(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と放熱器との間が冷却水行き用配管と戻り用の配管で接続され、前記冷却水行き用配管に冷却水循環用ポンプと冷却水流量調整弁を配設して形成される冷却水循環経路と、圧縮機と四方弁と利用側水熱交換器および室外空気熱交換器が順次接続されて形成されるヒートポンプ冷凍サイクルの循環経路と、前記冷却水循環経路の前記冷却水循環ポンプと前記冷却水流量調整弁との間の前記冷却水行き用配管と、前記冷却水戻り用配管とに跨って接続され、熱回収用冷却水流量調整弁と熱回収用水熱交換器を接続した熱回収冷却水循環経路とを備え、前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器にファンコイル、冷温水循環用ポンプおよび第1の冷温水流量調整弁を配管で順次接続して形成される第1の循環回路と、前記冷温水循環用ポンプと前記第1の冷温水流量調整弁との間の配管と、前記利用側水熱交換器と前記ファンコイルとの間の配管とに跨って接続され、途中に第２の冷温水流量調整弁と前記熱回収用水熱交換器を接続した第２の循環回路とで冷温水循環経路が形成され、前記冷却水循環経路の前記冷却水行き用配管および戻り用配管に、前記燃料電池本体を通して循環される冷却水の行き温度ＴｃＳと、冷却水の戻り温度ＴｃＲとをそれぞれ検出する第１の温度検出手段と第２の温度検出手段を設け、前記冷温水循環経路の配管のファンコイル流入側に、ファンコイルへ流入する冷温水温度ＴｈＳを検出する第３の温度検出手段を設け、前記第１の温度検出手段により検出された冷却水の行き温度ＴｃＳが、所定の設定温度より小さい場合は、前記冷凍サイクルの循環経路と、前記第１の循環回路の冷温水循環経路とでヒートポンプによる暖房運転を、前記冷却水の行き温度ＴｃＳが、所定の設定温度より高い場合は、前記熱回収冷却水循環経路と、前記冷凍サイクルの循環経路および前記第１、第２循環回路の冷温水循環経路とでヒートポンプ＋熱回収による暖房運転を、前記第３の温度検出手段により検出された冷温水温度ＴｈＳが、所定の設定温度より高い場合は、前記冷却水循環経路と、前記熱回収冷却水循環経路および前記第２の循環回路の冷温水循環経路とで熱回収による暖房および放熱器運転をするようにしたことを特徴とする燃料電池熱利用空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の電気化学反応の際に発生する熱を空調に利用する燃料電池熱利用空気調和機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１１に従来の固体高分子型燃料電池システムの概略構成図を示す。
図１１において、１は燃料電池本体、２はブロアー５により取込まれた例えば炭化水素系の燃料ガスを、水蒸気と混合し高温で触媒（例えばニッケル系など）反応させ分解して水素ガスを発生（改質）させる改質器である。尚、前記水蒸気化される水はポンプ９により供給される。３は前記改質器２を高温にするための燃焼部で、ブロアー６、７により燃料ガスと燃焼用空気が供給される。４は前記改質器２からの水素ガスとブロアー８により取込まれた酸素（空気）との電気化学反応により電気をつくる電池スタックである。１０は前記電池スタック４で電気化学反応する際に発生する熱を大気中に放出するための送風機１１を有する放熱器であり、前記電池スタック４との間で冷却水行き配管１２と冷却水戻り配管１３により循環回路を形成する。１４は前記電池スタック４と前記放熱器１０との間の前記冷却水行き配管１２の中途に配置された冷却水循環用ポンプである。尚、図中の矢印は、冷却水の流れ方向を示している。
【０００３】
上記の構成において、都市ガスなどの炭化水素を含む燃料を前記改質器２で改質して得られる水素と大気中から得られる空気中の酸素を、前記電池スタック４で電気化学的に反応させて直流電気を取り出し、直流／交流変換器（図示せず）により交流電源を発生させるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成された従来の固体高分子型燃料電池システムにおいては、水素ガスと酸素とを電気化学反応させて電気を作り出す前記電池スタック４の温度が１００℃を超えると、その機能が損なわれる恐れがあることから、前記電池スタック４の冷却用に、前記電池スタック４と放熱器１０との間に冷却水行き配管１２と冷却水戻り配管１３により循環回路を形成し、冷却水循環用ポンプ１４により冷却水を循環して、前記放熱器１０で送風機１１により大気中に放熱して１００℃を超えないよう冷却している。