JP2010287362A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水流路に加熱手段を設けた燃料電池システムの冷却水量が減少した場合、加熱手段に温度検知器を備えていることから部品点数が多くなっており、燃料電池システムのコスト増加の要因となっていた。加熱手段に温度検知器を備えなくても、冷却水流路の冷却水量の減少を検知する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１において、燃料電池２と、冷却水流路６と、冷却水ポンプ７と温度検知器８と、冷却水タンク９と、ヒータ１０を備え、冷却水タンク９の冷却水流出口をヒータ１０より高い位置とすることを特徴とし、冷却水の温度が予め定められた範囲から外れた場合に、燃料電池システムの運転を停止させることで、安価な構成が実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱手段を設けた燃料電池システムに関し、特に、加熱手段の過熱防止を図った燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は水素リッチな燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電して水と熱を発生する装置である。燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを力学的エネルギーに変換することなく直接電気エネルギーとして取り出せるので発電効率が高い。また、発電の際に発生する熱を温熱源として有効利用することができるが、燃料電池本体の温度が上昇すると、セルの触媒の劣化が促進し、燃料電池本体の温度が低下すると発電効率が低下する。したがって、燃料電池は種類に応じた運転時の適正な温度があり、燃料電池本体が一定の温度になるように燃料電池本体の温度を制御する必要がある。

従来の燃料電池システムの第１熱媒体流路の構成としては、図８に示される構成があった（例えば、特許文献１参照）。図８において、２０１は燃料電池システム、２０２は燃料電池、２０６は第１熱媒体流路、２０７は第１熱媒体を燃料電池へ流通させる第１熱媒体搬送手段、２０９は第１熱媒体と第２の熱媒体で熱交換を行う熱交換器、２１０は加熱手段、２１１は加熱手段流出口の温度検知器である。

加熱手段２１０が過熱した場合には、加熱手段出口に設けた温度検知器２１１が温度上昇を検知して、運転を停止させている。

特開２００６−１２５６４号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムの構成では、第１熱媒体の蒸発や第１熱媒体の蒸発や漏洩等により、第１熱媒体流路の第１熱媒体量が減少した場合等に、加熱手段近傍に備えた温度検知器が加熱手段の温度上昇を検知していたことから、部品点数が多くなり、燃料電池システムのコスト増加の要因となっていた。

そこで本発明は、前記従来の課題を解決するもので、加熱手段近傍に温度検知器を特設しなくても、燃料電池に流入口もしくは流出口に備えた第１熱媒体の温度検知器により、加熱手段の過熱を防止できる、燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を達成するために、本発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、燃料電池で発生した熱を外部へ取り出すための第１熱媒体と、第１熱媒体が流れる第１熱媒体経路と、第１熱媒体を燃料電池へ流通させる第１熱媒体搬送手段と、第１熱媒体と第２の熱媒体で熱交換を行う熱交換器と、第１熱媒体を貯えるタンクと、第１熱媒体を加熱する加熱手段と、燃料電池の第１熱媒体の流入口近傍と燃料電池の第１熱媒体の流出口近傍との少なくとも一方に温度検知器を備え、加熱手段を第１熱媒体タンクの第１熱媒体の流出口より低い位置に配置し、温度検知器が検知する第１熱媒体の温度が予め定められた範囲から外れた場合に運転を停止することを特徴とする燃料電池システムである。

このように構成すると、加熱手段近傍に温度検知器を備えなくても、第１熱媒体の蒸発や第１熱媒体の漏洩等により、第１熱媒体流路の第１熱媒体量が次第に減少した場合に、加熱手段が第１熱媒体で満たされなくなるまでに、タンクの第１熱媒体の流出口を加熱手段より高い位置に構成しているため、第１熱媒体の温度が予め定められた範囲から外れたことを検知して運転を停止させることができるのである。

本発明の燃料電池システムは、第１熱媒体の蒸発や第１熱媒体の漏洩等により、第１熱媒体流路の第１熱媒体量が次第に減少した場合、加熱手段が第１熱媒体で満たされた状態で、第１熱媒体の減少を検知できることから、加熱手段が空焚きになることがなく、信頼性を維持できる。また、加熱手段近傍に温度検知器を備えなくても、第１熱媒体の減少を検知できるため、燃料電池システムの低コスト化を実現できるのである。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示すブロック図 本発明の実施の形態４における燃料電池システムの構成を示すブロック図 本発明の実施の形態４における冷却水ポンプ搬送能力の異常閾値の例を示す特性図 本発明の実施の形態５における燃料電池システムの構成を示すブロック図 本発明の実施の形態５における排熱回収ポンプ搬送能力の異常閾値（上限値）の例を示す特性図 従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図

