CN101116212A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的燃料电池系统，是具备：使用燃料气体进行发电的燃料电池(1)、利用原料气体生成所述燃料气体的燃料气体生成部(2)、生成所述燃料气体用的热能的生成用的燃烧部(2a)、在生成所述热能时提供空气的空气供给部(2b)、以及控制部(101)；在提供所述燃料气体之前，所述燃料电池(1)的内部利用所述原料气体充填的燃料电池系统(100)，控制部(101)将燃料气体生成部(2)生成的所述燃料气体提供给燃料电池(1)时，控制使从空气供给部(2b)提供给燃烧部(2a)的空气供给量增加。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及使用氢和氧进行发电的燃料电池系统，特别是涉及利用可燃性物质的燃烧热从原料生成氢，将其作为发电用的燃料使用的燃料电池系统。
背景技术
向来，能够高效率小规模进行发电的燃料电池系统，容易构筑利用发电时产生的热能用的系统，因此作为能够实现高能量利用效率的分散型发电系统正在进行着开发研究。
燃料电池系统具备作为其发电部的主体的燃料电池。该燃料电池利用规定的电化学反应将燃料气体以及氧化剂气体具有的化学能直接变换为电能。从而，在燃料电池系统中，在进行发电运行时向燃料电池分别提供燃料气体和氧化剂气体。于是，在燃料电池中，进行使用该提供的燃料气体和氧化剂气体的规定的电化学反应，生成电能。由燃料电池系统将该燃料电池生成的电能提供给负载。在这里，燃料电池系统通常具备重整器和鼓风机。重整器借助于使用天然气等原料和水的水蒸汽重整反应生成富氢燃料气体。该燃料气体作为发电用的燃料提供给燃料电池。还有，水蒸汽重整反应在利用例如燃烧器对重整器具有的重整催化剂进行加热后进行。又，鼓风机从大气中吸入空气。该空气作为发电用的氧化剂气体被提供给燃料电池。
但是，在已有的燃料电池系统中，停止发电运行时对重整器的天然气等原料供给停止。因此从重整器向燃料电池的燃料气体供给停止，所以燃料电池的电化学反应停止进行，燃料电池系统停止对负载的电力供应。在这里，对重整器的原料供给停止的情况下，其停止前生成的燃料气体在发电停止的过程中滞留于燃料电池内部及其周边部。在这种情况下，如果有空气从通大气的燃烧器借助于自然对流混入滞留的燃料气体中，则燃料气体中包含的氢气将被空气中包含的急剧氧气，伴随该氧化反应发生的热量有可能损伤燃料电池系统。
因此在已有的燃料电池系统中，为了防止燃料电池系统内部滞留燃料气体，采用能够在停止发电运行时将氮气等不活泼气体提供给燃料气体滞留的路径内，使被从该路径推出的燃料气体在燃烧器中燃烧的结构。如果采用这样的结构，则能够防止发电运行停止着的燃料电池内部等中燃料气体的滞留，防止燃料气体中包含的氢气急剧氧化的情况发生，因此能够提供确保安全的燃料电池系统。
但是，在这种已有的燃料电池系统中，为了用氮气等不活泼气体置换滞留的燃料气体，有必要在燃料电池系统内部或其附近配设氮气瓶等不活泼气体供给手段。因此燃料电池系统大型化，将燃料电池系统作为家庭用的固定设置型分散发电装置或电动车电源使用变得困难。而且有必要把氮气等不活泼气体的供给手段加入已有的结构中配设，因此存在燃料电池系统的初期成本上升的问题。而且在这种已有的燃料电池系统中，有必要定期替换或补充氮气瓶等不活泼气体的供给手段，因此存在燃料电池系统的运行成本上升的问题。
又，这种已有的燃料电池系统，在发电运行刚开始时，从重整器向燃料电池提供含有高浓度一氧化碳的燃料气体。其理由是，在发电运行开始时重整器的运行温度不能够达到规定的温度，因此燃料气体中的一氧化碳不能够充分去除。于是，包含高浓度一氧化碳的燃料气体被提供给例如固体高分子电解质型燃料电池的情况下，由于该提供的一氧化碳，造成固体高分子电解质型燃料电池的燃料极的催化剂中毒。该燃料极的催化剂中毒明显阻碍燃料电池中的电化学反应的进行。因此，在已有的燃料电池系统中，存在燃料电池的发电性能相应于发电运行的停止和开始的次数劣化的问题。
因此提出了为提供容易在一般家庭和电动车内设置而且催化剂不容易中毒的燃料电池系统，在发电运行刚开始后很快就停止对燃料电池的燃料气体供给，同时在发电运行停止之后将燃料气体的原料作为置换气体注入燃料电池内部的燃料电池系统(例如参照专利文献1)。
提出的这种燃料电池系统，具备：由包含碳和氢的化合物为主成分的原料生成富氢的燃料气体的重整器、从该重整器向燃料电池提供燃料气体用的燃料气体供给路径、将从燃料电池排出的未被使用于发电的燃料气体(即以下所称的废气)提供给重整器的燃烧器的废气供给路径、设置于燃料气体供给路径与废气供给路径之间，将燃料气体的供给目的地从燃料电池切换到重整器的燃烧器用的第1旁通路径。又具备将生成燃料气体用的原料提供给重整器的原料供给部、以及从该原料供给部绕过重整器直接向燃料电池注入原料用的第2旁通路径。
