(57)【要約】【課題】燃料電池が設置された場所の外気温度が低い場合でも、凍結等による燃料電池システムの破損を防止する。【解決手段】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。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、当該燃料電池に水を供給する水供給ラインと、を含む燃料電池システムであって、
当該燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電が行われていないときに、前記燃料電池が設置された場所の外気温度が所定温度以下になった場合に、前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制御部を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記外気温度が前記所定温度以下になった場合に、前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記外気温度に応じて、前記燃料電池の発電量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記外気温度が前記所定温度以下になった場合に、前記水供給ラインへの前記水の供給を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から発生する熱を冷却する冷却部をさらに含み、
前記水供給ラインは、前記冷却部に水を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
原燃料ガスを水素に改質する改質装置と、
前記改質装置から発生する熱を冷却する冷却部と、をさらに含み、
前記水供給ラインは、前記冷却部に水を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟んで設けられた燃料極および空気極と、を含む固体高分子型燃料電池であって、
前記水供給ラインは、前記燃料極および前記空気極に供給する燃料および空気をそれぞれ加湿する水タンクに水を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１乃至７いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記水供給ラインに配設されたヒータをさらに含み、
前記制御部は、前記外気温度が前記所定温度以下になった場合に、前記ヒータをオンにすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池と、当該燃料電池に水を供給する水供給ラインと、を含む燃料電池システムを運転する方法であって、
当該燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電が行われていないときに、前記燃料電池が設置された場所の外気温度が所定温度以下になった場合に、前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ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法において、前記凍結防止処理は、前記燃料電池の発電の開始、前記水供給ラインへの水の供給、および前記水供給ラインの加熱の少なくとも一つを含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）が知られている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素、空気極に酸素を供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
燃料極：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-（１）
空気極：１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ（２）
【０００４】
燃料極および空気極は、触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子電解質膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸素や水素の通過経路となる。発電反応は、触媒層における触媒、イオン交換樹脂および水素のいわゆる三相界面において進行する。
