JP5320414B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、改質用の水蒸気となる原料水を溜めるタンクを有する燃料電池システムに関する。

特許文献１は、燃料電池本体内の配管が凍結しそうな場合には、貯湯槽からの温かい循環水を凍結しそうな配管の近くに流すことにより配管の凍結防止を図る技術を開示している。特許文献２は、燃料電池の運転中に改質水配管が凍結しそうな場合には、貯湯槽からの暖かい循環水を水処理装置を介して水タンクにいれることで、改質水の温度を上げて、改質水配管の凍結防止を図る技術を開示している。特許文献３は、燃料電池本体内の温度が低い場合、内部の配管が凍結しないように燃料電池本体内に凍結防止用ヒータと換気ファンを作動させることで、ハウジング内部の温度を上昇させ、配管の凍結防止を図る技術を開示している。

特開２００３−２８２１０５号公報 特開２００８−２４３５９０号公報 特開２００５−２５９４９４号公報

特許文献１では、貯湯槽に溜めた湯の熱量が余分に使われ、貯湯槽における排熱回収効率が低下する不具合がある。特許文献２では、貯湯槽からの暖かい水を水タンクに導入するため、同様に、貯湯槽における排熱回収効率が低下する不具合がある。更に、改質水を溜めている水精製器の寿命が短くなる不具合がある。また、燃料電池システムの停止中には、改質水配管の凍結防止はできない不具合がある。特許文献３では、ハウジング内部の温度を上昇させるものの、配管類の凍結防止は必ずしも充分ではない。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、冬期または寒冷地等において、貯湯槽の湯を用いることなく、改質用の水蒸気となる原料水を溜めるタンクと蒸発部とを繋ぐ給水通路における凍結を抑えるのに更に有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池システムは、（ｉ）アノード流体およびカソード流体が供給されて発電する燃料電池と、（ｉｉ）原料水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部と、（ｉｉｉ）蒸発部で生成された水蒸気を用いて燃料を改質させてアノード流体を形成する改質部と、（ｉｖ）蒸発部に供給される原料水を溜めるタンクと、（ｖ）タンクに供給される原料水またはタンクに貯留されている原料水を加熱させる加熱部と、（ｖｉ）タンクと蒸発部とを連通させタンク内の原料水を蒸発部の入口ポートに向けて供給させる給水通路と、（ｖｉｉ）給水通路に設けられ正回転によりタンク内の水を蒸発部に搬送させる正モードと逆回転により給水通路の水をタンク内に戻す逆モードとに切り替え可能な水搬送源と、（ｖｉｉｉ）水搬送源を制御する制御部と、（ｉｘ）環境温度を検知するための温度センサとを具備しており、（ｘ）制御部は、給水通路および水搬送源のうちの少なくとも一方において凍結が発生するおそれがあるとき、または、凍結が開始されているとき、水搬送源の正モードおよび逆モードを交互に実行させ、タンク内の原料水を給水通路において往復移動させて給水通路の凍結を抑える凍結抑制処理を実行する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、冬期または寒冷地等において、給水通路および水搬送源のうちの少なくとも一方において凍結が発生するおそれがあるとき、または、凍結が開始されているとき、制御部は、水搬送源を正モードおよび逆モードで交互に駆動させる凍結抑制処理を実行する。これによりタンク内の凍結温度よりも高温に維持されている液相状の原料水を給水通路において往復移動させ、給水通路の凍結を抑える。なお、給水通路内の原料水の状況に応じて、正モード→逆モードの順にしても良いし、逆モード→正モードの順にしても良い。

本発明によれば、冬期または寒冷地等において、給水通路および水搬送源のうちの少なくとも一方において凍結が発生するおそれがあるとき、または、凍結が開始されているとき、タンク内の凍結温度以上に維持されている液相状の原料水を給水通路において往復移動させ、給水通路の凍結を抑えることができる。このため冬期または寒冷地等においても燃料電池システムを容易に起動させて運転できる。本発明によれば、貯湯槽の温水を使用せずとも良いため、貯湯槽の排熱効率を高く維持させることができる。

実施形態１に係り、燃料電池システムを示す図である。 他の実施形態に係り、制御部が実行する凍結抑制処理のフローチャートである。 別の実施形態に係り、制御部が実行する凍結抑制処理の正モードのフローチャートである。 更に別の実施形態に係り、制御部が実行する凍結抑制処理の正モードのフローチャートである。

本発明によれば、制御部は、給水通路および水搬送源のうちの少なくとも一方において凍結が発生するおそれがあるとき、水搬送源を正モードおよび逆モードで交互に実行させる凍結抑制処理を実行する。これによりタンク内に溜められている凍結温度よりも高い温度をもつ原料水（以下、水ともいう）を給水通路において往復移動させて給水通路の凍結を抑える。給水通路に存在する水量が多い場合には、逆モード→正モード→逆モード…等の順に実行できる。給水通路に存在する水量が少ない場合には、逆モード→正モード→逆モード…等の順に実行でき、あるいは、正モード→逆モード→正モード…等の順に実行できる。給水通路に水が存在しない場合には、正モード→逆モード→正モード→逆モード……等の順に実行できる。

好ましい形態によれば、制御部は、凍結抑制処理の開始時に、正モードよりも逆モードを優先させ、水搬送源を逆モードとして駆動させることにより給水通路内の水を空状態にさせてタンク内に戻す戻し処理を実行する。この場合、給水通路内の水が空状態となるため、給水通路の基準状態が確保される。ここで、給水通路の通路長および通路容積は既知であり、水搬送源の単位時間あたりの水搬送量も既知である。このため、基準状態（給水通路の水が空の状態）に対して、給水通路内に供給された水の合計流量が求められる。この結果、給水通路内に供給された水の水位が求められ、ひいては給水通路において凍結防止処理が実行されている領域が求められる。

好ましい形態によれば、制御部は、給水通路に凍結が発生していると判定するとき、加熱部の単位時間あたりの発熱量を増加させ、タンク内の原料水を昇温させる。次回に正モードが実施されるとき、昇温された原料水を給水通路に供給できる。

システムの環境温度を検知するための温度センサが設けられている。環境温度は、システムを設置する場所の温度でも良いし、システムの筐体の内部温度とすることもできる。好ましい形態によれば、制御部は、温度センサで検知する温度が第１閾値温度Ｔ１（凍結を考慮した温度，Ｔ１≦５℃）以下であるとき、凍結のおそれが少なからずあるため、水搬送源を逆モードとして駆動させることにより、給水通路内の水を減少または空状態にさせてタンク内に戻すことができる。風が吹きやすい等といったシステムの設置場所等を考慮し、Ｔ１としては１℃、３℃、５℃等を選択できるが、これらに限定されるものではない。なお、強風が吹く場所では第１閾値温度Ｔ１は低めにできる。

また、温度センサで検知する温度が第２閾値温度Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）以下であるとき、制御部は、凍結が発生するおそれがあると判定する。これにより制御部は水搬送源を正モードおよび逆モードで交互に実行させ、タンク内の水を給水通路において往復移動させて給水通路の凍結を抑える凍結抑制処理を実行することが好ましい。環境温度としては、外気温度、または、燃料電池システムのハウジング内（例えばハウジングの吸気口側）の温度が例示される。

