JP7181127B2 - ヒートポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、電力を用いて駆動される電気式ヒートポンプを備えたヒートポンプシステムに関する。

住宅等において、水を加熱して温水を生成する電気式ヒートポンプを備えたヒートポンプシステムが知られている（特許文献１参照）。

特開２００７－１３２５５９号公報

電気式ヒートポンプは、大気の熱を使って冷熱・温熱を作ることから、電気使用量に対して３倍以上の冷温熱（ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）やＡＰＦ（Annual Performance Factor）など）を、得ることができ、空調や給湯に利用される。
また、住宅等において、１次エネルギー消費量を減少させるために、電気機器に系統電力を使用せず、分散型発電機で発電した電力を用いることがある。

ここで、分散型発電機と電気式ヒートポンプとを組み合わせ、分散型発電機で発電した電力で、電気式ヒートポンプを駆動することが考えられる。
しかしながら、多量の電力を使用する場合、分散型発電機で発電した電力のみでは電力量が不足する場合があり、例えば、電気式ヒートポンプで生成した熱で水を加熱する場合には、熱量が不足し、必要な温度の温水を得られない場合がある。

また、分散型発電機では、発電された電力が余剰となる場合があり、余剰電力の使い道がなく、分散型発電機で発電した電力が無駄になる場合がある。
このように、分散型発電機と電気式ヒートポンプとを組み合わせた場合、１次エネルギー消費量を減少させることは可能であるが、上記のような問題があり、電力を有効利用するには改善の余地があった。

本発明は、上記事実を考慮して、電力を有効利用することが可能なヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

第１の態様に係るヒートポンプシステムは、電力を生成する分散型発電機と、前記分散型発電機で発電された前記電力、及び電力系統から供給される系統電力で駆動可能とされる電気式ヒートポンプと、前記分散型発電機、前記電力系統、及び前記電気式ヒートポンプに接続され、前記分散型発電機、前記電力系統、及び前記電気式ヒートポンプとの間で前記電力、及び前記系統電力の入出力を制御する電力入出力制御装置と、を備えている。

第１の態様に係るヒートポンプシステムにおいて、分散型発電機は、発電により電力を生成することができる。
電気式ヒートポンプは、分散型発電機で発電された電力、及び電力系統から供給される系統電力で駆動可能とされる。
電気式ヒートポンプを駆動するにあたって、系統電力を使用せず、分散型発電機で発電された電力を用いることで、大幅に１次エネルギー使用量を削減可能となる。
ここで、電力入出力制御装置は、分散型発電機、電力系統、及び電気式ヒートポンプとの間で、分散型発電機で発電された電力、及び電力系統から供給される系統電力の入出力を制御することができるので、例えば、分散型発電機で発電された電力を、電気式ヒートポンプのみならず、電力系統へ出力（逆潮）することができ、また、系統電力を電気式ヒートポンプへ入力（系統電力の購買）することができ、分散型発電機で発電された電力、及び電力系統から供給される系統電力を融通させることができる。したがって、分散型発電機で発電された電力、及び電力系統から供給される系統電力を有効利用することができる。

第２の態様は、第１の態様に係るヒートポンプシステムにおいて、前記電力入出力制御装置は、前記分散型発電機で発電された電力のうちの余剰電力分を、前記電力系統に逆潮する。

第２態様に係るヒートポンプシステムでは、分散型発電機の発電量が、電気式ヒートポンプの消費電力よりも多くなった場合、余剰分を電力系統へ逆潮させることができる。これにより、分散型発電機で発電された余剰の電力を有効利用することができる。

第３の態様は、第１の態様または第２の態様に係るヒートポンプシステムにおいて、前記電力入出力制御装置は、前記分散型発電機で発電された電力のうちの余剰電力分を、前記電気式ヒートポンプを備えた需要家の前記電気式ヒートポンプ以外の電力使用機器に供給する。

第３の態様に係るヒートポンプシステムでは、電力入出力制御装置が、分散型発電機で発電された電力のうちの余剰電力分を、電気式ヒートポンプを備えた需要家の電気式ヒートポンプ以外の電力使用機器に供給することができる。これにより、需要家は、ポンプ以外の電力使用機器を駆動する際に系統電力を使用しなくて済む。

第４の態様は、第１の態様から第３の態様の何れか１つのヒートポンプシステムにおいて、前記電力入出力制御装置は、前記電気式ヒートポンプの消費電力量が前記分散型発電機の電力で不足する場合に、前記系統電力を前記電気式ヒートポンプに供給する。

第４の態様に係るヒートポンプシステムでは、電力入出力制御装置は、電気式ヒートポンプの消費電力量が分散型発電機の電力で不足する場合に、不足分を補うように系統電力を電気式ヒートポンプに供給することができるので、電気式ヒートポンプで生成される温熱、または冷熱が、需要家に対して不足する事態を回避することができる。言い換えれば、需要家が必要とされる温熱、または冷熱を電気式ヒートポンプで確実に生成することができる。

第５の態様は、第１の態様～第４の態様の何れか１つのヒートポンプシステムにおいて、前記分散型発電機は、直流電力を発電する。

第５の態様に係るヒートポンプシステムでは、分散型発電機が直流電力を発電するので、発電した直流電力を、直流電力で駆動される電気機器で使用することができる。

第６の態様は、第２の態様、及び第３の態様を前提とする第５の態様に係るヒートポンプシステムにおいて、前記電力入出力制御装置は、前記直流電力の余剰分をインバーターで交流に変換し、前記電力系統、及び前記需要家の少なくとも一方に供給する。

