专利名称：燃料电池发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用燃料电池进行发电的燃料电池发电系统。
背景技术：
已有的燃料电池发电系统，主要具有在燃料极消耗富氢改性气体(燃料气体)且在空气极中消耗氧气进行发电的燃料电池、向空气极输送氧气的鼓风机、从原料气体(例如城市煤气和天然气)和水蒸汽通过水蒸气改性反应生成改性气体的燃料生成装置、使在燃料极中消耗的改性气体(废气)中含有的水蒸汽凝集的凝集器、利用燃烧废气得到的燃烧气体的热交换加热燃料生成装置的改性催化剂体的燃烧器。
在该燃料电池发电系统启动时，如特开昭62-276763号公报和特开2002-110207号公报中所公开的燃料电池发电系统的净化方法那样，利用在燃料电池发电系统内部进行氮气净化处理可靠地抑制由空气和燃料气体形成的混合气体发生异常燃烧。
另一方面，为了进行氮气净化处理，需要氮气瓶和氮气分离发生装置专用的氮气设备，在将燃料电池发电系统作为家庭用固定设置型分散发电源和电动汽车等用途使用的情况下，上述氮气设备制约了成本的降低和小型化这两个方面。
为此，已知有利用原料气体净化处理燃料电池发电系统内部，代替燃料电池发电系统启动时的氮气净化处理这样的原料气体净化处理技术。例如，根据美国专利US2003/0104711A1号公报中记载的燃料电池发电系统，公开了如下所述进行控制的净化气体系统技术，即将通过旁路路径的脱硫气体(去除硫成分的原料气体)从燃料气体供应配管引导到燃料极，在利用原料气体对其进行净化处理后，将原料气体引导到燃料生成装置(参照图6及图7以及与其相关的记载)。
但是，本申请的发明人等判断认为，至少在开始对燃料生成装置提供原料气体前预先确实完成对燃料电池发电系统的燃料极的原料气体净化处理工作，由于下面所述的理由，这对于谋求燃料生成装置的改性反应稳定化是重要的，在使用原料气体净化处理技术的燃料电池发电系统中，对燃料极进行的原料气体净化处理工作的停止时期判定功能是不可欠缺的重要技术。
尽管如此，在上述US2003/0104711A1号公报中所述装置中，对燃料极的原料气体净化处理的停止时期的判定是困难的。
发明内容
本发明是为解决上述存在问题而作出的，其目的是，提供一种在系统启动时利用原料气体对该燃料极进行净化处理之际，能够确切地判定原料气体净化处理的停止时期的燃料电池发电系统。
为了实现上述目的，本发明的燃料电池发电系统具备将原料气体改性生成富氢燃料气体的燃料生成装置、向所述燃料生成装置提供原料气体的原料供应机构、使用由所述燃料生成装置提供的燃料气体和氧化剂气体发电的燃料电池、所述燃料生成装置旁路，将原料气体提供给所述燃料电池的燃料极的旁路机构、由所述原料供应机构提供原料气体的供应对象、在所述燃料生成装置和所述旁路机构之间切换的原料供应切换机构、配置于所述原料供应机构和所述燃料极之间的原料气体通道上，测量流过所述旁路机构的原料气体的流量的原料流量测定机构、以及控制装置，在燃料电池系统启动时，通过所述旁路机构向所述燃料极注入原料气体，并且，所述控制装置根据由所述原料流量测定机构输出的输出值，使所述原料供应切换机构工作，在停止对所述燃料极供应所述原料气体后，开始对所述燃料生成装置提供原料气体。
借助于此，能够得到在系统启动时利用原料气体对燃料极进行净化处理时能确切判定原料气体净化处理的停止时期的燃料电池发电系统。
而且，在这里也可以这样构成，即在所述原料气体通道上具备脱硫器，利用所述脱硫器除去作为原料气体的城市煤气中含有的硫磺成分。
又，还可以这样构成，即具备加热所述燃料生成装置的燃烧器，经所述旁路通道流过所述燃料极的原料气体或由所述原料供应机构提供的原料气体利用所述燃烧器燃烧。
又，也可以在所述原料供应切换机构的上游具备调整由所述原料供应机构送出的原料气体的流量的原料流量调整机构。
借助于此，能够避免对燃烧器的原料气体供应急剧变动，能够维持燃烧器于稳定的燃烧状态。
又，也可以这样构成，即在燃料极和所述燃料生成装置中的至少任何一方，具备提供空气的空气供应机构，利用所述空气供应机构向所述燃料极和所述燃料生成装置中的至少任何一方提供空气，同时在所述空气的供应停止后，通过所述旁路机构的原料气体被提供给所述燃料极。
这样，在燃料电池发电系统启动时燃料极或燃料生成装置中残留可燃性气体的情况下，能够利用空气挤出可燃性气体或将燃料极或燃料生成装置的内部置换为空气，因此燃料生成装置的升温能够恰当进行。
本发明的上述目的、其他目的、特征、以及优点在参照附图进行的下述最佳实施形态的详细说明中能够更加清楚了解。
