(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タンク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であって、
前記排熱回収装置は、燃料電池の起動を検出する燃料電池起動検出手段と、熱交換により前記貯湯タンクの上部の水を加熱する補助熱源手段と、前記補助熱源機との熱交換により加熱された前記貯湯タンクの上部の水と貯湯タンクの下層の水とを混合させる混合手段と、前記混合手段で混合された湯の温度を検出する混合温度検出手段と、前記混合手段で混合された湯から前記燃料電池に熱を伝達する熱交換手段と、を備え、
前記燃料電池が起動に必要とする目標温度に対して、前記貯湯タンクに必要な熱が蓄積されているか否かを判断し、熱が不足している場合には前記補助熱源機は前記貯湯タンクの上部の水を加熱し、前記排熱回収装置はその加熱された前記貯湯タンクの上部の水と前記貯湯タンクの下部の水とを混合し、混合された湯の温度が前記燃料電池の耐熱温度を超えない温度とした上で、混合された湯を前記熱交換手段に供給し前記燃料電池へ余熱を与えることを特徴とした燃料電池システム。
【請求項２】
前記貯湯タンクの残湯量を検出する残湯量検出手段をさらに備え、
前記残湯量検出手段で検出された前記貯湯タンクの残湯量を用いて前記貯湯タンクに必要な熱が蓄積されているか否かを判断する、
請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
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タンク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、
前記燃料電池が起動に必要とする目標温度に対して、前記貯湯タンクに必要な熱が蓄積されているか否かを判断する判断手順と、前記判断手順において熱が不足している場合には前記貯湯タンクの上部から導いた水を加熱する加熱手順と、その加熱された前記貯湯タンクの上部の水と前記貯湯タンクの下部から導いた水とを混合する混合手順と、前記混合手順で混合された湯の温度が前記燃料電池の耐熱温度を超えない温度とした上で、混合された湯を前記熱交換に供給し前記燃料電池へ余熱を与える熱交換手順と、
を備えた燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
前記判断手順は、前記貯湯タンクの残湯量を用いて前記貯湯タンクに必要な熱が蓄積されているか否かを判断する、
請求項３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、貯湯タンク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５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槽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、燃料電池の起動時に供給可能な熱の不足時について十分考慮されておらず、またその場合の代替え策として例えば燃料電池内に電気ヒータが搭載されており、そのヒータを利用して構成部品を発電開始可能温度まで到達させることも可能であるが、家庭に届く電気は発電所からの送電ロスを含めると電気エネルギーを熱に変換するより都市ガスなどの燃料を熱に変換するほうがエネルギー効率は高い。燃料電池は発電所が捨てている排熱を利用してお湯を作り、また欲しい場所で発電することで送電ロスをなくし、１次エネルギー消費量の観点から発電所よりも総合効率が高い新しい創エネルギーシステムであり、そのシステムの１部の加温のために発電所の電気を用いることは避けるべきである。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池の起動時に貯湯タンクに必要な熱が蓄積されているか否かを判断し、熱が不足の場合、排熱回収装置は補助熱源機と熱交換手段により貯湯タンクから導いた水を加熱し、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】
【０００６】
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タンク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であ
って、前記排熱回収装置は燃料電池の起動を検出する燃料電池起動検出手段と、前記貯湯タンクの残湯量を検出する残湯量検出手段と、前記貯湯タンクから導いた水を加熱する補助熱源機と、前記補助熱源機により加熱された水の熱を別の水に熱を伝達する熱交換手段とを備え、前記燃料電池が起動に必要とする目標温度に対して、貯湯タンクに必要な熱が蓄積されているか否かを判断し、熱が不足している場合には、前記排熱回収装置は補助熱源機と熱交換手段により貯湯タンクから導いた水を加熱し、前記燃料電池に余熱を与えることを特徴とした燃料電池システムとしたものである。
【０００７】
これによって、燃料電池の余熱に必要な熱が貯湯タンクに不足している場合でも燃料電池に余熱を与えることが可能となり、構成分品を発電開始可能温度まで加熱することができる。また、補助熱源機が都市ガスなどを用いる場合、発電所から家庭に送電される電気を熱エネルギーに変換して加熱するよりも１次エネルギー消費量は少なく、環境保全につながる。
【発明の効果】
【０００８】
