燃料电池装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供能够有效进行重新点火的燃料电池装置。为此，本发明的燃料电池装置具备如下的控制装置，即，在外部负载所请求的电力下降的情况下，当判断为燃烧部(45)中的燃烧发生了熄火时，对燃料气体供给装置以及含氧气体供给装置进行控制，使得向燃料电池单元(19)供给的燃料气体以及含氧气体的供给量少于根据下降后的外部负载所请求的电力设定的供给量来进行供给，并且进行控制以使点火装置进行工作。
【专利说明】
燃料电池装置
技术领域
[0001 ]本发明涉及燃料电池装置。
【背景技术】
[0002]近几年，作为下一代能源，已知将多个燃料电池单元排列而成的电池堆，其中燃料电池单元能够使用燃料气体(含氢气体)和含氧气体(空气)来获得电力。此外，提出了各种将电池堆收纳于收纳容器内的燃料电池模块、将燃料电池模块收纳于外装壳体内的燃料电池装置(例如，参照专利文献I)。
[0003]此外，在这样的燃料电池装置中，具备:用于燃烧从燃料电池单元排出的废气的点火装置;用于处理燃烧后的燃烧气体的燃烧催化剂;和对该燃烧催化剂处理后的废气的温度进行测量的已处理废气温度传感器等，并提出了如下技术方案:在该已处理废气温度传感器测量的已处理废气温度变成规定温度以上的情况下，使点火装置工作(例如，参照专利文献2)。
[0004]在先技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1: JP特开2007-59377号公报
[0007]专利文献2: JP特开2010-153064号公报
【发明内容】
[0008]发明要解决的问题
[0009]但是，在这样的燃料电池装置中，在外部负载要求的电力下降的情况下，伴随被提供的燃料气体量的下降，有可能会引起用于使废气燃烧的火熄灭的熄火。
[0010]在此，若发生熄火，则在燃料电池单元的发电中未被使用的燃料气体不会完全燃烧，随之在燃烧催化剂下的燃烧反应增大，有可能会发生燃烧催化剂的劣化。进而，有可能会发生燃料电池单元的温度下降，发电量不足。因此，在判断为发生了熄火的情况下，需要有效地重新点火。
[0011]因此，本发明的目的在于，提供一种能够在燃料电池单元发生了熄火的情况下有效地重新点火的燃料电池装置。
[0012]用于解决问题的手段
[0013]本发明的燃料电池装置的特征在于，具备:燃料电池单元，利用燃料气体和含氧气体来进行发电，从而向外部负载供给电力;燃料气体供给装置，向该燃料电池单元供给所述燃料气体;含氧气体供给装置，向所述燃料电池单元供给所述含氧气体;燃烧部，使从所述燃料电池单元排出的未被用于发电中的燃料气体燃烧；点火装置，用于使从所述燃料电池单元排出的未被用于发电中的燃料气体燃烧；以及控制装置，控制所述燃料气体供给装置、所述含氧气体供给装置以及所述点火装置的动作，该控制装置根据所述外部负载所请求的电力的变动，对所述燃料气体供给装置和所述含氧气体供给装置进行控制，以使所述燃料气体和所述含氧气体的供给量发生变动，并且在所述外部负载所请求的电力下降的情况下，当判断为所述燃烧部中的燃烧发生了熄火时，控制所述燃料气体供给装置和所述含氧气体供给装置，使得向所述燃料电池单元供给的所述燃料气体和所述含氧气体的供给量少于根据下降后的所述外部负载所请求的电力设定的供给量来进行供给，并且进行控制以使所述点火装置进行工作。
[0014]发明效果
[0015]本发明的燃料电池装置中，即使燃烧用的火被熄灭，也能够有效地进行重新点火。
【附图说明】
[0016]图1是表示具备本实施方式的燃料电池装置的燃料电池系统的构成的一例的结构图。
[0017]图2是表示构成图1所示的燃料电池系统的燃料电池模块的一例的外观立体图。
[0018]图3是图2所示的燃料电池模块的剖视图。
[0019]图4是示意性地表示本实施方式的燃料电池装置的一例的分解立体图。
[0020]图5是表示本实施方式的燃料电池装置的运行控制的一例的一部分的流程图。
[0021 ]图6是表不图5所不的流程图的后续的一例的流程图。
[0022]图7是表不图5所不的流程图的后续的另一例的流程图。
[0023]图8是表不图5所不的流程图的后续的又一例的流程图。
【具体实施方式】
[0024]图1是表示具备本实施方式的燃料电池装置的燃料电池系统的构成的一例的结构图。图1所示的燃料电池系统具备:作为本实施方式的燃料电池装置的一例的发电单元;储存热交换后的热水的热水储存单元；以及用于使水在这些单元间进行循环的循环配管。另夕卜，在以后的图中，对同一构成使用同一符号来进行说明。
[0025]图1所示的发电单元具备:电池堆5，组合多个具有燃料极层、固体电解质层、氧极层的固体氧化物型的燃料电池单元来构成该电池堆5;原燃料供给线，是将城市燃气等原燃料供给到后述的重整器3的燃料气体供给装置，具有原燃料供给栗I;含氧气体供给线，是用于向构成电池堆5的燃料电池单元供给含氧气体的含氧气体供给装置，具有含氧气体供给栗(鼓风机)2;和重整器3，利用原燃料和水蒸气，对原燃料进行水蒸气重整。在原燃料供给线上设置有测量从原燃料供给栗I供给的原燃料的量的原燃料流量计41，而且在含氧气体供给线上设置有测量从含氧气体供给栗2供给的含氧气体的量的含氧气体流量计42。
