JP5055831B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、給湯中に貯湯タンクの湯温が設定温度より低くなった場合も、補助熱源機のバーナを最小燃焼量で燃焼させ、設定温度の給湯を継続することが可能な燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関するものである。

従来、この種の燃料電池システムは、貯湯タンクの湯温が所定温度以下になった時、バックアップバーナを燃焼させて加温を行い、湯温が所定温度に達したときに燃焼を停止させるように制御し、貯湯タンクの湯温を所定温度に保持できるようになっている（例えば特許文献１参照）。

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５に示すように、燃料電池システム５００のプロセスガスバーナ５０４にバックアップバーナ５１６を併設してバックアップ給湯機５１７を構成し、貯湯タンク５０５内の湯温が所定温度以下になった時に、バックアップバーナ５１６を燃焼させて加温し、湯温が所定温度に達したときに燃焼を停止させ貯湯タンクの湯温を所定温度に保持できるようになっている。
特開２００４−１６４８６８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、使用者の給湯の使用状況に関わらず貯湯タンクの湯温が低下すると所定温度まで加温し湯を満蓄にする動作が行われるため、使用時以外は大気へ無駄な放熱が行われるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、給湯中に貯湯タンクの湯温が設定温度より低くなった場合に補助熱源機のバーナを最小燃焼量で燃焼させ、給湯を継続させる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

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と、給湯の温度を設定する情報端末装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記排熱回収装置は、前記貯湯タンクの残湯量を検出する残湯量検出手段と、給湯する温度が前記情報端末装置に設定された設定温度になるように、前記貯湯タンクからの湯と水道水を混合して温度調整を行う混合手段と、前記混合手段で混合した混合水の温度を検出する混合温度検出手段と、混合水を加温する補助熱源機と、給湯中の水の流量を検出する流量検出手段と、を備え、前記補助熱源機が最小燃焼量で燃焼する場合における、給湯中の水の流量に対して混合水の温度が上昇する温度をオフセット温度として予め用意しておき、給湯中に貯湯タンクの湯温が設定温度より低くなった場合、前記混合手段は、前記貯湯タンクの湯と水道水を混合し、混合水の温度が、前記設定温度から、給湯中の流量に対する前記オフセット温度を引いた目標温度となるように温度調整し、当該目標温度となるように温度調整された混合水を、前記補助熱源機の最小燃焼量で燃焼させることで、設定温度の給湯を継続することを特徴とした燃料電池システムもしくはその制御方法である。

これによって、給湯時にのみ補助熱源機を作動させ設定温度を給湯することから、常に貯湯タンクに湯を満蓄状態で保持するよりも、大気への無駄な放熱はない。また、補助熱源機の作動においても、バーナが最小燃焼量で燃焼するため、都市ガスなどの原燃料の消費を軽減させることができる。

本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法は、給湯時にのみ補助熱源機を作動させ設定温度を給湯することから、常に貯湯タンクに湯を満蓄状態で保持するよりも、大気への無駄な放熱はない。また、補助熱源機の作動においても、バーナが最小燃焼量で燃焼するため、都市ガスなどの原燃料の消費を軽減させることができる。

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と、給湯の温度を設定する情報端末装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記排熱回収装置は、前記貯湯タンクの残湯量を検出する残湯量検出手段と、給湯する温度が前記情報端末装置に設定された設定温度になるように、前記貯湯タンクからの湯と水道水を混合して温度調整を行う混合手段と、前記混合手段で混合した混合水の温度を検出する混合温度検出手段と、混合水を加温する補助熱源機と、給湯中の水の流量を検出する流量検出手段と、を備え、前記補助熱源機が最小燃焼量で燃焼する場合における、給湯中の水の流量に対して混合水の温度が上昇する温度をオフセット温度として予め用意しておき、給湯中に貯湯タンクの湯温が設定温度より低くなった場合、前記混合手段は、前記貯湯タンクの湯と水道水を混合し、混合水の温度が、前記設定温度から、給湯中の流量に対する前記オフセット温度を引いた目標温度となるように温度調整し、当該目標温度となるように温度調整された混合水を、前記補助熱源機の最小燃焼量で燃焼させることで、設定温度の給湯を継続することを特徴とした燃料電池システムである。これにより、給湯時にのみ補助熱源機を作動させ設定温度を給湯することから、常に貯湯タンクに湯を満蓄状態で保持するよりも、大気への無駄な放熱はない。また、補助熱源機の作動においても、バーナが最小燃焼量で燃焼するため、都市ガスなどの原燃料の消費を軽減させることができる。また、給湯流量に対応したバーナの最小燃焼量で燃焼させることから、給湯流量の変化に対して給湯湯温を安定させることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、前記排熱回収装置は、前記情報端末装置と前記燃料電池との情報通信を行うための通信手段と、前記通信手段を介して前記情報端末装置で設定された給湯の設定温度を検出する設定温度検出手段と、を有する燃料電池システムとする。

