專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，涉及具備利用燃料氣體和氧化劑氣體進(jìn)行發(fā)電的燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
向來，能夠進(jìn)行高效率小規(guī)模發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)，由于容易構(gòu)筑利用發(fā)電時發(fā)生的熱能用的系統(tǒng)同時能夠?qū)崿F(xiàn)高能量利用效率，適合作為分散型發(fā)電系統(tǒng)使用。
燃料電池系統(tǒng)作為其發(fā)電部的主體具有燃料電池組(以下簡稱為燃料電池)。作為這種燃料電池，通常使用高分子電解質(zhì)型燃料電池或磷酸型燃料電池。特別是高分子電解質(zhì)型燃料電池，由于能夠在比較低的溫度下進(jìn)行穩(wěn)定發(fā)電，適合使用作為構(gòu)成燃料電池組系統(tǒng)的燃料電池。
高分子電解質(zhì)型燃料電池，作為其電解質(zhì)膜具有高分子離子交換膜、例如具有磺酸基的含氟樹脂系的高分子離子交換膜。在該高分子離子交換膜等電解質(zhì)膜的兩個面上分別設(shè)置例如白金催化劑構(gòu)成的燃料極(陽極)和氧極(陰極)。又，這些燃料極和氧極上分別設(shè)置多孔質(zhì)碳電極。以此在構(gòu)成高分子電解質(zhì)型燃料電池的膜電極接合體(簡稱MEA)。而且該膜電極接合體用分別設(shè)置流通燃料氣體、氧化劑氣體、以及冷卻水用的流路的隔離層挾持，以此構(gòu)成單個電池。又，該單個電池多層疊層構(gòu)成高分子電解質(zhì)型燃料電池。
在這樣的高分子電解質(zhì)型燃料電池中，在其發(fā)電運行時，對燃料極一側(cè)提供氫氣或富氫燃料氣體(例如重整氣體)。又對氧極一側(cè)提供作為氧化劑的含氧的氧化劑氣體(例如空氣)。于是，在該高分子電解質(zhì)型燃料電池中，在燃料極上生成的氫離子借助于水通過電解質(zhì)膜的內(nèi)部移動到氧極上，在該氧極上經(jīng)過外部負(fù)荷到達(dá)的電子和提供給氧極一側(cè)的空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水。還有，這時如上所述，電子從燃料極經(jīng)過外部負(fù)荷向氧極移動，而連接于燃料電池系統(tǒng)的外部負(fù)荷將該電子的流動作為電能利用。
又，在該高分子電解質(zhì)型燃料電池中，在進(jìn)行其發(fā)電運行時，由于上述化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生熱。該熱量利用設(shè)置于隔離層的流路中流過的冷卻水逐步回收。這時，燃料電池系統(tǒng)的使用者只需要電能的情況下，由冷卻水逐步回收的熱量被散熱器等逐步散發(fā)到燃料電池系統(tǒng)外。另一方面，燃料電池系統(tǒng)的使用者除了電能以外也需要熱能的情況下(即熱電聯(lián)供co-generation)，從燃料電池逐步排出的溫度上升的冷卻水暫時存儲于熱水箱等以提供給熱負(fù)荷。
但是，在高分子電解質(zhì)型燃料電池中，為了使作為電解質(zhì)膜的高分子離子交換膜充分發(fā)揮其氫離子透過性能，有必要將該電解質(zhì)膜的狀態(tài)充分保持于保水狀態(tài)。因此已有的高分子電解質(zhì)型燃料電池中，采用在燃料氣體和氧化劑氣體中的至少某一方，能夠使其在發(fā)電運行溫度附近(例如常溫到100℃左右)的溫度下含有飽和的水蒸汽的結(jié)構(gòu)。借助于此，使電解質(zhì)膜的狀態(tài)維持于充分保水狀態(tài)，因此燃料電池系統(tǒng)能夠發(fā)揮規(guī)定的發(fā)電性能。
又，如上所述，在燃料電池系統(tǒng)中，配設(shè)在其發(fā)電運行時高分子電解質(zhì)型燃料電池發(fā)生的熱量逐步回收用的冷卻水流過的流路、將利用冷卻水回收的熱能提供給熱負(fù)荷用的溫水用流路、以及貯存溫水用的熱水箱等多條流路和貯水箱等。而且，燃料電池系統(tǒng)在這些流路和貯水箱等中水和溫水等正常流動和貯存，對于高分子電解質(zhì)型燃料電池的冷卻和對熱負(fù)荷的供熱等能夠正常進(jìn)行，因此作為熱電聯(lián)供系統(tǒng)能夠發(fā)揮規(guī)定的性能。
但是，在已有的燃料電池系統(tǒng)中，在其發(fā)電運行時高分子電解質(zhì)型燃料電池等發(fā)生的熱量使電解質(zhì)膜和水的流路以及貯水箱等得到保溫，因此能夠得到規(guī)定的發(fā)電性能，但是由于發(fā)電運行停止期間高分子電解質(zhì)型燃料電池等不發(fā)生熱量，電解質(zhì)膜和水的流路以及貯水箱等得不到保溫。也就是說，發(fā)電運行停止期間燃料電池系統(tǒng)因散熱而冷卻。特別是在冬季的寒冷地區(qū)，發(fā)電運行停止期間燃料電池系統(tǒng)容易散熱冷卻到冰點以下。
而且，在燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電運行停止?fàn)顟B(tài)持續(xù)數(shù)小時以上的長時間停止的情況下，在冬季大氣溫度低到冰點以下20℃的極寒冷的地帶和最低溫度達(dá)到冰點以下的寒冷地帶，高分子電解質(zhì)型燃料電池的電解質(zhì)膜中包含的水凍結(jié)，有時候作為該水的保持體的電解質(zhì)膜的組織結(jié)構(gòu)受到破壞。又有時候水的流路和貯水箱等中水發(fā)生凍結(jié)。也就是說，有時候燃料電池系統(tǒng)陷于不能夠啟動的狀態(tài)，不能夠得到規(guī)定的發(fā)電性能、有時候不能夠得到作為熱電聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)定的性能。又，在這種情況下，由于冰的膨脹，有時候高分子電解質(zhì)型燃料電池主體、水的流路以及貯水箱等受到破壞。
因此提出了這樣的燃料電池系統(tǒng)，即在發(fā)電運行停止期間為了防止燃料電池系統(tǒng)中的水的凍結(jié)，在容納燃料電池主體的框體上設(shè)置加熱器，利用該加熱器對整個燃料電池進(jìn)行加熱和保溫的燃料電池系統(tǒng)(參照例如專利文獻(xiàn)1)。
又，提出了這樣的燃料電池系統(tǒng)，即在發(fā)電運行停止期間為了防止燃料電池系統(tǒng)中的水的凍結(jié)，在水的流路上具備電磁閥，根據(jù)需要打開該電磁閥從燃料電池系統(tǒng)內(nèi)用泵將水排出的燃料電池系統(tǒng)(參照例如專利文獻(xiàn)2)。
還提出了這樣的燃料電池系統(tǒng)，即在發(fā)電運行停止期間為了防止燃料電池系統(tǒng)中的水的凍結(jié)，設(shè)置水的加熱器，用該加熱器加熱冷卻水生成溫水，使該溫水在其內(nèi)部循環(huán)的燃料電池系統(tǒng)(參照例如專利文獻(xiàn)3)。
專利文獻(xiàn)1特開2001-351652號公報專利文獻(xiàn)2特開11-273704號公報專利文獻(xiàn)3特開2002-246052號公報發(fā)明內(nèi)容發(fā)明解決的課題但是上述防止水的凍結(jié)的已有的方案在維持及管理燃料電池系統(tǒng)時的經(jīng)濟(jì)性和運行操作性能和安全保障的可靠性等方面分別存在有妨礙其實現(xiàn)的問題。
例如在燃料電池系統(tǒng)中，在容納燃料電池主體的框體上設(shè)置加熱器對整個燃料電池進(jìn)行加熱和保溫的方案、以及設(shè)置水的加熱器對冷卻水進(jìn)行加熱生成溫水并且使其循環(huán)的方案用于防止水的凍結(jié)事實上是困難的。其理由是，燃料電池系統(tǒng)具備對燃料氣體和氧化劑氣體進(jìn)行加濕等的前處理器、大量的冷卻水進(jìn)行循環(huán)的高分子電解質(zhì)型燃料電池、貯存大量溫水的熱水箱等熱容量和體積大的構(gòu)件。換句話說，燃料電池系統(tǒng)是熱容量和體積大的熱電聯(lián)供系統(tǒng)。從而在發(fā)電運行停止期間為了防止燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的水凍結(jié)，必須配設(shè)極大規(guī)模而且能夠提供大量的熱的加熱裝置，采用小規(guī)模的加熱器時，其熱量不足。
而且在長時間不需要電力，發(fā)電運行長期停止的情況下，在極寒地帶和寒冷地帶，必須防止水的凍結(jié)一直到燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電運行再度開始。在這種情況下，為了長時間使上述極大規(guī)模的加熱裝置運行，需要消耗大量的電力。這對于燃料電池系統(tǒng)的使用者來說，是個很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
又，在燃料電池系統(tǒng)中，利用在水的流路上設(shè)置電磁閥用泵從燃料電池系統(tǒng)中排出水的方案防止水的凍結(jié)從排除水的凍結(jié)(故障的原因)的觀點看來的確是可靠的。又，該方案只利用打開電磁閥這樣的短時間動作實施，是容易實施的方法，因此具有不需要大量能量消耗的優(yōu)點。但是，在發(fā)電運行停止后再度啟動燃料電池系統(tǒng)時，由于從燃料電池系統(tǒng)排水，有必要再度對燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部提供必要的充分?jǐn)?shù)量的水。因此，在燃料電池系統(tǒng)再度啟動時為了提供水而損失了時間。又，在從外部向燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部新提供水的情況下，如果不將該提供的水凈化就加以使用，雜質(zhì)就有可能混入對高分子電解質(zhì)型燃料電池進(jìn)行冷卻的冷卻水中。因此在冷卻水具有雜質(zhì)的情況下，該具有雜質(zhì)的冷卻水對高分子電解質(zhì)型燃料電池的發(fā)電性能會發(fā)生直接影響。因此為了得到合適的冷卻水，需要將新提供的水高度凈化。從對水進(jìn)行高純度凈化的觀點看來這樣會給燃料電池系統(tǒng)的使用者帶來時間上的損失和經(jīng)濟(jì)上的負(fù)擔(dān)。
又，從該燃料電池系統(tǒng)排水的方案中，在發(fā)電運行停止期間想要有效利用的熱水箱內(nèi)的溫水不能夠簡單排出，因此不能夠可靠防止該水的凍結(jié)。從而對于上述水的排出還有熱水箱內(nèi)的溫水的防凍的對策必須另行考慮。
本發(fā)明是為了解決上述存在問題而作出的，其目的在于提供能夠抑制能量損失、減少操作的復(fù)雜性以及提高機(jī)動性，同時可靠防止水的凍結(jié)引起的故障的發(fā)生，能夠維持和確保安全的發(fā)電運行的燃料電池系統(tǒng)。
