CN101569046A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池系统具备：使用燃料气体和氧化剂气体进行发电的燃料电池(1)，包括由原料和水蒸汽生成含有氢的燃料气体的重整器(71)的氢生成装置(2)，流通用于冷却燃料电池(1)的冷却水的冷却水路径(4)，储存冷却水的冷却水储罐(5)，储存从由燃料电池(1)排出的燃料气体以及氧化剂气体中回收的水的回收水储罐(7)，连接回收水储罐(7)和重整器(71)的第1水路径(8)，被设置于第1水路径(8)上的净化器(10)，从净化器(10)下游的第1水路径(8)进行分支并与冷却水储罐(5)相连接的第2水路径(11)，以及从回收水储罐(7)向第1水路径(8)送出水的第1泵(9)。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及具备氢生成装置以及燃料电池的燃料电池系统，其中氢生成装置使用含有城市煤气、LP气体以及甲醇等的至少由碳和氢构成的有机化合物的原料和水蒸汽来生成富氢燃料气体，燃料电池使用富氢燃料气体和氧化剂气体来进行发电。
背景技术
燃料电池系统具备氢生成装置和燃料电池，上述氢生成装置包括对城市煤气或者LP气体等的原料进行水蒸汽重整从而生成富氢燃料气体的重整器，上述燃料电池通过由氢生成装置所生成的燃料气体与氧化剂气体的电化学反应而进行发电。重整水被提供给重整器并在重整器内部变成了水蒸汽，并被用于原料的重整。另外，为了使在发电时发热的燃料电池保持在一定的温度，将冷却水提供给燃料电池。并且，这些重整水、冷却水是利用了从由燃料电池排出的燃料气体以及氧化剂气体中回收的水(以下称之为回收水)。
如果重整水中混入有含有金属离子或者硫磺成分的杂质并被提供给氢生成装置的话，那么重整催化剂就会劣化并且其寿命会明显降低。另外，可以设想：由于重整催化剂发生劣化，所以不能够生成燃料电池发电所需的氢量而使系统停止。另外，也可以设想到：在水蒸汽重整反应中副产物一氧化碳量会增加，并且燃料电池的电极的铂催化剂会中毒发生劣化，因而燃料电池的性能以及寿命会明显受损。因此，被用于重整水的水的水质管理对于燃料电池系统整体来说非常重要。因此，存在以下问题：为了避免来自于回收水的杂质混入到重整水中，产生了设置维持管理水的纯度的复杂构成或者控制手段的必要，另外，在从利用回收水的冷却水系统供给重整水那样的情况下，用于冷却水系统等中的材料受到限制。
作为解决上述问题的手段，首先通过离子交换树脂等的净化器从而除去水中的金属离子和杂质，然后，将除去了杂质等的水作为重整水、冷却水，并分别分成第1储水部和第2储水部来加以储存，从而抑制杂质混入到重整水中。(例如参照专利文献1)
图15是上述专利文献1所记载的现有的燃料电池系统的构成图。
如图15所示，燃料电池系统具备：使用含有氢的燃料气体和含有氧的氧化剂气体来进行发电的燃料电池30，内装有由水蒸汽重整反应而生成富氢燃料气体的重整器的氢生成装置31，将城市煤气等的原料气体提供给至氢生成装置31的原料供给路径43，将氧化剂气体提供给燃料电池30的氧化剂气体供给器32，以及用于将由氢生成装置31生成的富氢燃料气体提供给燃料电池30的燃料气体供给路径44。
另外，还设置有：流通用于冷却燃料电池30的冷却水的冷却水路径33，储存冷却水的冷却水储罐34，通过冷却水路径33而将冷却水储罐34中的水提供给燃料电池30的第2泵35。进一步设置有：储存从由燃料电池30排出的氧化剂气体中回收的水的回收水储罐36，连接回收水储罐36和冷却水储罐34的第2水路径37，用于净化流通于第2水路径37中的水的净化器38，用于通过第2水路径37而使水从回收水储罐36流向冷却水储罐34的供水泵39，使冷却水储罐34的水返回到回收水储罐36的水返回路径40，连接冷却水储罐34和氢生成装置31的第1水路径41，通过第1水路径41而将重整水从冷却水储罐34供给至氢生成装置31的重整水泵42。
在系统进行工作时，在氢生成装置31中，从原料供给路径43供给城市煤气等的原料，从第1水路径41供给重整水，从而原料被水蒸汽重整并生成富氢燃料气体。然后，该燃料气体通过燃料气体供给路径44被提供给燃料电池30，并与从氧化剂气体供给器32通过氧化剂气体供给路径45而被提供的氧化剂气体发生电化学反应，从而产生电和热。该热能被回收于流通于燃料电池30中的冷却水中，使燃料电池30内维持在一定的温度。
另外，没有被使用于燃料电池30中的反应的氧化剂气体被送往水冷凝器60，使氧化剂气体中的水分冷凝，冷凝水作为回收水被储存于回收水储罐36中。被储存于回收水储罐36中的回收水利用供水泵39通过第2水路径37上的净化器38，而被提供给冷却水储罐34，作为重整水或者冷却水来加以利用。
另外，在冷却水储罐34内，通过设置隔离壁46从而分成第1储水部47和第2储水部48。第1储水部47的水作为重整反应的水蒸汽源由重整水泵42从第1水路径41被提供给氢生成装置31。另外，第2储水部48的水由第2泵35从冷却水路径33被提供给燃料电池30。通过第2水路径37所提供的水被提供给第1储水部47，被提供给第1储水部47的水越过隔离壁46而被提供给第2储水部48。
另外，第1储水部47中设置有第1水位检测器49，第2储水部48中设置有第2水位检测器50。供水泵39的工作是根据第1水位检测器49或者第2水位检测器50的ON/OFF信号进行的。另外，以使第2储水部48的水位低于第1储水部47的水位的形式调整第1水位检测器49以及第2水位检测器50的ON/OFF信号的设定位置。再有，隔离壁46的高度被设置成高于水返回路径40与冷却水储罐34的连接部的位置。因此，第2储水部48的水就不会越过隔离壁46而逆流到第1储水部47。
由此，因为能够抑制冷却水系统中的杂质混入到重整水中，并且能够将由净化器38净化的水作为重整水来加以提供，所以能够抑制重整催化剂的劣化。另外，在冷却水路径33中，也没有必要使用不必要的特殊材料，因而也就增加了材料的选择自由度。
另外，有人提出了一种燃料电池系统，用离子交换树脂等的净化器净化从由燃料电池排出的未反应的气体中回收的回收水并加以储存，将该被储存的水分别作为氢生成装置的重整水以及燃料电池的冷却水而用另一个泵进行送出(例如参照专利文献2)。
专利文献1：日本特开2006-40553号公报
专利文献2：日本特开2005-243623号公报
发明内容
然而，在上述专利文献1所记载的燃料电池系统中，因为设置了各种用途的水储罐以使含有杂质的可能性高的冷却水不混入到重整水中，所以水储罐的容积变得大了，为了进行各个储罐的水位管理，需要更加多的水位检测器。另外，在系统内存在着第2水路径、第1水路径、冷却水路径等多个水路径，因而在各个水路径中需要送出水的泵。另外，在专利文献2所记载的燃料电池系统中，为了将回收水提供给冷却水系统和重整水系统，需要2个泵。对于系统的小型化以及低成本化而言，这些都将成为问题。
本发明就是鉴于上述的课题而做出的，目的在于提供一种燃料电池，以不分别设置用于分离冷却水系统和重整水系统的储罐而且比现有技术更加减少了给冷却水系统以及重整水系统进行供水的泵的数量的构成，而可以抑制杂质从冷却水系统混入到重整水中。
为了达到上述目的，第1本发明是一种燃料电池系统，其具备：氢生成装置，包括由原料和水蒸汽生成含有氢的燃料气体的重整器；燃料电池，使用从所述氢生成装置供给的燃料气体和氧化剂气体进行发电；冷却水路径，其中流通用于冷却所述燃料电池的冷却水；冷却水储罐，储存所述冷却水；回收水储罐，储存从由所述燃料电池排出的燃料气体以及氧化剂气体的至少一者中回收的水；第1水路径，连接所述回收水储罐和所述重整器；第2水路径，从所述第1水路径分支而与所述冷却水储罐相连接；水送出器，被设置于所述分支处的上游的所述第1水路径中；所述燃料电池系统被构成为：通过使所述水送出器进行工作，从而将来自于回收水储罐的水供给至所述重整器或者所述冷却水储罐。
第2本发明是第1本发明的燃料电池系统，其中，具备分流器，该分流器将从所述回收水储罐供给的水分别分流到所述第1水路径和第2水路径；所述燃料电池系统被构成为：所述分流器以规定的分流比分别分流到所述第1水路径和所述第2水路径。
第3本发明是第1本发明的燃料电池系统，其中，具备净化器，该净化器净化从所述回收水储罐供给的水，所述净化器被设置于所述第2水路径中。
第4本发明是第1本发明的燃料电池系统，其中，具备净化器，该净化器被设置于所述分支处的上游的所述第1路径中并且净化从所述回收水储罐供给的水；所述水供给器被设置于所述净化器的下游，在所述水供给器和所述净化器之间的所述第1路径中具备过滤器。
第5本发明是第1本发明的燃料电池系统，其中，所述水送出器被配设于低于所述回收水储罐的排水口的位置上。
