燃料电池系统以及运转方法与流程

1.本发明涉及一种燃料电池系统以及运转方法。


背景技术：

2.在专利文献1所记载的发明中，在固体氧化物型燃料电池停止时，通过利用陶瓷加热器对水汽化器进行加热来生成水蒸气，并对燃料气体进行重整。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2011-119055号公报


技术实现要素：

6.发明要解决的问题
7.然而，在专利文献1所记载的发明中，通过加热器来使水汽化器升温，因此使水汽化器升温至能够产生水蒸气的温度为止需要时间。因此，在使固体氧化物型燃料电池停止后延迟地生成水蒸气。因而，在固体氧化物型燃料电池停止后产生不供给水蒸气的时间，而在该时间还向燃料电池堆供给燃料气体。由此，发生蒸气碳比(s/c)降低，在重整器或燃料电池堆的催化剂处析出碳，使催化剂劣化的所谓的焦化。
8.本发明是鉴于如上所述的问题而完成的，其目的在于提供一种能够在固体氧化物型燃料电池停止后立即生成水蒸气的燃料电池系统以及运转方法。
9.用于解决问题的方案
10.本发明的一个方式的燃料电池系统，其特征在于，具有：阳极气体流路；阴极气体流路；固体氧化物型燃料电池，其从所述阳极气体流路被供给燃料气体以及从所述阴极气体流路被供给空气，并通过电化学反应进行发电；以及水蒸气发生器，其在停止了所述固体氧化物型燃料电池时，产生要与所述燃料气体混合的水蒸气，其中，所述水蒸气发生器被配置为能够与在所述阳极气体流路或所述阴极气体流路中流动的气体进行热交换。
11.关于本发明的一个方式的燃料电池系统的运转方法，在停止了固体氧化物型燃料电池时，向燃料气体中混合水蒸气，所述固体氧化物型燃料电池从阳极气体流路被供给所述燃料气体以及从阴极气体流路被供给空气，并通过电化学反应进行发电，所述燃料电池系统的运转方法的特征在于，将水蒸气发生器配置为能够与在所述阳极气体流路或所述阴极气体流路中流动的气体进行热交换，在所述固体氧化物型燃料电池的发电期间，将所述水蒸气发生器通过与所述气体的热交换来维持在能够生成所述水蒸气的温度，在停止了所述固体氧化物型燃料电池的发电时，使所述水蒸气发生器产生所述水蒸气。
12.发明的效果
13.根据本发明，能够在固体氧化物型燃料电池停止后立即生成水蒸气。因而，能够抑制在固体氧化物型燃料电池停止后产生不供给水蒸气的时间，从而能够防止重整器或燃料电池堆的催化剂的劣化。
附图说明
14.图1是本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的概念图。
15.图2是本实施方式的水蒸气发生器的立体图。
16.图3是示出水蒸气发生器和气体流路的剖面示意图。
17.图4示出不使水蒸气发生器与气体流路接触的比较例中的、固体氧化物型燃料电池的从发电到停止为止的温度曲线。
18.图5示出使水蒸气发生器接触到气体流路的本实施方式中的、固体氧化物型燃料电池的从启动到发电及停止为止的温度曲线。
19.图6是示出本实施方式的燃料电池系统中的、固体氧化物型燃料电池停止时的运转方法例的图表。
20.图7是第二实施方式所涉及的燃料电池系统的概念图。
21.图8是第三实施方式所涉及的燃料电池系统的概念图。
22.图9是第四实施方式所涉及的燃料电池系统的概念图。
23.图10示出具有水蒸气产生功能的气体流路的剖面图。
具体实施方式
24.下面，详细地说明本发明的实施方式。此外，本发明并不限定于以下的实施方式，在其主旨的范围内能够进行各种变形并实施。
25.《第一实施方式》
26.图1是本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的概念图。如图1所示，燃料电池系统1构成为具有固体氧化物型燃料电池(sofc)2、水蒸气发生器3、阳极气体流路4以及阴极气体流路5。此外，有时不区分阳极气体流路4和阴极气体流路5而称为“气体流路”。
