(57)【要約】【課題】燃料電池装置の排熱にて被加熱流体を加熱し、その加熱された被加熱流体を熱利用箇所に供給自在に構成され、水自立を成立させることができ、エネルギー効率の向上を図りながら、熱需要に合わせた熱供給を行うこと。【解決手段】圧縮式ヒートポンプ装置３と、冷媒の放熱対象流体として凝縮器９に被加熱流体Ｃを循環供給自在であり、且つ、凝縮器９と被加熱流体加熱器４との両者に被加熱流体Ｃを分配して又は一方のみに循環供給自在な被加熱流体回路６とを備え、蒸発器１１は、外気を吸熱対象流体とする外気用蒸発器１１ａと排ガスＢを吸熱対象流体とする排ガス冷却器５とから構成され、冷媒回路２は、外気用蒸発器１１ａと排ガス冷却器５との両者に冷媒を分配して又は一方のみに循環供給自在に構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒から放熱させる凝縮器、冷媒を膨張させる膨張部、冷媒に吸熱させる蒸発器の順に冷媒を循環する冷媒回路を備えた圧縮式ヒートポンプ装置と、
燃料電池装置の排ガスにて被加熱流体を加熱する被加熱流体加熱器と、
その被加熱流体加熱器から排出される排ガスを冷却させる排ガス冷却器と、
その排ガス冷却器にて発生される凝縮水を回収して改質水として前記燃料電池装置に供給する改質水回収供給手段と、
冷媒の放熱対象流体として前記凝縮器に被加熱流体を循環供給自在であり、且つ、前記凝縮器と前記被加熱流体加熱器との両者に被加熱流体を分配して又は一方のみに循環供給自在な被加熱流体回路とを備え、
前記蒸発器は、外気を吸熱対象流体とする外気用蒸発器と排ガスを吸熱対象流体とする前記排ガス冷却器とから構成され、
前記冷媒回路は、前記外気用蒸発器と前記排ガス冷却器との両者に冷媒を分配して又は一方のみに循環供給自在に構成されている燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記燃料電池装置は、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、その改質器で生成された燃料ガスと酸素含有ガスとが供給されてそれらを発電反応させて発電する燃料電池部と、その燃料電池部の排ガスが供給されてその排ガスを通流させる排ガス通流部とを備え、
前記排ガス通流部の内部には、排ガスの通流方向の上流側から順に、前記被加熱流体加熱器、前記排ガス冷却器が備えられ、前記改質水回収供給手段は、前記排ガス冷却器にて発生される凝縮水を貯留自在な前記排ガス通流部と、その排ガス通流部に貯留されている凝縮水を前記改質器に供給する凝縮水供給手段とから構成されている請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項３】
前記被加熱流体回路は、前記被加熱流体加熱器及び前記凝縮器への被加熱流体の供給量を調整自在な被加熱流体供給量調整手段を備え、前記冷媒回路は、前記外気用蒸発器及び前記排ガス冷却器への冷媒の供給量を調整自在な冷媒供給量調整手段を備えている請求項１又は２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項４】
前記圧縮式ヒートポンプ装置を運転させない場合には、前記被加熱流体供給量調整手段が、前記凝縮器への被加熱流体の供給量をゼロとし、且つ、前記排ガス冷却器にて発生する凝縮水の発生量が設定量に達するための第１条件を満たすように、前記被加熱流体加熱器への被加熱流体の供給量を調整する第１供給量調整運転を実行可能であり、
前記圧縮式ヒートポンプ装置を運転させる場合には、前記冷媒供給量調整手段が、前記圧縮機に戻る冷媒の過熱度が設定過熱度になるように、前記外気用蒸発器及び前記排ガス冷却器の両者への冷媒の供給量を調整する冷媒供給量調整運転を実行可能であり、且つ、前記被加熱流体供給量調整手段が、前記凝縮器から排出される被加熱流体の温度を第１設定温度とし、且つ、前記排ガス冷却器にて発生する凝縮水の発生量が設定量に達するとともに、前記凝縮器から排出される被加熱流体と前記被加熱流体加熱器から排出される被加熱流体の合流温度を第１設定温度とするように、前記被加熱流体加熱器及び前記凝縮器の両者への被加熱流体の供給量を調整する第２供給量調整運転を実行可能である請求項３に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項５】
前記圧縮式ヒートポンプ装置を運転させる場合には、前記冷媒供給量調整手段が、前記冷媒供給量調整運転において、前記排ガス冷却器への冷媒の供給量を増加させ且つ前記外気用蒸発器への冷媒の供給量を減少させるように、前記外気用蒸発器及び前記排ガス冷却器の両者への冷媒の供給量を調整自在に構成されている請求項４に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項６】
回転駆動する通気性吸湿体からなるデシカントロータを有し、そのデシカントロータの吸湿部又は再生部に気体を通流させて空調用空気として空調対象空間に供給するデシカント装置を備え、前記被加熱流体回路は、前記被加熱流体加熱器及び前記凝縮器から排出される被加熱流体を前記デシカント装置における前記デシカントロータの再生に用いるように構成されている請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項７】
