JP5410994B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムの制御に関するものであり、特に、外気温度上昇に対する燃料電池システムの保護動作制御に関する。
燃料電池システムは、外部から燃料電池に供給された燃料ガスと酸化剤ガス（これらを反応ガスという）を電気化学反応により発電を行うが、このとき、反応ガスの反応により熱が生じる。このため、燃料電池には、発熱した燃料電池内を一定温度に保つために、熱媒体が供給される。燃料電池内に供給された熱媒体は、燃料電池内で熱交換を行い、加熱されて燃料電池から排出される。排出された熱媒体は、熱交換器で熱交換をすることにより冷却され、再び、燃料電池に供給される。
このような熱媒体を循環させる燃料電池システムとして、熱交換媒体（熱媒体）の経路を複雑化することなく効率的に熱回収を行うことのできる燃料電池発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。図８は、特許文献１に開示されている燃料電池発電システムの概略構成を示す模式図である。
図８に示すように、特許文献１に開示されている燃料電池発電システム２００は、燃料電池２０１、燃焼部（バーナ加熱部）２０２を有する改質器２０３、アノードオフガス熱交換器２０４、カソードオフガス熱交換器２０５、冷却水熱交換器２０６、及び貯湯槽２０７を備えており、燃料電池２０１から排出された熱媒体（冷却水）と熱交換する熱交換媒体が、アノードオフガス熱交換器２０４、カソードオフガス熱交換器２０５、冷却水熱交換器２０６、及び貯湯槽２０７をこの順に接続する循環経路２０８を循環するように構成されている。また、特許文献１に開示されている燃料電池システム２００では、アノードオフガス熱交換器２０４は、燃料電池２０１から排出されたアノードオフガスと熱交換媒体との間で熱交換することにより熱を回収する。そして、熱交換した後のアノードオフガスを燃焼用ガスとして改質器２０３の燃焼部２０２にアノードオフガス経路２１０を介して供給するように構成されている。また、アノードオフガス熱交換器２０６で凝縮された水が水タンク２０９に供給されるよう構成されている。
また、燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃焼用ガスとして燃焼部に供給する燃料電池システムとして、水分除去器で水分を除去した後のアノードオフガスをバーナ（燃焼部）に供給する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。図９は、特許文献２に開示されている燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図９に示すように、特許文献２に開示されている燃料電池システム３００では、燃料電池３０１から排出されたアノードオフガスが水分除去器３０２で水分を除去された後、燃料処理器３０３のバーナ３０４に供給される。また、特許文献２に開示されている燃料電池システム３００では、水分除去器３０２は、除去した水分を溜めるように構成されていて、該水分除去器３０２で除去された水分（水）に含有された不純物イオンを不純物除去手段３０５で除去（すなわち、不純物イオンをイオン交換樹脂によってイオン交換）し、不純物イオンを除去した後の水を燃料処理器３０３に供給するように構成されている。
特許第３９４３４０５号 特開２００６−１４７２６４号公報
ところで、上記特許文献１に開示されている燃料電池発電システム２００では、燃料電池発電システム２００を取り巻く周囲温度（外気温度）が高くなると、外気温度上昇の影響により、水タンク２０９より蒸発した水分が、アノードオフガスが流れるアノードオフガス経路２１０に拡散し、アノードオフガス経路２１０内の水蒸気分圧が上昇する。この場合、第１の課題として、燃焼部２０２の燃焼動作において、燃焼部２０２に通常よりも水蒸気を多く含んだアノードオフガスが供給され、燃焼不良（着火不良や燃焼開始後の失火等）の異常が発生する場合があった。
同様に、上記特許文献２に開示されている燃料電池システム３００においても、燃料電池システム３００の周囲温度（外気温度）が高くなると、水分除去器３０２に溜められている水の温度が上昇し、水分除去器３０２内のオフガスや水分除去器３０２外のアノードオフガスの水蒸気分圧が上昇する。この場合、上記と同様に第１の課題である燃焼不良の異常が発生する場合があった。
また、第２の課題として、特許文献２に開示されている燃料電池システム３００の周囲温度（外気温度）が高くなると、不純物除去手段３０５に供給される水の温度が上昇し、不純物除去手段３０５を通流する水の水温が、不純物除去手段３０５（例えば、イオン交換樹脂）の耐久温度を超え、不純物除去手段３０５の劣化が促進されるおそれがあった。
本発明は、上記従来技術の第１の課題及び第２の課題の少なくともいずれか一方を鑑みてなされたものであり、気液分離器でアノードオフガスより分離された水分を貯える貯水器とアノードオフガスを燃焼させる燃焼器とを備える燃料電池システムにおいて、高温環境下でのアノードオフガスの水蒸気分圧の上昇により、燃焼器の燃焼不良による異常（不着火異常や失火異常）が発生することを抑制することができる燃料電池システムを提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、気液分離器でアノードオフガスより分離された水分を貯える貯水器と貯水器の水分（水）を浄化する浄化器とを備える燃料電池システムにおいて、高温環境下での貯水器の水温上昇により、浄化器の劣化が進行するのを抑制することができる燃料電池システムを提供することを第２の目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスが通流するアノードオフガス流路と、前記アノードオフガス流路に設けられ、前記アノードオフガスからその水分を分離させ、分離させた水分を水として貯える貯水器を有する気液分離器と、前記貯水器の水温を検知する温度検知器と、前記温度検知器の検知温度が標準環境温度よりも高い第１の閾値以上である場合には、燃料電池システムの運転を許可しないように構成されている運転許可器と、を備える。
これにより、次の２つの効果の少なくともいずれか一方が奏される。燃料電池システムの起動前及び運転中の少なくともいずれか一方において高温環境下でアノードオフガスの水蒸気分圧が上昇することにより、燃料電池システムの燃焼器の燃焼不良の異常（不着火異常や失火異常）が発生することを抑制することが可能となる（第１の効果）。また、燃料電池システムの起動前及び運転中の少なくともいずれか一方において高温環境下で水温の上昇した貯水器の水が通流することにより、浄化器の劣化が進行するのを抑制することが可能となり、燃料電池システムの信頼性が向上する（第２の効果）。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、原料から改質反応により前記燃料ガスを生成する改質器と、前記アノードオフガス流路から供給される前記アノードオフガスを燃焼し、前記改質器を加熱するように構成された燃焼器と、を有する水素生成器を備え、
前記第１の閾値は、前記貯水器内の前記水よりも上方に存在する前記アノードオフガスの露点が前記燃焼器が失火する露点以上になると推定される前記貯水器内の水温であってもよい。
これにより、燃料電池システムの起動前及び運転中の少なくともいずれか一方において高温環境下で貯水器の水が蒸発し、アノードオフガスの水蒸気分圧が上昇して、燃焼器の燃焼不良の異常（不着火異常や失火異常）が発生することを抑制することが可能となる。ここで、貯水器内の水温は、燃料電池システムを取り巻く周囲温度（外気温度）の変化に同調して変化するものであるから、貯水器内の水温と外気温度とは相関関係を有する。このため、アノードオフガスの露点を貯水器内の水温を基に推定することができる。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記貯水器内の前記水を利用する水利用器と、前記貯水器より前記水利用器に供給される前記水を浄化するように構成された浄化器と、を備え、前記第１の閾値は、前記浄化器の耐熱上限温度以下の温度であってもよい。
