(57)【要約】      （修正有）【課題】省エネ性を向上させることと凍結のおそれのある熱媒体の温度を正確に測定することの２つの作用を両立させながら凍結防止可能な燃料電池システムの提供。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池で発生する熱と熱交換して昇温される貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯水循環回路と、貯湯槽バイパス路と、貯湯水循環回路とバイパス路とを選択的に切り替える切替装置と、貯湯水循環回路に設けられ貯湯水を循環させる貯湯水循環装置と、貯湯水循環回路またはバイパス路で最も低温となる部分または該部分の下流部に設けられそこを流れる貯湯水の温度を検出する温度センサと、当該燃料電池システムの運転を停止した後に、切替装置をバイパス路に切り替え、貯湯水循環装置を間欠運転させるとともに（ステップ１０８）、該貯湯水循環装置の駆動中において温度センサにより貯湯水の温度を測定する（ステップ１１０）制御装置と、を備えている。【選択図】図３
2008091096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池で発生する熱、前記燃料電池から排出されるオフガスの排熱、前記改質器にて発生する排熱の少なくとも何れか一方を回収する熱媒体が循環する熱媒体循環回路と、
前記熱媒体循環回路に設けられ前記熱媒体を循環させる熱媒体循環装置と、
前記熱媒体循環回路で最も低温となる部分または該部分の下流部に設けられそこを流れる前記熱媒体の温度を検出する温度センサと、
当該燃料電池システムの運転を停止した後に、前記熱媒体循環装置を間欠運転させるとともに、該熱媒体循環装置の駆動中において前記温度センサにより前記熱媒体の温度を測定する制御装置と、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、前記制御装置は、前記測定した温度が低くなるほど前記熱媒体循環装置の停止時間を短く設定す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または請求項２において、前記制御装置は、前記測定した温度が第１判定閾値以下である場合、前記熱媒体循環装置を前記間欠運転から連続運転に切り替え、その後、前記測定した温度が前記第１判定閾値より高温の第２判定閾値以上となれば、前記熱媒体循環装置を前記連続運転から前記間欠運転に切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池と、
前記燃料電池で発生する熱と熱交換して昇温される貯湯水を貯湯する貯湯槽と、
前記貯湯槽を含み前記貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、
前記貯湯水循環回路に接続され前記貯湯槽をバイパスするバイパス路と、
前記貯湯水循環回路と前記バイパス路とを選択的に切り替える切替装置と、
前記貯湯水循環回路に設けられ前記貯湯水を循環させる貯湯水循環装置と、
前記貯湯水循環回路または前記バイパス路で最も低温となる部分または該部分の下流部に設けられそこを流れる前記貯湯水の温度を検出する温度センサと、
当該燃料電池システムの運転を停止した後に、前記切替装置を前記バイパス路に切り替え、前記貯湯水循環装置を間欠運転させるとともに、該貯湯水循環装置の駆動中において前記温度センサにより前記貯湯水の温度を測定する制御装置と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４において、前記制御装置は、前記測定した温度が低くなるほど前記貯湯水循環装置の停止時間を短く設定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４または請求項５において、前記制御装置は、前記測定した温度が第１判定閾値以下である場合、前記貯湯水循環装置を前記間欠運転から連続運転に切り替え、その後、前記測定した温度が前記第１判定閾値より高温の第２判定閾値以上となれば、前記貯湯水循環装置を前記連続運転から前記間欠運転に切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４乃至請求項６の何れか一項において、前記貯湯水循環回路または前記バイパス路には該貯湯水循環回路を加熱する加熱装置が備えられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項６または請求項７において、前記制御装置は、前記貯湯水循環装置の連続運転中に、前記測定した温度が所定条件を満たさない場合、前記貯湯槽に貯湯されている貯湯水の熱を利用して前記貯湯水循環回路を循環する貯湯水を加熱することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項６または請求項７において、前記燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、
前記貯湯水循環回路とは独立して設けられ、前記燃料電池との間で熱交換をする燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、
前記燃料電池熱媒体循環回路または前記燃料電池に設けられ前記燃料電池を暖機する加熱装置と、
前記燃料電池から排出されるオフガスの排熱、前記改質器にて発生する排熱の少なくとも何れか一方を回収して前記貯湯水を昇温する排熱回収手段と、をさらに備え、
前記制御装置は、前記貯湯水循環装置の連続運転中に、前記測定した温度が所定条件を満たさない場合、前記貯湯槽に貯湯されている貯湯水、前記燃料電池熱媒体循環回路、前記加熱装置、および前記排熱回収手段のなかから少なくとも１つを選択しその熱を利用して前記貯湯水循環回路を循環する貯湯水を加熱することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項８において、前記貯湯水循環回路とは独立して設けられ、前記燃料電池との間で熱交換をする燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、
前記燃料電池熱媒体の温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池熱媒体循環回路に設けられ前記燃料電池熱媒体を循環させる燃料電池熱媒体循環装置と、
前記貯湯水と前記燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器と、
をさらに備え、
前記制御装置は、前記貯湯水循環装置の連続運転中に、前記測定した温度が所定条件を満たして、かつ前記燃料電池熱媒体の温度が前記貯湯水の温度より高い場合、前記燃料電池熱媒体循環装置を駆動させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０において、前記燃料電池熱媒体循環回路または前記燃料電池に設けられ前記燃料電池を暖機する加熱装置と、をさらに備え、
前記制御装置は、前記貯湯水循環装置の連続運転中に、前記測定した温度が所定条件を満たして、かつ前記燃料電池熱媒体の温度が前記貯湯水の温度より高い場合、前記加熱装置を駆動させるとともに前記燃料電池熱媒体循環装置を駆動させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項８において、前記燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、
前記貯湯水循環回路とは独立して設けられ、前記燃料電池から排出されるオフガスの排熱、前記改質器にて発生する排熱の少なくとも何れか一方を回収した排熱回収熱媒体が循環する排熱回収熱媒体循環回路と、
前記排熱回収熱媒体の温度を検出する温度センサと、
前記排熱回収熱媒体循環回路に設けられ前記排熱回収熱媒体を循環させる排熱回収熱媒体循環装置と、
前記貯湯水と前記排熱回収熱媒体との間で熱交換が行われる第２熱交換器と、
をさらに備え、
