專利名稱：固體氧化物型燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體氧化物型燃料電池，尤其涉及防止起動(dòng)時(shí)過(guò)度升溫的固體氧 化物型燃料電池。
背景技術(shù)：
以往，對(duì)于固體氧化物型燃料電池(S0FC)，已知有在起動(dòng)時(shí)，使從多個(gè)燃料電池單 電池排出的燃料氣體燃燒，利用其燃燒熱量加熱重整器，且在重整器中，根據(jù)各起動(dòng)階段依 次執(zhí)行燃料氣體的部分氧化重整反應(yīng)(Ρ0Χ)、自熱重整反應(yīng)(ATR)、水蒸氣重整反應(yīng)(SR)， 使重整器等逐步升溫的燃料電池。
在這種燃料電池中，通過(guò)點(diǎn)火加熱器、點(diǎn)火器等的點(diǎn)火裝置對(duì)從燃料電池單電池 排出的燃料氣體進(jìn)行點(diǎn)火，從而開(kāi)始燃燒。
但是，對(duì)多個(gè)燃料電池單電池全部設(shè)置點(diǎn)火裝置則由于成本等的關(guān)系而并不現(xiàn) 實(shí)。因此，僅對(duì)從一部分燃料電池單電池排出的燃料氣體進(jìn)行點(diǎn)火裝置的點(diǎn)火，其后，通過(guò) 逐步延燒至鄰接的單電池，從而最終對(duì)全部燃料電池單電池進(jìn)行點(diǎn)火(例如參照專利文獻(xiàn) I)。
專利文獻(xiàn)1:日本國(guó)特開(kāi)2008-135268號(hào)公報(bào)
但是，存在如下情況，鄰接的燃料電池單電池間的延燒不能順暢地進(jìn)行，針對(duì)全部 燃料電池單電池的點(diǎn)燃完成之前需要較長(zhǎng)時(shí)間。如此，在僅點(diǎn)燃一部分燃料電池單電池而 其它燃料電池單電池處于未點(diǎn)燃的狀態(tài)下，向重整器供給與通常時(shí)相同流量的燃料氣體及 重整用空氣從而使部分氧化重整反應(yīng)發(fā)生時(shí)，重整器整體未被加熱而變?yōu)榫植考訜幔a(chǎn)生 了導(dǎo)致重整器破損的現(xiàn)象。
以下，說(shuō)明其原因。在重整器內(nèi)部發(fā)生發(fā)熱反應(yīng)即部分氧化重整反應(yīng)，但是由于 部分氧化重整反應(yīng)最容易發(fā)生在供給至重整器內(nèi)的燃料氣體最初接觸高溫催化劑的部分 (通常為燃料氣體入口部分)上，因此在重整器內(nèi)部局部地發(fā)生發(fā)熱反應(yīng)。此時(shí)，如果燃料電 池單電池間的延燒處于已完成的狀態(tài)，則重整器整體還從外部被來(lái)自燃燒部的燃燒熱量加 熱，因此，雖然重整器溫度變?yōu)槿剂蠚怏w入口部分的溫度高于其它部分的狀態(tài)，但是重整器 整體的溫度上升，從而不會(huì)導(dǎo)致局部過(guò)度升溫。
另一方面，如果燃料電池單電池間的延燒處于未完成的狀態(tài)，則燃燒部從外部加 熱重整器也變?yōu)榫植考訜?，重整器?nèi)的發(fā)熱反應(yīng)也變?yōu)樵谠摬糠稚暇植康匕l(fā)生。因而，該狀 態(tài)持續(xù)時(shí)，則溫度僅在重整器的一部分上逐步上升，結(jié)果因?yàn)榫植康倪^(guò)度升溫而導(dǎo)致重整 器破損。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述課題而進(jìn)行的，其目的在于提供一種固體氧化物型燃料電 池，即使在燃料電池單電池間的延燒完成之前需要時(shí)間的情況下，也能夠防止重整器中的 局部過(guò)度升溫。
為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明是一種固體氧化物型燃料電池裝置，其特征在于，具 有:電堆，具備多個(gè)燃料電池單電池；重整器，對(duì)原料氣體進(jìn)行重整從而生成向燃料電池單 電池供給的燃料氣體；燃燒部，使從燃料電池單電池排出的燃料氣體燃燒，通過(guò)其燃燒熱量 加熱重整器；點(diǎn)火裝置，對(duì)燃燒部進(jìn)行點(diǎn)火；燃燒狀態(tài)確認(rèn)部件，對(duì)通過(guò)燃燒部中燃料電池 單電池間延燒的進(jìn)行從而重整器整體的加熱已開(kāi)始進(jìn)行檢測(cè)；及控制部件，利用燃燒部的 燃燒熱量及重整器內(nèi)的部分氧化重整反應(yīng)(POX)的反應(yīng)熱量加熱重整器并進(jìn)行起動(dòng)，控制 部件在利用點(diǎn)火裝置對(duì)燃燒部進(jìn)行點(diǎn)火后直至通過(guò)燃燒狀態(tài)確認(rèn)部件檢測(cè)出已開(kāi)始重整 器整體加熱的期間內(nèi)，在與重整器整體加熱開(kāi)始后的發(fā)熱量相比抑制了重整器內(nèi)的部分氧 化重整反應(yīng)的發(fā)熱量的狀態(tài)下實(shí)施運(yùn)行。
