(57)【要約】【課題】部品追加によるコストをかけることなく、凍結した、水蒸気改質に利用する改質水を解凍することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電装置１００は、燃料ガスと空気とを利用して発電する燃料電池スタック１、空気を燃料電池スタック１に供給するエアブロア２０、貯湯タンク１１、燃料電池スタック１から排出されるオフガスが流れるオフガス経路２９ａ、貯湯タンク１１内の貯湯水とオフガスとの間で熱交換を行なう熱交換機構５０、発電時に熱交換機構５０における熱交換により凝縮された凝縮水を貯留する凝縮水タンク６、凝縮水を改質水として用いて原料ガスを改質し、燃料ガスを生成する改質部２、および制御装置１９を備える。制御装置１９は、燃料電池装置１００の起動時に、エアブロア２０を動作させて空気をオフガス経路２９ａを通じて凝縮水タンク６に通流させ、熱交換機構５０を動作させて凝縮水タンク６に通流される空気を貯湯水との熱交換により加熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気とを発電反応させて発電する燃料電池と、
前記空気を前記燃料電池に供給するための空気供給部と、
外部に供給する貯湯水を貯留する貯湯タンクと、
前記空気供給部から供給される空気のうち前記発電反応で消費されずに前記燃料電池から排出される空気を含むオフガスが流れるオフガス経路と、
前記貯湯タンク内の貯湯水と前記オフガス経路を流れるオフガスとの間で直接又は間接に熱交換を行なうための熱交換機構と、
前記熱交換機構の下流の前記オフガス経路上に、前記燃料電池の発電時に前記熱交換機構における熱交換により凝縮された凝縮水を該オフガスから分離して貯留するように設けられた凝縮水タンクと、
前記凝縮水タンクに貯留された凝縮水を改質水として用いて原料ガスを改質することにより前記燃料ガスを生成し、該燃料ガスを前記燃料電池に供給するよう構成された改質器と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置が、当該燃料電池システムの起動時に、解凍モードとして、前記空気供給部を動作させて前記空気を前記オフガス経路を通じて前記凝縮水タンクに通流させるとともに、前記熱交換機構を動作させて該凝縮水タンクに通流される空気を前記貯湯水との熱交換により加熱するように構成された燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質水の水温を検知する水温検知部を備え、
前記制御装置は、前記水温検知部による検知結果に基づき、改質水の水温が所定の温度未満であると判定した場合、前記解凍モードを実行する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱交換機構は、熱媒体が循環する循環経路と、前記オフガス経路を流れるオフガスと前記循環経路を循環する熱媒体とを熱交換させる第１熱交換器と、前記熱媒体を、前記循環経路を通って循環させる熱媒体循環器と、を備え、
前記制御装置は、前記熱媒体循環器を動作させ、前記熱媒体を、前記循環経路において循環させることによって前記熱交換機構を動作させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記熱媒体が貯湯タンクに貯留されている貯湯水である請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記熱交換機構は、前記貯湯タンクに貯留されている又は貯留されるべき貯湯水と前記循環経路を循環する熱媒体とを熱交換させる第２熱交換器を備える請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記循環経路は、貯湯タンクを通る管路を備え、該管路を通って前記熱媒体が循環するように構成されており、
前記管路が、前記貯湯タンクに貯留されている貯湯水と前記循環経路を循環する熱媒体との間で熱交換を行なわせる前記第２熱交換器を構成している請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記貯湯タンク内に貯湯水を加熱するための第１加熱部を備える請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記熱交換機構は、前記貯湯タンクの下部から該貯湯タンクの上部に至る貯湯水経路と、前記貯湯水経路と前記貯湯タンクとを通って貯湯水を循環させる貯湯水循環器と、前記貯湯水経路を循環する貯湯水と前記熱媒体循環経路を循環する熱媒体との間で熱交換を行なわせる熱交換器で構成された前記第２熱交換器と、を備え、
前記燃料電池システムは、さらに、前記貯湯タンクと前記第２熱交換器との間の前記貯湯水経路を流れる貯湯水を加熱する第２加熱部を有する請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料ガスと空気とを発電反応させて発電する発電ステップと、
前記空気を前記燃料電池に供給するための空気供給ステップと、
外部に供給する貯湯水を貯湯タンクに貯留する貯湯ステップと、
前記空気供給ステップにより供給される空気のうち前記発電ステップにおける発電反応で消費されずに排出される空気を含むオフガスを、オフガス経路に流通させるステップと、
前記貯湯タンク内の貯湯水と前記オフガス経路を流れるオフガスとの間で直接又は間接に熱交換を行なう熱交換ステップと、
前記オフガス経路上に、前記発電ステップにおける発電時に前記熱交換ステップにおける熱交換により凝縮された凝縮水をオフガスから分離して凝縮水タンクに貯留する貯留ステップと、
前記凝縮水タンクに貯留された凝縮水を改質水として用いて原料ガスを改質することにより前記燃料ガスを生成し、該燃料ガスを前記燃料電池に供給する改質ステップと、
当該燃料電池システムの起動時に、前記空気供給ステップを実行して、前記空気を、前記オフガス経路を通じて前記凝縮水タンクに通流させるとともに、前記熱交換ステップを実行して該凝縮水タンクに通流される空気を前記貯湯水との熱交換により加熱する解凍ステップと、を含む燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水蒸気改質により原料を改質し、生成された燃料により発電を行なう燃料電池システム、およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高効率でクリーンなエネルギー源の開発が求められており、それに対する一つの候補として燃料電池が注目を浴びている。燃料電池は、水素が含有された燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとを電気化学反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させるものである。また、燃料電池装置と湯水を蓄える貯湯タンクとを組み合わせ、貯湯タンクの水を燃料電池の発電により生じる排ガスとの熱交換で加熱するコージェネレーションシステムとして用いられる。
【０００３】
燃料電池には、改質部が併設され、この改質部において、炭化水素を含有する原料を改質することにより水素を生成し、生成した水素を含有するガスを燃料ガスとして燃料電池に供給する。改質方法としては、例えば、水を蒸発させて炭化水素等の原料と反応させ、改質反応を行う水蒸気改質法を用いることができる。
【０００４】
