JP4716212B2

JP4716212B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4716212B2
Application number: JP2004265811A
Authority: JP
Inventors: 勇菊池; 洋知沢
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2024-09-13
Also published as: JP2006080039A

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、水の凍結防止手段に改良を施した燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池本体に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換し外部へ取り出す発電装置であるが、この電気化学的な反応の過程において熱が発生するため、燃料電池システムでは貯留水タンクから給排水配管を通じて燃料電池本体に水を循環させて燃料電池本体を冷却している。

また、燃料電池本体の電気化学的な反応の結果として、水素と酸素が結合して水を生じるが、この水の一部は燃料電池システムの貯留水タンクに回収される。さらに、固体高分子形燃料電池の場合は、燃料電池本体の高分子イオン交換膜を湿潤させるためにも、燃料電池本体に水が供給あるいは循環されている。

しかしながら、このような構成の燃料電池システムが、氷点下の環境で一定時間運転を停止された場合、燃料電池システム内の水が凍結してしまい、凍結膨張によって機器が破損するという問題や、凍結した氷を溶かすのに多くの時間とエネルギーを要するという問題がある。

これらの問題に対する解決策としては、燃料電池システムの筐体内に電気ヒーターやバーナー燃焼機等を設置して、筐体内部の温度が凍結温度以下にならないようにする方法や、停止中に燃料電池システム内の水を外部に排出して廃棄し、再起動の際に外部から新たに水を補給する方法が提案されている。

しかしながら、電気ヒーターやバーナー燃焼による保温では、電気代や燃料代等のランニングコストが増大してしまう。また、燃料電池システムで使用されている水は、一般に電気伝導性の低いイオン交換水であるため、凍結対策として水を外部に排出して廃棄する方法では、再起動の際に外部より新たに水を補給する必要があるので、水道代およびイオン交換水の生成コストが発生してしまい、燃料電池システムの維持コスト低減の観点から好ましくない。

これらの問題を解決するために、特許文献１には、燃料電池システム内に水を回収するためのサブタンクを設け、運転終了後に燃料電池システム内の水をサブタンクに回収し、さらにそのサブタンクを取り外して、凍結の恐れの無い場所で保管するという方法が提案されている。
特許第３４１６５１２号

しかしながら、特許文献１による方法のように、水を凍結の恐れの無い場所に保管するためには、燃料電池システムの運転員がサブタンクを運搬移動する必要があるため、作業に手間がかかり、また、運転員が不在の場合には、水の凍結を回避できないという問題点があった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、煩雑な作業を必要とせずに、凍結対策に必要なランニングコストの低減と機器の破損防止が可能な燃料電池システムを提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料電池本体に水を供給する水供給手段と、前記燃料電池から水を回収する水回収手段と、前記水供給手段および前記水回収手段を通じて水が還流される水タンクを有する水循環系を備えた燃料電池システムにおいて、前記水タンクは、水分が凍結しない深さの地中に設置された地中水タンクであり、前記水回収手段は、前記燃料電池の停止時に燃料電池内部に滞留した水を回収するものであり、前記水供給手段は、前記燃料電池の停止後の運転再開時に燃料電池内部に水を供給するものであることを特徴とする。

以上のような構成を有する請求項１に記載の発明では、燃料電池システムの運転停止中に、水循環系の水を地中に設置された地中水タンクに移動させて貯留することができるので、地表の温度が氷点下の場合でも、凍結による機器の破損を防止することができる。また、運転再開時においても、解凍を行わずに地中水タンクから汲み上げて使用できるので、経済的な運用が可能となる。

また、本発明では、水タンク自体を地中に設置して、地中水タンクの機能を兼有させることができるので、燃料電池システムの構成部材が削減される。また、燃料電池に循環供給される水は、常に地中水タンクに循環されるので、外気温度が高い夏季においても、地中において冷却することができるので、水循環系に設けられる熱交換器の負荷を軽減することができる。

