CN104115321A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统，抑制排放气体从燃料电池模块内向燃料电池系统外的泄漏。构成SOFC系统的简易气密箱体(4)收纳燃料电池模块(1)、排放气体处理部(2)以及热交换器(3)。SOFC封装体(7)收纳简易气密箱体(4)，在简易气密箱体(4)的周围分隔形成辅机室(8)。在简易气密箱体(4)中设置有吸气孔(41)。配置在简易气密箱体(4)内的鼓风机(17a)经由阴极用空气的供应通路(17)抽吸简易气密箱体(4)内的空气后供应到燃料电池模块(1)内的燃料电池单元的空气极。鼓风机(17a)抽吸简易气密箱体(4)内的空气，由此使简易气密箱体(4)的内部与简易气密箱体(4)的周围(辅机室(8))相比维持低压的状态。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
燃料电池系统作为能量利用效率高的发电系统正在被踊跃开发。其中，固体氧化物燃料电池系统(以下，称为“SOFC系统”)由于其高发电效率而作为低CO2排放量的下一代定置用电源受到关注。
该系统一般包含燃料电池和壳体而构成，该燃料电池使含氢燃料和空气发生反应进行发电，该壳体包围该燃料电池，在其内部使剩余的含氢燃料燃烧，将燃料电池维持为高温状态。它们是系统的主要部分，将它们统称为燃料电池模块。
由于壳体内的燃烧，会生成高温的排放气体。
以往，在燃料电池模块中，作为关于与贯通其壳体的配管/配线类的连接部(接合部)的处理，使用具有耐高温性和气密性的密封垫(例如，由膨胀石墨制成的密封垫)，由燃料电池模块自身确保了气密性。通过这样确保气密性，能抑制系统运转时排放气体从壳体的内部向外部的泄漏。
另外，在将部件类组装到壳体内后将壳体的最外侧盖密闭的工序中，使用上述的由膨胀石墨制成的密封垫或者将该盖焊接而确保了气密性。通过这样确保气密性，能抑制系统运转时排放气体从壳体的内部向外部的泄漏。
作为与这种排放气体泄漏的抑制相关的技术，能够举出专利文献1、2所述的技术。
专利文献1记载了使用由石墨制成且具有耐热性的密封垫进行盖(金属板)的密闭。
专利文献2记载了燃料电池系统具备排放气体用的抽吸装置，该抽吸装置抽吸壳体内的排放气体而将其引导到热交换器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2008-84590号公报
专利文献2：特开2008-311005号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在通过实施如上所述的焊接处理确保燃料电池模块的气密性的情况下，在制造燃料电池模块时需要进行每个焊接部位的气密检查。在该检查中，当焊接部位较多时，检查部位也变多，因此，检查有可能费时，而且有可能招致制造成本的上升。
另外，在如上所述使用由膨胀石墨制成的密封垫确保燃料电池模块的气密性的情况下，由于由膨胀石墨制成的密封垫比较昂贵，制造成本会上升。
另外，专利文献2所述的抽吸装置有可能会大量抽吸排放气体中所包含的水蒸气，因此，该水蒸气有可能对抽吸装置的机械寿命产生不利影响。若作为其对策而设置例如用于减少水蒸气的新的装置，则会招致制造成本的上升、燃料电池系统的过度大型化。
鉴于这种实际情况，本发明的目的在于，既抑制制造成本的上升和燃料电池系统的过度大型化，又抑制排放气体从燃料电池模块内向系统外的泄漏。
用于解决问题的方案
因此，本发明的燃料电池系统包含燃料电池模块、第1箱体以及抽吸装置而构成，该燃料电池模块包含：燃料电池，其使含氢燃料与空气发生反应而进行发电；以及壳体，其包围该燃料电池，在其内部使燃料电池中剩余的含氢燃料燃烧而将燃料电池维持为高温状态，该第1箱体收纳该燃料电池模块，该抽吸装置抽吸该第1箱体内的空气而将第1箱体内维持为负压状态。
发明效果
根据本发明，抽吸装置抽吸第1箱体内的空气而将第1箱体内维持为负压状态。由此，第1箱体的内部与第1箱体的周围相比维持低压的状态，因此，即使在从燃料电池模块向第1箱体内泄漏了少量的排放气体的情况下，也能够抑制该少量的排放气体流出到第1箱体外这一情况。另外，在燃料电池模块的外表面与第1箱体的内表面之间形成有空气层，因此，第1箱体的表面温度与燃料电池模块的外表面温度相比为低温。因此，在贯通第1箱体的配管/配线类的接合处理中，能够取代上述的由膨胀石墨制成的密封垫，而使用比该密封垫便宜且耐热性低的构件(例如，由橡胶制成的密封圈)。
另外，根据本发明，抽吸装置抽吸第1箱体内的空气。由此，抽吸装置主要抽吸第1箱体内的比较干燥的空气，因此，能够得到比较良好的机械寿命。
因此，根据本发明，能够在上述的接合处理中使用比较便宜的构件，另外，能够得到抽吸装置的比较良好的机械寿命，因此，即能够抑制制造成本，又能够抑制排放气体从燃料电池模块内向系统外的泄漏。
另外，根据本发明，抽吸装置主要抽吸第1箱体内的比较干燥的空气，因此，不需要作为抽吸装置的寿命对策而设置如上所述的用于减少水蒸气的新的装置。而且，能够抑制燃料电池系统的过度大型化。
附图说明
图1是示出本发明的第1实施方式中的SOFC系统的概略构成的图。
图2是示出燃料电池模块的概略构成的图。
图3是示出第1箱体内的负压状态的判定方法的流程图。
图4是系统的运转停止控制的流程图。
图5是示出本发明的第2实施方式中的SOFC系统的概略构成的图。
