TW201345033A - 燃料電池系統 - Google Patents

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Satoru Yamamoto
Yasushi Mizuno
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Jx Nippon Oil & Energy Corp
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Abstract

本發明關於一種燃料電池系統，可抑制排出氣體從燃料電池模組內溢漏至燃料電池系統外。構成SOFC系統之簡易氣密框體容納有燃料電池模組、排出氣體處理部及熱交換器。SOFC容器係容納簡易氣密框體，而於簡易氣密框體周圍區劃形成輔機室。簡易氣密框體設置有吸氣孔。配置於簡易氣密框體內之送風機係透過陰極用空氣的供應通道，來吸引簡易氣密框體內的空氣，並供應至燃料電池模組內之燃料電池單元的空氣極。送風機係藉由吸引簡易氣密框體內的空氣，來將簡易氣密框體內部維持為較簡易氣密框體周圍(輔機室)要低壓之狀態。

Description

燃料電池系統
本發明關於一種燃料電池系統。
燃料電池系統為一種能源利用效率高的發電系統，其開發日益進展。當中又以固體氧化物形燃料電池系統(以下，稱作「SOFC系統」)由於其發電效率高，因此作為一種低CO2排出的次世代定置用電源受到矚目。
此系統一般來說，係包含有使含氫燃料與空氣反應來進行發電之燃料電池，以及，圍繞該燃料電池，並在其內部使剩餘的含氫燃料燃燒來將燃料電池維持在高溫狀態之殼體所構成。該等為系統的主要部分，將該等總稱作燃料電池模組。
藉由殼體內燃燒，會生成高溫的排出氣體。
以往，燃料電池模組中，有關與貫穿其殼體之配管、配線類的連接部(接合部)之處理，係使用具有高溫耐受性與氣密性之墊片(例如膨脹黒鉛製的墊片)，而藉由燃料電池模組本身來確保氣密性。藉由如此地確保氣密性，可抑制系統運轉時排出氣體從殼體內部溢漏至外部。
又，將零件類安裝在殼體內後封閉殼體的最外側蓋體之工序中，係使用前述膨脹黒鉛製墊片或是將該蓋體焊接來確保氣密性。藉由如此地確保氣密性，便可抑制系統運轉時排出氣體從殼體內部溢漏至外部。
關於抑制上述排出氣體溢漏的技術，可舉出專利文獻1、2 記載的內容。
專利文獻1中記載使用黒鉛製且具耐熱性之墊片來進行蓋體(金屬板)的封閉。
專利文獻2中記載燃料電池系統具備有排出氣體用的吸引裝置，該吸引裝置會吸引殼體內的排出氣體並引導至熱交換器。
專利文獻1：日本特開2008-84590號公報
專利文獻2：日本特開2008-311005號公報
然而，藉由施予前述焊接處理來確保燃料電池模組的氣密性之情況，當製造燃料電池模組時，必須針對每個焊接部位進行氣密檢查。此檢查若焊接部位愈多，則檢查部位亦愈多，因此會有檢查花費相當時間之虞，再者，亦會導致製造成本上升。
又，如前述般使用膨脹黒鉛製墊片來確保燃料電池模組的氣密性之情況下，由於膨脹黒鉛製墊片的價錢較高，故製造成本上升。
又，由於專利文獻2記載的吸引裝置會有大量吸引排出氣體中含有的水蒸氣之虞，因此該水蒸氣有可能會對吸引裝置的機械壽命造成不良影響。作為上述問題的對策，若設置例如新的水蒸氣降低用裝置，則會導致製造成本上升或燃料電池系統變得過度大型化。
本發明有鑑於上述問題點，其目的在於抑制製造成本上升與燃料電池系統過度大型化，且抑制排出氣體從燃料電池模組內溢漏至系統外。
因此，本發明之燃料電池系統包含以下所構成：燃料電池模組，其包含使含氫燃料與空氣反應來進行發電之燃料電池，以及，圍繞該燃料電池，並在其內部使燃料電池中的剩餘含氫燃料燃燒來將燃料電池維持在高溫狀態之殼體；第1框體，係容納該燃料電池模組；以及吸引裝置，係吸引該第1框體內的空氣，而將第1框體內維持在負壓狀態。
依據本發明，吸引裝置會吸引第1框體內的空氣來將第1框體內維持在負壓狀態。藉此，由於第1框體內部會被維持為較第1框體周圍要低壓之狀態，因此縱使是少量排出氣體從燃料電池模組溢漏至第1框體內之情況，仍可抑制該少量排出氣體流出至第1框體外。又，由於燃料電池模組的外面與第1框體的內面之間形成有空氣層，因此第1框體的表面溫度會成為較燃料電池模組的外面溫度要低溫。於是，當貫穿第1框體之配管、配線類的接合處理時，便可取代前述膨脹黒鉛製墊片，而使用較該墊片便宜且耐熱性低的組件(例如橡膠製索環)。
又，依據本發明，吸引裝置會吸引第1框體內的空氣。藉此，由於吸引裝置主要會吸引第1框體內的較乾燥空氣，因此可獲得較良好的機械壽命。
於是，依據本發明，由於可在前述接合處理時使用較便宜的組件，又，可獲得機械壽命較良好的吸引裝置，因此可抑制製造成本，且抑制排出氣體從燃料電池模組內溢漏至系統外。
又，依據本發明，由於吸引裝置主要會吸引第1框體內的較乾燥空氣，因此作為吸引裝置壽命的對策，不需設置前述般新的水蒸氣降低用裝置。從而，可抑制燃料電池系統過度大型化。
1‧‧‧燃料電池模組
2‧‧‧排出氣體處理部
3‧‧‧熱交換器
4‧‧‧簡易氣密框體(第1框體)
4a‧‧‧壓差感測器(壓力差檢測部)
5‧‧‧功率調節器(PCS)
6‧‧‧控制單元(控制部)
7‧‧‧SOFC容器(第2框體)
8‧‧‧輔機室
10‧‧‧殼體
11‧‧‧改質器
12‧‧‧燃料電池組
13‧‧‧燃料電池單元