ここで、水蒸気改質を行う改質部において、一般的に、改質部に供給する水は、熱交換器（凝縮器）において排ガスからその水分が凝縮されて回収された凝縮水が用いられる。凝縮水は、凝縮水タンクに蓄えられ、その後、必要に応じて、水浄化装置を介して処理した精製水として、凝縮水タンクから水浄化装置を介して、改質部よりも上流に設置される蒸発部にポンプなどを用いて送付される。蒸発部に供給された精製水は、蒸発部にて気化し水蒸気となり、炭化水素等の原料と蒸発部出口にて合流して混合ガスを生成する。そして、蒸発部の下流に存在する改質部に水蒸気と原料との混合ガスが流入する。改質部に流入した水蒸気と原料の混合ガスは、改質部にて改質反応により、水素を含む改質ガス（燃料ガス）となる。この燃料ガスが、改質部の下流に配置されている燃料電池のアノードに流入し、別途カソードに供給される空気と燃料電池で発電反応する。
【０００５】
ところで燃料電池では、該燃料電池を取り巻く環境の温度（例えば、大気温）が氷点下の場合、蒸発部へ水を供給するための水供給管、水浄化装置、または凝縮水タンク内の水が凍結する恐れがある。そこで、燃料電池を取り巻く環境の温度（大気温）が一定温度を下回った場合、凍結を抑制するためのいくつかの方法が提案されている。
【０００６】
その方法の一つとしては、水供給ラインに燃料電池システム内の水供給管、水浄化装置、凝縮水タンクの水温より高温な外部の水道水等を供給して、凍結防止を行なう方法が知られている（特許文献１）。また、別の方法として、水供給管などをヒータにより加熱する方法（特許文献２）、または燃焼排ガスなどモジュール収容室内の空気を使って凝縮水タンクを加熱する方法（特許文献３）などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２０７０９３号公報
【特許文献２】特開２００３−８６２１３号公報
【特許文献３】特開２０１０−８０２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、凍結防止のため、外部からシステム内の水供給管、水浄化装置（水精製処理装置）、または凝縮水タンク内の水よりも高温である水道水を追加投入する構成である。しかしながら、特許文献１の構成の場合、追加投入する水道水の方が燃料電池システム内の水よりも塩素イオンなどイオンを多く含むため、水浄化装置の寿命が短くなる。このため、水浄化装置のイオン交換樹脂の交換などメンテナンスを実施する周期が短くなり、結果としてメンテナンス費用が上昇するという問題がある。また、水供給管、水浄化装置、または凝縮水タンクの水が一旦凍結してしまうと、水つまりにより水道水供給ができない場合があり、結果として解凍できないことがある。
【０００９】
特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、システム内の水供給管、水浄化装置、または凝縮水タンクに貯留された水が凍結した場合、これを解凍するため、ヒータを複数個所に設けた構成である。特許文献２に係る燃料電池システムでは、このようにヒータを複数、新たに設ける必要があり、燃料電池システムの導入時における購入コストが大幅に上昇するという問題がある。
【００１０】
また、特許文献３に開示されている燃料電池装置は、低温着火時の着火性や燃焼不良により、燃焼排ガス内に一酸化炭素や窒素酸化物、未燃焼の炭化水素ガスなどの排ガス規制物質成分が含まれやすくなるという問題がある。つまり、凝縮水タンク内の凍結した水を燃料電池装置の起動時または起動前に解凍する場合、燃料電池スタックが充分な温度まで加熱されていない。このため、燃料電池装置のモジュール収容室内の空気（燃焼排ガス）は、燃焼電池スタックにおける燃焼不良などにより上述した排ガス規制物質成分を含むものとなる。このため、排ガス規制物質成分を除去するための、具体的には排ガス浄化触媒を含む排ガス浄化部、および排ガス浄化部を暖機するためのヒータ等を含む排ガス浄化加熱部等、新たな部材を備える必要がありコストがかかる。
【００１１】
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、部品追加によるコストをかけることなく、凍結した水蒸気改質に利用する改質水を解凍することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、燃料ガスと空気とを発電反応させて発電する燃料電池と、前記空気を前記燃料電池に供給するための空気供給部と、外部に供給する貯湯水を貯留する貯湯タンクと、前記空気供給部から供給される空気のうち前記発電反応で消費されずに前記燃料電池から排出される空気を含むオフガスが流れるオフガス経路と、前記貯湯タンク内の貯湯水と前記オフガス経路を流れるオフガスとの間で直接又は間接に熱交換を行なうための熱交換機構と、前記熱交換機構の下流の前記オフガス経路上に、前記燃料電池の発電時に前記熱交換機構における熱交換により凝縮された凝縮水を該オフガスから分離して貯留するように設けられた凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクに貯留された凝縮水を改質水として用いて原料ガスを改質することにより前記燃料ガスを生成し、該燃料ガスを前記燃料電池に供給するよう構成された改質器と、制御装置と、を備え、前記制御装置が、燃料電池システムの起動時に、解凍モードとして、前記空気供給部を動作させて前記空気を前記オフガス経路を通じて前記凝縮水タンクに通流させるとともに、前記熱交換機構を動作させて該凝縮水タンクに通流される空気を前記貯湯水との熱交換により加熱するように構成されている。
【００１３】
ここで、空気供給部から供給される空気のうち発電反応で消費されずに燃料電池から排出される空気を含むオフガスとは、発電反応で消費されなかった空気そのものであってもよいし、消費されなかった空気と燃料とを燃焼させた燃焼ガス（燃焼排ガス）であってもよい。
【００１４】
上記した構成によると、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の発電時に、貯湯タンク内の貯湯水とオフガス経路を流れるオフガスとの間で直接又は間接に熱交換を行なうことができる。すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、発電時において燃料電池ユニットの排熱を利用して熱を取り出し貯湯タンクの貯湯水を加熱することでエネルギー効率を高めたコージュネレーションを実現している。
【００１５】
ところで、例えば、外気温の低下などに起因して改質水が凍結すると、改質水を供給することができず燃料電池システムを起動させることができない場合がある。
【００１６】
しかしながら本発明に係る燃料電池システムは、制御装置が、燃料電池システムの起動時に、解凍モードとして、空気供給部を動作させて空気をオフガス経路を通じて凝縮水タンクに通流させるとともに、熱交換機構を動作させて凝縮水タンクに通流される空気を貯湯水との熱交換により加熱するように構成されている。このように貯湯水の熱により加熱した空気を改質水タンクに流入させることができるため、例えば、改質水が凍結した場合であっても、この凍結した改質水を空気が保有する熱により解凍することができる。
【００１７】
ここで、本発明に係る燃料電池システムは、上述したコージェネレーションを実現するシステムにおいて、この改質水を解凍する解凍モードを実施するために新たな部材をさらに備える必要がない。つまり、解凍モードを実施する場合、制御装置が空気供給部を動作させて空気をオフガス経路に流通させるとともに熱交換機構を動作させてその空気を加熱すればよいだけであり、部品追加によるコストがかからない。
【００１８】