第６の態様に係るヒートポンプシステムでは、電力入出力制御装置が、直流電力の余剰分をインバーターで交流に変換し、電力系統、及び需要家の少なくとも一方に供給するので、インバーターで変換した交流電力を交流の系統電力を送電する電力系統に逆潮することができ、また、需要家における交流電力を使用する電気使用機器に供給することができる。

第７の態様は、第５の態様または第６の態様に係るヒートポンプシステムにおいて、前記電気式ヒートポンプは、直流電力で駆動される。

第７の態様に係るヒートポンプシステムでは、電気式ヒートポンプが直流電力で駆動されるので、該電気式ヒートポンプを分散型発電機で発電した直流電力で直接的に駆動することができる。

第８の態様は、第１の態様～第７の態様の何れか１つのヒートポンプシステムにおいて、前記分散型発電機は、燃料ガスで発電を行う燃料電池を含んで構成され、前記電力入出力制御装置は、電力のデマンドレスポンス要請に応じて、前記燃料ガス及び前記系統電力の使用量を調整する。

第８の態様に係るヒートポンプシステムでは、分散型発電機が、燃料ガスで発電を行う燃料電池を含んで構成されており、燃料電池で直流の電力を発電することができる。
電力入出力制御装置は、電力のデマンドレスポンス要請に応じて、燃料電池で使用される燃料ガスの使用量及び系統電力の使用量を調整することができる。例えば、電力の需要量に応じて、燃料電池で発電した電力を優先して使用するように燃料ガスの使用量を調整し、燃料電池で発電する電力が需要に対して不足する場合に系統電力の使用量を調整し、不足分を系統電力から得ることができる。

第９の態様は、第１の態様～第８の態様の何れ１つのヒートポンプシステムにおいて、前記分散型発電機は、複数の燃料電池スタックからなる多段式の燃料電池であり、前記電気式ヒートポンプは、少なくとも１つ以上の前記燃料電池スタックから出力される電力にて駆動される、

第９の態様に係るヒートポンプシステムでは、分散型発電機が複数の燃料電池スタックからなる多段式の燃料電池であり、各々の燃料電池スタックで発電を行うことができる。
電気式ヒートポンプは、少なくとも１つ以上の燃料電池スタックから出力される電力にて駆動することができる。即ち、電気式ヒートポンプは、１つの燃料電池スタックから出力される電力にて駆動することができ、複数の燃料電池スタックから出力される電力にて駆動することもでき、必要に応じて電気式ヒートポンプの駆動に使用する燃料電池スタックの数を選択することができる。
多段式の燃料電池は、一段式の燃料電池に比較して効率的に電力を発電することができるので、一段式の燃料電池に比較して１次エネルギー消費量を減少させることができる。

第１０の態様は、第１の態様～第８の態様の何れか１つのヒートポンプシステムにおいて、前記分散型発電機は、水素を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、前記燃料極から燃料極オフガスを排出する燃料電池セルスタックを備えた燃料電池であり、前記燃料極から排出された前記燃料極オフガスの少なくとも一部を再生する燃料再生部と、前記燃料再生部から排出された再生燃料ガスを前記燃料電池セルスタックに供給する供給部と、を有している。

第１０の態様に係るヒートポンプシステムでは、燃料電池において、燃料電池スタックが、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行い、燃料極から燃料極オフガスを排出する。
なお、燃料極から排出された燃料極オフガスの一部、または全量は燃料再生部で再生され、燃料再生部から排出された再生燃料ガスは、供給部により燃料電池スタックに供給され、発電に用いられる。

第１１の態様は、第３の態様を前提とする第４の態様～第１０の態様の何れか１つのヒートポンプシステムにおいて、前記電力入出力制御装置は、前記電力系統から供給される交流の前記系統電力を、交流対応の前記電力使用機器に供給する。

第１１の態様に係るヒートポンプシステムでは、電力入出力制御装置が、電力系統から供給される交流の系統電力を交流対応の電力使用機器に供給することで、交流対応の電力使用機器が電力系統から供給される交流の系統電力で駆動される。なお、電力系統と電力使用機器との間において、直流と交流の変換がないため、変換による電力ロスが生じない。

第１２の態様は、第１の態様～第１１の態様の何れか１つのヒートポンプシステムにおいて、電力入出力制御装置は、前記分散型発電機で発電される電力のＣＯ_２原単位と系統電力のＣＯ_２原単位とを比較する比較装置と、前記比較に基づいて、前記電力、及び前記系統電力のうちのＣＯ_２原単位が低い方を前記電気式ヒートポンプに供給する供給切替装置と、を有する。

第１２の態様の態様に係るヒートポンプシステムでは、比較装置が分散型発電機で発電される電力のＣＯ_２原単位（ＣＯ_２排出係数とも呼ぶ）と系統電力のＣＯ_２原単位とを比較する。
供給切替装置は、分散型発電機のＣＯ_２原単位と系統電力のＣＯ_２原単位とを比較し、電力、及び系統電力のうちのＣＯ_２原単位が低い方を電気式ヒートポンプに供給することができ、これにより、環境に対するＣＯ_２の排出量を削減することができる。