好ましい形態によれば、給水通路のうち蒸発部と水搬送源との間の通路部分における水の存在を検知するための水センサが設けられている。この場合、制御部は、水搬送源を駆動させるとき水センサからの信号に基づいて、水搬送源の正モードを停止させることが好ましい。水センサが水を検知した場合には、水が蒸発部の直前に到達している。このため蒸発部への水の進入を抑制すべく、正モードを停止させることが好ましい。水センサとしては、通路部分における水の存在を検知できるものであれば何でも良く、静電容量式センサ、電気抵抗式センサ、重量センサ、水頭圧センサ等が例示される。

好ましい形態によれば、制御部は、水搬送源を正モードで駆動させるとき、水搬送源の駆動時間または水搬送源の駆動量に基づいて、水搬送源の正モードから逆モードに切り替える。この場合、タンク内の水が給水通路に過剰に供給されることが回避され、水が蒸発部に進入することが抑制される。水搬送源の駆動時間または駆動量は、基本的には、タンク内の水を給水通路に供給させた水の流量に相当する。このため、給水通路の基準状態から給水通路に供給された水の水位が把握される。ひいては給水通路のうち水により凍結抑制できる領域が把握される。

好ましい形態によれば、モータはステッピングモータとされている。この場合、正モードを１回完了するにあたり、ステッピングモータに給電されるパルス総数をＮａとする。または、正モードを１回完了するにあたり、ステッピングモータが駆動する駆動時間をｔａとする。ここで、ステッピングモータに給電されるパルス総数Ｎａ、ステッピングモータの駆動時間ｔａは、給水通路の水が空状態（基準状態）のときにおいて、ステッピングモータが正回転してポンプが正モードで駆動するとき、給水通路を蒸発部に向けて流れる水が水センサの高さ位置（給水通路のうち蒸発部の入口ポートの直前）まで到達できるように設定されていることが好ましい。

この場合、給水通路の水が空状態（基準状態）を起点とし、ステッピングモータに給電されるパルス総数がＮａに到達する前に、または、ステッピングモータの駆動時間がｔａに到達する前に、水センサが水を検知するときには、給水通路の内壁面が凍結して給水通路の流路断面積が小さくなっているものと判定される。そこで、制御部は、加熱部の単位時間あたりの発熱量を初期よりΔＷ増加させることが好ましい。この場合、次回の正モードを実行するときにおいて給水通路に供給する水の温度を昇温させて凍結防止性を高めることができる。凍結抑制処理におけるモータ（ステッピングモータ）の回転速度について、正モード時の回転速度をＶａとし、逆モード時の回転速度をＶｃとするとき、Ｖａ＝Ｖｃ、Ｖａ≒Ｖｃ、Ｖａ＜Ｖｃ、Ｖａ＞Ｖｃのいずれでも良い。また、制御部は、給水通路に凍結が発生していると判定するとき、正モードおよび逆モードを繰り返して複数回実行し、正モードの実行回数が増加するにつれて加熱部の単位時間あたりの発熱量を初期よりも段階的にまたは連続的に増加させることにより、タンク内の原料水を昇温させることが好ましい。正モードの実行回数が増加するにつれてタンク内の原料水を昇温させるため、凍結解除に有利である。

［実施形態１］
図１は実施形態１の概念を示す。図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１と、液相状の水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部２と、蒸発部２で生成された水蒸気を用いて燃料を改質させてアノード流体を形成する改質部３と、蒸発部２に供給される液相状の水を溜めるタンク４と、これらを収容するケース５とを有する。燃料電池１は、イオン伝導体を挟むアノード１０とカソード１１とをもち、例えば、ＳＯＦＣとも呼ばれる固体酸化物形燃料電池（運転温度：例えば４００℃以上）を適用できる。改質部３は、セラミックス等の担体に改質触媒を担持させて形成されており、蒸発部２に隣設されており、温度センサ３３を有する。改質部３および蒸発部２は改質器２Ａを構成しており、燃料電池１と共に断熱壁１９で包囲され、発電モジュール１８を形成している。改質部３，蒸発部２と燃料電池１との間には、着火部３５をもつ燃焼部１０５が設けられている。

運転時には、改質器２Ａは改質反応に適するように断熱壁１９内において加熱される。運転時には、蒸発部２は水を加熱させて水蒸気とさせ得るように加熱される。燃料電池１がＳＯＦＣタイプの場合には、アノード１０側から流路１０３を経て排出されたアノード排ガスと、カソード１１側から流路１０４を経て排出されたカソード排ガスが燃焼部１０５で燃焼するため、改質部３および蒸発部２は同時に加熱される。

燃料通路６は、燃料源６３からの燃料を改質器２Ａに供給させるものであり、燃料ポンプ６０および脱硫器６２をもつ。燃料電池１のカソード１１には、カソード流体（空気）をカソード１１に供給させるためのカソード流体通路７０が繋がれている。カソード流体通路７０には、カソード流体搬送用の水搬送源として機能するカソードポンプ７１が設けられている。

図１に示すように、ケース５は外気に連通する吸気口５０と排気口５１とをもち、更に、第１室である上室空間５２と、第２室である下室空間５３とをもつ。燃料電池１は、改質部３および蒸発部２と共に、ケース５の上側つまり上室空間５２に収容されている。ケース５の下室空間５３には、改質部３で改質される液相状の水を溜めるタンク４が収容されている。タンク４には、電気ヒータ等の加熱機能をもつ加熱部４０が設けられている。加熱部４０は、タンク４に貯留されている水を加熱させるものであり、電気ヒータ等で形成できる。外気温度等の環境温度が低いとき等には、制御部１００からの指令に基づいて、タンク４の水は加熱部４０により所定温度（例えば５℃、１０℃、２０℃）以上に加熱され、凍結が抑制される。なお、タンク４内の水位は基本的にはほぼ同一となるようにされていることが好ましい。

図１に示すように、下室空間５３側のタンク４の出口ポート４ｐと上室空間５２側の蒸発部２の入口ポート２ｉとを連通させる給水通路８が、配管としてケース５内に設けられている。図１に示すように、ケース５内において、タンク４は蒸発部２の下側に配置されているため、給水通路８は縦方向に沿って延びる。給水通路８には加熱部４０が設けられていない。本実施形態に係る凍結抑制処理により給水通路８の凍結が抑えられるためである。

給水通路８は、タンク４内に溜められている水をタンク４の出口ポート４ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉに向けて蒸発部２に供給させる通路である。給水通路８には、タンク４内の水を蒸発部２まで搬送させる水搬送源として機能するポンプ８０が設けられている。ポンプ８０はギヤポンプ等のシール性が良い公知のポンプを採用できる。ポンプ８０はこれを駆動させる電気式のモータ８２をもつ。ポンプ８０は高い水シール性をもち、給水通路８においてポンプ８０の吐出ポート８０ｐよりも下流上方に水が存在する場合、その水は長期にわたりポンプ８０よりも上流に漏れることが抑制されている。従って、燃料電池システムの運転停止時には、給水通路８においてポンプ８０の吐出ポート８０ｐよりも下流の通路部分８ｘに水が存在することが多い。このような水は冬期または寒冷地等において凍結の要因となり易い。なお、給水通路８は蒸発部２，改質部３、燃料電池１等を介して大気に連通するようにされている。