提出的这种燃料电池系统，在发电运行刚开始时，重整器生成的包含高浓度一氧化碳的燃料气体经由第1旁通路径提供给重整器的燃烧器。然后，在该燃烧器中使其为加热重整催化剂而燃烧。另一方面，在发电运行开始之后重整器中的重整催化剂的温度一旦达到规定的温度，在重整器生成的燃料气体就通过燃料气体供给路径提供给燃料电池。于是，在该燃料电池中，作为发电用的燃料使用。又，燃料电池排出的废气通过废气供给路径提供给重整器的燃烧器。于是，在该燃烧器中为加热重整催化剂而燃烧。
又，所提出的该燃料电池系统，在燃料电池系统的发电运行停止之后，通过第2旁通路径，从原料供给部向燃料电池的燃料气体用流路注入原料气体作为置换气体。以此在燃料电池系统停止发电运行期间利用天然气等原料代替氮气等不活泼气体将燃料电池内部及其周边部加以封闭。
如果采用这样的燃料电池系统，在发电运行停止之后从向来就配设的原料供给部向燃料电池注入原料作为置换气体，因此就不必在燃料电池系统内部或其邻近配设氮气瓶等不活泼气体的供给手段。从而，能够防止燃料电池系统的大型化，因此能够将燃料电池系统作为家庭用的固定设置型分散发电装置或电动车电源使用。又由于不必在已有的结构中再配设氮气等不活泼气体的供给手段，能够抑制燃料电池系统的初期成本。而且由于不必定期更换氮气瓶等不活泼气体的供给手段，能够抑制燃料电池系统的运行成本。
又，从原料供给部向燃料电池注入的天然气等原料与燃料气体中包含的氢气相比在化学上是稳定的。从而，在发电运行停止时即使是有空气混入燃料电池内部滞留的天然气等原料中，也不会进行急剧的氧化反应。因此通过在燃料电池中注入天然气等原料，能够有效地防止伴随氧化反应发生的反应热损伤燃料电池系统。这样，能够提供在发电运行停止时安全能够得到确保的燃料电池系统。
而且，如果采用该提出的燃料电池系统，则在发电运行刚开始时不对燃料电池提供一氧化碳含量高的燃料气体，在重整器的重整催化剂温度达到规定的温度，能够生成一氧化碳浓度充分降低的燃料气体之后，再从重整器向燃料电池提供燃料气体，因此固体高分子电解质型燃料电池的燃料极的催化剂中毒得以消除。从而，在燃料电池中阻碍电化学反应的进行的要素被排除，因此燃料电池的发电性能相应于发电运行的停止和开始的次数而劣化的问题得以消除。
专利文献1：日本特开2003-229149号公报
发明内容
但是在上述已提出的技术方案中，重整器的重整催化剂温度达到规定的温度，开始从重整器向燃料电池提供燃料气体之际，在发电运行停止后从原料供给部注入燃料电池的天然气等原料，被重整器提供的燃料气体从燃料电池推出，在规定的期间被提供给重整器的燃烧器，因此在该规定的期间在燃烧器发生氧气不足造成的不完全燃烧，向大气中排出一氧化碳。
具体地说，重整器中的燃烧器为了使水蒸汽重整反应进行，基本上燃烧废气中包含的氢气。这时为了使氢完全燃烧，从与燃烧器相邻的燃烧风扇提供与氢的供给量相应的量的空气。
另一方面，在重整器中的重整催化剂的温度达到规定的温度，开始从重整器向燃料电池提供燃料气体时，如上所述，在规定的期间对燃烧器提供燃料电池排出的天然气等原料。在这里，为了使天然气完全燃烧，需要比氢气完全燃烧所需要的量过多空气。但是，燃烧风扇对燃烧器提供的空气供给量如上所述为使氢完全燃烧用的供给量。因此在燃烧器中，在规定的期间氧气不足，所以发生天然气的不完全燃烧。因此在向燃烧器提供天然气等原料的规定的期间燃烧器排出一氧化碳。
这样，在上述已有的技术方案中，在开始发电运行时，在从重整器向燃料电池开始提供燃料气体后规定的期间，从燃料电池系统向大气中排出一氧化碳。而且已知一氧化碳甚至是对人体有毒性的。例如一氧化碳与血液中的血红蛋白结合，会产生碳氧血红蛋白(Carbonyl hemoglobin)，会明显阻碍血红蛋白的氧输送功能。因此在燃料电池系统普及，从燃料电池系统向大气中大量排出一氧化碳的情况下，对人体的不良影响令人担心。
本发明是鉴于这样的情况而作出的，其目的在于提供能够以简单的结构有效地抑制发电运行开始时的一氧化碳排放的，能够减少对生态系统的不良影响的，对环境有利的燃料电池系统。
为了解决上述存在问题，本发明的燃料电池系统具备：使用燃料气体与氧化剂气体进行发电的燃料电池、利用重整反应将原料气体重整，生成提供给所述燃料电池的所述燃料气体的燃料气体生成部、使所述燃料气体及所述原料气体中的至少任一种燃烧，产生在所述燃料气体生成部使所述重整反应进行用的热能的燃烧部、向所述燃烧部提供所述燃烧用的空气的空气供给部、从所述燃料气体生成部向所述燃料电池提供所述燃料气体用的燃料气体路径、从所述燃料电池向所述燃烧部提供未被使用于发电的剩余的燃料气体用的废气路径、连接所述燃料气体路径与所述废气路径，使所述燃料气体生成部生成的所述燃料气体的供给目的地从所述燃料电池变更为所述燃烧部用的旁通路径、在所述燃料电池与所述旁通路径之间切换所述燃料气体生成部生成的所述燃料气体的供给目的地用的切换阀、以及控制部，所述控制部控制所述切换阀，将所述燃料气体生成部生成的所述燃料气体切换到所述旁通路径，在提供给所述燃料电池之前，所述燃料电池的内部利用所述原料气体充填，而且所述控制部控制所述切换阀，将所述燃料气体生成部生成的所述燃料气体切换到所述旁通路径提供给燃料电池时，控制使从所述空气供给部提供给所述燃烧部的空气供给量增加。
