(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給する燃料ガスとカソードに供給する酸化剤ガスとを反応させて電流電力と排熱を生成する電池本体と、
この電池本体の発電で直流電圧を昇圧して運転される空調機システムの圧縮機と、
前記電池本体に接続され、前記燃料ガスを改質させる燃料処理系から生成される排熱および前記電池本体から生成される排熱のうち、少なくともいずれか一方の排熱を室内の暖房、冷房、除湿として空調機システムの空調部に供給する燃料電池システムと、
前記電池本体の発電量が前記圧縮機の負荷を上廻る場合、余剰分を２次電池あるいは系統の負荷に出力する一方、前記電池本体の発電量が前記圧縮機負荷を下廻る場合、前記２次電池あるいは系統から電力の供給を受ける電力システムと、
前記燃料電池システムから生成された排熱を貯湯用として利用する貯湯手段とを備えたことを特徴とする燃料電池の排熱利用空調システム。
【請求項２】
前記電力システムは、電池本体から発生する直流電力を空調機システムの圧縮機に通電して駆動させる際、前記直流電力の増減に関係なく優先的に通電させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の排熱利用空調システム。
【請求項３】
前記空調機システムの空調部は、互いに区分けされた室内機と室外機とを備えるとともに、室内機および室外機は、ともに、ファン、熱交換器、排熱利用側熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の排熱利用空調システム。
【請求項４】
前記空調機システムの空調部は、暖房運転時、ヒートポンプ運転の最低負荷運転においても熱が余る場合、電池本体、燃料処理系のうち、少なくともいずれか一方からの排熱の一部を回収して貯める貯湯槽を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の排熱利用空調システム。
【請求項５】
前記空調機システムの空調部は、冷房運転時、電池本体、燃料処理系および室外機の室外熱交換器のうち、少なくともいずれか一方からの熱を回収して貯める貯湯槽と、前記熱が余る場合、大気に放出させる放熱器とを備えていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の排熱利用空調システム。
【請求項６】
前記放熱器は、貯湯槽側および床暖房パネルのうち、いずれか一方に設置することを特徴とする請求項５記載の燃料電池の排熱利用空調システム。
【請求項７】
前記放熱器は放熱ファンを備えていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池の排熱利用空調システム。
【請求項８】
前記空調機システムの空調部は、除湿運転時、電池本体および燃料処理系のうち、少なくとも一方から発生する熱の一部を室内機の排熱利用側熱交換器に供給し、室内を暖房気味に維持させる手段を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の排熱利用空調システム。
【請求項９】
前記電力システムは、電池本体から発生する直流電力を優先的に通電させて空調機システムの圧縮機を駆動するインバータと、前記電池本体から発生する直流電力が余ったとき調整してバッテリに蓄電させるコンバータと、前記電池本体から発生する直流電力が余ったとき、系統からの負荷に加える商用インバータとを備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の排熱利用空調システム。
【請求項１０】
前記空調機システムの空調部は、圧縮機に使用する冷媒ガスを、フロンＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃおよびニ酸化炭素のうち、いずれか一方を選択することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の排熱利用空調システム。
【請求項１１】
前記燃料処理系は、燃料ガスとして炭化系水素および灯油のうち、いずれか一方を選択することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の排熱利用空調システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池から出る排熱を巧みに利用して空調の冷房運転、暖房運転、除湿運転等に必要な熱エネルギを空調機器に供給し、エネルギの有効活用を図る燃料電池の排熱利用空調システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池は、形状をコンパクトにすることができ、電気出力が高出力密度であり、さらにシステムを簡素化させて運転ができるので、家庭住宅用電源システムとして将来有望視されている。
