JPH11281072A - 熱供給システム - Google Patents

熱供給システム

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JPH11281072A
JPH11281072A JP10083417A JP8341798A JPH11281072A JP H11281072 A JPH11281072 A JP H11281072A JP 10083417 A JP10083417 A JP 10083417A JP 8341798 A JP8341798 A JP 8341798A JP H11281072 A JPH11281072 A JP H11281072A
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heat
air
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hot water
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Akio Kawakami
彰雄 河上
Takashi Suzai
嵩 須齋
Yoshio Azegami
義男 畔上
Nobuyoshi Nishizawa
信好 西澤
Akira Hamada
陽 濱田
Osamu Tajima
収 田島
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池装置から排出される熱を利用して空
調装置による暖房時の効率を高めると共に給湯装置によ
り水を昇温し、燃料電池装置から排出される熱を効率よ
く回収する。 【解決手段】 システム制御装置４６は、空調装置１２
が暖房運転される時には燃料電池１６から排出された排
気ガスである高温空気が空調装置１２の室外機２４へ導
かれ、また空調装置１２が暖房運転以外の運転状態で運
転される時には燃料電池１６から排出された排気ガスで
ある高温空気が給湯装置１４の熱交換器４８へ導かれる
ようにダンパーユニット７６，７８を制御する。これに
より、暖房時には空調装置１２の熱交換器３０により、
また暖房以外の運転時には給湯装置１４の熱交換器４８
により燃料電池１６から排出された高温空気から熱回収
できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池から得ら
れる電気エネルギーにより運転される空調装置及び燃料
電池から排出される高温空気により水を昇温して蓄える
給湯装置を備えた熱供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は水素を空気中の酸素と反応さ
せることにより水素が有する化学エネルギーを電気エネ
ルギーへ変換する発電素子であり、この燃料電池を用い
た燃料電池装置は燃料電池で発電された電気エネルギー
を外部回路へ供給する。しかし燃料電池装置は、水素の
化学エネルギーを全て電気エネルギーへ変換することが
できず、水素の化学エネルギーの一部は燃料電池により
熱へ変換される。このため、燃料電池装置では、電気エ
ネルギー発生時の発熱反応により燃料電池の過熱を防止
する必要があり、燃料電池へ供給した空気及び冷却水に
より反応熱を吸収して燃料電池を冷却している。従っ
て、燃料電池へ供給された空気は高温の排気となって燃
料電池から排出される。
【０００３】上記のような燃料電池装置では電力変換効
率が４０〜６０％程度に制限されるが、燃料電池から排
出される熱エネルギーを回収することができれば、総合
的なエネルギー利用効率を高めて暖房や給湯等の熱供給
のために消費されるエネルギーに対するコスト負担を低
減できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、出力が
大きい燃料電池装置では発電時に多量の熱が排出される
ことから、この熱を回収して暖房や給湯等の熱供給へ利
用することが容易であるが、低出力の燃料電池装置、例
えば定格が数ｋＷ程度の燃料電池装置では、時間当たり
に排出される熱量が少ないことから、この熱を回収して
暖房や熱供給等の熱供給へ効率よく利用することが困難
