专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有燃料电池、用于生成供给所述燃料电池的燃料气的
环回路的燃料电池系统。
背景技术：
作为燃料电池系统，众所周知的一种是具有燃料电池、用于生成供 给所述燃料电池的燃料气的重整器、用于存储储热水的储热水槽和用于 循环所述储热水的储热水循环回路的燃料电池系统，其中在所述储热水
储热水。
作为上述燃料电池系统的一种类型，已知在专利文献l "Fuel Cell Power Generation System"中描述了 一种燃料电池系统。如专利文献l 的图l所示，该燃—电池发电系统10具有循环热交换介质54 (水或热 水)的热交换介质循环通道50。该热交换介质循环通道50是这样的循 环通道，即存储在储热水槽52中的热交换介质54从储热水槽52通过 阳极废气换热器42、阴极废气换热器44和燃烧废气换热器45和冷却水 换热器46并且再返回到储热水槽52。阳极废气换热器42通过热交换介 质54收集阳极排放的阳极废气的热量，阴极废气换热器44通过热交换 介质54收集阴极排放的阴极废气的热量，燃烧废气换热器45通过热交 换介质54收集燃烧废气的热量，并且冷却水换热器46通过热交换介质 54收集沿着冷却水循环通道43流动的冷却水的热量，所述冷却水循环 通道43经过初始废气换热器58和初始废气燃烧器57.
此外，作为另一种类型，已知在专利文献2 "Fuel Cell Power Generation System"中公开了一种燃料电池系统。如专利文献2的图1 所示，该燃料电池发电系统20设置了配管，其中通过散热器42、用于 冷却逆变器48a的冷却器48b、冷凝器38、换热器36和热水管56将来 自连接到储热水槽52底部的冷水管54的水返回到所述储热水槽52的 顶部。所述换热器36结合在用于燃料电池组34的制冷剂(冷却水等)
的循环流道中(所述循环流道如图中的虚线所示)并且冷却该制冷剂。
此外，作为另 一种类型，已知在专利文献3"Solid Polymer Type Fuel Cell Power Generating Device"中描述了 一种燃料电池i统。如专利文 献3的图1-3所示，固体聚合物型燃料电池发电装置GS1具有换热器 HEX,所述换热器HEX被进一步设置在用于废气配管31的换热器32、 用于废气配管45的换热器46和用于来自燃料电池6的空气电极(k) 的废气的换热器71后面，并且为可进行热交换地循环和输入热水A提 供配管Ll，所述配管LI已经通过将所述储热水槽50中的水由泵P经 由所述换热器HEX到所述换热器71、 32和46直接加入到水槽21中来 收集废热。并联地提供配管L2，用于将所述热水A加入到所述储热水 槽50，在所述储热水槽50中所述热水A不需要通过所述配管Ll加入 到所述水槽21。通过所述燃料电池6的冷却器段6c循环的由泵48产生 的冷却水通过水管73流入到所述水槽21中。
专利文献l:日本未审查出版专利申请编号2003-257457(4-7页和图1) 专利文献2:日本未审查出版专利申请编号2004-111209 (4-6页和图1) 专利文献3:日本未审查出版专利申请编号2002-216819(2-6页和图1-3)
发明内容
本发明解决的问题
在上述专利文献1描述的燃料电池发电系统中，其中储热水槽52 是直接给其补充自来水的密封型式的，将高压的自来水压力施加到储热 水槽52和热交换介质循环通道50上，并且还将自来水压力施加到阳极 废气换热器42、阴极废气换热器44、燃烧废气换热器45和冷却水换热 器46上。由此希望阳极废气换热器42、阴极废气换热器44、燃烧废气 换热器45具有耐压构造，但是这样做会产生高成本和大尺寸的问题。
在上述专利文献2描述的燃料电池发电系统和上述专利文献3描述 的固体聚合物型燃料电池发电装置中，出现了与上述专利文献1描述的 燃料电池发电系统相同的问题。
本发明用来解决上述各种问题，并且其目的是提供一种燃料电池系 统，该燃料电池系统能够为储热水补充来自高压水源的水而不増加成本
和尺寸。
解决问题的方法
为了解决上述问题，根据权利要求l的本发明的结构特征在于一种燃 料电池系统，其包含燃料电池，用于产生供给所述燃料电池的燃料气的重
路，其中所述储热水循环回路收集在所述燃料电池和所述重整器中产生的 废热来加热所述储热水，所述系统还包含用于循环加热介质的加热介质循 环回路，其独立于所述储热^环回i^l供，所述加热介质已经收集了至
少所述燃料电 *>#放的废气的废热或者在所述重整器中产生的废热和通 过所述燃料电池发电产生的废热，和用于在所述储热水和所述加热介质之 间实现热交换的换热器。
此外，根据权利要求2的本发明的结构特征在于权利要求1的结构特
征，所述储热水循环回路和所述加热介质循环回路中的至少任意其一具有 用于冷却流体的冷却装置。
此外，根据权利要求3的本发明的结构特征在于权利要求1或2的结 构特征，所述储热水簿环回路和所述加热介质循环回路中的至少任意其一 具有用于绕过所述换热器的旁路通道。
此外，根据权利要求4的本发明的结构特征在于权利要求1的结构特 征，所述加热介质循环回路由笫一加热介质循环回路和笫二加热介质循环 回路中的任意其一组成，所述第一加热介质循环回路用于循环已经收集了 通过所述燃料电池发电产生的废热的第一加热介质，所述第二加热介质循
整器中产生的废热的至少任意其一的笫二加热介质；和所述换热器由第一
换热器和第二换热器中的至少任意其一组成，所述第 一换热器用于在所述 储热水和第一加热介质之间实现热交换，所述第二换热器用于在所述储热 水和第二加热介质之间实现热交换。
此外，根据权利要求5的本发明的结构特征在于权利要求4的结构特 征，在所述笫二加热介质循环回路上具有冷凝器，所述冷凝器用于从循环 通过所述重整器和所述燃料电池的高温且充满蒸汽的气体中收集热量和 用于冷凝蒸汽，并且所述第二加热介质是循环通过所述冷凝器的冷凝制冷 剂。
此外，根据权利要求6的本发明的结构特征在于权利要求4的结构特 征，所述储热水循环回路和所述第一和笫二加热介质循环回路中的至少任 意其一具有用于冷却流体的冷却装置。
此外，根据权利要求7的本发明的结构特征在于权利要求4-6中任意 一项的结构特征，所述储热水循环回路和所述第二加热介质循环回路中的 至少任意其一具有用于绕过所述第二换热器的旁路通道.
此外，根据权利要求8的本发明的结构特征在于权利要求4-6中任意 一项的结构特征，所述储热水循环回路和所述第一加热介质循环回路中的 至少任意其一具有用于绕过所述笫一换热器的旁路通道.
