(57)【要約】【課題】  燃料電池などの排熱利用効率を向上させること。【解決手段】  熱交換器５を備えた燃料電池ユニット３と、給水を加熱するヒートポンプユニット９と、底部が給水源に連通された貯湯槽２５と、貯湯槽２５の底部の貯湯水を熱交換器５を介して貯湯槽２５の頂部に循環するポンプ１４を有する熱回収系ラインと、貯湯槽２５の底部の貯湯水をヒートポンプユニット９を介して貯湯槽２５の頂部に循環するポンプ３５を有するヒートポンプ系ラインと、貯湯槽２５の頂部と給湯口とを連通する給湯ラインと、貯湯槽２５の貯湯量を制御する制御装置とを備え、この制御装置が、熱交換器５の出口湯温を設定値に保持するように制御する熱回収系制御手段４７と、貯湯槽２５内の設定温度以上の貯湯量を設定範囲に保持するようにヒートポンプ系制御手段４９とを備えることにより、燃料電池などの排熱利用効率を向上させることができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池等の排熱を回収する熱交換器を備えた燃料電池ユニットと、給水を加熱するヒートポンプユニットと、底部が給水源に連通された貯湯槽と、該貯湯槽の底部の貯湯水を前記熱交換器を介して前記貯湯槽の頂部に循環するポンプを有する熱回収系ラインと、該貯湯槽の底部の貯湯水を前記ヒートポンプユニットを介して前記貯湯槽の頂部に循環するポンプを有するヒートポンプ系ラインと、前記貯湯槽の頂部と給湯口とを連通する給湯ラインと、前記貯湯槽の貯湯量を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記熱交換器の出口湯温を設定値に保持するように前記熱回収系ラインの循環量を制御する熱回収系制御手段と、前記貯湯槽内の設定温度以上の貯湯量を設定範囲に保持するように前記ヒートポンプユニットと前記ヒートポンプ系ラインの運転を制御するヒートポンプ系制御手段とを備えてなる熱回収併用ヒートポンプ給湯機。
【請求項２】
前記ヒートポンプ系制御手段は、外気温に応じて前記貯湯量の設定範囲を可変設定することを特徴とする請求項１に記載の熱回収併用ヒートポンプ給湯機。
【請求項３】
前記ヒートポンプ系制御手段は、前記燃料電池ユニットが運転中であるときは、前記貯湯槽内の貯湯量が前記設定範囲の下限未満に低下しても、前記ヒートポンプユニットと前記ヒートポンプ系ラインの運転を開始しないことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱回収併用ヒートポンプ給湯機。
【請求項４】
前記ヒートポンプ系制御手段は、前記燃料電池ユニットが運転中に、前記貯湯槽内の貯湯量が前記設定範囲の下限未満に低下する場合、前記給湯口からの給湯量を検出し、該給湯量が設定量以上のときは前記ヒートポンプユニットと前記ヒートポンプ系ラインの運転を開始することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱回収併用ヒートポンプ給湯機。
【請求項５】
前記ヒートポンプ系制御手段は、前記貯湯槽の貯湯量が前記設定範囲の上限を超えている状態から前記設定範囲の上限未満に低下したとき、前記ヒートポンプユニットと前記ヒートポンプ系ラインの運転を開始し、前記給湯口からの給湯使用が終了するまで該運転を継続することを特徴とする請求項１に記載の熱回収併用ヒートポンプ給湯機。
【請求項６】
前記ヒートポンプ系制御手段は、前記ヒートポンプユニットと前記ヒートポンプ系ラインの運転を開始する際、設定された時間帯のときは、前記ヒートポンプユニットの加熱容量を設定値に低減することを特徴とする請求項１に記載の熱回収併用ヒートポンプ給湯機。
【請求項７】
前記ヒートポンプユニットの加熱容量は、外気温の検出値に基づいて可変に設定されてなることを特徴とする請求項６に記載の熱回収併用ヒートポンプ給湯機。
【請求項８】
