CN1432203A - 燃料电池发电系统和停止燃料电池发电的方法 - Google Patents

燃料电池发电系统和停止燃料电池发电的方法 Download PDF

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Abstract

提供了不占用大的空间、机器的初始成本比以前低、而且运行成本低的燃料电池发电系统。该燃料电池发电系统设有：利用原料气体产生富氢气的重整器1、向该重整器1供应原料气体的原料气体供应装置3a、向重整段供应吹扫(purge)用空气的空气供应装置5、利用重整器1产生的富氢气和来自外部的发电用空气来发电的燃料电池9，燃料电池9停止运行时，停止向重整器1供应原料气体，并让残留在燃料电池发电系统中的富氢气、水蒸汽和吹扫用空气依次流过。

Description

燃料电池发电系统和停止燃料电池发电的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池发电系统。
背景技术
迄今为止的燃料电池发电系统，其结构如特开平3-257762中揭示，如图4所示。即，设有由原料气体产生富氢气的重整器1、作为加热重整器的加热装置2的燃烧器2a、位于重整器1上流的经氮气供应管14和截止阀14与重整器相连的氮气设备16、位于重整器1下流的经重整气体供应管17与重整器相连的燃料电池9，所述的燃料电池9通过空气中的氧与所产生的氢气进行反应来发电，燃料电池9的氢电极9a侧的下流经排氢气接管12与燃烧器2a相连。特开平3-257762文献中的全部内容，完全照原样引入(参考)于此，与本文结合成一体。
通常的燃料电池发电系统中，当停止发电运行时，首先停止原料气体的供应，此时富氢气会滞留在重整器1～重整气体供应管17～燃料电池9的氢电极9a～排氢气接管12的通路中，当空气由于自然对流从通大气的燃烧器2a流入富氢气通路内时，恐怕氢气会爆炸。
因此，像以前这种燃料电池发电系统，发电运行停止时，截止阀15打开，使得作为惰性气体的氮气由氮气设备16经氮气供应管14供应到重整器1～重整气体供应管17～燃料电池9的氢电极9a～排氢气接管12的通路，以完全吹扫掉(purge)了富氢气，使之通过燃烧器2烧掉。
这样，以前的燃料电池发电系统中，通过氮气的吹扫操作，事前防止了氢气的爆炸，确保了安全性。
以前的燃料电池发电系统中，必需具备用于进行氮气吹扫操作的氮气钢瓶等氮气装置16，例如用于家庭用固定型分散发电和电动车辆电源等时，存在因需要大的空间而增加了机器初始成本的问题。而且，还存在因必需定期替换·补充氮气钢瓶而增加了运行成本的问题。
发明内容
本发明考虑到上述的先有问题，其目的是提供停止由燃料电池发电后，不用氮气吹扫残留在燃料电池发电系统的富氢气的燃料电池发电系统、以及停止燃料电池发电的方法。
本发明的第1项(对应于权利要求1)是燃料电池发电系统，它设有：利用原料气体产生富氢气的重整器、向该重整器供应所述原料气体的原料气体供应装置、向所述重整段供应吹扫用空气的第1空气供应装置、利用所述重整段产生的富氢气和来自外部的发电用空气来发电的燃料电池，
所述的燃料电池停止运行时，停止向所述重整器供应所述原料气体，并让残留在燃料电池发电系统中的富氢气、水蒸汽和所述吹扫用空气依次流过。
本发明的第2项(对应于权利要求2)是如本发明第1项所述的燃料电池发电系统，其中停止向所述重整器供应所述原料气体时，向所述重整器供水蒸汽，或向所述重整器供应水，再经加热产生水蒸汽，
然后，经过规定时间后，由所述第1空气供应装置向所述重整器供应所述吹扫掉用空气。
本发明的第3项(对应于权利要求3)是如本发明第2项所述的燃料电池发电系统，其中所述的规定时间，是指所述燃料电池系统中的富氢气实际上全部被水蒸汽吹扫掉的时间。