第１の本発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、燃料電池で発生した熱を外部へ取り出すための第１熱媒体と、第１熱媒体が流れる第１熱媒体経路と、第１熱媒体を燃料電池へ流通させる第１熱媒体搬送手段と、第１熱媒体と第２の熱媒体で熱交換を行う熱交換器と、第１熱媒体を貯える第１熱媒体タンクと、第１熱媒体を加熱する加熱手段と、燃料電池の第１熱媒体の流入口近傍と燃料電池の第１熱媒体の流出口近傍との少なくとも一方に温度検知器を備え、加熱手段を第１熱媒体タンクの第１熱媒体の流出口より低い位置に配置しているため、加熱手段が第１熱媒体で満たされなくなる前に、温度検知器が予め定められた範囲から外れたことを検知して運転を停止させることが可能になり、加熱手段近傍に温度検知器を備えなくても、第１熱媒体搬送手段は常に第１熱媒体で満たされている燃料電池システムが実現できるのである。

第２の本発明は、特に、第１の本発明の温度検知器は加熱手段より高い位置に備えることにより、第１熱媒体の蒸発や漏洩等により、第１熱媒体流路の第１熱媒体量が次第に減少した場合に、温度検知器部は加熱手段よりも高い位置に構成しているため、温度検知部が加熱手段より低い位置に構成している場合と比べて、より早期に温度検知器部が第１熱媒体で満たされなくなり、温度検知器が予め定められた範囲から外れたことを検知して運転を停止させることが可能になり、加熱手段近傍に温度検知器を備えなくても、加熱手段は常に第１熱媒体で満たされている燃料電池システムが実現できるのである。

第３の本発明は、特に、第１〜第２のいずれか１つの本発明の温度検知器は燃料電池の第１熱媒体の流入口近傍と燃料電池の第１熱媒体の流出口近傍の両方に備えることにより、第１熱媒体の蒸発や漏洩等により第１熱媒体流路の第１熱媒体量が次第に減少した場合に、第１熱媒体の流入口近傍と流出口近傍の温度差が予め定められた範囲から外れたこと
を検知して、運転を停止することができるため、第１の本発明とあわせて、第１熱媒体流路の第１熱媒体量の減少を検知することができる。

第４の本発明は、特に、第１〜第２のいずれか１つの本発明の第１熱媒体搬送手段の第１熱媒体搬送能力に温度検知器の検知温度に基づいて変化させる搬送能力調整手段を備え、第１熱媒体搬送手段の第１熱媒体搬送能力に発電電力に対応した異常閾値を設けることにより、第１熱媒体搬送手段の第１熱媒体搬送能力に温度検知器の検知温度に基づいて変化させる搬送能力調整手段を備えた場合に、第１熱媒体搬送手段に発電電力に対応した異常閾値を設けて運転を停止させることにより、第１の本発明とあわせることで、より正確に第１熱媒体流路の第１熱媒体量の減少を検知することができる。

第５の本発明は、特に、第１〜第２のいずれか１つの本発明の第２流量調整器に発電電力に対応した異常閾値を設けることにより、第２熱媒体搬送手段の第２熱媒体搬送能力に温度検知器の検知温度に基づいて変化させる搬送能力調整手段を備えた場合に、第２熱媒体搬送手段に発電電力に対応した異常閾値を設けて運転を停止させることにより、第１の本発明とあわせることで、より正確に第１熱媒体流路の第１熱媒体量の減少を検知することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図１において、本実施の形態における燃料電池システム１は、水素リッチな燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池２と、燃料電池２が発電した直流電力を交流電力に変換するとともに電力系統３と連系し負荷４に電力供給をするインバータ５と、発電時に発生する熱を回収し燃料電池２の温度制御を行う冷却水を通流する冷却水流路６と、冷却水を冷却水循環流路６に通流させる冷却水ポンプ７と、冷却水流路６において冷却水の燃料電池２流出口の冷却水温度を検知する温度検知器８ｂと、冷却水経路の水を貯える冷却水タンク９と、燃料電池２で発電した電力のうち負荷４で消費しない余剰電力を通電することにより冷却水を加熱する余剰電力ヒータ１０と、燃料電池２および余剰電力ヒータ１０により加熱された冷却水を冷却する熱交換器１１と、熱交換器１１での熱交換により排熱を回収する排熱回収水流路１２と、排熱回収水を通流させる排熱回収ポンプ１３と、系統電力３側から負荷４側に供給される電力の向き（系統電力３側から負荷４側に供給される方向を正、逆方向を負とする）と大きさを検知する電力検知器１４、一連の冷却水通流、インバータ５からの出力電力、および余剰電力ヒータ１０への通電量を制御する制御部１５とを備えている。

本実施の形態では、余剰電力ヒータ１０は、冷却水タンク９の内部であり、冷却水タンク９の冷却水の流出口より低い位置に余剰電力ヒータ１０を備える。また、温度検知器８ｂの検知部は余剰電力ヒータ１０より低い位置に備える。