以上説明したように、本発明のヒートポンプシステムによれば、電力を有効利用できる、という優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係るヒートポンプシステムの電力系の構成を示すブロック図である。 電力入出力制御装置の構成を示すブロック図である。 ヒートポンプシステムの給湯系の構成を示すブロック図である。 電気式ヒートポンプの構成を示す構成図である。 本発明の第２の実施形態に係るヒートポンプシステムの要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係るヒートポンプシステムの要部の構成を示すブロック図である。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態に係るヒートポンプシステム１０Ａを図１乃至図４にしたがって説明する。本実施形態のヒートポンプシステム１０Ａは、一例として電力需要家（事業所、住宅等）３９に適用されるものであり、上水を加熱して温水を生成するヒートポンプシステム、言い換えれば、給湯装置である。

図１に示すように、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ａは、電力需要家３９に設けられており、直流電力（ＤＣＥ）を発電する分散型発電機としての燃料電池１２と、燃料電池１２で発電された直流電力で駆動される電気式ヒートポンプ１４と、電力入出力制御装置１６とを備えている。

燃料電池１２は、燃料ガスがガス配管Ｐ１、調整弁１７や燃料ガスブロワなどを介して図示しない燃料極に供給され、酸化剤ガス（空気等）が酸化ガス配管Ｐ２、ブロア２０を介して図示しない空気極に供給されて燃料ガスと酸化ガスとが反応して発電を行い、燃料極から燃料極オフガスが排出され、空気極から空気極オフガスが排出される。燃料電池１２は、一般的に知られている構成のものであり、内部構造の詳細な説明は省略する。なお、調整弁１７、及びブロア２０は、後述する制御部２５によって制御される。

燃料電池１２で発電された直流電力は、配線Ｋ１を介して電力入出力制御装置１６に送電される。
電力入出力制御装置１６は、配線Ｋ２を介して電力系統４２と接続されると共に、配線Ｋ３を介して電気式ヒートポンプ１４に接続されている。また、電力入出力制御装置１６は、配線Ｋ４を介して、電気式ヒートポンプ１４以外の電力需要家３９の電力使用機器４０に接続されている。

（電力入出力制御装置）
図２に示すように、電力入出力制御装置１６は、制御部２５、直流電力分配装置２６、直流交流変換装置２８、交流電力分配装置３０、交流直流変換装置３２、直流混合装置３４、パワーコンディショナー３６、入出力装置３８等を含んで構成されている。

直流電力分配装置２６は、燃料電池１２で発電された直流電力を、直流交流変換装置２８と、直流混合装置３４とに分配する装置であり、直流交流変換装置２８に送電する直流電力と、直流混合装置３４に送電する直流電力との比率を、後述するデマンドレスポンス信号に基づいて変更することができる。

直流交流変換装置２８は、燃料電池１２で発電された直流電力（ＤＣＥ）を交流電力（ＡＣＥ）に変換する装置である。

交流電力分配装置３０は、直流交流変換装置２８から出力された交流電力を、入出力装置３８と電力需要家（事業所、住宅等）３９に備えられた交流電力を使用する電力使用機器４０とに分配する装置であり、入出力装置３８に送電する交流電力と電力使用機器４０に送電する交流電力との比率を、後述するデマンドレスポンス信号ＤＳ１に基づいて変更することができる。

入出力装置３８は、後述するデマンドレスポンス信号ＤＳ１に基づいて、燃料電池１２で発電された電力（直流電力を交流電力に変換したもの）をシステム外の電力系統４２へ逆潮（出力）する第１の状態と、電力系統４２からの交流の系統電力を入力（購買）して交流直流変換装置３２へ送電する第２の状態とに切り替える装置である。

交流直流変換装置３２は、入出力装置３８からの交流電力を直流電力に変換して直流混合装置３４に送電する装置である。

直流混合装置３４は、直流電力分配装置２６からの直流電力と交流直流変換装置３２からの直流電力とを混合し、パワーコンディショナー３６へ送電する装置である。

パワーコンディショナー３６は、直流電力分配装置２６からの直流電力と交流直流変換装置３２からの直流電力とを混合した直流電力の電圧を調整し、電気式ヒートポンプ１４へ送電する装置である。なお、パワーコンディショナー３６からは、電気式ヒートポンプ１４に限らず、配線Ｋ５を介して直流電力を使用する電力使用機器４１へ直流電力を送電することもできる。

制御部２５は、電力系統４２からのデマンドレスポンス信号ＤＳ１、電力需要家３９からのデマンド信号ＤＳ２等を受信し、これらのデマンドレスポンス信号ＤＳ１、デマンド信号ＤＳ２、及びその他の各種信号（図示省略）に基づいて、直流電力分配装置２６、直流混合装置３４、入出力装置３８等を制御する信号Ｓを送信することができる。なお、制御部２５は、本発明の比較装置を含んで構成されている。

デマンドレスポンス信号ＤＳ１、デマンド信号ＤＳ２、及びその他の各種信号は、信号線、無線等で送受信することができ、信号を送受信する回線としては、専用回線、インターネット回線等を用いることができる。

（温水供給系）
図３に示すように、燃料電池１２の燃焼部（図示省略）には、排ガス（本実施形態では燃焼排ガス（ＥＸＧ））を排出するための配管Ｐ３が接続されている。この配管Ｐ３の中間部には排ガス熱交換器１８が設けられており、排ガス熱交換器１８には、上水が流れる配管Ｐ４が接続されている。排ガス熱交換器１８は、燃料電池１２から排出された高温の排ガスと上水との間で熱交換を行い、上水を加熱することができる。