【０００５】
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、空気極に供給された酸化剤に含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
【０００６】
近年、このような固体高分子電解質型燃料電池を家庭用電源として用いる試みがなされている。特許文献１には、家庭用電源として固体高分子電解質型燃料電池を用いた例が記載されている。ここでは、図３に示すように、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池を含む燃料電池電源装置Ａが屋外に設置され、都市ガス等の原燃料ガスを供給して発電し、インバータＢで直流を交流に変換して屋内の電気機器に電力が供給される。
【０００７】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池では発熱が起こるため、発生した熱を冷却するために、燃料電池に冷却水が流される。また、燃料極に供給する水素を改質するために改質装置を用いる場合、改質装置においても発熱が起こるため、改質装置にも冷却水が流される。このとき、熱交換器を利用して冷却水が吸収した排熱により市水から温水が生成される。この温水は、屋内の台所・洗面所・風呂場等の水回りに給湯される。そのため、燃料電池システムには貯湯タンクＣが接続されている。
【０００８】
前記貯湯タンクＣには市水が供給され、この市水の一部が燃料電池電源装置Ａ内に配設された複数の熱交換器に送り込まれて温水とされ、この温水が貯湯タンクＣに戻されて貯湯される。給湯時には貯湯タンクＣから温水が取り出されて屋内の水回り箇所に利用される。
【０００９】
また、固体高分子電解質型燃料電池において、高い電流密度の領域では高分子電解質膜内でイオンの流れにより、燃料極側から水の持ち去りが起こり、膜が乾燥してしまう。その結果、電気抵抗の増大によって出力密度が低下することがある。そのため、膜の乾燥を抑えるために、水分管理が重要となる。水分管理の一例として、燃料電池の燃料極および空気極に、水をバブリングさせた水タンクを介して水素および酸素をそれぞれ供給する方法が行われる。これにより、高分子電解質膜の乾燥を避けることができ、出力密度の低下を抑えることができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−２１６８１０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、たとえば夜間に燃料電池システムの運転を停止するＤＳＳ（Ｄａｉｒｙ  Ｓｔａｒｔ  Ｓｔｏｐ）方式や週末に燃料電池システムの運転を停止するＷＳＳ（Ｗｅｅｋｌｙ  Ｓｔａｒｔ  Ｓｔｏｐ）方式の燃料電池システムにおいて、または年末年始等に燃料電池システムを運転しないとき等に外気温度が下がると、冷却水として用いる水の配管や水タンク中の水が凍結してしまうことがある。このような場合、配管が破裂するおそれがある。また、燃料電池を収容する容器が破裂する可能性もある。さらに、高分子電解質膜が凍ってしまうと、その後解凍されても、性能が低下してしまうおそれもある。
【００１２】
こうした事情に鑑み、本発明は、燃料電池が設置された場所の外気温度が低い場合でも、燃料電池システムに供給する水供給ラインの凍結等による燃料電池システムの破損を防止することのできる技術を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料電池と、当該燃料電池に水を供給する水供給ラインと、を含む燃料電池システムであって、当該燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電が行われていないときに、燃料電池が設置された場所の外気温度が所定温度以下になった場合に、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制御部を含むことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１４】
