(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池からの排熱を回収し、貯湯タンクに蓄積した湯を給湯する排熱回収装置を備え、前記燃料電池の起動時に燃料電池へ貯湯漕の湯を供給することによって余熱を与え、起動時間を短縮させる燃料電池システムであって、
前記排熱回収装置は、前記燃料電池へ供給する湯の目標温度を設定する目標温度設定手段と、前記貯湯タンクの上層と下層の湯を導き混合させる混合手段と、前記混合手段によって混合された湯温を検出する混合温度検出手段と、前記目標温度設定手段と前記混合手段と前記混合温度検出手段との制御を行う排熱回収制御部と、を有し、
前記排熱回収制御部は、前記排熱回収装置が前記燃料電池の起動を検出すると、前記混合温度検出手段で検出される温度が前記目標温度設定手段によって設定された目標温度となるよう前記混合手段を制御し、前記混合手段で混合された湯を前記燃料電池に供給させることで、前記燃料電池の温度を起動に必要とする温度に到達させる、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記排熱回収制御部は、前記排熱回収装置が前記燃料電池の起動を検出すると、前記混合温度検出手段によって検出される湯温の目標値を段階的に上昇させて異なる温度の湯を前記燃料電池に供給するよう制御することで、前記燃料電池の温度を起動に必要とする温度に到達させる、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池は、余熱を必要とする複数の構成部品を有し、
前記複数の構成部品の一部を前記混合手段によって混合された湯で加熱することを特徴とした請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池は、前記貯湯タンクの湯によって加熱される第１構成要素と、前記貯湯タンクの湯とは異なる熱源によって加熱を行う加熱手段と、前記加熱手段によって加熱される第２構成部品と、前記第２構成部品の温度を検出する温度検出手段を有し、
前記目標温度設定手段は、前記温度検出手段の検出結果によって供給する湯の目標温度を決定するものとし、前記段階的な目標温度は、前記加熱手段により加熱された第２構成部品の温度状態に同期して決定される請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池と、前記燃料電池からの排熱を回収し、貯湯タンクに蓄積した湯を給湯する排熱回収装置を備え、前記燃料電池の起動時に燃料電池へ貯湯漕の湯を供給することによって余熱を与える燃料電池システムの制御方法であって、
燃料電池の起動を検出する手順と、前記燃料電池へ供給する湯の目標温度を設定する手順と、湯温を検出する手順と、混合された後の湯温が前記目標温度となるよう前記貯湯タンクの上層と下層の湯を導き混合させる手順と、混合された湯を燃料電池へ供給する手順と、を備えた、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
混合された湯を燃料電池へ供給する手順と、湯温の目標値を段階的に上昇させて異なる温度の湯を前記燃料電池に供給する手順と、をさらに備えた、
請求項５記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の起動時に、貯湯漕の湯を供給することによって余熱を与え、起動時間を短縮させることが可能な燃料電池システム、燃料電池システム制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムは、予め定められた湯送り設定時間だけ湯送り通路を通して貯湯タンク内の湯を燃料電池に送水し、余熱を与えることができるようになっている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図４は特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの構成図を示すものである。図４に示すように、燃料電池４００の起動が検出されたときは湯送り設定時間だけ排熱湯導入通路４１４を介し、循環ポンプ４４６の逆回転によって、発電時とは逆方向に湯水循環させて貯湯タンク４０２内の湯を燃料電池４００に導入し余熱を与えるようになっている。