なお、上水の流れる配管Ｐ４の上流側には、上水を供給する上水道設備（図示省略）が設けられ、配管Ｐ４の下流側には水利用機器（図示省略）が設けられている。

図４に示すように、本実施形態の電気式ヒートポンプ１４は、直流電力で駆動される圧縮機１４Ａ、熱を放出する凝縮器１４Ｂ、膨張弁１４Ｃ、熱を吸収する蒸発器１４Ｄ、圧縮機１４Ａと凝縮器１４Ｂと膨張弁１４Ｃと蒸発器１４Ｄとを連結して冷媒を循環させる循環経路１４Ｅ等を備えた一般的な構造のものである。なお、図４中の矢印は、冷媒の流れる方向を示している。また、電気式ヒートポンプ１４の動作は、一般的なヒートポンプの動作と同じであるため、動作についての説明は省略する。

図３に示すように、凝縮器１４Ｂは、排ガス熱交換器１８の下流側の配管Ｐ４に接続されており、電気式ヒートポンプ１４の冷媒と外部から供給された上水との間で熱交換を行って上水を加熱可能となっている。
したがって、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ａでは、外部から供給された上水を、燃料電池１２の排ガスの熱と電気式ヒートポンプ１４で生成した熱とで加熱することができる。

（作用、効果）
本実施形態のヒートポンプシステム１０Ａにおいて、電気式ヒートポンプ１４は、燃料電池１２で発電された直流電力を用いて駆動されるが、必要に応じてシステム外の電力系統からの交流の系統電力を直流電力に変換して駆動することもできる。
例えば、電気式ヒートポンプ１４の駆動に必用とされ電力量に対して、燃料電池１２の発電量が相対的に少ない場合等において、不足分の電力を電力系統から受け取ることができる。これにより、電気式ヒートポンプ１４で、所望の温度の温水を得るに必用な温熱を生成することができる。

次に、燃料電池１２で発電された直流電力を用いて電気式ヒートポンプ１４を駆動し、温水を生成する場合を説明する。
燃料電池１２で発電された直流電力を、電気式ヒートポンプ１４に供給して電気式ヒートポンプ１４を駆動する。これにより、電気式ヒートポンプ１４の凝縮器１４Ｂから熱を発生することができる。

本実施形態のヒートポンプシステム１０Ａでは、上水を、排ガス熱交換器１８、及び凝縮器１４Ｂを順に流し、上水を排ガス熱交換器１８と凝縮器１４Ｂとで加熱するので、排ガス熱交換器１８、及び凝縮器１４Ｂの何れか一方で加熱する場合に比較して高温の温水を効率的に生成することができる。

本実施形態のヒートポンプシステム１０Ａは、電気式ヒートポンプ１４を外部の発電所等で発電された系統電力により駆動するのではなく、分散型発電機である燃料電池１２で発電された電力により駆動するので、温水生成時においては、系統電力により駆動される電気式ヒートポンプで水を加熱する場合に比較して、１次エネルギー使用量を削減することができる。
さらに、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ａは、温水を生成するにあたって、電気式ヒートポンプ１４で生成された熱の他に、排ガスの熱を用いるので、電気式ヒートポンプ１４で生成された熱のみで温水を生成する場合に比較して、効率的に温水を生成することができる。また、電気式ヒートポンプ１４は、燃料電池１２で発電された直流電力で駆動するので、交流を直流に変換する等の変換ロスを抑制でき、効率的に電気式ヒートポンプ１４を駆動することができる。これにより、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ａは、大幅に１次エネルギー使用量を削減することができる。
また、ヒートポンプシステム１０Ａにおいて、電気式ヒートポンプ１４の他に、燃料電池１２の駆動に必用とされる補機等も直流駆動タイプにして、発電した直流電力で直流駆動タイプの補機等を駆動することで交流を直流に変換する等の変換ロスを抑制でき、ヒートポンプシステム１０Ａを効率的に駆動することができる。

なお、ヒートポンプシステム１０Ａは、系統電力を使用せずに駆動可能、即ち、燃料電池１２で発電した電力を用いて、燃料電池１２の駆動に必用とされる補機（例えば、調整弁１７、ブロア２０等）を駆動することができ、自立運転することができるので、電力系統の停電時においても、電気式ヒートポンプ１４を駆動して温水を生成することができる。

生成した温水は、水利用機器、例えば、配管Ｐ４の端部に設けた蛇口から排出して種々の用途に用いることができ、さらに、風呂、シャワー、キッチンシンク、洗濯機、食器洗い機、床暖房等の水利用機器等で使用することができる。また、配管Ｐ４に貯湯タンクを接続し、生成した温水を貯湯タンクに貯留することもできる。

なお、調整弁１７、及びブロア２０を制御し、燃料電池１２の燃料極に供給する燃料ガスの量、空気極に供給する酸化剤ガス（空気等）の量を調整することで、燃料電池１２の発電量を調整することができる。調整弁１７、及びブロア２０は、制御部２５によって制御される。

