(57)【要約】燃料電池システム（１００）は、燃料電池システム（１００）の排熱を回収する１次冷媒が循環する第１の循環流路（２）と、１次冷媒より熱回収した２次冷媒を貯える蓄熱器（５）と、１次冷媒と２次冷媒とが熱交換する熱交換器（４）と、蓄熱器（５）を経由せず、熱交換器（４）において１次冷媒と熱交換する２次冷媒が循環する第２の循環流路（３０Ａ）と、１次冷媒を第１の循環流路２内で循環させる第１の循環器（６）と、２次冷媒を第２の循環流路（３０Ａ）内で循環させる第２の循環器（８）と、２次冷媒を加熱する加熱器（２００）と、１次冷媒の凍結抑制のために加熱器（２００）を動作させるとともに、第１の循環器（６）及び第２の循環器（８）を動作させる第１処理を実行する制御器（４０）と、を備える。
2010109790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池を有する燃料電池システムで生成された排熱を回収する１次冷媒が循環する第１の循環流路と、前記１次冷媒より熱回収した２次冷媒を貯える蓄熱器と、前記１次冷媒と前記２次冷媒とが熱交換する熱交換器と、前記蓄熱器を経由せず、前記熱交換器において前記１次冷媒と熱交換する前記２次冷媒が循環する第２の循環流路と、前記１次冷媒を前記第１の循環流路内で循環させる第１の循環器と、前記２次冷媒を前記第２の循環流路内で循環させる第２の循環器と、前記第２の循環流路内の前記２次冷媒を加熱する加熱器と、前記１次冷媒の凍結抑制のために前記加熱器を動作させるとともに、前記第１の循環器及び前記第２の循環器を動作させる第１処理を実行する制御器と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記蓄熱器を経由して前記熱交換器において前記１次冷媒と熱交換する前記２次冷媒が循環する第３の循環流路と、前記熱交換器よりも上流の前記第３の循環流路と前記熱交換器よりも下流の前記第３の循環流路とを接続するバイパス流路と、を備え、
前記第２の循環流路は、前記熱交換器の上流での前記バイパス流路との接続箇所から前記熱交換器を経由し前記熱交換器の下流での前記バイパス流路との接続箇所に至るまでの前記第３の循環流路及び前記バイパス流路により構成される請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱交換器を通過した前記２次冷媒の流入先を前記蓄熱器と前記バイパス流路との間で切り替える切替器を備え、
前記制御器は、前記第１処理において、前記流入先が前記バイパス流路側になるよう前記切替器を制御することを特徴とする、請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記第１処理に先行して、前記加熱器を動作させず、前記第１の循環器を動作させる第２処理を実行することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記第１処理中において前記加熱器の加熱量を周期的に増減させるよう前記加熱器を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池と、前記燃料電池を有する燃料電池システムで生成した排熱を回収する１次冷媒が循環する第１の循環流路と、前記１次冷媒より熱回収した２次冷媒を貯える蓄熱器と、前記１次冷媒と前記２次冷媒とが熱交換する熱交換器と、前記蓄熱器を経由せず、前記熱交換器において前記１次冷媒と熱交換する前記２次冷媒が循環する第２の循環流路と、前記１次冷媒を前記第１の循環流路内で循環させる第１の循環器と、前記２次冷媒を前記第２の循環流路内で循環させる第２の循環器と、前記第２の循環流路内の前記２次冷媒を加熱する加熱器と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記１次冷媒の凍結抑制のために、
前記加熱器を動作させるとともに前記２次冷媒を前記第２の循環流路内で循環させるステップ（ａ）と、
前記ステップ（ａ）で加熱された前記２次冷媒の保有熱を、前記熱交換器を介して前記第１の循環流路内を循環する前記１次冷媒に伝熱するステップ（ｂ）と、を備える、燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子膜を電解質に用いた固体高分子型燃料電池（以下、「燃料電池」と略す）が燃料電池システムに組み込まれている。この燃料電池は、水素ガスを主成分とする燃料ガス中の水素と空気中の酸素との間の発熱反応である電気化学反応により発電する。なお、燃料ガスは、例えば、都市ガス等の炭化水素ガスを水蒸気改質すると得られる。【０００３】
また、燃料電池の発電では、上述の電気化学反応（発熱反応）が進行するので、燃料電池の発電中の運転温度が、その反応に適した温度（例えば、７０℃〜８０℃程度）に維持されるよう、燃料電池の内部温度を一定に保つ機構が一般的に採用されている。【０００４】
例えば、燃料電池に１次冷媒である冷却水が流れる冷却水流路が配され、当該流路を流れる冷却水の流量などの制御によって燃料電池の内部温度が調整されている。一方、燃料電池を通過した高温状態の冷却水の熱を熱交換によって２次冷媒が回収して、このような２次冷媒が蓄熱器に蓄えられると、燃料電池システムにおいて蓄熱できる。【０００５】
ところで、外気温が低下すると冷却水が凍結して、これらの冷却水循環流路が損傷する場合がある。この場合、燃料電池システムの運転に支障が生じる。よって、貯湯槽（蓄熱器の一例）に貯留された貯湯水（２次冷媒の一例）によって冷却水が保温され、これにより、冷却水の凍結を抑制できる燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２８２１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載の燃料電池システムでは、冷却水の凍結抑制に用いられた水が補助熱源により貯湯槽内において加熱されている（特許文献１の段落００３７、図１参照）。このように、従来例の燃料電池システムでは、燃料電池の１次冷媒である冷却水の凍結抑制において、貯湯槽（蓄熱器）全体の加熱にも熱を奪われているので、補助熱源の熱を冷却水に伝熱する効率が悪い。また、燃料電池の冷却水の凍結抑制に限らず、燃料電池システムで生成された排熱を回収する他の１次冷媒の凍結抑制においても同様の問題が想定される。【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムで生成された排熱を回収する１次冷媒の凍結抑制運転において、貯湯水等の２次冷媒を加熱する加熱器の熱を１次冷媒に伝える伝熱効率が従来よりも改善する燃料電池システムを提供することを目的とする。また、このような燃料電池システムの運転方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を有する燃料電池システムで生成された排熱を回収する１次冷媒が循環する第１の循環流路と、前記１次冷媒より熱回収した２次冷媒を貯える蓄熱器と、前記１次冷媒と前記２次冷媒とが熱交換する熱交換器と、前記蓄熱器を経由せず、前記熱交換器において前記１次冷媒と熱交換する前記２次冷媒が循環する第２の循環流路と、前記１次冷媒を前記第１の循環流路内で循環させる第１の循環器と、前記２次冷媒を前記第２の循環流路内で循環させる第２の循環器と、前記第２の循環流路内の前記２次冷媒を加熱する加熱器と、前記１次冷媒の凍結抑制のために前記加熱器を動作させるとともに、前記第１の循環器及び前記第２の循環器を動作させる第１処理を実行する制御器と、を備える。【００１０】
