WO2005112175A1

WO2005112175A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: WO2005112175A1
Application number: PCT/JP2005/009191
Authority: WO
Inventors: Yoshitaka Kawasaki; Terumaru Harada; Takashi Nishikawa
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2005-11-24
Also published as: US20080063902A1; JPWO2005112175A1; JP4246768B2; JP4296226B2; JP2008282822A; JP4296227B2; JP2008293994A; CN1910775A; JP2008293991A; JP2008293996A; US20110143245A1; JP2008251554A; CN100448083C; JP2008262923A; JP4284377B2; JP4284378B2; JP2008293993A; JP2008293995A; JP4284376B2; JP2008251553A

Abstract

燃料電池（１）と、冷却水タンク（７）及び冷却水循環流路（３２）と、貯湯タンク（１０）及び温水循環流路（３１）と、熱交換器（９）と、排水弁（２５）～（２７）と、温度検知器（１７），（１８），（２０）と、制御器（４１）と、を備え、前記制御器が、前記燃料電池の発電停止中、前記温度検知器が検知する水温に基づいて、少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも冷却水及び温水の何れかを循環させるか、又は、前記排水弁を開放して排水をさせるか、の何れかを選択する。

Description

明細書

燃料電池システム技術分野

[0001] 本発明は、燃料電池システムに関し、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池を備えたコージェネレーションシステムに関する。

背景技術

[0002] 従来から、高効率な小規模発電が可能な燃料電池システムは、発電時に発生する熱エネルギーを利用するためのシステム構築が容易であると共に、高いエネルギー利用効率が実現できるため、分散型の発電システムとして好適に用いられている。

[0003] 燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池スタック（以下、単に燃料電池という）を有している。この燃料電池としては、高分子電解質型燃料電池やリン酸型燃料電池等が一般的に用いられる。特に、高分子電解質型燃料電池は、比較的低温での安定した発電動作が可能であるため、燃料電池システムを構成する燃料電池として好適に用いられてレ、る。

[0004] 高分子電解質型燃料電池は、その電解質膜として、高分子イオン交換膜、例えば、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系の高分子イオン交換膜を備えている。この高分子イオン交換膜等の電解質膜の両面には、例えば白金触媒からなる燃料極 (ァノード）及び酸素極 (力ソード）が各々設けられている。又、これらの燃料極及び酸素極には、多孔質カーボン電極が各々設けられている。これにより、高分子電解質型燃料電池における膜電極接合体（略称、 MEA)が構成されている。そして、この膜電極接合体を、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水を流すための流路を各々設けたセパレータにより挟持することにより、単電池が構成されている。又、この単電池を多層状に積層することにより、高分子電解質型燃料電池が構成されている。

[0005] かかる高分子電解質型燃料電池では、その発電運転の際、燃料極側に水素ガス又は水素を豊富に含む燃料ガス（例えば、改質ガス）が供給される。又、酸素極側には、酸化剤としての酸素を含む酸化剤ガス (例えば、空気）が供給される。すると、この高分子電解質型燃料電池では、燃料極上にぉレ、て生成した水素イオンが電解質膜の内部を水の介在の下で酸素極上に移動して、この酸素極上において外部負荷を経由して到達する電子及び酸素極側に供給される空気中の酸素と化学反応して水が生成される。尚、この際、上述したように、燃料極から酸素極に向けて外部負荷を経由して電子が移動するが、この電子の流れを電気エネルギーとして燃料電池システムに接続された外部負荷が利用する。

[0006] 又、この高分子電解質型燃料電池では、その発電運転の際、上述した化学反応により熱が発生する。この熱は、セパレータに設けられた流路を流れる冷却水により逐次回収される。この際、燃料電池システムの使用者が電気エネルギーのみを必要とする場合、冷却水により逐次回収される熱は、放熱器等により燃料電池システムの外部に逐次放出される。一方、燃料電池システムの使用者が電気エネルギーに加えて熱エネルギーをも必要とする場合 (即ち、熱電併給:コージェネレーション）、燃料電池から逐次排出される温度上昇した冷却水は、直接或いは貯湯タンク等に一時的に貯蔵等されて熱負荷に供せられる。

[0007] ところで、高分子電解質型燃料電池にぉレ、て、電解質膜である高分子イオン交換膜に水素イオンの透過性を十分に発揮させるためには、この電解質膜の状態を十分な保水状態に維持する必要がある。そのため、従来の高分子電解質型燃料電池では、燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも何れかに発電運転温度付近 (例えば、常温〜 100°C程度）の温度で飽和する量の水蒸気を含ませる構成が採られている。これにより、電解質膜の状態が十分な保水状態に維持されるので、燃料電池システムは所定の発電性能を発揮する。

[0008] 又、上述したように、燃料電池システムには、その発電運転の際に高分子電解質型燃料電池が発生する熱を逐次回収するための冷却水が流れる流路や、冷却水により回収された熱エネルギーを熱負荷に提供するための温水用の流路や、温水を貯蔵するための貯湯タンク等、多くの流路及び貯水タンク等が配設されている。そして、燃料電池システムは、これらの流路及び貯水タンク等において水や温水等が正常に流動及び貯水等され、高分子電解質型燃料電池の冷却や熱負荷に対する熱エネルギ一の提供等が正常に行われることにより、コージェネレーションシステムとしての所定の性能を発揮する。 [0009] し力しながら、従来の燃料電池システムでは、その発電運転の際には高分子電解質型燃料電池等が発生する熱により電解質膜や水の流路及び貯水タンク等が保温されるので所定の発電性能を得ることができるが、発電運転の停止期間では高分子電解質型燃料電池等は熱を発生しなレ、ため、電解質膜や水の流路及び貯水タンク等は保温されない。つまり、発電運転の停止期間、燃料電池システムは放熱冷却される。特に、冬季の寒冷地域では、発電運転の停止期間、燃料電池システムは氷点下にまで容易に放熱冷却される。

[0010] そして、燃料電池システムの発電運転の停止状態が数時間以上の長時間に渡って継続する場合、冬季に大気温度が氷点下 20°Cにも達する極寒地や、最低気温が氷点下にまで至る寒冷地では、高分子電解質型燃料電池の電解質膜に含浸される水が凍結して、その水の保持体である電解質膜の組織構造が破壊される場合があった。又、水の流路及び貯水タンク等において水が凍結する場合があった。つまり、燃料電池システムが起動不能に陥り所定の発電性能が得られない場合や、コージエネレーシヨンシステムとしての所定の性能が得られない場合があった。又、この場合、氷結膨張により、高分子電解質型燃料電池本体や水の流路及び貯水タンク等が破壊される場合があった。

[0011] そこで、発電運転の停止期間、燃料電池システムにおける水の凍結を防止するために、燃料電池本体を収納する筐体に加熱器を設けて、この加熱器により燃料電池の全体を加熱及び保温する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献 1参照）。

[0012] 又、発電運転の停止期間、燃料電池システムにおける水の凍結を防止するために、水の流路に電磁弁を備え、この電磁弁を必要に応じて開放して燃料電池システムの系内からポンプを用いて水を排出する燃料電池システムが提案されてレ、る（例えば、特許文献 2参照）。

[0013] 更に、発電運転の停止期間、燃料電池システムにおける水の凍結を防止するために、水の加熱器を設けて、この加熱器を用いて冷却水を加熱して温水を生成して、この温水をその内部で循環させる燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献 3参照）。特許文献 1 :特開 2001— 351652号公報

特許文献 2：特開平 11 273704号公報

特許文献 3：特開 2002— 246052号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0014] し力しながら、上述した水の凍結を防止するための従来の提案は、燃料電池システムを維持及び管理する際の経済性、運転操作性、及び安全保障の確実性等において、各々その具現化を妨げる課題を有している。

[0015] 例えば、燃料電池システムにおいて、燃料電池本体を収納する筐体に加熱器を設けて燃料電池の全体を加熱及び保温する提案や、水の加熱器を設けて冷却水を加熱して温水を生成しかつ循環させる提案により水の凍結を防止することは、事実上困難である。その理由は、燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿等する前処理器、大量の冷却水が循環する高分子電解質型燃料電池、大量の温水を貯蔵する貯湯タンク等、熱容量及び容積が大きな構成要素を備えている。換言すれば、燃料電池システムは、熱容量及び容積が大きなコージェネレーションシステムである。従って、発電運転の停止期間中、燃料電池システム内での水の凍結を防止するためには、極めて大規模でありかつ多量の熱を供給することが可能である加熱装置を配設することが必須となり、小規模な加熱器によっては熱量が不足するからである

[0016] しかも、長期間に渡って電力が不要となり、発電運転を長期間に渡って停止する場合、極寒地や寒冷地では、燃料電池システムの発電運転が再開されるまで、水の凍結を防止する必要がある。この場合、上述した極めて大規模な加熱装置を長期間に渡って稼働させるためには、大量の電力を消費する必要がある。これは、燃料電池システムの使用者にとって、大きな経済的負担となる。

[0017] 又、燃料電池システムにおいて、水の流路に電磁弁を設けて燃料電池システムからポンプを用いて水を排出する提案により水の凍結を防止することは、水の凍結（障害原因）を除去するという観点では確かに確実である。又、この提案は、電磁弁を開放するといつた短時間の動作のみにより容易に実施可能であるため、大規模なエネルギー消費を必要としないという利点を有している。し力しながら、発電運転の停止の後、燃料電池システムを再起動する際には、燃料電池システムからは水が排出されているため、燃料電池システムの内部に必要十分な量の水を再び供給する必要力 Sある。そのため、燃料電池システムを再起動する際、水を供給するための時間的な損失が発生する。又、外部から燃料電池システムの内部に新たに水が供給される場合、その供給される水を浄化することなく用いると、高分子電解質型燃料電池を冷却する冷却水に不純物が混入する恐れがある。ここで、冷却水が不純物を有する場合、その不純物を有する冷却水は高分子電解質型燃料電池の発電性能に直接的に影響を及ぼす。そのため、好適な冷却水を得るためには、新たに供給される水を高純度に浄化する必要がある。これは、水を高純度に浄化するという観点において、燃料電池システムの使用者にとって時間的損失と経済的負担となる。