图1是表示本发明的第1实施形态的燃料电池发电系统的结构的方框图。
图2是表示本发明第1实施形态的原料供应切换机构的变形例的方框图。
图3是表示本发明第2实施形态的燃料电池发电系统的结构的方框图。
图4是表示本发明第3实施形态的燃料电池发电系统的结构的方框图。
图5是表示本发明第4实施形态的燃料电池发电系统的结构的方框图。
图6是表示本发明第5实施形态的燃料电池发电系统的结构的方框图。
图7是表示本发明第5实施形态的原料供应切换机构的变形例的方框图。
图8是表示本发明第6实施形态的燃料电池发电系统的结构的方框图。
图9是表示图8的虚线部分(空气供应机构与升压器)的变形例的方框图。
具体实施形态以下参照附图对本发明的实施形态进行说明。
第1实施形态图1是表示本发明第1实施形态的燃料电池发电系统的结构的方框图。
该燃料电池发电系统100的主要部分由在燃料极11a消耗富氢改性气体(燃料气体)且在空气极11c中消耗氧气(氧化剂气体)进行发电的燃料电池11、向空气极11c输送氧气的鼓风机43、对甲烷气体、天然气或丙烷气体等至少含有由碳和氢构成的化合物的原料气体进行水蒸汽改性，生成富氢燃料气体的燃料生成装置12、向燃料生成装置12提供原料的原料供应机构13构成。
又，该燃料电池发电系统100的气体供应系统，从原料气体供应的上游侧开始说明，具有将从原料供应机构13流出的原料气体引导到燃料生成装置12的原料供应路径14、将从燃料生成装置12流出的燃料气体引导到燃料电池11的燃料极11a的燃料气体供应路径16、从原料供应路径14的中途分岔并延伸，连接于燃料气体供应路径16的中途的第1旁路(路径)18、位于比第1旁路(路径)18和原料供应路径14的分岔处更上游侧并配置于原料供应路径14的中途，可以向下游侧供应原料气体或截断供应的原料源阀门15、配置于原料供应机构13和原料源阀门15之间的原料供应路径14的中途，检测原料气体流量，同时测量其累计流量的原料流量计40、位于上述分岔处的下游侧并配置于原料供应路径14的中途，能够对燃料生成装置12供应原料气体或截断供应的原料供应阀门19、配置于第1旁路(路径)18的中途，能够对燃料极11a进行原料气体供应和将其截断的原料旁路阀门20、位于第1旁路(路径)18和燃料气体供应路径16的连接处的上游侧并配置于燃料气体供应路径16的中途，能够将燃料气体的供应对象切换到燃料电池11的燃料极11a或其他装置(未图示)的燃料气体切换阀门17。又，作为原料供应机构13，有例如充有碳氢化合物气体的钢瓶和设在城市煤气管道上的开闭阀门。
在这里，利用第1旁路(路径)18的原料气体流通动作和原料供应阀门19的开闭动作以及原料旁路阀门20的开闭动作，能够将流过原料供应路径14的原料气体，在上述分岔处通过第1旁路(路径)18一边使燃料生成装置12旁路，一边将其引向燃料气体供应路径16，还再引向其下游的燃料极11a。
即，原料供应切换动作通过原料供应阀门19的开闭动作和原料旁路阀门20的开闭动作来实现。又，作为旁路机构的具体实施形态，利用第1旁路(路径)18和原料旁路阀门20构成。
又，作为测定原料气体流量并测定其累计流量的原料流量计40的代替机构，也可以在第1旁路(路径)18的中途配置同样的原料流量计。
又，控制装置36接收从原料流量计40输出的对应于累计流量的检测信号，根据该信号适当地控制原料供应阀门19和原料旁路阀门20的动作。
还有，控制装置36也控制燃料电池发电系统100的总体动作(未图示)。
下面对第1实施形态的燃料电池发电系统的动作例进行说明。并且一边对第1实施形态的燃料电池发电系统的动作进行说明，一边也对该发电方法的一个实施形态进行叙述(以下，第2～第6实施形态也相同)。
在燃料电池发电系统100启动时，控制装置36打开原料源阀门15和原料旁路阀门20，另一方面关闭原料供应阀门19。
又，控制装置36进行燃料气体切换阀门17的切换动作，将燃料气体供应路径16的靠燃料生成装置一侧的部分16a连接于不对燃料电池11提供的端口(向外部的排出端口17a)。
在该状态下，从原料供应机构13通过原料供应路径14流过的原料气体经由第1旁路(路径)18被引向燃料气体供应路径16的靠燃料电池一侧的部分16b，接着，被导向该部分16b的原料气体被注入燃料极11a，在净化燃料极11a的内部后，从燃料极11a的排出流路流出到其外部。
在这里，控制装置36监视从原料流量计40输出的检测信号并检测通过该处的原料气体的累计流量，将该累计流量与第1旁路(路径)18的容积和燃料极11a的容积等相加的燃料电池发电系统100的内容量(已知量)相比较。
