CN100448083C - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统，具备：燃料电池(1)、冷却水箱(7)及冷却水箱循环流路(32)、热水箱(10)及温水循环流路(31)、热交换器(9)、排水阀(25)～(27)、温度检测器(17)、(18)、(20)、以及控制器(41)，所述控制器根据所述燃料电池停止发电时所述温度检测器检测出的水温，至少在所述冷却水循环流路和所述温水循环流路中的任意一个中至少使冷却水和温水中的任一种循环，或打开排水阀进行排水，选择其任意一个。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，涉及具备利用燃料气体和氧化剂气体进行发电的燃料电池的热电联供系统。

背景技术

向来，能够进行高效率小规模发电的燃料电池系统，由于容易构筑利用发电时发生的热能用的系统同时能够实现高能量利用效率，适合作为分散型发电系统使用。

燃料电池系统作为其发电部的主体具有燃料电池组(以下简称为燃料电池)。作为这种燃料电池，通常使用高分子电解质型燃料电池或磷酸型燃料电池。特别是高分子电解质型燃料电池，由于能够在比较低的温度下进行稳定发电，适合使用作为构成燃料电池组系统的燃料电池。

高分子电解质型燃料电池，作为其电解质膜具有高分子离子交换膜、例如具有磺酸基的含氟树脂系的高分子离子交换膜。在该高分子离子交换膜等电解质膜的两个面上分别设置例如白金催化剂构成的燃料极(阳极)和氧极(阴极)。又，这些燃料极和氧极上分别设置多孔质碳电极。以此在构成高分子电解质型燃料电池的膜电极接合体(简称MEA)。而且该膜电极接合体用分别设置流通燃料气体、氧化剂气体、以及冷却水用的流路的隔离层挟持，以此构成单个电池。又，该单个电池多层叠层构成高分子电解质型燃料电池。

在这样的高分子电解质型燃料电池中，在其发电运行时，对燃料极一侧提供氢气或富氢燃料气体(例如重整气体)。又对氧极一侧提供作为氧化剂的含氧的氧化剂气体(例如空气)。于是，在该高分子电解质型燃料电池中，在燃料极上生成的氢离子借助于水通过电解质膜的内部移动到氧极上，在该氧极上经过外部负荷到达的电子和提供给氧极一侧的空气中的氧发生化学反应生成水。还有，这时如上所述，电子从燃料极经过外部负荷向氧极移动，而连接于燃料电池系统的外部负荷将该电子的流动作为电能利用。

又，在该高分子电解质型燃料电池中，在进行其发电运行时，由于上述化学反应而发生热。该热量利用设置于隔离层的流路中流过的冷却水逐步回收。这时，燃料电池系统的使用者只需要电能的情况下，由冷却水逐步回收的热量被散热器等逐步散发到燃料电池系统外。另一方面，燃料电池系统的使用者除了电能以外也需要热能的情况下(即热电联供：co-generation)，从燃料电池逐步排出的温度上升的冷却水暂时存储于热水箱等以提供给热负荷。

但是，在高分子电解质型燃料电池中，为了使作为电解质膜的高分子离子交换膜充分发挥其氢离子透过性能，有必要将该电解质膜的状态充分保持于保水状态。因此已有的高分子电解质型燃料电池中，采用在燃料气体和氧化剂气体中的至少某一方，能够使其在发电运行温度附近(例如常温到100℃左右)的温度下含有饱和的水蒸汽的结构。借助于此，使电解质膜的状态维持于充分保水状态，因此燃料电池系统能够发挥规定的发电性能。

又，如上所述，在燃料电池系统中，配设在其发电运行时高分子电解质型燃料电池发生的热量逐步回收用的冷却水流过的流路、将利用冷却水回收的热能提供给热负荷用的温水用流路、以及贮存温水用的热水箱等多条流路和贮水箱等。而且，燃料电池系统在这些流路和贮水箱等中水和温水等正常流动和贮存，对于高分子电解质型燃料电池的冷却和对热负荷的供热等能够正常进行，因此作为热电联供系统能够发挥规定的性能。

但是，在已有的燃料电池系统中，在其发电运行时高分子电解质型燃料电池等发生的热量使电解质膜和水的流路以及贮水箱等得到保温，因此能够得到规定的发电性能，但是由于发电运行停止期间高分子电解质型燃料电池等不发生热量，电解质膜和水的流路以及贮水箱等得不到保温。也就是说，发电运行停止期间燃料电池系统因散热而冷却。特别是在冬季的寒冷地区，发电运行停止期间燃料电池系统容易散热冷却到冰点以下。

而且，在燃料电池系统的发电运行停止状态持续数小时以上的长时间停止的情况下，在冬季大气温度低到冰点以下20℃的极寒冷的地带和最低温度达到冰点以下的寒冷地带，高分子电解质型燃料电池的电解质膜中包含的水冻结，有时候作为该水的保持体的电解质膜的组织结构受到破坏。又有时候水的流路和贮水箱等中水发生冻结。也就是说，有时候燃料电池系统陷于不能够启动的状态，不能够得到规定的发电性能、有时候不能够得到作为热电联供系统的规定的性能。又，在这种情况下，由于冰的膨胀，有时候高分子电解质型燃料电池主体、水的流路以及贮水箱等受到破坏。

因此提出了这样的燃料电池系统，即在发电运行停止期间为了防止燃料电池系统中的水的冻结，在容纳燃料电池主体的框体上设置加热器，利用该加热器对整个燃料电池进行加热和保温的燃料电池系统(参照例如专利文献1)。

又，提出了这样的燃料电池系统，即在发电运行停止期间为了防止燃料电池系统中的水的冻结，在水的流路上具备电磁阀，根据需要打开该电磁阀从燃料电池系统内用泵将水排出的燃料电池系统(参照例如专利文献2)。

还提出了这样的燃料电池系统，即在发电运行停止期间为了防止燃料电池系统中的水的冻结，设置水的加热器，用该加热器加热冷却水生成温水，使该温水在其内部循环的燃料电池系统(参照例如专利文献3)。

专利文献1：特开2001-351652号公报

专利文献2：特开11-273704号公报

专利文献3：特开2002-246052号公报

发明内容

发明解决的课题

但是上述防止水的冻结的已有的方案在维持及管理燃料电池系统时的经济性和运行操作性能和安全保障的可靠性等方面分别存在有妨碍其实现的问题。

例如在燃料电池系统中，在容纳燃料电池主体的框体上设置加热器对整个燃料电池进行加热和保温的方案、以及设置水的加热器对冷却水进行加热生成温水并且使其循环的方案用于防止水的冻结事实上是困难的。其理由是，燃料电池系统具备对燃料气体和氧化剂气体进行加湿等的前处理器、大量的冷却水进行循环的高分子电解质型燃料电池、贮存大量温水的热水箱等热容量和体积大的构件。换句话说，燃料电池系统是热容量和体积大的热电联供系统。从而在发电运行停止期间为了防止燃料电池系统内的水冻结，必须配设极大规模而且能够提供大量的热的加热装置，采用小规模的加热器时，其热量不足。

而且在长时间不需要电力，发电运行长期停止的情况下，在极寒地带和寒冷地带，必须防止水的冻结一直到燃料电池系统的发电运行再度开始。在这种情况下，为了长时间使上述极大规模的加热装置运行，需要消耗大量的电力。这对于燃料电池系统的使用者来说，是个很大的经济负担。

又，在燃料电池系统中，利用在水的流路上设置电磁阀用泵从燃料电池系统中排出水的方案防止水的冻结从排除水的冻结(故障的原因)的观点看来的确是可靠的。又，该方案只利用打开电磁阀这样的短时间动作实施，是容易实施的方法，因此具有不需要大量能量消耗的优点。但是，在发电运行停止后再度启动燃料电池系统时，由于从燃料电池系统排水，有必要再度对燃料电池系统内部提供必要的充分数量的水。因此，在燃料电池系统再度启动时为了提供水而损失了时间。又，在从外部向燃料电池系统内部新提供水的情况下，如果不将该提供的水净化就加以使用，杂质就有可能混入对高分子电解质型燃料电池进行冷却的冷却水中。因此在冷却水具有杂质的情况下，该具有杂质的冷却水对高分子电解质型燃料电池的发电性能会发生直接影响。因此为了得到合适的冷却水，需要将新提供的水高度净化。从对水进行高纯度净化的观点看来这样会给燃料电池系统的使用者带来时间上的损失和经济上的负担。

又，从该燃料电池系统排水的方案中，在发电运行停止期间想要有效利用的热水箱内的温水不能够简单排出，因此不能够可靠防止该水的冻结。从而对于上述水的排出还有热水箱内的温水的防冻的对策必须另行考虑。

本发明是为了解决上述存在问题而作出的，其目的在于提供能够抑制能量损失、减少操作的复杂性以及提高机动性，同时可靠防止水的冻结引起的故障的发生，能够维持和确保安全的发电运行的燃料电池系统。

