CN104364953B - 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

形成以下结构：使用于对导入到循环泵(14)的入口的重整气体进行冷却的第一热交换器(19)的冷却能力随着燃料电池(11)的输出的增加而增大。由此，使循环泵(14)的入口温度为在低发电电力时相对高、随着发电电力的增加而降低的特性，从而能够相对减少所要求的重整气体多的高发电电力时的体积流量。其结果，能够缩小对循环泵(14)要求的动态范围。并且，能够防止在低发电电力时循环泵(14)的入口处的水冷凝。

Description

燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法

技术领域

本发明是涉及到使用固体氧化物型燃料电池的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法的发明，特别涉及一种使系统整体小型化、高效化的技术。

背景技术

一般来说，在具备固体氧化物型燃料电池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)的燃料电池系统中，重整反应需要碳化氢系的燃料和水。因此，在以往的燃料电池系统中，使用循环泵来使从燃料电池的负极排出的包含水分的气体(以下称为“负极排气”)再循环到重整器。

然而，在使负极排气再循环的情况下，需要具有经得起与负极排气的温度相同程度的高温的性能的循环泵。并且，存在以下问题：由于负极排气的温度为高温，因此体积流量变大，循环泵的容量变大。在日本特开2006-302660号公报中，为了应对这种问题，公开了以下内容：通过在向燃料电池的正极导入的氧化剂(例如空气)与进行循环的负极排气之间进行热交换，来对供给到循环泵的负极排气进行冷却，从而可以使循环泵的耐热性能低，且减少了负极排气的体积流量。

发明内容

发明要解决的问题

然而，在上述的以往例中，是通过正极供给用的氧化剂对负极排气进行冷却的结构，因此在如车载用的燃料电池系统那样所要求的发电输出的动态范围大的情况下，存在以下问题：发电输出越大则导入到循环泵的负极排气的温度越上升，所要求的循环气体的体积流量越多，对循环泵要求的动态范围越大。

本发明是为了解决这种以往的问题而完成的，其目的在于提供一种能够缩小循环泵的动态范围的燃料电池系统。

用于解决问题的方案

本发明的一个方式是燃料电池系统。该燃料电池系统具备：循环泵，其使从负极排出的负极排气的一部分循环而供给到重整单元，并向负极的入口导入通过该重整单元进行重整而得到的重整气体；以及第一热交换单元，其设置于循环泵的入口侧的流路，对供给到循环泵的重整气体进行冷却。而且，第一热交换单元被设定成燃料电池的输出电力越大则对供给到循环泵的重整气体进行冷却的能力越增加。

本发明的其它方式是燃料电池系统的控制方法。该燃料电池的控制方法以如下方式进行控制：对燃料进行重整来生成重整气体，对具有负极和正极的燃料电池的上述正极供给氧化剂，利用循环泵对上述负极供给上述重整气体，来使上述燃料电池产生电力，通过设置于上述循环泵的入口侧的流路的第一热交换单元对供给到上述循环泵的重整气体进行冷却。在此，上述第一热交换单元的特征在于，被设定成上述燃料电池的输出电力越大则对供给到上述循环泵的重整气体进行冷却的能力越增加。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的结构的框图。

图2是表示本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的、发电电力与循环泵入口气体温度之间的关系的特性图。

图3是表示本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的、发电电力与循环泵入口气体温度和循环泵入口的气体流量之间的关系的特性图。

图4是表示本发明的第二实施方式所涉及的燃料电池系统的结构的框图。

图5是表示本发明的第三实施方式所涉及的燃料电池系统的结构的框图。

图6是表示本发明的第四实施方式所涉及的燃料电池系统的结构的框图。

具体实施方式

下面，基于附图来说明本发明的实施方式。

[第一实施方式的说明]

图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的结构的框图。如图1所示，第一实施方式所涉及的燃料电池系统100具备：固体氧化物型燃料电池11(以下省略为“燃料电池11”)，其具备负极11a和正极11b；燃料泵12，其供给碳化氢系的燃料；热交换型重整装置13(重整单元)，其具有重整器13a和燃烧器13b，对从燃料泵12供给的燃料进行重整；以及循环泵14，其使通过重整器13a进行重整而得到的重整气体循环到负极11a的入口。