本実施形態によれば、ポンプ８０を駆動させるモータ８２は、正回転および逆回転可能とされている。すなわち、モータ８２は、正方向に回転駆動してタンク４内の水を出口ポート４ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉに向けて搬送させる正モードと、逆方向に回転駆動して給水通路８の水を出口４ｐからタンク４内に戻す逆モードとに切り替え可能とされている。従って、モータ８２を有するポンプ８０は、タンク４内の水を蒸発部２に搬送させる正モードと、給水通路８の水をタンク４内に戻す逆モードとに切り替え可能とされている。モータ８２を駆動回路を介して制御するための制御部１００が設けられている。モータ８２としては、正回転および逆回転可能なモータであれば何でも良いが、ステッピングモータが好ましい。制御部１００はモータ８２を介してポンプ８０を制御する。更に、制御部１００はポンプ７１，７９，６０のモータを介してポンプ７１，７９，６０を制御する。

システムの起動時において、ポンプ６０が駆動すると、燃料通路６から燃料が蒸発部２，改質部３，アノード流体通路７３，燃料電池１のアノード１０，流路１０３を介して燃焼部１０５に流れる。カソードポンプ７１によりカソード流体（空気）がカソード流体通路７０、カソード１１，流路１０４を介して燃焼部１０５に流れる。この状態で着火部３５が着火すると、燃焼部１０５において燃焼が発生し、改質部３および蒸発部２が加熱される。このように改質部３および蒸発部２が加熱された状態で、ポンプ８０が正モードで駆動すると、タンク４内の水はタンク４の出口ポート４ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉに向けて給水通路８内を搬送され、蒸発部２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気は、燃料通路６から供給される燃料（ガス状が好ましいが、場合によっては液相状としても良い）と共に改質部３に移動する。改質部３において燃料は水蒸気で改質されてアノード流体（水素含有ガス）となる。アノード流体はアノード流体通路７３を介して燃料電池１のアノード１０に供給される。更にカソード流体（酸素含有ガス、ケース５内の空気）がカソード流体通路７０を介して燃料電池１のカソード１１に供給される。これにより燃料電池１が発電する。アノード１０から排出されたアノード流体のオフガス、カソード１１から排出されたカソード流体のオフガスは、流路１０３，１０４を通過し、燃焼部１０５に至り、燃焼部１０５で燃焼される。高温の排ガスは、排ガス通路７５を介してケース５の外方に排出される。

排ガス通路７５には、凝縮機能をもつ熱交換器７６が設けられている。貯湯槽７７に繋がる貯湯通路７８および貯湯ポンプ７９が設けられている。貯湯通路７８は往路７８ａおよび復路７８ｃをもつ。貯湯槽７７の低温の水は、貯湯ポンプ７９の駆動により、貯湯槽７７の吐出ポート７７ｐから吐出されて往路７８ａを通過し、熱交換器７６に至り、熱交換器７６で加熱される。熱交換器７６で加熱された水は、復路７８ｃを介して帰還ポート７７ｉから貯湯槽７７に帰還する。このようにして貯湯槽７７の水は温水となる。前記した排ガスに含まれていた水蒸気は、熱交換器７６で凝縮されて凝縮水となる。凝縮水は、熱交換器７６から延設された凝縮水通路４２を介して重力等により浄水部４３に供給される。浄水部４３はイオン交換樹脂等の水浄化剤４３ａを有するため、凝縮水の不純物は除去される。不純物が除去された水は水タンク４に移動し、水タンク４に溜められる。ポンプ８０が正モードで駆動すると、水タンク４内の水は給水通路８を介して高温の蒸発部２に供給され、蒸発部２で水蒸気とされて改質部３に供給され、改質部３において燃料を改質させる改質反応として消費される。

さて、燃料電池システムの発電運転が停止されている場合、冬期または寒冷地等では、外気温度等の環境温度が低くなると、給水通路８およびポンプ８０のうちの少なくとも一方において凍結が発生するおそれがあるときがある。このように凍結が発生するおそれがあるときには、制御部１００は、ポンプ８０の正モードおよび逆モードを交互に実行させる凍結抑制処理を実行する。正モードのとき、モータ８２が正方向に回転駆動して、ポンプ８０が正方向に駆動され、タンク４内の水は、給水通路８において蒸発部２の入口ポート２ｉに向けて搬送される。一般的には、水は蒸発部２の入口ポート２ｉの直前まで搬送されるものの、蒸発部２内には進入しない方が好ましい。ここで、直前とは、タンク４の出口ポート４ｐと蒸発部２の入口ポート２ｉとの間に延設された給水通路８の全長を１００として相対表示するとき、蒸発部２の入口ポート２ｉを起点としてタンク４に向けて０．５〜１０までの任意値を意味する。

これに対して、逆モードのときには、モータ８２が逆方向に回転駆動して、ポンプ８０が逆方向に駆動され、給水通路８内の水はタンク４に戻される。この結果、加熱部４０で加熱されたタンク４内の温かい水（例えば２℃よりも高温）は、給水通路８において往復移動される。これにより制御部１００は給水通路８およびポンプ８０に対して凍結抑制処理を実行し、給水通路８およびポンプ８０における凍結を抑えることができる。従って、給水通路８の凍結を防止するために給水通路８に設ける給水通路用の加熱部（図示せず）を廃止でき、部品点数を削減でき、システムのコスト低減に貢献できる。

上記した逆モードでは、給水通路８内に残留する水をタンク４内に戻すことができる。このため、給水通路８内に塵埃等が存在するときには、その塵埃等をタンク４の底部に溜めることができ、塵埃が改質部３に供給されることが抑制され、改質触媒等の保護性を高め得る。また、システムが長期にわたり停止しているとき等には、給水通路８内に残留する水の品位が低下するおそれがある。この場合、逆モードにより、その水をタンク４に戻してタンク４の水（純水、凝縮水）で希釈させることができ、改質器３の改質触媒等の保護性を確保できる。

なお、環境温度（一般的には外気温度）を検知するための温度センサ５７が設けられている。温度センサ５７は、ケース５の下室空間５３のうち吸気口５０付近に配置されているが、場合によってはケース５の外方に配置されていても良い。温度センサ５７が検知した温度信号は制御部１００に入力される。このため、制御部１００は、給水通路８およびポンプ８０のうちの少なくとも一方において凍結が発生するおそれがあるか否か、凍結が開始されているか否かを、温度センサ５７の温度信号に基づいて判定することができる。温度センサ５７で検知される環境温度が上昇して凍結可能性が解消すれば、制御部は凍結抑制処理を停止させる。この場合には、逆モードで終了し、給水通路８に残留する水を無しとすることが好ましい。環境温度が再び低下するおそれがあることを考慮したものである。

［実施形態２］
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１を準用する。ポンプ８０を駆動させるモータ８２としては、正回転および逆回転可能なステッピングモータ、正回転および逆回転可能なＤＣモータが挙げられる。燃料電池システムの発電運転を終了させる場合、制御部１００は、モータ８２を逆回転させてポンプ８０の逆モードを実行させる。逆モードのとき、給水通路８に残留している水はタンク４に向けて給水通路８を逆流し、タンク４に戻される。給水通路８の水が空の状態となるまで、制御部１００は、ポンプ８０を逆モードで駆動させることが好ましい。この場合、ポンプ８０の水も空の状態となる。従って、冬期または寒冷地等において、給水通路８が凍結するおそれがあるときであっても、システムの発電運転が終了してから次の発電運転が開始されるまで、給水通路８およびポンプ８０の凍結のおそれが解消される。