これにより、燃料電池システムの起動前及び運転中の少なくともいずれか一方において、高温環境下で貯水器の水温が上昇し、浄化器の耐久温度を超えるような水が、浄化器に供給されるのを抑制することが可能となる。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記貯水器を含む水流路を備え、前記温度検知器は、前記水流路内の水温を検知する水温検知器を含んでもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記温度検知器は、外気温度を検知する外気温検知器を含んでもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記運転許可器は、前記温度検知器の検知温度が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値未満の場合には、前記燃料電池システムの運転を許可するように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記運転許可器は、前記燃料電池システムの起動前の前記温度検知器の検知温度が前記第１の閾値未満、かつ、前記第２の閾値以上のとき、既に前記運転許可器により運転が許可されている状態である場合には、前記燃料電池システムの運転を許可するように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記運転許可器は、前記温度検知器の検知温度が前記第１の閾値以上になった後には、前記温度検知器の検知温度が前記第２の閾値未満になるまで前記燃料電池システムの運転を許可しないように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記原料を前記改質器又は前記燃焼器に供給するための原料ガス供給器と、前記燃焼器に設けられた点火器と、制御器と、を備え、前記燃焼器は、起動処理において前記原料ガス供給器から供給された前記原料ガスを燃焼するように構成されており、前記運転許可器が、前記温度検知器の検知温度が前記第１の閾値以上になってから後に前記第２の閾値未満になり、前記燃料電池システムの運転を許可してからの前記燃料電池システムの起動において、前記制御器は、前記点火器の点火動作までに前記燃焼器に通常よりも多くの原料ガスを供給するように前記原料ガス供給器及び前記点火器の少なくともいずれか一方を制御してもよい。
これにより、燃焼器の点火器による点火動作時の着火性が向上し、燃焼状態が良好になり、燃料電池システムの信頼性が向上する。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記燃焼器に供給される原料ガスの流量を通常より多くなるように前記原料ガス供給器を制御してもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、その点火動作を通常よりも遅らせるように前記点火器を制御してもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、その作動時間を通常よりも長くするように前記点火器を制御してもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記原料を前記改質器又は前記燃焼器に供給するための原料ガス供給器と、前記燃焼器に設けられた点火器と、制御器と、を備え、前記燃焼器は、起動処理において前記原料ガス供給器から供給された前記原料ガスを燃焼するように構成されており、前記運転許可器が、前記温度検知器の検知温度が前記第１の閾値以上になってから後に前記第２の閾値未満になり、前記燃料電池システムの運転を許可してからの前記燃料電池システムの起動において、前記制御器は、前記点火器の点火動作時間を通常よりも長くなるように前記点火器を制御してもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、夏期以外の季節に前記温度検知器の検知温度が前記第１の閾値以上となると前記燃料電池システムの故障の旨を報知する故障報知器を備えていてもよい。
夏期以外の季節には、温度検知器の検知温度が、第１の閾値以上となることは想定できないため、この場合は、運転許可器は、燃料電池システムの故障と判断することで、その後のメンテナンス作業等により異常状態から復帰するための適切な処置を行うことが可能となる。
さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、前記運転許可器が、前記燃料電池システムの運転を許可しない場合、その旨を報知する不許可報知器を備えていてもよい。
これにより、利用者は燃料電池システムの起動及び運転の少なくともいずれか一方がなされない理由を理解することができ、使い勝手が良好となる。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の燃料電池システムによれば、起動前及び運転中の少なくともいずれか一方において高温環境下で、燃焼器における燃焼不良（不着火や失火等）の異常発生及び浄化器の劣化進行の少なくともいずれか一方の不具合発生を抑制することが可能となり、燃料電池システムの信頼性が向上する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの機能ブロック図である。 図２は、図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池のセルスタックの概略構成を模式的に示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの運転許可処理の内容を概略的に示すフローチャートである。 図４は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムにおける変形例１の燃料電池システムの機能ブロック図である。 図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの機能ブロック図である。 図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの運転許可処理の内容を概略的に示すフローチャートである。 図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの運転許可処理の内容を概略的に示すフローチャートである。 図８は、特許文献１に開示されている燃料電池発電システムの概略構成を示す模式図である。 図９は、特許文献２に開示されている燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
（実施の形態１）
[燃料電池システムの構成]
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの機能ブロック図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、その内部に燃料電池１１等が配置された筐体１０１とリモコン１０２を備えており、リモコン１０２を操作することにより、燃料電池システムの運転開始及び運転停止を行うことができるように構成されている。
まず、筐体１０１内部の構成について説明する。
筐体１０１の内部には、燃料電池１１、原料ガス供給器１２、水素生成器１３、酸化剤ガス供給器１４、アノード凝縮器１５、カソード凝縮器１６、冷却水熱交換器１７、アノード回収水タンク２６、貯湯タンク１９、外気温度検知器２０、及び制御装置２１が配設されている。本実施の形態１に係る燃料電池システム１００における燃料電池１１は、高分子電解質形燃料電池で構成されており、燃料電池１１は、板状の全体形状を有するセル９が、その厚み方向に積層されてなるセルスタックで構成されている。なお、燃料電池１１としては、高分子電解質形燃料電池に限定されず、リン酸形燃料電池等の燃料電池を用いてもよい。
ここで、燃料電池１１の構成について、図２を参照しながら詳細に説明する。図２は、図１に示す燃料電池システム１００における燃料電池１１のセルスタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
図２に示すように、セル９は、ＭＥＡ３（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）と、ガスケット４と、アノードセパレータ５ａとカソードセパレータ５ｂと、を有している。ＭＥＡ３は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード２ａと、カソード２ｂと、を有しており、アノード２ａ及びカソード２ｂ（これらを、ガス拡散電極という）が、高分子電解質膜１の両面に、その周縁部より内方に位置するように設けられている。
また、アノード２ａ及びカソード２ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のリング状のゴム製のガスケット４が配設されている。そして、ＭＥＡ３とガスケット４を挟むように、導電性のアノードセパレータ５ａとカソードセパレータ５ｂが配設されている。アノードセパレータ５ａのＭＥＡ３と当接する主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流する溝状の燃料ガス流路６が設けられており、一方、カソードセパレータ５ｂのＭＥＡ３と当接する主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流する溝状の酸化剤ガス流路７が設けられている。また、アノードセパレータ５ａ及びカソードセパレータ５ｂ（以下、これらをセパレータ５ａ、５ｂという）の外面には、それぞれ、冷却水が通流する冷却水流路８が設けられている。