前記ヒートポンプ系ライン及び前記給湯ラインを前記貯湯槽の頂部に連通する部位に３方向切替弁を設け、該３方向切替弁は、前記給湯ラインを前記ヒートポンプ系ラインにのみを連通させる流路と、前記給湯ラインを前記ヒートポンプ系ライン及び前記貯湯槽に連通させる流路と、前記ヒートポンプ系ラインを前記貯湯槽にのみを連通させる流路とに切り替える弁であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の熱回収併用ヒートポンプ給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池などの排熱を回収して利用する熱回収併用ヒートポンプ給湯機に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は発電効率が高く小型化を図り易いため、家庭用の発電装置として利用されている。一般に、燃料電池は、都市ガスなどを改質して得られる水素と空気中の酸素とを電解質を挟んで配置した両電極側に各々供給して起電力を発生させるようになっている。しかし、このような燃料電池は、発電と同時に排熱が発生する。この排熱源は、主として電池本体であるが、それ以外に、例えば水素に改質する改質部や、電池本体から排出される排ガスなどがある。そのため、電池本体がこれらの熱による影響を受けないように、例えば、冷却水循環路などを設けて熱回収し、その回収された熱を有効利用する方法が検討されている。
【０００３】
例えば、燃料電池の排熱を給湯機の熱源に利用する技術として、排熱を熱交換器を介して回収し、これにより加熱された供給水を貯湯タンクに貯蔵する方法が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１３４１４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、家庭用燃料電池の場合、発電出力および発電時における排熱量が小さく不安定である。特に、給湯負荷が大きい冬場においては、燃料電池の排熱だけでは給湯負荷を十分に賄うことができず、実用上、他の給湯装置を併用させて、給湯負荷に対応する必要がある。
【０００６】
そこで、エネルギ効率が高く環境負荷が小さい燃料電池の特徴を考慮すると、他の給湯装置としてヒートポンプ給湯機を併用し、両装置で貯湯タンクを共有する方法が考えられる。
【０００７】
このような給湯装置においては、できるだけヒートポンプを稼動させることなく、燃料電池の利用効率を向上させることが、装置全体のエネルギ効率を向上させる上で好ましいが、この点については、なんら検討がされていない。
【０００８】
本発明は、燃料電池などの排熱利用効率を向上させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の熱回収併用ヒートポンプ給湯機は、燃料電池等の排熱を回収する熱交換器を備えた燃料電池ユニットと、給水を加熱するヒートポンプユニットと、底部が給水源に連通された貯湯槽と、貯湯槽の底部の貯湯水を熱交換器を介して貯湯槽の頂部に循環するポンプを有する熱回収系ラインと、貯湯槽の底部の貯湯水をヒートポンプユニットを介して貯湯槽の頂部に循環するポンプを有するヒートポンプ系ラインと、貯湯槽の頂部と給湯口とを連通する給湯ラインと、貯湯槽の貯湯量を制御する制御装置とを備え、制御装置は、熱交換器の出口湯温を設定値に保持するように熱回収系ラインの循環量を制御する熱回収系制御手段と、貯湯槽内の設定温度以上の貯湯量を設定範囲に保持するようにヒートポンプユニットとヒートポンプ系ラインの運転を制御するヒートポンプ系制御手段とを備えるようにする。
【００１０】
このような構成によれば、基本的に貯湯槽内の底部に設定温度未満の貯湯水が常に貯えられるため、その貯湯水を燃料電池系の排熱で加熱することにより、有効に熱回収できる。また、給湯により貯湯量が設定範囲を割って減少しても、ヒートポンプが起動して貯湯を行うため、燃料電池系の熱容量不足分が補充され、湯切れを防ぐことができる。