また燃料電池システムの発電運転を長期にわたり停止させる場合には、発電運転の停止直前に、制御部１００は、モータ８２を逆回転させてポンプ８０の逆モードを実行させる。ポンプ８０の逆モードのとき、給水通路８内に残留している水は給水通路８を逆流し、タンク４に戻される。この結果、給水通路８の水は空の状態となる。ポンプ８０の水も空の状態となる。従って、冬期または寒冷地等においても、システムの発電運転が終了してから次の発電運転が開始されるまでの期間が長期にわたるときであっても、給水通路８およびポンプ８０の凍結のおそれが解消される。

本実施形態においても、冬期または寒冷地等において、燃料電池システムの発電運転が停止されている場合、給水通路８およびポンプ８０のうちの少なくとも一方において凍結が発生するおそれがある。このようなとき、加熱部４０でタンク４内の水を温めた状態において、制御部１００は、ポンプ８０の正モードおよび逆モードを交互に実行させる凍結抑制処理を実行する。前述したように、正モードのとき、タンク４内の水は給水通路８において蒸発部２の入口ポート２ｉの直前まで搬送される。逆モードのとき、給水通路８に残留している水は給水通路８を逆流し、タンク４に戻される。このようにして夜間等において燃料電池システムが停止している場合、給水通路８において凍結のおそれがあるときには、タンク４内の加熱部４０で加熱された温かい水（例えば５℃以上、１０℃以上または２０℃以上）は、給水通路８において蒸発部２に対して往復移動される凍結抑制処理が実行される。従って、給水通路８およびポンプ８０における凍結を抑えることができる。

［実施形態３］
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１を準用する。ポンプ８０を駆動させるモータは、正回転および逆回転可能なステッピングモータ８２ｓとされている。冬期または寒冷地等において、燃料電池システムの発電運転が停止されている場合、給水通路８および水搬送源のうちの少なくとも一方において凍結が発生するおそれがあるとき、制御部１００は前述したように凍結抑制処理を実行する。凍結抑制処理の開始時には、まず、ステッピングモータ８２ｓを逆モードとして所定時間ｔｃ分、または、それよりも短い時間分、逆回転させることにより、ポンプ８０を逆方向に回転させる。これにより給水通路８に残留されていた水を空状態にさせ、水の全部を出口ポート４ｐからタンク４内に戻す。この場合、給水通路８は基本的には大気圧とされる。

その後、制御部１００は、ステッピングモータ８２ｓを正モードとして所定時間ｔａ分正回転させることにより、ポンプ８０を正方向に回転させる。正モードのとき、加熱部４０で加熱されたタンク４内の温かい水は、タンク４の出口ポート４ｐから給水通路８を蒸発部２に向けて流れる。そして、水は、蒸発部２の入口ポート２ｉの直前まで搬送される。

ここで、『蒸発部２の入口ポート２ｉの直前』とは、タンク４の出口ポート４ｐと蒸発部２の入口ポート２ｉとの間に延設された給水通路８の全長を１００として相対表示するとき、蒸発部２の入口ポート２ｉを起点としてタンク４に向けて０．５〜２０の範囲内の任意値を意味する。例えば、０．５〜１０の範囲内の任意値にできる。給水通路８にはこれを加熱するヒータ等の加熱部が設けられていないため、給水通路８内の水の熱は給水通路８に伝達され、給水通路８内の水の温度は次第に下降するため、再昇温させることが好ましい。

そこで、その後、制御部１００はポンプ８０の逆モードを所定時間ｔｃ分実行させる。逆モードでは、ステッピングモータ８２ｓおよびポンプ８２が逆回転するため、給水通路８内に存在する水の全部はタンク４に戻り、加熱部４０で再加熱されるか、タンク４において温かい水と混ざるため、再昇温される。この場合、給水通路８内は空の状態となり、給水通路８内の残留水の凍結のおそれが抑えられる。

このように本実施形態によれば、制御部１００は、凍結抑制処理の開始時には、まず、ポンプ８０の逆モードを実行して給水通路８内を空状態とさせる。その後、制御部１００は、ポンプ８０の正モード（駆動時間：ｔａ）および逆モード（駆動時間：ｔｃ）を交互に実行させる。この結果、タンク４内の加熱部４０で加熱された凍結温度以上の温かい水（例えば５℃以上）は、給水通路８において蒸発部２に対して往復移動される。このようにして制御部１００は凍結抑制処理を実行し、給水通路８およびポンプ８０における凍結を抑える。なお、外気温度等の環境温度が低いほど、加熱部４０の単位時間あたりの発熱量を増加させることが好ましい。

［実施形態４］
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１を準用する。制御部１００は、凍結抑制処理の開始時には、まず、ステッピングモータ８２ｓを逆モードとして逆回転させることによりポンプ８０を逆方向に回転させることが好ましい。これにより給水通路８に残留されていた水を空状態にさせ、タンク４の出口ポート４ｐからタンク４内に戻す。この場合、制御部１００は、逆モード用のパルス総数Ｎｃとされた逆回転用駆動パルスをステッピングモータ８２ｓに給電する。このような逆モードの結果、給水通路８内に残留されていた水の全部は、基本的にはタンク４に戻り、タンク４内で再昇温される。この場合、給水通路８およびポンプ８０内は空の状態となるため、給水通路８およびポンプ８０の凍結は抑えられる。ここで、ステッピングモータ８２ｓに給電される逆モード用のパルス総数Ｎｃは、基本的には、給水通路８のうち蒸発部２の入口ポート２ｉの直前まで供給された水の全部を、給水通路８内をタンク４に戻すように設定されている。この場合、前記したように給水通路８の通路長および給水通路８の通路容積は既知である。このため、逆モード用のパルス総数Ｎｃは、給水通路８のうち蒸発部２の入口ポート２ｉの直前の位置まで供給された水の全部がタンク４に戻るように設定されている。

上記したように給水通路８の水を空状態にした後、制御部１００は、ポンプ８０の正モードを実行させる。この場合、制御部１００は、正モード用のパルス総数Ｎａとされた正回転用駆動パルスをステッピングモータ８２ｓに給電する。正モードにおいて、パルス総数Ｎａに対応する分ステッピングモータ８２ｓは正方向に回転し、ひいてはポンプ８０は正方向に駆動する。ステッピングモータ８２ｓに給電される正モード用のパルス総数Ｎａは、基本的には、給水通路８が空の状態（基準状態）から、ポンプ８０が水を蒸発部２の入口ポート２ｉの直前まで給水通路８内を正方向に搬送させる水量に相当する。この場合、給水通路８の通路長および給水通路８の通路容積は既知であるため、正モードにおけるパルス総数Ｎａは、基本的には、空の状態の給水通路８に対して、水が蒸発部２の入口ポート２ｉの直前の位置に到達するように設定されている。

