(57)【要約】【課題】インバータの発生熱を回収してシステムのエネルギー効率を一層高めることができるコージェネレーションシステムを提供すること。【解決手段】熱と電力とを発生する熱電併給装置２と、熱電併給装置２の発生熱を回収する第１熱回収装置１０と、温水を貯えるための貯湯タンク２２と、熱電併給装置２の発生電力を商用系統１４に系統連系するインバータ１２と、インバータ１２で発生した熱を回収する第２熱回収装置３８と、を具備するコージェネレーションシステム。このシステムでは、熱電併給装置２の発生熱は第１熱回収装置１０により回収され、またインバータ１２の発生熱は第２熱回収装置３８により回収され、これらの回収熱は貯湯タンク２２に温水として貯えられる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱と電力を発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置の発生熱を回収する第１熱回収装置と、熱を温水として貯えるための貯湯タンクと、前記熱電併給装置の発生電力を商用系統に系統連系するインバータと、前記インバータで発生した熱を回収する第２熱回収装置と、を備えていることを特徴とするコージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記第１熱回収装置は、前記熱電併給装置を通して冷却水を循環する第１冷却水循環流路と、前記第１冷却水循環流路を流れる冷却水と前記貯湯タンクの水との間で熱交換を行う第１熱交換器とを備え、前記第２熱回収装置は、前記インバータを通して冷却水を循環する第２冷却水循環流路と、前記第２冷却水循環流路を流れる冷却水と前記貯湯タンクの水との間で熱交換を行う第２熱交換器とを備えている請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項３】
前記熱電併給装置は、内燃機関とこの内燃機関により駆動される発電装置との組合せから構成され、前記第２熱回収装置は、前記内燃機関の吸気流路に関連して設けられた放熱手段を備え、前記インバータの発生熱が前記放熱手段から放熱され、これによって、前記吸気流路を通して前記内燃機関に送給される燃焼用空気が加熱される請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
【請求項４】
前記熱電併給装置が燃料用ガスを改質して動作する燃料電池から構成され、前記第２熱回収装置は、前記燃料電池の改質反応器又は空気極に関連して設けられた放熱手段を備え、前記インバータの発生熱が前記放熱手段から放熱され、これによって、前記改質反応器又は前記燃料電池の前記空気極側に送給される空気が加熱される請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱と電力を発生するコージェネレーションシステム、特にインバータの発生熱を回収してこれを有効に利用するようにしたコージェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、熱と電力とを発生する熱電併給装置を用いたコージェネレーションシステムが実用に供されている。熱電併給装置は、例えば、内燃機関及び発電装置の組合せから構成され、内燃機関の排熱が排熱回収装置により回収され、温水として貯湯タンクに貯えられる。また、発電装置の発生電力がインバータを介して電力負荷に送給され、この発生電力を利用して各種電気機器が作動される（例えば、特許文献１参照）。このようなコージェネレーションシステムにおいては、熱電併給装置を電力と熱の消費場所に設置することができ、これにより送電ロスなどをなくすことができ、また発電装置の発生電力に加えて、内燃機関の排熱を回収することができ、このようなことから、エネルギー効率の高いシステムとして提供することができる。
【０００３】
