(57)【要約】【課題】  性能低下を招くことなく全体としての小型化を達成する。【解決手段】  燃料の供給を受けて電力を出力する固体電解質型燃料電池１と、固体電解質型燃料電池１の排熱を回収するように第１のポンプ２によって冷却水が循環される第１の排熱回収流路３と、貯湯タンク４と、貯湯タンク４内の水を第２のポンプ５によって循環させる第２の排熱回収流路６と、第１の排熱回収流路３と第２の排熱回収流路６との間で熱交換を行わせる熱交換器７とを有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質型燃料電池（１）を発電機として用いる発電ユニットと、固体電解質型燃料電池（１）の排熱を蓄え、かつ前記発電ユニットと一体に設けられた貯湯タンク（４）とを含むことを特徴とするコージェネ給湯装置。
【請求項２】
前記貯湯タンク（４）は、発電機定格熱回収量の５時間分以下の熱量を蓄える容量を有するものである請求項１に記載のコージェネ給湯装置。
【請求項３】
前記貯湯タンク（４）は、発電機定格熱回収量の１時間分以下の熱量を蓄える容量を有するものである請求項１に記載のコージェネ給湯装置。
【請求項４】
前記発電機（１）は、必要電力に追従して発電運転を行うものである請求項１から請求項３の何れかに記載のコージェネ給湯装置。
【請求項５】
排熱回収は、固体電解質型燃料電池（１）の排ガスと給水とを熱交換器を介して熱交換することにより行われる請求項１から請求項４の何れかに記載のコージェネ給湯装置。
【請求項６】
貯湯タンクへの排熱回収は、強制循環されない給水との間で行われる請求項５に記載のコージェネ給湯装置。
【請求項７】
排熱回収用熱交換器（１０）が貯湯タンク（４）内に設置されている請求項６に記載のコージェネ給湯装置。
【請求項８】
排熱回収用熱交換器（１１）（１２）の内容積が貯湯タンクを兼ねている請求項６に記載のコージェネ給湯装置。
【請求項９】
前記発電ユニットおよび貯湯タンク（４）と分離された追い焚き用給湯器（８）をさらに含む請求項１から請求項８の何れかに記載のコージェネ給湯装置。
【請求項１０】
前記発電ユニットおよび貯湯タンク（４）と一体化された追い焚き用給湯器（８）をさらに含む請求項１から請求項８の何れかに記載のコージェネ給湯装置。
【請求項１１】
排熱回収により昇温された湯と給水とを混合する混合装置（１３）をさらに含む請求項１から請求項１０の何れかに記載のコージェネ給湯装置。
【請求項１２】
前記混合装置（１３）を基準として給水側の上流に追い焚き用加熱部（８）（１８）をさらに含む請求項１１に記載のコージェネ給湯装置。
【請求項１３】
前記発電ユニットおよび貯湯タンク（４）と一体化された空調機（１７）をさらに含む請求項１から請求項１２の何れかに記載のコージェネ給湯装置。
【請求項１４】
前記固体電解質型燃料電池（１）と空調機（１７）とがインバータ（１ｂ）を共用している請求項１３に記載のコージェネ給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力および熱を発生させるコージェネ給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、コージェネ給湯機としては、発電ユニットと貯湯タンクユニットとが別々にユニット化され、現地で連絡配管をするようにしたものが一般的であり、設置スペースが大きくなり、しかも連絡配管工事の手間や工事費用がかかる。
【０００３】
そして、このような問題点を考慮して、特許文献１に記載されたコージェネ給湯機が提案されている。
【特許文献１】特開２００３−２１４７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、発電ユニットと貯湯ユニットを一体化することが示されているが、単に発電ユニットと貯湯ユニットを一体化しているだけなので、連絡配管工事の手間と連絡配管スペースの削減、連絡配管での圧力損失や放熱ロスを排除するといった効果を達成できるのみであって、貯湯ユニットの装置容積は大きいままであり、コージェネ給湯機全体としても容積が大きいままであった。
【０００５】
したがって、コージェネ給湯機の搬入据付や交換を容易にするためには各ユニットなどを分割構造とするなどの工夫が必要であり、構成の複雑化、コストアップ、信頼性の低下などを招いてしまう。