【特許文献１】特開２００５−２９９９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、起動時の燃料電池の温度状態に関わらず貯湯タンクに蓄積された湯を直接燃料電池に導入しているため、例えば外気が０℃と冷え切った環境で放置されている燃料電池の起動時にも例えば６０℃といった高温で余熱を与えることになり、貯湯タンクからの燃料電池への供給時と、燃料電池を循環して再び貯湯タンクに戻る時に外気へ無駄な放熱をし、貯湯タンクの貴重な蓄熱を失うという課題を有していた。
【０００５】
冷え切った燃料電池には、例えばまず２０℃程度の低い供給温度でもある程度までは余熱として与えることは可能であり、この時の外気への放熱は６０℃の湯を供給する時よりも小さい。
【０００６】
燃料電池は火力発電所のように発電の際に発生する熱を海に捨てるのではなく、その排熱を無駄なく蓄積し湯として利用できる環境にやさしいエネルギー創出システムであり、燃料電池の余熱にその排熱を利用しているとはいえ、蓄積した熱を無駄なく利用しなければならない。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、排熱回収装置は燃料電池の起動を検出すると、燃料電池が起動に必要とする最終的な目標温度に対して、供給する目標温度をいくつかに分け、段階的に燃料電池に余熱を与える燃料電池システム、燃料電池システム制御方法、及びそのプログラ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】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池からの排熱を回収し、貯湯タンクに蓄積した湯を給湯する排熱回収装置を備え、前記燃料電池の起動時に燃料電池へ貯湯漕の湯を供給することによって余熱を与え、起動時間を短縮させる燃料電池システムであって、前記排熱回収装置は、前記燃料電池へ供給する湯の目標温度を設定する目標温度設定手段と、前記貯湯タンクの上層と下層の湯を導き混合させる混合手段と、前記混合手段によって混合された湯温を検出する混合温度検出手段と、前記目標温度設定手段と前記混合手段と前記混合温度検出手段との制御を行う排熱回収制御部と、を有し、前記排熱回収制御部は、前記排熱回収装置が前記燃料電池の起動を検出すると、前記混合温度検出手段で検出される温度が前記目標温度設定手段によって設定された目標温度となるよう前記混合手段を制御し、前記混合手段で混合された湯を前記燃料電池に供給させることで、前記燃料電池の温度を起動に必要とする温度に到達させる、燃料電池システムとする。
【０００９】
すなわち、前記排熱回収装置は燃料電池の起動を検出すると、貯湯漕の上層と下層の湯を導き混合させる混合手段と、混合温度を検出する混合温度検出手段によって、燃料電池に余熱を与えることを特徴としたものである。
【００１０】
これによって、貯湯タンクからの燃料電池への供給時と、燃料電池を循環して再び貯湯タンクに戻る時に外気へ無駄な放熱を防止することが可能なことから、使用者が給湯として使用する湯を多く確保することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システム、燃料電池システム制御方法は、貯湯タンクからの燃料電池への供給時と、燃料電池を循環して再び貯湯タンクに戻る時に外気へ無駄な放熱を防止することが可能なことから、使用者が給湯として使用する湯を多く確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の発明は、燃料電池と、前記燃料電池からの排熱を回収し、貯湯タンクに蓄積した湯を給湯する排熱回収装置を備え、前記燃料電池の起動時に燃料電池へ貯湯漕の湯を供給することによって余熱を与え、起動時間を短縮させる