JP2008177052A - 家庭用燃料電池システムとそれに使用される排熱分配ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】給湯需要の少ない夏場においても排熱利用を簡単かつ積極的に行い、総合的なエネルギー効率の高いコジェネレーション運転を実施可能な、省エネ性や経済性に優れた家庭用燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム本体パッケージ１００と分離して設けられた排熱分配ユニット２００は、本体パッケージ１００からの排熱を貯湯タンク２０１に貯湯し、貯湯した温水を、複数の分配弁２１１〜２１５を通じて、給湯器３００、空調機４００、洗濯機５００、食器洗浄機６００、トイレ設備７００のそれぞれに対して個別に温水分配する。排熱分配ユニット２００の制御部２２１は、排熱利用設備に対する温水分配の優先順位を決定して、分配弁２１１〜２１５の制御を行い、操作・表示部２２２は、ユーザから温水分配の優先順位に関する条件指定を取得し、また、温水分配の優先順位に関する情報を視覚的に表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料および酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池を備えた家庭用燃料電池システムに関するものであり、特に、その排熱を有効に利用するための技術に関するものである。

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極であるアノード側電極と酸化剤極であるカソード側電極を向い合わせた電池セルをセパレータで挟持した構造物を複数枚積層して構成されている。

このような固体高分子型燃料電池は、車載用等では機動性を重視するため、通常、燃料には純水素を使用し、酸化剤には空気を用いたシステムが多い。ところが、定置用や家庭用になると、インフラの問題から、燃料にはメタン成分の多い都市ガスやプロパンガスを使用するシステムが求められる。この場合は、燃料を水素に改質するために、燃料に水蒸気を混合して水素を生成させる燃料処理器を用いる方法が一般的である。

いずれのシステムにおいても、アノード電極側に供給された水素がイオン化して固体高分子電解質膜内を流れてカソード電極側の酸素と反応し、水を生成するとともに、外部に対して電気エネルギーが得られる。

ところで、この固体高分子型燃料電池は、電気エネルギーの発生とともに、約１００℃以下の排熱を生じる。これは、電池効率が１００％にならない限り、つまり電池本体温度が周囲温度のままで発電が可能にならない限り、温度の高い電池温度から周囲温度への放熱分が熱として発生するからである。一方、燃料を水素に改質するための燃料処理器においても、通常、改質器等の改質反応の加熱に燃焼器を使うため、燃焼排ガスや燃料処理器外部からの排熱が生じる。

このように燃料電池から生じる熱を利用すれば、電気エネルギーとのハイブリッド運転、すなわちコジェネレーション運転となるため、非常に経済的でエネルギー効率の高い、地球環境に優しい燃料電池システムが実現できる。近年では、地球温暖化を防止する方法の一つとして、二酸化炭素の排出量が少ないこの燃料電池システムが脚光を浴び、その省エネ性や経済性に注目が集まっている。

そのため、このような燃料電池システムを家庭に導入しようという開発活動が日本を中心に非常に高まっており、家庭に導入した燃料電池から生じる排熱を給湯や風呂に限らずより幅広く利用するシステムも提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。さらに、日本国内では、政府予算の補助の下、この家庭用燃料電池システムを一般家庭に設置して大規模実証試験を遂行しつつある。

特開２００４−１０８６０８ 特開２００４−３４７２８８

上記のような家庭用燃料電池システムの実証試験で明らかになってきた問題点は、夏場の省エネ性、経済性が冬場に比べて低下することである。これは、給湯熱需要が夏場は冬場に比べて大きく減少するためであり、ＤＳＳ運転の場合は、燃料電池システムの起動停止が増加し、発電時以外のエネルギー損失が増加して、連続運転の場合は燃料電池からの排熱利用ができずに大気中に放熱するためである。

このように、現状の家庭用燃料電池システムは、一般家庭において給湯や風呂の夏場の熱利用が少なく、省エネ性および経済性が悪化する問題がある。この熱利用を高めるため、例えば、空調機の冷房運転において吸収式冷凍機やデシカント空調の再生器の加熱源に応用するなどの検討もなされているが、利用効率が低く実用化までには至っていない。また、特許文献１、２のように、給湯や風呂に限らない熱利用の提案も行われているが、これらの従来技術では、排熱利用設備が既存の現行品では対応できない構成となっている上、貯湯槽を含む排熱利用システムが非常に複雑になる等、コスト面で実用性が低い。