[0018] 又、この燃料電池システムから水を排出する提案では、発電運転の停止期間中に有効に活用したい貯湯タンク内の温水は単純に排出することができないため、水の凍結を確実に防止することはできない。従って、上述した水の排出に加えて、貯湯タンク内の温水が凍結することを防止するための別途の対策を講じる必要がある。

[0019] 本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、エネルギーの損失と操作の煩雑性及び機動性の欠如を抑制しつつ、水の凍結による障害を確実に防止して、安全な発電運転を維持及び確保することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

[0020] 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、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、冷却水を貯蔵する冷却水タンクと、前記燃料電池で前記発電に伴って発生する熱を回収して該燃料電池を冷却するよう前記冷却水を前記冷却水タンク経由で循環させる冷却水循環流路と、温水を貯蔵する貯湯タンクと、前記温水を前記貯湯タンク経由で循環させる温水循環流路と、前記冷却水循環流路を循環する前記冷却水と前記温水循環流路を循環する前記温水との間で熱交換を行うための熱交換器と、前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々から排水するための排水弁と、前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れ力との各々において水温を検知する温度検知器と、制御器と、を備える燃料電池システムであって、前記制御器が、前記燃料電池の前記発電停止中、前記温度検知器が検知する前記水温に基づいて、少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおレ、て少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させるか、又は、前記排水弁を開放して排水をさせる力、、の何れかを選択する。

[0021] かかる構成とすると、前記制御器が、前記燃料電池の前記発電停止中、前記温度検知器が検知する前記水温に基づいて、少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおレ、て少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させるか、又は、前記排水弁を開放して排水をさせる力、、の何れ力、を選択するので、エネルギーを大量に消費することなぐかつ時間的な損失を与えることなぐ燃料電池システムにおける水の凍結を確実に防止することが可能になる。

[0022] この場合、前記冷却水タンクに水を補給するための給水タンクと、前記冷却水タンクと前記給水タンクとの間で前記水を循環させる補給水循環流路と、前記補給水循環流路及び前記給水タンクの少なくとも何れかから排水するための排水弁と、前記補給水循環流路及び前記給水タンクの少なくとも何れかにおいて水温を検知する温度検知器と、を更に備える。

[0023] かかる構成とすると、前記冷却水タンクに補給するための水を循環させる補給水循環流路と、前記補給するための水を貯蔵する給水タンクと、前記補給水循環流路及び前記給水タンクの少なくとも何れかから排水するための排水弁と、前記補給水循環流路及び前記給水タンクの少なくとも何れかにおいて水温を検知する温度検知器と、を更に備えるので、燃料電池システムにおける前記冷却水タンクに補給するための水の凍結をも防止することが可能になる。

[0024] 又、上記の場合、前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、その後、前記水温の全てが前記所定の閾値温度未満となった場合には前記排水弁を開放して排水をさせる。

[0025] かかる構成とすると、前記温度検知器が検知する前記水温の少なくとも何れかが所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、その後、前記水温の全てが前記所定の閾値温度未満となった場合には前記排水弁を開放して排水をさせるので、燃料電池システムにおける水の凍結を効果的に防止することが可能になる。

[0026] 又、上記の場合、前記冷却水タンク及び前記冷却水循環流路の少なくとも何れかに前記冷却水を加熱するための第 1の加熱器を備えている。

[0027] かかる構成とすると、前記冷却水タンク及び前記冷却水循環流路の少なくとも何れかに前記冷却水を加熱するための第 1の加熱器を備えているので、必要に応じて前記冷却水を加熱することが可能になる。

[0028] 又、上記の場合、前記貯湯タンク及び前記温水循環流路の少なくとも何れかに前記温水を加熱するための第 2の加熱器を備えている。

[0029] かかる構成とすると、前記貯湯タンク及び前記温水循環流路の少なくとも何れかに前記温水を加熱するための第 2の加熱器を備えているので、必要に応じて前記温水を加熱することが可能になる。

[0030] 又、上記の場合、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器の温度を前記改質のための所定の温度に加熱及び保温するための第 3の加熱器と、前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の少なくとも一つに前記第 3の加熱器へ迂回する迂回流路と、前記迂回流路に切り替えるための流路切替弁と、を備え、前記迂回流路の一部が前記第 3の加熱器により加熱されるように構成されてレ、る。

[0031] かかる構成とすると、前記迂回流路の一部が前記第 3の加熱器により加熱されるように構成されているので、前記迂回流路を通過する前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の少なくとも何れかを通過する前記冷却水及び前記温水の少なくとも何れかを必要に応じて加熱することが可能になる。

[0032] 又、上記の場合、前記排水弁としての定常閉止型電磁弁と、前記定常閉止型電磁弁近傍の外気温度を検知するための外気温度検知器と、前記定常閉止型電磁弁を開放するための電気エネルギーを前記燃料電池の前記発電により得て蓄電する蓄電器と、第 2の制御器と、を備え、前記第 2の制御器が、停電時、前記外気温度検知器が検知する前記外気温度に基づいて前記蓄電器から前記電気エネルギーを供給して前記定常閉止型電磁弁を開放して排水をさせる。

[0033] かかる構成とすると、前記第 2の制御器が、停電時、前記外気温度検知器が検知する前記外気温度に基づいて前記蓄電器から前記電気エネルギーを供給して前記定常閉止型電磁弁を開放して排水をさせるので、停電時にぉレ、ても燃料電池システムにおける水の凍結を確実に防止することが可能になる。

[0034] この場合、前記第 2の制御器が、停電時、前記外気温度検知器が検知する前記外気温度が前記所定の閾値温度未満である場合、前記蓄電器から前記電気工ネルギ一を供給して前記定常閉止型電磁弁を開放して排水をさせる。

[0035] かかる構成とすると、前記第 2の制御器が、停電時、前記外気温度検知器が検知する前記外気温度が前記所定の閾値温度未満である場合、前記蓄電器から前記電気エネルギーを供給して前記定常閉止型電磁弁を開放して排水をさせるので、停電時においても燃料電池システムにおける水の凍結を効果的に防止することが可能になる。

[0036] 又、上記の場合、前記制御器が前記燃料電池の前記発電の長期運転停止を選択するための第 1のモード選択指令入力部を更に備え、前記制御器が、前記第 1のモード選択指令入力部から前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力された場合には前記排水弁を開放して排水をさせ、前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力されなくかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおレ、て少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させる。

[0037] かかる構成とすると、前記制御器が前記燃料電池の前記発電の長期運転停止を選択するための第 1のモード選択指令入力部を更に備え、前記制御器が、前記第 1のモード選択指令入力部から前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力された場合には前記排水弁を開放して排水をさせ、前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力されなくかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させるので、状況に応じて燃料電池システムにおける水の凍結を適切にかつ確実に防止することが可能になる。

[0038] この場合、前記制御器が、前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力されなくかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して排水をさせる。

[0039] かかる構成とすると、前記制御器が、前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力されなくかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して排水をさせるので、例えば前記長期運転停止を選択する旨の指令を入力し忘れた場合でも、燃料電池システムにおける水の凍結を確実に防止することが可能になる。

[0040] 又、上記の場合、前記制御器が前記燃料電池の前記発電の短期運転停止を選択するための第 2のモード選択指令入力部を更に備え、前記制御器が、前記第 2のモード選択指令入力部から前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されない場合には前記排水弁を開放して排水をさせる。

[0041] かかる構成とすると、前記制御器が前記燃料電池の前記発電の短期運転停止を選択するための第 2のモード選択指令入力部を更に備え、前記制御器が、前記第 2のモード選択指令入力部から前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されない場合には前記排水弁を開放して排水をさせるので、状況に応じて燃料電池システムにおける水の凍結を適切にかつ確実に防止することが可能になる。 [0042] この場合、前記制御器が、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して排水をさせる。

[0043] かかる構成とすると、前記制御器が、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して排水をさせるので、前記短期運転停止の際における燃料電池システムでの水の凍結を効果的にかつ確実に防止することが可能になる。

[0044] 又、上記の場合、前記制御器が前記燃料電池の前記発電の長期運転停止又は短期運転停止を選択するための第 3のモード選択指令入力部を更に備え、前記制御器が、前記第 3のモード選択指令入力部から前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力された場合には前記排水弁を開放して前記排水をさせ、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおレ、て少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させる。

[0045] かかる構成とすると、前記制御器が前記燃料電池の前記発電の長期運転停止又は短期運転停止を選択するための第 3のモード選択指令入力部を更に備え、前記第 3のモード選択指令入力部から前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力された場合には前記排水弁を開放して前記排水をさせ、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させるので、前記燃料電池の前記発電の長期運転停止又は短期運転停止に応じて燃料電池システムにおける水の凍結を適切にかつ確実に防止することが可能になる。

[0046] この場合、前記制御器が、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して前記排水をさせる。 [0047] かかる構成とすると、前記制御器が、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して前記排水をさせるので、前記短期運転停止の際における燃料電池システムでの水の凍結を効果的にかつ確実に防止することが可能になる。

発明の効果

[0048] 本発明は以上に述べたような手段で実施され、過大なエネルギーの損失を生ずることなぐかつ煩雑な監視や操作を行う必要がなぐ機動性の欠如を抑制しながら簡便にして発電運転の停止期間中における水の凍結を効果的に防止する、安全性を備えかつ運転機能の維持及び管理が容易な燃料電池システムを提供することが可肯になる。

図面の簡単な説明

[0049] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態 1に示す燃料電池システムの要部の構成を模式的に示す構成図である。

