(57)【要約】【課題】凍結防止運転に係わるランニングコストまたはイニシャルコストを低減した燃料電池システムを提供する。【解決手段】原料を水素を含んだ改質ガスに改質する改質器１と、改質器１に原料を供給する原料供給手段２と、改質のために改質器１を加熱する加熱手段３と、改質器１から供給される改質ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池４と、所定箇所の温度を検出する温度検出手段１８とを備え、第１の凍結防止運転モードとして、温度検出手段１８が閾値以下の温度を検出したとき、改質器１において加熱手段３により加熱された原料が改質ガスの流通経路５，４，８，３に通流される。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を水素を含んだ改質ガスに改質する改質器と、前記改質器に前記原料を供給する原料供給手段と、前記改質器を加熱する加熱手段と、前記改質器から供給される前記改質ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、所定箇所の温度を検出する温度検出手段とを備え、
第１の凍結防止運転モードとして、前記温度検出手段が閾値以下の温度を検出したとき、前記改質器において前記加熱手段により加熱された原料が前記改質ガスの流通経路に通流される燃料電池システム。
【請求項２】
発電要求があった場合に前記燃料電池が発電し、かつ前記発電要求が無い場合において、前記温度検出手段が前記閾値以下の温度を検出したときに、前記第１の凍結防止運転モードに移行する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記改質ガスの流通経路が、前記発電の反応で余った改質ガスを含んで前記燃料電池から排出されるオフガスを前記加熱手段に燃料として導入する排水素経路を有し、前記加熱された原料が前記改質器、前記燃料電池、前記排水素経路、及び前記加熱手段の順に通流される請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排水素経路が前記オフガス中の水分を凝縮する水素経路凝縮器および前記凝縮された水を貯める水素経路凝縮水タンクを有し、前記加熱された原料が、前記水素経路凝縮器および前記水素経路凝縮水タンクにも通流される請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記発電の反応で余った酸化剤ガスを含んで前記燃料電池から排出される排酸化剤ガスの経路である排酸化剤ガス経路、前記排酸化剤ガス中の水分を凝縮する酸化剤ガス経路凝縮器、および前記凝縮された水を貯める酸化剤ガス経路凝縮水タンクをさらに備え、前記酸化剤ガス経路凝縮水タンクと前記水素経路凝縮水タンクとは各々の水面より低い位置で接続された請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水素経路凝縮水タンクおよび前記酸化剤ガス経路凝縮水タンクの少なくとも一方に貯められた水を前記改質器に供給する改質水供給手段をさらに備え、前記第１の凍結防止運転モードにおいて、前記改質器へ前記改質水供給手段から前記貯められた水を供給する請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池を冷却するための水が循環する冷却水循環経路をさらに備え、前記第１の凍結防止運転モードにおいて、前記冷却水循環経路を前記水が循環される請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記冷却水循環経路を循環する水が貯湯タンク内の水または該貯湯タンクから出て該貯湯タンクに戻る循環経路を循環する水と熱交換されるよう構成された請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１の凍結防止運転モードにおいて、前記加熱手段によって前記改質器を改質反応が生じない温度に加熱することにより、前記加熱された原料を前記改質器から送出する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池システムは水が存在する１以上の経路を備え、前記温度検出手段は、前記１以上の経路のうちの前記水の温度が最も低くなる箇所に取付けられている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記温度検出手段は、外気温を検出可能な箇所に取付けられている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