本発明では、地中水タンクの水は年間を通して凍結しないため、燃料電池システムの運転を再開する際に、随時、地中水タンクから水を汲み上げて運転を再開することができるので、燃料電池システムのより経済的な運用が可能となる。

請求項２に記載の発明は、前記水循環系における水温を検知する温度検知手段と、燃料電池システムの筐体内の温度を検知する温度検知手段と、外気の温度を検知する温度検知手段の少なくとも一つを有し、前記温度検知手段のいずれかにより検知された温度が、各温度検知手段について予め設定されたそれぞれの所定値よりも低い場合に、前記水循環系の水を前記地中水タンクに移動させるように構成したことを特徴とする。

以上のような構成を有する請求項２に記載の発明では、水循環系の水を地中水タンクへ移動させることの可否を、所定の部位に設置された１又は２以上の温度検知手段による検知温度によって判断し、凍結の可能性がある場合にのみ水の排出を行うので、水の排出および汲み上げ回数を削減することができ、運転に必要なランニングコストを削減することができる。

請求項３に記載の発明は、前記水移動手段あるいは前記水循環系の少なくとも一方に、加熱手段が設けられていることを特徴とする。

以上のような構成を有する請求項３に記載の発明では、水移動手段あるいは水循環系の少なくとも一方に設けられた加熱手段によって、水の凍結による不都合が防止されるので、より確実な凍結対策を実施することができる。

請求項４に記載の発明は、前記水移動手段の配管温度を検知する温度検知手段と、前記水循環系の水温を検知する温度検知手段と、燃料電池システム筐体内の温度を検知する温度検知手段と、外気の温度を検知する温度検知手段の少なくとも一つを有し、前記温度検知手段のいずれかにより検知された温度が、各温度検知手段について予め設定されたそれぞれの所定値よりも低い場合に、前記加熱手段によって水を加熱するように構成したことを特徴とする。

以上のような構成を有する請求項４に記載の発明では、水移動手段あるいは水循環系の少なくとも一方に設けられた加熱手段の動作を、所定の部位に設置された１又は２以上の温度検知手段による検知温度によって判断し、凍結の可能性がある場合にのみ加熱手段を稼働させることができるので、より確実な凍結対策を実施することができる。

本発明によれば、煩雑な作業を必要とせずに、凍結対策に必要なランニングコストの低減と機器の破損防止が可能な燃料電池システムを提供することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」と呼ぶ）について図面を参照して具体的に説明する。なお、第１実施例（図１）、第３実施形態（図３）及び第５実施形態（図５）は、本発明を説明する参考例である。

（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態の燃料電池システムは、図１に示したように、電解質を挟んで配置された燃料極および酸化剤極からなる燃料電池１と、燃料電池１に燃料ガスを供給する図示されない燃料供給手段と、燃料電池１に酸化剤ガスを供給する図示されない酸化剤ガス供給手段と、燃料電池１の燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発生した起電力を制御して電気エネルギーを取り出す図示されない電気制御装置と、燃料電池１に連通され、燃料電池１に水を供給する配管２ａとポンプ２ｂからなる水供給手段２と、燃料電池１に連通され、燃料電池１から水を回収する配管３ａからなる水回収手段３と、燃料電池１、水供給手段２および水回収手段３に連通されて水が還流される水タンク４とを有する水循環系と、地中に埋設された地中水タンク５と、水循環系の水を地中水タンク５に排出させる配管６ａと開閉弁６ｂとからなる排出手段６と地中水タンク５に貯留された水を水循環系へ汲み上げる配管７ａとポンプ７ｂからなる汲み上げ手段７とを有する水移動手段とから構成されている。

なお、前記地中水タンク５の地中への設置深さは、年間を通して地中の水分が凍結しなくなる地表面からの深さより深い位置であることが望ましい。

（１−２）作用
次に、上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池システムについて、運転停止前後の水の流れを説明する。

