(57)【要約】【課題】  本発明は、外部電源が不要で使い勝手のよいコードレスアイロンや温風装置などの家庭用電気装置を提供する。【解決手段】  コードレスのアイロン１０は、加熱板１４ｂを有するケーシング１４内に発電ユニット２０が配置されている。発電ユニット２０は、電解質を挟んで配置された水素極および酸素極を有する燃料電池スタック３０と、水素極に水素を供給する燃料供給手段４０と、酸素極に酸素を供給する酸素供給手段５０と、燃料電池スタック３０から生じる電気エネルギおよび熱エネルギにより加熱板１４ｂを加熱する加熱手段６０と、燃料電池スタック３０から生じるスチームを吹き出すスチーム発生手段７０とを備えている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱板および該加熱板に近接配置されたスチーム吹出口を有するケーシング内に配置され、水素および酸素の供給を受けて発電する発電ユニットを有する家庭用電気装置であって、
上記発電ユニットは、
電解質を挟んで配置された水素極および酸素極を有する燃料電池スタックと、
上記水素極に水素を供給する燃料供給手段と、
上記酸素極に酸素を供給する酸素供給手段と、
上記燃料電池スタックから生じる電気エネルギおよび／または熱エネルギにより上記加熱板を加熱する加熱手段と、
上記燃料電池スタックから生じるスチームを上記スチーム吹出口から吹き出すスチーム発生手段と、
を備える家庭用電気装置。
【請求項２】
送風口を有するケーシング内に配置され、水素および酸素の供給を受けて発電する発電ユニットを有する家庭用電気装置であって、
上記発電ユニットは、
電解質を挟んで配置された水素極および酸素極を有する燃料電池スタックと、
上記水素極に水素を供給する燃料供給手段と、
上記酸素極に酸素を供給する酸素供給手段と、
上記燃料電池スタックから生じる電気エネルギおよび／または熱エネルギを取り出す加熱手段と、
上記燃料電池スタックから生じるスチームを取り出すスチーム発生手段と、
上記スチーム発生手段からのスチームを上記加熱手段により加熱して上記電気エネルギを用いて上記送風口から吹き出す送風手段と、
を備える家庭用電気装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の家庭用電気装置において、
上記電解質は、プロトン伝導性を有する電解質層と、該電解質層に接合される水素透過性金属層とを備える家庭用電気装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の家庭用電気装置において、
上記発電ユニットは、上記燃料電池スタックにより発電される電気エネルギを充電する二次電池を有する家庭用電気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックを備え、アイロンや温風装置に適用することができる家庭用電気装置に関する。 
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の家庭用電気装置として、商用電源などの外部電源を不要とするコードレスタイプの機器が種々知られている。例えば、熱源として液化天然ガスや燃料電池を用いたドライヤ（特許文献１、特許文献２）がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２３３４１６号公報
【特許文献２】特開２００３−３４６８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の家庭用電気装置では、エネルギ効率の向上が十分に達成されているとは言えなかった。
本発明は、外部電源が不要で、エネルギ効率のよい家庭用電気装置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】
【０００５】
上記課題を解決するためになされた本発明は、
加熱板および該加熱板に近接配置されたスチーム吹出口を有するケーシング内に配置され、水素および酸素の供給を受けて発電する発電ユニットを有する家庭用電気装置であって、