图6是示出本发明的第3实施方式中的SOFC系统的概略构成的图。
图7是示出本发明的第4实施方式中的SOFC系统的概略构成的图。
图8是示出本发明的第5实施方式中的SOFC系统的概略构成的图。
图9是示出本发明的第6实施方式中的SOFC系统的概略构成的图。
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明的实施的方式。
图1示出本发明的第1实施方式中的SOFC系统的概略构成。图2示出燃料电池模块的概略构成。
SOFC系统包含构成其主要部分(发电部)的燃料电池模块1、排放气体处理部2、热交换器3、简易气密箱体4、功率调节器(以下，称为“PCS”)5、控制单元6以及SOFC封装体7而构成。在排放气体处理部2中，由燃料电池模块1排出的排放气体被净化。在热交换器3中，将由排放气体处理部2净化后的排放气体的热回收而得到温水。简易气密箱体4收纳燃料电池模块1、排放气体处理部2以及热交换器3。在此，简易气密箱体4对应于本发明的第1箱体。在PCS5中，提取燃料电池模块1的发电电力。SOFC封装体7收纳简易气密箱体4、PCS5以及控制单元6。在此，SOFC封装体7对应于本发明的第2箱体。另外，将由SOFC封装体7的内表面与简易气密箱体4的外表面分隔形成的室称为辅机室8。因此，在辅机室8内配置有PCS5和控制单元6。
简易气密箱体4为箱状，由金属形成。
在简易气密箱体4中形成有将其内部与外部连通的2个连通孔(吸气孔41和排气孔42)。在此，吸气孔41对应于本发明中的简易气密箱体4的吸气部。吸气孔41具有将简易气密箱体4外的空气引导到简易气密箱体4内的功能。
SOFC封装体7为箱状。
在SOFC封装体7中形成有将其内部与外部连通的2个连通孔(吸气孔71和排气孔72)。
吸气管43的一端部被气密液密地连接到简易气密箱体4的吸气孔41。吸气管43的中间部贯通SOFC封装体7的吸气孔71。吸气管43的另一端部从SOFC封装体7的外表面向外方突出。换言之，吸气管43是贯通SOFC封装体7并将简易气密箱体4的内部与SOFC封装体7的外部连通的连通管。另外，吸气管43具有将外部气体引导到简易气密箱体4内的功能。此外，吸气管43也可以是其一端部连接到简易气密箱体4的吸气孔41，另一端部连接到SOFC封装体7的吸气孔71。在此，简易气密箱体4的与吸气管43的连接部(接合部)使用例如由橡胶制成的密封圈G作为密封构件。
以贯通简易气密箱体4的排气孔42和SOFC封装体7的排气孔72的方式设置有排气管44。
排气管44的一端部连接到简易气密箱体4内的热交换器3的排气口31。排气管44的中间部气密液密地贯通简易气密箱体4的排气孔42，而且穿过SOFC封装体7的排气孔72。排气管44的另一端部从SOFC封装体7的外表面向外方突出。因此，热交换器3的内部(排气通路)经由排气管44连通到SOFC封装体7的外部。此外，排气管44也可以是其一端部连接到简易气密箱体4内的热交换器3的排气口31，中间部贯通简易气密箱体4的排气孔42，另一端部连接到SOFC封装体7的排气孔72。在此，简易气密箱体4中的排气管44的贯通部(接合部)使用例如由橡胶制成的密封圈G作为密封构件。
在SOFC封装体7中设置有将外部气体引导到辅机室8内的换气风扇73。另外，在SOFC封装体7中形成有用于将其辅机室8内的空气排出的换气孔74。当使换气风扇73工作将外部气体引导到SOFC封装体7内时，该外部气体将辅机室8内的PCS5、辅机等(例如，后述的泵15a、16a等)冷却后，从换气孔74排出到外部。
在简易气密箱体4中设置有差压传感器4a作为检测其内部压力与外部压力(即，辅机室8的内部压力)的差压ΔP的压力差检测部。来自差压传感器4a的压力差检测信号(与差压ΔP对应的信号)经由未图示的信号线传递到控制单元6。此外，在本实施方式中，差压ΔP是指辅机室8的内部压力与简易气密箱体4的内部压力的差(即ΔP＝(辅机室8的内部压力)-(简易气密箱体4的内部压力))。另外，在本实施方式中，使用差压传感器4a作为检测差压ΔP的压力差检测部，但压力差检测部的构成不限于此。例如，也可以分别设置检测简易气密箱体4的内部压力的压力传感器和检测辅机室8的内部压力的压力传感器，基于这些压力传感器的压力检测值算出差压ΔP，由此，实现作为压力差检测部的功能。
如图2所示，简易气密箱体4内的燃料电池模块1是在壳体10内配置改性器11、燃料电池堆12(多个燃料电池单元13的组装体)以及废气燃烧部14而构成的。即，壳体10包围改性器11、燃料电池堆12以及废气燃烧部14。在此，燃料电池堆12和燃料电池单元13对应于本发明的燃料电池。
壳体10是由耐热性金属形成的箱状的外箱体。优选壳体10是在内表面内衬隔热材料而构成的。另外，壳体10为了抑制向简易气密箱体4的传热而以与简易气密箱体4的内壁分离的方式配置。换言之，壳体10以在简易气密箱体4与燃料电池模块1之间形成空气层的方式设置。作为该设置的方法，例如能够举出隔着腿部设置的方法或者隔着与壳体10相比温度较低的热交换器3设置的方法。
如图1和图2所示，从SOFC封装体7的外部向壳体10的内部设置有原燃料(烃系燃料等)的供应通路15。
原燃料的供应通路15包括穿过分别预先形成于SOFC封装体7、简易气密箱体4以及壳体10的贯通孔(未图示)的配管。该配管与简易气密箱体4的贯通部(接合部)使用例如由橡胶制成的密封圈G作为密封构件。另外，该配管与壳体10的贯通部(接合部)使用例如金属管或者瓷管(未图示)。