此外，根据权利要求9的本发明的结构特征在于权利要求1的结构特 征，所述加热介质循环回路是用于循环加热介质的一个循环回路，所#
排放的废气的废热和在所述重整器中产生的废热中的至少其一，和所述换 热器在所述储热水和所述加热介质之间实现热交换。
此夕卜，根据权利要求10的本发明的结构特征在于权利要求9的结构特 征，所述储热水循环回路和所述加热介质循环回路中的至少其一具有用于 冷却流体的冷却装置。
此外，根据权利要求11的本发明的结构特征在于权利要求9或权利要 求10的结构特征,所述储热水循环回路和所#热介质循环回路中的至少 任意其一具有用于绕过所述换热器的旁路通道。
此外，根据权利要求12的本发明的结构特征在于权利要求1-11中任 意一项的结构特征，提供储热水槽出口温度检测装置，其提供在所述储 热水循环回路上，用于检测从所述储热;JMt出口流出的所述储热水的温 度；第一发电输出量极限值导出装置，其用于根据由所述储热^Mf出口 温度检测装置检测的所述储热水槽出口温度和表示所述储热水槽出口温 度和所述燃料电池的发电输出量极限值之间的相互关系的第 一映射图或 计算表达式来导出发电输出量极限值；和笫一发电控制装置，其用于根 据由所述笫 一发电输出量极限值导出装置导出的所述发电输出量极限 值来控制所述燃料电池的发电输出量。
此外，根据权利要求13的本发明的结构特征在于权利要求12的结构
特征，所述第一发电控制装置包含用于检测用户负栽电力的用户负载 电力检测装置；用于根据由所述用户负栽电力检测装置检测的所述用户负 栽电力来导出所述燃料电池发电输出量的发电输出量导出装置；用于判断 由所述笫 一发电输出量极限值导出装置导出的所述发电输出量极限值是 否等于或大于由所述发电输出量导出装置导出的所述发电输出量的判断 装置；和在通过所述判断装置判断所述发电输出量极限值小于所述发电输 出量时，用于将所，料电池的发电输出量限制在所ii4L电输出量极限值 的限制控制装置。
此夕卜，根据权利要求14的本发明的结构特征在于权利要求12或13的 结构特征，进一步提供第一加热介质循环回路，其用于循环已经收集来自 所述燃料电池的废热的第一加热介质；笫二加热介质循环回路，其用于循 环已经收集来自所述重整器的废热的第二加热介质；第一换热器，其用于 实现所述储热水和所述第一加热介质之间的热交换；第二换热器，其用于 实现所述储热水和所述第二加热介质之间的热交换；和冷却装置，其提供 在所述第二加热介质循环回路上，用于冷却所述第二加热介质；并且所述 第一映射图或计算表达式基于表示在所述储热水的各个温度下所述燃料
映射困或计算表达式并J4于所述冷却装置的冷却能力，通过导出对应于 电输出量而制定。
此外，根据权利要求15的本发明的结构特征在于权利要求14的结构 特征，所述冷却装置的冷却能力基于由所述第二映射图或计算表达式表示 的在所述储热水的最高温度下所述燃料电池系统所需的冷却能力和所述 燃料电池发电输出量之间的相互关系，是对应于所述燃料电池的最小发电 输出量的所述燃料电池系统所需的冷却能力，该燃料电池具有装满热水的 储热水槽。
此外，根据权利要求16的本发明的结构特征在于权利要求1-11中任 意一项的结构特征，提供燃料气燃料电池入口温度检测装置，其用于检测 流到所述燃料电池入口的燃料气温度或者与所述燃料气温度相关的温度； 第二发电输出量极P艮值导出装置，其用于比较由所述燃料气燃料电池入口 温度检测装置检测的温度和预定温度，并且根据比较结果导出所述燃料电 池发电输出量极P艮值；和笫二发电控制装置，其用于根据由所述第二发电
发电输出量。
此外，根据权利要求17的本发明的结构特征在于权利要求16的结构 特征，当所述温度超过所述预定温度时，所述第二发电输出量极限值导 出装置通过将在先的发电输出量极限值减去预定量来计算目前的发电 输出量极限值，但是当所述温度低于所述预定温度时，所述第二发电输 出量极限值导出装置通过将在先的发电输出量极限值加上预定量来计 算目前的发电输出量极限值。
此外，根据权利要求18的本发明的结构特征在于权利要求16或17的 结构特征，所述第二发电控制装置包含用于检测用户负栽电力的用户负 栽电力检测装置；用于根据由所述用户负栽电力检测装置检测的所述用户 负栽电力来导出所述燃料电池发电输出量的发电输出量导出装置；用于判 断由所述第二发电输出量极限值导出装置导出的发电输出量极P艮值是否 等于或大于由所i^L电输出量导出装置导出的发电输出量的判断装置；和 在通过所述判断装置判断所U电输出量极P艮值小于所^il电输出量时，
控制装置。 本发明的效果
在上述根据权利要求1的本发明中，所述加热介质循环回路循环所 述加热介质，所述加热介质已经至少收集了所述燃料电池排放废气的废 热或所述重整器产生的废热和通过所述燃料电池发电产生的废热，所述加
所述储热水和所述加热介质之间实现热交换。换言之，所述储热水不与阳 城气、阴城气、燃烧废气和燃料气(重整气)直接进行热交换，而是 通过所述换热器与它们间接进行热交换。因此，当所述储热水槽是直接为 其补充自来水的密封型式时，高压的自来水压力将施加在所述储热水槽和 所述储热水循环回路上。然而，由于所述加热介质循环回路独立于所述储 热水循环回路，因此所述自来水压力不直接施加在所述换热器上，所述换 热器为了实现与所述阳极废气、所述阴乱爽气、所述燃烧废气和所述燃料 气(重整气)的热交换而被设置于所述加热介质循环回路上。因此，由于 所述换热器不需要具有額外的耐压结构，因此可以实现提供能够从高压水
源为储热水补充水而不增加成本和尺寸的燃料电池系统。200580039805.6
说明书第7/28页
在上述根据权利要求2的本发明中，由于在根据权利要求1的本发明 中，所述储热水循环回路和所述加热介质循环回路中的至少任意其一具有 用于冷却流体的冷却装置，因此可以通过所述冷却装置有效地冷却所述储 热水或/和所述加热介质的温度，使得当所述储热水的温度达到所述燃料电
温度时，所述储热水的温度不因收集废热而进一步升高。
在上述根据权利要求3的本发明中，由于在根据权利要求1或2的本 发明中，所述储热水循环回路和所述加热介质循环回路中的至少任意其一 具有用于绕过所述换热器的旁路通道，因此所述储热水和所述加热介质中 的至少任意其一流过所述换热器，使得可以通过所述换热器根据所述储热 水的温度等充分实现热交换。
在上述根据权利要求4的本发明中，在根据权利要求1的本发明中的 所述第一加热介质循环回路循环所述笫一加热介质，所述第一加热介质已 经收集了通过所述燃料电池发电产生的废热，所述第一加热介质循环回路 独立于所述储热水循环回路提供并通过第一换热器在所述储热水和所述 第一加热介质之间实现热交换'此外，所述第二加热介质循环回膝循环所 述第二加热介质，所述第二加热介质已经收集了所述燃料电^*>#放的废气 的废热和在所述重整器中产生的废热中的至少其中之一，所述第二加热介 质循环回路独立于所述储热水循环回路提供并且通过第二换热器在所述 储热水和所述第二加热介质之间实现热交换。换言之，所述储热水不与阳 极废气、阴城气、燃烧废气和燃料气(重整气)直接进行热交换，而是 通过所述第二换热器间接进行热交换。因此，当所述储热水槽是直接为其 补充自来水的密封型式时，高压的自来水压力将施加在所述储热水槽和所 述储热水塘环回路上。然而，由于所述第二加热介质循环回路独立于所述 储热水循环回路，因此所述自来水压力不直接施加在所述换热器上，所述 换热器被设置于第二加热介质循环回路上。因此，由于所述换热器不需要 具有额外的耐压结构，因此可以实现提供能够从高压水源为储热水补充水 而不增加成本和尺寸的燃料电池系统。
在上述根据权利要求5的本发明中，由于在根据权利要求4的本发明 中，第二加热介质循环回路在其上具有冷凝器，所述冷凝器用于从循环通
过所述重整器和所述燃料电池的高温且充满蒸汽的气体中收集热量和用 于冷凝蒸汽，并且由于所述第二加热介质^i循环通过所述冷凝器的冷凝
冷剂，因此可以在有效地利用常规结构而不增加尺寸的筒单结构中升高所 述第二加热介质的温度。
在上述根据权利要求6的本发明中，由于在权利要求4中，所述储热 水循环回路和所述第一和第二加热介质循环回路中的至少任意其一具有 用于冷却流体的冷却装置，因此可以通过所述冷却装置有效地冷却所述储 热水或/和所述笫 一和第二加热介质的温度，使得当所述储热水的温度达到
介质所需的温度时，所述储热水的温度不因收集废热而进一步升高。
在上述根据权利要求7的本发明中，由于在根据权利要求4-6中任意 —项的本发明中，所述储热水循环回路和所述第二加热介质循环回路中的 至少任意其一具有用于绕过所述第二换热器的旁路通道，因此所述储热水 和所述第二加热^h质中的至少任意其一流过所述笫二换热器，使得可以通 过所述笫二换热器根据所述储热水的温度等充分实现热交换。