采用这样的结构时，将燃料气体生成部生成的燃料气体切换到旁通路径上提供给燃料电池之前，利用原料气体充填燃料电池的内部，在这样的结构的燃料电池中，从空气供给部向燃烧部提供必要而且充分的数量的空气，因此能够抑制发电运行开始时燃料电池系统的一氧化碳排放。
在这种情况下，所述原料气体是碳氢气体。
采用这样的结构时，作为原料气体的碳氢气体可以采用通常普及的天然气或LPG等，因此能够容易地构成在发电运行开始时能够抑制一氧化碳的排放的理想的燃料电池系统。
在上述情况下，所述燃料电池具备能够提供所述原料气体的原料供给部，所述控制部在停止动作时或启动动作时从所述原料供给部向所述燃料电池提供所述原料气体，以此利用所述原料气体充填所述燃料电池的内部。
采用这样的结构时，由于具备能够对燃料电池内部供给原料气体的原料供给部，在燃料电池系统停止动作时或进行启动动作时，容易利用原料气体充填燃料电池的内部。
又，在上述情况下，所述控制部进行如下所述控制，即利用所述切换阀将所述燃料气体生成部生成的所述燃料气体通过所述旁通路径提供给所述燃烧部，直到所述燃料气体生成部满足规定的运行条件，在满足所述规定的运行条件的情况下，进行控制，利用所述切换阀将所述燃料气体生成部生成的所述燃料气体切换到所述旁通路径，将其提供给所述燃料电池，同时使所述空气供给部对所述燃烧部提供的空气量增加。
采用这样的结构时，在燃料气体生成部不足规定的运行条件之前不对燃料电池供给含一氧化碳浓度高的燃料气体，而将其只对燃烧部供应，因此燃料电池的燃料极的催化剂中毒的情况受到抑制。然后，在燃料气体生成部满足规定的运行条件的情况下，对燃料电池供给燃料气体，同时从空气供给部对燃烧部的空气供给量增加，因此在从燃料气体生成部向燃料电池提供燃料气体时，能够抑制从燃料电池系统排出一氧化碳。
又，在上述情况下，所述控制部进行下述控制，即在利用所述切换阀切断所述旁通路径，使得能够从所述燃料气体生成部向所述燃料电池提供所述燃料气体之前，使所述空气供给部对所述燃烧部的空气供给量增加。
采用这样的结构时，在能够从燃料气体生成部向燃料电池提供燃料气体之前，预先使空气供给部向燃烧部提供的空气供给量增加，因此能够有效而且可靠地抑制燃料电池系统的一氧化碳排放。
又，在上述情况下，所述控制部进行如下所述控制，即在使所述空气供给部对所述燃烧部的空气供给量增加之后，经过规定的时间后，减少从所述空气供给部对所述燃烧部的空气供给量。
采用这样的结构时，经过规定的时间后，使从空气供给部对燃烧部提供的空气供给量减少，因此能够合适地控制从空气供给部对燃烧部的空气供给量的变化。
又，在上述情况下，还具备检测从所述燃烧部排出的排气中的一氧化碳的一氧化碳检测部，所述控制部进行如下所述控制，即在使所述空气供给部对所述燃烧部的空气供给量增加之后，因所述一氧化碳检测部的输出值下降到规定值以下，或以所述一氧化碳检测部的输出值为依据的所述一氧化碳的浓度下降到规定的浓度以下，减少从所述空气供给部对所述燃烧部的空气供给量。
即使是采用这样的结构，也能够合适地控制从空气供给部对燃烧部的空气供给量的变化。
又，在上述情况下，所述控制部进行如下所述控制，也就是使所述空气供给部向所述燃烧部提供的空气供给量以一个步骤以上的阶段性增加，或使其连续增加。
采用这样的结构时，由于能够使从空气供给部向燃烧部提供的空气供给量理想地增加，因此能够有效地抑制一氧化碳的排出量。
如果采用本发明的实施形态的燃料电池系统，则能够提供利用简单的结构有效地抑制发电运行开始时的一氧化碳的排出的，能够减少对生态系统的不良影响的对环境有利的燃料电池系统。
附图说明
图1是本发明实施形态1的燃料电池系统的结构的示意方框图。
图2是本发明实施形态2的燃料电池系统的结构的示意方框图。
图3是从燃烧风扇提供给燃烧器的空气的供给量变化的示意图，图3(a)表示使空气的供给量在一阶段增加的情况，图3(b)表示使空气的供给量阶段性增加的情况，图3(c)表示使空气的供给量缓缓增加的情况。
图4是本发明实施形态1的燃料电池系统的动作的一部分的示意性表示的流程图。
1             燃料电池
1a            燃料气体用流路
1b            氧化剂气体用流路
2             重整器
2a            燃烧器
2b            燃烧风扇
3             鼓风机
4             热交换器
5             热水箱
6a、6b        泵
7a、7b        开闭阀
8             三通阀
9             CO传感器
100～200      燃料电池系统
101           控制器
R1            第1路径
R2            第2路径
R3    第3路径
R4    第4路径
R5    第5路径
A     第1燃料气体路径
B     第2燃料气体路径