また、本発明の燃料電池システムは、前記蓄熱器を経由して前記熱交換器において前記１次冷媒と熱交換する前記２次冷媒が循環する第３の循環流路と、前記熱交換器よりも上流の前記第３の循環流路と前記熱交換器よりも下流の前記第３の循環流路とを接続するバイパス流路と、を備え、前記第２の循環流路は、前記熱交換器の上流での前記バイパス流路との接続箇所から前記熱交換器を経由し前記熱交換器の下流での前記バイパス流路との接続箇所に至るまでの前記第３の循環流路及び前記バイパス流路により構成される
また、本発明の燃料電池システムは、前記熱交換器を通過した前記２次冷媒の流入先を前記蓄熱器と前記バイパス流路との間で切り替える切替器を備え、前記制御器は、前記第１処理において、前記流入先が前記バイパス流路側になるよう前記切替器を制御する。
また、本発明の燃料電池システムでは、前記制御器は、前記第１処理に先行して、前記加熱器を動作させず、前記第１の循環器を動作させる第２処理を実行する。【００１１】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記制御器は、前記第１処理中において前記加熱器の加熱量を周期的に増減させる。【００１２】
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料電池と、前記燃料電池を有する燃料電池システムで生成した排熱を回収する１次冷媒が循環する第１の循環流路と、前記１次冷媒より熱回収した２次冷媒を貯える蓄熱器と、前記１次冷媒と前記２次冷媒とが熱交換する熱交換器と、前記蓄熱器を経由せず、前記熱交換器において前記１次冷媒と熱交換する前記２次冷媒が循環する第２の循環流路と、前記１次冷媒を前記第１の循環流路内で循環させる第１の循環器と、前記２次冷媒を前記第２の循環流路内で循環させる第２の循環器と、前記第２の循環流路内の前記前記２次冷媒を加熱する加熱器と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記１次冷媒の凍結抑制のために、前記加熱器を動作させるとともに前記２次冷媒を前記第２の循環流路内で循環させるステップ（ａ）と、前記ステップ（ａ）で加熱された前記２次冷媒の保有熱を、前記熱交換器を介して前記第１の循環流路内を循環する前記１次冷媒に伝熱するステップ（ｂ）と、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
以上のとおり、本発明の燃料電池システムでは、加熱器により加熱された２次冷媒が蓄熱器を経由せずに循環し、熱交換器を介して１次冷媒に伝熱されるよう構成されている。従って、本発明によれば、１次冷媒の凍結抑制運転において、加熱器の熱を１次冷媒に伝える伝熱効率が従来よりも改善する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの一構成例を示したブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムによる冷却水の凍結抑制運転の動作の一例を示したフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１の変形例の燃料電池システムによる冷却水の凍結抑制運転の動作の一例を示したフローチャートである。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの一構成例を示したブロック図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２の変形例の燃料電池システムの一構成例を示したブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
まず、本発明の実施形態における様々な特徴について、以下に列挙する。
【００１６】
第１の形態の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を有する燃料電池システムで生成された排熱を回収する１次冷媒が循環する第１の循環流路と、１次冷媒より熱回収した２次冷媒を貯える蓄熱器と、１次冷媒と２次冷媒とが熱交換する熱交換器と、蓄熱器を経由せず、熱交換器において１次冷媒と熱交換する２次冷媒が循環する第２の循環流路と、１次冷媒を第１の循環流路内で循環させる第１の循環器と、２次冷媒を第２の循環流路内で循環させる第２の循環器と、第２の循環流路内の２次冷媒を加熱する加熱器と、１次冷媒の凍結抑制のために加熱器を動作させるとともに、第１の循環器及び第２の循環器を動作させる第１処理を実行する制御器と、を備える。
【００１７】
かかる構成により、加熱器により加熱された２次冷媒が蓄熱器を経由せずに循環し、熱交換器を介して１次冷媒に伝熱される。
【００１８】
よって、燃料電池システムで生成された排熱を回収する１次冷媒の凍結抑制運転において、貯湯水等の２次冷媒を加熱する加熱器の熱を１次冷媒に伝える伝熱効率が従来よりも改善する。
【００１９】
「１次冷媒」として、例えば、冷却水、油等を用いることができるが、これに限らず、燃料電池システムで生成された排熱を回収でき、凍結の恐れがある冷媒であれば、どのようなものでもよい。
【００２０】
「２次冷媒」として、例えば、液体の水、不凍液などの様々な媒体を用いることができる。「２次冷媒」に水を用いる場合、「蓄熱器」は、例えば、貯湯水を貯える貯湯タンクとして構成するとよい。
【００２１】
「熱交換器」とは、高温の加熱流体と低温の受熱流体とがもっている熱を交換することを目的とした装置であり、燃料電池システムの１次冷媒の凍結抑制運転では、「１次冷媒と２次冷媒とが熱交換する熱交換器」において、２次冷媒が加熱流体に相当し、１次冷媒が受熱流体に相当する。
【００２２】
「加熱器」は、第２の循環流路内の２次冷媒に間接的または直接的に加熱できる装置であれば、どのような形態の熱供給機構であってもよい。そして、このような「加熱器」の一例として、燃料の燃焼によって生じる高温の燃焼排ガスを生成できる燃焼器（燃焼バーナ）や、大気熱を用いるヒートポンプが挙げられる。
【００２３】
「制御器」は、ＣＰＵやメモリを内蔵するマイコンなどにより構成されている。「制御器」は、単独でも複数でもよい。
【００２４】
また、第２の形態の燃料電池システムは、第１の形態の燃料電池システムにおいて、蓄熱器を経由して熱交換器において１次冷媒と熱交換する２次冷媒が循環する第３の循環流路と、熱交換器よりも上流の第３の循環流路と熱交換器よりも下流の第３の循環流路とを接続するバイパス流路と、を備えてもよい。そして、第２の循環流路は、熱交換器の上流でのバイパス流路との接続箇所から熱交換器を経由し熱交換器の下流でのバイパス流路との接続箇所に至るまでの第３の循環流路及びバイパス流路により構成されてもよい。
【００２５】
かかる構成により、蓄熱器を経由しない第２の循環流路が、熱交換器を経由する第３の循環流路の一部と共用化されるので、これらの２つの流路が部分的に共通化されている。これにより、２次冷媒の循環系を簡易に構成できる。
【００２６】
また、第３の形態の燃料電池システムは、第２の形態の燃料電池システムにおいて、熱交換器を通過した２次冷媒の流入先を蓄熱器とバイパス流路との間で切り替える切替器を備えてもよい。そして、制御器は、上記第１処理において、２次冷媒の流入先がバイパス流路側になるよう切替器を制御してもよい。
【００２７】
かかる構成により、燃料電池システムの１次冷媒の凍結抑制運転において、１次冷媒と熱交換する２次冷媒が、蓄熱器を経由せずに第２の循環流路のバイパス流路を通ることができる。よって、加熱器による１次冷媒の凍結抑制運転において、加熱器の熱を１次冷媒に伝える伝熱効率が従来よりも改善する。
【００２８】
また、１次冷媒の凍結抑制運転の実行時に、２次冷媒の流入先をバイパス側に切り替えるので、蓄熱器に低温の２次冷媒が流入することが抑制され、ひいては、蓄熱器に蓄えられた２次冷媒の温度低下を抑制できる。
