(57)【要約】      （修正有）【課題】簡潔な装置構成で燃料電池を冷却する第１熱媒体の凍結を抑制する。【解決手段】燃料電池１０を冷却する第１熱媒体が流れる第１熱媒体経路１２と、第１送出器１４と、第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換を行う第１熱交換器１６と、アノードオフガスを燃焼する燃焼器１８と、燃焼器１８の燃焼排ガスと第２熱媒体との間で熱交換を行う第２熱交換器２０と、第２熱媒体が第２熱交換器２０及び第１熱交換器１６を通過するよう設けられた第２熱媒体経路２２と、第２熱媒体経路２２内の第２熱媒体を第２熱交換器２０及び第１熱交換器１６の順に流すよう動作する第２送出器２４と、燃焼器１８に燃料ガスを供給する燃料ガス供給器２６と、発電停止時において第１熱媒体の凍結の恐れがある場合に、燃焼器１８で燃料ガス供給器２６より供給される燃料ガスを燃焼させるとともにに第１送出器１４及び第２送出器２４を動作させる制御器８０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する第１熱媒体が流れる第１熱媒体経路と、
前記第１熱媒体経路内の前記第１熱媒体を流すための第１送出器と、
前記前記第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換を行うための第１熱交換器と、
前記燃料電池のアノードより排出された水素含有ガスを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器より排出された燃焼排ガスと前記第２熱媒体との間で熱交換を行うための第２熱交換器と、
前記第２熱媒体が前記第２熱交換器及び前記第１熱交換器を通過するよう設けられた第２熱媒体経路と、
前記第２熱媒体経路内の前記第２熱媒体を前記第２熱交換器及び前記第１熱交換器の順に流すよう動作する第２送出器と、
前記燃焼器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、
発電停止時において、第１熱媒体の凍結の恐れがある場合に、前記燃焼器において前記燃料ガス供給器より供給される燃料ガスを燃焼させるととともに、前記第１送出器及び前記第２送出器を動作させる第１処理を実行する制御器とを備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１熱媒体経路を加熱する加熱器を備え、
前記制御器は、前記加熱器が異常でない状態において前記燃料電池システムの発電停止時において第１熱媒体の凍結の恐れがある場合に、前記加熱器を動作させる第２処理を実行し、前記加熱器が異常である状態において前記燃料電池システムの発電停止時において第１熱媒体の凍結の恐れがある場合に、前記第１処理を実行するように構成されている、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃焼排ガス及び前記第１熱媒体と熱交換した前記第２熱媒体を蓄える蓄熱器と、
前記蓄熱器よりも上流の前記第２熱媒体経路と前記蓄熱器よりも下流の前記第２熱媒体経路とを接続するバイパス経路と、
前記燃焼排ガス及び前記第１熱媒体と熱交換した前記第２熱媒体の流入先を前記蓄熱器と前記バイパス経路との間で切替える切替器とを備え、
前記制御器は、前記第１処理を実行する場合に、前記切替器を前記バイパス経路側に切替えて前記第１処理を実行するように構成されている、請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃焼排ガスと第３熱媒体との間で熱交換を行うための第３熱交換器と、
前記第３熱媒体が流れる第３熱媒体経路と、
前記第３熱媒体経路内の前記第３熱媒体を流すための第３送出器とを備え、
前記第２熱交換器は、前記第３熱媒体と前記第２熱媒体とが熱交換するよう構成され、
前記制御器は、前記第１処理において、前記燃焼器において前記燃料ガス供給器より供給される燃料ガスを燃焼させるととともに、前記第１送出器と前記第２送出器と前記第３送出器とを動作させるように構成されている、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処理に先行して、前記燃焼器において燃焼を行わずに、前記第１送出器を動作させる第３処理を実行するように構成されている、請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御器は、前記第１処理中において前記燃焼器の燃焼量を周期的に増減させるよう前記燃料ガス供給器を制御するように構成されている、請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。より詳しくは、熱媒体の凍結による装置の破損を抑制可能な燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池において生じる電力と熱の両方を利用する、高効率のコージェネレーションシステムである。燃料電池システムには、燃料電池において生じる熱を燃料電池の外部へと回収するために、熱媒体を循環させる熱媒体経路が、燃料電池の内部および外部に設けられている。
【０００３】
