固體氧化物燃料電池系統的製作方法

2023-07-16 09:38:06

專利名稱：固體氧化物燃料電池系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及固體氧化物燃料電池系統，特別是涉;sj(於燃料電池的 驢部供給的氣體的供給控制系統。
背景技術：
一般地，作為將燃料所具有的能量變換為電能的裝置，已公知的有燃料電池。通常， 燃料電池具有被設置為夾住電解質的一對電極，使氫反應氣體(燃料氣體)接觸一對電極 中的一方電極的表面，而使.含氧空氣接觸一對電極中的另一方電極的表面，從而產生電 化學反應，燃料電池就是利用這種電化學反應從電極間取出電能的一種電池。專利文獻1 中記載有具備改質器的燃料電池系統的運行方法，所公開的運行方法是為了防止改質器的 溫度急劇上升現象而並行運轉水蒸汽改質和局部氧化改質，同時增大作為吸熱反應的水蒸 汽改質的比例。
專利文獻1:特開2000-40519號公報
但是，在專利文獻1的燃料電池系統的運行方法中，由於並用水蒸汽改質和局部氧化 改質，所以必須要有用來進行水蒸汽改質的水，在無法對改質器供給水的情況下，就不得 不使燃料電池系統停止運行。
一般，在進行水蒸汽改質的燃料電池系統中，水自供(用凝結水完全供給燃料電池所 必要的水)是很困難的，必須設置外部補水的管線，假如即便能夠進行水自供，也要在凝 結水的生成部上花費成本，或者在無水的情況下，就必須使系統停止運行。另外的問題是 供水系統受外界氣溫的影響而凍結的問題、凝結水減少的問題，或者為防止凍結而使用加 熱器引起的耗電增大的問題等。

發明內容
為解決上述的問題，本發明的目的在於提供一種考慮了水箱的貯水量的影響而可控的 並且水可完全自供的固體氧化物燃料電池系統。
(1)有關權利要求1的固體氧化物燃料電池系統的特徵在於具有具備改質部的燃料 電池、把多種氣體和水供給改質部的氣'水供給系統、可積蓄水的水箱；
所迷氣.水供給系統設置有把被 文質氣體供給所述改質部的被改質氣體供給單元、把含 氧氣體供給所述改質部的含氧氣體供給單元和把來自水箱的水原樣或製成水蒸汽供給所 述 文質部的供水單元；還設置有控制單元，該控制單元根據用於4企測水箱中的貯水量的貯 水量傳感器的信號來控制切換所述含氧氣體供給單元和所述供水單元或者並用該兩單元、 以在所述改質部內進行所述被改質氣體與所述含氧氣體和/或所述水的改質反應。
(2) 有關權利要求2的如權利要求1記載的固體氧化物燃料電池系統，其特徵在於
所述水箱積蓄由所述燃料電池的排熱回收而凝結的水。
(3) 有關權利要求3的如權利要求1記載的固體氧化物燃料電池系統，其特徵在於 所述水箱積蓄從外部供水源供給的水。
(4) 有關權利要求4的如權利要求1記載的固體氧化物燃料電池系統，其特徵在於 所述控制單元根據所述貯水量傳感器的信號判斷為所述水箱的貯水量少於預先設定的值 時，使所述供水單元停止，同時使所述含氧氣體供給單元運轉來進行改質反應。
(5) 有關權利要求5的如權利要求1記載的固體氧化物燃料電池系統，其特徵在於 具有檢測所述燃料電池的發電量的發電量檢測單元；所述控制單元根據該發電量檢測單元 的信號判斷為當所述發電量達到小於額定值(例如最大輸出)的一定比例(例如小於40% ) 時，所述控制單元使所述供水單元停止，同時使所述含氧氣體供給單元運轉來進行改質反 應。
(6) 有關權利要求6的如權利要求1記載的固體氧化物燃料電池系統，其特徵在於 具有檢測所述燃料電池的溫度的燃料電池溫度傳感器；所述控制單元根據該燃料電池溫度 傳感器的信號判斷為當該燃料電池的溫度達到低於預先設定的值時，所述控制單元使所述 供水單元停止，同時使所述含氧氣體供給單元運轉來進行改質反應。