如图1所示，在辅机室8内的原燃料的供应通路15中，从上游侧朝向下游侧依次设置有脱硫器18、作为适当的供应量控制装置的泵15a。在脱硫器18中，原燃料中的硫化合物被除去。在原燃料的供应通路15中的泵15a与简易气密箱体4之间连接有改性用空气的供应通路(未图示)。在该改性用空气的供应通路中设置有作为适当的供应量控制装置的鼓风机(未图示)。
如图1和图2所示，从辅机室8内的后述的水箱34向壳体10内设置有水蒸气改性用的水(改性水)的供应通路16。在辅机室8内的改性水的供应通路16中设置有作为适当的供应量控制装置的泵16a。
改性水的供应通路16包括穿过分别预先形成于简易气密箱体4和壳体10的贯通孔(未图示)的配管。该配管与简易气密箱体4的贯通部(接合部)使用例如由橡胶制成的密封圈G作为密封构件。另外，该配管与壳体10的贯通部(接合部)使用例如金属管或者瓷管(未图示)。
在简易气密箱体4内，从壳体10的外部向内部设置有阴极用空气的供应通路17。在此，阴极用空气的供应通路17的一端部(吸入口17c)位于简易气密箱体4内。另外，阴极用空气的供应通路17的另一端部面对燃料电池单元13的空气极(阴极)。在阴极用空气的供应通路17中设置有鼓风机17a作为适当的供应量控制装置，鼓风机17a是空气供应装置。另外，在阴极用空气的供应通路17中的鼓风机17a的上游侧设置有除去空气中的异物的过滤器17b。
阴极用空气的供应通路17包括穿过预先形成于壳体10的贯通孔(未图示)的配管。该配管与壳体10的贯通部(接合部)使用例如金属管或者瓷管(未图示)。
图2所示的改性器11是向由耐热性金属形成的壳体内的室填充改性催化剂而构成的。原燃料和改性水的供应通路15、16连接到改性器11。因此，改性器11在使水气化而得到的水蒸气存在下，通过水蒸气改性反应对原燃料进行改性，生成富氢的燃料气体(改性气体)。在此，该改性气体对应于本发明的含氢燃料。此外，也可以取代水蒸气改性反应，通过部分氧化反应或者自热重整反应等以及这些改性反应的组合等作为氢产生方法而公知的方法来生成改性气体。
燃料电池堆12是将多个固体氧化物形燃料电池单元13串联连接而成的组装体。各单元13是在固体氧化物电解质的两面层叠燃料极(阳极)和空气极(阴极)而成的。改性气体通过来自改性器11出口的改性气体的供应通路19供应到燃料极。空气通过阴极用空气的供应通路17供应到空气极。
因此，在各个燃料电池单元13中，空气极处发生下述(1)式的电极反应，燃料极处发生下述(2)式的电极反应，从而进行发电。
空气极：1/2O2+2e-→O2-(固体电解质) …(1)
燃料极：O2-(固体电解质)+H2→H2O+2e- …(2)
在燃料电池单元13中设置有检测其温度T的温度传感器(未图示)。来自该温度传感器的温度检测信号(与单元温度T对应的信号)经由未图示的信号线传递到控制单元6。
废气燃烧部14设置在壳体10内。在废气燃烧部14中，使燃料电池堆12中剩余的改性气体(阳极废气)在剩余的空气存在下燃烧。在壳体10中，通过废气燃烧部14中产生的燃烧热将改性器11和燃料电池堆12维持为高温状态。因此，壳体10内由于燃料电池堆12中的发电和剩余改性气体的燃烧而在例如发电运转中成为600～1000℃程度的高温。
壳体10连接有对由其内部的燃烧生成的高温的排放气体进行净化的排放气体处理部2。
排放气体处理部2是向例如由金属制成的壳体内的室填充燃烧催化剂而构成的。在排放气体处理部2中，排放气体中所包含的一氧化碳、氢等成分由燃烧催化剂进行净化处理。
如图1所示，排放气体处理部2连接有使由排放气体处理部2处理后的排放气体与水进行热交换的热交换器3。
在热交换器3中，将燃料电池模块1的废热(包含燃料电池堆12中产生的热在内的排放气体的热)回收而得到温水。
热交换器3通过热介质循环通路20连接到未图示的热水供应单元(SOFC封装体7以外的封装体)的热水贮存槽。在辅机室8内的热介质循环通路20中设置有作为适当的供应量控制装置的泵20a。
热介质循环通路20包括穿过预先形成于简易气密箱体4的贯通孔(未图示)的配管。该配管与简易气密箱体4的贯通部(接合部)使用例如由橡胶制成的密封圈G作为密封构件。
在热交换器3内的排气通路中，通过与热介质循环通路20的热交换，排放气体中的水分会冷凝。因此，从热交换器3内的排气通路向简易气密箱体4的外部(辅机室8的内部)设置有冷凝水的回收通路32。
冷凝水的回收通路32包括穿过预先形成于简易气密箱体4的贯通孔(未图示)的配管。该配管与简易气密箱体4的贯通部(接合部)使用例如由橡胶制成的密封圈G作为密封构件。
在辅机室8内的冷凝水的回收通路32中设置有回收水处理部33。回收水处理部33包含例如离子交换树脂而构成。另外，辅机室8内的冷凝水的回收通路32的下游端连接到水箱34。
由热交换器3中的热交换生成的冷凝水通过冷凝水的回收通路32，在回收水处理部33中被处理后被贮存于水箱34。
水箱34所贮存的水被上述的泵16a抽吸，通过改性水的供应通路16后被供应到改性器11。
PCS5提取燃料电池模块1的燃料电池堆12中产生的直流电力。另外，PCS5具备逆变器，将直流电力变换为交流电力后供应到未图示的家庭内负载(电气设备)。此外，在燃料电池堆12的发电电力少于家庭内负载的需要电力的情况下，来自未图示的系统电源的系统电力作为不足的这部分电力供应到家庭内负载。
