CN101467293B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统，其具备燃料电池(3)、水经路(8，10，12，15，17，18)、加热水经路的电加热器(19)、水关联温度检测器(20)、第一异常检测器(22等)、第二异常检测器(28等)和控制器(21)。控制器被构成为：在检测到第一异常或第二异常时，停止燃料电池系统的运转。在由第二异常检测器检测到第二异常，从而使燃料电池系统停止的情况下，如果水关联温度检测器检测到规定阈值以下的温度，则控制器使电加热器(19)工作，并以此作为冻结防止运转。在由第一异常检测器检测到第一异常，从而使燃料电池系统停止的情况下，即使水关联温度检测器检测到规定阈值以下的温度，控制器也不使作为冻结防止运转的电加热器(19)工作。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统、特别是涉及发生了异常时可以防止水冻结和确保安全性的机构。
背景技术
燃料电池系统具备通过氢和氧的化学反应来发电的燃料电池、和冷却燃料电池的冷却水经路。如果将这种燃料电池系统在室外放置一段时间以上而不运转，则伴随着外界温度降低，冷却水经路内的水会冻结。其结果，在下次起动时不能控制燃料电池的温度从而不能进行发电或可能使效率降低。而且，受到由燃料电池冻结所造成的机械性破坏，解冻后也不能运转或是可能使发电效率降低。而且，推测使冷却水循环的泵、水箱及配管等构成部件也受到机械性破坏，其结果，不能使用于冷却燃料电池的充分量的水进行循环，导致消耗电力的增加、发电效率的降低或不能运转。更可怕的是，从破损的地方漏出的水会引起漏电，成为在安全上危险的状态。
作为这样的用于防止冻结的燃料电池系统的一个例子，已知如下燃料电池系统：其具备检测外部温度的温度传感器，当该温度传感器检测到阈值以下的温度时，进行冻结防止运转(例如，参照专利文献1)。
以下，对其详细情况进行说明。图5为表示上述专利文献1所述的现有技术的燃料电池系统的简要构成的图。
上述专利文献1所述的燃料电池系统具备：燃料电池135、向燃料电池135供给水的水供给线136、将自来水137处理为纯水的水处理装置138、将在水处理装置138中处理后的纯水向水供给线136搬送的升压泵139、配置于水处理装置138上的加热器140、温度传感器141、控制器142。水供给线136具备向水箱143和燃料电池135供给水的升压泵144。
在温度传感器141检测到规定温度以下的温度的情况下，作为冻 结防止处理，控制器142控制升压泵139和升压泵144，进行水供给。而且，控制器142开启加热器140的开关并使加热器140加热水处理装置138。由此，即使在外界温度低的情况下，也能够防止向燃料电池系统供给水的水供给线136的冻结，并能够防止燃料电池系统的破损。
专利文献1：特开2004-207093号公报
发明内容
但是，在上述现有技术的燃料电池系统中，在发生某些异常的情况下，从确保安全的观点出发，优选停止该燃料电池系统的所有的动作。另一方面，在燃料电池系统的停止其间，如果外界温度降低而使其内部的水冻结时，可能会损伤燃料电池系统。
本发明是鉴于此而完成的，其目的在于提供能够确保安全性且防止水冻结的燃料电池系统。
为解决上述课题，本发明者们进行了认真的研究探讨。即，具有冻结防止运转功能的燃料电池系统中，假定发生某些异常并使系统停止时，外界温度降低至规定温度以下的情况。在该情况下，如果优先考虑防止冻结而一律使作为冻结防止运转的加热器工作的话，则在它的异常为例如系统内发生可燃性气体的泄露等异常的情况下，加热器的开关可能会成为着火源而引起火灾等。另一方面，如果它的异常为例如不会由于加热器的开启动作而阻碍燃料电池系统的安全的异常，则优选防止燃料电池系统的水冻结。由此想到：对应于异常的状态而进行冻结防止运转或不进行冻结防止运转。具体而言：判定该异常是否为由于加热器的开启动作而阻碍燃料电池系统的安全的异常，在该异常为由于加热器的开启动作而阻碍燃料电池系统的安全的异常的情况下，以安全为先，不进行冻结防止运转；在该异常为不会由于加热器的开启动作而阻碍燃料电池系统的安全的异常的情况下，以冻结防止为先，进行冻结防止运转。
即，本发明的燃料电池系统具备：使用燃料和氧化剂进行发电的燃料电池；水经路，是与所述燃料电池的运转相关的水的经路；加热所述水经路的电加热器；水关联温度检测器，检测与所述水经路内的水的温度相关的温度；第一异常检测器，检测第一异常，该第一异常 包括与可燃性气体的泄露相关的异常；第二异常检测器，检测与所述第一异常不同的第二异常；控制器。所述控制器被构成为，在由所述第一异常检测器检测到第一异常或由所述第二异常检测器检测到第二异常的情况下，停止燃料电池系统的运转。并且，所述控制器还被构成为：在由所述第二异常检测器检测到第二异常，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，如果所述水关联温度检测器检测到规定阈值以下的温度，则所述控制器使所述电加热器工作，并以此作为冻结防止运转；在由所述第一异常检测器检测到第一异常，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，即使所述水关联温度检测器检测到规定阈值以下的温度，所述控制器也不使作为所述冻结防止运转的所述电加热器工作。
