(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯湯槽と、燃料電池を備え、燃料電池から発生する排気から排熱を回収して、上記貯湯槽内の水を加熱する給湯装置において、
上記排気から排熱を回収して貯湯槽に伝達する第１の熱交換部と、
第１の熱交換部により排熱が回収された後の排ガスから、更に排熱を汲み上げるヒートポンプと、
このヒートポンプにより汲み上げられた排熱を、上記貯湯槽内の水に伝達する第２の熱交換部を備えることを特徴とする給湯装置。
【請求項２】
上記ヒートポンプは、上記燃料電池で発電された電力により駆動されることを特徴とする請求項１記載の給湯装置。
【請求項３】
上記ヒートポンプの熱媒体として二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の排熱を利用した給湯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、約３５％という発電効率を有し、電力として変換されない残りのエネルギーは熱として排出される。そこで、従来から、この排熱を利用して水を加熱する給湯装置が知られている。
この給湯装置では、燃料電池から発生する排熱気体中に熱交換器を設け、この熱交換器を介して貯湯タンク内の水を加熱するように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池の排熱を貯湯タンク内の水に伝達する熱交換器の熱交換効率にも限界があり、せいぜい排熱エネルギーの８０％程度しか有効利用できない。従って、残り２０％の熱エネルギーが排気として無駄に放出されるものであった。
しかも、いくら熱交換効率の優れた熱交換器を使用しても、貯湯タンク内の湯の温度以下にまで燃料電池の排気温度を下げることができない。例えば、貯湯タンク内の湯温が８０℃であれば、燃料電池から排出される高温排気を８０℃以下になるまで熱交換することは不可能である。従って、燃料電池から発生する排熱エネルギーを十分回収することができない。
本願発明は、上記課題を解決し、エネルギー利用効率を更に向上させることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１記載の給湯装置は、
貯湯槽と、燃料電池を備え、燃料電池から発生する排気から排熱を回収して、上記貯湯槽内の水を加熱する給湯装置において、
上記排気から排熱を回収して貯湯槽に伝達する第１の熱交換部と、
第１の熱交換部により排熱が回収された後の排ガスから、更に排熱を汲み上げるヒートポンプと、
このヒートポンプにより汲み上げられた排熱を、上記貯湯槽内の水に伝達する第２の熱交換部を備えることを要旨とする。
【０００５】
また、本発明の請求項２記載の給湯装置は、更に、
上記ヒートポンプは、上記燃料電池で発電された電力により駆動されることを要旨とする。
【０００６】
また、本発明の請求項３記載の給湯装置は、上記請求項１または２記載の発明において、
上記ヒートポンプの熱媒体として二酸化炭素を用いたことを要旨とする。
【０００７】
上記構成を有する本発明の請求項１記載の給湯装置では、第１の熱交換部が燃料電池から発生する排熱を回収して貯湯槽内の水を加熱するが、第１の熱交換部だけでは熱エネルギーを全て回収できない。そこで、ヒートポンプにより、この回収しきれなかった熱エネルギーを汲み上げて、第２の熱交換部を解して貯湯槽内の水に伝達して当該水を加熱する。
この場合、燃料電池からの高温排気と給湯装置の湯水とを直接熱交換するわけでなく、ヒートポンプサイクルにより排気から熱エネルギーを汲み上げて湯水に伝達するものであるため、給湯装置の湯温よりも低い温度にまで最終的に排気温度を下げることができる。しかも、ヒートポンプには常温より高い高温排気が熱源として取り入れられるため、高いＣＯＰ（成績係数：与えた仕事量に対して得られる熱量）で熱エネルギーを汲み上げることができ、トータルとして燃料電池から排出される熱エネルギーの殆どを水に与えることができる。従って、燃料電池から発生するエネルギーの利用効率が向上する。
【０００８】
また、本発明の請求項２記載の給湯装置では、燃料電池で発電された電力によりヒートポンプが駆動されるため一層エネルギーの利用効率が向上する。
つまり、商用電源では、発電ロス、送電ロス等により実際に需要家に供給されるまでのエネルギー利用効率は３５％程度にとどまり残りは無駄に放出されるが、本発明では、燃料電池で発電された電力と、その時に発生する排熱とを効率良く利用して水を加熱するため、総合エネルギー効率が一層向上する。
【０００９】