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的最佳实施形态。
实施形态1
首先参照附图详细说明本发明实施形态1的燃料电池系统的结构。
图1是本发明实施形态1的燃料电池系统的结构的示意方框图。在图1中，构成燃料电池系统的各构成要素之间的实线，表示水和燃料气体、氧化剂气体、电信号等的流动路径。又，这些实线上标记的箭头表示水和燃料气体或氧化剂气体等通常运行时的流动方向。又，图1中只表示说明本发明所需要的结构要素，此外的结构要素在图示时省略。
如图1所示，本实施形态的燃料电池系统100具备作为其发电部的主体的燃料电池1。该燃料电池1在本实施形态中采用固体高分子电解质型燃料电池。该燃料电池1使用从下述重整器2排出，提供给燃料电池1的燃料气体用流路1a的富氢燃料气体和由下述鼓风机3提供给燃料电池1的氧化剂气体用流路1b的氧化剂气体(通常是空气)，进行能够输出规定的电力的发电。换句话说，燃料电池1借助于利用规定的反应催化剂进行的规定的电化学反应，将燃料气体和氧化剂气体具有的化学能直接变换为电能。借助于这样的能量变换，燃料电池1向连接于燃料电池系统100的负载提供电能。
在本实施形态中，提供给燃料电池1的氧化剂气体用流路1b的氧化剂气体利用使用于燃料电池1的内部进行的发电之后的氧化剂气体具有的水分，调整到预定的加湿状态。还有，在氧化剂气体的加湿程度不足的情况下，通过使图1中未特别图示的水箱贮存的一部分水在燃料电池1的内部蒸发，以将氧化剂气体的加湿程度调整为合适的加湿度。而且，提供给燃料电池1的燃料气体用流路1a的燃料气体在上述重整器2中调整为预定的加湿状态。
又，在发电运行时，由于上述能量变换用的规定的电化学反应，燃料电池1发热。在该燃料电池1中发生的热，利用对燃料电池1的内部形成的，图1未特别图示的冷却水用流路提供的冷却水依次回收。该冷却水回收的热被使用于在下述热交换器4中对下述热水箱5提供的水进行加热。
下面对燃料电池1的内部结构的详细情况进行说明。燃料电池1的内部结构与一般的固体高分子电解质型燃料电池的内部结构相同，因此在这里省略其说明。
又如图1所示，这种燃料电池系统100具备重整器2。该重整器2主要是采用例如天然气(主要成分为甲烷)LPG等碳氢化合物系成分、甲醇等醇类、或石脑油成分等包含至少由碳和氢构成的有机化合物的原料(原料气体)与水的水蒸汽重整反应进行，利用该水蒸汽重整反应生成富含氢的燃料气体。对该重整器2的原料供应借助于图1中未特别表示的原料供给装置进行。这时，对重整器2的原料供给的中断和继续利用开闭阀7a进行。在这里，该重整器2具备图1中未特别图示的使水蒸汽重整反应进行用的重整部、减少从该重整部排出的燃料气体中的一氧化碳用的转化部以及净化部。
重整部具有使水蒸汽重整反应进行用的图1未特别图示的重整催化剂，为加热该重整催化剂使主要从燃料电池1排出的废气燃烧的燃烧器2a、以及从大气中提供在该燃烧器2a中废气燃烧所需要的空气的燃烧风扇2b。又，转化部具备利用水的反应减少从重整部排出的燃料气体中的一氧化碳浓度用的转化催化剂。又，净化部具备利用氧化反应或甲烷反应进一步减少从转化部排出的燃料气体中的一氧化碳浓度用的一氧化碳去除催化剂。还有，该转化部和净化部为了有效地减少燃料气体中含有的一氧化碳，在分别进行的化学反应所适合的温度条件下各自运行。
还有，关于重整器2的内部的上述重整部以及转化部和净化部以外的结构的详细说明，由于重整器2的内部结构与一般重整器的内部结构相同，因此在这里省略该说明。
又，如图1所示，该燃料电池系统100具备鼓风机3。该鼓风机3从大气中吸入空气，将作为氧化剂的空气提供给燃料电池1的氧化剂气体用流路1b。该鼓风机3适于使用西洛克风扇等。
又如图1所示，该燃料电池系统100具备热交换器4。该热交换器4在借助于泵6a的动作从燃料电池1的图1中未特别图示的冷却水用流路排出的温度上升的冷却水与为了供给热水等目的从下述热水箱5利用泵6b提供的水之间进行热交换。在该热交换器4中，经过热交换被冷却的冷却水借助于泵6a的动作再度向燃料电池1的冷却水用流路提供。
又如图1所示，该燃料电池系统100具备热水箱5。该热水箱5贮存在热交换器4中加热的水。在这里，贮存于热水箱5中的水利用泵6b的动作通过热交换器4循环。这时从热水箱5提供的水在热交换器4中利用从燃料电池1借助于泵6a的动作排出的温度上升的冷却水的热进行加热。在该热交换器4中加热的水贮存于热水箱5。而且贮存于热水箱5中加热的水根据需要使用于热水供应等。