（１−２−１）燃料電池システムの運転中
燃料電池システムの運転中は、排出手段６の開閉弁６ｂが閉じられており、水タンク４に貯留された水が、水供給手段２のポンプ２ｂの作用により、配管２ａを介して燃料電池１に供給され、燃料電池１からの水は、水回収手段３の配管３ａを介して水タンク４に還流されている。

（１−２−２）燃料電池システムの運転停止中
次に、燃料電池システムが運転を停止すると、水供給手段２のポンプ２ｂが停止し、排出手段６の開閉弁６ｂが開くことで、重力の作用により、燃料電池１、水タンク４および水供給手段２、水回収手段３に滞留していた水が、排出手段６の配管６ａを介して地中水タンク５に排出される。

（１−２−３）燃料電池システムの運転再開時
運転を再開する場合は、排出手段６の開閉弁６ｂが閉じられ、汲み上げ手段７のポンプ７ｂが作動し、地中水タンク５に滞留していた水が汲み上げ手段７の配管７ａを介して水タンク４に汲み上げられた後、水供給手段２のポンプ２ｂが作動し、燃料電池システムの運転中と同様な水の循環が再開される。

（１−３）効果
以上の通り、本実施形態においては、燃料電池システムの運転停止中には、水循環系の水は地中に埋設された地中水タンク５に貯留されているので、地中水タンク５以外の機器には凍結する水が存在せず、ヒーター等による保温を行わなくとも、凍結による機器の破損が生じない。

また、地表の温度が氷点下の場合でも、地中の温度は地表の温度より高温であるため、地中水タンク５の水は凍結しにくく、解凍を行わずに汲み上げて使用できるので、経済的な運用ができる。また、地中水タンク５を、年間を通して、地中の水分が凍結しなくなる地表面からの深さより深い位置に設置した場合は、地中水タンク５の水は年間を通して凍結しなくなり、燃料電池システムの運転を再開する際に、常に地中水タンク５から水を汲み上げて運転を再開できるので、燃料電池システムのより経済的な運用が可能となる。

（２）第２実施形態
（２−１）構成
本実施形態の燃料電池システムは、上記第１実施形態の燃料電池システムにおける水タンク４を地中に埋設して、図１の地中水タンク５の機能を兼有させたものである。

すなわち、本実施形態の燃料電池システムは、図２に示したように、燃料電池１に水を供給する配管２ａとポンプ２ｂからなる水供給手段２が、互いに並列に接続されたポンプ７ｂと開閉弁７ｃからなる汲み上げ手段７を介して、地中に埋設された地中水タンク５と連通され、また、燃料電池１から水を回収する水回収手段３の配管３ａは、直接、地中水タンク５と連通されている。なお、地中水タンク５の地中への設置深さは、年間を通して地中の水分が凍結しなくなる地表面からの深さより深い位置であることが望ましい。

（２−２）作用
次に、上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池システムについて、運転停止前後の水の流れを説明する。

（２−２−１）燃料電池システムの運転中
燃料電池システムの運転中は、地中水タンク５に貯留された水が、水供給手段２のポンプ２ｂの作用により、配管２ａおよび汲み上げ手段７の開閉弁７ｃを介して燃料電池１に供給され、燃料電池１からの水は、水回収手段３の配管３ａを介して地中水タンク５に還流されている。

（２−２−２）燃料電池システムの運転停止中
次に、燃料電池システムが運転を停止すると、水供給手段２のポンプ２ｂが停止し、重力の作用により、燃料電池１、水供給手段２及び水回収手段３に滞留していた水が地中水タンク５に貯留される。

（２−２−３）運転再開時
運転を開始する場合は、汲み上げ手段７の開閉弁７ｃが閉じられ、ポンプ７ｂが作動し、水供給手段２のポンプ２ｂまで水を汲み上げた後、水供給手段２のポンプ２ｂが作動し、汲み上げ手段７の開閉弁７ｃが開かれ、燃料電池１と水回収手段３の配管３ａを介して水が地中水タンク５に還流され、燃料電池システムの運転中と同様な水の循環が再開される。