【０００６】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、性能低下を招くことなく全体としての小型化を達成することができるコージェネ給湯装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明のコージェネ給湯装置は、固体電解質型燃料電池を発電機として用いる発電ユニットと、固体電解質型燃料電池の排熱を蓄え、かつ前記発電ユニットと一体に設けられた貯湯タンクとを含むものである。
【０００８】
この場合には、固体電解質（固体酸化物と呼ぶ場合もある）型の燃料電池を用いることで（１）発電効率が高く、排熱が少ないので、排熱の蓄熱のための熱容積が少なくてすみ、また、完全に排熱を使い切らなくとも省エネやランニングコスト低減を達成可能なので、排熱を全て蓄えることにこだわらずに貯湯タンク容量を選定可能で、更に小さな貯湯タンクを用いることができ、（２）燃料電池の動作温度が高く、排熱温度が高いので貯湯温度を高くすることができ、貯湯タンク容積が同一でもより多くの熱量を蓄えることができ、また、排熱温度が高いので、貯湯のための熱交換器面積を小さくすることができる、という、２つの作用効果により、従来のコージェネ給湯機と比較して飛躍的に小さな容積の貯湯タンク部とすることができる。
【０００９】
したがって、固体高分子型燃料電池を採用する場合と比較して、貯湯タンクの容積を大幅に低減する（たとえば、半分以下にする）ことが可能であり、設置スペース、装置コストを低減しながら経済性、省エネ性に優れたコージェネ給湯装置を実現することができる。
【００１０】
この場合において、貯湯タンク容量が、発電機定格熱回収量の５時間分以下の熱量を蓄える容量であることが好ましく、排熱をほほ有効に使い切りながら、コンパクトなコージェネ給湯装置を実現することができる。
【００１１】
また、貯湯タンク容量が、発電機定格熱回収量の1時間分以下の熱量を蓄える容量であることが一層好ましく、排熱を有効に使いながら、著しくコンパクトなコージェネ給湯装置を実現することができる（たとえば、レストランなどのように、一日の給湯負荷が平坦な場合は、排熱をほぼ100％使うことができる）。
【００１２】
また、前記発電機は、必要電力に追従して発電運転を行うものであることが好ましい。この場合には、発電効率が高い特徴を活かし、従来は給湯主体で運転していた家庭用コージェネ給湯でも、発電主体で運転することで、燃料電池を導入した省エネ性、ランニング削減のメリットを最大限に引き出して発電機を運転するとともに、貯湯タンクの大型化を防止して、コージェネ給湯装置を全体として小型化し、省スペース化と低イニシャルコスト化とを達成することができる。
【００１３】
また、排熱回収は、固体電解質型燃料電池の排ガスと給水とを熱交換器を介して熱交換することにより行われることが好ましい。この場合には、固体電解質型燃料電池が高温排ガスを出すので、従来のような熱回収の冷却水回路を設けることなく排熱回収を実現することができる。
【００１４】
また、貯湯タンクへの排熱回収は、強制循環されない給水との間で行われることが好ましい。この場合には、固体電解質を用いることで燃料電池の排熱温度が高温（たとえば、３００℃前後）となり、水との温度差を大きくとれるため、給水が停止している場合でも、しかも、従来例のように、水ポンプなどで水を強制循環させなくても、大きな温度差による伝熱で貯湯タンク内の水を加熱することが可能となり、構成を簡単化でき、設置スペースを小さくし、装置コストを低減することができる。
【００１５】
また、排熱回収用熱交換器が貯湯タンク内に設置されていることが好ましい。この場合には、構成を一層簡単化することができる。
また、排熱回収用熱交換器の内容積が貯湯タンクを兼ねていることが好ましい。この場合には、構成をより一層簡単化することができるとともに、より一層小型化できる。
また、前記発電ユニットおよび貯湯タンクと分離された追い焚き用給湯器をさらに含むことが好ましい。この場合には、既設の給湯器を追い焚き給湯器として用いることができるので、既設の給湯器に対してコージェネ給湯装置を簡単に追加することができ、既設、新築を問わずコージェネ給湯装置を導入することができる。
【００１６】
また、前記発電ユニットおよび貯湯タンクと一体化された追い焚き用給湯器をさらに含むことが好ましい。この場合には、設置スペースや設置工事費用を低減することができる。
【００１７】
