JP2006172948A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムを起動する際に、フラッディングを招くことなく燃料電池の早期暖機とシステム効率の向上の両立を達成可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システムは、起動開始時点から、熱交換手段を介して第１熱媒体による燃料電池の加熱を開始し（ステップ１０４）、燃料電池の発電開始条件が成立する時点以前（ステップ１０６の処理時点）においてヒータによる加熱が必要であるか否かを判定し（ステップ１１０，１１４）、この判定手段がヒータによる加熱が必要であると判定した場合に、その判定した時点にて第１加熱手段（ステップ１０４）による加熱を終了し、ヒータによる燃料電池の加熱を開始する（ステップ１１２：第２加熱制御手段）。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に燃料電池の起動時の制御に関する。

このような燃料電池システムの一形式として、特許文献１「燃料電池発電装置」に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、燃料電池システムは、燃料と酸化剤とで発電を行う燃料電池１と、燃料電池１を昇温するヒータ７と、燃料電池１の発電開始時の電力を、その発電開始直前にヒータ７が発生させていた熱量と実質上同等の熱量を発生する電力にするとともに、燃料電池１の発電開始時にヒータ７を停止させる制御器１０とを備える。制御器１０は、燃料電池発電装置が起動されると（００１）、冷却水ポンプ５を作動させ（００２）、次にヒータ７の熱出力を最大に設定して動作させ（００３）、昇温された冷却水を燃料電池１に送り込むことにより燃料電池１を昇温する。そして、温度検知器８の検知する燃料電池１の温度Ｔが目標温度Ｔｒ（７０℃）になるようにヒータ７の熱出力Ｗを調節する（００４）。燃料電池１の温度Ｔと目標温度Ｔｒ（７０℃）との差の絶対値が１℃以下になった後（００５）、ヒータ７の熱出力Ｗと燃料電池１が発電時に発生する最大熱量Ｑとを比較して（００６）、ヒータ７の熱出力Ｗが燃料電池１の発生する最大熱量Ｑ以下になるまで発電を開始せずに温度制御のみを継続する。ヒータ７の熱出力Ｗが燃料電池１の最大熱量Ｑ以下になった時点で、ヒータ７を停止させ燃料電池１の発電を開始する（００７）。

また、他の形式として、特許文献２「燃料電池コジェネレーションシステム」に示されているものが知られている。特許文献２の図１に示されているように、燃料電池コジェネレーションシステムは、燃料電池スタック４のアノード極オフガスを燃焼させるためのオフガス燃焼器５と、オフガス燃焼熱５を温水として熱回収するためにスタック冷却水下流側に設置された熱交換器６と、システムの運転状態と温水の需要に応じて改質器からの改質ガスの供給先を切り換える３方向切換弁９とを備える。これにより、オフガスのエネルギを最適に利用して、ヒータによる電池の暖気を不要にし、エネルギーロスを抑制するとともに、貯蔵タンクを不要にして、装置の大型化およびコストアップを防止する。

また、他の形式として、特許文献３「燃料電池システム」に示されているものが知られている。特許文献３の図１に示されているように、燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電する燃料電池２と該燃料電池２の燃料ガスオフガスを燃焼させる燃焼手段３を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃焼手段３から排出される排ガスと、前記燃料電池２に供給する燃料ガス、酸化剤ガスの少なくとも一方の間に熱交換手段５１、５２を設けている。これにより、燃料電池に供給する燃料ガス、酸化剤ガスを必要な温度に制御し水蒸気が凝縮することがなく、発電性能に優れた高効率な燃料電池システムを提供する。
特開２００３−４５４６５号公報（第２−４頁、図１−３） 特開２００２−２８９２２７号公報（第４−６頁、図１−５） 特開２０００−２２３１３８号公報（第４−７頁、図１−５）

上述した特許文献１に記載の燃料電池発電装置においては、燃料電池発電装置の起動から発電開始までの間、ヒータ７の熱によって燃料電池１を暖機しているので、ヒータ７を動作させる電力が必要となりシステム効率が悪化するという問題があった。また、上述した特許文献２に記載の燃料電池コジェネレーションシステムにおいては、装置をコンパクトにしオフガスのエネルギを最適に利用して燃料電池を暖機しているが、貯蔵タンクが設けられていないので排熱を効率よく回収しておらず全体的にシステム効率が悪化するという問題があった。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムを起動する際に、フラッディングを招くことなく燃料電池の早期暖機とシステム効率の向上の両立を達成可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されそれらの化学反応によって発電する燃料電池と、燃料ガスを生成して燃料極に供給する改質器と、燃料電池と熱交換する燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、改質器の排熱を回収した第１熱媒体が循環する第１熱媒体循環回路と、燃料電池熱媒体と第１熱媒体が熱交換をする熱交換手段と、燃料電池を加熱する加熱手段と、当該燃料電池システムの運転を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、当該燃料電池システムの起動開始時点から、熱交換手段を介して第１熱媒体による燃料電池の加熱を開始する第１加熱制御手段と、燃料電池の発電開始条件が成立する時点以前において加熱手段による加熱が必要であるか否かを判定する判定手段と、この判定手段が加熱手段による加熱が必要であると判定した場合に、加熱手段による燃料電池の加熱を開始する第２加熱制御手段と、を備えたことである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、判定手段が加熱手段による加熱が必要であると判定した場合に、第２加熱制御手段は、第1熱媒体による加熱を終了し、加熱手段による燃料電池の加熱を開始することである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、発電開始条件は、改質器の暖機が完了し、燃料電池熱媒体の温度が第１所定温度より高くなり、かつ、燃料電池熱媒体の温度が燃料ガスの燃料極の入口温度から所定温度差だけ高い温度より高くなることであることである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、熱交換手段は、さらに燃料電池熱媒体と第１熱媒体との熱交換を禁止可能に構成されており、判定手段が加熱手段による加熱が必要であると判定した場合に、熱交換手段は熱交換を禁止することである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、第１熱媒体循環回路に、第１熱媒体を循環させる第１熱媒体循環手段と、第１熱媒体を冷却する冷却手段と、改質器から供給されて燃料電池の燃料極に流入する前の燃料ガスから熱量を回収して同気体を凝縮する凝縮器とをさらに備え、判定手段が加熱手段による加熱が必要であると判定した場合に、制御手段は、第１熱媒体循環手段によって第１熱媒体を冷却に適した流量に制御するとともに冷却手段による第１熱媒体の冷却を開始することである。

また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項５の何れか一項において、判定手段は、改質器の暖機が完了した時点にて判定を行うことである。

また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項５の何れか一項において、判定手段は、改質器の暖機が完了する前に判定を行うことである。

また請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項７において、制御手段は、現在時点までに検出した改質器の所定箇所の温度のデータに基づいて改質器の暖機が完了する時刻を推定する暖機完了時刻推定手段と、現時点までに検出した燃料電池熱媒体温度のデータ、加熱手段の加熱能力に基づいて、暖機完了時刻推定手段によって推定された暖機完了時刻における燃料電池熱媒体の温度を推定する燃料電池熱媒体温度推定手段と、現時点までに検出した改質ガス燃料電池入口温度のデータ、冷却手段の冷却能力に基づいて、暖機完了時刻推定手段によって推定された暖機完了時刻における改質ガスの燃料電池入口温度を推定する改質ガス燃料電池入口温度推定手段と、を備え、判定手段は、燃料電池熱媒体温度推定手段によって推定された推定燃料電池熱媒体温度が第１所定温度より高くなり、かつ、推定燃料電池熱媒体温度から改質ガス燃料電池入口温度推定手段によって推定された推定改質ガス燃料電池入口温度を減じた減算値が所定温度差より高くなることを満足しなければ、加熱手段による加熱が必要であると判定し、そうでなければ加熱手段による加熱が必要でないと判定することである。

