JP3670832B2

JP3670832B2 - Heat supply system

Info

Publication number: JP3670832B2
Application number: JP08341798A
Authority: JP
Inventors: 彰雄河上; 嵩須齋; 義男畔上; 信好西澤; 陽濱田; 収田島
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2018-03-30
Also published as: JPH11281072A

Description

【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記載の発明は、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、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、を有する熱供給システムにおいて、前記給湯装置は、前記高温空気と前記水との間で熱交換することにより、前記水を昇温する第１の加熱手段と、前記燃料電池装置と電力経路を介して接続され、前記水の温度を監視する給湯装置制御部と、前記第１の加熱手段とは別体で設けられ、前記水が目標温度に達していない時に前記水を加熱する第２の加熱手段と、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１６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６６へ駆動電圧を印加してヒータ６６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５８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７２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３６，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２６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８８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５２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１６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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an air conditioner that is operated by electric energy obtained from a fuel cell, and a heat supply system that includes a hot water supply device that heats and stores water using high-temperature air discharged from the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a power generation element that converts the chemical energy of hydrogen into electrical energy by reacting hydrogen with oxygen in the air. A fuel cell device using this fuel cell converts the electrical energy generated by the fuel cell to the outside Supply to the circuit. However, the fuel cell device cannot convert all of the chemical energy of hydrogen into electric energy, and part of the chemical energy of hydrogen is converted into heat by the fuel cell. For this reason, in the fuel cell device, it is necessary to prevent overheating of the fuel cell due to an exothermic reaction when electric energy is generated, and the fuel cell is cooled by absorbing reaction heat with air and cooling water supplied to the fuel cell. . Therefore, the air supplied to the fuel cell is discharged from the fuel cell as high-temperature exhaust.
[0003]
In the fuel cell apparatus as described above, the power conversion efficiency is limited to about 40 to 60%. However, if the thermal energy discharged from the fuel cell can be recovered, the overall energy utilization efficiency can be improved to increase the heating and hot water supply. It is possible to reduce the cost burden on the energy consumed for the heat supply.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, since a large amount of heat is discharged during power generation in a fuel cell device with a large output, it is easy to recover this heat and use it for heat supply such as heating and hot water supply. For example, in a fuel cell device with a rating of about several kW, since the amount of heat discharged per hour is small, it is difficult to recover this heat and efficiently use it for heat supply such as heating and heat supply. .
[0005]
In view of the above facts, the object of the present invention is to increase the efficiency during heating by the air conditioner by using the heat discharged from the fuel cell device, and when the heating operation is not performed, the temperature of the water is raised by the hot water supply device. Another object of the present invention is to provide a heat supply system that can efficiently recover the heat discharged from the fuel cell device.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 includes an air conditioner that has at least an outdoor heat exchanger and an indoor heat exchanger, performs a heat pump cycle for pumping outdoor heat indoors, and generates fuel gas by reacting with oxygen in the air. electrical energy is supplied to the air-conditioning apparatus, a fuel cell system for discharging the hot air after the reaction, which is heated by the reaction heat, a hot water supply device for storing the heating water, the air conditioning system of the heating operation Exhaust gas that guides hot air discharged from the fuel cell device to the outdoor heat exchanger when performing, and guides hot air discharged from the fuel cell device to the hot water supply device when the air conditioner is not heating and switching means, in the heat supply system having the hot water supply apparatus, by heat exchange between the water and the hot air, and a first heating means for heating the water, When the water does not reach the target temperature, it is connected to the fuel cell device via a power path, and is provided separately from the hot water supply device controller for monitoring the temperature of the water and the first heating means. And a second heating means for heating the water .
[0007]
According to the heat supply system having the above-described configuration, the high temperature air discharged from the fuel cell is generated by the exhaust gas switching unit guiding the high temperature air discharged from the fuel cell device to the outdoor heat exchanger of the air conditioner during the heating operation by the air conditioner. Heat can be recovered by the outdoor heat exchanger of the air conditioner, and the efficiency of heat exchange can be increased by the recovered heat from this high-temperature air, so that the substantial heating capacity can be increased without increasing the capacity of the heat exchanger. Can do. As a result, it is possible to prevent the heating capacity from being lowered with a decrease in the outside air temperature, and it is possible to reduce the power cost necessary for maintaining a constant heating state.