控制单元6控制燃料电池堆12的发电电力、用于使热交换要使用的热介质循环的泵20a的运转等。控制单元6包括微型计算机。该微型计算机具备CPU、ROM、RAM以及输入输出接口等。
通过控制经由泵15a、16a等向改性器11供应原燃料、改性水、改性用空气的供应量，并控制向燃料电池堆12供应改性气体(阳极气体)的供应量，另外通过控制经由鼓风机17a向燃料电池堆12供应空气(阴极气体)的供应量，由此进行控制单元6的发电电力的控制。
因此，控制单元6根据家庭内负载的需要电力，在额定最大发电电力的范围内设定燃料电池堆12的发电电力目标值，据此(为了得到发电电力目标值)控制燃料、水以及空气的供应量，从而控制燃料电池堆12的发电电力。
控制单元6还控制PCS5。具体地说，基于燃料电池堆12的发电电力目标值，设定/控制从燃料电池堆12提取的电流。更具体地说，将燃料电池堆12的发电电力目标值除以燃料电池堆12的输出电压(瞬时值)后设定为电流目标值，根据该电流目标值控制从燃料电池堆12提取的电流。
在鼓风机17a运转时，鼓风机17a经由阴极用空气的供应通路17抽吸简易气密箱体4内的空气后供应到燃料电池模块1内的燃料电池堆12(燃料电池单元13的空气极)。由此，简易气密箱体4的内部与简易气密箱体4的周围(辅机室8)相比维持低压的状态。即，鼓风机17a能作为本发明的抽吸装置发挥功能，将简易气密箱体4的内部维持为负压状态。因此，即使在从燃料电池模块1向简易气密箱体4内泄漏了少量的排放气体的情况下，也能够抑制以下情况：该少量的排放气体通过吸气孔41，另外通过密封圈G与配管部之间的空隙，而流出到简易气密箱体4外(辅机室8)。另外，泄漏到简易气密箱体4内的少量的排放气体与空气一起被鼓风机17a抽吸而引导到燃料电池模块1内，然后，在排放气体处理部2中，排放气体中的一氧化碳、氢等成分被净化处理。因此，能够抑制以下情况：泄漏到简易气密箱体4内的少量的排放气体中的一氧化碳、氢等成分从排气管44排出到SOFC封装体7外。
在本实施方式中，为了更可靠地抑制排放气体成分向该SOFC封装体7外的排出，而监视简易气密箱体4内的负压状态，根据该负压状态，控制系统的运转。在此，控制单元6作为本发明的控制部发挥功能，基于由差压传感器4a检测出的差压ΔP控制SOFC系统的运转。
图3是控制单元6所执行的简易气密箱体4内的负压状态的判定流程。
图3所示的负压状态判定流程在系统运转时按每规定时间执行。
在步骤S1中，将由上述的差压传感器4a检测出的差压ΔP与第1规定差压P1进行比较。在此，第1规定差压P1是用于判定简易气密箱体4内的负压状态是否正常的阈值，是预先设定的。
在ΔP＞P1的情况下，判定为简易气密箱体4内的负压状态正常地维持而前进至步骤S2，继续系统的通常运转。具体地说，如上所述，根据家庭内负载的需要电力，进行燃料电池堆12的发电电力的控制和PCS5的控制。
另一方面，在ΔP≤P1的情况下，判定为简易气密箱体4内的负压状态异常而前进至步骤S3。
在步骤S3中，将由上述的差压传感器4a检测出的差压ΔP与第2规定差压P2进行比较。在此，第2规定差压P2是用于判定简易气密箱体4内的负压状态的异常是否为轻微异常的阈值，是预先设定的。另外，第1规定差压P1和第2规定差压P2预先设定为满足0＜P2＜P1的关系。
在ΔP＞P2的情况下，判定为简易气密箱体4内的负压状态有异常但异常是轻微异常而前进至步骤S4，使系统的运转输出下降。具体地说，使上述的燃料电池堆12的发电电力目标值下降规定量或者限制其最大值，来进行燃料电池堆12的发电电力的控制和PCS5的控制。
另一方面，在ΔP≤P2的情况下，判定为简易气密箱体4内的负压状态的异常不是轻微异常而前进至步骤S5。
此外，也可以在步骤S4中使系统的运转输出下降后持续一定时间以上ΔP＞P2的状态的情况下，判定为简易气密箱体4内的负压状态的异常不是轻微异常而前进至步骤S5。
在步骤S5中，进行图4所示的系统的运转停止控制。
图4是控制单元6所执行的系统的运转停止控制流程。
在步骤S11中，判定是否有系统的紧急停止请求。在此，所谓紧急停止，是指进行将通常的运转停止控制的至少一部分手续省略的停止控制来使运转停止。例如在鼓风机17a的紧急运转停止时请求紧急停止。
在判定为有紧急停止请求的情况下，前进至步骤S12，进行系统的紧急停止控制。在紧急停止控制中，例如立即且一齐进行电流扫描的停止、原燃料和改性水向改性器11的供应停止、阴极用空气向燃料电池堆12的供应停止等，使系统停止。此外，在该紧急停止控制时，由于原燃料向改性器11的供应被立即停止，从而改性气体的生成被立即停止。另外，由于上述的一齐停止，燃料电池模块1内的温度会迅速开始下降，因此，与此相应地，燃料电池模块1内的气体的体积减少。而且，燃料电池模块1的周边空气(简易气密箱体4内的空气)会向被抽吸到燃料电池模块1内的方向移动。因此，能够抑制以下情况：残留在燃料电池模块1内的气体(例如，改性气体、阳极废气等)在阴极用空气的供应通路17中倒流而流出到简易气密箱体4。
另一方面，在步骤S11中判定为无紧急停止请求的情况下，前进至步骤S13，开始通常的运转停止控制。
在步骤S13中，立即停止电流扫描。具体地说，对PCS5指示电流扫描停止。将燃料电池堆12从家庭内负载切断。由于发电停止，燃料电池单元13自身的发热会停止。
