WO2012023261A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2012023261A1
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air
fuel cell
supply unit
air supply
cell system
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波多野　進
繁樹 保田
英俊 若松
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas.
  • the fuel cell system is easy for small-capacity distributed power generation, suitable for in-house power generation equipment in each facility, does not generate harmful substances such as NOx and SOx, has low noise, and can be applied in cold regions. Has a merit.
  • the fuel cell system of Patent Document 1 includes a fuel cell main body, a fuel gas generation device, an air supply unit (air blower), a power conversion device (inverter), a heat recovery device, and the like.
  • the fuel gas generation device generates hydrogen gas from natural gas, which is a raw material gas
  • the air supply unit supplies oxygen to the fuel cell.
  • the fuel cell generates power by an electrochemical reaction between these hydrogen gas and oxygen.
  • the power conversion device converts the electric energy generated by the fuel cell into the same voltage and frequency as the commercial power system
  • the heat recovery device is a fuel cell or fuel gas generation device using a heat exchanger provided. The generated heat is recovered and supplied to other external equipment using exhaust heat.
  • this patent document 1 teaches about cooling the electric motor which drives an air supply part with the air, when introducing air with an air supply part.
  • water used in the system may be frozen. More specifically, the fuel cell system needs to take in air necessary for power generation from the outside of the housing. In some cases, the inside of the housing of the fuel cell system is ventilated by air taken from outside. In addition, if electricity or hot water used at home is covered by electric power or hot water generated by the fuel cell system, the system must be continuously operated for a long time, and the useful life of the system is shortened. For this reason, it is common to stop the fuel cell system at night when the amount of power and hot water used is low, and to start the power generation operation early in the morning when the amount of power and hot water used at home starts to increase.
  • a fuel cell system installed outdoors must be operated in an outside temperature of, for example, less than 0 ° C. to 40 ° C. throughout the year. For this reason, particularly in winter, when trying to start the vehicle early in the morning from the stop state at night, water in the water tank and water piping provided in the fuel cell system may freeze, resulting in trouble in the operation of the system.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of a conventional fuel cell system described in Patent Document 2.
  • a fuel cell system 100 shown in FIG. 6 includes a plate-shaped mounting plate 102 in an internal space of a casing 101, and various internal devices including a PEFC stack 103 are mounted on the mounting plate 102.
  • the mounting plate 102 is provided with legs, and therefore the mounting plate 102 is spaced apart from the inner bottom surface of the housing 101 and positioned above it.
  • a sheathed heater 104 that heats the internal space of the housing 101 is disposed between the inner bottom surface of the housing 101 and the mounting plate 102.
  • Patent Documents 3 and 4 disclose means for heating the entire fuel cell system as a countermeasure against freezing.
  • an opening for taking in cooling air is formed in the lower part of a casing that accommodates the fuel cell, and a fuel cell that takes in outside air from the opening by driving a blower provided in the lower part in the casing.
  • Patent Document 4 also discloses that a heating unit for heating the entire fuel cell system is provided (for example, refer to claim 1).
  • Patent Documents 5 and 6 teach general techniques.
  • JP 2008-84564 A International Publication No. 2009/034997 JP 2006-107941 A JP 2005-32585 A JP-A-2-64278 JP 2005-273477 A
  • the diaphragm-type air supply unit has a number of merits such as a simple structure, excellent durability, and low cost.
  • the main material of the diaphragm is rubber, there is a possibility that the diaphragm is cured in a low-temperature environment, and the desired performance cannot be exhibited, for example, the amount of pumped air in the air supply unit decreases. Therefore, in the case of a fuel cell system employing a diaphragm type air supply unit, the outside temperature environment in which this can be used is limited.
  • Patent Documents 2 to 4 and the like described above disclose a fuel cell system including a heating unit, but none of them can be said to be a configuration that can prevent the air supply unit from being lowered in temperature. No means to do so is presented. In the first place, none of the documents discloses that the above problem occurs in a low temperature environment when a diaphragm type air supply unit is used in a fuel cell system.
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell system in which a diaphragm-type air supply unit can exhibit desired performance even when the outside air temperature is low and can stably perform power generation operation. .
  • a fuel cell system includes a housing having an air inlet for introducing external air into an internal space, and generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas in the housing.
  • a heating section for heating the air in the space leading to.
  • the air heated by the heating part is introduce
  • the size of the air supply unit is inevitably increased.
  • the fuel cell system according to the present invention is excellent in that the above problem can be solved by using a small air supply unit without increasing the size of the air supply unit.
  • a fuel gas generation device that generates fuel gas to be supplied to the fuel cell using raw materials and water, and offgas from the anode of the fuel cell, offgas from the cathode, and offgas from the fuel gas generation device
  • a water circuit having a condensed water recovery path for recovering condensed water from at least one off gas and a water tank for storing the condensed water, wherein the heating unit heats at least a part of the water circuit. It may be arranged.
  • a part of the water circuit heated by the heating unit may be disposed in a space from the intake port to the air supply unit.
  • the water circuit can be heated more reliably, and water freezing prevention in the water circuit can be more reliably realized.
  • the internal space of the housing is partitioned into an upper space and a lower space, and further includes a partition plate having a communication port communicating between the two spaces, and the fuel cell and the air supply unit are provided in the upper space.
  • the air supply unit communicates with the lower space through the communication port, and the lower space passes through the air introduced from the intake port while reaching the communication port.
  • An introduction space may be formed, and the heating unit may be disposed in the air introduction space.
  • the air in the air introduction space smaller than the volume of the entire housing can be efficiently heated, and further, this heated air can be introduced into the air supply unit. . Therefore, since the air heated by the heating unit can be more reliably introduced into the air supply unit, it is possible to appropriately prevent the diaphragm from being cured even when used in a low temperature environment. Moreover, since the air supply unit is disposed in the upper space partitioned by the partition plate, the air supply unit is positioned with respect to the grounding surface of the housing with the air introduction space interposed therebetween. Therefore, the air introduction space forms a heat insulating layer, and it is possible to suppress the heat of the air supply unit itself from being taken away by the low-temperature ground plane, and to suppress the temperature reduction of the air supply unit.
  • partition plate you may comprise with one board member and may comprise using two or more board members.
  • the whole partition plate does not need to be flat, and may be comprised in multistage form.
  • the partition plate does not need to partition the upper space and the lower space in an airtight manner except for the communication port, and may have a through hole or a gap in addition to the communication port.
  • the partition plate may be a minimum condition as long as it can partition the internal space of the housing into the upper space and the lower space with the partition plate as a boundary.
  • a fuel gas generation device that generates fuel gas to be supplied to the fuel cell using raw materials and water, and offgas from the anode of the fuel cell, offgas from the cathode, and offgas from the fuel gas generation device
  • a water circuit having a condensed water recovery path for recovering condensed water from at least one off gas and a water tank disposed in the upper space for storing the condensed water, and at least a part of the water circuit May be exposed in the air introduction space.
  • a fuel gas generation device that generates fuel gas to be supplied to the fuel cell using raw materials and water, and offgas from the anode of the fuel cell, offgas from the cathode, and offgas from the fuel gas generation device
  • a water circuit having a condensed water recovery path for recovering condensed water from at least one off gas and a water tank disposed in the upper space for storing the condensed water, wherein the partition plate includes the heating plate.
  • the hole-shaped thing which penetrates a partition plate can be employ
  • an air introduction path from the communication port of the partition plate to the air supply unit, and a filter that is provided in the middle of the air introduction path and captures foreign matters may be provided.
  • the heat capacity of the filter can be utilized to suppress the low temperature of the air supply unit. That is, the filter provided in the middle of the air introduction path is heated in the process in which the air heated by the heating unit is introduced into the air supply unit. Since the filter has a certain heat capacity, the amount of heat can be maintained according to the heat capacity. Therefore, after the filter is heated, the air can be heated by the amount of heat of the filter, so that the temperature of the air introduced into the air supply unit can be suppressed.
  • control unit that controls the operation of the heating unit may be provided, and the control unit may perform air heating by the heating unit prior to the start of operation of the air supply unit.
  • the air to be introduced into the air supply unit is warmed in advance, so that it is possible to reliably prevent the diaphragm of the air supply unit from being cured by low-temperature air.
  • the air supply unit includes a control unit that controls the operation of the heating unit, and a temperature sensor that detects a temperature of air supplied to the air supply unit, and the control unit detects the temperature sensor.
  • the control unit detects a temperature of air supplied to the air supply unit, and the control unit detects the temperature sensor.
  • the heating unit when the air introduced into the air supply unit is at a low temperature, the heating unit is driven to heat the air, so that the diaphragm of the air supply unit is hardened by the low temperature air. It can be surely prevented. Further, if the introduced air is equal to or greater than a predetermined value, the heating unit is not driven, so that power consumption can be reduced.
  • the air temperature corresponding to the minimum allowable pump performance should be adopted as the predetermined value related to the temperature based on the viewpoint of the pump performance lowering due to the air temperature lowering (that is, the hardening of the diaphragm). Can do. More specifically, a value included in the range of 0 ° C. to 10 ° C. can be selected as the predetermined value, and it is more preferable to select a value included in the range of 3 ° C. to 5 ° C.
  • a control unit that controls the operation of the heating unit is provided, and the control unit acquires and obtains the power generation amount of the fuel cell or the air supply amount by the air supply unit during the power generation operation of the fuel cell. It is good also as controlling so that the calorie
  • the amount of air introduced into the air supply unit increases. Therefore, by adopting the configuration as described above, an appropriate amount of heat is generated and introduced according to the amount of air introduced into the air supply unit.
  • the air can be adjusted to an appropriate temperature. Therefore, even when a large amount of air is introduced, the air is reliably heated to prevent the diaphragm from being cured. On the other hand, when the amount of air introduced is small, excessive heating is prevented to save power. Can be achieved.
  • the diaphragm of the air supply unit can be reliably heated, and by the hardening of the diaphragm A decrease in the amount of compressed air can be suppressed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the fuel cell system 1A according to the present embodiment can be used as an in-house power generator for homes and various facilities.