なお本実施の形態における構成部材としての冷却水流路６、冷却水ポンプ７、冷却水タンク９、余剰電力ヒータ１０、および流体としての冷却水は、各々、第１の本発明における第１熱媒体経路、第１熱媒体搬送手段、第１熱媒体タンク、加熱手段および第１熱媒体の具体的な実施の一例であり、制御部１５は温度検知器８ｂが検知する第１熱媒体の温度が予め定められた範囲から外れた場合に運転を停止することの具体的な実施の一例としてその機能を備えている。また、本実施の形態における構成部材としての排熱回収水流路１
２、排熱回収ポンプ１３、流体としての排熱回収水は、各々、第５の本発明における第２熱媒体経路、第２熱媒体搬送手段、および第２熱媒体の具体的な実施の一例である。

冷却水タンク９の冷却水流出口の高さは、冷却水の水位が冷却水タンク９流出口の高さ以下に低下した場合においても、余剰電力ヒータ１０は常に水没するようにし、余剰電力ヒータ１０が最大電力で通電時に冷却水タンク９内部の冷却水が沸騰しない冷却水の水量が確保できるように決定する。熱交換器１１は、余剰電力ヒータ１０により加熱された冷却水を冷却するため、冷却水タンク９の流出口の後段に構成する。

本実施の形態における燃料電池システム１の具体的動作を説明する。

燃料電池システム１は、水素リッチな燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池２に供給することにより発電を行う。燃料電池２での発電では直流電力が出力される。出力された直流電力はインバータ５により交流電力に変換された後、電力系統３と連系し、負荷４に電力供給する。ここで制御部１５は、インバータ５に対して交流電力の発電出力値を指令するとともに、インバータ５での発電出力値に応じて燃料ガスおよび酸化剤ガス流量を流量調整器など（図示せず）を用いて適切に制御する。

同時に燃料電池システム１は、電力系統３側から負荷４側への電力を電力検知器１４にて検知している。検知した電力値が負の場合、すなわち、インバータ５からの発電電力よりも負荷４の消費電力が少ない場合は、電力系統３への逆潮流が発生する。そこで電力検知器１４で検知する電力値が逆潮流を起こさない所定の値（例えば０）になるように、制御部１５では入力された電力検知器１４の検出値に応じて余剰電力ヒータ１０への通電量を制御し、余剰電力として余剰電力ヒータ１０に通電する。

一方、燃料電池２では、発電の際に同時に熱も生成される。燃料電池２を通流する冷却水は冷却水流路６を通じて、冷却水ポンプ７を作動させることにより、燃料電池２に供給されて、燃料電池２の内部での熱交換により燃料電池を冷却する。燃料電池２から流出された冷却水は、冷却水タンク９に導入される。燃料電池システム１として余剰電力が発生している場合には、冷却水は、冷却水タンク９内部に備えた余剰電力ヒータ１０において、通電された余剰電力に応じて加熱される。冷却水タンク９から流出された冷却水は熱交換器１１に通流されて、冷却される。冷却された冷却水は冷却水ポンプ７により再度循環され、燃料電池２に供給される。さらに燃料電池システム１では、排熱回収ポンプ１３を作動することにより燃料電池システム１の外部から排熱回収水を導入する。排熱回収水流路１２に導入された排熱回収水は、排熱回収ポンプ１３により通流後、熱交換器１１に供給される。熱交換器１１では、冷却水流路６より供給された冷却水と熱交換することにより、排熱回収水は加熱される。加熱された排熱回収水は排熱回収水流路１２を通じて、燃料電池システム１の外部へ排出される。なお排出された排熱回収水に関しては、図示していない風呂、床暖房、給湯などの熱負荷に対して直接供給することもできるし、貯湯タンクなどのバッファーに貯えたのち、前述の熱負荷に供給することもできる。

制御部１５は、燃料電池２流出口の温度検知器８ｂの検知する冷却水温度が所定温度（例えば７０℃）になるように、排熱回収ポンプ１３の能力を変化させることで排熱回収水流路１２の排熱回収流量を制御する。たとえば、温度検知器８ｂの検知する冷却水温度が所定温度より高い７２℃になった場合は、温度検知器８ｂの検知する冷却水温度を低下させるため、排熱回収ポンプ１３の能力を制御して排熱回収流量を増加させて熱交換器１１での熱交換量を増加させる。また温度検知器８ｂの検知する冷却水温度が所定温度より低い５８℃になった場合は、温度検知器８ｂの検知する冷却水温度を上昇させるため、排熱回収ポンプ１３の能力を制御して排熱回収流量を減少させて熱交換器９での熱交換量を減少させる。なお、冷却水流路６に冷却水を通流させる冷却水ポンプ７の能力は、一定の能
力として動作する。