在如此構(gòu)成的本發(fā)明中，由于在通過(guò)燃燒狀態(tài)確認(rèn)部件檢測(cè)出已開(kāi)始重整器整體 加熱之前的期間，即燃料電池單電池間的延燒仍未完成，燃燒部?jī)H局部地加熱重整器的期 間內(nèi)，在抑制了重整器內(nèi)的部分氧化重整反應(yīng)的發(fā)熱量的狀態(tài)下進(jìn)行運(yùn)行，因此抑制了來(lái) 自重整器內(nèi)部的局部的發(fā)熱。其結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明，可防止重整器局部地過(guò)度升溫。
在本發(fā)明中，優(yōu)選控制部件在通過(guò)燃燒狀態(tài)確認(rèn)部件檢測(cè)出已開(kāi)始重整器整體加 熱之前的期間內(nèi)，使供給至重整器的原料氣體的供給量、重整用空氣的供給量中的至少任 意一方比重整器整體加熱開(kāi)始后的供給量減少，由此，在抑制了重整器內(nèi)的部分氧化重整 反應(yīng)的發(fā)熱量的狀態(tài)下實(shí)施運(yùn)行。
在如此構(gòu)成的本發(fā)明中，在燃燒部?jī)H局部地加熱重整器的期間內(nèi)，利用減少原料 氣體的供給量、重整用空氣的供給量中的至少任意一方這樣簡(jiǎn)便的控制，便能抑制重整器 內(nèi)的部分氧化重整反應(yīng)的發(fā)熱量。其結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明，可防止重整器局部地過(guò)度升溫。
在本發(fā)明中，優(yōu)選燃燒狀態(tài)確認(rèn)部件通過(guò)燃燒部的溫度檢測(cè)出已開(kāi)始重整器整體 的加熱。
在如此構(gòu)成的本發(fā)明中，通過(guò)測(cè)定來(lái)自重整器外部的加熱源即燃燒部的溫度，可 以切實(shí)無(wú)誤地檢測(cè)出是否已開(kāi)始重整器整體的加熱。
在本發(fā)明中，優(yōu)選燃燒狀態(tài)確認(rèn)部件是檢測(cè)重整器溫度的重整器溫度檢測(cè)部件， 根據(jù)重整器的溫度檢測(cè)出所述燃燒部的溫度。
在如此構(gòu)成的本發(fā)明中，由于通過(guò)燃燒狀態(tài)確認(rèn)部件利用加熱對(duì)象即重整器的溫 度直接檢測(cè)出已開(kāi)始重整器整體的加熱，因此可以切實(shí)無(wú)誤地檢測(cè)出是否已開(kāi)始重整器整 體的加熱。
在本發(fā)明中，優(yōu)選燃燒狀態(tài)確認(rèn)部件是檢測(cè)重整器的入口溫度及出口溫度的重整 器溫度檢測(cè)部件，控制部件在利用點(diǎn)火裝置對(duì)燃燒部進(jìn)行點(diǎn)火后，當(dāng)重整器的入口溫度變 為第I規(guī)定溫度以上且出口溫度變?yōu)榈?規(guī)定溫度以上時(shí)，檢測(cè)出已開(kāi)始重整器整體的加 熱。
在如此構(gòu)成的本發(fā)明中，可以直接檢測(cè)出由于燃料電池單電池間延燒的進(jìn)行從而 重整器的溫度上升不是局部而是整體開(kāi)始的情況，因此，可以正確地掌握解除抑制重整器 內(nèi)的部分氧化重整反應(yīng)的發(fā)熱量的恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池，即使在燃料電池單電池間的延燒需要時(shí)間 的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)防止重整器中的局部過(guò)度升溫。


圖1是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)的整體結(jié)構(gòu)圖。
圖2是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)的燃料電池模 塊的正面剖視圖。
圖3是沿圖2的II1-1II線的剖視圖。
圖4是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)的燃料電池單 電池單體的局部剖視圖。
圖5是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)的燃料電池電 堆的立體圖。
圖6是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)的框圖。
圖7是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)起動(dòng)時(shí)的動(dòng)作 的時(shí)間圖。
圖8是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)運(yùn)行停止時(shí)的 動(dòng)作的時(shí)間圖。
圖9是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)起動(dòng)時(shí)的動(dòng)作 的流程圖。
符號(hào)說(shuō)明
1-固體氧化物型燃料電池(SOFC) ；2-燃料電池模塊；4_輔助設(shè)備單元；10_發(fā)電 室；12-燃料電池單電池集合體；14-燃料電池電堆；16-燃料電池單電池單元；18-燃燒部； 20-重整器；22-空氣用換熱器；28-水流量調(diào)節(jié)單元；38-燃料流量調(diào)節(jié)單元；44_重整用空 氣流量調(diào)節(jié)單元；45_發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元；54_逆變器；83_點(diǎn)火裝置；84_燃料電池 單電池；110_控制部；144_燃燒部溫度傳感器。