本发明的第4项(对应于权利要求4)是如本发明第2项所述的燃料电池发电系统，其中所述的规定时间，是指为防止所述燃料电池发电系统中的富氢气和所述吹扫用空气接触而产生危险状态，在富氢气和所述吹扫用空气之间足以提供给定量水蒸汽的时间。
本发明的第5项(对应于权利要求5)是如本发明第1～第4项中任何一项所述的燃料电池发电系统，它还设有向所述重整器供应产生氢气用水的供水装置、和加热所述重整器以使所述产生氢气用水转化为水蒸汽的加热装置，
所述的重整器，也利用所述水蒸汽来产生富氢气。
本发明的第6项(对应于权利要求6)是如本发明第5项所述的燃料电池发电系统，它即使在所述燃料电池停止运行后，也加热所述的产生氢气用水，使之转化为水蒸汽。
本发明的第7项(对应于权利要求7)是如本发明第6项所述的燃料电池发电系统，其中所述的加热装置，使用从所述燃料电池排出的废氢气作为燃料。
本发明的第8项(对应于权利要求8)是如本发明第7项所述的燃料电池发电系统，其中水蒸汽到达所述加热装置后，停止向所述重整器供应所述产生氢气用水，同时向所述重整器供应所述吹扫用空气。
本发明的第9项(对应于权利要求9)是如本发明第1～第8项中任何一项所述的燃料电池发电系统，其中所述重整器的下流，设有除去所述重整器所产生的富氢气中的一氧化碳的一氧化碳除去器、以及向所述一氧化碳除去器供应一氧化碳除去用空气的第2空气供应装置，
已被所述一氧化碳除去一氧化碳器除去的富氢气供应到所述燃料电池中。
本发明的第10项(对应于权利要求10)是如本发明第9项所述的燃料电池发电系统，其中所述第1空气供应装置兼有所述第2空气供应装置的功能，
该系统还设有切换装置，该装置将来自所述第1空气供应装置的空气的供应方向切换到所述重整器或所述一氧化碳除去器中。
本发明的第11项(对应于权利要求11)是停止燃料电池发电的方法，它是在用燃料电池进行发电后所用的方法，所述的燃料电池设有利用原料气体产生富氢气的重整器、向该重整器供应所述原料气体的原料气体供应装置、和向所述重整器供应吹扫用空气的第1空气供应装置，并利用所述重整器所产生的富氢气和来自外部的发电用空气来发电，
该方法是在所述燃料电池停止运行时，停止向所述重整器供应所述原料气体，并让残留在燃料电池发电系统中的富氢气、水蒸汽和所述吹扫用空气依次流过。
本发明的第12项(对应于权利要求12)是如本发明第11项所述的停止燃料电池发电的方法，其中停止向所述重整器供应所述原料气体时，向所述重整器供水蒸汽，或向所述重整器供应水，再经加热产生水蒸汽，
然后，经过规定时间后，由所述第1空气供应装置向所述重整器供应所述吹扫用空气。
本发明的第13项(对应于权利要求13)是如本发明第12项所述的停止燃料电池发电的方法，其中所述的规定时间，是指所述燃料电池系统中的富氢气实际上全部被水蒸汽吹扫掉的时间。
本发明的第14项(对应于权利要求14)是如本发明第12项所述的停止燃料电池发电的方法，其中所述的规定时间，是指为防止所述燃料电池发电系统中的富氢气和所述吹扫用空气接触而产生危险状态，在富氢气和所述吹扫用空气之间足以提供给定量水蒸汽的时间。
附图简述
图1是本发明实施方式1的燃料电池发电系统的系统结构图。
图2是本发明实施方式2的燃料电池发电系统的系统结构图。
图3是本发明实施方式3的燃料电池发电系统的系统结构图。
图4是以前的燃料电池发电系统的系统结构图。
(符号说明)
1   重整器
1b  上流
2   加热装置
2a  燃烧器
4   供水装置
5   空气供应装置
7   一氧化碳除去器
9   燃料电池
11  控制装置
13  切换装置
本发明的最佳实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。