14‧‧‧廢氣燃燒部
15‧‧‧原燃料的供應通道
15a‧‧‧幫浦
16‧‧‧水蒸氣改質用水(改質水)的供應通道
16a‧‧‧幫浦
17‧‧‧陰極用空氣的供應通道
17a‧‧‧送風機(空氣供應裝置，吸引裝置)
17b‧‧‧過濾器
17c‧‧‧吸入口
18‧‧‧脫硫器
19‧‧‧改質氣體的供應通道
20‧‧‧熱媒體循環通道
20a‧‧‧幫浦
31‧‧‧排氣口
32‧‧‧凝縮水的回收通道
33‧‧‧回收水處理部
34‧‧‧水箱
41‧‧‧吸氣孔
42‧‧‧排氣孔
43‧‧‧吸氣管(連通管)
43’‧‧‧吸氣管
44‧‧‧排氣管
51‧‧‧空氣吸引通道
51a‧‧‧送風機(空氣供應裝置，吸引裝置)
61‧‧‧排出氣體通道
71‧‧‧吸氣孔
72‧‧‧排氣孔
73‧‧‧換氣扇
74‧‧‧換氣孔
80‧‧‧熱交換器(冷卻裝置)
G‧‧‧索環
H‧‧‧墊片
圖1係顯示本發明第1實施型態之SOFC系統的概略結構之圖式。
圖2係顯示燃料電池模組的概略結構之圖式。
圖3係顯示第1框體內負壓狀態的判定方法之流程圖。
圖4為系統的運轉停止控制之流程圖。
圖5係顯示本發明第2實施型態之SOFC系統的概略結構之圖式。
圖6係顯示本發明第3實施型態之SOFC系統的概略結構之圖式。
圖7係顯示本發明第4實施型態之SOFC系統的概略結構之圖式。
圖8係顯示本發明第5實施型態之SOFC系統的概略結構之圖式。
圖9係顯示本發明第6實施型態之SOFC系統的概略結構之圖式。
以下，依據圖式說明本發明之實施型態。
圖1係顯示本發明第1實施型態之SOFC系統的概略結構。圖2係顯示燃料電池模組的概略結構。
SOFC系統包含有構成其主要部分(發電部)之燃料電池模組1、排出氣體處理部2、熱交換器3、簡易氣密框體4、功率調節器(以下，稱作「PCS」)5、控制單元6及SOFC容器7所構成。排出氣體處理部2中，從燃料電池模組1排出的排出氣體會被淨化。熱交換器3中，會回收排出氣體處理部2所淨化之排出氣體的熱，而獲得溫水。簡易氣密框體4係容納燃料電池模組1、排出氣體處理部2及熱交換器3。此處，簡易氣密框體4係對應於本發明之第1框體。PCS5中，會轉換燃料電池模組1的發電電力。SOFC容器7係容納簡易氣密框體4、PCS5及控制單元6。此處，SOFC容器7係對應於本發明之第2框體。又，將SOFC容器7的內面與簡易氣密框體4的外面所區劃形成之腔室稱作輔機室8。於是，輔機室8內便會配置有PCS5及控制單元6。
簡易氣密框體4為箱狀，係由金屬所形成。
簡易氣密框體4形成有連通其內部與外部之2個連通孔(吸氣孔41及排氣孔42)。此處，吸氣孔41係對應於本發明之簡易氣密框體4的吸氣部。吸氣孔41具有將簡易氣密框體4外的空氣引導至簡易氣密框體4內之功能。
SOFC容器7為箱狀。
SOFC容器7形成有連通其內部與外部之2個連通孔(吸氣孔71及排氣孔72)。
吸氣管43的一端部係氣密且液密式地連接於簡易氣密框體4的吸氣孔41。吸氣管43的中間部係貫穿SOFC容器7的吸氣孔71。吸氣管43的另一端部則自SOFC容器7的外面朝外側突出。換言之，吸氣管43係為貫穿SOFC容器7且連通簡易氣密框體4內部與SOFC容器7外部之連通管。又，吸氣管43具有將外氣引導至簡易氣密框體4內之功能。此外，亦可為吸氣管43的一端部乃連接於簡易氣密框體4的吸氣孔41，另一端部則連接於SOFC容器7的吸氣孔71。此處，簡易氣密框體4中之與吸氣管43的連接部(接合部)係使用例如橡膠製的索環(grommet)G來作為密封組件。
貫穿簡易氣密框體4的排氣孔42與SOFC容器7的排氣孔72般而設置有排氣管44。
排氣管44的一端部係連接於簡易氣密框體4內之熱交換器3的排氣口31。排氣管44的中間部係氣密且液密式地貫穿簡易氣密框體4的排氣孔42，且更進一步地通過SOFC容器7的排氣孔72。排氣管44的另一端部係自SOFC容器7的外面朝外側突出。於是，熱交換器3的內部(排出氣體通道)便會透過排氣管44而連通於SOFC容器7的外部。此外，亦可為排氣管44的一端部係連接於簡易氣密框體4內之熱交換器3的排氣口31，中間部係貫穿簡易氣密框體4的排氣孔42，而另一端部則連接於SOFC容器7的排氣孔72。此處，簡易氣密框體4中之排氣管44的貫穿部(接合部)係使用例如橡膠製的索環G來作為密封組件。
SOFC容器7設置有將外氣引導至輔機室8內之換氣扇73。又，SOFC容器7形成有用以將該輔機室8內的空氣排出之換氣孔74。使換氣扇73作動而將外氣引導至SOFC容器7內後，該外氣會將輔機室8內的PCS5或輔機等(例如，後述之幫浦15a、16a等)冷卻，而從換氣孔74被排出至外部。
簡易氣密框體4係設置有檢測其內部壓力與外部壓力(亦即，輔機室8的內部壓力)的壓差△P之作為壓力差檢測部的壓差感測器4a。來自壓差感測器4a的壓力差檢測訊號(對應於壓差△P之訊號)係透過訊號線(圖中未顯示)而被傳達至控制單元6。此外，本實施型態中，壓差△P係意指輔機室8的內部壓力與簡易氣密框體4的內部壓力之差值(亦即，△P=(輔機室8的內部壓力)-(簡易氣密框體4的內部壓力))。又，本實施型態中，雖係使用壓差感測器4a來作為檢測壓差△P之壓力差檢測部，但壓力差檢測部的結構不限於此。例如，亦可分別設置有檢測簡易氣密框體4的內部壓力之壓力感測器，與檢測輔機室8的內部壓力之壓力感測器，而依據該等壓力感測器的壓力檢測值來計算壓差△P，藉以實現作為壓力差檢測部之功能。
