CN101300704B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可进行对进热水负荷的稳定供给的燃料电池系统。具备有：固体电解质型燃料电池(31)、对来自该固体电解质型燃料电池(31)的废热和水进行热交换的热交换器(40)、储存水的蓄热水箱(42)、在该蓄热水箱(42)和热交换器(40)之间使水进行循环的循环配管(43a)和(43b)、设置于该循环配管(43a)和(43b)的循环泵(41)，其特征在于，具备有控制装置(39)，以根据所使用的贮水量来控制固体电解质型燃料电池(31)在发电过程的燃料利用率。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种使用固体电解质型燃料电池的燃料电池系统，具体而言是涉及一种进行燃料利用率的可变控制的燃料电池系统。 
背景技术
对现有的高分子电解质型燃料电池系统的控制进行说明。图3是表示现有的高分子电解质型燃料电池系统的图。如图3所示，在燃料电池系统运行时，燃料处理装置14对天然气等原料进行水蒸气改性，形成以氢气为主成分的气体，用氢气侧加湿器11进行加湿后供给到燃料电池1。另外，通过空气供给装置3，氧化剂气体被氧化侧加湿器13进行加湿，供给到燃料电池1。燃料电池1将发出的支流电转换成交流电，并连接有与电力系统7相连接的功率调节装置6，再连接电力负载8。 
另一方面，因燃料电池1的发电而产生的热量被在冷却配管19内流动的冷却水回收。冷却水通过冷却水循环泵16进行循环，被冷却水回收的热量经过热交换器15并通过泵17而转移到在散热配管29内循环的水，在蓄热水箱12储存有水。(例如，参照专利文献1) 
专利文献1：日本专利2002-42841号公报 
作为高分子电解质型燃料电池的特征，可列举废热回收效率比发电效率高的情况，在通常的运转中，易发生蓄热水箱完全沸腾并贮满水的情况。此时，由于废热回收效率高，因而鉴于系统效率有可能造成停止发电运行的情况。 
另外，作为另一个特征，其在于对主要的燃料民用煤气进行改性，生成氢气和一氧化碳，除去生成的一氧化碳，但是其存在的问题在于为了除去该一氧化碳而需要时间。因此，随着发电量及温度变化，不能迅速地改变燃料，致使燃料利用率的控制极为缓慢。 
虽然为了克服上述的缺点而在高分子电解质型燃料电池中开发了废 热回收系统，但是在固体电解质型燃料电池中，关于废热回收系统还没有提案，另外，由于电解质与固体电解质型不同，因而与高分子电解质型电池系统的废热回收相关的控制还不能直接应用于固体电解质型燃料电池系统。 
作为固体电解质型燃料电池的特征，其在于发电效率比废热回收效率高。若从对电力负载的电力供给这一方面来看，具有比高分子电解质型燃料电池优越的优越性，而从向供热水负载稳定供热水这一方面来看，存在的问题在于可供给的绝对量小。 
发明内容
鉴于上述问题，本发明的课题在于，提供一种可向供热水负载进行稳定供给的燃料电池系统。 
为了解决上述课题，本发明具有下述特征。 
本发明的燃料电池系统，具备有： 
固体电解质型燃料电池； 
对来自该固体电解质型燃料电池的废气和水进行热交换的热交换器； 
储存水的蓄热水箱； 
在该蓄热水箱和上述热交换器之间使水进行循环的循环配管； 
设置于该循环配管的循环泵， 
所述燃料电池系统的特征在于， 
具备有控制装置，以根据上述蓄热水箱内的热水的使用量来控制上述固体电解质型燃料电池的燃料利用率。 
另外，一种燃料电池系统，具备有： 
固体电解质型燃料电池； 
对来自该固体电解质型燃料电池的废气和水进行热交换的热交换器； 
储存水的蓄热水箱； 
在该蓄热水箱和所述热交换器之间使水进行循环的循环配管； 
设置于该循环配管的循环泵， 
所述燃料电池系统的特征在于， 
具备有控制装置，以根据所述蓄热水箱内的热水的比例或者热水温度 来控制所述固体电解质型燃料电池的燃料利用率。 
