CN102473947B - 燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改善了部分负荷运转时的运转条件的燃料电池装置。其具备：将通过燃料气体和含氧气体进行发电的燃料单电池电连接而成的电池组；用于向燃料单电池供给燃料气体的燃料气体供给部；对在燃料单电池发电的电流的向外部负荷的供给量进行调整的电力调整部；以及分别对燃料气体供给部及电力调整部进行控制的控制装置，其中，控制装置控制燃料气体供给部及电力调整部，使得在燃料电池装置的部分负荷运转中，当供给到电池组的燃料气体是最低流量以上时，电池组的燃料利用率与电池组发电的电流量之间的关系是非直线的关系，由此，在燃料电池装置的运转控制中，能够高效地进行部分负荷运转。

Description

燃料电池装置
技术领域
本发明涉及一种在外装壳体内收纳燃料单电池而成的燃料电池装置。
背景技术
近年来，作为下一代能源而提出一种将电池组收纳在收纳容器内而成的燃料电池模块，电池组是将多个使用燃料气体(含氢气体)和空气(含氧气体)而能够得到电力的燃料单电池排列而成的。另外，还提出各种将燃料电池模块收纳在外装壳体内而成的燃料电池装置(例如，参考专利文献1)。
作为这种燃料电池，公知有固态高分子型(PEFC)、熔融碳酸盐型(MCFC)、磷酸型(PAFC)、固态氧化物型(SOFC)等各种电池，尤其是固态氧化物型燃料电池，当其在家庭中使用时，具有能够容易追随部分负荷的特性。
在部分负荷运转中，一般公知的是使供给到电池组(燃料单电池)的燃料气体的量下降，对此提出有该部分负荷运转中的燃料电池装置的运转方法(例如，参考专利文献2。)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2007-59377号公报
专利文献2：JP特开2006-24478号公报
在燃料电池装置的额定运转中，通过将电池组的燃料利用率(Uf)和电流量(I)保持为一定值，可以进行高效运转。
另一方面，在燃料电池装置的部分负荷运转中，电池组的燃料利用率和电流量(发电量)对应于外部负荷而发生变动(与额定运转中相比下降)。此时，若不平衡性良好地控制电池组的燃料利用率(Uf)和电流量(I)的关系，则存在燃料电池装置的发电效率下降以及负荷追随特性下降之虞。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种在进行部分负荷运转的燃料电池装置中改善了部分负荷运转中的运转条件的燃料电池装置。
本发明的燃料电池装置具备：
将多个通过燃料气体和含氧气体进行发电的燃料单电池电连接而成的电池组；
用于向燃料单电池供给燃料气体的燃料气体供给部；
对在燃料单电池发电的电流的向外部负荷的供给量进行调整的电力调整部；以及
分别对燃料气体供给部及电力调整部进行控制的控制装置，
所述燃料电池装置的特征在于，
控制装置控制燃料气体供给部及电力调整部，使得在燃料电池装置的部分负荷运转中，当供给到电池组的燃料气体是发电所需最低流量以上时，电池组的燃料利用率与电池组发电的电流量之间的关系是非直线的关系。
发明效果
根据本发明的燃料电池装置，能够高效地进行部分负荷运转。
附图说明
图1是表示具备本发明的燃料电池装置的燃料电池系统的一例的构成图。
图2是表示本发明的燃料电池装置中的电池组的燃料利用率与电池组对应于外部负荷的要求而发电的电流量之间的关系的一例的坐标图。
图3是表示本发明的燃料电池装置中的电池组的燃料利用率与电池组对应于外部负荷的要求而发电的电流量之间的关系的另一例的坐标图。
图4是表示本发明的燃料电池装置中的电池组的燃料利用率与电池组对应于外部负荷的要求而发电的电流量之间的关系的又一例的坐标图。
具体实施方式
结合图1说明本发明的燃料电池装置的一例。
图1所示的燃料电池系统包括：进行发电的发电单元；贮存热交换后的热水的热水贮存单元；以及用于使水在这些单元间循环的循环配管。