解決課題的手段為了解決上述課題，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，具備使用含氫的燃料氣體與含氧的氧化劑氣體進(jìn)行發(fā)電的燃料電池、貯存冷卻水的冷卻水箱、使所述冷卻水通過所述冷卻水箱進(jìn)行循環(huán)，回收伴隨所述燃料電池發(fā)電發(fā)生的熱，使該燃料電池冷卻的冷卻水循環(huán)流路、貯存溫水的熱水箱、使所述溫水經(jīng)過所述熱水箱循環(huán)的溫水循環(huán)流路、在通過所述冷卻水循環(huán)流路循環(huán)的所述冷卻水與通過所述溫水循環(huán)流路循環(huán)的所述溫水之間進(jìn)行熱交換用的熱交換器、從所述冷卻水循環(huán)流路和所述冷卻水箱中的至少任意一個以及所述溫水循環(huán)流路和所述熱水箱中的至少任意一個各自排水用的排水閥、對所述冷卻水循環(huán)流路和所述冷卻水箱中的至少任意一個、所述溫水循環(huán)流路和所述熱水箱中的至少任意一個中各自的水溫進(jìn)行檢測的溫度檢測器、以及控制器，所述控制器根據(jù)所述燃料電池停止發(fā)電時所述溫度檢測器檢測出的所述水溫，至少在所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的任意一個中至少使所述冷卻水和所述溫水中的任一種水循環(huán)，或打開排水閥進(jìn)行排水，任意選擇其一。
采用這樣的結(jié)構(gòu)時，所述控制器根據(jù)所述燃料電池的所述停止發(fā)電期間所述溫度檢測器檢測出的所述水溫，至少在所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的任意一個中至少使所述冷卻水和所述溫水中的任意一種循環(huán)，或打開所述排水閥排水，任意選擇其一，因此能夠不大量消耗能源而且不損失時間地可靠地防止燃料電池系統(tǒng)中的水的凍結(jié)。
在這種情況下，還具備對所述冷卻水箱補(bǔ)充水用的供水箱、在所述冷卻水箱與所述供水箱之間使所述水循環(huán)的補(bǔ)給水循環(huán)流路、從所述補(bǔ)給水循環(huán)流路和所述供水箱中的至少任一個排水用的排水閥、以及在所述補(bǔ)給水循環(huán)流路和所述供水箱中的至少任一個檢測水溫的溫度檢測器。
采用這樣的結(jié)構(gòu)時，由于還具備使向所述冷卻水箱補(bǔ)充用的水循環(huán)的補(bǔ)給水循環(huán)流路、貯存所述補(bǔ)給用的水的供水箱、從所述補(bǔ)給水循環(huán)流路和所述供水箱中的至少任意一方排水用的排水閥、以及在所述補(bǔ)給水循環(huán)流路和供水箱中的至少任意一方檢測水的溫度的溫度檢測器，因此能夠防止向燃料電池系統(tǒng)中的所述冷卻水箱補(bǔ)充用的水凍結(jié)。
在這種情況下，在所述溫度檢測器檢測出的所述水溫中的任意一個未滿規(guī)定的閾值溫度的情況下，至少使所述冷卻水和所述溫水中的任一種循環(huán)，其后在所述水溫全部未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，打開所述排水閥進(jìn)行排水。
采用這樣的結(jié)構(gòu)時，在所述溫度檢測器檢測出的所述水溫的至少某一個未滿規(guī)定的閾值溫度的情況下，至少使所述冷卻水和所述溫水中的任意一種循環(huán)，其后在所述水溫全部未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，打開所述排水閥排水，因此能夠有效地防止燃料電池系統(tǒng)中的水的凍結(jié)。
又，在上述情況下，在所述冷卻水箱和所述冷卻水循環(huán)流路中的至少任意一個中具備加熱所述冷卻水用的第1加熱器。
采用這樣的結(jié)構(gòu)時，由于所述冷卻水箱和所述冷卻水循環(huán)流路中的至少某一方具備加熱所述冷卻水用的第一加熱器，因此能夠據(jù)需要對所述冷卻水進(jìn)行加熱。
又，在上述情況下，在所述熱水箱和所述溫水循環(huán)流路中的至少任意一個中具備加熱所述溫水用的第2加熱器。
采用這樣的結(jié)構(gòu)時，由于在所述熱水箱和所述溫水循環(huán)流路中的至少某一方具備加熱所述溫水用的第2加熱器，因此能夠根據(jù)需要對所述溫水進(jìn)行加熱。
又，在上述情況下，具備將包含至少由碳和氫構(gòu)成的有機(jī)化合物的原料重整生成所述燃料氣體的重整器、將所述重整器的溫度加熱并且保持于所述重整需要的規(guī)定溫度用的第3加熱器、從所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的至少一個向第3加熱器迂回的迂回流路、以及切換到所述迂回流路用的流路切換閥，形成所述迂回流路的一部分能夠利用所述第3加熱器加熱的結(jié)構(gòu)。
采用這樣的結(jié)構(gòu)時，由于形成能夠利用所述第3加熱器加熱所述迂回流路的一部分的結(jié)構(gòu)，因此能夠根據(jù)需要加熱通過所述迂回流路的所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的至少某一個流路中通過的所述冷卻水和所述溫水中的至少一種。
又，在上述情況下，具備作為所述排水閥的常閉型電磁閥、檢測所述常閉型電磁閥近旁外部氣體的溫度的外部氣體溫度檢測器、利用所述燃料電池的所述發(fā)電得到所述常閉型電磁閥打開用的電能加以貯存的蓄電器、以及第2控制器，所述第2控制器在停電時根據(jù)所述外部氣體溫度檢測器檢測出的所述外部氣體溫度，從所述蓄電器提供所述電能，使所述常閉型電磁閥打開排水。
采用這樣的結(jié)構(gòu)時，所述第2控制器在停電時根據(jù)所述外部氣體溫度檢測器檢測出的所述外部氣體溫度從所述蓄電器提供所述電能使所述常閉型電磁閥打開排水，因此在停電時也能夠可靠防止在燃料電池系統(tǒng)中的水的凍結(jié)。
在這種情況下，所述第2控制器在停電時所述外部氣體溫度檢測器檢測出的所述外部氣體溫度未滿所述規(guī)定的閾值溫度時，從所述蓄電器提供所述電能，使所述常閉型電磁閥打開排水。
采用這樣的結(jié)構(gòu)時，所述第2控制器在停電時所述外部氣體溫度檢測器檢測出的所述外部氣體溫度未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，從所述蓄電器提供所述電能使所述常閉型電磁閥打開排水，因此即使是停電時也能夠有效防止燃料電池系統(tǒng)中的水的凍結(jié)。
又，在上述情況下，所述控制器還具備選擇所述燃料電池的所述發(fā)電長期運行停止用的第1模式選擇指令輸入部，所述控制器在從所述第1模式選擇指令輸入部輸入表示選擇所述長期運行停止的意思的指令的情況下打開所述排水閥排水，在沒有輸入表示選擇所述長期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫的任意一個未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，至少在所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的任意一個中至少使所述冷卻水和所述溫水中的任一種循環(huán)。
采用這樣的結(jié)構(gòu)時，所述控制器還具備選擇所述燃料電池的所述發(fā)電的長期運行停止用的第1模式選擇指令輸入部，所述控制器在從所述第1模式選擇指令輸入部輸入選擇所述長期運行停止的意思的指令的情況下打開所述排水閥排水，在沒有輸入選擇所述長期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫中的任意一個未滿所述規(guī)定的閾值的情況下，至少在所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的任意一個中至少使所述冷卻水和所述溫水中的任一種循環(huán)，因此能夠根據(jù)情況合適而且可靠地防止燃料電池系統(tǒng)中的水的凍結(jié)。
在這種情況下，所述控制器在沒有輸入選擇所述長期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫都未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，打開所述排水閥排水。
采用這樣的結(jié)構(gòu)時，所述控制器在沒有輸入選擇所述長期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫中的任何一個都未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，打開所述排水閥排水，因此即使是例如忘記輸入選擇所述長期運行停止的意思的指令的情況下，也能夠可靠防止燃料電池系統(tǒng)中的水的凍結(jié)。
又，在上述情況下，所述控制器還具備選擇所述燃料電池的所述發(fā)電短時間運行停止用的第2模式選擇指令輸入部，所述控制器在從所述第2模式選擇指令輸入部輸入表示選擇所述短期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫的任意一個未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，至少在所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的任意一個流路中至少使所述冷卻水和所述溫水中的任一種循環(huán)，在沒有輸入表示選擇所述短期運行停止的意思的指令的情況下，打開所述排水閥排水。
采用這樣的結(jié)構(gòu)時，所述控制器還具備選擇所述燃料電池的所述發(fā)電的短期運行停止用的第2模式選擇指令輸入部，所述控制器在從所述第2模式選擇指令輸入部輸入選擇所述短期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫中的任何一個都未滿所述規(guī)定閾值溫度的情況下，至少在所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的任意一個至少使所述冷卻水和所述溫水中的任一種循環(huán)，在沒有輸入選擇所述短期運行停止的意思的指令的情況下，打開所述閥門排水，因此能夠根據(jù)情況合適而且可靠地防止燃料電池系統(tǒng)中水的凍結(jié)。
在這種情況下，所述控制器在輸入選擇所述短期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫中的任意一個溫度都未滿所述規(guī)定的閾值溫度時，打開所述排水閥排水。
采用這樣的結(jié)構(gòu)時，所述控制器在輸入選擇所述短期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫的任何一個都未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，打開所述排水閥排水，因此能夠有效而且可靠地防止所述短期運行停止時的燃料電池系統(tǒng)中的水的凍結(jié)。
又，在上述情況下，所述控制器還具備選擇所述燃料電池的所述發(fā)電長期運行停止或短期運行停止用的第3模式選擇指令輸入部，所述控制器在從所述第3模式選擇指令輸入部輸入選擇所述長期運行停止的意思的指令的情況下，打開所述排水閥進(jìn)行所述排水，在輸入選擇所述短期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫中的任一個未滿規(guī)定的所述閾值溫度的情況下，至少在所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的任一個中至少使所述冷卻水和所述溫水中的任一種循環(huán)。