前記制御装置は、前記貯湯水循環装置の連続運転中に、前記測定した温度が所定条件を満たして、かつ前記排熱回収熱媒体の温度が前記貯湯水の温度より高い場合、前記排熱回収熱媒体循環装置を駆動させ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、燃料電池システムに関し、特に燃料電池システムの凍結防止に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの凍結防止の一形式として、特許文献１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４００は、燃料電池４０６と、燃料電池４０６に水を供給する水供給ライン（たとえば配管４６７、水タンク４１１、水タンク４１２等）とを含む。燃料電池システム４００は、制御部４５５をさらに含み、制御部４５５は、燃料電池４０６の発電が行われていないときに、燃料電池４０６が収容された筐体５３４の外気温度がたとえば４℃程度の所定温度以下になった場合に、上記水供給ライン中の水の凍結を防止する凍結防止処理を行うようになっている。凍結防止処理として、制御部４５５は、昇圧ポンプ５２０や昇圧ポンプ４６３を制御して、冷却部４０６ｃへの冷却水の供給開始を行わせている。これにより、水供給ラインへの水の供給を継続的に行うことにより、外気温度が所定温度以下であっても、水供給ライン中の水の凍結を防止することができる。
【特許文献１】特開２００４−２０７０９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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、水供給ラインへの水の供給を継続的に行うことにより、外気温度が所定温度以下であっても、水供給ライン中の水の凍結を防止することができる。しかし、昇圧ポンプ５２０，４６３を継続的に駆動するため電気エネルギーを消費するので、燃料電池システムの待機中（運転停止中）の省エネ性が悪化するという問題があった。また、実際の冷却水の温度でなく、燃料電池４０６が収容された筐体５３４の外気温度の測定結果に基づいて凍結防止処理を行っているので、冷却水が凍結しているおそれがあった。
【０００４】
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、燃料電池システムにおいて、省エネ性を向上させることと凍結のおそれのある熱媒体の温度を正確に測定することの２つの作用を両立させながら凍結防止を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、燃料電池と、燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、燃料電池で発生する熱、燃料電池から排出されるオフガスの排熱、改質器にて発生する排熱の少なくとも何れか一方を回収する熱媒体が循環する熱媒体循環回路と、熱媒体循環回路に設けられ熱媒体を循環させる熱媒体循環装置と、熱媒体循環回路で最も低温となる部分または該部分の下流部に設けられそこを流れる熱媒体の温度を検出する温度センサと、当該燃料電池システムの運転を停止した後に、熱媒体循環装置を間欠運転させるとともに、該熱媒体循環装置の駆動中において温度センサにより熱媒体の温度を測定する制御装置と、を備えたことである。
【０００６】
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、制御装置は、測定した温度が低くなるほど熱媒体循環装置の停止時間を短く設定することである。
【０００７】
また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、制御装置は、測定した温度が第１判定閾値以下である場合、熱媒体循環装置を間欠運転から連続運転に切り替え、その後、測定した温度が第１判定閾値より高温の第２判定閾値以上となれば、熱媒体循環装置を連続運転から間欠運転に切り替えることである。
【０００８】
また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池と、燃料電池で発生する熱と熱交換して昇温される貯湯水を貯湯する貯湯槽と、貯湯槽を含み貯湯水が循環する貯湯水循環回路と、貯湯水循環回路に接続され貯湯槽をバイパスするバイパス路と、貯湯水循環回路とバイパス路とを選択的に切り替える切替装置と、貯湯水循環回路に設けられ貯湯水を循環させる貯湯水循環装置と、貯湯水循環回路またはバイパス路で最も低温となる部分または該部分の下流部に設けられそこを流れる貯湯水の温度を検出する温度センサと、当該燃料電池システムの運転を停止した後に、切替装置をバイパス路に切り替え、貯湯水循環装置を間欠運転させるとともに、該貯湯水循環装置の駆動中において温度センサにより貯湯水の温度を測定する制御装置と、を備えたことである。
【０００９】
また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項４において、制御装置は、測定した温度が低くなるほど貯湯水循環装置の停止時間を短く設定することである。
【００１０】
また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項４または請求項５において、制御装置は、測定した温度が第１判定閾値以下である場合、貯湯水循環装置を間欠運転から連続運転に切り替え、その後、測定した温度が第１判定閾値より高温の第２判定閾値以上となれば、貯湯水循環装置を連続運転から間欠運転に切り替えることである。
【００１１】
また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項４乃至請求項６の何れか一項において、貯湯水循環回路またはバイパス路には該貯湯水循環回路を加熱する加熱装置が備えられていることである。
【００１２】
また請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項６または請求項７において、制御装置は、貯湯水循環装置の連続運転中に、測定した温度が所定条件を満たさない場合、貯湯槽に貯湯されている貯湯水の熱を利用して貯湯水循環回路を循環する貯湯水を加熱することである。
【００１３】
また請求項９に係る発明の構成上の特徴は、請求項６または請求項７において、燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、貯湯水循環回路とは独立して設けられ、燃料電池との間で熱交換をする燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、燃料電池熱媒体循環回路または燃料電池に設けられ燃料電池を暖機する加熱装置と、燃料電池から排出されるオフガスの排熱、改質器にて発生する排熱の少なくとも何れか一方を回収して貯湯水を昇温する排熱回収手段と、をさらに備え、制御装置は、貯湯水循環装置の連続運転中に、測定した温度が所定条件を満たさない場合、貯湯槽に貯湯されている貯湯水、燃料電池熱媒体循環回路、加熱装置、および排熱回収手段のなかから少なくとも１つを選択しその熱を利用して貯湯水循環回路を循環する貯湯水を加熱することである。
【００１４】
また請求項１０に係る発明の構成上の特徴は、請求項８において、貯湯水循環回路とは独立して設けられ、燃料電池との間で熱交換をする燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、燃料電池熱媒体の温度を検出する温度センサと、燃料電池熱媒体循環回路に設けられ燃料電池熱媒体を循環させる燃料電池熱媒体循環装置と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器と、をさらに備え、制御装置は、貯湯水循環装置の連続運転中に、測定した温度が所定条件を満たして、かつ燃料電池熱媒体の温度が貯湯水の温度より高い場合、燃料電池熱媒体循環装置を駆動させることである。
【００１５】
また請求項１１に係る発明の構成上の特徴は、請求項１０において、燃料電池熱媒体循環回路または燃料電池に設けられ燃料電池を暖機する加熱装置と、をさらに備え、制御装置は、貯湯水循環装置の連続運転中に、測定した温度が所定条件を満たして、かつ燃料電池熱媒体の温度が貯湯水の温度より高い場合、加熱装置を駆動させるとともに燃料電池熱媒体循環装置を駆動させることである。
【００１６】
また請求項１２に係る発明の構成上の特徴は、請求項８において、燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、貯湯水循環回路とは独立して設けられ、燃料電池から排出されるオフガスの排熱、改質器にて発生する排熱の少なくとも何れか一方を回収した排熱回収熱媒体が循環する排熱回収熱媒体循環回路と、排熱回収熱媒体の温度を検出する温度センサと、排熱回収熱媒体循環回路に設けられ排熱回収熱媒体を循環させる排熱回収熱媒体循環装置と、貯湯水と排熱回収熱媒体との間で熱交換が行われる第２熱交換器と、をさらに備え、制御装置は、貯湯水循環装置の連続運転中に、測定した温度が所定条件を満たして、かつ排熱回収熱媒体の温度が貯湯水の温度より高い場合、排熱回収熱媒体循環装置を駆動させることである。
【発明の効果】