よって、本発明に係る燃料電池システムは、部品追加によるコストをかけることなく、凍結した、水蒸気改質に利用する改質水を解凍することができるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、以上に説明した構成を有し、部品追加によるコストをかけることなく、凍結した、水蒸気改質に利用する改質水を解凍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】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池装置の構成の一例について模式的に示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池装置における解凍モードの処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池装置の構成の一例について模式的に示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池装置の構成の一例について模式的に示すブロック図である。
【図５】本発明の実施形態の変形例１に係る燃料電池装置の構成の一例について模式的に示すブロック図である。
【図６】本発明の実施形態の変形例１に係る燃料電池装置における解凍モードの処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料ガスと空気とを発電反応させて発電する燃料電池と、前記空気を前記燃料電池に供給するための空気供給部と、外部に供給する貯湯水を貯留する貯湯タンクと、前記空気供給部から供給される空気のうち前記発電反応で消費されずに前記燃料電池から排出される空気を含むオフガスが流れるオフガス経路と、前記貯湯タンク内の貯湯水と前記オフガス経路を流れるオフガスとの間で直接又は間接に熱交換を行なうための熱交換機構と、前記熱交換機構の下流の前記オフガス経路上に、前記燃料電池の発電時に前記熱交換機構における熱交換により凝縮された凝縮水を該オフガスから分離して貯留するように設けられた凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクに貯留された凝縮水を改質水として用いて原料ガスを改質することにより前記燃料ガスを生成し、該燃料ガスを前記燃料電池に供給するよう構成された改質器と、制御装置と、を備え、前記制御装置が、燃料電池システムの起動時に、解凍モードとして、前記空気供給部を動作させて前記空気を前記オフガス経路を通じて前記凝縮水タンクに通流させるとともに、前記熱交換機構を動作させて該凝縮水タンクに通流される空気を前記貯湯水との熱交換により加熱するように構成されている。
【００２２】
したがって、本実施の形態に係る燃料電池システムは、部品追加によるコストをかけることなく、凍結した、水蒸気改質に利用する改質水を解凍することができるという効果を奏する。
【００２３】
さらに本実施の形態に係る燃料電池システムは、以上のように、前記改質水の水温を検知する水温検知部を備え、前記制御装置は、前記水温検知部による検知結果に基づき、改質水の水温が所定の温度未満であると判定した場合、前記解凍モードを実行するように構成されていてもよい。
【００２４】
上記構成によると、水温検知部を備えるため、改質水の水温から凍結しているか否か判断することができる。このため、改質水が凍結している場合に適切に解凍モードを実行することができる。
【００２５】
さらに本実施の形態に係る燃料電池システムは、以上のように、前記熱交換機構は、熱媒体が循環する循環経路と、前記オフガス経路を流れるオフガスと前記循環経路を循環する熱媒体とを熱交換させる第１熱交換器と、前記熱媒体を、前記循環経路を通って循環させる熱媒体循環器と、を備え、前記制御装置は、前記熱媒体循環器を動作させ、前記熱媒体を、前記循環経路において循環させることによって前記熱交換機構を動作させるように構成されていてもよい。
【００２６】
さらに本実施の形態に係る燃料電池システムは、以上のように、前記熱媒体が貯湯タンクに貯留されている貯湯水であってもよい。熱媒体が貯湯水の場合、発電時にはオフガスの保有する熱により貯湯水が加熱されることとなる。また、解凍モード時には貯湯水が保有する熱によりオフガスが加熱されることとなる。
【００２７】
さらに本実施の形態に係る燃料電池システムは、以上のように、前記熱交換機構は、前記貯湯タンクに貯留されている又は貯留されるべき貯湯水と前記循環経路を循環する熱媒体とを熱交換させる第２熱交換器を備えるように構成されていてもよい。
【００２８】
上記構成によると第２熱交換器を備えるため、この第２熱交換器により熱媒体と貯湯水との間で熱交換が行なわれ、第１熱交換器により熱媒体とオフガスとの間で熱交換が行なわれることとなる。すなわち、オフガスと貯湯水との熱交換を、熱媒体を通じて行なうことができる。このため、熱媒体を水よりも凍結し難い材質を使った場合、熱媒体自身が凍結してしまって本発明の熱交換機構が動作しなくなるような事態を防ぐことができる。
【００２９】
さらに本実施の形態に係る燃料電池システムは、以上のように、前記循環経路は、貯湯タンクを通る管路を備え、該管路を通って前記熱媒体が循環するように構成されており、前記管路が、前記貯湯タンクに貯留されている貯湯水と前記循環経路を循環する熱媒体との間で熱交換を行なわせる前記第２熱交換器を構成してもよい。
【００３０】
さらに本実施の形態に係る燃料電池システムは、以上のように、前記貯湯タンク内に貯湯水を加熱するための第１加熱部を備えるように構成してもよい。
【００３１】
さらに、本実施の形態に係る燃料電池システムは、以上のように、前記熱交換機構は、前記貯湯タンクの下部から該貯湯タンクの上部に至る貯湯水経路と、前記貯湯水経路と前記貯湯タンクとを通って貯湯水を循環させる貯湯水循環器と、前記貯湯水経路を循環する貯湯水と前記熱媒体循環経路を循環する熱媒体との間で熱交換を行なわせる熱交換器で構成された前記第２熱交換器と、を備え、前記燃料電池システムは、さらに、前記貯湯タンクと前記第２熱交換器との間の前記貯湯水経路を流れる貯湯水を加熱する第２加熱部を有するように構成されていてもよい。
【００３２】
本実施の形態に係る燃料電池システムの制御方法は、以上のように、燃料ガスと空気とを発電反応させて発電する発電ステップと、前記空気を前記燃料電池に供給するための空気供給ステップと、外部に供給する貯湯水を貯湯タンクに貯留する貯湯ステップと、前記空気供給ステップにより供給される空気のうち前記発電ステップにおける発電反応で消費されずに排出される空気を含むオフガスを、オフガス経路に流通させるステップと、前記貯湯タンク内の貯湯水と前記オフガス経路を流れるオフガスとの間で直接又は間接に熱交換を行なう熱交換ステップと、前記オフガス経路上に、前記発電ステップにおける発電時に前記熱交換ステップにおける熱交換により凝縮された凝縮水をオフガスから分離して凝縮水タンクに貯留する貯留ステップと、前記凝縮水タンクに貯留された凝縮水を改質水として用いて原料ガスを改質することにより前記燃料ガスを生成し、該燃料ガスを前記燃料電池に供給する改質ステップと、当該燃料電池システムの起動時に、前記空気供給ステップを実行して、前記空気を、前記オフガス経路を通じて前記凝縮水タンクに通流させるとともに、前記熱交換ステップを実行して該凝縮水タンクに通流される空気を前記貯湯水との熱交換により加熱する解凍ステップと、を含んでもよい。
【００３３】
したがって、発明に係る燃料電池システムの制御は、部品追加によるコストをかけることなく、凍結した、水蒸気改質に利用する改質水を解凍することができるという効果を奏する。
【００３４】
以下、本発明の実施の形態を、具体的に、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００３５】
（燃料電池装置の構成）
図１を参照して、以下に本発明の実施形態に係る燃料電池装置１００の構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池装置１００の構成の一例について模式的に示すブロック図である。燃料電池装置１００は燃料電池システム、より詳しくは燃料電池コージェネレーションシステムで構成されている。このような燃料電池装置１００を構成する燃料電池としては、例えば、固体高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を用いることができる。以下では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に挙げて説明する。