又如图1所示，在该燃料电池系统100中，在将重整器2中生成的燃料气体提供给燃料电池1的燃料气体用流路1a用的第1路径R1和第4路径R4的连接部配设三通阀8。又在将从燃料电池1的燃料气体用流路1a排出的废气提供给重整器2的燃烧器2a用的第5路径R5的中途配设开闭阀7b。又在三通阀8与第5路径R5以及第3路径R3的连接部之间配设将重整器2生成的燃料气体直接提供给燃烧器2a而不提供给燃料电池1用的第2路径R2(旁通路径)。而且如图1所示，利用第1路径R1和第2路径R2以及第3路径R3构成第1燃料气体路径A。又如图1所示，利用第1路径R1、第4路径R4、燃料气体用流路1a、第5路径R5、以及第3路径R3，构成第2燃料气体路径B。也就是说，本实施形态的燃料电池系统100可以形成借助于开闭阀7b和三通阀8的操作，将重整器2排出的燃料气体根据需要直接提供给燃烧器2a而不提供给燃料电池1的结构。在这里，在本实施形态中，利用第1路径R1和第4路径R4形成将重整器2生成的燃料气体提供给燃料电池1的燃料气体用流路1a用的燃料气体路径。又，在本实施形态中，利用第5路径R5和第3路径R3构成将燃料电池1的燃料气体用流路1a排出的废气提供给重整器2的燃烧器2a用的废气路径。
还有，该燃料电池系统100具备控制器101。该控制器101对构成燃料电池系统100的各构成要素的动作进行适当的控制。在这里，该控制器101具备例如图1中未特别图示的存储部、计时部、CPU等。还有，涉及燃料电池系统100的各构成要素的动作的程序预先存储于控制器101的存储部，根据在该存储部中存储的程序控制器101对燃料电池系统100的动作进行合适的控制。
下面参照附图详细说明本发明实施形态1的燃料电池系统100的动作。在这里，在以下说明中假定燃料电池系统100停止动作时或进行启动动作时在燃料电池1的燃料气体用流路1a及其周边预先充填作为置换气体的包含至少由碳和氢构成的有机化合物的原料气体(在本实施形态中是作为碳氢气体的天然气)。对该燃料电池1等进行的原料气体的充填，是从图1中未特别图示的原料供给装置向燃料电池1等提供原料气体。又，在本实施形态中，所谓“启动动作时”是指“从控制器1 01发出启动指令后到燃料电池1的图1中未特别图示的发电控制部从燃料电池1取出电流为止”，所谓“停止动作时”是指“从控制器101输出停止指令到燃料电池系统100全体的动作完全停止”。
燃料电池系统100借助于控制器101的控制进行下述动作。
首先，在图1所示的燃料电池100开始发电运行时，为了生成燃料电池1发电运行中需要的富氢燃料气体，使重整器2工作。具体地说，将生成氢用的原料天然气由图1中未特别图示的原料供给装置提供给重整器2的重整部。又，为了生成使水蒸汽重整反应进行用的水蒸汽，从自来水管等基础设施向重整器2的重整部供水。又，为了在重整器2的重整部使水蒸汽重整反应进行，利用燃烧器2a加热重整部中设置的重整催化剂。
在燃料电池系统100开始发电运行的最初，重整器2的重整部的重整催化剂的温度由燃烧器2a加热温度缓慢上升，因此没有达到规定的温度。所以在重整部水蒸汽重整反应不能合适地进行，因此从重整器2排出的燃料气体大量含有一氧化碳。因此在本实施形态中，在燃料电池系统开始发电运行时，在重整器2的重整部的重整催化剂的温度到达规定的温度而且能够生成质量优良的燃料气体之前(满足规定的运行条件之前)，利用控制器101控制三通阀8将第1路径R1与第2路径R2连接，同时使开闭阀7b处于关闭状态，利用第1路径R1和第2路径R2以及第3路径R3构成第1燃料气体路径A。然后对该第1燃料气体路径A提供重整器2生成的一氧化碳含量高的燃料气体。借助于此，通过第1燃料气体路径A向燃烧器2a提供一氧化碳含量高的燃料气体。于是，燃烧器2a使所提供的一氧化碳含量高的燃料气体燃烧，对重整器2的重整部的重整催化剂进行加热。于是，重整催化剂的温度被加热到规定的温度。还有，在燃烧器2a中燃烧的燃料气体作为排燃烧气体排出到燃料电池系统100外部。
又，这时，在燃烧器2a中，为了使一氧化碳含量高的燃料气体燃烧，利用燃烧风扇2b对燃烧器2a提供空气。该燃烧风扇2b对燃烧器2a供给的空气供给量相应于原料供给装置向重整器2提供的天然气等原料的供给量适当设定。
具体地说，在燃料电池系统100的发电运行开始后，在重整器2中，在理论上根据(1)式所示的化学反应从天然气生成氢气。在这里，假设原料供给装置提供给重整器2的天然气供给量为Q(L/分)，如果采用(1)式所示的化学反应，则从重整器2排出的氢气的排出量为4Q(L/分)。因此，在本实施形态中，为了使从重整器2排出，经过第1燃料气体路径A，以4Q(L/分)的比例使提供给燃烧器2a的氢气完全燃烧，为了使式(2)所示的燃烧反应进行，由燃烧风扇2b向燃烧器2a，以2Q(L/分)的比例提供氧气。这时，控制器101控制燃烧风扇2b的转速，使对燃烧器2a的氧供给量为2Q(L/分)。
CH4+2H2O→CO2+4H2    ......(1)
4H2+2O2→4H2O    ......(2)
也就是说，在本实施形态中，将燃烧风扇2b对燃烧器2a的空气供给量，以在重整器2中理论上能够生成的氢的生成量、即原料供给装置对重整器2的重整部的天然气供给量为基准进行设定。借助于此，在燃烧器2a中，一氧化碳含量高的燃烧气体被燃烧。然后利用该燃烧器2a中发生的热加热重整器2中的重整部的重整催化剂。
对于其后的动作，为了更具体地说明本发明，参照图4进行详细说明。
图4是本发明实施形态1的燃料电池系统的动作的一部分的示意性表示的流程图。
