(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、室外熱交換器、室外膨張弁及び冷暖房切換用四方弁を有する室外ユニットと、室内ファン、室内熱交換器及び室内膨張弁を有する室内ユニットと、前記室外及び室内両ユニットの所要電力の少なくとも一部を供給するための燃料電池を有する燃料電池システムとを備えた燃料電池駆動式空気調和装置において、
前記燃料電池システムには、前記燃料電池へ空気を供給するための空気圧縮機を設け、該空気圧縮機の吸込み側を前記室外ユニットに接続し、前記室外熱交換器を前記空気圧縮機の吸込み空気流路中に配して熱交換を行わせるようにしたことを特徴とする燃料電池駆動式空気調和装置。
【請求項２】
前記吸込み空気流路は、前記室外熱交換器から前記空気圧縮機の吸込み側にかけて配設された空気流路ダクトにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池駆動式空気調和装置。
【請求項３】
圧縮機、室外熱交換器、室外膨張弁及び冷暖房切換用四方弁を有する室外ユニットと、室内ファン、室内熱交換器及び室内膨張弁を有する室内ユニットと、前記室外及び室内両ユニットの所要電力の少なくとも一部を供給するための燃料電池を有する燃料電池システムとを備えた燃料電池駆動式空気調和装置において、
暖房運転時に前記燃料電池システムの排ガスを、前記室外ユニットに導き、該排ガスの熱を利用して、前記空気調和装置の冷媒を加熱する熱交換器を、前記室外熱交換器と並列に、かつ前記室外熱交換器の上流側に設けると共に、前記燃料電池システムには、前記燃料電池へ空気を供給するための空気圧縮機を設け、該空気圧縮機の吸込み側を前記室外ユニットに接続し、前記熱交換器及び室外熱交換器を前記空気圧縮機の吸込み空気流路中に配して熱交換を行わせるようにしたことを特徴とする燃料電池駆動式空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を使用して駆動する冷凍サイクルを利用した燃料電池駆動式空気調和装置に関し、燃料電池本体の排ガスまたは燃料電池システムの空気圧縮機の吸込み空気を利用する燃料電池駆動式空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電力需要の増大に対処するためや二酸化炭素排出量削減等のために、発電効率が高く環境負荷の小さい燃料電池が電力供給源として、各種プラントやビル用電源等に利用される趨勢にある。
【０００３】
燃料電池は、都市ガスなどの燃料から水素を取り出し、取り出された水素と空気中の酸素との間で電気化学反応を起こさせて電力を取り出すものであるが、同時に燃料電池システム全体として排熱及び水蒸気や二酸化炭素の排ガス等の発生を伴うものである。
【０００４】
燃料電池システムを空気調和装置に適用した燃料電池駆動式空気調和装置において、燃料電池システムから発生する排ガスや排熱を利用する例としては、特開平１０−３１１５６４号公報に開示されたものがある。この例では、燃料電池のカソードから排出される排ガス中の熱を利用するため、空気調和装置の室内側に設置された全熱交換器に排ガスを送り、室内に入る外気との熱交換を行なっている。
【０００５】
一方燃料電池本体の排熱及び改質器の排熱の利用については、冷媒または水が循環する燃料電池側熱交換器または改質器側熱交換器を新たに設けて熱交換し、その熱は冷媒または水によって室内熱交換器に送られ利用されるというものであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術の排ガス利用方法では、空気調和装置の室内機内に新たに熱交換器が必要で配管も増設しなければならない。また、排熱についても冷凍サイクルを用いた空気調和装置の蒸発器側の熱源として利用し空気調和装置の効率向上に利用されてはいるが、燃料電池システムに排熱との熱交換器を増設して排熱を利用するため、燃料電池システムの改造が必要であった。さらに、外気を空気圧縮機で吸い込んで燃料電池本体に供給しているが、この外気については冷凍サイクルを用いた空気調和装置の効率向上に利用されていなかった。
