JP5186072B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、商用電力と併用可能に接続された燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、学校やビルなどでは電力供給方法として従来の電力会社からの商用電力と燃料電池からの電力を併用する燃料電池発電システムが普及しつつある。燃料電池は、酸素と水素とが化学反応を起こして水を生成する際に生じるエネルギーを電力とするものである。
【０００３】
図９は燃料電池発電システムの概略を示したブロック構成図を示している。図９に示すように燃料電池発電システムは、商用電力としての系統電力線に接続され、ガス会社等から供給されたガスを用いて発電する固体高分子型燃料電池１０１(以下、燃料電池という。)と、燃料電池１０１の発電の際に生じる排熱により生成される温水を貯める貯湯漕１０２とを備え、燃料電池１０１は空調機器及び照明装置等の電気器具群１０３が接続されており、貯湯槽１０２は、給湯装置及び浴槽等の温水利用器具１０４が接続されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池により発電される電力量は単位時間あたり数ｋＷと低いため、単位時間当たりに排出される排熱量は少なく、直接浴槽の水を昇温させると約１０〜１１時間かかる。このため、所望時に入浴を可能とするためには、予め昇温された水を貯留する２００〜４００リットルという大容量の貯湯漕が必要となる。このような大容量の貯湯漕を配置するには相当量の設置スペースを確保する必要があり、特に燃料電池システムを家庭用発電機として使用した場合、貯湯漕の設置スペースの問題が生じる。
【０００５】
また、最近では浴槽に蓄えられた温水を常時一定温度に保つことができるいわゆる２４時間風呂が開発されている。２４時間風呂は浴槽内の温水を循環させて、温水を浄化するとともに、昇温し、常時一定の温度に保つものである。しかし、浴槽に蓄えられた水を一定温度に保つには、電力消費量が無視できない。
【０００６】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、燃料電池発電システムと２４時間風呂とを組み合わせてエネルギーの効率的な利用により２４時間風呂の電気エネルギーの消費量を低減し、かつ、貯湯漕の設置スペースの問題を解決する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【０００７】
上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、系統連係部を介して商用電力線に接続された燃料電池と、浴槽に貯留された水と熱交換を行うべく槽内を経由する循環路を有する配水管の途中に設けられ、前記燃料電池の稼動時に生じる熱で配水管を循環する水を昇温する熱交換器と、前記配水管の途中に設けられ、配水管を循環する水を加熱する加熱器と、熱交換器を介して浴槽内の水を所定の温度に調節するべく前記燃料電池の稼動を制御する第１の制御手段と、前記熱交換の不足分を補償するべく加熱器を作動させる第２の制御手段と、前記配水管の途中に付設された高温水循環路中に設置され、前記熱交換器により昇温された温水を更に昇温する高温加熱器と、前記高温加熱器により発熱された温水を貯留する高温水貯湯漕とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システムである。この構成によれば、浴槽内の水は燃料電池の稼動時に生じる熱を熱交換することにより昇温される。また、燃料電池の稼動を制御することで浴槽内の水は所定温度に調整される。また、燃料電池の電力負荷によっては熱交換量が不足する場合もあるが、この場合、加熱器により熱交換の不足分が補償される。また、この構成によれば、配水管の水は更に昇温される。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池発電システムにおいて、前記第２の制御手段は商用電力で前記加熱器を作動させることを特徴とする。この構成によれば、商用電力により加熱器が作動される。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記第２の制御手段は燃料電池からの電力で前記加熱器を作動させることを特徴とする。この構成によれば、燃料電池の電力により加熱器が作動される。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、浴槽内の水を時間帯を指定して保温する保温時間指定手段を備えたことを特徴とする。この構成によれば、浴槽内の水は指定された時間帯において、所定温度に保温される。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記第１の制御手段は、深夜時間帯に前記燃料電池を低負荷で稼動させ、前記第２の制御手段は深夜時間帯に前記加熱器に対して商用電力を供給することを特徴とする。この構成によれば、深夜時間帯において、余剰電力の発生を防止するために燃料電池は低負荷好ましくは最低負荷で発電されるとともに、浴槽の水を所定温度に保つため加熱器は商用電力で作動される。
【００１２】
請求項６記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記第１の制御手段は、深夜時間帯に前記燃料電池を低負荷で稼動させた後、昼間の保温開始時までの所定時間、前記燃料電池の負荷を上昇させていき、前記第２の制御手段は、昼間の保温開始時までの所定時間、前記燃料電池からの電力で前記加熱器を作動させることを特徴とする。この構成によれば、深夜時間帯において、燃料電池は余剰電力を防止するために低負荷好ましくは最低負荷で稼動される。また、昼間の保温開始時までの所定時間、浴槽の水を所定の温度に昇温するために燃料電池の負荷を上昇させていくとともに、燃料電池の排熱による熱交換を補償するために加熱器が作動される。
【００１３】
請求項７記載の発明は、請求項１〜４記載の燃料電池発電システムにおいて、前記第１の制御手段は、深夜時間帯に前記燃料電池の稼動を停止させた後、夜の保温開始時までの所定時間、前記燃料電池の負荷を上昇させていき、前記第２の制御手段は、夜の保温開始時までの所定時間前記燃料電池の電力で前記加熱器を作動させることを特徴とする。この構成によれば、深夜時間帯において、余剰電力を防止するため燃料電池の稼動は停止される。また、夜の保温開始時までの所定時間、浴槽の水を所定温度にするために燃料電池の負荷を上昇させていくとともに、燃料電池の排熱による熱交換の不足分を補償するために、加熱器を作動させる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの一実施形態を示す構成図である。本燃料電池発電システムは、屋内配線に接続される家庭用の電気器具群９に電力を供給する商用電源線の途中に介設された系統連係部２に接続された燃料電池１を備えると共に、燃料電池１の稼動時に発生する排熱で熱媒体としての温水を生成する構成を備える。
【００１６】
本燃料電池発電システムは浴槽３に貯留された水を加温対象とするもので、浴槽３の槽内を経由して水を循環させる循環路３３を備える。循環路３３には熱交換器４、ヒータ５、前記浴槽３及び放熱器７がこの順番で介設されている。熱交換器４は燃料電池稼動時の排熱を利用するものであり、ヒータ５は電力乃至はバーナで燃焼したガスを利用するものである。循環路３３のうち、熱交換器４と放熱器７との間には図略の切替弁などを介して水道管が接続され、熱媒体としての水の補給を可能にしている。
