JP2006038359A - コージェネレーションシステム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムを用いたコージェネレーションシステムにおいて、発電、給湯に加え空調の機能を追加し、システムの機能性を高め、さらにエネルギー効率を高める。
【解決手段】 燃料電池本体１、２、３の排熱を蓄熱する貯湯タンク５と、室外に配置され冷媒を循環して室内の空調を行う際に室外空気と前記冷媒とで熱交換する空冷熱交換器７と、室外に配置され貯湯タンク５の水と冷媒とで熱交換する排熱利用熱交換器８と、空冷熱交換器７と排熱利用熱交換器８とを冷媒の回路に接続切替え可能とする流路切替手段９ａ、９ｂとを備える。また、空冷熱交換器７若しくは排熱利用熱交換器８を、燃料電池本体１、２、３の近傍、または貯湯タンク５の近傍に設置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空調装置を含むコージェネレーションシステム及びその運転方法に関するものである。

近年のコージェネレーションシステムはガスエンジン方式及び燃料電池方式で家庭住宅用電源システムとして検討が進められ、市場導入が始まっている。ガスエンジンや燃料電池システム全体から出る排熱を主に給湯、風呂、及び床暖房用の温水に利用することにより、コージェネレーションシステムとしての総合効率が約７０〜８０％を達成している。コージェネレーションシステムは個別分散型エネルギー供給システムであり、効率の良いトータルエネルギーシステムとして非常に優れている。特に、水素を燃料とする燃料電池システムは基本的な排出物は水のみであり、非常にクリーンで地球環境保全に適したシステムである。

この電気と熱の両方のエネルギーを有効に活用するコージェネレーションシステムとして、燃料電池システムと給湯タンクを一体化させた構成のシステムがあった（例えば、特許文献１参照）。

また、コージェネレーションシステムに、さらに空調システムも取り入れたシステムとして、燃料電池の排熱利用空調システムがあった（例えば、特許文献２参照）。このシステムは、燃料電池システムから発生する直流電力を供給して空調機を駆動するとともに、前記直流電力の余剰分を蓄電及び系統からの負荷に加えるもののうち、少なくともいずれか一方を行う電力システムと、燃料電池から発生する排熱を利用して貯湯する手段を備える。そして、暖房運転時には室内熱交換器の下流側に位置する排熱利用熱交換器によって、吹出し空気の温度を高めている。また、冷房運転時に室外熱交換器で冷媒が凝縮する際に発生する排熱を室外熱交換器の下流側に位置する排熱利用熱交換器によって空気を介して回収し、温水として貯湯するように構成されている。

また、燃料電池システム、蓄熱槽、蓄冷槽、及びヒートポンプシステムから構成されている燃料電池ヒートポンプシステムがあった（例えば、特許文献３参照）。このシステムは、暖房運転時に蓄熱槽の温水を水蒸発器に導いて冷媒圧力を上昇し、暖房能力を増大させる。一方、特に自動車用空調機で、冷房運転時に放熱器に蓄冷槽の冷却水を導き、放熱器内の冷媒圧力を低下させることにより、ヒートポンプシステムの高効率化を図っている。

また、燃料電池システムで発生する熱エネルギーの一部を空調装置の暖房運転時に蒸発器で用いる構成の熱供給システム（例えば、特許文献４参照）や、燃料電池システムの排熱を給湯用のヒートポンプの蒸発器側で利用する構成のもの（例えば、特許文献５参照）もあった。

特開２００３−２１４７１２号公報 （図１） 特開２００３−１３０４９１号公報 （第４頁〜第７頁、図１、図２） 特開２００２−８１７９２号公報 （第５頁、図１、図２） 平１１−２８１０７２号公報 （第３頁〜第５頁、図１） 特開２００２−１６８５３７号公報 （第４頁、図４）

燃料電池システムと給湯タンクに加えて空調システムを含むもののうち、特許文献２に記載されたシステムは、室内機と室外機のそれぞれに熱交換器と排熱利用側熱交換器とを備え、暖房運転利用時、直接空調システムの室内機に排熱を搬送するシステムとなってはいるが、機器が多く構成が煩雑である。特に、空調機の室内機まで、冷媒配管とは別に排熱利用のための配管が必要となる。さらに、特許文献３に記載された燃料電池ヒートポンプシステムでは、冷房運転時の空調排熱は室外機に設置された空調用凝縮器に隣接するように排熱利用側熱交換器を設置し、送風機を用いて空気を媒体とした熱回収システムである。ここで、室外機に設置された排熱利用熱交換器は空気を媒体としているため、熱回収効率が低く、設置スペースも必要となるなどの課題がある。さらに、特許文献４に記載された熱供給システムでは、燃料電池システムの排熱を利用して暖房性能を向上させるものであるが、冷房運転時などの性能向上には配慮されていない。また、特許文献５では給湯ヒートポンプと燃料電池システムを組み合わせた構成で、燃料電池の排熱をヒートポンプの蒸発器で利用しているのであるが、空調を対象にされていない。
このように、従来技術では、発電、給湯、及び空調を行うコージェネレーションシステム全体として、まだ充分にシステムを活用しておらず、効率をよくできる部分があった。また、小型化に対する配慮もされていなかった。

本発明は上記のような従来のコージェネレーションシステムの課題を解決するためになされたもので、貯湯タンク内の水をエネルギーのバッファとして有効に活用することにより、効率的で快適な空調装置を含み、エネルギー効率を高めることができるコージェネレーションシステム及びその運転方法を得ることを目的とする。

本発明に係るコージェネレーションシステムは、燃料電池本体の排熱を蓄熱する貯湯タンクと、室外に配置され冷媒を循環して室内の空調を行う際に室外空気と前記冷媒とで熱交換する空冷熱交換器と、室外に配置され前記貯湯タンクの水と前記冷媒とで熱交換する排熱利用熱交換器と、前記空冷熱交換器と前記排熱利用熱交換器とを前記冷媒の回路に接続切替え可能とする流路切替手段と、を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明に係るコージェネレーションシステムの運転方法は、燃料電池システムの排熱を貯湯タンクの水に蓄熱する温水蓄熱ステップと、前記貯湯タンクの水の温度を検知する水温検知ステップと、空調システムの冷房運転で前記貯湯タンクの水の温度が外気温度よりも低いときは凝縮熱を前記貯湯タンクに蓄熱する冷房蓄熱ステップと、前記空調システムの暖房運転で前記貯湯タンクの水の温度が外気温度よりも高いときは蒸発熱を前記貯湯タンクから取り出す暖房排熱利用ステップと、を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明に係るコージェネレーションシステムの運転方法は、利用場所における給湯負荷、電力負荷、暖房負荷、及び冷房負荷を演算する演算ステップと、これらの演算結果に応じて、燃料電池システムを最大出力で運転制御する最大出力運転と、前記燃料電池システムでの排熱及び空調システムの冷房負荷での排熱による貯湯量を１日の給湯負荷及び暖房負荷に合うように前記燃料電池システムを運転制御する給湯負荷対応運転と、前記燃料電池システムの発電量を１日の電力負荷に合うように運転制御する電力負荷対応運転と、のいずれかの運転を行う運転ステップと、備えたことを特徴とするものである。

本発明に係るコージェネレーションシステムでは、燃料電池システムの各部分を構成する機器からの排熱及び空調システムからの排熱を貯湯タンクに蓄熱し、必要に応じて貯湯タンクに蓄熱されているエネルギーを給湯や空調に使うように構成したので、１つのシステムで発電、給湯、及び空調を実現でき、機能性が高く、効率よく給湯及び空調を行って、年間の消費エネルギーを低減することができる。

また、本発明に係るコージェネレーションシステムの運転方法では、燃料電池システムの各部分を構成する機器からの排熱及び空調システムからの排熱を貯湯タンクに蓄熱し、必要に応じて貯湯タンクに蓄熱されているエネルギーを給湯や空調に使うように運転するので、１つのシステムで発電、給湯、及び空調を実現でき、機能性が高く、効率よく給湯及び空調を行って、年間の消費エネルギーを低減することができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るコージェネレーションシステムを示す概略構成図である。また、図２及び図３は本実施の形態に係り、空調システム部分を示す冷媒回路図である。ここで用いる燃料電池は例えば固体高分子タイプのものとする。