なお、高分子電解質膜１、ガスケット４、及びセパレータ５ａ、５ｂの周囲には、それぞれ、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給用マニホールド孔、燃料ガス排出用マニホールド孔、酸化剤ガス供給用マニホールド孔、酸化剤ガス排出用マニホールド孔、冷却水供給用マニホールド孔、及び冷却水排出用マニホールド孔が設けられている（いずれも、図示せず）。
そして、このように形成したセル９をその厚み方向に積層することにより、セル積層体が形成され、セル積層体の両端に集電板、絶縁板、及び端板（いずれも図示せず）を配置し、締結具（図示せず）で締結することでセルスタック９０が形成される。このセル９を積層したときに、高分子電解質膜１、ガスケット４、及びセパレータ５ａ、５ｂに設けられた燃料ガス供給用マニホールド孔等のマニホールド孔は、厚み方向につながって、燃料ガス供給用マニホールド等のマニホールドがそれぞれ形成される。なお、燃料ガス供給用マニホールドと、燃料ガス排出用マニホールドと、これらを接続するように各アノードセパレータ５ａに設けられた燃料ガス流路６と、から燃料ガス内部流路７１が構成され（図１参照）、酸化剤ガス供給用マニホールドと、酸化剤ガス排出用マニホールドと、これらを接続するように各カソードセパレータ５ｂに設けられた酸化剤ガス流路７と、から酸化剤ガス内部流路７２が構成され（図１参照）、冷却水供給用マニホールドと、冷却水排出マニホールドと、これらを接続するように各セパレータ５ａ、５ｂに設けられた冷却水流路８と、から冷却水内部流路（図示せず）が構成される。
次に、筐体１０１内部に配設された各機器の構成について、図１を参照しながら説明する。
水素生成器１３は、本発明の燃焼器としてのバーナ加熱部８１と改質器８３を有しており、バーナ加熱部８１は、点火器８２を有している。バーナ加熱部８１の燃焼用ガス供給口（図示せず）は、後述するアノードオフガス供給路（アノードオフガス流路）３４を介して、燃料電池１１の燃料ガス内部流路７１の下流端と接続されており、燃料電池１１のアノード２ａで使用されなかった余剰の燃料ガスが、オフガス（燃焼用ガス）として供給されるように構成されている。また、バーナ加熱部８１には、燃焼用ガス供給路３１ａを介して原料ガス供給器１２が接続されており、燃料電池システム１００起動時等に、原料ガスがバーナ加熱部８１に供給されるように構成されている。さらに、バーナ加熱部８１には、図示されない燃料用空気供給路を介して、燃焼用空気供給器（図示せず）が接続されており、バーナ加熱部８１に燃焼用空気が供給されるように構成されている。
これにより、バーナ加熱部８１では、燃料電池１１のアノード２ａから燃料ガス内部流路７１及びアノードオフガス供給路３４を介して供給されたアノードオフガス（または、燃焼用ガス供給路３１ａを介して供給された原料ガス）と、燃焼用空気供給路を介して供給された燃焼用空気と、を点火器８２により点火することで燃焼させて、燃焼ガスが生成される。
また、水素生成器１３の原料ガス供給口（図示せず）には、燃料電池システム１００（正確には、筐体１０１）の外部から原料ガス（例えば、都市ガス等）を供給するための原料ガス供給路３１が接続されている。原料ガス供給路３１の途中には、原料ガス供給器１２が設けられており、水素生成器１３に供給する原料ガスの流量を調整している。
さらに、水素生成器１３の改質用水供給口（図示せず）には、後述する改質用水供給路４４を介してカソード回収水タンク２７が接続されており、改質用水供給路４４の途中には、回収水中の不純物を除去する浄化器２２と流量調整可能な第１ポンプ２３が設けられている。これにより、カソード回収水タンク２７に回収された水（回収水）が、第１ポンプ２３によって浄化器２２に通流され、回収水中の不純物が浄化器２２で除去され、浄化器２２を通流した水が、水素生成器１３の改質器８３に供給される。なお、本実施の形態では、浄化器２２にイオン交換樹脂を用いるが、これに限定されず、活性炭、ゼオライト等に例示されるように回収水タンクの不純物を除去可能であれば、いずれの不純物除去剤を使用しても構わない。
そして、水素生成器１３では、バーナ加熱部８１で生成された燃焼ガスからの伝熱を利用して、原料ガス供給路３１を介して供給された原料ガスと、改質用水供給路４４を通じて供給された水と、改質器８３で改質反応させることにより、水素リッチな改質ガスが生成される。生成された改質ガスは、図示されない変成器及びＣＯ除去器で、シフト反応及び酸化反応させることにより、一酸化炭素が１０ｐｐｍ程度まで低減された水素リッチな燃料ガスが生成され、燃料電池１１に供給される。
燃料電池１１の燃料ガス内部流路７１の上流端は、燃料ガス供給路３２を介して、水素生成器１３の燃料ガス排出口（図示せず）と接続されており、また、燃料電池１１の酸化剤ガス内部流路７２の上流端は、酸化剤ガス供給路３３を介して、酸化剤ガス供給器１４の酸化剤ガス供給口（図示せず）と接続されている。酸化剤ガス供給器１４は、ここでは、吸入口が大気開放されているブロワ（図示せず）と吸入された空気を一定量の水蒸気で加湿する加湿器（図示せず）で構成されていて、燃料電池１１に酸化剤ガスを供給するように構成されている。なお、酸化剤ガス供給器１４は、シロッコファンなどのファン類を用いる構成としてもよい。これにより、燃料電池１１では、水素生成器１３から供給された燃料ガスと、酸化剤ガス供給器１４から供給された酸化剤ガスと、が電気化学的に反応して、水が生成し、熱と電気が発生する。
また、燃料電池１１には、冷却水循環路４１が接続されており、冷却水循環路４１の途中には、流量調整可能な第２ポンプ２４が設けられている。冷却水循環路４１は、冷却水往路４１ａと冷却水復路４１ｂを有している。冷却水往路４１ａの上流端は、冷却水熱交換器１７の一次流路の出口（図示せず）に接続され、その下流端は、燃料電池１１の冷却水供給口（図示せず）に接続されている。また、冷却水復路４１ｂの上流端は、燃料電池１１の冷却水排出口（図示せず）に接続され、その下流端は、冷却水熱交換器１７の一次流路の入口（図示せず）に接続されている。これにより、燃料電池１１に供給された冷却水が、反応ガスを反応させたときに発生する熱を回収し、燃料電池１１内を適切な温度に維持することができる。また、燃料電池１１で発生した熱を回収した冷却水は、冷却水熱交換器１７で、後述する冷却水熱交換器１７の二次流路を通流する熱媒体（貯湯水）と熱交換することで冷却される。
また、上述したように燃料電池１１の燃料ガス内部流路７１の下流端には、アノードオフガス供給路３４の上流端が接続され、その下流端は、バーナ加熱部８１のオフガス供給口と接続されている。アノードオフガス供給路３４の途中には、アノード凝縮器１５とアノード回収水タンク（貯水器）２６から構成される気液分離器１０が設けられていて、アノード凝縮器１５の一次流路とアノードオフガス供給路３４を構成する配管とが接続されている。また、アノードオフガス供給路３４におけるアノード凝縮器１５の下流側には、アノード回収水タンク２６が接続されている。より詳しくは、アノード回収水タンク２６の上部には、アノードオフガス供給路３４を構成する、２つの配管が接続されていて、一方の配管は、アノード凝縮器１５とアノード回収水タンク２６の上部とを接続するように設けられ、他方の配管は、アノード回収水タンク２６の上部とバーナ加熱部８１とを接続するように設けられている。
これにより、燃料電池１１のアノード２ａで使用されなかった余剰の燃料ガス（アノードオフガス）が、アノード凝縮器１５で、後述するアノード凝縮器１５の二次流路を通流する熱媒体（貯湯水）と熱交換し、アノードオフガス中に含まれる水蒸気が凝縮される。凝縮された水は、回収水としてアノード回収水タンク２６に貯えられる。一方、水蒸気が凝縮により低減されたアノードオフガスは、バーナ加熱部８１に供給される。
また、アノード回収水タンク２６の内部には、温度検知器（例えば、サーミスタ）２８が設けられていて、温度検知器２８は、アノード回収水タンク２６内部に貯えられた回収水の温度を検知し、後述する制御装置２１は、温度検知器２８が検知した水温を取得するように構成されている。なお、アノード回収水タンク２６は、カソード回収水タンク２７と接続流路４８により接続されていて、該接続流路４８には、流路を連通又は遮断するための弁（図示せず）が設けられている。そして、制御装置２１は、アノード回収水タンク２６内に貯えられた回収水が所定量貯まると、図示されない弁を開放する。これにより、アノード回収水タンク２６内に貯えられた回収水が、カソード回収水タンク２７に供給される。そして、上記の通り、カソード回収水タンク２７の回収水は浄化器２２に供給されるよう構成されている。つまり、気液分離器の貯水器である回収水タンク２７内の回収水は、浄化器２２を通流するよう構成されている。
