JP2017068913A

JP2017068913A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2017068913A
Application number: JP2015189597A
Authority: JP
Inventors: 正裕谷川; Masahiro Tanigawa; 中村　彰成; Akinari Nakamura; 彰成中村; 伊藤　和彦; Kazuhiko Ito; 和彦伊藤; 耕平露口; Kohei Tsuyuguchi
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2015-09-28
Publication date: 2017-04-06

Abstract

【課題】改質器に水を供給する水供給経路の凍結を防止でき、凍結を防止するのに、筐体内の配管設計の制御が従来よりも少ない燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、原料及び水を反応させて水素含有ガスを生成する改質器１と水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池２とを備える燃料電池モジュール３と、燃料電池モジュール３から排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を貯める凝縮水タンク４と、水を浄化する浄化器５と、凝縮水タンク４と浄化器５との間で水が循環するように凝縮水タンク４と浄化器５とを環状に連接した循環経路６と、循環経路６で水を循環させる循環器７と、浄化器５よりも下流かつ凝縮水タンク４よりも上流の循環経路６から分岐し、改質器１に水を供給する水供給経路８とを備える。水供給経路８と循環経路６とが熱交換する熱交換部９を有する。
【選択図】図１

Description

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に関するものである。

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。

燃料電池には、改質器が併設され、この改質器において、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。

ここで、水蒸気改質を行う改質器において、一般的に、改質器に供給する水は、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た後、浄化器を介して浄化処理した精製水として、改質器にポンプなどを用いて送られる。

改質器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合流して混合ガスを生成する。そして、水蒸気と原料の混合ガスは、改質器にて改質反応により、水素含有ガス（燃料ガス）となる。この燃料ガスが、改質器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酸化剤ガス（空気）と燃料電池で発電反応する。

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、外気温）が氷点下の場合、改質器へ水を供給するための水供給経路、浄化器、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（外気温）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。

その方法の一つとして、燃料電池の熱を回収した冷却水を貯める冷却水タンクから溢れる冷却水を凝縮水タンクに排水するオーバーフロー経路と、凝縮水タンクの凝縮水を冷却水タンクに冷却水として供給する冷却水供給経路とを熱交換可能に配置する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１０９９８８号公報

しかしながら、筐体内の配管設計の都合上、燃料電池の熱を回収した冷却水を貯める冷
却水タンクから溢れる冷却水を凝縮水タンクに排水するオーバーフロー配管に沿わせて配置できない配管については、オーバーフロー配管との熱交換による凍結予防ができないという課題を有していた。

また、改質器に水を供給する水供給経路は、燃料電池システムの停止時には、低温時であっても内部を流れる水によって経路を温めることができないため、周囲の気温が低い時には、凍結してしまう恐れがあった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、改質器に水を供給する水供給経路を含む水の経路の凍結を防止でき、その凍結を防止するのに、従来よりも筐体内の配管設計の制限が少ない燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原料及び水を反応させて水素含有ガスを生成する改質器と前記水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を貯める凝縮水タンクと、水を浄化する浄化器と、前記凝縮水タンクと前記浄化器との間で水が循環するように前記凝縮水タンクと前記浄化器とを環状に連接した循環経路と、前記循環経路で水を循環させる循環器と、前記浄化器及び前記循環器よりも下流かつ前記凝縮水タンクよりも上流の前記循環経路から分岐し、前記改質器に水を供給する水供給経路と、を備え、前記水供給経路と前記循環経路とが熱交換する熱交換部を有するのである。

上記構成において、循環器を動作させて、凝縮水タンクの水を浄化器に供給し、浄化器で浄化された水を凝縮水タンクに戻すように循環経路で水を循環させることにより、循環経路を循環する水からの伝熱により、循環経路全体が温められるので、循環経路を構成する配管同士を互いに熱交換可能に配置しなくても、循環経路全体の凍結を防止することができる。

また、改質器に水を供給する水供給経路については、水供給経路と循環経路とが熱交換する熱交換部における循環経路から伝わる熱によって温められるので、水供給経路の凍結を防止することができる。

従って、改質器に水を供給する水供給経路と、循環器の動作時に凝縮水タンクの水が浄化器で浄化されて凝縮水タンクに戻るように水が循環する循環経路とが、熱交換する熱交換部を設けたことにより、凝縮水タンクと浄化器とを環状に連接した循環経路の凍結と、改質器に水を供給する水供給経路の凍結とを防止でき、凍結を防止するのに、筐体内の配管設計の制限が従来よりも少ない燃料電池システムを提供できることとなる。

本発明の燃料電池システムは、改質器に水を供給する水供給経路と、循環器の動作時に凝縮水タンクの水が浄化器で浄化されて凝縮水タンクに戻るように水が循環する循環経路とが、熱交換する熱交換部を設けたことにより、循環経路を構成する配管同士を互いに熱交換可能に配置しなくても、循環経路を循環する水からの伝熱により、循環経路全体の凍結を防止することができ、改質器に水を供給する水供給経路については、熱交換部における循環経路から伝わる熱によって、水供給経路の凍結を防止することができる。そして、凍結を防止するのに、筐体内の配管設計の制限を従来よりも少なくできる。

本発明の実施の形態１〜３に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図本発明の実施の形態１〜１０に係る燃料電池システムにおける熱交換部の構成の一例を示す概略図本発明の実施の形態１、実施の形態４、実施の形態６〜１０に係る燃料電池システムの制御器の動作を示すフローチャート本発明の実施の形態２、実施の形態５に係る燃料電池システムの制御器の動作を示すフローチャート本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの制御器の動作を示すフローチャート本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図本発明の実施の形態８に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図本発明の実施の形態９に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図本発明の実施の形態１０に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図

第１の発明は、原料及び水を反応させて水素含有ガスを生成する改質器と前記水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を貯める凝縮水タンクと、水を浄化する浄化器と、前記凝縮水タンクと前記浄化器との間で水が循環するように前記凝縮水タンクと前記浄化器とを環状に連接した循環経路と、前記循環経路で水を循環させる循環器と、前記浄化器及び前記循環器よりも下流かつ前記凝縮水タンクよりも上流の前記循環経路から分岐し、前記改質器に水を供給する水供給経路と、を備え、前記水供給経路と前記循環経路とが熱交換する熱交換部を有する燃料電池システムである。

上記構成において、凝縮水タンクに、燃料電池モジュールから排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水が貯まっている状態において、循環器を動作させて、凝縮水タンクの水を浄化器に供給し、浄化器で浄化された水を凝縮水タンクに戻すように循環経路で水を循環させることにより、循環経路を循環する水は浄化されていく。

このとき、循環経路を循環する水からの伝熱により、循環経路全体が温められるので、循環経路を構成する配管同士を互いに熱交換可能に配置しなくても、循環経路全体の凍結を防止することができる。

なお、水供給経路は、浄化器及び循環器よりも下流かつ凝縮水タンクよりも上流の循環経路から分岐しているので、浄化器で浄化された凝縮水タンクの水を改質器に供給することができる。

また、水供給経路と循環経路の凍結防止の効果を高めるため、水供給経路への通流は、循環経路を循環する水からの伝熱により、循環経路全体を温めて、熱交換部における循環経路から伝わる熱によって水供給経路を温めてから、行うようにすることが望ましい。

従って、改質器に水を供給する水供給経路と、循環器の動作時に凝縮水タンクの水が浄化器で浄化されて凝縮水タンクに戻るように水が循環する循環経路とが、熱交換する熱交換部を設けたことにより、凝縮水タンクと浄化器とを環状に連接した循環経路の凍結と、改質器に水を供給する水供給経路の凍結とを防止でき、凍結を防止するのに、筐体内の配管設計の制限を従来よりも少なくできる。

第２の発明は、特に、第１の発明に加えて、前記燃料電池モジュール、前記凝縮水タンク、前記浄化器及び前記循環器をその内部に収容する筐体と、前記筐体内又は外気の気温を検出する気温検出器と、前記循環器を制御する制御器と、を備え、前記制御器が、前記循環器の停止中に、前記気温検出器により検出した気温が第１温度以下になった場合に、前記循環器を運転するよう制御するものである。

上記構成により、循環器（燃料電池システム）の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器により検出した筐体内又は外気の気温が、第１温度（例えば、循環経路及び水供給経路の少なくともどちらか一方が凍結し始める時の気温より若干高く設定された温度）以下になった場合は、循環器が運転されて、循環経路を循環する水からの伝熱によって、循環経路全体が温められるので、循環経路全体の凍結を防止することができる。そして、改質器に水を供給する水供給経路は、熱交換部において循環経路から伝わる熱によって温められるので、水供給経路の凍結を防止することができる。

また、循環器（燃料電池システム）の停止中（発電要求がない時）で、気温検出器により検出した筐体内又は外気の気温が、第１温度よりも高い場合（循環経路及び水供給経路が凍結しない温度である場合）は、循環器が運転されないので、循環経路が凍結するのを防止する必要がある場合のみ循環器を運転させることができ、無駄に循環器を動作させず省エネに寄与できる。

第３の発明は、特に、第２の発明に加えて、前記循環経路の水を加熱する発熱装置を備え、前記制御器が、前記水供給経路に水が流れていない時に、前記気温検出器により検出した気温が前記第１温度以下に設定された第２温度以下になった場合に、前記発熱装置を運転するよう制御するものである。

上記構成により、水供給経路に水が流れていない時に、気温検出器により検出した筐体内又は外気の気温が、第１温度（例えば、循環経路及び水供給経路の少なくともどちらか一方が凍結し始める時の気温より若干高く設定された温度）以下に設定された第２温度以下になった場合には、循環器に加えて発熱装置が運転されて、発熱装置によって加熱された水が循環経路を循環して、循環器のみ運転している場合よりも循環経路全体が温められるので、循環器のみの運転では循環経路及び水供給経路の凍結を防止することが困難な低温環境であっても、発熱装置の併用によって循環経路及び水供給経路の凍結を防止することが可能になる。

なお、循環器を運転しないで発熱装置のみを運転して、循環経路及び水供給経路の凍結を防止しようとすれば、循環経路及び水供給経路の全体に凍結防止に充分な熱か伝わるように、循環経路及び水供給経路に沿って広い範囲に発熱装置を配置したり、筐体内の気温を充分に高くできるような発熱装置を用いたりする必要がある。

しかしながら、上記構成では、循環器を運転しないで発熱装置のみを運転することはなく、発熱装置によって加熱された水が循環経路を循環して循環経路を温めると共に循環経路から伝わる熱で水供給経路が温められるので、循環経路及び水供給経路に沿って広い範囲に発熱装置を配置したり、筐体内の気温を充分に高くできるような発熱装置を用いたりする必要はない。

また、循環経路及び水供給経路の凍結防止のために循環器を運転する条件を満たしていても、気温検出器により検出した筐体内又は外気の気温が、第２温度よりも高い場合は、発熱装置が運転されないので、循環経路及び水供給経路の凍結を防止するのに、発熱装置によって加熱された水を循環経路で循環させる必要がある場合のみ発熱装置を運転させることができ、無駄に発熱装置を動作させず省エネに寄与できる。

また、発熱装置を運転させる基準となる第２温度を、循環器を運転させる基準となる第１温度以下にしたので、循環経路及び水供給経路の凍結を防止するために、循環器を運転しないで発熱装置のみを運転する状態が起こらず、非効率な凍結防止動作をするのを防止できる。

また、第１温度と第２温度とに温度差を設けた場合は、循環器のみの運転で循環経路及び水供給経路の凍結を防止することが可能な低温環境時には、循環器のみを運転し、循環経路及び水供給経路の凍結を防止するのに、発熱装置によって加熱された水を循環経路で循環させる必要があるような低温環境時には、循環器に加えて発熱装置を運転するようにして、循環経路及び水供給経路の凍結を防止するのに必要な電力消費量を抑えることができ、第１温度と第２温度とに温度差を設けない場合（循環器と発熱装置が同時に動作する場合）よりも、循環経路及び水供給経路の凍結防止動作による電力消費量の変動幅を小さくできる。

第４の発明は、特に、第２の発明に加えて、前記循環経路の水を加熱する発熱装置と、前記循環経路の水の温度を検出する水温検出器と、を備え、前記制御器が、前記循環器の停止中に前記気温検出器により検出した気温が第１温度以下になったことにより前記循環器が動作した場合で、且つ、前記水温検出器により検出した水温が第３温度以下になった場合に、前記発熱装置を運転するよう制御するものである。

上記構成により、循環器の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器により検出した筐体内又は外気の気温が、第１温度（例えば、循環経路及び水供給経路の少なくともどちらか一方が凍結し始める時の気温より若干高く設定された温度）以下になった上に、水温検出器により検出した循環経路の水の温度が、第３温度（例えば、循環経路の水が凍結し始める温度より高く設定された温度）以下になった場合は、循環器に加えて発熱装置が運転されて、発熱装置によって加熱された水が循環経路を循環して、循環器のみ運転している場合よりも循環経路全体が温められるので、循環器のみの運転では循環経路及び水供給経路の凍結を防止することが困難な低温環境であっても、発熱装置の併用によって循環経路及び水供給経路の凍結を防止することが可能になる。

しかしながら、上記構成では、循環器を運転しないで発熱装置のみを運転することはなく、発熱装置によって加熱された水が循環経路を循環して循環経路を温めると共に循環経路から伝わる熱で水供給経路が温められるので、循環経路及び水供給経路に沿って広い範
囲に発熱装置を配置したり、筐体内の気温を充分に高くできるような発熱装置を用いたりする必要はない。

また、循環経路及び水供給経路の凍結防止のために循環器を運転する条件を満たしていても、水温検出器により検出した循環経路の水の温度が、第３温度よりも高い場合は、発熱装置が運転されないので、循環経路及び水供給経路の凍結を防止するのに、発熱装置によって加熱された水を循環経路で循環させる必要がある場合のみ発熱装置を運転させることができ、無駄に発熱装置を動作させず省エネに寄与できる。

また、循環経路及び水供給経路の凍結防止のために発熱装置を運転させる条件は、循環経路及び水供給経路の凍結防止のために循環器を運転させる条件を含んでいるので、循環経路及び水供給経路の凍結を防止するために、循環器を運転しないで発熱装置のみを運転する状態が起こらず、非効率な凍結防止動作をするのを防止できる。

また、循環器のみの運転で循環経路及び水供給経路の凍結を防止することが可能な低温環境時には、循環器のみを運転し、循環経路及び水供給経路の凍結を防止するのに、発熱装置によって加熱された水を循環経路で循環させる必要があるような低温環境時には、循環器に加えて発熱装置を運転するようにして、循環経路及び水供給経路の凍結を防止するのに必要な電力消費量を抑えることができ、循環器と発熱装置の運転開始が同時にならないように、循環器の運転を開始してから、発熱装置の運転開始を行うことにより、循環器と発熱装置の運転開始が同時になる場合よりも、循環経路及び水供給経路の凍結防止動作による電力消費量の変動幅を小さくできる。

また、循環器の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器により検出した筐体内又は外気の気温が、第１温度（例えば、循環経路及び水供給経路の少なくともどちらか一方が凍結し始める時の気温より若干高く設定された温度）以下になったが、水温検出器により検出した循環経路の水の温度が、第３温度（例えば、循環経路の水が凍結し始める温度より高く設定された温度）よりも高い場合は、発熱装置が運転されず循環器のみの運転になるが、循環経路の周囲の気温が低い場合には、循環経路の水が循環経路の循環中に循環経路で冷やされて、循環経路を循環する水の温度が第３温度以下になる可能性がある。

この場合は、水温検出器により検出した循環経路の水の温度が第３温度以下になった時点で、発熱装置が運転されて、発熱装置によって加熱された水が循環経路を循環するようになるので、循環器のみの運転では循環経路及び水供給経路の凍結を防止することが困難な低温環境であっても、発熱装置の併用によって循環経路及び水供給経路の凍結を防止することが可能になる。

