(57)【要約】【課題】  エネルギーの損失と操作の煩雑性及び機動性の欠如を抑制しつつ、水の凍結による障害を確実に防止して、安全な発電運転を維持及び確保することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池（１）と、冷却水タンク（７）及び冷却水循環流路（３２）と、貯湯タンク（１０）及び温水循環流路（３１）と、熱交換器（９）と、排水弁（２５）〜（２７）と、温度検知器（１７），（１８），（２０）と、制御器（４１）と、を備え、前記制御器が、前記燃料電池の発電停止中、前記温度検知器が検知する水温に基づいて、少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも冷却水及び温水の何れかを循環させるか、又は、前記排水弁を開放して排水をさせるか、の何れかを選択する。【選択図】  図１
2008251553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
冷却水を貯蔵する冷却水タンクと、
前記燃料電池で前記発電に伴って発生する熱を回収して該燃料電池を冷却するよう前記冷却水を前記冷却水タンク経由で循環させる冷却水循環流路と、
温水を貯蔵する貯湯タンクと、
前記温水を前記貯湯タンク経由で循環させる温水循環流路と、
前記冷却水循環流路を循環する前記冷却水と前記温水循環流路を循環する前記温水との間で熱交換を行うための熱交換器と、
前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々から排水するための排水弁と、
前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々において水温を検知する温度検知器と、
制御器と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御器が、前記燃料電池の前記発電停止中、前記温度検知器が検知する前記水温に基づいて、少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させるか、又は、前記排水弁を開放して排水をさせるか、の何れかを選択する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却水タンクに水を補給するための給水タンクと、
前記冷却水タンクと前記給水タンクとの間で前記水を循環させる補給水循環流路と、
前記補給水循環流路及び前記給水タンクの少なくとも何れかから排水するための排水弁と、
前記補給水循環流路及び前記給水タンクの少なくとも何れかにおいて水温を検知する温度検知器と、を更に備える、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、その後、前記水温の全てが前記所定の閾値温度未満となった場合には前記排水弁を開放して排水をさせる、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却水タンク及び前記冷却水循環流路の少なくとも何れかに前記冷却水を加熱するための第１の加熱器を備えている、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記貯湯タンク及び前記温水循環流路の少なくとも何れかに前記温水を加熱するための第２の加熱器を備えている、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器の温度を前記改質のための所定の温度に加熱及び保温するための第３の加熱器と、
前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の少なくとも一つに前記第３の加熱器へ迂回する迂回流路と、
前記迂回流路に切り替えるための流路切替弁と、を備え、
前記迂回流路の一部が前記第３の加熱器により加熱されるように構成されている、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記排水弁としての定常閉止型電磁弁と、
前記定常閉止型電磁弁近傍の外気温度を検知するための外気温度検知器と、
前記定常閉止型電磁弁を開放するための電気エネルギーを前記燃料電池の前記発電により得て蓄電する蓄電器と、
第２の制御器と、を備え、
前記第２の制御器が、停電時、前記外気温度検知器が検知する前記外気温度に基づいて前記蓄電器から前記電気エネルギーを供給して前記定常閉止型電磁弁を開放して排水をさせる、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第２の制御器が、停電時、前記外気温度検知器が検知する前記外気温度が前記所定の閾値温度未満である場合、前記蓄電器から前記電気エネルギーを供給して前記定常閉止型電磁弁を開放して排水をさせる、請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御器が前記燃料電池の前記発電の長期運転停止を選択するための第１のモード選択指令入力部を更に備え、
前記制御器が、前記第１のモード選択指令入力部から前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力された場合には前記排水弁を開放して排水をさせ、前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力されなくかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させる、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御器が、前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力されなくかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して排水をさせる、請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御器が前記燃料電池の前記発電の短期運転停止を選択するための第２のモード選択指令入力部を更に備え、
前記制御器が、前記第２のモード選択指令入力部から前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されない場合には前記排水弁を開放して排水をさせる、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御器が、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して排水をさせる、請求項１１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記制御器が前記燃料電池の前記発電の長期運転停止又は短期運転停止を選択するための第３のモード選択指令入力部を更に備え、
前記制御器が、前記第３のモード選択指令入力部から前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力された場合には前記排水弁を開放して前記排水をさせ、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させる、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記制御器が、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して排水をさせる、請求項１３記載の燃料電池システム。
【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、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池を備えたコージェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高効率な小規模発電が可能な燃料電池システムは、発電時に発生する熱エネルギーを利用するためのシステム構築が容易であると共に、高いエネルギー利用効率が実現できるため、分散型の発電システムとして好適に用いられている。
【０００３】
燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池スタック（以下、単に燃料電池という）を有している。この燃料電池としては、高分子電解質型燃料電池やリン酸型燃料電池等が一般的に用いられる。特に、高分子電解質型燃料電池は、比較的低温での安定した発電動作が可能であるため、燃料電池システムを構成する燃料電池として好適に用いられている。
【０００４】
高分子電解質型燃料電池は、その電解質膜として、高分子イオン交換膜、例えば、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系の高分子イオン交換膜を備えている。この高分子イオン交換膜等の電解質膜の両面には、例えば白金触媒からなる燃料極（アノード）及び酸素極（カソード）が各々設けられている。又、これらの燃料極及び酸素極には、多孔質カーボン電極が各々設けられている。これにより、高分子電解質型燃料電池における膜電極接合体（略称、ＭＥＡ）が構成されている。そして、この膜電極接合体を、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水を流すための流路を各々設けたセパレータにより挟持することにより、単電池が構成されている。又、この単電池を多層状に積層することにより、高分子電解質型燃料電池が構成されている。
【０００５】
かかる高分子電解質型燃料電池では、その発電運転の際、燃料極側に水素ガス又は水素を豊富に含む燃料ガス（例えば、改質ガス）が供給される。又、酸素極側には、酸化剤としての酸素を含む酸化剤ガス（例えば、空気）が供給される。すると、この高分子電解質型燃料電池では、燃料極上において生成した水素イオンが電解質膜の内部を水の介在の下で酸素極上に移動して、この酸素極上において外部負荷を経由して到達する電子及び酸素極側に供給される空気中の酸素と化学反応して水が生成される。尚、この際、上述したように、燃料極から酸素極に向けて外部負荷を経由して電子が移動するが、この電子の流れを電気エネルギーとして燃料電池システムに接続された外部負荷が利用する。
【０００６】
又、この高分子電解質型燃料電池では、その発電運転の際、上述した化学反応により熱が発生する。この熱は、セパレータに設けられた流路を流れる冷却水により逐次回収される。この際、燃料電池システムの使用者が電気エネルギーのみを必要とする場合、冷却水により逐次回収される熱は、放熱器等により燃料電池システムの外部に逐次放出される。一方、燃料電池システムの使用者が電気エネルギーに加えて熱エネルギーをも必要とする場合（即ち、熱電併給：コージェネレーション）、燃料電池から逐次排出される温度上昇した冷却水は、直接或いは貯湯タンク等に一時的に貯蔵等されて熱負荷に供せられる。
【０００７】
ところで、高分子電解質型燃料電池において、電解質膜である高分子イオン交換膜に水素イオンの透過性を十分に発揮させるためには、この電解質膜の状態を十分な保水状態に維持する必要がある。そのため、従来の高分子電解質型燃料電池では、燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも何れかに発電運転温度付近（例えば、常温〜１００℃程度）の温度で飽和する量の水蒸気を含ませる構成が採られている。これにより、電解質膜の状態が十分な保水状態に維持されるので、燃料電池システムは所定の発電性能を発揮する。
【０００８】
又、上述したように、燃料電池システムには、その発電運転の際に高分子電解質型燃料電池が発生する熱を逐次回収するための冷却水が流れる流路や、冷却水により回収された熱エネルギーを熱負荷に提供するための温水用の流路や、温水を貯蔵するための貯湯タンク等、多くの流路及び貯水タンク等が配設されている。そして、燃料電池システムは、これらの流路及び貯水タンク等において水や温水等が正常に流動及び貯水等され、高分子電解質型燃料電池の冷却や熱負荷に対する熱エネルギーの提供等が正常に行われることにより、コージェネレーションシステムとしての所定の性能を発揮する。