このように従来は電池スタック４から発生する熱を放熱器１０で大気中に排出しているだけで、この熱を例えば空調等に積極的に利用しようとする試みがされていなかった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、固体高分子型燃料電池本体から発生する電気化学反応する際に発生する熱を有効に利用することにより省エネを図ることができる燃料電池熱利用空気調和機を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る請求項１記載の燃料電池熱利用空気調和機は、燃料電池本体と放熱器との間が冷却水行き用配管と戻り用の配管で接続され、前記冷却水行き用配管に冷却水循環用ポンプと冷却水流量調整弁を配設して形成される冷却水循環経路と、圧縮機と四方弁と利用側水熱交換器および室外空気熱交換器が順次接続されて形成されるヒートポンプ冷凍サイクルの循環経路と、前記冷却水循環経路の前記冷却水循環ポンプと前記冷却水流量調整弁との間の前記冷却水行き用配管と、前記冷却水戻り用配管とに跨って接続され、途中に熱回収用冷却水流量調整弁と熱回収用水熱交換器を接続した熱回収冷却水循環経路とを備え、前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器にファンコイル、冷温水循環用ポンプおよび第1の冷温水流量調整弁を配管で順次接続して形成される第1の循環回路と、前記冷温水循環用ポンプと前記第1の冷温水流量調整弁との間の配管と、前記利用側水熱交換器と前記ファンコイルとの間の配管とに跨って接続され、途中に第２の冷温水流量調整弁と前記熱回収用水熱交換器を接続した第２の循環回路とで冷温水循環経路が形成され、前記冷却水循環経路の前記冷却水行き用配管および戻り用配管に、前記燃料電池本体を通して循環される冷却水の行き温度ＴｃＳと、冷却水の戻り温度ＴｃＲとをそれぞれ検出する第１の温度検出手段と第２の温度検出手段を設け、前記冷温水循環経路の配管のファンコイル流入側に、ファンコイルへ流入する冷温水温度ＴｈＳを検出する第３の温度検出手段を設け、前記第１、第２の温度検出手段および前記第３の温度検出手段の検出信号を入力し、前記冷却水流量調整弁、前記熱回収用冷却水流量調整弁、前記第１、第２の冷温水流量調整弁、前記放熱器の送風機および前記圧縮機に制御信号を出力する制御器を設けたものである。
【０００７】
また、請求項２記載の燃料電池熱利用空気調和機は、前記第１の温度検出手段により検出された冷却水の行き温度ＴｃＳが、所定の設定温度より小さい場合は、前記冷凍サイクルの循環経路と、前記第１の循環回路の冷温水循環経路とでヒートポンプによる暖房運転を、前記冷却水の行き温度ＴｃＳが、所定の設定温度より高い場合は、前記熱回収冷却水循環経路と、前記冷凍サイクルの循環経路および前記第１、第２循環回路の冷温水循環経路とでヒートポンプ＋熱回収による暖房運転を、前記第３の温度検出手段により検出された冷温水温度ＴｈＳが、所定の設定温度より高い場合は、前記冷却水循環経路と、前記熱回収冷却水循環経路および前記第２の循環回路の冷温水循環経路とで熱回収による暖房および放熱器運転をするようにしたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における燃料電池熱利用空気調和機の構成を示す図である。尚、図１において、上記従来例図１１と同一または相当部分には同一符号を付し説明を省略する。
本実施の形態における燃料電池熱利用空気調和機は、ヒートポンプ式の冷凍サイクル系、熱回収の冷却水系、利用側の冷温水系から構成される。尚、図中の矢印は冷却水の流れ方向を示している。
図１において、まず、ヒートポンプ式の冷凍サイクル系において、２０は圧縮機、２１は冷房時と暖房時とで冷媒の流れ方向を切換える四方弁、２２は利用側水熱交換器、２３は膨張弁、２４は室外空気熱交換器であり、これらにより冷凍サイクルを構成している。尚、この冷凍サイクルの冷媒の流れ及び作用は周知の通りであるので、ここでの説明を省略する。
【０００９】
次に、熱回収の冷却水系において、３０は熱回収用の冷却水流量調整弁、３１は熱回収用水熱交換器である。３２は前記冷却水循環用ポンプ１４と前記放熱器１０へ流れる冷却水の流量を調整する冷却水流量調整弁３３との間の前記冷却水行き配管１２の中途と、前記放熱器１０と前記電池スタック４との間の前記冷却水戻り配管１３の中途でそれぞれ分岐し、前記熱回収用冷却水流量調整弁３０と前記熱回収用水熱交換器３１を介して接続した熱回収用水配管である。