【００１７】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、制御装置が、当該燃料電池システムの運転を停止した後に、熱媒体循環装置を間欠運転させる。これにより、熱媒体循環回路に留まっている熱媒体を継続的でなく間欠的に循環させるので、熱媒体循環回路の一部が凍結する温度近くになっても、熱媒体循環回路の他の部分の比較的高温の熱媒体が回って来るためその熱媒体の熱で凍結しそうな部分の凍結を防止することができる。したがって、熱媒体を継続的でなく間欠的に循環させるとともに凍結開始までの時間を稼ぐことにより、省エネ性を向上させて凍結を防止することができる。また、このような熱媒体循環装置の駆動中において、温度センサは熱媒体循環回路で最も低温となる部分または該部分の下流部に設けられそこを流れる熱媒体の温度を検出するので、凍結防止を図りながら熱媒体の最低温度を直接測定することができる。これにより、測定した熱媒体の最低温度に応じた必要な熱媒体加熱処理を適切に実施可能となる。これらのことから、燃料電池システムにおいて、省エネ性を向上させることと凍結のおそれのある熱媒体の温度を正確に測定することの２つの作用を両立させながら凍結防止を図ることができる。
【００１８】
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、制御装置は、測定した温度が低くなるほど熱媒体循環装置の停止時間を短く設定するので、測定した熱媒体の温度に応じた適切な間欠運転を実施することにより、さらに省エネ性を向上することができる。
【００１９】
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または請求項２に係る発明において、制御装置は、測定した温度が第１判定閾値以下である場合、熱媒体循環装置を間欠運転から連続運転に切り替え、その後、測定した温度が第１判定閾値より高温の第２判定閾値以上となれば、熱媒体循環装置を連続運転から間欠運転に切り替えるので、間欠運転で凍結防止を図ることができなくなっても連続運転に切り替えて確実に凍結防止を図るとともに、必要以上に連続運転を継続させないで電気エネルギーを無駄に消費させないようにする。
【００２０】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、制御装置が、当該燃料電池システムの運転を停止した後に、貯湯水循環装置を間欠運転させる。これにより、貯湯水循環回路およびバイパス路に留まっている熱媒体を継続的でなく間欠的に循環させるので、熱媒体循環回路またはバイパス路の一部が凍結する温度近くになっても、熱媒体循環回路またはバイパス路の他の部分の比較的高温の貯湯水が回って来るためその貯湯水の熱で凍結しそうな部分の凍結を防止することができる。したがって、貯湯水を継続的でなく間欠的に循環させるとともに凍結開始までの時間を稼ぐことにより、省エネ性を向上させて凍結を防止することができる。また、このような貯湯水循環装置の駆動中において、温度センサは貯湯水循環回路またはバイパス路で最も低温となる部分または該部分の下流部に設けられそこを流れる貯湯水の温度を検出するので、凍結防止を図りながら貯湯水の最低温度を直接測定することができる。これにより、測定した貯湯水の最低温度に応じた必要な貯湯水加熱処理を適切に実施可能となる。これらのことから、燃料電池システムにおいて、省エネ性を向上させることと凍結のおそれのある貯湯水の温度を正確に測定することの２つの作用を両立させながら凍結防止を図ることができる。
【００２１】
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４に係る発明において、制御装置は、測定した温度が低くなるほど貯湯水循環装置の停止時間を短く設定するので、測定した貯湯水の温度に応じた適切な間欠運転を実施することにより、さらに省エネ性を向上することができる。
【００２２】
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４または請求項５に係る発明において、制御装置は、測定した温度が第１判定閾値以下である場合、貯湯水循環装置を間欠運転から連続運転に切り替え、その後、測定した温度が第１判定閾値より高温の第２判定閾値以上となれば、貯湯水循環装置を連続運転から間欠運転に切り替えるので、間欠運転で凍結防止を図ることができなくなっても連続運転に切り替えて確実に凍結防止を図るとともに、必要以上に連続運転を継続させないで電気エネルギーを無駄に消費させないようにする。
【００２３】
上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項４乃至請求項６の何れか一項に係る発明において、貯湯水循環回路またはバイパス路には該貯湯水循環回路を加熱する加熱装置が備えられているので、この加熱装置の熱を利用して貯湯水を加熱して貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。
【００２４】
上記のように構成した請求項８に係る発明においては、請求項６または請求項７に係る発明において、制御装置は、貯湯水循環装置の連続運転中に、測定した温度が所定条件を満たさない場合、貯湯槽に貯湯されている貯湯水の熱を利用して貯湯水循環回路を循環する貯湯水を加熱するので、貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。
【００２５】
上記のように構成した請求項９に係る発明においては、請求項６または請求項７に係る発明において、燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、貯湯水循環回路とは独立して設けられ、燃料電池との間で熱交換をする燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、燃料電池熱媒体循環回路または燃料電池に設けられ燃料電池を暖機する加熱装置と、燃料電池から排出されるオフガスの排熱、改質器にて発生する排熱の少なくとも何れか一方を回収して貯湯水を昇温する排熱回収手段と、をさらに備え、制御装置は、貯湯水循環装置の連続運転中に、測定した温度が所定条件を満たさない場合、貯湯槽に貯湯されている貯湯水、燃料電池熱媒体循環回路、加熱装置、および排熱回収手段のなかから少なくとも１つを選択しその熱を利用して貯湯水循環回路を循環する貯湯水を加熱する。これにより、貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。
【００２６】
上記のように構成した請求項１０に係る発明においては、請求項８において、貯湯水循環回路とは独立して設けられ、燃料電池との間で熱交換をする燃料電池熱媒体が循環する燃料電池熱媒体循環回路と、燃料電池熱媒体の温度を検出する温度センサと、燃料電池熱媒体循環回路に設けられ燃料電池熱媒体を循環させる燃料電池熱媒体循環装置と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器と、をさらに備え、制御装置は、貯湯水循環装置の連続運転中に、測定した温度が所定条件を満たして、かつ燃料電池熱媒体の温度が貯湯水の温度より高い場合、燃料電池熱媒体循環装置を駆動させる。これにより、燃料電池熱媒体の熱を利用して貯湯水を加熱して貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。
【００２７】
上記のように構成した請求項１１に係る発明においては、請求項１０に係る発明において、燃料電池熱媒体循環回路または燃料電池に設けられ燃料電池を暖機する加熱装置と、をさらに備え、制御装置は、貯湯水循環装置の連続運転中に、測定した温度が所定条件を満たして、かつ燃料電池熱媒体の温度が貯湯水の温度より高い場合、加熱装置を駆動させるとともに燃料電池熱媒体循環装置を駆動させる。これにより、燃料電池熱媒体を加熱させる加熱装置の熱を利用して貯湯水を加熱して貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。
【００２８】
上記のように構成した請求項１２に係る発明においては、請求項８に係る発明において、燃料電池へ供給する燃料ガスを生成する改質器と、貯湯水循環回路とは独立して設けられ、燃料電池から排出されるオフガスの排熱、改質器にて発生する排熱の少なくとも何れか一方を回収した排熱回収熱媒体が循環する排熱回収熱媒体循環回路と、排熱回収熱媒体の温度を検出する温度センサと、排熱回収熱媒体循環回路に設けられ排熱回収熱媒体を循環させる排熱回収熱媒体循環装置と、貯湯水と排熱回収熱媒体との間で熱交換が行われる第２熱交換器と、をさらに備え、制御装置は、貯湯水循環装置の連続運転中に、測定した温度が所定条件を満たして、かつ排熱回収熱媒体の温度が貯湯水の温度より高い場合、排熱回収熱媒体循環装置を駆動させる。これにより、排熱回収熱媒体の熱を利用して貯湯水を加熱して貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明による燃料電池システムの一実施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（燃料ガス）を生成する改質器２０を備えている。
