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技術 熱電併給システム

出願人 大阪瓦斯株式会社
発明者 桝本幸嗣田中雅士小山義彦渡邉真吾濱走正美指原和秀
出願日 2016年3月30日 (5年7ヶ月経過) 出願番号 2016-067330
公開日 2017年10月5日 (4年1ヶ月経過) 公開番号 2017-184424
状態 特許登録済
技術分野 交流の給配電 燃料電池(本体)
主要キーワード 熱消費装置 交流線 オンオフ回数 熱負荷装置 蒸気生成器 目標波形 電気プラグ 余剰電力消費
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

蓄熱装置の満蓄状態の発生を抑制できる熱電併給システムを提供する。

解決手段

熱電併給システムが備える制御装置Cは、熱電併給部12の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされないと判定したとき、所定のタイミングで複数の半導体素子スイッチングを行うことで、電力変換部11による電力変換を行わせる通常損失運転を行わせ、電力過剰条件が満たされると判定したとき、通常損失運転が行われるときよりも電力変換部11での損失が大きくなるタイミングで複数の半導体素子のスイッチングを行うことで、電力変換部11による電力変換を行わせる大損失運転を行わせる。

概要

背景

特許文献1には、熱と電気とを併せて発生させる熱電併給装置と、蓄熱装置と、熱電併給装置の出力電力消費可能な電気ヒーター装置とを備える熱電併給システムが記載されている。熱電併給装置で発生した電気は電力消費装置に供給され、熱電併給装置で発生した熱は蓄熱装置に蓄えられる、或いは、熱消費装置に供給される。

熱に関して説明すると、熱電併給装置と蓄熱装置との間で熱媒循環させて、その熱媒によって熱電併給装置から回収した熱を蓄熱装置で蓄えるという方式が採用される。つまり、その場合の熱媒は、熱電併給装置から熱を回収する役割と、熱電併給装置を冷却する役割とを担っている。従って、蓄熱装置で既に蓄えられている熱量が多くなると、熱電併給装置へと供給される熱媒の温度が高くなる。そして、熱電併給装置へ供給する熱媒の温度が高くなると、熱電併給装置を十分に冷却できないという問題が生じる。そのため、蓄熱装置の蓄熱量が多くなり過ぎると、熱電併給装置の運転を停止しなければならないという問題が生じる。

概要

蓄熱装置の満蓄状態の発生を抑制できる熱電併給システムを提供する。熱電併給システムが備える制御装置Cは、熱電併給部12の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされないと判定したとき、所定のタイミングで複数の半導体素子スイッチングを行うことで、電力変換部11による電力変換を行わせる通常損失運転を行わせ、電力過剰条件が満たされると判定したとき、通常損失運転が行われるときよりも電力変換部11での損失が大きくなるタイミングで複数の半導体素子のスイッチングを行うことで、電力変換部11による電力変換を行わせる大損失運転を行わせる。

目的

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、蓄熱装置の満蓄状態の発生を抑制できる熱電併給システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

熱と電気とを併せて発生させる熱電併給部、及び、複数の半導体素子スイッチングにより前記熱電併給部の発電電力を所望の電力に変換して出力する電力変換部を有する熱電併給装置と、蓄熱装置と、前記熱電併給装置の出力電力消費可能な電気ヒーター装置と、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記熱電併給装置を運転しているとき、前記熱電併給装置と前記蓄熱装置との間で熱媒循環させながら、前記熱電併給装置で発生された熱の回収と、前記蓄熱装置への蓄熱とを行わせ、前記熱電併給装置の電力系統への連系運転時には電力消費装置に対して前記電力系統及び前記熱電併給装置の少なくとも何れか一方から電力を供給し、前記熱電併給装置の自立運転時には前記電力消費装置に対して前記熱電併給装置から電力を供給し、前記熱電併給装置の出力電力のうちの余剰電力を前記電気ヒーター装置で消費させて、当該電気ヒーター装置で発生する熱を前記熱媒に伝達して前記蓄熱装置に蓄えさせる熱電併給システムであって、前記制御装置は、前記熱電併給部の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされないと判定したとき、所定のタイミングで前記複数の半導体素子のスイッチングを行うことで、前記電力変換部による電力変換を行わせる通常損失運転を行わせ、前記電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記通常損失運転が行われるときよりも前記電力変換部での損失が大きくなるタイミングで前記複数の半導体素子のスイッチングを行うことで、前記電力変換部による電力変換を行わせる大損失運転を行わせる熱電併給システム。

請求項2

前記制御装置は、前記通常損失運転が行われたときの前記熱電併給装置の出力電力に余剰が発生するとき、前記電力過剰条件が満たされると判定し、前記通常損失運転が行われたときの前記熱電併給装置の出力電力に余剰が発生しないとき、前記電力過剰条件が満たされないと判定する請求項1に記載の熱電併給システム。