【０００９】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、その発電運転の際には高分子電解質型燃料電池等が発生する熱により電解質膜や水の流路及び貯水タンク等が保温されるので所定の発電性能を得ることができるが、発電運転の停止期間では高分子電解質型燃料電池等は熱を発生しないため、電解質膜や水の流路及び貯水タンク等は保温されない。つまり、発電運転の停止期間、燃料電池システムは放熱冷却される。特に、冬季の寒冷地域では、発電運転の停止期間、燃料電池システムは氷点下にまで容易に放熱冷却される。
【００１０】
そして、燃料電池システムの発電運転の停止状態が数時間以上の長時間に渡って継続する場合、冬季に大気温度が氷点下２０℃にも達する極寒地や、最低気温が氷点下にまで至る寒冷地では、高分子電解質型燃料電池の電解質膜に含浸される水が凍結して、その水の保持体である電解質膜の組織構造が破壊される場合があった。又、水の流路及び貯水タンク等において水が凍結する場合があった。つまり、燃料電池システムが起動不能に陥り所定の発電性能が得られない場合や、コージェネレーションシステムとしての所定の性能が得られない場合があった。又、この場合、氷結膨張により、高分子電解質型燃料電池本体や水の流路及び貯水タンク等が破壊される場合があった。
【００１１】
そこで、発電運転の停止期間、燃料電池システムにおける水の凍結を防止するために、燃料電池本体を収納する筐体に加熱器を設けて、この加熱器により燃料電池の全体を加熱及び保温する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
又、発電運転の停止期間、燃料電池システムにおける水の凍結を防止するために、水の流路に電磁弁を備え、この電磁弁を必要に応じて開放して燃料電池システムの系内からポンプを用いて水を排出する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１３】
更に、発電運転の停止期間、燃料電池システムにおける水の凍結を防止するために、水の加熱器を設けて、この加熱器を用いて冷却水を加熱して温水を生成して、この温水をその内部で循環させる燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００１−３５１６５２号公報
【特許文献２】特開平１１−２７３７０４号公報
【特許文献３】特開２００２−２４６０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した水の凍結を防止するための従来の提案は、燃料電池システムを維持及び管理する際の経済性、運転操作性、及び安全保障の確実性等において、各々その具現化を妨げる課題を有している。
【００１５】
例えば、燃料電池システムにおいて、燃料電池本体を収納する筐体に加熱器を設けて燃料電池の全体を加熱及び保温する提案や、水の加熱器を設けて冷却水を加熱して温水を生成しかつ循環させる提案により水の凍結を防止することは、事実上困難である。その理由は、燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿等する前処理器、大量の冷却水が循環する高分子電解質型燃料電池、大量の温水を貯蔵する貯湯タンク等、熱容量及び容積が大きな構成要素を備えている。換言すれば、燃料電池システムは、熱容量及び容積が大きなコージェネレーションシステムである。従って、発電運転の停止期間中、燃料電池システム内での水の凍結を防止するためには、極めて大規模でありかつ多量の熱を供給することが可能である加熱装置を配設することが必須となり、小規模な加熱器によっては熱量が不足するからである。
【００１６】
しかも、長期間に渡って電力が不要となり、発電運転を長期間に渡って停止する場合、極寒地や寒冷地では、燃料電池システムの発電運転が再開されるまで、水の凍結を防止する必要がある。この場合、上述した極めて大規模な加熱装置を長期間に渡って稼働させるためには、大量の電力を消費する必要がある。これは、燃料電池システムの使用者にとって、大きな経済的負担となる。
【００１７】
又、燃料電池システムにおいて、水の流路に電磁弁を設けて燃料電池システムからポンプを用いて水を排出する提案により水の凍結を防止することは、水の凍結（障害原因）を除去するという観点では確かに確実である。又、この提案は、電磁弁を開放するといった短時間の動作のみにより容易に実施可能であるため、大規模なエネルギー消費を必要としないという利点を有している。しかしながら、発電運転の停止の後、燃料電池システムを再起動する際には、燃料電池システムからは水が排出されているため、燃料電池システムの内部に必要十分な量の水を再び供給する必要がある。そのため、燃料電池システムを再起動する際、水を供給するための時間的な損失が発生する。又、外部から燃料電池システムの内部に新たに水が供給される場合、その供給される水を浄化することなく用いると、高分子電解質型燃料電池を冷却する冷却水に不純物が混入する恐れがある。ここで、冷却水が不純物を有する場合、その不純物を有する冷却水は高分子電解質型燃料電池の発電性能に直接的に影響を及ぼす。そのため、好適な冷却水を得るためには、新たに供給される水を高純度に浄化する必要がある。これは、水を高純度に浄化するという観点において、燃料電池システムの使用者にとって時間的損失と経済的負担となる。
【００１８】
又、この燃料電池システムから水を排出する提案では、発電運転の停止期間中に有効に活用したい貯湯タンク内の温水は単純に排出することができないため、水の凍結を確実に防止することはできない。従って、上述した水の排出に加えて、貯湯タンク内の温水が凍結することを防止するための別途の対策を講じる必要がある。
【００１９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、エネルギーの損失と操作の煩雑性及び機動性の欠如を抑制しつつ、水の凍結による障害を確実に防止して、安全な発電運転を維持及び確保することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、冷却水を貯蔵する冷却水タンクと、前記燃料電池で前記発電に伴って発生する熱を回収して該燃料電池を冷却するよう前記冷却水を前記冷却水タンク経由で循環させる冷却水循環流路と、温水を貯蔵する貯湯タンクと、前記温水を前記貯湯タンク経由で循環させる温水循環流路と、前記冷却水循環流路を循環する前記冷却水と前記温水循環流路を循環する前記温水との間で熱交換を行うための熱交換器と、前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々から排水するための排水弁と、前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々において水温を検知する温度検知器と、制御器と、を備える燃料電池システムであって、前記制御器が、前記燃料電池の前記発電停止中、前記温度検知器が検知する前記水温に基づいて、少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させるか、又は、前記排水弁を開放して排水をさせるか、の何れかを選択する。
【００２１】
かかる構成とすると、前記制御器が、前記燃料電池の前記発電停止中、前記温度検知器が検知する前記水温に基づいて、少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させるか、又は、前記排水弁を開放して排水をさせるか、の何れかを選択するので、エネルギーを大量に消費することなく、かつ時間的な損失を与えることなく、燃料電池システムにおける水の凍結を確実に防止することが可能になる。
【００２２】
この場合、前記冷却水タンクに水を補給するための給水タンクと、前記冷却水タンクと前記給水タンクとの間で前記水を循環させる補給水循環流路と、前記補給水循環流路及び前記給水タンクの少なくとも何れかから排水するための排水弁と、前記補給水循環流路及び前記給水タンクの少なくとも何れかにおいて水温を検知する温度検知器と、を更に備える。
【００２３】
かかる構成とすると、前記冷却水タンクに補給するための水を循環させる補給水循環流路と、前記補給するための水を貯蔵する給水タンクと、前記補給水循環流路及び前記給水タンクの少なくとも何れかから排水するための排水弁と、前記補給水循環流路及び前記給水タンクの少なくとも何れかにおいて水温を検知する温度検知器と、を更に備えるので、燃料電池システムにおける前記冷却水タンクに補給するための水の凍結をも防止することが可能になる。
【００２４】
又、上記の場合、前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、その後、前記水温の全てが前記所定の閾値温度未満となった場合には前記排水弁を開放して排水をさせる。
【００２５】
かかる構成とすると、前記温度検知器が検知する前記水温の少なくとも何れかが所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、その後、前記水温の全てが前記所定の閾値温度未満となった場合には前記排水弁を開放して排水をさせるので、燃料電池システムにおける水の凍結を効果的に防止することが可能になる。
【００２６】
又、上記の場合、前記冷却水タンク及び前記冷却水循環流路の少なくとも何れかに前記冷却水を加熱するための第１の加熱器を備えている。
【００２７】
かかる構成とすると、前記冷却水タンク及び前記冷却水循環流路の少なくとも何れかに前記冷却水を加熱するための第１の加熱器を備えているので、必要に応じて前記冷却水を加熱することが可能になる。
【００２８】
又、上記の場合、前記貯湯タンク及び前記温水循環流路の少なくとも何れかに前記温水を加熱するための第２の加熱器を備えている。
【００２９】
かかる構成とすると、前記貯湯タンク及び前記温水循環流路の少なくとも何れかに前記温水を加熱するための第２の加熱器を備えているので、必要に応じて前記温水を加熱することが可能になる。
【００３０】
又、上記の場合、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器の温度を前記改質のための所定の温度に加熱及び保温するための第３の加熱器と、前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の少なくとも一つに前記第３の加熱器へ迂回する迂回流路と、前記迂回流路に切り替えるための流路切替弁と、を備え、前記迂回流路の一部が前記第３の加熱器により加熱されるように構成されている。
【００３１】
かかる構成とすると、前記迂回流路の一部が前記第３の加熱器により加熱されるように構成されているので、前記迂回流路を通過する前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の少なくとも何れかを通過する前記冷却水及び前記温水の少なくとも何れかを必要に応じて加熱することが可能になる。
【００３２】
又、上記の場合、前記排水弁としての定常閉止型電磁弁と、前記定常閉止型電磁弁近傍の外気温度を検知するための外気温度検知器と、前記定常閉止型電磁弁を開放するための電気エネルギーを前記燃料電池の前記発電により得て蓄電する蓄電器と、第２の制御器と、を備え、前記第２の制御器が、停電時、前記外気温度検知器が検知する前記外気温度に基づいて前記蓄電器から前記電気エネルギーを供給して前記定常閉止型電磁弁を開放して排水をさせる。
【００３３】
かかる構成とすると、前記第２の制御器が、停電時、前記外気温度検知器が検知する前記外気温度に基づいて前記蓄電器から前記電気エネルギーを供給して前記定常閉止型電磁弁を開放して排水をさせるので、停電時においても燃料電池システムにおける水の凍結を確実に防止することが可能になる。
