JP2005337516A - ハイブリッド給湯システム及びその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 効率的でかつ経済的な自然冷媒ヒートポンプと燃料電池とのハイブリッド給湯システムを提供する。
【解決手段】 本システムは、気体のＣＯ2をＣＯ2圧縮機２０２で圧縮して熱交換器２０４に送り、熱交換器２０４で温度を下げたＣＯ2を膨張タービン２０５で膨張させて液化し、この液化したＣＯ2を蒸発器２０１で気化してＣＯ2圧縮機２０２に送るサイクルを有し、貯湯槽３０１内に供給される水を熱交換器２０４で加熱して給湯可能とする自然冷媒ヒートポンプ２と、発電時に排熱を生じる燃料電池１とを備え、燃料電池１の排熱で、貯湯槽３０１内に供給される水を予熱するように構成されている。
【選択図】 図１
【解決手段】 本システムは、気体のＣＯ2をＣＯ2圧縮機２０２で圧縮して熱交換器２０４に送り、熱交換器２０４で温度を下げたＣＯ2を膨張タービン２０５で膨張させて液化し、この液化したＣＯ2を蒸発器２０１で気化してＣＯ2圧縮機２０２に送るサイクルを有し、貯湯槽３０１内に供給される水を熱交換器２０４で加熱して給湯可能とする自然冷媒ヒートポンプ２と、発電時に排熱を生じる燃料電池１とを備え、燃料電池１の排熱で、貯湯槽３０１内に供給される水を予熱するように構成されている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、自然冷媒ヒートポンプと燃料電池とを備えたハイブリッド給湯システム及びその運転方法に関するものである。
近年、オゾン層保護の観点から、フロン等の人為的に合成された冷媒ではなく、ＣＯ2、水、空気、アンモニア、ハイドロカーボン等の自然界に存在する物質を冷媒（自然冷媒）として用いた熱システムが注目されている。そして、このような自然冷媒を使用したヒートポンプ（自然冷媒ヒートポンプ）の応用品、例えば家庭用や業務用のヒートポンプ給湯器が、既に多くの企業で商品化されて販売されている。
ヒートポンプは、運転中に電力を消費するが（通常の家庭の電力消費量は１．０〜１．５ｋＷ）、大気中の熱を取り込んでＣＯ2の相変化に活用するものである。したがって、ヒートポンプは、使用する電力量と大気の熱の双方を給湯用エネルギとして使用でき、ＣＯＰ（給湯エネルギ／電力量エネルギ）は３となって、非常に経済的なシステムを構成することができる。
一方、燃料電池は、電気と熱を発生するコジェネレーション機器として、家庭用や業務用に固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）や固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）の導入が期待されている。これらの燃料電池は、都市ガス、ＬＰＧや灯油等を原料として水素等を製造し、水素ガス（固体電解質形燃料電池の場合はＣＯも発電に利用する。）と空気中の酸素とを電池スタックで化学反応させて発電するものである。発電効率は固体高分子形燃料電池で３０〜４０％、固体電解質形燃料電池で４０〜５０％である。
このようなヒートポンプと燃料電池とをハイブリッド化することに関しては、若干の先行例が存在する（例えば特許文献１〜３参照）。特許文献１には、吸収式ヒートポンプに燃料電池の蒸気排熱や温水排熱を吸収式ヒートポンプの再生器の熱源として使用する方法が開示されている。特許文献２には、自然冷媒ヒートポンプの蒸発部と燃料電池の冷却部、あるいは前者冷却供給部と後者放熱器を熱的に結合したシステムが開示されている。特許文献３には、ヒートポンプの運転に必要な電力を燃料電池から供給するように組み合わせたシステムにおいて、燃料電池からの排熱をヒートポンプの冷媒の加熱源に利用することと、冷房時等の組み合わせたシステムケーシングの冷却方法とが開示されている。
特開平６−１０１９３２号公報
特開２００２−８１７９２号公報
特開２００２−２２８２９６号公報
しかし、上記従来技術におけるヒートポンプでは、いずれも安価な深夜電力を利用するために通常は深夜運転となり大きな貯湯槽が必要となる。例えば４人程度の家庭用の場合、３５０〜４５０リットル程度の貯湯槽が必要となり、その貯湯槽の設置スペースの確保が困難であった。
一方、燃料電池の排熱を利用して給湯する場合では、固体高分子形燃料電池の排熱は高くても６０℃であり、家庭の給湯用として使用することはできるものの、冷房や業務用に使用するには温度が低すぎて有効利用ができない。固体電解質形燃料電池の場合は、高温動作のために蒸気や９０℃程度の高温水が得られるものの、同時に４０〜６０℃程度の低温水も大量に発生する。蒸気や高温水は蒸気式や吸収式冷凍機で有効活用できるが、大量に発生する低温水の活用ができないといった問題があった。
本発明は、効率的でかつ経済的な燃料電池と自然冷媒ヒートポンプとのハイブリッド給湯システムを提供することを目的とする。
請求項１記載の発明は、気体の自然冷媒を圧縮機で圧縮して第１の熱交換器に送り、上記第１の熱交換器で温度を下げた自然冷媒を膨張タービンあるいは膨張弁で膨張させて液化し、この液化した自然冷媒を第２の熱交換器で気化して上記圧縮機に送るサイクルを有し、貯湯槽内に供給される水を上記第１の熱交換器で加熱して給湯可能とする自然冷媒ヒートポンプと、発電時に排熱を生じる燃料電池とを備えたハイブリッド給湯システムであって、上記燃料電池の排熱で、上記貯湯槽内に供給される水を予熱するように構成したことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明のように、上記燃料電池の燃焼排ガス流路中に上記第２の熱交換器を配置したこととしてもよい。
