专利名称：固体氧化物燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及固体氧化物燃料电池系统，特别是涉;sj(于燃料电池的 驢部供给的气体的供给控制系统。
背景技术：
一般地，作为将燃料所具有的能量变换为电能的装置，已公知的有燃料电池。通常， 燃料电池具有被设置为夹住电解质的一对电极，使氢反应气体(燃料气体)接触一对电极 中的一方电极的表面，而使.含氧空气接触一对电极中的另一方电极的表面，从而产生电 化学反应，燃料电池就是利用这种电化学反应从电极间取出电能的一种电池。专利文献1 中记载有具备改质器的燃料电池系统的运行方法，所公开的运行方法是为了防止改质器的 温度急剧上升现象而并行运转水蒸汽改质和局部氧化改质，同时增大作为吸热反应的水蒸 汽改质的比例。
专利文献1:特开2000-40519号公报
但是，在专利文献1的燃料电池系统的运行方法中，由于并用水蒸汽改质和局部氧化 改质，所以必须要有用来进行水蒸汽改质的水，在无法对改质器供给水的情况下，就不得 不使燃料电池系统停止运行。
一般，在进行水蒸汽改质的燃料电池系统中，水自供(用凝结水完全供给燃料电池所 必要的水)是很困难的，必须设置外部补水的管线，假如即便能够进行水自供，也要在凝 结水的生成部上花费成本，或者在无水的情况下，就必须使系统停止运行。另外的问题是 供水系统受外界气温的影响而冻结的问题、凝结水减少的问题，或者为防止冻结而使用加 热器引起的耗电增大的问题等。
发明内容
为解决上述的问题，本发明的目的在于提供一种考虑了水箱的贮水量的影响而可控的 并且水可完全自供的固体氧化物燃料电池系统。
(1)有关权利要求1的固体氧化物燃料电池系统的特征在于具有具备改质部的燃料 电池、把多种气体和水供给改质部的气'水供给系统、可积蓄水的水箱；
所迷气.水供给系统设置有把被 文质气体供给所述改质部的被改质气体供给单元、把含 氧气体供给所述改质部的含氧气体供给单元和把来自水箱的水原样或制成水蒸汽供给所 述 文质部的供水单元；还设置有控制单元，该控制单元根据用于4企测水箱中的贮水量的贮 水量传感器的信号来控制切换所述含氧气体供给单元和所述供水单元或者并用该两单元、 以在所述改质部内进行所述被改质气体与所述含氧气体和/或所述水的改质反应。
(2) 有关权利要求2的如权利要求1记载的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于
所述水箱积蓄由所述燃料电池的排热回收而凝结的水。
(3) 有关权利要求3的如权利要求1记载的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于 所述水箱积蓄从外部供水源供给的水。
(4) 有关权利要求4的如权利要求1记载的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于 所述控制单元根据所述贮水量传感器的信号判断为所述水箱的贮水量少于预先设定的值 时，使所述供水单元停止，同时使所述含氧气体供给单元运转来进行改质反应。
(5) 有关权利要求5的如权利要求1记载的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于 具有检测所述燃料电池的发电量的发电量检测单元；所述控制单元根据该发电量检测单元 的信号判断为当所述发电量达到小于额定值(例如最大输出)的一定比例(例如小于40% ) 时，所述控制单元使所述供水单元停止，同时使所述含氧气体供给单元运转来进行改质反 应。
(6) 有关权利要求6的如权利要求1记载的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于 具有检测所述燃料电池的温度的燃料电池温度传感器；所述控制单元根据该燃料电池温度 传感器的信号判断为当该燃料电池的温度达到低于预先设定的值时，所述控制单元使所述 供水单元停止，同时使所述含氧气体供给单元运转来进行改质反应。
(7) 有关权利要求7的如权利要求1记载的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于 具有检测外界气温的外界气温传感器；所述控制单元根据该外界气温传感器的信号判断为 当外界气温达到低于预先设定的值时，所述控制单元使所述供水单元停止，同时使所述含 氧气体供给单元运转来进行 文质反应。
