(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの低温起動時に、改質装置の排熱を有効利用して燃料電池を暖機することにより、システム全体の大型化をともなうことなく、システムの運転効率を向上させる。【解決手段】  燃料電池システムは、燃料電池１０へ供給する燃料ガスを生成する改質装置２０と、熱媒体が流通する熱媒体回路８２と、熱媒体回路８２上に設けられて熱媒体が燃料電池１０と熱交換可能である第１熱交換器７１とを備えている。熱媒体回路８２上には、第２熱交換器（凝縮器）３０が第１熱交換器７１の上流に設けられている。第２熱交換器３０は、熱媒体が改質装置２０において発生する排熱を回収することにより同改質装置２０と熱交換可能である。【選択図】  図１
2006127861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質装置と、
熱媒体が流通する熱媒体回路と、
前記熱媒体回路上に設けられて前記熱媒体が前記燃料電池と熱交換可能である第１熱交換器とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記熱媒体回路上に前記第１熱交換器の上流に設けられて前記熱媒体が前記改質装置において発生する排熱を回収することにより同改質装置と熱交換可能である第２熱交換器を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記第１熱交換器は、前記燃料電池を冷却する冷媒が流通する冷媒回路と前記熱媒体回路との間で熱交換を行うものであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１において、前記第２熱交換器は、前記熱媒体が前記改質装置を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体から熱量を回収して同気体を凝縮する凝縮器であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
前記燃料電池の温度または前記熱媒体の温度に基づいて前記熱媒体回路内の熱媒体流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、当該燃料電池システムの起動後、前記燃料電池の温度に基づいて前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項において、前記熱媒体回路上に前記第1熱交換器の下流に設けた貯湯槽と、前記熱媒体回路上に設けて前記貯湯槽をバイパスするバイパス路と、該バイパス路に設けた第1開閉弁と、前記貯湯槽と上流側のバイパス分岐点との間の前記熱媒体回路上に設けた第２開閉弁と、をさらに備え、
当該燃料電池システムの起動時において前記燃料電池の温度が所定温度未満である場合、前記第１開閉弁を開状態とするとともに前記第２開閉弁を閉状態とし、前記燃料電池の温度が前記所定温度以上である場合、前記第１開閉弁を閉状態とするとともに前記第２開閉弁を開状態とすることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に燃料電池の起動時の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
この燃料電池システムとしては、特許文献１「燃料電池システム」に示されているものが知られている。特許文献１に示されているように、燃料電池システムは、複数のセル１０ａのそれぞれに対して熱媒体を循環させる熱媒体循環経路２０と、熱媒体を加熱するヒータ３２と、熱媒体を各セル１０ａの一部の部位のみを循環させ、他の部位をバイパスさせるバイパス経路３０と、熱媒体のバイパス流量を制御する流路制御手段３１を設ける。暖機運転の際、燃料電池温度Ｔｆｃが所定温度Ｔｆｂより低い場合には、熱媒体を各セル１０ａの一部の部位のみに循環させ、集中的に加熱する。ヒータ３２は通電されて加熱する電気ヒータである。
【０００３】
また、他の形式として、特許文献２「可搬型燃料電池電源の起動方法」に示されているものが知られている。特許文献２に示されているように、可搬型燃料電池電源は、燃料ガスを供給して燃料電池１の発電を行い、その発電電力を利用して内部負荷である負荷昇温用ヒータ３を加熱し、このヒータ３の熱によって燃料電池１を昇温する。ヒータ３は通電されて加熱する電気ヒータである。
【０００４】
また、他の形式の燃料電池システムとして、特許文献３「燃料電池システム及び燃料電池コジェネレーションシステム」に示されているものが知られている。特許文献３に示されているように、燃料電池システムは、炭化水素系の原燃料を改質してＨ2を含む改質ガスを生成する改質系と、該改質系において生成した改質ガスに含まれるＨ2を燃料として発電する燃料電池１と、該改質系において発生する排熱を回収する熱媒体回路５０とを備えている。これにより、改質系において原燃料からＨ2を含む改質ガスを生成する過程で放出される大量の反応熱が排熱として熱媒体回路５０によって回収されることとなり、従来のように燃料電池のみから排熱回収する場合に比べて大量の排熱を回収することができる。そして、この排熱を燃料電池コジェネに利用することにより、例えば給湯器の水を７５℃以上に昇温させることも可能となる。また、熱媒体回路５０は、燃料電池１と改質系とを直列に連結し、且つ熱媒体が、燃料電池１、改質系の順に流通して排熱回収するように構成されているので、温度の低い順に排熱回収されることとなるので排熱回収を効率よく行うことができ、排熱回収した熱媒体の温度をより一層高くすることができる。