【００３６】
図１に示すように、燃料電池装置１００は、ＦＣユニット１７、貯湯ユニット１８、および制御装置１９を備え、ＦＣユニット１７と貯湯ユニット１８との間で熱交換機構５０により熱交換できるように構成されている。また、制御装置１９からの制御指示によりＦＣユニット１７および貯湯ユニット１８が有する各部の各種制御を行うことができるように構成されている。
【００３７】
ＦＣユニット１７は、原料ガスを改質して得られる、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する空気（カソードエア）とを電気化学反応（発電反応）させることにより電力と熱とを同時に発生させる装置である。原料ガスとして、天然ガス、ＬＰガス(液化石油ガス)、バイオガス、プロパンガス、ブタンガス等の炭化水素系ガスが用いられる。
【００３８】
貯湯ユニット１８は、給湯用に貯湯するためのものである。貯湯ユニット１８は、詳細は後述するが、燃料電池装置１００の運転モードにあるとき、ＦＣユニット１７から発生した熱を利用して貯留している湯を加熱できるようになっている。運転モードは、燃料電池装置１００が発電反応により電力を発生させる動作態様である。さらに燃料電池装置１００における動作態様として、次の起動時まで待機する待機モード（停止状態）、待機モードから運転モードに燃料電池装置１００を安全に立ち上げる起動モード、運転モードから待機モードに燃料電池装置１００を安全に停止する停止モードが挙げられる。また、特殊な動作態様として後述する解凍モードを有する。なお、「起動時」とは、起動モードにおける動作時を意味する。
【００３９】
（ＦＣユニットの構成）
まず、図１を参照してＦＣユニット１７の構成について説明する。
【００４０】
ＦＣユニット１７は、燃料電池スタック（燃料電池）１、改質部（改質器）２、蒸発部３、燃焼部４、凝縮熱交換器５、凝縮水タンク６、水浄化装置７、水温検知部９、エアブロア（空気供給部）２０、原料供給ポンプ２１、改質水ポンプ２２、原料ガス供給バルブ３１、凝縮水供給バルブ３２、凝縮水排水バルブ３３、および第１市水供給バルブ３４を備えてなる構成である。
【００４１】
そして、ＦＣユニット１７は、燃料電池スタック１、改質部２、蒸発部３、燃焼部４、および凝縮熱交換器５を、断熱性材料で覆われた一つのケース内に収納し、モジュール化してホットモジュール１０を構成している。
【００４２】
また、ＦＣユニット１７は、エアブロア２０により供給される空気が燃料電池スタック１に至るまでの経路として空気供給経路２７を、原料供給ポンプ２１により供給される原料ガスが燃料電池スタック１に至るまでの経路として原料供給経路２８を備える。さらに、燃料部４から排出される燃焼排ガスが流通する経路としてオフガス経路２９ａ、２９ｂを備える。このオフガス経路２９ａは燃焼部４から凝縮熱交換器５を介して凝縮水タンク６まで至る。一方、オフガス経路２９ｂは、凝縮水タンク６からＦＣユニット１７の外部にまで至る。
【００４３】
なお、ＦＣユニット１７が備える凝縮熱交換器５と後述する循環回路１２、循環ポンプ２３によって熱交換機構５０が構成されている。
【００４４】
ＦＣユニット１７は、燃料電池装置１００の起動時には、以下のように動作する。
【００４５】
すなわち、起動指示が制御装置１９からＦＣユニット１７、貯湯ユニット１８などに送信される。起動指示を制御装置１９から受付けると、エアブロア２０が、空気（カソードエア）を燃料電池スタック１に供給する。また、原料供給ポンプ２１が、原料ガスを改質部２に供給する。なお、原料供給ポンプ２１の上流側には原料ガス供給バルブ３１が設けられている。そして、この原料ガス供給バルブ３１を開閉させることにより、原料ガスを原料供給ポンプ２１に流入させたり、流入を遮断したりすることができる。このため、原料ガスを改質部２に供給する際は、原料ガス供給バルブ３１は閉状態から開状態へと切り替えられる。
【００４６】
改質部２には、上述した原料ガスに加えてさらに改質水も以下のようにして供給されている。すなわち、改質水ポンプ２２が、改質水用に貯水された凝縮水タンク６内の凝縮水を、水浄化装置７に供給する。水浄化装置７は、凝縮水タンク６から凝縮水が供給されると、凝縮水中の金属イオン等を除去する。なお、水浄化装置７としては、例えば、イオン交換樹脂が用いることができる。水浄化装置７により金属イオン等が除去された凝縮水は、改質水として蒸発部３へ供給される。
【００４７】
蒸発部３へ供給された改質水は、後述する燃焼ガスやホットモジュール１０内の燃焼部４の熱によって加熱され、水蒸気となり改質部２へ流入する。
【００４８】
改質部２は、供給された原料ガスと水蒸気との混合ガスから燃料ガス（改質ガス）を生成して燃料電池スタック１に供給する。なお、改質部２が有する改質触媒としては、例えば、原料ガスと水蒸気とから水素含有ガスを発生させる、いわゆる水蒸気改質反応を触媒することができるものであればよい。例えば、この改質触媒として、アルミナ等の触媒担体にルテニウム（Ｒｕ）を担持させたルテニウム系触媒や同様の触媒担体にニッケル（Ｎｉ）を担持させたニッケル系触媒等を使用することができる。
【００４９】
燃料電池スタック１は、改質部２から燃料極（不図示）に供給された燃料ガスと、空気極（不図示）に供給された空気（酸素）とによって発電反応を行う。そして、この発電で消費されなかった燃料ガスと空気（酸素）とを、燃焼部４にて燃焼させ、高温の燃焼排ガスを得る。なお、燃焼部４は、例えば、燃料ガスと酸素とを燃焼するための空間として実現できる。また、燃料排ガスが保有する熱には、上述したように発電に使用されなかった燃料ガスと酸素との燃焼熱に加えて、発電時に発生した熱も含む。
【００５０】
本実施の形態に係る燃料電池装置１００では、この燃焼排ガスの有する熱を例えば、熱交換器（不図示）等を介して改質部２、蒸発部３、燃料極に供給される燃料ガス、および空気極に供給される空気に与え、これらを加熱するように構成されている。
【００５１】
この燃焼排ガスは、オフガス経路２９ａを流れて凝縮熱交換器５を通じて凝縮水タンク６に至り、凝縮水タンク６からオフガス経路２９ｂを流れて外部に排出されるようになっている。つまり、燃焼部４から排出された燃焼排ガスは、凝縮熱交換器５を介して、循環経路１２を循環する熱媒体と熱交換する。そして、この熱交換により燃焼排ガスから熱媒体へ放熱され、熱媒体が加熱される一方、燃焼排ガスの温度は下がる。このようにして燃焼排ガスが冷却されると、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気は凝縮され、凝縮水が生成される。生成された凝縮水は燃焼排ガスとともにオフガス経路２９ａを通流して凝縮水タンク６に至り、凝縮水タンク６において貯水される。一方、燃焼排ガスは凝縮水タンク６からオフガス経路２９ｂを通って外部へと放出される。
【００５２】
なお、燃焼排ガスと熱交換する熱媒体の温度は、蒸発部３に供給するために必要な水量だけ得られるように、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮できる温度であれば良い。好ましくは、熱媒体の温度は４０℃以下である方が良い。
【００５３】
また、凝縮熱交換器５としては、燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮させることができる形状の熱交換器であればよく、例えば、プレート式熱交換器などが利用できる。
【００５４】