本発明は、以上のような従来技術の問題を解決するために、給湯需要の少ない夏場においても排熱利用を簡単かつ積極的に行い、総合的なエネルギー効率の高いコジェネレーション運転を実施可能な、省エネ性や経済性に優れた家庭用燃料電池システムとそれに使用される排熱分配ユニットを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、燃料および酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池を備えた家庭用燃料電池システムにおいて、燃料電池からの排熱を温水で回収し、回収した排熱を温水分配により家庭内の排熱利用設備に対して選択的に分配する排熱分配ユニットを有し、排熱利用設備は、洗濯機、空調機、食器洗浄機、トイレ設備、の中から選択された少なくとも１つ以上の設備と給湯器を含む複数の排熱利用設備であることを特徴とするものである。これにより、既存の設備の給水系統または給湯系統に接続するだけで、既存の設備を排熱利用設備として利用できるため、燃料電池からの排熱を、給湯や風呂に限らず、家庭内の各種の既存の設備で有効に利用可能であり、省エネ性や経済性を向上できる。

また、本発明の排熱分配ユニットは、上記システム中で使用され、前記燃料電池からの排熱を温水で回収し、回収した排熱を温水分配する排熱分配ユニットにおいて、前記燃料電池とは分離して独立に構成され、前記燃料電池からの排熱を貯湯するタンクと、貯湯した温水を複数の排熱利用設備に対して設備単位で選択的に分配する複数の分配弁と、前記複数の分配弁を制御することにより、前記複数の排熱利用設備に対する温水分配の優先順位制御を行う制御部を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、給湯需要の少ない夏場においても排熱利用を簡単かつ積極的に行い、総合的なエネルギー効率の高いコジェネレーション運転を実施可能な、省エネ性や経済性に優れた家庭用燃料電池システムとそれに使用される排熱分配ユニットを提供することができる。

以下には、本発明を適用した家庭用燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。

［システム構成］
図１は、本発明を適用した家庭用燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この図１に示すように、本実施形態の家庭用燃料電池システムは、発電を行う燃料電池システム本体パッケージ１００と、燃料電池システム本体パッケージ（以下には適宜、本体パッケージと略称する）１００と分離した独立ユニットとして設けられた排熱分配ユニット２００から構成されている。

ここで、排熱分配ユニット２００は、燃料電池システム本体パッケージ１００からの排熱を貯湯する貯湯タンク２０１と、貯湯タンク２０１に貯湯した温水を排熱利用設備に分配する複数の分配弁２１１〜２１５を備えており、これらの分配弁２１１〜２１５を通じて、給湯器３００、空調機４００、洗濯機５００、食器洗浄機６００、トイレ設備７００、という複数の排熱利用設備のそれぞれに対して、温水分配を個別に行うように構成されている。

なお、図示した分配弁の数は一例であり、排熱分配ユニット２００には、予め余裕を持って多数の分配弁を設けてもよいし、あるいは、分配弁と配管を規格化することで、分配弁を容易に増設できるように構成してもよい。

排熱分配ユニット２００はまた、タンク２０１に貯湯した温水を燃料電池システム本体パッケージ１００との間で循環させる温水循環ポンプ２０２を備えている。排熱分配ユニット２００はさらに、排熱利用設備に対する温水分配の優先順位を決定して、分配弁２１１〜２１５の制御を行う制御部２２１、ユーザから温水分配の優先順位に関する条件指定を取得し、また、温水分配の優先順位に関する情報を、文字列やシンボルマーク、アイコンなどを用いて視覚的に表示する操作・表示部２２２、などを備えている。

なお、操作・表示部２２２は、排熱分配ユニット２００本体に組み込んでもよいが、排熱分配ユニット２００と分離した独立ユニットとして構成してもよく、あるいは、組み込み型と独立型の両方の表示・操作部を設けてもよい。さらに、独立型の表示・操作部２２２に制御部２２１の一部または全部を組み込むことも可能である。

［本体パッケージの構成・発電原理］
図２は、本実施形態の家庭用燃料電池システムにおける燃料電池システム本体パッケージ１００の構成を示すブロック図である。以下では、特に、固体高分子型燃料電池システムを例として、燃料電池システム本体パッケージ１００の構成および動作について説明する。

燃料電池システム本体パッケージ１００は、主に、電池本体（ＣＳＡ：Cell Stack Assembly）１０と燃料処理系（ＦＰＳ：Fuel Processing System）２０から構成される。電池本体１０は、アノード極１１、カソード極１２から構成される。燃料処理系２０は、燃料２１、脱硫器２２、水蒸気発生器２３、改質器２４、ＣＯシフト反応器２５、ＣＯ選択酸化器２６、水蒸気分離器２７、改質用燃焼器２８、改質用水ポンプ２９、排熱熱交換器＆タンク３０を備えている。燃料は、炭化水素系燃料であり、具体的には、例えば都市ガスやプロパンである。

燃料処理系２０はまた、流体の流れを調整、遮断、切替、あるいは制御するために、カソード極用空気ブロア３１、ＣＯ選択酸化用空気ブロア３２、燃焼用空気ブロア３３、燃料昇圧ブロア３４、電池冷却水ポンプ３５、燃料遮断弁４１、起動用燃料遮断弁４２、メイン燃料遮断弁４３、脱気用遮断弁４４、オフガス逆止弁４５、燃焼空気切替弁４６、水蒸気流量調節弁４７を備えている。