前記デシカント装置は、気体に水を噴霧して冷却可能な飽和器と、その飽和器を通過した気体にて前記デシカントロータの前記吸湿部を通過した気体を冷却させる冷却器と、その冷却器を通過した気体を前記被加熱流体回路における被加熱流体が有する熱にて加熱する加熱器と、気体の通流状態を切換自在な通流状態切換手段とを備え、前記通流状態切換手段は、前記デシカントロータの前記吸湿部、前記冷却器の順に第１気体を通過させて空調用空気として空調対象空間に供給し、且つ、前記飽和器、前記冷却器、前記加熱器、前記デシカントロータの前記再生部の順に第２気体を通過させる第１切換状態と、前記飽和器、前記冷却器、前記加熱器、前記デシカントロータの前記再生部の順に第１気体を通過させて空調用空気として空調対象空間に供給し、且つ、前記デシカントロータの前記吸湿部、前記冷却器の順に第２気体を通過させる第２切換状態とに切換自在に構成されている請求項６に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置の排熱にて被加熱流体を加熱し、その加熱された被加熱流体を熱利用箇所に供給自在に構成されている燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような燃料電池コージェネレーションシステムでは、例えば、被加熱流体を貯留する貯湯タンクと、その貯湯タンクから被加熱流体を取り出して燃料電池装置に供給して加熱し、その加熱された被加熱流体を貯湯タンクに戻す被加熱流体循環手段とを備え、その貯湯タンクに貯留されている被加熱流体を給湯箇所等に供給するようにしている。
【０００３】
このようなシステムとして、従来、被加熱流体を加熱するための熱源として、燃料電池装置の排熱を利用するだけでなく、圧縮式ヒートポンプ装置を備え、そのヒートポンプ装置の凝縮器にて被加熱流体を加熱するものがある（例えば、特許文献１参照。）。
この特許文献１に記載のシステムでは、燃料電池装置の排ガスをヒートポンプ装置の蒸発器に供給することで、外気だけでなく、排ガスが有する熱をもヒートポンプ装置の熱源としている。貯湯タンクには、燃料電池装置の排熱にて予熱された被加熱流体を貯留しており、高温の被加熱流体を貯湯タンクに貯湯する場合に、圧縮式ヒートポンプ装置を運転させて、燃料電池装置の排ガスや外気を熱源として、高温の被加熱流体を貯湯している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３３７５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなシステムでは、例えば、天然ガス等の炭化水素を燃料電池の原燃料として用いる場合、原燃料に水蒸気を混合させて、ＣＯとＨ2に改質させてから燃料電池にて反応させている。この改質反応に必要な水を改質水と呼んでおり、改質水は、水道水等から供給すると不純物が多く含まれているため、燃料電池装置の排ガスを冷却して得られる凝縮水を用いるのが主となっている。凝縮水で改質水の必要量を賄うことができれば、水道水から不純物を除去する水浄化装置が不要となる、或いは、水浄化装置を備えるにしても能力的に小型のものを備えるだけでよく、装置構成の簡略化が図ることができる。そこで、凝縮水で改質水の必要量を賄う、いわゆる「水自立」を成立させることが求められている。
【０００６】
水自立を成立させるためには、燃料電池装置の排ガスを水自立用設定温度（例えば、４０℃）程度まで冷却させる必要がある。これにより、排ガスと被加熱流体とを熱交換させて排ガスが有する熱を被加熱流体にて回収する場合には、水自立を成立させるために、被加熱流体の温度を水自立用設定温度（例えば、４０℃）以下にしておくことが求められる。しかしながら、放熱器等により被加熱流体の温度を水自立用設定温度（例えば、４０℃）以下まで冷却させると、せっかく回収した燃料電池装置の排熱を放熱することになり、エネルギー効率の低下を招くことになる。
【０００７】
また、特許文献１に記載のシステムでは、貯湯タンクに貯湯されている高温の被加熱流体を供給することで、熱需要に応えるようにしている。しかしながら、貯湯タンクに高温の被加熱流体を貯湯するためには、圧縮式ヒートポンプ装置を運転させる必要がある。よって、ヒートポンプ装置を運転させるための駆動エネルギー（電力）が必要となるので、例えば、貯湯タンクに貯湯できる高温の被加熱流体が少量の場合等には、かえってエネルギー効率が低下してしまうことがある。
【０００８】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、水自立を成立させることができ、エネルギー効率の向上を図りながら、熱需要に合わせた熱供給を行うことができる燃料電池コージェネレーションシステムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの特徴構成は、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒から放熱させる凝縮器、冷媒を膨張させる膨張部、冷媒に吸熱させる蒸発器の順に冷媒を循環する冷媒回路を備えた圧縮式ヒートポンプ装置と、燃料電池装置の排ガスにて被加熱流体を加熱する被加熱流体加熱器と、その被加熱流体加熱器から排出される排ガスを冷却させる排ガス冷却器と、その排ガス冷却器にて発生される凝縮水を回収して改質水として前記燃料電池装置に供給する改質水回収供給手段と、冷媒の放熱対象流体として前記凝縮器に被加熱流体を循環供給自在であり、且つ、前記凝縮器と前記被加熱流体加熱器との両者に被加熱流体を分配して又は一方のみに循環供給自在な被加熱流体回路とを備え、前記蒸発器は、外気を吸熱対象流体とする外気用蒸発器と排ガスを吸熱対象流体とする前記排ガス冷却器とから構成され、前記冷媒回路は、前記外気用蒸発器と前記排ガス冷却器との両者に冷媒を分配して又は一方のみに循環供給自在に構成されている点にある。
