JP6876944B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムでは、燃料の改質に水が用いられ、冷却水を用いて燃料電池が冷却されることもある。このため、燃料電池システムを気温の低い場所に設置した場合に水が凍結してしまう可能性があり、寒冷地方に適用可能な燃料電池システムが提案されている。

例えば、特許文献１には、筐体の内部空間を加熱する加熱手段を備えた燃料電池システムが記載されている。加熱手段は筐体の底面側に配置されており、加熱手段からの熱を筐体の内部空間全体に自然対流させることができる。加熱手段は、例えばシーズヒータである。

国際公開第２００９／０３４９９７号（図２）

特許文献１に記載の技術によれば、燃料電池システムの水経路に異常がある場合の凍結防止処理について何ら検討されていない。そこで、本開示は、燃料電池システムの水経路に異常がある場合に水経路の凍結を防止する観点から有利な燃料電池システムを提供する。

本開示は、
燃料電池と、
前記燃料電池で発生した熱を回収する水を貯留する第一タンクと、
前記燃料電池と前記第一タンクとの間を循環する水が流れる第一水経路と、
原料ガス及び水から前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器に供給されるべき水を貯留する第二タンクと、
前記第二タンクと前記改質器及び前記第一タンクとを接続するとともに、前記改質器に供給される水の流れと前記第一タンクに供給される水の流れとが分岐する分岐点を有する第二水経路と、
前記第二水経路において前記分岐点と前記改質器との間に配置された第一開閉弁と、
前記第一タンクからオーバーフローした水を第二タンクに導く第三水経路と、
前記第一タンクの内部に配置されたヒータと、
前記第一水経路に配置され、前記燃料電池と前記第一タンクとの間で水を循環させる第一水供給器と、
前記第二水経路に配置され、前記第二タンクに貯留された水を前記改質器及び前記第一タンクの少なくとも１つに送る第二水供給器と、
前記燃料電池、前記第一タンク、前記第一水経路、前記改質器、前記第二タンク、前記第二水経路、及び前記第三水経路を収納する筐体と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、前記第一水経路及び前記第二水経路の少なくとも１つに異常があると判断したときに、前記第一水経路及び前記第二水経路が正常なときの前記第一水経路及び前記第二水経路の凍結防止のための前記ヒータの第一出力よりも高い第二出力で前記ヒータを発熱させ、前記第一タンクからの放熱により前記筐体の内部空間を暖気する、
燃料電池システムを提供する。

本開示の燃料電池システムは、水経路に異常がある場合に水経路の凍結を防止するのに有利である。

図１は、本開示の燃料電池システムの一例を示す構成図である。 図２は、本開示の燃料電池システムの凍結防止処理の一例を示すフローチャートである。 図３は、本開示の燃料電池システムの凍結防止処理の一例を示すフローチャートである。 図４は、本開示の燃料電池システムの別の一例を示す構成図である。 図５は、本開示の燃料電池システムの凍結防止処理の別の一例を示すフローチャートである。 図６は、本開示の燃料電池システムのさらに別の一例を示す構成図である。 図７は、本開示の燃料電池システムの凍結防止処理のさらに別の一例を示すフローチャートである。 図８は、本開示の燃料電池システムの凍結防止処理のさらに別の一例を示すフローチャートである。 図９は、本開示の燃料電池システムのさらに別の一例を示す構成図である。 図１０は、本開示の燃料電池システムの凍結防止処理のさらに別の一例を示すフローチャートである。

（本開示の基礎となった知見）
燃料電池システムにおいて水経路が凍結するおそれがあるときに、凍結防止のための処理は筐体の底面側に配置されたヒータを発熱させることだけとは限らない。例えば、水経路に配置されたポンプ等の水供給器を作動させて水経路において水を移動させ、凍結防止を実現することも考えられる。加えて、タンクに貯留された水をタンクの内部に配置されたヒータによって加熱し、水供給器を作動させてヒータによって加熱されたタンクの内部の水を水経路に流すことも考えられる。しかし、水供給器を作動させて水経路の凍結を防止する燃料電池システムでは、水供給器の故障等の理由により水経路に異常があると、水経路の凍結を適切に防止できない可能性がある。そこで、本発明者らは、水経路に異常がある場合にも水経路の凍結を防止できる技術について日夜検討を重ね、本開示の燃料電池システムを案出した。加えて、本発明者らは、タンクの内部に配置されたヒータに異常がある場合に水経路の凍結を防止できる燃料電池システムをも案出した。

本開示の第１態様に係る燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池で発生した熱を回収する水を貯留する第一タンクと、
前記燃料電池と前記第一タンクとの間を循環する水が流れる第一水経路と、
原料ガス及び水から前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器に供給されるべき水を貯留する第二タンクと、
前記第二タンクと前記改質器及び前記第一タンクとを連通させるとともに、前記改質器に供給される水の流れと前記第一タンクに供給される水の流れとが分岐する分岐点を有する第二水経路と、
前記第二水経路において前記分岐点と前記改質器との間に配置された第一開閉弁と、
前記第一タンクからオーバーフローした水を第二タンクに導く第三水経路と、
前記第一タンクの内部に配置されたヒータと、
前記第一水経路に配置され、前記燃料電池と前記第一タンクとの間で水を循環させる第一水供給器と、
前記第二水経路に配置され、前記第二タンクに貯留された水を前記改質器及び前記第一タンクの少なくとも１つに送る第二水供給器と、
前記燃料電池、前記第一タンク、前記第一水経路、前記改質器、前記第二タンク、前記第二水経路、及び前記第三水経路を収納する筐体と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、前記第一水経路及び前記第二水経路の少なくとも１つに異常があると判断したときに、前記第一水経路及び前記第二水経路が正常なときの前記第一水経路及び前記第二水経路の凍結防止のための前記ヒータの第一出力よりも高い第二出力で前記ヒータを発熱させ、前記第一タンクからの放熱により前記筐体の内部空間を暖気するものである。

本開示の第１態様によれば、第一水経路、第二水経路、及び第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、第一水経路及び第二水経路の少なくとも１つに異常があるときに、第二出力でヒータが発熱する。ヒータが高い出力で発熱するので、ヒータによって加熱された水が貯留された第一タンクからの放熱が筐体の内部空間の広い範囲に及ぶ。これにより、第一水経路及び第二水経路の少なくとも１つに異常があったとしても、第一水経路、第二水経路、及び第三水経路の凍結を有利に防止できる。なお、特許文献１に記載の技術では、加熱手段は、タンクに貯留された水を加熱しているわけではない。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る燃料電池システムでは、前記筐体の内部若しくは前記筐体の外部の空気の温度又は前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つにおける水の温度を検出する温度センサをさらに備え、前記制御器は、前記温度センサが第一温度以下であることを検出したときに、前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあると判断する。第２態様によれば、制御器は、温度センサによる検出結果に基づいて、第一水経路、第二水経路、及び第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあることを適切に判断できる。

本開示の第３態様において、例えば、第１態様又は第２態様に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、前記第一水経路に異常があるとともに前記第二水経路が正常であると判断したときに、前記第二出力で前記ヒータを発熱させ、かつ、前記第一開閉弁を閉じて前記第二水供給器を作動させつつ前記第一水供給器の作動を禁止する。第３態様によれば、ヒータが高い出力で発熱するとともにヒータによって加熱された水が改質器に供給されることなく第二水経路を流れるので、筐体の内部空間の広い範囲が効率的に温まる。その結果、第一水経路に異常があったとしても、第一水経路、第二水経路、及び第三水経路の凍結を有利に防止できる。

本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つに係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記第一水供給器の異常を前記第一水経路の異常と判断する。第４態様によれば、第一水供給器を監視することによって第一水経路の異常の有無を判断できる。

本開示の第５態様において、例えば、第１態様〜第４態様のいずれか１つに係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、前記第二水経路に異常があるとともに前記第一水経路が正常であると判断したときに、前記第二出力で前記ヒータを発熱させ、かつ、前記第一水供給器を作動させつつ前記第二水供給器の作動を禁止する。第５態様によれば、ヒータが高い出力で発熱するとともにヒータによって加熱された水が第一水経路を流れるので、筐体の内部空間の広い範囲が効率的に温まる。その結果、第二水経路に異常があったとしても、第一水経路、第二水経路、及び第三水経路の凍結を有利に防止できる。