根据这样的构成，发生与燃料电池系统中可燃性气体的泄露相关的第一异常、使燃料电池系统停止的情况下，如果使作为冻结防止运转的电加热器工作的话，可能会诱发火灾等更危险的事态，因而使冻结防止运转停止，从而能够确保安全性。而且，发生和第一异常不同的第二异常、使燃料电池系统停止的情况下，基于温度检测器的检测温度，使作为冻结防止手段的电加热器工作，从而防止水经路的冻结，其结果，可以防止由于水经路的冻结造成的燃料电池系统的损伤。
所述水经路至少是以下中的至少任一个：冷却水经路，其中流通用于冷却所述燃料电池的冷却水；冷却水箱，储存所述冷却水；蓄热水经路，其中流通蓄热水，该蓄热水从在所述冷却水经路中流通的冷却水回收热量；蓄热水箱，储存所述蓄热水；回收水经路，其中流通从所述燃料电池的排放气体回收的回收水；回收水箱，储存所述回收水。
所述燃料电池系统作为所述第一异常检测器具备检测可燃性气体浓度的可燃性气体传感器，所述控制器被构成为：在所述可燃性气体传感器检测到规定阈值以上的可燃性气体浓度，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，即使所述水关联温度检测器检测到所述规定阈值以下的温度，也不使作为所述冻结防止运转的所述电加热器工作。
所述燃料电池系统具备：从原料生成作为所述燃料的含氢气体的重整器；加热所述重整器的燃烧器；作为所述第一异常检测器的CO 传感器，检测来自所述燃烧器的排放气体的CO浓度。所述控制器被构成为：在所述CO传感器检测到规定阈值以上的CO浓度，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，即使所述水关联温度检测器检测到所述规定阈值以下的温度，也不使作为所述冻结防止运转的所述电加热器工作。
所述燃料电池系统具备：向所述燃烧器供给氧化气体的氧化气体供给器；作为所述第一异常检测器的氧化气体供给异常检测器，检测所述氧化气体供给器的异常。所述控制器被构成为：在所述氧化气体供给异常检测器检测到异常，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，即使所述水关联温度检测器检测到所述规定阈值以下的温度，也不使作为所述冻结防止运转的所述电加热器工作。
所述燃料电池系统具备：从原料生成作为所述燃料的含氢气体的重整器；作为所述第一异常检测器的重整器温度检测器，检测所述重整器的温度。所述控制器被构成为：在所述重整器温度检测器检测到规定阈值以上的温度，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，即使所述水关联温度检测器检测到所述规定阈值以下的温度，也不使作为所述冻结防止运转的所述电加热器工作。
所述燃料电池系统具备：从原料生成作为所述燃料的含氢气体的重整器；作为所述第一异常检测器的压力检测器，检测所述重整器内部的压力。所述控制器被构成为：在所述压力检测器检测到规定阈值以上的压力，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，即使所述水关联温度检测器检测到所述规定阈值以下的温度，也不使作为所述冻结防止运转的所述电加热器工作。
所述第二异常检测器为检测作为所述第二异常的以下至少任一个异常的检测器：控制与所述燃料电池系统的运转相关的水或空气的流量的流量控制器(燃烧空气供给器除外)的异常、与燃料电池的运转相关的水的温度相关的异常、与所述燃料电池的运转相关的水的水位相关的异常、与所述燃料电池的运转相关的流体(燃烧空气除外)的流量相关的异常、以及与所述燃料电池中发电的电输出相关的异常。所述控制器被构成为：在通过所述第二异常检测器检测到所述第二异常，从而所述燃料电池系统停止的情况下，即使所述水关联温度检测 器检测到规定阈值以下的温度，也不使作为冻结防止运转的所述电加热器工作。
所述燃料电磁系统可以具备：用于使冷却水流通的冷却水泵；作为所述第二异常检测器的冷却水泵异常检测器，检测所述冷却水泵的异常，将其作为与所述燃料电池的运转相关的流体的流量相关的异常。
本发明的上述目的、其它的目的、特征、和优点，通过参照附图，并通过以下的最佳实施方式的详细说明将变得明了。
本发明的构成如上所述，在燃料电池系统中发挥能够确保安全性并防止水冻结的效果。
附图说明
图1为表示本发明的实施方式相关的燃料电池系统的构成的框图。
图2为表示冻结防止电路的构成的电路图。
图3为表示本发明中的异常的分类表。
图4为表示控制器中容纳的异常处理程序的内容的流程图。
图5为表示现有技术的燃料电池系统的构成的模式图。
符号说明
1      原料供给经路
2      重整器
3      燃料电池
4      空气供给器
5      燃烧器
6      燃烧风扇
7      冷却水泵
8      冷却水经路
9      冷却水箱
10     蓄热水经路
11     蓄热水箱
12     回收水经路
13     回收水箱
14       相互循环泵
15       相互循环经路
16       重整水泵
17       重整水经路
18       排水经路