采用這樣的結(jié)構(gòu)時，所述控制器還具備選擇所述燃料電池的所述發(fā)電長期運行停止或短期運行停止用的第3模式選擇指令輸入部，從所述第3模式選擇指令輸入部輸入選擇所述長期運行停止的意思的指令的情況下，打開所述排水閥排水，在輸入選擇所述短期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫中的任意一個未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，至少在所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路的任意一個中至少使所述冷卻水和所述溫水中的任意一種循環(huán)，因此能夠根據(jù)所述燃料電池的所述發(fā)電長期運行停止或短期運行停止適當(dāng)而且可靠地防止燃料電池系統(tǒng)中的水的凍結(jié)。
在這種情況下，所述控制器在輸入選擇所述短期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫中的任何一個都未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，打開所述排水閥排水。
采用這樣的結(jié)構(gòu)時，在所述控制器輸入選擇所述短期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫中的任何一個都未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，打開所述排水閥進(jìn)行所述排水，因此能夠有效而且可靠地防止所述短期運行停止時的燃料電池系統(tǒng)中水的凍結(jié)。
發(fā)明的效果本發(fā)明用如上所述手段實施，能夠提供不產(chǎn)生過大的能量損失，而且不需要繁雜的監(jiān)視和操作，能夠在抑制機(jī)動性的欠缺的同時簡便地有效防止發(fā)電運行停止期間水的凍結(jié)的具備安全性而且運行功能維持和管理容易的燃料電池系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明實施形態(tài)1所示的燃料電池系統(tǒng)的要部結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2是本發(fā)明實施形態(tài)1所示的燃料電池系統(tǒng)的動作的流程圖。
圖3是本發(fā)明實施形態(tài)2所示的燃料電池系統(tǒng)的要部結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖4是本發(fā)明實施形態(tài)3所示的燃料電池系統(tǒng)的要部結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖5是本發(fā)明實施形態(tài)4所示的燃料電池系統(tǒng)的要部結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖6是本發(fā)明實施形態(tài)4所示的燃料電池系統(tǒng)的動作的流程圖。
符號說明1 燃料電池2 燃料供給裝置3 氧化劑供給裝置4 加濕裝置5 殘存燃料排出部6 殘存氧化劑排出部7 冷卻水箱8 供水箱9 熱回收用熱交換器10 熱水箱11 供水管12 凈水器13 殘存氧化劑凝集器14 殘存燃料凝集器15 備用加熱器16 供熱水口17、18、20 溫度檢測器19 補(bǔ)充水管21、22、23 送水泵24 加熱器25、26、27 排水閥28 熱水器29 重整器30 流路切換閥31 溫水循環(huán)流路32 冷卻水循環(huán)流路33 補(bǔ)給水循環(huán)流路34 旁通流路
35 電磁閥36 蓄電器37 外部氣體溫度檢測器38 閥控制器41 控制器42 停止開關(guān)43 長期停止按鈕44 短期停止按鈕45 加熱按鈕46 啟動開關(guān)47、48、49 開閉閥100～400燃料電池系統(tǒng)具體實施方式
下面參照附圖對實施本發(fā)明的最佳實施形態(tài)進(jìn)行說明。
還有，本發(fā)明中的實施形態(tài)中，溫度檢測器可使用熱電偶或熱敏電阻等，輸水設(shè)備可根據(jù)流量和必要的壓力使用柱塞泵和齒輪泵等，又，水的流通流路開閉設(shè)備可使用手動或電磁動作的開閉閥等，還有，加熱器可以適當(dāng)選擇和使用護(hù)鞘(sheath heater)、電磁感應(yīng)加熱器或利用燃燒熱的燃燒器等，但是這些都是燃料電池系統(tǒng)中向來使用的，因此在下面說明中對其結(jié)構(gòu)和動作省略其說明。
又，對于燃料電池系統(tǒng)的運行控制的有關(guān)的電路結(jié)構(gòu)和動作，也由于可以使用通常的能量設(shè)備中使用的一般的電路結(jié)構(gòu)和動作，因此在以下說明中其詳細(xì)說明和圖示省略。
實施形態(tài)1圖1是本發(fā)明實施形態(tài)1所示的燃料電池系統(tǒng)的要部結(jié)構(gòu)的示意圖。還有，在圖1中，只圖示出說明本發(fā)明的概念所需要的結(jié)構(gòu)要素，對于不需要的結(jié)構(gòu)要素省略其圖示。
如圖1所示，本發(fā)明的實施形態(tài)1所示的燃料電池系統(tǒng)100具備以高分子離子交換膜作為其電解質(zhì)膜的燃料電池1、對該燃料電池1提供富氫燃料氣體的燃料供給裝置2、對該燃料電池1將含氧的作為氧化劑的空氣從大氣中吸入加壓提供的氧化劑供給裝置3、將該氧化劑供給裝置3供給的空氣提供給燃料電池1之前利用水蒸汽加濕和加熱的加濕裝置4、以及貯存在燃料電池1內(nèi)部循環(huán)的冷卻水的冷卻水箱7。冷卻水箱7在其內(nèi)部具有加熱冷卻水用的加熱器24。
又，如圖1所示，該燃料電池系統(tǒng)100具備排出在燃料電池1中未消耗而殘留的燃料氣體用的殘存燃料排出部5、以及排出在燃料電池1中未消耗而殘留的氧化劑氣體用的殘存氧化劑排出部6。而且該燃料電池系統(tǒng)100在殘存燃料排出部5的規(guī)定位置上具備將剩余的燃料氣體中包含的水蒸汽凝集分離用的殘存燃料凝集器14。又，該燃料電池系統(tǒng)100在殘存氧化劑排出部6中的規(guī)定的位置上具備凝集分離剩余的氧化劑氣體中包含的水蒸汽用的殘存氧化劑凝集器13。利用這些殘存氧化劑凝集器13和殘存燃料凝集器14凝集分離出的水通過規(guī)定的流路被引入下述供水箱8。
又如圖1所示，該燃料電池系統(tǒng)100具備貯存利用殘存氧化劑凝集器13和殘存燃料凝集器14凝集分離的水的供水箱8以及充填貯存于該供水箱8中的水凈化用的離子交換樹脂的凈水器12。供水箱8中貯存的水經(jīng)過凈化器12凈化之后通過規(guī)定的流路提供給冷卻水箱7。又，在該冷卻水箱7中剩余的冷卻水借助于溢流從冷卻水箱7排出后，經(jīng)過規(guī)定的流路再度貯存于供水箱8。還有，如圖1所示，在供水箱8，連接在供水箱8中貯存的水量不足的情況下，從外部供水用的補(bǔ)充水管19。
又如圖1所示，該燃料電池系統(tǒng)100具備回收和交換燃料電池1發(fā)生并且利用冷卻水傳出的熱量的熱回收熱交換器9以及貯存利用該熱回收熱交換器9加熱的溫水的熱水箱10。也就是說，燃料電池系統(tǒng)100形成這樣的熱移動路徑，使得燃料電池1發(fā)生的熱量通過熱回收熱交換器9提供給熱水箱10。還有，如圖1所示，在熱水箱10上連接將原水提供給熱水箱10用的供水管11。又在熱水箱10的上部連接利用熱水箱10中貯存的溫水時使用的供熱水口16。
又如圖1所示，該燃料電池系統(tǒng)100在冷卻水箱7、供水箱8、以及熱水箱10的規(guī)定位置上分別具備測定各水箱內(nèi)部貯存的水的溫度用的溫度檢測器17、溫度檢測器18、溫度檢測器20。
又，如圖1所示，該燃料電池系統(tǒng)100作為分別獨立的水循環(huán)流路具備經(jīng)過燃料電池1、加濕裝置4、熱回收熱交換器9以及冷卻水箱7使冷卻水循環(huán)用的冷卻水循環(huán)流路32、在熱回收熱交換器9與熱水箱10之間使溫水等循環(huán)用的溫水循環(huán)流路31、在冷卻水箱7和供水箱8之間使水循環(huán)用的補(bǔ)給水循環(huán)流路33。又，在這些溫水循環(huán)流路31、冷水循環(huán)流路32、以及補(bǔ)給水循環(huán)流路33的規(guī)定位置上配設(shè)使水循環(huán)用的送水泵21、送水泵22、以及送水泵23。又在溫水循環(huán)流路31的規(guī)定位置上配設(shè)排出溫水等用的排水閥25。又在冷卻水箱7的規(guī)定的位置上配設(shè)排出冷卻水用的排水閥26。又在供水箱8的規(guī)定位置上配設(shè)排水用的排水閥27。
還有，如圖1所示，該燃料電池系統(tǒng)100具備控制器41。該控制器41用微電腦等運算裝置構(gòu)成，對燃料電池系統(tǒng)100所需要的結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行控制，控制該燃料電池系統(tǒng)100的動作。在這里，在本說明書中，控制器不僅是單獨的控制器，而且意味著多個控制器協(xié)同動作進(jìn)行控制的控制器群。因此，控制器41不必一定用單獨的控制器構(gòu)成，也可以形成多個控制器分散配置，這些控制器協(xié)同動作對燃料電池100的動作進(jìn)行控制的結(jié)構(gòu)。例如，控制器41也可以形成包含下述閥控制器38的結(jié)構(gòu)。
又如圖1所示，控制器41具備多個開關(guān)和按鈕作為對控制器41輸入指令的輸入裝置。具體地說，該控制器41具備控制燃料電池系統(tǒng)100的運行停止用的停止開關(guān)42、作為控制啟動用的啟動開關(guān)46、選擇和決定停止條件用的操作部的長期停止按鈕43和短期停止按鈕44、以及選擇和執(zhí)行在停止中必要時的加熱操作用的加熱按鈕45。
又，該控制器41根據(jù)排水閥25、排水閥26和排水閥27以及溫度檢測器17、溫度檢測器18、溫度檢測器20的輸出信號對送水泵21、送水泵22、送水泵23以及加熱器24的動作進(jìn)行適當(dāng)控制。又，該控制器41根據(jù)需要也對構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)100的其他結(jié)構(gòu)要素的動作進(jìn)行適當(dāng)控制。還有，如在圖1中的虛線所示，控制器41與上述溫度檢測器17、18、20、排水閥25、26、27和送水泵21、22、23以及加熱器24利用規(guī)定的配線相互電氣連接。
下面參照附圖對本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)100中的水的循環(huán)形態(tài)和熱移動形態(tài)的關(guān)系進(jìn)行說明。
圖1所示的燃料電池1利用燃料極和氧極中的化學(xué)反應(yīng)在生成電力同時生成熱。該燃料電池1發(fā)生的熱通過從供水箱8向冷卻水箱7提供并且利用送水泵22的運行在冷卻水循環(huán)流路32內(nèi)部循環(huán)的冷卻水，從燃料電池1傳輸?shù)狡渫獠?。也就是說，燃料電池1在發(fā)電運行時排出溫度升高的冷卻水。
從燃料電池1排出的溫度升高的冷卻水的一部分通過加濕裝置4時，被使用于氧化劑供給裝置3提供的空氣的加濕和加溫。另一方面，通過加濕裝置4的沒有使用于加濕裝置4進(jìn)行的對空氣的加濕和加溫的高溫狀態(tài)的冷卻水在熱回收熱交換器9中使用于對流過溫水循環(huán)流路31的水進(jìn)行加熱。而且利用熱回收熱交換器9中的熱交換冷卻的冷卻水再度貯存于冷卻水箱7，再度被使用于燃料電池1的冷卻。