請求項３記載の発明のように、上記燃料電池の排熱で予熱された水を直接需要先へ給湯し、この予熱された水を上記貯湯槽の給湯戻り配管を経由して貯湯槽ヘ供給するように構成してもよい。
請求項４記載の発明のように、上記燃料電池は低温型燃料電池であり、上記燃料電池の排熱で予熱された水は、この燃料電池の電池冷却水であることとしてもよい。
請求項５記載の発明のように、上記燃料電池は高温型燃料電池であり、この燃料電池の燃焼排ガス流路中に配置された第３の熱交換器を備え、上記燃料電池の排熱で予熱された水は、上記第３の熱交換器で加熱された水であることとしてもよい。
請求項６記載の発明のように、上記燃料電池の燃焼排ガス流路における上記第３の熱交換器の上流側に配置され、上記第１の熱交換器で加熱された貯湯槽内の水をさらに加熱して汽水混合体とする第４の熱交換器と、この汽水混合体を汽水分離する汽水分離器とを備えてもよい。
請求項７記載の発明のように、上記燃料電池の燃焼排ガス流路における上記第３の熱交換器の上流側に配置され、上記第３の熱交換器で予熱された水を加熱する第５の熱交換器を備えてもよい。
請求項８記載の発明のように、上記貯湯槽内に供給される水を加圧する加圧装置と、上記燃料電池の燃焼排ガス流路における上記第３の熱交換器の上流側に配置され、上記加圧装置で加圧された状態で上記第１の熱交換器で加熱された貯湯槽内の水をさらに加熱して汽水混合体とする第６の熱交換器と、この汽水混合体を汽水分離する汽水分離器とを備えてもよい。
請求項９記載の発明のように、上記貯湯槽内に供給される水を加圧する加圧装置と、上記燃料電池の燃焼排ガス流路における上記第３の熱交換器の上流側に配置され、上記加圧装置で加圧された状態で上記第１の熱交換器で加熱された貯湯槽内の水をさらに加熱して高温水とする第７の熱交換器とを備えてもよい。
請求項１０記載の発明のように、上記自然冷媒の流路中における膨張タービンあるいは膨張弁と第２の熱交換器との間に配置され、中間冷媒を冷却して冷熱とする第８の熱交換器と、この冷熱を蓄熱する冷熱蓄熱槽とを備えてもよい。
請求項１１記載の発明のように、上記燃料電池の排熱で予熱された水と上記貯湯槽に貯湯された水とを混合して給湯する混合弁を備えてもよい。
請求項１２記載の発明は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のハイブリッド給湯システムの運転方法において、電力負荷が所定値よりも低い時間帯に上記燃料電池で発生させた余剰電力を使用して上記自然冷媒ヒートポンプを運転し、上記貯湯槽内の水を昇温しておき、電力負荷が所定値よりも高い時間帯は上記自然冷媒ヒートポンプを停止させて、上記燃料電池の排熱で昇温させた水を直接需要先に供給することを特徴とするものである。
請求項１記載の発明によれば、燃料電池の排熱で予熱された水（低温水）を貯湯槽に貯湯しておき、深夜等に自然冷媒ヒートポンプを運転して上記低温水を高温水に変換して使用することができるために、ヒートポンプの運転時間や設備容量を減少できる。また昼間の給湯に必要な湯量は燃料電池から６０℃程度の低温水を直接供給できる。
したがって、家庭用のシステムでは風呂等の短時間に大量に使用する湯量のみを貯湯すればよく、貯湯槽には高温水と低温水とが入っているために高温水がなくなっても低温水の供給ができて湯切れの心配がなくなる。このため、家庭用のシステムならば貯湯槽の容量は１５０〜２００リットル程度でよく、従来の３５０〜４５０リットルもの大型貯湯槽を設置できない家庭でもシステムの導入が可能となる。
業務用のシステムとしては、燃料電池設備の容量を電力需要の最低負荷に近いものとし、深夜に発生する低温水を自然冷媒ヒートポンプで高温水に変換して、日中必要とする熱需要を貯蔵しておくことができる。このため、燃料電池を単独で設置するよりも、燃料電池設備を小型化することができるとともに、設備稼働率を高くすることができる。また、自然冷媒ヒートポンプを単独で設置すると、貯湯槽容量が大きくなり、湯切れが発生する可能性もあるが、本発明においてはこのような問題がなくなる。
ところで、通常の自然冷媒ヒートポンプでの自然冷媒の蒸発は大気熱を利用しているが、特に冬季は大気熱利用の蒸発器では十分な気化熱供給が困難となり、蒸発器の大型化や自然冷媒ヒートポンプ効率が低下する。この点、燃料電池の燃焼排ガスは温度変化が少なく、かつ安定して供給できる。そこで、請求項２記載の発明によれば、燃焼排ガスを利用して蒸発器（第２の熱交換器）に熱供給して自然冷媒を気化・昇温させることにより、気化性能の改善とともに蒸発器を小型化できる。
請求項３記載の発明によれば、燃料電池の排熱で予熱された水を直接需要先へ給湯し、この給湯の戻り水を貯湯槽に溜めて、自然冷媒ヒートポンプを運転する場合の熱交換器（第１の熱交換器）の給水温度を低くすることにより、ヒートポンプのＣＯＰの低下を防止することができる。
請求項４記載の発明によれば、低温型燃料電池の排熱により発生する低温水を有効利用して、自然冷媒ヒートポンプのＣＯＰの低下を防止することができる。なお、低温型燃料電池には、固体高分子形燃料電池、りん酸形燃料電池等を含む。
請求項５〜９記載の発明によれば、高温型燃料電池の燃焼排ガスにより発生する低温水を有効利用でき、さらに自然冷媒ヒートポンプで昇温させた貯湯槽からの高温水を上記燃焼排ガスで加熱することにより、吸収式冷凍機で使用できる蒸気量や高温水の生成量を多くさせて、冷暖房用途に適用可能となる。なお、高温型燃料電池には、固体電解質形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池等を含む。
請求項１０記載の発明によれば、給湯用温水と冷房用冷熱とを同時に製造できるので、特に夏季におけるシステムの利便性と経済性が向上する。