また、凝縮水タンク６には貯留された凝縮水の水量を調整するために、排水路が設けられており、この排水路中に排水路を閉じたり開いたりするための凝縮水排水バルブ３３が設けられている。つまり、凝縮水タンク６中に凝縮水を貯留する際には、凝縮水排水バルブ３３は閉じられており、凝縮水タンク６中の凝縮水の水量が多すぎる場合、この凝縮水排水バルブ３３を開き、排水できるように構成されている。
【００５５】
また、凝縮水タンク６と水浄化装置７とを連結する経路、すなわち、改質水供給経路２５ａにも凝縮水供給バルブ３２が設けられている。そして、凝縮水タンク６中に凝縮水を貯留する際には、この凝縮水供給バルブ３２を閉じておき、水浄化装置７を介して改質部２に凝縮水を供給する際には、凝縮水供給バルブ３２を開くように構成されている。
【００５６】
さらにまた、凝縮水タンク６と水浄化装置７との間の改質水供給経路２５ａには、改質水ポンプ２２が備えられている。そして、この改質水ポンプ２２が駆動することにより凝縮水タンク６から水浄化装置７を通じて蒸発部３に凝縮水が改質水として供給されるように構成されている。
【００５７】
また、改質部２に供給する改質水が足らない場合は、第１市水供給バルブ３４を開いて市水（公営水道）を水浄化装置７に導入することができるようにもなっている。
【００５８】
なお、本実施の形態においては、燃料電池スタック１、改質部２、蒸発部３、燃焼部４、および凝縮熱交換器５がホットモジュール１０内に収納される構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、これらの部材のうちのいずれか一部がホットモジュール１０の外部に設けられた構成であっても構わないし、これらの部材によってホットモジュール１０を形成しない構成であっても構わない。
【００５９】
（貯湯ユニット）
次に、再度、図１を参照して貯湯ユニット１８の構成について説明する。貯湯ユニット１８は、貯湯タンク１１、給湯温度検知部１６、第２市水供給バルブ３５、給湯用バルブ３６、および第１調整バルブ３７を備えてなる構成である。また、貯湯ユニット１８とＦＣユニット１７との間には、熱媒体が循環する循環経路１２が配設されている。
【００６０】
貯湯タンク１１は、貯湯水を貯留するためのタンクであって、貯留容量はピーク時の１時間当たりの給湯量、ピーク時の継続時間、給水温度、給湯温度等によって定められる。貯湯タンク１１を形成する筐体は断熱材により覆われており、貯湯タンク１１内の湯の温度が外気温度の影響により大きく変化することを防ぐようになっている。
【００６１】
また、循環経路１２が貯湯タンク１１内と連通しており、貯湯タンク１１内の貯湯水が燃焼排ガスと熱交換を行なう熱媒体として循環経路１２を流通するように構成されている。
【００６２】
また、循環経路１２中でかつ貯湯ユニット１８内に循環ポンプ（熱媒体循環器）２３が設置されており、この循環ポンプ２３を駆動することにより、循環経路１２を熱媒体である貯湯水が循環するように構成されている。図１では、循環経路１２を右回り（時計回り）に熱媒体が循環するようになっているが、逆に左回り（反時計回り）に熱媒体が循環する構成であってもよい。
【００６３】
貯湯ユニット１８は、第２市水供給バルブ３５を備え、これにより市水を貯湯ユニット１８内に流入させたり、市水が流入しないように遮断したりすることができる。貯湯ユニット１８は、貯湯タンク１１内の水を追加するため、あるいは、給湯温度を調整するため、市水の供給を受ける場合、第２市水供給バルブ３５を開く。
【００６４】
また、貯湯ユニット１８では、市水が貯湯タンク１１まで延びた経路の途中で枝分かれして貯湯タンク１１から給湯口（不図示）まで配された経路と連通する温度調整経路中に第１調整バルブ３７が設けられている。そして、第１調整バルブ３７によって温度調整経路を通流する水の流量を調整することができるように構成されている。
【００６５】
つまり、給湯温度を調整するために、市水を貯湯ユニット１８内に引き込んだ場合、第１調整バルブ３７の開度によって貯湯タンク１１から導出した湯と混ざる水量を調整する。そして、給湯温度検知部１６の検知結果に基づき給湯されるお湯の温度を所望の温度になるように調整して給湯される。なお、給湯時は、給湯用バルブ３６が開状態となっている。また、第１調整バルブ３７、給湯温度検知部１６、および給湯用バルブ３６は、貯湯タンク１１からの温水と市水とを流入させ、つまみなどの温度調整機構により適切な温度に調整して給湯する１台の混合弁により構成することができる。
【００６６】
上記した構成を有する燃料電池装置１００の運転モードを実施するための動作制御について以下に説明する。
【００６７】
（燃料電池装置の動作制御）
燃料電池装置１００は、上述したように待機モードから運転モードに至る際に起動モードを実施する。
【００６８】
まず、起動モードを実施する場合、制御装置１９は、燃料電池装置１００の起動モード開始を指示する開始信号をＦＣユニット１７および貯湯ユニット１８に発信する。
【００６９】
この開始信号をＦＣユニット１７が受信すると、燃料電池スタック１への空気および原料ガスの供給処理を実行する。
【００７０】
より具体的には、ＦＣユニット１７では、制御装置１９からの開始信号に応じてエアブロア２０が動作し、空気を、空気供給路２７に流し燃料電池スタック１に供給する。燃料電池スタック１に供給された空気は、まだ、燃料電池スタック１で発電が行なわれていないため、そのまま燃料電池スタック１を通過して燃焼部４に導かれる。
【００７１】
さらに、ＦＣユニット１７では、制御装置１９からの開始信号に応じて原料ガス供給バルブ３１が開くとともに、原料供給ポンプ２１が動作して、原料ガスを、原料供給経路２８に流し、改質部２に供給する。改質部２に供給された原料ガスは、まだ、燃料電池スタック１で発電が行なわれていないため（換言すると、改質部２で改質反応が実施されていないため）、そのまま燃料電池スタック１を通過し、燃焼部４へと導かれる。
【００７２】
このようにして、燃焼部４では、空気と燃料ガスとが供給され、これらが混合された混合ガスとなる。
【００７３】
燃焼部４には、例えば、グロープラグ、またはセラミックヒータ等の着火装置（不図示）が設けられている。そして燃焼部４では、開始信号に応じて動作した着火装置が混合ガスに着火し、燃料電池スタック１を加熱する。加熱により燃料電池スタック１が昇温すると、これに応じて改質部２および蒸発部３の温度も上昇を開始する。
【００７４】
上述した空気および燃料ガスの燃料電池スタック１への供給タイミングよりも遅れて、制御装置１９から改質水ポンプ２２に開始信号が出力される。この制御装置１９からの開始信号に応じて、改質水ポンプ２２が駆動すると、凝縮水タンク６に貯留された凝縮水を、水浄化装置７を通じて蒸発部３に流通させる。蒸発部３および改質部２が所定の温度まで加熱されると、改質水は蒸発部３において気化され水蒸気として改質部２に供給される。改質部２では、供給された原料ガスと水蒸気（気化された改質水）とを利用して水蒸気改質を行ない、燃料ガスを生成し、この燃料ガスを燃料電池スタック１に供給する。燃焼部４の加熱により燃料電池スタック１が所定温度に達すると、起動モードが終了して、運転モードに切り替わる。
【００７５】
上述したように、燃焼部４において燃焼された、空気と、原料ガスまたは未利用の燃料ガスとの燃焼排ガスとは、燃焼部４の後段（下流）に設けられた凝縮熱交換器５に流れていくように構成されている。また、循環経路１２を熱媒体（貯湯水）が循環しており、凝縮熱交換器５により、熱媒体（貯湯水）と燃焼排ガスとを熱交換する。これにより、凝縮熱交換器５において、高温の燃焼排ガスから低温の熱媒体（貯湯水）へ熱が移動し、熱媒体（貯湯水）が昇温される。そして、昇温された熱媒体（貯湯水）が循環経路１２を流通して、貯湯タンク１１内に流入し、貯湯タンク１１内の貯湯水を昇温させる。
【００７６】
