CN101803088A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统在壳体(6)的内部空间(S)内具有PEFC电池堆(4)，其特征在于，具有配置在内部空间(S)内且用于对该内部空间(S)进行加热的护套式加热器(13)，该护套式加热器(13)配置在壳体(6)的内部空间(S)的底面上，并且在底面与护套式加热器(13)之间设有间隔，在壳体(6)的内部空间(S)内设有搭载平板(12)，该搭载平板(12)用于搭载包含PEFC电池堆(4)的内部设备，护套式加热器(13)配置在搭载平板(12)与壳体(6)的内部空间(S)的底面之间。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种特别是能在寒冷地区使用的燃料电池系统。
背景技术
作为以往的燃料电池系统，公知一种包括为了产生氢而对液态烃进行改质的改质部、和利用氧和氢的电气化学反应进行发电的燃料电池堆(stack)等的燃料电池系统(例如专利文献1)。
专利文献1：日本特开2007-70502号公报
在此，在上述的燃料电池系统中，在利用改质部对液态烃进行改质时，同时也对水进行改质，此外在利用燃料电池堆发电时也产生水，还通过使冷却水循环来对所产生的热进行冷却。如上所述，由于在燃料电池系统的配管、电池堆等中含有水，因此在将燃料电池系统设置在气温较低的地区的情况下，上述构件中的水(特别是电池堆内的水)可能冻结，因而存在该燃料电池系统不适合用在寒冷地区等这样的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而做成的，目的在于提供一种能够防止系统内的设备发生冻结、且即使在寒冷的地区等也能应用的安全性较高的燃料电池系统。
本发明的燃料电池系统在壳体的内部空间内具有电池堆，其特征在于，具有配置在内部空间内且用于对该内部空间进行加热的加热部件，加热部件配置在壳体的内部空间的底面一侧，并且在底面与加热部件之间设有间隔，在壳体的内部空间内设有搭载板，该搭载板用于搭载包含电池堆的内部设备，加热部件配置在搭载板与壳体的内部空间的底面之间。
采用该燃料电池系统，能够利用加热部件对壳体的内部空间进行加热，因此能够防止系统内的设备发生冻结，即使在寒冷地区等也能应用该燃料电池系统。另外，由于在加热部件与底面之间设有间隔，因此即使万一出现了系统内的水、燃料等发生泄露而积存在壳体底面上的情况，也能够防止该燃料电池系统短路、漏电，从而能提高安全性。另外，通过将加热部件配置在壳体的底面一侧，能够使由加热部件产生的热量在壳体的整个内部空间内进行自然对流，因而能够提高加热效率。另外，由于利用搭载板隔开加热部件和包含电池堆的内部设备，因此能够防止两者直接接触，从而能进一步提高安全性。
在本发明的上述燃料电池系统的基础上，也可以在搭载板上设置多个通孔。通过这样设置，能够促进由加热部件产生的热量进行自然对流，从而能够高效地加热壳体的内部空间。另外，还能够防止在搭载板上积存有水等液体。
在本发明的上述燃料电池系统的基础上，该燃料电池系统还可以包括：温度检测部件，其配置在电池堆的周围，用于检测电池堆的周围温度；温度控制部件，其根据由温度检测部件检测到的温度来控制加热部件，以至少将电池电池堆的周围温度保持在使水冻结的温度以上。通过这样设置，利用温度检测部件对系统中的特别是冻结可能性高的零件即电池堆的周围温度进行检测，根据该检测结果利用温度控制部件对加热部件进行控制，由此能够利用加热部件对壳体的内部空间加热，将电池堆的周围温度保持在不会发生冻结的温度以上。另外，由于在运转过程中系统内会产生热，因此在运转过程中以电池堆为首的系统内的零件发生冻结的可能性较低，而在设备处于非运转状态时，上述零件发生冻结的可能性变高。在本燃料电池系统中，由于在电池堆的周围配置有温度检测部件，因此能够灵敏地应对系统的运转状况。因而，能够使加热部件只在系统未运转的情况下等有可能发生冻结的时候进行工作，因此能够防止浪费电力。