第５の発明は、特に、第１の発明に加えて、前記循環経路の水の温度を検出する水温検出器と、前記循環器を制御する制御器とを備え、前記制御器が、前記循環器の停止中に、前記水温検出器により検出した水温が第４温度以下になった場合に、前記循環器を運転するよう制御するものである。

上記構成により、循環器（燃料電池システム）の停止中（発電要求がない時）に、水温検出器により検出した循環経路の水の温度が、第４温度（例えば、循環経路の水の温度から、循環経路及び水供給経路の少なくともどちらか一方が凍結し始める低温環境であることが予測される時の循環経路の水の温度より若干高く設定された温度）以下になった場合は、循環器が運転されて、循環経路を循環する水からの伝熱によって、循環経路全体が温められるので、循環経路全体の凍結を防止することができる。そして、改質器に水を供給する水供給経路は、熱交換部において循環経路から伝わる熱によって温められるので、水供給経路の凍結を防止することができる。

また、循環器（燃料電池システム）の停止中（発電要求がない時）で、水温検出器により検出した循環経路の水の温度が、第４温度よりも高い場合（循環経路及び水供給経路が凍結状態にならないと予測される水温である場合）は、循環器が運転されないので、循環経路が凍結するのを防止する必要がある場合のみ循環器を運転させることができ、無駄に循環器を動作させず省エネに寄与できる。

第６の発明は、特に、第５の発明に加えて、前記循環経路の水を加熱する発熱装置を備え、前記制御器が、前記水供給経路に水が流れていない時に、前記水温検出器により検出した水温が前記第４温度以下に設定された第５温度以下になった場合に、前記発熱装置を運転するよう制御するものである。

上記構成により、水供給経路に水が流れていない時に、水温検出器により検出した循環経路の水の温度が、第４温度（例えば、循環経路の水の温度から、循環経路及び水供給経路の少なくともどちらか一方が凍結し始める低温環境であることが予測される時の循環経路の水の温度より若干高く設定された温度）以下に設定された第５温度以下になった場合には、循環器に加えて発熱装置が運転されて、発熱装置によって加熱された水が循環経路を循環して、循環器のみ運転している場合よりも循環経路全体が温められるので、循環器のみの運転では循環経路及び水供給経路の凍結を防止することが困難な低温環境であっても、発熱装置の併用によって、循環経路及び水供給経路の凍結を防止することが可能になる。

なお、循環器を運転しないで発熱装置のみを運転して、循環経路及び水供給経路の凍結を防止しようとすれば、循環経路及び水供給経路の全体に凍結防止に充分な熱か伝わるように、循環経路及び水供給経路に沿って広い範囲に発熱装置を配置したり、燃料電池モジュール、凝縮水タンク、浄化器及び循環器をその内部に収容する筐体内の気温を充分に高くできるような発熱装置を用いたりする必要がある。

また、循環経路及び水供給経路の凍結防止のために循環器を運転する条件を満たしていても、水温検出器により検出した循環経路の水の温度が、第５温度よりも高い場合は、発熱装置が運転されないので、循環経路及び水供給経路の凍結を防止するのに、発熱装置によって加熱された水を循環経路で循環させる必要がある場合のみ発熱装置を運転させることができ、無駄に発熱装置を動作させず省エネに寄与できる。

また、発熱装置を運転させる基準となる第５温度を、循環器を運転させる基準となる第４温度以下にしたので、循環経路及び水供給経路の凍結を防止するために、循環器を運転しないで発熱装置のみを運転する状態が起こらず、非効率な凍結防止動作をするのを防止できる。

また、第４温度と第５温度とに温度差を設けた場合は、循環器のみの運転で循環経路及び水供給経路の凍結を防止することが可能な低温環境時には、循環器のみを運転し、循環経路及び水供給経路の凍結を防止するのに、発熱装置によって加熱された水を循環経路で循環させる必要があるような低温環境時には、循環器に加えて発熱装置を運転するようにして、循環経路及び水供給経路の凍結を防止するのに必要な電力消費量を抑えることがで
き、第４温度と第５温度とに温度差を設けない場合（循環器と発熱装置が同時に動作する場合）よりも、循環経路及び水供給経路の凍結防止動作による電力消費量の変動幅を小さくできる。

また、水温検出器により検出した循環経路の水の温度が、第４温度以下で第５温度よりも高い場合は、発熱装置が運転されず循環器のみの運転になるが、循環経路の周囲の気温が低い場合には、循環経路の水が循環経路の循環中に循環経路で冷やされて、循環経路を循環する水の温度が第５温度以下になる可能性がある。

この場合は、水温検出器により検出した循環経路の水の温度が第５温度以下になった時点で、発熱装置が運転されて、発熱装置によって加熱された水が循環経路を循環するようになるので、循環器のみの運転では循環経路及び水供給経路の凍結を防止することが困難な低温環境であっても、発熱装置の併用によって循環経路及び水供給経路の凍結を防止することが可能になる。

第７の発明は、特に、第１から第６のいずれかの発明において、熱交換部では、前記水供給経路の配管と前記循環経路の配管とが接触しているものである。

上記構成において、熱交換部では、水供給経路の配管と循環経路の配管とが接触するように配置されているので、水供給経路の配管と循環経路の配管とを、直接的熱伝導によって、熱交換させることができ、結束バンド等の結束部品を用いて水供給経路の配管と循環経路の配管とが接触する状態を維持させることが可能であるので、水供給経路と循環経路とを熱交換させるための構成が簡単であるため、燃料電池システムのコスト低減に寄与できる。

第８の発明は、特に、第７の発明において、前記熱交換部の前記水供給経路の配管と前記循環経路の配管とを一緒に覆う断熱材を備えるものであり、断熱材によって、水供給経路の配管と循環経路の配管とが接触する状態を維持したままで、前記水供給経路と前記循環経路の熱が外気に放熱されるのと、前記水供給経路と前記循環経路が外気によって冷えるのを抑制でき、低コストで、より確実に水供給経路の凍結を防止することができる。

また、水供給経路と循環経路とが接触する状態で、水供給経路と循環経路とを一緒に断熱材で覆うことにより、結束バンド等の結束部品による結束を省略したり結束バンド等の結束部品による結束を一時的な仮結束にした場合であっても、断熱材によって水供給経路と循環経路とが接触する状態を維持することができる。

第９の発明は、特に、第１から第８のいずれかの発明において、前記水供給経路は、前記水供給経路が前記循環経路から分岐する分岐点よりも上流側部分の前記循環経路と熱交換するものである。

水供給経路に水が流れている時は、水供給経路に水が流れていない時よりも、水供給経路が循環経路から分岐する分岐点よりも下流側部分の循環経路を流れる水の水量が、水供給経路に流れる水の水量だけ減るので、水供給経路が、水供給経路が循環経路から分岐する分岐点よりも下流側部分の循環経路と熱交換するように構成した場合は、水供給経路に水が流れている時は、水供給経路に水が流れていない時よりも、熱交換部で循環経路の配管から水供給経路の配管に伝わる熱量が減ってしまう。

しかし、水供給経路が、水供給経路が循環経路から分岐する分岐点よりも上流側部分の循環経路と熱交換するように構成した場合は、水供給経路に水が流れている時と、水供給経路に水が流れていない時とで、熱交換部で循環経路から水供給経路に伝わる熱量は変わ
らない。

したがって、水供給経路の凍結防止のためには、水供給経路は、水供給経路が循環経路から分岐する分岐点よりも上流側部分の循環経路と熱交換するように構成することが望ましい。

以下、本発明の燃料電池システムの実施の形態を、図面を参照しながら説明するが、本発明が、これら実施の形態により限定されないことは勿論である。

（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概略構成を模式的に示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムにおける熱交換部の構成の一例を示す概略図である。

図１に示すように、実施の形態１に係る燃料電池システムは、原料及び水を反応させて水素含有ガスを生成する改質器１と水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池２とを備える燃料電池モジュール３と、燃料電池モジュール３から排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を貯める凝縮水タンク４と、水を浄化する浄化器５と、凝縮水タンク４と浄化器５との間で水が循環するように凝縮水タンク４と浄化器５とを環状に連接した循環経路６と、循環経路６で水を循環させる循環器７と、浄化器５よりも下流かつ凝縮水タンク４よりも上流の循環経路６から分岐し、改質器１に水を供給する水供給経路８と、を備える。また、水供給経路８と循環経路６とが熱交換する熱交換部９を有する。

燃料電池モジュール３から排気される排ガスが流通する排ガス経路１０は、経路の途中に排ガス熱交換器１１と気液分離器１２とを備える。

排ガス熱交換器１１は、燃料電池モジュール３から排気され排ガス経路１０を流通する排ガスと、循環器１３によって排熱回収経路１４を循環する貯湯槽（図示せず）の貯湯水とを熱交換させて、燃料電池モジュール３から排気される排ガス中の水分を凝縮させる。

排ガス熱交換器１１からの排ガスおよびその凝縮水は、気液分離器１２において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分である排ガスは、燃料電池システムの構成部品を収容する筐体１５の外部に排気され、凝縮水は凝縮水タンク４に貯留される。

水供給経路８が循環経路６から分岐する分岐点１６よりも下流側の循環経路６には、循環電磁弁１７を備え、水供給経路８における分岐点１６よりも下流側で熱交換部９よりも上流側の部分には、改質水電磁弁１８を備える。

循環電磁弁１７は、水供給経路８を用いて改質器１に水を供給する時に閉じて、水供給経路８を用いて改質器１に水を供給せずに循環経路６で水を循環させる時に開く電磁弁である。また、改質水電磁弁１８は、水供給経路８を用いて改質器１に水を供給する時に開き、水供給経路８を用いて改質器１に水を供給せずに循環経路６で水を循環させる時に閉じる電磁弁である。

本実施の形態では、熱交換部９において、水供給経路８は、分岐点１６及び循環器７よりも上流側で浄化器５よりも下流側の循環経路６と熱交換するように構成しているが、分岐点１６よりも上流側部分の循環経路６と熱交換するように構成していれば良い。

凝縮水タンク４は、電気ヒータ等で構成され凝縮水タンク４内に貯まっている水を加熱する発熱装置１９と、凝縮水タンク４内に貯まっている水の温度を検出する水温検出器２
０と、フロート式水位センサ等で構成され凝縮水タンク４内に貯まっている水の水位を検出する水位検出器２１と、凝縮水タンク４の水位が所定の高さを超えないように、所定の高さを超える水（凝縮水）を凝縮水タンク４から排出するオーバーフロー経路（図示せず）を備える。燃料電池システムの発電時に余剰電力が生じた場合は、その余剰電力が発熱装置１９に使用される。

さらに、筐体１５内には、筐体１５内の気温を検出する気温検出器２２と、循環器７を制御する制御器２３を備える。なお、気温検出器２２は外気温を検出するものであっても構わない。本実施の形態では、気温検出器２２を筐体１５内の底部に配置している。

凝縮水タンク４内の水位が下限水位以下になると、水位検出器２１が減水を検出して、制御器２３が、図示しない給水手段により、貯湯槽の貯湯水または水道水を、凝縮水タンク４に給水する。また、循環器７は、水位検出器２１が下限水位より高い水位を検出している場合に、制御器２３によって運転される。

制御器２３は、燃料電池システムを構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよく、例えば、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。

制御器２３は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システムの制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器２３は、マイクロコントローラで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ、論理回路等によって構成されていてもよい。

図２に示すように、熱交換部９では、水供給経路８の水供給経路配管２４と循環経路６の循環経路配管２５とが接触している。また、熱交換部９の水供給経路８の水供給経路配管２４と循環経路６の循環経路配管２５とを一緒に覆う熱交換部断熱材２６を備える。また、熱交換部９以外の水供給経路配管２４は、必要に応じて水供給経路断熱材２７で覆われ、熱交換部９以外の循環経路配管２５は、必要に応じて循環経路断熱材２８で覆われている。

本実施の形態では、水供給経路８の水供給経路配管２４と循環経路６の循環経路配管２５に、樹脂製の配管を用いているが、熱交換部９における水供給経路配管２４と循環経路配管２５には、樹脂よりも熱伝導率の高い材料で構成された配管（例えば、金属製配管）を用いることが望ましい。また、水供給経路配管２４と循環経路配管２５は、できるだけ広い面積で接触するようにすることが望ましい。

なお、本実施の形態では、水供給経路８の水供給経路配管２４と循環経路６の循環経路配管２５とを接触させることにより、熱交換部９を構成したが、これに限らず、熱交換部９を、水供給経路８を通流する水と循環経路６を通流する水との間で熱交換する熱交換器で構成しても構わない。

改質器１は、原料及び水（改質水）を用いて水素含有ガスを生成する反応器である。改質器１では、触媒の存在下で原料が水蒸気と改質反応して、水素含有ガスを生成する。改質器１は、その触媒の適温、例えば、６００〜７００℃に加熱される。また、改質器１には蒸発器（図示せず）が設けられており、ここで、水供給経路８を介して供給された水（改質水）から水蒸気を生成する。

また、原料は、原料供給器（図示せず）から原料供給経路２９を介して改質器１に供給
される。原料は、例えばメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含むガスである。原料供給器は、原料ガスの流量を調整する機能を有する機器であり、例えば、昇圧器および／または流量調整弁、または、定容積型ポンプが例示される。

燃料電池２は、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する固体酸化物形燃料電池である。燃料電池２は、触媒の存在下で水素含有ガスが酸化剤ガスと電気化学反応して、電気および水を生成する。

燃料電池２は、セル（図示せず）、カソード流路（図示せず）およびアノード流路（図示せず）が設けられている。アノード流路には、改質器１で生成され水素含有ガス供給経路３０を介して供給された水素含有ガスが流通する。カソード流路には、空気供給器（図示せず）から酸化剤ガス供給経路３１を介して供給された空気が酸化剤ガスとして流通する。

この水素含有ガス及び酸化剤ガスがセルにおいて電気化学反応し、空気がセルを冷却する。そして、これらのガスは、セルから排出されて、燃焼器（図示せず）に供給される。この燃焼器により、セルおよび改質器１が加熱される。例えば、セルは、その触媒の適温である、５００℃〜１０００℃に加熱される。

排ガス経路１０は、燃料電池２（燃料電池モジュール３）から排出された排ガスが流通する経路である。排ガス経路１０は、その上流端が燃料電池２に接続され、気液分離器１２で分岐した一方の下流端が筐体１５の排出口（図示せず）に接続され、気液分離器１２で分岐した他方の下流端が凝縮水タンク４に接続されている。

例えば、燃料電池２の燃焼器から排出されたガス（排ガス）が排ガス経路１０を介して筐体１５の外部へ排出される。排ガス経路１０を流れる排ガスの温度は、例えば、２００℃である。

循環経路６は、燃料電池２（燃料電池モジュール３）から排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水が循環する経路である。循環経路６上には、凝縮水タンク４、浄化器５、熱交換部９、循環器７、循環電磁弁１７が、この順で環状に接続されていて、循環器７によって、凝縮水タンク４の凝縮水が、浄化器５、熱交換部９、循環器７、分岐点１６、循環電磁弁１７を順に通過して、凝縮水タンク４に戻るよう循環させられる。

また、浄化器５で浄化された凝縮水は、分岐点から改質水電磁弁１８を備えた水供給経路８を介して改質器１に供給される改質水としても機能する。

排ガス熱交換器１１は、排ガス経路１０及び排熱回収経路１４に設けられ、燃料電池２（燃料電池モジュール３）から排気される排ガスと、排熱回収経路１４を循環する貯湯槽の貯湯水との間で熱交換する熱交換器である。排ガス熱交換器１１として、周知の熱交換器を用いることができる。例えば、７００℃の高温の排ガスにより４０℃の低温の貯湯水が加熱されて、７０℃に貯湯水が昇温される。一方、貯湯水により排ガスが冷却される。

この排ガスは、燃料電池２の発電により生成した水分を含んでいるため、排ガスに含まれている水蒸気が凝縮して、水（凝縮水）が生成する。なお、排ガス熱交換器１１の数は１つに限らず、複数であってもよい。