であった。
【０００５】本発明の目的は、上記の事実を考慮し、燃
料電池装置から排出される熱を利用して空調装置による
暖房時の効率を高めると共に暖房運転を行っていない時
には給湯装置により水を昇温して燃料電池装置から排出
される熱を効率よく回収できる熱供給システムを提供す
ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の熱供給シ
ステムは、少なくとも室外熱交換器及び室内熱交換器を
有し、室外の熱を室内へ汲み上げるヒートポンプサイク
ルを行う空調装置と、燃料ガスを空気中の酸素と反応さ
せて発生させた電気エネルギーを前記空調装置へ供給す
ると共に、反応熱により昇温された反応後の高温空気を
排出する燃料電池装置と、前記高温空気との間で熱交換
して昇温された水を蓄える給湯装置と、前記空調装置が
暖房運転を行っている時には前記燃料電池装置から排出
された高温空気を前記室外熱交換器へ導き、前記空調装
置が暖房を行っていない時には前記燃料電池装置から排
出された高温空気を前記給湯装置へ導く排気切換手段
と、を有するものである。
【０００７】上記構成の熱供給システムによれば、空調
装置による暖房運転時には排気切換手段が燃料電池装置
から排出された高温空気を空調装置の室外熱交換器へ導
くことにより、燃料電池から排出された高温空気から空
調装置の室外熱交換器により熱回収でき、この高温空気
からの回収熱により熱交換の効率を高めることができる
ので、熱交換器の容量を増大することなく実質的な暖房
能力を高めることができる。この結果、外気温の低下に
伴って暖房能力が低下することを防止でき、かつ一定の
暖房状態を維持するために必要となる電力コストを低減
できる。
【０００８】また空調装置が暖房運転を行っていない時
には排気切換手段が燃料電池装置から排出された高温空
気を給湯装置へ導くことにより、燃料電池から排出され
た高温空気から給湯装置により熱回収でき、この高温空
気からの回収熱により水を昇温して温水として外部へ供
給できるので、水を昇温するために必要となるエネルギ
ーコストを抑制又は不要にできる。
【０００９】ここで、空調装置が暖房運転していない時
とは、例えば、運転停止時，冷房運転時，除湿運転時，
送風運転時等である。給湯装置へは、燃料電池装置が停
止している場合、燃料電池装置からの高温空気だけでは
熱量が不足する場合及び空調装置の停止している場合に
は燃料電池装置により電力エネルギーを供給するように
してもよい。
【００１０】請求項２記載の熱供給システムは、請求項
１記載の熱供給システムにおいて、前記排気切換手段
は、前記燃料電池装置を前記室外熱交換器及び前記給湯
装置へそれぞれ連通させる排気ダクトと、前記排気ダク
トへ配置されて前記燃料電池装置から導入された高温空
気の供給先を前記室外熱交換器又は前記給湯装置へ切り
換えるダンパーと、を有するものである。
【００１１】上記構成の熱供給システムによれば、燃料
電池装置から排気ダクトへ導入された高温空気の供給先
をダンパーにより熱交換器又は給湯装置へ切り換えるこ
とにより、空調装置の運転状態に応じて燃料電池装置か
ら排出された高温空気を熱交換器及び給湯装置の何れか
一方、又は双方へ供給することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。
【００１３】（実施形態の構成）図１から図３には本発
明の実施形態に係る熱供給システムが示されている。こ
の熱供給システムは、図１に示されるように燃料電池装
置１０，空調装置１２及び給湯装置１４を組合せ、ユー
ザに対して冷暖房及び温水等を提供可能にしたものであ
る。燃料電池装置１０は、一例として固体高分子形の燃
料電池（以下、燃料電池という）１６及び反応用の空気
を供給するロアー１８を備えている。燃料電池１６は複
数の電池セル（図示省略）を内蔵しており、これらの電
池セルの空気極へはブロアー１８により空気が供給さ
れ、水素極へは燃料ガス及び水が供給される。燃料電池
１６は、燃料ガス中の水素を空気中の酸素と反応させて
直流の電気エネルギーを発生する。燃料電池１６が発生
した直流の電気エネルギーはＤＣ／ＤＣコンバータ２０
により所定の電圧に変換された後に、ＤＣ／ＡＣインバ