[0008]
Further, when the air conditioner is not performing heating operation, the exhaust gas switching means guides the high temperature air discharged from the fuel cell device to the hot water supply device, so that the hot water supply device can recover heat from the high temperature air discharged from the fuel cell. Since the temperature of the water can be raised by the heat recovered from the air and supplied to the outside as warm water, the energy cost required to raise the temperature of the water can be suppressed or eliminated.
[0009]
Here, the time when the air conditioner is not in the heating operation is, for example, when the operation is stopped, during the cooling operation, during the dehumidifying operation, during the air blowing operation, or the like. To the hot water supply device may supply the electric energy by the fuel cell system when only the hot air from the fuel cell apparatus is stopped if and air conditioning system heat is insufficient.
[0010]
The heat supply system according to claim 2 is the heat supply system according to claim 1, wherein the exhaust gas switching unit communicates the fuel cell device with the outdoor heat exchanger and the hot water supply device, respectively, and the exhaust gas. A damper that is disposed in a duct and switches a supply destination of high-temperature air introduced from the fuel cell device to the outdoor heat exchanger or the hot water supply device.
[0011]
According to the heat supply system having the above configuration, the fuel cell device is switched according to the operating state of the air conditioner by switching the supply destination of the high-temperature air introduced from the fuel cell device to the exhaust duct to the heat exchanger or the hot water supply device by the damper. It becomes possible to supply the high-temperature air discharged from the heat exchanger, the hot water supply device, or both.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0013]
(Configuration of the embodiment)
1 to 3 show a heat supply system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, this heat supply system combines a fuel cell device 10, an air conditioner 12, and a hot water supply device 14 so as to provide air conditioning and hot water to a user. As an example, the fuel cell device 10 includes a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) 16 and a lower 18 that supplies reaction air. The fuel cell 16 includes a plurality of battery cells (not shown). Air is supplied to the air electrode of these battery cells by the blower 18, and fuel gas and water are supplied to the hydrogen electrode. The fuel cell 16 reacts hydrogen in the fuel gas with oxygen in the air to generate DC electric energy. The direct current electric energy generated by the fuel cell 16 is converted into a predetermined voltage by the DC / DC converter 20 and then converted into AC 200 V or AC 100 V by the DC / AC inverter 22 to serve as a power source for the air conditioner 12 and the hot water supply device 14. Supplied. This electric energy may be supplied to the secondary battery system. The air supplied to the air electrode of the fuel cell 16 by the blower 18 generates water by reacting with a part of oxygen that has moved from the hydrogen electrode, and heat of reaction when water is generated on the air electrode. Is exhausted from the exhaust port as high-temperature (40 ° C or higher) air.
[0014]
As shown in FIG. 1, the air conditioner 12 includes an outdoor unit 24 arranged outside the house H, an indoor unit 26 arranged inside the house H, and an operation control unit 28. A heat exchanger 30 and a fan 32 are arranged in the outdoor unit 24, and a heat exchanger and a fan (not shown) are also arranged in the indoor unit 26. The outdoor unit 24 and the indoor unit 26 are connected to each other by pipes 34 and 36 through which a heat exchange medium (refrigerant) circulates. The pipe 34 includes a medium switching circuit 42 including a four-way valve 38 and a refrigerant compressor 40. A throttle valve 44 is disposed in each pipe 36. The operation control unit 28 is provided with operation switches such as an operation / stop switch and an operation switching switch for cooling / heating. The operation control unit 28 controls the operation state of the air conditioner 12 in accordance with a user operation on these operation switches. A signal corresponding to this operating state is output to the system controller 46.