并且，还具备：燃料蒸发器15，其利用正极11b的排出气体的热，使从燃料泵12供给的燃料蒸发来供给到重整器13a；分流阀16，其连接于负极11a的出口流路，对负极11a的排出气体(以下称为“负极排气”)进行分流，将分流后的一方的系统供给到重整器13a，将另一方的系统供给到燃烧器13b；以及第一空气鼓风机20，其向燃烧器13b供给燃烧用的空气。

并且，还具备：第二空气鼓风机17(氧化剂供给单元)，其向正极11b供给空气(氧化剂)；第三热交换器(第三热交换单元)18，其利用燃烧器13b的排出气体对从第二空气鼓风机17送出的空气进行加热；以及第一热交换器(第一热交换单元)19，其低温侧供给到由该第三热交换器18加热后的空气，高温侧被供给从重整器13a输出的重整气体。

在此，第一热交换器19和第三热交换器18以如下方式设定各种规格：在供给到循环泵14的重整气体温度不低于该重整气体的露点(水蒸气结露的温度)的范围内对该重整气体的温度进行冷却。并且，对于其它系统结构，也设定成重整气体的温度不低于露点。

接着，说明如上所述那样构成的第一实施方式所涉及的燃料电池系统100的作用。

在燃料电池系统100运转时，从第一空气鼓风机20向热交换型重整装置13的燃烧器13b供给空气，并且，该燃烧器13b被供给从负极11a排出的负极排气，来进行燃烧。然后，燃烧器13b的排出气体被供给到第三热交换器18的高温侧，之后被排出。因而，利用燃烧器13b的排气的热，对从第二空气鼓风机17送出的空气进行加热。

另外，从正极11b排出的排出气体通过燃料蒸发器15的高温侧，由此对从燃料泵12送出的燃料进行加热，使该燃料汽化。

然后，从燃料泵12送出并通过燃料蒸发器15汽化的燃料与负极排气的一部分进行混合所得的混合气体被供给到重整器13a，另一方面，在燃烧器13b中，负极排气的一部分燃烧而发热，因此在重整器13a中通过重整反应生成重整气体。

在重整器13a中生成的重整气体通过第一热交换器19的高温侧后被供给到循环泵14的入口，被该循环泵14供给到燃料电池11的负极11a。

另外，从第二空气鼓风机17送出的空气(氧化剂)通过第三热交换器18的低温侧，再通过第一热交换器19的低温侧而被加热，被供给到燃料电池11的正极11b。即，在通过第三热交换器18而被燃烧器13b的排出气体加热、通过第一热交换器19而被重整气体加热之后，供给到正极11b。然后，在燃料电池11中，通过氢与氧的化学反应来生成电子，作为直流电流而取出。

此时，从重整器13a输出的重整气体通过第一热交换器19的高温侧，因此被通过该第一热交换器19的低温侧的正极供给用的空气冷却而温度降低。之后，温度已降低的重整气体被供给到循环泵14。即，能够将从重整器13a输出的重整气体冷却后供给到循环泵14。因此，能够将循环泵14的耐热性能设为更低的温度，从而能够实现装置规模的小型化。

并且，当燃料电池11的发电输出增大时，从第二空气鼓风机17送出的空气量增加，因此供给到第一热交换器19的低温侧的空气量增加，第一热交换器19中的冷却能力增大。因而，对从重整器13a输出的重整气体进行冷却的能力增大，因此能够使重整气体温度为更低的温度。

即，当发电输出变大时，从第二空气鼓风机17送出的空气量增加，由此该空气在第三热交换器18中的温度上升量变少，第一热交换器19的低温侧入口的空气温度如图2的曲线S1所示那样逐渐降低。因此，第一热交换器19处的冷却能力增大，从重整器13a送出的重整气体的温度如图2的曲线S2所示那样随着发电输出的增大而降低。

图3是表示燃料电池11的发电输出与循环泵14的入口处的重整气体温度和循环泵14的入口处的重整气体的体积流量的变化的特性图，曲线P11表示循环泵14的入口温度，曲线P12表示循环泵14的入口流量。另外，曲线P13示出了采用以往例的情况下的循环泵的入口温度，曲线P14示出了采用以往例的情况下的循环泵的入口流量。