【００２９】
「切替器」とは、流体流路の途中に配され、流体の流れを切替る部品のことをいい、例えば、流体流路切替用の三方弁を用いることができる。
【００３０】
また、第４の形態の燃料電池システムは、第１の形態の燃料電池システムにおいて、制御器が、上記第１処理に先行して、加熱器を動作させず、第１の循環器を動作させる第２処理を実行してもよい。
【００３１】
かかる構成により、上記第１処理よりも低い消費エネルギーで１次冷媒の凍結抑制運転を行うことができる。なお、上記第２処理において、第２の循環器を動作させ２次冷媒を第２の循環流路内で循環させる形態であっても、第２の循環器を動作させず２次冷媒を第２の循環流路内で循環させない形態であってもいずれであっても構わない。
【００３２】
また、第５の形態の燃料電池システムは、第１の形態の燃料電池システムにおいて、制御器は、上記第１処理中において加熱器の加熱量を周期的に増減させるよう加熱器を制御してもよい。
【００３３】
かかる構成により、加熱器の加熱量を必要に応じて周期的に増減できるので、加熱器により加熱される２次冷媒の過昇温を抑制しながら、１次冷媒の凍結抑制運転を行うことができる。
【００３４】
「周期的に増減」は、一定の時間毎に、増加と減少とが繰り返される場合には限定されず、例えば、２次冷媒温度に基づいて増加と減少とが繰り返される場合であってもよい。具体的には、加熱器の加熱動作により２次冷媒が過昇温するのを抑制するため２次冷媒温度の上昇に伴い加熱器の加熱量を減少させ、１次冷媒の凍結を抑制するため２次冷媒温度の下降に伴い加熱器の加熱量を増加させるような制御も含む。
【００３５】
また、第１の形態の燃料電池システムの運転方法は、燃料電池と、燃料電池を有する燃料電池システムで生成した排熱を回収する１次冷媒が循環する第１の循環流路と、１次冷媒より熱回収した２次冷媒を貯える蓄熱器と、１次冷媒と２次冷媒とが熱交換する熱交換器と、蓄熱器を経由せず、熱交換器において１次冷媒と熱交換する２次冷媒が循環する第２の循環流路と、１次冷媒を第１の循環流路内で循環させる第１の循環器と、２次冷媒を第２の循環流路内で循環させる第２の循環器と、第２の循環流路内の２次冷媒を加熱する加熱器と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、１次冷媒の凍結抑制のために、加熱器を動作させるとともに２次冷媒を第２の循環流路内で循環させるステップ（ａ）と、ステップ（ａ）で加熱された２次冷媒の保有熱を、熱交換器を介して第１の循環流路内を循環する１次冷媒に伝熱するステップ（ｂ）と、を備える。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの具体的な構成例および動作例について、図面を参照しながら説明する。
【００３６】
但し、以下の具体的な説明（後述の実施の形態２も同じ）は、上記各燃料電池システムの特徴を例示しているに過ぎない。例えば、上記各燃料電池システムを特定した用語と同じ用語に適宜の参照符号を付して以下の具体例を説明する場合、当該具体的な装置は、これに対応する上記各燃料電池システムの構成要素の一例である。
【００３７】
よって、上記各燃料電池システムの特徴は、以下の具体的な説明によって限定されない。
[燃料電池システムの構成例]
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの一構成例を示したブロック図である。
【００３８】
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料ガス（水素ガス）を用いて発電および発熱する燃料電池１を備える。
【００３９】
この燃料電池１では、燃料電池１のアノード（図示せず）に供給された燃料ガスと、燃料電池１のカソード（図示せず）に供給された酸化剤ガス（例えば、空気）と、が電気化学的に反応（発熱反応）して、電力および熱が発生する。燃料電池１によって生成された電力は、例えば、様々な電気機器において利用できる。また、燃料電池１によって生成された熱は、様々な用途に利用でき、例えば、家庭の暖房や給湯などにおいても利用できる（詳細は後述する）。
【００４０】
なお、燃料電池の内部構造は公知である。よって、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
ところで、燃料電池システムでは、その発電運転中に生じる排熱を回収することが一般的に採用されている。上記排熱を回収するための１次冷媒として、例えば、燃料電池を冷却する冷却水を用いることができる。上記冷却水は、燃料電池内を通過する循環流路内を循環するよう構成されている。
よって、以下、循環流路内の冷却水によって燃料電池の冷却が行われる燃料電池システム１００の構成の一例を説明する。
燃料電池システム１００は、図１に示すように、燃料電池１を有する燃料電池システム１００で生成された排熱を回収する冷却水が循環する第１の循環流路２と、冷却水を第１の循環流路２内で循環させる第１の循環器６と、第１の循環流路２を流れる冷却水の温度を検知する第１温度検知器７と、を備える。図１では、冷却水の流れの方向が太い実線の矢印によって示されている。なお、上記第１温度検知器７は、燃料電池１と第１熱交換器４との間の第１の循環流路２上に設けられているが、あくまで例示であり、第１の循環流路２上のいずれの箇所に設けられても構わない。
【００４２】
第１の循環器６は、第１の循環流路２で冷却水を循環させるための機器であり、例えば、ポンプを用いることができるが、第１の循環器６は、第１の循環流路２内の冷却水を循環させることが可能な機器であれば、他の機器でもよい。第１温度検知器７として、例えば、サーミスタや熱電対を用いることができるが、第１温度検知器７は、他の温度検知器でもよい。
【００４３】
これにより、第１の循環流路２を流れる冷却水の流量や温度の制御が制御器４０（後述）によって行われ、燃料電池１の温度が調整される。
【００４４】
また、本実施形態の燃料電池システム１００では、発電運転中において、燃料電池１を通過した高温状態の冷却水の熱を、第１熱交換器４での熱交換によって２次冷媒（例えば、貯湯水）が回収して、このような２次冷媒が蓄熱器５（例えば、貯湯タンク）に蓄えられる。
【００４５】
よって、燃料電池システム１００は、図１に示すように、１次冷媒である、燃料電池１を通過した冷却水と２次冷媒とが熱交換する第１熱交換器４と、冷却水より熱回収した２次冷媒を蓄える蓄熱器５と、冷却水と熱交換する２次冷媒が循環する２次冷媒循環流路、２次冷媒を２次冷媒循環流路内で循環させる第２の循環器８と、第１熱交換器４から流出した２次冷媒温度を検知する第２温度検知器９と、を備える。図１では、上述の２次冷媒の流れの方向が太い点線の矢印によって示されている。
【００４６】
ところで、本実施形態の燃料電池システム１００では、図１に示すように、上述の２次冷媒循環流路の例として、２流路が存在しており、共通流路３とバイパス流路１０とによって構成される第２の循環流路３０Ａ（図１の細い一点鎖線で示した流路）と、共通流路３、蓄熱側流路１５、および蓄熱器５とによって構成される第３の循環流路３０Ｂと（図１の細い点線で示した流路）、がある。
【００４７】
図１に示すように、第３の循環流路３０Ｂの蓄熱側流路１５は、該流路上に蓄熱器５を備え、これを経由するよう構成されており、これにより、第３の循環流路３０Ｂは、蓄熱器５を経由して冷却水と熱交換する２次冷媒が循環できるように構成されている。
【００４８】
また、第２の循環流路３０Ａのバイパス流路１０が、蓄熱器５よりも上流の第３の循環流路３０Ｂと、蓄熱器５よりも下流の第３の循環流路３０Ｂとを、蓄熱器５をバイパスするように接続させており、これにより、第２の循環流路３０Ａは、蓄熱器５を経由せず、冷却水と熱交換する２次冷媒が循環できるように構成されている。