【００１０】
本特徴構成によれば、燃料電池装置の排ガスは、被加熱流体加熱器だけでなく、排ガス冷却器においても冷却することができる。これにより、被加熱流体加熱器に供給する被加熱流体の温度が比較的高温であっても、排ガス冷却器によって排ガスを冷却することで、凝縮水を発生させることができる。よって、改質水回収供給手段が、排ガス冷却器にて発生される凝縮水を回収して改質水として燃料電池装置に供給することで、凝縮水で改質水の必要量を賄うことができ、水自立を成立させることができる。
しかも、圧縮式ヒートポンプ装置では、蒸発器として、排ガス冷却器だけでなく、外気用蒸発器も備えているので、圧縮式ヒートポンプ装置の熱源としては、燃料電池装置の排ガスだけでなく、外気をも用いることができる。これにより、圧縮式ヒートポンプ装置は、十分な熱を汲み上げて、その熱を被加熱流体に与えることができる。よって、被加熱流体回路は、燃料電池装置の排ガスから回収した熱だけでなく、圧縮式ヒートポンプ装置にて与えられた熱をも有する被加熱流体を、貯湯タンクに貯湯したり、或いは、給湯箇所等の熱利用箇所に供給することができ、熱需要に合わせた熱供給を行うことができる。
【００１１】
本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの更なる特徴構成は、前記燃料電池装置は、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、その改質器で生成された燃料ガスと酸素含有ガスとが供給されてそれらを発電反応させて発電する燃料電池部と、その燃料電池部の排ガスが供給されてその排ガスを通流させる排ガス通流部とを備え、前記排ガス通流部の内部には、排ガスの通流方向の上流側から順に、前記被加熱流体加熱器、前記排ガス冷却器が備えられ、前記改質水回収供給手段は、前記排ガス冷却器にて発生される凝縮水を貯留自在な前記排ガス通流部と、その排ガス通流部に貯留されている凝縮水を前記改質器に供給する凝縮水供給手段とから構成されている点にある。
【００１２】
本特徴構成によれば、燃料電池装置は、改質器と燃料電池部だけでなく、被加熱流体加熱器と排ガス冷却器とが内蔵された排ガス通流部を備えているので、燃料電池装置において、排ガスからの熱回収とその排ガスからの凝縮水の生成を行うことができる。しかも、排ガス通流部に被加熱流体加熱器と排ガス冷却器とを内蔵しているので、被加熱流体加熱器にて冷却されて発生する凝縮水も、排ガス冷却器にて冷却されて発生する凝縮水も、改質水として回収することができ、多量の改質水を回収し易く、燃料電池装置として、構成の簡素化及びコンパクト化をも図ることができる。
【００１３】
本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの更なる特徴構成は、前記被加熱流体回路は、前記被加熱流体加熱器及び前記凝縮器への被加熱流体の供給量を調整自在な被加熱流体供給量調整手段を備え、前記冷媒回路は、前記外気用蒸発器及び前記排ガス冷却器への冷媒の供給量を調整自在な冷媒供給量調整手段を備えている点にある。
【００１４】
本特徴構成によれば、被加熱流体供給量調整手段及び冷媒供給量調整手段を備えて、被加熱流体及び冷媒の供給量を調整することで、水自立を成立させるために必要な量の凝縮水を発生させることができながら、燃料電池装置の排ガスからだけでなく、圧縮式ヒートポンプ装置にて与えられた熱をも適切に取得して、エネルギー効率の向上を図ることができる。
【００１５】
本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの更なる特徴構成は、前記圧縮式ヒートポンプ装置を運転させない場合には、前記被加熱流体供給量調整手段が、前記凝縮器への被加熱流体の供給量をゼロとし、且つ、前記排ガス冷却器にて発生する凝縮水の発生量が設定量に達するための第１条件を満たすように、前記被加熱流体加熱器への被加熱流体の供給量を調整する第１供給量調整運転を実行可能であり、前記圧縮式ヒートポンプ装置を運転させる場合には、前記冷媒供給量調整手段が、前記圧縮機に戻る冷媒の過熱度が設定過熱度になるように、前記外気用蒸発器及び前記排ガス冷却器の両者への冷媒の供給量を調整する冷媒供給量調整運転を実行可能であり、且つ、前記被加熱流体供給量調整手段が、前記凝縮器から排出される被加熱流体の温度を第１設定温度とし、且つ、前記排ガス冷却器にて発生する凝縮水の発生量が設定量に達するとともに、前記凝縮器から排出される被加熱流体と前記被加熱流体加熱器から排出される被加熱流体の合流温度を第１設定温度とするように、前記被加熱流体加熱器及び前記凝縮器の両者への被加熱流体の供給量を調整する第２供給量調整運転を実行可能である点にある。
【００１６】