第6本发明是第1本发明的燃料电池系统，其中，所述水送出器被配设于低于所述回收水储罐的下限水位的位置上。
第7本发明是第1本发明的燃料电池系统，其中，所述水送出器被配设于低于所述回收水储罐的底部的位置上。
第8本发明是第1本发明的燃料电池系统，其中，具备切换器和控制器，所述切换器在所述氢生成装置和所述冷却水储罐之间切换来自于所述回收水储罐的水的供给对象；所述燃料电池系统被构成为：在所述氢生成装置的燃料气体生成运行过程中，所述控制器控制所述切换器以将水供给至所述氢生成装置；在从所述燃料气体生成运行停止起到下一次所述燃料气体生成运行开始为止的期间内，所述控制器将所述切换器切换到所述冷却水储罐一侧，同时进行使所述水供给器进行工作的冷却水补给工作。
第9本发明是第8本发明的燃料电池系统，其被构成为：在所述燃料电池系统的连续发电运行时间达到第1阈值以上的情况下，所述控制器停止所述燃料电池系统的发电运行，同时进行所述冷却水补给工作。
第10本发明是第8本发明的燃料电池系统，其被构成为：在所述燃料电池系统的连续发电运行时的累积发电量达到第2阈值以上的情况下，所述控制器停止所述燃料电池系统的发电运行，同时进行所述冷却水补给工作。
第11本发明是第8本发明的燃料电池系统，其被构成为：在所述冷却水储罐的水位达到第3阈值以下的情况下，所述控制器停止所述燃料电池系统的发电运行，同时进行所述冷却水补给工作。
第12本发明是第8本发明的燃料电池系统，其被构成为：在所述燃料电池系统的连续发电运行时间达到第4阈值以上的情况下，所述控制器停止所述燃料电池系统的发电运行，同时进行所述冷却水补给工作，其中，在所述连续发电运行时间达到所述第4阈值以上时，推定所述冷却水储罐的水位由于运行时的所述冷却水的蒸发而达到第3阈值以下。
第13本发明是第8本发明的燃料电池系统，其被构成为：在所述燃料电池系统的连续发电运行时的累积发电量达到第5阈值以上的情况下，所述控制器停止所述燃料电池系统的发电运行，同时进行所述冷却水补给工作，其中，在所述累积发电量达到所述第5阈值以上时，推定由于运行时向水利用设备的水供给而使所述冷却水储罐的水位达到第3阈值以下。
第14本发明是第8本发明的燃料电池系统，其被构成为：在所述燃料电池系统的连续发电运行时的累积发电量达到第5阈值以上的情况下，所述控制器停止所述燃料电池系统的发电运行，同时进行所述冷却水补给工作，其中，在所述累积发电量达到所述第5阈值以上时，由于运行时的所述冷却水的蒸发和向水利用设备的水供给而使所述冷却水储罐的水位达到第3阈值以下。
第15本发明是第11本发明的燃料电池系统，其进一步具备检测所述冷却水储罐的水位的水位检测器；所述燃料电池系统被构成为：在由所述水位检测器所检测出的水位为所述第3阈值以下的情况下，所述控制器停止所述燃料电池系统的发电运行。
第16本发明是第9本发明的燃料电池系统，其具备运行准许器，所述运行准许器不准许所述燃料电池系统的运行开始直至完成所述冷却水补给工作为止。
第17本发明是第9本发明的燃料电池系统，其进一步具备设定所述时间阈值的阈值设定器；所述燃料电池系统被构成为：所述阈值设定器根据前一次所述冷却水补给工作的工作时间而更新所述第1阈值。
第18本发明是第8本发明的燃料电池系统，其被构成为：在所述冷却水补给工作中，所述控制器使所述水送出器工作以向所述冷却水储罐供给对应于所述燃料电池系统的连续发电运行时间的长度或者所述累积发电量的大小的量的所述冷却水。
第19本发明是第14本发明或者第15本发明的燃料电池系统，其在所述冷却水储罐中具备溢流口，还具备使来自于所述溢流口的溢流水返回到所述回收水储罐的水返回路径。
第20本发明是第1本发明的燃料电池系统，其具备在所述氢生成装置和所述冷却水储罐之间切换来自于所述回收水储罐的水的供给对象的切换器以及控制器；所述燃料电池系统被构成为：所述控制器控制所述水送出器以及所述切换器，以使得在启动工作中，将水供给至所述冷却水储罐之后，开始向所述氢生成装置供给水。
第21本发明是第1本发明的燃料电池系统，其具备在所述氢生成装置和所述冷却水储罐之间切换来自于所述回收水储罐的水的供给对象的切换器以及控制器；所述燃料电池系统被构成为：所述控制器控制所述水送出器以及所述切换器，以使得在启动工作中，将水供给至所述冷却水储罐之后，开始向所述氢生成装置供给用于燃料气体生成运行的水。
第22本发明是第1本发明的燃料电池系统，其被构成为：所述冷却水储罐被设置于所述回收水储罐的上方，同时从所述第2水路径到所述冷却水储罐的水的供给口被设置于高于所述冷却水储罐的水的排出口的位置，并且在所述燃料电池系统的运行过程中，所述燃料电池系统将来自于所述回收水储罐的水供给至所述重整器和所述冷却水储罐二者。
还有，在上述发明中，所谓“燃料电池系统的发电运行”是指燃料电池发电运行时的燃料电池系统的运行工作，并且被定义为包括氢生成装置的燃料气体生成运行以及燃料电池的发电运行。
本发明的上述目的、其它的目的、特征以及优点在参照附图的情况下并由以下优选的实施方式的详细说明可以明确。
根据本发明的燃料电池系统，以不分别设置用于分离冷却水系统和重整水系统的储罐而且比现有技术减少给冷却水系统以及重整水系统进行供水的泵的数量的构成，抑制杂质从冷却水系统混入到重整水中，从而抑制重整催化剂的劣化。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的实施方式1中的燃料电池系统的构成图。
图2是表示本发明所涉及的实施方式2中的燃料电池系统的构成图。
图3是表示图2所示的气泡分离器的构成的模式图。
图4是表示本发明的实施方式4所涉及的燃料电池系统的构成的框图。
图5是表示燃料电池系统的水供给控制程序的内容的流程图。
图6是表示图5的流程图的系统运行时的水供给控制的内容的流程图。
图7是表示图5的流程图的系统停止时的水供给控制的内容的流程图。
图8是表示本发明的实施方式4所涉及的燃料电池系统的构成的框图。
图9是表示本发明的实施方式4所涉及的燃料电池系统的系统运行时的水供给控制的内容的流程图。
图10是表示本发明的实施方式5所涉及的燃料电池系统的系统停止时的水供给控制的内容的流程图。
图11是表示本发明的实施方式6所涉及的燃料电池系统的构成的框图。
图12是表示本发明的实施方式6所涉及的燃料电池系统的系统运行时的水供给控制的内容的流程图。
图13是表示本发明的实施方式7所涉及的燃料电池系统的水供给控制的内容的流程图。
图14是表示本发明的实施方式8所涉及的燃料电池系统的系统运行时的水供给控制的内容的流程图。
图15是表示现有技术的燃料电池系统的构成图。
符号说明
1、30.燃料电池
2、31.氢生成装置
3、32.氧化剂气体供给器
4、33.冷却水路径
4A.冷却水去路
4B.冷却水归路
5、34.冷却水储罐
6、35.第2泵
7、36.回收水储罐
8、41.第1水路径
9、42.第1泵
10、38.净化器
11、37.第2水路径
12.节流阀(orifice)A
13.节流阀B
14.水返回路径
15.控制器
16.燃烧器
17、43.原料供给路径
18、44.燃料气体供给路径
19、45.氧化剂气体供给路径
20.阳极尾气路径
21.回收水路径
22.阴极尾气路径
23.水供给阀
24.水位检测器
25.气泡分离器
26.入口A
27.出口B
28.出口C
29.隔离壁
39.供水泵
40.水返回路径
46.隔离壁
47.第1储水部
48.第2储水部
49.第1水位检测器
50.第2水位检测器
60、62.水冷凝器
61.热交换器
71.重整器
72.存储器
73.阈值设定器
74.运行准许器
75.重整水阀
76.冷却水阀
81.过滤器
82.加湿器
83.第3泵
84.加湿水供给路径
具体实施方式
以下参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。还有，在以下的说明中，所有的附图对相同或者相当的要素标注同一参照符号，避免其重复说明。
(实施方式1)
图1是本发明的实施方式1中的燃料电池系统的构成图。
如图1所示，本实施方式1中的燃料电池系统具备：使用含有氢的燃料气体和氧化剂气体来进行发电的燃料电池1，内装有将城市煤气等的原料进行水蒸汽重整从而生成富氢燃料气体的重整器71的氢生成装置2，将城市煤气等的原料气体供给至重整器的原料供给路径17，用于将富氢燃料气体从氢生成装置2供给至燃料电池1的燃料气体供给路径18，通过氧化剂气体供给路径19将氧化剂气体供给至燃料电池1的氧化剂气体供给器3。
氢生成装置2不仅内装有上述的重整器71，还内装有：通过转化反应从而减少由重整器71所生成的燃料气体中的一氧化碳的转化器(未图示)，以及通过氧化反应来减少通过了转化器的燃料气体中的一氧化碳的CO除去器(未图示)。为了促进水蒸汽重整反应，重整器71具备重整催化剂(未图示)，并且具备作为用于向重整催化剂供给反应热的热供给装置的燃烧器16。