  • the system 1A includes a housing 2 made of a metal plate and having at least a first side wall 2a, a second side wall 2b, and a bottom wall 2c facing each other.
  • a vertically long rectangular parallelepiped shape is illustrated.
  • the internal space of the housing 2 is divided into an upper space 2u and a lower space 2d by a partition plate 3. Since the partition plate 3 is provided relatively close to the bottom wall 2c of the housing 2, the upper space 2u is wider than the lower space 2d.
  • the upper space 2u contains a fuel cell 4, a fuel gas generator 5, a diaphragm type air supply unit 6, an inverter 7, a water tank 8, and other components 9, and the lower space 2d.
  • a heating unit 30 and the like are accommodated.
  • the fuel cell device 4 provided in the upper space 2u generates power using a raw material for hydrogen production, and has a configuration in which a plurality of battery cells are stacked. Each battery cell is composed of an anode electrode, a cathode electrode, and a solid polymer electrolyte sandwiched between these electrodes. A separator is interposed between adjacent battery cells.
  • a raw material used for power generation in such a fuel cell 4 compounds having carbon and hydrogen in the molecule, such as hydrocarbons, alcohols, and ethers, can be employed.
  • hydrocarbon oils such as gasoline, naphtha, kerosene and light oil obtained from petroleum can also be employed.
  • the fuel gas generator 5 includes a burner 5a, and reforms a raw material fed by a fuel booster blower 10 provided in the upper space 2u by a steam reforming reaction to generate a fuel gas containing hydrogen.
  • the generated fuel gas is supplied to the anode electrode of the fuel cell 4 through a pipe.
  • the air supply unit 6 is a diaphragm type, and includes a diaphragm 6a whose main component is rubber, and a drive unit 6b that drives the diaphragm 6a to change the volume in the casing in an airtight casing. It has a configuration. More specifically, the air supply unit 6 has two diaphragms 6a each defining two spaces, and the diaphragm 6a is connected to each end of a rod that reciprocates by the action of an electromagnet. Can be adopted.
  • Such an air supply unit 6 has a function of continuously pumping air by repeatedly reciprocating the rod and repeatedly repeating the operation of exhausting from the other space while sucking into one space.
  • the diaphragm type air supply unit 6 is not particularly limited as long as it includes the diaphragm 6a and the drive unit 6b, and a known one can be employed.
  • the fuel cell 4 generates electricity by performing an electrochemical reaction using the fuel gas and air supplied from the fuel gas generation device 5 and the air supply unit 6, respectively.
  • the generated DC power is converted by the inverter 7 into AC power having the same frequency as that of the commercial power system, for example, and supplied to the household electric power load.
  • the water tank 8 is a water storage tank having a predetermined volume, and is composed of off gas discharged from the anode electrode of the fuel cell 4 during power generation operation, off gas discharged from the cathode electrode, and combustion exhaust gas discharged from the fuel gas generator 5. , Collect condensed water.
  • the water tank 8 and the fuel cell 4 and the fuel gas generator 5 are connected by pipes 11a and 11b.
  • the condensed water collected in the water tank 8 circulates in the system 1A and is used for various purposes in each part.
  • the water in the water tank 8 is supplied to the separator between the battery cells through the pipe 11c to cool the fuel cell 4 that generates heat during power generation.
  • the water that has become high temperature by cooling the fuel cell 4 is supplied to another component 9 through the pipe 11d.
  • the component 9 includes a heat exchanger (not shown), and the heat exchanger recovers heat from the supplied high-temperature water to generate hot water used at home. And the water which passed through the heat exchanger is collect
  • the water in the water tank 8 is also supplied to the fuel gas generation device 5 through the pipe 11f, and here is used as reforming water for performing a reforming reaction for generating fuel gas from the raw material.
  • a reforming water pump 12 is provided in the middle of the pipe 11f, and the amount of reforming water supplied is appropriately adjusted by driving the reforming water pump 12.
  • the system 1A has a configuration in which the recovered condensed water is used as cooling water or reformed water and is recovered again.
  • the water circuit 20 is comprised by the water tank 8 and piping 11a-11f mentioned above.
  • An ion exchange resin (not shown) is provided at an appropriate position of the water circuit 20 in order to purify the cooling water supplied to the fuel cell 4.
  • a pump, a valve, or the like may be provided as appropriate in addition to the reforming water pump 12.
  • the lower space 2d divided by the partition plate 3 forms an outside air introduction space for introducing air taken from outside into the air supply unit 6, and a heating unit 30 is disposed in the outside air introduction space.
  • the lower space 2d is also referred to as “outside air introduction space 2d” as appropriate.
  • an air inlet 31 that communicates the inside and the outside is formed in a portion that defines the outside air introduction space 2d.
  • the partition plate 3 is formed with a communication port 32 that communicates between the upper space 2u and the outside air introduction space (lower space) 2d.
  • the communication port 32 leads to the air supply unit 6 in the upper space 2u.
  • the air introduction path 13 is formed by piping. Accordingly, when the air supply unit 6 is driven, a negative pressure is generated therein, and outside air is introduced into the air supply unit 6 through the intake port 31, the outside air introduction space 2 d, the communication port 32, and the outside air introduction path 13. ing.
  • a temperature sensor 33 is provided in the outside air introduction space 2d and in the vicinity of the intake port 31 (in this embodiment, the inner wall surface of the first side wall 2a of the housing 2). The temperature of the outside air can be detected. Further, on the bottom wall 2c of the housing 2 in the vicinity of the air inlet 31 in the outside air introduction space 2d, a heating unit 30 made of, for example, a sheathed heater is disposed.
  • the partition plate 3 for partitioning the inside of the housing 2 is not limited to one configured by a single plate member, and may be configured by a plurality of plate members.
  • the partition plate 3 according to the present embodiment exemplifies the partition plate 3 constituted by a first partition plate 3a close to the first side wall 2a and a second partition plate 3b close to the second side wall 2b.
  • the water tank 8 mentioned above is mounted on the 1st partition plate 3a so that it may approach the 1st side wall 2a rather than the 2nd side wall 2b, and the air supply part 6 is 2nd side wall rather than the 1st side wall 2a. It is placed on the second partition plate 3b so as to be close to 2b.
  • the water tank 8 is disposed above the heating unit 30 at a position near the first side wall 2 a where the air inlet 31 exists, and at a position near the second side wall 2 b separated from the water tank 8.
  • An air supply unit 6 is provided.
  • the communication port 32 mentioned above is formed in the vicinity of the air supply part 6 in the 2nd partition plate 3b.
  • a through-hole 34 is formed in the vicinity of the water tank 8 in the first partition plate 3a, and a gap 35 is provided between the first partition plate 3a and the second partition plate 3b.
  • the through holes 34 and the gaps 35 form a through portion 36 that penetrates between the upper space 2u and the outside air introduction space (lower space) 2d, and can move air from the outside air introduction space 2d to the upper space 2u. It is said.
  • a third partition plate 3c is provided to protrude horizontally from the first side wall 2a in the upper space 2u, The component 9 mentioned above is mounted there.
  • the fuel cell system 1A includes a control unit 40 in addition to the above configuration. And the operation
  • the timer consumes less power and hot water in the system installation facility such as a home (for example, at night). Is in a stopped standby state. Then, the fuel cell system 1A is activated in the morning when the power consumption and the amount of hot water used increase, and power generation and hot water supply are resumed. Repeating the standby state and the start-up and operation states in this way is a general usage mode of the fuel cell system 1A.
  • the ambient temperature may be below freezing point. If the fuel cell system 1A is put on standby at night, the air in the vicinity of the housing 2 is also below freezing point (for example, ⁇ 10 ° C.). May be. Therefore, in the fuel cell system 1A according to the present embodiment, when the temperature sensor 33 detects a temperature at which water may freeze (for example, less than 4 ° C.), the control unit 40 energizes the heating unit 30. To do. As a result, the components of the fuel cell system 1A, the water tank 8, the water circuit 20, and the like are heated to prevent freezing of each part, and the air in the outside air introduction space 2d is heated and introduced into the air supply unit 6.
  • the heated air is warmed to prevent the diaphragm 6a from hardening.
  • the partition plate 3 is formed with the through-hole 36, the air warmed in the outside air introduction space 2d is also sent to the upper space 2u through the through-hole 36 and is naturally convected in the upper space 2u.
  • the entire inside of the housing 2 can be heated.
  • Such energization of the heating unit 30 may be started in all states including during the period in which the fuel cell system 1A is in the standby state, or at least when starting up from the standby state. It is preferable to do this.
  • FIG. 2 is a time chart showing an operation mode of the heating unit 30 performed when the fuel cell system 1A in the standby state is activated, and other state changes related thereto.
  • chart 1 of FIG. 2 shows that during the period up to time t1, the fuel cell system 1A is in a standby state, and the diaphragm air supply unit 6 is off (stopped), as shown in chart 2.
  • the temperature of the air detected by the temperature sensor 33 is a low temperature Ta (for example, ⁇ 2 ° C.) at which the water is likely to freeze.
  • the heating unit 30 is off (stopped).
  • the control unit 40 switches the heating unit 30 from off to on (see Chart 3).
  • the temperature of the air rises from Ta as time passes (see chart 2).
  • Tb for example, 4 ° C.
  • the control unit 40 starts driving the air supply unit 6. That is, the air supply unit 6 is switched from OFF to ON (operation) (see Chart 1).
  • the heating unit 30 After time t2, the heating unit 30 is maintained in the on state, and the detected temperature further rises from Tb.
  • Tc for example, 10 ° C.
  • the control unit 40 switches the heating unit 30 from on to off. To stop (see Chart 3). This prevents excessive temperature rise and saves power.
  • the heating unit 30 stops the detected temperature gradually decreases with the introduction of the outside air into the outside air introduction space 2d (see Chart 2).
  • Tb again at time t4
  • the heating unit 30 is switched from off to on to prevent further temperature drop, and the air is heated again. Thereafter, the operation control of the heating unit 30 and the temperature change of the air are repeated in the same manner as between the times t2 and t4.