冬季など、温度が低下し、燃料電池システムの動作も停止している場合には、熱媒体経路の内部の熱媒体が凍結して、装置を破損する可能性がある。
【０００４】
特許文献１は、冷却水の凍結による装置の破損を抑制するための燃料電池システムを開示する。特許文献１記載の発電システムは、燃料電池を冷却する冷媒（本特許では、冷却水）の凍結の恐れがあるときに、バーナを燃焼させるとともに冷却水の経路をバーナの内部を通過するバイパス流路に切替えて、冷却水を加熱するよう構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開ＷＯ０５／１１２１７５パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の燃料電池システムでは、燃料電池を冷却する冷媒の凍結を抑制しようとすると、上記バイパス流路及び該バイパス流路に切替える切替器を新たに設ける必要がある。このため、装置構成が複雑になり、好ましくなかった。
【０００７】
本発明はかかる課題に対応するものであり、その目的の一つは、上記従来の燃料電池システムのよりも簡潔な装置構成で燃料電池を冷却する冷媒の凍結を抑制できる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する第１熱媒体が流れる第１熱媒体経路と、前記第１熱媒体経路内の前記第１熱媒体を流すための第１送出器と、前記前記第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換を行うための第１熱交換器と、前記燃料電池のアノードより排出された水素含有ガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器より排出された燃焼排ガスと前記第２熱媒体との間で熱交換を行うための第２熱交換器と、前記第２熱媒体が前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器を通過するよう設けられた第２熱媒体経路と、前記第２熱媒体経路内の前記第２熱媒体を前記第２熱交換器及び前記第１熱交換器の順に流すよう動作する第２送出器と、前記燃焼器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、発電運転時において、前記第１送出器及び前記第２送出器を動作させ、第２熱媒体により燃料電池の排熱を回収し、発電停止時において、第１熱媒体の凍結の恐れがある場合に、前記燃焼器において前記燃料ガス供給器より供給される燃料ガスを燃焼させるととともに、前記第１送出器及び前記第２送出器を動作させる第１処理を実行する制御器とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池システムによれば、従来の燃料電池システムよりも簡潔な装置構成で燃料電池を冷却する第１熱媒体の凍結を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの、概略構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図２は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの、動作の一例を示すフローチャートである。
【図３】図３は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの、概略構成の一例を示すブロック図である。
【図４】図４は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの、動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの、概略構成の一例を示すブロック図である。
【図６】図６は、第４実施形態にかかる燃料電池システムの、概略構成の一例を示すブロック図である。
【図７】図７は、第４実施形態にかかる燃料電池システムの、動作の一例を示すフローチャートである。
【図８】図８は、第４実施形態の変形例にかかる燃料電池システムの、動作の一例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、第５実施形態にかかる燃料電池システムの、概略構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
第１の形態にかかる燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却する第１熱媒体が流れる第１熱媒体経路と、第１熱媒体経路内の第１熱媒体を流すための第１送出器と、第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換を行うための第１熱交換器と、燃料電池のアノードより排出された水素含有ガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器より排出された燃焼排ガスと第２熱媒体との間で熱交換を行うための第２熱交換器と、第２熱媒体が第２熱交換器及び第１熱交換器をこの順で通過するよう設けられた第２熱媒体経路と、第２熱媒体経路内の第２熱媒体を流すための第２送出器と、燃焼器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、発電運転時において、前記第２送出器を動作させ、第２熱媒体により燃焼排ガスの排熱を回収し、発電停止時において、第１熱媒体の凍結の恐れがある場合に、燃焼器において燃料ガス供給器より供給される燃料ガスを燃焼させるととともに、第１送出器及び第２送出器を動作させる第１処理を実行する制御器とを備える。