まず、固体高分子型燃料電池システムの発電原理を簡単に説明する。燃料に、例えば都市ガスを使用する場合、都市ガスから水素ガスへの改質は、燃料処理系２０で行われる。都市ガス燃料２１は、脱硫器２２を通過し、例えば活性炭やゼオライト吸着によって硫黄分が取り除かれ、次に改質器２４を通過する。この手前の水蒸気発生器２３で水が加熱され、ガス化した水蒸気が燃料ガスに合流する。改質器２４では、触媒により都市ガスと水蒸気の反応から水素が生成するが、同時にＣＯの生成も行われる。この水蒸気改質は吸熱反応のため、改質器２４には加熱用の燃焼器が含まれている。

固体高分子型燃料電池においては、電池本体１０の電解質膜および触媒層から構成されるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）でのＣＯ被毒が問題となるため、ＣＯはＣＯ₂へ酸化させる必要がある。このため、ＣＯシフト反応器２５では、Ｈ₂Ｏによるシフト反応を進め、ＣＯ選択酸化器２６では、触媒によりＣＯ被毒が発生しない程度に、ＣＯ選択酸化用空気ブロア３２の空気供給により酸化反応を進める必要がある。

また、簡単化のため図示していないが、改質器２４を含めたこれらの触媒反応温度はそれぞれ異なり、改質器２４の数百度からＣＯ選択酸化器２６の百数十度と、改質ガスの上流と下流の温度差が大きいため、実際には、下流側温度を下げるための水熱交換器が使用される。

次に、各触媒での主なプロセス反応式を以下に示す。例えばメタン成分が主体の都市ガス改質の場合、水蒸気改質反応は（１）式、ＣＯシフト反応は（２）式、ＣＯ選択酸化反応は（３）式のようになる。

ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ₂ … （１）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ … （２）
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ … （３）

ＣＯ選択酸化器２６を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸ガスおよび余った水蒸気等の成分より構成される。これらの成分からなる改質ガスが、アノード極１１に送り込まれると、アノード極１１に送り込まれた改質ガス中の水素ガスは、ＭＥＡの触媒層を経てプロトンＨ⁺が電解質膜を通過し、カソード極用空気ブロア３１によりカソード極１２を通過する空気中の酸素および電子と結びついて水が生成される。

したがって、アノード極１１は−極、カソード極１２は＋極となり、電位を持って直流電力を発電する。この電位間に電気負荷を存在させれば電源としての機能を持つことになる。発電に使われずに残ったアノード極１１の出口から流出するオフガスは、オフガス逆止弁４５を通過後、水蒸気発生器２３および改質器２４の改質用燃焼器２８に供給され、加熱用燃焼ガスとして使われる。

また、カソード極１２出口中の水蒸気および燃焼排気ガス中の水蒸気は、排熱熱交換器３０ａにより水分を回収し、これにより、システム内での水自立が図られている。一方、電池本体１０の排熱は、電池冷却水ポンプ３５の循環ラインに配置された排熱熱交換器３０ｂによって熱回収される。排熱熱交換器３０ａ，３０ｂで熱交換して暖められた温水は、温水循環ポンプ２０２の運転により、燃料電池システム本体パッケージ１００から回収され、排熱分配ユニット２００内の貯湯タンク２０１に貯湯される。

この場合、貯湯タンク２０１に貯湯された温水は、給湯器３００、空調機４００、洗濯機５００、食器洗浄機６００、トイレ設備７００という複数の排熱利用設備のいずれかに対して温水分配される。なお、貯湯タンク２０１に貯湯された温水が分配されず、貯湯タンク２０１内における温水出口よりも高いレベルまで高温の温水が貯まった状態では、本体パッケージ１００に戻る循環水温度が上昇するため、本体パッケージ１００の発電を停止する。

また、発電停止後における起動時の運転方法は、次の通りである。すなわち、まず、運転起動の指令が与えられると、燃焼空気切替弁４６が開いた状態で燃焼用空気ブロア３３が起動し、改質器２４内の燃焼室を空気パージする。この場合、燃焼用空気は燃焼用空気ブロア３３より、起動燃料の予混合空気としてだけでなく、拡散空気としても燃焼室内に供給される。

改質器２４内の燃焼室の空気パージが完了すると、起動燃料着火のための例えば点火プラグからの火花を燃焼室内で発生させる。メイン燃料遮断弁４３を閉じ、脱気用遮断弁４４を開いた状態で、燃料遮断弁４１および起動用燃料遮断弁４２を開くと、これらの燃料遮断弁４１および起動用燃料遮断弁４２を通過した起動用燃料は、燃料昇圧ブロア３４で昇圧して改質器２４内の燃焼室内に導入されて着火され、火炎が形成される。

なお、改質器２４内の燃焼室内で使用されるバーナは、起動用と発電用も兼ねた一体型バーナであり、メタン主体の起動燃料は発電時のオフガス燃料である水素主体の燃料より燃焼速度が遅く、吹き消えし易いため、予混合燃焼させて燃焼性を向上させるようになっている。