[0015]
The hot water supply apparatus 14 includes heat exchangers 48 and 50 and a hot water tank 52 as shown in FIG. The heat exchanger 48 and the heat exchanger 50 are connected by pipes 54 and 55 through which a heat exchange medium circulates, and a circulation pump 56 is disposed in one pipe 54. An endothermic pipe 58, a water supply pipe 60, and a hot water supply pipe 62 are connected to the hot water tank 52, respectively. Here, the heat absorption pipe 58 extends from the hot water tank 52 and is supported in the heat exchanger 50, and water flowing through the pipe exchanges heat with the heat exchanger 50. A water temperature sensor 64 is disposed in the hot water tank 52, and a heater 66 is integrally provided at the bottom thereof. The water temperature sensor 64 detects the water temperature of the water stored in the hot water tank 52 and outputs a signal corresponding to the detected water temperature to the operation control unit 68. The heater 66 generates Joule heat when a predetermined drive voltage is applied via the operation control unit 68, and raises the temperature of the water stored in the hot water tank 52 by the Joule heat.
[0016]
The operation control unit 68 of the hot water supply device 14 controls the drive / stop of the circulation pump 56 and the amount of heat generated from the heater 66 so that the water in the hot water tank 52 reaches a preset target water temperature. When the circulation pump 56 is driven, the heat exchange medium circulates between the heat exchanger 48 and the heat exchanger 50 through the pipe 54. At this time, the heat exchanger 48 performs heat exchange so that heat is supplied from the high-temperature air supplied from the outside to the heat exchange medium, and the heat exchanger 50 uses the heat exchange medium heated by the heat exchanger 48. Heat is supplied to the water flowing in the endothermic tube 58, and the temperature of the water flowing in the endothermic tube 58 is raised. The operation control unit 68 is used when the water in the hot water tank 52 is not heated up to the target water temperature only by the heat supplied from the heat exchanger 50 that exchanges heat with the high temperature air and when the high temperature air necessary for the heat exchanger 48 is reached. There if not supplied, thereby raising the temperature of the water in the hot water tank 52 to a target temperature by the heater 66 by applying a driving voltage to the heater 66. The water (warm water) stored in the warm water tank 52 in this way flows out to the outside when the valve 69 arranged in the warm water supply pipe 62 is opened, and is supplied as warm water to the floor, kitchen, and the like. Further, when the amount of water (warm water) in the hot water tank 52 becomes a predetermined amount or less, water is replenished from the water refill pipe 60 into the warm water tank 52. Here, the water stored in the hot water tank 52 is circulated into the heat absorption pipe 58 by a pump (not shown), or pressurized water supplied from the water supply pipe 60 is supplied, The hot water discharged from the heat absorption pipe 58 may be dropped into the hot water tank 52. Instead of flowing the heat exchange medium into the heat exchanger 48, the water in the hot water tank 52 may be flowed so that the temperature of the water is raised by the heat exchanger 48 and returned to the hot water tank 52. In this case, the heat exchanger 50 is not required, and the cost of the hot water supply device 14 can be reduced.
[0017]
In the heat supply system of the present embodiment, an exhaust duct 70 is connected to the exhaust port of the fuel cell 16 as shown in FIG. The exhaust duct 70 is branched into an exhaust duct 72 and an exhaust duct 74 in the middle of the route, and the exhaust duct 72 is connected to the outdoor unit 24 of the exhaust air conditioner 12, and the exhaust duct 74 is connected to the heat exchanger 48 of the hot water supply device 14. Connected to. The exhaust ducts 70 and 72 communicate the exhaust port of the fuel cell 16 to the intake port of the fan 32 in the outdoor unit 24, and the exhaust ducts 70 and 74 communicate the exhaust port of the fuel cell 16 to the air intake port of the heat exchanger 48. I am letting.
[0018]
A damper unit 76 is provided at a branch portion from the exhaust duct 70 to the exhaust ducts 72 and 74, and a damper unit 78 is provided in the middle of the path of the exhaust duct 72. As shown in FIG. 3, the damper unit 76 includes a plate-like damper 80 and an actuator 82 connected to a support shaft 80 </ b> A of the damper 80. The damper 80 is supported so as to be swingable about a support shaft 80A disposed on the duct wall forming the connection portion of the exhaust ducts 72 and 74, and the actuator 82 is responsive to a control signal from the system control device 46. Is swung to a position where the inlet opening of one of the exhaust duct 72 and the exhaust duct 74 is closed.