また請求項９に係る発明の構成上の特徴は、請求項８において、制御手段は、暖機完了時刻推定手段を開始するか否かを判定する予測制御開始判定手段をさらに備え、この予測制御開始判定手段によって開始の判定がされた場合に暖機完了時刻推定手段を行うことである。

また請求項１０に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項９の何れか一項において、熱交換手段は、貯湯槽に貯湯される貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器と、貯湯水と第１熱媒体との間で熱交換が行われる第２熱交換器と、貯湯水循環回路に設けられて貯湯水を循環させる貯湯水循環手段とから構成されたことである。

また請求項１１に係る発明の構成上の特徴は、請求項１０において、貯湯水循環回路に貯湯槽をバイパスするバイパス路が設けられ、貯湯槽をバイパスしてバイパス路を流れる貯湯水が流れる流路上に第１熱交換器と第２熱交換器が設けられていることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、第１加熱制御手段が、当該燃料電池システムの起動開始時点から、熱交換手段を介して第１熱媒体による燃料電池の加熱を開始し、判定手段が、燃料電池の発電開始条件が成立する時点以前において加熱手段による加熱が必要であるか否かを判定し、第２加熱制御手段が、判定手段が加熱手段による加熱が必要であると判定した場合に、加熱手段による燃料電池の加熱を開始する。これによれば、燃料電池システムの起動開始から、改質器の排熱を利用して第１熱媒体、燃料電池熱媒体を介して燃料電池は暖機されるが、起動開始から発電開始までの間は、第１熱媒体の温度>燃料電池熱媒体（燃料電池）の温度であり、すなわち燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスの温度>燃料電池熱媒体（燃料電池）の温度であり、そのままの温度関係であると、燃料極において燃料ガスがフラッディングしてしまう。一方、必要に応じて加熱手段によって燃料電池が加熱されるので、燃料電池が昇温し、燃料極に供給される燃料ガスの温度<燃料電池（燃料電池熱媒体）の温度となり、発電開始時点においてはフラッディングを防止することができる。したがって、燃料電池システムの起動に際して燃料電池を暖機するために、基本的には改質器の排熱を利用する一方で、フラッディングの発生を防止する観点から必要に応じて加熱手段を利用することにより、起動制御の制御性の向上を達成するとともに、加熱手段による燃料電池の暖機を必要最低限に抑制し、起動に要するエネルギーを低減することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、判定手段が加熱手段による加熱が必要であると判定した場合に、第２加熱制御手段は、第1熱媒体による加熱を終了し、加熱手段による燃料電池の加熱を開始する。これにより、加熱手段に切り替え後においては、燃料電池は加熱手段のみによって加熱され、第１熱媒体による加熱（第１熱媒体の循環）は実施されていないので、加熱手段によって燃料電池（燃料電池熱媒体）に発生した熱が第１熱媒体を介して他に持ち去られることを確実に防止することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る発明において、発電開始条件は、改質器の暖機が完了し、燃料電池熱媒体の温度が第１所定温度より高くなり、かつ、燃料電池熱媒体の温度が燃料ガスの燃料極の入口温度から所定温度差だけ高い温度より高くなることであるので、燃料極および酸化剤極でフラッディングの発生を確実に抑制して発電を開始するため、高発電効率となる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項に係る発明において、熱交換手段は、さらに燃料電池熱媒体と第１熱媒体との熱交換を禁止可能に構成されており、判定手段が加熱手段による加熱が必要であると判定した場合に、熱交換手段は熱交換を禁止するので、加熱手段の熱エネルギを第１熱媒体に伝導しないで燃料電池の加熱のみに使用して、加熱手段の熱エネルギを有効利用するとともに早期に燃料電池を暖機する。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、第１熱媒体循環回路に、第１熱媒体を循環させる第１熱媒体循環手段と、第１熱媒体を冷却する冷却手段と、改質器から供給されて燃料電池の燃料極に流入する前の燃料ガスから熱量を回収して同気体を凝縮する凝縮器とをさらに備え、判定手段が加熱手段による加熱が必要であると判定した場合に、制御手段は、第１熱媒体循環手段によって第１熱媒体を冷却に適した流量に制御するとともに冷却手段による第１熱媒体の冷却を開始するので、早期に燃料ガスを降温して燃料電池熱媒体の温度から所定温度差だけ低い温度とし、早期に発電開始条件が成立することにより起動時間を短縮する。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項１乃至請求項５の何れか一項において、判定手段は、改質器の暖機が完了した時点にて判定を行うので、改質器からの排熱を最大限に利用した上で確実に加熱手段による加熱が必要であるか否かを判定することができる。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項１乃至請求項５の何れか一項において、判定手段は、改質器の暖機が完了する前に判定を行うので、より早期に加熱手段による加熱が必要であるか否かを判定することにより、より早期に加熱手段による加熱を開始してさらに暖機時間を短縮することができる。

上記のように構成した請求項８に係る発明においては、請求項７に係る発明において、暖機完了時刻推定手段が、現在時点までに検出した改質器の所定箇所の温度のデータに基づいて改質器の暖機が完了する時刻を推定し、燃料電池熱媒体温度推定手段が、現時点までに検出した燃料電池熱媒体温度のデータ、加熱手段の加熱能力に基づいて、暖機完了時刻推定手段によって推定された暖機完了時刻における燃料電池熱媒体の温度を推定し、改質ガス燃料電池入口温度推定手段が、現時点までに検出した改質ガス燃料電池入口温度のデータ、冷却手段の冷却能力に基づいて、暖機完了時刻推定手段によって推定された暖機完了時刻における改質ガスの燃料電池入口温度を推定し、判定手段は、燃料電池熱媒体温度推定手段によって推定された推定燃料電池熱媒体温度が第１所定温度より高くなり、かつ、推定燃料電池熱媒体温度から改質ガス燃料電池入口温度推定手段によって推定された推定改質ガス燃料電池入口温度を減じた減算値が所定温度差より高くなることを満足しなければ、加熱手段による加熱が必要であると判定し、そうでなければ加熱手段による加熱が必要でないと判定する。これにより、暖機完了時刻に発電開始条件が成立するように前もって加熱手段による加熱が開始されるため、加熱手段による加熱を必要以上に行わないので、無駄にエネルギを使うことなく、しかも早期に燃料電池を暖機して燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。

上記のように構成した請求項９に係る発明においては、請求項８に係る発明において、予測制御開始判定手段によって開始の判定がされた場合に暖機完了時刻推定手段を行うので、暖機完了時刻推定手段による推定手段を適切な時期から行うことができる。

上記のように構成した請求項１０に係る発明においては、請求項１乃至請求項９の何れか一項において、熱交換手段は、貯湯槽に貯湯される貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器と、貯湯水と第１熱媒体との間で熱交換が行われる第２熱交換器と、貯湯水循環回路に設けられて貯湯水を循環させる貯湯水循環手段とから構成されたので、既存の構成を利用して的確に燃料電池熱媒体と第１熱媒体との熱交換を実施することができる。

上記のように構成した請求項１１に係る発明においては、請求項１０に係る発明において、貯湯水循環回路に貯湯槽をバイパスするバイパス路が設けられ、貯湯槽をバイパスしてバイパス路を流れる貯湯水が流れる流路上に第１熱交換器と第２熱交換器が設けられているので、貯湯水の温度が低い場合には、第１熱媒体からの熱を回収して貯湯槽に戻して早期に貯湯水を加熱（昇温）することができ、また貯湯水の温度が高い場合には、その貯湯水を貯湯槽に戻さないので、貯湯槽の温度層崩れを防止することができる。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）を生成する改質器２０を備えている。

燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３を備えており、燃料極１１に供給された改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、燃料電池１０の空気極１２には、空気を供給する供給管６１およびカソードオフガスを排出する排出管６２が接続されており、これら供給管６１および排出管６２の途中には、空気を加湿するための加湿器１４が設けられている。この加湿器１４は水蒸気交換型であり、排出管６２中すなわち空気極１２から排出される気体中の水蒸気を除湿してその水蒸気を供給管６１中すなわち空気極１２へ供給される空気中に供給して加湿するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。

改質器２０は、燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、バーナ２１、改質部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４から構成されている。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。

バーナ２１は、起動時に外部から燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池１０の燃料極１１からアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各ガスを燃焼して燃焼ガスを改質部２２に導出するものである。この燃焼ガスは改質部２２を（同改質部２２の触媒の活性温度域となるように）加熱し、その後燃焼ガス用凝縮器３４を通ってその燃焼ガスに含まれている水蒸気が凝縮されて外部に排気される。

改質部２２は、外部から供給された燃料に蒸発器２５からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部２２に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部２３に導出される。

ＣＯシフト部２３は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部２４に導出される。ＣＯシフト部２３は内部の温度を検出するＣＯシフト部温度センサ２３ａを備えており、ＣＯシフト部温度センサ２３ａは検出結果を制御装置９０に送出するものである。

ＣＯ選択酸化部２４は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ酸化用の空気（エア）とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１０の燃料極１１に導出される。

蒸発器２５は、一端が貯水器５０内に配置され他端が改質部２２に接続された改質水供給管６８の途中に配設されている。改質水供給管６８には改質水ポンプ５３が設けられている。このポンプ５３は制御装置９０によって制御されており、貯水器５０内の改質水として使用する回収水を蒸発器２５に圧送している。蒸発器２５は例えばバーナ２１から排出される燃焼ガス、改質部２２、ＣＯシフト部２３などの熱によって加熱されており、これにより圧送された改質水を水蒸気化する。

改質器２０のＣＯ選択酸化部２４と燃料電池１０の燃料極１１とを連通する配管６４の途中には、凝縮器３０が設けられている。この凝縮器３０（図面上は分離しているが）は改質ガス用凝縮器３１、アノードオフガス用凝縮器３２、カソードオフガス用凝縮器３３および燃焼ガス用凝縮器３４が一体的に接続された一体構造体である。改質ガス用凝縮器３１は配管６４中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。アノードオフガス用凝縮器３２は、燃料電池１０の燃料極１１と改質器２０のバーナ２１とを連通する配管６５の途中に設けられており、その配管６５中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器３３は、排出管６２の加湿器１４の下流に設けられており、その排出管６２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。

また、配管６４には、燃料電池１０の燃料極１１の入口付近に第４温度センサ６４ａが配設されており、第４温度センサ６４ａは、改質ガスの燃料電池１０の燃料極１１の入口温度Ｔ４を検出し、その検出結果を制御装置９０に出力するものである。また、配管６４には、燃料電池１０をバイパスするバイパス路６７が設けられており、このバイパス路６７には同バイパス路６７を開閉するバルブ６７ａが設けられている。配管６４のバイパス分岐点から燃料電池１０の燃料極１１の入口までの間には、同配管６４を開閉するバルブ６４ｂが設けられ、燃料電池１０の燃料極１１の出口から配管６４のバイパス合流点までの間には、同配管６４を開閉するバルブ６４ｃが設けられている。これらバルブ６７ａ，６４ｂ，６４ｃは制御装置９０からの指令によって開閉制御されており、燃料電池１０の起動時において改質器２０から供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度が高い場合には燃料極１１が被毒するのを避けるためバルブ６７ａを開きバルブ６４ｂ，６４ｃを閉じて改質ガスを燃料電池１０を通さずに直接バーナ２１に供給し、改質ガス中の一酸化炭素濃度が低くなればバルブ６７ａを閉じバルブ６４ｂ，６４ｃを開いて燃料電池１０に供給するようになっている。

上述した凝縮器３１〜３４は配管６６を介して純水器４０に連通しており、各凝縮器３１〜３４にて凝縮された凝縮水は、純水器４０に導出され回収されるようになっている。純水器４０は、凝縮器３０から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を貯水器５０に導出するものである。なお、貯水器５０は純水器４０から導出された回収水を改質水として一時的に溜めておくものである。また、純水器４０には水道水供給源（例えば水道管）から供給される補給水（水道水）を導入する配管が接続されており、純水器４０内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。

燃料電池システムは、貯湯水を貯湯する貯湯槽７１と、貯湯水が循環する貯湯水循環回路７２と、燃料電池１０と熱交換する燃料電池熱媒体であるＦＣ冷却水が循環する燃料電池熱媒体循環回路であるＦＣ冷却水循環回路７３と、貯湯水とＦＣ冷却水との間で熱交換が行われる第１熱交換器７４と、改質器２０及びＦＣカソードオフガスからの排熱を回収した第１熱媒体である凝縮冷媒（凝縮器熱媒体）が循環する第１熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路７５と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第２熱交換器７６とが備えられている。なお、本明細書中および添付の図面中の「ＦＣ」は「燃料電池」の省略形として記載している。

これにより、改質器２０にて発生した排熱（熱エネルギー）は、凝縮器３０を介して凝縮冷媒に回収され凝縮冷媒を昇温し、凝縮冷媒が貯湯水より高温であると、第２熱交換器７６を介して熱が貯湯水に回収されて、この結果貯湯水が加熱（昇温）される。加熱された貯湯水から第１熱交換器７４を介してＦＣ冷却水に熱が移動される（起動時）。

ＦＣ発電時には、燃料電池１０にて発生した排熱（熱エネルギー）は、ＦＣ冷却水に回収されＦＣ冷却水を昇温し、ＦＣ冷却水が貯湯水より高温であると、第１熱交換器７４を介してＦＣ冷却水から貯湯水へ熱が移動し、貯湯水を加熱（昇温）し、燃料電池１０の熱エネルギーがお湯として利用される。逆に貯湯水がＦＣ冷却水より高温であると、貯湯水の熱が第１熱交換器７４を介してＦＣ冷却水に回収されて、この結果ＦＣ冷却水を加熱（昇温）する。

貯湯槽７１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽７１の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽７１に貯留された高温の温水が貯湯槽７１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。また、貯湯槽７１は密閉式であり、水道水の圧力がそのまま内部、ひいては貯湯水循環回路７２にかかる形式のものである。

貯湯水循環回路７２の一端および他端は貯湯槽７１の下部および上部に接続されている。貯湯水循環回路７２上には、一端から他端に順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプＰ１、第２熱交換器７６、第１熱交換器７４および第２バルブ７２ａ（後述する）が配設されている。貯湯水循環ポンプＰ１は、貯湯槽７１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環回路７２を通水させて貯湯槽７１の上部に吐出するものであり、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。

この構成により、ＦＣ冷却水と凝縮冷媒は貯湯水を介して熱交換する。すなわち、貯湯水循環回路７２、第１熱交換器７４、第２熱交換器７６および貯湯水循環ポンプＰ１とから熱交換手段が構成されており、燃料電池熱媒体と第１熱媒体との熱交換を実施することができる。

貯湯水循環回路７２には、貯湯槽７１をバイパスするバイパス路７８が設けられている。バイパス路７８には制御装置９０の指令によって同バイパス路７８を開閉制御する第１バルブ７８ａが設けられている。バイパス路７８の分岐元と貯湯槽７１との間の貯湯水循環回路７２には制御装置９０の指令によって同貯湯水循環回路７２を開閉制御する第２バルブ７２ａが設けられている。第１および第２バルブ７８ａ，７２ａを閉、開状態とすると、貯湯水は貯湯槽７１へ流入する。