また、排熱回収により昇温された湯と給水とを混合する混合装置をさらに含むことが好ましい。この場合には、適切な供給水温を保つことができる。
【００１８】
また、前記混合装置を基準として給水側の上流に追い焚き用加熱部をさらに含むことが好ましい。この場合には、給湯開始時に追い焚き給湯器や追い焚き用バーナーに保有している常温水を供給することを未然に防止できるので、給湯直後から適切な温度の温水を供給することができる。
【００１９】
また、前記発電ユニットおよび貯湯タンクと一体化された空調機をさらに含むことが好ましい。この場合には、設置スペースが低減でき、マンションのベランダや敷地が狭隘な場合でも容易に設置することができ、しかも、空調用の電源回路を発電電力の供給用に共用できるので、電気工事も低コスト化することができる。
【００２０】
また、前記固体電解質型燃料電池と空調機とがインバータを共用していることが好ましい。この場合には、さらにコンパクト化でき、さらに低コスト化できるとともに、空調機駆動時の効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
この発明は、固体高分子型燃料電池を採用する場合と比較して、貯湯タンクの容積を大幅に低減する（たとえば、半分以下にする）ことが可能であり、設置スペース、装置コストを低減しながら経済性、省エネ性に優れたコージェネ給湯装置を実現することができるという特有の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、この発明のコージェネ給湯装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２３】
図１はこの発明のコージェネ給湯装置の一実施形態を示す概略図である。
このコージェネ給湯装置は、燃料の供給を受けて電力を出力する固体電解質型燃料電池１と、固体電解質型燃料電池１の排熱を回収するように第１のポンプ２によって流体（冷却水）が循環される第１の排熱回収流路３と、貯湯タンク４と、貯湯タンク４内の水を第２のポンプ５によって循環させる第２の排熱回収流路６と、第１の排熱回収流路３と第２の排熱回収流路６との間で熱交換を行わせる熱交換器７とを有している。
【００２４】
そして、外部からの給水が貯湯タンク４の下部に供給され、貯湯タンク４の上部から湯が外部に供給される。そして、湯をさらに昇温させるために、外部の追い焚き用給湯器８に供給している。
【００２５】
前記燃料装置１は、図示しない燃料処理装置、燃料電池本体、インバータなどの電気系、補機類などを含んでいる。
【００２６】
図２は比較例のコージェネ給湯装置を示す概略図である。
このコージェネ給湯装置が図１のコージェネ給湯装置と異なる点は、固体電解質型燃料電池に代えて固体高分子型燃料電池を採用した点、および外部の追い焚き用給湯器に代えて内蔵型の追い焚きバーナを採用した点のみである。
発電定格出力が１kＷ、発電時間（貯湯時間）が８時間の場合の貯湯タンクの容量は、表１に示すとおりであり、図１の場合に、容量を半分以下にできたことが分かる。なお、表１において、固体高分子型燃料電池をＰＥＦＣで表し、固体電解質型燃料電池をＳＯＦＣで表している。
【００２７】
【表１】
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一般家庭では、図３に示すように、朝、昼、夜の３回、給湯のピークがある。
したがって、次のピークに備えるために、ピークからピークの間の排熱を蓄える貯湯タンク容量を持っていれば、必要以上に貯湯タンク容量を増加させることなく、燃料電池１の排熱を有効に利用できる。
【００２８】
ところで、朝、昼、夜のピーク時間は、一般家庭では、６〜８時、１２〜１３時、１８〜２２時であり、ピーク開始時刻についてみれば、約６時間間隔であり、蓄熱時間としては、ピーク終了から次のピーク開始までの約５時間とすることが好ましい。実際の発電は、部分負荷運転も含むため、たとえば定格運転５時間分の排熱を蓄える貯湯タンク容量であれば、実際には５時間分以上の排熱を蓄えることができるので、余裕を持った貯湯タンク容量となる。
【００２９】
図４は、貯湯タンク容量に対する、積算利用排熱量と積算排熱量との割合の試算例を示す図である。
【００３０】
選定例１のように定格排熱量の５時間分の貯湯タンク容量であれば、排熱量の１００％を有効利用できる。
【００３１】
