WO2012132445A1 - 発電システム及びその運転方法 - Google Patents

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森田　純司
章典 行正
英俊 若松
篤敬 井上
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Definitions

  • the present invention relates to a power generation system including a fuel cell system and a combustion device, and an operation method thereof.
  • the cogeneration system is a system that covers the customer's power load by generating power and recovering the heat generated by the power generation and storing it.
  • a system in which a fuel cell system and a water heater operate with the same raw material is known (see Patent Document 1).
  • the system of Patent Document 1 includes a fuel cell, a heat exchanger that recovers heat generated by the operation of the fuel cell, a hot water tank that circulates through the heat exchanger and stores heated water, and a hot water tank.
  • a hot water heater having a function of heating the flowing water to a predetermined temperature. Further, the fuel cell and the water heater are configured to operate with the same raw material.
  • Patent Document 2 discloses a fuel cell system that is used by being installed inside a building having an air inlet.
  • the system includes an air inlet that guides air inside the building to the inside of the fuel cell system, an air discharge pipe that discharges air inside the fuel cell system to the outside of the building, and ventilation means. Air outside the building is guided to the inside of the building through the air intake by the ventilation means, is further introduced into the fuel cell system through the air inlet, and is discharged to the outside of the building through the air discharge pipe.
  • a fuel cell system including a duct extending in the vertical direction for the purpose of improving the exhaust performance of exhaust gas generated in the fuel cell system disposed inside the building (see Patent Document 3).
  • the duct provided in the fuel cell system of Patent Document 3 extends in the vertical direction inside the building and has an upper end located outside.
  • the duct has a double-pipe structure having an inner flow path and an outer flow path, and a ventilation pipe so that exhaust gas or air flows through the inner flow path or the outer flow path of the duct independently of each other.
  • an exhaust pipe is connected to the inner channel or the outer channel of the duct.
  • Patent Document 4 a fuel cell system that prevents freezing of generated water in the fuel cell is known (see Patent Document 4).
  • the fuel cell system of Patent Document 4 exchanges heat between the exhaust from the fuel cell and the supply air (outside air) to the fuel cell, and warms the supply air to prevent freezing.
  • the present invention solves the above-described conventional problems, and can prevent water in the system from being frozen by supply air even when the outside temperature is low, particularly when the fuel cell system is started. And an operation method thereof.
  • a power generation system includes an air supply channel, a fuel cell that generates power using fuel gas and an oxidant gas, a housing that houses the fuel cell, and external air to the housing via the air supply channel.
  • a fuel cell system having an air supply device to be supplied and a supply air temperature detector for detecting the temperature of the supply air to the housing; a combustion apparatus having a combustor that burns fuel to generate heat; and
  • a power generation system including an exhaust gas flow path for discharging combustion exhaust gas generated in a combustion device to the outside, and a control device, wherein the air supply flow path and the exhaust gas flow path are between media flowing in each other flow path It is configured so that heat exchange is possible, and the control device is a case where the fuel cell system is activated, and when the temperature detected by the air supply temperature detector is equal to or lower than a predetermined first temperature, Operate the combustion device.
  • An operation method of a power generation system includes a fuel cell system, a combustion device, an air supply passage that supplies outside air to the fuel cell system, and an exhaust gas passage that discharges combustion exhaust gas generated to the outside. And the air supply flow path and the exhaust gas flow path are configured so that heat exchange is possible between the media flowing in the flow paths, and the fuel cell operates via the air supply flow path.
  • the combustion device when the supply air temperature is a low temperature equal to or lower than the first temperature, the combustion device is operated.
  • the combustion device When the combustion device operates, high-temperature combustion exhaust gas flows from the combustion device through the exhaust gas passage.
  • the temperature rises by exchanging heat with the combustion exhaust gas flowing through the exhaust gas flow path. Therefore, it is possible to prevent the condensed water or the like in the piping of the fuel cell system from being frozen by the low temperature air supply.
  • the power generation system and the operation method of the present invention it is possible to prevent water in the system from being frozen by supply air even when the outside temperature is low, particularly at the time of starting the fuel cell system.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a power generation system according to Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a power generation system according to Embodiment 3.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a power generation system according to Embodiment 3.
  • a power generation system includes an air supply channel, a fuel cell that generates power using fuel gas and an oxidant gas, a housing that houses the fuel cell, and external air to the housing via the air supply channel.
  • a fuel cell system having an air supply device to be supplied and a supply air temperature detector for detecting the temperature of the supply air to the housing; a combustion apparatus having a combustor that burns fuel to generate heat; and
  • a power generation system including an exhaust gas flow path for discharging combustion exhaust gas generated in a combustion device to the outside, and a control device, wherein the air supply flow path and the exhaust gas flow path are between media flowing in each other flow path It is configured so that heat exchange is possible, and the control device is a case where the fuel cell system is activated, and when the temperature detected by the air supply temperature detector is equal to or lower than a predetermined first temperature, Operate the combustion device.
  • the combustion device when the supply air temperature is a low temperature equal to or lower than the first temperature, the combustion device operates to cause the high-temperature combustion exhaust gas to flow through the exhaust gas flow path from the combustion device. Heat exchange with the combustion exhaust gas raises the temperature of the supply air introduced into the casing of the fuel cell system. Therefore, it is possible to prevent the condensed water or the like in the piping of the fuel cell system from being frozen by the low temperature air supply.
  • the air temperature detector is disposed in the air supply flow path or the housing, and the control device is a case where the fuel cell system is activated, and the air supply device is When the temperature detected by the air supply temperature detector after the operation is equal to or lower than the first temperature, the combustion device may be operated.
  • the outside air is taken in by the operation of the air supply device, and it can be determined whether the temperature of the outside air is equal to or lower than the first temperature. Therefore, freezing in the system due to air supply can be more reliably prevented. In addition, since it is possible to more accurately determine the necessity of anti-freezing measures due to the operation of the combustion device, it is possible to suppress wasteful operation of the combustion device and waste of fuel.
  • control device is a case where the fuel cell system is started, and a temperature detected by the air temperature detector after operating the air supply device is equal to or lower than a predetermined second temperature. In this case, the air supply device may be stopped and the combustion device may be operated.
  • control device operates the combustion device for a predetermined first time when the air supply temperature detector stops the air supply device by detecting the second temperature or less. Then, the air supply unit may be operated to start the fuel cell system.
  • the “first time” is to appropriately heat the outside air (supply air) even if the outside air is introduced into the supply air flow path by heating the exhaust gas flow path after the combustion apparatus starts operating, for example. It can be defined as the time to reach a state where
  • the air temperature detector when the air temperature detector stops the air supply by detecting the air temperature detector below the second temperature, the air temperature detector detects a predetermined third temperature. After operating the combustion apparatus until the above is detected, the air supply unit may be operated to start the fuel cell system.
  • the “third temperature” is used to appropriately heat the outside air (supply air) even when outside air is introduced into the supply air flow path by operating the combustion device and heating the exhaust gas flow path, for example.
  • the second temperature may be set to be equal to or lower than the first temperature.
  • the combustion device is operated, and if the supply air temperature is equal to or lower than the second temperature set to be equal to or lower than the first temperature, the air supply unit is stopped. Operate the combustion device in the state. In this way, the freeze prevention process can be appropriately performed in two stages according to the supply air temperature. Further, if the second temperature is set to be lower than the first temperature, it is possible to expect a more suitable realization of the freeze prevention process according to the supply air temperature.
  • control device activates the fuel cell system, and when the temperature detected by the air supply temperature detector is equal to or lower than the first temperature, the control device performs the predetermined second time. It is good also as stopping this combustion apparatus after operating a combustion apparatus.
  • the “second time” for example, a time until the exhaust gas temperature from the fuel cell system becomes sufficiently high and the supply air can be appropriately heated by the exhaust gas can be employed. Or time until it becomes possible to prevent freezing in a system by supply of air by heat generation of a fuel cell system (for example, fuel processor) is employable.
  • a fuel cell system for example, fuel processor
  • control device detects the fuel cell system when the temperature detected by the air temperature detector is equal to or lower than the first temperature.
  • the combustion apparatus may be stopped after the combustion apparatus is operated until the detected temperature detects a predetermined fourth temperature or higher.
  • the “fourth temperature” for example, a temperature at which the exhaust gas temperature from the fuel cell system becomes sufficiently high and the supply air can be appropriately heated by the exhaust gas can be adopted.
  • a temperature at which the system can be prevented from freezing due to supply of air due to heat generated by a fuel cell system for example, a fuel processor.
  • the control device activates the fuel cell system.
  • the combustion device may be operated earlier.
  • the exhaust gas flow path includes a flow path extending from an upstream end connected to the fuel cell system, a flow path extending from an upstream end connected to the combustion device, A joining portion where both passages join together, and a passage extending from the joining portion to a downstream end opened to the atmosphere, and the supply passage is in contact with at least a part of the exhaust gas passage. May be arranged.
  • An operation method of a power generation system includes a fuel cell system, a combustion device, an air supply passage that supplies outside air to the fuel cell system, and an exhaust gas passage that discharges combustion exhaust gas generated to the outside. And the air supply flow path and the exhaust gas flow path are configured so that heat exchange is possible between the media flowing in the flow paths, and the fuel cell operates via the air supply flow path.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the power generation system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the power generation system 100 according to the first embodiment is arranged inside a building 1.
  • the power generation system 100 includes a fuel cell system 10, a combustion device 30, a control device 50, and a supply / exhaust mechanism 60.
  • the fuel cell system 10 includes a housing 11.
  • a fuel gas supply device 12, an oxidant gas supply device 13, a fuel cell 14, and a ventilator (air supply device) 15 are accommodated in the housing 11.
  • the control device 50 is also disposed in the housing 11. In the first embodiment, the configuration in which the control device 50 is disposed in the housing 11 is illustrated, but the present invention is not limited to this.
  • the control device 50 may be configured to be disposed outside the housing 11.
  • a hole 16 penetrating in the thickness direction of the wall portion is provided at an appropriate position of the wall portion constituting the housing 11.
  • the hole 16 is connected to a first end 60 a of a double pipe constituting the air supply / exhaust mechanism 60.
  • the inner flow path of the double pipe forms the exhaust gas flow path 61
  • the outer flow path forms the air supply flow path 62.
  • the first end portion 60 a of the air supply / exhaust mechanism 60 forms a first exhaust gas upstream end 61 a of the exhaust gas passage 61 and a first air supply downstream end 62 a of the air supply passage 62.
  • the air supply / exhaust mechanism 60 has a second end 60b connected to the combustion device 30 and a third end 60c located outside the building 1 in addition to the first end 60a.
  • the exhaust gas flow path 61 inside the double pipe forms the second exhaust gas upstream end 61b at the second end 60b and the exhaust gas common downstream end 61c at the third end 60c.
  • the outer air supply flow path 62 forms a second air supply downstream end 62b at the second end portion 60b, and forms an air supply common upstream end 62c at the third end portion 60c.
  • the exhaust gas flow channel 61 includes a flow channel extending from the first exhaust gas upstream end 61a, a flow channel extending from the second exhaust gas upstream end 61b, and a merging portion 61d where these flow channels merge.