ここで、所定の温度とは、その温度において水が凍結するおそれのある温度、または当該温度より数度高い程度の温度とすることができる。所定の温度は、たとえば約４℃とすることができる。また、凍結防止処理は、燃料電池の発電の開始、水供給ラインへの水の供給、および水供給ライン等の加熱の少なくとも一つを含むことができる。このようにすれば、燃料電池システムの外気温度が所定温度以下になっても、水供給ライン中の水の凍結を防ぐことができる。また、所定の温度を、水が凍結するおそれのある温度より数度高い温度としておけば、凍結防止処理の開始指令が行われてから実際に凍結防止処理が行われるのに時間を要する場合であっても、燃料電池システムの水供給ラインの凍結を防ぐことができる。また、ここで、燃料電池本体は筐体内に設けられてよく、この場合、燃料電池が設置された場所の外気温度とは、筐体外部の温度とすることができる。また、燃料電池システムは、たとえばボイラー室等の建物内に設置されてよく、この場合、燃料電池が設置された場所の外気温度とは、ボイラー室等の建物内の温度とすることができる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、外気温度が所定温度以下になった場合に、燃料電池の発電を開始することができる。
【００１６】
このようにすれば、燃料電池自体の発熱により、水供給ライン中の水の凍結を防ぐことができる。ここで、発電の開始とは、燃料電池自体の発電に加えて、燃料ガスの投入、燃料ガスの改質処理の開始、空気の供給の開始等を含むことができる。また、凍結防止処理としては、燃料電池の発電量が最小となる程度に燃料電池を発電させれば充分である。
【００１７】
本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、外気温度に応じて、燃料電池の発電量を制御することができる。
【００１８】
制御部は、たとえば外気温度が低い場合は、燃料電池の発電量をより高くすることができる。このようにすれば、外気温度が低い場合であっても、燃料電池システムの水供給ライン中の水の凍結を防ぐことができ、燃料電池システムの損傷を防止することができる。
【００１９】
本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、外気温度が所定温度以下になった場合に、水供給ラインへの水の供給を行うことができる。
【００２０】
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。
【００２１】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池から発生する熱を冷却する冷却部をさらに含むことができ、水供給ラインは、冷却部に水を供給することができる。
【００２２】
ここで、冷却部は、燃料電池の空気極および燃料極のいずれか一方、または両方を冷却するように構成することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池システムは、原燃料ガスを水素に改質する改質装置と、改質装置から発生する熱を冷却する冷却部と、をさらに含むことができ、水供給ラインは、冷却部に水を供給することができる。
【００２４】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟んで設けられた燃料極および空気極と、を含む固体高分子型燃料電池であってよく、水供給ラインは、燃料極および空気極に供給する燃料および空気をそれぞれ加湿する水タンクに水を供給することができる。
【００２５】
本発明の燃料電池システムは、水供給ラインに配設されたヒータをさらに含むことができ、制御部は、外気温度が所定温度以下になった場合に、ヒータをオンにすることができる。
【００２６】
ここで、燃料電池は、筐体内に収容することができ、この場合、ヒータは、水供給ラインのうち、筐体外部および筐体外部に近い側に設けられたものに配設することができる。さらに、ヒータは、排水ラインに配設してもよく、制御部は、外気温度が所定温度以下になった場合に、排水ラインに設けられたヒータをオンにすることもできる。
【００２７】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池は筐体内に設けることができ、当該燃料電池システムは、筐体の外部に設けられた温度センサをさらに含むことができ、制御部は、温度センサにより測定された温度に応じて凍結防止処理を行うことができる。
【００２８】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池から発生する熱を回収して外部から導入された水を加熱する熱交換器をさらに含むことができる。
【００２９】
このようにすれば、本発明の燃料電池システムを、燃料ガスの改質装置や燃料電池から排出される蒸気・温水を回収して、冷暖房や給湯、その他種々のものに利用するコジェネレーションタイプの燃料電池システムとすることができる。
【００３０】