本開示の第６態様において、例えば、第１態様〜第５態様のいずれか１つに係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記第二水供給器の異常及び前記第一開閉弁の異常の少なくとも１つを前記第二水経路の異常と判断する。第６態様によれば、第二水供給器及び第一開閉弁を監視することによって第二水経路の異常の有無を判断できる。

本開示の第７態様において、例えば、第１態様〜第６態様のいずれか１つに係る燃料電池システムでは、前記第二水供給器は、前記第二タンクから前記改質器及び前記第一タンクの少なくとも１つに向かって水を供給する第一モードと、前記第二水経路において前記第二タンクに向かって水を逆流させる第二モードとを切り替えて作動可能である。加えて、第７態様において、第１態様〜第６態様のいずれか１つに係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、前記ヒータに異常があると判断したときに、前記第二水供給器を前記第二モードで作動させて、前記第二水経路から水を排出させる。第７態様によれば、ヒータに異常があると判断されたときに、第二水供給器が第二モードで作動して第二水経路から水が排出される。これにより、第二水経路の凍結を有利に防止できる。

本開示の第８態様において、例えば、第１態様〜第６態様のいずれか１つに係る燃料電池システムは、前記第二水経路において前記第二水供給器をバイパスするバイパス経路と、前記バイパス経路に配置された第二開閉弁と、をさらに備え、前記制御器は、前記燃料電池が発電しているときには前記第二開閉弁を閉じ、前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、前記ヒータに異常があると判断したときには前記第二開閉弁を開いて前記第二水経路から水を排出させる。第８態様によれば、ヒータに異常があると判断されたときに、第二開閉弁が開いて第二水経路から水が排出される。これにより、第二水経路の凍結を有利に防止できる。

本開示の第９態様において、例えば、第１態様〜第８態様のいずれか１つに係る燃料電池システムは、前記筐体の内部で空気を循環させるファンをさらに備え、前記制御器は、前記第二出力で前記ヒータを発熱させるときに、前記ファンを作動させる。第９態様によれば、第一タンクから放散された熱がファンによって生じた空気の流れによって運ばれ、筐体の内部空間の広い範囲が効率的に温まる。その結果、第一水経路及び第二水経路の少なくとも１つに異常があるときに、第一水経路、第二水経路、及び第三水経路の凍結を有利に防止できる。

本開示の第１０態様に係る燃料電池システムは、
燃料電池と、
原料ガス及び水から前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器に供給されるべき水を貯留するタンクと、
前記改質器に供給される水が流れる水経路と、
前記タンクの内部に配置されたヒータと、
前記水経路に配置され、前記タンクに貯留された水を前記改質器に送る水供給器と、
前記燃料電池、前記改質器、前記タンク、及び前記水経路を収納する筐体と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記水経路が凍結するおそれがあり、かつ、前記水経路に異常があると判断したときに、前記水経路が正常なときの前記水経路の凍結防止のための前記ヒータの第一出力よりも高い第二出力で前記ヒータを発熱させ、前記タンクからの放熱により前記筐体の内部空間を暖気するものである。

第１０態様によれば、水経路が凍結するおそれがあり、かつ、水経路に異常があるときに、第二出力でヒータが発熱する。ヒータが高い出力で発熱するので、ヒータによって加熱された水が貯留されたタンクからの放熱が筐体の内部空間の広い範囲に及ぶ。これにより、水経路に異常があったとしても、水経路の凍結を有利に防止できる。

本開示の第１１態様において、例えば、第１０態様に係る燃料電池システムは、前記筐体の内部若しくは前記筐体の外部の空気の温度又は前記水経路における水の温度を検出する温度センサをさらに備え、前記制御器は、前記温度センサが第一温度以下であることを検出したときに、前記水経路が凍結するおそれがあると判断する。第１１態様によれば、制御器は、温度センサによる検出結果に基づいて、水経路が凍結するおそれがあることを適切に判断できる。

本開示の第１２態様において、例えば、第１０態様又は第１１態様に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記水供給器の異常を前記水経路の異常と判断する。第１２態様によれば、水供給器を監視することによって水経路の異常の有無を判断できる。

本開示の第１３態様において、例えば、第１０態様〜第１２態様のいずれか１つに係る燃料電池システムでは、前記水供給器は、前記タンクから前記改質器に向かって水を供給する第一モードと、前記水経路において前記タンクに向かって水を逆流させる第二モードとを切り替えて作動可能であり、前記制御器は、前記水経路が凍結するおそれがあり、かつ、前記ヒータに異常があると判断したときに、前記水供給器を前記第二モードで作動させて、前記水経路から水を排出させる。第１３態様によれば、ヒータに異常があると判断されたときに、水供給器が第二モードで作動して水経路から水が排出される。これにより、水経路の凍結を有利に防止できる。

本開示の第１４態様において、例えば、第１０態様〜第１３態様のいずれか１つに係る燃料電池システムは、前記水経路において前記水供給器をバイパスするバイパス経路と、前記バイパス経路に配置された開閉弁と、をさらに備え、前記制御器は、前記燃料電池が発電しているときには前記開閉弁を閉じ、前記水経路が凍結するおそれがあり、かつ、前記ヒータに異常があると判断したときには前記開閉弁を開いて前記水経路から水を排出させる。第１４態様によれば、ヒータに異常があると判断されたときに、開閉弁が開いて水経路から水が排出される。これにより、水経路の凍結を有利に防止できる。

本開示の第１５態様において、例えば、第１０態様〜第１４態様のいずれか１つに係る燃料電池システムは、前記筐体の内部で空気を循環させるファンをさらに備え、前記制御器は、前記第二出力で前記ヒータを発熱させるときに、前記ファンを作動させる。第１５態様によれば、タンクから放散された熱がファンによって生じた空気の流れによって運ばれ、筐体の内部空間の広い範囲が効率的に温まる。その結果、水経路に異常があるときに、水経路の凍結を有利に防止できる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

（第１実施形態）
図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、燃料電池１０と、第一タンク２１と、第一水経路３１と、改質器１１と、第二タンク２２と、第二水経路３２と、第一開閉弁３６と、第三水経路３３とを備えている。加えて、燃料電池システム１ａは、ヒータ４０と、第一水供給器３５と、第二水供給器３７と、筐体５０と、制御器６０とを備えている。燃料電池１０は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する。第一タンク２１は、燃料電池１０で発生した熱を回収する水を貯留する。燃料電池１０と第一タンク２１との間を循環する水が第一水経路３１を流れる。改質器１１は、原料ガス及び水から燃料ガスを生成する。第二タンク２２は、改質器１１に供給されるべき水を貯留する。第二水経路３２は、第二タンク２２と改質器１１及び第一タンク２１とを接続するとともに改質器１１に供給される水の流れと第一タンク２１に供給される水の流れとが分岐する分岐点ＢＰを有する。第一開閉弁３６は、第二水経路３２において分岐点ＢＰと改質器１１との間に配置されている。第三水経路３３は、第一タンク２１からオーバーフローした水を第二タンク２２に導く。ヒータ４０は、第一タンク２１の内部に配置されている。第一水供給器３５は、第一水経路３１に配置され、燃料電池１０と第一タンク２１との間で水を循環させる。第二水供給器３７は、第二水経路３２に配置され、第二タンク２２に貯留された水を改質器１１及び第一タンク２１の少なくとも１つに送る。筐体５０は、燃料電池１０、第一タンク２１、第一水経路３１、改質器１１、第二タンク２２、第二水経路３２、及び第三水経路３３を収納する。制御器６０は、第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、第一水経路３１及び第二水経路３２の少なくとも１つに異常があると判断したときに、第二出力でヒータ４０を発熱させる。これにより、第一タンク２１からの放熱により筐体５０の内部空間が暖気される。第二出力は、第一水経路３１及び第二水経路３２が正常なときの第一水経路３１及び第二水経路３２の凍結防止のためのヒータ４０の第一出力よりも高い。

