(57)【要約】【課題】  恒常的なヒータ制御や貯湯槽での蓄熱を用いず、かつ、水をシステム外部へ排出することもなしに、有効な凍結対策を実現する。【解決手段】  燃料電池本体２、排ガスのバーナ燃焼熱により水素を生成する改質器３、改質器３の燃焼排ガスにより水蒸気を発生する水蒸気発生器４が設置される。改質器３はガス供給系統を構成する。燃焼排ガス中の水分を凝縮させる凝縮器部２０ａと、凝縮した水を蓄える水タンク部２０ｂを一体構成した複合凝縮器２０が設けられ、水タンク部は燃料電池本体より下部に配置される。電池冷却水ポンプ８と電池冷却水熱交換器９は複合凝縮器２０と共に電池冷却系統を構成する。発電停止時には、遮断弁３０により空気を導入して燃料電池本体２から水を抜き、水タンク部２０ｂに導入する。発電起動時に、水タンク部の水が凍結している場合に、改質器の燃焼排ガスの熱を水タンク部に伝達して凍結水を解凍させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、水素と酸素を前記燃料電池本体に供給するガス供給手段、前記燃料電池本体の温度を適正に保持するための温度維持手段、および水を蓄える水タンクを有する燃料電池発電システムにおいて、
前記水タンクは前記燃料電池本体より下部に配置され、
発電停止時に、前記燃料電池本体、前記ガス供給手段、および前記温度維持手段のいずれか１つ以上に保持されている水を、前記水タンクへ導入する水導入手段と、
発電起動時に、前記水タンク内の水が凍結している場合に、システム内部で発生した熱を水タンクに伝達して凍結水を解凍させる熱伝達手段
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記ガス供給手段は、水素の生成に利用する熱を発生させるために前記燃料電池本体の排ガスを燃焼する燃焼器を有し、
前記熱伝達手段は、前記燃焼器からの排ガス中の水分を凝縮させる凝縮器と前記水タンクとを一体的に構成した複合凝縮器を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記熱伝達手段は、前記水タンクの内部に設けられて前記燃焼器の排ガスからの熱伝達を促進する伝熱促進材を有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記熱伝達手段は、前記水タンクの内部空間を画定する内周面に設けられた潜熱蓄熱材を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記熱伝達手段は、前記水タンクの内部に設けられた凍結水解凍用の加熱器を有し、システム内部で発生した熱に加えて当該加熱器により前記水タンクを加熱して凍結水を強制解凍する起動優先動作と、システム内部で発生した熱のみを用いて凍結水を解凍させる省エネ優先動作のいずれかの動作を行うように構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記水タンクは、その前記内部空間に貯蔵される水の凍結による膨張分を吸収する膨張吸収手段を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記水タンクは、その前記内部空間の断面積が下端部から上方に向かって連続的に大きくなる形状とされ、このタンク形状により前記膨張吸収手段が構成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記水タンクの前記内周面の形状は、下向きの略円錐形状、略多角錐形状、略円錐台形状、略多角錐台形状、のいずれかである
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
燃料電池本体と、水素と酸素を前記燃料電池本体に供給するガス供給手段、および前記燃料電池本体の温度を適正に保持するための温度維持手段を有する燃料電池発電システムにおいて、
不凍液を循環させることにより、前記燃料電池本体で発生した熱を回収して蓄熱器に蓄える蓄熱手段
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記不凍液は、水より熱容量が高い材料である
ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記蓄熱手段は、前記蓄熱器に蓄えた熱を、給湯、風呂追焚、床暖房、浴室暖房、浴室乾燥、の中から選択された１つ以上の熱利用先に供給するように構成されている
ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
燃料電池本体と、水素と酸素を前記燃料電池本体に供給するガス供給手段、前記燃料電池本体の温度を適正に保持するための温度維持手段、および水を蓄える水タンクを有する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記水タンクは前記燃料電池本体より下部に配置され、
発電停止時に、水導入手段により、前記燃料電池本体、前記ガス供給手段、および前記温度維持手段のいずれか１つ以上に保持されている水を、前記水タンクへ導入する水導入処理、
発電起動時に、熱伝達手段により、前記水タンク内の水が凍結している場合に、システム内部で発生した熱を水タンクに伝達して凍結水を解凍させる熱伝達処理を行い、
前記熱伝達処理においては、システム内部で発生した熱に加えて加熱器により前記水タンクを加熱して凍結水を強制解凍する起動優先動作と、システム内部で発生した熱のみを用いて凍結水を解凍させる省エネ優先動作のいずれかの動作を行う
ことを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池本体、ガス供給手段、温度維持手段を有する燃料電池発電システムとその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして、燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有する。このような燃料電池としては、近年まで、比較的大型のＰＡＦＣ（りん酸形）が主に開発されてきたが、最近では、小型のＰＥＦＣ（個体高分子形燃料電池）の開発が活発化しており、家庭用燃料電池発電システムの普及も間近な状況となっている。
【０００３】
ところで、この家庭用燃料電池発電システムは、内部に水を保有することから、氷点下での運転停止保管の際には凍結する可能性がある。このため、特に寒冷地に設置する場合は、何らかの凍結対策が必要となる。従来、このような凍結対策としては、パッケージ内部にスペースヒータを用いたり、凍結リスクがある場合に水タンクから水を抜水したりする等の方法が一般的に採られていた。
【０００４】
図８は、従来の典型的な水素燃料利用型の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。以下には、この燃料電池発電システムについて、構成、作用、効果の順に説明する。
【０００５】
この図８において、１は、燃料電池発電システム全体の構成を、外装ケースやカバー等によりパッケージングした燃料電池パッケージである。この燃料電池パッケージ１中には、ＤＣ電力を発生する燃料電池本体２、燃料電池本体２からの排ガスのバーナ燃焼熱を利用して水素を生成する改質器３、改質器３のバーナ燃焼排ガスを用いて水蒸気を発生する水蒸気発生器４、水蒸気発生後のバーナ燃焼排ガス中の水分を凝縮させる凝縮器５、排ガスを燃料電池パッケージ１の外部に排出する排気口６、および凝縮した水を蓄える水タンク７が設置されている。
【０００６】
ここで、改質器３は、生成した水素を燃料電池本体２に供給する水素供給系統を構成しており、燃料電池本体２に酸素を供給する図示していない酸素供給系統と共に、発電に必要なガスを供給するガス供給系統を構成している。また、改質器３から水タンク７に至る部分は、燃料電池本体２からの排ガスを利用すると共に、利用後の排ガスを排出する排ガス系統を構成している。
【０００７】
燃料電池パッケージ１中にはまた、電池冷却水を循環させるための電池冷却水ポンプ８、燃料電池本体２で発生した熱を回収することで電池温度を調節するための電池冷却水熱交換器９が設置されている。ここで、電池冷却水ポンプ８および電池冷却水熱交換器９は、水タンク７と共に、燃料電池本体２の温度を適正に保持するための電池冷却系統を構成している。
【０００８】
さらに、凍結対策として、水タンク７に蓄えられた水を、水排出遮断弁１０経由で燃料電池パッケージ１の外部に排出する水排出ライン１１、および凍結の可能性を判断するために水タンク７の温度を計測する温度センサ１２が設置されている。