請求項１１記載の発明によれば、燃料電池からの低温水と自然冷媒ヒートポンプで昇温させた貯湯槽からの高温水を混合して給湯することにより、用途に応じた給水温度に調整することにより利便性が向上する。
請求項１２記載の発明によれば、深夜等の熱負荷が低い時間帯に燃料電池と自然冷媒ヒートポンプとをハイブリッド化して運転し、電力需要を超える余剰発電電力を自然冷媒ヒートポンプの圧縮動力として活用する。これにより、燃料電池の低温水をヒートポンプで高温水にして貯湯することができ、深夜の電力負荷が増加するために、燃料電池の設置容量の増加と負荷率を向上でき、経済性を向上させることができる。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１にかかるハイブリッド給湯システムの全体構成を示す概念図、図２は燃料電池ユニットの部分構成を示す概念図である。
図１は、本発明の実施形態１にかかるハイブリッド給湯システムの全体構成を示す概念図、図２は燃料電池ユニットの部分構成を示す概念図である。
この実施形態１にかかるハイブリッド給湯システムは、基本的には図１に示すように、発電時に排熱を生じる燃料電池１と、自然冷媒の相変化に伴う発熱により貯湯槽３０１に供給される水を加熱して供給可能な自然冷媒ヒートポンプ２とから構成されている。
燃料電池１は、低温型燃料電池の一例としての固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、図２に示すように、脱硫器１０１、熱交換器１０２、改質器１０３、熱交換器１０４、一酸化炭素変成器１０５、選択酸化器１０６、加湿器１０７、電池スタック１０８、低温水用熱交換器１０９、循環ポンプ１１０及び放熱器１１１を有し、これらは配管やダクト等で連結されている。
自然冷媒ヒートポンプ２は、図１に示すように、蒸発器（第２の熱交換器）２０１、ＣＯ2圧縮機（圧縮機）２０２、ＣＯ2圧縮機２０２を駆動する電動機２０３、熱交換器（第１の熱交換器）２０４及び膨張タービン２０５を有し、これらは自然冷媒としてのＣＯ2が封入された循環管路で連結されている。ＣＯ2圧縮機２０２の電動機２０３には商用電力が供給されるようになっているが、膨張タービン２０５の発電機２０５ａで発電した電力も、インバータ２０５ｂで商用電源と同じ周波数とされてその電動機２０３に供給されて優先的に使用されるようになっている。
そして、燃料電池１では、図２に示すように、都市ガス等の燃料（ＮＧ）が脱硫器１０１で付臭剤のイオウ分を除去される。イオウ分を除去された燃料は、熱交換器１０２を通ってから水蒸気と混合される。これにより、燃料は７００〜８００℃に加熱されて改質器１０３に送られ、改質器１０３内部で改質触媒の作用により水素、一酸化炭素、二酸化炭素の混合ガス（改質ガス）になる。この混合ガスは、熱交換器１０４で冷却されて一酸化炭素変成器１０５に入り、一酸化炭素変成触媒の作用により一酸化炭素成分は水素と二酸化炭素に変換されることにより、その一酸化炭素濃度は一定値（数％）以下になる。高分子形燃料電池の電池動作温度は６０〜９０℃程度であり、この温度では一酸化炭素のセル電極触媒への被毒性が大きいため、選択酸化器１０６を設けている。この選択酸化器１０６により改質ガス組成中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下にして、加湿器１０７でセル加湿用の水分を加える。水分を加えた改質ガスは、電池スタック１０６の燃料極１０８に送られる。
電池スタック１０８内では、改質ガス中の水素ガスの大部分は燃料極１０８ａで触媒により水素イオンとなり、電解質１０８ｂを通って空気極１０８ｃに移動する。空気極１０８ｃでは空気中の酸素ガスが触媒により酸素イオンになり、燃料極１０８ａから移動してきた水素イオンと反応して水を生成する。この際、電子が放出されて電池スタック１０８は発電する。一般に、燃料極１０８ａでの水素利用率は７０〜８０％で、残りは余剰の燃排ガス（燃料極排ガスともいう。）として排出される。また、空気極１０８ｃでの空気中の酸素利用率は５０〜６０％で、残りは余剰の排空気（空気極排空気ともいう。）として排出される。通常、この余剰の燃料排ガスと排空気は改質器１０３のバーナ１０３ａに導入され、改質器１０３の加熱用燃料として使用される。燃焼排ガスは、図１の自然冷媒ヒートポンプ２の蒸発器２０１へと導かれる。
電池スタック１０８での化学反応は発熱反応であるために、セルを一定温度に維持するために積層したセル間に冷却板１０８ｄが挿入され、冷却板１０８ｄには冷却水が流れる配管Ｌ１が配置されており、約８０℃の電池冷却水が排出される。この電池冷却水は低温水用熱交換器１０９で冷却され、あるいは放熱器１１１で放熱された後に、循環ポンプ１１０で冷却板１０８ｄに戻して再使用される。
電池スタック１０８の冷却水温度は約８０℃であるが、低温水用熱交換器１０９で熱交換されて得られる低温水の温度は約６０℃となり、配管Ｌ２から図１に示す貯湯槽３へと導かれる。したがって、この給水分を補給する必要があり、このために低温水用熱交換器１０９には水道水補給用の配管Ｌ３が接続されている。
すなわち、電池スタック１０８の電池冷却水は、循環ポンプ１１０により冷却板１０８ｄに供給されて、セルから熱を奪い約８０℃になって低温水用熱交換器１０９に入る。電池冷却水は、この低温水用熱交換器１０９内で配管Ｌ３から補給される水道水との熱交換を行い、冷却されて再び循環ポンプ１１０にいたる。放熱器１１１は低温水用熱交換器１０９での熱交換量が少ない場合に、電池スタック１０８へ戻る冷却水の温度を一定にするために電池冷却水を冷却するものである。