（２−３）効果
以上の通り、本実施形態では、水タンク自体を地中に設置して、地中水タンクの機能を兼有させることができるので、燃料電池システムの構成部材を削減することができる。また、燃料電池システムの運転停止中には、水循環系の水は地中に埋設された地中水タンク５に貯留されているので、地中水タンク５以外の機器には凍結する水が存在せず、ヒーター等による保温を行わなくとも凍結による機器の破損が生じない。

また、地表の温度が氷点下の場合でも地中の温度は地表の温度より高温であるので、地中水タンク５の水は凍結しにくく、解凍を行わずに汲み上げて使用できるので、経済的な運用ができる。また、地中水タンク５を、年間を通して地中の水分が凍結しなくなる地表面からの深さより深い位置に設置した場合は、地中水タンク５の水は年間を通して凍結しなくなり、燃料電池システムの運転を再開する際に、常に地中水タンク５から水を汲み上げて運転を再開できるので、より経済的な運用が可能となる。

さらに、本実施形態においては、以下のような効果が得られる。すなわち、通常、燃料電池システムにおいては、上記の水循環系に、水を冷却するための熱交換器（図示せず）が設けられ、燃料電池１から排出された加温された水を冷却するように構成されているが、本実施形態においては、燃料電池１に循環供給される水は、常に地中水タンク５に循環されているので、外気温度が高い夏季においても、地中において冷却することができるので、熱交換器の負荷を軽減することができる。

（３）第３実施形態
（３−１）構成
本実施形態の燃料電池システムは、上記第１実施形態の燃料電池システムにさらに改良を加えたものである。

すなわち、本実施形態の燃料電池システムは、図３に示したように、水タンク４には、第１の温度検知手段８と水位検知手段１４が設けられ、排出手段６の配管６ａには、ポンプ６ｃと、第２の温度検知手段１０ａと、水の加熱手段である第１の凍結防止ヒーター９ａとが設けられ、汲み上げ手段７の配管７ａには、第３の温度検知手段１０ｂと、水の加熱手段である第２の凍結防止ヒーター９ｂとが設けられ、地中水タンク５には、配管１２ａと開閉弁１２ｂからなる第１の排気手段１２が連通され、水タンク４には、配管１３ａと開閉弁１３ｂからなる第２の排気手段１３が連通されている。その他の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

（３−２）作用
次に、上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池システムについて、運転停止前後の水の流れを説明する。

（３−２−１）燃料電池システムの運転中
燃料電池システムの運転中は、水タンク４に貯留された水が、水供給手段２のポンプ２ｂの作用により、配管２ａを介して燃料電池１に供給され、燃料電池１からの水は、水回収手段３の配管３ａを介して、水タンク４に還流されている。

（３−２−２）燃料電池システムの運転停止中
次に、燃料電池システムが運転を停止すると、水供給手段２のポンプ２ｂが停止し、燃料電池システムは水タンク４に設けられた第１の温度検知手段８による温度監視モードになる。この温度監視モードにおいて、第１の温度検知手段８により検知された温度が、水タンク４の水が凍結しないように予め設定された所定の温度よりも低くなった場合には、燃料電池システムは水排出モードになる。

水排出モードでは、まず、排出手段６の配管６ａに設置された第２の温度検知手段１０ａの温度が検知され、検知された温度が、排出中の水が凍結しないように予め設定された所定の温度よりも低い場合には、排出手段６に設置された第１の凍結防止ヒーター９ａが動作し、排出手段６の配管６ａは所定の温度よりも高い温度に保持される。

次に、水タンク４に設置された第２の排気手段１３の開閉弁１３ｂと、地中水タンク５に設置された第１の排気手段１２の開閉弁１２ｂと、排出手段６の開閉弁６ｂが開き、排出手段６のポンプ６ｃが動作することで、燃料電池１と水タンク４および水供給手段２と水回収手段３に滞留していた水が、排出手段６の配管６ａを介して地中水タンク５に排出されるとともに、水タンク４には排気配管１３ａを介して外部から空気が導入され、地中水タンク５の内部に滞留していた空気は排気手段１２の配管１２ａを介して外部に排出される。