  • the air taken into the outside air introduction space 2d is set to an appropriate temperature in the range of Tb to Tc, and this air is supplied to the air supply unit 6. Can be introduced. Therefore, after the time t2, the appropriate temperature air can be introduced into the air supply unit 6, and the hardening of the diaphragm and the accompanying decrease in the air supply capability can be prevented.
  • it is not necessary to take measures such as increasing the amount of power supplied to the air supply unit 6 or increasing the capacity of the air supply unit 6 to compensate for the decrease in air supply capacity, it is possible to reduce power consumption and cost. In addition, space saving can be achieved.
  • the air having an appropriate temperature in the outside air introduction space 2d is also supplied to the upper space 2u through the through portion 36 (the through hole 34 and the gap 35), and the water circuit 20 (the water tank 8 and the pipes 11a to 11f) or the other.
  • the entire interior of the housing 2 including the equipment can be warmed.
  • the water tank 8 is provided immediately above the heating unit 30, the water in the water tank 8 can be efficiently prevented from freezing.
  • the outside air introduction space (lower space) 2d is between the outside and the upper space 2u and forms a kind of heat insulating space. Therefore, it is possible to suppress the amount of heat of the air supply unit 6 from being taken by the installation surface (the ground or the like) of the housing 2, and it is possible to suppress a temperature drop of the air supply unit 6.
  • the fuel cell system 1A can be shifted to the power generation state as soon as other necessary conditions are satisfied.
  • FIG. 2 although the aspect which does not drive the heating part 30 in the standby state (before time t1) was illustrated, it is not restricted to this.
  • the operation of the heating unit 30 is controlled based on the temperature detected by the temperature sensor 33, and the temperature of the air in the outside air introduction space 2d is always the temperature. You may make it maintain in the range of Tb-Tc. In this way, the fuel cell system 1A can be smoothly shifted from the standby state to the power generation state through the startup state.
  • the reference temperature Tb for switching the heating unit 30 on and the reference temperature Tc for switching it off can be set as appropriate.
  • a value in the range of 0 ° C. to 10 ° C. can be selected as the temperature Tb.
  • a value in the range of 3 ° C to 5 ° C can be selected.
  • a value in the range of 8 ° C. to 12 ° C. can be preferably selected.
  • the through-hole 34 provided in the partition plate 3a is positioned immediately below the water tank 8, but the present invention is not limited to this. If it is an aspect along the purpose of supplying the air heated in the outside air introduction space 2d to the upper space 2u and warming the water tank 8, the through-opening is provided at a position other than directly below the water tank 8 or other appropriate position. 34 or a gap 35 may be provided.
  • the spacer of an appropriate dimension is arrange
  • the fuel cell system 1 ⁇ / b> A changes the supply amounts of fuel gas and air according to the power generation amount of the fuel cell 4. That is, as the power generation amount in the fuel cell 4 is larger, the supply amounts of fuel gas and air are also increased, and as the power generation amount is smaller, the supply amount is decreased.
  • the fuel cell system 1A increases or decreases the amount of heat generated in the heating unit 30 according to the amount of power generation or the amount of air supplied. The operation mode of the system 1A will be described more specifically.
  • FIG. 3 is a flowchart showing another operation mode of the fuel cell system 1A, and shows an operation mode of the system 1A when the amount of heat generated in the heating unit 30 is adjusted according to the amount of power generation.
  • the control unit 40 acquires the detected temperature of the temperature sensor 33 at an appropriate timing (step S1), and determines whether or not the outside air temperature is lower than a predetermined temperature Tb (for example, 4 ° C.). (Step S2). If the outside air temperature is equal to or higher than the temperature Tb (step S2: NO), it is not necessary to drive the heating unit 30, and the operation from step S1 is repeated.
  • a predetermined temperature Tb for example, 4 ° C.
  • step S3 if it is determined that the outside air temperature is lower than the temperature Tb (step S2: YES), the heating unit 30 is switched from off to on (step S3), and then the power generation amount in the fuel cell 4 is detected (step S3). Step S4).
  • the power generation amount belongs to a range of less than 250 W, 250 W or more and less than 500 W, or 500 W or more and 1000 W or less, and the operating rate of the heating unit 30 is determined corresponding to the range to which the power generation amount belongs (Steps S5 to S10). . That is, the larger the power generation amount, the higher the operation rate of the heating unit 30 is made to operate.
  • step S5 when it is determined that the power generation amount is less than 250 W (step S5: YES), the operation rate of the heating unit 30 (or the duty ratio if the drive signal has periodicity) is 25%. (Step S6), and the heating unit 30 is operated at this operating rate. If it is determined that the power generation amount is not less than 250 W (step S5: NO), it is determined whether the power generation amount is within the range of 250 W or more and less than 500 W (step S7). And when it determines with it being in this range (step S7: YES), the operating rate of the heating part 30 is set to 50% (step S8), and the heating part 30 is operated with this operating rate.
  • step S7 when it is determined that the power generation amount is not a value within this range (step S7: NO), it is determined whether the power generation amount is within a range of 500 W or more and 1000 W or less (step S9). And when it determines with it being in this range (step S9: YES), the heating part 30 is set to the operation rate 100% (step S10), the heating part 30 is operated at this operation rate, and even within this range. If it is determined that there is no (step S9: NO), there is a possibility of a determination error, so the processing from step S5 is repeated.
  • step S11 After starting the operation of the heating unit 30 at the operation rate according to the power generation amount in this way, the outside air temperature is detected again (step S11), and is the detected temperature equal to or higher than a predetermined temperature Tc (for example, 10 ° C.)? It is determined whether or not (step S12). As a result, if the outside air temperature is lower than the temperature Tc (step S12: NO), the operation of the heating unit 30 at the operation rate corresponding to the amount of power generation that varies with the elapse of time is repeated by repeating the operations after step S4. Execute. On the other hand, when it is determined that the outside air temperature is equal to or higher than the temperature Tc (step S12: YES), the heating unit 30 is switched from on to off and stopped (step S13).
  • Tc for example, 10 ° C.
  • the fuel cell system 1A increases or decreases the amount of heat generated in the heating unit 30 according to the amount of power generation, when the power generation amount increases, the diaphragm 6a increases with the amount of air introduced.
  • the introduced air can be heated excessively to prevent energy from being wasted.
  • the operation flow as described above can be executed while the fuel cell 4 is already in a power generation state in which power generation is performed, or execution is started in an activated state in which the fuel cell 4 has not yet generated power. It is also possible to do.
  • the process from step S1 is executed in the non-power generation state of the fuel cell 4, it is only necessary that the fuel cell 4 has shifted to the power generation state at least before the process of step S4.
  • step S9 NO
  • the process from step S4 for detecting the power generation amount may be executed. In this case, when there is an erroneous detection of the power generation amount, it is possible to redo the processes after step S5 using the accurate power generation amount.
  • the reference temperature Tb for switching the heating unit 30 on and the reference temperature Tc for switching off can be set as appropriate.
  • a value in the range of 0 ° C. to 10 ° C. can be selected as the temperature Tb, and a value in the range of 3 ° C. to 5 ° C. can be selected more preferably.
  • the temperature Tc a value in the range of 8 ° C. to 12 ° C. can be preferably selected.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system 1B according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the fuel cell system 1B shown in FIG. 4 differs from the fuel cell system 1A shown in FIG. 1 in that a filter 15 is provided in the middle of the air introduction path 13, and the other configuration is the same. Yes. Accordingly, the following mainly describes the different configuration, and a detailed description of the same configuration as the fuel cell system 1A shown in FIG. 1 is omitted.
  • the filter 15 is placed on the upper surface of the second partition plate 3b and corresponding to the communication port 32, and is closer to the second side wall 2b than the first side wall 2a. positioned.
  • the filter 15 has an inlet (not shown) connected to the communication port 32, and the outlet and the air supply unit 6 are connected by a pipe.
  • Such a filter 15 takes in the air that has passed through the communication port 32 from the outside air introduction space (lower space) 2d as the air supply unit 6 is driven, and captures foreign matter in the air.
  • the air from which the foreign matter has been removed is sent from the filter 15 to the air supply unit 6 through the pipe.
  • the filter 15 when comparing the configuration in which the air introduction path 13 is simply connected to the communication port 32 and the air supply unit 6 with the configuration in which the filter 15 is added to the configuration, the latter is provided by the amount provided with the filter 15. Has a large heat capacity. Moreover, as will be understood from the function of removing foreign matter from the air performed by the filter 15, the filter 15 has a large contact area with the passing air. Therefore, the filter 15 exchanges heat with the passing air and acquires a large amount of heat. Further, in this embodiment, since the filter 15 is placed on the partition plate 3, when the partition plate 3 is heated by the heating unit 30, the filter 15 can be heated along the partition plate 3. .
  • the filter 15 can store the amount of heat generated by the heating unit 30, the temperature change of the air introduced into the air supply unit 6 can be mitigated. That is, the intake port 31 is located on the upstream side of the heating unit 30, and the temperature sensor 33 is provided in the vicinity of the intake port 31. Therefore, when the heating unit 30 stops, the temperature detected by the temperature sensor 33 rapidly decreases. . On the other hand, the air supplied to the diaphragm-type air supply unit 6 is supplied after passing through the filter 15 on the upstream side.
  • the air introduction path 13 provided with the filter 15 has a relatively large heat capacity and can warm the air passing through the filter 15 even when the heating unit 30 is stopped.
  • the temperature drop of the introduced air to the air supply unit 6 can be mitigated by the heating by the filter 15.
  • the filter 15 takes a part of heat from the air heated in the air introduction space 2d. Therefore, even when the heating unit 30 operates and the temperature of the introduction space rapidly increases, the temperature increase of the introduced air to the air supply unit 6 can be mitigated by heat exchange in the filter 15.
  • the heat capacity of the air introduction path 13 is increased by the installation of the filter 15, whereby the temperature change of the introduced air to the air supply unit 6 when the heating unit 30 is turned on and off can be reduced.