(7) 有關權利要求7的如權利要求1記載的固體氧化物燃料電池系統，其特徵在於 具有檢測外界氣溫的外界氣溫傳感器；所述控制單元根據該外界氣溫傳感器的信號判斷為 當外界氣溫達到低於預先設定的值時，所述控制單元使所述供水單元停止，同時使所述含 氧氣體供給單元運轉來進行 文質反應。
(8) 有關權利要求8的如權利要求1 ~ 7的任一項記載的固體氧化物燃料電池系統， 其特徵在於所述控制單元在所述含氧氣體供給單元與所述供水單元之間進行切換的情況 下，使兩單元並行運轉一定時間。
按照權利要求1的固體氧化物燃料電池系統，把供水單元和含氧氣體供給單元相對改 質部並列連接，從而能夠從積蓄水的水箱向供水單元供水。供水單元既可以把水原樣供給 改質部，也可以製成水蒸汽之後供給 支質部。另外，控制從供水單元和含氧氣體供給單元
各自向改質部的供氣的控制單元可以根據水箱的貯水量傳感器的信號進行供水單元與含 氧氣體供給單元的切換。
因此，在水箱的貯水量充分時，僅從供水單元向改質部供水，從而能夠進行水蒸汽改質。
另一方面，在達到水箱的貯水量不足狀態時，使供水單元停止而切換到含氧氣體供給
單元，從而能夠進行局部氧化 Lt;系統可以運轉，而不使改質部和整個系統停機。
並用供水單元和含氧氣體供給單元能夠補充來自水箱的水的供給量，同時能夠始終進 行穩定的改質反應。
按照權利要求2的固體氧化物燃料電池系統，把由燃料電池的排熱回收產生的凝結水 積蓄在水箱中，這樣能夠有效利用凝結水而不將其廢棄。雖然凝結水的供給量有變動，但 是水箱的貯水量充分時，僅從供水單元向 文質部供水或水蒸汽，就能夠進行水蒸汽改質。
另一方面，在凝結水減少而達到水箱的貯水量不足狀態的情況下，使供水單元停止而 切換到含氧氣體供給單元，從而能夠進行局部氧化改質；貯水量恢復了的情況下能夠再次 切換到水蒸汽改質，所以系統可以運轉，而不使 丈質部和整個系統停機。這樣就能夠構建 不必從外部供給補充水而完全自供水系統。
按照權利要求3的固體氧化物燃料電池系統,把從外部供水源供給的水積蓄在水箱中。 這樣，在能夠確保外部供水源的地域(配備有水道設備等水基礎設施的設備的地域)使用 的情況下，正常時能夠得到充分的貯水量，所以僅從供水單元向改質部供水或水蒸汽，就 能夠進行水蒸汽改質。
另一方面，即使在能夠確保外部供水源的地域，而在例如災害或施工等斷水時，使得 水箱的貯水量不足狀態的情況下，使供水單元停止而切換到含氧氣體供給單元就能夠進行 局部氧化改質；恢復供水的情況下，能夠再次切換到水蒸汽改質，所以系統可以運轉，而 不使 支質部和整個系統停機。
在未配備水基礎設施的設備的地域如偏僻地區、沙漠等使用的情況下，也能夠提供可 原樣對應的燃料電池系統。另外，即使例如必須把在配備有水基礎設施的設備的地域使用 的燃料電池(進4亍了水蒸汽改質的燃料電池)系統轉移到未配備水基礎設施的設備的地域 的情況下，只要是本系統，就能夠原樣使用。
另外，在從外部供水源供給的水(例如管道水、井水)的水質變差時，可以進行局部 氧化改質，防止燃料電池元件的劣化等。水質的變差例如可以由傳感器檢測'據此可以進 行局部氧化改質。
另外，在給水箱供水的供水管、供水單元的供水管凍結時，也可以通過停止供水單元
而切換到含氧氣供給單元進行局部氧化改質，另夕卜，凍結被解除後可以再次切換到水蒸氣 改質，使改質部和系統整體不必停止而持續運轉。