另外，在步骤S13中，使原燃料和改性水向改性器11的供应量和阴极用空气向燃料电池堆12的供应量减少。
在步骤S14中，将由上述的温度传感器检测出的单元温度T与规定温度Ts进行比较。在此，规定温度Ts是即使停止了燃料的供应(即使不是还原气氛了)也能抑制因燃料电池单元13的单元支撑体(未图示)等的氧化而导致的热劣化的温度，是预先设定的。
在T＞Ts的情况下，在经过规定时间后返回步骤S14，继续进行单元温度T的检测以及单元温度T与规定温度Ts的比较，并在T≤Ts的时点，前进至步骤S15。
在步骤S15中，停止原燃料和改性水向改性器11的供应。
此后，仍监视单元温度T，在达到室温时，停止阴极用空气向燃料电池堆12的供应(步骤S16)，使系统停止。
此外，专利文献1记载了将用于冷却密封垫的冷却管设置于壳体的盖。当这样使用冷却管进行密封垫的冷却时，有可能在燃料电池的附近形成低温区域，其结果是，燃料电池的热平衡有可能破坏。
关于这一点，根据本实施方式，不会在燃料电池堆12的附近形成低温区域。而且，能够比较良好地维持燃料电池堆12的热平衡。
根据本实施方式，SOFC系统(燃料电池系统)包含燃料电池模块1、简易气密箱体4(第1箱体)以及鼓风机17a(空气供应装置、抽吸装置)而构成，燃料电池模块1包含：燃料电池堆12(燃料电池)，其使改性气体(含氢燃料)与空气发生反应而进行发电；以及壳体10，其包围该燃料电池堆12，在其内部使燃料电池堆12中剩余的改性气体燃烧而将燃料电池堆12维持为高温状态，简易气密箱体4收纳该燃料电池模块1，鼓风机17a抽吸简易气密箱体4内的空气而将简易气密箱体4内维持为负压状态。由此，简易气密箱体4的内部与简易气密箱体4的周围(辅机室8)相比维持低压的状态，因此，即使在从燃料电池模块1向简易气密箱体4内泄漏了少量的排放气体的情况下，也能够抑制该少量的排放气体流出到简易气密箱体4外(辅机室8)。因此，能够在对燃料电池堆12的发电性能不产生影响的范围内，缓和燃料电池模块1的气密性。另外，能够在简易气密箱体4的内部与简易气密箱体4的周围(辅机室8)相比维持低压的状态的范围内，缓和简易气密箱体4的气密性。
另外，根据本实施方式，在燃料电池模块1的外表面与简易气密箱体4的内表面之间形成有空气层，因此，简易气密箱体4的表面温度与燃料电池模块1的外表面温度相比为低温。因此，在贯通简易气密箱体4的配管/配线类的接合处理中，能够取代上述的由膨胀石墨制成的密封垫，而使用比该密封垫便宜且耐热性低的构件(例如，由橡胶制成的密封圈G)。
另外，根据本实施方式，鼓风机17a抽吸简易气密箱体4内的空气。由此，鼓风机17a主要抽吸鼓风机17a内的比较干燥的空气，因此，与专利文献2所述的抽吸装置相比，能够得到比较良好的鼓风机17a的机械寿命。
另外，根据本实施方式，SOFC系统是还包含对由燃料电池模块1排出的排放气体进行净化的排放气体处理部2而构成的，简易气密箱体4还收纳排放气体处理部2。由此，来自燃料电池模块1的排放气体中所包含的一氧化碳、氢等成分在简易气密箱体4内被净化处理，因此，能够抑制这些成分向简易气密箱体4外(辅机室8)的流出。
另外，根据本实施方式，鼓风机17a是将从简易气密箱体4内抽吸出的空气供应到燃料电池模块1的空气供应装置。由此，即使在从燃料电池模块1向简易气密箱体4内泄漏了少量的排放气体的情况下，该少量的排放气体也会与简易气密箱体4内的空气一起被引导到燃料电池模块1内。即，不需要另外设置用于将简易气密箱体4保持为负压状态并且将排放气体安全地排出到简易气密箱体4外且辅机室8外的配管等设备，因此，能够不招致系统的过度大型化，抑制排放气体流出到简易气密箱体4外(辅机室8)这一情况。
另外，根据本实施方式，鼓风机17a是将从简易气密箱体4内抽吸出的空气供应到壳体10内的燃料电池单元13的空气极的空气供应装置。由此，不需要设置用于将简易气密箱体4保持为负压状态的专用鼓风机，因此，能够不招致系统的过度大型化，使用阴极用空气供应用的鼓风机17a将简易气密箱体4内维持为负压状态，从而能够使系统成为比较简单的构成。
另外，根据本实施方式，SOFC系统是还包含收纳简易气密箱体4的SOFC封装体7(第2箱体)而构成的。由此，能够在简易气密箱体4的周围分隔形成辅机室8，因此，能够将辅机类汇集到辅机室8内。
另外，根据本实施方式，SOFC系统是还包含贯通SOFC封装体7并将简易气密箱体4内与SOFC封装体7外连通的吸气管43(连通管)而构成的，鼓风机17a配置在简易气密箱体4内。由此，能够将SOFC封装体7的外部的空气经由吸气管43顺畅地引导到简易气密箱体4内，因此，能够抑制简易气密箱体4内的鼓风机17a的过度发热。
另外，根据本实施方式，SOFC系统是还具备检测简易气密箱体4的内部压力与外部压力的差(差压ΔP)的差压传感器4a(压力差检测部)和基于由该差压传感器4a检测出的差压ΔP控制SOFC系统的运转的控制单元6(控制部)而构成的。由此，例如在鼓风机17a运转时，能够在由于过滤器17b的堵塞、鼓风机17a的故障等而导致简易气密箱体4内的负压开始下降时(即，简易气密箱体4的内部压力开始接近辅机室8的内部压力时)，迅速掌握简易气密箱体4内的负压状态的变化，并与此相应地进行系统的运转控制，因此，既能够抑制排放气体从简易气密箱体4内向辅机室8内的泄漏，又能够进行系统的更安全的运转控制。
