(57)【要約】【課題】燃料電池の電力を有効に利用することを目的とする。【解決手段】燃料電池利用システム１は、燃料ガスと空気中の酸素とを反応させて常時発電する燃料電池部１０と、燃料電池部１０からの交流電源と商用電源とを切替制御するシステムコントロール４０と、燃料電池部１０からの電源または商用電源で作動する電気負荷３０とを備える。燃料電池部１０で発電した電力により、連続作動負荷を常時作動させ、必要時に断続作動負荷を作動させる。発電不足時には商用電力を用いる。【選択図】    図１
2004165086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質型燃料電池や固体高分子型燃料電池など所定の高温状態に達すると発電する燃料電池と、該燃料電池で発電された電力により必要時のみ通電して作動する断続作動負荷とを備えた燃料電池利用システムにおいて、
常時作動する連続作動負荷を備えると共に、
上記断続作動負荷の停止中も含めて常に上記燃料電池で発電し、該断続作動負荷で消費されない余剰電力を上記連続作動負荷へ供給することを特徴とする燃料電池利用システム。
【請求項２】
上記連続作動負荷は、一日中連続して換気を行う換気装置であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池利用システム。
【請求項３】
上記連続作動負荷は、一日中連続して水や空気を浄化する浄化装置であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池利用システム。
【請求項４】
上記連続作動負荷は、一日中いつでも入浴可能となるように浴槽内の湯を循環させて浄化すると共に所定の温度に維持する風呂装置であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池利用システム。
【請求項５】
上記連続作動負荷は、一日中連続して安全管理を行うセキュリティ装置であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池利用システム。
【請求項６】
上記燃料電池で発電した直流電力を交流電力に変換することなくそのまま、直流電力で作動する直流負荷に供給することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の燃料電池利用システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の電力を利用した燃料電池利用システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、分散型電源は、送電ロスがなく、一次エネルギーレベルで集中大規模発電所と比較すると効率が非常に高く、二酸化炭素の削減に大きな期待が持たれている。中でも、固体電解質型燃料電池（以下、ＳＯＦＣと呼ぶ）や固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと呼ぶ）は、他の燃料電池とは異なり、原燃料として天然ガスやプロパンガスを用いることができるため、家庭や自動車用に適している。
特に、ＳＯＦＣは、３５％以上の高い発電効率を有し、しかも、電力として変換されない残りのエネルギーを排熱として簡単に有効利用できることで知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳＯＦＣは、その電池作動温度が７５０〜１０００℃と非常に高いため低温状態からの起動には長時間かかり、また、ＰＥＦＣにおいても、その改質器作動温度が高温であるためすぐには起動できない。従って、燃料電池で発電した電力を利用しようとしても電気負荷をすぐに使用できず、結局、商用電源を使用しなければならないため、燃料電池を有効に利用できない。
しかも、こうした燃料電池は、起動・停止を繰り返す度に温度が大幅に変動するため耐久性にも問題が多い。
本願発明は、上記課題を解決し、燃料電池の電力を有効に利用することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１記載の燃料電池利用システムは、
固体電解質型燃料電池や固体高分子型燃料電池など所定の高温状態に達すると発電する燃料電池と、該燃料電池で発電された電力により必要時のみ通電して作動する断続作動負荷とを備えた燃料電池利用システムにおいて、
常時作動する連続作動負荷を備えると共に、
上記断続作動負荷の停止中も含めて常に上記燃料電池で発電し、該断続作動負荷で消費されない余剰電力を上記連続作動負荷へ供給することを要旨とする。