解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统，具备：使用含氢的燃料气体与含氧的氧化剂气体进行发电的燃料电池、贮存冷却水的冷却水箱、使所述冷却水通过所述冷却水箱进行循环，回收伴随所述燃料电池发电发生的热，使该燃料电池冷却的冷却水循环流路、贮存温水的热水箱、使所述温水经过所述热水箱循环的温水循环流路、在通过所述冷却水循环流路循环的所述冷却水与通过所述温水循环流路循环的所述温水之间进行热交换用的热交换器、从所述冷却水循环流路和所述冷却水箱中的至少任意一个以及所述温水循环流路和所述热水箱中的至少任意一个各自排水用的排水阀、对所述冷却水循环流路和所述冷却水箱中的至少任意一个、所述温水循环流路和所述热水箱中的至少任意一个中各自的水温进行检测的温度检测器、以及控制器，所述控制器根据所述燃料电池停止发电时所述温度检测器检测出的所述水温，至少在所述冷却水循环流路和所述温水循环流路中的任意一个中至少使所述冷却水和所述温水中的任一种水循环，或打开排水阀进行排水，任意选择其一。

采用这样的结构时，所述控制器根据所述燃料电池的所述停止发电期间所述温度检测器检测出的所述水温，至少在所述冷却水循环流路和所述温水循环流路中的任意一个中至少使所述冷却水和所述温水中的任意一种循环，或打开所述排水阀排水，任意选择其一，因此能够不大量消耗能源而且不损失时间地可靠地防止燃料电池系统中的水的冻结。

在这种情况下，还具备：对所述冷却水箱补充水用的供水箱、在所述冷却水箱与所述供水箱之间使所述水循环的补给水循环流路、从所述补给水循环流路和所述供水箱中的至少任一个排水用的排水阀、以及在所述补给水循环流路和所述供水箱中的至少任一个检测水温的温度检测器。

采用这样的结构时，由于还具备使向所述冷却水箱补充用的水循环的补给水循环流路、贮存所述补给用的水的供水箱、从所述补给水循环流路和所述供水箱中的至少任意一方排水用的排水阀、以及在所述补给水循环流路和供水箱中的至少任意一方检测水的温度的温度检测器，因此能够防止向燃料电池系统中的所述冷却水箱补充用的水冻结。

在这种情况下，在所述温度检测器检测出的所述水温中的任意一个未满规定的阈值温度的情况下，至少使所述冷却水和所述温水中的任一种循环，其后在所述水温全部未满所述规定的阈值温度的情况下，打开所述排水阀进行排水。

采用这样的结构时，在所述温度检测器检测出的所述水温的至少某一个未满规定的阈值温度的情况下，至少使所述冷却水和所述温水中的任意一种循环，其后在所述水温全部未满所述规定的阈值温度的情况下，打开所述排水阀排水，因此能够有效地防止燃料电池系统中的水的冻结。

又，在上述情况下，在所述冷却水箱和所述冷却水循环流路中的至少任意一个中具备加热所述冷却水用的第1加热器。

采用这样的结构时，由于所述冷却水箱和所述冷却水循环流路中的至少某一方具备加热所述冷却水用的第一加热器，因此能够据需要对所述冷却水进行加热。

又，在上述情况下，在所述热水箱和所述温水循环流路中的至少任意一个中具备加热所述温水用的第2加热器。

采用这样的结构时，由于在所述热水箱和所述温水循环流路中的至少某一方具备加热所述温水用的第2加热器，因此能够根据需要对所述温水进行加热。

又，在上述情况下，具备：将包含至少由碳和氢构成的有机化合物的原料重整生成所述燃料气体的重整器、将所述重整器的温度加热并且保持于所述重整需要的规定温度用的第3加热器、从所述冷却水循环流路和所述温水循环流路中的至少一个向第3加热器迂回的迂回流路、以及切换到所述迂回流路用的流路切换阀，形成所述迂回流路的一部分能够利用所述第3加热器加热的结构。

采用这样的结构时，由于形成能够利用所述第3加热器加热所述迂回流路的一部分的结构，因此能够根据需要加热通过所述迂回流路的所述冷却水循环流路和所述温水循环流路中的至少某一个流路中通过的所述冷却水和所述温水中的至少一种。

又，在上述情况下，具备：作为所述排水阀的常闭型电磁阀、检测所述常闭型电磁阀近旁外部气体的温度的外部气体温度检测器、利用所述燃料电池的所述发电得到所述常闭型电磁阀打开用的电能加以贮存的蓄电器、以及第2控制器，所述第2控制器在停电时根据所述外部气体温度检测器检测出的所述外部气体温度，从所述蓄电器提供所述电能，使所述常闭型电磁阀打开排水。

采用这样的结构时，所述第2控制器在停电时根据所述外部气体温度检测器检测出的所述外部气体温度从所述蓄电器提供所述电能使所述常闭型电磁阀打开排水，因此在停电时也能够可靠防止在燃料电池系统中的水的冻结。

在这种情况下，所述第2控制器在停电时所述外部气体温度检测器检测出的所述外部气体温度未满所述规定的阈值温度时，从所述蓄电器提供所述电能，使所述常闭型电磁阀打开排水。

采用这样的结构时，所述第2控制器在停电时所述外部气体温度检测器检测出的所述外部气体温度未满所述规定的阈值温度的情况下，从所述蓄电器提供所述电能使所述常闭型电磁阀打开排水，因此即使是停电时也能够有效防止燃料电池系统中的水的冻结。

又，在上述情况下，所述控制器还具备选择所述燃料电池的所述发电长期运行停止用的第1模式选择指令输入部，所述控制器在从所述第1模式选择指令输入部输入表示选择所述长期运行停止的意思的指令的情况下打开所述排水阀排水，在没有输入表示选择所述长期运行停止的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温的任意一个未满所述规定的阈值温度的情况下，至少在所述冷却水循环流路和所述温水循环流路中的任意一个中至少使所述冷却水和所述温水中的任一种循环。

采用这样的结构时，所述控制器还具备选择所述燃料电池的所述发电的长期运行停止用的第1模式选择指令输入部，所述控制器在从所述第1模式选择指令输入部输入选择所述长期运行停止的意思的指令的情况下打开所述排水阀排水，在没有输入选择所述长期运行停止的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温中的任意一个未满所述规定的阈值的情况下，至少在所述冷却水循环流路和所述温水循环流路中的任意一个中至少使所述冷却水和所述温水中的任一种循环，因此能够根据情况合适而且可靠地防止燃料电池系统中的水的冻结。

在这种情况下，所述控制器在没有输入选择所述长期运行停止的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温都未满所述规定的阈值温度的情况下，打开所述排水阀排水。

采用这样的结构时，所述控制器在没有输入选择所述长期运行停止的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温中的任何一个都未满所述规定的阈值温度的情况下，打开所述排水阀排水，因此即使是例如忘记输入选择所述长期运行停止的意思的指令的情况下，也能够可靠防止燃料电池系统中的水的冻结。

又，在上述情况下，所述控制器还具备选择所述燃料电池的所述发电短时间运行停止用的第2模式选择指令输入部，所述控制器在从所述第2模式选择指令输入部输入表示选择所述短期运行停止的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温的任意一个未满所述规定的阈值温度的情况下，至少在所述冷却水循环流路和所述温水循环流路中的任意一个流路中至少使所述冷却水和所述温水中的任一种循环，在没有输入表示选择所述短期运行停止的意思的指令的情况下，打开所述排水阀排水。

采用这样的结构时，所述控制器还具备选择所述燃料电池的所述发电的短期运行停止用的第2模式选择指令输入部，所述控制器在从所述第2模式选择指令输入部输入选择所述短期运行停止的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温中的任何一个都未满所述规定阈值温度的情况下，至少在所述冷却水循环流路和所述温水循环流路中的任意一个至少使所述冷却水和所述温水中的任一种循环，在没有输入选择所述短期运行停止的意思的指令的情况下，打开所述阀门排水，因此能够根据情况合适而且可靠地防止燃料电池系统中水的冻结。

在这种情况下，所述控制器在输入选择所述短期运行停止的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温中的任意一个温度都未满所述规定的阈值温度时，打开所述排水阀排水。

采用这样的结构时，所述控制器在输入选择所述短期运行停止的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温的任何一个都未满所述规定的阈值温度的情况下，打开所述排水阀排水，因此能够有效而且可靠地防止所述短期运行停止时的燃料电池系统中的水的冻结。

又，在上述情况下，所述控制器还具备选择所述燃料电池的所述发电长期运行停止或短期运行停止用的第3模式选择指令输入部，所述控制器在从所述第3模式选择指令输入部输入选择所述长期运行停止的意思的指令的情况下，打开所述排水阀进行所述排水，在输入选择所述短期运行停止的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温中的任一个未满规定的所述阈值温度的情况下，至少在所述冷却水循环流路和所述温水循环流路中的任一个中至少使所述冷却水和所述温水中的任一种循环。

