专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术：
以往，已知一种可以实现水蒸气重整中所使用的水的独立运转的燃料电池系统。例如，在专利文献I所记载的燃料电池系统中，在用于贮存水蒸气重整中所使用的水的水罐内的水位低于设定水位的情况下，通过减少供给至燃料电池的阴极的反应空气供给量来提高燃料电池的空气利用率，通过减少从燃料电池排出的燃烧排气量以使冷凝器的能力充分发挥，来谋求回收的水的增量。
专利文献I :日本特开2008-234869号公报
发明内容
_4] 发明要解决的问题这样，在以上述以往技术为代表的燃料电池系统中，期望进行水的稳定的独立运转。本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够进行水的稳定的独立运转的燃料电池系统。
_7] 用于解决问题的方案为了解决上述问题，燃料电池系统的特征在于，具备重整器，其使用重整催化剂将原燃料重整来生成重整气体；燃料电池，其使用由重整器生成的重整气体来进行发电；热交换器，其使从燃料电池排出的燃烧排气的热与所导入的水之间进行热交换；冷凝器，其对从热交换器的初级侧下游排出的燃烧排气中包含的水蒸气进行冷凝来回收水；泵，其向热交换器的次级侧上游供给水；温水温度测量器，其测量热交换器的次级侧下游的温水温度；以及控制部，其控制泵的供给量，其中，控制部对泵进行控制，使得由温水温度测量器测量出的热交换器的次级侧下游的温水温度接近目标温水温度，该目标温水温度是基于原燃料的种类、导入至重整器的原燃料的导入量以及导入至燃料电池的空气量而设定的。在该燃料电池系统中，由控制部对泵进行控制，使得由温水温度测量器测量出的热交换器的次级侧下游的温水温度接近目标温水温度，该目标温水温度是基于原燃料的种类、原燃料的导入量以及导入至燃料电池的空气量而设定的。由于能够通过变更导入至热交换器的次级侧上游的水的量来控制从热交换器的初级侧下游排出至冷凝器的燃烧排气的温度，因此能够通过增加向热交换器的水的供给量来降低该燃烧排气的温度。而且，通过降低从热交换器的初级侧下游排出的燃烧排气的温度，冷凝器中的燃烧排气的温度降低，因此能够使回收的水增量。此时，热交换器的次级侧下游的温水温度被控制为接近基于原燃料的种类、原燃料的量以及导入至燃料电池的空气量而设定的温度，因此不管原燃料的种类如何都能够进行水的稳定的回收。因而，能够进行水的稳定的独立运转。还具备气体温度测量器，该气体温度测量器测量冷凝器的初级侧出口处的燃烧排气的温度，控制部对泵进行控制，使得由气体温度测量器测量出的冷凝器的初级侧出口的温度为基于原燃料的种类、导入至重整器的原燃料的导入量以及导入至燃料电池的空气量而设定的温度以下。根据这种结构，冷凝器的初级侧出口的燃烧排气的温度被控制为基于原燃料的种类、原燃料的量以及导入至燃料电池的空气量而设定的温度以下，因此不管原燃料的种类如何都能够进行水的稳定的回收，并且能够进行水的更加稳定的独立运转。在用于贮存通过冷凝器回收到的水的水罐内的水为规定量以下的情况下，控制部对泵进行控制以使目标温水温度降低，在水罐内的水为规定量以上的情况下，控制部对泵进行控制使得目标温水温度变为规定的目标温度。根据该结构，能够可靠地防止水罐内的水不足，并且能够良好地设定为基于原燃料的种类、原燃料的导入量与导入至燃料电池的空气量之比而设定的温度以下。另外，在水罐内确保了水的情况下，例如能够通过设为高温的规定的目标温度来以高温将利用价值高的温水储存在储热水罐中。发明的效果 根据本发明，能够进行水的稳定的独立运转。
图I是一个实施方式所涉及的燃料电池系统的结构图。图2是表示露点温度与空气/燃料比之间的相关关系的图表。图3是表示燃料电池系统的运转方法的流程图。图4是表示控制部中的循环泵的处理过程的流程图。图5是表示变形例所涉及的燃料电池系统的运转方法的流程图。图6是表示变形例所涉及的燃料电池系统的运转方法的流程图。图7是表示变形例所涉及的温水设定温度与空气/燃料比之间的相关关系的图表。