[図 2]図 2は、本発明の実施の形態 1に示す燃料電池システムの動作を示すフローチヤートである。

[図 3]図 3は、本発明の実施の形態 2に示す燃料電池システムの要部の構成を模式的に示す構成図である。

[図 4]図 4は、本発明の実施の形態 3に示す燃料電池システムの要部の構成を模式的に示す構成図である。

[図 5]図 5は、本発明の実施の形態 4に示す燃料電池システムの要部の構成を模式的に示す構成図である。

[図 6]図 6は、本発明の実施の形態 4に示す燃料電池システムの動作を示すフローチヤートである。

符号の説明

[0050] 1 燃料電池

2 燃料供給装置

3 酸化剤供給装置加湿装置

残存燃料排出部残存酸化剤排出部冷却水タンク給水タンク熱回収熱交換器貯湯タンク給水管

浄水器

残存酸化剤凝縮器残存燃料凝縮器バックアップヒータ給湯口

, 18, 20 温度検知器補水管

, 22, 23 送水ポンプ加熱器

, 26, 27 排水弁パーナ

改質器

流路切替弁温水循環流路冷却水循環流路補給水循環流路バイパス流路電磁弁

畜 ¾-ø&·

外気温検知器 38 弁制御器

41 制御器

42 停止スィッチ

43 長期停止ボタン

44 短期停止ボタン

45 加熱ボタン

46 起動スィッチ

47, 48， 49 開閉弁

100〜400 燃料電池システム

発明を実施するための最良の形態

[0051] 以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

[0052] 尚、本発明に係る実施の形態では、温度検出器としては熱電対ゃサーミスタ等を、送水機器としては流量や必要となる圧力に応じてプランジャーポンプゃギヤードボンプ等を、又、水の流通流路の開閉機器としては手動若しくは電磁動作の開閉バルブ等を、更に、加熱器としてはシーズヒータや電磁誘導加熱器若しくは燃焼熱を利用するパーナ等を適宜選択及び使用することが可能であるが、これらは何れも燃料電池システムにおいて従来から一般的に使用されているため、以下の説明では、それらの構成や動作等に関する説明は省略する。

[0053] 又、燃料電池システムの運転制御に関する回路構成及び動作についても、通常のエネルギー機器において用レ、られる一般的な回路構成及び動作を適用することができるので、以下の説明では、それらに関する詳細な説明及び図示は省略する。

[0054] (実施の形態 1)

図 1は、本発明の実施の形態 1に示す燃料電池システムの構成を模式的に示す構成図である。尚、図 1では、本発明の概念を説明するために必要となる構成要素のみを図示しており、不要な構成要素については、その図示を省略している。

[0055] 図 1に示すように、本発明の実施の形態 1に示す燃料電池システム 100は、高分子イオン交換膜をその電解質膜として備える燃料電池 1と、この燃料電池 1に水素を豊富に含む燃料ガスを供給する燃料供給装置 2と、この燃料電池 1に酸素を含む酸化剤ガスとしての空気を大気中から吸引して加圧供給する酸化剤供給装置 3と、この酸化剤供給装置 3が供給する空気を燃料電池 1に供給する前に水蒸気を利用して加湿及び加熱する加湿装置 4と、燃料電池 1の内部に循環させる冷却水を貯蔵する冷却水タンク 7とを備えている。冷却水タンク 7は、その内部に冷却水を加熱するための加熱器 24を有している。

[0056] 又、図 1に示すように、この燃料電池システム 100は、燃料電池 1において消費されずに残った燃料ガスを排出するための残存燃料排出部 5と、燃料電池 1において消費されずに残った酸化剤ガスを排出するための残存酸化剤排出部 6とを備えている。そして、この燃料電池システム 100は、残存燃料排出部 5における所定の位置に、余剰の燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮分離するための残存燃料凝縮器 14を備えている。又、この燃料電池システム 100は、残存酸化剤排出部 6における所定の位置に、余剰の酸化剤ガスに含まれる水蒸気を凝縮分離するための残存酸化剤凝縮器 1 3を備えている。これらの残存酸化剤凝縮器 13及び残存燃料凝縮器 14によって凝縮分離された水は、所定の流路を通過して、後述する給水タンク 8に導入される。

[0057] 又、図 1に示すように、この燃料電池システム 100は、残存酸化剤凝縮器 13及び残存燃料凝縮器 14によって凝縮分離された水を貯蔵する給水タンク 8と、この給水タンク 8に貯蔵された水を浄化するイオン交換樹脂が充填された浄水器 12とを備えている。給水タンク 8に貯蔵される水は、浄水器 12を経て浄化された後、所定の流路を経て冷却水タンク 7に供給される。又、冷却水タンク 7において余剰となった冷却水は、オーバーフローにより冷却水タンク 7から排出された後、所定の流路を経て給水タンク 8に再び貯蔵される。尚、図 1に示すように、給水タンク 8には、給水タンク 8に貯蔵される水の量が不足した場合に外部から水を供給するための補水管 19が接続されている。

[0058] 又、図 1に示すように、この燃料電池システム 100は、燃料電池 1で発生して冷却水により搬出される熱を回収及び交換する熱回収熱交換器 9と、この熱回収熱交換器 9 により昇温した温水を貯蔵する貯湯タンク 10を備えている。つまり、燃料電池システム 100では、燃料電池 1で発生する熱が熱回収熱交換器 9を介して貯湯タンク 10に供給されるよう熱移動経路が構成されている。尚、図 1に示すように、貯湯タンク 10には、貯湯タンク 10に原水を供給するための給水管 11が接続されている。又、貯湯タンク 10の上部には、貯湯タンク 10に貯蔵された温水を利用する際に利用する給湯口 16が接続されている。

[0059] 又、図 1に示すように、この燃料電池システム 100は、冷却水タンク 7、給水タンク 8、及び貯湯タンク 10の所定の位置に、各々の内部に貯蔵されている水の温度を計測するための温度検知器 17、温度検知器 18、温度検知器 20を各々備えている。

[0060] 又、図 1に示すように、この燃料電池システム 100は、燃料電池 1と加湿装置 4と熱回収熱交換器 9と冷却水タンク 7とを経由して冷却水を循環させるための冷却水循環流路 32と、熱回収熱交換器 9と貯湯タンク 10との間で温水等を循環させための温水循環流路 31と、冷却水タンク 7と給水タンク 8との間で水を循環させるための補給水循環流路 33とを、各々独立した水循環流路として備えている。又、これらの温水循環流路 31及び冷却水循環流路 32及び補給水循環流路 33における所定の位置には、水を循環させるための送水ポンプ 21及び送水ポンプ 22及び送水ポンプ 23が配設されている。又、温水循環流路 31における所定の位置には、温水等を排出するための排水弁 25が配設されている。又、冷却水タンク 7における所定の位置には、冷却水を排出するための排水弁 26が配設されている。又、給水タンク 8における所定の位置には、水を排出するための排水弁 27が配設されている。

[0061] 更に、図 1に示すように、この燃料電池システム 100は、制御器 41を備えている。この制御器 41は、マイコン等の演算装置で構成され、燃料電池システム 100の所要の構成要素を制御して該燃料電池システム 100の動作を制御する。ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけではなぐ複数の制御器が協働して制御を実行する制御器群をも意味する。よって、制御器 41は、必ずしも単独の制御器で構成される必要はなぐ複数の制御器が分散配置されていて、それらが協働して燃料電池 100の動作を制御するように構成されていてもよい。例えば、制御器 41は、後述する弁制御器 38を含むように構成されてレ、てもよレ、。

[0062] 又、図 1に示すように、制御器 41は、指令を制御器 41に入力する手段として、複数のスィッチ及びボタンを備えている。具体的には、この制御器 41は、燃料電池システム 100の運転停止を制御するための停止スィッチ 42と、起動を制御するための起動スィッチ 46と、停止条件を選択及び決定するための操作部としての長期停止ボタン 4 3及び短期停止ボタン 44と、停止中の必要時の加熱操作を選択及び実行するための加熱ボタン 45とを備えている。

[0063] 又、この制御器 41は、排水弁 25及び排水弁 26及び排水弁 27や、温度検知器 17 及び温度検知器 18及び温度検知器 20の出力信号に基づいて、送水ポンプ 21及び送水ポンプ 22及び送水ポンプ 23や加熱器 24の動作を適宜制御する。又、この制御器 41は、燃料電池システム 100を構成するその他の構成要素の動作も、必要に応じて適宜制御する。尚、図 1において破線で示すように、制御器 41と上述した温度検知器 17, 18， 20及び非水弁 25， 26, 27及び送水ポンプ 21 , 22, 23及びカロ熱器 2 4とは、所定の配線により相互に電気的に接続されている。

[0064] 次に、本実施の形態の燃料電池システム 100における水の循環形態と熱の移動形態との関係について、図面を参照しながら詳細に説明する。

[0065] 図 1に示す燃料電池 1は、燃料極及び酸素極における化学反応により、電力の生成と同時に熱を発生する。この燃料電池 1で発生する熱は、給水タンク 8から冷却水タンク 7に供給されかつ送水ポンプ 22の運転によって冷却水循環流路 32の内部を循環する冷却水により、燃料電池 1からその外部に搬出される。つまり、燃料電池 1は、発電運転の際、温度上昇した冷却水を排出する。

[0066] 燃料電池 1から排出された温度上昇した冷却水の一部は、加湿装置 4を通過する際、酸化剤供給装置 3が供給する空気の加湿及び加温のために利用される。一方、加湿装置 4を通過した、加湿装置 4での空気の加湿及びカ卩温のために利用されなかつた高温状態の冷却水は、熱回収熱交換器 9において、温水循環流路 31を流れる水を加熱するために利用される。そして、熱回収熱交換器 9における熱交換により冷却された冷却水は、冷却水タンク 7に再び貯蔵され、燃料電池 1を冷却するために再び利用される。

[0067] 尚、燃料電池システム 100の起動時は、冷却水タンク 7の内部に配設された加熱器 24に通電することにより、冷却水タンク 7及び冷却水循環流路 32の内部の冷却水を加熱及び昇温する。これにより、燃料電池 1及び加湿装置 4の昇温操作が行われる。 [0068] このように、本実施の形態の燃料電池システム 100では、燃料電池 1で発生する熱を加湿装置 4及び熱回収熱交換器 9に冷却水を媒体として搬送する一連の熱搬送を行うことにより、発電運転の際に発熱する燃料電池 1の冷却が行われる。

