(57)【要約】【課題】凍結する可能性がある凍結懸念部位の凍結を抑えるのに有利な燃料電池システムを提供する。【解決手段】システムは、水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器２４，９３，９７，１２５を有する。凍結懸念部位３０，３２が凍結するおそれがあるとき、あるいは、凍結しているとき、制御部５は、凝縮器２４，９３，９７，１２５で凝縮される凝縮水の生成量および／または温度を高めて凍結懸念部位３０，３２における凍結を抑制する凍結抑制モードを実行する。【選択図】図１
2011034700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の運転時において水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させるための少なくとも１個の凝縮器と、
前記凝縮水で生成された凝縮水が供給されるように前記凝縮器に連通すると共に、凍結する可能性がある凍結懸念部位と、
前記凍結懸念部位が凍結するおそれがあるとき、あるいは、凍結しているとき、前記凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量および／または温度を高める凍結抑制モードを実行する制御部とを具備する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、改質水を用いて燃料原料を改質反応により改質させて前記アノードガスを生成させる改質部と、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを燃焼し前記改質部を加熱する燃焼部と、前記燃料原料を前記改質部に供給する燃料原料供給系と、前記アノードオフガスを燃焼させる燃焼用空気を前記燃焼部に供給する燃焼用空気供給系と、前記燃料原料を改質させるための液相および／または気相状の改質水を前記改質部に供給する改質水供給系とを具備する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２において、前記水蒸気含有ガスは、前記改質装置で生成されたアノードガスであり、前記凝縮器は、アノードガスを冷却させて凝縮水を生成させるアノードガス用凝縮器を備えており、
前記制御部は、前記凍結抑制モードにおいて、前記改質装置に供給される改質水の単位時間あたりの供給量を前記凍結抑制モードの実行前よりも高めることにより、前記アノードガス用凝縮器において凝縮される凝縮水の単位時間あたりの生成量を高める燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または３において、前記水蒸気含有ガスは、前記改質装置の燃焼部から排出された燃焼排ガスであり、前記凝縮器は、燃焼排ガスを冷却させて凝縮水を生成させる燃焼排ガス用凝縮器を備えており、
前記制御部は、前記凍結抑制モードにおいて、前記燃焼部に供給される燃焼用空気の単位時間あたりの供給量を前記凍結抑制モードの実行前よりも減少させることにより、前記燃焼部から放出される燃焼排ガスの単位時間あたりの生成量を減少させ、燃焼排ガスがシステム外に持ち去る水分量を低下させ、前記燃焼排ガス用凝縮器において凝縮される凝縮水の単位時間あたりの生成量を高める燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、前記水蒸気含有ガスは、前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスであり、前記凝縮器は、カソードオフガスを冷却させて凝縮水を生成させるカソードオフガス用凝縮器を備えており、
前記制御部は、前記燃料電池のカソードに供給されるカソードガスの単位時間当たりの供給量を前記凍結抑制モードの実行前よりも減少させることにより、カソードオフガスの単位時間あたりの生成量を減少させ、カソードオフガスがシステム外に持ち去る水分量を低下させ、前記カソードオフガス用凝縮器において凝縮される凝縮水の単位時間あたりの生成量を高める燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のうちの一項において、前記凝縮器を流れる水蒸気含有ガスと熱交換して凝縮水を前記凝縮器において生成させる熱媒体を流す熱媒体通路が設けられ、
前記制御部は、前記凍結抑制モードにおいて、前記熱媒体通路を流れる熱媒体の温度を前記凍結抑制モードの実行前よりも上昇または低下させることにより、前記凝縮器において凝縮される凝縮水の温度または生成量を高める燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６において、前記熱媒体通路を熱媒体が流れるように熱媒体を移動させる搬送源が設けられており、前記制御部は、前記凍結抑制モードにおいて、前記搬送源の単位時間あたりの出力を前記凍結抑制モードの前よりも低下または高めることにより、前記凝縮器において凝縮される凝縮水の温度または生成量を高める前記熱媒体通路を流れる熱媒体の温度を高める燃料電池システム。
【請求項８】
請求項６において、前記熱媒体通路は切替部を有しており、前記切替部は、前記熱媒体通路を流れる熱媒体の温度を高める第１形態と、前記熱媒体通路を流れる熱媒体の温度を前記第１形態よりも低い温度に維持する第２形態とに切り替え可能であり、前記制御部は、前記凍結抑制モードにおいて前記切替部を前記第１形態に切り替える燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１〜８のうちの一項において、前記凍結抑制モードにおいて、前記制御部は、（ｉ）前記凍結懸念部位の凍結可能性との相関性がある凍結基準温度が第１所定温度未満のときには、前記凝縮器において凝縮される凝縮水の温度を高め、（ｉｉ）前記凍結基準温度が前記第１所定温度以上のときには、前記凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量を高める燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１〜８のうちの一項において、前記制御部は、前記凍結抑制モードの初期において、前記凝縮器において凝縮される凝縮水の温度を高め、前記凍結抑制モードの初期以降において、前記凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量を高める燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は凝縮水を生成させる凝縮器を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、アノードガスおよびカソードガスにより発電運転を行う燃料電池と、燃料電池の運転時において水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、凝縮器で生成された凝縮水を溜めるタンク、タンクの余剰の凝縮水をタンク外に排出させるドレイン部とを有する。ドレイン部やタンクが凍結すると、システムにおいて回収された余剰の凝縮水が良好に排出されなくなり、タンクの水がタンクから溢れるおそれがある。この場合、筐体内の部品等に進入するため、安全のためにシステムの発電運転が停止されるというおそれがある。かかるシステムにおいて、凍結防止ヒータが設けられているものが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２５９４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した特許文献１に係る技術によれば、筐体の底部に設けたヒータの発熱によりドレイン部付近の凍結が抑制されるといえども、ヒータだけでは凍結防止には限界がある。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量および／または温度を増加させて凝縮水熱量を高め、凍結懸念部位が凍結するおそれを抑制させることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムは、（ｉ）アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電するための燃料電池と、（ｉｉ）燃料電池の運転時において単数または複数の水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させるための少なくとも１個の凝縮器と、（ｉｉｉ）凝縮水で生成された凝縮水が供給されるように凝縮器に連通すると共に、凍結する可能性がある凍結懸念部位と、（ｉｖ）凍結懸念部位が凍結するおそれがあるとき、あるいは、凍結しているとき、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量および／または温度を高めて凍結懸念部位における凍結を抑制する凍結抑制モードを実行する制御部とを具備する。
【０００７】
燃料電池の運転時において、水蒸気含有ガスを凝縮器において冷却させて凝縮水を生成させる。凝縮器で生成された凝縮水は、凍結懸念部位に向けて流れることができる。ここで、冬季または寒冷地などのように気温が低い環境では、凍結懸念部位が凍結するおそれがある。あるいは、凍結していることがある。そこで制御部は、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量および／または温度を高める凍結抑制モードを実行する。凝縮水の温度は凍結温度よりも高い。これにより凍結温度よりも温度が相対的に高い凝縮水が凍結懸念部位に供給される。このため凍結懸念部位の凍結が抑制される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、凍結懸念部位が凍結するおそれがあるとき、あるいは、凍結しているとき、制御部は、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量および／または温度を高めて凍結懸念部位における凍結を抑制する凍結抑制モードを実行する。凝縮水は凍結懸念部位に供給されるため、凍結懸念部位に存在する凝縮水の温度が上昇する。このため凍結懸念部位における凍結が抑制される。従って、凍結懸念部位に設ける凍結防止ヒータを廃止できる。或いは、凍結防止ヒータを凍結懸念部位に用いるとしても、ヒータを小型化したり、その発熱量を抑制したりできる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態１に係り、燃料電池システムの全体のシステム図である。
【図２】実施形態２に係り、凝縮器の一例を模式的に示す断面図である。
【図３】実施形態３に係り、凝縮器の他例を模式的に示す断面図である。
