暖房用熱交換器が取り付けられている。また暖房用熱交換器の二次側流路は、床暖房機器等を循環する暖房循環流路に接続されている。そして暖房循環流路に前記したバーナ等の予備熱源が設けられている。
Since the fuel cell generates heat during power generation as described above, it is necessary to cool the battery in order to maintain power generation. In such a cogeneration system using a fuel cell, it is necessary to take heat away from the fuel cell during normal operation. However, the fuel cell is difficult to start in a low temperature state, and on the contrary, the fuel cell must be warmed up.
Although it is possible to increase the temperature of the fuel cell with an electric heater at startup, the policy to use an electric heater is to use a commercial power supply when starting the cogeneration system, and to adopt the cogeneration system. It will be contrary to.
Therefore, a measure for raising the temperature of the fuel cell by using a preliminary heat source for heating at the time of start-up was considered. That is, when a cogeneration system using a fuel cell is used for heating a floor heating device, a fan convector, etc., the amount of heat required for the floor heating device may not be provided only by the heat generated by the fuel cell. There is a thing with preliminary.
In the cogeneration system having such a configuration, a heating heat exchanger is separately attached to an exhaust heat recovery passage through which hot water heated by exhaust heat of the fuel cell circulates. Moreover, the secondary side flow path of the heat exchanger for heating is connected to the heating circulation flow path which circulates a floor heating apparatus etc. The heating circulation channel is provided with a preliminary heat source such as the burner described above.
上記した構成のコージェネレーションシステムでは、燃料電池で発電を行い、発電に際して発生した排熱で排熱回収流路を流れる湯を昇温し、さらに暖房用熱交換器を介して暖房循環流路を流れる熱媒体を昇温して床暖房機器等に供給する。通常は、予備熱源たるバーナに点火して暖房循環流路を流れる熱媒体を直接的に加熱し、暖房を行うが、比較的低温でも機能する床暖房などでは、燃料電池の排熱も暖房に寄与させる。 In the cogeneration system configured as described above, power is generated by the fuel cell, the temperature of the hot water flowing through the exhaust heat recovery passage is increased by the exhaust heat generated during power generation, and the heating circulation passage is further connected via the heat exchanger for heating. The temperature of the flowing heat medium is raised and supplied to floor heating equipment. Normally, the heating medium is ignited by directly igniting the burner as a preliminary heat source to heat the heating medium flowing in the heating circulation flow path. To contribute.
そしてこの様な予備熱源を備えたコージェネレーションシステムでは、燃料電池の起動時に予備熱源たるバーナに点火し、先とは逆の熱移動によって燃料電池を昇温させる。すなわち燃料電池の起動時に予備熱源たるバーナに点火し、暖房循環流路の熱媒体を昇温し、通常の使用状態とは逆に暖房循環流路から排熱回収流路側に熱を移動させれば、排熱回収流路側の水を昇温することができ、燃料電池を起動できる状態に昇温することができる。そこで前記した様に、本発明者らは起動時に暖房用の予備熱源を利用して燃料電池を昇温する構成を発明し、その装置を試作した。 In such a cogeneration system equipped with a preliminary heat source, the burner, which is a preliminary heat source, is ignited when the fuel cell is started, and the temperature of the fuel cell is increased by the reverse heat transfer. In other words, when the fuel cell is started, the burner as a preliminary heat source is ignited, the heating medium in the heating circulation passage is heated, and heat is transferred from the heating circulation passage to the exhaust heat recovery passage, contrary to the normal use state. Thus, the temperature of the water on the exhaust heat recovery flow path side can be raised, and the temperature can be raised to a state where the fuel cell can be started. Therefore, as described above, the inventors have invented a configuration in which the temperature of the fuel cell is raised by using a preliminary heat source for heating at the time of start-up, and prototyped the apparatus.
ところがここで予期しなかった問題が生じた。すなわち暖房機器には、高温の熱媒体を必要とする機器と低温の熱媒体を必要とする機器がある。
例えば床暖房機器では40°C〜60°C程度の低温の熱媒体を必要とするのに対し、ファンコンベクタでは、80°C程度の高温の熱媒体が要求される。そのため床暖房を使用する場合と、ファンコンベクタを使用する場合では要求される熱媒体の温度が異なる。
ここで前記した様に予備熱源たるバーナに点火し、燃料電池を起動すべく昇温する状況にあるとき、暖房運転が同時に行われて、且つ暖房運転の運転状況が高温の熱媒体を要求する状況となれば、バーナ等はその要求に応じて暖房循環流路を流れる熱媒体の目標温度を上げることとなる。その結果、燃料電池側に流れる湯水の温度も昇温してしまい、燃料電池の運転に適する温度範囲を越えてしまう。
However, there was an unexpected problem here. That is, the heating device includes a device that requires a high-temperature heat medium and a device that requires a low-temperature heat medium.
For example, a floor heating device requires a low-temperature heat medium of about 40 ° C. to 60 ° C., whereas a fan convector requires a high-temperature heat medium of about 80 ° C. Therefore, the required temperature of the heat medium is different between the case of using floor heating and the case of using a fan convector.
Here, as described above, when the burner as a preliminary heat source is ignited and the temperature is raised to start the fuel cell, the heating operation is performed at the same time, and the operation state of the heating operation requires a high-temperature heat medium. If it becomes a situation, a burner etc. will raise the target temperature of the heat medium which flows through a heating circulation flow path according to the request | requirement. As a result, the temperature of the hot water flowing to the fuel cell side also rises and exceeds the temperature range suitable for the operation of the fuel cell.
燃料電池が高温状態で運転されると、耐久性が著しく低下し、またポンプその他の付属品も損傷する危険がある。
その対策として、バーナを断続的に運転したり、暖房循環流路側の弁を切り換えて暖房用熱交換器の二次側流路に流れる熱媒体の量を制限するといった方策も考えられるが、これらはいずれも適切ではない。
すなわち前者のバーナを断続運転する方策では、バーナの燃焼を停止する直前に高温の熱媒体が暖房用熱交換器に流れ込み、燃料電池に高温の湯水が流れてしまう。また後者の弁を切り換える対策でも同様の問題がある。すなわち熱媒体を循環させる流路では、弁の急開閉は幾多の弊害を招く。そこで暖房循環流路では熱動弁が使用され、その開閉動作はきわめて緩やかである。そのため暖房循環流路側の弁を切り換えても暖房用熱交換器の二次側流路に高温の熱媒体が流れることを阻止することはできない。
When fuel cells are operated at high temperatures, their durability is significantly reduced and there is a risk of damage to pumps and other accessories.
As countermeasures, measures such as intermittently operating the burner or switching the valve on the heating circulation flow path side to limit the amount of heat medium flowing to the secondary flow path of the heat exchanger for heating can be considered. Neither is appropriate.
That is, in the former method of intermittently operating the burner, a high-temperature heat medium flows into the heating heat exchanger immediately before stopping the combustion of the burner, and high-temperature hot water flows into the fuel cell. There is a similar problem in the countermeasure for switching the latter valve. That is, in the flow path through which the heat medium is circulated, the sudden opening and closing of the valve causes many adverse effects. Therefore, a thermally operated valve is used in the heating circulation channel, and its opening / closing operation is very gradual. Therefore, even if the valve on the heating circulation channel side is switched, it is impossible to prevent a high-temperature heat medium from flowing into the secondary channel of the heating heat exchanger.
本発明は、従来技術の上記した問題点に注目し、燃料電池を円滑に起動することができ、かつ燃料電池側に高温の冷却水が流れ込むことを阻止して燃料電池の劣化を防止することができるコージェネレーションシステム及びこれに採用される貯留タンク側ユニットを提供することを目的とする。 The present invention pays attention to the above-mentioned problems of the prior art, can smoothly start the fuel cell, and prevents high temperature cooling water from flowing into the fuel cell side to prevent deterioration of the fuel cell. It is an object to provide a cogeneration system that can perform the above and a storage tank side unit that is employed in the system.