一方、第１および第２バルブ７８ａ，７２ａを開、閉状態として貯湯水循環ポンプＰ１を作動すると、貯湯水は貯湯槽７１へ流入しないでバイパス路７８を通り第１および第２熱交換器７４，７６を通って貯湯水循環回路７２を循環する。これにより、第１熱媒体から熱をＦＣ冷却水へ熱交換した後の比較的低温の貯湯水を貯湯槽７１へ戻すことによる貯湯槽７１の温度層崩れを抑止することができるとともにＦＣの暖機を効率的に行うことができる。また、貯湯水循環ポンプＰ１を停止することにより、燃料電池熱媒体と第１熱媒体との熱交換を禁止することができるので、簡単な構成にて熱交換手段を熱交換禁止可能に構成することができる。なお、熱交換手段は、燃料電池熱媒体と第１熱媒体との熱交換器を介して直接熱交換するタイプにしてもよい。

ＦＣ冷却水循環回路７３上には、ＦＣ冷却水循環手段であるＦＣ冷却水循環ポンプＰ３が配設されており、このＦＣ冷却水循環ポンプＰ３は、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。また、ＦＣ冷却水循環回路７３上には、第１および第２温度センサ７３ａ，７３ｂが配設されており、第１および第２温度センサ７３ａ，７３ｂは、それぞれＦＣ冷却水の燃料電池１０の入口温度および出口温度を検出し、それら検出結果を制御装置９０に出力するものである。さらに、ＦＣ冷却水循環回路７３上には第１熱交換器７４が配設されている。

また、ＦＣ冷却水循環回路７３上には、通電されて燃料電池熱媒体を昇温する燃料電池熱媒体加熱手段であるヒータ７９（電気ヒータ）が設けられている。このヒータ７９は制御装置９０の指令によって通電・非通電の制御、または発熱量の制御が実施されている。このヒータ７９を通電してオン状態とし、ＦＣ冷却水循環ポンプＰ３を駆動すると、ヒータ７９で加熱された高温のＦＣ冷却水が燃料電池１０に供給され同燃料電池１０を昇温する。したがって、ヒータ７９は燃料電池１０を加熱する加熱手段である。また、加熱手段によって燃料電池１０に供給される熱量は、上述した熱交換手段を介して供給される凝縮冷媒からの熱量より大であることが好ましい。これにより、凝縮冷媒からの熱量より大である熱量を燃料電池１０に供給して暖機することができるので、凝縮冷媒の熱によって加熱する場合と比べて暖機時間を短縮することができる。なお、加熱手段として燃料電池１０を直接加熱するタイプのもの（例えば燃料電池１０に内蔵または外側に配設される電熱部材、または温風を直接吹きかける構成）を採用してもよい。

凝縮冷媒循環回路７５上には、凝縮冷媒循環手段である凝縮冷媒循環ポンプＰ２が配設されており、この凝縮冷媒循環ポンプＰ２は、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。また、凝縮冷媒循環回路７５上には、上流から順番にアノードオフガス用凝縮器３２、燃焼ガス用凝縮器３４、カソードオフガス用凝縮器３３および改質ガス用凝縮器３１が配設されている。また、凝縮冷媒循環回路７５上には、第３温度センサ７５ａが配設されており、第３温度センサ７５ａは、凝縮冷媒の改質ガス用凝縮器３１の出口温度を検出し、その検出結果を制御装置９０に出力するものである。さらに、凝縮冷媒循環回路７５上には第２熱交換器７６が配設されている。なお、各凝縮器３１〜３４の配置は上述した順番に限らないし、また、各凝縮器３１〜３４は一本の配管に直列に配置する場合に限らず、凝縮冷媒循環回路７５を複数に分岐して各分岐路に並列に配置するようにしてもよい。

また、凝縮冷媒循環回路７５には、第２熱交換器７６の直下流に凝縮冷媒を冷却する冷却手段であるラジエータ７７が配置されている。このラジエータ７７は、制御装置９０の指令によってオン・オフ制御されており、オン状態のときには凝縮冷媒を冷却し、オフ状態のときには冷却しない。

また、上述した各温度センサ７３ａ，７３ｂ，７５ａ，６４ａ、各ポンプＰ１〜Ｐ３，５３、ラジエータ７７およびヒータ７９は制御装置９０に接続されている（図２参照）。制御装置９０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、当該燃料電池システムの運転全般を制御しており、図３のフローチャートに対応したプログラムを実行して、燃料電池システムの起動に際して、燃料電池１０が早期に発電可能な状態となるように各ポンプＰ１〜Ｐ３、ラジエータ７７およびヒータ７９の制御を実行している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

次に、上述した燃料電池システムの作動について図３〜図５を参照して説明する。図３は制御装置９０で実行される制御プログラムのフローチャートであり、図４および図５は燃料電池システムの一実施の形態を冬期および夏期でそれぞれ使用する場合の動作を示すタイムチャートである。制御装置９０は、図示しない起動スイッチがオンされると、図３に示すプログラムを実行する。ステップ１０２において、燃料電池システムの起動が開始される（時刻ｔ０，ｔ１０）。すなわち、燃焼用燃料および燃焼用空気がバーナ２１に供給されて燃焼される。燃焼ガスの加熱によって改質部２２が所定温度になると、燃料および改質水が改質部２２に供給される。またＣＯ選択酸化部２４に酸化用空気が供給される。しかし、改質装置２０から導出される改質ガスは、改質ガス組成（Ｈ_２濃度、ＣＯ濃度）が燃料電池１０に必要な条件を満足していないため、燃料電池１０には供給されていない。

燃料電池システムは起動されると、改質器２０の暖機が完了するまで（時刻ｔ１，ｔ１１）、ステップ１０４の処理を実行して、改質器２０（改質ガス）の排熱を利用して燃料電池１０を暖機する。ステップ１０４の処理を各循環回路について説明する。貯湯水循環回路７２においては、第１および第２バルブ７８ａ，７２ａがそれぞれ開、閉状態となり、貯湯水は貯湯水循環回路７２、バイパス路７８を循環して貯湯槽７１に流入しないので、起動時の低温の貯湯水が貯湯槽７１の上部から流入して温度層崩れとなるのを防止している。また、貯湯水循環ポンプＰ１が、規定流量となるように流量制御されている。この規定流量は、貯湯水の第２熱交換器７６の出口温度が高温の規定温度となるように設定されている。

凝縮冷媒循環回路７５においては、各凝縮器３１〜３４にそれぞれ高温である改質ガス、燃料電池１０をバイパスした改質ガス（発電開始までであり、発電開始後はアノードオフガス）、カソードオフガス、および燃焼ガスが流通しており、それらガスと凝縮冷媒との間で熱交換が行われ、凝縮冷媒は改質器２０の排熱を回収して加熱される。凝縮冷媒循環ポンプＰ２は、第４温度センサ６４ａによって検出された改質ガスの燃料電池１０の入口温度Ｔ４（または第３温度センサ７５ａによって検出された凝縮冷媒の改質ガス用凝縮器３１の出口温度Ｔ３）が目標温度Ｔ４−ｘ（またはＴ３−ｘ）となるように流量制御されている。また、ラジエータ７７はオフ状態であり、ラジエータ７７から排熱されないので、凝縮冷媒が回収したほとんどの熱量は第２熱交換器７６を介して貯湯水に回収される。

ＦＣ冷却水循環回路７３においては、ＦＣ冷却水ポンプＰ３が、規定流量となるように流量制御されている。この規定流量は、貯湯水からＦＣ冷却水へ熱回収が効率よく行われるように設定されている。