気液分離器１２から凝縮水タンク４に向かって下方に延びる部分の排ガス経路１０は、排ガス熱交換器１１において排ガスが冷却されて生成した凝縮水が流通する経路であり、
この経路を流通する凝縮水は、循環経路６を構成する凝縮水タンク４に流入して循環経路６を循環して、循環経路６を凍結しない温度に加熱する水として機能すると共に、水供給経路８に流れたものは、改質水として機能する。

凝縮水タンク４は、循環経路６に設けられ、排ガス熱交換器１１において排ガスが貯湯水により冷却されて生成した凝縮水を、循環経路６を凍結しない温度に加熱する水及び改質水として貯留するタンクである。凝縮水タンク４は、循環経路６の一部を構成し、排ガス経路１０が接続している。

凝縮水タンク４の凝縮水の流出口は、循環経路６を循環して凝縮水タンク４に戻ってきた水の流入口および排ガス経路１０の接続位置より下方の凝縮水タンク４に設けられている。この実施の形態では、凝縮水の流出口は、凝縮水タンク４の底に設けられている。なお、水の流入口および流出口の位置は特に限定されない。

オーバーフロー経路（図示せず）の上流端は、凝縮水タンク４の所定の高さに接続している。このオーバーフロー経路が接続する流出口は、凝縮水タンク４の所定の高さに設けられる。このため、凝縮水タンク４の水（凝縮水）は、所定の高さまで達すると、オーバーフロー経路への流出口からオーバーフロー経路へ流れる。

よって、凝縮水タンク４には、所定の高さ（所定の体積）以下の水（凝縮水）が貯留され、それを超える水（凝縮水）は凝縮水タンク４からオーバーフロー経路を介して排出される。

循環器７は、循環経路６に設けられ、凝縮水タンク４の水（凝縮水）を循環させるポンプである。この実施の形態では、循環器７は、凝縮水タンク４及び浄化器５よりも下流かつ分岐点１６よりも上流の循環経路６に設けられている。凝縮水タンク４から流出した水（凝縮水）は、循環器７により汲み上げられて、循環経路６を循環する。

浄化器５は、イオン交換樹脂フィルタで構成され、凝縮水からイオンを除去する（脱イオン化する）機器である。この除去するイオンとしては、主に改質器１および燃料電池２の触媒を被毒するイオンが挙げられる。浄化器５は、分岐点１６よりも上流かつ凝縮水タンク４よりも下流の循環経路６に設けられている。さらに、浄化器５は、凝縮水タンク４のオーバーフロー経路が接続する流出口よりも高い位置に配置されている。

排熱回収経路１４の貯湯槽（図示せず）は、水（貯湯水）を貯えるタンクである。貯湯槽は、給水設備（例えば、水道）に接続しており、給水設備から貯湯槽へ水道水が貯湯水として供給される。

また、貯湯槽は、給湯設備（図示せず）に接続しており、貯湯槽から給湯設備に貯湯水が湯として供給される。また、貯湯槽は、循環経路６とは分離して（連通しないようにして）設けられ、貯湯槽の貯湯水と循環経路６の水（凝縮水）とは、それぞれ異なる水である。

水供給経路８は、循環経路６から分岐点１６で分岐し、循環経路６の水（浄化器５で浄化された凝縮水）を改質水として改質器１へ流通する経路であり、分岐点１６に近接する位置に改質水電磁弁１８を備える。改質水電磁弁１８は、水供給経路８を用いて改質器１に水を供給する時に開き、水供給経路８を用いて改質器１に水を供給せずに循環経路６で水を循環させる時に閉じるように制御器２３によって開閉制御される電磁弁である。

分岐点１６は、浄化器５及び循環器７よりも下流かつ循環電磁弁１７及び凝縮水タンク
４よりも上流の循環経路６に設けられている。また、水供給経路８の下流端は改質器１に接続している。循環電磁弁１７は、水供給経路８を用いて改質器１に水を供給する時に閉じ、水供給経路８を用いて改質器１に水を供給せずに循環経路６で水を循環させる時に開くように制御器２３によって開閉制御される電磁弁である。

よって循環電磁弁１７が閉鎖状態で、且つ、改質水電磁弁１８が開放状態で、凝縮水タンク４に水（凝縮器）が貯まっている時に、制御器２３によって循環器７が動作すると、凝縮水タンク４の水（凝縮器）が、浄化器５で浄化された後、分岐点１６で水供給経路８に流入して、改質器１に改質水として供給される。

このとき、改質器１における改質水と原料中の炭素とのモル比（Ｓ／Ｃ比）が、例えば２．５〜３．５になるように、循環器７は水供給経路８を流通する改質水の流量を調整する。

次に、上記構成の本実施の形態の燃料電池システムの動作について、図１を参照して説明する。

燃料電池システムにおいて、制御器２３は、改質器１への給水を開始する前に、水位検出器２１により凝縮水タンク４の水位を確認し、凝縮水タンク４内の水位が下限水位以下であれば、制御器２３が、図示しない給水手段により、貯湯槽の貯湯水または水道水を、凝縮水タンク４に給水する。そして、水位検出器２１が下限水位より高い水位を検出すると、循環器７は、制御器２３によって運転される。

循環器７の運転開始時には、循環電磁弁１７が開放状態で、且つ改質水電磁弁１８が閉鎖状態であるので、凝縮水タンク４の水（凝縮水）は、循環器７により汲み上げられて、浄化器５に流入する。この浄化器５を通流する際に凝縮水または水道水に含まれる金属イオン等の不純物が除去される。

そして、浄化器５を通過した水は、分岐点１６から開放状態の循環電磁弁１７を通って循環経路６により凝縮水タンク４に戻される。これを繰り返すことにより、凝縮水タンク４に貯留された水を順次浄化する。

もし、循環器７の運転により凝縮水タンク４の水（凝縮水）が循環経路６を循環する前の循環経路配管２５の温度が、凝縮水タンク４の水（凝縮水）の水温よりも低い場合は、循環器７の運転により循環経路６を循環する水が、循環経路配管２５を温める。そして、熱交換部９において、循環経路配管２５から水供給経路配管２４に熱が伝わり、水供給経路配管２４の温度が上昇する。

そして、改質器１で水素含有ガスの生成を開始するために改質器１への給水を開始する時に、制御器２３は、循環電磁弁１７を閉鎖すると共に、改質水電磁弁１８を開放する。この場合、凝縮水タンク４の水（凝縮水）は、循環器７により汲み上げられ、浄化器５で凝縮水タンク４の水（凝縮水）に含まれる金属イオン等の不純物が除去されて、分岐点１６から水供給経路８を通流して改質器１に供給される。

改質器１では、水供給経路８を介して供給された水（改質水）から水蒸気を生成する。そして、原料供給器（図示せず）から原料供給経路２９を介して改質器１に供給される原料（例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の炭化水素を含むガス）が、触媒の存在下で、水蒸気と改質反応して、水素含有ガスを生成する。また、改質器１は、その触媒の適温、例えば、６００〜７００℃に加熱される。

燃料電池２のアノード流路には、改質器１で生成されて水素含有ガス供給経路３０を介して供給された水素含有ガスが流通し、燃料電池２のカソード流路には、空気供給器（図示せず）から酸化剤ガス供給経路３１を介して供給された空気が酸化剤ガスとして流通する。

この水素含有ガス及び酸化剤ガスが、燃料電池２のセルにおいて電気化学反応し、空気がセルを冷却する。そして、これらのガスは、セルから排出されて、燃焼器（図示せず）に供給される。この燃焼器により、セルおよび改質器１が加熱される。例えば、セルは、その触媒の適温、５００℃〜１０００℃に加熱される。

燃料電池２が発電すると、発電により生成した水分を含む排ガスが排ガス経路１０を介して排出される。排ガス熱交換器１１において、排ガス経路１０の排ガスが排熱回収経路１４の貯湯水により冷却されて、排ガス中の水分が凝縮して、凝縮水が生成する。

排ガス熱交換器１１からの排ガスおよびその凝縮水は、気液分離器１２において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分である排ガスは、燃料電池システムの構成部品を収容する筐体１５の外部に排気され、凝縮水は凝縮水タンク４に流入して凝縮水タンク４に貯留される。

一方、排ガス熱交換器１１において、排ガスにより排熱回収経路１４の貯湯水が加熱され、昇温した貯湯水は循環器１３により貯湯槽（図示せず）に流入する。

このように、凝縮水タンク４には、排ガス熱交換器１１において生成した凝縮水が流入する。凝縮水が貯留されて、その水位が凝縮水タンク４の所定の高さに達すると、オーバーフロー経路（図示せず）から排出される。

また、凝縮水タンク４の水（凝縮水）は、循環器７により汲み上げられて、浄化器５に流入する。この浄化器５で凝縮水タンク４の水（凝縮水）のイオンが除去されて、分岐点１６から水供給経路８を通流して改質器１に供給される。この改質器１に供給される水（改質水）の流量は、循環器７によりＳ／Ｃ比に応じて調整される。

貯湯槽に蓄えられた貯湯水は、必要に応じて給湯設備に供給される。これにより、貯湯槽の貯湯水が減少すると、給水設備から水（水道水）が貯湯槽に供給される。

次に、本実施の形態の燃料電池システムの凍結予防動作を、図３のフローチャートを用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの制御器の動作を示すフローチャートである。

制御器２３は、燃料電池システム（循環器７）の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器２２により筐体１５内または外気の気温を測定（検出）する（ＳＴＥＰ１）。気温検出器２２が検出した気温が予め設定される第１温度（例えば４℃）よりも高い場合は、ＳＴＥＰ２をＮＯ側に分岐して、循環器７の停止状態を維持し、発熱装置１９を動作させない（ＳＴＥＰ３）。

ＳＴＥＰ１で気温検出器２２が検出した気温が、予め設定される第１温度（例えば４℃）以下で、第１温度以下に設定された第２温度（例えば０℃）よりも高い場合は、ＳＴＥＰ２をＹＥＳ側に分岐して、次のＳＴＥＰ４をＮＯ側に分岐して、制御器２３により循環器７は運転されるが、発熱装置１９を動作させない（ＳＴＥＰ５）。

このとき、循環器７の運転により循環経路６を循環する水が、循環経路配管２５を温め
る。そして、熱交換部９において、循環経路配管２５から水供給経路配管２４に熱が伝わり、水供給経路配管２４の温度が上昇する。これにより、循環経路配管２５と水供給経路配管２４の凍結を防止することができる。

ＳＴＥＰ１で気温検出器２２が検出した気温が、予め設定される第２温度（例えば０℃）以下の場合には、ＳＴＥＰ２をＹＥＳ側に分岐して、次のＳＴＥＰ４をＹＥＳ側に分岐して、制御器２３により、循環器７の運転に加えて、発熱装置１９を運転させる（ＳＴＥＰ６）。

このとき、循環器７に加えて発熱装置１９が運転されることにより、発熱装置１９で加熱された水が循環経路６を循環して、循環経路配管２５を温める。そして、熱交換部９において、循環経路配管２５から水供給経路配管２４に熱が伝わり、水供給経路配管２４の温度が上昇する。これにより、気温検出器２２が検出した気温が、予め設定される第２温度（例えば０℃）以下の場合でも、循環経路配管２５と水供給経路配管２４の凍結を防止することができる。

なお、温度により循環器７と発熱装置１９の運転と停止が頻繁に繰り返さないように、停止から運転に切り替わった場合は、運転状態を少なくとも所定時間は維持させ、運転から停止に切り替わった場合は、停止時間を少なくとも所定時間は維持させるようにしても構わない。また、停止状態から運転状態にする基準温度と、運転状態から停止状態にする基準温度に１℃程度の僅かな温度差を設けても構わない。

以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システムは、原料及び水を反応させて水素含有ガスを生成する改質器１と水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池２とを備える燃料電池モジュール３と、燃料電池モジュール３から排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を貯める凝縮水タンク４と、水を浄化する浄化器５と、凝縮水タンク４と浄化器５との間で水が循環するように凝縮水タンク４と浄化器５とを環状に連接した循環経路６と、循環経路６で水を循環させる循環器７と、浄化器５よりも下流かつ凝縮水タンク４よりも上流の循環経路６から分岐し、改質器１に水を供給する水供給経路８と、を備える。また、水供給経路８と循環経路６とが熱交換する熱交換部９を有する。

上記構成において、凝縮水タンク４に、燃料電池モジュール３から排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水が貯まっている状態において、循環器７を動作させて、凝縮水タンク４の水を浄化器５に供給し、浄化器５で浄化された水を凝縮水タンク４に戻すように循環経路６で水を循環させることにより、循環経路６を循環する水は浄化されていく。

このとき、循環経路６を循環する水からの伝熱により、循環経路６全体が温められるので、循環経路６を構成する配管同士を互いに熱交換可能に配置しなくても、循環経路６全体の凍結を防止することができる。

また、改質器１に水を供給する水供給経路８については、水供給経路８と循環経路６とが熱交換する熱交換部９における循環経路６から伝わる熱によって温められるので、水供給経路８の凍結を防止することができる。

なお、水供給経路８は、浄化器５及び循環器７よりも下流かつ凝縮水タンク４よりも上流の循環経路６から分岐しているので、浄化器５で浄化された凝縮水タンク４の水を改質器１に供給することができる。

また、水供給経路８への通流は、循環経路６を循環する水からの伝熱により、循環経路６全体を温めて、熱交換部９における循環経路６から伝わる熱によって水供給経路８を温
めてから行うので、そのようにしない場合よりも、水供給経路８の凍結を防止する効果が高い。

従って、改質器１に水を供給する水供給経路８と、循環器７の動作時に凝縮水タンク４の水が浄化器５で浄化されて凝縮水タンク４に戻るように水が循環する循環経路６とが、熱交換する熱交換部９を設けたことにより、凝縮水タンク４と浄化器５とを環状に連接した循環経路６の凍結と、改質器１に水を供給する水供給経路８の凍結とを防止でき、凍結を防止するのに、筐体１５内の配管設計の制限を従来よりも少なくできる。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池モジュール３、凝縮水タンク４、浄化器５及び循環器７をその内部に収容する筐体１５と、筐体１５内の気温を検出する気温検出器２２と、循環経路６の凝縮水タンク４の水を加熱する発熱装置１９と、循環器７を制御する制御器２３と、を備え、制御器２３が、循環器７の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器２２により検出した気温が第１温度（例えば４℃）以下になった場合には、循環器７を運転するよう制御し、水供給経路８を水が通流していない時に、気温検出器２２により検出した気温が第１温度以下に設定された第２温度（例えば０℃）以下になった場合に、発熱装置１９を運転するよう制御するものである。

上記構成により、循環器７（燃料電池システム）の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器２２により検出した筐体１５内の気温が、第１温度（例えば４℃）以下になった場合は、循環器７が運転されて、循環経路６を循環する水からの伝熱によって、循環経路６全体が温められるので、循環経路６全体の凍結を防止することができる。そして、改質器１に水を供給する水供給経路８は、熱交換部９において循環経路６から伝わる熱によって温められるので、水供給経路８の凍結を防止することができる。

また循環器７（燃料電池システム）の停止中（発電要求がない時）で、気温検出器２２により検出した筐体１５内の気温が、第１温度（例えば４℃）よりも高い場合（循環経路６及び水供給経路８が凍結しない温度である場合）は、循環器７が運転されないので、循環経路６が凍結するのを防止する必要がある場合のみ循環器７を運転させることができ、無駄に循環器７を動作させず省エネに寄与できる。

また、水供給経路８を水が通流していない時に、気温検出器２２により検出した筐体１５内の気温が、第１温度以下に設定された第２温度（例えば０℃）以下になった場合は、循環器７に加えて発熱装置１９が運転されて、発熱装置１９によって加熱された水が循環経路６を循環して、循環器７のみ運転している場合よりも循環経路６全体が温められるので、循環器７のみの運転では循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが困難な低温環境であっても、発熱装置１９の併用によって循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが可能になる。

なお、循環器７を運転せずに発熱装置１９のみを運転して、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止しようとすれば、循環経路６及び水供給経路８の全体に凍結防止に充分な熱か伝わるように、循環経路６及び水供給経路８に沿って広い範囲に発熱装置を配置したり、筐体１５内の気温を充分に高くできるような発熱装置を用いたりする必要がある。