【０００９】
この燃料電池発電システムの基本的な作用は、次の通りである。通常運転時に、燃料電池本体２の発電に伴い生じる排熱は、主として、電池冷却水ポンプ８により循環される冷却水によって除去され、さらに、電池冷却水熱交換器９により未記載の熱利用系に移動することで有効利用される。また、燃料電池本体２から出た余剰水素を燃焼した後の、改質器排ガスは、蒸気発生器４および凝縮器５を経由して降温され、その過程で生じる凝縮水は水タンク７へ導かれる。
【００１０】
一方、発電の停止時において、ほとんどの水は、水タンク７に戻って保持されるが、温度センサ１２の指示値が、凍結する可能性のある温度以下となった場合には、水排出遮断弁１０は開とされ、水タンク７内の水は水排出ライン１１を通じて燃料電池パッケージ１の外部に排出される。
【００１１】
これにより、凍結リスクのある環境となった場合に、システム内の水を排出することで、凍結を防止することが可能となる。特許文献１はこのようなシステムの典型である。また、特許文献２においては、燃料電池パッケージの外部に設置した貯湯槽の温水を用いて凍結防止する方式が提案されている。さらに、燃料電池パッケージ内に凍結防止用のヒータおよび温度計を設け、パッケージ内部を常時一定以上に保つ制御を行うことが一般的に行われている。
【特許文献１】特開平１１−２７３７０４
【特許文献２】特開２００３−２７２６８７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述したような従来の燃料電池発電システムの凍結防止方式には、次のような問題点がある。
【００１３】
まず、水タンクから水を抜く方式は、凍結防止に関しては有効であるものの、次の発電起動時には再度水張りを行う必要があり、水処理負荷が上昇するという問題が発生する。現在、燃料電発電池システム開発の分野では、保守費用の大部分を占める水処理負荷低減へ向けての努力が続けられていることを考慮すれば、水タンクから水を抜くという凍結対策はこの流れに逆行することになる。
【００１４】
また、貯湯槽の温水を用いて凍結防止する方式は、貯湯した熱が余剰する状況であれば問題ないが、通常凍結が懸念される時期は熱が余る可能性が少ないことから、この方式は結局エネルギーロスにつながり、理想的とは言えない。
【００１５】
さらに、パッケージ内に凍結防止用のヒータおよび温度計を設けて温度制御を行う方式は、外気温が低い状態で停止保管する場合に、ヒータ制御が常時行われていることになり、この方法もエネルギーロスが無視できないという問題がある。
【００１６】
本発明は、上記のような問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、恒常的なヒータ制御や貯湯槽での蓄熱を用いず、かつ、水をシステム外部へ排出することもなしに、有効な凍結対策を実現することの可能な、エネルギー効率に優れた燃料電池発電システムとその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記のような目的を達成するために、発電停止時にシステム内部の水を水タンクへ導入し、発電起動時には、システム内部で発生した熱を水タンクに伝達することにより、恒常的なヒータ制御や貯湯槽での蓄熱を用いず、かつ、水をシステム外部へ排出することもなしに、有効な凍結対策を実現することができるようにしたものである。
【００１８】
本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、水素と酸素を燃料電池本体に供給するガス供給手段、燃料電池本体の温度を適正に保持するための温度維持手段、および水を蓄える水タンクを有する燃料電池発電システムにおいて、水タンクが燃料電池本体より下部に配置されると共に、次のような水導入手段、熱伝達手段を有することを特徴としている。すなわち、水導入手段は、発電停止時に、燃料電池本体、ガス供給手段、および温度維持手段のいずれか１つ以上に保持されている水を、水タンクへ導入する手段である。また、熱伝達手段は、発電起動時に、水タンク内の水が凍結している場合に、システム内部で発生した熱を水タンクに伝達して凍結水を解凍させる手段である。