燃料電池利用システム。
【０００５】
また、本発明の請求項２記載の燃料電池利用システムは、上記請求項１記載の発明において、
上記連続作動負荷は、一日中連続して換気を行う換気装置であることを要旨とする。
【０００６】
また、本発明の請求項３記載の燃料電池利用システムは、上記請求項１記載の発明において、
上記連続作動負荷は、一日中連続して水や空気を浄化する浄化装置であることを要旨とする。
【０００７】
また、本発明の請求項４記載の燃料電池利用システムは、上記請求項３記載の発明において、
上記連続作動負荷は、一日中いつでも入浴可能となるように浴槽内の湯を循環させて浄化すると共に所定の温度に維持する風呂装置であることを要旨とする。
【０００８】
また、本発明の請求項５記載の燃料電池利用システムは、上記請求項１記載の発明において、
上記連続作動負荷は、一日中連続して安全管理を行うセキュリティ装置であることを要旨とする。
【０００９】
また、本発明の請求項６記載の燃料電池利用システムは、上記請求項１〜５の何れかに記載の発明において、
上記燃料電池で発電した直流電力を交流電力に変換することなくそのまま、直流電力で作動する直流負荷に供給することを要旨とする。
【００１０】
上記構成を有する本発明の請求項１記載の燃料電池利用システムでは、いつでもすぐに断続作動負荷を作動できるように、燃料電池を高温状態に維持するために必要な電力を燃料電池で常時発電している。この常時発電電力（余剰電力）を有効に利用するために、余剰電力で連続作動負荷を作動させる。
【００１１】
また、本発明の請求項２記載の燃料電池利用システムでは、断続作動負荷の作動状況に関係なく、燃料電池で発電された電力を換気装置へ常時供給する。このため、換気装置は一日中連続して換気作動できる。
【００１２】
また、本発明の請求項３記載の燃料電池利用システムでは、断続作動負荷の作動状況に拘らず、燃料電池から浄化装置に常時給電する。この結果、浄化装置は一日中連続して水や空気を浄化できる。
【００１３】
また、本発明の請求項４記載の燃料電池利用システムでは、風呂装置が常時通電されるため、常に浴槽内の湯を循環させて浄化すると共に所定温度に維持でき、一日中いつでも入浴できるようになる。
【００１４】
また、本発明の請求項５記載の燃料電池利用システムでは、断続作動負荷の作動中も停止中も、セキュリティ装置は、燃料電池の電力が常時供給されて、安全管理を昼夜を問わず行うことができる。
【００１５】
また、本発明の請求項６記載の燃料電池利用システムでは、燃料電池で発電した直流電力を交流電力に変換せずにそのまま直流負荷に供給して作動させる。
従って、商用電源を用いる場合とは異なり変換ロスが無く、エネルギー利用効率が高い。
【００１６】
【発明の実施形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の燃料電池利用システムの好適な実施形態について説明する。
【００１７】
図１は、一実施形態としての家庭用燃料電池利用システム１のシステム構成を表わす。
この燃料電池利用システム１は、大別すると、燃料ガスと空気中の酸素とを反応させて発電するとともに反応後の高温空気を排出する燃料電池部１０と、燃料電池部１０からの高温排気で給水を加熱して給湯を行う貯湯式給湯装置２０と、燃料電池部１０からの交流電源と商用電源とを切替制御するシステムコントロール４０と、燃料電池部１０からの電源または商用電源で作動する電気負荷３０とからなる。
【００１８】
燃料電池部１０は、燃料ガス（例えば天然ガス）から水素成分を抽出する改質器１１と、改質器１１から抽出された水素と空気中の酸素成分とを反応させて直流の電気エネルギーを発生する燃料電池１２（ＳＯＦＣ）と、燃料電池１２による反応熱により昇温された高温空気および改質器１１からの燃焼排気を排出する排気ダクト１３と、燃料電池１２により発電された直流電力を所定の周波数の交流電力に変換するインバータ１４と、改質器１１への燃料ガス供給路を開閉するガス電磁弁１５と、ガス電磁弁１５の開度を調節する燃料コントロール１６とを備える。また、燃料電池１２から排出された燃料極オフガス（燃料電池１２で使用されなかった水素や、一酸化炭素など）は、新たな燃料ガスと共に熱源として使われる。
インバータ１４から出力される交流電力は、システムコントロール４０を介して家庭内の各種の電気負荷３０に供給される。
システムコントロール４０は、基本的にはインバータ１４からの交流電力により電源供給を受けるが、燃料電池部１０の発電不足時では商用電力を用いる。
【００１９】