【０００３】
また、固体高分子形燃料電池は、家庭住宅用電源システムの利用のみならず、電力発生後に出る排熱の利用として空調システムやコージェネレーションへの適用が検討されている。
【０００４】
この固体高分子形燃料電池からは、電気エネルギの発生とともに、約１００℃程度の排熱が出ている。
【０００５】
一方、燃料を水素に改質させる燃料処理系統でも、改質器等の改質反応の加熱に燃焼器を使う関係上、燃焼排ガス等の排熱が出ている。
【０００６】
このように、燃料電池システム全体から出る排熱が多量になっており、排熱を給湯、風呂等の温水や空調用の熱媒体等に活用すれば、熱回収の有効な手段の一つと考えられる。ちなみに、熱回収が充分になされたとして、電気と熱を合わせた熱利用総合効率は、試算によれば、約８０％にもなっている。
【０００７】
この電気と熱の両方のエネルギを有効に活用する発明には、例えば、特開平１０−３１１５６４号公報や特開平１１−１３２１０５号公報が開示されている。
【０００８】
前者の発明は、燃料電池駆動空調システムを適用対象とし、カソード（酸化剤極）から生成される水蒸気を、全熱変換形室内機を介して室内に供給し、冷暖房および加湿用に利用している。
【０００９】
また、後者の発明は、排熱分配装置および排熱利用システムに関するもので、燃料電池から出た排熱を、排熱分配装置の流量調整弁や水ポンプを使って温水パネルや貯湯槽等に分配している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−３１１５６４号公報や特開平１１−１３２１０５号公報に記載された発明は、ともに、暖房等の熱利用を、燃料電池から出る排熱で行う構成になっているが、燃料電池から発生する電力を用いて空調機を直接運転する構成になっていないため、直流電力から交流電力に変換する際、変換に伴う損失が発生する不具合、不都合があった。
【００１１】
すなわち、特開平１０−３１１５６４号公報や特開平１１−１３２１０５号公報に記載された発明は、ともに、燃料電池から発生する直流電力を空調機に直接、通電させていないので、例えば、燃料電池から発生する直流電力を用いて空調機を運転させるとき、一旦燃料電池から発生する直流電力を電力系統に供給した後、その電力系統から空調機に交流電力を供給することになる。その際、燃料電池からの直流電力を電力系統に通電させるためには、直流・交流変換機、例えばインバータが必要になるので変換に伴う損失が生じていた。
【００１２】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、燃料電池から発生する直流電力や排熱をより一層有効に活用するとともに、燃料電池から発生する直流電力を、直接、空調機に通電させ、より一層電気エネルギの有効利用を図る燃料電池の排熱利用空調システムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、アノードに供給する燃料ガスとカソードに供給する酸化剤ガスとを反応させて電流電力と排熱を生成する電池本体と、この電池本体の発電で直流電圧を昇圧して運転される空調機システムの圧縮機と、前記電池本体に接続され、前記燃料ガスを改質させる燃料処理系から生成される排熱および前記電池本体から生成される排熱のうち、少なくともいずれか一方の排熱を室内の暖房、冷房、除湿として空調機システムの空調部に供給する燃料電池システムと、前記電池本体の発電量が前記圧縮機の負荷を上廻る場合、余剰分を２次電池あるいは系統の負荷に出力する一方、前記電池本体の発電量が前記圧縮機負荷を下廻る場合、前記２次電池あるいは系統から電力の供給を受ける電力システムと、前記燃料電池システムから生成された排熱を貯湯用として利用する貯湯手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、電力システムは、電池本体から発生する直流電力を空調機システムの圧縮機に通電して駆動させる際、前記直流電力の増減に関係なく優先的に通電させるものである。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、空調機システムの空調部は、互いに区分けされた室内機と室外機とを備えるとともに、室内機および室外機は、ともに、ファン、熱交換器、排熱利用側熱交換器を備えているものである。