燃料电池加热装置和加热方法、燃料电池设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池加热装置、燃料电池加热方法、以及包括该加热装置的燃料电池设备。
【背景技术】
[0002]由于作为能量源而最广泛使用的石油和煤炭等化石燃料的埋藏量有限，代替化石燃料的替代能源的问题成为了国家和社会的较大关注点。例如，对于利用了并非石油、煤炭、燃气等化石燃料的太阳能、潮汐能、风能的发电或者燃料电池引起了高度关注。
[0003]在上述几个替代能源中，燃料电池是通过利用水的电气分解反应的逆反应来产生电，其应用了将天然气、煤气、甲醇等的烃系列物质中包括的氢和空气中的氧通过电化学反应变换为电能的技术。
[0004]与现有技术中发电技术包括燃料燃烧、蒸汽发生、涡轮驱动、发电机驱动等几个过程不同，燃料电池中没有燃烧过程或驱动装置，从而具有这样的优点:不仅效率高，而且几乎不排放诸如SOx或NOx等大气污染物质，二氧化碳的产生也较少，几乎没有噪音或震动坐寸ο
[0005]这样的燃料电池也具有很多种类，例如磷酸燃料电池(PAFC)、碱性燃料电池(AFC)、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等多个种类。
[0006]所述固体氧化物燃料电池(SOFC)作为将能够透过氧或氢离子的固体氧化物使用为电解质的燃料电池，由于其所有构成要素均为固体，与其他燃料电池相比结构简单，并且不存在电解质的损失和补充以及腐蚀的问题。此外，由于在高温下工作，因而不需要贵金属催化剂，并容易直接通过内部改质来供给燃料，并且由于排出高温气体，因而具有能够利用废热来热复合发电的优点。
[0007]在固体氧化物燃料电池中，进行如下反应式所示的电极反应。
[0008]<反应式>
[0009]燃料极:H2+02_— H20+2e-
[0010]C0+02 — C02+2e~
[0011]空气极:02+4e_— 202-
[0012]总反应:H2+C0+02— H20+C02
[0013]在根据上述反应式工作的燃料电池中，电子通过外部电路到达空气极，与此同时在空气极处产生的氧离子通过电解质传达至燃料极，在燃料极处氢或CO与氧离子结合来产生电子以及水或CO2。
[0014]另外，所述固体氧化物燃料电池以将多个单位单元叠层构造的所谓的堆(stack)作为基本单位，所述堆构造为以串联、并联或串并联进行组合，以增加发电量。
[0015]图1是为了说明现有技术中燃料电池堆的问题而图示的燃料电池系统11的结构示意图。
[0016]如图所示，现有的燃料电池系统11包括:将多个单位堆19a、19b、19c叠层构造的发电部19、热交换器13、燃烧器15、重整器17、以及电力变换器27等。
[0017]所述各个单位堆19a、19b、19c以其内部容纳叠层单位单元的状态来与相邻单位堆紧密接触。从所述发电部19产生的电通过电力变换器27而被适当地加工并供给到外部电力需求部。
[0018]各单位堆19a、19b、19c的后端气体通过回收管道25供给至所述燃烧器15，使得燃烧器15对重整器17和邻近热交换器13进行加热，以使重整器17对燃料进行改质，从而将具有丰富氢气的气体送到发电部19的各个单位堆。
[0019]同时，所述热交换器13将从所述发电部19排出的通过回收管道25回收的高温未反应气体(氢气、空气等)与从外部新流入的燃料和空气进行热交换，以用于加热燃料和空气。
[0020]然而，在上述现有技术中的燃料电池系统11中，由于构成发电部19的各单位堆构造为相互贴紧，因而存在任意堆对相邻堆可产生不良影响的缺点。即，一部分堆的性能低下可传播到其他堆。