【００１９】
また、本発明の制御方法は、上記の燃料電池発電システムの特徴を、システムを制御する方法の観点から把握したものである。
【００２０】
以上のような特徴を有する燃料電池発電システムとその制御方法によれば、発電停止時に、システム内部の水を水タンクに集めることにより、システム内部で発生した熱を水タンクに伝達するという簡単な凍結対策を施すだけで、システム全体の凍結対策を容易に実現することができる。すなわち、保管時に水タンク内の水が凍結した場合でも、発電起動時にシステム内部で発生した熱を水タンクに伝達することにより、少ないエネルギーロスで凍結状態からの発電起動を行うことができる。
【００２１】
一方、本発明の別の燃料電池発電システムは、燃料電池本体、ガス供給手段、および温度維持手段を有する燃料電池発電システムにおいて、不凍液を循環させることにより、燃料電池本体で発生した熱を回収して蓄熱器に蓄える蓄熱手段を有することを特徴としている。
【００２２】
このような特徴を有する燃料電池発電システムによれば、燃料電池本体で発生した熱を不凍液で回収することにより、熱媒体となる不凍液自体が凍結することがないため、蓄熱手段でのエネルギーロスを少なくすることができ、不凍液を循環させるだけで、蓄熱器に蓄えた熱をシステム内に伝達することができ、システム全体の凍結対策を容易に実現することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、発電停止時にシステム内部の水を水タンクへ導入し、発電起動時には、システム内部で発生した熱を水タンクに伝達することにより、恒常的なヒータ制御や貯湯槽での蓄熱を用いず、かつ、水をシステム外部へ排出することもなしに、有効な凍結対策を実現することの可能な、エネルギー効率に優れた燃料電池発電システムとその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下には、本発明を適用した実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、説明の簡略化の観点から、図８に示した従来技術と同一部分には同一符号を付している。
【００２５】
［第１の実施形態］
［システム構成］
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る燃料電池発電システムを示すブロック図である。本実施形態の基本構成は、図８に示した従来技術と同様であるが、以下の点が異なる。
【００２６】
すなわち、図１に示すように、本実施形態においてはまず、図８の凝縮器５と水タンク７に代えて、凝縮器部２０ａと水タンク部２０ｂを上下に一体的に構成した複合凝縮器２０が設けられている。この複合凝縮器２０は、その水タンク部２０ｂの位置が、燃料電池本体２より低位置となるように配置されている。
【００２７】
また、本実施形態の燃料電池発電システムは、水を外部に排出する方式ではなく、複合凝縮器２０の水タンク部２０ｂに水を集める方式であるため、図８の水排出遮断弁１０と水排出ライン１１は設けられておらず、その代わりに、空気の導入により燃料電池本体２から水を抜いて水タンク部２０ｂに導入するための空気導入用の遮断弁３０が設けられている。
【００２８】
なお、図８について前述したように、改質器３は、燃料電池本体２に水素を供給する水素供給系統と、燃料電池本体２に酸素を供給する図示していない酸素供給系統と共に、発電に必要なガスを供給するガス供給系統を構成しており、このガス供給系統が、本発明におけるガス供給手段に相当する。また、電池冷却水ポンプ８および電池冷却水熱交換器９は、水タンク部２０ｂを含む複合凝縮器２０と共に、燃料電池本体２の温度を適正に保持するための電池冷却系統を構成しており、この電池冷却系統が、本発明における温度維持手段に相当する。
【００２９】
さらに、以上のような燃料電池発電システムの各部は、システム制御装置１００からの制御指令により制御されるようになっている。ここで、システム制御装置１００は、具体的には、本発明による燃料電池発電システム制御用に特化したプログラムを記憶させたマイコンにより実現される。
【００３０】
［複合凝縮器］