【００３０】
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、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。
【００３１】
改質器２０は、燃料（改質用燃料）を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池１０に供給するものであり、燃焼器であるバーナ（燃焼部）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。
【００３２】
バーナ（燃焼部）２１は、可燃性燃料が供給されその可燃性燃料を燃焼しその燃焼ガスにより改質部２２を加熱するもの、すなわち改質部２２を加熱して水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼ガスを生成するものである。このバーナ２１は、起動した後改質用燃料の供給開始までの間は、外部から供給される燃焼用燃料を燃焼用空気で燃焼し、改質用燃料の供給開始以降から定常運転開始までにおいては、ＣＯ選択酸化部２４から直接供給される改質ガスを燃焼用空気で燃焼し、そして、定常運転時に燃料電池１０の燃料極１１から供給されるアノードオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）を燃焼用空気で燃焼し、その燃焼ガスを改質部２２に導出するものである。なお、改質ガスまたはアノードオフガスの熱量不足は燃焼用燃料で補充するようになっている。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６３を通って外部に排出されるようになっている。なお、可燃性燃料は、上述した燃焼用燃料、改質ガス、アノードオフガスである。
【００３３】
改質部２２は、外部から供給された改質用燃料に蒸発器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。
【００３４】
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。
【００３５】
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（エア）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。
【００３６】
蒸発器２５は、一端が改質水タンク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、改質水タンク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（または改質部２２、ＣＯシフト部２３などの排熱）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。なお、改質水タンク５０内には、温度センサ５０ａが設けられており、温度センサ５０ａは改質水タンク５０内の水温を検出しその検出結果を制御装置９０に送出するものである。
【００３７】
燃料電池１０の燃料極１１の導入口には改質ガス供給管６４を介してＣＯ選択酸化部２４が接続されており、燃料極１１に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極１１の導出口にはオフガス供給管６５を介してバーナ２１が接続されており、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスをバーナ２１に供給するようになっている。改質ガス供給管６４とオフガス供給管６５の間には燃料電池１０をバイパスして改質ガス供給管６４およびオフガス供給管６５を直結するバイパス管６７が設けられている。
【００３８】
改質ガス供給管６４にはバイパス管６７との分岐点と燃料電池１０との間に第１改質ガスバルブ６４ａが設けられている。オフガス供給管６５にはバイパス管６７との合流点と燃料電池１０との間にオフガスバルブ６５ａが設けられている。バイパス管６７には第２改質ガスバルブ６７ａが設けられている。第１および第２改質ガスバルブ６４ａ，６７ａおよびオフガスバルブ６５ａはそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置９０により制御されている。
【００３９】
起動運転時には、改質器２０から一酸化炭素濃度の高い改質ガスを燃料電池１０に供給するのを回避するため、第１改質ガスバルブ６４ａおよびオフガスバルブ６５ａを閉じ第２改質ガスバルブ６７ａを開き、定常運転時には、改質器２０からの改質ガスを燃料電池１０に直接供給するため、第１改質ガスバルブ６４ａおよびオフガスバルブ６５ａを開き第２改質ガスバルブ６７ａを閉じている。
【００４０】
また、燃料電池１０の空気極１２の導入口には、空気供給管６１が接続されており、空気極１２内に空気（カソードエア）が供給されるようになっている。燃料電池１０の空気極１２の導出口には、カソードオフガス排気管６２が接続されており、空気極１２からの空気（カソードオフガス）が外部に排出されるようになっている。
【００４１】
空気供給管６１は外気吸い込みファン６１ａに連通している。空気供給管６１の外気吸い込みファン６１ａ付近には、温度センサ６１ｂが設けられている。温度センサ６１ｂは筐体１に吸い込まれた空気の温度Ｔ５を検出し検出結果を制御装置９０に出力するものである。
【００４２】
また、これら空気供給管６１およびカソードオフガス排気管６２の途中には、空気極１２から排出される酸化剤オフガスであるカソードオフガスによって空気極１２に供給されるカソードエアを加湿する加湿器１４が両管６１，６２を跨ぐように設けられている。加湿器１４は、加湿媒体である空気極１２から排出されるカソードオフガスと酸化剤ガスであるカソードエアとの間で水蒸気交換することにより酸化剤ガスを加湿する水蒸気交換型であり、カソードオフガス排気管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空気供給管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。
【００４３】
また、改質ガス供給管６４、オフガス供給管６５、カソードオフガス排気管６２および燃焼ガス排気管６３の途中には、それぞれ改質ガス用凝縮器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が設けられている。これら各凝縮器３１〜３４は、図面上は分離しているが、一体的に接続された一体構造体である排熱回収手段である凝縮器３０を構成している。
【００４４】
改質ガス用凝縮器３１は改質ガス供給管６４中を流れる燃料電池１０の燃料極１１に供給される改質ガス中の水蒸気を凝縮する。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とを連通するオフガス供給管６５の途中に設けられており、そのオフガス供給管６５中を流れる燃料電池１０の燃料極１１から排出されるアノードオフガス中の水蒸気を凝縮する。カソードオフガス用凝縮器３３は、カソードオフガス排気管６２に設けられており、そのカソードオフガス排気管６２中を流れる燃料電池１０の空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を凝縮する。燃焼ガス用凝縮器３４は燃焼ガス排気管６３に設けられており、その燃焼ガス排気管６３中を流れる改質部２２から排出される燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮する。これら凝縮器３１〜３４においては、凝縮冷媒が各凝縮器３１〜３４を流通する各ガスと熱交換して各ガスの顕熱・潜熱を回収し昇温する。
【００４５】
これら凝縮器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改質水タンク５０に導出するものである。なお、改質水タンク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。
【００４６】
