(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード(103) ，カソード(102) を有する電池本体(101) に少なくとも酸素を含む第１の物質と少なくとも水素を含む第２の物質とを供給し、上記第１及び第２の物質をアノード(103) ，カソード(102) で電極反応させるように構成された燃料電池(100) と、
上記電池本体(101) の上記カソード(102) から排出される水蒸気を含む排気ガスを取り出すための蒸気配管(401) と、
空調対象である室内に配置され、上記蒸気配管(401) を介して供給される排気ガスを利用して室内の空調を行うための室内空調手段(402) とを備え、
上記室内空調手段(402) は、水蒸気と熱とを室内空気に付与する全熱交換を行うものであることを特徴とする燃料電池駆動空調システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池駆動空調システムにおいて、
上記電池本体(101) との熱交換により冷媒に熱を付与するための電池側熱交換手段(206) と、
空気調和装置の室内熱交換器(257) に配置され、上記電池側熱交換手段(206) で冷媒に付与された熱を放出するための利用側熱交換手段(256) と、
上記電池側熱交換手段(206) と利用側熱交換手段(256) との間で冷媒が循環するように閉回路に構成された冷媒回路と
をさらに備えていることを特徴とする燃料電池駆動空調システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池駆動空調システムにおいて、
上記燃料電池(100) は、上記カソード(102) から排出される水蒸気を凝縮するための凝縮器(131) と、有機ガスから水素と二酸化炭素とを少なくとも含むガスを発生させるための改質器(126) とをさらに備え、上記凝縮器(131) で生成された水分は該改質器(126) へ送られるように構成されており、
上記カソード(102) から排出される水蒸気を含む排気ガスの排出方向を、室内空調手段(402) 側と凝縮器(131) 側とに切り換えに切り換えるための三方切換弁(403) をさらに備えていることを特徴とする燃料電池駆動空調システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池駆動空調システムにおいて、
上記燃料電池(100) は、有機ガスから水素と二酸化炭素とを少なくとも含むガスを発生させるための改質器(126) をさらに備えており、
上記改質器(126) から排出されるガスと冷媒との熱交換を行うための改質器側熱交換手段(283) と、
上記利用側熱交換手段(256) の上流側において、上記冷媒回路と上記改質器側熱交換手段(283) とを、冷媒が上記改質器側熱交換手段(283) を経て冷媒回路に戻ることが可能に接続する排熱利用路(281) と、
上記冷媒回路における冷媒の流通経路を、冷媒が上記排熱利用路(281) を通らずに冷媒回路を流れる第１の経路と、冷媒が上記排熱利用路(281) を経て冷媒回路に戻る第２の経路とに切り換えるための排熱利用切換手段(285) と
を備えていることを特徴とする燃料電池駆動空調システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池駆動空調システムにおいて、
上記冷媒回路における冷媒の流通する経路が、上記利用側熱交換手段(256) における空調要求量が上記電池側熱交換手段(206) で付与される熱量以下のときには上記第１の経路になり、上記利用側熱交換手段(256) における空調要求量が上記電池側熱交換手段(206) で付与される熱量よりも大きいときには上記第２の経路になるように、上記排熱利用切換手段(285) を制御する経路制御手段をさらに備えていることを特徴とする燃料電池駆動空調システム。
【請求項６】
請求項２，４又は５に記載の燃料電池駆動空調システムにおいて、
上記冷媒は少なくとも水を含むものであり、
上記室内熱交換器(257) に配置され、上記冷媒回路を流れる冷媒の水分を空調空気に付与する機能を有する加湿手段(258) をさらに備え、
上記加湿手段(258) 及び上記利用側熱交換手段(256) により暖房・加湿を行うことが可能に構成されていることを特徴とする燃料電池駆動空調システム。
【請求項７】
請求項２，４，５又は６に記載の燃料電池駆動空調システムにおいて、
上記冷媒回路において上記利用側熱交換手段(256) に対して並列に配置され、上記電池側熱交換手段(206) で冷媒に付与される熱を室外に放出するための放熱手段(203) と、
上記冷媒回路における冷媒の流通経路を、上記電池側熱交換手段(206) で加熱された冷媒が上記利用側熱交換手段(256) に流れる経路と、上記電池側熱交換手段(206) で加熱された冷媒が上記放熱手段(203) に流れる経路とに切り換える流通経路切換手段(290) と