したがって、図４および図５の第１段に示すように、改質ガス燃料電池入口温度Ｔ４はＴ４−ｘに維持される。また、改質器２０の排熱を回収した凝縮冷媒循環回路７５を循環する凝縮冷媒は、熱交換手段を構成する第２熱交換器７６、貯湯水循環回路７２を循環する貯湯水および第１熱交換器７４、ならびにＦＣ冷却水循環回路７３を循環するＦＣ冷却水を介して燃料電池１０を加熱する。このとき、図４および図５の第１段に示すように、ＦＣ冷却水温度（すなわちＦＣ冷却水ＦＣ出口温度Ｔ２）が昇温する。このように、ステップ１０４の処理によって、当該燃料電池システムの起動開始時点から、熱交換手段を介して第１熱媒体による燃料電池１０の加熱を開始する（第１加熱制御手段）。なお、図４および図５において、上から順番に、改質ガス燃料電池入口温度Ｔ４とＦＣ冷却水温度Ｔ２を示す第１段、貯湯水循環回路系の制御を示す第２段、凝縮冷媒循環回路系の制御を示す第３段およびヒータ７９の制御を示す第４段が記載している。

制御装置９０は、ステップ１０６にて、改質器２０の暖機が完了したか否かを判定し、暖機が完了したならばプログラムをステップ１０８以降に進める。暖機完了の判定においては、改質器２０の所定箇所例えばＣＯシフト部２３内の温度が暖機完了判定温度に到達していれば完了していると判定する。暖機完了判定温度は、ＣＯシフト部２３の触媒の活性温度領域内で一酸化炭素濃度が所定の規定値となる温度に規定されている。したがって、暖機が完了していれば、改質装置２０から導出される改質ガス中の水素量および一酸化炭素濃度が規定値に到達していると判定される。

制御装置９０は、ステップ１０８〜１１６の処理において、燃料電池１０の加熱源を凝縮冷媒回収熱からヒータ７９に切り換えて燃料電池１０を加熱している（時刻ｔ１，ｔ１１）。具体的には、ステップ１０８において、貯湯水循環ポンプＰ１が停止されるため、貯湯水循環回路７２内を貯湯水が循環しなくなる。これにより、第２熱交換器７６で凝縮冷媒から熱を回収した貯湯水が第１熱交換器７４に到達しないので、熱交換手段は凝縮冷媒とＦＣ冷却水との熱交換を停止する。

下記に示す制御に伴い、凝縮冷媒の温度が低下し、それに伴い第２熱交換器７６の下流側の貯湯水温度も低下する。そのため貯湯水を介しての凝縮冷媒とＦＣ冷却水との熱交換を停止することによって、ヒータ７９による熱が貯湯水に移動するのを防止する。これによりＦＣを効率的に暖機できる。

凝縮冷媒循環回路７５においては、上述したように凝縮冷媒は改質器２０の排熱を回収して加熱されている。ステップ１０８において、ラジエータ７７はオン状態とされる。凝縮冷媒循環ポンプＰ２は、規定流量となるように流量制御されている。この規定流量は、改質ガスＦＣ入口温度Ｔ４すなわち凝縮冷媒改質ガス用凝縮器出口温度Ｔ３をオン状態のラジエータ７７で効率よく冷却するために大目の流量に設定されている。これにより、改質ガスＦＣ入口温度Ｔ４すなわち凝縮冷媒改質ガス用凝縮器出口温度Ｔ３は急激に降温してその後一定の温度となるようになっている。この結果、短時間で改質ガスＦＣ入口温度Ｔ４をＦＣ冷却水温度Ｔ２より低くすることができ、ひいては早期暖機を達成することができる。なお、一定の温度は外気温の影響を受けており、外気温が低い冬期の方が外気温が高い夏期に比べて低くなる（図４、図５参照）。

制御装置９０は、ステップ１１０において、ＦＣ冷却水温度Ｔ２が第１所定温度Ｔ２−ａより大きいか否かを判定する。改質器暖機完了時点（時刻ｔ１，ｔ１１）においては、ＦＣ冷却水は十分加熱されていないため、第１所定温度Ｔ２−ａ以下であるので、ステップ１１０にて「ＮＯ」と判定し、ステップ１１２にてヒータ７９をオン状態とする。ヒータ７９によって燃料電池１０に供給される熱量は、上述した熱交換手段を介して供給される凝縮冷媒からの熱量より大である。また、ＦＣ冷却水循環回路７３においては、ＦＣ冷却水ポンプＰ３が、上述したように規定流量となるように流量制御されている。したがって、ヒータ７９による加熱が開始されると、凝縮冷媒による加熱に比べてＦＣ冷却水温度Ｔ２の昇温率が大きくなる。

このようにヒータ７９によってＦＣ冷却水温度Ｔ２が昇温して、第１所定温度Ｔ２−ａより高くなり（ステップ１１０にて「ＹＥＳ」と判定）、かつ、改質ガス燃料電池入口温度Ｔ４から所定温度差ΔＴ−ａだけ高い温度より高くなると（ステップ１１４にて「ＹＥＳ」と判定）、制御装置９０はステップ１１８にて燃料電池１０の発電を開始する（時刻ｔ３，ｔ１３）。この発電開始条件は、改質器１０の暖機が完了し、ＦＣ冷却水の温度Ｔ２が第１所定温度Ｔ２−ａより高くなり、かつ、改質ガスの燃料極１１の入口温度Ｔ４から所定温度差ΔＴ−ａだけ高い温度より高くなることである。なお、ステップ１１４において、燃料電池入口温度Ｔ４からＦＣ冷却水温度Ｔ２を減算した減算値ΔＴが第１所定温度Ｔ２−ａより大きいか否かを判定する。また、第１所定温度Ｔ２−ａは燃料電池１０の酸化剤極１２にてフラッディングが生じない値に設定されており、所定温度差ΔＴ−ａは燃料電池１０の燃料極１１にてフラッディングが生じない値に設定されている。また、ステップ１１６は、改質器暖機完了時点から改質ガス安定待ち時間が経過したか否かを判定している。

上述したステップ１１０，１１４が判定手段であり、この判定手段は、燃料電池の発電開始条件が成立する時点（すなわち発電開始時点）以前にであって改質器２０の暖機が完了した時点にてヒータ７９による加熱が必要であるか否かを判定している。制御装置９０は、ヒータ７９による加熱が必要であると判定した場合に、その判定した時点にて第１加熱手段による加熱を終了し、ヒータ７９による燃料電池１０の加熱を開始する（第２加熱制御手段）。

制御装置９０は、ステップ１１８にて発電を開始すると（時刻ｔ３，ｔ１３）、燃料電池１０は発電に伴う発熱によって加熱される。したがって、エネルギを節約するためヒータ７９をオフ状態とする（ステップ１２０）。そして、ＦＣ冷却水の温度Ｔ２が定常運転温度Ｔ２−ｂより大きくなるまで（時刻ｔ４，１４）、凝縮冷媒循環ポンプＰ２を規定流量となるように流量制御する（ステップ１２０）。

そして、制御装置９０は、ＦＣ冷却水の温度Ｔ２が定常運転温度Ｔ２−ｂに到達すると（時刻ｔ４，１４）、貯湯水循環ポンプＰ１を駆動させて、ＦＣ冷却水の温度Ｔ２が定常運転温度Ｔ２−ｂとなるように流量制御する。制御装置９０は、ＦＣ冷却水の燃料電池入口温度Ｔ１と出口温度Ｔ２の差が所定の温度差となるようにＦＣ冷却水循環ポンプＰ３を流量制御する。また、凝縮冷媒循環ポンプＰ２は改質ガスＦＣ入口温度Ｔ４がアノード最適加湿条件Ｔ４−ｂとなるように流量制御する。また、第２熱交換器７６において凝縮冷媒と貯湯水との間の熱交換が再開されたので、ラジエータ７７をオフ状態として、捨てていた凝縮冷媒の熱量を貯湯水に回収するようにする。そして、ステップ１２６にて定常運転を行う。