【００３４】
この場合、前記第２の制御器が、停電時、前記外気温度検知器が検知する前記外気温度が前記所定の閾値温度未満である場合、前記蓄電器から前記電気エネルギーを供給して前記定常閉止型電磁弁を開放して排水をさせる。
【００３５】
かかる構成とすると、前記第２の制御器が、停電時、前記外気温度検知器が検知する前記外気温度が前記所定の閾値温度未満である場合、前記蓄電器から前記電気エネルギーを供給して前記定常閉止型電磁弁を開放して排水をさせるので、停電時においても燃料電池システムにおける水の凍結を効果的に防止することが可能になる。
【００３６】
又、上記の場合、前記制御器が前記燃料電池の前記発電の長期運転停止を選択するための第１のモード選択指令入力部を更に備え、前記制御器が、前記第１のモード選択指令入力部から前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力された場合には前記排水弁を開放して排水をさせ、前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力されなくかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させる。
【００３７】
かかる構成とすると、前記制御器が前記燃料電池の前記発電の長期運転停止を選択するための第１のモード選択指令入力部を更に備え、前記制御器が、前記第１のモード選択指令入力部から前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力された場合には前記排水弁を開放して排水をさせ、前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力されなくかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させるので、状況に応じて燃料電池システムにおける水の凍結を適切にかつ確実に防止することが可能になる。
【００３８】
この場合、前記制御器が、前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力されなくかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して排水をさせる。
【００３９】
かかる構成とすると、前記制御器が、前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力されなくかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して排水をさせるので、例えば前記長期運転停止を選択する旨の指令を入力し忘れた場合でも、燃料電池システムにおける水の凍結を確実に防止することが可能になる。
【００４０】
又、上記の場合、前記制御器が前記燃料電池の前記発電の短期運転停止を選択するための第２のモード選択指令入力部を更に備え、前記制御器が、前記第２のモード選択指令入力部から前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されない場合には前記排水弁を開放して排水をさせる。
【００４１】
かかる構成とすると、前記制御器が前記燃料電池の前記発電の短期運転停止を選択するための第２のモード選択指令入力部を更に備え、前記制御器が、前記第２のモード選択指令入力部から前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されない場合には前記排水弁を開放して排水をさせるので、状況に応じて燃料電池システムにおける水の凍結を適切にかつ確実に防止することが可能になる。
【００４２】
この場合、前記制御器が、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して排水をさせる。
【００４３】
かかる構成とすると、前記制御器が、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して排水をさせるので、前記短期運転停止の際における燃料電池システムでの水の凍結を効果的にかつ確実に防止することが可能になる。
【００４４】
又、上記の場合、前記制御器が前記燃料電池の前記発電の長期運転停止又は短期運転停止を選択するための第３のモード選択指令入力部を更に備え、前記制御器が、前記第３のモード選択指令入力部から前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力された場合には前記排水弁を開放して前記排水をさせ、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させる。
【００４５】
かかる構成とすると、前記制御器が前記燃料電池の前記発電の長期運転停止又は短期運転停止を選択するための第３のモード選択指令入力部を更に備え、前記第３のモード選択指令入力部から前記長期運転停止を選択する旨の指令が入力された場合には前記排水弁を開放して前記排水をさせ、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させるので、前記燃料電池の前記発電の長期運転停止又は短期運転停止に応じて燃料電池システムにおける水の凍結を適切にかつ確実に防止することが可能になる。
【００４６】
この場合、前記制御器が、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して前記排水をさせる。
【００４７】
かかる構成とすると、前記制御器が、前記短期運転停止を選択する旨の指令が入力されかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合、前記排水弁を開放して前記排水をさせるので、前記短期運転停止の際における燃料電池システムでの水の凍結を効果的にかつ確実に防止することが可能になる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明は以上に述べたような手段で実施され、過大なエネルギーの損失を生ずることなく、かつ煩雑な監視や操作を行う必要がなく、機動性の欠如を抑制しながら簡便にして発電運転の停止期間中における水の凍結を効果的に防止する、安全性を備えかつ運転機能の維持及び管理が容易な燃料電池システムを提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５０】
尚、本発明に係る実施の形態では、温度検出器としては熱電対やサーミスタ等を、送水機器としては流量や必要となる圧力に応じてプランジャーポンプやギヤードポンプ等を、又、水の流通流路の開閉機器としては手動若しくは電磁動作の開閉バルブ等を、更に、加熱器としてはシーズヒータや電磁誘導加熱器若しくは燃焼熱を利用するバーナ等を適宜選択及び使用することが可能であるが、これらは何れも燃料電池システムにおいて従来から一般的に使用されているため、以下の説明では、それらの構成や動作等に関する説明は省略する。
【００５１】
又、燃料電池システムの運転制御に関する回路構成及び動作についても、通常のエネルギー機器において用いられる一般的な回路構成及び動作を適用することができるので、以下の説明では、それらに関する詳細な説明及び図示は省略する。
【００５２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に示す燃料電池システムの構成を模式的に示す構成図である。尚、図１では、本発明の概念を説明するために必要となる構成要素のみを図示しており、不要な構成要素については、その図示を省略している。
【００５３】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に示す燃料電池システム１００は、高分子イオン交換膜をその電解質膜として備える燃料電池１と、この燃料電池１に水素を豊富に含む燃料ガスを供給する燃料供給装置２と、この燃料電池１に酸素を含む酸化剤ガスとしての空気を大気中から吸引して加圧供給する酸化剤供給装置３と、この酸化剤供給装置３が供給する空気を燃料電池１に供給する前に水蒸気を利用して加湿及び加熱する加湿装置４と、燃料電池１の内部に循環させる冷却水を貯蔵する冷却水タンク７とを備えている。冷却水タンク７は、その内部に冷却水を加熱するための加熱器２４を有している。
【００５４】
又、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、燃料電池１において消費されずに残った燃料ガスを排出するための残存燃料排出部５と、燃料電池１において消費されずに残った酸化剤ガスを排出するための残存酸化剤排出部６とを備えている。そして、この燃料電池システム１００は、残存燃料排出部５における所定の位置に、余剰の燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮分離するための残存燃料凝縮器１４を備えている。又、この燃料電池システム１００は、残存酸化剤排出部６における所定の位置に、余剰の酸化剤ガスに含まれる水蒸気を凝縮分離するための残存酸化剤凝縮器１３を備えている。これらの残存酸化剤凝縮器１３及び残存燃料凝縮器１４によって凝縮分離された水は、所定の流路を通過して、後述する給水タンク８に導入される。
【００５５】
又、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、残存酸化剤凝縮器１３及び残存燃料凝縮器１４によって凝縮分離された水を貯蔵する給水タンク８と、この給水タンク８に貯蔵された水を浄化するイオン交換樹脂が充填された浄水器１２とを備えている。給水タンク８に貯蔵される水は、浄水器１２を経て浄化された後、所定の流路を経て冷却水タンク７に供給される。又、冷却水タンク７において余剰となった冷却水は、オーバーフローにより冷却水タンク７から排出された後、所定の流路を経て給水タンク８に再び貯蔵される。尚、図１に示すように、給水タンク８には、給水タンク８に貯蔵される水の量が不足した場合に外部から水を供給するための補水管１９が接続されている。
【００５６】
又、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、燃料電池１で発生して冷却水により搬出される熱を回収及び交換する熱回収熱交換器９と、この熱回収熱交換器９により昇温した温水を貯蔵する貯湯タンク１０を備えている。つまり、燃料電池システム１００では、燃料電池１で発生する熱が熱回収熱交換器９を介して貯湯タンク１０に供給されるよう熱移動経路が構成されている。尚、図１に示すように、貯湯タンク１０には、貯湯タンク１０に原水を供給するための給水管１１が接続されている。又、貯湯タンク１０の上部には、貯湯タンク１０に貯蔵された温水を利用する際に利用する給湯口１６が接続されている。
【００５７】
又、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、冷却水タンク７、給水タンク８、及び貯湯タンク１０の所定の位置に、各々の内部に貯蔵されている水の温度を計測するための温度検知器１７、温度検知器１８、温度検知器２０を各々備えている。
【００５８】
又、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、燃料電池１と加湿装置４と熱回収熱交換器９と冷却水タンク７とを経由して冷却水を循環させるための冷却水循環流路３２と、熱回収熱交換器９と貯湯タンク１０との間で温水等を循環させための温水循環流路３１と、冷却水タンク７と給水タンク８との間で水を循環させるための補給水循環流路３３とを、各々独立した水循環流路として備えている。又、これらの温水循環流路３１及び冷却水循環流路３２及び補給水循環流路３３における所定の位置には、水を循環させるための送水ポンプ２１及び送水ポンプ２２及び送水ポンプ２３が配設されている。又、温水循環流路３１における所定の位置には、温水等を排出するための排水弁２５が配設されている。又、冷却水タンク７における所定の位置には、冷却水を排出するための排水弁２６が配設されている。又、給水タンク８における所定の位置には、水を排出するための排水弁２７が配設されている。
