(57)【要約】【課題】効率的な運用を行えるヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】ヒートポンプシステム１０Ａは、発電に伴って温熱が生じる燃料電池１２と、冷媒を循環させる第１の冷媒ラインＬ１、第１の冷媒ラインＬ１に設けられ燃料電池１２で発電された電力で駆動される圧縮機２２Ｂ、室外機２６、膨張弁ＶＣ１、及び室内機２４を有する電気式ヒートポンプ１４と、第１の冷媒ラインＬ１の冷媒に温熱を付与る排熱熱交換器２０と、を有する。【選択図】図１
2020143795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電に伴って温熱が生じる分散型発電機と、
冷媒を循環させる循環経路、前記循環経路に設けられ前記分散型発電機で発電された電力で駆動される電気式ヒートポンプと、
前記循環経路の前記冷媒に前記温熱を付与する温熱付与装置と、
を備えたヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記温熱付与装置は、前記電気式ヒートポンプを構成する圧縮機と蒸発器との間に設けられている、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記温熱付与装置は、前記電気式ヒートポンプを構成する圧縮機と凝縮器との間に設けられている、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項４】
前記温熱付与装置は、前記電気式ヒートポンプを構成する蒸発器に前記温熱を付与する、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項５】
前記分散型発電機は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池であり、  前記温熱は、前記燃料電池自身の熱、前記燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガス、及び前記燃料電池の燃焼部から排出される燃焼排ガスの熱の少なくとも一方である、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
【請求項６】
水素を含み第１燃料極へ供給される燃料ガスと、前記酸化剤ガスと、により発電し、前記第１燃料極から第１燃料極オフガスを第１燃料極オフガス流路へ送出する第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料極オフガス流路を介して第２燃料極へ供給される前記第１燃料極オフガスと前記酸化剤ガスとを用いて発電し、前記第２燃料極から第２燃料極オフガスを第２燃料極オフガス流路へ送出する第２燃料電池セルスタックと、を含んで構成される前記燃料電池と、
前記第２燃料極オフガス流路に接続され、前記第２燃料極オフガスを燃焼させ燃焼排ガスを燃焼排ガス流路に排出する燃焼部と、
前記第１燃料極オフガス流路、及び前記燃焼排ガス流路の少なくとも一方に設けられる前記温熱付与装置と、
を備えている、請求項５に記載のヒートポンプシステム。
【請求項７】
前記燃料電池は、水素を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、前記燃料極から燃料極オフガスを排出する燃料電池セルスタックを備え、
前記燃料極から排出された前記燃料極オフガスの少なくとも一部を再生する燃料再生部と、
前記燃料再生部から排出された再生燃料ガスを前記燃料電池セルスタックに供給する供給部と、
を有している、請求項５に記載のヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力を用いて駆動される電気式ヒートポンプを備えたヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
住宅等において、冷暖房を行う電気式ヒートポンプを備えたヒートポンプシステムが知られている（特許文献１参照）。
また、近年では、燃料電池等の分散型発電機を備えた住宅がある（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−１３８８４４号公報
【特許文献２】特開２００７−０９５５４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気式ヒートポンプは、大気の熱を使って冷熱、及び温熱を作ることから、例えば、冷暖房装置等に多く用いられている。
電気式ヒートポンプは電気使用量に対して３倍以上の熱（ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）やＡＰＦ（Annual Performance Factor）など）を、得ることができる。しかしながら、電気式ヒートポンプは、電力系統から得られる電気の１次エネルギー効率が４０％となっているため、また、ガスエンジン式ヒートポンプは、ガスでエンジンを駆動させるため、１次エネルギー効率は１００％を超えるものの、動力源の１次エネルギーロス分が大きいと不利になる。
一方、燃料電池システムは、分散型発電機として普及しており、ガスを燃料として発電効率４０〜６０％、熱効率２０〜５０％で、電気と熱の総合効率は９０％に迫るものもある。