图1所示的发电单元具备：将多个燃料单电池(未图示)电连接排列而成的电池组1；用于供给天然气等原燃料的原燃料供给部2；用于向构成电池组1的燃料单电池供给含氧气体的含氧气体供给部3；以及利用原燃料和水蒸气进行水蒸气重整反应的重整器4。重整器4包括：使由后述的水泵5供给的纯水汽化，并用于将从原燃料供给部2供给的原燃料和水蒸气混合起来的汽化部(未图示)；以及内部具备重整催化剂且用于使混合的原燃料与水蒸气发生反应而生成燃料气体(含氢气体)的重整部(未图示)。由此，利用在重整器4生成的燃料气体以及由含氧气体供给部3供给的含氧气体，进行燃料单电池(电池组1)的发电。需要说明的是，燃料气体供给部至少包括原燃料供给部2。
电池组1、重整器4被收纳在收纳容器内以构成燃料电池模块(以下，有时简称为模块)。需要说明的是，在图1中，由双点划线包围示出构成燃料电池模块的各装置，由M表示模块。另外，重整器4设置在收纳容器外也是可以的。
在此，对模块M进行说明。作为模块M，可使用已知的燃料电池模块。例如，在收纳容器内，在使具有内部流通气体的气体流路的柱状燃料单电池立起设置的状态下排列燃料单电池，在相邻的燃料单电池间隔着集电部件电气性地串联连接而构成电池组1。然后，收纳电池组装置和重整器4而构成模块，其中，电池组装置是通过玻璃密封材料等绝缘性接合材料将燃料单电池的下端固定于燃料气体室而成的，重整器4配置在燃料单电池的上方，用于向燃料单电池供给燃料气体。
作为构成电池组1的燃料单电池，公知各种燃料单电池，但在进行部分负荷运转(负荷追随运转)时，可以用固体氧化物型燃料单电池。另外，通过将构成电池组1的燃料单电池设为固体氧化物型燃料单电池，可以使燃料单电池工作所需的辅机类小型化，从而可使燃料电池装置22小型化。
需要说明的是，作为燃料单电池的形状，可使用平板型或圆筒型等各种形状的燃料单电池，但在高效进行燃料单电池的发电方面，可以使用中空平板型的燃料单电池。作为这种中空平板型的燃料单电池，可以使用内侧形成燃料极层、并在外侧形成氧极层的燃料极支持型的中空平板型燃料单电池。
另外，在图1所示的发电单元中设有：热交换器6，其通过因构成电池组1的燃料单电池的发电而产生的废气(排热)与在循环配管13中流动的水进行热交换；冷凝水净化装置7，其用于对通过热交换而生成的冷凝水进行净化(优选生成纯水)；以及冷凝水供给管15，其用于将在热交换器6生成的冷凝水供给向冷凝水净化装置7。由冷凝水净化装置7处理后的冷凝水被贮存在由箱连结管16连结的水箱8中，之后，通过水泵5供应给重整器4(汽化部，未图示)。需要说明的是，通过使冷凝水净化装置7具备水箱的功能，还可以省略水箱8。
进而，图1所示的发电单元具备：电力调整部9，其用于将由燃料单电池发电的直流电转换为交流电，并对转换的交流电的向外部负荷的供给量进行调整；出口水温传感器11，其设置在热交换器6的出口，用于对在热交换器6的出口流动的水(循环水流)的水温进行测定；控制装置10；以及使水在循环配管13内循环的循环泵12。而且，燃料电池装置至少包括：电池组1；控制装置10；用于向燃料单电池供给燃料气体的燃料气体供给部以及对由燃料单电池发电的电流的向外部负荷的供给量进行调整的电力调整部。
需要说明的是，在图1中，省略了电力调整部9和外部负荷的连接，作为电力调整部9，可以例示出功率调节器(power conditioner)。而且，通过将这些构成发电单元的各装置收纳在外装壳体内，可以使设置或搬运等变容易。需要说明的是，热水贮存单元具备用于贮存热交换后的热水的热水贮存箱14而构成。
另外，在电池组1和热交换器6之间，设有用于对伴随电池组1的运转而产生的废气进行处理的废气处理装置(未图示)。废气处理装置是在收纳容器内收纳废气处理部而成的，作为废气处理部，可使用一般公知的燃烧催化剂。