具有控制装置，其根据用户需要的供热水量对供给的燃料气体量进行控制，改变燃料电池的燃料利用率。例如，在希望更多的供热水量的情况下，在蓄热水箱内的热水的比例小等情况下，不论电力负载的高低，都通过降低燃料利用率，增加燃料电池产生的废气的能量，进而增加热交换器的热水生成量，其结果是，增加了蓄热水量(蓄热水箱内的热水的比例)，或者提高了蓄热水箱内的蓄水温度，由此，增加供热水量，可将热水稳定地供给供水负载。 
而所谓的燃料利用率，是指欲投进到燃料电池的燃料气体量相对的实际上有助于电化学反应(发电反应)的燃料气体量的比例，所谓的降低燃料利用率，可通过增加投进到燃料电池的燃料气体的供给量而实现。 
另外，上述控制装置其特征在于，在上述固体电解质型燃料电池的工作温度降低时，进行降低上述固体电解质型燃料电池的燃料利用率的控制。 
以往，由于发电量减少、燃料电池的工作温度降低时的状态延续，废气可回收的热量减少，造成向供水负载的热水供给量更加降低。与此同时，若在燃料电池的工作温度降低的状态，则造成燃料电池的发电效率降低并可供给到电力负载的最大电量比额定低。而且，之后，为了使可供给到电力负载的燃料电池的最大电量成为额定电量，至发送电效率变高的温度在提升燃料电池的工作温度而需要时间，存在的问题在于，不能与负载的急剧需要的电力相适应，但是，在本发明中，在燃料电池的工作温度降低时，通过增加供给到燃料电池的燃料气体量，降低燃料利用率，可提高废气温度，使热交换器的废气与水的热交换活跃，增加热水生成量、增加蓄热水箱内的热水比例，另外可用短时间提高蓄热水箱内的水温，同时可减缓燃料电池的工作温度的下降，可用短时间转移到燃料电池可向电力负载提供最大电力的温度，进而可迅速进行对需要电力的电力供给。 
另外，上述控制装置其特征在于，在上述固体电解质型燃料电池的发电量降低时，进行降低上述固体电解质型燃料电池的燃料利用率的控制。 
在燃料电池的发电量降低时，通过增加向燃料电池供给的燃料气体量、降低燃料利用率，可减缓燃料电池的工作温度的降低，迅速进行对需 要电力的电力供给。由于此时也是增加散热量，因而可增加热水生成量、增加储存热水量。 
另外，上述控制装置其特征在于，在夜间进行降低上述固体电解质型燃料电池的燃料利用率的控制。 
在夜间，一般家庭内负载大多为最低使用量，使得燃料电池的工作温度下降。此时，通过进行降低燃料电池的燃料利用率的控制，就能防止燃料电池的工作温度的降低，可迅速进行对需要电力的电力供给，另外还可增加热水生成量。 
另外，上述控制装置其特征在于，具有开关，通过使用者的选择强制性地降低上述固体电解质型燃料电池的燃料利用率。在这种燃料电池系统中，在希望更多的供热水量的情况下，通过由燃料电池操作员随时按压开关，可优先于发电增加热水生成量。 
本发明的燃料电池，非常适合应用于进行1kW以下尤其是750W以下的发电的家庭燃料电池。 
依照本发明，根据用户的热水使用量，或者根据蓄热水箱内的热水的比例、热水温度，来控制燃料利用率，并控制进行与水的热交换的废气温度，进而可提供一种可进行向供水负载的稳定供给的燃料电池系统。 
附图说明
图1是表示本发明的燃料电池系统的图； 
图2是表示一例确定燃料利用率的顺序的流程图； 
图3是表示现有的高分子电解质型燃料电池系统的图。 
符号说明 
31：固体电解质型燃料电池 
32：燃料供给装置 
33：空气供给装置 
34：水供给装置 
35：燃料加湿装置 
36：功率调节器 
37：电力系统 
38：电力负载 
39：控制装置 
40：热交换器 
41：循环泵 
42：蓄热水箱 
43a、43b：循环配管 
具体实施方式
下面，基于附图说明用于实施本发明的最佳实施方式。而下面的说明是本发明的最佳实施方式例，所谓的本领域技术人员在专利要求的范围内进行变更、修正并做成其他的实施方式是容易的，下面的说明不是局限于专利要求的范围。 