【０００５】
燃料電池システムで発電された電力で電気式ヒートポンプを駆動して、１次エネルギー消費量を減少させることが考えられるが、より効率的な運用を行えるヒートポンプシステムが求められている。
【０００６】
本発明は、効率的な運用を行えるヒートポンプシステ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】
【０００７】
請求項１に記載のヒートポンプシステムは、発電に伴って温熱が生じる分散型発電機と、冷媒を循環させる循環経路、前記循環経路に設けられ前記分散型発電機で発電された電力で駆動される電気式ヒートポンプと、前記循環経路の前記冷媒に前記温熱を付与する温熱付与装置と、を備えている。
【０００８】
請求項１に記載のヒートポンプシステムでは、分散型発電機の発電に伴って、分散型発電機で温熱が生じる。
電気式ヒートポンプは、分散型発電機で発電された電力によって駆動され、生成された冷熱、または温熱により、冷房、または暖房等を行うことができる。
温熱付与装置は、電気式ヒートポンプの循環経路の冷媒に温熱を付与することができ、循環経路に循環する冷媒の温度を上げ、電気式ヒートポンプの効率を上げることができる。これにより、１次エネルギー消費量を減少させることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のヒートポンプシステムにおいて、前記温熱付与装置は、前記電気式ヒートポンプを構成する圧縮機と蒸発器との間に設けられている。
【００１０】
請求項２に記載のヒートポンプシステムでは、分散型発電機で生じた熱を、圧縮機と蒸発器との間に設けられた温熱付与装置を用いて蒸発器を経て圧縮機に流入する冷媒を加熱することができる。
圧縮機に流入する冷媒を加熱することで圧縮機に導入される冷媒の温度が上がり、温度を上げるための仕事量が減ることで、圧縮機の負荷が軽くなり、圧縮機の消費電力を低減することができる。
したがって、蒸発器を室内機として使用する場合、室内を冷房することができ、冷房時の消費電力を低減することができる。
また、凝縮器を室内機として使用する場合、室内を暖房することができ、暖房時の消費電力を低減することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のヒートポンプシステムにおいて、前記温熱付与装置は、前記電気式ヒートポンプを構成する圧縮機と凝縮器との間に設けられている。
【００１２】
請求項３に記載のヒートポンプシステムでは、分散型発電機で生じた熱を、圧縮機と凝縮器との間に設けられた温熱付与装置を用いて圧縮機を経て凝縮器に流入する冷媒を加熱することができる。
例えば、凝縮器を室内機として使用する場合、温熱付与装置を用いない場合に比較して凝縮器に流入する冷媒の温度を上げることができ、暖房効率を高めることができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のヒートポンプシステムにおいて、前記温熱付与装置は、前記電気式ヒートポンプを構成する蒸発器に前記温熱を付与する。
【００１４】
請求項４に記載のヒートポンプシステムでは、例えば、凝縮器を暖房用の室内機として使用し、蒸発器を室外機として使用する場合、室外の蒸発器に温熱を付与して蒸発器を温めることができる。
室外の蒸発器を温めることで、蒸発器周辺の外気が過度に冷えないようにすることができる。これにより、蒸発器に霜が付くことを抑制できる。また、蒸発器を通る冷媒に熱を付与するので、暖房効率を高めることもできる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のヒートポンプシステムにおいて、前記分散型発電機は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池であり、前記温熱は、前記燃料電池自身の熱、前記燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガス、及び前記燃料電池の燃焼部から排出される燃焼排ガスの熱の少なくとも一方である。
【００１６】
請求項５に記載のヒートポンプシステムでは、燃料電池自身の熱、燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガス、及び燃料電池の燃焼部から排出される排ガスの熱で、冷媒を加熱することができる。燃料電池自身の熱、燃料電池の燃料極から排出される燃料極オフガス、及び燃料電池の燃焼部から排出される排ガスの熱は、従来は大気等に放出していた所謂排熱であるが、請求項５に記載のヒートポンプシステムでは、上記排熱を電気式ヒートポンプの冷媒の加熱に用いるので、上記排熱を有効利用することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のヒートポンプシステムにおいて、水素を含み第１燃料極へ供給される燃料ガスと、前記酸化剤ガスと、により発電し、前記第１燃料極から第１燃料極オフガスを第１燃料極オフガス流路へ送出する第１燃料電池セルスタックと、前記第１燃料極オフガス流路を介して第２燃料極へ供給される前記第１燃料極オフガスと前記酸化剤ガスとを用いて発電し、前記第２燃料極から第２燃料極オフガスを第２燃料極オフガス流路へ送出する第２燃料電池セルスタックと、を含んで構成される前記燃料電池と、前記第２燃料極オフガス流路に接続され、前記第２燃料極オフガスを燃焼させ燃焼排ガスを燃焼排ガス流路に排出する燃焼部と、前記第１燃料極オフガス流路、及び前記燃焼排ガス流路の少なくとも一方に設けられる前記温熱付与装置と、を備えている。
