燃料电池系统的制作方法

本发明涉及一种向燃料电池供给燃料和氧化剂来使该燃料电池发电的燃料电池系统。

背景技术：

已知如下一种技术：使在燃料罐内产生的燃料蒸气在过滤罐中吸附、脱附后流入到燃料蒸气重整器，由此将燃料蒸气用作燃料电池的燃料(专利文献1)。

专利文献1：日本特开2000-192863号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

但是，在燃料罐内汽化的燃料(燃料蒸气)若听其自然则会在向燃料罐补给燃料时等从燃料补给口被放出到外部，含有能量的燃料蒸气被浪费。

因此，本发明的目的在于，有效利用在将燃料以液体状态进行收容的燃料收容部内产生的燃料蒸气。

用于解决问题的方案

本发明具有燃料蒸气配管，该燃料蒸气配管使燃料收容部的液体燃料蒸发而产生的燃料蒸气流向氧化剂加热器。

发明的效果

根据本发明，在燃料收容部内产生的燃料蒸气通过燃料蒸气配管被供给到氧化剂加热器，在氧化剂加热器中燃烧，由此能够有效利用于氧化剂的加热。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的整体结构图。

图2是图1中使用的汽化器、热交换器以及催化燃烧器的简化后的截面图。

图3是图1中使用的启动燃烧器的简化后的截面图。

图4是本发明的第二实施方式所涉及的燃料电池系统的整体结构图。

图5是本发明的第三实施方式所涉及的燃料电池系统的整体结构图。

图6是本发明的第四实施方式所涉及的燃料电池系统的整体结构图。

图7是本发明的第五实施方式所涉及的燃料电池系统的整体结构图。

图8是本发明的第七实施方式所涉及的燃料电池系统的整体结构图。

图9是图8中使用的热交换器和催化燃烧器的简化后的截面图。

具体实施方式

下面，参照附图来详细说明用于实施本发明的方式。

[第一实施方式]

图1是本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的整体结构图。固体氧化物燃料电池(sofc，下面仅称为燃料电池。)1被供给作为燃料的氢和作为氧化剂的空气来进行发电。

燃料作为液体燃料5而以液体状态收容在作为燃料收容部的燃料罐3内。作为液体燃料5，能够使用甲醇或乙醇等醇类、汽油、轻油等。

在将燃料电池1与燃料罐3连接的燃料配管7上，从位于上游的燃料罐3侧起依次分别配置有燃料泵9、第一燃料热交换器11、汽化器13、第二燃料热交换器15、重整器17。

燃料泵9将燃料罐3内的液体燃料5送入到第一燃料热交换器11。第一燃料热交换器11利用从燃料电池1排出的排气的热对由燃料泵9送入的液体燃料进行加热来使其升温。排气从燃料电池1通过排气管19流入第一燃料热交换器11。

汽化器13使从第一燃料热交换器11流入的液体燃料汽化。如图2所示，汽化器13利用喷嘴21将液体燃料喷出到汽化器13内，此时从空气导入管23流通空气，由此使喷嘴21所喷出的燃料雾化。并且，虽然在图1中省略，但是汽化器13利用在排气管19中流动的排气来对雾化后的燃料进行加热。

第二燃料热交换器15利用具备电加热器25的作为燃料加热器的催化燃烧器27对从汽化器13流入的汽化后的燃料进行加热来使其升温。催化燃烧器27与前述的排气管19连接，在排气管19中流动的排气被导入到该催化燃烧器27来进行催化燃烧从而被升温。升温了的排气在汽化器13和第一燃料热交换器11中向燃料供热。

将催化燃烧器27的构造与第二燃料热交换器15一起在图2中简化地示出。催化燃烧器27与第二燃料热交换器15一起被收容在催化燃烧室29内。此外，相对于图1，图2中的第二燃料热交换器15与催化燃烧器27的位置关系上下相反。催化燃烧器27具备前述的电加热器25、催化剂31以及火花塞33。

