(57)【要約】【課題】  発電性能の低下を招くことなく効率良く燃料電池の暖機を行える燃料電池システムを提供する。【解決手段】  本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスが供給されるアノード電極及び酸化剤ガスが供給されるカソード電極を有する燃料電池１と、燃料ガスを生成してこれをアノード電極に供給するとともに燃焼排ガスを排出する燃料ガス生成装置２０と、を備えている。そして、燃料電池１は、アノード電極及びカソード電極から隔離して燃焼排ガスが供給される燃焼排ガス流路１８を内部に有している。【選択図】図２
2009164057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが供給されるアノード電極及び酸化剤ガスが供給されるカソード電極を有する燃料電池と、前記燃料ガスを生成してこれを前記アノード電極に供給するとともに燃焼排ガスを排出する燃料ガス生成装置と、を備え、前記燃料電池は、前記アノード電極及び前記カソード電極から隔離して前記燃焼排ガスが供給される燃焼排ガス流路を内部に有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池は、冷却水の流路である冷却水流路、前記燃料ガスの流路である燃料ガス流路、及び前記酸化剤ガスの流路である酸化剤ガス流路の三流路を内部に有し、前記燃焼排ガス流路は前記三流路のうち前記冷却水流路に最も近接する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池は複数のセルを積層して成るとともに、前記各セルを貫いて前記各セルに冷却水を供給する冷却水供給マニホールドと、前記各セルを貫いて前記各セルに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドと、を内部に有し、前記燃焼排ガス流路と前記冷却水供給マニホールドの距離は、前記燃料ガス供給マニホールドと前記冷却水供給マニホールドの距離よりも小さく、前記燃焼排ガス流路は、前記冷却水供給マニホールドを基準に前記燃料ガス供給マニホールドと相対する位置に配置されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃焼排ガス流路の下流に第１熱交換器をさらに備え、前記第１熱交換器では前記燃焼排ガスと前記冷却水との熱交換が行われる、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスを供給する燃焼排ガス供給ラインと、前記燃焼排ガス流路から前記燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排出ラインと、前記燃焼排ガス供給ラインと前記燃焼排ガス排出ラインとを連結する燃焼排ガスバイパス流路と、前記燃焼排ガス流路に流入する前記燃焼排ガスと前記燃焼排ガスバイパス流路に流入する前記燃焼排ガスとの流量比率を調整する流量調整バルブと、を前記燃料電池の外部に備えた、請求項１、２及び４のうちいずれか一の項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
貯湯水が循環する貯湯循環経路と、前記貯湯水と前記冷却水との熱交換を行う第２熱交換器と、前記燃焼排ガスバイパス流路に設けられ、かつ、前記燃焼排ガスと前記貯湯水との熱交換を行う第３熱交換器と、をさらに備えた請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃焼排ガスの全流量に対する前記燃焼排ガス流路へ流入する流入量の流量比率が、暖機運転時よりも定常運転時の方が低くなるように前記流量調整バルブを制御する制御器をさらに備えた、請求項５又は６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池の温度を測定する温度検知器をさらに備え、前記制御器は、前記温度検知器の検知結果に基づいて前記流量調整バルブを制御するとともに、前記燃料電池による発電を開始させる、請求項７に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、暖機機構を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電を開始するにあたって内部の温度が一定以上である必要があるため、一般的な燃料電池システムは、燃料電池の温度を上昇させる暖機機構を備えている。