【００５９】
更に、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、制御器４１を備えている。この制御器４１は、マイコン等の演算装置で構成され、燃料電池システム１００の所要の構成要素を制御して該燃料電池システム１００の動作を制御する。ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけではなく、複数の制御器が協働して制御を実行する制御器群をも意味する。よって、制御器４１は、必ずしも単独の制御器で構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置されていて、それらが協働して燃料電池１００の動作を制御するように構成されていてもよい。例えば、制御器４１は、後述する弁制御器３８を含むように構成されていてもよい。
【００６０】
又、図１に示すように、制御器４１は、指令を制御器４１に入力する手段として、複数のスイッチ及びボタンを備えている。具体的には、この制御器４１は、燃料電池システム１００の運転停止を制御するための停止スイッチ４２と、起動を制御するための起動スイッチ４６と、停止条件を選択及び決定するための操作部としての長期停止ボタン４３及び短期停止ボタン４４と、停止中の必要時の加熱操作を選択及び実行するための加熱ボタン４５とを備えている。
【００６１】
又、この制御器４１は、排水弁２５及び排水弁２６及び排水弁２７や、温度検知器１７及び温度検知器１８及び温度検知器２０の出力信号に基づいて、送水ポンプ２１及び送水ポンプ２２及び送水ポンプ２３や加熱器２４の動作を適宜制御する。又、この制御器４１は、燃料電池システム１００を構成するその他の構成要素の動作も、必要に応じて適宜制御する。尚、図１において破線で示すように、制御器４１と上述した温度検知器１７，１８，２０及び排水弁２５，２６，２７及び送水ポンプ２１，２２，２３及び加熱器２４とは、所定の配線により相互に電気的に接続されている。
【００６２】
次に、本実施の形態の燃料電池システム１００における水の循環形態と熱の移動形態との関係について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００６３】
図１に示す燃料電池１は、燃料極及び酸素極における化学反応により、電力の生成と同時に熱を発生する。この燃料電池１で発生する熱は、給水タンク８から冷却水タンク７に供給されかつ送水ポンプ２２の運転によって冷却水循環流路３２の内部を循環する冷却水により、燃料電池１からその外部に搬出される。つまり、燃料電池１は、発電運転の際、温度上昇した冷却水を排出する。
【００６４】
燃料電池１から排出された温度上昇した冷却水の一部は、加湿装置４を通過する際、酸化剤供給装置３が供給する空気の加湿及び加温のために利用される。一方、加湿装置４を通過した、加湿装置４での空気の加湿及び加温のために利用されなかった高温状態の冷却水は、熱回収熱交換器９において、温水循環流路３１を流れる水を加熱するために利用される。そして、熱回収熱交換器９における熱交換により冷却された冷却水は、冷却水タンク７に再び貯蔵され、燃料電池１を冷却するために再び利用される。
【００６５】
尚、燃料電池システム１００の起動時は、冷却水タンク７の内部に配設された加熱器２４に通電することにより、冷却水タンク７及び冷却水循環流路３２の内部の冷却水を加熱及び昇温する。これにより、燃料電池１及び加湿装置４の昇温操作が行われる。
【００６６】
このように、本実施の形態の燃料電池システム１００では、燃料電池１で発生する熱を加湿装置４及び熱回収熱交換器９に冷却水を媒体として搬送する一連の熱搬送を行うことにより、発電運転の際に発熱する燃料電池１の冷却が行われる。
【００６７】
又、貯湯タンク１０に貯蔵される水は、送水ポンプ２１の動作により、温水循環流路３１を流れて熱回収熱交換器９を経由して貯湯タンク１０へと環流される。この際、給水管１１により供給された冷水は、貯湯タンク１０の下方から引き出され、熱回収熱交換器９において熱を伝達されて昇温した後、貯湯タンク１０の上方に戻される。かかる構成とすることにより、熱回収熱交換器９において加熱された温水が貯湯タンク１０の上方から下方に向けて徐々に貯蔵されるので、燃料電池システム１００の発電運転の初期から貯湯タンク１０の上部に設けられた給湯口１６を通して高温の温水を得ることが可能になる。
【００６８】
又、給水タンク８に貯蔵された水は、必要に応じて送水ポンプ２３が駆動されることにより、浄水器１２においてイオン交換により浄化された後、補給水循環流路３３を介して冷却水タンク７に供給される。尚、残存酸化剤凝縮器１３及び残存燃料凝縮器１４により凝縮分離された水の量が不足して、給水タンク８における貯水量が不足する場合は、補水管１９を通して燃料電池システム１００の外部から給水タンク８に水が補填される。そして、給水タンク８における貯水量が復帰した後、給水タンク８に貯蔵された水は、必要に応じて、補給水循環流路３３を介して冷却水タンク７に供給される。
【００６９】
送水ポンプ２３は、加湿装置４において冷却水が消費され、冷却水タンク７における貯水量が低下した場合に適宜駆動される。この際、冷却水タンク７における貯水量が余剰となった場合には、オーバーフローにより冷却水が給水タンク８に戻される。これにより、冷却水タンク７における貯水量が適切に制御される。
【００７０】
尚、冷却水循環流路３２と補給水循環流路３３との双方が接続されている冷却水タンク７では、冷却水循環流路３２から供給される冷却水と補給水循環流路３３から供給される水とが混合する。つまり、冷却水タンク７では、冷却水循環流路３２から供給される冷却水と補給水循環流路３３から供給される水との間で熱の交換が行われる。しかし、給水タンク８から冷却水タンク７への水の補填は、冷却水タンク７における貯水量が低下した場合にのみ行われるので、給水タンク８及び補給水循環流路３３における水の温度が大幅に上昇することはない。従って、浄水器１２において、イオン交換樹脂が熱により破壊されることはない。
【００７１】
次に、本発明を特徴付ける、燃料電池システム１００の発電運転の停止期間中に水が凍結することを防止するための動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００７２】
図２は、本発明の実施の形態１に示す燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【００７３】
本実施の形態の燃料電池システム１００では、その発電運転を停止する際、図１に示す制御器４１の停止スイッチ４２を押すことにより、燃料供給装置２から燃料電池１への燃料ガスの供給と、酸化剤供給装置３から燃料電池１への酸化剤ガスの供給とが各々停止する。これにより、燃料電池１における発電のための化学反応が停止するので、燃料電池１での熱の発生が停止する。又、制御器４１は、燃料電池１での熱の発生の停止に伴い、温度検知器１７及び温度検知器１８及び温度検知器２０が検出する冷却水タンク７内の冷却水の温度及び給水タンク８内の水の温度及び貯湯タンク１０内の温水の温度が各々所定の温度以下にまで低下したことを確認すると、送水ポンプ２１及び送水ポンプ２２及び送水ポンプ２３の動作を停止する。これにより、温水循環流路３１及び冷却水循環流路３２及び補給水循環流路３３における温水及び冷却水及び補給水の移動が各々停止するので、燃料電池システム１００における熱の循環移動が停止する。
【００７４】
燃料電池１での熱の発生が停止すると共に、燃料電池システム１００における熱の循環移動が停止すると、燃料電池システム１００を構成する構成要素の温度は、燃料電池システム１００が配設されている場所の周囲環境の温度に導かれて、経時的に低下し始める。この際、通常は、熱容量が比較的小さくかつ外気への露出表面積が比較的大きい配管部分の温度が比較的早く低下して、貯湯タンク１０や燃料電池１等の熱容量が比較的大きい構成要素の温度は遅れて低下する。そのため、外気温が氷点下に到達する場合でも、燃料電池システム１００の内部における全ての水が凍結するまでには、数時間以上の長時間を必要とする。
【００７５】
しかしながら、図１に示す温水循環流路３１及び冷却水循環流路３２及び補給水循環流路３３等の水が循環する流路において、その水の循環流路の一部にでも水の凍結が発生すると、その水の凍結により水の循環が阻害されるので、燃料電池システム１００を正常に再起動することはできない。この場合、燃料電池システム１００を正常に起動するためには、何らかの外的手段（例えば、温風や熱湯等により水が凍結した部分を融解させる等）により、その始動性を確保しなければならない。
【００７６】
又、上述した水の循環流路において水が凍結すると、その水の凍結に伴う体積増加による膨張応力によって配管が破壊されることも多々あるため、発電運転の停止後における比較的早い段階（例えば、場合によっては、２〜３時間）で、燃料電池システム１００の動作不能状態を招くこともある。
【００７７】
そこで、図２に示すように、本実施の形態では、停止スイッチ４２を操作して燃料電池システム１００の発電運転の停止操作（ステップＳ４１）を行った後、その発電運転の停止操作が長期間発電運転を停止する燃料電池システム１００を休眠状態に移行させるための長期運転停止モードか、或いは、短期間の運転休止の後に再起動待機状態に移行する短期運転停止モードかの何れかのモードであるかを確定するために、ユーザが制御器４１の長期停止ボタン４３及び短期停止ボタン４４の何れかを選択及び操作して、停止操作のモードを選択する（ステップＳ４２）。
【００７８】
制御器４１は、ユーザが燃料電池システム１００の状態を休眠状態に移行するために長期停止ボタン４３を選択及び操作すると、所定の保温動作を行わないと判定する（ステップＳ４３でＮＯ）。
【００７９】
この場合、制御器４１は予めその記憶装置に設定された動作条件に従い（ステップＳ４４）、燃料電池システム１００から水を排出する排水処理動作に移行する（ステップＳ４５）。そして、制御器４１は、所定の指令信号を出力することにより、図１に示す排水弁２５及び排水弁２６及び排水弁２７を開放する（ステップＳ４６）。これにより、制御器４１は、温水循環流路３１及び冷却水循環流路３２及び補給水循環流路３３、及び、冷却水タンク７及び給水タンク８及び貯湯タンク１０の各々から、水を燃料電池システム１００の外部に完全に排出する。
【００８０】
燃料電池システム１００からの水の排出が完全に完了して、制御器４１により排水が完全に完了したことを確認するための所定の処理（例えば、時間制御、センサによる残留水量確認制御等）が完了すると、制御器４１は、所定の指令信号を出力することにより、排水弁２５及び排水弁２６及び排水弁２７を閉鎖する（ステップＳ４７）。このステップＳ４７に示す動作により、温水循環流路３１及び冷却水循環流路３２及び補給水循環流路３３、及び、冷却水タンク７及び給水タンク８及び貯湯タンク１０の各々は閉塞状態を維持するので、それらの不要な乾燥が防止される。
【００８１】
ついで、制御器４１は、排水弁２５及び排水弁２６及び排水弁２７の状態が閉鎖状態に完全に移行したことを確認すると、燃料電池システム１００を構成する各構成要素への電力の供給を停止する。そして、制御器４１は、燃料電池システム１００の動作を完全に停止する。これにより、燃料電池システム１００は、長時間発電運転を行わない休眠状態に移行する（ステップＳ４８）。
【００８２】
一方、制御器４１は、ユーザが燃料電池システム１００の状態を再起動待機状態に移行するために短期停止ボタン４４を選択及び操作すると、所定の保温動作を行うことを判定する（ステップＳ４３でＹＥＳ）。
【００８３】
この場合、制御器４１は、冷却水タンク７及び給水タンク８及び貯湯タンク１０の各々に設けられている温度検知器１７及び温度検知器１８及び温度検知器２０により検知される温度を各々確認する（ステップＳ４９）。そして、制御器４１は、保温が必要か否かを判定する（ステップＳ５０）。