以上のように構成された燃料電池システム１について、以下その動作、作用を説明する。本実施の形態における燃料電池システム１の制御部１５は、第１の本発明における温度検知器８ｂが検知する冷却水温度が予め定められた範囲から外れた場合に運転を停止する温度の具体的な一例として、燃料電池２流出口の温度検知器８ｂに所定温度７０℃に比べて５℃低い６５℃を下限の異常閾値として設定し、また、所定温度７０℃に比べて５℃高い７５℃を上限の異常閾値として設定する。

このとき、冷却水流路６内の水が蒸発もしくは漏洩すると、冷却水流路６の冷却水量が次第に減少し、冷却水タンク９の水位が低下する。冷却水流路６内の水が蒸発または漏洩が発生し続けると、冷却水タンク９の水位は冷却水タンク９の冷却水の流出口の高さより低くなり、冷却水タンク９の流出口から出る冷却水量は次第に減少し、燃料電池２を通過する冷却水量も減少する。燃料電池２を通過する冷却水の流量が減少すると、燃料電池２の生成熱により、燃料電池２流出口に設けた温度検知器８ｂの検知する冷却水温度は次第に上昇する。例えば、温度検知器８ｂが７５℃以上を検知すると、制御部１５は、燃料電池システム１の運転を停止させる。また、冷却水流路６内の水が蒸発もしくは漏洩し続けて、燃料電池２を通過する冷却水の流れがなくなった場合には、燃料電池２の生成熱は温度検知器８ｂの検知部には伝わらないことから、温度検知器８ｂの検知する冷却水温度は低下する。例えば、温度検知器８ｂが６５℃以下であることを検知すると、制御部１５は、燃料電池システム１の運転を停止させる。

燃料電池システム１運転停止時の余剰電力ヒータ１０は、冷却水タンク９の冷却水流出口の高さより低い位置に構成しているので、水没しており、余剰電力ヒータ１０の空焚きを防止できる。また、加熱手段近傍に温度検知器を備えなくても、冷却水流路６の冷却水量の減少を検知することができるのである。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお、図２において、図１と互いに同一あるいは、相当する部材には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。

図２に示すように燃料電池システム２１は図１に示す燃料電池システム１と比較して、冷却水経路６の燃料電池２流入口に温度検知器８ａを備え、温度検知器８ａを余剰電力ヒータ１０より高い位置に備えている点で異なっている。また、冷却水タンクは、燃料電池２より低い位置に構成する点で異なっている。

本実施の形態では、余剰電力ヒータ１０は、冷却水タンク９の内部であり、冷却水タンク９の冷却水の流出口の高さより低い位置に備える。また、温度検知器８ａの検知部は余剰電力ヒータ１０より高い位置に備える。

なお本実施の形態における構成部材としての冷却水流路６、冷却水ポンプ７、冷却水タンク９、余剰電力ヒータ１０および流体としての冷却水は、各々、第１の本発明における第１熱媒体経路、第１熱媒体搬送手段、第１熱媒体タンク、加熱手段および第１熱媒体の具体的な実施の一例であり、制御部１５は温度検知器８ａが検知する第１熱媒体の温度が予め定められた範囲から外れた場合に運転を停止することの具体的な実施の一例としてその機能を備えている。

温度検知器８ａの検知部を加熱手段より高い位置に設ける構成は第２の本発明における温度検知器は加熱手段より高い位置に備えることの具体的一例である。

冷却水タンク９の冷却水流出口の高さは、冷却水の水位が冷却水タンク９流出口の高さに低下した場合においても、余剰電力ヒータ１０は常に水没するようにし、余剰電力ヒータ１０が最大電力で通電時に冷却水タンク９内部の冷却水が沸騰しない冷却水の水量が確保できるように冷却水タンク９の冷却水流出口の高さを決定する。熱交換器１１は、余剰電力ヒータ１０により加熱された冷却水を冷却するため、冷却水タンク９の流出口側に構成する。

制御部１５は、燃料電池２流入口の温度検知器８ａの検知する冷却水温度が所定温度（例えば６０℃）になるように、排熱回収ポンプ１３の能力を変化させることで排熱回収水流路１２の排熱回収流量を制御する。たとえば、温度検知器８ａの検知する冷却水温度が所定温度より高い６２℃になった場合は、温度検知器８ａの検知する冷却水温度を低下させるため、排熱回収ポンプ１３の能力を制御して排熱回収流量を増加させて熱交換器１１での熱交換量を増加させる。また温度検知器８ａの検知する冷却水温度が所定温度より低い５８℃になった場合は、温度検知器８ａの検知する冷却水温度を上昇させるため、排熱回収ポンプ１３の能力を制御して排熱回収流量を減少させて熱交換器９での熱交換量を減少させる。なお、冷却水流路６に冷却水を通流させる冷却水ポンプ７の能力は、一定の能力として動作する。

