コジェネレーションシステム
【課題】燃料が有する潜在的なエネルギを充分効率的に利用可能なコジェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】高圧液化された燃料を気化部１３にて気化させ、気化された燃料を発電部１４のエンジン１４ａへ供給して発電機１４ｂを駆動するとともに、エンジン１４ａの廃熱を冷却水循環回路３０にて回収して給湯水の加熱に利用する。加えて、気化部１３にて気化する燃料の蒸発潜熱によって冷却用熱媒体回路２０を循環する熱媒体を冷却して冷熱を回収するとともに、ＮＯX処理機１７を設けることで、エンジン１４ａを高い作動効率を発揮させて燃料の有する潜在的エネルギを有効に利用する。
【解決手段】高圧液化された燃料を気化部１３にて気化させ、気化された燃料を発電部１４のエンジン１４ａへ供給して発電機１４ｂを駆動するとともに、エンジン１４ａの廃熱を冷却水循環回路３０にて回収して給湯水の加熱に利用する。加えて、気化部１３にて気化する燃料の蒸発潜熱によって冷却用熱媒体回路２０を循環する熱媒体を冷却して冷熱を回収するとともに、ＮＯX処理機１７を設けることで、エンジン１４ａを高い作動効率を発揮させて燃料の有する潜在的エネルギを有効に利用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コジェネーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に、燃料を燃焼させて得られるエネルギを効率的に利用することを狙ったコジェネレーションシステムが開示されている。
【０００３】
この特許文献１のコジェネレーションシステムでは、内燃機関にて燃料を燃焼させて得られる回転駆動力（機械的エネルギ）によって発電機を駆動して電気エネルギを出力させるとともに、内燃機関にて燃料を燃焼させた際の廃熱（熱エネルギ）によって給湯水を加熱することで、燃料を燃焼させて得られるエネルギの効率的な利用を図ろうとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２２９８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のコジェネレーションシステムでは、燃料を内燃機関にて燃焼させて得られるエネルギの一部を電気エネルギを出力させるために利用し、さらに、別の一部を給湯水を加熱するために利用しているだけなので、燃料が有する潜在的なエネルギを充分効率的に利用できていない。
【０００６】
例えば、特許文献１のコジェネレーションシステムでは、内燃機関へ供給される前の燃料について考慮されていないので、燃焼する前の燃料の有する潜在的なエネルギを効率的に利用できていない。さらに、燃焼後の排ガスについて考慮されていないので、排ガスに含まれる大気汚染物質が大気に放出されてしまうことを抑制するために、低い作動効率で内燃機関を作動させなければならないことがある。
【０００７】
なお、燃料が有する潜在的なエネルギとは、燃料を燃焼させた際、すなわち燃料を酸素と化学反応させた際に理論的に生じる熱量のみを意味するものではなく、この熱量に加えて、燃焼前の燃料が有する内部エネルギ等も含まれる意味である。
【０００８】
上記点に鑑み、本発明は、燃料が有する潜在的なエネルギを充分効率的に利用可能なコ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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、液化された燃料を気化する燃料気化手段（１３）と、燃料気化手段（１３）にて気化された燃料を燃焼させることによって機械的エネルギを出力する内燃機関（１４ａ）と、内燃機関（１４ａ）から出力された機械的エネルギを電気エネルギに変換する発電手段（１４ｂ）と、燃料気化手段（１３）にて燃料を気化させた際に生じる冷熱を回収する冷熱回収部（２０）と、内燃機関（１４ａ）にて燃料を燃焼させた際に生じる廃熱を回収する廃熱回収部（３０）と、内燃機関（１４ａ）にて燃料を燃焼させた際に発生する排ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する排ガス浄化手段（１７）とを備え、燃料として、排ガス浄化手段（１７）へ供給された際に窒素酸化物と反応して窒素酸化物を水と窒素とに還元するものが採用されているコジェネレーションシステムを特徴としている。
【００１０】
これによれば、発電手段（１４ｂ）を備えているので、燃料を燃焼させて得られる機械的エネルギを電気エネルギへ変換して利用できるとともに、廃熱回収部（３０）を有しているので、内燃機関（１４ａ）にて燃料を燃焼させた際の廃熱を利用することができ、燃料を燃焼させて得られるエネルギを効率的に利用できる。
【００１１】
さらに、冷熱回収部（２０）を備えているので、内燃機関（１４ａ）へ供給される前の燃料の有する潜在的なエネルギの一部である内部エネルギの変化によって生じる冷熱を利用することができる。
【００１２】
さらに、燃料を供給することで窒素酸化物を浄化する排ガス浄化手段（１７）を備えているので、内燃機関（１４ａ）に高い作動効率を発揮させることを優先して排ガス中の窒素酸化物濃度が増加したとしても、これを自律的に浄化することができる。従って、内燃機関（１４ａ）にて、燃料の有する潜在的なエネルギを効率的に機械的エネルギへ変換できる。
【００１３】
その結果、請求項１に記載の発明によれば、燃料が有する潜在的なエネルギを充分効率的に利用可能なコジェネレーションシステムを提供することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のコジェネレーションシステムにおいて、燃料として、水素を含有する化合物が採用されており、燃料を改質して水素を発生させる改質手段（１６）を備え、改質手段（１６）にて発生した水素が、内燃機関（１４ａ）へ供給されることを特徴とする。
【００１５】
これによれば、燃焼速度の速い水素を内燃機関（１４ａ）へ供給することができるので、内燃機関（１４ａ）の起動時等に、内燃機関（１４ａ）を速やかに暖機して、高い作動効率を発揮させながら運転させることができる。さらに、内燃機関（１４ａ）のシリンダ内へ積極的に水素を供給することで、内燃機関（１４ａ）の失火を抑制しつつ、その回転数および出力を上昇させることができるので、より一層、内燃機関（１４ａ）の作動効率を向上させることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のコジェネレーションシステムにおいて、燃料と発熱を伴いながら化学反応するとともに、燃料と可逆反応する発熱剤が収容された蓄熱手段（１５）を備え、燃料を蓄熱手段（１５）へ供給することによって生じる反応熱が、内燃機関（１４ａ）および燃料気化手段（１３）のうち少なくとも一方へ供給され、内燃機関（１４ａ）にて燃料を燃焼させた際に生じる廃熱が蓄熱手段（１５）へ供給されることによって、発熱剤が再生されることを特徴とする。
【００１７】
これによれば、蓄熱手段（１５）を備えているので、燃料と発熱剤とを反応させた際に生じる反応熱を有効に利用することができる。例えば、反応熱を燃料気化手段（１３）へ供給することで、燃料気化手段（１３）における気化を促進できる。また、反応熱を内燃機関（１４ａ）へ供給することで、内燃機関（１４ａ）の暖機を促進できる。
【００１８】
さらに、廃熱回収部（３０）にて回収された熱によって発熱剤を自律的に再生でき、再生された燃料を燃料気化手段（１３）あるいは内燃機関（１４ａ）へ供給して有効に利用することができる。
【００１９】
なお、本請求項における「反応熱が、前記燃料気化手段（１３）および前記内燃機関（１４ａ）のうち少なくとも一方へ供給され、」とは、燃料気化手段（１３）あるいは内燃機関（１４ａ）自体を加熱するように反応熱を供給することのみを意味するものではなく、燃料気化手段（１２）あるいはエネルギ出力手段（ＥＧ）へ供給される燃料を加熱するように反応熱を供給すること等を含む意味である。
【００２０】
また、本請求項における「内燃機関（１４ａ）にて燃料を燃焼させた際に生じる廃熱」には、「廃熱回収部（３０）にて回収された熱」も含まれる。
【００２１】
さらに、請求項４に記載の発明のように、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のコジェネレーションシステムにおいて、具体的に、燃料としてアンモニアを採用してもよい。