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、燃料電池の余熱に必要な熱が貯湯タンクに不足している場合でも燃料電池に余熱を与えることが可能となり、構成分品を発電開始可能温度まで加熱することができる。また、補助熱源機が都市ガスなどを用いる場合、発電所から家庭に送電される電気を熱エネルギーに変換して加熱するよりも１次エネルギー消費量は少なく、環境保全につながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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タンク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であって、前記排熱回収装置は燃料電池の起動を検出する燃料電池起動検出手段と、前記貯湯タンクの残湯量を検出する残湯量検出手段と、前記貯湯タンクから導いた水を加熱する補助熱源機と、前記補助熱源機により加熱された水の熱を別の水に熱を伝達する熱交換手段とを備え、前記燃料電池が起動に必要とする目標温度に対して、貯湯タンクに必要な熱が蓄積されているか否かを判断し、熱が不足している場合には、前記排熱回収装置は補助熱源機と熱交換手段により貯湯タンクから導いた水を加熱し、前記燃料電池に余熱を与えることを特徴とした燃料電池システムであることを特徴とし、余熱に必要な熱が貯湯タンクに不足している場合でも燃料電池に余熱を与えることが可能となり、構成分品を発電開始可能温度まで加熱することができる。また、補助熱源機が都市ガスなどを用いる場合、発電所から家庭に送電される電気を熱エネルギーに変換して加熱するよりも１次エネルギー消費量は少なく、環境保全につながる。
【００１０】
第２の発明は、前記排熱回収装置は、補助熱源機により加熱された水と貯湯タンクの下層の水を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を備え、燃料電池に余熱を供給する時、決定された目標温度に温度調整された湯を供給することを特徴とした請求項１に記載の燃料電池システムとすることを特徴とし、供給温度の任意設定、保持することが可能なことから、構成部品の耐熱温度を厳守することができる。
【００１１】
第３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タンク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であって、前記排熱回収装置は燃料電池の起動を検出する手順と、貯湯タンクの残湯量を検出する手順と、貯湯タンクから導いた水を加熱する補助熱源機と、前記補助熱源機により加熱された水の熱を別の水に熱を伝達する手順と、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、貯湯タンクに必要な熱が蓄積されているか否かを判断する手順とを備え、貯湯タンクに熱が不足してい
ると判断された場合、前記排熱回収装置は補助熱源機と熱交換手段により貯湯タンクから導いた水を加熱し、燃料電池に余熱を与える手順を備えた燃料電池システム制御方法であることを特徴とし、余熱に必要な熱が貯湯タンクに不足している場合でも燃料電池に余熱を与えることが可能となり、構成分品を発電開始可能温度まで加熱することができる。また、補助熱源機が都市ガスなどを用いる場合、発電所から家庭に送電される電気を熱エネルギーに変換して加熱するよりも１次エネルギー消費量は少なく、環境保全につながる。
【００１２】
第４の発明は、前記排熱回収装置は、補助熱源機により加熱された水と貯湯タンクの下層の水を混合させる手順と混合温度を検出する手順とを備え、燃料電池に余熱を供給する時、決定された目標温度に温度調整された湯を供給する手順を備えた請求項３に記載の燃料電池システム制御方法であることを特徴とし、供給温度の任意設定、保持することが可能なことから、構成部品の耐熱温度を厳守することができる。
【００１３】
第５の発明は、請求項１または２記載の燃料電池システムの少なくとも一部をコンピュータに実現させるためのプログラムである。そして、プログラムであるので、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て本発明の燃料電池システムの少なくとも一部を容易に実現することができる。また記録媒体に記録したり通信回線を用いてプログラムを配信したり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。
【００１４】
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。
【００１５】
（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、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。
【００１６】
図１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。貯湯タンク１１０には残湯量検出手段１１５ａ〜１１５ｅが配されており、燃料電池に余熱を供給する時に貯湯タンク１１０に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、貯湯タンク１１０に必要な熱が不足している場合補助熱源機１１３を作動させ、補助熱源機１１３で生成した熱を配管１１４を介し、熱交換手段１１２に導き、貯湯タンク１１０の上層からの水に熱を伝達する。供給する目標温度は燃料電池の構成部品の耐熱温度を超えないように設定され、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て、燃料電池構成部品に熱が供給される。
【００１７】
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１１０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。