このようにステッピングモータ８２ｓおよびポンプ８０が正モードのとき、加熱部４０で加熱されたタンク４内の温かい水は、タンク４の出口ポート４ｐから給水通路８を蒸発部２に向けて流れ、蒸発部２の入口ポート２ｉの直前まで搬送される。凍結抑制処理においては、蒸発部２に水を進入させないためである。給水通路８にはこれを加熱させる加熱部が設けられていないため、給水通路８内の水の温度は次第に下降する。なお、Ｎａ＝Ｎｃ、Ｎａ≒Ｎｃとされていることができる。但しこれに限定されるものではない。

正モードを実施した後、凍結可能性があれば、制御部１００はステッピングモータ８２ｓおよびポンプ８０の逆モードを実行させる。この場合、前述同様に、制御部１００は、パルス総数Ｎｃの逆回転用駆動パルスをステッピングモータ８２ｓに給電する。逆モードのとき、給水通路８内に存在する全部の水は基本的にはタンク４に戻り、加熱部４０で再び加熱される。この場合、給水通路８内は空の状態となり、基本的には大気圧状態となる。

このように本実施形態においても、制御部１００は、凍結抑制処理の開始時には、まず、ポンプ８０の逆モードを実行し、その後、ポンプ８０の正モード（パルス総数：Ｎａ）および逆モード（パルス総数：Ｎｃ）を交互に実行させる。その後、タンク４内の加熱部４０で加熱された温かい水（例えば２℃よりも高温）を、給水通路８において蒸発部２に対して往復移動させる。このようにして制御部１００は凍結抑制処理を実行し、給水通路８およびポンプ８０における凍結を抑える。なお、外気温度等の環境温度が低いほど、加熱部４０の単位時間あたりの発熱量を増加させることが好ましい。

［実施形態５］
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１を準用する。前述したように環境温度（外気温度）を検知するための温度センサ５７が吸気口５０付近に設けられている。燃料電池システムの発電運転が停止している場合、制御部１００は、温度センサ５７の検知温度Ｔが第１閾値温度Ｔ１（Ｔ１≦５℃）以下であり、且つ、第２閾値温度Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）よりも高いとき、凍結のおそれがあると判定し、水を供給させる正モードよりも、水をタンク４に戻す逆モードを優先させる。すなわち、制御部１００は、モータ８２およびポンプ８０を逆モードとして駆動させることにより、給水通路８内の水を減少または空状態にさせてタンク４内に戻す。この場合、制御部１００は、まだ、タンク４内の温かい水を給水通路８に繰り返して往復移動させることをしていない。即ち、正モードおよび逆モードを交互に複数回繰り返さない。従って、ポンプ８０が消費する電気エネルギが節約される。なお、タンク４の加熱部４０はオンさせておいても良いし、オフさせておいても良い。オフすることにより、発熱量を抑えることができる。なお、上記した第１閾値温度Ｔ１は、ケース５内の給水通路８またはポンプ８０において凍結が発生する可能性があまり高くない温度を意味する。Ｔ１としては、３℃、５℃等が例示される。但しこれらに限定されるものではない。

これに対して、温度センサ５７の検知温度Ｔが第２閾値温度Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１≦２℃）以下であるとき、制御部１００は、給水通路８の凍結が発生するおそれが高いと判定する。この場合、制御部１００は、ステッピングモータ８２ｓの正モードおよび逆モードを交互に実行させ、すなわち、ポンプ８０の正モードおよび逆モードを交互に実行させて凍結抑制処理を実行させる。この場合においても、正モードよりも逆モードを優先させることが好ましい。凍結抑制処理の結果、加熱部４０で加熱されたタンク４内の温かい水を給水通路８において往復移動させ、給水通路８およびポンプ８０の凍結を抑える。第２閾値温度Ｔ２としては、−２℃、−５℃または−１５℃が例示されるが、これに限定されるものではない。

図２は、凍結抑制処理において制御部１００のＣＰＵが実行するフローチャートの一例を示す。まず、制御部１００は、温度センサ５７等の各種センサおよび各種機器の信号を読み込む（ステップＳ１０２）。現在が燃料電池システムの運転（発電運転および起動運転）中であれば（ステップＳ１０４のＮＯ）、給水通路８の凍結のおそれは実質的にないため、凍結抑制処理は実行されない（ステップＳ１３０）。

これに対して、燃料電池システムの運転（発電運転および起動運転）が停止中であるときには（ステップＳ１０４のＹＥＳ）、冬期または寒冷地等であれば、凍結が発生するおそれがある。そこで、制御部１００は、温度センサ５７で検知された検知温度Ｔと第２閾値温度Ｔ２とを比較する（ステップＳ１０６）。温度センサ５７の検知温度Ｔが第２閾値温度Ｔ２（例えば−２℃）以下であるとき（Ｔ≦Ｔ２，ステップＳ１０６のＹＥＳ）、凍結のおそれが大きい。このため、制御部１００は、正モードよりも逆モードを優先させ、モータ８２を逆回転させてポンプ８０の逆モードを所定の駆動時間ｔｃ分実行し（ステップＳ１０８）、給水通路８内の水の全部をタンク４に戻す。その後、制御部１００はポンプ８０を停止させたまま時間Δｔｅ待機する（ステップＳ１１０）。Δｔｅは、例えば、モータ８２の回転方向の切り替えに要する時間、タンク４内に戻された水がタンク４内の高温の水と混合されて昇温される時間等を考慮して設定することが好ましい。

次に、制御部１００はモータ８２を正回転させてポンプ８０の正モードを所定の駆動時間ｔａ分実行する（ステップＳ１１２）。その後、制御部１００はポンプ８０を停止させたまま時間Δｔｆ待機する（ステップＳ１１４）。Δｔｆは、例えば、給水通路８に供給された温かい水（５℃以上が好ましい）が給水通路８の内壁面に伝熱される時間を考慮して設定することが好ましい。その後、制御部１００は、他の処理を実行した（ステップＳ１１６）後、ステップＳ１０２に戻る。

本実施形態によれば、凍結抑制処理の実行にあたり、温度センサ５７の検知温度Ｔが第１閾値温度Ｔ１以下であり、且つ、Ｔ２よりも高温であるときには（Ｔ２＜Ｔ≦Ｔ１，ステップＳ１２０のＹＥＳ）、凍結するおそれが少なからずあるため、制御部１００は、モータ８２を逆回転させてポンプ８０の逆モードを実行する（ステップＳ１０８）。これにより給水通路８の水の全部はタンク４に戻される。温度センサ５７の検知温度Ｔが第１閾値温度Ｔ１（例えば２℃）よりも高温であるときには（Ｔ＞Ｔ１，ステップＳ１２０のＮＯ）、給水通路８の凍結のおそれがないと考えられるため、制御部１００は加熱部４０をオフとし、凍結抑制処理を実行しない（ステップＳ１３０）。

なお本実施形態によれば、凍結可能性があるときには、外気温度等の環境温度が低いほど、加熱部４０の単位時間あたりの発熱量を増加させることが好ましい。また、凍結可能性があるときには、外気温度等の環境温度が低いほど、環境温度が高い場合に比較して、ステッピングモータ８２ｅの待機時間Δｔｅ，Δｔｆを相対的に短縮させて、タンク４内の温かい水を給水通路８において往復移動させる単位時間あたりの頻度を相対的に高めることができる。