をさらに備えていることを特徴とする燃料電池駆動空調システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムと空気調和装置とを一体的に組み込んでなる空調システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、炭水化物やアルコール類などの燃料がもっている化学エネルギーを燃やして熱に変換することなしに、電池内で、燃料，酸化剤（空気，酸素など）をそれぞれカソード，アノードにおける電子をやりとりする電極反応を行わせ、全体として燃料の燃焼反応と同じ形の反応を行わせるようにした燃料電池は、高い熱交換効率を発揮することができるので、病院，学校，ビル等の施設の電力源として応用されつつある。
【０００３】
図４は、従来の固体高分子型燃料電池システム(100) の構成を概略的に示す配管系統図である。同図において、(101) は電池本体を示し、該電池本体(101) の内部には、カソード(102) と、アノード(103) と、加湿器(104) とが設けられている。また、(120) は取り入れた外気を圧縮して燃料電池(101) 等に送り込むための空気圧縮機、(121) は都市ガス中の硫黄成分を取り除くための脱硫器、(122) は脱硫された都市ガスを圧縮して高圧にするためのガス圧縮機、(124) はポンプ(123) 等を介して送られる水を貯留するタンク、(126) はガス圧縮機(122) から送られる都市ガスと、ポンプ(125) を介してタンク(124) から送られる水とを反応させるための改質器、(127) は改質器(126) で発生した一酸化炭素を変成するための変成器、(128) は変成器(127) から出る一酸化炭素をさらに酸化させた後、電池本体(101) に送るための酸化反応器、(1000)は電池本体(101) を循環水で冷却するためのチラーをそれぞれ示す。また、(131) はカソード(102) で発生する蒸気を凝縮するための凝縮器、(132) は上記改質器(126) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器をそれぞれ示す。そして、各凝縮器(131,132) で生成された水分は上記タンク(124) に戻される一方、気体は外部に排出されるように構成されている。
【０００４】
次に、上記燃料電池システム(100) におけるエネルギーの流れを概略的に説明する。改質器(126) においては、脱硫され高圧状態になった都市ガスが水分の存在下でガスバーナーで加熱され、高温状態で酸素及び水と反応して、主として二酸化炭素と水素とが発生する。ただし、この反応生成物中には一酸化炭素も含まれているので、変成器(127) でこの一酸化炭素を二酸化炭素に変える。さらに、固体高分子型燃料電池システムにおいては、効率の低下を招く一酸化炭素の量を極度に減らすために、酸化反応器(128) を設け、この酸化反応器(128) において、変成器(127) から出る二酸化炭素に空気圧縮機(120) から送られる空気を混合させて一酸化炭素をさらに酸化させている。このようにして、一酸化炭素の含有量が極めて少ない二酸化炭素と水素の混合ガスが電池本体(101) に送られる。そして、電池本体(101) で、酸化反応器(128) から送られる水素と、空気圧縮機(120) から送られる空気中の酸素とを結合させて、そのときに生じるイオンをカソード(102) ，アノード(103) の電荷に変えることで、電力が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、カソード(102) から排出される水蒸気はそのまま外気に放出すると、周囲の環境や機器等に悪影響を与える観点から凝縮器(131) で凝縮され、水分を除去してから外気に放出されているにわれるにすぎなかった。その原因は、電池本体(101) から排出される蒸気ガスは水蒸気を含んでおり直接の利用が困難であること、また、排ガスの温度が比較的低温であり利用可能な熱量が小さいので、結局、採算に合わないとの固定観念が支配していたためと思われる。
【０００６】
また、燃料電池システム(100) における電池本体(101) や改質器(126) の排熱の利用も十分なされておらず、特に高分子型燃料電池の場合、電池本体(101) の温度が１００℃を越えるとその機能が損なわれるおそれがあることから、チラー(1000)で電池本体(101) が１００℃まで加熱されないように冷却しているにすぎなかった。
【０００７】
本発明の目的は、燃料電池のカソードから発生する排ガスがほとんど不純物のない水蒸気を含んでいる点に着目し、この排ガスの熱と水分とを同時に利用する手段を講ずることにより、燃料電池の排熱の有効利用による総合的な効率の向上を図ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明が講じた手段は、カソードの排ガスを利用して暖房・加湿運転を行うことが可能な空調システムを構成したものである。具体的には、請求項１〜７に記載されている第１の燃料電池駆動空調システムに関する手段を講じている。
【０００９】
本発明の第１の燃料電池駆動空調システムは、請求項１に記載されているように、アノード(103) ，カソード(102) を有する電池本体(101) に少なくとも酸素を含む第１の物質と少なくとも水素を含む第２の物質とを供給し、上記第１及び第２の物質をアノード(103) ，カソード(102) で電極反応させるように構成された燃料電池(100) と、上記電池本体(101) の上記カソード(102) から排出される水蒸気を含む排気ガスを取り出すための蒸気配管(401) と、空調対象である室内に配置され、上記蒸気配管(401) を介して供給される排気ガスを利用して室内の空調を行うための室内空調手段(402) とを備え、上記室内空調手段(402) が、水蒸気と熱とを室内空気に付与する全熱交換を行うものである。