本特徴構成によれば、圧縮式ヒートポンプ装置を運転させない場合には、被加熱流体供給量調整手段が第１供給量調整運転を行うので、凝縮器への被加熱流体の供給量をゼロとし、被加熱流体の全量を被加熱流体加熱器へ供給して、被加熱流体加熱器のみにて熱回収を行うことができる。これにより、圧縮式ヒートポンプ装置を運転させない場合には、被加熱流体加熱器にて排ガスの熱を効率よく回収しながら、水自立を成立させるために必要な量の凝縮水を発生させることができる。
圧縮式ヒートポンプ装置を運転させる場合には、凝縮器及び被加熱流体加熱器の両者に被加熱流体を供給して、凝縮器及び被加熱流体加熱器の両者にて熱回収を行うことができる。これにより、圧縮式ヒートポンプ装置を運転させる場合には、凝縮器及び被加熱流体加熱器の両者にて排ガスの熱を効率よく回収しながら、水自立を成立させるために必要な量の凝縮水を発生させることができる。
【００１７】
本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの更なる特徴構成は、前記圧縮式ヒートポンプ装置を運転させる場合には、前記冷媒供給量調整手段が、前記冷媒供給量調整運転において、前記排ガス冷却器への冷媒の供給量を増加させ且つ前記外気用蒸発器への冷媒の供給量を減少させるように、前記外気用蒸発器及び前記排ガス冷却器の両者への冷媒の供給量を調整自在に構成されている点にある。
【００１８】
本特徴構成によれば、排ガス冷却器への冷媒供給量を増加させ、外気用蒸発器での熱負荷を下げることができ、冷媒の蒸発圧力を上げることができる。これにより、圧縮機への同一入力に対して、冷媒回路における冷媒循環量を増加させることができるので、回収熱量の増加を図り、よりエネルギー効率の向上を図ることができる。
【００１９】
本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの更なる特徴構成は、回転駆動する通気性吸湿体からなるデシカントロータを有し、そのデシカントロータの吸湿部又は再生部に気体を通流させて空調用空気として空調対象空間に供給するデシカント装置を備え、前記被加熱流体回路は、前記被加熱流体加熱器及び前記凝縮器から排出される被加熱流体を前記デシカント装置における前記デシカントロータの再生に用いるように構成されている点にある。
【００２０】
本特徴構成によれば、被加熱流体回路では、燃料電池装置の排ガスが有する熱を被加熱流体にて回収できるとともに、圧縮式ヒートポンプ装置によっても熱が被加熱流体に与えられるので、それらの熱を有する被加熱流体をデシカントロータの再生に有効に活用することができる。
【００２１】
本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの更なる特徴構成は、前記デシカント装置は、気体に水を噴霧して冷却可能な飽和器と、その飽和器を通過した気体にて前記デシカントロータの前記吸湿部を通過した気体を冷却させる冷却器と、その冷却器を通過した気体を前記被加熱流体回路における被加熱流体が有する熱にて加熱する加熱器と、気体の通流状態を切換自在な通流状態切換手段とを備え、前記通流状態切換手段は、前記デシカントロータの前記吸湿部、前記冷却器の順に第１気体を通過させて空調用空気として空調対象空間に供給し、且つ、前記飽和器、前記冷却器、前記加熱器、前記デシカントロータの前記再生部の順に第２気体を通過させる第１切換状態と、前記飽和器、前記冷却器、前記加熱器、前記デシカントロータの前記再生部の順に第１気体を通過させて空調用空気として空調対象空間に供給し、且つ、前記デシカントロータの前記吸湿部、前記冷却器の順に第２気体を通過させる第２切換状態とに切換自在に構成されている点にある。
【００２２】
本特徴構成によれば、通流状態切換手段が第１切換状態に切り換えることで、第１気体は、デシカントロータの吸湿部にて除湿され、その除湿された第１気体が冷却器にて冷却される。これにより、除湿及び冷却された第１気体を空調用空気として空調対象空間に供給して、空調対象空間の除湿冷房を行うことができる。
通流状態切換手段が第２切換状態に切り換えることで、第１気体は、飽和器にて加湿されて冷却器に供給され、冷却器にて第２気体により加熱される。冷却器を通過した第１気体は、加熱器において更に加熱されて、デシカントロータの再生部に供給される。よって、再生部では、デシカントロータの再生を適切に行うことができながら、第１気体が更に加湿される。このようにして、加湿及び加熱された第１気体を空調用空気として空調対象空間に供給して、空調対象空間の加湿暖房を行うことができる。
このように、通流状態切換手段が第１切換状態と第２切換状態とに切り換えることで、除湿冷媒と加湿暖房とを適切に行うことができながら、加熱器での熱源として被加熱流体を有効に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】燃料電池コージェネレーションシステムの全体概略構成を示す図
【図２】燃料電池装置の構成を示す図
【図３】デシカント装置において第１切換状態での気体の通流状態を示す図
【図４】デシカント装置において第２切換状態での気体の通流状態を示す図
【図５】圧縮式ヒートポンプ装置を運転させない場合の流体の通流状態を示す図
【図６】圧縮式ヒートポンプ装置を運転させる場合の流体の通流状態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの実施形態を図面に基づいて説明する。