燃料電池システムであって、前記排熱回収装置は、前記燃料電池へ供給する湯の目標温度を設定する目標温度設定手段と、前記貯湯タンクの上層と下層の湯を導き混合させる混合手段と、前記混合手段によって混合された湯温を検出する混合温度検出手段と、前記目標温度設定手段と前記混合手段と前記混合温度検出手段との制御を行う排熱回収制御部と、を有し、前記排熱回収制御部は、前記排熱回収装置が前記燃料電池の起動を検出すると、前記混合温度検出手段で検出される温度が前記目標温度設定手段によって設定された目標温度となるよう前記混合手段を制御し、前記混合手段で混合された湯を前記燃料電池に供給させることで、前記燃料電池の温度を起動に必要とする温度に到達させる、燃料電池システムであることを特徴とし、貯湯
タンクからの燃料電池への供給時と、燃料電池を循環して再び貯湯タンクに戻る時に外気へ無駄な放熱を防止することが可能なことから、使用者が給湯として使用する湯を多く確保することができる。
第２の発明は、特に第１の発明において、前記排熱回収制御部は、前記排熱回収装置が前記燃料電池の起動を検出すると、前記混合温度検出手段によって検出される湯温の目標値を段階的に上昇させて異なる温度の湯を前記燃料電池に供給するよう制御することで、前記燃料電池の温度を起動に必要とする温度に到達させる、燃料電池システムとする。
【００１３】
第３の発明は、特に第２の発明において、前記燃料電池は、余熱を必要とする複数の構成部品を有し、前記複数の構成部品の一部を前記混合手段によって混合された湯で加熱することを特徴とした燃料電池システムとする。
【００１４】
第４の発明は、特に第２の発明において、前記燃料電池は、前記貯湯タンクの湯によって加熱される第１構成要素と、前記貯湯タンクの湯とは異なる熱源によって加熱を行う加熱手段と、前記加熱手段によって加熱される第２構成部品と、前記第２構成部品の温度を検出する温度検出手段を有し、前記目標温度設定手段は、前記温度検出手段の検出結果によって供給する湯の目標温度を決定するものとし、前記段階的な目標温度は、前記加熱手段により加熱された第２構成部品の温度状態に同期して決定される燃料電池システムとすることを特徴とし、余熱を必要とする燃料電池の構成部品において、熱の立ち上がり速度がそれぞれ異なり発電開始可能温度に達するまで部品毎に時間差がある場合でも、排熱回収装置が受け持つ構成部品において他の構成部品が発電開始可能温度に達するまで貯湯タンクの湯で保温を維持する必要がなくなることから、使用者が給湯として使用する湯を多く確保することができる。
【００１５】
第５の発明は、燃料電池と、前記燃料電池からの排熱を回収し、貯湯タンクに蓄積した湯を給湯する排熱回収装置を備え、前記燃料電池の起動時に燃料電池へ貯湯漕の湯を供給することによって余熱を与える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池の起動を検出する手順と、前記燃料電池へ供給する湯の目標温度を設定する手順と、湯温を検出する手順と、混合された後の湯温が前記目標温度となるよう前記貯湯タンクの上層と下層の湯を導き混合させる手順と、混合された湯を燃料電池へ供給する手順と、を備えた、燃料電池システムの制御方法であることを特徴とし、貯湯タンクからの燃料電池への供給時と、燃料電池を循環して再び貯湯タンクに戻る時に外気へ無駄な放熱を防止することが可能なことから、使用者が給湯として使用する湯を多く確保することができる。
【００１６】
第６の発明は、特に第５の発明において、混合された湯を燃料電池へ供給する手順と、湯温の目標値を段階的に上昇させて異なる温度の湯を前記燃料電池に供給する手順と、をさらに備えた、燃料電池システムの制御方法とする。
【００１７】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図であり、同じ構成部品を用いて図１（ａ）は燃料電池１００の起動時の湯の流れを示し、図１（ｂ）は発電の開始時の湯の流れを示している。図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムのブロック図を示すものである。