燃料電池装置１００は、以上のようにして、起動モードを実施するとともに、燃焼排ガスの熱によって貯湯タンク１１内の貯湯水を昇温できるように構成されている。
【００７７】
また、ＦＣユニット１７は、改質水供給経路２５ａ中に水温検知部９を備え、凝縮水の水温を検知できるように構成されている。そして、この水温が所定の温度未満（例えば、氷点下）であるとき、制御装置１９は、ＦＣユニット１７および貯湯ユニット１８の各部に指示して、起動モードにおける適宜な時期に後述する解凍モードを実施させる。
【００７８】
なお、凝縮水の温度を検知する水温検知部９が設けられる位置は、上述したような改質水供給経路２５ａ中に限定されるものではない。例えば、凝縮水タンク６内であってもよいし、水浄化装置７内であってもよい。さらには、水浄化装置７と蒸発部３との間に設けられた改質水供給経路２５ｂ中であってもよい。
【００７９】
（解凍モード）
以下において、上述した図１および図２を参照して、燃料電池装置１００における解凍モードの処理の流れについて説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池装置１００における解凍モードの処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【００８０】
なお、解凍モードとは、燃料電池装置１００を停止している夜間などに外気温が氷点下となり凝縮水タンク６内の凝縮水が凍結してしまった際、この凍結を解凍するための燃料電池装置１００の動作処理である。また、このように外気温が低下し、凝縮水が凍結するような場合であっても、断熱材で筐体が覆われている貯湯タンク１１内の貯湯水は凍結することがないように構成されている。
【００８１】
解凍モードにおいては、上述した燃料電池装置１００の運転モードと比較して凝縮熱交換器５における熱の流れが、逆になる。具体的には、燃料電池装置１００の運転モードでは、燃焼排ガスが有する熱が、凝縮熱交換器５を介して循環経路１２を循環する熱媒体に移動する。
【００８２】
これに対して、解凍モードでは、エアブロア２０のみを駆動させて空気（カソードエア）のみを燃料電池スタック１を介して凝縮熱交換器５に導く。そこで、貯湯水と凝縮熱交換器５に流入する空気（カソードエア）とが熱交換をし、貯湯水の熱を空気に移動させる。このようにして加熱した空気が凝縮水タンク６内に導かれることにより凝縮水タンク６および凝縮水タンク６内の凝縮水を温め、解凍する。
【００８３】
具体的には、燃料電池装置１００は、解凍モードの制御は、以下のように行なう。
【００８４】
まず、制御装置１９の指示により、解凍モード開始信号がＦＣユニット１７および貯湯ユニット１８等に送信され、解凍モードの制御処理が開始される。
【００８５】
ＦＣユニット１７では、制御装置１９から送信された解凍モード開始信号に応じて、まず、水温検知部９が凝縮水タンク６の凝縮水の温度を計測する。そして、この計測した結果を制御装置１９に送信する。制御装置１９は水温検知部９の計測結果に基づき、凝縮水タンク６内の水温が所定値（所定温度）未満か否か判定する（ステップＳ１１、これ以降Ｓ１１と称する）。
【００８６】
ここで、制御装置１９が、凝縮水タンク６内の水温が所定値未満であると判定した場合、循環ポンプ２３に対して動作するよう制御信号を出力する。この制御信号に応じて循環ポンプ２３が動作し、循環経路１２内で熱媒体（貯湯水）を循環させる（Ｓ１２）。
【００８７】
さらに、制御装置１９は、エアブロア２０に対して動作するように制御信号を出力する。この制御信号に応じてエアブロア２０が動作し、空気が燃料電池スタック１を通過し、凝縮熱交換器５に送られる（Ｓ１３）。これにより、貯湯水が有する熱を、凝縮熱交換器５を介して空気に移動させることができる。そして、この凝縮熱交換器５において加熱された空気が凝縮水タンク６に導かれる。
【００８８】
次に、ステップＳ１１に戻り、凝縮水タンク６内の水温が所定値未満の間（Ｓ１１におて「ＹＥＳ」の間）は、ステップＳ１２、Ｓ１３が繰り返される。
【００８９】
一方、凝縮水タンク６内の水温が所定値（所定温度）以上であると制御装置１９が判定すると（Ｓ１１において「Ｎｏ」）、循環ポンプ２３に対して動作を停止するよう制御信号を出力する。この制御信号に応じて循環ポンプ２３が動作を停止し、循環経路１２内での熱媒体（貯湯水）の循環を停止させる（Ｓ１４）。さらに制御装置１９は、エアブロア２０に対して動作を停止するように制御信号を出力する。この制御信号に応じてエアブロア２０が動作を停止させ、凝縮熱交換器５へ空気の供給が停止される（Ｓ１５）。
【００９０】
以上のようにして燃料電池装置１００は解凍モードを実施する。
【００９１】
なお、上記した貯湯タンク１１は、さらに貯湯タンク１１内の水温を上昇できるように加熱部（タンク内加熱部１５（第１加熱部））を備えた構成であってもよい。すなわち、図３に示すように貯湯タンク１１内にタンク内加熱部１５をさらに備え、貯湯タンク１１内の貯湯水の温度が低温の場合、必要に応じてタンク内加熱部１５によって加熱できるように構成されている。図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池装置１００の構成の一例について模式的に示すブロック図である。
【００９２】
このようにタンク内加熱部１５を備える構成の場合、タンク内加熱部１５による加熱により貯湯水は、貯湯タンク１１内で対流し、時間をかけて貯湯水全体が加熱される。また、加熱された貯湯水は、循環経路１２を流通し凝縮熱交換器５を介して空気と熱交換を行なうことができる。タンク内加熱部１５は、例えば、電気ヒータ、ボイラ等により実現できる。
【００９３】
また、タンク内加熱部１５の数は図３に示すように１つに限定されるものではない。例えば、貯湯タンク１１内における上部の位置と、中程度から下部の間の位置とにそれぞれタンク内加熱部１５を設けた構成であってもよい。このようにタンク内加熱部１５を上部と下部との２箇所に設ける構成の場合、通常の使用では、いずれか１方を使用するように制御されている。
【００９４】
例えば、上部に設けられたタンク内加熱部１５によって貯湯水を加熱した場合、給湯に必要な温度まで貯湯水を短時間で加熱することができる点で有利である。しかしながら、図３に示すように、貯湯水を貯湯タンク１１の下部から上部に向かって循環経路１２を循環させる構成の場合、この循環される貯湯水の加熱には不利である。このため、循環経路１２に循環させる貯湯水の昇温をすばやく行うことが望まれる場合は、貯湯タンク１１の下方に設けられているタンク内加熱部１５によって貯湯水を加熱する。このように、貯湯水の加熱の目的に応じて、２つのタンク内加熱部１５を使い分ける。
【００９５】
また、このように貯湯タンク１１内にタンク内加熱部１５を設けた構成の場合、上述した解凍モードに関する処理フローにおいて、以下のステップを加えてもよい。すなわち、貯湯タンク１１内の水温を計測する水温計測装置（不図示）をさらに備え、この水温計測装置の計測結果に基づき、制御装置１９が貯湯タンク１１内の水温が所定値よりも低いか否か判定する。そして、制御装置１９が、水温が所定値よりも低いと判定した場合、タンク内加熱部１５を動作させるステップを加えてもよい。
【００９６】
この処理ステップは、ステップＳ１２の熱媒体を循環させる処理の前に行なわれることが好ましい。
【００９７】
さらにまた、凝縮水タンク６が所定値以上であると制御装置１９が判定すると、タンク内加熱部１５の動作を停止させる動作停止ステップも加える。このステップは、熱媒体の循環の停止ステップ（ステップＳ１４）の前に行なってもよい。
【００９８】
また、上記では熱媒体として貯湯タンク１１の貯湯水を利用する構成であったが、燃料電池装置１００は、図４に示すように、熱媒体が貯湯水と交じり合わないように構成されたインダイレクト形式であってもよい。図４は、本発明の実施形態に係る燃料電池装置１００の構成の一例について模式的に示すブロック図である。