[0026]另外，在图1所示的发电单元中，通过将电池堆5和重整器3收纳于收纳容器中，从而构成燃料电池模块4(以下，有时称作模块)，在图1中，用双点划线包围来进行显示。此外，在对从电池堆5排出的未被用在发电中的废气进行排出的排气线上，除了设置有具备用于净化该废气的燃烧催化剂的净化装置43之外，虽然在图1中并未示出，但在模块4内还设置有用于使未被用在发电中的燃料气体燃烧的点火装置(点火加热器等)。
[0027]此外，在图1所示的发电单元中，设置有:循环配管15，使水在热交换器8中进行循环，在热交换器8中伴随构成电池堆5的燃料电池单元的发电而产生的废气(废热)和水进行热交换;水处理装置9，用于将在热交换器8中生成的冷凝水处理为纯水;和水箱11，贮藏由水处理装置9处理后的水(纯水)，通过冷凝水供给管10来连接水箱11与热交换器8之间。另夕卜，作为水处理装置9，优选使用具备离子交换树脂的离子交换树脂装置。
[0028]贮藏在水箱11中的水通过水栗12被供给到重整器3，连接水箱11与重整器3的水供给管13具备水栗12。
[0029]进而，在图1所示的发电单元中，设置有用于将模块4发电的直流电力变换为交流电力并调整所变换的电向外部负载的供给量的供电调整部(电力调节器)6、设置在热交换器8的出口并用于对流经热交换器8的出口的水(循环水流)的水温进行测量的出口水温传感器14，而且还设置有对后述的各种设备的动作进行控制的控制装置7，与使水在循环配管15内进行循环的循环栗17—起构成了发电单元。
[0030]另外，控制装置7具有微型计算机，并具备输入输出接口、CPU、RAM以及ROM。另外，CPU用于实施燃料电池装置的运行，RAM用于临时存储程序的执行所需的变量，ROM用于存储程序。
[0031]然后，通过将这些构成发电单元的各装置收纳在外装壳体内，从而能够成为设置及携带等容易的燃料电池装置。另外，热水储存单元具备用于储存热交换后的热水的热水储存箱16。另外，循环栗17也可设置在热水储存单元侧。
[0032]在此，说明图1所示的燃料电池系统的运行方法。
[0033]在生成电池堆5的发电所需的燃料气体时，控制装置7使原燃料供给栗1、水栗12工作。由此，向重整器3供给原燃料(天然气体、灯油等)和水，在重整器3中进行水蒸气重整，从而生成含氢的燃料气体并将其供给到燃料电池单元的燃料极层。
[0034]另一方面，控制装置7使含氧气体供给栗2进行动作，由此向燃料电池单元的氧极层供给含氧气体(空气)。
[0035]另外，控制装置7通过在模块4中使点火装置(未图示)工作，从而使未被用在电池堆5的发电中的燃料气体燃烧。由此，模块内的温度(电池堆5和/或重整器3的温度)上升，能够进行有效的发电。
[0036]伴随电池堆5的发电而产生的废气被具备燃烧催化剂的净化装置43净化后，被供给到热交换器8，与流经循环配管15的水进行热交换。通过热交换器8中的热交换而产生的热水流经循环配管15后被储存到热水储存箱16中。另一方面，通过热交换器8中的热交换而从电池堆5排出的废气所含的水变成冷凝水，通过冷凝水供给管10后被供给到水处理装置
9。冷凝水在水处理装置9中被处理为纯水后被供给到水箱11。储存在水箱11中的水通过水栗12经由水供给管13被供给到重整器3 ο这样，通过有效利用冷凝水，能够进行水独立运行。
[0037]另外，在上述的示例中，示出了具备热水储存单元的燃料电池系统的构成的一例，但也可以设为不具备热水储存单元的所谓单生成系统(mono generat1n system)。在该情况下，在生成冷凝水时，作为具备散热器的构成，也可以通过散热器对废气进行冷却，从而生成冷减水。
[0038]另外，在上述的示例中，使用仅将热交换器8生成的冷凝水供给到重整器3的构成的燃料电池装置来进行了说明，但作为供给到重整器3的水，也可以利用自来水。在该情况下，作为用于处理自来水所含的杂质的水处理装置，例如通过将活性炭过滤器、反渗透膜装置、离子交换树脂装置等按此顺序进行连接，从而能够有效地净化纯水。另外，在使用自来水的情况下，也将各装置进行连接以便将水处理装置生成的纯水储存到水箱11中。
[0039]接下来，说明图1所示的模块4的一例。图2、图3示出构成本实施方式的燃料电池装置的模块4的一例，图2是表示模块4的外观立体图，图3是图2所示的模块4的剖视图。另外，在图2、图3中，使用具有2个电池堆5的电池堆装置来进行说明，但是可适当变更电池堆5的数量，相应地，收纳容器的形状也可适当变更。
[0040]在图2所示的模块4中，构成为收纳具备两个电池堆5的电池堆装置21，其中，在收纳容器18的内部以竖直设置的状态将柱状燃料电池单元19配置成一列，燃料电池单元19在内部具有使燃料气体流通的气体流路(未图示)，相邻的燃料电池单元19间夹着集电部件(未图示)而被串联电连接，并且用玻璃密封材料等绝缘性接合材料(未图示)将燃料电池单元19的下端固定于歧管20，由此形成电池堆5。另外，在电池堆5的两端部配置有用于对通过电池堆5(燃料电池单元19)的发电产生的电进行集电并引出到外部的、具有电引出部的导电部件(未图示)。此外，在收纳容器18中设置有作为用于测量模块4的温度的温度计测单元的热电偶28。