燃料電池システムは、エネルギー資源を有効利用するために用いられるという性質から、全ての機構について効率化が求められている。暖機機構も例外でなく、効率化を目指したものとして、燃料ガス生成装置から排出される燃焼排ガスを利用して燃料電池を暖機する燃料電池システムが提案されている。燃料ガス生成装置は、原料と水を改質反応させて燃料ガスを生成するものであるが、改質反応には大きな熱量が必要である。この熱量は、燃焼用燃料等を燃焼させることにより確保される。そして、燃焼の際に、燃料ガス生成装置からは高温の燃焼排ガスが排出されるため、この燃焼排ガスを燃料電池の暖機に利用するのである。
【０００３】
例えば、特許文献１では、貯湯水を燃焼排ガスによって温め、温められた貯湯水によって冷却水を温め、さらに、温められた冷却水によって燃料電池を温める構成を備えた燃料電池システムが提案されている。また、特許文献２では、暖機運転の際に酸化剤ガスの流路に前記の燃焼排ガスを供給し、燃料電池を暖機させる構成を備えた燃料電池システムが提案されている。
【特許文献１】ＷＯ２００４／０２７９１４号公報
【特許文献２】特開２００６−３１８７５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃焼排ガスと燃料電池との間にはいくつもの媒体が介在していることから、燃焼排ガスから燃料電池までの熱伝導率が非常に低く、燃焼排ガスの熱を十分に利用することができない。また、特許文献２に記載の燃料電池システムでは、燃焼排出ガスが二酸化炭素や微量の一酸化炭素を含んでいることから、二酸化炭素や一酸化炭素が酸化剤極の触媒に触れてしまい発電性能の低下を招いてしまう。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、発電性能の低下を招くことなく効率良く燃料電池の暖機を行える燃料電池システム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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスが供給されるアノード電極及び酸化剤ガスが供給されるカソード電極を有する燃料電池と、前記燃料ガスを生成してこれを前記アノード電極に供給するとともに燃焼排ガスを排出する燃料ガス生成装置と、を備え、前記燃料電池は、前記アノード電極及び前記カソード電極から隔離して前記燃焼排ガスが供給される燃焼排ガス流路を内部に有する。かかる構成によれば、燃焼排ガスを燃料電池の電極に接触することなく、燃焼排ガスの熱を直接燃料電池に伝えることができる。よって、かかる構成によれば、発電性能の低下を招くことなく効率良く暖機を行える燃料電池システムを提供することができる。
【０００７】
また、上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、前記燃料電池は、冷却水の流路である冷却水流路、前記燃料ガスの流路である燃料ガス流路、及び前記酸化剤ガスの流路である酸化剤ガス流路の三流路を内部に有し、前記燃焼排ガス流路は前記三流路のうち前記冷却水流路に最も近接するようにしてもよい。かかる構成によれば、燃料電池に供給された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路を通過する際に、燃料電池内部で冷却水と熱交換を行うことができる。そのため、燃料電池内部の冷却水の粘性を下げ、冷却水の循環にかかる負荷を低減することができる。よって、より効率良く燃料電池の暖機を行うことができる。
【０００８】
また、上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は複数のセルを積層して成るとともに、前記各セルを貫いて前記各セルに冷却水を供給する冷却水供給マニホールドと、前記各セルを貫いて前記各セルに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドと、を内部に有し、前記燃焼排ガス流路と前記冷却水供給マニホールドの距離は、前記燃料ガス供給マニホールドと前記冷却水供給マニホールドの距離よりも小さく、前記燃焼排ガス流路は、前記冷却水供給マニホールドを基準に前記燃料ガス供給マニホールドと相対する位置に配置してもよい。かかる構成によれば、燃料電池に供給された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路を通過する際に、燃料電池内部で冷却水と熱交換を行うことができる。そのため、燃料電池内部の冷却水の粘性を下げ、冷却水の循環にかかる負荷を低減することができる。よって、より効率良く燃料電池の暖機を行うことができる。