【００４９】
また、第１熱交換器４を通過した２次冷媒の流入先を蓄熱器５とバイパス流路１０との間で切り替えるための第１切替器１１が設けられている。ここで、第１切替器１１が蓄熱器５側に切り替えられると、図１の矢印１１ａに示すように、２次冷媒は、蓄熱器５を経由するように第３の循環流路３０Ｂの蓄熱側流路１５内を流れる。第１切替器１１がバイパス流路１０側に切り替えられると、図１の矢印１１ｂに示すように、２次冷媒は、蓄熱器５を経由せずに、第２の循環流路３０Ａのバイパス流路１０内を流れる。なお、上記第１切替器１１は、第３の循環流路３０Ｂとバイパス流路１０との接続部に三方弁を配設する形態であってもいいし、またはバイパス経路１０及び蓄熱器５よりも上流の蓄熱側流路１５のそれぞれに開閉弁を設ける形態であっても構わない。つまり、第１熱交換器４を通過した２次冷媒の流入先を蓄熱器５とバイパス流路１０との間で切替え可能な機器であれば、いずれの機器でも構わない。
【００５０】
また、本実施形態の燃料電池システム１００では、第１切替器１１の切替は、第２温度検知器９により検知された２次冷媒の温度に基づいてなされている。具体的には、この２次冷媒の温度が、所定の温度（例えば、６０℃）より高い場合、第１切替器１１が蓄熱器５側に自動的に切替る。これにより、冷却水からの熱回収が行われた２次冷媒を蓄熱器５に蓄えることができる。一方、２次冷媒温度が所定の温度（例えば、６０℃）以下の場合、第１切替器１１がバイパス流路１０側に自動的に切替る。これにより、蓄熱器５に低温の２次冷媒が流入することが抑制され、ひいては、蓄熱器５に蓄えられた２次冷媒の温度低下を抑制できる。
【００５１】
このように、本実施形態の燃料電池システム１００では、蓄熱器５を経由しない第２の循環流路３０Ａは、第１熱交換器４の上流でのバイパス流路１０との接続箇所から第１熱交換器４を経由し、第１熱交換器４の下流でのバイパス流路１０との接続箇所に至るまでの第３の循環流路３０Ｂの一部（共通流路３）及びバイパス流路１０により構成される。これにより、これらの第２および第３の循環流路３０Ａ、３０Ｂが部分的に共通化され、２次冷媒の循環系を簡易に構成できる。
【００５２】
以上の第２および第３の循環流路３０Ａ、３０Ｂ内の２次冷媒として、例えば、水を用いる場合、蓄熱器５を、例えば、貯湯水を貯える貯湯タンクとして構成できる。この場合、貯湯水は、例えば、家庭の給湯などにおいて利用することができる。よって、本実施形態の燃料電池システム１００では、電力および熱の両方を利用するコージェネシステムを構築できる。
【００５３】
第２の循環器８は、２次冷媒を循環させるための機器であり、例えば、ポンプを用いることができるが、第２の循環流路３０Ａ内の冷却水を循環させることが可能な機器であれば、他の機器でもよい。第２温度検知器９として、例えば、サーミスタや熱電対を用いることができるが、第２温度検知器９は、他の温度検知器でもよい。
【００５４】
また、図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、第２の循環流路３０Ａの２次冷媒を加熱する加熱器２００を備えており、これにより、加熱器２００による冷却水の凍結抑制運転（後述）が行える。なお、本例では、加熱器２００は、第１熱交換器４よりも下流の共通流路上に設けられているが、第２の循環経路３０Ａ上であればいずれの箇所でも構わない。
【００５５】
この加熱器２００は、第２の循環流路３０Ａ内の２次冷媒を加熱できる様々な熱供給機構によって構成できるが、図１では、このような熱供給機構の一例として、家庭の熱負荷２０（熱消費端末；例えば、床暖房パネル）に熱を供給する燃焼器１４（燃焼バーナ）が、第２の循環流路３０Ａの共通流路３内の２次冷媒の熱源としても利用される例が示されている。
【００５６】
よって、図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、熱負荷２０に用いる熱媒体が循環する第４の循環流路３０Ｃと、この第４の循環流路３０Ｃ内で熱媒体を循環させる第３の循環器１６と、第４の循環流路３０Ｃ内の熱媒体を加熱できる燃焼器１４と、第４の循環流路３０Ｃ内の熱媒体と共通流路３内の２次冷媒とが熱交換する第２熱交換器１２と、を備える。図１では、上述の熱媒体の流れの方向が太い一点鎖線の矢印によって示されている。
【００５７】
更に、本実施形態の燃料電池システム１００は、熱媒体を熱負荷２０に送るための熱負荷流路１７と、燃焼器１４を通過した熱媒体の流入先を熱負荷２０と第２熱交換器１２との間で切り替えることができる第２切替器１３（例えば、三方弁）と、を備える。
【００５８】
なお、加熱器２００による冷却水の凍結抑制運転では、第２切替器１３は、第２熱交換器１２側に切り替えられており、第２熱交換器１２において、第４の循環流路３０Ｃ内の熱媒体が加熱流体に相当し、第２の循環流路３０Ａの共通流路３内の２次冷媒が受熱流体に相当する。
【００５９】
第３の循環器１６は、熱媒体を循環させるための機器であり、例えば、ポンプを用いることができるが、第４の循環流路３０Ｃ内の熱媒体を循環させることが可能な機器であれば、他の機器でもよい。また、第４の循環流路３０Ｃ内の熱媒体として、例えば、水、不凍液などを用いることができる。
【００６０】
また、図１に示すように、燃料電池システム１００は制御器４０を備える。
【００６１】
制御器４０は、ＣＰＵやメモリなどを備え、燃料電池システム１００の各種の検知器の信号に基づいて燃料電池システム１００の各種の制御対象機器の動作を制御する。
【００６２】
本実施形態の燃料電池システム１００では、冷却水の凍結抑制のために、制御器４０によって、少なくとも加熱器２００の加熱動作、および、第１および第２の循環器６、８の動作が、第１温度検知器７により検知された検知温度に基づいて、以下の如く凍結抑制運転が実行されている。
[燃料電池システムの冷却水の凍結抑制運転における動作例]
以下、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１００による冷却水の凍結抑制運転における動作例を述べる。
【００６３】
図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムによる冷却水の凍結抑制運転の動作の一例を示したフローチャートである。
【００６４】
図２に示した各動作フローは、予めプログラムされて、予め設定された設定温度Ｔ１、Ｔ３とともに、制御器４０のメモリに記憶されている。
【００６５】
なお、ここで、上記設定温度Ｔ１、Ｔ３は、冷却水の凍結抑制のために用いられる、第１の循環流路２内の冷却水の基準温度（閾値温度）であり、これらの設定温度Ｔ１、Ｔ３の高低関係は、設定温度Ｔ１＜設定温度Ｔ３となっている。
【００６６】
制御器４０のＣＰＵからの指令に基づいて、上記プログラムおよび上記設定温度Ｔ１、Ｔ３が、燃料電池システム１００の発電運転の停止時に、制御器４０のＣＰＵに読み出され、このプログラムが、以下の動作を燃料電池システム１００の各部を制御しながら遂行する。
【００６７】
なお、燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の発電運転の停止時において、冷却水の凍結抑制運転は常時、運転待機状態にしており、例えば、以下のステップＳ７の動作が終了（エンド）すると、自動的に以下のステップＳ１の動作が再び開始（スタート）してもよい。
【００６８】
また、第１切替弁１１は、上述のとおり、第２温度検知器９により検知された２次冷媒温度に基づいて自動的に切り替る。よって、ここでは、第１切替弁１１の切替タイミングについての動作フロー図の図示は省略する。