采用这样的结构时，所述控制器还具备选择所述燃料电池的所述发电长期运行停止或短期运行停止用的第3模式选择指令输入部，从所述第3模式选择指令输入部输入选择所述长期运行停止的意思的指令的情况下，打开所述排水阀排水，在输入选择所述短期运行停止的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温中的任意一个未满所述规定的阈值温度的情况下，至少在所述冷却水循环流路和所述温水循环流路的任意一个中至少使所述冷却水和所述温水中的任意一种循环，因此能够根据所述燃料电池的所述发电长期运行停止或短期运行停止适当而且可靠地防止燃料电池系统中的水的冻结。

在这种情况下，所述控制器在输入选择所述短期运行停止的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温中的任何一个都未满所述规定的阈值温度的情况下，打开所述排水阀排水。

采用这样的结构时，在所述控制器输入选择所述短期运行停止的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温中的任何一个都未满所述规定的阈值温度的情况下，打开所述排水阀进行所述排水，因此能够有效而且可靠地防止所述短期运行停止时的燃料电池系统中水的冻结。

发明的效果

本发明用如上所述手段实施，能够提供不产生过大的能量损失，而且不需要繁杂的监视和操作，能够在抑制机动性的欠缺的同时简便地有效防止发电运行停止期间水的冻结的具备安全性而且运行功能维持和管理容易的燃料电池系统。

附图说明

图1是本发明实施形态1所示的燃料电池系统的要部结构的示意图。

图2是本发明实施形态1所示的燃料电池系统的动作的流程图。

图3是本发明实施形态2所示的燃料电池系统的要部结构的示意图。

图4是本发明实施形态3所示的燃料电池系统的要部结构的示意图。

图5是本发明实施形态4所示的燃料电池系统的要部结构的示意图。

图6是本发明实施形态4所示的燃料电池系统的动作的流程图。

符号说明

1              燃料电池

2              燃料供给装置

3              氧化剂供给装置

4              加湿装置

5              残存燃料排出部

6              残存氧化剂排出部

7              冷却水箱

8              供水箱

9              热回收用热交换器

10             热水箱

11             供水管

12             净水器

13             残存氧化剂凝集器

14             残存燃料凝集器

15             备用加热器

16             供热水口

17、18、20     温度检测器

19             补充水管

21、22、23     送水泵

24             加热器

25、26、27     排水阀

28             热水器

29             重整器

30             流路切换阀

31             温水循环流路

32             冷却水循环流路

33             补给水循环流路

34             旁通流路

35               电磁阀

36               蓄电器

37               外部气体温度检测器

38               阀控制器

41               控制器

42               停止开关

43               长期停止按钮

44               短期停止按钮

45               加热按钮

46               启动开关

47、48、49       开闭阀

100～400         燃料电池系统

具体实施方式

下面参照附图对实施本发明的最佳实施形态进行说明。

还有，本发明中的实施形态中，温度检测器可使用热电偶或热敏电阻等，输水设备可根据流量和必要的压力使用柱塞泵和齿轮泵等，又，水的流通流路开闭设备可使用手动或电磁动作的开闭阀等，还有，加热器可以适当选择和使用护鞘(sheath heater)、电磁感应加热器或利用燃烧热的燃烧器等，但是这些都是燃料电池系统中向来使用的，因此在下面说明中对其结构和动作省略其说明。

又，对于燃料电池系统的运行控制的有关的电路结构和动作，也由于可以使用通常的能量设备中使用的一般的电路结构和动作，因此在以下说明中其详细说明和图示省略。

实施形态1

图1是本发明实施形态1所示的燃料电池系统的要部结构的示意图。还有，在图1中，只图示出说明本发明的概念所需要的结构要素，对于不需要的结构要素省略其图示。

如图1所示，本发明的实施形态1所示的燃料电池系统100具备以高分子离子交换膜作为其电解质膜的燃料电池1、对该燃料电池1提供富氢燃料气体的燃料供给装置2、对该燃料电池1将含氧的作为氧化剂的空气从大气中吸入加压提供的氧化剂供给装置3、将该氧化剂供给装置3供给的空气提供给燃料电池1之前利用水蒸汽加湿和加热的加湿装置4、以及贮存在燃料电池1内部循环的冷却水的冷却水箱7。冷却水箱7在其内部具有加热冷却水用的加热器24。

又，如图1所示，该燃料电池系统100具备排出在燃料电池1中未消耗而残留的燃料气体用的残存燃料排出部5、以及排出在燃料电池1中未消耗而残留的氧化剂气体用的残存氧化剂排出部6。而且该燃料电池系统100在残存燃料排出部5的规定位置上具备将剩余的燃料气体中包含的水蒸汽凝集分离用的残存燃料凝集器14。又，该燃料电池系统100在残存氧化剂排出部6中的规定的位置上具备凝集分离剩余的氧化剂气体中包含的水蒸汽用的残存氧化剂凝集器13。利用这些残存氧化剂凝集器13和残存燃料凝集器14凝集分离出的水通过规定的流路被引入下述供水箱8。

又如图1所示，该燃料电池系统100具备贮存利用残存氧化剂凝集器13和残存燃料凝集器14凝集分离的水的供水箱8以及充填贮存于该供水箱8中的水净化用的离子交换树脂的净水器12。供水箱8中贮存的水经过净化器12净化之后通过规定的流路提供给冷却水箱7。又，在该冷却水箱7中剩余的冷却水借助于溢流从冷却水箱7排出后，经过规定的流路再度贮存于供水箱8。还有，如图1所示，在供水箱8，连接在供水箱8中贮存的水量不足的情况下，从外部供水用的补充水管19。

又如图1所示，该燃料电池系统100具备回收和交换燃料电池1发生并且利用冷却水传出的热量的热回收热交换器9以及贮存利用该热回收热交换器9加热的温水的热水箱10。也就是说，燃料电池系统100形成这样的热移动路径，使得燃料电池1发生的热量通过热回收热交换器9提供给热水箱10。还有，如图1所示，在热水箱10上连接将原水提供给热水箱10用的供水管11。又在热水箱10的上部连接利用热水箱10中贮存的温水时使用的供热水口16。

又如图1所示，该燃料电池系统100在冷却水箱7、供水箱8、以及热水箱10的规定位置上分别具备测定各水箱内部贮存的水的温度用的温度检测器17、温度检测器18、温度检测器20。

又，如图1所示，该燃料电池系统100作为分别独立的水循环流路具备经过燃料电池1、加湿装置4、热回收热交换器9以及冷却水箱7使冷却水循环用的冷却水循环流路32、在热回收热交换器9与热水箱10之间使温水等循环用的温水循环流路31、在冷却水箱7和供水箱8之间使水循环用的补给水循环流路33。又，在这些温水循环流路31、冷水循环流路32、以及补给水循环流路33的规定位置上配设使水循环用的送水泵21、送水泵22、以及送水泵23。又在温水循环流路31的规定位置上配设排出温水等用的排水阀25。又在冷却水箱7的规定的位置上配设排出冷却水用的排水阀26。又在供水箱8的规定位置上配设排水用的排水阀27。

还有，如图1所示，该燃料电池系统100具备控制器41。该控制器41用微电脑等运算装置构成，对燃料电池系统100所需要的结构要素进行控制，控制该燃料电池系统100的动作。在这里，在本说明书中，控制器不仅是单独的控制器，而且意味着多个控制器协同动作进行控制的控制器群。因此，控制器41不必一定用单独的控制器构成，也可以形成多个控制器分散配置，这些控制器协同动作对燃料电池100的动作进行控制的结构。例如，控制器41也可以形成包含下述阀控制器38的结构。

又如图1所示，控制器41具备多个开关和按钮作为对控制器41输入指令的输入装置。具体地说，该控制器41具备控制燃料电池系统100的运行停止用的停止开关42、作为控制启动用的启动开关46、选择和决定停止条件用的操作部的长期停止按钮43和短期停止按钮44、以及选择和执行在停止中必要时的加热操作用的加热按钮45。

又，该控制器41根据排水阀25、排水阀26和排水阀27以及温度检测器17、温度检测器18、温度检测器20的输出信号对送水泵21、送水泵22、送水泵23以及加热器24的动作进行适当控制。又，该控制器41根据需要也对构成燃料电池系统100的其他结构要素的动作进行适当控制。还有，如在图1中的虚线所示，控制器41与上述温度检测器17、18、20、排水阀25、26、27和送水泵21、22、23以及加热器24利用规定的配线相互电气连接。