以上のように構成された燃料電池システム２１について、以下その動作、作用を説明する。本実施の形態における燃料電池システム２１の制御部１５は、第１の本発明における温度検知器８ａが検知する温度が予め定められた範囲から外れた場合に運転を停止する温度の具体的な一例として、燃料電池２流入口の温度検知器８ａに所定温度６０℃に比べて５℃低い５５℃を下限の異常閾値として設定する。このとき、冷却水流路６内の水が蒸発もしくは漏洩すると、冷却水流路６の冷却水量が次第に減少し、冷却水タンク９の水位が低下する。冷却水流路６内の水が蒸発または漏洩が発生し続けると、冷却水タンク９の水位は冷却水タンク９の冷却水の流出口の高さより低くなるため、冷却水タンク９の流出口から出る冷却水量は次第に減少し、温度検知器８ａの検知部を通過する冷却水量も減少する。冷却水量が次第に減少すると、温度検知器８ａの検知部は冷却水と接触しなくなり、温度検知器８ａは温度低下を検知する。例えば、温度検知器８ａが下限の異常閾値である５５℃まで低下したことを検知すると、制御部１５は、燃料電池システム２１の運転を停止させる。このとき、余剰電力ヒータ１０は、冷却水タンク９の冷却水流出口の高さより低い位置に構成しているので水没していることから、余剰電力ヒータ１０の空焚きを防止でき、また、加熱手段近傍に温度検知器を備えなくても、冷却水流路６の冷却水量の減少を検知することができるのである。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお、図３において、図１と互いに同一あるいは、相当する部材には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。

図３に示すように燃料電池システム４１は図１に示す燃料電池システム１と比較して、冷却水の燃料電池２流入口と燃料電池２流出口に、温度検知器８ａ、温度検知器８ｂを備えている点で異なっている。また、温度検知器８ａは余剰電力ヒータ１０より高い位置に備えている点で異なっている。

本実施の形態では、余剰電力ヒータ１０は、冷却水タンク９の内部であり、冷却水タンク９の冷却水の流出口の高さより低い位置に備える。温度検知器８ａの検知部は余剰電力ヒータ１０より高い位置に備え、温度検知器８ｂの検知部は余剰電力ヒータ１０より低い位置に備える。

なお本実施の形態における構成部材としての冷却水流路６、冷却水ポンプ７、冷却水タンク９、余剰電力ヒータ１０、ラジエター５１および流体としての冷却水は、各々、第１の本発明における第１熱媒体経路、第１熱媒体搬送手段、第１熱媒体タンク、加熱手段、熱交換器および第１熱媒体の具体的な実施の一例である。温度検知器８ａの検知部を加熱手段より高い位置に設ける構成は第２の本発明における温度検知器は加熱手段より高い位置に備えることの具体的一例である。また、本実施の形態における温度検知器８ａ、温度検知器８ｂは、各々、第３の本発明における第１熱媒体の流入口近傍の温度検知器、第１熱媒体の流出口近傍の温度検知器の具体的一例であり、制御部１５は第３の本発明における第１熱媒体の流入口近傍と流出口近傍の温度差が予め定められた範囲から外れたことを検知することの具体的な実施の一例としてその機能を備えている。

冷却水タンク９の冷却水流出口の高さは、冷却水の水位が冷却水タンク９流出口の高さ以下に低下した場合においても、余剰電力ヒータ１０は常に水没するようにし、余剰電力ヒータ１０が最大電力で通電時に冷却水タンク９内部の冷却水が沸騰しない冷却水の水量が確保できるように決定する。

制御部１５は、燃料電池２流入口の温度検知器８ａの検知する冷却水温度が所定温度（例えば６０℃）になるように、ラジエター５１の能力を変化させることで冷却水の放熱量を制御する。また、冷却水流路６に冷却水を通流させる冷却水ポンプ７は、一定の能力で運転する。

以上のように構成された燃料電池システム４１について、以下その動作、作用を説明する。本実施の形態における燃料電池システム４１の制御部１５は、第３の本発明における冷却水の燃料電池２流入口の温度検知器８ａと冷却水の燃料電池２流出口の温度検知器８ｂとの温度差の異常閾値の具体的な一例として、（燃料電池２流出口の温度−燃料電池２流入口の温度＝１５℃（正常時：１０℃））を設定する。このとき、冷却水流路６内の水が蒸発もしくは漏洩すると、冷却水流路６の冷却水量が次第に減少し、冷却水タンク９の水位が低下する。冷却水流路６内の水が蒸発または漏洩が発生し続けると、冷却水タンク９の水位は冷却水タンク９の冷却水の流出口の高さより低くなり、冷却水タンク９の流出口から出る冷却水量は次第に減少し、温度検知器８ａの検知部を通過する冷却水量も減少する。冷却水量が次第に減少すると、温度検知器８ａの検知部は冷却水と接触しなくなり、温度検知器８ａは温度低下を検知する。このとき、燃料電池２を流れる冷却水の循環量は低下することから、冷却水の燃料電池２の生成熱により、温度検知器８ｂが検知する冷却水温度は上昇する。例えば、温度検知器８ａが５４℃、温度検知器８ｂが７３℃を検知すると、両者の温度差が１５℃以上であることから、制御部１５は、燃料電池システム２１の運転を停止させる。このとき、余剰電力ヒータ１０は、冷却水タンク９の冷却水流出口の高さより低い位置に構成しているので水没していることから、余剰電力ヒータ１０の空焚きを防止でき、また、加熱手段近傍に温度検知器を備えなくても、冷却水流路６の冷却水量の減少を検知することができるのである。また、実施の形態１とあわせることで、より正確に冷却水量の減少を検知できるのである。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお、図４において、図１と互いに同一あるいは、相当する部材には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。