【００６９】
燃料電池システム１００の運転停止中に、適宜のタイミングで、以下の冷却水の凍結抑制制御が開始する（スタート）。
【００７０】
まず、第１温度検知器７により検知された冷却水温度が読み込まれ（ステップＳ１）、この冷却水温度が設定温度Ｔ１以下であるか否かが判定される（ステップＳ２）。
【００７１】
設定温度Ｔ１は、冷却水の凝固点（０℃）よりも高い温度に設定されている。
【００７２】
冷却水温度が設定温度Ｔ１を超える場合（ステップＳ２の判定結果が「Ｎｏ」の場合）、冷却水の凍結のおそれがないので、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１以降の動作が繰り返される。一方、冷却水温度が設定温度Ｔ１以下の場合（ステップＳ２の判定結果が「Ｙｅｓ」の場合）、冷却水の凍結のおそれがあるので、第２の循環器８および加熱器２００が動作（ＯＮ）される（ステップＳ３）。また、第１の循環器６が動作（ＯＮ）され、凍結抑制運転が開始する（ステップＳ４）。
【００７３】
このように、ステップＳ４においては、加熱器２００、第１および第２の循環器６、８が何れも動作（ＯＮ）される。つまり、本実施形態では、冷却水の凍結抑制のために、加熱器２００を動作させるとともに２次冷媒を第２の循環流路３０Ａ内で循環させるステップと、このステップで加熱された２次冷媒の保有熱を、第１熱交換器４を介して第１の循環流路２内を循環する冷却水に伝熱するステップと、備える冷却水の凍結抑制運転がなされている（第１処理）。
また、本実施形態では、第１切替器１１は、２次冷媒の流入先がバイパス流路１０側になるように切り替っている。このため、加熱器２００からの熱が、蓄熱器５を経由しない第２の循環流路３０Ａ（共通流路３）内の２次冷媒に供給され、この２次冷媒の熱を、第１熱交換器４を介して第１の循環流路２内の冷却水に速やかに供給できる。よって、冷却水の凍結抑制を効率的に行える。
次いで、第１温度検知器７により検知された冷却水温度が読み込まれ（ステップＳ５）、この冷却水温度が設定温度Ｔ３以上であるか否かが判定される（ステップＳ６）。
【００７４】
設定温度Ｔ３は、凍結抑制運転を停止するための基準温度で、設定温度Ｔ１よりも高い温度で設定されている。これは、上記凍結抑制運転が頻繁にＯＮ／ＯＦＦを繰り替えすことのないようヒステリシスを持たせるためである。
【００７５】
冷却水温度が設定温度Ｔ３未満の場合（ステップＳ６の判定結果が「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ５に戻り、ステップＳ５以降の動作が繰り返される。一方、冷却水温度が設定温度Ｔ３以上の場合（ステップＳ６の判定結果が「Ｙｅｓ」の場合）、冷却水の凍結のおそれがなくなったので、第１および第２の循環器６、８および加熱器２００が停止（ＯＦＦ）される（ステップＳ７）。これにより、冷却水の凍結抑制運転が終了する（エンド）。
【００７６】
以上により、本実施形態の燃料電池システム１００Ａの冷却水の凍結抑制運転において、第１熱交換器４において冷却水と熱交換する２次冷媒が、蓄熱器５を経由せずに第２の循環流路３０Ａのバイパス流路１０を通ることができる。よって、加熱器２００の熱を利用した冷却水の凍結抑制運転において、加熱器２００の熱を冷却水に伝える伝熱効率が従来よりも改善する。
【００７７】
また、冷却水の凍結抑制運転の実行時に、２次冷媒の流入先をバイパス流路１０側に切り替えるので、蓄熱器５に低温の２次冷媒が流入することが抑制され、ひいては、蓄熱器５に蓄えられた２次冷媒の温度低下を抑制できる。
（実施の形態１の変形例）
図３は、本発明の実施の形態１の変形例の燃料電池システムによる冷却水の凍結抑制のための動作の一例を示したフローチャートである。
【００７８】
なお、本変形例の燃料電池システムの構成は、実施の形態１の燃料電池システム１００の構成と同じである。よって、ここでは、実施の形態１の燃料電池システム１００の各構成要素に付された同じ参照番号を、本変形例の燃料電池システムの構成要素の説明にも用い、本変形例の燃料電池システムの構成の図示および詳細な説明は省略する。
【００７９】
図３に示した各動作フローは、予めプログラムされて、予め設定された設定温度Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ７とともに、制御器４０のメモリに記憶されている。
【００８０】
なお、ここで、上記設定温度Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ７は、冷却水の凍結抑制のために用いられる、第１の循環流路２内の冷却水の基準温度（閾値温度）であり、これらの設定温度Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ７の高低関係は、設定温度Ｔ５（最も低い）＜設定温度Ｔ１＜設定温度Ｔ３＜設定温度Ｔ７（最も高い）となっている。
【００８１】
制御器４０のＣＰＵからの指令に基づいて、上記プログラムおよび上記設定温度Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ７が、燃料電池システム１００の発電運転の停止時に、制御器４０のＣＰＵに読み出され、このプログラムが、以下の動作を燃料電池システム１００の各部を制御しながら遂行する。
【００８２】
なお、燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の発電運転の停止時
において、冷却水の凍結抑制運転は常時、運転待機状態にしており、例えば、以下のステップＳ１１の動作が終了（エンド）すると、自動的に以下のステップＳ１の動作が再び開始（スタート）してもよい。
【００８３】
また、第１切替弁１１は、上述のとおり、第２温度検知器９により検知された２次冷媒温度に基づいて自動的に切り替る。よって、ここでは、第１切替弁１１の切替タイミングについての動作フロー図の図示は省略する。
【００８４】
燃料電池システム１００の発電運転の停止時に、適宜のタイミングで冷却水の凍結抑制制御が開始する（スタート）。すると、冷却水温度の監視に基づいた冷却水の凍結抑制運転が行われる。
【００８５】
まず、流体循環による冷却水の凍結抑制運転（第２処理）が、加熱器２００による冷却水の凍結抑制運転（第１処理）に先行して実行される。
【００８６】
まず、上記第２処理の具体的動作について述べる。
【００８７】
第１温度検知器７により検知された冷却水温度が読み込まれ（ステップＳ１）、この冷却水温度が設定温度Ｔ１以下であるか否かが判定される（ステップＳ２）。
【００８８】
設定温度Ｔ１は、冷却水の凝固点（０℃）よりも高い温度に設定されている。
【００８９】
冷却水温度が設定温度Ｔ１を超える場合（ステップＳ２の判定結果が「Ｎｏ」の場合）、冷却水の凍結のおそれがないので、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１以降の動作が繰り返される。一方、冷却水温度が設定温度Ｔ１以下の場合（ステップＳ２の判定結果が「Ｙｅｓ」の場合）、冷却水の凍結のおそれがあるので、第１の循環器６が動作（ＯＮ）される（ステップＳ３）。これにより、冷却水の循環が開始する。
【００９０】
次いで、第１温度検知器７により検知された冷却水温度が再び読み込まれ（ステップＳ４）、この冷却水温度が設定温度Ｔ３未満であるか否かが判定される（ステップＳ５）。
【００９１】
設定温度Ｔ３は、第２処理を停止するための基準温度で、設定温度Ｔ１よりも高い温度で設定されている。これは、上記凍結抑制運転が頻繁にＯＮ／ＯＦＦを繰り替えすことのないようヒステリシスを持たせるためである。