請求項3

前記電力変換部の温度を調節する温度調節部を備え、前記制御装置は、前記電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記電力変換部の温度が、前記電力過剰条件が満たされないと判定したときよりも高い温度になるように前記温度調節部を動作させる請求項1又は2に記載の熱電併給システム。

請求項4

前記熱電併給部で発電された電力を消費可能な消費部を備え、前記制御装置は、前記電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記消費部での消費電力を上昇させる請求項1〜3の何れか一項に記載の熱電併給システム。

技術分野

0001

本発明は、熱と電気とを併せて発生させる熱電併給部及び電力変換部を有する熱電併給装置と、蓄熱装置と、熱電併給装置の出力電力消費可能な電気ヒーター装置とを備える熱電併給システムに関する。

背景技術

0002

特許文献1には、熱と電気とを併せて発生させる熱電併給装置と、蓄熱装置と、熱電併給装置の出力電力を消費可能な電気ヒーター装置とを備える熱電併給システムが記載されている。熱電併給装置で発生した電気は電力消費装置に供給され、熱電併給装置で発生した熱は蓄熱装置に蓄えられる、或いは、熱消費装置に供給される。

0003

熱に関して説明すると、熱電併給装置と蓄熱装置との間で熱媒循環させて、その熱媒によって熱電併給装置から回収した熱を蓄熱装置で蓄えるという方式が採用される。つまり、その場合の熱媒は、熱電併給装置から熱を回収する役割と、熱電併給装置を冷却する役割とを担っている。従って、蓄熱装置で既に蓄えられている熱量が多くなると、熱電併給装置へと供給される熱媒の温度が高くなる。そして、熱電併給装置へ供給する熱媒の温度が高くなると、熱電併給装置を十分に冷却できないという問題が生じる。そのため、蓄熱装置の蓄熱量が多くなり過ぎると、熱電併給装置の運転を停止しなければならないという問題が生じる。

先行技術

0004

特開2015−073367号公報(段落0060、図6など)

発明が解決しようとする課題

0005

熱電併給装置は出力が大きい方が運転メリットは大きくなるため、可能ならば大きな出力で運転させることが好ましい。熱電併給装置で発生する熱量が多くなると、熱媒によって回収されて蓄熱装置に新たに蓄えられる熱量も増える。また、発生する電力が大きくなると、電力消費装置で消費できなかった余剰電力が発生することもある。その場合、電気ヒーター装置で消費して、その熱を蓄熱装置に新たに蓄えることになる。そして、蓄熱装置に蓄えられている熱量が増え過ぎて上限値に達すると(即ち、満蓄状態になると)、熱電併給装置の運転を停止せざるを得なくなるという問題が生じる。

0006

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、蓄熱装置の満蓄状態の発生を抑制できる熱電併給システムを提供する点にある。

課題を解決するための手段

0007

上記目的を達成するための本発明に係る熱電併給システムの特徴構成は、熱と電気とを併せて発生させる熱電併給部、及び、複数の半導体素子スイッチングにより前記熱電併給部の発電電力を所望の電力に変換して出力する電力変換部を有する熱電併給装置と、蓄熱装置と、前記熱電併給装置の出力電力を消費可能な電気ヒーター装置と、制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記熱電併給装置を運転しているとき、前記熱電併給装置と前記蓄熱装置との間で熱媒を循環させながら、前記熱電併給装置で発生された熱の回収と、前記蓄熱装置への蓄熱とを行わせ、
前記熱電併給装置の電力系統への連系運転時には電力消費装置に対して前記電力系統及び前記熱電併給装置の少なくとも何れか一方から電力を供給し、前記熱電併給装置の自立運転時には前記電力消費装置に対して前記熱電併給装置から電力を供給し、
前記熱電併給装置の出力電力が前記電力消費装置の消費電力よりも大きくなるときに生じる余剰電力を前記電気ヒーター装置で消費させて、当該電気ヒーター装置で発生する熱を前記熱媒に伝達して前記蓄熱装置に蓄えさせる熱電併給システムであって、
前記制御装置は、
前記熱電併給部の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされないと判定したとき、所定のタイミングで前記複数の半導体素子のスイッチングを行うことで、前記電力変換部による電力変換を行わせる通常損失運転を行わせ、
前記電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記通常損失運転が行われるときよりも前記電力変換部での損失が大きくなるタイミングで前記複数の半導体素子のスイッチングを行うことで、前記電力変換部による電力変換を行わせる大損失運転を行わせる点にある。