しかしながら、上記構成では、循環器７を運転しないで発熱装置１９のみを運転することはなく、発熱装置１９によって加熱された水が循環経路６を循環して循環経路６を温めると共に、熱交換部９では循環経路６から伝わる熱で水供給経路８が温められるので、循環経路６及び水供給経路８に沿って広い範囲に発熱装置を配置したり、筐体１５内の気温を充分に高くできるような発熱装置を用いたりする必要はない。

また、循環経路６及び水供給経路８の凍結防止のために循環器７を運転する条件を満たしていても、気温検出器２２により検出した筐体１５内の気温が、第２温度（例えば０℃）よりも高い場合は、発熱装置１９が運転されないので、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに、発熱装置１９によって加熱された水を循環経路６で循環させる必要がある場合のみ発熱装置１９を運転させることができ、無駄に発熱装置１９を動作させず省エネに寄与できる。

また、発熱装置１９を運転させる基準となる第２温度（例えば０℃）を、循環器７を運転させる基準となる第１温度（例えば４℃）以下にしたので、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するために、循環器７を運転しないで発熱装置１９のみを運転する状態が起こらず、非効率な凍結防止動作をするのを防止できる。

また、第１温度と第２温度とに温度差を設けたので、循環器７のみの運転で循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが可能な低温環境時には、循環器７のみを運転して、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに、発熱装置１９によって加熱された水を循環経路６で循環させる必要があるような低温環境時には、循環器７に加えて発熱装置１９を運転するようにして、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに必要な電力消費量を抑えることができ、第１温度と第２温度とに温度差を設けない場合（循環器７と発熱装置１９が同時に動作する場合）よりも、循環経路６及び水供給経路８の凍結防止動作による電力消費量の変動幅を小さくできる。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、熱交換部９では、水供給経路８の水供給経路配管２４と循環経路６の循環経路配管２５とが接触するように配置されているので、水供給経路８の水供給経路配管２４と循環経路６の循環経路配管２５とを、直接的熱伝導によって、熱交換させることができ、結束バンド等の結束部品を用いて水供給経路８の水供給経路配管２４と循環経路６の循環経路配管２５とが接触する状態を維持させることが可能であるので、水供給経路８と循環経路６とを熱交換させるための構成が簡単で、燃料電池システムのコスト低減に寄与できる。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、熱交換部９の水供給経路８の水供給経路配管２４と循環経路６の循環経路配管２５とを一緒に覆う熱交換部断熱材２６を備えるものであり、熱交換部断熱材２６によって、水供給経路８の水供給経路配管２４と循環経路６の循環経路配管２５とが接触する状態を維持したままで、水供給経路８と循環経路６の熱が外気に放熱されることと、水供給経路８と循環経路６が外気によって冷えるのを抑制でき、低コストで、より確実に水供給経路８の凍結を防止することができる。

また、水供給経路８の水供給経路配管２４と循環経路６の循環経路配管２５とが接触する状態で、水供給経路配管２４と循環経路配管２５とを一緒に熱交換部断熱材２６で覆うことにより、結束バンド等の結束部品による結束を省略したり結束バンド等の結束部品による結束を一時的な仮結束にした場合であっても、熱交換部断熱材２６によって水供給経路配管２４と循環経路配管２５とが接触する状態を維持することができる。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、水供給経路８に水が流れている時は、循環電磁弁１７が閉鎖しており、水供給経路８が循環経路６から分岐する分岐点１６よりも下流側部分の循環経路６には水が流れないが、水供給経路８は、分岐点１６よりも上流側部分の循環経路６と熱交換するように構成しているので、水供給経路８に水が流れるようになった後も、水供給経路８に水が流れるようになる前と同様に、熱交換部９で循環経路６から水供給経路８に熱が伝わる。

なお、循環経路６及び水供給経路８の凍結防止動作をしている時に、リモコンの表示部
に凍結防止運転中である旨の表示を行うようにしても構わない。

（実施の形態２）
図１は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムにおける熱交換部の構成の一例を示す概略図である。

実施の形態２の燃料電池システムの構成は、図１と図２に示す実施の形態１の燃料電池システムの構成と同様であり、実施の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付して、重複する説明は省略する。

実施の形態２の燃料電池システムは、制御器２３の凍結防止の動作が、実施の形態１の燃料電池システムと異なる。

本実施の形態の燃料電池システムの凍結予防動作を、図４のフローチャートを用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの制御器の動作を示すフローチャートである。

制御器２３は、燃料電池システム（循環器７）の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器２２により筐体１５内または外気の気温を測定（検出）する（ＳＴＥＰ１１）。気温検出器２２が検出した気温が予め設定される第１温度（例えば４℃）よりも高い場合には、ＳＴＥＰ１２をＮＯ側に分岐して、循環器７の停止状態を維持し、発熱装置１９を動作させない（ＳＴＥＰ１３）。

ＳＴＥＰ１１で気温検出器２２が検出した気温が、予め設定される第１温度（例えば４℃）以下の場合は、ＳＴＥＰ１２をＹＥＳ側に分岐して、次のＳＴＥＰ１４で、水温検出器２０により凝縮水タンク４内の水（凝縮水）の水温を測定（検出）する。

水温検出器２０が検出した水温が予め設定される第３温度（例えば１℃）よりも高い場合は、ＳＴＥＰ１５をＮＯ側に分岐して、制御器２３により循環器７は運転されるが、発熱装置１９を動作させない（ＳＴＥＰ１６）。

このとき、循環器７の運転により循環経路６を循環する水が、循環経路配管２５を温める。そして、熱交換部９において、循環経路配管２５から水供給経路配管２４に熱が伝わり、水供給経路配管２４の温度が上昇する。これにより、循環経路配管２５と水供給経路配管２４の凍結を防止することができる。

ＳＴＥＰ１４で水温検出器２０が検出した水温が、予め設定される第３温度（例えば１℃）以下の場合には、ＳＴＥＰ１５をＹＥＳ側に分岐して、制御器２３により、循環器７の運転に加えて、発熱装置１９を運転させる（ＳＴＥＰ１７）。

このとき、循環器７に加えて発熱装置１９が運転されることにより、発熱装置１９で加熱された水が循環経路６を循環して、循環経路配管２５を温める。そして、熱交換部９において、循環経路配管２５から水供給経路配管２４に熱が伝わり、水供給経路配管２４の温度が上昇する。

これにより、気温検出器２２が検出した気温が、予め設定される第１温度（例えば４℃）以下で、且つ、水温検出器２０が検出した凝縮水タンク４内の水（凝縮水）の水温が、予め設定される第３温度（例えば１℃）以下の場合でも、循環経路配管２５と水供給経路配管２４の凍結を防止することができる。

以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池モジュール３、凝縮水タンク４、浄化器５及び循環器７をその内部に収容する筐体１５と、凝縮水タンク４内の水（凝縮水）の水温を検出する水温検出器２０と、筐体１５内の気温を検出する気温検出器２２と、循環経路６の凝縮水タンク４の水を加熱する発熱装置１９と、循環器７を制御する制御器２３とを備える。

そして、制御器２３が、循環器７の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器２２により検出した気温が第１温度（例えば４℃）以下になった場合には、循環器７を運転するよう制御し、水供給経路８を水が通流していない時に、水温検出器２０により検出した水温が第３温度（例えば１℃）以下になった場合に、発熱装置１９を運転するよう制御するものである。

また、循環器７（燃料電池システム）の停止中（発電要求がない時）で、気温検出器２２により検出した筐体１５内の気温が、第１温度（例えば４℃）よりも高い場合（循環経路６及び水供給経路８が凍結しない温度である場合）は、循環器７が運転されないので、循環経路６が凍結するのを防止する必要がある場合のみ循環器７を運転させることができ無駄に循環器７を動作させず省エネに寄与できる。

また、水供給経路８を水が通流していない時に、水温検出器２０により検出した水温が第３温度（例えば１℃）以下になった場合には、循環器７に加えて発熱装置１９が運転されて、発熱装置１９によって加熱された水が循環経路６を循環して、循環器７のみ運転している場合よりも循環経路６全体が温められるので、循環器７のみの運転では循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが困難な低温環境であっても、発熱装置１９の併用によって循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが可能になる。

また、循環経路６及び水供給経路８の凍結防止のために循環器７を運転する条件を満たしていても、水温検出器２０により検出した水温が、第３温度（例えば１℃）よりも高い場合は、発熱装置１９が運転されないので、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに、発熱装置１９によって加熱された水を循環経路６で循環させる必要がある場合のみ発熱装置１９を運転させることができ、無駄に発熱装置１９を動作させず省エネに寄与できる。

また、発熱装置１９を運転させる基準となる第３温度（例えば１℃）を、循環器７を運転させる基準となる第１温度（例えば４℃）以下にしたので、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するために、循環器７を運転しないで発熱装置１９のみを運転する状態が起こらず、非効率な凍結防止動作をするのを防止できる。

また、第１温度と第３温度とに温度差を設けたので、循環器７のみの運転で循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが可能な低温環境時には、循環器７のみを運転して、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに、発熱装置１９によって加熱された水を循環経路６で循環させる必要があるような低温環境時には、循環器７に加えて発熱装置１９を運転するようにして、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに必要な電力消費量を抑えることができ、循環器７と発熱装置１９が同時に動作する場合より、循環経路６及び水供給経路８の凍結防止動作による電力消費量の変動幅を小さくできる。

また、循環器７の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器２２により検出した筐体１５内の気温が、第１温度（例えば４℃）以下になったが、水温検出器２０により検出した循環経路６の凝縮水タンク４の水の水温が、第３温度（例えば１℃）よりも高い場合には、発熱装置１９が運転されず循環器７のみの運転になるが、循環経路６の周囲の気温が低い場合には、循環経路６の水が循環経路６の循環中に循環経路６で冷やされて、循環経路６を循環する水の温度が第３温度（例えば１℃）以下になる可能性がある。

この場合は、水温検出器２０により検出した循環経路６の水の温度が第３温度（例えば１℃）以下になった時点で、発熱装置１９が運転されて、発熱装置１９によって加熱された水が循環経路６を循環するようになるので、循環器７のみの運転では循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが困難な低温環境であっても、発熱装置１９の併用によって循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが可能になる。

（実施の形態３）
図１は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムにおける熱交換部の構成の一例を示す概略図である。

実施の形態３の燃料電池システムの構成は、図１と図２に示す実施の形態１の燃料電池システムの構成と同様であり、実施の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付して、重複する説明は省略する。

実施の形態３の燃料電池システムは、制御器２３の凍結防止の動作が、実施の形態１の燃料電池システムと異なる。

本実施の形態の燃料電池システムの凍結予防動作を、図５のフローチャートを用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの制御器の動作を示すフローチャートである。

制御器２３は、燃料電池システム（循環器７）の停止中（発電要求がない時）に、水温検出器２０により凝縮水タンク４内の水（凝縮水）の水温を測定（検出）する（ＳＴＥＰ２１）。水温検出器２０が検出した水温が予め設定される第４温度（例えば７℃）よりも高い場合は、ＳＴＥＰ２２をＮＯ側に分岐して、循環器７の停止状態を維持し、発熱装置１９を動作させない（ＳＴＥＰ２３）。

ＳＴＥＰ２１で水温検出器２０が検出した水温が、予め設定される第４温度（例えば７
℃）以下で、第４温度以下に設定された第５温度（例えば１℃）よりも高い場合は、ＳＴＥＰ２２をＹＥＳ側に分岐して、次のＳＴＥＰ２４をＮＯ側に分岐して、制御器２３により循環器７は運転されるが、発熱装置１９を動作させない（ＳＴＥＰ２５）。

ＳＴＥＰ２１で水温検出器２０が検出した水温が、予め設定される第５温度（例えば１℃）以下の場合には、ＳＴＥＰ２２をＹＥＳ側に分岐して、次のＳＴＥＰ２４をＹＥＳ側に分岐して、制御器２３により、循環器７の運転に加えて、発熱装置１９を運転させる（ＳＴＥＰ２６）。

このとき、循環器７に加えて発熱装置１９が運転されることにより、発熱装置１９で加熱された水が循環経路６を循環して、循環経路配管２５を温める。そして、熱交換部９において、循環経路配管２５から水供給経路配管２４に熱が伝わり、水供給経路配管２４の温度が上昇する。これにより、水温検出器２０が検出した水温が、予め設定される第５温度（例えば１℃）以下の場合でも、循環経路配管２５と水供給経路配管２４の凍結を防止することができる。

以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システムは、循環経路６の凝縮水タンク４内の水（凝縮水）の水温を検出する水温検出器２０と、循環器７を制御する制御器２３とを備え、制御器２３が、循環器７の停止中（発電要求がない時）に、水温検出器２０により検出した水温が第４温度（例えば７℃）以下になった場合に、循環器７を運転するよう制御し、水供給経路８を水が通流していない時に、水温検出器２０により検出した水温が第５温度（例えば１℃）以下になった場合に、発熱装置１９を運転するよう制御するものである。

上記構成により、循環器７（燃料電池システム）の停止中（発電要求がない時）に、水温検出器２０により検出した循環経路６の凝縮水タンク４内の水（凝縮水）の水温が、第４温度（例えば７℃）以下になった場合は、循環器７が運転されて、循環経路６を循環する水からの伝熱によって、循環経路６全体が温められるので、循環経路６全体の凍結を防止することができる。そして、改質器１に水を供給する水供給経路８は、熱交換部９において循環経路６から伝わる熱によって温められるので、水供給経路８の凍結を防止することができる。

また、循環器７（燃料電池システム）の停止中（発電要求がない時）で、水温検出器２０により検出した循環経路６の凝縮水タンク４内の水（凝縮水）の水温が、第４温度（例えば７℃）よりも高い場合は、循環器７が運転されないので、循環経路６が凍結するのを防止する必要がある場合のみ循環器７を運転させることができ、無駄に循環器７を動作させず省エネに寄与できる。

また、水供給経路８に水が流れていない時に、水温検出器２０により検出した循環経路６の凝縮水タンク４内の水（凝縮水）の水温が、第４温度以下に設定された第５温度（例えば１℃）以下になった場合には、循環器７に加えて発熱装置１９が運転されて、発熱装置１９によって加熱された水が循環経路６を循環して、循環器７のみ運転している場合よりも循環経路６全体が温められるので、循環器７のみの運転では循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが困難な低温環境であっても、発熱装置１９の併用によって、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが可能になる。

なお、循環器７を運転しないで発熱装置１９のみを運転して、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止しようとすれば、循環経路６及び水供給経路８の全体に凍結防止に充分な熱か伝わるように、循環経路６及び水供給経路８に沿って広い範囲に発熱装置を配置したり、筐体１５内の気温を充分に高くできるような発熱装置を用いたりする必要がある。

しかしながら、上記構成では、循環器７を運転しないで発熱装置１９のみを運転することはなく、発熱装置１９によって加熱された水が循環経路６を循環して循環経路６を温めると共に循環経路６から伝わる熱で水供給経路８が温められるので、循環経路６及び水供給経路８に沿って広い範囲に発熱装置を配置したり、筐体１５内の気温を充分に高くできるような発熱装置を用いたりする必要はない。

また、循環経路６及び水供給経路８の凍結防止のために循環器７を運転する条件を満たしていても、水温検出器２０により検出した循環経路６の凝縮水タンク４内の水（凝縮水）の水温が、第５温度（例えば１℃）よりも高い場合には、発熱装置１９が運転されないので、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに、発熱装置１９によって加熱された水を循環経路６で循環させる必要がある場合のみ発熱装置１９を運転させることができ、無駄に発熱装置１９を動作させず省エネに寄与できる。

また、発熱装置１９を運転させる基準となる第５温度（例えば１℃）を、循環器７を運転させる基準となる第４温度（例えば７℃）以下にしたので、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するために、循環器７を運転しないで発熱装置１９のみを運転する状態が起こらず、非効率な凍結防止動作をするのを防止できる。