［実施形態６］
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１を準用する。モータはステッピングモータ８２ｓとされている。図１に示すように、給水通路８のうち蒸発部２の入口ポート２ｉとポンプ８０の吐出ポート８０ｐとの間の通路部分８ｘにおける水の存在を検知するための水センサ８７が設けられている。具体的には、水センサ８７は、給水通路８のうち蒸発部２の入口ポート２ｉの直前における水の存在を検知する。制御部１００は、凍結抑制処理の開始時には、まず、ステッピングモータ８２ｓを逆モードとして、パルス総数Ｎｃ分、逆回転させることによりポンプ８０を逆方向に回転させる。これにより給水通路８に残留されていた水を空状態にさせ、給水通路８の水の全部をタンク４の出口ポート４ｐからタンク４内に戻す。

その後、制御部１００は、ポンプ８０の正モードを実行させる。この場合、制御部１００は、パルス総数Ｎａの正回転用駆動パルスをステッピングモータ８２ｓに給電する。制御部１００は、パルス総数Ｎａに対応する分ステッピングモータ８２ｓを正方向に駆動させ、ひいてはポンプ８０を正方向に駆動させる。正モードにおけるパルス総数Ｎａは、基本的には、給水通路８が空の状態から、ポンプ８０が蒸発部２に向けて給水通路８内を正方向に搬送させる水の水量に相当する。この場合、給水通路８の長さおよび給水通路８の通路容積は既知である。このためパルス総数Ｎａは、給水通路８のうち蒸発部２の入口ポート２ｉの直前の位置に水が到達するように設定されている。このようにステッピングモータ８２ｓおよびポンプ８０が正モードのとき、加熱部４０で加熱されたタンク４内の温かい水は、タンク４の出口ポート４ｐから給水通路８を蒸発部２に向けて流れ、蒸発部２の入口ポート２ｉの直前まで搬送される。

その後、制御部１００はステッピングモータ８２ｓを逆回転させてポンプ８０の逆モードを実行させる。この場合、制御部１００は、パルス総数Ｎｃの逆回転用駆動パルスをステッピングモータ８２ｓに給電する。逆モードのとき、給水通路８内に存在する水の全部は、基本的には、タンク４に戻り、加熱部４０で再び加熱される。この場合、給水通路８内は空の状態となる。パルス総数Ｎｃは、基本的には、給水通路８に供給された水をタンク４に向けて給水通路８内を逆方向に搬送させる水の水量に相当するように設定されている。この場合、前記したように給水通路８の通路長および給水通路８の通路容積は既知であるため、パルス総数Ｎｃは、基本的には、給水通路８のうち蒸発部２の入口ポート２ｉの直前の位置まで供給された水の全部がタンク４に戻るように設定されている。

このように本実施形態においても、制御部１００は、凍結抑制処理の開始時に、まず、ポンプ８０の逆モードを優先的に実行し、その後、ポンプ８０の正モードおよび逆モードを間欠的に交互に実行させる。この結果、タンク４内の加熱部４０で加熱された温かい水（例えば２℃よりも高温）は、給水通路８において蒸発部２に対して往復移動される。このようにして制御部１００は凍結抑制処理を実行し、給水通路８およびポンプ８０における凍結を抑える。

制御パラメータとして、正モードにおけるパルス総数Ｎａに代えて、正モードにおけるステッピングモータ８２ｓの駆動時間ｔａを採用しても良い。駆動時間ｔａは、基本的には、給水通路８が空の状態から、ポンプ８０が蒸発部２に向けて給水通路８内を正方向に搬送させて水を水センサ８７（蒸発部２の入口ポート２ｉの直前）まで到達させる時間に相当する。制御パラメータとして、逆モードにおけるパルス総数Ｎｃに代えて、逆モードにおけるステッピングモータ８２ｓの駆動時間ｔｃを採用しても良い。逆モードおける駆動時間ｔｃは、基本的には、給水通路８内のほぼ満杯の水の全部をタンク４に戻す時間に相当する。

本実施形態においては、給水通路８に供給した水の水量を水センサ８７により検知できる。この場合、正モードのとき、ステッピングモータ８２ｓに給電されるパルス総数がＮａに到達していないにもかかわらず、あるいは、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間がｔａよりも短いにもかかわらず、水センサ８７が水の存在を検知することがある。この場合、給水通路８の内壁面の凍結が開始されている等で狭くなり、給水通路８の流路断面積が既に小さくなっており、少ない流量の水であっても、水は水センサ８７の高さ位置に到達できると推定される。

そこで制御部１００は、ステッピングモータ８２ｓに給電されるパルス総数Ｎａよりも、または、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間ｔａよりも水センサ８７の水検知信号を優先させる。よってパルス総数Ｎａまたは駆動時間ｔａ（マージン値を含むことができる）に到達していないにも拘わらず、水センサ８７が水を検知してオンしたら、これをトリガー信号として、制御部１００は、ステッピングモータ８２ｓの正回転を停止させ、タンク４の水を給水通路８に供給させる正モードを停止させる。その後、制御部１００はポンプ８０の逆モードを実行し、給水通路８の水をタンク４内に戻す。この場合、給水通路８に通水できるものの、給水通路８の内壁面に凍結が開始されていると推定される。このため、制御部１００は、タンク４の加熱部４０の発熱量をΔＷ増加させ、タンク４に溜められている水の温度を一層上昇させる。従って、制御部１００が次回に正モードを実行させるときには、タンク４内で一層高温とされた水が給水通路８に供給させるため、給水通路８の解凍がされ易くなる。

制御部１００が次回の正モードを実行するときにおいても、ステッピングモータ８２ｓに給電されるパルス総数がＮａに到達していないにもかかわらず、あるいは、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間がｔａよりも短いにもかかわらず、水センサ８７が水を検知することがある。この場合には、前述同様に、凍結が開始され、給水通路８の内壁面が凍結等で狭くなり、給水通路８の流路断面積が小さくなっていると判定される。

そこで制御部１００はステッピングモータ８２ｓに給電されるパルス総数Ｎａよりも、または、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間ｔａよりも水センサ８７の水検知信号を優先させ、水センサ８７が水を検知したら、これをトリガー信号として、ステッピングモータ８２ｓの正回転を停止させ、タンク４の水を給水通路８に供給させる正モードを停止させる。よって水が蒸発部２に供給されることが抑制される。その後、所定時間経過したら、または、直ちに、制御部１００はポンプ８０の逆モードを実行し、給水通路８の水をタンク４内に戻す。この場合、前回のモードにおいて、タンク４の加熱部４０の発熱量を増加させたにも拘わらず、まだ給水通路８の内壁面に凍結がまだ残っていると判定される。このため、制御部１００は、タンク４の加熱部４０の発熱量をふたたびΔＷ増加させ、タンク４に溜められている水の温度を更に上昇させる。このため制御部１００が次の正モードを実行させるときには、タンク４内で一層高温とされた水が給水通路８に供給させるため、給水通路８の凍結が解消され易くなる。