[0019]
As shown in FIG. 3, the exhaust duct 72 is provided with an intake opening 84 in the middle of the path. Similarly to the damper unit 76, the damper unit 78 includes a damper 86 and an actuator 88 connected to a support shaft 86 </ b> A of the damper 86. The damper 86 is supported so as to be swingable about a support shaft 86A disposed on the duct wall that forms the peripheral edge of the intake opening, and the actuator 88 opens the damper 86 in accordance with a control signal from the system controller 46. Swing 84 to a position to close or open.
[0020]
(Operation of the embodiment)
The operation and action of the heat supply system of the present embodiment configured as described above will be described.
[0021]
First, the operation of the heat supply system when the air conditioner 12 is operated for heating will be described. When a signal for notifying the start of the heating operation is input from the operation control unit 28 of the air conditioner 12, the system control device 46 causes the actuator 82 to connect the damper 80 to the inlet opening of the exhaust duct 74 as shown in FIG. The damper 86 is swung to a position where the inlet opening of the exhaust duct 72 is opened, and the damper 86 is swung to a position where the intake opening 84 of the exhaust duct 74 is closed by the actuator 88. As a result, the high-temperature air discharged from the fuel cell 16 is guided to the intake port of the fan 32 in the outdoor unit 24, sucked by the fan 32, and supplied to the heat exchanger 30. Further, in synchronization with the start of the heating operation, the operation control unit 28 controls the position of the four-way valve 38 of the medium switching circuit 42 as shown in FIG. 1 (A), whereby the indoor unit is driven when the compressor 40 is driven. 26, the pipe 36, the throttle valve 44, the outdoor unit 24, and the pipe 34 are circulated in a circulation direction (heat pump cycle) (clockwise in FIG. 1) corresponding to the heating operation. Thereafter, the operation control unit 28 starts driving the compressor 40, the fan 32 of the outdoor unit 24, and the fan of the indoor unit 26 at predetermined timings. Thus, heat exchange is performed so that the refrigerant evaporates in the outdoor unit 24 and the heat exchanger 30 pumps heat from the air sucked by the fan 32 to the refrigerant. The refrigerant is compressed by the compressor 40 through the pipe 34, then moves to the heat exchanger of the indoor unit 26 and condenses, and the heat exchanger of the indoor unit 26 changes from the refrigerant to the air sucked by the fan of the indoor unit 26. Heat exchange is performed so that the heat of condensation is supplied. As a result, the heated air is blown out by the fan of the indoor unit 26 as hot air, thereby heating the house H.
[0022]
On the other hand, the hot water supply device 14 stops the circulation pump 56 because the high temperature air is not supplied to the heat exchanger 48 during the heating operation of the air conditioner 14, and the water in the hot water tank 52 is heated by the heater 66 to warm the hot water supply pipe 62. To supply outside.
[0023]
Next, the operation when the air conditioner 12 is stopped and when it is operated in an operation state other than the heating operation (for example, cooling operation) will be described. When a signal for notifying the end of the heating operation is input from the operation control unit 28 of the air conditioner 12, the system control device 46 causes the damper 82 to open the inlet opening of the exhaust duct 72 by the actuator 82 as shown in FIG. It closes and swings to the position where the inlet opening of the exhaust duct 74 is opened, and the damper 86 is swung to the position where the intake opening 84 of the exhaust duct 74 is opened by the actuator 88. By closing the inlet opening of the duct 72 by the damper 80 and opening the inlet opening of the exhaust duct 74, the high-temperature air discharged from the fuel cell 16 is supplied to the heat exchanger 48 in the hot water supply device 14. Further, by swinging the damper 86 to a position where the intake opening 84 of the exhaust duct 74 is opened, the fan 32 of the outdoor unit 24 sucks the outside air supplied into the exhaust duct 72 through the intake opening 84, and the heat exchanger 30. To supply. Here, the system control device 46 holds the dampers 80 and 86 at the positions shown in FIG. 3B until a signal notifying the start of the heating operation is input from the operation control unit 28. Therefore, when the air conditioner 12 is operated in an operating state other than the heating operation, for example, cooling, blowing, etc., high-temperature air is supplied from the fuel cell 16 to the heat exchanger 28 of the hot water supply device 14.