下面参照附图对本实施形态的燃料电池系统100中的水的循环形态和热移动形态的关系进行说明。

图1所示的燃料电池1利用燃料极和氧极中的化学反应在生成电力同时生成热。该燃料电池1发生的热通过从供水箱8向冷却水箱7提供并且利用送水泵22的运行在冷却水循环流路32内部循环的冷却水，从燃料电池1传输到其外部。也就是说，燃料电池1在发电运行时排出温度升高的冷却水。

从燃料电池1排出的温度升高的冷却水的一部分通过加湿装置4时，被使用于氧化剂供给装置3提供的空气的加湿和加温。另一方面，通过加湿装置4的没有使用于加湿装置4进行的对空气的加湿和加温的高温状态的冷却水在热回收热交换器9中使用于对流过温水循环流路31的水进行加热。而且利用热回收热交换器9中的热交换冷却的冷却水再度贮存于冷却水箱7，再度被使用于燃料电池1的冷却。

还有，燃料电池系统100启动时，通过对配设于冷却水箱7内部的加热器24进行通电，对冷却水箱7和冷却水循环流路32内部的冷却水进行加热和加温。借助于此，进行燃料电池1和加湿装置4的加温操作。

这样，在本实施形态的燃料电池系统100中，通过以冷却水为媒体将燃料电池1发生的热量传送到加湿装置4和热回收热交换器9的一连串的热传输，对发电运行时发生热量的燃料电池1进行冷却。

又，热水箱10中贮存的水利用送水泵21的动作使其通过温水循环流路31，经过热回收热交换器9流向热水箱10形成环流。这时由供水管11提供的冷水被从热水箱10的下方引出在热回收热交换器9中由于热传递而升温后，返回热水箱10的上方。通过采用这样的结构，在热回收热交换器9中被加热的温水从热水箱10的上方向下方慢慢贮存，因此从燃料电池系统100的发电运行初期开始就能够从热水箱10的上部设置的热供水口16得到高温的温水。

又，贮存于供水箱8的水，根据需要由送水泵23驱动，借助于此，在净化器12中利用离子交换对所述水进行净化后通过补给水循环流路33将其提供给冷却水箱7。还有，在利用残存氧化剂凝集器13以及残存燃料凝集器14进行分离的水的数量不足，供水箱8的贮水量不足的情况下，通过补充水管19从燃料电池系统100外部向供水箱8补充水。然后在供水箱8的贮水量恢复之后，供水箱8中贮存是水根据需要通过补给水循环流路33提供给冷却水箱7。

送水泵23在加湿装置4中消耗冷却水，冷却水箱7中的贮水量下降的情况下被适当驱动。这时冷却水箱7中的贮水量剩余的情况下，利用溢流使冷却水返回供水箱8，借助于此，冷却水箱7中的贮水量得到适当控制。

还有，连接着冷却水循环流路32和补给水循环流路33两者的冷却水箱7中，冷却水循环流路32提供的冷却水和补给水循环流路33提供的水进行混合。也就是说，在冷却水箱7中，从冷却水循环流路32提供的冷却水和补给水循环流路33提供的水之间进行热交换。但是供水箱8向冷却水箱7补充水只在冷却水箱7中的贮水量低下的情况下进行，因此供水箱8和补给水循环流路33中的水的温度不会发生大幅度上升。从而在净水器12中，离子交换树脂不会因为热受到破坏。

下面参照附图详细说明赋予本发明特征的，燃料电池系统100的发电运行停止期间防止水的冻结用的动作。

图2是本发明实施形态1所示的燃料电池系统的动作的流程图。

在本实施形态的燃料电池系统100中，使该发电运行停止时通过按压图1所示的控制器41的停止开关42，分别停止燃料供给装置2对燃料电池1的燃料气体供应和氧化剂供给装置3对燃料电池1的氧化剂气体供应。借助于此，使燃料电池1的发电用的化学反应停止，因此燃料电池1停止发热。又，控制器41一旦确认随着燃料电池1的发热停止，温度检测器17、温度检测器18、以及温度检测器20检测出的冷却水箱7内的冷却水的温度、供水箱8内的水的温度、及热水箱10内的温水的温度分别下降到规定的温度以下，就使送水泵21、送水泵22以及送水泵23停止动作。以此使温水循环流路31、冷却水循环流路32、以及补给水循环流路33的温水和冷却水以及补给水的流动分别停止，困此燃料电池系统100的热循环移动停止。

一旦燃料电池1停止发热的同时，燃料电池系统100的热循环流动停止，构成燃料电池系统100的构成要素的温度被引导到配设燃料电池系统100的场所的周围环境温度，随着时间的经过开始下降。这时通常热容量比较小而且露出于外部气体中的露出表面积比较大的配管部分的温度比较快地下降，热水箱10和燃料电池1等热容量比较大的构成要素的温度比较慢地下降。因此即使是外部温度达到冰点的情况下，燃料电池系统100内部的全部水冻结也需要几小时以上的比较长的时间。

但是，在图1所示的温水循环流路31和冷却水循环流路32以及补给水循环流路33等水循环的流路中，即使是在其水循环流路的一部分发生水冻结时，由于该水冻结阻碍了水循环，所以燃料电池系统100不能够正常地再度启动。在这种情况下，为了使燃料电池系统100正常地启动，必须借助于某种外部手段(例如利用热风、热水等使水冻结的部分解冻等方法)确保其启动性能。

又，在上述水循环流路中，一旦水冻结，往往由于伴随水的冻结而产生的体积增大使配管受到膨胀应力的破坏。因此也会导致发电运行停止后的比较早的阶段(例如有时候是2～3小时)燃料电池系统100处于不能动作的状态。

因此，如图2所示，在本实施形态中，为了确定是在对停止开关42进行操作，进行燃料电池系统100的发电运行停止操作(步骤S41)之后，使其发电运行的停止操作将发电运行长时间停止的燃料电池系统100转移到休眠状态用的长期运行停止模式、还是在短期间的运行休止之后转移到在启动待机状态的短期运行停止模式，用户选择和操作控制器41的长期停止按钮43和短期停止按钮44中的任意一个并进行操作，以选择停止操作的模式(步骤S42)。

控制器41在用户为了将燃料电池系统100的状态转移到休眠状态而选择和操作长期停止按钮43时，判定为不进行该保温动作(步骤S43中为否)。

在这种情况下，控制器41根据其存储装置中设定的工作条件(步骤S44)，转移到从燃料电池系统100排出水的排出处理动作(步骤S45)，然后控制器41通过输出规定的指令信号打开图1所示的排水阀25、排水阀26、排水阀27(步骤S46)。借助于此，控制器41从温水循环流路31、冷却水循环流路32、补给水循环流路33、冷却水箱7、供水箱8、以及热水箱10分别将水排出到燃料电池系统100外部。

一旦燃料电池100排水完成，由控制器41确认排水全部完成用的规定处理(例如时间控制、利用传感器进行的残留水量确认控制等)完成，控制器41通过输出规定的指令信号将排水阀25、排水阀26、排水阀27关闭(步骤S47)。利用在该步骤47所示的动作，分别维持温水循环流路31、冷却水循环流路32、补给水循环流路33、冷却水箱7、供水箱8、以及热水箱10的闭塞状态，因此能够防止其不必要的干燥。

接着，控制器41一旦确认排水阀25、排水阀26、排水阀27的状态完全转移到闭塞状态，就停止对构成燃料电池系统100的各构成要素的电力供应。然后控制器41完全停止燃料电池系统100的动作。借助于此，燃料电池系统100转移到长时间不进行发电运行的体眠状态(步骤S48)。

另一方面，控制器41在用户为了将燃料电池系统100的状态转移到在启动待机状态而选择短期停止按钮44并进行操作时判定为进行规定的保温动作(步骤S43为是)。

在这种情况下，控制器41分别确认设置于冷却水箱7、供水箱8以及热水箱10上分别设置的温度检测器17、温度检测器18、温度检测器20检测出的温度(步骤S49)。然后控制器41判断是否需要保温(步骤S50)。

具体地说，控制器41判定温度检测器17、温度检测器18、温度检测器20检测出的各温度中的任一个温度是否接近水的冰冻温度区域(例如-3℃～0℃)。例如，控制器41根据水的冻结温度区域判断有无检测出低于考虑燃料电池系统100的安全性而设定的规定的阈值温度(例如3℃)的温度的检测器。

而且，控制器41在温度检测器17、温度检测器18、温度检测器20中的任何一个温度检测器都没有检测出低于上述规定的阈值温度的情况下，判定为不需要规定的保温动作(步骤S50中为否)。然后，控制器41返回步骤S49，利用在冷却水箱7、供水箱8、热水箱10上分别设置的温度检测器17、温度检测器18、温度检测器20检测出的温度在规定的阈值温度以下之前，反复进行这些动作以进行确认，以适当的检测周期反复执行步骤S49和步骤S50。

另一方面，控制器41在检测出温度检测器17、温度检测器18、以及温度检测器20中的某一个温度检测器检测出低于上述规定的阈值温度的情况下，判定为需要规定的保温动作(步骤S50中判定为是)。