簡易氣密框體4內的燃料電池模組1如圖2所示，係於殼體10內配置有改質器11、燃料電池組12(複數燃料電池單元13的組裝體)及廢氣燃燒部14所構成。亦即，殼體10係圍繞改質器11、燃料電池組12及廢氣燃燒部14。此處，燃料電池組12及燃料電池單元13係對應於本發明之燃料電池。
殼體10為耐熱性金屬所形成之箱狀的外框體。殼體10較佳宜於內面鋪設有絕熱材所構成。又，殼體10為了抑制對簡易氣密框體4之傳熱，而配置為自簡易氣密框體4的內壁遠離。換言之，殼體10係設置為於簡易氣密框體4與燃料電池模組1之間形成有空氣層。此設置方法可舉出例如介隔著腳部來加以設置之方法，或是介隔著溫度低於殼體10的熱交換器3來加以設置之方法。
圖1及如圖2所示，從SOFC容器7的外部至殼體10的內部，設置有原燃料(碳化氫系燃料等)的供應通道15。
原燃料的供應通道15係由通過分別預先形成於SOFC容器7、簡易氣密框體4及殼體10的貫穿孔(圖中未顯示)之配管所構成。該配管與簡易氣密框體4的貫穿部(接合部)係使用例如橡膠製的索環G來作為密封組件。又，該配管與殼體10的貫穿部(接 合部)係使用例如金屬管或瓷管(porcelain tube)(圖中未顯示)。
如圖1所示，輔機室8內之原燃料的供應通道15從上游側朝向下游依序設置有脫硫器18與作為適當的供應量控制裝置之幫浦15a。脫硫器18會去除原燃料中的硫磺化合物。原燃料的供應通道15處之幫浦15a與簡易氣密框體4之間連接有改質用空氣的供應通道(圖中未顯示)。該改質用空氣的供應通道係設置有作為適當的供應量控制裝置之送風機(圖中未顯示)。
圖1及如圖2所示，從輔機室8內的後述水箱34至殼體10內，設置有水蒸氣改質用水(改質水)的供應通道16。輔機室8內之改質水的供應通道16設置有作為適當的供應量控制裝置之幫浦16a。
改質水的供應通道16係由通過分別預先形成於簡易氣密框體4及殼體10的貫穿孔(圖中未顯示)之配管所構成。該配管與簡易氣密框體4的貫穿部(接合部)係使用例如橡膠製的索環G來作為密封組件。又，該配管與殼體10的貫穿部(接合部)係使用例如金屬管或瓷管(圖中未顯示)。
簡易氣密框體4內，從殼體10的外部至內部而設置有陰極用空氣的供應通道17。此處，陰極用空氣的供應通道17的一端部(吸入口17c)係位在簡易氣密框體4內。又，陰極用空氣的供應通道17的另一端部係面臨燃料電池單元13的空氣極(陰極)。陰極用空氣的供應通道17係設置有為空氣供應裝置之送風機17a，來作為適當的供應量控制裝置。又，陰極用空氣的供應通道17處之送風機17a的上游側設置有去除空氣中的異物之過濾器17b。
陰極用空氣的供應通道17係由通過預先形成於殼體10的貫穿孔(圖中未顯示)之配管所構成。該配管與殼體10的貫穿部(接合部)係使用例如金屬管或瓷管(圖中未顯示)。
圖2所示之改質器11係於耐熱性金屬所形成之殼體內的腔室充填有改質觸媒所構成。改質器11連接有原燃料及改質水的供應通道15、16。於是，改質器11便會在將水氣化所獲得之水 蒸氣的存在下，藉由水蒸氣改質反應來將原燃料改質，而生成富含氫的燃料氣體(改質氣體)。此處，該改質氣體係對應於本發明之含氫燃料。此外，亦可取代水蒸氣改質反應，而藉由部分氧化反應或自我熱改質反應等，或更進一步地為該等改質反應的組合等之公知方法作為氫產生方法來生成改質氣體。
燃料電池組12係串聯連接複數固體氧化物形燃料電池單元13所構成的組裝體。各單元13係於固體氧化物電解質的兩面層積有燃料極(陽極)與空氣極(陰極)所構成。燃料極係藉由來自改質器11出口之改質氣體的供應通道19而被供應改質氣體。空氣極係藉由陰極用空氣的供應通道17而被供應空氣。
於是，各個燃料電池單元13中，便會在空氣極發生下述式(1)的電極反應，而在燃料極發生下述式(2)的電極反應，來進行發電。
式(1)：空氣極：1/2O2+2e-→O2-(固體電解質)
式(2)：燃料極：O2-(固體電解質)+H2→H2O+2e-
燃料電池單元13設置有檢測其溫度T之溫度感測器(圖中未顯示)。來自該溫度感測器的溫度檢測訊號(對應於單元溫度T之訊號)係透過訊號線(圖中未顯示)而被傳達至控制單元6。
廢氣燃燒部14係設置於殼體10內。廢氣燃燒部14中，會使燃料電池組12中的剩餘改質氣體(陽極廢氣)在剩餘空氣之存在下燃燒。殼體10係藉由廢氣燃燒部14所產生的燃燒熱，來將改質器11及燃料電池組12維持在高溫狀態。於是，殼體10內，便會因燃料電池組12的發電及剩餘改質氣體的燃燒，而在例如發電運轉中成為600~1000℃左右的高溫。
殼體10係連接有會將其內部因燃燒而生成的高溫排出氣體予以淨化之排出氣體處理部2。
排出氣體處理部2係於例如金屬製殼體內的腔室充填有燃燒觸媒所構成。排出氣體處理部2中，排出氣體中所包含的一氧化碳或氫等成分會因燃燒觸媒而被淨化處理。
如圖1所示，排出氣體處理部2連接有藉由排出氣體處理 部2所處理後的排出氣體與水來進行熱交換之熱交換器3。
熱交換器3中，會回收燃料電池模組1的廢熱(含有燃料電池組12中產生的熱之排出氣體的熱)而獲得溫水。
熱交換器3係藉由圖中未顯示之熱水供應單元(於SOFC容器7為別的容器)的熱水儲存槽與熱媒體循環通道20而相連接。輔機室8內的熱媒體循環通道20設置有作為適當的供應量控制裝置之幫浦20a。
熱媒體循環通道20係由通過預先形成於簡易氣密框體4的貫穿孔(圖中未顯示)之配管所構成。該配管與簡易氣密框體4的貫穿部(接合部)係使用例如橡膠製的索環G來作為密封組件。
