燃料电池系统技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池系统
本专利技术涉及燃料电池系统，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。
技术介绍
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
技术实现思路
专利技术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，在发电运行停止本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2004-5-19 148656/20041.一种燃料电池系统，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，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。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。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、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...

【专利技术属性】
技术研发人员：川崎良隆，原田照丸，西川隆，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]