【０００５】
また、他の形式の燃料電池システムとして、特許文献４「燃料電池コジェネレーションシステム」に示されているものが知られている。特許文献４に示されているように、燃料電池コジェネ給湯システムでは、給湯システムに設けられた貯湯タンク６０下部、第１ポンプ７１、第１熱交換部４１（燃料電池１〜改質器６）、第２熱交換部４２（オフガスバーナー１０）及び貯湯タンク６０上部の順に管で連結されて形成されたタンク用第１水回路５１が設けられている。このタンク用第１水回路５１において、貯湯タンク６０内の水は、第１ポンプ７１の作用によって貯湯タンク６０下部から第１熱交換部４１（燃料電池１〜改質器６）、第２熱交換部４２（オフガスバーナー１０）の順に循環して貯湯タンク６０上部に戻ることとなる。このとき、循環する水は、第１熱交換部４１及び第２熱交換部４２において燃料電池１、改質器６及びオフガスバーナー１０の排熱を回収することとなる。
【０００６】
また、他の形式の燃料電池システムとして、特許文献５「燃料電池の冷却／暖房設備」に示されているものが知られている。特許文献５に示されているように、燃料電池の冷却／暖機設備においては、燃料電池１を冷却するための閉ループの冷却水循環系が、燃料電池１に接続している。この冷却水循環系内には、燃料電池１の手前に設けられ、冷却水を循環するためのポンプ２、冷却水を冷却するために、外気と熱交換する熱交換器３、及び本発明の特徴である、冷却水を温水のまま保温、貯蔵する保温貯蔵手段としての蓄熱装置４とが配設されている。燃料電池１の低温起動時には、燃料電池１を冷却する熱交換器３からの冷却水の供給を停止し、蓄熱装置内の保温された冷却水を燃料電池１に供給するように、冷却水の流路を切り替え、燃料電池内部の温度が所定温度以上になったら、熱交換器で冷却された冷却水が燃料電池に供給されるように冷却水の流路を切り替え、燃料電池内部の温度上昇を抑えるようにしている。
【０００７】
また、他の形式の燃料電池システムとして、特許文献６「燃料電池システム」に示されているものが知られている。特許文献６に示されているように、燃料電池システムは、燃焼器１２の下流側には燃焼器１２からの高温ガスにより、燃料電池１の冷却水を加熱する熱交換器１５が配置されている。熱交換器１５には燃料電池１の冷却層４を通過した冷却水の一部が、分岐部２７より通路２７ａを介して導かれ、ここで冷却水が加熱され、これによりシステム全体を暖めるようになっている。したがって、システムが氷点下よりも低温状態にある起動時など、燃料電池１で発電を開始する前に、燃焼器１２で水素ガスを燃焼させて発生した高温ガスを用いて、燃料電池１の冷却水（不凍液を含む）の温度を上昇させている。
【特許文献１】特開２００３−２４９２５１号公報（第７−９頁、図１，３）
【特許文献２】特開平０７−２９５８５号公報（第２−３頁、図１−７）
【特許文献３】特開２００１−１７６５２７号公報（第７−１１頁、図１−１３）
【特許文献４】特開２００１−１８５１６７号公報（第５−８頁、図１−１１）
【特許文献５】特開２００２−４２８４６号公報（第３−４頁、図１）
【特許文献６】特開２００３−２３４１１８号公報（第４−６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、低温起動時、電気ヒータであるヒータ３２に通電して熱媒体を加熱することにより燃料電池１０を昇温しているが、電気ヒータによる暖機のため自身が発電した電気エネルギーを消費するので、運転効率が低下するという問題があった。また、特許文献２に記載の可搬型燃料電池電源においても、低温起動時、電気ヒータであるヒータ３に通電して燃料電池１を昇温しているが、電気ヒータによる暖機のため自身が発電した電気エネルギーを消費するので、システムの運転効率が低下するという問題があった。
【０００９】
また、特許文献３に記載の燃料電池システムにおいては、改質系において発生する排熱を回収してその排熱を利用することにより貯湯タンク６０内の熱媒体を昇温させている。しかし、貯湯タンク６０から導出された熱媒体は燃料電池１、改質系の順に流通して各部材を流通毎に昇温されるので、燃料電池１には低温の熱媒体が最初に流通するため、低温起動時に、熱媒体によって燃料電池１を昇温するのは容易ではない。
【００１０】
また、特許文献４に記載の燃料電池コジェネ給湯システムにおいては、循環する水（熱媒体）は、第１熱交換部４１（燃料電池１〜改質器６）及び第２熱交換部４２（オフガスバーナー１０）において燃料電池１、改質器６及びオフガスバーナー１０の排熱を回収して昇温している。しかし、前述した特許文献３に記載の燃料電池システムと同様に、貯湯タンク６０から導出された熱媒体は燃料電池１、改質器６、オフガスバーナー１０の順に流通して各部材を流通毎に昇温されるので、燃料電池１には低温の熱媒体が最初に流通するため、低温起動時に、熱媒体によって燃料電池１を昇温するのは容易ではない。