采用本发明，能够提供一种防止系统内的设备发生冻结、即使在寒冷地区等也能应用的安全性较高的燃料电池系统。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的概略结构图。
图2是表示图1的燃料电池系统的各零件在壳体内的配置方式的概略结构图。
图3是图2所示的搭载平板的主视图。
图4是图2所示的护套式加热器的主视图。
图5是图4所示的V-V线剖视图。
图6是表示控制装置中的处理顺序的流程图。
图7是另一实施方式的搭载平板的主视图。
1、燃料电池系统；4、PEFC电池堆(电池堆)；6、壳体；6a、盖体；6c、上表面(底面)；11、控制装置(温度控制部件)；12、22、搭载平板(搭载板)；13、护套式加热器(加热部件)；14、温度传感器(温度检测部件)；18、间隔；S、内部空间。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的较佳的实施方式。另外，在附图说明中，对于相同或相似的结构要素标注相同的附图标记，省略重复的说明。
实施例1
图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的概略结构图，图2是表示图1的燃料电池系统的各零件在壳体内的配置方式的概略结构图。燃料电池系统使用氢制造用原料进行发电，该燃料电池系统例如被用作家庭用的电力供给源。在此，只要是能够利用水蒸气改质反应获得含氢的改质气体的物质，就都可以用作氢制造用原料。例如能够使用烃类、醇类、醚类等在分子中具有碳和氢的化合物。作为在工业用途或民生用途上能够获得的氢制造用原料的优选例，能够举出甲醇、乙醇、二甲醚、甲烷、民用煤气、LPG(液化石油气，liquefied petroleumgas)，且还能举出利用石油获得的汽油、石脑油、煤油、轻油等烃油。其中优选液体燃料，特别是，由于煤油不论是工业用途还是民生用途都容易获得，而且其处理方法也比较容易，因此优选煤油。
如图1所示，燃料电池系统1包括脱硫器2、燃料处理系统(FPS)3、固体高分子式燃料电池(PEFC)电池堆4、逆变器(inverter)5以及用于收容这些构件的壳体6。
脱硫器2用于对自外部导入的氢制造用原料进行脱硫。在该脱硫器2中设有加热器(未图示)，由此脱硫器2能够例如将氢制造用原料加热到130℃～140℃。
FPS 3用于对氢制造用原料进行改质从而产生改质气体，其包括改质器8、燃烧器(burner)9、CO转化器10以及选择式氧化器15。改质器8不仅被供给经脱硫器2脱硫了的氢制造用原料，并且被自外部供给水蒸气(水)。然后，利用改质催化剂使脱硫了的氢制造用原料和水蒸气(水)进行水蒸气改质反应，从而产生含氢的改质气体。
燃烧器9通过对改质器8的改质催化剂进行加热而供给水蒸气改质反应所需要的热量。另外，作为燃烧器9的燃料，优选在装置起动时使用来自脱硫器2的氢制造用原料，在装置运转过程中使用来自PEFC电池堆4的废气(off-gas)。
CO转化器10用于降低在改质器8中产生的改质气体所包含的一氧化碳的浓度(CO)，其使一氧化碳与水进行反应，利用水煤气变换反应将一氧化碳转化成氢和二氧化碳。另外，选择式氧化器15用于进一步降低由CO转化器10处理过的改质气体中的一氧化碳的浓度，其通过有选择地对改质气体中的一氧化碳进行氧化，从而使一氧化碳转化成二氧化碳。
PEFC电池堆(电池堆)4通过重叠多个电池单元(未图示)而成，使用由FPS3获得的改质气体发电而输出直流(DC)电流。电池单元包括阳极、阴极、以及配置在阳极和阴极之间的作为固体高分子的电解质，该电池单元通过将改质气体导入阳极、并将空气导入阴极，在各电池单元中进行电气化学的发电反应。