このようなコージェネレーションシステムに用いられるインバータは、熱を発生して高温になり易く、高温になると作動効率が低下して入力電力に対して出力電力が低下する。このようなことから、作動効率の低下を抑えるために、インバータに比較的大きな放熱器を設け、インバータの発生熱をこの放熱器から空気中へ放散したり、或いは冷却ファン等の補機を設け、インバータを強制的に冷却している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３３５６２７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のコージェネレーションシステムでは、上述したように、インバータの発生熱を大気中に放散しており、このように大気中に放散するということは、エネルギーを無駄に排出することになる。また、冷却ファンなどを用いて強制冷却すると、冷却ファンを作動させるために電力エネルギーを必要とし、コージェネレーションシステム全体のエネルギー効率が低下することになる。
【０００６】
本発明の目的は、インバータの発生熱を回収してシステムのエネルギー効率を一層高めることができるコージェネレーションシステムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載のコージェネレーションシステムは、熱と電力を発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置の発生熱を回収する第１熱回収装置と、熱を温水として貯えるための貯湯タンクと、前記熱電併給装置の発生電力を商用系統に系統連系するインバータと、前記インバータで発生した熱を回収する第２熱回収装置と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
このコージェネレーションシステムにおいては、熱電併給装置の発生熱を回収する第１熱回収装置に加えて、第２熱回収装置が設けられているので、インバータの発生熱はこの第２熱回収装置で回収され、従って、熱電併給装置及びインバータの排熱を回収してコージェネレーションシステムのエネルギー効率を高めることができる。
【０００９】
また、本発明の請求項２に記載のコージェネレーションシステムでは、前記第１熱回収装置は、前記熱電併給装置を通して冷却水を循環する第１冷却水循環流路と、前記第１冷却水循環流路を流れる冷却水と前記貯湯タンクの水との間で熱交換を行う第１熱交換器とを備え、前記第２熱回収装置は、前記インバータを通して冷却水を循環する第２冷却水循環流路と、前記第２冷却水循環流路を流れる冷却水と前記貯湯タンクの水との間で熱交換を行う第２熱交換器とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
このコージェネレーションシステムにおいては、第１熱回収装置は第１冷却水循環流路と、貯湯タンクの水との間で熱交換する第１熱交換器とを備えているので、熱電併給装置の排熱は冷却水を介して温水として貯湯タンクに貯えられる。また、第２熱回収装置は第２冷却水循環流路と、貯湯タンクの水との間で熱交換する第２熱交換器を備えているので、インバータの排熱も冷却水を介して温水として貯湯タンクに貯えることができ、コージェネレーションシステムの効率を高めることができる。尚、第２熱交換器は、貯湯タンク内に配設するようにしてもよく、或いは貯湯タンクの水を循環する循環流路に配設するようにしてもよい。
【００１１】
また、本発明の請求項３に記載のコージェネレーションシステムでは、前記熱電併給装置は、内燃機関とこの内燃機関により駆動される発電装置との組合せから構成され、前記第２熱回収装置は、前記内燃機関の吸気流路に関連して設けられた放熱手段を備え、前記インバータの発生熱が前記放熱手段から放熱され、これによって、前記吸気流路を通して前記内燃機関に送給される燃焼用空気が加熱されることを特徴とする。
【００１２】
このコージェネレーションシステムにおいては、熱電併給装置は内燃機関と発電装置との組合せから構成され、第２熱回収装置は内燃機関の吸気流路に関連して設けられた放熱手段を備えているので、インバータの排熱は放熱手段から吸気流路に放熱され、吸気流路を通して内燃機関に送給される燃焼用空気が暖められる。従って、内燃機関の燃焼効率が高められ、これによって、コージェネレーションシステムの効率を高めることができる。
【００１３】
また、本発明の請求項４に記載のコージェネレーションシステムでは、前記熱電併給装置が燃料用ガスを改質して動作する燃料電池から構成され、前記第２熱回収装置は、前記燃料電池の改質反応器又は空気極に関連して設けられた放熱手段を備え、前記インバータの発生熱が前記放熱手段から放熱され、これによって、前記改質反応器又は前記燃料電池の前記空気極側に送給される空気が加熱されることを特徴とする。