另一方面，在供给向冷凝水净化装置7的冷凝水的量少的情况下，或由冷凝水处理部处理后的冷凝水的纯度低的情况下，还可以将从外部供给的水(自来水等)进行净化并供给到重整器4。在图1中，为了对从外部供给的水进行净化而具备各水处理装置。
在此，用于将从外部供给的水供给到重整器4的各水处理装置至少具备用于对水进行净化的活性炭过滤器装置19、逆浸透膜装置20以及离子交换树脂装置21这样的各装置中的离子交换树脂装置21(优选这些装置全都具备)。而且，在离子交换树脂装置21生成的纯水被贮存在水箱8中。需要说明的是，在图1所示的燃料电池装置(发电单元)中，设有用于对从外部供给的水的量进行调整的供水阀18。
另外，在图1中，由点划线包围示出用于将供给到重整器4的水处理成纯水的各水处理装置(作为外部水净化装置X进行表示)。
但是，在仅靠通过由燃料单电池的发电而产生的废气(排热)与循环配管13的水之间的热交换而生成的冷凝水，就可供应在重整器4的水蒸气重整反应所需的水(纯水)的情况下，也可以省去外部水净化装置X。
在此，对图1所示的燃料电池装置(发电单元)的运转方法进行说明。当为了生成燃料单电池的发电所使用的燃料气体而进行水蒸气重整时，在重整器4使用的纯水采用的是冷凝水，该冷凝水是通过在热交换器6伴随电池组1(燃料单电池)的运转而生成的废气与在循环配管13流通的水之间的热交换而生成的冷凝水。需要说明的是，在循环配管13流通并通过与废气的热交换而温度上升了的水(即热水)被贮存在热水贮存箱14中。在热交换器6生成的冷凝水在冷凝水供给管15流通并被供给到冷凝水净化装置7。通过冷凝水净化装置7所具备的冷凝水净化部(离子交换树脂等)处理后的冷凝水(纯水)经箱连结管16被供给到水箱8。贮存在水箱8中的水由水泵5供给到重整器4，并与由原燃料供给部2供给的原燃料进行水蒸气重整，生成的燃料气体被供给到燃料单电池(电池组1)。在燃料单电池(电池组1)中，使用经重整器4供给的燃料气体与由含氧气体供给部3供给的含氧气体进行发电，由燃料单电池(电池组1)发电的电流经调整部9被供给到外部负荷。通过以上方法，可以有效利用冷凝水来进行水独立运转。
另一方面，在冷凝水的生成量少的情况下、或在冷凝水净化装置7处理后的冷凝水的纯度低的情况下，还可以使用从外部供给的水(自来水等)。
此时，首先打开供水阀18(例如电磁阀或空气驱动阀等)，自来水等从外部供给的水通过供水管17被供应向活性炭过滤器19。在活性炭过滤器19处理了的水接着被供给到逆浸透膜20。在逆浸透膜20处理了的水接着被供给到离子交换树脂装置21。然后，在离子交换树脂装置21净化后的水被贮存在水箱8中。在水箱8贮存的净化后的水(纯水)通过上述方法而被用于燃料单电池(电池组1)的发电。
在上述结构的燃料电池装置中，在额定运转中，控制装置10控制原燃料供给部2以及含氧气体供给部3的动作，将额定运转所需的必要量的燃料气体与含氧气体供给到燃料单电池(电池组1)。由此，在燃料单电池(电池组1)中产生额定电力，在燃料单电池(电池组1)流通直流电流。另外，通过燃料单电池(电池组1)的发电而产生的电力在调整部9被转换为交流电后，被供给到外部负荷。即，在额定运转中，控制装置10控制各装置，使得对应于外部负荷的要求而使电池组1的燃料利用率(Uf)和电池组1发电的电流量(I)之间的关系为一定值。
另一方面，在家庭中使用燃料电池装置的情况下，外部负荷的要求电力容易变动。尤其在清早或傍晚以后的时间带，要求电力变高，在电池组1流通的电流变高，相对于此，在白天或夜晚等时，要求电力变低，在电池组1流通的电流变少。
在要求电力低的时间带使燃料电池装置进行额定运转，这在与燃料电池装置连接的系统电力中存在来自燃料电池装置的电力产生逆潮流的顾虑。因此，尤其在家庭用的燃料电池装置的运转中，可进行与外部负荷的要求电力相对应的部分负荷运转(负荷追随运转)。