(实施方式1)
图1是本发明实施方式1的燃料电池发电系统的系统结构图。1是重整器，在其内部填充了用于发生重整反应的重整催化剂1a。重整器1中，设有作为加热装置2的燃烧器2a，并且在重整器1的上流1b入口处，设有原料气体供应阀3，和与上流1b相连而合流的作为供水装置4的水泵4a及作为空气供应装置5的气泵5a。而且，重整器1的上流1b和原料气体供应阀3之间，有时设有用于除去原料气体中所含硫黄组分的脱硫器6。而3a是向重整器1供应原料气体的供应装置。
7是和重整器1的下流相连的一氧化碳除去器，在其内部填充了用于发生一氧化碳除去反应的催化剂7a。在重整器1和一氧化碳除去器7之间，设有通过变换反应来降低一氧化碳浓度的变换器8。9是和一氧化碳除去器7的下流相连的燃料电池，由氢电极9a和氧电极9b构成，氧电极9b与送风机相连。11是控制系统运行的控制装置。
下面说明本实施方式的运作。
在进行发电运作时，首先打开原料气体供应阀3，使烃等原料气体从重整器1的上流1b供应到重整器1中。与此同时，由供水装置4向重整器1供水。由此，原料气体在经过重整催化剂1a内部时被燃烧器2a所加热，并且供应到重整器1的水也被燃烧器2a所加热而转化为水蒸汽，通过原料气体和水蒸汽的重整反应，产生了富氢气。因此，本实施方式1的重整器1中，通过水蒸汽重整方式的重整反应，产生了氢气。
该富氢气中通常含有一氧化碳，因此如果就这样供应给燃料电池，会使氢电极9a的催化剂毒化，从而降低发电能力。特别是在固体高分子型燃料电池的情况下，反应温度低，因此这种倾向尤为明显。为此，将该富氢气送到一氧化碳除去器7中，用其内部的催化剂7a进行一氧化碳除去反应，然后再供应到燃料电池9的氢电极9a处。另一方面，由送风机向燃料电池9的氧电极9b供应空气。燃料电池9内，供应到氢电极9a的氢气和供应到氧电极9b的空气中的氧气起反应，进行发电。而且，也可用液体燃料的烃代替原料气体。
下面，说明停止发电运作时的运作。首先关闭原料气体供应阀3，停止供应原料气体，同时由作为供水装置4的水泵4a向重整器1内部供入水，水在该处被燃烧器所加热而蒸发成水蒸汽，将所得气流送到重整器1～一氧化碳除去器7～燃料电池9的氢电极9a，然后排放到外部。该操作用于吹扫残留的富氢气。
发电停止时，残留在燃料电池发电系统中的富氢气实际上全部被水蒸汽吹扫掉后，停止用燃烧器2a加热和停止由水泵4a供水，通过由作为空气供应装置5的气泵5a供应空气，来吹扫残留在重整器1～一氧化碳除去器7～燃料电池9的氢电极9中的水蒸汽。
这里，发电运作刚停止后，不能直接用空气吹扫，这是因为富氢气和空气之间的界面产生了具有爆炸危险浓度的氢气，它经过重整器1内时于高温气氛下有爆炸的可能。而在由水蒸汽吹扫富氢气后再用空气进行吹扫，是因为要防止水蒸汽滞留时转化成冷凝水滴从而对通路有腐蚀等的不良影响。
通过由控制装置进行这一系列操作，在发电运作停止后，富氢气不会滞留在通路内，从而能事前防止氢气爆炸，确保了安全性。
上述实施方式中，发电停止时，残留在燃料电池发电系统中的富氢气实际上全部被水蒸汽吹扫掉后，由空气供应装置5向重整器1供应空气。简而言之，其特征是，在燃料电池9停止运作时，停止向重整器1供应原料气体，并让残留在燃料电池发电系统中的富氢气、水蒸汽、和吹扫用空气依次流过。
又，上述实施方式中，发电停止时，虽然在残留在燃料电池发电系统中的富氢气实际上全部被水蒸汽吹扫掉后，由空气供应装置5向重整器1供应空气。但即使燃料电池发电系统下流侧残留有富氢气，只要在富氢气和吹扫用空气之间存在给定量的水蒸汽后供应吹扫用空气，从而防止了这些残留的富氢气与来自空气供应装置5的吹扫用空气接触而产生危险状态，也可由空气供应装置5向重整器1供应吹扫用空气。