【０００７】
本発明は以上の問題点に鑑みてなされたもので、第１の目的は燃料電池システムの排ガスを燃料電池システム側に熱交換器を設けることなく冷凍サイクルを用いた空気調和装置の蒸発熱源に利用して、暖房運転時の空気調和装置の効率の向上を図るとともに、高温の排ガスで室外熱交換器を暖め、除霜回数を低減できて室内の快適性が増す燃料電池駆動式空気調和装置を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の第２の目的は、燃料電池システムに空気を供給するために空気供給手段、例えば空気圧縮機を使用するが、この吸込み空気を利用し、冷凍サイクルを利用して効率の向上を図る燃料電池駆動式空気調和装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明による燃料電池駆動式空気調和装置は、特許請求の範囲の各請求項に記載されたところを特徴とするものであるが、特に独立項としての請求項１に係る発明による燃料電池駆動式空気調和装置は、圧縮機、室外熱交換器、室外膨張弁及び冷暖房切換用四方弁を有する室外ユニットと、室内ファン、室内熱交換器及び室内膨張弁を有する室内ユニットと、前記室外及び室内両ユニットの所要電力の少なくとも一部を供給するための燃料電池を有する燃料電池システムとを備えた燃料電池駆動式空気調和装置において、前記燃料電池システムには、前記燃料電池へ空気を供給するための空気圧縮機を設け、該空気圧縮機の吸込み側を前記室外ユニットに接続し、前記室外熱交換器を前記空気圧縮機の吸込み空気流路中に配して熱交換を行わせるようにしたことを特徴とするものである。また、他の独立項としての請求項３に係る発明による燃料電池駆動式空気調和装置は、圧縮機、室外熱交換器、室外膨張弁及び冷暖房切換用四方弁を有する室外ユニットと、室内ファン、室内熱交換器及び室内膨張弁を有する室内ユニットと、前記室外及び室内両ユニットの所要電力の少なくとも一部を供給するための燃料電池を有する燃料電池システムとを備えた燃料電池駆動式空気調和装置において、暖房運転時に前記燃料電池システムの排ガスを、前記室外ユニットに導き、該排ガスの熱を利用して、前記空気調和装置の冷媒を加熱する熱交換器を、前記室外熱交換器と並列に、かつ前記室外熱交換器の上流側に設けると共に、前記燃料電池システムには、前記燃料電池へ空気を供給するための空気圧縮機を設け、該空気圧縮機の吸込み側を前記室外ユニットに接続し、前記熱交換器及び室外熱交換器を前記空気圧縮機の吸込み空気流路中に配して熱交換を行わせるようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１ないし図４を示して詳細に説明する。
【００１１】
図１は、第１の実施例に係る燃料電池システム１０、空気調和装置の室外ユニット３０及び室内ユニット４０からなる空調システム全体の構成を概略的に示すフローシートである。
【００１２】
まず、図１に示す燃料電池システム１０について説明する。燃料電池１は、燃料である水素を送り込むアノード２と酸素を送り込むカソード３からなる。アノード２とカソード３のそれぞれの電極間で電気化学反応が起きることにより電気が発生し、電線４を伝って空気調和装置の室外ユニット３０の圧縮機３１、室外ファン３８及び空気調和装置の室内ユニット４０の室内ファン３４等の機器のほかに、燃料電池システム１０の立ち上げ後には該システム１０に内設されるブロア１５及び空気圧縮機２０等の機器を含む系全体の所要電力を供給する。
【００１３】
燃料電池１に水素を供給するために炭化水素系の燃料ガス１１を使用する場合、該燃料ガス１１は、ガス精製装置１２で脱硫が行なわれ、改質器１３で水及び酸素と反応し、水素と二酸化炭素を発生させる。水素はアノード２に送られ、水もしくは水蒸気となり気水分離器１４に入り、反応しなかった水素や水をブロア１５を使用して改質器１３に再送する。改質器１３から排出された二酸化炭素は排ガスとして利用する。
【００１４】