在此，氧化剂气体供给器3具备吸入口向大气开放的鼓风机(未图示)，并进一步设置有对由该鼓风机吸入的空气以一定量的水蒸汽进行加湿的加湿装置(未图示)。还有，氧化剂气体供给器3可以形成使用西洛克风扇等的风扇类的构成。
另外，本实施方式的燃料电池系统具备：流通用于冷却燃料电池1的冷却水的冷却水路径4，储存冷却水的冷却水储罐5，通过冷却水路径4将冷却水储罐5中的水供给至燃料电池1的第2泵6。
冷却水路径4是由冷却水去路4A和冷却水归路4B构成的，冷却水去路4A的上游端被连接于冷却水储罐5而其下游端则被连接于燃料电池1。另外，冷却水去路4B的上游端被连接于燃料电池1而其下游端被连接于冷却水储罐5。在冷却水去路4B的途中设置有热交换器61，由此，可以由外部热介质(例如水)回收由燃料电池1所产生的热，能够使燃料电池1的内部维持在适当的温度。
另外，本实施方式的燃料电池系统具备：通过回收水路径21储存由水冷凝器62从燃料电池1排出的反应气体(燃料气体以及氧化剂气体)中回收的水的回收水储罐7，连接回收水储罐7和氢生成装置2的第1水路径8，用于从回收水储罐7将水送出至第1水路径8的第1泵9。还有，为了将从燃料电池1排出的燃料气体中的未被使用的燃料气体作为燃烧器的燃料来加以使用，由阳极尾气路径20连接燃料电池1和燃烧器16，从燃料电池1排出的氧化剂气体通过阴极尾气路径22而被排出至系统之外。在本实施方式中，上述水冷凝器62被配置于阳极尾气路径20以及阴极尾气路径22二者中，从而从燃料气体以及氧化剂气体二者中回收水，但是也可以形成从任一方的排出气体中回收水的构成。
另外，将净化第1水路径8中流通的水的净化器10设置于第1泵9的水流通方向的下游侧，并设置有从净化器10的水流通方向的下游侧的第1水路径8进行分支并与冷却水储罐5相连接的第2水路径11。在与第2水路径11的分支点O的水流通方向下游侧的第1水路径8上，设置有作为第2流量调节器的一个例子的调节重整水流量的节流阀A12；在第2水路径11上，设置有作为本发明的第1流量调节器的一个例子的调节水供给量的节流阀B13。另外，还设置有用于将来自于冷却水储罐5的溢流水返回到被设置于冷却水储罐5下方的回收水储罐7的水返回路径14。还有，冷却水储罐5是向大气开放的。冷却水储罐5的向大气开放除了将冷却水储罐5直接向大气开放之外，例如也可以构成为通过将回收水储罐7向大气开放从而经过水返回路径14以及回收水储罐7而向大气开放。另外，在此，净化器10虽然被设置于第1水路径8上的第1泵9的水流通方向下游侧，但是也可以形成净化器10被设置于第1泵9的水流通方向的上游侧。另外，优选第1泵9被配设于低于回收水储罐7的排水口7a的位置上。这是因为：泵工作开始时泵的入口侧变成负压从而溶解于水中的气体会析出，容易引起泵中进入空气，但是利用上述构成，因为第1泵9低于回收水储罐的水位而成为第1泵9上承受着水压的状态，所以不容易在第1泵9工作开始的时候形成负压因而能够抑制空气的进入。还有，从该观点出发，更加优选第1泵9被配设于低于回收水储罐7的下限水位的位置，并且进一步优选被配设于低于回收水储罐7的底部的位置上，因为可以不管回收水储罐7的水位变动而构成为在第1泵9上承受水压从而提高抑制空气进入的效果。
另外，第2水路径11连接于被形成于冷却水储罐5的侧壁上的供给口5b，水返回路径14连接于被形成于冷却水储罐5的侧壁上的溢流口(排出口)5a。另外，为了降低通过第2水供给路径11在分支点O上承受水压并且冷却水储罐5内的冷却水从供给口5b向第2水路径11逆流而混入到重整水中的可能性，将溢流口5a设置于比供给口5b更加低的位置。还有，也可以构成为：用于排出冷却水储罐5内的冷却水的构成不是上述溢流口的构造，而是将通常的排水口设置于冷却水储罐5的侧壁上，在将水返回路径14的上游端连接于该排水口的同时将开关阀设置于水返回路径14中，并通过打开该开关阀而向水返回路径14进行排水。
再有，本实施方式的燃料电池系统具备控制第2泵6、第1泵9、节流阀A12以及节流阀B13的控制器15。在本实施方式中，控制器15也控制燃料电池系统整体的工作。还有，所谓控制器15，不仅仅是指单独的控制器，它还意味着多个控制器协同工作而对燃料电池系统进行控制的控制器组。因此，控制器15不一定由单独的控制器构成，也可以构成为分散配置多个控制器并由它们进行协同工作来控制燃料电池系统。例如，也可以将控制器15构成为仅仅控制第2泵6、第1泵9、节流阀A12以及节流阀B13，并另外设置与控制器15协同工作来控制燃料电池系统的工作的控制器。
接着，就本实施方式1中的燃料电池系统的工作进行说明。该燃料电池系统的工作是依据控制器15的控制来完成的。
首先，燃料电池系统根据来自于控制器15的启动指令实施启动工作。具体而言，进行包括氢生成装置2的升温工作在内的启动工作，从而充分减少包含于由氢生成装置2所产生的含氢的燃料气体中的一氧化碳，并成为能够供给至燃料电池1的状态。然后，在通过本启动工作而在氢生成装置2中生成了一氧化碳浓度低的高质量的燃料气体之后，开始向燃料电池1供给燃料气体，并开始燃料电池1的发电运行。
具体而言，从原料供给路径17供给的城市煤气等的含有至少由碳以及氢构成的有机化合物的原料与在重整器内部由从第1水路径8供给的水所生成的水蒸汽，进行水蒸汽重整反应，生成富氢燃料气体。该燃料气体经过转化器以及CO除去器，从而生成一氧化碳浓度为大约为10ppm以下的高质量的燃料气体。此时，在燃料气体中含有一定量的提供给重整反应的水蒸汽，但是也可以是用一定量的水蒸汽进行加湿那样的构成。
由氢生成装置2所生成的燃料气体通过燃料气体供给路径18从而被供给至燃料电池1的阳极(未图示)。
另外，从氧化剂气体供给器3通过氧化剂气体供给路径19将被加湿了的氧化剂气体供给至燃料电池1的阴极(未图示)。
在燃料电池1中，通过由氢生成装置2所供给的富氢燃料气体与由氧化剂气体供给器3供给的氧化剂气体发生的电化学反应，从而产生电、热以及水。
此时，在燃料电池1的内部没有被消耗的未反应的含氢的燃料气体(以下称之为阳极尾气)中所包含的水蒸汽由水冷凝器62被与阳极尾气发生分离，而被冷凝成水。除去了水蒸汽的阳极尾气通过阳极尾气路径20被供给至燃烧器16。在燃烧器16中，阳极尾气和由空气供给器(未图示)供给的空气混合并燃烧，将热供给至氢生成装置2。另一方面，从阳极尾气中分离出来的水通过回收水路径21从而被储存于回收水储罐7中。
同样，在燃料电池1的内部没有被消耗的未反应的氧化剂气体(以下称之为阴极尾气)也由水冷凝器62被分离成气体和水，被分离后的阴极尾气从阴极尾气路径22排出至系统外，水通过回收水路径21从而被储存于回收水储罐7中。
另外，燃料电池1通过冷却水路径4与冷却水储罐5相连接，并由第2泵6的工作将冷却水供给至燃料电池1，并回收燃料电池1在发电运行时所排出的热。
然后，在来自于控制器15的停止指令的控制信号被输出之后，开始进行停止工作，在完成了停止工作之后，燃料电池系统停止。
接着，就本发明的实施方式1的燃料电池系统的发电运行时的重整水的供给方法以及向冷却水储罐5的水供给方法进行说明。
在被设置于氢生成装置2内部的由燃烧器16的热而被升温的水蒸发器(未图示)中，通过第1水路径8由第1泵9的工作从回收水储罐7供给的水被加热，生成重整器中的水蒸汽重整反应所需的水蒸汽。在第1水路径8上设置有包含离子交换树脂的净化器10，从而除掉导电性离子等的杂质。另外，根据由设置于第1水路径8中的节流阀A12以及设置于第2水路径11中的节流阀B13的各自的节流孔径以及节流孔长度所决定的压力损失之比，将从回收水储罐7由第1泵9所供给的水，以规定的流量比，分流成给氢生成装置2的重整水和给冷却水储罐5的供给水。由此，用1个泵(第1泵9)来进行向氢生成装置2供给重整水和向冷却水储罐5供给水。
另外，如以上所述，因为供给口5b被形成于比溢流口5a更加高的位置，所以可以降低通过第2水供给路径11在分支点O上施加水压并使冷却水储罐5内的冷却水在第2水路径11中逆流从而混入重整水中的可能性。由此，可以以不需要储存重整水用的水的储罐的简单构成，就能够防止引起重整催化剂劣化的冷却水系统的杂质混入到重整水中。
接着，就本实施方式的燃料电池系统中的重整水的流量以及供给至冷却水储罐5的水供给量的控制方法进行说明。
在氢生成装置2中，必须将供给至重整器中的水蒸汽中的水分子的摩尔数与供给至重整器的原料中所含有的碳原子的摩尔数之比S/C稳定地维持在规定值(例如S/C＝3)。这是因为：如果S/C相对于目标值偏小，那么在重整催化剂上会有碳析出，由此导致催化剂劣化的危险性会上升；而如果相对于目标值偏大，那么用于形成水蒸汽的热量会增加，因此降低了效率。
