特許 5735618 貯湯式熱源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5735618

(24)【登録日】2015年4月24日

(45)【発行日】2015年6月17日

(54)【発明の名称】貯湯式熱源装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20060101AFI20150528BHJP

   H01M 8/00 20060101ALI20150528BHJP

   F24H 1/00 20060101ALI20150528BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Y

   H01M8/00 Z

   F24H1/00 631A

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-269740(P2013-269740)

(22)【出願日】2013年12月26日

【審査請求日】2013年12月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000284

【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001818

【氏名又は名称】特許業務法人Ｒ＆Ｃ

(72)【発明者】

【氏名】早川 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】東口 誠作

(72)【発明者】

【氏名】田中 雅士

(72)【発明者】

【氏名】前田 和茂

(72)【発明者】

【氏名】村瀬 裕一

(72)【発明者】

【氏名】牧 尚哉

(72)【発明者】

【氏名】村瀬 一夫

【審査官】 久保田 創

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０４０３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０４０３４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２６２８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−００３３２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３３６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２１９０４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｆ２４Ｈ １／００

Ｈ０１Ｍ ８／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

湯水を貯湯する貯湯槽と、湯水を加熱する燃料電池と、前記貯湯槽の下部の湯水の温度を測定する貯湯温度センサとを備えた貯湯式熱源装置であって、
前記燃料電池の周囲の環境状態に基づいて前記燃料電池の発電停止温度を可変設定する発電停止温度変更手段と、前記貯湯温度センサの測定結果が前記発電停止温度変更手段にて設定された前記発電停止温度以上となった時に前記燃料電池の発電を停止する発電停止手段とを備え、
前記発電停止温度変更手段は、気温を測定する気温センサ又は給水温を測定する水温センサの測定結果に基づいて、測定温度が高温側であるほど前記発電停止温度を高温側へ可変設定する貯湯式熱源装置。

【請求項2】

前記発電停止温度変更手段は、前記気温センサ又は前記水温センサの測定結果として、所定期間の前記気温センサ又は前記水温センサの出力値の平均値を使用する請求項１に記載の貯湯式熱源装置。

【請求項3】

前記発電停止温度変更手段が、気温を測定する気温センサ又は給水温を測定する水温センサの測定結果に基づいて前記発電停止温度を可変設定する際に、
前記発電停止温度変更手段にて現在設定されている前記発電停止温度が中間期の発電停止温度で、且つ前記気温センサ又は前記水温センサの測定結果が、第１閾値以上となった場合に、夏期の発電停止温度を設定し、
前記発電停止温度変更手段にて現在設定されている前記発電停止温度が夏期の発電停止温度で、且つ前記気温センサ又は前記水温センサの測定温度が、前記第１閾値より小さい第２閾値以下となった場合に、中間期の発電停止温度を設定し、
前記発電停止温度変更手段にて現在設定されている前記発電停止温度が冬期の発電停止温度で、且つ前記気温センサ又は前記水温センサの測定温度が、前記第２閾値より小さい第３閾値以上となった場合に、中間期の発電停止温度を設定し、
前記発電停止温度変更手段にて現在設定されている前記発電停止温度が中間期の発電停止温度で、且つ、前記気温センサ又は前記水温センサの測定温度が、前記第３閾値より小さい第４閾値以下となった場合に、冬期の発電停止温度を設定する請求項１又は２に記載の貯湯式熱源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、湯水を貯湯する貯湯槽と、湯水を加熱する燃料電池と、前記貯湯槽の下部の湯水の温度を測定する貯湯温度センサとを備えた貯湯式熱源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

昨今、貯湯式熱源装置としては、特許文献１に示されているように、湯水循環路を循環する湯水を加熱する熱源としての燃料電池と、当該加熱された湯水を貯湯する貯湯槽と、当該貯湯槽の高さ方向で異なる位置で湯水の温度を測定する複数の貯湯温度センサとを備えたものが知られている。
当該貯湯式熱源装置では、循環水による排熱回収が行えなくなり、燃料電池が過熱されることを防止すべく、複数の貯湯温度センサの測定値が、夫々に対して各別に設定される設定停止温度以上になった場合に、燃料電池を停止する制御手段を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２−３４９９６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に示されるような貯湯式熱源装置では、設定停止温度が、燃料電池の周囲の温度等の環境状態に関わらず一定の値に固定されていたため、気温や給水温の高い夏期等に発電時間を延ばすことが困難であった。これは、停止動作開始時の燃料電池内の温度と、停止動作終了時の燃料電池内の温度の差が大きい場合に、燃料電池内に結露が発生して改質器の触媒劣化の原因となるため、停止動作中の温度降下が大きい冬期を前提に燃料電池の停止温度を低い側の一定温度に設定していたことによるものである。