そして上記した課題を解決するための発明(関連発明)は、燃料電池が発生する熱を回収するコージェネレーションシステムであって、燃料電池側を流れる流路と連通して燃料電池と直接的或いは間接的に熱交換された液体が流れる排熱回収流路を備え、当該排熱回収流路に貯留タンクと、他用途用熱交換器とを有し、燃料電池が発生する熱によって昇温された液体を貯留タンクに貯留可能であり、前記他用途用熱交換器の一次側流路に前記液体を通過させて熱交換し二次側流路に移動した熱を他の用途に使用することが可能であるとともに、前記他用途用熱交換器の二次側流路を含む流路に熱を供給可能な予備熱源を備えたコージェネレーションシステムにおいて、燃料電池を起動する際の運転モードとして予熱供給運転モードを備え、予熱供給運転モードは、燃料電池の起動時であって、外気温度や当該コージェネレーションシステムの各部の温度が燃料電池の起動に適さない低温であることが検知されれば実施されるモードであり、予備熱源を運転して他用途用熱交換器の二次側流路を流れる熱媒体を昇温し、他用途用熱交換器の一次側流路を経由して排熱回収流路を流れる液体を昇温し、昇温した液体を燃料電池側に至らせることが可能であり、燃料電池の起動時の一定条件下においては、前記排熱回収流路を流れる液体に貯留タンクから取り出した液体を混入して排熱回収流路を流れる液体の温度を降下させることが可能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である。 An invention for solving the above-described problems (related invention) is a cogeneration system that recovers heat generated by a fuel cell, and is directly or indirectly connected to the fuel cell in communication with a flow path flowing through the fuel cell side. The exhaust heat recovery channel through which the heat-exchanged liquid flows is provided, and the exhaust heat recovery channel has a storage tank and a heat exchanger for other uses, and is heated by the heat generated by the fuel cell. The liquid can be stored in a storage tank, and the heat transferred to the secondary side flow path after passing the liquid through the primary side flow path of the heat exchanger for other uses can be used for other uses. In a cogeneration system equipped with a preliminary heat source capable of supplying heat to the flow path including the secondary flow path of the heat exchanger for other applications, it is possible to supply preheat as an operation mode when starting the fuel cell. With operation mode, The supply operation mode is a mode that is performed when the fuel cell is started, and is detected when the outside air temperature or the temperature of each part of the cogeneration system is detected as a low temperature that is not suitable for starting the fuel cell. Operate the heat source to raise the temperature of the heat medium that flows through the secondary side flow path of the heat exchanger for other uses, and the liquid that flows through the exhaust heat recovery flow path via the primary side flow path of the heat exchanger for other uses heated, it is possible to warm the liquid to reach the fuel cell side, in certain conditions during startup of the fuel cell, the liquid taken out from the storage tank to the liquid flowing through the exhaust heat recovery passage The cogeneration system is characterized in that the temperature of the liquid mixed and flowing through the exhaust heat recovery flow path can be lowered.
ここで他用途用熱交換器は、例えば暖房や風呂の追い焚きに利用するものである。
本発明は、予備熱源によって燃料電池の予熱を行うコージェネレーションシステムを改良するものである。燃料電池を予熱する際の動作は前記した通りであり、予熱供給運転モードにおいてはバーナ等の予備熱源を運転し、他用途用熱交換器の二次側流路を流れる熱媒体を昇温し、他用途用熱交換器の一次側流路を経由して排熱回収流路を流れる液体を昇温し、昇温した液体を燃料電池側に至らせる。
しかし燃料電池側に至る液体の温度が高すぎる場合や、高くなるおそれがある様な場合には排熱回収流路を流れる液体に貯留タンクから取り出した液体を混入して排熱回収流路を流れる液体の温度を降下させる。その結果、燃料電池側に至る液体の温度が低下し、燃料電池を傷めない。
Here, the heat exchanger for other uses is used, for example, for heating or reheating a bath.
The present invention improves a cogeneration system that preheats a fuel cell with a preliminary heat source. The operation when preheating the fuel cell is as described above. In the preheating supply operation mode, a preliminary heat source such as a burner is operated to raise the temperature of the heat medium flowing through the secondary flow path of the heat exchanger for other applications. Then, the temperature of the liquid flowing through the exhaust heat recovery flow path via the primary flow path of the heat exchanger for other uses is raised, and the heated liquid is brought to the fuel cell side.
However, if the temperature of the liquid that reaches the fuel cell side is too high or is likely to rise, mix the liquid extracted from the storage tank with the liquid that flows through the exhaust heat recovery flow path. Reduce the temperature of the flowing liquid. As a result, the temperature of the liquid reaching the fuel cell side is lowered, and the fuel cell is not damaged.
請求項1に記載の発明は、燃料電池が発生する熱を回収するコージェネレーションシステムであって、燃料電池側を流れる流路と連通して燃料電池と直接的或いは間接的に熱交換された液体が流れる排熱回収流路と、暖房機器に熱媒体を供給する暖房循環流路と、上部側接続部と下部側接続部とを有し内部に温度成層を形成した状態で液体を貯留する貯留タンクと、前記排熱回収流路と暖房循環流路との間で熱交換する他用途用熱交換器とを備え、前記排熱回収流路は、燃料電池側から貯留タンクの上部側接続部に入り下部側接続部から燃料電池側に戻るタンク経由循環流路と、貯留タンクをバイパスするバイパス流路とを備え、他用途用熱交換器の一次側流路は前記排熱回収流路の一部であってバイパス流路よりも燃料電池側のエリアにあり、暖房循環流路に予備熱源を備えたコージェネレーションシステムにおいて、外気温度やコージェネレーションシステムの各部の温度が燃料電池の起動に適さない低温状態であるか否かを判断する機能を有すると共に、運転モードとして予熱供給運転モードと、暖房運転モードがあり、前記予備熱源は、前記暖房運転モードでの運転時においては暖房機器に応じて高温の熱媒体と低温の熱媒体を供給可能であり、燃料電池の起動要求があれば外気温度やコージェネレーションシステムの各部の温度が燃料電池の起動に適さない低温状態であるか否かを検知し、外気温度や当該コージェネレーションシステムの各部の温度が燃料電池の起動に適さない低温状態であることが検知されたときには前記予熱供給運転モードが実行されて燃料電池を起動することなく予備熱源を運転して暖房循環流路を流れる熱媒体を昇温し、他用途用熱交換器の一次側流路を経由して排熱回収流路を流れる液体を昇温し、昇温された液体をバイパス流路を経由して排熱回収流路に循環させて燃料電池側に供給し、予熱供給運転モードによる運転中に暖房運転モードの運転要求があった場合、あるいは暖房運転モードで運転されている際に予熱供給運転モードによる運転を行う場合であって、予備熱源が高温の熱媒体を供給する場合には、排熱回収流路を流れる液体の一部をタンク経由循環流路に流通させ、バイパス流路を流れる液体に貯留タンクから取り出された低温の湯水を混合し、燃料電池側に至る湯水の温度を低下させることを特徴とするコージェネレーションシステムである。
The invention according to
本発明のコージェネレーションシステムについても予備熱源によって燃料電池の予熱を行うコージェネレーションシステムを改良するものである。
本発明で採用する貯留タンクは、温度成層を形成した状態で液体を貯留するものであり、上部側接続部と下部側接続部とを有する。このタンクは常時液体で満たされている。コージェネレーションシステムの運転開始前は、貯留タンク内の液体はその一部または全部が低温である。そしてコージェネレーションシステムを運転し、燃料電池によって加熱された湯等は、上部側接続部から貯留タンク内に導入される。その結果、低温の液体の上層に高温の湯が溜まる。また余剰の液体は、下部側接続部から押し出される。
本発明のコージェネレーションシステムにおける予熱供給運転モードでは、予備熱源を運転して暖房循環流路を流れる熱媒体を昇温し、他用途用熱交換器の一次側流路を経由して排熱回収流路を流れる液体を昇温し、昇温された液体をバイパス流路を経由して排熱回収流路に循環させて燃料電池側に供給する。
予熱供給運転モードにおける運転では、排熱回収流路を流れる液体はバイパス流路を流れるので、貯留タンクにはたまらず、予備熱源によって間接的に昇温された液体がそのまま燃料電池側に流れ込む。そのため燃料電池は起動可能な状態に昇温される。
一方、燃料電池側に至る液体の温度が高すぎる場合や、高くなるおそれがある様な場合には排熱回収流路を流れる液体の一部をタンク経由循環流路に流通させる。その結果、貯留タンクの下部側接続部から低温の液体が押し出され、排熱回収流路に混入される。低温の液体の混入によって排熱回収流路を流れる液体の温度が低下し、燃料電池を保護する。
The cogeneration system of the present invention also improves the cogeneration system that preheats the fuel cell with a preliminary heat source.
The storage tank employed in the present invention stores liquid in a state where temperature stratification is formed, and has an upper side connection portion and a lower side connection portion. This tank is always filled with liquid. Prior to the start of operation of the cogeneration system, some or all of the liquid in the storage tank is cold. And the hot water etc. which operated the cogeneration system and was heated by the fuel cell are introduce | transduced in a storage tank from an upper side connection part. As a result, hot water accumulates in the upper layer of the low-temperature liquid. Excess liquid is pushed out from the lower side connecting portion.
In the preheating supply operation mode in the cogeneration system of the present invention, the preliminary heat source is operated to raise the temperature of the heat medium flowing through the heating circulation flow path, and the exhaust heat recovery is performed via the primary flow path of the heat exchanger for other uses. The temperature of the liquid flowing in the flow path is raised, and the heated liquid is circulated to the exhaust heat recovery flow path via the bypass flow path and supplied to the fuel cell side.
In the operation in the preheating supply operation mode, the liquid flowing through the exhaust heat recovery flow path flows through the bypass flow path, so that the liquid heated indirectly by the preliminary heat source flows into the fuel cell side as it is without accumulating in the storage tank. Therefore, the temperature of the fuel cell is raised to a startable state.
On the other hand, when the temperature of the liquid reaching the fuel cell side is too high or may be increased, a part of the liquid flowing through the exhaust heat recovery passage is circulated through the circulation passage via the tank. As a result, the low-temperature liquid is pushed out from the lower side connection portion of the storage tank and mixed into the exhaust heat recovery flow path. The temperature of the liquid flowing through the exhaust heat recovery flow path is lowered by mixing of the low temperature liquid, and the fuel cell is protected.