  • the temperature change of the air introduced into the air supply unit 6 when the filter 15 is provided is shown in the right area of the chart 4 of FIG. 2, the temperature change of the air introduced into the air supply unit 6 when the filter 15 is provided (thick solid line) and when the filter 15 is not provided (thin solid line) is shown.
  • the filter 15 since it increases or decreases in the vicinity of the median value in the range of the temperatures Tb to Tc, it is possible to more reliably prevent the diaphragm 6a from being hardened by the low temperature air.
  • the structure of such a filter 15 is not specifically limited, What is necessary is just to be able to exhibit the function of mainly removing the foreign material in the air.
  • the filter 15 which has a filter case and a filtration member, what was formed with materials, such as a polypropylene, polyethylene, an ABS resin, a urethane resin, can be employ
  • the overall weight is about 100 g to 300 g, so that the filter 15 becomes a heat storage unit having a large heat capacity. Can be expected.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system 1C according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the fuel cell system 1C shown in FIG. 5 has a part of the pipe 11a constituting the water circuit 20 beyond the partition plate 3 and the outside air introduction space from the upper space 2u. (Lower space)
  • the structure has entered 2d.
  • a part of the pipe 11a is exposed in the outside air introduction space 2d. Since the other configuration is the same as the corresponding configuration of the fuel cell system 1B shown in FIG. 4, detailed description thereof is omitted here.
  • the portion exposed to the outside air introduction space 2d in the pipe 11a is heated by the heating unit 30, so that the water in the water circuit 20 can be prevented from freezing.
  • the route of the pipe 11 a is set so that a part of the pipe 11 a passes through the vicinity of the heating unit 30. Can be heated.
  • a part of the pipe 11 a is located on the downstream side of the heating unit 30 (downstream side in the direction in which the outside air flows). Therefore, the amount of heat generated by the heating unit 30 can be efficiently transmitted to a part of the pipe 11 a located on the downstream side of the heating unit 30 by using the flowing air as a medium.
  • a configuration may be adopted in which a part of the water circuit 20 is exposed in the outside air introduction space 2d and the exposed portion can be heated.
  • a flue gas from the burner 5 a of the fuel gas generator 5 as well as a pipe 11 a for recovering condensed water from off-gas from the anode or cathode to the water tank 8.
  • a plurality of pipes 11b for recovering condensed water from the water to the water tank 8 and a part (for example, the bottom part) of the water tank 8 can be employed.
  • the first partition plate 3a and the second partition plate 3b are used as the partition plates 3 that substantially divide the internal space of the housing 2 into the upper space 2u and the lower space 2d.
  • the thing comprised by 2 sheets was illustrated.
  • the partition plate 3 may be configured using three or more plate members, or the partition plate 3 may be configured by arranging a plurality of plate members so as to have a step.
  • the intake port 31 for taking in outside air is preferably provided further below the plate member positioned at the lowest position.
  • the present invention can be suitably applied to a fuel cell system including a diaphragm type air supply unit.
  • Fuel cell system 2 Housing 2d Lower space (Outside air introduction space) 2u Upper space 3 Partition plate 4 Fuel cell 5 Fuel gas generator 6 Diaphragm air supply unit 6a Diaphragm 7 Inverter 8 Water tank 13 Air introduction path 15 Filter 20 Water circuit 30 Heating unit 31 Inlet port 32 Communication port 33 Temperature sensor 36 Through Part 40 Control part

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Abstract

　燃料電池システム（１Ａ）は、外部の空気を内部空間に導入するための吸気口（３１）を有する筐体（２）、該筐体（２）内に収容され、燃料ガス及び酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電する燃料電池（４）、筐体（２）内に配置され、吸気口（３１）から導入された空気を取り込んで燃料電池（４）へ供給するダイヤフラム式の空気供給部（６）、及び筐体（２）内に配置され、吸気口（３１）から空気供給部（６）へ至る空間の空気を加熱する加熱部（３０）、を備えている。

Description

燃料電池システム
　本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的な反応により発電を行う燃料電池システムに関する。
　近年、発電システムの新たな形態として、燃料電池システムが提案されている。燃料電池システムは、小容量分散発電が容易であり各施設での自家発電装置に適し、NOxやSOxなどの有害物質を発生させることがなく、低騒音であり寒冷地方でも適用可能といった、様々のメリットを有している。
　このような燃料電池システム１の構成としては、例えば特許文献１に開示されているものがある。具体的に説明すると、特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池本体の他、燃料ガス生成装置、空気供給部（空気ブロワ）、電力変換装置（インバータ）、熱回収装置などを備えている。このうち燃料ガス生成装置は、原料ガスである天然ガスなどから水素ガスを生成し、空気供給部は、燃料電池へ酸素を供給する。燃料電池は、これら水素ガス及び酸素の電気化学的な反応によって発電を行う。また、電力変換装置は、燃料電池で生成した電気エネルギーを、商用電力系統と同じ電圧及び周波数に変換するものであり、熱回収装置は、具備する熱交換器によって燃料電池や燃料ガス生成装置で発生する熱を回収し、他の排熱利用外部機器に供給するものである。なお、この特許文献１は、空気供給部によって空気を導入する際、その空気により、空気供給部を駆動する電動機を冷却することについて教示している。