選定例２のように定格排熱量の２時間分の貯湯タンク容量であれば、排熱量の約８０％を有効利用でき、コンパクト性やイニシャルコストを勘案すると、導入し易いコージェネ給湯装置である。
【００３２】
選定例３のように定格排熱量の１時間分以下の貯湯タンク容量であっても、排熱量の約７０％を有効利用できる。この場合には、貯湯タンク容量は５リットルとなり（表２参照）、コージェネ給湯装置全体としてのコンパクト化、イニシャルコスト低減の効果が著しく大きくなる。
【００３３】
【表２】
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図５はＰＥＦＣコージェネ給湯装置の一次エネルギーと住宅での給湯負荷と排熱との関係の試算例を示す図、図６はＳＯＦＣコージェネ給湯装置の一次エネルギーと住宅での給湯負荷と排熱との関係の試算例を示す図である。なお、一次エネルギーの％表示は、商用電源とガス給湯器とを使用した場合の一次エネルギー消費（１００％）に対するものである。
【００３４】
図５と図６との比較から分かるように、ＳＯＦＣコージェネ給湯装置では貯湯タンク容量を著しく小さくできる。
【００３５】
以上から分かるように、貯湯タンク容量が、発電機定格熱回収量の1時間分以下の熱量を蓄える容量であることが一層好ましく、排熱を有効に使いながら、著しくコンパクトなコージェネ給湯装置を実現することができる（たとえば、レストランなどのように、一日の給湯負荷が平坦な場合は、排熱をほぼ100％使うことができる）。
【００３６】
また、前記燃料電池１は、必要電力に追従して発電運転を行うものであることが好ましい。この場合には、発電効率が高い特徴を活かし、従来は給湯主体で運転していた家庭用コージェネ給湯でも、発電主体で運転することで、燃料電池を導入した省エネ性、ランニング削減のメリットを最大限に引き出して燃料電池１を運転するとともに、貯湯タンク４の大型化を防止して、コージェネ給湯装置を全体として小型化し、省スペース化と低イニシャルコスト化とを達成することができる。
【００３７】
図７はこの発明のコージェネ給湯装置の他の実施形態を示す概略図である。
このコージェネ給湯装置が図１のコージェネ給湯装置と異なる点は、第１の排熱回収流路３を省略した点、および熱交換器７として、燃料電池１からの高温排ガスと第２の排熱回収流路６との間で熱交換を行わせるものを採用した点のみである。
【００３８】
この場合には、冷却水回路を不要にでき、構成を簡単化することができる。
【００３９】
図８はこの発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
このコージェネ給湯装置が図７のコージェネ給湯装置と異なる点は、熱交換器７を通過した排ガスに含まれる生成水を回収するための生成水回収用凝縮器９をさらに含む点のみである。
【００４０】
この場合には、生成水を確実に回収することができる。
【００４１】
また、図７、図８では排熱回収流路６にポンプ５を備えているが、固体電解質を用いることで燃料電池の排熱温度が高温（たとえば、300℃前後）となり、水との温度差を大きくとれるため、ポンプ５で水を強制循環させなくても、大きな温度差による水の密度差で排熱回収流路内の水を循環させることが可能となるので、ポンプ５を備えない場合もあり、この場合、構成を更に簡素化でき、設置スペースを小さくし、装置コストを低減することができる。
【００４２】
図９はこの発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
このコージェネ給湯装置が図７のコージェネ給湯装置と異なる点は、第２の排熱回収流路６および熱交換器７を省略した点、および燃料電池１からの高温排ガスを導く高温排ガス
流路１０を貯湯タンク４内に通した点（または、水を強制循環させるポンプを用いることなく高温排ガスとの間で熱交換させる点）のみである。
【００４３】
この場合には、固体電解質を用いることで燃料電池の排熱温度が高温（たとえば、３００℃前後）となり、水との温度差を大きくとれるため、給水が停止している場合でも、しかも、従来例のように、水ポンプなどで水を強制循環させなくても、大きな温度差による伝熱で貯湯タンク内の水を加熱することが可能となり、構成を簡単化でき、設置スペースを小さくし、装置コストを低減することができる。
【００４４】
図１０はこの発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