图1是表示本发明的燃料电池系统的图。如图1所示，本发明的固体电解质型燃料电池系统具有：固体电解质型燃料电池31、将民用煤气及天然气等提供给燃料电池31的燃料供给装置32、用于将氧化剂空气提供给燃料电池31的空气供给装置33、供给水的供水装置34、对提供给燃料电池31的燃料气体进行加湿的燃料加湿装置35。另外，通过控制装置39对燃料供给装置32、空气供给装置33、供水装置34、燃料加湿装置35进行流量及工作的控制。 
燃料电池31将发出的直流电转换成交流电，且其上连接有与电力系统37相连接的功率调节装置36，还连接有电力负载38。 
另外，燃料电池31与对发电产生的废热进行回收的热交换器40相连接，而热交换器40又连接着用于使蓄热水箱42内的水进行循环的循环配管43a、43b，并设置又将循环配管43a、43b内的水提供给热交换器40的循环泵41。蓄热水箱42内的水通过循环泵41从底部经由循环配管43a被供给到热交换器40，通过该热交换器变热，再经由循化配管43b返回到蓄热水箱42的上部。在蓄热水箱42内被分成热水与凉水，形成有层。 
在不进行向电力系统37的逆流动的情况下，即在将由燃料电池发出的电不供给到商用电力系统的情况下，燃料电池31与电力负载38的电力消耗联动并确定发电电力。供给到燃料电池31的燃料气体量，根据燃料 电池31的输出功率和燃料利用率由控制装置39进行运算，以控制燃料供给装置32。因燃料电池31的发电而产生的废气经过热交换器40而使循环水变热，可将热水储存于蓄热水箱42以备使用。 
通常，为了提高发电效率，而尽可能地将燃料电池31的燃料利用率设定得比较高。即，为了得到规定的输出电流，而尽可能少消耗燃料气体，提高燃料利用率。 
但是，与高分子电解质型燃料电池1相比较，固体电解质型燃料电池31具有发电效率比废热回收效率高的特征，因此，若进行与高分子型燃料电池同样的运行，则使热水量减少，因此，以热水的使用为主要功能的燃料电池的使用方法中有可能发生不良情况。因此，本发明的燃料电池系统其特征在于，不论是在作为供热水负载的热水的使用量大的情况及蓄热水箱内的热水比例变小的情况下，还是在蓄热水箱内的热水温度降低的情况下，都可降低燃料利用率的设定。这是由于，虽然若降低燃料利用率势必将降低发电效率，但是由于增加了其中的废热能量，因而可提高被热交换器40回收的水的温度，增加蓄热水箱内的储存热水量，或者可提高热水温度的缘故。例如，在需要更多的供热水量的情况下，通过降低燃料利用率，可增加燃料电池产生的废气的能量，其结果是，可增加热交换器的热水生成量，或者可提高蓄热水箱内的热水温度，增加蓄热水箱内的热水量、增加储存热水量、增加供热水量。这样，即使降低发电效率也可将其废热能量用在储存热水方面，可使燃料电池系统有效运行。 
另外，与高分子电解质型燃料电池相比较，固体电解质型燃料电池31工作温度比较高，需要较高地持续保持燃料电池31自身的工作温度，需要用于其的热能。因此，通过降低燃料利用率，可兼得比较高地保持燃料电池31自身的工作温度，利用废热能可有效地比较高地持续保持燃料电池31自身的工作温度，即使对于来自负载的较大的需求电力也可迅速响应并将电力供给到负载。 
另外，在燃料电池31的工作温度降低时，控制装置39通过增加供给到燃料电池31的燃料气体量进行降低燃料利用率的控制，可减缓燃料电池31的工作温度的降低，增加热水生成量、增加储存热水量。在燃料电池31的工作温度降低时，通过增加供给到燃料电池31的燃料气体量降低 燃料利用率，可减缓燃料电池31的工作温度的降低，可用短时间转移到燃料电池31可向电力负载供给最大电力，即使对于来自负载的较大的需求电力，也可迅速响应并将电力供给到负载。另外，此时，与不降低燃料利用率的情况相比由于增加了废热量，因而可增加储存热水量。 
这是缘于下面的原理。通常，若燃料电池31的工作温度降低，在稳定地控制燃料利用率的情况下，热能只是燃料电池31自身的放热能量和残留燃料气体的燃烧能量。因此，若工作温度低则内阻上升，由于降低了可发出电力的能量的最大量，因而不提高能量的总量，至可发出额定电力就需要时间。在工作温度降低期间，燃料电池31的发电效率也降低了，另外，废热能量减少。在这种状态时，增加供给到燃料电池31的燃料气体量、降低燃料利用率，由此，通过增加残存燃料的燃烧能，可用短时间转移到燃料电池31可向电力负载供给最大电力。另外，此时，与不降低燃料利用率的情况相比由于增加了废热量，因而可增加储存热水量。 