【００８４】
具体的には、制御器４１は、温度検知器１７及び温度検知器１８及び温度検知器２０により検知される各々の温度の何れかの温度が、水の凍結温度領域（例えば、−３℃〜０℃）に近づいたか否かを判定する。例えば、制御器４１は、水の凍結温度領域に基づき、燃料電池システム１００の安全性を考慮して設定された所定の閾値温度（例えば、３℃）を下回る温度を検知する温度検知器の有無を判定する。
【００８５】
そして、制御器４１は、温度検知器１７及び温度検知器１８及び温度検知器２０の何れの温度検知器も上述した所定の閾値温度を下回る温度を検知しない場合、所定の保温動作が不要であることを判定する（ステップＳ５０でＮＯ）。そして、制御器４１は、ステップＳ４９に戻り、冷却水タンク７及び給水タンク８及び貯湯タンク１０の各々に設けられている温度検知器１７及び温度検知器１８及び温度検知器２０により検知される温度が所定の閾値温度を下回るまでこれらを繰り返し確認するようにして、適当な検知周期で、ステップＳ４９とステップＳ５０とを繰り返し実行する。
【００８６】
一方、制御器４１は、温度検知器１７及び温度検知器１８及び温度検知器２０の何れかの温度検知器が上述した所定の閾値温度を下回る温度を検知した場合、所定の保温動作が必要であることを判定する（ステップＳ５０でＹＥＳ）。
【００８７】
この場合、制御器４１は、温度検知器１７又は温度検知器１８又は温度検知器２０が検知する温度に基づき、その所定の保温動作の熱源となる冷却水タンク７又は給水タンク８又は貯湯タンク１０に貯蔵されている水を加熱する必要が有るか否かについて判定する。そして、制御器４１は、水を加熱する必要が一切ないと判定した場合（ステップＳ５１でＮＯ）、燃料電池システム１００の内部に存在する水を所定の保温動作のための熱源として用いて、所定の保温動作としての水の循環動作を実行する（ステップＳ５３）。
【００８８】
以下、ステップＳ５３における水の循環動作について詳細に説明する。
【００８９】
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、温水循環流路３１及び冷却水循環流路３２及び補給水循環流路３３の、３つの水の循環流路を備えている。これらの水の循環流路の内、通常の発電運転の際は、燃料電池１の内部を環流する冷却水循環流路３２における水の温度が最も高温となり、冷却水タンク７と給水タンク８との間をオーバーフローしながら循環する補給水循環流路３３における水の温度は比較的低い温度となる。又、貯湯タンク１０に連通する温水循環流路３１を循環する水の温度は、発電運転の初期では比較的低温であるが、発電運転時間の経過と共に徐々に昇温する。そして、発電運転時間が経過して、高温状態の温水の貯湯が進んだ状態では、温水循環流路３１を循環する水は大きな熱容量を蓄積及び保有する。
【００９０】
一方、燃料電池システム１００の発電運転を停止した場合、貯水容量が比較的少なくかつ熱容量が比較的小さい冷却水タンク７及び給水タンク８や、外気への露出表面積が比較的大きい配管部分の温度は比較的早く低下して、貯湯タンク１０や燃料電池１等の熱容量が比較的大きい構成要素の温度は遅れて低下する。
【００９１】
そこで、本実施の形態の燃料電池システム１００では、例えば、冷却水タンク７や給水タンク８に貯蔵される水の温度が所定の閾値温度（例えば、３℃）を下回った場合でも、貯湯タンク１０に７０℃以上の温水が貯蔵されている場合には、制御器４１の制御により送水ポンプ２１を駆動して、貯湯タンク１０に貯蔵されている温水を温水循環流路３１において循環させる。この場合、送水ポンプ２１の送水方向を通常の発電運転時の場合に対して逆方向にして、貯湯タンク１０の上方からより高温状態の温水を汲み出して温水循環流路３１において循環させることにより、燃料電池システム１００において所定の保温動作をより効果的に行うことが可能となる。
【００９２】
又、この際、制御器４１は、送水ポンプ２１の駆動と同時に、送水ポンプ２２を駆動して、冷却水タンク７に貯蔵されている冷却水を冷却水循環流路３２において循環させる。これにより、熱回収熱交換器９において冷却水循環流路３２を循環する冷却水と温水循環流路３１を循環する温水との間で熱の交換が行われ、冷却水循環流路３２を循環する冷却水の温度が上昇するので、冷却水タンク７に貯蔵される冷却水の温度を所定の閾値温度以上の温度とすることが可能になる。つまり、燃料電池システム１００において、冷却水タンク７及び冷却水循環流路３２における冷却水の凍結を防止することが可能なる。
【００９３】
又、この際、制御器４１は、送水ポンプ２１及び送水ポンプ２２の駆動と同時に、送水ポンプ２３を駆動して、給水タンク８に貯蔵されている水を補給水循環流路３３において冷却水タンク７との間で循環させる。これにより、冷却水タンク７において、熱回収熱交換器９における熱交換により温度上昇した冷却水と給水タンク８から供給される水とが混合して、その混合により温度上昇した水がオーバーフローにより補給水循環流路３３を介して給水タンク８に戻されるので、給水水タンク８に貯蔵される水の温度を所定の閾値温度以上の温度とすることが可能になる。つまり、燃料電池システム１００において、給水タンク８及び補給水循環流路３３における水の凍結を防止することが可能なる。
【００９４】
かかるステップＳ５３における水の循環動作は、水が凍結し得る低温部分が燃料電池システム１００における如何なる箇所に生じた場合でも行い得る、非加熱型の保温動作である。又、このステップＳ５３における水の循環動作によれば、温水循環流路３１及び冷却水循環流路３２及び補給水循環流路３３を水が循環する間に貯湯タンク１０が蓄積及び保有する熱を分かち合うことになるので、例えば、温水を利用することが少ない夜間の発電運転の停止期間において水の凍結を防止する有効な手段となる。
【００９５】
ところで、本実施の形態では、冷却水タンク７及び給水タンク８に貯蔵される水の温度が所定の閾値温度を下回りかつ貯湯タンク１０に７０℃以上の温水が貯蔵されている場合を一例に挙げて説明したが、ステップＳ５３における水の循環動作の形態や、水の凍結を防止するために用いる熱源の種類としては、様々な形態及び種類が考えられる。
【００９６】
例えば、冷却水タンク７及び給水タンク８に貯蔵される水の温度が所定の閾値温度を下回っている場合、水の凍結を防止するために用いる熱源として貯湯タンク１０を用いなくても、その熱容量が大きく温度低下し難い燃料電池１を熱源として用いることも可能である。この場合、制御器４１は、送水ポンプ２１を駆動せず、温水循環流路３１における温水の循環を行わない。そして、制御器４１は、送水ポンプ２２を駆動することにより、冷却水循環流路３２において冷却水を循環させる。これにより、燃料電池１において加熱された冷却水が冷却水循環流路３２を循環するので、冷却水タンク７及び冷却水循環流路３２における冷却水の凍結を防止することが可能なる。
【００９７】
又、この際、制御器４１は、送水ポンプ２３を駆動することにより、補給水循環流路３３において水を循環させる。これにより、冷却水タンク７において、温度上昇した冷却水と給水タンク８から供給される水とが混合して、その混合により温度上昇した水がオーバーフローにより補給水循環流路３３を介して給水タンク８に戻されるので、給水タンク８及び補給水循環流路３３における水の凍結を防止することが可能なる。
【００９８】
又、場合によっては、温水循環流路３１における温水の循環を停止して、冷却水循環流路３２又は補給水循環流路３３の何れかで水を単独で循環させることも可能である。或いは、これらの冷却水循環流路３２及び補給水循環流路３３の両者において水を同時に循環させて、給水タンク８や燃料電池１が保有する熱で、冷却水タンク７、給水タンク８、貯湯タンク１０、及びそれらに関連する配管内の温度を上昇させること等も可能である。
【００９９】
つまり、本実施の形態では、燃料電池１、冷却水タンク７、給水タンク８、貯湯タンク１０等の少なくとも何れかの状態が水の凍結を防止するための熱源として利用可能な状態であれば、如何なる構成要素であっても熱源として利用することが可能である。又、選択される熱源としての構成要素に応じて水の循環動作の形態を適切に選択して、温水循環流路３１及び冷却水循環流路３２及び補給水循環流路３３の少なくとも何れかの水の循環流路において水を循環させることにより、燃料電池システム１００における水の凍結を防止することが可能になる。
【０１００】
又、図２に示すように、予め予測されたパターンからステップＳ５３に示す水の循環動作の動作条件を適宜選択及び設定して（ステップＳ５２）、この選択及び設定した動作条件に基づいて水の循環動作を行い（ステップＳ５３）、これにより燃料電池システム１００における水の凍結を防止することも可能である。
【０１０１】
かくして、本発明によれば、送水ポンプ２１〜送水ポンプ２３等を駆動するという最小限の動作のみにより、燃料電池システム１００における低温箇所での水の凍結を確実に防止することができる。又、最終的には、燃料電池システム１００の全体で保有する蓄積熱を有効に利用し得ることになる。尚、図２に示すように、ステップＳ５４において水の循環動作を行っている間も、温度検知器１７及び温度検知器１８及び温度検知器２０による各部位の温度確認（ステップＳ４９）を適宜行い、燃料電池システム１００の状況を適宜確認することは当然である（ステップＳ４９〜ステップＳ５３）。
【０１０２】
一方、制御器４１は、温度検知器１７又は温度検知器１８又は温度検知器２０が検知する温度に基づき、燃料電池システム１００において水の凍結を防止するための熱源が一切ないと判定して、水を加熱する必要が有ると判定した場合（ステップＳ５１でＹＥＳ）、水の加熱操作を実行する（ステップＳ５６）。
【０１０３】
例えば、制御器４１は、温度検知器１７が検知する冷却水タンク７の冷却水の温度が閾値温度の１℃以下である０．５℃であることを確認すると、制御部４１の加熱ボタン４５がユーザにより押されていた場合（ステップＳ５５でＹＥＳ）、冷却水タンク７の内部に配設されている加熱器２４に所定の電力を供給することにより、冷却水タンク７の冷却水の温度が１℃に到達するまで加熱する。この際、加熱器２４に対する電力の供給は、冷却水の温度が著しく高温に到達するまで行う必要はない。つまり、この加熱器２４への電力の供給は、冷却水の温度が水の凍結を防止することができる程度の温度に到達するまで行えば足りる。又、この際、加熱器２４への電力の供給は、温度検知器１７による冷却水の温度確認（ステップＳ４９）を行いながら（ステップＳ４９〜ステップＳ５１、ステップＳ５６）、制御器４１により適宜制御される。
【０１０４】
尚、ステップＳ５１において、水を加熱する必要が有るか否かを判定するための閾値温度（例えば、１℃）は、ステップＳ５０で適用する所定の閾値温度と同一の温度としてもよく、又、異なる温度としてもよい。この場合、上述の如く、ステップＳ５１で適用する閾値温度をステップＳ５０で適用する所定の閾値温度よりも低い温度に設定することにより、加熱器２４に供給する電力量を抑えることができるので、より一層エネルギーの消費を抑えた制御を行うことが可能になる。
【０１０５】
そして、制御器４１は、温度検知器１７が検知する冷却水タンク７の冷却水の温度が閾値温度と等しい１℃に到達したことを確認すると、この冷却水タンク７を所定の保温動作のための熱源として用い、冷却水循環流路３２において冷却水を循環させて、所定の保温動作としての水の循環動作を実行する（ステップＳ５３）。
【０１０６】
一方、上述したように、水の加熱が必要であると判定された場合（ステップＳ５１でＹＥＳ）において加熱ボタン４５が押されていない場合、ステップＳ５６に示す水の加熱操作やステップＳ５３に示す水の循環動作を実行することなく、ステップＳ４２に示すモード選択の実行に戻り（ステップＳ５５でＮＯ）、手動操作若しくは自動操作により、燃料電池システム１００を休眠状態に移行させる長期運転停止モード（ステップＳ４３でＮＯ）へ切り替えることも可能である。例えば、周知の制御操作であるため詳細な説明は行わないが、冷却水タンク７における冷却水の温度が所定の閾値温度（例えば、３℃）以下の閾値温度（例えば、１℃）以下の温度である場合、水の加熱操作（ステップＳ５６）及び水の循環動作（ステップＳ５３）を実行することなく、ステップＳ４２に戻り、燃料電池システム１００を休眠状態に移行させる長期運転停止モードの場合の動作に導くことが可能である。