給湯装置２０は、湯水を蓄える貯湯タンク２１と、燃料電池部１０から発生した排熱を貯湯タンク２１内の湯水に伝達する熱交換器２２と、水道水を貯湯タンク２１へ補給する補水管２３と、貯湯タンク２１内の湯を送出する出湯管２４とから構成される。
【００２０】
電気負荷３０は、燃料電池１２からの直流電力で作動する直流負荷３１と、インバータ１４からの交流電力で作動する交流負荷３２とからなる。
この直流負荷３１として、一日中連続して室内換気を行う換気装置（本発明の連続作動負荷）が用いられる。この換気装置３１の換気扇（図示略）を回転させるＤＣモータ用の電力として燃料電池１２の直流電力が用いられる。尚、燃料コントロール１６も、直流電力を使用する直流負荷である。
一方、交流負荷３２として、市販の冷蔵庫や住宅に常設されたエアコン，床暖房装置といった家庭内の各種の電気機器が用いられる。
【００２１】
次に、このように構成された燃料電池利用システム１の動作について説明する。
一般的に、ＳＯＦＣの作動温度が高く、特に低温状態から起動するには長時間かかるため、本実施形態の燃料電池部１０は、高温状態を維持できる電力で連続発電している。
燃料電池部１０の連続作動に必要なこの常時発電電力（以下、余剰電力と呼ぶ）を有効に利用するために、換気装置３１（消費電力は約４０Ｗ）といった連続作動負荷を作動させる。これにより、エネルギーの利用効率が向上する。
そして、在宅時など電気負荷３０での電力需要が大きい場合には、特に断続的に作動するエアコン等の断続作動負荷の作動中では、その負荷に追従して燃料コントロール１６がガス電磁弁１５の開度を調節して最大１ｋＷ程度まで発電する。
【００２２】
燃料電池１２は、常時発電により高温状態を保っているため、断続作動負荷を必要時に直ちに作動できて使い勝手がよい。しかも、燃料電池１２は、停止・起動を繰り返さないため、その温度が大きく変動することがなく、電池寿命を延ばすことができる。加えて、従来のように断続作動負荷の作動を開始する度に商用電源を使用する必要性がなくなり、商用電源の使用を控えて燃料電池１２を有効活用できる。
更に、商用電源では、発電ロス、送電ロス等により実際に需用家に供給されるまでのエネルギー利用効率は３５％程度にとどまり残りのエネルギーは無駄に放出されるが、本実施形態の燃料電池利用システム１では、燃料電池１２の発電時に発生する排熱と、燃料電池１２で発電された電力とを効率良く利用して水を加熱するため、総合エネルギー効率が一層向上する。
【００２３】
直流電力を必要とする直流負荷３１において、従来のように商用電力を用いる場合には、直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータを備える必要があり、また、商用電力の発電時に直流から交流に変換し更に直流負荷３１への給電時に交流から直流に変換することになるため、２度も変換ロスが生じてエネルギー効率が悪くなってしまう。
これに対して、本実施形態では、直流負荷３１は、燃料電池１２からそのまま直流電力を受けるため、変換ロスがなく、エネルギー効率が非常に良い。更に、インバータ１４を備えているため、直流、交流何れのタイプの電気負荷３０にも給電でき、発電エネルギーを有効に利用できる。
【００２４】
また、燃料電池１２の常時発電により換気装置３１を連続作動しているため、外出中も室内を換気できる。
特に、外断熱住宅など高気密化された住宅では、室内空気の汚染（酸素濃度の低下）が進行しやすいが、換気装置３１を常時作動することで、酸欠状態になることを未然に防止でき、安心して暮らすことができる。しかも、電気代が増えないため不在時でも気軽に換気でき、この結果、カビの発生やシックハウスによる薬品アレルギー問題の解消にもつながり、健康で快適な住空間を提供できる。
更に、換気装置３１が常時作動しているため、面倒な作動開始・停止操作をしなくてもよく、操作忘れを防止できる。従って、操作忘れによって室内が酸欠状態に陥る危険性が無くなる。
【００２５】
また、燃料電池１２の余剰電力を利用する連続作動負荷として、一日中連続して防犯や防火等の安全管理を行うセキュリティ装置（約２０Ｗ）を備えてもよい。このセキュリティ装置が一日中作動するため、外出時は勿論、在宅時でも安全が確保される。しかも、連続作動しているため、セキュリティ装置の作動開始操作を忘れることがなく、常に安心して生活できる。
【００２６】
他の連続作動負荷として、常時空気や水を浄化する浄化装置を備えてもよい。例えば、一日中連続して室内空気を浄化する空気清浄器として、空気中の窒素を吸着するゼオライトや酸素透過膜を用いて酸素を供給して酸欠防止を行う酸素富化器（使用電力約５０〜１００Ｗ），マイナスイオン発生器，脱臭機（約４０Ｗ）などを用いてもよい。特に、室内が酸欠状態になりやすい高気密化住宅では、こうした酸素富化器を常時作動することで、安全性が向上する。