発熱を伴う発電をする燃料電池と、前記燃料電池の発熱による熱を温水として貯える貯湯タンクと、前記燃料電池の発電による電力で前記貯湯タンク内の水または前記貯湯タンクを含む循環経路内の水を加熱するヒータと、所定箇所の温度を検出する温度検出手段とを備え、
発電要求があった場合に前記燃料電池が発電し、かつ、第２の凍結防止運転モードとして、前記発電要求が無い場合において、前記温度検出手段が閾値以下の温度を検出したときに、前記燃料電池が発電する燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池が発熱を伴う発電をするものであり、前記燃料電池の発熱による熱を温水として貯える貯湯タンクと前記燃料電池の発電による電力で前記貯湯タンク内の水または前記貯湯タンクを含む循環経路内の水を加熱するヒータとをさらに備え、
発電要求があった場合に前記燃料電池が発電し、かつ、第２の凍結防止運転モードとして、前記発電要求が無い場合において、前記温度検出手段が前記閾値以下の温度を検出したときに、前記燃料電池が発電し、
前記第１の凍結防止運転モードと前記第２の凍結防止運転モードとを選択する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
一日の予想要求発電量にもとづき発電運転を行った場合に前記貯湯タンク内に貯えられる予想発生温水熱量と、一日の予想使用温水熱量とを比較し、前記予想使用温水熱量が前記予想発生温水熱量より多い場合、前記予想使用温水熱量と前記予想発生温水熱量との差分の熱量が貯まるまで前記第２の凍結防止運転モードで運転し、その後は前記第１の凍結防止運転モードで運転する請求項１３記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原料を改質した水素を含む改質ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムは図６に示すように構成されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
すなわち、水素供給手段３１から供給される水素と空気供給手段３２から供給される空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池３３と、燃料電池３３に水を循環させる水循環手段３４と、燃料電池３３の発電出力を制御する出力制御装置３５と、外部の温度を検出する温度センサ３６および制御装置３７とを備えている。水循環手段３４は、メインタンク３８と、メインタンク３８内の水をポンプ３９によって燃料電池３３の水素極３３ａに供給する給水路４０と、燃料電池３３の水素極３３ａおよび酸素極３３ｂからの排水をメインタンク３８に回収する排水路４１とから構成されている。
【０００４】
この従来の燃料電池システムは固体高分子形の燃料電池３３を使っているため、燃料電池３３が発電反応を行う場合に、燃料電池３３の水素極３３ａを常に加湿する必要があり、そのためにメインタンク３８より水素極３３ａに水を供給している。燃料電池３３の発電反応で生成された酸素極３３ｂの水と水素極３３ａで余った水は排水路４１から回収され、燃料電池３３とメインタンク３８との間を循環することになる。また、燃料電池３３で発生した電力は、出力制御装置３５で制御された後、電力負荷へ供給される。
【０００５】