(8) 有关权利要求8的如权利要求1 ~ 7的任一项记载的固体氧化物燃料电池系统， 其特征在于所述控制单元在所述含氧气体供给单元与所述供水单元之间进行切换的情况 下，使两单元并行运转一定时间。
按照权利要求1的固体氧化物燃料电池系统，把供水单元和含氧气体供给单元相对改 质部并列连接，从而能够从积蓄水的水箱向供水单元供水。供水单元既可以把水原样供给 改质部，也可以制成水蒸汽之后供给 支质部。另外，控制从供水单元和含氧气体供给单元
各自向改质部的供气的控制单元可以根据水箱的贮水量传感器的信号进行供水单元与含 氧气体供给单元的切换。
因此，在水箱的贮水量充分时，仅从供水单元向改质部供水，从而能够进行水蒸汽改质。
另一方面，在达到水箱的贮水量不足状态时，使供水单元停止而切换到含氧气体供给
单元，从而能够进行局部氧化 Lt;系统可以运转，而不使改质部和整个系统停机。
并用供水单元和含氧气体供给单元能够补充来自水箱的水的供给量，同时能够始终进 行稳定的改质反应。
按照权利要求2的固体氧化物燃料电池系统，把由燃料电池的排热回收产生的凝结水 积蓄在水箱中，这样能够有效利用凝结水而不将其废弃。虽然凝结水的供给量有变动，但 是水箱的贮水量充分时，仅从供水单元向 文质部供水或水蒸汽，就能够进行水蒸汽改质。
另一方面，在凝结水减少而达到水箱的贮水量不足状态的情况下，使供水单元停止而 切换到含氧气体供给单元，从而能够进行局部氧化改质；贮水量恢复了的情况下能够再次 切换到水蒸汽改质，所以系统可以运转，而不使 丈质部和整个系统停机。这样就能够构建 不必从外部供给补充水而完全自供水系统。
按照权利要求3的固体氧化物燃料电池系统,把从外部供水源供给的水积蓄在水箱中。 这样，在能够确保外部供水源的地域(配备有水道设备等水基础设施的设备的地域)使用 的情况下，正常时能够得到充分的贮水量，所以仅从供水单元向改质部供水或水蒸汽，就 能够进行水蒸汽改质。
另一方面，即使在能够确保外部供水源的地域，而在例如灾害或施工等断水时，使得 水箱的贮水量不足状态的情况下，使供水单元停止而切换到含氧气体供给单元就能够进行 局部氧化改质；恢复供水的情况下，能够再次切换到水蒸汽改质，所以系统可以运转，而 不使 支质部和整个系统停机。
在未配备水基础设施的设备的地域如偏僻地区、沙漠等使用的情况下，也能够提供可 原样对应的燃料电池系统。另外，即使例如必须把在配备有水基础设施的设备的地域使用 的燃料电池(进4亍了水蒸汽改质的燃料电池)系统转移到未配备水基础设施的设备的地域 的情况下，只要是本系统，就能够原样使用。
另外，在从外部供水源供给的水(例如管道水、井水)的水质变差时，可以进行局部 氧化改质，防止燃料电池元件的劣化等。水质的变差例如可以由传感器检测'据此可以进 行局部氧化改质。
另外，在给水箱供水的供水管、供水单元的供水管冻结时，也可以通过停止供水单元
而切换到含氧气供给单元进行局部氧化改质，另夕卜，冻结被解除后可以再次切换到水蒸气 改质，使改质部和系统整体不必停止而持续运转。
按照权利要求4的固体氧化物燃料电池系统，由于根据贮水量传感器的信号检测水箱 的贮水量，所以能够正确且迅速地进行水蒸汽改质与局部氧化改质的切换。
按照权利要求5的固体氧化物燃料电池系统，由于发电量低于一定值的情况下，燃料 电池的性能降低，所以不进行作为吸热反应的水蒸汽改质而进行发热反应的局部氧化改 质，从而使邻接改质部的燃料电池的温度不降低或者上升到合适的温度，而能够提高发电 反应的效率。
按照权利要求6的固体氧化物燃料电池系统，由于燃料电池的温度降低了的情况下， 燃料电池的性能降低，所以不进行作为吸热反应的水蒸汽改质而进行作为发热反应的局部 氧化改质，从而使邻接改质部的燃料电池的温度不降低或者上升到合适的温度，而能够提 高发电反应的效率。
按照权利要求7的固体氧化物燃料电池系统，在冬季或夜间等外界气温降低下来的情 况下，例如因水管道或供水管的冻结等而无法供水的情况下，从供水单元切换到含氧气体 供给单元，就能够进行局部氧化改质而不是水蒸汽改质。这样，就解决了因水的冻结而不 能水蒸汽改质的问题。既使在燃料电池的温度因外界气温降低下来的情况下，进行作为发 热反应的局部氧化改质也是有利的。
按照权利要求8的固体氧化物燃料电池系统，在含氧气体供给单元与供水单元之间进 行切换的情况下，使两单元并行运转一定期间，从而能够避免急剧的变化对燃料电池产生 恶劣的影响，能够慢慢地转移改质反应。