如曲线P13、P14所示，在以往的燃料电池系统中，随着燃料电池的发电输出增大，有循环泵的入口温度上升的趋势，且有循环泵的入口流量上升的趋势。因此，发电输出最大时的体积流量与发电输出最小时的体积流量之差分为L2，需要使用动态范围大的循环泵。

与此相对，在本实施方式所涉及的燃料电池系统100中，如曲线P11所示，随着燃料电池11的发电输出增大，循环泵14的入口温度降低，由于这个原因，如曲线P12所示，抑制了循环泵14的入口流量的上升。因此，发电输出最大时的体积流量与发电输出最小时的体积流量之差变为L1，可知能够使用对比于以往的循环泵而动态范围相对小的循环泵。

这样，在第一实施方式所涉及的燃料电池系统100中，在燃料电池11的发电电力小时，负极排气的温度高，因此从重整器13a送出的重整气体中包含的水分不会冷凝，能够经由循环泵14供给到燃料电池11的负极11a。因而，不会妨碍负极面中的内部重整和变换反应，能够防止负极面中的碳析出。并且，还能够充分确保负极排气中的水分量，因此能够向被导入负极排气的一部分的重整器13a供给进行重整所需的水分，从而能够防止重整器13a中的碳析出。

另外，随着燃料电池11的发电电力增加，第一热交换器19的冷却能力增大，因此流入循环泵14的循环气体的温度降低。其结果，能够提高循环气体的体积密度(能够抑制体积流量的增加)，从而能够缩小燃料电池11的发电电力范围内的循环气体的体积流量的幅度(动态范围)。并且，即使在燃料电池11的发电电力增大、循环气体的温度降低的情况下，也由于以使该循环气体的温度为露点温度以上的方式设定第一热交换器19、第三热交换器18的规格，因此能够防止循环泵14的入口处的水冷凝。其结果，能够实现循环泵14的小型化、低能耗化。

并且，从燃料电池11排出的排出气体的流量随着发电电力的增加而增加，随之，供给到燃料电池11的空气(氧化剂)的流量也增加。另一方面，用于使从第二空气鼓风机17送出的空气升温的第三热交换器18的热交换面积固定为固定值，因此随着发电电力的增加，热交换后的空气的温度降低，能够使供给到循环泵14的重整气体的温度降低。

另外，通过将系统的排出气体供给到第三热交换器18的高温侧，能够将排出气体所具有的热能经由第三热交换器18提供给向正极导入的空气(氧化剂)，因此能够减少被废弃的热能，从而能够提高系统的效率。

并且，作为燃料电池11的排出气体，将热交换型重整装置13的燃烧器13b的出口气体供给到第三热交换器18，因此能够将未使用的负极排气所具有的能量利用于重整反应(吸热反应)，并且能够将该热提供给导入到正极11b的空气，因此能够减少被废弃的热能，从而能够提高系统的效率。

另外，通过适当设定第一热交换器19和第三热交换器18的规格，能够设定成在燃料电池11为最小输出时供给到循环泵14的重整气体的温度超过该重整气体的露点，因此即使在燃料电池11的发电输出发生变化的情况下，也能够防止重整气体中包含的水分冷凝。因此，不会妨碍负极面中的内部重整和变换反应，能够防止负极面中的碳析出，不仅如此，还能够充分确保负极排气中的水分量，因此能够向被导入负极排气的一部分的重整器13a供给进行重整所需的水分，从而能够防止重整器13a中的碳析出。

[第二实施方式的说明]

接着，说明本发明的第二实施方式。图4是表示第二实施方式所涉及的燃料电池系统的结构的框图。如图4所示，相对于上述图1中示出的燃料电池系统100，第二实施方式所涉及的燃料电池系统101在以下方面不同：在循环泵14的出口侧的管路上设置有第二热交换器(第二热交换单元)21。除此以外的结构与图1相同，因此标注同一标记并省略结构说明。

第二热交换器21的高温侧被供给从重整器13a输出的重整气体，低温侧被供给从循环泵14输出的重整气体。因而，从重整器13a输出的重整气体通过第二热交换器21被冷却，再通过第一热交换器19被进一步冷却。之后，被供给到循环泵14。而且，从循环泵14输出的重整气体在通过第二热交换器21被加热之后，被供给到燃料电池11的负极11a。