在上述根据权利要求8的本发明中，由于在根据权利要求4-6中任意 一项的本发明中，所述储热水循环回路和所述笫一加热介质循环回路中的 至少任意其一具有用于绕过所述第一换热器的旁路通道，因此所述储热水 和所述第一加热介质中的至少任意其一流过所述第一换热器，使得可以通 过所述第一换热器根据所述储热水的温度等充分实现热交换。
在上述根据权利要求9的本发明中，由于在根据权利要求1的本发明 中，所述加热介质循环回路独立于所述储热水循环回i^l供，甚至当其是 用于循环所述加热介质的一个循环回路时也是如此，所述加热介质收集通 过所述燃料电池发电产生的废热并且还收集所述燃料电池排放的废气的 废热和在所述重整器中产生的废热的至少其中之一 ，并且通过所述换热器 在所述储热水和所述加热介质之间实现热交换.换言之，所述储热水不与 阳祝爽气、阴极废气、燃统爽气和燃料气(重整气)直接进行热交换，而 是通过所述换热器与它们间接进行热交换.因此，当所述储热^Mt是直接 为其补充自来水的密封型式时，高压的自来水压力将施加在所述 睹热^ 和所述储热水塘环回路上.然而，由于所述加热介质循环回路独立于所述 储热水循环回路，因此所述自来水压力不直接施加在所述换热器上，所述 换热器为了实现与所述阳板爽气、所述阴极废气、所述燃烧废气和所述燃 料气(重整气)的热交换而被设置于所述加热介质循环回路上。因此，由 于所述换热器不需要具有额外的耐压结构，因此可以实现换*供能够从高压
水源为储热水补充水而不增加成本和尺寸的燃料电池系统。
在上述根据权利要求10的本发明中，由于在根据权利要求9的本发明 中，所迷储热水循环回路和所述加热介质循环回路中的至少任意其一具有 用于冷却流体的冷却装置，因此可以通过所述冷却装置有效地冷却所述储 热水或/和所述加热介质的温度，使得当所述储热水的温度达到所述燃料电
温度时，所述储热水的温度不因收集废热而进一步升高。
在上述根据权利要求11的本发明中，由于在根据权利要求9或10的 本发明中，所述储热水循环回路和所述加热介质循环回路中的至少任意其 一具有用于绕过所述换热器的旁路通道，因此所述储热水和所述加热介质 中的至少任意其一流过所述换热器，使得可以通过所述换热器根据所述储 热水的温度等充分实现热交换。
在上述根据权利要求12的本发明中，根据由所述储热^Mf出口温度检 测装置检测的所述储热水槽出口温度和表示所述储热水槽出口温度和所 述燃料电池的发电输出量极限值之间相互关系的第一映射困或计算表达 式，所迷笫一发电输出量极限值导出装置导出发电输出量极限值，并且 所述第一发电控制装置根据由所述第一发电输出量极限值导出装置导 出的所述发电输出量极限值来控制所述燃料电池的发电输出量。因此， 在燃料电池发电期间，通过收集发电时所述燃料电池和所述重整器产生 的废热来加热所述储热水.然而，由于当在温度意义上所述储热水是满 的时候，根据所述储热水槽出口温度来限制所述燃料电池的发电输出 量，因此可以尽可能地抑制所述燃料电池生热，并且在所述发电输出量 和废热利用之间保持平衡，使得可以有效地实现所述燃料电池系统的搮 作，同时尽可能地避免热过剩状态。
在上述根据权利要求13的本发明中，在所述第一发电控制装置中，用 所述发电输出量导出装置根据由所述用户负栽电力检测装置检测的所述 用户负栽电力来导出所述燃料电池的发电输出量，所述判断装置判断由所 述第 一发电输出量极限值导出装置导出的所述发电输出量极限值是否等 于或大于由所i^iL电输出量导出装置导出的所^L电输出量，并且当通过 所述判断装置判断所^电输出量极P艮值小于所il^电输出量时，所述限 制控制装置将所述燃料电池的发电输出量限制在所^1电输出量极限值。 因此，可以根据所述燃料电池的发电输出量和所U电输出量极限值而简
单和可靠地实现所述燃料电池系统的稳态操作，所U电输出量基于由所 述用户负栽电力检测装置检测的用户负栽电力。
在上述根据权利要求14的本发明中，根据表示在所述储热水的各个温
相互关系的第二映射图或计算表达式并根据在第二加热介质循环回路上 提供的所述冷却装置的冷却能力，通过导出对应于在所述储热水的各个温 度下所述冷却装置的冷却能力的所述燃料电池发电输出量而制定第一映 射图或计算表达式，所述第二加热介质循环回路循环已经收集了来自所述 重整器的废热的所述第二加热介质，所述冷却装置用于冷却第二加热介 质，因此，由于所iOL电输出量极限值是基于所述储热水槽出口温度和所 述冷却装置的冷却能力导出的，所以考虑所述冷却装置的冷却能力而确定 所述燃料电池的发电输出量，并且所iOC电输出量和所述废热的利用之间 的平衡保持在较好的状态，使得可以有效地实现所述燃料电池系统的操 作，同时尽可能地避免热过剩状态。
在上述根据权利要求15的本发明中，因为所述冷却装置的冷却能力是 基于表示在所述储热水的最高温度下所述燃料电池系统所需的冷却能力 和所述燃料电池发电输出量之间相互关系的所述第二映射图或计算表达 式，通itxt应于所述燃料电池的最小发电输出量的所述燃料电池系统所需 的冷却能力而确定的，该燃料电池具有装满热水的储热水槽，因而可以使 用可以将冷却能力抑制到较小的冷却装置，并且因此可以成功地使所述冷 却装置紧凑，进而使整个燃料电池系统紧凑。
在上述根据权利要求16的本发明中，所述第二发电输出量极P艮值导出
入口温度或与燃料气温度相关的温度与预定温度进行比较，并且根据比较 结果导出所述燃料电池的发电输出量极P艮值，并且所述笫二发电控制装置 根据由所述第二发电输出量极P艮值导出装置导出的发电输出量极限值来 控制所述燃料电池的发电输出量。因此，在通过所述燃料电池发电期间， 通过收集发电时所述燃料电池和所述重整器产生的废热加热所述储热 水。然而，由于当在温度意义上所述储热水槽是满的时候，根据所述燃 料气燃料电池入口温度或与燃料气温度相关的温度来限制所述燃料电池 的发电输出量，因此可以尽可能地抑制所述燃料电池生热，并且在所述 发电输出量和废热利用之间保持平衡，使得可以有效地实现所述燃料电
池系统的搮作，同时尽可能地避免热过剩状态，
在上述根据权利要求17的本发明中，当通过所述燃料气燃料电池入口 温度检测装置检测的温度超过所述预定温度时，所述第二发电输出量极 限值导出装置通过将在先的发电输出量极限值减去预定量来计算目前 的发电输出量极限值，但是当所述温度低于所述预定温度时，所述第二 发电输出量极限值导出装置通过将在先的发电输出量极限值加上预定 量来计算目前的发电输出量极限值。因此，可以基于所述燃料气燃料电 池入口温度或与燃料气温度相关的温度来简单和可靠地计算出所述发电 输出量极限值。
在上迷JL据权利要求18的本发明中，在所述第二发电控制装置中， 所述发电输出量导出装置根据由所述用户负栽电力检测装置检测的所 述用户负栽电力而导出所述燃料电池的发电输出量，所述判断装置判断 通过所述笫二发电输出量极限值导出装置导出的发电输出量极限值是 否等于或大于通过所述发电输出量导出装置导出的发电输出量，并且当 通过所述判断装置判断所述发电输出量极限值小于所述发电输出量时，
值。因此，#^据对应于由所述用户负栽电力检测装置检测的用户负栽电力 的所述燃料电池发电输出量和所i^电输出量极限值，可以简单和可靠地 实现所述燃料电池系统的稳态操作。
图l是表示根据本发明的第一实施方案的燃料电池系统的示意图。
图2是表示如图l所示的燃料电池系统的框图。
图3是表示储热水出口温度和FC发电输出量极限值之间相互关系 的第一映射图.
图4是表示在储热水各个温度下所述燃料电池系统所需的冷却能力 和燃料电池发电输出量之间相互关系的第二映射困。
图5是通过图2所示的控制装置执行的第一控制实施例中控制程序 的流程图。
图6是表示在根据本发明的燃料电池系统的第一控制实施例中搮作
的时间表。
图7是通过图2所示的控制装置执行的第二控制实施例中控制程序 的流程图。
图8是通过图2所示的控制装置执行的第二控制实施例中控制程序 的子程序的流程图。
图9是表示在根据本发明的燃料电池系统的第二控制实施例中操作 的时间表。
附图标记说明
10…燃料电池，11…燃料电极，12…空气电极，20…重整器，21… 燃烧器，22…重整段，23…一氧化碳转换反应段(CO转换段)，24…一 氧化碳选择性氧化段(CO选择性氣化段)，25…蒸发器，30…冷凝器， 31…重整气用冷凝器，32…阳极废气用冷凝器，33…阴极废气用冷凝器， 34...燃烧气用冷凝器，40…纯水容器，45…逆变器，46".电源线，47… 电力消耗场所，47a…瓦特计，50…储水容器，53…重整水泵，61…供 给管，62…排出管，64-66…配管，68…重整水供给管，71…储热水槽， 72…储热水循环回路，73…FC冷却水循环回路，74…第一换热器，75… 冷凝制冷剂循环回路，76…第二换热器，77…散热器，81、 84…旁路遽 道，82、 83、 85、 86…第一到第四阀，P1-P7、 53…泵,73a、 73b、 75a、 72a、 72b、 72c、 64a…第一到第七温度传感器，47a…瓦特计，90…控 制装置，91…存储装置