具體實(shí)施方式
下面，參照

本發(fā)明實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)。
圖1是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)的整體結(jié)構(gòu)圖。 如該圖1所示，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC) I具備燃料電池模塊 2和輔助設(shè)備單元4。
燃料電池模塊2具備殼體6，在該殼體6內(nèi)部隔著絕熱材料(未圖示，但是絕熱材料 不是必須的構(gòu)成，沒(méi)有也可以)形成有密閉空間8。另外，也可以不設(shè)置絕熱材料。在該密 閉空間8的下方部分即發(fā)電室10配置有利用燃料氣體和氧化劑(空氣)進(jìn)行發(fā)電反應(yīng)的燃 料電池單電池集合體12。該燃料電池單電池集合體12具備10個(gè)燃料電池電堆14 (參照 圖5)，該燃料電池電堆14由16根燃料電池單電池單元16 (參照?qǐng)D4)構(gòu)成。如此，燃料電 池單電池集合體12具有160根燃料電池單電池單元16，這些燃料電池單電池單元16全部 串聯(lián)連接。
在燃料電池模塊2的密閉空間8的上述發(fā)電室10的上方形成有燃燒部18，發(fā)電 反應(yīng)中未使用的剩余的燃料氣體和剩余的氧化劑(空氣)在該燃燒部18內(nèi)燃燒，生成排放氣 體。
而且，在該燃燒部18的上方配置有對(duì)燃料氣體進(jìn)行重整的重整器20，利用前述剩余氣體的燃燒熱量將重整器20加熱至可進(jìn)行重整反應(yīng)的溫度。
而且，在該重整器20的上方配置有用于接收燃燒熱量以加熱空氣的空氣用換熱 器22。
接下來(lái)，輔助設(shè)備單元4具備:純水箱26，貯存來(lái)自水管等供水源24的水并通過(guò) 過(guò)濾器使其成為純水；及水流量調(diào)節(jié)單元28 (由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的“水泵”等)，調(diào)節(jié)從該貯水 箱供給的水的流量。而且，輔助設(shè)備單元4具備:氣體截止閥32，截?cái)鄰某鞘忻簹獾鹊娜剂?供給源30供給的燃料氣體；脫硫器36，用于從燃料氣體除去硫磺；及燃料流量調(diào)節(jié)單元38 (由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的“燃料泵”等)，調(diào)節(jié)燃料氣體的流量。輔助設(shè)備單元4還具備截?cái)鄰目諝?供給源40供給的氧化劑即空氣的電磁閥42、調(diào)節(jié)空氣流量的重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44 及發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45 (由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的“空氣鼓風(fēng)機(jī)”等)、加熱向重整器20供給 的重整用空氣的第I加熱器46及加熱向發(fā)電室供給的發(fā)電用空氣的第2加熱器48。上述 第I加熱器46和第2加熱器48是為了高效地進(jìn)行起動(dòng)時(shí)的升溫而設(shè)置的，但是也可以省 略。
接下來(lái)，在燃料電池模塊2上連接有溫水制造裝置50，向其供給排放氣體。向該溫 水制造裝置50供給來(lái)自供水源24的自來(lái)水，該自來(lái)水利用排放氣體的熱量成為溫水，以供 給未圖示的外部供熱水器的貯熱水箱。
而且，在燃料電池模塊2上安裝有控制箱52，其用于控制燃料氣體的供給量等。
而且，在燃料電池模塊2上連接有電力取出部(電力轉(zhuǎn)換部)即逆變器54，其用于 向外部供給由燃料電池模塊發(fā)出的電力。
接下來(lái)，根據(jù)圖2及圖3，說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC) 的燃料電池模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖2是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池 (SOFC)的燃料電池模塊的正面剖視圖，圖3是沿圖2的II1-1II線的剖視圖。
如圖2及圖3所示，在燃料電池模塊2的殼體6的密閉空間8內(nèi)，如上所述，從下 方依次配置有燃料電池單電池集合體12、重整器20、空氣用換熱器22。