改質器２４内の燃焼室内で燃焼が継続し、燃焼ガスの加熱によって、改質器２４や、図示していない電気ヒータ等で加熱されたＣＯシフト反応器２５、ＣＯ選択酸化器２６、水蒸気分離器２７等が所定の温度になると、改質用水ポンプ２９で水蒸気分離器２７に供給された改質水は、そこで水蒸気となる。このように水蒸気分離器２７内で水蒸気が分離されると、この水蒸気により、水蒸気流量調節弁４７が開き、燃料改質ラインに供給された後、メイン燃料遮断弁４３が開き、燃料２１が改質器２４内に供給され改質反応が始まる。燃料２１が改質器２４内に供給されると同時に、起動用燃料遮断弁４２、脱器用遮断弁４４および燃焼空気切替弁４６は閉じる。

改質器２４内での改質反応が始まった後、ＣＯ選択酸化用空気ブロア３２の空気で酸化され、ＣＯ選択酸化器２６出口から出た改質ガスは、前述したように、主として水素、炭酸ガス、水蒸気等の成分より構成されており、これらの成分からなる改質ガスが、電池本体２のアノード極１１に供給されると、インバータが起動して（図示せず）発電が開始する。

また、このような成分からなる改質ガスがアノード極１１に供給されると、改質ガス中の水素ガスが、カソード極１２に供給される空気中の酸素および電子と結びついて水を生成する点、アノード極１１がマイナス（−）極、カソード極１２がプラス（＋）極になり、電位を持って直流電力を発電する点、および、電位間に電気負荷を存在させると、電源としての機能を持たせることができる点、なども前述した通りである。

他方、発電に寄与しないまま残ったアノード極１１の出口から出るオフガスは、オフガス逆止弁４５を通過後、水蒸気発生器２３および改質用燃焼器２８に供給される。改質用燃焼器２８に供給されたオフガス燃料は着火して、メイン燃料用空気と安定した拡散燃焼を開始する。その後、カソ ード空気が電池本体１０に供給され、インバータが起動すると、本体パッケージ１００の発電が開始する。

［作用］
以下には、本実施形態の家庭用燃料電池システムによる作用として、排熱利用設備に対する温水分配について説明する。

まず、本実施形態の家庭用燃料電池システムにおいて、前述したように、本体パッケージ１００が発電を行うと、その排熱は、前述したような排熱熱交換器３０ａ，３０ｂの熱交換により水分を暖め、その結果として得られた温水は、温水循環ポンプ２０２の運転により、本体パッケージ１００から回収され、排熱分配ユニット２００内の貯湯タンク２０１に貯湯される。すなわち、本体パッケージ１００の発電による排熱が、排熱分配ユニット２００により温水として回収される。

このように貯湯タンク２０１に貯湯された温水は、排熱分配ユニット２００の制御部２２１により、分配弁２１１〜２１５を制御することにより、給湯器３００、空調機４００、洗濯機５００、食器洗浄機６００、トイレ設備７００という複数の排熱利用設備のいずれかに対して温水分配される。この場合、制御部２２１は、操作・表示部２２２によりユーザから取得した条件指定に基づき、排熱利用設備に対する温水分配の優先順位を決定し、決定した優先順位に応じて分配弁２１１〜２１５を制御する。

例えば、夏場などにおいて、優先順位が、「空調機」、「洗濯機」、「食器洗浄機」、「トイレ設備」、「給湯器」、の順である場合に、貯湯タンク２０１内の貯湯量が少ない場合には、空調機４００への分配弁２１２のみを開として他の分配弁２１１，２１３〜２１５を閉とし、また、貯湯量に応じて、追加的に、洗濯機５００への分配弁２１３を開とし、さらに、食器洗浄機６００への分配弁２１４を開とするなどの運用が考えられる。また、分配弁２１１〜２１５の制御は、このような開閉のみの制御だけでなく、分配量を制御する運用ももちろん可能である。なお、このような弁制御による分配量の制御は、流体制御の分野における既存の技術であるため、これ以上の説明は省略する。

また、優先順位を決定するためのユーザからの条件指定の取得については、例えば、操作・表示部２２２により、予め登録された「給湯器」、「空調機」、「洗濯機」、「食器洗浄機」、「トイレ設備」、などの排熱利用設備を個別に示す文字列やシンボルマーク、アイコンなどの個別表示を行い、ユーザがこれらの個別表示を順次選択するなどの手法により、温水分配の優先順位を決定し、その決定結果を表示する。例えば、文字列で表現する場合には、「給湯＞空調＞洗濯＞食器＞トイレ」などの優先順位表示が考えられる。