而燃料电池31的工作温度通过配置于燃料电池31附近的温度传感器可加以确认。另外，燃料电池由空气极和燃料极隔着固体电解质构成，将空气供给到空气极，将燃料气体供给到燃料极，使其余的燃料气体燃烧产生废气。 
另外，在燃料电池31输出的电力负载降低时，通过增加供给到燃料电池31的燃料气体量、由控制装置39进行降低燃料利用率的控制，可减缓燃料电池31的工作温度的降低、增加储存热水量。这是由于，若来自燃料电池31的电力负载降低，则燃料电池31不发生逆流，因而与电力负荷一致而降低发电电力的缘故。在将燃料利用率保持在一定的状态下，由于燃料电池31的工作电压降低，至再次提高工作温度使燃料电池31的发电效率降低，因而将造成可输出的最大电力降低，减少了储存热水量，但是，此时，通过进行降低燃料利用率的控制，可改善这些问题。即，在燃料电池31的电力负载降低时，通过增加供给到燃料电池31的燃料气体量、降低燃料利用率，可减缓燃料电池31的工作温度的降低。由于此时也增加了废热量，因而可增加储存热水量。 
另外，上述控制装置其特征在于，在夜间进行降低燃料电池31的燃料利用率的控制。在夜间，通常大多数家庭内负载为最低使用量，因而燃 料电池的工作温度降低。此时，通过进行降低燃料电池的燃料利用率的控制，可防止燃料电池的工作温度的降低，可迅速进行对需求电力的电力供给，还可增加热水生成量。 
另外，由于根据使用者的选择，具有强制性地降低燃料电池的燃料利用率的开关，因而在希望更多的热水量情况下，通过由燃料电池使用者随时按压开关，可优先于发电增加热水生成量。 
图2表示了一例确定具体的燃料利用率的程序。在图2，例如将通常运行的燃料利用率定为75％。在确定燃料利用率的过程中，最初要判断降低燃料利用率的排热优先模式是否有效。 
关于排热优先模式，例如通过在燃料电池31的控制装置39设置排热优先开关就可设定模式。另外，也可以在控制装置39设置遥控(未图示)，在该遥控设置排热优先模式开关。 
另外，也可根据家庭的热水使用状态、蓄热水箱内的热水的比例、蓄热水箱内的热水温度使排热优先模式自动地发挥作用。关于排热优先模式的自动切换的判断，例如将判断周期设为一周，可设定在热水的使用量的合计达到规定量以上的情况。另外，作为排热优先模式的解除方法，可在连续检测判断条件，在判断周期的热水使用量的合计达到规定量以下的情况下进行解除。 
在排热优先模式不发挥作用的情况下，通常用运行的燃料利用率75％进行发电运行。在使排热优先模式发挥作用的情况下，要进行是否要强制排热模式的判断。强制排热模式不管是什么运转状态而总是在降低燃料利用率的状态下进行运转的状态。该模式对于使用家庭的热水的消耗量明显变多且频繁而且频繁发生热水用光时非常有用。 
关于强制排热模式的设定，也可根据使用者的选择通过在控制装置39(及遥控)上设置强制性地降低固体电解质型燃料电池的燃料利用率的开关(强制排热模式开关)来设定模式。通过在该强制排热模式下进行发电运行，可增加比通常发电运转状态更多的储存热水量。 
然后，进行燃料电池31的组件内部温度(工作温度)的判断，模块 温度例如在从通常的运转温度750℃到650℃以下的情况下，将燃料利用率降低到60％进行发电运转。在该运转模式，可增加储存热水量，同时可减缓燃料电池31的组件温度的降低，进而可用短时间转移至燃料电池可向电力负载供给最大电力的温度。再者，通过减缓燃料电池31的温度循环负载，还可得到提高燃料电池31的寿命的效果。关于该组件温度的判断，虽然作为例子设置为单级控制，但是也可以设置多个温度判断分支用多级控制燃料利用率。例如，在从通常的运转温度到750℃到700℃、650℃的情况下，也可以各自的温度级控制燃料利用率。在这种情况下，由于与单级控制相比，可根据燃料电池的状态进一步细化控制燃料气体量，因而可抑制必须量以上的燃料气体的消耗，进而可进行更有效的控制。 