在这种情况下，控制器41根据温度检测器17、温度检测器18，或温度检测器20检测出的温度对是否有必要加热作为该规定的保温动作的热源的冷却水箱7、供水箱8或热水箱10中贮存的水进行判断。然后，控制器41在判定为完全没有必要对水进行加热的情况下(步骤S51中判定为否)，将燃料电池系统100内部存在的水作为规定的保温动作用的热源使用，执行作为规定的保温动作的水循环动作(步骤S53)。

下面对步骤S53中的水的循环动作进行详细说明。

如图1所示，本实施形态的燃料电池系统100具备温水循环流路31、冷却水循环流路32、以及补给水循环流路33这三个水循环流路。这些水循环流路内在通常的发电运行时通过燃料电池1的内部循环的冷却水循环流路32中水的温度最高，一边在冷却水箱7和供水箱8之间溢流一边循环的补给水循环流路33中的水的温度变成比较低的温度。又，与热水箱10连通的温水循环流路31中循环的水的温度在发电运行初期为比较低的温度，但是与发电运行的时间经过的同时温度慢慢上升。然后，经过发电运行时间，在贮存高温状态的热水的状态下通过温水循环流路31循环的水积蓄和保持大量的热容量。

另一方面，在燃料电池系统100的发电运行停止的情况下，贮水容量比较小而且热容量比较小的冷却水箱7和供水箱8以及露出于外部大气中的露出表面积比较大的配管部分的温度比较快下降，热水箱10和燃料电池1等热容量比较大的结构要素的温度比较慢下降。

因此，在本实施形态的燃料电池系统100中，即使是冷却水箱7和供水箱8中贮存的水的温度低于规定的阈值温度(例如3℃)的情况下，在热水箱10中贮存70℃以上温水的情况下，利用控制器41的控制驱动送水泵21，使贮存于热水箱10中的温水在温水循环流路31中循环。在这种情况下，使送水泵21的送水方向与通常发电运行时的情况相反方向，从热水箱10的上方抽出较高温度状态的温水使其在温水循环流路31中循环，这样能够在燃料电池系统100中更有效地进行规定的保温动作。

又，这时控制器41在驱动送水泵21的同时驱动送水泵22，使贮存于冷却水箱7的冷却水在冷却水循环流路32中循环。借助于此，在热回收热交换器9中通过冷却水循环流路32循环的冷却水与通过温水循环流路31循环的温水之间进行热交换，冷却水循环流路32中循环的冷却水的温度上升，因此贮存于冷却水箱7中的冷却水的温度有可能在规定的阈值温度以上。也就是说，在燃料电池系统100中，能够防止冷却水箱7和冷却水循环流路32中的冷却水冻结。

又，这时，控制器41在驱动送水泵21和送水泵22的同时，对送水泵23进行驱动使贮存于供水箱8中的水在补给水循环流路33中与冷却水箱7之间循环。借助于此，在冷却水箱7中通过热回收热交换器9中的热交换而温度上升的冷却水与供水箱8提供的水混合，由于这一混合而温度上升的水借助于溢流通过补给水循环流路33返回供水箱8，因此能够使供水箱8中贮存的水的温度高于规定的阈值温度以上。也就是说，在燃料电池系统100中，能够防止供水箱8和补给水循环流路33中的水冻结。

这样的步骤S53中的水的循环动作，是在燃料电池系统100的某一个地方发生水可能冻结的低温部分的情况下也能够进行的，非加热型的保温动作。又，如果采用该步骤S53的水循环动作，则在水通过温水循环流路31、冷却水循环流路32、以及补给水循环流路33进行循环的期间，热水箱10中贮存和保持的热量被相互分享，因此在例如温水用得少的夜间的发电运行停止期间是有效防止水冻结的手段。

在本实施形态中，将在冷却水箱7和供水箱8中贮存的水的温度低于规定的阈值温度，而且热水箱10中贮存70℃以上温水的情况作为一个例子进行了说明，但是可以认为在步骤S53中的水的循环动作的形态和防止水冻结用的热源的种类有各种形态和种类。

例如在冷却水箱7和供水箱8中贮存的水的温度低于规定的阈值温度的情况下，即使不使用作为防止水冻结用的热源的热水箱10，也能够以其热容量大温度不容易下降的燃料电池1作为热源。在这种情况下，控制器41不驱动送水泵21，不使温水循环流路31的温水循环。而且控制器41通过驱动送水泵22使冷却水在冷却水循环流路32中循环。借助于此，在燃料电池1中受到加热的冷却水在冷却水循环流路32中循环，因此能够防止冷却水箱7和冷却水循环流路32中的冷却水冻结。

又，这时控制器41通过驱动送水泵23使水在补给水循环流路33中循环。借助于此，在冷却水箱7中温度上升的冷却水与供水箱8提供的水混合，因该混合而温度上升的水通过溢流从补给水循环流路33返回供水箱8，因此供水箱8和补给水循环流路33中的水的冻结能够得到防止。

又，根据情况，也可以使温水循环流路31中的温水循环停止，使水在冷却水循环流路32或补给水循环流路33单独循环。或在冷却水循环流路32和补给水循环流路33两个流路中使水同时循环，能够用供水箱8和燃料电池1保持的热量使冷却水箱7、供水箱8、热水箱10、以及与其相关的配管内的温度上升。

也就是说，在本实施形态中，只要燃料电池1、冷却水箱7、供水箱8、热水箱10等的至少某一个的状态是能够作为防止水冻结用的热源使用的状态，不管是什么结构要素也可以作为热源使用。又，根据作为被选择的热源的结构要素适当选择水循环动作的形态，使水在温水循环流路31、冷却水循环流路32、补给水循环流路33中的至少任意一个循环流路中循环，以此能够防止燃料电池系统100中的水冻结。

又，如图2所示，根据预先测定的图案适当选择和设定步骤S53所示的水的循环动作的动作条件(步骤S52)，根据该选择和设定的动作条件进行水的循环动作(步骤S53)，借助于此，可以防止燃料电池系统100中的水的冻结。

于是，采用本发明，只借助于启动送水泵21～送水泵23等的最低限度的动作，就能够可靠地防止燃料电池系统100的低温处的水的冻结。又，最终能够有效利用燃料电池系统100全体所保持的热量。又如图2所示，在步骤S54中进行水的循环动作期间，当然也利用温度检测器17、温度检测器18、温度检测器20对各部分的温度进行适当确认(步骤S49)，适当确认燃料电池系统100的状况(步骤S49～步骤S53)。

另一方面，控制器41根据温度检测器17、温度检测器18、温度检测器20检测出的温度，判定燃料电池系统100中防止水的冻结用的热源完全没有，因此判定有必要对水进行加热的情况下(步骤S51中判定为是)，对水进行加热(步骤S56)。

例如，控制器41一旦确认温度检测器17检测出的冷却水箱7的冷却水的温度低于阈值温度1℃，为0.5℃，用户按压控制部41的加热按钮45的情况下(步骤S55中判定为是)，通过对冷却水箱7内部配设的加热器24提供规定的电力，将冷却水箱7的冷却水温度加热到1℃。这时，对加热器24的电力提供不必要进行到冷却水的温度显著高温升高。也就是说，对该加热器24的电力供应只要进行到冷却水的温度达到可防止水冻结的程度下的温度即可。而这时对加热器24的电力供应一边利用温度检测器17确认冷却水的温度(步骤S49)(步骤S49～步骤S51、步骤S56)，一边利用控制器41进行适当控制。

还有，在步骤S51中，用于判定是否有必要对水进行加热的阈值温度(例如1℃)可以是与步骤S50使用的规定的阈值温度相同的温度，也可以采用不同的温度。在这种情况下，将如上所述在步骤S51使用的阈值温度设定为比在步骤S50使用的规定的阈值温度低的温度，借助于此，可以抑制提供给加热器24的电力量，因此能够进行控制以进一步抑制能量消耗。

于是，控制器41一旦确认温度检测器17检测出的冷却水箱7的冷却水的温度达到与阈值温度相等的1℃，就将该冷却水箱7作为规定的保温动作用的热源使用，在冷却水循环流路32中使冷却水循环，执行作为规定的保温动作的水的循环动作(步骤S53)。

另一方面，如上所述，在判定为需要对水进行加热的情况下(在步骤S51中判定为是)没有按压加热按钮45时，不进行步骤S56所示的水的加热操作和步骤S53所示的水的循环动作，返回步骤S42所示的模式选择的执行(步骤S55中判定为否)，也可以利用手动操作或自动操作，切换到使燃料电池系统100转移到休眠状态的长期运行停止模式(步骤S43中判定为否)。例如由于是众所周知的控制操作，所以不进行详细说明，但是在冷却水箱7中的冷却水的温度为规定的阈值温度(例如3℃)以下的阈值温度(例如1℃)以下的温度的情况下，不执行水的加热操作(步骤S56)和水的循环动作(步骤S53)，返回步骤S42，引向使燃料电池系统100转移到休眠状态的长期运行停止模式的情况下的动作是可能的。