この燃料電池コージェネレーションシステムは、図１に示すように、燃料電池装置１と、冷媒Ａを循環する冷媒回路２を備えた圧縮式ヒートポンプ装置３と、燃料電池装置１の排ガスＢにて被加熱流体Ｃを加熱する被加熱流体加熱器４と、その被加熱流体加熱器４から排出される排ガスＢを冷却させる排ガス冷却器５と、被加熱流体Ｃを通流させる被加熱流体回路６と、排ガス冷却器５にて発生される凝縮水を回収して改質水Ｄとして燃料電池装置１に供給する改質水回収供給手段７とが備えられている。
【００２５】
圧縮式ヒートポンプ装置３は、冷媒回路２にて、冷媒Ａを圧縮する圧縮機８、冷媒Ａから放熱させる凝縮器９、冷媒Ａを膨張させる膨張部１０（膨張弁）、冷媒Ａに吸熱させる蒸発器１１の順に冷媒Ａを循環させるように構成されている。この圧縮式ヒートポンプ装置３において、蒸発器１１は、外気を吸熱対象流体とする外気用蒸発器１１ａと排ガスＢを吸熱対象流体とする排ガス冷却器５とから構成されている。
【００２６】
冷媒回路２は、外気用蒸発器１１ａに冷媒Ａを供給する第１分岐部位２ａと排ガス冷却器５に冷媒Ａを供給する第２分岐部位２ｂとに分岐されており、外気用蒸発器１１ａと排ガス冷却器５との両者に冷媒Ａを分配して又は一方のみに循環供給自在に構成されている。第１分岐部位２ａには、外気用蒸発器１１ａへの冷媒Ａの供給量を調整自在な第１冷媒調整弁１２が備えられ、第２分岐部位２ｂには、排ガス冷却器５への冷媒Ａの供給量を調整自在な第２冷媒調整弁１３が備えられている。膨張部１０（膨張弁）は、第１冷媒調整弁１２と第２冷媒調整弁１３とから構成されている。
【００２７】
被加熱流体回路６は、被加熱流体Ｃを被加熱流体加熱器４と凝縮器９との両者に分配して又は一方のみに循環供給自在に構成されている。被加熱流体回路６は、被加熱流体Ｃとしての水や温水等を貯留自在な貯湯タンク１４を備えており、その貯湯タンク１４と被加熱流体加熱器４及び凝縮器９との間で被加熱流体Ｃを循環自在に構成されている。そして、被加熱流体回路６は、貯湯タンク１４の下部から被加熱流体Ｃを取り出し、その取り出した被加熱流体Ｃを被加熱流体加熱器４及び凝縮器９に分配又は一方のみに供給して加熱させ、その加熱された被加熱流体Ｃを貯湯タンク１４の上部に戻すように構成されている。これにより、貯湯タンク１４では、高温の被加熱流体Ｃが上部に且つ低温の被加熱流体Ｃが下部に位置するように温度成層を形成する状態で被加熱流体Ｃを貯留するようにしている。
また、被加熱流体回路６は、被加熱流体Ｃを貯湯タンク１４に貯湯させるだけでなく、給湯利用箇所１５に被加熱流体Ｃを供給自在であり、浴槽１６での追焚や、デシカント装置１７及び床暖房装置１８等の熱消費装置にも被加熱流体Ｃを利用できるように構成されている。
【００２８】
このような被加熱流体回路６は、複数の流路部位Ｒ１〜Ｒ８にて構成されているので、以下、各流路部位について説明する。
第１流路部位Ｒ１は、貯湯タンク１４の下部と被加熱流体加熱器４とを接続しており、その途中部位に、被加熱流体Ｃの通流方向で上流側から順に、第１循環ポンプＰ１、第１流量調整弁１９が備えられている。第２流路部位Ｒ２は、第１流路部位Ｒ１において第１循環ポンプＰ１の設置箇所と第１流量調整弁１９の設置箇所との間の部位と凝縮器９とを接続しており、その途中部位に第２流量調整弁２０が備えられている。第３流路部位Ｒ３は、被加熱流体加熱器４と貯湯タンク１４の上部とを接続するように構成されている。第４流路部位Ｒ４は、凝縮器９と第３流路部位Ｒ３の途中部位とを接続するように構成されている。
【００２９】
第５流路部位Ｒ５は、第３流路部位Ｒ３において第４流路部位Ｒ４との接続箇所と貯湯タンク１４の接続箇所との間の部位と給湯利用箇所１５とを接続しており、その途中部位に補助給湯器Ｈが備えられている。第６流路部位Ｒ６は、第５流路部位Ｒ５において補助給湯器Ｈの設置箇所と給湯利用箇所１５との間の部位と第１流路部位Ｒ１において貯湯タンク１４の接続箇所と第１循環ポンプＰ１の設置箇所との間の部位とを接続するように構成されている。第６流路部位Ｒ６の途中部位には、被加熱流体Ｃの通流方向の上流側から順に、第１熱消費熱交換器２１、第２循環ポンプＰ２が備えられている。
【００３０】
第７流路部位Ｒ７は、第５流路部位Ｒ５において第６流路部位Ｒ６の接続箇所と給湯利用箇所１５との間の部位と第６流路部位Ｒ６において第１熱消費熱交換器２１と第２循環ポンプＰ２との間の部位とを接続するように構成されている。第７流路部位Ｒ７の途中部位には、第２熱消費熱交換器２２が備えられている。第８流路部位Ｒ８は、第６流路部位Ｒ６において第２循環ポンプＰ２の設置箇所と第１流路部位Ｒ１の接続箇所との間に被加熱流体Ｃ（水道水）を給水するように構成されている。
【００３１】
第１熱消費熱交換器２１には、デシカント装置１７との間、及び、床暖房装置１８との間で熱媒体Ｅを循環させる第１循環路２３が接続されており、第１熱消費熱交換器２１において被加熱流体Ｃにて加熱された熱媒体Ｅをデシカント装置１７及び床暖房装置１８に循環供給自在に構成されている。第１循環路２３は、デシカント装置１７と床暖房装置１８とに熱媒体Ｅを分配して又は一方にのみ循環供給自在に構成されており、その途中部位に第３循環ポンプＰ３が備えられている。
【００３２】
第２熱消費熱交換器２２には、浴槽１６との間で浴槽湯水を循環させる第２循環路２４が接続されており、第２熱消費熱交換器２２において被加熱流体Ｃにて加熱された浴槽湯水を浴槽１６に循環供給自在に構成されている。第２循環路２４の途中部位には、第４循環ポンプＰ４が備えられている。
