固體電解質(zhì)型燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種固體電解質(zhì)型燃料電池，能夠縮短從起動(dòng)到開始發(fā)電的時(shí)間，并在充分穩(wěn)定的狀態(tài)下開始發(fā)電。本發(fā)明提供一種固體電解質(zhì)型燃料電池，其具有：燃料電池模塊，具有多個(gè)固體電解質(zhì)型燃料電池單電池；燃料供給部件，供給燃料；發(fā)電用氧化劑氣體供給部件，供給發(fā)電用氧化劑氣體；燃燒部，設(shè)置在固體電解質(zhì)型燃料電池單電池的一端部，使燃料燃燒；及控制部件，控制燃料供給部件及發(fā)電用氧化劑氣體供給部件，執(zhí)行使固體電解質(zhì)型燃料電池單電池升溫至規(guī)定溫度的起動(dòng)模式運(yùn)行以及輸出電力的發(fā)電模式運(yùn)行，控制部件進(jìn)行如下控制，在起動(dòng)模式運(yùn)行中，發(fā)出比發(fā)電開始電力小的微弱電力，通過發(fā)電熱量使固體電解質(zhì)型燃料電池單電池的溫度上升。
【專利說明】固體電解質(zhì)型燃料電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種固體電解質(zhì)型燃料電池，尤其涉及一種使燃料和發(fā)電用氧化劑氣體進(jìn)行反應(yīng)來發(fā)電的固體電解質(zhì)型燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]固體電解質(zhì)型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下也稱為“SOFC”)是將氧化物離子導(dǎo)電性固體電解質(zhì)用作電解質(zhì)，在其兩側(cè)安裝電極，在一側(cè)供給燃料氣體，在另一側(cè)供給氧化劑(空氣、氧等)，并在較高的溫度下進(jìn)行發(fā)電的燃料電池。
[0003]在該SOFC中，利用經(jīng)過氧化物離子導(dǎo)電性固體電解質(zhì)的氧離子和燃料的反應(yīng)生成水蒸氣或二氧化碳，產(chǎn)生電能及熱能。向SOFC外部取出電能，使用于各種電氣用途。另一方面，熱能使用于使燃料、重整器、水及氧化劑等的溫度上升。
[0004]日本國特許第2005-5213號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)I)中記載有包括固體電解質(zhì)型燃料電池的發(fā)電.供熱水熱電聯(lián)供系統(tǒng)。在此處記載的燃料電池中，尺寸長的電池電堆豎立在鉛垂方向上，向其供給燃料氣體及含氧氣體。這些氣體在電池電堆中發(fā)生反應(yīng)，生成電力。而且，反應(yīng)中未使用的燃料氣體及含氧氣體在電池電堆的上端部燃燒，該燃燒熱量利用于加熱重整器、電池電堆等。
[0005]而且，在日本國特許第2009-32555號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)中記載有燃料電池裝置。在該燃料電池裝置中的起動(dòng)處理工序中，用于供給燃料氣體的重整器及燃料電池單電池升溫至規(guī)定的溫度。而且，在起動(dòng)處理工序中，在重整器內(nèi)隨著溫度的上升而切換執(zhí)行部分氧化重整反應(yīng)(Ρ0Χ)、自熱重整反應(yīng)(ATR)、水蒸氣重整反應(yīng)(SR)，進(jìn)行燃料的重整。
[0006]而且，在日本國特許第2009-32555號(hào)公報(bào)所記載的燃料電池裝置中，當(dāng)電堆的溫度達(dá)到可開始發(fā)電的溫度后開始基于電堆的發(fā)電。由此，在電堆被充分加熱，并處于穩(wěn)定的狀態(tài)下，開始發(fā)電。
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本國特許第2005-5213號(hào)公報(bào)