本発明の燃料電池システムは、電力蓄積部、または電力消費部をさらに含むことができる。ここで、電力消費部は、燃料電池システムから排出される熱を温水として貯蔵する貯湯タンクに設置したヒータ、または貯湯タンクに供給される水を加熱するためのヒータとすることもできる。なお、凍結防止処理を行った際に発生した電力を使い切るためのダミーヒータとすることもできる。また、たとえば積雪する寒冷地においては、融雪用の加熱手段を電力消費部とすることもできる。
【００３１】
本発明によれば、燃料電池と、当該燃料電池に水を供給する水供給ラインと、を含む燃料電池システムを運転する方法であって、当該燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電が行われていないときに、燃料電池が設置された場所の外気温度が所定温度以下になった場合に、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ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法が提供される。
【００３２】
本発明の燃料電池システムの運転方法において、凍結防止処理は、当該燃料電池の発電の開始、水供給ラインへの水の供給、および水供給ラインの加熱の少なくとも一つを含むことができる。
【００３３】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
本実施の形態における燃料電池システム４００は、前述した図３に示したような住宅や、アパートやマンション等の集合住宅に配設される。
【００３５】
燃料電池システム４００は、固体高分子電解質型燃料電池の燃料電池４０６を含む。また、燃料電池システム４００は、燃料電池４０６の発電において生じる熱を有効的に利用するコージェネレーションシステムの形態をも採用している。
そのための構成として、燃料電池システム４００は貯湯タンク５０１を含む。
【００３６】
燃料電池システム４００は、燃料電池４０６および貯湯タンク５０１に加えて、燃料供給源４０１と、脱硫器４０２と、改質装置４１３と、空気供給源４３０と、水タンク４１１と、水タンク４１２と、水処理装置５０９と、水供給源５１０と、水タンク５０７と、熱回収用熱交換器５０３と、熱回収用熱交換器５０５と、ヒータ５１３と、電力交換装置４５７と、制御部４５５と、系統４５９と、温度センサ５３０と、蓄電部５３２と、を有する。
【００３７】
燃料供給源４０１は、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の燃料ガスを燃料電池４０６の燃料の供給源として供給する。脱硫器４０２は、燃料ガスから硫黄成分を除去する。改質装置４１３は、改質器４０３と、ＣＯ変成器４０４と、ＣＯ除去器４０５とを含む。改質器４０３は、燃料ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。ここで、図示していないが、改質器４０３における化学反応は吸熱反応であるので、改質器４０３にはバーナを設け、常時加熱しながら化学反応を行うのが好ましい。
【００３８】
ＣＯ変成器４０４は、改質器４０３により生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する。ＣＯ除去器４０５は、ＣＯ変成器４０４により変成されたガス中の未変成の一酸化炭素を除去する。ここでも図示していないが、ＣＯ変成器４０４およびＣＯ除去器４０５では発熱反応が行われるため、ＣＯ変成器４０４およびＣＯ除去器４０５にも、発熱反応により発生した熱を冷却する冷却部を設けることもできる。
【００３９】
燃料供給源４０１と脱硫器４０２とは、ガス管４１７により接続される。ガス管４１７には、電磁開閉弁４１８および昇圧ポンプ４１９が設けられる。また、脱硫器４０２と改質装置４１３とはガス管４２２により接続される。ここで、図示していないが、改質装置４１３において、改質器４０３、ＣＯ変成器４０４、およびＣＯ除去器４０５はそれぞれガス管により接続されている。
【００４０】
燃料電池４０６は、燃料極４０６ａおよび空気極４０６ｂを含む。燃料電池４０６は、改質ガスと酸素とを反応させて電力を発生させる。燃料極４０６ａには燃料である水素（改質ガス）が、空気極４０６ｂには空気中の酸素が供給され、これにより燃料電池４０６において電気化学反応が起こり、電力を取り出すことができる。燃料電池４０６から取り出された電力は、配線４３４を介して電力交換装置４５７に伝達される。
【００４１】