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と、給湯の温度を設定する情報端末装置と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記情報端末装置で設定された給湯の設定温度を検出する手順と、貯湯タンクの残湯量を検出する手順と、給湯する温度が前記情報端末装置に設定された設定温度になるように、前記貯湯タンクからの湯と水道水を混合して温度調整を行う手順と、貯湯タンクからの湯と水道水を混合した混合水の温度を検出する手順と、混合水を補助熱源機で加温する手順と、給湯中の水の流量を検出する手順と、前記補助熱源機が最小燃焼量で燃焼する場合における、給湯中の水の流量に対して混合水の温度が上昇する温度をオフセット温度として予め用意しておき、給湯中に貯湯タンクの湯温が設定温度より低くなった場合、前記貯湯タンクの湯と水道水を混合し、混合水の温度が、前記設定温度から、給湯中の流量に対する前記オフセット温度を引いた目標温度となるように温度調整し、当該目標温度となるように温度調整された混合水を、前記補助熱源機の最小燃焼量で燃焼させることで、設定温度の給湯を継続させる手順と、を備えた燃料電池システムの制御方法とする。これにより、給湯時にのみ補助熱源機を作動させ設定温度を給湯することから、常に貯湯タンクに湯を満蓄状態で保持するよりも、大気への無駄な放熱はない。また、補助熱源機の作動においても、バーナが最小燃焼量で燃焼するため、都市ガスなどの原燃料の消費を軽減させることができる。また、給湯流量に対応したバーナの最小燃焼量で燃焼させることから、給湯流量の変化に対して給湯湯温を安定させることができる。

第４の発明は、特に、第３の発明の燃料電池システムの制御方法において、前記情報端末装置と前記燃料電池との情報通信を行う手順を備えた燃料電池システムの制御方法とする。

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。

（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。

図１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１００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が配されており、閾値以上であれば配管１１２を介して貯湯タンク１１０の上層へ回収し、閾値以下であれば配管１０６を介し貯湯タンク１１０の下層へ回収させる。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。

排熱回収装置１０４には、配管１１４を介し、貯湯タンク１１０の湯と配管１０７からの水を混合する混合手段１０８とその下流側に混合温度検出手段１１１と流量検出手段１１８が配され、補助熱源機１１３に混合水を供給する。貯湯タンク１１０には残湯量検出手段１１５ａ〜１１５ｅが配され、貯湯タンク１１０内の残湯量を検出する。情報端末装置１１９は排熱回収装置１０４と第１の宅内回線である宅内回線ａ１２０で接続され、情報端末装置１１９で使用者が設定した給湯の設定温度を送信する。

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、情報端末装置１１８と排熱回収装置１０４は第１の宅内回線である宅内回線ａ１２０で、排熱回収装置１０４と燃料電池１００は第２の宅内回線である宅内回線ｂ２１０によって接続されている。宅内回線ａ１２０と宅内回線ｂ２１０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、情報端末装置１１８、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。

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貯湯タンク１１０に湯を蓄積する一方、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。排熱回収装置１０４の通信手段２０９は情報端末装置１１９と通信を行い、設定温度検出手段２１１は使用者が設定した給湯温度を検出する。排熱回収制御部２０４は流量検出手段１１８から入力される給湯流量を検出し、給湯が開始されると、残湯量検出手段１１５ａ〜１１５ｅから貯湯タンク１１０内の湯の温度を検出し、給湯の設定温度に対して貯湯タンク１１０内に湯があるか否かを判定する。湯がある場合、貯湯タンク１１０内の湯を用いて給湯を開始する。貯湯タンク１１０には燃料電池１００の排熱を回収しているため、必ずしも使用者の設定温度通りの湯が蓄
積されておらず、例えば７５℃といった高温で蓄積されている場合もある。この場合、排熱回収制御部２０４は混合温度検出手段１１１のフィードバックデータを検出しながら、配管１１４からの湯と配管１０７からの水道水とを混合手段１０８を操作して混合し、使用者が設定している給湯の設定温度に温度調整を行う。この設定温度に温度調整された水が補助熱源機１１３に入力される場合、補助熱源機１１３はこの水に対しては加温する必要はない。この非燃焼の情報は、排熱回収制御部２０４が前情報として保有しているため、補助熱源機１１３に非燃焼情報を伝達しても良いし、補助熱源機１１３自身が入力される水の温度を判断し給湯の設定温度と比較し、非燃焼の動作を行っても良い。