然后，进行蓄热水箱42的储存热水量的判断，在蓄热水箱内的热水比例(例如40℃以上的热水)例如为50％以下时，将燃料利用率降低到60％进行发电运转。通过用该模式进行发电运转，可增加比通常的发电状态更多的热水量。关于该热水量的判断，虽然作为例子设置为单级控制，但是也可以设置多个热水量的判断分支，用多级控制燃料利用率。在这种情况下，由于与单级控制相比，可根据燃料电池的状态进一步细化控制燃料气体量，因而可抑制必须量以上的燃料气体的消耗，进而可进行更有效的控制。 
然后进行运转时间的判断，运转时间只要是夜间(例如在24:00～6:00期间)就将燃料利用率降低到60％进行发电运转。一般的家庭夜间大多是保持负载最小的状态。此时，由于燃料电池31的组件温度降低，因而通过降低燃料利用率并增加所供给的燃料气体量，可减缓组件温度的降低，进而可用短时间转移至燃料电池可向电力负载供给最大电力的温度。另外，此时，由于增加了废热能，因而可增加蓄热水箱42内的热水量。 
在上述的燃料利用率的决定程序中，虽然将通过控制而降低时的燃料利用率一律设为60％，但是也可设定在50～70％左右的范围内。另外，也可以用各个分支条件，例如强制排热模式或者组件温度来改变燃料利用率。 
综上所述，通过使固体电解质型燃料电池在发电过程中的燃料利用率可以变化，可有效地增加热水生成量，进而可增加存储热水量，另外还可 提高燃料电池的工作温度。 
而关于如上所述的程序，如图2所示通过连续进行判断，在改变了运转状态的情况下，可进行与该运转状态相适应的运转。 
而就图2而言，在进行了排热优先模式是否有效的第一级判断之后，虽然进行了强制排热模式等第二级判断，但是在排热优先模式时，不需要进行强制排热模式等第二级判断，即使在降低了燃料利用率的情况下，也可进行向供水负载的稳定供给。 

Claims (3)

1.一种燃料电池系统，其具备：
固体电解质型燃料电池；
对来自该固体电解质型燃料电池的废气和水进行热交换的热交换器；
储存水的蓄热水箱；
在该蓄热水箱和所述热交换器之间使水进行循环的循环配管；和
设置于该循环配管的循环泵，所述燃料电池系统的特征在于，
具备有如下控制装置：
检测使所述固体电解质型燃料电池的燃料利用率降低的排热优先模式是否有效，在该排热优先模式有效的情况下，接着检测总是使所述固体电解质型燃料电池的燃料利用率降低的强制排热模式是否有效，在该强制排热模式有效的情况下，进行使所述固体电解质型燃料电池的燃料利用率降低的控制，当所述强制排热模式无效时，并且在所述固体电解质型燃料电池的工作温度在规定的温度以下的情况下，进行使所述固体电解质型燃料电池的燃料利用率降低的控制，在所述固体电解质型燃料电池的工作温度高于规定的温度的情况下，并且在所述蓄热水箱内的热水量在规定的量以下的情况下，进行使所述固体电解质型燃料电池的燃料利用率降低的控制，在所述蓄热水箱内的热水量多于规定的量的情况下，并且在运转时间为夜间的情况下，进行使所述固体电解质型燃料电池的燃料利用率降低的控制。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置还进行如下控制，在使所述固体电解质型燃料电池的燃料利用率降低之后，在规定期间持续检测所述固体电解质型燃料电池的工作温度以及所述蓄热水箱内的热水量，并且在所述规定期间内热水使用量的合计在规定值以下的情况下、或者规定期间内所述固体电解质型燃料电池在规定温度以下的状态的累积时间在规定值以下的情况下，解除所述排热优先模式，将所述固体电解质型燃料电池的燃料利用率设为所述固体电解质型燃料电池在通常运转时的燃料利用率。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
具有开关，该开关通过使用者的选择强制性地降低所述固体电解质型燃料电池的燃料利用率。
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