另外，如果供给至重整器的水蒸汽量频繁地变动，那么所生成的燃料气体中的水分也会变动因而露点也会发生变动。其结果是，在燃料电池1为固体高分子型燃料电池的情况下，如果燃料气体的露点发生变动而使固体高分子膜过于干燥，那么就不能够充分发挥离子传导性，引起电力降低；另一方面，如果过于湿润，那么就会阻碍气体的扩散，从而产生液泛(flooding)等的问题，会有燃料电池系统运行止的情况。由此可知，重整水的流量控制对于维持并提高燃料电池系统的性能、可靠性以及耐久性来说，成为重要因素。
因此，为了将准确的流量作为重整水进行供给以使S/C成为最合适的规定值，必须精密地分流成重整水和供给至冷却水储罐5的水，由控制器15控制节流阀A12和节流阀B13的开度以使分流比成为所希望的值(例如，重整水量∶供给至冷却水储罐5的水量＝2∶1)。
另外，为了增加在燃料电池1中的发电量，必须增加在氢生成装置2中的燃料气体的生成量，此时，氢生成装置2的压力损失也会增加。其结果是，与发电量较低的时候相比较，重整水的流量与供给至冷却水储罐5的水供给量的分流比发生变化，且供给至冷却水储罐5的水供给量变得比供给至氢生成装置2的重整水流量更多(例如重整水量∶供给至冷却水储罐5的供给水量＝1∶2)。
也就是说，为了增加发电量，在使S/C保持为上述最合适的规定值的状态下，有必要增加原料气体的供给量和水供给量，但是在增加发电量的同时氢生成装置21内部的压力损失也会增加，并且会有S/C值变得比上述规定值小很多的可能性。因此，预先测量随着发电量的增加的第1水路径与第2水路径的分流比的变动数据，并储存到存储器(图1中没有表示)中，控制器15根据该变动数据，调节节流阀A12以及节流阀B13的至少一者的开度以及第1泵9，从而增加供给至重整器的水供给量，以使S/C成为规定值。例如，根据对应于燃料电池1的增加后的发电量的分流比从重整水量∶供给至冷却水储罐的水量＝2∶1变动到重整水量∶供给至冷却水储罐的水量＝1∶2的数据，控制节流阀B13以使第2水路径的压力损失成为4倍，同时，第1泵也增加至对应于增加后的发电量的操作量，从而增加供给至重整器的水供给量。
这样，为了增加发电量而增加水供给量，伴随着发电量的增加，供给至冷却水储罐5的水供给量就会增加，冷却水储罐5内的水位就会上升。为了将冷却水储罐5内的水位保持在一定，溢流水通过水返回路径14从而被供给至回收水储罐7。其结果是，供给至冷却水储罐5的水供给量增加的情况下，水通过第1水路径8、第2水路径11以及水返回路径14而被循环。
如上所述，在本实施方式的燃料电池系统中，在使第1泵9进行工作的时候，通过第1水路径8上的净化器10的重整水以节流阀A12与节流阀B13的压损比进行分流，并且分别被供给至氢生成装置2和冷却水储罐5。因此，就能够以不需要储存重整水用的水的储罐的简单构成，而防止冷却水系统的杂质混入到重整水中，能够抑制重整催化剂的劣化。
另外，控制器15在控制节流阀A12以及节流阀B13的开度的同时，控制1个第1泵9，从而在以达到规定的S/C的形式控制重整水的流量的同时，也可以控制供给至冷却水储罐5的水量。因此，与现有的构成相比较，可以以减少了泵的简单构成来控制重整水的流量以及供给至冷却水储罐5的水供给量。还有，虽然在本实施方式中在第1水路径8以及第2水路径11二者上都设置了节流阀，但是即使只设置于任意一方者的水路径上，通过与第1泵9的操作量控制相组合，同样可以控制重整水的流量以及供给至冷却水储罐5的水供给量。
另外，根据本发明的实施方式的燃料电池系统，通过将由第1泵9送出的水分流成供给至氢生成装置2的重整水和供给至冷却水储罐5的供给水，从而也可以将比第1泵9的最低输出流量还要少的流量的水作为重整水来供给至氢生成装置2。
另外，通过将溢流口5a形成于冷却水储罐5内，从而也可以将储罐内的水位保持一定，并且可以再利用溢流出来的水。另外，通过进行溢流，从而也可以净化冷却水储罐5以及冷却水路径内的水。
还有，虽然在上述实施方式中通过设置节流阀A12以及节流阀B13而决定压损比，但是也可以不设置节流阀A12而只设置节流阀B13，并且通过调节节流阀B13的开度和第1泵9的操作量，从而调节分别在从分支点O到氢生成装置2的流路中和在从分支点O到冷却水储罐5的流路中进行流通的水流量。另外，也可以代替上述节流阀而将三通阀设置于分支点O来调节到双方流路的开度从而调节流量。但是，与三通阀相比，使用节流阀除了控制性更容易之外，更能够控制流量的变动，因而优选。
(实施方式2)
图2是本发明的实施方式2中的燃料电池系统的构成图。本实施方式2的燃料电池系统与实施方式1的基本构成相同，但是第2水路径11上的构成以及冷却水储罐5的构成有所不同。因此，以该不同点为中心进行说明，而有关与实施方式1共通的构成以及工作省略说明。
如图2所示，本发明的实施方式2中的燃料电池系统具备：为了切断向冷却水储罐5的水供给而在第2水路径11上设置的水供给阀23，检测冷却水储罐5内的水位的水位检测器24，为了分离水和气泡而设置于第1水路径8与第2水路径11的连接部的气泡分离器25。还有，在本实施方式中，作为水位检测器24，使用浮子式液位开关，并以电磁式ON/OFF信号检测水位。该水位检测器24在检测到规定水位以上的水位的时候，ON信号为被检测到的信号。
接着，就本发明的实施方式2的燃料电池系统中的重整水的供给方法以及向冷却水储罐5的水供给方法进行说明。
正如在本发明的实施方式1中所说明的那样，如果增加燃料电池1的发电量，那么供给至冷却水储罐5的水就会变得过剩，将其控制成：被过剩供给的水通过水返回路径14而回到回收水储罐7，并通过第1水路径8、第2水路径11以及水返回路径14进行水循环。
因此，在本实施方式中，控制器15除了上述实施方式1的控制之外，通过进一步根据水位检测器24的检测信号控制水供给阀23从而可以供给仅仅冷却水储罐5所需要的水量，而且，在根据水位检测器24中的检测信号控制水供给阀23的时候，可以使S/C不会较大地偏离于最合适的规定值。
在检测到了来自于水位检测器24的检测信号为OFF信号(水位降低)的情况下，控制器15进行控制以使水供给阀23处于开启状态，同时以使S/C不会较大地低于规定值的方式增加第1泵9的操作量，并且被分流的水通过第2水路径11被继续供给至冷却水储罐5。
另一方面，在检测到了来自于水位检测器24的检测信号为ON信号(水位增加)的情况下，控制器15使水供给阀23处于关闭状态，同时通过将第1泵9的操作量调节到比水供给阀23开启状态时更低，从而使S/C不会较大地高于规定值。
如上所述，因为可以一边将S/C稳定地维持在规定值一边供给仅仅冷却水储罐5所需要的水量，所以可以减少第1泵9的工作量。
还有，虽然在本例中构成为将水供给阀23设置于第2水路径11中并且根据来自于水位检测器24的信号控制水供给阀23，但是也可以不设置水供给阀23，而根据水位检测器24的信号来控制节流阀B13的开度而不是控制水供给阀23。
接着，就设置于第1水路径8和第2水路径11的连接部的气泡分离器25进行说明。
系统由于反复启动·停止或者由于外界气温的变动等而使水路径内的水温发生上下变动，从而就会在水路径内产生气泡。另外，在系统内从完全没有水的状态开始向所有的水路径供给水，并开始运行的时候，存在着许多泵和电磁阀等的构成部件，而且要从在系统内复杂地上下的水路径内完全除去气泡是非常困难的，所以不少路径内会残留气泡。如果这些气泡与重整水一起被供给到重整器中，那么就会发生水蒸汽量的变动，所以燃料气体的生成量以及燃料气体的露点就可能发生变动，从而在燃料电池1中的发电可能变得不稳定。
因此，本实施方式中的气泡分离器25是为了防止将包含于由第1泵9送出的水中的气泡被供给至氢生成装置2内的重整器中而被设置的，被构成为将气泡与水分离且分离后的气泡通过第2水路径11流向冷却水储罐5。
图3是表示本发明的实施方式2中的气泡分离器25的一个例子的构成图。
气泡分离器25具备：被形成于其下部并供给由第1泵9送出的水的入口A26，同样被形成于下部并送出供给至重整器的水的出口B27，被形成于其上部并与第2水路径11相连接的出口C28，以及被设置于内部的隔离壁29。
从入口A26供给的重整水被第1泵9的输出压力挤压而一下子上升之后，越过隔离壁29而下降，并从出口B27被供给至氢生成装置2。此时，与水一起从入口A26供给的气泡由于其浮力而被分离至气泡分离器25的上部，并从出口C28通过第2水路径11流向冷却水储罐5。
如上所述，由气泡分离器25分离成气泡和水，气泡通过第2水路径11而流到冷却水储罐5，所以能够抑制气泡混入到氢生成装置2内的重整器中，从而能够继续氢生成装置2以及燃料电池1的稳定运行，实现燃料电池系统可靠性的提高。
