家庭用燃料電池コージェネレーションシステム
「エネファーム」
エネファームは、都市ガスから取り出した「水素」と、大気中の「酸素」から化学反応によって電気をつくり、発電時の熱も有効利用する、家庭用燃料電池コージェネレーションシステムです。
1. エネファーム（家庭用固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステム）
研究／開発のねらい
固体高分子形燃料電池（PEFC）は電解質に固体高分子膜を用いており、(1)常温～90℃で発電可能であるため起動・停止が容易、(2)単位面積あたりの発電能力が大きいため小型軽量化が可能などの特徴を持つ燃料電池です。固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムは、発電した電気を家庭の電力負荷(照明、空調など)に利用し、発電時に生じる熱も温水として有効利用する高効率なシステムです。
［発電原理］
燃料電池は、水の電気分解と逆の反応原理であり、都市ガスから取り出した水素と、大気中の酸素を化学反応させることにより、電気を生み出す装置です。固体高分子形燃料電池では、水素イオンが電解質である固体高分子膜を移動することで、化学反応が成立しています。
［セルの形状］
燃料電池本体は、セルと呼ばれる板状のものから構成されています。セルは、電解質を空気極と燃料極で挟み込んだ構造となっています。
1枚のセルから取り出せる電気は、電圧1V以下と小さいため、セルを数十枚積み重ねて、必要な出力を得ています。セルとセルの間にはセパレータと呼ばれる板が設けられ、水素と酸素の通り道となっています。また、セパレータはセルで発生した電気を接続する役割も持っています。
[システム構成]
- 燃料処理装置
都市ガスから水素を取り出します。 - スタック
燃料処理装置から取り出された水素と空気中の酸素から直流電気を発生させます。 - インバータ
スタックで発電した直流電気を交流に変換。また、電力会社の電力と連系（接続）するために必要な機能も備えています。 - 熱回収装置
スタックや燃料処理装置から熱を回収して、約60℃の温水をつくります。 - 貯湯タンク
熱回収装置でつくったお湯をためておき、給湯需要がある時に供給します。 - バックアップ給湯器
貯湯タンク内のお湯で需要に対応できない場合や暖房時の温水（お湯）は、バックアップ給湯器でガスを燃焼させてつくります。なお、一定の条件下においては、床暖房の温水に貯湯タンクの熱を利用することがあります。
研究／開発の成果
1998年度より家庭用コージェネレーションとして、固体高分子形燃料電池の信頼性・耐久性・省エネ性などの技術評価に取り組み、2005年度から2008年度には、国家プロジェクト「定置用燃料電池大規模実証事業」に参画、信頼性・耐久性の課題抽出を目的として、多くの当社お客さま宅で実証試験を行いました。こうした取り組みを経て、2009年5月に家庭用固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステム「エネファーム」の販売を開始しました。
2. エネファームtypeS（家庭用固体酸化物形燃料電池コージェネレーションシステム）
研究／開発のねらい
固体酸化物形燃料電池（SOFC）は、セラミックスから構成され、600～1000℃という高い温度で発電を行い、発電効率が高く省エネ性・環境性に優れるなどの特徴を持つ燃料電池です。
固体酸化物形燃料電池コージェネレーションシステムは、システムに必要な部品点数が少ないため、コンパクト化・低コスト化が期待できるシステムです。
［発電原理］
燃料電池は、水の電気分解と逆の反応原理であり、都市ガスから取り出した水素と、大気中の酸素を化学反応させることにより、電気を生み出す装置です。固体酸化物形燃料電池では、酸素イオンが電解質であるセラミックスを移動することで化学反応が成立しています。
［セルの形状］
燃料電池本体は、セルと呼ばれるものから構成されています。セルは電解質を空気極と燃料極で挟み込んだ構造となっています。
1枚のセルから取り出せる電気は、電圧1V以下と小さいため、セルを数十枚積み重ねて、必要な出力を得ています。セルとセルの間にはセパレータと呼ばれる板が設けられ、水素と酸素の通り道となっています。また、セパレータはセルで発生した電気を接続する役割も持っています。
[システム構成]
- 燃料処理装置
都市ガスから水素を取り出します。 - スタック
水素と空気中の酸素から直流電気を発生させます。 - ホットモジュール
燃料処理装置とスタックを断熱材で覆い、高い温度を保ちます。 - インバータ
スタックで発電した直流電気を交流に変換。また、電力会社の電力と連系（接続）するために必要な機能も備えています。 - 熱回収装置
ホットモジュールから排出される高温ガスから熱を回収して、最高約65℃の温水をつくります。 - 貯湯タンク
回収したお湯をためておき、給湯需要がある時に供給します。 - ラジエータ（放熱器）
貯湯タンクのお湯でいっぱいになると、発電を継続するため、ラジエータを作動させて貯湯タンクから熱回収装置へ送られるお湯を冷まします。 - エネファーム専用暖房給湯器
貯湯タンクのお湯と給水を混合した予熱水を、都市ガスを燃焼させて加熱し、リモコンで設定された温度のお湯をつくります。温水利用時は必ずガスを燃焼します。
研究／開発の成果
家庭用固体高分子形燃料電池に続き、2007年度より家庭用コージェネレーションとしての開発に着手、信頼性・耐久性・省エネ性などの技術評価に取り組み、以下の知見を得ました。
- 発電効率が高く、電主運転を行うことで、お湯の使用量の少ないご家庭でも高い省エネ効果を得ることができる。
- 発電効率が高いため、学習機能を用いた自動運転ではなく、24時間連続運転が最も効率的な運転となる。
- 燃料電池から発生する熱量が小さいため、貯湯ユニットの小型化が可能。また、部品点数が少ないため、燃料電池ユニットの小型化（設置スペースの節約）が可能となる。
2009年度からは、国家プロジェクト「固体酸化物形燃料電池実証事業」に参画、システムの耐久性向上を目的とした多数の試作機による連続耐久試験や実証試験を行いました。 こうした取り組みを経て、2013年1月に家庭用固体酸化物形燃料電池コージェネレーションシステム「エネファームtypeS」の販売を開始しました。