【００１４】
このコージェネレーションシステムにおいては、熱電併給装置は燃料電池から構成され、第２熱回収装置は燃料電池の改質反応器又は空気極に関連して設けられた放熱手段を備えているので、インバータの排熱は放熱手段から放熱され、これによって、改質反応器又は燃料電池の空気極に送給される空気が暖められる。従って、燃料電池の発電効率が高められ、これによって、コージェネレーションシステムの効率を高めることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に関するコージェネレーションシステムの実施形態について説明する。
第１の実施形態
図１は、第１の実施形態のコージェネレーションシステムを簡略的に示す図である。この第１の実施形態では、インバータからの排熱が温水として貯湯タンクに貯えられるように構成されている。
【００１６】
図１において、図示のコージェネレーションシステムは、熱電併給装置２と、熱電併給装置２の排熱を温水として蓄熱するための貯湯装置４とを備えている。熱電併給装置２は、ガスエンジン、ディーゼルエンジンなどの内燃機関６と、この内燃機関６によって駆動される発電装置８との組合せから構成されている。内燃機関６は稼働時に燃焼排熱を発生し、この排熱は第１排熱回収装置１０によって後述するように貯湯装置４に貯えられる。
【００１７】
熱電併給装置２は、この形態では発電装置８の出力側には系統連系用インバータ１２が設けられている。このインバータ１２は発電装置８の発電電力を商用系統１４から供給される電力と同じ電圧及び周波数に変換する。ここで商用系統１４の電力とは、例えば単相３線式１００／２００Ｖであり、配電線１６を介して電力負荷１８に電気的に接続される。この電力負荷１８とは、家庭用のテレビ、冷蔵庫、洗濯機、その他の各種電気機器であり、商用系統１４からの電力がこれら電気機器に送給される。インバータ１２はコージェネレーション用配電線２０を介して配電線１６に電気的に接続され、熱電併給装置２において発生した発電電力は、インバータ１２及びコージェネ用配電線２０を介して電力負荷１８に供給される。
【００１８】
貯湯装置４は、温水を貯えるための貯湯タンク２２と、この貯湯タンク２２を介して温水を循環させるための温水循環流路２４とを備えている。温水循環流路２４の一方端側は貯湯タンク２２の底部に接続され、他方端側は貯湯タンク２２の上部に接続され、これにより貯湯タンク２２内の水（温水）はこの温水循環流路２４を介して循環される。この温水循環流路２４には温水を循環するための温水循環ポンプ２６が設けられている。
【００１９】
貯湯タンク２２には、更に、水を供給するための水供給流路を構成する給水ライン２８及び温水を給湯するための温水出湯流路を構成する出湯ライン３０が接続されている。この給水ライン２８の一端側が貯湯タンク２２の底部に接続され、その他端側が水道管等の水供給源（図示せず）に接続されている。この給水ライン２８には、必要に応じて減圧逆止弁が配置され、これにより、貯湯タンク２２から給水ライン２８側に温水が逆流するのを防止する。また、給湯ライン３０の一端側は貯湯タンク２２の上部に接続され、その他端側には１個又は複数個のカラン（図示せず）が接続されており、カランを開栓すると、貯湯タンク２２内の温水が給湯ライン３０を通して供給される。
【００２０】
次に、内燃機関６の排熱を回収する第１排熱回収装置１０について説明すると、図示の第１排熱回収装置１０は、内燃機関６を通して冷却水を循環する第１冷却水循環流路３２と、貯湯タンク２２の水（温水）との間で熱交換を行うための第１熱交換器３４とを備えている。第１熱交換器３４は貯湯装置４の温水循環流路２４に配設され、この第１交換器３４に冷却水循環流路３２が接続されている。内燃機関６を冷却するための冷却水は、第１冷却水循環流路３２を通して内燃機関６及び第１熱交換器３４を循環し、第１熱交換器３４において、第１冷却水循環流路３２を流れる冷却水と貯湯装置４の温水循環流路２４を流れる水（温水）との間で熱交換が行われる。この第１冷却水循環流路３２には、冷却水を循環させるための第１循環ポンプ３６が配設されている。
【００２１】