  • the air supply channel 62 is formed so as to be in contact with the exhaust gas channel 61 and surround the outer periphery thereof.
  • the first exhaust gas upstream end 61a of the exhaust gas flow channel 61 is connected to the casing 11, and guides the exhaust gas from the fuel cell system 10 from the exhaust gas common downstream end 61c to the outside. Further, the first air supply downstream end 62 a of the air supply flow path 62 is connected to the housing 11, and the outside air (air supply) taken from the air supply common upstream end 62 c is used as the housing 11 of the fuel cell system 10. Lead in.
  • the fuel gas supplier 12 supplies fuel gas (hydrogen gas) to the fuel cell 14 so that the flow rate thereof can be adjusted.
  • the specific configuration of the fuel gas supply device 12 is not limited.
  • a hydrogen generator or a hydrogen cylinder that generates hydrogen from a hydrocarbon-based source gas may be employed, or a configuration that can supply hydrogen gas such as a hydrogen storage alloy may be employed.
  • a fuel gas supply channel 20 serving as a fuel gas channel is connected between the fuel gas supplier 12 and the fuel cell 14 (more precisely, the inlet of the fuel gas channel 14A of the fuel cell 14). ing.
  • the oxidant gas supply unit 13 supplies the oxidant gas (air) to the fuel cell 11 so that the flow rate thereof can be adjusted.
  • the specific configuration of the oxidant gas supply device 13 is not limited. For example, you may be comprised with fans, such as a fan and a blower. Note that an oxidant gas supply flow path serving as a flow path for the oxidant gas is provided between the oxidant gas supply unit 13 and the fuel cell 14 (more precisely, the inlet of the oxidant gas flow path 14B of the fuel cell 14). 21 is connected.
  • the fuel cell 14 has an anode and a cathode (both not shown).
  • the fuel gas is supplied to the anode while flowing through the fuel gas passage 14A.
  • the oxidant gas is supplied to the cathode while flowing through the oxidant gas flow path 14B.
  • the fuel gas supplied to the anode and the oxidant gas supplied to the cathode react to generate electricity and heat.
  • the generated electricity is supplied to an external power load (for example, home electrical equipment) by a power regulator (not shown).
  • the generated heat is recovered by a heat medium flowing through a heat medium flow path (not shown).
  • the heat recovered by the heat medium can be used, for example, to heat water.
  • the fuel cell 14 can be any of various fuel cells such as a polymer electrolyte fuel cell and a solid oxide fuel cell. Furthermore, since the structure of the fuel cell 14 is the same as that of a general fuel cell, its detailed description is omitted.
  • the upstream end of the off-fuel gas channel 22 is connected to the outlet of the fuel gas channel 14A.
  • the downstream end of the off fuel gas passage 22 is connected to the first exhaust gas upstream end 61 a of the exhaust gas passage 61.
  • the upstream end of the off-oxidant gas channel 23 is connected to the outlet of the oxidant gas channel 14B.
  • the downstream end of the off-oxidant gas passage 23 is connected to the first exhaust gas upstream end 61 a of the exhaust gas passage 61.
  • the off-fuel gas passage 22 and the off-oxidant gas passage 23 are connected to the exhaust gas passage 61 after joining on the way.
  • off-fuel gas fuel gas that has not been used in the fuel cell 14
  • the oxidant gas (hereinafter referred to as off-oxidant gas) that has not been used in the fuel cell 14 is discharged from the outlet of the oxidant gas flow path 14B to the exhaust gas flow path 61 through the off-oxidant gas flow path 23.
  • the off-fuel gas discharged to the discharge channel 61 is diluted with the off-oxidant gas and discharged to the outside of the building 1.
  • the ventilator 15 is connected to the first exhaust gas upstream end 61 a of the exhaust gas flow channel 61 through the ventilation flow channel 24.
  • the ventilation channel 24 is also connected to the exhaust gas channel 61 after joining the off-fuel gas channel 22 and the off-oxidant gas channel 23. Therefore, when the ventilator 15 is operated, air outside the fuel cell system 10 (here, air outside the building 1) is formed from the hole 16 (more precisely, the first air supply upstream end 62a) forming the air supply port. It is supplied into the housing 11. And the gas (mainly air) in the housing
  • the ventilator 15 may have any configuration as long as the inside of the housing 11 can be ventilated.
  • a fan or a blower can be used as the ventilator 15.
  • casing 11 was illustrated, it is not limited to this, You may comprise so that it may arrange
  • the off-fuel gas, the off-oxidant gas, and the gas (mainly air) exhausted from the housing 11 by ventilation are discharged from the fuel cell system 10 to the exhaust gas flow path 61. It is illustrated as exhaust gas discharged
  • the exhaust gas from the fuel cell system 10 is not limited to these gases.
  • gas (combustion exhaust gas, hydrogen-containing gas, etc.) discharged from the hydrogen generator can also be included in the exhaust gas from the fuel cell system 10. .
  • the oxidant gas and the gas (air) supplied into the casing 11 by ventilation are exemplified as the outside air supplied to the fuel cell system 10.
  • the outside air supplied to the fuel cell system is not limited to these gases (air).
  • the fuel gas supply device 12 is configured with a hydrogen generator, combustion air supplied to the hydrogen generator, or selective oxidized air when the hydrogen generator includes a selective oxidizer, It can be included in the outside air supplied to the fuel cell system 10.
  • air supplied to the anode of the fuel cell 14 to prevent poisoning of the catalyst by carbon monoxide (bleed air) can also be included in the outside air.
  • the combustion apparatus 30 includes a combustor 31, a combustion fan 32 that supplies air to the combustor 31 via a combustion air supply flow path 33, and a casing 34 that houses these.
  • the combustion fan 32 may have any configuration as long as the combustion air can be supplied to the combustor 31, and may be configured by fans such as a fan and a blower, for example.
  • Combustion fuel such as combustible gas such as natural gas or liquid fuel such as kerosene is supplied to the combustor 31 from a combustion fuel supply unit (not shown). And in the combustor 31, by burning the combustion air supplied from the combustion fan 32 and the combustion fuel supplied from the combustion fuel supply device, heat is generated and combustion exhaust gas is generated. The generated heat can be used to heat water. That is, the combustion device 30 may be used as a boiler.
  • the upstream end of the combustion exhaust gas passage 35 is connected to the combustor 31, and the downstream end thereof is connected to the second exhaust gas upstream end 61 b of the exhaust gas passage 61. Therefore, the combustion exhaust gas generated by the combustor 31 is discharged to the exhaust gas passage 61 via the combustion exhaust passage 35.
  • the combustion exhaust gas discharged to the exhaust gas passage 61 flows through the exhaust gas passage 61 and is discharged to the outside of the building 1.
  • a hole 36 penetrating in the thickness direction of the wall portion is provided at an appropriate position of the wall portion constituting the casing 34 of the combustion device 30, and the second end portion 60 b of the air supply / exhaust mechanism 60 is provided in the hole 36. Is connected.
  • the second exhaust gas downstream end 61b of the inner exhaust gas passage 61 is connected to the combustor 31 via the combustion exhaust gas passage 35 as described above.
  • the second supply upstream end 62 b of the outer supply passage 62 communicates with the inside of the housing 34 through the hole 36. Accordingly, when the combustion device 30 operates, the relatively high-temperature combustion exhaust gas discharged from the combustion device 30 flows through the exhaust gas passage 61 and is discharged to the outside. Further, the air flowing through the supply air flow path 62 is heated by exchanging heat with the high-temperature combustion exhaust gas flowing through the exhaust gas flow path 61.
  • the control device 50 may take any form as long as it has a function of controlling each device constituting the power generation system 100.
  • the control device 50 includes an arithmetic processing unit exemplified by a microprocessor, a CPU, and the like, and a storage unit configured by a memory that stores a program for executing each control operation. I have.
  • the arithmetic processing unit reads out a predetermined program stored in the storage unit and executes it, thereby executing various functions described below in addition to the basic power generation operation of the power generation system 100. To realize.
  • control device 50 is not only configured as a single control device, but also configured as a controller group in which a plurality of control devices cooperate to execute control of the power generation system 100. I do not care.
  • control apparatus 50 may be comprised by the microcomputer, and may be comprised by MPU, PLC (programmable logic controller), a logic circuit, etc.
  • the power generation system 100 includes an air temperature detector 51 that detects the temperature of the air supplied to the casing 11 of the fuel cell system 10.
  • the air temperature detector 51 is disposed in the air supply passage 62 on the way from the common air supply upstream end 62c to the first air supply downstream end 62a. More precisely, the fuel cell system 10 and the combustion device 30 are disposed between the branching portion toward each of the fuel cell system 10 and the combustion device 30 and the first supply air downstream end 62a.
  • the arrangement of the air temperature detector 51 is not limited to this.
  • the air temperature detector 51 may be arranged such that only the sensor portion is exposed in the air supply channel 62 and the other part is arranged outside the air supply channel 62.
  • the power generation system 100 executes a freezing prevention process in the system when the temperature of the supply air is low (when it is equal to or lower than a predetermined first temperature).
  • activation refers to an operation during the transition of the fuel cell 14 from the stopped state to the power generation state.
  • the start of operation of the ventilator 15 for supplying the oxidant gas to the fuel cell 14 can be set as the starting point of “startup”.
  • the ventilator 15 may be operated also in the freeze prevention process. In this case, the ventilator 15 is operated only for the purpose of the freeze prevention process, the freeze prevention process and the fuel cell. It should be noted that there are cases where the system 10 is intended for both startup purposes.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating the operation of the power generation system 100 according to the first embodiment.
  • the control device 50 determines whether or not a power generation command is input to the fuel cell system 10 (step S100).
  • a user of the fuel cell system 10 operates a remote controller (not shown) to operate the fuel cell system 10 or a fuel cell that is scheduled in advance. For example, when the operation start time of the system 10 is reached.
  • step S100: No When it is determined that the power generation command is not input (step S100: No), the control device 50 repeats the process of step S100 until the power generation command is input. On the other hand, when it determines with the electric power generation instruction
  • an upper limit temperature at which freezing in the system by the intake air taken into the casing 11 of the fuel cell system 10 is acquired in advance by a test or the like can be set as the first temperature T1.
  • an appropriate predetermined value for example, zero degree may be set as the first temperature T1 without performing a test or the like.
  • step S200 If it is determined that the supply air is equal to or lower than the first temperature T1 (step S200: YES), the combustion device 30 is activated (step S300). Then, the fuel cell system 10 is activated (step S400). On the other hand, when it is determined that the supply air is higher than the first temperature (step S200: NO), the fuel cell system 10 is started without starting the combustion device 30 (step S400).
  • the supply air is heated by the high-temperature combustion exhaust gas generated by starting the combustion device 30 even when the outside air taken in as supply air is at a low temperature. It is possible to prevent freezing in the system due to energy.
  • step S400 the flow which performs starting (step S400) of the fuel cell system 10 after starting of the combustion apparatus 30 (step S300) was shown, it is not restricted to this.