【００１０】
請求項１の発明特定事項は、図１又は図２に記載されている。これにより、カソード(102) の排気ガスを空調のために有効に利用でき、空気調和装置の運転効率の向上が可能になる。
【００１１】
さらに、燃料電池(100) のカソード(102) の排ガスが不純物のほとんどない水蒸気つまり熱と水分を含んでいるという特殊性に着目して、運転効率の高い空調システムを得ることができる。
【００１２】
請求項２に記載されているように、請求項１に記載の燃料電池駆動空調システムにおいて、上記電池本体(101) との熱交換により冷媒に熱を付与するための電池側熱交換手段(206) と、空気調和装置の室内熱交換器(257) に配置され、上記電池側熱交換手段(206) で冷媒に付与された熱を放出するための利用側熱交換手段(256) と、上記電池側熱交換手段(206) と利用側熱交換手段(256) との間で冷媒が循環するように閉回路に構成された冷媒回路とをさらに備えることができる。
【００１３】
請求項２の発明特定事項は、図１又は図２に開示されている。これにより、電池本体(101) の排熱をも利用してより運転効率の高い空調システムを得ることができる。
【００１４】
請求項３に記載されているように、請求項１又は２に記載の燃料電池駆動空調システムにおいて、上記燃料電池(100) は、上記カソード(102) から排出される水蒸気を凝縮するための凝縮器(131) と、有機ガスから水素と二酸化炭素とを少なくとも含むガスを発生させるための改質器(126) とをさらに備え、上記凝縮器(131) で生成された水分は該改質器(126) へ送られるように構成されており、上記カソード(102) から排出される水蒸気を含む排気ガスの排出方向を、室内空調手段(402) 側と凝縮器(131) 側とに切り換えに切り換えるための三方切換弁(403) をさらに備えることができる。
【００１５】
請求項３の発明特定事項は、図１又は図２に開示されている。これにより、冷房運転時など暖房運転を行わないときには、カソード(102) から排出される水蒸気が凝縮器(131)に流れる。
【００１６】
請求項４に記載されているように、請求項２に記載の燃料電池駆動空調システムにおいて、上記燃料電池(100) に、有機ガスから水素と二酸化炭素とを少なくとも含むガスを発生させるための改質器(126) をさらに設け、上記利用側熱交換手段(256) の上流側において、上記冷媒回路と上記改質器側熱交換手段(283) とを冷媒が上記改質器側熱交換手段(283) を経て冷媒回路に戻ることが可能に接続する排熱利用路(281) と、上記冷媒回路における冷媒の流通経路を、冷媒が上記排熱利用路(281) を通らずに冷媒回路を流れる第１の経路と、冷媒が上記排熱利用路(281) を経て冷媒回路に戻る第２の経路とに切り換えるための排熱利用切換手段(285) とを備えることができる。
【００１７】
請求項４の発明特定事項は、図１又は図２に記載されている事項と図３に記載されている事項を併せることにより得られる。これにより、改質器(126) の排熱をも利用することで、運転効率がさらに向上する。
【００１８】
請求項５に記載されているように、請求項４に記載の燃料電池駆動空調システムにおいて、上記冷媒回路における冷媒の流通する経路が、上記利用側熱交換手段(256) における空調要求量が上記電池側熱交換手段(206) で付与される熱量以下のときには上記第１の経路になり、上記利用側熱交換手段(256) における空調要求量が上記電池側熱交換手段(206) で付与される熱量よりも大きいときには上記第２の経路になるように、上記排熱利用切換手段(285) を制御する経路制御手段をさらに備えることができる。
【００１９】
請求項５の発明特定事項は、図１又は図２に記載されている事項と図３に記載されている事項とを併せることにより得られる。これにより、暖房要求の変化に応じて常に適正な暖房・加湿運転を行うことが可能になる。
【００２０】
請求項６に記載されているように、請求項２，４又は５に記載の燃料電池駆動空調システムにおいて、上記冷媒を少なくとも水を含むものとし、上記室内熱交換器(257) に配置され、上記冷媒回路を流れる冷媒の水分を空調空気に付与する機能を有する加湿手段(258) をさらに設けて、上記加湿手段(258) 及び上記利用側熱交換手段(257) により暖房・加湿を行うことが可能に構成することができる。
【００２１】
請求項６の発明特定事項は、図１及び図３に記載されている。これにより、加湿能力が増大されるので、暖房要求の変化に応じた暖房・加湿の能力の調整可能な幅が拡大することになる。
【００２２】
請求項７に記載されているように、請求項２，４，５又は６に記載の燃料電池駆動空調システムにおいて、上記冷媒回路において上記利用側熱交換手段(256) に対して並列に配置され、上記電池側熱交換手段(206) で冷媒に付与される熱を室外に放出するための放熱手段(203) と、上記冷媒回路における冷媒の流通経路を、上記電池側熱交換手段(206) で加熱された冷媒が上記利用側熱交換手段(256) に流れる経路と、上記電池側熱交換手段(206) で加熱された冷媒が上記放熱手段(203) に流れる経路とに切り換える流通経路切換手段(290) とをさらに備えている。