【００１１】
また、特許文献５に記載の燃料電池の冷却／暖房設備においては、燃料電池１の低温起動時には、燃料電池を冷却する熱交換器３からの冷却水の供給を停止し、蓄熱装置４内の保温された冷却水を燃料電池１に供給して燃料電池１を昇温するようになっているが、燃料電池１を所定温度まで昇温するには多量の保温された冷却水が必要となり、蓄熱装置４が大型化し、燃料電池の冷却／暖房設備全体が大型化するという問題があった。
【００１２】
また、特許文献６に記載の燃料電池システムにおいては、低温起動時に、燃焼器１２で水素ガスを燃焼させて発生した高温ガスを用いて、燃料電池１の冷却水の温度を上昇させているが、燃焼器１２を別に設けるために燃料電池システム全体が大型化するという問題があった。
【００１３】
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムの低温起動時に、改質装置の排熱を有効利用して燃料電池を暖機することにより、システム全体の大型化をともなうことなく、システムの運転効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質装置と、熱媒体が流通する熱媒体回路と、熱媒体回路上に設けられて熱媒体が燃料電池と熱交換可能である第１熱交換器とを備えた燃料電池システムにおいて、熱媒体回路上に第１熱交換器の上流に設けられて熱媒体が改質装置において発生する排熱を回収することにより同改質装置と熱交換可能である第２熱交換器を備えたことである。
【００１５】
また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、第１熱交換器は、燃料電池を冷却する冷媒が流通する冷媒回路と熱媒体回路との間で熱交換を行うものであることである。
【００１６】
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、第２熱交換器は、熱媒体が改質装置を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体から熱量を回収して同気体を凝縮する凝縮器であることである。
【００１７】
また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、燃料電池の温度または熱媒体の温度に基づいて熱媒体回路内の熱媒体流量を制御することである。
【００１８】
また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、当該燃料電池システムの起動後、燃料電池の温度に基づいて燃料電池の発電を開始することである。
【００１９】
また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項５の何れか一項において、熱媒体回路上に第1熱交換器の下流に設けた貯湯槽と、熱媒体回路上に設けて貯湯槽をバイパスするバイパス路と、このバイパス路に設けた第1開閉弁と、貯湯槽と上流側のバイパス分岐点との間の熱媒体回路上に設けた第２開閉弁と、をさらに備え、当該燃料電池システムの起動時において燃料電池の温度が所定温度未満である場合、第１開閉弁を開状態とするとともに第２開閉弁を閉状態とし、燃料電池の温度が所定温度以上である場合、第１開閉弁を閉状態とするとともに第２開閉弁を開状態とすることである。
【発明の効果】
【００２０】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃料電池システムの起動に際して、第２熱交換器は、システム起動とともに起動している改質装置から排熱を回収し、その排熱によって熱媒体回路を流通する熱媒体を昇温する。この昇温された熱媒体は、第２熱交換器の下流に位置する第１熱交換器に到達し、第１熱交換器は熱媒体と燃料電池との間で熱交換することにより燃料電池を昇温する。したがって、燃料電池システムの低温起動時に、改質装置の排熱を有効利用して燃料電池を暖機することにより、システム全体の大型化をともなうことなく、システムの運転効率を向上させることができる。
【００２１】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る発明において、第１熱交換器は、燃料電池を冷却する冷媒が流通する冷媒回路と熱媒体回路との間で熱交換を行うものであるので、簡単な構成で確実に熱媒体と燃料電池との間で熱交換をすることができる。
【００２２】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１に係る発明において、第２熱交換器は、熱媒体が改質装置を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体から熱量を回収して同気体を凝縮する凝縮器であるので、従来の構成を有効利用することにより大型化することなく簡単な構成で確実に燃料電池を昇温するための熱媒体を昇温することができる。