实施本发明的优选方式
下文将详述关于根据本发明的第一实施方案中的燃料电池系统.困 1是表示所述燃料电池系统轮廊的示意图。所述燃料电池系统具有燃料 电池10和用于生成重整气(燃料气)的重整器20，所述重整气包括燃 料电池10必需的氢气。
燃料电池10具有燃料电极11、作为氧化电极的空气电极12和介于 所述电极11和12之间的电解质13，并且利用供给燃料电极11的重整 气和作为氧化气供给空气电极12的空气(阴极空气)来产生电力。燃 料电池10的空气电极12连接到用于供给空气的供给管61和用于排出 阴极废气的排出管62，并且在供给管61和排出管62之上提供用于增加
空气湿度的湿度调节器14。湿度调节器14是蒸汽取代型的，其对排出 到排出管62即来自空气电极12的气体中的蒸汽除湿，并且为供给至供 给管61即供给至空气电极12的空气供应蒸汽以加湿所述空气，可以供 应在气氛中富含氧气的气体来代替空气。
重整器20用于蒸汽重整燃料和给燃料电池10供给富氢的重整气， 并且重整器20由燃烧器21、重整段22、 一氣化碳转换反应段(下文称 为CO转换段)23和一氧化破选择性氧化段(CO选择性氧化段)24 组成。作为燃料，可以使用天然气、LPG、煤油、汽油、甲醇等，本实 施方案将针对天然气进行说明。
在操作开始时，将来自外部的燃烧用燃料和燃烧用空气供给燃烧器 21，在一般操作时，将来自燃料电池10的燃料电极11的阳极废气(供 给所述燃料电池但因未被消耗而排出的重整气)供给燃烧器21 ，其中燃 烧器21燃烧每种供给的气体并且将经燃烧的气体引入到重整段22。所 述经燃烧的气体加热重整段22 (至用于重整段22的催化剂的活化温度 范围)并且随后在排出外部之前经过燃烧气用冷凝器34以冷凝其中所 包含的蒸汽。此外，所述燃烧用燃料和所述燃烧用空气分别通过作为燃 烧用燃料供给装置和燃烧用空气供给装置的燃烧用燃料泵Pl和燃烧用 空气泵P2供给燃烧器21。可通过控射装置90控制两个泵Pl和P2， 以使其流量(流出体积)受到控制。
重整段22通过填充在重整段22中的催化剂来重整混合气，所述混 合气通过将来自蒸发器25的蒸汽(重整水)与外部供给的燃料混合而 得到，并产生氢气和一氧化碳气体(称为蒸汽重整反应).同时，从所 述蒸汽重整反应中产生的一氧化碳和蒸汽再生氢气和二氣化碳(称为一 氣化碳转换反应)。所产生的气体(即重整气)被导入CO转换段23。 通过作为燃料供给装置的燃料泵P3，将所述燃料供给至重整段22。可 通过控制装置90控制该泵P3，以使其流量(流出体积)受到控制。
CO转换段23利用填入其中的催化剂使包含在所述重整气中的一氧 化碳和蒸汽反应生成氢气和二氧化碳气体。因此， 一氧化碳浓度降低的 所述重整气被导入CO选择性氧化段24。
CO选择性氧化段24通过填入其中的催化剂使残留在所述重整气中 的一氧化碳与CO氧化用空气反应而再生二氧化碳，其中空气也是由外
部供给的。因此，所述重整气的一氧化碳浓度进一步降低(小于10ppm) 并且将所述重整气导入燃料电池10的燃料电极11。此外，通过作为CO 氧化用空气供给装置的CO氧化用空气泵P4将所述CO氧化用空气供 给到CO选择性氣化段24.可通过控制装置90控制该泵P4，使其流量 (流出体积)受到控制。
将蒸发器25设置在重整水供给管68上，重整水供给管68的一端 位于储水容器50中，而另一端连接到重整段22,在重整水供给管68 上提供有重整水泵53。泵53在控制装置卯的控制之下并且加压输送用 作重整水的收集水，所述收集水在储水容器50中。通过例如从燃烧器 21排出的经燃烧的气体、来自重整段22和CO转换段23等的热来加热 蒸发器25，因而蒸发加压输入的重整水。
在配管64上提供冷凝器30，配管64使重整器20的CO选择性氧 化段24和燃料电池10的燃料电极11连通.冷凝器30 (虽然在闺中是 分开的)是一个整体结构，其与重整气用冷凝器31、阳极废气用冷凝器 32、阴极废气用冷凝器33和燃烧气用冷凝器34连成一体.重整气用冷 凝器31冷凝所述重整气中的蒸汽，所述重整气流过配管64被供给到燃 料电池10的燃料电极11.在配管65上提供阳极废气用冷凝器32，配 管65 4f燃料电池10的燃料电极11和重整器20的燃烧器21连通，阳 极废气用冷凝器32冷凝所述阳极废气中的蒸汽，所述阳极废气从燃料 电池10的燃料电极11流经配管65排出。阴极废气用冷凝器33提供在 排出管62上的湿度调节器14的下游并且冷凝从燃料电池10的空气电 极12流经排出管62排出的阴极废气中的蒸汽。燃烧气用冷凝器34提 供在燃烧器21的下游并收集已经冷凝的蒸汽的潜热和燃烧废气的焓，
上述冷凝器31 ~ 34与纯水容器40通过配管66连通，由此由各冷 凝器31 ~ 34冷凝的冷凝水被引导和收集到纯水容器40中.纯水容器40 将由所述冷凝器30供给的冷凝水或收集水通过内建的离子交换树脂而 制成纯水，并将如此净化的所述收集水导入储水容器50。储水容器50 用于临时储存作为重整水的来自纯水容器40的收集水。纯水容器40连 接到用于引导由自来水源(例如水管)供给的补充水(自来水)的配管， 使得当其中所储存的水量降到下限值以下时给纯水容器40供应自来水.
所述燃料电池系统具有储热水槽71、储热水循环回路72、 FC冷却 水循环回路73、第一换热器74、冷凝制冷剂循环回路75、和笫二换热
器76，其中储热水槽71用于储存储热水；储热水循环回路72用于循环 所述储热水；当笫一加热介质已经收集了通过燃料电池10发电产生的 废热时，所述FC冷却水循环回路73是用于循环FC冷却水的笫一加热 介质循环回路；第一换热器74用于实现所述储热水和所述FC冷却水 之间的热交换；当第二加热介质已经收集了燃料电池10排放的废气的废 热和在重整器20中产生的废热的至少任意其一时，冷凝制冷剂循环回路 75是用于循环冷凝制冷剂(冷凝器加热介质)的第二加热介质循环回路； 和第二换热器76用于实现所述储热水和所述冷凝制冷剂之间的热交换。 因此，燃料电池IO中生成的废热(热能)通过所述FC冷却水收集，然 后通过第一换热器74被所述储热水收集，由此所述储热 ;M^加热(温度升 高)，此外，在重整器20中产生的废热(热能)通过冷凝器30由所述冷凝 制冷剂收集，然后通过第二换热器76被所述储热水收集，由此所述储热 #加热(温度升高)。本说明书及其附困中的"FC"是"燃料电池(fuel cell)"的缩写。
储热水槽71具有一个柱状容器，在其中热水分层存储，即温度最高的 水在最顶部，随着层的降低水温逐渐降低并且温度最低的水在最底部。将 水({氐温水)例如自来水补充到储热水槽71的柱状容器的底部，而将存储 在储热水槽71中的高温热水从储热水槽71的柱状容器的顶部导出。储热 水槽71具有密封型式，使得所述自来水压力作用在内部，并因此作用在储 热水循环回路72上。
储热水循环回路72的一端和另一端连接到储热水槽71的底部和顶部。 从储热水循环回路72的一端到另一端，储热水循环回路72上顺序设置了 作为储热水循环装置的储热水循环泵P5、第四温度传感器72a、第二换 热器76、第五温度传感器72b、笫一换热器74和笫六温度传感器72c。 储热水循环泵P5用于通过储热水循环回路72抽出在储热水橫71底部的 储热水，以将所述储热水排到储热水槽71的顶部，并且可通过控制装置 卯控制储热水循环泵P5的流量(流出体积)。分别用第四-第六温度传 感器72a-72c检测储热水槽71的出口处的储热水温度、在第一换热器74 的入口处的储热水温度和在第一换热器74的出口处的储热水温度，并将这 些检测结果输出到控制装置卯。
储热水循环回路72具有给第二换热器76提供旁路的旁路通道81。旁 路通道81上具有用于控制旁路通道81开/关的第一阀82，以响应来自控
制装置卯的命令。在旁路通道81的分支起点和笫二换热器76之间的部 分储热水循环回路72上提供第二阀83，其用于响应来自控制装置卯的 命令来控制储热水循环回路72的开/关。当第一和笫二阀82、 83分别处于 关闭和打开的状态时，所述储热水流过第二换热器76，但是当第一和第二 阀82、 83分别处于打开和关闭的状态时，所述储热水流过旁路通道81而 不流过第二换热器76。因此，所述储热水的流通路径可以从第二换热器76 和旁路通道81中选择。
在FC冷却水循环回路73上设置作为FC冷却水循环装置的FC冷 却水循环泵P6,并且可通过控制装置卯控制FC冷却水循环泵P6，使 其流量(流出体积)受到控制。此外，在FC冷却水循环回路73上设 置第一和第二温度传感器73a、 73b，其分别检测在燃料电池10的入口 和出口处的FC冷却水温度，以将检测结果输出到控制装置卯。此外， 将第一换热器74设置在FC冷却水循环回路73上.