還有，燃料電池系統(tǒng)100啟動時，通過對配設(shè)于冷卻水箱7內(nèi)部的加熱器24進(jìn)行通電，對冷卻水箱7和冷卻水循環(huán)流路32內(nèi)部的冷卻水進(jìn)行加熱和加溫。借助于此，進(jìn)行燃料電池1和加濕裝置4的加溫操作。
這樣，在本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)100中，通過以冷卻水為媒體將燃料電池1發(fā)生的熱量傳送到加濕裝置4和熱回收熱交換器9的一連串的熱傳輸，對發(fā)電運行時發(fā)生熱量的燃料電池1進(jìn)行冷卻。
又，熱水箱10中貯存的水利用送水泵21的動作使其通過溫水循環(huán)流路31，經(jīng)過熱回收熱交換器9流向熱水箱10形成環(huán)流。這時由供水管11提供的冷水被從熱水箱10的下方引出在熱回收熱交換器9中由于熱傳遞而升溫后，返回?zé)崴?0的上方。通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，在熱回收熱交換器9中被加熱的溫水從熱水箱10的上方向下方慢慢貯存，因此從燃料電池系統(tǒng)100的發(fā)電運行初期開始就能夠從熱水箱10的上部設(shè)置的熱供水口16得到高溫的溫水。
又，貯存于供水箱8的水，根據(jù)需要由送水泵23驅(qū)動，借助于此，在凈化器12中利用離子交換對所述水進(jìn)行凈化后通過補(bǔ)給水循環(huán)流路33將其提供給冷卻水箱7。還有，在利用殘存氧化劑凝集器13以及殘存燃料凝集器14進(jìn)行分離的水的數(shù)量不足，供水箱8的貯水量不足的情況下，通過補(bǔ)充水管19從燃料電池系統(tǒng)100外部向供水箱8補(bǔ)充水。然后在供水箱8的貯水量恢復(fù)之后，供水箱8中貯存是水根據(jù)需要通過補(bǔ)給水循環(huán)流路33提供給冷卻水箱7。
送水泵23在加濕裝置4中消耗冷卻水，冷卻水箱7中的貯水量下降的情況下被適當(dāng)驅(qū)動。這時冷卻水箱7中的貯水量剩余的情況下，利用溢流使冷卻水返回供水箱8，借助于此，冷卻水箱7中的貯水量得到適當(dāng)控制。
還有，連接著冷卻水循環(huán)流路32和補(bǔ)給水循環(huán)流路33兩者的冷卻水箱7中，冷卻水循環(huán)流路32提供的冷卻水和補(bǔ)給水循環(huán)流路33提供的水進(jìn)行混合。也就是說，在冷卻水箱7中，從冷卻水循環(huán)流路32提供的冷卻水和補(bǔ)給水循環(huán)流路33提供的水之間進(jìn)行熱交換。但是供水箱8向冷卻水箱7補(bǔ)充水只在冷卻水箱7中的貯水量低下的情況下進(jìn)行，因此供水箱8和補(bǔ)給水循環(huán)流路33中的水的溫度不會發(fā)生大幅度上升。從而在凈水器12中，離子交換樹脂不會因為熱受到破壞。
下面參照附圖詳細(xì)說明賦予本發(fā)明特征的，燃料電池系統(tǒng)100的發(fā)電運行停止期間防止水的凍結(jié)用的動作。
圖2是本發(fā)明實施形態(tài)1所示的燃料電池系統(tǒng)的動作的流程圖。
在本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)100中，使該發(fā)電運行停止時通過按壓圖1所示的控制器41的停止開關(guān)42，分別停止燃料供給裝置2對燃料電池1的燃料氣體供應(yīng)和氧化劑供給裝置3對燃料電池1的氧化劑氣體供應(yīng)。借助于此，使燃料電池1的發(fā)電用的化學(xué)反應(yīng)停止，因此燃料電池1停止發(fā)熱。又，控制器41一旦確認(rèn)隨著燃料電池1的發(fā)熱停止，溫度檢測器17、溫度檢測器18、以及溫度檢測器20檢測出的冷卻水箱7內(nèi)的冷卻水的溫度、供水箱8內(nèi)的水的溫度、及熱水箱10內(nèi)的溫水的溫度分別下降到規(guī)定的溫度以下，就使送水泵21、送水泵22以及送水泵23停止動作。以此使溫水循環(huán)流路31、冷卻水循環(huán)流路32、以及補(bǔ)給水循環(huán)流路33的溫水和冷卻水以及補(bǔ)給水的流動分別停止，因此燃料電池系統(tǒng)100的熱循環(huán)移動停止。
一旦燃料電池1停止發(fā)熱的同時，燃料電池系統(tǒng)100的熱循環(huán)流動停止，構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)100的構(gòu)成要素的溫度被引導(dǎo)到配設(shè)燃料電池系統(tǒng)100的場所的周圍環(huán)境溫度，隨著時間的經(jīng)過開始下降。這時通常熱容量比較小而且露出于外部氣體中的露出表面積比較大的配管部分的溫度比較快地下降，熱水箱10和燃料電池1等熱容量比較大的構(gòu)成要素的溫度比較慢地下降。因此即使是外部溫度達(dá)到冰點的情況下，燃料電池系統(tǒng)100內(nèi)部的全部水凍結(jié)也需要幾小時以上的比較長的時間。
但是，在圖1所示的溫水循環(huán)流路31和冷卻水循環(huán)流路32以及補(bǔ)給水循環(huán)流路33等水循環(huán)的流路中，即使是在其水循環(huán)流路的一部分發(fā)生水凍結(jié)時，由于該水凍結(jié)阻礙了水循環(huán)，所以燃料電池系統(tǒng)100不能夠正常地再度啟動。在這種情況下，為了使燃料電池系統(tǒng)100正常地啟動，必須借助于某種外部手段(例如利用熱風(fēng)、熱水等使水凍結(jié)的部分解凍等方法)確保其啟動性能。
又，在上述水循環(huán)流路中，一旦水凍結(jié)，往往由于伴隨水的凍結(jié)而產(chǎn)生的體積增大使配管受到膨脹應(yīng)力的破壞。因此也會導(dǎo)致發(fā)電運行停止后的比較早的階段(例如有時候是2～3小時)燃料電池系統(tǒng)100處于不能動作的狀態(tài)。
因此，如圖2所示，在本實施形態(tài)中，為了確定是在對停止開關(guān)42進(jìn)行操作，進(jìn)行燃料電池系統(tǒng)100的發(fā)電運行停止操作(步驟S41)之后，使其發(fā)電運行的停止操作將發(fā)電運行長時間停止的燃料電池系統(tǒng)100轉(zhuǎn)移到休眠狀態(tài)用的長期運行停止模式、還是在短期間的運行休止之后轉(zhuǎn)移到在啟動待機(jī)狀態(tài)的短期運行停止模式，用戶選擇和操作控制器41的長期停止按鈕43和短期停止按鈕44中的任意一個并進(jìn)行操作，以選擇停止操作的模式(步驟S42)。
控制器41在用戶為了將燃料電池系統(tǒng)100的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到休眠狀態(tài)而選擇和操作長期停止按鈕43時，判定為不進(jìn)行該保溫動作(步驟S43中為否)。
在這種情況下，控制器41根據(jù)其存儲裝置中設(shè)定的工作條件(步驟S44)，轉(zhuǎn)移到從燃料電池系統(tǒng)100排出水的排出處理動作(步驟S45)，然后控制器41通過輸出規(guī)定的指令信號打開圖1所示的排水閥25、排水閥26、排水閥27(步驟S46)。借助于此，控制器41從溫水循環(huán)流路31、冷卻水循環(huán)流路32、補(bǔ)給水循環(huán)流路33、冷卻水箱7、供水箱8、以及熱水箱10分別將水排出到燃料電池系統(tǒng)100外部。
一旦燃料電池100排水完成，由控制器41確認(rèn)排水全部完成用的規(guī)定處理(例如時間控制、利用傳感器進(jìn)行的殘留水量確認(rèn)控制等)完成，控制器41通過輸出規(guī)定的指令信號將排水閥25、排水閥26、排水閥27關(guān)閉(步驟S47)。利用在該步驟47所示的動作，分別維持溫水循環(huán)流路31、冷卻水循環(huán)流路32、補(bǔ)給水循環(huán)流路33、冷卻水箱7、供水箱8、以及熱水箱10的閉塞狀態(tài)，因此能夠防止其不必要的干燥。
接著，控制器41一旦確認(rèn)排水閥25、排水閥26、排水閥27的狀態(tài)完全轉(zhuǎn)移到閉塞狀態(tài)，就停止對構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)100的各構(gòu)成要素的電力供應(yīng)。然后控制器41完全停止燃料電池系統(tǒng)100的動作。借助于此，燃料電池系統(tǒng)100轉(zhuǎn)移到長時間不進(jìn)行發(fā)電運行的休眠狀態(tài)(步驟S48)。
另一方面，控制器41在用戶為了將燃料電池系統(tǒng)100的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到在啟動待機(jī)狀態(tài)而選擇短期停止按鈕44并進(jìn)行操作時判定為進(jìn)行規(guī)定的保溫動作(步驟S43為是)。
在這種情況下，控制器41分別確認(rèn)設(shè)置于冷卻水箱7、供水箱8以及熱水箱10上分別設(shè)置的溫度檢測器17、溫度檢測器18、溫度檢測器20檢測出的溫度(步驟S49)。然后控制器41判斷是否需要保溫(步驟S50)。
具體地說，控制器41判定溫度檢測器17、溫度檢測器18、溫度檢測器20檢測出的各溫度中的任一個溫度是否接近水的冰凍溫度區(qū)域(例如-3℃～0℃)。例如，控制器41根據(jù)水的凍結(jié)溫度區(qū)域判斷有無檢測出低于考慮燃料電池系統(tǒng)100的安全性而設(shè)定的規(guī)定的閾值溫度(例如3℃)的溫度的檢測器。
而且，控制器41在溫度檢測器17、溫度檢測器18、溫度檢測器20中的任何一個溫度檢測器都沒有檢測出低于上述規(guī)定的閾值溫度的情況下，判定為不需要規(guī)定的保溫動作(步驟S50中為否)。然后，控制器41返回步驟S49，利用在冷卻水箱7、供水箱8、熱水箱10上分別設(shè)置的溫度檢測器17、溫度檢測器18、溫度檢測器20檢測出的溫度在規(guī)定的閾值溫度以下之前，反復(fù)進(jìn)行這些動作以進(jìn)行確認(rèn)，以適當(dāng)?shù)臋z測周期反復(fù)執(zhí)行步驟S49和步驟S50。
另一方面，控制器41在檢測出溫度檢測器17、溫度檢測器18、以及溫度檢測器20中的某一個溫度檢測器檢測出低于上述規(guī)定的閾值溫度的情況下，判定為需要規(guī)定的保溫動作(步驟S50中判定為是)。
在這種情況下，控制器41根據(jù)溫度檢測器17、溫度檢測器18，或溫度檢測器20檢測出的溫度對是否有必要加熱作為該規(guī)定的保溫動作的熱源的冷卻水箱7、供水箱8或熱水箱10中貯存的水進(jìn)行判斷。然后，控制器41在判定為完全沒有必要對水進(jìn)行加熱的情況下(步驟S51中判定為否)，將燃料電池系統(tǒng)100內(nèi)部存在的水作為規(guī)定的保溫動作用的熱源使用，執(zhí)行作為規(guī)定的保溫動作的水循環(huán)動作(步驟S53)。
下面對步驟S53中的水的循環(huán)動作進(jìn)行詳細(xì)說明。
如圖1所示，本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)100具備溫水循環(huán)流路31、冷卻水循環(huán)流路32、以及補(bǔ)給水循環(huán)流路33這三個水循環(huán)流路。這些水循環(huán)流路內(nèi)在通常的發(fā)電運行時通過燃料電池1的內(nèi)部循環(huán)的冷卻水循環(huán)流路32中水的溫度最高，一邊在冷卻水箱7和供水箱8之間溢流一邊循環(huán)的補(bǔ)給水循環(huán)流路33中的水的溫度變成比較低的溫度。又，與熱水箱10連通的溫水循環(huán)流路31中循環(huán)的水的溫度在發(fā)電運行初期為比較低的溫度，但是與發(fā)電運行的時間經(jīng)過的同時溫度慢慢上升。然后，經(jīng)過發(fā)電運行時間，在貯存高溫狀態(tài)的熱水的狀態(tài)下通過溫水循環(huán)流路31循環(huán)的水積蓄和保持大量的熱容量。