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、空調機システムの空調部は、暖房運転時、ヒートポンプ運転の最低負荷運転においても熱が余る場合、電池本体、燃料処理系のうち、少なくともいずれか一方からの排熱の一部を回収して貯める貯湯槽を備えているものである。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、空調機システムの空調部は、冷房運転時、電池本体、燃料処理系および室外機の室外熱交換器のうち、少なくともいずれか一方からの熱を回収して貯める貯湯槽と、前記熱が余る場合、大気に放出させる放熱器とを備えているものである。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、放熱器は、貯湯槽側および床暖房パネルのうち、いずれか一方に設置するものである。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、放熱器は、放熱ファンを備えているものである。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、空調機システムの空調部は、除湿運転時、電池本体および燃料処理系のうち、少なくとも一方から発生する熱の一部を室内機の排熱利用側熱交換器に供給し、室内を暖房気味に維持させる手段を備えているものである。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムは、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、電力システムは、電池本体から発生する直流電力を優先的に通電させて空調機システムの圧縮機を駆動するインバータと、前記電池本体から発生する直流電力が余ったとき調整してバッテリに蓄電させるコンバータと、前記電池本体から発生する直流電力が余ったとき、系統からの負荷に加える商用インバータとを備えているものである。
【００２３】
また、本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムは、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、空調機システムの空調部は、圧縮機に使用する冷媒ガスを、フロンＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃおよびニ酸化炭素のうち、いずれか一方を選択するものである。
【００２４】
また、本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムは、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、燃料処理系は、燃料ガスとして炭化系水素および灯油のうち、いずれか一方を選択するものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２６】
図１および図２は、本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムの実施形態を示す概略系統図である。なお、図１は、燃料電池の排熱利用空調システムのうち、燃料電池システム５９を示す概略全体系統図であり、図２は、燃料電池の排熱利用空調システムのうち、空調機システム６０を示す概略全体系統図である。
【００２７】
また、本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムのうち、燃料電池は、例示として固体高分子形燃料電池を適用対象にしている。
【００２８】
本実施形態に係る燃料電池システム５９は、燃料処理系（ＦＰＳ；Ｆｕｅｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）１と電池本体（ＣＳＡ；Ｃｅｌｌ  Ｓｔａｃｋ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２とを備えて構成されている。
【００２９】
燃料処理系１は、燃料Ｆ等の流れに沿って順に、燃料部３、脱硫器４、燃焼器５ａ、熱交換器５ｂ、改質器６、ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９、改質用水タンク１０、改質用水ポンプ１１、排熱熱交換器１２、排熱供給水ポンプ１３等を備える構成になっている。