更に、本発明の請求項３記載の給湯装置では、ヒートポンプのヒートサイクルに流れる熱媒体として二酸化炭素を用いているため、湯水を高温度に加熱できる。つまり、熱媒体として通常使用されるＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）では、せいぜい６５℃程度までにしか加熱できないが、二酸化炭素を用いることにより９０℃以上にまで加熱することが可能となる。
また、高いＣＯＰが得られ、しかもオゾン破壊のおそれも無い。
【００１０】
【発明の実施形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の給湯装置の好適な実施形態について説明する。
【００１１】
図１は、一実施形態としての家庭用貯湯式給湯装置のシステム構成を表わす。
この給湯装置１は、大別すると、湯水を蓄える貯湯タンク１０と、燃料ガスと空気中の酸素とを反応させて発電するとともに反応後の高温空気を排出する燃料電池部２０と、燃料電池部２０から発生した排熱を貯湯タンク１０内の湯水に伝達する第１熱交換部３０と、第１熱交換部３０で熱交換しきれなかった燃料電池からの排熱を汲み上げるヒートポンプ部４０と、ヒートポンプ部４０で汲み上げた熱エネルギーを貯湯タンク１０内の湯水に伝達する第２熱交換部５０とから構成される。
【００１２】
貯湯タンク１０には、水道水をタンク内に補給する補水管１１と、タンク内の湯を送出する出湯管１２とが接続される。また、貯湯タンク１０内には、第１熱交換部３０の一部を構成する第１温水熱交換器３２と、第２熱交換部５０の一部を構成する第２温水熱交換器５１とが設けられる。
【００１３】
燃料電池部２０は、燃料ガス（例えば天然ガス）から水素成分を抽出する改質器２１と、改質器２１から抽出された水素と空気中の酸素成分とを反応させて直流の電気エネルギーを発生する燃料電池２２と、燃料電池２２による反応熱により昇温された高温空気を排出する排気ダクト２３と、燃料電池２２により発電された直流電力を交流電力に変換するＤＡコンバータ２４とを備える。
ＤＡコンバータ２４から出力される電力は、家庭内の各種の電気負荷に供給されるだけでなく、第１熱交換部３０、ヒートポンプ部４０、第２熱交換部５０の電気負荷にも給電される。
【００１４】
第１熱交換部３０は、燃料電池部２０から発生した熱を貯湯タンク１０内の水に伝達するもので、燃料電池部２０の排気ダクト２３内に設けられる第１排気熱交換器３１と、貯湯タンク１０内に設けられる第１温水熱交換器３２と、両熱交換器３１，３２を結んで循環流路を構成し熱媒体として水が充填される第１循環管３３と、第１循環管３３内の水を循環させる第１循環ポンプ３４とを備える。従って、第１循環ポンプ３４を駆動することにより、第１排気熱交換器３１に流れる熱媒体が燃料電池部２０からの高温排気と熱交換し、その回収した熱を第２温水熱交換器３２から貯湯タンク１０内の水に伝えて貯水を加熱する。
【００１５】
ヒートポンプ部４０は、第１排気熱交換器３０で回収しきれなかった排気熱エネルギーを回収するために設けられるもので、燃料電池部２０の排気ダクト２３の下流端に接続され熱エネルギー取込部となる第２排気熱交換器４１と、汲み上げた熱エネルギーを外部（ここでは第２温水熱交換部５０）に出力する出力熱交換器４２と、第２排気熱交換器４１と出力熱交換器４２とを結んで循環路を構成し熱媒体として二酸化炭素が充填されるヒートサイクル管４３と、ヒートサイクル管４３に設けられ熱媒体を圧縮して出力熱交換器４２に送るコンプレッサー４４と、出力熱交換器４２を通過した熱媒体を膨張させる絞りを形成した膨張弁４５とを備える。
【００１６】
第２熱交換部５０は、貯湯タンク１０内に設けられる第２温水熱交換器５１と、第２温水熱交換器５１とヒートポンプ部４０の出力熱交換器４２とを結んで循環路を構成し熱媒体として水が充填される第２循環管５２と、第２循環管５２内の水を循環させる第２循環ポンプ５３とを備える。
【００１７】
次に、このように構成された給湯装置１の動作について説明する。
燃料電池２２が発電している状態では、排気ダクト２３内に約１０００℃近い高温空気が排出される。そこで、第１熱交換部３０では、第１循環ポンプ３４を駆動して第１排気熱交換器３１と第１温水熱交換器３２との間で熱媒体を循環させて熱交換することにより、この排熱を回収して貯湯タンク１０内の水を加熱する。
この場合、第１熱交換部３０の熱交換効率にも限度があり、排熱エネルギーの８０％程度しか有効利用できない。従って、残り２０％の熱エネルギーが排気ダクト２３から排出される。
しかし、この熱回収しきれなかった排気（約２００℃）は、ヒートポンプ部４０の第２排気熱交換器４１の給気口に送られ、ヒートサイクル熱媒体と熱交換する。これにより加熱されて蒸発した熱媒体は、コンプレッサ４４により圧縮されて出力熱交換器４２に送られる。