このように正モードにおいてステッピングモータ８２ｓに給電されるパルス総数がＮａに到達していないにもかかわらず、あるいは、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間がｔａよりも短いにもかかわらず、水センサ８７が水を検知する場合には、給水通路８が凍結して流路断面積が小さくなっていると判定される。このため制御部１００は、タンク４の加熱部４０の発熱量をその都度ΔＷづつ次第に増加させ、凍結抑制および解凍を促進させることができる。なお、加熱部４０の発熱量が過剰になるときには、それ以上増加させないことが好ましい。

図３は正モードにおいて制御部１００のＣＰＵが実行する正モードの一例を示す。まず、制御部１００は、正モードにおいてステッピングモータ８２ｓに給電されるパルス総数をＮａとして、または、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間をｔａとして設定する（ステップＳ２０２）。次に、パルス総数Ｎａ、または、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間ｔａとして、ステッピングモータ８２ｓを駆動させる指令を出力する（ステップＳ２０４）。ここで、ステッピングモータ８２ｓに入力させるパルス総数Ｎａ、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間ｔａは、給水通路８の水が空状態のときにおいて、ステッピングモータ８２ｓが正回転してポンプ８０が正モードで駆動するとき、給水通路８を蒸発部２に向けて流れる水が水センサ８７の高さ位置（蒸発部２の直前の位置）まで到達できるように設定されている。従って、ステッピングモータ８２ｓに給電されるパルス総数がＮａに到達する前に、または、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間がｔａに到達する前に、水センサ８７が水を検知してオンするときには、前述したように給水通路８の内壁面が凍結して給水通路８の流路断面積が小さくなっているものと判定される。このように本実施形態によれば、凍結抑制処理を実施するにあたり、給水通路８における凍結の有無についても判定できる。

そこで、制御部１００は、パルス総数Ｎａ、または、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間ｔａが終了したか否かを判定する（ステップＳ２０６）。終了していれば（ステップＳ２０６のＹＥＳ）、メインルーチンにリターンする。終了していなければ（ステップＳ２０６のＮＯ）、水センサ８７の信号を読み込む（ステップＳ２０８）。水センサ８７がオン信号を出力していれば（ステップＳ２１０のＹＥＳ）、水が給水通路８の水センサ８７の高さ位置に到達したものの、給水通路８の内壁面が凍結して給水通路８の流路断面積が小さくなっているものと判定される。このため制御部１００はステッピングモータ８２ｓの正回転を停止させて正モードを終了し（ステップＳ２１２）、加熱部４０の発熱量を初期よりΔＷ分増加させ（ステップＳ２１４）、凍結の警報信号を警報器１０２に出力させ（ステップＳ２１６）、メインルーチンにリターンする。制御部１００は、外気温度等の環境温度が低いほど、ΔＷを大きい値にすることが好ましい。但しこれに限定されない。

［実施形態７］
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１を準用する。本実施形態においても、正モードが実行されるとき、給水通路８に供給した水が蒸発部２に入口ポート２ｉの直前に到達することは、水センサ８７により検知される。この場合、正モードが実行されるとき、給水通路８が空の状態（基準状態）から、ステッピングモータ８２ｓに給電されるパルス総数がＮａに到達したにもかかわらず、あるいは、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間がｔａに到達したにもかかわらず、水センサ８７が水を検知しないことがある。この場合、給水通路８からの水漏れが発生し、水が水センサ８７の高さ位置に到達していないことが予想される。ここで、正モードにおいて、ステッピングモータ８２ｓに給電されるパルス総数がＮａ＋ΔＮｘ（正値）に到達するとき、あるいは、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間がｔａ＋Δｔｘ（正値）に到達するとき、水センサ８７がオンとなったとする。この場合、給水通路８に水漏れが発生しているため、水が水センサ８７に到達しにくいためと判定される。

このような現象が規定回数ＣＡ（例えば３回）連続して認識されるときには、給水通路８に水漏れが発生している確率が高い。このため、制御部１００は、逆モードを実行して給水通路８内の水の全部をタンク４に戻した後、凍結抑制処理を中止させると共に、給水通路８における水漏れを報知させる警報を警報器１０２に出力する。規定回数ＣＡに到達しない場合には、制御部１００は凍結抑制処理を進行させる。

図４は制御部１００のＣＰＵが実行する正モードの一例を示す。まず、制御部１００は、ステッピングモータ８２ｓに給電されるパルス総数をＮａとして、または、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間をｔａとして設定する（ステップＳ３０２）。次に、パルス総数Ｎａ、または、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間ｔａとして、ステッピングモータ８２ｓを駆動させる指令を出力する（ステップＳ３０４）。ここで、パルス総数Ｎａ、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間ｔａは、給水通路８の水が空状態のときにおいて、ステッピングモータ８２ｓが正回転してポンプ８０が正モードで駆動するとき、水が水センサ８７の高さ位置まで到達できるように予め設定されている。従って、ステッピングモータ８２ｓに給電されるパルス総数がＮａを所定値以上大きいパルス総数において、または、ステッピングモータ８２ｓの駆動時間がｔａを所定値以上大きい駆動時間において、水センサ８７がオンするときには、給水通路８において水漏れが発生しているおそれがあると判定される。

そこで、正モードの実行途中において、制御部１００は、水センサ８７の信号を読み込む（ステップＳ３０６）。水センサ８７がオン信号を出力していれば（ステップＳ３０８のＹＥＳ）、水が給水通路８の水センサ８７の高さ位置に到達しているため、制御部１００はステッピングモータ８２ｓを停止させる（ステップＳ３１０）。次に、制御部１００は、正モードの開始時刻から現在時刻（水センサ８７のオン時刻）までのパルス総数Ｎｐ、または、正モードの開始時刻から現在時刻（水センサ８７のオン時刻）までの駆動時間ｔｐを求める（ステップＳ３１２）。現在までのパルス総数Ｎｐが正モード用のパルス総数Ｎａよりも大きいか、または、現在までの駆動時間ｔｐが正モード用の駆動時間ｔａよりも長いか否かについて、制御部１００は判定する（ステップＳ３１４）。現在のパルス総数Ｎｐが正モード用のパルス総数Ｎａよりも大きいとき、または、現在の駆動時間ｔｐが正モード用の駆動時間ｔａよりも長いとき（ステップＳ３１４のＹＥＳ）、給水通路６における水漏れのおそれがある。このため、制御部１００は水漏れ用のカウンタ値Ｃを１増加させる（ステップＳ３１６）。次に、カウンタ値Ｃが水漏れ用のしきい値ＣＡ（例えば３以上の任意値）を超えたときには（ステップＳ３１８のＹＥＳ）、給水通路８の水漏れの警報を警報器１０２に出力し（ステップＳ３２０）、メインルーチンにリターンする。このように本実施形態によれば、凍結抑制処理を実施するにあたり、給水通路８の水漏れについて判定できる。

［実施形態８］
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１を準用する。給水通路８のうち蒸発部２とポンプ８０との間の通路部分８ｍにおける水の存在を検知するための水センサとして圧力センサ８７ｐが設けられている。圧力センサ８７ｐは、給水通路８のうち圧力センサ８７ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉまでの通路部分８ｍに存在する水に基づく水頭圧を検知する機能を有する。圧力センサ８７ｐは、水の水頭圧を良好に検知すべく、納給水通路８のうち上下方向に延びる通路部分に設けられている。圧力センサ８７ｐの信号に基づいて、給水通路８のうち圧力センサ８７ｐの高さ位置から蒸発部２の入口ポート２ｉまでの通路部分８ｍに存在する水の水量が検知される。