0008

上記特徴構成によれば、制御装置は、熱電併給部の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされると判定したとき、通常損失運転が行われるときよりも電力変換部での損失が大きくなるタイミングで複数の半導体素子のスイッチングを行う大損失運転により、電力変換部で消費される電力を相対的に大きくする。これに対して、制御装置は、熱電併給部の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされないと判定したとき、所定のタイミングで複数の半導体素子のスイッチングを行う通常損失運転により、電力変換部で消費される電力を相対的に小さくする。つまり、熱電併給装置が有する熱電併給部の発電電力が同じであっても、熱電併給装置の出力電力(即ち、電力変換部による電力変換後の出力電力)は、大損失運転が行われたときの方が、通常損失運転が行われたときよりも小さくなる。このように、制御装置は、熱電併給装置から出力される出力電力の大きさを、その熱電併給装置の内部の電力変換部によって減少させることで、熱電併給装置の出力電力の少なくとも一部を消費するため電気ヒーター装置の消費電力、即ち、電気ヒーター装置での発熱量を少なくすることができる。その結果、蓄熱装置に蓄える熱量が増え過ぎることを回避できる。
従って、蓄熱装置の満蓄の発生を抑制できる熱電併給システムを提供できる。

0009

本発明に係る熱電併給システムの別の特徴構成は、前記制御装置は、前記通常損失運転が行われたときの前記熱電併給装置の出力電力に余剰が発生するとき、前記電力過剰条件が満たされると判定し、前記通常損失運転が行われたときの前記熱電併給装置の出力電力に余剰が発生しないとき、前記電力過剰条件が満たされないと判定する点にある。

0010

上記特徴構成によれば、通常損失運転が行われたときの熱電併給装置の出力電力に余剰が発生するとき、熱電併給装置が有する電力変換部での損失が大きくなるような大損失運転が行われる。つまり、通常損失運転が行われたときの熱電併給装置の出力電力に余剰が発生するとしても、大損失運転を行って電力変換部での損失を大きくすることで、熱電併給装置の出力電力を減少させることができる。

0011

本発明に係る熱電併給システムの更に別の特徴構成は、前記電力変換部の温度を調節する温度調節部を備え、前記制御装置は、前記電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記電力変換部の温度が、前記電力過剰条件が満たされないと判定したときよりも高い温度になるように前記温度調節部を動作させる点にある。

0012

上記特徴構成によれば、制御装置は、電力過剰条件が満たされると判定したときの電力変換部の温度を、電力過剰条件が満たされないと判定したときよりも高い温度になるように温度調節部を動作させる。つまり、電力過剰条件が満たされるときの電力変換部の電気抵抗が大きくなるので、電力変換部での損失を大きくすることができる。

0013

本発明に係る熱電併給システムの更に別の特徴構成は、前記熱電併給部で発電された電力を消費可能な消費部を備え、前記制御装置は、前記電力過剰条件が満たされると判定したとき、前記消費部での消費電力を上昇させる点にある。

0014

上記特徴構成によれば、制御装置は、電力過剰条件が満たされると判定したとき、消費部での消費電力を上昇させることで、熱電併給装置の出力電力に余剰を発生させ難くできる。つまり、電気ヒーター装置での消費電力を小さくすることができる。

図面の簡単な説明

0015

熱電併給システムの構成を示す図である。
電力変換部の構成を示す図である。
発電ユニット及び排熱回収ユニットの構成を示す図である。
電力変換部の出力波形例を示す図である。
電力変換部の出力波形例を示す図である。
電力変換部の出力波形例を示す図である。

実施例

0016

<第1実施形態>
以下に図面を参照して本発明の第1実施形態に係る熱電併給システムについて説明する。
図1は、熱電併給システムの構成を示す図である。図2は、電力変換部の構成を示す図である。図3は、発電ユニット及び排熱回収ユニットの構成を示す図である。図示するように、熱電併給システムは、発電ユニット10(本発明の熱電併給装置の一例)と、蓄熱装置21と、余剰電力消費ヒーター22(本発明の電気ヒーター装置の一例)と、制御装置Cとを備える。発電ユニット10は、熱と電気とを併せて発生させる燃料電池部12(本発明の熱電併給部の一例)、及び、複数の半導体素子のスイッチングにより燃料電池部12の発電電力を所望の電力(例えば、所望の電圧周波数位相など)に変換して出力する電力変換部11を有する。

0017

〔発電ユニット〕
本実施形態において、熱電併給部としての燃料電池部12は、水素などの燃料ガスが供給される燃料極33と酸素が供給される空気極32とを有するセル複数個積層されたセルスタックを有して構成される。燃料電池部12は、固体高分子形のセルや固体酸化物形のセルなど、様々なタイプのセルを用いて構成することができる。また、本実施形態の発電ユニット10は、燃料電池部12に対して、炭化水素等の水蒸気改質によって生成した燃料ガス(水素等)を供給するための燃料改質部13を併せて備えている。