次に、一例として、電気式ヒートポンプ１４の駆動時において、燃料電池１２の発電量が少なく、電気式ヒートポンプ１４が必要とする直流電力が不足し、上水を必用な温度に加熱できない場合が考えられる。このような場合等において、電力需要家３９から、電力供給を要請するデマンド信号ＤＳ２が電力入出力制御装置１６の制御部２５に入力すると、制御部２５は、システム外の系統電力が供給されるように入出力装置３８を制御する。

電力系統４２から供給された交流の系統電力は、交流直流変換装置３２で直流電力に変換され、直流混合装置３４、パワーコンディショナー３６を介して電気式ヒートポンプ１４の圧縮機１４Ａに供給することができる。なお、入出力装置３８は、電気式ヒートポンプ１４の不足分の電力量が供給されるように制御部２５で制御される。これにより、給湯需要に応じた温水を生成することができる。

なお、電力需要家３９における電気式ヒートポンプ１４以外の電力使用機器４０において、電力供給を要請するデマンド信号ＤＳ２を電力入出力制御装置１６に送信し、電力使用機器４０で不足する電力量を系統電力で補うこともできる。これにより、適正な電力量で電力使用機器４０を使用することができる。
交流対応の電力使用機器４０で不足する電力量を系統電力で補う場合には、図２に示すように、電力系統４２からの交流電力を入出力装置３８、配線Ｋ６を介して電力使用機器４０へ供給する。この場合、直流と交流の変換が不要になるため、変換による電力ロスを生じさせず電力需要家３９に電力を供給することができ、１次エネルギー消費量を抑制することができる。

次に、燃料電池１２で余剰の直流電力が発電された場合について説明する。
電力需要家３９から、燃料電池１２で発電された電力が余っていることを示すデマンド信号ＤＳ２が電力入出力制御装置１６の制御部２５に入力すると、制御部２５は、余剰の直流電力から変換された交流電力をシステム外の電力系統４２へ逆潮するように入出力装置３８を制御する。

燃料電池１２から出力された直流電力は、直流電力分配装置２６を介して直流交流変換装置２８へ送電され、直流交流変換装置２８で交流電力に変換された後、交流電力分配装置３０、及び入出力装置３８を介して余剰の直流電力から変換された交流電力をシステム外の電力系統４２へ逆潮することができる。これにより、燃料電池１２で発電された余剰の直流電力から変換された交流電力を電力系統側へ売電することができ、余剰の直流電力を有効活用することができる。また、これにより、電力系統４２での１次エネルギー消費量を抑制することもできる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係るヒートポンプシステム１０Ｂを図５にしたがって説明する。なお、前述した実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。本実施形態は、請求項９に対応する実施形態である。

図５に示すように、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｂは、燃料電池１２を、主要な構成として、第１熱交換器５０、第２熱交換器５２、第３熱交換器５４、第４熱交換器５６、混合器５８、改質器６０、燃焼部６２、燃料再生部６４、第１燃料電池セルスタック６６、及び第２燃料電池セルスタック６８を備えた多段式の燃料電池としたものである。なお、制御部２５による制御に関しては、基本的に第１の実施形態と同様に行われるので、説明は省略する。

本実施形態の第１燃料電池セルスタック６６は、固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)、積層された複数の燃料電池セルを有している。
第１燃料電池セルスタック６６の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層された燃料極６６Ａ、及び空気極６６Ｂと、を有している。

なお、第２燃料電池セルスタック６８についての基本構成は、第１燃料電池セルスタック６６と同様であり、燃料極６６Ａに対応する燃料極６８Ａ、及び空気極６６Ｂに対応する空気極６８Ｂを有している。

第１熱交換器５０は原料ガス管Ｐ５の中間部に設けられており、原料ガス管Ｐ５の一端は図示しないガス源に接続されており、他端は混合器５８に接続されている。
第２熱交換器５２は水供給管Ｐ６の中間部に設けられており、水供給管Ｐ６の一端は、図示しない水源に接続されており、他端は混合器５８に接続されている。

原料ガス（一例としてメタンなどの炭化水素系燃料や、水素など）は第１熱交換器５０で加熱されて混合器５８へ送出され、水は第２熱交換器５２で加熱されて水蒸気となって混合器５８へ送出される。混合器５８では、燃料ガスと水蒸気とが混合される。

混合器５８は、燃料ガス管Ｐ７を介して第１燃料電池セルスタック６６の燃料極６６Ａに接続されている。燃料ガス管Ｐ７の途中には、改質器６０が設けられている。
この改質器６０は、後述する燃焼排ガス管Ｐ８の中間部に設けられている。改質器６０は、燃料ガスであるメタンを改質し、水素を含む燃料ガスを生成する。改質器６０で生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ７を介して第１燃料電池セルスタック６６の燃料極６６Ａに供給される。

第１燃料電池セルスタック６６の空気極６６Ｂには、空気供給管Ｐ８の一端が接続されている。空気供給管Ｐ８の他端には、図示しないブロアが接続されている。空気供給管Ｐ８の中間部には、空気予熱部としての第３熱交換器５４が設けられている。ブロアから送出された空気は、空気供給管Ｐ８によって、第３熱交換器５４を経由し、空気極６６Ｂへ供給される。第３熱交換器５４では、後述する燃焼部６２からの燃焼排ガスにより空気が加熱される。

空気極６６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質膜を通って燃料極６６Ａに到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ^－ →Ｏ^２－ …（１）

空気極６６Ｂからは、空気極オフガスが排出される。空気極６６Ｂには、空気極６６Ｂから排出される空気極オフガスを第２燃料電池セルスタック６８の空気極６８Ｂへ案内する空気極オフガス管Ｐ９が接続されている。