例えば、圧力センサ８７ｐの出力値が所定値（例えば０．１ｋＰａ）以下のときには、制御部１００は、給水通路８において圧力センサ８７ｐよりも上側には水が存在しないと判定する。制御部１００は、正モードにおいて、圧力センサ８７ｐの出力が所定値（例えば０．１ｋＰａ）よりも低い圧力値から、所定値（例えば０．１ｋＰａ）を高圧側に超えた時刻ｔ１を求める。時刻ｔ１は、給水通路８において、水が圧力センサ８７ｐのセンサ検知部と同じ高さ位置（蒸発部２の入口ポート２ｉの直前の高さ位置に相当）に到達した時刻を意味する。従って、制御部１００は、時刻ｔ１から、駆動時間ｔｃ分、モータ８２およびポンプ８０を逆モードで駆動させれば、給水通路８内の水の全部をタンク４に戻すことができる。

［実施形態９］
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１を準用する。前述したように、凍結抑制処理におけるモータ８２（ステッピングモータ８２ｓ）の回転速度について、正モード時の回転速度をＶａとし、逆モード時の回転速度をＶｃとするとき、Ｖａ＜Ｖｃにできる。この場合、給水通路８内に保持されている水の熱は給水通路８の内壁面に奪われる。よって給水通路８内の水は次第に冷える。そこで制御部１００は、給水通路８内に保持されている水をタンク４に速やかに戻し、タンク４で速やかに昇温させることができる。

［その他］本発明は上記し且つ図面に示した各実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。加熱部４０はタンク４に設けられているが、これに限らず、凝縮水通路４２に設けられていても良い。燃料電池１は、場合によっては、ＰＥＦＣとも呼ばれる固体高分子形燃料電池（運転温度：例えば７０〜１００℃）でも良いし、ＰＡＦＣとも呼ばれるリン酸形燃料電池でも良く、リン酸を含有する電解質膜を用いる燃料電池でも良く、他のタイプの燃料電池でも良い。要するに、気相または液相の燃料を水蒸気改質させる水蒸気を原料水から形成する蒸発部を有する燃料電池システムであれば良い。

上記した記載から次の技術的思想が把握される。

［付記項１］アノード流体およびカソード流体が供給されて発電する燃料電池と、水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部と、蒸発部で生成された水蒸気を用いて燃料を改質させてアノード流体を形成する改質部と、蒸発部に供給される水を溜めるタンクと、タンクに供給される水またはタンクに貯留されている水を加熱させる加熱部と、タンクと蒸発部とを連通させタンク内の水を蒸発部に供給させる給水通路と、給水通路に設けられタンク内の水を蒸発部に搬送させる水搬送源と、水搬送源を制御する制御部とを具備する燃料電池システム。この場合、温度センサで検知する温度が第１閾値温度Ｔ１よりも高いとき、制御部は、水搬送源を逆モードとして駆動させることにより給水通路内の原料水を減少または空状態にさせてタンク内に戻すことができる。また、温度センサで検知する温度が第２閾値温度Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）以下であるとき、凍結が発生するおそれがあると判定されるため、水搬送源の正モードおよび逆モードを交互に実行させ、タンク内の原料水を給水通路において往復移動させて給水通路の凍結を抑える凍結抑制処理を実行することが好ましい。また、給水通路のうち蒸発部と水搬送源との間の通路部分における原料水の存在を検知するための水センサが設けられていることが好ましい。この場合、制御部は、凍結抑制処理において、水搬送源を駆動させるとき水センサからの信号に基づいて水搬送源の正モードおよび逆モードを切り替えることが好ましい。

１は燃料電池、１０はアノード、１１はカソード、２Ａは改質器、２は蒸発部、３は改質部、４はタンク、４０は加熱部、５はケース、５７は温度センサ、６は燃料通路、７０はカソード流体通路、７３はアノード流体通路、７５は排ガス通路、７７は貯湯槽、８は給水通路、８ｍは通路部分、８０はポンプ（水搬送源）、８２はモータ、８２ｓはステッピングモータ（モータ）、８７は水センサ、８７ｐは圧力センサ（水センサ）、１００は制御部を示す。

Claims (5)

1. アノード流体およびカソード流体が供給されて発電する燃料電池と、原料水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部と、前記蒸発部で生成された前記水蒸気を用いて燃料を改質させてアノード流体を形成する改質部と、前記蒸発部に供給される原料水を溜めるタンクと、前記タンクに供給される前記原料水または前記タンクに貯留されている前記原料水を加熱させる加熱部と、前記タンクと前記蒸発部とを連通させ前記タンク内の原料水を前記蒸発部に供給させる給水通路と、前記給水通路に設けられ正回転により前記タンク内の水を前記蒸発部の入口ポートに向けて搬送させる正モードと逆回転により前記給水通路の水を前記タンク内に戻す逆モードとに切り替え可能な水搬送源と、前記水搬送源を制御する制御部と、環境温度を検知するための温度センサとを具備しており、
   前記制御部は、前記給水通路および前記水搬送源のうちの少なくとも一方において凍結が発生するおそれがあるとき、または、凍結が開始されているとき、前記水搬送源の前記正モードおよび前記逆モードを交互に実行させ、前記タンク内の原料水を前記給水通路において往復移動させて前記給水通路の凍結を抑える凍結抑制処理を実行する燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記制御部は、前記凍結抑制処理の開始時において、正モードよりも逆モードを優先させ、前記水搬送源を前記逆モードとして駆動させることにより前記給水通路内の原料水を空状態にさせて前記タンク内に戻す戻し処理を実行する燃料電池システム。
3. 請求項１または２において、前記制御部は、前記温度センサで検知する温度が第１閾値温度Ｔ１（Ｔ１≦５℃）以下であるとき、前記水搬送源を前記逆モードとして駆動させることにより前記給水通路内の原料水を減少または空状態にさせて前記タンク内に戻し、
   前記温度センサで検知する温度が第２閾値温度Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）以下であるとき、凍結が発生するおそれがあると判定し、前記水搬送源の前記正モードおよび前記逆モードを交互に実行させ、前記タンク内の前記原料水を前記給水通路において往復移動させて前記給水通路の凍結を抑える前記凍結抑制処理を実行する燃料電池システム。
4. 請求項１〜３の何れか一項において、前記給水通路のうち前記蒸発部と前記水搬送源との間の通路部分における原料水の存在を検知するための水センサが設けられており、前記制御部は、前記凍結抑制処理において、前記水搬送源を駆動させるとき前記水センサからの信号に基づいて前記水搬送源の前記正モードを停止させる燃料電池システム。
5. 請求項１〜４の何れか一項において、前記制御部は、前記給水通路に凍結が発生していると判定するとき、前記正モードおよび逆モードを繰り返して複数回実行し、前記正モードの実行回数が増加するにつれて前記加熱部の単位時間あたりの発熱量を初期よりも段階的にまたは連続的に増加させることにより前記タンク内の原料水を昇温させる燃料電池システム。

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