【００１３】
かかる構成では、従来の燃料電池システムよりも簡潔な装置構成で燃料電池を冷却する第１熱媒体の凍結を抑制できる。
【００１４】
第２熱交換器における熱交換には、燃焼排ガスと第２熱媒体との間で直接的に熱交換する場合と、燃焼排ガスと第２熱媒体との間で間接的に（例えば、第３熱媒体を介して）熱交換する場合の両方を含む。
【００１５】
第２の形態にかかる燃料電池システムは、第１の形態にかかる燃料電池システムにおいて、第１熱媒体経路を加熱する加熱器を備え、制御器は、加熱器が異常でない状態において燃料電池システムの発電停止時において第１熱媒体の凍結の恐れがある場合に、加熱器を動作させる第２処理を実行し、加熱器が異常である状態において燃料電池システムの発電停止時において第１熱媒体の凍結の恐れがある場合に、第１処理を実行するように構成されている。
【００１６】
かかる構成では、加熱器の異常時においても、第１熱媒体の凍結抑制が可能になる。
【００１７】
第３の形態にかかる燃料電池システムは、第１または第２の形態にかかる燃料電池システムにおいて、燃焼排ガス及び第１熱媒体と熱交換した第２熱媒体を蓄える蓄熱器と、蓄熱器よりも上流の第２熱媒体経路と蓄熱器よりも下流の第２熱媒体経路とを接続するバイパス経路と、燃焼排ガス及び第１熱媒体と熱交換した第２熱媒体の流入先を蓄熱器とバイパス経路との間で切替える切替器とを備え、制御器は、第１処理を実行する場合に、切替器をバイパス経路側に切替えて第１処理を実行するように構成されている。
【００１８】
かかる構成では、蓄熱器を経由して第２熱媒体を循環させる場合に比べ、第１熱媒体が速やかに昇温する。第１熱交換器において冷却された第２熱媒体を蓄熱器に戻すと、蓄熱器の蓄熱量が低下するが、上記構成により、蓄熱量の低下が抑制され好ましい。
【００１９】
第４の形態にかかる燃料電池システムは、第１の形態にかかる燃料電池システムにおいて、燃焼排ガスと第３熱媒体との間で熱交換を行うための第３熱交換器と、第３熱媒体が流れる第３熱媒体経路と、第３熱媒体経路内の第３熱媒体を流すための第３送出器とを備え、第２熱交換器は、第３熱媒体と第２熱媒体とが熱交換するよう構成され、制御器は、発電運転時において、第２送出器及び第３送出器を動作させ、燃焼排ガスの排熱を回収し、第１処理において、燃焼器において燃料ガス供給器より供給される燃料ガスを燃焼させるととともに、第１送出器と第２送出器と第３送出器とを動作させるように構成されている。
【００２０】
かかる構成では、従来の燃料電池システムよりも簡潔な装置構成で燃料電池を冷却する第１熱媒体の凍結を抑制できる。
【００２１】
第５の形態にかかる燃料電池システムは、第４の形態にかかる燃料電池システムにおいて、制御器が、第１処理に先行して、燃焼器において燃焼を行わずに、第１送出器を動作させる第３処理を実行するように構成されている。
【００２２】
かかる構成では、第１処理単独で第１熱媒体の凍結抑制を行う場合に比べ、凍結抑制のために消費されるエネルギーが低減され得る。第１処理と第１処理よりも消費エネルギーの少ない第３処理とが併用され、第１熱媒体の凍結抑制が図られる。
【００２３】
第６の形態にかかる燃料電池システムは、第１の形態にかかる燃料電池システムにおいて、制御器が、第１処理中において燃焼器の燃焼量を周期的に増減させるよう燃料ガス供給器を制御するように構成されている。
【００２４】
かかる構成では、第１処理中における第２熱媒体の過昇温が抑制される。
【００２５】
（第１実施形態）
［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの、概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図１を参照しつつ、本実施形態の燃料電池システム１００の装置構成を説明する。
【００２６】
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料電池１０を冷却する第１熱媒体が流れる第１熱媒体経路１２と、第１熱媒体経路１２内の第１熱媒体を流すための第１送出器１４と、第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換を行うための第１熱交換器１６と、燃料電池１０のアノードより排出された水素含有ガスを燃焼する燃焼器１８と、燃焼器１８より排出された燃焼排ガスと第２熱媒体との間で熱交換を行うための第２熱交換器２０と、第２熱媒体が第１熱交換器１６及び第２熱交換器２０を通過するよう設けられた第２熱媒体経路２２と、第２熱媒体経路２２内の第２熱媒体を第２熱交換器２０及び第１熱交換器１６の順に流すよう動作する第２送出器２４と、燃焼器１８に燃料ガスを供給する燃料ガス供給器２６と、制御器８０とを備える。
【００２７】