また、第４温度と第５温度とに温度差を設けたので、循環器７のみの運転で循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが可能な低温環境時に、循環器７のみを運転し、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに、発熱装置１９によって加熱された水を循環経路６で循環させる必要があるような低温環境時には、循環器７に加えて発熱装置１９を運転するようにして、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに必要な電力消費量を抑えることができ、第４温度と第５温度とに温度差を設けない場合（循環器７と発熱装置１９が同時に動作する場合）よりも、循環経路６及び水供給経路８の凍結防止動作による電力消費量の変動幅を小さくできる。

また、水温検出器２０により検出した循環経路６の水の温度が、第４温度（例えば７℃）以下で第５温度（例えば１℃）よりも高い場合は、発熱装置１９が運転されず循環器７のみの運転になるが、循環経路６の周囲の気温が低い場合には、循環経路６の水が循環経路６の循環中に循環経路６で冷やされて、循環経路６を循環する水の温度が第５温度（例えば１℃）以下になる可能性がある。

この場合は、水温検出器２０により検出した循環経路６の水の温度が第５温度（例えば１℃）以下になった時点で、発熱装置１９が運転されて、発熱装置１９によって加熱された水が循環経路６を循環するようになるので、循環器７のみの運転では循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが困難な低温環境であっても、発熱装置１９の併用によって循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが可能になる。

（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムにおける熱交換部の構成の一例を示す概略図である。

実施の形態４の燃料電池システムの構成において、実施の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付して、重複する説明は省略する。

実施の形態４の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムにおいて、循環電磁弁１７と改質水電磁弁１８を省略して、改質水電磁弁１８を配置していた箇所（水供給経路８における分岐点１６よりも下流側で熱交換部９よりも上流側の部分）に、水供給経路８に水（改質水）を流す時に制御器２３によって、分岐点１６から循環経路６の水を改質器１に供給するように動作する改質水供給器３２を設け、循環器７を、循環経路６における凝縮水タンク４よりも下流で浄化器５よりも上流となる箇所に移動させたものである。

実施の形態４の燃料電池システムの制御器２３の凍結防止の動作は、図３に示す動作であるが、図４に示す動作であっても、また、図５に示す動作であっても構わない。

改質水供給器３２は、水供給経路８に水（改質水）を流す時に、改質器１における改質水と原料中の炭素とのモル比（Ｓ／Ｃ比）が例えば２．５〜３．５になるように、水供給経路８を流通する改質水の流量を調整する。

循環器７は、循環器７を流れる水の流量が、水供給経路８を流通する改質水の流量よりも、多くなるように運転される。

実施の形態４の燃料電池システムは、以上のように構成されているので、実施の形態１の燃料電池システムと同様に、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止する効果を有する。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、水供給経路８に水が流れている時は、水供給経路８に水が流れていない時よりも、水供給経路８が循環経路６から分岐する分岐点よりも下流側部分の循環経路６を流れる水の水量が、水供給経路８に流れる水の水量だけ減るが、水供給経路８は、分岐点１６よりも上流側部分の循環経路６と熱交換するように構成しているので、水供給経路８に水が流れるようになった後も、水供給経路８に水が流れるようになる前と同様に、熱交換部９で循環経路６から水供給経路８に熱が伝わる。

（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムにおける熱交換部の構成の一例を示す概略図である。

実施の形態５の燃料電池システムの構成において、実施の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付している。

図７に示すように、実施の形態５に係る燃料電池システムは、原料及び水を反応させて水素含有ガスを生成する改質器１と水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池２とを備える燃料電池モジュール３と、燃料電池モジュール３から排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を貯める凝縮水タンク４と、水を浄化する浄化器５と、凝縮水タンク４と浄化器５との間で水が循環するように凝縮水タンク４と浄化器５とを環状に連接した循環経路６と、循環経路６で水を循環させる循環器７と、浄化器５よりも下流かつ凝縮水タンク４よりも上流の循環経路６から分岐し、改質器１に水を供給する水供給経路８と、を備える。また、水供給経路８と循環経路６とが熱交換する熱交換部９を有する。

燃料電池モジュール３から排気される排ガスが流通する排ガス経路１０は、経路の途中
に排ガス熱交換器３３と気液分離器１２とを備える。

排ガス熱交換器３３は、燃料電池モジュール３から排気され排ガス経路１０を流通する排ガスと、循環器７によって循環経路６を循環する水とを熱交換させて、燃料電池モジュール３から排気される排ガス中の水分を凝縮させる。

排ガス熱交換器３３からの排ガスおよびその凝縮水は、気液分離器１２において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分である排ガスは、燃料電池システムの構成部品を収容する筐体１５の外部に排気され、凝縮水は凝縮水タンク４に貯留される。

水供給経路８が循環経路６から分岐する分岐点１６よりも下流側の循環経路６には、改質水供給器３２を備える。また、循環経路６の分岐点１６と浄化器５を迂回するバイパス経路３４を備える。

バイパス経路３４は、上流端が浄化器５よりも上流で熱交換部９よりも下流の循環経路６に接続し、下流端が分岐点１６よりも下流で排ガス熱交換器３３よりも上流の循環経路６に接続している。バイパス経路３４の径は、Ｓ／Ｃ比など改質反応に必要な改質水の流量、および、浄化器５が処理に必要な流量を確保するように設定される。

本実施の形態では、熱交換部９において、水供給経路８は、分岐点１６、浄化器５及びバイパス経路３４よりも上流側で循環器７よりも下流側の循環経路６と熱交換するように構成している。

凝縮水タンク４は、電気ヒータ等で構成され凝縮水タンク４内に貯まっている水を加熱する発熱装置１９と、凝縮水タンク４内に貯まっている水の温度を検出する水温検出器２０と、凝縮水タンク４内に貯まっている水の水位を検出する水位検出器２１と、凝縮水タンク４の水位が所定の高さを超えないように、所定の高さを超える水（凝縮水）を凝縮水タンク４から排出するオーバーフロー経路（図示せず）を備える。

さらに、筐体１５内には、筐体１５内の気温を検出する気温検出器２２と、循環器７を制御する制御器２３を備える。なお、気温検出器２２は外気温を検出するものであっても構わない。

また、原料は、原料供給器（図示せず）から原料供給経路２９を介して改質器１に供給される。原料は、例えばメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含むガスである。原料供給器は、原料ガスの流量を調整する機能を有する機器であり、例えば、昇圧器および／または流量調整弁、または、定容積型ポンプが例示される。

循環経路６は、燃料電池２（燃料電池モジュール３）から排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水が循環する経路である。循環経路６上には、凝縮水タンク４、循環器７、熱交換部９、浄化器５、排ガス熱交換器３３、排熱回収熱交換器３５が、この順で環状に接続されている。また、循環経路６には、バイパス経路３４が、循環経路６の分岐点１６と浄化器５を迂回するように接続されている。

そして、循環器７によって、凝縮水タンク４の凝縮水が、循環器７、熱交換部９、浄化器５、分岐点１６、排ガス熱交換器３３、排熱回収熱交換器３５を順に通過して、凝縮水
タンク４に戻るよう循環させられる。なお、循環経路６を循環する一部の水は、浄化器５と分岐点１６には流れずにバイパス経路３４を流れる。

また、浄化器５で浄化された凝縮水は、分岐点１６から水供給経路８を介して改質器１に供給される改質水としても機能する。

排ガス熱交換器３３は、排ガス経路１０及び循環経路６に設けられ、燃料電池２（燃料電池モジュール３）から排気される排ガスと、循環経路６を循環する水との間で熱交換する熱交換器である。排ガス熱交換器３３として、周知の熱交換器を用いることができる。

例えば、７００℃の高温の排ガスにより、排ガス熱交換器３３に流入する循環経路６の４０℃の低温の水が加熱されて、排ガス熱交換器３３から流出する循環経路６の水は７０℃に昇温される。一方、排ガス熱交換器３３を通過する循環経路６の水により排ガスが冷却される。

この排ガスは、燃料電池２の発電により生成した水分を含んでいるため、排ガスに含まれている水蒸気が凝縮して、水（凝縮水）が生成する。なお、排ガス熱交換器３３の数は１つに限らず、複数であってもよい。

排熱回収熱交換器３５は、循環経路６及び排熱回収経路１４に設けられ、排ガス熱交換器３３から流出して排熱回収熱交換器３５に流入する循環経路６の水と、循環器１３によって排熱回収経路１４を循環する貯湯槽の貯湯水との間で熱交換する熱交換器である。排熱回収熱交換器３５として、周知の熱交換器を用いることができる。例えば、排熱回収熱交換器３５に流入する循環経路６の７０℃の高温の水により２０℃の低温の貯湯水が加熱されて、４０℃に貯湯水が昇温される。一方、貯湯水により排熱回収熱交換器３５から流出する循環経路６の水は４０℃に冷却される。

気液分離器１２から凝縮水タンク４に向かって下方に延びる部分の排ガス経路１０は、排ガス熱交換器３３において排ガスが冷却されて生成した凝縮水が流通する経路であり、この経路を流通する凝縮水は、循環経路６を構成する凝縮水タンク４に流入して循環経路６を循環して、循環経路６を凍結しない温度に加熱する水として機能すると共に、水供給経路８に流れたものは、改質水として機能する。

凝縮水タンク４は、循環経路６に設けられ、排ガス熱交換器３３において排ガスが循環経路６を循環する水により冷却されて生成した凝縮水を、循環経路６を凍結しない温度に加熱する水及び改質水として貯留するタンクである。凝縮水タンク４は、循環経路６の一部を構成し、排ガス経路１０が接続している。

よって、凝縮水タンク４には、所定の高さ（所定の体積）以下の水（凝縮水）が貯留され、それを超える水（凝縮水）は凝縮水タンク４からオーバーフロー経路を介して排出さ
れる。

循環器７は、循環経路６に設けられ、凝縮水タンク４の水（凝縮水）を循環させるポンプである。循環器７には、高圧移送に適しているポンプ、例えば、プランジャーポンプなどが用いられる。この実施の形態では、循環器７は、凝縮水タンク４よりも下流かつ浄化器５、バイパス経路３４及び熱交換部９よりも上流の循環経路６に設けられている。凝縮水タンク４から流出した水（凝縮水）は、循環器７により圧送されて、循環経路６を循環する。

浄化器５は、イオン交換樹脂フィルタで構成され、凝縮水からイオンを除去する（脱イオン化する）機器である。この除去するイオンとしては、主に改質器１および燃料電池２の触媒を被毒するイオンが挙げられる。浄化器５は、分岐点１６よりも上流かつ循環器７及び熱交換部９よりも下流の循環経路６に設けられている。さらに、浄化器５は、凝縮水タンク４のオーバーフロー経路が接続する流出口よりも高い位置に配置されている。

水供給経路８は、循環経路６から分岐点１６で分岐し、循環経路６の水（浄化器５で浄化された凝縮水）を改質水として改質器１へ流通する経路であり、分岐点１６に近接する位置に改質水供給器３２を備える。

改質水供給器３２は、水供給経路８に設けられ、改質水の流量を調整して改質水を改質器１へ流通させるポンプである。改質水供給器３２には、例えば、プランジャーポンプなど定容積型ポンプが用いられる。

改質水供給器３２は、改質器１における改質水と原料中の炭素とのモル比（Ｓ／Ｃ比）が、例えば２．５〜３．５になるように、水供給経路８を流通する改質水の流量を調整する。この改質水の流量は、バイパス経路３４よりも上流の熱交換部９の循環経路６を流通する水の流量の、例えば、５％と、熱交換部９の循環経路６を流通する水の流量に比べて微量である。

水供給経路８が循環経路６から分岐する分岐点１６は、熱交換部９、浄化器５及び循環器７よりも下流かつ排ガス熱交換器３３、排熱回収熱交換器３５及び凝縮水タンク４よりも上流の循環経路６に設けられている。また、水供給経路８の下流端は改質器１に接続している。

凝縮水タンク４に水（凝縮器）が貯まっている時に、制御器２３によって循環器７と改質水供給器３２が動作すると、凝縮水タンク４の水（凝縮器）が、浄化器５で浄化された後、分岐点１６で水供給経路８に流入して、改質器１に改質水として供給される。

このとき、改質器１における改質水と原料中の炭素とのモル比（Ｓ／Ｃ比）が、例えば２．５〜３．５になるように、改質水供給器３２は水供給経路８を流通する改質水の流量を調整する。

次に、上記構成の本実施の形態の燃料電池システムの動作について、図７を参照して説明する。

循環器７の運転開始時には、改質水供給器３２は停止しており、凝縮水タンク４の水（凝縮水）は、循環器７により圧送されて、一部の水は浄化器５に流入する。この浄化器５を通流する際に凝縮水または水道水に含まれる金属イオン等の不純物が除去される。残りの水は、浄化器５よりも上流の循環経路６からバイパス経路３４を通り、バイパス経路３４から分岐点１６よりも下流の循環経路６に戻り、排ガス熱交換器３３に流入する。

循環器７の運転開始当初は、改質水供給器３２は停止状態であるので、浄化器５で浄化された水もバイパス経路３４を通った水と合流して、排ガス熱交換器３３に流入する。排ガス熱交換器３３に流入した水は、燃料電池２（燃料電池モジュール３）から排気される排ガスとの熱交換で加熱された後、排熱回収熱交換器３５で貯湯水との熱交換で冷却されて、循環経路６により凝縮水タンク４に戻される。これを繰り返すことにより、凝縮水タンク４に貯留された水を順次浄化する。

そして、改質器１で水素含有ガスの生成を開始するために、改質器１への給水を開始する時に、制御器２３は、改質水供給器３２を動作させる。改質水供給器３２の動作によって、凝縮水タンク４の水（凝縮水）は、循環器７により圧送され、浄化器５で凝縮水タンク４の水（凝縮水）に含まれる金属イオン等の不純物が除去されて、分岐点１６から水供給経路８を通流して改質器１に供給される。

改質水供給器３２は、改質器１における改質水と原料中の炭素とのモル比（Ｓ／Ｃ比）が、例えば２．５〜３．５になるように、水供給経路８を流通する改質水の流量を調整する。

燃料電池２が発電すると、発電により生成した水分を含む排ガスが排ガス経路１０を介して排出される。排ガス熱交換器３３において、排ガス経路１０の排ガスが、バイパス経路３４を通った循環経路６の水により冷却されて、排ガス中の水分が凝縮して、凝縮水が生成する。

排ガス熱交換器３３からの排ガスおよびその凝縮水は、気液分離器１２において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分である排ガスは、燃料電池システムの構成部品を収容する筐体１５の外部に排気され、凝縮水は凝縮水タンク４に流入して凝縮水タンク４に貯留される。

バイパス経路３４を通った循環経路６の水は、排ガス熱交換器３３において、例えば、７００℃の高温の排ガスとの熱交換により、循環経路６の約４０℃の低温の水が約７０℃に加熱され、その後、排熱回収熱交換器３５において、約２０℃の貯湯水との熱交換により、約４０℃に冷却されて、凝縮水タンク４に戻る。

このように、凝縮水タンク４には、排ガス熱交換器３３において生成した凝縮水と、バイパス経路３４を通り、排ガス熱交換器３３と排熱回収熱交換器３５とを経由した循環経路６の水が、流入する。凝縮水が貯留されて、凝縮水タンク４の水位が凝縮水タンク４の所定の高さに達すると、オーバーフロー経路（図示せず）から排出される。

次に、本実施の形態の燃料電池システムの凍結予防動作を、図４のフローチャートを用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの制御器の動作を示すフローチャートである。