[0008]專利文獻(xiàn)2:日本國特許第2009-32555號(hào)公報(bào)
[0009]但是，如日本國特許第2005-5213號(hào)公報(bào)中記載的固體電解質(zhì)型燃料電池那樣，在燃料電池單電池的一端使發(fā)電中未使用的燃料燃燒，通過該燃燒熱量加熱燃料電池單電池的燃料電池中，存在難以加熱遠(yuǎn)離燃料電池單電池燃燒部的部分的問題。即，如日本國特許第2005-5213號(hào)公報(bào)所記載的固體電解質(zhì)型燃料電池那樣，在燃料電池單電池的上端部使燃料燃燒，通過該燃燒熱量加熱燃料電池單電池的燃料電池中，存在燃料電池單電池下部難以被加熱而容易在燃料電池單電池上產(chǎn)生溫度不均勻的問題。該溫度不均勻的問題在燃料電池單電池的尺寸長時(shí)尤為突出。
[0010]因此，在燃料電池起動(dòng)到實(shí)際開始發(fā)電期間，使供給到燃料電池單電池的燃料燃燒，并使燃料電池單電池升溫至可發(fā)電的溫度的燃料電池中，如日本國特許第2009-32555號(hào)公報(bào)所記載的那樣，存在為使燃料電池單電池的溫度狀態(tài)充分穩(wěn)定而需要較長時(shí)間的問題。即，在集中加熱燃料電池單電池一端部的燃料電池中，為使燃料電池單電池全體溫度均勻地充分升溫需要較長時(shí)間，因此，存在從起動(dòng)到開始發(fā)電的起動(dòng)時(shí)間變長的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]因此，本發(fā)明的目的在于提供一種固體電解質(zhì)型燃料電池，能夠縮短從起動(dòng)到開始發(fā)電的時(shí)間，并在充分穩(wěn)定的狀態(tài)下開始發(fā)電。
[0012]為了解決所述的課題，本發(fā)明提供一種固體電解質(zhì)型燃料電池，其使燃料和發(fā)電用氧化劑氣體進(jìn)行反應(yīng)來發(fā)電，其特征在于，具有:燃料電池模塊，具有多個(gè)固體電解質(zhì)型燃料電池單電池；重整器，利用通過使燃料和水蒸氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而對(duì)燃料進(jìn)行水蒸氣重整的重整反應(yīng)即SR來生成氫；燃料供給部件，通過向該重整器供給燃料，將由重整器重整的燃料送入固體電解質(zhì)型燃料電池單電池；重整用氧化劑氣體供給部件，向重整器供給重整用氧化劑氣體；水蒸氣供給部件，向重整器供給重整用水蒸氣；發(fā)電用氧化劑氣體供給部件，向固體電解質(zhì)型燃料電池單電池供給發(fā)電用氧化劑氣體；燃燒部，設(shè)置在固體電解質(zhì)型燃料電池單電池的一端部，使發(fā)電中未使用的燃料燃燒；及控制部件，控制燃料供給部件、重整用氧化劑氣體供給部件、水蒸氣供給部件及發(fā)電用氧化劑氣體供給部件，控制部件構(gòu)成為，執(zhí)行如下起動(dòng)模式運(yùn)行，在預(yù)先確定的溫度范圍內(nèi)，在重整器內(nèi)進(jìn)行所述SR的重整反應(yīng)，并使固體電解質(zhì)型燃料電池單電池升溫至可從燃料電池模塊取出電力的發(fā)電開始溫度，另一方面，執(zhí)行如下發(fā)電模式運(yùn)行，在超過發(fā)電開始溫度的時(shí)刻結(jié)束起動(dòng)模式運(yùn)行，并從燃料電池模塊取出電力，而且，控制部件構(gòu)成為，在達(dá)到發(fā)電開始溫度之前的起動(dòng)模式運(yùn)行中，執(zhí)行通過從燃料電池模塊取出比發(fā)電模式運(yùn)行中的從燃料電池模塊取出的電力小的微弱電力，而在固體電解質(zhì)型燃料電池單電池中產(chǎn)生發(fā)電熱量，并使固體電解質(zhì)型燃料電池單電池升溫的起動(dòng)時(shí)發(fā)電。