燃料電池４０６で行われる電気化学反応では、活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により熱が発生する。そのため、本実施の形態における燃料電池システム４００において、燃料電池４０６は、空気極４０６ｂで発生した熱を冷却する冷却部４０６ｃをさらに含む。
【００４２】
燃料極４０６ａには、改質装置４１３で改質された改質ガスが配管４２４を介して供給される。ここで、上述したように、燃料電池４０６の高分子電解質膜の乾燥を避けるために、改質ガスは水タンク４１１を通過した後に燃料極４０６ａに供給される。また、空気極４０６ｂには、空気供給源４３０から空気中の酸素が配管４３１および配管４３２を介して供給される。ここでも、燃料電池４０６の高分子電解質膜の乾燥を避けるために、酸素は水タンク４１２を通過した後に空気極４０６ｂに供給される。空気極４０６ｂは、配管４６９を介して熱回収用熱交換器５０３に接続される。熱回収用熱交換器５０３には、排気ダクトおよびドレン水配管（ともに不図示）が接続される。燃料極４０６ａからの改質ガスは、再び改質器４０３（改質器４０３に設けられたバーナ）に循環され、熱源として利用される。
【００４３】
冷却部４０６ｃには、水タンク４１２から昇圧ポンプ４６３を介して水が供給される。なお、ここでは、冷却部４０６ｃが空気極４０６ｂを冷却する構成としているが、冷却部４０６ｃが燃料極４０６ａを冷却する構成とすることもできる。この場合、冷却部４０６ｃには、水タンク４１１から昇圧ポンプを介して水が供給される構成とすることができる。また燃料極４０６ａおよび空気極４０６ｂの両方を冷却する構成とすることもできる。冷却部４０６ｃを通過した水は配管４６５を介して熱回収用熱交換器５０５に導入される。熱回収用熱交換器５０５に導入された水は熱回収用熱交換器５０５を通過し、水タンク４１２に帰還する。なお、図示していないが、配管５６７にはドレン水配管が接続されてもよい。
また、このドレン水配管は配管４６１に接続されてもよい。
【００４４】
水処理装置５０９は、水供給源５１０から供給された市水を純水にする処理を行う。水タンク５０７は、水処理装置５０９において処理された純水を貯留する。水処理装置５０９において処理された純水は、昇圧ポンプ５２０により、配管４６７を介して水タンク４１１および水タンク４１２に搬送される。水タンク５０７と改質装置４１３との間は昇圧ポンプ５２４が設けられた配管５２２により接続され、改質装置４１３には、水タンク５０７からの純水が供給される。また、水供給源５１０からの水は、水道管５１５を通じて貯湯タンク５０１にも供給される。
【００４５】
貯湯タンク５０１は、昇圧ポンプ４４６により温水配管４４３を介して熱回収用熱交換器５０３と接続されているとともに、昇圧ポンプ４４５により温水配管４４２を介して熱回収用熱交換器５０５と接続されている。空気極４０６ｂから配管４６９に導出された空気は、燃料電池４０６の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、熱回収用熱交換器５０３で熱回収される。これにより、貯湯タンク５０１から循環された水が温められ、温水配管４４３を介して貯湯タンク５０１に帰還する。同様に、冷却部４０６ｃを通過した水は発電の際に生じる熱を吸収して温度上昇しており、この温度上昇した水は熱回収用熱交換器５０５において、温水配管４４２を介して導入された貯湯タンク５０１からの水と熱交換する。そのため、貯湯タンク５０１の水が温度上昇し、水タンク４１２の水の温度が低下する。これにより、水タンク４１２の水が冷却部４０６ｃを循環して、燃料電池４０６を冷却することができる。また、貯湯タンク５０１の水は発電の際に生じる熱を利用して温度上昇させることができるため、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水は、家庭において図示しない風呂やキッチン等に供給することができる。
【００４６】
電力交換装置４５７は、昇圧コンバータとインバータとを含む。昇圧コンバータは、燃料電池４０６により発電された電力をインバータに必要な電圧にまで昇圧する。インバータからの電力は系統４５９および蓄電部５３２に送られる。
【００４７】
系統４５９は、たとえば単相３線の１００Ｖ／２００Ｖの電源として図示しない電気配線を介して家庭に供給される。また、電力交換装置４５７のインバータは、貯湯タンク５０１ヘも電気的に接続されている。
【００４８】
温度センサ５３０は、燃料電池システム４００本体の外部に設けられ、燃料電池システム４００が設けられた場所周辺の外気温度を測定する。燃料電池システム４００が屋外に設置される場合、温度センサ５３０は屋外の温度を測定する。