【００１９】
図１（ｂ）において、排熱回収装置１０４は燃料電池１００の発電の際に発生した排熱を回収し、貯湯タンク１１０に湯として蓄積し使用者に給湯を行う。燃料電池の発熱部位には冷却水を循環させるための配管があり、発電が開始されると冷却水ポンプ１０２が水
を循環し熱交換器１０１に熱を集める。貯湯水ポンプ１０３は貯湯タンク１１０の下層の水を熱交換器１０１に導き、熱を回収させ貯湯タンク１１０に湯を蓄積する。また、排熱回収装置１０４には生成された湯の温度とある閾温度とを比較し、貯湯タンク１１０への湯の回収位置を変更する三方弁１０５が配されている。この動作は、貯湯タンク１１０に生成された湯の積層を崩しにくいため、使用者に安定した給湯が行える効果がある。
【００２０】
図１（ａ）において、燃料電池の起動を検出すると貯湯タンク１１０に蓄積した湯を燃料電池１００に余熱を供給するため、貯湯タンク１１０の上層からの湯を導く配管１０７と下層からの水を導く配管１０９が配されている。混合手段１０８は配管１０７と配管１０９の湯と水を混合し、燃料電池に余熱を供給する。供給する目標温度はいくつかの段階に分けられており、その目標温度に対し生成された湯温を検出する混合温度検出手段１１１が配されている。貯湯水ポンプ１０３は熱交換器１０１に混合された湯を導き、熱を燃料電池１００側に供給する。燃料電池１００に供給された熱は冷却水ポンプ１０２により冷却水を循環する配管を介し、燃料電池構成部品に熱が供給される。
【００２１】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。図２において、排熱回収装置１０４の排熱回収制御部２０４は、燃料電池１００の発電の際に発生した排熱を回収し、使用者に給湯を行うため、排熱回収装置１０４を構成する構成部品の制御を行う。一方、燃料電池１００が発電を行うには、燃料電池１００の構成部品が発電可能温度に到達していなければならず、いくつかある構成部品の１部を貯湯タンクの熱を用いて余熱を与えるため、燃料電池１００に熱を供給する制御も行う。
【００２２】
排熱回収装置１０４は、燃料電池１００と宅内通信回線２１０によって接続され、燃料電池１００のあらゆる情報を入手する構成になっている。宅内通信回線２１０は無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）または特定小電力無線など無線を媒体として利用することも可能で、その場合、排熱回収装置１０４、燃料電池１００のそれぞれは無線通信ユニットを装着する必要がある。燃料電池１００の燃料電池制御部２０１は発電の起動を開始した起動開始情報と、貯湯タンク１１０が余熱を与える燃料電池構成部品（以降、部品Ａとする）の温度、貯湯タンク１１０が余熱を与える際に同期をとるための他の燃料電池構成部品（以降、部品Ｂとする）の温度を温度検出手段２０２で検出し、通信手段２０３を介して排熱回収装置１０４に送信する。部品Ｂは貯湯タンク１１０の熱で余熱を与えられるのではなく、他の加熱手段によって発電可能温度まで余熱を与えられる部品である。排熱回収装置１０４では、排熱回収制御部２０４の燃料電池起動検出手段２０５が通信手段２０９を介して起動開始情報と、部品Ａ、部品Ｂの温度を入手する。この通信方式は所定周期のポーリング方式でも良いし、コマンドを用いたイベントドリブン方式でも良い。
【００２３】
部品Ａの発電可能温度は決められており、排熱回収制御部２０４は、起動開始情報と部品Ａ、部品Ｂの温度を入手すると、部品Ｂの温度に同期をとるために貯湯タンク１１０から熱を供給するべきか否かを判定する。これは部品Ａの発電可能温度までの熱の立ち上がりが、部品Ｂより仮に早い場合、燃料電池１００の起動が開始され、部品Ａと部品Ｂとが同時に余熱を与え始めると、部品Ｂが発電可能温度に到達するまでの間、部品Ａへの貯湯タンク１１０の熱の供給を継続し、部品Ａの温度を発電可能温度の状態で保持しなければならず、この待ち状態の間貯湯タンク１１０の熱を無駄に外気に放熱することを防止するためである。部品Ｂが所定の温度まで熱が与えられ、部品Ａへの余熱の供給を開始が可能となると、排熱回収制御部２０４は目標温度設定手段２０６で部品Ａへ供給する第１の目標温度を決定する。目標温度が決定されると、貯湯タンク１１０の上層からの湯を導く配管１０７と下層からの水を導く配管１０９を介して混合手段１０８で目標温度に温度調整を行う。排熱回収制御部２０４には混合温度検出手段１１１からの混合温度がフィードバックされ、混合手段１０８で目標温度に温度調整を行い、部品Ａに熱を供給する。この時