前記した様に予熱供給運転モードで運転している時に暖房運転モードとなり、さらに高温の熱媒体を暖房機器に供給する場合、あるいは、高温の熱媒体を暖房機器に供給している最中に予熱供給運転モードとなった場合に、燃料電池側に流れる液体の温度が過大となる。そのため本発明では、暖房運転モードで運転中であり且つ高温の熱媒体を暖房機器に供給する場合を一定条件の一つとした。When operating in the preheating supply operation mode as described above, the heating operation mode is set, and when a high-temperature heat medium is supplied to the heating equipment, or during the supply of the high-temperature heat medium to the heating equipment, preheating is performed. In the supply operation mode, the temperature of the liquid flowing to the fuel cell side becomes excessive. Therefore, in the present invention, the case where the heating medium is being operated in the heating operation mode and a high-temperature heat medium is supplied to the heating device is set as one of the constant conditions.
排熱回収流路を流れる液体の一部をタンク経由循環流路に流通させるための方策として、バイパス流路の一部又はバイパス流路の分岐点に弁を設け、この弁を制御して排熱回収流路を流れる熱媒体の一部をタンク経由循環流路に流通させることが考えられる(請求項2)。 As a measure for distributing a part of the liquid flowing through the exhaust heat recovery flow path to the circulation path via the tank, a valve is provided at a part of the bypass flow path or at the branch point of the bypass flow path, and this valve is controlled to discharge the liquid. be circulated to the tank through the circulation flow path part of the heat medium flowing through the heat recovery channel can be considered (claim 2).
請求項3に記載の発明は、排熱回収流路内の他用途用熱交換器の下流側であって燃料電池側に至る流路に温度検出手段が設けられ、温度検出手段の検知温度が所定の温度以上であることを条件の一つとして排熱回収流路を流れる液体の一部をタンク経由循環流路に流通させ、バイパス流路を流れる液体に貯留タンクから取り出された低温の液体を混合し、燃料電池側に至る液体の温度を低下させることを特徴とする請求項1又は2に記載のコージェネレーションシステムである。
According to the third aspect of the present invention, the temperature detection means is provided in the flow path downstream of the heat exchanger for other uses in the exhaust heat recovery flow path and reaching the fuel cell side, and the temperature detected by the temperature detection means is Low temperature liquid taken out from the storage tank into the liquid flowing through the bypass flow path by passing a part of the liquid flowing through the exhaust heat recovery flow path to the circulation flow path via the tank on condition that the temperature is equal to or higher than a predetermined temperature The cogeneration system according to
本発明では、排熱回収流路内の液体の実際の温度を測定し、これに応じて排熱回収流路を流れる液体の一部をタンク側に流す。また本発明では、温度検出手段の位置が排熱回収流路内の他用途用熱交換器の下流側であって燃料電池側に至る流路であるから、他用途用熱交換器によって昇温された後の液体の温度を検知することができる。
なお温度検出手段の位置は、バイパス流路よりも下流であることが望ましい。
In the present invention, the actual temperature of the liquid in the exhaust heat recovery flow path is measured, and a part of the liquid flowing through the exhaust heat recovery flow path is caused to flow to the tank side accordingly. In the present invention, the temperature detecting means is located on the downstream side of the heat exchanger for other uses in the exhaust heat recovery passage and reaches the fuel cell side, so that the temperature is raised by the heat exchanger for other uses. The temperature of the liquid after being applied can be detected.
The position of the temperature detecting means is desirably downstream of the bypass flow path.
請求項4に記載の発明は、燃料電池が発生する熱を回収すると共に暖房機器に熱媒体を供給する機能を備えたコージェネレーションシステムを構成する貯留タンク側ユニットであって、燃料電池側を流れる流路に接続されて燃料電池と直接的或いは間接的に熱交換された液体が流れる排熱回収流路と、暖房機器に熱媒体を供給する暖房循環流路と、上部側接続部と下部側接続部とを有し内部に温度成層を形成した状態で液体を貯留する貯留タンクと、前記排熱回収流路と暖房循環流路との間で熱交換する他用途用熱交換器とを備え、前記排熱回収流路は、燃料電池側から貯留タンクの上部側接続部に入り下部側接続部から燃料電池側に戻るタンク経由循環流路と、貯留タンクをバイパスするバイパス流路とを備え、他用途用熱交換器の一次側流路は前記排熱回収流路の一部であってバイパス流路よりも燃料電池側のエリアにあり、燃料電池が発生する熱によって昇温された液体を貯留タンクに貯留可能であり、前記他用途用熱交換器の一次側流路に前記液体を通過させて熱交換し二次側流路に移動した熱を暖房に使用することが可能であるとともに、前記他用途用熱交換器の二次側流路を含む流路に熱を供給可能な予備熱源を備えた貯留タンク側ユニットにおいて、外気温度やコージェネレーションシステムの各部の温度が燃料電池の起動に適さない低温状態であるか否かを判断する機能を有すると共に、運転モードとして暖房運転モードがあり、燃料電池を起動する際の運転モードとして予熱供給運転モードがあり、
前記予備熱源は、前記暖房運転モードでの運転時においては暖房機器に応じて高温の熱媒体と低温の熱媒体を供給可能であり、
燃料電池の起動要求があれば外気温度やコージェネレーションシステムの各部の温度が燃料電池の起動に適さない低温状態であるか否かを検知し、外気温度や当該コージェネレーションシステムの各部の温度が燃料電池の起動に適さない低温状態であることが検知されたときには前記予熱供給運転モードが実行されて燃料電池を起動することなく予備熱源を運転して暖房循環流路を流れる熱媒体を昇温し、他用途用熱交換器の一次側流路を経由して排熱回収流路を流れる液体を昇温し、昇温された液体をバイパス流路を経由して排熱回収流路に循環させて燃料電池側に供給し、
予熱供給運転モードによる運転中に暖房運転モードの運転要求があった場合、あるいは暖房運転モードで運転されている際に予熱供給運転モードによる運転を行う場合であって、予備熱源が高温の熱媒体を供給する場合には、排熱回収流路を流れる液体の一部をタンク経由循環流路に流通させ、バイパス流路を流れる液体に貯留タンクから取り出された低温の液体を混合し、燃料電池側に至る液体の温度を低下させることを特徴とする貯留タンク側ユニットである。
The invention according to claim 4 is a storage tank side unit constituting a cogeneration system having a function of recovering heat generated by the fuel cell and supplying a heat medium to the heating device, and flows through the fuel cell side. An exhaust heat recovery passage through which a liquid that is directly or indirectly heat-exchanged with the fuel cell flows , connected to the passage, a heating circulation passage that supplies a heating medium to the heating device, an upper side connection portion, and a lower side And a storage tank that stores liquid in a state in which temperature stratification is formed inside, and a heat exchanger for other uses that exchanges heat between the exhaust heat recovery passage and the heating circulation passage. The exhaust heat recovery flow path includes a tank circulation path that enters the upper connection portion of the storage tank from the fuel cell side and returns from the lower connection portion to the fuel cell side, and a bypass flow path that bypasses the storage tank. Primary side of heat exchanger for other applications Road is capable of storing the located in the exhaust heat recovery passage are part comprising the fuel cell side from the bypass flow passage area, a liquid fuel cell was heated by the heat generated in the storage tank, the other The heat that has passed through the primary side flow path of the heat exchanger for use and exchanged heat and moved to the secondary side flow path can be used for heating. Whether the outside air temperature or the temperature of each part of the cogeneration system is in a low temperature state that is not suitable for starting the fuel cell in the storage tank side unit equipped with a preliminary heat source that can supply heat to the flow path including the secondary flow path And a heating operation mode as an operation mode, a preheat supply operation mode as an operation mode when starting the fuel cell ,
The preliminary heat source can supply a high-temperature heat medium and a low-temperature heat medium according to the heating device during operation in the heating operation mode,
Temperature of each part of the outside air temperature and the cogeneration system detects whether the low temperature is not suitable for starting the fuel cell if the activation request of the fuel cell, the temperature of the outside air temperature and various parts of the cogeneration system fuel When it is detected that the low temperature state is not suitable for starting the battery, the preheating supply operation mode is executed, the preliminary heat source is operated without starting the fuel cell, and the temperature of the heat medium flowing through the heating circulation passage is increased. , to circulate the liquid through the exhaust heat recovery passage through the primary side passage of the heat exchanger for other applications in heated, the heating liquid through the bypass passage exhaust heat recovery passage To the fuel cell side,
When there is a request for operation in the heating operation mode during operation in the preheating supply operation mode, or when operation in the preheating supply operation mode is performed while operating in the heating operation mode, the preliminary heat source is a high-temperature heat medium When supplying a fuel cell, a part of the liquid flowing through the exhaust heat recovery passage is circulated through the circulation path via the tank, and the liquid flowing through the bypass passage is mixed with the low-temperature liquid taken out from the storage tank. It is a storage tank side unit characterized by lowering the temperature of the liquid which reaches the side .
本発明は、コージェネレーションシステムの一部をユニット化したものである。 In the present invention, a part of a cogeneration system is unitized.