0018

燃料電池部12の発電電力は、インバータを有する、或いは、コンバータ及びインバータ等を有する電力変換部11を介して連系電力線4及び自立電力線5の何れか一方に出力される。尚、以下の説明では、燃料電池部12から出力される電力のことを発電電力と記載し、発電ユニット10から出力される電力のことを出力電力と記載する。電力変換部11から連系電力線4に出力電力が供給されている状態は、発電ユニット10が連系運転を行っている状態であると言える。これに対して、電力変換部11から自立電力線5に出力電力が供給されている状態は、発電ユニット10が自立運転を行っている状態であると言える。また、連系電力線4は、電力系統1に接続される交流線2に対して接続され、その交流線2は切替スイッチ6に接続されている。自立電力線5は切替スイッチ6に対して上記交流線2とは別に接続されている。切替スイッチ6は、排熱回収ユニット20にとっての電力供給元を、交流線2を介して供給される電力、及び、自立電力線5を介して供給される電力の何れかに切り替えるように動作する。この切替スイッチ6の動作は、制御装置Cによって制御されてもよいし、発電ユニット10からの電力供給先の変更(即ち、自立電力線5を介した電力供給の有無)に応じて自動的に切替スイッチ6が動作するような構成であってもよい。

0019

図2に示すように、電力変換部11は、スイッチング回路部11aと平滑化回路部11bとを有する。制御装置Cは、スイッチング回路部11aが有するスイッチング素子オンタイミング及びオフタイミングを制御して、平滑化回路部11bへ出力される矩形波波形を調節する。平滑化回路部11bでは、スイッチング回路部11aで得られた矩形波が平滑化されて、目標波形に近い波形の電力が得られる。

0020

制御装置Cは、電力系統1から交流線2への電力供給が正常に行われる正常状態になると交流線2に発電ユニット10の出力電力を供給する連系運転を行い、電力系統1から交流線2への電力供給が正常に行われない異常状態になると電力系統1から電気的に切り離された自立電力線5に発電ユニット10の出力電力を供給する自立運転を行うように構成されている。本実施形態では、制御装置Cは、電力系統1から交流線2への電力供給が正常に行われる正常状態であるか、或いは、電力系統1から交流線2への電力供給が正常に行われない異常状態であるかを、例えば、計器用変圧器VTで検出される交流線2の電圧を参照して判定する。つまり、制御装置Cは、検出された電圧値設定下限電圧以上であれば電力系統1から交流線2への電力供給が正常に行われている正常状態であると判定し、検出された電圧値が設定下限電圧未満であれば電力系統1から交流線2への電力供給が正常に行われていない異常状態であると判定する。

0021

このようにして、制御装置Cは、発電ユニット10の電力系統1への連系運転時には電力消費装置に対して電力系統1及び発電ユニット10の少なくとも何れか一方から電力を供給し、発電ユニット10の自立運転時には電力消費装置に対して発電ユニット10から電力を供給する。連系運転時における上記電力消費装置には、交流線2に接続されている一般電力負荷装置3と排熱回収ユニット20とが含まれる。これに対して、自立運転時における上記電力消費装置には、自立負荷装置9と排熱回収ユニット20とが含まれる。

0022

尚、発電ユニット10の出力電力が自立電力線5に供給されている自立運転時において、自立運転の一形態としての発電ユニット10のアイドリング運転が行われることもある。具体的には、制御装置Cは、発電ユニット10の出力電力を自立電力線5に供給させている状態において、計器用変流器CT2で計測される電力消費装置(自立負荷装置9及び排熱回収ユニット20)の消費電力が、発電ユニット10の出力電力よりも大きくなると、開閉器16を一時的に開放させて、自立負荷装置9への電力供給を一時的に停止させるようなアイドリング運転を行うこともある。

0023

〔排熱回収ユニット〕
排熱回収ユニット20は、発電ユニット10からの排熱を回収するように構成されている。例えば、排熱回収ユニット20は、発電ユニット10の燃料電池部12を運転しているとき、発電ユニット10と蓄熱装置21との間で熱媒としての湯水を循環させながら、発電ユニット10で発生された熱の回収と、貯湯タンク21(本発明の蓄熱装置の一例)への蓄熱とを行わせるように構成されている。そのため、排熱回収ユニット20は、熱を蓄えるための貯湯タンク21、及び、冷却水やその冷却水と熱交換する熱媒の循環路や、その熱媒の循環路の途中に設けられて熱媒を流動させるための電動式ポンプ及び電磁弁などの付属機器23で構成される。従って、排熱回収ユニット20では、燃料電池部12のセルスタックを冷却するために、発電ユニット10の連系運転が行われている間及び自立運転が行なわれている間の何れにおいても、排熱を回収する運転を行う必要があり、その結果として上記付属機器23において電力が消費されることになる。排熱回収ユニット20への電力供給は、切替スイッチ6に接続される内部電力線17を介して行われる。