【０００９】
また、上記の燃料電池システムにおいて、前記燃焼排ガス流路の下流に第１熱交換器をさらに備え、前記第１熱交換器では前記燃焼排ガスと前記冷却水との熱交換が行われるようにしてもよい。かかる構成によれば、燃料電池内部のみならず、燃焼排ガス流路の下流においても燃焼排ガスと冷却水との熱交換を行うことができる。よって、燃焼排ガスの熱を無駄なく回収することができる。
【００１０】
また、上記の燃料電池システムにおいて、前記燃焼排ガス流路に前記燃焼排ガスを供給する燃焼排ガス供給ラインと、前記燃焼排ガス流路から前記燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排出ラインと、前記燃焼排ガス供給ラインと前記燃焼排ガス排出ラインとを連結する燃焼排ガスバイパス流路と、前記燃焼排ガス流路に流入する前記燃焼排ガスと前記燃焼排ガスバイパス流路に流入する前記燃焼排ガスとの流量比率を調整する流量調整バルブと、を前記燃料電池の外部に備えるようにしてもよい。かかる構成によれば、暖機時には燃焼排ガスの熱を燃料電池の暖機に利用し、定常運転時（発電時）には燃焼排ガスの熱を別の用途に用いることができる。
【００１１】
また、上記の燃料電池システムにおいて、貯湯水が循環する貯湯循環経路と、前記貯湯水と前記冷却水との熱交換を行う第２熱交換器と、前記燃焼排ガスバイパス流路に設けられ、かつ、前記燃焼排ガスと前記貯湯水との熱交換を行う第３熱交換器と、をさらに備えるようにしてもよい。かかる構成によれば、定常運転時は、燃焼排ガスの熱を貯湯水に蓄熱することができる。
【００１２】
また、上記の燃料電池システムにおいて、前記燃焼排ガスの全流量に対する前記燃焼排ガス流路へ流入する流入量の流量比率が、暖機運転時よりも定常運転時の方が低くなるように前記流量調整バルブを制御する制御器をさらに備えるようにしてもよい。かかる構成によれば、例えば暖機時は燃焼排ガスの熱を燃料電池の暖機に利用し、定常運転時は燃焼排ガスの熱を蓄熱するといいた制御を行うことができる。
【００１３】
また、上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の温度を測定する温度検知器をさらに備え、前記制御器は、前記温度検知器の検知結果に基づいて前記流量調整バルブを制御するとともに、前記燃料電池による発電を開始させるようにしてもよい。かかる構成によれば、燃料電池の温度に基づいて燃焼排ガスの流れを制御できることから、燃料電池を必要以上に加熱するのを防止することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発電性能の低下を招くことなく効率良く燃料電池の暖機を行える燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
まず、図１及び図２を参照し、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成を説明する。図１は、本実施の形態に係る燃料電池システム１００の機能ブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、燃料ガス供給系統２と、酸化剤供給系統３と、冷却水系統４と、貯湯水系統５と、制御器６とを備えている。
【００１６】
燃料電池１は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する空気などの酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。図２は、燃料電池１の斜視透視図である。図２に示すように、燃料電池１は、複数のセル（単電池）７を積層したセルスタック８と、セルスタック８の両端に配置される図示しない板状の集電板及び端板とから主に構成されている。さらに、各セル７は、ＭＥＡ（膜電極接合体）９とその両面に配設されたアノードセパレータ１０及びカソードセパレータ１１とから主に構成されている。ＭＥＡ９は、高分子電解質膜の両面中央部分に電極（一方がアノード電極、他方がカソード電極）が積層されたものである。また、ＭＥＡ９のアノード側にアノードセパレータ１０が配設され、ＭＥＡ９のカソード側にカソードセパレータ１１が配設されている。上記のように、両電極はセルの中央部分に積層されていることから、周縁部分には電極は形成されていない。