[0069] 又、貯湯タンク 10に貯蔵される水は、送水ポンプ 21の動作により、温水循環流路 3 1を流れて熱回収熱交換器 9を経由して貯湯タンク 10へと環流される。この際、給水管 11により供給された冷水は、貯湯タンク 10の下方から引き出され、熱回収熱交換器 9において熱を伝達されて昇温した後、貯湯タンク 10の上方に戻される。かかる構成とすることにより、熱回収熱交換器 9において加熱された温水が貯湯タンク 10の上方から下方に向けて徐々に貯蔵されるので、燃料電池システム 100の発電運転の初期力、ら貯湯タンク 10の上部に設けられた給湯口 16を通して高温の温水を得ることが可能になる。

[0070] 又、給水タンク 8に貯蔵された水は、必要に応じて送水ポンプ 23が駆動されることにより、浄水器 12においてイオン交換により浄化された後、補給水循環流路 33を介して冷却水タンク 7に供給される。尚、残存酸化剤凝縮器 13及び残存燃料凝縮器 1 4により凝縮分離された水の量が不足して、給水タンク 8における貯水量が不足する場合は、補水管 19を通して燃料電池システム 100の外部から給水タンク 8に水が補填される。そして、給水タンク 8における貯水量が復帰した後、給水タンク 8に貯蔵された水は、必要に応じて、補給水循環流路 33を介して冷却水タンク 7に供給される。

[0071] 送水ポンプ 23は、加湿装置 4において冷却水が消費され、冷却水タンク 7における貯水量が低下した場合に適宜駆動される。この際、冷却水タンク 7における貯水量が余剰となった場合には、オーバーフローにより冷却水が給水タンク 8に戻される。これにより、冷却水タンク 7における貯水量が適切に制御される。

[0072] 尚、冷却水循環流路 32と補給水循環流路 33との双方が接続されている冷却水タンク 7では、冷却水循環流路 32から供給される冷却水と補給水循環流路 33から供給される水とが混合する。つまり、冷却水タンク 7では、冷却水循環流路 32から供給される冷却水と補給水循環流路 33から供給される水との間で熱の交換が行われる。しかし、給水タンク 8から冷却水タンク 7への水の補填は、冷却水タンク 7における貯水量が低下した場合にのみ行われるので、給水タンク 8及び補給水循環流路 33における水の温度が大幅に上昇することはない。従って、浄水器 12において、イオン交換樹脂が熱により破壊されることはない。

[0073] 次に、本発明を特徴付ける、燃料電池システム 100の発電運転の停止期間中に水が凍結することを防止するための動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。

[0074] 図 2は、本発明の実施の形態 1に示す燃料電池システムの動作を示すフローチヤートである。

[0075] 本実施の形態の燃料電池システム 100では、その発電運転を停止する際、図 1に示す制御器 41の停止スィッチ 42を押すことにより、燃料供給装置 2から燃料電池 1 への燃料ガスの供給と、酸化剤供給装置 3から燃料電池 1への酸化剤ガスの供給とが各々停止する。これにより、燃料電池 1における発電のための化学反応が停止するので、燃料電池 1での熱の発生が停止する。又、制御器 41は、燃料電池 1での熱の発生の停止に伴い、温度検知器 17及び温度検知器 18及び温度検知器 20が検出する冷却水タンク 7内の冷却水の温度及び給水タンク 8内の水の温度及び貯湯タンク 10内の温水の温度が各々所定の温度以下にまで低下したことを確認すると、送水ポンプ 21及び送水ポンプ 22及び送水ポンプ 23の動作を停止する。これにより、温水循環流路 31及び冷却水循環流路 32及び補給水循環流路 33における温水及び冷却水及び補給水の移動が各々停止するので、燃料電池システム 100における熱の循環移動が停止する。

[0076] 燃料電池 1での熱の発生が停止すると共に、燃料電池システム 100における熱の循環移動が停止すると、燃料電池システム 100を構成する構成要素の温度は、燃料電池システム 100が配設されている場所の周囲環境の温度に導かれて、経時的に低下し始める。この際、通常は、熱容量が比較的小さくかつ外気への露出表面積が比較的大きい配管部分の温度が比較的早く低下して、貯湯タンク 10や燃料電池 1等の熱容量が比較的大きい構成要素の温度は遅れて低下する。そのため、外気温が氷点下に到達する場合でも、燃料電池システム 100の内部における全ての水が凍結するまでには、数時間以上の長時間を必要とする。

[0077] しかしながら、図 1に示す温水循環流路 31及び冷却水循環流路 32及び補給水循環流路 33等の水が循環する流路において、その水の循環流路の一部にでも水の凍結が発生すると、その水の凍結により水の循環が阻害されるので、燃料電池システム 100を正常に再起動することはできない。この場合、燃料電池システム 100を正常に起動するためには、何らかの外的手段（例えば、温風や熱湯等により水が凍結した部分を融解させる等）により、その始動性を確保しなければならない。

[0078] 又、上述した水の循環流路において水が凍結すると、その水の凍結に伴う体積増加による膨張応力によって配管が破壊されることも多々あるため、発電運転の停止後における比較的早い段階 (例えば、場合によっては、 2〜3時間）で、燃料電池システム 100の動作不能状態を招くこともある。

[0079] そこで、図 2に示すように、本実施の形態では、停止スィッチ 42を操作して燃料電池システム 100の発電運転の停止操作 (ステップ S41)を行った後、その発電運転の停止操作が長期間発電運転を停止する燃料電池システム 100を休眠状態に移行させるための長期運転停止モードか、或いは、短期間の運転休止の後に再起動待機状態に移行する短期運転停止モードかの何れかのモードであるかを確定するために、ユーザが制御器 41の長期停止ボタン 43及び短期停止ボタン 44の何れかを選択及び操作して、停止操作のモードを選択する（ステップ S42)。

[0080] 制御器 41は、ユーザが燃料電池システム 100の状態を休眠状態に移行するために長期停止ボタン 43を選択及び操作すると、所定の保温動作を行わないと判定する (ステップ S43で NO)。

[0081] この場合、制御器 41は予めその記憶装置に設定された動作条件に従い (ステップ

544)、燃料電池システム 100から水を排出する排水処理動作に移行する（ステップ

545)。そして、制御器 41は、所定の指令信号を出力することにより、図 1に示す排水弁 25及び排水弁 26及び排水弁 27を開放する（ステップ S46)。これにより、制御器 4 1は、温水循環流路 31及び冷却水循環流路 32及び補給水循環流路 33、及び、冷却水タンク 7及び給水タンク 8及び貯湯タンク 10の各々から、水を燃料電池システム 1 00の外部に完全に排出する。

[0082] 燃料電池システム 100からの水の排出が完全に完了して、制御器 41により排水が完全に完了したことを確認するための所定の処理 (例えば、時間制御、センサによる残留水量確認制御等）が完了すると、制御器 41は、所定の指令信号を出力することにより、排水弁 25及び排水弁 26及び排水弁 27を閉鎖する（ステップ S47)。このステップ S47に示す動作により、温水循環流路 31及び冷却水循環流路 32及び補給水循環流路 33、及び、冷却水タンク 7及び給水タンク 8及び貯湯タンク 10の各々は閉塞状態を維持するので、それらの不要な乾燥が防止される。

[0083] ついで、制御器 41は、排水弁 25及び排水弁 26及び排水弁 27の状態が閉鎖状態に完全に移行したことを確認すると、燃料電池システム 100を構成する各構成要素への電力の供給を停止する。そして、制御器 41は、燃料電池システム 100の動作を完全に停止する。これにより、燃料電池システム 100は、長時間発電運転を行わない休眠状態に移行する (ステップ S48)。

[0084] 一方、制御器 41は、ユーザが燃料電池システム 100の状態を再起動待機状態に移行するために短期停止ボタン 44を選択及び操作すると、所定の保温動作を行うことを判定する（ステップ S43で YES)。

[0085] この場合、制御器 41は、冷却水タンク 7及び給水タンク 8及び貯湯タンク 10の各々に設けられている温度検知器 17及び温度検知器 18及び温度検知器 20により検知される温度を各々確認する（ステップ S49)。そして、制御器 41は、保温が必要か否力を判定する（ステップ S 50)。

[0086] 具体的には、制御器 41は、温度検知器 17及び温度検知器 18及び温度検知器 20 により検知される各々の温度の何れかの温度力水の凍結温度領域 (例えば、 3°C 〜0°C)に近づいたか否かを判定する。例えば、制御器 41は、水の凍結温度領域に基づき、燃料電池システム 100の安全性を考慮して設定された所定の閾値温度（例えば、 3°C)を下回る温度を検知する温度検知器の有無を判定する。

[0087] そして、制御器 41は、温度検知器 17及び温度検知器 18及び温度検知器 20の何れの温度検知器も上述した所定の閾値温度を下回る温度を検知しない場合、所定の保温動作が不要であることを判定する（ステップ S50で NO)。そして、制御器 41は、ステップ S49に戻り、冷却水タンク 7及び給水タンク 8及び貯湯タンク 10の各々に設けられている温度検知器 17及び温度検知器 18及び温度検知器 20により検知される温度が所定の閾値温度を下回るまでこれらを繰り返し確認するようにして、適当な検知周期で、ステップ S49とステップ S50とを繰り返し実行する。

[0088] 一方、制御器 41は、温度検知器 17及び温度検知器 18及び温度検知器 20の何れかの温度検知器が上述した所定の閾値温度を下回る温度を検知した場合、所定の保温動作が必要であることを判定する（ステップ S50で YES)。

[0089] この場合、制御器 41は、温度検知器 17又は温度検知器 18又は温度検知器 20が検知する温度に基づき、その所定の保温動作の熱源となる冷却水タンク 7又は給水タンク 8又は貯湯タンク 10に貯蔵されている水を加熱する必要が有るか否かについて判定する。そして、制御器 41は、水を加熱する必要が一切ないと判定した場合 (ステツプ S51で NO)、燃料電池システム 100の内部に存在する水を所定の保温動作のための熱源として用いて、所定の保温動作としての水の循環動作を実行する（ステップ S53)。