制御器６０が上記の判断をしたときには、ヒータ４０が第二出力で発熱するので、第一タンク２１に貯留された水が通常の凍結防止処理がなされるときと比べてより高い温度に加熱される。このため、ヒータ４０によって加熱された水が貯留された第一タンク２１からの放熱が筐体５０の内部空間の広い範囲に及ぶ。これにより、第一水経路３１及び第二水経路３２の少なくとも１つに異常があってヒータ４０によって加熱された水を第一水経路３１及び第二水経路３２の少なくとも１つに流せなかったとしても、これらの水経路の凍結を有利に防止できる。ヒータ４０の第二出力は、第一出力より高い限り特に制限されず、例えば第一タンク２１に貯留された水の温度を７０℃以上に保つことができるように定められている。ヒータ４０は、例えば、抵抗加熱式の電気ヒータである。なお、ヒータ４０の第一出力は、例えば第一タンク２１に貯留された水の温度を３０〜５０℃に保つことができるように定められている。

図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、例えば温度センサ６５をさらに備える。温度センサ６５は、例えば、筐体５０の内部の空気の温度を検出する。温度センサ６５は、例えば、筐体５０の底面の近くに配置されている。温度センサ６５は、筐体５０の外部の空気の温度又は第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３の少なくとも一つにおける水の温度を検出するものであってもよい。制御器６０は、例えば、温度センサ６５が第一温度Ｔ１以下であることを検出したときに、第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３の少なくとも一つが凍結するおそれがあると判断する。第一温度Ｔ１は、例えば０℃である。このように、制御器６０は、温度センサ６５による検出結果を用いて、第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３の少なくとも一つが凍結するおそれがあることを適切に判断できる。温度センサ６５は、例えば、サーミスタを利用した温度センサ又は熱電対を利用した温度センサである。

例えば、制御器６０は、第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、第一水経路３１に異常があるとともに第二水経路３２が正常であると判断したとする。この場合、制御器６０は、第二出力でヒータ４０を発熱させる。加えて、制御器６０は、第一開閉弁３６を閉じて第二水供給器３７を作動させつつ第一水供給器３５の作動を禁止する。この場合、ヒータ４０が第二出力で発熱するとともにヒータ４０によって加熱された水が改質器１１に供給されることなく第二水経路３２を流れる。これにより、筐体５０の内部空間の広い範囲が効率的に温まり、第一水経路３１に異常があったとしても、第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３の凍結を有利に防止できる。

制御器６０は、例えば、第一水供給器３５の異常を第一水経路３１の異常と判断する。制御器６０は、例えば、第一水供給器３５の作動状態を示す情報を取得して第一水供給器３５の異常の有無を判断する。

例えば、制御器６０は、第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、第二水経路３２に異常があるとともに第一水経路３１が正常であると判断したとする。この場合、制御器６０は、第二出力でヒータを発熱させる。加えて、制御器６０は、第一水供給器３５を作動させつつ第二水供給器３７の作動を禁止する。この場合、ヒータ４０が第二出力で発熱するとともにヒータ４０によって加熱された水がヒータ４０によって加熱された水が第一水経路３１を流れるので、筐体５０の内部空間の広い範囲が効率的に温まる。その結果、第二水経路３２に異常があったとしても、第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３の凍結を有利に防止できる。

制御器６０は、例えば、第二水供給器３７の異常及び第一開閉弁３６の異常の少なくとも１つを第二水経路３２の異常と判断する。制御器６０は、例えば、第二水供給器３７の作動状態を示す情報を取得して第二水供給器３７の異常の有無を判断する。また、制御器６０は、例えば、第一開閉弁３６の異常により検出結果に影響を受ける温度センサ又は流量計の検出結果を示す情報に基づいて第一開閉弁３６の異常を検出する。第一開閉弁３６は、例えば電磁弁である。

第一水供給器３５及び第二水供給器３７のそれぞれは、例えば、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプなどの容積式ポンプである。第二水供給器３７は、例えば、第一モードと第二モードとを切り替えて作動可能である。第一モードは、第二タンク２２から改質器１１及び第一タンク２１の少なくとも１つに向かって水を供給するモードである。第二モードは、第二水経路３２において第二タンク２２に向かって水を逆流させるモードである。この場合、第二水供給器３７は、例えば、正回転及び逆回転が可能なモータによって作動されるポンプ機構を備える。モータは、例えば、ステッピングモータである。制御器６０は、例えば、第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、ヒータ４０に異常があると判断したとする。この場合、制御器６０は、第二水供給器３７を第二モードで作動させて、第二水経路３２から水を排出させる。これにより、ヒータ４０に異常がある場合でも、第二水経路３２の凍結を有利に防止できる。なお、第二水供給器３７が第一モードと第二モードとを切り替えて作動可能である場合、特に説明する場合を除き、第二水供給器３７は第一モードで作動する。制御器６０は、例えば、ヒータ４０を流れる電流値が異常であることを示す情報を取得したときにヒータ４０に異常があると判断する。制御器６０は、ヒータ４０を発熱させる制御信号を送った後、所定期間における第一タンク２１の水温の上昇温度に基づいてヒータ４０が正常であるか否か判断してもよい。

図１に示す通り、燃料電池システム１ａは、例えば、ファン８０をさらに備える。制御器６０は、例えば、第二出力でヒータ４０を発熱させるときに、ファン８０を作動させる。この場合、第一タンク２１から放散された熱がファン８０によって生じた空気の流れによって運ばれ、筐体５０の内部空間の広い範囲が効率的に温まる。その結果、第一水経路３１及び第二水経路３２の少なくとも１つに異常があるときに、第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３の凍結を有利に防止できる。

ファン８０は、筐体５０の内部空間において、例えば、ファン８０の作動により発生した空気の流れが、第一タンク２１の近くを通過した後、第一水経路３１の近くを通過し、かつ、第二水経路３２の近くを通過するように配置されている。これにより、第一水経路３１及び第二水経路３２の凍結をより確実に防止できる。

改質器１１は、例えば、水蒸気改質反応（CH₄+H₂O→CO+3H₂）などの改質反応によって、水素を生成する。改質器１１には、改質反応を進行させるための改質触媒が収められている。改質器１１には、一酸化炭素を除去するための触媒も収められている。一酸化炭素を除去するための触媒には、ＣＯ変成触媒及びＣＯ選択酸化除去触媒が含まれる。改質器１１には、例えば、都市ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）などの炭化水素ガスが原料ガスとして供給される。改質器１１で生成された水素を含む燃料ガスが燃料電池１０に供給される。燃料電池１０は、例えば、固体高分子形燃料電池又は固体酸化物形燃料電池である。

燃料電池システム１ａは、さらに、燃料ガス供給経路１２、酸化剤ガス供給経路１６、アノードオフガス経路１４及びカソードオフガス経路１８を備えている。燃料ガス供給経路１２は、改質器１１から燃料電池１０に燃料ガスを供給するための流路である。燃料ガス供給経路１２は、改質器１１と燃料電池１０のアノードガス入口とを接続している。酸化剤ガス供給経路１６は、燃料電池１０のカソードに酸化剤ガスとしての空気を供給するための流路である。酸化剤ガス供給経路１６には、空気供給器１５が設けられている。空気供給器１５は、燃料電池１０に空気を供給するためのデバイスである。空気供給器１５は、例えばファン又はブロワである。酸化剤ガス供給経路１６には、加湿器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。アノードオフガス経路１４は、未反応の燃料ガス及び未反応の原料ガスを燃料電池１０のアノードから排出するための流路である。アノードオフガス経路１４は、燃料電池１０のアノードガス出口と改質器１１の内部に配置された燃焼器１３とを接続している。未反応の水素及び未反応の原料ガスは、アノードオフガス経路１４を通じて、燃焼器１３に供給される。カソードオフガス経路１８は、未反応の酸化剤ガスを燃料電池１０のカソードから排出するための流路である。カソードオフガス経路１８は、燃料電池１０のカソードガス出口に接続されており、例えば、筐体５０の外部まで延びている。