【００１７】
アノードセパレータ１０の両面には溝状の小流路（conduit）が形成されている。このうち、内側の小流路は燃焼ガス小流路であって燃焼ガスが流れ、外側の小流路は冷却水小流路１２であって冷却水が流れる。同様に、カソードセパレータ１１の両面にも溝状の小流路が形成されており、内側の小流路は酸化剤ガス小流路であって酸化剤ガスが流れ、外側の小流路は冷却水小流路１２であって冷却水が流れる。各小流路の上流端及び下流端は、セパレータ１０、１１の周縁部分に位置しており、かつ、セル７の積層方向視において、それぞれが重ならないような位置関係となっている。さらに、各小流路の上流端及び下流端には、マニホールド孔が形成されている（ＭＥＡ９にもセパレータ１０、１１のマニホールド孔に対応する位置にマニホールド孔が形成されている）。これにより、セル７を積層してセルスタック８を形成すると、各セル７のマニホールド孔が繋がって、セル７の積層方向に伸延するマニホールドが形成される。
【００１８】
例えば、冷却水小流路１２の上流端に位置する冷却水供給マニホールド孔１３は、セル７が積層されることで冷却水供給マニホールド１４を形成する。また、冷却水小流路１４の下流に位置する冷却水排出マニホールド孔１５は、セル７が積層されることで冷却水排出マニホールド１６を形成する。この冷却水供給マニホールド１６に冷却水を供給すると、冷却水は各セル７の冷却水小流路１２を通過して、冷却水排出マニホールド１６から排出される。図２では理解しやすいように冷却水供給マニホールド１４及び冷却水排出マニホールド１６を１つの部材でできた流路のように記載しているが、実際は上記のように冷却水供給マニホールド孔等が繋がって形成されたものである。換言すれば、各セル７を貫くように冷却水供給マニホールド１４及び冷却水排出マニホールド１６が燃料電池１に形成されている。なお、冷却水供給マニホールド１４、冷却水小流路１２、及び冷却水排出マニホールド１６を合わせて冷却水流路（passage）と呼ぶこととする。
【００１９】
また、同様に各小流路の流路端には燃料ガス供給マニホールド孔５１によって燃料ガス供給マニホールドが形成され、燃料ガス排出マニホールド孔５２によって燃料ガス排出マニホールドが形成され、酸化剤ガス供給マニホールド孔５３によって酸化剤ガス供給マニホールドが形成され、酸化剤ガス排出マニホールド孔５４によって酸化剤ガス排出マニホールドが形成される。なお、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス小流路、及び燃料ガス排出マニホールドを合わせて燃料ガス流路と呼ぶこととし、酸化剤ガス供給マニホールド、酸化剤小流路、及び酸化剤排出マニホールドを合わせて酸化剤ガス流路と呼ぶこととする。
【００２０】
さらに、本実施の形態に係る各セルには、冷却水供給マニホールド孔１３に近接して（他のマニホールド孔５１〜５４よりも冷却水供給マニホールド孔１３に近接して）燃焼排出ガス流路孔１７が形成されている。これにより、セル７を積層して形成されたセルスタック８には、冷却水供給マニホールド１４に近接して燃焼排ガス流路１８が形成される。また、後述するが、この燃焼排ガス流路１８には、燃料ガス生成装置から燃焼排ガスが供給される。なお、燃焼排ガス流路１８と冷却水供給マニホールド１４の距離は、燃料ガス供給マニホールドと冷却水供給マニホールド１４の距離よりも小さく、燃焼排ガス流路１８は、冷却水供給マニホールド１４を基準に燃料ガス供給マニホールドと相対する位置に配置されていることが望ましい。
【００２１】
また、図１に示すように燃料電池１には温度検知器１９が取り付けられており、この温度検知器１９は燃料電池１の内部温度を測定することができる。温度検知器１９で測定された温度は制御器６に入力される。
【００２２】
燃料ガス供給系統２は、燃料電池１に燃料ガスを供給する。燃料ガス供給系統２は、燃料ガス生成装置２０を有している。燃料ガス生成装置２０は周知の構成からなるが、以下、簡単に説明する。
【００２３】