低温水用熱交換器１０９で約６０℃に昇温された低温水は、配管Ｌ２を通り、弁Ｖ１を介して給湯用として供給される。また、貯湯槽３０１の配管Ｌ４を通して供給される高温水と混合弁Ｖ０で所定の温度に調整された温水として給湯配管Ｌ５から供給してもよい。貯湯槽３０１の高温水が使用されたときは、貯湯槽３０１の下部（あるいは中間部）から弁Ｖ２を介して低温水が供給される。
この際、自然冷媒ヒートポンプ２では、気体のＣＯ2が配管Ｌ６を介してＣＯ2圧縮機２０２に送られ、ここで圧縮されて約１３０℃の高温に加熱される。その後、熱交換器２０４で貯湯槽３０１から配管Ｌ７を通って供給される水を約９０℃まで昇温し、ＣＯ2自身は６０℃近くまで冷却される。このＣＯ2はまだ高温であるために膨張タービン２０５で断熱膨張して低温・低圧ガスになる。低温ＣＯ2は蒸発器２０１で電池スタック１０８からダクトＤ１を介して供給される燃焼排ガスや空気中から熱を取り込み常温まで昇温されて気化される。この気化された常温の低圧ＣＯ2は再度ＣＯ2圧縮機２０２に送られて、高圧に圧縮される。
貯湯槽３０１に供給された低温水は自然冷媒ヒートポンプ２を運転しない限り、貯湯槽３０１の中に滞留する。自然冷媒ヒートポンプ２を運転すると、貯湯槽３０１の低温水は熱交換器２０４により約９０℃に加熱されて貯湯槽３０１の上部に入る。そのようにして、貯湯槽３０１内で上部は約９０℃の高温水、下部は６０℃の低温水との混合層になり、貯湯槽３０１から必要に応じて給湯、風呂用の湯が供給され、下部から配管Ｌ２により低温水が補給される。
したがって、燃料電池１の電池スタック１０８からの６０℃の低温水を貯湯槽３０１に溜めておき、深夜の電気料金が安い時間帯や高温水を必要とするときに自然冷媒ヒートポンプ２を運転して、低温水を約９０℃の高温水に昇温して貯湯することができる。
ここで、自然冷媒ヒートポンプ２単独での運転の場合と、燃料電池１と自然冷媒ヒートポンプ２とをハイブリッド化した本システムの場合における、貯湯槽３０１内の高温水と低温水の割合を図３に示す。図３（ａ），（ｂ）は自然冷媒ヒートポンプ２の単独運転の場合であり、この自然冷媒ヒートポンプ２の運転後は図３（ｂ）のように高温水ＨＷが満水となっているが、高温水ＷＨをほとんど使いきってしまうと図３（ａ）のように常温の水（水道水）ＣＷのみとなる。このため、さらに給湯をすると湯切れ状態となり、再度自然冷媒ヒートポンプ２の運転が必要となる。
図３（ｃ），（ｄ）は本システムの場合であって、燃料電池１の冷却低温水を貯湯槽３０１への給水として使用する。この場合には、高温水ＨＷをほとんど使いきってしまったとしても、図３（ｃ）のように貯湯槽３０１内には低温水ＬＷが大量に残っており、さらに給湯が必要になってもこの低温水ＬＷが供給されるために湯切れの心配がほとんどない。このため、自然冷媒ヒートポンプ２の単独運転の場合よりも貯湯槽３０１の容量を小さくすることが可能となる。
自然冷媒ヒートポンプ２の運転については、熱交換器２０４出口のＣＯ2が自然冷媒ヒートポンプ２単独運転方式では水道水温度であるのに対して、本システムでは低温水温度相当となり４０〜６０℃になるものと予想される。このため、ＣＯ2の膨張方式として膨張弁を使用すると、低温水温度と水道水温度との温度差分が利用できなくなり、ＣＯＰが減少することとなる。そこで、本システムでは、膨張タービン２０５を使用しており、この膨張タービン２０５を出た液化ＣＯ2の温度はマイナス温度まで低下するため、上記温度差分も電気エネルギとして回収して有効利用できるようになり、ＣＯＰの減少を防止できる。
その一方で、膨張タービン２０５を使用すると、蒸発器２０１のＣＯ2出口温度は非常に低くなり、冬季には大気中水蒸気が蒸発器２０１の伝熱表面で凍結して気化できなくなったり、大型の蒸発器が必要になったりする。しかし、運転中の高分子形燃料電池からは常時４０〜５０℃の大気温度よりも高い燃焼排ガスが排出されているので、ダクトＤ１を設けて大気とともに燃焼排ガスも気化熱源として使用できる。そこで、燃焼排ガスを自然冷媒ヒートポンプ２の蒸発器２０１の熱源として使用することにより、ＣＯ2の気化時の安定性向上や蒸発器２０１容量の小型化が可能となる。
自然冷媒ヒートポンプ２のＣＯ2圧縮機２０２の運転電力としては、深夜は安価な深夜電力や燃料電池１で発電した余剰電力を使用するのが好ましく、深夜時間帯や電力負荷が低い時間帯に自然冷媒ヒートポンプ２の運転を行い、貯湯槽３０１の貯湯温度を高温にし、電力負荷が高い時間帯は自然冷媒ヒートポンプ２の運転は行わず、燃料電池１の排温水を直接需要先に供給するような運転制御をするのが好ましい。自然冷媒ヒートポンプ２の運転は、貯湯槽３０１の湯量が一定量まで減少すると、経済的な時間帯であれば自動運転される。このため、例えば貯湯槽３０１内に図示しない高温水の残量を示す水位センサを設けて、この水位センサの検出値に基づく水位制御を行うのが好ましい。
燃料電池１と自然冷媒ヒートポンプ２とのハイブリッドを解除して運転する場合は、図１の弁Ｖ２と貯湯槽３０１へ水道水を直接供給する配管Ｌ８を設けているので、この弁Ｖ２を閉止することにより、燃料電池１の低温水系統と自然冷媒ヒートポンプ２とは切り離される。そして、貯湯槽３０１の高温水が減少すれば、配管Ｌ８から水道水が補給される。その場合には、燃料電池１の低温水の貯湯はできなくなるので、燃料電池１の低温水の供給量を上回る熱需要がある場合に最適で、不足する熱は貯湯槽３０１から供給する。
以上説明したように、本実施形態１によれば、燃料電池１で発生する低温水を貯湯槽３０１に溜めておき、深夜等に自然冷媒ヒートポンプ２を運転してこの低温水を高温水に変換して使用することができるために、自然冷媒ヒートポンプ２の運転時間や設備容量を減少できる。また昼間の給湯に必要な湯量は、燃料電池１から６０℃の温水を直接供給できる。