そして、前記冷却水行き配管１２、冷却水戻り配管１３および前記熱回収用水配管３２で接続される前記電池スタック４、冷却水循環用ポンプ１４、前記熱回収用冷却水流量調整弁３０、前記熱回収用水熱交換器３１で形成される回路系統で前記熱回収の冷却水系が構成される。
【００１０】
続いて、利用側の冷温水系において、４０は例えば室内に設置されるファンコイル、４１は冷温水循環用ポンプ、４２は前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器２２と前記冷温水循環用ポンプ４１との間に設けられた第１の冷温水流量調整弁である。４３は前記ファンコイル４０、前記冷温水循環用ポンプ４１、前記第１の冷温水流量調整弁４２、前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器２２とを順次接続した冷温水配管である。
【００１１】
また、５０は前記熱回収用水熱交換器３１へ流れる冷温水の流量を調整する第２の冷温水流量調整弁で、５１は前記冷温水循環用ポンプ４１と前記第１の冷温水流量調整弁４２との間の前記冷温水配管４３の中途と、前記利用側水熱交換器２２とファンコイル４０との間の前記冷温水配管４３の中途でそれぞれ分岐し、前記第２の冷温水流量調整弁５０と前記熱回収用水熱交換器３１を介して接続したバイパス配管である。
そして、前記冷温水配管４３で接続される前記ファンコイル４０、冷温水循環用ポンプ４１、前記第１の冷温水流量調整弁４２、利用側水熱交換器２２で形成される回路系統と、前記冷温水配管４３及び前記バイパス配管５１で接続される前記ファンコイル４０、冷温水循環用ポンプ４１、前記第２の冷温水流量調整弁５０、前記熱回収用水熱交換器３１で形成される回路系統とで利用側の冷温水系が構成される。
【００１２】
６０、６１は前記冷却水行き配管１２及び前記冷却水戻り配管１３のそれぞれ中途で分岐した付近の、前記冷却水循環用ポンプ１４が配置された側の前記冷却水行き配管１２と前記冷却水戻り配管１３にそれぞれ設けられ、前記燃料電池本体１の電池スタック４を通して循環される冷却水の行き温度ＴｃＳと冷却水の戻り温度ＴｃＲをそれぞれ検出する、例えばサーミスタなどの第１の温度検出手段と第２の温度検出手段である。６２は前記利用側水熱交換器２２と前記ファンコイル４０とを接続する前記冷温水配管４３のファンコイル４０の流入側に設けられ、前記ファンコイル４０に流入する冷温水温度ＴｈＳを検出する例えばサーミスタなどの第３の温度検出手段である。
【００１３】
７０は前記第１、第２の温度検出手段６０、６１及び前記第３の温度検出手段６２の検出信号を入力し、前記熱回収用冷却水流量調整弁３０、前記冷却水流量調整弁３３、前記第１、第２冷温水流量調整弁４２、５０、前記放熱器１０の送風機１１及び前記圧縮機２０に制御信号を出力する制御器である。
【００１４】
図２は、前記冷却水戻り配管１３に設けられ前記第２の温度検出手段６１により検出される前記冷却水戻り温度ＴｃＲの温度制御範囲を示したものである。
図２中、ＴＣＬは前記冷却水戻り温度ＴｃＲの設定温度を、ＤＴｃは前記設定温度ＴＣＬに対する許容幅を示し、例えば冷却水戻り温度ＴｃＲが６０〜６５℃程度の範囲に制御される。前記冷却水戻り温度ＴｃＲを制御することによって、前記燃料電池本体１の電池スタック４の温度を正常に保つようにする。
【００１５】
図３は、前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器２２と前記ファンコイル４０とを接続する前記冷温水配管４３のファンコイル４０の流入側に設けられ、前記第３の温度検出手段６２により検出される前記ファンコイル４０に流入する前記冷温水温度ＴｈＳの温度制御範囲を示したものである。
図３中、ＴＨＳは前記冷温水温度ＴｈＳの設定温度を、ＤＴｈは前記設定温度ＴＨＳに対する許容幅を示し、例えば前記ファンコイル４０が必要な暖房能力が得られるよう、冷温水温度ＴｈＳが４５〜５０℃程度の範囲に制御される。
【００１６】
上記の構成において、暖房運転の運転モードとしては、大きく分けて▲１▼ヒートポンプ暖房運転によるもの、▲２▼ヒートポンプ＋熱回収暖房運転によるもの、▲３▼熱回収暖房運転＋放熱器運転によるものの３つの運転モードがあり、以下にその運転動作について説明する。