另外，根据本实施方式，在差压ΔP＞第1规定差压P1的情况下，根据家庭内负载的需要电力，设置燃料电池堆12的发电电力目标值，进行燃料电池堆12的发电电力的控制从而得到该目标值(参照图3的步骤S2)。另一方面，在第2规定差压P2＜差压ΔP≤第1规定差压P1的情况下，例如进行燃料电池堆12的发电电力的控制，从而使燃料电池堆12的发电电力目标值下降规定量，得到该下降后的新的目标值(参照图3的步骤S4)。即，根据本实施方式，差压ΔP越小，则控制单元6使SOFC系统的运转输出越下降。由此，能够在简易气密箱体4内的负压下降时使燃料电池模块1内的排放气体的产生量减少，因此，能够抑制排放气体从燃料电池模块1向简易气密箱体4内的泄漏。
另外，根据本实施方式，当差压ΔP下降到第2规定差压P2以下(规定的阈值以下)时，控制单元6使SOFC系统的运转停止(参照图3的步骤S5和图4)。由此，在简易气密箱体4内的负压大幅下降的情况下，能够立即开始系统的运转停止控制，因此，能够抑制排放气体从简易气密箱体4内向辅机室8内的泄漏。
此外，在本实施方式中，吸气管43与排气管44是分开构成的，但吸气管和排气管的构成不限于此。例如也可以由包括外管和内管的双重管结构的管状构件将吸气管和排气管一体地构成。在该情况下，双重管结构的管状构件将其外管与内管之间的空间作为吸气通路，将内管内的空间作为排气通路，由此，能够抑制排放气体的热直接传导到管状构件(外管)的外表面。
图5示出本发明的第2实施方式中的SOFC系统的概略构成。
说明与图1所示的第1实施方式的不同点。
在本实施方式中，从简易气密箱体4的内部向排放气体处理部2设置有空气抽吸通路51。在此，空气抽吸通路51的一端部(吸入口)位于简易气密箱体4内。另外，空气抽吸通路51的另一端部连接到排放气体处理部2。在空气抽吸通路51中设置有鼓风机51a作为适当的供应量控制装置，鼓风机51a是空气供应装置。
在鼓风机51a运转时，鼓风机51a经由空气抽吸通路51抽吸简易气密箱体4内的空气后供应到排放气体处理部2。由此，简易气密箱体4的内部与简易气密箱体4的周围(辅机室8)相比维持低压的状态。即，鼓风机51a能作为本发明的抽吸装置发挥功能，将简易气密箱体4的内部维持为负压状态。因此，即使在从燃料电池模块1向简易气密箱体4内泄漏了少量的排放气体的情况下，也能够抑制以下情况：该少量的排放气体通过吸气孔41，另外通过密封圈G与配管部之间的空隙，而流出到简易气密箱体4外(辅机室8)。另外，泄漏到简易气密箱体4内的少量的排放气体与空气一起被鼓风机51a抽吸而引导到排放气体处理部2，排放气体中的一氧化碳、氢等成分被净化处理。因此，能够抑制以下情况：泄漏到简易气密箱体4内的少量的排放气体中的一氧化碳、氢等成分从排气管44排出到SOFC封装体7外。
在本实施方式中，通过并用鼓风机17a和鼓风机51a，能强化简易气密箱体4内的负压。另外，鼓风机51a在鼓风机17a运转停止时也能运转。因此，在鼓风机17a运转停止时，能利用鼓风机51a将简易气密箱体4的内部维持为负压状态。
特别是，根据本实施方式，鼓风机51a是将从简易气密箱体4内抽吸出的空气供应到排放气体处理部2的空气供应装置。由此，即使在从燃料电池模块1向简易气密箱体4内泄漏了少量的排放气体的情况下，该少量的排放气体也会与简易气密箱体4内的空气一起被引导到排放气体处理部2内，因此，能够抑制排放气体流出到简易气密箱体4外(辅机室8)，并且更有效地净化泄漏到简易气密箱体4内的少量的排放气体。
图6示出本发明的第3实施方式中的SOFC系统的概略构成。
说明与图1所示的第1实施方式的不同点。
在本实施方式中，吸气孔41、71和吸气管43设置在鼓风机17a的附近。另外，配置有阴极用空气的供应通路17、鼓风机17a以及过滤器17b，从而使得从SOFC封装体7的外部经由吸气管43流入到简易气密箱体4的内部的空气通过鼓风机17a和过滤器17b的附近，而流入到阴极用空气的供应通路17的一端部(吸入口17c)。
特别是，根据本实施方式，从SOFC封装体7的外部经由吸气管43直接流入到简易气密箱体4内的空气通过鼓风机17a和过滤器17b的附近后，被引导到阴极用空气的供应通路17的吸入口17c(即，鼓风机17a的吸入口)。由此，来自SOFC封装体7的外部的空气将鼓风机17a和过滤器17b冷却后会流入阴极用空气的供应通路17，因此，能够将阴极用空气用于鼓风机17a和过滤器17b的冷却。
图7示出本发明的第4实施方式中的SOFC系统的概略构成。
说明与图1所示的第1实施方式的不同点。
在本实施方式中，在SOFC封装体7中没有形成吸气孔71。另外，取代吸气管43，而设置有吸气管43’。吸气管43’的一端部被气密液密地连接到简易气密箱体4的吸气孔41。另外，吸气管43’的另一端部位于辅机室8内。此外，也可以将吸气管43’省略，使辅机室8内的空气从吸气孔41直接流入简易气密箱体4内。