图1是本发明的燃料电池系统的一种结构的概略框图。
图2是本发明的燃料电池系统的其他结构的概略框图。符号说明
1...燃料电池系统 10...气.水供给系统 12...被改质气体供给单元 13...含氧气体供给单元 14...供水单元 15...供气控制单元
21...燃料电池
22…改质部
50…水箱
51...贮水量传感器
具体实施例方式
图1是本发明的固体氧化物燃料电池系统1的简化框图。在燃料电池主体20内设置 有用一对电极夹住电解质的小单元的集合体即燃料电池21,内含改质触媒的改质部22与 燃料电池21相邻接。这样，就能够把燃料电池21的发电反应产生的热和剩余气体的燃烧 热用于 文质部22内的gtt反应。
系统还设置有对燃料电池主体20供给多种气体和水的气'水供给系统10,用连接在 燃料电池主体20上的适宜的供给管分别供给各种气体或水，从空气供给单元11对燃料电 池21供给含氧的空气。再对燃料电池21供给在改质部22内改质过的富氢燃料气体，由 此来产生发电反应，把高温气体排放出去。
在气.水供给系统10中还包含对改质部22供给各种气体和水的多个供给单元12-14,被改质气体供给单元12供给改质反应所用的被改质气体，该被 文质气体不仅可以用 城市煤气、丙烷气体等一开始就是气体状的燃料，而且可以用把煤油、石油等液体状的燃 料气化的气体；含氧气体供给单元13供给空气等含氧气体；供水单元14供给水或水蒸汽， 在供给水蒸汽的情况下，供水单元14设置有蒸发器14a，以下说明供水单元14把水原样 供给到改质部22的实施例，但是，即使在供给水蒸汽的情况下，也可进行同样的控制。
从供水单元14供给改质部22的水必须进行水蒸汽改质(CH4 + H20—3H2 + CO); 另 一方面，从含氧气体供给单元13供给改质部22的含氧气体必须进行局部氧化改质(CH4 + 02—2H2 + C02 )。
对 文质部22的水的供给和停止可以通过使设置在例如供水单元14内的送出泵等运 转和停止来进行控制，或者通过适宜的阀门的开闭来进行控制；对改质部22的含氧气体 的供给和停止可以通过使设置在例如含氧气体供给单元13内的送出泵等运转和停止来进 行控制，或者通过适宜的阀门的开闭来进行控制。另外，这些送出泵的运转和停止或岡门 的开闭例如可以分别用来自包含气.水供给系统10内的控制装置的供气控制单元15的电 控信号C1和C2来控制。这样，就能够有选择地向改质部22供给水和含氧气体某一方或 双方。系统还设置有用来从来自燃料电池21的排气中回收凝结水的排热回收单元40,由排 热回收单元40生成的凝结水被送到水箱50内积蓄起来。然后，经由供水单元14送到改 质部22，作为水蒸汽改质用的水。
水箱50内还设置有检测凝结水的积蓄量的贮水量传感器51,贮水量传感器51是像 浮控开关那样根据水箱50内的水的一定的贮水量进行通、断控制的传感器，预先设定一 定的贮水量， 一旦贮水量传感器51检测到预先设定的贮水量，就把该检测信号传送到供 气控制单元15。
以下描述实际的运转方法。通常在燃料电池的运转中，停止从含氧气体供给单元13 向改质部22供给含氧气体，而由供水单元14供水，由此来进行水蒸汽改质运转，这是因 为水蒸汽^Lt的发电效率高而损耗小。进行水蒸汽 文质消耗水箱50内的凝结水，另一方 面，由排热回收单元40生成凝结水，这些凝结水被积蓄在水箱50内。
因某些条件(后述)而使水箱内的凝结水的!^水量减少，达到低于预先设定值的低水 位，此时，贮水量传感器51的开关接通，检测信号被传送到供气控制单元15 (箭头S1 )。 这样，供气控制单元15感知凝结水的贮水量少，停止运转供水单元14,而开始运转含氧 气体供给单元13 (箭头C1、 C2)。从而，从水蒸汽改质切换到局部氧化 文质。
在供气的急剧变化对燃料电池21产生恶劣影响的情况下，使双方供给单元13、 14 并行运转一定期间，逐渐向局部氧化改质反应切换。或者也可以分别慢慢地减少、升高水 蒸汽改质与局部氧化改质反应的比例。在局部氧化改质过程中，不使用水箱50内的凝结 水，而由排热回收单元40生成凝结水，从而使水箱50内的凝结水增加起来。
一旦水箱50内的贮水量达到超过预先设定的值的高水位，贮水量传感器51的开关 接通，检测信号被传送到供气控制单元15 (箭头S1)。此时，供气控制单元15感知凝结 水的贮水量增加了 ，停止含氧气体供给单元13的运转，而开始供水单元14的运转(箭头 C1、 C2)。结果，从局部氧化改质切换到水蒸汽 夂质。