0024

図1に示すシステムでは、一般電力負荷装置3及び自立負荷装置9を記載している。一般電力負荷装置3は、電力系統1と接続される交流線2に対して電気的に接続されている。従って、一般電力負荷装置3は、電力系統1から交流線2への電力供給が正常に行われる正常状態においては電力の供給を受けることができるが、電力系統1から交流線2への電力供給が正常に行われていない異常状態においては電力の供給を受けることができない。従って、本実施形態で言う一般電力負荷装置3は、異常状態において電力の供給を受ける必要性が低い装置(例えば、一部の照明装置など)である。

0025

これに対して、自立負荷装置9は、後述するように、電力系統1から交流線2への電力供給が正常に行われない異常状態において発電ユニット10から電力の供給を受けることができる。自立負荷装置9に電力が供給されるのは、自立電力線5を経由して電気コンセント7に対して電力が供給され、且つ、電気コンセント7に対して電気プラグ8が接続されているときである。自立負荷装置9は、使用者が電力系統1から交流線2への電力供給が正常に行われない異常状態においても利用したいと考える重要度の高い装置(例えば、一部の照明機器冷蔵庫など)である。

0026

図3は、発電ユニット10及び排熱回収ユニット20の構成を示す図である。
発電ユニット10の主要な構成部分として、燃料改質部13と燃料電池部12とがある。
燃料改質部13では、原燃料流路L1を通って改質器30へ原燃料が供給され、改質器30で生成された改質ガス改質ガス流路L2を通って燃料電池部12の燃料極33に供給される。燃料電池部12の空気極32には、発電用空気流路L8を通って酸素(空気)が供給される。そして、燃料電池部12で発電が行われる。
空気極32に供給する酸素の量は、制御装置CがブロアB2の動作を制御することで調節される。

0027

燃料電池部12は電解質膜(図示せず)を燃料極33及び空気極32で挟んで構成されるセルを複数積層して備える。尚、図3中では簡略化のため単一のセルのみを記載している。また、燃料電池部12は、発電時に発生する熱を回収することで燃料電池部12を冷却する冷却部34を備える。本実施形態では水冷式の冷却部34を設けている。具体的には、この冷却部34には後述する電池冷却水流路L6を循環する水(以下、「回収水」と記載する)が供給されて、燃料電池部12の冷却が行われる。冷却部34を通過することで温度が上昇した回収水は、電池冷却水流路L6の途中に設けられた排熱回収用熱交換器38に流入する。詳細は後述するが、この排熱回収用熱交換器38において、回収水は、排熱回収流路L10を流れる湯水と熱交換して燃料電池部12から回収した排熱をその湯水に渡す。湯水は、蓄熱装置としての貯湯タンク21に貯えられ、そこで蓄熱が行われる。
冷却部34を流れる回収水の量は、制御装置CがポンプP4の動作を制御することで調節される。

0028

改質器30には、炭化水素を含む原燃料(例えば、メタンを含む都市ガスなど)が供給される。また、蒸気生成器41には、後述する電池冷却水タンク35で貯えられる回収水が改質用水流路L13を通ってポンプP6によって供給され、そして、改質器30には、蒸気生成器41で生成された水蒸気が改質用水流路L13を通って供給される。改質器30は、併設される燃焼室31から与えられる燃焼熱を利用して、原燃料の水蒸気改質を行う。改質器30での水蒸気改質により得られた水素を主成分とする燃料ガスは、改質ガス流路L2を介して燃料極33に供給される。
改質器30に供給する原燃料の量は、制御装置CがブロアB3の動作を制御することで調節され、及び、改質器30に供給する水蒸気の量は、制御装置CがポンプP6の動作を制御することで調節され、それにより燃料極33に供給される改質ガスの量が調節される。

0029

燃料極33では、供給された全ての燃料ガスが発電反応で消費される訳ではない。そのため、燃料極33から排出される燃料極排ガスの中には水素等の燃料ガスの成分が残存している。そこで、燃焼室31での燃焼用ガスとして、燃料極排ガスを利用している。具体的には、燃料極33から燃焼室31へ、燃料極排ガス流路L3を介して燃料極排ガスを供給する。また、燃焼室31での燃焼に利用される酸素が、燃焼用空気流路L9を通って燃焼室31に供給される。そして、燃焼室31で燃焼された後の燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路L4を介して外部に排出される。空気極32で利用された後の空気極排ガスは、空気極排ガス流路L5を通って排出される。
燃焼室31に供給する空気の量は、制御装置CがブロアB1の動作を制御することで調節される。