【００２２】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一実施形態のコジェネレーションシステムの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図１は、定置型の発電装置として構成された本実施形態のコジェネレーションシステム１０の全体構成図である。まず、コジェネレーションシステム１０は、加圧されて液化された高圧液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵手段としての高圧タンク１１を備えている。
【００２５】
この高圧タンク１１に貯蔵される燃料は、後述する発電部１４のエンジン１４ａにて燃料として燃焼させるために可燃性を有し、さらに、その製造コストを低減させるために高圧下においては常温（１５℃〜２５℃程度）でも液化させやすい燃料であることが望ましい。
【００２６】
そこで、本実施形態では、可燃性を有するとともに、常温であっても１．５ＭＰａ以下で液化する燃料として、アンモニア（ＮＨ3）を採用している。さらに、アンモニアは水素を含有する燃料（化合物）であるから、改質することによって可燃性を有する水素ガスを生成することもできる。
【００２７】
この他にも同等の性質を有する燃料として、ジメチルエーテル、アルコール含有燃料等を採用することもできる。さらに、水素を含有する燃料であって、同燃料の分子中に、硫黄（Ｓ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）およびハロゲンのうち少なくとも１種の原子が含まれるものであり、かつ、分子間にて水素結合が発現するものを採用してもよい。
【００２８】
高圧タンク１１の燃料流出口には、第１、第２流量調整弁１２ａ、１２ｂを介して、燃料を気化させる燃料気化手段としての気化部１３、燃料と可逆的に化学反応する発熱剤が収容された蓄熱手段としての蓄熱部１５、および、エンジン１４ａにて燃料を燃焼させた際に発生する排ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する排ガス浄化手段としての浄化部１７が接続されている。
【００２９】
第１、第２流量調整弁１２ａ、１２ｂは、それぞれ燃料通路内に配置された弁体を有し、この弁体によって燃料通路の開度を調整することによって、高圧タンク１１から流出した液体燃料を減圧させながら、気化部１３側へ流出させる冷媒流量、並びに、蓄熱部１５および浄化部１７側へ流出させる燃料流量を調整するものである。
【００３０】
さらに、第１、第２流量調整弁１２ａ、１２ｂの弁体は、いずれも燃料通路を遮断して高圧タンク１１から燃料が流出することを禁止する全閉機能を有している。なお、第１、第２流量調整弁１２ａ、１２ｂは、それぞれ後述するシステム制御装置から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
【００３１】
気化部１３は、高圧タンク１１から流出した液相状態の燃料（液体燃料）を気化させる第１気化部１３ａ、および、第１気化部１３ａから流出した液体燃料あるいは気液二相状態の燃料（二相燃料）を気化させる第２気化部１３ｂが設けられた気化用熱交換器によって構成されている。
【００３２】
より具体的には、第１気化部１３ａは、高圧タンク１１から流出した液体燃料と後述する冷却用熱媒体回路２０を循環する第１熱媒体とを熱交換させることによって、液体燃料を加熱して気化させる熱交換部である。また、第２気化部１３ｂは、第１気化部１３ａから流出した液体燃料あるいは二相燃料と後述する冷却水循環回路３０を循環するエンジン１４ａの冷却水とを熱交換させることによって、液体燃料あるいは二相燃料を加熱して気化させる熱交換部である。
【００３３】
本実施形態では、冷却水循環回路３０を循環するエンジン１４ａの冷却水の温度が、冷却用熱媒体回路２０を循環する第１熱媒体の温度よりも高く設定されており、高圧タンク１１から流出した燃料を第１気化部１３ａ→第２気化部１３ｂの順に通過させることで、第１気化部１３ａにおける燃料と第１熱媒体との温度差および第２気化部１３ｂにおける冷却水との温度差を確保して効率的な燃料の気化を行うようにしている。
【００３４】
さらに、本実施形態では、発電部１４の通常作動時には、気化部１３から流出する燃料が確実に過熱度を有する気体燃料となるように、第１気化部１３ａおよび第２気化部１３ｂの熱交換能力が調整されている。
【００３５】
ところで、エンジン１４ａの起動時等のように、冷却水の温度が第１熱媒体の温度に対して充分に高くなっていない場合には、気化部１３から流出する燃料を過熱度を有する気体燃料となるまで昇温できないことが懸念される。これに対して、本実施形態では、蓄熱部１５から第２気化部１３ｂへ熱を供給することによって、気化部１３から流出する燃料が確実に過熱度を有する気体燃料となるようにしている。
【００３６】
この蓄熱部１５は、燃料と可逆的に化学反応する発熱剤が収容された反応容器を有し、発熱剤としては、具体的に、ハロゲン化金属である塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ2）を採用している。
【００３７】
塩化ストロンチウムは、以下の化学式に示すように、燃料であるアンモニアと発熱を伴いながら可逆的に化学反応する。従って、この化学反応によって生成される化学反応物であるアンモニア・塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ2・８ＮＨ3）は、吸熱することによって再びアンモニアと塩化ストロンチウムとに再生される。
【００３８】
【化１】
従って、本実施形態では、エンジン１４ａの起動時等のように、冷却水の温度が第１熱媒体の温度に対して充分に高くなっていない場合には、反応容器内へ燃料を供給して上記の発熱反応を生じさせ、この際に生じる熱を第２気化部へ供給することによって、気化部１３から流出する燃料が確実に過熱度を有する気体燃料となるようにしている。
【００３９】
また、システムの通常作動時には、後述する加熱用熱媒体回路４０を循環する第２熱媒体を介して、エンジン１４ａの廃熱を反応容器内の化学反応物（アンモニア・塩化ストロンチウム）へ供給することで、アンモニアと塩化ストロンチウムとを再生させるようにしている。
【００４０】
次に、気化部１３から流出した気体燃料の流れは、図１に示すように、２つの流れに分岐され、分岐された一方の気体燃料は、発電部１４のエンジン１４ａの吸気ポートへ供給され、分岐された他方の気体燃料は、気体燃料を改質して水素ガスを発生させる改質器（リフォーマ）１６へ供給される。
【００４１】
発電部１４は、気化部１３にて気化された燃料を燃焼させることによって回転駆動力（機械的エネルギ）を出力するエンジン（内燃機関）１４ａと、エンジン１４ａから出力された回転駆動力によって駆動されて、機械的エネルギを電気エネルギに変換する発電手段である発電機１４ｂを有して構成されている。
【００４２】
エンジン１４ａは、いわゆるレシプロ型エンジンで構成されており、システム制御装置によってその作動が制御される。また、エンジン１４ａの回転軸は発電機１４ｂの回転軸に直結されており、発電機１４ｂでは、エンジン１４ａが作動を開始することによって、発電を開始する。
【００４３】
リフォーマ１６は、気体燃料を触媒下で改質可能温度まで加熱して改質反応させることによって、水素ガスを発生させる改質手段である。具体的には、本実施形態では、燃料としてアンモニアを採用しているので、燃料を３５０℃以上となるまで加熱して、触媒下にて改質反応をさせて水素ガスを発生させている。
【００４４】
リフォーマ１６にて発生した水素ガスは、補助燃料として吸気に混合されてエンジン１４ａの吸気ポートより気体燃料とともに燃焼室へ供給される。水素は、アンモニアに対して燃焼速度が速いので、補助燃料として水素をアンモニアとともに混燃させることによって、エンジン１４ａの失火等を抑制できる。
【００４５】
エンジン１４ａにて燃焼した気体燃料および水素ガスの排ガスは、エンジン１４ａの排気ポートから排出されて排ガス浄化手段としてのＮＯX処理機１７へ流入する。ＮＯX処理機１７は、触媒下でエンジン１４ａの排気ポートから排出された排ガスに含まれる窒素酸化物とアンモニアとを選択的に反応させて、窒素酸化物を水と窒素とに分解して浄化するものである。ＮＯX処理機１７によって窒素酸化物が浄化された排ガスは、大気に排気される。
【００４６】
次に、冷却用熱媒体回路２０、冷却水循環回路３０および加熱用熱媒体回路４０について説明する。
【００４７】