【００２３】
請求項７の発明特定事項は、図１，図２に記載されている。これにより、暖房を行わないときには、電池側熱交換手段(206) で冷媒に付与された熱を放熱手段(203) で室外に放出することができるので、常に電池本体(101) を冷却して適正温度に維持することが可能になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る固体高分子型燃料電池システム(100) と空気調和装置(200A)とを組み込んだ空調システム全体の構成を概略的に示す配管系統図である。同図に示す固体高分子型燃料電池システム(100) において、(101) は電池本体を示し、該電池本体(101) の内部には、カソード(102) と、アノード(103) と、加湿器(104) とが設けられている。また、(120) は取り入れた外気を圧縮して燃料電池(101) 等に送り込むための空気圧縮機、(121) は都市ガス中の硫黄成分を取り除くための脱硫器、(122) は脱硫された都市ガスを圧縮して高圧にするためのガス圧縮機、(124) はポンプ(123) を介して送られる水を貯留するタンク、(125) はタンク(124) の水を送るためのポンプ、(126) はガス圧縮機(122) から送られる都市ガスとポンプ(125) から送られる水とを反応させるための改質器、(127) は改質器(126) で発生した一酸化炭素を変成するための変成器、(128) は変成器(127) から出る一酸化炭素をさらに酸化させた後、電池本体(101) に送るための酸化反応器をそれぞれ示す。また、(131) は上記カソード(102) から排出される水蒸気を凝縮するための凝縮器、(132) は上記改質器(126) で生じる水蒸気を凝縮するための凝縮器を示し、各凝縮器(131,132) で生成された水分は上記タンク(124) に戻される一方、気体は外部に排出されるように構成されている。
【００２５】
次に、上記燃料電池システム(100) におけるエネルギーの流れを概略的に説明する。改質器(126) においては、脱硫され高圧状態になった都市ガスが水分の存在下でガスバーナーで燃やされ、高温状態で酸素及び水と反応して、主として二酸化炭素と水素とが発生する。また、電池本体(101) のアノード(103) で反応しきれなかった水素も改質器(126) に戻される。ただし、この反応生成物中には一酸化炭素も含まれているので、変成器(127) でこの一酸化炭素を二酸化炭素に変える。さらに、固体高分子型燃料電池システムにおいては、効率の低下を招く一酸化炭素の量を極度に減らすために、酸化反応器(128) を設け、この酸化反応器(128) において、変成器(127) から出る二酸化炭素に空気圧縮機(120) から送られる空気を混合させて一酸化炭素をさらに酸化させている。このようにして、一酸化炭素の含有量が極めて少ない二酸化炭素と水素の混合ガスが電池本体(101) に送られる。そして、電池本体(101) で、酸化反応器(128) から送られる水素と、空気圧縮機(120) から送られる空気中の酸素とを結合させて、そのときに生じるイオンをカソード(102) ，アノード(103) の電荷に変えることで、電力が得られる。
【００２６】
そして、本実施形態に係る空調システムの特徴は、空気調和装置(200A)が、冷媒である水の循環によって熱移動を生ぜしめるための閉回路の第１冷媒回路(210A)及び第２冷媒回路(260A)と、電池本体(101) のカソード(102) から排出される水蒸気を利用するための排ガス利用系(400A)とを備えている点である。
【００２７】
上記排ガス利用系(400A)は、カソード(102) と凝縮器(131) とを接続する配管電池本体(101) のカソード(102) から水蒸気ガスを取り出すための蒸気配管(401) と、この蒸気配管(401) を流れる蒸気ガスとの全熱交換を行うための全熱交換器(402) とを備えている。この全熱交換器(402) は空気調和装置(200A)の室内熱交換器(257) 内に収納されており、外部から取り入れた空気に蒸気ガスの熱と水分とを付与して室内に送り込むように構成されている。また、カソード(102) −凝縮器(131) 間を接続する配管と蒸気配管(401) との接続部には三方切換弁(403) が配設されていて、この三方切換弁(403) により、水蒸気の排出方向を全熱交換器(402) 側と凝縮器側(131) とに切り換えるようにしている。
【００２８】
なお、三方切換弁(403) に両者への水蒸気の分配比を調整する機能を設けて、全熱交換器(402) における全熱交換量を調整するようにしてもよい。
【００２９】
また、上記凝縮器(131) や三方切換弁(403) も必ずしも必要でなく、常時全熱交換器(402) に蒸気ガスを流すようにしてもよい。
【００３０】