  • the start-up of the combustion apparatus 30 and the start-up of the combustion cell system 10 may be performed at substantially the same timing, or even if the start-up of the fuel cell system 10 is earlier than the start-up of the combustion apparatus 30 if the time is short. Good.
  • the combustion device 30 when starting the combustion device 30 in step S300, the combustion device 30 may already be operating. For example, when a boiler is employed as the combustion device 30, the combustion device 30 operates in accordance with the hot water supply status regardless of the presence or absence of a power generation command. Therefore, in the case of such a configuration, before starting the combustion device 30 in step S300, it is determined whether or not the combustion device 30 is in operation, and processing for starting up the combustion device 30 when it is not in operation. (Step S300) may be executed.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating the operation of the power generation system 100 according to the second embodiment. Also in the flow shown in FIG. 3, the processing of each step shown in the first embodiment is executed. However, in the present Example 2, the process (step S101) which starts the ventilator 15 is performed between the process of step S100 and the process of step S200. That is, when a power generation command is input (step S100), the temperature of the supply air is determined (step S200) after the ventilator 15 is activated (step S101).
  • step S200 determines the temperature of the supply air (step S200) based on the taken-in temperature of the outside air. Therefore, freezing in the system due to air supply can be prevented more reliably. In addition, since a more appropriate temperature determination can be made to prevent freezing, unnecessary start-up of the combustion device 30 can be prevented, and waste of fuel can be suppressed.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating the operation of the power generation system 100 according to the third embodiment.
  • the processing of each step shown in the second embodiment is executed.
  • each process of steps S201 and S202 is executed between the process of step S200 and the process of step S300.
  • step S100 when there is an input of a power generation command (step S100), the ventilator 15 is activated (step S101), and it is determined that the supply air is equal to or lower than the first temperature T1 (step S200: YES), this In Example 3, it is further determined whether the supply air is equal to or lower than the second temperature T2 (step S201).
  • the second temperature T2 is set in advance as a temperature lower than the first temperature T1.
  • step S201: YES when it determines with air supply being 2nd temperature T2 or less (step S201: YES), the ventilator 15 started by step S101 is stopped (step S202), and the combustion apparatus 30 is started (step S300). .
  • step S201: NO when it determines with air supply being larger than 2nd temperature T2 (step S201: NO), the combustion apparatus 30 is started, without stopping the ventilator 15 (step S300). Thus, after starting the combustion apparatus 30, the fuel cell system 10 is started (step S400).
  • the ventilator 15 is stopped when the supply air is at a low temperature equal to or lower than the second temperature T2, freezing in the system due to the low-temperature supply air can be prevented.
  • the combustion apparatus 30 is operated while the ventilator 15 is stopped, the exhaust gas flow path 61 can be heated by the high-temperature combustion exhaust gas. Therefore, the supply air flowing in contact with the exhaust gas passage 61 can be heated.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an operation according to the fourth embodiment of the power generation system 100.
  • the processes of steps S100, S101, S200, and S201 illustrated in the third embodiment are executed.
  • step S201 when it determines with air supply being 2nd temperature or less, the process different from Example 3 is performed.
  • step S201: YES when the control device 50 determines that the supply air is equal to or lower than the second temperature (step S201: YES), the control device 50 stops the ventilator 15 (step S202) and starts the combustion device 30 (step S203). ). Next, the elapsed time after starting the combustion apparatus is measured, and it is determined whether or not the first time has elapsed since the start of combustion (step S204). If the first time has not elapsed (step S204: NO), the process of step S204 is repeated. On the other hand, if it is determined that the first time has passed (step S204: YES), the ventilator 15 that has been stopped is started again (step S206), and then the fuel cell system 10 is started (step S400). When it is determined that the supply air is higher than the second temperature (step S201: NO), the combustion apparatus 30 is started (step S300) and then the fuel cell system 10 is started (step S201: NO) (step S201). S400).
  • the introduction of the supply air can be stopped until the combustion apparatus 30 is activated until the high-temperature combustion exhaust gas can be generated.
  • the intake air is taken in after the combustion device 30 has been started, so that high-temperature combustion exhaust gas can be generated, so that even low-temperature supply air can be reliably heated.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an operation according to the fifth embodiment of the power generation system 100.
  • the flow shown in FIG. 6 is different from the flow shown in the fourth embodiment in that the process of step S204 is replaced with the process of step S205. That is, in the fourth embodiment, the restart timing of the ventilator 15 that has been stopped is determined based on the elapsed time since the start of the combustion device 30. On the other hand, in the fifth embodiment, the same timing is determined based on the temperature of the supply air detected by the supply air temperature detector 51.
  • step S205 determines whether or not the supply air is equal to or higher than a predetermined third temperature. If the temperature is lower than the third temperature T3 (step S205: NO), the process of step S205 is repeated. On the other hand, if it is determined that the temperature is equal to or higher than the third temperature T3 (step S205: YES), the ventilator 15 that has been stopped is started again (step S206), and then the fuel cell system 10 is started (step S400).
  • the “third temperature” is not particularly limited as long as it is higher than the second temperature T2, and can be appropriately determined in consideration of the installation environment of the power generation system 100 and the like.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating the operation of the power generation system 100 according to the sixth embodiment. Also in the flow shown in FIG. 7, the processing of each step shown in the flow of Embodiment 1 (see FIG. 2) is executed. However, in the sixth embodiment, after starting the fuel cell system (step S400), processing (steps S401 and S402) for stopping the combustion apparatus 30 based on a predetermined condition is executed.
  • the control device 50 starts the fuel cell system 10 after the supply air is equal to or lower than the first temperature T1 (step S200: YES) and the combustion device 30 is started (step S300) (step S300). S400). And the elapsed time after starting the combustion apparatus 30 is measured, and it is determined whether 2nd time passed since the combustion start (step S401). If the second time has not elapsed (step S401: NO), the process of step S401 is repeated. During this time, the fuel cell system 10 performs the start-up operation or the power generation operation. On the other hand, when determining that the second time has elapsed (step S401: YES), the control device 50 stops the combustion device 30 (step S403). That is, the operation of the fuel cell system 10 is continued with the combustion device 30 stopped.
  • the exhaust gas temperature becomes sufficiently high after a predetermined time has elapsed from the start-up, so that the high temperature exhaust gas flowing through the exhaust gas flow channel 61 and the supply air flowing through the air supply flow channel 62 are between
  • the air supply can be appropriately heated by this heat exchange.
  • the fuel cell system 10 rises in temperature as a whole due to heat generated by the hydrogen generator when a predetermined time elapses from starting, so that freezing due to low-temperature air supply hardly occurs. Therefore, if the operation flow as in the sixth embodiment is adopted, the combustion device 30 is stopped when the possibility of freezing is reduced (when the second time has elapsed), and therefore, the fuel flow in the combustion device 30 is reduced. Waste can be prevented.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating an operation according to the seventh embodiment of the power generation system 100.
  • the flow shown in FIG. 8 is different from the flow shown in Embodiment 6 in that the process of step S402 is replaced with the process of step S403. That is, in the sixth embodiment, the stop timing of the combustion device 30 is determined based on the elapsed time from the start of the combustion device 30. On the other hand, in the seventh embodiment, the same timing is determined based on the temperature of the supply air detected by the supply air temperature detector 51.
  • the control device 50 activates the combustion device 30 (step S300), and activates the fuel cell system 10 (step S400), and acquires the temperature of the air supply from the air temperature detector 51. Then, it is determined whether or not the supply air is equal to or higher than a predetermined fourth temperature T4 (step S402). If it is lower than the fourth temperature T4 (step S402: NO), this step S402 is repeated. During this time, the fuel cell system 10 performs the start-up operation or the power generation operation. On the other hand, when determining that the temperature is equal to or higher than the fourth temperature T4 (step S402: YES), the control device 50 stops the combustion device 30 (step S403). That is, the operation of the fuel cell system 10 is continued with the combustion device 30 stopped.
  • the fourth temperature T4 may be acquired in advance by a test or the like as the temperature of the supply air when the system does not freeze even when the combustion device 30 is stopped.
  • an appropriate predetermined value for example, a temperature of zero degrees or more may be set as the fourth temperature T4 without performing a test or the like.
  • the combustion device 30 is stopped (step S403) when a predetermined condition is satisfied (step S401: YES, step S402: YES), but then the combustion device 30 as necessary. May be activated again. For example, even after the combustion apparatus 30 is stopped, the temperature of the supply air is continuously detected by the supply air temperature detector 51, and the combustion apparatus 30 is started when the temperature becomes lower than the first temperature T1. Also good.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating an operation according to the eighth embodiment of the power generation system 100.
  • the process of each step of the flow shown in the second embodiment is executed, except that steps S207 and S208 are further executed.
  • the ventilator 15 is activated (step S101), and when the supply air is equal to or lower than the first temperature T1 (step S200: YES), the combustion device 30 is stopped. It is determined whether it is in the middle (step S207). Here, if the engine is stopped, the combustion apparatus 30 is activated (step S300) and the fuel cell system 10 is activated (step S400) as in the second embodiment. On the other hand, when it is determined that the combustion apparatus 30 is not stopped, that is, is operating (step S207: NO), the amount of combustion in the combustion apparatus 30 is increased (step S208). For example, the amount of combustion fuel supplied to the combustor 31 is increased, and the amount of combustion air supplied by the combustion fan 32 is increased.
  • the combustion apparatus 30 when the combustion apparatus 30 is already operating and the supply air is at the first temperature T1 or less, the amount of combustion in the combustion apparatus 30 can be increased, and the amount of heat of the combustion exhaust gas can be increased. it can. Therefore, the supply air can be heated more appropriately.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the power generation system according to the second embodiment.
  • the power generation system 100 according to the second embodiment has the same configuration as that of the power generation system 100 according to the first embodiment, but differs in the following points. That is, the combustion device 30 includes a heat exchanger 37 and a water circulation channel 38.
  • the heat exchanger 37 is provided in the middle of the combustion exhaust gas flow path 35, and the water circulation flow path 38 is provided between the heat exchanger 37 and the double pipe forming the air supply / exhaust mechanism 60.
  • the water circulation channel 38 guides the water heated by the combustion exhaust gas flowing through the heat exchanger 37 to the double pipe forming the air supply / exhaust mechanism 60 and heats it between the supply air flowing through the air supply channel 62. Let them exchange. Water whose temperature has decreased due to heat exchange with the supply air is returned to the heat exchanger 37 via the water circulation passage 38 and is heated again by the combustion exhaust gas. As described above, a part of the air supply flow path 62 forms the heating unit 39 that is heated by the heat of the combustion exhaust gas.
  • the heating unit 39 is provided in a portion of the air supply passage 62 from the branching portion with the combustion device 30 to the fuel cell system 10. In more detail, in the said part, it is provided in the position of the upstream of the flow direction of air supply rather than the installation position of the air temperature detector 51. FIG. However, the arrangement of the heating unit 39 is not limited to this, and can be provided at an appropriately selected position.
  • the water circulation channel 38 may be passed through the air supply channel 62.
  • fins may be provided in the water circulation channel 38 in the air supply channel 62 to improve the heat exchange efficiency.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the power generation system according to the third embodiment.