(实施方式3)
图4是表示本发明的实施方式4所涉及的燃料电池系统的构成的框图。如图4所示，本实施方式3的燃料电池系统与实施方式1的燃料电池系统的基本构成相同，但是主要在以下方面有所不同。以下以这些构成上的不同点和其工作为中心进行说明，省略说明与实施方式1共通的构成以及工作。
本实施方式3的燃料电池系统分别具备重整水阀75以及冷却水阀76来替代实施方式1的节流阀A12以及节流阀B13。重整水阀75以及冷却水阀76分别由开关阀构成，并由控制器15控制其工作。在打开重整水阀75并且关闭冷却水阀76时，来自于回收水储罐7的水被供给至氢生成装置2的重整器71；在关闭重整水阀75并且打开冷却水阀76时，来自于回收水储罐7的水被供给至冷却水储罐5。因此，重整水阀75以及冷却水阀76构成了在氢生成装置2的重整器71和冷却水储罐5之间切换来自于回收水储罐7的水的供给对象的切换器。
另外，控制器15具备存储器72、阈值设定器73、运行准许器74。控制器15例如是由微型计算机构成的，存储器72例如是由其内部存储器构成的。控制器15的阈值设定器73以及运行准许器74是通过控制器15的运算部(未图示，例如由微型计算机的CPU构成)读出并进行被容纳于存储器72中的规定程序而实现的功能模块。
于是，在第1水路径8中，第1泵9被配设于第1水路径8与第2水路径11的分支点O的上游侧，而净化器10被配设于第1泵9的上游侧。再有，过滤器81被配设于第1泵9和净化器10之间的第1水路径8上。在净化器10中充填有离子交换树脂。过滤器81是例如含有活性碳来构成的。在净化器10中除去来自于回收水储罐7的水中的离子并降低其电导率。另外，由于过滤器81的存在，在万一离子交换树脂从净化器10中流出的情况下，能够抑制其流入到第1泵9中从而引起进入到第1泵9的内部以至造成工作停止那样的不良情况的可能性。
接着，就如上所述构成的本实施方式3的燃料电池系统的工作进行说明。燃料电池系统具有4个工作模式，即，进行发电的发电运行(以下有时称之为系统发电运行时)，使燃料电池系统从停止状态(待机状态)顺利地开始到发电运行的启动工作(以下有时称之为系统启动时)，使燃料电池系统从发电运行顺利地停止的停止工作，待机状态(以下有时称之为系统待机时)。在此，在停止工作中，控制器15内的运行准许器74即使有启动要求也不准许燃料电池系统的启动，燃料电池系统处于控制器15不输出启动指令的启动不准许状态。另外，待机状态是在完成了燃料电池系统的停止工作之后，在检测到启动要求的情况下准许启动，并且能够迅速过渡到启动工作的状态。还有，作为上述启动要求，例如可以列举：从燃料电池系统接受电力供给的电力负载的电力需求达到规定阈值以上的情况，或者由用户通过未图示的操作器输入的运行开始要求等。
图5是表示燃料电池系统的水(重整水以及冷却水)供给控制程序的内容的流程图。图6是表示系统运行时(系统启动工作时以及发电运行时)的水供给控制的内容的流程图。图7是表示系统发电运行停止后的水供给控制的内容的流程图。
在控制器15的存储器72中，存储有图5的水供给控制程序，通过运算部(未图示)读出这个程序并加以执行从而完成水供给控制。
如图5所示，在这个水供给控制中，首先，控制器15使其启动指令(具体为从控制器15输出的运行开始的控制信号)处于待机状态(步骤S1)。一旦有了启动指令之后，控制器15进行系统运行时的水供给控制(步骤S2)。接着，控制器15判断是否有系统停止指令(具体为从控制器15输出的运行停止的控制信号)(步骤S3)。在没有系统停止指令的情况(步骤S3中为“否”)下，重复系统运行时的水供给控制。另一方面，在有系统停止指令的情况(步骤S3中为“是”)下，控制器15进行系统发电运行停止后的水供给控制(步骤S4)，之后，返回到步骤S1。
接着，就系统运行时的水供给控制(步骤S2)进行说明。
如图6所示，在系统运行时的水供给控制中，控制器15首先开始燃料电池系统的运行(步骤S6)。
接着，控制器15开始氢生成装置2的运行(步骤S7)。
然后，控制器15打开重整水阀75(步骤S8)。还有，如后所述，冷却水阀76在系统停止发电运行停止后的水供给控制完成时被关闭，所以此时处于关闭状态。
接着，控制器15开始作为水送出器的第1泵9的运行(步骤S9)。由此，回收水储罐7的回收水作为重整水被供给到氢生成装置2的重整器71中。如实施方式1中所述，第1泵9被控制成使得氢生成装置2的重整器71中的S/C成为3.0。
接着，如果在氢生成装置2中生成了一氧化碳浓度低的高质量的燃料气体，那么控制器15转移至燃料电池1的发电程序(步骤S10)。由此，在燃料电池系统中进行发电运行。
接着，控制器15判断连续发电时间(燃料电池系统的连续发电运行时间)是否在第1阈值以上(步骤S11)。连续发电时间由控制器15内装的时钟等的计时装置(未图示)进行测定，控制器15将其存储到存储器72中。在此，所谓连续发电时间，是指燃料电池系统连续地持续发电的时间，燃料电池系统一旦停止发电，则连续发电时间被重置为零。第1阈值是由阈值设定器73设定的。第1阈值的初始值是以伴随着在燃料电池系统连续发电时的冷却水储罐5的冷却水的减少而降低的冷却水储罐5的水位为基准而被预先确定的，被设定在阈值设定器73中。并且，如后所述，根据燃料电池系统的运行停止指令后的向冷却水储罐5中的冷却水补给工作时的冷却水补给量，进行更新(步骤S39)。第1阈值的初始值根据实验或者模拟等进行适当的确定，例如被设定成能够检测到伴随着上述连续发电时的冷却水的减少而接近于冷却水储罐5的下限水位。具体而言，设定为推定由于连续发电时的冷却水的减少而处于上述下限水位以上的规定水位的连续运行时间。还有，上述下限水位定义为可以使冷却水储罐5内的冷却水循环从而回收燃料电池1的排出热的水位。
在本实施方式3的燃料电池系统中，因为冷却水储罐5是通过水返回路径14以及回收水储罐7而向大气开放的，所以冷却水储罐5内的冷却水在运行时由于蒸发而使其水量减少。因此，第1阈值的初始值例如取决于推定由于燃料电池系统在运行时的冷却水的蒸发而使冷却水储罐5的水位达到规定的阈值(第3阈值)以下的燃料电池系统的连续运行时间(第4阈值)。关于冷却水储罐5的水位的规定阈值，在后面会有详细说明。
在连续发电时间不为第1阈值以上的情况下(在步骤S11中为“否”)，继续发电(步骤S10)。然后，连续发电时间如果达到了第1阈值以上(在步骤S15中为“是”)，那么控制器15输出运行停止指令，停止作为水送出器的第1泵9的运行(步骤S12)。具体而言，第1泵9在此为PWM(脉冲宽度调制，pulse width modulation)控制，而控制器15则将第1泵9的负载(duty)调节到0％。由此，停止第1泵9的运行。于是，此时，冷却水储罐5的冷却水减少至规定阈值(第3阈值)以下的水位。
接着，控制器15关闭重整水阀75(步骤S13)。由此，停止向氢生成装置2的重整器71供给重整水。另一方面，也停止从原料供给路径17向氢生成装置2的重整器71的原料的供给，从而停止向燃料电池1供给燃料气体，以至停止燃料电池系统的发电运行。
之后，控制器15转移至系统发电运行停止后的水供给控制(步骤S14)。
接着，就系统发电运行停止后的水供给控制(步骤S14)进行说明。
如图7所示，在系统发电运行停止后的水供给控制中，利用控制器15内的运行准许器74，在完成了燃料电池系统的规定的停止工作(例如，氢生成装置2的冷却工作等)之后，从即使有启动要求控制器15也不输出燃料电池系统的启动指令的启动不准许的状态，变更成为如果有启动要求则控制器15输出启动指令的待机状态(步骤S30)。于是，在该待机状态下，开始向冷却水储罐5补给冷却水的工作。首先，打开冷却水阀76(步骤S31)。
接着，控制器15开始作为水送出器的第1泵9的运行(步骤S32)。由此，回收水储罐7的回收水作为冷却水被供给至冷却水储罐5。还有，第1泵9是以最大定额(负载：100％)进行运行。
接着，控制器15开始冷却水补给工作时间的测定(步骤S33)。冷却水补给工作时间是由控制器15通过上述的计时手段进行测定并存储到存储器72中。
接着，控制器15判断冷却水补给工作时间是否在第6阈值以上(步骤S34)。第6阈值是以伴随着利用第1泵进行的向冷却水储罐5的冷却水补给而上升的冷却水储罐5的水位为基准而预先确定，并被存储在存储器72中。第6阈值根据实验或者模拟等来适当确定，但是，例如可以设定为推定伴随着上述补给而上升的冷却水储罐5的水位成为上限水位以上的补给工作时间。还有，上述上限水位是比上述下限水位更大的规定水位，但是，例如也可以是水返回路径14的位置。在此情况下，第6阈值被定义为冷却水从上述水返回路径14开始溢流的补给工作时间以上的时间值。