冷却用熱媒体回路２０は、気化部１３の第１気化部１３ａにて燃料が気化する際に気化潜熱を吸熱されて冷却される第１熱媒体（例えば、水、エチレングリコール水溶液）を循環させる回路である。換言すると、冷却用熱媒体回路２０は、気化部１３の第１気化部１３ａにて燃料が気化する際に生じる冷熱を第１熱媒体に回収させる回路である。従って、この冷却用熱媒体回路２０は、特許請求の範囲に記載された冷熱回収部を構成している。
【００４８】
具体的には、この冷却用熱媒体回路２０は、熱媒体圧送用の第１水ポンプ２０ａ、気化部１３の第１気化部１３ａ内に形成された第１熱媒体通路２０ｂ、第１熱媒体と室内に送風される送風空気とを熱交換させる冷却用室内熱交換器２１を順次配管にて環状に接続して構成されている。また、第１水ポンプ２０ａは、システム制御装置から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
【００４９】
冷却水循環回路３０は、エンジン１４ａにて燃料が燃焼する際の廃熱を吸熱して加熱される冷却水（例えば、水、エチレングリコール水溶液）を循環させる回路である。換言すると、冷却水循環回路３０は、エンジン１４ａにて燃料を燃焼させた際に生じる廃熱を冷却水に回収させる回路である。従って、本実施形態の冷却水循環回路３０は、特許請求の範囲に記載された廃熱回収部を構成している。
【００５０】
具体的には、この冷却水循環回路３０は、冷却水圧送用の第２水ポンプ３０ａ、エンジン１４ａ内に形成された第１冷却水通路３０ｂ、気化部１３の第２気化部１３ｂ内に形成された第２冷却水通路３０ｃ、冷却水−水熱交換器３１、冷却水と室内に送風される送風空気とを熱交換させる加熱用室内熱交換器３２を順次配管にて環状に接続して構成されている。
【００５１】
冷却水−水熱交換器３１は、冷却水通路３１ａを流通する冷却水と水通路を流通する給湯水とを熱交換させて給湯水を加熱する加熱用熱交換器である。冷却水−水熱交換器３１にて加熱された給湯水は、図示しない貯湯タンクに蓄えられる。また、第２水ポンプ３０ａは、システム制御装置から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
【００５２】
加熱用熱媒体回路４０は、エンジン１４ａにて燃料が燃焼する際の廃熱を吸熱して加熱された第１熱媒体（例えば、水、エチレングリコール水溶液）の有する熱を蓄熱部１５の反応容器内の化学反応物へ供給するための回路である。
【００５３】
より具体的には、加熱用熱媒体回路４０は、熱媒体圧送用の第３水ポンプ４０ａ、エンジン１４ａ内に形成された第２熱媒体通路４０ｂ、蓄熱部１５の反応容器内に形成された第３熱媒体通路４０ｃを順次配管にて環状に接続して構成されている。また、第３水ポンプ４０ａは、システム制御装置から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
【００５４】
次に、本実施形態の電気制御部について説明する。システム制御装置（図示せず）は、制御処理や演算処理を行うＣＰＵおよびプログラムやデータ等を記憶するＲＯＭおよびＲＡＭ等の記憶回路を含む周知のマイクロコンピュータ、各種制御対象機器への制御信号、制御電圧等を出力する出力回路、各種センサの検出信号が入力される入力回路、並びに、電源回路等から構成されている。
【００５５】
システム制御装置の出力側には、前述した各種制御対象機器１２ａ、１２ｂ、１４ａ、２０ａ〜４０ａ等が接続され、システム制御装置はこれらの制御対象機器の作動を制御する。また、システム制御装置の入力側には、各種制御対象機器の作動を制御するために用いられる物理量を検出するシステム制御用センサ群が接続されている。
【００５６】
具体的には、システム制御用センサ群として、発電機１４ｂから出力される電力の消費量を検出する電力計、エンジン１４ａの回転数を検出する回転数センサ、エンジン１４ａから流出した冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ（いずれも図示せず）等が設けられている。
【００５７】
なお、本実施形態の冷却水温度センサでは、具体的に、冷却水循環回路３０の第１冷却水通路３０ｂから流出した冷却水の温度を検出しているが、この冷却水の温度と同等となる加熱用熱媒体回路４０の第２熱媒体通路４０ｂから流出した第２熱媒体の温度を検出するようにしてもよい。
【００５８】
さらに、システム制御装置の入力側には、コジェネレーションシステム１０を起動あるいは停止させるスタートスイッチ、給湯水の温度を設定する温度設定スイッチ等が設けられた図示しない操作パネルが接続されており、この操作パネルから各種スイッチ群の操作信号が入力される。
【００５９】
また、システム制御装置は、上述した各種制御対象機器を制御する制御手段が一体に構成されたものであるが、システム制御装置のうち各制御対象機器の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）が各制御対象機器の制御手段を構成している。従って、これらの制御手段を別々の制御装置によって構成してもよい。
【００６０】
次に、上記構成における本実施形態のコジェネレーションシステム１０の作動について説明する。まず、スタートスイッチが投入（ＯＮ）されると、システム制御装置が、その記憶回路に記憶されたシステム制御プログラムを実行する。このシステム制御プログラムでは、システムの作動状態に応じて、各種制御対象機器の作動を制御する。
【００６１】
まず、コジェネレーションシステム１０の起動時には、システム制御装置が、予め定めた所定流量の燃料が気化部１３へ供給されるように第１流量調整弁１２ａの弁開度を制御するとともに、それぞれ予め定めた所定流量の燃料が蓄熱部１５およびＮＯX処理機１７へ供給されるように第２流量調整弁１２ｂの弁開度を制御する。さらに、それぞれ所定の圧送能力を発揮できるように第１、第２水ポンプ２０ａ、３０ａを作動させた状態で、発電部１４のエンジン１４ａを起動させる。
【００６２】
これにより、第１流量調整弁１２ａを介して気化部１３の第１気化部１３ａへ供給された燃料が、冷却用熱媒体回路２０の第１熱媒体通路２０ｂを流通する第１熱媒体と熱交換して気化する。一方、燃料が気化する際に気化潜熱を奪われて冷却された第１熱媒体は、冷却用室内熱交換器２１へ流入して室内へ送風される送風空気と熱交換する。これにより送風空気が冷却される。
【００６３】
第１気化部１３ａにて気化された燃料は、第２気化部１３ｂへ流入する。ここで、コジェネレーションシステム１０の起動時には、冷却水循環回路３０を循環する冷却水が充分に昇温していない。そのため、第２気化部１３ｂへ流入した燃料を、第２冷却水通路３０ｃを流通する冷却水と熱交換させても、第２気化部１３ｂへ流入した燃料の気化を促進することができない。
【００６４】
これに対して、本実施形態では、第２流量調整弁１２ｂを介して蓄熱部１５へ燃料が供給されるので、蓄熱部１５の反応容器内にて、上述したように燃料と発熱剤が発熱反応する。そして、この反応熱が気化部１３の第２気化部１３ｂへ供給されて、第２気化部１３ｂへ流入した燃料の気化が促進される。
【００６５】
さらに、気化部１３の第２気化部１３ｂには、第２冷却水通路３０ｃが配置されているので、反応熱が第２冷却水通路３０ｃを流通する冷却水に供給されることによって、冷却水の温度を速やかに上昇させて、エンジン１４ａの暖機を促進できる。
【００６６】
なお、本実施形態では、具体的に、冷却水温度センサによって検出された冷却水の温度が、予め定めた第１基準温度ＫＴ１（本実施形態では、４０℃）以下である場合に、エンジン１４ａの起動時としている。その後、冷却水温度センサによって検出された冷却水の温度が、予め定めた第２基準温度ＫＴ２（本実施形態では、９０℃）以上となった際には、エンジン１４ａの起動時ではなくなったものとして、通常作動に移行する。
【００６７】
気化部１３から流出した気体燃料は、発電部１４のエンジン１４ａとリフォーマ１６へ供給される。エンジン１４ａでは、燃料を燃焼させて回転駆動力（機械的エネルギ）を出力する。この回転駆動力は発電機１４ｂへ伝達されて、発電機１４ｂから電気エネルギが出力される。リフォーマ１６では、燃料が改質されて水素が生成される。生成された水素は、エンジン１４ａにて燃料とともに燃焼する。
【００６８】
エンジン１４ａから流出した燃料の排ガスは、浄化部１７へ供給される。浄化部１７では、第２流量調整弁１２ｂを介して供給された燃料と排ガスが反応して、窒素酸化物が還元される。そして、窒素酸化物が還元されて浄化された排ガスは大気に放出される。
【００６９】
次に、コジェネレーションシステム１０が通常作動へ移行すると、システム制御装置が、電力計によって検出された消費電力の増加に伴って気化部１３へ供給される燃料流量を増加させるように第１流量調整弁１２ａの弁開度を制御して、エンジン１４ａの回転数を制御する。