【００３０】
なお、燃料部３から脱流器４に供給される燃料Ｆは、炭化水素系燃料、例えばプロパンや都市ガス、あるいは、例えばガス化した灯油等が適宜、選択して用いられる。
【００３１】
一方、電池本体２は、アノード１４、カソード１５、水冷却部１６、電池冷却水ポンプ１７等を備える構成になっている。
【００３２】
また、燃料処理系１および電池本体２に共通な構成部品には、空気ブロア１８、凝縮熱交換器１９等が設けられている。
【００３３】
このような構成を備える固体高分子形燃料電池システムの発電原理を簡単に説明する。
【００３４】
プロパンまたは灯油等の燃料Ｆのうち、例えばプロパンを選択する場合、プロパンから水素ガスへの改質は、燃料処理系１で行われる。まず、プロパンを選択する燃料Ｆは、脱硫器４を通る際、器内に収容されている、例えば活性炭やゼオライト吸着によって硫黄分が取り除かれ、水蒸気分離器９から分離されるガス状の水蒸気と合流して改質器６に供給される。
【００３５】
この水蒸気分離器９は、改質用水タンク１０から改質用水ポンプ１１および水供給系１０ａを介して供給される水を熱交換器５ｂおよび燃焼器５ａで加熱させ、ガス状の水蒸気として改質器６に供給し、ここで燃料Ｆに合流させるようになっている。なお、水蒸気分離器９は、ガス状の水蒸気から分離するドレン水を水回収系１０ｂを介して改質用水タンク１０に回収させている。
【００３６】
一方、改質器６では、供給される燃料（プロパン）Ｆと水蒸気とで水蒸気改質反応が行われ、水素のほかにＣＯやＣＯ２等も生成される。その際、水蒸気改質反応は吸熱反応になるばかりでなく、改質器６も加熱器として用いられるようになっている。
【００３７】
ところで、固体高分子形燃料電池は、アノード１４に供給される燃料ガスの改質ＣＯ濃度が高いと、電池本体２の触媒層（図示せず）などが被毒し、活性力が低下し、電池能力が著しく低下する等の悪影響がでる。このため、ＣＯはＣＯ２に酸化させる必要がある。
【００３８】
本実施形態は、このような点を考慮したもので、改質器６の下流側にＣＯシフト反応器７とＣＯ選択酸化器８を備えるとともに、ＣＯ選択酸化器８に空気ブロア１８からの空気を供給し、改質器６で生成される改質ガスのうち、ＣＯがＣＯシフト反応器７およびＣＯ選択酸化器８を流れる間に触媒とともに酸化促進させるようになっている。
【００３９】
また、図示しないが、改質器６、ＣＯ選択酸化器８の触媒反応温度は、それぞれ異なり、改質器６の数百度からＣＯ選択酸化器８の百数十度と、改質ガスの上流と下流の温度差が大きいため、実際には下流側温度を下げるための水熱交換器が必要となり、例えば、ＣＯシフト反応器７とＣＯ選択酸化器８との間に水熱交換器を設ける構成にしてもよい。
【００４０】
例えば、燃料Ｆのプロパンを改質させる場合、ＣＯからＣＯ２への酸化反応を省略し、全体をスルーする水蒸気改質反応は、以下の（１）式による。
【００４１】
【化１】
0004007442.tif 000002
【００４２】
また、ＣＯ選択酸化器８を通過する改質ガスは、主に水素、炭酸ガス、水蒸気等の成分からなる。これらのガスが電池本体２のアノード１４に供給されると、水素ガスは膜電極接合体ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；以下ＭＥＡと記す）の触媒層（図示せず）を経てプロトンＨ＋が電解質膜（図示せず）を流れ、空気ブロア１８によりカソード１５を流れる空気中の酸素および電子と結び付いて水を生成する。
【００４３】
したがって、アノード１４は−極、カソード１５は＋極になり、電位を持って直流電力を発生する。この電位間に電気負荷を存在させると、電源として機能を持たせることができる。
【００４４】
他方、発電に寄与しないまま残ったアノード１４の出口から出るガスは、水蒸気蒸発器５の燃焼器５ａ等の加熱用燃焼ガスとして使用される。
【００４５】
また、カソード１５の出口から出る水蒸気および燃焼排ガス中の水蒸気は、水蒸気蒸発器５の燃焼器５ａで燃焼ガスと合流し、凝縮熱交換器１９を介して改質用タンク１０に回収され、燃料電池システム５９での水自立を図っている。
【００４６】
電池本体２のＭＥＡにおける触媒での反応温度は、通常百度以下が適当であるから、電池本体２の温度がそれ以下になるように、電池冷却水ポンプ１７で冷却水を循環させ、排熱熱交換器１２で放熱させ、電池本体２の入口側冷却水温度が一定になるように電気制御部（図示せず）で制御している。
【００４７】