ータ２２によりＡＣ２００Ｖ又はＡＣ１００Ｖへ変換さ
れて空調装置１２及び給湯装置１４の動力源として供給
される。尚、この電気エネルギーは二次電池系統へ供給
するようにしてもよい。ブロアー１８により燃料電池１
６の空気極へ供給された空気は、一部の酸素が水素極か
ら移動してきた水素と反応して水を生成すると共に、空
気極上において水が生成される際の反応熱を奪って高温
（４０°Ｃ以上）の空気として排気口から排出される。
【００１４】空調装置１２は、図１に示されるように家
屋Ｈの外部へ配置される室外機２４，家屋Ｈ内へ配置さ
れる室内機２６及び操作制御部２８を備えている。室外
機２４内には熱交換器３０，ファン３２が配置され、室
内機２６内にも熱交換器，ファン（図示省略）が配置さ
れている。また室外機２４と室内機２６とは熱交換媒体
（冷媒）が循環する配管３４，３６により接続されてお
り、配管３４には四方弁３８及び冷媒圧縮機４０を備え
た媒体切換回路４２が、配管３６には絞り弁４４がそれ
ぞれ配置されている。操作制御部２８には運転／停止ス
イッチ，冷房／暖房の運転切換スイッチ等の操作スイッ
チが配置されており、これらの操作スイッチに対するユ
ーザの操作に応じて空調装置１２の運転状態を制御する
と共に、この運転状態に対応する信号をシステム制御装
置４６へ出力する。
【００１５】給湯装置１４は、図１に示されるように熱
交換器４８，５０及び温水タンク５２を備えている。熱
交換器４８と熱交換器５０とは熱交換媒体が循環する配
管５４，５５により接続され、一方の配管５４には循環
ポンプ５６が配置されている。温水タンク５２には吸熱
管５８，水補給管６０及び温水供給管６２がそれぞれ接
続されている。ここで、吸熱管５８は、温水タンク５２
から延出して熱交換器５０内へ支持され、管内を流れる
水が熱交換器５０との間で熱交換を行う。また温水タン
ク５２には水温センサ６４が配置されると共に、その底
部にヒータ６６が一体的に設けられている。水温センサ
６４は温水タンク５２内へ貯められた水の水温を検出
し、検出水温と対応する信号を操作制御部６８へ出力す
る。またヒータ６６は、操作制御部６８を介して所定の
駆動電圧が印加されるとジュール熱を発生し、このジュ
ール熱により温水タンク５２内へ貯められている水を昇
温する。
【００１６】給湯装置１４の操作制御部６８は、温水タ
ンク５２内の水が予め設定された目標水温となるなよう
に循環ポンプ５６の駆動／停止及びヒータ６６からの発
熱量を制御する。この循環ポンプ５６の駆動時には熱交
換器４８と熱交換器５０との間で配管５４を通して熱交
換媒体が循環する。この時、熱交換器４８は外部から供
給された高温空気から熱交換媒体へ熱が供給されるよう
に熱交換し、熱交換器５０は、熱交換器４８により昇温
された熱交換媒体から吸熱管５８内を流れる水へ熱を供
給し、吸熱管５８内を流れる水を昇温する。操作制御部
６８は、高温空気との間で熱交換する熱交換器５０から
供給される熱だけでは温水タンク５２内の水が目標水温
まで昇温されない場合及び熱交換器４８へ必要な高温空
気が供給されない場合には、ヒータ６４へ駆動電圧を印
加してヒータ６４により温水タンク５２内の水を目標水
温まで昇温させる。このようにして温水タンク５２内へ
蓄えられた水（温水）は、温水供給管６２に配置された
バルブ６９が開かれると外部へ流れ出てフロ，台所等へ
温水として供給される。また、温水タンク５２内の水
（温水）が所定量以下になると、水補給管６０からは温
水タンク５２内へ水が補給される。ここで、吸熱管５８
内へはポンプ（図示省略）により温水タンク５２内へ貯
められた水を循環させるようにしても、あるいは水補給
管６０から供給される加圧された水を供給し、吸熱管５
８から排出された温水を温水タンク５２内へ落とすよう
にしてもよい。また熱交換器４８内へ熱交換媒体を流す
代わりに、温水タンク５２内の水を流し、熱交換器４８
により水を昇温して温水タンク５２内へ戻すようにして
もよい。この場合には熱交換器５０を不要として給湯装
置１４のコストを低減できる。
【００１７】本実施形態の熱供給システムでは、図１に
示されるように燃料電池１６の排気口へ排気ダクト７０
が接続されている。この排気ダクト７０は経路途中で排