【００７０】
さらに、蓄熱部１５への燃料供給を遮断し、電力計によって検出された消費電力の増加に伴ってＮＯX処理機１７へ供給される燃料流量を増加させるように第２流量調整弁１２ｂの弁開度を制御する。また、それぞれ所定の圧送能力を発揮できるように第１〜第３水ポンプ２０ａ〜４０ａを作動させる。
【００７１】
通常作動時には、気化部１３の第１気化部１３ａでは、起動時と同様に燃料が気化し、第２気化部１３ｂへ流入する。通常作動時には、冷却水循環回路３０の第１冷却水通路３０ｂから流出した冷却水の温度が第２基準温度ＫＴ２以上に上昇しているので、第２気化部１３ｂへ流入した燃料は、第２冷却水通路３０ｃを流通する冷却水によって加熱され気化が促進される。
【００７２】
さらに、第２冷却水通路３０ｃから流出した冷却水は、冷却水−水熱交換器３１へ流入して給湯水と熱交換する。これにより給湯水が加熱される。冷却水−水熱交換器３１から流出した冷却水は、加熱用室内熱交換器３２へ流入して室内へ送風される送風空気と熱交換する。これにより送風空気が加熱される。
【００７３】
また、通常作動時の蓄熱部１５では、加熱用熱媒体回路４０の第３熱媒体通路４０ｃを流通する第２熱媒体によって、反応容器内の化学反応物が加熱されて、アンモニアと塩化ストロンチウムが再生される。発電部１４、リフォーマ１６、ＮＯX処理機１７における作動は起動時と同様である。
【００７４】
本実施形態のコジェネレーションシステム１０は、上記の如く作動するので、発電部１４にて発電された電力を利用することができるとともに、廃熱回収部を構成する冷却水循環回路３０を備えているので、エンジン１４ａにて燃料を燃焼させた際の廃熱を、冷却水−水熱交換器３１では給湯水を加熱するために有効に利用でき、加熱用室内熱交換器３２では室内暖房のために有効に利用することができる。
【００７５】
さらに、本実施形態では、冷熱回収部を構成する冷却用熱媒体回路２０を備えているので、エンジン１４ａへ供給される前の燃料の有する潜在的なエネルギの一部である内部エネルギの変化によって生じる冷熱を、冷却用室内熱交換器２１にて室内冷房のために有効に利用することができる。
【００７６】
さらに、本実施形態では、排ガス浄化手段であるＮＯX処理機１７を備えているので、高い作動効率を発揮させることを優先して排ガス中の窒素酸化物濃度が増加したとしても、これを外部からのエネルギ供給を受けることなく自律的に浄化することができる。従って、エンジン１４ａに高い作動効率を発揮させることを優先して、燃料の有する潜在的なエネルギを効率的に機械的エネルギへ変換できる。
【００７７】
さらに、本実施形態では、リフォーマ１６を備えているので、燃焼速度の速い水素をエンジン１４ａへ供給することができる。従って、エンジン１４ａの起動時等に、エンジン１４ａを速やかに暖機して、エンジン１４ａの作動効率を速やかに向上させることができる。また、暖機終了後にもエンジン１４ａのシリンダ内に、積極的に水素を供給することで、エンジン１４ａの失火を抑制しつつ、その回転数および出力を向上させることができるので、より一層、エンジン１４ａの作動効率を向上させることができる。
【００７８】
さらに、本実施形態では、蓄熱部１５を備えているので、蓄熱部１５にて燃料と発熱剤とを反応させた際に生じる反応熱を気化部１３の第２気化部１３ｂへ供給することによって、第２気化部１３ｂにおける燃料の気化を促進できる。さらに、反応熱を発電部１４のエンジン１４ａへ供給することによって、エンジン１４ａの暖機を促進できる。
【００７９】
しかも、３０にてエンジン１４ａの廃熱を回収して、燃料と発熱剤との化学反応物へ供給することによって、外部から熱の供給を受けることなく自律的に燃料と発熱剤とを再生することができ、再生された燃料を有効に利用することができる。
【００８０】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
【００８１】
（１）上述の実施形態では、燃料タンク１１から気化部１３、蓄熱部１５およびＮＯX処理機１７へ供給される燃料流量を調整する流量調整手段として、第１、第２流量調整弁１２ａ、１２ｂを採用した例を説明したが、流量調整手段はこれに限定されない。例えば、燃料タンク１１に３つの燃料流出ポートを設け、それぞれに気化部１３、蓄熱部１５およびＮＯX処理機１７へ供給される燃料流量を調整する流量調整弁を配置してもよい。
【００８２】
（２）上述の実施形態では、蓄熱部１５から燃料と発熱剤とを反応させた際に生じる反応熱を第２気化部へ供給する反応熱供給手段の詳細に言及していないが、冷却用熱媒体回路２０あるいは加熱用熱媒体回路４０と同様に、熱媒体回路を設けて熱媒体を介して反応熱を燃料に供給してもよい。さらに、蓄熱部１５を構成する反応容器を第２気化部１３ｂの気化空間内に配置してもよい。
【００８３】
（３）上述の実施形態では、燃料と発熱剤との化学反応物を再生することによって得られた燃料について言及していないが、もちろん、再生された燃料を発電部１４のエンジン１４ａへ供給してもよいし、ＮＯX処理機１７へ供給してもよい。
【００８４】
（４）上述の実施形態では、冷却用熱媒体回路２０にて回収した冷熱を室内冷房に利用した例を説明したが、冷熱の利用はこれに限定されない。例えば、冷蔵庫内や冷凍庫内を冷却するために利用してもよい。また、加熱用熱媒体回路４０にて回収された廃熱についても、室内暖房や給湯水の加熱に限定されることなく、床暖房システム等に利用してもよい。
【００８５】
（５）上述の実施形態では、冷却水循環回路３０と加熱用熱媒体回路４０とを別々に構成した例を説明したが、冷却水循環回路３０と加熱用熱媒体回路４０と一つの熱媒体循環回路として構成してもよい。例えば、第２水ポンプ３０ａ、第１冷却水通路３０ｂ、第３熱媒体通路４０ｃ、第２冷却水通路３０ｃ、冷却水−水熱交換器３１、加熱用室内熱交換器３２を順次環状に接続して構成された熱媒体循環回路として構成してもよい。
【００８６】
（６）上述の実施形態では、通常作動時に電力計によって検出された消費電力の増加に伴って気化部１３へ供給される燃料流量を増加させた例を説明したが、気化部１３へ供給される燃料流量の制御はこれに限定されない。例えば、発電部１４の発電機１４ｂから出力される電力を蓄えるバッテリを設け、このバッテリの蓄電残量の低下に伴って気化部１３へ供給される燃料流量を増加させてエンジン１４ａの回転数を制御してもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１３ 気化部
１３ａ、１３ｂ 第１、第２気化部
１４ 発電部
１４ａ エンジン
１４ｂ 発電機
１５ 蓄熱部
１６ リフォーマ
１７ ＮＯX処理機
２０ 冷却用熱媒体回路
３０ 冷却水循環回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コジェネーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に、燃料を燃焼させて得られるエネルギを効率的に利用することを狙ったコジェネレーションシステムが開示されている。
【０００３】
この特許文献１のコジェネレーションシステムでは、内燃機関にて燃料を燃焼させて得られる回転駆動力（機械的エネルギ）によって発電機を駆動して電気エネルギを出力させるとともに、内燃機関にて燃料を燃焼させた際の廃熱（熱エネルギ）によって給湯水を加熱することで、燃料を燃焼させて得られるエネルギの効率的な利用を図ろうとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２２９８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のコジェネレーションシステムでは、燃料を内燃機関にて燃焼させて得られるエネルギの一部を電気エネルギを出力させるために利用し、さらに、別の一部を給湯水を加熱するために利用しているだけなので、燃料が有する潜在的なエネルギを充分効率的に利用できていない。
【０００６】
例えば、特許文献１のコジェネレーションシステムでは、内燃機関へ供給される前の燃料について考慮されていないので、燃焼する前の燃料の有する潜在的なエネルギを効率的に利用できていない。さらに、燃焼後の排ガスについて考慮されていないので、排ガスに含まれる大気汚染物質が大気に放出されてしまうことを抑制するために、低い作動効率で内燃機関を作動させなければならないことがある。
【０００７】