【００１７】
循環路３３のうち、熱交換器４とヒータ５との間には高温水循環路３５が付設され、小型の高温水貯湯槽６を経由して温水利用器具８ｂに温水を供給可能にしている。高温貯湯槽６にはより高温を得るためのヒータ６１が設けられている。また、循環路３３のうち、浴槽３と放熱器７との間には本実施形態では、床暖房器具８ａに温水を供給する配管８１が並設され、さらに逆止弁３７を介して温水利用器具８ｂに温水を供給する配管３６が付設されるなどして温水の一層の有効利用を図っている。
【００１８】
制御部１０は燃料電池１の稼動を制御するもので、これにより浴槽の貯留水を所定温度に保持するようにしている。
【００１９】
燃料電池１は、水道管及び都市ガス供給管に接続され、供給された都市ガス及び水を主原料として所定の電力を発生する。本実施形態では、燃料電池１は、固体高分子型の小型燃料電池(ＰＥＦＣ(Polymer Electrolyte Fuel Cell))であって、０．５ｋＷ〜１．５ｋＷの家庭用小型燃料電池として好ましい発電能力を有するものが採用されている。図２は燃料電池１の内部構成の一例を示す図である。燃料電池１は、脱硫器１１、改質器１２、ＣＯ変成器１３、電池本体部１４、空気圧縮機１５、及び選択酸化器１６からなる。
【００２０】
脱硫器１１は、都市ガスの供給が供給されるようにガス供給管と接続されている。脱硫器１１は、都市ガス中に含まれる付臭材の硫黄分を除去する。
【００２１】
改質器１２は、脱硫器１１のガス出力側に接続され、脱硫された都市ガスと水蒸気とをバーナ１２１で加熱して、反応させることにより、二酸化炭素と水素とを主成分とする改質ガスを生成する。
【００２２】
ＣＯ変成器１３は、改質器１２のガス出力側に接続されており、セル電極の被毒及び発電効率の低下を防止するため、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変化させる。
【００２３】
選択酸化器１６は、セル電極の被毒防止を行うため、ＣＯ変成器１３から送られてきたガスに含まれるＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にするものである。
【００２４】
電池本体部１４は、ＣＯ変成器１３から送られる水素が供給される負極と、空気圧縮器１５から送られる圧縮空気中の酸素が供給される正極とを備え、各極で起電反応を行わせて発電するものである。
【００２５】
系統連係部２は、電気器具群９の電力需要に応じて、商用電力及び燃料電池１からの電力を供給する。系統連係部２は、電気器具群９の電力需要が、燃料電池１だけの電力では不足する場合、燃料電池１の電力を供給するととともに商用電力を電気器具群９に対して供給する。
【００２６】
浴槽３は、図略の補給路を介して水道管に接続されており、一人用として十分な容積、例えば２００リットルの容積を有するものである。浴槽３内の水は、循環路３３内を流れる媒体温度例えば６０℃の水により、風呂温度として好ましい例えば４０℃に昇温される。制御部１０は、浴槽３内の水の温度を所定の温度に保つよう燃料電池１及び昇温用ヒータ５を制御する。このため、浴槽３は、いわゆる２４時間風呂として機能する。浴槽３内の水の設定温度は、循環路３３中の浴槽３を挟む位置には分枝路３２が設けてあり、この分枝路３２の流量を分枝路３２中に設置されたバルブ３１により調節することで決められる。すなわち、バルブ３１を調節し、分枝路３２を流れる温水の量を増やすと、浴槽３側へ流れる温水の量が減り、浴槽３内の水の温度が低下する。また、バルブ３１を調節し、分枝路３２を流れる水の量を減らすと、浴槽３側へ流れる水の量が増し、浴槽３内の水が昇温する。なお、バルブ３１は、図略のアクチュエータにより回転量が調整されるようになっており、制御部１０からの制御信号により回転量が調節されて浴槽３内の温度が設定される。
【００２７】
浴槽３は浄化用循環路３４を有する。図３は、浄化用循環路３４中に介設された浄化機器の構成を示す図である。浴槽３の水は、浴槽内の水を浄化用循環路３４の出口に設置されたプレフィルタにより一次浄化される。プレフィルタを通過した水は、ポンプ３４２を経て、殺菌装置３４３へ流入される。殺菌装置３４３は水に含まれる大腸菌などを消毒する。殺菌された温水は、ろ過タンク３４４によりろ過されて２次浄化される。２次浄化された水は再び浴槽３へ流れる。これにより浴槽３内の水は常に清潔に保たれる。
【００２８】
熱交換器４は、燃料電池１の稼動により生じた熱(排熱)により循環路３３内を流れる水を昇温して、所定温度の温水を生成する。生成された温水はヒータ５及び高温水貯湯層６へ流れる。本実施形態では、熱交換器４として公知のプレートフィンタイプのものが使用される。また、本実施形態では、熱交換器４により水は６０℃に昇温される。
【００２９】
ヒータ５は、熱交換器４による熱交換の不足分を補償するために循環路３３の水を加熱するものであり、循環路３３中の熱交換器４と浴槽３との間に設置されている。ヒータ５は、循環路３３の水が所定温度例えば６０℃以下になると後述する制御部１０の制御信号により作動し、循環路３３の水を加熱する。本実施形態では、ヒータ５には系統連係部２の出力側と電気的に接続されており(図略)、燃料電池１の電力及び商用電力が供給される。
【００３０】
高温水貯湯漕６は、循環路３３の水を加熱するヒータ６１を内蔵し、ヒータ６１で加熱された水を貯留するものである。ヒータ６１は、系統連係部２の出力側に電気的に接続されており、系統連係部２から電力が供給されて、熱交換器４から出力された６０℃の水を所定温度たとえば９０℃に昇温する。高温水貯湯漕６には、図略のサーモスタットが取り付けられており、水が所定温度値まで下がると加熱ヒータがオンされ、水の温度が９０℃に達すると、ヒータ６１がオフにされ、高温水貯湯漕６内の温水を常に９０℃に保つ。高温水貯湯槽６内の温水は、例えば洗面所や台所などの温水利用器具８ｂで用いられる。
【００３１】
放熱器７は、循環路３３の水が不必要に高くなるのを防ぐために、浴槽３の水を加熱した循環路３３の水を所定の温度に降温する。降温された温水は熱交換器４に戻り、燃料電池１の稼働熱により所定温度、例えば６０℃に昇温される。
【００３２】
電気器具群９は、例えば、テレビ、エアコン、冷蔵庫、及び照明の家庭用電気器具を含む。各電気器具は系統連係部２の出力側と電気的に接続されており、燃料電池１の電力あるいは商用電力が供給される。
【００３３】
床暖房器具８ａは、浴槽３と放熱器７との間に併設された配管８１中に設置されている。循環路３３内の水の一部は、配管８１内を流れるため、床暖房器具８ａは床を暖めることができる。配管８１内を流れた水は、再び、循環路３３上放熱器７の上流側で、循環路３３内の水と合流する。
【００３４】
温水利用器具８ｂは、例えば台所、洗面所を含む。温水利用器具８ｂは、高温水循環路３５上高温水貯湯漕６の下流側の位置にそれぞれ配管３６を介して接続されている。また、配管３６は、循環路３３上浴槽３の下流側に逆止弁３７を介して接続されている。このため、温水利用器具８ｂは、循環路３３内の水及び高温水循環路３５内の所定温度例えば９０℃の温水が供給される。逆止弁３７は、高温水循環路３５内の水及び配管３６内の水が循環路３３へ逆流するのを防ぐ。
【００３５】
