(57)【要約】【課題】騒音を下げた運転ができるようにした家庭用燃料電池システムを提供する。【解決手段】騒音源に対して静音運転モードを設定可能な静音運転モード設定手段を備え、前記静音運転モード設定手段は、燃料電池の発電出力及び又は燃料電池システムの補機のうち騒音源である回転補機の回転数をシステムの運転に必要な最低限を下回らない範囲で低減させる家庭用燃料電池システム。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
騒音源に対して静音運転モードを設定可能な静音運転モード設定手段を備えたことを特徴とする家庭用燃料電池システム。
【請求項２】
前記静音運転モード設定手段は、燃料電池の発電出力をシステムの運転に必要な最低限を下回らない範囲で低減させるものであることを特徴とする請求項１記載の家庭用燃料電池システム。
【請求項３】
前記静音運転モード設定手段は、燃料電池システムの補機のうち騒音源である回転補機の回転数をシステムの運転に必要な最低限を下回らない範囲で低減させるものであることを特徴とする請求項１記載の家庭用燃料電池システム。
【請求項４】
前記静音運転モード設定手段は、燃料電池の発電出力及び又は燃料電池システムの補機のうち騒音源である回転補機の回転数をシステムの運転に必要な最低限を下回らない範囲で低減させるものであることを特徴とする請求項１記載の家庭用燃料電池システム。
【請求項５】
前記静音運転モード設定手段は、時間的要素、騒音レベル、騒音源の対象である回転補機の少なくとも一つを設定することが可能なことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の家庭用燃料電池システム。
【請求項６】
前記静音運転モード設定手段は、燃料電池システムを構成する機器に付設又は前記燃料電池システムを構成する機器とは離隔した位置に設置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の家庭用燃料電池システム。
【請求項７】
前記静音運転モード設定手段は、設定継続状態、設定非継続状態、設定継続状態及び設定非継続状態の組合わせで行えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の家庭用燃料電池システム。    
【請求項８】
前記騒音源の対象である回転補機は、パッケージング換気ファンであるとき、前記静音運転モード設定手段は、前記パッケージング換気ファンの回転を可変速とすることを特徴とする請求項３又は４記載の家庭用燃料電池システム。
【請求項９】
前記騒音源の対象である回転補機は、熱余り時に排熱するクーリングモジュール用ファンであるとき、前記静音運転モード設定手段は、静音運転モード時に風量を通常運転モード時より低減することを特徴とする請求項３又は４記載の家庭用燃料電池システム。
【請求項１０】
前記騒音源は、貯湯槽システムに搭載しているガス加熱追い炊きバーナであるとき、前記静音運転モード設定手段は、通常運転モード時に比べてガス加熱追い炊きバーナの燃焼能力を低下して運転するか、もしくは停止することを特徴とする請求項１記載の家庭用燃料電池システム。
【請求項１１】
前記騒音源は、燃料昇圧ブロア、カソード極用空気ブロア、燃焼用空気ブロア、CO選択酸化用空気ブロア、改質用水ポンプ、温水循環ポンプ、電池冷却水ポンプ、パッケージング換気ファン、クーリングモジュールに有するファン、熱余り時に排熱するクーリングモジュール用ファンのうちの少なくとも一つを含む回転補機、或いは、貯湯槽システムに搭載しているガス加熱追い炊きバーナであるとき、前記静音運転モード設定手段は、前記回転補機の回転を可変速とするか、若しくは前記ガス加熱追い炊きバーナの燃焼能力を通常運転モード時に比べて低下して運転することを特徴とする請求項１記載の家庭用燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭用燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。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。
【０００３】
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、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が得られる。
【０００４】
前述の固体高分子型燃料電池は、電気エネルギの発生とともに、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。
【０００５】
一方、前述の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。