[0024]
The operation control unit 68 in the hot water supply device 14 drives the circulation pump 56 when the air conditioner 12 is operated in an operation state other than the heating operation, and stores the water stored in the hot water tank 52 by the heat exchangers 48 and 50. When the temperature is raised and water cannot be raised to the set temperature only by the heat supplied from the heat exchangers 48 and 50, the heater 66 is driven to raise the temperature of the water in the hot water tank 52 to the set temperature. The operation control unit 68 also drives the circulation pump 56 when the operation of the air conditioner 12 is stopped. In this case, the electric energy is not consumed by the air conditioner 12, but since the electric energy is consumed by the heater 66 of the hot water supply device 14, high-temperature air corresponding to this power consumption is discharged from the fuel cell 16, so The exchanger 48 allows heat recovery from hot air.
[0025]
On the other hand, the operation control unit 28 of the air conditioner 12 drives the fan of the indoor unit 26 to perform air blowing operation, thereby sucking air in the house H and blowing out air from the air blowing port. When performing the cooling operation, the position of the four-way valve 38 of the medium switching circuit 42 is controlled in synchronization with the start of the cooling operation as shown in FIG. The refrigerant circulating through the machine 24, the pipe 34, the indoor unit 26, the throttle valve 44 and the pipe 36 is circulated in the circulation direction (counterclockwise in FIG. 1) corresponding to the cooling operation. Thereafter, the operation control unit 28 starts driving the compressor 40, the fan 32 of the outdoor unit 24, and the fan of the indoor unit 26 at predetermined timings. Thereby, heat exchange is performed so that the refrigerant evaporates in the heat exchanger of the indoor unit 26 and the heat is absorbed from the indoor air to the refrigerant. The air cooled by the endothermic reaction is blown out by the fan of the indoor unit 26 as cold air to cool the house H. Further, the heat-absorbed refrigerant moves to the heat exchanger 30 of the outdoor unit 24 through the compressor 40 and condenses, and the heat exchanger 30 performs heat exchange so that the condensed heat of the refrigerant is discharged to the outside air.
[0026]
According to the heat supply system of the present embodiment described above, high-temperature air discharged from the fuel cell 16 is supplied from the fuel cell 16 to the heat exchanger 30 of the outdoor unit 24 during heating by the air conditioner 12, thereby being discharged from the fuel cell 16. Since the heat can be recovered from the high-temperature air by the heat exchanger 30 of the air conditioner 12 and the efficiency of heat exchange by the heat exchanger 30 can be increased by the recovered heat, the heat exchanger 30 can be substantially increased without increasing the capacity. Heating capacity can be increased. As a result, it is possible to prevent the heating capacity of the air conditioner 12 from being lowered with a decrease in the outside air temperature, and it is possible to reduce the power cost required to maintain a constant heating state.
[0027]
Further, when the air conditioner 12 is stopped and when the air conditioner 12 is operated in an operation state other than heating, the high temperature air discharged from the fuel cell 16 is supplied to the heat exchanger 48 of the hot water supply device 14. Heat can be recovered from the discharged high-temperature air by the heat exchanger 48 of the hot water supply device 14, and water can be heated up by this recovered heat and supplied to the outside as hot water. Energy costs can be reduced by reducing electricity and natural gas.