如图4所示，燃烧器2a中的一氧化碳含量高的燃料气体的燃烧发生的热使得重整器2中的重整部的重整催化剂的温度上升时，由控制器101判定该重整催化剂的温度是否达到对于水蒸汽重整反应合适的规定温度(步骤S1)。在这里，重整催化剂的温度由例如埋设于重整催化剂中的温度传感器测定。该温度传感器的输出信号被输入控制器101。然后，通过在控制器101中对输出信号进行分析，认识重整催化剂的温度。还有，在判断为重整催化剂的温度尚未达到规定的温度时(步骤S1中判定为否)，继续利用燃烧器2a对重整催化剂进行加热，直到判定为重整催化剂的温度达到规定的温度为止。
另一方面，在步骤S1中，一旦控制器101判定为重整催化剂的温度达到规定的温度(步骤S1中判定为是)，控制器101控制使燃烧风扇2b的风量增加(步骤S2)。
具体地说，在下述步骤S3之后从燃料电池1的燃料气体用流路1a等排出，提供给燃烧器2a的天然气的供给量大概等于从重整器2向燃料气体用流路1a提供的燃料气体的供给量。例如根据上述(1)式，提供给重整器2的天然气的供给量为Q(L/分)的情况下，从重整器2排出Q(L/分)的二氧化碳和4Q(L/分)的氢。从而，燃料电池1的燃料气体用流路1a等向燃烧器2a以5Q(L/分)的比例提供天然气。
但是，如(3)式所示，为了使以5Q(L/分)的比例提供的天然气完全燃烧，将天然气变换为二氧化碳和水，必须向燃烧器2a以10Q(L/分)的比例提供氧气。但是，如上所述，燃料电池系统100的发电运行开始时，对燃烧器2a的氧气供给量相应于对重整器2的天然气供给量采用2Q(L/分)。因此，在燃烧器2a中，所提供的天然气进行不完全燃烧。而且由于该不完全燃烧，从燃料电池系统100排出一氧化碳。
5CH4+10O2→5CO2+10H2O    ......(3)
因此，在本实施形态中，为了使燃料电池1的燃料气体用流路1a等排出，提供给燃烧器2a的天然气完全燃烧，在利用作为步骤S3表示的开闭阀7b和三通阀8的控制构成第2燃料气体路径B之前，使作为步骤S2从燃烧风扇2b向燃烧器2a提供空气的供给量增加。在这里，从该燃烧风扇2b向燃烧器2a提供的空气的供给量的增加量，在本实施形态中，根据(3)式定为约5倍。这样，从燃烧风扇2b提供给燃烧器2a的氧气供给量为10Q(L/分)，因此在燃烧器2a中以5Q(L/分)的比例提供的天然气大概完全燃烧，能够抑制燃料电池系统100向外部排放一氧化碳。
在这里，从燃烧风扇2b向燃烧器2a供给的空气的供给量的增加形态不管是怎么样的增加形态都可以。
图3是从燃烧风扇2b提供给燃烧器2a的空气的供给量变化的示意图，图3(a)～图3(c)纵轴表示燃烧风扇2b的风量，横轴表示经过时间。
如图3所示，在步骤S2中，从燃烧风扇2b提供给燃烧器2a的空气供给量的增加可以是例如图3(a)所示的曲线a那样以一个阶梯增加，又可以如图3(b)所示的曲线b那样阶段性增加。又可以如图3(c)所示的曲线c那样缓慢增加。这样的图3(a)～图3(c)所示的任何一种增加形态都能够有效地抑制燃烧器2a中的天然气的不完全燃烧。
而且，在步骤S2中，燃烧风扇2b的风量增加之后，控制器101控制三通阀8和开闭阀7b，利用第1路径R1、第4路径R4、燃料气体用流路1a、第5路径R5、以及第3路径R3构成第2燃料气体路径B(步骤S3)。这时，重整部的重整催化剂的温度达到能够使水蒸汽重整反应顺利进行的规定的温度，因此从重整器2排出一氧化碳含量充分降低的燃料气体。然后，重整器2生成的一氧化碳含量充分降低的燃料气体经过第1路径R1和第4路径R4提供给燃料电池1的燃料气体用流路1a等。于是，通过从重整器2向燃料电池1的燃料气体用流路1a等提供燃料气体，预先注入燃料电池1的燃料气体用流路1a及其周边的天然气被挤出。该天然气通过第5路径R5和第3路径R3提供给燃烧器2a。
在燃烧器2a中，从燃料电池1的燃料气体用流路1a等被挤出的天然气利用燃烧风扇2b提供的空气燃烧。这时如上所述使天然气完全燃烧所需要的氧利用燃烧风扇2b提供，因此在燃烧器2a中天然气完全燃烧。借助于此，能够抑制一氧化碳向燃料电池系统100的外部排放。
在使从燃烧风扇2b向燃烧器2a提供的空气的供给量增加之后，天然气全部从燃料电池1的燃料气体用流路1a等排出，而且在燃烧器2a中，控制器101的计时部一旦判定为经过了全部天然气都被燃烧的规定时间(步骤S4判定为是)，燃烧风扇2b向燃烧器2a提供的空气的供给量就减少(步骤S5)。具体地说，控制器101控制燃烧风扇2b的转速，使其返回增加之前的空气供给量，例如使从燃烧风扇2b提供给燃烧器2a的氧气的供给量从10Q(L/分)减少为2Q(L/分)。还有，该步骤S5之后，燃烧器2a燃烧燃料电池1的燃料气体用流路1a排出的废气。以此将重整器2的重整部中的重整催化剂的温度维持于使水蒸汽重整反应进行的规定温度。
还有，在上述步骤S3之后，一旦从重整器2向燃料电池1提供燃料气体，燃料电池1就如下所述开始发电动作。