在供气的急剧变化对燃料电池21产生恶劣影响的情况下，使双方供气单元13、 14 并行运转一定期间，逐渐向水蒸汽改质反应切换。或者也可以分别慢慢地升高、减少水蒸 汽改质与局部氧化改质反应的比例。
另外，在产生了达到发电量低于额定值的规定比例如40%以下的发电量减少的情况
下，因为水蒸汽改质是吸热反应，所以与改质部22邻接的燃料电池21的温度降低到
650°C，电池的性能愈发地降低。为了防止这种情况发生，检测出燃料电池21的发电量或
燃料电池21的温度，停止供水单元14的运转，而开始含氧气体供给单元13的运转，从
水蒸汽改质切换到局部氧化改质。燃料电池21的发电量例如由发电量监测器31来检测'
其检测信号被送到供气控制单元15 (箭头S2)。燃料电池21的温度例如由热电偶等燃料 电池温度传感器23来检测，其检测信号被送到供气控制单元15 (箭头S3 )。
因为局部氧化改质是发热反应，所以邻接于改质部22的燃料电池21的温度并不降 低，能够进行发电反应。在急剧的变化对燃料电池21产生恶劣影响的情况下，使这些供 气单元13和供水单元14并行运转一定期间，逐渐切换到局部氧化反应。或者也可以分别 慢慢地减少、升高水蒸汽改质与局部氧化 Lt反应的比例。只要燃料电池21的温度恢复 到例如70(TC,就逆切换到水蒸汽改质。
另夕卜，在外界气温降下来时，例如用热敏电阻等外界气温传感器70来检测外界气温， 把险测信号传送到供气控制单元15 (箭头S4)。供气控制单元15根据该信号停止供水单 元14的运转，而开始含氧气体供给单元13的运转，结果，从水蒸汽改质切换到局部氧化 文质。这样，就解决了因水的冻结而不能进行水蒸汽 文质的问题。另外，因外界气温而使 燃料电池21的运转温度降下来的情况下，也是同样情况。在急剧的变化对燃料电池21产 生恶劣影响的情况下，使双方供给单元13、 14并行运转一定期间，逐渐切换到局部氧化 改质反应。或者也可以分别慢慢地减少、升高水蒸汽 支质与局部氧化改质反应的比例。在 燃料电池21的外界气温恢复到例如4。C以上的情况下，就逆切换到水蒸汽改质。这样的控 制方法不仅可以检测外界气温，而且可以检测水箱50的水温等。
在供气的急剧变化对燃料电池21产生恶劣影响的情况下，使双方供气单元13、供水 单元14并行运转一定期间，逐渐向局部氧化 文质反应切换。或者也可以分别慢慢地减少、 升高水蒸汽改质与局部氧化改质反应的比例。作为进行这种运行的具体的控制方法，在高
于预先设定的温度范围(例如50(TC-70(TC)的情况下，根据改质部所具备的温度检测 器的检测值来减少含氧气体的供给量，而增加供水量。另一方面，在低于预先设定的温度 范围的情况下，增加含氧气体的供给量，而减少供水量。在不产生碳析出等恶劣影响的范 围内实施含氧气体的供给量和供水量。
也就是说，在 文质部中设置有热电偶等温度检测器， 一旦停止供水单元而使含氧气体 供给单元运转来进行 文质反应时，最好控制含氧气体供给量和供水量，来使温度检测器的 检测值不超出预先设定的规定范围。
含氧气体供给单元与供水单元之间进行切换的情况下，容易因改质器的温度条件而产 生碳析出之类的恶劣影响。但是，在改质器中设置温度检测器就能够一面进行含氧气体供 给量、供水量的控制一面转移改质反应，使该检测值纳入预先设定的温度范围之内，从而 无损伤且安全地切换改质方式。
作为家庭用，本发明的燃料电池系统最好具有例如0.5-1.5kW发电性能，最好用作
小型分散型电源。
在上述的图1的实施方式中，说明了水箱积蓄由燃料电池的排热回收凝结的水的情
况，而图2是本发明的其他实施方式的框图。按照图2的实施方式，把从外部供水源60 供给的水贮存在水箱50中，对于其他的构成，与图1的实施方式相同。外部供水源60是 例如管道水或井水的设备，通过连接适宜的配管把水供给到水箱50内。这种情况下，例 如在配备有供水^4设施(水管道设备)的设备的地域使用的情况下，在未配备水基础设 施的设备的地域如偏僻地区、沙漠等使用的情况下，都能够提供可对应的燃料电池系统。 另外，即使在因自然灾害等发生了断水的情况下，燃料电池系统也能够不停止地运行，在 自然灾害时等非常时期，也能够确实地确保电源。在因配管内的水冻结等而无法供水的情 况下，燃料电池系统也能够不停止地运行。