このコージェネ給湯装置が図９のコージェネ給湯装置と異なる点は、高温排ガス流路１０を貯湯タンク４内に通す代わりに、給水をフィンチューブ型熱交換器１１に導き、高温排ガス流路１０との間で熱交換を行わせる点のみである。
【００４５】
この場合には、構成をより一層簡単化することができるとともに、より一層小型化できる。
【００４６】
図１１はこの発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
このコージェネ給湯装置が図１０のコージェネ給湯装置と異なる点は、フィンチューブ型熱交換器１１に代えてプレート熱交換器１２を採用した点のみである。
【００４７】
この場合には、図１０と同様の作用を達成することができる。
【００４８】
この発明では、小さな貯湯容量でよいので、図10、図１１のように、貯湯タンクに代えてフィンチューブ型熱交換器や、プレート熱交換器の保有水量を貯湯タンク容積に代えることができる。
【００４９】
図１２はこの発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
このコージェネ給湯装置が図９のコージェネ給湯装置と異なる点は、燃料電池１および貯湯タンク４と分離された追い焚き用給湯器８を設けた点のみである。
【００５０】
この場合には、既設の給湯器を追い焚き給湯器として用いることができるので、既設の給湯器に対してコージェネ給湯装置を簡単に追加することができ、既設、新築を問わずコージェネ給湯装置を導入することができる。
【００５１】
図１３はこの発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
このコージェネ給湯装置が図１２のコージェネ給湯装置と異なる点は、追い焚き用給湯器８に代えて追い焚き用バーナ１８を設け、この追い焚き用バーナ１８を燃料電池１および貯湯タンク４と一体に設けた点のみである。
【００５２】
この場合には、設置スペースや設置工事費用を低減することができる。
【００５３】
図１４はこの発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
このコージェネ給湯装置が図１２のコージェネ給湯装置と異なる点は、貯湯タンク４の給湯側に、給水と混合して給湯の温度を制御する混合装置１３をさらに設けた点のみである。
【００５４】
前記混合装置１３は、貯湯タンク４からの給湯と貯湯タンク４への給水の一部とを混合する混合弁１３ａと、混合された給湯の温度を検知する温度検知部１３ｂと、検知された給湯の温度を入力として、給湯の温度が手動などで予め設定された温度になるように混合弁１３ａを制御する混合弁制御装置１３ｃとを有している。
【００５５】
この場合には、貯湯タンク４からの給湯の温度を設定温度にすることができる。
図１５はこの発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
このコージェネ給湯装置が図１４のコージェネ給湯装置と異なる点は、混合装置１３からの給湯を追い焚きするための追い焚き用給湯器８に代えて、前記混合装置１３を基準として給水側の上流に追い焚き用給湯器８を設けた点のみである。
【００５６】
この場合には、給湯開始時に追い焚き給湯器や追い焚き用バーナーに保有している常温水を供給することを未然に防止できるので、給湯直後から適切な温度の温水を供給することができる。
【００５７】
図１６はこの発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
このコージェネ給湯装置が図１５のコージェネ給湯装置と異なる点は、燃料電池本体１ａが、双方向ＡＣ／ＤＣインバータ１４、および空調用ブレーカ１５を介して商用系統１６に接続されている点、燃料電池本体１ａからの出力電力をインバータ１ｂを介して圧縮機１７ａに動作電力を供給している点、圧縮機１７ａにより冷媒が順次導かれる四方弁１７ｂ、室外熱交換器１７ｃ、室外熱交換器用膨張弁１７ｄ、室内熱交換器用膨張弁１７ｅ、および室内熱交換器１７ｆを含む空調機１７を有している点、および燃料電池本体１ａに燃料を供給するための燃料処理装置１ｃを有している点のみである。
【００５８】
この場合には、設置スペースが低減でき、マンションのベランダや敷地が狭隘な場合でも容易に設置することができ、しかも、空調用の電源回路を発電電力の供給用に共用できるので、電気工事も低コスト化することができる。
【００５９】