したがって、家庭用では風呂等の短時間に大量に使用する湯量のみを貯湯すればよく、貯湯槽３０１には高温水と低温水が入っているために高温水がなくなっても低温水の供給ができ湯切れの心配がなくなる。このため、家庭用ならば貯湯槽３０１の容量は１５０〜２００リットルでよく、従来の３５０〜４５０リットルの大型貯湯槽を設置できない家庭でも導入が可能となる。
業務用としては、設置する燃料電池１の設備容量を電力需要の最低負荷に近い設備にし、深夜に発生する低温水を自然冷媒ヒートポンプ２で高温水に変換して、日中必要とする熱需要を貯蔵しておくことができる。このため、燃料電池１を単独で設置するよりも、燃料電池１の設備を小型化することができるとともに、設備稼働率を高くすることができる。また、自然冷媒ヒートポンプ２を単独で設置すると、上述したように貯湯槽３０１の容量が大きくなり、湯切れが発生する可能性もあるが、燃料電池１と自然冷媒ヒートポンプ２とをハイブリッド化した本システムにおいてはこのような問題がなくなる。
（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２にかかるハイブリッド給湯システムの全体構成を示す概念図である。なお、上記実施形態１と共通する要素には同一番号を付してその説明を省略する。
図４は本発明の実施形態２にかかるハイブリッド給湯システムの全体構成を示す概念図である。なお、上記実施形態１と共通する要素には同一番号を付してその説明を省略する。
このシステムは、基本的には上記実施形態１と同様の、燃料電池１と、自然冷媒ヒートポンプ２とから構成されている。ただし、上記実施形態１では、低温水は給湯のみの一方通行であるが、この実施形態２では、図４に示すように、低温水は給湯の送り配管Ｌ２１と戻り配管Ｌ２２に分かれている。すなわち、本実施形態２は、暖房のように熱は使用するが水は使用しないケースや、給湯温度の低下を防止する場合に使用されるものである。
そして、低温水用熱交換器１０９で昇温された低温水は、配管Ｌ２１を通して暖房や給湯に供給される。暖房の戻り配管Ｌ２２には給湯等で減量した水量相当を水道水補給用の配管Ｌ９から補給するとともに、戻り湯の一部は貯湯槽３０１で使用した高温水の補給水として貯湯槽３０１の下部から弁Ｖ２を介して給水される。その後、給湯ポンプ１１２により低温水用熱交換器１０９に戻りここで再度昇温される。本実施形態２では、実施形態１と同様に固体分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を使用した場合であっても、貯湯槽３０１の補給水温度が２０〜３０℃程度に低下している。このために、熱交換器２０４出口でのＣＯ2温度が低くなり、膨張弁２０６を使用することができる。この膨張弁２０６に代えて、上記実施形態１と同様の、膨張タービン２０５を使用することもできる（後述する実施形態３〜６についても同様である）。
燃料電池１と自然冷媒ヒートポンプ２とのハイブリッドを解除して運転する場合には、図４の弁Ｖ２を閉止し、貯湯槽３０１へ直接水道水を供給する補給配管Ｌ１０が使用される。
（実施形態３）
図５は本発明の実施形態３にかかるハイブリッド給湯システムの全体構成を示す概念図、図６は燃料電池ユニットの部分構成を示す概念図である。なお、上記実施形態１，２と共通する要素には同一番号を付してその説明を省略する。
図５は本発明の実施形態３にかかるハイブリッド給湯システムの全体構成を示す概念図、図６は燃料電池ユニットの部分構成を示す概念図である。なお、上記実施形態１，２と共通する要素には同一番号を付してその説明を省略する。
このシステムは、基本的には図５に示すように、燃料電池１ａと、自然冷媒ヒートポンプ２とから構成されている。燃料電池１ａは、図６に示すように、高温型燃料電池の一例としての固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）であって、脱硫器１５１、予熱器１５２、電池スタック１５３、蒸気用熱交換器（第４の熱交換器）１５４、高温水用熱交換器（第５の熱交換器）１５５、低温水用熱交換器（第３の熱交換器）１５６を有し、これらは配管やダクトで連結されている。なお、自然冷媒ヒートポンプ２は、実施形態１，２と同様の構成である。
そして、都市ガス等の燃料（ＮＧ）は、図６に示すように、脱硫器１５１で付臭剤のイオウ分を除去して水蒸気を加えられ、予熱器１５２で予熱された上で、７００〜１０００℃の電池スタック１５３の内部で触媒の作用により水素、一酸化炭素、二酸化炭素に改質される。水素、一酸化炭素の大部分は燃料極１５３ａでイオン化する。一方、空気極１５３ｂでは空気中の酸素がイオン化し、電解質１５３ｃを通して燃料極１５３ａに移動する。ここで水素イオン、一酸化炭素イオン、酸素イオンが反応して水や二酸化炭素になるとともに、電気を発生する。一般に、燃料極１５３ａでの水素利用率は７０〜８０％であって、残りは余剰として排出され、これを燃料極排ガスと呼ぶ。また、空気極１５３ｂでの空気中の酸素利用率は５０〜６０％で、残りは余剰として排出され、空気極排空気と呼ぶ。固体電解質形燃料電池の場合は、電池作動温度が高温であるために、燃料極排ガスと空気極排空気を電池スタック１５３の燃焼室１５３ｄで燃焼させて７００〜１０００℃の高温に維持している。燃焼室１５３ｄで燃焼したガスは燃焼排ガスと呼ばれ、熱交換器１５４，１５５，１５６により反応用の空気を昇温するとともに、蒸気、高温水や低温水の排熱を得ることができる。
図６に示す固体電解質形燃料電池の場合は、電池スタック１５３の燃焼室１５３ｄから出た高温燃焼排ガスは蒸気用熱交換器１５４、高温水用熱交換器１５５、低温水用熱交換器１５６を通過して熱交換され、燃焼排ガスとして自然冷媒ヒートポンプ２の蒸発器２０１に導かれる。