上記第１冷媒回路(210A)には、通常運転時に電池本体との熱交換により電池本体を冷却する電池側熱交換手段としての電池側コイル(206) と、ポンプ(215) と、第１開閉弁(207) と、電池側コイル(206) で冷媒（水）に付与された熱を放出する放熱手段としての室外コイル(203) とが主要機器として配置されている。上記電池側コイル(206) は、燃料電池システム(100) の電池本体(101) 内に収納されて、電池本体(101) との熱交換を行うように構成されている。また、上記室外コイル(203) は、室外ファン(254a)を付設した室外熱交換器(254) 内に配置され、室外空気との熱交換を行うように構成されている。
【００３１】
一方、第２冷媒回路(260A)は、冷媒を強制循環させるためのポンプ(215) を第１冷媒回路(210A)と共有しており、第２開閉弁(262) と、暖房運転時に空調空気を加熱するための室内コイル(256) とが主要機器として配置されている。上記室内コイル(256) は、ファン（図示せず）を付設した室内熱交換器(257) 内に収納されて、外部から取り入れられる空調空気との熱交換を行うように構成されている。さらに、室内熱交換器(257) 内には、室内コイル(256) とは加湿通路開閉弁(259) を介して配管により並列に接続される加湿器(258) が設けられている。そして、第１開閉弁(207) 及び第２開閉弁(262) の開閉状態によって、電池側コイル(206) で熱を付与された冷媒（水）が室内コイル(256) や加湿器(258) に流れる経路と、電池側コイル(206) で熱を付与された冷媒（水）が放熱コイル(203) に流れる経路とに切り換えるように構成されている。すなわち、上記第１，第２開閉弁(207,262) により、流通経路切換手段(290A)が構成されている。
【００３２】
なお、空気調和装置(200A)に、フロンガス等の冷媒の圧縮，凝縮，蒸発によって冷房を行う第３の冷媒回路が付設されていてもよく、その場合、上記室外コイル(103) がこの第３の冷媒回路の室外熱交換器に配置されていてもよいものとする。また、第１，第２冷媒回路(210A,260A) がフロンガス等の冷媒の圧縮，凝縮，蒸発により熱移動を行わせるものであってもよい。すなわち、加湿器(258) は必ずしも必要でない。
【００３３】
次に、空気調和装置(200A)の作動について、図１を参照しながら説明する。
【００３４】
まず、排ガス利用系(400A) の作動について説明する。暖房運転時には、三方切換弁(403) が図中実線に示す接続状態になり、カソード(102) から排出される蒸気ガスが蒸気配管(401) を経て全熱交換器(402) に流れる。したがって、加熱されかつ水分を多く含む空調空気が室内に供給され、暖房・加湿運転が行われる。一方、冷房運転時など暖房運転を行わないときには、三方切換弁(403) が図中破線に示す接続状態になり、カソード(102) から排出される水蒸気が凝縮器(131) に流れる。
【００３５】
次に、第１，第２冷媒回路(210A,260A) の作動について説明する。暖房運転時、通常状態では第１冷媒回路(210A)の第１開閉弁(207) が閉じ、第２冷媒回路(260A)の第２開閉弁(262) が開いて、第２冷媒回路(260A)に冷媒が流れる状態になる（図１の実線矢印参照）。すなわち、電池側コイル(206) で加熱された冷媒（水）が第２冷媒回路(260A)に流れ、室内コイル(256) で空調空気との熱交換により冷却された冷媒が電池側コイル(206) で蒸発するように循環する。一方、暖房負荷が小さいときには、第１開閉弁(207) を開いて、冷媒の一部を室外コイル(203) に流し、室外空気に熱を放出する。また、暖房を全く行わないときには、第１開閉弁(207)  を開き第２開閉弁(262) を閉じて、全ての冷媒を室外コイル(203) に流す（図１の点線矢印参照）。
【００３６】
本実施形態では、全熱交換器(402) によりカソード(102) から排出されるガスの水分と熱とを利用して暖房・加湿運転を行うことができるので、空調システム全体の運転効率の向上を図ることができる。
【００３７】
また、電池本体(101) の排熱を利用するための冷媒回路をも設けることにより、さらに空調システムの運転効率が向上する。特に、本実施形態では、冷媒回路の冷媒を水としておき、室内熱交換器(257) 内に、冷媒回路中に配置される加湿器(258) も収納されているので、２つの加湿手段によって幅広い加湿量の調整を行うことができる。
【００３８】
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る固体高分子型燃料電池システム(100) と空気調和装置(200B)とを組み込んだ空調システム全体の構成を概略的に示す配管系統図である。同図に示す固体高分子型燃料電池システム(100) の構造は、上記第１の実施形態における燃料電池システムの構造と同じである。また、カソード(102) からの排ガスを利用するための排ガス利用系(400B)が設けられており、この排ガス利用系(400B)には、蒸気配管(401) と、全熱交換器(402) と、三方切換弁(403) とが設けられている点も上記第１の実施形態と同じである。
【００３９】
本実施形態に係る空調システムの特徴は、上記圧縮式冷媒回路を有する空気調和装置(200B)が上記燃料電池システム(100) と一体的に組み込まれている点である。
【００４０】