実施の形態５の燃料電池システムの制御器２３の凍結防止の動作を、図４に示す動作にしたが、図３に示す動作であっても、また、図５に示す動作であっても構わない。

以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システムは、原料及び水を反応させて水素含有ガスを生成する改質器１と水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池２とを備える燃料電池モジュール３と、燃料電池モジュール３から排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を貯める凝縮水タンク４と、水を浄化する浄化器５と、凝縮水タンク４と浄化器５との間で水が循環するように凝縮水タンク４と浄化器５とを環状に連接した循環経路６と、循環経路６で水を循環させる循環器７と、浄化器５よりも下流かつ凝縮水タンク４よりも上流の循環経路６から分岐し、改質器１に水を供給する水供給経路８と、を備える。また、水供給経路８と循環経路６とが熱交換する熱交換部９を有する。また、循環経路６には、バイパス経路３４が、循環経路６の分岐点１６と浄化器５を迂回するように接続されている。

上記構成において、凝縮水タンク４に、燃料電池モジュール３から排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水が貯まっている状態において、循環器７を動作させて、凝縮水タンク４の水の一部を浄化器５に供給し、浄化器５で一部が浄化された水を凝縮水タンク４に戻すように循環経路６で水を循環させることにより、循環経路６を循環する水は浄化されていく。

また、水供給経路８への通流は、循環経路６を循環する水からの伝熱により、循環経路６全体を温めて、熱交換部９における循環経路６から伝わる熱によって水供給経路８を温めてから行うので、そのようにしない場合よりも、水供給経路８の凍結を防止する効果が
高い。

したがって、改質器１に水を供給する水供給経路８と、循環器７の動作時に凝縮水タンク４の水が、浄化器５で浄化されて凝縮水タンク４に戻るように水が循環する循環経路６とが、熱交換する熱交換部９を設けたことにより、凝縮水タンク４と浄化器５とを環状に連接した循環経路６の凍結と改質器１に水を供給する水供給経路８の凍結とを防止でき、凍結を防止するのに、筐体１５内の配管設計の制限を従来よりも少なくできる。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池モジュール３、凝縮水タンク４、浄化器５及び循環器７をその内部に収容する筐体１５と、凝縮水タンク４内の水（凝縮水）の水温を検出する水温検出器２０と、筐体１５内の気温を検出する気温検出器２２と、循環経路６の凝縮水タンク４の水を加熱する発熱装置１９と、循環器７を制御する制御器２３と、を備え、制御器２３が、循環器７の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器２２により検出した気温が第１温度（例えば４℃）以下になった場合には、循環器７を運転するよう制御し、水供給経路８を水が通流していない時に、水温検出器２０により検出した水温が第３温度（例えば１℃）以下になった場合に、発熱装置１９を運転するよう制御するものである。

また、循環経路６及び水供給経路８の凍結防止のために循環器７を運転する条件を満た
していても、水温検出器２０により検出した水温が、第３温度（例えば１℃）よりも高い場合は、発熱装置１９が運転されないので、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに、発熱装置１９によって加熱された水を循環経路６で循環させる必要がある場合のみ発熱装置１９を運転させることができ、無駄に発熱装置１９を動作させず省エネに寄与できる。

また第１温度と第３温度とに温度差を設けたので、循環器７のみの運転で循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが可能な低温環境時には、循環器７のみを運転し、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに、発熱装置１９によって加熱された水を循環経路６で循環させる必要があるような低温環境時には、循環器７に加えて発熱装置１９を運転するようにして、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに必要な電力消費量を抑えることができ、循環器７と発熱装置１９が同時に動作する場合よりも、循環経路６及び水供給経路８の凍結防止動作による電力消費量の変動幅を小さくできる。

また循環器７の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器２２により検出した筐体１５内の気温が、第１温度（例えば４℃）以下になったが、水温検出器２０により検出した循環経路６の凝縮水タンク４の水の水温が、第３温度（例えば１℃）よりも高い場合は、発熱装置１９が運転されず循環器７のみの運転になるが、循環経路６の周囲の気温が低い場合には、循環経路６の水が循環経路６の循環中に循環経路６で冷やされて、循環経路６を循環する水の温度が第３温度（例えば１℃）以下になる可能性がある。

また、水供給経路８の水供給経路配管２４と循環経路６の循環経路配管２５とが接触する状態で、水供給経路配管２４と循環経路配管２５とを一緒に熱交換部断熱材２６で覆うことにより、結束バンド等の結束部品による結束を省略したり結束バンド等の結束部品に
よる結束を一時的な仮結束にした場合であっても、熱交換部断熱材２６によって水供給経路配管２４と循環経路配管２５とが接触する状態を維持することができる。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、水供給経路８に水が流れている時は、水供給経路８に水が流れていない時よりも、バイパス経路３４の下流端３６よりも下流側部分の循環経路６を流れる水の水量が、水供給経路８に流れる水の水量だけ減る。

そのため、水供給経路８が、バイパス経路３４の下流端３６よりも下流側部分の循環経路６と熱交換するように構成した場合は、水供給経路８に水が流れている時は、水供給経路８に水が流れていない時よりも、熱交換部９で循環経路６の配管から水供給経路８の配管に伝わる熱量が減ってしまう。

しかし、本実施の形態の燃料電池システムは、水供給経路８が、バイパス経路３４の上流端３７よりも上流側部分の循環経路６と熱交換するように構成しているので、水供給経路８に水が流れている時と、水供給経路８に水が流れていない時とで、熱交換部９で循環経路６から水供給経路８に伝わる熱量は変わらない。

従って、水供給経路８の凍結防止のためには、水供給経路８は、バイパス経路３４の上流端３７よりも上流側部分の循環経路６と熱交換するように構成することが望ましい。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、浄化器５及び分岐点１６を迂回するバイパス経路３４を設けたので、浄化器５より上流においてバイパス経路３４を流通する水と、循環経路６を介して浄化器５に流入する水とに分かれる。よって、浄化器５で処理される水の流量を減少させ、処理負荷を低減させることができる。

なお、浄化器５を流通しない水（バイパス経路３４を流通する水）が、水供給経路８に流れないように、水供給経路８に水が流れている時に閉鎖状態になり水供給経路８に水が流れていない時に開放状態になる開閉弁を、分岐点１６とバイパス経路３４の下流端３６との間の循環経路６に設けても構わない。

また、水供給経路８に水を流さない（改質器１に改質水を供給しない）が循環経路６で水を循環させる時に、循環経路６を循環する水を浄化器５で浄化させる必要がなければ、水供給経路８に水を流さない（改質器１に改質水を供給しない）が循環経路６で水を循環させる時に閉鎖状態になり水供給経路８に水が流れている時に開放状態になる開閉弁を、バイパス経路３４の上流端３７と浄化器５との間の循環経路６に設けると、浄化器５で処理される水の量を減少させ、浄化器５の処理負荷を低減させることができる。

（実施の形態６）
図８は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムにおける熱交換部の構成の一例を示す概略図である。

図８に示すように、実施の形態６に係る燃料電池システムは、原料及び水を反応させて水素含有ガスを生成する改質器１と水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池２とを備える燃料電池モジュール３と、燃料電池モジュール３から排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を貯める凝縮水タンク４と、水を浄化する浄化器５と、凝縮水タンク４と浄化器５との間で水が循環するように凝縮水タンク４と浄化器５とを環状に連接した循環経路６と、循環経路６で水を循環させる循環器７と、浄化器５よりも下流かつ凝縮水タンク４よりも上流の循環経路６から分岐し、改質器１に水を供給する水供給経路８と、を備える。また、水供給経路８と循環経路６とが熱交換する熱交換部９を有する。

改質器１は、メタンやプロパン等の炭化水素系の原料と水（水蒸気）とを、可燃性ガスを燃焼する燃焼器３８の燃焼排ガスの熱で６００℃〜７００℃程度の温度に加熱された改質触媒によって、水蒸気改質反応させて、燃料ガス（水素含有ガス）を生成する。

燃料電池２は、改質器１で生成されてアノード極に供給された燃料ガス（水素含有ガス）及びカソード極に供給された酸化剤ガス（空気）を電気化学的に反応（発熱反応）させて、発電および発熱する固体高分子形の燃料電池２である。

本実施の形態では、改質器１で生成される水素含有ガスが、そのまま燃料電池２に供給されるよう構成されているが、改質器１の下流に、改質器１で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により低減する変成器や酸化反応により低減するＣＯ除去器を備える形態を採用しても構わない。

固体高分子形の燃料電池２は、燃料電池２の発電中の運転温度が、その反応に適した温度（例えば、７０℃〜８０℃程度）に維持されるよう、燃料電池２の内部を冷却水経路３９の冷却水が循環する。

貯湯槽（図示せず）からの湯水は、循環器１３により、排熱回収経路１４を循環し、燃焼排ガス熱交換器４０と、アノードオフガス熱交換器４１と、カソードオフガス熱交換器４２と、冷却水熱交換器４３とにおいて、燃料電池モジュール３の排熱を回収して、貯湯槽（図示せず）に戻る。

冷却水経路３９の冷却水は、自給能力を持たない遠心式ポンプで構成された循環器４４により、燃料電池２の冷却部、冷却水熱交換器４３、浄化器５で浄化された循環経路６の水を冷却水経路３９の冷却水として貯留する冷却水タンク４５、循環器４４の順に冷却水経路３９を流れる。冷却水タンク４５は、冷却水経路３９に溜まっていた空気が冷却水タンク４５の上部に抜けるように冷却水経路３９の再高部に設置している。

本実施の形態では、冷却水タンク４５の流出口と燃料電池２の流入口との間の冷却水経路３９に循環器４４を配置したが、燃料電池２の流出口と冷却水タンク４５の流入口との間の冷却水経路３９に循環器４４を配置しても良く、その場合は、循環器４４に溜まった空気が冷却水タンク４５に抜けるように、循環器４４の流出口を上向きにするのが好ましい。

燃焼器３８から排気された燃焼排ガスは、燃焼排ガス熱交換器４０で、燃焼排ガスと排熱回収経路１４を流れる排熱回収水との間で熱交換する。燃焼排ガスに含まれる水分は、燃焼排ガス熱交換器４０で凝縮される。燃焼排ガス熱交換器４０からの燃焼排ガスおよびその凝縮水は、気液分離器４６において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分である燃焼排ガスは筐体１５の外部に排気され、凝縮水は凝縮水タンク４に貯留される。

燃料電池２のアノード極に供給された燃料ガス（水素含有ガス）の内で、発電に使用されずにアノード極から排出されるアノードオフガス（水素含有ガス）は、アノードオフガス熱交換器４１で、アノードオフガスと排熱回収経路１４を流れる排熱回収水との間で熱交換する。アノードオフガスに含まれる水分は、アノードオフガス熱交換器４１で凝縮される。

アノードオフガス熱交換器４１からのアノードオフガスおよびその凝縮水は、気液分離器４７において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分であるアノードオフガスは燃焼器３８で燃焼され、凝縮水は凝縮水タンク４に貯留される。

燃料電池２のカソード極から排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス熱交換器４２で、カソードオフガスと排熱回収経路１４を流れる排熱回収水との間で熱交換し、カソードオフガスに含まれる水分は、カソードオフガス熱交換器４２で凝縮される。

カソードオフガス熱交換器４２からのカソードオフガスおよびその凝縮水は、凝縮水タンク４に送られ、ガス成分であるカソードオフガスは凝縮水タンク４から排出され、凝縮水は凝縮水タンク４に貯留される。

循環電磁弁１７が開状態で改質水電磁弁１８が閉状態の時に、凝縮水タンク４に貯留された凝縮水と、給水部（図示せず）によって凝縮水タンク４または冷却水タンク４５に給水された市水（水道水）は、循環器７によって浄化器５を通流し、冷却水タンク４５に汲み上げられる。

このとき、浄化器５を通流する際に金属イオン等の不純物を浄化し燃料電池２の冷却部を循環させるのに好適な水質へと浄化する。冷却水タンク４５は凝縮水タンク４及び燃料電池２よりも高い位置に配置されており、冷却水タンク４５の上限水位を超えた水は凝縮水タンク４に戻される。これを繰り返すことにより、凝縮水タンク４に貯留された水（冷却水タンク４５に市水を給水する場合は、冷却水タンク４５と凝縮水タンク４に貯留された水）を順次浄化する。

改質器１で燃料ガス（水素含有ガス）を生成する時には、改質水電磁弁１８が開状態になっており、浄化器５で浄化された循環経路６の水は、改質水電磁弁１８を備えた水供給経路８から改質器１に供給される。

改質器１では、メタンやプロパン等の炭化水素系の原料と水（水蒸気）とを、可燃性ガスを燃焼する燃焼器３８の燃焼排ガスの熱で６００℃〜７００℃程度の温度に加熱された改質触媒によって、水蒸気改質反応させて、燃料ガス（水素含有ガス）を生成する。

また、このとき冷却水経路３９の循環器４４を動作させることにより、冷却水タンク４５の内部を撹拌しながら、浄化を行うことで浄化済の水と未浄化の水が特定の場所、例えば冷却水タンク４５の底部に偏ることを防止する。

水供給経路８が循環経路６から分岐する分岐点１６よりも下流側で冷却水タンク４５よりも上流側の循環経路６には、循環電磁弁１７を備え、水供給経路８における分岐点１６よりも下流側で熱交換部９よりも上流側の部分には、改質水電磁弁１８を備える。

循環電磁弁１７は、水供給経路８を用いて改質器１に水を供給する時に閉じ、水供給経路８を用いて改質器１に水を供給せずに循環経路６で水を循環させる時に開く電磁弁である。

また、改質水電磁弁１８は、水供給経路８を用いて改質器１に水を供給する時に開き、水供給経路８を用いて改質器１に水を供給せずに循環経路６で水を循環させる時に閉じる電磁弁である。

凝縮水タンク４は、凝縮水タンク４内に貯まっている水の温度を検出する水温検出器２
０と、凝縮水タンク４内に貯まっている水の水位を検出する水位検出器２１と、凝縮水タンク４の水位が所定の高さを超えないように、所定の高さを超える水（凝縮水）を凝縮水タンク４から排出するオーバーフロー経路（図示せず）を備える。

冷却水タンク４５は、電気ヒータ等で構成され冷却水タンク４５内に貯まっている水を加熱する発熱装置４８と、冷却水タンク４５内に貯まっている水の水位を検出する水位検出器４９を備える。冷却水タンク４５において所定の高さを超える水（冷却水）は、冷却水タンク４５のオーバーフロー経路として機能する循環経路６を介して凝縮水タンク４に排出される。

また、原料は、原料供給器（図示せず）から原料供給経路２９を介して改質器１に供給される。原料は、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含むガスである。原料供給器は、原料ガスの流量を調整する機能を有する機器であり、例えば、昇圧器および／または流量調整弁または定容積型ポンプが例示される。

燃料電池２は、水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する固体高分子形の燃料電池
である。燃料電池２は、触媒の存在下で水素含有ガスが酸化剤ガスと電気化学反応して、電気および水を生成する。

燃料電池２のアノード極に供給された燃料ガス（水素含有ガス）の内で、発電に使用されずにアノード極から排出されるアノードオフガス（水素含有ガス）は、燃焼器３８で燃焼され、燃焼器３８の燃焼排ガスの熱で改質器１の改質触媒は６００℃〜７００℃程度の温度に加熱される。

循環経路６は、燃料電池モジュール３から排気される排ガス（燃焼器３８から排出される燃焼排ガス、燃料電池２のアノード極から排出されるアノードオフガス、燃料電池２のカソード極から排出されるカソードオフガス）中の水分が凝縮した凝縮水が循環する経路である。

循環経路６上には、凝縮水タンク４、浄化器５、熱交換部９、循環器７、循環電磁弁１７、冷却水タンク４５が、この順で環状に接続されていて、循環器７によって、凝縮水タンク４の凝縮水が、浄化器５、熱交換部９、循環器７、分岐点１６、循環電磁弁１７、冷却水タンク４５を順に通過して、凝縮水タンク４に戻るよう循環させられる。

燃焼排ガス熱交換器４０は、燃焼排ガス経路５０及び排熱回収経路１４に設けられ、燃料電池モジュール３の燃焼器３８から排気される燃焼排ガスと、排熱回収経路１４を循環する貯湯槽の貯湯水との間で熱交換する熱交換器である。燃焼排ガス熱交換器４０には、周知の熱交換器を用いることができる。高温の燃焼排ガスにより低温の貯湯水が加熱されて、貯湯水が昇温される。一方、貯湯水により燃焼排ガスが冷却される。