ここで、前記温度監視モードから前記水排出モードへの移行条件としては、水タンク４に設置された第１の温度検知手段８により検知された温度が、予め設定された所定値よりも低くなった場合とする他にも、図示されない水循環系の温度検知手段と、図示されない外気温検知手段と、図示されない燃料電池システムの筐体内温度検知手段の少なくとも一つにより検知された温度が、水循環系の水が凍結しないように予め設定されたそれぞれの所定値より低い場合に、水排出モードに移行するようにしても良い。

あるいは、水循環系の温度検知手段により検知された温度が、予め設定された所定値よりも低いと同時に、外気温検知手段と燃料電池システムの筐体内温度検知手段の少なくとも１つにより検知された温度が、水循環系の水が凍結しないように予め設定された所定値よりも低い場合に限り、水排出モードに移行するようにしてもよい。

また、水排出モードで排出手段６に設置された第１の凍結防止ヒーター９ａを動作させる場合、排出手段６の配管６ａに設置された第２の温度検知手段１０ａを使用せずに、図示されない水循環系の温度検知手段と、図示されない外気温検知手段と、図示されない燃料電池システムの筐体内温度検知手段の少なくとも一つにより検知された温度が、排出中の水が凍結しないように予め設定された所定値より低い場合に、排出手段６に設置された第１の凍結防止ヒーター９ａを一定時間動作させるようにしてもよい。

（３−２−３）燃料電池システムの運転再開時
次に、燃料電池システムが運転を再開する場合は、まず、汲み上げ手段７の配管７ａに設置された第３の温度検知手段１０ｂの温度が検知され、検知された温度が、汲み上げた水が凍結しないように予め設定された所定の温度よりも低い場合には、汲み上げ手段７に設置された第２の凍結防止ヒーター９ｂが動作し、汲み上げ手段７の配管７ａは所定の温度よりも高い温度に保持される。

次に、排出手段６の開閉弁６ｂが閉じられ、水タンク４に設置された第２の排気手段１３の開閉弁１３ｂと、地中水タンク５に設置された第１の排気手段１２の開閉弁１２ｂが開き、汲み上げ手段７のポンプ７ｂが作動することで、地中水タンク５に滞留していた水が、汲み上げ手段７の配管７ａを介して水タンク４に汲み上げられるとともに、地中水タンク５には配管１２ａを介して外部から空気が導入され、水タンク４の内部に滞留していた空気は、第２の排気手段１３の配管１３ａを介して外部に排出される。

次に、汲み上げ手段７のポンプ７ｂは一定時間動作した後に停止され、排気手段１２、１３に設置された開閉弁１２ｂ，１３ｂも閉じられる。次に、水タンク４に設置された水位検知手段１４により検知された水位が所定値よりも低い場合は、図示されない給水手段にて外部から水タンク４に水が補給された後、水供給手段２のポンプ２ｂが作動し、燃料電池システムの運転中と同様な水の循環が再開される。

ここで、汲み上げ手段７に設置された第２の凍結防止ヒーター９ｂを動作させる場合、汲み上げ手段７の配管７ａに設置された第３の温度検知手段１０ｂを使用せずに、図示されない地中水タンク５の温度検知手段と、図示されない外気温検知手段と、図示されない燃料電池システムの筐体内温度検知手段の少なくとも一つにより検知された温度が、汲み上げた水が凍結しないように予め設定された所定値より低い場合に、汲み上げ手段７に設置された第２の凍結防止ヒーター９ｂを一定時間動作させるようにしてもよい。