さらに、燃料電池システムは、貯湯水を貯湯する貯湯槽７１と、凝縮冷媒循環回路７５とは独立して設けられ貯湯水が循環する貯湯水循環回路７２と、燃料電池１０と熱交換する燃料電池熱媒体であるＦＣ冷却水が循環する燃料電池熱媒体循環回路であるＦＣ冷却水循環回路７３と、貯湯水と燃料電池熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器７４と、燃料電池１０から排出される排熱および／または改質器２０にて発生する排熱を少なくとも回収した水を含む液体である熱媒体（凝縮冷媒）が循環する熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路７５と、貯湯水と凝縮冷媒との間で熱交換が行われる第２熱交換器７６と、が備えられている。
【００４７】
これにより、燃料電池１０の発電にて発生した排熱（熱エネルギー）は、ＦＣ冷却水に回収され、第１熱交換器７４を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。また、燃料電池１０から排出されるオフガス（アノードオフガスおよびカソードオフガス）の排熱（熱エネルギー）および改質器２０にて発生した排熱（熱エネルギー）は、凝縮器３０を介して凝縮冷媒に回収され、第２熱交換器７６を介して貯湯水に回収されて、この結果貯湯水を加熱（昇温）する。改質器２０にて発生する排熱には、改質ガスの排熱、バーナ２１からの燃焼排ガスの排熱、および改質器２０と熱交換する排熱（改質器自身の排熱）が含まれている。なお、本明細書中および添付の図面中の「ＦＣ」は「燃料電池」の省略形として記載している。
【００４８】
貯湯槽７１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７１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７１に貯留された高温の温水が貯湯槽７１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。また、貯湯槽７１は密閉式であり、水道水の圧力がそのまま内部、ひいては貯湯水循環回路７２にかかる形式のものである。
【００４９】
貯湯水循環回路７２の一端および他端は貯湯槽７１の下部および上部に接続されている。貯湯水循環回路７２上には、一端から他端に順番に加熱装置７２ｂ、温度センサ７２ｃ、貯湯水循環装置である貯湯水循環ポンプ７２ａ、第２熱交換器７６、第１熱交換器７４、および切替装置７２ｄが配設されている。
【００５０】
加熱装置７２ｂは、筐体２に内蔵されており、貯湯水循環回路７２の外気露出部分が貯湯水循環状態（バイパス路７７使用時）で−１０℃以下にならないように加熱する装置である。したがって、加熱装置７２ｂは、外気露出部分の配管によって異なるが、加熱するのに最低限の容量（例えば、２０Ｗ）のヒータである。この加熱装置７２ｂは、サーモスタットのように自分自身で温度制御可能なヒータである。この加熱装置７２ｂは、後述する加熱装置７３ｄと比べてヒータ容量は小さいものである。この加熱装置７２ｂは、制御装置９０などの制御装置によって制御される加熱装置であってもよい。なお、加熱装置７２ｂの加熱では貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が−１０℃よりも低下してしまう場合に、加熱装置７３ｄが使用される。
【００５１】
温度センサ７２ｃは、貯湯水循環回路７２またはバイパス路７７で最も低温となる部分の下流部に設けられそこを流れる貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１を検出するものである。なお、下流部は最も低温となる部分から熱媒体循環装置７２ａの吸込み口との間である。本実施形態では、温度センサ７２ｃは、貯湯水が筐体１内に入ってすぐの部分に配置されている。これにより、貯湯水循環回路７２の外気に曝されている部分（最も低温となる部分）の貯湯水の温度を時間をおかないで測定することができる。温度センサ７２ｃで測定された貯湯水の温度は制御装置９０に送信されるようになっている。
【００５２】
貯湯水循環ポンプ７２ａは、貯湯槽７１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環回路７２を通水させて貯湯槽７１の上部に吐出するものであり、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。これにより、貯湯槽７１からの貯湯水は、加熱装置７２ｂ、第２熱交換器７６、第１熱交換器７４をその順番に流通し、加熱装置７２ｂにて加熱され、第２熱交換器７６にて凝縮冷媒と熱交換し第１熱交換器７４にてＦＣ冷却水と熱交換する。
【００５３】
貯湯水循環回路７２には、貯湯槽７１をバイパスするバイパス路７７が設けられている。貯湯水循環回路７２とバイパス路７７の分岐点には、制御装置９０の指令によって貯湯水循環回路７２とバイパス路７７とを選択的に切り替える切替装置７２ｄが設けられている。発電運転中においては、切替装置７２ｄは貯湯水循環回路７２へ切り替えられ、貯湯水は貯湯槽７１へ流入する。一方、待機中においては、切替装置７２ｄはバイパス路７７へ切り替えられ、貯湯水は貯湯槽７１へ流入しないでバイパス路７７を通り第１および第２熱交換器７４，７６を通って貯湯水循環回路７２を循環する。これにより、待機中において、比較的低温である貯湯水循環回路７２の貯湯水を貯湯槽７１へ戻すことによる貯湯槽７１の温度層崩れを抑止することができる。
【００５４】
また、バイパス路７７には、貯湯槽７１内に貫設され貯湯槽７１内の貯湯水と熱交換する貯湯槽熱交換路７８が設けられている。バイパス路７７と貯湯槽熱交換路７８の分岐点には、制御装置９０の指令によってバイパス路７７と貯湯槽熱交換路７８とを選択的に切り替える切替装置７７ａが設けられている。
【００５５】
ＦＣ冷却水循環回路７３上には、ＦＣ冷却水循環装置であるＦＣ冷却水循環ポンプ７３ａが配設されており、このＦＣ冷却水循環ポンプ７３ａは、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。また、ＦＣ冷却水循環回路７３上には、温度センサ７３ｂ，７３ｃが配設されており、温度センサ７３ｂ，７３ｃは、それぞれＦＣ冷却水の燃料電池１０の入口温度Ｔ２および出口温度Ｔ３を検出し、それら検出結果を制御装置９０に出力するものである。
【００５６】
また、ＦＣ冷却水循環回路７３上（または燃料電池１０）には、ＦＣ冷却水（または燃料電池１０）を暖機する加熱装置７３ｄが設けられている。加熱装置７３ｄは、制御装置９０の指令によって制御されるものであり、例えば電気ヒータである。加熱装置７３ｄは、燃料電池システムの起動運転において燃料電池１０を加熱するための熱源として機能する。加熱装置７３ｄは、できるだけ早く起動するように容量の大きいヒータ（例えば、２００Ｗ）が使用されている。加熱装置７３ｄは温度センサ７３ｅを備えており、温度センサ７３ｅは加熱装置７３ｄの温度を検出し検出結果を制御装置９０に出力するものである。
【００５７】
さらに、ＦＣ冷却水循環回路７３上には第１熱交換器７４が配設されている。これにより、ＦＣ冷却水は、燃料電池１０に流通され、燃料電池１０で発生する熱を回収し昇温し、その熱が第１熱交換器７４にて貯湯水に回収され降温して再び燃料電池１０を流通する。
【００５８】
排熱回収熱媒体循環回路である凝縮冷媒循環回路７５上には、排熱回収熱媒体循環装置である凝縮冷媒循環ポンプ７５ａが配設されている。この凝縮冷媒循環ポンプ７５ａは、矢印方向へ排熱回収熱媒体である凝縮冷媒を流すようになっており、制御装置９０によって制御されてその流量（送出量）が制御されるようになっている。また、凝縮冷媒循環回路７５上には、第２熱交換器７６が配設されている。さらに、凝縮冷媒循環回路７５上には、第２熱交換器７６から下流に順番に温度センサ７５ｂ、凝縮冷媒循環ポンプ７５ａ、アノードオフガス用凝縮器３２、燃焼ガス用凝縮器３４、カソードオフガス用凝縮器３３、および改質ガス用凝縮器３１が配設されている。温度センサ７５ｂは、凝縮冷媒の温度Ｔ４を検出し、検出結果を制御装置９０に出力するものである。
【００５９】
さらに、燃料電池システムは、筐体１内下部および上部にそれぞれ設けられ同各部の温度Ｔ６，Ｔ７をそれぞれ検出する温度センサ８１，８２を備えており、各温度センサ８１，８２はそれら検出結果を制御装置９０に出力するようになっている。
【００６０】
燃料電池システムは発電装置が収納された筐体１と貯湯槽７１が収納された筐体２を備えている。筐体１内には、燃料電池１０、改質器２０、凝縮器３０、改質水タンク４０、純水器５０、ＦＣ冷却水循環回路７３、凝縮冷媒循環回路７５、貯湯水循環回路７２の一部などが収容されている。筐体２には、貯湯槽７１、バイパス路７７、貯湯水循環回路７２の他の一部などが収容されている。
【００６１】