この時、第２熱交換部５０にて第２循環ポンプ５３を駆動することにより、出力熱交換器４２内の熱媒体が放熱して液化し、ヒートポンプ部４０で汲み上げられた熱エネルギーが第２温水熱交換器５１を介して貯湯タンク１０の水に伝えられる。
ピートポンプ部４０では、出力熱交換器４２で凝縮し低温となった熱媒体を膨張弁４５に流すことで低圧化して第２排気熱交換器４１に送り、燃料電池部２０からの排気と熱交換する。
こうした一連のヒートサイクルを行なうことで、第１排気熱交換器３１で回収しきれなかった燃料電池２２からの高温排気の熱エネルギーを有効に温水に伝えることができる。
【００１８】
この場合、燃料電池２２からの高温排気は、貯湯タンク１０内の湯温にかかわらす常温にまで下げることが可能となる。つまり、第１排気熱交換器３１のように湯−排気熱交換した場合には、その熱交換性能がいくら優れていても、排気温度を貯湯タンク湯温（例えば８０℃）以下にまで下げることができす、燃料電池２２の排熱エネルギーを１００％回収することができない。しかし、本実施形態の給湯装置１では、ヒートポンプサイクルにより、この回収しきれない熱エネルギーを第２排気熱交換器４１で冷媒蒸発により奪い、この奪った熱エネルギーを出力熱交換器４２から貯湯タンク１０の水に与えるようにしている。
従って、排気温度を貯湯タンク１０の湯温よりも低い温度にまで下げることが可能となり、トータルとして燃料電池部２０から排出される熱エネルギーの殆どを回収して貯湯湯の加熱に利用することができる。
【００１９】
また、一般に、暖房装置等で使用されるヒートポンプシステムでは、外気の熱エネルギーを汲み上げて高い熱エネルギーを得るものであるが、本実施形態の給湯装置１では、熱源として約２００℃という高温排気を取り込んでいるため、ヒートポンプサイクルのＣＯＰが非常に高くなり、燃料電池２２の排熱エネルギーを全て回収したと同じ程度にまで貯湯タンク１０内の水を加熱することができる。
しかも、燃料電池２２で発電された電力によりヒートポンプシステムが駆動されるため一層エネルギーの利用効率が向上する。
つまり、商用電源では、発電ロス、送電ロス等により実際に需要家に供給されるまでのエネルギー利用効率は３５％程度にとどまり残りのエネルギーは無駄に放出されるが、本実施形態の給湯装置１では、燃料電池２２で発電された電力と、その時に発生する排熱とを効率良く利用して水を加熱するため、総合エネルギー効率が一層向上する。
【００２０】
また、ヒートポンプサイクルに用いる熱媒体として二酸化炭素を採用しているため、高いＣＯＰが得られるだけでなく、湯水を高温度に加熱できる。つまり、熱媒体として通常使用されるＨＦＣでは、せいぜい６５℃程度までにしか加熱できないが、二酸化炭素を用いることにより９０℃以上にまで加熱することが可能となり、貯湯タンク１０の湯温を高温度に維持することができる。
この結果、給湯装置を広い用途に使用できる。また、オゾン破壊の心配がなく安心して使用できる。
【００２１】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
例えば、ヒートポンプ部４０の熱出力を、第２熱交換部５０を介在させずに直接貯湯タンク１０内の水に与えるようにしてもよい。この場合には、放熱ロスを一層抑えることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の給湯装置によれば、第１の熱交換部だけでは回収しきれなかった熱エネルギーをヒートポンプにより汲み上げて水を加熱するため、給湯装置の湯温よりも低い温度にまで排気温度を下げることができる。しかも、ヒートポンプには高温排気が熱源として取り入れられるため、高いＣＯＰ（成績係数：与えた仕事量に対して得られる熱量）で熱エネルギーを汲み上げることができ、トータルとして燃料電池から排出される熱エネルギーの殆どを水に与えることができる。従って、燃料電池から発生するエネルギーの利用効率が向上する。
【００２３】
また、燃料電池で発電された電力によりヒートポンプを駆動するようにすれば、商用電源のような送電ロス等のエネルギー損失が少なく、排熱利用とあわせて総合エネルギー効率が一層向上する。
【００２４】
また、ヒートサイクルに流れる熱媒体として二酸化炭素を用いれば、一層高いＣＯＰが得られるだけでなく、湯水を高温度に加熱できる。この結果、設定湯温を高温度に設定することができ、用途範囲が広くなる。
また、オゾン破壊の心配がなく安心して使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の給湯装置の概略システム構成図である。
【符号の簡単な説明】
１…給湯装置
１０…貯湯タンク
２０…燃料電池部
３０…第１熱交換部
４０…ヒートポンプ部
５０…第２熱交換部
【図１】
0004346006.tif 000002