另外，虽未图示，但是本发明也可以是把图1的实施方式与图2的实施方式合并起 来的系统。即，水箱可以既积蓄排热回收的凝结水，也积蓄外部供水源供给的水。这种情 况下，水箱，如图1所示，与排热回收单元相连接，还如图2所示，与外部供水源相连接。 也可以设置能够选择.切换积蓄来自任意一方的水的适宜的阀门及其控制装置。在这样的系 统中，在积蓄着凝结水的水箱的水位因某种原因降低得超过了一定值的情况下，接入一个 浮控开关，而从由外部供水源把7jc供给到水箱。而且，因某种原因无法从外部供水源(例 如水管道)供水，水箱的水位因某种原因降低得超过了一定值的情况下，可以接入一个浮 控开关来进行局部氧化改质。
权利要求
1.一种固体氧化物燃料电池系统，其特征在于该系统包括设有改质部的燃料电池，把多种气体和水供应给所述改质部的气·水供给系统，可积蓄水的水箱；所述气·水供给系统设置有把被改质气体供应给所述改质部的被改质气体供给单元、把含氧气体供应给所述改质部的含氧气体供给单元和把来自水箱的水原样或制成水蒸汽供应给所述改质部的供水单元；还设置有控制单元，该控制单元根据用于检测所述水箱的贮水量的贮水量传感器的信号来控制切换所述含氧气体供给单元和所述供水单元、或者使该两单元并行运转，以在所述改质部内进行所述被改质气体与所述含氧气体和/或所述水的改质反应。
2. 如权利要求1记载的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于所述水箱积蓄由所述 燃料电池的排热回收而凝结的水。
3. 如权利要求1记载的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于所述水箱积蓄从外部 供水源供给的水。
4. 如权利要求1记载的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于当所述控制单元根据 所述贮水量传感器的信号判断出所述水箱的贮水量少于预先设定的值时，所述控制单元就 使所述供水单元停止，同时使所述含氧气体供给单元运转来进行改质反应。
5. 如权利要求1记载的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于该系统还包括用于检测 所述燃料电池的发电量的发电量检测单元；当所述控制单元根据该发电量检测单元的信号 判断出所述发电量小于额定的一定比例时，所述控制单元就使所述供水单元停止，同时使 所述含氧气体供给单元运转来进行改质反应。
6. 如权利要求1记载的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于该系统还包括用于检 测所述燃料电池的温度的燃料电池温度传感器；当所述控制单元根据该燃料电池温度传感 器的信号判断出该燃料电池的温度低于预先设定的值时，所述控制单元就使所述供水单元 停止，同时使所述含氧气体供给单元运转来进行改质反应。
7. 如权利要求1记载的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于该系统还包括用于检 测外界气温的外界气温传感器；当所述控制单元根据该外界气温传感器的信号判断出外界 气温低于预先设定的值时，所述控制单元就使所述供水单元停止，同时使所述含氧气体供 给单元运转来进行改质反应。
8. 如权利要求1 ~7的任一项记载的固体氧化物燃料电池系统，其特征在于所述控 制单元在将所述含氧气体供给单元与所述供水单元之间进行切换的情况下，使两单元并行 运转一定期间。
全文摘要
本发明提供了一种固体氧化物燃料电池系统，该系统考虑了水箱的贮水量的影响而可控，并且水可完全自供，该系统包括设有改质部(22)的燃料电池(21)、把多种气体和水供给改质部(22)的气·水供给系统(10)、可积蓄水的水箱(50)；气·水供给系统(10)设置有供给被改质气体的被改质气体供给单元(12)、供给含氧气体的含氧气体供给单元(13)和供给来自水箱(50)的水的供水单元(14)；还设置有控制单元(15)，该控制单元(15)根据用于检测水箱(50)中的贮水量的贮水量传感器(51)的信号来控制切换含氧气体供给单元(13)和供水单元(14)或者并用该两供给单元(13、14)，以在改质部(22)中进行改质反应。
文档编号H01M8/04GK101171715SQ20068001565
公开日2008年4月30日 申请日期2006年6月20日 优先权日2005年6月20日
发明者重久高志, 高桥成门 申请人:京瓷株式会社