在本实施方式中，阴极用空气的供应通路17的中间部、鼓风机17a以及过滤器17b配置在辅机室8内。因此，阴极用空气的供应通路17的比过滤器17b靠上游侧的部分和比鼓风机17a靠下游侧的部分分别包括穿过预先形成于简易气密箱体4的贯通孔(未图示)的配管。这些配管与简易气密箱体4的贯通部(接合部)分别使用例如由橡胶制成的密封圈G作为密封构件。在此，将构成阴极用空气的供应通路17的配管中的以下配管称为抽吸管：其一端部(吸入口17c)位于简易气密箱体4内，中间部贯通简易气密箱体4，另一端部经由过滤器17b连接到鼓风机17a的吸入侧。该抽吸管具有将简易气密箱体4内的空气引导到辅机室8内的鼓风机17a的功能。另外，将构成阴极用空气的供应通路17的配管中的以下配管称为空气供应管：其一端部连接到鼓风机17a的送出侧，中间部贯通简易气密箱体4和壳体10，另一端部与燃料电池单元13的空气极相对。该空气供应管具有将由鼓风机17a送出的空气引导到燃料电池单元13的空气极的功能。此外，该空气供应管也可以不是其中间部贯通简易气密箱体4和壳体10，另一端部与燃料电池单元13的空气极相对，而是中间部贯通简易气密箱体4，另一端部连接到排放气体处理部2。
在本实施方式中，热交换器3配置在辅机室8内。另外，设置有排气通路61。排气通路61的两端连接到排放气体处理部2和热交换器3。排气通路61包括穿过预先形成于简易气密箱体4的贯通孔(未图示)的配管。该配管与简易气密箱体4的贯通部(接合部)使用高温用密封垫H作为密封构件。
排气管44的一端部连接到辅机室8内的热交换器3的排气口31。排气管44的中间部穿过SOFC封装体7的排气孔72。排气管44的另一端部从SOFC封装体7的外表面向外方突出。此外，排气管44也可以是其一端部连接到简易气密箱体4内的热交换器3的排气口31，另一端部连接到SOFC封装体7的排气孔72。
特别是，根据本实施方式，吸气管43’的一端部连接到简易气密箱体4的吸气孔41，另一端部位于辅机室8内。由此，为了向燃料电池单元13的空气极供应空气，由辅机类的发热加热后的辅机室8内的空气被优先送入到简易气密箱体4。其结果是，能促进换气风扇73向辅机室8内送入外部气体而抑制辅机室8内的温度上升，因此，能够实现辅机类的动作稳定化和长寿命化。另外，不需要在SOFC封装体7中贯通形成吸气孔71，因此，能够减少SOFC封装体7的加工工序。
另外，根据本实施方式，鼓风机17a和过滤器17b配置在辅机室8内(即，简易气密箱体4外)。在此，辅机室8内与简易气密箱体4内相比为低温。因此，与鼓风机17a和过滤器17b配置在简易气密箱体4内的情况相比，能够良好地冷却鼓风机17a和过滤器17b，从而能够抑制它们的热劣化。
图8示出本发明的第5实施方式中的SOFC系统的概略构成。
说明与图1所示的第1实施方式的不同点。
在本实施方式中，在SOFC封装体7中没有形成吸气孔71。另外，省略了吸气管43。由此，在本实施方式中，在鼓风机17a运转时，辅机室8内的空气从吸气孔41直接流入简易气密箱体4内。因此，在本实施方式中，为了向燃料电池单元13的空气极供应空气，由辅机类的发热加热后的辅机室8内的空气被优先送入到简易气密箱体4。其结果是，能促进换气风扇73向辅机室8内送入外部气体而抑制辅机室8内的温度上升，因此，能够实现辅机类的动作稳定化和长寿命化。另外，不需要在SOFC封装体7中贯通形成吸气孔71，因此，能够减少SOFC封装体7的加工工序。
图9示出本发明的第6实施方式中的SOFC系统的概略构成。
说明与图1所示的第1实施方式的不同点。
在本实施方式中，在热介质循环通路20中的简易气密箱体4内且比热交换器3的入口靠下游侧的部分设置有热交换器80。此外，图9所示的热介质循环通路20的位置R1与位置R2由未图示的配管连接。
热交换器80位于阴极用空气的供应通路17中的吸入口17c与过滤器17b之间。
热交换器80使流入热交换器3前的热介质(即，回收来自排放气体的热之前的热介质)与通过过滤器17b前的阴极用空气进行热交换。通过该热交换将阴极用空气冷却，其结果是，阴极用空气的温度成为接近热介质温度的温度。即，热交换器80作为本发明的冷却装置发挥功能，将阴极用空气冷却。由此，即使在来自燃料电池模块1、排放气体处理部2的放热量较大，简易气密箱体4内部的空气温度较高的情况下，也能够抑制以下情况：阴极用空气超过过滤器17b和鼓风机17a的耐热温度。
特别是，根据本实施方式，SOFC系统(燃料电池系统)是还包含对由鼓风机17a(抽吸装置)抽吸的简易气密箱体4内(第1箱体内)的空气进行冷却的热交换器80(冷却装置)而构成的。由此，能够抑制阴极用空气超过过滤器17b和鼓风机17a的耐热温度这一情况，因此，能够实现过滤器17b和鼓风机17a的长寿命化。
此外，在本实施方式中，说明了在热交换器80(冷却装置)中利用热介质将阴极用空气冷却的例子，但将阴极用空气冷却的方法不限于此。例如，也可以在如上所述在热介质循环通路20中设置热交换器80的基础上或者取代它，而在改性水的供应通路16中的位于简易气密箱体4内的部分设置热交换器80。在该情况下，热交换器80使阴极用空气与改性水进行热交换，由此能将阴极用空气冷却。
此外，在上述的第1、第2、第5以及第6实施方式中，鼓风机17a和过滤器17b配置在简易气密箱体4内。然而，在这些实施方式中，也可以是与上述的第4实施方式同样，鼓风机17a和过滤器17b配置在简易气密箱体4外，阴极用空气的供应通路17包括上述的抽吸管和空气供应管。
另外，在上述的第1～第3和第6实施方式中，也可以是与上述的第4实施方式同样，取代吸气管43，而设置一端部被气密液密地连接到简易气密箱体4的吸气孔41、另一端部位于辅机室8内的吸气管43’。
另外，在上述的第2和第3实施方式中，也可以不在SOFC封装体7中设置吸气孔71，另外，将吸气管43省略，由此，在鼓风机17a运转时，使辅机室8内的空气从吸气孔41直接流入简易气密箱体4内。