本発明のコージェネレーションシステムでは、燃料電池を起動する際の予熱が可能であり、且つ燃料電池を過度に昇温させることがない。そのため燃料電池の起動が円滑であり、且つ燃料電池を傷めることもない。また貯留タンク側ユニットについても同様の効果がある。 In the cogeneration system of the present invention, preheating when starting the fuel cell is possible, and the fuel cell is not excessively heated. Therefore, the fuel cell can be started up smoothly and the fuel cell is not damaged. The same effect can be obtained for the storage tank side unit.
以下さらに本発明の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態のコージェネレーションシステムの配管系統図である。図2は、図1に示す配管系統図であって、タンク経由循環流路と貯留モードにおける補助的な湯水の流れを示したものである。図3は、図1に示す配管系統図であって、迂回循環流路と暖房運転モードにおける補助的な湯水の流れを示したものである。
図1において、1は本実施形態のコージェネレーションシステムである。コージェネレーションシステム1は、大別して発電装置2と貯留タンク側ユニット3とによって構成され、これらを組み合わせて成るものである。
Embodiments of the present invention will be further described below.
FIG. 1 is a piping diagram of the cogeneration system of the present embodiment. FIG. 2 is a piping system diagram shown in FIG. 1 and shows the flow of auxiliary hot water in the circulation path through the tank and the storage mode. FIG. 3 is a piping system diagram shown in FIG. 1 and shows the flow of auxiliary hot water in the bypass circulation passage and the heating operation mode.
In FIG. 1, 1 is the cogeneration system of this embodiment. The
発電装置2は、燃料電池5を主たる構成要素とするものであり、発電に伴って熱を発生する燃料電池5と、燃料電池5を冷却し、発電の際に発生した排熱を回収するための電池側熱交換器6及び循環ポンプ7を備えている。循環ポンプ7は、後記する排熱回収流路C内に湯水を循環させるために設けられている。
The
発電装置2は、外部に設けられた電力負荷Eに対して電力を供給するための発電デバイスとしての機能と、湯水(液体)を加熱するための熱エネルギー発生デバイスとしての機能とを兼ね備えている。
The
一方、貯留タンク側ユニット3は、湯水を貯留するための貯留タンク10を中心として構成されており、貯留タンク10の頂部に設けられた上部側接続部11、並びに、底部に設けられた下部側接続部12に対して排熱回収流路Cおよび給湯・給水流路Hを構成する配管を接続した構成とされている。
On the other hand, the storage
貯留タンク10は、内部に温度成層を構成して湯水を貯めるものであり、高さ方向、すなわち内部に貯留される湯水の水位上昇方向に複数(本実施形態では4つ)の温度センサー13a〜13dを取り付けた構成とされている。温度センサー13a〜13dは、それぞれ貯留タンク10内の湯水の温度を検知するための温度検知手段として機能すると共に、貯留タンク10内に所定温度あるいは温度範囲の湯水の残留量を検知するための残量検知手段としての役割も果たす。
The
さらに具体的には、本実施形態のコージェネレーションシステム1では、貯留タンク10の底部から取り出された湯水が排熱回収流路Cに排出され、発電装置2の電池側熱交換器6を通過することによって熱交換して加熱され、貯留タンク10の頂部側にゆっくりと戻される構成となっている。
More specifically, in the
ここで、一般的にタンク内に液体を貯留する場合、その液体の温度差が所定の閾値(湯水では約10℃程度)以上であると、液体が温度毎に層状に分かれる。そのため、排熱回収流路Cを通過する湯水が、貯留タンク10内の湯水の温度に対して前記閾温度以上高温に加熱され、貯留タンク10内の湯水を掻き乱さない程度にゆっくりと戻されると、貯留タンク10内に貯留されている湯水が温度毎に層状に分かれる(温度成層)。従って、貯留タンク10に設置された温度センサー13a〜13dの検知温度を調べることにより、貯留タンク10内に所望の温度範囲に加熱された湯水がどれだけ貯留されているかを検知することができる。
Here, in general, when a liquid is stored in a tank, if the temperature difference between the liquids is equal to or greater than a predetermined threshold (about 10 ° C. in hot water), the liquid is divided into layers for each temperature. Therefore, the hot water passing through the exhaust heat recovery passage C is heated to a temperature higher than the threshold temperature with respect to the temperature of the hot water in the
排熱回収流路Cは、複数の配管を組み合わせて形成され、タンク経由循環流路15と、迂回循環流路16とを構成可能なものである。さらに詳細に説明すると、排熱回収流路Cは、貯留タンク10の下部側接続部12と発電装置2内の電池側熱交換器6とを繋ぐ加熱往き側流路21と、電池側熱交換器6の出側と上部側接続部11とを繋ぐ加熱戻り側流路22とを有する。また、排熱回収流路Cは、加熱往き側流路21および加熱戻り側流路22の中間部分において両流路をバイパスするバイパス流路23を有する。バイパス流路23と加熱戻り側流路22とは、加熱側三方弁28を介して接続されている。バイパス流路23の末端側と加熱往き側流路21とは例えばティ27によって接続されている。
The exhaust heat recovery flow path C is formed by combining a plurality of pipes, and can constitute a
ティ27よりも貯留タンク10側の流路を加熱往き上流側流路31と称し、ティ27よりも発電装置2側の流路を加熱往き下流側流路32と称する。
加熱往き側流路21は、貯留タンク10の底部側から排出される湯水を燃料電池5の電池側熱交換器6に供給する流路である。
The flow path on the
The heating forward flow
加熱往き側流路21の中途であって、ティ27に対して湯水の流れ方向下流側、すなわち加熱往き下流側流路32には、圧力センサー24および温度センサー26が設けられている。圧力センサー24は、排熱回収流路Cを流れる湯水の給水圧を検知するために設けられており、温度センサー26は、排熱回収流路C内を流れる湯水の温度を検知するために設けられている。温度センサー26によって検知される湯水の温度は、発電装置2の燃料電池5側に導入される直前の湯水の温度である。
A
一方、加熱戻り側流路22は、電池側熱交換器6を通過した湯水を貯留タンク10の頂部側に戻す流路である。加熱戻り側流路22の中途には、上記した加熱側三方弁28が設けられている。
加熱側三方弁28を構成する3つのポートのうちの2つは加熱戻り側流路22に接続されており、残りのポートにはバイパス流路23が接続されている。すなわち加熱側三方弁28は、加熱戻り側流路22のうち加熱側三方弁28よりも貯留タンク10側の流路(以下、必要に応じて加熱戻り下流側流路35と称す)と、加熱側三方弁28よりも発電装置2側の流路(以下、必要に応じて加熱戻り上流側流路36と称す)と、バイパス流路23とに接続されている。
On the other hand, the heating return
Two of the three ports constituting the heating side three-
加熱戻り側流路22には主流路と後記する分岐路があり、加熱戻り側流路22の主流路の加熱戻り上流側流路36には暖房用熱交換器(他用途用熱交換器)37が接続され、さらに暖房用熱交換器37の下流側に温度センサー38が接続されている。
The heating return
加熱戻り側流路22には、分岐路として、前記した暖房用熱交換器37、温度センサー38及び加熱側三方弁28をバイパスする迂回分岐流路40が設けられている。すなわち加熱戻り側流路22の加熱戻り上流側流路36であって暖房用熱交換器37の上流側が分岐されて迂回分岐流路40が設けられ、迂回分岐流路40の末端は加熱戻り下流側流路35にティ41で接続されている。
迂回分岐流路40は、燃料電池5側から湯水を暖房用熱交換器37を通過させずに貯留タンク10側に戻す流路である。迂回分岐流路40には電磁弁43が設けられている。
加熱戻り下流側流路35であって迂回分岐流路40の合流点(ティ41)の下流側には貯留タンク10側に向けて流れる湯水の温度を検知するための温度センサー45が設けられている。
また加熱戻り側流路22の発電装置2から迂回分岐流路40の分岐点までの間にも温度センサー34が設けられている。温度センサー34は、発電装置2から排出された直後の湯水の温度を測定するものである。
The heating return
The
A
A
排熱回収流路Cは、加熱戻り側流路22の中途に設けられた加熱側三方弁28を調整することにより、タンク経由循環流路15や迂回循環流路16を構成することができる。さらに詳細に説明すると、加熱側三方弁28を構成する3つのポートのうち加熱戻り側流路22に接続された2つのポートを開状態とすると、図2にハッチングで示すように貯留タンク10と発電装置2との間で湯水が循環可能なタンク経由循環流路15を構成することができる。