【００１８】
請求項６に記載のヒートポンプシステムは、燃料電池が、第１燃料電池セルスタックと、第２燃料電池セルスタックとで構成されているため、第１燃料電池セルスタックで発電された電力と第２燃料電池セルスタックで発電された電力とを用いて電気式ヒートポンプを駆動することができる。
【００１９】
第１燃料電池セルスタックでは、水素を含む燃料ガスが第１燃料極へ供給され、酸化剤ガスが第１空気極へ供給されて発電が行われる。
第２燃料電池セルスタックでは、第１燃料電池セルスタックの第１燃料極から排出された第１燃料極オフガスが第２燃料極に供給され、酸化剤ガスが第２空気極に供給されて発電が行われる。
第２燃料電池セルスタックから排出された第２燃料極オフガスは、第２燃料極オフガス流路を介して燃焼部へ送出され、燃焼部で第２燃料極オフガスが酸化材ガスで燃焼される。
燃焼部からは燃焼排ガスが燃焼排ガス流路に排出される。
【００２０】
温熱付与装置は、第１燃料極オフガス流路、及び燃焼排ガス流路の少なくとも一方に設けられており、第１燃料極オフガス流路に温熱付与装置が設けられている場合には、第１燃料極オフガスの熱で電気式ヒートポンプの冷媒を加熱することができ、燃焼排ガス流路に温熱付与装置が設けられている場合には、燃焼排ガスの熱で電気式ヒートポンプの冷媒を加熱することができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項５に記載のヒートポンプシステムにおいて、前記燃料電池は、水素を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、前記燃料極から燃料極オフガスを排出する燃料電池セルスタックを備え、前記燃料極から排出された前記燃料極オフガスの少なくとも一部を再生する燃料再生部と、前記燃料再生部から排出された再生燃料ガスを前記燃料電池セルスタックに供給する供給部と、を有している。
【００２２】
請求項７に記載のヒートポンプシステムでは、燃料電池において、燃料電池スタックが、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行い、燃料極から燃料極オフガスを排出する。なお、燃料極から排出された燃料極オフガスの一部、または全量は燃料再生部で再生され、燃料再生部から排出された再生燃料ガスは、供給部により燃料電池スタックに供給され、発電に用いられる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明のヒートポンプシステムによれば、効率的な運用を行うことができる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るヒートポンプシステムの構成、及び冷房時の冷媒の流れを示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るヒートポンプシステムの構成、及び暖房時の冷媒の流れを示すブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るヒートポンプシステムの構成、及び冷房時の冷媒の流れを示すブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るヒートポンプシステムの構成、及び暖房時の冷媒の流れを示すブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るヒートポンプシステムの構成、及び冷房時の冷媒の流れを示すブロック図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係るヒートポンプシステムの構成、及び暖房時の冷媒の流れを示すブロック図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係るヒートポンプシステムの構成、及び冷房時の冷媒の流れを示すブロック図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係るヒートポンプシステムの構成、及び暖房時の冷媒の流れを示すブロック図である。
【図９】本発明の第５の実施形態に係るヒートポンプシステムの燃料電池の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態に係るヒートポンプシステムの燃料電池の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態に係るヒートポンプシステム１０Ａを図１、及び図２にしたがって説明する。本実施形態のヒートポンプシステム１０Ａは、一例として住宅等の電力需要家に用いられるのである。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ａは、直流電力（ＤＣＥ）を発電する分散型発電機としての燃料電池１２と、燃料電池１２で発電された直流電力で駆動される電気式ヒートポンプ１４等を備えている。