  • the power generation system 100 according to the second embodiment has the same configuration as that of the power generation system 100 according to the first embodiment.
  • the configuration of the fuel gas supplier 12 and the off-fuel from the fuel cell 14 are the same. It differs in the flow path where gas is discharged.
  • the fuel gas supply device hereinafter referred to as “hydrogen generation device” in this embodiment
  • hydrogen generation device 12 includes a reformer 12a, a combustor 12b, and a combustion fan 12c.
  • the combustor 12 b is connected to the downstream end of the off-fuel gas passage 22 from the fuel cell 14, and off-fuel gas from the fuel cell 14 passes through the off-fuel gas passage 22 as combustion fuel. Supplied.
  • a combustion fan 12c is connected to the combustor 12b via an air supply flow path 25.
  • the combustion fan 12c may have any configuration as long as it can supply combustion air to the combustor 12b.
  • the combustion fan 12c may be configured by fans such as a fan and a blower.
  • the upstream end of the combustion exhaust gas passage 26 is connected to the combustor 12b, and the downstream end of the combustion exhaust gas passage 26 is connected to the exhaust gas passage 61 (more precisely, the first exhaust gas upstream end 61a). Connected.
  • a combustor 12b In such a combustor 12b, the supplied off-fuel gas and combustion air are combusted, and combustion exhaust gas is generated to generate heat.
  • the combustion exhaust gas generated by the combustor 12 b is heated to the reformer 12 a and the like, and then discharged to the outside of the power generation system 100, that is, outside the building 1 through the combustion exhaust gas passage 26 and the exhaust gas passage 61. .
  • the reformer 12a is connected to a raw material supply device and a steam supply device (not shown), and the raw material and water vapor are supplied.
  • a raw material natural gas mainly composed of methane, LP gas, or the like can be used.
  • the reformer 12a has a reforming catalyst.
  • this reforming catalyst for example, any substance may be used as long as it can catalyze a steam reforming reaction that generates a hydrogen-containing gas from a raw material and steam.
  • a ruthenium catalyst in which ruthenium (Ru) is supported on a catalyst carrier such as alumina, a nickel catalyst in which nickel (Ni) is supported on a similar catalyst carrier, or the like can be used.
  • a hydrogen-containing gas is generated by a reforming reaction between the supplied raw material and steam.
  • the generated hydrogen-containing gas is supplied as a fuel gas to the fuel gas passage 14A of the fuel cell 14 via the fuel gas supply passage 20.
  • the hydrogen-containing gas generated by the reformer 12a is supplied to the fuel cell 14 as a fuel gas.
  • the present invention is not limited to this.
  • carbon monoxide is reduced by passing hydrogen generated by the reformer 12 a through a shift catalyst included in the shift converter, and further a carbon monoxide remover having an oxidation catalyst or a methanation catalyst. It is good also as supplying to the fuel cell 14 after letting pass.
  • a copper-zinc catalyst can be used as an example of the shift catalyst
  • a ruthenium catalyst can be used as an example of the oxidation catalyst or the methanation catalyst.
  • the off fuel gas from the fuel cell 14 is supplied as a combustion fuel to the combustor 12b.
  • the combustion fuel may be separately supplied from the combustion fuel supplier to the combustor 12b.
  • the hydrogen generator 12 in order to start the fuel cell system 10, the hydrogen generator 12 is operated and the reforming catalyst in the reformer 12a is subjected to the reforming reaction. It is necessary to raise it to a temperature suitable for Therefore, combustion fuel and combustion air are combusted in the combustor 12b.
  • the combustion fan 12 c when the combustion fan 12 c is operated in order to supply combustion air to the combustor 12 b, outside air is supplied into the housing 11 through the air supply passage 62.
  • the combustion device 30 step S300
  • the outside air flowing through the supply air flow channel 62 is heated by the combustion exhaust gas from the combustion device 30 flowing through the exhaust gas flow channel 61. Therefore, it is possible to prevent water in the fuel cell system 10 from freezing even when the outside air temperature is below freezing point.
  • the power generation system and the operation method thereof according to the present invention are capable of preventing the water in the system from being frozen by supply air even when the outside air temperature is low, particularly at the time of starting the fuel cell system. Can be applied.

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Abstract

　外気温が低い場合にも、特に燃料電池システムの起動時においてシステム内の水が給気によって凍結するのを防止することができる発電システム及びその運転方法を提供する。発電システム（１００）は、給気流路（６２）と、燃料電池（１４）、該燃料電池を収納する筐体（１１）、換気器（空気供給器）（１５）、及び、筐体への給気の温度を検知する給気温検知器（５１）、を有する燃料電池システム（１０）と、燃焼器（３１）を有する燃焼装置（３０）と、該燃焼装置で生じた燃焼排ガスを外部へ排出する排ガス流路（６１）と、制御装置（５０）とを備える。給気流路と排ガス流路とは、互いの流路を流れる媒体間で熱交換が可能である。制御装置（５０）は、燃料電池システムを起動させる場合であって、給気温検知器が検知した温度が所定の第１温度以下の場合は、燃焼装置を動作させる。

Description

発電システム及びその運転方法
　本発明は、燃料電池システムと燃焼装置とを備える発電システム、及びその運転方法に関する。
　コージェネレーションシステムは、発電電力により需要家の電力負荷を賄うと共に、発電に伴う排熱を回収して蓄熱することで需要家の給湯負荷を賄うシステムである。このようなコージェネレーションシステムとして、燃料電池システムと給湯器とが同一の原料で動作するシステムが知られている（特許文献１参照）。特許文献１のシステムは、燃料電池と、燃料電池の動作に伴って発生する熱を回収する熱交換器と、熱交換器を循環して加熱された水を貯蔵する貯湯槽と、貯湯槽から流出する水を所定の温度まで加温する機能を有する給湯器とを備えている。また、燃料電池と給湯器とが同一の原料で動作するように構成されている。