また、改質器１３及びカソード３に、空気圧縮機２０によって得られた圧縮空気を送る。カソード３に送られた空気は、そのうちの酸素が電気化学反応に使われ、残りのガスが排出される。この排ガスと改質器の排ガスとは３方弁２１に送られ、空気調和装置が冷房運転の時には外気に排気され、暖房運転の時には配管２２を介して、空気調和装置の室外ユニット３０内の排ガス熱交換系５０に送られる。
【００１５】
排ガス熱交換系５０に送られた排ガスは、熱交換器２３で室外熱交換器３７の冷媒に熱を伝えた後、外気に排気される。
【００１６】
次に、空気調和装置側冷媒の流れについて説明する。暖房運転の場合、圧縮機で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器３３に送られ、室内ファン３４が起こした空気の流れにより室内の空気と熱交換し、室内を暖めると同時に自らは凝縮、液化する。この液冷媒は、室外膨張弁３６で絞られ断熱膨張し、低圧冷媒となり、排ガス熱交換系５０の室外熱交換器３７に送られる。排ガス熱交換系５０では、室外ファン３８により室外空気が吸込まれ、高温の排ガスが管内を流れる冷媒加熱手段としての熱交換器２３と熱交換して空気温度を上昇させ、その空気が室外熱交換器３７を流れる低温冷媒と熱交換して、冷媒は蒸発する。蒸発した冷媒は、四方弁３２を通り圧縮機３１に送られ、再び循環する。
【００１７】
冷房運転の場合、四方弁３２が切り替わり、冷媒の流れが暖房運転の場合と逆になる。圧縮機３１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、室外熱交換器３７に送られ、室外ファン３８が起こした空気の流れにより室外空気と直接熱交換し冷やされて凝縮、液化する。この液冷媒は、室内膨張弁３５で絞られ断熱膨張し、室内熱交換器３３で蒸発し、低温の液を含んだガスとなる。冷媒は、室内ファン３４で室内空気と熱交換し、室内を冷やすと同時に自らは蒸発、ガス化する。この冷媒が、圧縮機３１に送られ再び循環する。なお、冷房運転時には、燃料電池システム１０の排ガスは用いられない。
【００１８】
一方、電線４により燃料電池１から供給される電力は、空気調和装置の室外ユニット３０内の電気箱３９に送られる。電気箱３９で、圧縮機３１、室内ファン３４、室外ファン３８等の機器への配電が制御される。これらの機器は、直流電流もしくは交流電流で動作する。交流電流で動作する機器に対しては、ＤＣ／ＡＣ変換、もしくはインバータ変換して配電が行なわれる。
【００１９】
図２は、第２の実施例に係る燃料電池システム１０、空気調和装置の室外ユニット３０及び室内ユニット４０からなる空調システム全体の構成を概略的に示すフローシートである。図２に示す空気調和装置及び燃料電池システム１０の構成は、図１のものとほぼ同じである。しかし、高温の排ガスを流す熱交換器２３が、空気調和装置の室外熱交換器３７よりも暖房運転時の冷媒の流れで上流側に位置する液管と熱交換するように配置されている点が相違している。この第２の排ガス熱交換系５１には、燃料電池１からの排ガスと空気調和装置内の冷媒とが、それぞれ別の流路を持ち、お互いの流路外壁が接触している熱交換器、例えばプレート状の熱交換器を使用してもよい。また、それぞれの流路を配管とし、配管同士を接触させるか、あるいは流路を２重管構造にし冷媒配管の外に排ガスを流す配管を設けるかして、互いに熱交換するようにしてもよい。
【００２０】
空気調和装置の冷媒の流れは、冷房運転の場合は図１のものと同じである。暖房運転の場合、圧縮機３１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器３３に送られ室内ファン３４が起こした空気の流れにより室内の空気と熱交換し室内を暖めると同時に自ら凝縮、液化する。この液冷媒は、第２の排ガス熱交換系５１内にある室外膨張弁３６で絞られ断熱膨張し、低圧冷媒となり、燃料電池１からの排ガスの熱を伝熱する冷媒加熱手段である熱交換器２３を介して熱交換し、蒸発が促進する。さらに、冷媒は、室外熱交換器３７に送られ室外ファン３８により室外空気が吸込まれ、この空気と熱交換する。その後、ガス化した冷媒は四方弁３２を通り圧縮機３１に送られ、再び循環する。