上記空気調和装置(200B)は、フロン系ガス等の冷媒の循環によって熱移動を生ぜしめるための第１冷媒回路(210B)と第２冷媒回路(260B)とを備えている。この第１冷媒回路(210B)には、吸入した冷媒を圧縮して吐出する第１圧縮機(201) と、通常運転時には図中実線に示す接続状態に、燃料電池システム(100) の運転開始時には図中点線に示す接続状態になって冷媒の循環サイクルを切り換える第１四路切換弁(202) と、冷房運転時に冷媒を凝縮させる放熱手段としての機能を有する第１室外コイル(203) と、冷媒を膨張させるための第１膨張弁(205) と、通常運転時に冷媒を蒸発させる機能と燃料電池システム(100) の運転開始時に冷媒を凝縮させる機能とを有する電池側熱交換手段としての電池側コイル(206) とが主要機器として配置されている。上記電池側コイル(206) は、燃料電池システム(100) の電池本体(101) 内に収納されて、電池本体(101) との熱交換を行うように構成されている。また、第１冷媒回路(210B)における第１膨張弁(205) −第１室外コイル(203) 間には、第１開閉弁(207) が介設されている。
【００４１】
一方、第２冷媒回路(260B)には、吸入した冷媒を圧縮して吐出する第２圧縮機(251) と、暖房運転時には図中実線に示す接続状態に、冷房運転時には図中点線に示す接続状態になって冷媒の循環サイクルを切り換える第２四路切換弁(252) と、暖房運転時に冷媒を蒸発させる機能と冷房運転時に冷媒を凝縮させる機能とを有する第２室外コイル(253) と、冷媒を膨張させるための第２膨張弁(255) と、暖房運転時に冷媒を凝縮させる機能と冷房運転時に冷媒を蒸発させる機能とを有する室内コイル(256) とが主要機器として配置されている。上記室内コイル(256) は、室内ファン(257a)を付設した室内熱交換器(257) 内に収納されて、室内空気との熱交換を行うように構成されている。
【００４２】
一方、上記第１室外コイル(203) 及び第２室外コイル(253) は、共に室外熱交換器(254) 内に配置されていて、室外ファン(253a,253b) によって送風される室外空気との熱交換を行うように構成されている。
【００４３】
また、第２冷媒回路(260B)における第２膨張弁(255) −室内コイル(256) 間の冷媒配管と、第１冷媒回路(210B)における第１膨張弁(205) −第１開閉弁(207) 間の冷媒配管とを接続する第１連絡配管(261) が設けられており、この第１連絡配管(261) には第２開閉弁(262) が介設されている。さらに、第２冷媒回路(260B)における第２四路切換弁(252) の１つのポート−室内コイル(256) 間の冷媒配管と、第１冷媒回路(210B)における第１四路切換弁(202) の１つのポート−第１室外コイル(203) 間の冷媒配管との間には第２連絡配管(263) が設けられている。このように、第１開閉弁(207) 及び第２開閉弁(262) の開閉状態によって、冷媒の流通経路を、電池側コイル(206) で加熱された冷媒が室内コイル(256) に流れる経路と、電池側コイル(206) で加熱された冷媒が放熱手段である第２室外コイル(203) に流れる経路とに切り換えるように構成されている。すなわち、上記第１，第２開閉弁(207,262) により、流通経路切換手段(290B)が構成されている。
【００４４】
次に、空気調和装置(200B)の作動について説明する。
【００４５】
暖房運転時、通常状態では第１冷媒回路(210B)の第１開閉弁(207) が閉じ、第１連絡配管(261) の第２開閉弁(262) が開いて、第１冷媒回路(210B)と第２冷媒回路(260B)との間で冷媒が流通し合う状態になる。そして、第１冷媒回路(210B)において第１四路切換弁(202) が図中実線に示す接続状態になり、図１の実線矢印に示すように冷媒が流れる。すなわち、第１圧縮機(201) から吐出された冷媒が第２連絡配管(263) を介して第２冷媒回路(260B)に流入し、室内コイル(256) で凝縮された冷媒が第１連絡配管(261) を介して第１冷媒回路(210B)に戻り、第１膨張弁(205) で膨張して電池側コイル(206) で蒸発した後、第１圧縮機(201) に吸入される。このとき、第２圧縮機(251) は停止させていてもよいが、室内の暖房負荷が大きいときには、第２圧縮機(251) も運転させることができる。その際、第２冷媒回路(260B)において第２四路切換弁(252) が図中実線状態に示す接続状態となり、第２圧縮機(251) から吐出された冷媒が室内コイル(256) で凝縮され、第２膨張弁(255) で膨張されて第２室外コイル(253) で蒸発した後、第２圧縮機(251) に吸入されるように循環する。一方、原則として第１開閉弁(207) が閉じているので、第１室外コイル(203) 側には冷媒は流入しない。ただし、室内負荷が極めて小さい場合には、第１開閉弁(207) を開いて、第１室外コイル(203) を凝縮器として使用することもできる。このように、電池側コイル(206) で発生する熱を利用して第２冷媒回路(200B)で暖房運転を行うようにしている。
【００４６】
