JP7484751B2 - 定置用燃料電池システム - Google Patents

Description

本明細書に開示する技術は、燃料電池を利用した定置用の発電システムの提供に関する。

燃料電池システムは、適当なコンテナなどに収容されて設置されている（特許文献１）。燃料電池システムは、低温時には、燃料電池内のガス流路に残存する水や燃料電池を冷却するための冷媒が凍結する場合があり、このような場合には、燃料電池の始動に時間がかかってしまう。

特開２００９－２７７４０７号公報

定置用燃料電池システムは、低温時でさえも速やかに燃料電池システムを始動させる必要がある。非常用電源として用いる場合はなおさらである。こうした場合、例えば、燃料電池システムを収容するコンテナ内を空調機等により暖機しておき、上記凍結を防止することが考えられる。しかしながら、これでは待機のための電力量が多くなってしまう。一方、一般に、種々の産業用設備、空調用設備等では、当該設備で使用される伝熱媒体（循環水）の冷却のために、熱交換装置としての冷却塔が設置されている。冷却塔では、低温時であっても、冷却塔の循環水を温度調節して循環水の循環を継続させている。

以上を鑑み、本明細書は、定置用燃料電池システムにおいて、低温環境下での凍結を抑制又は回避して速やかに始動できる技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、定置用燃料電池システムに具現化される。このシステムは、燃料電池と、前記燃料電池の温度を調節可能に前記燃料電池に供給される液性の第１の伝熱媒体が循環する第１の循環系と、前記第１の伝熱媒体を冷却するための冷却塔と、前記燃料電池の凍結に関連する環境情報を取得する環境情報取得手段と、少なくとも一つのプロセッサと、を備えている。前記少なくとも一つのプロセッサは、前記環境情報に基づいて燃料電池の凍結可能性を肯定したとき、前記第１の伝熱媒体を利用して前記燃料電池の温度を上昇させる制御を実行するように構成される。

上記した構成によれば、燃料電池の凍結可能性がある低温環境時において、冷却塔から循環されている第１の伝熱媒体の熱を利用することで、燃料電池の温度を上昇させることができる。例えば、低温環境時においても連続運転されている冷却塔においては第１の伝熱媒体が凍結防止のために温度調節がなされており、かかる第１の伝熱媒体の熱を利用できる。第１の伝熱媒体が、第１の循環系を介して燃料電池の温度を調節可能な態様で燃料電池に供給されるため、燃料電池の温度は上昇し、第１の伝熱媒体が燃料電池を加温する熱媒として利用される。これにより、燃料電池中の残留水や冷却水などを加温できる。こうすることで、低温環境下での燃料電池の凍結を抑制又は回避して速やかに始動できる。また、低温環境時においても低エネルギーコストで始動待機できる。さらに、非常用電源として好適な定置用燃料電池システムを提供できる。

また、本明細書が開示する技術は、定置用燃料電池システムの使用方法に具現化される。この方法は、定置用燃料電池システムとして、燃料電池と、前記燃料電池の温度を調節可能に燃料電池に供給される液性の第１の伝熱媒体が循環する第１の循環系と、前記第１の伝熱媒体を冷却するための冷却塔と、を備えるシステムを用いている。そして、この方法は、このシステムを、前記第１の伝熱媒体を用いて前記燃料電池の温度を上昇させることにより燃料電池の凍結を防止するように用いるものである。

上記した構成によれば、第１の伝熱媒体を、第１の循環系を介して燃料電池を加温する熱媒として利用して燃料電池の温度を上昇させることで、電池中の残留水や冷却水などを加温できる。こうすることで、低温環境下での燃料電池の凍結を抑制又は回避して燃料電池を速やかに始動させたり、あるいは、低温環境時においても低エネルギーコストで始動待機させたり、あるいは、システムを非常用電源として用いるのに好適である。

定置用燃料電池システムの一例の概略を示す図。 定置用燃料電池システムのプロセッサによって実行される燃料電池の凍結を防止するフローの一例を示す図。 定置用燃料電池システムのプロセッサによって実行される燃料電池の凍結を防止するフローの他の一例を示す図。 定置用燃料電池システムの他の一例の概略を示す図。

本技術の一実施形態において、定置用燃料電池システムはさらに、燃料電池の温度を調節可能に第１の伝熱媒体によって温度が調節される液性の第２の伝熱媒体が循環する第２の循環系を備え、少なくとも一つのプロセッサは、環境情報に基づいて燃料電池の凍結可能性を肯定したとき、さらに、第２の伝熱媒体を利用して燃料電池の温度を上昇させるようにしてもよい。

本技術の他の一実施形態において、少なくとも一つのプロセッサは、環境情報に基づいて燃料電池の凍結可能性を肯定したとき、第１の伝熱媒体を利用して燃料電池の周辺の温度を上昇させることにより、燃料電池の温度を上昇させるようにしてもよい。

本技術の他の一実施形態において、定置用燃料電池システムはさらに、燃料電池を収容するコンテナを備え、冷却塔はコンテナの外部に配置され、少なくとも一つのプロセッサは、環境情報に基づいて燃料電池の凍結可能性を肯定したとき、第１の伝熱媒体を利用してコンテナの内部の温度を上昇させることにより、燃料電池の環境温度を上昇させるようにしてもよい。

上記した実施形態において、定置用燃料電池システムは、非常用電源として使用されるものとしてもよい。待機コストも小さく、非常時において速やかな始動が可能であるため、非常用電源として優れている。

以下、適宜図面を参照し、例えば、低温環境下での凍結を抑制又は回避して速やかな始動に貢献できる定置用燃料電池システム（以下、単に、システムともいう。）について説明する。なお、本明細書において、「燃料電池の凍結に関連する環境情報」とは、燃料電池（燃料電池を構成する単セルが積層されたスタックも含む。）の凍結を生じさせる可能性のある環境要因に関する情報である。また、「燃料電池の凍結」とは、燃料電池内に存在する水などの水性の液体の凍結を含んでいる。燃料電池の凍結に関連する環境情報は、特に限定するものではないが、例えば、燃料電池が配置される空間（室内やコンテナ内）の温度、湿度などの情報であり、また例えば、燃料電池自体の温度であり、また例えば、燃料電池に内在する残留水又は燃料電池内を流通する伝熱媒体などの温度であり、また例えば、燃料電池に付随する冷却系の熱交換器における伝熱媒体の温度（伝熱媒体は、冷却塔を介して循環される循環水であってもよいし、冷媒ガスであってもよい。）であり、また例えば、燃料電池が配置される場所、地域の気温、湿度、天候、積雪量、降雨量などの気象情報などを含むことができる。こうした環境情報は、いずれも、燃料電池の凍結、より具体的には、燃料電池内に内在する水や冷却系における冷却水などの伝熱媒体の凍結に関連している。

システムは、例えば、産業用設備、空調用設備、住宅用設備などにおける、非常用電源として非常時に電力を供給するために所定位置に固定的に配置された燃料電池システムとして構成されている。

図１は、例示されるシステム１００に関連する構成要素を示している。システム１００は、燃料電池として、空気極、電解質及び燃料極からなる単セルを、セパレータを介して複数層積層した燃料電池スタック（以下、単に、スタックという。）１０を備えている。また、システム１００は、スタック１０と、燃料電池作動時においてスタック１０を冷却などしてその温度を調節する燃料電池の冷却系２０と、を備えている。さらに、システム１００は、冷却系２０（本明細書において、第２の循環系に相当する。）に対して冷却水（本明細書において、液性の第１の伝熱媒体に相当する。）を供給し循環させる配管系４０（本明細書において、第１の循環系に相当する。）と、当該配管系を循環する冷却水を冷却する冷却塔３０を備えている。

また、システム１００は、スタック１０が配置される環境に関する環境情報としてのコンテナ２内の温度を取得できるように構成されている。コンテナ２内の温度は、コンテナ２に備えた温度センサ５０（本明細書における、環境情報取得手段に相当する。）によって検知され、システム１００の制御を行う制御部６０に送信されるようになっている。以下に、システム１００の構成要素について説明する。

図１に示すシステム１００では、コンテナ２の内部に、スタック１０と、冷却系２０と、を備え、さらに、コンテナ２の外部に、冷却塔３０を備えている。また、コンテナ２内の冷却系２０と冷却塔３０との間で熱媒体を循環させるための配管系４０を、コンテナ２の内外を通じて備えている。

コンテナ２は、特に限定するものではないが、定置用としてのスタック１０を収容保管するのに適した構造を備えていればよい。コンテナ２は、例えば、非常用として適切に機能する程度の剛性や強度を備えた筐体を備える収容庫として構成されている。コンテナ２には、スタック１０に導入する燃料ガスとしての水素ガスや空気を導入する配管系のほか、コンテナ２内の温度を調節するためのブロアなどの空気給排設備を備えている。

スタック１０は、公知の種々の形の燃料電池の単セルを積層したものであればよく特に限定されない。図１に示す態様では、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）のスタックとして構成されている。図示はしないが、スタック１０には、その燃料極に燃料ガスとしての水素ガスを供給し、その空気極には適宜空気を供給できるようになっている。また、空気極で生成する水などを回収するための水回収系が備えられていてもよい。かかる水回収系は、冷却系２０に接続されるようになっていてもよい。スタック１０には、さらに、燃料電池の運転により生成した電力を取り出すために必要な配線等が適宜備えられている。

冷却系２０は、スタック１０を、適正な作動温度に維持できるように、スタック１０を冷却することができるように構成されている。例えば、ＰＥＦＣの作動温度は、常温から９０℃程度までの間である。冷却系２０は、通常、水を主たる媒体とする冷媒（本明細書における、液性の第２の伝熱媒体に相当する。）を、スタック１０内に導入し、循環させ、排出させる流路２１をスタック１０に対して備えている。かかる流路２１を冷媒が循環することで、発電に伴ってスタック１０内において発生する熱をスタック１０から取り出すことができる。

流路２１には、冷媒を冷却系２０の熱交換器２２に循環させるためのバルブ２３とポンプ２４とが備えられている。

流路２１の配管形態は特に限定されない。また、スタック１０内における流路２１の流路パターンは、燃料電池の作動時においてスタック１０において発生する熱分布等に応じて適宜設定される。

冷却系２０は、流路２１を循環する冷媒がスタック１０から取り出したに熱を取り去るための熱交換器２２を、さらに備えている。熱交換器２２は、特に限定しないが、例えば、液－液方式のブレージングプレート式、ガスケットプレート式、シェル・チューブ式などの公知の方式の熱交換器を適宜用いることができる。

冷却塔３０は、コンテナ２の外部に備えられている。冷却塔３０は、スタック１０の温度を調節するためにスタック１０に付随する冷却系２０の熱交換器２２に熱媒体を供給するために備えられている。冷却塔３０の種類は特に限定するものではなく、開放式であっても密閉式であってもよい。

冷却塔３０は、冷却水の凍結を防止してその循環を確保するために、冷却水の温度が調節されている。ここで、冷却塔は、一般に、種々の設備を冷却するための液性の伝熱媒体（冷媒）を、循環水（本実施形態における冷却水に相当する。）として送出するとともに、返送される伝熱媒体から熱を取り去ることを主たる目的とする熱交換デバイスである。冷却塔は、冬期などの低温環境時に連続運転や断続運転する場合には、循環水の循環を確保するために、種々の凍結防止対策が採られている。例えば、（１）循環水のヒータ等による加温、（２）循環水の配管の保温・加温、（３）冷却塔を介さない循環水のバイパス運転による循環水温度の調節、（４）冷却塔におけるファンの運転制御による循環水温度の調節、（５）ヒータの設置による散水等の加温等が挙げられる。

こうした対策により、冷却塔３０からの冷却水の出口温度は、外気温が、例えば、－３０℃以上０℃以下の低温環境下であっても、例えば、０．５℃以上６℃以下、また例えば、１℃以上５℃以下、また例えば、２℃以上４℃以下に維持されるようになっている。

冷却塔３０は、システム１００の専用であってもよいし、他の設備との熱媒体の熱交換をさらに行うものであってもよい。

配管系４０は、冷却塔３０から送出される冷却水を、スタック１０の温度を調節することができるようにスタック１０に供給されるように構成されている。このため、システム１００は、配管系４０を備えている。配管系４０は、冷却水を、コンテナ２内の冷却系２０の熱交換器２２における伝熱媒体として供給するための配管４２を備えることができる。また、配管系４０は、バルブ４７が操作されて熱交換器２２側に供給される冷却水を熱交換器２２内において流通させるための配管４４を備えることができる。また、配管系４０は、熱交換器２２から冷却水を冷却塔３０に返送するための配管４６を備えることができる。

配管４２、４４，４６からなる配管系４０により、冷却塔３０からの冷却水が、スタック１０の冷却系２０の熱交換器２２に循環される。これにより、低温時には、熱交換器２２における水分の凍結を防止できる。また、併せて冷却系２０の冷媒が循環されることで、スタック１０の運転時には、冷却塔３０からの冷却水により、冷却系２０の冷媒から熱を奪うことができる。一方、低温時には、冷却水の熱を、冷却系２０の冷媒に移動させることができる。

配管系４０の配管４２、４６は、いずれも、断熱材などにより、適宜、配管外温度と断熱されていてもよい。

コンテナ２内には、さらに、コンテナ２内の温度を検出するための温度センサ５０を備えている。温度センサ５０は、コンテナ２内の温度を検出して、温度に関する信号を、コンテナ２の内部に備える制御部６０に送信できるように接続されている。温度センサ５０は、一つであってもよいし、精度よくコンテナ２内温度を把握するなどのために、コンテナ２内の異なる箇所にそれぞれ備えられていてもよい。

また、システム１００は、コンテナ温度を検出するための温度センサ５０に加えて、または、単独でスタック１０の冷却系２０における冷媒の温度を検出する温度センサ５２を備えていてもよい。温度センサ５２の位置は、特に限定するものではないが、例えば、冷媒温度が検出可能に、スタック１０への冷媒の入口付近に配置されていてもよい。温度センサ５２は、検出した温度に関する信号を、制御部６０に送信できるように構成されている。

また、システム１００は、温度センサ５０に加えて、または、単独で冷却塔３０の循環水温度を検出するための温度センサ５４を備えていてもよい。また、温度センサ５２と組み合わせて温度センサ５４を備えていてもよい。温度センサ５４の位置は特に限定するものではないが、例えば、冷却塔３０からの循環水（冷却水）の出口付近に配置されていてもよい。温度センサ５４は、検出した温度に関する信号を、制御部６０に送信できるように構成されている。

制御部６０は、コンテナ２の内部に備えられ、システム１００における種々の制御を行う少なくとも一つのプロセッサ及びメモリなどを含むコンピュータとして構成されている。メモリには、外気温度等が一定温度以下などになったときなどに、スタック１０の凍結防止のためにプロセッサにより実行される凍結防止制御プログラムが格納されている。

凍結防止制御プログラムによれば、スタック１０の凍結可能性を判定し、判定結果に基づいて、冷却塔３０からの冷却水や、冷却系２０における冷媒の循環を制御して、スタック１０の凍結を防止することができる。

プロセッサは、凍結防止制御プログラムによって、種々の態様で、スタック１０の凍結可能性を判定することができるように構成されている。例えば、プロセッサは、温度センサ５０が取得したコンテナ温度によりスタック１０の凍結可能性を判定することができる。この場合、定期的にコンテナ２内の温度であるコンテナ温度を取得できるようになっている。この態様において、プロセッサは、受信したコンテナ温度が、所定の基準温度以下であるかどうかを判断することでスタック１０の凍結可能性の有無を判定するというプロセスを実行できる。所定の基準温度は、例えば、発電に伴って生成する水や冷却水などの燃料電池が内包する水が凍結する可能性のあるとして関連付けられたコンテナ温度とすることができる。

また、この態様において、プロセッサは、一定期間におけるコンテナ温度の変化が、所定の温度変化パターンを充足するかどうかを判断することでスタック１０の凍結可能性の有無を判定するプロセスを実行できるものであってもよい。所定の温度変化パターンとは、例えば、一定時間における温度変化量（低下量）や温度範囲とすることができる。

また例えば、プロセッサは、温度センサ５２が取得した冷媒温度によってスタック１０の凍結可能性を判定することができる。この場合、プロセッサは、定期的に冷媒温度を取得できるようになっている。この態様において、プロセッサは、温度センサ５２によって検出した冷却系２０の冷媒温度が所定の基準温度以下であるかどうかを判断することでスタック１０の凍結可能性の有無を判定するプロセスを実行できる。所定の基準温度は、例えば、スタック１０が内包する水が凍結する可能性のあると関連付けられた冷媒温度とすることができる。

また例えば、プロセッサは、温度センサ５４が取得した冷却水温度を用いてスタック１０の凍結可能性を判定することができる。この場合、プロセッサは、定期的に冷却水温度を取得できるようになっている。この態様において、プロセッサは、プロセッサが、温度センサ５２によって検出した冷却系２０の冷媒の温度が、温度センサ５４によって検出した冷却塔３０からの冷却水の温度よりも低いかどうかを判断することで、スタック１０の凍結可能性の有無を判定するプロセスを実行できる。

制御部６０は、プロセッサがスタック１０の凍結可能性を肯定したときには、バルブ４７及びポンプ４８を制御して、冷却水を冷却系２０に導入できるようになっている。また例えば、プロセッサがスタック１０の凍結可能性を否定したときには、バルブ４７及びポンプ４８を閉じたままとするか、あるいは、これらを制御して、冷却水の冷却系２０への導入を終了できるようになっている。

また、制御部６０は、流路２１のバルブ２３の開閉やポンプ２４を作動／停止を制御できるようになっている。例えば、プロセッサがスタック１０の凍結可能性を肯定して、冷却系２０に冷却塔３０からの冷却水を導入させるときには、制御部６０は、バルブ２３及びポンプ２４を制御して、冷却系２０において冷媒を循環させることができるようになっている。また例えば、プロセッサがスタック１０の凍結可能性を否定したときには、バルブ２３及びポンプ２４を閉じたままとするか、あるいは、これらを制御して、冷媒の循環を終了できるようになっている。

システム１００は、以上説明した種々の要素を種々の態様で用いることにより、スタック１０が発電することなく非常時のために待機している状態において、温度センサ５０が検出したコンテナ温度等に基づいて、冷却塔３０を介して循環する冷却水を利用して、スタック１０の温度を調節する冷却系２０の冷媒の温度、ひいては、スタック１０の温度を上昇させることができる。すなわち、システム１００が発電していない待機状態において、システム１００のプロセッサが、スタック１０内の内包水等が凍結する可能性があると判定したときには、制御部６０は、冷却塔３０を介して循環されている冷却水を、冷却系２０の熱交換器２２に供給するとともに、冷却系２０を始動させることにより、冷却系２０の冷媒を循環させる。冷却塔３０の冷却水は、循環可能に温調されているため、その熱により、冷却系２０の冷媒を加温して、スタック１０の温度を上昇させることができ、スタック１０の凍結を防止することができる。

以下に、システム１００を用いる種々のプロセスの一例として、スタック１０の凍結を防止するためのプロセッサが行うフローを図２に例示して説明する。また、他のプロセスの例として、スタック１０の凍結を防止するためのフローを図３に例示して説明する。

図２及び３に示すフローは、システム１００が、外気温等からスタック１０の凍結防止を準備する必要があるときに実行される凍結防止制御プログラムのフローの一例である。このフローは、冷却塔３０が、冬期など外気温が－３０℃～０℃においても連続運転しており、冷却塔３０を介して循環する冷却水が循環可能な対策がなされた状態であること、及び、一定条件下にプロセッサが凍結防止制御プログラムの実行をスタートさせるものとして説明する。

図２及び図３に示すフローにおいて、プロセッサは、スタック１０が発電待機状態であるとき、一定の条件下で発電待機状態におけるスタック凍結防止制御の実行をスタートさせる。すなわち、プロセッサは、メモリから、凍結防止制御プログラムを読み出してこれを実行する。例えば、凍結防止制御プログラムは、コンテナ２の内部温度の温度が一定温度以下になるとスタートするようになっている。

図２に示すように、まず、プロセッサは、温度センサ５０から受信したコンテナ温度が、予め定められた、スタック１０が凍結する可能性のある基準温度であるかどうかを判断する（ステップＳ２００）。

プロセッサは、コンテナ温度と基準温度を比較して、コンテナ温度が基準温度を超えているときには、すなわち、スタック１０の凍結可能性を否定できたときには、ステップS２００に戻って、プロセッサ内のタイマーにより設定された一定間隔で温度センサ５０から取得したコンテナ温度と基準温度とを比較して、スタック１０の凍結可能性を判断する。

プロセッサが、コンテナ温度と基準温度とを比較して、コンテナ温度が基準温度以下であるときには、すなわち、スタック１０の凍結可能性を肯定したときは、プロセッサは、バルブ４７及びポンプ４８を作動させて、冷却塔３０からの冷却水を冷却系２０へ導入する。すなわち、冷却水を熱交換器２２側に導入するとともに、冷却系２０の流路２１上のバルブ２３及びポンプ２４を、スタック１０の冷媒が熱交換器２２に導入する制御を実行する（ステップＳ２１０）。具体的には、配管４２上のバルブ４７を熱交換器２２側に開放するとともに熱交換器２２のポンプ４８を作動させる。また、冷却系２０の流路２１におけるバルブ２３を熱交換器２２側に開放するとともに冷媒のポンプ２４を作動させる。これにより、循環されている冷却水の熱（例えば、０．５℃以上６℃以下程度）を、冷却系２０の冷媒に移動させて冷媒を加温して凍結を防止しつつ、スタック１０の温度を上昇させることができる。

さらに、プロセッサは、温度センサ５０から取得したコンテナ温度と基準温度とを比較して、スタック１０の凍結可能性を判断する（ステップＳ２２０）。プロセッサが、コンテナ温度と基準温度とを対比して、コンテナ温度が基準温度以下であり、スタック１０の凍結可能性を肯定したときには、そのまま冷却塔３０からの冷却水の循環及び冷却系２０における冷媒の循環を維持する。これにより、冷却水の循環及び冷媒の循環により、冷却水の熱が引き続き冷媒に移動させて加温して凍結を防止しつつ、スタック１０の温度を継続的に上昇させることができる。

プロセッサが、コンテナ温度と基準温度とを比較して、コンテナ温度が基準温度を超えているときには、すなわち、スタック１０の凍結可能性を否定できたときには、冷却塔３０からの冷却水の冷却系２０への導入及び冷媒の循環を終了させる（ステップＳ２３０）。具体的には、配管４２上のバルブ４７を配管４６側に開放するとともに熱交換器２２のポンプ４８を停止させるとともに、冷却系２０の流路２１におけるバルブ２３を閉じて冷媒のポンプ２４を停止させる制御を実行する。これにより、冷却水によるスタック１０の凍結防止制御プログラムの実行が終了する。

プロセッサは、再び、凍結温度防止プログラムの実行開始を待機する状態となり、コンテナ温度を監視して、必要に応じて凍結防止制御プログラムを実行する。

次に、図３に示すフローについて説明する。図３に示すように、まず、プロセッサは、温度センサ５２から取得した冷却系２０の冷媒温度が、温度センサ５４から取得した冷却塔３０の冷却水の温度より低いかどうかを判断する（ステップＳ３００）。冷媒温度が、冷却水温度よりも低い場合、冷却水温度（０．５℃以上６℃以下程度）を考慮すると、スタック１０の凍結可能性があると判定できる。

プロセッサは、冷媒温度と冷却水温度とを比較して、冷媒温度が冷却水温度以上のときには、スタック１０の凍結可能性がないとして、ステップＳ３００に戻る。プロセッサは、タイマーにより設定された一定間隔で温度センサ５２から取得した冷媒温度と温度センサ５４から取得した冷却水温度との比較を実行する。

プロセッサが、冷媒温度と冷却水温度を比較して、コンテナ温度が基準温度以下であるときには、すなわち、プロセッサがスタック１０凍結可能性を肯定したときは、プロセッサは、バルブ４７及びポンプ４８を作動させて、冷却塔３０からの冷却水を冷却系２０へ導入を開始する（ステップＳ３１０）。循環されている冷却水の熱（例えば、０．５℃以上６℃以下程度）を、冷却系２０の冷媒に移動させて冷媒を加温して凍結を防止しつつ、スタック１０の温度を上昇させる。

引き続き、プロセッサは、温度センサ５２から取得した冷媒温度と温度センサ５４から取得した冷却水温度とを比較して、スタック１０の凍結可能性を判断する（ステップＳ３２０）。プロセッサが、冷媒温度と冷却水温度とを比較して、スタック１０の凍結可能性を肯定したときには、そのまま冷却塔３０からの冷却水の循環及び冷却系２０における冷媒の循環を維持する。これにより、冷却水の熱が引き続き冷媒に移動させて加温して凍結を防止しつつ、スタック１０の温度を継続的に上昇させることができる。

プロセッサが、冷媒温度と冷却水温度とを比較して、冷媒温度が冷却水温度以上であるときには、すなわち、スタック１０の凍結可能性を否定できたときには、冷却塔３０からの冷却水の冷却系２０への導入及び冷媒の循環を終了する（ステップＳ３３０）。これにより、冷却水によるスタック１０の凍結防止制御プログラムの実行が終了する。

このフローにおいても、プロセッサは、再び、凍結防止制御プログラムの実行開始を待機する状態となり、コンテナ温度から、必要に応じて凍結防止制御プログラムを実行する。

以上説明するように、システム１００は、燃料電池が配置されている環境に関する情報としての各種温度に関する環境情報、すなわち、温度センサ５０から取得したコンテナ温度や、温度センサ５２から取得した冷媒温度及び温度センサ５４から取得した冷却水温度などの環境情報に基づいて、スタック１０の凍結可能性の有無（肯定／否定）を判定することができるようになっている。また、システム１００は、冷却塔３０を介して循環する冷却水（の熱）を利用して、スタック１０の温度を上昇させることができるように構成されている。こうすることで、システム１００は、コンテナ２を空調設備などにより暖機することなく、スタック１０の凍結を防止して、速やかな始動が可能な待機状態を環境に応じて形成することができる。

システム１００は、冷却塔３０を介して循環する冷却水を利用するのにあたって、スタック１０が備える冷却系２０の熱交換器２２への冷却水の導入・循環と冷却系２０の冷媒の循環を利用している。こうすることで、システム１００は、冷却水を熱交換器２２の冷却水として利用するとともに、スタック１０を加温するための媒体としても利用することができる。

システム１００は、スタック１０及び冷却系２０をコンテナ２の内部に備えている。こうすることで、スタック１０の温度の低下を抑制して、凍結防止制御プログラムの起動を抑制できる。また、システム１００は、コンテナ２の内部に温度センサ５０を備えていることで、高い精度でスタック１０の凍結可能性を判定できる。同様に、システム１００が、冷却系２０の冷媒の温度センサ５２を備えていることでも、高い精度でスタック１０の凍結可能性を判定できる。

なお、上記実施形態では、システム１００は、一つのコンテナ２にスタック１０や冷却系２０などが配置され、コンテナ２の外部に冷却塔３０が配置されているものとしたがこれに限定するものではない。システム１００の構成要素は、それぞれ独立して、かつ、任意の形態で配置され、配置パターンやコンテナ２などに対する収容形態は適宜選択される。

上記実施形態では、システム１００の冷却系２０の熱交換器２２は、液－液間の熱交換によるものとしたがこれに限定するものではなく、スタック１０内の流通する冷媒を送風などによって冷却するものであってもよい。この場合において、冷却塔３０からの冷却水は、冷媒に供給される冷媒ガスの熱源となるように気－液間熱交換器に対して配管などを構成することができる。

上記実施形態では、配管系４０は、冷却系２０の熱交換器２２に冷却塔３０の冷却水を供給するものとしたがこれに限定するものではない。配管系４０は、種々の形態でスタック１０の温度を調節するように構成することができる。例えば、スタック１０の冷媒が流通する流路２１上に、冷却塔３０からの冷却水で冷媒を加温できるような加温のための配管系を備えるようにしてもよい。例えば、流路２１上に、熱交換器２２を通過しないバイパス流路を形成し、当該バイパス流路に冷却塔３０からの冷却水による液－液間熱交換器を備えるようにしてもよい。

さらに、配管系４０は、冷却塔３０からの冷却水を、コンテナ２内の冷却系２０の構成要素である熱交換器２２や流路２１に加えて、あるいは、単独で、スタック１０の周辺温度を上昇させることでスタック１０の温度を上昇させる配管系を備えるようにしてもよい。例えば、コンテナ温度を上昇するようにコンテナ２の内部の一部（壁面、床等）に冷却水の配管系を設置することができる。また例えば、スタック１０の温度を上昇するようにスタック１０の一部などを覆うか又はスタック１０に近接してスタック１０の外部に冷却水の配管系を設定することができる。この態様において、凍結防止制御は、このような配管系への冷却水への導入の開始及び停止を制御するようにすることができる。こうすることでも、冷却水の熱を利用してスタック１０の温度を上昇させて、凍結を防止することができる。

図４には、冷却水を用いてコンテナ温度を上昇する制御を実施する他の実施形態であるシステム２００の一例を示す。図４に示す態様では、冷却水を冷却系２０に導入可能に配管系４０を備えるほか、さらに、冷却塔３０からの冷却水の配管系８０（当該配管系も本明細書における第１の循環系に相当する。）が、コンテナ２のスタック１０の下部、具体的には、スタック１０の設置箇所の床上に配置されている。なお、図4に示すシステム２００は、配管系４０及び配管系４０を利用する熱交換器２２も備えているが、他の態様を採ることもできる。

上記実施形態に示す配管系４０の配管パターンは、一例に過ぎず、種々の配管パターンに変更できる。同様に、バルブやポンプの配置も同様に一例に過ぎず、種々の配置パターンに変更できる。

上記実施形態では、環境情報取得手段として、コンテナ２の内部に設置される温度センサ５０を用いるものとしたが、これに限定するものではなく、あるいは、温度センサ５２及び同５４を備えるものとしたが、これに限定するものでもない。既述のとおり、これらの温度センサ５０、５２、５４は、いずれも、燃料電池の凍結に関連する環境情報の取得手段の一例に過ぎない。したがって、システム１００は、環境情報取得手段として、既述した種々の態様の手段を単独であるいは２種以上を組み合わせて備えることができる。例えば、環境情報をシステム１００が設置されている地域の気温などの気象情報とし、環境情報取得手段を、インターネット回線などのネットワークで接続された気象情報データベース等から取得する手段として用いることもできる。こうすることで、確実に常に正確な環境情報を取得することができる。また例えば、予想最低気温及び最低気温時刻など、予報として提供される気象情報を環境情報として利用することで、外気温が低下する夜間等に凍結防止制御プログラムを実行するように設定しておくこともできる。

上記実施形態では、少なくとも一つプロセッサは、コンテナ２の内部に配置される制御部６０におけるプロセッサとしたが、これに限定するものではない。プロセッサは、コンテナ２の外部又はコンテナ２から離れた場所や遠隔地に配置されて、インターネット回線などの種々の態様のネットワークを介して凍結防止制御を実行するものであってもよい。災害時においては、このような遠隔地からの制御が有利な場合もあるからである。

上記実施形態の図２及び図３に示すフローでは、コンテナ温度と基準温度とを対比するものとしたが、これに限定するものではない。すでに記載した他の態様のほか、スタック１０等の設置状況、環境及び加温状況により、適切な環境情報を選択し、基準温度が設定される。また、図２に示すフローでは、全体を通じて、コンテナ温度に基づいて、スタック１０の凍結可能性を判定していたが、一旦、スタック１０の凍結可能性が肯定された後は、冷却系２０の冷媒の温度センサ５２から取得される冷媒温度と当該冷媒温度に対して設定した基準温度とを用いてスタック１０の凍結可能性を判定してもよいし、冷媒温度と冷却水温度とを用いて凍結可能性を判定してもよい。

上記実施形態の図２及び図３に示すフローでは、冷却塔３０からの冷却水をスタック１０の冷却系２０の熱交換器２２に導入すると同時に、冷却系２０における冷媒の循環も開始するものとしたが、こうした制御に限定するものではなく、種々の態様で、冷却水の熱を利用してスタック１０の温度を上昇できればよい。例えば、環境情報から凍結可能性を判断する基準温度を、凍結可能性の観点から複数段階に設定することができる。また例えば、待機状態又はスタック１０の凍結可能性は肯定する基準温度よりも高いがその後基準温度以下になることが明らかなときなど、予め冷却塔３０の冷却水を熱交換器２２にのみ供給しておき、スタック１０の凍結可能性が肯定されたとき、冷却系２０における冷媒の循環を開始するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、システム１００、２００を開示したが、本明細書の開示は、定置用燃料電池システムの使用方法としても実施することができる。すなわち、定置用燃料電池システムを、スタック１０と、スタック１０の温度を調節可能にスタック１０に供給される冷却水が循環する配管系４０と、冷却水を冷却するための冷却塔３０と、を備えるものとし、冷却水を用いてスタック１０の温度を上昇させる工程を実施することにより、スタック１０の凍結を防止することができる。この方法によれば、既に説明した種々の態様で、スタック１０の温度を上昇させることができ、スタック１０の凍結可能性がある低温時においても、燃料電池システムを速やかに起動するとともに、低コストで待機させることができる。

以上、本技術の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：コンテナ
１０：スタック
２０：冷却系
２１：流路
２２：熱交換器
２３：バルブ
２４：ポンプ
３０：冷却塔
４０、８０：配管系
４２：供給用配管
４４：熱交換器用配管
４６：返流用配管
４７：バルブ
４８：ポンプ
５０：温度センサ（コンテナ温度）
５２：温度センサ（冷媒温度）
５４：温度センサ（冷却水温度）
６０：制御部
１００、２００：システム

Claims (3)

1. 固体高分子形燃料電池である燃料電池と、
   第１の伝熱媒体を冷却するための冷却塔と、
   前記第１の伝熱媒体が循環する第１の循環系と、
   液性の第２の伝熱媒体が前記燃料電池内を循環する配管系と、前記第２の伝熱媒体と前記第１の伝熱媒体との熱交換を行う熱交換器と、を備える第２の循環系と、
   前記燃料電池及び前記第２の循環系を収容するコンテナと、
   前記燃料電池の凍結に関連する環境情報を取得する環境情報取得手段と、
   少なくとも一つのプロセッサと、
   を備え、
   前記冷却塔は、前記コンテナの外部に配置されており、前記第１の循環系は、前記冷却塔から前記コンテナ内の前記第２の循環系の前記熱交換器に前記第１の伝熱媒体を供給するとともに、前記熱交換器を通過した前記第１の伝熱媒体を返流させるように前記コンテナの内外を通じる配管系を備えており、
   前記少なくとも一つのプロセッサは、前記燃料電池が発電待機状態にあるときに前記環境情報に基づいて前記燃料電池の凍結可能性を肯定したとき、前記第１の伝熱媒体及び前記第２の伝熱媒体を利用して前記燃料電池の温度を上昇させる制御を実行する、非常用電源である定置用燃料電池システム。
2. 前記少なくとも一つのプロセッサは、前記環境情報に基づいて前記燃料電池の凍結可能性を肯定したとき、さらに、前記第１の伝熱媒体を利用して前記燃料電池の周辺の温度を上昇させることにより、前記燃料電池の温度を上昇させる、請求項１に記載のシステム。
3. 非常用電源である定置用燃料電池システムの使用方法であって、
   前記定置用燃料電池システムは、固体高分子形燃料電池である燃料電池と、第１の伝熱媒体を冷却するための冷却塔と、前記第１の伝熱媒体が循環する第１の循環系と、液性の第２の伝熱媒体が前記燃料電池内を循環する配管系と、前記第２の伝熱媒体と前記第１の伝熱媒体との熱交換を行う熱交換器と、を備える第２の循環系と、前記燃料電池及び前記第２の循環系を収容するコンテナと、を備え、前記冷却塔は、前記コンテナの外部に配置されており、前記第１の循環系は、前記冷却塔から前記コンテナ内の前記第２の循環系の前記熱交換器に前記第１の伝熱媒体を供給するとともに、前記熱交換器を通過した前記第１の伝熱媒体を返流させるように前記コンテナの内外を通じる配管系を備えており、
   前記燃料電池が発電待機状態にあるときに前記燃料電池の凍結可能性が肯定されるとき、前記第１の伝熱媒体及び前記第２の伝熱媒体を利用して前記燃料電池の温度を上昇させることにより前記燃料電池の凍結を防止する、使用方法。
   

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