　また、建物内部に配置する燃料電池システムの排気性能を向上させることを目的とした構成が知られている（特許文献２参照）。特許文献２には、吸気口を備えた建物の内部に設置して使用される燃料電池システムが開示されている。該システムは、建物内部の空気を燃料電池システムの内部へ導く空気導入口と、燃料電池システムの内部の空気を建物の外部へ排出する空気排出管と、換気手段とを備えている。建物外部の空気は、換気手段によって吸気口を介して建物の内部に導かれ、更に、空気導入口を通して燃料電池システムの内部に導入され、そして、空気排出管を通して建物の外部へと排出される。
　また、建物内部に配置した燃料電池システムで生じた排ガスの排気性能を向上することを目的として、上下方向に延びるダクトを具備する燃料電池システムが知られている（特許文献３参照）。特許文献３の燃料電池システムが備えるダクトは、建物内部を上下方向に延び、上端部が外部に位置している。また、該ダクトは内側流路及び外側流路を有する二重管構造になっており、排ガス又は空気が、ダクトの内側流路又は外側流路を互いに独立して通流するように、換気管及び排気管がダクトの内側流路又は外側流路に連結されている。
　更に、燃料電池内での生成水の凍結を防止する燃料電池システムが知られている（特許文献４参照）。特許文献４の燃料電池システムは、燃料電池からの排気と燃料電池への給気（外気）とを熱交換させて、給気を加温して凍結を防止する。
特開２００７－２４８００９号公報 特開２００６－７３４４６号公報 特開２００８－２１０６３１号公報 特開２００９－２３８３９０号公報
　しかしながら、特許文献４の燃料電池システムの場合、例えば、外気温が氷点下のときに燃料電池システムが停止状態から起動すると、燃料電池からの排気温度が十分に上昇していないため、給気が加熱されず、燃料電池内での生成水が凍結してしまう可能性がある。また、燃料電池システムでは、その運転時に、燃料電池等を収納する筐体内を換気するために、外気を筐体内に供給してから排気する構成が一般的に採用されている。しかし、特許文献４の燃料電池システムでは、換気の加熱については記載がない。従って、燃料電池システムの起動時に、氷点下の外気が換気として筐体内に供給されると、燃料電池の冷却水や、起動前の停止中に燃料ガスやオフガスの配管内に溜まった凝縮水などが凍結する可能性がある。このように、従来の燃料電池システムでは、特に外気温が低い状態で燃料電池システムを起動する際の凍結対策が不十分である。
　本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、外気温が低い場合にも、特に燃料電池システムの起動時においてシステム内の水が給気によって凍結するのを防止することができる発電システム及びその運転方法を提供することを目的とする。
　本発明に係る発電システムは、給気流路と、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池、該燃料電池を収納する筐体、前記給気流路を介して外気を前記筐体へ供給する空気供給器、及び、前記筐体への給気の温度を検知する給気温検知器、を有する燃料電池システムと、燃料を燃焼して熱量を生成する燃焼器を有する燃焼装置と、該燃焼装置で生じた燃焼排ガスを外部へ排出する排ガス流路と、制御装置と、を備える発電システムであって、前記給気流路と前記排ガス流路とは、互いの流路を流れる媒体間で熱交換が可能なように構成されており、前記制御装置は、前記燃料電池システムを起動させる場合であって、前記給気温検知器が検知した温度が所定の第１温度以下の場合は、前記燃焼装置を動作させる。
　本発明に係る発電システムの運転方法は、燃料電池システムと、燃焼装置と、外気を前記燃料電池システムへ供給する給気流路と、で生じた燃焼排ガスを外部へ排出する排ガス流路と、を備え、前記給気流路及び前記排ガス流路が、互いの流路を流れる媒体間で熱交換可能に構成されている、発電システムの運転方法であって、前記給気流路を介して前記燃料電池システムへ供給される給気の温度を検知するステップと、給気の温度が所定の第１温度以下か否かを判定するステップと、前記燃料電池システムを起動させる場合に、給気の温度が前記第１温度以下であった場合に、前記燃焼装置を動作させるステップと、を備える。
　このような発電システム及びその運転方法によれば、給気温度が第１温度以下の低温である場合には、燃焼装置を動作させる。燃焼装置が動作すると、燃焼装置から高温の燃焼排ガスが排ガス流路を通流する。燃料電池システムの筐体内へ導入される給気は、給気流路を通流する際に、排ガス流路を通流する燃焼排ガスとの間で熱交換して昇温する。従って、燃料電池システムの配管内の凝縮水等が、低温の給気によって凍結するのを防止することができる。
　本発明の発電システム及びその運転方法によれば、外気温が低い場合にも、特に燃料電池システムの起動時においてシステム内の水が給気によって凍結するのを防止することができる。
本発明の実施の形態１に係る発電システムの概略構成を示す模式図である。 発電システムの実施例１に係る動作を示すフローチャートである。 発電システムの実施例２に係る動作を示すフローチャートである。 発電システムの実施例３に係る動作を示すフローチャートである。 発電システムの実施例４に係る動作を示すフローチャートである。 発電システムの実施例５に係る動作を示すフローチャートである。 発電システムの実施例６に係る動作を示すフローチャートである。 発電システムの実施例７に係る動作を示すフローチャートである。 発電システムの実施例８に係る動作を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る発電システムの概略構成を示す模式図である。 実施の形態３に係る発電システムの概略構成を示す模式図である。
　本発明に係る発電システムは、給気流路と、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池、該燃料電池を収納する筐体、前記給気流路を介して外気を前記筐体へ供給する空気供給器、及び、前記筐体への給気の温度を検知する給気温検知器、を有する燃料電池システムと、燃料を燃焼して熱量を生成する燃焼器を有する燃焼装置と、該燃焼装置で生じた燃焼排ガスを外部へ排出する排ガス流路と、制御装置と、を備える発電システムであって、前記給気流路と前記排ガス流路とは、互いの流路を流れる媒体間で熱交換が可能なように構成されており、前記制御装置は、前記燃料電池システムを起動させる場合であって、前記給気温検知器が検知した温度が所定の第１温度以下の場合は、前記燃焼装置を動作させる。
　これにより、給気温度が第１温度以下の低温である場合には、燃焼装置の動作によって、燃焼装置から高温の燃焼排ガスが排ガス流路を通流する。この燃焼排ガスと熱交換することにより、燃料電池システムの筐体内へ導入される給気は昇温する。従って、燃料電池システムの配管内の凝縮水等が、低温の給気によって凍結するのを防止することができる。
　また、上記発電システムにおいて、前記給気温検知器は、前記給気流路又は前記筐体内に配置されており、前記制御装置は、前記燃料電池システムを起動させる場合であって、前記空気供給器を動作させた後に前記給気温検知器が検知した温度が前記第１温度以下の場合には、前記燃焼装置を動作させることとしてもよい。
　これにより、空気供給器の動作により外気を取り込み、この外気の温度が第１温度以下か否かを判断することができる。そのため、給気によるシステム内の凍結を、より確実に防止することができる。また、燃焼装置の作動による凍結防止対策の要否をより正確に判断できるため、燃焼装置を無駄に動作させて燃料を浪費するのを抑制することができる。
　また、上記発電システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池システムを起動させる場合であって、前記空気供給器を動作させた後に前記給気温検知器が検知した温度が所定の第２温度以下の場合には、前記空気供給器を停止させ、前記燃焼装置を動作させることとしてもよい。
　これにより、検知温度が第２温度以下の低温の場合には、空気供給器を停止する。そのため、低温の給気によってシステム内に凍結が生じるのを防止することができる。また、空気供給器を停止している間、燃焼装置は動作させているので、排ガス流路を加熱できる。従って、排ガス流路が十分に昇温した後には、燃料電池システムの起動時の給気を加熱することができる。
　また、上記発電システムにおいて、前記制御装置は、前記給気温検知器が前記第２温度以下を検知することにより前記空気供給器を停止させた場合は、所定の第１時間だけ前記燃焼装置を動作させた後に、前記空気供給器を動作させ、前記燃料電池システムを起動させることとしてもよい。
　これにより、空気供給器を動作させても、給気によってシステム内に凍結が生じるのを確実に防止することができる。即ち、この「第１時間」は、例えば、燃焼装置が動作開始してから、排ガス流路の加熱により、給気流路に外気が導入されても当該外気（給気）を適切に加熱することのできる状態に至るまでの時間、として定義することができる。
　また、上記発電システムにおいて、前記制御装置は、前記給気温検知器が前記第２温度以下を検知することにより前記空気供給器を停止させた場合は、前記給気温検知器が所定の第３温度以上を検知するまで前記燃焼装置を動作させた後に、前記空気供給器を動作させ、前記燃料電池システムを起動させることとしてもよい。
　これにより、空気供給器を動作させても、給気によってシステム内に凍結が生じるのを確実に防止することができる。即ち、この「第３温度」は、例えば、燃焼装置が動作して排ガス流路が加熱されることにより、給気流路に外気が導入されても当該外気（給気）を適切に加熱することのできる程度に、給気温度検知器の設置箇所が昇温したときの温度、として定義することができる。
　また、上記発電システムにおいて、前記第２温度は、前記第１温度以下であるように設定されていてもよい。
　これにより、給気温度が低温の第１温度以下であれば、燃焼装置を動作させ、給気温度が第１温度以下に設定された第２温度以下であれば、空気供給部を停止させた状態で燃焼装置を動作させる。このように、凍結防止処理を、給気温度に応じて２段階により適切に行うことができる。また、第２温度を第１温度未満に設定すれば、給気温度に応じた凍結防止処理のより好適な実現を期待できる。
　また、上記発電システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池システムを起動させる場合であって、前記給気温検知器が検知した温度が前記第１温度以下の場合は、所定の第２時間だけ前記燃焼装置を動作させた後に、該燃焼装置を停止させることとしてもよい。
　上記「第２時間」としては、例えば、燃料電池システムからの排ガス温度が十分に高くなり、該排ガスによって給気を適切に加熱できるようになるまでの時間を採用することができる。あるいは、燃料電池システム（例えば、燃料処理器）の発熱により、給気によるシステム内の凍結を防止できるようになるまでの時間を採用することができる。
　また、上記発電システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池システムを起動させる場合であって、前記給気温検知器が検知した温度が前記第１温度以下の場合は、前記給気温検知器が検知した温度が所定の第４温度以上を検知するまで前記燃焼装置を動作させた後に、該燃焼装置を停止させることとしてもよい。
　上記「第４温度」としては、例えば、燃料電池システムからの排ガス温度が十分に高くなり、該排ガスによって給気を適切に加熱できる状態の温度を採用することができる。あるいは、燃料電池システム（例えば、燃料処理器）の発熱により、給気によるシステム内の凍結を防止できる状態の温度を採用することができる。
　また、上記発電システムにおいて、前記制御装置は、前記給気温検知器が検知した温度が前記第１温度以下の場合であって、前記燃料電池システムを起動させる場合には、該燃料電池システムの起動より先に前記燃焼装置を動作させることとしてもよい。
　これにより、燃料電池システムの起動時に、給気によってシステム内に凍結が生じるのを、より確実に防止することができる。
　また、上記発電システムにおいて、前記排ガス流路は、前記燃料電池システムに接続された上流端から延設された流路と、前記燃焼装置に接続された上流端から延設された流路と、両流路が合流する合流部と、該合流部から大気開放された下流端へ延設された流路と、を有し、前記給気流路は、前記排ガス流路の少なくとも一部に接するようにして配設されていてもよい。
　これにより、燃焼排ガスと給気との熱交換を、効率的に行うことができる。また、このような給気流路及び排ガス流路としては、典型的には、内側流路及び外側流路を有する二重管構造を採用することができる。
