JP5300717B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、電力と熱とを生成する熱電併給器および熱電併給器の排熱を貯える蓄熱器を備えるコージェネレーションシステムに関する。

燃料電池や、エンジンを用いたコージェネレーションシステムでは、発電と同時に発生する熱をお湯として回収することでエネルギーを有効に活用でき、高効率の分散型電源として注目されている。例えば、燃料電池コージェネレーションシステムの場合、通常、図１２に示されるように、燃料電池２１により発生した熱を冷却水経路２２中の冷却水で回収し、この冷却水が熱交換器２４を介して貯湯水経路２３内の貯湯水と熱交換を行う。熱交換器２４において加熱された貯湯水は、貯湯タンク２７に温水として蓄えられ、熱負荷の熱需要に応じて、貯湯タンク２７の出口より給湯路２８を介してこの温水が熱負荷に供給される。このような燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池２１で発生した電力のうち電力負荷に消費されない余剰電力を用いて貯湯水を加熱する余剰電力ヒータ２５を熱交換器２４下流の貯湯水経路２５に設けるとともに、熱負荷の熱需要に対して貯湯タンク２７内に温水が不足している場合のバックアップとして補助熱源２９を給湯路２８に設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１２９０６号公報

上記特許文献１記載のコージェネレーションシステムでは、通常、貯湯水の温度を調整するために貯湯水ポンプ２６の出力が制御されるが、燃料電池２１の発電量の変動に伴う燃料電池２１の発熱量の変動だけでなく余剰電力の変動に伴う余剰電力ヒータ２５の発熱量の変動にも対応する必要があるため上記制御は困難であった。また、熱負荷の熱需要に対して貯湯タンク２７内の温水が不足している場合のバックアップとして補助熱源２９を備えることが望ましいが、これがコスト増加およびサイズ増大の要因となっていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、余剰電力ヒータの発熱量の変動による貯湯水ポンプの制御困難性が緩和されるとともに、補助熱源を別途設ける必要のない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。

上記目的を達成するために、本発明のコージェネレーションシステムは、電気と熱とを発生する熱電併給器と、前記熱電併給器で発生した熱を回収した熱媒体を蓄える蓄熱器と、前記熱電併給器で発生した熱を前記熱媒体に伝熱するための熱交換器と、前記熱媒体が前記熱交換器により前記熱を伝熱されて前記蓄熱器に流入するよう構成された第１の熱媒体経路と、前記第１熱媒体経路に前記熱媒体を流す熱媒体送出器と、前記蓄熱器に蓄えられた熱媒体を熱負荷に供給するための給熱経路と、前記給熱経路を前記熱負荷に向けて流れる前記熱媒体を前記熱電併給器の余剰電力及び商用電力を消費して加熱する電力消費加熱器と、前記熱媒体が前記電力消費加熱器により加熱されて前記蓄熱器に流入するよう構成された第２の熱媒体経路と、を備える。ここで、「余剰電力及び商用電力を消費して加熱する電力消費加熱器」とは、電力消費加熱器は、余剰電力と商用電力との双方を消費するが、余剰電力と商用電力とを消費する時期（タイミング）は何ら限定されないことを意味している。つまり、電力消費加熱器は、余剰電力と商用電力とを同時に消費してもよく、余剰電力と商用電力とを異なる時期に消費してもよい。

前記コージェネレーションシステムは、熱媒体源から前記蓄熱器に前記熱媒体を供給するための第１の熱媒体供給路と、前記第１の熱媒体供給路から分岐して前記給熱経路と接続する第２の熱媒体供給路と、前記給熱経路と前記第２の熱媒体供給路とが前記接続する部分に設けられ前記給熱経路を流れる前記熱媒体に前記第２の熱媒体供給路からの前記熱媒体を混合する混合弁と、前記第２の熱媒体経路と前記給熱経路の前記混合弁より前記蓄熱器側の部分とを接続するバイパス経路と、前記バイパス経路上に設けられたバイパス弁と、を備え、前記第２の熱媒体経路が、前記蓄熱器から前記第１の熱媒体供給路と前記第２の熱媒体供給路と前記バイパス経路と前記給熱経路とを通って前記蓄熱器に至る経路によって構成されていてもよい。

前記コージェネレーションシステムは、前記給湯経路の前記混合弁より熱負荷側の部分に設けられ前記熱媒体の流れを検出する流量検出器と、制御器とを備え、前記制御器は、前記バイパス弁を、前記流量検出器により前記熱媒体の流れが検出された場合には閉じ、前記熱媒体の流れが検出されない場合には開くよう制御してもよい。

前記コージェネレーションシステムは、熱媒体源から前記蓄熱器に前記熱媒体を供給するための第１の熱媒体供給路と、前記第１の熱媒体供給路から分岐し、前記給熱経路に接続する第２の熱媒体供給路と、前記第２の熱媒体供給路と前記給熱経路とが前記接続する部分に設けられた三方弁と、を備え、前記三方弁が、前記給熱経路の該三方弁より蓄熱器側の部分と第２の熱媒体供給路とを前記給熱経路の該三方弁より熱負荷側の部分に接続するモードＡと、前記給熱経路の該三方弁より蓄熱器側の部分と第２の熱媒体供給路とを接続しかつこれらと前記給熱経路の該三方弁より熱負荷側の部分とを遮断するモードＢとの２つの動作モードを有しており、前記給熱経路が、前記三方弁が前記モードＡに切り替わることにより形成され、前記第２の熱媒体経路が、前記三方弁が前記モードＢに切り替わることにより形成されるよう構成されていてもよい。