又如图2所示，判定为规定的保温动作是必要的(步骤S50中判定为是)，判定为水的加热没有必要(步骤S51中判定为否)，执行步骤S53所示的水的循环动作之后，根据步骤S49所示的温度确认判定有必要对水进行加热的情况下(步骤S51中判定为是)，返回步骤S42所示的模式选择的执行，可以切换到使燃料电池系统100转移到休眠状态的长期运行停止模式(步骤S43中判定为否)。这样的控制由于用户不按压控制器41所具备的加热按钮45，能够根据需要进行选择。在这些情况下，控制器41按照预先设定于控制器41的存储装置中的动作条件(步骤S54)切换到长期运行停止模式。

通过采用这样的结构，只在燃料电池系统100贮存的热有剩余的期间实施规定的保温动作，不对加热器24提供电力，因此不大量消耗能量，就能够防止在发电运行停止期间水冻结。

又如图2所示，在本实施形态中，预先设置进行模式选择的步骤为步骤S42，但是该模式选择步骤并非必须的步骤。也就是说，也可以采用在进行步骤S41所示的燃料电池系统100的发电运行停止操作之后，控制器41利用温度检测器17、温度检测器18、以及温度检测器20判定有必要分别对冷却水箱7、供水箱8、以及热水箱10贮存的水进行加热的情况下，自动执行步骤S44～步骤S48所示的排水控制的，不进行模式选择的一种控制系统。即使是采用这样的结构，也能够不大量消耗能量，就能防止发电运行的停止期间水的冻结。

又，在本实施形态中，对控制器41具备长期停止按钮43和短期停止按钮44两者的形态进行了说明，但是本实施形态不限于此，也可以是仅具备长期停止按钮43和短期停止按钮44中的任意一个的形态。

例如，在控制器41仅具备长期停止按钮43，由用户按压该长期停止按钮43的情况下，控制器41打开排水阀25、排水阀26、以及排水阀27，从热水箱10、冷却水箱7、以及供水箱8排水。另一方面，在用户没有按压长期停止按钮43的情况下，在温度检测器17、温度检测器18、以及温度检测器20检测出的水温中的任何一个低于规定的阈值温度的情况下，控制器41使水在温水循环流路31、冷却水循环流路32、以及补给水循环流路33中的至少任何一个循环。又，在温度检测器17、温度检测器18、以及温度检测器20检测出的水温中的任何一个都低于规定的阈值温度的情况下，控制器41打开排水阀25、排水阀26、以及排水阀27从热水箱10和冷却水箱7以及供水箱8排水。

又，在例如控制器41仅具备短期停止按钮44，由用户按压该短期停止按钮44的情况下，而且在温度检测器17、温度检测器18、以及温度检测器20检测出的水温的任意一个未满规定的阈值温度的情况下，控制器41使水在温水循环流路31、冷却水循环流路32、以及补给水循环流路33中的至少一个循环。又，在在温度检测器17、温度检测器18、以及温度检测器20检测出的水温中的任何一个都未满规定的阈值温度的情况下，控制器41打开排水阀25、排水阀26、排水阀27从热水箱10、冷却水箱7、以及供水箱8排水。另一方面，在用户未按压短期停止按钮44的情况下，控制器41打开排水阀25、排水阀26、排水阀27从热水箱10、冷却水箱7、以及供水箱8排水。

即使是在这样的实施形态下，也能够得到与本实施形态得到的效果相同的效果。

如上所述，在本实施形态的燃料电池系统100中，在进行发电运行的停止操作之后，使温水循环流路31、冷却水循环流路32、以及补给水循环流路33中分别存在的水对应于在温度检测器17、温度检测器18、以及温度检测器20分别检测出的温度单独和多个同时循环(在短期运行停止模式的情况下)，或是打开排水阀25、排水阀26、以及排水阀27进行排水(长期运行停止模式的情况下)，根据控制器41的长期停止按钮43或短期停止按钮44的操作，由控制器41进行控制。借助于此，能够有效利用燃料电池系统内部局部存在的热能的防止水冻结用的保温动作能够容易而且经济地进行。

又，在本实施形态的燃料电池系统100中，在其内部局部存在的热能使用完的情况下，和燃料电池系统100转移到长期休眠状态的情况下，将其内部存在的全部水排出到外部。借助于此，能够提供不必为防止水的冻结注入大量的能量的，能够经济地维持和管理的燃料电池系统。

又，在本实施形态的燃料电池系统100中，在选择短期间运行休止之后希望迅速地再度启动的短期运行停止模式的情况下，在其内部贮存的规定的保温动作用的热能不足的情况下，借助于加热器等最低限度需要的能量对水进行加热并使其循环。借助于此，可以提供可维持于能够可靠地防止水的冻结，同时容易再度启动的运行待机状态的燃料电池系统。

又，如果采用本实施形态的燃料电池系统100，则通过确保在进行发电运行的停止操作之后只要简单选择和操作使燃料电池系统100长时间休止还是短时间休止的方便性的运行控制，能够最佳地确保和维持管理的可靠性和经济性以及作为能量供给装置与需求的对应性能。又能够提供具有能够与由于发电运行停止之前的运行安排而有各种变化的内部温度状态无关地适当判定必要条件而且能够灵活应对的特性，能够有效确保在能量损失少的条件下再度启动和安全性能的燃料电池系统。

实施形态2

本发明实施形态2中，例示了燃料电池系统具有作为燃料供给装置的重整器和加热器，利用该加热器发生的热量防止水的冻结的实施形态。

图3是本发明实施形态2所示的燃料电池系统的要部结构的示意图。还有，在图3中，只表示出说明本发明的概念所需要的结构要素，对于不需要的结构要素和与实施形态1所示的结构要素相同的结构要素省略其图示。

又，在图3中，与图1所示的结构要素相同的结构要素标以与图1中所示的符号相同的符号。

如图3所示，本发明实施形态2所示的燃料电池系统200，作为燃料供给装置具有用包含所提供的城市煤气、甲烷、天然气、甲醇等为例的至少有碳和氢构成的有机化合物的原料，借助于接触重整用的重整催化剂生成作为燃料气体的重整气体的重整器29、以及加热和维持该重整器29的温度于接触重整所需要的适当温度用的燃烧器28。还有，在燃料电池系统200进行发电运行时，上述原料被提供给燃烧器28与重整器29两者。

又如图3所示，该燃料电池系统200在利用送水泵22使冷却水通过冷却水箱7、燃料电池1、加湿装置4、以及热回收热交换器9循环的冷却水循环流路32中的燃料电池1与加湿装置4之间具备一对流路切换阀30、30。这一对流路切换阀30、30分别由三通阀构成。

又如图3所示，该燃料电池系统200具备通过一流路切换阀30与另一流路切换阀30连接的旁通流路34。而且该旁通流路34的，在图3左方位置上的U字形的折返部配置于燃烧器28内部。

也就是说，本实施形态的燃料电池系统200具备通过适当操作流路切换阀30、30在冷却水循环流路32的中途插入旁通流路34的结构。借助于此，在冷却水循环流路32中，通过冷却水箱7、燃料电池1、加湿装置4、热回收热交换器9循环的冷却水在冷却水循环流路32和旁通流路34中通过冷却水箱7、燃料电池1、燃烧器28、加湿装置4、热回收热交换器9循环。

又如图3所示，该燃料电池系统200具备控制对重整器29和燃烧器28的原料供应和切断用的开闭阀47。又，该燃料电池系统200具备还控制对重整器29的原料供应或切断的开闭阀48。

还有，构成燃料电池系统200的其他结构要素与实施形态1所示的燃料电池系统100的对应的结构要素相同。

在本实施形态的燃料电池系统200中，在其发电运行停止时，通过按压控制部41中具备的停止开关42，开闭阀48从打开状态转移到关闭状态，停止对重整器29的原料供应。于是，重整器29中的重整气体的生成停止，对燃料电池1的重整气体供应停止，因此，燃料电池1停止电力和热量的发生。在该停止状态继续时，与实施形态1所示的燃料电池系统100的情况一样，由于向大气中放热，构成燃料电池系统200的各构成要素的温度下降，因此冷却水循环流路32的水温不久就接近水的冻结温度区域。

因此，在本实施形态中，控制器41一旦确认例如温度检测器17检测出的冷却水温度下降到预先设定的规定的阈值温度(例如3℃)以下，就在按压了短期停止按钮44和加热按钮45的条件下，流路切换阀30、30根据控制器41的指令动作，在冷却水循环流路32的中途插入旁通流路34。借助于此，冷却水一边迂回通过旁通流路34，一边通过冷却水循环流路32循环。