按照權利要求4的固體氧化物燃料電池系統，由於根據貯水量傳感器的信號檢測水箱 的貯水量，所以能夠正確且迅速地進行水蒸汽改質與局部氧化改質的切換。
按照權利要求5的固體氧化物燃料電池系統，由於發電量低於一定值的情況下，燃料 電池的性能降低，所以不進行作為吸熱反應的水蒸汽改質而進行發熱反應的局部氧化改 質，從而使鄰接改質部的燃料電池的溫度不降低或者上升到合適的溫度，而能夠提高發電 反應的效率。
按照權利要求6的固體氧化物燃料電池系統，由於燃料電池的溫度降低了的情況下， 燃料電池的性能降低，所以不進行作為吸熱反應的水蒸汽改質而進行作為發熱反應的局部 氧化改質，從而使鄰接改質部的燃料電池的溫度不降低或者上升到合適的溫度，而能夠提 高發電反應的效率。
按照權利要求7的固體氧化物燃料電池系統，在冬季或夜間等外界氣溫降低下來的情 況下，例如因水管道或供水管的凍結等而無法供水的情況下，從供水單元切換到含氧氣體 供給單元，就能夠進行局部氧化改質而不是水蒸汽改質。這樣，就解決了因水的凍結而不 能水蒸汽改質的問題。既使在燃料電池的溫度因外界氣溫降低下來的情況下，進行作為發 熱反應的局部氧化改質也是有利的。
按照權利要求8的固體氧化物燃料電池系統，在含氧氣體供給單元與供水單元之間進 行切換的情況下，使兩單元並行運轉一定期間，從而能夠避免急劇的變化對燃料電池產生 惡劣的影響，能夠慢慢地轉移改質反應。


圖1是本發明的燃料電池系統的一種結構的概略框圖。
圖2是本發明的燃料電池系統的其他結構的概略框圖。符號說明
1...燃料電池系統 10...氣.水供給系統 12...被改質氣體供給單元 13...含氧氣體供給單元 14...供水單元 15...供氣控制單元
21...燃料電池
22…改質部
50…水箱
51...貯水量傳感器
具體實施例方式
圖1是本發明的固體氧化物燃料電池系統1的簡化框圖。在燃料電池主體20內設置 有用一對電極夾住電解質的小單元的集合體即燃料電池21,內含改質觸媒的改質部22與 燃料電池21相鄰接。這樣，就能夠把燃料電池21的發電反應產生的熱和剩餘氣體的燃燒 熱用於 文質部22內的gtt反應。
系統還設置有對燃料電池主體20供給多種氣體和水的氣'水供給系統10,用連接在 燃料電池主體20上的適宜的供給管分別供給各種氣體或水，從空氣供給單元11對燃料電 池21供給含氧的空氣。再對燃料電池21供給在改質部22內改質過的富氫燃料氣體，由 此來產生發電反應，把高溫氣體排放出去。
在氣.水供給系統10中還包含對改質部22供給各種氣體和水的多個供給單元12-14,被改質氣體供給單元12供給改質反應所用的被改質氣體，該被 文質氣體不僅可以用 城市煤氣、丙烷氣體等一開始就是氣體狀的燃料，而且可以用把煤油、石油等液體狀的燃 料氣化的氣體；含氧氣體供給單元13供給空氣等含氧氣體；供水單元14供給水或水蒸汽， 在供給水蒸汽的情況下，供水單元14設置有蒸發器14a，以下說明供水單元14把水原樣 供給到改質部22的實施例，但是，即使在供給水蒸汽的情況下，也可進行同樣的控制。
從供水單元14供給改質部22的水必須進行水蒸汽改質(CH4 + H20—3H2 + CO); 另 一方面，從含氧氣體供給單元13供給改質部22的含氧氣體必須進行局部氧化改質(CH4 + 02—2H2 + C02 )。