上記発電ユニットは、
電解質を挟んで配置された水素極および酸素極を有する燃料電池スタックと、
上記水素極に水素を供給する燃料供給手段と、
上記酸素極に酸素を供給する酸素供給手段と、
上記燃料電池スタックから生じる電気エネルギおよび／または熱エネルギにより上記加熱板を加熱する加熱手段と、
上記燃料電池スタックから生じるスチームを上記スチーム吹出口から吹き出すスチーム発生手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００６】
本発明にかかる家庭用電気装置は、加熱板を有するケーシング内に、燃料電池システムを利用した発電ユニットを備えている。発電ユニットは、燃料電池スタックを中心に構成されている。燃料電池スタックは、電解質層を挟んで配置された水素極および酸素極を有しており、燃料供給手段から供給される水素と酸素供給手段から供給される酸素との電気化学反応により電気エネルギ、熱エネルギおよびスチームを生じる。電気エネルギおよび熱エネルギは、加熱手段により熱交換されまたはそのまま伝熱して加熱板を加熱する。スチームは、必要に応じスチーム発生手段により加熱され、加熱板に近接した位置に配置されたスチーム吹出口から吹き出される。
【０００７】
本発明にかかる家庭用電気装置は、燃料電池スタックを用いることでコードレスとすることができ、作業の際に電源コードが邪魔にならず、使い勝手がよい。また、発電ユニットは、燃料電池スタックの電気化学反応により生じる電気エネルギや熱エネルギだけでなく、スチームも利用しているから、熱効率に優れている。
【０００８】
また、本発明の他の態様は、
送風口を有するケーシング内に配置され、水素および酸素の供給を受けて発電する発電ユニットを有する家庭用電気装置であって、
上記発電ユニットは、
電解質を挟んで配置された水素極および酸素極を有する燃料電池スタックと、
上記水素極に水素を供給する燃料供給手段と、
上記酸素極に酸素を供給する酸素供給手段と、
上記燃料電池スタックから生じる電気エネルギおよび熱エネルギを取り出す加熱手段と、
上記燃料電池スタックから生じるスチームを取り出すスチーム発生手段と、
上記スチーム発生手段からのスチームを上記加熱手段により加熱して上記電気エネルギを用いて上記送風口から吹き出す送風手段と
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の他の態様の発電ユニットには、送風手段が設けられている。送風手段は、加熱手段の上流側に配置されており、加熱手段に向けて送風し、さらにスチーム発生手段による水を蒸発させつつ送風口から、スチームを含んだ温風を吹き出す。この構成によれば、スチームを含んだ温風を熱効率よく得ることができる。
【００１０】
さらに、本発明の好適な態様の電解質は、プロトン伝導性を有する電解質層と、該電解質層に接合される水素透過性金属層とを備える構成をとることができる。この構成により、小型で熱効率に優れ、かつ加熱板の必要な加熱温度を容易に得ることができる。
【００１１】
また、本発明の好適な態様の発電ユニットは、燃料電池スタックにより発電される電気エネルギを充電する二次電池を有する構成をとることができる。これにより、燃料電池スタックから生じる電気エネルギは、二次電池に蓄電することにより、始動時または運転時に、燃料供給手段、酸素供給手段などのアクチュエータやヒータなどに供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
Ａ．  第１の実施例
（１）  アイロン１０の概略構成
図１は本発明の第１の実施例にかかるアイロン１０を説明する概略構成図である。アイロン１０は、商用電源を不要とするコードレスアイロンであり、燃料電池システムを利用した発電ユニット２０を備えている。すなわち、アイロン本体１２は、ケーシング１４と、ケーシング１４の上部に取り付けられた把手１６とを備えている。ケーシング１４内には、発電ユニット２０が収納されている。図２は発電ユニット２０の概略構成図である。発電ユニット２０は、燃料電池スタック３０と、燃料供給手段４０と、酸素供給手段５０と、加熱手段６０と、スチーム発生手段７０と、充電手段８０と、制御手段９０とを主要な構成としている。