【０１０７】
又、図２に示すように、所定の保温動作が必要であると判定され（ステップＳ５０でＹＥＳ）、水を加熱する必要がないと判定され（ステップＳ５１でＮＯ）、ステップＳ５３に示す水の循環動作を実行した後、ステップＳ４９に示す温度確認に基づいて水の加熱が必要であると判定された場合も（ステップＳ５１でＹＥＳ）、ステップＳ４２に示すモード選択の実行に戻り、燃料電池システム１００を休眠状態に移行させる長期運転停止モード（ステップＳ４３でＮＯ）へ切り替えることが可能である。このような制御は、制御器４１に備えられた加熱ボタン４５をユーザが押さないことにより、必要に応じて選択できる。これらの場合、制御器４１は、予め制御器４１の記憶装置に設定された動作条件に従い（ステップＳ５４）、長期運転停止モードへ切り替える。
【０１０８】
このような構成とすることにより、燃料電池システム１００が蓄積している熱に余裕がある間のみ所定の保温動作を実行して、加熱器２４への電力の供給は行わないので、エネルギーを大量に消費することなく、発電運転の停止期間中における水の凍結を防止することが可能になる。
【０１０９】
又、図２に示すように、本実施の形態では、予めステップＳ４２としてモード選択のステップを設けているが、このモード選択のステップは必須なステップではない。つまり、ステップＳ４１に示す燃料電池システム１００の発電運転の停止操作が行われた後、制御器４１が温度検知器１７及び温度検知器１８及び温度検知器２０により冷却水タンク７及び給水タンク８及び貯湯タンク１０が貯蔵する水を各々加熱する必要があると判定した場合には、自動的にステップＳ４４〜ステップＳ４８に示す排水制御が実行される、モード選択なしでの１制御系統としてもよい。かかる構成としても、エネルギーを大量に消費することなく、発電運転の停止期間中における水の凍結を防止することが可能になる。
【０１１０】
又、本実施の形態では、制御器４１が長期停止ボタン４３及び短期停止ボタン４４の両方を備える形態について説明したが、この形態に限定されることはなく、長期停止ボタン４３又は短期停止ボタン４４の何れか一方のみを備える形態としてもよい。
【０１１１】
例えば、制御器４１が長期停止ボタン４３のみを備え、ユーザによりこの長期停止ボタン４３が押された場合、制御器４１は排水弁２５及び排水弁２６及び排水弁２７を開放して、貯湯タンク１０及び冷却水タンク７及び給水タンク８から排水させる。一方、ユーザにより長期停止ボタン４３が押されなかった場合で、温度検知器１７及び温度検知器１８及び温度検知器２０が検知する水温の何れかが所定の閾値温度未満である場合には、制御器４１は温水循環流路３１及び冷却水循環流路３２及び補給水循環流路３３の少なくとも何れかにおいて水を循環させる。又、温度検知器１７及び温度検知器１８及び温度検知器２０が検知する水温の何れもが所定の閾値温度未満である場合には、制御器４１は排水弁２５及び排水弁２６及び排水弁２７を開放して貯湯タンク１０及び冷却水タンク７及び給水タンク８から排水させる。
【０１１２】
又、例えば、制御器４１が短期停止ボタン４４のみを備え、ユーザによりこの短期停止ボタン４４が押された場合で、温度検知器１７及び温度検知器１８及び温度検知器２０が検知する水温の何れかが所定の閾値温度未満である場合には、制御器４１は温水循環流路３１及び冷却水循環流路３２及び補給水循環流路３３の少なくとも何れかにおいて水を循環させる。又、温度検知器１７及び温度検知器１８及び温度検知器２０が検知する水温の何れもが所定の閾値温度未満である場合には、制御器４１は排水弁２５及び排水弁２６及び排水弁２７を開放して貯湯タンク１０及び冷却水タンク７及び給水タンク８から排水させる。一方、ユーザにより短期停止ボタン４４が押されなかった場合、制御器４１は排水弁２５及び排水弁２６及び排水弁２７を開放して、貯湯タンク１０及び冷却水タンク７及び給水タンク８から排水させる。
【０１１３】
このような形態としても、本実施の形態により得られる効果と同様の効果を得ることが可能である。
【０１１４】
以上、本実施の形態の燃料電池システム１００では、発電運転の停止操作の後、温水循環流路３１及び冷却水循環流路３２及び補給水循環流路３３に存在する各々の水を、温度検知器１７及び温度検知器１８及び温度検知器２０の各々により検知する温度に対応して単独若しくは複数同時に循環させるか（短期運転停止モードの場合）、若しくは、排水弁２５及び排水弁２６及び排水弁２７を開放することにより排出するか（長期運転停止モードの場合）が、制御器４１の長期停止ボタン４３又は短期停止ボタン４４の操作に基づいて制御器４１により制御される。これにより、燃料電池システムの内部に偏在する熱エネルギーを有効に活用した、水の凍結を防止するための保温動作を容易にかつ経済的に行うことが可能になる。
【０１１５】
又、本実施の形態の燃料電池システム１００では、その内部に偏在する熱エネルギーを使い終えた場合や、燃料電池システム１００を長期休眠状態に移行させる場合には、その内部に存在する全ての水が外部に排出される。これにより、水の凍結を防止するために膨大なエネルギーを注入する必要がない、経済的な維持管理が可能な燃料電池システムを提供することが可能になる。
【０１１６】
又、本実施の形態の燃料電池システム１００では、短期間の運転休止の後に速やかに再起動が望まれる短期運転停止モードが選択された場合で、その内部に蓄積された所定の保温動作のための熱エネルギーが不足する場合には、加熱器等により必要最小限のエネルギーを用いて水を加熱しかつ循環させる。これにより、水の凍結を確実に防止することができると共に、再起動を容易に行い得る運転待機状態を維持可能な燃料電池システムを提供することが可能になる。
【０１１７】
又、本実施の形態の燃料電池システム１００によれば、発電運転の停止操作後、燃料電池システム１００を長期間休止させるのか短期間休止させるのかを選択及び操作するだけの簡便性を確保した運転制御により、維持及び管理の確実性と経済性、及びエネルギー供給装置としての需要対応性を最適に維持及び確保することが可能になる。又、発電運転の停止前の運転経緯により種々に変化する内部温度状態に関わりなく、必要条件を適切に判定しかつ柔軟に対応可能な特性を有し、エネルギーの損失が少なく再起動性や安全性の確保に有効な燃料電池システムを提供することが可能になる。
【０１１８】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、燃料電池システムが燃料供給装置として改質器と加熱器とを具備しており、この加熱器が発生する熱を利用して水の凍結を防止する形態について例示する。
【０１１９】
図３は、本発明の実施の形態２に示す燃料電池システムの構成を模式的に示す構成図である。尚、図３では、本発明の概念を説明するために必要となる構成要素のみを図示しており、不要な構成要素、及び、実施の形態１で示した共通する構成要素については、その図示を省略している。
【０１２０】
又、図３において、図１に示す構成要素と同様の構成要素については、図１で付した符号と同様の符号を付している。
【０１２１】
図３に示すように、本発明の実施の形態２に示す燃料電池システム２００は、燃料供給装置２として、供給される都市ガス、メタン、天然ガス、メタノール等に例示される少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料から接触改質のための改質触媒を用いて燃料ガスとしての改質ガスを生成する改質器２９と、この改質器２９の温度を接触改質のための適切な温度に加熱及び維持するためのバーナ２８とを備えている。尚、燃料電池システム２００の発電運転の際、上述した原料は、バーナ２８と改質器２９との双方に供給される。
【０１２２】
又、図３に示すように、この燃料電池システム２００は、送水ポンプ２２の動作により冷却水タンク７、燃料電池１、加湿装置４、及び、熱回収熱交換器９を通って冷却水を循環させる冷却水循環流路３２における燃料電池１と加湿装置４との間に、一対の流路切替弁３０，３０を備えている。これらの一対の流路切替弁３０，３０は、各々三方弁により構成されている。
【０１２３】
又、図３に示すように、この燃料電池システム２００は、一方の流路切替弁３０と他方の流路切替弁３０とを通って接続するバイパス流路３４を備えている。そして、このバイパス流路３４における図３では左方に位置するＵ字状の折り返し部が、バーナ２８の内部に配置されている。
【０１２４】
つまり、本実施の形態の燃料電池システム２００は、流路切替弁３０，３０が適切に操作されることにより、冷却水循環流路３２の途中にバイパス流路３４が挿入される構成を備えている。これにより、冷却水循環流路３２において、冷却水タンク７、燃料電池１、加湿装置４、熱回収熱交換器９を通って循環される冷却水が、冷却水循環流路３２及びバイパス流路３４において、冷却水タンク７、燃料電池１、バーナ２８、加湿装置４、熱回収熱交換器９を通って循環されるようになる。
【０１２５】
又、図３に示すように、この燃料電池システム２００は、改質器２９及びバーナ２８への原料の供給又は遮断を制御する開閉弁４７を備えている。又、この燃料電池システム２００は、改質器２９への原料の供給又は遮断を更に制御する開閉弁４８を備えている。
【０１２６】
尚、燃料電池システム２００を構成するその他の構成要素は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の対応する構成要素と同様である。
【０１２７】
本実施の形態の燃料電池システム２００では、その発電運転を停止する際、制御部４１に備えられた停止スイッチ４２を押すことにより、開閉弁４８が開放状態から閉鎖状態に移行して、改質器２９への原料の供給が停止する。すると、改質器２９における改質ガスの生成が停止して、燃料電池１への改質ガスの供給が停止するので、燃料電池１における電力の生成と熱の発生とが停止する。この停止状態が継続されると、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の場合と同様、大気中への放熱により燃料電池システム２００を構成する各構成要素の温度が低下するので、冷却水循環流路３２の水の温度は、やがて水の凍結温度領域に近づく。
【０１２８】
そこで、本実施の形態では、例えば、温度検知器１７により検知される冷却水の温度が予め設定された所定の閾値温度（例えば、３℃）以下にまで低下したことを制御器４１が確認すると、短期停止ボタン４４及び加熱ボタン４５が押された条件下、制御器４１の指令により流路切替弁３０，３０が作動して、冷却水循環流路３２の途中にバイパス流路３４が挿入される。これにより、冷却水は、バイパス流路３４を迂回しながら冷却水循環流路３２を循環するようになる。
【０１２９】
又、同時に、制御器４１により開閉弁４７が開放されて、バーナ２８に原料が供給される。これにより、バーナ２８は原料を用いて燃焼を開始して、その燃焼による熱の発生を開始する。
【０１３０】
すると、送水ポンプ２２の動作により冷却水循環流路３２を強制的に循環される冷却水の温度は、バーナ２８が生成する熱により加熱されて上昇する。つまり、本実施の形態では、燃料電池１又は貯湯タンク１０等に代えて、燃料供給装置２のバーナ２８を水の凍結を防止するための熱源として利用する。そして、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の場合と同様、この温度上昇した冷却水の熱が冷却水タンク７及び熱回収熱交換器９を介して他の水の循環流路に伝えられる。これにより、燃料電池システム２００における水の凍結が防止される。
【０１３１】