[0041]此外，在图2中，作为燃料电池单元19，例示了在内部具有燃料气体沿长边方向流通的气体流路的中空平板型且固体氧化物型的燃料电池单元19，其中燃料电池单元19在具有气体流路的支承体的表面依次层叠燃料极层、固体电解质层以及氧极层而成。另外，燃料电池单元19也可以是在内部具有含氧气体沿长边方向流通的气体流路的形状，在该情况下，从内侧起依次设置氧极层、固体电解质层、燃料极层，模块4的构成适当进行变更即可。另外，燃料电池单元并不限于中空平板型，例如也可以是平板型、圆筒型，优选使收纳容器18的形状也相应地适当变更。
[0042]此外，在图2所示的模块4中，为了获得在燃料电池单元19的发电中使用的燃料气体，在电池堆5的上方配置了重整器3，重整器3用于对经由原燃料供给管25供给的城市燃气等原燃料进行重整来生成燃料气体。此外，重整器3可设为能够进行高效的重整反应即水蒸气重整的结构，具备:用于使水气化的气化部23;以及配置有用于将原燃料重整为燃料气体的重整催化剂(未图示)的重整部22。
[0043]然后，由重整器3生成的燃料气体(含氢气体)经由燃料气体流通管24被供给到歧管20，从歧管20被供给到设置于燃料电池单元19的内部的气体流路。另外，电池堆装置21的构成可根据燃料电池单元19的种类、形状而适当进行变更，例如也可以在电池堆装置21中包含重整器3。
[0044]此外，在图2中示出了拆下收纳容器18的一部分(前后面)，向后方取出收纳于内部的电池堆装置21的状态。在此，在图2所示的模块4中，能够使电池堆装置21滑动到收纳容器18内并被收纳。
[0045]另外，在收纳容器18的内部配置有反应气体导入部件26，该反应气体导入部件26配置在与歧管20并排设置的电池堆5之间，使得含氧气体从下端部朝向上端部流经燃料电池单元19的侧方。
[0046]如图3所示，构成模块4的收纳容器18是具有内壁29和外壁30的双重结构，由外壁30形成收纳容器18的外框，并且由内壁29形成了收纳电池堆装置21的发电室31。另外，在收纳容器18中，将内壁29与外壁30之间设为反应气体流路36，从模块4的底部供给且被导入到燃料电池单元19中的含氧气体流经该反应气体流路36。另外，含氧气体从设置于模块4底部的含氧气体供给口(未图示)被供给，流经反应气体流路36。
[0047]在此，在收纳容器18内，以贯通内壁29的方式插入反应气体导入部件26后将其固定，该反应气体导入部件26具备用于使含氧气体从收纳容器18的上部流向上端侧的含氧气体流入口(未图示)和凸缘部39，且反应气体导入部件26在下端部设置有用于向燃料电池单元19的下端部导入含氧气体的反应气体流出口 32。另外，在凸缘部39与内壁29之间配置有隔热部件33。
[0048]另外，在图3中，反应气体导入部件26虽然被配置为位于在收纳容器18的内部并排设置的两个电池堆5之间，但是能够根据电池堆5的数量适当进行配置。例如，在收纳容器18内仅收纳一个电池堆5的情况下，能够设置两个反应气体导入部件26，将其配置为从两侧面侧夹持电池堆5。
[0049]此外，在模块4中，从收纳容器18的侧面插入点火装置44使其位于燃料电池单元19与重整器3之间，点火装置44用于将未被用在燃料电池单元19的发电中的燃料气体、换言之通过了燃料电池单元19的燃料气体点燃。点火装置44使通过了燃料电池单元19的燃料气体燃烧，从而能够使模块4内的温度变成高温，而且还能够使燃料电池单元19、重整器3的温度维持在高温上。另外，在该构成中，燃料电池单元19与重整器3之间成为燃烧部45，在图3中用虚线示出了该部分。
[0050]此外，在发电室31内，适当设置了用于使模块4内的温度维持在高温上的隔热部件33，由于该隔热部件33，模块4内的热不会被极端地释放使得燃料电池单元19(电池堆5)的温度下降而导致发电量降低。
[0051]隔热部件33优选配置于电池堆5的附近，特别是优选沿着燃料电池单元19的排列方向配置于电池堆5的侧面侧，并且配置具有与电池堆5的侧面的沿着燃料电池单元19的排列方向的宽度相同或更大的宽度的隔热部件33。另外，优选为在电池堆5的两侧面侧配置隔热部件33。由此，能够有效地抑制电池堆5的温度下降。而且，能够抑制从反应气体导入部件26导入的含氧气体从电池堆5的侧面侧被排出的情况，能够促进构成电池堆5的燃料电池单元19间的含氧气体的流动。另外，在配置于电池堆5的两侧面侧的隔热部件33中设置有开口部34，该开口部34用于调整向燃料电池单元19供给的含氧气体的流动，并降低电池堆5的长边方向以及燃料电池单元19的层叠方向上的温度分布。另外，也可以将多个隔热部件33组合起来形成开口部34。
[0052]此外，在沿着燃料电池单元19的排列方向的内壁29的内侧，设置有废气用内壁35，内壁29与废气用内壁35之间成为了发电室31内的废气从上方朝向下方流动的废气流路37。另外，废气流路37与设置在收纳容器18的底部的排气孔40相通。此外，在废气用内壁35的电池堆5侧也设置有隔热部件33。
[0053]由此，成为如下结构:伴随模块4的运行而产生的废气流经废气流路37之后，从排气孔40排出该废气。另外，可以将收纳容器18的底部的一部分切除来形成排气孔40，而且也可以通过设置管状部件来形成排气孔40。