【０００６】
この排熱を利用すれば、電気エネルギ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効率の高い、地球環境に優しい運転が実現できる。
【０００７】
近年、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いる。地球環境に優しいエネルギーとして脚光を浴び、その省エネ性や経済性に注目が集まっている。環境に優しいという点からはその静穏性も当然の如く機能を有していると受け止められている。
【０００８】
ところが、燃料電池システム、特に前述した燃料を水素に改質するための燃料処理器においては、燃焼用空気ブロァ(後述する図１の２６)、カソード極用空気ブロァ(後述する図１の１５)や燃料昇圧ブロア(後述する図１の３１)、改質用水ポンプ(後述する図１の１１)等、多くの回転系補機を必要とするため、起動運転のみならず、発電運転中はそれら回転機器系の騒音は無視できない問題となっている。特に、発電中でも発電量が最大である定格負荷運転においては、回転機の回転数が最大に近いため騒音は最も大きな値になりやすい。
【０００９】
なお、特許文献１には燃料電池発電システムにおいて、騒音源であるポンプで発生する騒音が外部に漏れるのを防止するようにした点が記載されている。具体的には、ポンプを収納したボックス体に空気を取り入れる通気口を設けると共に、上記通気口に連接して、ポンプで発生した音の入口の断面積に比較して空気が流れる通路の断面積が広い膨張室を備えたものである。このように構成することで、ポンプで発生する騒音が外部に漏れる量を抑えることができる。
【００１０】
また、特許文献２には電力変換装置において、インバータの出力部に配置されたリアクトルとコンデンサで共振が発生し、出力電圧が振動すると共に騒音が発生することがある。
【００１１】
これを防止するため、接続機器の定格電力が小さいときはインバータ出力にダンピング要素である抵抗を並列に挿入するものである。
【特許文献１】特開２００２−３４３３９４
【特許文献２】特開２００３−２１９６５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
家庭用燃料電池システムは、寒冷地を除き、エアコンの室外機同様、家の屋外の壁近くに設置することを想定しているため、その運転中の騒音値が大きいと、設置者宅のみならず、近所の住人にも迷惑を掛けることとなる。まして、燃料電池システムは、エアコン運転時間より長く、冬場等熱利用量が増える季節においては一日中の運転も想定されるため、とりわけ夜間の寝静まった時間帯の騒音値を極力ミニマム化する必要がある。
【００１３】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、静音運転モード設定手段を備え、夜間等騒音が気になる時間帯においては、ユーザが任意にシステムの騒音を下げた運転ができるように、運転モードを選択できて、静かで地球環境に優しい家庭用燃料電池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】
【００１４】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、騒音源に対して静音運転モードを設定可能な静音運転モード設定手段を備えた家庭用燃料電池システムである。  
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、夜間等騒音が気になる時間帯においては、ユーザが任意にシステムの騒音を下げた運転ができるように、運転モードを選択できて、静かで地球環境に優しい家庭用燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の家庭用燃料電池システムの実施形態の構成図である。
【００１７】
まず、燃料電池システムを固体高分子型燃料電池システムを例に説明する。燃料電池システム１６は、主に燃料処理系（FPS；Fuel Processing System）１、電池本体（CSA；Cell Stack Assembly）２から構成される。燃料処理系１は、ガス燃料３、脱硫器４、水蒸気発生器５、改質器６、COシフト反応器７、CO選択酸化器８、水蒸気分離器９、改質用燃焼器１０、改質用水ポンプ１１、排熱熱交換器＆タンク＆タンク１２から構成される。なお、ガス燃料３は炭化水素系燃料、例えば都市ガスやプロパンである。  
一方、電池本体２は、アノード極１３、カソード極１４から構成される。さらに、燃料処理系１並びに電池本体２に共通な部品として、カソード極用空気ブロア１５、電池冷却水ポンプ３２、他から構成される。
【００１８】