【００１１】
この場合において、ヒートポンプ系制御手段は、外気温に応じて貯湯量の設定範囲を可変設定することが好ましい。これによれば、例えば、外気温が低下すると、ヒートポンプの熱容量が低下する一方、給湯負荷が増加するので、外気温の低下に応じて貯湯量を増やすことにより安定した給湯を行うことができる。
【００１２】
また、ヒートポンプ系制御手段は、燃料電池ユニットが運転中であるときは、貯湯槽内の貯湯量が設定範囲の下限未満に低下しても、ヒートポンプユニットとヒートポンプ系ラインの運転を開始しないようにすることもできる。すなわち、貯湯量が設定範囲の下限未満に減少しても、ヒートポンプを稼動させることなく、燃料電池の発電を利用して設定範囲まで貯湯することにより、燃料電池の排熱利用効率を向上させることができる。ただし、燃料電池が運転中に、貯湯槽内の貯湯量が設定範囲の下限未満に低下する場合において、給水口からの給水量を検出することにより、給湯量が設定量以上のときはヒートポンプユニットとヒートポンプ系ラインの運転を開始することが好ましい。すなわち、給湯が行われると、一般に、時間当たりの給湯量は燃料電池の時間当たりの貯湯量より多いため、設定温度以上の貯湯量が減少する。そこで、給湯量が設定量以上の場合、熱容量の大きいヒートポンプで給湯するようにする。
【００１３】
また、ヒートポンプ系制御手段は、貯湯槽の貯湯量が設定範囲の上限を超えている状態から設定範囲の上限未満に低下したとき、ヒートポンプユニットとヒートポンプ系ラインの運転を開始し、給湯口からの給湯使用が終了するまで運転を継続するようにする。すなわち、設定温度以上の貯湯量が設定範囲を超えて貯湯されている場合、給湯が行われると、まず、貯湯槽の湯を消費するために貯湯槽から給湯が行われる。その後、給湯が継続され貯湯量が設定範囲の上限未満まで減少すると、残湯量が少なくなったと判断し、下限まで待つことなく、ヒートポンプで給湯するようにする。これによれば、貯湯水の減少が抑制されるから、燃料電池の運転を継続することができる。また、給湯量が多い場合、ある程度の残湯量、つまり設定量の上限程度の貯湯量があるうちにヒートポンプ運転が開始されるため、湯切れを防ぐことができる。
【００１４】
また、ヒートポンプ系制御手段は、ヒートポンプユニットとヒートポンプ系ラインの貯湯運転を開始する際、設定された時間帯のときは、ヒートポンプユニットの加熱容量を設定値に低減することが好ましい。すなわち、湯の使用量が比較的少ない深夜などの時間帯に、例えば、圧縮機の回転数を下げてゆっくりと設定量の貯湯を行うようにする。これにより、ヒートポンプの運転効率が向上し、しかも燃料電池による発電電力をヒートポンプ運転に利用することができる。また、ヒートポンプの加熱容量は、外気温の検出値に基づいて可変に設定することにより、ヒートポンプの給湯負荷を小さく維持することができる。
【００１５】
また、ヒートポンプ系ライン及び給湯ラインを貯湯槽の頂部に連通する部位に３方向切替弁を設け、この３方向切替弁を、給湯ラインをヒートポンプ系ラインにのみを連通させる流路と、給湯ラインをヒートポンプ系ライン及び貯湯槽に連通させる流路と、ヒートポンプ系ラインを貯湯槽にのみを連通させる流路とに切り替えるようにすることで、ヒートポンプと貯湯槽による給湯・貯湯制御を簡単化することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池などの排熱利用効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明を適用してなる熱回収併用ヒートポンプ給湯機の構成図である。図に示すように、本発明の熱回収併用ヒートポンプ給湯機は、燃料電池ユニット１、ヒートポンプユニット９、貯湯槽ユニット２３を備えて構成される。燃料電池ユニット１は、発電スタック３と、発電スタック３から排熱を回収する排熱回収熱交換器５とを備え、ポンプ７により冷却水を循環させて、発電スタック３などを冷却し、排熱回収熱交換器５で排熱を回収するようになっている。ヒートポンプユニット９は、圧縮機１１、凝縮器１３、減圧器１６、蒸発器１７を配管接続してなる閉回路の冷凍サイクルで構成され、凝縮器１３は水冷媒熱交換器１９で水と熱交換され、蒸発器１７はファン２１により空気が送風されるようになっている。