[0054]在此，本实施方式的燃料电池装置在模块4与热交换器8之间具备净化装置43，该净化装置43具备用于对从电池堆5(模块4)排出的废气进行净化的燃烧催化剂。由此，能够净化从模块4排出的废气，并将净化后的废气排出到燃料电池装置的外部。另外，在图3中，示出了将该净化装置43设置在排气孔40内的例子，但只要配置在模块4与热交换器8之间即可。另外，在净化装置43中，设置有用于测量燃烧催化剂的温度的温度传感器46。
[0055]此外，作为燃烧催化剂，能够使用一般所知的使多孔质的载体除了担载铂、钯等贵金属类以外还担载锰、钴、银、铜、镍等的燃烧催化剂。
[0056]若使用现有技术中的中空平板型的燃料电池单元来说明本实施方式的燃料电池单元19的话，燃料电池单元19是如下的柱状(中空平板状)，即，在具有一对相对的平坦面的柱状导电性支承基板(以下有时简称为支承基板)的一个平坦面上依次层叠了燃料极层、固体电解质层以及氧极层。此外，在燃料电池单元19的另一个平坦面上设置有内部连接器，在内部连接器的外表面(上表面)设置有P型半导体层。经由P型半导体层将集电部件连接到内部连接器上，从而两者的接触成为欧姆接触，能够减少电压降且有效地避免集电性能的下降。此外，支承基板也可兼作燃料极层，在其表面依次层叠固体电解质层以及氧极层来构成电池单元。
[0057]例如，燃料极层能够使用一般公知的燃料极层，能够由多孔质的导电性陶瓷、例如固溶了稀土类元素氧化物的Zr02(称为稳定化氧化锆，也包含部分稳定化)和Ni和/或N1形成。
[0058]固体电解质层具有起到进行燃料极层与氧极层间的电子的桥接的电解质的功能的同时，为了防止燃料气体与含氧气体的泄露而需要具有气体阻隔性，由固溶了3?15摩尔％的稀土类元素氧化物的ZrO2形成。另外，在具有上述特性的范围内，也可以使用其他材料等来形成。
[0059]氧极层只要是通常使用的氧极层即可，并无特别限制，例如，能够由所谓ABO3型的钙钛矿型氧化物所构成的导电性陶瓷来形成。氧极层需要具有气体透过性，其开气孔率优选为20%以上，特别优选处于30?50%的范围内。
[0060]作为支承墓板，为了使燃料气体透过到燃料极层而要求具有气体透过性，而且为了经由内部连接器进行集电而要求具有导电性。因此，作为支承基板，能够使用导电性陶瓷、金属陶瓷等。在制作燃料电池单元19时，在通过与燃料极层或固体电解质层的同时烧成来制作支承基板的情况下，优选由铁族金属成分和特定稀土类氧化物来形成支承基板。此夕卜，为了使支承基板具备气体透过性，其开气孔率优选在30 %以上，特别优选处于35?50 %的范围内，而且其导电率优选为在300S/cm以上，特别优选为在440S/cm以上。此外，支承基板的形状只要是柱状即可，可以是圆筒状。
[0061]作为P型半导体层，能够例示由过渡金属钙钛矿型氧化物构成的层。具体而言，能够使用电子传导性比构成内部连接器的材料还大的材料，例如可以使用P型半导体陶瓷，该P型半导体陶瓷由B位中存在胞、？6、&3等的1^]103系氧化物、1^603系氧化物、1^003系氧化物等中的至少一种构成。这样的P型半导体层的厚度一般优选为处于30?ΙΟΟμπι的范围内。
[0062]如上所述，内部连接器优选使用铬酸镧系的钙钛矿型氧化物(LaCrO3系氧化物)或者镧锶钛系的钙钛矿型氧化物(LaSrT13系氧化物)。这些材料具有导电性，并且即使与燃料气体(含氢气体)以及含氧气体(空气等)接触也不会发生还原和氧化。此外，为了防止在形成于支承基板的气体流路中流通的燃料气体以及在支承基板的外侧流通的含氧气体的泄露，内部连接器必须是致密性的，优选为具有93%以上特别是95%以上的相对密度。
[0063]图4是表示将图2所示的模块4和用于使模块4工作的辅助设备(未图示)收纳在外装壳体内而构成的本实施方式的燃料电池装置的一例的分解立体图。另外，在图4中省略了一部分结构。
[0064]图4所示的燃料电池装置47通过分隔板50将由支柱48和外装板49构成的外装壳体内部划分成了上下两部分，将其上方侧设为收纳上述的模块4的模块收纳室51将下方侧设为收纳用于使模块4工作的辅助设备的辅助设备收纳室52。另外，在示图中省略了收纳到辅助设备收纳室52的辅助设备。
[0065]此外，在分隔板50设置有用于使辅助设备收纳室52的空气流向模块收纳室51侧的空气流通口 53，在构成模块收纳室51的外装板49的一部分，设置有用于排放模块收纳室51内的空气的排气口 54。
[0066]另外，在这样的燃料电池装置中，要求发电效率高。因此，控制装置7根据从外部负载请求的电力(以下有时简称为外部负载)的变动，为了变动燃料电池单元19的发电所需的燃料气体以及含氧气体的供给量，控制原燃料供给栗I以及含氧气体供给栗2的动作。即，进行部分负荷跟踪运行。
[0067]因此，例如，在外部负载的请求降低的情况下，控制装置7进行控制，以使原燃料供给栗I以及含氧气体供给栗2所供给的燃料气体以及含氧气体的供给量降低成根据下降后的外部负载设定的供给量。但是，在该情况下，从燃料电池单元19排出的燃料气体的量会降低，伴随与此，有时燃烧部45中的燃烧会发生熄火。
[0068]在此，若在燃烧部45发生熄火，则未被用在燃料电池单元19的发电中的燃料气体变成不完全燃烧的气体，随之燃烧催化剂下的燃烧反应会增大，有可能会发生燃烧催化剂的劣化和/或燃料电池单元19的温度下降，从而导致发电量不足。因此，在判断为发生了熄火的情况下，需要能够有效地进行重新点火。