19       电加热器
20       温度检测器
21       控制器
22       可燃性气体传感器
23       CO传感器
24       燃烧风扇异常检测器
25       重整器温度检测器
26       压力检测器
27       燃烧气体排放经路
28       冷却水泵异常检测器
29       氢供给经路
30       氢气排放经路
31       热交换器
32       电源
33       切换开关
34       冻结防止停止开关
35       蓄热水泵
36       CO除去器
37       氧化气体经路
38       空气排放经路
39       冻结防止电路
41       配电线
42       变换器
43       堆电压降低异常检测器
44       变换器异常检测器
51       冷却水水位检测器
52      冷却水温度检测器
53      回收水水位检测器
54      重整水供给异常检测器
55      蓄热水泵异常检测器
56      蓄热水温度检测器
57      氧化气体流量异常检测器
58      堆空气供给异常检测器
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的最佳实施方式进行详细说明。
(实施方式)
图1为表示本发明的实施方式相关的燃料电池发电系统的构成的框图。
首先，对硬件构成进行说明。
本实施方式的燃料电池系统具备重整器2，其通过从原料供给经路1供给的原料及水蒸气所进行的水蒸气重整反应来生成含氢气体。CO除去器36使用从氧化气体经路37供给的作为氧化气体的空气，对在重整器2中生成的含氢气体中的一氧化碳(以下，CO)进行氧化，从而降低CO浓度。CO浓度降低了的含氢气体从除去器36通过氢供给经路20供给给燃料电池3。燃料电池3利用作为燃料的含氢气体和作为氧化剂的空气的化学反应进行发电。空气供给器4向燃料电池3供给空气。在此，空气供给器4由鼓风机构成。在燃料电池3的反应中未使用完的含氢气体作为氢排放气体通过氢排放气体经路30供给给燃烧器5。燃烧器5利用从燃烧风扇6供给的空气燃烧该氢排放气体或通过没有图示的经路供给的原料，用该燃烧热加热重整器2。由加热产生的热量用于在重整器2中从原料重整为含氢气体。燃烧器5中产生的燃烧气体通过燃烧气体排放经路27排放到外部。
而且，在燃料电池3的反应中未使用完的空气作为排放空气通过空气排放经路38被排放到外部。空气排放经路38中配置有未图示的凝结器，在该凝结器中凝结的排放空气中的水通过回收水经路12流入到回收水箱13中，并储存在其中。而且，在上述的氢气排放经路30 及燃烧气体排放经路27中也分别配置有未图示的凝结器，在这些凝结器中分别凝结的排放空气中的水以及燃烧排放气体中的水通过水回收经路12、12而分别流入到回收水箱13中，并储存在其中。在回收水箱13中储存的水由泵16通过重整水经路17而供给给重整器2，在此用于从原料重整为含氢气体。回收水箱13中的水是通过开放未图示的排水阀，并经过排水经路18来进行排水。
而且，燃料电池系统具备由通过燃料电池3的内部的循环经路形成的冷却水经路8。冷却水经路8中配置有冷却水箱9、通过冷却水经路8使冷却水进行循环的冷却水泵7、和热交换器31。热交换器31跨越冷却水经路8和蓄热水经路10来配置，使流过冷却水经路8的冷却水和流过蓄热水经路10的蓄热水进行热交换。蓄热水经路10中设置有储存蓄热水的蓄热水箱11和使蓄热水在蓄热水经路中流通的蓄热水泵9。由此，从冷却水箱9出来的冷却水流过燃料电池3并在其期间回收燃料电池3的排放热量来升温，升温后的冷却水在热交换器31中将排放热量传递给蓄热水而被冷却，并返回到冷却水箱9中。被传递排放热量的蓄热水的温度升高，并储存在蓄热水箱中。其结果，燃料电池3被冷却水冷却，从燃料电池3回收的排放热量在蓄热水箱中以高温的蓄热水的形式来积蓄，通过供给热水等被使用者利用。而且，冷却水箱9和回收水箱13之间形成有具备泵14的相互循环经路15，回收水箱13中储存的水通过泵14供给给冷却水箱9，从冷却水箱9溢出的水返回到回收水箱13中。于是，留在冷却水箱9中的水被用作冷却水。在相互循环经路15的朝向冷却水箱9的去路的途中，设置有未图示的含离子交换体的净化器，通过这样的构成，由于在冷却水经路8中循环而劣化了的冷却水被净化。在冷却水箱9中的水通过开放未图示的排水阀并流经排水经路18被排放。
而且，在燃料电池系统的可能冻结的水经路中设置有电加热器19。在本实施方式中，分别设置在本发明的水经路的一个例子的冷却水经路8、蓄热水经路10、回收水经路12、相互循环经路15、重整水经路17和排水经路18中。而且，本实施方式的电加热器19可以直接设置于这些经路上，也可以构成为：设置在离开这些经路的位置上，并通过辐射热来间接地加热这些经路。而且，配置有电加热器19的水经路 不限于上述记载，例如，可以配置在回收水箱13上，并且，可以配置在与燃料电池的运转相关的水的水经路的任一个位置。
而且，燃料电池系统具备将在燃料电池3中发电的直流电变换为交流电来输出的变换器42。
接着，对具有本发明特征的冻结防止电路39(电加热器19的驱动电路)进行说明。图2为表示冻结防止电路的构成的电路图。