重整器20安裝有用于向其上游端側(cè)導(dǎo)入純水的純水導(dǎo)入管60和用于導(dǎo)入將要重 整的燃料氣體和重整用空氣的被重整氣體導(dǎo)入管62，而且，在重整器20的內(nèi)部從上游側(cè)依 次形成有蒸發(fā)部20a和重整部20b，在重整部20b填充有重整催化劑。導(dǎo)入該重整器20的 混合有水蒸氣(純水)的燃料氣體及空氣通過(guò)填充在重整器20內(nèi)的重整催化劑而被重整。 作為重整催化劑適合使用在氧化鋁的球體表面賦予鎳的物質(zhì)，或在氧化鋁的球體表面賦予 釕的物質(zhì)。
在該重整器20的下游端側(cè)連接有燃料氣體供給管64，該燃料氣體供給管64向下 方延伸，進(jìn)而在形成于燃料電池單電池集合體12下方的分流器66內(nèi)水平延伸。在燃料氣 體供給管64的水平部64a的下方面形成有多個(gè)燃料供給孔64b，從該燃料供給孔64b向分 流器66內(nèi)供給重整后的燃料氣體。
在該分流器66的上方安裝有用于支撐上述燃料電池電堆14的具備貫穿孔的下支 撐板68，分流器66內(nèi)的燃料氣體被供給到燃料電池單電池單元16內(nèi)。
接下來(lái)，在重整器20的上方設(shè)置有空氣用換熱器22。該空氣用換熱器22在上游 側(cè)具備空氣匯集室70，在下游側(cè)具備2個(gè)空氣分配室72，這些空氣匯集室70和空氣分配 室72通過(guò)6個(gè)空氣流路管74連接。在此，如圖3所示，3個(gè)空氣流路管74成為一組(74a、7仙、74(:、74(1、746、74^，空氣匯集室70內(nèi)的空氣從各組空氣流路管74流入各自的空氣分配室72。
在空氣用換熱器22的6個(gè)空氣流路管74內(nèi)流動(dòng)的空氣利用在燃燒部18燃燒而上升的排放氣體進(jìn)行預(yù)熱。
在各個(gè)空氣分配室72上連接有空氣導(dǎo)入管76，該空氣導(dǎo)入管76向下方延伸，其下端側(cè)與發(fā)電室10的下方空間連通，向發(fā)電室10導(dǎo)入預(yù)熱后的空氣。
接下來(lái)，在分流器66的下方形成有排放氣體室78。而且，如圖3所示，在沿殼體6 長(zhǎng)度方向的面即前面6a和后面6b的內(nèi)側(cè)，形成有在上下方向上延伸的排放氣體通路80，該排放氣體通路80的上端側(cè)與配置有空氣用換熱器22的空間連通，下端側(cè)與排放氣體室78 連通。
而且，在排放氣體室78的下面大致中央連接有排放氣體排出管82，該排放氣體排出管82的下游端連接于圖1所示的上述溫水制造裝置50。
如圖2所示，用于使燃料氣體和空氣開(kāi)始燃燒的點(diǎn)火裝置83設(shè)置于燃燒部18。
下面，根據(jù)圖4對(duì)燃料電池單電池單元16進(jìn)行說(shuō)明。圖4是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)的燃料電池單電池單元的局部剖視圖。
如圖4所示，燃料電池單電池單元16具備燃料電池單電池84和分別連接于該燃料電池單電池84的上下方向端部的內(nèi)側(cè)電極端子86。
燃料電池單電池84是在上下方向上延伸的管狀結(jié)構(gòu)體，具備在內(nèi)部形成燃料氣體流路88的圓筒形內(nèi)側(cè)電極層90、圓筒形外側(cè)電極層92、位于內(nèi)側(cè)電極層90和外側(cè)電極層92之間的電解質(zhì)層94。該內(nèi)側(cè)電極層90是燃料氣體經(jīng)過(guò)的燃料極，為(_)極，另一方面，外側(cè)電極層92是與空氣接觸的空氣極，為(+ )極。
由于安裝在燃料電池單電池單元16的上端側(cè)和下端側(cè)的內(nèi)側(cè)電極端子86為相同結(jié)構(gòu)，所以在此具體地說(shuō)明安裝于上端側(cè)的內(nèi)側(cè)電極端子86。內(nèi)側(cè)電極層90的上部90a具備相對(duì)于電解質(zhì)層94和外側(cè)電極層92露出的外周面90b和上端面90c。內(nèi)側(cè)電極端子86 隔著導(dǎo)電性密封材料96與內(nèi)側(cè)電極層90的外周面90b連接，而且，通過(guò)與內(nèi)側(cè)電極層90 的上端面90c直接接觸而與內(nèi)側(cè)電極層90電連接。在內(nèi)側(cè)電極端子86的中心部形成有與內(nèi)側(cè)電極層90的燃料氣體流路88連通的燃料氣體流路98。
內(nèi)側(cè)電極層90例如由Ni和摻雜有從Ca或Y、Sc等稀土類元素中選擇的至少一種元素的氧化鋯的混合體、Ni和摻雜有從稀土類元素中選擇的至少一種元素的二氧化鈰的混合體、Ni和摻雜有從Sr、Mg、Co、Fe、Cu中選擇的至少一種元素的鎵酸鑭的混合體中的至少一種形成。
電解質(zhì)層94例如由摻雜有從Y、Sc等稀土類元素中選擇的至少一種元素的氧化錯(cuò)、摻雜有從稀土類元素中選擇的至少一種元素的二氧化鋪、摻雜有從Sr、Mg中選擇的至少一種元素的鎵酸鑭中的至少一種形成。
外側(cè)電極層92例如由摻雜有從Sr、Ca中選擇的至少一種元素的錳酸鑭、摻雜有從 Sr,Co,Ni,Cu中選擇的至少一種元素的鐵酸鑭、摻雜有從Sr 、Fe、N1、Cu中選擇的至少一種元素的鈷酸鑭、銀等中的至少一種形成。
下面，根據(jù)圖5對(duì)燃料電池電堆14進(jìn)行說(shuō)明。圖5是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)的燃料電池電堆的立體圖。