図１、図２、図３において、燃料電池システムの基本構成である燃料電池本体は、主に脱硫器や改質器などから構成されている燃料処理部１、発電部である燃料電池スタック２、燃料電池スタック２で発生した熱エネルギーを回収する例えば積層型の熱交換器３である。燃料電池スタック２の１つのセルは、中央部にイオン交換膜、このイオン交換膜を挟んで水素極と酸素極である電極、両電極の外側にセパレータが配置されている。このセルを複数積層して互いに固定して燃料電池スタック２を構成する。燃料処理部１で脱硫、改質された水素が燃料電池スタック２の各セルのイオン交換膜の一方側にある水素極に供給され、ここで白金などの触媒に触れると、水素から電子（ｅ- ）が飛び出て陽子（Ｈ+ ）が残る。この電子は外部回路へと流れ、負荷に電力として仕事をする。陽子はイオン交換膜を通って酸素極へと移動し、酸素極で酸素と陽子が結合し、さらに外部回路から戻ってきた電子と結合して水ができる。この反応は固体高分子型燃料電池の場合には動作温度が８０℃程度であり、出てくる水の温度も８０℃〜１００℃程度である。ポンプ４ａによって貯湯タンク５内の水を積層型熱交換器３内に循環させ、燃料電池スタック２から排出される８０℃程度の水と貯湯タンク５内の水とを積層型熱交換器３で熱交換することで、燃料電池本体からの排熱が貯湯タンク５に温水として蓄熱される。これと共に電子の移動によって電力が発生する。１つのセルの厚さは２〜４ｍｍで、０．５〜０．８ボルト程度の電圧を発生する。燃料電池本体で発生した排熱にはを化学反応での反応熱も含まれており、水と共に排出されて積層型熱交換器３を介して貯湯タンク５に蓄熱される。貯湯タンク５内の水としては、例えば水道水が用いられ、給水手段（図示せず）によって貯湯タンク５に常に規定量だけ貯留するように供給される。

さらに空調システムを構成する機器として、圧縮機６、冷媒回路を循環する冷媒と室外空気との間で熱交換を行う空冷熱交換器７、ポンプ４ｂによって貯湯タンク５内の水を熱交換器内に循環させ、冷媒回路を循環する冷媒と貯湯タンク５内の水との間で熱交換を行う排熱利用熱交換器８、冷媒回路への空冷熱交換器７と排熱利用熱交換器８の接続を切替え可能とする流路切替手段である流路切替弁９ａ、９ｂ、例えば電子式膨張弁やキャピラリーチューブである絞り装置１０、四方弁１１、室外送風機１２、冷媒回路を循環する冷媒と室内空気との間で熱交換を行う空調用の室内機１３、さらに例えばインバータ、コンバータ、蓄電手段として例えば蓄電池、及びコントローラからなる電力制御部１４を有する。室内機１３は、室内空気と冷媒とを熱交換する熱交換器と、この熱交換器に室内空気を送風する送風機を有する。また、燃料電池本体からの排熱を室外空気に放熱する補助熱交換器１５は発電時の余剰熱を外気に放熱するためのものであり、電力コントローラ１６は、外部からの商用電源と燃料電池システムで発電した電気を調節して、屋内に供給する制御動作を行う。また、貯湯タンク５の下方の水の温度を検知する温度検知手段である水温センサー１７を、例えば貯湯タンク５内の中央より下方に設置する。図１に示す構成では空冷熱交換器７と排熱利用熱交換器８はそれぞれ室外に配置されており、コージェネレーションシステム室外機１８と貯湯タンク容器１９の２つが屋外に配置されることになる。

本実施の形態では、住居内の空調を行う室内に室内機１３を設置し、他の各機器は室外に設置する。ここで、容易に据え付けられるように、大きな容量となる貯湯タンク５とその他の機器とを分けて別に構成する。即ち、燃料処理部１、燃料電池スタック２、積層型熱交換器３、ポンプ４ａ、４ｂ、圧縮機６、空冷熱交換器７、排熱利用熱交換器８、流路切替弁９ａ、９ｂ、絞り装置１０、四方弁１１、室外送風機１２、電力制御部１４、熱交換器１５、電力コントローラ１６を、コージェネレーションシステム室外機１８とし、貯湯タンク容器１９とは別に１つの容器に格納する。このように配置したことで、燃料電池本体と空調システムの大部分とを格納した容器と、貯湯タンク５との間には、図１に示すように、積層型熱交換器３との間及び排熱利用熱交換器８との間にそれぞれ水を循環する配管が接続されている。さらにコージェネレーションシステム室外機１８と室内機１３との間には、空調システムの冷媒回路の配管が接続されている。このように本実施の形態では、空冷熱交換器７及び排熱利用熱交換器８を燃料電池本体の近傍に設置することで、従来の空調システムの室外機と燃料電池本体とを互いに近傍に配置し、コージェネレーションシステム室外機１８として１つの箱体に格納している。

本実施の形態における燃料電池システムは、燃料として、プロパンガス、都市ガス、及び灯油などを用いることができる。さらに、改質を行わないで水素そのもの用いることもできる。その場合は、燃料処理部１をシステムに組み込む必要はない。ここでは燃料としてメタンＣＨ₄を主成分とする都市ガスを用いる。

空調システムの冷凍サイクルには、循環冷媒として例えば二酸化炭素を用いる。この二酸化炭素を冷媒として用いると、冷房運転で凝縮する際の冷媒温度は約９０℃程度になる。

本実施の形態に係る冷媒回路に設けられた流路切替弁９ａ、９ｂは、１方向の流路から２方向の流路に切替えることができる弁である。さらに、流出側の２流路のうち、一方を閉止し他方を開とすることができる。当然流出側の２流路とも開とでき、さらに２流路とも閉止させることもできる。

以下、燃料電池システムの動作について説明する。燃料処理部１に引き込まれた都市ガスは、燃料処理部１の脱硫器により、硫黄成分を取り除かれ、改質器に導かれる。改質器では内部で都市ガスの一部を燃焼させ高温状態になっている。触媒が設置された空間に、脱硫された都市ガスと水を一緒に流入させると両者が反応して、水素と二酸化炭素または一酸化炭素に変化する。さらに、発生した一酸化炭素と水とを反応させ、二酸化炭素と水素として取り出し、発電に必要でない二酸化炭素は排出する。
燃料処理部１で生成された水素を発電部２に引き込むと、燃料電池スタック２内では前述したようにセルごとに外気からの酸素と引き込まれた水素が固体高分子膜を介して結合反応が起こり、起電及び反応に伴う熱と水を生成する。

発生した直流電気は電力制御部１４のインバータで交流に変換されて、例えば家庭などの消費部分に供給される。また、一部はコンバータを介して電子制御部１４に設けた蓄電池（図示せず）に蓄電されたり、空調用の圧縮機６や送風機を駆動させるために利用される。
一方、燃料処理部１及び燃料電池スタック２で発生した熱エネルギーは、積層型熱交換器３で回収され、ポンプ４ａで貯湯タンク５内の水を循環駆動することで、温水として貯湯タンク５に蓄熱される。

次に、コージェネレーションシステムに組み込まれた空調システムの冷房運転を行うときの動作の一例について、図２、図３及び表１に基づいて説明する。また、空調システムの冷房運転の動作を示すフローチャートを図４に示し、動作説明図を図５に示す。なお、図２、図３において、矢印は冷媒の流れ方向を示している。また、図示してはいないが、室外に設置したコージェネレーションシステム室外機１８または貯湯タンク容器１９に、外気の温度を検知する外気温度センサーを備えている。
ここでは、空調システムの冷房運転で発生する排熱、例えば冷媒の凝縮熱を貯湯タンク５に蓄熱して給湯などに利用し、エネルギーの有効利用を図っている。

例えば屋内に設置されたリモートコントローラーにて冷房運転の指令が出されると、図４に示すフローチャートのＳＴ１で貯湯タンク５内の下部の水温度を温度センサー１７で検知し（水温検知ステップ）、ＳＴ２で外気温度を検知する。この検知した温度をＳＴ３で比較し、貯湯タンク５の水温度が外気温度より低い場合には（表１のＮＯ．１、２の状態）、冷媒回路を図２のように接続する。即ち、流路切替弁９ａを貯湯タンク５の水と熱交換を行う排熱利用熱交換器８から流入するように接続し、流路切替弁９ｂも排熱利用熱交換器８へ流路を接続する。この冷媒回路の構成では、冷凍サイクルでの凝縮熱を貯湯タンク５に蓄熱する運転が行われ、これを排熱利用運転と称する（ＳＴ４）。

ＳＴ３の判断で貯湯タンク５の水温度が外気温度以上の場合には（表１のＮＯ．３、４の状態）、冷媒回路を図３のように接続する。即ち、流路切替弁９ａを室外空気と熱交換を行う空冷熱交換器７から流入するように接続し、流路切替弁９ｂも空冷熱交換器７へ流路を接続する。この冷媒回路の構成では、従来の空調システムと同様、冷凍サイクルでの凝縮熱を室外空気に放熱する運転が行われ、これを通常運転と称する（ＳＴ５）。

次に、圧縮機６を燃料電池で発電された直流電気で駆動し、室内機１３の送風機（図示せず）を駆動し、送風機で室内空気を熱交換器に送風して冷房運転を開始する。

このときの冷媒の動作について説明する。まず、図２に示したように貯湯タンク５の水温度の方が外気温度より低い場合の排熱利用運転では、圧縮機６で圧縮され高圧高温になった蒸気冷媒は、排熱利用熱交換器８で貯湯タンク５の水に放熱し、凝縮液化する。そして、絞り装置１０で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となって、接続配管を介して室内機１３の熱交換器に流れ込む。室内機１３で冷媒は室内空気から熱を奪って蒸発気化し、接続配管、四方弁１１を介して、圧縮機６に吸入され再び圧縮される。