【００２７】
燃料電池１２は、燃料ガスがガス配管Ｐ１、調整弁１６や燃料ガスブロワなどを介して図示しない燃料極に供給され、酸化剤ガス（空気等）が酸化ガス配管Ｐ２、ブロア１８を介して図示しない空気極に供給されて燃料ガスと酸化ガスとが反応して発電を行い、燃料極から燃料極オフガスが排出され、空気極から空気極オフガスが排出される一般的に知られている構成のものであり、内部構造の詳細な説明は省略する。
【００２８】
本実施形態では、燃料電池１２に設けられた燃焼部（図１では図示せず。図９、１０参照）から排出された燃焼排ガス（ＥＸＧ）が、排ガス管Ｐ３を介して外部へ排気されるようになっている。排ガス管Ｐ３の途中には、後述する電気式ヒートポンプ１４の冷媒に燃焼排ガスの温熱を付与するための排熱熱交換器２０が設けられている。
【００２９】
なお、燃料電池１２で発電された直流電力は、電気式ヒートポンプ１４の他、種々の電気使用機器に使用することができる。
【００３０】
電気式ヒートポンプ１４は、圧縮機２２と、空調をするべき室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う第１の熱交換器（室内機）２４と、冷媒と外気との間で熱交換を行う第２の熱交換器（室外機）２６と、冷媒ラインＬ１と、膨張弁ＣＶ１と、冷房運転時と暖房運転時とで流路を切り換えるための流路切換装置（四方弁）Ｖ４と、排熱熱交換器２０等を含んで構成されている。
【００３１】
本実施形態の圧縮機２２は、燃料電池１２で発電された直流電力で駆動される電気モータ２２Ａと、電気モータ２２Ａで駆動されるコンプレッサ２２Ｂとを含んで構成されている。
【００３２】
第１の冷媒ラインＬ１は、ラインＬ１１〜Ｌ１５により冷媒の循環路を構成している。
ラインＬ１１は、コンプレッサ２２Ｂの吐出側と四方弁Ｖ４のポートＶ４ａとを接続している。ラインＬ１２は、四方弁Ｖ４のポートＶ４ｂと室外機２６とを接続している。ラインＬ１３は膨張弁ＣＶ１を介装し、室外機２６と室内機２４とを接続している。ラインＬ１４は、室内機２４と四方弁Ｖ４のポートＶ４ｃとを接続している。ラインＬ１５は、四方弁Ｖ４のポートＶ４ｄとコンプレッサ２２Ｂの吸入側とを接続している。
なお、膨張弁ＣＶ１は、ラインＬ１３の中間部に設けられており、排熱熱交換器２０は、ラインＬ１４の中間部に設けられている。
【００３３】
（作用、効果）
以下に、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ａの作用、効果を説明する。
（冷房運転）
先ず最初に、図１にしたがって、室内の冷房を行う冷房運転について説明する。
冷房運転をする際には、図１に示すように、ラインＬ１１とラインＬ１２とが連通し、ラインＬ１４とラインＬ１５とが連通するように四方弁Ｖ４を切り替える。
燃料電池１２で発電された直流電力で電気モータ２２Ａを駆動すると、コンプレッサ２２Ｂで圧縮された冷媒が図中の矢印で示すように冷媒ラインＬ１を循環する。冷媒の熱は、凝縮器として作用する室外機２６で大気に放熱され、室内機２４により、空調を行うべき室内の空気は冷却される。
【００３４】
本実施形態の電気式ヒートポンプ１４では、コンプレッサ２２Ｂに流入する冷媒が、ラインＬ１４に設けられた排熱熱交換器２０を通過する際に燃焼排ガスの温熱で加熱される。このようにすることで、コンプレッサ２２Ｂに流入する冷媒の温度が高められるので、コンプレッサ２２Ｂの負担を低減でき、電気モータ２２Ａの消費電力、即ち、冷房運転時の消費電力を低減することができる。
【００３５】
（暖房運転）
暖房運転をする際には、図２に示すように、ラインＬ１１とラインＬ１４とが連通し、ラインＬ１２とラインＬ１５とが連通するように四方弁Ｖ４を切り替える。
【００３６】
電気モータ２２Ａを駆動すると、コンプレッサ２２Ｂで圧縮された冷媒が図中の矢印で示すように冷媒ラインＬ１を循環する。
コンプレッサ２２Ｂで圧縮されて高温となった冷媒は、ラインＬ１４に設けられた排熱熱交換器２０を通過する際に燃焼排ガスの温熱で更に加熱されて室内機２４に供給される。即ち、燃焼排ガスの温熱で加熱されない場合に比較して高温の冷媒を室内機２４に供給することができるので、暖房運転時の暖房効率を高めることができる。
【００３７】
以上のように、冷房運転時の消費電力を低減したり、暖房運転時の暖房効率を高めるためには、冷媒を予熱してから（燃料電池１２を起動してから）コンプレッサ２２Ｂを起動し、温めた冷媒をコンプレッサ２２Ｂに流入させることが好ましい。
【００３８】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係るヒートポンプシステム１０Ｂを図３、及び図４にしたがって説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００３９】
図３に示すように、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｂでは、四方弁Ｖ４のポートＶ４ｄとコンプレッサ２２Ｂの吸入側とを接続しているラインＬ１５の中間部に排熱熱交換器２０が設けられている。
【００４０】
以下に、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｂの作用、効果を説明する。