【００１７】
図４は、上記ヒートポンプ暖房運転における運転系統図を表したものである。尚、図４において、上記図１と同一または相当部分には同一符号を付し説明を省略する。また、図４中、実線矢印が前記電池スタック４を通して前記放熱器１０との間で、冷却水循環用ポンプ１４により循環される冷却水の循環経路を、破線矢印が冷温水循環用ポンプ４１により循環される利用側の冷温水系の循環経路を、一点鎖線矢印がヒートポンプ冷凍サイクル暖房の冷媒の循環経路をそれぞれ示す。
【００１８】
まず、前記制御器７０により前記熱回収冷却水流量調整弁３０が全閉に、前記冷却水流量調整弁３３が全開に、そして前記放熱器１０の送風機１１がＯＦＦされた状態で、前記電池スタック４と前記放熱器１０との間の前記冷却水行き配管１２と冷却水戻り配管１３で形成される冷却水循環経路で、冷却水循環用ポンプ１４により冷却水が上記図４の実線矢印のように循環される。これにより、前記燃料電池本体１の電池スタック４で熱交換され、前記冷却水行き配管１２を流れる冷却水の前記冷却水行き温度ＴｃＳが次第に上昇する。
そして、前記ファンコイル４０がＯＮされて暖房運転が開始され、前記冷却水行き配管１２に設けられた前記第１の温度検出手段６０により検出される冷却水行き温度ＴｃＳが、設定温度ＴＣＨにまだ達していないときは、前記制御器７０により前記ヒートポンプ冷凍サイクルの圧縮機２０に制御信号が出力され、ヒートポンプによる暖房運転が開始される。
【００１９】
このヒートポンプによる暖房運転においては、上記図４の一点鎖線矢印で示される冷凍サイクルの冷媒の循環経路と、破線矢印で示される冷温水循環用ポンプ４１により循環される利用側の冷温水循環経路で行われる。そして、上記冷凍サイクルの循環経路において前記利用側水熱交換器２２の冷媒側は凝縮器として作用し、この凝縮器として作用する冷媒側と、前記冷温水循環経路で冷温水循環用ポンプ４１により循環される熱媒体としての冷温水と熱交換させて加熱して、前記ファンコイル４０へ供給し、室内に放熱して暖房を行う。尚、前記冷凍サイクルの冷媒の流れ及び作用等については、周知の通りであるので説明を省略する。
【００２０】
以下に、ヒートポンプによる暖房運転について図５のフローチャートをもとに説明する。
まず、ファンコイル４０がＯＮされ、Ｓ１において、冷却水行き配管１２に設けられた第１の温度検出手段６０により検出される冷却水行き温度ＴｃＳが、設定温度ＴＣＨより大きいか否か判断され、もし、Ｎｏであれば、Ｓ２で上記冷凍サイクルの循環経路と利用側の冷温水循環経路によるヒートポンプによる暖房運転が行われる。その際、前記制御器７０によりバイバス配管５１側の第２の冷温水流量調整弁５０を全閉に、前記冷温水配管４３側の第１の冷温水流量調整弁４２を全開にする。
【００２１】
そして、Ｓ３において、前記冷温水循環経路の前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器２２とファンコイル４０とを接続する冷温水配管４３の前記ファンコイル４０の流入側に設けられた第３の温度検出手段６２により検出される前記ファンコイル４０へ流入する冷温水温度ＴｈＳが、設定された温度制御範囲の（ＴＨＳ−ＤＴｈ）より小さいか否か判断され、もし、ＹｅｓであればＳ４において、圧縮機２０の運転周波数を増加させ、前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器２２に循環される熱媒体としての冷温水への熱交換量を増加させる。ＮｏであればＳ５において、冷温水温度ＴｈＳが、設定された温度制御範囲の（ＴＨＳ＋ＤＴｈ）より小さいか否か判断され、Ｙｅｓであれば上記図３の設定された温度制御範囲内にあるので、圧縮機２０の運転周波数が維持され、ＮｏであればＳ６において、圧縮機２０の運転周波数を減少させ、前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器２２における冷温水への熱交換量を減少させる。前記Ｓ１において、Ｙｅｓであればヒートポンプ＋熱回収暖房運転に移行する。
【００２２】
このように、前記ファンコイル４０で必要な暖房能力が得られるよう、冷温水温度ＴｈＳが、設定された温度制御範囲の（ＴＨＳ−ＤＴｈ<ＴｈＳ<ＴＨＳ＋ＤＴｈ）となるように、前記制御器７０により前記圧縮機２０の運転周波数を制御し、冷凍サイクルの前記利用側水熱交換器２２での熱交換量を制御する。