なお、燃料が有する潜在的なエネルギとは、燃料を燃焼させた際、すなわち燃料を酸素と化学反応させた際に理論的に生じる熱量のみを意味するものではなく、この熱量に加えて、燃焼前の燃料が有する内部エネルギ等も含まれる意味である。
【０００８】
上記点に鑑み、本発明は、燃料が有する潜在的なエネルギを充分効率的に利用可能なコ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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、液化された燃料を気化する燃料気化手段（１３）と、燃料気化手段（１３）にて気化された燃料を燃焼させることによって機械的エネルギを出力する内燃機関（１４ａ）と、内燃機関（１４ａ）から出力された機械的エネルギを電気エネルギに変換する発電手段（１４ｂ）と、燃料気化手段（１３）にて燃料を気化させた際に生じる冷熱を回収する冷熱回収部（２０）と、内燃機関（１４ａ）にて燃料を燃焼させた際に生じる廃熱を回収する廃熱回収部（３０）と、内燃機関（１４ａ）にて燃料を燃焼させた際に発生する排ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する排ガス浄化手段（１７）とを備え、燃料として、排ガス浄化手段（１７）へ供給された際に窒素酸化物と反応して窒素酸化物を水と窒素とに還元するものが採用されているコジェネレーションシステムを特徴としている。
【００１０】
これによれば、発電手段（１４ｂ）を備えているので、燃料を燃焼させて得られる機械的エネルギを電気エネルギへ変換して利用できるとともに、廃熱回収部（３０）を有しているので、内燃機関（１４ａ）にて燃料を燃焼させた際の廃熱を利用することができ、燃料を燃焼させて得られるエネルギを効率的に利用できる。
【００１１】
さらに、冷熱回収部（２０）を備えているので、内燃機関（１４ａ）へ供給される前の燃料の有する潜在的なエネルギの一部である内部エネルギの変化によって生じる冷熱を利用することができる。
【００１２】
さらに、燃料を供給することで窒素酸化物を浄化する排ガス浄化手段（１７）を備えているので、内燃機関（１４ａ）に高い作動効率を発揮させることを優先して排ガス中の窒素酸化物濃度が増加したとしても、これを自律的に浄化することができる。従って、内燃機関（１４ａ）にて、燃料の有する潜在的なエネルギを効率的に機械的エネルギへ変換できる。
【００１３】
その結果、請求項１に記載の発明によれば、燃料が有する潜在的なエネルギを充分効率的に利用可能なコジェネレーションシステムを提供することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のコジェネレーションシステムにおいて、燃料として、水素を含有する化合物が採用されており、燃料を改質して水素を発生させる改質手段（１６）を備え、改質手段（１６）にて発生した水素が、内燃機関（１４ａ）へ供給されることを特徴とする。
【００１５】
これによれば、燃焼速度の速い水素を内燃機関（１４ａ）へ供給することができるので、内燃機関（１４ａ）の起動時等に、内燃機関（１４ａ）を速やかに暖機して、高い作動効率を発揮させながら運転させることができる。さらに、内燃機関（１４ａ）のシリンダ内へ積極的に水素を供給することで、内燃機関（１４ａ）の失火を抑制しつつ、その回転数および出力を上昇させることができるので、より一層、内燃機関（１４ａ）の作動効率を向上させることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のコジェネレーションシステムにおいて、燃料と発熱を伴いながら化学反応するとともに、燃料と可逆反応する発熱剤が収容された蓄熱手段（１５）を備え、燃料を蓄熱手段（１５）へ供給することによって生じる反応熱が、内燃機関（１４ａ）および燃料気化手段（１３）のうち少なくとも一方へ供給され、内燃機関（１４ａ）にて燃料を燃焼させた際に生じる廃熱が蓄熱手段（１５）へ供給されることによって、発熱剤が再生されることを特徴とする。
【００１７】
これによれば、蓄熱手段（１５）を備えているので、燃料と発熱剤とを反応させた際に生じる反応熱を有効に利用することができる。例えば、反応熱を燃料気化手段（１３）へ供給することで、燃料気化手段（１３）における気化を促進できる。また、反応熱を内燃機関（１４ａ）へ供給することで、内燃機関（１４ａ）の暖機を促進できる。
【００１８】
さらに、廃熱回収部（３０）にて回収された熱によって発熱剤を自律的に再生でき、再生された燃料を燃料気化手段（１３）あるいは内燃機関（１４ａ）へ供給して有効に利用することができる。
【００１９】
なお、本請求項における「反応熱が、前記燃料気化手段（１３）および前記内燃機関（１４ａ）のうち少なくとも一方へ供給され、」とは、燃料気化手段（１３）あるいは内燃機関（１４ａ）自体を加熱するように反応熱を供給することのみを意味するものではなく、燃料気化手段（１２）あるいはエネルギ出力手段（ＥＧ）へ供給される燃料を加熱するように反応熱を供給すること等を含む意味である。
【００２０】
また、本請求項における「内燃機関（１４ａ）にて燃料を燃焼させた際に生じる廃熱」には、「廃熱回収部（３０）にて回収された熱」も含まれる。
【００２１】
さらに、請求項４に記載の発明のように、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のコジェネレーションシステムにおいて、具体的に、燃料としてアンモニアを採用してもよい。
【００２２】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一実施形態のコジェネレーションシステムの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図１は、定置型の発電装置として構成された本実施形態のコジェネレーションシステム１０の全体構成図である。まず、コジェネレーションシステム１０は、加圧されて液化された高圧液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵手段としての高圧タンク１１を備えている。
【００２５】
この高圧タンク１１に貯蔵される燃料は、後述する発電部１４のエンジン１４ａにて燃料として燃焼させるために可燃性を有し、さらに、その製造コストを低減させるために高圧下においては常温（１５℃〜２５℃程度）でも液化させやすい燃料であることが望ましい。
【００２６】
そこで、本実施形態では、可燃性を有するとともに、常温であっても１．５ＭＰａ以下で液化する燃料として、アンモニア（ＮＨ3）を採用している。さらに、アンモニアは水素を含有する燃料（化合物）であるから、改質することによって可燃性を有する水素ガスを生成することもできる。
【００２７】
この他にも同等の性質を有する燃料として、ジメチルエーテル、アルコール含有燃料等を採用することもできる。さらに、水素を含有する燃料であって、同燃料の分子中に、硫黄（Ｓ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）およびハロゲンのうち少なくとも１種の原子が含まれるものであり、かつ、分子間にて水素結合が発現するものを採用してもよい。
【００２８】
高圧タンク１１の燃料流出口には、第１、第２流量調整弁１２ａ、１２ｂを介して、燃料を気化させる燃料気化手段としての気化部１３、燃料と可逆的に化学反応する発熱剤が収容された蓄熱手段としての蓄熱部１５、および、エンジン１４ａにて燃料を燃焼させた際に発生する排ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する排ガス浄化手段としての浄化部１７が接続されている。
【００２９】
第１、第２流量調整弁１２ａ、１２ｂは、それぞれ燃料通路内に配置された弁体を有し、この弁体によって燃料通路の開度を調整することによって、高圧タンク１１から流出した液体燃料を減圧させながら、気化部１３側へ流出させる冷媒流量、並びに、蓄熱部１５および浄化部１７側へ流出させる燃料流量を調整するものである。
【００３０】
さらに、第１、第２流量調整弁１２ａ、１２ｂの弁体は、いずれも燃料通路を遮断して高圧タンク１１から燃料が流出することを禁止する全閉機能を有している。なお、第１、第２流量調整弁１２ａ、１２ｂは、それぞれ後述するシステム制御装置から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
【００３１】
気化部１３は、高圧タンク１１から流出した液相状態の燃料（液体燃料）を気化させる第１気化部１３ａ、および、第１気化部１３ａから流出した液体燃料あるいは気液二相状態の燃料（二相燃料）を気化させる第２気化部１３ｂが設けられた気化用熱交換器によって構成されている。