【００１８】
貯湯槽ユニット２３は、貯湯槽２５、排熱回収熱交換器５に供給水を送るポンプ１４、水冷媒熱交換器１９に水を供給するポンプ１５、３方向切替弁２７、逆止弁２９、３１を備えて構成される。貯湯槽２５は、縦長の筒状容器からなり、側壁内側には高さ方向に所定の間隔で複数の温度検知器（サーミスタ）が上からＴ１〜Ｔ５の順に配設されている。貯湯槽２５の底部は、ポンプ１４，排熱回収熱交換器５，逆止弁３１が、配管３３，３４，５４を順に介して貯湯槽２５の頂部に接続されている。また、配管３３は、ポンプ１４の手前で配管３５に分岐され、ポンプ１５，水冷媒熱交換器１９，逆止弁２９，３方向切替弁２７が、配管３５，３６，２８を順に介して、貯湯槽２５の頂部に接続されている。すなわち、貯湯槽２５の頂部には、二つの流入口５５，５７が形成され、燃料電池ユニット１から貯湯される湯は、配管５４，流入口５５を介して貯湯槽２５内に導かれる一方、ヒートポンプユニット９から貯湯される湯は、配管２８，流入口５７を介して貯湯槽２５内に導かれるようになっている。
【００１９】
燃料電池ユニット１の排熱による貯湯流量は、ヒートポンプユニット９による貯湯流量、または、蛇口等から給湯される給湯流量に比べて一桁程度小さいため、流入口５５を５７と別体に設けることにより、燃料電池ユニット１の排熱による貯湯中にヒートポンプユニット９による貯湯、または、蛇口等から給湯されても、燃料電池ユニット１の排熱による貯湯流量はヒートポンプユニット９による貯湯流量、または、蛇口等から給湯される給湯流量に干渉されず、貯湯制御の簡単化および貯湯の安定化を図ることができる。
【００２０】
給湯系は、給水流量計６０、給水比例弁３９、逆止弁４１、温度検出器４０，給湯弁３７を備えている。図では、給湯弁３７を一つだけ示しているが、実際には、台所給湯、風呂給湯、洗面所給湯など複数存在する。また、浴槽４３の追い焚き系は、水冷媒熱交換器１９に水を循環させるポンプ４５を備えている。
【００２１】
また、制御系は、燃料電池制御装置４７と、ヒートポンプ制御装置４９とからなり、これらの制御装置は通信装置５１を介して電気的に接続され、信号の相互通信が可能になっている。そして、各検出器が検出した温度などの情報に基づいて、貯湯運転および給湯運転を制御するようになっている。
【００２２】
次に、燃料電池の動作について説明する。発電スタック３に水素と酸素が供給されると、電気化学反応により発電が開始され、同時に、発電スタック３は発熱し、温度が上昇する。発電スタック３が所定の温度に達すると、ポンプ７が起動し、冷却水が循環することにより、発電スタック３が所定の温度に保持される。発電スタック３を冷却することにより、昇温（例えば、７０℃）された冷却水は、排熱回収熱交換器５の温度を上昇させる。排熱回収熱交換器５が所定以上の温度に上昇し、温度検知器５３がそれを検知すると、ポンプ１４が起動する。これにより、貯湯槽２５の底部から抜き出された貯湯水（以下、適宜、水という。）は、循環水として排熱回収熱交換器３に導かれて加熱され、次いで貯湯槽２５の頂部に供給される。なお、ポンプ１４は、温度検出器５３で検知される排熱回収熱交換器５の出口側の水温が、所定温度（例えば、６０℃）になるように、流量制御するようになっている。
【００２３】
貯湯槽２５内には、上層に湯が貯湯される一方、下層には常温の水が貯えられる。すなわち、湯と水は、その密度差により、互いに混合することなく、二層分離した状態で、貯湯槽２５内に満杯に貯えられている。したがって、貯湯槽２５の底部まで貯湯されない限り、貯湯槽２５の底部から水が排熱回収熱交換器５に供給され、排熱回収が行われる。