【００１３】
燃料電池スタック３０は、燃料供給手段４０から供給される水素と酸素供給手段５０から供給される酸素との電気化学反応により発電するとともに、この電気、廃熱およびスチームの余剰熱で加熱手段６０を発熱させることで、アイロン１０の加熱板１４ｂ（図１参照）を加熱し、さらに電気化学反応により生じたスチームを、必要に応じスチーム発生手段７０により加熱して吹き出すことによりアイロン１０として機能させている。そして、アイロン１０の加熱温度やスチームなどの吹出温度は、制御手段９０により制御される。
【００１４】
（２）  アイロン１０の各部の構成
次にアイロン１０の各部の構成について説明する。
（２）−１  アイロン本体１２
図１に示すように、アイロン本体１２は、ケーシング１４と、ケーシング１４の上部に取り付けられた把手１６とを備えている。ケーシング１４の下面は、加熱板１４ｂになっており、発電ユニット２０による熱が伝えられることにより布等にプレスをかけるための加圧・加熱面になっている。
【００１５】
（２）−２  発電ユニット２０
図２において、発電ユニット２０は、上述したように、燃料電池スタック３０、燃料供給手段４０、酸素供給手段５０、加熱手段６０、スチーム発生手段７０、充電手段８０、制御手段９０などから構成されている。
【００１６】
（２）−２−１  燃料電池スタック３０
図３は燃料電池スタック３０を説明する説明図である。燃料電池スタック３０は、単セル３１を複数枚有し、該複数枚の単セル３１を積層し、両側からエンドプレート３２，３２で挟み込むことにより構成されている。単セル３１は、水素極（以下、アノード３１ａと呼ぶ）と酸素極（以下、カソード３１ｂと呼ぶ）と、電解質膜３１ｃとを積層し、さらに両側からセパレータ３１ｄ，３１ｄで挟持することにより構成されている。
【００１７】
電解質膜３１ｃは、固体酸化物からなる電解質層３１ｃ−１と、バナジウムの薄板（約４０μｍ）である水素分離膜３１ｃ−２とを備えている。電解質層３１ｃ−１としては、例えば、ＢａＣｅＯ3系や、ＳｒＣｅＯ3系のセラミックスプロトン伝導体などを用いることができ、その厚みは、０．１〜１．０μｍとすることができる。水素分離膜３１ｃ−２は、水素含有ガス中の水素を選択的に透過する。なお、水素分離膜３１ｃ−２は、バナジウムのほか、バナジウム合金、パラジウム、パラジウム合金などの貴金属や、ＶＡ族元素、たとえばニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）等で形成することもできる。
【００１８】
電解質膜３１ｃのアノード３１ａ側には、通常、アノード３１ａ側での反応を促進するためのパラジウムの被膜（図示しない）が設けられている。一方、電解質膜３１ｃのカソード３１ｂ側での反応を促進するための触媒（図示しない）が設けられている。触媒としては、白金（Ｐｔ）等の貴金属やＬａＧａＭｎＯ3等の導電性セラミックスを用いることができる。
【００１９】
アノード３１ａには、電解質膜３１ｃに面した側に凹部からなる流路３１ａ−１が設けられている。流路３１ａ−１には、燃料ガスとしての水素が流される。一方、カソード３１ｂには、電解質膜３１ｃに面した側に凹部からなる流路３１ｂ−１が設けられている。流路３１ｂ−１には、燃焼ガスとしての酸素を含む空気が供給される。また、セパレータ３１ｄ，３１ｄには、溝からなる冷媒の流路３１ｄ−１が設けられている。
【００２０】
上記単セル３１の構成において、アノード３１ａ側に供給された水素分子は、パラジウム被膜でプロトンに解離され、電解質膜３１ｃを経てカソード３１ｂ側に移動し、カソード３１ｂの酸素と電気化学反応する。単セル３１での発電は、この水素の移動に伴い、外部の導体を通して電子がアノード３１ａからカソード３１ｂに移動することによって行われる。燃料電池スタック３０は、こうした単セル３１を複数直列に接続することで、高い電力を出力している。また、単セル３１では、その電気化学反応により４００〜５００℃の熱エネルギを生じる。こうした熱エネルギは、後述するように加熱手段６０により有効利用される。