燃料ガス生成装置２０は、加熱部２１及び改質部２２に加え、図示しない変成部及び浄化部から主に構成されている。加熱部２１は改質部２２に熱を供給する。加熱部２１は、いわゆるバーナであって、燃焼熱及び燃焼排ガスの熱により改質部２２を加熱する。なお、燃焼にあたって、暖機時には原料と異なる燃焼用燃料が使用される。改質部２２は、原料と水と熱とによって改質触媒を介して改質反応を起こし、水素リッチな改質ガスを生成する。家庭用の燃料電池システムであれば、原料として天然ガスからなる都市ガス等が用いられる。生成された改質ガスは、変成部に送られる。変成部は、変成触媒を用いて改質ガス中のＣＯを水素とＣＯ２に転化し、改質ガス中のＣＯ濃度を低減する。ＣＯ濃度が低減された改質ガスは、浄化部に送られる。浄化部は、酸化触媒を用いて改質ガスを酸化して、さらに改質ガス中のＣＯ濃度を低減する。これにより、改質ガスのＣＯ濃度は、１０ｐｐｍ以下にまで低減される。そして、燃料ガス生成装置２０は、ＣＯ濃度が低減された改質ガスを燃料ガスとして放出する。
【００２４】
燃料ガス生成装置２０によって生成された燃料ガスは、途中に燃料ガス切替バルブ２４が設けられた燃料ガス供給ライン２３を介して燃料電池1のアノード２６に供給される。上述したように、燃料電池１の内部では、燃料ガスは燃料ガス供給マニホールドから供給され、各セルの燃料ガス小流路を通り、燃料ガス排出マニホールドから排出される。なお、燃料ガスは全てが発電に寄与するわけではない。そのため、燃料電池１から排出された燃料ガスは、燃料ガス排出ライン２５を介して燃料ガス生成装置２０の加熱部２１に供給される。燃料ガス排出ライン２５はバイパスライン２８を介して燃料ガス切替バルブ２４に接続されている。そして、発電に寄与しなかった燃料ガスは空気と混合されて燃焼し、この燃焼熱は改質部２１に供給される。また、暖機時に生成された燃料ガスは、改質部２２が十分に加熱されない状態で生成されたため、発電に適さないガス組成となっている。そこで、暖機時には、燃料ガス切替バルブ２４を切り替えることで、燃料ガスは燃料ガス供給ライン２３、燃料ガス切替バルブ２４、バイパスライン２８、及び燃料ガス排出ライン２５を介して燃料ガス生成装置２０の加熱部２１へ供給され、この場合も燃焼に利用される。
【００２５】
また、燃料ガス生成装置２０は、燃料ガスを生成するだけでなく、加熱部２１における燃焼で生じた燃焼排ガスを排出する。この燃焼排ガスは、燃焼排ガス供給ライン２９を介して燃料電池１に形成された燃焼排ガス流路１８に供給される。上述したように、燃焼排ガス流路１８は、電極（アノード２６、カソード２７）から隔離されているため、燃焼排ガスに含まれるＣＯを原因とする燃料電池１の性能低下は発生しない。さらに、燃焼排ガス流路１８と冷却水供給マニホールド１４（図２参照）とが近接して設けられているため、燃料電池の暖機時には、燃焼排ガスの熱を冷却水に供給することができる。よって、燃料電池１の内部における冷却水の粘性を下げ、冷却水の循環にかかる負荷を低減することができる。なお、燃料電池１の内部を通過した燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出ライン３０を介して外部に放出される。
【００２６】
酸化剤ガス供給系統３は、燃料電池１に酸化剤ガスを供給する。ここでは酸化剤ガスとして、外気（空気）を用いている。本実施の形態では、ブロア３１を用いて外気を酸化剤ガス供給ライン３２へ導入し、この外気を燃料電池１へ供給する。また、上述したように、燃料電池１の内部では、酸化剤ガス（外気）は酸化剤ガス供給マニホールドから供給され、各セル７の酸化剤ガス小流路を通り、酸化剤ガス排出マニホールドから排出される。なお、燃料電池１の内部を通過した酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出ライン３３を介して外部に放出される。ブロア３１は、燃料電池１の暖機が終了するまで停止しており、燃料ガス生成装置２０からの燃料ガスが燃料電池１へ供給可能となると同時に作動し、外気（空気）を燃料電池１に供給する。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給ライン３２で図示しない加湿器により所定の湿度まで加湿され、その後燃料電池１に供給される。
【００２７】