さらに、燃料電池１１には、酸化剤ガス排出路３５が接続されている。具体的には、燃料電池１１の酸化剤ガス内部流路７２の下流端に、酸化剤ガス排出路３５の上流端が接続されていて、その下流端は、燃料電池システム１００（筐体１０１）の外部に開口している。酸化剤ガス排出路３５の途中には、カソード凝縮器１６が設けられており、カソード凝縮器１６の二次流路と酸化剤ガス排出路３５を構成する配管とが接続されている。また、酸化剤ガス排出路３５におけるカソード凝縮器１６の下流側には、カソード回収水流路４３の上流端が接続され、その下流端は、カソード回収水タンク２７に接続されている。
これにより、燃料電池１１のカソード２ｂで使用されなかった余剰の酸化剤ガスが、カソード凝縮器１６で、後述するカソード凝縮器１６の二次流路を通流する熱媒体（貯湯水）と熱交換し、酸化剤ガス中に含まれる水蒸気が凝縮される。凝縮された水は、適宜な手段により、ガスと分離されて、カソード回収水流路４３を通流して、回収水としてカソード回収水タンク２７に貯えられる。一方、水蒸気が凝縮により低減された酸化剤ガスは、燃料電池システム１００の外部に排出される。
また、筐体１０１の内部には、貯湯タンク１９が配設されている。貯湯タンク１９は、ここでは、鉛直方向に延びるように形成されていて、いわゆる積層沸き上げ型の貯湯タンクを使用している。貯湯タンク１９には、排熱回収循環路４５が接続されている。具体的には、排熱回収循環路４５の上流端が、貯湯タンク１９の下部に接続され、その下流端が、貯湯タンク１９の上部に接続されている。排熱回収循環路４５の途中には、流量調整可能な第３ポンプ２５が設けられている。また、排熱回収循環路４５の途中には、アノード凝縮器１５、カソード凝縮器１６、及び冷却水熱交換器１７が、この順で配設されていて、それぞれの二次流路と排熱回収循環路４５を構成する配管とが接続されている。
これにより、貯湯タンク１９の下部にある温度の低い熱媒体（貯湯水）が、排熱回収循環路４５を通流する間に、アノード凝縮器１５、カソード凝縮器１６、及び冷却水熱交換器１７で、熱交換をして、加熱されて、温度の高い熱媒体（お湯）として貯湯タンク１９の上部に供給される。このとき、アノード凝縮器１５では、最も温度の低い熱媒体とアノードオフガスとの間で熱交換されるので、アノードオフガス中の水蒸気が充分に凝縮され、バーナ加熱部８１には、水蒸気が充分に低減されたガスが供給される。
また、貯湯タンク１９の上部には、貯湯タンク１９に貯えられたお湯を利用者に供給するための貯湯水供給路４６が接続されている。また、貯湯タンク１９の下部には、市水を供給するための水供給路４７が接続されていて、貯湯タンク１９の貯水量が、所定の貯水量よりも少ない場合に、所定量の市水が供給されるように構成されている。
また、筐体１０１の内部には、外気温度検知器２０及び制御装置２１が配設されている。外気温度検知器２０は、ここでは、サーミスタで構成されており、燃料電池システム１００の外気温度を検知し、制御装置２１は、外気温度検知器２０が検知した外気温度を取得するように構成されている。
制御装置２１は、制御器５１及び運転許可器５２を有している。制御装置２１は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ、半導体メモリから構成された内部メモリ、通信部、及びカレンダー機能を有する時計部（いずれも図示せず）を有している。そして、内部メモリに格納された所定のソフトウェアによって、制御器５１及び運転許可器５２が実現されている。
運転許可器５２は、温度検知器２８で検知されたアノード回収水タンク２６に貯えられている水の温度を取得し、この取得した水温に基づいて燃料電池システム１００の運転を許可するか否かを判定する。そして、運転許可器５２は、後述するリモコン１０２に、所定の制御信号を出力して表示部６１での運転許可に関する情報の表示を制御する。また、制御器５１は、運転許可器５２の判定結果に基づいて、原料ガス供給器１２及び／又は点火器８２に制御信号を出力して、これらを制御する。なお、ここでは、運転許可器５２が、リモコン１０２に直接制御信号を出力して表示部６１での運転許可に関する情報の表示制御をする構成としたが、これに限定されず、運転許可器５２から制御器５１に制御信号を出力し、制御器５１が、リモコン１０２の表示部６１での運転許可に関する情報の表示を制御する構成としてもよい。
そして、制御器５１が、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む燃料電池システムに関する各種の制御を行う。なお、運転許可器５２による運転許否制御及び制御器５１による原料ガス供給器１２及び／又は点火器８２の制御については、後述する。
ここで、本明細書において、制御装置とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム１００の制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御装置２１は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システム１００を制御するように構成されていてもよい。
次に、筐体１０１の外部に配置されているリモコン１０２について説明する。
リモコン１０２は、マイコンで構成された制御部（図示せず）、通信部（図示せず）、表示部６１、及びキー操作部６３を有していて、制御部が、通信部等を制御している。また、リモコン１０２は、制御信号を通信部で受信し、これを制御部が処理して表示部６１に伝達する。これにより、表示部６１は、燃料電池システム１００の運転を許可しない旨（例えば、保護動作中）や運転を許可する旨（例えば、保護動作中の文字の表示を解除する）を表示する。従って、リモコン１０２は、本発明の不許可報知器に相当する。
また、リモコン１０２のキー操作部６３から入力された操作信号が、リモコン１０２の制御部及び通信部を介して、制御装置２１に送信され、制御装置２１の通信部で受信されて制御器５１又は運転許可器５２に伝達される。
なお、以下の説明では、その説明を簡略化するために、制御装置２１とリモコン１０２との信号のやりとりは、双方の通信部による通信及びリモコン１０２における制御部の処理を省略して記述する。
[燃料電池システムの動作]
本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作について説明する。なお、燃料電池システム１００の一般的動作は、周知であるため、その詳細な説明は省略する。
まず、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転許可器５２による運転制御について、図３を参照しながら詳細に説明する。
図３は、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転許可処理の内容を概略的に示すフローチャートである。
まず、運転許可器５２は、温度検知器２８で検知された水温を取得する（ステップＳ１）。ついで、運転許可器５２は、内部メモリ部に記憶されている第１の閾値とステップＳ１で取得した水温を比較する（ステップＳ２）。
ここで、上記第１の閾値は、次の２つの条件のうち少なくともいずれか一方を満たす値として、定義される。まず、第１の条件として、第１の閾値は、（Ｉ）標準環境温度よりも高い温度であって、アノード回収水タンク２６内の回収水よりも上方に存在し、バーナ加熱部８１に導入されるアノードオフガスの露点が、バーナ加熱部８１が失火する露点以上になると推定されるアノード回収水タンク２６内の水温（例えば、４５℃）であることが好ましい。回収水上方に存在するアノードオフガスの水蒸気分圧は、回収水の水温に比例することから、バーナ加熱部８１に流入するアノードオフガスの露点をアノード回収水タンク２６内の水温を基に推定することができる。また、アノード回収水タンク２６内の水温と外気温度とは相関関係を有することから、バーナ加熱部８１に流入するアノードオフガスの露点を外気温度検知器２０で検知された温度を基に推定してもよい。なお、この場合、上記第１の閾値は、外気温検知器２０で検知される検知温度に対して、標準環境温度よりも高い温度であって、バーナ加熱部８１に導入されるアノードオフガスの露点が、バーナ加熱部８１が失火する露点以上になると推定される外気温度値が適宜設定される。このように、第１の閾値が設定されることにより、燃料電池システム１００の起動前及び運転中の少なくともいずれか一方において、高温環境下でバーナ加熱部８１に供給されるアノードオフガスの水蒸気分圧が上昇することによって、燃料電池システム１００の燃焼器の燃焼不良の異常（不着火異常や失火異常等）を抑制することができる。