制御器８０は、発電停止時において、第１熱媒体の凍結の恐れがある場合に、燃焼器１８において燃料ガス供給器２６より供給される燃料ガスを燃焼させるととともに、第１送出器１４及び第２送出器２４を動作させる処理（以下、「第１処理」という）を実行する。
【００２８】
第１熱媒体の凍結の恐れがあるか否かの判定は、例えば、燃料電池システム１００のいずれかの部位に設けられた温度検出器（図示せず）を用いて第１熱媒体の温度を測定または推定することで実現される。温度検出器の位置は特に限定されないが、第１熱媒体経路１２の上に設けることが好ましい。温度検出器は，熱媒体の温度を直接測定してもよいし、装置の外壁や気温を測定することで、間接的に第１熱媒体の温度を推定してもよい。
【００２９】
燃料電池１０から排出された第１熱媒体は、第１熱媒体経路１２を経由して第１送出器１４へと供給される。第１送出器１４から排出された第１熱媒体は、第１熱媒体経路１２を経由して第１熱交換器１６へと供給される。第１熱交換器１６から排出された第１熱媒体は、第１熱媒体経路１２を経由して燃料電池１０へと供給される。
【００３０】
第２送出器２４から排出された第２熱媒体は、第２熱媒体経路２２を経由して第２熱交換器２０へと供給される。第２熱交換器２０から排出された第２熱媒体は、第２熱媒体経路２２を経由して第１熱交換器１６へと供給される。第１熱交換器１６から排出された第２熱媒体は、例えば、燃料電池システム１００の外部へと廃棄されてもよいが、第２熱媒体経路２２を経由して第２送出器２４へと戻されるのがより好ましい。
【００３１】
燃料電池１０のアノードより排出された水素含有ガスは、アノード排ガス経路２８を経由して燃焼器１８へと供給される。燃料ガス供給器２６より排出された燃料ガスは、燃料ガス経路３０を経由して燃焼器１８へと供給される。燃焼器１８より排出された燃焼排ガスは、第１燃焼排ガス経路３２を経由して第２熱交換器２０へと供給される。第２熱交換器２０より排出された燃焼排ガスは、第２燃焼排ガス経路３４を経由して燃料電池システム１００の外部へと排出される。
【００３２】
燃料電池１０は、酸化剤（例えば空気）と水素含有ガス（Ｈ２ガスを含むガス）とを反応させることで、電力と熱とを発生させるものであり、例えば、高分子電解質形燃料電池、リン酸形燃料電池などが用いられる。熱は、燃料電池１０の内部に設けられた第１熱媒体経路１２を通流する第１熱媒体により、燃料電池１０の外部へと除去される。水素含有ガスは、水素タンクや水素吸蔵合金などから供給されてもよいし、実施形態５のように水素生成器から供給されてもよい。
【００３３】
燃焼器１８は、燃料電池システム１００の発電運転中に燃料電池１０のアノードより排出された水素含有ガスを、空気供給器（図示せず）から供給された空気で燃焼させる。また、燃焼器１８は、燃料ガス供給器２６を介して燃料ガス源より供給される燃料ガスを、空気供給器（図示せず）から供給された空気で燃焼させる。燃料ガスは、例えば、メタン、エタン、プロパンなどの炭化水素ガス、及び水素含有ガスのいずれかが含まれる。燃料ガス源は、燃料ガスインフラ、及び燃料ガスボンベ等が例示される。
【００３４】
第１送出器１４と第２送出器２４と燃料ガス供給器２６とは、例えばポンプからなる。第１熱交換器１６および第２熱交換器２０は、例えば全熱交換器からなる。本実施形態において、第１熱交換器１６は、第１熱媒体と第２熱媒体との間で直接熱交換を行う。同様に、本実施形態において、第２熱交換器２０は、燃焼排ガスと第２熱媒体との間で直接熱交換を行う。
【００３５】
制御器８０は、制御機能を備えるものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＣＰＵ、ＭＰＵが例示される。記憶部としては、メモリが例示される。制御器８０は単一（集中制御）でも、複数（分散制御）でもよい。制御器８０は、第１送出器１４と燃焼器１８と第２送出器２４と燃料ガス供給器２６とに通信可能に接続され、それぞれの動作を制御する。具体的には例えば、制御器８０は燃焼器１８における燃料を開始（点火）し、あるいは停止（消火）する。
【００３６】
第１熱媒体は、例えば、水、油などとしうる。第２熱媒体は、例えば、水、不凍液、油などとしうる。
【００３７】
［動作］
図２は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの、動作の一例を示すフローチャートである。以下、図２を参照しつつ、本実施形態の燃料電池システム１００の凍結抑制運転を説明する。図２の動作は、制御器８０が燃料電池システム１００の各構成要素を制御することで実行される。
【００３８】
例えば運転停止スイッチが押されることなどにより発電が停止すると（スタート）、冷却水（第１熱媒体）の温度が第１閾値温度Ｔｔｈ１以下であるか否かの判定が行われる（ステップＳ１０１）。第１閾値温度Ｔｔｈ１は、第１熱媒体の凍結の恐れがあると判断される温度であり、例えば＋１℃としうる。
【００３９】
ステップＳ１０１の判定結果がＹＥＳとなると、燃料ガス供給器２６から燃焼器１８へ燃料ガスが供給され、燃焼器１８における該燃料ガスの燃焼が開始される（ステップＳ１０２）。その後、第１送出器１４および第２送出器２４の動作が開始され、第１熱媒体と第２熱媒体とが、それぞれ第１熱媒体経路１２および第２熱媒体経路２２の内部を通流する（ステップＳ１０３）。