図２は、本実施形態の複合凝縮器２０の構成を示す模式図である。この図２に示すように、複合凝縮器２０において、水タンク部２０ｂの内周面の形状は、この内周面によって画定される内部空間の断面積が下端部から情報に向かって連続的に大きくなる形状とされている。具体的には、下向きの略円錐形状、略多角錐形状、略円錐台形状、略多角錐台形状、等の形状とすることが考えられるが、ここでは、一例として、下向きの略四角錐台形状であるものとする。
【００３１】
また、水タンク部２０ｂの内周面には、融点１０℃の潜熱蓄熱材２１が取り付けられている。この潜熱蓄熱材２１は、相変化物質の質量と単位質量当たりの凝固／融解潜熱との積で表される潜熱を利用した蓄熱材であり、既存の各種の潜熱蓄熱材が使用可能である。なお、潜熱蓄熱材２１の融点１０℃は一例であり、燃料電池発電システムを設置する環境やシステムのタイプ等に応じて、潜熱蓄熱材２１の融点は自由に変更可能である。従来、物質の配合を調整することで融点を自由に設定可能な各種の潜熱蓄熱材が提案されているため、そのような材料を使用することにより、潜熱蓄熱材２１の融点は容易に変更可能である。
【００３２】
また、潜熱蓄熱材２１の内側表面には、水タンク部２０ｂ内の水が凍結した場合の凍結水解凍用の解凍ヒータ２２、および水タンク部２０ｂの温度を計測する温度センサ１２が取り付けられている。
【００３３】
また、複合凝縮器２０の側面において、水タンク部２０ｂの潜熱蓄熱材２１の上部近傍位置には、改質器３のバーナ燃焼排ガスを導入する燃焼排ガス入口２３が設けられ、複合凝縮器２０の上面には、導入したバーナ燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス出口２４が設けられている。
【００３４】
また、複合凝縮器２０下部の水タンク部２０ｂの内部空間には、燃焼排ガス入口２３から導入したバーナ燃焼排ガスからの熱伝達を促進して、水タンク部２０ｂに蓄えられた水に熱エネルギーを効率よく伝えるための伝熱促進材２５が設置されている。ここで、伝熱促進材２５は、具体的には、アルミニウムや銅等の熱伝導性の高い金属板により形成された伝熱フィンである。この伝熱促進材２５は、柔軟性を有する支持部材２６を介して複合凝縮器２０の上面に固定されており、支持部材２６の変形を利用して、複合凝縮器２０の底面や側面に対して変位可能となっている。
【００３５】
また、複合凝縮器２０上部の凝縮器部２０ａの内部空間において、伝熱促進材２５の上方位置には、バーナ燃焼排ガスの熱を冷却・凝縮させると共に、温水として取り出すための冷熱源２７が設置されている。
【００３６】
なお、複合凝縮器２０の周囲には、外部への放熱を抑制するために、断熱材２８が施工されている。
【００３７】
［停止保管起動手順］
図３は、以上のような構成を有する本実施形態に係る燃料電池発電システムの停止保管起動手順を示すフローチャートである。
【００３８】
この図３に示すように、発電状態から発電停止指令が発せられると（Ｓ１１０のＹＥＳ）、システム制御装置１００は、発電停止処理として、燃料電池本体２に水素と酸素を供給するガス供給系統（改質器３以外は図示していない）を閉じることにより燃料電池本体２の発電を停止させることにより発電を停止する（Ｓ１２０）。続いて、水導入処理として、遮断弁３０を開いて空気を導入しながら燃料電池本体２から水を抜いて電池冷却水ポンプ８を逆流させることにより、燃料電池本体２から抜いた水を、複合凝縮器２０の水タンク部２０ｂに強制的に導入する（Ｓ１３０）。この結果、燃料電池発電システムは完全停止して保管状態となる。
【００３９】
また、保管状態から発電起動指令が発せられると（Ｓ１４０のＹＥＳ）、事前のモード設定あるいはモード選択条件に基づいて（Ｓ１５０）、起動優先モードと省エネ優先モードのいずれか一方のモードによる起動処理を行う（Ｓ１６０，Ｓ１７０）。この起動処理においては、改質器３を起動、昇温させて複合凝縮器２０の水タンク部２０ｂに熱を伝達することにより、水タンク部２０ｂ内の水が凍結している場合に、この凍結水を解凍させ、改質器３の昇温が完了した時点で水蒸気を導入して改質を開始することにより、発電起動を完了し、通常の発電状態となる。
【００４０】
［作用］
以下には、上記のような本実施形態に係る燃料電池発電システムの作用について説明する。
【００４１】
［水導入・起動処理による基本的な作用］