而且，控制装置36控制燃料电池发电系统100的气体供应系统，使净化处理用的原料气体的累计流量至少大于上述内容量。
为了利用原料气体对充填于燃料电池发电系统100内部的气体进行充分的净化处理，原料气体供应量至少必须在燃料电池发电系统100的内容量(4～5升)以上，最好要在燃料电池发电系统100的内容量的3倍左右。
接着，控制装置36在例如作为净化处理用的原料气体的累计流量将规定的量(例如燃料电池发电系统100的内容量的3倍)输送到燃料极11a的时刻，关闭原料旁路阀门20。
而且在这之后，控制装置36打开原料供应阀门19。然后，在向燃料极11a注入燃料气体结束之后，开始对燃料生成装置12供应原料气体。
即控制装置36具有根据由原料流量计40得到的原料气体累计流量(原料流量计40的输出值)判定对燃料极11a的原料气体净化处理的停止时期的功能。
另一方面，输送到燃料生成装置12的原料气体利用高温状态的改性催化剂体(未图示)与水蒸汽一起进行改性反应，其反应的结果是，生成富氢燃料气体。又，燃料生成装置12具备能够适当地除去改性反应后的燃料气体中含有的一氧化碳气体的功能，借助于此，能够将一氧化碳气体浓度降低到对燃料电池11的白金系(Pt)电极催化剂不造成损害的水平以下。
又，在从燃料生成装置12的启动时刻起规定的期间内，燃料生成装置12内部的温度低，因而不能够充分发挥去除一氧化碳气体的功能，导致难以将燃料气体中的一氧化碳气体浓度降低到规定水平以下。
因此，上述规定期间的时间内，控制装置36将燃料气体切换阀门17维持于原来的状态(连通燃料气体供应路径16的靠燃料生成装置一侧的部分16a与外部的排出侧端口17a的状态)不变，以防止对燃料极11a供应燃料气体。
排出到外部的燃料气体也可以提供给加热燃料生成装置12的燃烧器或其他燃烧器(未图示)，在该处进行燃烧处理。
而且，当燃烧气体中的一氧化碳气体浓度被降低到规定水平以下时，控制装置36执行燃料气体切换阀门17的切换动作，连通燃料气体供应路径16和燃料极11a，流过燃料气体供应路径16的燃烧气体被供给于燃料极11a，与空气极11c的空气一起被用于燃料电池的发电。
不使用于发电的废气(氢气、水蒸汽、二氧化碳气体和一氧化碳气体的混合气体)从燃料极11a排出到燃料电池11的外部。排出到外部的废气也可以被提供给加热燃料生成装置12的燃烧器或其他燃烧器(未图示)在该处进行燃烧处理。
这样的燃料电池发电系统100产生以下的作用效果。
第1，控制装置36具有根据由原料流量计40得到的原料气体的累计流量决定对燃料极11a进行的原料气体净化处理的停止时期这样的原料气体净化处理停止功能，借助于此，能够可靠地得到在结束对原料极11a的原料气体净化处理后对燃料生成装置12开始供应原料气体这样的处理步骤。
假如同时进行两个方面的处理，由于基于燃料生成装置12的内部的改性反应的进行而分子量增大并且燃料生成装置12内部温度的上升，增加了燃料生成装置12的内部体积，因此增大了燃料生成装置12的内部压力的损失，带来供应燃料生成装置12的原料气体流量和净化处理燃料极11a的原料气体流量的变动，最终有可能会影响燃烧火焰的稳定和燃料生成装置12的改性反应的稳定。
又，假如把上述处理步骤颠例，在对燃料极11a开始供应原料气体的瞬间，提供给燃烧器的流量平衡会打破，与上述相同，有可能影响燃烧火焰的稳定和燃料生成装置12的改性反应稳定。
第2，如下所示，能够对燃料气体和空气的混合造成的异常燃烧进行抑制，将由于原料气体净化处理而滞留于燃料极11a的空气适当地排出到外部。
即在系统停止期间内，将空气混入燃料电池11的下游侧的流路，该混入的空气扩散到燃料极11a，滞留于燃料极11a的内部的白金系电极催化剂体近旁。或者存在于空气极11c的空气通过电解质膜(未图示)，从而扩散到燃料极11a，滞留于燃料极11a的内部的电极催化剂的近旁。
这样的话，在下一次启动时，如果不经意就将燃料气体(氢气)提供给空气滞留的燃料极11a，则氢气和氧气的混合所形成的可燃范围(氢气的可燃范围4％～75％)扩大，而且氢气和氧气构成的混合气体由于白金系催化剂的作用，发生低温反应是可能的，因此这些混合气体能够通过燃料极11a的白金电极催化剂的作用进行异常燃烧。
另一方面，原料气体(例如甲烷气体)和氧气的混合所形成的可燃范围与氢气相比要小得多(甲烷的可燃范围5％～15％)，而且由于甲烷与氧构成的混合气体的反应在低温下不进行，因此通过预先在燃料极11a注入原料气体，原料气体将滞留于燃料极11a的气体(例如空气)挤出，能够防止氢气和氧气在燃料极11a中混合。