【図４】実施形態４に係り、制御部が実行するフローチャートである。
【図５】実施形態１１に係り、燃料電池システムの全体のシステム図である。
【図６】実施形態１１に係り、制御部が実行するフローチャートである。
【図７】実施形態１２に係り、燃料電池システムのシステム図である。
【図８】実施形態１３に係り、制御部が実行するフローチャートである。
【図９】実施形態１５に係り、燃料電池システムのシステム図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
制御部は、凍結懸念部位が凍結するおそれがあるとき、あるいは、凍結しているとき、凝縮器において凝縮される凝縮水熱量を高める凍結抑制モードを実行する。本発明によれば、凝縮器において凝縮される凝縮水熱量を高めるにあたり、『凝縮器で生成される凝縮水の温度自体が低下するものの、凝縮器において生成される単位時間あたりの凝縮水の生成量を高めることにより、凝縮水全体がもつ熱量を高める凝縮水生成量増加態様』と、『凝縮器で生成される凝縮水の生成量が減少するものの、凝縮水の温度を高める凝縮水昇温態様』とが挙げられる。環境条件、必要性、または、凍結防止の緊急性、凝縮器の構造、配管構造等に応じて、凝縮水生成量増加態様と凝縮水昇温態様とを適宜使い分けることが好ましい。
【００１１】
ガス温度と平衡蒸気圧との関係を考慮すれば、前記した凝縮水昇温態様によれば、ガス温度が凍結温度よりも所定温度高い温度領域（凍結温度付近）であれば、すなわち、ガス温度が凍結温度よりも所定温度高い温度領域（凍結温度よりも例えば１５℃以内）の温度領域であれば、凝縮器において生成される凝縮水の温度を上昇できるものの、凝縮水の生成量が低下する量はさほど大きくない。凍結抑制モードが実行されているとき、制御部は、燃料電池の発電を良好に維持するように制御することが好ましい。
【００１２】
凍結懸念部位としては、システムにおいて凍結が発生し易い部位である。凝縮器で生成された凝縮水を溜めるタンク、凝縮水が流れる配管、および、凝縮水をシステム外に排出させるドレイン部のうちの少なくとも一方が挙げられる。
【００１３】
本発明の一視点によれば、システムは、改質水を用いて燃料原料を改質反応により改質させてアノードガスを生成させる改質部と、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを燃焼し改質部を加熱する燃焼部と、燃料原料を改質部に供給する燃料原料供給系と、アノードオフガスを燃焼させる燃焼用空気を燃焼部に供給する燃焼用空気供給系と、燃料原料を改質させるための液相および／または気相状の改質水を改質部に供給する改質水供給系とを有する。
【００１４】
本発明の一視点によれば、水蒸気含有ガスは、改質装置で生成されたアノードガスである。この場合、凝縮器は、アノードガスを冷却させて凝縮水を生成させるアノードガス用凝縮器を備えている。この場合、制御部は、凍結抑制モードにおいて、改質装置に供給される改質水の単位時間あたりの供給量を凍結抑制モードの実行前よりも高めることにより、アノードガス用凝縮器において凝縮される凝縮水の単位時間あたりの生成量を高めることが好ましい。凝縮水の温度は凍結温度よりも高い。このような凝縮水の生成量が増加するため、アノードガス用凝縮器で生成された凝縮水が有する熱量が増加する。この凝縮水はタンクに溜まるため、タンクの凝縮水の温度が上昇し、タンクの凍結が抑制される。ひいてはドレイン部の凍結も抑制される。
【００１５】
本発明の一視点によれば、水蒸気含有ガスは、改質装置の燃焼部から排出された燃焼排ガスである。この場合、凝縮器は、燃焼排ガスを冷却させて凝縮水を生成させる燃焼排ガス用凝縮器を備えている。この場合、制御部は、凍結抑制モードにおいて、改質装置の燃焼部に供給される燃焼用空気の単位時間あたりの供給量を凍結抑制モードの実行前よりも減少させることにより、燃焼部から放出される燃焼排ガスの単位時間あたりの生成量を減少させ、燃焼排ガスがシステム外に持ち去る水分量を低下させ、燃焼排ガス用凝縮器において凝縮される凝縮水の単位時間あたりの生成量を高めることが好ましい。このように凝縮水の生成量が増加するため、燃焼排ガス用凝縮器において凝縮される凝縮水が有する熱量が増加する。この凝縮水はタンクに溜まるため、タンクの凝縮水の温度が上昇し、タンクの凍結が抑制される。ひいてはドレイン部の凍結も抑制される。
【００１６】
本発明の一視点によれば、水蒸気含有ガスは、改質装置で生成されたアノードガスである。この場合、凝縮器は、アノードガスを冷却させて凝縮水を生成させるアノードガス用凝縮器を備えている。この場合、制御部は、凍結抑制モードにおいて、改質装置に供給される燃料原料および改質水の単位時間あたりの供給量を凍結抑制モードの実行前よりも高めることにより、アノードガス用凝縮器において凝縮される凝縮水の単位時間あたりの生成量を高めることが好ましい。このように凝縮水の生成量が増加するため、アノードガス用凝縮器において凝縮される凝縮水が有する熱量が増加する。この凝縮水はタンクに溜まるため、タンクの凝縮水の温度が上昇し、タンクの凍結が抑制される。ひいてはドレイン部の凍結も抑制される。
【００１７】
本発明の一視点によれば、水蒸気含有ガスは、燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスである。この場合、凝縮器は、カソードオフガスを冷却させて凝縮水を生成させるカソードオフガス用凝縮器を備えている。この場合、制御部は、燃料電池のカソードに供給されるカソードガスの単位時間当たりの供給量を凍結抑制モードの実行前よりも減少させることにより、カソードオフガスの単位時間あたりの生成量を減少させ、カソードオフガスがシステム外に持ち去る水分量を低下させ、カソードオフガス用凝縮器において凝縮される凝縮水の単位時間あたりの生成量を高めることが好ましい。このように凝縮水の生成量が増加するため、カソードオフガス用凝縮器において凝縮される凝縮水が有する熱量が増加する。この凝縮水はタンクに溜まるため、タンクの凝縮水の温度が上昇し、タンクの凍結が抑制される。ひいてはドレイン部の凍結も抑制される。
【００１８】
また、制御部は、凍結抑制モードにおいて、燃焼部に供給される燃焼用空気の単位時間あたりの供給量を凍結抑制モードの実行前よりも減少させることにより、燃焼部から放出される燃焼排ガスの単位時間あたりの生成量を減少させ、燃焼排ガスがシステム外に持ち去る水分量を低下させ、燃焼排ガス用凝縮器において凝縮される凝縮水の単位時間あたりの生成量を高めることが好ましい。
【００１９】
本発明の一視点によれば、凝縮器を流れる水蒸気含有ガスと熱交換して凝縮水を凝縮器において生成させる熱媒体を流す熱媒体通路が設けられている。この場合、制御部は、凍結抑制モードにおいて、熱媒体通路を流れる熱媒体の温度を凍結抑制モードの実行前よりも高めることにより、凝縮器において凝縮される凝縮水の温度を高めることが好ましい。この凝縮水はタンクに溜まるため、タンクの凝縮水の温度が上昇し、タンクの凍結が抑制される。ひいてはドレイン部の凍結も抑制される。
【００２０】
本発明の一視点によれば、前記した熱媒体通路を熱媒体が流れるように熱媒体を移動させる搬送源が設けられている。この場合、制御部は、凍結抑制モードにおいて、搬送源の単位時間あたりの駆動出力を凍結抑制モードの前よりも低下させることにより、熱媒体通路を流れる熱媒体の温度を高めることが好ましい。この場合、凝縮器において凝縮される凝縮水の温度が上昇する。この凝縮水はタンクに溜まるため、タンクの凝縮水の温度が上昇し、タンクの凍結が抑制される。ひいてはドレイン部の凍結も抑制される。搬送源としてはポンプ、コンプレッサ等が例示される。
【００２１】
本発明によれば、上記した凍結抑制モードを単独で実行しても良いし、必要に応じて複数の凍結抑制モードを並行して実施しても良い。凍結抑制モードにおいては、燃料電池の発電出力をなるべく低下させないよう他の条件を維持したり、調整したりすることが好ましい。 
【００２２】
本発明の一視点によれば、熱媒体通路は切替部を有する。好ましくは、切替部は、熱媒体通路を流れる熱媒体の温度を高める第１形態と、熱媒体通路を流れる熱媒体の温度を第１形態よりも低下させる第２形態とに切り替え可能である。この場合、制御部は、凍結抑制モードにおいて切替部を第１形態に切り替えることが好ましい。第１形態では、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量が減少するものの、生成された凝縮水の温度が上昇する。この凝縮水はタンクに溜まるため、タンクの凝縮水の温度が上昇し、タンクの凍結が抑制される。ひいてはドレイン部の凍結も抑制される。
【００２３】
凝縮水は水蒸気を凝縮させて生成される。故に、凝縮水の温度は水が凍結する温度よりも高温である。更に水蒸気が凝縮するとき凝固潜熱（発熱）を発生させる。凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量が増加すれば、凝縮水熱量が増加するため、一般的には、タンクおよび／またはドレイン部の凍結が一層抑制される。但し、凝縮水といえども、凝縮水の温度が水の凍結温度よりも高いものの水の凍結温度に接近すれば、凝縮器で生成された凝縮水がタンクに流れる間に冷却されることを考慮すると、タンクおよび／またはドレイン部が凍結するおそれがある。そこで、本発明の一視点によれば、凍結抑制モードにおいて、制御部は、（ｉ）タンクおよびドレイン部の少なくとも一方の凍結可能性との相関性がある凍結基準温度が第１所定温度未満のときには、凍結のおそれが高いため、緊急的に、凝縮器において凝縮される凝縮水の温度を高めて凝縮水熱量を高め、また、（ｉｉ）凍結基準温度が第１所定温度以上のときには、凍結のおそれが低く緊急性が少ないものの、保険的に、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量を増加させて凝縮水熱量を高めることが好ましい。
【００２４】
ここで、凍結基準温度は、タンクおよび／またはドレイン部における凍結可能性との相関性が高い部位の温度であり、システムに応じて設定でき、凍結懸念部位の温度、外気温度、外気温度に近似できる部位の温度、筐体内の温度、貯湯循環水のシステム入口温度のうちのいずれかが挙げられる。
【００２５】
本発明の一視点によれば、凍結抑制モードの初期において、制御部は、凝縮器において凝縮される凝縮水の温度を高め、凍結抑制モードの初期以降において、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量を高めることができる。すなわち、凝縮水の生成量が低下するものの、できるだけ温度が高い凝縮水を優先的にタンクに供給してタンクなどの凍結を緊急的に防止し、その後、凝縮水の温度を低下させるものの凝縮水の生成量を増加させて凝縮水全体の熱量を高めることができる。