前記コージェネレーションシステムは、前記熱負荷の熱需要を検出する熱需要検出器と、制御器とを備え、前記制御器は、前記三方弁を、前記熱需要検出器により前記熱需要が検出された場合には前記モードＡに切り替え、前記熱需要が検出されない場合には前記モードＢに切り替えるよう制御するように構成されていてもよい。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明のコージェネレーションシステムによれば、熱媒体送出器の制御性が改善されるとともに、別途、補助熱源を設けることなく、余剰電力及び／または商用電力を消費して加熱する電力消費加熱器の熱を用いて蓄熱器から熱負荷に供給される熱媒体の不足した熱を補うことが可能になる。

図１は本発明の実施の形態１に係るコージェネレーションシステムの構成例を示したブロック図である。 図２は、図１のコージェネレーションシステムの電気系統の構成を簡略化して示すブロック図である。 図３は図１のコージェネレーションシステムにおける給湯経路の経路切替制御の内容を示すフローチャートである。 図４は図１のコージェネレーションシステムにおける余剰電力制御の内容を示すフローチャートである。 図５は図１のコージェネレーションシステムにおける給湯水の温度制御の内容を示すフローチャートである。 図６は図１のコージェネレーションシステムにおける加熱器の過加熱防止制御の内容を示すフローチャートである。 図７は本発明の実施の形態２に係るコージェネレーションシステムを示すシステム構成図である。 図８は図７のコージェネレーションシステムにおける第２の熱媒体経路の貯湯水の温度制御の内容を示すフローチャートである。 図９は本発明の実施の形態３に係るコージェネレーションシステムを示すシステム構成図である。 図１０は図９のコージェネレーションシステムにおける三方弁の動作モードを示す図である。 図１１は本発明の実施の形態４に係るコージェネレーションシステムを示すシステム構成図である。 図１２は従来のコージェネレーションシステムの構成例を示したブロック図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図を用いて説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同じ参照符号を付してその重複する説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るコージェネレーションシステムを示すシステム構成図である。

本実施の形態に係るコージェネレーションシステムは、本発明の熱電併給器の一例である、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、本発明の熱媒体の一例としての貯湯水を貯える、本発明の蓄熱器の一例としての貯湯槽２と、燃料電池１に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス経路３と、燃料電池１に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス経路４と、燃料電池１の発電に伴って発生した熱を回収し燃料電池１を冷却する冷却水が流れる冷却水経路５と、冷却水経路５内の冷却水を流すための冷却水送出器６と、冷却水経路５に設けられた、冷却水と貯湯水とが熱交換しその貯湯水が熱を回収するための熱交換器７と、熱交換器７に接続され貯湯水が流れる、本発明の第１の熱媒体経路である貯湯水経路８と、貯湯水経路８に設けられた、貯湯水経路８内の貯湯水を流すための貯湯水送出器９と、貯湯槽２の下部に水源（例えば市水）から未加熱の水を供給する、本発明の第１の熱媒体供給路である第１の給水経路１０と、貯湯槽２内の貯湯水を熱負荷に供給する、本発明の給熱経路Ｂである給湯経路１１と、給湯経路１１に設けられた、本発明の余剰電力及び商用電力を消費して加熱する電力消費加熱器（以下、単に加熱器という）１２と、第１の給水経路１０から分岐して給湯経路１１に接続する、本発明の第２の熱媒体供給路である第２の給水経路１３と、給湯経路１１と第２の給水経路１３との接続部に設けられた混合弁１４と、混合弁１４をバイパスするバイパス経路１５と、バイパス経路１５に設けられた、開閉弁からなるバイパス弁１６と、混合弁１４から熱負荷に送出される貯湯水の流量を検出する流量検出器１７と、熱交換器７より下流の貯湯水経路８の貯湯水の温度を検出する温度検出器１８と、コージェネレーションシステムの諸動作を制御する制御器１９と、を備えている。なお、上記のような構成において本発明の第２の熱媒体経路Ａは、第２の熱媒体供給路である（第１の給水経路１０、）第２の給水経路１３、バイパス経路１５、及び本発明の給熱経路である給湯経路１１で構成される。つまり、第２の熱媒体経路Ａは、第１の給水経路１０から分岐して、貯湯タンク２に至る経路で構成されており、具体的には、第１の給水経路１０から分岐した熱媒体が、第２の給水経路１３と、バイパス経路１５と、給湯経路１１とを通って貯湯タンク２に至る経路で構成されている。また、冷却水経路５、冷却水送出器６、及び熱交換器７が伝熱システム３１を構成している。

貯湯槽２は、いわゆる積層沸き上げ方式に構成されている。具体的には、貯湯水経路８は、貯湯槽２の下部と上部とに接続され、貯湯水送出器９は、吸入口が貯湯水経路８と貯湯層２下部との接続部側に、吐出口が貯湯水経路８と貯湯槽２上部との接続部側になるように配設されている。このように構成することで、貯湯水送出器９が動作すると貯湯槽２の下部に存在する温度の低い貯湯水が貯湯槽２の下部から取り出され、熱交換器７に流入し、熱交換器７で冷却水と熱交換し加熱された貯湯水が貯湯槽２の上部に戻され、温度が高くなった貯湯水が貯湯槽２の上部に貯えられる。このような構成により、熱交換器７で加熱された高温の貯湯水が貯湯槽２上層より下層に向かって順次貯えられるため、全体を同時に沸き上げる場合と比較して、短時間で熱負荷に必要な量のお湯を貯湯槽２の上部に貯えて熱負荷に供給することが可能となる。