【００２３】
次に図６は、上記ヒートポンプ＋熱回収暖房運転における運転系統図を表したものである。尚、図６において、上記図１と同一または相当部分には同一符号を付し説明を省略する。
また、図６中、実線矢印が前記電池スタック４と前記熱回収用水熱交換器３１との間で形成される回路系統で冷却水循環用ポンプ１４により循環される冷却水の循環経路を、一点鎖線矢印がヒートポンプ冷凍サイクル暖房の冷媒の循環経路を、破線矢印が前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器２２を介して循環させる循環経路とバイパス配管５１を通して前記熱回収用水熱交換器３１で熱交換して循環させる循環経路をそれぞれ示す。
【００２４】
上記図４に示したヒートポンプ暖房運転系統図の実線矢印で示される前記電池スタック４と前記放熱器１０との間で循環される冷却水の循環経路において、前記冷却水行き配管１２に設けられた第１の温度検出手段６０により検出される冷却水行き温度ＴｃＳが、設定温度ＴＣＨより大きくなったら、熱回収による暖房が可能と判断し、前記制御器７０により前記冷却水流量調整弁３３が全閉状態に、前記熱回収冷却水流量調整弁３０が全開状態となり、実線矢印で示す前記電池スタック４と前記熱回収用水熱交換器３１との間で形成される回路系統で冷却水循環用ポンプ１４により循環される冷却水の循環経路が形成され、ヒートポンプ＋熱回収暖房運転が行われる。
【００２５】
このヒートポンプ＋熱回収暖房運転においては、上記図６の実線矢印で示される電池スタック４と熱回収用水熱交換器３１との間で形成される回路で循環される冷却水の循環経路と、一点鎖線矢印で示される冷凍サイクルの循環経路と、破線で示される利用側のバイパス配管５１を通して前記熱回収用水熱交換器３１で熱交換してファンコイル４０へ循環させる経路と前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器２２を介してファンコイル４０へ循環させる経路で行われる。
【００２６】
上記バイパス配管５１を通して前記熱回収用水熱交換器３１で熱交換する熱量は、前記第２の温度検出手段６１により検出される冷却水戻り温度ＴｃＲが、上記図２に示す温度制御範囲になるように、前記バイパス配管５１に設けられた第２の冷温水流量調整弁５０の開度により制御される。尚、前記熱回収用水熱交換器３１で熱交換する熱量は、前記冷却水戻り温度ＴｃＲが図２に示す温度制御範囲になるように、前記熱回収用冷却水流量調整弁３０の開度により制御するようにしてもよい。その場合、前記第２の冷温水流量調整弁５０は全開にする。
【００２７】
以下に、ヒートポンプ＋熱回収暖房運転について図７のフローチャートをもとに説明する。
上記図５のヒートポンプ暖房運転フローチャートのＳ１において、冷却水行き温度ＴｃＳが設定温度ＴＣＨより大きいと判断された場合（Ｙｅｓ）は、熱回収による暖房が可能と判断し、Ｓ７で上記冷却水の循環経路と、冷凍サイクルの循環経路と、前記熱回収用水熱交換器３１及び前記利用側水熱交換器２２を介してファンコイル４０へ循環させる経路によるヒートポンプ＋熱回収暖房運転が行われる。その際、前記制御器７０により前記冷温水配管４３側の第１の冷温水流量調整弁４２は全開状態である。
【００２８】
そして、Ｓ８において、冷却水戻り配管１３に設けられた第２の温度検出手段６１により検出される冷却水戻り温度ＴｃＲが、設定された温度制御範囲の（ＴＣＬ＋ＤＴｃ）より大きいか否か判断され、もし、ＹｅｓであればＳ９において前記第２の冷温水流量調整弁５０の開度を増加させ、循環される冷温水の流量を増やし、前記熱回収用水熱交換器３１での熱交換量を増加させる。Ｎｏであれば、Ｓ１０において冷却水戻り温度ＴｃＲが、設定された温度制御範囲の（ＴＣＬ−ＤＴｃ）より小さいか否か判断され、ＹｅｓであればＳ１１において前記第２の冷温水流量調整弁５０の開度を減少させ、循環される冷温水の流量を減らし、前記熱回収用水熱交換器３１での熱交換量を減少させる。上記Ｓ１０でＮｏであれば、前記冷却水戻り温度ＴｃＲが設定された温度制御範囲内にあるので、前記第２の冷温水流量調整弁５０の開度を維持させる。
【００２９】