【００２６】
場合によっては、タンクの容量、配管構造、ドレイン部の排水構造などの如何によっては、凍結抑制モードの初期において凝縮水の生成量を高めることを優先させる方が凍結抑制として好ましい場合がある。そこで、凍結抑制モードの初期において、制御部は、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量を増加させ、凍結抑制モードの初期以降において、凝縮器において凝縮される凝縮水の温度を高めることができる。
【００２７】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について図１〜図３を参照して説明する。
【００２８】
（全体構成）
図１において、燃料電池システム（以下、単にシステムともいう）１００は、一般家庭、または業務店、ビル等に設置される定置用であり、冷却液等の冷却液（熱媒体）が流れる冷却通路１０を有する燃料電池のスタック１と、冷却液をスタック１の冷却通路１０に流してスタック１を冷却する冷却液（熱媒体）が流れる主冷却通路２（熱媒体通路）と、これらを収容する収容室６０をもつ筐体６とを有する。筐体６は、外気を取り込む外気取入口６２と、外気取入口６２から取り込まれる外気の温度Ｔ３を検知する第１温度センサ６３とを有する。スタック１の膜電極接合体は、アノード（燃料極）およびカソード（酸化剤極）で挟持されたイオン伝導膜（例えば炭化フッ素系、炭化水素系等の固体高分子型、または、ガラス系の電解質膜）を有しており、シート型でも良いしチューブ型でも良い。
【００２９】
本実施形態によれば、図１に示すように、主冷却通路２のうちスタック１の冷却通路１０の出口１０ｐから入口１０ｉにかけて、出口温度センサ２１、ヒータ２９、第１熱交換器２２、第１ポンプ２３（第１搬送源）、アノード凝縮器２４、入口温度センサ２０が直列に設けられている。なお、ヒータ２９は、スタック１の起動時等のように主冷却通路２を流れる冷却液の温度が過剰に低いときに、冷却液を暖めるものである。スタック１の通常運転時には、基本的にはヒータ２９はオフとされている。
【００３０】
第１ポンプ２３が作動すると、主冷却通路２の冷却液は、アノード凝縮器２４で受熱し、入口温度センサ２０を経て、スタック１の入口１０ｉから冷却通路１０に流れ、スタック１から受熱し、冷却通路１０を経て出口１０ｐから吐出され、更に温度センサ２１、ヒータ２９、第１熱交換器２２を順に流れる。このため、スタック１が発電するときに発生した熱は、主冷却通路２の冷却液に回収される。更に、改質装置７０で発生したアノードガスの熱はアノード凝縮器２４を経て主冷却通路２の冷却液に回収される。なお、主冷却通路２の冷却液は電気伝導度が低い液体が採用されている。
【００３１】
スタック１の燃料極であるアノードにアノードガス（例えば水素含有ガス等の燃料）を供給するアノードガス供給系７について説明する。アノードガス供給系７は、改質部７０ａと改質部７０ａを改質反応に適するように加熱する燃焼部７１とをもつ改質装置７０と、燃焼部７１に燃焼用空気を供給する空気ポンプ７２（燃焼用空気搬送源，燃焼用空気供給系）と、改質部７０ａおよび燃焼部７１に燃料原料（天然ガス等の炭化水素系ガス）を供給する燃料ポンプ７３（燃料原料搬送源，燃料原料供給系）と、改質装置７０の出口７０ｐとスタック１のアノード入口とをアノード凝縮器２４およびアノード入口バルブ７５を経て繋ぐアノードガス通路７６（アノードガス供給通路）とを有する。改質部７０ａでの改質反応は式（１）に基づく。
式（１）…ＣｎＨｍ＋２ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ２＋（ｍ／２＋２ｎ）Ｈ２  
燃料原料がメタンである場合には、次のようになる。ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２
式（１）から理解できるように、改質部７０ａに供給された水分は改質反応として消費される。但し、余剰の水分は改質反応として消費されず、アノードガスに水蒸気として含まれる。水蒸気を含有するアノードガスはアノードガス通路７６を介してアノードガス用凝縮器２４に流れ、更に凝縮器２４おいて冷却部２ｒにより冷却されて凝縮水を生成させる。凝縮水は凝固潜熱を発生させる。
【００３２】
ここで、改質装置７０で生成された水素を主要成分とするアノードガスは、アノードガス通路７６を介してスタック１のアノード（燃料極）に供給される。改質装置７０の出口側にはＣＯ低減部７７が設けられている。ＣＯ低減部７７は、改質装置７０で生成されたアノードガスに含まれているＣＯの濃度を式（２）のシフト反応により低減させるシフト反応を促進させる触媒を有するＣＯシフト部７８と、ＣＯシフト部７８を経たアノードガス含まれているＣＯを式（３）により酸化させてＣＯの濃度をさらに低減させる酸化反応を促進させる触媒を有するＣＯ酸化部７９とで形成されている。ＣＯは、スタック１の触媒の性能に影響を与えるので、好ましくない。
式（２）…ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２（発熱反応）
式（３）…ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２（発熱反応）
但し、システム起動時では、アノードガスの組成の安定性が充分ではない。このため、バルブ７５を閉鎖し、バルブ７６ｍを開放し、バイパス通路７６ｖから通路９１，凝縮器９３を介して燃焼部７１に供給して燃焼部７１において燃料として燃焼させる。
【００３３】
スタック１の酸化剤極であるカソードにカソードガス（例えば空気等の酸素含有ガス等の酸化剤ガス）を供給するカソードガス供給系８について説明する。カソードガス供給系８は、スタック１のカソードの入口に繋がるカソードガス通路８０（酸化剤通路）と、カソードガス通路８０に設けられたポンプ８１（カソードガス搬送源）、加湿器８２とを有する。加湿器８２は、加湿路８２ａと、吸湿路８２ｂと、加湿路８２ａおよび吸湿路８２ｂを仕切る水分保持部材８２ｃとを有する。ポンプ８１が作動すると、空気であるカソードガスは加湿器８２の加湿路８２ａで加湿された後、スタック１のカソード（酸化剤極）に供給される。
【００３４】
図１に示すように、スタック１のカソードの入口側を開閉するためのカソード入口バルブ８５（カソード用の入口開閉部）が、カソードガス通路８０に設けられている。スタック１のカソードの出口側を開閉するためのカソード出口バルブ８７（カソード用の出口開閉部）が、カソードオフガス通路９６に設けられている。
【００３５】
アノードオフガス排出系９０について説明する。オフガスとは、スタック１において発電反応を経たガス、スタック１から吐出されたガスという意味であり、未反応の活物質を含むこともある。図１に示すように、アノードオフガス排出系９０は、スタック１のアノードのアノード出口と燃焼部７１とを繋ぐアノードオフガス通路９１と、アノードオフガス通路９１に設けられたアノード出口バルブ９２と、アノードオフガス通路９１に設けられたアノードオフガス用凝縮器９３とを有する。ここで、スタック１のアノード出口１ａから排出されたアノードオフガスは可燃成分を含むため、アノードオフガス用凝縮器９３で冷却されて凝縮水を生成させて乾燥された後、燃焼部７１に供給され、燃焼される。
【００３６】
カソードオフガス排出系９５について説明する。図１に示すように、カソードオフガス排出系９５は、スタック１のカソード出口１ｆから排出されたカソードオフガスを加湿器８２の吸湿路８２ｂを経て流すカソードオフガス通路９６と、カソードオフガス通路９６に設けられたカソードオフガス用凝縮器９７とを有する。ここで、スタック１のカソード出口１ｆから排出されたカソードオフガスは、加湿器８２の吸湿路８２ｂおよびカソードオフガス用凝縮器９７で水分を更に低下させ、排気口９６ｘから排気される。
【００３７】
燃焼部７１で燃焼された燃料原料やアノードオフガスの燃焼排ガスは、燃焼排ガス用凝縮器１２５を経て排気口７１ｘから排気される。燃焼排ガス用凝縮器１２５では、燃焼排ガスに含まれている熱を回収すると共に、含まれている水蒸気を凝縮して液状の水として回収される。
【００３８】
図１に示すように、排熱回収系１２０は、第２ポンプ１２２（水搬送源）、アノードオフガス用凝縮器９３、カソードオフガス用凝縮器９７、燃焼排ガス用凝縮器１２５、第２熱交換器１２７を経て循環する循環通路１２８を有する。循環通路１２８は、凝縮器１２５内の冷却部１２８ｒと，凝縮器９７内の冷却部１２８ｓと，凝縮器９３内の冷却部１２８ｔとを有する。
【００３９】
第２ポンプ１２２が作動すると、循環通路１２８を冷却液（熱媒体）が循環し、アノードオフガス用凝縮器９３、カソードオフガス用凝縮器９７、燃焼排ガス用凝縮器１２５の熱が回収される。これにより循環通路１２８を流れる冷却液が加熱される。
【００４０】
貯湯系１３０について説明する。図１に示すように、貯湯系１３０は、温水を貯留する貯湯槽１３１と、貯湯槽１３１の下部の吐出口１３１ｐと貯湯槽１３１の上部の吸入口１３１ｉとを繋ぐ貯湯通路１３２（熱媒体通路）と、貯湯通路１３２に順に配置された第３ポンプ１３３（熱媒体搬送源）、第２熱交換器１２７、第１熱交換器２２と、貯湯槽１３１の温水を温水消費部に向けて吐出させる給湯通路１３１ｍと、給湯通路１３１ｍから温水が給湯に使用されたときにおいて図略の弁の開放により新水（水道水）を貯湯槽１３１に自動的に補給する補給通路１３５（水道管等）とを有する。
【００４１】
第３ポンプ１３３が作動すると、貯湯槽１３１の底部付近の水が熱媒体として吐出口１３１ｐから貯湯通路１３２に流れ、更に第２熱交換器１２７および第１熱交換器２２を経て加熱され、吸入口１３１ｉから貯湯槽１３１に帰還される。すなわち、排熱回収系１２０で回収された熱は、第２熱交換器１２７により貯湯通路１３２の温水として回収される。主冷却通路２で回収された熱は第１熱交換器２２により貯湯通路１３２の温水として回収される。
【００４２】
制御部５は、温度信号などの信号を受ける入力処理通路と、ＣＰＵと、メモリと、出力処理通路とを有しており、ポンプ２３、１２２、１３３、８１、７２、７３、７４、バルブ７５、９２、８５、８７、ヒータ２９，４３ｓ，４３ｆをそれぞれ制御する制御信号を出力する。
【００４３】