對 文質部22的水的供給和停止可以通過使設置在例如供水單元14內的送出泵等運 轉和停止來進行控制，或者通過適宜的閥門的開閉來進行控制；對改質部22的含氧氣體 的供給和停止可以通過使設置在例如含氧氣體供給單元13內的送出泵等運轉和停止來進 行控制，或者通過適宜的閥門的開閉來進行控制。另外，這些送出泵的運轉和停止或岡門 的開閉例如可以分別用來自包含氣.水供給系統10內的控制裝置的供氣控制單元15的電 控信號C1和C2來控制。這樣，就能夠有選擇地向改質部22供給水和含氧氣體某一方或 雙方。系統還設置有用來從來自燃料電池21的排氣中回收凝結水的排熱回收單元40,由排 熱回收單元40生成的凝結水被送到水箱50內積蓄起來。然後，經由供水單元14送到改 質部22，作為水蒸汽改質用的水。
水箱50內還設置有檢測凝結水的積蓄量的貯水量傳感器51,貯水量傳感器51是像 浮控開關那樣根據水箱50內的水的一定的貯水量進行通、斷控制的傳感器，預先設定一 定的貯水量， 一旦貯水量傳感器51檢測到預先設定的貯水量，就把該檢測信號傳送到供 氣控制單元15。
以下描述實際的運轉方法。通常在燃料電池的運轉中，停止從含氧氣體供給單元13 向改質部22供給含氧氣體，而由供水單元14供水，由此來進行水蒸汽改質運轉，這是因 為水蒸汽^Lt的發電效率高而損耗小。進行水蒸汽 文質消耗水箱50內的凝結水，另一方 面，由排熱回收單元40生成凝結水，這些凝結水被積蓄在水箱50內。
因某些條件(後述)而使水箱內的凝結水的!^水量減少，達到低於預先設定值的低水 位，此時，貯水量傳感器51的開關接通，檢測信號被傳送到供氣控制單元15 (箭頭S1 )。 這樣，供氣控制單元15感知凝結水的貯水量少，停止運轉供水單元14,而開始運轉含氧 氣體供給單元13 (箭頭C1、 C2)。從而，從水蒸汽改質切換到局部氧化 文質。
在供氣的急劇變化對燃料電池21產生惡劣影響的情況下，使雙方供給單元13、 14 並行運轉一定期間，逐漸向局部氧化改質反應切換。或者也可以分別慢慢地減少、升高水 蒸汽改質與局部氧化改質反應的比例。在局部氧化改質過程中，不使用水箱50內的凝結 水，而由排熱回收單元40生成凝結水，從而使水箱50內的凝結水增加起來。
一旦水箱50內的貯水量達到超過預先設定的值的高水位，貯水量傳感器51的開關 接通，檢測信號被傳送到供氣控制單元15 (箭頭S1)。此時，供氣控制單元15感知凝結 水的貯水量增加了 ，停止含氧氣體供給單元13的運轉，而開始供水單元14的運轉(箭頭 C1、 C2)。結果，從局部氧化改質切換到水蒸汽 夂質。
在供氣的急劇變化對燃料電池21產生惡劣影響的情況下，使雙方供氣單元13、 14 並行運轉一定期間，逐漸向水蒸汽改質反應切換。或者也可以分別慢慢地升高、減少水蒸 汽改質與局部氧化改質反應的比例。
另外，在產生了達到發電量低於額定值的規定比例如40%以下的發電量減少的情況
下，因為水蒸汽改質是吸熱反應，所以與改質部22鄰接的燃料電池21的溫度降低到
650°C，電池的性能愈發地降低。為了防止這種情況發生，檢測出燃料電池21的發電量或
燃料電池21的溫度，停止供水單元14的運轉，而開始含氧氣體供給單元13的運轉，從
水蒸汽改質切換到局部氧化改質。燃料電池21的發電量例如由發電量監測器31來檢測'
其檢測信號被送到供氣控制單元15 (箭頭S2)。燃料電池21的溫度例如由熱電偶等燃料 電池溫度傳感器23來檢測，其檢測信號被送到供氣控制單元15 (箭頭S3 )。
因為局部氧化改質是發熱反應，所以鄰接於改質部22的燃料電池21的溫度並不降 低，能夠進行發電反應。在急劇的變化對燃料電池21產生惡劣影響的情況下，使這些供 氣單元13和供水單元14並行運轉一定期間，逐漸切換到局部氧化反應。或者也可以分別 慢慢地減少、升高水蒸汽改質與局部氧化 Lt反應的比例。只要燃料電池21的溫度恢復 到例如70(TC,就逆切換到水蒸汽改質。