熱交換器3內的排出氣體通道中，排出氣體中的水分會因與熱媒體循環通道20的熱交換而凝縮，因而，從熱交換器3內的排出氣體通道至簡易氣密框體4的外部(輔機室8的內部)，係設置有凝縮水的回收通道32。
凝縮水的回收通道32係由通過預先形成於簡易氣密框體4的貫穿孔(圖中未顯示)之配管所構成。該配管與簡易氣密框體4的貫穿部(接合部)係使用例如橡膠製的索環G來作為密封組件。
輔機室8內之凝縮水的回收通道32設置有回收水處理部33。回收水處理部33係包含有例如離子交換樹脂所構成。又，輔機室8內之凝縮水的回收通道32下游端係連接於水箱34。
藉由熱交換器3的熱交換而生成之凝縮水會通過凝縮水的回收通道32，而在回收水處理部33被處理，並儲存於水箱34。
儲存在水箱34的水會因前述幫浦16a而被吸引，且通過改質水的供應通道16再被供應至改質器11。
PCS5會轉換燃料電池模組1的燃料電池組12所產生之直流電力。又，PCS5具有變流器，可將直流電力轉換為交流電力，而供應至家用電器(電氣機器)(圖中未顯示)。此外，若燃料電池組12的發電電力小於家用電器的需要電力之情況，其不足夠的部分，會由系統電源(圖中未顯示)將系統電力供應至家用電器。
控制單元6會控制燃料電池組12的發電電力，或用以使熱 交換所使用的熱媒體循環之幫浦20a的運轉等。控制單元6係由微電腦所構成。該微電腦具備有CPU、ROM、RAM及輸出入介面等。
控制單元6所進行之發電電力的控制係透過幫浦15a、16a等來控制對改質器11之原燃料、改質水、改質用空氣的供應量且控制對燃料電池組12之改質氣體(陽極氣體)的供應量，或是，透過送風機17a來控制對燃料電池組12之空氣(陰極氣體)的供應量，藉此而進行。
於是，控制單元6便會對應於家用電器的需要電力，而在額定最大發電電力的範圍內設定燃料電池組12的發電電力目標值，並依據此(以能夠獲得發電電力目標值之方式)來控制燃料、水及空氣的供應量，藉此控制燃料電池組12的發電電力。
控制單元6會另外控制PCS5。具體來說，係依據燃料電池組12的發電電力目標值，來設定、控制從燃料電池組12所轉換的電流。更詳細地說明，係將燃料電池組12的發電電力目標值除以燃料電池組12的輸出電壓(瞬間值)，而設定電流目標值，並依據該電流目標值，來控制從燃料電池組12所轉換的電流。
當送風機17a運轉時，送風機17a會透過陰極用空氣的供應通道17來吸引簡易氣密框體4內的空氣，並供應至燃料電池模組1內的燃料電池組12(燃料電池單元13的空氣極)。藉此，簡易氣密框體4的內部便會被維持為較簡易氣密框體4的周圍(輔機室8)要低壓之狀態。亦即，送風機17a具有本發明之吸引裝置的功能，可將簡易氣密框體4的內部維持在負壓狀態。於是，縱使是少量排出氣體從燃料電池模組1溢漏至簡易氣密框體4內之情況，仍可抑制該少量排出氣體通過吸氣孔41，或是，通過索環G與配管部之間的間隙，而流出至簡易氣密框體4外(輔機室8)。又，溢漏至簡易氣密框體4內之少量排出氣體會因送風機17a而和空氣一起被吸引且被引導至燃料電池模組1內，更進一步地，藉由排出氣體處理部2，將排出氣體中的一氧 化碳或氫等成分淨化處理。於是，便可抑制溢漏至簡易氣密框體4內之少量排出氣體中的一氧化碳或氫等成分從排氣管44被排出至SOFC容器7外。
本實施型態中，為了更確實地抑制排出氣體成分被排出至該SOFC容器7外，係監視簡易氣密框體4內的負壓狀態，而對應於該負壓狀態，來控制系統的運轉。此處，控制單元6具有本發明之控制部的功能，可依據壓差感測器4a所檢測之壓差△P來控制SOFC系統的運轉。
圖3係藉由控制單元6所執行之簡易氣密框體4內負壓狀態的判定流程。
圖3所示之負壓狀態判定流程會在每當系統運轉時及特定時間時執行。
步驟S1中，係比較前述壓差感測器4a所檢測之壓差△P與第1特定壓差P1。此處，第1特定壓差P1係指用來判定簡易氣密框體4內的負壓狀態是否為正常之閾值，為預先設定。
若△P>P1的情況，則判定簡易氣密框體4內的負壓狀態已維持為正常，而前進至步驟S2，來持續系統的通常運轉。具體來說，如前述，係對應於家用電器的需要電力，來進行燃料電池組12的發電電力控制與PCS5的控制。
另一方面，若△P≦P1的情況，則判定簡易氣密框體4內的負壓狀態為異常，而前進至步驟S3。
步驟S3中，係比較前述壓差感測器4a所檢測之壓差△P與第2特定壓差P2。此處，第2特定壓差P2係指用來判定簡易氣密框體4內的負壓狀態異常是否輕微之閾值，為預先設定。又，有關第1特定壓差P1與第2特定壓差P2，係預先設定為會滿足0<P2<P1的關係。
若△P>P2的情況，則判定簡易氣密框體4內的負壓狀態雖有異常，但為輕微，而前進至步驟S4，來降低系統的運轉輸出。具體來說，係將前述燃料電池組12的發電電力目標值降低特定量，或是限制其最大值，來進行燃料電池組12的發電電力控制 與PCS5的控制。
另一方面，若△P≦P2的情況，則判定簡易氣密框體4內的負壓狀態異常並非輕微，而前進至步驟S5。
此外，亦可為步驟S4中，若從降低系統的運轉輸出後△P>P2的狀態已持續一定時間以上之情況，則判定為簡易氣密框體4內的負壓狀態異常並非輕微，而前進至步驟S5。
步驟S5中，係進行圖4所示系統的運轉停止控制。
圖4係藉由控制單元6所執行之系統的運轉停止控制流程。