【００９９】
具体的には、図４に示すように、貯湯タンク１１内において、循環経路１２と連結された、熱交換機能をもつ配管（第２熱交換器）１３がさらに設けられる。そして、凝縮熱交換器５と貯湯タンク１１内に設けた配管１３との間で熱媒体が循環経路１２により循環できるように連通されている。そして、循環経路１２中に設置された循環ポンプ２３を動作させることにより、循環経路１２を熱媒体が移動して循環する。
【０１００】
循環経路１２中を循環させる熱媒体としては、例えば、水、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、水とプロピレングリコールとの混合物、水とポリエチレングリコールの混合物等を用いることができる。
【０１０１】
なお、この構成では、凝縮熱交換器５、循環経路１２、配管１３、および循環ポンプ２３によって熱交換機構５０を実現する。
【０１０２】
以上のように、燃料電池装置１００は、運転モードでは、循環経路１２を流れる熱媒体が、凝縮熱交換器５を介して燃料排ガスにより加熱される。そして、貯湯タンク１１内の配管１３において、加熱された熱媒体の熱が貯湯タンク１１内に貯留されている貯湯水に移動する。これにより貯湯タンク１１内の貯湯水を加熱するとともに、熱媒体は冷却される。
【０１０３】
解凍モードであって、制御装置１９が凝縮水タンクの水温が所定値未満であると判定した場合（Ｓ１１において「ＹＥＳ」）は、制御装置１９からの指示に応じて循環ポンプ２３が動作し、循環経路１２内で熱媒体を循環させる（Ｓ１２）。さらに、制御装置１９からの指示に応じてエアブロア２０が動作し、空気が燃料電池スタック１を通過し、凝縮熱交換器５に送られる（Ｓ１３）。これにより、貯湯水の熱を、配管１３を介して熱媒体が受け取り、凝縮熱交換器５を介して空気に移動させることができる。そして、この凝縮熱交換器５において加熱された空気が凝縮水タンク６に導かれる。そして、この加熱された空気により凍結した凝縮水の解凍を行なうことができる。
【０１０４】
すなわち、加熱された空気は、凝縮水タンク６および凝縮水タンク６内の凝縮水を温め、この空気自体は降温される。このように凝縮水タンク６および凝縮水が空気により加熱されると、凝縮水タンク６内で凍結した凝縮水は解凍されていく。さらに、加熱された空気が凝縮水タンク６に継続して導かれることで、改質水供給経路２５ａ、２５ｂ、水浄化装置７内の凍結した水にも伝熱し、これらも解凍される。その結果、凝縮水タンク６内の凝縮水を改質水として蒸発部３に供給可能となり、燃料電池装置１００は、運転モードを実施し、発電を行なうことができる。
【０１０５】
また、解凍モードの処理において、循環ポンプ２３の動作、あるいはエアブロア２０の動作は、制御装置１９が凝縮水タンク６内の水温が所定値未満と判断した場合に開始されているが、開始トリガはこれに限定されるものではない。例えば、燃料電池装置１００の外気温を計測する計測部（不図示）を備え、この計測部の計測結果に基づいて、制御装置１９が、外気温が所定値未満であると判断した場合に、循環ポンプ２３およびエアブロア２０の駆動を開始する構成であってもよい。
【０１０６】
さらには、凝縮水タンク６から蒸発部３へ流入させる改質水の流入状態の有無を検知する検知部（不図示）を備え、制御装置１９が蒸発部３に改質水を流入させることができないと判断した場合に、循環ポンプ２３およびエアブロア２０の動作を開始する構成であってもよい。
【０１０７】
以上のように、本実施の形態に係る燃料電池装置１００は、ＦＣユニット１７における燃料電池スタック１での発電時に排出された燃焼排ガスが有する熱を凝縮熱交換器５で貯湯ユニット１８が有する貯湯タンク１１の貯湯水に移動させ加熱することができる。すなわち、燃料電池装置１００は、ＦＣユニット１７で排出される排熱を利用して熱を取り出し貯湯タンク１１の貯湯水を加熱することでエネルギー効率を高めたコージュネレーションシステムを実現している。
【０１０８】
また、例えば、燃料電池装置の停止時において外気温の低下などにより凝縮水タンク６内の水（改質水）が凍結した場合、本実施の形態に係る燃料電池装置１００では、制御装置１９がエアブロア２０を動作させて、空気を、凝縮熱交換器５を通じて凝縮水タンク６へと流入させる。このため、凝縮熱交換器５によって貯湯水の熱を得た空気を凝縮水タンク６に流入させることができる。このように、燃料電池装置１００では、貯湯水の熱により加熱された空気を凝縮水タンク６に流入させることができるため、凍結した改質水をこの空気により解凍することができる。
【０１０９】
ここで、燃料電池装置１００は、解凍モードを実施するために、運転モードを実施するための燃料電池装置１００の構成に新たな部材を追加する必要がない。つまり、エアブロア２０は発電時にＦＣユニット１７に空気を供給するために設けたものを利用することができる。また、凝縮熱交換器５は、燃焼排ガスが有する熱を貯湯水に移動させるために、つまり、ＦＣユニット１７と貯湯ユニット１８との間で熱交換をするために設けたものを利用することができる。
【０１１０】
したがって、解凍モードを実行する場合、燃料電池装置１００では、制御装置１９がエアブロア２０を稼動させて空気を燃料電池スタック１、燃焼部４、凝縮熱交換器５を通じて凝縮水タンク６へと流入させればよく部品追加によるコストがかからない。
【０１１１】
（変形例１）
（燃料電池装置の構成）
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池装置１００の変形例について図５、図６を参照して説明する。図５は本発明の実施形態の変形例１に係る燃料電池装置１００の構成の一例について模式的に示すブロック図である。図６は、本発明の実施形態の変形例１に係る燃料電池装置１００における解凍モードの処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【０１１２】
変形例１に係る燃料電池装置１００は、図１に示す本発明の実施形態に係る燃料電池装置１００の構成と比較して以下の点で異なる。
【０１１３】
すなわち、変形例１に係る燃料電池装置１００は、図１に示す燃料電池装置１００の構成において、貯湯タンク１１の下部から該貯湯タンク１１の上部に至る貯湯水経路３０と、貯湯水経路３０と貯湯タンク１１とを通って貯湯水を循環させる貯湯水ポンプ（貯湯水循環器）２４とを備える点で異なる。また、貯湯水経路３０を循環する貯湯水と熱媒体循環経路１２を循環する熱媒体との間で熱交換を行なわせる貯湯ユニット側熱交換器（第２熱交換器）２６を備える点でも異なる。すなわち、貯湯ユニット側熱交換器２６は、燃料電池装置１００の運転モードでは、ＦＣユニット１７の燃焼排ガスの熱により加熱された熱媒体と貯湯水経路３０を循環する貯湯水との間で熱交換を行い、この貯湯水を加熱する。一方、解凍モード時では、貯湯ユニット側熱交換器２６は、加熱部１４により加熱された貯湯水の熱により循環経路１２を流れる熱媒体を加熱するように貯湯水と熱媒体との間で熱交換する。
【０１１４】
さらに、貯湯タンク１１と貯湯ユニット側熱交換器２６との間にあって、貯湯水経路３０を流れる貯湯水を加熱する加熱部（第２加熱部）１４をさらに備える点でも異なる。加熱部１４は、例えば、電気ヒータ、ボイラなどにより実現できる。
【０１１５】
上記した構成を有する変形例１では、燃料電池装置１００の運転モードでは、具体的には貯湯ユニット側熱交換器２６に以下のようにして貯湯水が導かれる。すなわち、市水が一旦、貯湯タンク１１の底部の下流側の端部に導かれる。そして、貯湯タンク１１の底部の上流側の端部から貯湯水が排出され、加熱部１４、貯湯ユニット側熱交換器２６を通過して貯湯タンク１１の上部側から貯湯タンク１１に供給される。
【０１１６】