冷却水系統４は、暖機時には燃料電池を加熱し、発電時には燃料電池１を冷却する。冷却水系統４は、冷却水ポンプ３４及び冷却水タンク３５から主に構成されている。冷却水ポンプ３４を作動させることにより、冷却水タンク３５に蓄えられた冷却水を、第1冷却水ライン３６を介して燃料電池1に供給する。また、上述したように、燃料電池１の内では、冷却水は冷却水供給マニホールド１４から供給され、各セル７の冷却水小流路１２を通り、冷却水排出マニホールド１６から排出される。燃料電池２の冷却水流路３７（冷却水供給マニホールド１４、冷却水小流路１２、及び冷却水排出マニホールド１６）を通過した冷却水は、第２冷却水ライン３８を通って冷却水タンク３５に戻される。さらに、この第２冷却水ライン３８には、第２熱交換器３９が設けられており、第２熱交換器３９では、冷却水と貯湯水系統５の貯湯水とで熱交換が行われる。
【００２８】
貯湯水系統５は、発電時は冷却水から熱を回収する。貯湯水系統５は、温水（貯湯水）を蓄える貯湯タンク４０と、貯湯水を循環する貯湯水ポンプ４１と循環ライン４２とから主に構成されている。貯湯水ポンプ４１を作動することで、貯湯水タンク４０内の貯湯水を循環ライン４２の内部で循環させることができる。循環ライン４２には上述の第２熱交換器３９が設けられており、貯湯水と冷却水系統４の冷却水とで熱交換ができるようになっている。発電時には、貯湯水は、冷却水は燃料電池１が発生する熱を回収するため、貯湯水は第２熱交換器３９を介して冷却水の熱を回収し冷却水を冷やす。このとき、貯湯水タンク４０には熱が蓄えられる。
【００２９】
制御器６は、燃料電池システム１００全体の動作を制御する。上述した構成では、酸化剤ガス供給系統３のブロア３１、燃料ガス供給系統２の燃料ガス切替バルブ２４、冷却水系統４の冷却水ポンプ３４、及び貯湯水系統５の貯湯水ポンプ４１等が制御器６によって制御される。
【００３０】
以上が、本実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成である。次に、本実施の形態の燃料電池システム１００の特徴的動作を説明する。図１において、燃料電池システム１００は、起動時には、燃料ガス生成装置２０が作動されるとともに冷却水ポンプ３４が作動される。このとき、貯湯水ポンプ４１は停止されたままである（貯湯水ポンプ４１は、発電時に作動される）。これにより、燃料ガス生成装置２０の加熱部２１で燃料ガスの燃焼により燃焼排ガスが発生し、この燃焼排ガスが燃料電池１の燃焼排ガス流路１８に供給される。これにより、燃焼排ガス流路１８を通流する燃焼排ガスにより直接燃料電池１が加熱されて昇温される。また、冷却水供給マニホールド１４を流れる冷却水が燃焼排ガス流路１８を流れる燃焼排ガスと熱交換して加熱される。このような本実施の形態に係る燃料電池システム１００によれば、燃焼排ガスが燃焼排ガス流路１８を通過することにより、燃焼排ガスと燃料電池１とが直接熱交換することになる。
【００３１】
ここで、熱容量が４Ｋｃａｌ／Ｋ程度のセルスタック８に１００℃程度の燃焼排ガスを４０分程度流した場合を想定する。燃焼排ガスの水蒸気比率を３０％とすれば、燃焼排ガスの熱量（ガスの顕熱、水蒸気の顕熱と潜熱）は約１５Ｋｃａｌである。そうすると、暖機中に、燃焼排ガスの熱量のみで、セルスタック８の温度を３．５℃程度昇温することが見込まれる。最新の燃料電池では外気温に近い２０℃程度で発電が可能であることから、燃料電池を加熱するにあたって大きな熱量は求められていない。そのため、熱量は大きくなくとも、他の熱源を利用せずに熱量が得られる本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池の暖機にあたって大変有効である。
【００３２】
また、本実施の形態に係る燃料電池１は、燃焼排ガス流路１８と冷却水供給マニホール１４とが近接しているため、燃料電池１の内部において燃焼排ガスの熱により冷却水を温めることができる。冷却水は燃料電池１の内部において広い範囲を流れることから、燃焼排ガスから供給された熱を燃料電池１の全体に均等に供給することができる。
（実施の形態２）
次に、図３を参照して、実施の形態２に係る燃料電池システム２００について説明する。図３は本実施の形態に係る燃料電池システム２００の機能ブロック図である。図３に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム２００は、燃焼排ガス流路１８の下流に第１熱交換器４３を備えている。その他は実施の形態１の燃料電池システム１００と同様の構成である。第１熱交換器４３は、燃料排ガス流路１８の下流に位置する燃焼排ガス排出ライン３０と冷却水系統４の第２冷却水ライン３８とにまたがって設けられ、ここでは燃焼排ガスと燃料電池１から排出された冷却水との熱交換が行われる。