、燃料電池制御部２０１は起動開始情報の排熱回収装置１０４への送信と同時に冷却水ポンプ１０２と貯湯水ポンプ１０３を駆動しており、貯湯タンク１１０からの湯を燃料電池側へ導く動作を行っている。
【００２４】
貯湯タンク１１０の熱が部品Ａに供給され、先の第１の目標温度に到達すれば、目標温度設定手段２０６は次の第２の目標温度を設定する。そして、混合手段１０８と混合温度検出手段１１１を用いて同様に部品Ａが第２の目標温度に到達したか否かを判定する。この目標温度の設定であるが、部品Ｂの温度状態と同期をとって設定されるのであり、部品Ｂが部品Ｂの発電可能温度に到底届かない温度状態であるにも関わらず、部品Ａの目標温度を部品Ａの発電可能温度に設定することはない。これは部品Ｂが発電可能温度に到達するタイミングに部品Ａもあわせることによって、部品Ａを発電可能温度の状態で保持する必要がなくなり、この待ち状態の間貯湯タンク１１０の熱を無駄に外気に放熱することを防止するためである。
【００２５】
排熱回収制御部２０４は、いくつかの目標温度を設定し、この動作を繰り返して部品Ａを発電可能温度に到達させることによって、貯湯タンク１１０からの燃料電池への供給時と、燃料電池を循環して再び貯湯タンク１１０に戻る時に外気へ無駄な放熱を防止することが可能となり、燃料電池の構成部品の余熱に貯湯タンク１１０の熱を利用しても使用者が給湯として使用する湯を多く確保することができる。
【００２６】
図３は本実施の形態の燃料電池システムの動作を説明するためのフローチャートである。排熱回収制御部２０４の燃料電池起動検出手段２０５は、通信手段２０９を介して燃料電池１００の起動開始情報の有無を判定する（ＳＴＥＰ１）。燃料電池１００の起動が開始されれば（ＳＴＥＰ１、Ｙｅｓ）、排熱回収制御部２０４は通信手段２０９を介して燃料電池１００の部品Ｂの現在の温度状態を受信し、燃料電池１００の部品Ａへの余熱供給を開始するか否かを判定する（ＳＴＥＰ２）。部品Ｂが他の加熱手段によりある所定の温度まで余熱を与えられ、部品Ａへの熱の供給が可能と判定すれば（ＳＴＥＰ２、Ｙｅｓ）、部品Ｂと部品Ａの現在の温度を、通信手段２０９を介して取得する（ＳＴＥＰ３）。目標温度設定手段２０６は先の部品Ｂと部品Ａの現在の温度から、部品Ａに供給する余熱の第１の目標温度を決定する（ＳＴＥＰ４）。排熱回収制御部２０４は貯湯タンク１１０の上層と下層の湯を混合し、部品Ａに熱を供給する（ＳＴＥＰ５）。
【００２７】
排熱回収制御部２０４は混合温度検出手段１１１からのフィードバック温度を判定して混合手段１０８を制御し、第１の目標温度を部品Ａに与える。通信手段２０９を介して部品Ａが第１の目標温度に到達したか否かを判定し（ＳＴＥＰ６）、目標温度に到達していれば（ＳＴＥＰ６、Ｙｅｓ）それが部品Ａの発電可能温度であるか否かを判定する（ＳＴＥＰ７）。部品Ａが第１の目標温度に到達していない場合（ＳＴＥＰ６、Ｎｏ）、排熱回収制御部２０４は混合温度検出手段１１１からのフィードバック温度を判定して混合手段１０８を制御し、部品Ａに第１の目標温度の熱を供給し続ける。
【００２８】
通信手段２０９を介して部品Ａの温度が発電可能温度に到達しているか否かを判定し（ＳＴＥＰ７）、部品Ａが発電可能温度に到達していない場合（ＳＴＥＰ７、Ｎｏ）、再度部品Ｂと部品Ａの現在の温度を、通信手段２０９を介して取得し（ＳＴＥＰ３）、部品Ａに供給する余熱の第２の目標温度を決定する（ＳＴＥＰ４）。
【００２９】