【００４０】
ステップＳ１０３の後、冷却水（第１熱媒体）の温度が第２閾値温度Ｔｔｈ２以上であるか否かの判定が行われる（ステップＳ１０４）。第２閾値温度Ｔｔｈ２は、必要以上に第１熱媒体を加熱してエネルギー効率が低下しないように設定される温度であり、例えば＋５℃としうる。
【００４１】
ステップＳ１０４の判定結果がＹＥＳとなると、燃料ガス供給器２６から燃焼器１８への燃料ガスの供給が停止され、燃焼器１８における該燃料ガスの燃焼が停止される（ステップＳ１０５）。その後、第１送出器１４および第２送出器２４の動作が停止されて第１熱媒体と第２熱媒体の流れが停止され（ステップＳ１０６）、燃料電池システム１００の凍結抑制運転が終了する（エンド）。ステップＳ１０６の後、ステップＳ１０１に戻ってもよい。
【００４２】
以上の凍結抑制運転では、冷却水（第１熱媒体）の温度が第１閾値温度Ｔｔｈ１以下となってから、該温度が第２閾値温度Ｔｔｈ２以上となるまで、燃焼器１８における燃焼と、第１送出器１４および第２送出器２４の動作とが継続される。燃焼器１８から排出される燃焼排ガスと第２熱媒体とが第２熱交換器２０で熱交換することにより、第２熱媒体が加熱される。加熱された第２熱媒体と第１熱媒体とが第１熱交換器１６で熱交換することにより、第１熱媒体が加熱される。かかる動作により、燃焼器１８において生じた燃焼熱が第２熱交換器２０および第１熱交換器１６を介して第２熱媒体および第１熱媒体へと供給され、第１熱媒体および第２熱媒体の凍結が抑制される。
【００４３】
［変形例］
制御器は、第１処理中において燃焼器の燃焼量を周期的に増減させるよう燃料ガス供給器を制御するように構成されていてもよい。第２〜第５実施形態およびそれらの変形例においても同様である。
【００４４】
なお、本変形例における上記周期的増減には、燃焼器の燃焼量が周期的にゼロになる場合が含まれる。換言すれば、上記周期的増減は、燃焼器の燃焼がＯＮとＯＦＦとを繰り返す（燃焼と消火とを繰り返す）場合を含む。
【００４５】
燃料電池１０のカソードやアノードから排出されるガス（未利用の酸化剤ガスや燃料ガス）と第２熱媒体との間で熱交換をするための熱交換器が設けられていてもよい。第２〜第５実施形態およびそれらの変形例においても同様である。
【００４６】
（第２実施形態）
［装置構成］
図３は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの、概略構成の一例を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム２００は、燃料電池システム１００において、第１送出器１４と第１熱交換器１６との間の第１熱媒体経路１２に加熱器３６が設けられている点を除けば、燃料電池システム１００と同様の構成を有する。よって、図１と図３とで共通する構成要素には、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００４７】
加熱器３６は、第１熱媒体経路１２を加熱する加熱器であり、例えば電熱ヒーターにより構成される。加熱器３６は、制御器８０と通信可能に接続され、制御器８０の制御に基づいて動作する。
【００４８】
制御器８０は、加熱器３６が異常でない状態において燃料電池システム２００の発電停止時において第１熱媒体の凍結の恐れがある場合に、加熱器３６を動作させる処理（以下、「第２処理」という）を実行し、加熱器３６が異常である状態において燃料電池システム２００の発電停止時において第１熱媒体の凍結の恐れがある場合に、第１処理を実行するように構成されている。
【００４９】
［動作］
図４は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの、動作の一例を示すフローチャートである。以下、図４を参照しつつ、本実施形態の燃料電池システム２００の凍結抑制運転を説明する。図４の動作は、制御器８０が燃料電池システム２００の各構成要素を制御することで実行される。
【００５０】
例えば運転停止スイッチが押されることなどにより発電が停止すると（スタート）、冷却水（第１熱媒体）の温度が第１閾値温度Ｔｔｈ１以下であるか否かの判定が行われる（ステップＳ２０１）。第１閾値温度Ｔｔｈ１は、第１熱媒体の凍結の恐れがあると判断される温度であり、例えば＋１℃としうる。
【００５１】
ステップＳ２０１の判定結果がＹＥＳとなると、加熱器３６に異常があるか否かの判定が行われる（ステップＳ２０２）。かかる判定は、具体的には、加熱器３６の異常を示すフラグがＯＮになっているか否かを判定することにより行われる。該フラグは、例えば、制御器８０が備える不揮発性メモリの一部に割り当てられ、加熱器３６が温度検知器を備えている構成において、加熱器３６を動作させたときに温度検知器の温度が上昇しなかった場合にＯＮにされる。加熱器３６が燃焼器の場合には、該フラグは、例えば、火炎が検知されなかった場合や着火しない場合にＯＮにされる。加熱器３６が電気ヒータの場合には、該フラグは、例えば、断線が検知された場合にＯＮにされる。
【００５２】