[0021]例如，在由于任意单位堆中发生问题而其性能降低的情况下，引起向与其相邻的单位堆电流相对集中等现象，单位堆相互之间的热平衡遭到破坏，从而燃料电池系统11的性能会大大降低。换言之，在任意单位堆的温度(由于非正常因素)降低的情况下，与其紧贴的相邻单位堆的温度也同样降低，引发整体性显著的性能降低。
[0022]如公知的事实，在如SOFC的高温燃料电池的情况下，各单位堆的工作温度对输出电力或耐久性等的性能产生较大影响，单位堆的自身工作温度当然对于维持周围单位堆之间的热平衡非常重要，但上述现有技术中的发电部19中各单位堆紧贴构成，而且在任意单位堆的温度下降时没有用于将温度提高到正常范围的特别的加热手段，因此不容易将燃料电池系统的输出维持为最佳。
【发明内容】
[0023][要解决的技术问题]
[0024]为了解决上述技术问题而作出本发明，本发明目的在于提供一种燃料电池系统，其中各个堆相互隔离布置从而不形成堆之间的热传递，因此各堆彼此不受影响，特别地将入口集合管部(inlet manifold)和出口集合管部(outlet manifold)介于堆与堆之间，使得以出口集合管部作为加热源来个别地对堆进行加热，从而不存在基于堆温度降低的问题，整体发电效率维持为最大，此外提供一种个别地对所述出口集合管部进行加热的燃料电池加热装置和加热方法。
[0025][技术方案]
[0026]为了实现上述目的的本发明的燃料电池加热装置，包括:出口集合管部，其在工作状态下的燃料电池堆的温度下降时，对相应燃料电池堆进行加热，以将燃料电池堆的温度维持在正常范围内，并且其紧贴设置在所述燃料电池堆的外部，并接收从燃料电池堆排出的排出物以将其引导至燃料电池堆的外部；以及辅助燃料供给部，其将外部的辅助燃料供给到所述出口集合管部的内部，使得辅助燃料在所述出口集合管部内燃烧并且对所述出口集合管部和与其邻接的燃料电池堆进行加热。
[0027]此外，两个或两个以上的所述燃料电池堆隔离布置，在各所述燃料电池堆处，入口集合管部布置在所述出口集合管部的相对侧，并且所述燃料电池堆夹在所述入口集合管部与所述出口集合管部之间，所述入口集合管部向所述燃料电池堆的内部供给燃料和空气。
[0028]此外，在所述出口集合管部的内部形成有:阴极输出部，其接收从所述燃料电池堆内的阴极处排出的排出物并使其通过；以及阳极输出部，其通过隔离壁与所述阴极输出部相隔离，并且接收从所述燃料电池堆内的阳极处排出的排出物并使其通过。
[0029]同时，所述辅助燃料供给部包括:辅助燃料管道，其接收供给到所述燃料电池堆的燃料中的一部分，以将其使用为辅助燃料并引导至所述出口集合管部的阴极输出部内部；以及流量调节部，其设置于所述辅助燃料管道，并调节通过所述辅助燃料管道的辅助燃料的流量。
[0030]此外，在所述阴极输出部的内部设置有燃烧诱导部，其诱导进入到所述阴极输出部中的辅助燃料的燃烧。
[0031 ] 此外，在所述燃料电池加热装置中，还包括用于控制所述流量调节部的控制部，在所述燃料电池堆中设置有用于感测燃料电池堆的温度的传感器，并且所述控制部基于从所述传感器接收到的燃料电池堆的温度信息来控制所述流量调节部，以调节辅助燃料的供给量。
[0032]此外，在所述阴极输出部中固定有燃烧气体排出管道，其用于将从所述阴极输出部内产生的辅助燃料的燃烧气体排出到外部。
[0033]此外，为了实现上述目的的本发明的燃料电池堆个别加热方法，其作为驱动燃料电池堆个别加热装置的方法，所述燃料电池堆个别加热装置包括:发电部，其包括相互隔离布置的多个燃料电池堆；出口集合管部，其紧贴设置于所述燃料电池堆的外部，并且接收从所述燃料电池堆排出的排出物以将其引导至所述燃