図１に示すように、システムの運転に伴い発生した凝縮水を貯留させるタンク３０が筐体６の下部に設けられている。タンク３０は、アノードオフガス用凝縮器９３，カソードオフガス用凝縮器９７，凝縮器２４，燃焼排ガス用凝縮器１２５に対して重力方向下方に配置されている。タンク３０は、筐体６の底部側に設けられており、これらの凝縮器９３，９７，２４，１２５で生成された凝縮水を受け止めて回収させる。タンク３０は、これらの凝縮水（改質部７０ａの改質反応のために消費される改質水）を貯留させるため、改質タンクに相当する。タンク３０の下流には、タンク３０に貯留された余剰の水（凝縮水）を筐体６の外部（システム外）に排出させるドレイン部３２が設けられている。ドレイン部３２は、タンク３０の下流に設けられタンク３０の出水口３０ｐから溢れた水を導出させる導出管３２ａと、導出管３２ａの先端に設けられた中間部３２ｂと、中間部３２ｂから延設されたドレインホース等で形成され且つ大気に開放されているドレイン管３２ｃとを有する。ドレイン管３２ｃの一部は、筐体６の外部に位置しており、凍結され易くなっている。中間部３２ｂおよびドレイン管３２ｃは、タンク３０の出水口３０ｐに対して重力方向の下方に位置する。よって、中間部３２ｂの水がタンク３０の出水口３０ｐへ逆流することが抑制されている。
【００４４】
システムにおいて凝縮された凝縮水の生成量と改質水の消費量とを比較すると、単位時間あたり凝縮水の生成量は、改質水の消費量よりも多いことがある。このため、タンク３０に貯留されている余剰の凝縮水は、出水口３０ｐ、導出管３２ａ、中間部３２ｂ、ドレイン管３２ｃを介してドレイン水として外部に排出される。このためドレイン部３２の排水性が確保されることが要請される。
【００４５】
タンク３０と改質装置７０とを繋ぐ改質水供給系４が設けられている。改質水供給系４は、タンク３０と改質装置７０とを繋ぐ改質水供給通路４０と、改質水供給通路４０に設けられた水ポンプ４１（改質水搬送源）および水精製器４２とを有する。水精製器４２はイオン交換樹脂等の水精製材を有しており、凝縮水を精製させて純水度を高める。このように改質装置７０で使用される改質水は、高い純水度を有する。水精製器４２には凍結防止用の第１ヒータ４３ｆが必要に応じて設けられる。タンク３０には凍結防止用の第２ヒータ４３ｓが必要に応じて設けられる。
【００４６】
ところで、冬季または寒冷地などの環境では、凍結懸念部位であるタンク３０およびドレイン部３２のうちの少なくとも一方が凍結するおそれがある。このように凍結が発生するおそれがあるとき、例えば、外気取入口６２に近い第１温度センサ６３が検知した温度Ｔ３（外気温度に相当）が閾値Ｔｃ（例えば４℃）以下に低下するとき、制御部５は、スタック１の発電運転において、システムの各凝縮器２４で凝縮される凝縮水の熱量を高める凍結抑制モードを実行する。これによりタンク３０に溜められる凝縮水の熱量が増加する。更に、タンク３０に繋がるドレイン部３２に凝縮水が存在する場合において、ドレイン部３０の凝縮水の温度が上昇する。このためタンク３０および／またはドレイン部３２における凍結が抑制される。凍結抑制モードは所定時間（例えば１〜２０分間）実行することができる。
【００４７】
以下、更に説明を加える。改質装置７０で生成されたアノードガス（水蒸気含有ガス）と、アノードガスが流れるアノードガス用凝縮器２４において凝縮される凝縮水とを制御対象とする。この場合、制御部５は、凍結抑制モードにおいて、水ポンプ４１の単位あたりの出力（回転数）を凍結抑制モードの実行前よりも高める。これによりタンク３０から改質装置７０の改質部７０ａに供給される気相および／または液相状の改質水の単位時間あたりの流量を、凍結抑制モードの実行前よりも増加させる。単位時間当たり、当該モード実行直前において改質部７０ａに供給する改質水の流量をＶｙとし、当該モード中において改質部７０ａに供給する改質水の流量（Ｌ／ｈ）をＶｘとすると、Ｖｙ／Ｖｘ＝０．９９〜０．８の範囲内が例示される。但し、これに限定されるものではない。この結果、改質装置７０における改質反応に使用されなかった水分は、アノードガス通路６を介してアノードガス用凝縮器２４に供給され、凝縮器２４において冷却部２ｒで冷却されて凝縮水として蓄積される。すなわち、アノードガス用凝縮器２４において生成される液相状の凝縮水の単位時間あたりの生成量を高める。この結果、アノードガス用凝縮器２４において凝縮水が有する熱量が増加する。この凝縮水は、凝縮器２４から重力により通路２４ｗを流下してタンク３０に溜まるため、タンク３０の凝縮水の温度が上昇し、タンク３０の凍結が抑制される。ヒータ４３ｓ，４３ｆを発熱させるとしても、その発熱量を低減させ得る。更にヒータ４３ｓ，４３ｆを廃止しても良い。タンク３０が昇温するので、ドレイン部３２の凍結も抑制される。
【００４８】
この場合、アノードガス用凝縮器２４を流れるアノードガスは、主冷却通路２の冷却部２ｒの冷却液（熱媒体）と熱交換する。この関係上、アノードガス用凝縮器２４における凝縮水の温度は、主冷却通路２の冷却部２ｒの冷却液（例えば６０〜７５℃）にほぼ対応するため、この凝縮水の凍結抑制効果は高い。
【００４９】
上記した凍結抑制モードでは、改質部７０ａに供給される改質水の量を増加させるが、改質部７０ａにおける改質反応を良好に維持すべく、改質部７０ａに供給させる燃料原料の量も同様に高めることが好ましい。更に、改質部７０ａの温度低下を抑えるべく、燃焼部７１に供給される燃焼用燃料および燃焼用空気を必要に応じて増加させることができる。スタック１のカソードに供給されるカソードガスの流量については、特に増減させないことが好ましい。
【００５０】
上記した結果、改質部７０ａで生成されるアノードガスの生成量が増加する。カソードガスの流量が基本的に変化しないときには、スタック１のアノードで発電反応に消費されなかった未反応の水素が増加する。従って、アノードオフガスは未反応の水素および水蒸気を含む。このアノードオフガスはスタック１のアノード出口１ａから排出された後、アノードオフガス通路９１を介してアノードオフガス用凝縮器９３に至り、ここで冷却されて凝縮水を生成させて乾燥され、更に燃焼部７１に供給され、燃焼部７１により燃料として燃焼される。この場合、改質部７０ａに供給される改質水の供給量が増加するため、燃料ポンプ７３が燃焼部７１に供給する燃料の流量を必要に応じて調整できる。
【００５１】
上記したように改質部７０ａの温度バランスが崩れるのを抑えるべく、Ｓ／Ｃ比を所定範囲に維持させることが好ましい。Ｓ／Ｃはsteam/carbonの比率を意味し、燃料原料に対する水蒸気の量的比率を意味する。Ｓ／Ｃが過剰に低下すると、改質部７０ａにおいてカーボンが生成される傾向がある。なお、凍結抑制モードを実行していない発電モードでは、Ｓ／Ｃは２．５〜３．５に維持することが好ましい。凍結抑制モードではＳ／Ｃは３．０〜４．０に維持することが好ましい。この場合、凍結抑制モードでは、凍結抑制モードの実行前に比べて、Ｓ／Ｃを維持しても良いし増加させても良い。なお凍結抑制モードでは、改質部７０ａに供給される改質水の量を高めるが、特に支障が発生しないときには、改質部７０ａに供給させる燃料原料の量を増加させなくても良い。
【００５２】
凍結抑制モードの実行によりタンク３０やドレイン部３２が昇温し、凍結のおそれが解除されれば、制御部５は通常の発電運転に戻す。凍結のおそれが再び発生するときには、凍結抑制モードを再び実行することが好ましい。上記した凍結抑制モードによれば、凝縮器２４で凝縮される凝縮水の生成量を増加させて高める生成量増加態様であるものの、凝縮器２４において生成される凝縮水の温度それ自体は上昇しないため、タンク３０やドレイン部３２の凍結可能性が過剰に高くない場合、すなわち、前記した凍結基準温度が第１所定温度以上のときに実行されることが好ましい。
【００５３】
ここで、凍結基準温度は、タンク３０および／またはドレイン部３２における凍結と相関性が高い部位の温度であり、システムに応じて設定でき、外気温度、外気温度に近似できる部位の温度、筐体６内の温度、凍結懸念部位であるタンク３０やドレイン部３２の温度、貯湯循環水のシステム入口温度すなわち貯湯槽１３１の下部の吐出口１３１ｐと第３ポンプ１３３との間の貯湯水温度のうちのいずれかが採用される。なお、上記した凍結抑制モードは、タンク３０またはドレイン部３２が凍結するおそれがあるとき、実行することが好ましいが、場合によっては、タンク３０またはドレイン部３２が凍結しているときに実行しても良い。凍結抑制モードにおいては、スタック１の発電出力をなるべく低下させないよう他の条件を維持したり、調整したりすることが好ましいが、場合によっては、スタック１の発電出力の維持よりも、凍結防止を優先させても良い。
【００５４】
（実施形態１Ａ）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図１を準用できる。前記した実施形態によれば、制御部５は凍結抑制モードにおいて水ポンプ４１の単位あたりの出力（回転数）を凍結抑制モードの実行前よりも高める。これによりタンク３０から改質装置７０の改質部７０ａに供給される改質水の単位時間あたりの流量を、凍結抑制モードの実行前よりも増加させる。このため改質水の増加量などの条件の如何によっては、スタック１のアノードに供給されるアノードガスが保有する水分量が増加するおそれが皆無ではない。この場合、スタック１において存在する水分量が過剰に増加し、スタックの発電出力が低下するおそれがある。この場合、必要に応じて、制御部５は、ポンプ８１の単位時間あたりの出力を増加させて、スタック１のカソードに供給されるカソードガスの流量を凍結抑制モードの実行前よりも増加させることもできる。これによりスタック１のカソードに存在している余剰の水分を持ち去ることが好ましい。
【００５５】
（実施形態２）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図１を準用できる。図２（Ａ）（Ｂ）は凝縮器２４の一例を示す。図２（Ａ）に示す例によれば、凝縮器２４は、アノードガスを通過させる凝縮室２４０を有するケース２４１と、凝縮室２４０を開閉させるバルブ２４２と、水位センサ２４３と、タンク３０に連通する通路２４ｗを形成するパイプ２４５と有する。主冷却通路２の熱交換用の冷却部２ｒが凝縮室２４０に配置されている。バルブ２４２は電気式にできる。バルブ２４２は通常時には閉鎖されている。水蒸気を含む高温のアノードガスが凝縮室２４０に流れつつ、主冷却通路２の冷却液が冷却部２ｒに流れると、アノードガス通路７６からアノードガスが凝縮室２４０において冷却部２ｒにより冷却される。よって、アノードガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水を生成する。凝縮室２４０において凝縮水の水位が増加することが水位センサ２４３により検知されると、その信号が制御部５に入力され、バルブ２４２が開放され、凝縮室２４０のガス圧や重力により凝縮水がパイプ２４５を介してタンク３０に供給される。パイプ２４５の入水口２４６は凝縮室２４０の底面２４８よりもΔｈぶん重力方向上方に水面２５０に向けて突出している。水は昇温すると、比重が小さくなる。故に、凝縮室２４０に凝縮水が溜まっているとき、溜まっている凝縮水の水面２５０付近は、底面２４８よりも高温である。このためできるだけ温度が高い凝縮水を優先的にタンク３０に供給できる。よって、タンク３０の凍結抑制効果を高める利点が得られる。バルブ２４２はガス漏れが起こらないように開閉される。