【００３３】
図２に基づいて、燃料電池装置１の構成について説明を加える。図２は、図１において燃料電池装置１の内部構成を示すものであり、被加熱流体回路６の一部を省略して図示している。
燃料電池装置１は、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器２５と、その改質器２５で生成された燃料ガスと酸素含有ガス（空気）とが供給されてそれらを発電反応させて発電する燃料電池部２６と、その燃料電池部２６の排ガスＢが供給されてその排ガスＢを通流させる排ガス通流部２７とが備えられている。
【００３４】
また、燃料電池装置１は、改質器２５における改質反応に用いられる水蒸気を生成する水蒸気生成部２８と、供給される酸素含有ガス（空気）を予熱する酸素含有ガス予熱器２９と、燃料電池部２６から排出される排出燃料ガス中の燃料成分と発電反応に用いられた後に排出される排出酸素含有ガスとを混合させて燃焼させる燃焼部３０とが備えられている。この燃料電池装置１では、収納容器Ｔ内に、水蒸気生成部２８、改質器２５、燃料電池部２６、酸素含有ガス予熱器２９が収容されており、燃料電池部２６の上方に隣接して配置された燃焼部３０にて発生する熱を水蒸気生成部２８、改質器２５、酸素含有ガス予熱器２９にて利用可能に構成されている。
【００３５】
排ガス通流部２７は、箱状に形成されており、その内部には、排ガスＢの通流方向の上流側から順に、被加熱流体加熱器４、排ガス冷却器５が備えられている。そして、排ガス通流部２７は、排ガス冷却器５にて発生される凝縮水を貯留自在に構成されている。改質水回収供給手段７は、排ガス通流部２７と、その排ガス通流部２７に貯留されている凝縮水を改質器２５に供給する凝縮水供給手段３１とから構成されている。凝縮水供給手段３１は、改質水ポンプ３２によって、排ガス通流部２７に貯留されている凝縮水を改質水Ｄとして水蒸気生成部２８に供給するように構成されている。
【００３６】
酸素含有ガス予熱器２９には、ブロア３３によって酸素含有ガス（空気）が給気されるように構成されている。燃料電池部２６は、例えば、改質器２５で生成された燃料ガスが供給されるアノードと酸素含有ガスが供給されるカソードとを備えた固体酸化物型のセルを複数個電気的に直列接続したセルスタックにて構成されている。そして、燃料電池装置１は、燃料電池部２６にて発電された電力をインバータ３４によって出力するように構成されている。また、排ガス通流部２７には、純水装置３５を介して、純水を給水自在に構成されている。
【００３７】
図３及び図４に基づいて、デシカント装置１７について説明を加える。
デシカント装置１７は、回転駆動する通気性吸湿体からなるデシカントロータ４１を有しており、そのデシカントロータ４１の吸湿部４２又は再生部４３に気体を通流させて空調用空気として空調対象空間４４に供給するように構成されている。そして、被加熱流体回路６は、図１に示すように、第２熱消費熱交換器２２において被加熱流体Ｃにて加熱された熱媒体Ｅをデシカント装置１７に供給することで、被加熱流体加熱器４及び凝縮器９から排出される被加熱流体Ｃをデシカント装置１７におけるデシカントロータ４１の再生に用いるように構成されている。
【００３８】
デシカント装置１７は、気体に水を噴霧して冷却可能な飽和器４５と、その飽和器４５を通過した気体にてデシカントロータ４１の吸湿部４２を通過した気体を冷却させる冷却器４６と、その冷却器４６を通過した気体を被加熱流体Ｃが有する熱にて加熱する加熱器４７と、気体の通流状態を切換自在な通流状態切換手段４８とを備えている。加熱器４７では、第２熱消費熱交換器２２において被加熱流体Ｃにて加熱された熱媒体Ｅを供給することで、被加熱流体Ｃが有する熱にて冷却器４６を通過した気体を加熱するように構成されている。冷却器４６は、例えば、六角形型の空気熱交換器が用いられている。デシカント装置１７は、気体として、外気である第１気体ＯＡと空調対象空間４４の空気である第２気体ＲＡとを各機器に通流させており、第１気体ＯＡ及び第２気体ＲＡを通流させるための駆動源として第１ファン４９と第２ファン５０とを備えている。
【００３９】
通流状態切換手段４８は、第１四方弁５１と第２四方弁５２を備えている。通流状態切換手段４８は、第１四方弁５１と第２四方弁５２の状態を切り換えることで、第１気体ＯＡ及び第２気体ＲＡがどのような順序でどのような機器を通過するかを切り換えている。図３及び図４は、第１気体ＯＡ及び第２気体ＲＡの通流状態を示すものであり、通流状態切換手段４８は、図３に示す第１切換状態と図４に示す第２切換状態とに切換自在に構成されている。
【００４０】
第１切換状態では、図３に示すように、通流状態切換手段４８が、第１四方弁５１と第２四方弁５２を切り換えることで、デシカントロータ４１の吸湿部４２、冷却器４６の順に第１気体ＯＡを通過させて空調用空気として空調対象空間４４に供給し、且つ、飽和器４５、冷却器４６、加熱器４７、デシカントロータ４１の再生部４３の順に第２気体ＲＡを通過させている。第１気体ＯＡは、デシカントロータ４１の吸湿部４２にて除湿され、その除湿された第１気体ＯＡが冷却器４６にて冷却される。これにより、除湿及び冷却された第１気体ＯＡを空調用空気として空調対象空間４４に供給して、空調対象空間４４の除湿冷房を行うことができる。第２気体ＲＡについては、飽和器４５にて冷却されて冷却器４６に供給されるので、冷却器４６にて第１気体ＯＡを適切に冷却することができる。冷却器４６を通過した第２気体ＲＡは、加熱器４７において熱媒体Ｅにて加熱されて、再生部４３でのデシカントロータ４１の再生を適切に行うことができる。再生部４３を通過した第２気体ＲＡは、外部に排気されている。