気ダクト７２と排気ダクト７４とに分岐しており、排気
ダクト７２は排気空調装置１２の室外機２４へ接続さ
れ、排気ダクト７４は給湯装置１４の熱交換器４８へ接
続されている。排気ダクト７０，７２は燃料電池１６の
排気口を室外機２４におけるファン３２の吸気口へ連通
させ、排気ダクト７０，７４は燃料電池１６の排気口を
熱交換器４８における空気の吸気口へ連通させている。
【００１８】排気ダクト７０から排気ダクト７２，７４
への分岐部にはダンパーユニット７６が、排気ダクト７
２の経路途中にはダンパーユニット７８がそれぞれ設け
られている。ダンパーユニット７６は、図３に示される
ように板状のダンパー８０及び、このダンパー８０の支
軸８０Ａへ連結したアクチュエータ８２から構成されて
いる。ダンパー８０は、排気ダクト７２，７４の接続部
を形成したダクト壁へ配置された支軸８０Ａを中心とし
て揺動可能に支持され、アクチュエータ８２はシステム
制御装置４６からの制御信号に応じてダンパー８０を排
気ダクト７２及び排気ダクト７４の何れか一方の入口開
口を閉鎖する位置へ揺動させる。
【００１９】排気ダクト７２には、図３に示されるよう
に経路途中に吸気開口８４が設けられている。ダンパー
ユニット７８は、ダンパーユニット７６と同様にダンパ
ー８６及び、このダンパー８６の支軸８６Ａへ連結した
アクチュエータ８８から構成されている。ダンパー８６
は、吸気開口の周縁部を形成したダクト壁へ配置された
支軸８６Ａを中心として揺動可能に支持され、アクチュ
エータ８８はシステム制御装置４６からの制御信号に応
じてダンパー８６を吸気開口８４を閉鎖又は開放させる
位置へ揺動させる。
【００２０】（実施形態の作用）上記のように構成され
た本実施形態の熱供給システムの動作及び作用について
説明する。
【００２１】先ず、空調装置１２を暖房運転する場合に
おける熱供給システムの動作を説明する。システム制御
装置４６は、空調装置１２の操作制御部２８から暖房運
転の開始を通知する信号が入力すると、図３（Ａ）に示
されるようにアクチュエータ８２によりダンパー８０を
排気ダクト７４の入口開口を閉鎖し、排気ダクト７２の
入口開口を開放する位置へ揺動させると共に、アクチュ
エータ８８によりダンパー８６を排気ダクト７４の吸気
開口８４を閉鎖する位置へ揺動させる。これにより、燃
料電池１６から排出される高温空気は室外機２４におけ
るファン３２の吸気口へ導かれ、ファン３２により吸引
されて熱交換器３０へ供給される。また、暖房運転開始
へ同期させて操作制御部２８は、図１（Ａ）に示される
ように媒体切換回路４２の四方弁３８の位置を制御し、
これにより、圧縮機４０の駆動時に室内機２６，配管３
６，絞り弁４４，室外機２４及び配管３４を循環する冷
媒を暖房運転へ対応する循環方向（ヒートポンプサイク
ル）（図１では時計方向）へ流通させる。この後、操作
制御部２８は、圧縮機４０，室外機２４のファン３２及
び室内機２６のファンをそれぞれ所定のタイミングで駆
動開始させる。これにより、室外機２４で冷媒が蒸発し
て熱交換器３０がファン３２により吸引された空気から
冷媒へ熱を汲み上げるように熱交換を行う。この冷媒は
配管３４を通して圧縮機４０で圧縮された後、室内機２
６の熱交換器へ移動して凝縮し、室内機２６の熱交換器
が冷媒から室内機２６のファンにより吸入された空気へ
この凝縮熱が熱供給されるように熱交換を行う。これに
より、昇温した空気が温風として室内機２６のファンに
より吹き出されて家屋Ｈ内を暖房する。
【００２２】一方、給湯装置１４は、空調装置１４の暖
房運転時には熱交換器４８へ高温空気が供給されないの
で循環ポンプ５６を停止し、ヒータ６６により温水タン
ク５２内の水を昇温して温水供給管６２を通して外部へ
供給する。
【００２３】次に、空調装置１２を運転停止する場合及
び暖房運転以外の運転状態（例えば冷房運転）で運転す
る場合における動作を説明する。システム制御装置４６
は、空調装置１２の操作制御部２８から暖房運転の終了
を通知する信号が入力すると、図３（Ｂ）に示されるよ
うにアクチュエータ８２によりダンパー８０を排気ダク
ト７２の入口開口を閉鎖し、排気ダクト７４の入口開口
を開放する位置へ揺動させると共に、アクチュエータ８