蒸気用熱交換器１５４には、汽水分離器１５７からの高温水が配管Ｌ３１を介して供給され、ここで過熱された後、配管Ｌ３２を介して汽水分離器１５７に戻る。圧力制御弁Ｖ３１で汽水分離器１５７の圧力を制御して飽和蒸気を発生させる。また、蒸気発生により汽水分離器１７５内の水が不足してくるので、弁Ｖ３２を開けることにより、貯湯槽３０１内からの水が配管Ｌ３３を介して補給される。そして、汽水分離器１５７で発生した蒸気は、蒸気配管Ｌ３４を通って需要設備や蒸気式吸収冷凍機等に供給される。
高温水用熱交換器１５５では、約８０〜９０℃の高温水を発生させ、配管Ｌ３５を介して需要先へ供給する。低温水用熱交換器１５６では、４０〜６０℃程度の低温水を発生させ、配管Ｌ２を介して需要先に供給する。これら高温水、低温水は中期間等の熱利用がない場合には放熱器１６１で冷却して循環させる。
すなわち、固体電解質形燃料電池の場合は、電池スタック１５３が７００〜１０００℃の高温動作のために高温の燃焼排ガスを利用して蒸気用熱交換器１５４で蒸気が得られ、高温水用熱交換器１５５で９０℃程度の高温水が得られ、低温水用熱交換器１５６で４０〜６０℃程度の低温水が得られる。蒸気や高温水はそのまま二重効用式吸収式冷凍機で冷房用に使用できる。この際、４０〜６０℃程度の低温水も多く発生するために、この低温水を自然冷媒ヒートポンプ２で高温水に変換して貯湯槽３０１に溜めておき、蒸気の補給水として利用することもできる。
固体電解質形燃料電池は最低負荷が５０％と高いため深夜に生じる余剰電力の発生が多くなる。このため、深夜の燃料電池余剰電力や安価な深夜電力を利用してヒートポンプユニット２００を運転しておき、貯湯槽３０１に高温水を貯湯しておき、蒸気を多く必要とする昼夜間により多くの蒸気を発生できる。
（実施形態４）
図７は本発明の実施形態４にかかるハイブリッド給湯システムの全体構成を示す概念図である。なお、上記実施形態１〜３と共通する要素には同一番号を付してその説明を省略する。
図７は本発明の実施形態４にかかるハイブリッド給湯システムの全体構成を示す概念図である。なお、上記実施形態１〜３と共通する要素には同一番号を付してその説明を省略する。
このシステムは、基本的には上記実施形態３と同様の、燃料電池１ａと、ヒートポンプ２とから構成されている。ただし、上記実施形態２と同様に、低温水は給湯の送り配管Ｌ２１と給湯の戻り配管Ｌ２２に分かれており、暖房のように熱は使用するが水は使用しないケースや、給湯温度の低下を防止する場合に使用される。また、上記実施形態３における蒸気用熱交換器１５４と汽水分離器１５７とは省略している。
そして、低温水用熱交換器１５６を出た低温水は、配管Ｌ２１を通して給湯や床暖房用に供給され、戻り配管Ｌ２２から、貯湯槽３０１に低温水の一部が補給される。残り湯は再び低温水用熱交換器１５６に帰り、ここで加熱される。貯湯槽３０１には加圧ポンプ（加圧装置）１６４により低温水を加圧して補給する。加圧力としては特に制約はないが、通常は常圧から１ＭＰａ程度での間で選定する。この加圧水は２０〜４０℃程度の低温であり、自然冷媒ヒートポンプ２の熱交換器２０４で昇温されて加圧高温水となり再び貯湯槽３０１の上部に入る。自然冷媒ヒートポンプ２側の動作は従来のものと特に変らないが、熱交換器２０４で製造される加圧高温水は１００℃以上に昇温しても蒸気にならないため、自然冷媒ヒートポンプ２のＣＯ2圧縮機２０２出口の冷媒温度１２０℃をさらに高くして、熱交換器２０４出口の加圧高温水の温度を１００℃以上にすることが可能である。
貯湯槽３０１を出た高温水は、高温水供給用の配管Ｌ４１を通って高温水熱交換器（第７の熱交換器）１５５ａに入り、より高い高温水に加熱されて高温水供給の配管Ｌ４２を通して、吸収式冷凍機等に供給される。高温水は加圧ポンプ１６４により加圧されているので、高温水温度は吸収式冷凍の最適な動作温度である１２０℃程度に選定して使用することもできる。
したがって、この実施形態４の場合には、貯湯槽３０１からの高温水は、そのまま高温給水用の配管Ｌ４３により需要先へ供給することが可能である。
（実施形態５）
図８は本発明の実施形態５にかかるハイブリッド給湯システムの全体構成を示す概念図である。
図８は本発明の実施形態５にかかるハイブリッド給湯システムの全体構成を示す概念図である。
このシステムは、上記実施形態４において、高温水用熱交換器１５５ａを省略して、上記実施形態３と同様の蒸気用熱交換器（第６の熱交換器）１５４ａと汽水分離器１５７ａとを設けたものである。
そして、上記実施形態４と同様に、貯湯槽３０１には加圧ポンプ（加圧装置）１６４により低温水を加圧して補給する。この加圧水は２０〜４０℃程度の低温であり、自然冷媒ヒートポンプ２の熱交換器２０４で昇温されて加圧高温水となり再び貯湯槽３０１の上部に入る。自然冷媒ヒートポンプ２側の動作は従来のものと特に変らないが、熱交換器２０４で製造される加圧高温水は１００℃以上に昇温しても蒸気にならないため、自然冷媒ヒートポンプ２のＣＯ2圧縮機２０２出口の冷媒温度１２０℃をさらに高くして、熱交換器２０４出口の加圧高温水の温度を１００℃以上にすることが可能である。
蒸気用熱交換器１５４ａには、汽水分離器１５７ａからの高温水が配管Ｌ５１を介して供給され、ここで加熱された後、配管Ｌ５２を介して汽水分離器１５７に戻る。圧力制御弁Ｖ５１で汽水分離器１５７ａの圧力を制御して飽和蒸気を発生させる。また、蒸気発生により汽水分離器１７５ａ内の水が不足してくるので、弁Ｖ５２を開けることにより、貯湯槽３０１内からの高温水が配管Ｌ３３を介して補給される。そして、汽水分離器１５７ａで発生した蒸気は、蒸気配管Ｌ３４を通って需要設備や蒸気式吸収式冷凍機等に供給される。
したがって、この実施形態５の場合も、貯湯槽３０１からの高温水は、そのまま高温給水用の配管Ｌ４３により需要先へ供給することが可能である。
（実施形態６）