また、上述した各温度センサ５０ａ，６１ｂ，７２ｃ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｅ，７５ｂ，８１，８２、各ポンプ７２ａ，７３ａ，７５ａ、各切替装置７２ｄ，７７ａおよび加熱装置７３ｄ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、各温度センサ５０ａ，６１ｂ，７２ｃ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｅ，７５ｂ，８１，８２が検出した温度に基づいて各ポンプ７２ａ，７３ａ，７５ａ、各切替装置７２ｄ，７７ａおよび加熱装置７３ｄを制御してシステム待機中（停止中）の凍結防止を実行している。ＲＡＭはシステムの運転を制御する制御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は前記制御プログラムを記憶するものである。
【００６２】
次に、上述した燃料電池システムの凍結防止作動について図３および図4を参照して説明する。制御装置９０は、停止スイッチが押されるなど運転停止指示があるまでは、ステップ１０２にて「ＮＯ」と判定し続けて定常運転（発電運転）を継続する。運転停止指示があると、ステップ１０２にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップ１０４に進めて燃料電池システムの運転を停止すべく規定の運転停止を実施する。
【００６３】
制御装置９０は、バーナ２１を消火し、改質水、燃焼用燃料および改質用燃料の供給を停止し、燃料ガス（改質ガス）、燃焼ガスのパージ処理を実行し、その後、燃料電池システムの運転が開始されるまで燃料ガス系および燃焼ガス系の閉鎖を保持する（ステップ１０４）。すなわち、ステップ１０４では燃料電池１０の発電は停止されている。燃料ガス系は、主として改質部２２に改質用燃料を供給する供給管（図示省略）、改質部２２、ＣＯシフト部２３、ＣＯ選択酸化部２４、改質ガス供給管６４、燃料電池１０の燃料極１１、およびオフガス供給管６５から構成されている。燃焼ガス系は、主としてバーナ２１に燃焼用燃料を供給する供給管（図示省略）、バーナ２１、および燃焼ガス排気管６３から構成されている。
【００６４】
このような燃料電池システムの待機中（停止中）において、制御装置９０は、起動スイッチのオン、予め開始時刻が設定されるなどで運転開始指示があると、システムの運転を開始する。
【００６５】
このように燃料電池システムの待機状態（停止状態）が開始されると、制御装置９０は、システム停止時の所定箇所の温度を検出し記憶する（ステップ１０６）。制御装置９０は、温度センサ７２ｃで貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１を検出し、温度センサ６１ｂで空気吸込み口温度Ｔ５すなわち外気温を検出し、温度センサ５０ａで改質水タンク５０内の水温を検出し、温度センサ８１で筐体１内の下部温度Ｔ６を検出する。
【００６６】
制御装置９０は、システム停止後（待機状態開始後）、切替装置７２ｄをバイパス路７７に切り替え、貯湯水循環ポンプ７２ａを間欠運転する。なお、間欠運転は、システム停止後すぐに開始してもよいし、所定時間経過後に開始してもよい。間欠運転は、図５に示すように、間欠運転時間ｔ２の間にポンプ７２ａを駆動し、間欠動作待ち時間（間欠動作停止時間）ｔ１の間にポンプ７２ａを停止する。間欠運転中の貯湯水循環ポンプ７２ａはデューティ比５０％で駆動されている。なお、デューティ比は間欠運転時間ｔ２／（間欠動作待ち時間ｔ１＋間欠運転時間ｔ２）で示される。
【００６７】
間欠運転時間ｔ２は、検出する熱媒体が循環する循環回路すなわち貯湯水循環回路７２とバイパス路７７からなる循環回路の長さ・内径と、その循環回路の熱媒体を循環させる循環装置すなわち貯湯水循環ポンプ７２ａの供給能力（供給量）に基づいて循環回路の一周分となるように設定されている。
【００６８】
なお、図７に示すように、貯湯水循環ポンプ７２ａの駆動当初では、外気に触れて冷却された貯湯水循環回路７２とバイパス路７７から温度の低い貯湯水が通過するので、間欠運転時間ｔ２中に検出した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１は低くなる。しかし、しばらくすると外気に触れないで筐体１内で比較的高温下に位置する貯湯水循環回路７２から温度の高い貯湯水が回って来るので、間欠運転時間ｔ２中に検出した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１は高くなる。
【００６９】
間欠動作待ち時間ｔ１は、測定された貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１と、図６に示す間欠動作待ち時間ｔ１と貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１との相関を示すマップとから導出される。間欠動作待ち時間ｔ１は、貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が低くなるほど短くなるように設定されるものである。
【００７０】
一方、制御装置９０は、間欠運転開始後、温度センサ７２ｃで貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１を検出し記憶するとともに、間欠運転時間ｔ２中の最低温度を導出して記憶する（ステップ１１０）。
【００７１】
また、制御装置９０は、ステップ１１０で検出した現時点の貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が第１判定閾値Ｔ１ａ（例えば３℃）より大きい場合、貯湯水循環ポンプ７２ａの間欠運転を継続し、一方、第１判定閾値Ｔ１ａ以下である場合、貯湯水循環ポンプ７２ａを間欠運転から連続運転に切り替える。
【００７２】
間欠運転を継続する場合において、制御装置９０は、ステップ１１０で記憶した最低温度と図６に示すマップとから間欠動作待ち時間ｔ１を導出し導出結果を間欠動作待ち時間ｔ１として設定する（ステップ１１４）。例えば、図７に示すように、システム停止後すぐに間欠運転を開始した場合、初めのうちは貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が高いので間欠動作待ち時間ｔ１は長く設定されているが、時間が経過して貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が低くなるにしたがって間欠動作待ち時間ｔ１は短くなっている。
【００７３】
間欠運転から連続運転に切り替える場合において、制御装置９０は、貯湯水循環ポンプ７２ａを連続運転する。貯湯水循環ポンプ７２ａはデューティ比１００％で駆動されている。これにより、貯湯水が貯湯水循環回路７２とバイパス路７７とからなる循環回路を循環する。このとき、加熱装置７２ｂが作動していれば、循環回路を循環する貯湯水が加熱されるので、凍結防止をすることができる。
【００７４】
前述した連続運転は貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が第１判定閾値Ｔ１ａより高温の第２判定閾値Ｔ１ｂ（例えば１０℃）以上となるまで継続される。すなわち、制御装置９０はステップ１１６，１１８の処理を繰り返し実行する。そして、貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が第２判定閾値Ｔ１ｂ以上となると（ステップ１１８で「ＹＥＳ」）、制御装置９０は、貯湯水循環ポンプ７２ａを連続運転から間欠運転に切り替える。すなわち、制御装置９０は、貯湯水循環ポンプ７２ａの運転を停止し（ステップ１２０）、再び間欠運転を開始する（ステップ１０８）。
【００７５】
さらに、制御装置９０は、貯湯水循環ポンプ７２ａの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が所定条件を満たさない場合、貯湯槽７１に貯湯されている貯湯水の熱を利用して貯湯水循環回路７２を循環する貯湯水を加熱するようにしてもよい。この場合、制御装置９０は、切替装置７７ａを貯湯槽熱交換路７８に切り替える。これにより、貯湯水が貯湯水循環回路７２、バイパス路７７および貯湯槽熱交換路７８からなる循環回路を循環する。このとき、貯湯槽７１内の貯湯水が高温であれば、循環回路を流れる貯湯水が熱交換して加熱される。なお、この場合、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が所定条件を満たさない場合とは、貯湯水循環ポンプ７２ａの連続運転を停止させる基準温度（第２判定閾値Ｔ１ｂ）に到達しないと判断される場合である。この中には、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が更に低下する場合も含む。