在这种部分负荷运转中，控制装置10控制原燃料供给部2以及含氧气体供给部3的动作，为了得到与外部负荷的要求电力相对应的电流量而将必要量的燃料气体与含氧气体供应给燃料单电池(电池组1)。通过燃料单电池(电池组1)的发电而产生的直流电力在被电力调整部9转换为交流电力后，被供应给外部负荷。
即，在部分负荷运转中，电池组1的燃料利用率(Uf)与电流量(I)对应于要求负荷而变动。具体而言，相比于额定运转中下降。
因此，在部分负荷运转中，若不平衡性良好地控制电池组1的燃料利用率(Uf)与电流量(I)之间的关系，就存在燃料电池装置的发电效率下降或负荷追随特性下降之虞。
图2到图4是表示燃料电池装置中的电池组1的燃料利用率与电池组1对应于外部负荷的要求而发电的电流量之间的关系的坐标图。
在维持燃料电池装置的运转时，由于需要将燃料单电池的温度保持为规定温度以上，因此，即使在外部负荷的要求电力低的情况下，有时也需要将规定量以上的燃料气体供应给燃料单电池(电池组1)。以下，将该规定量的燃料气体的量称为最低流量。
在本实施方式的燃料电池装置中，在部分负荷运转中，当供应向电池组1的燃料气体是最低流量以上时，控制装置10控制原燃料供给部2及电力调整部9，使得电池组1的燃料利用率(Uf)与电池组1对应于外部负荷的要求而发电的电流量(I)之间的关系为非直线的关系。另外，还优选一起控制含氧气体供给部3，下同。
即，当控制原燃料供给部2及电力调整部9，以使部分负荷运转中的电池组1的燃料利用率(Uf)与电流量(I)之间的关系为直线关系时，如后所述，难以进行提高负荷追随特性的运转，或难以进行在燃料单电池的一端侧使剩余的燃料气体燃烧时抑制失火的运转等那样的运转。
相对于此，在部分负荷运转中，当供应向电池组1的燃料气体为最低流量以上时，利用控制装置10控制原燃料供给部2及调整部9，使得电池组1的燃料利用率(Uf)与电流量(I)之间的关系为非直线的关系，由此，在部分负荷运转中，能够进行提高负荷追随特性的运转，或能够进行在燃料单电池的一端侧使剩余的燃料气体燃烧时抑制失火的运转等，从而能够进行高效的部分负荷运转。
另外，当部分负荷运转中的电池组1的燃料利用率(Uf)的最大值与燃料电池装置的额定运转中的燃料利用率(Uf)相等时，可以减少燃料单电池的氧化，并可以减少燃料单电池的破损。因此，可以得到可靠性提高了的燃料电池装置。
并且，如图2所示，在部分负荷运转中，当向电池组1供给比供应给电池组1的燃料气体的最低流量多的燃料气体时，若伴随着电池组1发电的电流量(I)的增加，由控制装置10分别控制燃料气体供给部2及电力调整部9，使得电池组1的燃料利用率(Uf)的增加量减少，则即便在电池组1的电流量(I)低的情况下，也可以将燃料单电池的温度维持在高温，并可以提高燃料电池装置的负荷追随特性。
另一方面，在其结构为在燃料单电池的一端侧、使未用于燃料单电池的发电的剩余燃料气体燃烧的燃料电池装置中，由于在部分负荷运转中供应给燃料单电池(电池组1)的燃料气体的量减少，因此存在剩余的燃料气体燃烧失火的顾虑。
因此，如图3所示，在部分负荷运转中，当供应给电池组1的燃料气体是最低流量以上时，若伴随着电池组1发电的电流量(I)的增加，由控制装置10控制原燃料供给部2以及电力调整部9，以使燃料利用率(Uf)的增加量增加，则在电池组1的电流量(I)低的情况下，剩余的燃料气体增加。即，由于剩余的燃料气体增加，因此可以减少剩余的燃料气体燃烧而失火的情况。
需要说明的是，在图2及图3中，表示的是在向电池组1供给比供应给电池组1的燃料气体的最低流量多的燃料气体的情况下，部分负荷运转时的电池组1的燃料利用率(Uf)与电流量(I)之间的关系为二次曲线的情况，但并不限于由二次曲线表示的关系。可根据构成燃料电池装置的燃料单电池的数量、或模块M的大小等进行适当设定，例如，也可以是三次曲线表示的关系等。