步驟S11中，係判定是否有系統的非常停止要求。此處，非常停止係意指進行省略通常的運轉停止控制的至少一部分步驟順序之停止控制，來停止運轉。非常停止會在例如送風機17a的緊急運轉停止時被要求。
若判定為有非常停止要求的情況，會前進至步驟S12，來進行系統的非常停止控制。非常停止控制係立即且一起進行例如，電流閃掃的停止、對改質器11之原燃料及改質水的供應停止、對燃料電池組12之陰極用空氣的供應停止等，來停止系統。此外，該非常停止控制時，係藉由立即停止對改質器11之原燃料的供應，來立即停止改質氣體的生成。又，由於會因前述的一起停止，使得燃料電池模組1內的溫度開始迅速降低，因此對應於其，燃料電池模組1內的氣體體積便會減少。再者，燃料電池模組1的周邊空氣(簡易氣密框體4內的空氣)會朝向被吸引至燃料電池模組1內之方向移動。於是，便可抑制殘留於燃料電池模組1內之氣體(例如，改質氣體或陽極廢氣等)在陰極用空氣的供應通道17逆流而流出至簡易氣密框體4。
另一方面，當步驟S11中判定未有非常停止要求的情況，則前進到步驟S13，而開始通常的運轉停止控制。
步驟S13中，係立即停止電流閃掃。具體來說，係對PCS5指示電流閃掃停止。燃料電池組12會自家用電器被切離。藉由發電停止，燃料電池單元13本身的發熱會停止。
又，步驟S13中，會減少對改質器11之原燃料及改質水的 供應量，以及，對燃料電池組12之陰極用空氣的供應量。
步驟S14中，係比較藉由前述溫度感測器所檢測之單元溫度T與特定溫度Ts。此處，特定溫度Ts係縱使停止燃料的供應(縱使非為還原氛圍)仍可抑制因燃料電池單元13的單元支撐體(圖中未顯示)等之氧化而導致熱劣化之溫度，為預先設定。
若T>Ts的情況，則在經過特定時間後，回到步驟S14，持續單元溫度T的檢測，及單元溫度T與特定溫度Ts的比較，而在成為T≦Ts之時間點前進至步驟S15。
步驟S15中，係進行對改質器11之原燃料及改質水的供應停止。
之後亦監視單元溫度T，而在達到室溫後，便進行對燃料電池組12之陰極用空氣的供應停止(步驟S16)，並停止系統。
專利文獻1中記載殼體的蓋設置有墊片冷卻用的冷卻管。但若如此般地使用冷卻管來進行墊片的冷卻，則會有燃料電池的附近形成低溫區域之虞，其結果，有可能導致燃料電池喪失熱平衡。
這一點，依據本實施型態，燃料電池組12的附近並未形成低溫區域。再者，可將燃料電池組12的熱平衡維持為較良好。
依據本實施型態，SOFC系統(燃料電池系統)包含有：燃料電池模組1，其包含使改質氣體(含氫燃料)與空氣反應來進行發電之燃料電池組12(燃料電池)，以及圍繞該燃料電池組12並在其內部使燃料電池組12中的剩餘改質氣體燃燒來將燃料電池組12維持在高溫狀態之殼體10；容納該燃料電池模組1之簡易氣密框體4(第1框體)；以及，吸引簡易氣密框體4內的空氣來將簡易氣密框體4內維持在負壓狀態之送風機17a(空氣供應裝置、吸引裝置)所構成。藉此，由於簡易氣密框體4的內部會被維持在較簡易氣密框體4的周圍(輔機室8)要低壓之狀態，因此縱使是少量排出氣體從燃料電池模組1溢漏至簡易氣密框體4內之情況，仍可抑制該少量排出氣體流出至簡易氣密框體4外(輔機室8)。於是，便可在不會對燃料電池組12的發電性能造 成影響之範圍內，緩和燃料電池模組1的氣密性。又，可在將簡易氣密框體4的內部維持為較簡易氣密框體4的周圍(輔機室8)要低壓狀態之範圍內，緩和簡易氣密框體4的氣密性。
又，依據本實施型態，由於燃料電池模組1的外面與簡易氣密框體4的內面之間形成有空氣層，因此簡易氣密框體4的表面溫度會較燃料電池模組1的外面溫度要低溫。於是，當貫穿簡易氣密框體4之配管、配線類的接合處理時，便可取代前述膨脹黒鉛製的墊片，而使用較該墊片價錢便宜且耐熱性低的組件(例如，橡膠製的索環G)。
又，依據本實施型態，送風機17a會吸引簡易氣密框體4內的空氣。藉此，由於送風機17a主要會吸引送風機17a內的較乾燥空氣，因此相較於專利文獻2記載的吸引裝置，可獲得機械壽命較為良好之送風機17a。
又，依據本實施型態，SOFC系統另包含有能夠淨化從燃料電池模組1排出的排出氣體之排出氣體處理部2所構成，簡易氣密框體4另容納有排出氣體處理部2。藉此，由於來自燃料電池模組1之排出氣體中所包含的一氧化碳或氫等成分會在簡易氣密框體4內被淨化處理，因此可抑制該等成分流出至簡易氣密框體4外(輔機室8)。
又，依據本實施型態，送風機17a會將從簡易氣密框體4內所吸引的空氣供應至燃料電池模組1之空氣供應裝置。藉此，縱使是少量排出氣體從燃料電池模組1溢漏至簡易氣密框體4內之情況，該少量排出氣體仍會連同簡易氣密框體4內的空氣一起被引導至燃料電池模組1內。亦即，由於不需另外設置一邊將簡易氣密框體4保持為負壓狀態，一邊將排出氣體安全地排出至簡易氣密框體4外且輔機室8外之配管等設備，因此不會導致系統過度大型化，且可抑制排出氣體流出至簡易氣密框體4外(輔機室8)。
又，依據本實施型態，送風機17a係為將從簡易氣密框體4內所吸引的空氣供應至殼體10內之燃料電池單元13的空氣極 之空氣供應裝置。藉此，由於不需設置用以將簡易氣密框體4保持為負壓狀態之專用的送風機，因此不會導致系統過度大型化，可使用陰極用空氣供應用的送風機17a來將簡易氣密框體4內維持在負壓狀態，因此可使系統為較簡單的結構。
又，依據本實施型態，SOFC系統另包含有容納簡易氣密框體4之SOFC容器7(第2框體)所構成。藉此，可在簡易氣密框體4的周圍區劃形成輔機室8，因此，可使輔機類集中在輔機室8內。