　本発明に係る発電システムの運転方法は、燃料電池システムと、燃焼装置と、外気を前記燃料電池システムへ供給する給気流路と、で生じた燃焼排ガスを外部へ排出する排ガス流路と、を備え、前記給気流路及び前記排ガス流路が、互いの流路を流れる媒体間で熱交換可能に構成されている、発電システムの運転方法であって、前記給気流路を介して前記燃料電池システムへ供給される給気の温度を検知するステップと、給気の温度が所定の第１温度以下か否かを判定するステップと、前記燃料電池システムを起動させる場合に、給気の温度が前記第１温度以下であった場合に、前記燃焼装置を動作させるステップと、を備える。
　以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
　（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１に係る発電システムの概略構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施の形態１に係る発電システム１００は、建物１の内部に配置されている。発電システム１００は、燃料電池システム１０、燃焼装置３０、制御装置５０、及び、給排気機構６０を備えている。
　燃料電池システム１０は筐体１１を備えている。該筐体１１内には、燃料ガス供給器１２、酸化剤ガス供給器１３，燃料電池１４、及び換気器（空気供給器）１５が収納されている。また、制御装置５０も筐体１１内に配置されている。なお、本実施の形態１においては、制御装置５０が筐体１１内に配設されている構成を例示しているが、これに限定されない。例えば、制御装置５０は筐体１１の外部に配置する構成を採用してもよい。
　筐体１１を構成する壁部の適所には、壁部の厚み方向に貫通する孔１６が設けられている。この孔１６には、給排気機構６０を構成する二重配管の第１端部６０ａが接続されている。該給排気機構６０は、二重配管の内側流路が排ガス流路６１を成し、外側流路が給気流路６２を成している。また、給排気機構６０の第１端部６０ａは、排ガス流路６１の第１排ガス上流端６１ａを成すと共に、給気流路６２の第１給気下流端６２ａを成している。
　なお、給排気機構６０は、上記第１端部６０ａの他、燃焼装置３０に接続される第２端部６０ｂと、建物１の外部に位置する第３端部６０ｃとを有している。そして、二重配管の内側の排ガス流路６１は、第２端部６０ｂにおいて第２排ガス上流端６１ｂを成し、第３端部６０ｃにおいて排ガス共通下流端６１ｃを成す。また、外側の給気流路６２は、第２端部６０ｂにおいて第２給気下流端６２ｂを成し、第３端部６０ｃにおいて給気共通上流端６２ｃを成す。
　従って、排ガス流路６１は、第１排ガス上流端６１ａから延設された流路と、第２排ガス上流端６１ｂから延設された流路と、これらの流路が合流する合流部６１ｄと、該合流部６１ｄから大気開放された排ガス共通下流端６１ｃへ延設された流路と、を有する。そして、給気流路６２は、このような排ガス流路６１に接するようにして、その外周囲を取り囲むようにして形成されている。
　排ガス流路６１は、その第１排ガス上流端６１ａが筐体１１に接続されており、燃料電池システム１０からの排ガスを排ガス共通下流端６１ｃから外部へ導く。また、給気流路６２は、その第１給気下流端６２ａが筐体１１に接続されており、給気共通上流端６２ｃから取り込んだ外気（給気）を、燃料電池システム１０の筐体１１内に導く。
　燃料ガス供給器１２は、燃料電池１４に燃料ガス（水素ガス）をその流量を調整可能に供給する。このような燃料ガス供給器１２は、その具体的な構成は限定されない。例えば、炭化水素系の原料ガスから水素を生成する水素生成装置や水素ボンベを採用してもよいし、水素吸蔵合金等の水素ガスを供給し得る構成を採用してもよい。なお、燃料ガス供給器１２と燃料電池１４（正確には、燃料電池１４の燃料ガス流路１４Ａの入口）との間には、燃料ガスの流路となる燃料ガス供給流路２０が接続されている。
　酸化剤ガス供給器１３は、燃料電池１１に酸化剤ガス（空気）をその流量を調整可能に供給する。このような酸化剤ガス供給器１３は、その具体的な構成は限定されない。例えば、ファンやブロワ等のファン類で構成されていてもよい。なお、酸化剤ガス供給器１３と燃料電池１４（正確には、燃料電池１４の酸化剤ガス流路１４Ｂの入口）との間には、酸化剤ガスの流路となる酸化剤ガス供給流路２１が接続されている。
　燃料電池１４は、アノードとカソードを有している（いずれも図示せず）。燃料電池１４では、燃料ガスは、燃料ガス流路１４Ａを通流する間にアノードに供給される。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路１４Ｂを通流する間にカソードに供給される。そして、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとが、反応して電気と熱が発生する。
　なお、発生した電気は、図示されない電力調整器により、外部電力負荷（例えば、家庭の電気機器）に供給される。また、発生した熱は、図示されない熱媒体流路を通流する熱媒体が回収する。熱媒体が回収した熱は、例えば、水を加熱するのに使用することができる。また、本実施の形態１においては、燃料電池１４は、高分子電解質形燃料電池や固体酸化物形燃料電池等の各種の燃料電池を用いることができる。さらに、燃料電池１４の構成は、一般的な燃料電池と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
　燃料ガス流路１４Ａの出口には、オフ燃料ガス流路２２の上流端が接続されている。オフ燃料ガス流路２２の下流端は、排ガス流路６１の第１排ガス上流端６１ａに接続されている。また、酸化剤ガス流路１４Ｂの出口には、オフ酸化剤ガス流路２３の上流端が接続されている。オフ酸化剤ガス流路２３の下流端は、排ガス流路６１の第１排ガス上流端６１ａに接続されている。なお、本実施の形態１では、オフ燃料ガス流路２２とオフ酸化剤ガス流路２３とは、途中で合流した後に排ガス流路６１に接続されている。
　これにより、燃料電池１４で使用されなかった燃料ガス（以下、オフ燃料ガス）は、燃料ガス流路１４Ａの出口からオフ燃料ガス流路２２を介して排ガス流路６１に排出される。また、燃料電池１４で使用されなかった酸化剤ガス（以下、オフ酸化剤ガス）は、酸化剤ガス流路１４Ｂの出口からオフ酸化剤ガス流路２３を介して排ガス流路６１に排出される。排出流路６１に排出されたオフ燃料ガスは、オフ酸化剤ガスにより希釈されて、建物１の外部へ排出される。
　換気器１５は、換気流路２４を介して排ガス流路６１の第１排ガス上流端６１ａと接続されている。なお、本実施の形態１では、この換気流路２４も、オフ燃料ガス流路２２及びオフ酸化剤ガス流路２３と合流した後に、排ガス流路６１に接続されている。従って、換気器１５を作動させると、給気口を成す孔１６（正確には、第１給気上流端６２ａ）から燃料電池システム１０外の空気（ここでは、建物１の外部の空気）が筐体１１内に供給される。そして、筐体１１内のガス（主として、空気）が、換気流路２４及び排ガス流路６１を介して建物１の外部に排出され、筐体１２内が換気される。
　なお、換気器１５としては、筐体１１内を換気することができれば、どのような構成であってもよい。例えば、換気器１５としてファンやブロワを用いることができる。また、換気器１５を筐体１１内に配設した構成を例示したが、これに限定されず、排ガス流路６１内に配置するように構成してもよい。
　このように、本実施の形態１においては、オフ燃料ガス、オフ酸化剤ガス、及び、換気により筐体１１内から排出されるガス（主に空気）が、燃料電池システム１０から排ガス流路６１を介して排出される排ガスとして例示される。なお、燃料電池システム１０からの排ガスはこれらのガスに限定されない。例えば、燃料ガス供給器１２が水素生成装置で構成されている場合、該水素生成装置から排出されるガス（燃焼排ガス、水素含有ガス等）も、燃料電池システム１０からの排ガスに含めることができる。
　また、本実施の形態１においては、酸化剤ガス、及び、換気により筐体１１内に供給されるガス（空気）が、燃料電池システム１０に供給される外気として例示される。なお、燃料電池システムに供給される外気は、これらのガス（空気）に限定されない。例えば、燃料ガス供給器１２が水素生成装置で構成されている場合、該水素生成装置に供給される燃焼空気や、該水素生成装置が選択酸化器を備えている場合には選択酸化空気も、燃料電池システム１０に供給される外気に含めることができる。また、燃料電池１４のアノードに対し、一酸化炭素による触媒の被毒を防止するために供給するエアー（ブリードエアー；bleed air）も、上記外気に含めることができる。
　一方、燃焼装置３０は、燃焼器３１と、該燃焼器３１に燃焼空気供給流路３３を介して空気を供給する燃焼ファン３２と、これらを収納する筐体３４とを有する。なお、燃焼ファン３２は、燃焼器３１に燃焼空気を供給することができればどのような構成であってもよく、例えば、ファンやブロワ等のファン類で構成されていてもよい。
　燃焼器３１には、図示されない燃焼燃料供給器から、天然ガス等の可燃性ガスや灯油等の液体燃料等の燃焼燃料が供給される。そして、燃焼器３１では、燃焼ファン３２から供給された燃焼空気と、燃焼燃料供給器から供給された燃焼燃料とを燃焼することで、熱が発生すると共に燃焼排ガスが生成される。なお、発生した熱は、水を加熱するのに使用することができる。即ち、燃焼装置３０は、ボイラとして使用してもよい。
　また、燃焼器３１には、燃焼排ガス流路３５の上流端が接続されており、その下流端は排ガス流路６１の第２排ガス上流端６１ｂに接続されている。従って、燃焼器３１で生成された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路３５を介して排ガス流路６１に排出される。そして、排ガス流路６１に排出された燃焼排ガスは、該排ガス流路６１を通流して建物１の外部に排出される。
　なお、燃焼装置３０の筐体３４を構成する壁部の適所には、壁部の厚み方向に貫通する孔３６が設けられており、この孔３６には給排気機構６０の第２端部６０ｂが接続されている。そして、内側の排ガス流路６１の第２排ガス下流端６１ｂは、上述したように燃焼排ガス流路３５を介して燃焼器３１に接続されている。他方、外側の給気流路６２の第２給気上流端６２ｂは、孔３６を介して筐体３４内に連通している。従って、燃焼装置３０が動作すると、該燃焼装置３０から排出された比較的高温の燃焼排ガスが排ガス流路６１を通流して外部へ排出される。また、給気流路６２を通流する空気は、排ガス流路６１を通流する高温の燃焼排ガスと熱交換することで、加熱される。
　制御装置５０は、発電システム１００を構成する各機器を制御する機能を有するものであれば、どのような形態であってもよい。例えば、本実施の形態１に係る制御装置５０は、マイクロプロセッサや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とを備えている。そして、制御装置５０は、演算処理部が、記憶部に格納された所定のプログラムを読み出し、これを実行することにより、発電システム１００の基本的な発電動作の他、以下に説明する様々の機能を実現する。
　なお、制御装置５０は、単一の制御装置で構成される形態だけでなく、複数の制御装置が協働して発電システム１００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、制御装置５０は、マイクロコンピュータで構成されていてもよいし、ＭＰＵ、ＰＬＣ（programmable logic controller）、論理回路等によって構成されていてもよい。
　更に、本実施の形態１に係る発電システム１００は、燃料電池システム１０の筐体１１へ供給される給気の温度を検出する給気温検知器５１を有している。本実施の形態１ではこの給気温検知器５１を、給気流路６２のうち、共通給気上流端６２ｃから第１給気下流端６２ａへ至る途中に配置している。より正確には、燃料電池システム１０及び燃焼装置３０の夫々へ向かう分岐部と第１給気下流端６２ａとの間に配置されている。なお、給気温検知器５１の配置はこれに限定されない。例えば、給気温検知器５１は、そのセンサ部分のみを給気流路６２内に露出するように配置し、その他の部分を給気流路６２の外部に配置する構成としてもよい。
　次に、本実施の形態１に係る発電システム１００の動作について説明する。本発電システム１００は、給気の温度が低い場合（所定の第１温度以下の場合）に、システム内の凍結防止処理を実行する。なお、以下の説明で用いる燃料電池システム１０の「起動」とは、燃料電池１４が停止状態から発電状態へ移行する間の動作をいう。例えば、燃料電池１４へ酸化剤ガスを供給するための換気器１５の作動開始を、「起動」の始点とすることができる。また、後述するように、凍結防止処理においても換気器１５を作動させる場合があるが、この場合の換気器１５の作動は、もっぱら凍結防止処理を目的とする場合と、凍結防止処理及び燃料電池システム１０の起動の両方を目的とする場合とがあることについて、付言しておく。