电加热器25对经液体燃料配管35供给到喷嘴37的液体燃料进行加热。液体燃料配管35如图1所示那样与燃料罐3连接，在催化燃烧器27侧具备第一液体燃料泵39。利用第一液体燃料泵39来向喷嘴37供给液体燃料。火花塞33对从喷嘴37喷出的液体燃料进行点火。催化剂31使被点火的液体燃料与从排气管19流入的排气一起进行催化燃烧，使其在第二燃料热交换器15中与燃料进行热交换。

电加热器25在燃料电池系统启动时工作，从不存在高温的排气的阶段起利用催化燃烧器27对向燃料电池1供给的燃料进行加热。因此，向催化燃烧器27供给液体燃料的第一液体燃料泵39也在燃料电池系统启动时工作。

重整器17对从第二燃料热交换器15流入的升温了的燃料进行重整来生成氢。所生成的氢被供给到燃料电池1的正极。

在流通向燃料电池1供给的空气的空气配管41上，从上游侧起依次分别配置有压缩机43、空气流量调整阀45、空气热交换器47、作为氧化剂加热器的启动燃烧器49。

由压缩机43加压后的空气被空气流量调整阀45调整流量之后，被给送到空气热交换器47。空气热交换器47与从第一燃料热交换器11延伸出的前述的排气管19连接，利用在排气管19中流动的排气对空气进行加热来使其升温。从空气热交换器47排出的排气经排气消声器50被排出到外部。即，在排气管19上，从燃料电池1侧起依次分别配置有催化燃烧器27、汽化器13、第一燃料热交换器11、空气热交换器47、排气消声器50。

启动燃烧器49具备电加热器51，对从空气热交换器47流入的空气进行加热来使其升温。启动燃烧器49与燃料罐3通过燃料蒸气配管53来彼此连接。燃料罐3内的液体燃料5蒸发而产生的燃料蒸气通过燃料蒸气配管53被供给到启动燃烧器49。即，燃料蒸气配管53使燃料罐3的液体燃料5蒸发而产生的燃料蒸气流向启动燃烧器49。

将启动燃烧器49的构造在图3中简化地示出。启动燃烧器49具有空气导入室55和燃烧室57，在空气导入室55收容有前述的电加热器51。燃料罐3的液体燃料经前述的液体燃料配管35被供给到液体燃料喷嘴59。

利用图1所示的第二液体燃料泵61将液体燃料供给到液体燃料喷嘴59。第二液体燃料泵61设置于前述的第一液体燃料泵39的下游侧的端部的液体燃料配管35。被电加热器51加热后的液体燃料被喷出到燃烧室57。

电加热器51在燃料电池系统启动时工作，从不存在高温的排气的阶段起利用启动燃烧器49对向燃料电池1供给的空气进行加热。因此，向启动燃烧器49供给液体燃料的第二液体燃料泵61也在燃料电池系统启动时工作。

并且，从燃料蒸气喷嘴63向燃烧室57的喷出液体燃料的部位附近喷出燃料蒸气。燃料蒸气喷嘴63与前述的燃料蒸气配管53连接。

在燃烧室57的喷出液体燃料和燃料蒸气的部位附近设置有火花塞65。火花塞65对从液体燃料喷嘴59喷出的液体燃料以及从燃料蒸气喷嘴63喷出的燃料蒸气进行点火来使其燃烧。

从空气热交换器47向启动燃烧器49的空气导入室55导入的空气通过燃烧室57内的未图示的配管，由此被加热而升温。升温了的空气被供给到燃料电池1的负极，与另外经燃料配管7供给到正极的燃料一起供于燃料电池1的发电。

本实施方式的燃料侧的催化燃烧器27和空气侧的启动燃烧器49均在燃料电池系统启动时工作。由此，从燃料电池系统启动时起，对燃料和空气进行加热来使其升温。稳定运转温度为650℃～800℃的固体氧化物燃料电池1需要使被供给的空气和燃料升温，通过在燃料电池系统启动时催化燃烧器27和启动燃烧器49工作，能够进行稳定的运转。