８によりダンパー８６を排気ダクト７４の吸気開口８４
を開放する位置へ揺動させる。ダンパー８０によりダク
ト７２の入口開口を閉鎖し、排気ダクト７４の入口開口
を開放することにより、燃料電池１６から排出される高
温空気は給湯装置１４における熱交換器４８へ供給され
る。またダンパー８６を排気ダクト７４の吸気開口８４
を開放する位置へ揺動させることにより、室外機２４の
ファン３２は吸気開口８４を通して排気ダクト７２内へ
供給される外気を吸引し、熱交換器３０へ供給する。こ
こで、システム制御装置４６は、操作制御部２８から暖
房運転の開始を通知する信号が入力するまで、ダンパー
８０，８６を図３（Ｂ）に示される位置へ保持する。従
って、空調装置１２が暖房運転以外の運転状態、例えば
冷房，送風等で運転される場合には、燃料電池１６から
給湯装置１４の熱交換器２８へ高温空気が供給される。
【００２４】給湯装置１４における操作制御部６８は、
空調装置１２が暖房運転以外の運転状態で運転される場
合に循環ポンプ５６を駆動して熱交換器４８，５０によ
り温水タンク５２内へ貯められた水を昇温し、熱交換器
４８，５０からの供給熱だけでは設定温度まで水を昇温
できない場合には、ヒータ６６を駆動して温水タンク５
２内の水を設定温度まで昇温する。また操作制御部６８
は、空調装置１２の運転が停止される場合にも循環ポン
プ５６を駆動する。この場合には空調装置１２により電
気エネルギーが消費されないが、給湯装置１４のヒータ
６６により電気エネルギーが消費されることから、この
電力消費に応じた高温空気が燃料電池１６から排出され
るので、熱交換器４８により高温空気からの熱回収が可
能になる。
【００２５】一方、空調装置１２の操作制御部２８は、
送風運転をする場合には室内機２６のファンを駆動させ
ることにより、家屋Ｈ内の空気を吸引して送風口から空
気を吹き出す。また冷房運転をする場合には、図１
（Ｂ）に示されるように冷房運転開始へ同期させて媒体
切換回路４２の四方弁３８の位置を制御し、これによ
り、圧縮機４０の駆動時に室外機２４，配管３４，室内
機２６，絞り弁４４及び配管３６を循環する冷媒を冷房
運転へ対応する循環方向（図１では反時計方向）へ流通
させる。この後、操作制御部２８は、圧縮機４０，室外
機２４のファン３２及び室内機２６のファンをそれぞれ
所定のタイミングで駆動開始させる。これにより、室内
機２６の熱交換器で冷媒が蒸発して室内の空気からこの
冷媒へ吸熱されるように熱交換を行う。この吸熱反応に
より冷却された空気は、冷風として室内機２６のファン
により吹き出されて家屋Ｈ内を冷房する。また熱吸収し
た冷媒は圧縮機４０を介して室外機２４の熱交換器３０
へ移動して凝縮し、熱交換器３０が冷媒の凝集熱を外気
へ排出されるように熱交換を行う。
【００２６】以上説明した本実施形態の熱供給システム
によれば、空調装置１２による暖房時には燃料電池１６
から排出された高温空気を室外機２４の熱交換器３０へ
供給することにより、燃料電池１６から排出された高温
空気から空調装置１２の熱交換器３０により熱回収で
き、この回収熱により熱交換器３０による熱交換の効率
を高めることができるので、熱交換器３０の容量を増大
することなく実質的な暖房能力を高めることができる。
この結果、外気温の低下に伴って空調装置１２による暖
房能力が低下することを防止でき、かつ一定の暖房状態
を維持するために必要となる電力コストを低減できる。
【００２７】また空調装置１２が停止している時及び暖
房以外の運転状態で運転されている時には燃料電池１６
から排出された高温空気を給湯装置１４の熱交換器４８
へ供給することにより、燃料電池１６から排出された高
温空気から給湯装置１４の熱交換器４８により熱回収で
き、この回収熱により水を昇温して温水として外部へ供
給できるので、水を設定温度まで昇温するために必要と
なる電力，天然ガス等を減少させエネルギーコストを抑
制できる。
【００２８】尚、以上説明した本実施形態の熱供給シス
テムでは、空調装置１２の運転状態に応じて燃料電池１
６から排出される高温空気が空調装置１２の室外機２４
及び給湯装置１４の熱交換器４８の何れかへ全量供給さ
れるとして説明を行ったが、空調装置１２の暖房運転時
においても外気温が高い場合や低強度での暖房時には、