具体实施例方式下面，参照附图来详细说明优选实施方式。图I是一个实施方式所涉及的燃料电池系统的结构图。如图I所示，燃料电池系统I具备脱硫器2、对原燃料进行水蒸气重整来生成含有氢的重整气体的重整器3、使由重整器3生成的重整气体和空气进行电化学的发电反应的固体氧化物型燃料电池(Solid OxideFuel Cell S0FC)堆叠体(以下，燃料电池堆叠体)4、逆变器5、热交换器6、冷凝器7以及控制部8。从容易得到且能够独立储存这样的观点出发，燃料电池系统I将煤油、LPG、城市煤气等含氢原子的燃料用作原燃料来进行发电，该燃料电池系统I例如被采用为家庭用的电力供给源，并且被用作生成温水的供热水器。脱硫器2用于对从外部导入的原燃料实施脱硫。在脱硫器2中，利用脱硫催化剂去除(吸附)原燃料的硫磺成分。通过原燃料鼓风机或泵(都未图示)将原燃料供给至脱硫器2。能够通过在原燃料所通过的管线上设置流量计或者掌握原燃料鼓风机或泵的特性，来由控制部8识别出从原燃料鼓风机或泵供给的原燃料的导入量。重整器3利用重整催化剂使脱硫后的液体燃料与水蒸气进行水蒸气重整反应，来生成含有氢的水蒸气重整气体。
燃料电池堆叠体4是将多个电池单元层叠而构成的，使用由重整器3生成的重整气体来进行发电，输出DC电流。电池单元具有阳极(anode)、阴极(cathode)以及配置于阳极与阴极之间的作为固体氧化物的电解质。在各电池单元中，重整气体被导入至阳极，并且利用阴极鼓风机12向阴极导入空气，从而进行电化学的发电反应。燃料电池堆叠体4通常在550°C 1000°C左右的高温下进行动作。此外，从燃料电池堆叠体4排出的未用于发电的阳极燃烧排气的氢、一氧化碳以及甲烷等燃料与阴极燃烧排气的氧在堆叠体出口处合流而进行燃烧反应，成为燃烧排气。另外，逆变器5将所输出的DC电流转换为AC电流。热交换器6用于使从燃料电池堆叠体4排出的未用于发电的燃烧排气与所导入的水之间进行热交换。热交换器6使从后述的储热水罐21经由循环管线L61供给的水与从燃料电池堆叠体4导入的燃烧排气之间进行热交换。被热交换器6加热后得到的温水(水)通过循环泵P2并经由第二循环管线L62贮存在储热水罐21中。此外，在热交换器6中，设定为在通常运转时水被加热到75°C左右。冷凝器7用于对从热交换器6的初级侧下游排出的燃烧排气所包含的水蒸气进行冷凝。冷凝器7通过使燃烧排气的温度降低至露点温度，来回收对燃烧排气所包含的水蒸 气进行冷凝后得到的冷凝水(排水)。通过冷凝器7进行冷凝后得到的水(冷凝水)被水罐13回收。冷凝器7中设置有排气温度测量传感器(气体温度测量器)Cl。排气温度测量传感器Cl用于测量冷凝器7的初级侧出口处的燃烧排气的温度。排气温度测量传感器Cl例如是热敏电阻、热电偶传感器，以电信号表示测量出的温度。另外，具有上述结构的燃料电池系统I上连接有供热水系统20。供热水系统20具备储热水罐21和备用锅炉(backup boiler)22。储热水罐21用于贮存利用由燃料电池堆叠体4产生的热来进行加热后得到的温水。具体地说，储热水罐21将通过水供给管线LI导入的水(自来水)供给至热交换器6，并贮存通过热交换器6进行加热后得到的温水。贮存在储热水罐21中的温水经由温水供热水管线L2排放。备用锅炉22用于根据需要对从储热水罐21排放的温水进行辅助加热。备用锅炉22对贮存在储热水罐21中的温水进一步进行加热，向温水供热水管线L2供给加热后的温水。利用这种结构，燃料电池系统I与供热水系统20构成了燃料电池热电联产系统。燃料电池系统I中设置有用于从外部经由脱硫器2向重整器3导入脱硫后的燃料的燃料管线L3。在燃料管线L3的下游侧连接有重整器3。