第一タンク２１には、例えば、温度センサ２３が設けられている。温度センサ２３は、第一タンク２１の内部に配置されており、第一タンク２１に貯留された水の温度を検出する。温度センサ２３は、例えば、サーミスタを利用した温度センサ又は熱電対を利用した温度センサである。ヒータ４０は、例えば、第一タンク２１の水温が所定の温度範囲に収まるように制御される。

第一水経路３１は、例えば、送り経路３１ａ及び戻し経路３１ｂを有する。送り経路３１ａ及び戻し経路３１ｂは、それぞれ、燃料電池１０と第一タンク２１とを接続している。送り経路３１ａを通じて、第一タンク２１に貯留された水が冷却水として燃料電池１０に供給される。戻し経路３１ｂを通じて、燃料電池１０から第一タンク２１に水が戻される。第一水供給器３５は、例えば、送り経路３１ａに配置されている。第一水供給器３５は、戻し経路３１ｂに配置されていてもよい。

燃料電池システム１ａは、例えば、熱回収経路７０及び熱交換器７５をさらに備えている。熱交換器７５は、第一水経路３１に配置されている。熱交換器７５は、例えば、送り経路３１ａに配置されている。熱交換器７５は、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などの液−液熱交換器である。

熱回収経路７０は、燃料電池１０の排熱を回収するための流路である。熱回収経路７０は、送り経路７１及び戻し経路７２を含む。送り経路７１及び戻し経路７２は、それぞれ、熱交換器７５に接続されている。送り経路７１は、熱回収経路７０の上流部分を構成している。戻し経路７２は、熱回収経路７０の下流部分を構成している。戻し経路７２は、熱交換器７５において加熱された水を貯湯タンク（図示せず）に導くための流路である。送り経路７１は、熱交換器７５において加熱されるべき水を熱交換器７５に導くための流路である。熱交換器７５は、熱回収経路７０を流れる水と第一水経路３１を流れる水とを熱交換させるように構成されている。つまり、熱交換器７５は、第一水経路３１の冷却水の熱によって貯湯タンク（図示省略）に貯められるべき水を加熱する役割を担っている。

熱回収経路７０には、例えば、第三水供給器７３が配置されている。第三水供給器７３は、例えば、送り経路７１に配置されている。第三水供給器７３は、戻し経路７２に配置されていてもよい。第三水供給器７３は、例えば、先に説明した容積式ポンプの１つである。

第二タンク２２には、例えば、温度センサ２４が設けられている。温度センサ２４は、第二タンク２２の内部に配置されており、第二タンク２２に貯留された水の温度を検出する。温度センサ２４は、例えば、サーミスタを利用した温度センサ又は熱電対を利用した温度センサである。第二タンク２２には、例えば、カソードオフガスから生じた凝縮水及び燃焼排ガスから生じた凝縮水も集められ、貯留される。余分な水は、第二タンク２２から溢れ、例えば、筐体５０の外部に排出される。

第二水供給器３７は、例えば、第二水経路３２において第二タンク２２と分岐点ＢＰとの間に配置されている。第二水経路３２には、例えば、開閉弁３９が配置されている。開閉弁３９は、例えば電磁弁である。開閉弁３９は、第二水経路３２において分岐点ＢＰと第一タンク２１との間に配置されている。第一開閉弁３６が閉じられ、かつ、開閉弁３９が開かれると、第二タンク２２に貯留された水が第一タンク２１に供給される。一方、第一開閉弁３６が開かれ、かつ、開閉弁３９が閉じられると、第二タンク２２に貯留された水が改質器１１に供給される。

燃料電池システム１ａは、例えば、コントロールパネル６３を備えている。コントロールパネル６３は、燃料電池システム１ａの運転条件の入力を受け付けるとともに、燃料電池システム１ａの運転状態を表示する。

制御器６０は、典型的には、燃料電池システム１ａの運転のためのプログラムが実行可能に格納されたデジタルコンピュータである。制御器６０は、温度センサ６５、温度センサ２３、及び温度センサ２４の検出結果を示す情報及びコントロールパネル６３に入力された運転条件を示す情報を取得する。制御器６０は、例えば、別の温度センサ、流量計、及びガスセンサなどの他の検出装置（図示省略）の検出結果を示す情報をさらに取得する。また、制御器６０は、例えば、第一水供給器３５、第二水供給器３７、第三水供給器７３、及びファン８０の作動状態を示す情報並びにヒータ４０における電流値を示す情報を取得する。制御器６０は、これらの情報に基づいて、第一水供給器３５、第二水供給器３７、第三水供給器７３、ヒータ４０、第一開閉弁３６、開閉弁３９、及びファン８０等の制御対象を制御する。また、制御器６０は、燃料電池システム１ａの運転状態を示す情報をコントロールパネル６３に表示させる。

各経路は、少なくとも１つの配管によって構成されている。配管は、ステンレス管などの金属配管であってもよいし、樹脂配管であってもよい。

燃料電池システム１ａの運転について説明する。燃料電池システム１ａは、主に、起動期間、発電期間、停止期間、及び待機期間の４つの運転サイクルに従って運転されうる。「起動期間」は、燃料電池システム１ａを起動させるための運転期間である。詳細には、「起動期間」は、燃料電池システム１ａの出力を所定の定格出力（例えば、７５０Ｗ）まで徐々に上昇させるための運転期間である。起動期間において、改質器１１への原料ガスの供給流量及び水の供給流量を徐々に増加させる。起動期間において、酸化剤ガスの流量及び燃料ガスの流量が徐々に増加する。「発電期間」は、所定の定格出力で燃料電池システム１ａが運転される期間である。ただし、発電期間において、燃料電池システム１ａが常に定格出力で運転されることは必須ではない。一定の出力で燃料電池システム１ａが安定的に運転されている期間が「発電期間」である。発電期間において、改質器１１への原料ガスの供給流量及び水の供給流量はそれぞれ一定に保たれる。酸化剤ガスの流量及び燃料ガスの流量もそれぞれ一定に保たれる。「停止期間」は、燃料電池システム１ａを停止させるための運転期間である。詳細には、「停止期間」は、燃料電池システム１ａの出力をゼロまで徐々に低下させるための運転期間である。停止期間において、改質器１１への原料ガスの供給流量及び水の供給流量を徐々に減少させる。停止期間において、酸化剤ガスの流量及び燃料ガスの流量が徐々に減少する。「待機期間」は、燃料電池システム１ａの出力をゼロのまま保持している期間である。待機期間において、改質器１１への原料ガスの供給流量及び水の供給流量は、基本的にはゼロである。ただし、改質器１１の劣化を抑制するために、改質器１１を原料ガスで定期的にパージ（purge）することがある。待機期間において、改質器１１における燃料ガスの生成は停止しており、酸化剤ガスの流量及び燃料ガスの流量も基本的にはゼロである。制御器６０は、待機期間にも所定の電気的処理を実行し続けている。そのような電気的処理の例は、貯湯タンクの湯量を監視するための処理である。

起動期間及び停止期間において、燃料電池システム１ａの出力は、例えば、連続的かつ一定のレートで上昇又は低下している。ただし、燃料電池システム１ａの出力を段階的に上昇又は低下させてもよい。さらに、出力の上昇又は低下のレートを変化させてもよい。

一例において、起動期間の長さ及び停止期間の長さは、それぞれ、１０分〜９０分の範囲にある。燃料電池システム１ａの起動又は停止に十分な時間を費やすことによって、改質器１１の劣化、燃料電池１０の劣化などを抑制することができる。ただし、燃焼排ガス中のＣＯ濃度の急上昇を検出した場合などの非常時には、燃料電池システム１ａを瞬時に停止させることもある。

発電期間の長さ及び待機期間の長さは、燃料電池システム１ａの連続運転可能な時間、貯湯タンクの容量などに応じて変化する。例えば、貯湯タンクに十分な量の湯が貯められた場合、燃料電池システム１ａは運転を自動的に停止し、待機期間に入る。貯湯タンクの湯量が閾値を下回ると、燃料電池システム１ａは、自動的に運転を開始する。湯の使用量が多い場合、１回の運転サイクルの中で待機期間がゼロの場合もありうる。