接着，在冷却水补给工作时间不到第6阈值的情况(在步骤S34中为“否”)下，控制器15判断是否有伴随着启动要求的系统启动指令(步骤S35)。在有系统启动指令的时候，按后面所述的步骤S36进行。如果没有系统启动指令，那么继续冷却水补给工作时间的测定(步骤S34)。在此期间，冷却水补给工作将被继续。
然后，冷却水补给工作时间如果达到第6阈值以上(步骤S34中为“否”)，那么控制器15就停止作为水送出器的第1泵9的运行(步骤S36)。在上述步骤S35中，有系统启动指令的情况也同样。
接着，控制器15关闭冷却水阀76(步骤S37)。由此，停止向冷却水储罐5的冷却水补给。在此，在步骤S35中，在没有系统启动指令的时候，将全部预定补给量的冷却水向冷却水储罐5进行补给。另一方面，在步骤S35中，在有系统启动指令的时候，因为冷却水补给工作被中断，所以只有预定补给量中的一部分冷却水向冷却水储罐5补给。
接着，控制器15停止冷却水补给工作时间的测定(步骤S38)。
然后，控制器15通过阈值设定器更新第1阈值(步骤S39)。在此，第1阈值被设定为：在再启动后的燃料电池系统的连续发电运行时，在上述冷却水补给工作时间中被补给的冷却水量由于冷却水蒸发等而减少从而完全被消耗的时间。由此，在步骤S35中有系统启动指令且只能补给预定补给量的一部分的情况下，因为第1阈值变得小于初始值，所以再启动后的燃料电池系统的能够连续运行的时间变短。还有，在步骤S35中没有系统启动指令的情况下，当然，第1阈值被更新成初始值。另外，在第1阈值被更新之后，被存储在存储器72中的冷却水补给工作时间被重置为零。
之后，控制器15结束系统停止时的水控制。
根据以上所说明的本实施方式3的燃料电池系统，获得如下所述的效果。
在燃料电池系统运行时，如果将回收水供给至氢生成装置2的重整器71和冷却水储罐5这二者，那么伴随着燃料电池1中的发电量的变动，被供给至重整器71的水蒸汽量发生变动，也就是说重整器71的内压发生变动，所以难以以规定的比例将回收水分流到氢生成装置2的重整器71和冷却水储罐5，因此，难以将氢生成装置2的重整器71中的S/C控制在规定值(3.0)。但是，在本实施方式3中，向冷却水储罐5的冷却水补给在燃料电池系统停止时进行，而在燃料电池系统运行时不进行。也就是说，在燃料电池系统运行时关闭冷却水阀76，所以减少由于重整器71的内压上升而使分流给第2水路径侧的水量上升以至不能够容易地将氢生成装置2的重整器71中的S/C控制在规定值(3.0)等的不良情况，从而容易将重整器71中的S/C控制在规定值(3.0)。另外，在本实施方式3中，因为不直接检测伴随着燃料电池系统的发电运行时的冷却水量的减少而降低的水位，而是使用燃料电池系统的连续发电运行时间作为指标来进行，所以能够省略检测冷却水储罐5的水位的传感器。
还有，虽然在上述的构成中没有设想在步骤S10的发电程序中燃料电池系统按照系统停止指令停止，但是也可以这样设想。在此情况下，可以构成为：在步骤S10的发电程序中燃料电池系统按照系统停止指令停止后，进行实施方式7的水供给控制(详细参照实施方式7)。
(实施方式4)
图8是表示本发明的实施方式4所涉及的燃料电池系统的构成的框图。
图9是表示本发明的实施方式4所涉及的燃料电池系统中的系统运行时的水供给控制的内容的流程图。
如图8所示，在本实施方式4中，作为水利用设备的一个例子，在氧化剂气体供给路径19中配设有加湿器82。并且，设置有从冷却水储罐5到加湿器82的加湿水供给路径84，并在加湿水供给路径84上配设有第3泵83。由此，冷却水储罐5的水被第3泵83供给至加湿器82，而加湿器82使用该水来加湿通过氧化剂气体供给路径19的氧化剂气体。还有，加湿器82以及第3泵84是由控制器15控制其工作的。另外，如图9所示，在本实施方式4中，向冷却水储罐5的回收水的供给是使用燃料电池系统的连续发电运行时的累积发电量(以下称之为连续发电运行时的累积发电量)作为指标来进行的。除此之外的方面与实施方式3相同。
具体而言，在本实施方式3中，控制器15在步骤S10中向燃料电池1的发电程序转移之后，判断燃料电池系统的连续发电运行时的累积发电量是否在第2阈值以上(步骤S15)。连续发电运行时的累积发电量是控制器15通过使用电度表或者通过运算求得的，并将其存储在存储器72中。在此，所谓连续发电运行时的累积发电量，是指燃料电池系统在连续地持续发电期间的累积发电量，燃料电池系统一旦停止发电，那么连续发电运行时的累积发电量被重置成零。另外，在累积发电量中不仅包括累积发电量本身，还包括与累积发电量相关的参数的累积量。例如符合的有：发电时间的累积量、向氢生成装置2供给的原料的累积量、向氢生成装置2供给的重整水的累积供给量以及向燃料电池1的阴极供给的空气的累积供给量等。第2阈值是由阈值设定器73进行设定的。第2阈值的初始值以燃料电池系统的连续发电的时候伴随着发电量而降低的冷却水储罐的水位为基准预先进行确定，并设定于阈值设定器73中。并且，如后所述，根据冷却水的补给量而进行更新(步骤S14)。第2阈值的初始值根据实验或者模拟等进行适当确定，例如设定成能够检测冷却水伴随着上述连续发电时的发电量而减少并接近于下限水位。具体而言，设定为推定由于伴随着连续发电时的发电量的冷却水减少而达到上述下限水位以上的规定水位的累积发电量。本实施方式4的燃料电池系统被构成为冷却水储罐5内的水在发电运行时被供给至水利用设备，同时被构成为供给至上述水利用设备的水供给量与燃料电池1的发电量成比例。因此，第2阈值的初始值例如取决于推定由于燃料电池系统的发电运行时的向燃料电池系统的水利用设备的水供给而使冷却水储罐5的水位达到规定阈值(第3阈值)以下的燃料电池系统的连续发电运行时的累积发电量(第5阈值)。在此，作为水利用设备列举供给至燃料电池的阴极的氧化剂气体的加湿器82，但是这毕竟只是例示，将冷却水储罐内的水在发电运行中作为水利用设备并不限定于此。另外，第2阈值的初始值也可以取决于燃料电池系统的连续发电运行时的累积发电量(第5阈值)，该累积发电量为不仅仅考虑燃料电池系统的运行时的向燃料电池系统的水利用设备的水供给还考虑冷却水储罐5中的冷却水的蒸发从而推定冷却水储罐5的水位达到规定阈值(第3阈值)以下的累积发电量。
另外，在系统发电停止后的水供给控制(步骤S14)中，与实施方式3中的第1阈值同样，更新第2阈值。
根据如上所述的本实施方式4，也能够获得与实施方式3相同的效果。
还有，虽然在上述的构成中没有设想在步骤S10的发电程序中燃料电池系统按照系统停止指令停止，但是也可以这样设想。在此情况下，可以构成为：在步骤S10的发电程序中，燃料电池系统按照系统停止指令停止后，进行实施方式7的水供给控制(详细参照实施方式7)
(实施方式5)
图10是表示本发明的实施方式5所涉及的燃料电池系统中的系统停止时的水供给控制的内容的流程图。
本实施方式5的燃料电池系统与实施方式3的燃料电池系统的基本构成相同，但是，在本实施方式5的燃料电池系统中，如图10所示，变更了系统发电运行停止后的水供给控制的内容。
具体而言，如图10所示，在系统发电运行停止后的水供给控制中，在变更到即使有启动要求控制器15内的运行准许器74也不准许燃料电池系统启动且控制器15不输出启动指令的启动不准许的状态之后(步骤S61)，开始向冷却水储罐5的冷却水补给工作。也就是说，上述冷却水补给工作是作为燃料电池系统的停止工作来执行的。
因此，在开始冷却水补给工作且等待冷却水补给工作时间到达第6阈值的期间(冷却水补给工作中)，即使有系统的启动要求，也通过运行准许器74而不准许运行开始。然后，在冷却水补给工作时间达到第6阈值以上时，结束冷却水补给工作(步骤S36～S38)。通过利用运行准许器74进行的上述控制，冷却水补给工作不被中断地完成，向冷却水储罐5补给了预定补给量的总量，所以第1阈值与实施方式3有所不同，不必更新其初始值。
然后，在完成了上述冷却水补给工作之后(步骤S36～S38)，控制器15内的运行准许器74在有了启动要求的情况下准许启动，并变更为能够迅速转移到启动工作的状态的待机状态(步骤S62)。
如上所述，在本实施方式5的燃料电池系统中，只要不结束冷却水补给工作，那么燃料电池系统的运行就不可能开始。在此，在本发明中，所谓结束冷却水补给工作，是指在如上所述在冷却水补给工作中的预定补给量的总量都被补给到冷却水储罐5之后，停止水送出器(在此为第1泵9)。
还有，在实施方式4中也可以构成为：控制器15利用运行准许器74来进行与本实施方式5的燃料电池系统同样的控制。此时，不需要由阈值设定器73进行的第2阈值的更新步骤。
(实施方式6)
图11是表示本发明的实施方式6所涉及的燃料电池系统的构成的框图。图12是表示本发明的实施方式6所涉及的燃料电池系统中的系统运行时的水供给控制内容的流程图。