[0069]因此，本实施方式的燃料电池装置的控制装置7在外部负载请求的电力下降的情况下，当判断为燃烧部45中的燃烧发生了熄火时，控制燃料气体供给装置以及含氧气体供给装置，使得供给到燃料电池单元19的燃料气体以及含氧气体的量少于根据下降后的外部负载所请求的电力设定的供给量。由此，能够在燃烧部45中有效地进行重新点火。
[0070]另外，在判断为燃烧部45中的燃烧发生了熄火之际，例如除了基于用于测量燃烧催化剂的温度的温度传感器46测量出的温度来进行判断以外，还可以在燃烧部45设置温度传感器并基于该温度传感器测量出的温度来进行判断，或者基于用于测量模块4的温度的温度计测单元、即热电偶28测量出的模块4内的温度来进行判断等，可根据燃料电池装置的结构而适当采用以上方式。另外，在以下的说明中，使用基于温度进行判断的例子来进行说明，其中温度是用于测量燃烧催化剂的温度的温度传感器46测量出的。
[0071]此外，在使供给到燃料电池单元19的燃料气体以及含氧气体的供给量少于根据下降后的外部负载所请求的电力设定的供给量之际，只要比根据下降后的外部负载所请求的电力设定的供给量还少即可，并无特别限制，例如，能够设为用于使模块4内的温度保持在可立即进行发电的最低温度的最低流量。在以下的说明中，使用设为最低流量的例子来进行说明。
[0072]图5是表示本实施方式的模块4(燃料电池装置)的运行控制的一例的流程图。以下，基于图示的流程图来说明运行控制。
[0073]首先，控制装置7在步骤SI中，判别外部负载是否下降。在外部负载并未下降的情况下，前进至步骤S2，维持运行状态。另外，关于外部负载的下降，例如，可相对于开始该流程之前的外部负载适当设定下降了50%以上的情况等。另外，关于外部负载，基于供电调整部6中的值来判别即可。
[0074]在判断为外部负载已下降的情况下，前进至步骤S3，判别由温度传感器46测量出的燃烧催化剂的温度是否在第I设定温度以上。另外，关于第I设定温度，可根据燃烧催化剂的种类来适当设定，例如，如果是多孔质的载体担载了铂的燃烧催化剂的情况下，能够在300?400°C之间适当进行设定。
[0075]在此，在燃烧催化剂的温度小于第I设定温度的情况下，能够判断为并未发生熄火，前进至步骤S4而维持运行状态。
[0076]另一方面，当燃烧催化剂的温度在第I设定温度以上的情况下，判断为发生了熄火，前进至重新点火的步骤、即步骤S5。
[0077]在步骤S5中，控制装置7控制原燃料供给栗I以及含氧气体供给栗2的动作，使得燃料气体量以及含氧气体量变成最低流量。相应地，控制装置7使点火装置44进行工作。
[0078]在此，燃烧催化剂的温度在第I设定温度以上的情况是指，在燃烧部45中未燃烧的废气量较多的情况。在该情况下，虽然理由不明，但是仅仅使点火装置44工作时有时也不易点火。
[0079]因此，在上述步骤S5中，控制装置7控制原燃料供给栗I以及含氧气体供给栗2的动作，使得燃料气体量以及含氧气体量变成最低流量。由此，能够降低未燃烧的废气量，抑制燃烧催化剂的温度上升，从而能够抑制燃烧催化剂的劣化，而且点火装置44的点火也变得容易。
[0080]接下来，前进至步骤S6，判别从点火装置44工作开始是否经过了规定时间Tl。另夕卜，可在I?10分钟之间适当设定规定时间Tl。
[0081]在判别为并未经过规定时间Tl的情况下，经由步骤S7而返回至步骤S6，继续燃料气体量以及含氧气体量的最低流量，并使点火装置44的工作继续。
[0082]另一方面，在判别为经过了规定时间Tl的情况下，接着前进至步骤S8，判别燃烧催化剂的温度是否低于第I设定温度且在第2设定温度以上，第2设定温度被设定得低于第I设定温度。另外，关于第2设定温度，也能够与上述同样地根据燃烧催化剂的种类而适当进行设定，例如，在300?400 °C之间设定第I设定温度的情况下，能够在200?300 °C之间设定第2设定温度。
[0083]在此，当燃烧催化剂的温度在第2设定温度以上的情况下，判别为熄火正在持续，将燃料气体量以及含氧气体量继续维持在最低流量，并且维持使点火装置44工作的控制不变，接着前进至步骤S9，判别是否经过了规定时间T2。另外，可在I?10分钟之间适当设定规定时间T2，设为进入到步骤S8开始的时间即可。
[0084]在步骤S9中，在并未经过规定时间T2的情况下，经由步骤S29而返回至步骤S9，再次判别是否经过了规定时间T2。
[0085]另一方面，在步骤S9中，在经过了规定时间T2的情况下，由于有可能点火装置44等发生了异常，因此接着前进至步骤S30，停止燃料电池装置的运行。
[0086]另一方面，在燃烧催化剂的温度小于第2设定温度的情况下，判别为熄火已经恢复，从而前进至步骤SlO，解除为了使上述的燃料气体量以及含氧气体量变成最低流量而一直控制着原燃料供给栗I以及含氧气体供给栗2的动作的控制，换言之，控制原燃料供给栗I以及含氧气体供给栗2的动作，使得燃料气体量以及含氧气体量分别增加至与外部负载相应的供给量。相应地，停止点火装置44的工作。通过进行以上的控制，能够有效地进行重新点火。另外，停止点火装置44的工作之时可以是增加燃料气体量以及含氧气体量起的I?10分钟后。然后，接着前进至步骤S31，维持运行状态，进而前进至步骤S32，结束本流程的控制。