なお、通常モードでは、貯湯ユニット側熱交換器２６で、燃焼排ガスの熱により加熱された熱媒体と、貯湯タンク１１の上部に向かう貯湯水との間で熱交換される。そして、この熱交換により貯湯水が加熱される。このため、加熱された貯湯水が貯湯タンク１１の上部に導かれることとなる。
【０１１７】
つまり、変形例１に係る貯湯タンク１１の貯湯水は、同じ体積中で蓄積できる総熱量を高めるために、貯湯タンク１１の上部の貯湯水の方が下部の貯湯水よりも温度が高くなるような温度成層が形成されている。この温度成層を崩さないようにするために、外部から導入された温度の低い市水を一旦、貯湯タンク１１の底部に導き、貯湯ユニット側熱交換器２６により加熱された市水を貯湯タンクの上部から貯湯タンク１１に流入させている。
【０１１８】
変形例１に係る燃料電池装置１００は、上述した以外の点では、図１に示す燃料電池装置１００と同様であるため、同様な部分については説明を省略する。
【０１１９】
（変形例１の解凍モード）
次に、変形例１に係る燃料電池装置１００における解凍モードの動作制御について図６を参照して説明する。
【０１２０】
まず、制御装置１９の指示により、解凍モード開始信号がＦＣユニット１７および貯湯ユニット１８等に送信され、解凍モードの制御処理が開始される。
【０１２１】
ＦＣユニット１７では、制御装置１９から送信された開始信号に応じて、水温検知部９が凝縮水タンク６の凝縮水の温度を計測する。そして、この計測した結果を制御装置１９に送信する。制御装置１９は水温検知部９の計測結果に基づき、凝縮水タンク６内の水温が所定値未満か否か判定する（Ｓ２１）。
【０１２２】
ここで、制御装置１９が、凝縮水タンク６内の水温が所定値未満であると判定した場合、制御装置１９は加熱部１４に対して稼動するように指示する。この指示に応じて加熱部１４は稼動する（Ｓ２２）。
【０１２３】
さらに、制御装置１９は、貯湯水ポンプ２４に対して駆動するように制御信号を出力する。この制御信号に応じて貯湯水ポンプ２４が駆動し、貯湯タンク１１の下方部の温度の低い貯湯水を、加熱部１４、貯湯ユニット側熱交換器２６を介して貯湯タンク１１の上方部へと流通させる（Ｓ２３）。このステップＳ２２、Ｓ２３の処理により、貯湯タンク１１の底部から排出された貯湯水を加熱することができる。
【０１２４】
次に、制御装置１９は、循環ポンプ２３に対して駆動するよう制御信号を出力する。この制御信号に応じて循環ポンプ２３が駆動し、循環経路１２内で熱媒体を循環させる（Ｓ２４）。このステップＳ２４により、貯湯ユニット側熱交換器２６により、貯湯水から熱媒体に熱を移動させることができる。
【０１２５】
さらに、制御装置１９は、エアブロア２０に対して駆動するように制御信号を出力する。この制御信号に応じてエアブロア２０が駆動し、空気が燃料電池スタック１を通過し、凝縮熱交換器５に送られる（Ｓ２５）。これにより、熱媒体が有する熱を、凝縮熱交換器５を介して空気に移動させることができる。そして、この凝縮熱交換器５において加熱された空気が凝縮水タンク６に導かれる。
【０１２６】
次に、ステップＳ２１に戻り、凝縮水タンク６内の水温が所定値未満の間（Ｓ２１におて「ＹＥＳ」の間）は、ステップＳ２２〜Ｓ２５の各ステップが繰り返される。
【０１２７】
一方、凝縮水タンク６内の水温が所定値以上であると制御装置１９が判定すると（Ｓ２１において「Ｎｏ」）、加熱部１４に対して駆動を停止（ＯＦＦ）するように制御信号を出力する。この制御信号に応じて加熱部１４が駆動を停止（ＯＦＦ）する（Ｓ２６）。
【０１２８】
また、制御装置１９は、貯湯水ポンプ２４に対して駆動を停止（ＯＦＦ）するように制御信号を出力する。この制御信号に応じて貯湯水ポンプ２４が駆動を停止（ＯＦＦ）され、貯湯水の貯湯タンク１１の上方部への流通を停止させる（Ｓ２７）。
【０１２９】
さらに制御装置１９は、循環ポンプ２３に対して駆動を停止（ＯＦＦ）するよう制御信号を出力する。この制御信号に応じて循環ポンプ２３が駆動を停止し、循環経路１２内で熱媒体の循環を停止させる（Ｓ２８）。そして、次に、制御装置１９は、エアブロア２０に対して駆動を停止するように制御信号を出力する。この制御信号に応じてエアブロア２０が駆動を停止し（ＯＦＦ）し、空気の供給が停止される（Ｓ２９）。
【０１３０】
以上のようにして、変形例１に係る燃料電池装置１００では、解凍モードの処理フローが実行される。そして、この解凍モードにより凝縮水タンク６内の凝縮水が解凍されると、燃料電池装置１００は運転モードを実施することができる。
【０１３１】
なお、上記では燃料電池装置１００のＦＣユニット１７として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に挙げて説明した。しかしながら、ＳＯＦＣに限定されるものではない。すなわち、燃料電池スタック１のカソードに供給するカソードガスが空気であり、このカソードガスが凝縮熱交換器５で熱媒体と熱交換した後、凝縮水タンク６を通過する構成でありさえすれば、溶融炭素塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、またはりん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）等に使用することができる。なお、燃料電池スタック１は、適用する燃料電池の型式に応じたものが採用される。
【０１３２】
ところで、燃料電池スタック１を冷却するために冷却水を用いる燃料電池（例えば、ＰＥＦＣ）はこの冷却水が凍結するおそれがある。このため、冷却水を用いない高温型燃料電池であるＳＯＦＣおよびＭＣＦＣの方が特に有利である。しかしながら、ＰＥＦＣにおいても燃料電池スタック１の冷却用冷媒を水からポリプロピレングリコール、または水とポリプロピレングリコールの混合冷媒に変更する。このように、水よりも凍結しにくい冷媒を使用することで、ＳＯＦＣやＭＣＦＣと同様、本願の構成への適用が容易となる。
【０１３３】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本発明の燃料電池装置１００は、外気温が凍結するような低温時に、部品追加によるコストをかけず、凝縮水タンク６、凝縮水の蒸発部３への水供給経路（改質水供給経路２５ａ，２５ｂ）、水浄化装置７内の水などを解凍することが可能であるので、水蒸気改質を行なう燃料電池装置において有用である。
【符号の説明】
【０１３５】
１      燃料電池スタック
２      改質部
３      蒸発部
４      燃焼部
５      凝縮熱交換器
６      凝縮水タンク
７      水浄化装置
８      凝縮水供給部
９      水温検知部
１０    ホットモジュール
１１    貯湯タンク
１２    循環経路
１３    配管
１４    加熱部
１５    タンク内加熱部
１６    給湯温度検知部
１７    ＦＣユニット
１８    貯湯ユニット
１９    制御装置
２０    エアブロア
２１    原料供給ポンプ
２２    改質水ポンプ
２３    循環ポンプ
２４    貯湯水ポンプ
２５ａ  改質水供給経路
２５ｂ  改質水供給経路
２６    貯湯ユニット側熱交換器
２７    空気供給経路
２８    原料供給経路
２９ａ  オフガス経路
２９ｂ  オフガス経路
３０    貯湯水経路
３１    原料ガス供給バルブ
３２    凝縮水供給バルブ
３３    凝縮水排水バルブ
３４    第１市水供給バルブ
３５    第２市水供給バルブ
３６    給湯用バルブ
３７    第１調整バルブ
５０    熱交換機構
１００  燃料電池装置
【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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