続いてＳ１２において、利用側の冷温水循環経路のファンコイル４０の流入側の冷温水配管４３に設けられた第３の温度検出手段６２により検出される前記ファンコイル４０へ流入する冷温水温度ＴｈＳが、設定された温度制御範囲の（ＴＨＳ−ＤＴｈ）より小さいか否か判断され、ＹｅｓであればＳ１３において、前記圧縮機２０の運転周波数を増加させ、前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器２２における循環される冷温水への熱交換量を増加させる。ＮｏであればＳ１４において、前記冷温水温度ＴｈＳが、設定された温度制御範囲の（ＴＨＳ＋ＤＴｈ）より小さいか否か判断され、Ｙｅｓであれば、冷温水温度ＴｈＳが設定された温度制御範囲内にあるので、圧縮機２０の運転周波数を維持させる。ＮｏであればＳ１５において、圧縮機２０の運転周波数を減少させ、前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器２２における冷温水への熱交換量を減少させる。
【００３０】
そして、Ｓ１６で圧縮機２０の運転周波数が最小周波数か否か判断され、Ｎｏであれば上記図５に示すフローチャートのＳ１に戻る。もし、Ｙｅｓの場合は、圧縮機２０の運転周波数が最小周波数になっても冷温水温度ＴｈＳが、設定された温度制御範囲の（ＴＨＳ＋ＤＴｈ）より高いと判断し、Ｓ１７で圧縮機２０を停止させ、熱回収のみによる暖房運転＋放熱器運転に移行する。
【００３１】
このように、前記ファンコイル４０で必要な暖房能力が得られるよう、ファンコイル４０へ流入する冷温水温度ＴｈＳが、設定された温度制御範囲の（ＴＨＳ−ＤＴｈ<ＴｈＳ<ＴＨＳ＋ＤＴｈ）となるように、前記制御器７０により前記圧縮機２０の運転周波数を制御する。
【００３２】
続いて図８は、上記熱回収のみによる暖房運転＋放熱器運転における運転系統図を表したものである。尚、図８において、上記図１と同一または相当部分には同一符号を付し説明を省略する。また、図８中、実線矢印が前記電池スタック４を通して、前記放熱器１０及び前記熱回収用水熱交換器３１との間で、冷却水循環用ポンプ１４により循環される冷却水の循環経路を、破線矢印が利用側のバイパス配管５１を通して前記熱回収用水熱交換器３１で熱交換してファンコイル４０へ循環される冷温水の循環経路をそれぞれ示す。
【００３３】
この熱回収による暖房運転＋放熱器運転においては、上記図８の実線矢印で示される電池スタック４を通して放熱器１０及び熱回収用水熱交換器３１との間の冷却水の循環経路と、破線で示される利用側のバイパス配管５１を通して熱回収用水熱交換器３１で熱交換してファンコイル４０へ循環させる経路で行われる。
【００３４】
以下に、熱回収による暖房運転＋放熱器運転について図９のフローチャートをもとに説明する。
上記ヒートポンプ＋熱回収暖房運転において、圧縮機２０の運転周波数を最小周波数にしても、ファンコイル４０に流入する冷温水温度ＴｈＳが設定された温度制御範囲の（ＴＨＳ＋ＤＴｈ）より高い場合は、熱回収のみによる暖房が可能と判断し、Ｓ１８で上記冷却水の循環経路と、利用側のバイパス配管５１を通して熱回収用水熱交換器３１で熱交換してファンコイル４０へ循環させる経路による熱回収暖房運転＋放熱器運転が行われる。その際、前記制御器７０により前記バイパス配管５１側の第２の冷温水流量調整弁５０を全開に、前記冷温水配管４３側の第１の冷温水流量調整弁４２を全閉に、そして前記放熱器１０の送風機１１をＯＮする。
【００３５】
そして、Ｓ１９において、破線矢印で示される前記熱回収用水熱交換器３１で熱交換してファンコイル４０へ循環させる経路の前記ファンコイル４０の流入側の冷温水配管４３に設けられた第３の温度検出手段６２により検出される、前記ファンコイル４０へ流入する冷温水温度ＴｈＳが、設定された温度制御範囲の（ＴＨＳ−ＤＴｈ）より小さいか否か判断され、ＹｅｓであればＳ２０において、前記熱回収用冷却水流量調整弁３０の開度を増加させ、前記熱回収用水熱交換器３１への流量を増やし、熱回収用水熱交換器３１におけるバイパス配管５１を通り循環される冷温水への熱交換量を増加させる。ＮｏであればＳ２１において、前記冷温水温度ＴｈＳが、設定された温度制御範囲の（ＴＨＳ＋ＤＴｈ）より大きいか否か判断され、ＹｅｓであればＳ２２において前記熱回収用冷却水流量調整弁３０の開度を減少させ、前記熱回収用水熱交換器３１への流量を減らし、熱回収用水熱交換器３１における冷温水への熱交換量を減少させる。Ｎｏであれば前記冷温水温度ＴｈＳが温度制御範囲内にあるので、前記熱回収用冷却水流量調整弁３０の開度を維持する。
【００３６】