[0090] 以下、ステップ S53における水の循環動作について詳細に説明する。

[0091] 図 1に示すように、本実施の形態の燃料電池システム 100は、温水循環流路 31及び冷却水循環流路 32及び補給水循環流路 33の、 3つの水の循環流路を備えてレ、る。これらの水の循環流路の内、通常の発電運転の際は、燃料電池 1の内部を環流する冷却水循環流路 32における水の温度が最も高温となり、冷却水タンク 7と給水タンク 8との間をオーバーフローしながら循環する補給水循環流路 33における水の温度は比較的低い温度となる。又、貯湯タンク 10に連通する温水循環流路 31を循環する水の温度は、発電運転の初期では比較的低温であるが、発電運転時間の経過と共に徐々に昇温する。そして、発電運転時間が経過して、高温状態の温水の S宁湯が進んだ状態では、温水循環流路 31を循環する水は大きな熱容量を蓄積及び保有する。

[0092] 一方、燃料電池システム 100の発電運転を停止した場合、貯水容量が比較的少なくかつ熱容量が比較的小さレ、冷却水タンク 7及び給水タンク 8や、外気への露出表面積が比較的大きい配管部分の温度は比較的早く低下して、貯湯タンク 10や燃料電池 1等の熱容量が比較的大きい構成要素の温度は遅れて低下する。

[0093] そこで、本実施の形態の燃料電池システム 100では、例えば、冷却水タンク 7や給水タンク 8に貯蔵される水の温度が所定の閾値温度（例えば、 3°C)を下回った場合でも、貯湯タンク 10に 70°C以上の温水が貯蔵されている場合には、制御器 41の制御により送水ポンプ 21を駆動して、貯湯タンク 10に貯蔵されてレ、る温水を温水循環流路 31において循環させる。この場合、送水ポンプ 21の送水方向を通常の発電運転時の場合に対して逆方向にして、貯湯タンク 10の上方からより高温状態の温水を汲み出して温水循環流路 31において循環させることにより、燃料電池システム 100 において所定の保温動作をより効果的に行うことが可能となる。

[0094] 又、この際、制御器 41は、送水ポンプ 21の駆動と同時に、送水ポンプ 22を駆動して、冷却水タンク 7に貯蔵されている冷却水を冷却水循環流路 32において循環させる。これにより、熱回収熱交換器 9において冷却水循環流路 32を循環する冷却水と温水循環流路 31を循環する温水との間で熱の交換が行われ、冷却水循環流路 32 を循環する冷却水の温度が上昇するので、冷却水タンク 7に貯蔵される冷却水の温度を所定の閾値温度以上の温度とすることが可能になる。つまり、燃料電池システム 100において、冷却水タンク 7及び冷却水循環流路 32における冷却水の凍結を防止することが可能なる。

[0095] 又、この際、制御器 41は、送水ポンプ 21及び送水ポンプ 22の駆動と同時に、送水ポンプ 23を駆動して、給水タンク 8に貯蔵されている水を補給水循環流路 33において冷却水タンク 7との間で循環させる。これにより、冷却水タンク 7において、熱回収熱交換器 9における熱交換により温度上昇した冷却水と給水タンク 8から供給される水とが混合して、その混合により温度上昇した水がオーバーフローにより補給水循環流路 33を介して給水タンク 8に戻されるので、給水水タンク 8に貯蔵される水の温度を所定の閾値温度以上の温度とすることが可能になる。つまり、燃料電池システム 10 0において、給水タンク 8及び補給水循環流路 33における水の凍結を防止することが可能なる。

[0096] 力、かるステップ S53における水の循環動作は、水が凍結し得る低温部分が燃料電池システム 100における如何なる箇所に生じた場合でも行い得る、非加熱型の保温動作である。又、このステップ S53における水の循環動作によれば、温水循環流路 3 1及び冷却水循環流路 32及び補給水循環流路 33を水が循環する間に貯湯タンク 1 0が蓄積及び保有する熱を分かち合うことになるので、例えば、温水を利用することが少ない夜間の発電運転の停止期間において水の凍結を防止する有効な手段となる

[0097] ところで、本実施の形態では、冷却水タンク 7及び給水タンク 8に貝宁蔵される水の温度が所定の閾値温度を下回りかつ貯湯タンク 10に 70°C以上の温水が貯蔵されている場合を一例に挙げて説明したが、ステップ S53における水の循環動作の形態や、水の凍結を防止するために用いる熱源の種類としては、様々な形態及び種類が考えられる。

[0098] 例えば、冷却水タンク 7及び給水タンク 8に貯蔵される水の温度が所定の閾値温度を下回っている場合、水の凍結を防止するために用いる熱源として貯湯タンク 10を用いなくても、その熱容量が大きく温度低下し難い燃料電池 1を熱源として用いることも可能である。この場合、制御器 41は、送水ポンプ 21を駆動せず、温水循環流路 3 1における温水の循環を行わなレ、。そして、制御器 41は、送水ポンプ 22を駆動することにより、冷却水循環流路 32において冷却水を循環させる。これにより、燃料電池 1におレ、て加熱された冷却水が冷却水循環流路 32を循環するので、冷却水タンク 7 及び冷却水循環流路 32における冷却水の凍結を防止することが可能なる。

[0099] 又、この際、制御器 41は、送水ポンプ 23を駆動することにより、補給水循環流路 33 において水を循環させる。これにより、冷却水タンク 7において、温度上昇した冷却水と給水タンク 8から供給される水とが混合して、その混合により温度上昇した水がォーバーフローにより補給水循環流路 33を介して給水タンク 8に戻されるので、給水タンク 8及び補給水循環流路 33における水の凍結を防止することが可能なる。

[0100] 又、場合によっては、温水循環流路 31における温水の循環を停止して、冷却水循環流路 32又は補給水循環流路 33の何れかで水を単独で循環させることも可能である。或いは、これらの冷却水循環流路 32及び補給水循環流路 33の両者において水を同時に循環させて、給水タンク 8や燃料電池 1が保有する熱で、冷却水タンク 7、給水タンク 8、貯湯タンク 10、及びそれらに関連する配管内の温度を上昇させること等も可能である。

[0101] つまり、本実施の形態では、燃料電池 1、冷却水タンク 7、給水タンク 8、貯湯タンク 10等の少なくとも何れかの状態が水の凍結を防止するための熱源として利用可能な状態であれば、如何なる構成要素であっても熱源として利用することが可能である。又、選択される熱源としての構成要素に応じて水の循環動作の形態を適切に選択して、温水循環流路 31及び冷却水循環流路 32及び補給水循環流路 33の少なくとも何れかの水の循環流路において水を循環させることにより、燃料電池システム 100における水の凍結を防止することが可能になる。

[0102] 又、図 2に示すように、予め予測されたパターン力ステップ S53に示す水の循環動作の動作条件を適宜選択及び設定して (ステップ S52)、この選択及び設定した動作条件に基づレ、て水の循環動作を行レヽ (ステップ S53)、これにより燃料電池システム 100における水の凍結を防止することも可能である。

[0103] 力、くして、本発明によれば、送水ポンプ 21〜送水ポンプ 23等を駆動するという最小限の動作のみにより、燃料電池システム 100における低温箇所での水の凍結を確実に防止することができる。又、最終的には、燃料電池システム 100の全体で保有する蓄積熱を有効に利用し得ることになる。尚、図 2に示すように、ステップ S54において水の循環動作を行っている間も、温度検知器 17及び温度検知器 18及び温度検知器 20による各部位の温度確認 (ステップ S49)を適宜行い、燃料電池システム 100の状況を適宜確認することは当然である（ステップ S49〜ステップ S53)。

[0104] 一方、制御器 41は、温度検知器 17又は温度検知器 18又は温度検知器 20が検知する温度に基づき、燃料電池システム 100において水の凍結を防止するための熱源がー切ないと判定して、水を加熱する必要が有ると判定した場合 (ステップ S51で YE S)、水の加熱操作を実行する（ステップ S56)。

[0105] 例えば、制御器 41は、温度検知器 17が検知する冷却水タンク 7の冷却水の温度が閾値温度の 1°C以下である 0. 5°Cであることを確認すると、制御部 41の加熱ボタン 4 5がユーザにより押されていた場合 (ステップ S55で YES)、冷却水タンク 7の内部に配設されている加熱器 24に所定の電力を供給することにより、冷却水タンク 7の冷却水の温度力 Sl°Cに到達するまで加熱する。この際、加熱器 24に対する電力の供給は、冷却水の温度が著しく高温に到達するまで行う必要はない。つまり、この加熱器 24 への電力の供給は、冷却水の温度が水の凍結を防止することができる程度の温度に到達するまで行えば足りる。又、この際、加熱器 24への電力の供給は、温度検知器 17による冷却水の温度確認（ステップ S49)を行いながら（ステップ S49〜ステップ S 51、ステップ S56)、制御器 41により適宜制御される。

[0106] 尚、ステップ S51において、水を加熱する必要が有るか否かを判定するための閾値温度（例えば、 1°C)は、ステップ S50で適用する所定の閾値温度と同一の温度としてもよぐ又、異なる温度としてもよレ、。この場合、上述の如ぐステップ S51で適用する閾値温度をステップ S50で適用する所定の閾値温度よりも低い温度に設定することにより、加熱器 24に供給する電力量を抑えることができるので、より一層エネルギーの消費を抑えた制御を行うことが可能になる。

[0107] そして、制御器 41は、温度検知器 17が検知する冷却水タンク 7の冷却水の温度が閾値温度と等しい 1°Cに到達したことを確認すると、この冷却水タンク 7を所定の保温動作のための熱源として用レ、、冷却水循環流路 32において冷却水を循環させて、所定の保温動作としての水の循環動作を実行する（ステップ S53)。

[0108] 一方、上述したように、水の加熱が必要であると判定された場合 (ステップ S51で Y ES)において加熱ボタン 45が押されていない場合、ステップ S56に示す水の加熱操作やステップ S53に示す水の循環動作を実行することなぐステップ S42に示すモード選択の実行に戻り（ステップ S55で NO)、手動操作若しくは自動操作により、燃料電池システム 100を休眠状態に移行させる長期運転停止モード（ステップ S43で NO )へ切り替えることも可能である。例えば、周知の制御操作であるため詳細な説明は行わないが、冷却水タンク 7における冷却水の温度が所定の閾値温度（例えば、 3°C )以下の閾値温度（例えば、 1°C)以下の温度である場合、水の加熱操作 (ステップ S 56)及び水の循環動作 (ステップ S53)を実行することなぐステップ S42に戻り、燃料電池システム 100を休眠状態に移行させる長期運転停止モードの場合の動作に導くことが可能である。