如图11所示，本实施方式6的燃料电池系统与实施方式3的燃料电池系统的基本构成相同，但是主要在以下方面有所不同。以下以这些构成上的不同点和其工作为中心进行说明，省略与实施方式3共通的构成以及工作的说明。
本实施方式6的燃料电池系统具备检测冷却水储罐5的水位的水位检测器24。由水位检测器24检测到的水位被输入到控制器15中。另外，控制器15不具备实施方式3的阈值设定器73。
接着，对如上所述构成的本实施方式6的燃料电池系统中的系统运行时的水供给控制进行说明。
如图12所示，在本实施方式6中，在步骤S10中转移至燃料电池1的发电程序之后，控制器15判断由水位检测器24所检测到的冷却水储罐5的水位是否在第3阈值以下(步骤S41)。在此，第3阈值以冷却水储罐5所允许的水位为基准适当确定。在本实施方式6中，取决于被允许的下限水位。还有，上述下限水位被定义为可以使冷却水储罐5内的冷却水循环从而能够回收燃料电池1的排出热的水位。
在冷却水储罐5的水位超越了第3阈值的情况下，继续发电(在步骤S41中为“否”，S10)。另一方面，在冷却水储罐5的水位为第3阈值以下的情况下，从控制器15输出运行停止指令，停止作为水送出器的第1泵的运行(步骤S12)。伴随于此，燃料电池系统的运行也被停止。
于是，关闭重整水阀75(步骤S13)，之后，进行系统发电运行停止后的水供给控制(步骤S42)。在系统发电运行停止后的水供给控制中，在冷却水阀76被打开之后，第1泵9以最大定额进行运行，从而冷却水被供给至冷却水储罐5。然后，在由水位检测器24所检测到的冷却水储罐5的水位达到大于第3阈值的规定值以上，或者冷却水补给工时间达到推定冷却水储罐5内的冷却水从水返回路径14溢流的规定时间阈值以上之后，控制器15停止第1泵9的运行，之后，关闭冷却水阀76。由此，结束系统停止时的水供给控制。
根据如上所述的本实施方式6的燃料电池系统，直接由水位检测器24检测冷却水储罐5的水位的降低，并据此进行冷却水补给工作，所以作为燃料电池系统，即使在能够允许的下限水位以下时，也可以继续运行，可以减少燃料电池1过升温而产生燃料电池1的不良情况的可能性。
(实施方式7)
本发明的实施方式7示例了如下的实施方式：在燃料电池系统的冷却水储罐5内的冷却水的水位接近于下限水位之前(例如，燃料电池系统的连续发电运行时间不到第1阈值的状态下，或者连续发电运行时的累积发电量不到第2阈值的状态下)，在燃料电池系统停止了发电运行的情况下，将冷却水补给到冷却水储罐5中。
图13是表示本发明的实施方式7所涉及的燃料电池系统中的水供给控制的内容的流程图。
本实施方式7的燃料电池系统与实施方式3的燃料电池系统的基本构成相同，但是在本实施方式7的燃料电池系统中，控制器15具备实施方式3的阈值设定器73，但也可以省略其。
如图13所示，在水供给控制中，控制器15与实施方式3同样，在系统发电运行时测定燃料电池系统的连续发电时间。并且，燃料电池系统的发电运行被停止之后，与实施方式5同样，变更到启动不准许状态，在该状态下，即使有启动要求，控制器15内的运行准许器74也不准许燃料电池系统的启动，并且控制器15不输出启动指令(步骤S43)，然后，开始向冷却水储罐5的冷却水补给工作。也就是说，上述冷却水补给工作是作为燃料电池系统的停止工作来进行的。
在冷却水补给工作中，首先，计算出在燃料电池系统发电运行停止之后所进行的冷却水补给工作中所需的冷却水补给量(以下称之为必要冷却水量)(步骤S44)。该必要冷却水量是作为对应于连续发电时间的值进行计算的(步骤S44)。例如，该必要冷却水量被定义为将连续发电运行时所降低的冷却水储罐5的水位回复到发电运行开始时(或者初始)的水位所需要的冷却水量，在连续发电运行时间较长的情况下，因为冷却水的减少量也比较多所以该值变大；而在连续发电运行时间较短的情况下，因为冷却水的减少量比较少所以该值也就变小。还有，在上述必要冷却水量的计算过程中，例如使用以实验或者模拟等所求得的必要冷却水量计算式。还有，在步骤S43中，与实施方式4同样，也可以构成为：测定燃料电池系统的连续发电运行时的累积发电量，并计算出对应于连续发电运行时的累积发电量的必要冷却水量。
于是，打开冷却水阀75(步骤S18)，之后，开始作为水送出器的第1泵9的运行(步骤S19)。第1泵9以最大定额进行运行。由此，冷却水被供给至冷却水储罐5。
接着，控制器15判断冷却水补给量是否达到必要冷却水量以上(步骤S25)。冷却水补给量可以通过检测被供给至冷却水储罐5的水量本身，并判断该检测值是否达到必要冷却水量以上，而作为间接的判断方法，例如也可以检测第1泵的运行时间，并判断该检测值是否达到规定的时间阈值以上，在该规定的时间阈值以上时，推定由冷却水补给工作而补给到冷却水储罐5的冷却水量达到必要冷却水量。
还有，在冷却水补给量不到必要冷却水量的情况下(在步骤S25中为“否”)，即使有系统启动要求，也由运行准许器74不准许运行开始。
于是，等待冷却水补给量达到必要冷却水量以上(步骤S25)。在此期间，继续冷却水的补给工作。
然后，如果冷却水补给量达到了必要冷却水量以上(在步骤S25中为“是”)，那么控制器15就停止作为水送出器的第1泵9的运行(步骤S22)。
接着，控制器15关闭冷却水阀76(步骤S23)。由此，向冷却水储罐5的冷却水补给工作就被停止了。如上所述，通过利用运行准许器74的上述控制，冷却水补给工作不中断地完成，向冷却水储罐5的必要冷却水量的总量被补给，所以第1阈值或者第2阈值没有必要更新其初始值。然后，在完成了上述冷却水补给工作之后(步骤S22～S23)，变更为待机状态，在该待机状态下，在有启动要求的情况下，控制器15内的运行准许器74准许启动，并且可迅速转移到启动工作(步骤S62)。
还有，也可以构成为：在上述冷却水补给工作开始之前(步骤S44之前)变更到待机状态，在该待机状态下，启动准许器74在有启动要求的情况下准许启动，并迅速转移到启动工作。在此情况下，在步骤S25中，有时在冷却水补给量被判断为必要冷却水量以上之前，检测启动要求，由启动准许器74准许启动，并由控制器15开始启动工作。也可以构成为：如上所述，在中断冷却水补给工作并转移至启动工作的情况下，与实施方式3或者4的情况同样，更新第1阈值或者第2阈值。也就是说，设定为如下时间：此时，由于在再启动后的燃料电池系统的连续发电运行时冷却水的蒸发或者向水利用设备的水供给，在上述冷却水补给工作时间中被补给的冷却水量减少，并由此完全被消耗。
根据以上所说明的本实施方式7的燃料电池系统，也能够得到与实施方式3同样的效果。
(实施方式8)
本发明的实施方式8示例了在燃料电池系统启动工作中对冷却水储罐5进行冷却水供给的实施方式。
图14是表示本发明的实施方式8所涉及的燃料电池系统中的系统启动时的水供给控制的内容的流程图。
本实施方式8的燃料电池系统与实施方式3的燃料电池系统的基本构成相同，但是就本实施方式8的燃料电池系统而言，在燃料电池系统的启动工作中，在向氢生成装置2开始供给重整水之前，或者在氢生成装置2开始燃料气体生成运行之前，使第1泵9工作并进行冷却水的供给。
具体为，如图14所示，在本实施方式8中，在开始燃料电池系统的运行(即开始启动工作)之后(步骤S6)，控制器15打开冷却水阀76(步骤S51)。
接着，控制器15以最大定额开始作为水送出器的第1泵9的运行(步骤S52)，同时，开始第1泵9的工作时间的测定(步骤S53)。由此，冷却水被供给至冷却水储罐5。然后，第1泵9的工作时间达到第7阈值以上之后，控制器15就停止第1泵9的工作(步骤S54)，并关闭冷却水阀76(步骤S55)。
接着，控制器15等待由氢生成装置2的升温工作而使重整器71的温度达到第8阈值以上(步骤S56)。在此，在本实施方式8中，在重整器71中设置有温度检测器(未图示)，其温度检测信号被输入到控制器15中。控制器15根据该检测信号检测重整器71的温度。另外，第8阈值取决于使氢生成装置2能够生成CO浓度被降低至规定水准以下的燃料气体的重整器的温度。
当重整器71的温度达到第8阈值以上之后(在步骤S56中为“是”)，控制器15就开始氢生成装置2的燃料气体生成运行。这个转移步骤与实施方式1完全相同。因此，在此省略对其说明。
根据以上所述的本实施方式8的燃料电池系统，通过上述冷却水供给工作，在开始向氢生成装置2供给重整水之前，或者在氢生成装置2开始燃料气体生成运行之前，可以进行第1泵9内的空气除去，在对氢生成装置2开始水供给的时候，或者在为了氢生成装置2的燃料气体生成运行而开始水供给的时候，可以减少引起进入空气的可能性，从而可以进行更加稳定的水供给。
还有，虽然实施方式3～7所记载的冷却水补给工作被构成为在燃料电池系统的发电运行停止后的停止工作中或者在停止工作结束后的待机状态下进行，但是也可以在燃料电池系统的启动工作中，在开始将重整水供给至氢生成装置2之前，或者在氢生成装置2开始燃料气体生成运行之前进行。