制御部１０は、燃料電池発電システム全体を制御する。制御部１０は、燃料電池１の稼動を制御する燃料電池制御部１１１、ヒータ５の作動を制御するヒータ制御部１１２、燃料電池１の稼動時間などを管理するタイマ１１３、バルブ３１を調節するバルブ制御部１１４、循環路３３の水の流量を制御するポンプ制御部１１５、及び浴槽３の水の保温時間帯を指定する保温時間指定部１１６を備える。
【００３６】
燃料電池制御部１１１は、浴槽３内の水の温度が所定の温度例えば４０℃になるように燃料電池１の発電又は電気出力を制御するとともに、電気器具群９の電力需要に応じて燃料電池１の稼動を制御する。燃料電池制御部１１１は、必要に応じて燃料電池１の稼働を停止させる。燃料電池制御部１１１は、後述する保温時間指定部１１６により浴槽３の水の保温時間帯が設定されると、電気器具群９に必要な電力を供給しつつ、保温開始時までに浴槽３の水の温度が所定の温度となるように燃料電池１の稼動を制御する。燃料電池制御部１１１は、温度制御を浴槽３内の温度センサ(図略)により行う。
【００３７】
ヒータ制御部１１２は、燃料電池１の排熱による熱交換だけでは浴槽３の水の温度を所定温度に保持できない場合に、熱交換の不足分を補償するためにヒータ５の作動を制御する。
【００３８】
バルブ制御部１１４は、バルブ３１の開度を調節信号を出力して、分枝路３２内に流れる流量を制御する。
【００３９】
ポンプ制御部１１５は、循環路３３上のポンプの駆動量を調整する信号を出力し循環路３３内の水の流量を制御する。
【００４０】
保温時間指定部１１６は、ユーザによる図略の操作部から入力を受け付けて、浴槽３の水を保温管理する時間を指定する。時間の指定は、例えば保温開始時間、保温終了時間、及び後述する第１〜第３運用形態を指定できる。
【００４１】
次に、燃料電池発電システムの動作について説明する。本実施形態では燃料電池発電システムの運用形態として、３つの形態を採用する。第１運用形態は常時浴槽３の水温を一定に保つ形態であり、第２運用形態は朝から夜間にかけて浴槽３の水温を一定に保つ形態であり、第３運用形態は夜間のみ浴槽３の水温を一定に保つ形態である。なお、本実施形態では夜間とは１８時から２３時ごろをいう。
【００４２】
(第１運用形態)
第１運用形態は、浴槽３に蓄えられた温水を常時一定温度に保ち、常時２４時間風呂状態とするものである。一般家庭では、深夜は電力負荷が低いため、燃料電池１の負荷を例えば０．５ｋＷ程度に下げる。なお、本実施形態では、深夜とは２４時から翌朝６時ごろをいう。このため、２４時間風呂に供給できる熱量は少なくなり、風呂の温度は低下する。そこで、ヒータ５により浴槽３の温水の温度を４０℃に安定させ、２４時間風呂として機能するシステムとする。
【００４３】
図４は、第１運用形態の燃料電池１の負荷及び浴槽３の温水の温度と時間との関係を示したものであり、縦軸は燃料電池１の発電量及び浴槽３の温水の温度を、横軸は時間を示す。６時から２３時までの時間帯は燃料電池１の発電量を１．５ｋＷの負荷で稼動させる。燃料電池１の負荷を１．５ｋＷとしたため、浴槽３の水は、十分な熱量を得ることができ、ヒータ５を使用しなくとも、燃料電池１の排熱により常時４０℃に保たれる。
【００４４】
２３時から翌朝６時までは、燃料電池制御部１１１は、電力需要が低いため燃料電池１の負荷を０．５ｋＷに低下させる。このため、浴槽３の水は、燃料電池１の排熱が減少し、供給される熱量よりも放熱の方が大きくなり温度が低下する。この温度低下を防止するために、ヒータ制御部１１２は、ヒータ５を発熱させて浴槽３の水に対して熱量を供給し温度低下を防止する。ヒータ５の発熱は、燃料電池１の電力を使用してもよいが、深夜電力が安いことに鑑みて、深夜電力を使用する。
【００４５】
上記のように、燃料電池１１１及びヒータ制御部１１２が燃料電池１の負荷及びヒータ５の動作を制御して、浴槽３の温水を常時４０℃に保つことができる。
【００４６】
(第２運用形態)
第２運用形態は、昼間及び夜間時間帯(１３時〜２３時)に、浴槽３の水の温度を所定の温度に保つものである。図５は第２運用形態の燃料電池１の負荷及び浴槽３の水の温度と時間との関係を示したものであり、縦軸は燃料電池１の負荷及び浴槽３の水の温度を、横軸は時間を示している。図５の場合、保温時間指定部１１７により、保温開始時間を１３時に設定したとする。
【００４７】
２３時から翌朝６時までは電力需要が低いため燃料電池１を０．５ｋＷの負荷で稼動させる。このため、浴槽３の水は、供給される熱量よりも放熱の方が大きくなり、温度が低下する。第２運用形態では、深夜は浴槽３の水を保温管理しない形態であるため、第１運用形態のように２３時から翌朝６時までの時間帯はヒータ５を作動させない。したがって、浴槽３の温水の温度は漸次減少し６時の時点で最低温度となる。この最低温度は、冬場で１０℃、夏場で２０℃と予想される。
【００４８】
６時になると１３時までに浴槽３の水の温度を４０℃にするために、燃料電池制御部１１１は、燃料電池１の負荷を電力需要を鑑みて例えば７５０ｗの負荷で稼動させる。図８は、家庭内の電力需要及び温水需要を示したグラフであり、▲１▼は電力需要、▲２▼は温水需要を示している。グラフ▲１▼から分かるように６時から１８時までは電力需要が１ｋＷ以下であり電力負荷は低い。燃料電池１を７５０ｗの負荷で稼動させると１３時までに浴槽３の水の温度を４０℃に昇温することができない。そこで、９時になると、燃料電池制御部１１１は、燃料電池１を１．５ｋＷの負荷で稼動させるとともに、ヒータ制御部１１２は、ヒータ５を作動させる。ヒータ制御部１１２は、深夜時間帯ではないので経済性を考慮してヒータ５を燃料電池１の電力で作動させる。これにより１３時には、浴槽３の水は４０℃に昇温され、入浴できる状態となる。
【００４９】
(第３運用形態)
第３運用形態は、夜間時間帯(１８時〜２３時)浴槽３の水を所定温度に保つ運用形態である。一般家庭では、深夜は電力需要が０．５ｋＷ程度と低いため、経済性を考慮して、燃料電池１の稼働を停止し、深夜電力により家庭内の電力需要をまかうケースが考えられる。図６は、第３運用形態の燃料電池１の負荷及び浴槽３の水の温度と時間との関係を示したグラフである。縦軸は燃料電池１の負荷及び浴槽３の水の温度を示し、横軸は時間を示している。
【００５０】
図６では、１８時〜２３時まで浴槽の水を４０℃に保温する。燃料電池制御部１１１は、家庭内の電力需要を全て深夜電力でまかなうため、２３時になると燃料電池１の稼働を停止させる。このため、浴槽３の水の温度は、排熱による熱供給がされなくなり漸次低下する。浴槽３の水は、翌朝６時になると１５℃〜２０℃程度に低下する。燃料電池制御部１１１は、燃料電池１の電力により電気器具群９へ電力を供給するため、翌朝６時になると燃料電池１の稼働を開始させる。燃料電池制御部１１１は、家庭内の電力需要を考慮して、燃料電池１を例えば２５０Ｗの負荷で稼動させる。浴槽３の水の温度は、燃料電池１の排熱により昇温されるが、燃料電池１が２５０Ｗの負荷で稼動されているため、ほとんど昇温されない。燃料電池制御部１１１は、１５時になると保温開始時間である１８時までに浴槽３の水を４０℃に昇温するため燃料電池１を１．５ｋＷの負荷で稼動させる。しかし、燃料電池１の排熱のみでは、保温開始時間である１８時までに浴槽３の水の温度を４０℃にすることはできない。そこで、ヒータ制御部１１２は、ヒータ５を作動させ、循環路３３内の水を昇温させる。このため、浴槽３内の水の温度は急速に昇温され、１８時には４０℃になる。ヒータ制御部１１２は、保温開始時間である１８時になると浴槽３の水の温度が４０℃となり循環路３３内の水を保温は燃料電池１の排熱で十分であるため、ヒータ５の作動を停止させる。
【００５１】