さらに、優先順位の指定モードとして、マニュアル指定モード、自動学習指定モードなどの複数のモードを用意して、ユーザにモードを指定させるようにしてもよい。例えば、マニュアル指定モードの場合には、ユーザが、上記のような優先順位の指定をマニュアル操作で行い、その操作結果として得られた優先順位を決定し、自動学習指定モードにおいては、ユーザから取得した過去の指定履歴を用いて自動的に優先順位を決定するなどの運用が考えられる。

さらに、自動学習指定モードの一つとして、省エネ性や経済性を考慮した省エネモードなどを用意してもよい。具体的には、個々の設備に関する省エネ性や経済性の評価を示す何らかの指標値を予め設定しておくとともに、これらの指標値を用いた学習アルゴリズムを予め設定しておくことにより、省エネモードにおいては、省エネ性や経済性の指標値とユーザからの指定の両方を用いて、学習結果に応じた温水分配の優先順位を決定するなどの運用が考えられる。

なお、省エネ性や経済性の評価を示す何らかの指標値としては、排熱分配ユニット２００から供給する温水の量や温度、その供給によって削減される別のエネルギー使用量や水使用量の削減コスト、等が考えられる。このような指標値は、家庭用燃料電池システムを設置して既存の家庭内設備と接続する際の作業の一環として、システム導入業者の担当者がマニュアルで登録してもよいが、予め想定された排熱利用設備の種別に応じて、基本的な指標値を予め用意しておき、接続される設備の種別を選択することで、自動的に登録されるようにしてもよい。あるいはまた、予め用意された複数の指標値を表示して、その中から適宜選択できるようにしてもよい。

また、操作・表示部２２２による排熱利用設備の登録は、簡単なメニュー選択を用いて、ユーザが行うようにしてもよいが、家庭用燃料電池システムを設置して既存の家庭内設備と接続する際の作業の一環として、システム導入業者の担当者が行うようにすれば、ユーザの負担を軽減できる。

［個々の排熱利用系統］
図３〜図７は、排熱分配ユニット２００の分配弁２１１〜２１５に個々の排熱利用設備をそれぞれ接続することで構成される個々の排熱利用系統を示すブロック図である。以下には、これらの図面を参照しながら、個々の排熱利用系統について順次説明する。なお、各図中において、Ａは排熱利用設備に供給される温水、Ｂは排熱利用設備で排熱利用された後に排熱分配ユニット２００に戻る温水をそれぞれ示している。

［給湯器の排熱利用系統］
図３は、排熱分配ユニット２００の分配弁２１１の配管を既存の給湯器３００に接続して構成される給湯器３００の排熱利用系統を示すブロック図である。

この図３に示すように、通常、給湯器３００の上流側には、ブレンダ３０１と呼ばれる温水と水道水の混合器が設けられているため、給湯器３００の排熱利用系統は、分配弁２１１の配管をこのブレンダ３０１に接続することにより、容易に構成可能である。このような給湯器３００の排熱利用系統における排熱利用は、次のようにして実現される。

まず、排熱分配ユニット２００から分配弁２１１を通じて供給される温水が設定温度より高い場合には、この温水は、水道水で希釈され、給湯器３００を通過、給湯あるいは風呂用水として利用されるが、バーナ３０２による加熱は行われない。これに対して、排熱分配ユニット２００から供給される温水が設定温度より低い場合は、この温水は、設定温度との差に応じてブレンダ３０１で水道水により希釈された後、バーナ３０２で設定温度に加熱され、給湯あるいは風呂用水として利用される。

このように、給湯器の排熱利用系統を構成して排熱分配ユニットから温水分配することにより、燃料電池の排熱利用を簡単かつ積極的に行うことができる。

［空調機の排熱利用系統］
図４は、排熱分配ユニット２００の分配弁２１２の配管を既存の空調機４００に接続して構成される空調機４００の排熱利用系統を示すブロック図である。

この図４に示すように、空調機４００の室内機４０１は、熱交換器４０２および横流ファン４０３から構成されている。さらに、熱交換器４０２は、横流ファン４０３による気流方向において上流側に冷媒が流れる蒸発熱交換器４０２ａ、下流側に温水が流れる加熱熱交換器４０２ｂより構成されている。そのため、空調機４００の排熱利用系統は、分配弁２１２の配管をこの加熱熱交換器４０２ｂに接続することにより、容易に構成可能である。このような空調機４００の排熱利用系統における排熱利用は、次のようにして実現される。

まず、夏場などにおける除湿運転時には、排熱分配ユニット２００から分配弁２１２を通じて加熱熱交換器４０２ｂに温水が供給される。これにより、蒸発熱交換器４０２ａで除湿され冷えた空気が、加熱熱交換器４０２ｂで加熱されるため、室内に排気される空気は適当に暖かくなり、従来の部屋が冷えて不快になる状態を回避できる。加熱熱交換器４０２ｂで冷気により冷却された温水は、貯湯タンク２０１の下部配管から排熱分配ユニット２００に戻る。なお、ユーザが部屋温度の低下を望み、除湿時の冷房運転を選択した場合には、加熱熱交換器４０２ｂに温水を供給せずに空調機４００を運転すればよい。