一方、燃料極６６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質膜を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。燃料極６６Ａで生成された電子が燃料極６６Ａから外部回路を通って空気極６６Ｂに移動することで、各燃料電池セルスタックにおいて発電される。また、各燃料電池セルスタックは、発電時に発熱する。

（燃料極反応）
Ｈ_２＋Ｏ^２－ →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－ …(２)
ＣＯ＋Ｏ^２－ →ＣＯ_２＋２ｅ^－ …(３)

燃料極６６Ａには、燃料極オフガス管Ｐ１０の一端が接続されている。燃料極６６Ａから燃料極オフガス管Ｐ１０へ、燃料極オフガスが排出される。燃料極オフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。

燃料極オフガス管Ｐ１０は、第４熱交換器５６、及び後述する熱交換器７４を経て燃料再生部６４と接続されている。
燃料再生部６４の出口側には、再生燃料ガス管Ｐ１１の一端が接続されている。再生燃料ガス管Ｐ１１の他端は、第２燃料電池セルスタック６８の燃料極６８Ａと接続されている。なお、再生燃料ガス管Ｐ１１の中間部には、第４熱交換器５６が設けられている。

燃料再生部６４では、燃料極オフガスから、熱交換による冷却により凝縮された水が除去される。水が除去された後の燃料極オフガスが、再生燃料ガスとして再生燃料ガス管Ｐ１１へ送出される。

再生燃料ガスは、再生燃料ガス管Ｐ１１を通り、第４熱交換器５６で燃料極６６Ａから排出された燃料極オフガスと熱交換を行い、燃料極オフガスの熱で加熱され、第２燃料電池セルスタック６８の燃料極６８Ａへ送出されて第２燃料電池セルスタック６８の発電に供される。
第２燃料電池セルスタック６８の燃料極６８Ａからは、燃料極オフガスが燃料極オフガス管Ｐ１２を通って燃焼部６２へ送出される。

第２燃料電池セルスタック６８の空気極６８Ｂの出口側には、空気極オフガス管Ｐ１３の一端が接続されている。空気極オフガス管Ｐ１３の他端は、燃焼部６２と接続されており、空気極６８Ｂから排出された空気極オフガスは燃焼部６２へ送出される。

燃焼部６２では、第２燃料電池セルスタック６８の燃料極６８Ａから排出された未反応成分を有する燃料極オフガスが燃焼される。

燃焼部６２の出口側には、燃焼排ガス管Ｐ８の一端が接続されており、燃焼部６２から、燃焼排ガス管Ｐ８へ燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガスは、改質器６０、第３熱交換器５４、第２熱交換器５２、及び第１熱交換器５０を順に通過した後、後述する熱交換器７０を介して外部（ヒートポンプシステム１０Ｂの系外）に排出される。

本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｂは、一端に上水を供給する図示しない上水道設備が設けられた配管Ｐ１４を備え、配管Ｐ１４の他端には、第１の水利用機器（図示省略）が接続されている。

配管Ｐ１４の中間部には、燃焼排ガス管Ｐ８に接続された熱交換器７０が設けられており、熱交換器７０は、上水と燃焼排ガスとの間で熱交換を行い、上水を加熱する。

また、配管Ｐ１４の中間部には、分岐配管Ｐ１４－２の一端が接続されており、分岐配管Ｐ１４－２の他端には、第２の水利用機器（図示省略）が接続されている。なお、分岐配管Ｐ１４－２の中間部には、流量調整弁７２、及び熱交換器７４が設けられており、熱交換器７４は、上水と燃料極６６Ａから排出される燃料極オフガスとの間で熱交換を行い、上水を加熱する。

図５に示す本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｂにおいて、図示が省略されている電気式ヒートポンプ１４の凝縮器１４Ｂは、熱交換器７０の下流側の配管Ｐ１４に設けてもよく、熱交換器７４の下流側の分岐配管Ｐ１４－２に設けてもよく、配管Ｐ１４の上流側に設けてもよい。
なお、本実施形態の電気式ヒートポンプ１４は、第１燃料電池セルスタック６６、及び第２燃料電池セルスタック６８で発電された電力によって駆動される。

（作用、効果）
本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｂの燃料電池１２は、第１燃料電池セルスタック６６と第２燃料電池セルスタック６８とを直列に接続した多段式の燃料電池であるため、多段式でない燃料電池（例えば、発電効率５０％程度）に比較して、効率的（例えば、発電効率６０％程度）に発電を行うことができる。

本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｂでは、配管Ｐ１４を流れる上水を、燃料電池１２の燃焼部６２から排出される燃焼排ガスの熱で加熱することができ、分岐配管Ｐ１４－２を流れる上水を、燃料極６６Ａから排出される燃料極オフガスの熱で加熱することができる。

本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｂでは、配管Ｐ１４を流れる上水、及び分岐配管Ｐ１４－２を流れる上水の少なくとも一方、または両方を、電気式ヒートポンプ１４の凝縮器１４Ｂの熱で加熱することができる。
本実施形態の電気式ヒートポンプ１４も、分散型発電機である燃料電池１２で発電された電力により駆動するので、温水生成時においては、系統電力により駆動される電気式ヒートポンプに比較して、大幅に１次エネルギー使用量を削減することができる。