另一方面，在燃料電池系統(tǒng)100的發(fā)電運行停止的情況下，貯水容量比較小而且熱容量比較小的冷卻水箱7和供水箱8以及露出于外部大氣中的露出表面積比較大的配管部分的溫度比較快下降，熱水箱10和燃料電池1等熱容量比較大的結(jié)構(gòu)要素的溫度比較慢下降。
因此，在本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)100中，即使是冷卻水箱7和供水箱8中貯存的水的溫度低于規(guī)定的閾值溫度(例如3℃)的情況下，在熱水箱10中貯存70℃以上溫水的情況下，利用控制器41的控制驅(qū)動送水泵21，使貯存于熱水箱10中的溫水在溫水循環(huán)流路31中循環(huán)。在這種情況下，使送水泵21的送水方向與通常發(fā)電運行時的情況相反方向，從熱水箱10的上方抽出較高溫度狀態(tài)的溫水使其在溫水循環(huán)流路31中循環(huán)，這樣能夠在燃料電池系統(tǒng)100中更有效地進(jìn)行規(guī)定的保溫動作。
又，這時控制器41在驅(qū)動送水泵21的同時驅(qū)動送水泵22，使貯存于冷卻水箱7的冷卻水在冷卻水循環(huán)流路32中循環(huán)。借助于此，在熱回收熱交換器9中通過冷卻水循環(huán)流路32循環(huán)的冷卻水與通過溫水循環(huán)流路31循環(huán)的溫水之間進(jìn)行熱交換，冷卻水循環(huán)流路32中循環(huán)的冷卻水的溫度上升，因此貯存于冷卻水箱7中的冷卻水的溫度有可能在規(guī)定的閾值溫度以上。也就是說，在燃料電池系統(tǒng)100中，能夠防止冷卻水箱7和冷卻水循環(huán)流路32中的冷卻水凍結(jié)。
又，這時，控制器41在驅(qū)動送水泵21和送水泵22的同時，對送水泵23進(jìn)行驅(qū)動使貯存于供水箱8中的水在補(bǔ)給水循環(huán)流路33中與冷卻水箱7之間循環(huán)。借助于此，在冷卻水箱7中通過熱回收熱交換器9中的熱交換而溫度上升的冷卻水與供水箱8提供的水混合，由于這一混合而溫度上升的水借助于溢流通過補(bǔ)給水循環(huán)流路33返回供水箱8，因此能夠使供水箱8中貯存的水的溫度高于規(guī)定的閾值溫度以上。也就是說，在燃料電池系統(tǒng)100中，能夠防止供水箱8和補(bǔ)給水循環(huán)流路33中的水凍結(jié)。
這樣的步驟S53中的水的循環(huán)動作，是在燃料電池系統(tǒng)100的某一個地方發(fā)生水可能凍結(jié)的低溫部分的情況下也能夠進(jìn)行的，非加熱型的保溫動作。又，如果采用該步驟S53的水循環(huán)動作，則在水通過溫水循環(huán)流路31、冷卻水循環(huán)流路32、以及補(bǔ)給水循環(huán)流路33進(jìn)行循環(huán)的期間，熱水箱10中貯存和保持的熱量被相互分享，因此在例如溫水用得少的夜間的發(fā)電運行停止期間是有效防止水凍結(jié)的手段。
在本實施形態(tài)中，將在冷卻水箱7和供水箱8中貯存的水的溫度低于規(guī)定的閾值溫度，而且熱水箱10中貯存70℃以上溫水的情況作為一個例子進(jìn)行了說明，但是可以認(rèn)為在步驟S53中的水的循環(huán)動作的形態(tài)和防止水凍結(jié)用的熱源的種類有各種形態(tài)和種類。
例如在冷卻水箱7和供水箱8中貯存的水的溫度低于規(guī)定的閾值溫度的情況下，即使不使用作為防止水凍結(jié)用的熱源的熱水箱10，也能夠以其熱容量大溫度不容易下降的燃料電池1作為熱源。在這種情況下，控制器41不驅(qū)動送水泵21，不使溫水循環(huán)流路31的溫水循環(huán)。而且控制器41通過驅(qū)動送水泵22使冷卻水在冷卻水循環(huán)流路32中循環(huán)。借助于此，在燃料電池1中受到加熱的冷卻水在冷卻水循環(huán)流路32中循環(huán)，因此能夠防止冷卻水箱7和冷卻水循環(huán)流路32中的冷卻水凍結(jié)。
又，這時控制器41通過驅(qū)動送水泵23使水在補(bǔ)給水循環(huán)流路33中循環(huán)。借助于此，在冷卻水箱7中溫度上升的冷卻水與供水箱8提供的水混合，因該混合而溫度上升的水通過溢流從補(bǔ)給水循環(huán)流路33返回供水箱8，因此供水箱8和補(bǔ)給水循環(huán)流路33中的水的凍結(jié)能夠得到防止。
又，根據(jù)情況，也可以使溫水循環(huán)流路31中的溫水循環(huán)停止，使水在冷卻水循環(huán)流路32或補(bǔ)給水循環(huán)流路33單獨循環(huán)。或在冷卻水循環(huán)流路32和補(bǔ)給水循環(huán)流路33兩個流路中使水同時循環(huán)，能夠用供水箱8和燃料電池1保持的熱量使冷卻水箱7、供水箱8、熱水箱10、以及與其相關(guān)的配管內(nèi)的溫度上升。
也就是說，在本實施形態(tài)中，只要燃料電池1、冷卻水箱7、供水箱8、熱水箱10等的至少某一個的狀態(tài)是能夠作為防止水凍結(jié)用的熱源使用的狀態(tài)，不管是什么結(jié)構(gòu)要素也可以作為熱源使用。又，根據(jù)作為被選擇的熱源的結(jié)構(gòu)要素適當(dāng)選擇水循環(huán)動作的形態(tài)，使水在溫水循環(huán)流路31、冷卻水循環(huán)流路32、補(bǔ)給水循環(huán)流路33中的至少任意一個循環(huán)流路中循環(huán)，以此能夠防止燃料電池系統(tǒng)100中的水凍結(jié)。
又，如圖2所示，根據(jù)預(yù)先測定的圖案適當(dāng)選擇和設(shè)定步驟S53所示的水的循環(huán)動作的動作條件(步驟S52)，根據(jù)該選擇和設(shè)定的動作條件進(jìn)行水的循環(huán)動作(步驟S53)，借助于此，可以防止燃料電池系統(tǒng)100中的水的凍結(jié)。
于是，采用本發(fā)明，只借助于啟動送水泵21～送水泵23等的最低限度的動作，就能夠可靠地防止燃料電池系統(tǒng)100的低溫處的水的凍結(jié)。又，最終能夠有效利用燃料電池系統(tǒng)100全體所保持的熱量。又如圖2所示，在步驟S54中進(jìn)行水的循環(huán)動作期間，當(dāng)然也利用溫度檢測器17、溫度檢測器18、溫度檢測器20對各部分的溫度進(jìn)行適當(dāng)確認(rèn)(步驟S49)，適當(dāng)確認(rèn)燃料電池系統(tǒng)100的狀況(步驟S49～步驟S53)。
另一方面，控制器41根據(jù)溫度檢測器17、溫度檢測器18、溫度檢測器20檢測出的溫度，判定燃料電池系統(tǒng)100中防止水的凍結(jié)用的熱源完全沒有，因此判定有必要對水進(jìn)行加熱的情況下(步驟S51中判定為是)，對水進(jìn)行加熱(步驟S56)。
例如，控制器41一旦確認(rèn)溫度檢測器17檢測出的冷卻水箱7的冷卻水的溫度低于閾值溫度1℃，為0.5℃，用戶按壓控制部41的加熱按鈕45的情況下(步驟S55中判定為是)，通過對冷卻水箱7內(nèi)部配設(shè)的加熱器24提供規(guī)定的電力，將冷卻水箱7的冷卻水溫度加熱到1℃。這時，對加熱器24的電力提供不必要進(jìn)行到冷卻水的溫度顯著高溫升高。也就是說，對該加熱器24的電力供應(yīng)只要進(jìn)行到冷卻水的溫度達(dá)到可防止水凍結(jié)的程度下的溫度即可。而這時對加熱器24的電力供應(yīng)一邊利用溫度檢測器17確認(rèn)冷卻水的溫度(步驟S49)(步驟S49～步驟S51、步驟S56)，一邊利用控制器41進(jìn)行適當(dāng)控制。
還有，在步驟S51中，用于判定是否有必要對水進(jìn)行加熱的閾值溫度(例如1℃)可以是與步驟S50使用的規(guī)定的閾值溫度相同的溫度，也可以采用不同的溫度。在這種情況下，將如上所述在步驟S51使用的閾值溫度設(shè)定為比在步驟S50使用的規(guī)定的閾值溫度低的溫度，借助于此，可以抑制提供給加熱器24的電力量，因此能夠進(jìn)行控制以進(jìn)一步抑制能量消耗。
于是，控制器41一旦確認(rèn)溫度檢測器17檢測出的冷卻水箱7的冷卻水的溫度達(dá)到與閾值溫度相等的1℃，就將該冷卻水箱7作為規(guī)定的保溫動作用的熱源使用，在冷卻水循環(huán)流路32中使冷卻水循環(huán)，執(zhí)行作為規(guī)定的保溫動作的水的循環(huán)動作(步驟S53)。
另一方面，如上所述，在判定為需要對水進(jìn)行加熱的情況下(在步驟S51中判定為是)沒有按壓加熱按鈕45時，不進(jìn)行步驟S56所示的水的加熱操作和步驟S53所示的水的循環(huán)動作，返回步驟S42所示的模式選擇的執(zhí)行(步驟S55中判定為否)，也可以利用手動操作或自動操作，切換到使燃料電池系統(tǒng)100轉(zhuǎn)移到休眠狀態(tài)的長期運行停止模式(步驟S43中判定為否)。例如由于是眾所周知的控制操作，所以不進(jìn)行詳細(xì)說明，但是在冷卻水箱7中的冷卻水的溫度為規(guī)定的閾值溫度(例如3℃)以下的閾值溫度(例如1℃)以下的溫度的情況下，不執(zhí)行水的加熱操作(步驟S56)和水的循環(huán)動作(步驟S53)，返回步驟S42，引向使燃料電池系統(tǒng)100轉(zhuǎn)移到休眠狀態(tài)的長期運行停止模式的情況下的動作是可能的。
又如圖2所示，判定為規(guī)定的保溫動作是必要的(步驟S50中判定為是)，判定為水的加熱沒有必要(步驟S51中判定為否)，執(zhí)行步驟S53所示的水的循環(huán)動作之后，根據(jù)步驟S49所示的溫度確認(rèn)判定有必要對水進(jìn)行加熱的情況下(步驟S51中判定為是)，返回步驟S42所示的模式選擇的執(zhí)行，可以切換到使燃料電池系統(tǒng)100轉(zhuǎn)移到休眠狀態(tài)的長期運行停止模式(步驟S43中判定為否)。這樣的控制由于用戶不按壓控制器41所具備的加熱按鈕45，能夠根據(jù)需要進(jìn)行選擇。在這些情況下，控制器41按照預(yù)先設(shè)定于控制器41的存儲裝置中的動作條件(步驟S54)切換到長期運行停止模式。
通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，只在燃料電池系統(tǒng)100貯存的熱有剩余的期間實施規(guī)定的保溫動作，不對加熱器24提供電力，因此不大量消耗能量，就能夠防止在發(fā)電運行停止期間水凍結(jié)。
又如圖2所示，在本實施形態(tài)中，預(yù)先設(shè)置進(jìn)行模式選擇的步驟為步驟S42，但是該模式選擇步驟并非必須的步驟。也就是說，也可以采用在進(jìn)行步驟S41所示的燃料電池系統(tǒng)100的發(fā)電運行停止操作之后，控制器41利用溫度檢測器17、溫度檢測器18、以及溫度檢測器20判定有必要分別對冷卻水箱7、供水箱8、以及熱水箱10貯存的水進(jìn)行加熱的情況下，自動執(zhí)行步驟S44～步驟S48所示的排水控制的，不進(jìn)行模式選擇的一種控制系統(tǒng)。即使是采用這樣的結(jié)構(gòu)，也能夠不大量消耗能量，就能防止發(fā)電運行的停止期間水的凍結(jié)。