[0087]另外，在步骤SlO中，控制原燃料供给栗I以及含氧气体供给栗2的动作使得燃料气体量以及含氧气体量增加，并且停止点火装置44的工作之后，会返回到可在额定范围内发电而满足外部负载所请求的电流的状态。但是，在该情况下，若燃料气体量以及含氧气体量急剧增加，则有可能会再次熄火。
[0088]因此，例如，可以如图6所示的流程那样，在步骤SlO之后，前进至步骤Sll。另外，也可以总是在步骤SlO之后前进至步骤S11。在步骤Sll中，控制装置7开始降低模式，在该降低模式下，部分负荷跟踪特性会低于稳态运行时。
[0089]在此，在外部负载增加的情况下，由于很难瞬间发电出该外部负载的请求电力，因此优选为预先在稳态运行时决定外部负载增加时的发电电力的增加量。但是，若以该稳态运行时的发电电力的增加量增加，则该增加量较大，而且燃料气体量以及含氧气体量的增加量也较大，因而有可能再次发生熄火。
[0090]因此，在步骤Sll中，开始降低模式，在该降低模式下，使该外部负载增加时的发电电力的增加量低于稳态运行时。由此，发电电力的增加量变小，而且燃料气体量以及含氧气体量的增加量也较小，因此能够抑制再次发生熄火的可能性。另外，可在相对于稳态运行时的发电电力的增加量而言50?70%的范围内适当设定该降低模式下的发电电力的增加量。
[0091]另一方面，若外部负载增加时的发电电力的增加量变小，则不能满足外部负载的请求电力，因此需要从系统电源购入不能跟随负荷的不足量，因而利用者的运行成本有可能会增加。
[0092]因此，前进至步骤S12，判断从燃烧催化剂的温度小于第2设定温度起(换言之从开始降低模式起)是否经过了规定期间。在并未超过该期间的情况下，经由步骤S13而返回至步骤S12。另外，该期间例如可设为开始降低模式起之后的I?10分钟。
[0093]另一方面，在燃烧催化剂的温度小于第2设定温度起经过了规定期间的情况下，接着前进至步骤S14，解除降低模式，进行控制以使发电电力的增加量成为稳态运行时的增加量，接着前进至步骤SI 5，结束本流程的控制。
[0094]由此，能够跟随外部负载的请求电力，因而能够抑制利用者的运行成本的增加。
[0095]另一方面，在燃料电池单元19发生了劣化的情况下，有时发电量会下降，从燃料电池单元19排出的废气量会增加。在该情况下，有时在燃烧部45中无法使所有的燃料气体燃烧，基于燃烧催化剂的燃烧反应会增加，因而燃烧催化剂的温度会上升。
[0096]因此，也可以在步骤SlO之后，如图7所示的流程图那样，前进至步骤S16。
[0097]在步骤S16中，确认温度传感器46计测出的燃烧催化剂的温度是否小于第2设定温度。在燃烧催化剂的温度小于第2设定温度的情况下，判断为燃料电池单元19并未发生劣化，前进至步骤S18而维持运行状态。
[0098]另一方面，当温度传感器46测量出的温度在第2设定温度以上的情况下，判断为燃料电池单元19发生了劣化，接着前进至步骤S17。
[0099]在步骤S17中，确认温度传感器46计测出的燃烧催化剂的温度是否小于第I设定温度。在第I设定温度以上的情况下，判断为燃料电池单元的劣化程度较大，前进至步骤S33，停止燃料电池装置的运行。
[0100]另一方面，在步骤S17中，在温度传感器46测量出的燃烧催化剂的温度小于第I设定温度的情况下，判断为在能够继续燃料电池装置的运行的范围内，燃料电池单元19发生了劣化。
[0101]在该情况下，为了在燃料电池单元19的劣化前和劣化后得到相同的发电量，所需的燃料气体量变多。因此，在步骤S17中，在温度传感器46测量出的温度小于第I设定温度的情况下，控制燃料供给栗I以及含氧气体供给栗2的动作以增加燃料气体和含氧气体的供给量，接着前进至步骤S20，结束本流程的控制。
[0102]在此，也可以总是在步骤SlO之后前进至步骤S16。此外，也可以是，先基于图5所示的流程图来进行控制，在燃料电池单元发生劣化的可能性增大的时期等，在图5所示的流程的步骤SlO之后，进行进入到图7所示的流程的步骤S16的控制。在该情况下，也可以在步骤SlO与步骤S16之间，例如设置判断从燃料电池装置工作起是否经过了 2年?5年(可适当设定)的步骤、判断例如在一个月内是否发生了三次以上的熄火的步骤、判断熄火累计是否在10次以上的步骤等，在符合任意一个步骤的情况下，进行控制以前进至步骤S16。另外，燃料电池装置的工作期间、熄火的次数等存储在控制装置7中即可。
[0103]此外，在步骤SlO中，在增加燃料气体量时，有时原燃料流量计41测量出的流量会少于控制装置7指示原燃料供给栗I进行供给的指示流量。这属于因原燃料供给栗I的劣化等而发生的不良状况，向燃料电池单元19提供比控制装置7所指示的燃料气体量少的量。因此，若该差较大，则除了有可能会再次发生熄火以外，还有可能无法获得所期望的发电量。
[0104]因此，可以在步骤SlO之后，如图8所示的流程那样，前进至步骤S21。在步骤S21中，比较控制装置7向原燃料供给栗I指示的指示流量与原燃料流量计41测量出的流量。
[0105]接下来，在步骤S22中，判别指示流量与流量计的值为相同值的期间是否经过了规定时间。在此，指示流量与流量计的值为相同值是指，相对于指示流量的值而言，流量计的值进入到±10%的范围内。此外，可在I?1分钟之间适当设定规定时间。