このように、空調機の排熱利用系統を構成して除湿運転時に排熱分配ユニットから温水分配することにより、給湯需要の少ない夏場においても、燃料電池の排熱利用を簡単かつ積極的に行うことができる。

［洗濯機の排熱利用系統］
図５は、排熱分配ユニット２００の分配弁２１３の配管を既存の洗濯機５００に接続して構成される洗濯機５００の排熱利用系統を示すブロック図である。

この図５に示すように、洗濯機５００が乾燥機能付の洗濯機である場合には、衣類を乾燥させるための乾燥熱交換器５０１を有する。このような洗濯機５００に対して、排熱分配ユニット２００からの温水は、この乾燥用の熱源として利用してもよいし、洗濯槽５０２に供給する洗濯用水として利用してもよい。前者の場合においては、乾燥熱交換器５０１でファン（図示せず）により冷却された温水は、貯湯タンク２０１の下部配管から排熱分配ユニット２００に戻る。後者の洗濯用水に使われる場合は、温水は排熱分配ユニット２００に戻らない。

また、洗濯機５００の給水口には、水道量を調整する第１のオリフィス５０３が設けられており、温水が熱すぎる場合や水量が不足する場合は、水道量を第１のオリフィス５０３で調整することができる。なお、図５においては、温水の流れに関して乾燥熱交換器５０１と洗濯槽５０２を並列分離し、２個の２方弁５１１，５１２で流れを切り替える構成を示しているが、これは一例にすぎず、代わりに３方弁を使用してもよいし、温水の上流側に乾燥熱交換器５０１、下流に洗濯槽５０２と直列に構成してもよい。

排熱分配ユニット２００からの温水を洗濯用水として利用する場合は、乾燥熱交換器５０１のファンを停止して洗濯槽５０２に温水を供給し、乾燥熱源として利用する場合はファンを動作して、冷えた温水を排熱分配ユニット２００に戻す。２方弁５１１，５１２は手動と電動のいずれでもよいが、電磁弁を使用する場合は、排熱分配ユニット２００の電磁弁制御と連動できるようにワイヤリングを行う必要がある。

このように、洗濯機の排熱利用系統を構成してその乾燥熱源または洗濯用水として排熱分配ユニットから温水分配することにより、給湯需要の少ない夏場においても、燃料電池の排熱利用を簡単かつ積極的に行うことができる。特に、洗濯用水として温水を利用した場合には、水道水のみを使用する場合に比べて、洗浄能力を向上できるという効果も得られる。

［食器洗浄機の排熱利用系統］
図６は、排熱分配ユニット２００の分配弁２１４の配管を既存の食器洗浄機６００に接続して構成される食器洗浄機６００の排熱利用系統を示すブロック図である。

この図６に示すように、食器洗浄機６００は、一般的に、食器を乾燥させるための乾燥熱交換器６０１を有する。このような食器洗浄機６００に対して、排熱分配ユニット２００からの温水は、この乾燥用熱源として利用してもよいし、洗浄槽６０２に供給する洗浄用水として利用してもよい。前者の場合においては、乾燥熱交換器６０１でファン（図示せず）により冷却された温水は、貯湯タンク２０１の下部配管から排熱分配ユニット２００に戻る。後者の洗浄用水に使われる場合は、温水は排熱分配ユニット２００に戻らない。

また、食器洗浄機６００の給水口には、水道量を調整する第２のオリフィス６０３が設けられており、温水が熱すぎる場合や水量が不足する場合は、水道量を第２のオリフィス６０３で調整することができる。なお、図６においては、温水の流れに関して乾燥熱交換器６０１と洗浄槽６０２を並列分離し、２個の２方弁６１１，６１２で流れを切り替える構成を示しているが、これは一例にすぎず、代わりに３方弁を使用してもよいし、温水の上流側に乾燥熱交換器６０１、下流に洗浄槽６０２と直列に構成してもよい。

排熱分配ユニット２００からの温水を洗浄用水として利用する場合は乾燥熱交換器６０１のファンを停止して洗濯槽６０２に温水を供給し、乾燥熱源として利用する場合はファンを動作して、冷えた温水を排熱分配ユニット２００に戻す。２方弁６１１，６１２は手動と電動のいずれでもよいが、電磁弁を使用する場合は、排熱分配ユニット２００の電磁弁制御と連動できるようにワイヤリングを行う必要がある。

このように、食器洗浄機の排熱利用系統を構成してその乾燥熱源または洗浄用水として排熱分配ユニットから温水分配することにより、給湯需要の少ない夏場においても、燃料電池の排熱利用を簡単かつ積極的に行うことができる。特に、洗浄用水として温水を利用した場合には、水道水のみを使用する場合に比べて、洗浄能力を向上できるという効果も得られる。