つぎに、この従来の燃料電池システムの凍結防止運転の動作について説明する。温度センサ３６が閾値以下の温度を検知した場合、制御装置３７によって燃料電池３３へ水素供給手段３１と空気供給手段３２からそれぞれ水素と空気が供給され、燃料電池３３は発電を行う。同時に、メインタンク３８内の水は水素極３３ａに供給され、水素極３３ａで余った水と燃料電池３３の発電反応で生成された酸素極３３ｂの水は排水路４１から回収され、燃料電池３３とメインタンク３８との間を循環する。この時、燃料電池３３の発電反応では熱も発生するため、この熱によって水循環手段３４であるメインタンク３８、給水路４０、排水路４１中の水は凍結を未然に防止することができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２１４０２５公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、凍結を防止するために電力負荷からの要求がなくても燃料電池の発電運転を行う必要があり、発生した電力は結局は無駄に捨ててしまう結果となり、ランニングコストを増大させるという課題があった。特に固体高分子形の燃料電池の場合、発電運転時の発熱エネルギーと発電エネルギーとの比率はほぼ１：１に近いため、凍結を防止するために最低限必要な発熱エネルギーの倍以上のエネルギーを投入する必要があった。また、仮に凍結防止運転で発生した電力を一時的に蓄電池に保存するとしても、膨大な容量の蓄電池が必要となり、システムのイニシャルコストを増大させるという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題を考慮し、凍結防止運転に係わるランニングコストまたはイニシャルコストを低減した燃料電池システムを提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原料を水素を含んだ改質ガスに改質する改質器と、前記改質器に前記原料を供給する原料供給手段と、前記改質器を加熱する加熱手段と、前記改質器から供給される前記改質ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、所定箇所の温度を検出する温度検出手段とを備え、第１の凍結防止運転モードとして、前記温度検出手段が閾値以下の温度を検出したとき、前記改質器において前記加熱手段により加熱された原料が前記改質ガスの流通経路に通流される。　かかる構成とすると、改質器で加熱された原料を燃料電池システムの改質ガスの流通経路に通流させることで、燃料電池の発電を行わずに最小限のエネルギーで燃料電池システム内の水の凍結を防止することができ、燃料電池システムのランニングコストを抑えることができる。
【００１０】
発電要求があった場合には、前記燃料電池が発電し、かつ前記発電要求が無い場合において、前記温度検出手段が前記閾値以下の温度を検出したときに、前記燃料電池システムが前記第１の凍結防止運転モードに移行してもよい。
【００１１】
また、前記改質ガスの流通経路が、前記発電の反応で余った改質ガスを含んで前記燃料電池から排出されるオフガスを前記加熱手段に燃料として導入する排水素経路を有し、前記加熱された原料が前記改質器、前記燃料電池、前記排水素経路、及び前記加熱手段の順に通流されてもよい。かかる構成とすると、少なくとも、排水素経路内の水の凍結を防止することができる。
【００１２】
また、前記排水素経路が前記オフガス中の水分を凝縮する水素経路凝縮器および前記凝縮された水を貯める水素経路凝縮水タンクを有し、前記加熱された原料が、前記水素経路凝縮器および前記水素経路凝縮水タンクにも通流されてもよい。かかる構成とすると、水素経路凝縮器および素経路凝縮水タンク内の水の凍結を防止することができる。
【００１３】
また、前記発電の反応で余った酸化剤ガスを含んで前記燃料電池から排出される排酸化剤ガスの経路である排酸化剤ガス経路、前記排酸化剤ガス中の水分を凝縮する酸化剤ガス経路凝縮器、および前記凝縮された水を貯める酸化剤ガス経路凝縮水タンクをさらに備え、前記酸化剤ガス経路凝縮水タンクと前記水素経路凝縮水タンクとは各々の水面より低い位置で接続されてもよい。かかる構成とすると、水素経路凝縮水タンクとの接続部を通じて酸化剤ガス経路凝縮水タンク内の水の凍結を防止することができる。
【００１４】
また、前記水素経路凝縮水タンクおよび前記酸化剤ガス経路凝縮水タンクの少なくとも一方に貯められた水を前記改質器に供給する改質水供給手段をさらに備え、前記第１の凍結防止運転モードにおいて、前記改質器へ前記改質水供給手段から前記貯められた水を供給してもよい。かかる構成とすると、燃料電池システム内で発生した水が有効利用されるとともに、その水の凍結を防止することができる。