（３−３）効果
以上の通り、本実施形態では第１実施形態と同等の効果が得られるとともに、水排出モードへの移行の可否を温度検知手段による検知温度によって判断し、凍結の可能性がある場合のみ水の排出を行うので、水の排出および汲み上げ回数を削減でき、運転に必要なランニングコストを削減できる。

また、第１・第２の排気手段１２、１３を設けたことにより、水循環系の水を地中水タンクに排水する際に、水タンク４のタンク内圧力の減少と地中水タンク５のタンク内圧力の上昇が防止されるので、水の排出が確実に実施されるとともに、排出手段６のポンプ６ｃの作用により、水の排出が迅速かつ確実に実施され、水循環系内への水の残留による機器の破損が防止される。

また、排出手段６に設置された第１の凍結防止ヒーター９ａの作用により、排出中の水の凍結による不都合が防止されるので、確実に凍結対策が実施される。また、汲み上げ手段７に設置された第２の凍結防止ヒーター９ｂの作用により、汲み上げ中の水の凍結による不都合が防止されるので、確実に運転が再開される。このように、本実施形態の構成によれば、燃料電池システムの経済的な運用を確実に実施することができる。

（４）第４実施形態
（４−１）構成
本実施形態の燃料電池システムは、上記第２実施形態の燃料電池システムにさらに改良を加えたものである。

すなわち、本実施形態の燃料電池システムは、図４に示したように、
水供給手段２の配管２ａに、第４の温度検知手段１０ｃと、水の加熱手段である第３の凍結防止ヒーター９ｃを設置したものである。その他の構成は、上記第２実施形態と同様であるので、説明は省略する。

（４−２）作用
次に、上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池システムについて、運転停止前後の水の流れを説明する。

（４−２−１）燃料電池システムの運転中及び停止中
燃料電池システムの運転中および燃料電池システムが運転を停止した後の水の流れは、上記第２実施形態と同じである。

（４−２−２）燃料電池システムの運転再開時
次に、運転を開始する場合は、まず、水供給手段２の配管２ａに設置された第４の温度検知手段１０ｃの温度が検知され、検知された温度が、汲み上げた水が凍結しないように予め設定された所定の温度よりも低い場合には、水供給手段２の配管２ａに設置された第３の凍結防止ヒーター９ｃが動作し、水供給手段２の配管２ａは所定の温度よりも高い温度に保持される。

その後、汲み上げ手段７の開閉弁７ｃが閉じられ、ポンプ７ｂが作動し、水供給手段２のポンプ２ｂまで水を汲み上げた後、水供給手段２のポンプ２ｂが作動し、汲み上げ手段７の開閉弁７ｃが開かれ、水供給手段２の配管２ａと燃料電池１と水回収手段３の配管３ａを介して、水が地中水タンク５に還流され、燃料電池システムの運転中と同様な水の循環が再開される。

ここで、水供給手段２の配管２ａに設置された第３の凍結防止ヒーター９ｃを動作させる場合、水供給手段２の配管２ａに設置された第４の温度検知手段１０ｃを使用せずに、図示されない地中水タンク５の温度検知手段と、図示されない外気温検知手段と、図示されない燃料電池システムの筐体内温度検知手段の少なくとも一つにより検知された温度が、汲み上げた水が凍結しないように予め設定された所定値より低い場合に、水供給手段２の配管２ａに設置された凍結防止ヒーター９ｃを一定時間動作させるようにしてもよい。

（４−３）効果
以上の通り、本実施形態では第２実施形態と同等の効果が得られるとともに、水供給手段２に設けられた第３の凍結防止ヒーター９ｃの作用により、汲み上げ中の水の凍結による不都合が防止されるので、確実に運転が再開される。
このように、本実施形態の構成によれば、燃料電池システムの経済的な運用を確実に実施することができる。

（５）第５実施形態
（５−１）構成
本実施形態の燃料電池システムは、上記第１実施形態の燃料電池システムにおける水供給手段２のポンプ２ｂを、自吸式ポンプ２ｃに置き換えたものである。