【００５６】
なお、凝縮室２４０における凝縮水の水位の高低にかかわらず、バルブ２４５を開放させれば、凝縮室２４０で生成された凍結温度よりも高い温度をもつ凝縮水を、通路２４ｗを介して直ちにタンク３０に供給させることができる。図２（Ｂ）に示す例によれば、パイプ２４５の入水口２４６は凝縮室２４０の底面２４８に配置されている。このため凝縮室２４０において凝縮水が生成されると、バルブ２４５を開放させれば、温度ができるだけ高い凝縮水を直ちにタンク３０に供給できる。他の凝縮器９３，９７，１２５についても、基本的には図２（Ａ）（Ｂ）とほぼ同様な構造にできる。
【００５７】
（実施形態３）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図１を準用できる。  図３（Ａ）（Ｂ）は凝縮器２４の他例を示す。図３（Ａ）に示す例によれば、凝縮器２４は、アノードガスを通過させる凝縮室２４０をもつケース２４１と、凝縮室２４０を凝縮水でシールさせる水シール部２６０を形成できる曲成パイプ２６１と有する。水シール部２６０は通常時には存在しており、凝縮室２４０をシールしている。水蒸気を含むアノードガスが凝縮室２４０に流れつつ、主冷却通路２の冷却部２ｒに冷却液が流れると、アノードガスに含まれている水蒸気が凝縮室２４０において凝縮して凝縮水が生成される。凝縮室２４０において凝縮水の水位が増加すると、水位による重力によりあるいはガス圧により、凝縮水が曲成パイプ２６１を通過してタンク３０に向けて供給される。パイプ２６１の上端の入水口２４６は凝縮室２４０の底面２４８よりもΔｈぶん重力方向の上方に突出して水面２５０に接近している。このため水面２５０近くのできるだけ高温の凝縮水を優先的にタンク３０に供給でき、タンク３０の凍結抑制効果を高める利点が得られる。
【００５８】
図２（Ｂ）に示す例によれば、パイプ２４５の入水口２４６は凝縮室２４０の底面２４８に配置されている。このため凝縮室２４０において凝縮水が生成されると、できるだけ温度が高い凝縮水を直ちにタンク３０に供給できる。他の凝縮器９３，９７，１２５についても、基本的には図３（Ａ）（Ｂ）とほぼ同様な構造にできる。また、サイフォン現象により凝縮室２４０内の水を過剰に吸い出さないようにするために、パイプ２６１の内径は１０ｍｍ以上を確保することが望ましい。
【００５９】
（実施形態４）
図４は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図１を準用できる。図４は、制御部５が実行するフローチャートの一例を示す。図４に示すように、制御部５はメインルーチンを実行しているとき、所定時間間隔で割り込み処理を行い、第１温度センサ６３が検知した温度Ｔ３（外気温度に相当）が閾値Ｔｃ（例えば４℃）未満か否かを判定する（ステップＳ１０２）。第１温度センサ６３が検知した温度Ｔ３（外気温度に相当）が閾値Ｔｃ以上であれば（ステップＳ１０２のＮＯ）、凍結のおそれが無いため、制御部５は凍結抑制モードを開始しない。第１温度センサ６３が検知した温度Ｔ３が閾値Ｔｃ未満であれば（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、凍結するおそれがあるため、制御部５は凍結抑制モードを開始する（ステップＳ１０４）。更に、凍結抑制モードを所定時間ｔｗ（例えば１０分間）ぶん実行する（ステップＳ１０６）。所定時間ｔｗ経過すれば、制御部５は凍結抑制モードを解除する（ステップＳ１０８）。凍結抑制モードが解除されたとしても、第１温度センサ６３が検知した温度Ｔ３が閾値Ｔｃ（例えば４℃）未満であれば（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、凍結するおそれがあるため、制御部５は凍結抑制モードを所定時間ｔｗ（例えば１０分間）ぶん再び実行する（ステップＳ１０４）。なお、凍結抑制モードの実行回数が所定時間以内に所定回数（例えば１０回）以上となれば、システムの運転を停止させることができる。本実施形態によれば、第１温度センサ６３が検知した温度Ｔ３が閾値Ｔｃ（例えば４℃）以下に低下するとき、凍結抑制モードを実行させるが、これに限らず、他の温度センサ（図略）が検知した温度が閾値（例えば４℃）以下に低下するとき、凍結抑制モードを開始させることにしても良い。
【００６０】
（実施形態５）
本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図１〜図４を準用できる。本実施形態によれば、改質装置７０の燃焼部７１から排出された燃焼排ガス（水蒸気含有ガス）と、燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス用凝縮器１２５において凝縮される凝縮水を制御対象とする。すなわち、タンク３０およびドレイン部３２のうちの少なくとも一方が凍結するおそれがあるとき、例えば、第１温度センサ６３が検知した温度Ｔ３が閾値Ｔｃ（例えば４℃）以下に低下するとき、制御部５は、燃焼排ガス用凝縮器１２５において凝縮された凝縮水熱量を高める凍結抑制モードを実行する。この場合、制御部５は、凍結抑制モードの実行前よりも、空気ポンプ７２（燃焼用空気搬送源）の単位時間あたりの出力（回転数）を低下させる。但し、改質部７０ａの改質反応に支障がない範囲とすることが好ましい。これにより改質装置７０の燃焼部７１に供給される燃焼用空気の単位時間あたりの供給量を減少させる。燃焼部７１に供給する燃焼用燃料については、流量一定で制御している。
【００６１】
ここで、単位時間当たり、当該モード実行直前において燃焼部７１に供給する燃焼用空気の流量をＶＡｙとし、当該モード中において燃焼部７１に供給する燃焼用空気の流量（Ｌ／ｈ）をＶＡｘとすると、ＶＡｙ／ＶＡｘ＝１．２〜１．０５の範囲内が例示される。但し、これに限定されるものではない。
【００６２】
この結果、制御部５は、燃焼部７１から凝縮器１２５を介して排気口７１ｘに向けてシステム外に排出される燃焼排ガスの単位時間あたりの排出量を減少させる。その結果、凍結制御モード実行前と同じ温度まで燃焼排気ガスを冷却した場合、燃焼排ガスがシステム外に持ち去る単位時間当たりの水分量を低下させる。ひいては、燃焼排ガス用凝縮器１２５において凝縮される凝縮水の単位時間あたりの生成量を高める。
【００６３】
ここで、凝縮された凝縮水の温度は水の凍結温度よりも高い。この結果、燃焼排ガス用凝縮器１２５において凝縮された凝縮水熱量が増加する。この凝縮水は通路１２５ｗを介してタンク３０に溜まるため、タンク３０の凝縮水の温度が上昇し、タンク３０の凍結が抑制される。ひいてはドレイン部３２の凍結も抑制される。
【００６４】
この場合、図１から理解できるように、循環通路１２８（熱媒体通路）の冷却液（熱媒体）は、燃焼排ガス用凝縮器１２５ばかりか、カソードオフガス用凝縮器９７、アノードオフガス用凝縮器９３と熱交換して加熱される。燃焼排ガス用凝縮器１２５を流れる燃焼排ガスは、循環通路１２８の冷却液（熱媒体）と熱交換する。この関係上、燃焼排ガス用凝縮器１２５における凝縮水の温度は、循環通路１２８の冷却部１２８ｒの冷却液の温度に応じて高くなる。このため、燃焼排ガス用凝縮器１２５において生成された凝縮水の凍結抑制効果は高い。殊に、図１に示すように、循環通路１２８において、燃焼排ガス用凝縮器１２５はカソードオフガス用凝縮器９７およびアノードオフガス用凝縮器９３の下流に配置されている。従って、燃焼排ガス用凝縮器１２５の燃焼排ガスは、カソードオフガス用凝縮器９７およびアノードオフガス用凝縮器９３による熱交換で加熱された冷却部１２８ｒの冷却液（熱媒体）と熱交換する。このため、燃焼排ガス用凝縮器１２５において生成された凝縮水の温度は高温になりがちであり、高い凍結抑制効果をもつ。
【００６５】
なお制御部５は、本実施形態の凍結抑制モードを単独で実行できる。あるいは、必要に応じて、本明細書に記載されている他の実施形態の凍結抑制モードを併用することができる。第１温度センサ６３が検知した温度Ｔ３が閾値Ｔｃ（例えば４℃）以下に低下するとき、凍結抑制モードを実行させるが、他の温度センサ（図略）が検知した温度が閾値（例えば４℃）以下に低下するとき、凍結抑制モードを実行させることにしても良い。凍結抑制モードの実行により凍結のおそれが解除されれば、制御部５は通常の発電運転に戻す。凍結抑制モードにおいては、スタック１の発電出力をなるべく低下させないよう他の条件を維持したり、調整したりすることが好ましいが、場合によっては、スタック１の発電出力の維持よりも、凍結防止を優先させても良い。
【００６６】
上記した凍結抑制モードは、凍結基準温度が第１所定温度以上のときに実行されることが好ましい。凍結基準温度は、タンク３０および／またはドレイン部３２における凍結と関連づけ得る部位の温度であり、システムに応じて設定でき、外気温度、外気温度に近似できる部位の温度、筐体６内の温度、貯湯循環水のシステム入口温度すなわち貯湯槽１３１の下部の吐出口１３１ｐと第３ポンプ１３３との間の貯湯水温度が挙げられる。
【００６７】
（実施形態６）
本実施形態は実施形態１〜５と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図１〜図４を準用できる。本実施形態によれば、スタック１のカソードから排出されるカソードオフガス（水蒸気含有ガス）と、カソードオフガスを流すカソードオフガス用凝縮器９７において凝縮された凝縮水とを制御対象とする。すなわち、タンク３０およびドレイン部３２のうちの少なくとも一方が凍結するおそれがあるとき、例えば、第１温度センサ６３が検知した温度Ｔ３が閾値Ｔｃ（例えば４℃）以下に低下するとき、制御部５は凍結抑制モードを実行する。この場合、凍結抑制モードの実行前よりも、制御部５は、ポンプ８１の単位時間あたりの出力（回転数）を低下させ、スタック１のカソードに供給されるカソードガスの単位時間当たりの供給量を減少させる。これにより、カソードから排出されるカソードオフガスの単位時間あたりの排出量を減少させる。ここで、単位時間当たり、当該モード実行直前においてカソードに供給するカソードガスの流量をＶＣｙとし、当該モード中においてカソードに供給するカソードガスの流量（Ｌ／ｈ）をＶＣｘとすると、ＶＣｙ／ＶＣｘ＝１．２５〜１．０５の範囲内が例示される。但し、これに限定されるものではない。
【００６８】
カソードガスについては、発電運転において、スタック１のカソードの発電反応で消費される酸素量を大きく超える流量がカソードに供給されるのが一般的である。従って、カソードガスの流量を減少させたとしても、問題はない。
【００６９】
この結果、カソードオフガスが排気口９６ｘからシステム外に持ち去る単位時間あたりの水分量を低下させる。凍結制御モード実行前と同じ温度まで燃焼排気ガスを冷却した場合、カソードオフガス用凝縮器９７において凝縮される凝縮水の単位時間あたりの生成量を高める。排気口９６ｘ，７１ｘを一体化させても良い。