【0005】

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の内部での結露を防止して改質触媒等の劣化を防止しながらも、燃料電池の停止時間を短縮して発電時間を延ばすことができる貯湯式熱源装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するための本発明の貯湯式熱源装置は、
湯水を貯湯する貯湯槽と、湯水を加熱する燃料電池と、前記貯湯槽の下部の湯水の温度を測定する貯湯温度センサとを備えた貯湯式熱源装置であって、その特徴構成は、
前記燃料電池の周囲の環境状態に基づいて前記燃料電池の発電停止温度を可変設定する発電停止温度変更手段と、前記貯湯温度センサの測定結果が前記発電停止温度変更手段にて設定された前記発電停止温度以上となった時に前記燃料電池の発電を停止する発電停止手段とを備え、
前記発電停止温度変更手段は、気温を測定する気温センサ又は給水温を測定する水温センサの測定結果に基づいて、測定温度が高温側であるほど前記発電停止温度を高温側へ可変設定する点にある。

【0007】

上記特徴構成によれば、発電停止温度変更手段は、燃料電池の周囲の季節等の環境状態に基づいて燃料電池の発電停止温度を可変設定するように構成され、発電停止手段は、貯湯温度センサの測定結果が発電停止温度変更にて設定された発電停止温度以上となった時に燃料電池の発電を停止するように構成しているから、例えば、夏期の発電停止温度を冬期の発電停止温度よりも高く設定することができ、一義的に低い側の一定温度に設定することにより生ずる燃料電池の不必要な発電停止を回避して、発電時間を延ばすことができる。
しかも、当該構成では、例えば、発電停止開始時から発電停止終了時までに燃料電池内での温度差が大きくなり、燃料電池内にて結露が発生する可能性が高い冬期においては、発電停止温度を低めに設定して、結露の発生を抑制できるから、結露による燃料電池の改質触媒が劣化することを防止できる。

【0009】

また、上記特徴構成によれば、発電停止温度変更手段は、燃料電池の周囲の環境状態を代表する指標として、気温を測定する気温センサ、又は給水温を測定する水温センサの測定結果を採用し、当該測定結果に基づいて発電停止温度を可変設定しているから、貯湯式熱源装置に予め設けられている測定機器等の構成を用いた簡易な構成で、発電停止温度を適切なものに設定できる。
そして、気温を測定する気温センサ、又は給水温を測定する水温センサの測定温度が高温側であるほど発電停止温度を高温側へ可変設定するように構成しているから、特に、測定温度が高温側となる夏期（又は中間期）において、発電停止時間を短縮することができる。

【0010】

本発明の貯湯式熱源装置の更なる特徴構成は、
前記発電停止温度変更手段は、前記気温センサ又は前記水温センサの測定結果として、所定期間の前記気温センサ又は前記水温センサの出力値の平均値を使用する点にある。

【0011】

通常、気温センサ又は水温センサにて測定される出力値は、天気等の気象状況によって変動する。上記特徴構成によれば、気温センサ又は水温センサの測定結果として、所定期間（例えば数日間）の気温センサ又は水温センサの出力値の平均値を使用するから、気象状況等の変動により気温センサ又は水温センサの出力値が変動したときでも、発電停止温度変更手段により可変設定される発電停止温度が、短時間の間に何度も変更設定される、所謂、ハンチングを防止できる。

【0012】

本発明の貯湯式熱源装置の更なる特徴構成は、
前記発電停止温度変更手段が、気温を測定する気温センサ又は給水温を測定する水温センサの測定結果に基づいて前記発電停止温度を可変設定する際に、
前記発電停止温度変更手段にて現在設定されている前記発電停止温度が中間期の発電停止温度で、且つ前記気温センサ又は前記水温センサの測定結果が、第１閾値以上となった場合に、夏期の発電停止温度を設定し、
前記発電停止温度変更手段にて現在設定されている前記発電停止温度が夏期の発電停止温度で、且つ前記気温センサ又は前記水温センサの測定温度が、前記第１閾値より小さい第２閾値以下となった場合に、中間期の発電停止温度を設定し、
前記発電停止温度変更手段にて現在設定されている前記発電停止温度が冬期の発電停止温度で、且つ前記気温センサ又は前記水温センサの測定温度が、前記第２閾値より小さい第３閾値以上となった場合に、中間期の発電停止温度を設定し、
前記発電停止温度変更手段にて現在設定されている前記発電停止温度が中間期の発電停止温度で、且つ、前記気温センサ又は前記水温センサの測定温度が、前記第３閾値より小さい第４閾値以下となった場合に、冬期の発電停止温度を設定する点にある。