【００２３】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項に係る発明において、燃料電池の温度または熱媒体の温度に基づいて熱媒体回路内の熱媒体流量を制御することにより、改質装置との熱交換を燃料電池を暖機する上で最適化することができる。
【００２４】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項に係る発明において、当該燃料電池システムの起動後、燃料電池の温度に基づいて燃料電池の発電を開始することにより、燃料電池の暖機を判断することができ、フラッディング等なく安定起動が可能である。
【００２５】
上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項１乃至請求項５の何れか一項に係る発明において、熱媒体回路上に第1熱交換器の下流に設けた貯湯槽と、熱媒体回路上に設けて貯湯槽をバイパスするバイパス路と、このバイパス路に設けた第1開閉弁と、貯湯槽と上流側のバイパス分岐点との間の熱媒体回路上に設けた第２開閉弁と、をさらに備え、当該燃料電池システムの起動時において燃料電池の温度が所定温度未満である場合、第１開閉弁を開状態とするとともに第２開閉弁を閉状態とし、燃料電池の温度が所定温度以上である場合、第１開閉弁を閉状態とするとともに第２開閉弁を開状態とする。これにより、燃料電池の暖機時には、貯湯槽内の熱媒体を使用せず熱媒体回路とバイパス路内の熱媒体を使用して燃料電池を昇温し、燃料電池の暖機が完了した後、発電による自己発熱によって高温となる燃料電池を冷却して一定の温度に維持する際には、貯湯槽内の熱媒体を使用して燃料電池を冷却する。したがって、貯湯槽の温度層を乱すことなく、高い熱効率にて燃料電池を暖機・冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０とこの燃料電池１０に必要な水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器（改質装置）２０を備えている。
【００２７】
燃料電池１０は、燃料極１１と酸化剤極である空気極１２と両極１１，１２間に介在された電解質１３（本実施の形態では高分子電解質膜）を備えており、燃料極１１に供給された燃料ガスである改質ガスおよび空気極１２に供給された酸化剤ガスである空気（カソードエア）を用いて発電するものである。なお、燃料電池１０の空気極１２には、空気を供給する供給管６１およびカソードオフガスを排出する排出管６２が接続されており、これら供給管６１および排出管６２の途中には、空気を加湿するための加湿器１４が設けられている。この加湿器１４は水蒸気交換型であり、排出管６２中すなわち空気極１２から排出される気体中の水蒸気を除湿してその水蒸気を供給管６１中すなわち空気極１２へ供給される空気中に供給して加湿するものである。なお、空気の代わりに空気の酸素富化したガスを供給するようにしてもよい。
【００２８】
改質器２０は、燃料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガス（燃料ガス）を燃料電池１０に供給するものであり、バーナ２１、改質部２２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２４から構成されている。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施の形態においては天然ガスにて説明する。
【００２９】
バーナ２１は、起動時に外部から燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池１０の燃料極１１からアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各ガスを燃焼して燃焼ガスを改質部２２に導出するものである。この燃焼ガスは改質部２２を（同改質部２２の触媒の活性温度域となるように）加熱し、その後燃焼ガス排気管６９を介して燃焼ガス用凝縮器３４を通ってその燃焼ガスに含まれている水蒸気が凝縮されて外部に排気される。
【００３０】
改質部２２は、外部から供給された燃料に蒸発器２５からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部２２に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部２３に導出される。
【００３１】
ＣＯシフト部２３は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部２４に導出される。
【００３２】
ＣＯ選択酸化部２４は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ酸化用の空気とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池１０の燃料極１１に導出される。
【００３３】