【００７０】
ここで、凝縮器９７において凝縮される凝縮水の温度は、カソードオフガスと熱交換する循環通路１２８の冷却部１２８ｓの冷却液の温度に対応しており、凍結を誘発させる外気の温度よりも高い。故に、カソードオフガス用凝縮器９７において凝縮された凝縮水の熱量が増加する。凝縮器９７の凝縮水は重力により通路９７ｗを介してタンク３０に移動して溜まるため、タンク３０の凝縮水の温度が上昇し、タンク３０の凍結が抑制される。ひいてはドレイン部３２の凍結も抑制される。
【００７１】
すなわち、カソードオフガス用凝縮器９７を流れるカソードオフガスは、循環通路１２８の冷却部１２８ｓの冷却液（熱媒体）と熱交換する関係上、カソードオフガス用凝縮器９７における凝縮水の温度は循環通路１２８の冷却液の温度にほぼ対応するため、この凝縮水の凍結抑制効果は高い。この場合、図１から理解できるように、循環通路１２８において、カソードオフガス用凝縮器９７はアノードオフガス用凝縮器９３の下流に配置されている。従って、カソードオフガス用凝縮器９７のカソードオフガスは、アノードオフガス用凝縮器９３による熱交換で加熱された冷却液（熱媒体）と熱交換する。このため、カソードオフガス用凝縮器９７における凝縮水の温度は高温になりがちであり、高い凍結抑制効果をもつ。
【００７２】
なお制御部５は、必要に応じて、本実施形態の凍結抑制モードと、本明細書に記載の他の実施形態の凍結抑制モードとを併用することができる。凍結抑制モードの実行により凍結のおそれが解除されれば、制御部５は通常の発電運転に戻す。
【００７３】
上記した凍結抑制モードは、凝縮水の生成量を高めるものの、凝縮器９７において生成される凝縮水の温度それ自体は上昇しないため、前記した凍結基準温度が第１所定温度以上のときに実行されることが好ましい。凍結基準温度は、タンク３０および／またはドレイン部３２における凍結と関連づけ得る部位の温度であり、システムに応じて設定でき、外気温度、外気温度に近似できる部位の温度、筐体６内の温度、貯湯循環水のシステム入口温度すなわち貯湯槽１３１の下部の吐出口１３１ｐと第３ポンプ１３３との間の貯湯水温度が例示される。
【００７４】
（実施形態７）
本実施形態は実施形態１〜６と基本的には同様の構成、作用効果を有するため、図１〜図４を準用できる。本実施形態によれば、タンク３０およびドレイン部３２のうちの少なくとも一方が凍結するおそれがあるとき、例えば、第１温度センサ６３が検知した温度Ｔ３が閾値Ｔｃ（例えば４℃）以下に低下するとき、制御部５は凍結抑制モードを実行する。この場合、制御部５は、凍結抑制モードの実行前よりも、貯湯通路１３２における温水温度センサ６７で検知される温水温度Ｔ４を低下させるようにポンプ１３３の出力を制御する。温度Ｔ４を例えば７０℃から６０℃に低下させる。具体的にはポンプ１３３の出力（回転数）を増加させて貯湯通路３２を流れる単位時間あたりの流量を増加させ、熱交換器１２７，２２における熱交換量を高める。
【００７５】
この結果、貯湯通路１３２を流れる冷却液の温度が低下し、全ての凝縮器、具体的には、凝縮器２４の冷却部２ｒ、凝縮器９３の冷却部１２８ｔ、凝縮器９７の冷却部１２８ｓ、凝縮器１２５の冷却部１２８ｒの温度が低下する。ひいては、凝縮器２４において凝縮された凝縮水の生成量、凝縮器９３において凝縮された凝縮水の生成量、凝縮器９７において凝縮された凝縮水の生成量、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量をそれぞれ増加させて高めることができる。このような凝縮水の温度は外気温度や凍結温度よりも高い。
【００７６】
このような本実施形態によれば、凝縮器２４，９３，９７，１２５で凝縮された凝縮水熱量を高める凍結抑制モードを実行することができ、タンク３０およびドレイン部３２における凍結抑制効果が高くなる。凍結抑制モードの実行により凍結のおそれが解除されれば、制御部５は通常の発電運転に戻す。
【００７７】
この凍結抑制モードでは、主冷却通路２の冷却液の温度が低下するため、他の条件の如何によっては、スタック１のカソードにおいて存在する水が過剰となり、スタック１の発電出力が低下するおそれが皆無ではない。そこで、スタック１の発電出力の低下が所定値を超えるときには、制御部５は、カソードに存在する過剰の水を排出すべく、ポンプ８１の出力を必要に応じて増加させ、カソードに供給されるカソードガスの流量を高めることができる。
【００７８】
上記した凍結抑制モードは、凍結基準温度が第１所定温度以上のときに実行されることが好ましい。凍結基準温度は、タンク３０および／またはドレイン部３２における凍結と相関性が高い部位の温度であり、システムに応じて設定でき、外気温度、外気温度に近似できる部位の温度、筐体６内の温度、貯湯循環水のシステム入口温度すなわち貯湯槽１３１の下部の吐出口１３１ｐと第３ポンプ１３３との間の貯湯水温度が例示される。
【００７９】
このような本実施形態によれば、凝縮器２４，９３，９７，１２５で凝縮された凝縮水熱量を高める凍結抑制モードを実行することができ、タンク３０およびドレイン部３２における凍結抑制効果が高くなる。凍結抑制モードの実行により凍結のおそれが解除されれば、制御部５は通常の発電運転に戻す。
【００８０】
（実施形態８）
本実施形態は、前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１を準用する。タンク３０およびドレイン部３２のうちの少なくとも一方が凍結するおそれがあるとき、制御部５は凍結抑制モードを実行する。このモードの初期の時には、制御部５は、凍結抑制モードの実行前よりも、貯湯通路１３２における温水温度センサ６７で検知される制御温度Ｔ４を高める。例えば６０℃から７０℃に高める。具体的にはポンプ１３３の出力（回転数）を減少させて熱交換器１２７，２２における熱交換量を減少させる。この凍結抑制モードでは、主冷却通路２の冷却液の温度が上昇するため、凝縮器２４において生成される凝縮水の生成量が多少減少するものの、その凝縮水の温度を高めることができる。その凝縮水が凝縮器２４から重力により通路２４ｗを介してタンク３０に供給されるため、タンク３０やドレイン部３２の凍結を緊急的に防止できる。
【００８１】
またポンプ１３３の出力（回転数）を減少すると、循環通路１２８の冷却液の温度も上昇するため、冷却部１２８ｔ，１２８ｓ，１２８ｒの冷却液の温度も上昇する。このため凝縮器９３，９７，１５２５において凝縮される凝縮水の生成量が多少減少するものの、生成される凝縮水の温度を高めることができる。その凝縮水は凝縮器９３，９７，１２５の通路９３ｗ，９７ｗ，１２５ｗを介して重力によりタンク３０に流れるため、タンク３０やドレイン部３２の凍結を緊急的に防止できる。
【００８２】
このように生成される凝縮水の温度を高めることができる凍結抑制モードは、凍結基準温度が第１所定温度未満で、凍結緊急性が高いときに実行されることが好ましい。各凝縮器における凝縮量は、凝縮される温度の飽和蒸気圧に従うが、例えば凝縮温度が５℃以下であれば、飽和蒸気圧の差異は僅かであり、凝縮水量を増やす効果よりも凝縮水の温度を高めることで、凍結防止効果を高めることができる。
【００８３】
但し、凍結のおそれが減少した凍結抑制モードの中期では、制御部５は、貯湯通路１３２における温水温度センサ６７で検知される制御温度Ｔ４を低下させることができる。例えば７０℃から６０℃に低下させる。具体的には制御部５はポンプ１３３の出力（回転数）を増加させて貯湯通路１３２を流れる冷却液の流量を増加させ、熱交換器１２７，２２から貯湯通路１３２への伝熱量を高める。このため、主冷却通路２および循環通路１２８の冷却液の温度が低下する。この場合、凝縮器２４，９３，９７，１２５において凝縮される凝縮水の温度が多少低下するものの、その凝縮水の生成量を増加させて高め、結果として凝縮水全体の熱量を高めることができるため、タンク３０やドレイン部３２の凍結を抑制できる。
【００８４】
（実施形態９）
本実施形態は、前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１を準用する。タンク３０およびドレイン部３２のうちの少なくとも一方が凍結するおそれがあるとき、制御部５は凍結抑制モードを実行する。すなわち、制御部５は、ポンプ１２２の出力（回転数）を減少させる。すると、循環通路１２８の冷却液の温度が上昇するため、冷却部１２８ｔ，１２８ｓ，１２８ｒの冷却液の温度が上昇する。このため、温度と平衡蒸気圧との関係から、凝縮器９３，９７，１２５において凝縮される凝縮水の生成量が多少減少するものの、その凝縮水の温度を高めることができる。その凝縮水は凝縮器９３，９７，１２５の通路９３ｗ，９７ｗ，１２５ｗを介して重力によりタンク３０に流れるため、タンク３０やドレイン部３２の凍結を緊急的に防止できる。このように生成される凝縮水の温度を高めることができる凍結抑制モードは、凍結基準温度が第１所定温度未満で、凍結緊急性が高いときに実行されることが好ましい。
【００８５】
但し、凍結緊急性が低下した凍結抑制モードの中期では、制御部５は、ポンプ１２２の出力（回転数）を増加させて元に戻す。これにより循環通路１２８の冷却液の温度が低下するため、冷却部１２８ｔ，１２８ｓ，１２８ｒの冷却液の温度が低下する。このため凝縮器９３，９７，１２５において凝縮される凝縮水の生成量を増加させて高めることができる。その凝縮水は凝縮器９３，９７，１２５の通路９３ｗ，９７ｗ，１２５ｗを介して重力によりタンク３０に流れるため、タンク３０やドレイン部３２の凍結抑制に有効である。
【００８６】
（実施形態１０）
本実施形態は、前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図１を準用する。タンク３０およびドレイン部３２のうちの少なくとも一方が凍結するおそれがあるとき、例えば、第１温度センサ６３が検知した温度Ｔ３が閾値Ｔｃ（例えば４℃）以下に低下するとき、制御部５は凍結抑制モードを実行する。この場合、制御部５は、凍結抑制モードの実行前よりも、ヒータ２９をオンさせたり、ヒータ２９の発熱量を増加させたりする。これにより主冷却通路２（熱媒体通路）の冷却部２ｒの流れる冷却液（熱媒体）の温度を高める。この場合、凝縮器２４において凝縮される凝縮水の単位時間あたりの生成量は減少するものの、凝縮器２４で生成される凝縮水の温度が上昇する。この凝縮水を通路２４ｗを介してタンク３０に直ちに供給させれば、タンク３０およびドレイン部３２における凍結抑制効果が高くなる。このように生成される凝縮水を昇温させる凍結抑制モードは、凍結基準温度が第１所定温度未満で、凍結緊急性が高いときに効果的であると考えられる。
【００８７】
（実施形態１１）