一方、一日中連続して水を浄化する浄水器として、飲料水用浄水器やアルカリ水製造器（約２５０Ｗ）などを用いてもよい。
何れの浄化装置でも、燃料電池の余剰電力を用いるため、ランニングコストを気にすることなく一日中連続浄化できる。特に、常時殺菌する浄化装置では、細菌が繁殖する機会を与えないため殺菌効果が一層高くなる。
【００２７】
また、連続作動負荷として、浴槽内の湯を一日中循環させて殺菌・浄化すると共に所定の温度に維持することでいつでも入浴できる風呂装置を備えてもよい。この循環，殺菌，保温に燃料電池１２の余剰電力（約２００〜６００Ｗ）が用いられることから、水資源や湯の熱エネルギーを有効利用するためのこの風呂装置を電気代の心配なく連続作動できる。従って、経済的となり、しかも環境保全に役立つ。
【００２８】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
例えば、燃料電池１２にＳＯＦＣに代えてＰＥＦＣを用いてもよい。ＰＥＦＣは、電池作動温度が６０〜８０℃と低いものの改質器の作動温度が高いため、起動に時間がかかり、ＳＯＦＣと同様に常時作動することが望ましく、常時作動中に発電した余剰電力を連続作動負荷に供給することで発電エネルギーを有効に利用できる。
【００２９】
また、燃料電池利用システムは、直流負荷と交流負荷とのうちの何れか一方にだけ給電するようにしてもよい。例えば、直流負荷にのみ給電する場合には、インバータ１４や、電源切替を行うシステムコントロール４０を備える必要がない。
また、連続作動負荷および断続作動負荷は、直流電力，交流電力のどちらを利用しても構わない。
また、実施形態の換気装置３１は室内用であるが、床下など室外を換気する換気装置を用いてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の請求項１の燃料電池利用システムによれば、断続作動負荷の停止中に発電された燃料電池の余剰電力を連続作動負荷で常時有効に利用することができる。
また、燃料電池を常時発電状態にすることで、長時間かかる燃料電池の起動を待つ必要が無くなる。この結果、必要時にすぐ断続作動負荷を作動できて使い勝手が向上し、また、断続作動負荷を作動させる度に商用電源を使用しなくてもよくなる。しかも、燃料電池を長期に渡って使用できる。
加えて、連続作動負荷を常時作動させるため、連続作動負荷の作動・停止操作をする手間が省けると共に、操作忘れを防止でき連続作動負荷を有効に活用できる。
【００３１】
更に、本発明の請求項２の燃料電池利用システムによれば、連続換気のためのエネルギーを余剰電力から賄うため、気がねなく一日中連続して換気作動させることができる。この結果、エネルギーを有効に利用しつつ、換気作動による酸欠防止等の効果を得ることができる。
しかも、換気操作を忘れることがないため、カビの発生やシックハウスによる薬害アレルギーといった衛生問題の解消に役立つ。
【００３２】
更に、本発明の請求項３の燃料電池利用システムによれば、余剰電力を利用するため、一日中連続して浄化装置を作動でき、常に水や空気をきれいに維持できる。
【００３３】
更に、本発明の請求項４の燃料電池利用システムによれば、浴槽内の湯を常時保温するためのエネルギーを燃料電池の余剰電力から得るため、低コストで水資源、湯の熱エネルギーを有効に利用して一日中いつでも入浴できるようになる。
【００３４】
更に、本発明の請求項５の燃料電池利用システムによれば、外出時も在宅時も、燃料電池の余剰電力でセキュリティ装置を作動でき、安全性が高まる。
また、セキュリティ装置の作動開始操作を忘れることがないため、いつも安心して暮らすことができる。
【００３５】
更に、本発明の請求項６の燃料電池利用システムによれば、燃料電池の直流電力をそのまま直流負荷に供給するため、変換ロスが無く、エネルギーの利用効率が高い。しかも、ＡＣ／ＤＣコンバータを直流負荷に備える必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の燃料電池利用システムの概略システム構成図である。
【符号の簡単な説明】
１…燃料電池利用システム、１０…燃料電池部、１２…燃料電池、１４…インバータ、２０…給湯装置、２１…貯湯タンク、１５…ガス電磁弁、１６…燃料コントロール、３０…電気負荷、３１…直流負荷、３２…交流負荷、４０…システムコントロール。
【図１】
2004165086.tif 000003