又，在这里原料供应切换机构由图1所示的相当于虚线包围的部分的第1旁路(路径)18(旁路机构)、原料供应阀门19、原料旁路阀门20(旁路机构)构成，但是作为该原料供应切换机构的变形例，也可以由图2所示的第1旁路(路径)18、以及切换于将流过原料供应路径14的原料气体引入燃料生成装置12的情况和引入第1旁路(路径)18的情况的原料切换源阀门21构成。
又，在这种情况下，作为旁路机构的具体实施形态是由第1旁路(路径)18、以及原料切换阀门21构成的。借助于此，在燃料电池发电系统100启动时，控制装置36打开原料源阀门15并且进行原料切换阀门21的切换动作，连通原料供应路径14和第1旁路(路径)18。而且，利用由原料供应机构13输送的原料气体能够经由第1旁路(路径)18注入燃料极11a。
第2实施形态图3是表示本发明第2实施形态的燃料电池发电系统的结构的方框图。但是，对与图1相同的构件赋予相同的符号并省略其说明。
在该燃料电池发电系统110中，除了图1所示的燃料电池发电系统100的结构外，还设有用于除去作为包含于城市煤气的腐臭成分的硫磺成分的脱硫器22和将城市煤气升压到规定压力的升压器23。因而，在这里作为原料供应机构13，使用设在城市煤气配管13a上的开闭阀门(未图示)。
下面对该燃料电池发电系统110的动作例进行说明。但是，对与第1实施形态的燃料电池发电系统100的动作共同的部分简化叙述。
燃料电池发电系统110启动时，控制装置36打开原料源阀门15和原料旁路阀门20并关闭原料供应阀门19。同时，将原料气体切换阀门17切换到燃料气体的排出侧，使升压器23工作。
利用城市煤气配管13a引入脱硫器22的城市煤气，在脱硫器22中除去硫磺成分后，利用升压器23升压到规定压力，再输送到原料供应路径14。然后，输送到原料供应路径14的城市煤气经由第1旁路(路径)18被引入燃料极11a。被引入燃料极11a的城市煤气对燃料极11a内部进行净化处理，然后从燃料极11a的排出流路排出到其外部。
接着，控制装置36关闭原料旁路阀门20，停止对燃料池11注入城市煤气。其后，控制装置36打开原料供应阀门19，将利用升压器23升压的城市煤气提供给燃料生成装置12。
又，此后的燃料电池发电系统110的动作与第1实施形态的燃料电池发电系统100的动作相同，因此，在这里省略其说明。
该燃料电池发电系统110不但得到第1实施形态的效果，而且还得到以下的效果。
由于是将脱硫后的城市煤气注入到燃料极11a，因此能够防止燃料极11a的硫磺中毒，借助于此，能够谋求提高燃料电池11的耐用性。又，通常在升压器23中将约2kPa压力的城市煤气升压，进行净化处理时，能够通过任意变动该升压器23的升压能力，改变净化用的城市煤气流量，能够以最合适的城市煤气流量，在最合适的净化处理时间实行净化处理。
在这里，原料供应切换机构由图3所示的相当于虚线包围的部分的第1旁路(路径)18(旁路机构)、原料供应阀门19、以及原料旁路阀门20(旁路机构)构成，作为该原料供应切换机构的变形例，也可以由图2所示的第1旁路(路径)18、以及在将流过原料供应路径14的城市煤气引入燃料生成装置12的情况和将其引入第1旁路(路径)18的情况之间切换的原料切换阀门21构成。
又，在这种情况下，作为旁路机构的具体实施形态是由第1旁路(路径)18和原料切换阀门21构成的。
第3实施形态图4是表示本发明第3实施形态的燃料电池发电系统的结构的方框图。但是，对与图3相同的构件赋予相同符号并省略其说明。
在该燃料电池发电系统120中，除了图3所示的燃料电池发电系统110的结构外，还设置为进行改性反应将燃料生成装置12保持于高温的燃烧器24、将从燃料极11a排出的排出用燃料气体(废气和净化处理后的气体)提供给燃烧器24的燃料气体排出路径25、配置于燃料气体排出路径25的中途，除去在燃料气体中含有的水蒸汽的凝集器45、利用燃料气体切换阀门17的切换动作，连接燃料气体供应路径16和燃料气体排出路径25中间，将燃料电池11的燃料极11a旁路地引导从燃料生成装置12送出的气体的第2旁路(路径)26。
下面对该燃料电池发电系统120的动作例进行说明。但是，与第1实施形态及第2实施形态的燃料电池发电系统的动作相同的部分简化叙述。
燃料电池发电系统120启动时，控制装置36打开原料源阀门15和原料旁路阀门20，并关闭原料供应阀门19。同时，控制装置36对燃料气体切换阀门17进行切换动作，以连通燃料气体供应路径16和第2旁路(路径)26，使升压器23工作。