【００２４】
次に、ヒートポンプユニット９の動作について説明する。ヒートポンプユニット９が運転を開始する場合は、以下の三つが考えられる。すなわち、（１）貯湯量が予め設定した設定量未満の状態で貯湯する場合、（２）貯湯量が設定量未満の状態でヒートポンプを運転し給湯を行う場合、（３）貯湯量が設定量以上あるが、給湯量が多いため、貯湯槽２５とヒートポンプユニット９の両方から給湯する場合である。いずれの場合も、ヒートポンプユニット９は、周知の通り、圧縮機１１が稼動すると、高温高圧の冷媒が水冷媒熱交換器１９の凝縮器１３に流入し、水冷媒熱交換器１９の水に放熱する。
【００２５】
高温高圧の冷媒が凝縮器１３で水に放熱すると、水冷媒熱交換器１９の出口温度の上昇を温度検出器５９が検知し、その検出温度が所定温度（例えば、６０℃）になると、水冷媒熱交換器１９に水を循環させるポンプ１５が始動する。ポンプ１５は、温度検出器５９で検知される水温が所定温度（例えば、６０℃）になるように流量制御され、上記（１）の場合、６０℃の湯が３方向切替弁２７および配管２８を介して、流入口５７から貯湯槽２５内に流入する。
【００２６】
一方、上記（２）の場合、６０℃の湯が、給水比例弁３９で水と混合されて所定の温度になり、給湯弁３７を介して給湯される。また、上記（３）の場合は、貯湯槽２５とヒートポンプユニット９から出てくる６０℃の温水が、給水比例弁３９で水と混合されて所定の温度になり、給湯弁３７を介して給湯される。
【００２７】
ここで、ヒートポンプユニット９から流出される湯の流路を調整する３方向切替弁２７について説明する。３方向切替弁２７は、ヒートポンプユニット９を貯湯槽２５にのみ連通させる流路と、配管６０および給湯弁３７からなる給湯ラインをヒートポンプユニット９のみに連通させる流路と、給湯ラインをヒートポンプユニット９および貯湯槽２５の両方に連通させる流路とを切替える構成になっている。この流路の切り替えは、図２に示すように、３種類のモードＡ，Ｂ，Ｃからなり、上記の（１）がモードＣ、（２）がモードＡ、（３）がモードＢとなる。
【００２８】
次に、貯湯槽２５における貯湯量の制御について説明する。まず、燃料電池ユニット１とヒートポンプユニット９を併用し、貯湯槽２５を共有して使用する場合、貯湯槽２５内の水は、全量沸き上げないで上部に必要最小限の設定量の湯量を貯湯しておき、燃料電池運転時（発電時）に、その水を燃料電池に送り、排熱を回収可能な状態にしておくことが必要である。貯湯量の設定量は以下の二つの観点から決められる。
【００２９】
（１）一般に、ヒートポンプ給湯機は、始動してから所定温度、例えば６０℃の湯を安定供給できるまで数分を要する。したがって、短時間で少量の給湯を行う場合は、ヒートポンプユニット９による給湯が間に合わないため、貯湯槽２５に貯湯される湯を用いて給湯することになる。そのため、貯湯槽２５内には、ある程度の湯をバックアップとして貯湯しておく必要がある。例えば、５Ｌ／ｍｉｎの給湯量で２分間の給湯を行う場合、１０Ｌの貯湯量が必要となり、このような給湯が数回繰り返されることを想定する必要がある。
【００３０】
（２）外気温度が低下（例えば、−１０℃）すると、給水温度も低下するため、その給水温度から所定の温度（例えば、６０℃）まで水を加熱するには多くの湯量が必要となり、燃料電池から得られる熱量は少なくなる。そのため、家庭の電力需要に応じて燃料電池で発電しても、大きな給湯負荷には対応できない。そこで、例えば、風呂に給湯後、さらに多人数が入浴し、各々がシャワーを使用するような場合、ヒートポンプユニット９と貯湯槽２５とを併用して給湯する必要がある。また、ヒートポンプ給湯機は、外気から熱を吸収し給湯する機器であるため、外気温度が低い時には給湯能力が低下する特性がある。