また、インバータ１２には、その排熱を回収するための第２排熱回収装置３８が配設されている。図示の第２排熱回収装置３８は、インバータ１２を通して冷却水を循環する第２冷却水循環流路４０と、貯湯タンク２２の水（温水）との間で熱交換を行うための第２熱交換器４２とを備えている。第２熱交換器４２は貯湯装置４の温水循環流路２４に配設され、この第２熱交換器４２に第２冷却水循環流路４０が接続されている。インバータ１２を冷却するための冷却水は、第２冷却水循環流路４０を通してインバータ１２及び第２熱交換器４２を循環し、第２熱交換器４２において、第２冷却水循環流路４０を流れる冷却水と温水循環流路２４を流れる水（温水）との間で熱交換が行われる。この第２冷却水循環流路４０には、冷却水を循環させるための第２循環ポンプ４４が配設される。尚、この第２熱交換器４２は、温水循環流路２４における第１熱交換器３４の配設部位よりも上流側に配設され、温水循環流路２４を流れる水は、第２熱交換器４２を流れた後に第１熱交換器３４を流れる。
【００２２】
このコージェネレーションシステムにおいては、熱電併給装置２が稼働して内燃機関６の排熱により冷却水の温度が上昇すると、冷却水が第１冷却水循環流路３２を通して循環され、第１熱交換器３４にてこの冷却水と温水循環流路２４を流れる水（温水）との間で熱交換され、これによって、内燃機関６の排熱が貯湯タンク２２に温水として貯えられる。また、インバータ１２の排熱により冷却水の温度が上昇すると、冷却水が第２冷却水循環流路４０を通して循環され、第２熱交換器４２にてこの冷却水と温水循環流路２４を流れる水（温水）との間で熱交換され、これによって、インバータ１２の排熱も貯湯タンク２２に温水として貯えられる。従って、内燃機関６及びインバータ１２の排熱を温水として回収することができ、コージェネレーションシステムのエネルギー効率を高めることができる。
【００２３】
尚、この実施形態では、第２熱回収装置３８の第２熱交換器４２を温水循環流路２４に配設しているが、このような構成に代えて、貯湯タンク２２内に配設して貯湯タンク２２内の水との間で熱交換するように構成することもできる。或いは、インバータ１２の放熱部が第２熱交換器を兼ねるように構成し、温水循環流路２４を流れる水（温水）が直接的にインバータ１２を通して流れ、温水循環流路２４の水との間で直接熱交換を行って加熱するようにしてもよい。
【００２４】
第２の実施形態
次に、図２を参照して、第２の実施形態のコージェネレーションシステムについて説明する。図２は、第２の実施形態のコージェネレーションシステムの一部を簡略的に示す図である。尚、以下の実施形態において、第１の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
【００２５】
図２において、図示のコージェネレーションシステムの熱電併給装置２Ａは、第１の実施形態と同様に、内燃機関６Ａと発電装置８の組合せから構成され、内燃機関６Ａの排熱が第１熱回収装置１０によって貯湯装置４の貯湯タンク２２に温水として貯えられるように構成されている。
【００２６】
この第２の実施形態では、インバータ１２の排熱により内燃機関６Ａの燃焼用空気が加熱されるように構成され、このことに関連して、次の通り構成されている。内燃機関６Ａの吸気側には、吸気流路５２を規定する吸気管５４が接続され、この吸気流路５２の上流端側にはエアクリーナ５８が設けられている。また、その排気側には、排気流路６０を規定する排気管６２が接続されている。従って、エアクリーナ５８から吸気流路５２を通して燃焼用空気が内燃機関６Ａに送給され、内燃機関６Ａに供給される燃料による燃焼エネルギーにより内燃機関６Ａが運転され、内燃機関６Ａからの燃焼排ガスが排気流路６０を通して排出される。
【００２７】
この第２の実施形態では、インバータ１２の排熱を回収する第２排熱回収装置３８Ａが、熱を放熱する放熱手段６４を備えている。インバータ１２は回路ハウジング６６内に収容され、この回路ハウジング６６の周囲に、放熱手段６４を構成する放熱フィン６８が多数設けられている。第２排熱回収装置３８Ａは、更に、熱回収ハウジング７０を含み、この熱回収ハウジング７０内に回路ハウジング６６が内蔵されている。熱回収ハウジング７０は吸気流路５２に配設され、その一端側に吸気流路５２の上流側部が連通され、その他端側に吸気流路５２の下流側部が連通され、エアクリーナ５８を通して吸入された空気は、吸気流路５２の上流側部、熱回収ハウジング７０の内部及び吸気流路の下流側部を通して内燃機関６Ａに吸入される。第２の実施形態のその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。