上述の説明から明らかなように、この実施の形態においては、第１加熱制御手段（ステップ１０４）が、当該燃料電池システムの起動開始時点から、熱交換手段を介して第１熱媒体による燃料電池１０の加熱を開始し、判定手段（ステップ１１０，１１４）が、燃料電池１０の発電開始条件が成立する時点以前においてヒータ７９による加熱が必要であるか否かを判定し、第２加熱制御手段（ステップ１１２）が、判定手段がヒータ７９による加熱が必要であると判定した場合に、ヒータ７９による燃料電池１０の加熱を開始する。これによれば、燃料電池システムの起動開始から、改質器２０の排熱を利用して第１熱媒体、燃料電池熱媒体を介して燃料電池１０は暖機されるが、起動開始から発電開始までの間は、第１熱媒体の温度>燃料電池熱媒体（燃料電池）の温度であり、すなわち燃料電池１０の燃料極１１に供給される燃料ガスの温度>燃料電池熱媒体（燃料電池）の温度であり、そのままの温度関係であると、燃料極１１において改質ガス（燃料ガス）がフラッディングしてしまう。一方、必要に応じてヒータ７９によって燃料電池１０が加熱されるので、燃料電池１０が昇温し、燃料極１１に供給される燃料ガスの温度<燃料電池（燃料電池熱媒体）の温度となり、発電開始時点においてはフラッディングを防止することができる。したがって、燃料電池システムの起動に際して燃料電池１０を暖機するために、基本的には改質器２０の排熱を利用する一方で、フラッディングの発生を防止する観点から必要に応じてヒータ７９を利用することにより、起動制御の制御性の向上を達成するとともに、ヒータ７９による燃料電池１０の暖機を必要最低限に抑制し、起動に要するエネルギーを低減することができる。

また、判定手段（ステップ１１０，１１４）がヒータ７９による加熱が必要であると判定した場合に、第２加熱制御手段（ステップ１１２）は、第1熱媒体による加熱を終了し、ヒータ７９による燃料電池１０の加熱を開始する。これにより、ヒータ７９に切り替え後においては、燃料電池１０はヒータ７９のみによって加熱され、第１熱媒体による加熱（第１熱媒体の循環）は実施されていないので、ヒータ７９によって燃料電池１０（燃料電池熱媒体）に発生した熱が第１熱媒体を介して他に持ち去られることを確実に防止することができる。

また、発電開始条件は、改質器２０の暖機が完了し、ＦＣ冷却水温度Ｔ２が第１所定温度Ｔ２−ａより高くなり、かつ、改質ガスの燃料極の入口温度Ｔ４から所定温度差ΔＴ−ａだけ高い温度より高くなることであるので、燃料極１１および酸化剤極１２でフラッディングの発生を確実に抑制して発電を開始するため、高発電効率となる。

また、熱交換手段は、燃料電池熱媒体と第１熱媒体との熱交換を禁止可能に構成されており、判定手段がヒータ７９による加熱が必要であると判定した場合に、熱交換手段は熱交換を禁止するので、ヒータ７９の熱エネルギを貯湯水を介してロスすることなく燃料電池１０の加熱のみに使用して、ヒータ７９の熱エネルギを有効利用するとともに早期に燃料電池１０を暖機する。

また、判定手段が加熱手段による加熱が必要であると判定した場合に、凝縮冷媒循環ポンプＰ２によって凝縮冷媒を冷却に適した流量に制御する（例えば、凝縮冷媒を所定流量に増大させる。）とともにラジエータ７７による凝縮冷媒の冷却を開始するので、凝縮器３１にて早期に改質ガスを降温してＦＣ冷却水温度Ｔ２から所定温度差ΔＴ−ａだけ低い温度とし、早期に発電開始条件が成立することにより起動時間を短縮する。

また、判定手段は、改質器２０の暖機が完了した時点にて判定を行うので、確実にヒータ７９による加熱が必要であるか否かを判定することができる。

また、改質器２０の暖機完了は、改質器２０の所定箇所の温度が暖機完了判定温度より高温となったことにより判定するので、改質器２０からの排熱を最大限に利用した上で確実かつ的確に改質器２０の暖気完了を検出することができる。

また、ステップ１１６の処理によって改質器２０から供給される改質ガスが安定するのを待って燃料電池１０の発電を開始するので、安定した発電を行うことができる。

また、燃料電池の発電開始条件が成立した場合に、その成立した時点にてヒータ７９による燃料電池１０の加熱を停止するので、適切な時期にヒータ７９による加熱を停止して必要以上に加熱しないようにして、暖機時間の短縮、システム効率の向上を達成する。

また、ＦＣ冷却水温度Ｔ２が定常運転温度Ｔ２−ｂを越えた場合、その越えた時点にてラジエータ７７による凝縮冷媒の冷却を停止するとともに熱交換手段による熱交換を再開するので、今まで捨てていた熱を貯湯水に回収するようにして熱効率を向上する。

また、ヒータ７９は、ＦＣ冷却水循環回路７３上に設けられて通電されてＦＣ冷却水を昇温する燃料電池熱媒体加熱手段であるので、燃料電池の温度調整を容易かつ的確に実施することができる。

また、熱交換手段は、貯湯槽７１に貯湯される貯湯水が循環する貯湯水循環回路７２と、貯湯水とＦＣ冷却水との間で熱交換が行われる第１熱交換器７４と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第２熱交換器７６と、貯湯水循環回路７２に設けられて貯湯水を循環させる貯湯水循環ポンプＰ１とから構成されたので、既存の構成を利用して的確に燃料電池熱媒体と第１熱媒体との熱交換を実施することができる。

また、貯湯水循環回路７２に貯湯槽７１をバイパスするバイパス路７８が設けられ、貯湯槽７１をバイパスしてバイパス路７８を流れる貯湯水が流れる流路上（具体的には、貯湯水循環回路７２であってバイパス分岐点から合流点までの間の部分、すなわち貯湯槽７１の貯湯水出口からバイパス分岐点まで、およびバイパス合流点から貯湯槽７１の貯湯水入口までの各部分を除く）に第１熱交換器７４と第２熱交換器７６が設けられているので、貯湯水の温度が低い場合には、第１熱媒体からの熱を回収して貯湯槽７１に戻して早期に貯湯水を加熱（昇温）することができ、また貯湯水の温度が高い場合には、その貯湯水を貯湯槽７１に戻さないので、貯湯槽７１の温度層崩れを防止することができる。

ａ）第１制御変形例
次に、上述した実施の形態における第１の制御変形例について図６〜図８を参照して説明する。図６は、制御装置９０で実行される第１制御変形例の制御プログラムのフローチャートであり、図７および図８は燃料電池システムの一実施の形態を冬期および夏期でそれぞれ使用する場合の動作を示すタイムチャートである。なお、上述した実施の形態と同一（またはほぼ同一）の構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。

本第１の制御変形例は、改質器２０の暖機が完了する前に、加熱手段であるヒータ７９による加熱が必要であるか否かを判定し、その時点からヒータ７９によって燃料電池１０を加熱する点で、上述した制御と異なる。上述したステップ１０６および１１６に代えてステップ２０２および２０４の処理を実行する。

具体的には、上述した実施の形態においては、ステップ１０６にて、改質器２０の所定箇所例えばＣＯシフト部２３内の温度が暖機完了判定温度に到達していれば完了していると判定し、その判定して時点にて、ステップ１１０において、ヒータ７９による加熱が必要であるか否かを判定しているが、本第１の制御変形例においては、ステップ２０２にて改質器２０の所定箇所の温度が暖機完了判定温度より低い暖機完了前判定温度より高温となった時点（時刻ｔ２１，３１）にて、ステップ１１０において、ヒータ７９による加熱が必要であるか否かを判定している。これにより、ヒータ７９による加熱が必要であるか否かの判定を確実に実行することができる。また、改質器２０の所定箇所例えばＣＯシフト部２３内の温度が暖機完了判定温度に到達する前すなわち改質器２０の暖機が完了する前（時刻ｔ２２，ｔ３２）からヒータ７９によって燃料電池１０を加熱することができる。したがって、より早期に加熱手段による加熱を開始してさらに暖機時間を短縮することができる。