利用城市煤气配管13a引入脱硫器22的城市煤气，在脱硫器22中除去硫磺成分后，利用升压器23升压到规定压力后输送到原料供应路径14。而且，输送到原料供应路径14的城市煤气经由第1旁路(路径)18被引导到燃料极11a。被引导到燃料极11a的城市煤气对燃料极11a的内部进行净化处理，并从燃料极11a流出到其外部。流出到外部的城市煤气通过燃料气体排出路径25被输送到燃烧器24，在该处燃烧处理后生成高温燃烧气体。而且，通过与燃烧气体的热交换对燃料生成装置12进行加热。又，该燃烧气体在加热燃料生成装置12之后，被排出到大气中。
接着，控制装置36关闭原料旁路阀门20，停止对燃料电池11注入城市煤气。其后，控制装置36打开原料供应阀门19，以此将利用升压器23升压的城市煤气向燃料生成装置12提供。
输送到燃料生成装置12的城市煤气在高温状态的改性催化剂体(未图示)中与水蒸汽一起进行改性反应，作为该反应的结果生成富氢燃料气体。又，燃料生成装置12中，内藏有可以适当除去改性反应后的燃料气体中含有的一氧化碳气体的功能，借助于此，能够将一氧化碳气体浓度降低到对燃料电池11的白金系(Pt)电极催化剂不造成损害的水平以下。
又，在从燃料生成装置12启动时开始的规定期间内，由于燃料生成装置12内部的温度低而不能够充分发挥去除一氧化碳气体的功能，导致难以将燃料气体中的一氧化碳气体浓度降低到规定水平以下。
因此，控制装置36在上述规定期间内，将燃料气体切换阀门17维持于原来的状态(连通燃料气体供应路径16与第2旁路(路径)26的状态)不变，以防止将燃料气体提供给燃料极11a。而且，大量含有一氧化碳气体的燃料气体经由第2旁路(路径)26输送到燃料气体排出路径25之后，被提供给加热燃料生成装置12的燃烧器24，在该处进行燃烧处理。
另一方面，当燃料气体中的一氧化碳浓度被降低到规定的水平以下时，控制装置36进行对燃料气体切换阀门17的切换动作，连通燃料气体供应路径16与燃料极11a，借助于此，流过燃料气体供应路径16的燃料气体被提供给燃料极11a，与空气极11c的空气一起被利用燃料电池11的发电。又，不被燃料极11a用于发电的废气(与氢气、水蒸汽、二氧化碳气体及一氧化碳气体的混合气体)从燃料极11a排出到燃料气体排出路径25。流出到燃料气体排出路径25的废气被提供给加热燃料生成装置12的燃烧器24，在此处对其进行燃烧处理。
该燃料电池发电系统120除了得到第1实施形态及第2实施形态的效果之上，还得到以下的效果。
净化处理燃料电池11的内部并从其燃料极11a流出的脱硫的城市煤气，在燃料生成装置12的燃烧器24中进行燃烧处理后作为燃料生成装置12的加热用燃烧气体进行处理，因此能够适当处置净化处理完的可燃气体，能够防止向系统外部不经意地排放可燃气体而且能够有效利用可燃气体的燃烧热量。
在这里，原料供应切换机构由图4所示的相当于虚线包围的部分的第1旁路(路径)18(旁路机构)、原料供应阀门19、原料旁路阀门20(旁路机构)构成，但是作为该原料供应切换机构的变形例，也可以由图2所示的第1旁路(路径)18、以及在将流过原料供应路径14的城市煤气引入燃料生成装置12的情况与将其引入第1旁路(路径)18的情况之间切换的原料切换阀门21构成。
又，在这样的情况下，作为旁路机构的具体实施形态由第1旁路(路径)18和原料切换阀门21构成。
第4实施形态图5是表示本发明第4实施形态的燃料电池发电系统的结构的方框图。但是，对与图4相同的构件赋予相同符号并省略其说明。
在该燃料电池发电系统130中，除了图4所示的燃料电池发电系统120的结构外，还设置从城市煤气配管13a分岔并延伸到燃烧器24，将城市煤气提供给燃烧器24的原料气体分岔路径27、配置于原料气体分岔路径27的中途，对燃烧器24提供城市煤气或将其切断用的燃烧器用原料供应阀门28、以及配置于城市煤气配管13a和原料气体分岔路径27的分岔处上，可以调整流过原料气体分岔路径27的城市煤气流量和流过原料供应路径14的城市煤气流量的分流阀门44。又，该燃烧器用原料供应阀门28的开闭动作及分流阀门44的分流动作利用控制装置36控制。
下面对该燃料电池发电系统130的动作例进行说明。但是，对与第1实施形态～第3实施形态的燃料电池发电系统的动作相同的部分简化叙述。
燃料电池发电系统130启动时，流过城市煤气配管13a的城市煤气以适当的比例在分流阀门44中分流为流过原料气体分岔路径27的城市煤气和流过原料供应路径14的城市煤气。
在该状态下，控制装置36打开燃烧器用原料供应阀门28，经由原料气体分岔路径27将城市煤气提供给燃烧器24。而且，利用与燃烧器24中的城市煤气燃烧生成的燃料气体的热交换使燃料生成装置12快速升温。又，与燃料生成装置12热交换的燃烧气体排放到大气中。