（冷房運転）
先ず最初に、図３にしたがって、室内の冷房を行う冷房運転について説明する。
冷房運転をする際には、図３に示すように、ラインＬ１１とラインＬ１２とが連通し、ラインＬ１４とラインＬ１５とが連通するように四方弁Ｖ４を切り替える。
電気モータ２２Ａを駆動すると、コンプレッサ２２Ｂで圧縮された冷媒が図中の矢印で示すように冷媒ラインＬ１を循環する。冷媒の熱は、凝縮器として作用する室外機２６で大気に放熱され、空調を行うべき室内の空気は室内機２４により冷却される。
【００４１】
本実施形態の電気式ヒートポンプ１４では、コンプレッサ２２Ｂに流入する冷媒が、ラインＬ１５に設けられた排熱熱交換器２０を通過する際に燃焼排ガスの温熱で加熱される。このようにすることで、コンプレッサ２２Ｂに流入する冷媒の温度が高められるので、コンプレッサ２２Ｂの負担を低減でき、電気モータ２２Ａの消費電力、即ち、冷房運転時の消費電力を低減することができる。
【００４２】
（暖房運転）
暖房運転をする際には、図４に示すように、ラインＬ１１とラインＬ１４とが連通し、ラインＬ１２とラインＬ１５とが連通するように四方弁Ｖ４を切り替える。
【００４３】
電気モータ２２Ａを駆動すると、コンプレッサ２２Ｂで圧縮された冷媒が図中の矢印で示すように冷媒ラインＬ１を循環する。
本実施形態の電気式ヒートポンプ１４では、コンプレッサ２２Ｂに流入する冷媒が、ラインＬ１５に設けられた排熱熱交換器２０を通過する際に燃焼排ガスの温熱で加熱される。このようにすることで、コンプレッサ２２Ｂに流入する冷媒の温度が高められるので、コンプレッサ２２Ｂの負担を低減でき、電気モータ２２Ａの消費電力、即ち、暖房運転時の消費電力を低減することができる。
また、起動時に温熱を与えることで、短時間で室内に温風を供給することができる。
【００４４】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係るヒートポンプシステム１０Ｃを図５、及び図６にしたがって説明する。なお、前述した実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００４５】
図５に示すように、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｃでは、排熱熱交換器２０が、ファン２６Ａと室外機２６との間に配置されている。
排ガス管Ｐ３の途中には、図５に示すように、燃焼排ガスをシステム外部（大気）へ放出する第１の状態と、図６に示すように、燃焼排ガスを室外機２６へ供給する第２の状態とに切替可能とされる切替弁ＣＶ２が設けられている。
【００４６】
（作用、効果）
以下に、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｃの作用、効果を説明する。
（冷房運転）
先ず最初に、図５にしたがって、室内の冷房を行う冷房運転について説明する。
冷房運転をする際には、図５に示すように、ラインＬ１１とラインＬ１２とが連通し、ラインＬ１４とラインＬ１５とが連通するように四方弁Ｖ４を切り替えると共に、燃料電池１２の燃焼排ガスが外部へ排気されるように切替弁ＣＶ２を第１の状態に切り替える。  
【００４７】
電気モータ２２Ａを駆動すると、コンプレッサ２２Ｂで圧縮された冷媒が図中の矢印で示すように冷媒ラインＬ１を循環する。冷媒の熱は、凝縮器として作用する室外機２６で大気に放熱され、空調を行うべき室内の空気は室内機２４により冷却される。
【００４８】
（暖房運転）
暖房運転をする際には、図６に示すように、ラインＬ１１とラインＬ１４とが連通し、ラインＬ１２とラインＬ１５とが連通するように四方弁Ｖ４を切り替えると共に、燃料電池１２の燃焼排ガスが排熱熱交換器２０へ供給されるように切替弁ＣＶ２を第２の状態に切り替える。
【００４９】
電気モータ２２Ａを駆動すると、コンプレッサ２２Ｂで圧縮された冷媒が図中の矢印で示すように冷媒ラインＬ１を循環する。冷媒の熱は、室内機２４で室内に放熱され、空調を行うべき室内の空気は室内機２４により加熱される。
【００５０】
暖房運転時においては、外気の熱を吸収するために、室外機２６を通過する冷媒は低温となっている。このため、室外機２６の周辺の空気の温度が低下する。室外機２６の温度が過度に低下すると、室外機２６に霜が付く場合も有る。
【００５１】
本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｃでは、室外機２６に、排熱熱交換器２０から放出された燃焼排ガスの熱、即ち、ファン２０Ａで送風された温風が当てられるので、室外機２６の周辺の空気の温度低下を抑制することができる。
これにより、室外機２６に霜が付くことを抑制することができる。さらに、室内機２４に供給される冷媒を、燃焼排ガスの熱で加熱するので、燃焼排ガスの熱で冷媒を加熱しない場合に比較して暖房効率を高めることができる。
【００５２】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態に係るヒートポンプシステム１０Ｄを図７及び図８にしたがって説明する。なお、前述した実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００５３】