冷却水送出器６としては、主に遠心ポンプや斜流ポンプ、往復ポンプなどが用いられる。熱交換器７としては、おもにプレート式熱交換器や二重管式熱交換器などが用いられる。貯湯水送出器９としては、主に遠心ポンプや斜流ポンプ、往復ポンプなどが用いられる。

混合弁１４は、第２の給水経路１３の終端が給湯経路１１の途中に接続した部分に設けられており、給湯経路１１を流れる貯湯水に第２の給水給路１３からの水を混合する。混合弁１４としては、主にドラム式やボール式の弁などが用いられる。流量検出器１７は、本発明の熱需要検出器の一例であり、主に流量値が測定される流量計やフロースイッチなどで構成されている。

本発明において、電力消費加熱器とは、入力される電力を消費して、その消費した電力に応じた量の熱を放出して被加熱物を加熱する機器をいう。典型例として、入力される電力をジュール熱に変換して被加熱物を加熱する電気ヒータと、入力される電力を動力に変換し、その動力によって熱媒体を循環させて熱を移動させるヒートポンプとが挙げられる。これらは、いずれも消費した電力に応じた量の熱を放出する。一方、電気以外の熱源に由来する熱を用いて非加熱物を加熱する機器であって、単に制御部で電力を消費するような機器（例えばガスヒータ）は、消費した電力に応じた量の熱を放出するのではないので電力消費加熱器には含まれない。加熱器１２の消費電力（定格出力）は、余剰電力を吸収することが必要であるので、少なくとも、燃料電池１の定格出力より大きいことが要求される。さらに、加熱器１２はバックアップ用の熱源としての機能を担うので、加熱器１２の消費電力は、バックアップ用の熱源として十分な出力であることが要求される。本実施の形態では、例えば、燃料電池１の定格出力は１ｋｗであり、加熱器１２の消費電力は３ｋｗである。

制御器１９は、例えば、マイクロコンピュータで構成され、そのＣＰＵで構成される演算部とその内部メモリで構成される記憶部とを備えている。そして、記憶部に格納（記憶）された制御プログラムを演算部が読み出して実行することにより制御を行う。なお、本発明において、制御器とは、単独の制御器のみならず複数の制御器からなる制御器群をも意味する。従って、制御器１９は、必ずしも単独の制御器で構成される必要はなく、分散配置され協働して制御動作する複数の制御器で構成されてもよい。

制御器１９には、流量検出器１７、温度検出器８、及び後述する電流検出器４０（図２参照）を含むコージェネレーションシステムの所要の要素から検出出力が入力されている。制御器１９は、これらの検知出力に基づいて、冷却水送出器６、貯湯水送出器９、加熱器１２、混合弁１４、バイパス弁１６を含むコージェレーションシステムの諸要素の動作を制御する。

次に本実施の形態のコージェネレーションシステムの電気系統の構成を説明する。

図２は図１のコージェネレーションシステムの電気系統の構成を簡略化して示すブロック図である。

図２に示すように、燃料電池１で発電された直流電力はＤＣ／ＤＣコンバータ３３に出力される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３３はこの直流電力を所定の電圧に昇圧してインバータ３４に出力する。インバータ３４の出力側は電気配線３５によって連系点３６において商用電源３７と電力負荷（例えば、家庭の電気機器）とを接続する電気配線３９に接続されている。インバータ３４は、入力される直流電力を交流電力に変換してこれを商用電源３７と系統連系しながら電力負荷に出力する。また、インバータ３４はその出力（出力電流）を制御することにより、燃料電池１の発電量を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３３とインバータ３４とが出力制御器３２を構成していて、これらの動作が制御器１９によって制御される。商用電源３７と連系点３６との間の電気配線３９にはこの間を流れる電流の方向と大きさとを検出する電流検出器４０が設けられている。電流検出器４０の検出出力は制御器１９に入力される。さらに、インバータ３４の出力側に加熱器１２が接続されている。

次に、上述のような構成を有する本実施の形態のコージェネレーションシステムの動作について説明する。

まず、一般的な動作を簡単に説明する。

図１及び図２を参照すると、燃料電池１では、燃料ガス経路３から供給された水素などの燃料ガスと、酸化剤ガス経路４から供給された酸素を含む空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう。燃料電池１としては、主に固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池、または炭酸溶融塩形燃料電池などが用いられる。燃料電池１の発電による電力は、出力制御器３２により直流電力から交流電力に変換されて電力負荷３８に供給される。電力負荷３８は通常の商用電源３７とも接続されているので、燃料電池１の発電による電力以上に電力が必要である場合は商用電源３７から不足分を供給される。なお、燃料電池１の発電による電力より電力負荷３８に必要な電力が少ない場合の余った電力（余剰電力）は商用電源３７に逆流（逆潮流）させることはコージェネレーションシステムとしては、エネルギー的に無駄であり、望ましくないため、後述のように余剰電力により加熱器１２を動作させてその際に放出される熱を回収することで、エネルギー損失を抑制する。