図３に示すように、貯湯タンク５の水温度の方が外気温度以上の場合の通常運転では、圧縮機６で圧縮され高圧高温になった蒸気冷媒は、空冷熱交換器７で室外空気に放熱し、凝縮液化する。そして、絞り装置１０で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となって、接続配管を介して室内機１３の熱交換器に流れ込む。室内機１３では室内空気から熱を奪って蒸発気化し、接続配管、四方弁１１を介して、圧縮機６に吸入され再び圧縮される。

図５は表１の運転モードをグラフに表したものであり、各運転モード（ＮＯ．１〜４）での外気温度、タンク水温度、燃料電池システムの運転状態、空調機の運転状態を示している。

このように、燃料電池システムの排熱を貯湯タンク５の水に蓄熱する（温水蓄熱ステップ）と共に、冷房運転時は外気温度と貯湯タンク５の水温度とを比較し、貯湯タンク５の温度が外気温度よりも低い場合に、空調システムの冷房運転で発生する排熱、例えば冷媒の凝縮熱を貯湯タンク５に蓄熱する（冷房蓄熱ステップ）。そして、貯湯タンク５の蓄熱を給湯などに利用し、エネルギーの有効利用を図っているので、空調システムからの排熱も利用でき、非常にエネルギー効率の良い運転が可能となる。これに加えて燃料電池システムで発電した電気により圧縮機６や送風機を駆動し、室内の熱を給湯に利用することによりシステムのエネルギー効率を大幅に改善することができる。さらに、貯湯タンク５の水温度が外気温度以上の場合は、流路切替弁９ａ、９ｂで空調システムの冷媒回路に空冷熱交換器７を接続するように運転制御されている。このように制御することにより、外気に放熱するため、空調システムにおける冷房運転時のエネルギーを不必要に増大するのを防止できる。

図４に示した排熱利用運転と通常運転との判断は、冷房運転の要求があったときのみではなく、冷房運転の継続中に、例えば１時間程度おきに定期的に行ってもよい。定期的に行うことで、冷房運転中でも外気温度や貯湯タンク５の水温度の変化に追随して、空調システムを最適に運転することができる。

また、燃料電池システムの運転／停止を考慮に入れて空調システムの運転を判断してもよい。例えば、貯湯タンク５の水温度が外気温度よりも低い場合でも、燃料電池システムが運転状態の場合には、燃料電池システムの排熱によってタンク水温度はすぐに上昇すると考えられる。このため、貯湯タンク５の温度が外気温度よりも低い場合に、必ず空調システムでは排熱利用運転を行うようにすると、運転開始後すぐに通常運転に切替えることが必要になり、動作が煩雑となる。そこで、貯湯タンク５の温度が外気温度よりも低い場合でも、燃料電池システムが運転しているときには、凝縮熱を空冷熱交換器７で室外空気に放熱する通常運転を行う（外気放熱ステップ）。このように制御すると、運転切替えを少なくでき、無駄な運転を防止して、スムーズな運転制御ができるので好ましい。

また、表１及び図４に示したフローチャートでは、貯湯タンク５の水温度と外気温度とを比較して、その比較結果によって排熱利用運転をするか通常運転をするかを判断したが、これに限るものではない。例えば、予め設置する場所や地域での外気温度の変化を把握しておき、空冷熱交換器７と排熱利用熱交換器８とを切替えるときの貯湯タンク５の水温度として固定の設定温度を用いてもよい。固定値として例えば３０℃を記憶しておき、貯湯タンク５の水温度が固定値以上の場合には空冷熱交換器７で凝縮熱を室外空気に放出する通常運転を行い、貯湯タンク５の水温度が固定値よりも低い場合には排熱利用熱交換器８を介して貯湯タンク５に蓄熱する排熱利用運転を行うように運転制御してもよい。固定の設定値を用いることで、外気温度センサーが必要なくなり、コストの低減を図ることができる。

なお、図２、図３のそれぞれにおいて、熱交換器７、８を冷媒の回路に接続切替え可能とする流路切替弁９ａ、９ｂのうちで、冷媒の凝縮を行う排熱利用熱交換器８または空冷熱交換器７の上流側にある流路切替弁９ｂは、排熱利用熱交換器８または空冷熱交換器７のどちらか一方と接続するように回路を構成して、熱交換器７、８のうちの使用しない熱交換器には冷媒が流入しないようにしたが、これに限るものではない。排熱利用熱交換器８または空冷熱交換器７の下流側にある流路切替弁９ａを、必ず使用する側の熱交換器に接続するように構成すれば、上流側にある流路切替弁９ｂは空冷熱交換器７と排熱利用熱交換器８との両方に連通された状態でも良い。冷媒は温度の低い方に流れようとするので、使用しない熱交換器側に流れ込む冷媒は少量になる。たとえ冷凍サイクルを循環する冷媒の一部分が使用しない熱交換器側に入り込んでも、それほど問題はない。

次に、コージェネレーションシステムに組み込まれた空調システムの暖房運転を行うときの動作の一例について、図６、図７及び表２に基づいて説明する。また、空調システムの暖房運転の動作を示すフローチャートを図８に示し、動作説明図を図９に示す。なお、図６、図７において、矢印は冷媒の流れ方向を示している。
ここでは、空調システムの暖房運転で必要な熱エネルギー、即ち冷媒の蒸発熱に貯湯タンク５に蓄熱されている温熱を利用して、エネルギーの有効利用及び暖房運転の能力向上を図っている。ここで利用される熱エネルギーを暖房アシストと称している。

例えば屋内に設置されたリモートコントローラーにて暖房運転の指令が出されると、図８に示すフローチャートのＳＴ１１で貯湯タンク５内の下部の水温度を温度センサー１７で検知し（水温検知ステップ）、ＳＴ１２で外気温度を検知する。この検知した温度をＳＴ１３で比較し、貯湯タンク５の水温度が外気温度より高い場合には（表２のＮＯ．１、２の状態）、冷媒回路を図６のように接続する。即ち、流路切替弁９ｂを貯湯タンク５の水と熱交換を行う排熱利用熱交換器８から流入するように接続し、流路切替弁９ａも排熱利用熱交換器８へ流路を接続する。この冷媒回路の構成では、冷凍サイクルでの蒸発熱に貯湯タンク５に蓄熱した熱エネルギーを利用する運転が行われ、これを排熱利用運転と称する（ＳＴ１４）。コージェネレーションシステム全体から見た場合には、暖房アシストとして機能している。

ＳＴ１３の判断で貯湯タンク５の水温度が外気温度以下の場合には（表２のＮＯ．３、４の状態）、冷媒回路を図７のように接続する。即ち、流路切替弁９ｂを室外空気と熱交換を行う空冷熱交換器７から流入するように接続し、流路切替弁９ａも空冷熱交換器７へ流路を接続する。この冷媒回路の構成では、従来の空調システムと同様、冷凍サイクルでの蒸発熱を室外空気から吸熱する運転が行われ、これを通常運転と称する（ＳＴ１５）。

次に、圧縮機６を燃料電池で発電された直流電気で駆動し、室内機１３の送風機（図示せず）を駆動し、室内空気を室内機１３の熱交換器に送風して暖房運転を開始する。

このときの冷媒の動作について説明する。まず、図６に示したように貯湯タンク５の水温度が外気温度よりも高い場合の排熱利用運転（暖房アシスト）では、圧縮機６で圧縮され高圧高温になった蒸気冷媒は、接続配管を介して室内機１３の熱交換器に流れ込む。そして暖房要求のあった室内空気に放熱して凝縮液化する。その後、接続配管を介して室外に設置された絞り装置１０で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となって、排熱利用熱交換器８に流れ込む。排熱利用熱交換器８で冷媒は貯湯タンク５の水から熱を奪って蒸発気化し、四方弁１１を介して、圧縮機６に吸入され再び圧縮される。

図７に示すように、貯湯タンク５の水温度の方が外気温度以下の場合の通常運転では、圧縮機６で圧縮され高圧高温になった蒸気冷媒は、四方弁１１、接続配管を介して室内機１３の熱交換器に流れ込み、室内空気に放熱して凝縮液化する。次に接続配管を介して、室外に設置された絞り装置１０で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となって、空冷熱交換器７に流れ込む。空冷熱交換器７で冷媒は外気と熱交換することによって、蒸発気化し、圧縮機６に吸入され再び圧縮される。

図９は表２の運転モードをグラフに表したものであり、各運転モード（ＮＯ．１〜４）での外気温度、タンク水温度、燃料電池システムの運転状態、空調機の運転状態を示している。