尚、本実施の形態では、バーナ２８への原料の供給量及び原料の供給又は遮断は、冷却水循環流路３２を循環する冷却水の温度が過剰に上昇することがないよう、温度検知器１７により検知される冷却水の温度に基づいて制御器４１により適切に制御される。これにより、本実施の形態では、水の凍結を防止するために必要十分な熱エネルギーを燃料電池システム２００において得ることが可能になる。
【０１３２】
又、本実施の形態では、冷却水循環流路３２に流路切替弁３０，３０を設けてバイパス流路３４を挿入可能とする形態について説明したが、この形態に限定されることはなく、温水循環流路３１又は補給水循環流路３３に流路切替弁３０，３０を設けてバイパス流路３４を挿入可能とする形態としてもよい。但し、冷却水循環流路３２に流路切替弁３０，３０を設ける形態は、燃料電池システム２００の発電運転を開始する前の予熱段階において、バーナ２８での原料の燃焼による改質器２９の昇温と同時に燃料電池１の昇温も並行して行うことができる形態であるため、最も好適な形態である。一方、温度上昇した水の熱により浄水器１２が有するイオン交換樹脂の機能を著しく低下される恐れがあるため、補給水循環流路３３に流路切替弁３０，３０を設けてバイパス流路３４を挿入可能とする形態は好適ではない。
【０１３３】
又、水の凍結を継続して防止するために必要なエネルギー量は、燃料電池システム２００が設置される場所の環境温度や、燃料電池システム２００において水が存在する箇所の保温構造等により多少異なるが、通常、数ワット／分〜数十ワット／分程度である。ところで、燃料電池システム２００では、冷却水へのエネルギーの供給は、平均化して継続して行う必要はない。例えば、燃料電池システム２００では、冷却水タンク７に貯蔵される冷却水の熱容量（保温性）を利用して、冷却水の温度が所定の温度に到達するまでバーナ２８により加熱した後、冷却水の温度が水の凍結温度領域に至るまでバーナ２８での燃焼を停止するように、冷却水へのエネルギーの供給を間欠的に行うことも可能である。これにより、バーナ２８での微量燃焼を継続する必要がなくなるので、改質器２９の通常の加熱仕様の下で燃料電池システムにおける水の凍結を防止することが可能になる。
【０１３４】
以上、本実施の形態の燃料電池システム２００によれば、改質器２９で原料を改質して改質ガスを生成するために必須な構成要素であるバーナ２８を熱源として活用して、冷却水循環流路３２に流路切替弁３０，３０を付加するだけで、水の凍結を簡潔かつ容易に防止することが可能になる。
【０１３５】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、燃料電池システムが通常備える、貯湯タンクが貯蔵する温水の温度を維持するためのバックアップヒータを利用して、このバックアップヒータが発生する熱を利用して水の凍結を防止する形態について例示する。
【０１３６】
図４は、本発明の実施の形態３に示す燃料電池システムの構成を模式的に示す構成図である。尚、図４では、本発明の概念を説明するために必要となる構成要素のみを図示しており、不要な構成要素、及び、実施の形態１及び実施の形態２で示した共通する構成要素については、その図示を省略している。
【０１３７】
又、図４において、図１に示す構成要素と同様の構成要素については、図１で付した符号と同様の符号を付している。
【０１３８】
図４に示すように、本発明の実施の形態３に示す燃料電池システム３００は、温水循環流路３１における所定の位置に、貯湯タンク１０が貯蔵する温水の温度を所定の温度に維持するためのバックアップヒータ１５を備えている。本実施の形態では、このバックアップヒータ１５は、熱回収熱交換器９に向けて高温状態の温水を供給するために（又は、熱回収熱交換器９に対して温水が有する熱を効率良く供給するために）、温水循環流路３１における貯湯タンク１０の上部から熱回収熱交換器９に温水が流れる部分の所定の位置に配設されている。又、本実施の形態では、このバックアップヒータ１５は、図４に示す開閉弁４９を介して供給される都市ガス等を燃焼して、この都市ガス等の燃焼により発生する熱を用いて温水を加熱する。
【０１３９】
本実施の形態の燃料電池システム３００では、従来の燃料電池システムの場合と同様、例えば、貯湯タンク１０において高温状態の温水の量が不足している場合、燃料電池１の状態が発電動作状態であってもバックアップヒータ１５が併用運転され、給湯口１６から必要に応じた量の温水の給湯を行うことが可能になる。尚、この場合、貯湯タンク１０に貯蔵される温水は、送水ポンプ２１により、送水ポンプ２１、熱回収熱交換器９、バックアップヒータ１５、貯湯タンク１０の順で各々を通過するように循環される。
【０１４０】
又、所定の保温動作が実行される際には、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の場合と同様、送水ポンプ２１の送水方向が通常の発電運転時の場合に対して逆方向となるように制御される。そして、熱回収熱交換器９と貯湯タンク１０との間で貯湯タンク１０の上部から取り出されて貯湯タンク１０の下部に戻るように温水が循環するよう、送水ポンプ２１が温水を圧送する。一方、図４に示すように、温水循環流路３１における所定の位置には、バックアップヒータ１５が配設されている。これにより、温水循環流路３１を流れる温水がバックアップヒータ１５により加熱されるので、貯湯タンク１０に貯蔵される温水の温度が制御される。
【０１４１】
尚、燃料電池システム３００を構成するその他の構成要素は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の対応する構成要素と同様である。
【０１４２】
本実施の形態の燃料電池システム３００では、例えば、温度検知器１７により検知される冷却水の温度が予め設定された所定の閾値温度（例えば、３℃）以下にまで低下したことを制御器４１が確認すると、制御器４１の指令により送水ポンプ２１が駆動され、温水循環流路３１において水が循環する。
【０１４３】
又、同時に、制御器４１により開閉弁４９が開放されて、バックアップヒータ１５に都市ガス等が供給される。これにより、バックアップヒータ１５は都市ガス等を用いて燃焼を開始して、その燃焼による熱の発生を開始する。
【０１４４】
すると、送水ポンプ２１の動作により温水循環流路３１を強制的に循環される水の温度は、バックアップヒータ１５が生成する熱により加熱されて上昇する。つまり、本実施の形態では、燃料電池１又はバーナ２８等に代えて、バックアップヒータ１５を水の凍結を防止するための熱源として利用する。そして、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の場合と同様、この温度上昇した温水の熱が熱回収熱交換器９を介して他の水の循環流路（ここでは、冷却水循環流路３２）に伝えられる。又、温度検知器１８により検知される水の温度が予め設定された所定の閾値温度（例えば、３℃）以下にまで低下したことを制御器４１が確認した場合、温度上昇した温水の熱が熱回収熱交換器９及び冷却水タンク７を介して補給水循環流路３３に伝えられる。これにより、燃料電池システム３００における水の凍結が防止される。
【０１４５】
尚、本実施の形態では、バックアップヒータ１５が都市ガス等を燃焼して発熱する形態について説明したが、この形態に限定されることはなく、バックアップヒータ１５が電熱ヒータ等の他の加熱器で構成される形態としてもよい。
【０１４６】
以上、本実施の形態の燃料電池システム３００によれば、水の凍結を防止するために特別な構成要素を設ける必要がなく、通常備える構成要素を熱源として利用することで、燃料電池システムにおける水の凍結を確実にかつ簡便に防止することが可能になる。
【０１４７】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４は、温水循環流路３１及び冷却水タンク７及び給水タンク８に配設される排水弁２５及び排水弁２６及び排水弁２７の構成、及びこれらを用いる燃料電池システムの動作において特徴を有している。
【０１４８】
図５は、本発明の実施の形態４に示す燃料電池システムの排水弁及びその周辺部の構成を模式的に示す構成図である。尚、図５では、本発明の概念を説明するために必要となる構成要素のみを図示しており、不要な構成要素、及び、実施の形態１及び実施の形態２及び実施の形態３で示した共通する構成要素については、その図示を省略している。
【０１４９】
又、図５において、図１に示す構成要素と同様の構成要素については、図１で付した符号と同様の符号を付している。
【０１５０】
又、図５では、排水弁２５及び排水弁２６及び排水弁２７の内、排水弁２６及びその周辺部の構成を示している。
【０１５１】
図５に示すように、本発明の実施の形態４に示す燃料電池システム４００は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の場合と同様、冷却水タンク７の底部近傍に排水弁２６を備えている。本実施の形態では、この排水弁２６は、その状態が通電時にのみ開放状態とされる定常閉止型（ノーマルクローズ型）の電磁弁３５と、この電磁弁３５の電気端子とその電気端子とが電気的に接続された際、電磁弁３５の状態を開放状態に移行するために供給される電気エネルギーを蓄積保存する蓄電器３６と、燃料電池システム４００の周辺の外気温を検知する外気温検知器３７と、これら動作を連関させて制御する弁制御器３８とを備えている。尚、実施の形態では、蓄電器３６として、キャパシタを用いている。又、図５では特に図示しないが、排水弁２５及び排水弁２７の各々も、図５に示す排水弁２６の構成と同様の構成を備えている。
【０１５２】
尚、燃料電池システム４００を構成するその他の構成要素は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００の対応する構成要素と同様である。
【０１５３】
次に、本発明を特徴付ける、燃料電池システム４００の排水弁２５及び排水弁２６及び排水弁２７を用いる動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【０１５４】
図６は、本発明の実施の形態４に示す燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【０１５５】
図６に示すように、本実施の形態の燃料電池システム４００では、その発電運転が行われている間（ステップＳ６１）、図５に示す弁制御器３８を介して、蓄電器３６において電気エネルギーを蓄積保存するための充電処理が行われる（ステップＳ６２、ステップＳ６８）。これにより、排水弁２６は、電磁弁３５に対して蓄電器３６から電気エネルギーが供給されれば、何時でも開放状態に移行できるように準備されている。
【０１５６】
一方、図１に示す制御器４１の停止スイッチ４２が操作され、燃料電池システム４００の発電運転が停止され（ステップＳ６３）、制御器４１の短期停止ボタン４４が選択及び操作されて所定の保温動作が実行される選択肢が選択されると、その後の静置又は保温等の処置が行われている間、排水弁２６では外気温検知器３７によりその周辺の外気の温度が確認される（ステップＳ６４）。そして、制御器４１により、外気の温度が水の凍結温度領域に近い温度であることを示す所定の閾値温度（例えば、３℃）以下の温度であるか否かを判定する等により、燃料電池システム４００を放置した際に水の凍結が発生するか否かの危険性の有無が判定される（ステップＳ６５）。
【０１５７】
その結果、ステップＳ６５において危険性有りと判定された場合（ステップＳ６５でＹＥＳ）であっても、又は、危険性なしと判定された場合（ステップＳ６５でＮＯ）であっても、次のステップである停電の発生の有無を確認するためのステップに進む（ステップＳ６６）。
【０１５８】
次いで、制御器４１は、停電が発生していないことを確認すると（ステップＳ６６でＮＯ）、ステップＳ６４に戻り、外気の温度を再び確認するよう制御する。しかしながら、制御器４１は、停電が発生していることを確認すると（ステップＳ６６でＹＥＳ）、ステップＳ６５における判定結果に基づいて、所定の制御を実行する。
【０１５９】