【００１８】
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ＬＡ
Ｎ、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は発電の起動が開始された起動開始情報と、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。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。
【００１９】
排熱回収制御部２０４の燃料電池起動検出手段２０５が起動開始情報を検出すると、排熱回収制御部２０４は部品Ａが必要とする最終的な目標温度すなわち発電開始可能温度に対して、貯湯タンク１１０に必要な熱が十分あるか否かを判定する。そして、部品Ａの耐熱温度を上限として、供給する目標温度を決定し貯湯タンク１１０の湯を供給するが、この時貯湯タンク１１０に熱が不足していたり、また供給の最中に不足した場合は直ちに補助熱源機１１３を作動させ、補助熱源機１１３で生成した熱を配管１１４を介し、熱交換手段１１２に導き、貯湯タンク１１０の上層からの水に熱を伝達する。
【００２０】
排熱回収制御部２０４は、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には耐熱温度を超えないように熱を供給する。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ものとする。
【００２１】
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を介して部品Ａの現在の温度を取得する。次に貯湯タンク１１０の残湯量検出手段１１５ａ〜１１５ｅを用いて、部品Ａが必要とする発電開始可能温度に対して、貯湯タンク１１０に必要な熱が十分あるか否かを判定する（ＳＴＥＰ２）。貯湯タンク１１０に熱が十分ある場合（ＳＴＥＰ２、Ｙｅｓ）、部品Ａの耐熱温度を上限として供給する目標温度を決定する（ＳＴＥＰ４）。そして、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）。
【００２２】
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の耐熱温度を超えないように余熱を与える。通信手段２０９を介して部品Ａが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）余熱供給処理を終了し（ＳＴＥＰ７）次回の起動開始情報を待つ（ＳＴＥＰ１）。燃料電池１００の起動時及び部品Ａが目標温度に到達していない場合（ＳＴＥＰ６、Ｎｏ）に部品Ａに目標温度を供給し続けている時に、貯湯タンク１１０に必要な熱がない場合（ＳＴＥＰ２、Ｎｏ）排熱回収制御部２０４は直ちに補助熱源機１１３を作動させ（ＳＴＥＰ３）、補助熱源機１１３で生成した熱を配管１１４を介し、熱交換手段１１２に導き、貯湯タンク１１０の上層からの水に熱を伝達する。
【００２３】
以上のように、本実施の形態においては、燃料電池１００と、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、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、排熱回収装置１０４は燃料電池１００の起動を検出する燃料電池起動検出手段２０５、貯湯タンク１１０の残湯量を検出する残湯量検出手段１１５ａ〜１１５ｅ、貯湯タンクから導いた水を加熱する補助熱源機１１３、補助熱源機１１３により加熱された水の熱を別の水に熱を伝達する熱交換手段１１２とを備え、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、貯湯タンク１１０に必要な熱が蓄積されているか否かを判断し、熱が不足の場合、排熱回収装置１０４は補助熱源機１１３と熱交換手段１１２により貯湯タンク１１０から導いた水を加熱し、燃料電池１００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、余熱に必要な熱が貯湯タンク１１０に不足している場合でも燃料電池１００に余熱を与えることが可能となり、構成分品を発電開始可能温度まで加熱することができる。また、補助熱源機１１３が都市ガスなどを用いる場合、発電所から家庭に送電される電気を熱エネルギーに変換して加熱するよりも１次エネルギー消費量は少なく、環境保全につながる。
【００２４】
また、供給温度の任意設定、保持することが可能なことから、構成部品の耐熱温度を厳守することができる。
【００２５】
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。
【００２６】
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】
【００２７】
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】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１における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】
【００２９】
１００  燃料電池
１０４  排熱回収装置
１０８  混合手段
１１０  貯湯タンク
１１１  混合温度検出手段
１１２  熱交換手段
１１３  補助熱源機
１１５ａ〜１１５ｅ  残湯量検出手段
２０５  燃料電池起動検出手段
【図２】
0005124981.tif 000002
【図３】
0005124981.tif 000003
【図４】
0005124981.tif 000004
【図１】
0005124981.tif 000005