【００９２】
冷却水温度が設定温度Ｔ３以上の場合（ステップＳ５の判定結果が「Ｎｏ」の場合）、冷却水の凍結のおそれがなくなったので、第１の循環器６が停止（ＯＦＦ）される（ステップＳ６）。これにより、冷却水の循環が停止する。そして、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１以降の動作が繰り返される。一方、冷却水温度が設定温度Ｔ３未満の場合（ステップＳ５の判定結果が「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップＳ７の判定動作に進む。
【００９３】
ステップＳ７では、ステップＳ４において読み込まれた冷却水温度が設定温度Ｔ５以下であるか否かが判定される。
【００９４】
設定温度Ｔ５は、設定温度Ｔ１よりも低く、かつ、冷却水の凝固点（０℃）以上の温度である。設定温度Ｔ５として、例えば、冷却水の凝固点よりも僅かに高い温度（例えば、１℃）に設定してもよい。
【００９５】
冷却水温度が設定温度Ｔ５を超える場合（ステップＳ７の判定結果が「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ４に戻り、ステップＳ４以降の動作が繰り返される。
【００９６】
以上が、冷却水の凍結抑制のための第２処理の動作フローの概要である。なお、本例においては、上記第２処理において、第２の循環器８を動作させない形態を採用したが、本例に限定されるものでなく、第２の循環器８を動作させ、２次冷媒を第２の循環流路３０Ａ内で循環させる形態であってもいずれであっても構わない。
一方、冷却水温度が設定温度Ｔ５以下の場合（ステップＳ７の判定結果が「Ｙｅｓ」の場合）、冷却水の凍結のおそれが高いので、後半の加熱器２００による冷却水の凍結抑制のための第１処理に移行する。
次に、加熱器２００による冷却水の凍結抑制運転の動作フローについて述べる。
【００９７】
ステップＳ７において読み込まれた冷却水温度が設定温度Ｔ５以下の場合、第２の循環器８および加熱器２００が動作（ＯＮ）される（ステップＳ８）。
【００９８】
このように、ステップＳ８においては、加熱器２００、第１および第２の循環器６、８は何れも動作（ＯＮ）されており、第１切替器１１は、２次冷媒の流入先がバイパス流路１０側になるように切り替っている。このため、加熱器２００からの熱が、蓄熱器５を経由しない第２の循環流路３０Ａ内の２次冷媒に供給され、この２次冷媒の熱を、第１熱交換器４を介して第１の循環流路２内の冷却水に速やかに供給できる。よって、冷却水の凍結抑制を効率的に行える。
【００９９】
なお、このような冷却水の凍結抑制運転では、第１熱交換器４において、冷却水が受熱流体に相当し、２次冷媒が加熱流体に相当する。
【０１００】
次いで、第１温度検知器７により検知された冷却水温度が読み込まれる（ステップＳ９）。そして、冷却水温度が設定温度Ｔ７以上であるか否かが判定される（ステップＳ１０）。
【０１０１】
設定温度Ｔ７は、設定温度Ｔ３は、第１処理を停止するための基準温度で、設定温度Ｔ３よりも高い温度で設定されている。これは、第１処理を実行したことから燃料電池システムの周囲温度がかなり低いことが想定されるので、第１処理停止後、第２処理及び第１処理がすぐに再開されることを抑制するためである。  冷却水温度が設定温度Ｔ７未満の場合（ステップＳ１０の判定結果が「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ９に戻り、ステップＳ９以降の動作が繰り返される。一方、冷却水温度が設定温度Ｔ７以上の場合（ステップＳ１０の判定結果が「Ｙｅｓ」の場合）、加熱器２００が停止（ＯＦＦ）され、第１および第２の循環器６、８が停止（ＯＦＦ）される（ステップＳ１８）。これにより、冷却水の凍結抑制運転が終了する（エンド）。
【０１０２】
以上のように、本変形例の燃料電池システムは、冷却水の凍結抑制のための上記第１処理に先行して、上記加熱器２００を動作させず、上記第１の循環器６を動作させる第２処理を実行している。
【０１０３】
これにより、上記第２処理により燃料電池や第１の循環流路内の余熱を利用しながら冷却水の温度低下が抑制され、ひいては、加熱器の動作のため消費エネルギーの大きい第２処理の実行が抑制される。つまり、本変形例の燃料電池システムは、実施の形態の１の燃料電池システムに比べて、冷却水の凍結抑制のための消費エネルギーが抑制される。
（実施の形態２）
実施の形態１の燃料電池システム１００では、燃料電池１内を流れる冷却水の凍結抑制運転を述べたが、燃料電池システムの排熱を回収する１次冷媒は、これに限らない。よって、実施の形態２では、燃料電池１内を流れる冷却水以外の１次冷媒の凍結抑制のための動作について説明する。
【０１０４】
図４は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの一構成例を示したブロック図である。
【０１０５】
なお、図４の第１熱交換器４Ａでの共通流路３側の蓄熱構成は、図１（実施の形態１）の第１熱交換器４での共通流路３側の蓄熱構成と同じである。よって、両者に共通する構成の図示および説明は、省略する。
【０１０６】
図４に示すように、燃料電池システム１００Ａは、燃料ガス（例えば、水素ガス）および酸化剤ガス（例えば、空気）を用いて発電および発熱する燃料電池１Ａを備える。
【０１０７】
燃料電池１Ａでは、燃料電池１Ａのアノードに供給された燃料ガスと、燃料電池１Ａのカソードに供給された酸化剤ガスと、が電気化学的に発熱反応して、電力および熱が発生する。このため、燃料電池１Ａ外に放出されたオフ燃料ガスおよびオフ酸化剤ガスは、燃料電池１Ａからの排熱により高温状態となっている。
【０１０８】
また、図４に示すように、燃料電池システム１００Ａは、燃料電池１Ａ外に放出されたオフ酸化剤ガス中に含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器６１、および、燃料電池１Ａ外に放出されたオフ燃料ガス中に含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器６２を備える。
【０１０９】
そして、第１の循環流路７１Ａの１次冷媒は、第１の循環器７０Ａを用いて、凝縮器６１、６２内、および、第１熱交換器４Ａ内を通るように循環する。このとき、第１の循環流路７１Ａを流れる１次冷媒の温度が、第１温度検知器７２Ａによって検知される。なお、本例では、第１温度検知器７２Ａは、凝縮器６１、６２と第１熱交換器４Ａとの間の第１の循環流路７１Ａに設けられているが、第１の循環流路７１Ａ上であればいずれの箇所でも構わない。
第１の循環器７０Ａは、第１の循環流路７１Ａ内で１次冷媒を循環させるための機器であり、例えば、ポンプを用いることができるが、第１の循環流路７１Ａ内の１次冷媒を循環させることが可能な機器であれば、他の機器でもよい。第１温度検知器７２Ａとして、例えば、サーミスタや熱電対を用いることができるが、第１温度検知器７２Ａは、他の温度検知器でもよい。
凝縮器６１では、第１の循環流路７１Ａを流れる１次冷媒と燃料電池１Ａ外に放出されたオフ酸化剤ガスとの間の熱交換により１次冷媒が加熱され、オフ酸化剤ガスが冷却される。つまり、オフ酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガスの持っている熱を１次冷媒に与え、自らは温度が下がって凝縮器６１から出る。これにより、オフ酸化剤ガス中の水蒸気が凝縮される。この凝縮水は回収水タンク（図示せず）に送られる。なお、第１熱交換器４Ａにおいて、オフ酸化剤ガスより熱回収した１次冷媒と、共通流路３を流れる２次冷媒と、が熱交換する。
【０１１０】