続いてＳ２３において、上記冷却水循環経路の冷却水戻り配管１３に設けられた第２の温度検出手段６１により検出される冷却水戻り温度ＴｃＲが、設定された温度制御範囲の（ＴＣＬ−ＤＴｃ）より小さいか否か判断され、ＹｅｓであればＳ２４において、前記冷却水流量調整弁３３の開度を減少させ、前記放熱器１０への流量を減らし送風機１１による放出量を減少させる。ＮｏであればＳ２５において、前記冷却水戻り温度ＴｃＲが、設定された温度制御範囲（ＴＣＬ＋ＤＴｃ）より大きいか否か判断され、ＹｅｓであればＳ２６において、前記冷却水流量調整弁３３の開度を増加させ、前記放熱器１０への流量を増やし送風機１１による放出量を増加させる。Ｎｏであれば前記冷却水戻り温度ＴｃＲが温度制御範囲内にあるので、前記冷却水流量調整弁３３の開度を維持する。
【００３７】
このように、前記ファンコイル４０で必要な暖房能力が得られるよう、ファンコイル４０へ流入する冷温水温度ＴｈＳが、設定された温度制御範囲の（ＴＨＳ−ＤＴｈ<ＴｈＳ<ＴＨＳ＋ＤＴｈ）となるように、前記制御器７０により前記熱回収用冷却水流量調整弁３０の開度を制御し、前記冷却水循環経路の冷却水戻り温度ＴｃＲが設定された温度制御範囲の（ＴＣＬ−ＤＴｃ<ＴｃＲ<ＴＣＬ＋ＤＴｃ）となるように、前記制御器７０により前記冷却水流量調整弁３３の開度を制御して前記燃料電池本体１の電池スタック４の温度を正常に保つようにする。
【００３８】
図１０はヒートポンプによる冷房運転＋放熱器運転における運転系統図を表したものである。尚、図１０において、上記図１と同一または相当部分には同一符号を付し説明を省略する。また、図１０中、実線矢印が前記電池スタック４を通して放熱器１０との間で、冷却水循環用ポンプ１４により循環される冷却水の循環経路を、一点鎖線矢印がヒートポンプ冷凍サイクル冷房の冷媒循環経路を、破線矢印が前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器２２を介して循環される利用側の循環経路をそれぞれ示す。
上記ヒートポンプ冷房運転＋放熱器運転においては、前記電池スタック４の熱を利用しないため、上記実線矢印で示される冷却水の循環経路において前記放熱器１０で送風機１１により大気中に放出する。その際、前記冷却水戻り配管１３に設けられた第２の温度検出手段６１により検出される冷却水戻り温度ＴｃＲが、設定された温度制御範囲になるように、制御器７０により前記冷却水流量調整弁３３の開度を制御して、前記放熱器１０への流量を制御して放出量を調整する。尚、制御器７０により熱回収用冷却水流量調整弁３０は全閉にする。
【００３９】
一方、ヒートポンプによる冷房運転においては、上記一点鎖線矢印で示される冷凍サイクルの四方弁２１を冷房サイクル側に切換えた冷媒の循環経路と、破線矢印で示される前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器２２を介して循環される循環経路で行われる。そして、上記冷凍サイクルの循環経路において前記利用側水熱交換器２２の冷媒側は蒸発器として作用し、この蒸発器として作用する冷媒側と前記利用側水熱交換器２２を介して循環される循環経路の冷温水循環用ポンプ４１により循環される熱媒体としての冷温水を熱交換させて、冷やされた冷水を前記ファンコイル４０へ供給して室内の冷房を行う。その際、破線矢印で示される前記利用側水熱交換器２２を介して循環される循環経路の前記ファンコイル４０の流入側の冷温水配管４３に設けられた第３の温度検出手段６２により検出される冷温水温度が、例えば１０〜１５℃程度の温度制御範囲になるように、制御器７０により前記冷凍サイクルの圧縮機２０の運転周波数を制御して、利用側水熱交換器２２における冷温水循環経路で循環される熱媒体としての冷温水への熱交換量を調整する。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る請求項１、２の燃料電池熱利用空気調和機は、燃料電池本体と放熱器との間が冷却水行き用配管と戻り用の配管で接続され、前記冷却水行き用配管に冷却水循環用ポンプと冷却水流量調整弁を配設して形成される冷却水循環経路と、圧縮機と四方弁と利用側水熱交換器および室外空気熱交換器が順次接続されて形成されるヒートポンプ冷凍サイクルの循環経路と、前記冷却水循環経路の前記冷却水循環ポンプと前記冷却水流量調整弁との間の前記冷却水行き用配管と、前記冷却水戻り用配管とに跨って接続され、途中に熱回収用冷却水流量調整弁と熱回収用水熱交換器を接続した熱回収冷却水循環経路とを備え、前記冷凍サイクルの利用側水熱交換器にファンコイル、冷温水循環用ポンプおよび第1の冷温水流量調整弁を配管で順次接続して形成される第1の循環回路と、