このような構成を備える固体高分子形燃料電池システムにおいて、排熱熱交換器１２で電池本体２の水冷却部１６からの高温水と熱交換して温められる媒体（不凍液）もしくは温水は、排熱供給水ポンプ１３の駆動により図２に示す空調機システム６０における空調部２０の室内機２２に供給される。
【００４８】
なお、固体高分子形燃料電池システムの簡素化のために、排熱熱交換器１２を使わずに、排熱給水ポンプ１３の代りに、燃料処理系１の電池冷却水ポンプ１７から空調部２０の室内機２２に直接温水を供給してもよい。温水が直接室内機２２に供給されるので、その分だけ熱効率が向上することに基づく。
【００４９】
なお、電池本体２からの排熱は、空調部２０への熱源としての供給にとどまらず、給湯用として用いてもよく、また、放熱器４１から大気に放出させてもよい。
【００５０】
この場合、放熱器４１は、放熱ファン４２を備える一方、貯湯槽４０および床暖房パネルのうち、いずれか一方に設置される。
【００５１】
図２は、燃料電池システム５９に接続され、一体として扱われる空調機システム６０を示す概略系統図である。
【００５２】
空調機システム６０は、空調部２０を室外機２１と室内機２２とに区分けするスプリットタイプに構成するとともに、室外機２１と室内機２２とを互いに接続させる冷媒渡り配管を備える構成になっている。
【００５３】
室外機２１は、例えば、圧縮機２３、四方弁２４、室外熱交換器２５、室外ファン２６、排熱利用側熱交換器２７ａおよび絞り機構２８等を含めた構成になっている。
【００５４】
また、室内機２２は、室内熱交換器３１、室内ファン３２および排熱利用側熱交換器２７ｂ等を備えている。
【００５５】
なお、室外機２１の排熱利用側熱交換器２７ａと室内機２２の排熱利用側熱交換器２７ｂとは、室外熱交換器２５および室内熱交換器３１のそれぞれの矢印で示す送風機（図示せず）の下流側に配置させるか、あるいは各排熱熱交換器専用に別送風機を設けた構造にしてもよい。
【００５６】
さらにまた、空調機システム６０は、燃料電池システム５９の排熱供給水ポンプ１３に連通させる三方遮断弁３９のほかに、水ポンプ（Ｐ２）３４、第１二方遮断弁（Ｖ１）３５、第２二方遮断弁（Ｖ２）３６、第３二方遮断弁（Ｖ３）３７、第４二方遮断弁（Ｖ４）３８、貯湯槽４０、放熱器４１、放熱ファン４２、第５二方遮断弁（Ｖ５）４３を備える構成になっている。なお、貯湯槽４０、あるいは放熱器４１および放熱ファン４２は、燃料電池一体空調システムに必ずしも一体として設置しなくともよい。また、第１二方遮断弁（Ｖ１）３５と第２二方遮断弁（Ｖ２）３６とは、上述三方遮断弁３９のように、弁１個で同じ機能を持たせるものであれば、どのような種類の弁でもよい。
【００５７】
このような構成を備える空調機システム６０の暖房運転原理を簡単に説明する。
【００５８】
表１は、暖房運転、冷房運転、除湿運転、発電運転の各運転モードにおける四方弁２４の媒体流れ経路、放熱ファン４２の運転の有無、第１二方遮断弁（Ｖ１）３５〜第５二方遮断弁（Ｖ５）４３の開閉の有無、系統への連系や２次電池（バッテリ）への電力余剰分の供給または蓄電、排熱供給水ポンプ（Ｐ１）１３や水ポンプ（Ｐ２）３４の運転の有無を一覧表にまとめたものである。
【００５９】
【表１】
0004007442.tif 000003
【００６０】
その際、空調機システム６０を駆動する電力システム４４は、図３に示すように、電池本体２から発生する直流電力を、昇圧させるチョッパ４５と、このチョッパ４５で昇圧する直流電力が余剰の場合、例えば高圧の直流電力から低圧の直流電力（ＤＣ／ＤＣ）にコンバータ４６で調整して蓄電させるバッテリ（２次電池）４７とを備える構成になっている。
【００６１】
また、電力システム４４は、チョッパ４５で昇圧する直流電力が余剰電力になっているか否かに関係なく、図２に示す圧縮機２３に優先的に通電させて駆動するモータ駆動のインバータ（ＤＣ／ＡＣ）４８と、系統４９からの交流電力に余剰電力を加えて電気負荷５０を増加させる商用インバータ（ＤＣ／ＡＣ）５１とを備える構成になっている。
【００６２】
このような電力システム４４を備える空調機システム６０において、暖房運転時、電池本体２からチョッパ４５、インバータ４８を介して余剰電力とは無関係に優先的に通電され、その通電により駆動される圧縮機２５から送り出される高温高圧の冷媒ガスは、図２に示す四方弁２４の実線部分の流れ経路を通り、室内機２２の室内ファン３２から供給され、冷媒ガスの凝縮温度よりも低い室内空気により室内熱交換器３１で冷され凝縮する。このとき、室内ファン３２からの室内空気は、冷媒ガスからの高温熱を受けて暖気になる。
【００６３】