ステップＳ２０２の判定結果がＹＥＳ（異常あり）の場合には、冷却水（第１熱媒体）の温度が第２閾値温度Ｔｔｈ２以上となるまで燃焼器１８での燃焼が開始される（ステップＳ２０３〜Ｓ２０７）。この動作は、図２のステップＳ１０２〜Ｓ１０６と同様であるので説明を省略する。ステップＳ２０７の後は動作を終了してもよいし、ステップＳ２０１に戻ってもよい。
【００５３】
ステップＳ２０２の判定結果がＮＯ（異常なし）の場合には、加熱器３６による第１熱媒体経路１２の加熱が開始される（ステップＳ２０８）。その後、第１送出器１４および第２送出器２４の動作が開始され、第１熱媒体と第２熱媒体とが、それぞれ第１熱媒体経路１２および第２熱媒体経路２２の内部を通流する（ステップＳ２０９）。
【００５４】
ステップＳ２０９の後、冷却水（第１熱媒体）の温度が第２閾値温度Ｔｔｈ２以上であるか否かの判定が行われる（ステップＳ２１０）。第２閾値温度Ｔｔｈ２は、必要以上に第１熱媒体を加熱してエネルギー効率が低下しないように設定される温度であり、例えば＋５℃としうる。
【００５５】
ステップＳ２１０の判定結果がＹＥＳとなると、加熱器３６による第１熱媒体経路１２の加熱が停止される（ステップＳ２１１）。その後、第１送出器１４および第２送出器２４の動作が停止されて第１熱媒体と第２熱媒体の流れが停止され（ステップＳ２１２）、燃料電池システム２００の凍結抑制運転が終了する（エンド）。ステップＳ２１２の後、ステップＳ２０１に戻ってもよい。
【００５６】
加熱器３６の異常を判定する前に、加熱器３６による加熱を実行してもよい。この場合、加熱器３６の動作開始後に、加熱器３６の異常があると判定された場合には、燃焼器１８の燃焼排ガスの熱を利用した第１処理を開始することとしてもよい。
【００５７】
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの、概略構成の一例を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム３００は、燃料電池システム２００において、第２熱媒体経路２２が循環経路となり、第２熱交換器２０を経由せずに第１熱交換器１６と第２送出器２４とを結ぶ第２熱媒体経路２２に、切替器３８と蓄熱器６０とが設けられ、蓄熱器６０を経由せずに切替器３８と第２送出器２４とを結ぶバイパス経路４０が設けられている点を除けば、燃料電池システム２００と同様の構成を有する。よって、図３と図５とで共通する構成要素には、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００５８】
切替器３８は、燃焼排ガス及び第１熱媒体と熱交換した第２熱媒体の流入先を蓄熱器６０とバイパス経路４０との間で切替える。すなわち切替器３８は、例えば制御器８０と通信可能に接続された三方弁からなり、第１熱交換器１６から排出された第２熱媒体の流入先を蓄熱器６０とするか、バイパス経路４０とするかを切替える。
【００５９】
バイパス経路４０は、蓄熱器６０よりも上流の第２熱媒体経路２２と蓄熱器６０よりも下流の第２熱媒体経路２２とを接続する。すなわちバイパス経路４０は、蓄熱器６０を経由せずに、第１熱交換器１６と第２送出器２４とを接続する。
【００６０】
蓄熱器６０は、燃焼排ガス及び第１熱媒体と熱交換した第２熱媒体を蓄える。蓄熱器６０は、例えば貯湯タンクからなる。
【００６１】
制御器８０は、第１処理を実行する場合に、切替器３８をバイパス経路４０側に切替えて第１処理を実行するように構成されている。
【００６２】
発電運転時には、燃料電池１０から回収された第１熱媒体の保有熱および燃焼排ガスの保有熱は、それぞれ、第１熱交換器１６および第２熱交換器２０において第２熱媒体へ回収され、蓄熱器に蓄えられる。発電運転時に第１熱交換器１６において熱の流れる方向（第１熱媒体から第２熱媒体へ）は、凍結抑制運転時に第１熱交換器１６において熱の流れる方向（第２熱媒体から第１熱媒体へ）と異なる。
【００６３】
本実施形態の燃料電池システム３００の凍結抑制運転は、第２実施形態（図４）においてステップＳ２０１の前、あるいはステップＳ２０１とステップＳ２０２との間に、切替器３８をバイパス経路４０側に切替えるステップを実行する他は、第２実施形態と同様としうる。よって、詳細な説明を省略する。
【００６４】
（第４実施形態）
［装置構成］
図６は、第４実施形態にかかる燃料電池システムの、概略構成の一例を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム４００は、燃料電池システム３００において、第３熱媒体が流れる第３熱媒体経路４４と、第３熱媒体を流す第３送出器４６と、燃焼排ガスと第３熱媒体との間で熱交換を行う第３熱交換器４２とが設けられ、第２熱交換器２０が第３熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換を行うように構成されている。この構成以外については、燃料電池システム３００と同様の構成を有する。よって、図５と図６とで共通する構成要素には、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００６５】
第３熱交換器４２は、例えば全熱交換器からなり、燃焼排ガスと第３熱媒体との間で熱交換を行う。
【００６６】
第３送出器４６は、例えばポンプからなり、第３熱媒体経路４４内の第３熱媒体を流す。
【００６７】