对于流过原料供应路径14的城市煤气的燃料电池发电系统130的动作，由于与第3实施形态的燃料电池发电系统120的动作相同，因此在这里省略其说明。
该燃料电池发电系统130除了得到第1实施形态～第3实施形态的效果之外，还得到以下的效果。
利用与燃烧气体的热交换进行的燃料生成装置12的升温动作与利用对燃料极11a注入脱硫的城市煤气进行的净化动作同时进行，借助于此能够谋求缩短燃料电池发电系统130的启动时间。
在这里，原料供应切换机构由图5所示的相当于在虚线包围的部分的第1旁路(路径)18(旁路机构)、原料供应阀门19、原料旁路阀门20(旁路机构)构成，但是作为该原料供应切换机构的变形例，也可以由图2所示的第1旁路(路径)18、以及在将流过原料供应路径14的城市煤气引入燃料生成装置12的情况与将其引入第1旁路(路径)18的情况之间切换的原料切换阀门21构成。
又，在这种情况下，作为旁路机构的具体实施形态，由第1旁路(路径)18和原料切换阀门21构成。
第5实施形态图6是表示本发明第5实施形态的燃料电池发电系统的结构的方框图。但是，对与图5相同的构件赋予相同符号并省略其说明。
在该燃料电池发电系统140中，除了图5所示的燃料电池发电系统130的结构外，还设置位于升压器23的下游侧且在第1旁路(路径)18与原料供应路径14的分岔处上游侧，并配置于原料供应路径14的中途，可以调整城市煤气流量的原料流量调整阀门29(原料流量调整机构)。又，该原料流量调整阀门29的调整动作由控制装置36进行控制。
下面对该燃料电池发电系统140的动作例进行说明。但是，对与第1实施形态～第4实施形态的燃料电池发电系统的动作相同的部分简化叙述。
燃料电池发电系统140启动时，流过城市煤气配管13a的城市煤气以适当的比例在分流阀门44中分流为流过的原料气体分岔路径27的城市煤气和流过原料供应路径14的城市煤气。在该状态下，控制装置36打开燃烧器用原料供应阀门28，经由原料气体分岔路径27将城市煤气提供给燃烧器24。而且，利用与燃烧器24中城市煤气燃烧生成的燃料气体的热交换使燃料生成装置12快速升温。
另一方面，控制装置36打开原料阀门15和原料旁路阀门20并关闭原料供应阀门19。而且，控制装置36进行燃料气体切换阀门17的切换动作，连通燃料气体供应路径16与第2旁路(路径)26，以使升压器23动作。
这样，利用城市煤气配管13a引向脱硫器22的城市煤气在脱硫器22中除去硫磺成分后，利用升压器23升压到规定压力，输送到原料供应路径14。而且，输送到原料供应路径14的城市煤气经由第1旁路(路径)18被引向燃料极11a。引向燃料极11a的城市煤气对燃料极11a的内部进行净化处理，然后从燃料极11a流出到燃料气体排出路径25。流出到燃料气体排出路径25的城市煤气通过燃料气体排出路径25被输送到燃烧器24，在该处进行燃烧处理生成高温燃烧气体。从而能够利用与燃烧气体的热交换加热燃料生成装置12。又，该燃烧气体在加热燃料生成装置12后被排出到大气中。
接着，控制装置36在判断为已经利用所说明的规定量的城市煤气对燃料极11a进行了净化处理时，关闭原料旁路阀门20，停止将城市煤气引向燃料极11a。接着，控制装置36打开原料供应阀门19，开始将城市煤气提供给燃料生成装置12。
在这里，在开始将城市煤气注入燃料极11a时，作为原料流量调整阀门29的动作，该调整阀门29的打开程度由控制装置36调整，从全封闭状态逐渐打开，稳定于规定的气体流量。又，在对燃料极11a注入城市煤气结束时，作为原料流量调整阀门29的动作，利用控制装置36调整该调整阀门29的打开程度，从规定的打开程度逐渐关闭到全封闭状态。
又，这之后的燃料电池发电系统140的动作与第4实施形态的燃料电池发电系统130的动作相同，因此省略其说明。
该燃料电池发电系统140除了得到第1实施形态～第4实施形态的效果之外，还得到以下的效果。
利用原料流量调整阀门29的打开程度调整动作进行控制，在开始将城市煤气注入燃料极11a时，城市煤气的注入量从0流量(调整阀门29的打开程度全封闭状态)逐渐增加到规定的流量，在对燃料极11a注入城市煤气结束时，控制使城市煤气注入量从规定的流量逐渐减少到0流量，因而从燃料极11a输出的净化处理后的城市煤气的流量急剧变化地提供给燃烧器的不良的变化受到抑制，可以稳定地维持燃烧器24的燃烧状态。