【００３２】
より具体的には、第１気化部１３ａは、高圧タンク１１から流出した液体燃料と後述する冷却用熱媒体回路２０を循環する第１熱媒体とを熱交換させることによって、液体燃料を加熱して気化させる熱交換部である。また、第２気化部１３ｂは、第１気化部１３ａから流出した液体燃料あるいは二相燃料と後述する冷却水循環回路３０を循環するエンジン１４ａの冷却水とを熱交換させることによって、液体燃料あるいは二相燃料を加熱して気化させる熱交換部である。
【００３３】
本実施形態では、冷却水循環回路３０を循環するエンジン１４ａの冷却水の温度が、冷却用熱媒体回路２０を循環する第１熱媒体の温度よりも高く設定されており、高圧タンク１１から流出した燃料を第１気化部１３ａ→第２気化部１３ｂの順に通過させることで、第１気化部１３ａにおける燃料と第１熱媒体との温度差および第２気化部１３ｂにおける冷却水との温度差を確保して効率的な燃料の気化を行うようにしている。
【００３４】
さらに、本実施形態では、発電部１４の通常作動時には、気化部１３から流出する燃料が確実に過熱度を有する気体燃料となるように、第１気化部１３ａおよび第２気化部１３ｂの熱交換能力が調整されている。
【００３５】
ところで、エンジン１４ａの起動時等のように、冷却水の温度が第１熱媒体の温度に対して充分に高くなっていない場合には、気化部１３から流出する燃料を過熱度を有する気体燃料となるまで昇温できないことが懸念される。これに対して、本実施形態では、蓄熱部１５から第２気化部１３ｂへ熱を供給することによって、気化部１３から流出する燃料が確実に過熱度を有する気体燃料となるようにしている。
【００３６】
この蓄熱部１５は、燃料と可逆的に化学反応する発熱剤が収容された反応容器を有し、発熱剤としては、具体的に、ハロゲン化金属である塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ2）を採用している。
【００３７】
塩化ストロンチウムは、以下の化学式に示すように、燃料であるアンモニアと発熱を伴いながら可逆的に化学反応する。従って、この化学反応によって生成される化学反応物であるアンモニア・塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ2・８ＮＨ3）は、吸熱することによって再びアンモニアと塩化ストロンチウムとに再生される。
【００３８】
【化１】
従って、本実施形態では、エンジン１４ａの起動時等のように、冷却水の温度が第１熱媒体の温度に対して充分に高くなっていない場合には、反応容器内へ燃料を供給して上記の発熱反応を生じさせ、この際に生じる熱を第２気化部へ供給することによって、気化部１３から流出する燃料が確実に過熱度を有する気体燃料となるようにしている。
【００３９】
また、システムの通常作動時には、後述する加熱用熱媒体回路４０を循環する第２熱媒体を介して、エンジン１４ａの廃熱を反応容器内の化学反応物（アンモニア・塩化ストロンチウム）へ供給することで、アンモニアと塩化ストロンチウムとを再生させるようにしている。
【００４０】
次に、気化部１３から流出した気体燃料の流れは、図１に示すように、２つの流れに分岐され、分岐された一方の気体燃料は、発電部１４のエンジン１４ａの吸気ポートへ供給され、分岐された他方の気体燃料は、気体燃料を改質して水素ガスを発生させる改質器（リフォーマ）１６へ供給される。
【００４１】
発電部１４は、気化部１３にて気化された燃料を燃焼させることによって回転駆動力（機械的エネルギ）を出力するエンジン（内燃機関）１４ａと、エンジン１４ａから出力された回転駆動力によって駆動されて、機械的エネルギを電気エネルギに変換する発電手段である発電機１４ｂを有して構成されている。
【００４２】
エンジン１４ａは、いわゆるレシプロ型エンジンで構成されており、システム制御装置によってその作動が制御される。また、エンジン１４ａの回転軸は発電機１４ｂの回転軸に直結されており、発電機１４ｂでは、エンジン１４ａが作動を開始することによって、発電を開始する。
【００４３】
リフォーマ１６は、気体燃料を触媒下で改質可能温度まで加熱して改質反応させることによって、水素ガスを発生させる改質手段である。具体的には、本実施形態では、燃料としてアンモニアを採用しているので、燃料を３５０℃以上となるまで加熱して、触媒下にて改質反応をさせて水素ガスを発生させている。
【００４４】
リフォーマ１６にて発生した水素ガスは、補助燃料として吸気に混合されてエンジン１４ａの吸気ポートより気体燃料とともに燃焼室へ供給される。水素は、アンモニアに対して燃焼速度が速いので、補助燃料として水素をアンモニアとともに混燃させることによって、エンジン１４ａの失火等を抑制できる。
【００４５】
エンジン１４ａにて燃焼した気体燃料および水素ガスの排ガスは、エンジン１４ａの排気ポートから排出されて排ガス浄化手段としてのＮＯX処理機１７へ流入する。ＮＯX処理機１７は、触媒下でエンジン１４ａの排気ポートから排出された排ガスに含まれる窒素酸化物とアンモニアとを選択的に反応させて、窒素酸化物を水と窒素とに分解して浄化するものである。ＮＯX処理機１７によって窒素酸化物が浄化された排ガスは、大気に排気される。
【００４６】
次に、冷却用熱媒体回路２０、冷却水循環回路３０および加熱用熱媒体回路４０について説明する。
【００４７】
冷却用熱媒体回路２０は、気化部１３の第１気化部１３ａにて燃料が気化する際に気化潜熱を吸熱されて冷却される第１熱媒体（例えば、水、エチレングリコール水溶液）を循環させる回路である。換言すると、冷却用熱媒体回路２０は、気化部１３の第１気化部１３ａにて燃料が気化する際に生じる冷熱を第１熱媒体に回収させる回路である。従って、この冷却用熱媒体回路２０は、特許請求の範囲に記載された冷熱回収部を構成している。
【００４８】
具体的には、この冷却用熱媒体回路２０は、熱媒体圧送用の第１水ポンプ２０ａ、気化部１３の第１気化部１３ａ内に形成された第１熱媒体通路２０ｂ、第１熱媒体と室内に送風される送風空気とを熱交換させる冷却用室内熱交換器２１を順次配管にて環状に接続して構成されている。また、第１水ポンプ２０ａは、システム制御装置から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
【００４９】
冷却水循環回路３０は、エンジン１４ａにて燃料が燃焼する際の廃熱を吸熱して加熱される冷却水（例えば、水、エチレングリコール水溶液）を循環させる回路である。換言すると、冷却水循環回路３０は、エンジン１４ａにて燃料を燃焼させた際に生じる廃熱を冷却水に回収させる回路である。従って、本実施形態の冷却水循環回路３０は、特許請求の範囲に記載された廃熱回収部を構成している。
【００５０】
具体的には、この冷却水循環回路３０は、冷却水圧送用の第２水ポンプ３０ａ、エンジン１４ａ内に形成された第１冷却水通路３０ｂ、気化部１３の第２気化部１３ｂ内に形成された第２冷却水通路３０ｃ、冷却水−水熱交換器３１、冷却水と室内に送風される送風空気とを熱交換させる加熱用室内熱交換器３２を順次配管にて環状に接続して構成されている。
【００５１】
冷却水−水熱交換器３１は、冷却水通路３１ａを流通する冷却水と水通路を流通する給湯水とを熱交換させて給湯水を加熱する加熱用熱交換器である。冷却水−水熱交換器３１にて加熱された給湯水は、図示しない貯湯タンクに蓄えられる。また、第２水ポンプ３０ａは、システム制御装置から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
【００５２】
加熱用熱媒体回路４０は、エンジン１４ａにて燃料が燃焼する際の廃熱を吸熱して加熱された第１熱媒体（例えば、水、エチレングリコール水溶液）の有する熱を蓄熱部１５の反応容器内の化学反応物へ供給するための回路である。
【００５３】
より具体的には、加熱用熱媒体回路４０は、熱媒体圧送用の第３水ポンプ４０ａ、エンジン１４ａ内に形成された第２熱媒体通路４０ｂ、蓄熱部１５の反応容器内に形成された第３熱媒体通路４０ｃを順次配管にて環状に接続して構成されている。また、第３水ポンプ４０ａは、システム制御装置から出力される制御信号によって、その作動が制御される。
【００５４】
次に、本実施形態の電気制御部について説明する。システム制御装置（図示せず）は、制御処理や演算処理を行うＣＰＵおよびプログラムやデータ等を記憶するＲＯＭおよびＲＡＭ等の記憶回路を含む周知のマイクロコンピュータ、各種制御対象機器への制御信号、制御電圧等を出力する出力回路、各種センサの検出信号が入力される入力回路、並びに、電源回路等から構成されている。