蒸発器２５は、一端が貯水器５０内に配置され他端が改質部２２に接続された改質水供給管６８の途中に配設されている。改質水供給管６８には改質水用ポンプ５３が設けられている。このポンプ５３は制御装置９０によって制御されており、貯水器５０内の改質水として使用する回収水を蒸発器２５に圧送している。蒸発器２５は例えばバーナ２１から排出される燃焼ガス、改質部２２、ＣＯシフト部２３などの熱によって加熱されており、これにより圧送された改質水を水蒸気化する。
【００３４】
改質器２０のＣＯ選択酸化部２４と燃料電池１０の燃料極１１とを連通する配管６４の途中には、凝縮器３０が設けられている。この凝縮器３０は改質ガス用凝縮器３１、アノードオフガス用凝縮器３２、カソードオフガス用凝縮器３３および燃焼ガス用凝縮器３４が一体的に接続された一体構造体である。各凝縮器３１，３２，３３，３４には、凝縮用冷媒である熱媒体が流通する熱媒体回路８２が貫設されている。改質ガス用凝縮器３１は、配管６４中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される高温かつ蒸気を含んでいる改質ガスと、熱媒体回路８２を流れる熱媒体との間で熱交換を行って、改質ガスから熱量を回収することにより熱媒体を昇温するとともに、配管６４中を流れる改質ガス中の水蒸気を凝縮する。
【００３５】
アノードオフガス用凝縮器３２は、燃料電池１０の燃料極１１と改質器２０のバーナ２１とを連通する配管６５の途中に設けられており、その配管６５中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出される高温かつ蒸気を含んでいるアノードオフガスと、熱媒体回路８２を流れる熱媒体との間で熱交換を行って、アノードオフガスから熱量を回収することにより熱媒体を昇温するとともに、配管６５中を流れるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。
【００３６】
カソードオフガス用凝縮器３３は、排出管６２の加湿器１４の下流に設けられており、その排出管６２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出される高温かつ蒸気を含んでいるカソードオフガスと、熱媒体回路８２を流れる熱媒体との間で熱交換を行って、カソードオフガス熱量を回収することにより熱媒体を昇温するとともに、排出管６２中を流れるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。
【００３７】
燃焼ガス用凝縮器３４は、燃焼ガス排気管６９中を流れる高温かつ蒸気を含んでいる燃焼ガスと、熱媒体回路８２を流れる熱媒体との間で熱交換を行って、燃焼ガスから熱量を回収することにより熱媒体を昇温するとともに、配管６９中を流れる燃焼ガス中の水蒸気を凝縮する。これら凝縮器３１〜３４は、改質装置２０から発生する排熱を回収することにより改質装置２０の熱交換可能である第２熱交換器である。
【００３８】
上述した凝縮器３１〜３４は配管６６を介して純水器４０に連通しており、各凝縮器３１〜３４にて凝縮された凝縮水は、純水器４０に導出され回収されるようになっている。純水器４０は、凝縮器３０から供給された凝縮水すなわち回収水を内蔵のイオン交換樹脂によって純水にするものであり、純水化した回収水を貯水器５０に導出するものである。なお、貯水器５０は純水器４０から導出された回収水を改質水として一時的に溜めておくものである。また、純水器４０には水道水供給源（例えば水道管）から供給される補給水（水道水）を導入する配管が接続されており、純水器４０内の貯水量が下限水位を下回ると水道水が供給されるようになっている。
【００３９】
燃料電池システムは、第１熱交換器７１と、第１熱交換器７１と燃料電池１０との間に設けられて第１熱媒体（冷媒である）が循環される冷媒回路７２と、冷媒回路７２上に第１熱媒体を循環させる第１ポンプ（循環手段）７３が設けられている。これにより、第１熱媒体が燃料電池１０を通過する際には第１熱媒体と燃料電池１０との間で熱交換が行われる。また、冷媒回路７２の燃料電池１０の出口付近には第１熱媒体の温度（燃料電池の温度）Ｔfcを検出する冷媒温度検出手段（燃料電池温度検出手段）である温度センサ７４が設けられている。制御装置９０は、温度センサ７４によって検出された燃料電池の温度（第１熱媒体の温度）Ｔfcを入力するとともに、第１ポンプ７３の吐出量を制御している。
【００４０】
また、燃料電池システムは、温水を貯留する温水貯留槽である貯湯槽８１を備えている。この貯湯槽８１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽８１の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽８１に貯留された高温の温水が貯湯槽８１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。
【００４１】