0030

燃焼排ガス及び空気極排ガスには水分が含まれている。そのため、その水分を回収する目的で、燃焼排ガス流路L4及び空気極排ガス流路L5を複合熱交換器39の部分で合流させ、且つ、燃焼排ガス及び空気極排ガスを冷却するための排熱回収流路L10を複合熱交換器39に通している。つまり、燃焼排ガス及び空気極排ガスに含まれる水分が、排熱回収流路L10を流れる湯水によって複合熱交換器39で冷却されて凝縮し、その凝縮水が回収水として回収水タンク36へと回収される。

0031

このように、回収水タンク36に貯えられている回収水は、燃料極排ガス中に含まれていた水分や、燃焼排ガス中に含まれていた水分が混入しているため、電解質や水に溶解しない不純物などを含んでいることが想定される。そのため、回収水が、回収水流路L7の途中に設けられるイオン交換樹脂37によって処理されるように構成してある。イオン交換樹脂37で処理された後の回収水は、電池冷却水タンク35で貯えられる。そして、上述したように、電池冷却水タンク35から電池冷却水流路L6へと流れ出した回収水が冷却部34へと供給され、及び、電池冷却水タンク35から改質用水流路L13へと流れ出した回収水が蒸気生成器41へと供給される。
回収水流路L7を流れる回収水の量、即ち、イオン交換樹脂37で処理される回収水の量は、制御装置CがポンプP3の動作を制御することで調節される。

0032

排熱回収ユニット20は、貯湯タンク21に貯えている湯水が貯湯タンク21と排熱回収用熱交換器38との間で循環する排熱回収流路L10を有する。具体的には、湯水が、貯湯タンク21から、複合熱交換器39と、排熱回収用熱交換器38と、余剰電力消費用ヒーター22とを経由して貯湯タンク21に帰還するように排熱回収流路L10が設けられている。その結果、排熱回収用熱交換器38において回収水から回収した排熱(即ち、発電ユニット10から回収した排熱)は、排熱回収流路L10を流れる湯水に与えられ、その湯水は貯湯タンク21に貯えられる。また、発電ユニット10の出力電力のうちの余剰電力を消費する余剰電力消費用ヒーター22で発生した熱も排熱回収流路L10を流れる湯水に与えられ、その湯水は貯湯タンク21に蓄えられる。排熱回収流路L10における湯水の流速はポンプP2によって調整される。
排熱回収流路L10を流れる湯水の量は、制御装置CがポンプP2の動作を制御することで調節される。

0033

排熱回収ユニット20が有する余剰電力消費用ヒーター22の消費電力は、制御装置Cによって制御される。具体的には、制御装置Cは、発電ユニット10の出力電力のうちの余剰電力を余剰電力消費用ヒーター22で消費させて、余剰電力消費用ヒーター22で発生する熱を排熱回収流路L10を流れる湯水に伝達して貯湯タンク21に蓄えさせる。例えば、制御装置Cは、計器用変流器CT1の検出結果に基づいて導出できる電力系統1からの受電電力がゼロ以上になるように、余剰電力消費用ヒーター22の消費電力を調節する。このような制御が行われることで、発電ユニット10から電力系統1への電力の逆潮流が発生しないようにできる。

0034

排熱回収ユニット20は、貯湯タンク21に蓄えている湯水が熱源機40を経由して熱負荷装置24に供給されるときに流れる給湯路L12を有する。図示は省略するが、熱源機40は、送風ファンなどによって供給される酸素(空気)を用いて燃料を燃焼して熱を発生する装置である。また、排熱回収ユニット20は、貯湯タンク21に水を供給する給水路L11を有する。給水路L11は、分岐部25で、貯湯タンク21に接続される給水路L11aと貯湯タンク21には接続されない給水路L11bとに分岐する。給水路L11bは、熱源機40の上流側の合流部27で給湯路L12に接続される。更に、給水路L11bの途中の分岐部26で、熱源機40の下流側に接続される給水路L11cが分岐する。給水路L11cは、熱源機40の下流側の合流部28で給湯路L12に接続される。このように、貯湯タンク21から供給される湯及び熱源機40で加熱された後の湯に水を加えることができる構成を採用することで、熱負荷装置24に対して適切な温度の湯水を供給できる。尚、熱負荷装置24が、湯水の熱のみを利用する床暖房装置などの場合、熱負荷装置24で熱が利用された後の湯水は貯湯タンク21に帰還する。或いは、熱負荷装置24が、湯水自体を利用する給湯装置などの場合、貯湯タンク21には湯水は帰還しない。熱源機40は、熱負荷装置24で要求される湯水を所定温度昇温した上で熱負荷装置24に供給する際に使用される。

0035

以上のように、発電ユニット10は、ブロアB1,B2,B3及びポンプP2,P3,P4などを付属機器14として備えている。また、排熱回収ユニット20は、熱源機40の送風ファンなどを付属機器23として備えている。