【００２１】
エンドプレート３２，３２は、燃料電池スタック３０の内部に水素ガス、酸化ガス、冷媒の各種流体を供給する入口ポートと、各種流体を外部へ排出する出口ポートとを備えており、各ポートは、各配管と接続されている。入口ポートから供給される各種流体は、各単セル３１の溝に適切に供給され、電気化学反応が滞りなく進行する。
【００２２】
（２）−２−２  燃料供給手段４０
図２において、燃料供給手段４０は、水素ガスを含有する燃料ガスを燃料電池スタック３０に供給するものであり、燃料タンク４２と、流量調節弁４４とを備え、配管４６が燃料電池スタック３０のエンドプレート３２に接続されており、流量調節弁４４により燃料電池スタック３０に供給される水素ガスの量が調節される。燃料タンク４２は、図１に示す把手１６内に収納されており、熱源から離れて水素ガスが所定以上の温度となるのを防止するとともに、スペースを有効に活用している。なお、燃料タンク４２からの上記燃料ガスとしては、例えば、メタン、メタノール等を適用することができる。この場合には、流路３１ａ−１内に改質触媒を担持した発泡金属などを配置した構成をとり、改質により水素を生成させる。
【００２３】
（２）−２−３ 酸素供給手段５０
酸素供給手段５０は、空気を燃料電池スタック３０に供給する系統であり、ファン５２と、エアクリーナ５４とを備え、配管５６が燃料電池スタック３０のエンドプレート３２に接続されている。ファン５２は、モータを駆動源としており、モータの回転数に応じた空気を吸入する。ファン５２の駆動により外部から取り込んだ空気は、エアクリーナ５４で浄化され、燃料電池スタック３０へと流入する。
【００２４】
（２）−２−４  加熱手段６０
加熱手段６０は、熱交換器６２と、ポンプ６４とを備え、配管６６を介して燃料電池スタック３０のエンドプレート３２に接続されている。燃料電池スタック３０の内部での電気化学反応は、発熱反応であるため、内部の温度は上昇する。この温度上昇を抑えるとともに、その廃熱を有効利用するために、燃料電池スタック３０に冷却媒体をポンプ６４で循環させつつ、熱交換器６２にて熱交換することで、燃料電池スタック３０を冷却するとともに、ケーシング１４の加熱板１４ｂ（図１参照）を加熱する。また、加熱手段６０は、加熱板１４ｂの加熱を補助するためのヒータ６８が設けられている。このヒータ６８は、燃料電池スタック３０などの電力で加熱される。
【００２５】
（２）−２−５  スチーム発生手段７０
スチーム発生手段７０は、燃料電池スタック３０で生成されたスチームを吹き出すための機構であり、スチーム弁７２と、ヒータ７４ａを有する水タンク７４と、配管７６とを備えている。配管７６は、燃料電池スタック３０のエンドプレート３２に一端が接続され、他端が熱交換器６２および水タンク７４を貫通してスチーム吹出口１４ｃ（図１参照）に接続されている。燃料電池スタック３０は、水素と酸素の電気化学反応により温度の高いスチームを形成するが、スチーム発生手段７０は、スチーム弁７２が開かれたときに、スチームをスチーム吹出口１４ｃから吹き出す。また、スチーム発生手段７０には、水タンク７４が設けられている。水タンク７４は、燃料電池スタック３０から排出されたスチームのうち、スチーム吹出口１４ｃから吹き出されない分を貯留し、スチームが不足している場合には、これをヒータ７４ａで加熱して利用する。
【００２６】
（２）−２−６  充電手段８０
充電手段８０は、インバータやＤＣ／ＤＣコンバータなどの変換回路８２と、二次電池８４等から構成されている。燃料電池スタック３０に供給された水素と空気との電気化学反応による電力は、ヒータ６８に供給されるとともに、その余剰分は変換回路８２を介して二次電池８４に蓄電される。二次電池８４に蓄電された電気は、必要に応じてヒータ６８に供給される。また、二次電池８４に蓄電された電気は、ファン５２、流量調節弁４４、ポンプ６４などをアクチュエータにも供給される。