【００１５】
また、前記燃料電池を冷却するための水が循環する冷却水循環経路をさらに備え、前記第１の凍結防止運転モードにおいて、前記冷却水循環経路を前記水が循環されてもよい。かかる構成とすると、冷却水循環経路内の水の凍結を防止することができる。
【００１６】
また、前記冷却水循環経路を循環する水が貯湯タンク内の水または該貯湯タンクから出て該貯湯タンクに戻る循環経路を循環する水と熱交換されるよう構成されてもよい。かかる構成とすると、発電時に燃料電池で発生する熱を冷却水を介して貯湯タンクに温水として貯えることができるとともに、非発電時における貯湯タンク内の水の凍結を防止することができる。
【００１７】
また、前記第１の凍結防止運転モードにおいて、前記加熱手段によって前記改質器を改質反応が生じない温度に加熱することにより、前記加熱された原料を前記改質器から送出してもよい。かかる構成とすると、加熱された原料を改質器から送出する構成を簡単に実現できる。
【００１８】
また、前記燃料電池システムは水が存在する１以上の経路を備え、前記温度検出手段は、前記１以上の経路のうちの前記水の温度が最も低くなる箇所に取付けられていてもよい。かかる構成とすると、燃料電池システム内に残留する水の凍結を好適に防止することができる。
【００１９】
また、前記温度検出手段は、外気温を検出可能な箇所に取付けられてもよい。かかる構成とすると、外気温をモニターすることで１個の温度検出手段で確実に凍結を防止することができ、コストを安価にすることができる。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池システムは、発熱を伴う発電をする燃料電池と、前記燃料電池の発熱による熱を温水として貯える貯湯タンクと、前記燃料電池の発電による電力で前記貯湯タンク内の水または前記貯湯タンクを含む循環経路内の水を加熱するヒータと、所定箇所の温度を検出する温度検出手段とを備え、発電要求があった場合に前記燃料電池が発電し、かつ、第２の凍結防止運転モードとして、前記発電要求が無い場合において、前記温度検出手段が閾値以下の温度を検出したときに、前記燃料電池が発電する。
【００２１】
かかる構成とすると、燃料電池を発電させて凍結を防止する際に、発生した電力を無駄に捨てることなく熱エネルギーとして貯湯タンクに貯えるので、電力を一時的に保存する蓄電池を必要とせず、燃料電池システムのイニシャルコストを抑えることができる。
【００２２】
前記燃料電池は発熱を伴う発電をするものであり、前記燃料電池の発熱による熱を温水として貯える貯湯タンクと前記燃料電池の発電による電力で前記貯湯タンク内の水または前記貯湯タンクを含む循環経路内の水を加熱するヒータとをさらに備え、発電要求があった場合に前記燃料電池が発電し、かつ、第２の凍結防止運転モードとして、前記発電要求が無い場合において、前記温度検出手段が前記閾値以下の温度を検出したときに、前記燃料電池が発電し、前記燃料電池システムが前記第１の凍結防止運転モードと前記第２の凍結防止運転モードとを選択してもよい。かかる構成とすると、発電をしない第１の凍結防止運転モードと発電をする第２の凍結運転モードとを適宜選択することによって凍結防止運転に係わるランニングコスト及びイニシャルコストを効果的に低減することが可能になる。
【００２３】
また、一日の予想要求発電量にもとづき発電運転を行った場合に前記貯湯タンク内に貯えられる予想発生温水熱量と、一日の予想使用温水熱量とを比較し、前記予想使用温水熱量が前記予想発生温水熱量より多い場合、前記予想使用温水熱量と前記予想発生温水熱量との差分の熱量が貯まるまで前記第２の凍結防止運転モードで運転し、その後は前記第１の凍結防止運転モードで運転してもよい。かかる構成とすると、貯湯タンク内に貯えられる熱量が不足する時は、発電による凍結防止運転を行って発生エネルギーを全て熱に変換し、それ以外の時は発電せずに必要最小限のエネルギーで凍結防止運転を行うので、凍結防止運転に係わるランニングコスト及びイニシャルコストをさらに効果的に低減することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムのシステム構成図である。