[0109] 又、図 2に示すように、所定の保温動作が必要であると判定され (ステップ S50で Y ES)、水を加熱する必要がないと判定され (ステップ S51で NO)、ステップ S53に示す水の循環動作を実行した後、ステップ S49に示す温度確認に基づいて水の加熱が必要であると判定された場合も（ステップ S51で YES)、ステップ S42に示すモード選択の実行に戻り、燃料電池システム 100を休眠状態に移行させる長期運転停止モード（ステップ S43で NO)へ切り替えることが可能である。このような制御は、制御器 4 1に備えられた加熱ボタン 45をユーザが押さないことにより、必要に応じて選択できる。これらの場合、制御器 41は、予め制御器 41の記憶装置に設定された動作条件に従い（ステップ S54)、長期運転停止モードへ切り替える。

[0110] このような構成とすることにより、燃料電池システム 100が蓄積している熱に余裕がある間のみ所定の保温動作を実行して、加熱器 24への電力の供給は行わなレ、ので、エネルギーを大量に消費することなぐ発電運転の停止期間中における水の凍結を防止することが可能になる。

[0111] 又、図 2に示すように、本実施の形態では、予めステップ S42としてモード選択のステツプを設けている力このモード選択のステップは必須なステップではなレ、。つまり、ステップ S41に示す燃料電池システム 100の発電運転の停止操作が行われた後、制御器 41が温度検知器 17及び温度検知器 18及び温度検知器 20により冷却水タンク 7及び給水タンク 8及び貯湯タンク 10が貯蔵する水を各々加熱する必要があると判定した場合には、自動的にステップ S44〜ステップ S48に示す排水制御が実行される、モード選択なしでの 1制御系統としてもよい。力かる構成としても、エネルギーを大量に消費することなぐ発電運転の停止期間中における水の凍結を防止することが可能になる。

[0112] 又、本実施の形態では、制御器 41が長期停止ボタン 43及び短期停止ボタン 44の両方を備える形態について説明したが、この形態に限定されることはなぐ長期停止ボタン 43又は短期停止ボタン 44の何れか一方のみを備える形態としてもよい。

[0113] 例えば、制御器 41が長期停止ボタン 43のみを備え、ユーザによりこの長期停止ボタン 43が押された場合、制御器 41は排水弁 25及び排水弁 26及び排水弁 27を開放して、貯湯タンク 10及び冷却水タンク 7及び給水タンク 8から排水させる。一方、ユーザにより長期停止ボタン 43が押されなかった場合で、温度検知器 17及び温度検知器 18及び温度検知器 20が検知する水温の何れかが所定の閾値温度未満である場合には、制御器 41は温水循環流路 31及び冷却水循環流路 32及び補給水循環流路 33の少なくとも何れかにおいて水を循環させる。又、温度検知器 17及び温度検知器 18及び温度検知器 20が検知する水温の何れもが所定の閾値温度未満である場合には、制御器 41は排水弁 25及び排水弁 26及び排水弁 27を開放して貯湯タンク 10及び冷却水タンク 7及び給水タンク 8から排水させる。

[0114] 又、例えば、制御器 41が短期停止ボタン 44のみを備え、ユーザによりこの短期停止ボタン ₄₄が押された場合で、温度検知器 17及び温度検知器 18及び温度検知器 20が検知する水温の何れかが所定の閾値温度未満である場合には、制御器 41は温水循環流路 31及び冷却水循環流路 32及び補給水循環流路 33の少なくとも何れかにおいて水を循環させる。又、温度検知器 17及び温度検知器 18及び温度検知器 20が検知する水温の何れもが所定の閾値温度未満である場合には、制御器 41 は排水弁 25及び排水弁 26及び排水弁 27を開放して貯湯タンク 10及び冷却水タンク 7及び給水タンク 8から排水させる。一方、ユーザにより短期停止ボタン 44が押されなかった場合、制御器 41は排水弁 25及び排水弁 26及び排水弁 27を開放して、貯湯タンク 10及び冷却水タンク 7及び給水タンク 8から排水させる。

[0115] このような形態としても、本実施の形態により得られる効果と同様の効果を得ることが可能である。

[0116] 以上、本実施の形態の燃料電池システム 100では、発電運転の停止操作の後、温水循環流路 31及び冷却水循環流路 32及び補給水循環流路 33に存在する各々の水を、温度検知器 17及び温度検知器 18及び温度検知器 20の各々により検知する温度に対応して単独若しくは複数同時に循環させるか (短期運転停止モードの場合 )、若しくは、排水弁 25及び排水弁 26及び排水弁 27を開放することにより排出する力 (長期運転停止モードの場合）、制御器 41の長期停止ボタン 43又は短期停止ボタン ₄₄の操作に基づいて制御器 41により制御される。これにより、燃料電池システムの内部に偏在する熱エネルギーを有効に活用した、水の凍結を防止するための保温動作を容易にかつ経済的に行うことが可能になる。

[0117] 又、本実施の形態の燃料電池システム 100では、その内部に偏在する熱エネルギ一を使い終えた場合や、燃料電池システム 100を長期休眠状態に移行させる場合には、その内部に存在する全ての水が外部に排出される。これにより、水の凍結を防止するために膨大なエネルギーを注入する必要がなレ、、経済的な維持管理が可能な燃料電池システムを提供することが可能になる。 [0118] 又、本実施の形態の燃料電池システム 100では、短期間の運転休止の後に速やかに再起動が望まれる短期運転停止モードが選択された場合で、その内部に蓄積された所定の保温動作のための熱エネルギーが不足する場合には、加熱器等により必要最小限のエネルギーを用いて水を加熱しかつ循環させる。これにより、水の凍結を確実に防止することができると共に、再起動を容易に行い得る運転待機状態を維持可能な燃料電池システムを提供することが可能になる。

[0119] 又、本実施の形態の燃料電池システム 100によれば、発電運転の停止操作後、燃料電池システム 100を長期間休止させるのか短期間休止させるのかを選択及び操作するだけの簡便性を確保した運転制御により、維持及び管理の確実性と経済性、及びエネルギー供給装置としての需要対応性を最適に維持及び確保することが可能になる。又、発電運転の停止前の運転経緯により種々に変化する内部温度状態に関わりなぐ必要条件を適切に判定しかつ柔軟に対応可能な特性を有し、エネルギーの損失が少なく再起動性や安全性の確保に有効な燃料電池システムを提供することが可能になる。

[0120] (実施の形態 2)

本発明の実施の形態 2では、燃料電池システムが燃料供給装置として改質器とカロ熱器とを具備しており、この加熱器が発生する熱を利用して水の凍結を防止する形態について例示する。

[0121] 図 3は、本発明の実施の形態 2に示す燃料電池システムの構成を模式的に示す構成図である。尚、図 3では、本発明の概念を説明するために必要となる構成要素のみを図示しており、不要な構成要素、及び、実施の形態 1で示した共通する構成要素については、その図示を省略している。

[0122] 又、図 3において、図 1に示す構成要素と同様の構成要素については、図 1で付した符号と同様の符号を付している。

[0123] 図 3に示すように、本発明の実施の形態 2に示す燃料電池システム 200は、燃料供給装置 2として、供給される都市ガス、メタン、天然ガス、メタノール等に例示される少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料から接触改質のための改質触媒を用いて燃料ガスとしての改質ガスを生成する改質器 29と、この改質器 29 の温度を接触改質のための適切な温度に加熱及び維持するためのパーナ 28とを備えている。尚、燃料電池システム 200の発電運転の際、上述した原料は、パーナ 28 と改質器 29との双方に供給される。

[0124] 又、図 3に示すように、この燃料電池システム 200は、送水ポンプ 22の動作により冷却水タンク 7、燃料電池 1、加湿装置 4、及び、熱回収熱交換器 9を通って冷却水を循環させる冷却水循環流路 32における燃料電池 1と加湿装置 4との間に、一対の流路切替弁 30, 30を備えている。これらの一対の流路切替弁 30， 30は、各々三方弁により構成されている。

[0125] 又、図 3に示すように、この燃料電池システム 200は、一方の流路切替弁 30と他方の流路切替弁 30とを通って接続するバイパス流路 34を備えている。そして、このバイパス流路 34における図 3では左方に位置する U字状の折り返し部力パーナ 28の内部に配置されている。

[0126] つまり、本実施の形態の燃料電池システム 200は、流路切替弁 30, 30が適切に操作されることにより、冷却水循環流路 32の途中にバイパス流路 34が挿入される構成を備えている。これにより、冷却水循環流路 32において、冷却水タンク 7、燃料電池 1 、加湿装置 4、熱回収熱交換器 9を通って循環される冷却水が、冷却水循環流路 32 及びバイパス流路 34において、冷却水タンク 7、燃料電池 1、パーナ 28、加湿装置 4 、熱回収熱交換器 9を通って循環されるようになる。

[0127] 又、図 3に示すように、この燃料電池システム 200は、改質器 29及びパーナ 28への原料の供給又は遮断を制御する開閉弁 47を備えている。又、この燃料電池システム 200は、改質器 29への原料の供給又は遮断を更に制御する開閉弁 48を備えている。

[0128] 尚、燃料電池システム 200を構成するその他の構成要素は、実施の形態 1で示した燃料電池システム 100の対応する構成要素と同様である。

[0129] 本実施の形態の燃料電池システム 200では、その発電運転を停止する際、制御部 41に備えられた停止スィッチ 42を押すことにより、開閉弁 48が開放状態から閉鎖状態に移行して、改質器 29への原料の供給が停止する。すると、改質器 29における改質ガスの生成が停止して、燃料電池 1への改質ガスの供給が停止するので、燃料電池 1における電力の生成と熱の発生とが停止する。この停止状態が継続されると、実施の形態 1で示した燃料電池システム 100の場合と同様、大気中への放熱により燃料電池システム 200を構成する各構成要素の温度が低下するので、冷却水循環流路 32の水の温度は、やがて水の凍結温度領域に近づく。