如图2所示，冻结防止电路39是相对于电源32串联连接电加热器19、切换开关33和冻结防止停止开关34而构成。在此，电源32由与燃料电池3系统连接的商用电网构成。可以被构成为：在燃料电池系统的停止期间以商用电网作为电源32来使用，在燃料电池系统发电运转期间以燃料电池3作为电源来使用。在冻结防止电路39中，当切换开关33和冻结防止停止开关34一起关闭(呈ON状态)时，由电源32对电加热器19通电从而使其发热。通过该发热，加热配置有电加热器19的各个经路，防止各个经路中的水冻结。当切换开关33开启(呈OFF状态)时，停止向电加热器19的通电，使冻结防止动作停止。当冻结防止停止开关34开启时，无论切换开关33开启还是关闭，停止向电加热器19的通电，从而禁止冻结防止动作。切换开关33和冻结防止停止开关34的动作由后述的控制器21进行控制。而且，在后述的温度检测器20检测到第一阈值温度以下的温度的情况下，切换开关32可以使用不受控制器21的控制的机械地自动连接的开关，例如双金属片。
接着，对控制系统的构成进行说明。
燃料电池系统具备控制器21。控制器21由电脑等运算器构成，具备例如由CPU形成的运算部(无图示)和例如由内部存储器形成的存储部(无图示)。而且，具备用于向运算部输入所需要的数据的输入部(无图示)和用于显示所需要的数据的显示部(无图示)。控制器21通过在存储部容纳规定的程序、由运算部读出并实行该程序，来进行所需要的控制和数据处理。具体而言，从燃料电池系统的所需要的部位上设置的各种传感器，将检测信号输入到控制器21中，并在控制器21中对这些检测信号进行适当处理，从而控制燃料电池系统整体的动作。在此，本说明书及权利要求中，控制器不仅指单独的控制器，也指控制器群。因此，控制器21没有必要由单独的控制器构成，可以由分散配置的多个控制器构成，并由它们的协动动作来进行所需要的控制。
作为构成上述的各种传感器的一部分的构成部分，燃料电池系统具备温度检测器20(水关联温度检测器)、第一异常检测器和第二异常检测器。
温度检测器20设置在能够检测各个水经路内的水的温度相关的温度的地方。本发明中，“水经路内的水的温度相关的温度”是指水经路内的水的温度本身和与水经路内的水的温度具有相关关系的温度。因此，只要将温度检测器20设置于能够检测与水经路内的水的温度具有相关关系的温度的位置，即使不能检测直接水经路内的温度，也可以设置于燃料电池系统内外的任一地方。但是，由于水经路内的水的冻结本质上和外界温度相关，因此，当设置在水经路以外的位置的情况下，温度检测器20优选设置于可以检测外界温度的位置。本实施方式中，其设置于容纳燃料电池系统的框体的底板上。
接着，使用图1及图3对第一异常检测器及第二异常检测器进行说明。图3为表示本发明中的异常的分类表。
本发明中，燃料电池系统的停止所伴随的异常被规定为包含第一异常和第二异常。也就是说，燃料电池系统的停止所伴随的异常也可以被规定为，包含第一异常和第二异常以外的异常。这样的异常与本发明在本质上没有关系，进行适当处理。以下对第一异常和第二异常进行说明。而且，第一异常检测器为检测第一异常的检测器，第二异常检测器为检测第二异常的检测器。“第一异常”是指包含与可燃性气体的泄露相关的异常的异常，“第二异常”是指与第一异常不同的异常。也就是说，在本发明中，将“第一异常”规定为包含如下异常：当该异常正在发生时，如果使加热器工作，则会妨碍燃料电池系统的安全；将“第二异常”规定为如下异常：当该异常正在发生时，即使使加热器工作，也不会妨碍燃料电池系统的安全。作为“第一异常”，本实施方式中规定了5种异常：可燃性气体的浓度为阈值以上时的“可燃性气体浓度异常”、燃烧排放气体的CO的浓度为阈值以上时的“燃烧排放气体的CO浓度异常”、燃烧风扇6非正常运动的 “燃烧风扇异常”、重整器的温度为阈值以上时的“重整器温度异常”、及重整器的压力为阈值以上时的“重整器压力异常”。将这些异常规定为“第一异常”的理由如下。“可燃性气体浓度异常”表示燃料电池系统内泄露有可燃性气体。“燃烧排放气体的CO浓度异常”表示燃烧器5的燃料不稳定，作为燃烧用燃料的氢排放气体或原料可能从燃烧排放气体的排放口泄露。“燃烧风扇异常”表示燃烧器5中不进行燃烧，作为燃烧用燃料的氢排放气体或原料可能从燃烧排放气体的排放口泄露。“重整器温度异常”表示由于异常高温重整器2受损，重整器2内部的可燃性气体(氢或未重整原料)可能泄露。“重整器压力异常”表示由于异常的高压重整器2受损，重整器2内部的可燃性气体(氢或未重整原料)可能泄露。而且，这些是例示，可以将它们的一部分规定为“第一异常”，也可以将它们以外的部分规定为“第一异常”。