このように、燃料電池システムの排熱を貯湯タンク５の水に蓄熱する（温水蓄熱ステップ）と共に、暖房運転時は外気温度と貯湯タンク５の水温度とを比較し、貯湯タンク５の水温度が外気温度以上の場合に、貯湯タンク５の熱を吸熱して室内を暖房する（暖房排熱利用ステップ）。これにより、冷媒の蒸発圧力を高くすることができるために、暖房の能力を増大させることができ、空調システムとして非常に効率の良い運転が可能となる。これに加えて燃料電池システムで発電した電気により圧縮機６や送風機を駆動することによりシステムのエネルギー効率を大幅に改善することできる。さらに、貯湯タンク５の水温度が下がってきて外気温度よりも低くなると、流路切替弁９ａ、９ｂで空冷熱交換器７に接続するように運転制御する。このため、必要以上に貯湯タンク５の水温度が低下するのを防止できる。貯湯タンク５内の水温度と外気温度が同じ時には空調システムの暖房能力の点からは通常運転でも排熱利用運転でもどちらの運転でもよいが、通常運転で外部空気と熱交換すれば、貯湯タンク５の水温度が低下するのを防止できるという効果がある。

なお、給湯負荷が大きく貯湯タンク５の水をできるだけ節約して利用する必要がある場合には、暖房運転起動時などの暖房負荷が大きい場合に限って貯湯タンク５の温水を利用して冷媒を蒸発気化するように制御してもよい。暖房負荷が大きい場合に暖房アシストを行うことで、暖房運転中でも冷媒の蒸発圧力を高くすることができるために、暖房の能力を増大させることができる。また、排熱利用運転中に、室内温度が暖房の目標温度に近づいたら、流路切替弁９ａ、９ｂを切替えて、空冷熱交換器７に接続するように制御してもよい。ほぼ運転目標に達した場合には通常運転に戻すことで、必要以上に貯湯タンク５内の水温度が低下するのを防止できる。

図８に示した排熱利用運転と通常運転との判断は、暖房運転の要求があったときのみではなく、暖房運転の継続中に、例えば１時間程度おきに定期的に行ってもよい。定期的に行うことで、暖房運転中でも外気温度や貯湯タンク５の水温度の変化に追随して、空調システムを最適に運転することができる。

また、表２及び図８に示したフローチャートでは、貯湯タンク５の水温度と外気温度とを比較して、その比較結果によって排熱利用運転をするか通常運転をするかを判断したが、これに限るものではない。例えば、予め設置する場所や地域での外気温度の変化を把握しておき、空冷熱交換器７と排熱利用熱交換器８とを切替えるときの貯湯タンク５の水温度として固定の設定温度を用いてもよい。固定値として例えば１０℃を記憶しておき、貯湯タンク５の水温度が固定値以下の場合には空冷熱交換器７で蒸発熱を室外空気から吸熱する通常運転を行い、貯湯タンク５の水温度が固定値よりも高い場合には排熱利用熱交換器８を介して貯湯タンク５の蓄熱から吸熱する排熱利用運転を行うように運転制御してもよい。固定の設定値を用いることで、外気温度センサーが必要なくなり、コストの低減を図ることができる。

また、貯湯タンク５の下方の水の温度を定期的に検出して、温水の温度が予め設定された温度以下の場合には、強制的に空冷熱交換器７に流路を切り替えるようにしてもよい。即ち温水の温度がある程度低下した時点で、空調システムの暖房運転を室外空気で冷媒を蒸発させるように、通常運転に制御する。このように制御することにより、必要以上に貯湯タンク５内の温水の温度を低下させるのを防止でき、給湯負荷や床暖房負荷などへの影響を防止できる。例えば、図８の処理工程で、タンク水温度を検知（ＳＴ１１）後、このタンク水温度が予め設定した最低温度、例えば５℃程度よりも低い時には、空冷熱交換器７を冷媒回路に接続して室外空気で冷媒を蒸発させる通常運転を行うようにしてもよい。これは、タンク水温度が５℃以下にならないように運転するためであり、タンク水の凍結防止につながる。

以上のように、燃料電池本体１、２、３の排熱を蓄熱する貯湯タンク５と、室外に配置され冷媒を循環して室内の空調を行う際に室外空気と冷媒とで熱交換する空冷熱交換器７と、室外に配置され貯湯タンク５の水と冷媒とで熱交換する排熱利用熱交換器８と、空冷熱交換器７と排熱利用熱交換器８とを冷媒の回路に接続切替え可能とする流路切替弁９ａ、９ｂと、を備えることで、燃料電池システムからの排熱及び空調システムの冷房負荷からの排熱を無駄にすることなく、室内の暖房や給湯に利用することにより、発電、給湯に加えて空調を含む効率のよいコージネレーションシステムが得られ、システム全体としてのエネルギー効率を大幅に改善できる。特に空調システムの室内機１３の構成を変更する必要もない。また、燃料電池システムの排熱を貯湯タンク５の水に蓄熱する温水蓄熱ステップと、貯湯タンク５の水の温度を検知する水温検知ステップと、空調システムの冷房運転で貯湯タンク５の水の温度が外気温度よりも低いときは凝縮熱を貯湯タンク５に蓄熱する冷房蓄熱ステップと、空調システムの暖房運転で貯湯タンク５の水の温度が外気温度よりも高いときは蒸発熱を貯湯タンク５から取り出す暖房排熱利用ステップと、を備えて運転することで、発電、給湯に加えて空調を含む効率のよいコージネレーションシステムの運転方法が得られ、システム全体としてのエネルギー効率を大幅に改善することができる。また、燃料電池システムで発電した電気により、空調システムでの圧縮機６や送風機を駆動するので、発電、給湯に加えて空調を含む効率のよいコージネレーションシステムが得られる。

次に、貯湯タンク５に接続される配管の上下方向の位置を図１０に示す。貯湯タンク５を蓄熱のバッファとして使用しているので、給湯に使用する配管や床暖房に使用する配管など、利用者の要求に応じて温水を取り出す配管が接続される。また、蓄熱を行うための貯湯タンク５内の水を循環させる配管として、空調システムの排熱利用熱交換器８と接続する空調側配管Ｓ１、Ｓ２と、燃料電池システムの積層型熱交換器３と接続する燃料電池側配管Ｓ３、Ｓ４が接続される。
貯湯タンク５の下部から接続された配管Ｓ３は、ポンプ４ａを介して、燃料電池スタック２で発生した熱エネルギーを回収する積層型熱交換器３に接続され、貯湯タンク５へ戻る接続配管Ｓ４は、貯湯タンク５の高さ方向の中央辺りに接続されている。また、排熱利用熱交換器８との間を接続する配管は、一方の配管Ｓ２を貯湯タンク５の中央部分に接続し、他方の配管Ｓ１を貯湯タンク５の下部に接続する。図１０に示した矢印は、タンク水の流れ方向を示しているが、空調システムの排熱利用熱交換器８への流れ方向の実線矢印は空調システムが冷房運転を行っている場合であり、暖房運転の場合には逆に点線矢印方向に循環させる。

ここで、燃料電池スタック２で発生した熱エネルギーを回収する積層型熱交換器３からの温水は、例えば６０℃〜９０℃程度であり、空調システムの冷房運転での排熱利用熱交換器８からの温水は、冷媒としてＣＯ₂を用いた場合には４０℃〜８０℃程度というように、積層型熱交換器３での熱エネルギーの回収のほうが高温になることが予想されるので、積層型熱交換器３から貯湯タンク５へ戻る接続配管Ｓ４の方が排熱利用熱交換器８から貯湯タンク５へ戻る接続配管Ｓ２よりも高い位置に設けている。さらに、貯湯タンク５内からの給湯用の取水管は貯湯タンク５の上部に設置して、高温の温水を給湯するように構成する。

このように燃料電池本体の排熱を回収した積層型熱交換器３から貯湯タンク５に流入する配管の接続位置Ｓ４を、冷房運転における排熱利用熱交換器８から貯湯タンク５に流入する配管の接続位置Ｓ２よりも上方に設けることで、貯湯タンク５内の上方で高温、下方で低温という貯湯タンク５内の温度分布が保持されることになる。貯湯タンク５内の温度を一様にしてしまうと、高温を得るのに大きなエネルギーが必要となるが、温度分布をつけておくことで、高温を得る時に必要なエネルギーを低減できる。
もちろん、空調システムで使用する冷媒によって凝縮温度が違い、また燃料電池の種類によって動作温度が違うので、燃料電池本体１、２、３から貯湯タンク５に流入する燃料電池側配管の接続位置Ｓ４と、冷房運転における排熱利用熱交換器８から貯湯タンク５に流入する空調側配管の接続位置Ｓ２とで、貯湯タンク５に流入する水の温度が高い方を上方に設ければよい。

また、貯湯タンク５と排熱利用熱交換器８との間の接続配管において、暖房運転では貯湯タンク５から排熱利用熱交換器８へ水を流出する配管の接続位置Ｓ２を排熱利用熱交換器８から戻る水を流入する配管の接続位置Ｓ１よりも上方に接続すると、貯湯タンク５の中温水が排熱利用熱交換器８で暖房運転による蒸発熱として利用されて温度が下降して低温となり、貯湯タンク５の下方に戻される。一方、冷房運転では逆に貯湯タンク５から排熱利用熱交換器８へ水を流出する配管の接続位置Ｓ１を排熱利用熱交換器８から戻る水を流入する配管の接続位置Ｓ２よりも下方に接続すると、貯湯タンク５の低温水が排熱利用熱交換器８で冷房運転による凝縮熱によって温度が上昇して中温となり、貯湯タンク５の中温部に戻される。このため、貯湯タンク５内の温度分布が保持されることになる。