本実施形態の停止手順においては、前述したように、ガス供給停止処理により発電を停止した（Ｓ１２０）後、水導入処理として、遮断弁３０を開いて空気を導入しながら燃料電池本体２から水を抜いて電池冷却水ポンプ８を逆流させることにより、燃料電池本体２から抜いた水を、複合凝縮器２０の水タンク部２０ｂに強制的に導入する（Ｓ１３０）。
【００４２】
本実施形態においては、このように、システム内部の水を水タンク部２１ｂに集めることにより、システム内部で発生した熱を水タンク部２１ｂに伝達するという簡単な凍結対策を施すだけで、システム全体の凍結対策を容易に実現することができる。すなわち、保管時に水タンク部２１ｂ内の水が凍結した場合でも、発電起動時にシステム内部の改質器３で発生した燃焼排ガスの熱を水タンク部２１ｂに伝達することにより、少ないエネルギーロスで凍結状態からの発電起動を行うことができる。
【００４３】
［潜熱蓄熱材による凍結遅延］
また、発電停止時に水導入処理を行った段階で、水タンク部２０ｂの水は約６０℃であり、この場合に、融点１０℃の潜熱蓄熱材２１は、液状で潜熱を蓄えている。この後、外気温が氷点下で凍結リスク環境となった場合、従来システムであれば水タンクの水が徐々に低下し、一定時間後に凍結を開始するが、本システムにおいては、水タンク部２０ｂに潜熱蓄熱材２１を有しているため、図４に示すように、従来に比べてより長い時間に亘って凍結しない水温を保持できる。
【００４４】
そのため、昼間運転して夜間停止するＤＳＳ（Daily startup shutdown）運用の場合に、水を凍結させることなく次の起動につなげることができる可能性が高い。このように、本実施形態の燃料電池発電システムによれば、ＤＳＳ運用時に、水温保持による凍結遅延という有効な凍結対策を実現することができる。
【００４５】
［水タンク形状による膨張吸収］
前述したように、本実施形態においては、潜熱蓄熱材２１による凍結遅延作用が得られるものの、長期に亘って氷点下の凍結リスク環境に置かれた場合、水タンク部２０ｂ内の水は凍結することになる。従来の水タンク形状では、この凍結の際に、膨張の影響でタンクが破損する可能性があったが、本実施形態では、水タンク部２０ｂの形状を、下向きの略四角錐台形状としているため、凍結してもその膨張分は、上方向に逃げることができ、水タンク部２０ｂが破損することはない。このように、本実施形態の燃料電池発電システムによれば、水タンク部２０ｂの内周面形状を工夫したことにより、水の凍結時における膨張分を吸収することができる。
【００４６】
また、水タンク部２０ｂに設置された伝熱促進材２５は、柔軟性を有する支持部材２６により、複合凝縮器２０の底面や側面に対して変位可能となっているため、水の凍結に伴い支障なく変位可能であるため、伝熱促進材２５が破損することはない。
【００４７】
なお、前述したように、水タンク部２０ｂの内周面の形状は、下向きの略四角錐台形状に限らず、下向きの略円錐形状、略多角錐形状、略円錐台形状、略多角錐台形状、等の形状とすることも可能である。すなわち、水タンク部２０ｂの内周面によって画定される内部空間の断面積が下端部から情報に向かって連続的に大きくなる形状であれば、同様の作用が得られるものである。あるいはまた、水タンク部２０ｂの形状を工夫する代わりに、水タンク部２０ｂの内周面の一部または全部を変形可能とすることにより、変形による膨張吸収機能を持たせるように構成してもよい。
【００４８】
［起動優先モードの起動処理によるエネルギーロスの抑制］
図５は、図３に示した起動優先モードの起動処理（Ｓ１６０）の手順を示すフローチャートである。
【００４９】
この図５に示すように、起動優先モードの起動処理においてはまず、温度センサ１２の指示値に基づいて、水タンク部２０ｂが凍結状態であるか否かを判定する（Ｓ１６１）。凍結していない場合（Ｓ１６１のＮＯ）には、通常起動処理として、改質器３の点火・昇温を行い（Ｓ１６２）、改質器の昇温が完了した時点（Ｓ１６３）で、蒸気発生器４で発生させた水蒸気を改質器３内に導入して改質を開始する（Ｓ１６４）ことにより、発電起動を完了し、通常の発電状態となる。一方、凍結状態と判定された場合（Ｓ１６１のＹＥＳ）は、凍結水解凍起動処理を行う（Ｓ１６５〜Ｓ１６９）。
【００５０】