また、第２の条件として、第１の閾値は、（ＩＩ）標準環境温度よりも高く、浄化器２２の耐熱上限温度（例えば、５０℃）以下の温度であることが好ましい。上述したように、アノード回収水タンク２６内の水温と外気温度とは相関関係を有することから、アノード回収水タンク２６内の回収水の水温を外気温度検知器２０で検知された温度を基に推定してもよい。なお、この場合、上記第１の閾値は、外気温検知器２０で検知される検知温度に対して、標準環境温度よりも高い温度であって、アノード回収水タンク２６の水温が浄化器２２の耐熱上限温度（例えば、５０℃）以下の温度になると推定される外気温度値が適宜設定される。
このように、第１の閾値を定義することにより、燃料電池システム１００の起動前及び運転中に高温環境下で水温が上昇した回収水が通流することにより、浄化器２２の劣化が進行するのを抑制することができる。
なお、上記第１の閾値について、上記条件（I）及び条件（II）の両方を満たすよう設定すると（例えば、４５℃）、第１の閾値が、それぞれの条件のみを満たす値の場合に奏される効果の両方の実現が期待されるのでより好ましい。また、２つの条件を満たす第１の閾値は、互いに異なる温度値であってもよく、また、同じ温度値であってもよい。
次に、温度検知器２８で検知された水温が、（ｉ）第１の閾値よりも低い温度である第２の閾値（例えば、４０℃）未満である場合、（ｉｉ）第２の閾値未満であった水温が、第２の閾値以上、かつ、第１の閾値未満となった場合、（ｉｉｉ）第１の閾値以上である場合、及び（ｉＶ）第１の閾値以上であった水温が、第１の閾値未満、かつ、第２の閾値以上となった場合、に場合分けして、運転許可器５２による運転許可処理を具体的に説明する。
（ｉ）水温が第２の閾値未満である場合
ステップＳ１で取得した水温が、第２の閾値未満である場合には、ステップＳ２からステップＳ３に進む。ステップＳ３では、運転許可器５２は、内部メモリ部に記憶されている第２の閾値とステップＳ１で取得した水温を比較する。ここでは、水温が第２の閾値未満であるので、ステップＳ７に進む。
ステップＳ７では、運転許可器５２は、運転許可フラグをＯＮにする。このとき、制御器５１は、所定の起動条件を満足した場合、例えば、利用者がリモコン１０２のキー操作部６３を操作して、燃料電池システム１００の運転開始を指示し、リモコン１０２の制御部から制御器５１に運転開始要求信号が入力された場合には、燃料電池システム１００の運転を開始する。また、燃料電池システム１００が運転中である場合には、制御器５１は、その運転を継続する。
次に、運転許可器５２は、リモコン１０２に、表示部６１に保護動作中という表示を表示させない信号を出力する（ステップＳ８）。これにより、リモコン１０２の表示部６１は、保護動作中という表示を表示しない。
そして、本処理のスタートに戻る。
（ｉｉ）第２の閾値未満であった水温が、第２の閾値以上、かつ、第１の閾値未満となった場合
ステップＳ１で取得した水温が、第２の閾値以上、かつ、第１の閾値未満である場合には、ステップＳ２からステップＳ３に進む。ステップＳ３では、運転許可器５２は、記憶部に記憶されている第２の閾値とステップＳ１で取得した水温を比較する。ここでは、外気温度が第２の閾値以上であるので、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、運転許可器５２は、運転許可フラグがＯＮであるか否かを判定する。上述したように、水温が第２の閾値未満である場合には、ステップＳ７で運転許可フラグをＯＮにしている。このため、第２の閾値未満であった水温が、第２の閾値以上、かつ、第１の閾値未満となった場合には、運転許可フラグはＯＮであるため、ステップＳ７に進む。
ステップＳ７では、運転許可器５２は、上記（ｉ）と同様に、再度、運転許可フラグをＯＮにする。すなわち、運転許可フラグがＯＮである状態を維持させる。これにより、所定の起動条件を満足した場合、例えば、利用者がリモコン１０２のキー操作部６３を操作して、燃料電池システム１００の運転開始を指示し、リモコン１０２の制御部から制御器５１に運転開始要求信号が入力された場合には、制御器５１は、運転許可フラグがＯＮになっていることを確認して、燃料電池システム１００の運転を開始する。また、燃料電池システム１００が運転中である場合には、制御器５１は、その運転を継続する。
次に、運転許可器５２は、リモコン１０２に、表示部６１に保護動作中という表示を表示させない信号を再度出力する（ステップＳ８）。これにより、リモコン１０２の表示部６１は、保護動作中という表示を表示しない。
そして、本処理のスタートに戻る。
（ｉｉｉ）第１の閾値以上である場合
ステップＳ１で取得した水温が、第１の閾値以上である場合には、ステップＳ２からステップＳ９に進む。ステップＳ９では、運転許可フラグをＯＦＦにする。これにより、制御器５１は、所定の起動条件を満足した場合、例えば、利用者がリモコン１０２のキー操作部６３を操作して、燃料電池システム１００の運転開始を指示し、リモコン１０２の制御部から制御器５１に運転開始要求信号が入力された場合であっても、燃料電池システム１００の運転開始動作を行わない。また、燃料電池システム１００が運転中である場合には、制御器５１は、その運転を停止させる。
ついで、運転許可器５２は、リモコン１０２に、表示部６１に燃料電池システムの運転が許可されない状態であることを外部に報知するため、「保護動作中」の表示を表示させる信号を出力する（ステップＳ１０）。これにより、リモコン１０２の表示部６１には、「保護動作中」の表示がされ、利用者は、燃料電池システムの起動及び運転がなされない理由を理解することができる。
そして、本処理のスタートに戻る。
（ｉＶ）第１の閾値以上であった水温が、第１の閾値未満、かつ、第２の閾値以上となった場合
ステップＳ１で取得した水温が、第１の閾値未満、かつ、第２の閾値以上である場合には、ステップＳ２からステップＳ３に進む。ステップＳ３では、水温が、第２の閾値以上であるので、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、運転許可器５２は、運転許可フラグがＯＮであるか否かを判定する。上述したように、水温が第１の閾値以上である場合には、運転許可器５２は、ステップＳ９で運転許可フラグをＯＦＦにしている。このため、第１の閾値以上であった水温が、第１の閾値未満、かつ、第２の閾値以上となった場合には、運転許可フラグはＯＦＦであるため、ステップＳ５に進む。なお、制御器５１は、ステップＳ９で運転許可フラグをＯＦＦにするとともに燃料電池システム１００の運転を停止させている。
ステップＳ５では、運転許可器５２は、再度、運転許可フラグをＯＦＦにする。すなわち、運転許可フラグがＯＦＦの状態を維持させる。これにより、制御器５１は、燃料電池システム１００の運転停止状態を維持する。
ついで、運転許可器５２は、リモコン１０２の表示部６１に燃料電池システムの運転が許可されない状態であることを外部に報知するため、「保護動作中」の表示を表示させるようリモコン１０２に信号を出力する（ステップＳ６）。これにより、リモコン１０２の表示部６１には、「保護動作中」の表示が維持される。
そして、本プログラムのスタートに戻る。
このように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、運転許可器５２は、水温が第１の閾値未満、かつ、第２の閾値以上であっても、既に、自身により燃料電池システム１００の運転を許可していれば（運転許可フラグがＯＮになっていれば）、燃料電池システム１００の運転を許可する。一方、外気の温度が、第１の閾値以上となった後では、第２の閾値以下になるまで、燃料電池システム１００の運転を許可しないように構成されている。つまり、ステップＳ２における第１の閾値とステップＳ３における第２の閾値の差がヒステリシスとなり、運転許可器５２の運転制御において不要なチャタリング動作を抑制することができる。
なお、本発明においては、停止処理を、制御装置２１が停止信号を出力してから、燃料電池システム１００がその処理を完了するまでの動作として定義する。また、燃料電池システム１００がその動作を停止しているとは、停止処理を完了してから制御装置２１より次の起動指令が出力されるまでの間の待機状態をいい。その間、制御装置２１及び外気温度検知器２０は動作している。
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の制御器５１による原料ガス供給器１２及び／又は点火器８２の制御について、図１を参照しながら説明する。
まず、利用者がリモコン１０２のキー操作部６３を操作して、燃料電池システム１００の運転開始を指示すると、リモコン１０２は制御器５１に運転開始要求信号を出力する。制御器５１は、リモコン１０２から運転開始要求信号が入力されると、運転許可フラグがＯＮの場合、起動指令を発して、原料ガス供給器１２にバーナ加熱部８１への原料供給信号を出力するとともに、図示されない燃焼用空気供給器にバーナ加熱部８１への燃焼用空気供給信号を出力する。これにより、バーナ加熱部８１には、原料ガス供給器１２から燃焼用ガス供給路３１ａを介して、原料ガスが供給され、また、燃焼用空気供給器から図示されない燃料用空気供給路を介して、バーナ加熱部８１に燃焼用空気が供給される。