27.固体氧化物型燃料电池2具有将多个单体层叠或作为集合体来构成的电池堆。各单体具有由空气极和燃料极夹着电解质的基本结构，在电池各单体之间夹着隔膜。电池堆的各单体串联地电连接。固体氧化物型燃料电池是如下的发电机构：在空气极生成的氧化物离子透过电解质向燃料极移动，在燃料极氧化物离子通过与氢或一氧化碳反应来产生电能。
28.阳极气体流路4具有在从固体氧化物型燃料电池2观察时位于入口侧的阳极气体入口路径l1以及在从固体氧化物型燃料电池2观察时位于出口侧的阳极气体出口路径l2。
29.阳极气体入口路径l1作为向固体氧化物型燃料电池2供给燃料气体的燃料气体供给路径来发挥功能。利用未图示的燃料供给鼓风机对燃料气体进行流量调整。阳极气体出口路径l2作为放出阳极废气的排气路径来发挥功能。另外，阳极气体出口路径l2具备再循环路径l3，该再循环路径l3在阳极气体出口路径l2的中途分支，来使阳极废气在阳极气体出口路径l2与阳极气体入口路径l1之间进行再循环。如图1所示，在再循环路径l3中设置有再循环鼓风机6，来对再循环的阳极废气进行流量调整。
30.在图1所示的第一实施方式中，水蒸气发生器3被配置为能够与在阳极气体入口路径l1中流动的燃料气体进行热交换。水蒸气发生器3在阳极气体入口路径l1中例如被配置在固体氧化物型燃料电池2与再循环路l3之间。如图1所示，在水蒸气发生器3的入口侧设置有水供给路径l5。另外，在水蒸气发生器3的出口侧设置有水蒸气供给路径l6，在水蒸气发
生器3中产生的水蒸气通过水蒸气供给路径l6来与在阳极气体入口路径l1中流动的燃料气体混合。
31.如图1所示，阴极气体流路5具有在从固体氧化物型燃料电池2观察时位于入口侧的阴极气体入口路径l7以及在从固体氧化物型燃料电池2观察时位于出口侧的阴极气体出口路径l8。
32.利用空气鼓风机7将空气从阴极气体入口路径l7供给到固体氧化物型燃料电池2。在阴极气体入口路径l7中设置有再生热交换器8。
33.如图1所示，阴极废气的排气路径即阴极气体出口路径l8与再生热交换器8连接，来构成使阴极废气再循环的流路。在再生热交换器8中，将在阴极气体入口路径l7中流动的空气与阴极废气进行热交换来使其升温。
34.对水蒸气发生器3进行说明。如图2、图3所示，水蒸气发生器3构成为具有壳体10、设置在壳体10的前表面(朝向入口侧的面)的筒状部11、设置在壳体10的侧面的水蒸气放出管12、配置在壳体10的背面侧的加热器13以及用于将水蒸气发生器3固定在燃料电池系统1的规定部位的固定治具14。筒状部11和水蒸气放出管12的配置也可以是图2以外的配置。
35.筒状部11及水蒸气放出管12与壳体10内连通。筒状部11与图1所示的水供给路径l5连接。水蒸气放出管12构成在图1中示出的水蒸气供给路径l6的全部或一部分。在水蒸气放出管12构成水蒸气供给路径l6的全部的情况下，水蒸气放出管12与阳极气体入口路径l1直接连接。
36.如图3所示，水蒸气发生器3与阳极气体入口路径l1接触。因此，水蒸气发生器3能够与在阳极气体入口路径l1中流动的燃料气体进行热交换，来维持高温状态(例如300℃以上)。此外，水蒸气发生器3的温度由温度测定器3a(参照图1)测定。
37.因而，当通过水供给路径l5向水蒸气发生器3供给水时，能够立即生成水蒸气，从而能够从水蒸气放出管12向在阳极气体入口路径l1中流动的燃料气体供给水蒸气。
38.如图3所示，加热器13以不与阳极气体入口路径l1接触的方式配置。当使加热器13直接接触阳极气体入口路径l1时，由于气体的急剧的温度变化等而施加热冲击，导致加热器13的破损。因而，加热器13优选配置为不与阳极气体入口路径l1接触，加热器13也能够配置在壳体10的背面以外的位置。
39.加热器13具有进行辅助加热的作用，以使水蒸气发生器3能够维持高温。
40.下面，使用图4和图5来说明比较例和本实施方式中的、固体氧化物型燃料电池的从发电到停止为止的温度曲线。
41.图4是比较例的温度曲线。在比较例中，与本实施方式的不同点在于水蒸气发生器3没有与阳极气体入口路径l1接触。