具体的には、制御器４１は、図６に示すように、ステップＳ６５で水の凍結が発生する危険性がないと判定すると共に（ステップＳ６５でＮＯ）、停電が発生していることを確認すると（ステップＳ６６でＹＥＳ）、燃料電池システム４００に係る全ての動作を停止する（ステップＳ６７）。一方、制御器４１は、ステップＳ６５で水の凍結が発生する危険性が有ると判定すると共に（ステップＳ６５でＹＥＳ）、停電が発生していることを確認すると（ステップＳ６６でＹＥＳ）、蓄電器３６から電磁弁３５に対して電気エネルギーを供給して（ステップＳ６９）、排水弁２６を開放する（ステップＳ７０）。これにより、排水弁２６（及び、排水弁２５、排水弁２７）を介する排水処理が実行されるので、燃料電池システム４００の内部に存在する全ての水がその外部に排出される。尚、蓄電器３６が有する電気エネルギーの全てが電磁弁３５に供給され、蓄電器３６の放電が終了すると、電磁弁３５が自動的に閉鎖されるので、排水弁２６の状態が開放状態から閉鎖状態に移行する（ステップＳ７１）。又、制御器４１は、燃料電池システム４００に係る全ての動作を停止する（ステップＳ７２）。
【０１６０】
尚、停電時には所定の閾値温度に達していないが、処置完了以降において温度が低下する場合もあり得る。しかし、この場合、手動による温度検知及び対策処理のための時間が有るので、問題なく対処することが可能である。又、本実施の形態では、蓄電器３６としてキャパシタを用いる形態について説明したが、この形態に限定されることはなく、電気エネルギーを蓄積することが可能であれば、蓄電池等を用いてもよい。
【０１６１】
以上、本実施の形態の燃料電池システム４００によれば、急な停電が発生した場合であっても、弁制御器３８が備える排水弁動作バックアップ機能により、水の凍結の危険性が有る場合には水を排出してから停止するよう燃料電池システムが保護される。又、緊急時においても、燃料電池システムの破壊が発生しないよう保護される。
【０１６２】
又、本実施の形態の燃料電池システム４００によれば、蓄電器３６の放電が終了することにより電磁弁３５の状態が定常状態である閉鎖状態に自動的に戻るので、特に乾燥に弱い燃料電池１も劣化することなく所定の状態で好適に維持される。
【産業上の利用可能性】
【０１６３】
本発明に係る燃料電池システムは、エネルギーの損失と操作の煩雑性及び機動性の欠如を抑制しつつ、水の氷結による障害を確実に防止して、安全な発電運転を維持及び確保することが可能な燃料電池システムとして産業上利用可能である。
【０１６４】
又、本発明に係る燃料電池システムは、発電して得た電力と発生した熱との双方を有効に利用する家庭用或いは業務用のコージェネレーションシステムとして産業上利用可能である。
【０１６５】
又、本発明に係る燃料電池システムは、電力を動力源とする電気自動車や、荷役搬送機器等の移動装置用途等における燃料電池システムとしても産業上利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に示す燃料電池システムの要部の構成を模式的に示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に示す燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２に示す燃料電池システムの要部の構成を模式的に示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態３に示す燃料電池システムの要部の構成を模式的に示す構成図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態４に示す燃料電池システムの要部の構成を模式的に示す構成図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態４に示す燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１６７】
１  燃料電池
２  燃料供給装置
３  酸化剤供給装置
４  加湿装置
５  残存燃料排出部
６  残存酸化剤排出部
７  冷却水タンク
８  給水タンク
９  熱回収熱交換器
１０  貯湯タンク
１１  給水管
１２  浄水器
１３  残存酸化剤凝縮器
１４  残存燃料凝縮器
１５  バックアップヒータ
１６  給湯口
１７，１８，２０  温度検知器
１９  補水管
２１，２２，２３  送水ポンプ
２４  加熱器
２５，２６，２７  排水弁
２８  バーナ
２９  改質器
３０  流路切替弁
３１  温水循環流路
３２  冷却水循環流路
３３  補給水循環流路
３４  バイパス流路
３５  電磁弁
３６  蓄電器
３７  外気温検知器
３８  弁制御器
４１  制御器
４２  停止スイッチ
４３  長期停止ボタン
４４  短期停止ボタン
４５  加熱ボタン
４６  起動スイッチ
４７，４８，４９  開閉弁
１００〜４００  燃料電池システム
【図１】
2008251553.tif 000003
【図２】
2008251553.tif 000004
【図３】
2008251553.tif 000005
【図４】
2008251553.tif 000006
【図５】
2008251553.tif 000007
【図６】
2008251553.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成20年7月16日(2008.7.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
冷却水を貯蔵する冷却水タンクと、
前記燃料電池で前記発電に伴って発生する熱を回収して該燃料電池を冷却するよう前記冷却水を前記冷却水タンク経由で循環させる冷却水循環流路と、
温水を貯蔵する貯湯タンクと、
前記温水を前記貯湯タンク経由で循環させる温水循環流路と、
前記冷却水循環流路を循環する前記冷却水と前記温水循環流路を循環する前記温水との間で熱交換を行うための熱交換器と、
前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々から排水するための排水弁と、
前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々において水温を検知する温度検知器と、
前記燃料電池の発電運転の短期運転停止を選択するための第２のモード選択指令入力部と、
制御器と、を備え、
前記制御器が、前記第２のモード選択指令入力部により前記短期運転停止が選択されてかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には、前記燃料電池の発電停止中に少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、前記短期運転停止が選択されてない場合には、前記燃料電池の発電停止中に前記排水弁を開放して排水をさせる、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御器が、前記第２のモード選択指令入力部により前記短期運転停止が選択されてかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合には、前記燃料電池の発電停止中に前記排水弁を開放して排水をさせる、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
冷却水を貯蔵する冷却水タンクと、
前記燃料電池で前記発電に伴って発生する熱を回収して該燃料電池を冷却するよう前記冷却水を前記冷却水タンク経由で循環させる冷却水循環流路と、
温水を貯蔵する貯湯タンクと、
前記温水を前記貯湯タンク経由で循環させる温水循環流路と、
前記冷却水循環流路を循環する前記冷却水と前記温水循環流路を循環する前記温水との間で熱交換を行うための熱交換器と、
前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々から排水するための排水弁と、
前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々において水温を検知する温度検知器と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の発電運転の短期運転停止が選択されてかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には、前記燃料電池の発電停止中に少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、前記短期運転停止が選択されてない場合には、前記燃料電池の発電停止中に前記排水弁を開放して排水をさせる、燃料電池システムの運転方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、冷却水を貯蔵する冷却水タンクと、前記燃料電池で前記発電に伴って発生する熱を回収して該燃料電池を冷却するよう前記冷却水を前記冷却水タンク経由で循環させる冷却水循環流路と、温水を貯蔵する貯湯タンクと、前記温水を前記貯湯タンク経由で循環させる温水循環流路と、前記冷却水循環流路を循環する前記冷却水と前記温水循環流路を循環する前記温水との間で熱交換を行うための熱交換器と、前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々から排水するための排水弁と、前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々において水温を検知する温度検知器と、前記燃料電池の発電運転の短期運転停止を選択するための第２のモード選択指令入力部と、制御器と、を備え、前記制御器が、前記第２のモード選択指令入力部により前記短期運転停止が選択されてかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には、前記燃料電池の発電停止中に少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、前記短期運転停止が選択されてない場合には、前記燃料電池の発電停止中に前記排水弁を開放して排水をさせる。
一方、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、冷却水を貯蔵する冷却水タンクと、前記燃料電池で前記発電に伴って発生する熱を回収して該燃料電池を冷却するよう前記冷却水を前記冷却水タンク経由で循環させる冷却水循環流路と、温水を貯蔵する貯湯タンクと、前記温水を前記貯湯タンク経由で循環させる温水循環流路と、前記冷却水循環流路を循環する前記冷却水と前記温水循環流路を循環する前記温水との間で熱交換を行うための熱交換器と、前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々から排水するための排水弁と、前記冷却水循環流路及び前記冷却水タンクの少なくとも何れかと、前記温水循環流路及び前記貯湯タンクの少なくとも何れかとの各々において水温を検知する温度検知器と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池の発電運転の短期運転停止が選択されてかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れかが前記所定の閾値温度未満である場合には、前記燃料電池の発電停止中に少なくとも前記冷却水循環流路及び前記温水循環流路の何れかにおいて少なくとも前記冷却水及び前記温水の何れかを循環させ、前記短期運転停止が選択されてない場合には、前記燃料電池の発電停止中に前記排水弁を開放して排水をさせる。
上記の場合、前記制御器が、前記第２のモード選択指令入力部により前記短期運転停止が選択されてかつ前記温度検知器が検知する前記水温の何れもが前記所定の閾値温度未満である場合には、前記燃料電池の発電停止中に前記排水弁を開放して排水をさせる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】削除
【補正の内容】