また、加熱側三方弁28を構成する3つのポートのうち加熱戻り上流側流路36に接続されたポートと、バイパス流路23に接続されたポートとを開くと、図3にハッチングで示すように貯留タンク10を迂回して湯水が循環可能な迂回循環流路16を形成できる。
The exhaust heat recovery channel C can be configured as a tank-by-
Further, among the three ports constituting the heating side three-
暖房循環流路Dは、貯留タンクユニット3とコージェネレーションシステム1の外部に設置された二つの暖房端末50,51との間で不凍液等の熱媒体を循環させるための流路である。
二つの暖房端末50,51の内、一方の暖房端末50は、ファンコンベクタであり、高温の熱媒体を要求するものである。他方の暖房端末51は、床暖房機器であり、低温の熱媒体を要求するものである。
暖房循環流路Dには予備熱源52が接続されている。予備熱源52はバーナ53と熱交換器55を有する。
各暖房端末50,51に熱媒体を供給する流路、すなわち高温熱媒体供給流路57と低温熱媒体供給流路58は、いずれも予備熱源52の下流側が分岐されたものである。しかしながら高温熱媒体供給流路57と低温熱媒体供給流路58はそれぞれの暖房端末50,51が要求する熱媒体を取り出すために分岐部分が相違している。すなわち低温熱媒体供給流路58は、予備熱源52の熱交換器55の下流が分岐されたものであるが、熱交換器55に戻る戻り側配管60の分岐配管61が低温熱媒体供給流路58に接続されている。そのため低温熱媒体供給流路58から供給される熱媒体には低温の熱媒体が混入し、比較的温度が低いものとなる。
The heating circulation channel D is a channel for circulating a heat medium such as antifreeze between the
Of the two
A
The flow paths for supplying the heat medium to the
これに対して高温熱媒体供給流路57は、予備熱源52を出た熱媒体が直接的に流れ込む位置から分岐されたものであり、予備熱源52を出た高温の熱媒体が流れる。
高温熱媒体供給流路57と低温熱媒体供給流路58の一端は、暖房端末50,51に接続される。暖房端末50,51からの戻り側流路は、暖房戻り側流路62に集約され、予備熱源52の上流側に接続されている。
On the other hand, the high-temperature heat
One ends of the high temperature heat
予備熱源52の上流側には、暖房循環流路D内において熱媒体を循環させ、暖房端末50,51に熱媒体を送り込むための循環ポンプ65が設けられている。暖房循環流路Dには、さらに上記した暖房用熱交換器37の二次側流路が接続されている。暖房用熱交換器37は、いわゆる液−液熱交換器と称されるものであり、暖房循環流路D内を循環する熱媒体を、加熱戻り側流路22を流れる湯水との熱交換により加熱するために設けられたものである。
On the upstream side of the
暖房用熱交換器37の二次側は、その入り側と前記した予備熱源52の下流側とが熱交上流側配管66によって接続され、暖房用熱交換器37の出側は、熱交下流側配管67によって循環ポンプ65の上流側に接続されている。
また熱交上流側配管66と熱交下流側配管67とは熱交バイパス配管69によって短絡されている。
上記した熱交上流側配管66には熱交上流側熱動弁68が設けられ、熱交バイパス配管69にはバイパス熱動弁72が設けられている。
The secondary side of the
Further, the heat exchange
The heat exchange upstream piping 66 is provided with a heat exchange upstream
給湯・給水流路Hは、貯留タンク10の上部側接続部11に接続された給湯流路73と、外部から給湯・給水流路H側や排熱回収流路C側に湯水を供給するための給水流路74を備えている。
給湯・給水流路Hは、公知のものであるから、図示するに止め、詳細な説明を省略する。
The hot water supply / water supply flow path H is for supplying hot water from the hot water
Since the hot water supply / water supply flow path H is a known one, it is not shown in the figure and will not be described in detail.
コージェネレーションシステム1は、発電装置2側の制御手段(図示せず)と、貯留タンク側ユニット3の制御手段75とを持ち、両者は相互に通信を行うことで連携してコージェネレーションシステム1の制御を行っている。貯留タンク側ユニット3は前記した様に制御手段75によって動作が制御されている。制御手段75は、従来公知のコージェネレーションシステムが備えているものと同様のものであり、例えばCPUや所定の制御プログラムが内蔵されたメモリなどを備えた構成とすることができる。制御手段75は、各部に設けられたセンサー類の検知信号や、メモリに記憶されているデータ等に基づいてコージェネレーションシステム1の各部に設けられた弁や燃料電池5、予備熱源52等の動作を制御し、コージェネレーションシステム1の総合エネルギー効率の最適化を図る構成とされている。
The
続いて、本実施形態のコージェネレーションシステム1の動作について説明する。コージェネレーションシステム1は、貯留モード、給湯モード、暖房運転モード、暖機・迂回運転モード及び予熱供給運転モードを含む動作モード群から動作モードを選択して動作することができる。
以下、順次説明する。
Then, operation | movement of the
Hereinafter, description will be made sequentially.
(貯留モード)
貯留モードは、循環ポンプ7を作動させることにより、排熱回収流路Cのタンク経由循環流路15内に水流を発生させ、発電装置2の動作に伴って発生する排熱(熱エネルギー)を回収して湯水を加熱し、この湯水を貯留タンク10に貯留する動作モードである。
コージェネレーションシステム1が貯留モードで動作する場合、制御手段75から発信される制御信号に基づき、加熱側三方弁28がバイパス流路23に対して閉じ、加熱戻り上流側流路36および加熱戻り下流側流路35に対して開いた状態に調整する。
従って前記した図2にハッチンクで示した様なタンク経由循環流路15が開く。
(Storage mode)
In the storage mode, by operating the
When the
Therefore, the
上記したようにして加熱側三方弁28の開度調整をした状態で循環ポンプ7を作動させると図2のハッチングで示したタンク経由循環流路15に湯水の循環流が発生する。さらに具体的には、コージェネレーションシステム1が貯留モードで動作する場合は、循環ポンプ7の作動に伴って貯留タンク10の底部側に貯留されている低温の湯水が、下部側接続部12から加熱往き側流路21に吸い出され、発電装置2に供給される。これにより、貯留タンク10から吸い出された湯水が発電装置2内の電池側熱交換器6に供給され、発電装置2の燃料電池5が冷却されると共に、発電装置2の作動に伴って発生した熱エネルギーが電池側熱交換器6に供給された湯水に吸収される。電池側熱交換器6において熱交換して加熱された湯水は、加熱戻り側流路22を介して上部側接続部11から貯留タンク10内に戻される。これにより、貯留タンク10内の湯水が徐々に加熱される。
When the
なお本実施形態では、加熱戻り側流路22には、迂回分岐流路40が設けられている。迂回分岐流路40には電磁弁43が設けられているが、電磁弁43は、常時開の電磁弁であり、貯留モードに際しては開いている。そのため本実施形態では、図2に矢印で示すように貯留モードに際しては迂回分岐流路40にも湯水が流れ、貯留タンク10に至る。
貯留モードに際しては主流路たる暖房用熱交換器37を通過する湯水と、分岐路たる迂回分岐流路40を通過する湯水の双方が貯留タンク10に至る。すなわち貯留モードにおいては、発電装置2から排出された湯水の全てが貯留タンク10に流れ込む。
In the present embodiment, a
In the storage mode, both hot water passing through the
(給湯モード)
給湯モードは、上記した貯留モードによって貯留タンク10内に貯留された高温の湯水を利用して給湯を行う動作モードであるが、公知の動作であるから詳細な説明を省略する。
(Hot water supply mode)
The hot water supply mode is an operation mode in which hot water is supplied using high-temperature hot water stored in the
(暖房運転モード)
暖房運転モードは、暖房循環流路D内の熱媒体を暖房用熱交換器37において熱交換して加熱し、これを暖房端末50,51に供給する動作モードである。暖房運転モードが選択されると、図3にハッチングや矢印で示すように湯水や熱媒体の循環流が発生する。
即ち暖房運転モードにおいては、主として迂回循環流路16に湯水を流し、湯水の一部だけを貯留タンク10に供給する。
(Heating operation mode)
The heating operation mode is an operation mode in which the heat medium in the heating circulation passage D is heated by exchanging heat in the
That is, in the heating operation mode, hot water is mainly supplied to the
さらに具体的に説明すると、コージェネレーションシステム1が暖房運転モードで動作する場合、制御手段75は、排熱回収流路Cの加熱戻り側流路22の中途に設けられた加熱側三方弁28を構成する3つのポートのうち加熱戻り上流側流路36に接続されたポートと、バイパス流路23に接続されたポートとを開き、加熱戻り下流側流路35を閉じ、図3にハッチングで示す様なバイパス流路23を経由し、貯留タンク10を迂回して湯水が循環可能な迂回循環流路16を開く。