　ところで、燃料電池システムを寒冷地で使用した場合、システム内で使用される水（例えば、電池スタック内の水）が凍結してしまう可能性がある。より具体的に説明すると、燃料電池システムは、その発電に必要な空気を筐体の外部から取り入れる必要がある。また、外部から取り入れた空気によって、燃料電池システムの筐体内を換気する場合がある。また、家庭で使用する電気やお湯を燃料電池システムにて発生させる電力やお湯で賄おうとすると、システムを長時間連続運転しなければならず、システムの耐用年数が短くなる。そのため、電力及びお湯の使用量が少ない夜間には燃料電池システムを停止させておき、家庭での電力及びお湯の使用量が増加しはじめる早朝に起動して発電運転するのが一般的である。
　しかしながら、屋外に設置された燃料電池システムは、一年を通してみると、例えば０℃未満から４０℃程度の外気温の中で運転しなければならない。そのため、特に冬季において夜間の停止状態から早朝に起動させようとした場合に、燃料電池システムが備える水タンクや水配管内の水が凍結し、システムの運転に支障が生じる可能性がある。
　このような不具合への対処手段として、特許文献２は、燃料電池システム全体を加熱するシーズヒータを備えることを提案している。図６は、特許文献２に記載された従来技術に係る燃料電池システムの模式的な構成を示すブロック図である。図６に示す燃料電池システム１００は、筐体１０１の内部空間に板状の搭載プレート１０２を備え、該搭載プレート１０２上にはＰＥＦＣスタック１０３を含む種々の内部機器が搭載されている。搭載プレート１０２には脚部が設けられており、従って搭載プレート１０２は筐体１０１の内底面から離隔してその上方に位置している。そして、筐体１０１の内底面と搭載プレート１０２との間には、筐体１０１の内部空間を加熱するシーズヒータ１０４が配設されている。
　また、凍結対策のために燃料電池システムの全体を加熱する手段を開示したものとして、特許文献３，４がある。例えば特許文献３の場合、燃料電池を収容する筐体の下部に冷却空気取り入れ用の開口が形成され、筐体内の下部に設けられたブロワを駆動することにより、開口から外気を取り込んで燃料電池へ供給する構成となっている（段落0016, 0020参照）。そして、低温時には、面状ヒータによって筐体下部を加熱することにより、筐体内全体を昇温する構成が開示されている（段落0022参照）。また、特許文献４においても、燃料電池システムの全体を加熱するための加熱手段を備えることが開示されている（例えば、請求項1参照）。
　一方、燃料電池システムで使用する空気供給部としては、ダイヤフラム式の空気ポンプを採用したものがある。このようなダイヤフラム式の空気供給部については、例えば特許文献５，６がその一般的な技術を教示している。
特開２００８－８４５６４号公報 国際公開第２００９／０３４９９７号 特開２００６－１０７９４１号公報 特開２００５－３２５８５号公報 特開平２－６４２７８号公報 特開２００５－２７３４７７号公報
　ここで、ダイヤフラム式の空気供給部は、構造が簡単であり、耐久性に優れ、コスト的にも安価であるといった数々のメリットを有する。しかしながら、ダイヤフラムの主材料がゴムであることから、低温環境ではダイヤフラムが硬化してしまい、空気供給部の圧送空気量が減少するなど、所望の性能を発揮できなくなる可能性がある。従って、ダイヤフラム式の空気供給部を採用した燃料電池システムの場合、これを使用できる外気温度環境が限定されてしまうこととなる。
　これに対して上述した特許文献２～４などには、加熱手段を備える燃料電池システムが開示されているが、何れも空気供給部の低温化を防止できる構成とはいえず、上記課題を解決する手段は提示されていない。また、そもそも、燃料電池システムにおいてダイヤフラム式の空気供給部を使用した場合に、低温環境において上記の課題が生じることについては、何れの文献にも開示されていない。
　そこで本発明は、外気温度が低い場合であっても、ダイヤフラム式の空気供給部が所望の性能を発揮でき、安定的に発電運転を行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
　本発明に係る燃料電池システムは、外部の空気を内部空間に導入するための吸気口を有する筐体、該筐体内に収容され、燃料ガス及び酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電する燃料電池、前記筐体内に配置され、前記吸気口から導入された空気を取り込んで前記燃料電池へ供給するダイヤフラム式の空気供給部、及び前記筐体内に配置され、前記吸気口から前記空気供給部へ至る空間の空気を加熱する加熱部、を備えている。
　このような構成とすることにより、加熱部によって加熱された空気が空気供給部へ導入されるため、空気供給部を確実に加熱することができ、空気供給部による圧送空気量の減少を抑制することができる。なお、低温環境下において圧送空気量を確保するための手段として、空気供給部の容量の大型化を図ることが考えられるが、この場合、空気供給部の寸法の大型化が避けられず、家庭に設置する燃料電池システムとしては好ましくない。これに対し、本発明に係る燃料電池システムの場合、空気供給部を大型化せずに小型の空気供給部を用いて上記課題を解決できる点においても優れている。
　また、原料及び水を用いて前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置、並びに、前記燃料電池のアノードからのオフガス、カソードからのオフガス、及び前記燃料ガス生成装置からのオフガスのうち、少なくとも１のオフガスから凝縮水を回収する凝縮水回収路と該凝縮水を蓄える水タンクとを有する水回路、を更に備え、前記加熱部は、前記水回路の少なくとも一部を加熱するよう配置されていてもよい。
　このような構成とすることにより、空気供給部へ導入する空気を加熱しつつ、水回路内の水の凍結を防止（あるいは、解凍）することができる。即ち、空気供給部のダイヤフラムの硬化と水回路内の水の凍結とは、何れも低温環境という共通する状況で生じる事態であるため、加熱部として共用することにより、効率的に何れの事態にも対処することができる。
　また、前記加熱部によって加熱される前記水回路の一部は、前記吸気口から前記空気供給部へ至る空間内に配置されていてもよい。
　このような構成とすることにより、水回路をより確実に加熱することができ、水回路内の水の凍結防止をより確実に実現することができる。
　また、前記筐体の内部空間を上側空間及び下側空間に仕切ると共に、前記両空間の間を連通する連通口を有する仕切り板を更に備え、前記上側空間には前記燃料電池及び前記空気供給部が配設され、該空気供給部は前記連通口を介して前記下側空間に連通しており、前記下側空間は、前記吸気口から導入された空気が前記連通口へ至る間に通る空気導入空間を成しており、前記加熱部は該空気導入空間に配設されていてもよい。
　このような構成とすることにより、筐体全体の容積より小さい空気導入空間内の空気を、効率的に加熱することができ、更に、この加熱した空気を空気供給部へと導入することができる。従って、加熱部によって加熱した空気を、より確実に空気供給部へと導入することができるため、低温環境下での使用時であってもダイヤフラムの硬化を適切に防止することができる。また、空気供給部は、仕切り板で仕切られた上側空間に配設されているため、筐体の接地面に対しては空気導入空間を挟んで位置することとなる。そのため、空気導入空間が断熱層を成し、空気供給部自体の熱が低温の接地面に奪われるのを抑制し、空気供給部の低温化を抑制することができる。
　なお、このような仕切り板としては、１枚の板部材によって構成してもよいし、２枚以上の複数の板部材を用いて構成してもよい。また、仕切り板全体が平坦である必要はなく、多段状に構成されていてもよい。更に、仕切り板は、上側空間と下側空間とを連通口を除いて気密的に仕切る必要はなく、連通口以外にも貫通孔や隙間を有していてもよい。このように仕切り板は、最低限の条件として、該仕切り板を境界にして筐体の内部空間を上側空間と下側空間とに区分けできるものであればよい。
　また、原料及び水を用いて前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置、並びに、前記燃料電池のアノードからのオフガス、カソードからのオフガス、及び前記燃料ガス生成装置からのオフガスのうち、少なくとも１のオフガスから凝縮水を回収する凝縮水回収路と該凝縮水を蓄えるべく前記上側空間に配設された水タンクとを有する水回路、を更に備え、前記水回路の少なくとも一部は、前記空気導入空間に露出していてもよい。
　このような構成とすることにより、空気供給部へ導入する空気を加熱してダイヤフラムの硬化を防止しつつ、水回路内の水の凍結を防止（あるいは、解凍）することができる。また、これに加えて、加熱部によって加熱した空気をより確実に空気供給部へと導入することができ、空気導入空間の断熱作用により、空気供給部の低温化を抑制することも可能である。
　また、原料及び水を用いて前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置、並びに、前記燃料電池のアノードからのオフガス、カソードからのオフガス、及び前記燃料ガス生成装置からのオフガスのうち、少なくとも１のオフガスから凝縮水を回収する凝縮水回収路と該凝縮水を蓄えるべく前記上側空間に配設された水タンクとを有する水回路、を更に備え、前記仕切り板は、前記加熱部で加熱された前記空気導入空間内の空気を、前記上側空間に位置する前記水回路の少なくとも一部に対して供給すべく、前記上側空間及び前記空気導入空間の間を連通する貫通部を有していてもよい。
　このような構成とすることにより、仕切り板の貫通部を介して、空気導入空間内で加熱された空気を、水回路へ供給することができる。そのため、空気供給部へ導入する空気の加熱と共に、水回路の加熱をも行うことができる。なお、このような貫通部としては、仕切り板を貫通する孔状のものを採用することができ、その他、仕切り板を複数枚の板状部材で構成した場合には、隣接する板状部材の間に隙間を設け、この隙間を貫通部としてもよい。
　また、前記仕切り板が有する前記連通口から前記空気供給部へ至る空気導入路と、該空気導入路の途中に設けられて異物を捕捉するフィルタとを備えていてもよい。
　このような構成とすることにより、フィルタの熱容量を活用して、空気供給部の低温化を抑制することができる。即ち、空気導入路の途中に設けられたフィルタは、加熱部により加熱された空気が空気供給部へ導入される過程で加熱される。フィルタは一定の熱容量を有するため、該熱容量に応じて熱量を保持することができる。従って、フィルタが加熱された後は、該フィルタが有する熱量によっても空気を加熱することができるため、空気供給部へ導入される空気の低温化を抑制することができる。
　また、前記加熱部の動作を制御する制御部を備え、該制御部は、前記空気供給部の運転開始に先がけて前記加熱部による空気の加熱を実行することとしてもよい。
　このような構成とすることにより、空気供給部へ導入する空気を予め暖めておくので、空気供給部のダイヤフラムが低温の空気によって硬化するのを確実に防止することができる。
　また、前記加熱部の動作を制御する制御部、及び、前記空気供給部へ供給される空気の温度を検出する温度センサを備え、前記制御部は、前記温度センサにより検出した、前記空気供給部への供給用の空気の温度が所定値未満の場合に、前記加熱部による空気の加熱を実行することとしてもよい。