又同时利用控制器41打开开闭阀47，对燃烧器28提供原料。燃烧器28利用原料使燃烧开始，开始利用其燃烧发生热量。

于是，利用送水泵22的动作强制通过冷却水循环流路32循环的冷却水的温度由燃烧器28生成的热量加热升高温度。也就是说，在本实施形态中，取代燃料电池1或热水箱10等，将燃料供给装置2的燃烧器28作为防止水冻结的热源使用。而且与实施形态1所示的燃料电池系统100的情况一样，该温度上升的冷却水的热量通过冷却水箱7和热回收热交换器9传递到其他水循环流路。以此能够防止燃料电池系统200中的水的冻结。

还有，在本实施形态中，对燃烧器28的原料供应量和原料的供应或切断根据温度检测器17检测出的冷却水的温度由控制器41进行适当控制，以使通过冷却水循环流路32循环的冷却水的温度不过度上升。借助于此，在本实施形态中，能够在燃料电池系统200中得到防止水的冻结所需要的足够的热能。

又，在本实施形态中，对在冷却水循环流路32设置流路切换阀30、30能够插入旁通流路34的形态进行了说明，但是并不限于这种形态，也可以采用可在温水循环流路31或补给水循环流路33上设置流路切换阀30、30插入旁通流路34的形态。但是在冷却水循环流路32设置流路切换阀30、30的形态在使燃料电池系统200开始发电运行之前的预热阶段是能够利用在燃烧器28中原料的燃烧使重整器29升温同时燃料电池1也一起升温的形态，因此是最理想的形态。另一方面，由于温度上升的水使得净水器12具有的离子交换树脂的功能有可能下降，在补给水循环流路33上设置流路切换阀30、30从而能够插入旁通流路的形态是不理想的。

又，为了继续防止水的冻结所需要的能量因燃料电池系统200设置的场所的环境温度、在燃料电池系统200中水存在的地方的保温结构等因素而有一些差异，但是通常为数瓦特/分～数十瓦特/分左右。但是，在燃料电池系统200中，对冷却水的容量供应没有必要平均化地继续进行。例如，在燃料电池系统200中，利用冷却水箱7中贮存的冷却水的热容量(保温性)，在冷却水的温度被燃烧器28加热到规定的温度之后，对冷却水的能量供应也可以间歇性进行，在冷却水的温度降低到水的冻结温度区域之前停止燃烧器28的工作。借助于此，在燃烧器28继续进行微量气体的燃烧变得没有必要，因此能够在重整器29的通常的加热方法下防止燃料电池系统中的水的冻结。

如上所述，如果采用本实施形态的燃料电池系统200，则将用重整器29将原料重整生成重整气体所需的结构要素、即燃烧器28作为热源使用，只通过在冷却水循环流路32上附加流路切换阀30、30，就能够简单而且容易地防止水的冻结。

实施形态3

本发明的实施形态3中，例示了利用燃料电池系统通常具备的用于维持热水箱贮存的温水的温度备用加热器，使用该备用加热器发生的热量防止水的冻结的形态。

图4是本发明实施形态3所示的燃料电池系统的结构的示意图。还有，在图4中，只图示出说明本发明的概念所需要的结构要素，对于不需要的结构要素以及与实施形态1和实施形态2所示的共同的结构要素省略其图示。

又，在图4中，对于与图1所示的结构要素相同的结构要素标以与图1所示的符号相同的符号。

如图4所示，本发明实施形态3所示的燃料电池系统300在温水循环流路31的规定的位置上具备将热水箱10贮存的温水的温度维持于规定的温度用的备用加热器15。在本实施形态中，该备用加热器15为向热回收热交换器9提供高温状态的温水(或为高效率对热回收热交换器9提供温水具有的热)，配设于温水从温水循环流路31的热水箱10的上部向热回收热交换器9流动的部分的规定位置上。又，在本实施形态中，该备用加热器15使通过图4所示的开闭阀49提供的城市煤气等燃烧，利用该城市煤气等燃烧发生的热量加热温水。

本实施形态的燃料电池系统300中，与已有的燃料电池系统的情况一样，在例如热水箱10中高温状态的温水量不足的情况下，燃料电池1的状态即使是进行发电的状态也同时使用备用加热器15，能够从供热水口16需要数量的温水。还有，在这种情况下，热水箱10中贮存的温水利用送水泵21依序分别通过送水泵21、热回收热交换器9、备用加热器15、热水箱10循环。

又，在执行规定的保温动作时，与实施形态1所示的燃料电池系统100的情况一样，控制送水泵21的送水方向使其与通常的发电运行时的情况相反方向。然后，在热回收热交换器9与热水箱10之间利用送水泵21压送温水，使温水循环，使其从热水箱10的上部取出又返回热水箱10的下部。另一方面，如图4所示，在温水循环流路31的规定的位置上配设备用加热器15。借助于此，利用备用加热器15对流过温水循环流路31的温水进行加热，因此热水箱10中贮存的温水的温度得到控制。

还有，构成燃料电池系统300的其他结构要素与实施形态1所示的燃料电池系统100的对应的结构要素相同。

在本实施形态的燃料电池系统300中，控制器41一旦确认例如温度检测器17检测出的冷却水的温度下降到预先设定的规定的阈值温度(例如3℃)以下，就利用控制器41的指令驱动送水泵21，在温水循环流路31中使水循环。

又，同时利用控制器41打开开闭阀49，向备用加热器15提供城市煤气等。借助于此，备用加热器15利用城市煤气等开始燃烧，开始利用其燃烧发生热量。

于是，借助于送水泵21的动作强制性通过温水循环流路31循环的水的温度由于备用加热器15生成的热量加热而升高温度。也就是说，在本实施形态中，使用备用加热器15代替燃料电池1或燃烧器28等作为防止水的冻结用的热源使用。而且，与实施形态1所示的燃料电池系统100的情况一样，该温度上升了的温水的热量通过热回收热交换器9传递到其他水循环流路(在这里是冷却水循环流路32)。又，在控制器41确认了温度检测器18检测出的水的温度下降到预先设定的规定的阈值温度(例如3℃)以下的情况下，温度升高了的温水的热量通过热回收热交换器9和冷却水箱7传递给补给水循环流路33。借助于此，能够防止燃料电池系统300中的水的冻结。

还有，在本实施形态中，对备用加热器15燃烧城市煤气等发热的形态进行了说明，但是并不限于该形态，也可以采用备用加热器15用电发热体等其他加热器构成的形态。

如上所述，如果采用本实施形态的燃料电池系统300，则不必要为了防止水的冻结设置特别的结构要素，将通常具备的结构要素作为热源使用就能够可靠而且简便地防止燃料电池系统中的水的冻结。

实施形态4

本发明的实施形态4在温水循环流路31、冷却水箱7、以及供水箱8中配设的排水阀25、排水阀26、排水阀27的构成以及使用这些构件的燃料电池系统的动作上具有特征。

图5是本发明实施形态4所示的燃料电池系统的排水阀及其周边部的结构的示意图。还有，在图5中，仅图示出说明本发明的概念所必须的结构要素，对于不需要的结构要素以及与实施形态1、实施形态2和实施形态3所示的结构要素相同的结构要素在该图示中省略。

又，在图5中，对于与图1所示的结构要素相同的结构要素标以与图1所示的符号相同的符号。

又，在图5中，表示出排水阀25、排水阀26、排水阀27之中、排水阀26及其周边部的结构。

如图5所示，本发明的实施形态是所示的燃料电池系统400，与实施形态1所示的燃料电池系统100的情况一样，在冷却水箱7的底部近旁具备排水阀26。在本实施形态中，该排水阀26具备其状态仅在通电时为开放状态的常闭型电磁阀35、在该电磁阀35的电气端子与其电气端子电气连接时为使电磁阀35的状态转移到开放状态而提供的电能的贮存用的蓄电器36、检测燃料电池系统400周边的外部气体温度检测器37、以及关联控制这些动作的阀控制器38。还有，在本实施形态中，使用电容器作为蓄电器36。又，排水阀25和排水阀27也分别具有与图5所示的排水阀26相同的结构(在图5中没有特别表示)。

还有，构成燃料电池系统400的其他结构要素与实施形态1所示的燃料电池系统100的对应的结构要素相同。

下面参照附图对本发明就带有特征性的，燃料电池系统400的使用排水阀25、排水阀26和排水阀27的动作进行说明。

图6是本发明实施形态4所示的燃料电池系统的动作的流程图。

如图6所示，本实施形态的燃料电池系统400中，在其发电运行期间(步骤S61)，通过图5所示的阀控制器38在蓄电器36进行保存电能的充电处理(步骤S62、步骤S68)。借助于此，如果从蓄电器36对电磁阀35提供电能，则排水阀26准备着，能够在任何时候都能够转移到打开状态。