如圖5所示，燃料電池電堆14具備16根燃料電池單電池單元16，這些燃料電池單 電池單元16的下端側(cè)及上端側(cè)分別被陶瓷制下支撐板68及上支撐板100支撐。在這些下 支撐板68及上支撐板100上分別形成有內(nèi)側(cè)電極端子86可貫穿的貫穿孔68a及100a。
而且，在燃料電池單電池單元16上安裝有集電體102及外部端子104。該集電體 102由與安裝于燃料極即內(nèi)側(cè)電極層90的內(nèi)側(cè)電極端子86電連接的燃料極用連接部102a 和與空氣極即外側(cè)電極層92的外周面整體電連接的空氣極用連接部102b —體地形成。空 氣極用連接部102b由在外側(cè)電極層92的表面沿上下方向延伸的鉛垂部102c和從該鉛垂 部102c沿外側(cè)電極層92的表面在水平方向上延伸的很多水平部102d形成。而且，燃料極 用連接部102a從空氣極用連接部102b的鉛垂部102c朝向燃料電池單電池單元16的位于 上下方向的內(nèi)側(cè)電極端子86，向斜上方或斜下方直線延伸。
而且，在位于燃料電池電堆14 一端(圖5中左端的里側(cè)及跟前側(cè))的2個(gè)燃料電池 單電池單元16的上側(cè)端及下側(cè)端的內(nèi)側(cè)電極端子86上分別連接有外部端子104。這些外 部端子104與位于鄰接的燃料電池電堆14 一端的燃料電池單電池單元16的外部端子104 (未圖示)連接，如上所述，160根燃料電池單電池單元16全部串聯(lián)連接。
下面，根據(jù)圖6對(duì)安裝于本實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)的傳感器類 等進(jìn)行說(shuō)明。圖6是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)的框圖。
如圖6所示，固體電解質(zhì)型燃料電池I具備控制部110，該控制部110連接有:操 作裝置112，具備用于使用者操作的“開(kāi)”、“關(guān)”等操作按鈕；顯示裝置114，用于顯示發(fā)電輸 出值(瓦特?cái)?shù))等的各種數(shù)據(jù)；及警報(bào)裝置116，在異常狀態(tài)時(shí)等發(fā)出警報(bào)(warning)。
另外，該警報(bào)裝置116也可以是與位于遠(yuǎn)距離地點(diǎn)的管理中心連接，向該管理中 心通知異常狀態(tài)的形式。
接下來(lái)，向控制部110輸入來(lái)自以下說(shuō)明的各種傳感器的信號(hào)。
首先，可燃?xì)怏w檢測(cè)傳感器120是用于檢測(cè)氣體泄漏的元件，安裝于燃料電池模 塊2及輔助設(shè)備單元4。
CO檢測(cè)傳感器122是用于檢測(cè)原本經(jīng)過(guò)排放氣體通路80等向外部排出的排放氣 體中的CO是否泄漏在覆蓋燃料電池模塊2及輔助設(shè)備單元4的外部殼體(未圖示)中的元 件。
熱水貯存狀態(tài)檢測(cè)傳感器124是用于檢測(cè)未圖示的供熱水器的熱水溫度、水量等 的元件。
電力狀態(tài)檢測(cè)傳感器126是用于檢測(cè)逆變器54及配電板(未圖示)的電流及電壓 等的兀件。
發(fā)電用空氣流量檢測(cè)傳感器128是用于檢測(cè)向發(fā)電室10供給的發(fā)電用空氣的流 量的元件。
重整用空氣流量傳感器130是用于檢測(cè)向重整器20供給的重整用空氣的流量的 元件。
燃料流量傳感器132是用于檢測(cè)向重整器20供給的燃料氣體的流量的元件。
水流量傳感器134是用于檢測(cè)向重整器20供給的純水(水蒸氣)的流量的元件。
水位傳感器136是用于檢測(cè)純水箱26的水位的元件。
壓力傳感器138是用于檢測(cè)重整器20的外部上游側(cè)的壓力的元件。
排氣溫度傳感器140是用于檢測(cè)流入溫水制造裝置50的排放氣體的溫度的元件。
如圖3所示，發(fā)電室溫度傳感器142設(shè)置在燃料電池單電池集合體12附近的前面 側(cè)和背面?zhèn)?，是用于檢測(cè)燃料電池電堆14附近的溫度，從而推斷燃料電池電堆14 (即燃料 電池單電池84自身)的溫度的元件。
燃燒部溫度傳感器144是用于檢測(cè)燃燒部18的溫度的元件。
排放氣體室溫度傳感器146是用于檢測(cè)排放氣體室78的排放氣體的溫度的元件。
重整器入口溫度傳感器148是用于檢測(cè)重整器20的入口溫度的元件，重整器出口 溫度傳感器149是用于檢測(cè)重整器20的出口溫度的元件。
外氣溫度傳感器150是當(dāng)固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)配置在室外時(shí)用于檢測(cè) 外氣溫度的元件。而且，也可以設(shè)置測(cè)定外氣濕度等的傳感器。
來(lái)自這些傳感器類的信號(hào)發(fā)送至控制部110，控制部110根據(jù)基于這些信號(hào)的數(shù) 據(jù)，向水流量調(diào)節(jié)單元28、燃料流量調(diào)節(jié)單元38、重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44、發(fā)電用空氣 流量調(diào)節(jié)單元45發(fā)送控制信號(hào)，以控制這些單元的各流量。