一方、給湯が開始され、または給湯の途中で給湯の設定温度に対して貯湯タンク１１０内に湯がない場合、補助熱源機１１３を燃焼して加温し、給湯の設定温度を出湯する必要がある。貯湯タンク１１０内に湯がないと判断すると、排熱回収制御部２０４は混合手段１０８を水側全開にして補助熱源機１１３に水道水のみを供給し、いわゆる通常の給湯機として利用することも可能であるが、入力される水が水道水であるため、補助熱源機１１３のバーナの燃焼量は水道水の水温に依存されることになる。特に給湯の途中で貯湯タンク１１０の湯温が給湯の設定温度、例えば４０℃とした場合、それより低くなったとしても完全な水になっているわけではなく、この残湯を使って補助熱源機１１３に供給すればバーナの燃焼量も小さくて済むはずであり、水道水を加温するより都市ガスなどの原燃料の消費を最小限にすることが可能となる。すなわち混合手段１０８は補助熱源機１１３に供給する水温を補助熱源機１１３のバーナの燃焼量が水道水をそのまま加熱する場合のバーナの燃焼量よりも少ない燃焼量で燃焼するように温度調整すればよい。

図３は、給湯の流量に対して補助熱源機１１３が最小燃焼量で燃焼させる場合のオフセット温度を示した図である。使用者が給湯している流量に対し、補助熱源機１１３を最小の燃焼量で燃焼させて設定温度を給湯させる場合、補助熱源機１１３に入力する水温を給湯の設定温度よりどれだけ温度を下げておけば良いかを表している。これをオフセット温度と称する。給湯中に貯湯タンク１１０の湯温が給湯の設定温度より低くなった場合に、補助熱源機１１３を燃焼して加温し、給湯の設定温度を出湯させる必要がある。この使用者が例えば給湯の設定温度が４２℃、出湯流量が１０Ｌ／ｍｉｎであった場合、補助熱源機１１３に入力する水温を給湯の設定温度より１０℃温度を下げれば、すなわち３２℃の水を補助熱源機１１３に入力すれば最小燃焼量でも４２℃の給湯を実現できるということになる。給湯中に貯湯タンク１１０の湯温が給湯の設定温度、すなわち４２℃より低くなっただけであるため、４０℃近傍の湯は貯湯タンク１１０に残っているはずであり、これを水と混合して３２℃の水温を生成することは可能である。この湯温の温度調整を排熱回収制御部２０４は混合温度検出手段１１１のフィードバックデータを検出しながら、配管１１４からの湯と配管１０７からの水道水とを混合手段１０８を操作して混合して行う。

図４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の設定温度検出手段２０５は、情報端末装置１１９と通信手段２０９を介して通信を行い（ＳＴＥＰ１）、情報端末装置１１９に使用者が設定した給湯の設定温度を検出する（ＳＴＥＰ２）。排熱回収制御部２０４は流量検出手段１１８から入力される給湯流量を検出し（ＳＴＥＰ３）、給湯が開始されたと判定すると（ＳＴＥＰ３、Ｙｅｓ）、残湯量検出手段１１５ａ〜１１５ｅから貯湯タンク１１０内の湯の温度を検出し（ＳＴＥＰ４）、給湯の設定温度に対して貯湯タンク１１０内に湯があるか否かを判定する（ＳＴＥＰ５）。湯がある場合（ＳＴＥＰ５、Ｙｅｓ）、排熱回収制御部２０４は混合温度検出手段１１１のフィードバックデータを検出しながら、配管１１４からの湯と配管１０７からの水道水とを混合手段１０８を操作して混合し、使用者が設定している給湯の設定温度に温度調整を行う（ＳＴＥＰ６）。この場合、補助熱源機１１３は非燃焼（ＳＴＥＰ７）で給湯が行われる（ＳＴＥＰ１２）。

湯がない、または給湯中に貯湯タンク１１０の湯温が給湯の設定温度より低くなった場合（ＳＴＥＰ５、Ｎｏ）、補助熱源機１１３を燃焼して加温し、給湯の設定温度を出湯させる必要がある。排熱回収制御２０４は流量検出手段１１８から入力される給湯流量を検出し（ＳＴＥＰ８）、図３に示した給湯流量対オフセット温度のテーブル値から現在の設定温度に対するオフセット値を選択し、補助熱源機１１３に供給する目標温度を決定する（ＳＴＥＰ９）。この目標温度に対する温度調整を排熱回収制御部２０４は混合温度検出手段１１１のフィードバックデータを検出しながら、配管１１４からの湯と配管１０７からの水道水とを混合手段１０８を操作して混合する（ＳＴＥＰ１０）。補助熱源機１１３は燃焼し、給湯が行われる（ＳＴＥＰ１２）。そして再び情報端末装置１１９と通信を行い（ＳＴＥＰ１）、設定温度を検出する（ＳＴＥＰ２）。通信を行い（ＳＴＥＰ１）設定温度を検出する（ＳＴＥＰ２）が、給湯がない場合または給湯動作が終了した場合は、再び情報端末装置１１９と通信を行い（ＳＴＥＰ１）、給湯の設定温度を検出する（ＳＴＥＰ２）。