【００５５】
システム制御装置の出力側には、前述した各種制御対象機器１２ａ、１２ｂ、１４ａ、２０ａ〜４０ａ等が接続され、システム制御装置はこれらの制御対象機器の作動を制御する。また、システム制御装置の入力側には、各種制御対象機器の作動を制御するために用いられる物理量を検出するシステム制御用センサ群が接続されている。
【００５６】
具体的には、システム制御用センサ群として、発電機１４ｂから出力される電力の消費量を検出する電力計、エンジン１４ａの回転数を検出する回転数センサ、エンジン１４ａから流出した冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ（いずれも図示せず）等が設けられている。
【００５７】
なお、本実施形態の冷却水温度センサでは、具体的に、冷却水循環回路３０の第１冷却水通路３０ｂから流出した冷却水の温度を検出しているが、この冷却水の温度と同等となる加熱用熱媒体回路４０の第２熱媒体通路４０ｂから流出した第２熱媒体の温度を検出するようにしてもよい。
【００５８】
さらに、システム制御装置の入力側には、コジェネレーションシステム１０を起動あるいは停止させるスタートスイッチ、給湯水の温度を設定する温度設定スイッチ等が設けられた図示しない操作パネルが接続されており、この操作パネルから各種スイッチ群の操作信号が入力される。
【００５９】
また、システム制御装置は、上述した各種制御対象機器を制御する制御手段が一体に構成されたものであるが、システム制御装置のうち各制御対象機器の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）が各制御対象機器の制御手段を構成している。従って、これらの制御手段を別々の制御装置によって構成してもよい。
【００６０】
次に、上記構成における本実施形態のコジェネレーションシステム１０の作動について説明する。まず、スタートスイッチが投入（ＯＮ）されると、システム制御装置が、その記憶回路に記憶されたシステム制御プログラムを実行する。このシステム制御プログラムでは、システムの作動状態に応じて、各種制御対象機器の作動を制御する。
【００６１】
まず、コジェネレーションシステム１０の起動時には、システム制御装置が、予め定めた所定流量の燃料が気化部１３へ供給されるように第１流量調整弁１２ａの弁開度を制御するとともに、それぞれ予め定めた所定流量の燃料が蓄熱部１５およびＮＯX処理機１７へ供給されるように第２流量調整弁１２ｂの弁開度を制御する。さらに、それぞれ所定の圧送能力を発揮できるように第１、第２水ポンプ２０ａ、３０ａを作動させた状態で、発電部１４のエンジン１４ａを起動させる。
【００６２】
これにより、第１流量調整弁１２ａを介して気化部１３の第１気化部１３ａへ供給された燃料が、冷却用熱媒体回路２０の第１熱媒体通路２０ｂを流通する第１熱媒体と熱交換して気化する。一方、燃料が気化する際に気化潜熱を奪われて冷却された第１熱媒体は、冷却用室内熱交換器２１へ流入して室内へ送風される送風空気と熱交換する。これにより送風空気が冷却される。
【００６３】
第１気化部１３ａにて気化された燃料は、第２気化部１３ｂへ流入する。ここで、コジェネレーションシステム１０の起動時には、冷却水循環回路３０を循環する冷却水が充分に昇温していない。そのため、第２気化部１３ｂへ流入した燃料を、第２冷却水通路３０ｃを流通する冷却水と熱交換させても、第２気化部１３ｂへ流入した燃料の気化を促進することができない。
【００６４】
これに対して、本実施形態では、第２流量調整弁１２ｂを介して蓄熱部１５へ燃料が供給されるので、蓄熱部１５の反応容器内にて、上述したように燃料と発熱剤が発熱反応する。そして、この反応熱が気化部１３の第２気化部１３ｂへ供給されて、第２気化部１３ｂへ流入した燃料の気化が促進される。
【００６５】
さらに、気化部１３の第２気化部１３ｂには、第２冷却水通路３０ｃが配置されているので、反応熱が第２冷却水通路３０ｃを流通する冷却水に供給されることによって、冷却水の温度を速やかに上昇させて、エンジン１４ａの暖機を促進できる。
【００６６】
なお、本実施形態では、具体的に、冷却水温度センサによって検出された冷却水の温度が、予め定めた第１基準温度ＫＴ１（本実施形態では、４０℃）以下である場合に、エンジン１４ａの起動時としている。その後、冷却水温度センサによって検出された冷却水の温度が、予め定めた第２基準温度ＫＴ２（本実施形態では、９０℃）以上となった際には、エンジン１４ａの起動時ではなくなったものとして、通常作動に移行する。
【００６７】
気化部１３から流出した気体燃料は、発電部１４のエンジン１４ａとリフォーマ１６へ供給される。エンジン１４ａでは、燃料を燃焼させて回転駆動力（機械的エネルギ）を出力する。この回転駆動力は発電機１４ｂへ伝達されて、発電機１４ｂから電気エネルギが出力される。リフォーマ１６では、燃料が改質されて水素が生成される。生成された水素は、エンジン１４ａにて燃料とともに燃焼する。
【００６８】
エンジン１４ａから流出した燃料の排ガスは、浄化部１７へ供給される。浄化部１７では、第２流量調整弁１２ｂを介して供給された燃料と排ガスが反応して、窒素酸化物が還元される。そして、窒素酸化物が還元されて浄化された排ガスは大気に放出される。
【００６９】
次に、コジェネレーションシステム１０が通常作動へ移行すると、システム制御装置が、電力計によって検出された消費電力の増加に伴って気化部１３へ供給される燃料流量を増加させるように第１流量調整弁１２ａの弁開度を制御して、エンジン１４ａの回転数を制御する。
【００７０】
さらに、蓄熱部１５への燃料供給を遮断し、電力計によって検出された消費電力の増加に伴ってＮＯX処理機１７へ供給される燃料流量を増加させるように第２流量調整弁１２ｂの弁開度を制御する。また、それぞれ所定の圧送能力を発揮できるように第１〜第３水ポンプ２０ａ〜４０ａを作動させる。
【００７１】
通常作動時には、気化部１３の第１気化部１３ａでは、起動時と同様に燃料が気化し、第２気化部１３ｂへ流入する。通常作動時には、冷却水循環回路３０の第１冷却水通路３０ｂから流出した冷却水の温度が第２基準温度ＫＴ２以上に上昇しているので、第２気化部１３ｂへ流入した燃料は、第２冷却水通路３０ｃを流通する冷却水によって加熱され気化が促進される。
【００７２】
さらに、第２冷却水通路３０ｃから流出した冷却水は、冷却水−水熱交換器３１へ流入して給湯水と熱交換する。これにより給湯水が加熱される。冷却水−水熱交換器３１から流出した冷却水は、加熱用室内熱交換器３２へ流入して室内へ送風される送風空気と熱交換する。これにより送風空気が加熱される。
【００７３】
また、通常作動時の蓄熱部１５では、加熱用熱媒体回路４０の第３熱媒体通路４０ｃを流通する第２熱媒体によって、反応容器内の化学反応物が加熱されて、アンモニアと塩化ストロンチウムが再生される。発電部１４、リフォーマ１６、ＮＯX処理機１７における作動は起動時と同様である。
【００７４】
本実施形態のコジェネレーションシステム１０は、上記の如く作動するので、発電部１４にて発電された電力を利用することができるとともに、廃熱回収部を構成する冷却水循環回路３０を備えているので、エンジン１４ａにて燃料を燃焼させた際の廃熱を、冷却水−水熱交換器３１では給湯水を加熱するために有効に利用でき、加熱用室内熱交換器３２では室内暖房のために有効に利用することができる。
【００７５】
さらに、本実施形態では、冷熱回収部を構成する冷却用熱媒体回路２０を備えているので、エンジン１４ａへ供給される前の燃料の有する潜在的なエネルギの一部である内部エネルギの変化によって生じる冷熱を、冷却用室内熱交換器２１にて室内冷房のために有効に利用することができる。
【００７６】
さらに、本実施形態では、排ガス浄化手段であるＮＯX処理機１７を備えているので、高い作動効率を発揮させることを優先して排ガス中の窒素酸化物濃度が増加したとしても、これを外部からのエネルギ供給を受けることなく自律的に浄化することができる。従って、エンジン１４ａに高い作動効率を発揮させることを優先して、燃料の有する潜在的なエネルギを効率的に機械的エネルギへ変換できる。
【００７７】
さらに、本実施形態では、リフォーマ１６を備えているので、燃焼速度の速い水素をエンジン１４ａへ供給することができる。従って、エンジン１４ａの起動時等に、エンジン１４ａを速やかに暖機して、エンジン１４ａの作動効率を速やかに向上させることができる。また、暖機終了後にもエンジン１４ａのシリンダ内に、積極的に水素を供給することで、エンジン１４ａの失火を抑制しつつ、その回転数および出力を向上させることができるので、より一層、エンジン１４ａの作動効率を向上させることができる。