ついで、制御器５１は、原料ガス供給器１２及び燃焼用空気供給器にそれぞれ供給信号を出力してから、所定の時間経過後に点火器８２に点火信号を出力する。これにより、点火器８２が点火動作を行い、バーナ加熱部８１に供給された原料ガスと燃焼用空気とが燃焼して、燃焼ガスが生成される。
次に、制御器５１は、原料ガス供給器１２に水素生成器１３への原料ガス供給信号を出力する。これにより、原料ガス供給器１２から水素生成器１３に原料ガスが供給され、水素生成器１３で燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料電池１１のアノード２ａで使用される。燃料電池１１のアノード２ａで使用されなかった余剰の燃料ガスは、アノードオフガス供給路３４に供給される。アノードオフガス供給路３４に供給されたアノードオフガスは、アノードオフガス供給路３４を通流する間に、アノード凝縮器１５で、アノードオフガス中に含まれる水蒸気が水に凝縮されて、分離される。水を分離したアノードオフガスは、バーナ加熱部８１に供給される。
バーナ加熱部８１にアノードオフガスが供給されるようになると、制御器５１は、原料ガス供給器１２からバーナ加熱部８１への原料ガスの供給停止信号を出力する。これにより、原料ガス供給器１２は、バーナ加熱部８１への原料ガスの供給を停止する。
ところで、上述したように、燃料電池システム１００の運転中に温度検知器２８で検知された温度（水温；外気温度）が、第１の閾値以上になったような場合、運転許可器５２は、燃料電池システム１００の運転を停止させる。この場合、アノードオフガス供給路３４に水蒸気分圧の上昇したアノードオフガスが残留する。この後、外気温度が低下し、温度検知器２８の検知温度が第２の閾値未満になった場合、アノードオフガスからの液水がアノードオフガス供給路３４内表面に結露する。
このため、水温が、第１の閾値以上になり、その後、第２の閾値未満になって、運転許可器５２が燃料電池システム１００の運転を許可した状態で、所定の起動条件を満足し、制御器５１により起動指令が発せられ、燃料電池システム１００の運転を再開（再起動）する場合、バーナ加熱部８１にはアノードオフガスとともに結露水も供給される。点火器８２が通常の点火動作（所定時間点火動作を行い、この点火動作を所定回数繰り返す）を行っただけでは、バーナ加熱部８１に供給される原料ガスと燃焼用空気とが反応し、速やかに着火及び燃焼開始しない場合がある。なお、本明細書における「通常」とは、温度検知器２８で検知された温度が第１閾値以上になり、その後、第２の閾値未満になった場合以外をいう。
そこで、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の運転を再開するときには、制御器５１が、原料ガス供給器１２及び／又は点火器８２を制御して、以下のように点火動作を行う。
制御器５１は、起動指令を発した後、点火器８２による点火動作が開始されるまでの間に、原料ガス供給器１２からバーナ加熱部８１に供給される原料ガスの量が通常の起動処理よりも多くなるように原料ガス供給器１２を制御する。具体的には、点火動作が開始されまでの間にバーナ加熱部８１に供給される原料ガスの流量が、通常の起動処理よりも多くなるように原料ガス供給器１２が制御される。また、同時に、燃焼用空気供給器から燃料用空気供給路を介して、燃焼用空気が供給されるように燃焼用空気供給器を制御する。これにより、バーナ加熱部８１に通常よりも多くの原料ガスが供給され、再起動時にバーナ加熱部８１に供給される結露水を含むガスが原料ガス及び燃焼用空気で掃気される。
ついで、制御器５１は、通常の場合と同じように、所定の時間経過後に、点火器８２に点火動作を行うように制御する。上述したように、バーナ加熱部８１内は、該バーナ加熱部８１に供給される結露水を含むガスが原料ガス及び燃焼用空気で掃気されているため、点火器８２の点火動作により、着火して、原料ガスと燃焼用空気を燃焼させることができる。なお、制御器５１は、バーナ加熱部８１に供給される結露水を含むガスをより充分に原料ガス及び燃焼用空気で掃気するために、原料ガスの流量が通常の起動処理よりも多くなるように原料ガス供給器１２を制御だけでなく、通常の起動処理における上記点火動作前のバーナ加熱部８１へのガス通流時間（上記所定の時間）よりも長い時間経過後に、点火器８２に点火動作を行うように制御してもよい。
これにより、温度検知器２８の検知温度が第１の閾値以上になった後に第２の閾値未満になり燃料電池システム２００が起動した場合において、バーナ加熱部８１の点火器８２による点火動作時の着火性が向上する。
なお、制御器５１は、原料ガス供給器１２からバーナ加熱部８１に供給される原料ガスの流量を通常の起動処理の場合と同じ流量になるように、原料ガス供給器１２を制御し、一方、点火器８２を通常の起動処理の場合よりも原料ガス供給器１２から原料ガスの供給を開始してから長い時間経過後に、点火動作を行う（点火動作を通常の起動処理の場合よりも遅らせる）ように制御してもよい。
このような制御によっても、点火器８２が点火動作を開始するまでの間に、バーナ加熱部８１に通常よりも多くの原料ガスが供給され、バーナ加熱部８１の点火器８２による点火動作時の着火性を向上させることができる。
また、上記のような点火器８２により点火動作が開始されまでの間に原料ガス供給器１２からバーナ加熱部８１に供給される原料ガスの量を増加させる制御方法に代えて、点火器８２の点火動作時間を通常の起動処理よりも長くするよう制御しても構わない。例えば、制御器５１は、原料ガス供給器１２からバーナ加熱部８１に供給される原料ガスの流量を通常と同じ流量になるように、原料ガス供給器１２を制御し、一方、原料ガス供給器１２から原料ガスの供給が開始されてから、点火器８２を通常の起動処理の場合と同じ所定時間経過後に、点火動作を開始させるが、その点火動作のリトライ回数の上限値を通常の場合よりも多くするように制御してもよく、また、点火動作１回当たりの動作時間を通常の起動処理よりも長くなるよう制御してもよい。
このような制御によっても、バーナ加熱部８１の点火器８２による点火動作時の着火性を向上させることができる。
[燃料電池システムの作用効果]
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の作用効果について説明する。
上述したように、第１の課題として、温度検知器２８で検知された温度（水温；外気温度）が第１の閾値以上になった場合、アノード回収水タンク２６の回収水上方のアノードオフガスの水蒸気分圧が上昇し、バーナ加熱部８１の燃焼不良（着火不良や燃焼開始後の失火等）の異常が発生する可能性がある。また、第２の課題として、アノード凝縮器１５で凝縮されて、アノード回収水タンク２６に回収された水の温度が上昇し、浄化器２２を通流する回収水の水温が、浄化器２２（例えば、イオン交換樹脂）の耐久温度を超えるような場合には、浄化器２２の劣化が促進される場合がある。
しかしながら、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、運転許可器５２が、温度検知器２８で検知された温度が標準環境温度よりも高い第１の閾値以上の場合には、燃料電池システム１００の運転を許可しないように制御している。
このため、上記第１の課題及び第２の課題の少なくともいずれか一方の課題の発生を抑制することができる。つまり、燃料電池システム１００のバーナ加熱部８１の燃焼不良の異常（不着火異常や失火異常）が発生することを抑制するという第１の効果、及び浄化器２２の劣化を抑制するという第２の効果の少なくともいずれか一方を実現することが可能になる。
また、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、温度検知器２８の検知温度が第１の閾値以上になった後に第２の閾値未満になり燃料電池システム１００が再起動した場合において、制御器５１が、点火器８２による点火動作が開始されるまでの間に、原料ガス供給器１２からバーナ加熱部８１に供給される原料ガスの量が通常の起動処理よりも多くなるように原料ガス供給器１２を制御することにより、再起動時のバーナ加熱部８１の着火性を向上させ、燃料電池システム１００の不要な動作エラー（着火不良の異常）を抑制することができ、燃料電池システム１００の信頼性が向上することができる。
（変形例１）
図４は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００における変形例１の燃料電池システムの機能ブロック図である。