在这里，原料供应切换机构由图6所示的相当于虚线包围的部分的第1旁路(路径)18(旁路机构)、原料供应阀门19、原料旁路阀门20(旁路机构)、以及原料流量调整阀门29构成，但是作为该原料供应切换机构的变形例，也可以由图7所示的第1旁路(路径)18、原料供应阀门19、可以调整流过第1旁路(路径)18的气体流量的旁路(路径)流量调整阀门30构成。即利用旁路(路径)流量调整阀门30的打开程度调整动作进行控制，在开始将城市煤气注入燃料极11a时，城市煤气的注入量从0流量(调整阀门30的打开程度全封闭状态)逐渐增加到规定的流量，在将城市煤气注入燃料极11a结束时，可以控制使城市煤气的注入量从规定的流量逐渐减少到流量为0。
又，在这种情况下，作为旁路机构的具体实施形态，由第1旁路(路径)18和旁路(路径)流量调整阀门30构成。
第6实施形态图8是表示本发明第6实施形态的燃料电池发电系统的结构的方框图。但是，对与图5相同的构件赋予相同的符号并省略其说明。
在该燃料电池发电系统150中，除了图5所示的燃料电池发电系统130的结构外，还设置向原料供应路径14输送空气的鼓风机33、从鼓风机33将空气引向原料供应路径14的空气供应路径31、配置于空气供应路径31的中途，进行对原料供应路径14的空气供应或将其截断的第1空气供应阀门32、以及为了防止被引向原料供应路径14的空气向脱硫器22的方向逆流流动，配置于升压器23的下游侧且位于空气供应路径31与原料供应路径14的连接处的上游侧，原料供应路径14的中途的空气逆流防止阀门34。
在这里，空气供应机构的具体实施形态，由图8所示的空气供应路径31、第1空气阀门32、鼓风机33和空气逆流防止阀门34构成的。又，第1空气阀门32的开闭动作由控制装置36进行控制。
下面对该燃料电池发电系统140的动作例进行说明。但是，对与第1实施形态～第4实施形态的燃料电池发电系统的动作相同的部分简化叙述。
燃料电池发电系统140启动时，控制装置36打开原料供应阀门19和第1空气阀门32，且关闭原料旁路阀门20及空气逆流防止阀门34，还利用燃料气体切换阀门17的切换动作连通燃料气体供应路径16和燃料极11a。
在这种状态下，控制装置36使鼓风机33动作。而且，由鼓风机33送出的空气，在通过空气供应路径31被引向原料供应路径14后，利用空气逆流防止阀门34阻止该空气向脱硫器22的方向的流动，将其输送到燃料生成装置12。被输送到燃料生成装置12的空气，在对其内部净化处理后被输送到燃料气体供应路径16。其后，被输送到燃料气体供应路径16的空气被输送到燃料极11a。输送到燃料极11a的空气对燃料极11a进行净化处理后被输送到燃料气体排出路径25。而后，输送到燃料气体排出路径25的空气通过凝集器45流过燃料气体排出路径25，被输送到燃烧器24，在该处得到处理。又，在停止对原料供应路径14供应空气时，控制装置36停止鼓风机33的动作，同时关闭第1空气阀门32。
此后的燃料电池发电系统150的动作与第4实施形态的燃料电池发电系统130的动作相同，因此省略其说明。
该燃料电池发电系统150除了得到的第1实施形态～第4实施形态的效果外，还得到以下的效果。
燃料电池发电系统150启动时，作为滞留于燃料极11a和燃料生成装置12的气体的例子，可以认为是在该停止期间在流路下游处从大气混入，扩散到燃料极11a的空气。
又，还可以想像由于停电或燃烧器火焰熄灭等事故使可燃气体(城市煤气、甲烷、丙烷或天然气)向燃料极11a混入和扩散。
尤其是，在燃料电池发电系统150停止期间可燃气体混入燃料极11a的情况下，进行下一次启动时进行利用城市煤气的净化处理时，由于将设想的热量以上的可燃性气体输送到燃烧器24，因此有燃料生成装置12温度升得过高的悬念。
为确切地应对这一问题，在燃料电池发电系统150启动时，利用空气将滞留于燃料极11a及燃料生成装置12中的气体排出到系统外部。以此可以将燃料极11a和燃料生成装置12的内部气体置换为空气这样的特定气体，因此能够恰当地实行其后的利用城市煤气净化的动作。即能够实行将燃料极11a及燃料生成装置12的内部气体置换为空气这样的气体气氛重新设置动作。
又，在这里对由利用空气供应路径31、第1空气阀门32、鼓风机33及空气逆流防止阀门34构成的空气供应机构对在升压器23下游侧且位于原料供应路径14与第1旁路(路径)18的分岔处的上游侧的原料供应路径14提供空气的例子进行说明，但是这也可以采用能够对脱硫器22与升压器23之间的原料供应路径14进行空气供应的构成。