【００２８】
このコージェネレーションシステムにおいては、インバータ１２からの熱（排熱）が放熱フィン６８を介して熱回収ハウジング７０内へ放熱され、この放熱によって吸気流路５２を流れる燃焼用空気が温められる。従って、内燃機関６Ａに送給される燃焼用空気が、インバータ１２からの回収熱により加熱され、これによって、内燃機関６Ａの燃焼効率が向上し、コージェネレーションシステムの運転効率を高めることができる。
【００２９】
第３の実施形態
次に、図３を参照して、第３の実施形態のコージェネレーションシステムについて説明する。図３は、第３の実施形態のコージェネレーションシステムの一部を簡略的に示す図である。
【００３０】
図３において、図示のコージェネレーションシステムの熱電併給装置２Ｂは、燃料電池７２から構成され、図示していないが、燃料電池７２の排熱が、第１及び第２の実施形態と同様にして貯湯装置の貯湯タンクに温水として貯えられるように構成されている。
【００３１】
この第３の実施形態では、インバータ１２の排熱により燃料電池７２の空気極側７４に送給される空気が加熱されるように構成され、このことに関連して、次の通り構成されている。
【００３２】
まず、燃料電池７２及びこれに関連する構成について概説すると、燃料電池７２としては、例えば固体酸化物形燃料電池が用いられ、この固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオンを伝導する固体電解質の両側に燃料ガス及び空気中の酸素をそれぞれ酸化、還元する機能を有する電極を取り付けたものである。固体電解質の材料としては一般にはイットリアをドープしたジルコニアが用いられ、７００℃から１０００℃の高温で、燃料ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化剤ガス中の酸素とを電気化学反応させて発電するものである。
【００３３】
このような燃料電池７２では、原燃料ガスとして天然ガス、ＬＰガスなどが使用され、原燃料用ガスがガス供給源７３から供給される。ガス供給源７３からの原燃料ガスは脱硫装置７６に送給され、この脱硫装置７６にて脱硫される。脱硫された原燃料ガスは燃料エゼクタ７８に送給され、その原燃料ガスと燃料電池７２にて燃料電池発電反応を行なった後の高温の反応燃焼ガスとが燃料エゼクタ７８にて混合される。混合された混合燃料ガス（原燃料ガスと反応燃料ガスとの混合燃料ガス）は断熱改質反応器８０に送給され、この断熱改質反応器８０にてその一部が改質反応され、改質された後の混合燃料ガスが燃料電池７２の燃料極側８２に供給される。燃料電池７２においては、燃料極側８２に供給された混合燃料ガスと空気極側７４に供給された空気（酸素が利用される）との燃料電池反応により発電が行なわれる。また、このとき、燃料電池７２内で炭化水素の改質反応も同時に行なわれる。そして、燃料電池発電反応した反応燃焼ガスの一部が燃料エグゼタ７８に送給されるとともに、その残部が燃焼装置８４に送給されて燃焼され、燃焼による燃焼ガスが再生器８６を通して排出される。
【００３４】
この燃料電池７２の空気極側７４には空気が送給される。空気ブロア８８からの空気は再生器８６に送給され、その後燃料電池７２の空気極側７４内に配設された高温熱交換器９０を通して空気極側７４に送給され、更に空気極側７４を通って燃焼装置８４に送給され、燃焼用空気として用いられる。再生器８６においては、燃焼装置８４からの燃焼ガスと空気ブロア８８からの空気との間で熱交換されてこの空気が加熱され、また高温熱交換器９０においては、燃料電池７２の空気極側７４の空気と再生器８６からの空気との間で熱交換が行われてこの空気が更に高温に加熱される。
【００３５】