図４に示すように、本変形例１に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、アノード凝縮器が設けられておらず、気液分離器１０が実質的にアノード回収水タンク２６で構成されている点が異なる。具体的には、アノードオフガス供給路３４は、アノード回収水タンク２６を介して、燃料ガス内部流路７１とバーナ加熱部８１とを接続している。そして、アノードオフガス中に含まれる水蒸気は、アノードオフガス供給路３４を通流する間に、凝集する。この凝縮した水は、回収水タンク２６に貯えられることで、凝縮した水とガスとを分離することができる。すわわち、回収水タンク２６が、気液分離器として機能する。
このように構成された本変形例１に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの機能ブロック図であり、図６は、図５に示す燃料電池システムの運転許可処理の内容を概略的に示すフローチャートである。
図５及び図６に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、２つのアノード回収水タンク２６とカソード回収水タンク２７を１つの回収水タンク１８に置換している点が異なる。また、回収水タンク１８を設けたことにより、アノードオフガス供給路３４におけるアノード凝縮器１５の下流側に、アノードオフガス供給路３４と回収水タンク１８とを接続するアノード回収水流路４２が設けられている。さらに、酸化剤ガス排出路３５におけるカソード凝縮器１６の下流側に、酸化剤ガス排出路３５と回収水タンク１８（ここでは、アノード回収水流路４２）とを接続するカソード回収水流路４３が設けられている。
これにより、アノード凝縮器１５で凝縮された水は、アノードオフガス供給路３４とアノード回収水流路４２との分岐点において、ガスと分離されて、アノード回収水流路４２を通流して、回収水として回収水タンク１８に貯えられる。また、カソード凝縮器１６で凝縮された水は、大気中に開放された酸化剤ガス排出路３５とカソード回収水流路４３との分岐点において、ガスと分離されて、カソード回収水流路４３を通流して、回収水として回収水タンク１８に貯えられる。
また、図５に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、温度検知器２８が設けられておらず、外気温度検知器２０で検知された外気温度を、貯水器（ここでは、回収水タンク１８）に貯えられた水温を代替する温度として検知し、制御装置２１は、外気温度検知器２０が検出した外気温度を取得するように構成されている。そして、運転許可器５２は、外気温度検知器２０で検出された外気温度を取得し、この取得した外気温度が、上記第１の閾値以上であるか否かに基づいて実施の形態１と同様に燃料電池システム１００の運転を許可するか否かを判定する。なお、外気温度検知器２０の検知温度に対して設定される第１の閾値は、実施の形態１と同様に第１の条件及び第２の条件の少なくともいずれか一方を満たすように適宜設定される。
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムは、実施の形態２に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、運転許可器５２による運転制御と、リモコン１０２が異常報知器としても機能する点が異なり、以下に説明する。
図７は、本実施の形態３に係る燃料電池システムの運転許可処理の内容を概略的に示すフローチャートである。
図７に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池システムでは、外気温度が第１閾値以上となったときの処理が、実施の形態２に係る燃料電池システム１００と異なる。
具体的には、ステップＳ１で取得した外気温度が、第１の閾値以上である場合には、ステップＳ２からステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、運転許可器５２は、時計部から現在の時刻を取得する。そして、運転許可器５２は、ステップＳ１１で取得した時刻情報が、記憶部に記憶されている夏季（例えば、７月〜９月）に該当するか否かを判定する（ステップＳ１２）。
現在時刻が夏季に該当する場合には、運転許可フラグをＯＦＦにする（ステップＳ１５）。これにより、制御器５１は、所定の起動条件を満足した場合、例えば、利用者がリモコン１０２のキー操作部６３を操作して、燃料電池システム１００の運転開始を指示し、リモコン１０２の制御部から制御器５１に運転開始要求信号が入力された場合であっても、燃料電池システム１００の運転開始動作を行わない。また、燃料電池システム１００が運転中である場合には、制御器５１は、その運転を停止させる。
ついで、運転許可器５２は、リモコン１０２に、表示部６１に燃料電池システムの運転が許可されない状態であることを外部に報知するため、「保護動作中」の表示を表示させる信号を出力する（ステップＳ１６）。これにより、リモコン１０２の表示部６１には、「保護動作中」の表示がされ、利用者は、燃料電池システム１００の起動及び運転がなされない理由を理解することができる。
そして、本処理のスタートに戻る。
一方、現在時刻が夏季に該当しない場合には、運転許可器５２は、運転許可フラグをＯＦＦにする（ステップＳ１３）。これにより、制御器５１は、所定の起動条件を満足した場合、例えば、利用者がリモコン１０２のキー操作部６３を操作して、燃料電池システム１００の運転開始を指示し、リモコン１０２の制御部から制御器５１に運転開始要求信号が入力された場合であっても、燃料電池システム１００の運転開始動作を行わない。また、燃料電池システム１００が運転中である場合には、制御器５１は、その運転を停止させる。
ついで、運転許可器５２は、リモコン１０２の表示部６１に燃料電池システム内の所定の機器が故障である可能性が高く、メンテナンスが必要である旨の表示を表示させる信号を出力する（ステップＳ１４）。
これにより、表示部６１は、燃料電池システム１００にメンテナンスが必要な異常が起きていることを表示する。また、リモコン１０２の制御部は、運転許可器５２からのメンテナンスが必要な異常に対応する異常表示信号が入力されると、メンテナンス会社に燃料電池システム１００が当該異常である旨を報知する信号を出力する。すなわち、リモコン１０２が、異常報知器として機能する。なお、ここでは、リモコン１０２が、異常報知器として機能するように構成したが、これに限定されず、制御装置２１の通信部が異常報知器として機能する、すなわち、制御装置２１の通信部が直接メンテナンス会社に燃料電池システム１００の異常を報知する信号を出力するように構成してもよい。
そして、運転許可器５２は、本処理を終了する。
このように、本実施の形態３においては、夏期以外の季節には、外気温度検知器２０の検知温度が、第１の閾値以上となる可能性が低いことから、燃料電池システム１００の故障と判断し、速やかな故障修理等のメンテナンス対応することが可能となる。
なお、上記実施の形態においては、アノード回収水タンク２６の温度として、アノード回収水タンク２６に貯えられた回収水の温度を温度検知器２８で検知する構成としたが、これに限定されず、例えば、アノード回収水タンク２６の温度として、カソード回収水タンク２７に貯えられた回収水の温度を検知してもよく、冷却水循環路４１を循環する冷却水の温度からアノード回収水タンク２６の温度を算出してもよく、排熱回収循環路４５を循環する熱媒体が水である場合、この温度からアノード回収水タンク２６の温度を推定してもよい。つまり、燃料電池システム内に存在する水経路内の水温を検知可能であれば、いずれの箇所に設けても構わない。
また、上記実施の形態においては、温度検知器２８をサーミスタで構成されているとしたが、これに限定されず、熱電対で構成されていてもよい。また、外気温度検知器２０をサーミスタで構成されているとしたが、これに限定されず、熱電対で構成されていてもよい。また、外気温度検知器２０は、外気温度と相関する温度を検知可能であれば、燃料電池システム１００内（筐体１０１の内側）のいずれの箇所に設置してもよいし、燃料電池システムの外部（筐体１０１の外壁面を含む外側）に設けるように構成してもよい。さらに、外気温度検知器２０として熱電対やサーミスタ等を配設せずに、外部から外気温度を通信信号により取得する外気温度取得器として構成してもよい。