このＳＴＥＰ３からＳＴＥＰ７の動作をいくつか繰り返し、すなわち部品Ｂの温度状態に同期をとり、部品Ａに供給する目標温度をいくつか設定し、部品Ａが発電可能温度に到達するまで貯湯タンク１１０の熱を供給し続け、発電可能温度にと到達すれば（ＳＴＥＰ７、Ｙｅｓ）余熱供給処理を終了し（ＳＴＥＰ８）次回の起動開始情報を待つ（ＳＴＥＰ１）。
【００３０】
通信手段２０９を介して燃料電池の起動開始情報がなければ（ＳＴＥＰ１、Ｎｏ）次回の起動開始情報を待つ（ＳＴＥＰ１）。燃料電池１００の起動が開始され（ＳＴＥＰ１、Ｙｅｓ）、貯部品Ｂの現在の温度状態を受信し、部品Ｂが他の加熱手段によりある所定の温度まで余熱が十分に与えられておらず、部品Ａへの熱の供給が不可と判定すれば（ＳＴＥＰ２、Ｎｏ）、部品Ｂがある所定の温度まで余熱を与えられ、部品Ａへの熱の供給が開始可能と判定できるまで待つ（ＳＴＥＰ２）。
【００３１】
以上のように、本実施の形態においては、燃料電池１００と、前記燃料電池１００からの排熱を回収し、貯湯タンク１１０に蓄積した湯を給湯する排熱回収装置１０４を備え、前記燃料電池１００の起動時に燃料電池１００へ貯湯漕の湯を供給することによって余熱を与え、起動時間を短縮させる燃料電池システムにおいて、前記排熱回収装置１０４は燃料電池の起動を検出すると、貯湯漕の上層と下層の湯を導き混合させる混合手段１０８と、混合温度を検出する混合温度検出手段１１１によって、燃料電池１００が起動に必要とする最終的な目標温度に対して、供給する目標温度をいくつかに分け、段階的に燃料電池に余熱を与える燃料電池システムであることを特徴とし、貯湯タンク１１０からの燃料電池への供給時と、燃料電池１００を循環して再び貯湯タンク１１０に戻る時に外気へ無駄な放熱を防止することが可能なことから、使用者が給湯として使用する湯を多く確保することができる。
【００３２】
また、余熱を必要とする燃料電池１００の構成部品において、熱の立ち上がり速度がそれぞれ異なり発電開始可能温度に達するまで部品毎に時間差がある場合でも、排熱回収装置１０４が受け持つ構成部品において他の構成部品が発電開始可能温度に達するまで貯湯タンク１１０の湯で保温を維持する必要がなくなることから、使用者が給湯として使用する湯を多く確保することができる。
【００３３】
なお、本実施の形態で説明した手段は、ＣＰＵ（またはマイコン）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、記憶・記録装置、Ｉ／Ｏなどを備えた電気・情報機器、コンピュータ、サーバー等のハードリソースを協働させるプログラムの形態で実施してもよい。プログラムであれば、磁気メディアや光メディアなどの記録媒体に記録したりインターネットなどの通信回線を用いて配信することでプログラムの配布・更新やインストール作業が簡単にできる。
【００３４】
なお、本発明の燃料電池は家庭用に限らずオフィスや工場などの業務用であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上のように、本発明にかかる、燃料電池システム、燃料電池システム制御方法、及びそのプログラムは、家庭用の燃料電池システムのみならず、工業用の大規模なシステムにおいても利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における燃料電池起動開始時の湯の流れを示す燃料電池システムの構成図（ｂ）本発明の実施の形態１における燃料電池発電時の湯の流れを示す燃料電池システムの構成図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図
【図３】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの動作を説明するためのフローチャート
【図４】従来の燃料電池システムの構成図
【符号の説明】
【００３７】
１００  燃料電池
１０４  排熱回収装置
１０８  混合手段
１１１  混合温度検出手段
【図２】
0005124980.tif 000002
【図３】
0005124980.tif 000003
【図４】
0005124980.tif 000004
【図１】
0005124980.tif 000005