另一方面，在图1所示的控制器41的停止开关42被操作，燃料电池系统400的发电运行停止(步骤S63)，控制器41的短期停止按钮44被选择和操作，选择了执行规定的保温动作的选择分支时，在进行其后的静置或保温等处置的期间，在排水阀26中，利用外部气体温度检测器37确认其周边的外部气体温度(步骤S64)。然后利用控制器41判定外部气体的温度是否为表示接近水的冻结温度区域的温度的规定的阈值温度(例如3℃)以下，以此判断防止燃料电池系统400时有无发生水冻结的危险(步骤S65)。

其结果是，即使是在步骤S65中判定为有危险的情况下(步骤S65中判定为是)，或即使是判定为没有危险的情况下(步骤S65中判定为否)，进入下一步骤、即确认有无发生停电用的步骤(步骤S66)。

接着，控制器41进行控制，一旦确认停电没有发生(步骤S66中判定为否)，就返回步骤S64，再度确认外部气体的温度。但是，控制器41一旦确认发生停电(步骤S66中判定为是)，就根据步骤S65的判定结果执行规定的控制。

具体地说，控制器41如图6所示，在步骤S65判定为没有发生水冻结的危险(步骤S65中判定为否)，同时确认发生停电时(步骤S66中判定为是)，停止涉及燃料电池系统400的全部动作(步骤S67)。另一方面，控制器41一旦判定在步骤S65有发生水冻结的危险(步骤S65中判定为是)，同时确认发生停电(步骤S66中判定为是)，就从蓄电器36对电磁阀35提供电能(步骤S69)，然后打开排水阀26(步骤S70)。借助于此，执行通过排水阀26(以及排水阀25、排水阀27)的排水处理，因此燃料电池系统400内部存在的全部水被排出到其外部。还有，蓄电器36具有的全部电能被提供给电磁阀35，一旦蓄电器36的放电结束，电磁阀35自动关闭，因此排水阀35的状态从开放状态转移到关闭状态(步骤S71)。又，控制器41停止涉及燃料电池系统400的全部动作(步骤S72)。

还有，在停电时虽然没有达到规定的阈值温度，但是，在处置完后温度也可能下降。但是，在这种情况下，由于有利用手动方法检测温度和进行对策处理的时间能够顺利应对而不发生问题。又，在本实施形态中，对蓄电器36采用电容器的形态进行了说明，但是不限于这一实施形态，只要是能够贮存电能，也可以采用蓄电池等。

如上所述，如果采用本实施形态的燃料电池系统400，则即使是发生紧急停电的情况下，也能够利用阀控制器38具备的排水阀动作支持功能，在水有冻结危险的情况下，将水排出后停止以保护燃料电池系统。又，即使在紧急时也能够保护燃料电池系统不发生破坏。

又，如果采用本实施形态的燃料电池系统400，则由于蓄电器36的放电结束，电磁阀35的状态将自动返回作为通常状态的关闭状态，因此特别不耐干燥的燃料电池1也不会发生劣化，能够维持于规定的状态。

工业应用性

本发明的燃料电池系统作为能够在抑制能量损失、操作繁杂以及缺少机动性的同时，可靠防止水的冻结造成的故障的发生，能够维持和确保安全的发电运行，作为这样的燃料电池系统能够在工业上得到使用。

又，本发明的燃料电池系统能够有效地利用发生的电能和发生的热量，作为家庭或业务上使用的热电联供系统在工业上能够得到使用。

又，本发明的燃料电池系统作为以电力为动力源的电动汽车、负重运输设备等移动装置用的燃料电池系统能够在工业上得到应用。

Claims (14)

1.一种燃料电池系统，具备

使用含氢的燃料气体与含氧的氧化剂气体进行发电的燃料电池、

贮存冷却水的冷却水箱、

使所述冷却水通过所述冷却水箱进行循环，回收伴随所述燃料电池发电发生的热，使该燃料电池冷却的冷却水循环流路、

贮存温水的热水箱、

使所述温水经过所述热水箱循环的温水循环流路、

在通过所述冷却水循环流路循环的所述冷却水与通过所述温水循环流路循环的所述温水之间进行热交换用的热交换器、

从所述冷却水循环流路和所述冷却水箱中的至少任意一个以及所述温水循环流路和所述热水箱中的至少任意一个各自排水用的排水阀、

对所述冷却水循环流路和所述冷却水箱中的至少任意一个、所述温水循环流路和所述热水箱中的至少任意一个中各自的水温进行检测的温度检测器、以及

控制器，

其特征在于，所述控制器根据所述燃料电池停止发电时所述温度检测器检测出的所述水温，选择实行在所述冷却水循环流路中使所述冷却水循环、在所述温水循环流路中使所述温水循环、或者在所述冷却水循环流路中使所述冷却水循环的同时在所述温水循环流路中使所述温水循环的循环动作，或打开排水阀进行排水。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备

对所述冷却水箱补充水用的供水箱、

在所述冷却水箱与所述供水箱之间使所述水循环的补给水循环流路、

从所述补给水循环流路和所述供水箱中的至少任一个排水用的排水阀、以及

在所述补给水循环流路和所述供水箱中的至少任一个检测水温的温度检测器。

3.根据权利要求1中所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述温度检测器检测出的所述水温中的任意一个未满规定的阈值温度的情况下，至少使所述冷却水和所述温水中的任一种循环，其后在所述水温全部未满所述规定的阈值温度的情况下，打开所述排水阀进行排水。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述冷却水箱和所述冷却水循环流路中的至少任意一个中具备加热所述冷却水用的第1加热器。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述热水箱和所述温水循环流路中的至少任意一个中具备加热所述温水用的第2加热器。

6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

具备

将包含至少由碳和氢构成的有机化合物的原料重整生成所述燃料气体的重整器、

将所述重整器加热并且使重整器的温度保持于所述重整需要的规定温度用的第3加热器、

从所述冷却水循环流路和所述温水循环流路中的至少一个向第3加热器迂回的迂回流路、以及

切换到所述迂回流路用的流路切换阀，

形成所述迂回流路的一部分能够利用所述第3加热器加热的结构。

7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

具备

作为所述排水阀的常闭型电磁阀、

检测所述常闭型电磁阀近旁外部气体的温度的外部气体温度检测器、

将利用所述燃料电池的所述发电得到的所述常闭型电磁阀打开用的电能加以贮存的蓄电器、以及

第2控制器，

所述第2控制器在停电时根据所述外部气体温度检测器检测出的所述外部气体温度，从所述蓄电器提供所述电能，使所述常闭型电磁阀打开排水。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第2控制器在停电时所述外部气体温度检测器检测出的所述外部气体温度未满规定的阈值温度时，从所述蓄电器提供所述电能，使所述常闭型电磁阀打开排水。

9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制器还具备选择所述燃料电池的长期停止发电运行用的第1模式选择指令输入部，

所述控制器在从所述第1模式选择指令输入部输入表示选择所述长期停止发电运行的意思的指令的情况下打开所述排水阀排水，在没有输入表示选择所述长期停止发电运行的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温中的任意一个未满规定的阈值温度的情况下，实行在所述冷却水循环流路中使所述冷却水循环、在所述温水循环流路中使所述温水循环、或者在所述冷却水循环流路中使所述冷却水循环的同时在所述温水循环流路中使所述温水循环的循环动作。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器在没有输入选择所述长期停止发电运行的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温都未满所述规定的阈值温度的情况下，打开所述排水阀排水。

11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制器还具备选择所述燃料电池的短期停止发电运行用的第2模式选择指令输入部，

所述控制器在从所述第2模式选择指令输入部输入选择所述短期停止发电运行的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温中的任意一个未满规定的阈值温度的情况下，实行在所述冷却水循环流路中使所述冷却水循环、在所述温水循环流路中使所述温水循环、或者在所述冷却水循环流路中使所述冷却水循环的同时在所述温水循环流路中使所述温水循环的循环动作，在没有输入表示选择所述短期停止发电运行的意思的指令的情况下，打开所述排水阀排水。

12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器在输入选择所述短期停止发电运行的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温中的任意一个温度都未满所述规定的阈值温度时，打开所述排水阀排水。

13.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制器还具备选择所述燃料电池的长期停止发电运行或短期停止发电运行用的第3模式选择指令输入部，

所述控制器在从所述第3模式选择指令输入部输入选择所述长期停止发电运行的意思的指令的情况下，打开所述排水阀进行所述排水，在输入选择所述短期停止发电运行的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温中的任一个未满规定的阈值温度的情况下，实行在所述冷却水循环流路中使所述冷却水循环、在所述温水循环流路中使所述温水循环、或者在所述冷却水循环流路中使所述冷却水循环的同时在所述温水循环流路中使所述温水循环的循环动作。

14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述控制器输入选择所述短期停止发电运行的意思的指令而且所述温度检测器检测出的所述水温中的任何一个都未满所述规定的阈值温度的情况下，打开所述排水阀排水。

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