将作为冷凝制冷剂循环装置的冷凝制冷剂循环泵P7设置在冷凝制 冷剂循环回路75上，并可通过控制装置90控制，使其流量(流出体积) 受到控制。此外，从冷凝制冷剂循环回路75的上游側顺序在其上设置 阳极废气用冷凝器32、燃烧气用冷凝器34、阴极废气用冷凝器33和重 整气用冷凝器31。此外，在冷凝制冷剂循环回路75上设置第三温度传 感器75a，其检测重整气用冷凝器31出口处的冷凝制冷剂温度以将检测 结果输出到控制装置卯。此外，将第二换热器76设置在冷凝制冷剂循 环回路75上，各个冷凝器31-34的排列顺序不限于上述顺序，并且不 限于将各个冷凝器31_34连续地设置在一个配管上。可以将冷凝制冷剂 循环回路75分支为多个支路，在所述多个支路上可以分别将各个冷凝 器31-34并联设置。此外，至少将重整气用冷凝器31设置在冷凝制冷 剂循环回路75上。
此外，将作为用于冷却所述制冷剂的冷却装置的散热器77设置在 冷凝制冷剂循环回路75上，紧邻第二换热器76的下游。散热器77可 响应来自控制装置90的命令而控制开/关(ON/OFF )，并且在开(ON ) 状态时冷却所述冷凝制冷剂，而在关(OFF)状态时不冷却所述冷凝制 冷剂。散热器77的冷却能力是所述燃料电池系统所需的冷却能力HI ， 在表示储热水的最高温度Tmax下所述燃料电池系统所需的冷却能力与 所述燃料电池10的发电输出量之间相互关系的图或计算表达式上，该
冷却能力由具有充满热水的储热水槽71的燃料电池10的最小发电输出 量E1确定，如稍后所述的第二映射困所示.由于所述储热水的最高温 度T鹏由燃料电池IO被加热到的最高温度(例如60-701C)所限定， 所以所迷储热水的温度不会高于该最高温度。可以将散热器77设置在 储热水循环回路72或FC冷却水循环回路73上，并且可以将其设置在 冷凝制冷剂循环回路75、储热水循环回路72和FC冷却水循环回路73 中的至少任意其一上。在这种设置下，当所述储热水的温度达到所述燃 料电池所需的温度或者已经收集了来自重整器20的废热的冷凝制冷剂 所需的温度时，可以通过作为冷却装置的散热器77来有效地冷却所述 储热水的温度或/和所述笫一和第二加热介质的温度，使得所述储热水 的温度不因收集废热而进一步升高。
此外，冷凝制冷剂循环回路75具有使第二换热器76具有旁路的旁 路通道84。在旁路通道84上提供用于响应来自控制装置90的命令而控 制旁路通道84开/关的第三阀85.在旁路通道84的分支起点和第二换 热器76之间的部分冷凝制冷剂循环回路75上提供用于响应来自控制装 置卯的命令而控制冷凝制冷剂循环回路75开/关的第四阀86,当第三 和第四阀85、 86分别处于关和开状态时，所述冷凝制冷刑流过第二换 热器76，而当第三和第四阀85、 86分别处于,开和关状态时，所述冷凝 制冷剂流过旁路通道84而不流过第二换热器76。因此，所述冷凝制冷 剂的流通路径可以从第二换热器76和旁路通道84中选择，并且与前述的 热水流通路径的选择一起，可以实现以下情况 一种情况是所述冷凝制冷 剂和所述热水都流过第二换热器76，另一种情况是它们分别流过旁路通 道84、 81,以及再一种情况是所述冷凝制冷剂和所述热水分别流过笫二 换热器76和旁路通道84 (或81)。可以提供旁路通道81、 84中的任意 其一。
此外，所述燃料电池系统具有逆变器45 (电力转换器)。逆变器45 用于将燃料电池10的发电输出转换成交流电并且通过电力传输电缆46 将所述交流电供给用户端的电力消耗场所47。在电力消耗场所47处， 安装有负栽设备(未示出)，所迷负栽设备是电器，例如电灯、电熨斗、 电视、洗衣机、微波炉、电热毯、空调、电水箱等，从而在需要时将由 逆变器45提供的交流电供给所述负栽设备。连接所迷逆变器45和所迷 电力消耗场所47的电力传输电缆46还被连接到电力公司的系统电源48
(系统连接)，并且当所述负栽设备的总电力消耗超过燃料电池10的发
电输出时，可以通过接收来自系统电源48的差額电力进行补偿。瓦特 计47a是用于检测用户负栽电力(用户消耗的电力)的用户负栽电力检 测装置并且检测在电力消耗场所47中使用的所有负栽设备的总耗电量， 将检测到的电力传输给控制装置90。
此外，逆变器45降低或升高所述发电输出的电压并且向用电设备 即所谓的辅助i殳备供给直流电，所述辅助设备包括各个泵P1-P7、 53， 各个阀(未示出)，用于燃烧器21的点火装置等，它们是所述燃料电池 系统的组成部分。此外，将逆变器45设置在冷凝制冷剂循环回路75上， 使得可以通过所述冷凝制冷剂冷却逆变器45。
此外，控制装置卯连接到上述各个温度传感器73a、 73b、 75a、 72b、 72c、 64a，各个泵Pl-P7、 53和瓦特计47a (参见图2)。控制装置90 具有微型计算机(未示出)，并且所述微型计算机具有输入/输出端口、 CPU、 RAM和ROM (都未示出)，它们彼此通过总线连接。通过执行 对应于如图5或7和图8所示的流程图的程序，所述CPU基于各个温 度传感器73a、 73b、 75a、 72a、 72b、 72c、 64a检测到的任意温度和瓦 特计47a检测到的用户负栽电力来控制燃料电池10的发电输出量。所 述RAM暂时存储在执行程序中所需的变量，并且所述ROM存储程序。
此外，将存储装置91连接到控制装置90并且存储如图3所示的第 一映射图或计算表达式.所述笫一映射图或计算表达式表示储热水槽出 口温度T4和燃料电池10的发电输出量极限值EL之间的相互关系，储 热水槽出口温度T4通过作为储热水槽出口温度检测装置的笫四温度传感 器72a检测。所述第一映射图或计算表达式表明，储热水槽出口温度T4 与燃料电池10的发电输出量极限值EL成反比关系.
基于表示在所述储热水的各个温度下所述燃料电池系统所需的冷却 能力和燃料电池10的发电输出量之间相互关系的笫二映射图或计算表达 式并基于散热器77的冷却能力，可以通过导出在所述储热水的各个温度 下对应于散热器77冷却能力的燃料电池10的发电输出量来制定第一映 射图或计算表达式。首先，所述第二映射图或计算表达式制定如下.如图 4所示，在循环通过储热水循环回路72的储热水在温度上保持不变的状态 下，通过计算或测量得到相对于FC发电输出量的燃料电池系统所需的冷 却能力。随着所述温度随后在预定范围内变化，即在已经从例如储热^Mt 71的最高温度T鹏依次下降预定温度单位的各个温度T隨-广T咖x4下，通
过计算或测量得到确定相对于FC发电输出量的燃料电池系统所需的冷却 能力的图(函数)，通过这种方法，可以得到所述第二映射困或计算表达 式。另一方面，如前所述，散热器77的冷却能力^示为所述燃料电池 系统所需的冷却能力Hl，通过表示在所述储热水的最高温度T,下燃 料电池系统所需的冷却能力与燃料电池10的发电输出量之间的相互关 系的图或计算表达式，所述冷却能力HI对应于在储热水槽71已经充满 了热水的状态下燃料电池10的最小发电输出量E1。
因此，对应于散热器77的冷却能力El的燃料电池10的发电输出量 被导出为FC发电输出量极限值EL，其中所i^L电输出量符合表示在所 述储热氷的各个温度下燃料电池系统所需的冷却能力与前面计算得到 的燃料电池IO的发电输出量之间相互关系的图或计算表达式。特别地， 当所述储热水的温度(即所述储热:dMt出口处的温度T4)是Tm ^时， FC发电输出量极限值EL是上述的El;温度是T咖^时，FC发电输 出量极限值EL是E2;温度是T咖x.2时，FC发电输出量极限值EL是 E3;温度是T^x.3时，FC发电输出量极限值EL是E4;温度是Traax.4 时，FC发电输出量极限值EL是E咖x。所述预定温度范围是从所述储 热水槽的最高温度T,x到FC发电输出量极限值EL变成燃料电池10 的最大发电输出量E隠时的温度(在本实施方案中是T咖x.4)的范围。
由于散热器77的能力随外部空气(散热器制冷剂温度)而变化， 所以对于各个外部温度中的每一个可以通过制定/计算如图3和图4所 示的映射图而进一步提高效率。选择夏季最苛刻的外部温度条件来确定 散热器77的能力，
接下来，将详述关于上述燃料电池系统的热收集效率优化的控制。 首先，控制储热水循环泵P5的流重，以使FC冷却水的FC入口温度T1 成为所述燃料电池的最优操作温度，此外，控制FC冷却水循环泵P6的 流量，以使FC冷却水的FC入口温度Tl和FC冷却水的FC出口温度T2 之间的温度差厶T变成目标温度差AT* (例如3-5"C ),已经将所述目标温 度差AT4殳定为使所述重整气流道或用于燃料电池10的空气流道中的蒸 汽保持在最佳湿度状态。然后，控制冷凝制冷剂循环泵P7的流量，以使 在阳极废气(AOG)冷凝器出口处的冷凝制冷剂温度T3变成目标温度 T3* (例如50-601C )。在所述重整气用冷凝器出口处的冷凝制冷剂温度T3 越高，则在第二换热器76中冷凝器收集的储热水热量的收集效率就越
好。因此，希望设定高的目标温度13*。另一方面，当所述重整气用冷凝 器出口处的冷凝制冷剂温度T3变高时，通过重整气用冷凝器31的重整 气的温度与冷凝制冷剂进行热交换，即，在所述FC入口处的重整气温 度T7升高，由此在燃料电池10的燃料电极11处会发生溢流，因此，已 经将目标温度T3+设定到使所述冷凝器收集热量的收集效率尽可能地高但 不发生溢流的温度。