一方、室内熱交換器３１で凝縮する冷媒ガスは、室外機２１に供給され、絞り機構２８で絞られた後、低温、低圧の二相流となり、室外ファン２６から供給され、冷媒ガスの蒸発温度の高い室外空気により室外熱交換器２５で加熱され、蒸発する。
【００６４】
室外熱交換器２５で蒸発する冷媒ガスは、四方弁２４の実線部分の流れ経路を通って圧縮機２３に戻され、ここで再び圧縮されて高温、高圧のガスとなり、室内機２２の室内熱交換器３１に供給される。
【００６５】
このような通常の暖房運転に対し、本実施形態に係る電池本体２からの排熱を利用する排熱利用暖房運転モードでは、図１および図２に示す排熱供給水ポンプ１３から供給される、例えば排熱温水を、室内機２２の排熱利用側熱交換器２７ｂに供給し、ここで室内ファン３２からの室内空気を加温させた後、燃料電池システム５９の排熱供給水ポンプ（Ｐ１）１３に戻すようになっている。この排熱供給水ポンプ（Ｐ１）１３からの排熱温水は、表１のＮｏ．１の欄に示すように、第１二方遮断弁（Ｖ１）３５を開、第２二方遮断弁（Ｖ２）３６、第３二方遮断弁（Ｖ３）３７および第５二方遮断弁（Ｖ５）４３を閉にする状態で、三方遮断弁３９の切り換えにより、放熱器４１をバイパスさせ、室内機２２の排熱利用熱交換器２７ｂで室内ファン３２からの室内空気を加温させるようになっている。
【００６６】
この場合、通常、冷媒ガスによる室内熱交換器３１の凝縮温度が４０℃前後であるのに対し、電池本体２からの排熱温度が６０℃前後の高温になっているので、矢印で示す室内熱交換器３１の下流側に位置する排熱利用側熱交換器２７ｂからの吹き出し温度が高められ、安定した暖房感を維持させることができる。
【００６７】
そして、電池本体２からの排熱を利用する排熱利用暖房運転の場合、電力システム４４は、図３に示すように、電池本体２から発生する直流電力を、インバータ４８を介して優先的に圧縮機２３に通電し、駆動させている。
【００６８】
このように、本実施形態は、電池本体２からの直流電力を、インバータ４８を介して優先的に圧縮機２３に通電させているので、起動電流の負担が少なくなり、圧縮機２３の成績係数（ＣＯＰ）が高くなり、より一層効率の高いヒートポンプ運転を行うことができる。
【００６９】
また、本実施形態は、電池本体２からの排熱を巧みに利用し、圧縮機２３からの冷媒ガスによる通常の暖房と組み合わせて併用させているので、経済的にして安定な暖房運転を行うことができる。
【００７０】
上述の暖房負荷運転中におけるヒートポンプ運転の最低負荷時、電池本体２から発生する排熱に余剰が出た場合、本実施形態では、図２に示す電池本体２の排熱供給水ポンプ（Ｐ１）１３から供給される、例えば排熱温水または燃料処理系１からの排熱温水を、放熱器４１でバイパスさせ、表１のＮｏ．２欄に示すように、貯湯槽４０に貯める貯湯運転モードが行われる。
【００７１】
この貯湯運転モードは、図２に示すように、第１二方遮断弁（Ｖ１）３５、第３二方遮断弁（Ｖ３）３７および第５二方遮断弁（Ｖ５）４３のそれぞれを閉じ、第２二方遮断弁（Ｖ２）３６を開にする状態で、排熱供給水ポンプ（Ｐ１）１３から供給される、例えば排熱温水を、三方遮断弁３９の切り換えにより、放熱器４１をバイパスさせ、貯湯槽４０に供給する。そして、この排熱温水を給湯や風呂等に利用する場合、貯湯槽４０の第４二方遮断弁（Ｖ４）３８を開ける。
【００７２】
上述の排熱利用貯湯時のヒートポンプ暖房運転においても、電気負荷が余る場合、電力システム４４は、図３に示すように、余剰電力分をコンバータ４６を介してバッテリ（２次電池）４７に蓄電するとともに、商用インバータ５１を介して系統４９に接続し、動力として他の電気機器の電気負荷５０に使用する。
【００７３】
このように、本実施形態は、暖房運転中に貯湯運転モードを行うことにより、電池本体２からの排熱や余剰電力を有効に利用することができ、地球資源の有効活用に寄与することができる。なお、本実施形態では、電池本体２から出る排熱利用を、主として暖房運転に適用しているので、貯湯槽４０に貯める貯湯熱量が比較的少なくなっている。しかし、その分だけ貯湯槽４０は小形化することができる。
【００７４】
また、本実施形態は、電池本体２に供給する燃料を炭化系水素、例えばプロパンを使用しているが、ガス化する灯油を燃料として使用してもよい。この場合、ランニングコストが安く、特に暖房ニーズの大きい寒冷地では、灯油インフラも整備されているので、本システムを利用する利点は大きい。
【００７５】