ここで、本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１で行われる。都市ガス燃料３は、脱硫器４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６を通過する。この手前の水蒸気発生器５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６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６には加熱用の燃焼器が含まれている。
【００１９】
固体高分子型燃料電池は、電池本体２の電解質膜及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７ではH2Oによるシフト反応、CO選択酸化器８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１８の空気供給により酸化反応を進める必要がある。
【００２０】
また、簡単化のため図示しないが、改質器６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６の数百度からCO選択酸化器８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必要となる。
【００２１】
次に、各触媒での主なプロセス反応を以下に示す。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。
【００２２】
CH4＋２H2O→CO2＋４H2…(1)
CO＋H2O→CO2＋H2…(2)
２CO＋O2→２CO2…(3)
CO選択酸化器８を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸ガス及び余った水蒸気等より構成される。これらのガスが、アノード極１３に送り込まれる。アノード極１３に送り込まれた水素ガスは、MEAの触媒層を経てプロトンH＋が電解質膜を通過、カソード極用空気ブロア１５によりカソード極１４を通過する空気中の酸素及び電子と結びついて水が生成される。
【００２３】
したがって、アノード極１３は−極、カソード極１４は＋極となり、電位を持って直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷を持て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１３の出口ガスは、水蒸気発生器(水蒸気加熱器)５及び改質器６の加熱用燃焼ガスとして使われる。
【００２４】
また、カソード極１４の出口中の水蒸気及び燃焼排気ガス中の水蒸気は、排熱熱交換器＆タンク１２により、水分を回収し、システム内での自立を図る。温水循環ポンプ３３の運転で排熱熱交換器＆タンク１２で熱交換して温められた温水は、貯湯槽３６に蓄熱され、給湯やお風呂の温水として使われる。貯湯槽３６には、熱が足りないときガスを燃やして追い焚き用のバックアップボイラー２９が設置されている。貯湯槽３６の熱が使われずに、タンク１２の下部まで高温の温水が貯まった状態では、燃料電池システム１６に戻る循環水温度が上昇するため、発電を継続する場合はクーリングモジュール３４で、これに有するファン３４ａにより大気に放熱する。
【００２５】
まず、起動時の運転方法を示す。運転起動の指令が始まると、燃焼空気切替弁２５が開いた状態で燃焼用空気ブロア２６が起動し、改質器６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２６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。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。
【００２６】
メイン燃料遮断弁２２を閉じ、燃料遮断弁２０、起動用燃料遮断弁２１を開くと、燃料遮断弁２０及び起動用燃料遮断弁２１を通過した起動用燃料は、燃料昇圧ブロア３１で昇圧、燃焼室内で着火され火炎が形成される。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ている。
【００２７】
燃焼が継続し、燃焼ガスの加熱によって改質器６や、図示はしていないが電気ヒータ等で加熱されたCOシフト反応器７、CO選択酸化器８、水蒸気分離器９、他が所定の温度になると、改質用水ポンプ１１で水蒸気分離器９に供給された改質水は、そこで蒸気となり、水蒸気流量調節弁２７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２２が開き、燃料３がFPS１内に供給され改質反応が始まる。燃料３がFPS１内に供給されると同時に、起動用燃料遮断弁２１、燃焼空気切換弁２５は閉じる。
【００２８】