逆变器5用于将所输出的DC电流转换成交流(AC)电流。将脱硫器2、FPS3、PEFC电池堆4以及逆变器5构成组件后收容在壳体6内部。该壳体6通过在基座6b上覆盖盖体6a而成，具有内部空间S。
如图2所示，在壳体6的内部空间S中，覆盖基座6b的整个上表面(底面)6c地铺设有搭载平板(搭载板)12，在该搭载平板12上搭载有FPS3、PEFC电池堆4、控制装置(温度控制部件)11，以及除此之外还搭载有燃料电池系统1的辅机、热交换器、配管等内部设备。另外，搭载平板12在基座6b上由支脚12a支承而与基座6b分离，构成所谓的双底构造。并且，在搭载平板12与基座6b之间配置有用于对壳体6的内部空间S进行加热的护套式加热器(加热部件)13。在搭载平板12的外缘部与壳体6的盖体6a之间设有间隙，从而防止从搭载平板12通过盖体6a向外传递热量。另外，来自护套式加热器13的热量在自然对流的作用下通过该间隙向上方流动。
PEFC电池堆4配置在控制装置11的上方，并借助隔热件4a安装有温度传感器(温度检测部件)14。利用该温度传感器14检测PEFC电池堆4的周围温度。
控制装置11具有温度控制功能，用于通过检测壳体6的内部空间S的温度而控制护套式加热器13。具体而言，从节省成本的观点考虑，优选利用双金属式恒温器来实现该温度控制功能。另外，控制装置11除了具有控制温度的功能之外还具有控制整个燃料电池系统1的功能。
如图3所示，搭载平板12优选是矩形的板材，其上规则地排列有多个具有相同直径的通孔12b。由此，因为能够使来自配置在下方的护套式加热器13的热量通过通孔12b而向上方自然对流，所以能够高效地加热内部空间S。另外，还能够防止水等液体积存在搭载平板12上。
如图4所示，护套式加热器13是通过使一根电热丝均匀地遍布在基座6b上、且利用固定件16固定该电热丝而构成的。考虑到作为氢制造用原料的煤油的点火温度、系统中的电子零件的耐热温度等，并且考虑到护套式加热器13的养护，将护套式加热器13产生热量时的周围温度设为50℃～100℃，优选设为60℃左右。另外，如图5所示，护套式加热器13被固定件16a、16b从上下方向夹持地固定，并且该护套式加热器13受到支脚17支承，从而在护套式加热器13与基座6b之间形成间隔18。
接下来，参照图6说明控制装置11中的控制方法。
首先，利用温度传感器14检测PEFC电池堆4的周围温度(S100)。此时，在燃料电池系统1处于运转状态的情况等时，在检测到自系统内的各零件产生的热量使内部空间S的温度达到5℃以上时，并不将护套式加热器13从开启(ON)状态切换为关闭(OFF)状态，而是继续检测周围的温度。另一方面，在燃料电池系统1处于停止运转状态的情况等时，内部空间S的温度下降，在温度检测器14检测到PEFC电池堆4的周围温度在5℃以下(S105)时，控制装置11开启护套式加热器13(S110)，对内部空间S进行加热。然后，再次检测温度(S115)，利用自护套式加热器13产生的热量使内部空间S的温度上升，在利用温度传感器14检测到PEFC电池堆4的周围温度达到10℃以上时(S120)，控制装置11关闭护套式加热器13(S125)，使该护套式加热器13停止产生热量。另一方面，当在S120中检测到周围温度并未超过10℃的情况下，将护套式加热器13维持在开启状态。在进行上述控制的情况下，在PEFC电池堆4的周围温度处于5℃到10℃时，无论护套式加热器13是开启状态还是关闭状态，都能维持当下的状态，通过这样在温度上设置滞后(hysteresis)，能够减少护套式加热器13进行不必要的开启/关闭的反复切换。另外，在5℃以上开启护套式加热器13是为了将PEFC电池堆4的周围温度至少保持在使水冻结的温度以上。
由此，能够利用温度传感器14检测系统中的冻结可能性特别高的零件即PEFC电池堆4的周围温度，利用控制装置11根据该检测结果控制护套式加热器13，以此加热壳体6的内部空间S，从而能够将PEFC电池堆4的周围温度保持在不会发生冻结的温度以上。由此，对于系统内的零件，至少能够防止冻结可能性很高的PEFC电池堆4发生冻结，从而使本燃料电池也能应用在寒冷的地区等。