又，上述实施方式中，发电停止时，用于吹扫残留在燃料电池发电系统中的富氢气的水蒸汽，虽然通过对向重整器1供应的水加热而得到，但也可向重整器1供应水蒸汽，利用该水蒸汽吹扫富氢气。
(实施方式2)
图2是本发明实施方式2中燃料电池发电系统的系统结构图。对于和实施方式1相同的部分，使用相同符号，省略对这些部分的说明。12是将燃料电池9的氢电极9a排出的废氢气供应到燃烧器2a的排氢气接管。
下面说明本实施方式2的运作。
虽然大部分氢气在燃料电池9的氢电极9a中由发电反应而消耗，但有若干量的氢气作为废氢气而排出。该废氢气经排氢气接管12送入燃烧器2a中，通过用作燃料使用来达到有效利用，同时残余氢气不用排放到外部就完全烧尽。
该实施方式2，在发电运作停止时，虽然和实施方式1相同，首先由水蒸汽进行对富氢气的吹扫，但该实施方式在水蒸汽到达燃烧器2a时停止向重整器1供水，然后由空气吹扫水蒸汽，在停止向重整器1供水时使氢气安全燃尽，从而确保了安全性。
而且，上述实施方式1和2中，虽然重整器1通过利用原料气体(烃)和水蒸汽的水蒸汽重整方式的重整反应来产生氢气，但重整器1也可通过不利用水蒸汽方式的重整反应(例如部分氧化方式等)来产生氢气。
此外，上述实施方式1和2中，为生成和原料气体(烃)起重整反应的水蒸汽，由供水装置4向重整器1供水，同时为了生成用于发电停止后吹扫富氢气的水蒸汽，也由供水装置4向重整器1供水。因此，水蒸汽重整方式能不增加成本地吹扫富氢气，以低成本确保了安全性。但也可将生成重整反应用水蒸汽的供水源、和生成用于吹扫发电停止后吹扫富氢气的水蒸汽的供水源分开。
(实施方式3)
图3是本发明实施方式3的燃料电池发电系统的系统结构图。对于和实施方式1相同的部分，使用相同符号，省略对这些部分的说明。实施方式3中，一氧化碳除去器7采用使一氧化碳与空气选择性反应的选择氧化反式。虽然通常在选择氧化方式的情况下，必需向一氧化碳供应空气，但作为该空气供应装置5的气泵5a兼有空气供应设备的作用，由切换装置13将空气适当切换到向一氧化碳除去器7供应或向重整器1上流1b供应。
下面，说明本实施方式3的运作。本实施方式在发电运作停止时，虽然和实施方式1相同，由气泵5a供应用于对水蒸汽进行吹扫的空气，但本实施方式即使在发电运作中也利用气泵5a，通过切换装置13将空气切换到向一氧化碳除去器7供应，从而使一氧化碳除去器7的一氧化碳除去反应继续进行。
结果，选择氧化方式能不增加成本地吹扫富氢气和水蒸汽，以低成本确保了安全性。
而且，上述实施方式中，虽然作为空气供应装置5的气泵5a，兼有作为向一氧化碳除去器7供应空气的供应源、和发电停止后向重整器1供应空气的供应源的作用，但也可将向一氧化碳除去器7供应空气的供应源和向重整器1供应空气的供应源分开。
如上所述，通过本发明的实施方式，提供了燃料电池发电系统，其中富氢气在发电运作停止后不滞留在通路内，因此能事前防止氢气爆炸，从而确保安全性。而且，由于它具有用水蒸汽对富氢气进行吹扫的结构，所以不需要以前用于由氮气进行吹扫操作的氮气钢瓶等氮气设备，例如在用于家庭用固定型分散发电和电动车辆用电源时，能使机器小型化，并降低初始成本。而且，由于不需要定期替换·补充氮气，所以能降低运行成本。
工业实用性
从以上说明可知，本发明提供了由燃料电池发电停止后不用氮气吹扫残留在燃料电池发电系统中的富氢气的燃料电池发电系统、和停止燃料电池发电的方法。

Claims (14)

1.燃料电池发电系统，它设有：利用原料气体产生富氢气的重整器、向该重整器供应所述原料气体的原料气体供应装置、向所述重整段供应吹扫用空气的第1空气供应装置、利用所述重整段产生的富氢气和来自外部的发电用空气来发电的燃料电池，
所述燃料电池停止运行时，停止向所述重整器供应所述原料气体，并让残留在燃料电池发电系统中的富氢气、水蒸汽和所述吹扫用空气依次流过。