図７に示すように、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｄでは、燃料電池１２自身、例えば燃料電池スタック１２Ａを冷却するための媒体循環ラインＬ２を備えている。媒体循環ラインＬ２は、一部分が燃料電池１２に接している。
また、媒体循環ラインＬ２には、ポンプ２８、及び排熱熱交換器２０が設けられており、ポンプ２８によって媒体循環ラインＬ２の中を媒体が循環するようになっている。
排熱熱交換器２０は、ラインＬ１４の中間部に設けられており、燃料電池１２を冷却した後の温度の高い媒体の熱を、ラインＬ１４の冷媒に付与することができるようになっている。
【００５４】
（作用、効果）
以下に、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｄの作用、効果を説明する。
（冷房運転）
先ず最初に、図７にしたがって、室内の冷房を行う冷房運転について説明する。
冷房運転をする際には、図７に示すように、ラインＬ１１とラインＬ１２とが連通し、ラインＬ１４とラインＬ１５とが連通するように四方弁Ｖ４を切り替える。
電気モータ２２Ａを駆動すると、コンプレッサ２２Ｂで圧縮された冷媒が図中の矢印で示すように冷媒ラインＬ１を循環する。冷媒の熱は、凝縮器として作用する室外機２６で大気に放熱され、室内機２４により、空調を行うべき室内の空気は冷却される。
【００５５】
本実施形態の電気式ヒートポンプ１４では、コンプレッサ２２Ｂに流入する冷媒が、ラインＬ１４に設けられた排熱熱交換器２０を通過する際に、燃料電池１２を冷却した後の温められた媒体の熱で加熱される。このようにすることで、コンプレッサ２２Ｂに流入する冷媒の温度が高められるので、コンプレッサ２２Ｂの負担を低減でき、電気モータ２２Ａの消費電力、即ち、冷房運転時の消費電力を低減することができる。
【００５６】
（暖房運転）
暖房運転をする際には、図８に示すように、ラインＬ１１とラインＬ１４とが連通し、ラインＬ１２とラインＬ１５とが連通するように四方弁Ｖ４を切り替える。
【００５７】
電気モータ２２Ａを駆動すると、コンプレッサ２２Ｂで圧縮された冷媒が図中の矢印で示すように冷媒ラインＬ１を循環する。
コンプレッサ２２Ｂで圧縮されて高温となった冷媒は、ラインＬ１４に設けられた排熱熱交換器２０を通過する際に、燃料電池１２を冷却した後の温められた媒体の熱で更に加熱されて室内機２４に供給される。即ち、媒体の温熱で加熱されない場合に比較して高温の冷媒を室内機２４に供給することができるので、暖房運転時の暖房効率を高めることができる。
【００５８】
［第５の実施形態］  
次に、本発明の第５の実施形態に係るヒートポンプシステム１０Ｅを図９にしたがって説明する。なお、前述した実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００５９】
図９には、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｅで用いる燃料電池１２−２の構成が記載されているが、電気式ヒートポンプ１４の記載は省略されている。
図９に示すように、本実施形態の燃料電池１２−２は、主要な構成として、第１熱交換器５０、第２熱交換器５２、第３熱交換器５４、第４熱交換器５６、混合器５８、改質器６０、燃焼部６２、燃料再生部６４、第１燃料電池セルスタック６６、及び第２燃料電池セルスタック６８を備えた発電効率に優れた多段式の燃料電池である。
【００６０】
第１燃料電池セルスタック６６は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。
第１燃料電池セルスタック６６の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層された燃料極６６Ａ、及び空気極６６Ｂと、を有している。
【００６１】
なお、第２燃料電池セルスタック６８についての基本構成は、第１燃料電池セルスタック６６と同様であり、燃料極６６Ａに対応する燃料極６８Ａ、及び空気極６６Ｂに対応する空気極６８Ｂを有している。
【００６２】
第１熱交換器５０は原料ガス管Ｐ８の中間部に設けられており、原料ガス管Ｐ８の一端は図示しないガス源に接続されており、他端は混合器５８に接続されている。
第２熱交換器５２は水供給管Ｐ９の中間部に設けられており、水供給管Ｐ９の一端は、図示しない水源に接続されており、他端は混合器５８に接続されている。
【００６３】
原料ガス（一例としてメタン）は第１熱交換器５０で加熱されて混合器５８へ送出され、水は第２熱交換器５２で加熱されて水蒸気となって混合器５８へ送出される。混合器５８では、燃料ガスと水蒸気とが混合される。原料ガスとしては、炭化水素系燃料や、水素などが挙げられる。
【００６４】
混合器５８は、燃料ガス管Ｐ１０を介して第１燃料電池セルスタック６６の燃料極６６Ａに接続されている。燃料ガス管Ｐ１０の途中には、改質器６０が設けられている。
この改質器６０は、後述する燃焼排ガス管Ｐ１７の中間部に設けられている。改質器６０は、燃料ガスであるメタンを改質し、水素を含む燃料ガスを生成する。改質器６０で生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ１０を介して第１燃料電池セルスタック６６の燃料極６６Ａに供給される。