[0130] そこで、本実施の形態では、例えば、温度検知器 17により検知される冷却水の温度が予め設定された所定の閾値温度（例えば、 3°C)以下にまで低下したことを制御器 41が確認すると、短期停止ボタン 44及び加熱ボタン 45が押された条件下、制御器 41の指令により流路切替弁 30, 30が作動して、冷却水循環流路 32の途中にバイパス流路 34が揷入される。これにより、冷却水は、バイパス流路 34を迂回しながら冷却水循環流路 32を循環するようになる。

[0131] 又、同時に、制御器 41により開閉弁 47が開放されて、パーナ 28に原料が供給される。これにより、パーナ 28は原料を用いて燃焼を開始して、その燃焼による熱の発生を開始する。

[0132] すると、送水ポンプ 22の動作により冷却水循環流路 32を強制的に循環される冷却水の温度は、パーナ 28が生成する熱により加熱されて上昇する。つまり、本実施の形態では、燃料電池 1又は貯湯タンク 10等に代えて、燃料供給装置 2のパーナ 28を水の凍結を防止するための熱源として利用する。そして、実施の形態 1で示した燃料電池システム 100の場合と同様、この温度上昇した冷却水の熱が冷却水タンク 7及び熱回収熱交換器 9を介して他の水の循環流路に伝えられる。これにより、燃料電池システム 200における水の凍結が防止される。

[0133] 尚、本実施の形態では、パーナ 28への原料の供給量及び原料の供給又は遮断は、冷却水循環流路 32を循環する冷却水の温度が過剰に上昇することがないよう、温度検知器 17により検知される冷却水の温度に基づいて制御器 41により適切に制御される。これにより、本実施の形態では、水の凍結を防止するために必要十分な熱ェネルギーを燃料電池システム 200において得ることが可能になる。

[0134] 又、本実施の形態では、冷却水循環流路 32に流路切替弁 30, 30を設けてバイパス流路 34を揷入可能とする形態について説明したが、この形態に限定されることはなぐ温水循環流路 31又は補給水循環流路 33に流路切替弁 30， 30を設けてバイパス流路 34を挿入可能とする形態としてもよい。但し、冷却水循環流路 32に流路切替弁 30, 30を設ける形態は、燃料電池システム 200の発電運転を開始する前の予熱段階において、パーナ 28での原料の燃焼による改質器 29の昇温と同時に燃料電池 1の昇温も並行して行うことができる形態であるため、最も好適な形態である。一方、温度上昇した水の熱により浄水器 12が有するイオン交換樹脂の機能を著しく低下される恐れがあるため、補給水循環流路 33に流路切替弁 30， 30を設けてバイパス流路 34を揷入可能とする形態は好適ではない。

[0135] 又、水の凍結を継続して防止するために必要なエネルギー量は、燃料電池システム 200が設置される場所の環境温度や、燃料電池システム 200において水が存在する箇所の保温構造等により多少異なるが、通常、数ワット Z分〜数十ワット/分程度である。ところで、燃料電池システム 200では、冷却水へのエネルギーの供給は、平均化して継続して行う必要はなレ、。例えば、燃料電池システム 200では、冷却水タンク 7に貯蔵される冷却水の熱容量 (保温性）を利用して、冷却水の温度が所定の温度に到達するまでパーナ 28により加熱した後、冷却水の温度が水の凍結温度領域に至るまでパーナ 28での燃焼を停止するように、冷却水へのエネルギーの供給を間欠的に行うことも可能である。これにより、パーナ 28での微量燃焼を継続する必要がなくなるので、改質器 29の通常の加熱仕様の下で燃料電池システムにおける水の凍結を防止することが可能になる。

[0136] 以上、本実施の形態の燃料電池システム 200によれば、改質器 29で原料を改質して改質ガスを生成するために必須な構成要素であるパーナ 28を熱源として活用して、冷却水循環流路 32に流路切替弁 30， 30を付加するだけで、水の凍結を簡潔かつ容易に防止することが可能になる。

[0137] (実施の形態 3)

本発明の実施の形態 3では、燃料電池システムが通常備える、貯湯タンクが貯蔵する温水の温度を維持するためのバックアップヒータを利用して、このバックアップヒータが発生する熱を利用して水の凍結を防止する形態について例示する。

[0138] 図 4は、本発明の実施の形態 3に示す燃料電池システムの構成を模式的に示す構成図である。尚、図 4では、本発明の概念を説明するために必要となる構成要素のみを図示しており、不要な構成要素、及び、実施の形態 1及び実施の形態 2で示した共通する構成要素については、その図示を省略している。

[0139] 又、図 4において、図 1に示す構成要素と同様の構成要素については、図 1で付した符号と同様の符号を付している。

[0140] 図 4に示すように、本発明の実施の形態 3に示す燃料電池システム 300は、温水循環流路 31における所定の位置に、貯湯タンク 10が貯蔵する温水の温度を所定の温度に維持するためのバックアップヒータ 15を備えている。本実施の形態では、このバックアップヒータ 15は、熱回収熱交換器 9に向けて高温状態の温水を供給するために（又は、熱回収熱交換器 9に対して温水が有する熱を効率良く供給するために）、温水循環流路 31における貯湯タンク 10の上部から熱回収熱交換器 9に温水が流れる部分の所定の位置に配設されている。又、本実施の形態では、このバックアップヒータ 15は、図 4に示す開閉弁 49を介して供給される都市ガス等を燃焼して、この都巿ガス等の燃焼により発生する熱を用いて温水を加熱する。

[0141] 本実施の形態の燃料電池システム 300では、従来の燃料電池システムの場合と同様、例えば、貯湯タンク 10において高温状態の温水の量が不足している場合、燃料電池 1の状態が発電動作状態であってもバックアップヒータ 15が併用運転され、給湯口 16から必要に応じた量の温水の給湯を行うことが可能になる。尚、この場合、貯湯タンク 10に貯蔵される温水は、送水ポンプ 21により、送水ポンプ 21、熱回収熱交換器 9、バックアップヒータ 15、貯湯タンク 10の順で各々を通過するように循環される。

[0142] 又、所定の保温動作が実行される際には、実施の形態 1で示した燃料電池システム 100の場合と同様、送水ポンプ 21の送水方向が通常の発電運転時の場合に対して逆方向となるように制御される。そして、熱回収熱交換器 9と貯湯タンク 10との間で貯湯タンク 10の上部から取り出されて貯湯タンク 10の下部に戻るように温水が循環するよう、送水ポンプ 21が温水を圧送する。一方、図 4に示すように、温水循環流路 3 1における所定の位置には、バックアップヒータ 15が配設されている。これにより、温水循環流路 31を流れる温水がバックアップヒータ 15により加熱されるので、貯湯タンク 10に貯蔵される温水の温度が制御される。

[0143] 尚、燃料電池システム 300を構成するその他の構成要素は、実施の形態 1で示した燃料電池システム 100の対応する構成要素と同様である。

[0144] 本実施の形態の燃料電池システム 300では、例えば、温度検知器 17により検知される冷却水の温度が予め設定された所定の閾値温度（例えば、 3°C)以下にまで低下したことを制御器 41が確認すると、制御器 41の指令により送水ポンプ 21が駆動され、温水循環流路 31において水が循環する。

[0145] 又、同時に、制御器 41により開閉弁 49が開放されて、ノックアップヒータ 15に都市ガス等が供給される。これにより、バックアップヒータ 15は都市ガス等を用いて燃焼を開始して、その燃焼による熱の発生を開始する。

[0146] すると、送水ポンプ 21の動作により温水循環流路 31を強制的に循環される水の温度は、バックアップヒータ 15が生成する熱により加熱されて上昇する。つまり、本実施の形態では、燃料電池 1又はパーナ 28等に代えて、バックアップヒータ 15を水の凍結を防止するための熱源として利用する。そして、実施の形態 1で示した燃料電池システム 100の場合と同様、この温度上昇した温水の熱が熱回収熱交換器 9を介して他の水の循環流路（ここでは、冷却水循環流路 32)に伝えられる。又、温度検知器 1 8により検知される水の温度が予め設定された所定の閾値温度（例えば、 3°C)以下にまで低下したことを制御器 41が確認した場合、温度上昇した温水の熱が熱回収熱交換器 9及び冷却水タンク 7を介して補給水循環流路 33に伝えられる。これにより、燃料電池システム 300における水の凍結が防止される。

[0147] 尚、本実施の形態では、ノくックアップヒータ 15が都市ガス等を燃焼して発熱する形態について説明したが、この形態に限定されることはなぐバックアップヒータ 15が電熱ヒータ等の他の加熱器で構成される形態としてもよい。

[0148] 以上、本実施の形態の燃料電池システム 300によれば、水の凍結を防止するために特別な構成要素を設ける必要がなぐ通常備える構成要素を熱源として利用することで、燃料電池システムにおける水の凍結を確実にかつ簡便に防止することが可肯になる。

[0149] (実施の形態 4)

本発明の実施の形態 4は、温水循環流路 31及び冷却水タンク 7及び給水タンク 8 に配設される排水弁 25及び排水弁 26及び排水弁 27の構成、及びこれらを用いる燃料電池システムの動作において特徴を有している。

[0150] 図 5は、本発明の実施の形態 4に示す燃料電池システムの排水弁及びその周辺部の構成を模式的に示す構成図である。尚、図 5では、本発明の概念を説明するために必要となる構成要素のみを図示しており、不要な構成要素、及び、実施の形態 1及び実施の形態 2及び実施の形態 3で示した共通する構成要素については、その図示を省略している。