la)第一控制实施例
下面将参考图5和6描述用于上述燃料电池系统的笫一控制实施 例。将启动开关(未示出)置于ON,使所述燃料电池系统进入操作状 态之后，在起始操作完成后开始能够产生电能的常规操作，并且控制装 置90以预定的短暂时间间隔执行如图5所示的程序.控制装置卯在102 步通过第四温度传感器72a检测在储热水槽出口处的储热水温度T4(储 热水槽出口温度)。然后，在104步，基于在102步检测到的储热水槽 出口温度T4和表示储热7Mf出口温度T4和燃料电池10的发电输出量极 限值EL (第一发电输出量极限值导出装置)之间的相互关系的第一映 射图或计算表达式，控制装置90导出发电输出量极P艮值EL。
在106-114步，控制装置90基于由所述第一发电输出极限值导出装 置导出的发电输出量极限值EL来控制燃料电池10的发电输出量(第 一发电控制装置).特别地，在106步，控制装置卯通过瓦特计47a(用 户负栽电力检测装置)检测用户负栽电力。在108步，基于表示所述用 户负栽电力和所述发电输出量(发电输出量导出装置)之间的相互关系 的另一个映射图或计算表达式，控制装置卯根据在106步检测到的用 户负载电力而导出所述燃料电池的发电输出量EU。在110步，控制装 置90判断在104步导出的发电输出量极限值EL是否等于或大于在108 步导出的发电输出量EU(判断装置).在112步，当判断所述发电输出 量极限值EL大于所述发电输出量EU时，控制装置卯按照所述用户负 栽电力来控制燃料电池10的发电输出量(跟踪控制装置)。此外，在114 步，当判断所述发电输出量极限值EL小于所述发电输出量EU时，控 制装置卯控制燃料电池IO的发电输出量，将其限制到所述发电输出量 极限值EL(限制控制装置)。在上述跟踪控制和限制控制的任意控制中， 导出燃料供给量、重整水供给量、燃烧用燃料供给量、燃烧用空气供给 量和CO氧化用空气供给量，使得燃料电池10的发电输出量将燃烧效
率考虑在内，并且通过控制装置90控制燃料泵P3、重整水泵53、燃烧 用燃料泵P1、燃烧用空气泵P2和CO氧化泵P4的流量，使得所述供 给量分别为所导出的量。
根据这种控制，当储热;Wt出口温度T4如图6的上部所示变化时， 通过104步的处理，所述发电输出量极P艮值EL相对储热水槽出口温度 T4而相反地变化，如图6中部所示。另一方面，当基于用户负栽的发电 输出量EU如图6中部所示变化时，由于在时间段tll t12期间和时间段 tl3 tl4期间发电输出量极P艮值EL小于发电输出量EU，所以发电输出 量被限制在发电输出量极限值EL。在其它时间段中，发电输出量极限 值EL等于或大于发电输出量EU，因此实施所述跟踪控制，其中所述 发电输出量跟踪所述用户负栽电力而不受限制(图6下部)。
因此，根据本发明的第一控制实施例，第一发电输出量极限值导出 装置基于由第四温度传感器72a检测的储热水槽出口温度T4和所述第一 映射图或计算表达式而导出发电输出量极限值EL，所述第一映射图或 计算表达式表示储热;^Mt出口温度T4和燃料电池10的发电输出量极限 值EL之间的相互关系，并且第一发电控制装置基于通过所述笫一发电 输出量极限值导出装置导出的发电输出量极限值EL来控制燃料电池10 的发电输出量。因此，在燃料电池10的发电期间，通趁收集发电时燃料 电池10和重整器20产生的废热来加热所述储热水。然而，当储热水槽 71在温度意义上被充满的时候，根据储热水槽出口温度T4来限制燃料 电池10的发电输出量。因此，可以尽可能地限制所述燃料电池10生热， 并且在发电输出量和废热利用之间保持平衡，使得可以有效地实现所述 燃料电池系统的操作，同时尽可能地避免热过剩状态。
此外，在第一发电控制装置中，108步根据步骤106检测的用户负 栽电力导出燃料电池的发电输出量EU， 110步判断104步导出的发电 输出量极限值EL是否等于或大于108步导出的发电输出量EU，当在 110步判断发电输出量极限值EL等于或大于发电输出量EU时，112步 控制燃料电池10的发电输出量以跟踪用户负栽电力，当在110步判断 发电输出量极限值EL小于发电输出量EU时，114步控制燃料电池10 的发电输出量，将其限制在发电输出量极限值。因此，基于取决于由用 户负栽电力检测装置检测的用户负栽电力的燃料电池发电输出量EU和基 于发电输出量极限值EL可以简单地和可靠地实现所述燃料电池系统的稳
态搮作.
此外，基于表示在储热水的各个温度下所述燃料电池系统所需的冷 却能力和所述燃料电池的发电输出量的相互关系的笫二映射图或计算表
达式以及基于散热器77的冷却能力，通过导出在储热水的各个温度下对 应于散热器77的冷却能力的燃料电池发电输出量而制定笫一映射困或 计算表达式，散热器77提供在第二加热介质循环回路75上以冷却第二加 热介质，在第二加热介质循环回路75中循环已经收臬了来自重整器20的 废热的第二加热介质.因此，由于发电输出量极限值ELU于储热 Wt 出口温度T4和散热器77的冷却能力而导出的，所以确定燃料电池的发电 输出量时，还将散热器77的冷却能力考虑在内，并JUt电输出量和废热的 利用之间的平衡保持在较好的状态，使得可以有效地实现所述燃料电池 系统的搮作，同时尽可能地避免热过剩状态.
此外，由于散热器77的冷却能力是对应于储热水槽71充满热水的燃 料电池的最小发电输出量的燃料电池系统所需的冷却能力，所述冷却能力 在所述第二映射图或计算表达式上标出，所述笫二映射图或计算表达式表 示在储热水的最高温度Tmax下燃料电池系统所需的冷却能力和燃料电池 发电输出量之间的相互关系，所以可以使用冷却能力^L抑制在较低水平的 散热器77，因此可以取功地使散热器77紧凑，进而使整个燃料电池系统 紧凑。
lb)第二控制实施例
下面将参考图7-9描述用于上述燃料电池系统的第二控制实施例.在 将启动开关(未示出)置于ON，使燃料电池系统iftA^^作状态之后，在 起始操作完成后，开始能够产生电能的常规^IMt，并且当燃料气FC入口 温度T7超过预定温度Ta时，以预定的短暂时间间隔TMa，控制装置90 执行如图7所示的程序。控制装置卯在202步通过第七温度传感器64a 检测流至燃料电池10的燃料电极入口的燃料气温度(燃料气FC入口温度) T7,可以通过第三温度传感器75a检测与燃料气温度T7相关的温度来代 替燃料气FC入口温度T7，例如在重整气用冷凝器31出口处的冷凝制冷 剂温度(冷凝制冷剂重整气冷凝器出口温度)T3。然后可以利用检测的数 值,后续的操作。
然后，在204步，比较由202步检测到的燃料气FC入口温度T7与预定温度Ta，基于比较结果导出燃料电池10的发电输出量极限值EL (第二 发电输出量极限值导出装置)。具体而言，控制装置卯执行图8所示的子 程序。即，当202步检测到的温度T7高于预定温度Ta (在302和304步) 时，控制装置90通过将在先的发电输出量极限值EL减去预定量厶E而 计算出目前的发电输出量极P艮值EL-厶，当温度T7等于预定温度Ta (在 302和306步)时，将在先的发电输出量极限值EL计算作为目前的发电 输出量极P艮值EL，当温度T7低于预定温度Ta (在302和308步)时， 通过将预定量AE加上在先的发电输出量极限值EL而计算出目前的发 电输出量极限值EL+A。接着，控制装置卯继续运行程序到310步以终 止子程序的处理，然后ii^处理步骤206和随后的步猓.虽然在302步比 较了由202步检测到的燃料气FC入口温度T7和预定温度Ta，但是可以 在燃料气FC入口温度T7和预定温度范围(死区)之间进行比较。
由于预定温度Ta被确定为是不使燃料电池10的燃料电极11发生溢流 的温度，所以所述燃料电池系统可以稳定操作，从而可靠地防止所述燃料 电池的发电降低和由于溢流而停止。
在206-214步，控制装置卯基于通过所述第二发电输出量极限值导 出装置导出的发电输出量极限值EL (第二发电控制装置)来控制燃料 电池10的发电输出量。具体而言，在206步，通过瓦特计47a(用户负 载电力检测装置)检测用户负栽电力.在208步，通过表示用户负载电 力和发电输出量(发电输出量导出装置)之间相互关系的另一个映射图 或计算表达式，导出随206步检测到的用户负栽电力而变化的燃料电池 发电输出量EU。在210步，判断204步导出的发电输出量极限值EL 是否等于或大于208步导出的发电输出量EU (判断装置)。在212步， 当发电输出量极限值EL等于或大于发电输出量EU时，控制燃料电池 10的发电输出量以跟踪用户负载电力(跟踪控制装置)。此外，在214 步，当发电输出量极限值EL小于发电输出量EU时，控制燃料电池IO 的发电输出量，将其限制在发电输出量极限值EL (限制控制装置)。
然后，在216步，控制装置卯等待预定时间TMa的流逝，同时完 成所述跟踪控制或所述限制控制，然后程序前进到218步以暂时终止程 序。因此，导致在212步或214步确定的控制执行完预定时间TMa后， 又开始执行202步和其后的处理。
根据这种控制，当燃料电池10基于用户需求发电所伴随产生的热量引起储热#出口温度T4如图9上部所示升高时，第二换热器76不能 冷却冷凝制冷剂，由此所述冷凝制冷剂温度升高。而且，重整气FC入口 温度T7也开始升高(时间t21 )。在此假设重整气FC入口温度T7 —直保 持在预定温度Ta直到时间t21。还假设直到时间t21，没有限制燃料电池 10的发电输出量并且它能产生直至最;Ut电输出量的电力。