另夕卜，在外界氣溫降下來時，例如用熱敏電阻等外界氣溫傳感器70來檢測外界氣溫， 把險測信號傳送到供氣控制單元15 (箭頭S4)。供氣控制單元15根據該信號停止供水單 元14的運轉，而開始含氧氣體供給單元13的運轉，結果，從水蒸汽改質切換到局部氧化 文質。這樣，就解決了因水的凍結而不能進行水蒸汽 文質的問題。另外，因外界氣溫而使 燃料電池21的運轉溫度降下來的情況下，也是同樣情況。在急劇的變化對燃料電池21產 生惡劣影響的情況下，使雙方供給單元13、 14並行運轉一定期間，逐漸切換到局部氧化 改質反應。或者也可以分別慢慢地減少、升高水蒸汽 支質與局部氧化改質反應的比例。在 燃料電池21的外界氣溫恢復到例如4。C以上的情況下，就逆切換到水蒸汽改質。這樣的控 制方法不僅可以檢測外界氣溫，而且可以檢測水箱50的水溫等。
在供氣的急劇變化對燃料電池21產生惡劣影響的情況下，使雙方供氣單元13、供水 單元14並行運轉一定期間，逐漸向局部氧化 文質反應切換。或者也可以分別慢慢地減少、 升高水蒸汽改質與局部氧化改質反應的比例。作為進行這種運行的具體的控制方法，在高
於預先設定的溫度範圍(例如50(TC-70(TC)的情況下，根據改質部所具備的溫度檢測 器的檢測值來減少含氧氣體的供給量，而增加供水量。另一方面，在低於預先設定的溫度 範圍的情況下，增加含氧氣體的供給量，而減少供水量。在不產生碳析出等惡劣影響的範 圍內實施含氧氣體的供給量和供水量。
也就是說，在 文質部中設置有熱電偶等溫度檢測器， 一旦停止供水單元而使含氧氣體 供給單元運轉來進行 文質反應時，最好控制含氧氣體供給量和供水量，來使溫度檢測器的 檢測值不超出預先設定的規定範圍。
含氧氣體供給單元與供水單元之間進行切換的情況下，容易因改質器的溫度條件而產 生碳析出之類的惡劣影響。但是，在改質器中設置溫度檢測器就能夠一面進行含氧氣體供 給量、供水量的控制一面轉移改質反應，使該檢測值納入預先設定的溫度範圍之內，從而 無損傷且安全地切換改質方式。
作為家庭用，本發明的燃料電池系統最好具有例如0.5-1.5kW發電性能，最好用作
小型分散型電源。
在上述的圖1的實施方式中，說明了水箱積蓄由燃料電池的排熱回收凝結的水的情
況，而圖2是本發明的其他實施方式的框圖。按照圖2的實施方式，把從外部供水源60 供給的水貯存在水箱50中，對於其他的構成，與圖1的實施方式相同。外部供水源60是 例如管道水或井水的設備，通過連接適宜的配管把水供給到水箱50內。這種情況下，例 如在配備有供水^4設施(水管道設備)的設備的地域使用的情況下，在未配備水基礎設 施的設備的地域如偏僻地區、沙漠等使用的情況下，都能夠提供可對應的燃料電池系統。 另外，即使在因自然災害等發生了斷水的情況下，燃料電池系統也能夠不停止地運行，在 自然災害時等非常時期，也能夠確實地確保電源。在因配管內的水凍結等而無法供水的情 況下，燃料電池系統也能夠不停止地運行。
另外，雖未圖示，但是本發明也可以是把圖1的實施方式與圖2的實施方式合併起 來的系統。即，水箱可以既積蓄排熱回收的凝結水，也積蓄外部供水源供給的水。這種情 況下，水箱，如圖1所示，與排熱回收單元相連接，還如圖2所示，與外部供水源相連接。 也可以設置能夠選擇.切換積蓄來自任意一方的水的適宜的閥門及其控制裝置。在這樣的系 統中，在積蓄著凝結水的水箱的水位因某種原因降低得超過了一定值的情況下，接入一個 浮控開關，而從由外部供水源把7jc供給到水箱。而且，因某種原因無法從外部供水源(例 如水管道)供水，水箱的水位因某種原因降低得超過了一定值的情況下，可以接入一個浮 控開關來進行局部氧化改質。