另外，在燃料管线L3的重整器3附近连接有用于将水蒸气重整中所使用的水(原料水)导入至重整器3的水管线L4。在水管线L4的上游侧设置有贮存供给至重整器3的水的水罐13，在水管线L4中设置有将水罐13的水供给至重整器3的水供给泵Pl。水罐13用于贮存被冷凝器7冷凝后回收的水(排水)。水罐13上连接有排出溢出的水的排出管线L5。另外，水罐13中设置有检测罐内的水的液面位置的浮标传感器(float senSor)C2。该浮标传感器C2例如是磁传感器,利用簧片开关(reed switch)来检测与水的增减相应地移动的浮标的位置，通过电信号来表示液面位置。此外，水罐13中贮存有IL左右的水。热交换器6上连接有第一循环管线L61和第二循环管线L62。第一循环管线L61连接在热交换器6的次级侧上游，第二循环管线L62连接在热交换器6的次级侧下游。第一循环管线L61的上游侧设置有储热水罐21，第一循环管线L61上设置有使贮存在储热水罐21中的水循环的循环泵P2。循环泵P2能够被控制部8调整从储热水罐21供给至热交换器6的水的供给量，向热交换器6的次级侧上游供给水。此外，第一循环管线L61的上游侧与储热水罐21的下部连接，第二循环管线L62的下游侧与储热水罐21的上部连接。另夕卜，第二循环管线L62上设置有测量通过内部的温水的温度的温水温度测量传感器(温水温度测量器)C3，温水温度测量传感器C3测量热交换器6的次级侧下游的温水温度。温水温度测量传感器C3例如是热敏电阻、热电偶传感器，以电信号表示测量出的温度。冷凝器7上连接有排出燃烧排气的燃烧排气排出管线L7。燃烧排气排出管线L7连接在冷凝器7的初级侧出口处。另外，燃料电池堆叠体4上连接有用于导入空气的空气管线L8，在空气管线L8的上游侧设置有阴极鼓风机12。另外，燃料电池堆叠体4上连接有用于从重整器3导入重整气体(富氢重整气体)的重整气体管线L9。控制部8用于控制各种设备。控制部8上连接有阴极鼓风机12、排气温度测量传感器Cl、浮标传感器C2、温水温度测量传感器C3、水供给泵P1、循环泵P2以及原燃料鼓风机。控制部8由进行运算的CPU (Central Proces sing Unit :中央处理器)、存储用于使 CPU执行各处理的程序等的ROM (Read Only Memory :只读存储器)、存储运算结果等各种数据的RAM (Random Access Memory :随机存取存储器)等构成。此外,虽未进行图示,但是控制部8与各种设备是电连接的。另外，控制部8保存有映射图(map)。如图2所示，映射图Ml是纵轴为露点温度[°C ]、横轴为空气/燃料比[mol/mol]的表示温度与空气/燃料比之间的相关关系的图表。在映射图M I中，针对燃料的每个类别设定有与空气/燃料比对应的温度，例示了城市煤气、LPG以及煤油。在图2中，以实线表示城市煤气，以点线表示LP气体，以点划线表示煤油。温度是根据燃料的种类、导入至重整器3的燃料的燃料量(导入量)以及从阴极鼓风机12导入至燃料电池堆叠体4的阴极的空气量而设定的露点温度。此处所说的露点温度是指使干燥的(不含水分的)空气普通燃烧后进行冷却时开始冷凝(凝结)的温度。另夕卜，图2所示的理论空气量时=1表示氧(O2)完全不存在的状态。此外，作为露点温度的计算方法，例如能够使用JIS Z-8806所记载的SON-NTAG的式子。控制部8当接收到从浮标传感器C2输出的表示液面位置的电信号时，判断电信号所表示的液面位置是否低于规定的位置。控制部8在判断为水罐13内的液面位置低于规定位置的情况下，从排气温度测量传感器Cl输入表不冷凝器7的燃烧排气的温度的电信号，并且读出映射图Ml。然后，控制部8控制循环泵P2使得冷凝器7的燃烧排气的温度为在映射图M I中设定的露点温度以下。具体地说，控制部8获取当前的运转状态下的空气/燃料比，为了使燃烧排气的温度变为与该空气/燃料比对应的温度以下，控制循环泵P2使其增大供给至热交换器6的水的量。