【００４１】
第２切換状態では、図４に示すように、通流状態切換手段４８が、第１四方弁５１と第２四方弁５２を切り換えることで、飽和器４５、冷却器４６、加熱器４７、デシカントロータ４１の再生部４３の順に第１気体ＯＡを通過させて空調用空気として空調対象空間４４に供給し、且つ、デシカントロータ４１の吸湿部４２、冷却器４６の順に第２気体ＲＡを通過させている。第１気体ＯＡは、飽和器４５にて加湿されて冷却器４６に供給され、冷却器４６にて加熱される。冷却器４６を通過した第１気体ＯＡは、加熱器４７において更に熱媒体Ｅにて加熱されて、デシカントロータ４１の再生部４３に供給される。また第１気体ＯＡの温度が、０℃以下の場合は、冷却器４６と加熱器４７の間に飽和器４５なしで水噴霧できるノズルを設けている。よって、再生部４３では、デシカントロータ４１の再生を適切に行うことができながら、第１気体ＯＡが更に加湿される。このようにして、加湿及び加熱された第１気体ＯＡを空調用空気として空調対象空間４４に供給して、空調対象空間４４の加湿暖房を行うことができる。第２気体ＲＡについては、デシカントロータ４１の吸湿部４２にて除湿されて加熱されるので、冷却器４６にて第１気体ＯＡを適切に加熱することができる。冷却器４６を通過した第２気体ＲＡは、外部に排気されている。
【００４２】
図１に示すように、この燃料電池コージェネレーションシステムには、制御部１００が備えられている。この制御部１００は、圧縮式ヒートポンプ装置３の運転状態、冷媒回路２における第１冷媒調整弁１２及び第２冷媒調整弁１３の開閉状態、被加熱流体回路６における第１流量調整弁１９及び第２流量調整弁２０の開閉状態、被加熱流体回路６における第１〜第４循環ポンプＰ１〜Ｐ４の作動状態等を制御するように構成されている。また、図示は省略するが、燃料電池装置１、デシカント装置１７、床暖房装置１８、風呂装置等の各種の装置には、その装置の運転を制御する運転制御部が備えられている。そして、これらの運転制御部と制御部１００とが通信を行うことにより、制御部１００は、どの装置から運転要求があるか等の運転状況を把握するように構成されている。
【００４３】
ここで、被加熱流体供給量調整手段１０１は、第１流量調整弁１９、第２流量調整弁２０、及び、制御部１００から構成されている。冷媒供給量調整手段１０２は、第１冷媒調整弁１２、第２冷媒調整弁１３、及び、制御部１００から構成されている。
【００４４】
制御部１００は、第１循環ポンプＰ１を作動させることで、貯湯タンク１４の下部から取り出した被加熱流体Ｃを被加熱流体加熱器４に供給して加熱し、その加熱された被加熱流体Ｃを貯湯タンク１４の上部に供給して、貯湯タンク１４への貯湯を行うようにしている。この場合に、制御部１００は、圧縮式ヒートポンプ装置３を運転させることで、被加熱流体加熱器４に加えて、凝縮器９にも被加熱流体Ｃを供給して加熱することができる。そして、制御部１００は、被加熱流体加熱器４にて加熱された被加熱流体Ｃと凝縮器９にて加熱された被加熱流体Ｃとを合流させて、合流後の被加熱流体Ｃを貯湯タンク１４の上部に供給している。
【００４５】
また、被加熱流体加熱器４や凝縮器９にて加熱された被加熱流体Ｃの供給先としては、貯湯タンク１４だけでなく、第１熱消費熱交換器２１及び第２熱消費熱交換器２２にも被加熱流体Ｃを供給することができる。そして、制御部１００は、デシカント装置１７や床暖房装置１８から運転要求がある場合には、被加熱流体加熱器４や凝縮器９にて加熱された被加熱流体Ｃを第１熱消費熱交換器２１に供給しており、風呂装置にて追焚要求がある場合には、被加熱流体加熱器４や凝縮器９にて加熱された被加熱流体Ｃを第２熱消費熱交換器２２に供給している。第１熱消費熱交換器２１及び第２熱消費熱交換器２２に対しては、被加熱流体加熱器４や凝縮器９にて加熱された被加熱流体Ｃだけでなく、被加熱流体加熱器４や凝縮器９にて加熱された被加熱流体Ｃと貯湯タンク１４の上部の被加熱流体Ｃとを混合させて、その混合後の被加熱流体Ｃを供給できるようになっている。
【００４６】
給湯利用箇所１５に対しては、貯湯タンク１４に貯湯されている被加熱流体Ｃを供給自在に構成されている。被加熱流体Ｃの温度が給湯利用箇所１５にて要求されている温度よりも低い場合には、補助給湯器Ｈにて加熱された被加熱流体Ｃを給湯利用箇所１５に供給するようにしている。また、給湯利用箇所１５に対しては、貯湯タンク１４に貯湯されている被加熱流体Ｃだけでなく、被加熱流体加熱器４や凝縮器９にて加熱された被加熱流体Ｃと貯湯タンク１４の上部の被加熱流体Ｃとを混合させて、その混合後の被加熱流体Ｃを供給できるようになっている。
【００４７】
制御部１００は、要求されている熱需要がヒートポンプ運転可否用の設定熱需要よりも少ない場合に圧縮式ヒートポンプ装置３を運転させず、要求されている熱需要がヒートポンプ運転可否用の設定熱需要よりも多い場合に圧縮式ヒートポンプ装置３を運転させるように構成されている。そして、要求されている熱需要の大きさについては、例えば、制御部１００が、貯湯タンク１４の貯湯量がどれぐらいか、給湯利用箇所１５での給湯需要があるか否か及びその給湯需要の大きさ、デシカント装置１７から運転要求があるか否か及びその要求熱量の大きさ、床暖房装置１８から運転要求があるか否か及びその要求熱量の大きさ、浴槽１６での追焚運転の要求があるか否か及びその要求熱量の大きさに基づいて求めることができる。