燃料電池制御部１１１は、燃料電池１を２３時まで１．５ｋＷの負荷で稼働させるため、浴槽３の水の温度は、保温終了時間である２３時までは４０℃を維持する。そして、燃料電池制御部１１１は、保温終了時間である２３時になると燃料電池１の稼働を停止させる。このように、第３運用形態によれば、夜の時間帯に浴槽３の水が保温され、入浴できる状態となる。
【００５２】
次に、本実施形態に係る２４時間風呂の経済的効果について説明する。図７は、蓄熱漕付２４時間風呂、従来型２４時間風呂、灯油熱源風呂、ガス熱源風呂、及びＬＰＧ熱源風呂の年間ランニングコストを示したグラフであり、縦軸は年間ランニングコストを示している。
【００５３】
本実施形態に係る２４時間風呂と従来型２４時間風呂との比較
水道代は本実施形態に係る２４時間風呂(以下、本風呂という。)と蓄熱漕付２４時間風呂とも３,８００円であり同じである。本風呂は、燃料電池１の排熱により保温することができるため、本風呂の電気代は、深夜に燃料電池１の発電量を低下させたときの排熱の減少分を補償するために作動させるヒータ５に費やされる深夜電力代のみとなる。深夜の燃料電池１を０．５ｋＷの負荷で稼働させた場合、必要な深夜電力の費用は、夏、冬に分けてそれぞれ算出した以下の式で示すように、数１から夏期には４８９０円、数２から冬期には１８４０円となり年間で６１００円となる。
【００５４】
【数１】
(４９０ｋｃａｌ／ｈ−２４０／２ｋｃａｌ／ｈ)÷０．９×８ｈ×３６５日÷２÷８６０ｋｃａｌ／ｋＷ×７円／ｋＷｈ＝４８９０円／年
【００５５】
【数２】
(２７５ｋｃａｌ／ｈ−２７２／２ｋｃａｌ／ｈ)÷０．９×８ｈ×３６５日÷２÷８６０ｋｃａｌ／ｋＷ×７円／ｋＷｈ＝１８４０円
なお、上記各式は、ヒータ５の効率を０．９とした。
【００５６】
この結果に水道代３,８００円及び補助燃料代２２,８００円を加算すると、本風呂の年間ランニングコストは、３３,０００円と概算できる。したがって、本風呂は、蓄熱漕付２４時間風呂及び従来型２４時間風呂に比べ年間ランニングコストがはるかに安くなることが分かる。また、図７から分かるように、ガス熱源風呂と比較して年間７０,０００円のコストを削減することができる。年間７０,０００円のコスト削減は、５年間で３５０万円となり、例え燃料電池１で発電する電気料金が電力会社の購買電気料金と同等で、電気料金のコストメリットがないと仮定しても、５年間で燃料電池１の設備費(現在、市販が計画されている価格は１台３０〜４０万円)を回収できる。
【００５７】
なお、本発明は、以下の実施形態を採用することができる。
【００５８】
(１)本実施形態では、燃料電池１として１．５ｋＷの電力を発電できるものを採用したが、本発明はこれに限らず２〜３ｋＷの電力を発電できるものを採用してもよい。
【００５９】
(２)本実施形態では、制御部１０は、放熱器７の制御を行っていないが、放熱器７の近傍に例えば冷却ファンを取りつけ、制御部１０がこのファンの回転量を制御することで、循環路３３内の水の降温量を調節してもよい。
【００６０】
(３)本実施形態では、燃料電池１に供給するガスを都市ガスとしているが、本発明はこれに限らず、例えばプロパンガス等であってもよい。
【００６１】
(４)本実施形態では、熱交換器４として、プレートフィンタイプのものを使用したが、本発明はこれに限られず、例えば渦巻式熱交換器、多管式熱交換器などを使用してもよい。
【００６２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池１の排熱により浴槽３内の水を所定温度に保ちエネルギーの有効利用ができるとともに、排熱を熱交換して生じた所定温度の水を蓄える貯湯漕を設置する必要がなくなり、貯湯漕の設置スペース問題を解決することができる。また、請求項１記載の発明によれば、熱交換された水の温度より高温の水を供給することができる。
【００６３】
請求項２記載の発明によれば、商用電力により加熱器を作動することができる。
【００６４】
請求項３記載の発明によれば、燃料電池の電力により加熱器を作動することができる。
【００６５】
請求項４記載の発明によれば、時間帯を指定して浴槽内の水の温度を所定温度に保温することができる。
【００６６】
請求項５記載の発明によれば、浴槽３の水を常時所定温度に保ちつつ、深夜時間帯における燃料電池の不必要な発電を防止することができる。
【００６７】
請求項６記載の発明によれば、昼の保温開始時までに、浴槽の水を所定の温度に確実に昇温することができるとともに、燃料電池による深夜時間帯の不必要な発電を防止することができる。
【００６８】
請求項７記載の発明によれば、夜の保温開始時までに、浴槽の水を所定温度に確実に昇温することができるとともに、燃料電池による深夜時間帯の不必要な発電を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃料電池発電システムの一実施形態を示した図である。
【図２】 燃料電池の内部構成の一例を示した図である。
【図３】 浄化用循環路及び浄化用循環路上に配置された各種浄化機器の構成を示した図である。
【図４】 第１運用形態の燃料電池の発電量及び浴槽の温水の温度と時間との関係を示した図である。
【図５】 第２運用形態の燃料電池の発電量及び浴槽の温水の温度と時間との関係を示した図である。
【図６】 第３運用形態の燃料電池の発電量及び浴槽の温水の温度と時間との関係を示した図である。
【図７】 蓄熱漕付２４時間風呂、従来型２４時間風呂、灯油熱源風呂、ガス熱源風呂、及びＬＰＧ熱源風呂の年間ランニングコストを示したグラフである。
【図８】 家庭内の電力需要及び温水需要を示したグラフである。
【図９】 燃料電池発電システムの概略を示したブロック構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 系統連係部
３ 浴槽
３１ バルブ
３２ 分枝路
３３ 循環路
３４ 浄化用循環路
３５ 高温水循環路
３６ 配管
３７ 逆止弁
４ 熱交換器
５ ヒータ
６ 高温水貯湯漕
６１ ヒータ
７ 放熱器
８ａ 床暖房器具
９ 電気器具群
１０ 制御部
１１１ 燃料電池制御部
１１２ ヒータ制御部
１１３ タイマ
１１４ バルブ制御部
１１５ ポンプ制御部
１１６ 保温時間指定部
【発明の属する技術分野】
本発明は、商用電力と併用可能に接続された燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、学校やビルなどでは電力供給方法として従来の電力会社からの商用電力と燃料電池からの電力を併用する燃料電池発電システムが普及しつつある。燃料電池は、酸素と水素とが化学反応を起こして水を生成する際に生じるエネルギーを電力とするものである。
【０００３】
図９は燃料電池発電システムの概略を示したブロック構成図を示している。図９に示すように燃料電池発電システムは、商用電力としての系統電力線に接続され、ガス会社等から供給されたガスを用いて発電する固体高分子型燃料電池１０１(以下、燃料電池という。)と、燃料電池１０１の発電の際に生じる排熱により生成される温水を貯める貯湯漕１０２とを備え、燃料電池１０１は空調機器及び照明装置等の電気器具群１０３が接続されており、貯湯槽１０２は、給湯装置及び浴槽等の温水利用器具１０４が接続されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池により発電される電力量は単位時間あたり数ｋＷと低いため、単位時間当たりに排出される排熱量は少なく、直接浴槽の水を昇温させると約１０〜１１時間かかる。このため、所望時に入浴を可能とするためには、予め昇温された水を貯留する２００〜４００リットルという大容量の貯湯漕が必要となる。このような大容量の貯湯漕を配置するには相当量の設置スペースを確保する必要があり、特に燃料電池システムを家庭用発電機として使用した場合、貯湯漕の設置スペースの問題が生じる。