さらに、燃料電池システムは、第１熱交換器７１、貯湯槽８１および凝縮器（第２熱交換器）３０を連通するように設けられて第２熱媒体（熱媒体である）が循環される熱媒体回路と、熱媒体回路８２上に第２熱媒体を循環させる第２ポンプ（循環手段）８３が設けられている。これにより、第２熱媒体が第２熱交換器３０を通過する際には第２熱媒体と第２熱交換器３０との間で熱交換が行われる。第２ポンプ８３は、定常運転時において、貯湯槽８１の下部の低温の温水を吸い込んで熱媒体回路８２を通水させて貯湯槽８１の上部に圧送するものである。すなわち、熱媒体回路８２上において、第２熱交換器である凝縮器３０が第１熱交換器７１の上流に位置することになる。また、第1熱交換器７１の下流に貯湯槽８１が位置することになる。
【００４２】
熱媒体回路８２上には、貯湯槽８１をバイパスするバイパス路８４が貯湯槽８１に並設されている。バイパス路８４には、制御装置９０の指令によってバイパス路８４を開閉する第１開閉弁８５が設けられている。また、貯湯槽８１と上流側のバイパス分岐点８４ａとの間の熱媒体回路８２上には、制御装置９０の指令によって熱媒体回路８２を開閉する第２開閉弁８６が設けられている。制御装置９０は、燃料電池システムの起動時において、燃料電池１０の温度が所定温度Ｔfc-b未満である場合、第１開閉弁８５を開状態とするとともに第２開閉弁８６を閉状態とし、燃料電池１０の温度が所定温度Ｔfc-b以上である場合、第１開閉弁８５を閉状態とするとともに第２開閉弁８６を開状態とするように制御している。
【００４３】
また、熱媒体回路８２の第１熱交換器７１の入口付近には第２熱媒体の温度を検出する熱媒体温度検出手段である温度センサ８７が設けられている。制御装置９０は、温度センサ８７によって検出された第２熱媒体の温度Ｔ１を入力するとともに、第２ポンプ８３の吐出量を制御している。さらに、熱媒体回路８２上には、ラジエータ８８が設けられている。ラジエータ８８は、貯湯槽８１が所定温度以上の温水で満水となっている場合など、第１熱交換器７１に高温となった熱媒体が流入して燃料電池１０の冷却効率を悪化させないように、高温となった熱媒体を冷却するものである。
【００４４】
また、上述した各温度センサ７４，８７、第１および第２ポンプ７３，８３は制御装置９０に接続されている（図２参照）。制御装置９０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、図３のフローチャートに対応したプログラムを実行して、燃料電池システムの起動に際して、温度センサ７４，８７からの入力に基づいて第１および第２ポンプ７３，８３の制御を実行している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。
【００４５】
次に、上述した燃料電池システムの作動について図３および図４を参照して説明する。制御装置９０は、図示しない起動スイッチがオンされると、図３に示すプログラムを実行する。ステップ１０２において、燃料電池システムの起動が開始される。具体的には、燃焼用燃料および燃焼用空気がバーナ２１に供給されて燃焼される。燃焼ガスの加熱によって改質部２２が所定温度になると、燃料および改質水が改質部２２に供給される。またＣＯ選択酸化部２４に酸化用空気が供給される。しかし、改質装置２０から導出される改質ガスは燃料電池１０には供給されていない。
【００４６】
制御装置９０は、燃料電池システムの起動開始と同時に、ステップ１０４において、第１開閉弁８５を開き第２開閉弁８６を閉じて、熱媒体が熱媒体回路８２およびバイパス路８４を流通するようにして、燃料電池１０の暖機の準備をする。そして、制御装置９０は、熱媒体（第２熱媒体）の温度Ｔ１を温度センサ８７によって検出し、その温度に基づいて熱媒体の温度を調整している（ステップ１０６，１０８）。すなわち、制御装置９０は、ステップ１０８において、熱媒体温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ａとなるように第２ポンプ８３の駆動を制御している。なお、制御装置９０は、第１ポンプ７３を駆動している。所定温度Ｔ１−ａは、燃料電池１０が発電を開始可能な温度である発電開始可能温度Ｔｆｃ−ａより高く、かつ、燃料電池１０が高効率にて発電する温度である定常運転温度Ｔｆｃ−ｃより低く設定されている。また、所定温度Ｔ１−ａは、燃料電池１０に熱負担をかけることなく、燃料電池１０を暖機（昇温）するのに適切な温度に設定されている。さらに、燃料電池１０の暖機が完了するまで（図４に示す時刻ｔ３）、熱媒体温度は所定温度Ｔ１−ａに維持されるようになっている。
【００４７】
これにより、第１熱交換器７１には熱媒体の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１−ａである熱媒体が流入する。第１熱交換器７１において、熱媒体と冷媒（冷却水）との間で熱交換が行われて、燃料電池１０から流出した冷媒が熱媒体の熱によって昇温され燃料電池１０に導出されている。そして、燃料電池１０においては、冷媒と燃料電池１０との間で熱交換が行われ、燃料電池１０は昇温された冷媒によって昇温され、冷媒は降温されて第１熱交換器７１に導出されている。したがって、燃料電池の冷却水温度Ｔｆｃすなわち燃料電池温度は徐々に昇温している。
【００４８】