【００４８】
制御部１００は、図５に示すように、圧縮式ヒートポンプ装置３を運転させない場合には、被加熱流体回路６において、凝縮器９への被加熱流体Ｃの供給量をゼロとし、且つ、排ガス冷却器５にて発生する凝縮水の発生量が設定量に達するための第１条件を満たすように、被加熱流体加熱器４への被加熱流体Ｃの供給量を調整する第１供給量調整運転を行うように構成されている。図５では、流体が通流する部位を太線にて示しており、熱の供給先としては貯湯タンク１４に貯湯する場合を示している。この第１供給量調整運転では、制御部１００が、第２流量調整弁２０を閉状態とし、第１条件を満たすように第１流量調整弁１９の開度を調整している。ここで、第１条件は、排ガス冷却器５を通過した排ガスＢの温度が設定温度以下となる条件、又は、排ガス冷却器５にて発生する凝縮水の発生量が設定量以上となる条件となっている。
【００４９】
このように、圧縮式ヒートポンプ装置３を運転させない場合には、被加熱流体Ｃを被加熱流体加熱器４のみに供給しており、被加熱流体加熱器４にて加熱された被加熱流体Ｃを貯湯タンク１４や第１熱消費熱交換器２１等に供給している。そして、燃料電池装置１の排ガスＢは、被加熱流体加熱器４にて冷却されて凝縮水を発生するので、改質水回収供給手段７が、その凝縮水を改質水Ｄとして燃料電池装置１に供給している。
【００５０】
制御部１００は、図６に示すように、圧縮式ヒートポンプ装置３を運転させる場合には、冷媒回路２において、圧縮機８に戻る冷媒Ａの過熱度が設定過熱度になるように、第１冷媒調整弁１２及び第２冷媒調整弁１３の開度を調整する冷媒供給量調整運転を行うように構成されている。図６では、流体が通流する部位を太線にて示しており、熱の供給先としては貯湯タンク１４に貯湯する場合を示している。制御部１００は、その冷媒供給量調整運転に加えて、被加熱流体回路６において、凝縮器９から排出される被加熱流体Ｃの温度を第１設定温度（例えば、７５℃）とするように、第２流量調整弁２０の開度を調整し、且つ、排ガス冷却器５にて発生する凝縮水の発生量が設定量に達するとともに、凝縮器９から排出される被加熱流体Ｃと被加熱流体加熱器４から排出される被加熱流体Ｃの合流温度を第１設定温度とするように、第１流量調整弁１９の開度を調整する第２供給量調整運転を行うように構成されている。
【００５１】
このように、圧縮式ヒートポンプ装置３を運転させる場合には、被加熱流体Ｃを被加熱流体加熱器４と凝縮器９の両者に供給しており、被加熱流体加熱器４にて加熱された被加熱流体Ｃと凝縮器９にて加熱された被加熱流体Ｃとを合流させて、その合流後の被加熱流体Ｃを貯湯タンク１４や第１熱消費熱交換器２１等に供給している。そして、燃料電池装置１の排ガスＢは、被加熱流体加熱器４にて冷却され、更に、排ガス冷却器５にて冷却される。これにより、被加熱流体加熱器４に供給する被加熱流体Ｃの温度が比較的高温であっても、凝縮水を適切に発生させることができ、改質水回収供給手段７が、その凝縮水を改質水Ｄとして燃料電池装置１に供給している。
【００５２】
制御部１００は、圧縮式ヒートポンプ装置３を運転させる場合に、冷媒回路２についての冷媒供給量調整運転において、排ガス冷却器５への冷媒Ａの供給量を増加させ且つ外気用蒸発器１１ａへの冷媒Ａの供給量を減少させるように、第１冷媒調整弁１２及び第２冷媒調整弁１３の開度を調整自在に構成されている。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、燃料電池装置の排熱にて被加熱流体を加熱し、その加熱された被加熱流体を熱利用箇所に供給自在に構成され、水自立を成立させることができ、エネルギー効率の向上を図りながら、熱需要に合わせた熱供給を行うことができる各種の燃料電池コージェネレーションシステムに適応可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１          燃料電池装置
２          冷媒回路
３          圧縮式ヒートポンプ装置
４          被加熱流体加熱器
５          排ガス冷却器
６          被加熱流体回路
７          改質水回収供給手段
８          圧縮機
９          凝縮器
１０        膨張部
１１        蒸発器
１１ａ      外気用蒸発器
１７        デシカント装置
２５        改質器
２６        燃料電池部
２７        排ガス通流部
３１        凝縮水供給手段
４１        デシカントロータ
４２        吸湿部
４３        再生部
４４        空調対象空間
４５        飽和器
４６        冷却器
４７        加熱器
４８        通流状態切換手段
１０１      被加熱流体供給量調整手段
１０２      冷媒供給量調整手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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