而且，控制部110向逆變器54發(fā)送控制信號(hào)，以控制電力供給量。
下面，根據(jù)圖7及圖9說(shuō)明本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)起動(dòng)時(shí)的 動(dòng)作。圖7是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)起動(dòng)時(shí)的動(dòng)作的 時(shí)間圖。另外，圖9是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)起動(dòng)時(shí)的 動(dòng)作的流程圖。
最初，為了加熱燃料電池模塊2，在無(wú)負(fù)荷狀態(tài)，即，使包括燃料電池模塊2的電路 在開(kāi)路狀態(tài)下開(kāi)始運(yùn)行。此時(shí)，由于電路中未流動(dòng)電流，所以燃料電池模塊2不進(jìn)行發(fā)電。
首先，從重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44經(jīng)由第I加熱器46向燃料電池模塊2的重 整器20供給重整用空氣。而且，與此同時(shí)從發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45經(jīng)由第2加熱器 48向燃料電池模塊2的空氣用換熱器22供給發(fā)電用空氣，該發(fā)電用空氣到達(dá)發(fā)電室10及 燃燒部18。
隨后，還從燃料流量調(diào)節(jié)單元38供給燃料氣體，混合有重整用空氣的燃料氣體經(jīng) 過(guò)重整器20及燃料電池電堆14、燃料電池單電池單元16，到達(dá)燃燒部18。
之后，通過(guò)點(diǎn)火裝置83點(diǎn)火，使燃燒部18內(nèi)的燃料氣體和空氣(重整用空氣及發(fā) 電用空氣)燃燒。通過(guò)該燃料氣體和空氣的燃燒生成排放氣體，利用該排放氣體加熱發(fā)電室 10，而且，排放氣體在燃料電池模塊2的密閉空間8內(nèi)上升時(shí)，在加熱重整器20內(nèi)的包含重 整用空氣的燃料氣體的同時(shí)，還加熱空氣用換熱器22內(nèi)的發(fā)電用空氣。
利用燃燒部溫度的上升確認(rèn)了已點(diǎn)燃后，通過(guò)燃料流量調(diào)節(jié)單元38及重整用空 氣流量調(diào)節(jié)單元44的動(dòng)作，供給至重整器20的燃料流量及重整用空氣流量比后述的重整 器整體的加熱開(kāi)始后的燃料流量及重整用空氣流量減少(步驟S11)。
如此，減少燃料流量及重整用空氣流量的狀態(tài)持續(xù)至重整器入口溫度傳感器148 及重整器出口溫度傳感器149的檢測(cè)溫度分別超過(guò)300° C、250° C為止(步驟S12、步驟 S13)。通過(guò)如此進(jìn)行控制，從而抑制式(I)所示的部分氧化重整反應(yīng)POX的進(jìn)行。由于該 部分氧化重整反應(yīng)POX為發(fā)熱反應(yīng)，因此通過(guò)抑制部分氧化重整反應(yīng)Ρ0Χ，從而抑制重整器 20的溫度上升。
CmHn+x02 — aC02+bC0+cH2 (I)
此后，如果燃燒部18中的燃料電池單電池間的延燒得以進(jìn)行，則重整器20整體被 來(lái)自燃燒部18的熱量加熱。在確認(rèn)了重整器入口溫度傳感器148及重整器出口溫度傳感 器149的檢測(cè)溫度分別超過(guò)300° C、250° C時(shí)(步驟S14、步驟S15)，即檢測(cè)出利用來(lái)自燃 燒部18的燃燒熱量開(kāi)始重整器20整體的加熱時(shí)，通過(guò)燃料流量調(diào)節(jié)單元38及重整用空氣 流量調(diào)節(jié)單元44的動(dòng)作，使供給至重整器20的燃料流量及重整用空氣流量比重整器整體 的加熱開(kāi)始前的燃料流量及重整用空氣流量增加(步驟S16 )。在本實(shí)施例中，重整器入口溫 度傳感器148及重整器出口溫度傳感器149是燃燒狀態(tài)確認(rèn)部件。
通過(guò)增加供給至重整器20的燃料流量及重整用空氣流量，從而部分氧化重整反 應(yīng)POX的發(fā)熱量增加。重整器20從內(nèi)部也被充分加熱，起動(dòng)性變得良好。而且，該升溫后 的燃料氣體通過(guò)燃料氣體供給管64向燃料電池電堆14的下方供給，由此，燃料電池電堆 14從下方被加熱，而且，由于燃燒部18也通過(guò)燃料氣體和空氣的燃燒而升溫，所以燃料電 池電堆14還從上方被加熱，其結(jié)果，燃料電池電堆14可以大致均等地在上下方向上升溫。 即使進(jìn)行該部分氧化重整反應(yīng)Ρ0Χ，也會(huì)在燃燒部18中持續(xù)保持燃料氣體和空氣的燃燒反 應(yīng)。