この第３の実施形態では、インバータ１２の排熱を回収する第２排熱回収装置３８Ｂが、第２の実施形態と同様の構成の放熱手段６４を備えている。インバータ１２は、周囲に放熱フィン６８が設けられた回路ハウジング６６内に収容され、この回路ハウジング６６が熱回収ハウジング７０に内蔵され、この熱回収ハウジング７０が空気ブロア８８と再生器８６との間に配設され、空気ブロア８８からの空気は熱回収ハウジング７０内を通って再生器８６に送給される。第３の実施形態のその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。
【００３６】
このコージェネレーションシステムにおいては、インバータ１２からの熱（排熱）が放熱フィン６８を介して熱回収ハウジング７０内へ放熱され、この放熱によって空気ブロア８８から再生器８６に送給される空気が温められる。従って、燃料電池７２の空気極側７４に送給される空気が、インバータ１２からの回収熱により加熱され、これによって、燃料電池７２の発電効率が高められ、コージェネレーションシステムの運転効率を高めることができる。
【００３７】
第３の実施形態では、インバータ１２の発生熱（排熱）を回収して、燃料電池７２の空気極側７４に送給される空気を温めているが、このような構成に代えて、次のように構成することができる。即ち、断熱改質反応器に空気を送給する空気送給流路にインバータ１２の発生熱を回収する第２熱回収装置３８Ｂを設け、インバータ８２の発生熱を利用して断熱改質反応器８０に送給される燃焼用空気を加熱するようにしてもよい。
【００３８】
また、第３の実施形態では、燃料電池７２として固体酸化物形燃料電池を用いているが、その他の形態の燃料電池、例えばリン酸形燃料電池などを用いるようにしてもよい。
【００３９】
以上、本発明に従うコージェネレーションシステムの実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく様々の変形乃至修正が可能である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載のコージェネレーションシステムによれば、インバータの熱を回収する第２熱回収装置が設けられているので、インバータの発生熱はこの第２熱回収装置で回収され、従って、熱電併給装置の発生熱に加えてインバータの排熱を回収してコージェネレーションシステムのエネルギー効率を高めることができる。
【００４１】
また、本発明の請求項２に記載のコージェネレーションシステムによれば、第２熱回収装置は第２冷却水循環流路と、貯湯タンクの水との間で熱交換する第２熱交換器を備えているので、インバータの排熱は冷却水を介して、熱電併給装置の排熱を温水として貯える貯湯タンクに貯えられ、コージェネレーションシステムの排熱の回収効率を高めることができる。
【００４２】
また、本発明の請求項３に記載のコージェネレーションシステムによれば、インバータの発生熱が放熱手段から内燃機関に吸気流路に放熱されるので、吸気流路を通して内燃機関に送給される燃焼用空気が温められ、これによって、内燃機関の燃焼効率を高めることができる。
【００４３】
また、本発明の請求項４に記載のコージェネレーションシステムによれば、インバータの発生熱が放熱手段から放熱されるので、改質反応器又は燃料電池の空気極に送給される空気が温められ、これによって、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従うコージェネレーションシステムの第１の実施形態を簡略的に示す図である。
【図２】本発明に従うコージェネレーションシステムの第２の実施形態の一部を簡略的に示す図である。
【図３】本発明に従うコージェネレーションシステムの第３の実施形態の一部を簡略的に示す図である。
【符号の説明】
２，２Ａ，２Ｂ  熱電併給装置
４  貯湯装置
６，６Ａ  内燃機関
８  発電装置
１０  第１熱回収装置
１２  インバータ
１４  商用系統
１６  電力負荷
２２  貯湯タンク
２４  温水循環流路
３２  第１冷却水循環流路
３４  第１熱交換器
３８，３８Ａ，３８Ｂ  第２熱回収装置
４０  第２冷却水循環流路
４２  第２熱交換器
５２  吸気流路
６４  放熱手段
７０  熱回収ハウジング
７２  燃料電池
７４  空気極側
８２  燃料極側
８０  断熱改質反応器
８６  再生器
８８  空気ブロア
【図１】
2005016363.tif 000003
【図２】
2005016363.tif 000004
【図３】
2005016363.tif 000005