也就是从重整器2向燃料电池1的燃料气体用流路1a提供一氧化碳浓度足够低的燃料气体，同时从鼓风机3向燃料电池1的氧化剂气体用流路1b提供空气时，在燃料电池1中，利用提供给该阳极侧和阴极侧的燃料气体和空气进行能够输出规定的电力的发电。还有，没有被用于发电的废气在从燃料电池1的燃料气体用流路1a排出之后经过第5路径R5和第3路径R3被提供给燃烧器2a。然后，在该燃烧器2a中为使水蒸汽重整反应进行而燃烧。又，从燃料电池1的氧化剂气体用流路1b排出的排空气被排出到燃料电池系统100的外部。
又，在该发电运行时，燃料电池1因进行发电的电化学反应而发热。在该燃料电池1中产生的热借助于利用泵6a使冷却水在燃料电池1的内部形成的，在图1未特别图示的冷却水用流路中进行的循环依次回收。然后，借助于该泵6a循环的冷却水回收的热在热交换器4中使用于对从热水箱5出发借助于泵6b循环的水的加热。
还有，在本实施形态中对燃料电池1的燃料气体用流路1a及其周边预先充填天然气的形态进行说明，但是并不限于这样的形态。例如也可以在燃料电池1的燃料气体用流路1a等中预先充填LPG等碳氢气体。这样，在本发明中，以根据燃料电池1的内部充填的碳氢气体的种类在规定的期间增加从燃烧风扇2b向燃烧器2a的氧气供给量这一点为特征。
还有，在本实施形态中对构成第2燃料气体路径B之前增加从燃烧风扇2b向燃烧器2a的空气供给量的形态进行了说明，但是并不限于这样的形态，也可以采用在构成第2燃料气体路径B之后增加从燃烧风扇2b向燃烧器2a的空气供给量的形态。即使是采用这样的结构，也能够得到与本实施形态相同的效果。但是在这种情况下，在将从燃料电池1等被挤出的天然气通过第5路径R5和第3路径R3提供给燃烧器2a之前，使从燃烧风扇2b向燃烧器2a提供空气的供给量增加。
又，在本实施形态中，对在图4所示的步骤S1检测重整催化剂的温度的形态进行了说明，但是并不限于这样的形态，也可以采用检测构成重整器2的重整部、转化部以及净化部中的至少任意一个结构要素的运行温度的形态。即使是采用这样的结构，也能够得到与本实施形态相同的效果。
还有，在本实施形态中对燃料电池系统100作为燃料电池1具备固体高分子电解质型燃料电池的形态进行了说明，但是并不限于这样的形态。例如也可以采用燃料电池系统100作为燃料电池1具备磷酸型燃料电池或碱性燃料电池等的形态。即使是采用这样的结构，也能够得到与本实施形态相同的效果
实施形态2
图2是本发明实施形态2的燃料电池系统的结构的示意方框图。在图2中，构成燃料电池系统的各构成要素之间的实线表示水、燃料气体或氧化剂气体等流过的流路，这些实线上记载的箭头表示水、燃料气体或氧化剂气体等在通常运行时的流动方向。又，在图2中也只表示说明本发明所需要的构成要素，此外的构成要素的图示省略。而且在图2中对与实施形态1所示的燃料电池系统100的构成要素相同的构成要素标以相同的符号。
如图2所示，本实施形态的燃料电池系统200具备与实施形态1所示的燃料电池系统100的结构大致相同的结构。但是本实施形态的燃料电池系统200的结构具备CO传感器(一氧化碳传感器)9这一点与实施形态1所示的燃料电池系统100的结构不同。还有，其他方面与实施形态1所示的燃料电池系统100的结构相同。
如上所述，本实施形态的燃料电池系统200具备一氧化碳传感器9。该一氧化碳传感器9以燃烧器2a排出的排燃烧气体中的一氧化碳浓度变化作为电信号变化输出到控制器101。控制器101对一氧化碳传感器9输出的电信号进行分析，以此识别例如排燃烧气体中包含的一氧化碳的浓度变化。而且，在本实施形态中，取代对图4的步骤S4所示的“规定的时间”，利用控制器101确认燃烧器2a排出的排燃烧气体中的一氧化碳浓度达到“规定的阈值浓度”以下的情况下，使燃烧风扇2b的风量减小。具体地说，在燃烧器2a中充填于燃料电池1的燃料气体用流路1a及其周边部充填的天然气燃烧的情况下，如(3)式所示，二氧化碳和水作为主要生成物生成，另一方面，有时候由于不完全燃烧而产生微量的一氧化碳。因此，在本实施形态中，一氧化碳传感器9检测出的排燃烧气体中的一氧化碳的浓度从例如100ppm降低到作为规定的阈值浓度的30ppm以下时，作为图4的步骤S5，使燃烧风扇2b的风量减少。如果采用这样的结构，则排燃烧气体中包含的一氧化碳的浓度下降到规定的阈值浓度以下，在确认作为置换气体的天然气的燃烧完全结束之后，可以减少燃烧风扇2b的风量。
又，在本实施形态的燃料电池系统200中，一氧化碳传感器9将从燃烧器2a排出的排燃烧气体中的一氧化碳的浓度变化作为电信号的变化输出到控制器101的情况下，控制器101识别从一氧化碳传感器9输出的电信号的输出值(例如电压值)。然后，取代图4的步骤S4所示的“规定的时间”，控制器101确认与燃烧器2a排出的排燃烧气体中的一氧化碳浓度对应的一氧化碳传感器9的输出值低于“规定的输出值”的情况下，使燃烧风扇2b的风量减少，一旦采用这样的结构，在控制器101中不必计算从燃烧器2a排出的排燃烧气体中的一氧化碳浓度，因此能够简化控制器101的存储部中预先存储的程序。
还有，其他方面也与实施形态1的情况相同。