又，依據本實施型態，SOFC系統另包含有貫穿SOFC容器7F且連通簡易氣密框體4內與SOFC容器7外之吸氣管43(連通管)所構成，送風機17a係配置於簡易氣密框體4內。藉此，由於可透過吸氣管43來將SOFC容器7外部的空氣順利地引導至簡易氣密框體4內，因此可抑制簡易氣密框體4內之送風機17a的過度發熱。
又，依據本實施型態，SOFC系統另包含有檢測簡易氣密框體4的內部壓力與外部壓力差(壓差△P)之壓差感測器4a(壓力差檢測部)、以及依據該壓差感測器4a所檢測的壓差△P來控制SOFC系統的運轉之控制單元6(控制部)所構成。藉此，例如，當送風機17a運轉時，由於可在因過濾器17b的阻塞目或送風機17a的故障等而導致簡易氣密框體4內的負壓開始降低時(亦即，簡易氣密框體4的內部壓力開始接近輔機室8的內部壓力時)，迅速地掌握簡易氣密框體4內的負壓狀態變化，並對應於其來進行系統的運轉控制，因此可抑制排出氣體從簡易氣密框體4內溢漏至輔機室8內，並進行系統之更安全的運轉控制。
又，依據本實施型態，當壓差△P>第1特定壓差P1的情況，係對應於家用電器的需要電力，來設定燃料電池組12的發電電力目標值，並以能夠獲得該目標值之方式來進行燃料電池組12的發電電力控制(參閱圖3的步驟S2)。另一方面，當第2特定壓差P2<壓差△P≦第1特定壓差P1的情況，例如，係將燃料電池組12的發電電力目標值降低特定量，而以能夠獲得該降低 後的新目標值之方式來進行燃料電池組12的發電電力控制(參閱圖3的步驟S4)。亦即，依據本實施型態，控制單元6當壓差△P愈小，會降低SOFC系統的運轉輸出。藉此，則當簡易氣密框體4內的負壓降低時，由於可減少燃料電池模組1內之排出氣體的產生量，故可抑制排出氣體從燃料電池模組1溢漏至簡易氣密框體4內。
又，依據本實施型態，控制單元6當壓差△P降低為第2特定壓差P2以下(特定的閾值以下)時，會停止SOFC系統的運轉(參閱圖3的步驟S5及圖4)。藉此，當簡易氣密框體4內的負壓大幅降低之情況，可立即開始系統的運轉停止控制，故可抑制排出氣體從簡易氣密框體4內溢漏至輔機室8內。
此外，本實施型態中，雖係個別地構成吸氣管43與排氣管44，但吸氣管及排氣管的結構不限於此。例如，亦可外管與內管所構成之二重管構造的管狀組件來一體地構成吸氣管與排氣管。此情況下，二重管構造的管狀組件係使其外管與內管之間的空間為吸氣通道，並使內管內的空間為排氣通道，藉此可抑制排出氣體的熱直接傳遞至管狀組件(外管)的外表面。
圖5係顯示本發明第2實施型態之SOFC系統的概略結構。
以下，說明與圖1所示第1實施型態之相異點。
本實施型態中，從簡易氣密框體4的內部至排出氣體處理部2，設置有空氣吸引通道51。此處，空氣吸引通道51的一端部(吸入口)係位在簡易氣密框體4內。又，空氣吸引通道51的另一端部係連接於排出氣體處理部2。空氣吸引通道51係設置有為空氣供應裝置之送風機51a，來作為適當的供應量控制裝置。
當送風機51a運轉時，送風機51a會透過空氣吸引通道51，來吸引簡易氣密框體4內的空氣並供應至排出氣體處理部2。藉此，簡易氣密框體4的內部便會被維持在較簡易氣密框體4的周圍(輔機室8)要低壓之狀態。亦即，送風機51a具有本發明之吸引裝置的功能，可將簡易氣密框體4的內部維持在負壓狀態。 於是，縱使是少量排出氣體從燃料電池模組1溢漏至簡易氣密框體4內之情況，仍可抑制該少量排出氣體通過吸氣孔41，或是，通過索環G與配管部之間的間隙，而流出至簡易氣密框體4外(輔機室8)。又，溢漏至簡易氣密框體4內之少量的排出氣體會因送風機51a而和空氣一起被吸引且被引導至排出氣體處理部2，來將排出氣體中之一氧化碳或氫等成分淨化處理。於是，便可抑制溢漏至簡易氣密框體4內之少量排出氣體中的一氧化碳或氫等成分從排氣管44被排出至SOFC容器7外。
本實施型態中，藉由併用送風機17a與送風機51a，可強化簡易氣密框體4內的負壓。又，送風機51a縱使是在送風機17a的運轉停止時仍可運轉。於是，當送風機17a的運轉停止時，可藉由送風機51a來將簡易氣密框體4的內部維持在負壓狀態。
特別是依據本實施型態，送風機51a係將從簡易氣密框體4內所吸引的空氣供應至排出氣體處理部2之空氣供應裝置。藉此，縱使是少量排出氣體從燃料電池模組1溢漏至簡易氣密框體4內之情況，由於該少量的排出氣體仍會連同簡易氣密框體4內的空氣一起被引導至排出氣體處理部2內，因此可抑制排出氣體流出至簡易氣密框體4外(輔機室8)，且更有效地淨化溢漏至簡易氣密框體4內之少量的排出氣體。
圖6係顯示本發明第3實施型態之SOFC系統的概略結構。
以下，說明與圖1所示第1實施型態之相異點。
本實施型態中，吸氣孔41、71及吸氣管43係設置於送風機17a的附近。又，係以從SOFC容器7的外部經由吸氣管43流入簡易氣密框體4的內部之空氣會通過送風機17a及過濾器17b的附近而流入至陰極用空氣的供應通道17的一端部(吸入口17c)之方式，而配置有陰極用空氣的供應通道17、送風機17a及過濾器17b。
特別是依據本實施型態，從SOFC容器7外部經由吸氣管43直接流入至簡易氣密框體4內的空氣會通過送風機17a及過濾器17b的附近，而被引導至陰極用空氣的供應通道17的吸入 口17c(亦即，送風機17a的吸入口)。藉此，來自SOFC容器7的外部之空氣會將送風機17a及過濾器17b冷卻後才流入陰極用空氣的供應通道17，因此可將陰極用空氣使用於送風機17a及過濾器17b的冷卻。