【００２７】
（２）−２−７  制御手段９０
制御手段９０は、二次電池８４や燃料電池スタック３０から供給される電気を供給されることにより駆動され、発電ユニット２０の各種弁、ポンプなどのアクチュエータを制御している。制御手段９０は、メインスイッチＳＷ−１やスチームスイッチＳＷ−２、目標設定温度器９１、各種センサからの信号を受け、そのアイロン１０の加熱状態を判断し、アクチュエータを制御する信号を出力する。具体的には、温度センサ９２で検出した信号を入力し目標設定温度器９１で設定された温度に向かうように要求される出力（電力）を算出し、流量調節弁４４を制御することにより、燃料電池スタック３０の発電量を制御し、または、充電量センサ９３で検出した信号に基づいて充電量を求め、二次電池８４やヒータ６８へ電力を供給するように制御する。
【００２８】
（３）  アイロン１０の動作
次に、アイロン１０の動作について説明する。メインスイッチＳＷ−１をオンすると、その出力が制御手段９０に入力される。制御手段９０の指令により、流量調節弁４４を開くとともに、ファン５２を起動する。なお、燃料電池スタック３０が所定の作動可能温度になるまでは燃料を燃焼させた高温のガスを燃料電池スタック３０に供給し、所定の温度になった後は、発電モードのガス供給に切り換え、流量調節弁４４の開弁により燃料タンク４２から水素が燃料電池スタック３０に供給され、一方、ファン５２の起動により空気が燃料電池スタック３０に供給される。さらに、ポンプ６４を駆動して燃料電池スタック３０と熱交換器６２との間に冷却媒体を循環させる。これにより、燃料電池スタック３０は、供給された水素と酸素とを電気化学反応させて発電する。この電気は、ヒータ６８に供給されることで加熱板１４ｂが加熱される。加熱板１４ｂの温度が所定の目標設定温度以上の場合であり、二次電池８４の充電量が所定以下の場合には、二次電池８４に充電される。また、熱交換器６２で熱交換された冷却媒体の熱も加熱板１４ｂを加熱する。
【００２９】
また、燃料電池スタック３０は、電気化学反応により加熱されたスチームを生成する。このスチームは、熱交換器６２で余剰な熱を取り除いた後、スチーム発生手段７０に送られる。スチーム発生手段７０は、スチームスイッチＳＷ−２がオンでスチーム弁７２が開かれているときに、スチーム吹出口１４ｃから吹き出され、スチームスイッチＳＷ−２がオフでスチーム弁７２が閉じられているときに、水タンク７４に回収される。なお、スチームは、その温度が低い場合には、水タンク７４に設けられたヒータ７４ａに加熱されてからスチーム吹出口１４ｃから吹き出される。
【００３０】
燃料電池スタック３０で発電される電気は、ヒータ６８に供給されるとともに、二次電池８４に供給される。二次電池８４の充電量は、充電量センサ９３により検出された充電量に基づいて制御手段９０により制御される。すなわち、制御手段９０は、二次電池８４が所定以下の充電量であるときに燃料電池スタック３０により発電された電力を二次電池８４に充電するとともに、二次電池８４が所定以上の充電量であるときに燃料電池スタック３０に発電された電力をヒータ６８に供給するように制御する。このような制御により、エネルギ効率を高めることができる。
【００３１】
アイロン１０の温度制御は、温度センサ９２により検出された温度に基づいて制御手段９０により制御される。すなわち、制御手段９０は、温度センサ９２で検出された検出温度が目標設定温度器９１で設定された目標温度に対して所定範囲内に収まるように、二次電池８４から供給される電力および／または流量調節弁４４の流量制御により燃料電池スタック３０に供給される水素量を調節することにより行なう。
【００３２】
（４）  上記実施例の構成により、上述した効果のほか、以下の効果を奏する。
【００３３】
（４）−１  アイロン１０は、コードレスであるから、電源コード付アイロンと比較して、アイロン掛けの作業の際に電源コードが邪魔にならず、使い勝手がよい。 