如上所述，如果采用本发明，在燃烧器2a中燃烧作为置换气体的天然气时，由于对燃烧器2a增加氧的供给量，因此能够抑制使天然气燃烧时的一氧化碳发生。借助于此，能够提供可利用简单的结构有效地抑制发电运行开始时的一氧化碳的排出的对生态系统的不良影响减少的有利于环境的燃料电池系统。
还有，关于是否使燃烧风扇2b的风量减少的判定基准，在实施形态1中，以“规定的时间”作为判定基准，在实施形态2中，以“规定的阈值浓度”或“规定的输出值”作为判定基准，但是不必只引用某一判定基准，也可以采用将这两者作为判定基准使用的形态。也就是说，在图4中作为步骤S4，利用控制器101识别经过规定的时间，而且利用一氧化碳传感器9检测出的一氧化碳的浓度在规定的阈值浓度以下(一氧化碳传感器9的输出值在规定值以下)的情况下，也可以采用进入图4的步骤S5的形态。采用这样的结构也能够得到与实施形态1和实施形态2相同的效果。
工业应用性
本发明的实施形态的燃料电池系统，作为能够利用简单的结构有效地抑制发电运行开始时的一氧化碳的排出的，对生态系统的不良影响减少的有利于环境的燃料电池系统，能够在工业上使用。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，
具备
使用燃料气体与氧化剂气体进行发电的燃料电池、
利用重整反应将原料气体重整，生成提供给所述燃料电池的所述燃料气体的燃料气体生成部、
使所述燃料气体及所述原料气体中的至少任一种燃烧，产生在所述燃料气体生成部使所述重整反应进行用的热能的燃烧部、
向所述燃烧部提供所述燃烧用的空气的空气供给部、
从所述燃料气体生成部向所述燃料电池提供所述燃料气体用的燃料气体路径、
从所述燃料电池向所述燃烧部提供未被使用于发电的剩余的燃料气体用的废气路径、
连接所述燃料气体路径与所述废气路径，使所述燃料气体生成部生成的所述燃料气体的供给目的地从所述燃料电池变更为所述燃烧部用的旁通路径、
在所述燃料电池与所述旁通路径之间切换所述燃料气体生成部生成的所述燃料气体的供给目的地用的切换阀、以及
控制部，
所述控制部控制所述切换阀，将所述燃料气体生成部生成的所述燃料气体切换到所述旁通路径，在提供给所述燃料电池之前，所述燃料电池的内部利用所述原料气体充填，
其特征在于，所述控制部控制所述切换阀，将所述燃料气体生成部生成的所述燃料气体切换到所述旁通路径提供给燃料电池时，控制使从所述空气供给部提供给所述燃烧部的空气供给量增加。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述原料气体是碳氢气体。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池具备能够提供所述原料气体的原料供给部，
所述控制部在停止动作时或启动动作时从所述原料供给部向所述燃料电池提供所述原料气体，以此利用所述原料气体充填所述燃料电池的内部。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部进行如下所述控制，即利用所述切换阀将所述燃料气体生成部生成的所述燃料气体通过所述旁通路径提供给所述燃烧部，直到所述燃料气体生成部满足规定的运行条件，
在满足所述规定的运行条件的情况下，进行控制，利用所述切换阀将所述燃料气体生成部生成的所述燃料气体切换到所述旁通路径，将其提供给所述燃料电池，同时使所述空气供给部对所述燃烧部提供的空气量增加。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制部进行如下所述控制，即在利用所述切换阀切断所述旁通路径，使得能够从所述燃料气体生成部向所述燃料电池提供所述燃料气体之前，使所述空气供给部对所述燃烧部的空气供给量增加。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制部进行如下所述控制，即在使所述空气供给部对所述燃烧部的空气供给量增加之后，经过规定的时间后，减少从所述空气供给部对所述燃烧部的空气供给量。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备检测从所述燃烧部排出的排气中的一氧化碳的一氧化碳检测部，
所述控制部进行如下所述控制，即在使所述空气供给部对所述燃烧部的空气供给量增加之后，因所述一氧化碳检测部的输出值下降到规定值以下，或以所述一氧化碳检测部的输出值为依据的所述一氧化碳的浓度下降到规定的浓度以下，减少从所述空气供给部对所述燃烧部的空气供给量。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制部进行如下所述控制，也就是使所述空气供给部向所述燃烧部提供的空气供给量以一个步骤以上的阶段性增加，或使其连续增加。
CNB2006800040892A 2005-02-18 2006-02-13 燃料电池系统 Active CN100527513C (zh)

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