すなわち、本実施形態の燃料電池システムは、図５に示したように、燃料電池１に連通され、燃料電池１に水を供給する配管２ａと、自吸式ポンプ２ｃおよび開閉弁２ｄからなる水供給手段２と、燃料電池１に連通され、燃料電池１から水を回収する配管３ａからなる水回収手段３と、燃料電池１、水供給手段２および水回収手段３に連通されて、水が還流される水タンク４を有する水循環系と、地中に埋設された地中水タンク５と、水循環系の水を地中水タンク５に排出させる配管６ａと開閉弁６ｂとからなる排出手段６と、地中水タンク５に貯留された水を水循環系へ汲み上げる配管７ａと開閉弁７ｄからなる汲み上げ手段７とを有する水移動手段とを備えている。

（５−２）作用
次に、上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池システムについて、運転停止前後の水の流れを説明する。

（５−２−１）燃料電池システムの運転中
燃料電池システムの運転中は、排出手段６の開閉弁６ｂと汲み上げ手段７の開閉弁７ｄが閉じられており、水供給手段２の開閉弁２ｄは開かれており、水タンク４に貯留された水が、水供給手段２の自吸式ポンプ２ｃの作用により、配管２ａを介して燃料電池１に供給され、燃料電池１からの水は水回収手段３の配管３ａを介して水タンク４に還流されている。

（５−２−２）燃料電池システムの運転停止中
次に、燃料電池システムが運転を停止すると、水供給手段２の自吸式ポンプ２ｃが停止し、水供給手段２の開閉弁２ｄと排出手段６の開閉弁６ｂが開くことで、重力の作用により、燃料電池１、水タンク４および水供給手段２、水回収手段３に滞留していた水が、排出手段６の配管６ａを介して、地中水タンク５に排出される。

（５−２−３）燃料電池システムの運転再開時
運転を再開する場合は、水供給手段２の開閉弁２ｄと排出手段６の開閉弁６ｂが閉じ、汲み上げ手段７の開閉弁７ｄが開き、水供給手段２の自吸式ポンプ２ｃが作動し、地中水タンク５に滞留していた水が、汲み上げ手段７の配管７ａを介して水循環系に汲み上げられる。その後、水供給手段２の開閉弁２ｄが開き、汲み上げ手段７の開閉弁７ｄが閉じ、水供給手段２の自吸式ポンプ２ｃが動作し、水供給手段２の自吸式ポンプ２ｃの作用により、燃料電池システムの運転中と同様な水の循環が再開される。

（５−３）効果
以上の通り、本実施形態では、水供給手段のポンプを自吸式ポンプとすることにより、図１における汲み上げ手段７のポンプ７ｂを用いずに、第１実施形態と同等の効果が得られるので、製造コストおよびポンプのメンテナンスコストが削減できる上に、凍結による機器の破損が生じずに、経済的な運用ができる燃料電池システムを提供できる。

（６）第６実施形態
（６−１）構成
本実施形態の燃料電池システムは、上記第２実施形態の燃料電池システムにおける水供給手段２のポンプ２ｂを、自吸式ポンプ２ｃに置き換えたものである。

すなわち、本実施形態の燃料電池システムは、図６に示したように、
燃料電池１に連通され、燃料電池１に水を供給する配管２ａと自吸式ポンプ２ｃからなる水供給手段２が、地中に埋設された地中水タンク５に連通されると共に、燃料電池１に連通され、燃料電池１から水を回収する配管３ａからなる水回収手段３が、地中水タンク５と連通されている。

（６−２）作用
次に、上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池システムについて、運転停止前後の水の流れを説明する。

（６−２−１）燃料電池システムの運転中
燃料電池システムの運転中は、地中水タンク５に貯留された水が、水供給手段２の自吸式ポンプ２ｃの作用により、配管２ａを介して燃料電池１に供給され、燃料電池１からの水は、水回収手段３の配管３ａを介して、地中水タンク５に還流されている。