また、たとえば、燃料電池システム４００がボイラー室に設けられた場合、温度センサ５３０は、ボイラー室内に設けられる。また、温度センサ５３０は、貯湯タンク５０１に配設して設けられてもよい。燃料電池４０６の運転時には、燃料電池システム４００の筐体５３４内の温度は約６０℃程度まで上昇するので、必ずしもヒータ５１３を設ける必要はないが、たとえば水供給源５１０からの水道管５１５や水タンク５０７、水処理装置５０９、配管５２２等の水供給ラインや改質装置４１３からのドレン水配管等、筐体５３４外部と接続された配管や装置、筐体５３４外部付近に設けられた配管や装置等にはヒータ５１３を配設するのが好ましい。通常、水は０℃で凍結し始めるが、冬季の乾燥時期には、風が吹くと０℃以上の約４℃程度であっても水面の気化熱が奪われ、表面から凍結が開始される。そのため、ドレン水配管等では４℃程度でも結露しやすいため、ヒータ５１３を設けるのが好ましい。
【００４９】
制御部４５５は、温度センサ５３０の温度に基づき、外気温度が所定温度以下になった場合、燃料電池システム４００の配管等の水供給ラインの凍結を防止する凍結防止処理を行う。凍結防止処理としては、（ｉ）燃料電池４０６の発電開始、（ｉｉ）水の供給開始、（ｉｉｉ）ヒータ５１３のスイッチオン等を行うことができる。蓄電部５３２は、凍結防止処理時に燃料電池４０６により発電された電力を蓄積する二次電池とすることができる。このようにして蓄電された電力は、商用電力やダミーヒータに利用することができる。また、蓄電された電力は、家庭内で消費される電力のうち、負荷変動が激しく、燃料電池システム４００の出力変動がその負荷変動に追随できない場合に利用することができる。なお、蓄電部５３２の代わりに直接ダミーヒータ等に電力が供給されるような構成とすることもできる。また、とくに積雪する寒冷地においては、凍結防止処理時に発電された電力を融雪用の加熱手段の電力源として用いることができる。また、この電力は、たとえばヒータ５１３を加熱したり昇圧ポンプ等を駆動するための電力源として用いることもできる。
【００５０】
図２は、制御部４５５による凍結防止処理の手順を示すフローチャートである。
まず、制御部４５５は、燃料電池システム４００が通常運転状態であるか否かを判断する（Ｓ１０）。燃料電池システム４００が通常運転とは、たとえば日中等、燃料電池４０６の発電処理が行われていることをいう。燃料電池システム４００が通常運転状態である場合（Ｓ１０のＹｅｓ）、制御部４５５は凍結防止処理を終了する。燃料電池システム４００が通常運転状態でない場合（Ｓ１０のＮｏ）、制御部４５５は、温度センサ５３０により測定された温度に基づき、外気温度が所定温度以下であるか否かを判断する（Ｓ１２）。ここで、所定温度にとくに限定はないが、たとえば４℃とすることができる。このような温度において、水が凍結し始めるからである。また、後述するように、制御部４５５は、凍結防止処理開始の指令を行うが、凍結防止処理開始の指令を行ってから実際に凍結を防止するための処理が開始されるまでには一定の期間を要することがあるため、この所定温度は４℃より高い温度とすることもできる。
【００５１】
ステップ１２において、外気温度が所定温度以下の場合（Ｓ１２のＹｅｓ）、制御部４５５は、凍結防止処理開始の指令を行う（Ｓ１４）。制御部４５５は、たとえば電力交換装置４５７を制御して燃料電池４０６の発電開始を行わせる。
また、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る。また、制御部４５５は、ヒータ５１３のスイッチをオンにして水タンク５０７、水処理装置５０９、配管５２２等を加熱させる。
【００５２】
この際、制御部４５５は、外気温度に応じて、たとえば燃料電池４０６の発電量（出力）や、冷却水の流量、ヒータの加熱温度を制御することができる。制御部４５５は、外気温度が低ければ低いほど、燃料電池４０６の発電量がより高く、冷却水の流量がより多く、ヒータの加熱温度がより高くなるように制御するのが好ましい。なお、以上の（ｉ）〜（ｉｉｉ）の処理は、いずれか一つのみを行うこともできるが、適宜組み合わせて行うこともできる。この場合、たとえば、ヒータ５１３を加熱するための電力源や昇圧ポンプ５２０や昇圧ポンプ４６３等のポンプ等を駆動するための電力源として燃料電池４０６により発電された電力を用いることができる。また、凍結防止処理において、過剰な電力が発生した場合には、蓄電部５３２に蓄積したり、ダミーヒータ等、ダミーの抵抗を設けて電力を消費させるようにすることもできる。
【００５３】