その一例として、図３に、能力が３種類（Ａ，Ｂ，Ｃ）のヒートポンプ給湯機における外気温度に対する給湯能力の変化の様子を示す。図に示すように、いずれの給湯機も外気温度が低下するほど、給湯能力、つまり加熱容量は小さくなり、反対に、必要な給湯能力は増加する傾向にある。そのため、外気温度が低いと、供給能力が不足するが、最低外気温度に合わせてヒートポンプ能力を設定すると、外気温度が高い場合に能力が余り、過剰設備となる。したがって、貯湯槽２５には、予め所定量の湯を貯湯しておき、外気温が低いときに、貯湯槽２５とヒートポンプユニット９とを併用して給湯することにより、ヒートポンプ容量を適正化することができる。
【００３１】
ここで、例えば、風呂に２００Ｌ給湯し、さらに５人が入浴して各々シャワーを使用するような、大量のお湯を１時間程度で使用する場合において、必要なバックアップ貯湯容量の一例を図４に示す。図に示した例は、図３の給湯機Ｂを使用した一例であり、外気温度が０℃以上のときは、ヒートポンプ給湯機で上記の大容量給湯に対応できるが、外気温度がそれ以下のときは、貯湯槽に貯湯した湯と、ヒートポンプ給湯機で沸き上げるお湯とを合わせて大容量給湯に対応することを示している。以上述べたように、上記（１）と（２）は、それぞれ独立して考える必要があり、両者を合計した貯湯量を設定量として貯湯するようにする。
【００３２】
次に、図５のフローチャートに基づいて、設定量の湯を貯湯する場合の制御方法について説明する。ここで、貯湯槽２５の側壁に配設される温度検出器Ｔ１（例えば、貯湯槽の頂部から５０Ｌの位置）で検知される温度を第１湯温、その位置を第１湯量位置とする。同様に、温度検出器Ｔ２（例えば、貯湯槽の頂部から１００Ｌの位置）で検知される温度を第２湯温、その位置を第２湯量位置とする。また、初期状態として、第２湯温が、例えば６０℃になるまでヒートポンプを運転し貯湯しておく。なお、以下のフローチャートにおいて示す設定温度は、いずれも６０℃であるものとする。
【００３３】
まず、ステップ１で、貯湯量の制御が開始されると、ステップ２において第１湯温が検知され、その温度が設定温度未満であるか否かが判定される。ここで、第１湯温が設定温度未満であれば、ステップＳ３に進み、ヒートポンプ貯湯運転が開始される。そして、貯湯量が次第に増加すると、ステップＳ４において、第２湯温が検知され、第２湯量位置の水温が設定温度以上であるか否かが判定される。ここで、設定温度以上であれば、ステップＳ５に進み、第２湯量位置まで貯湯されたと判断し、ヒートポンプ貯湯運転を終了する。すなわち、貯湯量の設定量が、第１湯量位置〜第２湯量位置の範囲に維持されるように制御され、下限値の第１湯量位置未満になれば、ヒートポンプ貯湯運転が開始され、上限値の第２湯量位置まで貯湯されると、運転が停止するようになっている。
【００３４】
次に、外気温度に応じて設定量を可変設定する場合について、図６のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップＳ１１で、制御が開始されると、ステップＳ１２において、図示しない外気温度検出器により外気温度が検知される。ここにおいて、外気温度が設定外気温度以上であれば、ステップＳ１３に進み、設定外気温度未満であれば、ステップＳ１７に進む。そして、ステップＳ１３〜Ｓ１６では、図５のＳ２〜Ｓ５と同様、第１湯温、第２湯温が順次検知され、貯湯量を第１湯量位置から第２湯量位置の範囲に維持するように制御される。これに対し、ステップＳ１７〜Ｓ２０においては、外気温度が低いことによりヒートポンプの給湯能力が低下する場合があるため、予め設定量を第２湯量位置から第３湯量位置の範囲に増加させるようにする。すなわち、ステップＳ１７〜Ｓ２０では、図５のＳ２〜Ｓ５と同様、第２湯温、第３湯温が順次検出され、貯湯量を第２湯量位置から第３湯量位置（例えば、貯湯槽の頂部から１５０Ｌの位置）の範囲に維持するように制御される。これにより、ヒートポンプの給湯負荷が低減され、燃料電池の排熱利用効率、発電運転稼働率を向上させることができる。なお、図６のフローチャートでは任意の設定外気温度を境に２段階制御する例を示しているが、例えば、外気温度範囲を複数に区分し、各温度範囲においてバックアップ湯量を段階的に設定するようにしてもよい。