また、上記実施の形態においては、燃料電池システム１００の運転許可／不許可を運転許可器５２が運転許可フラグをＯＮ／ＯＦＦし、制御器５１が運転許可フラグのＯＮ／ＯＦＦを確認して、起動指令を発することにより行ったが、これに限定されず、例えば、燃料電池システム１００の起動において、制御器５１は、運転許可フラグのＯＮ／ＯＦＦに係わらず、起動指令を発するようにし、運転許可器５２が、運転不許可の場合には、制御器５１から発せられる起動指令を阻止することにより、運転不許可を実行し、運転許可の場合には、起動指令の阻止を行わないことにより、運転許可を実行する構成としてもよい。また、燃料電池システム１００の運転中において、制御器５１は運転許可フラグのＯＮ／ＯＦＦに係わらず、運転継続信号を出力するようにし、運転許可器５２が、運転不許可の場合には、制御器５１から出力される運転継続信号を阻止することにより、運転不許可（すなわち、燃料電池システム１００の運転を停止）を実行し、運転許可の場合には、運転継続信号の阻止を行わないことにより、運転許可（すなわち、燃料電池システム１００の運転継続）を実行する構成としてもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムを高温環境下で起動する場合に、又は燃料電池システムの運転中に外気温度が上昇して高温環境下となった場合に、改質器のバーナ加熱部でのアノードオフガスの含水蒸気量の上昇による不着火異常や失火異常を抑制することができるため、燃料電池の技術分野で有用である。
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムを高温環境下で起動する場合に、又は燃料電池システムの運転中に外気温度が上昇して高温環境下となった場合に、イオン交換樹脂の耐久温度を超えるような水が、浄化器に供給されるのを抑制することができるため、燃料電池の技術分野で有用である。
１ 高分子電解質膜
２ａ アノード
２ｂ カソード
３ ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）
４ ガスケット
５ａ アノードセパレータ
５ｂ カソードセパレータ
６ 燃料ガス流路
７ 酸化剤ガス流路
８ 冷却水流路
９ セル
１０ 気液分離器
１１ 燃料電池
１２ 原料ガス供給器
１３ 水素生成装置
１４ 酸化剤ガス供給器
１５ アノード凝縮器
１６ カソード凝縮器
１７ 冷却水熱交換器
１８ 回収水タンク
１９ 貯湯タンク
２０ 外気温度検知器
２１ 制御装置
２２ 浄化器
２３ 第１ポンプ
２４ 第２ポンプ
２５ 第３ポンプ
２６ アノード回収水タンク（貯水器）
２７ カソード回収水タンク
２８ 温度検知器
３１ 原料ガス供給路
３１ａ 燃焼用ガス供給路
３２ 燃料ガス供給路
３３ 酸化剤ガス供給路
３４ アノードオフガス供給路（アノードオフガス流路）
３５ 酸化剤ガス排出路
４１ 冷却水循環路
４１ａ 冷却水往路
４１ｂ 冷却水復路
４２ アノード回収水流路
４３ カソード回収水流路
４４ 改質用水供給路
４５ 排熱回収循環路
４６ 貯湯水供給路
４８ 接続流路
５１ 制御器
５２ 運転許可器
６１ 表示部
６２ 異常報知器
６３ キー操作部
７１ 燃料ガス内部流路
７２ 酸化剤ガス内部流路
８１ バーナ加熱部
８２ 点火器
８３ 改質器
９０ セルスタック
１００ 燃料電池システム
１０１ 筐体
１０２ リモコン
２００ 燃料電池発電システム
２０１ 燃料電池
２０２ 燃焼部
２０３ 改質器
２０４ アノードオフガス熱交換器
２０５ カソードオフガス熱交換器
２０６ 冷却水熱交換器
２０７ 貯湯槽
２０８ 循環経路
２０９ 水タンク
２１０ アノードオフガス経路
３００ 燃料電池システム
３０１ 燃料電池
３０２ 水分除去器
３０３ 燃料処理器
３０４ バーナ
３０５ 不純物除去手段

Claims (13)

  1. 燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスが通流するアノードオフガス流路と、
    前記アノードオフガス流路に設けられ、前記アノードオフガスからその水分を分離させ、分離させた水分を水として貯える貯水器を有する気液分離器と、
    前記貯水器の水温を検知する温度検知器と、
    前記温度検知器の検知温度が標準環境温度よりも高い第１の閾値以上である場合には、燃料電池システムの起動を許可しないように構成されている運転許可器と、を備える、燃料電池システム。
  2. 燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスが通流するアノードオフガス流路と、
    前記アノードオフガス流路に設けられ、前記アノードオフガスからその水分を分離させ、分離させた水分を水として貯える貯水器を有する気液分離器と、
    外気温を検知する外気温検知器と、
    前記外気温検知器の検知温度が標準環境温度よりも高い第１の閾値以上である場合には、燃料電池システムの起動を許可しないように構成されている運転許可器と、を備える、燃料電池システム。
  3. 原料から改質反応により前記燃料ガスを生成する改質器と、前記アノードオフガス流路から供給される前記アノードオフガスを燃焼し、前記改質器を加熱するように構成された燃焼器と、を有する水素生成器を備え、
    前記第１の閾値は、前記貯水器内の前記水よりも上方に存在する前記アノードオフガスの露点が前記燃焼器が失火する露点以上になると推定される水温である、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記貯水器内の前記水を利用する水利用器と、
    前記貯水器より前記水利用器に供給される前記水を浄化するように構成された浄化器と、を備え、
    前記第１の閾値は、前記浄化器の耐熱上限温度以下の温度である、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  5. 前記貯水器を含む水流路を備え、
    前記温度検知器は、前記水流路内の水温を検知する水温検知器を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 前記運転許可器は、前記温度検知器の検知温度が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値未満の場合には、前記燃料電池システムの起動を許可するように構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  7. 前記運転許可器は、前記燃料電池システムの起動前の前記温度検知器の検知温度が前記第１の閾値未満、かつ、前記第２の閾値以上のとき、既に前記運転許可器により起動が許可されている状態である場合には、前記燃料電池システムの起動を許可するように構成されている、請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記運転許可器は、前記温度検知器の検知温度が前記第１の閾値以上になった後には、前記温度検知器の検知温度が前記第２の閾値未満になるまで前記燃料電池システムの起動を許可しないように構成されている、請求項１、２、及び７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記原料を前記改質器又は前記燃焼器に供給するための原料ガス供給器と、
    前記燃焼器に設けられた点火器と、
    制御器と、を備え、
    前記燃焼器は、起動処理において前記原料ガス供給器から供給された前記原料ガスを燃焼するように構成されており、
    前記運転許可器が、前記温度検知器の検知温度が前記第１の閾値以上になってから後に前記第２の閾値未満になり、前記燃料電池システムの起動を許可してからの前記燃料電池システムの起動において、
    前記制御器は、前記点火器の点火動作までに前記燃焼器に通常よりも多くの原料ガスを供給するように前記原料ガス供給器及び前記点火器の少なくともいずれか一方を制御する、請求項３に記載の燃料電池システム。
  10. 前記制御器は、前記燃焼器に供給される原料ガスの流量を通常より多くなるように前記原料ガス供給器を制御する、請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記制御器は、その点火動作を通常よりも遅らせるように前記点火器を制御する、請求項９又は１０に記載の燃料電池システム。
  12. 前記原料を前記改質器又は前記燃焼器に供給するための原料ガス供給器と、
    前記燃焼器に設けられた点火器と、
    制御器と、を備え、
    前記燃焼器は、起動処理において前記原料ガス供給器から供給された前記原料ガスを燃焼するように構成されており、
    前記運転許可器が、前記温度検知器の検知温度が前記第１の閾値以上になってから後に前記第２の閾値未満になり、前記燃料電池システムの運転を許可してからの前記燃料電池システムの起動において、
    前記制御器は、前記点火器の点火動作時間を通常よりも長くなるように前記点火器を制御する、請求項３に記載の燃料電池システム。
  13. 前記運転許可器が、前記燃料電池システムの起動を許可しない場合、その旨を報知する不許可報知器を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。

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