次に、熱交換器７を介した燃料電池１の排熱回収動作について説明する。燃料電池１の排熱を回収し温度が上昇した冷却水は、熱交換器７で貯湯水と熱交換して放熱し冷却水送出器６によって再び燃料電池１に供給される。一方、貯湯水は、貯湯槽２の下部から取り出され熱交換器７で冷却水と熱交換して加熱され、貯湯槽２の上部に戻される。貯湯槽２に戻った高温の貯湯水は貯湯槽２の上層より下層に向かって順次貯えられる。また、制御器１９は、貯湯槽２に貯えられる貯湯水の温度を制御するため、温度検出器１８の検出温度に基づき貯湯水送出器９の出力を制御する。例えば、検出温度が所定の閾値（例えば、６０℃）以上になるよう貯湯水送出器９の出力を制御する。この際、本実施の形態のコージェネレーションシステムにおいては、従来のように貯湯水経路８に余剰電力ヒータが存在しないため、貯湯水送出器９の出力制御において余剰電力の変動に伴う余剰電力ヒータの発熱量の変動に対応する必要がない。その結果、貯湯槽２に貯えられる貯湯水の温度制御のための貯湯水送出器９の制御性が改善される。

次に、余剰電力により加熱器１２を動作させた際の排熱の回収動作について説明する。

図３は図１のコージェネレーションシステムにおける給湯経路の経路切替制御の内容を示すフローチャートである。図４は図１のコージェネレーションシステムにおける余剰電力制御の内容を示すフローチャートである。図５は図１のコージェネレーションシステムにおける給湯水の温度制御の内容を示すフローチャートである。図６は図１のコージェネレーションシステムにおける加熱器の過加熱防止制御の内容を示すフローチャートである。

本実施の形態では、コージェネレーションシステムの動作の制御において、給湯経路の経路切替制御、給湯水の温度制御、余剰電力制御、及び加熱器の過加熱防止制御が行われる。これらの制御は、制御器１９の記憶部に格納された各々の制御プログラムを制御器１９の演算部が読み出して実行することにより、遂行される。

制御器１９は、常に、所定の間隔（サンプリング間隔）で、経路切替制御と余剰電力制御と過加熱防止制御とを行っている。なお、初期設定（デフォルト）においては、バイパス弁１６は開放され、混合弁１４は第２の給水経路１３側に全開され、加熱器１２は停止されている。また、混合弁１４の開度（弁***置）において、混合弁１４が「第２の給水経路１３側」に全開されていることを、「水側に全開」と表現し、混合弁１４が給湯経路１１側」に全開されていることを、「湯側に全開」と表現する。

まず、経路切替制御について説明する。

図３に示すように、制御器１９は、給湯されているか（熱負荷による熱需要があるか）否か判定する（ステップＳ１）。具体的には、流量検出器１７により貯湯水の流れが検出されると、給湯されていると判定し（ステップＳ１でＹｅｓ）、流量検出器１７により貯湯水の流れが検出されないと、給湯されていないと判定する（ステップＳ１でＮｏ）。制御器１９は、給湯されていないと判定すると、バイパス弁１６を開放し、混合弁１４を水側に全開にする（ステップＳ５）。これにより、第２の熱媒体経路Ａが形成される。そして、給湯経路１１の貯湯槽２と混合弁１４との間の部分が、第２の熱媒体経路Ａの一部に切り替わる。その後、本制御を終了する。

一方、制御器１９は、給湯されていると判定すると、バイパス弁１６を閉止する（ステップＳ３）。これにより、給熱経路Ｂが形成される。そして、給湯経路１１の貯湯槽２と混合弁１４との間の部分が、給熱経路Ｂの一部に切り替わる。その後、制御器１９は、給湯温度制御を行う（ステップＳ４）。給湯温度制御については、後で詳しく説明する。その後、本制御を終了する。

そして、本制御が所定の間隔で繰り返されることにより、制御器１９によって、給湯の有無が監視され、給湯の有無に応じて、給熱経路Ｂと第２の熱媒体経路Ａとが切り替わるようにして形成される。

次に、余剰電力制御について説明する。

燃料電池１の余剰電力は、燃料電池１と商用電源３７との連系点３６より商用電源３７側に設けられた電流検出器４０により検出される。図４に示すように、余剰電力制御において、制御器１９は、まず、余剰電力が発生しているか否か判定する（ステップＳ２１）。具体的には、制御器１９は、電流検出器４０により商用電源３７側へ向かう電流を検出すると余剰電力が発生していると判定し、そうでない場合には余剰電力が発生していないと判定する。そして、余剰電力が発生していると判定すると、制御器１９は、電流検出器４０により検出される電流に基づいて余剰電力を演算し、その余剰電力の分だけ加熱器１２の出力を増加する（ステップＳ２２）。そして、本制御を終了する。一方、余剰電力が発生していないと判定すると、給湯されているか否か判定し（ステップＳ２３）、給湯されていない場合には加熱器１２の出力を減少した後、本制御の一連のフローが終了する。その後、所定の間隔（サンプリング間隔）で、本フローが繰り返されることで、給湯されていない場合には、加熱器１２が余剰電力以外の電力（例えば、商用電力）を消費しない状態になるまで、加熱器１２の出力が低減される。一方、給湯されている場合（ステップＳ２３でＹｅｓ）には、本制御の一連のフローが終了する。給湯されている場合には、制御器１９は、加熱器１２の出力を給湯温度制御の一環として制御するからである。