　このような構成とすることにより、空気供給部へ導入される空気が低温の場合に、加熱部を駆動して空気を加熱するため、空気供給部のダイヤフラムが低温の空気によって硬化するのをより確実に防止することができる。また、導入空気が所定値以上であれば、加熱部を駆動しないため、省消費電力化を図ることができる。なお、温度に関する上記所定値としては、空気温度の低下（即ち、ダイヤフラムの硬化）に起因するポンプ性能の低下という観点に基づき、許容し得る最低限のポンプ性能に対応する空気温度を採用することができる。より具体的には、０℃～１０℃の範囲に含まれる値を所定値として選択することができ、更には、３℃～５℃の範囲に含まれる値を選択することがより好ましい。
　また、前記加熱部の動作を制御する制御部を備え、該制御部は、前記燃料電池の発電運転中に、前記燃料電池の発電量又は前記空気供給部による空気の供給量を取得し、取得した値が大きいほど、前記加熱部による加熱時に空気へ与える熱量を大きくするよう制御することとしてもよい。
　発電量の増加に伴って空気供給部への導入空気量も増加するため、上記のような構成とすることにより、空気供給部への導入空気量に応じて、適切な熱量を発生させて導入空気を適温に調整することができる。従って、大量に空気が導入される場合であっても確実にその空気を加熱してダイヤフラムの硬化を防止する一方、空気の導入量が少ない場合には、過剰な加熱を防止して省消費電力化を図ることができる。
　本発明に係る燃料電池システムによれば、加熱部によって加熱された空気がダイヤフラム式の空気供給部へ導入されるため、該空気供給部のダイヤフラムを確実に加熱することができ、ダイヤフラムの硬化による圧送空気量の減少を抑制することができる。
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。 待機状態にある燃料電池システムの起動時に行う加熱部の動作態様と、これに関連する他の状態変化とを示すタイムチャートである。 燃料電池システムの他の動作態様を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。 従来技術に係る燃料電池システムの模式的な構成を示すブロック図である。
　以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、これらの実施の形態によって限定されるものではない。
　（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構成を示す模式図である。本実施の形態に係る燃料電池システム１Ａは、家庭や各種施設の自家発電装置として使用することができるものである。図１に示すように、該システム１Ａは、金属板から成り互いに対向する第１側壁２ａ及び第２側壁２ｂと底壁２ｃとを少なくとも有する筐体２を備えており、本実施の形態では、筐体２の典型例として縦長の直方体形状を成すものを例示している。
　筐体２の内部空間は、仕切り板３によって上側空間２ｕと下側空間２ｄとに区分けされている。仕切り板３は、筐体２の底壁２ｃに対して比較的近くに設けられているため、上側空間２ｕの方が下側空間２ｄよりも広い空間となっている。そして、上側空間２ｕには、燃料電池４、燃料ガス生成装置５、ダイヤフラム式の空気供給部６、インバータ７、水タンク８、及びその他の構成部品９などが収容され、下側空間２ｄには加熱部３０などが収容されている。
　上側空間２ｕに設けられた燃料電池装置４は、水素製造用の原料を用いて発電を行うものであり、複数の電池セルが積層された構成となっている。各電池セルは、アノード極とカソード極とこれらの極間に挟まれる固体高分子電解質とで構成されている。また、隣接する電池セル間にはセパレータが介装されている。このような燃料電池４にて発電に用いられる原料としては、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など、分子中に炭素及び水素を有する化合物を採用することができる。なお、工業用又は民生用の原料として入手できるものの好ましい例としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）などが挙げられる。更には、石油から得られるガソリン、ナフサ、灯油、軽油などの炭化水素油も採用することができる。
　燃料ガス生成装置５はバーナ５ａを備え、上側空間２ｕ内に設けられた燃料昇圧ブロワ１０により圧送される原料を、水蒸気改質反応により改質し、水素を含有する燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは、配管を通じて燃料電池４のアノード極へと供給される。
　一方、燃料電池４のカソード極へは、空気供給部６から配管を通じて空気が供給される。この空気供給部６はダイヤフラム式であり、気密性を有するケーシング内に、主成分をゴムとするダイヤフラム６ａと、該ダイヤフラム６ａを駆動してケーシング内の容積を変動させる駆動部６ｂとを備えた構成となっている。より具体的には、空気供給部６は、２つの空間をそれぞれ画定する２枚のダイヤフラム６ａを有し、該ダイヤフラム６ａを、電磁石の作用により往復動するロッドの各端部に接続した構成を採用することができる。このような空気供給部６は、ロッドを往復動させることで、一方の空間へ吸気する間に他方の空間から排気するという動作を交互に繰り返し、連続的に空気を圧送できる機能を備えている。なお、ダイヤフラム式の空気供給部６は、上記ダイヤフラム６ａ及び駆動部６ｂを備えていればその他の構成は特に限定されず、公知のものを採用することができる。
　燃料電池４は、上記の燃料ガス生成装置５及び空気供給部６からそれぞれ供給された燃料ガス及び空気を用い、電気化学的な反応を行って発電する。発電された直流電力は、インバータ７により、例えば商用電力系統と同様の周波数を有する交流電力に変換され、家庭内の電力負荷へ供給される。
　水タンク８は、所定容積を有する貯水槽であり、発電運転時に燃料電池４のアノード極から排出されるオフガス、カソード極から排出されるオフガス、及び燃料ガス生成装置５から排出される燃焼排ガスから、凝縮水を回収する。このために、水タンク８と燃料電池４及び燃料ガス生成装置５との間は、配管１１ａ，１１ｂで接続されている。
　また、水タンク８に回収された凝縮水は、本システム１Ａ内を循環し、各部にて様々な用途に利用される。例えば、水タンク８内の水は、配管１１ｃを通じて各電池セル間のセパレータへと供給され、発電時に発熱する燃料電池４を冷却する。燃料電池４を冷却して高温になった水は、配管１１ｄを通じて他の構成部品９へ供給される。構成部品９には熱交換器（図示せず）が含まれており、該熱交換器は、供給された高温水から熱を回収して家庭で使用されるお湯を生成する。そして、熱交換器を経た水は、配管１１ｅを通じて水タンク８へと再び回収される。
　更に、水タンク８内の水は、配管１１ｆを通じて燃料ガス生成装置５へも供給され、ここでは、原料から燃料ガスを生成する改質反応を行うための改質水として利用される。なお、配管１１ｆの途中には改質水ポンプ１２が設けられており、この改質水ポンプ１２の駆動により、改質水の供給量が適宜調整される。
　上記のように本システム１Ａでは、回収した凝縮水を冷却水又は改質水として利用し、それらを再び回収する構成となっている。そして、このような水の循環利用を実現するために、上述した水タンク８及び配管１１ａ～１１ｆによって水回路２０が構成されている。なお、燃料電池４へ供給する冷却水を純水化するため、水回路２０の適宜位置にイオン交換樹脂（図示せず）が備えられている。また、水回路２０内を流れる水量を調整するために、上記改質水ポンプ１２以外にもポンプやバルブなどを適宜設けてもよい。更に、水タンク８内の貯水量を調整すべく、システム外から給水可能とし、システム外へ排水可能としてもよい。
　一方、仕切り板３で区分けされた下側空間２ｄは、外部から取り込んだ空気を空気供給部６へ導入するための外気導入空間を成し、該外気導入空間内に加熱部３０が配設されている。以下、下側空間２ｄを適宜「外気導入空間２ｄ」とも称する。
　より具体的に説明すると、筐体２の第１側壁２ａにおいて、外気導入空間２ｄを画定する部分には内外を連通させる吸気口３１が形成されている。また、仕切り板３には、上側空間２ｕと外気導入空間（下側空間）２ｄとの間を連通する連通口３２が形成され、該連通口３２から上側空間２ｕ内の空気供給部６へは、配管により空気導入路１３が形成されている。従って、空気供給部６が駆動するとその内部に負圧が生じ、吸気口３１、外気導入空間２ｄ、連通口３２、及び外気導入路１３を通じて空気供給部６へと外気が導入されるようになっている。
　また、外気導入空間２ｄ内であって吸気口３１の近傍（本実施の形態では筐体２の第１側壁２ａの内壁面）には、温度センサ３３が設けられており、吸気口３１から取り込まれた外気の温度を検出可能になっている。更に、外気導入空間２ｄ内の吸気口３１の近傍における筐体２の底壁２ｃ上には、例えばシーズヒータなどから成る加熱部３０が配設されている。
　ところで、筐体２内を区分けする仕切り板３は、１枚の板部材で構成するものに限らず、複数枚の板部材で構成してもよい。本実施の形態に係る仕切り板３は、第１側壁２ａに近接する第１仕切り板３ａと、第２側壁２ｂに近接する第２仕切り板３ｂとで構成されたものを例示している。そして、上述した水タンク８は、第２側壁２ｂよりも第１側壁２ａに近接するように第１仕切り板３ａ上に載置され、空気供給部６は、第１側壁２ａよりも第２側壁２ｂに近接するように第２仕切り板３ｂ上に載置されている。換言すれば、吸気口３１が存在する第１側壁２ａ寄りの位置には、加熱部３０の上方位置に水タンク８が配設され、該水タンク８から離隔した第２側壁２ｂ寄りの位置に空気供給部６が配設されている。なお、上述した連通口３２は、第２仕切り板３ｂにおける空気供給部６の近傍に形成されている。
　また、第１仕切り板３ａにおける水タンク８の近傍には貫通口３４が形成され、第１仕切り板３ａと第２仕切り板３ｂとの間には隙間３５が設けられている。これら貫通口３４及び隙間３５は、上側空間２ｕと外気導入空間（下側空間）２ｄとの間を貫通する貫通部３６を成し、外気導入空間２ｄから上側空間２ｕへの空気の移動を可能としている。なお、図１に示す構成では、仕切り板３として第１仕切り板３ａ及び第２仕切り板３ｂの他に、第３仕切り板３ｃが上側空間２ｕ内の第１側壁２ａから水平に突設され、そこには上述した構成部品９が載置されている。
　本実施の形態に係る燃料電池システム１Ａは、上記構成の他に制御部４０を備えている。そして、燃料ガス生成装置５、空気供給部６、インバータ７、及び加熱部３０を含む各部の動作は制御部４０から出力される信号によって制御され、温度センサ３３を含む各部からの信号は制御部４０へ入力されるようになっている。
　（システムの動作例１）
　次に、このような燃料電池システム１Ａの動作について説明する。
　燃料電池システム１Ａは、より長い期間（例えば１０年）の使用を可能とするため、タイマにより、家庭等のシステム設置施設での電力消費量及びお湯の使用量が少ない時間帯（例えば、夜間）は、停止した待機状態とされる。そして、電力消費量及びお湯の使用量が増加する朝に燃料電池システム１Ａは起動され、発電及び給湯が再開される。このように待機状態と起動及び運転状態とを繰り返すのが、燃料電池システム１Ａの一般的な使用態様である。
　しかし、特に寒冷地方の冬季の夜間の場合、大気温度が氷点下になることもあり、夜間に燃料電池システム１Ａを待機状態にすると、筐体２近傍の空気も氷点下（例えば、－１０℃）になることがある。そこで本実施の形態に係る燃料電池システム１Ａでは、水が凍結する可能性のある温度（例えば４℃未満）を温度センサ３３が検知した場合に、制御部４０が加熱部３０への通電を実行することとしている。これにより、燃料電池システム１Ａの構成部品、水タンク８、水回路２０などを加熱して各部の凍結を防止すると共に、外気導入空間２ｄ内の空気を昇温して、空気供給部６へ導入される空気を暖め、ダイヤフラム６ａの硬化を防止する。また、仕切り板３には貫通部３６が形成されているため、外気導入空間２ｄにて暖められた空気は、貫通部３６を通じて上側空間２ｕへも送られ、該上側空間２ｕ内で自然対流して筐体２内の全体を加熱することができる。