図９は本発明の実施形態６にかかるハイブリッド給湯システムの全体構成を示す概念図である。本実施形態６は、冷熱利用と給湯利用の双方を行うものである。
図９は本発明の実施形態６にかかるハイブリッド給湯システムの全体構成を示す概念図である。本実施形態６は、冷熱利用と給湯利用の双方を行うものである。
このシステムは、基本的には燃料電池ユニット１と、自然冷媒ヒートポンプ２ａとから構成されている。
自然冷媒ヒートポンプ２ａは、図９に示すように、蒸発器２０１、ＣＯ2圧縮機２０２、ＣＯ2圧縮機２０２を駆動する電動機２０３、熱交換器２０４、膨張タービン２０５、熱交換器（第８の熱交換器）２５１を有し、これらは自然冷媒としてのＣＯ2が封入された循環管路で連結されている。なお、燃料電池１は、実施形態１，２と同様の構成である。
そして、自然冷媒ヒートポンプ２の熱交換器２０４には配管Ｌ２の弁Ｖ６１を閉じ、Ｖ６２，Ｖ６３を開けて燃料電池（形式は限定しない。）の低温水を通して高温自然冷媒の熱で昇温する。約９０℃になった高温水は配管Ｌ２、弁Ｖ６４を通って貯湯槽３０１の上部から入れて貯湯するか、そのまま混合弁Ｖ０を通して給湯用の配管Ｌ５に供給される。
自然冷媒ヒートポンプ２ａが停止しているときは、弁Ｖ６２，Ｖ６３を閉じ、弁Ｖ６１を開けて、低温水は弁Ｖ６５を通して貯湯槽３０１の下部から給水する。
一方、膨張タービン２０５を出た低温のＣＯ2は、配管Ｌ６０を介して熱交換器２５１を通る中間冷媒としての水を冷却し、冷熱蓄熱槽３５１で冷水あるいは氷を蓄熱する。冷熱蓄熱槽３５１の冷熱は必要に応じ配管Ｌ６１を介して需要先へと供給される。この供給により冷熱蓄熱槽３５１内の水位は低下するので、配管Ｌ６２から水道水が補給される。
なお、上記実施形態１，２では、低温型燃料電池の一例として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）について説明したが、その他の低温型燃料電池、例えばりん酸形燃料電池等であってもよい。また、上記実施形態３，４，５では、高温型燃料電池の一例として固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）について説明したが、その他の高温型燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池等であってもよい。さらに、上記実施形態６では、低温型燃料電池と高温型燃料電池のいずれであってもよい。
また、上記実施形態３では、高温水用熱交換器１５５と、蒸気用熱交換器１５４及び汽水分離器１５７とを備えているが、高温水用熱交換器１５５のみ、或いは、蒸気用熱交換器１５４及び汽水分離器１５７を備えるようにしてもよい。この逆に、上記実施形態４では、高温水用熱交換器１５５ａのみを備え、上記実施形態５では、蒸気用熱交換器１５４ａ及び汽水分離器１５７ａのみを備えているが、高温水用熱交換器１５５ａと、蒸気用熱交換器１５４ａ及び汽水分離器１５７ａとを備えるようにしてもよい。
また、上記実施形態１〜６では、いずれも１台の燃料電池と１台の自然冷媒ヒートポンプとをハイブリッド化した例を説明したが、本発明では台数は特に限定しておらず、例えば複数台の燃料電池と１台の自然冷媒ヒートポンプとのハイブリッド化等であってもよい。
（補足説明）
本発明の有効性に関し、上記実施形態１を例にとって補足説明する。
本発明の有効性に関し、上記実施形態１を例にとって補足説明する。
図１０に示す電力負荷で燃料電池を設置する場合、一日の電力負荷分布に対して、電力需要の最低負荷以下の燃料電池設備容量Ａを設置して、常時定格負荷で運転するのが最も経済的である。
しかし、多くの家庭や業務用途では、深夜時間帯の最低電力負荷は、設置する燃料電池の最低負荷Ｃ（ここでは５０％と想定した。）よりも低くなり、発電電力が電力需要よりも多くなり余剰電力Ｄが発生する時間帯が生じる。この余剰電力Ｄは、電力系統に逆潮流できないケースが多く、逆潮流しても売電価格はゼロ円に近くなる。このため、燃料電池１で発電したこの余剰電力Ｄを利用して、不足分は安価な深夜電力Ｆを購入して自然冷媒ヒートポンプ２の運転電力Ｅとして使用して熱を製造するのが経済性の面から好ましい。
この場合、一日の最低給湯負荷は図中の矢印Ｂの位置になるために、燃料電池１の最適設備容量はＡからＢと大きくなるとともに、一日を通した燃料電池発電負荷も平準化されるために設備利用率も向上することとなる。このため、深夜時間帯や電力負荷が低い時間帯に自然冷媒ヒートポンプ２の運転を行い、貯湯槽３０１の湯温を高温にしておき、電力負荷が高い時間帯は自然冷媒ヒートポンプ２の運転は行わず、燃料電池１の排温水を直接需要先に供給するような運転制御が好ましい。
自然冷媒ヒートポンプ２のみのシステムであれば、深夜電力を利用するために深夜に一日で使用する全量の温水を製造する必要があり、一般家庭でも３７０〜４５０リットルの大型貯湯槽を必要となり、貯湯槽が空になればしばらく湯が使えなくなる問題がある。
一方、固体高分子形燃料電池では、運転中は常時温水が発生するので貯湯槽３０１の容量は１５０〜２００リットルと小型化するが、この貯湯槽３０１の湯温は６０℃と低く、また、燃料電池１の負荷が低いときは十分な熱が発生しないために、深夜は最低負荷で運転していても湯の製造はできず、早朝に湯が使えない状態が発生する。このため、ガス給湯器との併用となり、不足する熱はガス給湯器を運転することになる。
しかし、燃料電池１と自然冷媒ヒートポンプ２とのハイブリッド化した本システムでは、深夜時間帯と昼間の低負荷時間帯にも自然冷媒ヒートポンプ２の運転を行えるために、午前と午後に熱製造を行え、貯湯槽３０１を小型化することが可能となるのみでなく、貯湯槽３０１の湯切れ時には自然冷媒ヒートポンプ２の運転を行うことにより即座に高温温水を供給可能となる。特に、燃料電池とガス給湯器との併用方式では燃料電池の余剰電力や燃焼排ガスの温度を活用できないが、燃料電池１と自然冷媒ヒートポンプ２とをハイブリッド化した本システムでは双方を有効活用できるためにより省エネルギな設備となる。