由此，从热交换器6供给的温水的温度降低，并且排出至冷凝器7的燃烧排气的温度也降低，冷凝器7的初级侧出口处的燃烧排气的温度变为映射图Ml所设定的温度以下。此外，基于从阴极鼓风机12供给的空气的供给量和从原燃料鼓风机(未图示)供给的导入燃料量来获取当前的运转状态下的空气/燃料比。接着，参照图3来说明上述的燃料电池系统I的运转方法。图3是表示燃料电池系统的运转方法的流程图。此外，在下面的说明中，例示了将LPG用作原燃料的情况。如图3所示，首先在控制部8中对原燃料的类别进行设定(步骤S01)。接着，利用浮标传感器C2检测水罐13内的液面的位置(步骤S02)。然后，判断水罐13内的液面的位置是否低于规定位置(步骤S03)。在此，水罐13的液面的规定位置是指可以确保在燃料电池系统I中即使不将冷凝水(排水)回收至水罐13也能够运转固定期间的量的位置。具体地说，在燃料电池系统I中，例如在额定运转时使用7g/min左右的水，因此在能够判断罐中是否存在即使一小时不回收也能够运转的7gX60分=420g以上的水量的位置处设置传感器。在步骤S03的判断的结果是水罐13内的液面的位置低于规定位置的情况下，需要增大用于实现水独立的冷凝水量，为此由控制部8基于从阴极鼓风机12导入的导入空气量和从原燃料鼓风机导入的导入燃料量来计算空气/燃料比(步骤S04)。另一方面，在步骤S03的判断的结果是水罐13内的液面的位置高于规定位置的情况下，认为水罐13中确保有当前所需的水，将温水的设定温度设定为作为初始值的规定的目标温水温度(例如75V )(步骤S05)。接着，读出映射图Ml，使用该映射图Ml来计算燃烧排气的目标上限温度(步骤S06)。具体地说，如图2所示，控制部8在例如空气/燃料比为“2”的情况下，将燃烧排气 的目标上限温度计算为“49°C ”。接着，将由排气温度测量传感器Cl测量出的冷凝器7的初级侧出口处的燃烧排气的温度与在步骤S06中计算出的目标上限温度进行比较，判断燃烧排气的温度是否高于目标上限温度(步骤S07)。在该判断的结果是判断为燃烧排气的温度高于目标上限温度的情况下，需要降低燃烧排气的温度，因此将温水目标温度设定例如降低1°C (步骤S08)。在此，储热水罐21中储存的温水的温度优选为作为供热水而利用的温度以上,考虑到散热而设定为最低50°C左右。另一方面，在步骤S07的判断的结果是判断为燃烧排气的温度不高于目标上限温度的情况下，进入步骤S09。在步骤S09中，控制被设成待机三分钟的状态。这是考虑到从变更控制到实际的系统温度、水位变化为止的时间滞后而设定的，以抑制波动(hunting)、过量控制。接着，对控制部8中的循环泵P2的控制进行说明。图4是表示控制部8中的循环泵P2的处理过程的流程图。如图4所示，首先将由温水温度测量传感器C3测量出的温水的温度与温水目标温度进行比较，判断温水的温度是否高于温水目标温度(步骤S11)。温水目标温度是根据燃料的种类、导入至重整器3的燃料的燃料量(导入量)以及从阴极鼓风机12导入至燃料电池堆叠体4的阴极的空气量而设定的。在步骤Sll的判断的结果是温水的温度高于温水目标温度的情况下，使循环泵P2的输出增大(+0. 1%)(步骤S12)。另一方面，在步骤Sll的判断的结果是判断为温水的温度不高于温水目标温度的情况下，使循环泵P2的输出降低(-0. 1%)(步骤S13)。之后，使循环泵P2的控制待机一秒钟(步骤S14)。由此，防止了波动。此外，优选的是对循环泵P2的泵输出值预先设定最低值和最高值。由此，能够防止泵过量输出所导致的过冷却或过少输出所引起的泵锁定(pump lock) ο如以上所说明的那样，在燃料电池系统I中，控制部8对循环泵P2进行控制，使得由温水温度测量传感器C3测量出的热交换器6的次级侧下游的温水温度接近目标温水温度，该目标温水温度是基于原燃料的种类、原燃料的导入量以及从阴极鼓风机12导入至燃料电池堆叠体4的空气量而设定的。