起動期間、発電期間、及び停止期間においては、第一開閉弁３６を開き、開閉弁３９を閉じ、第二水供給器３７を作動させる。これにより、第二タンク２２の水が第二水経路３２を通じて改質器１１に供給される。改質器１１には、ガス供給経路（図示せず）を通じて、原料ガスが供給される。

燃料電池システム１ａにおいて、待機期間には必要に応じて凍結防止処理が実行される。図２及び図３を参照しつつ凍結防止処理の一例を説明する。図２に示す通り、制御器６０は、ステップＳ１において、温度センサ６５の検出温度Ｔａを示す情報を取得し、Ｔａが第一温度Ｔ１以下であるか否か判断する。ステップＳ１における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ２に進み、制御器６０は、ヒータ４０が正常であるか否か判断する。制御器６０は、例えば、ヒータ４０を所定の出力で発熱させるための制御信号を送り、その後ヒータ４０の電流値を示す情報を取得する。制御器６０は、その情報が正常な電流値を示す場合にはヒータ４０が正常であると判断する。

ステップＳ２における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ３に進み、制御器６０は、第一水経路３１が正常であるか否かを判断する。例えば、制御器６０は、第一水供給器３５が正常であれば、第一水経路３１が正常であると判断する。この場合、制御器６０は、例えば、第一水供給器３５を作動させて第一水供給器３５の作動状態を示す情報を取得し、第一水供給器３５の作動状態が正常であれば、第一水供給器３５が正常であると判断する。

ステップＳ３における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ４に進み、制御器６０は、第二水経路３２が正常であるか否かを判断する。例えば、制御器６０は、第二水供給器３７及び第一開閉弁３６が正常であれば、第二水経路３２が正常であると判断する。制御器６０は、例えば、第二水供給器３７を作動させて第二水供給器３７の作動状態を示す情報を取得し、第二水供給器３７の作動状態が正常であれば、第二水供給器３７が正常であると判断する。制御器６０は、例えば、第一開閉弁３６を閉じるとともに開閉弁３９を開いて第二水供給器３７を作動させ、かつ、所定の出力でヒータ４０を発熱させ、温度センサ２４の検出温度から所定期間における第二タンクの水温の変化量を決定する。制御器６０は、この変化量が所定の閾値以上であれば、第一開閉弁３６が正常であると判断する。第一開閉弁３６に異常がある場合、第一開閉弁３６を閉じたとしても、第二タンク２２の水が改質器１１に流れ込む可能性がある。このため、第一タンク２１から第二タンク２２に第三水経路３３を通ってオーバーフローにより供給される水の流量が低下する。その結果、第一開閉弁３６に異常があると、第一開閉弁３６が正常である場合に比べて、第二タンク２２の水温はより緩やかに上昇する。制御器６０は、例えば、この現象を利用して第一開閉弁３６が正常であるか否か判断する。

ステップＳ４における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ５に進み、制御器６０は、第一開閉弁３６を閉じる。次に、ステップＳ６に進み、制御器６０は、第一水供給器３５及び第二水供給器３７を作動させる。これにより、第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３を水が流れ、第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３の凍結が防止される。次に、制御器６０は、ステップＳ７に進み、第一出力でヒータ４０を発熱させ、ステップＳ１に戻る。これにより、ヒータ４０で温められた水が第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３を流れるので、より確実に、第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３の凍結が防止される。なお、制御器６０は、第一タンク２１に貯留された水の温度が比較的高い場合には、ステップＳ７の処理を省略してもよい。

ステップＳ３における判断結果が否定的である場合、ステップＳ８に進み、制御器６０は、第二水経路３２が正常であるか否か判断する。ステップＳ８の処理は、ステップＳ４と同様になされる。ステップＳ８における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ９に進み、制御器６０は、第一開閉弁３６を閉じる。次に、ステップＳ１０に進み、制御器６０は、第二水供給器３７を作動させるとともに第一水供給器３５の作動を禁止する。次に、ステップＳ１１に進み、制御器６０は、第二出力でヒータ４０を発熱させる。次に、ステップＳ１２に進み、制御器６０は、ファン８０を作動させ、ステップＳ１に戻る。これにより、第一タンク２１からの放熱により筐体５０の内部空間を適切に暖気でき、第一水経路３１を水が流れなくても、第一水経路３１の凍結を防止できる。

ステップＳ４における判断結果が否定的である場合、ステップＳ１３に進み、制御器６０は、第一水供給器３５を作動させるとともに第二水供給器３７の作動を禁止する。次に、ステップＳ１４に進み、制御器６０は、第二出力でヒータ４０を発熱させる。次に、ステップＳ１５に進み、制御器６０は、ファン８０を作動させ、ステップＳ１に戻る。これにより、第一タンク２１からの放熱により筐体５０の内部空間を適切に暖気でき、第二水経路３２を水が流れなくても、第二水経路３２の凍結を防止できる。

ステップＳ８における判断結果が否定的である場合、ステップＳ１６に進み、制御器６０は、第二出力でヒータ４０を発熱させる。次に、ステップＳ１７に進み、制御器６０は、ファン８０を作動させ、ステップＳ１に戻る。この場合、制御器６０は、第一水供給器３５及び第二水供給器３７を作動させることなく、第二出力でヒータ４０を発熱させる。これにより、第一タンク２１からの放熱により筐体５０の内部空間を適切に暖気でき、第一水経路３１及び第二水経路３２を水が流れなくても、第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３の凍結を防止できる。

図２及び図３に示す通り、ステップＳ２における判断結果が否定的である場合、ステップＳ２０に進み、制御器６０は、第二水供給器３７を第二モードで作動させる。これにより、第二水経路３２において第二タンク２２に向かって水が逆流し、第二水経路３２の水が排出される。これにより、ヒータ４０に異常があっても、第二水経路３２の凍結を防止できる。ステップＳ２０の処理が完了すると、凍結防止処理が終了する。

ステップＳ１における判断結果が否定的である場合、ステップＳ１８に進み、制御器６０は、所定の停止処理を実行する。例えば、ステップＳ１８において、制御器６０は、第一水供給器３５、第二水供給器３７、又はファン８０が作動中である場合にはこれらを停止させ、ヒータ４０が発熱中である場合には、ヒータ４０をオフにする。ステップＳ１８の処理が完了すると、凍結防止処理が終了する。制御器６０は、例えば、第一水供給器３５、第二水供給器３７、ファン８０が作動しておらず、ヒータ４０がオフである場合には、ステップＳ１８をスキップする。なお、制御器６０は、ステップＳ１８の処理が完了した後、ステップＳ１に戻ってもよい。さらに、制御器６０は、ステップＳ１における判断結果が否定的である場合、ステップＳ１における判断結果が肯定的になるまでステップＳ１を繰り返してもよい。

燃料電池システム１ａは、様々な観点から変更可能である。例えば、燃料電池システム１ａは、図４に示す燃料電池システム１ｂのように変更されてもよい。燃料電池システム１ｂは、特に説明する場合を除き、燃料電池システム１ａと同様に構成されている。燃料電池システム１ａの構成要素と同一又は対応する燃料電池システム１ｂの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。燃料電池システム１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、燃料電池システム１ｂにも当てはまる。

図４に示す通り、燃料電池システム１ｂは、例えば、バイパス経路３２ｂと、第二開閉弁３８とをさらに備えている。バイパス経路３２ｂは、第二水経路３２において第二水供給器３７をバイパスする。第二開閉弁３８は、パイパス経路３２ｂに配置されている。第二開閉弁３８は、例えば電磁弁である。制御器６０は、燃料電池１０が発電しているとき（換言すると、上記の起動期間、発電期間、及び停止期間）には第二開閉弁３８を閉じる。一方、制御器６０が、第一水経路３１、第二水経路３２、及び第三水経路３３の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、ヒータ４０に異常があると判断したとする。この場合、制御器６０は、第二開閉弁３８を開いて第二水経路３２から水を排出させる。第二水経路３２の大部分は、第二タンク２２の上方にある。このため、第二開閉弁３８が開くと、第二水経路３２の水が第二タンク２２に向かって逆流し、第二水経路３２から水が排出される。これにより、第二水供給器３７が第一モードでのみ作動可能である場合、又は、第二水供給器３７に異常がある場合でも、第二開閉弁３８が開くことによって、第二水経路３２の凍結を防止できる。例えば、図２及び図５に示す通り、燃料電池システム１ｂにおいて、ステップＳ２における判断結果が否定的である場合に、制御器６０は、ステップＳ２１に進み、第二開閉弁３８を開く。これにより、第二水経路３２から水が排出される。ステップＳ２１の完了後に凍結防止処理が終了する。