【００２６】
図１において、符号１は、原料供給手段２から供給される原料を、本発明の加熱手段の一例としてのバーナ３の熱による改質反応で水素リッチガスを生成する改質器を示す。符号４は、改質器１から供給される水素リッチガスと酸化剤ガスの一例としての空気とを反応させて発電する燃料電池を示す。燃料電池４は、水素が通流する水素極４ａと酸化剤ガスが通流する酸素極４ｂとを有している。符号５は、改質器１と燃料電池４の水素極４ａとを接続する水素供給経路を示す。この水素供給経路５は、本実施の形態１では、切替弁６によって水素の供給先を燃料電池４と燃料電池４を通らないで水素経路凝縮器８ａに至るバイパス経路７との間で適宜切替えるようになっている。
【００２７】
符号８は、燃料電池４の水素極４ａとバーナ３とを接続する排水素経路を示す。この排水素経路８は、水素経路凝縮器８ａと水素経路凝縮水タンク８ｂを備えている。
【００２８】
燃料電池４の酸素極４ｂには、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段９と、余った酸化剤ガスを排出する排酸化剤ガス経路１０とが接続されている。排酸化剤ガス経路１０は、酸化剤ガス経路凝縮器１０ａと酸化剤ガス経路凝縮水タンク１０ｂを備えている。酸化剤ガス経路凝縮水タンク１０ａは、その水面より低い位置で接続部１１を介して水素経路凝縮水タンク８ａに連通している。これにより、酸化剤ガスと水素ガスとが混ざるのが防止される。
【００２９】
符号１２は、改質反応に必要な水を改質器１へ供給する改質水供給手段を示す。この改質水供給手段１２は、水素経路凝縮水タンク８ｂもしくは酸化剤ガス経路凝縮水タンク１０ｂの少なくとも一方から改質水ポンプ１２ａによって水を汲み上げる構成となっている。本実施の形態１では、酸化剤ガス経路凝縮水タンク１０ｂから水を汲み上げている。
【００３０】
符号１３は、燃料電池４で発生する熱を冷却する冷却水循環経路を示す。この冷却水循環経路１３は、燃料電池４と熱交換器１４との間を冷却水ポンプ１３ａによって冷却水が循環させられる構成となっている。
【００３１】
符号１５は、燃料電池４で発生する熱を冷却水循環経路１３の熱交換器１４を介して貯湯タンク１６に貯えるための貯湯循環経路を示す。この貯湯循環経路１１５は、熱交換器１４と貯湯タンク１６との間を貯湯ポンプ１５ａによって温水が循環させられる構成となっている。
【００３２】
符号１７は、燃料電池４で発生した電力を制御し家庭などの電力負荷へ供給する出力制御装置を示す。符号１８は温度センサ等からなる温度検出手段、符号１９は制御装置を示す。なお、この温度検出手段１８は、燃料電池システムにおける各種経路（以下、各経路という）内の水の凍結防止のために温度を検知する場所として有効であれば、燃料電池システム内外のいずれの箇所であっても構わない。但し、凍結の始まりを確実に検知するためには、各経路内の残留水の温度が最も低くなる箇所に設けるのが好ましい。本実施の形態１では、温度検出手段１８は、酸化剤ガス経路凝縮水タンク１０ｂ内の水温を検知できる箇所に取付けられている。
【００３３】
そして、燃料電池システム全体の動作がコンピュータからなる制御装置１９によって制御されている。制御装置１９には、システムのオン・オフ等の指令を入力するための操作部（図示せず）が設けられており、制御装置１９はこの操作部から入力される指令に応じて燃料電池システムを制御する。
【００３４】
つぎに、以上のように構成された本実施の形態１の燃料電池システムにおける動作を説明する。
【００３５】
図２は図１の燃料電池システムの動作の概要を示すフローチャートである。燃料電池システムの動作は、制御装置１９の制御プログラムによって制御されているので、以下では制御装置１９の制御内容を燃料電池システムの動作として記載する。
【００３６】
図１及び図２において、燃料電池システムは、通常の発電を行う発電モードと凍結を防止する凍結防止運転モード（以下、第１の凍結防止運転モードという）とを有している。
【００３７】