そして、図４に示す本制御の一連のフローが繰り返されることにより、加熱器１２により余剰電力が消費され、それにより余剰電力の逆潮流が防止される。また、本制御の一連のフローが繰り返されることで、逆潮流が検出されず、給湯がない場合は、逆潮流が検出されるまでステップＳ２４が実行される。つまり、加熱器１２が、燃料電池１の出力電力のうち電力負荷の電力需要に対して実際に余っている余剰電力よりも多い電力を消費して、電力負荷が商用電力を利用してしまうような状態でなくなるまで、加熱器１２の出力が低減され、電力負荷による余分な商用電力の消費が低減される。なお、本制御においては、上述のように、給湯の有無に応じて第２の熱媒体経路Ａと給熱経路Ｂとが切り替わるようにして形成される。第２の熱媒体経路Ａが形成されている場合には、貯湯水が第２の熱媒体経路Ａ（第１の給水経路１０、第２の給水経路１３、バイパス経路１５、及び給湯経路１１）を図１に示すように下から上に向けて流れ、途中で加熱器１２により加熱されて貯湯槽２の上部に貯えられる。この水の流れは、加熱器１２により加熱された水の加熱前後の温度差によるドラフト効果により生じる。これにより、余剰電力が熱に変換されて貯湯槽２に蓄えられる。

一方、給熱経路Ｂが形成されている場合は、加熱器１２による余剰電力の消費は給湯温度制御の一環として制御される。

次に、この給湯温度制御について、これを詳しく説明する。

図１において、熱負荷側弁が開になると、上述のように、流量検出器１７により貯湯水の流れが検出されて制御器１９の制御により給熱経路Ｂが形成される。すると、図１に示すように貯湯槽２の上部より上から下に向けて貯湯水が流れる。また、これと同時に、貯湯槽２には、貯湯槽２の上部から流出した貯湯水を補う量の水が、貯湯槽２の下部に第１の給水経路１０から供給される。

この状態において、制御器１９は、給湯温度（給湯経路１１の混合弁１４より下流側を流れる貯湯水の温度）が要求値になるように混合弁１４の開度（弁***置）を調整する（ステップＳ１１）。具体的には、給湯経路１１の混合弁１４より下流側に温度検出器（図示せず）が設けられていて、制御器１９は、この温度検出器により給湯温度を検出する。また、熱負荷側には給湯温度を調整する調整具（例えばリモートトコントローラ（図示せず））が備えられていて、ユーザがこの調整具を操作して給湯温度を調整すると、この調整値（要求する給湯温度：以下、要求値という）が制御器１９に入力される。制御器１９は、温度検出器により検出される給湯温度がこの要求値になるよう混合弁１４の開度を調整する。この場合、混合弁１４の水側への開度が大きくなるに連れて、給湯経路１１を流れる貯湯水に第２の給水経路１３からの水が混合される量が増加して、給湯温度が低くなり、混合弁１４の湯側への開度が大きくなるに連れて、給湯経路１１を流れる貯湯水に第２の給水経路１３からの水が混合される量が減少して、給湯温度が高くなる。

次いで、制御器１９は、混合弁１４の湯側への開度が全開か否か判定する（ステップＳ１２）。

混合弁１４の湯側への開度が全開である場合（ステップＳ１２でＹｅｓ）には、制御器１９は、加熱器１２の出力がゼロであるか否か判定する（ステップＳ１３）。そして、加熱器１２の出力がゼロである場合（ステップＳ１３でＹｅｓ）には加熱器１２の出力を開始する（ステップＳ１４）。その後、本制御の一連のフローが終了する。また、加熱器１２の出力がゼロでない場合（ステップＳ１３でＮｏ）には加熱器１２の出力を増加する（ステップＳ１５）。ここで、加熱器１２の出力がゼロでない場合には、ステップＳ１４で加熱器１２が起動された場合と上述の余剰電力制御において余剰電力の発生により加熱器１２が起動された場合（ステップＳ２２）との双方が含まれる。その後、本制御の一連のフローが終了する。

一方、混合弁１４の湯側への開度が全開でない場合（ステップＳ１２でＮｏ）には、制御器１９は、加熱器１２の出力がゼロであるか否か判定する（ステップＳ１５）。そして、加熱器１２の出力がゼロである場合（ステップＳ１５でＹｅｓ）には本制御の一連のフローが終了する。この場合は湯を水で薄めているので貯湯槽２から供給される貯湯水の温度が要求値よりも高く、さらに加熱器１２により加熱をする必要がないからである。また、加熱器１２の出力がゼロでない場合（ステップＳ１５でＮｏ）には、逆潮流の有無を判定する（ステップＳ１６）。この加熱器１２の出力がゼロでない場合には、上述のように、ステップＳ１４で加熱器１２が起動された場合と余剰電力制御において余剰電力の発生により加熱器１２が起動された場合（ステップＳ２２）との双方が含まれる。そして、逆潮流が検出された場合は、（ステップＳ１６でＹｅｓ）には本制御の一連のフローが終了し、逆潮流が検出されない場合（ステップＳ１６でＮｏ）には、加熱器１２の出力を減少した後、本制御の一連のフローが終了する。なお、逆潮流が検出された場合は、余剰電力制御の一環として、図４に示すステップＳ２２で、加熱器の出力が増加されるよう制御される。

そして、以上の図５に示す本制御の一連のフローが繰り返されることにより、混合弁１４の開度の調整で対処可能な場合には、混合弁１４の開度を調整することによりユーザの要求する値に給湯温度が制御される。また、この過程で余剰電力が生じた場合あるいは又は既に生じていた場合には、加熱器１２が電力負荷の電力需要に対して実際に余っている余剰電力に相当する出力において熱負荷に供給される貯湯水を加熱し、この加熱された貯湯水が水で薄められて熱負荷に供給される。これにより、余剰電力が有効に利用される。また、不要に商用電力を消費してエネルギー効率が低下することが防止される。