【０００５】
また、最近では浴槽に蓄えられた温水を常時一定温度に保つことができるいわゆる２４時間風呂が開発されている。２４時間風呂は浴槽内の温水を循環させて、温水を浄化するとともに、昇温し、常時一定の温度に保つものである。しかし、浴槽に蓄えられた水を一定温度に保つには、電力消費量が無視できない。
【０００６】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、燃料電池発電システムと２４時間風呂とを組み合わせてエネルギーの効率的な利用により２４時間風呂の電気エネルギーの消費量を低減し、かつ、貯湯漕の設置スペースの問題を解決する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【０００７】
上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、系統連係部を介して商用電力線に接続された燃料電池と、浴槽に貯留された水と熱交換を行うべく槽内を経由する循環路を有する配水管の途中に設けられ、前記燃料電池の稼動時に生じる熱で配水管を循環する水を昇温する熱交換器と、前記配水管の途中に設けられ、配水管を循環する水を加熱する加熱器と、熱交換器を介して浴槽内の水を所定の温度に調節するべく前記燃料電池の稼動を制御する第１の制御手段と、前記熱交換の不足分を補償するべく加熱器を作動させる第２の制御手段と、前記配水管の途中に付設された高温水循環路中に設置され、前記熱交換器により昇温された温水を更に昇温する高温加熱器と、前記高温加熱器により発熱された温水を貯留する高温水貯湯漕とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システムである。この構成によれば、浴槽内の水は燃料電池の稼動時に生じる熱を熱交換することにより昇温される。また、燃料電池の稼動を制御することで浴槽内の水は所定温度に調整される。また、燃料電池の電力負荷によっては熱交換量が不足する場合もあるが、この場合、加熱器により熱交換の不足分が補償される。また、この構成によれば、配水管の水は更に昇温される。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池発電システムにおいて、前記第２の制御手段は商用電力で前記加熱器を作動させることを特徴とする。この構成によれば、商用電力により加熱器が作動される。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記第２の制御手段は燃料電池からの電力で前記加熱器を作動させることを特徴とする。この構成によれば、燃料電池の電力により加熱器が作動される。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、浴槽内の水を時間帯を指定して保温する保温時間指定手段を備えたことを特徴とする。この構成によれば、浴槽内の水は指定された時間帯において、所定温度に保温される。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記第１の制御手段は、深夜時間帯に前記燃料電池を低負荷で稼動させ、前記第２の制御手段は深夜時間帯に前記加熱器に対して商用電力を供給することを特徴とする。この構成によれば、深夜時間帯において、余剰電力の発生を防止するために燃料電池は低負荷好ましくは最低負荷で発電されるとともに、浴槽の水を所定温度に保つため加熱器は商用電力で作動される。
【００１２】
請求項６記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記第１の制御手段は、深夜時間帯に前記燃料電池を低負荷で稼動させた後、昼間の保温開始時までの所定時間、前記燃料電池の負荷を上昇させていき、前記第２の制御手段は、昼間の保温開始時までの所定時間、前記燃料電池からの電力で前記加熱器を作動させることを特徴とする。この構成によれば、深夜時間帯において、燃料電池は余剰電力を防止するために低負荷好ましくは最低負荷で稼動される。また、昼間の保温開始時までの所定時間、浴槽の水を所定の温度に昇温するために燃料電池の負荷を上昇させていくとともに、燃料電池の排熱による熱交換を補償するために加熱器が作動される。
【００１３】
請求項７記載の発明は、請求項１〜４記載の燃料電池発電システムにおいて、前記第１の制御手段は、深夜時間帯に前記燃料電池の稼動を停止させた後、夜の保温開始時までの所定時間、前記燃料電池の負荷を上昇させていき、前記第２の制御手段は、夜の保温開始時までの所定時間前記燃料電池の電力で前記加熱器を作動させることを特徴とする。この構成によれば、深夜時間帯において、余剰電力を防止するため燃料電池の稼動は停止される。また、夜の保温開始時までの所定時間、浴槽の水を所定温度にするために燃料電池の負荷を上昇させていくとともに、燃料電池の排熱による熱交換の不足分を補償するために、加熱器を作動させる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る燃料電池発電システムの一実施形態を示す構成図である。本燃料電池発電システムは、屋内配線に接続される家庭用の電気器具群９に電力を供給する商用電源線の途中に介設された系統連係部２に接続された燃料電池１を備えると共に、燃料電池１の稼動時に発生する排熱で熱媒体としての温水を生成する構成を備える。
【００１６】
本燃料電池発電システムは浴槽３に貯留された水を加温対象とするもので、浴槽３の槽内を経由して水を循環させる循環路３３を備える。循環路３３には熱交換器４、ヒータ５、前記浴槽３及び放熱器７がこの順番で介設されている。熱交換器４は燃料電池稼動時の排熱を利用するものであり、ヒータ５は電力乃至はバーナで燃焼したガスを利用するものである。循環路３３のうち、熱交換器４と放熱器７との間には図略の切替弁などを介して水道管が接続され、熱媒体としての水の補給を可能にしている。
【００１７】
循環路３３のうち、熱交換器４とヒータ５との間には高温水循環路３５が付設され、小型の高温水貯湯槽６を経由して温水利用器具８ｂに温水を供給可能にしている。高温貯湯槽６にはより高温を得るためのヒータ６１が設けられている。また、循環路３３のうち、浴槽３と放熱器７との間には本実施形態では、床暖房器具８ａに温水を供給する配管８１が並設され、さらに逆止弁３７を介して温水利用器具８ｂに温水を供給する配管３６が付設されるなどして温水の一層の有効利用を図っている。
【００１８】
制御部１０は燃料電池１の稼動を制御するもので、これにより浴槽の貯留水を所定温度に保持するようにしている。
【００１９】
燃料電池１は、水道管及び都市ガス供給管に接続され、供給された都市ガス及び水を主原料として所定の電力を発生する。本実施形態では、燃料電池１は、固体高分子型の小型燃料電池(ＰＥＦＣ(Polymer Electrolyte Fuel Cell))であって、０．５ｋＷ〜１．５ｋＷの家庭用小型燃料電池として好ましい発電能力を有するものが採用されている。図２は燃料電池１の内部構成の一例を示す図である。燃料電池１は、脱硫器１１、改質器１２、ＣＯ変成器１３、電池本体部１４、空気圧縮機１５、及び選択酸化器１６からなる。