在本实施方式中，在燃料罐3内液体燃料5蒸发而产生的燃料蒸气在燃料蒸气配管53中向启动燃烧器49流动而被供给到启动燃烧器49。因此，在使启动燃烧器49燃烧时，不仅燃料罐3内的液体燃料5被用于燃烧，在燃料罐3内液体燃料5蒸发而产生的燃料蒸气也被用于燃烧。

因此，能够抑制在燃料罐3内产生的燃料蒸气向外部放出从而有效利用燃料蒸气。由于有效利用燃料蒸气，促使节约了液体燃料5。另外，通过将燃料蒸气用于启动燃烧器49的燃烧，与在燃烧中全部使用液体燃料的情况相比，液体燃料的汽化所需的电力较少即可。启动燃烧器49的温度上升也在更短的时间内完成，能够缩短燃料电池系统的启动时间。

[第二实施方式]

图4是本发明的第二实施方式所涉及的燃料电池系统的整体结构图。相对于第一实施方式，第二实施方式在燃料蒸气配管53设置有作为流量调整部的流量调整阀67。利用流量调整阀67来调整在燃料蒸气配管53中流动的燃料蒸气的流量。其它结构与第一实施方式相同，对与第一实施方式相同的结构要素标注相同的符号。

流量调整阀67在燃料电池系统启动时打开，之后由未图示的控制装置来改变开度，由此调整向启动燃烧器49的燃料蒸气的供给量。在启动后，在经过使得燃料电池1能够稳定地运转的一定时间之后，闭合流量调整阀67。

根据第二实施方式，利用流量调整阀67来调整向启动燃烧器49的燃料蒸气的供给量，由此能够变更燃料蒸气与在燃烧中使用的液体燃料的比例。由此，能够供给适于启动燃烧器49的升温的燃料蒸气，能够设为通用性高的燃料电池系统。

[第三实施方式]

图5是本发明的第三实施方式所涉及的燃料电池系统的整体结构图。相对于第一实施方式，第三实施方式在燃料蒸气配管53设置有作为燃料蒸气输送部的燃料蒸气泵69。利用燃料蒸气泵69来将在燃料蒸气配管53中流动的燃料蒸气输送并送入到启动燃烧器49。其它结构与第一实施方式相同，对与第一实施方式相同的结构要素标注相同的符号。

根据第三实施方式，无论燃料罐3和启动燃烧器49这两方的内部压力的状况如何，都能够通过使用燃料蒸气泵69来将燃料罐3内的燃料蒸气更稳定地供给到启动燃烧器49。通过向启动燃烧器49稳定地供给燃料蒸气，能够更稳定地实现燃料蒸气的有效利用、燃料电池系统的启动时间的缩短以及液体燃料5的节约。

[第四实施方式]

图6是本发明的第四实施方式所涉及的燃料电池系统的整体结构图。相对于图5所示的第三实施方式，第四实施方式在燃料蒸气泵69的上游侧的燃料蒸气配管53、也就是说燃料罐3与燃料蒸气泵69之间的燃料蒸气配管53设置有过滤罐71。

过滤罐71构成如下的燃料保持部：在容器中放入活性炭，进行燃料蒸气配管53内的燃料蒸气的吸附以及所吸附的燃料蒸气的脱附。其它结构与第三实施方式相同，对与第三实施方式相同的结构要素标注相同的符号。

过滤罐71在燃料蒸气配管53内吸附在燃料罐3内产生的燃料蒸气。在燃料电池系统启动时使燃料蒸气泵69工作，由此从未图示的大气取入口向过滤罐71内导入空气。所导入的空气在活性炭周围流动，由此进行所吸附的燃料蒸气的脱附(空气吹扫)。