例如，如图4所示，在供应给电池组1的燃料气体是最低流量以上的情况下，可由控制装置10控制原燃料供给部2及电力调整部9，使得伴随着电池组1发电的电流量(I)的增加，燃料利用率(Uf)的增加量增加，之后，伴随电流量(I)的增加而燃料利用率(Uf)的增加量减少。此时，部分负荷运转时的电池组1的燃料利用率(Uf)与电流量(I)之间的关系是以三次曲线表示的关系。
由此，在电池组1的电流量(I)低的区域剩余的燃料气体增加，可以减少燃料电池装置中剩余的燃料气体燃烧而失火的情况，并且可以提高负荷追随特性。
需要说明的是，在部分负荷运转中的电池组1的燃料利用率(Uf)与电流量(I)之间的关系中，在供应给电池组1的燃料气体的量达到最低流量之前，电池组1的燃料利用率(Uf)与电流量(I)之间的关系是直线关系。
以上，对本发明进行了详细说明，但本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明要旨的范围内可以进行各种变更、改良等。
例如，在部分负荷运转中，当向电池组1供给比供应给电池组1的燃料气体的最低流量多的燃料气体时，也可以利用控制装置10控制原燃料供给部2及电力调整部9，使得伴随着电池组1发电的电流量(I)的增加，燃料利用率(Uf)的增加量减少，之后，伴随着电池组1发电的电流量(I)的增加，燃料利用率(Uf)的增加量增加。
符号说明
1：电池组
2：原燃料供给部
3：含氧气体供给部
9：调整部(功率调节器)
10：控制装置
M：燃料电池模块

Claims (2)

1.一种燃料电池装置，其具备：
将多个通过燃料气体和含氧气体进行发电的燃料单电池电连接而成的电池组；
用于向所述燃料单电池供给所述燃料气体的燃料气体供给部；
对在所述燃料单电池发电的电流的向外部负荷的供给量进行调整的电力调整部；以及
分别对所述燃料气体供给部及所述电力调整部进行控制的控制装置，所述燃料电池装置的特征在于，
所述控制装置控制所述燃料气体供给部及所述电力调整部，使得：
在所述燃料电池装置的部分负荷运转中，在供应给电池组的燃料气体的量达到最低流量之前，所述电池组的燃料利用率与所述电池组发电的电流量之间的关系是直线关系，
在所述燃料电池装置的部分负荷运转中，当供给到所述电池组的所述燃料气体是发电所需最低流量以上时，
所述电池组的燃料利用率与所述电池组发电的电流量之间的关系是非直线的关系，且伴随所述电池组发电的电流量的增加，所述燃料利用率的增加量减少，并且，部分负荷运转中的所述电池组的燃料利用率的最大值与所述燃料电池装置的额定运转中的燃料利用率相同，
在所述燃料电池装置的额定运转中，所述电池组的燃料利用率和所述电池组发电的电流量之间的关系为一定值。
2.一种燃料电池装置，其具备：
将多个通过燃料气体和含氧气体进行发电的燃料单电池电连接而成的电池组；
用于向所述燃料单电池供给所述燃料气体的燃料气体供给部；
对在所述燃料单电池发电的电流的向外部负荷的供给量进行调整的电力调整部；以及
分别对所述燃料气体供给部及所述电力调整部进行控制的控制装置，
所述燃料电池装置的特征在于，
所述燃料单电池具有在该燃料单电池的一端侧使未用于所述燃料单电池发电的剩余的燃料气体燃烧的结构，
所述控制装置分别控制所述燃料气体供给部及所述电力调整部，使得：
在所述燃料电池装置的部分负荷运转中，在供应给电池组的燃料气体的量达到最低流量之前，所述电池组的燃料利用率与所述电池组发电的电流量之间的关系是直线关系，
在所述燃料电池装置的部分负荷运转中，当供给到所述电池组的所述燃料气体是发电所需最低流量以上时，
所述电池组的燃料利用率与所述电池组发电的电流量之间的关系是非直线的关系，且伴随所述电池组发电的电流量的增加，所述燃料利用率的增加量增加，并且，部分负荷运转中的所述电池组的燃料利用率的最大值与所述燃料电池装置的额定运转中的燃料利用率相同，
在所述燃料电池装置的额定运转中，所述电池组的燃料利用率和所述电池组发电的电流量之间的关系为一定值。
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