　（凍結防止処理の実施例１）
　図２は、発電システム１００の実施例１に係る動作を示すフローチャートである。この図２に示すように、制御装置５０は、燃料電池システム１０に対して発電指令が入力されたか否か判定する（ステップＳ１００）。この発電指令が入力される例としては、燃料電池システム１０の使用者が、図示されていないリモコンを操作して、燃料電池システム１０が作動するように操作した場合や、予めスケジュールされた燃料電池システム１０の作動開始時間になった場合などが挙げられる。
　制御装置５０は、発電指令が入力されていないと判定した場合（ステップＳ１００：Ｎｏ）は、発電指令が入力されるまでステップＳ１００の処理を繰り返す。一方、発電指令が入力されたと判定した場合（ステップＳ１００：Ｙｅｓ）は、制御装置５０は、給気温検知器５１による測定値を取得し、取得した給気の温度が所定の第１温度Ｔ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ２００）。
　なお、燃料電池システム１０の筐体１１内に取り込んだ給気によってシステム内に凍結が生じる上限温度を、予め試験等により取得しておき、この上限温度を第１温度Ｔ１とすることができる。あるいは、試験等はせずとも、適当な所定値（例えば、ゼロ度）を第１温度Ｔ１として設定しておいてもよい。
　給気が第１温度Ｔ１以下であると判定した場合（ステップＳ２００：ＹＥＳ）は、燃焼装置３０を起動する（ステップＳ３００）。そして、燃料電池システム１０を起動する（ステップＳ４００）。一方、給気が第１温度より大きいと判定した場合（ステップＳ２００：ＮＯ）は、燃焼装置３０を起動することなく、燃料電池システム１０を起動する（ステップＳ４００）。
　以上のような凍結防止処理を実行することにより、給気として取り込む外気が低温である場合であっても、燃焼装置３０の起動により生じる高温の燃焼排ガスにより、給気が加熱されるため、給気によるシステム内の凍結を防止することができる。
　なお、図２では、燃焼装置３０の起動（ステップＳ３００）の後に燃料電池システム１０の起動（ステップＳ４００）を実行するフローを示したが、これに限られない。燃焼装置３０の起動と燃焼電池システム１０の起動とが実質的に同時のタイミングで行われてもよいし、短時間であれば、燃焼装置３０の起動より燃料電池システム１０の起動を早めてもよい。但し、図２に示すような順序で各起動を実行すれば、システム内の凍結をより確実に防止することができて好ましい。
　また、ステップＳ３００にて燃焼装置３０を起動する際、既に燃焼装置３０が動作している場合もあり得る。例えば、燃焼装置３０としてボイラを採用した場合には、発電指令の有無にかかわらず、給湯状況に応じて燃焼装置３０は動作する。従って、このような構成の場合は、ステップＳ３００にて燃焼装置３０を起動する前に、燃焼装置３０が動作中であるか否かを判定し、動作中でない場合に燃焼装置３０を起動する処理（ステップＳ３００）を実行すればよい。
　上記のような燃料電池システム１０の起動タイミングや、燃焼装置３０の動作判定に関する態様のバリエーションは、以下で説明する各実施例においても適用することができる。
　（凍結防止処理の実施例２）
　図３は、発電システム１００の実施例２に係る動作を示すフローチャートである。図３に示すフローでも、実施例１に示した各ステップの処理を実行する。但し、本実施例２では、ステップＳ１００の処理とステップＳ２００の処理との間に、換気器１５を起動する処理（ステップＳ１０１）を実行する。即ち、発電指令の入力があった場合（ステップＳ１００）には、換気器１５を起動（ステップＳ１０１）した後に、給気の温度判定（ステップＳ２００）を行う。
　このような凍結防止処理を実行することにより、取り込んだ外気の温度に基づき、給気の温度判定（ステップＳ２００）を行うことができる。従って、給気によるシステム内の凍結を、より確実に防止することができる。また、凍結防止のためにより適切な温度判定ができるため、燃焼装置３０の不要な起動を防止し、燃料を浪費するのを抑制することができる。
　（凍結防止処理の実施例３）
　図４は、発電システム１００の実施例３に係る動作を示すフローチャートである。図４に示すフローでは、実施例２に示した各ステップの処理を実行する。但し、本実施例３では、ステップＳ２００の処理とステップＳ３００の処理との間に、ステップＳ２０１，Ｓ２０２の各処理を実行する。
　具体的に説明すると、発電指令の入力があり（ステップＳ１００）、換気器１５を起動し（ステップＳ１０１）、給気が第１温度Ｔ１以下であると判定した場合（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、本実施例３では、給気が第２温度Ｔ２以下であるか否かを更に判定する（ステップＳ２０１）。本実施例３では、この第２温度Ｔ２として、上記第１温度Ｔ１より低い温度として予め設定されている。
　そして、給気が第２温度Ｔ２以下であると判定した場合（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）は、ステップＳ１０１で起動した換気器１５を停止させ（ステップＳ２０２）、燃焼装置３０を起動する（ステップＳ３００）。一方、給気が第２温度Ｔ２より大きいと判定した場合（ステップＳ２０１：ＮＯ）は、換気器１５を停止することなく、燃焼装置３０を起動させる（ステップＳ３００）。このようにして燃焼装置３０を起動させた後、燃料電池システム１０を起動する（ステップＳ４００）。
　これにより、給気が第２温度Ｔ２以下の低温の場合には、換気器１５を停止するため、低温の給気によるシステム内の凍結を防止することができる。また、換気器１５を停止している間、燃焼装置３０は動作させるので、その高温の燃焼排ガスによって排ガス流路６１を加熱できる。従って、排ガス流路６１に接して通流する給気を加熱することができる。
　（凍結防止処理の実施例４）
　図５は、発電システム１００の実施例４に係る動作を示すフローチャートである。図５に示すフローでは、実施例３に示したステップＳ１００，Ｓ１０１，Ｓ２００，Ｓ２０１の各処理を実行する。そして、ステップＳ２０１において、給気が第２温度以下であると判定した場合に、実施例３とは異なる処理を実行する。
　具体的に説明すると、制御装置５０は、給気が第２温度以下であると判定すると（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、換気器１５を停止させ（ステップＳ２０２）、燃焼装置３０を起動する（ステップＳ２０３）。次に、燃焼装置の起動後の経過時間を計測し、燃焼開始から第１時間を経過したか否かを判定する（ステップＳ２０４）。そして、第１時間を経過していない場合（ステップＳ２０４：ＮＯ）は、ステップＳ２０４の処理を繰り返す。一方、第１時間を経過したと判定した場合（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）は、停止させていた換気器１５を再び起動し（ステップＳ２０６）、その後、燃料電池システム１０を起動する（ステップＳ４００）。なお、給気が第２温度より大きいと判定した場合（ステップＳ２０１：ＮＯ）は、実施例３と同様に、燃焼装置３０を起動（ステップＳ３００）した後、燃料電池システム１０を起動する（ステップＳ４００）。
　この場合、給気が第２温度以下の低温の場合には、燃焼装置３０が起動してから高温の燃焼排ガスを生成できるようになるまでの間、給気の導入を止めておくことができる。換言すれば、燃焼装置３０が起動した後、高温の燃焼排ガスを生成できるようになってから給気を取り込むため、低温の給気であっても確実に加熱することができる。
　（凍結防止処理の実施例５）
　図６は、発電システム１００の実施例５に係る動作を示すフローチャートである。図６に示すフローでは、実施例４に示したフローのうち、ステップＳ２０４の処理がステップＳ２０５の処理に置換されている点が相違する。即ち、実施例４では、停止させた換気器１５の再起動のタイミングを、燃焼装置３０の起動時からの経過時間に基づいて判断するものである。これに対して本実施例５では、同タイミングを、給気温検知器５１により検知された給気の温度に基づいて判断する。
　より具体的には、換気器１５の停止状態（ステップＳ２０２）で燃焼装置３０を起動すると（ステップＳ２０３）、制御装置５０は、給気が所定の第３温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０５）。そして、第３温度Ｔ３より小さければ（ステップＳ２０５：ＮＯ）、ステップＳ２０５の処理を繰り返す。一方、第３温度Ｔ３以上と判定した場合（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）は、停止させていた換気器１５を再び起動し（ステップＳ２０６）、その後、燃料電池システム１０を起動する（ステップＳ４００）。
　この場合も、給気が適度に昇温してから取り込むことができるため、システムの凍結を確実に防止することができる。なお、この「第３温度」としては、第２温度Ｔ２よりも高い値であれば特に限定されず、発電システム１００の設置環境等を考慮して適宜決定することができる。
　（凍結防止処理の実施例６）
　図７は、発電システム１００の実施例６に係る動作を示すフローチャートである。図７に示すフローでも、実施例１のフロー（図２参照）に示した各ステップの処理を実行する。但し、本実施例６では、燃料電池システムの起動（ステップＳ４００）の後に、所定条件に基づいて燃焼装置３０を停止させる処理（ステップＳ４０１，Ｓ４０２）を実行する。
　より具体的に説明すると、制御装置５０は、給気が第１温度Ｔ１以下（ステップＳ２００：ＹＥＳ）であって燃焼装置３０を起動（ステップＳ３００）した後、燃料電池システム１０を起動する（ステップＳ４００）。そして、燃焼装置３０を起動させてからの経過時間を計測し、燃焼開始から第２時間を経過したか否かを判定する（ステップＳ４０１）。第２時間を経過していない場合（ステップＳ４０１：ＮＯ）は、ステップＳ４０１の処理を繰り返して実行する。なお、この間にも燃料電池システム１０は、起動動作又は発電動作を実行している。一方、制御装置５０は、第２時間を経過したと判定すると（ステップＳ４０１：ＹＥＳ）、燃焼装置３０を停止させる（ステップＳ４０３）。即ち、燃焼装置３０を停止した状態で、燃料電池システム１０の動作を継続させる。
　燃料電池システム１０は、起動から所定時間を経過すると、排ガス温度が十分に高くなるため、排ガス流路６１を通流するこの高温の排ガスと、給気流路６２を通流する給気との間の熱交換により、給気を適切に加熱できるようになる。あるいは、燃料電池システム１０は、起動から所定時間を経過すると、水素生成装置等での発熱によってシステム全体が昇温するため、低温の給気による凍結が生じにくくなる。従って、本実施例６のような動作フローを採用すれば、凍結の可能性が低減したとき（第２時間が経過したとき）には燃焼装置３０を停止させるため、燃焼装置３０での燃料の浪費を防止することができる。
　（凍結防止処理の実施例７）
　図８は、発電システム１００の実施例７に係る動作を示すフローチャートである。図８に示すフローでは、実施例６に示したフローのうち、ステップＳ４０２の処理がステップＳ４０３の処理に置換されている点が相違する。即ち、実施例６では、燃焼装置３０の停止タイミングを、燃焼装置３０の起動時からの経過時間に基づいて判断するものである。これに対して本実施例７では、同タイミングを、給気温検知器５１により検知された給気の温度に基づいて判断する。
　より具体的に説明すると、制御装置５０は、燃焼装置３０を起動（ステップＳ３００）し、燃料電池システム１０を起動（ステップＳ４００）すると、給気温検知器５１から給気の温度を取得する。そして、給気が所定の第４温度Ｔ４以上であるか否かを判定する（ステップＳ４０２）。第４温度Ｔ４より小さければ（ステップＳ４０２：ＮＯ）、このステップＳ４０２を繰り返して実行する。なお、この間にも燃料電池システム１０は、起動動作又は発電動作を実行している。一方、制御装置５０は、第４温度Ｔ４以上と判定すると（ステップＳ４０２：ＹＥＳ）、燃焼装置３０を停止させる（ステップＳ４０３）。即ち、燃焼装置３０を停止した状態で、燃料電池システム１０の動作を継続させる。
　これにより、給気が第１温度以下の低温の場合には、燃焼装置３０を作動させて燃焼排ガスとの熱交換により給気を加熱しつつ、燃料電池システム１０での凍結の可能性が低減したとき（給気が第４温度Ｔ４以上となったとき）には、燃焼装置３０を停止させて燃料の浪費を防止できる。なお、この第４温度Ｔ４は、燃焼装置３０を停止させてもシステムが凍結することのない場合の給気の温度として、予め試験等により取得しておいてもよい。あるいは、試験等はせずとも、適当な所定値（例えば、ゼロ度以上の温度）を第４温度Ｔ４として設定しておいてもよい。