一方、混合弁１４が湯側に全開された場合に上記ステップＳ１４またはステップＳ１５を実行するのは、湯側への開度が全開である場合、貯湯槽２から供給される貯湯水の温度が要求値と等しいか、要求値未満であるため、これらのステップを実行することで、混合弁１４よりも上流の給湯経路１１を流れる貯湯水の温度を少なくとも要求値以上にするためである。また、上記ステップＳ１４及び１５は、余剰電力の有無に関わらずに実行され、加熱器１２がバックアップ用の熱源として機能する。具体的には、貯湯槽２より供給される貯湯水の温度を要求値以上にするために必要な電力として燃料電池１の余剰電力だけでなく、商用電源３７からの商用電力も利用される。例えば、ステップＳ１４または１５で余剰電力が生じた場合あるいは又は既に生じていた場合には、余剰電力が発生した分だけ商用電源３７から供給される電力を減少させる。これにより、余剰電力が有効に利用される。

次に、過加熱防止制御について説明する。

図６に示すように、制御器１９は、過加熱防止制御を開始すると、まず、加熱器１２の温度が所定の閾値以下であるか否か判定する（ステップＳ３１）。具体的には、加熱器１２が設けられた給湯経路１１内の水温を検出する温度検出器（図示せず）が設けられていて、制御器１９は、この温度検出器により加熱器１９で加熱された給湯経路１１内の水の温度を検出する。また、制御器１９の記憶部には所定の閾値が記憶されている。制御器１９は、この温度検出器により検出される加熱器１２で加熱された水の温度が記憶部に記憶されている所定の閾値以下であるか否か判定する。

そして、加熱器１２で加熱された水の温度が所定の閾値以下である場合（ステップＳ３１でＹｅｓ）には、加熱器１２で加熱された水が過加熱状態になることはないので、本制御の一連のフローが終了する。一方、加熱器１２で加熱された水の温度が所定の閾値を越える場合（ステップＳ３１でＮｏ）には、加熱器１２で加熱された水が過加熱状態になる恐れがあるので、制御器１９は、まず、バイパス弁１６が開放されているか否か判定する（ステップＳ３２）。そして、バイパス弁１６が開放されている場合（ステップＳ３２でＹｅｓ）には、制御器１９は、燃料電池１の発電量を低下する（ステップＳ３３）。これにより、加熱器１２に供給されていた余剰電力が低減され、さらに、本制御の一連のフローが繰り返し実行されることで、加熱器１２で加熱された水の温度が所定の閾値以下になり、過加熱状態になる危険性がなくなるまで燃料電池１の発電量が低下される。一方、バイパス弁１６が開放されていない場合（ステップＳ３２でＮｏ）には、制御器１９は、混合弁１４を水側に全開にするとともにバイパス弁１６を開放する（ステップＳ３４）。そして、さらに所定時間、経路切替制御を停止し（ステップＳ３５）、その後、本制御の一連のフローを終了する。これは、当初、給熱経路Ｂが形成されているが、熱負荷側弁の開度による熱負荷への供給水量の制約があるため、混合水の比率調整で熱負荷に供給される貯湯水の温度を過加熱の状態から要求値にまで低減することができない場合がある。そこで、ステップＳ３４で、混合弁１４が水側に全開されることで、熱負荷に第１の給水経路１０からの水が供給され、それにより、過昇温した貯湯水が熱負荷に供給されることが防止される。また、バイパス弁１６が開放されることによって第２の熱媒体経路Ａが形成され、加熱器１２に第１の給水経路１０からの水が供給される。その結果、給熱経路Ｂが形成された状態で、貯湯槽２から加熱器１２が設けられた給湯経路１１に流入する貯湯水が温水であった場合に比べ、加熱器１２が設けられた給湯経路１１に流入する水の温度が低下するため、加熱器１２により加熱された水の温度も過昇温に近い状態から抜け出すことが可能になる。そして、所定時間、経路切替制御が停止されることによってこの状態が所定時間維持される。

かくして、加熱器１２の過加熱及びそれによる不具合が防止される。

以上に説明したように、本実施の形態によれば、加熱器１２を、給湯経路１１及び第２の熱媒体経路Ａを流れる貯湯水又は水を加熱可能なように給湯経路１１及び第２の熱媒体経路Ａ上に設け、かつ加熱器１２を余剰電力が生じた場合は余剰電力を消費しそうでない場合には燃料電池１及び商用電源３７の少なくとも一方から供給される電力を消費して加熱するよう構成することで、余剰電力を加熱器１２から放出される熱として回収してエネルギー損失を抑制することが可能になるだけでなく、従来のコージェネレーションシステムの給湯経路に、別途、補助熱源を設ける必要がなくなり、ひいてはコストの削減及びコージェネレーションシステムのサイズを小型化することが可能となる。