【0013】

上記特徴構成によれば、発電停止温度変更手段は、現在設定されている発電停止温度と、気温センサ又は水温センサの測定温度と所定の閾値との関係との双方に基づいて、発電停止温度の変更設定を行うから、例えば、気温センサ又は水温センサの測定温度と所定の閾値との関係のみに基づいて発電停止温度を変更設定する場合よりも、発電停止温度のハンチングを抑制できる。
更に、発電停止温度の変更設定において、例えば、夏期と中間期との間での発電停止温度の変更に関し、第１閾値と第２閾値とを異なる値で設けてヒステリシスを持たせているので、発電停止温度が頻繁に変更設定されるのを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】貯湯式熱源装置の概略構成図

【図2】発電停止温度を可変設定する制御フロー図

【図3】気温センサの測定結果に基づいて可変設定される発電停止温度を示すグラフ図

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明に係る貯湯式熱源装置１００について、熱源機としての燃料電池２０の内部での結露を防止して改質触媒の劣化を防止しながらも、燃料電池２０の停止時間を短縮して発電時間を延ばすことができるものに関する。
以下、本発明に係る貯湯式熱源装置１００について、図１〜３に基づいて説明する。

【0016】

本発明に係る貯湯式熱源装置１００は、図１に示すように、湯水を貯湯する貯湯槽１０と、熱電併給装置としての燃料電池２０と、燃料電池２０にて発生する熱を回収して貯湯槽１０に蓄熱するべく貯湯槽１０と燃料電池２０との間で湯水を循環する湯水循環路Ｃと、当該湯水循環路Ｃを循環する湯水の流量を調整可能な循環ポンプＰと、貯湯式熱源装置１００の運転を制御する制御装置３０を備えている。当該湯水循環路Ｃは、燃料電池２０においては、その冷却の用を果たす。
当該貯湯式熱源装置１００には、貯湯槽１０に蓄熱された熱を図示しない熱負荷端末で消費するべく、貯湯槽１０の上部に貯湯される湯水を熱負荷端末まで導く湯水往き路Ｌ４を備えると共に、熱負荷端末を通過した後の湯水を貯湯槽１０へ戻す湯水戻り路Ｌ１を備えている。当該湯水戻り路Ｌ１を通流する湯水は、三方弁Ｖを通過した後、貯湯槽１０の下部に連結する下部流路Ｌ２を介して貯湯槽１０の下部に戻される。
また、湯水往き路Ｌ４には、図示しない給湯栓に繋がる給湯流路（図示せず）が接続されると共に、三方弁Ｖには給水を通流する給水路Ｌ３が接続されている。これにより、給湯栓が開放されると、給水路Ｌ３を通流する給水が、三方弁Ｖ及び下部流路Ｌ２を介して貯湯槽１０の下部へ流入すると共に、貯湯槽１０の上部の湯水が、湯水往き路Ｌ４、給湯路（図示せず）を介して給湯栓（図示せず）から送出される。

【0017】

上記構成の貯湯槽１０では、燃料電池２０から排熱回収した湯水が、貯湯槽１０の上部から下部へ向かって成層貯湯される。従って、貯湯槽１０の下部の湯水が所定の温度以上となった状態で、それ以上貯湯槽１０に貯湯することができない。
当該貯湯式熱源装置１００では、湯水循環路Ｃを介して燃料電池２０へ導かれる湯水の温度が所定温度以上になり、燃料電池２０の冷却ができず燃料電池２０が過熱することを防止するため、発電停止温度を規定し燃料電池２０へ導かれる湯水の温度が発電停止温度以上になると燃料電池２０による発電を停止するように構成されている。
ここで、通常、発電停止温度は、発電停止開始時から発電停止終了時までの燃料電池２０の内部の温度差が大きくなり、燃料電池２０にて結露が発生して、燃料電池２０の内部の改質触媒が劣化することを防止すべく、特に、燃料電池２０の内部にて結露が発生し易い冬期における発電停止開始時から発電停止終了時までの温度が、結露が発生しない温度差となるように、一定の温度に設定される。
しかしながら、このように発電停止温度を設定すると、外気温度が高く、発電停止開始時から発電停止終了時までの温度降下が少ない夏期にあっては、燃料電池２０の内部において結露が発生する虞がないにも関わらず、発電停止温度が低めに設定されていたため、燃料電池２０の運転時間が短くなるという問題が生じる。
そこで、本願に係る貯湯式熱源装置１００は、燃料電池２０の停止時間を短縮を図るべく、燃料電池２０の周囲の環境状態に基づいて燃料電池２０の発電停止温度を可変設定する発電停止温度変更手段３０ｂと、貯湯槽１０の下部の湯水の温度を測定する貯湯温度センサＴ１の測定結果が発電停止温度変更手段３０ｂにて設定された発電停止温度以上となった時に燃料電池２０の発電を停止する発電停止手段３０ｃと、発電停止温度変更手段３０ｂが発電停止温度を変更する際に必要とする情報を記憶する記憶部３０ａとを設けた制御装置３０が備えられている。