42.如图4所示，在固体氧化物型燃料电池2的发电期间，水蒸气发生器3不与在阳极气体入口路径l1中流动的燃料气体进行热交换，而是常温的。如图4所示，当停止固体氧化物型燃料电池2的发电时，使水蒸气发生器3的加热器13启动，来使水蒸气发生器3的温度上升。使水蒸气发生器3的温度最终上升至300℃左右。如图4所示，向水蒸气发生器3供给水，此时，当水蒸气发生器3的温度成为100℃以上时，开始生成水蒸气。然而，如图4所示，水蒸气的生成从停止固体氧化物型燃料电池2时起延迟了时间t。
43.另一方面，图5是本实施方式的温度曲线。在本实施方式中，如图1和图3所示，使水
蒸气发生器3与阳极气体入口路径l1接触。此外，在图5中说明固体氧化物型燃料电池2的从启动到发电及停止为止的温度曲线。
44.如图5所示，在从固体氧化物型燃料电池2开始启动起直到时间(1)为止，水蒸气发生器3的温度由于来自燃料气体的传热而上升。在时间(1)到时间(2)的期间，使设置于水蒸气发生器3的加热器13启动，从而使水蒸气发生器3的温度进一步上升。这样，通过来自燃料气体的传热以及加热器加热，使水蒸气发生器的温度上升至300℃左右。
45.如图5所示，当成为时间(2)时，产生水蒸气，与燃料气体混合。由此，能够对燃料气体进行水蒸气重整。
46.在固体氧化物型燃料电池2的发电期间(图5所示的时间(3)到时间(4)的期间)，为了使水自主而停止水蒸气的供给。如图5所示，在固体氧化物型燃料电池2的发电期间，水蒸气发生器3能够通过来自燃料气体的传热而维持约300℃(热备用(hot-standby))。
47.在时间(4)，在使固体氧化物型燃料电池2停止发电的同时向水蒸气发生器3供给水。此时，水蒸气发生器3维持约300℃的温度，因此能够通过供给水来立即生成水蒸气。
48.如图5所示，在时间(4)到时间(5)的期间，由于生成水蒸气而使水蒸气发生器3的温度暂时降低，但通过使加热器13启动，能够通过加热器加热来使水蒸气发生器3再次保持在约300℃的温度。
49.如图5所示，在停止了固体氧化物型燃料电池2的发电的时间(4)以后，气体温度持续降低。在时间(5)到时间(6)的期间，由于气体温度的降低，以利用加热器进行的加热为主对水蒸气发生器3进行加热，从而生成水蒸气。
50.如图5示出的本实施方式的温度曲线所示，与图4的比较例的不同点在于能够从固体氧化物型燃料电池2停止时起生成水蒸气。其结果，在固体氧化物型燃料电池2停止后，能够抑制重整器或燃料电池堆的催化剂的劣化，从而能够有效地防止焦化的发生。
51.图6是示出本实施方式中的燃料电池系统的、停止时的运转方法例的图表。
52.在步骤st1中，停止固体氧化物型燃料电池2的发电(图5的时间(4))。接着，在步骤st2中，向水蒸气发生器3供给水。此时，水蒸气发生器3保持在能够生成水蒸气的温度，因此通过供给水，能够立即从水蒸气发生器3中生成水蒸气。
53.在步骤st3中，利用温度测定器3a(参照图1)来测定水蒸气发生器3的温度，水蒸气发生器3的温度例如如图5的时间(4)到时间(5)的期间所示那样，在低于280℃时，转移到步骤st4。然后，使安装于水蒸气发生器3的加热器13启动。由此，能够使水蒸气发生器3的温度再次上升到300℃。
54.如上所述，在停止了固体氧化物型燃料电池2的发电后不久，水蒸气发生器3保持在能够生成水蒸气的温度，因此能够立即生成水蒸气。当从固体氧化物型燃料电池2的停止起经过了规定时间时，水蒸气发生器3的温度开始降低。因此，通过利用加热器13的加热将水蒸气发生器3保持在规定温度，由此能够在固体氧化物型燃料电池2停止后不久能够消除焦化的发生的规定时间内持续生成水蒸气。
55.在图1所示的第一实施方式中，将水蒸气发生器3配置在阳极气体流路4的阳极气体入口路径l1中。由此，能够缩短水蒸气供给路径l6，能够在固体氧化物型燃料电池2停止后立即使水蒸气与燃料气体混合，从而能够有效地防止焦化的发生。
56.这样，在本实施方式中，优选将水蒸气发生器3配置在阳极气体流路4的阳极气体