［トイレ設備の排熱利用系統］
図７は、排熱分配ユニット２００の分配弁２１５の配管を既存のトイレ設備７００に接続して構成されるトイレ設備７００の排熱利用系統を示すブロック図である。

この図７に示すように、ここでは、一例として、既存のトイレ設備７００が水洗シャワートイレである場合を示しているが、シャワー機能がないトイレ設備もまた、同様に排熱利用設備として適用可能である。

水洗シャワートイレの場合、トイレ設備７００は、トイレ洗浄用タンク７０１、便器７０２、シャワー部７０３等から構成される。このようなトイレ設備７００に対して、排熱分配ユニット２００からの温水は、手洗い時の利用温度まで冷却するために、第３のオリフィス７０４で水量調整された水道水と混合後、トイレ洗浄用タンク７０１に供給される。

トイレ利用後には、便器７０２および手洗い用の洗浄用水として、洗浄用タンク７０１に供給されるこの温水を利用できるため、冷水に比べて洗浄能力が高く、便器７２や手をより清潔に保つことができる。一方、シャワー利用時は、温水をそのまま利用できるため、水洗シャワートイレに通常設けられている加熱ヒータ電力量を極小化でき、非常に経済的である。また、温水が設定温度よりも低い場合には、加熱ヒータを補助的に利用すればよい。

このように、トイレ設備の排熱利用系統を構成してその洗浄用水またはシャワー用水として排熱分配ユニットから温水分配することにより、給湯需要の少ない夏場においても、燃料電池の排熱利用を簡単かつ積極的に行うことができる。特に、洗浄用水として温水を利用した場合には、水道水のみを使用する場合に比べて、便器や手洗いの洗浄能力を向上できるという効果も得られる。

［効果］
以上のような本実施形態によれば、排熱分配ユニットの個々の分配弁を、給湯器、空調機、洗濯機、食器洗浄機、トイレ設備といった既存の設備の給水系統または給湯系統にそれぞれ接続するだけで、既存の設備を排熱利用設備として利用可能である。その結果、既存の設備では対応できなかった従来技術に比べて、多くの既存の設備をそのまま利用でき、その分だけ運転停止頻度を最小化して、電気と熱を両方利用するコジェネレーション運転を有効に実施することができる上、システム全体を簡略化できるため、コスト面で実用性が高い。

したがって、給湯需要の少ない夏場においても、給湯や風呂に限らない排熱利用を簡単かつ積極的に行うことができるため、総合的なエネルギー効率の高いコジェネレーション運転を実施可能な、省エネ性や経済性に優れた家庭用燃料電池システムを提供できる。また、大気中に放出される排熱量を低減できるため、地球環境に優しい運転が実現できる。

また、本発明における排熱分配ユニットは、燃料電池システム本体とは分離して独立に構成されるため、本発明は、貯湯タンクと、複数の分配弁、および制御部を有する排熱分配ユニット単体の態様としても実施可能である。本発明における排熱分配ユニットは、排熱を温水で回収可能な構成の各種の既存の燃料電池システム本体と組み合わせることが可能であるため、システム全体を新たに構築する場合に比べて、より経済的である。

さらに、本発明における排熱分配ユニットは、前述したように、複数の排熱利用設備に対する温水分配に関する設備単位の省エネ性と経済性の評価を示す指標値、およびユーザから取得した優先順位に関する条件指定の履歴を用いて、予め設定されたアルゴリズムに基づき学習することで、学習結果に応じた温水分配の優先順位制御を行うことができる。したがって、ユーザの希望だけでなく、省エネ性と経済性に関しても常に最適な優先順位で温水分配を行い、最適な排熱利用を行うことができる。なお、このような学習を利用した制御技術としては、既存の各種の技術が適用可能である。

［他の実施形態］
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。まず、図面に示したシステム構成や排熱利用系統の構成は一例にすぎず、具体的なシステム構成や排熱利用系統の構成は適宜選択可能である。特に、本発明は、家庭用燃料電池システムの排熱利用に関するものであるため、燃料電池システム本体の具体的な構成は、燃料電池の排熱を温水で回収できる限り、何等限定されるものではない。

また、排熱利用設備として図示した設備は一例であり、他にも温水利用可能な多種多様な既存の家庭内設備を同様に排熱利用設備とすることにより、同様に優れた効果が得られるものである。

本発明を適用した家庭用燃料電池システムの構成を示すブロック図。 図１に示す燃料電池システム本体パッケージの構成を示すブロック図。 図１に示す排熱分配ユニットの分配弁を既存の給湯器に接続して構成される給湯器の排熱利用系統を示すブロック図。 図１に示す排熱分配ユニットの分配弁を既存の空調機に接続して構成される空調機の排熱利用系統を示すブロック図。 図１に示す排熱分配ユニットの分配弁を既存の洗濯機に接続して構成される洗濯機の排熱利用系統を示すブロック図。 図１に示す排熱分配ユニットの分配弁を既存の食器洗浄機に接続して構成される食器洗浄機の排熱利用系統を示すブロック図。 図１に示す排熱分配ユニットの分配弁を既存のトイレ設備に接続して構成されるトイレ設備の排熱利用系統を示すブロック図。