又，在本實施形態(tài)中，對控制器41具備長期停止按鈕43和短期停止按鈕44兩者的形態(tài)進(jìn)行了說明，但是本實施形態(tài)不限于此，也可以是僅具備長期停止按鈕43和短期停止按鈕44中的任意一個的形態(tài)。
例如，在控制器41僅具備長期停止按鈕43，由用戶按壓該長期停止按鈕43的情況下，控制器41打開排水閥25、排水閥26、以及排水閥27，從熱水箱10、冷卻水箱7、以及供水箱8排水。另一方面，在用戶沒有按壓長期停止按鈕43的情況下，在溫度檢測器17、溫度檢測器18、以及溫度檢測器20檢測出的水溫中的任何一個低于規(guī)定的閾值溫度的情況下，控制器41使水在溫水循環(huán)流路31、冷卻水循環(huán)流路32、以及補(bǔ)給水循環(huán)流路33中的至少任何一個循環(huán)。又，在溫度檢測器17、溫度檢測器18、以及溫度檢測器20檢測出的水溫中的任何一個都低于規(guī)定的閾值溫度的情況下，控制器41打開排水閥25、排水閥26、以及排水閥27從熱水箱10和冷卻水箱7以及供水箱8排水。
又，在例如控制器41僅具備短期停止按鈕44，由用戶按壓該短期停止按鈕44的情況下，而且在溫度檢測器17、溫度檢測器18、以及溫度檢測器20檢測出的水溫的任意一個未滿規(guī)定的閾值溫度的情況下，控制器41使水在溫水循環(huán)流路31、冷卻水循環(huán)流路32、以及補(bǔ)給水循環(huán)流路33中的至少一個循環(huán)。又，在在溫度檢測器17、溫度檢測器18、以及溫度檢測器20檢測出的水溫中的任何一個都未滿規(guī)定的閾值溫度的情況下，控制器41打開排水閥25、排水閥26、排水閥27從熱水箱10、冷卻水箱7、以及供水箱8排水。另一方面，在用戶未按壓短期停止按鈕44的情況下，控制器41打開排水閥25、排水閥26、排水閥27從熱水箱10、冷卻水箱7、以及供水箱8排水。
即使是在這樣的實施形態(tài)下，也能夠得到與本實施形態(tài)得到的效果相同的效果。
如上所述，在本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)100中，在進(jìn)行發(fā)電運行的停止操作之后，使溫水循環(huán)流路31、冷卻水循環(huán)流路32、以及補(bǔ)給水循環(huán)流路33中分別存在的水對應(yīng)于在溫度檢測器17、溫度檢測器18、以及溫度檢測器20分別檢測出的溫度單獨和多個同時循環(huán)(在短期運行停止模式的情況下)，或是打開排水閥25、排水閥26、以及排水閥27進(jìn)行排水(長期運行停止模式的情況下)，根據(jù)控制器41的長期停止按鈕43或短期停止按鈕44的操作，由控制器41進(jìn)行控制。借助于此，能夠有效利用燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部局部存在的熱能的防止水凍結(jié)用的保溫動作能夠容易而且經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行。
又，在本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)100中，在其內(nèi)部局部存在的熱能使用完的情況下，和燃料電池系統(tǒng)100轉(zhuǎn)移到長期休眠狀態(tài)的情況下，將其內(nèi)部存在的全部水排出到外部。借助于此，能夠提供不必為防止水的凍結(jié)注入大量的能量的，能夠經(jīng)濟(jì)地維持和管理的燃料電池系統(tǒng)。
又，在本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)100中，在選擇短期間運行休止之后希望迅速地再度啟動的短期運行停止模式的情況下，在其內(nèi)部貯存的規(guī)定的保溫動作用的熱能不足的情況下，借助于加熱器等最低限度需要的能量對水進(jìn)行加熱并使其循環(huán)。借助于此，可以提供可維持于能夠可靠地防止水的凍結(jié)，同時容易再度啟動的運行待機(jī)狀態(tài)的燃料電池系統(tǒng)。
又，如果采用本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)100，則通過確保在進(jìn)行發(fā)電運行的停止操作之后只要簡單選擇和操作使燃料電池系統(tǒng)100長時間休止還是短時間休止的方便性的運行控制，能夠最佳地確保和維持管理的可靠性和經(jīng)濟(jì)性以及作為能量供給裝置與需求的對應(yīng)性能。又能夠提供具有能夠與由于發(fā)電運行停止之前的運行安排而有各種變化的內(nèi)部溫度狀態(tài)無關(guān)地適當(dāng)判定必要條件而且能夠靈活應(yīng)對的特性，能夠有效確保在能量損失少的條件下再度啟動和安全性能的燃料電池系統(tǒng)。
實施形態(tài)2本發(fā)明實施形態(tài)2中，例示了燃料電池系統(tǒng)具有作為燃料供給裝置的重整器和加熱器，利用該加熱器發(fā)生的熱量防止水的凍結(jié)的實施形態(tài)。
圖3是本發(fā)明實施形態(tài)2所示的燃料電池系統(tǒng)的要部結(jié)構(gòu)的示意圖。還有，在圖3中，只表示出說明本發(fā)明的概念所需要的結(jié)構(gòu)要素，對于不需要的結(jié)構(gòu)要素和與實施形態(tài)1所示的結(jié)構(gòu)要素相同的結(jié)構(gòu)要素省略其圖示。
又，在圖3中，與圖1所示的結(jié)構(gòu)要素相同的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)以與圖1中所示的符號相同的符號。
如圖3所示，本發(fā)明實施形態(tài)2所示的燃料電池系統(tǒng)200，作為燃料供給裝置具有用包含所提供的城市煤氣、甲烷、天然氣、甲醇等為例的至少有碳和氫構(gòu)成的有機(jī)化合物的原料，借助于接觸重整用的重整催化劑生成作為燃料氣體的重整氣體的重整器29、以及加熱和維持該重整器29的溫度于接觸重整所需要的適當(dāng)溫度用的燃燒器28。還有，在燃料電池系統(tǒng)200進(jìn)行發(fā)電運行時，上述原料被提供給燃燒器28與重整器29兩者。
又如圖3所示，該燃料電池系統(tǒng)200在利用送水泵22使冷卻水通過冷卻水箱7、燃料電池1、加濕裝置4、以及熱回收熱交換器9循環(huán)的冷卻水循環(huán)流路32中的燃料電池1與加濕裝置4之間具備一對流路切換閥30、30。這一對流路切換閥30、30分別由三通閥構(gòu)成。
又如圖3所示，該燃料電池系統(tǒng)200具備通過一流路切換閥30與另一流路切換閥30連接的旁通流路34。而且該旁通流路34的，在圖3左方位置上的U字形的折返部配置于燃燒器28內(nèi)部。
也就是說，本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)200具備通過適當(dāng)操作流路切換閥30、30在冷卻水循環(huán)流路32的中途插入旁通流路34的結(jié)構(gòu)。借助于此，在冷卻水循環(huán)流路32中，通過冷卻水箱7、燃料電池1、加濕裝置4、熱回收熱交換器9循環(huán)的冷卻水在冷卻水循環(huán)流路32和旁通流路34中通過冷卻水箱7、燃料電池1、燃燒器28、加濕裝置4、熱回收熱交換器9循環(huán)。
又如圖3所示，該燃料電池系統(tǒng)200具備控制對重整器29和燃燒器28的原料供應(yīng)和切斷用的開閉閥47。又，該燃料電池系統(tǒng)200具備還控制對重整器29的原料供應(yīng)或切斷的開閉閥48。
還有，構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)200的其他結(jié)構(gòu)要素與實施形態(tài)1所示的燃料電池系統(tǒng)100的對應(yīng)的結(jié)構(gòu)要素相同。
在本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)200中，在其發(fā)電運行停止時，通過按壓控制部41中具備的停止開關(guān)42，開閉閥48從打開狀態(tài)轉(zhuǎn)移到關(guān)閉狀態(tài)，停止對重整器29的原料供應(yīng)。于是，重整器29中的重整氣體的生成停止，對燃料電池1的重整氣體供應(yīng)停止，因此，燃料電池1停止電力和熱量的發(fā)生。在該停止?fàn)顟B(tài)繼續(xù)時，與實施形態(tài)1所示的燃料電池系統(tǒng)100的情況一樣，由于向大氣中放熱，構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)200的各構(gòu)成要素的溫度下降，因此冷卻水循環(huán)流路32的水溫不久就接近水的凍結(jié)溫度區(qū)域。
因此，在本實施形態(tài)中，控制器41一旦確認(rèn)例如溫度檢測器17檢測出的冷卻水溫度下降到預(yù)先設(shè)定的規(guī)定的閾值溫度(例如3℃)以下，就在按壓了短期停止按鈕44和加熱按鈕45的條件下，流路切換閥30、30根據(jù)控制器41的指令動作，在冷卻水循環(huán)流路32的中途插入旁通流路34。借助于此，冷卻水一邊迂回通過旁通流路34，一邊通過冷卻水循環(huán)流路32循環(huán)。
又同時利用控制器41打開開閉閥47，對燃燒器28提供原料。燃燒器28利用原料使燃燒開始，開始利用其燃燒發(fā)生熱量。
于是，利用送水泵22的動作強(qiáng)制通過冷卻水循環(huán)流路32循環(huán)的冷卻水的溫度由燃燒器28生成的熱量加熱升高溫度。也就是說，在本實施形態(tài)中，取代燃料電池1或熱水箱10等，將燃料供給裝置2的燃燒器28作為防止水凍結(jié)的熱源使用。而且與實施形態(tài)1所示的燃料電池系統(tǒng)100的情況一樣，該溫度上升的冷卻水的熱量通過冷卻水箱7和熱回收熱交換器9傳遞到其他水循環(huán)流路。以此能夠防止燃料電池系統(tǒng)200中的水的凍結(jié)。
還有，在本實施形態(tài)中，對燃燒器28的原料供應(yīng)量和原料的供應(yīng)或切斷根據(jù)溫度檢測器17檢測出的冷卻水的溫度由控制器41進(jìn)行適當(dāng)控制，以使通過冷卻水循環(huán)流路32循環(huán)的冷卻水的溫度不過度上升。借助于此，在本實施形態(tài)中，能夠在燃料電池系統(tǒng)200中得到防止水的凍結(jié)所需要的足夠的熱能。
又，在本實施形態(tài)中，對在冷卻水循環(huán)流路32設(shè)置流路切換閥30、30能夠插入旁通流路34的形態(tài)進(jìn)行了說明，但是并不限于這種形態(tài)，也可以采用可在溫水循環(huán)流路31或補(bǔ)給水循環(huán)流路33上設(shè)置流路切換閥30、30插入旁通流路34的形態(tài)。但是在冷卻水循環(huán)流路32設(shè)置流路切換閥30、30的形態(tài)在使燃料電池系統(tǒng)200開始發(fā)電運行之前的預(yù)熱階段是能夠利用在燃燒器28中原料的燃燒使重整器29升溫同時燃料電池1也一起升溫的形態(tài)，因此是最理想的形態(tài)。另一方面，由于溫度上升的水使得凈水器12具有的離子交換樹脂的功能有可能下降，在補(bǔ)給水循環(huán)流路33上設(shè)置流路切換閥30、30從而能夠插入旁通流路的形態(tài)是不理想的。