另外，由于运转过程中在系统内产生热量，因此以PEFC电池堆4为首的系统内的零件发生冻结的可能性较低，而在非运转的状态时，上述零件发生冻结的可能性变高。特别是，PEFC电池堆4发生冻结可能性比其他零件高，而且在已经冻结了的情况下，PEFC电池堆4的性能也会受到影响，因此需要防止PEFC电池堆4冻结。但是，根据温度传感器14的配置位置的不同，也会发生在系统运转中等的PEFC电池堆4已不可能冻结的状态下护套式加热器13还仍在工作的情况，因而会出现浪费电力的情况。在此，在本燃料电池系统1中，由于将温度传感器配置在PEFC电池堆4周围，因此能够灵敏地应对系统的运转状况。因而，只在系统处于非运转状态的等情况下的可能发生冻结的时候使护套式加热器13工作，因此能够防止浪费电力。
另外，即使在万一系统内的水、液体类的氢制造用原料等发生泄露而积存在壳体6的基座6b上的情况下，也能通过在护套式加热器13与基座6b之间设置间隔18，以防止短路、漏电，从而提高安全性。另外，通过将护套式加热器13配置在内部空间S的下部，能够使自护套式加热器13产生的热量在壳体6的整个内部空间S内自然对流，因而能够提高加热效率。
另外，由于护套式加热器13和PEFC电池堆4被搭载平板12隔开，因此能够防止两者直接接触，从而能进一步提高安全性。另外，通过将护套式加热器13配置在搭载平板12的下部，能够有效利用空间，实现装置的小型化。
本发明并不限定于上述实施方式。
例如，只要是PEFC电池堆4的周围，温度传感器14可以被配置在任意位置上。
另外，上述实施方式应用了设有多个通孔12的构件为搭载平板12，但也可以使用图7那样的搭载平板22，即将搭载平板22分割成平板22a以及平板22b，并与所支承的零件的配置方式相匹配地设置通孔22c。由此，能够使热量自平板22a、22b之间的间隙22d以及通孔22c，与零件的配置方式相匹配地高效通过。
另外，电池堆并不限定于PEFC电池堆，也可以是碱性电解质型、磷酸型、熔融碳酸盐型或固体氧化物型等其他形式的电池堆。
另外，将护套式加热器13的从开启状态切换到关闭状态的温度设为5℃～10℃，但本发明并不限定于此，只要能将PEFC电池堆4的周围温度保持为不会使水冻结的温度即可，也可以是其他阈值T1、T2。
另外，上述实施方式使用了护套式加热器为加热部件，但本发明并不限定于此，也可以使用筒式加热器、管式加热器、软管加热器、陶瓷加热器、片式加热器(空间加热器)等为加热部件。
工业实用性
能够应用为用于防止系统内的设备发生冻结、即使在寒冷的地区等也能应用的安全性较高的燃料电池系统。

Claims (3)

1.一种燃料电池系统，其在壳体的内部空间内具有电池堆，其特征在于，
具有配置在上述内部空间内且用于对该内部空间进行加热的加热部件；
上述加热部件配置在上述壳体的上述内部空间的底面一侧，并且在上述底面与上述加热部件之间设有间隔；
在上述壳体的上述内部空间内设有搭载板，该搭载板用于搭载包含上述电池堆的内部设备；
上述加热部件配置在上述搭载板与上述壳体的上述内部空间的底面之间。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在上述搭载板上设有多个通孔。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
该燃料电池系统还包括：
温度检测部件，其配置在上述电池堆的周围，用于检测该电池堆的周围温度；
温度控制部件，其根据由上述温度检测部件检测到的温度控制上述加热部件，以至少将上述周围温度保持在使水冻结的温度以上。
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