另外，在上述的第6实施方式中，由热交换器80将阴极用空气冷却，但也可以将该空气冷却方法应用于上述的第2～第5实施方式，将阴极用空气冷却。
另外，在上述的第1～第6实施方式中，使用由改性器11生成的富氢的燃料气体(改性气体)作为供应到燃料电池单元13的燃料极的含氢燃料进行了说明，但含氢燃料不限于此。例如，也能使用纯氢作为含氢燃料。在该情况下，只要以如下方式构筑SOFC系统即可：将图1、图5～图9所示的脱硫器18和图2所示的改性器11省略，从SOFC封装体7的外部通过原燃料的供应通路15向燃料电池单元13的燃料极直接供应纯氢。
另外，在上述的第1～第6实施方式中，作为将简易气密箱体4外的空气引导到简易气密箱体4内的吸气部示例了吸气孔41，但简易气密箱体4的吸气部的构成不限于此。例如，在组装多个板状构件构成箱状的简易气密箱体4的情况下，能使得形成于板状构件间的间隙等与简易气密箱体4的吸气部对应而将简易气密箱体4外的空气引导到简易气密箱体4内。
另外，图示的实施方式仅是用于示例本发明，本发明不仅包含由已说明的实施方式直接示出的内容，当然还包含本领域技术人员在权利要求范围内所进行的各种改良/变更。
附图标记说明
1    燃料电池模块
2    排放气体处理部
3    热交换器
4    简易气密箱体(第1箱体)
4a   差压传感器(压力差检测部)
5    功率调节器(PCS)
6    控制单元(控制部)
7    SOFC封装体(第2箱体)
8    辅机室
10   壳体
11   改性器
12   燃料电池堆
13   燃料电池单元
14   废气燃烧部
15   原燃料的供应通路
15a  泵
16   水蒸气改性用的水(改性水)的供应通路
16a  泵
17   阴极用空气的供应通路
17a  鼓风机(空气供应装置、抽吸装置)
17b  过滤器
17c  吸入口
18   脱硫器
19   改性气体的供应通路
20   热介质循环通路
20a  泵
31   排气口
32   冷凝水的回收通路
33   回收水处理部
34   水箱
41   吸气孔
42   排气孔
43   吸气管(连通管)
43’ 吸气管
44   排气管
51   空气抽吸通路
51a  鼓风机(空气供应装置、抽吸装置)
61   排气通路
71   吸气孔
72   排气孔
73   换气风扇
74   换气孔
80   热交换器(冷却装置)
G    密封圈
H    密封垫

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，
包含燃料电池模块、第1箱体以及抽吸装置而构成，
该燃料电池模块包含：燃料电池，其使含氢燃料与空气发生反应而进行发电；以及壳体，其包围该燃料电池，在其内部使上述燃料电池中剩余的含氢燃料燃烧而将上述燃料电池维持为高温状态，
该第1箱体收纳该燃料电池模块，
该抽吸装置抽吸该第1箱体内的空气而将上述第1箱体内维持为负压状态。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
还包含对由上述燃料电池模块排出的排放气体进行净化的排放气体处理部而构成，
上述第1箱体还收纳上述排放气体处理部。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述抽吸装置是将从上述第1箱体内抽吸出的空气供应到上述燃料电池模块和上述排放气体处理部中的至少一方的空气供应装置。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
还包含收纳上述第1箱体和上述抽吸装置的第2箱体而构成。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
还包含对由上述抽吸装置抽吸的上述第1箱体内的空气进行冷却的冷却装置而构成。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
还包含检测上述第1箱体的内部压力与外部压力的差的压力差检测部和基于由该压力差检测部检测出的压力差控制上述燃料电池系统的运转的控制部而构成。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述压力差越小，上述控制部使上述燃料电池系统的运转输出越下降。
8.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，
当上述压力差下降到规定的阈值以下时，上述控制部使上述燃料电池系统的运转停止。
9.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，
还包含贯通上述第2箱体并将上述第1箱体内与上述第2箱体外连通的连通管而构成，
上述抽吸装置配置在上述第1箱体内。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述抽吸装置配置在上述第1箱体外，
还包含贯通上述第1箱体并将上述第1箱体内的空气引导到上述抽吸装置的抽吸管而构成。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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