このように、貯湯タンク５の水の流出口と流入口を同一の高さに設けるのではなく、接続配管の接続位置を、貯湯タンク５に流入または流出する温度に応じて上下方向に高低差をつけることによって、積極的に貯湯タンク５内の温水に温度分布をつけると、貯湯タンク５の上方では、少ないエネルギーで高温の温水が得られる。
また、利用目的に応じた温度の温水を取り出して使用すれば、全体の給湯システムがよりスムーズに効率よく運転できる。例えば、床暖房に利用する時には５０℃程度、空調の暖房には２０℃程度、入浴時の給湯には４０℃程度という場合、温水を取り出す部分を上下方向に変化させることにより、無駄なエネルギーを損失することのないシステムが得られる。

なお、例えばポンプ４ｂが双方向に循環させることができるものであれば、空調システムが暖房運転を行う場合と冷房運転を行う場合とで、ポンプ４ａの逆回転などにより流出口と流入口とを逆にして水の循環流路を逆転できる。
また、ポンプ４ｂが一方向のみ循環駆動できるものの場合には、図１１に示すようにポンプ４ｂの周囲に４つの開閉弁（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を設けて循環を逆にできる。冷房運転では、貯湯タンク５の排熱利用熱交換器８との配管接続口Ｓ１、Ｓ２としたとき、ポンプ４ｂは円内の矢印方向に循環駆動するものとする。
冷房運転では開閉弁ａ、ｄを閉、開閉弁ｂ、ｃを開とする。この状態でポンプ４ｂを動かすと、Ｓ１−＞ｂ−＞４ｂ―＞ｃ−＞Ｓ２と実線矢印のように流れる。また、暖房運転では、開閉弁ｂ、ｃを閉、開閉弁ａ、ｄを開とする。この状態でポンプ４ｂを動かすと、Ｓ２−＞ｄ−＞４ｂ―＞ａ−＞Ｓ１と点線矢印のように流れる。

このように構成することで、貯湯タンク５の温度分布を損なうことなく、コージネレーションシステムとしての効率を高くでき、給湯と空調やさらに床暖房など、コージェネレーションシステム全体の観点から、効率のよい、また、使い勝手のよいシステムを構築できる。
また、このコージェネレーションシステムを運転制御する際、貯湯タンク５内の水の温度を検知することは大きな要素である。ここでは、貯湯タンク５内に温度分布が生じるため、貯湯タンク５内の水の温度を検知する温度センサー１７を下方に設けて、貯湯タンク５の下方の水の温度を検知するように構成する。これにより、貯湯タンク５内の水の温度をほぼ正確に検知できる。この検知温度をコージェネレーションシステムの運転制御に用いれば、より正確な運転制御を行うことができる。

図１において、従来空調システムの室外機を構成している機器、例えば圧縮機６、減圧装置１０、空冷熱交換器７、四方弁１１、及びこれらを接続する配管を燃料電池システムのなかに組み込んで設置している。特に空調システムで比較的設置スペースが必要な圧縮機６、空冷熱交換器７、及び前記排熱利用熱交換器８を、燃料電池本体の近傍に配置してコージェネレーションシステム室外機１８を構成している。このため、室外に必要な設置スペースは、燃料電池本体と空調システムの室外機を一体にしたコージェネレーションシステム室外機１８と、貯湯タンク容器１９のスペースであり、従来必要であった空調システムの室外機の設置スペースは必要なくなる。このため、空調システムを組み込んだコージェネレーションシステムにおいても、設置スペースをそれほど大きく取ることなく、小型化を図ることができる。これに加えて、空調システムの室内機１３とコージェネレーションシステム室外機１８との配管は２本の冷媒配管であり、従来の装置構成を複雑にすることなく、また室内機１３を大きくすることのないコージェネレーションシステムが得られる。さらに、据え付け作業が複雑になるのを防止できる。

また、図１に示した構成では、燃料電池本体からの排熱を室外空気に放熱する補助熱交換器１５と空冷熱交換器７を近傍に配置し、１つの送風機１２で室外空気を補助熱交換器１５及び空冷熱交換器７に送風する構成としている。即ち、補助用熱交換器１５と空冷熱交換器７の送風機を１つで兼ね備えることができ、スペースの有効利用及びコストダウンを図ることができる。

また、従来空調システムの室外機を構成している機器、例えば圧縮機６、減圧装置１０、空冷熱交換器７、排熱利用熱交換器８、四方弁１１、及びこれらを接続する配管を貯湯タンク５の近傍に配置してもよい。この場合の配置の概略を図１０の構成例に示す。燃料電池スタック２、熱交換器３、補助熱交換器１５、及び燃料電池システムを構成する主な機器は燃料電池システム用の筐体に格納してコージェネレーションシステム室外機２０とし、圧縮機６、空冷熱交換器７、排熱利用熱交換器８などの空調システムを構成する部分を貯湯タンク５の近傍、即ち同様の筐体に格納して貯湯タンク容器２１とする。このように配置すると、貯湯タンク容器２１と空調システムの室内機１３との間に冷媒配管が必要となるが、室内機１３とコージェネレーションシステム室外機２０の間、及びコージェネレーションシステム室外機２０と貯湯タンク容器２１との間の冷媒配管は必要なくなる。このため、配管が簡素化され、従来の装置構成を複雑にすることなく、また室内機１３を大きくすることのないコージェネレーションシステムが得られる。さらに、設置作業が複雑になるのを防止できる。ただし、この場合には補助熱交換器１５と空冷熱交換器７を近傍に配置することができないので、空冷熱交換器７用の送風機が貯湯タンク容器２１に必要となる。
また、空調システムを構成する室外機器のうちで排熱利用熱交換器８のみを貯湯タンク５の近傍において貯湯タンク容器に格納してもよい。この場合、空冷熱交換器７を燃料電池本体の近傍に配置すると、前述のように空冷熱交換器７と補助用熱交換器１５とで送風機を兼ね備えることができる。

空調システムは冷媒配管で接続され、貯湯タンク５周辺は水配管が接続されるので、冷媒と水を熱交換する排熱利用熱交換器８は貯湯タンク５と空調システムを構成する機器のどちらにも近いほうが好ましい。そこで、燃料電池本体と貯湯タンクを一体に構成すると、室外に１つの機器を設置すればよいことになる。全ての機器を互いに近傍に配置することで、冷媒配管及び水配管のどちらの配管も距離を短くして損失を低減でき、エネルギー効率の高いコージェネレーションシステムが得られる。
ただし、燃料電池本体と貯湯タンク５とを一つの容器の格納することで、その大きさが大きくなり、既に建っている家屋に設置する場合でも、比較的大きな設置場所が必要になる。

本実施の形態で説明した排熱利用熱交換器８は、例えばプレートを重ねた積層型熱交換器を用いることができる。この積層型熱交換器は小型で熱交換効率が高いので、システム全体をコンパクトに構成することが可能となる。また、排熱利用熱交換器８として、配管を２重にして構成される２重管式熱交換器を用いると、コストを抑えることが可能となる。さらにシェルアンドチューブタイプの熱交換器でも良い。水と冷媒の熱交換を行える形態のものであれば、どのような形状でも良い。
また、燃料電池システム本体からの排熱として、酸素極で生成されて排出される８０℃〜１００℃の温水として説明したが、さらに燃料の改質部分からの排熱がある場合には、この排熱も貯湯タンク５に蓄熱するように構成すれば、更にエネルギーを有効に利用することができる。

本実施の形態では、冷媒に二酸化炭素を用いて説明したが、これに限ることはない。例えばフロン系冷媒であるＨＦＣ４１０Ａ、ＨＦＣ３２、自然冷媒のイソブタン、及びプロパンなどを用いてもよい。
また、このコージェネレーションシステムに組み込む燃料電池として、固体高分子型燃料電池としたが、例えばリン酸型燃料電池など、他の種類の燃料電池を組み込んでもよい。

次に本実施の形態に係るコージェネレーションシステムの主に燃料電池システムの運転方法の一例について説明する。ここではコージェネレーションシステムで組み込まれている燃料電池の最大発電量は１０００Ｗｈとし、季節ごとに、その季節に適した運転方法を行う。
運転のモードとしては、例えば運転停止、システムフル運転、給湯負荷対応運転、電力負荷対応運転の４つの運転モードを備える。運転停止とは燃料電池システムの運転を停止するモードであり、システムフル運転とは燃料電池システムを最大出力で運転制御する最大出力運転である。また、給湯負荷対応運転とは、燃料電池システム及び空調システムの排熱による貯湯量を１日の給湯負荷に合うように燃料電池システムを運転制御する運転モードであり、電力負荷対応運転とは、燃料電池システムの発電量を１日の電力負荷に合うように運転制御する運転モードである。そして、おおまかな季節に対し、利用場所における給湯負荷、電力負荷、暖房負荷、及び冷房負荷を演算し、これらの演算結果に応じて、いずれかを選択して運転する。