[0151] 又、図 5において、図 1に示す構成要素と同様の構成要素については、図 1で付した符号と同様の符号を付している。

[0152] 又、図 5では、排水弁 25及び排水弁 26及び排水弁 27の内、排水弁 26及びその周辺部の構成を示している。

[0153] 図 5に示すように、本発明の実施の形態 4に示す燃料電池システム 400は、実施の形態 1で示した燃料電池システム 100の場合と同様、冷却水タンク 7の底部近傍に排水弁 26を備えている。本実施の形態では、この排水弁 26は、その状態が通電時にのみ開放状態とされる定常閉止型（ノーマルクローズ型）の電磁弁 35と、この電磁弁 35の電気端子とその電気端子とが電気的に接続された際、電磁弁 35の状態を開放状態に移行するために供給される電気エネルギーを蓄積保存する蓄電器 36と、燃料電池システム 400の周辺の外気温を検知する外気温検知器 37と、これら動作を連関させて制御する弁制御器 38とを備えている。尚、実施の形態では、蓄電器 36として、キャパシタを用いている。又、図 5では特に図示しないが、排水弁 25及び排水弁 27の各々も、図 5に示す排水弁 26の構成と同様の構成を備えている。

[0154] 尚、燃料電池システム 400を構成するその他の構成要素は、実施の形態 1で示した燃料電池システム 100の対応する構成要素と同様である。

[0155] 次に、本発明を特徴付ける、燃料電池システム 400の排水弁 25及び排水弁 26及び排水弁 27を用いる動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。

[0156] 図 6は、本発明の実施の形態 4に示す燃料電池システムの動作を示すフローチヤートである。

[0157] 図 6に示すように、本実施の形態の燃料電池システム 400では、その発電運転が行われている間（ステップ S61)、図 5に示す弁制御器 38を介して、蓄電器 36において電気エネルギーを蓄積保存するための充電処理が行われる（ステップ S62、ステップ S68)。これにより、排水弁 26は、電磁弁 35に対して蓄電器 36から電気エネルギーが供給されれば、何時でも開放状態に移行できるように準備されている。

[0158] 一方、図 1に示す制御器 41の停止スィッチ 42が操作され、燃料電池システム 400 の発電運転が停止され (ステップ S63)、制御器 41の短期停止ボタン 44が選択及び操作されて所定の保温動作が実行される選択肢が選択されると、その後の静置又は保温等の処置が行われている間、排水弁 26では外気温検知器 37によりその周辺の外気の温度が確認される (ステップ S64)。そして、制御器 41により、外気の温度が水の凍結温度領域に近い温度であることを示す所定の閾値温度（例えば、 3°C)以下の温度であるか否力、を判定する等により、燃料電池システム 400を放置した際に水の凍結が発生するか否かの危険性の有無が判定される (ステップ S65)。

[0159] その結果、ステップ S65において危険性有りと判定された場合 (ステップ S65で YE

5)であっても、又は、危険性なしと判定された場合 (ステップ S65で NO)であっても、次のステップである停電の発生の有無を確認するためのステップに進む（ステップ S6

6)。

[0160] 次いで、制御器 41は、停電が発生していないことを確認すると（ステップ S66で NO )、ステップ S64に戻り、外気の温度を再び確認するよう制御する。し力ながら、制御器 41は、停電が発生していることを確認すると（ステップ S66で YES)、ステップ S6 5における判定結果に基づいて、所定の制御を実行する。

[0161] 具体的には、制御器 41は、図 6に示すように、ステップ S65で水の凍結が発生する危険性がないと判定すると共に（ステップ S65で NO)、停電が発生していることを確認すると（ステップ S66で YES)、燃料電池システム 400に係る全ての動作を停止する（ステップ S67)。一方、制御器 41は、ステップ S65で水の凍結が発生する危険性が有ると判定すると共に (ステップ S65で YES)、停電が発生していることを確認すると（ステップ S66で YES)、蓄電器 36から電磁弁 35に対して電気エネルギーを供給して (ステップ S69)、排水弁 26を開放する（ステップ S70)。これにより、排水弁 26 ( 及び、排水弁 25、排水弁 27)を介する排水処理が実行されるので、燃料電池システム 400の内部に存在する全ての水がその外部に排出される。尚、蓄電器 36が有する電気エネルギーの全てが電磁弁 35に供給され、蓄電器 36の放電が終了すると、電磁弁 35が自動的に閉鎖されるので、排水弁 26の状態が開放状態から閉鎖状態に移行する（ステップ S71)。又、制御器 41は、燃料電池システム 400に係る全ての動作を停止する（ステップ S72)。

[0162] 尚、停電時には所定の閾値温度に達していないが、処置完了以降において温度が低下する場合もあり得る。しかし、この場合、手動による温度検知及び対策処理のための時間が有るので、問題なく対処することが可能である。又、本実施の形態では、蓄電器 36としてキャパシタを用いる形態について説明したが、この形態に限定されることはなぐ電気エネルギーを蓄積することが可能であれば、蓄電池等を用いてもよレ、。

[0163] 以上、本実施の形態の燃料電池システム 400によれば、急な停電が発生した場合であっても、弁制御器 38が備える排水弁動作バックアップ機能により、水の凍結の危険性が有る場合には水を排出して力停止するよう燃料電池システムが保護される。又、緊急時においても、燃料電池システムの破壊が発生しないよう保護される。

[0164] 又、本実施の形態の燃料電池システム 400によれば、蓄電器 36の放電が終了することにより電磁弁 35の状態が定常状態である閉鎖状態に自動的に戻るので、特に乾燥に弱い燃料電池 1も劣化することなく所定の状態で好適に維持される。

産業上の利用可能性

[0165] 本発明に係る燃料電池システムは、エネルギーの損失と操作の煩雑性及び機動性の欠如を抑制しつつ、水の氷結による障害を確実に防止して、安全な発電運転を維持及び確保することが可能な燃料電池システムとして産業上利用可能である。

[0166] 又、本発明に係る燃料電池システムは、発電して得た電力と発生した熱との双方を有効に利用する家庭用或いは業務用のコージェネレーションシステムとして産業上利用可能である。

[0167] 又、本発明に係る燃料電池システムは、電力を動力源とする電気自動車や、荷役搬送機器等の移動装置用途等における燃料電池システムとしても産業上利用可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、冷却水を貯蔵する冷却水タンクと、

前記燃料電池で前記発電に伴って発生する熱を回収して該燃料電池を冷却するよう前記冷却水を前記冷却水タンク経由で循環させる冷却水循環流路と、

温水を貯蔵する貯湯タンクと、

前記温水を前記貯湯タンク経由で循環させる温水循環流路と、

前記冷却水循環流路を循環する前記冷却水と前記温水循環流路を循環する前記温水との間で熱交換を行うための熱交換器と、

前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々から排水するための排水弁と、前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々において水温を検知する温度検知器と、

制御器と、を備える燃料電池システムであって、

前記制御器が、前記燃料電池の前記発電停止中、前記温度検知器が検知する前記水温に基づいて、少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させるか、又は、前記排水弁を開放して排水をさせるか、の何れかを選択する、燃料電池システム。

[2] 前記冷却水タンクに水を補給するための給水タンクと、

前記冷却水タンクと前記給水タンクとの間で前記水を循環させる補給水循環流路と前記補給水循環流路及び前記給水タンクの少なくとも何れかから排水するための排水弁と、

前記補給水循環流路及び前記給水タンクの少なくとも何れかにおレ、て水温を検知する温度検知器と、を更に備える、請求項 1記載の燃料電池システム。

[3] 前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、その後、前記水温の全てが前記所定の閾値温度未満となった場合には前記排水弁を開放して排水をさせる、請求項 1記載の燃料電池システム。

[4] 前記冷却水タンク及び前記冷却水循環流路の少なくとも何れかに前記冷却水を加熱するための第 1の加熱器を備えている、請求項 1記載の燃料電池システム。

[5] 前記貯湯タンク及び前記温水循環流路の少なくとも何れかに前記温水を加熱するための第 2の加熱器を備えている、請求項 1記載の燃料電池システム。

[6] 少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、

前記改質器の温度を前記改質のための所定の温度に加熱及び保温するための第

3の加熱器と、

前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の少なくとも一つに前記第 3の加熱器へ迂回する迂回流路と、

前記迂回流路に切り替えるための流路切替弁と、を備え、

前記迂回流路の一部が前記第 3の加熱器により加熱されるように構成されている、請求項 1記載の燃料電池システム。

[7] 前記排水弁としての定常閉止型電磁弁と、

前記定常閉止型電磁弁近傍の外気温度を検知するための外気温度検知器と、前記定常閉止型電磁弁を開放するための電気エネルギーを前記燃料電池の前記発電により得て蓄電する蓄電器と、

第 2の制御器と、を備え、

前記第 2の制御器が、停電時、前記外気温度検知器が検知する前記外気温度に基づいて前記蓄電器から前記電気エネルギーを供給して前記定常閉止型電磁弁を開放して排水をさせる、請求項 1記載の燃料電池システム。

[8] 前記第 2の制御器が、停電時、前記外気温度検知器が検知する前記外気温度が前記所定の閾値温度未満である場合、前記蓄電器から前記電気工ネルギーを供給して前記定常閉止型電磁弁を開放して排水をさせる、請求項 7記載の燃料電池システム。

[9] 前記制御器が前記燃料電池の前記発電の長期運転停止を選択するための第 1のモード選択指令入力部を更に備え、

前記制御器が、前記第 1のモード選択指令入力部から前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力された場合には前記排水弁を開放して排水をさせ、前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力されなくかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させる、請求項 1記載の燃料電池システム。

[10] 前記制御器が、前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力されなくかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して排水をさせる、請求項 9記載の燃料電池システム。

[11] 前記制御器が前記燃料電池の前記発電の短期運転停止を選択するための第 2のモード選択指令入力部を更に備え、

前記制御器が、前記第 2のモード選択指令入力部から前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されない場合には前記排水弁を開放して排水をさせる、請求項 1記載の燃料電池システム。

[12] 前記制御器が、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して排水をさせる、請求項 11記載の燃料電池システム。

[13] 前記制御器が前記燃料電池の前記発電の長期運転停止又は短期運転停止を選択するための第 3のモード選択指令入力部を更に備え、

前記制御器が、前記第 3のモード選択指令入力部から前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力された場合には前記排水弁を開放して前記排水をさせ、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させる、請求項 1記載の燃料電池システム。

前記制御器が、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して排水をさせる、請求項 13記載の燃料電池システム。