这样，在第二实施方式所涉及的燃料电池系统101中，能够达到与上述第一实施方式同样的效果。并且，通过第二热交换器21和第一热交换器19这两个阶段使重整气体的温度降低，并且流向第二热交换器21的低温侧的流体是从循环泵14送出的重整气体，因此能够将通过冷却而去除的热能提供给导入到负极11a的重整气体。因而，能够减少被废弃的热能，从而能够提高系统效率。

[第三实施方式的说明]

接着，说明本发明的第三实施方式。图5是表示第三实施方式所涉及的燃料电池系统102的结构的框图。如图5所示，相对于上述图1中示出的燃料电池系统100，在第三实施方式所涉及的燃料电池系统102中，在以下方面不同：在第一热交换器19的低温侧设置有第三空气鼓风机31；以及第三热交换器18的低温侧的输出被连结到正极11b。除此以外的结构与图1中示出的燃料电池系统100为相同结构，因此标注同一标记并省略结构说明。

第三空气鼓风机31能够通过省略图示的控制单元的控制来适当调整所送出的空气(流体)的流量。因而，与燃料电池11的发电输出的增加相应地，使从第三空气鼓风机31送出的空气的流量增加，由此能够提高第一热交换器19中的冷却能力，从而能够达到与上述第一实施方式同样的效果。

另外，在将从第三空气鼓风机31送出的空气的流量设为Qc、将流入循环泵14的重整气体量设为Qr时，使它们的比率“Qc/Qr”与燃料电池11的输出增加一起增加，由此能够提高第一热交换器19对重整气体的冷却能力。因而，在燃料电池11的发电输出增加时，能够降低流入循环泵14的重整气体的温度，从而能够缩小循环泵的动态范围。

[第四实施方式的说明]

接着，说明本发明的第四实施方式。图6是表示第四实施方式所涉及的燃料电池系统103的结构的框图。如图6所示，相对于上述图5中示出的燃料电池系统102，在第四实施方式所涉及的燃料电池系统103中，在以下方面不同：在第三空气鼓风机31的输出侧设置有加热体32。除此以外的结构与图5中示出的燃料电池系统102为相同结构，因此标注同一标记并省略结构说明。

加热体32例如是燃烧器、电加热器，对从第三空气鼓风机31送出的空气进行加热，将加热后的空气供给到第一热交换器19的低温侧。通过这样，能够适当变更第一热交换器19中的热交换效率。

具体地说，与燃料电池11的发电输出的增大相应地，减小从加热体3向每单位流量的空气供给的热量。由此，流入第一热交换器19的低温侧的空气的温度降低，因此能够使供给到循环泵14的入口的重整气体的温度降低。

另外，在使加热体32的发热量固定的情况下，随着燃料电池11的发电输出增加，经由分流阀16进行循环的负极排气量和经由燃料泵12供给的燃料量增加，进而从重整器13a输出的重整气体流量增加。因而，通过使第三空气鼓风机31的流量增加，来使供给到第一热交换器19的低温侧的空气的温度降低，对重整气体温度进行冷却时的冷却能力增大。由此，能够使供给到循环泵14的重整气体温度降低。

另一方面，在从第三空气鼓风机31送出的空气的流量固定的情况下，使加热体32的发热量与燃料电池11的输出增加一起降低。由此，能够使供给到循环泵14的重整气体温度降低。并且，在如车载用那样燃料电池11的输出电压的范围大的情况下，能够通过控制加热体32的温度和第三空气鼓风机31的送出空气量这两方来使第一热交换器19中的重整气体的冷却能力与燃料电池11的输出增加一起增加，从而使供给到循环泵14的重整气体温度降低。

这样，在第四实施方式所涉及的燃料电池系统103中，能够通过控制第三空气鼓风机31的输出流量和加热体32的发热量中的至少一方来适当改变供给到循环泵14的重整气体的冷却能力。因而，能够达到与上述第一实施方式同样的效果，除此以外，在燃料电池11的发电输出低的情况下，能够使供给到循环泵14的重整气体温度相对高。并且，能够使重整气体温度与发电电力的增加一起降低。其结果，能够使供给到循环泵14的重整气体流量的变化为图3的曲线P12所示的特性，从而能够缩小循环泵14的动态范围。