在第四实施方式中，使过滤罐71脱附所吸附的燃料蒸气后将该燃料蒸气供给到启动燃烧器49，由此能够提高在启动燃烧器49中使用的燃料蒸气的浓度。燃料蒸气的浓度提高，由此能够使液体燃料的使用量相应地减少，液体燃料的节约效果更进一步提高，还能够实现启动时间的缩短。

[第五实施方式]

图7是本发明的第五实施方式所涉及的燃料电池系统的整体结构图。相对于图6所示的第四实施方式，第五实施方式设置有检测燃料蒸气的浓度的浓度检测器73以及对向启动燃烧器49供给的燃料蒸气的量进行控制的控制装置75。

浓度检测器73设置于燃料蒸气泵69与过滤罐71之间的燃料蒸气配管53，对燃料蒸气配管53内的燃料蒸气的浓度进行检测。控制装置75取入由浓度检测器73检测出的燃料蒸气的浓度信号，根据燃料蒸气浓度来控制燃料蒸气泵69和启动燃烧器49的电加热器51的工作。

在该情况下，由控制装置75和燃料蒸气泵69来构成对向启动燃烧器49供给的燃料蒸气的量进行控制的燃料蒸气量控制部。燃料蒸气量控制部根据由浓度检测器73检测出的燃料蒸气的浓度来控制在浓度检测器73的下游侧的燃料蒸气配管53中流动的燃料蒸气的量。其它结构与图6的第四实施方式相同，对与第四实施方式相同的结构要素标注相同的符号。

在第五实施方式中，浓度检测器73对燃料蒸气的浓度进行检测，由此控制装置75计算与燃料蒸气浓度相应的燃料蒸气的供给量。如果燃料蒸气浓度高，则控制装置75进行控制使得增大燃料蒸气泵69的驱动力，将与高的燃料蒸气浓度相应的多量的燃料蒸气送入到启动燃烧器49。反之，如果燃料蒸气浓度低，则控制装置75进行控制使得减小燃料蒸气泵69的驱动力，将与低的燃料蒸气浓度相应的少量的燃料蒸气送入到启动燃烧器49。

在对空气进行同等的升温时，在燃料蒸气浓度高的情况下，相应地液体燃料的供给量较少即可。控制装置75在与液体燃料相比更易于起燃的燃料蒸气的浓度高的情况下，进行控制使得电加热器51的使用电力量变少。反之，在燃料蒸气浓度低的情况下，相应地液体燃料的供给量需要变多。控制装置75在燃料蒸气浓度低的情况下，进行控制使得电加热器51的使用电力量变多。

这样，在第五实施方式中，根据燃料蒸气浓度来最佳地控制燃料蒸气泵69、电加热器51，燃料蒸气泵69、电加热器51能够高效地工作，有助于节约在启动燃烧器49中使用的液体燃料以及减少启动时间。

此外，作为燃料蒸气量控制部，在第五实施方式中构成为具备控制装置75和燃料蒸气泵69。设为由控制装置75根据浓度检测器73的检测浓度对图4的第二实施方式中的流量调整阀67进行开度控制的结构，由此利用控制装置75和流量调整阀67来构成燃料蒸气量控制部。

[第六实施方式]

作为本发明的第六实施方式，设前述的图5～图7以及后述的图8所示的各实施方式中使用的燃料蒸气泵69具备降低燃料蒸气配管53内的压力的功能。其它结构与图5～图8所示的各实施方式相同。

通过由燃料蒸气泵69降低燃料蒸气配管53内的压力，燃料罐3内的液体燃料5变得易于蒸发，燃料蒸气的量增加，能够提高燃料蒸气的浓度。与液体燃料相比更易于起燃的燃料蒸气的量增加，由此能够相应地减少在燃烧中使用的液体燃料的量，电加热器51的使用电力量较少即可。

[第七实施方式]