作为“第二异常”规定了5种异常：控制与燃料电池系统相关的水或空气的流量的流量控制器(燃烧空气供给器除外)的异常“流量控制器异常”、与燃料电池3的运转相关的水的温度相关的异常“水温异常”、与燃料电池3的运转相关的水的水位相关的异常“水位异常”、与燃料电池3的运转相关的流体(燃烧空气除外)的流量相关的异常“流量异常”、以及与燃料电池3中发电的电输出相关的异常“电输出异常”。对于“水温异常”，规定为：冷却水温度为容许范围以外(上限以上或不到下限)的“冷却水温度异常”、及蓄热水的温度为容许范围以外的“蓄热水温度异常”。对于“水位异常”，规定为：回收水箱13的水位为容许范围以外(例如，规定的阈值以下)的“回收水箱水位异常”、及冷却水箱9的水位为容许范围以外(例如，规定阈值以下)的“冷却水箱水位异常”。对于“流量异常”，规定为：不能从回收水箱13向重整器2正常供给水的“重整水异常”、不能从空气供给器4向燃料电池3正常供给空气的“堆空气供给异常”、蓄热水泵35不能正常动作的“蓄热水泵异常”、冷却水泵7不能正常动作的“冷却水泵异常”、及从氧化气体经路37向CO除去器36供给的空气的流量为容许范围以外(例如，规定阈值以下)的“氧化气体流量异常”。对于与燃料电池3进行发电的电相关的“电输出异常”， 规定为：燃料电池3的发电电压降低到阈值以下的“堆电压降低异常”、及变换器42不能正常动作的“变换器异常”。在此，对“流量控制器异常”没有表示具体的例子，但是可以适当规定。而且，这些只是例示，可以将它们的一部分规定为“第二异常”，也可以将它们以外的部分规定为“第二异常”。
作为第一异常检测器，在此设置有可燃性气体传感器22、CO传感器23、燃烧风扇异常检测器24、重整器温度检测器25、及压力检测器26。
可燃性气体传感器22具备检测燃料电池系统内的可燃性气体的泄露的功能，其由检测可燃性气体例如可燃性原料或氢气的浓度的传感器构成。在本实施方式中，其设置于可燃性气体易于滞留的燃料电池系统的框体内的上部。
CO传感器23具备检测来自燃烧器5的燃烧排放气体中含有的CO的浓度的功能，由CO浓度传感器构成，设置于燃烧排放经路27中。
燃烧风扇异常检测器24设置于燃烧风扇6中，具备检测燃烧风扇6的动作异常的功能，在本实施方式中，其被构成为检测燃烧风扇6的回转数的异常。
重整器温度检测器25具备检测重整器2内部的温度的功能，在此，其由温度传感器构成，以能够检测重整器2内部的温度的方式设置于该重整器2上。重整器压力检测器26具备检测重整器2内部的压力的功能，在此，其由压力传感器构成，以能够检测重整器2内部的压力的方式设置于该重整器2上。
在此，由可燃性气体传感器22、CO传感器23、重整器温度检测器25、以及重整器压力检测器26所检测的物理量是否异常，通过控制器21进行判定。当然，也可以构成为：可燃性气体传感器22、CO传感器23、重整器温度检测器25、及重整器压力检测器26分别具备电脑等运算器，从而分别判定各自所检测到的物理量是否异常。
而且，第一异常检测器可以被构成为：具备检测从原料供给经路1供给的原料的流量的原料流量检测器，在原料流量检测器检测到的流量值为规定的流量以上的情况下，控制器21判定为异常。具体而言，控制器21被构成为使用该原料流量检测器完成以下的气体泄露检查序 列。即，当燃料电池系统停止(该情况为待机(正常停止))时，通过未图示的阀关闭原料供给经路1的上流端。在该状态下，原料供给经路1中连接有未图示的适宜的气体压力施加设备(气体供给设备)，从而向原料供给经路1施加2kPa的气体压力，当该原料流量检测器检测到的流量值为阈值以上时，控制器21判定为异常。在这种情况下，推定原料气体或富含氢的可燃性气体从各自的经路中泄露。
作为第二异常检测器，在此设置有冷却水温度检测器52、蓄热水温度检测器56、回收水水位检测器53、冷却水水位检测器52、重整水供给异常检测器54、堆空气供给异常检测器58、蓄热水泵异常检测器55、冷却水泵异常检测器28、氧化气体流量异常检测器57、堆电压检测器43、及变换器异常检测器44。
冷却水温度检测器55由温度传感器构成，设置于能够检测冷却水箱9的冷却水的温度的位置。蓄热水温度检测器55由温度传感器构成，在此，设置于蓄热水箱11的外面。回收水水位检测器53由水位传感器构成，以能够检测其水位的方式设置在回收水箱13中。冷却水水位检测器51由水位传感器构成，以能够检测其水位的方式设置在冷却水箱19中。在此，当由冷却水温度检测器52及蓄热水温度检测器56所检测到的温度为容许范围以外(上限以上或不到下限)时，控制器21判定为温度异常，当由回收水水位检测器53及冷却水水位检测器51所检测到的水位为容许范围以外(例如，规定的阈值以下)时，控制器21判定为水位异常。重整水泵异常检测器54设置于重整水泵16中，具有检测重整水泵16的动作异常的功能，本实施方式中其被构成为：重整器2中具备压力检测器，当由重整水的蒸发造成的压力变化为规定的阈值以下时，判定为异常。堆空气供给异常检测器58设置于空气供给器4中，具有检测空气供给器4的动作异常的功能，本实施方式中其被构成为：具备检测从由鼓风机形成的空气供给器4供给的空气的流量的流量计，当该空气的流量为容许范围以外(例如，规定阈值以下)时，判定为异常。蓄热水泵异常检测器55设置于蓄热水泵35中，具有检测蓄热水泵35的动作异常的功能，本实施方式中其被构成为：检测蓄热水泵35的回转数的异常。冷却水泵异常检测器28设置于冷却水泵7中，具有检测冷却水泵7的动作异常的功能，本实施方 式中其被构成为：检测冷却水泵7的回转数的异常。氧化气体流量异常检测器57由氧化气体经路37中设置的流量计构成，被构成为，检测通过氧化气体经路37向CO除去器36供给的空气的流量。在此，当由氧化气体流量异常检测器57检测到的空气流量为容许范围以外(例如，规定的阈值以下)时，控制器21判定为温度异常。堆电压检测器43由从燃料电池3的一对输出端子到变换器42的一对配电线41之间设置的电压计构成，检测燃料电池3的发电电压。在此，当由堆电压检测器检测的电压降低到阈值以下时，控制器21判定为电压异常。变换器异常检测器44设置于变换器42中，具有检测变换器42的动作异常的功能，本实施方式中其被构成为：例如，检测变换器42的输出电流异常(例如，规定的阈值以上)。