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と、前記燃料電池１００と排熱回収装置１０４を制御する情報端末装置１１９を備えた燃料電池システムにおいて、排熱回収装置１０４は情報端末装置１１９及び燃料電池１００と情報通信を行うための通信手段２０９と、前記通信手段２０９を介して前記情報端末装置１１９で給湯する温度を設定しその設定温度を検出する設定温度検出手段２１１と、貯湯タンク１１０の残湯量を検出する残湯量検出手段１１５ａ〜１１５ｅと、貯湯タンク１１０からの湯と水道水を混合し、給湯する温度を情報端末装置１１９に設定された設定温度に温度調整を行う混合手段１０８と、混合温度を検出する混合温度検出手段１１１と補助熱源機１１３を備え、給湯中に貯湯タンク１１０の湯温が設定温度より低くなった場合、混合手段１０８は補助熱源機１１３に供給する水温を補助熱源機１１３のバーナが最小燃焼量で燃焼するように温度調整し、設定温度の給湯を継続する燃料電池システムであることを特徴とし、給湯時にのみ補助熱源機を作動させ設定温度を給湯することから、常に貯湯タンクに湯を満蓄状態で保持するよりも、大気への無駄な放熱はない。また、補助熱源機の作動においても、バーナが最小燃焼量で燃焼するため、都市ガスなどの原燃料の消費を軽減させることができる。

また、給湯流量に対応したバーナの最小燃焼量で燃焼させることから、給湯流量の変化に対して給湯湯温を安定させることができる。

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。

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。

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。

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 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 本発明の実施の形態１における給湯流量に対するオフセット温度を示す図 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 従来の燃料電池システムの構成図

符号の説明

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
１１３ 補助熱源機
１１５ａ〜１１５ｅ 残湯量検出手段
１１８ 流量検出手段
１１９ 情報端末装置
２０９ 通信手段
２１１ 設定温度検出手段

Claims (4)

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と、給湯の温度を設定する情報端末装置と、
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記排熱回収装置は、
   前記貯湯タンクの残湯量を検出する残湯量検出手段と、
   給湯する温度が前記情報端末装置に設定された設定温度になるように、前記貯湯タンクからの湯と水道水を混合して温度調整を行う混合手段と、
   前記混合手段で混合した混合水の温度を検出する混合温度検出手段と、
   混合水を加温する補助熱源機と、
   給湯中の水の流量を検出する流量検出手段と、
   を備え、
   前記補助熱源機が最小燃焼量で燃焼する場合における、給湯中の水の流量に対して混合水の温度が上昇する温度をオフセット温度として予め用意しておき、
   給湯中に貯湯タンクの湯温が設定温度より低くなった場合、
   前記混合手段は、前記貯湯タンクの湯と水道水を混合し、混合水の温度が、前記設定温度から、給湯中の流量に対する前記オフセット温度を引いた目標温度となるように温度調整し、
   当該目標温度となるように温度調整された混合水を、前記補助熱源機の最小燃焼量で燃焼させることで、設定温度の給湯を継続することを特徴とした燃料電池システム。
2. 前記排熱回収装置は、前記情報端末装置と前記燃料電池との情報通信を行うための通信手段と、前記通信手段を介して前記情報端末装置で設定された給湯の設定温度を検出する設定温度検出手段と、を有する請求項１記載の燃料電池システム。
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と、給湯の温度を設定する情報端末装置と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
   前記情報端末装置で設定された給湯の設定温度を検出する手順と、
   貯湯タンクの残湯量を検出する手順と、
   給湯する温度が前記情報端末装置に設定された設定温度になるように、前記貯湯タンクからの湯と水道水を混合して温度調整を行う手順と、
   貯湯タンクからの湯と水道水を混合した混合水の温度を検出する手順と、
   混合水を補助熱源機で加温する手順と、
   給湯中の水の流量を検出する手順と、
   前記補助熱源機が最小燃焼量で燃焼する場合における、給湯中の水の流量に対して混合水の温度が上昇する温度をオフセット温度として予め用意しておき、
   給湯中に貯湯タンクの湯温が設定温度より低くなった場合、
   前記貯湯タンクの湯と水道水を混合し、混合水の温度が、前記設定温度から、給湯中の流量に対する前記オフセット温度を引いた目標温度となるように温度調整し、
   当該目標温度となるように温度調整された混合水を、前記補助熱源機の最小燃焼量で燃焼させることで、設定温度の給湯を継続させる手順と、
   を備えた燃料電池システムの制御方法。
4. 前記情報端末装置と前記燃料電池との情報通信を行う手順を備えた、請求項３記載の燃料電池システムの制御方法。