在上述的各实施方式中，说明了将空气用作氧化剂的例子，但是本发明并不限定于此，能够使用空气以外的含氧的气体。

以上，基于实施方式说明了本发明的燃料电池系统，但是本发明并不限定于此。各部的结构能够置换为具有同样功能的任意的结构。

本申请基于2012年6月13日申请的日本特愿第2012-133539号要求优先权，通过参照将该申请的全部内容引入本说明书中。

产业上的可利用性

本发明例如能够用于在车载用的燃料电池中实现装置的小型化、低成本化。

在本发明所涉及的燃料电池系统中，将从重整单元输出的重整气体通过第一热交换单元进行冷却，再供给到循环泵来使重整气体循环到燃料电池的负极。另外，燃料电池的输出电力越大，则对供给到循环泵的重整气体进行冷却的能力越增加，因此能够随着燃料电池的输出增加来使重整气体的温度降低，从而能够缩小循环泵的动态范围。

附图标记说明

11：固体氧化物型燃料电池；11a：负极；11b：正极；12：燃料泵；13：热交换型重整器(重整单元)；13a：重整器；13b：燃烧器；14：循环泵；15：燃料蒸发器；16：分流阀；17：第二空气鼓风机(氧化剂供给单元)；18：第三热交换器；19：第一热交换器(第一热交换单元)；20：第一空气鼓风机；21：第二热交换器(第二热交换单元)；31：第三空气鼓风机；32：加热体；100、101、102、103：燃料电池系统。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具有：

重整单元，其对燃料进行重整来生成重整气体；

燃料电池，其具有负极和正极，上述负极被供给上述重整气体并且上述正极被供给氧化剂来产生电力；

循环泵，其向上述负极的入口导入通过该重整单元进行重整而得到的重整气体；以及

第一热交换单元，其设置于上述循环泵的入口侧的流路，对供给到循环泵的重整气体进行冷却，

其中，上述燃料电池系统构成为从上述负极排出的负极排气的一部分被供给到上述重整单元，

对上述第一热交换单元进行控制，使得上述燃料电池的输出电力越大，则供给到上述第一热交换单元的低温侧入口的流体的温度越低，

上述第一热交换单元被设定成：上述燃料电池的输出电力越大，则对供给到上述循环泵的重整气体进行冷却的能力越增加。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

上述循环泵配置于上述重整单元与上述燃料电池的上述负极的入口之间，

上述燃料电池系统被设定成：在上述燃料电池的输出增加时，通过上述第一热交换单元的冷却能力的提高，上述循环泵的入口处的上述重整气体的温度下降。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，

对上述第一热交换单元的低温侧供给的流体是从氧化剂供给单元送出并供给到上述正极的氧化剂，该氧化剂在上述第一热交换单元的上游通过与上述燃料电池的排出气体之间进行热交换而升温。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，

上述排出气体是使未循环部分的负极排气燃烧的燃烧器的出口气体。

5.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，

上述重整单元具有供给进行重整所需的热流的燃烧器，上述排出气体是在通过上述燃烧器使未循环部分的负极排气燃烧之后从该燃烧器排出的气体。

6.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，

还具备第二热交换单元，该第二热交换单元在从上述重整单元输出的重整气体与上述循环泵的出口气体之间进行热交换，

从上述重整单元输出的重整气体经由上述第二热交换单元的高温侧以及上述第一热交换单元的高温侧被供给到上述循环泵，

从上述循环泵送出的重整气体经由上述第二热交换单元的低温侧被供给到上述负极。

7.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，

根据上述燃料电池的输出来改变在上述第一热交换单元的低温侧流动的流体的流量与流入上述循环泵的气体量的比率。

8.根据权利要求2～7中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，

对系统结构进行设定，使得在上述燃料电池的发电输出为最小输出时，上述循环泵的入口气体的温度为超过入口气体的露点的温度。

9.一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于，

对燃料进行重整来生成重整气体，

对具有负极和正极的燃料电池的上述正极供给氧化剂，利用循环泵对上述负极供给上述重整气体，来使上述燃料电池产生电力，

通过设置于上述循环泵的入口侧的流路的第一热交换单元对供给到上述循环泵的重整气体进行冷却，

对上述第一热交换单元进行控制，使得上述燃料电池的输出电力越大，则供给到上述第一热交换单元的低温侧入口的流体的温度越低，

上述第一热交换单元被设定成：上述燃料电池的输出电力越大，则对供给到上述循环泵的重整气体进行冷却的能力越增加。