[0106]在步骤S22中，在指示流量与流量计的值为相同值的期间经过了规定时间的情况下，由于能够判断为原燃料供给栗I并未发生劣化等，能够供给规定的燃料气体量，因而接下来前进至步骤S27，控制装置7控制含氧气体供给栗2以增加含氧气体供给量。
[0107]另一方面，在步骤S22中，在指示流量与流量计的值为相同值的期间未经过规定时间的情况下，前进至步骤S24，针对原燃料供给栗I进行控制使得流量计的值变成作为原本想要提供给燃料电池单元19而设定的流量(换言之当初的指示流量，在以后的说明中称作目标量)，针对燃料气体供给装置I进行控制以便增大或者减少燃料气体的供给量。
[0108]接着，前进至步骤S25，判别目标量与流量计的值为相同值的期间是否经过了规定时间。在此，目标量与流量计的值为相同值是指，相对于目标量的值而言，流量计的值进入到± 1 %的范围内。此外，可在I?1分钟之间适当设定规定时间。
[0109]在此，在目标量与流量计的值为相同值的期间未经过规定时间的情况下，经由步骤S26而返回至步骤S24，再次针对原燃料供给栗I进行控制以使其变成目标量，针对燃料气体供给装置I进行控制以便增大或者减少燃料气体的供给量。
[0110]另一方面，在目标量与流量计的值为相同值的期间经过了规定时间的情况下，前进至步骤S27，控制装置7对含氧气体供给栗2进行控制以增加含氧气体供给量，接着前进至步骤S28，结束本流程的控制。
[0111]在此，也可以总是在步骤SlO之后前进至步骤S21。此外，也可以是，先基于图5所示的流程来进行控制，在原燃料供给栗I发生劣化的可能性增大的时期，在图5所示的流程的步骤SlO之后，进行进入到图8所示的流程的步骤S21的控制。在该情况下，也可以在步骤SlO与步骤S21之间，例如设置判断从燃料电池装置工作起是否经过了 2年?5年(可适当设定)的步骤，且在符合条件的情况下，进行前进至步骤S21的控制。另外，燃料电池装置的工作期间存储在控制装置7中即可。
[0112]通过实施这样的控制，能够有效地抑制熄火，且能够抑制发电量下降。
[0113]以上，详细说明了本发明，但本发明并不限于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行各种变更、改良等。
[0114]例如，在上述的说明中，使用基于用于对燃烧催化剂的温度进行测量的温度传感器46测量出的温度来判断燃烧部45中的熄火的例子进行了说明，但也可以例如基于由设置在燃烧部45中的温度传感器测量出的温度来进行判断。在该情况下，将熄火的判定基准温度Dl适当设定在400?550°C之间，在设置于燃烧部45的温度传感器测量出的温度低于Dl的情况下，判断为发生了熄火即可。另一方面，在判断为已经重新点火时，设为熄火的判定基准温度D1+50 °C即可。
[0115]因此，在图5所示的流程中，将“燃烧催化剂的温度在第I设定温度以上?”置换为“燃烧部的温度小于D1?”即可，并且将“燃烧催化剂的温度在第2设定温度以上?”置换为“燃烧部的温度小于D1+50°C”即可。
[0116]同样地，例如在对燃烧部45中的熄火进行判断之际，也可以基于热电偶28测量出的模块4内的温度来进行判断。在该情况下，将熄火的判定基准温度D2适当设定在500?600°C之间，在热电偶28测量出的温度低于D2的情况下，判断为发生了熄火即可。另一方面，在判断为已经重新点火时，设为熄火的判定基准温度D2+20°C即可。
[0117]因此，在图5所示的流程中，将“燃烧催化剂的温度在第I设定温度以上?”置换为“热电偶28测量出的温度小于D2?”即可，并且将“燃烧催化剂的温度在第2设定温度以上?”置换为“热电偶28测量出的温度小于D2+20 °C ?”即可。
[0118]此外，在执行图6所示的流程图时，也可以在步骤SlO与步骤SI I之间，参照图7、图8所示的流程图，追加判断燃料电池单元的劣化和/或原燃料供给栗的劣化的流程。例如，在判断为燃料电池单元发生了劣化的情况下，优选为比判断为燃料电池单元未发生劣化时供给更多的降低模式下的燃料气体量以及含氧气体量，降低模式是使部分负荷跟踪特性低于稳态运行时的模式。
[0119]此外，在判断为原燃料供给栗发生了劣化的情况下，对燃料气体量的目标量与流量计的值成为相同值的情况进行确认，然后使含氧气体量增加，开始降低模式即可。
[0120]此外，在图8的流程图中，在反复数次S24至S26的步骤时等情况下，也可以认为燃料电池装置发生了异常，从而停止燃料电池装置的工作。
[0121]另外，在上述的例子中使用被称为所谓中空平板型的燃料电池单元19来进行了说明，但也可以使用一般被称为横条纹型的、在支承体上设置有多个发电元件部的横条纹型燃料电池单元。
[0122]符号说明
[0123]1:原燃料供给栗
[0124]2:含氧气体供给栗
[0125]3:重整器
[0126]4:燃料电池模块
[0127]7:控制装置
[0128]19:燃料电池单元
[0129]43:净化装置
[0130]44:点火装置
[0131]46:温度传感器
【主权项】