図５は実施形態１１を示す。本実施形態は、前記した実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図５に示すように、ドレイン部３２の配管またはドレイン部３２のドレイン水の温度Ｔ５を検知するドレイン温度センサ６５が設けられている。ドレイン温度センサ６５が検知した温度Ｔ５が閾値Ｔｅ（例えば２℃）以下に低下するとき、制御部５は、上記した凍結抑制モードのいずれかを実行する。凍結抑制モードを所定時間ｔｒ（例えば１０分間）実行したとしても、ドレイン温度センサ６５で検知されるドレイン部３２の配管温度Ｔ５が昇温しないときには、ドレイン部３２が既に凍結しており、ドレイン部３２が凍結で既に詰まっていると考えられる。そこで制御部５はシステムの発電運転を停止させることができる。
【００８８】
図６は、制御部５が実行するフローチャートの一例を示す。図６に示すように、制御部５はメインルーチンを実行しているとき、所定時間間隔で割り込み処理を行い、ドレイン温度センサ６５が検知した温度Ｔ５が閾値Ｔｅ（例えば２℃）未満か否か判定する（ステップＳ２０２）。ドレイン温度センサ６５が検知した温度Ｔ５が閾値Ｔｅ未満であれば（ステップＳ２０２のＹＥＳ）、凍結するおそれがあるため、制御部５は凍結抑制モードを開始し（ステップＳ２０４）、更に、凍結抑制モードの実行時間ｔｍのカウントをスタートさせる（ステップＳ２０６）。更に、制御部５は、ドレイン温度センサ６５が検知した温度Ｔ５と閾値Ｔｆ（例えば７℃）とを比較し、温度Ｔ５と閾値Ｔｆを高温側に超えるか否かを判定する（ステップＳ２０８）。ドレイン温度センサ６５が検知した温度Ｔ５が閾値Ｔｆ（例えば７℃）を高温側に超えていないとき（ステップＳ２０８のＮＯ）、制御部５は、凍結抑制モードの実行時間ｔｍが所定時間ｔｒ（例えば１０分）未満かを判定する（ステップＳ２１２）。実行時間ｔｍが所定時間ｔｒ（例えば１０分）未満であれば（ステップＳ２１２のＹＥＳ）、制御部５は凍結抑制モードを継続させる（ステップＳ２１２のＹＥＳ）。経過時間ｔｍが所定時間ｔｒ（例えば１０分）以上であれば（ステップＳ２１２のＮＯ）、制御部５はシステムを停止させる（ステップＳ２１４）。ステップＳ２０８における判定の結果、ドレイン温度センサ６５が検知した温度Ｔ５が閾値Ｔｆ（例えば５℃）を高温側に超えていれば（ステップＳ２０８のＹＥＳ）、凍結のおそれがないため、制御部５は凍結抑制モードを解除する（ステップＳ２１０）。上記した凍結抑制モードは、凍結基準温度が第１所定温度以上のときに実行されることが好ましい。
【００８９】
（実施形態１２）
図７は実施形態１２を示す。本実施形態は、前記した実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。スタック１は固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ）で形成されており、作動温度は電解質の材質にもよるが、例えば４００〜１０００℃の範囲内、５００〜８００℃の範囲内である。図１と図７との比較から理解できるように、改質装置７０が設けられているものの、スタック１を冷却させる主冷却通路、アノードオフガス用凝縮器、カソードオフガス用凝縮器が廃止されている。更に、ＣＯシフト部７８、ＣＯ酸化部７９も廃止されている。ＣＯもアノードガスとなりうるためである。
【００９０】
図７に示すように、タンク３０と改質装置７０とを繋ぐ改質水供給系４が設けられている。改質水供給系４は、タンク３０と改質装置７０とを繋ぐ改質水供給通路４０と、改質水供給通路４０に設けられた水ポンプ４１および水精製器４２とを有する。水精製器４２はイオン交換樹脂等の水精製材を有しており、凝縮水を精製させて純水度を高める。水精製器４２には凍結防止用の第１ヒータ４３ｆが設けられている。タンク３０には凍結防止用の第２ヒータ４３ｓが設けられている。凍結するおそれがあるときには、制御部５はヒータ４３ｆ，４３ｓを発熱させる。但し、このヒータを廃止しても良い。
【００９１】
スタック１のアノードから排出された発電反応後のアノードオフガスは、通路１３により改質装置７０の燃焼部７１に供給される。スタック１のカソードから排出された発電反応後のカソードオフガス（オフエア）は、通路１４により燃焼部７１に供給される。アノードオフガスは燃焼部７１で再燃焼された後、排気ガスとして、通路１５を介して燃焼排ガス用凝縮器１２５を経て排気口１５ｘから外部に排出される。
【００９２】
図７に示すように、貯湯系１３０は、温水を貯留する貯湯槽１３１と、貯湯槽１３１の吐出口１３１ｐと貯湯槽１３１の吸入口１３１ｉとを繋ぐ貯湯通路１３２と、貯湯通路１３２に順に配置された第３ポンプ１３３（水搬送源）、燃焼排ガス用凝縮器１２５とを有する。貯湯通路１３２において、凝縮器１２５の下流には温水温度センサ６７が設けられ、凝縮器１２５の上流には温度センサ６８が設けられている。
【００９３】
燃焼排ガス用凝縮器１２５から導出された燃焼排ガスを排気口１５ｘを介して外部に排出させる通路１５ｋが設けられている。燃焼排ガス用凝縮器１２５の底部から凝縮水通路１２５ｋが分岐する。凝縮水通路１２５ｋにより燃焼排ガス用凝縮器１２５の凝縮水をタンク３０に供給させる。第３ポンプ１３３が作動すると、貯湯通路１３２を流れる水は、燃焼排ガス用凝縮器１２５の冷却部１３２ｒを流れ、更に、燃焼部７１からの高温の燃焼排ガスと熱交換するため、加熱されて温水となり、吸入口１３１ｉから貯湯槽１３１に帰還する。このため排気ガスの排熱は、温水として貯湯槽１３１に回収される。
【００９４】
図７に示すように、貯湯系１３０の貯湯通路１３２には、燃焼排ガス用凝縮器１２５の下流部位１２５ｄと燃焼排ガス用凝縮器１２５の上流部位１２５ｕとを繋ぐバイパス通路５０が、貯湯通路１３２の分岐部１３２ｍから分岐した状態で設けられている。分岐部１３２ｍは、貯湯通路１３２において、高温の排気ガスの熱を回収した凝縮器１２５よりも下流に位置しており、凝縮器１２５で加熱された温水をバイパス通路５０を介して上流部位１２５ｕに供給させる。バイパス通路５０には、バイパス通路５０を開閉させるバイパスバルブ５２（切替部）が設けられている。バイパスバルブ５２はポート５２ａ，５２ｂ，５２ｃをもつ。バイパスバルブ５２を二方弁としても良い。ポート５２ａは燃焼排ガス用凝縮器１２５の下流部位１２５ｄに繋がる。ポート５２ｂはバイパス通路５０を介して燃焼排ガス用凝縮器１２５の上流部位１２５ｕに繋がる。ポート５２ｃは貯湯槽１３１の吸入口１３１ｉに繋がる。バイパスバルブ５２は第１形態と第２形態とに切替可能である。第１形態では、ポート５２ａ，５２ｂの連通度を高めつつ、ポート５２ｃの閉鎖度を高めることにより、吸入口１３１ｉに供給する温水を制限させつつ、ポート５２ａからバイパス通路５０に流れる冷却液（熱媒体）を増加させ、冷却部１３２ｒを流れる冷却液（熱媒体）の温度を高める。具体的には、凍結抑制モードを実行する前よりも、温度センサ６８が検知する温度Ｔ６（凝縮器１２５の入口温度）を高める。これにより凝縮器１２５で凝縮された凝縮水の温度が上昇する。
【００９５】
第２形態では、ポート５２ａ，５２ｃの連通度を高めつつ、ポート５２ｂの閉鎖度を高めることにより、バイパス通路５０を流れる冷却液（熱媒体）の流量を減少または０とし、貯湯通路１３２（熱媒体通路）を流れる冷却液（熱媒体）の温度を第１形態よりも低い温度に維持する。
【００９６】
本実施形態によれば、寒冷地または冬季等において、タンク３０およびドレイン部３２が凍結するおそれがあるとき、制御部５５は、バイパスバルブ５２を第１形態に切替える。これにより貯湯通路１３２の冷却液（熱媒体）はバイパス通路５０および凝縮器１２５の双方を繰り返して通過するため、短時間で昇温される。このように貯湯通路１３２の冷却液が昇温されると、凝縮器１２５の入口側の温度Ｔ６が上昇して所定温度域（例えば２０〜４５℃）に維持されるため、この冷却液と熱交換して凝縮器１２５において凝縮された凝縮水が昇温される。この凝縮水は通路１２５ｋを介してタンク３０に溜まるため、タンク３０の凝縮水の温度も上昇し、タンク３０およびドレイン部３２における凍結抑制に貢献できる。
【００９７】
上記した凍結抑制モードは、貯湯通路１３２（熱媒体通路）の冷却液（熱媒体）の温度を高めるため、凝縮器１２５において生成させる凝縮水の生成量が減少するものの、凝縮水の温度が直接的に上昇する。このため凍結するおそれが高いとき、凍結防止効果を迅速に高めることができる。上記した凍結抑制モードは、凝縮水の温度を直接上昇できるため、凍結基準温度が第１所定温度未満で、凍結可能性が差し迫っているときに実行されることが好ましい。
【００９８】
（実施形態１３）
図８は実施形態１３を示す。本実施形態は、前記した実施形態９と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図７を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。図８は、制御部５が実行するフローチャートを示す。図８に示すように、制御部５はメインルーチンを実行しているとき、所定時間間隔で割り込み処理を行い、第１温度センサ６３が検知した温度Ｔ３が閾値Ｔｃ（例えば４℃）未満か否か判定する（ステップＳ３０２）。温度Ｔ３が閾値Ｔｃ未満であれば（ステップＳ３０２のＹＥＳ）、凍結するおそれがあるため、制御部５は凍結抑制モードを開始し（ステップＳ３０４）、更に、温度センサ６８の温度Ｔ６が目標温度（例えば２０〜３０℃）に維持されるように、バルブ５２を第１形態に切り替える（ステップＳ３０６）。この状態で、制御部５は、凍結抑制モードを所定時間ｔｋ（例えば１０分）実行する。所定時間ｔｋ経過すれば（ステップＳ３０８）、制御部５はバルブ５２を第２形態に戻し（ステップＳ３１０）、凍結抑制モードを解除する（ステップＳ３１２）。なお、上記した凍結抑制モードは、前述したように、凍結基準温度が第１所定温度以上のときに実行されることが好ましい。
【００９９】
（実施形態１４）
本実施形態は、前記した実施形態９，１０と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有するため、図７，８を準用する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施形態においても、制御部５は、凍結抑制モードにおいて、貯湯通路１３２（熱媒体通路）を流れる冷却液（熱媒体）の温度を凍結抑制モードの実行前よりも高めることにより、凝縮器１２５における凝縮水の温度を高める。すなわち、制御部５は、凍結抑制モードにおいて、他の条件をできるだけ維持させつつ、水ポンプ１３３（搬送源）の単位時間あたりの回転数（出力）を凍結抑制モードの前よりも低下させる。これにより、貯湯通路１３２（熱媒体通路）の冷却部１３２ｒを流れる冷却液（熱媒体）の速度が低下する。よって、冷却部１３２ｒの冷却液が凝縮器１２５において高温の燃焼排ガスから受熱する時間が長くなり、当該冷却液の温度が昇温される。従って、凝縮器１２５において凝縮された凝縮水の温度が昇温する。凝縮水は通路１２５ｋからタンク３０に流れるため、タンク３０の凝縮水の温度が上昇し、凍結抑制に貢献できる。この場合、バイパスバルブ５２を第２形態に切替え、バイパス５０への通水を制限しつつ、貯湯通路１３２の水を吸入口１３１ｉから貯湯槽１３１に戻す。