在此，如上所述，由冷却水温度检测器52、蓄热水温度检测器56、回收水水位检测器53、冷却水水位检测器52、氧化气体流量异常检测器57、以及堆电压检测器43所检测到的物理量是否异常，通过控制器21进行判定。当然，也可以构成为：冷却水温度检测器52、蓄热水温度检测器56、回收水水位检测器53、冷却水水位检测器52、氧化气体流量异常检测器57、以及堆电压检测器43分别具备电脑等运算器，从而分别判定各自所检测到的物理量是否异常。
接着，对如以上构成的燃料电池系统的动作进行说明。该燃料电池系统的动作通过控制器21的控制来完成。
首先，对一般的动作进行简单说明。从原料供给经路1向重整器2供给含有至少由碳元素和氢元素构成的有机化合物的原料。该原料被燃烧器5加热，并和由从重整水经路17供给的水生成的水蒸气进行水蒸气重整反应，从而生成含氢气体。在CO除去器36中使含氢气体中的CO浓度降低至规定程度后，该含氢气体通过氢供给经路29被供给至燃料电池3，之后，含氢气体中的氢和从空气供给器4供给的空气中的氧进行电化学的反应，从而进行发电。在发电反应中未被消耗的氢排放气体通过氢排放气体经路30向燃烧器5供给，用于加热重整器2。
在燃料电池3的反应中生成的生成水主要包含于通过空气排放经路38从燃料电池3排放的排放空气中，排放空气中的水分在未图示的凝结器中凝结，流过回收水经路12而被储存在回收水箱13中。
而且，通过燃烧排放气体经路9从燃烧器5排放的燃烧排放气体中含有的水分在未图示的凝结器中凝结，流过回收水经路12而被储存在回收水箱13中。进一步，为了使燃烧器5中的燃烧稳定，氢排放气体经路30中的氢排放气体中的水分在未图示的凝结器中被去除，经由回收水经路12而被储存在回收水箱13中。该回收水箱13中储存的水通过重整水泵16成为向重整器2供给的水蒸气，用于水蒸气重整反应中。而且，也可以作为通过相互循环泵14经由相互循环经路15向冷却水箱9供给的、用于冷却燃料电池3的冷却水来利用。在燃料电池3的发电反应中生成的热量，通过利用冷却水泵7使冷却水循环并经由冷却水经路8中的热交换器31，传递到在蓄热水经路10中流通的蓄热水，从而用于家庭的热水供给、暖房等。
而且，在由第一异常检测器或第二异常检测器检测到异常的情况下，控制器21使燃料电池系统的运转停止。而且，在燃料电池系统正常停止的情况下，在由温度检测器20(水关联温度检测器)检测到的检测温度T为第一阈值温度(在此为0℃)以下时，控制器21使电加热器19工作，进行冻结防止运转，当检测温度T为比第一阈值温度高的第二阈值温度(在此为1.5℃)以上时，控制器21使电加热器19不工作，停止冻结防止运转。而且，第一阈值温度优选为可能使水经路内的水冻结的温度、或是和该温度相接近(高几度左右)的温度，例如设定为0℃～5℃的范围内的温度。而且，本实施方式中，在冻结防止运转时，控制器21使电加热器19工作的同时，还使相互循环泵14、蓄热水泵35、以及冷却水泵7工作，从而使相互循环经路15、蓄热水经路10、以及冷却水经路8中的水流通。但是，在简化的情况下，可以省略它们。该冻结防止运转和由第二异常检测器检测到异常并使燃料电池系统的运转停止的情况下的冻结防止运转相同，关于此，以下进行详细说明。
接着，使用图1至图4对具有本发明特征的在异常停止的情况下的冻结防止运转进行说明。图4为表示控制器21中容纳的异常处理程序的内容的流程图。
在由第一异常检测器(可燃性气体传感器22、CO传感器23、燃烧风扇异常检测器24、重整器温度异常检测器25、及压力检测器26) 的任一个检测到的物理量为异常的情况下，即使由温度检测器20检测到的检测温度T为第一阈值温度(0℃)以下，控制器21也不进行冻结防止运转。另一方面，在由第二异常检测器(冷却水温度检测器52、蓄热水温度检测器56、回收水水位检测器53、冷却水水位检测器52、重整水供给异常检测器54、堆空气供给异常检测器58、蓄热水泵异常检测器55、冷却水泵异常检测器28、氧化气体流量异常检测器57、堆电压检测器43、及变换器异常检测器44)检测到的物理量为异常的情况下，如果温度检测器20检测到的检测温度T为第一阈值温度(0℃)以下时，控制器21进行冻结防止运转。
具体而言，首先，通过第一异常检测器或第二异常检测器检测到在燃料电池系统中发生了异常时，控制器21由检测到异常的异常检测器的分类来判定该异常为第一异常还是第二异常(步骤S1)。
在发生的异常被判定为第一异常的情况下，控制器21使燃料电池系统的运转停止(步骤S2)。而且，开启冻结防止电路39(图3)的冻结防止停止开关34(步骤S3)。另外，冻结防止停止开关34在初始状态(通常状态)下为关闭状态。而且，使该异常处理终了。由此，冻结防止电路39成为非工作状态，禁止冻结防止的运转，禁止电加热器19的开启动作。总之，如果在运行状态中则停止冻结防止的运转，如果不在运行状态中则禁止冻结防止的运转。