部分氧化重整反應(yīng)POX開(kāi)始后，當(dāng)重整器入口溫度傳感器148檢測(cè)出重整器20的 溫度達(dá)到規(guī)定溫度(例如600° C)時(shí)，通過(guò)水流量調(diào)節(jié)單元28、燃料流量調(diào)節(jié)單元38及重 整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44，向重整器20供給預(yù)先混合有燃料氣體、重整用空氣及水蒸氣的 氣體。此時(shí)，在重整器20中，進(jìn)行并用有上述的部分氧化重整反應(yīng)POX和后述的水蒸氣重 整反應(yīng)SR的自熱重整反應(yīng)ATR。由于該自熱重整反應(yīng)ATR可取得熱量?jī)?nèi)部平衡，所以在重 整器20內(nèi)以熱量自足的狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)。即，當(dāng)氧(空氣)較多時(shí)，基于部分氧化重整反應(yīng)POX 的發(fā)熱占支配地位，當(dāng)水蒸氣較多時(shí)，基于水蒸氣重整反應(yīng)SR的吸熱反應(yīng)占支配地位。由 于在該階段中，已經(jīng)過(guò)起動(dòng)的初期階段，發(fā)電室10內(nèi)已升溫至一定程度的溫度，所以即使 吸熱反應(yīng)占支配地位也不會(huì)弓I起大幅度的溫度降低。而且，在自熱重整反應(yīng)ATR進(jìn)行中，在 燃燒部18中也仍然持續(xù)進(jìn)行燃燒反應(yīng)。
式(2)所示的自熱重整反應(yīng)ATR開(kāi)始后，當(dāng)通過(guò)重整器溫度傳感器146檢測(cè)出重 整器20達(dá)到規(guī)定溫度(例如700° C)時(shí)，在停止基于重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44的重整用 空氣的供給的同時(shí)，增加基于水流量調(diào)節(jié)單元28的水蒸氣的供給。由此，向重整器20供給 不含空氣而僅包含燃料氣體和水蒸氣的氣體，在重整器20中，進(jìn)行式(3)的水蒸氣重整反 應(yīng)SR。
CmHn+x02+yH20 — aC02+bC0+cH2 (2)
CmHn+xH20 — aC02+bC0+cH2 (3 )
由于該水蒸氣重整反應(yīng)SR是吸熱反應(yīng)，所以與來(lái)自燃燒部18的燃燒熱量取得熱 平衡并進(jìn)行反應(yīng)。由于該階段是燃料電池模塊2起動(dòng)的最終階段，所以發(fā)電室10內(nèi)升溫至 足夠高的溫度，因此，即使進(jìn)行吸熱反應(yīng)，也不會(huì)導(dǎo)致發(fā)電室10大幅度的溫度降低。而且， 即使進(jìn)行水蒸氣重整反應(yīng)SR，在燃燒部18中也仍然持續(xù)進(jìn)行燃燒反應(yīng)。
如此，燃料電池模塊2通過(guò)點(diǎn)火裝置83點(diǎn)火后，通過(guò)依次進(jìn)行部分氧化重整反應(yīng) POX>自熱重整反應(yīng)ATR、水蒸氣重整反應(yīng)SR，使發(fā)電室10內(nèi)的溫度逐漸上升。之后，如果發(fā) 電室10內(nèi)及燃料電池單電池84的溫度達(dá)到比使燃料電池模塊2穩(wěn)定地工作的額定溫度低 的規(guī)定的發(fā)電溫度，則使包括燃料電池模塊2的電路閉合，開(kāi)始基于燃料電池模塊2的發(fā)電，由此，電流流過(guò)電路。通過(guò)燃料電池模塊2的發(fā)電，燃料電池單電池84自身也發(fā)熱，燃料 電池單電池84的溫度也上升。其結(jié)果，達(dá)到使燃料電池模塊2工作的額定溫度例如600° C 至 800° Co
此后，為了保持額定溫度，供給比燃料電池單電池84中消耗的燃料氣體及空氣的 量多的燃料氣體及空氣，使燃燒部18中的燃燒持續(xù)。另外，在發(fā)電中以重整效率高的水蒸 氣重整反應(yīng)SR進(jìn)行發(fā)電。
下面，根據(jù)圖8說(shuō)明本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)運(yùn)行停止時(shí)的動(dòng) 作。圖8是通過(guò)本實(shí)施方式表示固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)運(yùn)行停止時(shí)的動(dòng)作的時(shí)間 圖。
如圖8所示，進(jìn)行燃料電池模塊2的運(yùn)行停止時(shí)，首先，操作燃料流量調(diào)節(jié)單元38 及水流量調(diào)節(jié)單元28，減少燃料氣體及水蒸氣對(duì)重整器20的供給量。
而且，進(jìn)行燃料電池模塊2的運(yùn)行停止時(shí)，在減少燃料氣體及水蒸氣對(duì)重整器20 的供給量的同時(shí)，增大基于發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45的發(fā)電用空氣對(duì)燃料電池模塊2內(nèi) 的供給量，利用空氣冷卻燃料電池單電池集合體12及重整器20，使它們的溫度降低。其后， 當(dāng)發(fā)電室的溫度降低至規(guī)定溫度例如400° C時(shí)，停止向重整器20供給燃料氣體及水蒸氣， 結(jié)束重整器20的水蒸氣重整反應(yīng)SR。該發(fā)電用空氣的供給持續(xù)至重整器20的溫度降低至 規(guī)定溫度例如200° C，在變?yōu)樵撘?guī)定溫度時(shí)，停止從發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45供給發(fā)電 用空氣。