【００３５】
以上が基本的な貯湯制御方法であるが、燃料電池の利用効率を一層向上させるため、以下の制御を行うことが有効である。図７は、燃料電池の発電状態を考慮した制御方法のフローチャートを示す。図に示すように、まず、ステップＳ２１で、制御が開始されると、ステップ２２において、第１湯温が検知され、その温度が設定温度未満であるか否かが判定される。ここで、第１湯温が設定温度未満となり、ヒートポンプ貯湯運転開始の条件が成立すると、ステップ２３に進み、燃料電池が発電運転を行っているか否かが判定される。ここで、燃料電池が発電運転を行っていれば、ヒートポンプユニット９による貯湯運転開始を行わず、燃料電池からの排熱回収により、第２湯量位置まで貯湯が行われるのを待つように指令する貯湯運転開始禁止信号が出され、燃料電池による排熱回収が行われる。特に、夏期は湯の使用量が少なく、湯余りになる傾向があるため、この制御により、極力ヒートポンプ運転による貯湯運転を抑え、燃料電池発電運転が行われるようにする。なお、燃料電池の発電が行われていない場合は、他の制御と同様、ステップＳ２６に進み、ヒートポンプ給湯運転が行われる。
【００３６】
次に、燃料電池により発電が行われ、貯湯運転開始禁止信号が出されている間に給湯が行われる場合について想定すると、一般に給湯量は燃料電池からの排熱回収による貯湯量より多いため（給湯量は、数Ｌ／ｍｉｎから１０Ｌ／ｍｉｎ程度であるのに対し、排熱回収による貯湯量は１Ｌ／ｍｉｎ以下）、第２湯量位置まで貯湯を行うことができず、逆に第１湯量位置に近づく傾向となる。したがって、ステップＳ２４において、給水流量計６０により給湯（給水量＝給湯量）が行われているか否かを検知し、給湯されていると判定されると、ステップＳ２５において、給湯が開始されてからの積算給湯量が算出される。その結果、積算給湯量が予め設定された設定積算給湯量以上になった場合、ステップＳ２６に進み、ヒートポンプ運転の貯湯運転開始禁止信号が解除され、ヒートポンプ貯湯運転が開始される。そして、ステップＳ２７で第２湯温が検知され、設定温度以上の場合、ステップＳ２８に進み、ヒートポンプ貯湯運転が停止される。
【００３７】
次に、貯湯量が設定量以上あるが、給湯量が多いため貯湯槽２５とヒートポンプの両方で給湯運転を行う場合について、図８のフローチャートに基づいて説明する。ステップＳ３１で制御が開始されると、ステップＳ３２で、温度検出器Ｔ３〜Ｔ５により、第３湯温〜第５湯温が検知される（温度検出器Ｔ３〜Ｔ５で検知される温度をそれぞれ第３湯温〜第５湯温とする）。そして、第３湯温〜第５湯温のいずれかが設定温度以上、言い換えれば、貯湯量が貯湯槽底部近傍まで十分にある場合、給湯が始まると、まず、貯湯槽２５からのみ給湯が開始される。続いて、ステップＳ３３で第２湯温が検知され、設定温度未満となれば、残湯量が少ないと判断し、ヒートポンプによる給湯運転が開始される。これにより、貯湯槽２５とヒートポンプとの両方から給湯された湯が混合され給湯される。そして、ステップＳ３５で給水流量計６０の出力が検知され、給湯完了の判定がされると、ステップＳ３６に進み、第２湯温が設定温度未満であれば、図５のフローチャートに従い、貯湯運転が行われる。これによれば、例えば、貯湯槽２５の底部近傍まで湯が十分に貯湯されている場合、給湯時において、まず、貯湯槽のみで給湯することにより、大量の湯が水に置き換わるため、燃料電池の運転を継続する点で有効となる。そして、給湯量が多く、第２湯量位置より貯湯量が減少すると、第１湯量位置まで待つことなく、早めにヒートポンプ給湯運転を開始することで、湯切れを防ぐことができる。