具体而言，在第一异常为由可燃性气体传感器22检测到的异常的情况下，推测可燃性气体在燃料电池系统内泄露，由此，由于可成为着火源的电加热器19的开启动作被禁止，因此防止了由于电加热器19的开启动作而引起火灾、爆炸等，确保了燃料电池系统的安全。
而且，在第一异常为由CO传感器23检测到的异常的情况下，推测燃烧器5中的燃烧状态为不完全燃烧，泄露有原料或氢排放气体即所谓可燃性气体，由此，由于可成为着火源的电加热器19的开启动作被禁止，因此防止了由于电加热器19的开启动作而引起火灾等，确保了燃料电池系统的安全。
而且，在第一异常为由燃烧风扇异常检测器24检测到的燃烧风扇6的回转数异常的情况下，推测燃烧器5中的燃烧状态为不完全燃烧，泄露有原料或氢排放气体即所谓可燃性气体，由此，由于可成为着火 源的电加热器19的开启动作被禁止，因此防止了由于电加热器19的开启动作而引起火灾等，确保了燃料电池系统的安全。
而且，在第一异常为由重整器温度检测器25或压力检测器26检测到的异常的情况下，推测重整器2的内部为超过重整器2的耐热性的异常高温或是超过重整器2的耐压性的异常高压，从而使重整器2破损、内部的可燃性气体泄露，由此，由于可成为着火源的电加热器19的开启动作被禁止，因此防止了由于电加热器19的开启动作而引起火灾等，确保了燃料电池系统的安全。
另一方面，步骤S1中，在判定为第二异常的情况下，和判定为第一异常的情况相同，控制器21使燃料电池系统的运转停止(步骤S4)。接着，控制器21判定温度检测器20的检测温度T是否成为用于判定是否进行冻结防止运转的判定基准的第一阈值温度(0℃)以下(步骤S5)。而且，在检测温度T不为第一阈值温度以下的情况下，监视检测温度T是否成为第一阈值以下。在检测温度T为第一阈值温度以下的情况或是成为第一阈值温度以下的情况下，控制器21关闭冻结防止电路39的切换开关33(步骤S6)。由此，进行冻结防止运转并使电加热器19工作。而且，在电加热器19工作的同时，控制器21使相互循环泵14、蓄热水泵35以及冷却水泵7工作，使相互循环经路15、蓄热水经路10以及冷却水经路8中的水通流。由此，防止相互循环经路15、蓄热水经路10及冷却水经路8中的水冻结，进而防止由于这些水经路的水的冻结造成的燃料电池系统的破损。
接着，控制器21判定温度检测器20的检测温度T是否为第二阈值温度(1.5℃)以上(步骤S7)。在检测温度T不为第二阈值温度以上的情况下，返回到步骤S6，直到检测温度T成为第二阈值温度以上为止，维持切换开关33的关闭，进行冻结防止运转。而且，在检测温度T为第二阈值温度以上或是成为第二阈值温度以上的情况下，开启切换开关33(步骤S8)。由此，停止冻结防止运转。其后，返回到步骤S5，监视检测温度T是否成为第一阈值以下。
而且，可以构成为：在上述步骤S3终了后，控制器21再次判定是否由第一异常检测器检测到了第一异常，在未检测到第一异常的情况下，即，判定为第一异常被消除的情况下，基于温度检测器20的检 测温度T进行冻结防止运转并使电加热器19工作。例如，可以构成为：在由可燃性气体传感器22检测到可燃性气体的浓度为阈值以上即第一异常、并停止燃料电池系统的运转后，在可燃性气体传感器22检测到的可燃性气体的浓度不到上述阈值的情况下，基于温度检测器20的检测温度T进行冻结防止运转并使电加热器19工作。
而且，检测温度的第一及第二阈值温度优选对应于温度检测器20的设置位置而适宜地设定。
而且，在上述本实施方式的燃料电池系统中，作为第一异常仅将与可燃性气体的泄露相关的异常作为第一异常，将与其不同的异常规定为第二异常，该情况是鉴于本发明的目的及效果的最佳实施方式。但是，不限定于上述实施方式，第一异常也可以包含与可燃性气体的泄露相关的异常不同的异常。例如，作为上述第二异常例示的“流量控制器异常”、“水温异常”、“水位异常”、“流量异常”、“电输出异常”的一部分即使包含于第一异常，也不会破坏本发明的目的和效果。而且，如果推测通过在正在发生该异常时使加热器工作、从而阻碍燃料电池系统的安全状态的异常，是上述的与可燃性气体的泄露相关的异常以外的异常时，可以将它规定为第一异常。
对于本领域技术人员而言，根据上述说明可知本发明的各种改良以及其它实施方式。因此，上述说明只应被解释为例示，是为了向本领域技术人员提供实行本发明的最佳实施方式而做出的。在不脱离本发明的主旨的前提下，可以实质地变更其构造及/或功能的详细内容。
产业上利用的可能性
本发明的燃料电池发电系统具备在发生异常时防止水冻结并确保安全性的机构，其可以用于家用等中所使用的燃料电池系统中。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，
具备：
使用燃料和氧化剂进行发电的燃料电池；
水经路，是与所述燃料电池的运转相关的水的经路；
加热所述水经路的电加热器；
水关联温度检测器，检测所述水经路内的水的温度以及与所述水经路内的水的温度具有相关关系的温度；
第一异常检测器，检测第一异常，该第一异常包括与可燃性气体的泄露相关的异常；
第二异常检测器，检测与所述第一异常不同的第二异常；
控制器，
所述第二异常为如下异常：当该异常正在发生时，即使使加热器工作，也不会妨碍燃料电池系统的安全；
所述控制器被构成为，在由所述第一异常检测器检测到第一异常或由所述第二异常检测器检测到第二异常的情况下，停止所述燃料电池系统的运转，