アノードオフガス熱交換器４１は、アノード出口配管５１及び排熱回収経路１４に設けられ、燃料電池２のアノード極から排気されるアノードオフガスと、排熱回収経路１４を循環する貯湯槽の貯湯水との間で熱交換する熱交換器である。アノードオフガス熱交換器４１として、周知の熱交換器を用いることができる。高温のアノードオフガスにより貯湯水が加熱され、貯湯水によりアノードオフガスが冷却される。

カソードオフガス熱交換器４２は、カソード出口配管５２及び排熱回収経路１４に設けられ、燃料電池２のカソード極から排気されるカソードオフガスと、排熱回収経路１４を循環する貯湯槽の貯湯水との間で熱交換する熱交換器である。カソードオフガス熱交換器４２として、周知の熱交換器を用いることができる。高温のカソードオフガスにより貯湯水が加熱され、貯湯水によりカソードオフガスが冷却される。

燃料電池モジュール３の排ガス（燃焼器３８から排出される燃焼排ガス、燃料電池２のアノード極から排出されるアノードオフガス、燃料電池２のカソード極から排出されるカソードオフガス）は、水分を含んでいるため、貯湯水との熱交換で、排ガスに含まれている水蒸気が凝縮して、水（凝縮水）が生成する。

そして、この凝縮水は、循環経路６を構成する凝縮水タンク４に流入して循環経路６を循環して、循環経路６を凍結しない温度に加熱する水として機能すると共に、水供給経路８に流れたものは、改質水として機能する。

凝縮水タンク４は、循環経路６に設けられて、燃料電池モジュール３の排ガス（燃焼排ガス、アノードオフガス、カソードオフガス）が貯湯水により冷却されて生成した凝縮水を、循環経路６を凍結しない温度に加熱する水及び改質水として貯留するタンクである。凝縮水タンク４は、循環経路６の一部を構成し、燃焼排ガス経路５０とアノード出口配管５１とカソード出口配管５２が接続している。

凝縮水タンク４の凝縮水の流出口は、循環経路６を循環して凝縮水タンク４に戻ってきた水の流入口および燃焼排ガス経路５０とアノード出口配管５１とカソード出口配管５２の接続位置より下方の凝縮水タンク４に設けられている。この実施の形態では、凝縮水の流出口は、凝縮水タンク４の底に設けられている。なお、水の流入口および流出口の位置は特に限定されない。

凝縮水タンク４のオーバーフロー経路（図示せず）の上流端は、凝縮水タンク４の所定の高さに接続している。このオーバーフロー経路が接続する流出口は、凝縮水タンク４の所定の高さに設けられる。このため、凝縮水タンク４の水（凝縮水）は、所定の高さまで達すると、オーバーフロー経路への流出口からオーバーフロー経路へ流れる。

冷却水タンク４５は、循環経路６に設けられて、浄化器５で浄化された循環経路６の水を燃料電池２の冷却水として貯留する。冷却水タンク４５の冷却水は、循環器４４によって、冷却水タンク４５から、循環器４４、燃料電池２、冷却水熱交換器４３の順に流れた後で、冷却水タンク４５に戻るように、冷却水経路３９を循環し、燃料電池２の温度を、発電の反応に適した温度（例えば、７０℃〜８０℃程度）に維持する。

燃料電池２から流出する冷却水の温度が、例えば７０℃になるように、循環器４４の能力が制御器２３によって制御される
冷却水タンク４５から出た冷却水は、燃料電池２を通流して、その間に燃料電池２から排熱を回収して昇温し、その昇温した冷却水が冷却水熱交換器４３で貯湯水に排熱を伝達して冷却されて冷却水タンク４５に戻る。燃料電池２の発電中は、冷却水タンク４５内の水（冷却水）の温度は、５０℃〜６０℃になる。

排熱を伝達された貯湯水は昇温して貯湯槽に貯えられる。その結果、燃料電池２は冷却
水で冷却され、燃料電池２から回収された排熱が貯湯槽に高温の貯湯水として蓄えられ、給湯等によりユーザに利用される。

冷却水タンク４５の発熱装置４８は、発電前に燃料電池２を、発電に適した温度に温める時と、循環器７のみの運転では循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが困難な場合に、通電されて発熱し、冷却水タンク４５の冷却水を加熱する。

水位検出器４９は、冷却水タンク４５の水位が下限水位以下に低下している状態と、冷却水タンク４５の上限水位を超えた水が凝縮水タンク４に排出されている状態とを、検知可能なように設置されている。なお、冷却水タンク４５の下限水位は、冷却水タンク４５の発熱装置４８の設置高さよりも高い位置に設定される。

分岐点１６は、浄化器５及び循環器７よりも下流かつ循環電磁弁１７、冷却水タンク４５及び凝縮水タンク４よりも上流の循環経路６に設けられている。また、水供給経路８の下流端は改質器１に接続している。循環電磁弁１７は、水供給経路８を用いて改質器１に水を供給する時に閉じ、水供給経路８を用いて改質器１に水を供給せずに循環経路６で水を循環させる時に開くように制御器２３によって開閉制御される電磁弁である。

次に、上記構成の本実施の形態の燃料電池システムの動作について、図８を参照して説明する。

そして、浄化器５を通過した水は、分岐点１６から開放状態の循環電磁弁１７を通って冷却水タンク４５に貯められ、冷却水タンク４５において所定の高さを超える水が、冷却水タンク４５のオーバーフロー経路として機能する循環経路６を介して凝縮水タンク４に排出される。

循環器７によって、凝縮水タンク４の凝縮水が、浄化器５、熱交換部９、循環器７、分岐点１６、循環電磁弁１７、冷却水タンク４５を順に通過して、凝縮水タンク４に戻される。これを繰り返すことにより、凝縮水タンク４に貯留された水を順次浄化する。

そして、制御器２３が、冷却水タンク４５の水位検出器４９によって、凝縮水タンク４の水（凝縮水）が循環経路６を循環している状態を検出した後において、改質器１で水素含有ガスの生成を開始するために、改質器１への給水を開始する時に、制御器２３は、循環電磁弁１７を閉鎖すると共に、改質水電磁弁１８を開放する。

この場合、凝縮水タンク４の水（凝縮水）は、循環器７により汲み上げられ、浄化器５で凝縮水タンク４の水（凝縮水）に含まれる金属イオン等の不純物が除去されて、分岐点１６から水供給経路８を通流して改質器１に供給される。

改質器１では、燃焼器３８の燃焼排ガスの熱を利用して水供給経路８を介して供給された水（改質水）から水蒸気を生成する。そして、原料供給器（図示せず）から原料供給経路２９を介して改質器１に供給される原料（例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の炭化水素を含むガス）が、触媒の存在下で、水蒸気と改質反応して、水素含有ガスを生成する。また、改質器１は、燃焼器３８の燃焼排ガスの熱によって、その触媒の適温、例えば、６００〜７００℃に加熱される。

燃焼器３８から排気された燃焼排ガスは、燃焼排ガス熱交換器４０で、燃焼排ガスと排熱回収経路１４を流れる排熱回収水（貯湯水）との間で熱交換する。燃焼排ガスに含まれる水分は、燃焼排ガス熱交換器４０で凝縮される。

燃焼排ガス熱交換器４０からの燃焼排ガスおよびその凝縮水は、気液分離器４６において、凝縮水成分とガス成分とに分離され、ガス成分である燃焼排ガスは筐体１５の外部に排気され、凝縮水は凝縮水タンク４に貯留される。

燃料電池２のアノード流路には、改質器１で生成されて水素含有ガス供給経路３０を介して供給された水素含有ガスが流通し、燃料電池２のカソード流路には、空気供給器（図示せず）から酸化剤ガス供給経路３１を介して供給された空気が酸化剤ガスとして流通する。この水素含有ガス及び酸化剤ガスが、燃料電池２のセルにおいて電気化学反応する。

一方、貯湯槽（図示せず）からの貯湯水は、循環器１３により、排熱回収経路１４を循環し、燃焼排ガス熱交換器４０と、アノードオフガス熱交換器４１と、カソードオフガス熱交換器４２と、冷却水熱交換器４３とにおいて、燃料電池モジュール３の排熱を回収して７０℃程度の温度になって、貯湯槽（図示せず）に戻る。

このように、凝縮水タンク４には、燃焼排ガス熱交換器４０と、アノードオフガス熱交換器４１と、カソードオフガス熱交換器４２において生成した凝縮水が流入する。凝縮水が貯留されて、その水位が凝縮水タンク４の所定の高さに達すると、オーバーフロー経路（図示せず）から排出される。

冷却水タンク４５の冷却水は、循環器４４によって、冷却水経路３９を循環し、燃料電池２の温度を、発電の反応に適した温度（例えば、７０℃〜８０℃程度）に維持する。

次に、本実施の形態の燃料電池システムの凍結予防動作を、図３のフローチャートを用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの制御器の動作を示すフローチャートである。

制御器２３は、燃料電池システム（循環器７）の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器２２により筐体１５内または外気の気温を測定（検出）する（ＳＴＥＰ１）。気温検出器２２が検出した気温が予め設定される第１温度（例えば４℃）よりも高い場合は、ＳＴＥＰ２をＮＯ側に分岐して、循環器７の停止状態を維持し、発熱装置４８を動作させない（ＳＴＥＰ３）。

ＳＴＥＰ１で気温検出器２２が検出した気温が、予め設定される第１温度（例えば４℃
）以下で、第１温度以下に設定された第２温度（例えば０℃）よりも高い場合は、ＳＴＥＰ２をＹＥＳ側に分岐して、次のＳＴＥＰ４をＮＯ側に分岐して、制御器２３により循環器７は運転されるが、発熱装置４８を動作させない（ＳＴＥＰ５）。

ＳＴＥＰ１で気温検出器２２が検出した気温が、予め設定される第２温度（例えば０℃）以下の場合には、ＳＴＥＰ２をＹＥＳ側に分岐して、次のＳＴＥＰ４をＹＥＳ側に分岐して、制御器２３により、循環器７の運転に加えて、発熱装置４８を運転させる（ＳＴＥＰ６）。

このとき、循環器７に加えて発熱装置４８が運転されることにより、発熱装置４８で加熱され冷却水タンク４５の上限水位を超えた水が凝縮水タンク４に排出された後に、循環経路６を循環して、循環経路配管２５を温める。そして、熱交換部９において、循環経路配管２５から水供給経路配管２４に熱が伝わり、水供給経路配管２４の温度が上昇する。

これにより、気温検出器２２が検出した気温が、予め設定される第２温度（例えば０℃）以下の場合でも、循環経路配管２５と水供給経路配管２４の凍結を防止することができる。

以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システムは、原料及び水を反応させて水素含有ガスを生成する改質器１と水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池２とを備える燃料電池モジュール３と、燃料電池モジュール３から排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を貯める凝縮水タンク４と、水を浄化する浄化器５と、凝縮水タンク４と浄化器５と冷却水タンク４５とを順次環状に連接した循環経路６と、凝縮水タンク４、浄化器５、冷却水タンク４５の順に循環経路６で水を循環させる循環器７と、浄化器５及び循環器７よりも下流かつ凝縮水タンク４及び冷却水タンク４５よりも上流の循環経路６から分岐し、改質器１に水を供給する水供給経路８と、を備える。また、水供給経路８と循環経路６とが熱交換する熱交換部９を有する。

上記構成において、凝縮水タンク４に、燃料電池モジュール３から排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水が貯まっている状態において、循環器７を動作させて、凝縮水タンク４の水を浄化器５に供給し、浄化器５で浄化された水を冷却水タンク４５に冷却水として所定水位まで貯めてから、所定水位を超える分の冷却水を凝縮水タンク４に戻すように循環経路６で水を循環させることにより、循環経路６を循環する水は浄化されていく。

なお、水供給経路８は、浄化器５及び循環器７よりも下流かつ凝縮水タンク４及び冷却水タンク４５よりも上流の循環経路６から分岐しているので、浄化器５で浄化された凝縮水タンク４の水を改質器１に供給することができる。

また、水供給経路８への通流は、循環経路６を循環する水からの伝熱により、循環経路６全体を温めて、熱交換部９における循環経路６から伝わる熱によって水供給経路８を温めてから行うので、そのようにしない場合よりも、水供給経路８の凍結を防止する効果が高い。

従って、改質器１に水を供給する水供給経路８と、循環器７の動作時に凝縮水タンク４の水が浄化器５で浄化されて冷却水タンク４５を経由して凝縮水タンク４に戻るように水が循環する循環経路６とが、熱交換する熱交換部９を設けたことにより、凝縮水タンク４と浄化器５と冷却水タンク４５とを環状に連接した循環経路６の凍結と、改質器１に水を供給する水供給経路８の凍結とを防止でき、凍結を防止するのに、筐体１５内の配管設計の制限を従来よりも少なくできる。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池モジュール３、凝縮水タンク４、浄化器５、循環器７及び冷却水タンク４５をその内部に収容する筐体１５と、筐体１５内の気温を検出する気温検出器２２と、循環経路６の冷却水タンク４５の水を加熱する発熱装置４８と、循環器７を制御する制御器２３と、を備え、制御器２３が、循環器７の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器２２により検出した気温が第１温度（例えば４℃）以下になった場合には、循環器７を運転するよう制御し、水供給経路８を水が通流していない時に、気温検出器２２により検出した気温が第１温度以下に設定された第２温度（例えば０℃）以下になった場合に、発熱装置４８を運転するよう制御するものである。

また水供給経路８を水が通流していない時に、気温検出器２２により検出した筐体１５内の気温が、第１温度以下に設定された第２温度（例えば０℃）以下になった場合には、循環器７に加えて発熱装置４８が運転されて、発熱装置４８によって加熱された水が循環経路６を循環して、循環器７のみ運転している場合よりも循環経路６全体が温められるので、循環器７のみの運転では循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが困難な低温環境であっても、発熱装置４８の併用によって循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが可能になる。

なお、循環器７を運転せずに発熱装置４８のみを運転して、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止しようとすれば、循環経路６及び水供給経路８の全体に凍結防止に充分な熱か伝わるように、循環経路６及び水供給経路８に沿って広い範囲に発熱装置を配置したり、筐体１５内の気温を充分に高くできるような発熱装置を用いたりする必要がある。

しかしながら、上記構成では、循環器７を運転しないで発熱装置４８のみを運転することはなく、発熱装置４８によって加熱された水が循環経路６を循環して循環経路６を温め
ると共に、熱交換部９では循環経路６から伝わる熱で水供給経路８が温められるので、循環経路６及び水供給経路８に沿って広い範囲に発熱装置を配置したり、筐体１５内の気温を充分に高くできるような発熱装置を用いたりする必要はない。

また、循環経路６及び水供給経路８の凍結防止のために循環器７を運転する条件を満たしていても、気温検出器２２により検出した筐体１５内の気温が、第２温度（例えば０℃）よりも高い場合は、発熱装置４８が運転されないので、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに、発熱装置４８によって加熱された水を循環経路６で循環させる必要がある場合のみ発熱装置４８を運転させることができ、無駄に発熱装置４８を動作させず省エネに寄与できる。

また、発熱装置４８を運転させる基準となる第２温度（例えば０℃）を、循環器７を運転させる基準となる第１温度（例えば４℃）以下にしたので、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するために、循環器７を運転しないで発熱装置４８のみを運転する状態が起こらず、非効率な凍結防止動作をするのを防止できる。

また第１温度と第２温度とに温度差を設けたので、循環器７のみの運転で循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが可能な低温環境時には、循環器７のみを運転し、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに、発熱装置４８によって加熱された水を循環経路６で循環させる必要があるような低温環境時には、循環器７に加えて発熱装置４８を運転するようにして、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに必要な電力消費量を抑えることができ、第１温度と第２温度とに温度差を設けない場合（循環器７と発熱装置４８が同時に動作する場合）よりも、循環経路６及び水供給経路８の凍結防止動作による電力消費量の変動幅を小さくできる。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、水供給経路８に水が流れている時は、循環電磁弁１７が閉鎖しており、水供給経路８が循環経路６から分岐する分岐点１６よりも下流側部分の循環経路６には水が流れないが、水供給経路８は、分岐点１６よりも上流側部分の循環経路６と熱交換するように構成しているので、水供給経路８に水が流れるように
なった後も、水供給経路８に水が流れるようになる前と同様に、熱交換部９で循環経路６から水供給経路８に熱が伝わる。