そして、制御装置９０は、燃料電池の冷却水温度Ｔｆｃを温度センサ７４によって検出し、その冷却水温度Ｔｆｃが発電開始可能温度Ｔｆｃ−ａに到達した時点（図４の時刻ｔ１）より後であって、改質装置２０の暖機が完了した時点（図４の時刻ｔ２）に、燃料電池１０の発電を開始する（ステップ１１０〜１１４）。ステップ１１２にて、冷却水温度Ｔｆｃが発電開始可能温度Ｔｆｃ−ａに到達したか否かを判定し、到達するまでステップ１０４〜１１２の処理を繰り返し実行し、到達したならばプログラムをステップ１１４に進める。ステップ１１４にて、改質器２０の暖機が完了したか否かを判定し、暖機が完了するまでステップ１０４〜１１４の処理を繰り返し実行し、完了したならばプログラムをステップ１１６に進める。暖機完了の判定においては、例えばＣＯシフト部２３内が所定温度に到達していれば完了していると判定する。暖機が完了していれば、改質装置２０から導出される改質ガス中の水素量および一酸化炭素濃度が規定値に到達していると判定される。なお、発電開始可能温度Ｔｆｃ−ａは、燃料電池１０の所望の発電電流値に対して同燃料電池１０の燃料極または空気極内の水収支がゼロとなる第１熱媒体の温度として規定されるものであり、予め制御装置９０の記憶部に記憶されている。
【００４９】
制御装置９０は、ステップ１１６にて、改質装置２０から導出される燃料ガスを燃料電池１０に供給するようにして、燃料電池１０の発電を開始する。すなわち、上述した所定条件が成立した場合に燃料電池１０の発電を開始して所定発電量となるように燃料電池１０の発電出力を制御する。所定発電量は、予め設定された起動開始後の最初の目標発電量であり、燃料電池１０の最大出力電力以下となるように設定されている。
【００５０】
前述したように、燃料電池１０の発電が開始すると、上述した改質装置２０の排熱を利用した冷却水の昇温に加えて、発電による自己発熱によって燃料電池１０は昇温されるので、冷却水の昇温はより加速されることとなる。このように燃料電池１０の自己発熱および改質装置２０の排熱によって暖機されているなか、制御装置９０は、燃料電池１０の冷却水温度Ｔｆｃを温度センサ７４によって検出し（ステップ１１８）、燃料電池の冷却水温度Ｔｆｃが定常運転温度Ｔｆｃ−ｂ（例えば７０℃）に到達すると（図４の時刻ｔ３）、燃料電池１０の暖機を終了する（ステップ１２０，１２２）。すなわち、ステップ１２２にて、第１開閉弁８５を閉じ第２開閉弁８６を開いて、熱媒体が熱媒体回路８２および貯湯槽８１を流通するようにして、燃料電池１０の冷却の準備をする。
【００５１】
そして、制御装置９０は、時刻ｔ３以降はシステムが停止されるまで、冷却水温度Ｔｆｃが定常運転温度Ｔｆｃ−ｃに維持されるように調整する（ステップ１２２〜１２８）。具体的には、燃料電池１０内の冷却水（熱媒体）が定常運転温度Ｔｆｃ−ｃより高温である場合、第２ポンプ８３の流量を増大させて貯湯槽８１の下部から低温の温水を熱媒体回路８２に流通させて、第１ポンプ７３を駆動させて燃料電池１０内の冷却水（冷媒）を第１熱交換器７１に流通させ、これにより、燃料電池１０の冷却水を降温させ、ひいては燃料電池１０を降温させる。なお、定常運転温度Ｔｆｃ−ｃは、高効率が得られる温度に設定される。
【００５２】
上述した説明から明らかなように、本実施の形態においては、燃料電池システムの起動に際して、第２熱交換器（凝縮器）３０は、システム起動とともに起動している改質装置２０から排熱を回収し、その排熱によって熱媒体回路８２を流通する熱媒体を昇温する。この昇温された熱媒体は、第２熱交換器３０の下流に位置する第１熱交換器７１に到達し、第１熱交換器７１は熱媒体と燃料電池１０との間で熱交換することにより燃料電池１０を昇温する。したがって、燃料電池システムの低温起動時に、改質装置２０の排熱を有効利用して燃料電池１０を暖機することにより、システム全体の大型化をともなうことなく、システムの運転効率を向上させることができる。
【００５３】
また、第１熱交換器７１は、燃料電池１０を冷却する冷媒が流通する冷媒回路７２と熱媒体回路８２との間で熱交換を行うものであるので、簡単な構成で確実に熱媒体と燃料電池１０との間で熱交換をすることができる。
【００５４】
また、第２熱交換器は、熱媒体が改質装置２０を流通する高温かつ蒸気を含んだ気体から熱量を回収して同気体を凝縮する凝縮器３０であるので、従来の構成を有効利用することにより大型化することなく簡単な構成で確実に燃料電池１０を昇温するための熱媒体を昇温することができる。
【００５５】
また、燃料電池１０の温度または熱媒体の温度に基づいて熱媒体回路８２内の熱媒体流量を制御することにより、改質装置２０との熱交換を燃料電池１０を暖機する上で最適化することができる。
【００５６】
また、当該燃料電池システムの起動後、燃料電池の温度に基づいて燃料電池の発電を開始することにより、燃料電池の暖機を判断することができ、フラッディング等なく安定起動が可能である。
【００５７】