【００２０】
脱硫器１１は、都市ガスの供給が供給されるようにガス供給管と接続されている。脱硫器１１は、都市ガス中に含まれる付臭材の硫黄分を除去する。
【００２１】
改質器１２は、脱硫器１１のガス出力側に接続され、脱硫された都市ガスと水蒸気とをバーナ１２１で加熱して、反応させることにより、二酸化炭素と水素とを主成分とする改質ガスを生成する。
【００２２】
ＣＯ変成器１３は、改質器１２のガス出力側に接続されており、セル電極の被毒及び発電効率の低下を防止するため、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変化させる。
【００２３】
選択酸化器１６は、セル電極の被毒防止を行うため、ＣＯ変成器１３から送られてきたガスに含まれるＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にするものである。
【００２４】
電池本体部１４は、ＣＯ変成器１３から送られる水素が供給される負極と、空気圧縮器１５から送られる圧縮空気中の酸素が供給される正極とを備え、各極で起電反応を行わせて発電するものである。
【００２５】
系統連係部２は、電気器具群９の電力需要に応じて、商用電力及び燃料電池１からの電力を供給する。系統連係部２は、電気器具群９の電力需要が、燃料電池１だけの電力では不足する場合、燃料電池１の電力を供給するととともに商用電力を電気器具群９に対して供給する。
【００２６】
浴槽３は、図略の補給路を介して水道管に接続されており、一人用として十分な容積、例えば２００リットルの容積を有するものである。浴槽３内の水は、循環路３３内を流れる媒体温度例えば６０℃の水により、風呂温度として好ましい例えば４０℃に昇温される。制御部１０は、浴槽３内の水の温度を所定の温度に保つよう燃料電池１及び昇温用ヒータ５を制御する。このため、浴槽３は、いわゆる２４時間風呂として機能する。浴槽３内の水の設定温度は、循環路３３中の浴槽３を挟む位置には分枝路３２が設けてあり、この分枝路３２の流量を分枝路３２中に設置されたバルブ３１により調節することで決められる。すなわち、バルブ３１を調節し、分枝路３２を流れる温水の量を増やすと、浴槽３側へ流れる温水の量が減り、浴槽３内の水の温度が低下する。また、バルブ３１を調節し、分枝路３２を流れる水の量を減らすと、浴槽３側へ流れる水の量が増し、浴槽３内の水が昇温する。なお、バルブ３１は、図略のアクチュエータにより回転量が調整されるようになっており、制御部１０からの制御信号により回転量が調節されて浴槽３内の温度が設定される。
【００２７】
浴槽３は浄化用循環路３４を有する。図３は、浄化用循環路３４中に介設された浄化機器の構成を示す図である。浴槽３の水は、浴槽内の水を浄化用循環路３４の出口に設置されたプレフィルタにより一次浄化される。プレフィルタを通過した水は、ポンプ３４２を経て、殺菌装置３４３へ流入される。殺菌装置３４３は水に含まれる大腸菌などを消毒する。殺菌された温水は、ろ過タンク３４４によりろ過されて２次浄化される。２次浄化された水は再び浴槽３へ流れる。これにより浴槽３内の水は常に清潔に保たれる。
【００２８】
熱交換器４は、燃料電池１の稼動により生じた熱(排熱)により循環路３３内を流れる水を昇温して、所定温度の温水を生成する。生成された温水はヒータ５及び高温水貯湯層６へ流れる。本実施形態では、熱交換器４として公知のプレートフィンタイプのものが使用される。また、本実施形態では、熱交換器４により水は６０℃に昇温される。
【００２９】
ヒータ５は、熱交換器４による熱交換の不足分を補償するために循環路３３の水を加熱するものであり、循環路３３中の熱交換器４と浴槽３との間に設置されている。ヒータ５は、循環路３３の水が所定温度例えば６０℃以下になると後述する制御部１０の制御信号により作動し、循環路３３の水を加熱する。本実施形態では、ヒータ５には系統連係部２の出力側と電気的に接続されており(図略)、燃料電池１の電力及び商用電力が供給される。
【００３０】
高温水貯湯漕６は、循環路３３の水を加熱するヒータ６１を内蔵し、ヒータ６１で加熱された水を貯留するものである。ヒータ６１は、系統連係部２の出力側に電気的に接続されており、系統連係部２から電力が供給されて、熱交換器４から出力された６０℃の水を所定温度たとえば９０℃に昇温する。高温水貯湯漕６には、図略のサーモスタットが取り付けられており、水が所定温度値まで下がると加熱ヒータがオンされ、水の温度が９０℃に達すると、ヒータ６１がオフにされ、高温水貯湯漕６内の温水を常に９０℃に保つ。高温水貯湯槽６内の温水は、例えば洗面所や台所などの温水利用器具８ｂで用いられる。
【００３１】
放熱器７は、循環路３３の水が不必要に高くなるのを防ぐために、浴槽３の水を加熱した循環路３３の水を所定の温度に降温する。降温された温水は熱交換器４に戻り、燃料電池１の稼働熱により所定温度、例えば６０℃に昇温される。
【００３２】
電気器具群９は、例えば、テレビ、エアコン、冷蔵庫、及び照明の家庭用電気器具を含む。各電気器具は系統連係部２の出力側と電気的に接続されており、燃料電池１の電力あるいは商用電力が供給される。
【００３３】
床暖房器具８ａは、浴槽３と放熱器７との間に併設された配管８１中に設置されている。循環路３３内の水の一部は、配管８１内を流れるため、床暖房器具８ａは床を暖めることができる。配管８１内を流れた水は、再び、循環路３３上放熱器７の上流側で、循環路３３内の水と合流する。
【００３４】
温水利用器具８ｂは、例えば台所、洗面所を含む。温水利用器具８ｂは、高温水循環路３５上高温水貯湯漕６の下流側の位置にそれぞれ配管３６を介して接続されている。また、配管３６は、循環路３３上浴槽３の下流側に逆止弁３７を介して接続されている。このため、温水利用器具８ｂは、循環路３３内の水及び高温水循環路３５内の所定温度例えば９０℃の温水が供給される。逆止弁３７は、高温水循環路３５内の水及び配管３６内の水が循環路３３へ逆流するのを防ぐ。
【００３５】
制御部１０は、燃料電池発電システム全体を制御する。制御部１０は、燃料電池１の稼動を制御する燃料電池制御部１１１、ヒータ５の作動を制御するヒータ制御部１１２、燃料電池１の稼動時間などを管理するタイマ１１３、バルブ３１を調節するバルブ制御部１１４、循環路３３の水の流量を制御するポンプ制御部１１５、及び浴槽３の水の保温時間帯を指定する保温時間指定部１１６を備える。
【００３６】
燃料電池制御部１１１は、浴槽３内の水の温度が所定の温度例えば４０℃になるように燃料電池１の発電又は電気出力を制御するとともに、電気器具群９の電力需要に応じて燃料電池１の稼動を制御する。燃料電池制御部１１１は、必要に応じて燃料電池１の稼働を停止させる。燃料電池制御部１１１は、後述する保温時間指定部１１６により浴槽３の水の保温時間帯が設定されると、電気器具群９に必要な電力を供給しつつ、保温開始時までに浴槽３の水の温度が所定の温度となるように燃料電池１の稼動を制御する。燃料電池制御部１１１は、温度制御を浴槽３内の温度センサ(図略)により行う。
【００３７】
ヒータ制御部１１２は、燃料電池１の排熱による熱交換だけでは浴槽３の水の温度を所定温度に保持できない場合に、熱交換の不足分を補償するためにヒータ５の作動を制御する。
【００３８】
バルブ制御部１１４は、バルブ３１の開度を調節信号を出力して、分枝路３２内に流れる流量を制御する。
【００３９】
ポンプ制御部１１５は、循環路３３上のポンプの駆動量を調整する信号を出力し循環路３３内の水の流量を制御する。