又，為了繼續(xù)防止水的凍結(jié)所需要的能量因燃料電池系統(tǒng)200設(shè)置的場所的環(huán)境溫度、在燃料電池系統(tǒng)200中水存在的地方的保溫結(jié)構(gòu)等因素而有一些差異，但是通常為數(shù)瓦特/分～數(shù)十瓦特/分左右。但是，在燃料電池系統(tǒng)200中，對冷卻水的容量供應(yīng)沒有必要平均化地繼續(xù)進(jìn)行。例如，在燃料電池系統(tǒng)200中，利用冷卻水箱7中貯存的冷卻水的熱容量(保溫性)，在冷卻水的溫度被燃燒器28加熱到規(guī)定的溫度之后，對冷卻水的能量供應(yīng)也可以間歇性進(jìn)行，在冷卻水的溫度降低到水的凍結(jié)溫度區(qū)域之前停止燃燒器28的工作。借助于此，在燃燒器28繼續(xù)進(jìn)行微量氣體的燃燒變得沒有必要，因此能夠在重整器29的通常的加熱方法下防止燃料電池系統(tǒng)中的水的凍結(jié)。
如上所述，如果采用本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)200，則將用重整器29將原料重整生成重整氣體所需的結(jié)構(gòu)要素、即燃燒器28作為熱源使用，只通過在冷卻水循環(huán)流路32上附加流路切換閥30、30，就能夠簡單而且容易地防止水的凍結(jié)。
實施形態(tài)3本發(fā)明的實施形態(tài)3中，例示了利用燃料電池系統(tǒng)通常具備的用于維持熱水箱貯存的溫水的溫度備用加熱器，使用該備用加熱器發(fā)生的熱量防止水的凍結(jié)的形態(tài)。
圖4是本發(fā)明實施形態(tài)3所示的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。還有，在圖4中，只圖示出說明本發(fā)明的概念所需要的結(jié)構(gòu)要素，對于不需要的結(jié)構(gòu)要素以及與實施形態(tài)1和實施形態(tài)2所示的共同的結(jié)構(gòu)要素省略其圖示。
又，在圖4中，對于與圖1所示的結(jié)構(gòu)要素相同的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)以與圖1所示的符號相同的符號。
如圖4所示，本發(fā)明實施形態(tài)3所示的燃料電池系統(tǒng)300在溫水循環(huán)流路31的規(guī)定的位置上具備將熱水箱10貯存的溫水的溫度維持于規(guī)定的溫度用的備用加熱器15。在本實施形態(tài)中，該備用加熱器15為向熱回收熱交換器9提供高溫狀態(tài)的溫水(或為高效率對熱回收熱交換器9提供溫水具有的熱)，配設(shè)于溫水從溫水循環(huán)流路31的熱水箱10的上部向熱回收熱交換器9流動的部分的規(guī)定位置上。又，在本實施形態(tài)中，該備用加熱器15使通過圖4所示的開閉閥49提供的城市煤氣等燃燒，利用該城市煤氣等燃燒發(fā)生的熱量加熱溫水。
本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)300中，與已有的燃料電池系統(tǒng)的情況一樣，在例如熱水箱10中高溫狀態(tài)的溫水量不足的情況下，燃料電池1的狀態(tài)即使是進(jìn)行發(fā)電的狀態(tài)也同時使用備用加熱器15，能夠從供熱水口16需要數(shù)量的溫水。還有，在這種情況下，熱水箱10中貯存的溫水利用送水泵21依序分別通過送水泵21、熱回收熱交換器9、備用加熱器15、熱水箱10循環(huán)。
又，在執(zhí)行規(guī)定的保溫動作時，與實施形態(tài)1所示的燃料電池系統(tǒng)100的情況一樣，控制送水泵21的送水方向使其與通常的發(fā)電運行時的情況相反方向。然后，在熱回收熱交換器9與熱水箱10之間利用送水泵21壓送溫水，使溫水循環(huán)，使其從熱水箱10的上部取出又返回?zé)崴?0的下部。另一方面，如圖4所示，在溫水循環(huán)流路31的規(guī)定的位置上配設(shè)備用加熱器15。借助于此，利用備用加熱器15對流過溫水循環(huán)流路31的溫水進(jìn)行加熱，因此熱水箱10中貯存的溫水的溫度得到控制。
還有，構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)300的其他結(jié)構(gòu)要素與實施形態(tài)1所示的燃料電池系統(tǒng)100的對應(yīng)的結(jié)構(gòu)要素相同。
在本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)300中，控制器41一旦確認(rèn)例如溫度檢測器17檢測出的冷卻水的溫度下降到預(yù)先設(shè)定的規(guī)定的閾值溫度(例如3℃)以下，就利用控制器41的指令驅(qū)動送水泵21，在溫水循環(huán)流路31中使水循環(huán)。
又，同時利用控制器41打開開閉閥49，向備用加熱器15提供城市煤氣等。借助于此，備用加熱器15利用城市煤氣等開始燃燒，開始利用其燃燒發(fā)生熱量。
于是，借助于送水泵21的動作強(qiáng)制性通過溫水循環(huán)流路31循環(huán)的水的溫度由于備用加熱器15生成的熱量加熱而升高溫度。也就是說，在本實施形態(tài)中，使用備用加熱器15代替燃料電池1或燃燒器28等作為防止水的凍結(jié)用的熱源使用。而且，與實施形態(tài)1所示的燃料電池系統(tǒng)100的情況一樣，該溫度上升了的溫水的熱量通過熱回收熱交換器9傳遞到其他水循環(huán)流路(在這里是冷卻水循環(huán)流路32)。又，在控制器41確認(rèn)了溫度檢測器18檢測出的水的溫度下降到預(yù)先設(shè)定的規(guī)定的閾值溫度(例如3℃)以下的情況下，溫度升高了的溫水的熱量通過熱回收熱交換器9和冷卻水箱7傳遞給補(bǔ)給水循環(huán)流路33。借助于此，能夠防止燃料電池系統(tǒng)300中的水的凍結(jié)。
還有，在本實施形態(tài)中，對備用加熱器15燃燒城市煤氣等發(fā)熱的形態(tài)進(jìn)行了說明，但是并不限于該形態(tài)，也可以采用備用加熱器15用電發(fā)熱體等其他加熱器構(gòu)成的形態(tài)。
如上所述，如果采用本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)300，則不必要為了防止水的凍結(jié)設(shè)置特別的結(jié)構(gòu)要素，將通常具備的結(jié)構(gòu)要素作為熱源使用就能夠可靠而且簡便地防止燃料電池系統(tǒng)中的水的凍結(jié)。
實施形態(tài)4本發(fā)明的實施形態(tài)4在溫水循環(huán)流路31、冷卻水箱7、以及供水箱8中配設(shè)的排水閥25、排水閥26、排水閥27的構(gòu)成以及使用這些構(gòu)件的燃料電池系統(tǒng)的動作上具有特征。
圖5是本發(fā)明實施形態(tài)4所示的燃料電池系統(tǒng)的排水閥及其周邊部的結(jié)構(gòu)的示意圖。還有，在圖5中，僅圖示出說明本發(fā)明的概念所必須的結(jié)構(gòu)要素，對于不需要的結(jié)構(gòu)要素以及與實施形態(tài)1、實施形態(tài)2和實施形態(tài)3所示的結(jié)構(gòu)要素相同的結(jié)構(gòu)要素在該圖示中省略。
又，在圖5中，對于與圖1所示的結(jié)構(gòu)要素相同的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)以與圖1所示的符號相同的符號。
又，在圖5中，表示出排水閥25、排水閥26、排水閥27之中、排水閥26及其周邊部的結(jié)構(gòu)。
如圖5所示，本發(fā)明的實施形態(tài)是所示的燃料電池系統(tǒng)400，與實施形態(tài)1所示的燃料電池系統(tǒng)100的情況一樣，在冷卻水箱7的底部近旁具備排水閥26。在本實施形態(tài)中，該排水閥26具備其狀態(tài)僅在通電時為開放狀態(tài)的常閉型電磁閥35、在該電磁閥35的電氣端子與其電氣端子電氣連接時為使電磁閥35的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到開放狀態(tài)而提供的電能的貯存用的蓄電器36、檢測燃料電池系統(tǒng)400周邊的外部氣體溫度檢測器37、以及關(guān)聯(lián)控制這些動作的閥控制器38。還有，在本實施形態(tài)中，使用電容器作為蓄電器36。又，排水閥25和排水閥27也分別具有與圖5所示的排水閥26相同的結(jié)構(gòu)(在圖5中沒有特別表示)。
還有，構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)400的其他結(jié)構(gòu)要素與實施形態(tài)1所示的燃料電池系統(tǒng)100的對應(yīng)的結(jié)構(gòu)要素相同。
下面參照附圖對本發(fā)明就帶有特征性的，燃料電池系統(tǒng)400的使用排水閥25、排水閥26和排水閥27的動作進(jìn)行說明。
圖6是本發(fā)明實施形態(tài)4所示的燃料電池系統(tǒng)的動作的流程圖。
如圖6所示，本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)400中，在其發(fā)電運行期間(步驟S61)，通過圖5所示的閥控制器38在蓄電器36進(jìn)行保存電能的充電處理(步驟S62、步驟S68)。借助于此，如果從蓄電器36對電磁閥35提供電能，則排水閥26準(zhǔn)備著，能夠在任何時候都能夠轉(zhuǎn)移到打開狀態(tài)。
另一方面，在圖1所示的控制器41的停止開關(guān)42被操作，燃料電池系統(tǒng)400的發(fā)電運行停止(步驟S63)，控制器41的短期停止按鈕44被選擇和操作，選擇了執(zhí)行規(guī)定的保溫動作的選擇分支時，在進(jìn)行其后的靜置或保溫等處置的期間，在排水閥26中，利用外部氣體溫度檢測器37確認(rèn)其周邊的外部氣體溫度(步驟S64)。然后利用控制器41判定外部氣體的溫度是否為表示接近水的凍結(jié)溫度區(qū)域的溫度的規(guī)定的閾值溫度(例如3℃)以下，以此判斷防止燃料電池系統(tǒng)400時有無發(fā)生水凍結(jié)的危險(步驟S65)。
其結(jié)果是，即使是在步驟S65中判定為有危險的情況下(步驟S65中判定為是)，或即使是判定為沒有危險的情況下(步驟S65中判定為否)，進(jìn)入下一步驟、即確認(rèn)有無發(fā)生停電用的步驟(步驟S66)。
接著，控制器41進(jìn)行控制，一旦確認(rèn)停電沒有發(fā)生(步驟S66中判定為否)，就返回步驟S64，再度確認(rèn)外部氣體的溫度。但是，控制器41一旦確認(rèn)發(fā)生停電(步驟S66中判定為是)，就根據(jù)步驟S65的判定結(jié)果執(zhí)行規(guī)定的控制。