【0018】

当該実施形態にあっては、発電停止温度変更手段３０ｂは、燃料電池２０の周囲の環境状態を代表する指標として、燃料電池２０の近傍に設けられる気温センサＴ２の測定結果を抽出可能に構成されている。
説明を追加すると、発電停止温度変更手段３０ｂは、気温センサＴ２の測定結果と記憶部３０ａに記憶される複数の閾値との比較結果、及び記憶部３０ａに記憶される現在の発電停止温度に基づいて、燃料電池２０の周囲の環境状態を決定し、それに基づいて発電停止温度を設定する。
尚、燃料電池２０の発電開始については、例えば、制御装置３０が、貯湯槽１０の上下方向で複数設けられる温度センサ（図示せず）の出力に基づいて貯湯槽１０の蓄熱状態を判定し、蓄熱状態に余裕がある場合に、燃料電池２０の発電を開始する制御を実行するような構成が採用されており、当該構成は、従来のものと変わるところがない。

【0019】

以下、燃料電池２０の発電停止温度を可変設定すると共に、当該発電停止温度に基づいて、燃料電池２０の発電を停止する制御について説明を加える。尚、以下の制御では、燃料電池２０は、発電停止状態から発電状態へ移行して発電を行っている状態であるものとする。
また、記憶部３０ａは、発電停止温度変更手段３０ｂが可変設定する発電停止温度として、夏期の発電停止温度（例えば、３９℃）、中間期（春期又は秋期）の発電停止温度（例えば、３７℃）、冬期の発電停止温度（例えば、３５℃）を記憶していると共に、閾値として、第１閾値（例えば、２２℃）＞第２閾値（例えば、１９℃）＞第３閾値（例えば、１５℃）＞第４閾値（例えば、１２℃）の関係を有する、第１閾値〜第４閾値を記憶している。

【0020】

図２は、発電停止温度変更時の処理フローを示したものであり、同図に示すように、発電停止温度変更手段３０ｂは、発電停止温度変更に係る制御を開示すると、まず、発電停止温度として、中間期の発電停止温度を設定すると共に（Ｓ０）、気温センサＴ２の出力値を１時間毎に抽出する（Ｓ１）。
発電停止温度変更手段３０ｂは、気温センサＴ２の出力値に基づいて、発電停止温度の変更に係る制御の指標となる「気温」を設定するのであるが、気温センサＴ２の出力値をそのまま「気温」とすると、発電停止温度が短時間のうちに何度も変更設定される、所謂、ハンチングが発生する虞がある。
そこで、当該制御にあっては、図２のＳ２に例示される式に示されるように、それまでに設定された「気温」と、現在の気温センサＴ２の出力値とを、重み付けをして足し合わせた値を、現在の「気温」として設定する。尚、制御の初回は、それまでに設定された「気温」として、現在の気温センサＴ２の出力値を採用する（Ｓ２）。

【0021】

発電停止温度変更手段３０ｂは、現在が中間期の発電停止温度で、且つ現在の「気温」が第１閾値以上となった場合（Ｓ３）、発電停止温度として、夏期の発電停止温度を設定する（Ｓ４）と共に、それ以外の場合、現在の発電停止温度を維持する。

【0022】

更に、発電停止温度変更手段３０ｂは、現在が夏期の発電停止温度で、且つ現在の「気温」が第１閾値より小さい第２閾値以下となった場合（Ｓ５）、発電停止温度として、中間期の発電停止温度を設定する（Ｓ６）と共に、それ以外の場合、現在の発電停止温度を維持する。

【0023】

更に、発電停止温度変更手段３０ｂは、現在が冬期の発電停止温度で、且つ現在の「気温」が第２閾値より小さい第３閾値以上となった場合（Ｓ７）、発電停止温度として、中間期の発電停止温度を設定する（Ｓ８）と共に、それ以外の場合、現在の発電停止温度を維持する。

【0024】

更に、発電停止温度変更手段３０ｂは、現在が中間期の発電停止温度で、且つ現在の「気温」が第３閾値より小さい第４閾値以下となった場合（Ｓ９）、発電停止温度として、冬期の発電停止温度を設定する（Ｓ１０）と共に、それ以外の場合、現在の発電停止温度を維持する。