所述控制器被构成为：
在由所述第二异常检测器检测到第二异常，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，如果所述水关联温度检测器检测到规定阈值以下的温度，则所述控制器使所述电加热器工作，并以此作为冻结防止运转，
在由所述第一异常检测器检测到第一异常，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，即使所述水关联温度检测器检测到规定阈值以下的温度，所述控制器也不使作为所述冻结防止运转的所述电加热器工作。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述水经路至少是以下中的任一个：冷却水经路，其中流通用于冷却所述燃料电池的冷却水；冷却水箱，储存所述冷却水；蓄热水经路，其中流通蓄热水，该蓄热水从在所述冷却水经路中流通的冷却水回收热量；蓄热水箱，储存所述蓄热水；回收水经路，其中流通从所述燃料电池的排放气体回收的回收水；回收水箱，储存所述回收水。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
具备：
作为所述第一异常检测器的检测可燃性气体浓度的可燃性气体传感器，
所述控制器被构成为：在所述可燃性气体传感器检测到规定阈值以上的可燃性气体浓度，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，即使所述水关联温度检测器检测到所述规定阈值以下的温度，也不使作为所述冻结防止运转的所述电加热器工作。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
具备：从原料生成作为所述燃料的含氢气体的重整器；加热所述重整器的燃烧器；作为所述第一异常检测器的CO传感器，检测来自所述燃烧器的排放气体的CO浓度，
所述控制器被构成为：在所述CO传感器检测到规定阈值以上的CO浓度，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，即使所述水关联温度检测器检测到所述规定阈值以下的温度，也不使作为所述冻结防止运转的所述电加热器工作。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
具备：向所述燃烧器供给氧化气体的氧化气体供给器；作为所述第一异常检测器的氧化气体供给异常检测器，检测所述氧化气体供给器的异常，
所述控制器被构成为：在所述氧化气体供给异常检测器检测到异常，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，即使所述水关联温度检测器检测到所述规定阈值以下的温度，也不使作为所述冻结防止运转的所述电加热器工作。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
具备：从原料生成作为所述燃料的含氢气体的重整器；作为所述第一异常检测器的重整器温度检测器，检测所述重整器的温度，
所述控制器被构成为：在所述重整器温度检测器检测到规定阈值以上的温度，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，即使所述水关联温度检测器检测到所述规定阈值以下的温度，也不使作为所述冻结防止运转的所述电加热器工作。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
具备：从原料生成作为所述燃料的含氢气体的重整器；作为所述第一异常检测器的压力检测器，检测所述重整器内部的压力，
所述控制器被构成为：在所述压力检测器检测到规定阈值以上的压力，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，即使所述水关联温度检测器检测到所述规定阈值以下的温度，也不使作为所述冻结防止运转的所述电加热器工作。
8.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述第二异常检测器为检测作为所述第二异常的以下至少任一个异常的检测器：控制与所述燃料电池系统的运转相关的水或空气的流量的除了燃烧空气供给器以外的流量控制器的异常、与燃料电池的运转相关的水的温度相关的异常、与所述燃料电池的运转相关的水的水位相关的异常、与所述燃料电池的运转相关的除了燃烧空气以外的流体的流量相关的异常、以及与所述燃料电池中发电的电输出相关的异常，
所述控制器被构成为：在通过所述第二异常检测器检测到所述第二异常，从而使所述燃料电池系统停止的情况下，如果所述水关联温度检测器检测到规定阈值以下的温度，则使所述电加热器工作，并以此作为冻结防止运转。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，
具备：
用于使冷却水流通的冷却水泵；
作为所述第二异常检测器的冷却水泵异常检测器，检测所述冷却水泵的异常，将其作为与所述燃料电池的运转相关的流体的流量相关的异常。
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