【０１００】
上記した凍結抑制モードは、生成させる凝縮水の生成量が減少するものの、凝縮水の温度が直接的に上昇する。このため凍結するおそれが高いとき、凍結防止効果を迅速に高めることができる。上記した凍結抑制モードは、凍結基準温度が第１所定温度未満で、凍結可能性差し迫っているときに実行されることが好ましい。
【０１０１】
なお凍結抑制モードにおいては、スタック１の発電出力をなるべく低下させないよう他の条件を維持したり、調整したりすることが好ましいが、場合によっては、スタック１の発電出力の維持よりも、凍結防止を優先させても良い。
【０１０２】
（実施形態１５）
図９は実施形態１５を示す。本実施形態は、前記した実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。貯湯系１３０の貯湯通路１３２とタンク３０のドレイン部３２の中間部３２ｂとを繋ぐ温水通路５０Ｗが、貯湯通路１３２の分岐部１３２ｍｏから分岐した状態で設けられている。分岐部１３２ｍｏは、排熱回収系１２０で回収された熱で水を加熱される熱交換器１２７と，スタック１，凝縮器２４で回収された熱で水を加熱させる熱交換器２２の下流に位置している。この結果、熱交換器１２７および熱交換器２２で加熱された温水を温水通路５０Ｗを介してドレイン部３２に供給させる。このため、できるだけ高温の温水をドレイン部３２に供給させることができる。温水通路５０Ｗには、温水通路５０Ｗを開閉させるバイパスバルブ５２Ｗが設けられている。バイパスバルブ５２Ｗの入口ポート５２ｉは貯湯通路１３２に繋がり、出口ポート５２ｐはドレイン部３２に繋がる。場合によっては、バイパスバルブ５２Ｗは三方弁とすることもできる。貯湯通路１３２の温水の温度Ｔ８を検知する温水温度センサ６７Ｗが設けられている。温水温度センサ６７Ｗは、熱交換器１２７，２２の下流であり且つ分岐部１３２ｍの上流に位置しており、熱交換器１２７，２２で加熱され且つ温水通路５０Ｗに流れる直前の温水の温度を検知する。このため温水温度センサ６７Ｗは、ドレイン部３２に流れる直前の温水温度を検知するのに有利である。
【０１０３】
本実施形態によれば、ドレイン部３２が凍結するおそれがあるとき、制御部５５は上記した凍結抑制モードを実行すると共に、バイパスバルブ５２Ｗを開放させる。これにより、貯湯系１３０の貯湯通路１３２の温水を、タンク３０に供給させることなく、温水通路５０Ｗを介してドレイン部３２の中間部３２ｂに供給する。この場合、温水を連続的に供給させても良いし、間欠的に供給させても良い。これにより、タンク３０のドレイン部３２の温度が上昇し、ドレイン部３２の凍結が抑えられる。温水はドレイン部３２から外部に排出される。出水口３０ｐの高さ位置はドレイン部３２よりも高いため、ドレイン部３２に供給された温水（水道水等）がタンク３０に逆流することが抑えられている。上記した全ての実施形態で実行される凍結抑制モードにおいて、貯湯通路１３２の温水をドレイン部３２に供給させる操作を併用させても良い。
【０１０４】
（その他）
システム１００は、図１に示すシステムの配置および構造に限定されるものではなく、配置および構造は、必要に応じて適宜変更できるものである。必ずしも加湿器が搭載されていなくても良い。循環通路１２８において、アノードオフガス用凝縮器９３、カソードオフガス用凝縮器９７、燃焼排ガス用凝縮器１２５の順に配置されているが、これに限定されるものではない。図１に示す凝縮器９３，９７，２４等は必要に応じて設ければ良い。ポンプ８１、空気ポンプ７２は、ファン、ブロア、コンプレッサとしても良い。燃料ポンプ７３は、ファン、ブロア、コンプレッサとしても良い。水ポンプ７４は、ファン、ブロア、コンプレッサとしても良い。
【０１０５】
各実施形態においても、凍結抑制モードの初期において、制御部５は、凝縮器において凝縮される凝縮水の温度を高め、凍結抑制モードの初期以降において、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量を高めるようにことができる。この場合、温度が高い凝縮水をタンク３０に優先的に供給してタンク３０などの凍結を緊急的に防止し、その後、凝縮水の生成量を増加させて凝縮水全体の熱量を高めることができる。
【０１０６】
または、タンクの容量、ドレイン部の排水構造などの如何によっては、凍結抑制モードの初期において凝縮水の生成量を高めることが凍結抑制に好ましい場合もある。そこで、各実施形態においても、凍結抑制モードの初期において、制御部は、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量を増加させ、凍結抑制モードの初期以降において、凝縮器において凝縮される凝縮水の温度を高めることができる。
【０１０７】
改質装置７０に供給される燃料原料は、都市ガスやバイオガス等のガスに限定されず、灯油、メタノール、ジメチルエーテル、ガソリン等の液体燃料でも良い。燃焼部７１に供給される燃料は、ガスに限定されず、灯油、メタノール、ジメチルエーテル、ガソリン等の液体燃料でも、固形燃料でも良い。燃料電池は固体高分子形、固体酸化物形に限定されず、溶融炭酸塩形、りん酸形でも良い。凝縮器２４，９３，９７，１２５は図２および図３に示す構造に限定されない。ヒータ４３ｆ，４３ｓを廃止しても良い。
【０１０８】
各実施形態において凍結抑制モードの実行により、万一、スタック１において存在する水分量が過剰に増加し、スタックの発電出力が低下するおそれがある場合には、必要に応じて、制御部５は、ポンプ８１の単位時間あたりの出力を増加させて、スタック１のカソードに供給されるカソードガスの流量を凍結抑制モードの実行前よりも増加させることもできる。これによりスタック１のカソードに存在している余剰の水分を持ち去ることが好ましい。
【０１０９】
また各実施形態において凍結抑制モードの実行により、万一、スタック１において存在する水分量が過剰に減少し、スタックの発電出力が低下するおそれがある場合には、必要に応じて、制御部５は、ポンプ８１の単位時間あたりの出力を減少させて、スタック１のカソードに供給されるカソードガスの流量を凍結抑制モードの実行前よりも減少させることもできる。これによりスタック１のカソードに存在している水分を持ち去る量を低減することが好ましい。
【０１１０】
万一、凍結抑制モードの実行によりスタック１の発電出力が低下することがあるとしても、冬季や寒冷地などでは、凍結抑制モードの実行を優先させて凍結懸念部位の凍結を抑えることができる。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施可能である。ある実施形態に特有の構造および機能は他の実施形態についても適用できる。
【０１１１】
本明細書の記載から次の技術的思想が把握される。
［付記項１］アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電するための燃料電池と、前記燃料電池の運転時において単数または複数の水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させるための少なくとも１個の凝縮器と、凝縮器において凝縮された凝縮水を溜めるためのタンクと、タンクに連通しタンクの余剰の凝縮水をタンク外に排出させるためのドレイン部と、タンクおよびドレイン部のうちの少なくとも一方が凍結するおそれがあるとき、あるいは、凍結しているとき、凝縮器において凝縮される凝縮水熱量を増加させる凍結抑制モードを実行する制御部とを具備する燃料電池システム。
［付記項２］アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電するための燃料電池と、前記燃料電池の運転時において単数または複数の水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させるための少なくとも１個の凝縮器と、前記凝縮器において凝縮された凝縮水を溜めるためのタンクと、タンクが凍結するおそれがあるとき、あるいは、凍結しているとき、凝縮器において凝縮される凝縮水の生成量および／または温度を高める凍結抑制モードを実行する制御部とを具備する燃料電池システム。
［付記項３］発電するための発電装置と、発電装置の運転時において単数または複数の水蒸気含有ガスを冷却させて凝縮水を生成させる凝縮器と、凝縮器で生成された凝縮水を溜めるタンクと、前記タンクに連通しタンクの余剰の凝縮水をタンク外に排出させるドレイン部と、タンクおよびドレイン部のうちの少なくとも一方が凍結するおそれがあるとき、凝縮器において凝縮される凝縮水熱量を高める凍結抑制モードを実行する制御部とを具備するコージェネシステム。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、携帯用、可搬用の燃料電池システムに適用できる。
【符号の説明】
【０１１３】
図中、１はスタック（燃料電池）、１０は冷却通路、２は主冷却通路（熱媒体通路）、３０はタンク（凍結懸念部位）、３２はドレイン部（凍結懸念部位）、３２ａは導出管、３２ｂは中間部、３２ｃはドレイン管、４は改質水供給系、４１は水ポンプ、４２は水精製器、５は制御部、５０は温水通路、５２はバイパスバルブ５２（切替部）、６は筐体、６０は収容室、６２は外気取入口、６３は第１温度センサ、６５はドレイン温度センサ、６７は温水温度センサ、７はアノードガス供給系、７０は改質装置、７０ａは改質部、７１は燃焼部、７２は空気ポンプ（燃焼用空気供給系）、７３は燃料ポンプ（燃焼用空気供給系）、７６はアノードガス通路、７７はＣＯ低減部、７８はＣＯシフト部、７８はＣＯ酸化部、８０はカソードガス通路、８１はポンプ（カソードガス搬送源）、８２は加湿器、８５はカソード入口バルブ（入口開閉部）、８７はカソード出口バルブ、９１はアノードオフガス通路、９６はカソードオフガス通路、７５はアノード入口バルブ、９２はアノード出口バルブ、１２８は循環通路（熱媒体通路）、１３０は貯湯系、１３１は貯湯槽、１３２は貯湯通路（熱媒体通路）、１３３は第３ポンプを示す。
【図１】
2011034700.tif 000003
【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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【図９】
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