權利要求
1.一種固體氧化物燃料電池系統，其特徵在於該系統包括設有改質部的燃料電池，把多種氣體和水供應給所述改質部的氣·水供給系統，可積蓄水的水箱；所述氣·水供給系統設置有把被改質氣體供應給所述改質部的被改質氣體供給單元、把含氧氣體供應給所述改質部的含氧氣體供給單元和把來自水箱的水原樣或製成水蒸汽供應給所述改質部的供水單元；還設置有控制單元，該控制單元根據用於檢測所述水箱的貯水量的貯水量傳感器的信號來控制切換所述含氧氣體供給單元和所述供水單元、或者使該兩單元並行運轉，以在所述改質部內進行所述被改質氣體與所述含氧氣體和/或所述水的改質反應。
2. 如權利要求1記載的固體氧化物燃料電池系統，其特徵在於所述水箱積蓄由所述 燃料電池的排熱回收而凝結的水。
3. 如權利要求1記載的固體氧化物燃料電池系統，其特徵在於所述水箱積蓄從外部 供水源供給的水。
4. 如權利要求1記載的固體氧化物燃料電池系統，其特徵在於當所述控制單元根據 所述貯水量傳感器的信號判斷出所述水箱的貯水量少於預先設定的值時，所述控制單元就 使所述供水單元停止，同時使所述含氧氣體供給單元運轉來進行改質反應。
5. 如權利要求1記載的固體氧化物燃料電池系統，其特徵在於該系統還包括用於檢測 所述燃料電池的發電量的發電量檢測單元；當所述控制單元根據該發電量檢測單元的信號 判斷出所述發電量小於額定的一定比例時，所述控制單元就使所述供水單元停止，同時使 所述含氧氣體供給單元運轉來進行改質反應。
6. 如權利要求1記載的固體氧化物燃料電池系統，其特徵在於該系統還包括用於檢 測所述燃料電池的溫度的燃料電池溫度傳感器；當所述控制單元根據該燃料電池溫度傳感 器的信號判斷出該燃料電池的溫度低於預先設定的值時，所述控制單元就使所述供水單元 停止，同時使所述含氧氣體供給單元運轉來進行改質反應。
7. 如權利要求1記載的固體氧化物燃料電池系統，其特徵在於該系統還包括用於檢 測外界氣溫的外界氣溫傳感器；當所述控制單元根據該外界氣溫傳感器的信號判斷出外界 氣溫低於預先設定的值時，所述控制單元就使所述供水單元停止，同時使所述含氧氣體供 給單元運轉來進行改質反應。
8. 如權利要求1 ~7的任一項記載的固體氧化物燃料電池系統，其特徵在於所述控 制單元在將所述含氧氣體供給單元與所述供水單元之間進行切換的情況下，使兩單元並行 運轉一定期間。
全文摘要
本發明提供了一種固體氧化物燃料電池系統，該系統考慮了水箱的貯水量的影響而可控，並且水可完全自供，該系統包括設有改質部(22)的燃料電池(21)、把多種氣體和水供給改質部(22)的氣·水供給系統(10)、可積蓄水的水箱(50)；氣·水供給系統(10)設置有供給被改質氣體的被改質氣體供給單元(12)、供給含氧氣體的含氧氣體供給單元(13)和供給來自水箱(50)的水的供水單元(14)；還設置有控制單元(15)，該控制單元(15)根據用於檢測水箱(50)中的貯水量的貯水量傳感器(51)的信號來控制切換含氧氣體供給單元(13)和供水單元(14)或者並用該兩供給單元(13、14)，以在改質部(22)中進行改質反應。
文檔編號H01M8/04GK101171715SQ20068001565
公開日2008年4月30日 申請日期2006年6月20日 優先權日2005年6月20日
發明者重久高志, 高橋成門 申請人:京瓷株式會社