【００６５】
第１燃料電池セルスタック６６の空気極６６Ｂには、空気供給管Ｐ１１の一端が接続されている。空気供給管Ｐ１１の他端には、図示しないブロアが接続されている。空気供給管Ｐ１１の中間部には、空気予熱部としての第３熱交換器５４が設けられている。ブロアから送出された空気は、空気供給管Ｐ１１によって、第３熱交換器５４を経由し、空気極６６Ｂへ供給される。第３熱交換器５４では、後述する燃焼部６２からの燃焼排ガスにより空気が加熱される。
【００６６】
空気極６６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質膜を通って燃料極６６Ａに到達する。
【００６７】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２−  …（１）
【００６８】
空気極６６Ｂからは、空気極オフガスが排出される。空気極６６Ｂには、空気極６６Ｂから排出される空気極オフガスを第２燃料電池セルスタック６８の空気極６８Ｂへ案内する空気極オフガス管Ｐ１２が接続されている。
【００６９】
一方、燃料極６６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質膜を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。燃料極６６Ａで生成された電子が燃料極６６Ａから外部回路を通って空気極６６Ｂに移動することで、各燃料電池セルスタックにおいて発電される。また、各燃料電池セルスタックは、発電時に発熱する。
【００７０】
（燃料極反応）
Ｈ２＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ−  …(３)
【００７１】
燃料極６６Ａには、燃料極オフガス管Ｐ１３の一端が接続されている。燃料極６６Ａから燃料極オフガス管Ｐ１３へ、燃料極オフガスが排出される。燃料極オフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
【００７２】
燃料極オフガス管Ｐ１３は、第４熱交換器５６、及び排熱熱交換器２０を経て燃料再生部６４と接続されている。
燃料再生部６４の出口側には、再生燃料ガス管Ｐ１４の一端が接続されている。再生燃料ガス管Ｐ１４の他端は、第２燃料電池セルスタック６８の燃料極６８Ａと接続されている。なお、再生燃料ガス管Ｐ１４の中間部には、第４熱交換器５６が設けられている。
【００７３】
燃料再生部６４では、燃料極オフガスから、熱交換による冷却により凝縮された水が除去される。水が除去された後の燃料極オフガスが、再生燃料ガスとして再生燃料ガス管Ｐ１４へ送出される。
【００７４】
再生燃料ガスは、再生燃料ガス管Ｐ１４を通り、第４熱交換器５６で燃料極６６Ａから排出された燃料極オフガスと熱交換を行い、燃料極オフガスの熱で加熱され、第２燃料電池セルスタック６８の燃料極６８Ａへ送出されて第２燃料電池セルスタック６８の発電に供される。
第２燃料電池セルスタック６８の燃料極６８Ａからは、燃料極オフガスが燃料極オフガス管Ｐ１５を通って燃焼部６２へ送出される。
【００７５】
第２燃料電池セルスタック６８の空気極６８Ｂの出口側には、空気極オフガス管Ｐ１６の一端が接続されている。空気極オフガス管Ｐ１６の他端は、燃焼部６２と接続されており、空気極６８Ｂから排出された空気極オフガスは燃焼部６２へ送出される。
【００７６】
燃焼部６２では、第２燃料電池セルスタック６８の燃料極６８Ａから排出された未反応成分を有する燃料極オフガスが燃焼される。
【００７７】
燃焼部６２の出口側には、燃焼排ガス管Ｐ１７の一端が接続されており、燃焼部６２から、燃焼排ガス管Ｐ１７へ燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガスは、改質器６０、第３熱交換器５４、第２熱交換器５２、及び第１熱交換器５０を順に通過した後、外部（ヒートポンプシステム１０Ｅの系外）に排出される。
なお、第１熱交換器５０の下流側の燃焼排ガス管Ｐ１７に、排熱熱交換器２０を設けることもできる。
【００７８】
本実施形態の電気式ヒートポンプ１４は、第１燃料電池セルスタック６６、及び第２燃料電池セルスタック６８で発電された電力によって駆動される。
【００７９】
（作用、効果）
本実施形態の燃料電池１２−２は、前述した第１の実施形態〜第４の実施形態の燃料電池１２と置き換えて使用できるものである。
【００８０】
以下に、例えば、第１の実施形態の燃料電池１２を、本実施形態の燃料電池１２−２に置き換えた場合を説明する。
図１に示す排熱熱交換器２０は、図９に示すように、第４熱交換器５６と燃料再生部６４との間の燃料極オフガス管Ｐ１３に設けることができ、また、第１熱交換器５０の下流側の燃焼排ガス管Ｐ１７に設けることができる。
これにより、燃焼部６２から排出される燃焼排ガスの熱、又は第１燃料電池セルスタック６６の燃料極６６Ａから排出される燃料極オフガスの熱でラインＬ１４の冷媒を加熱することもできる。
なお、図９に示す一方の排熱熱交換器２０、及び他方の排熱熱交換器２０をラインＬ１４に直列に設けて、燃焼排ガスの熱と燃料極オフガスの熱とでラインＬ１４の冷媒を加熱することもできる。