（第２実施形態）
次に、別の実施形態に係る燃料電池システム３００ａを説明する。図６に示す通り、燃料電池システム３００ａは、燃料電池３１０と、改質器３１１と、タンク３２１と、水経路３３１と、ヒータ３４０と、水供給器３３５と、筐体３５０と、制御器３６０とを備えている。燃料電池３１０は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する。改質器３１１は、原料ガス及び水から燃料ガスを生成する。タンク３２１は、改質器３１１に供給されるべき水を貯留する。改質器３１１に供給される水が水経路３３１を流れる。ヒータ３４０は、タンク３２１の内部に配置されている。水供給器３３５は、水経路３３１に配置され、タンク３２１に貯留された水を改質器３１１に送る。筐体３５０は、燃料電池３１０、改質器３１１、タンク３２１、及び水経路３３１を収納する。制御器３６０は、水経路３３１が凍結するおそれがあり、かつ、水経路３３１に異常があると判断したときに、第二出力でヒータ３４０を発熱させ、タンク３２１からの放熱により筐体３５０の内部空間を暖気する。ヒータ３４０の第二出力は、水経路３３１が正常なときの水経路３３１の凍結防止のためのヒータ３４０の第一出力よりも高い。

制御器３６０が上記の判断をしたときには、ヒータ３４０が第二出力で発熱するので、タンク３２１に貯留された水が通常の凍結防止処理がなされるときと比べてより高い温度に加熱される。このため、ヒータ３４０によって加熱された水が貯留されたタンク３２１からの放熱が筐体３５０の内部空間の広い範囲に及ぶ。これにより水経路３３１に異常があってヒータ３４０によって加熱された水を水経路３３１に流せなかったとしても、水経路３３１の凍結を有利に防止できる。ヒータ３４０の第二出力は、第一出力より高い限り特に制限されず、例えばタンク３２１に貯留された水の温度を７０℃以上に保つことができるように定められている。ヒータ３４０は、例えば、抵抗加熱式の電気ヒータである。なお、ヒータ３４０の第一出力は、例えばタンク３２１に貯留された水の温度を３０〜５０℃に保つことができるように定められている。

図５に示す通り、燃料電池システム３００ａは、例えば温度センサ３６５をさらに備える。温度センサ３６５は、例えば、筐体３５０の内部の空気の温度を検出する。温度センサ３６５は、例えば、筐体３５０の底面の近くに配置されている。温度センサ３６５は、筐体３５０の外部の空気の温度又は水経路３３１における水の温度を検出するものであってもよい。制御器３６０は、例えば、温度センサ３６５が第一温度Ｔ１以下であることを検出したときに、水経路３３１が凍結するおそれがあると判断する。第一温度Ｔ１は、例えば０℃である。温度センサ３６５は、例えば、サーミスタを利用した温度センサ又は熱電対を利用した温度センサである。

例えば、制御器３６０は、水経路３３１が凍結するおそれがあり、かつ、水経路３３１に異常があると判断したとき、水供給器３３５の作動を禁止する。

制御器３６０は、例えば、水供給器３３５の異常を水経路３３１の異常と判断する。制御器３６０は、例えば、水供給器３３５の作動状態を示す情報を取得して水供給器３３５の異常の有無を判断する。

水供給器３３５は、例えば、先に説明した容積式ポンプの１つである。水供給器３３５は、例えば、第一モードと第二モードとを切り替えて作動可能である。第一モードは、タンク３２１から改質器３１１に向かって水を供給するモードである。第二モードは、水経路３３１においてタンク３２１に向かって水を逆流させるモードである。この場合、水供給器３３５は、例えば、正回転及び逆回転が可能なモータによって作動されるポンプ機構を備える。制御器３６０は、例えば、水経路３３１が凍結するおそれがあり、かつ、ヒータ３４０に異常があると判断したとする。この場合、制御器３６０は、水供給器３３５を第二モードで作動させて、水経路３３１から水を排出させる。なお、水供給器３３５が第一モードと第二モードとを切り替えて作動可能である場合、特に説明する場合を除き、水供給器３３５は第一モードで作動する。制御器３６０は、例えば、ヒータ３４０を流れる電流値が異常であることを示す情報を取得したときにヒータ３４０に異常があると判断する。制御器３６０は、ヒータ３４０を発熱させる制御信号を送った後、所定期間におけるタンク３２１の水温の上昇温度に基づいてヒータ３４０が正常であるか否か判断してもよい。

図１に示す通り、燃料電池システム３００ａは、例えば、ファン３８０をさらに備える。制御器３６０は、例えば、第二出力でヒータ３４０を発熱させるときに、ファン３８０を作動させる。この場合、タンク３２１から放散された熱がファン３８０によって生じた空気の流れによって運ばれ、筐体３５０の内部空間の広い範囲が効率的に温まる。

改質器３１１は、例えば、水蒸気改質反応（CH₄+H₂O→CO+3H₂）などの改質反応によって、水素を生成する。改質器３１１には、改質反応を進行させるための触媒が収められている。改質器３１１には、例えば、都市ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）などの炭化水素ガスが原料ガスとして供給される。改質器３１１で生成された水素を含む燃料ガスが燃料電池３１０に供給される。

燃料電池システム３００ａは、さらに、燃料ガス供給経路３１２、酸化剤ガス供給経路３１６、アノードオフガス経路３１４、カソードオフガス経路３１７、及び燃焼排ガス経路３１８、及び凝縮水経路３１９を備えている。燃料ガス供給経路３１２は、改質器３１１から燃料電池３１０に燃料ガスを供給するための流路である。燃料ガス供給経路３１２は、改質器３１１と燃料電池３１０のアノードガス入口とを接続している。酸化剤ガス供給経路３１６は、燃料電池３１０のカソードに酸化剤ガスとしての空気を供給するための流路である。酸化剤ガス供給経路３１６には、空気供給器３１５が設けられている。空気供給器３１５は、燃料電池３１０に空気を供給するためのデバイスである。空気供給器３１５は、例えばファン又はブロワである。酸化剤ガス供給経路３１６には、加湿器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。アノードオフガス経路３１４は、未反応の燃料ガス及び未反応の原料ガスを燃料電池３１０のアノードから排出するための流路である。未反応の燃料ガス及び未反応の原料ガスは、アノードオフガス経路３１４を通じて、燃焼器３１３に供給される。カソードオフガス経路３１７は、未反応の酸化剤ガスを燃料電池３１０のカソードから排出するための流路である。未反応の酸化剤ガスは、カソードオフガス経路３１７を通じて、燃焼器３１３に供給される。燃焼器３１３において、未反応の燃料ガス及び未反応の原料ガスが燃焼して改質器３１１が加熱され、燃焼排ガスが生成される。燃焼器３１３における未反応の燃料ガス及び未反応の原料ガスの燃焼により、改質反応に必要な熱が供給される。燃焼排ガス経路３１８は、燃焼排ガスを筐体３５０の外部に排出するための流路である。凝縮水経路３１９は、燃焼排ガス経路３１８から分岐してタンク３２１まで延びている。凝縮水経路３１９は、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮して生成された凝縮水をタンク３２１に導くための流路である。

燃料電池システム３００ａは、例えば、熱回収経路３７０及び熱交換器３７５をさらに備えている。熱交換器３７５は、燃焼排ガス経路３１８に配置されている。熱交換器３７５は、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などの熱交換器である。