具體地說，控制器41如圖6所示，在步驟S65判定為沒有發(fā)生水凍結(jié)的危險(步驟S65中判定為否)，同時確認(rèn)發(fā)生停電時(步驟S66中判定為是)，停止涉及燃料電池系統(tǒng)400的全部動作(步驟S67)。另一方面，控制器41一旦判定在步驟S65有發(fā)生水凍結(jié)的危險(步驟S65中判定為是)，同時確認(rèn)發(fā)生停電(步驟S66中判定為是)，就從蓄電器36對電磁閥35提供電能(步驟S69)，然后打開排水閥26(步驟S70)。借助于此，執(zhí)行通過排水閥26(以及排水閥25、排水閥27)的排水處理，因此燃料電池系統(tǒng)400內(nèi)部存在的全部水被排出到其外部。還有，蓄電器36具有的全部電能被提供給電磁閥35，一旦蓄電器36的放電結(jié)束，電磁閥35自動關(guān)閉，因此排水閥35的狀態(tài)從開放狀態(tài)轉(zhuǎn)移到關(guān)閉狀態(tài)(步驟S71)。又，控制器41停止涉及燃料電池系統(tǒng)400的全部動作(步驟S72)。
還有，在停電時雖然沒有達(dá)到規(guī)定的閾值溫度，但是，在處置完后溫度也可能下降。但是，在這種情況下，由于有利用手動方法檢測溫度和進(jìn)行對策處理的時間能夠順利應(yīng)對而不發(fā)生問題。又，在本實施形態(tài)中，對蓄電器36采用電容器的形態(tài)進(jìn)行了說明，但是不限于這一實施形態(tài)，只要是能夠貯存電能，也可以采用蓄電池等。
如上所述，如果采用本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)400，則即使是發(fā)生緊急停電的情況下，也能夠利用閥控制器38具備的排水閥動作支持功能，在水有凍結(jié)危險的情況下，將水排出后停止以保護(hù)燃料電池系統(tǒng)。又，即使在緊急時也能夠保護(hù)燃料電池系統(tǒng)不發(fā)生破壞。
又，如果采用本實施形態(tài)的燃料電池系統(tǒng)400，則由于蓄電器36的放電結(jié)束，電磁閥35的狀態(tài)將自動返回作為通常狀態(tài)的關(guān)閉狀態(tài)，因此特別不耐干燥的燃料電池1也不會發(fā)生劣化，能夠維持于規(guī)定的狀態(tài)。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)作為能夠在抑制能量損失、操作繁雜以及缺少機(jī)動性的同時，可靠防止水的凍結(jié)造成的故障的發(fā)生，能夠維持和確保安全的發(fā)電運行，作為這樣的燃料電池系統(tǒng)能夠在工業(yè)上得到使用。
又，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)能夠有效地利用發(fā)生的電能和發(fā)生的熱量，作為家庭或業(yè)務(wù)上使用的熱電聯(lián)供系統(tǒng)在工業(yè)上能夠得到使用。
又，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)作為以電力為動力源的電動汽車、負(fù)重運輸設(shè)備等移動裝置用的燃料電池系統(tǒng)能夠在工業(yè)上得到應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，具備使用含氫的燃料氣體與含氧的氧化劑氣體進(jìn)行發(fā)電的燃料電池、貯存冷卻水的冷卻水箱、使所述冷卻水通過所述冷卻水箱進(jìn)行循環(huán)，回收伴隨所述燃料電池發(fā)電發(fā)生的熱，使該燃料電池冷卻的冷卻水循環(huán)流路、貯存溫水的熱水箱、使所述溫水經(jīng)過所述熱水箱循環(huán)的溫水循環(huán)流路、在通過所述冷卻水循環(huán)流路循環(huán)的所述冷卻水與通過所述溫水循環(huán)流路循環(huán)的所述溫水之間進(jìn)行熱交換用的熱交換器、從所述冷卻水循環(huán)流路和所述冷卻水箱中的至少任意一個以及所述溫水循環(huán)流路和所述熱水箱中的至少任意一個各自排水用的排水閥、對所述冷卻水循環(huán)流路和所述冷卻水箱中的至少任意一個、所述溫水循環(huán)流路和所述熱水箱中的至少任意一個中各自的水溫進(jìn)行檢測的溫度檢測器、以及控制器，其特征在于，所述控制器根據(jù)所述燃料電池停止發(fā)電時所述溫度檢測器檢測出的所述水溫，至少在所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的任意一個中至少使所述冷卻水和所述溫水中的任一種水循環(huán)，或打開排水閥進(jìn)行排水，任意選擇其一。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還具備對所述冷卻水箱補(bǔ)充水用的供水箱、在所述冷卻水箱與所述供水箱之間使所述水循環(huán)的補(bǔ)給水循環(huán)流路、從所述補(bǔ)給水循環(huán)流路和所述供水箱中的至少任一個排水用的排水閥、以及在所述補(bǔ)給水循環(huán)流路和所述供水箱中的至少任一個檢測水溫的溫度檢測器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在所述溫度檢測器檢測出的所述水溫中的任意一個未滿規(guī)定的閾值溫度的情況下，至少使所述冷卻水和所述溫水中的任一種循環(huán)，其后在所述水溫全部未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，打開所述排水閥進(jìn)行排水。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在所述冷卻水箱和所述冷卻水循環(huán)流路中的至少任意一個中具備加熱所述冷卻水用的第1加熱器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在所述熱水箱和所述溫水循環(huán)流路中的至少任意一個中具備加熱所述溫水用的第2加熱器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具備將包含至少由碳和氫構(gòu)成的有機(jī)化合物的原料重整生成所述燃料氣體的重整器、將所述重整器的溫度加熱并且保持于所述重整需要的規(guī)定溫度用的第3加熱器、從所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的至少一個向第3加熱器迂回的迂回流路、以及切換到所述迂回流路用的流路切換閥，形成所述迂回流路的一部分能夠利用所述第3加熱器加熱的結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具備作為所述排水閥的常閉型電磁閥、檢測所述常閉型電磁閥近旁外部氣體的溫度的外部氣體溫度檢測器、利用所述燃料電池的所述發(fā)電得到所述常閉型電磁閥打開用的電能加以貯存的蓄電器、以及第2控制器，所述第2控制器在停電時根據(jù)所述外部氣體溫度檢測器檢測出的所述外部氣體溫度，從所述蓄電器提供所述電能，使所述常閉型電磁閥打開排水。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第2控制器在停電時所述外部氣體溫度檢測器檢測出的所述外部氣體溫度未滿所述規(guī)定的閾值溫度時，從所述蓄電器提供所述電能，使所述常閉型電磁閥打開排水。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器還具備選擇所述燃料電池的所述發(fā)電長期運行停止用的第1模式選擇指令輸入部，所述控制器在從所述第1模式選擇指令輸入部輸入表示選擇所述長期運行停止的意思的指令的情況下打開所述排水閥排水，在沒有輸入表示選擇所述長期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫的任意一個未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，至少在所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的任意一個中至少使所述冷卻水和所述溫水中的任一種循環(huán)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器在沒有輸入選擇所述長期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫都未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，打開所述排水閥排水。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器還具備選擇所述燃料電池的所述發(fā)電短時間運行停止用的第2模式選擇指令輸入部，所述控制器在從所述第2模式選擇指令輸入部輸入選擇所述短期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫的任意一個未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，至少在所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的任意一個中至少使所述冷卻水和所述溫水中的任一種循環(huán)，在沒有輸入表示選擇所述短期運行停止的意思的指令的情況下，打開所述排水閥排水。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器在輸入選擇所述短期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫中的任意一個溫度都未滿所述規(guī)定的閾值溫度時，打開所述排水閥排水。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器還具備選擇所述燃料電池的所述發(fā)電長期運行停止或短期運行停止用的第3模式選擇指令輸入部，所述控制器在從所述第3模式選擇指令輸入部輸入選擇所述長期運行停止的意思的指令的情況下，打開所述排水閥進(jìn)行所述排水，在輸入選擇所述短期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫中的任一個未滿所述規(guī)定的閾值溫度的情況下，至少在所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的任一個中至少使所述冷卻水和所述溫水中的任一種循環(huán)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在所述控制器輸入選擇所述短期運行停止的意思的指令而且所述溫度檢測器檢測出的所述水溫中的任何一個都未滿所述規(guī)定的溫度閾值的情況下，打開所述排水閥排水。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，具備燃料電池(1)、冷卻水箱(7)及冷卻水箱循環(huán)流路(32)、熱水箱(10)及溫水循環(huán)流路(31)、熱交換器(9)、排水閥(25)～(27)、溫度檢測器(17)、(18)、(20)、以及控制器(41)，所述控制器根據(jù)所述燃料電池停止發(fā)電時所述溫度檢測器檢測出的水溫，至少在所述冷卻水循環(huán)流路和所述溫水循環(huán)流路中的任意一個中至少使冷卻水和溫水中的任一種循環(huán)，或打開排水閥進(jìn)行排水，選擇其任意一個。
文檔編號H01M8/00GK1910775SQ20058000218
公開日2007年2月7日 申請日期2005年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月19日
發(fā)明者川崎良隆, 原田照丸, 西川隆 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社