对于本领域技术人员而言，根据上述说明，可以明了本发明的很多改进或者其他的实施方式。因此，上述说明应当只是被解释为示例，并且是为了向本领域技术人员教导实行本发明的最佳方式而提供的。只要不脱离本发明的精神，可以实质性地变更其构造以及/或者功能的细节。
产业上的可利用性
本发明的燃料电池系统以不用为了分离冷却水系统和重整水系统而分别设置储罐而且以比现有技术更加减少了给冷却水系统以及重整水系统进行供水的泵数量的构成，可以抑制杂质从冷却水系统混入到重整水中，它对于在家庭用等方面所使用的燃料电池系统来说是有用的。

Claims (22)

1.一种燃料电池系统，其特征在于：
具备：氢生成装置，包括由原料和水蒸汽生成含有氢的燃料气体的重整器；燃料电池，使用从所述氢生成装置供给的燃料气体和氧化剂气体进行发电；冷却水路径，其中流通用于冷却所述燃料电池的冷却水；冷却水储罐，储存所述冷却水；回收水储罐，储存从由所述燃料电池排出的燃料气体以及氧化剂气体的至少一者中回收的水；第1水路径，连接所述回收水储罐和所述重整器；第2水路径，从所述第1水路径分支而与所述冷却水储罐相连接；水送出器，被设置于所述分支处的上游的所述第1水路径中；
所述燃料电池系统被构成为：通过使所述水送出器进行工作，从而将来自于回收水储罐的水供给至所述重整器或者所述冷却水储罐。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
具备分流器，该分流器将从所述回收水储罐供给的水分别分流到所述第1水路径和第2水路径；
所述燃料电池系统被构成为：所述分流器以规定的分流比分别分流到所述第1水路径和所述第2水路径。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
具备净化器，该净化器净化从所述回收水储罐供给的水，所述净化器被设置于所述第2水路径中。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
具备净化器，该净化器被设置于所述分支处的上游的所述第1路径中，并且净化从所述回收水储罐供给的水；
所述水供给器被设置于所述净化器的下游，在所述水供给器和所述净化器之间的所述第1路径中具备过滤器。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述水送出器被配设于低于所述回收水储罐的排水口的位置上。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述水送出器被配设于低于所述回收水储罐的下限水位的位置上。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述水送出器被配设于低于所述回收水储罐的底部的位置上。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
具备切换器和控制器，所述切换器在所述氢生成装置和所述冷却水储罐之间切换来自于所述回收水储罐的水的供给对象；
所述燃料电池系统被构成为：在所述氢生成装置的燃料气体生成运行过程中，所述控制器控制所述切换器以将水供给至所述氢生成装置；在从所述燃料气体生成运行停止起到下一次所述燃料气体生成运行开始为止的期间内，所述控制器将所述切换器切换到所述冷却水储罐一侧，并且进行使所述水供给器进行工作的冷却水补给工作。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于：
被构成为：在所述燃料电池系统的连续发电运行时间达到第1阈值以上的情况下，所述控制器停止所述燃料电池系统的发电运行，并且进行所述冷却水补给工作。
10.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于：
被构成为：在所述燃料电池系统的连续发电运行时的累积发电量达到第2阈值以上的情况下，所述控制器停止所述燃料电池系统的发电运行，并且进行所述冷却水补给工作。
11.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于：
被构成为：在所述冷却水储罐的水位达到第3阈值以下的情况下，所述控制器停止所述燃料电池系统的发电运行，并且进行所述冷却水补给工作。
12.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于：
被构成为：在所述燃料电池系统的连续发电运行时间达到第4阈值以上的情况下，所述控制器停止所述燃料电池系统的发电运行，并且进行所述冷却水补给工作，其中，在所述连续发电运行时间达到所述第4阈值以上时，推定所述冷却水储罐的水位达到第3阈值以下。
13.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于：
被构成为：在所述燃料电池系统的连续发电运行时的累积发电量达到第5阈值以上的情况下，所述控制器停止所述燃料电池系统的发电运行，并且进行所述冷却水补给工作，其中，在所述累积发电量达到所述第5阈值以上时，推定所述冷却水储罐的水位达到第3阈值以下。
14.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于：
被构成为：在所述燃料电池系统的连续发电运行时的累积发电量达到第5阈值以上的情况下，所述控制器停止所述燃料电池系统的发电运行，并且进行所述冷却水补给工作，其中，在所述累积发电量达到所述第5阈值以上时，推定所述冷却水储罐的水位达到第3阈值以下。
15.如权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于：
进一步具备检测所述冷却水储罐的水位的水位检测器；
所述燃料电池系统被构成为：在由所述水位检测器所检测出的水位为所述第3阈值以下的情况下，所述控制器停止所述燃料电池系统的发电运行。
16.如权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于：
具备运行准许器，所述运行准许器不准许开始所述燃料电池系统的运行直至完成所述冷却水补给工作为止。
17.如权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于：
进一步具备设定所述时间阈值的阈值设定器；
所述燃料电池系统被构成为：所述阈值设定器根据前一次所述冷却水补给工作的工作时间而更新所述第1阈值。
18.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于：
被构成为：在所述冷却水补给工作中，所述控制器使所述水送出器工作，从而向所述冷却水储罐供给与所述燃料电池系统的连续发电运行时间的长度或者所述累积发电量的大小相对应的量的所述冷却水。
19.如权利要求14或者15所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述冷却水储罐中具备溢流口，还具备使来自于所述溢流口的溢流水返回到所述回收水储罐的水返回路径。
20.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
具备切换器以及控制器，所述切换器在所述氢生成装置和所述冷却水储罐之间切换来自于所述回收水储罐的水的供给对象；
所述燃料电池系统被构成为：所述控制器控制所述水送出器以及所述切换器，以使得在启动工作中，将水供给至所述冷却水储罐之后，开始向所述氢生成装置供给水。
21.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
具备切换器以及控制器，所述切换器在所述氢生成装置和所述冷却水储罐之间切换来自于所述回收水储罐的水的供给对象；
所述燃料电池系统被构成为：所述控制器控制所述水送出器以及所述切换器，以使得在启动工作中，将水供给至所述冷却水储罐之后，开始向所述氢生成装置供给用于燃料气体生成运行的水。
22.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述冷却水储罐被设置于所述回收水储罐的上方，并且从所述第2水路径到所述冷却水储罐的水的供给口被设置于高于所述冷却水储罐的水的排出口的位置，
并且，所述燃料电池系统被构成为：在所述燃料电池系统的运行过程中，将来自于所述回收水储罐的水供给至所述重整器和所述冷却水储罐二者。
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