第２熱交換器２０は、第３熱媒体と第２熱媒体とが熱交換するよう構成されている。本実施形態において、燃焼排ガスと第２熱媒体とは、第３熱媒体を介して間接的に熱交換する。
【００６８】
制御器８０は、第１処理において、燃焼器１８において燃料ガス供給器２６より供給される燃料ガスを燃焼させるととともに、第１送出器１４と第２送出器２４と第３送出器４６とを動作させるように構成されている。
【００６９】
［動作］
図７は、第４実施形態にかかる燃料電池システムの、動作の一例を示すフローチャートである。以下、図７を参照しつつ、本実施形態の燃料電池システム４００の凍結抑制運転を説明する。図７の動作は、制御器８０が燃料電池システム４００の各構成要素を制御することで実行される。
【００７０】
例えば運転停止スイッチが押されることなどにより発電が停止すると（スタート）、冷却水（第１熱媒体）の温度が第１閾値温度Ｔｔｈ１以下であるか否かの判定が行われる（ステップＳ３０１）。第１閾値温度Ｔｔｈ１は、第１熱媒体の凍結の恐れがあると判断される温度であり、例えば＋１℃としうる。
【００７１】
ステップＳ３０１の判定結果がＹＥＳとなると、燃料ガス供給器２６から燃焼器１８へ燃料ガスが供給され、燃焼器１８における該燃料ガスの燃焼が開始される（ステップＳ３０２）。その後、第１送出器１４および第２送出器２４および第３送出器４６の動作が開始され、第１熱媒体と第２熱媒体と第３熱媒体とが、それぞれ第１熱媒体経路１２と第２熱媒体経路２２と第３熱媒体経路４４の内部を通流する（ステップＳ３０３）。
【００７２】
ステップＳ３０３の後、冷却水（第１熱媒体）の温度が第２閾値温度Ｔｔｈ２以上であるか否かの判定が行われる（ステップＳ３０４）。第２閾値温度Ｔｔｈ２は、必要以上に第１熱媒体を加熱してエネルギー効率が低下しないように設定される温度であり、例えば＋５℃としうる。
【００７３】
ステップＳ３０４の判定結果がＹＥＳとなると、燃料ガス供給器２６から燃焼器１８への燃料ガスの供給が停止され、燃焼器１８における該燃料ガスの燃焼が停止される（ステップＳ３０５）。その後、第１送出器１４および第２送出器２４および第３送出器４６の動作が停止されて第１熱媒体と第２熱媒体と第３熱媒体の流れが停止され（ステップＳ３０６）、燃料電池システム４００の凍結抑制運転が終了する（エンド）。ステップＳ３０６の後、ステップＳ３０１に戻ってもよい。
【００７４】
以上の凍結抑制運転では、冷却水（第１熱媒体）の温度が第１閾値温度Ｔｔｈ１以下となってから、該温度が第２閾値温度Ｔｔｈ２以上となるまで、燃焼器１８における燃焼と、第１送出器１４および第２送出器２４および第３送出器４６の動作とが継続される。燃焼器１８から排出される燃焼排ガスと第３熱媒体とが第３熱交換器４２で熱交換することにより第３熱媒体が加熱される。加熱された第３熱媒体と第２熱媒体とが第２熱交換器２０で熱交換することにより、第２熱媒体が加熱される。加熱された第２熱媒体と第１熱媒体とが第１熱交換器１６で熱交換することにより、第１熱媒体が加熱される。かかる動作により、燃焼器１８において生じた燃焼熱が第３熱交換器４２および第２熱交換器２０および第１熱交換器１６を介して第３熱媒体および第２熱媒体および第１熱媒体へと供給され、第１熱媒体および第２熱媒体および第３熱媒体の凍結が抑制される。
【００７５】
なお、本実施形態においても第３実施形態と同様に、ステップＳ３０１の前、あるいはステップＳ３０１とステップＳ３０２との間に、切替器３８をバイパス経路４０側に切替えるステップを実行してもよい。
【００７６】
燃料電池１０のカソードやアノードから排出されるガス（未利用の酸化剤ガスや燃料ガス）と第３熱媒体との間で熱交換をするための熱交換器が設けられていてもよい。下記の変形例や、第５実施形態およびそれらの変形例においても同様である。
【００７７】
［変形例］
第４実施形態の燃料電池システム４００の変形例において、制御器８０は、第１処理に先行して、燃焼器１８において燃焼を行わずに、第１送出器１４と第２送出器２４と第３送出器４６とを動作させる処理（以下、「第３処理」と呼ぶ）を実行するように構成されている。
【００７８】
図８は、第４実施形態の変形例にかかる燃料電池システムの、動作の一例を示すフローチャートである。以下、図８を参照しつつ、本変形例の燃料電池システムにおける凍結抑制運転を説明する。図８の動作は、制御器８０が燃料電池システムの各構成要素を制御することで実行される。
【００７９】
例えば運転停止スイッチが押されることなどにより発電が停止すると（スタート）、冷却水（第１熱媒体）の温度が第０閾値温度Ｔｔｈ０以下であるか否かの判定が行われる（ステップＳ４０１）。第０閾値温度Ｔｔｈ０は、第１熱媒体の循環により第１熱媒体の凍結抑制が必要な温度で、第１閾値温度よりも高く設定される温度であり、例えば＋３℃としうる。
【００８０】
ステップＳ４０１の判定結果がＹＥＳとなると、第１送出器１４の動作が開始され、第１熱媒体が、第１熱媒体経路１２の内部を通流する（ステップＳ４０２）。なお、ステップＳ４０２では、第１送出器だけでなく、第２送出器及び第３送出器を共に動作させ、第１熱媒体、第２熱媒体及び第３熱媒体を共に動作させる形態を採用しても構わない。
【００８１】