また、前記固体電解質型燃料電池と空調機とがインバータを共用しているので、さらにコンパクト化でき、さらに低コスト化できるとともに、空調機駆動時の効率を向上させることができる。
【００６０】
図１７はこの発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
このコージェネ給湯装置が図１６のコージェネ給湯装置と異なる点は、追い焚き用給湯器８に代えて、燃料電池１、貯湯タンク４と一体に設けられた追い焚き用バーナ１８を設けた点のみである。
【００６１】
この場合には、設置スペースが一層低減でき、マンションのベランダや敷地が狭隘な場合でも容易に設置することができ、しかも、空調用の電源回路を発電電力の供給用に共用できるので、電気工事も低コスト化することができる。
【００６２】
また、前記固体電解質型燃料電池と空調機とがインバータを共用しているので、さらにコンパクト化でき、さらに低コスト化できるとともに、空調機駆動時の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】この発明のコージェネ給湯装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】従来のコージェネ給湯装置を示すブロック図である。
【図３】一般家庭における一日の給湯ピークを示す図である。
【図４】貯湯タンク容量と排熱利用割合との関係の一例を示す図である。
【図５】ＰＥＦＣコージェネ給湯機の一次エネルギーと、住宅での給湯負荷と排熱との関係の試算例を示す図である。
【図６】ＳＯＦＣコージェネ給湯機の一次エネルギーと、住宅での給湯負荷と排熱との関係の試算例を示す図である。
【図７】この発明のコージェネ給湯装置の他の実施形態を示すブロック図である。
【図８】この発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図９】この発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図１０】この発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図１１】この発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図１２】この発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図１３】この発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図１４】この発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図１５】この発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図１６】この発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【図１７】この発明のコージェネ給湯装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  固体電解質型燃料電池
１ｂ  インバータ
４  貯湯タンク
８  追い焚き用給湯器
１０  熱交換器
１１  フィンチューブ型熱交換器
１２  プレート熱交換器
１３  混合装置
１７  空調機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005291615.tif 000009
【図６】
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【図７】
2005291615.tif 000011
【図８】
2005291615.tif 000012
【図９】
2005291615.tif 000013
【図１０】
2005291615.tif 000014
【図１１】
2005291615.tif 000015
【図１２】
2005291615.tif 000016
【図１３】
2005291615.tif 000017
【図１４】
2005291615.tif 000018
【図１５】
2005291615.tif 000019
【図１６】
2005291615.tif 000020
【図１７】
2005291615.tif 000021