1.一种燃料电池装置，其特征在于，具备: 燃料电池单元，利用燃料气体和含氧气体来进行发电，从而向外部负载供给电力； 燃料气体供给装置，向该燃料电池单元供给所述燃料气体； 含氧气体供给装置，向所述燃料电池单元供给所述含氧气体； 燃烧部，使从所述燃料电池单元排出的未被用于发电中的燃料气体燃烧； 点火装置，用于使从所述燃料电池单元排出的未被用于发电中的燃料气体燃烧；以及控制装置，控制所述燃料气体供给装置、所述含氧气体供给装置以及所述点火装置的动作， 该控制装置根据所述外部负载所请求的电力的变动，对所述燃料气体供给装置和所述含氧气体供给装置进行控制，以使所述燃料气体和所述含氧气体的供给量发生变动，并且在所述外部负载所请求的电力下降的情况下，当判断为所述燃烧部中的燃烧发生了熄火时，控制所述燃料气体供给装置和所述含氧气体供给装置，使得向所述燃料电池单元供给的所述燃料气体和所述含氧气体的供给量少于根据下降后的所述外部负载所请求的电力设定的供给量来进行供给，并且进行控制以使所述点火装置进行工作。2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于， 所述燃料电池装置还具备: 燃烧催化剂，用于对经由所述燃烧部而排出的废气进行处理；以及 温度传感器，用于测量该燃烧催化剂的温度， 所述控制装置在所述温度传感器测量出的所述燃烧催化剂的温度变成第I设定温度以上的情况下，判断为所述燃烧部中的燃烧发生了熄火，控制所述燃料气体供给装置和所述含氧气体供给装置，使得向所述燃料电池单元供给的所述燃料气体和所述含氧气体的供给量少于根据下降后的所述外部负载所请求的电力设定的供给量来进行供给，并且进行控制以使所述点火装置进行动作。3.根据权利要求2所述的燃料电池装置，其特征在于， 最低流量是所述燃料气体和所述含氧气体的供给量中比根据下降后的所述外部负载请求的电力设定的供给量还少的量。4.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其特征在于， 所述控制装置在从使所述点火装置进行动作起经过了规定时间时，当所述燃烧催化剂的温度低于所述第I设定温度且在第2设定温度以上的情况下，进行控制使所述燃料气体量及所述含氧气体量的最低流量以及所述点火装置的动作继续，其中，所述第2设定温度被设定成低于所述第I设定温度。5.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其特征在于， 所述控制装置在从使所述点火装置进行动作起经过规定时间之后，当所述燃烧催化剂的温度小于第2设定温度的情况下，进行控制以增加来自所述燃料气体供给装置和所述含氧气体供给装置的所述燃料气体量和所述含氧气体量，并且停止所述点火装置的动作，其中，所述第2设定温度被设定成低于所述第I设定温度。6.根据权利要求5所述的燃料电池装置，其特征在于， 所述控制装置在从所述燃烧催化剂的温度变得小于所述第2设定温度起的规定期间内，进行控制以使所述外部负载的请求电力增加时的发电电力的增加量变成比稳态运行时低值的增加量。7.根据权利要求6所述的燃料电池装置，其特征在于， 所述控制装置在经过所述规定期间之后，进行控制以使所述外部负载的请求电力增加时的发电电力的增加量变成稳态运行时的发电电力的增加量。8.根据权利要求5所述的燃料电池装置，其特征在于， 所述控制装置在所述燃烧催化剂的温度变成小于所述第2设定温度之后由所述温度传感器测量出的温度变成小于所述第I设定温度且在所述第2设定温度以上的情况下，进行控制以使来自所述燃料气体供给装置和所述含氧气体供给装置的所述燃料气体和所述含氧气体量的供给量进一步增加。9.根据权利要求5所述的燃料电池装置，其特征在于， 所述燃料电池装置还具备:流量计，用于测量从所述燃料气体供给装置供给的所述燃料气体量， 所述控制装置在所述燃烧催化剂的温度变成小于所述第2设定温度之后使来自所述燃料气体供给装置和所述含氧气体供给装置的所述燃料气体量和所述含氧气体量增加之际，控制所述含氧气体供给装置，以使对所述燃料气体供给装置的指示流量值与所述流量计测量出的流量值示出相同值而经过了规定时间后，所述含氧气体的供给量增加。
【文档编号】H01M8/04746GK106068575SQ201580012809
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2015年3月18日 公开号201580012809.9, CN 106068575 A, CN 106068575A, CN 201580012809, CN-A-106068575, CN106068575 A, CN106068575A, CN201580012809, CN201580012809.9, PCT/2015/58147, PCT/JP/15/058147, PCT/JP/15/58147, PCT/JP/2015/058147, PCT/JP/2015/58147, PCT/JP15/058147, PCT/JP15/58147, PCT/JP15058147, PCT/JP1558147, PCT/JP2015/058147, PCT/JP2015/58147, PCT/JP2015058147, PCT/JP201558147
【发明人】川端直辉, 钵木伸彦
【申请人】京瓷株式会社