（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２に係るコージェネレーションシステムを示すシステム構成図である。図８は、図７のコージェネレーションシステムにおける第２の熱媒体経路Ａの貯湯水の温度制御の内容を示すフローチャートである。
図７に示すように、本実施の形態においては、第２の熱媒体経路Ａに貯湯水送出器５１が設けられている。また、給湯経路１１の加熱器１２と貯湯槽２との間の部分に図示されない温度検出器が設けられていて、制御器１９はこの温度検出器により第２の熱媒体経路Ａが形成された場合における加熱器１２を出た貯湯水の温度（以下、加熱器出口温度という）を検出する。これ以外は実施の形態１と同じである。この貯湯水送出器５１は、第２の熱媒体経路Ａ上であればいずれの場所に設けても構わないが、ここでは、バイパス経路１５に設けられている。この貯湯水送出器５１は、制御器１９により、第２の熱媒体経路Ａが形成されると起動され、給熱経路Ｂが形成されると停止される。そして、図８に示すように、制御器１９は、第２の熱媒体経路Ａが形成されると、第２の熱媒体経路Ａを流れる貯湯水の加熱器出口温度が所定値以上になるよう貯湯水送出器５１の出力を制御する。この所定値は、熱交換器７または加熱器１２により加熱され貯湯槽２の上部より貯えられる貯湯水の温度閾値として予め定められた値である。これにより、貯湯槽２の上部への戻り温度が適切に制御され、貯湯槽２における貯湯水の積層構造が適切に維持される。なお、本実施の形態における上記貯湯水送出器５１の制御を、実施の形態１に記載の過加熱制御における燃料電池１の発電量を低下させるステップＳ３３に適用しても構わない。具体的には、加熱出口温度に代えて、加熱器１２で加熱された水の温度が、所定の閾値を超え（ステップＳ３１でＮｏ）、かつバイパス弁が開いている場合（ステップＳ３２でＹｅｓ）、貯湯水送出器５１の出力を増加（出力０の場合は、出力開始）させる。そして、ステップＳ３１で水温が所定の閾値以下になるまで貯湯水送出器５１の出力が増加される。このように構成することで、加熱器１２による過加熱を回避するために、燃料電池１の発電量を低下する必要なくなるため、燃料電池の低出力化によるエネルギー効率の低下を抑制することができる。

（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３に係るコージェネレーションシステムを示すシステム構成図である。図１０は図９のコージェネレーションシステムにおける三方弁の動作モードを示す図である。

図９に示すように、本実施の形態では、実施の形態１の混合弁１４に代えて、給湯経路１１の途中に第２の給水経路１３の終端を接続するように三方弁５２が設けられている。そして、実施の形態１におけるバイパス経路１５が省略されている。また、実施の形態１における流量検出器１７が省略されてその代わりに熱負荷側弁にその開閉を検出する開閉センサ５４が設けられ、その検出出力が制御器１９に入力されている。開閉センサ５４は、本発明の熱需要検出器の一例であり、リミットスイッチ、位置センサ等で構成されている。これ以外は実施の形態１と同じである。

図１０に示すように、三方弁５２は、３つのポートａ、ｂ、ｃのうち、ポートａが第２の給水経路１３の終端に接続され、ポートｂが給湯経路１１の貯湯槽２の側に接続され、ポートｃが給湯経路１１の熱負荷の側に接続されている。そして、ポートｃをポートａとポートｂとの双方に連通するモードＡと、ポートｃをポートａ及びポートｂと遮断しポートａとポートｂとを連通するモードＢとの２つの動作モードを有している。モードＡにおいては、給湯経路１１の貯湯槽２の側と第２の給水経路１３とが、給湯経路１１の熱負荷の側に接続される。モードＢにおいては、給湯経路１１の貯湯槽２の側と第２の給水経路１３とが接続され、これらと給湯経路１１の熱負荷の側とが遮断される。

制御器１９は、開閉センサ５４により熱負荷側弁の開放を検出すると、給湯されていると判定し、開閉センサ５４により熱負荷側弁の閉止を検出すると、給湯されていないと判定する。制御器１９は、給湯されている場合には、三方弁５２の動作モードをモードＡに切り替える。これにより、給熱経路Ｂが形成される。一方、制御器１９は、給湯されていない場合には、三方弁５２の動作モードをモードＢに切り替える。これにより、第２の熱媒体経路Ａが形成される。これ以外の動作は実施の形態１と同じであるのでその説明を省略する。

このような本実施の形態によれば、バイパス経路１５及びバイパス弁を省略することができる。

（実施の形態４）
図１１は本発明の実施の形態４に係るコージェネレーションシステムを示すシステム構成図である。

図１１に示すように、本実施の形態では、実施の形態１のバイパス経路１５に代えて第３の給水経路５３が設けられている。第３の給水経路５３は、第２の給水経路１３から分岐して貯湯槽２の上部にその終端が接続されている。そして、第３の給水経路５３に開閉弁５５が設けられている。また、加熱器１２が、給湯経路１１を流れる貯湯水と第３の給水経路５３を流れる貯湯水との双方を加熱可能なように、給湯経路１１及び第３の給水経路５３上に設けられている。

制御器１９は、給湯されている場合には、開閉弁５５を閉止する。これにより、給熱経路Ｂが形成される。一方、制御器１９は、給湯されていない場合には、混合弁１４を水側に全開し、開閉弁５５を開放する。これにより、第２の熱媒体経路Ａが形成される。これ以外の動作は実施の形態１と同じであるのでその説明を省略する。

このような本実施の形態によっても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態１乃至４では、熱電併給器として燃料電池１を例示しているが、この熱電併給器は燃料電池に限らず、ガスエンジンやガスタービンを採用した装置であっても良い。

また、実施の形態１乃至４では、加熱器１２をインバータ３４の出力側に接続したが、加熱器１２をインバータ３４の出力側とインバータ３４の入力側（ＤＣ／ＤＣコンバータ３３の出力側）とに切替器を介して接続し、余剰電力が生じている場合には、切替器によりインバータ３４の入力側（ＤＣ／ＤＣコンバータ３３の出力側）から電力（直流）を加熱器１２に供給し、余剰電力が生じていない場合には、切替器によりインバータ３４の出力側から電力（交流）を加熱器１２に供給してもよい。これにより、燃料電池１の余剰電力のインバータ３４による損失が防止され、よりエネルギー効率が向上する。