符号の説明

１０…電池本体
１１…アノード極
１２…カソード極
２０…燃料処理系
２１…燃料
２２…脱硫器
２３…水蒸気発生器
２４…改質器
２５…ＣＯシフト反応器
２６…ＣＯ選択酸化器
２７…水蒸気分離器
２８…改質用燃焼器
２９…改質用水ポンプ
３０ａ，３０ｂ…排熱熱交換器
３１…カソード極用空気ブロア
３２…ＣＯ選択酸化用空気ブロア
３３…燃焼用空気ブロア
３４…燃料昇圧ブロア
３５…電池冷却水ポンプ
４１…燃料遮断弁
４２…起動用燃料遮断弁
４３…メイン燃料遮断弁
４４…脱気用遮断弁
４５…オフガス逆止弁
４６…燃焼空気切替弁
４７…水蒸気流量調節弁
１００…燃料電池システム本体パッケージ
２００…排熱分配ユニット
２０１…貯湯タンク
２０２…温水循環ポンプ
２１１〜２１５…分配弁
２２１…制御部
２２２…操作・表示部
３００…給湯器
３０１…ブレンダ
３０２…バーナ
４００…空調機
４０１…室内機
４０２ａ…蒸発熱交換器
４０２ｂ…加熱熱交換器
４０３…横流ファン
５００…洗濯機
５０１…乾燥熱交換器
５０２…洗濯槽
５０３…第１のオリフィス
６００…食器洗浄機
６０１…乾燥熱交換
６０２…洗浄槽
６０３…第２のオリフィス
７００…トイレ設備
７０１…トイレ洗浄用タンク
７０２…便器
７０３…シャワー部
７０４…第３のオリフィス

Claims (10)

1. 燃料および酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池を備えた家庭用燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池からの排熱を温水で回収し、回収した排熱を温水分配により家庭内の排熱利用設備に対して選択的に分配する排熱分配ユニットを有し、
   前記排熱利用設備は、洗濯機、空調機、食器洗浄機、トイレ設備、の中から選択された少なくとも１つ以上の設備と給湯器を含む複数の排熱利用設備である
   ことを特徴とする家庭用燃料電池システム。
2. 前記排熱分配ユニットは、前記燃料電池とは分離して独立に構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の家庭用燃料電池システム。
3. 前記排熱分配ユニットは、前記燃料電池からの排熱を貯湯するタンクと、貯湯した温水を前記複数の排熱利用設備に対して設備単位で選択的に分配する複数の分配弁を有する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の家庭用燃料電池システム。
4. 前記排熱分配ユニットは、前記複数の排熱利用設備に対する温水分配の優先順位制御を行う制御部を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の家庭用燃料電池システム。
5. 前記排熱分配ユニットは、前記複数の排熱利用設備に対する温水分配の優先順位に関する条件指定をユーザの操作に応じて取得する操作部を有し、
   前記制御部は、前記複数の排熱利用設備に対する温水分配に関する設備単位の省エネ性と経済性の評価を示す指標値、およびユーザから取得した優先順位に関する条件指定の履歴を用いて、予め設定されたアルゴリズムに基づき学習することで、学習結果に応じた温水分配の優先順位制御を行うように構成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の家庭用燃料電池システム。
6. 前記空調機に供給された排熱を、除湿時において除湿に伴い温度降下した空気を加熱して室温低下を防止する運転に利用する排熱利用系統を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の家庭用燃料電池システム。
7. 前記洗濯機に供給された排熱を、洗濯水あるいは洗濯乾燥用の熱源の少なくとも一方に利用する排熱利用系統を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の家庭用燃料電池システム。
8. 前記食器洗浄機に供給された排熱を、洗浄水あるいは食器乾燥用の熱源の少なくとも一方に利用する排熱利用系統を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の家庭用燃料電池システム。
9. 前記トイレ設備に供給された排熱を、便器洗浄水あるいはシャワー加熱用熱源の少なくとも一方に利用する排熱利用系統を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の家庭用燃料電池システム。
10. 燃料および酸化剤を用いて電気化学反応による発電を行う燃料電池を備えた家庭用燃料電池システム中で使用され、前記燃料電池からの排熱を温水で回収し、回収した排熱を温水分配する排熱分配ユニットにおいて、
    前記燃料電池とは分離して独立に構成され、
    前記燃料電池からの排熱を貯湯するタンクと、
    貯湯した温水を複数の排熱利用設備に対して設備単位で選択的に分配する複数の分配弁と、
    前記複数の分配弁を制御することにより、前記複数の排熱利用設備に対する温水分配の優先順位制御を行う制御部
    を有することを特徴とする排熱分配ユニット。

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