また、ステップ１２において、外気温度が所定温度以下でなかった場合（Ｓ１２のＮｏ）、凍結防止処理を終了する。制御部４５５は、所定条件を満たすまで（Ｓ１６のＹｅｓ）凍結防止処理を行う。所定条件とは、たとえば凍結防止処理の開始から一定時間の経過や温度センサ５３０により測定された外気温度が所定温度以上になった場合とすることができる。所定条件を満たすと（Ｓ１６のＹｅｓ）、凍結防止処理を終了するが、温度センサ５３０は常に外気温度を測定しており、制御部４５５は、所定時間毎に、図２に示した凍結防止処理の判断を行う。
【００５４】
なお、凍結防止処理は、ある程度の長時間にわたって連続的に行うこともできるが、たとえば比較的短い一定時間毎に間欠的に行うこともできる。この場合、制御部４５５は、温度センサ５３０により測定された外気温度に応じて、間欠的な凍結防止処理の間隔を変更する等の制御を行うことができる。たとえば、外気温度が０℃程度の場合は、間欠的に凍結防止処理を行うが、外気温度が−２０℃程度まで下がった場合は、凍結防止処理を連続的に行うようにしてもよい。凍結防止処理として、燃料電池の発電を行う場合、燃料供給源４０１における燃料ガスの投入から燃料電池４０６から実際に電力が取り出されるまでに必要な時間がかかること、また起動時に比較的大きいエネルギーが必要等の理由から、外気温度が常に所定温度以下であるような寒冷地においては、連続的に凍結防止処理を行う方が好ましいこともある。
【００５５】
次に、燃料電池システム４００を運転させたときの通常運転状態の動作を説明する。
燃料電池システム４００の運転が開始されると、燃料供給源４０１から燃料ガスが、電磁開閉弁４１８を介して昇圧ポンプ４１９に入り、昇圧ポンプ４１９にて昇圧されて、脱硫器４０２に供給される。脱硫器４０２において、燃料ガスから硫黄成分が除去される。脱硫器４０２に、たとえば活性炭等の吸着反応を利用した触媒を使用した場合、常温で、硫黄成分を除去することができる。この脱硫器４０２を経た燃料ガスは、ガス管４２２を介して改質装置４１３の改質器４０３に供給される。改質器４０３では、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。
【００５６】
改質器４０３を経たガスは、ＣＯ変成器４０４に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。ＣＯ変成器４０４を経たガスは、ＣＯ除去器４０５に供給され、ＣＯ変成器４０４を経たガス中の未変成の一酸化炭素が除去される。ＣＯ除去器４０５を経た一酸化炭素が除去された後の水素が、ガス管４２３、水タンク４１１および配管４２４を介して燃料電池４０６の燃料極４０６ａに供給される。
【００５７】
他方、空気供給源４３０から供給された空気は水タンク４１２を介して空気極４０６ｂに供給される。これにより、燃料極４０６ａに供給された水素と、空気極４０６ｂに供給された酸素とが反応し、電力が発生する。このとき、化学反応により生じ燃料極４０６ａに一部残存した水及び改質装置４１３において生じたドレン水は、ドレン水配管（不図示）により外部に排出される。また、化学反応により生じた排気は排気ダクト（不図示）を通じて外部に放出される。
【００５８】
このとき、熱回収用熱交換器５０３および熱回収用熱交換器５０５での熱交換によって、貯湯タンク５０１の水が温度上昇する。また、燃料電池４０６の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱回収用熱交換器５０３にて貯湯タンク５０１から循環された水と熱交換する際に凝縮され、ドレン水としてドレン水配管（不図示）より外部に排出される。
【００５９】
本実施の形態においては、外気温度が所定温度以下になった場合であっても、燃料電池システム４００に供給される水が凍結しないような凍結防止処理が施されるため、燃料電池システム４００の損傷を防ぐことができる。さらに、凍結防止処理時に発電された電力も種々の用途に有効に利用することができ、省エネルギー化を実現することができる。また、燃料電池システム４００が、コージェネレーションシステムの形態をとるので、エネルギーの有効活用が図られる。したがって、高い総合熱効率が得られるので、原燃料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量を低減することもできる。
【００６０】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、そうした例を述べる。
【００６１】