【００４０】
保温時間指定部１１６は、ユーザによる図略の操作部から入力を受け付けて、浴槽３の水を保温管理する時間を指定する。時間の指定は、例えば保温開始時間、保温終了時間、及び後述する第１〜第３運用形態を指定できる。
【００４１】
次に、燃料電池発電システムの動作について説明する。本実施形態では燃料電池発電システムの運用形態として、３つの形態を採用する。第１運用形態は常時浴槽３の水温を一定に保つ形態であり、第２運用形態は朝から夜間にかけて浴槽３の水温を一定に保つ形態であり、第３運用形態は夜間のみ浴槽３の水温を一定に保つ形態である。なお、本実施形態では夜間とは１８時から２３時ごろをいう。
【００４２】
(第１運用形態)
第１運用形態は、浴槽３に蓄えられた温水を常時一定温度に保ち、常時２４時間風呂状態とするものである。一般家庭では、深夜は電力負荷が低いため、燃料電池１の負荷を例えば０．５ｋＷ程度に下げる。なお、本実施形態では、深夜とは２４時から翌朝６時ごろをいう。このため、２４時間風呂に供給できる熱量は少なくなり、風呂の温度は低下する。そこで、ヒータ５により浴槽３の温水の温度を４０℃に安定させ、２４時間風呂として機能するシステムとする。
【００４３】
図４は、第１運用形態の燃料電池１の負荷及び浴槽３の温水の温度と時間との関係を示したものであり、縦軸は燃料電池１の発電量及び浴槽３の温水の温度を、横軸は時間を示す。６時から２３時までの時間帯は燃料電池１の発電量を１．５ｋＷの負荷で稼動させる。燃料電池１の負荷を１．５ｋＷとしたため、浴槽３の水は、十分な熱量を得ることができ、ヒータ５を使用しなくとも、燃料電池１の排熱により常時４０℃に保たれる。
【００４４】
２３時から翌朝６時までは、燃料電池制御部１１１は、電力需要が低いため燃料電池１の負荷を０．５ｋＷに低下させる。このため、浴槽３の水は、燃料電池１の排熱が減少し、供給される熱量よりも放熱の方が大きくなり温度が低下する。この温度低下を防止するために、ヒータ制御部１１２は、ヒータ５を発熱させて浴槽３の水に対して熱量を供給し温度低下を防止する。ヒータ５の発熱は、燃料電池１の電力を使用してもよいが、深夜電力が安いことに鑑みて、深夜電力を使用する。
【００４５】
上記のように、燃料電池１１１及びヒータ制御部１１２が燃料電池１の負荷及びヒータ５の動作を制御して、浴槽３の温水を常時４０℃に保つことができる。
【００４６】
(第２運用形態)
第２運用形態は、昼間及び夜間時間帯(１３時〜２３時)に、浴槽３の水の温度を所定の温度に保つものである。図５は第２運用形態の燃料電池１の負荷及び浴槽３の水の温度と時間との関係を示したものであり、縦軸は燃料電池１の負荷及び浴槽３の水の温度を、横軸は時間を示している。図５の場合、保温時間指定部１１７により、保温開始時間を１３時に設定したとする。
【００４７】
２３時から翌朝６時までは電力需要が低いため燃料電池１を０．５ｋＷの負荷で稼動させる。このため、浴槽３の水は、供給される熱量よりも放熱の方が大きくなり、温度が低下する。第２運用形態では、深夜は浴槽３の水を保温管理しない形態であるため、第１運用形態のように２３時から翌朝６時までの時間帯はヒータ５を作動させない。したがって、浴槽３の温水の温度は漸次減少し６時の時点で最低温度となる。この最低温度は、冬場で１０℃、夏場で２０℃と予想される。
【００４８】
６時になると１３時までに浴槽３の水の温度を４０℃にするために、燃料電池制御部１１１は、燃料電池１の負荷を電力需要を鑑みて例えば７５０ｗの負荷で稼動させる。図８は、家庭内の電力需要及び温水需要を示したグラフであり、▲１▼は電力需要、▲２▼は温水需要を示している。グラフ▲１▼から分かるように６時から１８時までは電力需要が１ｋＷ以下であり電力負荷は低い。燃料電池１を７５０ｗの負荷で稼動させると１３時までに浴槽３の水の温度を４０℃に昇温することができない。そこで、９時になると、燃料電池制御部１１１は、燃料電池１を１．５ｋＷの負荷で稼動させるとともに、ヒータ制御部１１２は、ヒータ５を作動させる。ヒータ制御部１１２は、深夜時間帯ではないので経済性を考慮してヒータ５を燃料電池１の電力で作動させる。これにより１３時には、浴槽３の水は４０℃に昇温され、入浴できる状態となる。
【００４９】
(第３運用形態)
第３運用形態は、夜間時間帯(１８時〜２３時)浴槽３の水を所定温度に保つ運用形態である。一般家庭では、深夜は電力需要が０．５ｋＷ程度と低いため、経済性を考慮して、燃料電池１の稼働を停止し、深夜電力により家庭内の電力需要をまかうケースが考えられる。図６は、第３運用形態の燃料電池１の負荷及び浴槽３の水の温度と時間との関係を示したグラフである。縦軸は燃料電池１の負荷及び浴槽３の水の温度を示し、横軸は時間を示している。
【００５０】
図６では、１８時〜２３時まで浴槽の水を４０℃に保温する。燃料電池制御部１１１は、家庭内の電力需要を全て深夜電力でまかなうため、２３時になると燃料電池１の稼働を停止させる。このため、浴槽３の水の温度は、排熱による熱供給がされなくなり漸次低下する。浴槽３の水は、翌朝６時になると１５℃〜２０℃程度に低下する。燃料電池制御部１１１は、燃料電池１の電力により電気器具群９へ電力を供給するため、翌朝６時になると燃料電池１の稼働を開始させる。燃料電池制御部１１１は、家庭内の電力需要を考慮して、燃料電池１を例えば２５０Ｗの負荷で稼動させる。浴槽３の水の温度は、燃料電池１の排熱により昇温されるが、燃料電池１が２５０Ｗの負荷で稼動されているため、ほとんど昇温されない。燃料電池制御部１１１は、１５時になると保温開始時間である１８時までに浴槽３の水を４０℃に昇温するため燃料電池１を１．５ｋＷの負荷で稼動させる。しかし、燃料電池１の排熱のみでは、保温開始時間である１８時までに浴槽３の水の温度を４０℃にすることはできない。そこで、ヒータ制御部１１２は、ヒータ５を作動させ、循環路３３内の水を昇温させる。このため、浴槽３内の水の温度は急速に昇温され、１８時には４０℃になる。ヒータ制御部１１２は、保温開始時間である１８時になると浴槽３の水の温度が４０℃となり循環路３３内の水を保温は燃料電池１の排熱で十分であるため、ヒータ５の作動を停止させる。
【００５１】
燃料電池制御部１１１は、燃料電池１を２３時まで１．５ｋＷの負荷で稼働させるため、浴槽３の水の温度は、保温終了時間である２３時までは４０℃を維持する。そして、燃料電池制御部１１１は、保温終了時間である２３時になると燃料電池１の稼働を停止させる。このように、第３運用形態によれば、夜の時間帯に浴槽３の水が保温され、入浴できる状態となる。
【００５２】
次に、本実施形態に係る２４時間風呂の経済的効果について説明する。図７は、蓄熱漕付２４時間風呂、従来型２４時間風呂、灯油熱源風呂、ガス熱源風呂、及びＬＰＧ熱源風呂の年間ランニングコストを示したグラフであり、縦軸は年間ランニングコストを示している。
【００５３】
本実施形態に係る２４時間風呂と従来型２４時間風呂との比較
水道代は本実施形態に係る２４時間風呂(以下、本風呂という。)と蓄熱漕付２４時間風呂とも３,８００円であり同じである。本風呂は、燃料電池１の排熱により保温することができるため、本風呂の電気代は、深夜に燃料電池１の発電量を低下させたときの排熱の減少分を補償するために作動させるヒータ５に費やされる深夜電力代のみとなる。深夜の燃料電池１を０．５ｋＷの負荷で稼働させた場合、必要な深夜電力の費用は、夏、冬に分けてそれぞれ算出した以下の式で示すように、数１から夏期には４８９０円、数２から冬期には１８４０円となり年間で６１００円となる。
【００５４】