すなわち、凍結水解凍起動処理においてはまず、改質器３の点火・昇温を行うと共に、バーナ燃焼空気を増量する（Ｓ１６５）。この場合、改質器３のバーナ燃焼排ガスは、複合凝縮器２０の燃焼排ガス入口２３から導入され、伝熱促進材２５により凍結水に熱を与えた後、燃焼排ガス出口２４から排出されることにより、このバーナ燃焼排ガスの熱が水タンク部２０ｂに伝達される（Ｓ１６６、熱伝達運転）。この場合、通常起動処理に比べてバーナ燃焼空気が増量されていることから、バーナ燃焼排ガスからの水タンク部２０ｂへの伝熱が促進され、解凍が効率よく行われる。
【００５１】
改質器３の温度が昇温完了条件温度マイナス１００℃となった時点（Ｓ１６７）で、温度センサ１２の指示値に基づき、水タンク部２０ｂの温度が４℃以上であるか否かを判定条件として、水タンク部２０ｂ内の水が解凍完了したか否かを判定する（Ｓ１６８）。
【００５２】
解凍完了である場合（Ｓ１６８のＹＥＳ）には、その後は、通常起動処理に移行して、改質器の昇温が完了した時点（Ｓ１６３）で、蒸気発生器４で発生させた水蒸気を改質器３内に導入して改質を開始する（Ｓ１６４）。また、解凍が完了していない場合（Ｓ１６８のＮＯ）は、解凍ヒータ２２に通電して「Active」とし、強制解凍を行う（Ｓ１６９）。
【００５３】
このような解凍ヒータ２２による強制解凍は、解凍ヒータの電力消費によるエネルギーロスにつながるが、この状況は、本質的に希な状況である上、改質器のバーナ燃焼排ガスにより解凍がある程度進んだ状態からのヒータ投入であるため、解凍ヒータによるエネルギーロスは、低く抑えることができる。また、解凍ヒータを使用しない場合に比べて、凍結時における起動時間をできるだけ短縮することができる。
【００５４】
［省エネ優先モードの起動処理によるエネルギーロスの最小化］
図６は、図３に示した省エネ優先モードの起動処理（Ｓ１７０）の手順を示すフローチャートである。
【００５５】
この図６に示すように、省エネ優先モードの起動処理においては、改質器３の点火・昇温を行う（Ｓ１７１）ことにより、水タンク部２０ｂが凍結状態である場合には、バーナ燃焼排ガスの熱が、伝熱促進材２５により凍結水に伝達され、凍結水の解凍が効率よく行われる（Ｓ１７２、熱伝達運転）。そして、改質器の昇温が完了した時点（Ｓ１７３）で、温度センサ１２の指示値に基づき、水タンク部２０ｂの温度が４℃以上であるか否かを判定条件として、水タンク部２０ｂ内の水が解凍完了したか否かを判定する（Ｓ１７４）。
【００５６】
解凍完了である場合（Ｓ１７４のＹＥＳ）には、蒸気発生器４で発生させた水蒸気を改質器３内に導入して改質を開始する（Ｓ１７５）ことにより、発電起動を完了し、通常の発電状態となる。また、解凍が完了していない場合（Ｓ１７４のＮＯ）は、解凍ヒータ２２を使用せずに、燃料供給量を減量し、空気供給量を増量して解凍運転を行い（Ｓ１７６）、解凍完了となる（Ｓ１７４のＹＥＳ）まで、バーナ燃焼による熱伝達運転を継続する。
【００５７】
このような解凍ヒータ２２を使用しない方法は、解凍ヒータ２２による強制解凍を行った場合に比べて、起動時間が長くなる可能性があるが、解凍ヒータ２２を使用しない分だけ、エネルギーロスをより低く抑え、最小化することができる。
【００５８】
［効果］
上記のような本実施形態に係る燃料電池発電システムの効果は次の通りである。すなわち、凍結リスク環境でのＤＳＳ運用時においても、凍結する可能性・頻度を低く抑えることができると共に、万一凍結した場合にも、水タンク部を含む複合凝縮器やその他の機器が破損することはなく、また、凍結後の起動時において解凍するためのエネルギーを低く抑えることができる。したがって、恒常的なヒータ制御や貯湯槽での蓄熱を用いず、かつ、水をシステム外部へ排出することもなしに、有効な凍結対策を実現することができる。
【００５９】
［第２の実施形態］
図７は、本発明を適用した第２の実施形態に係る燃料電池発電システムを示すブロック図である。本実施形態の基本構成は、図８に示した従来技術と同様であるが、以下の点が異なる。
【００６０】
すなわち、図７に示すように、本実施形態においては、蓄熱材を循環させることにより、燃料電池本体２で発生した熱を電池冷却水熱交換器９経由で回収する蓄熱装置４０が追加されている。この蓄熱装置４０は、熱を蓄えるために蓄熱材で満たされた蓄熱槽４１と、蓄熱材を循環させるための蓄熱材循環ポンプ４２を有する。なお、蓄熱材としては、水より比熱が高くかつ凝固点が低い不凍液からなる蓄熱材が使用されている。