如此，在本實(shí)施方式中，由于進(jìn)行燃料電池模塊2的運(yùn)行停止時(shí)，并用基于重整器 20的水蒸氣重整反應(yīng)SR和基于發(fā)電用空氣的冷卻，所以能夠在較短的時(shí)間內(nèi)使燃料電池 模塊的運(yùn)行停止。
權(quán)利要求
1.一種固體氧化物型燃料電池，其特征在于，具有:電堆，具備鄰接的多個(gè)燃料電池單電池；重整器，對(duì)原料氣體進(jìn)行重整從而生成向所述燃料電池單電池供給的燃料氣體；燃燒部，使從所述燃料電池單電池排出的所述燃料氣體燃燒，通過(guò)其燃燒熱量加熱所 述重整器；點(diǎn)火裝置，對(duì)所述燃燒部進(jìn)行點(diǎn)火；燃燒狀態(tài)確認(rèn)部件，對(duì)通過(guò)所述燃燒部中所述燃料電池單電池間延燒的進(jìn)行從而所述 重整器整體的加熱已開(kāi)始進(jìn)行檢測(cè)；及控制部件，利用所述燃燒部的燃燒熱量及所述重整器內(nèi)的部分氧化重整反應(yīng)的反應(yīng) 熱量加熱所述重整器并進(jìn)行起動(dòng)，所述控制部件在利用所述點(diǎn)火裝置對(duì)所述燃燒部進(jìn)行點(diǎn)火后直至通過(guò)所述燃燒狀態(tài) 確認(rèn)部件檢測(cè)出已開(kāi)始所述重整器整體加熱的期間內(nèi)，在與所述重整器整體加熱開(kāi)始后的 發(fā)熱量相比抑制了所述重整器內(nèi)的部分氧化重整反應(yīng)的發(fā)熱量的狀態(tài)下實(shí)施運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述控制部件在通過(guò) 所述燃燒狀態(tài)確認(rèn)部件檢測(cè)出已開(kāi)始所述重整器整體加熱之前的期間內(nèi)，使供給至所述重 整器的所述原料氣體的供給量、重整用空氣的供給量中的至少任意一方比所述重整器整體 加熱開(kāi)始后的供給量減少，由此，在抑制了所述重整器內(nèi)的部分氧化重整反應(yīng)的發(fā)熱量的 狀態(tài)下實(shí)施運(yùn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述燃燒狀態(tài)確認(rèn)部 件通過(guò)所述燃燒部的溫度檢測(cè)出已開(kāi)始所述重整器整體的加熱。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述燃燒狀態(tài)確認(rèn)部 件是檢測(cè)所述重整器的溫度的重整器溫度檢測(cè)部件，根據(jù)所述重整器的溫度檢測(cè)出所述燃 燒部的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述燃燒狀態(tài)確認(rèn)部 件是檢測(cè)所述重整器的入口溫度及出口溫度的重整器溫度檢測(cè)部件，所述控制部件在利用 所述點(diǎn)火裝置對(duì)所述燃燒部進(jìn)行點(diǎn)火后，當(dāng)所述重整器的入口溫度變?yōu)榈贗規(guī)定溫度以上 且出口溫度變?yōu)榈?規(guī)定溫度以上時(shí)，檢測(cè)出已開(kāi)始所述重整器整體的加熱。
全文摘要
本發(fā)明提供一種固體氧化物型燃料電池，可防止重整器中的局部過(guò)度升溫。本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池具有電堆，具備鄰接的多個(gè)燃料電池單電池；重整器，對(duì)原料氣體進(jìn)行重整從而生成向燃料電池單電池供給的燃料氣體；燃燒部，使從燃料電池單電池排出的燃料氣體燃燒，通過(guò)其燃燒熱量加熱重整器；點(diǎn)火裝置，對(duì)燃燒部進(jìn)行點(diǎn)火；燃燒狀態(tài)確認(rèn)部件，對(duì)通過(guò)燃燒部中燃料電池單電池間延燒的進(jìn)行從而重整器整體的加熱已開(kāi)始進(jìn)行檢測(cè)；及控制部件，利用燃燒部的燃燒熱量及重整器內(nèi)的部分氧化重整反應(yīng)(POX)的反應(yīng)熱量加熱重整器并進(jìn)行起動(dòng)，控制部件在利用點(diǎn)火裝置對(duì)燃燒部進(jìn)行點(diǎn)火后直至通過(guò)燃燒狀態(tài)確認(rèn)部件檢測(cè)出已開(kāi)始重整器整體加熱的期間內(nèi)，在與重整器整體加熱開(kāi)始后的發(fā)熱量相比抑制了重整器內(nèi)的部分氧化重整反應(yīng)的發(fā)熱量的狀態(tài)下實(shí)施運(yùn)行。
文檔編號(hào)H01M8/12GK103140975SQ20118004687
公開(kāi)日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者大塚俊治, 土屋勝久, 重住司, 大江俊春, 中野清隆, 松尾卓哉 申請(qǐng)人:Toto株式會(huì)社