また、実施の形態１，２，４では熱需要検出器として、熱負荷に供給される貯湯水の流量検出器を例示し、実施の形態３では熱需要検出器として熱負荷側弁の開閉センサを例示したが、熱需要検出器は、これらに限定されず、熱需要を検出できるものであればよい。

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く、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明のコージェネレーションシステムによれば、熱媒体送出器の制御性が改善されるとともに、別途、補助熱源を設けることなく、余剰電力及び商用電力を消費し加熱する電力消費加熱器の熱を用いて蓄熱器から熱負荷に供給される熱媒体の不足した熱を補うことが可能になり、燃料電池やガスタービンと用いたコージェネレーションシステムに有用である。

１ 燃料電池
２ 貯湯槽
３ 燃料ガス経路
４ 酸化剤ガス経路
５ 冷却水経路
６ 冷却水送出器
７ 熱交換器
８ 貯湯水経路
９ 貯湯水送出器
１０ 第１の給水経路
１１ 給湯経路
１２ 加熱器
１３ 第２の給水経路
１４ 混合弁
１５ バイパス経路
１６ バイパス弁
１７ 流量検出器
１８ 温度検出器
１９ 制御器
３１ 伝熱システム
３２ 出力制御器
３３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３４ インバータ
３５，３９ 電気配線
３６ 連係点
３７ 商用電源
３８ 電力負荷
４０ 電流検出器
５１ 貯湯水送出器
５２ 三方弁
５３ 第３の給水経路
５４ 開閉センサ
５５ 開閉弁

Claims (5)

1. 電気と熱とを発生する熱電併給器と、前記熱電併給器で発生した熱を回収した熱媒体を蓄える蓄熱器と、前記熱電併給器で発生した熱を前記熱媒体に伝熱するための熱交換器と、前記熱媒体が前記熱交換器により前記熱を伝熱されて前記蓄熱器に流入するよう構成された第１の熱媒体経路と、前記第１熱媒体経路に前記熱媒体を流す熱媒体送出器と、前記蓄熱器に蓄えられた熱媒体を熱負荷に供給するための給熱経路と、前記給熱経路を前記熱負荷に向けて流れる前記熱媒体を前記熱電併給器の余剰電力及び商用電力を消費して加熱する電力消費加熱器と、前記熱媒体が前記電力消費加熱器により加熱されて前記蓄熱器に流入するよう構成された第２の熱媒体経路と、を備え、
   前記蓄熱器より送出された前記熱媒体が前記電力消費加熱器に至るまでの前記給熱経路が、前記電力消費加熱器を通過した前記熱媒体が前記蓄熱器に至るまでの前記第２の熱媒体経路を構成する、コージェネレーションシステム。
2. 熱媒体源から前記蓄熱器に前記熱媒体を供給するための第１の熱媒体供給路と、前記第１の熱媒体供給路から分岐して前記給熱経路と接続する第２の熱媒体供給路と、前記給熱経路と前記第２の熱媒体供給路とが前記接続する部分に設けられ前記給熱経路を流れる前記熱媒体に前記第２の熱媒体供給路からの前記熱媒体を混合する混合弁と、前記第２の熱媒体経路と前記給熱経路の前記混合弁より前記蓄熱器側の部分とを接続するバイパス経路と、前記バイパス経路上に設けられたバイパス弁と、を備え、
   前記第２の熱媒体経路が、前記蓄熱器から前記第１の熱媒体供給路と前記第２の熱媒体供給路と前記バイパス経路と前記給熱経路とを通って前記蓄熱器に至る経路によって構成されている、請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
3. 前記給湯経路の前記混合弁より熱負荷側の部分に設けられ前記熱媒体の流れを検出する流量検出器と、制御器とを備え、
   前記制御器は、前記バイパス弁を、前記流量検出器により前記熱媒体の流れが検出された場合には閉じ、前記熱媒体の流れが検出されない場合には開くよう制御する、請求項２に記載のコージェネレーションシステム。
4. 熱媒体源から前記蓄熱器に前記熱媒体を供給するための第１の熱媒体供給路と、前記第１の熱媒体供給路から分岐し、前記給熱経路に接続する第２の熱媒体供給路と、前記第２の熱媒体供給路と前記給熱経路とが前記接続する部分に設けられた三方弁と、を備え、
   前記三方弁が、前記給熱経路の該三方弁より蓄熱器側の部分と第２の熱媒体供給路とを前記給熱経路の該三方弁より熱負荷側の部分に接続するモードＡと、前記給熱経路の該三方弁より蓄熱器側の部分と第２の熱媒体供給路とを接続しかつこれらと前記給熱経路の該三方弁より熱負荷側の部分とを遮断するモードＢとの２つの動作モードを有しており、
   前記給熱経路が、前記三方弁が前記モードＡに切り替わることにより形成され、前記第２の熱媒体経路が、前記三方弁が前記モードＢに切り替わることにより形成されるよう構成されている、請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
5. 前記熱負荷の熱需要を検出する熱需要検出器と、制御器とを備え、
   前記制御器は、前記三方弁を、前記熱需要検出器により前記熱需要が検出された場合には前記モードＡに切り替え、前記熱需要が検出されない場合には前記モードＢに切り替えるよう制御するように構成されている、請求項４に記載のコージェネレーションシステム。

Images