【００３８】
次に、湯の使用量が少ない時間帯において、第２湯量位置まで貯湯した湯が給湯により第１湯量位置を割って減少し、ヒートポンプ貯湯運転の条件が成立した場合の貯湯運転制御について、図９のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップＳ４０で制御が開始されると、ステップＳ４１で第１湯温が検知され、設定温度未満の場合、ステップＳ４２に進み、現在時間が設定時間帯（例えば、深夜時間帯）であるか否かが判定される。ここで、設定時間帯であれば、ステップ４３でヒートポンプユニット９の加熱容量が設定値まで低減される。具体的には、圧縮機１１の最高回転数の上限値を設定回転数まで下げるようにする。そして、ステップＳ４４において、貯湯運転が開始されると、時間をかけてゆっくりと貯湯が行われる。続いて、ステップＳ４５で第２湯温が検知され、設定温度の場合、ステップＳ４６に進み、ヒートポンプ運転が停止される。
【００３９】
このような制御によれば、冷凍サイクルの状態が、圧縮機容量に対し、相対的に熱交換器容量が大きくなったことに相当するため、貯湯運転の効率が向上し、かつ深夜時間帯の騒音を低減することができる。また、燃料電池による発電電力をヒートポンプ運転に利用する（不足分は系統電力も使用）場合、時間をかけてゆっくりとヒートポンプ貯湯運転を行うことにより、燃料電池の排熱利用効率を上げる事が出来る。
【００４０】
なお、湯の使用量が少ない時間帯は各家庭の生活パターンにより異なるため、ヒートポンプの加熱容量を下げる時間帯をユーザが指定できるセーブ運転時間帯設定機能などをシステムに設けると、運転機能を一層発揮することができる。この場合において、設定時間帯は、夜間に限らず、ユーザが各家庭の生活パターンに合わせて設定できるようにすることが好ましい。
【００４１】
また、ヒートポンプの加熱容量は外気温度により変化するため、圧縮機の最高回転数を下げる場合、外気温度が高い時は低速回転数でも設定温度に加熱することができるが、外気温度が低い場合は圧縮機回転数を下げすぎると設定温度に加熱できない場合がある。そこで、検出された外気温度に応じて有効にセーブ運転を行う方法として、外気温度の関数を演算処理して圧縮機最高回転数を設定することにより、最適なセーブ運転制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明を適用してなる熱回収併用ヒートポンプ給湯機の構成図である。
【図２】３方向切替弁の切替モードを示す図である。
【図３】能力が３種類（Ａ，Ｂ，Ｃ）のヒートポンプ給湯機において、外気温度に対する給湯能力の変化の様子を示す線図である。
【図４】図３の給湯機Ｂにおいて、外気温度に対する必要なバックアップ貯湯容量の変化の様子を示す線図である。
【図５】設定量を貯湯する場合の制御を説明するフローチャートである。
【図６】外気温度に応じて設定量を調整する制御を説明するフローチャートである。
【図７】燃料電池の発電状態を考慮した制御を説明するフローチャートである。
【図８】貯湯槽とヒートポンプの両方で給湯運転を行う場合の制御を説明するフローチャートである。
【図９】湯の使用量が少ない時間帯に給湯する場合の貯湯制御を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
１  燃料電池ユニット
３  燃料電池スタック
５  排熱回収熱交換器
７，１４，１５  ポンプ
９  ヒートポンプユニット
１９  水冷媒熱交換器
２５  貯湯槽
４７  燃料電池制御装置
４９  ヒートポンプ制御装置
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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