凝縮器６２では、第１の循環流路７１Ａを流れる１次冷媒と燃料電池１Ａ外に放出されたオフ燃料ガスとの間の熱交換により１次冷媒が加熱され、オフ燃料ガスが冷却される。つまり、オフ燃料ガスは、オフ燃料ガスの持っている熱を１次冷媒に与え、自らは温度が下がって凝縮器６２から出る。これにより、オフ燃料ガス中の水蒸気が凝縮される。この凝縮水は回収水タンクに送られる。なお、第１熱交換器４Ａにおいて、オフ燃料ガスより熱回収した１次冷媒と、共通流路３を流れる２次冷媒と、が熱交換する。
本実施形態の燃料電池システム１００Ａでは、凝縮器６１、６２の両方を設ける例を述べたが、必ずしも、凝縮器６１、６２の両方を設ける必要はない。凝縮器６１、６２のうちのいずれか一方のみを設ける形態であってもよい。
上述のように構成された、本実施の形態の燃料電池システム１００Ａは、上記１次冷媒の凍結抑制のために、実施の形態１の燃料電池システム１００と同様に、１次冷媒の凍結抑制のために、加熱器２００を動作させるとともに第１の循環器７０Ａ及び第２の循環器８を動作させる第１処理を実行するよう構成されている。なお、実施の形態１の燃料電池システム１００と同様に、上記第１処理において、２次冷媒は、第２の循環流路３０Ａ内を循環し、蓄熱器５を経由せず、熱交換器４Ａにおいて１次冷媒と熱交換するよう構成されている。これにより、燃料電池システム１００Ａで排出される排ガスを冷却する１次冷媒についても、実施の形態１と同様に、加熱器２００の熱を利用した１次冷媒の凍結抑制運転において、加熱器２００の熱を１次冷媒に伝える伝熱効率が従来よりも改善する。
【０１１１】
また、１次冷媒の凍結抑制運転において、実施の形態１の変形例と同様に、上記第１処理の前に、加熱器２００を動作させず、第１の循環器７０Ａを動作させる第２処理を実行する形態を採用しても構わない。これにより、上記変形例と同様に、１次冷媒の凍結抑制運転のために消費されるエネルギーを抑制することが可能になる。
【０１１２】
なお、上記１次冷媒の凍結抑制運転（第１処理または第２処理）の具体的動作は、第１温度検知器７２Ａの検知温度に基づき実施の形態１の燃料電池システムと同様に実行されるので、その説明を省略する。
【０１１３】
また、上記第２処理については、実施の形態１の燃料電池システム１００と同様に、第２の循環器８を動作させない形態であっても、第２の循環器８を動作させ、２次冷媒を第２の循環流路３０Ａ内で循環させる形態のいずれであっても構わない。
（実施の形態２の変形例）
図５は、本発明の実施の形態２の変形例の燃料電池システムの一構成例を示したブロック図である。
図５に示すように、燃料電池システム１００Ｂは、原燃料および水蒸気を用いた水蒸気改質反応により、燃料電池１Ｂのアノードに供給される燃料ガスとして、水素含有ガスを生成する水素生成器５２と、水素生成器５２を加熱する燃焼器５１と、を備える。
【０１１４】
水素生成器５２に原燃料および水が供給された場合、水素生成器５２には、これらの原燃料および水を用いて改質反応を進行させるための改質触媒（図示せず）を充填した改質器５２Ａを有する。なお、本例においては、水素生成器５２には、改質器５２Ａのみを設ける形態を示したが、水素含有燃料ガス中の一酸化炭素を低減するため、変成反応により一酸化炭素を低減する変成器、及び酸化反応またはメタン化反応により一酸化炭素を低減する一酸化炭素除去器の少なくともいずれか一方を設ける形態を採用しても構わない。
【０１１５】
燃焼器５１には、燃焼用の燃料（以下、「燃焼燃料」という）と、燃焼用の空気（以下、「燃焼空気」という）と、が供給され、これにより、燃焼器５１において高温の燃焼排ガスを生成できる。この燃焼排ガスは、改質器５２Ａを加熱することで、改質触媒が改質反応に適した温度（例えば、６００℃〜７００℃程度）にまで加熱される。
【０１１６】
また、図５に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００Ｂは、燃焼器５１の燃焼排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮する凝縮器６３を備える。
そして、第１の循環流路７１Ｂの１次冷媒は、第１の循環器７０Ｂの動作により、凝縮器６３内、および、第１熱交換器４Ｂ内を通るように循環する。また、第１の循環流路７１Ｂには、１次冷媒の温度を検知する、第１温度検知器７２Ｂが設けられている。なお、第１温度検知器７２Ｂは、凝縮器６３と第１熱交換器４Ｂとの間の第１の循環流路７１Ｂ上に設けられているが、第１の循環流路７１Ｂ上であればいずれの箇所でも構わない。
【０１１７】
第１の循環器７０Ｂは、第１の循環流路７１Ｂ内で１次冷媒を循環させるための機器であり、例えば、ポンプを用いることができるが、第１の循環器７０Ｂは、第１の循環流路７１Ｂ内で１次冷媒を循環されることが可能であれば、他の機器でもよい。第１温度検知器７２Ｂとして、例えば、サーミスタや熱電対を用いることができるが、第１温度検知器７２Ｂは、他の温度検知器でもよい。
【０１１８】
凝縮器６３では、第１の循環流路７１Ｂを流れる１次冷媒と燃焼器５１の燃焼排ガスとの間の熱交換により１次冷媒が加熱され、燃焼排ガスが冷却される。つまり、燃焼排ガスは、燃焼排ガスの持っている熱を１次冷媒に与え、自らは温度が下がって凝縮器６３から出る。これにより、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮される。この凝縮水は回収水タンク（図示せず）に送られる。なお、第１熱交換器４Ｂにおいて、第１の循環流路７１Ｂを流れる１次冷媒と、共通流路３を流れる２次冷媒と、が熱交換する。
【０１１９】
上述のように構成された、本実施の形態の燃料電池システム１００Ｂは、上記１次冷媒の凍結抑制のために、実施の形態１の燃料電池システム１００と同様に、１次冷媒の凍結抑制のために、加熱器２００を動作させるとともに第１の循環器７０Ｂ及び第２の循環器８を動作させる第１処理を実行するよう構成されている。なお、実施の形態１の燃料電池システム１００と同様に、上記第１処理において、２次冷媒は、第２の循環流路３０Ａ内を循環し、蓄熱器５を経由せず、熱交換器４Ｂにおいて１次冷媒と熱交換するよう構成されている。これにより、燃料電池システム１００Ｂで排出される排ガスを冷却する１次冷媒についても、実施の形態１と同様に、加熱器２００の熱を利用した１次冷媒の凍結抑制運転において、加熱器２００の熱を１次冷媒に伝える伝熱効率が従来よりも改善する。
【０１２０】
また、１次冷媒の凍結抑制運転において、実施の形態１の変形例と同様に、上記第１処理の前に、加熱器２００を動作させず、第１の循環器７０Ｂを動作させる第２処理を実行する形態を採用しても構わない。これにより、上記変形例と同様に、１次冷媒の凍結抑制運転のために消費されるエネルギーを抑制することが可能になる。
【０１２１】
なお、上記１次冷媒の凍結抑制運転（第１処理または第２処理）の具体的動作は、第１温度検知器７２Ｂの検知温度に基づき実施の形態１の燃料電池システムと同様に実行されるので、その説明を省略する。
【０１２２】
また、上記第２処理については、実施の形態１の燃料電池システム１００と同様に、第２の循環器８を動作させない形態であっても、第２の循環器８を動作させ、２次冷媒を第２の循環流路３０Ａ内で循環させる形態のいずれであっても構わない。
（実施の形態１、２の他の変形例１）
実施の形態１、２、および、実施の形態１、２の変形例では、燃料の燃焼によって生じる高温の燃焼排ガスを生成できる燃焼器１４を含む加熱器２００が例示されているが、第２の循環流路３０Ａ内の２次冷媒を加熱する加熱器２００は、燃焼器１４を含む構成には限定されない。例えば、これらの更なる変形例として、このような加熱器が、燃焼器１４に代えて、大気熱を用いるヒートポンプを含んでもよい。