More specifically, when the
このようにして加熱側三方弁28の開度調整を行った状態で循環ポンプ7を起動させると、図3にハッチングで示す流路(迂回循環流路16)に、湯水の循環流が発生する。すなわち暖房用熱交換器37の一次側を通過し、バイパス流路23を経由し、発電装置2に戻る迂回循環流路16に湯水の循環流が発生する。
When the
一方、本実施形態では、加熱戻り側流路22に、迂回分岐流路40が設けられており、迂回分岐流路40には電磁弁43が設けられているが、電磁弁43は、常時開の電磁弁であり、暖房運転モードに際しても電磁弁43は開いている。そのため本実施形態では、図3に矢印で示すように暖房運転モードに際しても迂回分岐流路40に湯水が流れこむ。
迂回分岐流路40は、前記したバイパス流路23を迂回しているので、迂回分岐流路40を流れた湯水は、加熱戻り下流側流路35に入り、貯留タンク10に至る。
ここで前記した貯留モードにおいては、発電装置2から排出された湯水の全てが貯留タンク10に流れ込むのに対し、今回説明する暖房運転モードにおいては、主流路たる暖房用熱交換器37を通過する流路を流れた湯水がバイパス流路23を流れて貯留タンク10を迂回し、補助的流路たる迂回分岐流路40を流れた湯水だけが貯留タンク10に流れ込む。
On the other hand, in the present embodiment, a
Since the
Here, in the storage mode described above, all of the hot water discharged from the
暖房循環流路Dについて見ると、制御手段75は、暖房循環流路Dに設けられた循環ポンプ65を起動し、暖房循環流路Dに熱媒体の循環流を発生させる。その結果、暖房用熱交換器37の二次側に熱媒体が流れる。前記した様に暖房用熱交換器37の一次側には発電装置2で昇温された湯水が流れているから、暖房用熱交換器37において排熱回収流路Cを循環する湯水が持つ熱エネルギーが熱交換によって暖房循環流路D側に放出され、暖房循環流路Dを循環する熱媒体が加熱される。暖房用熱交換器37において熱交換し、加熱された熱媒体は、暖房端末50,51に供給され、暖房用の熱源として使用される。
また暖房循環流路Dを流れる熱媒体の温度が低下した場合は、予備熱源52のバーナ53に点火し、暖房循環流路Dを流れる熱媒体を昇温する。
Looking at the heating circulation flow path D, the control means 75 activates the
When the temperature of the heat medium flowing through the heating circulation channel D is lowered, the
排熱回収流路C側の説明に戻ると、暖房運転モードにおいては暖房用熱交換器37を通過した湯水はバイパス流路23を流れ、貯留タンク10を迂回する。この様な流路を選択する理由は、貯留タンク10内の温度成層を乱したくないからである。すなわち暖房運転モードにおいては暖房用熱交換器37を通過した湯水は暖房循環流路Dに熱を奪われ、暖房用熱交換器37を出た湯水は温度が低下している。そのためこの湯水を貯留タンク10に戻すと低温の湯水を貯留タンクの上部から注入することとなり、高温の湯が滞留する部位に低温の湯水が混ざることとなる。そのため本実施形態では、暖房運転モードにおいては主たる流路(暖房用熱交換器37を通過する流路)を流れる湯水をバイパス流路23に流して貯留タンク10を迂回させ、発電装置2側に戻すこととした。
ただし本実施形態では、燃料電池5の損傷を防止するために、迂回分岐流路40を設け、一部の湯水だけは貯留タンク10に流している。
Returning to the description of the exhaust heat recovery flow path C side, in the heating operation mode, the hot water passing through the
However, in the present embodiment, in order to prevent the
この様に一部の湯水を貯留タンク10に流す構成を採用した理由は、次の通りである。 すなわちコージェネレーションシステム1側が暖房運転モードであっても、暖房端末50,51側の弁の開閉状況によっては、暖房用熱交換器37で十分に熱交換が行われない場合がある。この様な場合には暖房用熱交換器37の一次側から吐出された湯水の温度は、十分に低下していない。そのためこの湯水をそのまま発電装置2側に戻すと、燃料電池5を十分に冷却できない場合もある。
The reason for adopting such a configuration in which a part of hot water flows through the
そこで本実施形態では、一部の湯水を貯留タンク10に供給し、貯留タンク10から低温の湯水を少量だけ取り出すこととした。すなわち迂回分岐流路40を通過する湯水を貯留タンク10に流す。その結果、貯留タンク10の底部側に貯留されている低温の湯水が、下部側接続部12から、小流量、加熱往き側流路21に吸い出され、ティ27の部位でバイパス流路23を流れる湯水と混合される。そのためバイパス流路23を流れる湯水に低温の湯水が混合され、全体の温度が低下する。
そのため発電装置2内の電池側熱交換器6に供給される湯水の温度が過度に高くなることがなく、燃料電池5を冷却することができ、燃料電池5を傷めない。
また迂回分岐流路40を流れる湯水は、暖房用熱交換器37を迂回しているから相当に高温であり、貯留タンク10に導入しても温度成層を乱すことはない。
Therefore, in this embodiment, a part of hot water is supplied to the
Therefore, the temperature of the hot water supplied to the battery-
The hot water flowing through the
(暖機・迂回運転モード)
暖機・迂回運転モードは、発電装置2の燃料電池5を運転して発熱させつつ、貯留タンク10を迂回した流路に湯水を循環させる運転モードである。暖機・迂回運転モードは、排熱回収流路Cを流れる湯水の温度が低い場合に選択される運転モードであり、コージェネレーションシステムの運転初期の段階における暖機運転や、何らかの理由で排熱回収流路Cを流れる湯水の温度が低下した場合に実行される運転モードである。
コージェネレーションシステム1が暖機・迂回運転モードで動作する場合は、迂回循環流路16に全ての湯水を流す。
(Warm-up / detour operation mode)
The warm-up / bypass operation mode is an operation mode in which hot water is circulated through a flow path that bypasses the
When the
さらに具体的に説明すると、コージェネレーションシステム1が暖機・迂回運転モードで動作する場合、制御手段75は、排熱回収流路Cの加熱戻り側流路22の中途に設けられた加熱側三方弁28を構成する3つのポートのうち加熱戻り上流側流路36に接続されたポートと、バイパス流路23に接続されたポートとを開き、加熱戻り下流側流路35を閉じ、図3にハッチングで示す貯留タンク10を迂回して湯水が循環可能な迂回循環流路16を開く。
また暖機・迂回運転モードで動作させる場合には 加熱戻り側流路22の迂回分岐流路40を閉じる。すなわち常時開の電磁弁43に通電し、電磁弁43を閉じる。
More specifically, when the
When operating in the warm-up / bypass mode, the
上記したようにして加熱側三方弁28や電磁弁43を調整した状態で循環ポンプ7を作動させると、図3のハッチング部分だけに湯水の循環流が発生する。すなわち、コージェネレーションシステム1が暖機・迂回運転モードで動作する場合は、循環ポンプ7の作動に伴い、加熱戻り側流路22を流れる湯水は、その全量がバイパス流路23に流れ込み、そのまま全量が加熱往き側流路21を介して発電装置2側に戻される。
すなわち電池側熱交換器6を出た湯水がそのまま電池側熱交換器6に戻り、循環する湯水が早期に昇温する。
When the
That is, the hot water discharged from the battery
(予熱供給運転モード)
図4は、図1に示す配管系統図であって、予熱供給運転モードにおける湯水及び熱媒体の流れを示したものである。図5は、予熱供給運転モードにおける加熱側三方弁の原則的な姿勢及び湯水の流れを示す配管系統図である。図6は、予熱供給運転モードにおける加熱側三方弁の変則的な姿勢及び湯水の流れを示す配管系統図である。
予熱供給運転モードは、コージェネレーションシステムの起動前の段階で実行される運転モードである。予熱供給運転モードは、燃料電池が冷えていて起動が容易でない場合に実行される。
(Preheating supply operation mode)
FIG. 4 is a piping system diagram shown in FIG. 1 and shows the flow of hot water and heat medium in the preheating supply operation mode. FIG. 5 is a piping diagram showing the principle of the heating-side three-way valve and the flow of hot water in the preheating supply operation mode. FIG. 6 is a piping system diagram showing an irregular posture of the heating side three-way valve and a flow of hot water in the preheating supply operation mode.
The preheating supply operation mode is an operation mode executed at a stage before the start of the cogeneration system. The preheating supply operation mode is executed when the fuel cell is cold and start-up is not easy.