改質反応が始まった後、CO選択酸化用空気ブロア１８の空気で酸化され、CO選択酸化器８出口から出た改質ガスは、主として水素、炭酸ガス、水蒸気等の成分からなり、電池本体２のアノード極１３に供給され、インバータが起動し（図示せず）発電が始まる。改質ガスがアノード極１３に供給されると、水素ガスは、膜電極接合体ＭＥＡの触媒層（図示せず）を経てプロトンＨ＋が電解質膜（図示せず）を流れ、カソード極用空気ブロア１５からカソード極１４に供給される空気中の酸素及び電子と結びついて水を生成する。したがって、アノード極１３はマイナス（−）極、カソード極１４はプラス（＋）極になり、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ると、電源としての機能を持たせることができる。他方、発電に寄与しないまま残ったアノード極１３の出口から出るオフガスは、オフガス逆止弁２４を通過後、改質用燃焼器１０に供給される。
【００２９】
改質用燃焼器１０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２に供給され、インバータが起動すると燃料電池システム１６の発電が開始する。
【００３０】
発電中、騒音発生源となる主な回転補機は、燃料昇圧ブロア３１、カソード極用空気ブロア１５、燃焼用空気ブロア２６、CO選択酸化用空気ブロア１８、改質用水ポンプ１１、温水循環ポンプ３３、電池冷却水ポンプ３２、パッケージング換気ファン３５、クーリングモジュール３４に有するファン３４ａ等である。
【００３１】
これらの回転補機以外には、貯湯槽３６に有するバックアップボイラ(ガス加熱追い炊きバーナ)２９、インバータ制御音等が騒音発生源となるが、通常、燃料電池システムとしては運転時にパッケージング全体の騒音値が問題無いレベルで設計されている。
【００３２】
ところが、無響室レベルで問題無い騒音であっても設置するサイトによっては住宅の壁や隣家が近くにあり、反響の影響で騒音値が気になるレベル迄大きくなる場合もある。特に、冬場は熱利用が多いため、一日中運転する連続運転になることが多いため、夜間寝静まっている時の騒音は、気にならない程度に低騒音であることが求められる。
【００３３】
そこで、本発明の実施形態は、次のように構成したものである。すなわち、騒音源に対して静音運転モードを設定可能な静音運転モード設定手段を備えた家庭用燃料電池システムであり、静音運転モード設定手段としては以下に述べるものが全て含まれるものである。
【００３４】
(１)静音運転モード設定手段は、燃料電池の発電出力をシステムの運転に必要な最低限を下回らない範囲で低減させるものである。
【００３５】
(２)静音運転モード設定手段は、燃料電池システムの補機のうち騒音源である回転補機の回転数をシステムの運転に必要な最低限を下回らない範囲で低減させるものである。
【００３６】
(３)静音運転モード設定手段は、燃料電池の発電出力及び又は燃料電池システムの補機のうち騒音源である回転補機の回転数をシステムの運転に必要な最低限を下回らない範囲で低減させるものである。
【００３７】
(４)静音運転モード設定手段は、時間的要素、騒音レベル、騒音源の対象である回転補機の少なくとも一つを設定することが可能なものである。
【００３８】
(５)静音運転モード設定手段は、燃料電池システムを構成する機器に付設又は図２に示すように燃料電池システムを構成する機器とは離隔した位置、例えば台所或いは浴室に設置される、いわゆるリモコンである。
【００３９】
(５)静音運転モード設定手段は、設定継続状態、設定非継続状態、設定継続状態及び設定非継続状態の組合わせで行えるものである。    
(６)騒音源の対象である回転補機は、燃料昇圧ブロア３１、カソード極用空気ブロア１５、燃焼用空気ブロア２６、CO選択酸化用空気ブロア１８、改質用水ポンプ１１、温水循環ポンプ３３、電池冷却水ポンプ３２、パッケージング換気ファン３５、クーリングモジュール３４に有するファン３４ａのうちの少なくとも一つを含むものであるとき、静音運転モード設定手段は、回転補機の回転を可変速とし、静音運転モード設定手段は、静音運転モード時に風量を通常運転モード時より低減するものである。
【００４０】
(７)騒音源は、貯湯槽システムに搭載しているバックアップボイラ２９であるとき、静音運転モード設定手段は、通常運転モード時に比べてガス加熱追い炊きバーナの燃焼能力を低下して運転するか、もしくは停止するものである。
【００４１】
本発明の実施例１を図２〜図３を参照して説明する。この発明に関わる家庭用燃料電池システムは、図２に示すような台所リモコンあるいは浴室リモコン４０を有する。本リモコン４０には貯湯槽３６の温度やその設定値、静音運転時間を表示する表示画面４４以外に、制御設定を選択できる、例えば運転開始(起動)ボタン４２、停止ボタン４３、静音運転ボタン４１等の複数の操作ボタンがある。このうち、静音運転ボタン４１は、押しボタン方式で、この押す回数を変えることで、例えばユーザの好みに応じて静音運転のレベルが設定可能になっており、この設定信号は燃料電池システム全体を制御する制御盤(図示せず)に与えられ、発電出力及び又は回転補機の回転数を低減するように構成されている。