[0028]
In the heat supply system of the present embodiment described above, the high-temperature air discharged from the fuel cell 16 according to the operating state of the air conditioner 12 is supplied to the outdoor unit 24 of the air conditioner 12 and the heat exchanger 48 of the hot water supply device 14. Although the description has been made assuming that the entire amount is supplied to any one of the outdoor units, when the outside air temperature is high or when the air conditioner 12 is heated at a low strength, all the high-temperature air discharged from the fuel cell 16 is not always used in the outdoor unit. The damper 80 may be held at a position where a part of the high-temperature air discharged from the fuel cell 16 is supplied to the heat exchanger 48 without being supplied to the fuel cell 16. Further, when the temperature of the high-temperature air discharged from the fuel cell 16 is too high for the heating intensity set in the air conditioner 12, the damper 86 is slightly opened through the intake opening 84 so that the outside air is mixed with the high-temperature air. It is possible to supply the outdoor unit 24 with high-temperature air that is held at a position where it is open and is adjusted by the outside air. Further, in order to further increase the efficiency of heat recovery during heating of the air conditioner 12, a duct for supplying the air exchanged and discharged in the outdoor unit 24 to the heat exchanger 48 of the hot water supply device 14 may be provided.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the heat supply system of the present invention, the heat discharged from the fuel cell device is used to increase the efficiency during heating by the air conditioner, and the heat discharged from the fuel cell device is used. By heating the water with a hot water supply device, the heat discharged from the fuel cell device can be recovered efficiently [Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a state where an air conditioner in a heat supply system according to an embodiment of the present invention is in a heating operation.
FIG. 2 is a block diagram showing a state in which the air conditioner in the heat supply system according to the embodiment of the present invention is in a cooling operation.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of an exhaust duct in which a fuel cell device according to an embodiment of the present invention is connected to an air conditioner and a hot water supply device, and a damper unit provided in the exhaust duct.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell apparatus 12 Air conditioning apparatus 14 Hot-water supply apparatus 16 Fuel cell (solid polymer fuel cell)
18 Blower 24 Outdoor unit 26 Indoor unit 30 Heat exchanger (Outdoor heat exchanger)
32 Fan 46 System control device 48 Heat exchanger 50 Heat exchanger 52 Hot water tank 70 Exhaust duct (exhaust switching means)
72 Exhaust duct (exhaust switching means)
74 Exhaust duct (exhaust switching means)
76 Damper unit (exhaust gas switching means)
78 Damper unit (exhaust gas switching means)
80 damper 86 damper

Claims

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、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、を有する熱供給システムにおいて、
前記給湯装置は、
前記高温空気と前記水との間で熱交換することにより、前記水を昇温する第１の加熱手段と、
前記燃料電池装置と電力経路を介して接続され、前記水の温度を監視する給湯装置制御部と、
前記第１の加熱手段とは別体で設けられ、前記水が目標温度に達していない時に前記水を加熱する第２の加熱手段と、
を有することを特徴とする熱供給システム。An air conditioner having at least an outdoor heat exchanger and an indoor heat exchanger, performing a heat pump cycle that pumps outdoor heat into the room, and electric energy generated by reacting fuel gas with oxygen in the air to the air conditioner supplies, and fuel cell system for discharging the hot air after elevated reaction of the reaction heat, a hot water supply device for storing the heating water, the fuel cell system when the air conditioner is performing heating operation the discharged hot air led into the outdoor heat exchanger from the heat supply having an exhaust switching means for directing the hot air discharged from the fuel cell device to the water heater when the air conditioning system is not performing heating In the system,
The water heater is
A first heating means for raising the temperature of the water by exchanging heat between the hot air and the water;
A hot water supply controller connected to the fuel cell device via a power path and monitoring the temperature of the water;
A second heating unit that is provided separately from the first heating unit and that heats the water when the water does not reach a target temperature;
A heat supply system comprising:

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。The exhaust gas switching means is
An exhaust duct for communicating the fuel cell device with the outdoor heat exchanger and the hot water supply device, respectively;
A damper that is arranged in the exhaust duct and switches a supply destination of high-temperature air introduced from the fuel cell device to the outdoor heat exchanger or the hot water supply device;
The heat supply system according to claim 1, comprising: