JPWO2013153789A1 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

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Abstract

燃料電池システム（１００）は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池（１２）と、少なくとも燃料電池（１２）を収納し、給気口（１６）と排気口（１７）とが形成されている筐体（１１）と、給気口（１６）に接続し、筐体外の外気を筐体内へ導入するように構成された供給経路（１８）と、排気口（１６）に接続し、供給経路（１８）と熱交換を行うように構成され、少なくとも筐体内の空気を筐体外へ排出するように構成された排出経路（１９）と、供給経路（１８）を介して筐体内へ外気を導入する空気供給器（１５）と、筐体（１１）内、供給経路（１８）、及び、排出経路（１９）のうちの少なくとも一つに配置され、温度を検知する温度検知器（２０）と、少なくとも空気供給器（１５）を制御する制御器（２１）と、を備える。制御器（２１）は、空気供給器（１５）を動作させた後に温度検知器（２０）が検知する検知温度が第１所定温度以下の場合、空気供給器（１５）の空気供給量を減少させ且つ引き続き動作させる。

Description

本発明は、熱と電気を供給する燃料電池システム及びその運転方法に関する。
燃料電池システムは、発電した電力を需要家へ供給し電力負荷を賄う発電システムである。
このような燃料電池システムを建物内部に配置し、燃料電池システムの排気性能を向上させることを目的とした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）。特許文献１に開示されている燃料電池システムは、給気口を備えた建物の内部に設置して使用される燃料電池システムであって、建物内部の空気を燃料電池システムの内部へ導く空気導入口と、燃料電池システム内部の空気を建物外部へ排出する空気排出管と、換気手段を備えていて、換気手段が、建物外部の空気を給気口を介して建物の内部に導き、さらに空気導入口を通じて燃料電池システムの内部に導入し、さらに空気排出管を通じて建物の外部へと排出する。
また、建物内部に配置した燃料電池システムで生じた排ガスの排気性能を向上することを目的として、上下方向に延びるダクトを具備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）。特許文献２に開示されている燃料電池システムは、建物内部を上下方向に延び、上端部が外部に位置するダクトが、二重管であり、排ガス又は空気がダクトの内側又は外側を個別に流通するように、換気管及び排気管がダクトにそれぞれ連結されている。
さらに、燃料電池内での生成水の凍結を防止する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池からの排空気と燃料電池に供給される外気である供給空気とを熱交換させて、供給空気を加温し、凍結を防止するものである。
特開２００６−７３４４６号公報 特開２００８−２１０６３１号公報 特開２００９−２３８３９０号公報
特許文献１や特許文献２に開示されている燃料電池システムを参照すると、以下のような構成をとることが考えられる。すなわち、建物の内部に配置された燃料電池システムは、建物外部の空気を燃料電池システム内部に導入する給気経路と、燃料電池システムで生じた排気を建物外部へ排出する排出経路とを備えたダクトを具備し、燃料電池システムの給気口及び排気口がそれぞれダクトの給気経路及び排出経路と接続されている構成である。
ところで、このような構成で建物内部に配置された燃料電池システムが、外気温度が氷点下の時に運転されると、燃料電池システム内に氷点下の冷たい外気が供給されることになり、燃料電池内での生成水などが凍結して、燃料電池システムの動作を阻害する恐れがある。しかしながら、特許文献３に開示されている燃料電池システムのような構成では例えば、外気温が氷点下の時に燃料電池システムが停止している状態から動作を開始した場合、燃料電池から排出される排空気の温度が十分に上昇しておらず、供給される空気が加温されずに、燃料電池内で凍結が発生する可能性があった。
また、燃料電池システムでは、運転時に外気を筐体内に供給して、換気する。燃料電池システムが安定動作を行なっている場合は、補機の動作による内部発熱で筐体内部は十分に加温され、換気による筐体内部の温度低下に関する問題はない。しかし、燃料電池システムの起動直後は、燃料電池システム内部は、補機の動作も開始されたばかりであるため、内部発熱もなく、換気用の外気により筐体内部は過渡的に温度低下することとなる。この時、外気が氷点下であると、燃料電池の冷却水や、排熱回収経路の水、又は、停止中に燃料ガスやオフガスの配管内に溜まった凝縮水などが凍結し、流体供給に異常が発生したり破損したりすることにより、燃料電池システムを起動できなくなる可能性があった。
このように、従来の燃料電池システムでは、外気温が氷点下の条件で、燃料電池システムを起動する際の凍結に対する対策が不十分であった。
さらに、建物内部に配置された燃料電池システムでは、燃料電池システムの筐体内温度と、建物外部の温度とが異なる場合があるため、燃料電池システムの筐体内温度を検知して凍結を防止するための手段を動作させても、起動時に発生する過渡的な状況の凍結を防止することができない場合があった。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムの運転開始時に外気温度が低くても、筐体内部温度の低下による凍結を回避できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記従来の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、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、少なくとも前記燃料電池を収納し、給気口と排気口とが形成されている筐体と、前記給気口に接続し、前記筐体外の外気を前記筐体内へ導入するように構成された供給経路と、前記排気口に接続し、前記供給経路と熱交換を行うように構成され、少なくとも前記筐体内の空気を前記筐体外へ排出するように構成された排出経路と、前記供給経路を介して前記筐体内へ外気を導入する空気供給器と、前記筐体内、前記供給経路、及び、前記排出経路のうちの少なくとも一つに配置され、温度を検知する温度検知器と、少なくとも前記空気供給器を制御する制御器と、を備える。そして、制御器は、前記空気供給器を動作させた後に前記温度検知器が検知する検知温度が第１所定温度以下の場合、前記空気供給器の空気供給量を減少させ且つ引き続き動作させる。これにより、システム起動時に供給経路を介して筐体内に外気が導入され、導入された外気の温度が低い場合には、筐体内に供給される空気供給量が減少するので、筐体内の温度が上昇し、燃料電池システムを凍結から回避させることができる。さらに、供給経路と排出経路は熱交換を行うように構成されているので、排出経路を介して筐体外へ排出される空気により、筐体内に導入される外気の温度が上昇する。
本発明によれば、燃料電池システムの運転開始時に外気温度が低くても、筐体内部温度の低下による凍結を回避できる燃料電池システムを提供することができる。
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 本実施の形態１に係る燃料電池システムの動作を模式的に示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１の変形例に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 本実施の形態１の変形例に係る燃料電池システムの動作を模式的に示すフローチャートである。 本実施の形態の変形例に係る燃料電池システムにおける筐体内の温度の時間変化を模式的に示したグラフである。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 本実施の形態２に係る燃料電池システムの動作を模式的に示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 本実施の形態３に係る燃料電池システムの動作を模式的に示すフローチャートである。 本実施の形態４に係る燃料電池システムの動作を模式的に示すフローチャートである。 本実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 本実施の形態５に係る燃料電池システムの動作を模式的に示すフローチャートである。
第１の発明では、燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、少なくとも前記燃料電池を収納し、給気口と排気口とが形成されている筐体と、前記給気口に接続し、前記筐体外の外気を前記筐体内へ導入するように構成された供給経路と、前記排気口に接続し、前記供給経路と熱交換を行うように構成され、少なくとも前記筐体内の空気を前記筐体外へ排出するように構成された排出経路と、前記供給経路を介して前記筐体内へ外気を導入する空気供給器と、前記筐体内、前記供給経路、及び、前記排出経路のうちの少なくとも一つに配置され、温度を検知する温度検知器と、少なくとも前記空気供給器を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記空気供給器を動作させた後に前記温度検知器が検知する検知温度が第１所定温度以下の場合、前記空気供給器の空気供給量を減少させ且つ引き続き動作させるものである。
上記構成によれば、システム起動時に空気供給器により供給経路を介して筐体内に外気が導入され、導入された外気の温度が低い場合には、筐体内に供給される空気供給量が減少するので、筐体内の温度が上昇し、燃料電池システムを凍結から回避させることができる。尚、「引き続き動作させる」とは、空気供給器を連続的に動作させることと、空気供給器を停止と動作とを交互に繰り返すように動作させること、すなわち、間欠的に動作させることとの双方を含む。
さらに、供給経路と排出経路は熱交換を行うように構成されているので、排出経路を介して筐体外へ排出される空気により、筐体内に導入される外気の温度が上昇する。供給経路（配管）は、排出経路（配管）の外側に形成され、共通の中心を有する二重管構造であることが望ましい。これにより、両経路の接触面積が大きくなるので、より効率的な熱交換を行うことができる。例えば外気が０度の場合には、凍結の可能性があるため空気供給器の出力を低下させる必要があるが、筐体内に導入された０度の外気は供給経路において温められ筐体内に入ってくるまでには凍結予防制御をする必要がなくなる温度（例えば２〜３度）に上昇させることができる。
第２の発明では、燃料電池システムは、前記第１の発明において、前記温度検知器は、前記筐体内に配置され、前記制御器は、前記空気供給器を動作させて外気が供給経路を介して前記筐体内へ導入させた後に前記温度検知器が検知する検知温度が前記第１所定温度以下の場合に、前記空気供給器の空気供給量を減少させ且つ引き続き動作させるものである。
上記構成によれば、温度検知器が筐体内に配置されているので、筐体内に導入された外気の温度を確実に検知することができる。
第３の発明では、燃料電池システムは、第１又は第２の発明において、前記制御器は、前記空気供給器を第１所定時間運転させた後に前記温度検知器が検知する温度が前記第１所定温度以下の場合に、前記空気供給器の空気供給量を減少させ且つ引き続き動作させるものである。
上記構成によれば、システムの起動後、筐体内に導入された外気が熱交換により十分温められるので、凍結抑制効果が高まる。ここで第１所定時間とは燃料電池システムの起動から温度検知器の検知温度が一定になるまでに要する時間であって、予めシミュレーションや実験等により定められてもよい。
第４の発明では、燃料電池システムは、第１又は第２の発明において、前記制御器は、前記空気供給器を動作させて第２所定時間経過した後に、前記温度検知器の検知温度が所定の温度幅内でかつ前記第１所定温度以下の場合に、前記空気供給器の空気供給量を減少させ且つ引き続き動作させるものである。
上記構成によれば、システムの起動後、筐体内に導入された外気が熱交換により十分温められ且つ外気の温度が安定するので、凍結抑制効果が高まる。
第５の発明では、燃料電池システムは、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、原料を改質して燃料ガスを生成し、これを前記燃料電池に供給する改質器と、可燃性ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼器と、をさらに備え、前記空気供給器は、前記筐体内の空気を換気する換気器、前記燃料電池へ酸化剤ガスである空気を供給する酸化剤ガス供給器、および、前記燃焼器へ燃焼用空気を供給する燃焼空気供給器、のうちの少なくとも一つの機器である。
上記構成によれば、燃料電池システムで使用される機器を用いて筐体内に供給する空気供給量を減少させることができる。
第６の発明では、燃料電池システムは、第５の発明において、前記空気供給器は、前記筐体内の空気を換気する換気器、および、前記燃焼器へ燃焼用空気を供給する燃焼空気供給器を備え、前記排出経路は、前記燃焼器の燃焼排ガスを排出するように前記燃焼器と連通しており、前記制御器は、前記空気供給器を動作させた後に前記温度検知器が検知する検知温度が前記第１所定温度より低い第２所定温度以下の場合は、前記換気器の動作を停止し、前記燃焼空気供給器を動作させて前記燃焼器の燃焼を実行させるものである。
上記構成によれば、導入された外気の温度が更に低い場合には、燃焼空気供給器を動作させて燃焼器の燃焼を実行させるので、燃焼排ガスにより、排出経路と供給経路との熱交換を介して、筐体内に導入される外気が暖められる。一方、換気器は筐体内の空気を排出するだけなので、換気器により排出経路から排出される空気の温度は低い。したがって、燃焼空気供給器による燃焼排ガスの方が、換気器による排気よりも、燃焼電池システムの凍結抑制効果が高い。この効果は、換気器の風量が燃焼空気供給器の風量よりも大きい場合に特に顕著であるので、換気器の風量が燃焼空気供給器の風量よりも大きくなるような構成が望ましい。
第７の発明では、燃料電池システムは、第１乃至第６の発明のいずれかにおいて、前記燃料電池が発電した際に発生する熱を吸収する冷却水を循環するための冷却水経路、並びに、前記燃料電池から排出される燃料ガスであるオフ燃料ガスおよび前記燃料電池から排出される酸化剤ガスであるオフ酸化剤ガスと熱交換する熱回収水を循環するための熱回収経路、のうちの少なくとも一方の経路と、前記少なくとも一方の経路に配置されている水循環器と、をさらに備え、前記制御器は、前記空気供給器を動作させた後に前記温度検知器が検知する検知温度が前記第１所定温度より低い第３所定温度以下の場合は、前記第３所定温度より高い場合より前記水循環器の水循環量を増大させるものである。
上記構成によれば、システム起動時において水循環器により水経路に水が循環するが、その後、導入された外気の温度が更に低い場合には、水量を増大させるので、水経路の温度が均一になる。これにより水経路の部分的な凍結、又は過渡的な凍結を抑制することができる。
第８の発明では、燃料電池システムは、第１乃至第７の発明のいずれかにおいて、前記筐体内に配置されている加熱器をさらに備え、前記制御器は、前記空気供給器を動作させた後に前記温度検知器が検知する検知温度が前記第３所定温度より低い第４所定温度以下の場合は、前記第４所定温度より高い場合より前記加熱器の加熱量を増大させるものである。
上記構成によれば、筐体内に加熱器が配置されているので、導入された外気の温度が更に低い場合には、加熱器の熱により、筐体内の凍結を抑制することができる。
第９の発明では、燃料電池システムは、第１乃至第８の発明のいずれかにおいて、前記制御器は、前記空気供給器を動作させた後に前記温度検知器が検知する検知温度が前記第４所定温度より低い第５所定温度以下の場合は、前記燃料電池システムの起動を禁止させる、又は、運転を停止させるものである。
上記構成によれば、導入された外気の温度が更に低い場合には、システムの動作を停止させることで、外気が筐体内に取り込まれなくなるので、更なる凍結を回避することができる。
第１０の発明では、燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、少なくとも前記燃料電池を収納し、給気口と排気口とが形成されている筐体と、前記給気口に接続し、前記筐体外の外気を前記筐体内へ導入するように構成された供給経路と、前記排気口に接続し、前記供給経路と熱交換を行うように構成され、少なくとも前記筐体内の空気を前記筐体外へ排出するように構成された排出経路と、前記供給経路を介して前記筐体内へ外気を導入する空気供給器と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記空気供給器を動作させた後に、前記筐体内、前記供給経路、及び、前記排出経路のうちの少なくとも一つの温度が第１所定温度以下か否かを判定するステップと、前記温度が第１所定温度以下であった場合に、前記空気供給器の空気供給量を減少させ且つ引き続き動作させるステップと、を備えるものである。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分に同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は、以下の実施形態に限定されない。
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
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概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、建物２００の内部に配置されている。燃料電池システム１００は、燃料電池１２、燃料ガス供給器１３、酸化剤ガス供給器１４、空気供給器１５、温度検知器２０、制御器２１と、を筐体１１内に備えている。
また、給気口１６と排気口１７は筐体１１を貫通する形で筐体１１の側面あるいは上面に設けられている。本実施の形態では、給気口１６と排気口１７は、筐体１１の上面に形成されている。例えば、排気口１７は円形状に開口し、給気口１６は排気口１７の外側に円環状に開口している。
筐体１１には、建物２００の外部から外気を筐体１１内へ導入するための供給経路１８が接続されている。供給経路１８は、上流端（開口）を建物外部で大気に開放し、下流端（開口）が給気口１６と接続している。また、筐体１１には、筐体１１内のガス（主に空気と燃焼ガス）を筐体１１外へ排出するための排出経路１９が接続されている。排出経路１９は、上流端（開口）を排気口１７と接続し、下流端（開口）を建物２００の外部に開放している。供給経路１８と排出経路１９は、熱交換を行うように構成されている。具体的には、供給経路１８を流れる気体と排出経路１９を流れる気体とが熱交換を行うように構成されている。これにより、排出経路１９を介して筐体１１外へ排出される空気により、筐体１１内に導入される外気の温度が上昇する。本実施の形態１では、熱交換機構は、供給経路１８（配管）が、排出経路１９（配管）の外側に形成され、共通の中心を有する二重管構造により実現される。これにより、両経路の接触面積が大きいので、より効率的に熱交換を行うことができる。例えば外気が０度の場合には、凍結の可能性があるため空気供給器の出力を低下させる必要があるが、筐体内に導入された０度の外気は供給経路において温められ筐体内に入ってくるまでには凍結予防制御をする必要がなくなる温度（例えば２〜３度）に上昇させることができる。
ここで、供給経路とは、筐体外の外気を筐体内へ導入できれば、どのような構成でもよく、例えば、供給経路が筐体の給気口に直接固定されている場合、また、供給経路が筐体に形成された給気口を通過し、供給経路の末端が筐体内で開放している場合、また、供給経路が筐体に形成された給気口を通過し、供給経路の末端が燃料電池へ空気を送る酸化剤ガス供給器や燃焼器がある場合、燃焼器へ空気を送る燃焼空気供給器に直接接続される場合も含まれる。
また、ここで、排出経路とは、筐体内のガス及び空気を筐体外へ排出することができれば、どのような構成でもよく、例えば、排出経路が筐体に形成された排気口に直接固定されている場合、また、排出経路が排気口を通過して、排出経路の末端が筐体内で開放している場合、また、排出経路が筐体に形成された排気口を通過し、排出経路の末端が燃料電池からオフ燃料ガスを排出するオフ燃料ガス路、オフ酸化剤ガスを排出するオフ酸化剤ガス路、燃焼器からの燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス路などと直接接続される場合も含まれる。
なお、本実施の形態１では、排出経路１９を供給経路１８の内側とした二重管構造としたが、これに限定されず、排出経路１９と供給経路１８の単管を別々に配置した構成としても良い。
燃料ガス供給器１３は、燃料電池１２に燃料ガス（水素ガス）を、その流量を調整しながら供給することができれば、どのような構成であってもよく、例えば水素生成装置、水素ボンベ、又は水素吸蔵合金などと、供給ポンプからの水素ガスを供給するような機器で構成されてもよい。燃料ガス供給器１３は、燃料ガス供給路２３を介して、燃料電池１２が接続されている。
本発明の実施の形態１の燃料ガス供給器１３は、水素ボンベと燃料ガス供給ポンプとから構成されている。
酸化剤ガス供給器１４は、燃料電池１２に酸化剤ガス（例えば、空気）を、その流量を調整しながら供給することができれば、どのような構成であってもよく、例えば、ブロワやダイアフラム式ポンプなどで構成されてもよい。酸化剤ガス供給器１４は、酸化剤ガス供給路２４を介して、燃料電池１２と接続されている。
燃料電池１２は、アノードとカソードを有している。燃料電池１２では、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとが、反応して電気と熱を発生する。また、本実施の形態１においては、燃料電池１２は、高分子電解質形燃料電池や固体酸化物形燃料電池などの各種の燃料電池を用いることができる。さらに燃料電池１２の構成は、一般的な燃料電池と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
燃料電池１２で発生した電気は、図示されていない電力調整器（例えば、インバータ）により、外部負荷（例えば、家庭の電気機器）に供給される。
燃料電池１２の発電で消費されなかった燃料ガスであるオフ燃料ガスの排出は、上流端を燃料電池１２に、下流端を排気口１７に接続したオフ燃料ガス路２５を介して行われる。
燃料電池１２の発電で消費されなかった酸化剤ガスであるオフ酸化剤ガスの排出は、上流端を燃料電池１２に、下流端を排気口１７に接続したオフ酸化剤ガス路２６を介して行われる。
オフ燃料ガス及びオフ酸化剤ガスは、いずれも排気口１７から排出経路１９を通じて、建物２００の外部へ排出される。
空気供給器１５は、筐体１１内に建物２００の外部から空気を導入し、筐体１１内を換気する。その換気風量を調節できれば、どのような構成であってもよく、本実施の形態１では、換気ファン（モータファン）とした。換気ファン１５による排気は、換気ファン１５の下流端を排気口１７に接続した換気経路３０を介して行われる。
換気ファン１５の動作による換気は、供給経路１８を通じ、給気口１６から建物外部の
空気が筐体１１内に導入され、さらに筐体１１内の空気が換気ファン１５から、換気経路３０を介して、排気口１７から排出経路１９を通じて、建物２００の外部に排出されることで行われる。
排気口では、オフ燃料ガス、オフ酸化剤ガス、換気空気が集合し、建物２００の外部へ排出される。
温度検知器２０は、供給経路１８を通じ、給気口１６から筐体１１内に導入される空気の温度を検知する。本実施の形態１では、筐体１１内に配置した。これにより、筐体内に導入された外気の温度を確実に検知することができる。なお、温度検知器２０の配置はこれに限定されず、供給経路１８、排出経路１９に配置されてもよい。温度検知器２０は、筐体１１内に導入された空気の温度を検知するものであり、その形態は限定されない。温度検知器２０は、例えば、サーミスタ、熱電対等で構成されてもよい。また、温度検知器２０は、建物外部から筐体１１内へ供給される空気の温度を検知するので、給気口１６の近傍に配置されることが望ましい。
制御器２１は、空気供給器１５を動作させた後に温度検知器２０が検知する検知温度が第１所定温度以下の場合、空気供給器１５の空気供給量を減少させ且つ引き続き動作させる。尚、本実施の形態において「引き続き動作をさせる」とは、空気供給器１５を連続動作させることと、空気供給器１５を間欠的に動作させることとの双方をも含む。
制御器２１は、燃料電池システム１００を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよい。制御器２１は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵなどに例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。そして、制御器２１は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、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１００に関する各種制御を行う。
なお、制御器２１は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協同して燃料電池システム１００の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器２１は、マイクロコンピュータで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、論理回路等によって構成されてもよい。
次に本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作について、図１と図２を参照しながら説明する。本実施の形態は、燃料電池システム１００の動作に関わるものであり、特に燃料電池システム１００を起動させる際の初期の動作に関するものである。
図２は、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作を模式的に示すフローチャートである。
図２に示すように、制御器２１は、燃料電池システム１００に作動指令が入力されたか否かを確認する（ステップＳ１０１）。燃料電池システム１００に作動指令が入力される例として、例えば、燃料電池システム１００の使用者が、図示されていないリモコンを操作して、燃料電池システム１００が作動するように操作した場合や、予め設定された作動開始時間になった場合等が挙げられる。
燃料電池システム１００は作動指令が入力されていない場合（ステップＳ１０１でＮｏ）には、制御器２１は、作動指令が入力されるまで、ステップＳ１０１を繰り返す。
ステップＳ１０１で燃料電池システム１００に作動指令が入力された場合（ステップＳ１０１でＹｅｓ）には、ステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０２で、制御器２１は、空気供給器（換気ファン）１５を第１の出力で動作を開始させ、ステップＳ１０３へ進む。ここで、まず換気ファン１５を最初に作動させるのは、可燃ガスの供給を開始し、万が一、筐体１１内で可燃ガスの漏れが発生した場合でも、可燃ガスを希釈して筐体１１内から建物２００の外部へ安全な状態で排出することを可能とするためである。
ステップＳ１０３で、制御器２１は、温度検知器２０で、建物２００の外部から導入される空気の温度検知を開始し、ステップＳ１０４へ進む。
ステップＳ１０４で、制御器２１は、換気ファン１５の作動時間が、所定時間を経過したか否かを判別する。
ステップＳ１０４で、換気ファン１５の作動時間が、所定時間経過していない場合（ステップＳ１０４でＮｏ）には、制御器２１は、第１所定時間が経過するまで、ステップＳ１０４を繰り返す。
ステップＳ１０４で、換気ファン１５の作動時間が、所定時間を経過した場合（ステップＳ１０４でＹｅｓ）には、ステップＳ１０５へ進む。ステップＳ１０４で示す第１所定時間は、換気ファン１５の動作により、建物２００外部の空気が供給経路１８を通過し、筐体１１内に到達するために要する時間であり、換気ファン１５の風量や供給経路１８の容量により決定する値である。これにより、システムの起動後に筐体内に導入された外気が熱交換により十分に温められるので、凍結抑制効果が高まる。ここで第１所定時間とは燃料電池システムの起動から温度検知器２０の検知温度が一定になるまでに要する時間であって、予め、シミュレーションや実験等により定められてもよい。尚、本実施の形態１では、所定時間としたが、所定量としても構わない。
ステップＳ１０５で、制御器２１は、温度検知器２０で検知した所定時間経過時の温度を記憶し、ステップＳ１０６へ進む。
ステップＳ１０６で、制御器２１は、ステップＳ１０５で記憶した検知温度と、制御器２１が予め記憶していた第２所定温度の比較を行う。
ステップＳ１０６で、制御器２１は、検知温度が、第２所定温度より高い場合（ステップＳ１０６でＮｏ）には、ステップＳ１０８に進み、換気ファン１５を第１の出力で動作させる。
ステップＳ１０６で、検知温度が、第２所定温度以下の場合（ステップＳ１０６でＹｅｓ）には、ステップＳ１０７に進み、換気ファン１５を第１の出力より小さい第２の出力に変更して動作させ、ステップＳ１０９へ進む。
ステップＳ１０９で、制御器２１は、温度検知器２０で、筐体内の温度を検知する。
ステップＳ１１０で、制御器２１は、検知温度を記憶する。
ステップＳ１１１で、制御器２１は、記憶した検知温度と、制御器２１が予め記憶していた第１所定温度との比較を行う。ステップＳ１１１で、検知温度が、第１所定温度より高い場合（ステップＳ１１１でＮｏ）には、ステップＳ１０８に進み、換気ファン１５を第１の出力で動作させ、起動を継続する。
ステップＳ１１１で、検知温度が、第１所定温度以下の場合（ステップＳ１１１でＹｅｓ）には、ステップＳ１０７にもどる。
また、換気ファン１５を第１の出力より小さい第２の出力に変更して動作させるとは、筐体１１内が凍結しない空気供給量まで出力を減少させ且つ引き続き換気ファン１５を動作させることである。第２の出力は、例えば、予め記憶した、第２所定温度と空気供給量の関係から設定した流量でもよい。
以上のように、本実施の形態１で示した燃料電池システム１００では、動作を開始する際、まず換気ファン１５を第１の出力で第１所定時間作動させ、筐体１１内に外気を到達させる。温度検知器２０で検知した温度と第２所定温度とを比較し、第２所定温度以下である場合、換気ファン１５を第１の出力より小さい第２の出力に変更して動作し、空気供給量を減少させ且つ引き続き換気ファン１５を動作させる。これにより、筐体１１内の冷却が抑制されるので、凍結を防止することができる。
さらに、温度検知器２０で筐体内温度を検知した検知温度と第１所定温度とを比較し、第１所定温度以上である場合、凍結が起きない条件と判断し、換気ファン１５を第１の出力に戻し、動作を継続することができる。
なお、本実施の形態１では、制御器２１は、換気ファン１５を所定時間運転させた後に温度検知器２０が検知する温度が第１所定温度以下の場合に、換気ファン１５の空気供給量を減少させた上で動作を継続させたが、これに限られるものではなく、制御器２１は、換気ファン１５を動作させて所定時間経過した後に、温度検知器２０の検知温度が所定の温度幅内でかつ第１所定温度以下の場合に、換気ファン１５の空気供給量を減少させた上で動作を継続させてもよい。これにより、システムの起動後、筐体内に導入された外気が熱交換により十分温められ且つ外気の温度が安定するので、凍結抑制効果が高まる。
なお、本実施の形態１では、空気供給器として換気ファンを使用したが、換気ファンを必要としない燃料電池システムでは、空気供給器として、酸化剤ガス供給装置を空気供給器として用いてもよい。この場合、空気供給器である酸化剤ガス供給器が筐体外から外気を導入することができるので同等の効果が得られる。
なお、本実施の形態１では、筐体内に温度検知器２０を１つ備える形態としたが、これに限らず、屋外に温度検知器を備え、筐体内に導入する外気の温度である第１所定温度を検知し、さらに筐体内、供給経路、排出経路のうち少なくとも一つを備え、筐体内の温度である第２所定温度を検知するような温度検知器を２つもつ構成であってもよい。
（変形例１）
本発明の実施の形態１の変形例に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。図３は、本発明の実施の形態１の変形例に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図３に示すように、実施の形態１の変形例に係る燃料電池システム１００は、原料ガスを改質して燃料電池１２に供給する燃料ガスを生成する燃料生成器３１と、原料ガス、またはオフ燃料ガスを燃焼させる燃焼器３２と、燃焼器３２に空気を供給する燃焼空気供給器３３とを備えている。
燃料生成器３１には、燃料ガス供給器１３及び水供給器３７が接続されていて、原料及び水蒸気が、それぞれ、燃料生成器３１に供給される。原料としては、メタンを主成分とする天然ガス、ＬＰガス等を用いることができる。
燃料生成器３１は、改質触媒を有している。改質触媒としては、例えば、原料と水蒸気から水素含有ガスを発生させる水蒸気改質反応が行えるどのような物質を触媒と使用してよく、アルミナ等の触媒担体にルテニウムを担持させたルテニウム系触媒や同様の触媒担体にニッケルを担持させたニッケル系触媒等を使用することができる。
そして、燃料生成器３１では、供給された原料と水蒸気の改質反応により、水素主成分とした燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料電池１２へ供給される。
燃焼器３２は、原料あるいは、オフ燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱で燃料生成器３１を加熱するよう構成されている。燃焼器３２には、オフ燃料ガス路２５が接続されており、オフ燃料ガス路２５は、上流端を燃料電池１２に、下流端を燃焼器３２に接続されている。また、燃焼器３２は、換気ファン１５（空気供給器）より空気供給の出力が小さい燃焼空気供給器３３が燃焼空気路３５を介して連通している。燃焼空気路３５は、上流端を燃焼空気供給器３３に、下流端を燃焼器３２に接続されている。
燃焼空気供給器３３は、燃焼器３２へ燃焼用の空気を供給するものであれば、どのような構成であってもよく、例えば、ファンやブロワ等のファン類やダイアフラム式のポンプなどで構成されていてもよい。本変形例１では、燃焼空気供給器３３としてモータファンである燃焼ファンを用いた。
さらに燃焼器３２は、燃焼排ガスを流す燃焼排ガス路３４が接続されている。燃焼排ガス路３４は、上流端を燃焼器３２、下流端を排気口１７に接続されている。燃焼排ガス路３４には、熱交換器（図示せず）が配置され、排熱回収経路（図示せず）を通じて、燃焼排ガスの熱を回収する構成となっている。
次に本変形例１の動作について図３と図４を参照しながら説明する。
図４は、本変形例１に係る燃料電池システム１００の動作を模式的に示すフローチャートである。
図４に示すステップＳ１０１’からステップＳ１０５’までの内容は、実施の形態１の図２におけるステップＳ１０１からステップＳ１０５までと同様であるので説明を省略し、ステップＳ１０６’からの動作について説明する。
ステップＳ１０６’で、制御器２１は、ステップＳ１０５’で記憶した検知温度と、制御器２１が予め記憶していた第２所定温度との比較を行う。
ステップＳ１０６’で、制御器２１は、記憶した検知温度が、第２所定温度より高い場合（ステップＳ１０６’でＮｏ）には、ステップＳ１０８’に進み、空気供給器である換気ファン１５を第１の出力で動作させ、燃焼空気供給器３３を動作させ、起動を継続する。
ステップＳ１０６’で、制御器２１は、検知温度が、第２所定温度以下の場合（ステップＳ１０６’でＹｅｓ）には、ステップＳ１０７’に進み、換気ファン１５を停止し、換気ファン１５より出力の小さい燃焼空気供給器３３を動作させ、次のステップへ進む。
ステップＳ１０９’で、制御器２１は、温度検知器２０で、筐体内の温度を検知する。
ステップＳ１１０’で、制御器２１は、検知温度を記憶する。
ステップＳ１１１’で、制御器２１は、記憶した検知温度と、制御器２１が予め記憶していた第１所定温度との比較を行う。ステップＳ１１１’で、測定温度が、第１所定温度より高い場合（ステップＳ１１１’でＮｏ）には、ステップＳ１０８に進み、換気ファン１５を第１の出力で動作させ、かつ、燃焼空気供給器３３を動作させ、起動を継続する。
ステップＳ１１１’で、測定温度が、第１所定温度以下の場合（ステップＳ１１１’でＹｅｓ）には、ステップＳ１０７’にもどる。
以上のように、実施の形態１の変形例で示した燃料電池システム１００では、作動を開始する際、まず換気ファン１５を第１所定時間作動させ、筐体１１内に外気を到達させ、温度検知器２０で検知した温度と第２所定温度とを比較し、第２所定温度以下である場合、換気ファン１５を停止し、換気ファン１５より出力が小さい燃焼空気供給器３３を動作させ、筐体１１内に供給する空気量を低減することで、筐体１１内の冷却を抑制し凍結を防止することができる。
本変形例では、導入された外気の温度が更に低い場合には、燃焼空気供給器３３を動作させて燃焼器３２の燃焼を実行させるので、燃焼排ガスにより、排出経路１９と供給経路１８との熱交換を介して、筐体１１内に導入される外気が暖められる。一方、換気ファン１５は筐体１１内の空気を排出するだけなので、換気ファン１５により排出経路１９から排出される空気の温度は低い。したがって、燃焼空気供給器３３による燃焼排ガスの方が、換気ファン１５による排気よりも、燃料電池システム１００の凍結抑制効果が高い。この効果は、換気ファンの風量が燃焼空気供給器の風量よりも大きい場合に特に顕著であるので、本変形例のように、換気ファン１５の風量が燃焼空気供給器３３の風量よりも大きくなるような構成が望ましい。
図５は、本実施の形態の変形例に係る燃料電池システム１００における筐体内の検知温度Ｔの時間変化を模式的に示したグラフである。図５に示すように、システムの起動直後は、換気ファン１５により、冷たい外気が筐体１１内に導入されるため、筐体内の温度は低下するが、第１所定時間ｔ１経過後、更に温度が第２所定温度Ｔ２より低い場合には換気ファン１５を停止させ、燃焼空気供給器３３を動作させる。ｔ１以降は燃焼器３２からの燃焼排ガスが排出経路１９から排出され、筐体内の温度は上昇する。その後温度が第１所定温度Ｔ１以上になると換気ファン１５の動作を再開させる（時刻ｔ２）。
（実施の形態２）
まず、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成について説明する。
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成について図６を用いて説明する。実施の形態２に係る燃料電池システムは、燃料電池１２を冷却する冷却水経路２９、第１水循環器２８と、冷却水タンク２７が配置されている。燃料電池システム１００は、その動作（発電）中には、第１水循環器２８を動作させ、燃料電池１２で発生した熱を熱媒体（水）で回収するよう構成されている。第１水循環器２８は、冷却水を、その流量を調整しながら循環することができれば、どのような構成であってもよく、例えば、回転式ポンプやシリンダ式ポンプなどのポンプ類で構成されてもよい。
また、オフ燃料ガス路２５に、第１熱交換器４１が配置され、オフ酸化剤ガス路２６には、第２熱交換器４２が配置されている。第１熱交換器４１及び第２熱交換器４２には、排熱回収経路４３が通じている。排熱回収経路４３には、温水を貯めるタンクから低温水が流れこみ、第１熱交換器４１および第２熱交換器４２を介してオフ燃料ガスとオフ酸化剤ガスから熱を回収し、温水となってタンクへ戻る。タンク内に貯められた温水は、給湯やお風呂、暖房などに利用される。
また、図６では示していないが、熱交換器を冷却水経路２９の中に備え、排熱回収経路４３を通じる構成としてもよい。
燃料電池システム１００は、その動作（起動、発電）中には、第２水循環器４４を動作させ、オフ燃料ガスの熱及びオフ酸化剤ガスの熱を熱媒体（水）で回収するよう構成されている。第２水循環器４４は、熱回収する水を循環することができれば、どのような構成であってもよく、例えば、回転式ポンプやシリンダ式ポンプなどのポンプ類で構成されてもよい。
上記以外の構成は、実施の形態１と同等であるので詳細な説明は省略する。
次に本実施の形態２の動作について図７を参照しながら説明する。
図７は、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００の動作を模式的に示すフローチャートである。
図７に示すステップＳ２０１からステップＳ２０５までの内容は、実施の形態１のステップＳ１０１からステップＳ１０５までと同様であるので説明を省略し、ステップＳ２０６からの動作について説明する。
ステップＳ２０６で、測定温度が、第４所定温度より高い場合（ステップＳ２０６でＮｏ）には、ステップＳ２０８に進み、第１水循環器２８と第２水循環器４４を第３の出力で動作させ、次のステップに進み起動を継続する。
ステップＳ２０６で、制御器２１は、検知温度が、第４所定温度以下の場合（ステップＳ２０６でＹｅｓ）には、ステップＳ２０７に進み、第１水循環器２８と第２水循環器４４の両方の水循環器を第４の出力で動作させ、次のステップＳ２０９へ進む。
ステップＳ２０９で、制御器２１は、温度検知器２０で、筐体内の温度を検知する。
ステップＳ２１０で、制御器２１は、検知温度を記憶する。
ステップＳ２１１で、制御器２１は、記憶した検知温度と、制御器２１が予め記憶していた第３所定温度との比較を行う。ステップＳ２１１で、検知温度が、第３所定温度より高い場合（ステップＳ２１１でＮｏ）には、ステップＳ２０８に進み、第１水循環器２８と第２水循環器４４を第３の出力で動作させ、次のステップに進み起動を継続する。
ステップ２１１で、検知温度が、第３所定温度以下の場合（ステップＳ２１１でＹｅｓ）には、ステップＳ２０７にもどる。
ここで、水循環器の第３の出力とは、水循環器の停止状態あるいは、燃料電池システムの通常時の水循環量を得る出力であり、第４の出力とは、過渡的な凍結を回避するための水循環量を得るための水循環器の出力である。
以上のように、本実施の形態２で示した燃料電池システム１００では、作動を開始する際、まず換気ファン１５を作動させ、筐体１１内に外気を到達させ、温度検知器２０で検知した温度と第４所定温度とを比較し、第４所定温度以下である場合、第１水循環器２８と第２水循環器４４を第４の出力で動作させ、冷却水経路２９と排熱回収経路４３に水を通流させることで、換気ファン１５の風量調整では凍結を回避できないような温度において、水循環器を動作させることで水経路の凍結を防止することができる。
なお、本実施の形態２では、燃料電池システムは、冷却水経路及び熱回収経路の両方を備えた構成としたが、冷却水経路あるいは、熱回収経路のみで構成される燃料電池システムでもよい。
また、本実施の形態２では、ステップＳ２０７で、第１水循環器２８と第２水循環器４４とを同時に動作をさせたがこれに限らず、第１水循環器と第２水循環器のうちいずれか一方を動作させてもよい。
また、第３の出力は、第１水循環器２８と第２水循環器４４はそれぞれ固有の出力としてもよい。
さらに、第３の出力は、温度検知器２０で検知した温度によって、その出力を変化させてもよい。
（実施の形態３）
次に本実施の形態３について図８と図９を参照しながら説明する。
図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池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、実施の形態３に係る燃料電池システムは、加熱器２２を備えている。加熱器２２は、筐体１１内を暖めるヒータであり、その形態は限定されない。例えば、セラミックヒータ、シーズヒータ、ラバーヒータ等で構成されてもよい。加熱器２２以外の構成は、実施の形態１と同等であるので詳細な説明は省略する。
図９は、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００の動作を模式的に示すフローチャートである。
図９に示すステップＳ３０１からステップＳ３０５までの内容は、実施の形態１のステップＳ１０１からステップＳ１０５までと同様であるので説明を省略し、ステップＳ３０６からの動作について説明する。
ステップＳ３０６で、検知温度が、第６所定温度より高い場合（ステップＳ３０６でＮｏ）には、ステップＳ３０８に進み、加熱器２２を第５の出力（停止状態（ＯＦＦ））で動作し、次のステップに進み起動を継続する。
ステップＳ３０６で、制御器２１は、検知温度が、第６所定温度以下の場合（ステップＳ３０６でＹｅｓ）には、ステップＳ３０７に進み、加熱器２２を第６の出力（起動状態（ＯＮ））で動作させ、次のステップＳ３０９へ進む。
ステップＳ３０９で、制御器２１は、温度検知器２０で、筐体内の温度を検知する。
ステップＳ３１０で、制御器２１は、検知温度を記憶する。
ステップＳ３１１で、制御器２１は、記憶した検知温度と、制御器２１が予め記憶していた第５所定温度との比較を行う。ステップＳ３１１で、検知温度が、第５所定温度より高い場合（ステップＳ１１１’でＮｏ）には、ステップＳ３０８に進み、加熱器２２を第５の出力（停止状態（ＯＦＦ））で動作し、次のステップに進み起動を継続する。
ステップ２１１で、検知温度が、第５所定温度以下の場合（ステップＳ３１１でＹｅｓ）には、ステップＳ３０７にもどる。
以上のように、本実施の形態３で示した燃料電池システム１００では、作動を開始する際、まず換気ファン１５を作動させ、筐体１１内に外気を到達させ、温度検知器２０で検知した温度と第６所定温度とを比較し、第６所定温度以下である場合、加熱器２２を第６の出力で動作させ、筐体１１内を暖めることで、筐体１１内の凍結を防止することができる。
なお、本実施の形態３では、加熱器２２の第６の出力を起動状態（ＯＮ）としたが、温度検知器２０で検知される温度によって、加熱器２２の出力を変化してもかまわない。
（実施の形態４）
まず、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成について説明する。
実施の形態４に係る燃料電池システムは、その構成は実施の形態１で示される図１と同じであり、詳細な説明は省略する。
次に本実施の形態４の動作について図１と図１０を参照しながら説明する。
図１０は、本実施の形態４に係る燃料電池システム１００の動作を模式的に示すフローチャートである。
図１０に示すステップＳ４０１からステップＳ４０５までの内容は、実施の形態１の図２におけるステップＳ１０１からステップＳ１０５までと同様であるので説明を省略し、ステップＳ４０６からの動作について説明する。
ステップＳ４０６では、ステップＳ４０５で記憶した検知温度と、第４所定温度の比較を行う。
ステップＳ４０６で、検知温度が、第４所定温度以下の場合（ステップＳ４０６でＹｅｓ）には、ステップＳ４０７へ進み、燃料電池システムの動作を禁止する。
ここで、第４所定温度とは、筐体１１内で凍結が発生する可能性が高い温度として−２０℃以下とした。ただし、第４所定温度はこれに限定されない。
ステップＳ４０６で、制御器２１は、検知温度が、第４所定温度より高い場合（ステップＳ４０６でＮｏ）には、ステップＳ４０８に進み、空気供給器を第１の出力で動作を継続し、ステップＳ４０９へ進む。
ステップＳ４０９で、制御器２１は、ステップＳ４０５で記憶した検知温度と、予め記憶していた第１所定温度の比較を行う。
ステップＳ４０９で、制御器２１は、検知温度が、第１所定温度より高い場合（ステップＳ４０９でＮｏ）には、ステップＳ４１１に進み、換気ファン１５を第１の出力で継続動作させ、次のステップである起動動作の継続へと進む。
ステップＳ４０９で、制御器２１は、検知温度が、第１所定温度以下の場合（ステップＳ４０９でＹｅｓ）には、ステップＳ４１０に進み、換気ファン１５を第２の出力で動作させ、次のステップである起動動作の継続へと進む。
以上のように、本実施の形態４で示した燃料電池システム１００では、動作を開始する際、まず空気供給器１５を作動させ、筐体１１内に外気を到達させ、温度検知器２０で検知した温度と第４所定温度とを比較し、凍結回避が困難な温度である第４所定温度以下である場合、燃料電池システムは動作を禁止し、外気を筐体内に取り込まない状態とすることで凍結を回避することが可能となる。
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムについて説明する。
図１１は、本実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。図１１に示すように、実施の形態５に係る燃料電池システムは、空気供給器１５、加熱器２２、第１水循環器２８、第２水循環器４４を備えている。
次に本実施の形態５の動作について図１１と図１２を参照しながら説明する。
図１２は、本実施の形態５に係る燃料電池システム１００の動作を模式的に示すフローチャートである。
図１２に示すように、制御器２１は、燃料電池システム１００に作動指令が入力されたか否かを確認する（ステップＳ５０１）。
燃料電池システム１００は作動指令が入力されていない場合（ステップＳ５０１でＮｏ）には、制御器２１は、作動指令が入力されるまで、ステップＳ５０１を繰り返す。
ステップＳ５０１で燃料電池システム１００に作動指令が入力された場合（ステップＳ５０１でＹｅｓ）には、ステップＳ５０２に進む。
ステップＳ５０２で、制御器２１は、換気ファン１５を第１の出力で動作を開始させ、ステップＳ５０３へ進む。
ステップＳ５０３で、制御器２１は、温度検知器２０で、建物２００の外部から導入される空気の温度検知を開始し、ステップＳ５０４へ進む。
ステップＳ５０４で、制御器２１は、換気ファン１５の作動時間が、所定時間を経過したか否かを判別する。
ステップＳ５０４で、換気ファン１５の作動時間が、所定時間経過していない場合（ステップＳ５０４でＮｏ）には、制御器２１は、第１所定時間が経過するまで、ステップＳ５０４を繰り返す。
ステップＳ５０４で、換気ファン１５の作動時間が、所定時間を経過した場合（ステップＳ５０４でＹｅｓ）には、ステップＳ５０５へ進む。
ステップＳ５０５で、制御器２１は、温度検知器２０で検知した所定時間経過時の温度を記憶し、ステップＳ５０６へ進む。
ステップＳ５０６で、制御器２１は、ステップＳ５０５で記憶した検知温度と、制御器２１が予め記憶していた第２所定温度の比較を行う。
ステップＳ５０６で、制御器２１は、検知温度が、第２所定温度より高い場合（ステップＳ５０６でＮｏ）には、ステップＳ５０８に進み、換気ファン１５を第１の出力で動作を継続させ、起動を継続する。
ステップＳ５０６で、制御器２１は、検知温度が、第２所定温度以下の場合（ステップＳ５０６でＹｅｓ）には、ステップＳ５０７に進み、換気ファン１５を第２の出力に変更し、ステップＳ５０９へ進む。
ステップＳ５０９では、ステップＳ５０５で記憶した検知温度と、第４所定温度の比較を行う。
ステップＳ５０９で、検知温度が、第４所定温度以下の場合（ステップＳ５０９でＹｅｓ）には、ステップＳ５１０へ進み、第１水循環器２８、第２水循環器４４を第４の出力で動作させ、ステップＳ５１２へ進む。
ステップＳ５０９で、検知温度が、第４所定温度以上の場合（ステップＳ５０９でＮｏ）には、ステップＳ５１１へ進み、第１水循環器２８、第２水循環器４４を第３の出力で動作させ、起動を継続する。
ステップＳ５１２では、ステップＳ５０５で記憶した検知温度と、第６所定温度の比較を行う。
ステップＳ５１２で、検知温度が、第６所定温度以下の場合（ステップＳ５１２でＹｅｓ）には、ステップＳ５１３へ進み、加熱器を第６の出力（起動）で動作させ、起動を継続する。
ステップＳ５１２で、検知温度が、第６所定温度以上の場合（ステップＳ５１２でＮｏ）には、ステップＳ５１１へ進み、加熱器を第５の出力（停止）で動作させ、起動を継続する。
本実施の形態５の第１所定温度、第２所定温度、第３所定温度の関係は、第１所定温度＞第２所定温度＞第３所定温度とした。つまり、第１所定温度は第２所定温度より大きく、第２所定温度は第３所定温度より高くなるように設定した。
第３所定温度は、加熱による凍結回避を開始する温度として０℃、第２所定温度は、水循環による凍結回避を開始する温度として３℃、第１所定温度は空気風量の低下で凍結回避を回避する温度として５℃としてもよい。
以上のように、本実施の形態５で示した燃料電池システム１００では、動作を開始する際、まず空気供給器１５を作動させ、筐体１１内に外気を到達させ、温度検知器２０で検知した温度により、凍結回避に必要な補機動作を選択することができ、本実施の形態１から５に記載した効果に加え、凍結回避動作を検知温度のレベルによって区別することで補機のエネルギー消費を制御することができるといった効果をさらに得ることができる。
なお、本実施の形態１から５において、燃料電池システムの起動時について説明をしたがこれに限らず、起動中に検知温度が、第１所定温度、第３所定温度、第５所定温度を継続したとき、運転を起動から発電に移行し、発電開始後に筐体内温度が上昇し、第２温度、第４温度、第６温度を計測した場合も含める。
本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、燃料電池システムの発電を安定して行うことが可能であり、燃料電池システムの耐久性を向上させることが可能であるので、燃料電池の分野で有用である。
１１ 筐体
１２ 燃料電池
１３ 燃料ガス供給器
１４ 酸化剤ガス供給器
１５ 空気供給器（換気ファン）
１６ 給気口
１７ 排気口
１８ 供給経路
１９ 排出経路
２０ 温度検知器
２１ 制御器
２２ 加熱器
２３ 燃料ガス供給路
２４ 酸化剤ガス供給路
２５ オフ燃料ガス路
２６ オフ酸化剤ガス路
２７ 冷却水タンク
２８ 第１水循環器
２９ 冷却水経路
３０ 換気経路
３１ 燃料生成器
３２ 燃焼器
３３ 燃焼空気供給器
３４ 燃焼排ガス路
３５ 燃焼空気路
４１ 第１熱交換器
４２ 第２熱交換器
４３ 排熱回収経路
４４ 第２水循環器
１００ 燃料電池システム
２００ 建物
上記従来の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、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、原料を改質して燃料ガスを生成し、これを前記燃料電池に供給する改質器と、可燃性ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼器と、少なくとも前記燃料電池を収納し、給気口と排気口とが形成されている筐体と、前記給気口に接続し、前記筐体外の外気を前記筐体内へ導入するように構成された供給経路と、前記排気口に接続し、前記供給経路と熱交換を行うように構成され、少なくとも前記筐体内の空気を前記筐体外へ排出するように構成された排出経路であって、前記燃焼器の燃焼排ガスを排出するように前記燃焼器と連通している排出経路と、前記供給経路を介して前記筐体内へ外気を導入する空気供給器であって、前記筐体内の空気を換気する換気器、および、前記燃焼器へ燃焼用空気を供給する燃焼空気供給器を備えた前記空気供給器と、前記筐体内、前記供給経路、及び、前記排出経路のうちの少なくとも一つに配置され、温度を検知する温度検知器と、少なくとも前記空気供給器を制御する制御器と、を備える。そして、制御器は、前記換気器を動作させた後に前記温度検知器が前記筐体内で凍結が起きない条件として予め設定された第１所定温度より低い前記筐体内への外気導入風量調節で凍結を回避するための第２所定温度以下の温度を検知した場合は、前記換気器の動作を停止し、前記燃焼空気供給器を動作させて前記燃焼器の燃焼を実行させる。これにより、システム起動時に換気器の動作により供給経路を介して筐体内に外気が導入されるが、換気器を動作させた後に筐体内の温度が前記筐体内への外気導入風量調節で凍結を回避するための第２所定温度以下に低下した場合には、換気器の動作を停止して燃焼空気供給器を動作させることにより、筐体内に導入される外気の量を減らして、筐体内の温度低下を抑制できる。また、燃焼器の燃焼による内部発熱で筐体内が暖められると共に、燃焼排ガスが排出経路から排出され、排出経路と供給経路との熱交換を介して、筐体内に導入される外気が暖められる。その結果、筐体内の温度が上昇し、燃料電池システムを凍結から回避させることができる。
本発明によれば、燃料電池システムの運転開始時に換気器の動作によって供給経路を介して筐体内に導入される外気により筐体内の温度が前記筐体内への外気導入風量調節で凍結を回避するための第２所定温度以下に低下した場合には、換気器の動作を停止して燃焼空気供給器を動作させることにより、筐体内に導入される外気の量を減らして、筐体内の温度低下を抑制できる。また、燃焼空気供給器の動作と共に実行する燃焼器の燃焼による内部発熱で筐体内が暖められると共に、燃焼排ガスが排出経路から排出され、排出経路と供給経路との熱交換を介して、筐体内に導入される外気が暖められる。その結果、筐体内の温度が上昇し、燃料電池システムを凍結から回避させることができる。
第１の発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、原料を改質して燃料ガスを生成し、これを前記燃料電池に供給する改質器と、可燃性ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼器と、少なくとも前記燃料電池を収納し、給気口と排気口とが形成されている筐体と、前記給気口に接続し、前記筐体外の外気を前記筐体内へ導入するように構成された供給経路と、前記排気口に接続し、前記供給経路と熱交換を行うように構成され、少なくとも前記筐体内の空気を前記筐体外へ排出するように構成された排出経路であって、前記燃焼器の燃焼排ガスを排出するように前記燃焼器と連通している排出経路と、前記供給経路を介して前記筐体内へ外気を導入する空気供給器であって、前記筐体内の空気を換気する換気器、および、前記燃焼器へ燃焼用空気を供給する燃焼空気供給器を備えた前記空気供給器と、前記筐体内、前記供給経路、及び、前記排出経路のうちの少なくとも一つに配置され、温度を検知する温度検知器と、少なくとも前記空気供給器を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記換気器を動作させた後に前記温度検知器が前記筐体内で凍結が起きない条件として予め設定された第１所定温度より低い前記筐体内への外気導入風量調節で凍結を回避するための第２所定温度以下の温度を検知した場合は、前記換気器の動作を停止し、前記燃焼空気供給器を動作させて前記燃焼器の燃焼を実行させるものである。
上記構成によれば、システム起動時に換気器の動作により供給経路を介して筐体内に外気が導入されるが、換気器を動作させた後に筐体内の温度が前記筐体内への外気導入風量調節で凍結を回避するための第２所定温度以下に低下した場合には、換気器の動作を停止して燃焼空気供給器を動作させることにより、筐体内に導入される外気の量を減らして、筐体内の温度低下を抑制できる。また、燃焼器の燃焼による内部発熱で筐体内が暖められると共に、燃焼排ガスが排出経路から排出され、排出経路と供給経路との熱交換を介して、筐体内に導入される外気が暖められる。その結果、筐体内の温度が上昇し、燃料電池システムを凍結から回避させることができる。
なお、供給経路（配管）は、排出経路（配管）の外側に形成され、共通の中心を有する二重管構造であることが望ましい。これにより、両経路の接触面積が大きくなるので、より効率的な熱交換を行うことができる。例えば外気が０度の場合には、凍結の可能性があるため筐体内に導入する外気の量を減らす必要があるが、筐体内に導入された０度の外気は供給経路において温められ筐体内に入ってくるまでには凍結予防制御をする必要がなくなる温度（例えば２〜３度）に上昇させることができる。
第２の発明の燃料電池システムは、前記第１の発明において、前記温度検知器は、前記筐体内に配置され、前記制御器は、前記換気器の動作によって外気が供給経路を介して前記筐体内へ導入された後に前記温度検知器が前記第２所定温度以下の温度を検知した場合は、前記温度検知器が前記第１所定温度よりも高い温度を検知するまで、前記換気器の動作を停止させるものである。
第３の発明の燃料電池システムは、第１又は第２の発明において、前記制御器は、前記換気器を動作させてから第１所定時間経過後に前記温度検知器が前記第２所定温度以下の温度を検知した場合は、前記温度検知器が前記第１所定温度よりも高い温度を検知するまで、前記換気器の動作を停止させるものである。
第４の発明の燃料電池システムは、第１乃至第３の発明のいずれかにおいて、前記燃料電池が発電した際に発生する熱を吸収する冷却水を循環するための冷却水経路、並びに、前記燃料電池から排出される燃料ガスであるオフ燃料ガスおよび前記燃料電池から排出される酸化剤ガスであるオフ酸化剤ガスと熱交換する熱回収水を循環するための熱回収経路、のうちの少なくとも一方の経路と、前記少なくとも一方の経路に配置されている水循環器と、をさらに備え、前記制御器は、前記換気器を動作させた後に前記温度検知器が前記第１所定温度より低い前記水循環器の水循環量調節で凍結を回避するための第３所定温度以下の温度を検知すると、前記水循環器の水循環量を増大させるものである。
上記構成によれば、システム起動時において水循環器により水経路に水が循環するが、換気器を動作させた後に温度検知器が水循環器の水循環量調節で凍結を回避するための第３所定温度以下の温度を検知すると、水循環器の水循環量を増大させるので、水経路の温度が均一になる。これにより水経路の部分的な凍結、又は過渡的な凍結を抑制することができる。
第５の発明の燃料電池システムは、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、前記筐体内に配置されている加熱器をさらに備え、前記制御器は、前記換気器を動作させた後に前記温度検知器が前記第１所定温度より低い前記加熱器の加熱量調節で凍結を回避するための第４所定温度以下の温度を検知すると、前記加熱器の加熱量を増大させるものである。
上記構成によれば、換気器を動作させた後に温度検知器が加熱器の加熱量調節で凍結を回避するための第４所定温度以下の温度を検知すると、筐体内に配置された加熱器の加熱量を増大させるので、加熱器の熱により、筐体内の凍結を抑制することができる。
第６の発明の燃料電池システムは、第１乃至第５の発明のいずれかにおいて、前記制御器は、前記換気器を動作させた後に前記温度検知器が前記筐体内の凍結回避が困難な条件として予め設定された第５所定温度以下の温度を検知した場合は、前記燃料電池システムの起動を禁止させる、又は、運転を停止させるものである。
上記構成によれば、換気器を動作させた後に温度検知器が筐体内の凍結回避が困難な条件として予め設定された第５所定温度以下の温度を検知した場合には、燃料電池システムの起動を禁止させる、又は、運転を停止させることで、外気が筐体内に取り込まれなくなるので、更なる凍結を回避することができる。
第７の発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、原料を改質して燃料ガスを生成し、これを前記燃料電池に供給する改質器と、可燃性ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼器と、少なくとも前記燃料電池を収納し、給気口と排気口とが形成されている筐体と、前記給気口に接続し、前記筐体外の外気を前記筐体内へ導入するように構成された供給経路と、前記排気口に接続し、前記供給経路と熱交換を行うように構成され、少なくとも前記筐体内の空気を前記筐体外へ排出するように構成された排出経路であって、前記燃焼器の燃焼排ガスを排出するように前記燃焼器と連通している排出経路と、前記供給経路を介して前記筐体内へ外気を導入する空気供給器であって、前記筐体内の空気を換気する換気器、および、前記燃焼器へ燃焼用空気を供給する燃焼空気供給器を備えた前記空気供給器と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記換気器を動作させた後に、前記筐体内、前記供給経路、及び、前記排出経路のうちの少なくとも一つの温度が前記筐体内で凍結が起きない条件として予め設定された第１所定温度より低い前記筐体内への外気導入風量調節で凍結を回避するための第２所定温度以下になったか否かを判定するステップと、前記温度が前記第２所定温度以下になった場合に、前記換気器の動作を停止し、前記燃焼空気供給器を動作させて前記燃焼器の燃焼を実行させるステップと、を備えるものである。

Claims (10)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
    少なくとも前記燃料電池を収納し、給気口と排気口とが形成されている筐体と、
    前記給気口に接続し、前記筐体外の外気を前記筐体内へ導入するように構成された供給経路と、
    前記排気口に接続し、前記供給経路と熱交換を行うように構成され、少なくとも前記筐体内の空気を前記筐体外へ排出するように構成された排出経路と、
    前記供給経路を介して前記筐体内へ外気を導入する空気供給器と、
    前記筐体内、前記供給経路、及び、前記排出経路のうちの少なくとも一つに配置され、温度を検知する温度検知器と、
    少なくとも前記空気供給器を制御する制御器と、
    を備え、
    前記制御器は、前記空気供給器を動作させた後に前記温度検知器が検知する検知温度が第１所定温度以下の場合、前記空気供給器の空気供給量を減少させ且つ引き続き動作させる、
    燃料電池システム。
  2. 前記温度検知器は、前記筐体内に配置され、
    前記制御器は、前記空気供給器を動作させて外気が供給経路を介して前記筐体内へ導入された後に前記温度検知器が検知する検知温度が前記第１所定温度以下の場合に、前記空気供給器の空気供給量を減少させ且つ引き続き動作させる、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御器は、前記空気供給器を第１所定時間運転させた後に前記温度検知器が検知する温度が前記第１所定温度以下の場合に、前記空気供給器の空気供給量を減少させ且つ引き続き動作させる、
    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、前記空気供給器を動作させて第２所定時間経過した後に、前記温度検知器の検知温度が所定の温度幅内でかつ前記第１所定温度以下の場合に、前記空気供給器の空気供給量を減少させ且つ引き続き動作させる、
    請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  5. 原料を改質して燃料ガスを生成し、これを前記燃料電池に供給する改質器と、
    可燃性ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼器と、
    をさらに備え、
    前記空気供給器は、前記筐体内の空気を換気する換気器、前記燃料電池へ酸化剤ガスである空気を供給する酸化剤ガス供給器、および、前記燃焼器へ燃焼用空気を供給する燃焼空気供給器、のうちの少なくとも一つの機器である、
    請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記空気供給器は、前記筐体内の空気を換気する換気器、および、前記燃焼器へ燃焼用空気を供給する燃焼空気供給器を備え、
    前記排出経路は、前記燃焼器の燃焼排ガスを排出するように前記燃焼器と連通しており、
    前記制御器は、前記空気供給器を動作させた後に前記温度検知器が検知する検知温度が前記第１所定温度より低い第２所定温度以下の場合は、前記換気器の動作を停止し、前記燃焼空気供給器を動作させて前記燃焼器の燃焼を実行させる、
    請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池が発電した際に発生する熱を吸収する冷却水を循環するための冷却水経路、並びに、前記燃料電池から排出される燃料ガスであるオフ燃料ガスおよび前記燃料電池から排出される酸化剤ガスであるオフ酸化剤ガスと熱交換する熱回収水を循環するための熱回収経路、のうちの少なくとも一方の経路と、
    前記少なくとも一方の経路に配置されている水循環器と、
    をさらに備え、
    前記制御器は、前記空気供給器を動作させた後に前記温度検知器が検知する検知温度が前記第１所定温度より低い第３所定温度以下の場合は、前記第３所定温度より高い場合より前記水循環器の水循環量を増大させる、
    請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記筐体内に配置されている加熱器をさらに備え、
    前記制御器は、前記空気供給器を動作させた後に前記温度検知器が検知する検知温度が前記第３所定温度より低い第４所定温度以下の場合は、前記第４所定温度より高い場合より前記加熱器の加熱量を増大させる、
    請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記制御器は、前記空気供給器を動作させた後に前記温度検知器が検知する検知温度が前記第４所定温度より低い第５所定温度以下の場合は、前記燃料電池システムの起動を禁止させる、又は、運転を停止させる、
    請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、少なくとも前記燃料電池を収納し、給気口と排気口とが形成されている筐体と、前記給気口に接続し、前記筐体外の外気を前記筐体内へ導入するように構成された供給経路と、前記排気口に接続し、前記供給経路と熱交換を行うように構成され、少なくとも前記筐体内の空気を前記筐体外へ排出するように構成された排出経路と、前記供給経路を介して前記筐体内へ外気を導入する空気供給器と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
    前記空気供給器を動作させた後に、前記筐体内、前記供給経路、及び、前記排出経路のうちの少なくとも一つの温度が第１所定温度以下か否かを判定するステップと、
    前記温度が第１所定温度以下であった場合に、前記空気供給器の空気供給量を減少させ且つ引き続き動作させるステップと、
    を備える燃料電池システムの運転方法。
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