さらに、燃料極オフガスを冷却することで燃料極オフガス中の水蒸気を凝縮させ、燃料極オフガス中の燃料濃度を上昇させることで、燃料電池１２−２の発電効率が向上する効果も同時に得られる。
【００８１】
本実施形態の燃料電池１２−２は、第１燃料電池セルスタック６６と第２燃料電池セルスタック６８とを直列に接続した多段式の燃料電池であるため、多段式でない燃料電池に比較して、効率的に発電を行うことができる。これにより、１次エネルギー消費量を更に減少させることができる。
【００８２】
本実施形態では、第２燃料電池セルスタック６８の空気極６８Ｂに、第１燃料電池セルスタック６６の空気極６６Ｂから排出された空気極オフガスを導入される構成であったが、第３熱交換器５４の下流側で空気供給管Ｐ１１を分岐して、空気供給管Ｐ１１に供給される空気を第２燃料電池セルスタック６８の空気極６８Ｂに導入するようにしてもよい。
【００８３】
［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態に係るヒートポンプシステム１０Ｆを図１０にしたがって説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。本実施形態は、請求項７に対応する実施形態である。
【００８４】
本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｆに用いた燃料電池１２−３は、燃料極オフガスを循環して再利用する循環式燃料電池である。
【００８５】
図１０に示すように、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｆでは、第１燃料電池セルスタック６６の燃料極６６Ａから排出された燃料極オフガスの一部が、排熱熱交換器２０を介して燃料再生部６４へ送出されると共に、燃料再生部６４から排出された再生燃料ガスが、再生燃料ガス管Ｐ１４を介して、第１燃料電池セルスタック６６の燃料極６６Ａへ送出されるように構成されている。
なお、再生燃料ガスが戻る位置は、第１燃料電池セルスタック６６よりも上流側であればどこでも良い。
【００８６】
さらに、燃料極６６Ａから排出された燃料極オフガスの他の一部は、熱交換器７４の上流側の燃料極オフガス管Ｐ１３の途中から分岐した燃料極分岐オフガス管Ｐ１９を通って燃焼部６２へ送出さるように構成されている。
本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｆは、第５の実施形態とは燃料電池の構成が異なるだけであり、その他の作用、効果は前述した実施形態と同様である。
【００８７】
［その他の実施形態］
以上、本発明の一例について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
【００８８】
上記実施形態では、分散型発電機として燃料電池を用いたが、本発明はこれに限らず、分散型発電機は、ガスエンジン発電機等、発電時に熱を生じる発電機であれば燃料電池以外の発電機であってもよい。
【００８９】
上記実施形態では、電気式ヒートポンプ１４で生成した温熱を冷暖房に用いたが、電気式ヒートポンプ１４で生成した温熱、及び冷熱は、冷凍機、乾燥機等、冷暖房以外の他の用途に用いることもできる。
【００９０】
上記実施形態では、直流電力で駆動される圧縮機２２を用いた電気式ヒートポンプ１４について記載したが、本発明はこれに限らず、交流電力で駆動される圧縮機２２を用い、燃料電池１２で発電された直流電力を交流電力に変換して交流電力で駆動される圧縮機２２を駆動してもよい。
【００９１】
また、電気式ヒートポンプ１４のラインＬ１４に流れる冷媒を、燃料電池１２自身の熱、燃料極オフガスの熱、及び燃焼排ガスの熱を用いて加熱してもよい。
【符号の説明】
【００９２】
１０Ａ〜Ｅ  ヒートポンプシステム
１２    燃料電池（分散型発電機）
１２−２  燃料電池（分散型発電機）
１４    電気式ヒートポンプ
Ｌ１    第１の冷媒ライン（循環経路）
２２    圧縮機
２４    室内機（蒸発機、凝縮機）
２６    室外機（凝縮機、蒸発機）
２０    排熱熱交換器（温熱付与装置）
ＣＶ１  膨張弁
６２    燃焼部
６４    燃料再生部
６６    第１燃料電池セルスタック（燃料電池セルスタック）
６６Ａ  第１燃料極
６６Ｂ  第１空気極
６８    第２燃料電池セルスタック（燃料電池セルスタック）
６８Ａ  第２燃料極
６８Ｂ  第２空気極
Ｐ１２  空気極オフガス管（第１空気極オフガス管）
Ｐ１４  配管（供給部）
Ｐ１３  燃料極オフガス管（第１燃料極オフガス管）
Ｐ１５  燃料極オフガス管（第２燃料極オフガス管）
Ｐ１６  空気極オフガス管（第２空気極オフガス管）
【図１】
2020143795.tif 000003
【図２】
2020143795.tif 000004
【図３】
2020143795.tif 000005
【図４】
2020143795.tif 000006
【図５】
2020143795.tif 000007
【図６】
2020143795.tif 000008
【図７】
2020143795.tif 000009
【図８】
2020143795.tif 000010
【図９】
2020143795.tif 000011
【図１０】
2020143795.tif 000012