現実的には、給湯負荷と貯湯量、及び電力負荷と発電量が全く等しくなるように運転制御するのは困難である。このため、例えば、給湯負荷がこのシステムを運転して得られる貯湯量よりも多い場合に、コージェネレーションシステムの排熱を利用して足りない分を、図示してはいないが、他のエネルギー例えばガスや電気などで貯湯タンク５の水を加熱する加熱装置を予備として有する。また、余剰貯湯量が生じる場合には、貯湯タンク５に溜められる分は蓄熱できるが、貯湯タンク５内の下方の水の温度が１００℃に近くなってしまうとこれ以上蓄熱できないので、図１の補助熱交換器１５で室外空気に放熱する。また、電力負荷がこのシステムを運転して得られる発電量よりも多い場合には、図１の電子コントローラ１６によって、商用電力を購入するか、またはその時までの余剰の電力を蓄電しておき、必要に応じて消費できるように構成する。また、余剰の電力が生じた場合には、蓄電するか、電力会社などの外部に売電するシステムを利用すればよい。

図１２は例えば夏場の東京で、四人家族が一戸建てで生活する際の標準的な電力負荷、空調（夏なので冷房）負荷、及び給湯負荷を時間毎に示したグラフである。図１２の縦軸は、電力負荷、空調（冷房）負荷、及び給湯負荷（Ｗｈ）を示し、横軸は０時から２４時までの２４時間を示す。また、図中の黒色◇印は電力負荷、黒色△印は冷房負荷、黒色□印は給湯負荷をそれぞれ示す。夏場は給湯負荷が比較的小さく、空調による電力負荷が昼間をピークに大きくなる傾向にある。ここで示す電力負荷には空調システムの冷房運転で必要な電力も含まれている。

図１３は図１２のような負荷に合わせた燃料電池システムの運転状況を示すグラフである。これはシミュレーションによって最も効率よく燃料電池システム及び空調システムを運転し、エネルギーを有効に利用することのできる結果として得られたものである。図１３の縦軸は、発電量、冷房排熱利用量、及び貯湯量（Ｗｈ）を示し、横軸は０時から２４時までの２４時間を示す。図中の黒色◇印は発電量、黒△印は冷房排熱利用量、黒色□印は貯湯量をそれぞれ示す。ここでの貯湯量は燃料電池システムからの排熱によって蓄熱される分と冷房排熱による蓄熱分も加えた量を示している。

夜間から昼の１時頃までは燃料電池システムを停止させ、この間に必要になった給湯負荷及び電力負荷は、前日に蓄積されたものを使う。この燃料電池システム停止間に空調システムの冷房運転を行うと、７、８時に見られるように冷房による排熱で貯湯タンク５に貯湯されることになる。そして昼過ぎから燃料電池システムの運転を開始し、発電を行って電力負荷に給電すると共に貯湯タンクにお湯を貯める。夕方の１７時から２１時の空調負荷が大きい時間帯はシステムフル運転を行い、発電による排熱を貯湯タンク５に溜めると共に、空調システムを運転して冷房運転の排熱も貯湯する。

このように夏は冷房負荷が多い時期であり、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば１日の給湯負荷を満足するように給湯負荷対応運転を行っている。即ち、１日の合計量で見ると電力負荷１５ｋＷｈ、給湯負荷１５ｋＷｈに対し、発電量８ｋＷｈ、貯湯量１５ｋＷｈが得られている。即ち７ｋＷｈの発電量が足りないことになるが、このようなときには商用電源を買えばよい。ここで、燃料電池システムを頻繁にオン・オフすると、無駄なエネルギーを使うことになるので、なるべく連続して運転できるように制御する方がよい。このため、深夜から昼の１時頃までは燃料電池システムの運転を停止し、午後の運転のみで１日の給湯負荷に見合った貯湯量が得られるように運転している。ここで電力負荷の一部しか給電できないが、電力を外部から購入する場合に、時間によって電力料金が異なる場合には料金が高い時に発電した電力を使うようにすると経済的である。また、午後の冷房運転による電力ピークのときに発電した電力を使うようにすれば、全国的に電力が足りなくなる状態を回避できる。

このように運転することにより、昼間の冷房運転による排熱を給湯負荷に使用することができ、さらに夕方から夜に増加する給湯負荷に対応した燃料電池システムの運転が可能となる。即ち、冷房負荷が多い時期には燃料電池システムの給湯負荷対応運転を選択すると、エネルギーの利用効率を大幅に向上でき、さらに電力ピーク時に購入電力量を抑えることができるという結果が得られた。

また、図１４は例えば冬場の東京で、四人家族が一戸建てで生活する際の標準的な電力負荷、空調（冬なので暖房）負荷、及び給湯負荷を時間ごとに示したグラフである。図１４の縦軸は、電力負荷、空調（暖房）負荷、及び給湯負荷（Ｗｈ）を示し、横軸は０時から２４時までの２４時間を示す。また、図中の黒色◇印は電力負荷、黒色△印は暖房負荷、及び黒色□印は給湯負荷をそれぞれ示す。冬場は給湯負荷が非常に大きく、さらに空調負荷も大きくなっている。ここで示す電力負荷には空調システムの暖房運転で必要な電力も含まれている。

図１５は図１４のような負荷に合わせた燃料電池システムの運転状況を示すグラフである。これはシミュレーションによって最も効率よく燃料電池システム及び空調システムを運転し、エネルギーを有効に利用することのできる結果として得られたものである。図１５の縦軸は、発電量、暖房アシスト量、及び貯湯量（Ｗｈ）をとり、横軸は０時から２４時までの２４時間を示す。また、図中の黒色◇印は発電量、黒色△印は暖房アシスト量、及び黒色□印は貯湯量をそれぞれ示す。ここでの貯湯量は空調システムの暖房運転の蒸発熱として利用される暖房アシスト分を既に減じた量を示している。

このように冬は暖房負荷及び給湯負荷が多い時期であり、本実施の形態のコージェネレーションシステムは、例えば２４時間連続で、最大出力量が得られる燃料電池システムフル運転を行い、発電及び貯湯を行う。この時期の１日に必要な電力負荷の概算１６ｋＷｈ、給湯負荷の概算２２ｋＷｈ、暖房アシスト１０ｋＷｈ程度に対し、燃料電池システムフル運転を行うことで、発電量２４ｋＷｈ、暖房アシスト量を減じた後の貯湯量２２ｋＷｈとなる。システムフル運転によって発電量が電力負荷に対して８ｋＷｈ多くなっているが、これは蓄電するか、外部に売電すればよい。
燃料電池システムとしては排熱を有効に利用でき、無駄のないコージェネレーションシステムが得られ、空調システムとしては、空調システムの暖房運転で貯湯タンク５内の温水（熱）を用いることによって、蒸発温度を高くできる。このため暖房能力も大きくでき、さらに空調システムの冷凍サイクルのＣＯＰが向上し、省エネルギー運転が可能となる。即ち、暖房負荷及び給湯負荷が多い時期には燃料電池システムの最大出力運転を選択すると、空調システムの冷凍サイクルのＣＯＰが向上でき、エネルギーの利用効率を大幅に向上できるという結果が得られた。
特に、排熱を空気に放熱することがないので、無駄に捨ててしまうエネルギーを極力小さくでき、地球環境保全に適したコージェネレーションシステムが得られる。

また、図１６は例えば中間期の東京で、四人家族が一戸建てで生活する際の標準的な電力負荷及び給湯負荷を時間ごとに示したグラフである。図１６の縦軸は、電力負荷及び給湯負荷（Ｗｈ）を示し、横軸は０時から２４時までの２４時間を示す。また、図中の黒色◇印は電力負荷、黒色□印は給湯負荷をそれぞれ示す。中間期には空調負荷はほとんど発生しない。

図１７は図１６のような負荷に合わせた燃料電池システムの運転状況を示すグラフである。これはシミュレーションによって最も効率よく燃料電池システム及び空調システムを運転し、エネルギーを有効に利用することのできる結果として得られたものである。図１５の縦軸は、発電量及び貯湯量（Ｗｈ）をとり、横軸は０時から２４時までの２４時間を示す。また、図中の黒色◇印は発電量、黒色□印は貯湯量をそれぞれ示す。

このように春や秋などの中間期は暖房負荷及び冷房負荷が少ない時期であり、本実施の形態のコージェネレーションシステムは、例えば電力負荷に合わせた運転を行なって、発電及び貯湯を行う。この時期の１日に必要な電力負荷の概算１０ｋＷｈ、給湯負荷の概算１５ｋＷｈ程度に対し、電力負荷運転を行うことで、発電量１１ｋＷｈ、貯湯量１４ｋＷｈとなる。また、発電量の時間変化も電力負荷の発生時間にほぼ合うように運転制御している。発電量及び貯湯量はそれぞれ電力負荷及び給湯負荷をほぼ満たしており、さらに、例えば６時、１２時、１８時の給湯負荷が発生したときには貯湯タンク５に温水が貯溜されている。即ち、暖房負荷及び冷房負荷が少ないときには、燃料電池システムの電力負荷対応運転を選択すると、発電及び給湯を無駄にすることなく、エネルギーの利用効率を大幅に向上できるという結果が得られた。
この時期には、電力負荷対応運転の場合の貯湯量が、給湯負荷とほとんど一致しており、コージェネレーションシステムの発電における排熱を無駄なく有効に運転できる。