当在时间t21时重整气FC入口温度T7变得高于预定温度Ta时，发 电输出量极P艮值EL逐渐变小直到重整气FC入口温度T7再次下降达到 或低于预定温度Ta (时间t25),如图9中部所示(步骤202、 204、 302、 304、 310、 206-218)。同时，根据发电输出量极限值EL和基于用户负 栽电力的燃料电池发电输出量EU之间的比较结果判断选择跟踪控制还 是限制控制，并执行所选的控制。由于在发电输出量极限值EL逐渐变 小的范围内也执行跟踪控制，所以在任何一种情况下都抑制燃料电池10 的发电输出量(发电输出量的最大值)，由此抑制燃料电池10的生热。 因此，散热器77上的负栽变小，并且当散热器77可以负担时它能冷却 所述冷凝制冷剂，因此可以降低重整气FC入口温度T7。
因此，在时间t25时重整气FC入口温度T7达到预定温度Ta。当基 于用户负栽电力的发电输出量EU在时间段t21-t25期间如图9中部所示 变化时，由于在每个时间段t21-t22和t23-t24期间发电输出量极P艮值EL 小于发电输出量EU,因此所述发电输出量被限制在发电输出量极限值 EL。在其它时间段期间，由于发电输出量极限值EL等于或大于发电输 出量EU，因此实施跟踪控制，由此发电输出量跟踪用户负栽电力而不 受限制(图9下部)，
此外，在时间t29时，储热水等的消耗使重整气FC入口温度T7变得 小于预定温度Ta，并且发电输出量极限值EL逐渐增加直到重整气FC 入口温度T7再次升高达到或高于预定温度Ta (时间t31)，如图9中部所 示(步骤202、 204、 302、 308、 310、 206-218)。同时，根据发电输出量 极限值EL和基于用户负栽电力的燃料电池发电输出量EU之间的比较 结果来判断选择跟踪控制还是限制控制，并且执行所选的控制。由于在 发电输出量极P艮值EL逐渐变大的范围内也执行跟踪控制，所以在任何 一种情况下都增加燃料电池IO的发电输出量(发电输出量的最大值)， 由此增加燃料电池10的生热。因此，可以升高所述冷凝制冷剂的温度， 并因此升高重整气FC入口温度T7。
因此，在时间t31时，重整气FC入口温度T7达到预定温度Ta。当 基于用户负栽电力的发电输出量EU在时间段t29-t31期间如图9中部所 示变化时，由于在时间段t29-t30期间发电输出量极限值EL小于发电输 出量EU，因此所^L电输出量被限制在发电输出量极限值EL。在其它 时间段期间，由于发电输出量极限值EL等于或大于发电输出量EU， 因此实施跟踪控制，由此所述发电输出量跟踪用户负栽电力而不受限制 (图9下部)。
因此，根据本发明的第二实施方案，第二发电输出量极限值导出装 置将由第七温度传感器64a检测到的燃料电池入口处的燃料气温度T7或 与所述燃料气温度相关的温度和预定温度Ta进行比较，并基于比较结果 导出所述燃料电池的发电输出量极限值，并且第二发电控制装置基于由 所述笫二发电输出责极限值导出装置导出的发电输出量极限值EL来控 制燃料电池IO的发电输出量。因此，在燃料电池10发电期间，通过收 集发电时由燃料电池10和重整器20产生的废热来加热储热水.然而， 当储热水槽71在温度意义上被充满的时候，根据燃料电池入口处的燃料 气温度T7或与所述燃料气温度相关的温度来限制燃料电池10的发电输 出量.因此，可以尽可能地抑制燃料电池10的生热，并且在发电输出 量和废热利用之间保持平衡，使得可以有效地实现燃料气池系统的操 作，同时尽可能地避免热过剩状态.
此外，当由第七温度传感器64a检测到的燃料电池入口处燃料气温度 T7高于预定温度Ta时，第二发电输出量极限值导出装罝通过将在先的 发电输出量极P艮值EL减去预定量AE来计算出目前的发电输出量极限 值EL-AE，但是当燃料气温度T7低于预定温度Ta时，通过将预定量AE 加上在先的发电输出量极限值EL来计算出目前的发电输出量极限值 EL+厶E。因此基于燃料电池入口处燃料气温度T7或与所述燃料气温度相 关的温度可以简单地和可靠地计算出发电输出量极限值EL。
此外，在所述第二发电控制装置中，208步根据步骤206检测到的 用户负栽电力而导出燃料电池的发电输出量，210步判断204步导出的 发电输出量极限值EL是否等于或大于208步导出的发电输出量EU， 当在210步判断发电输出量极限值EL等于或大于发电输出量EU时， 212步控制燃料电池10的发电输出量以跟踪所述用户负栽电力，当在 210步判断发电输出量极限值EL小于发电输出量EU时，214步控制燃
料电池10的发电输出量，将其限制在发电输出量极限值EL。因此，根 据基于由用户负栽电力检测装置检测到的用户负栽电力的燃料电池发电 输出量EU和发电输出量极限值EL可以简单地和可靠地实现燃料电池系 统的稳态操作。
此外，以预定时间TMa的间隔，反复执行通过燃料气燃料电池入口温 度检测装置、第二发电输出量极限值导出装置和笫二发电控制装置的每个 处理，其中预定时间TMa的i殳定将燃料气的响应考虑在内，佳J得可以在 合适的时间执行所述控制处理。此外，还可以精确地执行所述控制处理。
从上述描述可见，在本实施方案中，作为第一加热介质循环回路的FC 冷却水循环回路73循环作为第一加热介质的FC冷却水，所述FC冷却水 已经收集了通过燃料电池10发电产生的废热，FC冷却水循环回路73独 立于所述储热水循环回路72提供以通过第一换热器74在储热水和第一加 热介质之间实现热交换.此外，作为第二加热介质循环回路的冷凝制冷 剂循环回路75循环作为第二加热介质的冷凝制冷剂，所述冷凝制冷剂已 经收集了燃料电池10排放的废气的废热和在重整器20中产生的废热中 的至少任意其一，冷凝制冷剂循环回路75独立于储热水循环回路72提 供以通过第二换热器76在储热水和笫二加热介质之间实现热交换。即，储 热水不与阳极废气、阴极废气、燃烧废气和重整气直接进行热交换，而是 通过第二换热器76间接进行热交换。因此，当储热水槽71是直接补充自 来水的密封型式时，高压的自来水压力被施加^睹热水槽71和储热水循环 回路72。然而，由于第二加热介质循环回路75独立于储热水循环回路72， 因此所述自来水压力不直接施加给各个冷凝器31-34，各个冷凝器31-34 是设置在第二加热介质循环回路75上的换热器.因此，由于各个换热器 31-34不需要具有额外的耐压结构，因此可以实现提供能够为储热水补充 来自高压水源的水而不增加成本和尺寸的燃料电池系统。
此外，即使重整气、阳极废气、阴极废气和燃烧废气通过各个冷凝器 31、 32、 33、 34混入作为第二加热介质的冷凝介质中，也可以防止它们直 接混入储热水中，这是因为储热水循环回路72独立于笫二加热介质循环回 路75.此外，即使发生了重整气通过燃料电池10混入作为第一加热介 质的FC冷却水中，也可以防止所述重整气直接混入储热水中，这是因为 储热水循环回路72独立于第一加热介质循环回路73。
此外，由于第二加热介质循环回路75上具有各个冷凝器31-34，用于
从高温且充满蒸汽的气体中收集热量和冷凝所述气体，所述高温且充满蒸
汽的气体流过重整器20和燃料电池10，并且由于第二加热介质是流过所 述冷凝器的冷凝制冷剂，因此可以有效地利用现有的结构而不增加尺寸， 使得可以通过简单结构而可靠地升高第二加热介质的温度。
此外，储热水循环回路72和第二加热介质循环回路75分别具有用于 绕过笫二换热器76的旁路通道81、 84，并且用于冷凝介质的流通路径可 以从第二换热器76和旁路通道84中选择，同时用于储热水的流通路径可 以从笫二换热器76和旁路通道81中选择。因此，可以选择性地实现以下 情况 一种情况是冷凝制冷剂和储热水都通过笫二换热器76，另一种情 况是它们分别通过旁路通道84、 81，再一种情况是冷凝制冷剂和储热水 分别通过第二换热器76和旁路通道84 (或81 )。因此，可以通过根据储 热水温度等选择流体路径而适当地实现通过第二换热器76的热交换.可 以提供旁路通道81、 84中的任何一个，使得流体通过第二换热器76和 旁路通道中的任何一个。同样可以根据储热水温度等适当地实现通过第 二换热器76的热交换。
在前述实施方案中，优选为储热水循环回路72和第一加热介质循环回 路73中的至少任意其一提供用于绕过第一换热器74的旁路通道，同样优 选为储热水循环回路72和笫二加热介质循环回路 75中的任意其一提供用 于绕过第二换热器76的旁路通道。同样可以通过根据储热水温度等选择 流体路径而适当地实现通过笫一换热器的热交换。
此外，在前述实施方案中，虽然FC冷却水循环回路73和冷凝制冷 剂循环回路75是彼此独立提供的，但是可以将两回路73、 75构造为一 个循环回路(加热介质循环回路)。在这种情况下，所述加热介质循环回
路具有独立于储热水循环回路72提供的构造，用于循环已经收集了来自 燃料电池10和重整器20中的废热的加热介质.此外，为了实现储热水 和加热介质之间的热交换，在所述加热介质循环回路和储热水循环回路 72上提供换热器。即，在所述加热介质循环回路上设置燃料电池10和 各个冷凝器31-34。