　このような加熱部３０への通電の開始は、燃料電池システム１Ａが待機状態にある期間中も含めて全状態において行ってもよいし、少なくとも、待機状態から起動を開始する際に行うようにするのが好ましい。
　図２は、待機状態にある燃料電池システム１Ａの起動時に行う加熱部３０の動作態様と、これに関連する他の状態変化とを示すタイムチャートである。図２のチャート１に示すように、時刻ｔ１に至るまでの期間、燃料電池システム１Ａは待機状態であってダイヤフラム式の空気供給部６はオフ（停止）となっており、チャート２に示すように温度センサ３３が検出する空気の温度は、水が凍結する可能性のある低い温度Ｔａ（例えば－２℃）となっている。また、この間、チャート３に示すように加熱部３０はオフ（停止）になっている。
　時刻ｔ１に、例えば燃料電池システム１Ａを起動させる制御入力があると、制御部４０は加熱部３０をオフからオンへと切り換えられる（チャート３参照）。その結果、時刻ｔ１以降は時間の経過に伴って空気の温度がＴａから上昇していく（チャート２参照）。時刻ｔ２に、空気の温度が、水が凍結しないであろう下限の温度Ｔｂ（例えば４℃）に達すると（チャート２参照）、制御部４０は空気供給部６の駆動を開始させる。即ち、空気供給部６をオフからオン（作動）に切り換える（チャート１参照）。
　換言すれば、燃料電池システム１Ａの起動命令があった場合であっても、温度センサ３３が検出する空気の温度がＴｂ未満の場合には空気供給部６は駆動させず、Ｔｂ以上になってから駆動させる。従って、チャート４に示すように、空気供給部６に対する低温空気の導入が防止され、比較的暖かい温度Ｔｂ以上の空気が導入されるようになっており、ダイヤフラムの硬化による弊害を防止している。
　時刻ｔ２以降も加熱部３０はオン状態に維持され、検出温度はＴｂから更に上昇する。そして時刻ｔ３に、検出温度が、水が凍結するおそれのない所定の閾値である温度Ｔｃ（例えば１０℃）に達すると（チャート２参照）、制御部４０は加熱部３０をオンからオフに切り換えて停止させる（チャート３参照）。これにより、過剰な温度上昇を防止して省消費電力化を図っている。また、加熱部３０が停止すると、外気導入空間２ｄへの外気の導入に伴って検出温度は次第に低下していく（チャート２参照）。そして時刻ｔ４に検出温度が再びＴｂに達すると、それ以上の温度低下を防止すべく加熱部３０がオフからオンに切り換えられ、再び空気が加熱される。これ以降、時刻ｔ２～ｔ４間と同様に加熱部３０の動作制御と空気の温度変化とが繰り返される。
　以上に説明したような、温度センサ３３の検出温度に基づく加熱部３０の動作制御により、外気導入空間２ｄに取り込まれた空気をＴｂ～Ｔｃの範囲の適温とし、この空気を空気供給部６へ導入することができる。従って、時刻ｔ２以降は、空気供給部６へ適温空気を導入でき、ダイヤフラムの硬化、及びこれに伴う空気供給能力の低下を防止することができる。また、空気供給能力の低下を補うための、空気供給部６への供給電力量の増大や空気供給部６の大容量化といった手段を講じる必要がないため、省消費電力化、低コスト化、及び省スペース化を図ることができる。
　また、外気導入空間２ｄにおいて適温とされた空気は、貫通部３６（貫通口３４及び隙間３５）を通じて上側空間２ｕへも供給され、水回路２０（水タンク８及び配管１１ａ～１１ｆ）や他の機器を含む、筐体２内の全体を暖めることができる。特に、水タンク８は加熱部３０の直上に設けられているため、水タンク８内の水の凍結を効率的に防止することができる。また、図１に示すように、外気導入空間（下側空間）２ｄは、外界と上側空間２ｕとの間にあって一種の断熱空間を成している。従って、空気供給部６の熱量が、筐体２の設置面（地面など）に奪われるのを抑制でき、空気供給部６の温度低下を抑制することができる。
　なお、空気供給部６がオンとなる時刻ｔ２以降であれば、その他の必要条件が整い次第、燃料電池システム１Ａを発電状態へと移行することが可能である。また、図２では、待機状態（時刻ｔ１より前）において加熱部３０を駆動しない態様を例示したが、これに限られない。例えば、待機状態においても、図２の時刻ｔ２～ｔ４に示したように温度センサ３３の検出温度に基づいて加熱部３０の動作を制御し、外気導入空間２ｄ内の空気の温度を、常に温度Ｔｂ～Ｔｃの範囲に維持するようにしてもよい。このようにすれば、待機状態から起動状態を経て発電状態へと、燃料電池システム１Ａを円滑に移行することができる。
　また、加熱部３０をオンに切り換える基準温度Ｔｂ及びオフに切り換える基準温度Ｔｃは適宜設定することができ、例えば、温度Ｔｂとしては０℃～１０℃の範囲の値を選択することができ、より好ましくは３℃～５℃の範囲の値を選択することができる。また、温度Ｔｃとしては、好ましくは８℃～１２℃の範囲の値を選択することができる。
　ところで、図１に示す燃料電池システム１Ａにおいては、仕切り板３ａに設けた貫通口３４を水タンク８の直下に位置させているが、これに限られない。外気導入空間２ｄ内で暖められた空気を上側空間２ｕへ供給して水タンク８を暖める目的に沿う態様であれば、水タンク８の直下以外の近傍位置や他の適宜の位置に、貫通口３４や隙間３５を設けることとしてもよい。また、図１では、仕切り板３に対して直接的に空気供給部６や水タンク８を載置させた構成を例示しているが、仕切り板３の上に適宜寸法のスペーサを配置し、該スペーサを介して空気供給部６や水タンク８を載置することとしてもよい。
　（システムの動作例２）
　燃料電池システム１Ａは、燃料電池４の発電量に応じて燃料ガス及び空気の供給量を変更する。即ち、燃料電池４での発電量が大きいほど、燃料ガス及び空気の供給量も増加させ、発電量が小さいほど供給量を減少させる。ここで、外気温度が低い場合に、発電量の増加に伴って空気の供給量が増加すると、供給される低温の空気によりシステム１Ａから奪われる熱量が増加するため、空気供給器６のダイヤフラム６ａが低温化して硬化しやすくなる。そこで、本実施の形態に係る燃料電池システム１Ａは、発電量又は空気の供給量に応じて、加熱部３０での発生熱量を増減するようにしている。このようなシステム１Ａの動作態様について、より具体的に説明する。
　図３は、燃料電池システム１Ａの他の動作態様を示すフローチャートであり、発電量に応じて加熱部３０での発生熱量を調整する場合のシステム１Ａの動作態様を示している。この図３に示すように、制御部４０は適宜のタイミングで温度センサ３３の検出温度を取得し（ステップＳ１）、外気温度が所定の温度Ｔｂ（例えば４℃）未満であるか否かを判定する（ステップＳ２）。外気温度が温度Ｔｂ以上であれば（ステップＳ２：ＮＯ）、加熱部３０を駆動する必要がなく、ステップＳ１からの動作を繰り返す。一方、外気温度が温度Ｔｂ未満である（ステップＳ２：ＹＥＳ）と判定した場合には、加熱部３０をオフからオンに切り換え（ステップＳ３）、続いて燃料電池４での発電量を検出する（ステップＳ４）。
　その結果、発電量が２５０Ｗ未満、２５０Ｗ以上５００Ｗ未満、５００Ｗ以上１０００Ｗ以下の何れの範囲に属するかを判定し、属する範囲に対応して加熱部３０の運転率を決定する（ステップＳ５～Ｓ１０）。即ち、発電量が大きい場合であるほど、加熱部３０の運転率を高くして動作させるようにする。
　具体的には、発電量が２５０Ｗ未満である（ステップＳ５：ＹＥＳ）と判定した場合は、加熱部３０の運転率（駆動信号が周期性を有する場合であれば、そのデューティー比）を２５％にセットし（ステップＳ６）、この運転率で加熱部３０を動作させる。発電量が２５０Ｗ未満ではない（ステップＳ５：ＮＯ）と判定した場合は、２５０Ｗ以上５００Ｗ未満の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ７）。そして、この範囲内である（ステップＳ７：ＹＥＳ）と判定した場合は、加熱部３０の運転率を５０％にセットし（ステップＳ８）、この運転率で加熱部３０を動作させる。更に、発電量がこの範囲内の値でもない（ステップＳ７：ＮＯ）と判定した場合は、５００Ｗ以上１０００Ｗ以下の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ９）。そして、この範囲内である（ステップＳ９：ＹＥＳ）と判定した場合は、加熱部３０を運転率１００％にセットし（ステップＳ１０）、この運転率で加熱部３０を動作させ、この範囲内でもない（ステップＳ９：ＮＯ）と判定した場合には、判定ミスの可能性があるため、ステップＳ５からの処理を繰り返す。
　このようにして発電量に応じた運転率での加熱部３０の動作を開始した後、改めて外気温度を検出し（ステップＳ１１）、検出温度が所定の温度Ｔｃ（例えば１０℃）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。その結果、外気温度が温度Ｔｃ未満であれば（ステップＳ１２：ＮＯ）、ステップＳ４以降の動作を繰り返すことで、時間の経過と共に変動する発電量に応じた運転率での加熱部３０の動作を実行する。一方、外気温度が温度Ｔｃ以上である（ステップＳ１２：ＹＥＳ）と判定した場合には、加熱部３０をオンからオフに切り換えて停止させる（ステップＳ１３）。
　以上のように、燃料電池システム１Ａは、発電量に応じて加熱部３０での発生熱量を増減させるため、発電量が増加した場合には、導入される空気量の増加に伴ってダイヤフラム６ａの温度が低下するのを防止し、発電量が減少した場合には、導入される空気を過剰に加熱してエネルギーが浪費されるのを防止することができる。
　なお、上述したような動作フローは、燃料電池４が既に発電を行う発電状態になっている最中において実行可能であり、あるいは、燃料電池４が未だに発電を行っていない起動状態に実行を開始することも可能である。燃料電池４の未発電状態にステップＳ１からの処理が実行された場合には、少なくともステップＳ４の処理前に燃料電池４が発電状態に移行していればよい。
　また、図３に示すフローチャートにおいて、ステップＳ４で検出した発電量が、ステップＳ５，Ｓ７，Ｓ９の何れの処理においても対応する範囲に属しないと判定された場合（ステップＳ９：ＮＯ）は、再びステップＳ５からの処理を実行するのに換えて、発電量を検出するステップＳ４からの処理を実行するようにしてもよい。この場合には、発電量の誤検出があった場合に、正確な発電量を用いてステップＳ５以降の処理をやり直すことができる。
　また、図２の場合と同様に、図３に示す動作態様においても、加熱部３０をオンに切り換える基準温度Ｔｂ及びオフに切り換える基準温度Ｔｃは適宜設定することができる。例えば、温度Ｔｂとしては０℃～１０℃の範囲の値を選択することができ、より好ましくは３℃～５℃の範囲の値を選択することができる。また、温度Ｔｃとしては、好ましくは８℃～１２℃の範囲の値を選択することができる。
　（実施の形態２）
　図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１Ｂの構成を示す模式図である。この図４に示す燃料電池システム１Ｂは、図１に示した燃料電池システム１Ａと比べると、空気導入路１３の途中にフィルタ１５が備えられている点が異なり、他は同様の構成となっている。従って、以下では主に相違する構成について説明し、図１に示した燃料電池システム１Ａと同様の構成についての詳細な説明は省略する。