図４に示すように燃料電池システム６１は図１に示す燃料電池システム１と比較して、余剰電力ヒータ１０は冷却水タンク９内部ではなく、冷却水流路６に設け、燃料電池２の流出口と冷却水タンク９の流入口との間に設けている点で異なっている。

本実施の形態では、余剰電力ヒータ１０は、冷却水流路６に備え、冷却水タンク９の底面より低い位置に備える。また、温度検知器８ａの検知部と温度検知部８ｂの検知部は余剰電力ヒータ１０より高い位置に備え、冷却水タンク９の冷却水流出口の高さと同じ高さに備える。

なお本実施の形態における構成部材としての冷却水流路６、冷却水ポンプ７、冷却水タンク９、余剰電力ヒータ１０、ラジエター５１および流体としての冷却水は、各々、第１の本発明における第１熱媒体経路、第１熱媒体搬送手段、第１熱媒体タンク、加熱手段、熱交換器および第１熱媒体の具体的な実施の一例である。温度検知器８ａならびに温度検知器８ｂを加熱手段より高い位置に設ける構成は第２の本発明における温度検知器は加熱手段より高い位置に備えることの具体的一例である。また、制御部１５は第４の本発明における第１熱媒体搬送能力に発電電力に対応した異常閾値を設けることの具体的な実施の一例としてその機能を備えている。

制御部１５は、燃料電池２流出口の温度検知器８ｂの検知する冷却水温度が所定温度（例えば６０℃）になるように、冷却水ポンプ７の搬送能力を変化させることで冷却水流路６の冷却水流量を制御し、ラジエター５１の能力は、一定の搬送能力で運転する。たとえば、温度検知器８ａの検知する冷却水温度が所定温度より高い６２℃になった場合は、燃料電池２の生成熱による熱回収量増加に伴う温度上昇を抑えるために、冷却水ポンプ７の搬送能力を低下させて、温度検知器８ｂの検知する冷却水温度を上昇させる。また、温度検知器８ｂの検知する冷却水温度が所定温度より低い６８℃になった場合は、燃料電池２の生成熱により熱回収量を増加させるため、冷却水ポンプ７の搬送能力を低下させて、温度検知器８ｂの検知する冷却水温度を上昇させる。

このとき、燃料電池２流出口の温度検知器８ｂの検知する冷却水温度の目標とする温度は、温度検知器８ａで検知する燃料電池２流入口の冷却水温度（たとえば６０℃）と冷却水の沸点１００℃との平均である８０℃よりも低い温度（たとえば７０℃）になるように制御部１５を用いて冷却水ポンプ７の搬送能力を変化させる。具体的には、燃料電池２は発電により発電量と同等の熱量を生成するが、その生成熱により冷却水温度が上昇する。たとえば上記のように燃料電池２の流入口温度６０℃、流出口温度７０℃となるように制御部１５により冷却水ポンプ７の搬送能力を制御している場合、燃料電池２での生成熱により冷却水が１０℃だけ温度上昇したといえる。このような燃料電池システム４１の運転中に負荷４での電力消費が停止した場合、全量の発電量が余剰電力ヒータ１０に通電される。これにより余剰電力ヒータ１０から排出される冷却水温度はさらに上昇するが、その温度上昇は「生成熱量≒発電量＝通電量」を考慮すると、約１０℃の温度上昇が見込まれ、冷却水タンク９に導入される冷却水の温度は約８０℃となる。

冷却水ポンプ搬送能力が低下した場合の、余剰電力ヒータ１０通電時の冷却水流路６の沸騰を防止するために、例えば、冷却水タンク９に導入される冷却水の温度が９０℃となる冷却水ポンプ７の搬送能力を、下限の異常閾値として設定し、図５にその一例を示す。図５において、横軸は発電電力、縦軸は冷却水ポンプ７の搬送能力であり、冷却水ポンプ７の最大搬送能力を１００％とする。冷却水ポンプ７の搬送能力の上限値は、発電電力に対して、一次直線となるように設定し、最低発電電力２００Ｗでは２０％、最高発電電力１，０００Ｗでは５５％とし、冷却水ポンプ７の搬送能力が下限値以下になれば、制御部１５は燃料電池システム６１の運転を停止させる。