在这种情况下，所述加热介质循环回路循环已经收集了来自燃料电池 10和重整器20的废热的加热介质，所述加热介质循环回路独立于储热水 循环回路72提供，并通过换热器在储热水和加热介质之间实现热交换.即， 储热水不与阳极废气、阴极废气、燃烧废气和重整气直接进行热交换，而
是通过换热器间接进行热交换。因此，当储热水槽是直接补充自来水的密
封型式时，高压的自来水压力被施加给储热水槽71和储热水循环回路72。 然而，由于加热介质循环回路独立于储热水循环回路72，因此所述自来水 压力不直接施加给换热器，所述换热器设置在加热介质循环回路上以与阳 极废气、阴极废气、燃烧废气和重整气进行热交换。因此，由于换热器不 需要具有额外的耐压结构，因此可以实现提供能够为储热水补充来自高压 水源的水而不增加成本和尺寸的燃料电池系统。
还是在这种情况下，优选储热水簿环回路72和加热介质循环回路中的 至少任意其一具有作为冷却装置的用于冷却流体的散热器77。采用这种构 造，当储热水温度达到燃料电池所需的温度或已收集来自重整器20的 废热的冷凝制冷剂所需的温度时，可以通过冷却装置有效地冷却储热水 或/和加热介质，使得储热水的温度不因收集废热而进一步升高。
此外，在这种情况下，优选为储热水循环回路72和加热介质循环回 路中的任意其一提供用于绕过换热器的旁路通道，同样优选为储热水循环 回路72和笫二加热介质循环回路75中的任意其一提供用于绕过第二换热 器76的旁路通道。同样可以通过根据储热水温度等选择流体路径而适当 地实现通过换热器的热交换。
工业应用性
如上所述，根据本发明的燃料电池系统适用于从高压水源为储热 水补充水而不增加成本和尺寸的情况。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包含燃料电池；用于产生供给所述燃料电池的燃料气的重整器；用于贮存储热水的储热水槽；和用于循环所述储热水的储热水循环回路；其中所述储热水循环回路收集在所述燃料电池和所述重整器中产生的废热来加热所述储热水，所述系统特征在于还包含用于循环加热介质的加热介质循环回路，其独立于所述储热水循环回路提供，所述加热介质已经收集了至少所述燃料电池排放的废气的废热或者在所述重整器中产生的废热和通过所述燃料电池发电产生的废热；和用于在所述储热水和所述加热介质之间实现热交换的换热器。
2. 权利要求l的燃料电池系统，其特征在于所述储热水循环回路和所 述加热介质循环回路中的至少任意其一具有用于冷却流体的冷却装置。
3. 权利要求1或2的燃料电池系统，其特征在于所述储热水循环回路 和所述加热介质循环回路中的至少任意其一具有用于绕过所述换热器的 旁路通道。
4. 权利要求l的燃料电池系统，其特征在于所述加热介质循环回路由 第一加热介质循环回路和第二加热介质循环回路中的任意其一组成，所述 第一加热介质循环回路用于循环已经收集了通过所述燃料电池发电产生 的废热的笫一加热介质，所述第二加热介质循环回路用于循环已经收集了所述燃料电^夂放的废气的废热和在所述重整器中产生的废热的至少任 意其一的笫二加热介质；和所述换热器由第一换热器和第二换热器中的至少任意其一组成，所述 第一换热器用于在所述储热水和第一加热介质之间实现热交换，所述第二 换热器用于在所述储热水和第二加热介质之间实现热交换。
5. 权利要求4的燃料电池系统，其特征在于在所述第二加热介质循环回路上具有冷凝器，所述冷凝器用于从循环通过所述重整器和所述燃料电 池的高温且充满蒸汽的气体中收集热量，和用于冷凝蒸汽，并且所述第二 加热介质^^循环通过所述冷凝器的冷凝制冷剂。
6. 权利要求4的燃料电池系统，其特征在于所述储热水循环回路和所 述第一和第二加热介质循环回路中的至少任意其一具有用于冷却流体的 冷却装置。
7. 权利要求4-6中任一项的燃料电池系统，其特征在于所述储热^！ 环回路和所述第二加热介质循环回路中的至少任意其一具有用于绕过所 述第二换热器的旁路通道。
8. 权利要求4-6中任一项的燃料电池系统，其特征在于所述储热7Mt 环回路和所述第一加热介质循环回路中的至少任意其一具有用于绕过所 述第一换热器的旁路通道。
9. 权利要求1的燃料电池系统，其特征在于所述加热介质循环回路是 用于循环加热介质的一个循环回路，所述加热介质收集通过所述燃料电池 发电产生的废热并且还收集所述燃料电^,放的废气的废热和在所述重 整器中产生的废热中的至少任意其一；和所述换热器在所述储热水和所述加热介质之间实现热交换.
10. 权利要求9的燃料电池系统，其特征在于所述储热水循环回路和所 述加热介质循环回路中的至少任意其一具有用于冷却流体的冷却装置。
11. 权利要求9或10的燃料电池系统，其特征在于所述储热水循环回路 和所述加热介质循环回路中的至少任意其一具有用于绕过所述换热器的 旁路通道。
12. 权利要求l-ll中任一项的燃料电池系统，其特征在于包含 储热水槽出口温度检测装置，其提供在所述储热水循环回路上，用于检测从所述储热7Mf出口流出的所述储热水的温度；第一发电输出量极限值导出装置，其用于根据由所述储热^Mt出口温度检测装置检测的所述储热^Mf出口温度和表示所述储热^jf出口温度和所述燃料电池的发电输出量极限值之间的相互关系的第 一映射图或计算表达式来导出发电输出量极限值；和第一发电控制装置，其用于根据由所述第一发电输出量极限值导出装置导出的所迷发电输出量极P艮值来控制所述燃料电池的发电输出量.
13. 权利要求12的燃料电池系统，其特征在于所述第一发电控制装置 包含用于检测用户负栽电力的用户负栽电力检测装置； 用于根据由所述用户负栽电力检测装置检测的所述用户负栽电力来 导出所迷燃料电池发电输出量的发电输出量导出装置；用于判断由所述第 一发电输出量极限值导出装置导出的所iiit电输出量极限值是否等于或大于由所^电输出量导出装置导出的所^t电 输出量的判断装置；和在通过所述判断装置判断所^Jt电输出量极限值小于所^t电输出 量时，用于将所述燃料电池的发电输出量限制在所^L电输出量极限值的 限制控制装置。
14. 权利要求12或13的燃料电池系统，其特征在于还包含 笫一加热介质循环回路，其用于循环已经收集来自所述燃料电池的废热的笫一加热介质；笫二加热介质循环回路，其用于循环已经收集来自所述重整器的废热 的第二加热介质；第一换热器，其用于实现所述储热水和所述笫一加热介质之间的热交换；笫二换热器，其用于实现所述储热水和所述第二加热介质之间的热交 换；和冷却装置，其提供在所述第二加热介质循环回路上，用于冷却所述第 二加热介质；其中所述第 一映射图或计算表达式基于表示在所述储热水的各个温互关系的第二映射图或计算表达式并且基于所述冷却装置的冷却能力，通 过导出对应于在所述储热水的各个温度下所述冷却装置的冷却能力的所 述燃料电池发电输出量而制定。
15. 权利要求14的燃料电池系统，其特征在于所述冷却装置的冷却能力 基于由所述第二映射图或计算表达式表示的在所述储热水的最高温度下互关系，通过对应于所述燃料电池的最小发电输出量的所述燃料电池系统 所需的冷却能力而确定，该燃料电池具有装满热水的储热水槽。
16. 权利要求l-ll中任一项的燃料电池系统，其特征在于包含 燃料气燃料电池入口温度检测装置，其用于检测流到所述燃料电池入口的燃料气温度或者与所述燃料气温度相关的温度；笫二发电输出量极限值导出装置，其用于比较由所述燃料气燃料电池 入口温度检测装置检测的温度和预定温度，并且根据比较结果导出所述燃 料电池发电输出量极限值；和第二发电控制装置，其用于根据由所述第二发电输出量极限值导出装 置导出的发电输出量极限值来控制所述燃料电池的发电输出量。
17. 权利要求16的燃料电池系统，其特征在于当所述温度超过所述预 定温度时，所述笫二发电输出量极限值导出装置通过将在先的发电输出 量极限值减去预定量来计算目前的发电输出量极限值，但是当所述温度 低于所述预定温度时，所述第二发电输出量极限值导出装置通过将在先 的发电输出量极限值加上预定量来计算目前的发电输出量极限值。
18.权利要求16或17的燃料电池系统，其特征在于所述第二发电控制 装置包含用于检测用户负栽电力的用户负栽电力检测装置； 用于根据由所述用户负栽电力检测装置检测的所述用户负载电力来导出所述燃料电池发电输出量的发电输出量导出装置；用于判断由所述第二发电输出量极限值导出装置导出的发电输出量极限值是否等于或大于由所U电输出量导出装置导出的发电输出量的判断装置；和在通过所迷判断装置判断所^L电输出量极限值小于所^l电输出 量时，用于控制所述燃料电池的发电输出量以限制在所^L电输出量极限 值的限制控制装置。
全文摘要
一种燃料电池系统，其中能够从高压水源供应热水，而不增加成本和尺寸。在燃料电池系统中，提供独立于储热水循环回路(72)的FC冷却水循环回路(73)，并且在所述储热水和第一加热介质之间通过第一换热器(74)实现热交换。此外，还提供独立于所述储热水循环回路(72)的冷凝制冷剂循环回路(75)，并且在所述储热水和第二加热介质之间通过第二换热器(76)实现热交换。即，所述储热水不与阳极废气、阴极废气、燃烧废气和重整气直接进行热交换，而是通过所述第二换热器(76)与其间接进行热交换。
文档编号H01M8/04GK101103477SQ20058003980
公开日2008年1月9日 申请日期2005年11月21日 优先权日2004年11月25日
发明者大河原裕记 申请人:丰田自动车株式会社