なお、上記では、中間期は電力負荷に応じてコージェネレーションシステムを運転するとして説明したが、これに限ることはない。電力負荷に応じた運転での貯湯量で給湯負荷を賄うことができるので、逆に、１日の貯湯量を１日の給湯負荷に合うように運転しても電力負荷をほぼ満足することができるので、給湯負荷対応運転を行ってもよい。この場合には大きな給湯負荷が生じる前あたりの時間、例えば昼の１２時あたりから燃料電池システムを運転するように制御すればよい。燃料電池システムの運転／停止の切り替えが少なくなるように設定するのが好ましい。この場合、燃料電池システムを運転していないときに給湯負荷や電力負荷が生じても、貯湯タンク５に蓄熱及び蓄電池に蓄電されている温水や電力を使用すればよい。

このように、利用場所における給湯負荷、電力負荷、暖房負荷、及び冷房負荷を演算する演算ステップと、これらの演算結果に応じて、最大出力運転と、給湯負荷対応運転と、電力負荷対応運転と、のいずれかの運転を行う（運転ステップ）ことにより、発電、給湯、及び空調を効率よく実現して、年間の消費エネルギーを低減でき、地球環境保全に適したコージェネレーションシステムの運転方法が得られる。
さらに、暖房負荷及び給湯負荷が多い時期には燃料電池システムの最大出力運転を選択し、冷房負荷が多い時期には燃料電池システムの給湯負荷対応運転を選択し、暖房負荷及び冷房負荷が少ないときには燃料電池システムの電力負荷対応運転を選択する（選択ステップ）ことで、夏、冬、中間期に亘って、特に、排熱を空気に放熱するのを極力避けることができ、無駄に捨ててしまうエネルギーを小さくできるコージェネレーションシステムの運転方法が得られる。この運転方法によって、発電、給湯、及び空調を効率よく実現して、年間の消費エネルギーを低減でき、地球環境保全に適したコージェネレーションシステムとなる。
なお、上記に示した運転方法は一例であり、給水温度１５℃程度として、シミュレーションで特に効率がよかった運転方法を述べたもので、他の運転方法で運転してもよい。

また、季節の通常のパターンに該当しないような場所や条件下でこのコージェネレーションシステムを用いる場合には、図１８のフローチャートに示したような方法で通年を通して本システムの運転モードを設定することができる。

設置するコジェネレーションシステムの最大発電量及び最大貯湯量は、設置場所の電力負荷、給湯負荷、及び空調負荷のそれぞれ最大必要量を満足するように、適当な大きさのものが設置されるとする。

まず、１日の給湯負荷を概算してＦｋとし（ＳＴ２１）、１日の電力負荷を概算してＦｅとし（ＳＴ２２）、１日の空調システムにおける暖房負荷を概算してＦｄとし（ＳＴ２３）、１日の冷房負荷を概算してＦｒとし（ＳＴ２４）。これらの概算は、昨年の同じ時期のデータを得て、前後１月間の平均を演算してもよいし、また、過去数年間の同じ時期のデータを得て、その平均を演算してもよいし、過去数日のデータを記録して、その平均を演算してもよい。また、それぞれの負荷を時間ごとにパターンとして記憶して用いてもよいし、１日に必要な負荷量の合計値のみで運転制御してもよい。なお、空調システムを動作しない場合は、Ｆｄ＝０、Ｆｒ＝０となり、暖房運転しない場合はＦｄ＝０、冷房運転しない場合はＦｒ＝０である。
ここでは、例えば各負荷において前日からの極端な変化はないと仮定し、前日の各負荷の合計量を記憶し、本日の目標発電量と目標貯湯量として運転制御することにする。

ＳＴ２１で得た給湯負荷Ｆｋは風呂や台所などで温水として使う量であり、貯湯タンク５には、空調システムを運転したときの冷房運転での排熱による貯湯即ちマイナスの給湯負荷（−Ｆｒ）、及び暖房運転での暖房アシストによるプラスの給湯負荷（＋Ｆｄ）が発生する。そこで、ＳＴ２５で暖房負荷または冷房負荷によって１日の給湯負荷を演算しなおす。即ち、Ｆｋａ＝Ｆｋ＋Ｆｄ−Ｆｒを演算して、給湯負荷を補正してＦｋａとする。

次に、ＳＴ２６でコージェネレーションシステム全体の運転方法として、給湯を重視するか給電を重視するかを判断する。給湯重視の場合には、１日において、燃料電池システムの排熱を蓄熱した貯湯量で給湯負荷Ｆｋａを満足するような運転である。即ち、ＳＴ２７で燃料電池システムを最大出力運転した時に得られる貯湯量と給湯負荷（Ｆｋａ＋α）とを比較し、最大出力運転で得られる貯湯量が給湯負荷（Ｆｋａ＋α）以下のときには、ＳＴ２９で燃料電池システムを最大出力運転で運転する。このときには燃料電池システムを最大出力運転しても、給湯負荷を満足することができないこともあり、補助的な加熱手段によって貯湯タンク５内の水を加熱する必要がある。

ＳＴ２７の判断で、最大出力運転で得られる貯湯量が給湯負荷（Ｆｋａ＋α）よりも多いときには、ＳＴ３０で燃料電池システムを給湯負荷対応運転で運転する。給湯重視の場合には、１日の給湯負荷（Ｆｋａ＋α）をほぼ等しく得ることができ、燃料電池システムからの排熱を無駄に捨てる運転を行うことなく、排熱を有効に使うことができる運転方法が得られる。ここで、ＳＴ２７におけるαは、貯湯量に余裕をもたせるための量であり、例えば１００Ｗｈ程度とする。

ＳＴ２６でコージェネレーションシステム全体の運転方法として、給電重視の場合には、１日において、燃料電池システムの発電量で電力負荷Ｆｅを満足するような運転である。即ち、ＳＴ２８で燃料電池システムを最大出力運転した時に得られる給電量と電力負荷（Ｆｅ＋β）とを比較し、最大出力運転で得られる発電量が電力負荷（Ｆｅ＋β）以下のときには、ＳＴ２９で燃料電池システムを最大出力運転で運転する。このときには燃料電池システムを最大出力運転しても、電力負荷を満足することができないこともあり、外部から買電するか、蓄電池に蓄電されている場合にはその電力を使用する必要がある。

ＳＴ２８の判断で、最大出力運転で得られる発電量が電力負荷（Ｆｅ＋β）よりも多いときには、ＳＴ３１で燃料電池システムを電力負荷対応運転で運転する。これによって、１日の電力負荷（Ｆｅ＋β）をほぼ等しく得ることができ、燃料電池システムで発電した電力を無駄に捨てる運転を行うことなく有効に使うことができる運転方法が得られる。ここで、ＳＴ２８におけるβは、発電量に余裕をもたせるための量であり、例えば１００Ｗｈ程度とする。発電量が電力負荷よりも多い場合には蓄電池に蓄電したり、電力会社等の外部に売電することもでき、全く無駄になるわけではないが、売電時の価格が低い場合などには、この給電重視が有効である。

なお、上記では給湯負荷対応運転で、燃料電池システム及び空調システムの排熱による貯湯量を１日の給湯負荷に合うように燃料電池システムを運転制御するとしたが、１日の時間毎に必要な給湯負荷を記憶し、時間毎の給湯負荷に合うように、例えばその数時間前に貯湯するように燃料電池システムを運転制御してもよい。
同様に、電力負荷対応運転で、燃料電池システムの発電量を１日の電力負荷に合うように運転制御するとしたが、１日の時間毎に必要な電力負荷を記憶し、時間毎の電力負荷に合うように、例えばその数時間前に発電するように燃料電池システムを運転制御してもよい。
特に、電力負荷対応運転で時間毎の電力負荷に合うように、例えばその数時間前に発電するように燃料電池システムを運転制御すると、電力負荷は給湯負荷に比べて時間変化がなだらかであり、スムーズに時間変化するように出力量の運転制御を行うことができ、電力の必要な時にタイミングよく供給できる。

上記のように、利用場所における給湯負荷、電力負荷、暖房負荷、及び冷房負荷を演算する演算ステップと、これらの演算結果に応じて、燃料電池システムを最大出力で運転制御する最大出力運転と、燃料電池システム及び空調システムの排熱による貯湯量を１日の給湯負荷に合うように燃料電池システムを運転制御する給湯負荷対応運転と、燃料電池システムの発電量を１日の電力負荷に合うように運転制御する電力負荷対応運転と、のいずれかを選択して運転する運転ステップと、を備えたコージェネレーションの運転方法によって、発電、給湯、及び空調を効率よく実現でき、年間の消費エネルギを低減することができる。