以上のように構成された燃料電池システム６１について、以下その動作、作用を説明する。本実施の形態における燃料電池システム６１の制御部１５は、第４の本発明における第１熱媒体搬送能力に発電電力に対応した異常閾値を設けることの具体的な実施の一例と
して、図５に示す下限の異常閾値を設定する。このとき、冷却水流路６内の水が蒸発もしくは漏洩すると、冷却水流路６の冷却水量が次第に減少し、冷却水タンク９の水位が低下する。冷却水流路６内の水が蒸発または漏洩が発生し続けると、冷却水タンク９の水位は冷却水タンク９の冷却水の流出口の高さより低くなり、冷却水タンク９の流出口から出る冷却水量は次第に減少し、温度検知器８ａの検知部ならび温度検知器８ｂの検知部を通過する冷却水量も減少する。冷却水量が次第に減少すると、温度検知器８ｂの検知部は冷却水と接触しなくなり、温度検知器８ｂは温度低下を検知する。温度検知器８ｂが温度低下を検知すると、制御部１５は冷却水ポンプ７の搬送能力を低下させて、温度検知器８ｂの検知する冷却水温度を上昇させようとするが、温度検知器８ｂの検知部は冷却水と接触していないため、温度検知器８ｂは温度上昇を検知せず、冷却水ポンプ７の搬送能力は次第に低下する。例えば、１，０００Ｗ運転時に冷却水ポンプ７の搬送能力が下限の異常閾値である５５％まで低下したことを検知すると、制御部１５は、燃料電池システム６１の運転を停止させる。このとき、冷却水流路６の循環量は余剰電力ヒータ１０起動時においても沸騰しない循環量であるため、冷却水が沸騰することなく、冷却水流路６の冷却水量の減少を検知することができるのである。

（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお、図６において、図１と互いに同一あるいは、相当する部材には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。

図６に示すように燃料電池システム８１は図１に示す燃料電池システム１と比較して、熱交換器１１を冷却水流路６の冷却水タンク９流入口側に設けている点で異なっている。制御部１５が燃料電池２流入口の温度検知器８ａの検知する冷却水温度が所定温度（例えば６０℃）になるように、排熱回収ポンプ１３の能力を変化させる点は、熱交換器１１を冷却水タンク９流出口に設けた燃料電池システム２１と変わらない。

本実施の形態では、余剰電力ヒータ１０は、冷却水タンク９の内部であり、冷却水タンク９の冷却水の流出口より低い位置に余剰電力ヒータ１０を備える。また、温度検知器８ａの検知部は余剰電力ヒータ１０より高い位置に備える。

なお本実施の形態における構成部材としての冷却水流路６、冷却水ポンプ７、冷却水タンク９、余剰電力ヒータ１０および流体としての冷却水は、各々、第１の本発明における第１熱媒体経路、第１熱媒体搬送手段、第１熱媒体タンク、加熱手段および第１熱媒体の具体的な実施の一例である。燃料電池２流入口の温度検知器８ａの検知部を加熱手段より高い位置に設ける構成は第２の本発明における温度検知器は加熱手段より高い位置に備えることの具体的一例である。また、本実施の形態における構成部材としての排熱回収水流路１２、排熱回収ポンプ１３、流体としての排熱回収水は、各々、第５の本発明における第２熱媒体経路、第２熱媒体搬送手段、および第２熱媒体の具体的な実施の一例であり、制御部１５は第５の本発明における第２熱媒体搬送能力に発電電力に対応した異常閾値を設けることの具体的な実施の一例としてその機能を備えている。

本実施の形態では、冷却水タンク９の冷却水流出口の高さは、冷却水の水位が冷却水タンク９流出口の高さ以下に低下した場合においても、余剰電力ヒータ１０は常に水没するようにし、余剰電力ヒータ１０が最大電力で通電時に冷却水タンク９内部の冷却水が沸騰しない冷却水の水量が確保できるように決定する。熱交換器１１は、余剰電力ヒータ１０により加熱された冷却水を冷却するため、冷却水タンク９の流出口の後段に構成する。

制御部１５は、冷却水の燃料電池２流入口の温度検知器８ａの検知する冷却水温度が所定温度（例えば６０℃）になるように、排熱回収ポンプ１３の能力を変化させることで冷
却水の放熱量を制御する。なお、冷却水流路６に冷却水を通流させる冷却水ポンプ７の能力は、一定の能力として動作する。