（実施の形態１、２の他の変形例２）
実施の形態１、２、および、実施の形態１、２の変形例では、加熱器２００の加熱量を特定していないが、これらの更なる変形例として、第２の循環流路３０Ａ内の２次冷媒を加熱する加熱器２００において、その加熱量を周期的に増減させる方が、エネルギーの有効利用の観点から好ましいと考えられる。例えば、一定の時間毎に、加熱器２００の加熱量が増加と減少が繰返されるよう制御される。具体的には、制御器４０の制御により、一定の時間毎に加熱器２００の加熱量が第１加熱量と第１の加熱量よりも大きい第２加熱量との間を周期的に変動するよう制御される。
【０１２３】
また、「加熱器２００の加熱量を周期的に増減させる」形態として、上記に限定されず、例えば、２次冷媒温度に基づいて加熱量の増加と減少とが繰り返される形態を採用しても構わない。例えば、制御器４０は、加熱器２００の加熱動作により２次冷媒が過昇温するのを抑制するため２次冷媒温度の上昇に伴い加熱器２００の加熱量を減少させ、冷却水の凍結を抑制するため２次冷媒温度の下降に伴い加熱器２００の加熱量を増加させるような制御をするよう構成される。より具体的には、第２温度検知器９の検知温度が、第１の閾値以上である場合に、加熱器２００の加熱量を第１の加熱量とし、第２温度検知器９の検知温度が、第１の閾値よりも小さい第２の閾値以下である場合に、加熱器２００の加熱量を第１の加熱量よりも大きい第２の加熱量となるよう制御する。
【０１２４】
かかる構成により、加熱器２００の加熱量を必要に応じて周期的に増減できるので、加熱器２００により加熱される２次冷媒の過昇温を抑制しながら、冷却水の凍結抑制運転を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
本発明によれば、燃料電池システムの排熱を回収する１次冷媒の凍結抑制運転において、２次冷媒を加熱する加熱器の熱を１次冷媒に伝える伝熱効率が従来よりも改善する。よって、本発明は、例えば、家庭用または業務用の燃料電池システム等に利用できる。
【符号の説明】
【０１２６】
１、１Ａ、１Ｂ  燃料電池
２、７１Ａ、７１Ｂ  第１の循環流路
３  共通流路
４、４Ａ、４Ｂ  第１熱交換器
５  蓄熱器
６、７０Ａ、７０Ｂ  第１の循環器
７  ７２Ａ、７２Ｂ  第１温度検知器
８  第２の循環器
９  第２温度検知器
１０  バイパス流路
１１  第１切替器
１２  第２熱交換器
１３  第２切替器
１４、５１  燃焼器
１５  蓄熱側流路
１６  第３の循環器
１７  熱負荷流路
２０  熱負荷
３０Ａ  第２の循環流路
３０Ｂ  第３の循環流路
３０Ｃ  第４の循環流路
４０  制御器
５２  水素生成器
５２Ａ  改質器
６１、６２、６３  凝縮器
１００、１００Ａ、１００Ｂ  燃料電池システム
２００  加熱器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年1月14日(2011.1.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池を有する燃料電池システムで生成された排熱を回収する１次冷媒が循環する第１の循環流路と、前記１次冷媒より熱回収した２次冷媒を貯える蓄熱器と、前記１次冷媒と前記２次冷媒とが熱交換する熱交換器と、前記蓄熱器を経由せず、前記熱交換器において前記１次冷媒と熱交換する前記２次冷媒が循環する第２の循環流路と、前記１次冷媒を前記第１の循環流路内で循環させる第１の循環器と、前記２次冷媒を前記第２の循環流路内で循環させる第２の循環器と、前記第２の循環流路内の前記２次冷媒を加熱する加熱器と、前記燃料電池システムの発電運転の停止時に前記１次冷媒の凍結抑制運転として前記加熱器を動作させるとともに、前記第１の循環器及び前記第２の循環器を動作させる第１処理を実行する制御器と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記蓄熱器を経由して前記熱交換器において前記１次冷媒と熱交換する前記２次冷媒が循環する第３の循環流路と、前記熱交換器よりも上流の前記第３の循環流路と前記熱交換器よりも下流の前記第３の循環流路とを接続するバイパス流路と、を備え、
前記第２の循環流路は、前記熱交換器の上流での前記バイパス流路との接続箇所から前記熱交換器を経由し前記熱交換器の下流での前記バイパス流路との接続箇所に至るまでの前記第３の循環流路及び前記バイパス流路により構成される請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱交換器を通過した前記２次冷媒の流入先を前記蓄熱器と前記バイパス流路との間で切り替える切替器を備え、
前記制御器は、前記第１処理において、前記流入先が前記バイパス流路側になるよう前記切替器を制御することを特徴とする、請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記第１処理に先行して、前記加熱器を動作させず、前記第１の循環器を動作させる第２処理を実行することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記第１処理中において前記加熱器の加熱量を周期的に増減させるよう前記加熱器を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池と、前記燃料電池を有する燃料電池システムで生成した排熱を回収する１次冷媒が循環する第１の循環流路と、前記１次冷媒より熱回収した２次冷媒を貯える蓄熱器と、前記１次冷媒と前記２次冷媒とが熱交換する熱交換器と、前記蓄熱器を経由せず、前記熱交換器において前記１次冷媒と熱交換する前記２次冷媒が循環する第２の循環流路と、前記１次冷媒を前記第１の循環流路内で循環させる第１の循環器と、前記２次冷媒を前記第２の循環流路内で循環させる第２の循環器と、前記第２の循環流路内の前記２次冷媒を加熱する加熱器と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムの発電運転の停止時に前記１次冷媒の凍結抑制運転として、前記加熱器を動作させるとともに前記２次冷媒を前記第２の循環流路内で循環させるステップ（ａ）と、
前記ステップ（ａ）で加熱された前記２次冷媒の保有熱を、前記熱交換器を介して前記第１の循環流路内を循環する前記１次冷媒に伝熱するステップ（ｂ）と、を備える、燃料電池システムの運転方法。
【手続補正書】
【提出日】平成24年5月21日(2012.5.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池を有する燃料電池システムで生成された排熱を回収する１次冷媒が循環する第１の循環流路と、前記１次冷媒より熱回収した２次冷媒を貯える蓄熱器と、前記１次冷媒と前記２次冷媒とが熱交換する熱交換器と、前記蓄熱器を経由せず、前記熱交換器において前記１次冷媒と熱交換する前記２次冷媒が循環する第２の循環流路と、前記１次冷媒を前記第１の循環流路内で循環させる第１の循環器と、前記２次冷媒を前記第２の循環流路内で循環させる第２の循環器と、前記第２の循環流路内の前記２次冷媒を加熱する加熱器と、前記燃料電池システムの発電運転の停止時に前記１次冷媒の凍結抑制運転として前記加熱器を動作させるとともに、前記第１の循環器及び前記第２の循環器を動作させる第１処理を実行する制御器と、を備え、前記一次冷媒の凍結抑制運転において、前記２次冷媒が、前記熱交換器における加熱流体であり、前記一次冷媒が、前記熱交換器における受熱流体であることを特徴とする燃料電池システム。
【国際調査報告】
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