冷房運転時には、第１冷媒回路(210B)の第１開閉弁(207) が開く一方、第１連絡配管(261) の第２開閉弁(262) が閉じ、第１冷媒回路(210B)と第２冷媒回路(260B)との間で冷媒が相互に流入することがなく、図１の点線矢印に示すように、互いに孤立した状態で冷媒が循環する。すなわち、第１冷媒回路(210B)においては、第１四路切換弁(202) が図中実線に示す接続状態になり、第１圧縮機(201) から吐出された冷媒が第１室外コイル(203) で凝縮され、第１膨張弁(205) で膨張されて電池側コイル(206) で蒸発してから第１圧縮機(201) に吸入されるように循環し、第１冷媒回路(210B)内における冷媒の循環だけで燃料電池システム(100) の電池本体(101) が冷却される。第２冷媒回路(260B)においては、第２四路切換弁(252) が図中破線に示す接続状態になり、第２圧縮機(251) から吐出された冷媒が第２室外コイル(253) で凝縮され、第２膨張弁(255) で膨張されて室内コイル(256) で蒸発した後、第２圧縮機(251) に吸入されるように循環する。
【００４７】
このように、冷房運転時には、燃料電池システム(100) で発生する熱を冷房運転に利用することができないので、第１冷媒回路(210B)内における冷媒の循環だけでこの熱を室外空気に放出するようにしている。
【００４８】
また、燃料電池システム(100) の運転開始時には、第１開閉弁(207) が開き第２開閉弁(262) が閉じて、第１四路切換弁(202) が図中破線に示す接続状態になる。そして、図２の一点鎖線矢印に示すように、第１圧縮機(201) から吐出された冷媒が電池側コイル(102) で凝縮され、第１膨張弁(205) で膨張されて第１室外コイル(203) で蒸発した後第１圧縮機(201) に吸入されるように循環する。すなわち、電池本体(101) を暖めて、燃料電池システム(100) の運転を円滑に開始できるようにしている。
【００４９】
本実施形態においても、カソード(102) からの排ガスの水分と熱とを利用した暖房・加湿運転を行うことができる点で上記第１の実施形態と基本的に同じ効果を発揮することができる。特に、本実施形態では、冷媒回路を利用した加湿運転を行うことはできないものの、フロンガス等の冷媒の圧縮，凝縮，蒸発を利用した循環を行わせることで、空気調和装置の小型化等の利点を発揮することができる。
【００５０】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について図３を参照しながら説明する。
【００５１】
本実施形態における空気調和装置(100C)は、上記第１の実施形態における第１，第２冷媒回路(210A,260A) とほぼ同様の構成に加えて、改質器(126) の排熱を利用するための排熱利用系(280) を備えている。本実施形態では、カソード(102) からの排ガスを利用するための排ガス利用系は設けられていないが、さらに上記第１の実施形態のような排ガス利用系(400A)を付加してもよい。
【００５２】
まず、この排熱利用系(280) の構成について説明する。改質器(126) の出口配管には、改質器(126) から出るガスとの熱交換を行うための改質器側熱交換手段である改質器側コイル(283) が取り付けられている。一方、第１冷媒回路(210C)と第２冷媒回路(260C)との共通部分でポンプ(215) の下流側の配管には、第３開閉弁(209) が介設されており、この第３開閉弁(209) の上流側から冷媒回路をバイパスして上記改質器側コイル(283) を通過させ後第３開閉弁(209) の下流側の冷媒回路に冷媒を戻すための排熱利用路(281) が設けられている。そして、この排熱利用路(281) に、第４開閉弁(282) と改質器側コイル(283)とが介設されている。すなわち、第３開閉弁(209) と第４開閉弁(282) とにより、冷媒の流通経路を、冷媒が改質器側コイル(283) を通らずに冷媒回路を流れる第１の経路と、冷媒が改質器側コイル(283) を経て冷媒回路に戻る第２の経路とに切り換えるための排熱利用切換手段(285) が構成されている。
【００５３】
また、第２の冷媒回路(260C)において、室内コイル(256)に直接接続される冷媒配管にコイル側開閉弁(265) が介設されていて、室内熱交換器(257) の内部における冷媒を全て加湿器(258) に流すことが可能に構成されている。なお、  第１，第２開閉弁(207,262) により流通経路切換手段(290C)が構成されている点は、上記第１の実施形態と同じである。
【００５４】
次に、本実施形態における空調システムの動作について説明する。暖房を行うときと行わないときとにおける第１冷媒回路(210A)と第２冷媒回路(260A)との冷媒の流れの切換は上記第１の実施形態と同じである。その場合、暖房要求が電池本体(101) からの排熱量以下の場合には、第３開閉弁(209) を開き第４開閉弁(282) を閉じて、冷媒を排熱利用路(281) 側を介することなく室内熱交換器(257) 側に流す。一方、暖房要求が電池本体(101) からの排熱量（たとえば２５ｋＷ程度）を上回る場合（たとえば暖房要求が３０ｋＷ程度である場合）には、第３開閉弁(209) を閉じ第４開閉弁(282) を開いて、冷媒を排熱利用路(281) 側に流した後室内熱交換器(257) 側に流す。これにより、改質器(126) の排熱を利用して、暖房・加湿運転を行う。
【００５５】
なお、改質器(126) 内のバーナー(126a)の火力を調整する手段を設け、バーナー(126a)の火力の調整によって排熱利用路(281) における冷媒の加熱量を調整するようにしてもよい。