予熱供給運転モードは、暖房循環流路D内の予備熱源52を起動し、暖房循環流路D内の熱媒体を昇温し、この熱を排熱回収流路C側に取り込んで燃料電池5側に循環させるモードである。
予熱供給運転モードにおける排熱回収流路C側の流路は、原則的に前記した暖機・迂回運転モードと同一である。すなわちコージェネレーションシステムを予熱供給運転モードで運転する場合には貯留タンク10を迂回した流路に原則的に湯水の全量を循環させる。
具体的には、コージェネレーションシステム1が予熱供給運転モードで動作する場合、制御手段75は、排熱回収流路Cの加熱戻り側流路22の中途に設けられた加熱側三方弁28を構成する3つのポートのうち加熱戻り上流側流路36に接続されたポートと、バイパス流路23に接続されたポートとを開き、加熱戻り下流側流路35を閉じ、図4にハッチングで示す貯留タンク10を迂回して湯水が循環可能な迂回循環流路16を開く。
また予熱供給運転モードで動作させる場合には 加熱戻り側流路22の迂回分岐流路40を閉じる。すなわち常時開の電磁弁43に通電し、電磁弁43を閉じる。
このようにして加熱側三方弁28および電磁弁43の開度調整を行った状態で循環ポンプ7を起動させると、図4にハッチングで示す流路(迂回循環流路16)に、湯水の循環流が発生する。すなわち暖房用熱交換器37の一次側を通過し、バイパス流路23を経由し、発電装置2に戻る迂回循環流路16だけに湯水の循環流が発生する。
In the preheating supply operation mode, the
The flow path on the exhaust heat recovery flow path C side in the preheating supply operation mode is basically the same as the warm-up / detour operation mode described above. That is, when the cogeneration system is operated in the preheat supply operation mode, the entire amount of hot water is circulated in principle in the flow path that bypasses the
Specifically, when the
When operating in the preheat supply operation mode, the
When the
一方、暖房循環流路Dでは、予備熱源52のバーナ53に点火して暖房循環流路Dを流れる熱媒体を昇温すると共に、暖房用熱交換器37の二次側に熱媒体を通過させる。
具体的には、図の様に熱交上流側配管66の熱交上流側熱動弁68を開き、熱交バイパス配管69のバイパス熱動弁72を閉じる。
この状態で暖房循環流路Dの循環ポンプ65を起動する。
その結果、暖房循環流路Dでは、循環ポンプ65から吐出された熱媒体は、予備熱源52の熱交換器55を通過して昇温し、熱交上流側配管66を経て暖房用熱交換器37の二次側を流れる。そして暖房用熱交換器37の一次側を出た熱媒体は、戻り側配管60を経由して循環ポンプ65に戻る。
On the other hand, in the heating circulation channel D, the
Specifically, as shown in the figure, the heat exchange upstream side
In this state, the
As a result, in the heating circulation flow path D, the heat medium discharged from the
予熱供給運転モードでは、暖房用熱交換器37の二次側を高温の熱媒体が通過し、暖房用熱交換器37の一次側を低温の湯水が通過するので、暖房循環流路D側の熱が排熱回収流路C側に移動し、排熱回収流路Cの湯水が昇温される。そして昇温された湯水がバイパス流路23を経て発電装置2に流れ込む。この状態では発電装置2側に流れる湯水は、その全量が暖房用熱交換器37を通過したものであり、貯留タンク10の冷水は混入していない。
そのため発電装置2の燃料電池5は適度に予熱され、起動可能な状態となる。
In the preheating supply operation mode, the high-temperature heat medium passes through the secondary side of the
Therefore, the
次に予熱供給運転モードによる運転中に、暖房運転モードの運転要求があった場合について説明する。
予熱供給運転モードで運転中に暖房運転モードの運転要求があった場合は、暖房端末50,51の要求に応じてこれらに熱媒体を供給することとなる。そのため予備熱源52は、暖房端末50,51が必要とする温度の熱媒体を供給する様にバーナ53の燃焼量を比例制御する。
ここで暖房端末(低温側)51だけが機能している場合には比較的低い燃焼量でバーナ53が燃焼し、暖房端末(高温側)50が機能している場合には比較的高い燃焼量でバーナ53が燃焼する。そのため暖房循環流路D側の温度上昇に伴い、排熱回収流路Cの水温も上昇する。
Next, a case where there is an operation request for the heating operation mode during the operation in the preheating supply operation mode will be described.
When there is an operation request for the heating operation mode during operation in the preheating supply operation mode, a heat medium is supplied to these in response to the request from the
Here, when only the heating terminal (low temperature side) 51 is functioning, the
そこで予熱供給運転モードによる運転中に、暖房運転モードの運転要求があった場合には、制御手段75は排熱回収流路Cを流れる湯水の温度を監視する。具体的には、発電装置2の燃料電池5側に導入される直前の湯水の温度を温度センサー26で監視する。
そして燃料電池5側に導入される直前の湯水の温度が、例えば80°Cといった一定の限界温度を越えると、加熱側三方弁28を動作して湯水の一部を貯留タンク10側にリークする。
Therefore, when there is an operation request for the heating operation mode during the operation in the preheating supply operation mode, the control means 75 monitors the temperature of the hot water flowing through the exhaust heat recovery passage C. Specifically, the
When the temperature of hot water just before being introduced to the
すなわち加熱側三方弁28は、図5,6の様にハウジング63内に弁体64が内蔵され、当該弁体64の位置によって3つのポートを開閉するものである。
予熱供給運転モードによる運転中は、原則的に、図5の様に3つのポートのうち加熱戻り上流側流路36に接続されたポートと、バイパス流路23に接続されたポートとを開き、加熱戻り下流側流路35を閉じている。
しかしながら温度センサー26によって燃料電池5側に導入される直前の湯水の温度を監視し、これが一定の温度を越えると、図6の様に弁体を移動させ、3つのポートが全て連通する状態にする。より望ましくは、バイパス流路23を大開口とし、貯留タンク10側が小開口となる位置に弁体を移動させる。
That is, the heating side three-
During operation in the preheating supply operation mode, in principle, the port connected to the heating return upstream flow
However, the temperature of the hot water just before being introduced to the
その結果、図の矢印の様に一部の湯水が貯留タンク10に供給され、貯留タンク10から低温の湯水が少量だけ取り出される。その結果、少量の冷水が貯留タンク10の下部側接続部12から加熱往き側流路21に吸い出され、ティ27の部位でバイパス流路23を流れる湯水と混合される。そのためバイパス流路23を流れる湯水に低温の湯水が混合され、全体の温度が低下する。
その結果、発電装置2内の電池側熱交換器6に供給される湯水の温度が低下し、燃料電池5を傷めない。
As a result, a part of hot water is supplied to the
As a result, the temperature of the hot water supplied to the battery-
なお上記した説明は、予熱供給運転モードによる運転中に、暖房運転モードの運転要求があった場合を想定したが、暖房運転モードで運転されている際に予熱供給運転モードによる運転を行う場合も同様である。 The above description assumes that there is a request for operation in the heating operation mode during operation in the preheating supply operation mode, but there are also cases where operation in the preheating supply operation mode is performed when operating in the heating operation mode. It is the same.
図7は、コージェネレーションシステムを起動する際における望ましい動作を示すフローチャートである。
本実施形態のコージェネレーションシステム1を起動する際は、ステップ1で起動要求を待ち、起動要求があればステップ2で燃料電池5を起動できる状態である否かを判断する。すなわち外気温度やコージェネレーションシステム1の各部の温度を検知し、燃料電池5が起動可能な状態であるか否かを判断する。
燃料電池5が起動可能であるならばステップ8に移行して燃料電池5を直ちに起動し、暖機・迂回運転を行い、起動のステップを終了する。
FIG. 7 is a flowchart showing a desirable operation when starting the cogeneration system.
When starting the
If the
各部の温度が低く、燃料電池5を起動できないならば、ステップ3に移行し予熱供給運転モードで運転を開始する。すなわち暖房循環流路D内の予備熱源52を起動し、暖房循環流路D内の熱媒体を昇温し、この熱を排熱回収流路C側に取り込んで燃料電池5側に循環させる。
この時の加熱側三方弁28の状況は、図5の通りであり、加熱戻り上流側流路36に接続されたポートと、バイパス流路23に接続されたポートとを開き、加熱戻り下流側流路35を閉じている。
If the temperature of each part is low and the
The situation of the heating side three-
そしてステップ4に移行し、暖房運転モードであるか否かという点と、高温暖房の要求があるか否かを判断する。
暖房運転モードでないか、暖房運転モードであっても高温の要求が無い場合にはステップ2に戻り、起動できるか否かを再度判断する。そして起動できる温度となるまでこれらの一連の動作を繰り返す。
Then, the process proceeds to step 4 to determine whether or not it is in the heating operation mode and whether or not there is a request for high-temperature heating.
If it is not in the heating operation mode or there is no request for high temperature even in the heating operation mode, the process returns to step 2 to determine again whether or not it can be started. These series of operations are repeated until the temperature reaches a startable temperature.
一方、暖房運転モードであり且つ高温暖房の要求がある場合は、ステップ5に移行し、温度センサー26の検出値を確認し、この温度が例えば80°Cといった一定の限界温度を越えているか否かを判断する。限界温度を越えている場合は、燃料電池5を運転するのに不適であるから、加熱側三方弁28を動作させ、図6の様に貯留タンク10側のポートを僅かに開いて湯水の一部を貯留タンク10側にリークする。
その結果、バイパス流路23を流れる湯水に貯留タンク10から取り出された低温の湯水が混合し、発電装置2側に至る湯水の温度が低下する。
そのため、燃料電池5が過度に昇温されず、燃料電池5の耐久性が維持される。
On the other hand, when it is in the heating operation mode and there is a request for high-temperature heating, the process proceeds to step 5 where the detection value of the
As a result, the low-temperature hot water taken out from the
Therefore, the
以上説明した実施形態では、バイパス流路23に設けた加熱側三方弁28の弁体64を中間的な位置に移動させて貯留タンク10側に湯水を供給したが、他の方法によって貯留タンクから冷水を導くことも可能である。
例えば迂回分岐流路40には電磁弁43を開いて貯留タンク10側に湯水を供給し、貯留タンク10から冷水を導出させてもよい。
また三方弁に代わって複数の二方弁を組み合わせてもよい。
In the embodiment described above, hot water is supplied to the
For example, the
A plurality of two-way valves may be combined in place of the three-way valve.