从热交换器6的初级侧下游排出至冷凝器7的燃烧排气的温度是能够通过变更向热交换器6的次级侧上游导入的水的量来进行控制，因此能够通过增加向热交换器6的水的供给量来降低该燃烧排气的温度。而且，通过降低从热交换器6的初级侧下游排出的燃烧排气的温度，冷凝器7中的燃烧排气的温度降低，因此能够使所回收的水增量。此时，冷凝器7的燃烧排气的温度被控制为基于原燃料的种类、原燃料的量以及导入至燃料电池堆叠体4的空气量而设定的温度以下，因此不管原燃料的种类如何都能够进行水的稳定的回收。因而，能够进行水的稳定的独立运转。另外，控制部8仅在水罐13内的水为规定量以下的情况下增加从循环泵P2向热交换器6的水的供给量。根据该结构，能够可靠地防止水罐13内的水不足，并且在水罐13的水量充足的情况下能够以高温将利用价值高的温水储存在储热水罐21中。本发明并不限定于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，控制循环泵P2来降低冷凝器7中的燃烧排气的温度，但是也可以与该控制相配合地对阴极鼓风机12进行控制。具体地说，控制部8使来自阴极鼓风机12的空气的送风量减少。由此，如图2的映射 图M I所示，空气/燃料比的值变小，因此即使不通过循环泵P2增加水的供给量来大幅降低冷凝器7中的温度，也能够以维持某种程度的温度的状态通过冷凝器7进行水的回收。此外，由于进行循环泵P2与阴极鼓风机12的协作控制，因此与以往那样仅控制阴极鼓风机12来减少空气量的情况相比，能够抑制燃料电池堆叠体4中的温度上升，从而能够抑制燃料电池堆叠体4的劣化。另外，在上述实施方式中，在由浮标传感器C2检测出的水罐13内的水位为规定位置以下(水的量为规定量以下)的情况下控制部8对循环泵P2进行控制，但是上述控制也可以始终进行。具体地说，参照图5来进行说明。此外，图5所示的控制在没有浮标传感器C2的判断这一点上与图3所示的控制不同。如图5所示，首先在控制部8中对原燃料的类别进行设定(步骤S21)。接着，由控制部8基于从阴极鼓风机12导入的导入空气量和从原燃料鼓风机导入的导入燃料量来计算空气/燃料比(步骤S22)。然后，接着读出映射图M1，使用该映射图Ml来计算燃烧排气的目标上限温度(步骤S23)。具体地说，如图2所示，控制部8在例如空气/燃料比为“2”的情况下，将燃烧排气的目标上限温度计算为“49°C ”。接着，将由排气温度测量传感器Cl测量出的冷凝器7中的燃烧排气的温度与在步骤S23中计算出的目标上限温度进行比较，判断排气的温度是否高于目标上限温度(步骤S24)。在该判断的结果是判断为燃烧排气的温度高于目标上限温度的情况下，需要降低燃烧排气的温度，因此使温水目标温度降低例如1°C (步骤S25)。另一方面，在步骤S24的判断的结果是判断为燃烧排气的温度不高于目标上限温度的情况下，使温水目标温度例如上升1°C (步骤S26)。由此，能够将利用价值高的温水储存到储热水罐21。然后，控制被设成待机三分钟的状态(步骤S27)。通过以上的控制，即使不设置浮标传感器C2，也能够实现水独立。另外，在上述实施方式中，利用排气温度测量传感器Cl来测量冷凝器7的初级侧出口的温度，该温度被控制为基于原燃料的种类、原燃料的导入量以及从阴极鼓风机12导入至燃料电池堆叠体4的空气量而设定的温度以下，但是未必一定要设置排气温度测量传感器Cl。在这种情况下，进行如图6所示的控制。