（６−２−２）燃料電池システムの運転停止中
次に、燃料電池システムが運転を停止すると、水供給手段２の自吸式ポンプ２ｃが停止し、重力の作用により、燃料電池１、および水供給手段２、水回収手段３に滞留していた水が、水供給手段２の配管２ａおよび水回収手段３の配管３ａを介して、地中水タンク５に貯留される。

（６−２−３）燃料電池システムの運転再開時
運転を開始する場合は、水供給手段２の自吸式ポンプ２ｃが作動し、地中水タンク５に貯留された水が吸い上げられ、水供給手段２の配管２ａと燃料電池１と水回収手段３の配管３ａを介して地中水タンク５に還流され、燃料電池システムの運転中と同様な水の循環が再開される。

（６−３）効果
以上の通り、本実施形態では、水供給手段のポンプを自吸式ポンプとすることにより、図２における汲み上げ手段７のポンプ７ｂを用いずに、第２実施形態と同等の効果が得られるので、製造コストおよびポンプのメンテナンスコストが削減できる上に、凍結による機器の破損が生じずに、経済的な運用ができる燃料電池システムを提供できる。

（７）他の実施形態
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、固体高分子形燃料電池システムにも適用することができることは言うまでもない。

燃料電池システムの第１実施形態（参考例）の構成を示す図本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を示す図燃料電池システムの第３実施形態（参考例）の構成を示す図本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態の構成を示す図燃料電池システムの第５実施形態（参考例）の構成を示す図本発明に係る燃料電池システムの第６実施形態の構成を示す図

符号の説明

１…燃料電池
２…水供給手段
２ａ…配管
２ｂ…ポンプ
２ｃ…自吸式ポンプ
２ｄ…開閉弁
３…水回収手段
３ａ…配管
４…水タンク
５…地中水タンク
６…排出手段
６ａ…配管
６ｂ…開閉弁
６ｃ…ポンプ
７…汲み上げ手段
７ａ…配管
７ｂ…ポンプ
７ｃ…開閉弁
７ｄ…開閉弁
８…第１の温度検知手段
９ａ…第１の凍結防止ヒーター
９ｂ…第２の凍結防止ヒーター
９ｃ…第３の凍結防止ヒーター
１０ａ…第２の温度検知手段
１０ｂ…第３の温度検知手段
１０ｃ…第４の温度検知手段
１２…第１の排気手段
１２ａ…配管
１２ｂ…開閉弁
１３…第２の排気手段
１３ａ…配管
１３ｂ…開閉弁
１４…水位検知手段

Claims

燃料電池本体に水を供給する水供給手段と、前記燃料電池から水を回収する水回収手段と、前記水供給手段および前記水回収手段を通じて水が還流される水タンクを有する水循環系を備えた燃料電池システムにおいて、
前記水タンクは、水分が凍結しない深さの地中に設置された地中水タンクであり、
前記水回収手段は、前記燃料電池の停止時に燃料電池内部に滞留した水を回収するものであり、
前記水供給手段は、前記燃料電池の停止後の運転再開時に燃料電池内部に水を供給するものである
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記水循環系における水温を検知する温度検知手段と、燃料電池システムの筐体内の温度を検知する温度検知手段と、外気の温度を検知する温度検知手段の少なくとも一つを有し、
前記温度検知手段のいずれかにより検知された温度が、各温度検知手段について予め設定されたそれぞれの所定値よりも低い場合に、前記水循環系の水を前記地中水タンクに移動させるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記水供給手段あるいは前記水循環系の少なくとも一方に、加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記水供給手段の配管温度を検知する温度検知手段と、前記水循環系の水温を検知する温度検知手段と、燃料電池システム筐体内の温度を検知する温度検知手段と、外気の温度を検知する温度検知手段の少なくとも一つを有し、
前記温度検知手段のいずれかにより検知された温度が、各温度検知手段について予め設定されたそれぞれの所定値よりも低い場合に、前記加熱手段によって水を加熱するように構成したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。