以上の実施の形態においては、非通常運転時には燃料電池システム４００を停止しておき、外気温度が所定の温度以下になった場合に凍結防止処理を行う例を説明したが、たとえばいわゆる寒冷地等、夜間には常に水が凍結するような温度の地域においては、非通常運転時にも燃料電池システム４００を稼働させておき、外気温度が所定の温度以上になった場合に燃料電池システム４００の運転を停止するような手順の処理を行うようにすることもできる。
【００６２】
また、以上の実施の形態において、温度センサ５３０により外気温度を常に測定し、外気温度が所定の温度以下になった場合に凍結防止処理を行う例を説明したが、必ずしも温度センサ５３０を設ける必要はなく、季節や地域に応じて、所定の時間になったら凍結防止処理を行うようにすることもできる。
【００６３】
また、たとえば、複数の家庭にそれぞれ設置された燃料電池システム４００をネットワークを介して接続し、図２に示したような凍結防止処理を行う際の制御方法等の設定は、統括して行うようにすることもできる。
【００６４】
また、以上の実施の形態において図示していないが、改質器４０３の排気系には、図示しない熱交換器が接続されてよく、水タンク５０７の水が昇圧ポンプ５２４を介して供給されると、熱交換器で水蒸気化し、この水蒸気が、原燃料と混合して改質器４０３に供給されてもよい。さらに、改質器４０３にバーナを設けた場合、改質器４０３のバーナでの燃焼排ガスをも熱交換に利用することができる。
【００６５】
なお、以上の実施の形態において、空気極４０６ｂおよび冷却部４０６ｃには水タンク４１２からの水が供給される形態を説明したが、これらはそれぞれ別々に供給してもよく、その場合、冷却部４０６ｃに供給する冷却水としてはたとえば電解質等を含む不凍液を用いることもできる。
【００６６】
水タンク５０７、水処理装置５０９、水タンク４１１、および水タンク４１２等の内部の水の凍結防止処理としては、これらの装置内に攪拌機を設け、水を攪拌させることによって行うこともできる。
【００６７】
さらに、温度センサ５３０は、たとえば燃料電池４０６が収容された筐体内の配管等に配設して設けられてもよく、その部分の温度が所定温度以下になった場合に、凍結防止処理を行うようにしてもよい。
【００６８】
なお、以上の実施の形態においては、燃料ガスを改質装置４１３により改質させた改質ガスを燃料電池４０６に供給するとして説明したが、燃料電池システム４００は、改質装置４１３を有しない構成とすることもでき、直接水素ガスが供給されてもよい。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、外気温度が低い場合でも、燃料電池システムに供給する水供給ラインの凍結等による燃料電池システムの破損を防止することのできる技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】制御部による凍結防止処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】家庭用電源として固体高分子電解質型燃料電池を用いた例を示す図である。
【符号の説明】
４００  燃料電池システム、  ４０１  燃料供給源、  ４０２  脱硫器、  ４０３  改質器、  ４０４  ＣＯ変成器、  ４０５  ＣＯ除去器、  ４０６  燃料電池、  ４０６ａ  燃料極、  ４０６ｂ  空気極、  ４０６ｃ  冷却部、  ４１１水タンク、  ４１２  水タンク、  ４１３  改質装置、  ４１７  ガス管、  ４１８  電磁開閉弁、  ４１９  昇圧ポンプ、  ４２２  ガス管、  ４２３  ガス管、  ４２４  配管、  ４３０  空気供給源、  ４３１  配管、  ４３２  配管、  ４３４  配線、  ４４２  温水配管、  ４４３  温水配管、  ４４５  昇圧ポンプ、  ４４６  昇圧ポンプ、  ４５５  制御部、  ４５７  電力交換装置、  ４５９  系統、  ４６１  配管、  ４６３  昇圧ポンプ、  ４６５  配管、４６７  配管、  ４６９  配管、  ４７１  配管、  ５０１  貯湯タンク、  ５０３  熱回収用熱交換器、  ５０５  熱回収用熱交換器、  ５０７  水タンク、  ５０９  水処理装置、  ５１０  水供給源、  ５１３  ヒータ、  ５１５  水道管、  ５２０  昇圧ポンプ、  ５２２  配管、  ５２４  昇圧ポンプ、  ５３０  温度センサ、  ５３２  蓄電部、  ５３４  筐体、  ５６７  配管。
【図１】
2004207093.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004207093.tif 000005