如图6所示，首先在控制部8中对原燃料的类别进行设定(步骤S31)。接着，由控制部8基于从阴极鼓风机12导入的导入空气量和从原燃料鼓风机导入的导入燃料量来计算空气/燃料比(步骤S32)。然后，读出图7所示的映射图M2，利用该映射图M2来计算温水的目标温水温度(步骤S33)。如图7所示，映射图M2是纵轴为温水设定温度[°C ]、横轴为空气/燃料比[mol/mol]的表示温水设定温度与空气/燃料比之间的相关关系的图表。在映射图M2中，针对燃料的每个类别设定有与空气/燃料比对应的温水设定温度，例示了城市煤气、LPG以及煤油。在图7中，以实线表示城市煤气，以点线表示LPG，以点划线表示煤油。关于利用上述的映射图M2计算出的目标温水温度，具体地说，如图7所示，例如空气/燃料比为“2”的情况下，温水的目标温水温度为“70°C”。然后，由控制部8对循环泵P2进行控制，使得变为计算出的目标温水温度(步骤S 34)。此外，在上述的控制中，在映射图M2中，需要根据热交换器6的种类来变更值，预先通过验证来设定为能够确保能够实现水独立的冷凝水量的温水温度。通过以上的控制，即使不设置排气温度测量传感器Cl也 能够实现水独立。附图标记说明I :燃料电池系统；3 :重整器；4 :燃料电池堆叠体(燃料电池)；6 :热交换器；7 :冷凝器；8 :控制部；C1 :排气温度测量传感器(气体温度测量器)；C3 :温水温度测量传感器(温水温度测量器)；P2 :循环泵(泵)。
权利要求
1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备 重整器，其使用重整催化剂将原燃料重整来生成重整气体； 燃料电池，其使用由上述重整器生成的上述重整气体来进行发电； 热交换器，其使从上述燃料电池排出的燃烧排气的热与所导入的水之间进行热交换； 冷凝器，其对从上述热交换器的初级侧下游排出的上述燃烧排气中包含的水蒸气进行冷凝来回收水； 泵，其向上述热交换器的次级侧上游供给上述水； 温水温度测量器，其测量上述热交换器的次级侧下游的温水温度；以及 控制部，其控制上述泵的供给量， 其中，上述控制部对上述泵进行控制，使得由上述温水温度测量器测量出的上述热交换器的次级侧下游的温水温度接近目标温水温度，该目标温水温度是基于上述原燃料的种类、导入至上述重整器的上述原燃料的导入量以及导入至上述燃料电池的空气量而设定的。
2.根据权利要求I所述的燃料电池系统，其特征在于， 还具备气体温度测量器，该气体温度测量器测量上述冷凝器的初级侧出口处的上述燃烧排气的温度， 上述控制部对上述泵进行控制，使得由上述气体温度测量器测量出的上述冷凝器的初级侧出口的温度为基于上述原燃料的种类、导入至上述重整器的上述原燃料的导入量以及导入至上述燃料电池的空气量而设定的温度以下。
3.根据权利要求I或2所述的燃料电池系统，其特征在于， 在用于贮存通过上述冷凝器回收到的水的水罐内的水为规定量以下的情况下，上述控制部对上述泵进行控制以使上述目标温水温度降低，在上述水罐内的水为规定量以上的情况下，上述控制部对上述泵进行控制使得上述目标温水温度变为规定的目标温度。
全文摘要
燃料电池系统具备重整器，其使用重整催化剂将原燃料重整来生成重整气体；燃料电池，其使用由重整器生成的重整气体来进行发电；热交换器，其使从燃料电池排出的燃烧排气的热与所导入的水之间进行热交换；冷凝器，其对从热交换器的初级侧下游排出的燃烧排气中包含的水蒸气进行冷凝来回收水；泵，其向热交换器的次级侧上游供给水；温水温度测量器，其测量热交换器的次级侧下游的温水温度；以及控制部，其控制泵的供给量，其中，控制部对泵进行控制，使得由温水温度测量器测量出的热交换器的次级侧下游的温水温度接近目标温水温度，该目标温水温度是基于原燃料的种类、导入至重整器的原燃料的导入量以及导入至燃料电池的空气量而设定的。
文档编号H01M8/12GK102823044SQ20118001704
公开日2012年12月12日 申请日期2011年3月28日 优先权日2010年3月29日
发明者水野康, 井深丈, 川路幸弘, 横山翔, 市屋卓 申请人:吉坤日矿日石能源株式会社