【００３３】
上記構成によれば、燃料電池１の内部で回収しきれなかった燃焼排ガスの熱を、第１熱交換器４３を介して冷却水によって回収することができる。これにより、燃料電池システム２００全体としての熱回収効率を向上させることができる。
（実施の形態３）
次に、図４を参照して、実施の形態３に係る燃料電池システム３００について説明する。図４は本実施の形態に係る燃料電池システム３００の機能ブロック図である。図４（ａ）に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム３００は、燃焼排ガス流路１８の上流と下流を連結する燃焼排ガスバイパス流路４４を燃料電池１の外部に備えている。また、燃焼排ガス流路１８の上流に位置する燃焼排ガス供給ライン２９には流量調整バルブ４５が設けられている。さらに、流量調整バルブ４５は、制御器６により制御される。その他は実施の形態２の燃料電池システム２００と同様の構成である。なお、ここでは、流量調節バルブ４５として開閉弁を用いている。そのため、流量調整バルブ４５を制御することで、燃焼排ガス流路１８に流入する燃焼排ガスの流量と燃焼排ガスバイパス流路４４に流入する燃焼排ガスの流量との比率を調整することができる。
【００３４】
制御器6は、燃料排ガスの全流量に対する燃焼排ガス流路１８へ流入する燃焼排ガスの流量の流量比率が、暖機運転時よりも定常運転時の方が低くなるように流量調整バルブ４５を制御する。なお、制御器6は、起動から発電開始までは次のような制御をおこなう。図５は、起動から発電開始までの燃料電池システム３００の動作を示したフローチャートである。この作動は、制御器6によって遂行される。
【００３５】
まず、制御器９は、燃料電池システム３００の起動（スタート）指令を受け取ると（ステップＳ００）、燃料ガスが燃料ガス生成装置２０の加熱部２１に供給されるように燃料ガス切替バルブ２４の開度を大きくする（ステップＳ０１）。続いて、燃料電池１に流れる燃焼排ガスの流量比率が大きくなるように流量調節バルブ４５を切り替える（ステップＳ０２）。続いて、燃料ガス生成装置２０の改質部２２へ原料と水を供給すると同時に加熱部２１へ燃焼用燃料を供給し、燃料ガスの生成を開始する（ステップＳ０３）。これにより、燃料ガス生成装置２０の改質部２２で燃料ガスが生成され、これが燃料ガス生成装置２０の加熱部２１へ供給されてそこで燃焼される。この燃焼による熱が改質部２２に供給されるとともにその燃焼排ガスが燃料電池１に供給される。これにより、燃料電池１が昇温し始める。続いて、燃料電池温度Ｔstが発電可能温度Ｔsts以上となるまで待機する（ステップＳ０４でNo）。そして、燃料電池温度Ｔstが発電可能温度Ｔsts以上となると（ステップＳ０４でYes）、燃料電池１に流れる燃料排ガスの流量比率が小さくなるように流量調節バルブ４５の開度を小さくする（ステップＳ０５）。続いて、冷却水ポンプ３４を作動して冷却水の循環を開始する（ステップＳ０６）。また、このとき、貯湯水循環ポンプ４１も起動される。これにより、燃料電池１はいつでも発電を開始できる状態になる。続いて、図示しない温度検知器により取得した燃料ガス生成装置２０の改質部における改質部温度Ｔrが発電可能燃料ガス供給温度Ｔrs以上であるか判断する（ステップＳ０７）。改質部温度Ｔrが発電可能燃料ガス供給温度Ｔrs以上でない場合はステップＳ０６へ戻り、改質部温度Ｔrが発電可能燃料ガス供給温度Ｔrs以上となるまで待機する（ステップＳ０７でNo）。改質部温度Ｔrが発電可能燃料ガス供給温度Ｔrs以上の場合、あるいは発電可能燃料ガス供給温度Ｔrs以上となると、燃料ガスが燃料電池１に流れるように燃料ガス切替バルブ２４を切り替える（ステップＳ０８）。続いて、酸化剤供給系統３のブロア３１を作動して酸化剤ガスの燃料電池１への供給を開始する（ステップＳ０９）。その後、発電を開始し、電力を取り出し始める（ステップＳ１０）。
【００３６】
上記構成によれば、暖機時には燃焼排ガスの熱を利用することで燃料電池１の暖機時間を短縮することができる。また、発電時（定常運転時）には燃料電池１への燃焼排ガスの供給を減少し、直接第１熱交換器４３へ燃焼排ガスを導入することで、必要以上に燃料電池１を昇温するのを防ぐことができる。
【００３７】