0036

〔電力変換部の動作〕
本実施形態では、制御装置Cは、燃料電池部12(熱電併給部)の発電電力が過剰になる電力過剰条件が満たされるか否かに応じて電力変換部11の運転を切り替えるように構成されている。具体的には、制御装置Cは、電力過剰条件が満たされないと判定したとき、所定のタイミングで複数の半導体素子のスイッチングを行うことで、電力変換部11による電力変換を行わせる通常損失運転を行わせる。これに対して、制御装置Cは、電力過剰条件が満たされると判定したとき、通常損失運転が行われるときよりも電力変換部11での損失が大きくなるタイミングで複数の半導体素子のスイッチングを行うことで、電力変換部11による電力変換を行わせる大損失運転を行わせる。

0037

図4図6は、電力変換部11の出力波形例を示す図である。具体的には、矩形波で示すのがスイッチング回路部11aからの出力であり、実線で示す正弦波が電力変換部11からの出力の目標波形(平滑化回路部11bによる平滑化後の目標波形)である。図4に示すのは、制御装置Cが電力変換部11で通常損失運転による電力変換を行わせたときの出力波形例である。これに対して、図5及び図6は、制御装置Cが電力変換部11で大損失運転による電力変換を行わせたときの出力波形例である。図5の例では、制御装置Cは、スイッチング素子のオンオフ回数を、図4に示す通常損失運転のときよりも多くしている。その結果、スイッチング回路部11aでのスイッチング損失が通常損失運転のときよりも大きくなる。また、図6の例では、制御装置Cは、スイッチング素子のオンオフ回数を、図4に示す通常損失運転のときよりも少なくしている。その結果、平滑化回路部11bのコイルでの損失が通常損失運転のときよりも大きくなる。

0038

このように、制御装置Cは、燃料電池部12の発電出力は同じでも、電力変換部11で通常損失運転による電力変換を行わせるのか、或いは、大損失運転による電力変換を行わせるのかを切り替えることで、発電ユニット10の出力電力を異ならせることができる。

0039

〔電力過剰条件〕
本実施形態では、電力過剰条件は、通常損失運転が行われたときの発電ユニット10の出力電力に余剰が発生することである。つまり、制御装置Cは、通常損失運転が行われたときの発電ユニット10の出力電力に余剰が発生するとき、電力過剰条件が満たされると判定し、通常損失運転が行われたときの発電ユニット10の出力電力に余剰が発生しないとき、電力過剰条件が満たされないと判定する。

0040

尚、制御装置Cが、通常損失運転が行われたときの発電ユニット10の出力電力に余剰が発生すると判定するときの判定基準は適宜設定可能である。例えば、制御装置Cは、通常損失運転が行われたときの発電ユニット10の出力電力が電力消費装置の消費電力よりも大きくなるときに余剰が発生すると判定し、発電ユニット10の出力電力が電力消費装置の消費電力以下のときに余剰が発生しないと判定してもよい。或いは、制御装置Cは、通常損失運転が行われたときの発電ユニット10の出力電力が電力消費装置の消費電力よりも大きい場合、又は、通常損失運転が行われたときの発電ユニット10の出力電力が電力消費装置の消費電力以下であるがその差が所定値未満であるときに余剰が発生すると判定してもよい。

0041

制御装置Cは、発電ユニット10で発電を行って電力を出力しているとき、電力変換部11から出力する電流及び電圧に基づいて、発電ユニット10からの出力電力を知ることができる。また、連系運転時であれば、制御装置Cは、交流線2に設置された計器用変流器CT3の計測結果に基づいて、連系運転時の電力消費装置(一般電力負荷装置3及び排熱回収ユニット20)の消費電力を知ることができる。或いは、自立運転時であれば、制御装置Cは、自立電力線5に設置されている計器用変流器CT2の計測結果に基づいて、自立運転時の電力消費装置(自立負荷装置9及び排熱回収ユニット20)の消費電力を知ることができる。

0042

以上のように、本実施形態の熱電併給システムでは、発電ユニット10が有する燃料電池部12の発電電力が同じであっても、発電ユニット10の出力電力(即ち、電力変換部11による電力変換後の出力電力)は、大損失運転が行われたときの方が、通常損失運転が行われたときよりも小さくなる。尚、制御装置Cは、電力変換部11の大損失運転を行っても、未だ発電ユニット10の出力電力に余剰が発生するならば、その余剰電力を余剰電力消費用ヒーター22で消費させればよい。このように、制御装置Cは、発電ユニット10から出力される出力電力の大きさを、その発電ユニット10の内部の電力変換部11によって減少させることで、発電ユニット10の出力電力の少なくとも一部を消費するため余剰電力消費用ヒーター22の消費電力、即ち、余剰電力消費用ヒーター22での発熱量を少なくすることができる。その結果、貯湯タンク21に蓄える熱量が増え過ぎることを回避できる。