【0025】

発電停止手段３０ｃは、貯湯槽１０の下部の湯水の温度を検出する貯湯温度センサＴ１の出力値を抽出すると共に、当該出力値が発電停止温度変更手段３０ｂにて設定された発電停止温度以上となった場合（Ｓ１１）、発電を停止する信号を燃料電池２０へ出力する。

【0026】

制御装置３０は、燃料電池２０の発電中にあっては、常時あるいは定期的に、上述したＳ１〜Ｓ１１の制御を実行して、発電停止温度の更新を繰り返すと共に、Ｓ１２にて燃料電池２０へ発電を停止する信号を出力した後で、燃料電池２０の発電を停止中であっても、Ｓ１〜Ｓ１１の制御を実行して、発電停止温度の更新を繰り返されるように構成されており、燃料電池２０が再度起動したときに、適切な発電停止温度で停止できるようになっている。
以上の制御を実行することにより、図３に示すように、発電停止温度は、発電停止温度変更手段３０ｂにて設定される「気温」の変化に略対応する形態で、昇温又は降温することになる。即ち、「気温」が高温側ほど、発電停止温度を高温側へシフトすることになる。これにより、本願の貯湯式熱源装置１００では、夏期及び中間期の発電停止温度を、冬期の発電停止温度（従来の貯湯式熱源装置で採用されていた発電停止温度）よりも高い発電停止温度に設定することができ、夏期及び中間期における発電停止時間を短縮して、発電時間を延ばすことができる。

【0027】

〔実施例〕
貯湯式熱源装置１００に関し、燃料電池２０として固体高分子型燃料電池、貯湯槽１０として容量２００Ｌのものを用いて、夏期の一週間において、通常想定される熱負荷があったときに、従来の如く発電停止温度を３５℃（本願の冬期の発電停止温度に相当する温度）で一定にした場合と、上述した本願に係る貯湯式熱源装置１００を用いた場合（即ち、発電停止温度を、夏期の発電停止温度（３９℃）に変更設定した場合）とで、発電停止時間を測定する試験を行った。
当該試験によれば、前者と後者とでは、発電停止時間が、一日で、１時間から０．６時間に短縮され、発電時間としては、１週間で約２．８時間延長された。

【0028】

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、発電停止温度変更手段３０ｂは、燃料電池２０の周囲の環境状態を代表する指標として、燃料電池２０の近傍に設置される気温センサＴ２の測定結果を採用する例を示した。
しかしながら、本願は、当該構成に限定されるものではなく、例えば、給水路Ｌ３を流通する給水温度を測定する水温センサ（図示せず）の測定結果を、燃料電池２０の周囲の環境状態を代表する指標として採用するように構成しても構わない。
当該構成を採用する場合、上述した第１閾値〜第４閾値は、互いの大小関係は維持した状態で、全体として低温側にシフトする値となる。

【0029】

（２）上記実施形態では、発電停止温度変更手段３０ｂは、発電停止温度として、中間期（春期又は秋期）の発電停止温度と、夏期の発電停止温度と、冬期の発電停止温度とを設定する例を示した。
しかしながら、本願は、当該構成に限定されるものではなく、発電停止温度として、高温期の発電停止温度と、低温期の発電停止温度とに可変設定可能に構成するものであっても構わない。

【産業上の利用可能性】

【0030】

本発明の貯湯式熱源装置は、燃料電池の内部での結露を防止して改質触媒等の劣化を防止しながらも、燃料電池の停止時間を短縮して発電時間を延ばすことができる貯湯式熱源装置として、有効に利用可能である。

【符号の説明】

【0031】

１０ ：貯湯槽
２０ ：燃料電池
３０ｂ ：発電停止温度変更手段
３０ｃ ：発電停止手段
１００ ：貯湯式熱源装置
Ｔ１ ：貯湯温度センサ
Ｔ２ ：気温センサ
Ｖ ：三方弁

【要約】

【課題】燃料電池の内部での結露を防止して改質触媒等の劣化を防止しながらも、燃料電池の停止時間を短縮して発電時間を延ばすことができる貯湯式熱源装置を提供する。
【解決手段】燃料電池２０の周囲の環境状態に基づいて燃料電池２０の発電停止温度を可変設定する発電停止温度変更手段３０ｂと、貯湯温度センサＴ１の測定結果が発電停止温度変更手段３０ｂにて設定された発電停止温度以上となった時に燃料電池２０の発電を停止する発電停止手段３０ｃとを備えている。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】