又，在这里，作为注入空气的步骤，说明了将空气提供给燃料生成装置12，接着将提供给燃料生成装置12的空气输送到燃料电池11这样的串联供应方法，但是也可以利用原料旁路阀门20的开闭动作与燃料气体切换阀门17的开闭动作对燃料生成装置12进行空气供应和对燃料电池11进行空气供应同时进行，也可以使两者独立进行。
图8所示的虚线部分包围的构成要素(空气供应机构和升压器23)，可以用图9所示的升压器23、位于升压器23的上游侧且配置于原料供应路径14的中途的空气逆流防止阀门34、一端向大气开放且将另一端连通于升压器23与空气逆流防止阀门34之间的原料供应路径14上配置的空气供应路径31、以及配置于空气供应路径31中途的第2空气阀门35加以置换。即在对燃料生成装置12进行空气注入时，控制装置36关闭空气逆流防止阀门34并且打开第2空气阀门35，在该状态下使升压器23开始动作。借助于此，升压器23能够兼起向原料供应路径14送空气用的鼓风机的作用，可以将从第2空气阀门35的一端吸入的空气引向原料供应路径14(正确地说，是升压器23与空气逆流防止阀门34之间的原料供应路径14)。
又，燃料生成装置12中，设有容纳由本铂族贵金属(白金、钌、铑或钯)中的至少一种或一种以上及金属氧化物构成的变质催化剂体的变质部、以及对变质部供应含有一氧化碳气体和水蒸汽作为副成分的氢气的氢气供应部。这样做，由于提高燃料生成装置12的变质催化剂体的耐酸性，能够谋求提高在燃料生成装置12中注入空气的状态下的燃料电池发电系统的耐用性。
根据上述说明，本行业的普通技术人员是能够清楚了解本发明的诸多改良和其他实施形态的。从而，上述说明只应该作为例示来解释，是为了向本行业的普通技术人员说明实施本发明的最佳实施形态而作出的。在不超过本发明的精神的范围内，其结构和/或功能的详细情况可以有实质性的变更。
工业应用性本发明的燃料电池发电系统，使在燃料电池发电系统启动时能够恰当地对燃料电池的燃料极利用原料气体进行净化处理，从而对作为家庭用或汽车用的燃料电池发电系统是有用的。
权利要求
1.一种燃料电池发电系统，其特征在于，具备将原料气体改性生成富氢燃料气体的燃料生成装置、向所述燃料生成装置提供原料气体的原料供应机构、使用由所述燃料生成装置提供的燃料气体和氧化剂气体发电的燃料电池、所述燃料生成装置旁路，将原料气体提供给所述燃料电池的燃料极的旁路机构、由所述原料供应机构提供原料气体的供应对象、在所述燃料生成装置和所述旁路机构之间切换的原料供应切换机构、配置于所述原料供应机构和所述燃料极之间的原料气体通道上，测量流过所述旁路机构的原料气体的流量的原料流量测定机构、以及控制装置，在燃料电池发电系统启动时，通过所述旁路机构向所述燃料极注入原料气体，并且，所述控制装置根据由所述原料流量测定机构输出的输出值，使所述原料供应切换机构工作，在停止对所述燃料极供应所述原料气体后，开始对所述燃料生成装置提供原料气体。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于，在所述原料气体通道上具备脱硫器，利用所述脱硫器除去在作为原料气体的城市煤气中含有的硫磺成分。
3.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于，具备加热所述燃料生成装置的燃烧器，经所述旁路通道流过所述燃料极的原料气体或由所述原料供应机构提供的原料气体利用所述燃烧器燃烧。
4.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于，在所述原料供应切换机构的上游具备调整由所述原料供应机构送出的原料气体的流量的原料流量调整机构。
5.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于，在燃料极和所述燃料生成装置中的至少任何一方，具备提供空气的空气供应机构，利用所述空气供应机构向所述燃料极和所述燃料生成装置中的至少任何一方提供空气，同时在所述空气供应停止后，通过所述旁路机构的原料气体被提供给所述燃料极。
全文摘要
本发明的目的是提供一种燃料电池系统。该燃料电池发电系统(100)在启动时经由旁路机构(18、20)向所述燃料极注入原料气体，且控制装置(36)根据由原料流量测定机构(40)输出的输出值，使原料供应切换机构工作，在停止对所述燃料极(11a)提供所述原料气体之后，开始向燃料生成装置(12)供应原料气体。
文档编号H01M8/06GK1717833SQ20048000160
公开日2006年1月4日 申请日期2004年7月28日 优先权日2003年8月7日
发明者中村彰成, 尾关正高, 田中良和 申请人:松下电器产业株式会社