燃料電池システムは、図示されない操作部からシステムのオン指令が入力されると始動し、まず、発電要求の有無を判断する（ステップＳ１）。ここでは、電力負荷が所定値を超えるか否かによって発電要求があったか否かを判断する。なお、図示されない操作部から発電指令が入力されるよう構成し、その発電指令が入力されたか否かによって発電要求があったか否かを判断してもよい。
【００３８】
まず、発電要求があった場合を説明する。
【００３９】
この場合、燃料電池システムは発電運転モードに移行し、燃料電池システムの起動・ガス通流が行われる（ステップＳ２）。
【００４０】
具体的には、まず、切替弁６がバイパス経路７側に切替られる。次いで、原料供給手段２より、例えば、メタン、都市ガス、プロパン等の炭化水素もしくは改質器１で加熱されて気化する液体燃料（エタノール、メタノール等の低沸点アルコール燃料）などの原料が改質器１に供給され、バーナ３で加熱され、水との改質反応によって水素リッチな改質ガスが生成される。しかし、起動時には、改質器１の温度が低く、そのため水素リッチなガスが十分生成されないので、改質器１から送出される改質ガスは、原料（ガス）が多く水素が少ない組成となっている。この改質ガスは、バイパス経路７を経て排水素経路８を通流し、バーナ３の燃料ガスとして消費される。改質器１の所定箇所（例えば反応部）の温度はモニタリングされており（ステップＳ３）、その温度が所定値（例えば改質反応が可能な温度）に到達し、所定時間経過すると切替弁６が燃料電池４側に切替えられ、発電運転が開始される（ステップＳ４）。なお、改質器１の立ち上がり状態を、改質ガス中の水素濃度をモニタリングすることによって判断してもよい。
【００４１】
一方、燃料電池４の酸素極４ｂには酸化剤ガス供給手段９から酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池４内では、水素極４ａに供給された水素と酸素極４ｂに供給された空気中の酸素とが反応して発電が行われる。燃料電池４の水素極４ａで大半の水素は反応に消費されるが、反応に使われなかった排水素（オフガス）は排水素経路８に排出される。この排水素は、水素経路凝縮器８ａでその水分が凝縮させられ、水素経路凝縮水タンク８ｂで凝縮水が分離され、その後にバーナ３に供給され、改質反応の加熱用燃料として利用される。
【００４２】
燃料電池４の酸素極４ｂでは水素と空気中の酸素との反応で水が生成され、この水が水蒸気となって排酸化剤ガス経路１０に空気とともに排出される。この水蒸気（水分）を含んだ空気は、酸化剤ガス経路凝縮器１０ａでその水分が凝縮ｓれ、酸化剤ガス経路凝縮水タンク１０ｂで凝縮水が分離される。この酸化剤ガス経路凝縮水タンク１０ｂと水素経路凝縮水タンク８ｂとに回収された水は、改質水ポンプ１２ａによって改質器１へ供給され改質反応に必要な水として使われる。
【００４３】
燃料電池４で発生した電力は、出力制御装置１７で制御され、家庭などの電力負荷へ供給される。一方、燃料電池４の発電反応で発生した熱は、冷却水ポンプ１３ａによる冷却水循環経路１３内の水の循環で熱交換器１４に伝えられ、そこで貯湯循環経路１５内の水と熱交換される。この熱交換された熱は、貯湯ポンプ１５ａによる水の循環によって貯湯タンク１６に至り、そこで温水として貯えられる。この温水は、家庭などの給湯、暖房などの用途として供給される。これにより、燃料電池４で発生した熱が有効に利用される。なお、熱交換器１４を貯湯タンク１６内に設けてもよい。
【００４４】
つぎに、発電要求が無かった場合を説明する。
【００４５】
この場合、燃料電池システムは、第１の凍結防止運転モードに移行し、所定箇所の温度をモニタリングする（ステップＳ５）。そして、その温度が所定温度を超える場合には、燃料電池システムは停止状態を維持し（ステップＳ６）、その温度が所定温度以下である場合には、ガス通流を行う（ステップＳ７）。
【００４６】