【００５６】
本実施形態によれば、電池本体(101) の排熱を利用して暖房・加湿運転を行いながら、暖房要求に対する暖房能力が不足してくると改質器(126) の排熱を利用して暖房要求を満たすことができる。したがって、空調システムの運転効率の向上に加えて、暖房能力や加湿能力の不足状態を回避することができる。
【００５７】
（その他の実施形態）
上記各実施形態では、１つの室内熱交換器だけが示されているが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、多数の室内熱交換器を備えたいわゆるマルチ型空気調和装置にも適用することができることはいうまでもない。
【００５８】
また、本発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池に限定されるものではなく、化成カリを電解液とする燃料電池、超酸を電解液とする燃料電池、濃厚燐酸を電解質とする燃料電池等にも適用できるものである。
【００５９】
上記第１，第２の実施形態に係る空調システムに、第３の実施形態に示すような改質器の排熱を利用するための排熱利用系を設けてもよい。
【００６０】
また、上記第３の実施形態に係る空調システムに、第１，第２の実施形態に示すようなカソードの排ガスを利用するための排ガス利用系を設けてもよい。
【００６１】
また、上記各実施形態では、電池側コイル(206) の配置場所がアノード(103) の付近であるが、電池本体(101) の排熱を利用する発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、電池側コイル(206) をカソード(102) の付近に配置してもよいし、あるいは双方に配置してもよい。ただし、一般的にはアノード(103) の排熱量はカソード(102) の排熱量よりも大きいので、アノード(103) の近くに電池側コイル(206) を配置することで、より大きな排熱量の利用が可能となる。
【００６２】
【発明の効果】
請求項１〜７によれば、燃料電池と空気調和装置とを一体化して、燃料電池のカソードからの排ガスと空調空気との熱交換による暖房・加湿等の空調を行う空調システムを構成したので、カソードの排ガス中の水蒸気の不純物が少ないという特性を利用して運転効率の高い空調システムの提供を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の実施形態に係るカソードの排ガス利用系及び電池本体の排熱利用系を備えた空気調和装置と燃料電池とを一体化した空調システムの配管系統図である。
【図２】  第２の実施形態に係るカソードの排ガス利用系及び圧縮式冷凍回路による電池本体の排熱利用系を備えた空気調和装置と燃料電池とを一体化した空調システムの配管系統図である。
【図３】  第３の実施形態に係る電池本体の排熱利用系及び改質器の排熱利用系を備えた空気調和装置と燃料電池とを一体化した空調システムの配管系統図である。
【図４】  従来の燃料電池システムの配管系統図である。
【符号の説明】
100   燃料電池システム
101   電池本体
102   カソード
103   アノード
104   加湿器
120   空気圧縮機
121   脱硫器
122   ガス圧縮機
123   ポンプ
124   タンク
125   ポンプ
126   改質器
126a  バーナー
127   変成器
128   酸化反応器
131   凝縮器
132   凝縮器
200   空気調和装置
201   第１圧縮機
202   第１四路切換弁
203   第１室外コイル（放熱手段）
205   第１膨張弁
206   電池側コイル（電池側熱交換手段）
207   第１開閉弁
208   放熱用コイル（放熱手段）
209   第３開閉弁
210   第１冷媒回路
215   ポンプ
221   蒸発器
221a  ポンプ
222   吸収器
223   再生器
223a  高温再生器
223b  低温再生器
223x  バーナー
224   凝縮器
224a  ファン
225   配管
226   ポンプ
227   熱交換器
228   配管
231   冷却コイル
232   熱交換器
251   第２圧縮機
252   第２四路切換弁
253   第２室外コイル
254   室外熱交換器
254a  室外ファン
254b  室外ファン
255   第２膨張弁
256   室内コイル（放熱手段）
257   室内熱交換器
257a  室内ファン
258   加湿器
259   加湿通路開閉弁
260   第２冷媒回路
261   第１連絡配管
262   第２連絡配管
263   第２開閉弁
270   ポンプ
271   第４開閉弁
280   排熱利用系
281   排熱利用路
282   第４開閉弁
283   改質器側コイル（改質器側熱交換手段）
285   排熱利用切換手段
290   流通経路切換手段
400   排ガス利用系
401   蒸気配管
402   全熱交換器（室内空調手段）
403   三方切換弁
【図１】
0003823439.tif 000002
【図２】
0003823439.tif 000003
【図３】
0003823439.tif 000004
【図４】
0003823439.tif 000005