【００２１】
本実施例によれば、第２の排ガス熱交換系５１を、空気調和装置の冷凍サイクルに後から付設するだけで燃料電池システム１０の排ガスを利用できるので、既設の空気調和装置へも容易に適用できる。
【００２２】
図３は、第３の実施例に係る燃料電池システム１０、空気調和装置の室外ユニット３０及び室内ユニット４０からなる空調システム全体の構成を概略的に示すフローシートである。図３に示す空気調和装置及び燃料電池システム１０の構成は、図１のものとほぼ同じであるが、異なる点は３方弁２１、配管２２及び熱交換器２３が設けられておらず、排ガスは燃料電池システム１０から直接排気されるところである。
【００２３】
また、空気圧縮機２０の吸込み空気流路を形成する空気流路ダクト６０が、室外熱交換器３７から燃料電池システム１０の空気圧縮機２０にかけて配設されている。ここで、空気圧縮機２０が空気を吸込むことにより、室外熱交換器３７の周囲の空気に流れを起こし、室外熱交換器３７内を流れる冷媒と周囲の空気との間での熱伝達が促進される。
【００２４】
なお、この時室外ファン３８を併用してもよい。また、燃料電池システム１０と空気調和装置の室外ユニット３０を近接させれば、空気流路ダクト６０を特に設けなくとも上記と同様の効果が期待される。
【００２５】
図４は、第４の実施例に係る燃料電池システム１０、空気調和装置の室外ユニット３０及び室内ユニット４０からなる空調システム全体の構成を概略的に示すフローシートである。図４に示す空気調和装置及び燃料電池システム１０の構成は、図１及び図３を合成したものとほぼ同じであり、図１に図示された排ガス熱交換系５０と、図３に図示された空気流路ダクト６０とを組み合わせた形となっている。
【００２６】
暖房運転の場合、室外熱交換器３７を通る低温のガス冷媒は、燃料電池システム１０の高温の排ガスが通る熱交換器２３の周囲の空気を燃料電池システム１０の空気圧縮機２０が吸入して起こした空気の流れによりこの空気と熱交換する。
【００２７】
冷房運転の場合、室外熱交換器３７を通る高温高圧のガス冷媒は、燃料電池の空気圧縮機２０が吸入して起こした空気の流れにより周囲の空気と熱交換し凝縮、液化する。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池システムの排ガスを利用することにより、冷凍サイクルの効率が上がり、除霜回数を減らすことができ快適性が向上する。また、燃料電池の空気圧縮機の吸込み空気を利用することにより、室外ファンに使用していた電力の低減ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムの排ガスを、暖房運転時に空気調和装置の室外熱交換器に伝熱するためのシステムを示したフローシートである。
【図２】燃料電池システムの排ガスを、暖房運転時に空気調和装置の室外熱交換器上流側液配管と熱交換させるためのシステムを示したフローシートである。
【図３】燃料電池システムの空気圧縮機の吸入空気を利用して、空気調和装置の室外熱交換器の熱伝達を促進するシステムを示したフローシートである。
【図４】図１の排ガス利用及び図３の熱伝達促進のシステムを一体化したフローシートである。
【符号の説明】
１…燃料電池
２…アノード
３…カソード
４…電線
１０…燃料電池システム
１１…燃料ガス
１２…ガス精製装置
１３…改質器
１４…気水分離器
１５…ブロア
２０…空気圧縮機
２１…三方弁
２２…配管
２３…熱交換器
３０…室外ユニット
３１…圧縮機
３２…四方弁
３３…室内熱交換器
３４…室内ファン
３５…室内膨張弁
３６…室外膨張弁
３７…室外熱交換器
３８…室外ファン
３９…電気箱
４０…室内ユニット
５０…排ガス熱交換系
５１…第２の排ガス熱交換系
６０…空気流路ダクト
【図１】
0003665853.tif 000002
【図２】
0003665853.tif 000003
【図３】
0003665853.tif 000004
【図４】
0003665853.tif 000005