具体的には、燃料電池４の発電要求がない時に、温度検出手段１８が閾値（閾値は、凍結防止運転により凍結回避可能な温度）、例えば０℃を超える温度を検出した場合には、燃料電池システムは停止状態を維持する（ステップＳ６）。一方、温度検出手段１８が閾値以下の温度を検出した場合には、切替弁６が燃料電池４側に切替られ、原料供給手段２から原料が改質器１、水素供給経路５、燃料電池４、排水素経路８の水素経路凝縮器８ａ、水素経路凝縮水タンク８ｂ、及びバーナ３の順に通流し、バーナ３で燃焼される（ステップＳ７）。この際、改質水供給手段１２から改質器１に水が供給されるが、改質器１ではバーナ３の燃焼を調整することによって、反応部の温度が反応に必要な温度以下に維持される。例えば、反応には約４００℃以上の温度が必要であるが、この場合には約３００℃の温度に維持される。そのため、改質器１では原料が改質されず、当該温度に加熱された原料が改質器１から送出される。また、酸化剤ガス供給手段９も停止状態にあり、空気が酸素極４ａに供給されない。従って、燃料電池４は発電をしない。
【００４７】
その結果、改質器１においてバーナー３で加熱された原料が、燃料電池システム内を水素供給経路５、燃料電池４、排水素経路８の水素経路凝縮器８ａ、水素経路凝縮水タンク８ｂ、及びバーナ３の順に通流し、それによって、各経路内の残留水及び水素経路凝縮水タンク８ｂ内の凍結が防止される。
【００４８】
また、水素経路凝縮水タンク８ｂは水面より低い位置で接続部１１によって酸化剤ガス経路凝縮水タンク１０ｂと連通しているため、第１の凍結防止運転モードによって水素経路凝縮水タンク８ｂ内の水からの伝熱で酸化剤ガス経路凝縮水タンク１０ｂ内の水の凍結が防止される。
【００４９】
また、改質水ポンプ１２ａで酸化剤ガス経路凝縮水タンク１０ｂ内の水が改質器１に供給され、それにより、改質水供給手段１２内の水の凍結が防止される。
【００５０】
また、第１の凍結防止運転モードによって燃料電池４が加熱されるため、冷却水ポンプ１３ａを運転し循環させることによって冷却水循環経路１３内の水の凍結も防止するとともに、熱交換器１４で貯湯循環経路１５に熱を伝えることによって、貯湯タンク１６内の水の凍結も防止することができる。
【００５１】
このように、第１の凍結防止運転モードでは、燃料電池４の発電を行わずに最小限のエネルギー（本実施の形態では原料消費量）で各経路内の水の凍結を防止することができ、システムのランニングコストを抑えることができる。
【００５２】
なお、上記の説明では、第１の凍結防止運転モードでは、酸化剤ガス供給手段９を停止して全く発電しないようにしたが、少量の発電をしても構わない。この場合、例えば、改質器１において、原料を部分的に改質（発電運転モードの場合の水素濃度より低い水素濃度となるように改質する）し、その他は発電運転モードの場合と同様に燃料電池システムを動作させればよい。
【００５３】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムのシステム構成図である。図３において、図１と同一又は相当する部分については、同一符号を付与し、その説明を省略する。本実施の形態２では、温度検出手段２０が、外気温を検出可能な箇所に取付けられている。その他の点は、実施の形態１と同様である。
【００５４】
実施の形態１で述べたように、各経路内の水の凍結を防止するためには、最も水温が低くなる部分の温度を検知するのが良いが、条件によっては最も水温が低くなる部分が異なる場合があるため、そのような場合には複数の温度検出手段２０を設ける必要がある。そこで、外気温を検出することによって、１個の温度検出手段２０で確実に凍結を防止することができ、コストを安価にすることができる。
【００５５】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムのシステム構成図である。図４において、図１と同一又は相当する部分については、同一符号を付与し、その説明を省略する。本実施の形態３では、燃料電池システムに出力制御装置１７に電気的に接続されたヒータ２１が貯湯循環経路１５内に設けられ、この燃料電池システムが第２の凍結防止運転モードを有している。その他の点は、実施の形態１と同様である。
【００５６】