また、本実施形態は、圧縮機２３に使用する冷媒ガスとして、成績係数（ＣＯＰ）が高く、給湯用の熱源媒体としても使える、７０℃〜８０℃の高温凝縮が可能なフロンＲ４１０Ａ、フロンＲ４０７Ｃ、二酸化炭素ＣＯ２のうち、いずれかを選択すれば、効果的な暖房運転を行うことができる。
【００７６】
なお、本実施形態は、燃料電池システム５９として燃料処理系１と電池本体２とを組み合わせ、水素に酸素を反応させて発生する直流電力や排熱を巧みに活用し、暖房運転や貯湯運転を行っているが、暖房運転や貯湯運転等は電池本体２から発生する電力や熱を利用するにすぎないので、純水素を電池本体２に直接供給して燃料処理系１を省略してもよい。
【００７７】
また、凝縮熱交換器１９から出る熱は、改質用水タンク１０のほかに温水として他の設備に供給してもよい。
【００７８】
次に、電池本体２からの排熱を利用しない排熱非利用用冷房運転モードを説明する。
【００７９】
通常の冷房運転は、図２に示す四方弁２４を反転させ、冷媒ガスの流れ経路を破線部分にし、室外熱交換器２５を凝縮器として機能させ、室内熱交換器３１を蒸発器として機能させている。
【００８０】
この通常の冷房運転に対し、本実施形態に係る排熱非利用冷房運転モードは、表１のＮｏ．３欄に示すように、第１二方遮断弁（Ｖ１）３５、第２二方遮断弁（Ｖ２）３６および第３二方遮断弁（Ｖ３）３７のそれぞれを閉じ、第５二方遮断弁（Ｖ５）４３を開にする状態で、排熱供給水ポンプ（Ｐ１）１３から供給される、例えば排熱温水あるいは燃料処理系１からの排熱温水を、三方遮断弁３９の切り換えにより、放熱器４１に供給し、放熱ファン４２の駆動動力で大気に熱を放出させる。
【００８１】
一方、排熱非利用冷房運転中、電池本体２からの排熱を貯湯槽４０に貯める貯湯運転モードは、表１のＮｏ．４欄に示すように、第１二方遮断弁（Ｖ１）３５、第３二方遮断弁（Ｖ３）３７および第５二方遮断弁（Ｖ５）４３を閉じ、第２二方遮断弁（Ｖ２）３６を開にする状態で、排熱供給水ポンプ（Ｐ１）１３から供給される、例えば排熱温水を、三方遮断弁３９の切り換えにより、放熱器４１をバイパスさせて貯湯槽４０に供給する。そして、この温水を給湯や風呂等に利用する場合、貯湯槽４０の第４二方遮断弁（Ｖ４）３８を開ける。
【００８２】
他方、冷房運転中に貯湯運転を併用する、いわゆる冷房パワフル貯湯運転モードは、表１のＮｏ．５欄に示すように、空調部２０の室外熱交換器２５の凝縮熱を汲み上げ、貯湯槽４０の温水熱に利用するようになっている。すなわち、空調部２０が冷房運転を行う場合、冷房パワフル貯湯運転モードは、図２に示すように、四方弁２４を破線部分に反転させ、圧縮機２３から出る高温高圧の冷媒ガスを室外熱交換器２５で凝縮させる。その際に発生する熱を、矢印で示す室外ファン２６の空気の流れ方向で、室外熱交換器２５の下流側に位置する排熱利用熱交換器２７ａに向って水ポンプ（Ｐ２）から供給される水に与え、温水として貯湯槽４０に蓄える。
【００８３】
このとき、第１二方遮断弁（Ｖ１）３５および第５二方遮断弁（Ｖ５）４３のそれぞれを閉じ、第２二方遮断弁（Ｖ２）３６および第３二方遮断弁（Ｖ３）３７のそれぞれを開く。そして、排熱供給水ポンプ（Ｐ１）１３から供給される、例えば排熱温水を、貯湯槽４０に蓄え、給湯や風呂等に利用する場合、第４二方遮断弁（Ｖ４）３８を開ける。
【００８４】
このように、本実施形態は、冷房運転中、室外機２１の室外熱交換器２５の冷媒凝縮熱および電池本体２から出る排熱温水を貯湯槽４０に貯めるパワフル給湯を行うことができるようにしているので、経済的にしてエネルギ効率の高い冷房運転を実現することができる。
【００８５】
さらに、電池本体２からの排熱を利用する除湿運転モードを説明する。
【００８６】
ここで、除湿運転モードとは、室内の温度を下げない暖気味の除湿運転をいう。
【００８７】
通常、除湿運転は、図２に示すように、圧縮機２３からの冷媒ガスを、四方弁２４の破線で示す経路、室外熱交換器２５、絞り機構２８を介して室内熱交換器３１に供給し、ここで、冷媒ガスを蒸発させて室内を除湿させるものであるが、その際、室温を下げざるを得ないのが一般的である。しかし、本実施形態では電池排熱を利用して室温を温めるようになっている。
【００８８】
このような運転を行う場合、第１二方遮断弁（Ｖ１）３５を開き、第２二方遮断弁（Ｖ２）３６、第３二方遮断弁（Ｖ３）３７および第５二方遮断弁（Ｖ５）４３のそれぞれを閉じた状態で、電池本体２から出る排熱を利用し、排熱供給水ポンプ（Ｐ１）１３から供給される、例えば排熱温水を排熱利用熱交換器２７ｂに供給し、ここで室内に向って熱を放出させている。
【００８９】