2.如权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于，停止向所述重整器供应所述原料气体时，向所述重整器供水蒸汽，或向所述重整器供应水，再经加热产生水蒸汽，
然后，经过规定时间后，由所述第1空气供应装置向所述重整器供应所述吹扫用空气。
3.如权利要求2所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述的规定时间，是指所述燃料电池系统中的富氢气实际上全部被水蒸汽吹扫掉的时间。
4.如权利要求2所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述的规定时间，是指为防止所述燃料电池发电系统中的富氢气和所述吹扫用空气接触而产生危险状态，在富氢气和所述吹扫用空气之间足以提供给定量水蒸汽的时间。
5.如权利要求1～4中任何一项所述的燃料电池发电系统，其特征在于，它还设有向所述重整器供应产生氢气用水的供水装置、和加热所述重整器以使所述产生氢气用水转化为水蒸汽的加热装置，
所述的重整器，也利用所述水蒸汽来产生富氢气。
6.如权利要求5所述的燃料电池发电系统，其特征在于，它即使在所述燃料电池停止运行后，也加热所述的产生氢气用水，使之转化为水蒸汽。
7.如权利要求6所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述的加热装置，使用从所述燃料电池排出的废氢气作为燃料。
8.如权利要求7所述的燃料电池发电系统，其特征在于，水蒸汽到达所述加热装置后，停止向所述重整器供应所述产生氢气用水，同时向所述重整器供应所述吹扫用空气。
9.如权利要求1～8中任何一项所述的燃料电池发电系统，其特征在于，设有位于所述重整器下流的用于除去所述重整器所产生的富氢气中的一氧化碳的一氧化碳除去器、以及向所述一氧化碳除去器供应一氧化碳除去用空气的第2空气供应装置，
已被所述一氧化碳除去一氧化碳器除去的富氢气供应到所述燃料电池中。
10.如权利要求9所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述第1空气供应装置兼有所述第2空气供应装置的功能，
该系统还设有切换装置，该装置将来自所述第1空气供应装置的空气切换到向所述重整器供应或向所述一氧化碳除去器供应。
11.停止燃料电池发电的方法，它是在用燃料电池进行发电后停止燃料电池发电的方法，所述的燃料电池设有利用原料气体产生富氢气的重整器、向该重整器供应所述原料气体的原料气体供应装置、和向所述重整器供应吹扫用空气的第1空气供应装置，并利用所述重整器所产生的富氢气和来自外部的发电用空气来发电，
该方法是在所述燃料电池停止运行时，停止向所述重整器供应所述原料气体，并让残留在燃料电池发电系统中的富氢气、水蒸汽和所述吹扫用空气依次流过。
12.如权利要求11项所述的停止燃料电池发电的方法，其中停止向所述重整器供应所述原料气体时，向所述重整器供水蒸汽，或向所述重整器供应水，再经加热产生水蒸汽，
然后，经过规定时间后，由所述第1空气供应装置向所述重整器供应所述吹扫用空气。
13.如权利要求12所述的停止燃料电池发电的方法，其中所述的规定时间，是指所述燃料电池系统中的富氢气实际上全部被水蒸汽吹扫掉的时间。
14.如权利要求12所述的停止燃料电池发电的方法，其中所述的规定时间，是指为防止所述燃料电池发电系统中的富氢气和所述吹扫用空气接触而产生危险状态，在富氢气和所述吹扫用空气之间足以提供给定量水蒸汽的时间。
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