0043

<第2実施形態>
第2実施形態の熱電併給システムは、電力過剰条件が満たされるときの発電ユニット10の動作制御が上記実施形態と異なっている。以下に第2実施形態の熱電併給システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

0044

本実施形態の熱電併給システムでは、発電ユニット10は、電力変換部11の温度を調節する温度調節部としての冷却ファン15を有している。そして、制御装置Cは、通常は冷却ファン15を基準回転速度で回転させて電力変換部11の冷却を行っている。尚、電力変換部11の温度が高くなると、電力変換部11での電気抵抗が高くなって、電力変換部11での損失が大きくなる。つまり、電力変換部11の温度を変化させることで、発電ユニット10の出力電力を変化させることができる。

0045

そこで、制御装置Cは、電力過剰条件が満たされると判定したとき、電力変換部11の温度が、電力過剰条件が満たされないと判定したときよりも高い温度になるように、冷却ファン15の回転速度を基準回転速度よりも遅くする。それにより、電力過剰条件が満たされるときの電力変換部11の温度がより高くなって(電気抵抗が大きくなって)その電力変換部11での損失が大きくなり、発電ユニット10の出力電力が小さくなる。
これに対して、制御装置Cは、電力過剰条件が満たされないと判定したとき、冷却ファン15の回転速度を基準回転速度にすればよい。

0046

<第3実施形態>
第3実施形態の熱電併給システムは、電力過剰条件が満たされるときの発電ユニット10及び排熱回収ユニット20の動作制御が上記実施形態と異なっている。以下に第3実施形態の熱電併給システムについて説明するが、上記実施形態と同様の構成については説明を省略する。

0047

上記実施形態では、電力過剰条件が満たされたとき、他の装置での消費電力を上昇させてもよい。例えば、熱電併給システムには、燃料電池部12で発電された電力を消費可能な消費部が設けられている。このような消費部としては、発電ユニット10に設けられている付属機器14(ブロアB1,B2,B3及びポンプP2,P3,P4など)や、排熱回収ユニット20に設けられている付属機器23(熱源機40の送風ファンなど)などである。そして、制御装置Cは、電力過剰条件が満たされると判定したとき、そのような消費部での消費電力を上昇させればよい。このような制御が行われることで、発電ユニット10の出力電力に余剰を発生させ難くできる。つまり、余剰電力消費用ヒーター22での消費電力を小さくすることができる。その結果、余剰電力消費用ヒーター22での発熱量を少なくなって、貯湯タンク21に蓄える熱量が増え過ぎることを回避できる。

0048

<別実施形態>
<1>
上記実施形態では、本発明の熱電併給システムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
例えば、図2には電力変換部11を構成するインバータの回路例を記載したが、他の構成のインバータや、コンバータ及びインバータを備えるような電力変換部11を用いてもよい。
また、上記実施形態では、熱電併給部が燃料電池部12である例を説明したが、熱電併給部がエンジンとそのエンジンによって駆動される発電機とを備えて構成され、その発電機から出力される発電電力とエンジンから排出される熱とが利用されるタイプの装置など、他の装置を用いて構成されてもよい。

0049

他にも、発電ユニット10の付属機器14及び排熱回収ユニット20の付属機器23として上述した以外の機器を熱電併給システムに搭載し、その機器を上記消費部として利用してもよい。例えば、発電ユニット10の筐体内外の空気を入れ換えるための換気ファン、改質器30の温度を調節するための電気ヒーター装置、発電ユニット10の内部を流れている各種液体凍結を防止するための電気ヒーター装置などの様々な機器を上記消費部として利用してもよい。同様に、排熱回収ユニット20の内部を流れている各種液体の凍結を防止するための電気ヒーター装置、排熱回収ユニット20の内部でそれらの各種液体を流すためのポンプなどの様々な機器を上記消費部として利用してもよい。

0050

<2>
上記実施形態において、余剰電力消費用ヒーター22を備える箇所は、排熱回収ユニット20内に限定するものではなく、発電ユニット10内や、発電ユニット10及び排熱回収ユニット20の外部など、適宜変更可能である。

0051

<3>
上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用でき、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変できる。

0052

本発明は、蓄熱装置の満蓄状態の発生を抑制できる熱電併給システムに利用できる。

0053

1電力系統
3一般電力負荷装置(電力消費装置)
9自立負荷装置(電力消費装置)
10発電ユニット(熱電併給装置)
11電力変換部
12燃料電池部(熱電併給部)
14付属機器(消費部)
15冷却ファン(温度調節部)
20排熱回収ユニット(電力消費装置)
21貯湯タンク(蓄熱装置)
22余剰電力消費用ヒーター(電気ヒーター装置)
23 付属機器(消費部)
C 制御装置

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