このように、本実施形態は、電池本体２から出る排熱を利用し、排熱供給水ポンプ（Ｐ１）１３から供給される排熱温水を排熱利用熱交換器２７ｂに供給し、室内を暖めるので、梅雨時期や秋期に室温が下がる底冷のない快適な除湿環境に維持させることができる。
【００９０】
最後に、空調機システム６０を使用する季節にとらわれることなく行われる発電運転モードを説明する。
【００９１】
この発電運転モードは、表１のＮｏ．７欄に示す電池排熱利用モードと、表１のＮｏ．８欄に示す電池排熱非利用モードとに区分けされる。
【００９２】
前者の排熱利用モードは、図３に示すように、電池本体２から発生する直流電力をチョッパ４５を介して優先的にインバータ（ＤＣ／ＡＣ）４８に供給して圧縮機２３を駆動し、余剰電力を一部をコンバータ（ＤＣ／ＤＣ）４６を介してバッテリ（２次電池）４７で蓄電し、さらに余剰電力の残りを商用インバータ（ＤＣ／ＡＣ）５１を介して系統４９からの交流電力に加えて電気負荷５０を増加させるとともに、電池本体２から出る排熱を利用し、排熱供給水ポンプ（Ｐ１）１３から供給される排熱温水を、第１二方遮断弁（Ｖ１）３５、第３二方遮断弁（Ｖ３）３７および第５二方遮断弁（Ｖ５）４３のそれぞれを閉じ、第２二方遮断弁（Ｖ２）３６を開く状態で、三方遮断弁３９の切り換えにより、放熱器４１をバイパスさせて貯湯槽４０に供給する。そして、この排熱温水を給湯や風呂等に利用する場合、貯湯槽４０の第４二方遮断弁（Ｖ４）３８を開ける。
【００９３】
また、後者の電池排熱非利用モードは、発電運転に対して上述と同様な運転モードを採るとともに、排熱供給水ポンプ（Ｐ１）１３から供給される排熱温水を、第１二方遮断弁（Ｖ１）３５、第２二方遮断弁（Ｖ２）３６および第３二方遮断弁（Ｖ３）３７のそれぞれを閉じ、第５二方遮断弁（Ｖ５）４３を開く状態で、三方遮断弁３９の切り換えにより、放熱器４１に供給し、放熱ファン４２で熱を大気に捨てる。
【００９４】
このように、本実施形態は、電池本体２から発生する直流電力を用いて発電運転を行うとともに、電池本体２から発生する排熱を利用して暖冷房運転や貯湯運転等を行うので、直流電力の有効利用と相俟って、経済的にしてエネルギ効率の高い運転を行うことができる。
【００９５】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムは、電池本体から発生する直流電力を優先的に活用する空調部駆動手段、その直流電力の余剰電力を貯える蓄電手段、系統の負荷を増加させる手段を備える一方、電池本体から発生する熱エネルギを有効に活用する暖・冷房手段、除湿および貯湯手段を備えているので、経済的でエネルギ効率の高い電力供給、熱併給を同時に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムのうち、燃料電池システムの実施形態を示す概略全体系統図。
【図２】本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムのうち、空調機システムの実施形態を示す概略全体系統図。
【図３】本発明に係る燃料電池の排熱利用空調システムに適用する電力システムを示すブロック図。
【符号の説明】
１  燃料処理系
２  電池本体
３  燃料部
４  脱流器
５  水蒸気蒸発器
５ａ  燃焼器
５ｂ  熱交換器
６  改質器
７  ＣＯシフト反応器
８  ＣＯ選択酸化器
９  水蒸気分離器
１０  改質用水タンク
１０ａ  水供給系
１０ｂ  水回収系
１１  改質用水ポンプ
１２  排熱熱交換器
１３  排熱供給水ポンプ
１４  アノード
１５  カソード
１６  水冷却部
１７  電池冷却水ポンプ
１８  空気ブロア
１９  凝縮熱交換器
１９ａ  残留ガス回収系
２０  空調部
２１  室外機
２２  室内機
２３  圧縮機
２４  四方弁
２５  室外熱交換器
２６  室外ファン
２７ａ，２７ｂ  排熱利用側熱交換器
２８  絞り機構
３１  室内熱交換器
３２  室内ファン
３４  水ポンプ
３５  第１二方遮断弁
３６  第２二方遮断弁
３７  第３二方遮断弁
３８  第４二方遮断弁
３９  三方遮断弁
４０  貯湯槽
４１  放熱器
４２  放熱ファン
４３  第５二方遮断弁
４４  電力システム
４５  チョッパ
４６  コンバータ
４７  バッテリ
４８  インバータ
４９  系統
５０  電気負荷
５１  商用インバータ
５９  燃料電池システム
６０  空調機システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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