【００７８】
さらに、本実施形態では、蓄熱部１５を備えているので、蓄熱部１５にて燃料と発熱剤とを反応させた際に生じる反応熱を気化部１３の第２気化部１３ｂへ供給することによって、第２気化部１３ｂにおける燃料の気化を促進できる。さらに、反応熱を発電部１４のエンジン１４ａへ供給することによって、エンジン１４ａの暖機を促進できる。
【００７９】
しかも、３０にてエンジン１４ａの廃熱を回収して、燃料と発熱剤との化学反応物へ供給することによって、外部から熱の供給を受けることなく自律的に燃料と発熱剤とを再生することができ、再生された燃料を有効に利用することができる。
【００８０】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
【００８１】
（１）上述の実施形態では、燃料タンク１１から気化部１３、蓄熱部１５およびＮＯX処理機１７へ供給される燃料流量を調整する流量調整手段として、第１、第２流量調整弁１２ａ、１２ｂを採用した例を説明したが、流量調整手段はこれに限定されない。例えば、燃料タンク１１に３つの燃料流出ポートを設け、それぞれに気化部１３、蓄熱部１５およびＮＯX処理機１７へ供給される燃料流量を調整する流量調整弁を配置してもよい。
【００８２】
（２）上述の実施形態では、蓄熱部１５から燃料と発熱剤とを反応させた際に生じる反応熱を第２気化部へ供給する反応熱供給手段の詳細に言及していないが、冷却用熱媒体回路２０あるいは加熱用熱媒体回路４０と同様に、熱媒体回路を設けて熱媒体を介して反応熱を燃料に供給してもよい。さらに、蓄熱部１５を構成する反応容器を第２気化部１３ｂの気化空間内に配置してもよい。
【００８３】
（３）上述の実施形態では、燃料と発熱剤との化学反応物を再生することによって得られた燃料について言及していないが、もちろん、再生された燃料を発電部１４のエンジン１４ａへ供給してもよいし、ＮＯX処理機１７へ供給してもよい。
【００８４】
（４）上述の実施形態では、冷却用熱媒体回路２０にて回収した冷熱を室内冷房に利用した例を説明したが、冷熱の利用はこれに限定されない。例えば、冷蔵庫内や冷凍庫内を冷却するために利用してもよい。また、加熱用熱媒体回路４０にて回収された廃熱についても、室内暖房や給湯水の加熱に限定されることなく、床暖房システム等に利用してもよい。
【００８５】
（５）上述の実施形態では、冷却水循環回路３０と加熱用熱媒体回路４０とを別々に構成した例を説明したが、冷却水循環回路３０と加熱用熱媒体回路４０と一つの熱媒体循環回路として構成してもよい。例えば、第２水ポンプ３０ａ、第１冷却水通路３０ｂ、第３熱媒体通路４０ｃ、第２冷却水通路３０ｃ、冷却水−水熱交換器３１、加熱用室内熱交換器３２を順次環状に接続して構成された熱媒体循環回路として構成してもよい。
【００８６】
（６）上述の実施形態では、通常作動時に電力計によって検出された消費電力の増加に伴って気化部１３へ供給される燃料流量を増加させた例を説明したが、気化部１３へ供給される燃料流量の制御はこれに限定されない。例えば、発電部１４の発電機１４ｂから出力される電力を蓄えるバッテリを設け、このバッテリの蓄電残量の低下に伴って気化部１３へ供給される燃料流量を増加させてエンジン１４ａの回転数を制御してもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１３ 気化部
１３ａ、１３ｂ 第１、第２気化部
１４ 発電部
１４ａ エンジン
１４ｂ 発電機
１５ 蓄熱部
１６ リフォーマ
１７ ＮＯX処理機
２０ 冷却用熱媒体回路
３０ 冷却水循環回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化された燃料を気化する燃料気化手段（１３）と、
前記燃料気化手段（１３）にて気化された前記燃料を燃焼させることによって機械的エネルギを出力する内燃機関（１４ａ）と、
前記内燃機関（１４ａ）から出力された機械的エネルギを電気エネルギに変換する発電手段（１４ｂ）と、
前記燃料気化手段（１３）にて前記燃料を気化させた際に生じる冷熱を回収する冷熱回収部（２０）と、
前記内燃機関（１４ａ）にて前記燃料を燃焼させた際に生じる廃熱を回収する廃熱回収部（３０）と、
前記内燃機関（１４ａ）にて前記燃料を燃焼させた際に発生する排ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する排ガス浄化手段（１７）とを備え、
前記燃料として、前記排ガス浄化手段（１７）へ供給された際に前記窒素酸化物と反応して前記窒素酸化物を還元するものが採用されていることを特徴とするコジェネレーションシステム。
【請求項２】
前記燃料として、水素を含有する化合物が採用されており、
前記燃料を改質して水素を発生させる改質手段（１６）を備え、
前記改質手段（１６）にて発生した水素が、前記内燃機関（１４ａ）へ供給されることを特徴とする請求項１に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項３】
前記燃料と発熱を伴いながら化学反応するとともに、前記燃料と可逆反応する発熱剤が収容された蓄熱手段（１５）を備え、
前記燃料を前記蓄熱手段（１５）へ供給することによって生じる反応熱が、前記内燃機関（１４ａ）および前記燃料気化手段（１３）のうち少なくとも一方へ供給され、
前記内燃機関（１４ａ）にて前記燃料を燃焼させた際に生じる廃熱が前記蓄熱手段（１５）へ供給されることによって、前記発熱剤が再生されることを特徴とする請求項１または２に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項４】
前記燃料は、アンモニアであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のコジェネレーションシステム。
【請求項１】
液化された燃料を気化する燃料気化手段（１３）と、
前記燃料気化手段（１３）にて気化された前記燃料を燃焼させることによって機械的エネルギを出力する内燃機関（１４ａ）と、
前記内燃機関（１４ａ）から出力された機械的エネルギを電気エネルギに変換する発電手段（１４ｂ）と、
前記燃料気化手段（１３）にて前記燃料を気化させた際に生じる冷熱を回収する冷熱回収部（２０）と、
前記内燃機関（１４ａ）にて前記燃料を燃焼させた際に生じる廃熱を回収する廃熱回収部（３０）と、
前記内燃機関（１４ａ）にて前記燃料を燃焼させた際に発生する排ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する排ガス浄化手段（１７）とを備え、
前記燃料として、前記排ガス浄化手段（１７）へ供給された際に前記窒素酸化物と反応して前記窒素酸化物を還元するものが採用されていることを特徴とするコジェネレーションシステム。
【請求項２】
前記燃料として、水素を含有する化合物が採用されており、
前記燃料を改質して水素を発生させる改質手段（１６）を備え、
前記改質手段（１６）にて発生した水素が、前記内燃機関（１４ａ）へ供給されることを特徴とする請求項１に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項３】
前記燃料と発熱を伴いながら化学反応するとともに、前記燃料と可逆反応する発熱剤が収容された蓄熱手段（１５）を備え、
前記燃料を前記蓄熱手段（１５）へ供給することによって生じる反応熱が、前記内燃機関（１４ａ）および前記燃料気化手段（１３）のうち少なくとも一方へ供給され、
前記内燃機関（１４ａ）にて前記燃料を燃焼させた際に生じる廃熱が前記蓄熱手段（１５）へ供給されることによって、前記発熱剤が再生されることを特徴とする請求項１または２に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項４】
前記燃料は、アンモニアであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のコジェネレーションシステム。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−２４６７７３（Ｐ２０１２−２４６７７３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１６７６０（Ｐ２０１１−１１６７６０）
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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