前記冷温水循環用ポンプと前記第1の冷温水流量調整弁との間の配管と、前記利用側水熱交換器と前記ファンコイルとの間の配管とに跨って接続され、途中に第２の冷温水流量調整弁と前記熱回収用水熱交換器を接続した第２の循環回路とで冷温水循環経路が形成され、前記冷却水循環経路の前記冷却水行き用配管および戻り用配管に、前記燃料電池本体を通して循環される冷却水の行き温度ＴｃＳと、冷却水の戻り温度ＴｃＲとをそれぞれ検出する第１の温度検出手段と第２の温度検出手段を設け、前記冷温水循環経路の配管のファンコイル流入側に、ファンコイルへ流入する冷温水温度ＴｈＳを検出する第３の温度検出手段を設け、前記第１、第２の温度検出手段および前記第３の温度検出手段の検出信号を入力し、前記冷却水流量調整弁、前記熱回収用冷却水流量調整弁、前記第１、第２の冷温水流量調整弁、前記放熱器の送風機および前記圧縮機に制御信号を出力する制御器を設けた構成とし、そして、前記第１の温度検出手段により検出された冷却水行き温度ＴｃＳが、所定の設定温度より小さい場合は、前記冷凍サイクルの循環経路と、前記第１の循環回路の冷温水循環経路とでヒートポンプによる暖房運転を、
前記冷却水行き温度ＴｃＳが、所定の設定温度より高い場合は、前記熱回収冷却水循環経路と、前記冷凍サイクルの循環経路及び前記第１、第２循環回路の冷温水循環経路とでヒートポンプ＋熱回収による暖房運転を、前記第３の温度検出手段により検出された冷温水温度ＴｈＳが、所定の設定温度より高い場合は、前記冷却水循環経路と、前記熱回収冷却水循環経路及び前記第２循環回路の冷温水循環経路とで熱回収による暖房および放熱器運転をするようにしたので、燃料電池本体で電気化学反応の際に発生する熱を上記運転モードで空調の暖房に有効に利用することができ、また、利用側のファンコイルへ供給する冷温水を熱回収用水熱交換器で加熱して、不足分の加熱を圧縮機の運転で補助するようにしたので、圧縮機の低入力化が図れる燃料電池熱利用空気調和機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１における燃料電池熱利用空気調和機の構成図である。
【図２】  この発明の実施の形態１に係る冷却水温度の制御範囲を示す図である。
【図３】  この発明の実施の形態１に係る利用側の冷温水温度の制御範囲を示す図である。
【図４】  この発明の実施の形態１に係るヒートポンプによる暖房運転の運転系統図である。
【図５】  ヒートポンプによる暖房運転のフローチャート図である。
【図６】  この発明の実施の形態１に係るヒートポンプ＋熱回収による暖房運転の運転系統図である。
【図７】  ヒートポンプ＋熱回収による暖房運転のフローチャート図である。
【図８】  この発明の実施の形態１に係る熱回収による暖房運転＋放熱器運転の運転系統図である。
【図９】  熱回収による暖房運転のフローチャート図である。
【図１０】  この発明の実施の形態１に係るヒートポンプによる冷房運転＋放熱器運転の運転系統図である。
【図１１】  従来の燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
１  燃料電池本体、  ４  電池スタック、  １０  放熱器、  １２  冷却水行き配管、  １３  冷却水戻り配管、  １４  冷却水循環用ポンプ、  ２０  圧縮機、  ２２  利用側水熱交換器、  ３０  熱回収用冷却水流量調整弁、  ３１  熱回収用水熱交換器、  ３２  熱回収用水配管、  ３３  冷却水流量調整弁、  ４０  ファンコイル、  ４１  冷温水循環用ポンプ、  ４２  第１の冷温水流量調整弁、  ４３  冷温水配管、  ５０  第２の冷温水流量調整弁、  ５１  バイパス配管、  ６０  第１の温度検出手段、  ６１  第２の温度検出手段、  ６２第３の温度検出手段、  ７０  制御器。
【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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【図１０】
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【図１１】
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