图8是本发明的第七实施方式所涉及的燃料电池系统的整体结构图。相对于图7所示的第五实施方式，第七实施方式构成为将燃料蒸气配管53内的燃料蒸气还供给到作为燃料加热器的催化燃烧器27。即，燃料蒸气配管53使燃料罐3的液体燃料5蒸发而产生的燃料蒸气流向催化燃烧器27。

利用燃料蒸气配管77将燃料蒸气泵69与浓度检测器73之间的燃料蒸气配管53同催化燃烧器27连接，在燃料蒸气配管77设置燃料蒸气泵79。控制装置75对催化燃烧器27的电加热器25的工作进行控制。

图9与省略了图2的汽化器13的图对应，将催化燃烧器27的构造与第二燃料热交换器15一起简化地示出。相对于图2，图9具备与燃料蒸气配管77连接的燃料蒸气喷嘴81。燃料蒸气喷嘴81朝向喷嘴37喷出液体燃料的部位附近的催化燃烧室29内喷出燃料蒸气。其它结构与第五实施方式相同，对与第五实施方式相同的结构要素标注相同的符号。

第七实施方式的催化燃烧器27利用喷嘴37被供给液体燃料，并且利用燃料蒸气喷嘴81被供给燃料蒸气，来进行燃烧。即，在燃料电池系统启动时，不仅在空气的升温中利用燃料蒸气，在确保重整器17中燃料重整所需的液体燃料的汽化热时也利用燃料蒸气。

因此，能够实现除了空气侧以外还包含燃料侧的燃料电池系统整体的燃料蒸气的有效利用以及燃料电池系统的启动时间的缩短，液体燃料5的节约也能够在燃料电池系统整体中实现。

[第八实施方式]

作为本发明的第八实施方式，将灵活使用燃料罐3内的燃料蒸气的时机还扩大到启动时以外的稳定运转时、停止处理时、空闲待机时等。此时，向启动燃烧器49和催化燃烧器27中的至少一方供给燃料罐3内的燃料蒸气。

启动燃烧器49和催化燃烧器27不仅在燃料电池系统启动时需要进行向燃料电池1供给的空气、用于重整的燃料的升温，在通常运转时等也需要进行向燃料电池1供给的空气、用于重整的燃料的升温。在该情况下，也能够将来自燃料电池1的排出气体用作使空气、燃料升温时的热源，但是存在以下情况：排出气体的热量不足；排出气体的温度、流量与燃料电池1的运转状况相应地发生变动。

此时，虽然通过使燃料燃烧来形成稳定的热源，但是与使全部热源均为液体燃料的情况相比，通过利用燃料罐3内的燃料蒸气，能够节约液体燃料。

以上说明了本发明的实施方式，但是这些实施方式不过是为了易于理解本发明而记载的单纯的例示，本发明并不限定于该实施方式。本发明的保护范围不限于上述实施方式所公开的具体技术特征，也包括能够从该具体技术特征容易地导出的各种变形、变更、替代技术等。

关于上述的第一实施方式～第八实施方式各实施方式，能够将多个实施方式之间组合。例如，也可以具备图4所示的第二实施方式的流量调整阀67以及图5所示的第三实施方式的燃料蒸气泵69这两方。另外，也可以具备图4所示的第二实施方式的流量调整阀67以及图6所示的第四实施方式的过滤罐71这两方。并且，也可以具备流量调整阀67、燃料蒸气泵69以及过滤罐71这三个。

产业上的可利用性

本发明被应用于向燃料电池供给燃料和氧化剂来使该燃料电池发电的燃料电池系统。

附图标记说明

1：固体氧化物燃料电池(燃料电池)；3：燃料罐(燃料收容部)；17：重整器；27：催化燃烧器(燃料加热器)；49：启动燃烧器(氧化剂加热器)；53、77：燃料蒸气配管；67：流量调整阀(流量调整部)；69：燃料蒸气泵(燃料蒸气输送部、燃料蒸气量控制部)；71：过滤罐(燃料保持部)；73：浓度检测器；75：控制装置(燃料蒸气量控制部)。