なお、上記の構成では、流量調節バルブ４５として開閉弁を用いたが、図４（ｂ）に示すように流量調節バルブ４５として三方弁を用いてもよい。かかる構成によれば、暖機時と発電時で燃焼排ガスを燃料電池１（燃焼排ガス流路１８）及び燃焼排ガスバイパス経路４４の一方に選択的に流すことができるため、暖機時には積極的に燃料電池１へ燃焼排ガスを供給でき、燃料電池１の暖機時間を短縮することができる。
（実施の形態４）
次に、図６を参照して、実施の形態４に係る燃料電池システム４００について説明する。図６は、本実施の形態に係る燃料電池システム４００の機能ブロック図である。図６に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム４００は、燃焼排ガスと冷却水との熱交換が行われる第１熱交換器４３（図４参照）に代えて、燃焼排ガスバイパス流路４４中に第３熱交換器４６を備えている。その他は、実施の形態３の燃料電池システム３００と同様の構成である。第３熱交換機４６は、燃焼排ガスバイパス流路４４と貯湯水系統５の循環ライン４２にまたがって設けられ、燃焼排ガスと貯湯水との熱交換を行う。
【００３８】
上記構成によれば、燃料電池１では回収できない燃焼排ガスの熱を、第３熱交換器４６を介して貯湯水によって回収することができる。また、実施の形態３の構成の場合、発電時では冷却水の温度が上昇するため、燃焼排ガスと冷却水の温度差が小さくなり、冷却水での熱回収効率が低下する。ところが、本実施の形態では、発電時には温度が比較的低い貯湯水を用いて、燃焼排ガスの熱を回収することができるため、熱回収効率の低下を抑えることができる。なお、本実施の形態では、ガス量調節バルブ４５として開閉弁を使用したが、実施の形態３の場合と同様、ガス量調節バルブ４５として三方弁を使用しても同様の効果が期待できる。
（実施の形態５）
次に、図７を参照して、実施の形態５に係る燃料電池システム５００について説明する。図７は、本実施の形態に係る燃料電池システム５００の機能ブロック図である。図７に示すように、本実施の形態の燃料電池システム５００は、実施の形態２及び３で説明した第１熱交換器４３に加え、実施の形態４で説明した第３熱交換器４６をも備えている。ただし、実施の形態３では、燃焼排ガスバイパス流路４４の下流端が燃焼排ガス排出ライン３０のうち燃料電池１と第１熱交換器の間に連結されていたのに対し、本実施の形態では、燃焼排ガスバイパス流路４４の下流端が燃焼排ガス排出ライン３０のうち第１熱交換器のさらに下流側に連結されている。上記構成によれば、実施の形態３及び実施の形態４のいずれの効果も得ることができるため、燃料電池システム全体として、より確実に燃焼排ガスの熱を回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施の形態１の燃料電池システム１００の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】実施の形態１の燃料電池１の構成を示す概略斜視透視図である。
【図３】実施の形態２の燃料電池システム２００の構成を示す機能ブロック図である。
【図４】実施の形態３の燃料電池システム３００の構成を示す機能ブロック図である。
【図５】実施の形態３の燃料電池システム３００の運転フローを示すフロー図である。
【図６】実施の形態４の燃料電池システム４００の構成を示す機能ブロック図である。
【図７】実施の形態５の燃料電池システム５００の構成を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００４０】
１００、２００、３００、４００、５００  燃料電池システム
１  燃料電池
２  燃料ガス供給系統
３  酸化剤ガス供給系統
４  冷却水系統
５  貯湯水系統
６  制御器
１４  冷却水供給マニホールド
１８  燃焼排ガス流路
１９  温度検知器
２０  燃料ガス生成装置
２６  アノード
２７  カソード
３７  冷却水流路
３９  第２熱交換器
４３  第１熱交換器
４４  燃焼排ガスバイパス流路
４５  流量調整バルブ
４６  第３熱交換器
５１  燃料ガス供給マニホールド孔
５２  燃料ガス排出マニホールド孔
５３  酸化剤ガス供給マニホールド孔
５４  酸化剤ガス排出マニホールド孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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