また、熱媒体回路８２上に第1熱交換器７１の下流に設けた貯湯槽８１と、熱媒体回路８２上に設けて貯湯槽８１をバイパスするバイパス路８４と、このバイパス路８４に設けた第1開閉弁８５と、貯湯槽８１と上流側のバイパス分岐点８４ａとの間の熱媒体回路８２上に設けた第２開閉弁８６と、をさらに備え、当該燃料電池システムの起動時において燃料電池の温度Ｔｆｃが所定温度Ｔｆｃ−ｂ未満である場合、第１開閉弁８５を開状態とするとともに第２開閉弁８６を閉状態とし、燃料電池の温度Ｔｆｃが所定温度Ｔｆｃ−ｂ以上である場合、第１開閉弁８５を閉状態とするとともに第２開閉弁８６を開状態とする。これにより、燃料電池の暖機時には、貯湯槽８１内の熱媒体を使用せず熱媒体回路８２とバイパス路８４内の熱媒体を使用して燃料電池１０を昇温し、燃料電池の暖機が完了した後、発電による自己発熱によって高温となる燃料電池を冷却して一定の温度Ｔｆｃ−ｃに維持する際には、貯湯槽８１内の熱媒体を使用して燃料電池を冷却する。したがって、貯湯槽８１の温度層を乱すことなく、高い熱効率にて燃料電池を暖機・冷却することができる。
【００５８】
なお、上述した実施の形態においては、貯湯槽８１、第２熱交換器（凝縮器）３０および第１熱交換器を循環する循環回路である熱媒体回路８２を一つ設け、バイパス路８４を貯湯槽８１に並設して、燃料電池１０の暖機時には、熱媒体がバイパス路８４を通って循環し、燃料電池１０の冷却時には、熱媒体が貯湯槽８１を通って循環するようにしたが、これに代えて、図５に示すように、熱媒体回路８２を２つの熱媒体回路８２ａ，８２ｂに分離して、両熱媒体回路８２ａ，８２ｂを第３熱交換器９１を介して熱交換するようにしてもよい。このとき、熱媒体回路８２ａ上には、上述した熱媒体回路８２と同様に、第２ポンプ８３、温度センサ８７およびラジエータ８８が設けられている。熱媒体回路８２ａ中には第３熱媒体（熱媒体）が流通している。また、熱媒体回路８２ｂ上には、第３熱媒体を循環させる第３ポンプ（循環手段）９２が設けられている。熱媒体回路８２ｂ中には第２熱媒体が流通している。また、第３熱交換器９１には、両熱媒体回路８２ａ,８２ｂが貫設されており、第３熱交換器９１において第２熱媒体と第３熱媒体との間で熱交換が行われている。
【００５９】
このように構成された燃料電池システムの作動について上述した実施の形態の作動と異なる点についてのみ説明する。燃料電池１０の暖機時には、第３ポンプ９２を駆動させないで、第１ポンプ７３および第２ポンプ８３を上述のように駆動させ、燃料電池１０の冷却時には、第３ポンプ９２を駆動させた上で、第１ポンプ７３および第２ポンプ８３を上述のように駆動させる。具体的には、制御装置９０は、ステップ１０４にて第３ポンプ９２を停止し、ステップ１２２にて第３ポンプ９２を駆動する。これによっても、上述した実施の形態と同様な作用・効果を得ることができる。
【００６０】
また、上述した実施の形態においては、第２熱交換器は凝縮器３０であり、この第２熱交換器においては熱媒体回路８２を流通する熱媒体と改質装置２０を構成する凝縮器３０との間で直接熱交換を行っているが、第２熱交換器を、改質装置２０を構成する凝縮器３０との間で第４熱媒体が循環する熱媒体回路上に設けられて第４熱媒体と熱媒体回路８２を流通する熱媒体との間で熱交換が行われる熱交換器としてもよい。この場合、第２熱交換器においては、改質装置２０を構成する凝縮器３０と熱交換した第４熱媒体と熱媒体との間で熱交換が行われており、つまり熱媒体回路８２を流通する熱媒体と改質装置２０を構成する凝縮器３０との間で第４熱媒体を介して間接的に熱交換を行っている。このように、熱媒体が直接的または間接的に改質装置２０において発生する排熱を回収することにより改質装置２０と熱交換することを、熱媒体が改質装置２０において発生する排熱を回収することにより同改質装置２０と熱交換可能であると定義する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。
【図３】図２に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。
【図４】本発明による燃料電池システムの実施の形態の動作を示すタイムチャートである。
【図５】本発明による燃料電池システムの他の実施の形態の概要を示す概要図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、２０…改質器、２１…バーナ、２２…改質部、２３…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２４…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、２５…蒸発器、３０…凝縮器（第２熱交換器）、３１…改質ガス用凝縮器、３２…アノードオフガス用凝縮器、３３…カソードオフガス用凝縮器、３４…燃焼ガス用凝縮器、４０…純水器、４５…インバータ、４６，４７…電源ライン、５０…貯水器、５３…改質水ポンプ、６１〜６６…配管、６８…改質水供給管、６９…燃焼ガス排気管、７１…第１熱交換器、７２…冷媒回路、７３…第１ポンプ、７４…温度センサ、８１…貯湯槽、８２，８２ａ，８２ｂ…熱媒体回路、８３…第２ポンプ、８４…バイパス路、８５…第１開閉弁、８６…第２開閉弁、８７…温度センサ、８８…ラジエータ、９０…制御装置、９１…第３熱交換器、９２…第３ポンプ。
【図１】
2006127861.tif 000003
【図２】
2006127861.tif 000004
【図３】
2006127861.tif 000005
【図４】
2006127861.tif 000006
【図５】
2006127861.tif 000007