なお、暖機完了前判定温度はステップ２０２の処理実効時点（時刻ｔ２１，ｔ３１）から発電開始（時刻ｔ２３，ｔ３３）までに改質器２０の暖機が完了する温度（例えば暖機完了判定温度より１０℃低い温度）に設定されている。したがって、ＦＣ冷却水温度Ｔ２が第１所定温度Ｔ２−ａより高くなり、かつ、改質ガスの燃料極の入口温度Ｔ４から所定温度差ΔＴ−ａだけ高い温度より高くなれば、制御装置９０はステップ１１０，１１４，２０４にてそれぞれ「ＹＥＳ」と判定しステップ１１８にて発電を開始する。なお、ステップ２０４は、改質器２０の暖機が完了しているか否かを確認するために設けられている。

ｂ）第２制御変形例
次に、上述した実施の形態における第２の制御変形例について図９および図１０を参照して説明する。図９は、制御装置９０で実行される第２制御変形例の制御プログラムのフローチャートであり、図１０は燃料電池システムの一実施の形態の動作を示すタイムチャートである。なお、上述した第１制御変形例と同一（またはほぼ同一）の構成部材については同一符号を付してその説明を省略する。

本第２の制御変形例は、上述した第１制御変形例と同様に、改質器２０の暖機が完了する前に、加熱手段であるヒータ７９による加熱が必要であるか否かを判定し、その時点からヒータ７９によって燃料電池１０を加熱するが、推定ＦＣ冷却水温度Ｔ２−ｔｍ１と推定改質ガスＦＣ入口温度Ｔ４−ｃに基づいて改質器暖機完了と発電開始が同時刻となるようにヒータ７９をオン状態とする点で、上述した第１制御変形例と異なる。

具体的には、制御装置９０は、起動開始（時刻ｔ４０）して改質器２０の所定箇所（ＣＯシフト部）が予測制御開始温度を越える（時刻ｔ４１）までは、上述したステップ１０４とほぼ同様であるステップ３０２の処理を繰り返し実行し、凝縮冷媒との熱交換によってＦＣ冷却水温度Ｔ２を昇温し、改質ガスＦＣ入口温度Ｔ４をＴ４−ｘに維持する（ステップ３０２、３０４、３０６）。ステップ３０２は上述したステップ１０４の処理にヒータ７９をオフする処理が追加されている。ステップ３０４において、フラグＦが１であるか否かを判定する。起動開始直後の初回はフラグＦは０であるのでプログラムをステップ３０６に進める。ステップ３０６において、改質器２０の所定箇所の温度が暖機完了前判定温度よりさらに低い温度（例えば１００℃）より高温となった時点（時刻ｔ４１）にて、ステップ１１０において、ヒータ７９による加熱が必要であるか否かの判定を開始している（予測制御開始判定手段）。

改質器２０の所定箇所（ＣＯシフト部２３）が予測制御開始温度に達すると（時刻ｔ４１）、フラグＦを１とし（ステップ３０８）、現在時点までに検出した改質器２０の所定箇所の温度のデータに基づいて改質器２０の暖機が完了する時刻（推定暖機完了時刻）を推定し（ステップ３１０：暖機完了時刻推定手段）、現時点までに検出した燃料電池熱媒体温度（ＦＣ冷却水温度）のデータ、加熱手段（ヒータ７９）の加熱能力に基づいて、暖機完了時刻推定手段によって推定された暖機完了時刻における燃料電池熱媒体の温度（推定ＦＣ冷却水温度Ｔ２−ｔｍ１）を推定し（ステップ３１２：燃料電池熱媒体温度推定手段）、現時点までに検出した改質ガス燃料電池入口温度のデータ、冷却手段（ラジエータ７７）の冷却能力に基づいて、暖機完了時刻推定手段によって推定された暖機完了時刻における改質ガスの燃料電池入口温度（推定改質ガスＦＣ入口温度Ｔ４−ｃ）を推定する（ステップ３１４：改質ガス燃料電池入口温度推定手段）。なお、フラグＦが１となったので、次回のステップ３０４の処理にて「ＮＯ」と判定しステップ３０６の処理を飛ばしてステップ３１０の処理を実行することができる。

そして、制御装置９０は、前述のように推定（算出）した推定ＦＣ冷却水温度Ｔ２−ｔｍ１と推定改質ガスＦＣ入口温度Ｔ４−ｃに基づいて、ヒータ７９による加熱が必要であるか否かを判定する。すなわち、推定ＦＣ冷却水温度Ｔ２−ｔｍ１が第１所定温度Ｔ２−ａより高くなり、かつ、推定ＦＣ冷却水温度Ｔ２−ｔｍ１から推定改質ガスＦＣ入口温度Ｔ４−ｃを減じた減算値が所定温度差ΔＴ−ａより高くなることを満足しなければ、ヒータ７９による加熱が必要であると判定し、満足すればヒータ７９による加熱が必要でないと判定する（ステップ３１６：判定手段）。この判定は、改質器２０の所定箇所（ＣＯシフト部）が予測制御開始温度を越えた時点（時刻ｔ４１）から行われる。

例えば、時刻ｔ４１にて推定した推定ＦＣ冷却水温度Ｔ２−ｔｍ１と推定改質ガスＦＣ入口温度Ｔ４−ｃは図１０に示す破線の時刻ｔ４３に対応する値であるから、推定ＦＣ冷却水温度Ｔ２−ｔｍ１が第１所定温度Ｔ２−ａより高くなり、かつ、推定ＦＣ冷却水温度Ｔ２−ｔｍ１から推定改質ガスＦＣ入口温度Ｔ４−ｃを減じた減算値が所定温度差ΔＴ−ａより高くなることを満足するので、ヒータ７９による加熱が必要でないと判定し、プログラムをステップ３０２に戻して凝縮冷媒との熱交換によってＦＣ冷却水温度Ｔ２を昇温する。

そして、ステップ３０２，３０４，３１０〜３１６の処理が繰り返し実行されながら時間が経過して、ステップ３１６において、推定ＦＣ冷却水温度Ｔ２−ｔｍ１が第１所定温度Ｔ２−ａより高くなり、かつ、推定ＦＣ冷却水温度Ｔ２−ｔｍ１から推定改質ガスＦＣ入口温度Ｔ４−ｃを減じた減算値が所定温度差ΔＴ−ａより高くなることを満足しなくなると（時刻ｔ４２）、ヒータ７９による加熱が必要であると判定し、ステップ３１８の処理を実行する。ステップ３１８の処理は、上述したステップ１１２の処理であるヒータ７９のオンとステップ１０８の各処理を合わせたものである。これにより、改質器暖機完了時刻（時刻ｔ４３）に、ＦＣ冷却水温度Ｔ２が第１所定温度Ｔ２−ａより高くなり、かつ、ＦＣ冷却水温度Ｔ２から改質ガスＦＣ入口温度Ｔ４を減じた減算値が所定温度差ΔＴ−ａより高くなるので、改質器暖機完了と発電開始が同時刻となるように時刻ｔ４２にヒータ７９をオン状態とすることになる。

これによれば、暖機完了時刻（時刻ｔ４３）に発電開始条件が成立するように前もって（時刻ｔ４２に）ヒータ７９による加熱が開始されるため、ヒータ７９によるによる加熱を必要以上に行わないので、無駄にエネルギを使うことなく、しかも早期に燃料電池１０を暖機して燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。

また、ステップ３０６（予測制御開始判定手段）によって開始の判定がされた場合に暖機完了時刻推定手段を行うので、暖機完了時刻推定手段による推定手段を適切な時期から行うことができる。