つぎに、この第２の凍結防止運転モードにおける動作について説明する。燃料電池４の発電要求がない時に、温度検出手段１８が閾値以下（閾値は、凍結防止運転により凍結回避可能な温度）、例えば０℃以下の温度を検出すると、第２の凍結防止運転モードとして、原料供給手段２から原料が改質器１に供給されるとともに酸化剤ガス供給手段から空気が燃料電池４に供給され、改質器１で発生した改質ガスと酸化剤ガスとしての空気とが反応して燃料電池４で発電が行われる。そして、この発電反応で発生した熱は、排水素経路８、排酸化剤ガス経路１０等の各経路内を加熱するだけでなく、冷却水循環経路１３の熱交換器１４を介して貯湯循環経路１５から貯湯タンク１６内に伝えられ、そこで温水として貯えられる。また、燃料電池４で発生した余剰電力は、出力制御装置１７でヒータ２１に通電するよう制御される。
【００５７】
この第２の凍結防止運転モードは、燃料電池４の発電を行うものの、発生した電力を無駄に捨てることなく熱エネルギーとして貯湯タンク１６に貯えるもので、電力を一時的に保存する蓄電池を必要とせず、システムのイニシャルコストを抑えることができるものである。なお、ヒータ２１を貯湯タンク１６内に設けても同様の効果が得られる。
【００５８】
次に、本実施の形態３における凍結防止運転モードの変形例を説明する。本変形例では、この第２の凍結防止運転モードと第１の凍結防止運転モード適宜選択するように制御装置１９が燃料電池システムを制御する。このような構成とすると、凍結防止運転に係わるランニングコスト及びイニシャルコストをさらに効果的に低減することができる。
【００５９】
図５は本変形例による凍結防止運転モードの内容を示すフローチャートである。
【００６０】
図５を参照して、本変形例では燃料電池４が発電要求に応じて発電運転を行い、かつ制御装置１９が以下の制御を行う。
【００６１】
まず、一日の予想要求発電量を演算する（ステップＳ１１）。
【００６２】
次いで、この一日の予想要求発電量にもとづき発電運転を行った場合の貯湯タンク１６内に貯えられる予想発生温水熱量Ｑ１を演算する（ステップＳ１２）。
【００６３】
次いで、一日の予想使用温水熱量Ｑ２を演算する（ステップＳ１３）。
【００６４】
次いで、この一日の予想使用温水熱量Ｑ２を予想発生温水熱量Ｑ１と比較する（ステップＳ１４）。
【００６５】
そして、予想使用温水熱量Ｑ２が予想発生温水熱量Ｑ１より多い場合において、温度検出手段１８が閾値以下の温度を検出した時、その差分（Ｑ２−Ｑ１）の熱量が貯まるまで第２の凍結防止運転モードで運転し（ステップＳ１５、１４）、その後は、第１の凍結防止運転モードで運転する（ステップＳ１６）。
【００６６】
本変形例によれば、貯湯タンク１６内に貯えられる熱量が不足する時は、発電による凍結防止運転を行って発生エネルギーを全て熱に変換し、それ以外の時は発電せずに必要最小限のエネルギーで凍結防止運転を行う。従って、凍結防止運転に係わるランニングコスト及びイニシャルコストがさらに効果的に低減される。
【００６７】
【発明の効果】
本発明は以上に説明した形態で実施され、燃料電池システムにおいて、凍結防止運転に係わるランニングコストまたはイニシャルコストを低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施の形態１による燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】
図１の燃料電池システムの動作の概要を示すフローチャートである。
【図３】
本発明の実施の形態２による燃料電池システムのシステム構成図である。
【図４】
本発明の実施の形態３による燃料電池システムのシステム構成図である。
【図５】
本発明の実施の形態３の変形例による凍結防止運転モードの内容を示すフローチャートである。
【図６】
従来の燃料電池システムのシステム構成図である。
【符号の説明】
１　改質器
２　原料供給手段
３　バーナ
４　燃料電池
５　水素供給経路
６　切替弁
７　バイパス経路
８　排水素経路
８ａ　水素経路凝縮器
８ｂ　水素経路凝縮水タンク
１０　排酸化剤ガス経路
１０ａ　酸化剤ガス経路凝縮器
１０ｂ　酸化剤ガス経路凝縮水タンク
１２　改質水供給手段
１３　冷却水循環経路
１５　貯湯循環経路
１６　貯湯タンク
１８　温度検出手段
１９　制御装置
２０　温度検出手段
２１　ヒータ
【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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