　より詳しく説明すると、図４に示すようにフィルタ１５は、第２仕切り板３ｂの上面であって連通口３２に対応する部分に載置され、第１側壁２ａよりも第２側壁２ｂの近くに位置している。フィルタ１５は、その入口（図示せず）が連通口３２に接続され、その出口と空気供給部６との間が配管によって接続されている。このようなフィルタ１５は、空気供給部６の駆動に伴い、外気導入空間（下側空間）２ｄから連通口３２を経た空気を取り込み、該空気中の異物を捕捉する。そして、異物が除去された空気は、フィルタ１５から配管を通じて空気供給部６へと送られる。
　ところで、空気導入路１３を、連通口３２と空気供給部６とを単に配管で接続した構成と、これに対してフィルタ１５を追加した構成とを比べると、フィルタ１５を備える分だけ後者の方が大きな熱容量を有する。しかも、フィルタ１５が果たす空気中からの異物除去という機能から当然に理解されるように、フィルタ１５は、通過する空気に対して大きな接触面積を有する。そのため、フィルタ１５は、通過する空気との間で熱交換を行い、大きい熱量を獲得することとなる。また、本実施の形態ではフィルタ１５を仕切り板３上に載置しているため、加熱部３０により仕切り板３が加熱されると、仕切り板３を伝ってフィルタ１５をも加熱することができる。
　このように、フィルタ１５は、加熱部３０が発生する熱量を蓄熱することができるため、空気供給部６へ導入される空気の温度変化を緩和することができる。即ち、吸気口３１は加熱部３０の上流側に位置し、その吸気口３１の近傍に温度センサ３３が設けられているため、加熱部３０が停止すると温度センサ３３の検出温度は急激に低下する。一方、ダイヤフラム式の空気供給部６へ供給される空気は、その上流側にてフィルタ１５を経てから供給される。フィルタ１５を備える空気導入路１３は熱容量が比較的大きく、加熱部３０が停止した状態であっても、フィルタ１５を通過する空気を暖めることができる。
　従って、加熱部３０が停止して導入空気の温度が急激に低下する場合であっても、フィルタ１５での加温により、空気供給部６への導入空気の温度低下を緩和することができる。また、加熱部３０が動作して空気を加熱する場合には、空気導入空間２ｄ内で加熱された空気からフィルタ１５が一部の熱を奪うこととなる。そのため、加熱部３０が動作して導入空間の温度が急激に上昇する場合であっても、フィルタ１５での熱交換により、空気供給部６への導入空気の温度上昇を緩和することができる。
　このように、フィルタ１５の設置によって空気導入路１３の熱容量が増加することにより、加熱部３０のオン及びオフに伴う空気供給部６への導入空気の温度変化を緩和することができる。図２のチャート４の右エリアに、フィルタ１５を備える場合（太実線）と備えない場合（細実線）の、空気供給部６への導入空気の温度変化を夫々示している。このチャート４に示すように、フィルタ１５を備える場合は、備えない場合に比べると、空気供給部６へ導入される空気の温度変化が緩和されていることが分かる。また、フィルタ１５を備える場合には、温度Ｔｂ～Ｔｃの範囲の中央値近傍で増減変化するため、低温空気によるダイヤフラム６ａの硬化をより確実に防止することができる。
　なお、このようなフィルタ１５の構成は特に限定されず、主に空気中の異物を除去するという機能を発揮できるものであればよい。例えば、フィルタケースと濾過部材とを有するフィルタ１５であれば、フィルタケースとして、ポリプロピレン、ポリエチレン、ＡＢＳ樹脂、ウレタン樹脂などの材料で形成されたものを採用することができる。このようなものであれば、家庭用の燃料電池システム１Ｂに使用されるフィルタ１５の場合、その全体重量が１００ｇ～３００ｇ程度になると考えられるため、フィルタ１５が大きな熱容量を有する蓄熱部となることを期待することができる。
　（実施の形態３）
　図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１Ｃの構成を示す模式図である。この図５に示す燃料電池システム１Ｃは、図４に示した燃料電池システム１Ｂと比べると、水回路２０を構成する配管１１ａの一部が、仕切り板３を超えて上側空間２ｕから外気導入空間（下側空間）２ｄへと侵入した構成となっている。換言すれば、配管１１ａの一部が外気導入空間２ｄ内に露出した構成となっている。なお、その他の構成については、図４に示した燃料電池システム１Ｂの対応する構成と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
　このような構成により、配管１１ａにおいて外気導入空間２ｄ内に露出した部分は、加熱部３０によって加熱されるため、水回路２０内の水の凍結を防止することができる。なお、図５に示す例では、配管１１ａの一部が加熱部３０の近傍を通るように該配管１１ａのルートを設定しているため、加熱部３０によって配管１１ａの一部をより効率的に加熱することができる。また、図５に示す例では、配管１１ａの一部が加熱部３０の下流側（外気の流れる方向の下流側）に位置している。従って、通流する空気を媒体にして、加熱部３０が発生する熱量を、該加熱部３０の下流側に位置する配管１１ａの一部に効率的に伝達することができる。
　なお、本実施の形態では配管１１ａの一部を外気導入空間２ｄ内に露出させる構成を例示したが、これに限られない。即ち、水回路２０の一部を外気導入空間２ｄ内に露出させ、その露出部分を加熱できる構成とすればよい。このような水回路２０の一部としては、例えばアノード極又はカソード極からのオフガスから凝縮水を水タンク８へ回収するための配管１１ａの他、燃料ガス生成装置５のバーナ５ａからの燃焼排ガスから凝縮水を水タンク８へ回収するための配管１１ｂ、及び、水タンク８の一部（例えば底部）のうち、１又は複数を採用することができる。
　ところで、上記の燃料電池システム１Ａ～１Ｃでは、筐体２の内部空間を上側空間２ｕ及び下側空間２ｄに実質的に区分けする仕切り板３として、第１仕切り板３ａ及び第２仕切り板３ｂの２枚で構成されたものを例示した。しかしながら、仕切り板３を３枚以上の板部材を用いて構成してもよいし、複数枚の板部材を互いに段差を有するように配置して仕切り板３を構成してもよい。段状に仕切り板３を構成する場合には、外気を取り込む吸気口３１は、最も下方に位置する板部材より更に下方に設けることが好ましい。
　本発明は、ダイヤフラム式の空気供給部を備える燃料電池システムに対して好適に適用することができる。
　１Ａ～１Ｃ　燃料電池システム
　２　　　　　筐体
　２ｄ　　　　下側空間（外気導入空間）
　２ｕ　　　　上側空間
　３　　　　　仕切り板
　４　　　　　燃料電池
　５　　　　　燃料ガス生成装置
　６　　　　　ダイヤフラム式空気供給部
　６ａ　　　　ダイヤフラム
　７　　　　　インバータ
　８　　　　　水タンク
　１３　　　　空気導入路
　１５　　　　フィルタ
　２０　　　　水回路
　３０　　　　加熱部
　３１　　　　吸気口
　３２　　　　連通口
　３３　　　　温度センサ
　３６　　　　貫通部
　４０　　　　制御部
 

Claims (10)

  1. 　外部の空気を内部空間に導入するための吸気口を有する筐体、
    　該筐体内に収容され、燃料ガス及び酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電する燃料電池、
    　前記筐体内に配置され、前記吸気口から導入された空気を取り込んで前記燃料電池へ供給するダイヤフラム式の空気供給部、及び
    　前記筐体内に配置され、前記吸気口から前記空気供給部へ至る空間の空気を加熱する加熱部、を備えている燃料電池システム。
  2. 　原料及び水を用いて前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置、並びに、
    　前記燃料電池のアノードからのオフガス、カソードからのオフガス、及び前記燃料ガス生成装置からのオフガスのうち、少なくとも１のオフガスから凝縮水を回収する凝縮水回収路と該凝縮水を蓄える水タンクとを有する水回路、
    　を更に備え、前記加熱部は、前記水回路の少なくとも一部を加熱するよう配置されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記加熱部によって加熱される前記水回路の一部は、前記吸気口から前記空気供給部へ至る空間内に配置されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記筐体の内部空間を上側空間及び下側空間に仕切ると共に、前記両空間の間を連通する連通口を有する仕切り板を更に備え、
    　前記上側空間には前記燃料電池及び前記空気供給部が配設され、該空気供給部は前記連通口を介して前記下側空間に連通しており、
    　前記下側空間は、前記吸気口から導入された空気が前記連通口へ至る間に通る空気導入空間を成しており、前記加熱部は該空気導入空間に配設されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 　原料及び水を用いて前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置、並びに、
    　前記燃料電池のアノードからのオフガス、カソードからのオフガス、及び前記燃料ガス生成装置からのオフガスのうち、少なくとも１のオフガスから凝縮水を回収する凝縮水回収路と該凝縮水を蓄えるべく前記上側空間に配設された水タンクとを有する水回路、
    　を更に備え、
    　前記水回路の少なくとも一部は、前記空気導入空間に露出している、請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 　原料及び水を用いて前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置、並びに、
    　前記燃料電池のアノードからのオフガス、カソードからのオフガス、及び前記燃料ガス生成装置からのオフガスのうち、少なくとも１のオフガスから凝縮水を回収する凝縮水回収路と該凝縮水を蓄えるべく前記上側空間に配設された水タンクとを有する水回路、
    　を更に備え、
    　前記仕切り板は、前記加熱部で加熱された前記空気導入空間内の空気を、前記上側空間に位置する前記水回路の少なくとも一部に対して供給すべく、前記上側空間及び前記空気導入空間の間を連通する貫通部を有する、請求項４に記載の燃料電池システム。
  7. 　前記仕切り板が有する前記連通口から前記空気供給部へ至る空気導入路と、該空気導入路の途中に設けられて異物を捕捉するフィルタとを備える、請求項４に記載の燃料電池システム。
  8. 　前記加熱部の動作を制御する制御部を備え、
    　該制御部は、前記空気供給部の運転開始に先がけて前記加熱部による空気の加熱を実行する、請求項１～７の何れかに記載の燃料電池システム。
  9. 　前記加熱部の動作を制御する制御部、及び、前記空気供給部へ供給される空気の温度を検出する温度センサを備え、
    　前記制御部は、前記温度センサにより検出した、前記空気供給部への供給用の空気の温度が所定値未満の場合に、前記加熱部による空気の加熱を実行する、請求項１～８の何れかに記載の燃料電池システム。
  10. 　前記加熱部の動作を制御する制御部を備え、
    　該制御部は、前記燃料電池の発電運転中に、前記燃料電池の発電量又は前記空気供給部による空気の供給量を取得し、取得した値が大きいほど、前記加熱部による加熱時に空気へ与える熱量を大きくするよう制御する、請求項１～９の何れかに記載の燃料電池システム。
     
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