なお、本実施の形態は、改質器１への給水を開始する前に、凝縮水タンク４内の水位が下限水位以下であれば、貯湯槽の貯湯水または水道水を、凝縮水タンク４に給水するものであるが、貯湯槽の貯湯水または水道水を、冷却水タンク４５を介して凝縮水タンク４に給水するようにしても構わない。

貯湯槽の貯湯水または水道水を、冷却水タンク４５を介して凝縮水タンク４に給水した場合は、冷却水タンク４５内の水が、燃料電池２に悪影響を与えない程度に浄化器５によって浄化されるまで、循環器７によって循環経路６で水を循環させることが望ましい。

本実施の形態では、アノードオフガス熱交換器４１を用いて、アノードオフガスから水分と排熱を回収し、カソードオフガス熱交換器４２を用いて、カソードオフガスから水分と排熱を回収したが、アノードオフガス熱交換器４１とカソードオフガス熱交換器４２のうちの片方または両方を省略しても構わない。

実施の形態６の燃料電池システムの制御器２３の凍結防止の動作は、図３に示す動作であるが、図４に示す動作であっても、また、図５に示す動作であっても構わない。

（実施の形態７）
図９は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムにおける熱交換部の構成の一例を示す概略図である。

実施の形態７の燃料電池システムの構成において、実施の形態６と同様の構成要素については、同一符号を付して、重複する説明は省略する。

先に説明した実施の形態６の燃料電池システムでは、図８に示すように、冷却水経路３９の冷却水は、循環器４４により、燃料電池２の冷却部、冷却水熱交換器４３、冷却水タンク４５、循環器４４の順に冷却水経路３９を流れているのに対し、実施の形態７の燃料電池システムでは、図９に示すように、冷却水経路３９の冷却水は、循環器４４により、冷却水タンク４５、冷却水熱交換器４３、燃料電池２の冷却部、循環器４４の順に冷却水経路３９を流れている。その他の構成は、実施の形態６の燃料電池システムの構成と同様である。

本実施の形態では、循環器４４に溜まった空気が冷却水タンク４５に抜けるように、循環器４４の流出口を上向きにしている。

実施の形態７の燃料電池システムの制御器２３の凍結防止の動作は、図３に示す動作であるが、図４に示す動作であっても、また、図５に示す動作であっても構わない。

次に、上記構成の本実施の形態の燃料電池システムの動作について、実施の形態６の燃料電池システムと異なる点について、図９を参照して説明する。

冷却水タンク４５の冷却水は、循環器４４によって、冷却水タンク４５から、冷却水熱交換器４３、燃料電池２、循環器４４の順に流れた後で、冷却水タンク４５に戻るように冷却水経路３９を循環し、燃料電池２の温度を、発電の反応に適した温度（例えば、７０℃〜８０℃程度）に維持する。

燃料電池２から排熱を回収して昇温した冷却水は、循環器４４と冷却水タンク４５を経由して冷却水熱交換器４３で貯湯水に排熱を伝達して冷却されから、再び燃料電池２に流れる。冷却水タンク４５内には、燃料電池２から排熱を回収して昇温した後で、冷却水熱交換器４３で貯湯水に排熱を伝達する前の冷却水が流入するので、実施の形態６の燃料電池システムよりも冷却水タンク４５内の水（冷却水）の温度が高く、７０℃近い水温になる。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池モジュール３、凝縮水タンク４、浄化器５、循環器７及び冷却水タンク４５をその内部に収容する筐体１５と、筐体１５内の気温を検出する気温検出器２２と、循環経路６の冷却水タンク４５の水を加熱する発熱
装置４８と、循環器７を制御する制御器２３と、を備え、制御器２３が、循環器７の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器２２により検出した気温が第１温度（例えば４℃）以下になった場合には、循環器７を運転するよう制御し、水供給経路８を水が通流していない時に、気温検出器２２により検出した気温が第１温度以下に設定された第２温度（例えば０℃）以下になった場合に、発熱装置４８を運転するよう制御するものである。

しかしながら、上記構成では、循環器７を運転しないで発熱装置４８のみを運転することはなく、発熱装置４８によって加熱された水が循環経路６を循環して循環経路６を温めると共に、熱交換部９では循環経路６から伝わる熱で水供給経路８が温められるので、循環経路６及び水供給経路８に沿って広い範囲に発熱装置を配置したり、筐体１５内の気温を充分に高くできるような発熱装置を用いたりする必要はない。

（実施の形態８）
図１０は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態８に係る燃料電池システムにおける熱交換部の構成の一例を示す概略図である。

実施の形態８の燃料電池システムの構成において、実施の形態６と同様の構成要素については、同一符号を付して、重複する説明は省略する。

先に説明した実施の形態６の燃料電池システムでは、図８に示すように、冷却水タンク４５内に配置された発熱装置４８が、発電前に燃料電池２を、発電に適した温度に温める時と、循環器７のみの運転では循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが困難な場合に、通電されて発熱し、冷却水タンク４５の冷却水を加熱していた。

これに対し、実施の形態８の燃料電池システムでは、図１０に示すように、冷却水タンク４５内には発熱装置４８を配置せず、凝縮水タンク４内に配置された発熱装置１９が、発電前に燃料電池２を、発電に適した温度に温める時と、循環器７のみの運転では循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが困難な場合に、通電されて発熱し、凝縮水タンク４の水（凝縮水）を加熱する。その他の構成は、実施の形態６の燃料電池システムの構成と同様である。

実施の形態８の燃料電池システムの制御器２３の凍結防止の動作は、図３に示す動作であるが、図４に示す動作であっても、また、図５に示す動作であっても構わない。

次に、上記構成の本実施の形態の燃料電池システムの動作について、図１０を参照して説明する。

この場合、凝縮水タンク４の水（凝縮水）は、循環器７により汲み上げられ、浄化器５
で凝縮水タンク４の水（凝縮水）に含まれる金属イオン等の不純物が除去されて、分岐点１６から水供給経路８を通流して改質器１に供給される。

このとき、循環器７に加えて発熱装置１９が運転されることにより、発熱装置１９で加熱された凝縮水タンク４の水が、循環経路６を循環して、循環経路配管２５を温める。そして、熱交換部９において、循環経路配管２５から水供給経路配管２４に熱が伝わり、水供給経路配管２４の温度が上昇する。

以上説明したように、本実施の形態の燃料電池システムは、原料及び水を反応させて水素含有ガスを生成する改質器１と水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池２とを備える燃料電池モジュール３と、燃料電池モジュール３から排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を貯める凝縮水タンク４と、水を浄化する浄化器５と、凝縮水タ
ンク４と浄化器５と冷却水タンク４５とを順次環状に連接した循環経路６と、凝縮水タンク４、浄化器５、冷却水タンク４５の順に循環経路６で水を循環させる循環器７と、浄化器５及び循環器７よりも下流かつ凝縮水タンク４及び冷却水タンク４５よりも上流の循環経路６から分岐し、改質器１に水を供給する水供給経路８と、を備える。また、水供給経路８と循環経路６とが熱交換する熱交換部９を有する。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池モジュール３、凝縮水タンク４、浄化器５、循環器７及び冷却水タンク４５をその内部に収容する筐体１５と、筐体１５内の気温を検出する気温検出器２２と、循環経路６の凝縮水タンク４の水を加熱する発熱装置１９と、循環器７を制御する制御器２３と、を備え、制御器２３が、循環器７の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器２２により検出した気温が第１温度（例えば４℃）以下になった場合には、循環器７を運転するよう制御し、水供給経路８を水が通流していない時に、気温検出器２２により検出した気温が第１温度以下に設定された第２温度（例えば０℃）以下になった場合に、発熱装置１９を運転するよう制御するものである。

上記構成により、循環器７（燃料電池システム）の停止中（発電要求がない時）に、気温検出器２２により検出した筐体１５内の気温が、第１温度（例えば４℃）以下になった場合は、循環器７が運転されて、循環経路６を循環する水からの伝熱によって、循環経路６全体が温められるので、循環経路６全体の凍結を防止することができる。そして、改質器１に水を供給する水供給経路８は、熱交換部９において循環経路６から伝わる熱によっ
て温められるので、水供給経路８の凍結を防止することができる。

また水供給経路８を水が通流していない時に、気温検出器２２により検出した筐体１５内の気温が、第１温度以下に設定された第２温度（例えば０℃）以下になった場合には、循環器７に加えて発熱装置１９が運転されて、発熱装置１９によって加熱された水が循環経路６を循環して、循環器７のみ運転している場合よりも循環経路６全体が温められるので、循環器７のみの運転では循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが困難な低温環境であっても、発熱装置１９の併用によって循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが可能になる。

また第１温度と第２温度とに温度差を設けたので、循環器７のみの運転で循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止することが可能な低温環境時には、循環器７のみを運転し、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに、発熱装置１９によって加熱された水を循環経路６で循環させる必要があるような低温環境時には、循環器７に加えて発熱装置１９を運転するようにして、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止するのに必要な電力消費量を抑えることができ、第１温度と第２温度とに温度差を設けない場合（循環器７と発熱装置１９が同時に動作する場合）よりも、循環経路６及び水供給経路８の凍結防止動作による電力消費量の変動幅を小さくできる。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、熱交換部９では、水供給経路８の水供給経路配管２４と循環経路６の循環経路配管２５とが接触するように配置されているので、水
供給経路８の水供給経路配管２４と循環経路６の循環経路配管２５とを、直接的熱伝導によって、熱交換させることができ、結束バンド等の結束部品を用いて水供給経路８の水供給経路配管２４と循環経路６の循環経路配管２５とが接触する状態を維持させることが可能であるので、水供給経路８と循環経路６とを熱交換させるための構成が簡単で、燃料電池システムのコスト低減に寄与できる。

（実施の形態９）
図１１は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態９に係る燃料電池システムにおける熱交換部の構成の一例を示す概略図である。

実施の形態９の燃料電池システムの構成において、実施の形態６と同様の構成要素については、同一符号を付して、重複する説明は省略する。

実施の形態９の燃料電池システムは、実施の形態６の燃料電池システムにおいて、循環電磁弁１７と改質水電磁弁１８を省いて、改質水電磁弁１８を配置していた箇所（水供給
経路８における分岐点１６よりも下流側で熱交換部９よりも上流側の部分）に、水供給経路８に水（改質水）を流す時に制御器２３によって、分岐点１６から循環経路６の水を改質器１に供給するように動作する改質水供給器３２を設けて、循環器７を、循環経路６における凝縮水タンク４よりも下流で浄化器５よりも上流となる箇所に移動させたものである。

循環器７は、遠心式ポンプ等で構成され、循環経路６における凝縮水タンク４よりも下方になる箇所に設置される。

実施の形態９の燃料電池システムの制御器２３の凍結防止の動作は、図３に示す動作であるが、図４に示す動作であっても、また、図５に示す動作であっても構わない。

実施の形態９の燃料電池システムは、以上のように構成されているので、実施の形態６の燃料電池システムと同様に、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止する効果を有する。

（実施の形態１０）
図１２は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態１０に係る燃料電池システムにおける熱交換部の構成の一例を示す概略図である。

実施の形態１０の燃料電池システムの構成において、実施の形態９と同様の構成要素については、同一符号を付して、重複する説明は省略する。

実施の形態９の燃料電池システムでは、分岐点１６が、循環経路６における熱交換部９よりも下流側で冷却水タンク４５よりも上流側となる箇所に配置されていたが、実施の形態１０の燃料電池システムでは、水供給経路８が循環経路６から分岐する分岐点１６が、冷却水タンク４５の底部に配置されている。その他の構成は、実施の形態９の燃料電池システムと同様である。

実施の形態１０の燃料電池システムの制御器２３の凍結防止の動作は、図３に示す動作
であるが、図４に示す動作であっても、また、図５に示す動作であっても構わない。

実施の形態１０の燃料電池システムは、以上のように構成されているので、実施の形態９の燃料電池システムと同様に、循環経路６及び水供給経路８の凍結を防止する効果を有する。

また、本実施の形態では、水供給経路８が循環経路６から分岐する分岐点１６が、冷却水タンク４５の底部に配置されているので、改質水供給器３２を動作させて、水供給経路８を用いて改質器１に水（改質水）を流し始めた後は、冷却水タンク４５内に貯まっている水の水位を検出する水位検出器４９が下限水位以下を検出した場合に、水位検出器４９が上限水位を検出するまで、制御器２３が循環器７を動作させる。

上記の説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の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。

本発明の燃料電池システムは、循環経路と水供給経路が凍結するのを防止できるので、家庭用コージェネレーションシステムに好適である。

１改質器
２燃料電池
３燃料電池モジュール
４凝縮水タンク
５浄化器
６循環経路
７循環器
８水供給経路
９熱交換部
１５筐体
１６分岐点
１９発熱装置
２０水温検出器
２２気温検出器
２３制御器
２４水供給経路配管
２５循環経路配管
２６熱交換部断熱材
４８発熱装置

Claims

原料及び水を反応させて水素含有ガスを生成する改質器と前記水素含有ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池とを備える燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排気される排ガス中の水分が凝縮した凝縮水を貯める凝縮水タンクと、
水を浄化する浄化器と、
前記凝縮水タンクと前記浄化器との間で水が循環するように前記凝縮水タンクと前記浄化器とを環状に連接した循環経路と、
前記循環経路で水を循環させる循環器と、
前記浄化器及び前記循環器よりも下流かつ前記凝縮水タンクよりも上流の前記循環経路から分岐し、前記改質器に水を供給する水供給経路と、
を備え、
前記水供給経路と前記循環経路とが熱交換する熱交換部を有する、
燃料電池システム。
前記燃料電池モジュール、前記凝縮水タンク、前記浄化器及び前記循環器を、その内部に収容する筐体と、
前記筐体内又は外気の気温を検出する気温検出器と、
前記循環器を制御する制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記循環器の停止中に、前記気温検出器により検出した気温が第１温度以下になった場合に、前記循環器を運転するよう制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
前記循環経路の水を加熱する発熱装置を備え、
前記制御器は、前記水供給経路に水が流れていない時に、前記気温検出器により検出した気温が前記第１温度以下に設定された第２温度以下になった場合に、前記発熱装置を運転するよう制御する、
請求項２に記載の燃料電池システム。
前記循環経路の水を加熱する発熱装置と、
前記循環経路の水の温度を検出する水温検出器と、
を備え、
前記制御器は、前記循環器の停止中に前記気温検出器により検出した気温が第１温度以下になったことにより前記循環器が動作した場合で、且つ、前記水温検出器により検出した水温が第３温度以下になった場合に、前記発熱装置を運転するよう制御する、
請求項２に記載の燃料電池システム。
前記循環経路の水の温度を検出する水温検出器と、
前記循環器を制御する制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記循環器の停止中に、前記水温検出器により検出した水温が第４温度以下になった場合に、前記循環器を運転するよう制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記循環経路の水を加熱する発熱装置を備え、
前記制御器は、前記水供給経路に水が流れていない時に、前記水温検出器により検出した水温が前記第４温度以下に設定された第５温度以下になった場合に、前記発熱装置を運転するよう制御する、
請求項５に記載の燃料電池システム。
前記熱交換部では、前記水供給経路の配管と前記循環経路の配管とが接触している、請求項１から６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記熱交換部の前記水供給経路の配管と前記循環経路の配管とを一緒に覆う断熱材を備える、請求項７に記載の燃料電池システム。
前記水供給経路は、前記水供給経路が前記循環経路から分岐する分岐点よりも上流側部分の前記循環経路と熱交換する、請求項１から８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。