【数１】
(４９０ｋｃａｌ／ｈ−２４０／２ｋｃａｌ／ｈ)÷０．９×８ｈ×３６５日÷２÷８６０ｋｃａｌ／ｋＷ×７円／ｋＷｈ＝４８９０円／年
【００５５】
【数２】
(２７５ｋｃａｌ／ｈ−２７２／２ｋｃａｌ／ｈ)÷０．９×８ｈ×３６５日÷２÷８６０ｋｃａｌ／ｋＷ×７円／ｋＷｈ＝１８４０円
なお、上記各式は、ヒータ５の効率を０．９とした。
【００５６】
この結果に水道代３,８００円及び補助燃料代２２,８００円を加算すると、本風呂の年間ランニングコストは、３３,０００円と概算できる。したがって、本風呂は、蓄熱漕付２４時間風呂及び従来型２４時間風呂に比べ年間ランニングコストがはるかに安くなることが分かる。また、図７から分かるように、ガス熱源風呂と比較して年間７０,０００円のコストを削減することができる。年間７０,０００円のコスト削減は、５年間で３５０万円となり、例え燃料電池１で発電する電気料金が電力会社の購買電気料金と同等で、電気料金のコストメリットがないと仮定しても、５年間で燃料電池１の設備費(現在、市販が計画されている価格は１台３０〜４０万円)を回収できる。
【００５７】
なお、本発明は、以下の実施形態を採用することができる。
【００５８】
(１)本実施形態では、燃料電池１として１．５ｋＷの電力を発電できるものを採用したが、本発明はこれに限らず２〜３ｋＷの電力を発電できるものを採用してもよい。
【００５９】
(２)本実施形態では、制御部１０は、放熱器７の制御を行っていないが、放熱器７の近傍に例えば冷却ファンを取りつけ、制御部１０がこのファンの回転量を制御することで、循環路３３内の水の降温量を調節してもよい。
【００６０】
(３)本実施形態では、燃料電池１に供給するガスを都市ガスとしているが、本発明はこれに限らず、例えばプロパンガス等であってもよい。
【００６１】
(４)本実施形態では、熱交換器４として、プレートフィンタイプのものを使用したが、本発明はこれに限られず、例えば渦巻式熱交換器、多管式熱交換器などを使用してもよい。
【００６２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池１の排熱により浴槽３内の水を所定温度に保ちエネルギーの有効利用ができるとともに、排熱を熱交換して生じた所定温度の水を蓄える貯湯漕を設置する必要がなくなり、貯湯漕の設置スペース問題を解決することができる。また、請求項１記載の発明によれば、熱交換された水の温度より高温の水を供給することができる。
【００６３】
請求項２記載の発明によれば、商用電力により加熱器を作動することができる。
【００６４】
請求項３記載の発明によれば、燃料電池の電力により加熱器を作動することができる。
【００６５】
請求項４記載の発明によれば、時間帯を指定して浴槽内の水の温度を所定温度に保温することができる。
【００６６】
請求項５記載の発明によれば、浴槽３の水を常時所定温度に保ちつつ、深夜時間帯における燃料電池の不必要な発電を防止することができる。
【００６７】
請求項６記載の発明によれば、昼の保温開始時までに、浴槽の水を所定の温度に確実に昇温することができるとともに、燃料電池による深夜時間帯の不必要な発電を防止することができる。
【００６８】
請求項７記載の発明によれば、夜の保温開始時までに、浴槽の水を所定温度に確実に昇温することができるとともに、燃料電池による深夜時間帯の不必要な発電を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃料電池発電システムの一実施形態を示した図である。
【図２】 燃料電池の内部構成の一例を示した図である。
【図３】 浄化用循環路及び浄化用循環路上に配置された各種浄化機器の構成を示した図である。
【図４】 第１運用形態の燃料電池の発電量及び浴槽の温水の温度と時間との関係を示した図である。
【図５】 第２運用形態の燃料電池の発電量及び浴槽の温水の温度と時間との関係を示した図である。
【図６】 第３運用形態の燃料電池の発電量及び浴槽の温水の温度と時間との関係を示した図である。
【図７】 蓄熱漕付２４時間風呂、従来型２４時間風呂、灯油熱源風呂、ガス熱源風呂、及びＬＰＧ熱源風呂の年間ランニングコストを示したグラフである。
【図８】 家庭内の電力需要及び温水需要を示したグラフである。
【図９】 燃料電池発電システムの概略を示したブロック構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 系統連係部
３ 浴槽
３１ バルブ
３２ 分枝路
３３ 循環路
３４ 浄化用循環路
３５ 高温水循環路
３６ 配管
３７ 逆止弁
４ 熱交換器
５ ヒータ
６ 高温水貯湯漕
６１ ヒータ
７ 放熱器
８ａ 床暖房器具
９ 電気器具群
１０ 制御部
１１１ 燃料電池制御部
１１２ ヒータ制御部
１１３ タイマ
１１４ バルブ制御部
１１５ ポンプ制御部
１１６ 保温時間指定部
Claims (7)
- 系統連係部を介して商用電力線に接続された燃料電池と、
浴槽に貯留された水と熱交換を行うべく槽内を経由する循環路を有する配水管の途中に設けられ、前記燃料電池の稼動時に生じる熱で配水管を循環する水を昇温する熱交換器と、
前記配水管の途中に設けられ、配水管を循環する水を加熱する加熱器と、
熱交換器を介して浴槽内の水を所定の温度に調節するべく前記燃料電池の稼動を制御する第１の制御手段と、
前記熱交換の不足分を補償するべく加熱器を作動させる第２の制御手段と、
前記配水管の途中に付設された高温水循環路中に設置され、前記熱交換器により昇温された温水を更に昇温する高温加熱器と、
前記高温加熱器により発熱された温水を貯留する高温水貯湯漕とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。 - 前記第２の制御手段は商用電力で前記加熱器を作動させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
- 前記第２の制御手段は燃料電池からの電力で前記加熱器を作動させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
- 浴槽内の水を時間帯を指定して保温する保温時間指定手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
- 前記第１の制御手段は、深夜時間帯に前記燃料電池を低負荷で稼動させ、
前記第２の制御手段は、深夜時間帯に前記加熱器に対して商用電力を供給することを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電システム。 - 前記第１の制御手段は、深夜時間帯に前記燃料電池を低負荷で稼動させた後、保温開始時までの所定時間、前記燃料電池の負荷を上昇させていき、
前記第２の制御手段は、保温開始時までの所定時間、前記燃料電池からの電力で前記加熱器を作動させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システム。 - 前記第１の制御手段は、深夜時間帯に前記燃料電池の稼動を停止させ、保温開始時までの所定時間、前記燃料電池の負荷を上昇させていき、
前記第２の制御手段は、保温開始時までの所定時間、前記燃料電池の電力で前記加熱器を作動させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システム。
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