なお、本実施形態では、分岐配管Ｐ１４－２を流れる上水を、燃料極６６Ａから排出される燃料極オフガスの熱で加熱したが、第４熱交換器５６を燃料極オフガス管Ｐ１２の中間部に設け、分岐配管Ｐ１４－２を流れる上水を、燃料極６８Ａから排出される燃料極オフガスの熱で加熱してもよい。

また、本実施形態では、上水を２系統に分割して、一方を熱交換器７０で加熱し、他方を熱交換器７４で加熱したが、分岐配管Ｐ１４－２を廃止し、配管Ｐ１４に熱交換器７０と熱交換器７４とを直列に設け、上水を熱交換器７４と熱交換器７０とで加熱してもよい。なお、熱交換器７４と熱交換器７０とを配管Ｐ１４に直列に設ける場合、熱交換器７４を熱交換器７０の上流側に設ける第１のパターンと、熱交換器７０を熱交換器７４の上流側に設ける第２のパターンがある。必要に応じて第１のパターン、及び第２のパターンを選択すればよい。また、切替弁を設けて第１のパターンと第２のパターンとを必要に応じて切り替えるようにしてもよい。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係るヒートポンプシステム１０Ｃを図６にしたがって説明する。なお、前述した実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。本実施形態は、請求項１０に対応する実施形態である。

本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｃでは、燃料電池１２を、燃料極オフガスを循環して再利用する循環式燃料電池としたものである。

図６に示すように、本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｃでは、第１燃料電池セルスタック６６の燃料極６６Ａから排出された燃料極オフガスの一部が、熱交換器７４を介して燃料再生部６４へ送出されると共に、燃料再生部６４から排出された再生燃料ガスが、再生燃料ガス管Ｐ１４を介して、第１燃料電池セルスタック６６の燃料極６６Ａへ送出されるように構成されている。

さらに、燃料極６６Ａから排出された燃料極オフガスの他の一部は、熱交換器７４の上流側の燃料極オフガス管Ｐ１３の途中から分岐した燃料極分岐オフガス管Ｐ１９を通って燃焼部６２へ送出さるように構成されている。
本実施形態のヒートポンプシステム１０Ｃは、第２の実施形態とは燃料電池１２の構成が異なるだけであり、その他の作用、効果は前述した実施形態と同様である。
なお、燃料再生ガスが戻る位置については一例であり、第１燃料電池セルスタック６６の上流であれば良い。

［その他の実施形態］
以上、本発明の一例について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

電力系統４２の系統電力としては、図示しない再生可能エネルギー発電で得られた余剰電力を用いてもよい。再生可能エネルギー発電として、一例として、太陽光発電、太陽熱発電、水力発電、風力発電、地熱発電、波力発電、温度差発電、バイオマス発電等を挙げることができるが、他のものであってもよい。これにより、再生可能エネルギー発電で得られた余剰電力を有効活用することができ、燃料電池用の燃料ガスの使用量を削減することもできる。
なお、系統電力が、直流電力の場合、図２に示す電力入出力制御装置１６において、直流交流変換装置２８、及び交流直流変換装置３２は、不要となる。

制御部２５は、系統電力からのデマンドレスポンスの要請（デマンドレスポンス信号ＤＳ１）に応じて、太陽光発電などの発電量が多く、電気供給量が過剰なときは系統電力を優先的に使用し、電気需要量が多いときは燃料ガスを優先的に使用して発電するように制御することもできる。

燃料電池１２の発電量と燃料電池の燃料ガスの使用量とは相関があるので、電力のデマンドレスポンス要請に応じて燃料電池１２の発電量と系統電力の使用量との調整をすることは、燃料ガスの使用量と系統電力の使用量とを調整することになる。

制御部２５は、電力系統４２の電気代、燃料ガスの価格に連動して、系統電力や分散型発電機で発電した電力を選択して使用してもよい。
例えば、制御部２５に、分散型発電機（実施形態では燃料電池１２）の単位電力量当たりのＣＯ_２原単位(燃料使用量と発電量とから得られる）、電力系統４２から送られた系統電力の単位電力量当たりのＣＯ_２原単位とを入力し、制御部２５で両者を比較してＣＯ_２原単位が低い電力を優先的に電気式ヒートポンプ等に供給するように制御部２５による制御をおこなってもよい。これにより、環境に対するＣＯ_２の排出量を削減することができる。

また、制御部２５に、分散型発電機（実施形態では燃料電池１２）の単位電力量当たりの価格や単位流量当たりの燃料費と、系統電力の単位電力量当たりの価格とを入力し、両者を比較して価格が低い電力を優先的に電気式ヒートポンプ等に供給するように制御部２５による制御を行ってもよい。これにより、低コストで電力を使用することができる。

上記実施形態では、分散型発電機として燃料電池を用いたが、本発明はこれに限らず、分散型発電機は、太陽光発電機等の燃料電池以外の発電機であってもよい。太陽光発電機の場合、直流対応の電気式ヒートポンプ１４に直流電力を供給することができる。

上記実施形態では、電気式ヒートポンプ１４で生成した温熱を温水の生成に用いたが、電気式ヒートポンプ１４で生成した温熱、及び冷熱は、冷暖房等の他の用途に用いることもできる。