【００６１】
蓄熱装置４０はさらに、蓄熱を、給湯および風呂追焚という２つの熱利用先に供給するために、給湯ライン４３、風呂追焚ライン４４、および風呂追焚ポンプ４５を有する。
【００６２】
また、本実施形態の燃料電池発電システムは、水を外部に排出する方式ではなく、水タンク７に水を集める方式であるため、第１の実施形態と同様に、図８の水排出遮断弁１０と水排出ライン１１は設けられていない。
【００６３】
なお、図７において、燃料電池パッケージ１内の構成については、本実施形態の特徴をより明確化すると共に、簡略化の観点から、改質器３、水蒸気発生器４、凝縮器５、および排気口６等の記載を省略しているが、実際の燃料電池パッケージ１内には、図８と同様に、これらの構成要素３〜６が設けられている。
【００６４】
以上のような構成を有する本実施形態において、燃料電池本体２で発生した熱は、電池冷却水熱交換器９を介して蓄熱装置４０の蓄熱材により回収され、蓄熱槽４１に蓄えられる。蓄熱槽４１に蓄えられた熱は、給湯ライン４３、風呂追焚ライン４４、および風呂追焚ポンプ４５により、給湯および風呂追焚という２つの熱利用先に供給される。また、蓄熱材を循環させることにより、蓄熱槽４１に蓄えられた熱を、電池冷却水熱交換器９を介して電池冷却水に伝達したり、水タンク７に伝達することもできる。
【００６５】
このように、本実施形態においては、燃料電池本体で発生した熱を不凍液からなる蓄熱材で回収することにより、熱媒体となる蓄熱材自体が凍結することがないため、蓄熱装置４０での解凍等のエネルギーロスを少なくすることができ、蓄熱材を循環させるだけで、蓄熱槽４１に蓄えた熱を燃料電池発電システム内に伝達することができ、システム全体の凍結対策を容易に実現することができる。
【００６６】
特に、本実施形態によれば、凝固点が低くかつ熱容量の大きい蓄熱材を使用することで、蓄熱槽４１を小型化できると共に、本質的に凍結を防止することができる。
【００６７】
［他の実施形態］
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。
【００６８】
すなわち、本発明は、システム内で保持している水の処理方式と、システム内の水に対する熱の伝達方式、あるいは、システム内で発生した熱の回収・蓄熱方式に特徴を有するものであるため、本発明の特徴を有する限り、各部の構成は自由に選択可能であり、その場合においても、前述した実施形態と同様に優れた効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態に係る燃料電池発電システムを示すブロック図。
【図２】図１に示す複合凝縮器の構成を示す模式図。
【図３】図１に示す燃料電池発電システムの停止保管起動手順を示すフローチャート。
【図４】図１に示す複合凝縮器の温度挙動を示すグラフ。
【図５】図３に示す起動優先モードの起動処理の手順を示すフローチャート。
【図６】図３に示す省エネ優先モードの起動処理の手順を示すフローチャート。
【図７】本発明を適用した第２の実施形態に係る燃料電池発電システムを示すブロック図。
【図８】従来の典型的な燃料電池発電システムの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００７０】
１…燃料電池パッケージ
２…燃料電池本体
３…改質器
４…水蒸気発生器
５…凝縮器
６…排気口
７…水タンク
８…電池冷却水ポンプ
９…電池冷却水熱交換器
１０…水排出遮断弁
１１…水排出ライン
１２…温度センサ
２０…複合凝縮器
２０ａ…凝縮器部
２０ｂ…水タンク部
２１…潜熱蓄熱材
２２…解凍ヒータ
２３…燃焼排ガス入口
２４…燃焼排ガス出口
２５…伝熱促進材
２６…支持部材
２７…冷熱源
２８…断熱材
３０…遮断弁
４０…蓄熱装置
４１…蓄熱槽
４２…蓄熱材循環ポンプ
４３…給湯ライン
４４…風呂追焚ライン
４５…風呂追焚ポンプ
１００…システム制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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