1 コージェネレーションシステム
2 発電装置
3 貯留タンク側ユニット
5 燃料電池
6 電池側熱交換器
10 貯留タンク
11 上部側接続部
12 下部側接続部
15 タンク経由循環流路
16 迂回循環流路
23 バイパス流路
26 温度センサー
28 加熱側三方弁
37 暖房用熱交換器(他用途用熱交換器)
40 迂回分岐流路
43 電磁弁
50,51 暖房端末
52 予備熱源
C 排熱回収流路
D 暖房循環流路
DESCRIPTION OF
40 Detour
Claims (4)
外気温度やコージェネレーションシステムの各部の温度が燃料電池の起動に適さない低温状態であるか否かを判断する機能を有すると共に、運転モードとして予熱供給運転モードと、暖房運転モードがあり、
前記予備熱源は、前記暖房運転モードでの運転時においては暖房機器に応じて高温の熱媒体と低温の熱媒体を供給可能であり、
燃料電池の起動要求があれば外気温度やコージェネレーションシステムの各部の温度が燃料電池の起動に適さない低温状態であるか否かを検知し、外気温度や当該コージェネレーションシステムの各部の温度が燃料電池の起動に適さない低温状態であることが検知されたときには前記予熱供給運転モードが実行されて燃料電池を起動することなく予備熱源を運転して暖房循環流路を流れる熱媒体を昇温し、他用途用熱交換器の一次側流路を経由して排熱回収流路を流れる液体を昇温し、昇温された液体をバイパス流路を経由して排熱回収流路に循環させて燃料電池側に供給し、
予熱供給運転モードによる運転中に暖房運転モードの運転要求があった場合、あるいは暖房運転モードで運転されている際に予熱供給運転モードによる運転を行う場合であって、予備熱源が高温の熱媒体を供給する場合には、排熱回収流路を流れる液体の一部をタンク経由循環流路に流通させ、バイパス流路を流れる液体に貯留タンクから取り出された低温の液体を混合し、燃料電池側に至る液体の温度を低下させることを特徴とするコージェネレーションシステム。 A cogeneration system for recovering the heat generated by the fuel cell, the exhaust heat recovery flow path through which the liquid directly or indirectly exchanged with the fuel cell is communicated with the flow path flowing through the fuel cell side; A heating circulation channel for supplying a heat medium to the heating device, a storage tank that has an upper side connection portion and a lower side connection portion and stores liquid in a state where temperature stratification is formed therein, and the exhaust heat recovery channel And a heat exchanger for other applications for exchanging heat between the heating circulation passage and the exhaust heat recovery passage entering the upper connection portion of the storage tank from the fuel cell side to the fuel cell from the lower connection portion A circulation path through the tank that returns to the side and a bypass flow path that bypasses the storage tank, and the primary flow path of the heat exchanger for other uses is a part of the exhaust heat recovery flow path, Is also in the area on the fuel cell side. In the cogeneration system equipped with,
While having the function of judging whether the outside air temperature and the temperature of each part of the cogeneration system are in a low temperature state that is not suitable for starting the fuel cell, there are a preheating supply operation mode and a heating operation mode as operation modes,
The preliminary heat source can supply a high-temperature heat medium and a low-temperature heat medium according to the heating device during operation in the heating operation mode,
If there is a request to start the fuel cell, it is detected whether the outside air temperature or the temperature of each part of the cogeneration system is a low temperature that is not suitable for starting the fuel cell, and the outside air temperature or the temperature of each part of the cogeneration system is When it is detected that the low temperature state is not suitable for starting the battery, the preheating supply operation mode is executed, the preliminary heat source is operated without starting the fuel cell, and the temperature of the heat medium flowing through the heating circulation passage is increased. The temperature of the liquid flowing through the exhaust heat recovery flow path via the primary flow path of the heat exchanger for other applications is increased, and the heated liquid is circulated to the exhaust heat recovery flow path via the bypass flow path. To the fuel cell side,
When there is a request for operation in the heating operation mode during operation in the preheating supply operation mode, or when operation in the preheating supply operation mode is performed while operating in the heating operation mode, the preliminary heat source is a high-temperature heat medium When supplying a fuel cell, a part of the liquid flowing through the exhaust heat recovery passage is circulated through the circulation path via the tank, and the liquid flowing through the bypass passage is mixed with the low-temperature liquid taken out from the storage tank. Cogeneration system characterized by lowering the temperature of the liquid reaching the side.
上部側接続部と下部側接続部とを有し内部に温度成層を形成した状態で液体を貯留する貯留タンクと、前記排熱回収流路と暖房循環流路との間で熱交換する他用途用熱交換器とを備え、前記排熱回収流路は、燃料電池側から貯留タンクの上部側接続部に入り下部側接続部から燃料電池側に戻るタンク経由循環流路と、貯留タンクをバイパスするバイパス流路とを備え、他用途用熱交換器の一次側流路は前記排熱回収流路の一部であってバイパス流路よりも燃料電池側のエリアにあり、燃料電池が発生する熱によって昇温された液体を貯留タンクに貯留可能であり、前記他用途用熱交換器の一次側流路に前記液体を通過させて熱交換し二次側流路に移動した熱を暖房に使用することが可能であるとともに、前記他用途用熱交換器の二次側流路を含む流路に熱を供給可能な予備熱源を備えた貯留タンク側ユニットにおいて、
外気温度やコージェネレーションシステムの各部の温度が燃料電池の起動に適さない低温状態であるか否かを判断する機能を有すると共に、運転モードとして暖房運転モードがあり、燃料電池を起動する際の運転モードとして予熱供給運転モードがあり、
前記予備熱源は、前記暖房運転モードでの運転時においては暖房機器に応じて高温の熱媒体と低温の熱媒体を供給可能であり、
燃料電池の起動要求があれば外気温度やコージェネレーションシステムの各部の温度が燃料電池の起動に適さない低温状態であるか否かを検知し、外気温度や当該コージェネレーションシステムの各部の温度が燃料電池の起動に適さない低温状態であることが検知されたときには前記予熱供給運転モードが実行されて燃料電池を起動することなく予備熱源を運転して暖房循環流路を流れる熱媒体を昇温し、他用途用熱交換器の一次側流路を経由して排熱回収流路を流れる液体を昇温し、昇温された液体をバイパス流路を経由して排熱回収流路に循環させて燃料電池側に供給し、
予熱供給運転モードによる運転中に暖房運転モードの運転要求があった場合、あるいは暖房運転モードで運転されている際に予熱供給運転モードによる運転を行う場合であって、予備熱源が高温の熱媒体を供給する場合には、排熱回収流路を流れる液体の一部をタンク経由循環流路に流通させ、バイパス流路を流れる液体に貯留タンクから取り出された低温の液体を混合し、燃料電池側に至る液体の温度を低下させることを特徴とする貯留タンク側ユニット。 A storage tank side unit constituting a cogeneration system having a function of recovering heat generated by a fuel cell and supplying a heat medium to a heating device, and connected to a flow path flowing through the fuel cell side An exhaust heat recovery passage through which liquid directly or indirectly heat-exchanged flows , a heating circulation passage for supplying a heating medium to the heating device, and
Other uses for exchanging heat between a storage tank having an upper side connection portion and a lower side connection portion and storing liquid in a state where temperature stratification is formed therein, and between the exhaust heat recovery passage and the heating circulation passage A heat exchanger for use, and the exhaust heat recovery flow path bypasses the storage tank and a circulation path via a tank that enters the upper connection portion of the storage tank from the fuel cell side and returns from the lower connection portion to the fuel cell side. And a primary flow path of the heat exchanger for other uses is a part of the exhaust heat recovery flow path and is in an area closer to the fuel cell than the bypass flow path, and the fuel cell is generated The liquid heated by heat can be stored in a storage tank, and heat is transferred to the secondary side flow path by passing the liquid through the primary side flow path of the heat exchanger for other uses for heating. The secondary side flow path of the heat exchanger for other uses can be used. In the reservoir tank side unit with preliminary heat source capable of supplying heat to the non-flow path,
It has a function to judge whether the outside air temperature and the temperature of each part of the cogeneration system are in a low temperature state that is not suitable for starting the fuel cell, and there is a heating operation mode as an operation mode, and operation when starting the fuel cell There is a preheat supply operation mode as a mode ,
The preliminary heat source can supply a high-temperature heat medium and a low-temperature heat medium according to the heating device during operation in the heating operation mode,
Temperature of each part of the outside air temperature and the cogeneration system detects whether the low temperature is not suitable for starting the fuel cell if the activation request of the fuel cell, the temperature of the outside air temperature and various parts of the cogeneration system fuel When it is detected that the low temperature state is not suitable for starting the battery, the preheating supply operation mode is executed, the preliminary heat source is operated without starting the fuel cell, and the temperature of the heat medium flowing through the heating circulation passage is increased. , to circulate the liquid through the exhaust heat recovery passage through the primary side passage of the heat exchanger for other applications in heated, the heating liquid through the bypass passage exhaust heat recovery passage To the fuel cell side,
When there is a request for operation in the heating operation mode during operation in the preheating supply operation mode, or when operation in the preheating supply operation mode is performed while operating in the heating operation mode, the preliminary heat source is a high-temperature heat medium When supplying a fuel cell, a part of the liquid flowing through the exhaust heat recovery passage is circulated through the circulation path via the tank, and the liquid flowing through the bypass passage is mixed with the low-temperature liquid taken out from the storage tank. The storage tank side unit characterized by lowering the temperature of the liquid which reaches the side.
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