圖7係顯示本發明第4實施型態之SOFC系統的概略結構。
以下，說明與圖1所示第1實施型態之相異點。
本實施型態中，SOFC容器7並未形成有吸氣孔71。又，係取代吸氣管43而設置有吸氣管43’。吸氣管43’的一端部係氣密且液密式地連接於簡易氣密框體4的吸氣孔41。又，吸氣管43’的另一端部係位在輔機室8內。此外，亦可省略吸氣管43’，而從吸氣孔41使直接輔機室8內的空氣流入簡易氣密框體4內。
本實施型態中，陰極用空氣的供應通道17的中間部、送風機17a、及過濾器17b係配置於輔機室8內。於是，陰極用空氣的供應通道17之較過濾器17b要上游側的部分與較送風機17a要下游側的部分係分別由通過預先形成於簡易氣密框體4的貫穿孔(圖中未顯示)之配管所構成。該等配管與簡易氣密框體4的貫穿部(接合部)係分別使用例如橡膠製的索環G來作為密封組件。此處，構成陰極用空氣的供應通道17之配管當中，一端部(吸入口17c)係位在簡易氣密框體4內，中間部係貫穿簡易氣密框體4，且介隔著過濾器17b，而將另一端部乃連接於送風機17a的吸入側之配管稱作吸引管。該吸引管具有將簡易氣密框體4內的空氣引導至輔機室8內的送風機17a之功能。又，構成陰極用空氣的供應通道17之配管當中，一端部係連接於送風機17a的噴出側，中間部係貫穿簡易氣密框體4及殼體10，而將另一端部乃面臨燃料電池單元13的空氣極之配管稱作空氣供應管。該空氣供應管具有將從送風機17a噴出的空氣引導至燃料電池單元13的空氣極之功能。此外，亦可取代該空氣供應管的中間部乃貫穿簡易氣密框體4及殼體10，另一端部乃面臨燃料電池單元13的空氣極，而為中間部係貫穿簡易氣密框體4，另一端部則連接於排出氣體處理部2。
本實施型態中，熱交換器3係配置於輔機室8內。又，係設置有排出氣體通道61。排出氣體通道61的兩端係連接於排出氣體處理部2與熱交換器3。排出氣體通道61係由通過預先形成於簡易氣密框體4的貫穿孔(圖中未顯示)之配管所構成。該配管與簡易氣密框體4的貫穿部(接合部)係使用高溫用墊片H來作為密封組件。
排氣管44的一端部係連接於輔機室8內之熱交換器3的排氣口31。排氣管44的中間部係通過SOFC容器7的排氣孔72。排氣管44的另一端部則自SOFC容器7的外面朝外側突出。此外，亦可為排氣管44的一端部係連接於簡易氣密框體4內之熱交換器3的排氣口31，另一端部則連接於SOFC容器7的排氣孔72。
特別是依據本實施型態，吸氣管43’的一端部係連接於簡易氣密框體4的吸氣孔41，另一端部則位在輔機室8內。藉此，為了對燃料電池單元13的空氣極供應空氣，藉由輔機類的發熱而暖化後之輔機室8內的空氣會優先進入簡易氣密框體4。其結果，由於可藉由換氣扇73來促進外部氣體進入輔機室8內而抑制輔機室8內的溫度上升，故可實現輔機類的動作穩定化及長壽命化。又，由於不需於SOFC容器7貫穿形吸氣孔71，故可減少SOFC容器7的加工工序。
又，依據本實施型態，送風機17a及過濾器17b係配置於輔機室8內(亦即，簡易氣密框體4外)。此處，輔機室8內係較簡易氣密框體4內要低溫。於是，由於相較於送風機17a及過濾器17b乃配置於簡易氣密框體4內之情況，可良好地冷卻送風機17a及過濾器17b，故可抑制該等的熱劣化。
圖8係顯示本發明第5實施型態之SOFC系統的概略結構。
以下，說明與圖1所示第1實施型態之相異點。
本實施型態中，SOFC容器7並未形成有吸氣孔71。又，省略吸氣管43。藉由該等，本實施型態中，當送風機17a運轉時，輔機室8內的空氣會從吸氣孔41直接流入簡易氣密框體4 內。於是，本實施型態中，為了對燃料電池單元13的空氣極供應空氣，藉由輔機類的發熱而暖化後之輔機室8內的空氣會優先進入簡易氣密框體4。其結果，由於可藉由換氣扇73來促進外部氣體進入輔機室8內而抑制輔機室8內的溫度上升，故可實現輔機類的動作穩定化及長壽命化。又，由於不需在SOFC容器7貫穿形成吸氣孔71，故可減少SOFC容器7的加工工序。
圖9係顯示本發明第6實施型態之SOFC系統的概略結構。
以下，說明與圖1所示第1實施型態之相異點。
本實施型態中，熱媒體循環通道20當中，為簡易氣密框體4內且較熱交換器3的入口要下游側之部分處係設置有熱交換器80。此外，圖9所示熱媒體循環通道20的位置R1與位置R2係藉由圖中未顯示之配管而相連接。
熱交換器80係位在陰極用空氣的供應通道17當中之吸入口17c與過濾器17b之間。
熱交換器80係藉由流入熱交換器3前的熱媒體(亦即，回收來自排出氣體的熱之前的熱媒體)與通過過濾器17b前的陰極用空氣來進行熱交換。藉由此熱交換，陰極用空氣會被冷卻，其結果，陰極用空氣的溫度會成為接近熱媒體的溫度之溫度。亦即，熱交換器80具有本發明之冷卻裝置的功能，可冷卻陰極用空氣。藉此，縱使是來自燃料電池模組1或排出氣體處理部2的放熱量增加，而導致簡易氣密框體4內部的空氣溫度較高之情況，仍可抑制陰極用空氣超過過濾器17b及送風機17a的耐熱溫度。
特別是依據本實施型態，SOFC系統(燃料電池系統)另包含有熱交換器80(冷卻裝置)所構成，可冷卻藉由送風機17a(吸引裝置)而被吸引之簡易氣密框體4內(第1框體內)的空氣。藉此，由於可抑制陰極用空氣超過過濾器17b及送風機17a的耐熱溫度，故可實現過濾器17b及送風機17a的長壽命化。