その後、冷却水（第１熱媒体）の温度が第１閾値温度Ｔｔｈ１以下であるか否かの判定が行われる（ステップＳ４０３）。第１閾値温度Ｔｔｈ１は、第１熱媒体の凍結の恐れがあると判断される温度であり、例えば＋１℃としうる。
【００８２】
ステップＳ４０３の判定結果がＹＥＳとなると、第１送出器１４および第２送出器２４および第３送出器４６の動作が継続された状態で、燃料ガス供給器２６から燃焼器１８へ燃料ガスが供給され、燃焼器１８における該燃料ガスの燃焼が開始される（ステップＳ４０４）。
【００８３】
その後、冷却水（第１熱媒体）の温度が第２閾値温度Ｔｔｈ２以上であるか否かの判定が行われ（ステップＳ４０５）、判定結果がＹＥＳとなると、燃焼器１８における該燃料ガスの燃焼が停止され（ステップＳ４０６）、第１送出器１４および第２送出器２４および第３送出器４６の動作が停止され（ステップＳ４０７）、燃料電池システムの凍結抑制運転が終了する（エンド）。ステップＳ４０５〜Ｓ４０７の動作は、図７のステップＳ３０４〜Ｓ３０６と同様であるので、詳細な説明を省略する。なお、ステップＳ４０７の後、ステップＳ４０１に戻ってもよい。
【００８４】
なお、本変形例においても第３実施形態と同様に、ステップＳ４０１の前、あるいはステップＳ４０１とステップＳ４０２との間に、切替器３８をバイパス経路４０側に切替えるステップを実行してもよい。
【００８５】
（第５実施形態）
図９は、第５実施形態にかかる燃料電池システムの、概略構成の一例を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム５００は、燃料電池システム４００において、燃料ガス供給器２６を原料供給器４８とし、燃料ガス経路３０を第１原料経路５０とし、蒸発器５４と水蒸気経路５６と改質器５８と有する水素生成器７０を設け、原料供給器４８と改質器５８とを第２原料経路５２により接続し、改質器５８と第１熱媒体経路１２とを水素含有ガス経路６２により接続した点を除けば、燃料電池システム４００と同様の構成を有する。よって、図６と図９とで共通する構成要素には、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００８６】
原料供給器４８は燃料ガス供給器の一例である。本実施形態における原料は、例えば、水蒸気改質反応により水素含有ガスを発生すると共に燃焼器１８において燃焼させることが可能なガスであって、典型的には、メタン、エタン、プロパンなどの炭化水素系のガスが用いられうる。原料が都市ガス（ガス会社等のガス供給基地等から各家庭等へとガス管等を通じて供給される燃料ガス）の場合、原料供給器４８は、例えば流量調整弁により構成される。
【００８７】
蒸発器５４は、燃料電池システムの外部（例えば、市水）あるいは内部（例えば、水タンク）から供給される水を、燃焼器１８から供給される熱を利用して蒸発させ、水蒸気を発生させる。発生した水蒸気は、水蒸気経路５６と第２原料経路５２とを経由して改質器５８へと供給される。
【００８８】
第２原料経路５２は、原料供給器４８から供給される原料と蒸発器５４から供給される水蒸気とを混合して改質器５８へと供給する。
【００８９】
改質器５８は、例えば改質触媒を備え、原料と水蒸気とを用いて、水蒸気改質反応により水素含有ガスを発生させる。
【００９０】
水素生成器７０は、さらに、改質器５８から排出される水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素低減器（変成器、選択酸化器など）を備えていてもよい。
【００９１】
本実施形態の燃料電池システム５００における凍結抑制運転は、例えば、第４実施形態やその変形例と同様としうるので、説明を省略する。
【００９２】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明の燃料電池システムは、簡潔な装置構成で熱媒体の凍結を抑制できる燃料電池システムとして有用である。
【符号の説明】
【００９４】
１０  燃料電池
１２  第１熱媒体経路
１４  第１送出器
１６  第１熱交換器
１８  燃焼器
２０  第２熱交換器
２２  第２熱媒体経路
２４  第２送出器
２６  燃料ガス供給器
２８  アノード排ガス経路
３０  燃料ガス経路
３２  第１燃焼排ガス経路
３４  第２燃焼排ガス経路
３６  加熱器
３８  切替器
４０  バイパス経路
４２  第３熱交換器
４４  第３熱媒体経路
４６  第３送出器
４８  原料供給器
５０  第１原料経路
５２  第２原料経路
５４  蒸発器
５６  水蒸気経路
５８  改質器
６０  蓄熱器
６２  水素含有ガス経路
７０  水素生成器
８０  制御器
１００  燃料電池システム
２００  燃料電池システム
３００  燃料電池システム
４００  燃料電池システム
５００  燃料電池システム
【図２】
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【図４】
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【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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