【００７６】
また、上述した貯湯水の循環だけでは、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１の温度低下が継続するか、顕著な温度上昇が見られない場合には、「貯湯槽７１に貯湯されている貯湯水」、「燃料電池１０、燃料電池熱媒体循環回路７３の燃料電池熱媒体、排熱回収手段である凝縮器３０、および排熱回収熱媒体循環回路７５の凝縮冷媒」、および「加熱装置７３ｄ」の熱を利用する。このときの優先順位は次のように決定される。燃料電池１０、燃料電池熱媒体循環回路７３の燃料電池熱媒体、排熱回収手段である凝縮器３０、および排熱回収熱媒体循環回路７５の凝縮冷媒は、これらの温度が貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１より高いことを条件として優先的に使用する。その次に、貯湯槽７１に貯湯されている貯湯水を利用する。最後の手段として加熱装置７３ｄを使用する。貯湯水の熱を利用すると、ユーザが利用できる貯湯水が減少するので、できる限り避けたいため優先順位が後になる。加熱装置７３ｄは電力を消費するため、省エネ性から最終手段となる。
【００７７】
なお、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１の温度低下が継続するか、顕著な温度上昇が見られない場合が特許請求の範囲の請求項１０〜１２に記載の「所定条件」である。この所定条件とは、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が連続運転開始後から所定時間経過しても第２判定閾値Ｔ１ｂを超えない場合、連続運転開始後からの貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１の上昇率が所定値未満である場合、間欠運転中の貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１の下降率が所定値以上である場合などである。
【００７８】
さらに、制御装置９０は、貯湯水循環ポンプ７２ａの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が所定条件を満たして、かつ燃料電池熱媒体の温度が貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１より高い場合、燃料電池熱媒体循環ポンプ７３ａを駆動させるようにしてもよく、また、これに加えて加熱装置７３ｄを駆動させるようにしてもよい。なお、この場合、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が所定条件を満たす場合とは、前述の測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１の温度低下が継続するか、顕著な温度上昇が見られない場合である。
【００７９】
この場合、制御装置９０は、図４に示すフローチャートに沿ったプログラムを実施する。まず、制御装置９０は、上述した貯湯水循環回路７２の凍結防止運転中で貯湯水循環ポンプ７２ａが連続運転中であるか否かを判定する（ステップ２０２）。貯湯水循環ポンプ７２ａが連続運転中であれば、制御装置９０は、ステップ２０２にて「ＹＥＳ」と判定し、所定箇所の温度を検出し記憶する（ステップ２０４）。制御装置９０は、温度センサ７２ｃで貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１を検出し、温度センサ７３ｂ，７３ｃで燃料電池冷却水の燃料電池入口および出口温度Ｔ２，Ｔ３を検出し、温度センサ７３ｅで加熱装置７３ｄの温度を検出し、温度センサ８１，８２で筐体１内の下部温度Ｔ６および上部温度Ｔ７を検出する。所定箇所の温度は、貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１、燃料電池冷却水の燃料電池入口および出口温度Ｔ２，Ｔ３、加熱装置７３ｄの温度、および筐体１内の下部温度Ｔ６および上部温度Ｔ７である。
【００８０】
制御装置９０は、これら検出した温度のうちいずれか一つが基準温度未満となれば（ステップ２０６で「ＹＥＳ」）、まず燃料電池熱媒体循環ポンプ７３ａを駆動させて連続運転する（ステップ２０８）。これにより、燃料電池１０の残っている熱、燃料電池熱媒体の熱が第１熱交換器７４で貯湯水循環回路７２を流れる貯湯水を加熱する。そして、貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が上昇して第２判定閾値Ｔ１ｂ以上となれば（ステップ２１２で「ＹＥＳ」）、制御装置９０は、燃料電池熱媒体循環ポンプ７３ａを停止する（ステップ２１４）。
【００８１】
加熱装置７３ｄの温度（燃料電池熱媒体の温度）が所定温度Ｔａ（例えば５℃）以下となり、燃料電池１０の残っている熱、燃料電池熱媒体の熱だけでは不足する場合、制御装置９０は、燃料電池熱媒体循環ポンプ７３ａの連続運転を継続したまま、加熱装置７３ｄをオンさせる（ステップ２１６）。制御装置９０は、加熱装置７３ｄの温度が所定温度Ｔｂ（例えば１０℃）に達すると（ステップ２１８で「ＹＥＳ」）、加熱装置７３ｄをオフする（ステップ２２０）。これにより、燃料電池熱媒体循環回路７３を流れている燃料電池熱媒体が加熱され、その燃料電池熱媒体の熱が第１熱交換器７４で貯湯水循環回路７２を流れる貯湯水を加熱する。そして、貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が上昇して第２判定閾値Ｔ１ｂ以上となれば（ステップ２１２で「ＹＥＳ」）、制御装置９０は、燃料電池熱媒体循環ポンプ７３ａを停止する（ステップ２１４）。
【００８２】
なお、貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１の基準温度は３℃であり、燃料電池冷却水の燃料電池入口および出口温度Ｔ２，Ｔ３の基準温度は５℃であり、加熱装置７３ｄの温度の基準温度は５℃であり、筐体１内の下部温度Ｔ６および上部温度Ｔ７の基準温度は５℃である。
【００８３】
さらに、制御装置９０は、貯湯水循環ポンプ７２ａの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が所定条件を満たして、かつ排熱回収熱媒体の温度が貯湯水の貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１より高い場合、排熱回収熱媒体循環ポンプ７５ａを駆動させるようにしてもよい。なお、この場合、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が所定条件を満たす場合とは、前述の測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１の温度低下が継続するか、顕著な温度上昇が見られない場合である。
【００８４】
この場合、制御装置９０は、上述した貯湯水循環回路７２の凍結防止運転中で貯湯水循環ポンプ７２ａが連続運転中であるか否かを判定する。貯湯水循環ポンプ７２ａが連続運転中であれば、制御装置９０は、温度センサ７２ｃで貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１を検出し、温度センサ７３ｂ，７３ｃで燃料電池冷却水の燃料電池入口および出口温度Ｔ２，Ｔ３を検出し、温度センサ７３ｅで加熱装置７３ｄの温度を検出し、温度センサ８１，８２で筐体１内の下部温度Ｔ６および上部温度Ｔ７を検出する。
【００８５】
制御装置９０は、これら検出した温度のうちいずれか一つが基準温度未満となれば、排熱回収熱媒体循環ポンプ７５ａを駆動させて連続運転する。これにより、凝縮器３０に残っている熱、排熱回収熱媒体の熱が第２熱交換器７６で貯湯水循環回路７２を流れる貯湯水を加熱する。そして、貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が上昇して第２判定閾値Ｔ１ｂ以上となれば、制御装置９０は、排熱回収熱媒体循環ポンプ７５ａを停止する。
【００８６】