　なお、実施例６，７では、所定の条件を満たした場合（ステップＳ４０１：ＹＥＳ，ステップＳ４０２：ＹＥＳ）に、燃焼装置３０を停止させるが（ステップＳ４０３）、その後、必要に応じて燃焼装置３０を再度起動させてもよい。例えば、燃焼装置３０を停止させた後も、給気温検知器５１によって給気の温度を継続的に検知し、この温度が第１温度Ｔ１より低くなった場合に燃焼装置３０を起動することとしてもよい。
　（凍結防止処理の実施例８）
　図９は、発電システム１００の実施例８に係る動作を示すフローチャートである。図９に示すフローでは、実施例２に示したフロー（図３参照）の各ステップの処理を実行するが、ステップＳ２０７，Ｓ２０８を更に実行する点が相違する。
　具体的に説明すると、実施例８に係るフローでは、換気器１５を起動し（ステップＳ１０１）、給気が第１温度Ｔ１以下であった場合（ステップＳ２００：ＹＥＳ）は、燃焼装置３０が停止中であるか否かを判定する（ステップＳ２０７）。ここで、停止中であれば、実施例２と同様に燃焼装置３０の起動（ステップＳ３００）、及び、燃料電池システム１０の起動（ステップＳ４００）を行う。一方、燃焼装置３０が停止中ではない、即ち、動作中であると判定した場合（ステップＳ２０７：ＮＯ）は、燃焼装置３０での燃焼量を増加させる（ステップＳ２０８）。例えば、燃焼器３１へ供給する燃焼用燃料を増量すると共に、燃焼ファン３２による燃焼用空気の供給量を増加させる。
　これにより、既に燃焼装置３０が動作している状態で、給気が第１温度Ｔ１以下である場合には、燃焼装置３０での燃焼量を増加させ、燃焼排ガスが有する熱量を増加させることができる。そのため、給気をより適切に加熱することができる。
　（実施の形態２）
　図１０は、実施の形態２に係る発電システムの概略構成を示す模式図である。本実施の形態２に係る発電システム１００は、実施の形態１に係る発電システム１００と大部分において同じ構成を備えているが、以下の点で異なる。即ち、燃焼装置３０は、熱交換器３７と水循環流路３８とを備えている。
　熱交換器３７は、燃焼排ガス流路３５の途中に設けられており、水循環流路３８は、熱交換器３７と給排気機構６０を成す二重配管との間にわたって設けられている。水循環流路３８は、熱交換器３７を通流する燃焼排ガスによって加熱された水を、給排気機構６０を成す二重配管へ導き、給気流路６２を通流する給気との間で熱交換させる。給気との熱交換で温度の低下した水は、水循環流路３８を介して熱交換器３７へ戻され、再び燃焼排ガスにより加熱される。このように、給気流路６２の一部は、燃焼排ガスの熱によって加熱される加熱部３９を成している。
　本実施の形態２において、この加熱部３９は、給気流路６２のうち、燃焼装置３０との分岐部から燃料電池システム１０へ至るまでの部分に設けられている。更に詳しくは、当該部分において、給気温検知器５１の設置位置よりも、給気の通流方向の上流側の位置に設けられている。但し、加熱部３９の配置はこれに限定されず、適宜選択した位置に設けることができる。
　また、本実施の形態２では、加熱部３９において水循環流路３８を二重配管に巻回した構成を例示しているが、これに限定されない。例えば、水循環流路３８を給気流路６２内に通す構成としてもよい。またその際、給気流路６２内の水循環流路３８にフィンを設け、熱交換効率を向上させるようにしてもよい。
　このような本実施の形態２に係る発電システム１００においても、実施の形態１において説明した各実施例に係る動作フローを実行することにより、システム内の凍結防止を好適に実現することができる。
　（実施の形態３）
　図１１は、実施の形態３に係る発電システムの概略構成を示す模式図である。本実施の形態２に係る発電システム１００は、実施の形態１に係る発電システム１００と大部分において同じ構成を備えているが、燃料ガス供給器１２の構成、及び、燃料電池１４からのオフ燃料ガスの排出される流路において異なっている。具体的に説明すると、燃料ガス供給器（以下、本実施の形態では「水素生成装置」と称する）１２は、改質器１２ａ、燃焼器１２ｂ、及び燃焼ファン１２ｃを有している。
　燃焼器１２ｂには、燃料電池１４からのオフ燃料ガス流路２２の下流端が接続されており、燃料電池１４からオフ燃料ガスが、当該オフ燃料ガス流路２２を介して、燃焼用燃料として供給される。また、燃焼器１２ｂには、空気供給流路２５を介して燃焼ファン１２ｃが接続されている。燃焼ファン１２ｃは、燃焼器１２ｂに燃焼用空気を供給することができれば、どのような構成であってもよく、例えば、ファンやブロワ等のファン類で構成されていてもよい。更に、燃焼器１２ｂには燃焼排ガス流路２６の上流端が接続されており、該燃焼排ガス流路２６の下流端は、排ガス流路６１（より正確には、第１排ガス上流端６１ａ）に接続している。
　このような燃焼器１２ｂでは、供給されたオフ燃料ガスと燃焼用空気が燃焼し、燃焼排ガスが生成されて熱が発生する。燃焼器１２ｂで生成された燃焼排ガスは、改質器１２ａ等を加熱した後、燃焼排ガス流路２６及び排ガス流路６１を介して発電システム１００の外部、即ち、建物１の外部へ排出される。
　改質器１２ａには、図示しない原料供給器及び水蒸気供給器が接続されており、原料及び水蒸気が供給される。原料としては、メタンを主成分とする天然ガスやＬＰガス等を用いることができる。
　また、改質器１２ａは改質触媒を有している。この改質触媒としては、例えば、原料と水蒸気とから水素含有ガスを発生させる水蒸気改質反応を触媒することができれば、どの様な物質を使用してもよい。例えば、アルミナ等の触媒担体にルテニウム（Ｒｕ）を担持させたルテニウム系触媒や、同様の触媒担体にニッケル（Ｎｉ）を担持させたニッケル系触媒等を使用することができる。
　そして、改質器１２ａでは、供給された原料と水蒸気との改質反応により、水素含有ガスが生成される。生成された水素含有ガスは、燃料ガスとして、燃料ガス供給流路２０を介して、燃料電池１４の燃料ガス流路１４Ａに供給される。
　なお、本実施の形態３では、改質器１２ａで生成された水素含有ガスが燃料ガスとして燃料電池１４に供給される構成としたが、これに限定されない。例えば、水素生成装置１２において、改質器１２ａで生成された水素を変成器が有する変成触媒に通すことにより一酸化炭素を低減し、更に、酸化触媒やメタン化触媒を有する一酸化炭素除去器を通過させた後に、燃料電池１４へ供給することとしてもよい。なお、上記変成触媒としては一例として銅－亜鉛系触媒を用いることができ、酸化触媒やメタン化触媒としては一例としてルテニウム系触媒を用いることができる。
　また、本燃料電池システム１０では、燃料電池１４からのオフ燃料ガスが、燃焼器１２ｂに対して燃焼用燃料として供給される構成を例示したが、これに限定されない。例えば、燃焼器１２ｂに対し、燃焼用燃料供給器から燃焼用燃料が別途供給されるように構成してもよい。
　このような本実施の形態３に係る発電システム１００においても、実施の形態１において説明した各実施例に係る動作フローを実行することにより、システム内の凍結防止を好適に実現することができる。
　ところで、本実施の形態３に係る発電システム１００の場合、燃料電池システム１０を起動するには、水素生成装置１２を作動させ、改質器１２ａ内の改質触媒を、改質反応を行なうのに適した温度まで上昇させる必要がある。そのため、燃焼器１２ｂにおいて燃焼用燃料と燃焼用空気とを燃焼させる。この際、燃焼用空気を燃焼器１２ｂに供給するために燃焼ファン１２ｃを作動させると、給気流路６２を介して外気が筐体１１内に供給される。しかしながら、燃焼装置３０の作動（ステップＳ３００）により、排ガス流路６１を通流する燃焼装置３０からの燃焼排ガスによって給気流路６２を通流する外気が加熱される。そのため、外気温が氷点下の場合であっても、燃料電池システム１０内の水が凍結するのを防止できる。
　本発明の発電システム及びその運転方法は、外気温が低い場合にも、特に燃料電池システムの起動時においてシステム内の水が給気によって凍結するのを防止することができる発電システム及びその運転方法に対して適用することができる。
　１　　　建物
　１０　　燃料電池システム
　１１　　筐体
　１４　　燃料電池
　３０　　燃焼装置
　５０　　制御装置
　５１　　給気温検知器
　６０　　給排気機構
　６１　　排ガス流路
　６２　　給気流路
　１００　発電システム
 

Claims (11)

  1. 　給気流路と、
    　燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池、該燃料電池を収納する筐体、前記給気流路を介して外気を前記筐体へ供給する空気供給器、及び、前記筐体への給気の温度を検知する給気温検知器、を有する燃料電池システムと、
    　燃料を燃焼して熱量を生成する燃焼器を有する燃焼装置と、
    　該燃焼装置で生じた燃焼排ガスを外部へ排出する排ガス流路と、
    　制御装置と、
    　を備える発電システムであって、
    　前記給気流路と前記排ガス流路とは、互いの流路を流れる媒体間で熱交換が可能なように構成されており、
    　前記制御装置は、前記燃料電池システムを起動させる場合であって、前記給気温検知器が検知した温度が所定の第１温度以下の場合は、前記燃焼装置を動作させる、発電システム。
  2. 　前記給気温検知器は、前記給気流路又は前記筐体内に配置されており、
    　前記制御装置は、前記燃料電池システムを起動させる場合であって、前記空気供給器を動作させた後に前記給気温検知器が検知した温度が前記第１温度以下の場合には、前記燃焼装置を動作させる、請求項１に記載の発電システム。
  3. 　前記制御装置は、前記燃料電池システムを起動させる場合であって、前記空気供給器を動作させた後に前記給気温検知器が検知した温度が所定の第２温度以下の場合には、前記空気供給器を停止させ、前記燃焼装置を動作させる、請求項２に記載の発電システム。
  4. 　前記制御装置は、前記給気温検知器が前記第２温度以下を検知することにより前記空気供給器を停止させた場合は、所定の第１時間だけ前記燃焼装置を動作させた後に、前記空気供給器を動作させ、前記燃料電池システムを起動させる、請求項３に記載の発電システム。
  5. 　前記制御装置は、前記給気温検知器が前記第２温度以下を検知することにより前記空気供給器を停止させた場合は、前記給気温検知器が所定の第３温度以上を検知するまで前記燃焼装置を動作させた後に、前記空気供給器を動作させ、前記燃料電池システムを起動させる、請求項３に記載の発電システム。
  6. 　前記第２温度は、前記第１温度以下であるように設定されている、請求項３乃至５の何れかに記載の発電システム。
  7. 　前記制御装置は、前記燃料電池システムを起動させる場合であって、前記給気温検知器が検知した温度が前記第１温度以下の場合は、所定の第２時間だけ前記燃焼装置を動作させた後に、該燃焼装置を停止させる、請求項１乃至６の何れかに記載の発電システム。
  8. 　前記制御装置は、前記燃料電池システムを起動させる場合であって、前記給気温検知器が検知した温度が前記第１温度以下の場合は、前記給気温検知器が検知した温度が所定の第４温度以上を検知するまで前記燃焼装置を動作させた後に、該燃焼装置を停止させる、請求項１乃至６の何れかに記載の発電システム。
  9. 　前記制御装置は、前記給気温検知器が検知した温度が前記第１温度以下の場合であって、前記燃料電池システムを起動させる場合には、該燃料電池システムの起動より先に前記燃焼装置を動作させる、請求項１乃至８の何れかに記載の発電システム。
  10. 　前記排ガス流路は、前記燃料電池システムに接続された上流端から延設された流路と、前記燃焼装置に接続された上流端から延設された流路と、両流路が合流する合流部と、該合流部から大気開放された下流端へ延設された流路と、を有し、
    　前記給気流路は、前記排ガス流路の少なくとも一部に接するようにして配設されている、請求項１乃至９の何れかに記載の発電システム。
  11. 　燃料電池システムと、燃焼装置と、外気を前記燃料電池システムへ供給する給気流路と、で生じた燃焼排ガスを外部へ排出する排ガス流路と、を備え、前記給気流路及び前記排ガス流路が、互いの流路を流れる媒体間で熱交換可能に構成されている、発電システムの運転方法であって、
    　前記給気流路を介して前記燃料電池システムへ供給される給気の温度を検知するステップと、
    　給気の温度が所定の第１温度以下か否かを判定するステップと、
    　前記燃料電池システムを起動させる場合に、給気の温度が前記第１温度以下であった場合に、前記燃焼装置を動作させるステップと、
    　を備える、発電システムの運転方法。
     
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