【００３４】
（４）−２  水素と酸素の電気化学反応により生じた電気だけでなく、廃熱を利用しているから、熱効率がよい。
【００３５】
（４）−３  スチームは、燃料電池の電気化学反応により生じる水を利用しているから、水を補給する必要がなく、しかも水が廃熱を利用して加熱されるから、無駄がない。
【００３６】
（４）−４  単セル３１として、水素分離膜型の燃料電池スタックを用いているから、小型で熱効率に優れており、また、アイロン１０に必要な加熱温度を容易に得ることができる。
【００３７】
Ｂ．  第２の実施例
図４は第２の実施例にかかる温風送風機１００を説明する概略構成である。図４において、温風送風機は、第１の実施例にかかるアイロンを構成する発電ユニットに、送風手段を加えた構成に特徴を有する。すなわち、ケーシング１１４内には、発電ユニット１２０が収納されている。発電ユニット１２０は、燃料電池スタック１３０、燃料供給手段１４０、酸素供給手段１５０、加熱手段１６０、スチーム吹出手段１７０、送風手段２００を備えている。送風手段２００は、加熱手段１６０の熱交換器１６２の上流側にファン２０２が配置されている。ファン２０２は、熱交換器１６２に向けて送風し、スチーム吹出手段１７０の水タンク１７４でヒータ１７４ａ加熱された水を蒸発させつつ送風口１１４ａから、スチームを含んだ温風を吹き出す。
本実施例においても、第１の実施例の作用効果に加えて、スチームを含んだ温風を熱効率よく得ることができる。
【００３８】
なお、この発明は上記実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３９】
家庭用電気装置として、アイロン、温風送風機に適用した構成について説明したが、これに限らず、室内を加湿するための加湿装置などに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施例にかかるアイロンを説明する概略構成図である。
【図２】発電ユニットの概略構成図である。
【図３】燃料電池スタックを説明する説明図である。
【図４】第２の実施例にかかる温風送風機を説明する概略構成である。
【符号の説明】
【００４１】
１０...アイロン
１２...アイロン本体
１４...ケーシング
１４ｂ...加熱板
１４ｃ...スチーム吹出口
１６...把手
１６ａ...収納スペース
２０...発電ユニット
３０...燃料電池スタック
３１...単セル
３１ａ...アノード
３１ａ−１...流路
３１ｂ...カソード
３１ｂ−１...流路
３１ｃ...電解質膜
３１ｃ−１...電解質層
３１ｃ−２...水素分離膜
３１ｃ−３...流路
３１ｄ...セパレータ
３１ｄ−１...流路
３２...エンドプレート
４０...燃料供給手段
４２...燃料タンク
４４...流量調節弁
４６...配管
５０...酸素供給手段
５２...ファン
５４...エアクリーナ
５６...配管
６０...加熱手段
６２...熱交換器
６４...ポンプ
６６...配管
６８...ヒータ
７０...スチーム発生手段
７２...スチーム弁
７４...水タンク
７４ａ...ヒータ
７６...配管
８０...充電手段
８２...変換回路
８４...二次電池
９０...制御手段
９１...目標設定温度器
９２...温度センサ
９３...充電量センサ
ＳＷ−１...メインスイッチ
ＳＷ−２...スチームスイッチ
１００...温風送風機
１１４...ケーシング
１１４ａ...送風口
１２０...発電ユニット
１３０...燃料電池スタック
１４０...燃料供給手段
１５０...酸素供給手段
１６０...加熱手段
１６２...熱交換器
１７０...スチーム吹出手段
１７４...水タンク
１７４ａ...ヒータ
２００...送風手段
２０２...ファン
【図１】
2006019206.tif 000003
【図２】
2006019206.tif 000004
【図３】
2006019206.tif 000005
【図４】
2006019206.tif 000006