また、余剰の直流電力は、蓄電池に蓄電してもよい。

上記実施形態では、直流対応の電気式ヒートポンプ１４を駆動したが、燃料電池１２で発電された直流電力を交流電力に変換して電力入出力制御装置１６は全て交流で制御し、交流対応の電気式ヒートポンプ１４を交流電力で駆動してもよい。

１０ ヒートポンプシステム
１２ 燃料電池（分散型発電機）
１４ 電気式ヒートポンプ
１６ 電力入出力制御装置
２５ 制御部（比較装置）
３８ 入出力装置（供給切替装置）
６４ 燃料再生部
６６ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池セルスタック）
６８ 第２燃料電池セルスタック（燃料電池セルスタック）
Ｐ１４ 配管（供給部）

Claims (12)

1. 電力を生成すると共に、排ガスを排出する燃料電池と、
   前記燃料電池で発電された前記電力、及び電力系統から供給される系統電力で駆動可能とされ、熱を生成する電気式ヒートポンプと、
   前記燃料電池、前記電力系統、及び前記電気式ヒートポンプに接続され、前記燃料電池、前記電力系統、及び前記電気式ヒートポンプとの間で前記電力、及び前記系統電力の入出力を制御する電力入出力制御装置と、
   一端から流体が流入し、他端から前記流体が排出される配管と、
   前記配管の中間部に設けられ、前記排ガスの熱で前記流体を加熱する上流側熱交換器と、
   前記配管の前記上流側熱交換器の下流側に設けられ、前記電気式ヒートポンプで生成された熱で前記流体を加熱する下流側熱交換器と、
   を備えたヒートポンプシステム。
2. 電力を生成し、燃料極オフガスを排出する燃料電池と、
   前記燃料極オフガスを燃焼させて燃焼排ガスを排出する燃焼部と、
   前記燃料電池で発電された前記電力、及び電力系統から供給される系統電力で駆動可能とされ、熱を生成する電気式ヒートポンプと、
   前記燃料電池、前記電力系統、及び前記電気式ヒートポンプに接続され、前記燃料電池、前記電力系統、及び前記電気式ヒートポンプとの間で前記電力、及び前記系統電力の入出力を制御する電力入出力制御装置と、
   一端から流入した流体が、分岐部で第１配管と第２配管とに分かれて流れ、前記第１配管の他端部と前記第２配管の他端部から排出される配管と、
   前記第１配管に設けられ、前記燃焼排ガスの熱で前記流体を加熱する上流側第１熱交換器と、
   前記第１配管の前記上流側第１熱交換器の下流側に設けられ、前記電気式ヒートポンプで生成された熱で前記流体を加熱する下流側第１熱交換器と、
   前記第２配管に設けられ、前記燃料極オフガスの熱で前記流体を加熱する上流側第２熱交換器と、
   前記第２配管の前記上流側第２熱交換器の下流側に設けられ、前記電気式ヒートポンプで生成された熱で前記流体を加熱する下流側第２熱交換器と、
   を備えたヒートポンプシステム。
3. 前記電力入出力制御装置は、前記燃料電池で発電された電力のうちの余剰電力分を、前記電力系統に逆潮する、
   請求項１または請求項２に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記電力入出力制御装置は、前記燃料電池で発電された電力のうちの余剰電力分を、前記電気式ヒートポンプを備えた需要家の前記電気式ヒートポンプ以外の電力使用機器に供給する、
   請求項１～請求項３の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
5. 前記電力入出力制御装置は、前記電気式ヒートポンプの消費電力量が前記燃料電池の電力で不足する場合に、前記系統電力を前記電気式ヒートポンプに供給する、
   請求項１～請求項４の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
6. 前記電力入出力制御装置は、前記燃料電池で発電された直流電力の余剰分をインバーターで交流に変換し、前記電力系統、及び前記需要家の少なくとも一方に供給する、請求項４、及び請求項４を引用する請求項５に記載のヒートポンプシステム。
7. 前記電気式ヒートポンプは、直流電力で駆動される、請求項１～請求項６の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
8. 前記燃料電池は、燃料ガスで発電を行ない、
   前記電力入出力制御装置は、電力のデマンドレスポンス要請に応じて、前記燃料ガス及び前記系統電力の使用量を調整する、
   請求項１～請求項７の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
9. 前記燃料電池は、複数の燃料電池スタックからなる多段式の燃料電池であり、
   前記電気式ヒートポンプは、少なくとも１つ以上の前記燃料電池スタックから出力される電力にて駆動される、
   請求項１～請求項８の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
10. 前記燃料電池は、水素を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、前記燃料極から燃料極オフガスを排出する燃料電池セルスタックを備えた燃料電池であり、
    前記燃料極から排出された前記燃料極オフガスの少なくとも一部を再生する燃料再生部と、
    前記燃料再生部から排出された再生燃料ガスを前記燃料電池セルスタックに供給する供給部と、
    を有している、請求項１～請求項９の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
11. 前記電力入出力制御装置は、前記電力系統から供給される交流の前記系統電力を、交流対応の前記電力使用機器に供給する、請求項４を引用する請求項５～請求項１０の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。
12. 電力入出力制御装置は、
    前記燃料電池で発電される電力のＣＯ_２原単位と系統電力のＣＯ_２原単位とを比較する比較装置と、
    前記比較に基づいて、前記電力、及び前記系統電力のうちのＣＯ_２原単位が低い方を前記電気式ヒートポンプに供給する供給切替装置と、
    を有する、請求項１～請求項１１の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。

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