もちろん、例えば電力負荷対応運転と給湯負荷対応運転をそれぞれシミュレーションし、無駄なエネルギーが少なくなるように修正したり、コストが低くなるように修正しながら運転方法を選択するなど、他の方法で運転方法を決定してもよい。

また、実施の形態ではコージェネレーションシステムに燃料電池を用いて説明したが、ガスエンジンを用いたシステムでも同様の効果が得られる。

また、上記実施の形態では貯湯タンク５内の水の温度を上げることで蓄熱して給湯に利用しているが、水の替わりに蓄熱材に蓄熱するように構成してもよい。蓄熱した排熱を給湯で使おうとすれば温水で蓄熱するのが最も使い勝手がよいが、貯湯タンク５の大きさで蓄熱量の最大が決まってしまう。この最大量を蓄熱した後は空気に放出するしかないが、塩化カルシウム水和物、硫酸ナトリウム水和物、チオ硫酸ナトリウム、酢酸ナトリウム、パラフィンなどの蓄熱材に蓄熱する構成にすれば、更に大量の排熱を蓄熱することも可能となる。

以上のように、燃料電池本体及び貯湯タンク５より構成されるコージェネレーションシステムにおいて、圧縮機、四方弁、流路切換弁、冷媒用空気熱交換器、排熱利用熱交換器、絞り装置を前記燃料電池本体もしくは貯湯タンクに設置したので、発電、給湯及び空調を実現でき、年間の消費エネルギーを低減することができ、さらに、従来必要であった空調室外機の設置スペースは必要ないコージェネレーションシステムが得られる。
また、前記コージェネレーションシステムにおいて、冷房運転時凝縮熱を貯湯タンク内に蓄熱するように、流路切換弁によって放熱用の熱交換器を切替えるように運転するので、冷房する室内の熱を給湯に利用でき、エネルギー効率を大幅に改善でき、空調システムでの冷房運転のエネルギーを不必要に増大させることもないコージェネレーションシステムが得られる。
また、前記コージェネレーションシステムにおいて、貯湯タンクの下部に排熱利用熱交換器からの配管を接続したので、少ないエネルギーで貯湯タンクの上部に高温の温水を貯湯できるコージェネレーションシステムが得られる。
また、前記コージェネレーションシステムにおいて、排熱利用熱交換器を積層型の熱交換器としたことにより、排熱利用熱交換器での熱交換効率を向上できるコージェネレーションシステムが得られる。
また、コージェネレーションシステムにおいて、貯湯タンク内部の中から下部に温度検知手段を設置したことにより、貯湯タンク内の水の温度をほぼ正確に検知できるコージェネレーションシステムが得られる。
また、前記コージェネレーションシステムにおいて、暖房運転時蒸発熱を貯湯タンク内の熱を利用するように、流路切換弁によって吸熱用の熱交換器を切替えるので、暖房の能力を増大することができるコージェネレーションシステムが得られる。
また、前記コージェネレーションシステムにおいて、年間スケジュールに応じて燃料電池の運転方法を全力連続運転、給湯負荷に合わせた運転および電力負荷に合わせた運転を行うように制御したので、年間でエネルギーの利用効率が大幅に向上するコージェネレーションシステムが得られる。
また、前記コージェネレーションシステムにおいて、外気温度に応じて燃料電池の運転方法を全力連続運転、給湯負荷に合わせた運転および電力負荷に合わせた運転を行うように制御したので、給湯負荷や電力負荷に対応して燃料電池システムを運転でき、エネルギーの利用効率が大幅に向上するコージェネレーションシステムが得られる。

本発明の実施の形態１に係るコージェネレーションシステムを示す概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る冷房運転の空調システム部分を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る冷房運転の空調システム部分を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る空調システムの冷房運転の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る空調システムの冷房運転の動作説明図である。 本発明の実施の形態１に係る暖房運転の空調システム部分を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る暖房運転の空調システム部分を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る空調システムの暖房運転の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る空調システムの暖房運転の動作説明図である。 本発明の実施の形態１に係る貯湯タンクの接続配管、及びその近傍を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る貯湯タンクの接続配管を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係り、１日の時間に対する夏場の電力負荷、冷房負荷、給湯負荷の変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係り、１日の時間に対する夏場の発電量、冷房排熱利用量、貯湯量の変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係り、１日の時間に対する冬場の電力負荷、暖房負荷、給湯負荷の変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係り、１日の時間に対する冬場の発電量、暖房アシスト量、貯湯量の変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係り、１日の時間に対する中間期の電力負荷及び給湯負荷の変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係り、１日の時間に対する中間期の発電量及び貯湯量の変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係り、通年を通して本システムの運転モードを設定する過程を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料処理部、２ 燃料電池スタック、３ 熱交換器、４ａ、４ｂ ポンプ、５ 貯湯タンク、６ 圧縮機、７ 空冷熱交換器、８ 排熱利用熱交換器、９ａ、９ｂ 流路切替手段、１０ 絞り装置、１１ 四方弁、１２ 室外送風機、１３ 室内機、１４ 電力制御部、１５ 補助熱交換器、１６ 電力コントローラ、１７ 温度検知手段。

Claims (12)

1. 燃料電池本体の排熱を蓄熱する貯湯タンクと、室外に配置され冷媒を循環して室内の空調を行う際に室外空気と前記冷媒とで熱交換する空冷熱交換器と、室外に配置され前記貯湯タンクの水と前記冷媒とで熱交換する排熱利用熱交換器と、前記空冷熱交換器と前記排熱利用熱交換器とを前記冷媒の回路に接続切替え可能とする流路切替手段と、を備えたことを特徴とするコージェネレーションシステム。
2. 前記空冷熱交換器若しくは前記排熱利用熱交換器を、前記燃料電池本体の近傍、または前記貯湯タンクの近傍に設置したことを特徴とする請求項１記載のコージェネレーションシステム。
3. 前記燃料電池本体からの排熱を室外空気に放熱する補助熱交換器を備え、前記空冷熱交換器と前記補助熱交換器を近傍に配置し、１つの送風機で室外空気を前記補助熱交換器及び前記空冷熱交換器に送風することを特徴とする請求項１記載のコージェネレーションシステム。
4. 冷房運転時の前記冷媒の凝縮熱を、前記排熱利用熱交換器で熱交換して、前記貯湯タンクに蓄熱可能としたことを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
5. 前記貯湯タンクの蓄熱を、前記排熱利用熱交換器で熱交換して、暖房運転時の前記冷媒の蒸発熱に利用可能としたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
6. 暖房運転では前記貯湯タンクから前記排熱利用熱交換器へ水を流出する配管を前記排熱利用熱交換器から戻る水を流入する配管よりも上方に接続し、冷房運転では前記貯湯タンクから前記排熱利用熱交換器へ水を流出する配管を前記排熱利用熱交換器から戻る水を流入する配管よりも下方に接続することを特徴とする請求項１乃至請求項５記載のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
7. 前記燃料電池本体から前記貯湯タンクに流入する燃料電池側配管の接続位置と、冷房運転における前記排熱利用熱交換器から前記貯湯タンクに流入する空調側配管の接続位置とで、前記貯湯タンクに流入する水の温度が高い方を上方に設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
8. 前記貯湯タンクの下方の水の温度を検知する温度検知手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
9. 燃料電池システムの排熱を貯湯タンクの水に蓄熱する温水蓄熱ステップと、前記貯湯タンクの水の温度を検知する水温検知ステップと、空調システムの冷房運転で前記貯湯タンクの水の温度が外気温度よりも低いときに凝縮熱を前記貯湯タンクに蓄熱する冷房蓄熱ステップと、前記空調システムの暖房運転で前記貯湯タンクの水の温度が外気温度よりも高いときに蒸発熱を前記貯湯タンクから取り出す暖房排熱利用ステップと、を備えたことを特徴とするコージェネレーションシステムの運転方法。
10. 前記空調システムの冷房運転で前記燃料電池システムが運転しているときに凝縮熱を室外空気に放出する外気放熱ステップと、を備えたことを特徴とする請求項９記載のコージェネレーションシステムの運転方法。
11. 利用場所における給湯負荷、電力負荷、暖房負荷、及び冷房負荷を演算する演算ステップと、これらの演算結果に応じて、燃料電池システムを最大出力で運転制御する最大出力運転と、前記燃料電池システムでの排熱及び空調システムの冷房負荷での排熱による貯湯量を１日の給湯負荷及び暖房負荷に合うように前記燃料電池システムを運転制御する給湯負荷対応運転と、前記燃料電池システムの発電量を１日の電力負荷に合うように運転制御する電力負荷対応運転と、のいずれかの運転を行う運転ステップと、を備えたことを特徴とするコージェネレーションシステムの運転方法。
12. 暖房負荷及び給湯負荷が多い時期には前記燃料電池システムの前記最大出力運転を選択し、冷房負荷が多い時期には前記燃料電池システムの前記給湯負荷対応運転を選択し、暖房負荷及び冷房負荷が少ないときには前記燃料電池システムの前記電力負荷対応運転を選択する選択ステップを備えたことを特徴とする請求項１１記載のコージェネレーションシステムの運転方法。

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