此外，本實施型態中，雖係舉利用熱交換器80(冷卻裝置)且藉由熱媒體來冷卻陰極用空氣為範例加以說明，但冷卻陰極 用空氣的方法不限於此。例如，亦可如前述般，於熱媒體循環通道20設置熱交換器80，或另外地，抑或是取代其，而在改質水的供應通道16當中之位在簡易氣密框體4內部分處設置熱交換器80。此情況下，熱交換器80會以陰極用空氣與改質水來進行熱交換，藉此便可冷卻陰極用空氣。
此外，前述第1、第2、第5及第6實施型態中，係將送風機17a及過濾器17b配置於簡易氣密框體4內。然而，該等實施型態中，亦可與前述第4實施型態同樣地，將送風機17a及過濾器17b配置於簡易氣密框體4外，而藉由前述吸引管及空氣供應管來構成陰極用空氣的供應通道17。
又，前述第1~第3及第6實施型態中，亦可取代吸氣管43,而與前述第4實施型態同樣地，一端部係氣密且液密式地連接簡易氣密框體4的吸氣孔41，另一端部則設置有位在輔機室8內之吸氣管43’。
又，前述第2及第3實施型態中，亦可於SOFC容器7未設置吸氣孔71，又，省略吸氣管43，藉由該等，當送風機17a運轉時，使輔機室8內的空氣從吸氣孔41直接流入簡易氣密框體4內。
又，前述第6實施型態中雖係以熱交換器80來冷卻陰極用空氣，但亦可將此空氣冷卻方法應用於前述第2~第5實施型態，來冷卻陰極用空氣。
又，前述第1~第6實施型態中，雖係使用改質器11所生成之富含氫的燃料氣體(改質氣體)，來作為被供應至燃料電池單元13的燃料極之含氫燃料加以說明，但含氫燃料不限於此。例如，可使用純氫來作為含氫燃料。此情況下，只要省略圖1、圖5~圖9所示之脫硫器18與圖2所示之改質器11，而使純氫從SOFC容器7的外部通過原燃料的供應通道15直接供應至燃料電池單元13的燃料極般，來構築SOFC系統即可。
又，前述第1~第6實施型態中，雖係例示吸氣孔41來作為將簡易氣密框體4外的空氣引導至簡易氣密框體4內之吸氣 部，但簡易氣密框體4的吸氣部結構不限於此。例如，組裝複數板狀組件來構成箱狀的簡易氣密框體4之情況下，形成於板狀組件間之間隙等可對應於簡易氣密框體4的吸氣部，來將簡易氣密框體4外的空氣引導至簡易氣密框體4內。
又，圖式之實施型態僅係用以例示本發明，而無需贅言本發明所屬技術區域中具通常知識者可在本發明說明的實施型態所直接例示者以外，而另外在申請專利範圍內包含有各種改良及變更。
1‧‧‧燃料電池模組
2‧‧‧排出氣體處理部
3‧‧‧熱交換器
4‧‧‧簡易氣密框體(第1框體)
4a壓差感測器(壓力差檢測部)
5‧‧‧功率調節器(PCS)
6‧‧‧控制單元(控制部)
7‧‧‧SOFC容器(第2框體)
8‧‧‧輔機室
15‧‧‧原燃料的供應通道
15a‧‧‧幫浦
16‧‧‧水蒸氣改質用水(改質水)的供應通道
16a‧‧‧幫浦
17‧‧‧陰極用空氣的供應通道
17a‧‧‧送風機(空氣供應裝置，吸引裝置)
17b‧‧‧過濾器
17c‧‧‧吸入口
18‧‧‧脫硫器
20‧‧‧熱媒體循環通道
20a‧‧‧幫浦
31‧‧‧排氣口
32‧‧‧凝縮水的回收通道
33‧‧‧回收水處理部
34‧‧‧水箱
41‧‧‧吸氣孔
42‧‧‧排氣孔
43‧‧‧吸氣管(連通管)
44‧‧‧排氣管
71‧‧‧吸氣孔
72‧‧‧排氣孔
73‧‧‧換氣扇
74‧‧‧換氣孔
G‧‧‧索環

Claims (10)

  1. 一種燃料電池系統，其包含以下所構成：燃料電池模組，其包含使含氫燃料與空氣反應來進行發電之燃料電池，以及，圍繞該燃料電池，並在其內部使該燃料電池中的剩餘含氫燃料燃燒來將該燃料電池維持在高溫狀態之殼體；第1框體，係容納該燃料電池模組；以及吸引裝置，係吸引該第1框體內的空氣，而將該第1框體內維持在負壓狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項之燃料電池系統，其另包含有用以淨化從該燃料電池模組被排出的排出氣體之排出氣體處理部所構成；該第1框體另容納有該排出氣體處理部。
  3. 如申請專利範圍第2項之燃料電池系統，其中該吸引裝置係將從該第1框體內所吸引的空氣供應至該燃料電池模組與該排出氣體處理部的至少一者之空氣供應裝置。
  4. 如申請專利範圍第1項之燃料電池系統，其另包含有容納該第1框體及該吸引裝置之第2框體所構成。
  5. 如申請專利範圍第1項之燃料電池系統，其另包含有用以冷卻藉由該吸引裝置而被吸引的該第1框體內空氣之冷卻裝置所構成。
  6. 如申請專利範圍第1項之燃料電池系統，其另包含有檢測該第1框體的內部壓力與外部壓力差之壓力差檢測部，以及依據該壓力差檢測部所檢測之壓力差來控制該燃料電池系統的運轉之控制部所構成。
  7. 如申請專利範圍第6項之燃料電池系統，其中該控制部當該壓力差愈小，會降低該燃料電池系統的運轉輸出。
  8. 如申請專利範圍第6項之燃料電池系統，其中該控制部當該壓力差低於特定的閾值以下時，會停止該燃料電池系統的運轉。
  9. 如申請專利範圍第4項之燃料電池系統，其另包含有貫穿該第2框體且連通該第1框體內與該第2框體外之連通管所構成；該吸引裝置係配置於該第1框體內。
  10. 如申請專利範圍第1項之燃料電池系統，其中該吸引裝置係配置於該第1框體外；且另包含有吸引管所構成，該吸引管係貫穿該第1框體且將該第1框體內的空氣引導至該吸引裝置。
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