また、制御部１５は、図７に示す発電電力に対応した異常閾値を設け、図７において、横軸は発電電力、縦軸は排熱回収ポンプ１３の搬送能力であり、排熱回収ポンプ１３の最大搬送能力を１００％とする。排熱回収ポンプ１３の搬送能力の下限値は、発電電力に対して、一次直線となるように設定し、最低発電電力２００Ｗでは１５％、最高発電電力１，０００Ｗでは３５％とし、排熱回収ポンプ１３の搬送能力が下限値以下になれば、制御部１５は燃料電池システム８１の運転を停止させる。

以上のように構成された燃料電池システム８１について、以下その動作、作用を説明する。本実施の形態における燃料電池システム８１の制御部１５は、第５の本発明における第２熱媒体搬送能力に発電電力に対応した異常閾値を設けることの具体的な実施の一例として、図７に示す下限の異常閾値を設定する。このとき、冷却水流路６内の水が蒸発もしくは漏洩すると、冷却水流路６の冷却水量が次第に減少し、冷却水タンク９の水位が低下する。冷却水流路６内の水が蒸発または漏洩が発生し続けると、冷却水タンク９の水位は冷却水タンク９の冷却水の流出口より低くなり、冷却水タンク９の流出口から出る冷却水量は次第に減少し、燃料電池２流入口の温度検知器８ａの検知部を通過する冷却水量も減少する。冷却水量が次第に減少すると、温度検知器８ａの検知部は冷却水と接触しなくなり、温度検知器８ａは温度低下を検知する。温度検知器８ａが温度低下を検知すると、制御部１５は排熱回収ポンプ１３の搬送能力を低下させて、温度検知器８ａの検知する冷却水温度を上昇させようとするが、温度検知器８ａは冷却水と接触していないため、温度検知器８ａの温度上昇を検知せず、排熱回収ポンプ１３の搬送能力は次第に低下する。例えば、１，０００Ｗ運転時に排熱回収ポンプ１３の搬送能力が下限の異常閾値である３５％まで低下したことを検知すると、制御部１５は、燃料電池システム８１の運転を停止させる。

このとき、余剰電力ヒータ１０は、冷却水タンク９の冷却水流出口の低い位置に構成しているので、水没しており、余剰電力ヒータ１０の空焚きを防止でき、冷却水流路６の冷却水量の減少を検知することができるのである。また、実施の形態１とあわせることで、より正確に冷却水量の減少を検知することができるのである。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池で発生した熱を外部へ取り出すための熱媒体を有した燃料電池システム等に有用である。

１、２１、４１、６１、８１ 燃料電池システム
２、２０２ 燃料電池
３ 系統電力
４ 負荷
５ インバータ
６ 冷却水流路
７ 冷却水ポンプ
８ａ 燃料電池流入側の温度検知器
８ｂ 燃料電池流出側の温度検知器
９ 冷却水タンク
１０ 余剰電力ヒータ
１１ 熱交換器
１２ 排熱回収水流路
１３ 排熱回収ポンプ
１４ 電力検知器
１５ 制御部
５１ ラジエター

Claims (5)

1. 水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池で発生した熱を外部へ取り出すための第１熱媒体と、
   前記第１熱媒体が流れる第１熱媒体経路と、
   前記第１熱媒体を前記燃料電池へ流通させる第１熱媒体搬送手段と、
   前記第１熱媒体と第２の熱媒体で熱交換を行う熱交換器と、
   前記第１熱媒体を貯える第１熱媒体タンクと、
   前記第１熱媒体を加熱する加熱手段と、
   前記燃料電池の前記第１熱媒体の流入口近傍と前記燃料電池の前記第１熱媒体の流出口近傍との少なくとも一方に温度検知器を備え、
   前記加熱手段を前記第１熱媒体タンクの前記第１熱媒体の流出口より低い位置に配置し、前記温度検知器が検知する前記第１熱媒体の温度が予め定められた範囲から外れた場合に運転を停止することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記温度検知器は加熱手段より高い位置に備えた請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記温度検知器は前記燃料電池の前記第１熱媒体の流入口近傍と前記燃料電池の前記第１熱媒体の流出口近傍の両方に備え、
   温度差が予め定められた温度差から大きくなった場合に運転を停止することを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１熱媒体搬送手段の第１熱媒体搬送能力に前記温度検知器の検知温度に基づいて変化させる搬送能力調整手段を備え、
   前記第１熱媒体搬送手段の第１熱媒体搬送能力を発電電力に対応した異常閾値を設けたことを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記第２熱媒体を搬送する第２熱媒体搬送手段とを有し、
   前記第２熱媒体搬送手段の第２熱媒体搬送能力に前記温度検知器の検知温度に基づいて変化させる搬送能力調整手段を備え、
   前記第２熱媒体搬送手段の第２熱媒体搬送能力を発電電力に対応した異常閾値を設けたことを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の燃料電池システム。