１，１ａ 燃料電池
１０８，１５３ 電池スタック
１０９ 低温水用熱交換器
１５４，１５４ａ 蒸気用熱交換器（第４，第６の熱交換器）
１５５，１５５ａ 高温水用熱交換器（第５，第７の熱交換器）
１５６ 低温水用熱交換器（第３の熱交換器）
１５７，１５７ａ 汽水分離器
１６４ 加圧ポンプ（加圧装置）
２，２ａ 自然冷媒ヒートポンプ
２０１ 蒸発器（第１の熱交換器）
２０２ ＣＯ2圧縮機
３０３ 電動機
２０４ 熱交換器（第２の熱交換器）
２０５ 膨張タービン
２０６ 膨張弁
２５１ 熱交換器（第８の熱交換器）
３０１ 貯湯槽
３５１ 冷熱蓄熱槽
Ｖ０ 混合弁
１０８，１５３ 電池スタック
１０９ 低温水用熱交換器
１５４，１５４ａ 蒸気用熱交換器（第４，第６の熱交換器）
１５５，１５５ａ 高温水用熱交換器（第５，第７の熱交換器）
１５６ 低温水用熱交換器（第３の熱交換器）
１５７，１５７ａ 汽水分離器
１６４ 加圧ポンプ（加圧装置）
２，２ａ 自然冷媒ヒートポンプ
２０１ 蒸発器（第１の熱交換器）
２０２ ＣＯ2圧縮機
３０３ 電動機
２０４ 熱交換器（第２の熱交換器）
２０５ 膨張タービン
２０６ 膨張弁
２５１ 熱交換器（第８の熱交換器）
３０１ 貯湯槽
３５１ 冷熱蓄熱槽
Ｖ０ 混合弁
Claims (12)
- 気体の自然冷媒を圧縮機で圧縮して第１の熱交換器に送り、上記第１の熱交換器で温度を下げた自然冷媒を膨張タービンあるいは膨張弁で膨張させて液化し、この液化した自然冷媒を第２の熱交換器で気化して上記圧縮機に送るサイクルを有し、貯湯槽内に供給される水を上記第１の熱交換器で加熱して給湯可能とする自然冷媒ヒートポンプと、発電時に排熱を生じる燃料電池とを備えたハイブリッド給湯システムであって、
上記燃料電池の排熱で、上記貯湯槽内に供給される水を予熱するように構成したことを特徴とするハイブリッド給湯システム。 - 上記燃料電池の燃焼排ガス流路中に上記第２の熱交換器を配置したことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド給湯システム。
- 上記燃料電池の排熱で予熱された水を直接需要先へ給湯し、この予熱された水を上記貯湯槽の給湯戻り配管を経由して貯湯槽ヘ供給するように構成したことを特徴とする請求項１又は２記載のハイブリッド給湯システム。
- 上記燃料電池は低温型燃料電池であり、上記燃料電池の排熱で予熱された水は、この燃料電池の電池冷却水であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド給湯システム。
- 上記燃料電池は高温型燃料電池であり、この燃料電池の燃焼排ガス流路中に配置された第３の熱交換器を備え、上記燃料電池の排熱で予熱された水は、上記第３の熱交換器で加熱された水であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド熱供給システム。
- 上記燃料電池の燃焼排ガス流路における上記第３の熱交換器の上流側に配置され、上記第１の熱交換器で加熱された貯湯槽内の水をさらに加熱して汽水混合体とする第４の熱交換器と、この汽水混合体を汽水分離する汽水分離器とを備えたことを特徴とする請求項５記載のハイブリッド給湯システム。
- 上記燃料電池の燃焼排ガス流路における上記第３の熱交換器の上流側に配置され、上記第３の熱交換器で予熱された水を加熱する第５の熱交換器を備えたことを特徴とする請求項５記載のハイブリッド給湯システム。
- 上記貯湯槽内に供給される水を加圧する加圧装置と、上記燃料電池の燃焼排ガス流路における上記第３の熱交換器の上流側に配置され、上記加圧装置で加圧された状態で上記第１の熱交換器で加熱された貯湯槽内の水をさらに加熱して汽水混合体とする第６の熱交換器と、この汽水混合体を汽水分離する汽水分離器とを備えたことを特徴とする請求項５記載のハイブリッド給湯システム。
- 上記貯湯槽内に供給される水を加圧する加圧装置と、上記燃料電池の燃焼排ガス流路における上記第３の熱交換器の上流側に配置され、上記加圧装置で加圧された状態で上記第１の熱交換器で加熱された貯湯槽内の水をさらに加熱して高温水とする第７の熱交換器とを備えたことを特徴とする請求項５記載のハイブリッド給湯システム。
- 上記自然冷媒の流路中における膨張タービンあるいは膨張弁と第２の熱交換器との間に配置され、中間冷媒を冷却して冷熱とする第８の熱交換器と、この冷熱を蓄熱する冷熱蓄熱槽とを備えたことを特徴とする請求項１項に記載のハイブリッド給湯システム。
- 上記燃料電池の排熱で予熱された水と上記貯湯槽に貯湯された水とを混合して給湯する混合弁を備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のハイブリッド給湯システム。
- 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のハイブリッド給湯システムの運転方法において、
電力負荷が所定値よりも低い時間帯に上記燃料電池で発生させた余剰電力を使用して上記自然冷媒ヒートポンプを運転し、上記貯湯槽内の水を昇温しておき、電力負荷が所定値よりも高い時間帯は上記自然冷媒ヒートポンプを停止させて、上記燃料電池の排熱で昇温させた水を直接需要先に供給することを特徴とするハイブリッド給湯システムの運転方法。
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