【００４２】
リモコン４０の静音運転の設定(Ｓ０)は、例えば図３に示すようにマニュアル靜音運転(Ｓ３)、即日靜音運転(Ｓ４)、毎日靜音運転(Ｓ５)のいずれかを設定することができる。具体的には、静音運転ボタン４１を１回目押したかどうかの判断(Ｓ１)で、１回目と判断した場合にはマニュアル靜音運転(Ｓ３)の設定となる。また、静音運転ボタン４１を１回目押したかどうかの判断(Ｓ１)で、１回目でないと判断し、静音運転ボタン４１を２回目押したかどうかの判断(Ｓ２)で、２回目と判断した場合には即日靜音運転(Ｓ４)の設定となる。更に、静音運転ボタン４１を２回目押したかどうかの判断(Ｓ２)で、２回目でないと判断した場合には、毎日靜音運転(Ｓ５)の設定となる。
【００４３】
なお、マニュアル靜音運転(Ｓ３)を設定した場合は、マニュアル靜音運転を解除しない限り靜音運転(Ｓ３)が継続される。また、即日靜音運転(Ｓ４)を設定した場合は、靜音運転時間を設定できてその間のみ、靜音運転となる。更に、毎日靜音運転５２を設定した場合は、毎日決まった時間に靜音運転が実現できる。
【００４４】
前述の静音運転モードは、基本的にはシステムの運転に必要な最低限を下らない範囲で発電運転負荷を低めにすることで実現できる。この発電負荷を低めに設定することで、騒音発生源となる主な回転補機の回転数が低減、騒音が低減する。通常、換気ファン３５の風量は運転中一定であることが多いが、静音運転モード時には安全上問題無いレベルでファンモータの回転数を低くすることで、風量が低減して騒音は下がる。
【００４５】
また、貯湯槽３６の貯まった熱が給湯や暖房に使われない状態になると、燃料電池システム１６の排熱熱交換器＆タンク１２に戻る温水循環水温度が高くなるが、燃料電池システム１６の運転を継続する場合は、クーリングモジュール３４のファンが回転、大気に放熱することで戻り温度は低下する。
【００４６】
但し、静音モード運転時にこのような熱余りが生じた場合にはクーリングモジュール３４のファン回転数を低下させ、ファン騒音を低減する。前述したように、静音モード運転時には発電運転負荷を低めに設定するが、その運転中の排熱回収量は少なくなり、クーリングモジュール３４での放熱量は低減するため、このようにクーリングモジュール３４の風量を減少させても運転上支障は特にない。
【００４７】
この場合、燃料電池システム１６への戻り温度が高くなるため、排熱熱交換器＆タンク１２から貯湯槽３６へ行き温度が高くなるのを避けるため、温水循環ポンプ３３の出力が増加、循環量が増加するが、クーリングモジュール３４のファン騒音値に比べて、温水循環ポンプ３３の騒音値は小さいため、影響は非常に小さい。
【００４８】
以上の構成によって、本家庭用燃料電池システムは、運転時の騒音を低減できるため省エネと併せてさらに地球環境に優しくなり、発電と熱利用のコジェネレーションシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の家庭用燃料電池システムに係る第１の実施形態を説明するための概略構成図。
【図２】図１に示す静音運転モード設定手段の一例であるリモコンを説明するための構成図。
【図３】図２のリモコンの機能を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
【００５０】
１…燃料処理系、２…電池本体、３…燃料、４…脱硫器、５…水蒸気発生器、６…改質器、７…COシフト反応器、８…CO選択酸化器、９…水蒸気分離器、１０…改質用燃焼器、１１…改質用水ポンプ、１２…排熱熱交換器＆タンク、１３…アノード極、１４…カソード極、１５…カソード極用空気ブロア、１６…燃料電池システム、１８…CO選択酸化用空気ブロア、２０…燃料遮断弁、２１…起動用燃料遮断弁、２２…メイン燃料遮断弁、２４…オフガス逆止弁、２５…燃焼空気切替弁、２６…燃焼用空気ブロア、２７…水蒸気流量調節弁、２９…バックアップボイラ、３１…燃料昇圧ブロア、３２…電池冷却水ポンプ、３３…温水循環ポンプ、３４…クーリングモジュール、３４ａ…クーリングモジュールのファン、３５…パッケージング換気ファン、３６…貯湯槽、４０…リモコン、４１…静音運転ボタン、４２…運転開始(起動)ボタン、４３…停止ボタン、４４…表示画面、Ｓ３…マニュアル靜音運転、Ｓ４…即日靜音運転、Ｓ５…毎日静音運転。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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