なお、上述した実施の形態において、燃料電池１０を昇温する加熱手段として熱媒体加熱手段（ヒータ７９）を含む熱媒体によって昇温する機構を採用するようにしたが、燃料電池１０を昇温するものであれば、このような機構に限られず、例えば燃料電池１０を直接ヒータで昇温するような機構を採用するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態において、燃料電池１０を昇温する熱媒体の温度を検出する温度センサを採用するようにしたが、燃料電池１０の温度を直接検出する温度センサを採用するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態において、加熱手段は、燃料電池熱媒体循環回路７３上に設けられて通電されて熱媒体を昇温するものであれば、ヒータ７９以外のもので構成してもよい。

また、上述した実施の形態において、上記４つの凝縮器の順番を入れ替えて、例えば、改質ガス用凝縮器３１を最上流に配置し発電開始時に（または発電開始前に）凝縮冷媒温度>ＦＣ冷却水温度>改質ガスＦＣ入口温度が成立するようなシステム構成としてもよい。これによれば、上述したように改質器２０の排熱による暖機からヒータ７９による暖機へ完全に切り替えることなく、両者による暖機を同時に行うことができるので、暖機時間を短縮することができ、また熱容量の大きい燃料電池を暖機するのに有効である。

また、上述した実施の形態において、燃料電池の発電開始条件が成立した場合に、その成立した時点以降においても、ヒータ７９による燃料電池１０の加熱を継続するようにしてもよい。これによれば、特に熱容量が大きく燃料電池の自己発熱で暖機するには時間を要するシステム等に有効である。

本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。 図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。 図２に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。 本発明による燃料電池システムの実施の形態の動作を示すタイムチャートである。 本発明による燃料電池システムの実施の形態の動作を示すタイムチャートである。 図２に示した制御装置にて実行される第１制御変形例による制御プログラムのフローチャートである。 本発明による燃料電池システムの第１制御変形例の動作を示すタイムチャートである。 本発明による燃料電池システムの第１制御変形例の動作を示すタイムチャートである。 図２に示した制御装置にて実行される第２制御変形例による制御プログラムのフローチャートである。 本発明による燃料電池システムの第２制御変形例の動作を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質器、２１…バーナ、２２…改質部、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２３ａ…ＣＯシフト部温度センサ、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…蒸発器、３０…凝縮器、３１…改質ガス用凝縮器、３２…アノードオフガス用凝縮器、３３…カソードオフガス用凝縮器、３４…燃焼ガス用凝縮器、４０…純水器、５０…貯水器、５３…改質水ポンプ、６１〜６６…配管、６７…バイパス路、６８…改質水供給管、７１…貯湯槽、７２…貯湯水循環回路、７３…ＦＣ冷却水循環回路、７４…第１熱交換器、７５…凝縮冷媒循環回路、７６…第２熱交換器、７７…ラジエータ、７８…バイパス路、７９…ヒータ、７８ａ，７２ａ…第１および第２バルブ、６４ｂ，６４ｃ，６７ａ…バルブ、Ｐ１〜Ｐ３，５３…ポンプ、７３ａ，７３ｂ，７５ａ，６４ａ…第１〜第４温度センサ、９０…制御装置。

Claims (11)

1. 燃料極および酸化剤極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されそれらの化学反応によって発電する燃料電池と、
   前記燃料ガスを生成して前記燃料極に供給する改質器と、
   前記燃料電池と熱交換する燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、
   前記改質器の排熱を回収した第１熱媒体が循環する第１熱媒体循環回路と、
   前記燃料電池熱媒体と前記第１熱媒体が熱交換をする熱交換手段と、
   前記燃料電池を加熱する加熱手段と、
   当該燃料電池システムの運転を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   当該燃料電池システムの起動開始時点から、前記熱交換手段を介して前記第１熱媒体による前記燃料電池の加熱を開始する第１加熱制御手段と、
   前記燃料電池の発電開始条件が成立する時点以前において前記加熱手段による加熱が必要であるか否かを判定する判定手段と、
   該判定手段が前記加熱手段による加熱が必要であると判定した場合に、前記加熱手段による前記燃料電池の加熱を開始する第２加熱制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記判定手段が前記加熱手段による加熱が必要であると判定した場合に、前記第２加熱制御手段は、前記第1熱媒体による加熱を終了し、前記加熱手段による前記燃料電池の加熱を開始することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２において、前記発電開始条件は、前記改質器の暖機が完了し、前記燃料電池熱媒体の温度が第１所定温度より高くなり、かつ、前記燃料電池熱媒体の温度が前記燃料ガスの燃料極の入口温度から所定温度差だけ高い温度より高くなることであることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記熱交換手段は、さらに前記燃料電池熱媒体と前記第１熱媒体との熱交換を禁止可能に構成されており、前記判定手段が前記加熱手段による加熱が必要であると判定した場合に、前記熱交換手段は前記熱交換を禁止することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記第１熱媒体循環回路に、前記第１熱媒体を循環させる第１熱媒体循環手段と、前記第１熱媒体を冷却する冷却手段と、前記改質器から供給されて前記燃料電池の燃料極に流入する前の前記燃料ガスから熱量を回収して同気体を凝縮する凝縮器とをさらに備え、
   前記判定手段が前記加熱手段による加熱が必要であると判定した場合に、前記制御手段は、前記第１熱媒体循環手段によって前記第１熱媒体を冷却に適した流量に制御するとともに前記冷却手段による前記第１熱媒体の冷却を開始することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項において、前記判定手段は、前記改質器の暖機が完了した時点にて前記判定を行うことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１乃至請求項５の何れか一項において、前記判定手段は、前記改質器の暖機が完了する前に前記判定を行うことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項７において、前記制御手段は、現在時点までに検出した前記改質器の所定箇所の温度のデータに基づいて前記改質器の暖機が完了する時刻を推定する暖機完了時刻推定手段と、
   現時点までに検出した前記燃料電池熱媒体温度のデータ、前記加熱手段の加熱能力に基づいて、前記暖機完了時刻推定手段によって推定された暖機完了時刻における前記燃料電池熱媒体の温度を推定する燃料電池熱媒体温度推定手段と、
   現時点までに検出した前記改質ガス燃料電池入口温度のデータ、前記冷却手段の冷却能力に基づいて、前記暖機完了時刻推定手段によって推定された暖機完了時刻における前記改質ガスの燃料電池入口温度を推定する改質ガス燃料電池入口温度推定手段と、を備え、
   前記判定手段は、前記燃料電池熱媒体温度推定手段によって推定された推定燃料電池熱媒体温度が第１所定温度より高くなり、かつ、前記推定燃料電池熱媒体温度から前記改質ガス燃料電池入口温度推定手段によって推定された推定改質ガス燃料電池入口温度を減じた減算値が前記所定温度差より高くなることを満足しなければ、前記加熱手段による加熱が必要であると判定し、そうでなければ前記加熱手段による加熱が必要でないと判定することを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項８において、前記制御手段は、前記暖機完了時刻推定手段を開始するか否かを判定する予測制御開始判定手段をさらに備え、該予測制御開始判定手段によって開始の判定がされた場合に前記暖機完了時刻推定手段を行うことを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項１乃至請求項９の何れか一項において、前記熱交換手段は、貯湯槽に貯湯される貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、前記貯湯水と前記燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器と、前記貯湯水と前記第１熱媒体との間で熱交換が行われる第２熱交換器と、前記貯湯水循環回路に設けられて前記貯湯水を循環させる貯湯水循環手段とから構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項１０において、前記貯湯水循環回路に前記貯湯槽をバイパスするバイパス路が設けられ、前記貯湯槽をバイパスして前記バイパス路を流れる前記貯湯水が流れる流路上に前記第１熱交換器と前記第２熱交換器が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
    
    

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