熱回収経路３７０は、燃焼排ガスが有する熱を回収するための流路である。熱回収経路３７０は、送り経路３７１及び戻し経路３７２を含む。送り経路３７１及び戻し経路３７２は、それぞれ、熱交換器３７５に接続されている。送り経路３７１は、熱回収経路３７０の上流部分を構成している。戻し経路７２は、熱回収経路３７０の下流部分を構成している。戻し経路３７２は、熱交換器３７５において加熱された水を貯湯タンク（図示せず）に導くための流路である。送り経路３７１は、熱交換器３７５において加熱されるべき水を熱交換器３７５に導くための流路である。熱交換器３７５は、熱回収経路３７０を流れる水と燃焼排ガス経路３１８を流れる燃焼排ガスとを熱交換させるように構成されている。これにより、燃焼排ガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水が発生する。凝縮水経路３１９は、燃焼排ガス経路３１８において熱交換器３７５よりも下流に位置する分岐点において燃焼排ガス経路３１８から分岐している。凝縮水は、凝縮水経路３１９を通ってタンク３２１に導かれる。

熱回収経路３７０には、例えば、水供給器３７７が配置されている。水供給器３７７は、例えば、送り経路３７１に配置されている。水供給器３７７は、戻し経路３７２に配置されていてもよい。水供給器３７７は、例えば、先に説明した容積式ポンプの１つである。

タンク３２１には、例えば、温度センサ３２２が設けられている。温度センサ３２２は、タンク３２１の内部に配置されており、タンク３２１に貯留された水の温度を検出する。温度センサ３２２は、例えば、サーミスタを利用した温度センサ又は熱電対を利用した温度センサである。余分な水は、タンク３２１から溢れ、例えば、筐体３５０の外部に排出される。

燃料電池システム３００ａは、例えば、コントロールパネル３６３を備えている。コントロールパネル３６３は、燃料電池システム３００ａの運転条件の入力を受け付けるとともに、燃料電池システム３００ａの運転状態を表示する。

制御器３６０は、典型的には、燃料電池システム３００ａの運転のためのプログラムが実行可能に格納されたデジタルコンピュータである。制御器３６０は、温度センサ３６５及び温度センサ３２２の検出結果を示す情報及びコントロールパネル３６３に入力された運転条件を示す情報を取得する。制御器３６０は、例えば、別の温度センサ、流量計、及びガスセンサなどの他の検出装置（図示省略）の検出結果を示す情報をさらに取得する。また、制御器３６０は、例えば、水供給器３３５、水供給器３７７、及びファン３８０の作動状態を示す情報並びにヒータ３４０における電流値を示す情報を取得する。制御器３６０は、これらの情報に基づいて、水供給器３３５、水供給器３７７、ヒータ３４０、及びファン３８０等の制御対象を制御する。また、制御器３６０は、燃料電池システム３００ａの運転状態を示す情報をコントロールパネル３６３に表示させる。

燃料電池システム３００ａにおいて、必要に応じて凍結防止処理が実行される。図７及び図８を参照しつつ凍結防止処理の一例を説明する。図７に示す通り、制御器３６０は、ステップＳ３０１において、温度センサ３６５の検出温度Ｔａを示す情報を取得し、Ｔａが第一温度Ｔ１以下であるか否か判断する。ステップＳ３０１における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ３０２に進み、制御器３６０は、ヒータ３４０が正常であるか否か判断する。

ステップＳ３０２における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ３０３に進み、制御器３６０は、水経路３３１が正常であるか否かを判断する。例えば、制御器３６０は、水供給器３３５が正常であれば、水経路３３１が正常であると判断する。

ステップＳ３０３における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ３０４に進み、制御器３６０は、水供給器３３５を作動させる。これにより、水経路３３１を水が流れ、水経路３３１の凍結が防止される。次に、制御器３６０は、ステップＳ３０５に進み、第一出力でヒータ３４０を発熱させ、ステップＳ３０１に戻る。これにより、ヒータ３４０で温められた水が水経路３３１を流れるので、より確実に、水経路３３１の凍結が防止される。なお、制御器３６０は、タンク３２１に貯留された水の温度が比較的高い場合には、ステップＳ３０５の処理を省略してもよい。

ステップＳ３０３における判断結果が否定的である場合、ステップＳ３０６に進み、制御器３６０は、第二出力でヒータ３４０を発熱させる。次に、ステップＳ３０７に進み、制御器３６０は、ファン３８０を作動させ、ステップＳ３０１に戻る。これにより、タンク３２１からの放熱により筐体３５０の内部空間を適切に暖気でき、水経路３３１を水が流れなくても、水経路３３１の凍結を防止できる。

図７及び図８に示す通り、ステップＳ３０２における判断結果が否定的である場合、ステップＳ３１０に進み、制御器３６０は、水供給器３３５を第二モードで作動させる。これにより、水経路３３１においてタンク３２１に向かって水が逆流し、水経路３３１の水が排出される。これにより、ヒータ３４０に異常があっても、水経路３３１の凍結を防止できる。ステップＳ３１０の処理が完了すると、凍結防止処理が終了する。

ステップＳ３０１における判断結果が否定的である場合、ステップＳ３０８に進み、制御器３６０は、所定の停止処理を実行する。例えば、ステップＳ３０８において、制御器３６０は、水供給器３３５又はファン３８０が作動中である場合にはこれらを停止させ、ヒータ３４０が発熱中である場合には、ヒータ３４０をオフにする。ステップＳ３０８の処理が完了すると、凍結防止処理が終了する。制御器３６０は、例えば、水供給器３３５又はファン３８０が作動しておらず、ヒータ３４０がオフである場合には、ステップＳ３０８をスキップする。なお、制御器３６０は、ステップＳ３０８の処理が完了した後、ステップＳ３０１に戻ってもよい。さらに、制御器３６０は、ステップＳ３０１における判断結果が否定的である場合、ステップＳ３０１における判断結果が肯定的になるまでステップＳ３０１を繰り返してもよい。

燃料電池システム３００ａは、様々な観点から変更可能である。例えば、燃料電池システム３００ｂは、図９に示す燃料電池システム３００ｂのように変更されてもよい。燃料電池システム３００ｂは、特に説明する場合を除き、燃料電池システム３００ａと同様に構成されている。燃料電池システム３００ａの構成要素と同一又は対応する燃料電池システム３００ｂの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。燃料電池システム３００ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、燃料電池システム３００ｂにも当てはまる。

図９に示す通り、燃料電池システム３００ｂは、バイパス経路３３２と、開閉弁３３８とをさらに備えている。バイパス経路３３２は、水経路３３１において水供給器３３５をバイパスする。開閉弁３３８は、パイパス経路３３２に配置されている。開閉弁３３８は、例えば電磁弁である。制御器３６０は、燃料電池３１０が発電しているときには開閉弁３３８を閉じる。一方、制御器３６０が、水経路３３１が凍結するおそれがあり、かつ、ヒータ３４０に異常があると判断したとする。この場合、制御器３６０は、開閉弁３３８を開いて水経路３３１から水を排出させる。水経路３３１の大部分は、タンク３２１の上方にある。このため、開閉弁３３８が開くと、水経路３３１の水がタンク３２１に向かって逆流し、水経路３３１から水が排出される。これにより、水供給器３３５が第一モードでのみ作動可能である場合、又は、水供給器３３５に異常がある場合でも、開閉弁３３８が開くことによって、水経路３３１の凍結を防止できる。例えば、図７及び図１０に示す通り、燃料電池システム３００ｂにおいて、ステップＳ３０２における判断結果が否定的である場合に、制御器３６０は、ステップＳ３１１に進み、開閉弁３３８を開く。これにより、水経路３３１から水が排出される。ステップＳ３１１の完了後に凍結防止処理が終了する。

本開示の技術は、燃料電池システムにおいて、水経路に異常がある場合の凍結防止に有用である。

１ａ、１ｂ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ 改質器
２１ 第一タンク
２２ 第二タンク
３１ 第一水経路
３２ 第二水経路
３２ｂ バイパス経路
３３ 第三水経路
３５ 第一水供給器
３６ 第一開閉弁
３７ 第二水供給器
３８ 第二開閉弁
４０ ヒータ
５０ 筐体
６０ 制御器
６５ 温度センサ
８０ ファン
ＢＰ 分岐点

Claims (13)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池で発生した熱を回収する水を貯留する第一タンクと、
   前記燃料電池と前記第一タンクとの間を循環する水が流れる第一水経路と、
   原料ガス及び水から燃料ガスを生成する改質器と、
   前記改質器に供給されるべき水を貯留する第二タンクと、
   前記第二タンクと前記改質器及び前記第一タンクとを接続するとともに、前記改質器に供給される水の流れと前記第一タンクに供給される水の流れとが分岐する分岐点を有する第二水経路と、
   前記第二水経路において前記分岐点と前記改質器との間に配置された第一開閉弁と、
   前記第一タンクからオーバーフローした水を第二タンクに導く第三水経路と、
   前記第一タンクの内部に配置されたヒータと、
   前記第一水経路に配置され、前記燃料電池と前記第一タンクとの間で水を循環させる第一水供給器と、
   前記第二水経路に配置され、前記第二タンクに貯留された水を前記改質器及び前記第一タンクの少なくとも１つに送る第二水供給器と、
   前記燃料電池、前記第一タンク、前記第一水経路、前記改質器、前記第二タンク、前記第二水経路、及び前記第三水経路を収納する筐体と、
   制御器と、を備え、
   前記制御器は、前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、前記第一水経路及び前記第二水経路の少なくとも１つに異常があると判断したときに、前記第一水経路及び前記第二水経路が正常なときの前記第一水経路及び前記第二水経路の凍結防止のための前記ヒータの第一出力よりも高い第二出力で前記ヒータを発熱させ、前記第一タンクからの放熱により前記筐体の内部空間を暖気し、
   前記第二水供給器は、前記第二タンクから前記改質器及び前記第一タンクの少なくとも１つに向かって水を供給する第一モードと、前記第二水経路において前記第二タンクに向かって水を逆流させる第二モードとを切り替えて作動可能であり、
   前記制御器は、前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、前記ヒータに異常があると判断したときに、前記第二水供給器を前記第二モードで作動させて、前記第二水経路から水を排出させる、
   燃料電池システム。
2. 前記筐体の内部若しくは前記筐体の外部の空気の温度又は前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つにおける水の温度を検出する温度センサをさらに備え、
   前記制御器は、前記温度センサが第一温度以下であることを検出したときに、前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあると判断する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御器は、前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、前記第一水経路に異常があるとともに前記第二水経路が正常であると判断したときに、前記第二出力で前記ヒータを発熱させ、かつ、前記第一開閉弁を閉じて前記第二水供給器を作動させつつ前記第一水供給器の作動を禁止する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御器は、前記第一水供給器の異常を前記第一水経路の異常と判断する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御器は、前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、前記第二水経路に異常があるとともに前記第一水経路が正常であると判断したときに、前記第二出力で前記ヒータを発熱させ、かつ、前記第一水供給器を作動させつつ前記第二水供給器の作動を禁止する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御器は、前記第二水供給器の異常及び前記第一開閉弁の異常の少なくとも１つを前記第二水経路の異常と判断する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池と、
   前記燃料電池で発生した熱を回収する水を貯留する第一タンクと、
   前記燃料電池と前記第一タンクとの間を循環する水が流れる第一水経路と、
   原料ガス及び水から燃料ガスを生成する改質器と、
   前記改質器に供給されるべき水を貯留する第二タンクと、
   前記第二タンクと前記改質器及び前記第一タンクとを接続するとともに、前記改質器に供給される水の流れと前記第一タンクに供給される水の流れとが分岐する分岐点を有する第二水経路と、
   前記第二水経路において前記分岐点と前記改質器との間に配置された第一開閉弁と、
   前記第一タンクからオーバーフローした水を第二タンクに導く第三水経路と、
   前記第一タンクの内部に配置されたヒータと、
   前記第一水経路に配置され、前記燃料電池と前記第一タンクとの間で水を循環させる第一水供給器と、
   前記第二水経路に配置され、前記第二タンクに貯留された水を前記改質器及び前記第一タンクの少なくとも１つに送る第二水供給器と、
   前記燃料電池、前記第一タンク、前記第一水経路、前記改質器、前記第二タンク、前記第二水経路、及び前記第三水経路を収納する筐体と、
   前記第二水経路において前記第二水供給器をバイパスするバイパス経路と、
   前記バイパス経路に配置された第二開閉弁と、
   制御器と、を備え、
   前記制御器は、前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、前記第一水経路及び前記第二水経路の少なくとも１つに異常があると判断したときに、前記第一水経路及び前記第二水経路が正常なときの前記第一水経路及び前記第二水経路の凍結防止のための前記ヒータの第一出力よりも高い第二出力で前記ヒータを発熱させ、前記第一タンクからの放熱により前記筐体の内部空間を暖気し、
   前記制御器は、前記燃料電池が発電しているときには前記第二開閉弁を閉じ、前記第一水経路、前記第二水経路、及び前記第三水経路の少なくとも一つが凍結するおそれがあり、かつ、前記ヒータに異常があると判断したときには前記第二開閉弁を開いて前記第二水経路から水を排出させる、
   燃料電池システム。
8. 前記筐体の内部で空気を循環させるファンをさらに備え、
   前記制御器は、前記第二出力で前記ヒータを発熱させるときに、前記ファンを作動させる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 燃料電池と、
   原料ガス及び水から燃料ガスを生成する改質器と、
   前記改質器に供給されるべき水を貯留するタンクと、
   前記改質器に供給される水が流れる水経路と、
   前記タンクの内部に配置されたヒータと、
   前記水経路に配置され、前記タンクに貯留された水を前記改質器に送る水供給器と、
   前記燃料電池、前記改質器、前記タンク、及び前記水経路を収納する筐体と、
   制御器と、を備え、
   前記制御器は、前記水経路が凍結するおそれがあり、かつ、前記水経路に異常があると判断したときに、前記水経路が正常なときの前記水経路の凍結防止のための前記ヒータの第一出力よりも高い第二出力で前記ヒータを発熱させ、前記タンクからの放熱により前記筐体の内部空間を暖気し、
   前記水供給器は、前記タンクから前記改質器に向かって水を供給する第一モードと、前記水経路において前記タンクに向かって水を逆流させる第二モードとを切り替えて作動可能であり、
   前記制御器は、前記水経路が凍結するおそれがあり、かつ、前記ヒータに異常があると判断したときに、前記水供給器を前記第二モードで作動させて、前記水経路から水を排出させる、
   燃料電池システム。
10. 前記筐体の内部若しくは前記筐体の外部の空気の温度又は前記水経路における水の温度を検出する温度センサをさらに備え、
    前記制御器は、前記温度センサが第一温度以下であることを検出したときに、前記水経路が凍結するおそれがあると判断する、
    請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記制御器は、前記水供給器の異常を前記水経路の異常と判断する、請求項９又は１０に記載の燃料電池システム。
12. 燃料電池と、
    原料ガス及び水から燃料ガスを生成する改質器と、
    前記改質器に供給されるべき水を貯留するタンクと、
    前記改質器に供給される水が流れる水経路と、
    前記タンクの内部に配置されたヒータと、
    前記水経路に配置され、前記タンクに貯留された水を前記改質器に送る水供給器と、
    前記燃料電池、前記改質器、前記タンク、及び前記水経路を収納する筐体と、
    前記水経路において前記水供給器をバイパスするバイパス経路と、
    前記バイパス経路に配置された開閉弁と、
    制御器と、を備え、
    前記制御器は、前記水経路が凍結するおそれがあり、かつ、前記水経路に異常があると判断したときに、前記水経路が正常なときの前記水経路の凍結防止のための前記ヒータの第一出力よりも高い第二出力で前記ヒータを発熱させ、前記タンクからの放熱により前記筐体の内部空間を暖気し、
    前記制御器は、前記燃料電池が発電しているときには前記開閉弁を閉じ、前記水経路が凍結するおそれがあり、かつ、前記ヒータに異常があると判断したときには前記開閉弁を開いて前記水経路から水を排出させる、
    燃料電池システム。
13. 前記筐体の内部で空気を循環させるファンをさらに備え、
    前記制御器は、前記第二出力で前記ヒータを発熱させるときに、前記ファンを作動させる、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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