上述の説明から明らかなように、この第１実施形態においては、制御装置９０が、当該燃料電池システムの運転を停止した後に、貯湯水循環ポンプ７２ａを間欠運転させる。これにより、貯湯水循環回路７２およびバイパス路７７に留まっている熱媒体を継続的でなく間欠的に循環させるので、熱媒体循環回路７２またはバイパス路７７の一部（外気にさらされている部分）が凍結する温度近くになっても、熱媒体循環回路７２またはバイパス路７７の他の部分（筐体１内に配設されている部分）の比較的高温の貯湯水が回って来るためその貯湯水の熱で凍結しそうな部分（外気にさらされている部分）の凍結を防止することができる。したがって、貯湯水を継続的でなく間欠的に循環させるとともに凍結開始までの時間を稼ぐことにより、省エネ性を向上させて凍結を防止することができる。また、このような貯湯水循環ポンプ７２ａの駆動中において、温度センサ７２ｃは貯湯水循環回路７２またはバイパス路７７で最も低温となる部分または該部分の下流部に設けられそこを流れる貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１を検出するので、凍結防止を図りながら貯湯水の最低温度を直接測定することができる。これにより、測定した貯湯水の最低温度に応じた必要な貯湯水加熱処理を適切に実施可能となる。これらのことから、燃料電池システムにおいて、省エネ性を向上させることと凍結のおそれのある貯湯水の温度を正確に測定することの２つの作用を両立させながら凍結防止を図ることができる。
【００８７】
また、制御装置９０は、測定した温度が低くなるほど貯湯水循環ポンプ７２ａの停止時間を短く設定するので、測定した貯湯水の温度に応じた適切な間欠運転を実施することにより、さらに省エネ性を向上することができる。
【００８８】
また、制御装置９０は、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が第１判定閾値Ｔ１ａ以下である場合、貯湯水循環ポンプ７２ａを間欠運転から連続運転に切り替え、その後、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が第２判定閾値Ｔ１ｂ以上となれば、貯湯水循環ポンプ７２ａを連続運転から間欠運転に切り替えるので、間欠運転で凍結防止を図ることができなくなっても連続運転に切り替えて確実に凍結防止を図るとともに、必要以上に連続運転を継続させないで電気エネルギーを無駄に消費させないようにする。
【００８９】
また、貯湯水循環回路７２またはバイパス路７７には該貯湯水循環回路７２を加熱する加熱装置７２ｂが備えられているので、貯湯槽７１内の湯を減らすことなく、この加熱装置７２ｂの熱を利用して貯湯水を加熱して貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。
【００９０】
また、制御装置９０は、貯湯水循環ポンプ７２ａの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が所定条件を満たさない場合、貯湯槽７１に貯湯されている貯湯水の熱を利用して貯湯水循環回路７２を循環する貯湯水を加熱するので、貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。
【００９１】
また、制御装置９０は、貯湯水循環ポンプ７２ａの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が所定条件を満たして、かつ燃料電池熱媒体の温度が貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１より高い場合、燃料電池熱媒体循環ポンプ７３ａを駆動させる。これにより、燃料電池熱媒体の熱を利用して貯湯水を加熱して貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。
【００９２】
また、制御装置９０は、貯湯水循環ポンプ７２ａの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が所定条件を満たして、かつ燃料電池熱媒体の温度が貯湯水の温度より高い場合、燃料電池熱媒体循環ポンプ７３ａを駆動させるとともに加熱装置７３ｄを駆動させる。これにより、燃料電池熱媒体を加熱させる加熱装置７３ｄの熱を利用して貯湯水を加熱して貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。また、燃料電池熱媒体循環ポンプ７３ａの駆動および加熱装置７３ｄの駆動により、燃料電池１０本体の凍結破損を防ぐことができる。
【００９３】
また、制御装置９０は、貯湯水循環ポンプ７２ａの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が所定条件を満たして、かつ排熱回収熱媒体の温度が貯湯水の温度より高い場合、排熱回収熱媒体循環ポンプ７５ａを駆動させる。これにより、排熱回収熱媒体の熱を利用して貯湯水を加熱して貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。
【００９４】
なお、上述した実施形態においては、制御装置９０は、貯湯水循環ポンプ７２ａの連続運転中に、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が所定条件を満たさない場合、貯湯槽７１に貯湯されている貯湯水、燃料電池１０、燃料電池熱媒体循環回路７３の燃料電池熱媒体、加熱装置７３ｄ、排熱回収手段である凝縮器３０、および排熱回収熱媒体循環回路７５の凝縮冷媒のなかから少なくとも１つを選択しその熱を利用して貯湯水循環回路を循環する貯湯水を加熱するようにするのが望ましい。これにより、貯湯水凍結防止を適切かつ確実に実施することができる。なお、この場合、測定した貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１が所定条件を満たさない場合とは、貯湯水循環ポンプ７２ａの連続運転を停止させる基準温度（第２判定閾値Ｔ１ｂ）に到達しないと判断される場合である。
【００９５】
なお、上述した実施形態においては、貯湯水循環回路７２において、当該燃料電池システムの運転を停止した後に、貯湯水循環ポンプ７２ａを間欠運転させるとともに、貯湯水循環ポンプ７２ａの駆動中において、貯湯水循環回路７２またはバイパス路７７で最も低温となる部分または該部分の下流部に設けられた温度センサ７２ｃがそこを流れる貯湯水の筐体１入口温度Ｔ１を検出するようにしたが、他の循環回路でも同様な制御を実施することができる。
【００９６】
また、上述した実施形態においては、貯湯水循環回路７２の凍結防止をするため、他の循環回路であるＦＣ冷却水循環回路７３や排熱回収熱媒体循環回路７５の熱を利用したが、ＦＣ冷却水循環回路７３や排熱回収熱媒体循環回路７５の凍結防止をするために他の循環回路の熱を利用するようにしてもよい。
【００９７】
また、上述した実施形態においては、貯湯水循環回路７２と凝縮冷媒循環回路７５とは独立して設けられていたが、一つの循環回路であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施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】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５】図１に示す貯湯水循環ポンプの間欠運転を示すタイムチャートである。
【図６】間欠動作待ち時間と貯湯水の温度との相関を示すグラフである。
【図７】本発明による燃料電池システムの凍結防止動作を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００９９】
１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、１３…電解質、１４…加湿器、１４ａ…水透過膜、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（排熱回収手段）、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、５０…改質水タンク、５０ａ，６１ｂ，７２ｃ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｅ，７５ｂ，８１，８２…温度センサ、５３…改質水ポンプ、６１…空気供給管、６２…カソードオフガス排気管、６３…燃焼ガス排気管、６４…改質ガス供給管、６４ａ…第１改質ガスバルブ、６５…オフガス供給管、６５ａ…オフガスバルブ、６６…配管、６７…バイパス管、６７ａ…第２改質ガスバルブ、６８…改質水供給管、７１…貯湯槽、７２…貯湯水循環回路、７２ａ…貯湯水循環ポンプ、７２ｂ…加熱装置、７２ｄ，７７ａ…切替装置、７７…バイパス路、７８…貯湯槽熱交換路、７３…ＦＣ冷却水循環回路、７３ａ…ＦＣ冷却水循環ポンプ、７４…第１熱交換器、７５…凝縮冷媒循環回路（排熱回収熱媒体循環回路）、７５ａ…排熱回収熱媒体循環ポンプ、７６…第２熱交換器、９０…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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