入口路径l1中，但不限定于该情况，也能够将水蒸气发生器3配置在其它气体流路位置。下面，说明与图1不同的水蒸气发生器3的配置例。
57.《其它实施方式》
58.图7是第二实施方式所涉及的燃料电池系统的概念图，图8是第三实施方式所涉及的燃料电池系统的概念图，图9是第四实施方式所涉及的燃料电池系统的概念图。
59.在图7至图9的各实施方式中，与图1相同的附图标记表示相同的部分。在图7所示的第二实施方式中，将水蒸气发生器3配置在阳极气体流路4的出口侧即阳极气体出口路径l2中。通过使水蒸气发生器3以与图3同样的方式接触阳极气体出口路径l2，能够有效地进行与在阳极气体出口路径l2中流动的废气的热交换。此外，也能够将水蒸气发生器3配置为与再循环路径l3接触。
60.在图8所示的第三实施方式中，将水蒸气发生器3配置在阴极气体流路5的出口侧即阴极气体出口路径l8中。通过使水蒸气发生器3以与图3同样的方式接触阴极气体出口路径l8，能够有效地进行与在阴极气体出口路径l8中流动的废气的热交换。优选将水蒸气发生器3配置为与阴极气体出口路径l8的再循环路径接触。
61.在图9所示的第四实施方式中，将水蒸气发生器3配置在阴极气体流路5的入口侧即阴极气体入口路径l7中。通过使水蒸气发生器3以与图3同样的方式接触阴极气体入口路径l7，能够有效地进行与在阴极气体入口路径l7中流动的氧化剂气体的热交换。
62.而且，在图7至图9的各实施方式中，在固体氧化物型燃料电池2停止时，通过向水蒸气发生器3供给水，能够生成水蒸气。使水蒸气通过水蒸气供给路径l6来与在阳极气体入口路径l1中流动的燃料气体进行混合，由此能够在固体氧化物型燃料电池2停止后不久对燃料气体进行水蒸气重整。由此，能够抑制重整器或燃料电池堆的催化剂的劣化，从而能够有效地防止焦化的发生。
63.另外，如图10所示，本实施方式的水蒸气发生器也可以与气体流路的一部分成为一体。在图10中，将气体流路设为双重管构造，在配管20的外周设置加热器层21。在加热器层21与配管20之间具备能够使水从水供给路径l5通过的空间。由此，能够通过与在配管20内流动的气体进行热交换来生成水蒸气。加热器层21与配管20之间的空间在与水供给路径l5不同的位置处与水蒸气供给路径l6连接。然后，使水蒸气经由水蒸气供给路径l6来与在阳极气体入口路径l1中流动的燃料气体混合。这样，通过将气体流路设为双重管构造，能够使气体流路本身具有热交换率高的水蒸气产生功能，能够有效地供给水蒸气。另外，即使是小的加热器容量，也能够供给稳定的水蒸气。
64.此外，说明了本发明的各实施方式，但作为本发明的其它实施方式，也可以将上述实施方式及变形例整体或部分地组合。
65.另外，本发明的实施方式不限定于上述各实施方式，在不脱离本发明的技术思想的主旨的范围内，也可以进行各种变更、置换、变形。并且，如果通过技术的进步或所派生的其它技术而能够以其它方式实现本发明的技术思想，则也可以使用该方法来实施本发明。因而，权利要求书覆盖了本发明的技术思想范围内能够包含的所有实施方式。
66.例如，在本实施方式中，能够设为在水蒸气发生器3中不设置加热器13的构造。在该情况下，如图5的时间(4)与时间(5)之间所示那样，在水蒸气发生器3的温度已降低时，通过减少水蒸气的供给量等控制，能够更长的时间地产生水蒸气。但是，通过在水蒸气发生器
3中设置作为外部电源的加热器13，能够在水蒸气发生器3的温度已降低时通过用加热器13进行加热来将水蒸气发生器3的温度保持为固定值，从而能够始终供给固定量的水蒸气。由此，能够维持高s/c，从而能够抑制电池劣化的风险。
67.另外，在上述实施方式中，使水蒸气发生器3与气体流路接触，但只要能够与在气体流路中流动的气体进行热交换，则也可以不接触气体流路。例如，也可以在水蒸气发生器3与气体流路之间设置中间层，或者也可以在水蒸气发生器3与气体流路之间设置一些空间。
68.本技术基于2019年12月25日申请的日本特愿2019-234465。该内容全部包含在本技术中。