必ずしも燃料電池１６から排出される高温空気を全て室
外機２４へ供給せずに、燃料電池１６から排出される高
温空気の一部が熱交換器４８へ供給されるような位置へ
ダンパー８０が保持してもよい。また、空調装置１２へ
設定された暖房強度に対して燃料電池１６から排出され
る高温空気の温度が高すぎる場合には、高温空気へ外気
が混合されるようにダンパー８６を吸気開口８４を僅か
に開放する位置へ保持し、外気により温度調整した高温
空気を室外機２４へ供給するようにしてもよい。また、
空調装置１２の暖房時における熱回収の効率を更に高め
るために、室外器２４において熱交換され排出される空
気を給湯装置１４の熱交換器４８へ供給するダクトを設
けてもよい。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の熱供給シ
ステムによれば、燃料電池装置から排出される熱を利用
して空調装置による暖房時の効率を高めると共に、燃料
電池装置から排出される熱を利用して給湯装置により水
を昇温することにより、燃料電池装置から排出される熱
を効率よく回収できる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る熱供給システムにおけ
る空調装置が暖房運転されている状態を示す示すブロッ
ク図である。
【図２】本発明の実施形態に係る熱供給システムにおけ
る空調装置が冷房運転されている状態を示す示すブロッ
ク図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池装置を空調装
置及び給湯装置へ接続した排気ダクト及び、この排気ダ
クトへ設けられたダンパーユニットの構成を示す断面図
である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池装置 １２ 空調装置 １４ 給湯装置 １６ 燃料電池（固体高分子形燃料電池） １８ ブロアー ２４ 室外機 ２６ 室内機 ３０ 熱交換器（室外熱交換器） ３２ ファン ４６ システム制御装置 ４８ 熱交換器 ５０ 熱交換器 ５２ 温水タンク ７０ 排気ダクト（排気切換手段） ７２ 排気ダクト（排気切換手段） ７４ 排気ダクト（排気切換手段） ７６ ダンパーユニット（排気切換手段） ７８ ダンパーユニット（排気切換手段） ８０ ダンパー ８６ ダンパー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西澤 信好 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 濱田 陽 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 田島 収 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも室外熱交換器及び室内熱交換
    器を有し、室外の熱を室内へ汲み上げるヒートポンプサ
    イクルを行う空調装置と、 燃料ガスを空気中の酸素と反応させて発生させた電気エ
    ネルギーを前記空調装置へ供給すると共に、反応熱によ
    り昇温された反応後の高温空気を排出する燃料電池装置
    と、 前記高温空気との間で熱交換して昇温された水を蓄える
    給湯装置と、 前記空調装置が暖房運転を行っている時には前記燃料電
    池装置から排出された高温空気を前記室外熱交換器へ導
    き、前記空調装置が暖房を行っていない時には前記燃料
    電池装置から排出された高温空気を前記給湯装置へ導く
    排気切換手段と、 を有することを特徴とする熱供給システム。
  2. 【請求項２】 前記排気切換手段は、 前記燃料電池装置を前記室外熱交換器及び前記給湯装置
    へそれぞれ連通させる排気ダクトと、 前記排気ダクトへ配置されて前記燃料電池装置から導入
    された高温空気の供給先を前記室外熱交換器又は前記給
    湯装置へ切り換えるダンパーと、 を有することを特徴とする請求項１記載の熱供給システ
    ム。
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