[0013]在如此構(gòu)成的本發(fā)明中，控制部件控制燃料供給部件、重整用氧化劑氣體供給部件、水蒸氣供給部件及發(fā)電用氧化劑氣體供給部件，向固體電解質(zhì)型燃料電池單電池供給燃料及發(fā)電用氧化劑氣體。發(fā)電中未使用的燃料在燃燒部中燃燒，從一端部加熱固體電解質(zhì)型燃料電池單電池?？刂撇考?zhí)行在預(yù)先確定的溫度范圍內(nèi)，在重整器內(nèi)進(jìn)行所述SR的重整反應(yīng)，并使固體電解質(zhì)型燃料電池單電池升溫至可從燃料電池模塊取出電力的發(fā)電開始溫度的起動(dòng)模式運(yùn)行，以及在超過發(fā)電開始溫度的時(shí)刻結(jié)束起動(dòng)模式運(yùn)行，并從燃料電池模塊取出電力的發(fā)電模式運(yùn)行。而且，控制部件在達(dá)到發(fā)電開始溫度之前的起動(dòng)模式運(yùn)行中，執(zhí)行通過從燃料電池模塊取出比發(fā)電模式運(yùn)行中的從燃料電池模塊取出的電力小的微弱電力，而在固體電解質(zhì)型燃料電池單電池中產(chǎn)生發(fā)電熱量，并使固體電解質(zhì)型燃料電池單電池升溫的起動(dòng)時(shí)發(fā)電。
[0014]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，在起動(dòng)模式運(yùn)行中的固體電解質(zhì)型燃料電池單電池沒有充分升溫的階段，通過執(zhí)行起動(dòng)時(shí)發(fā)電從燃料電池模塊取出微弱電力，因此，能夠通過該發(fā)電的發(fā)電熱量促進(jìn)固體電解質(zhì)型燃料電池單電池的升溫。而且，與由燃燒部中的燃料燃燒對(duì)固體電解質(zhì)型燃料電池單電池加熱是從其一端部進(jìn)行的相對(duì)，由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的發(fā)電熱量顯著產(chǎn)生在固體電解質(zhì)型燃料電池單電池的中央部。因而，根據(jù)本發(fā)明，由于在通過燃燒部的加熱的基礎(chǔ)上進(jìn)行通過起動(dòng)時(shí)發(fā)電的加熱，因此能夠抑制固體電解質(zhì)型燃料電池單電池的溫度不均勻。而且，固體電解質(zhì)型燃料電池單電池在低溫狀態(tài)下進(jìn)行發(fā)電時(shí)，有時(shí)固體電解質(zhì)型燃料電池單電池會(huì)顯著地加快劣化或損傷。根據(jù)本發(fā)明，由于由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所進(jìn)行的發(fā)電是取出微弱電力的發(fā)電，因此即使在固體電解質(zhì)型燃料電池單電池的溫度達(dá)到發(fā)電開始溫度之前從燃料電池模塊取出電力，固體電解質(zhì)型燃料電池單電池也不會(huì)顯著地加快劣化或損傷。
[0015]在本發(fā)明中，優(yōu)選在起動(dòng)時(shí)發(fā)電中從燃料電池模塊取出的微弱電力是大致一定的電力。
[0016]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在起動(dòng)時(shí)發(fā)電中取出的微弱電力是大致一定的電力，所以不需要為了執(zhí)行起動(dòng)時(shí)發(fā)電而使燃料供給量、水蒸氣供給量等較大地變化，因此，能夠穩(wěn)定地供給燃料、水蒸氣等。由此，能夠切實(shí)地防止因在未供給足夠量的氫的狀態(tài)下進(jìn)行發(fā)電(所謂的“氫枯竭”)而導(dǎo)致固體電解質(zhì)型燃料電池單電池?fù)p傷，并執(zhí)行起動(dòng)時(shí)發(fā)電。
[0017]在本發(fā)明中，優(yōu)選控制部件在開始重整器內(nèi)的基于SR的重整之后使起動(dòng)時(shí)發(fā)電開始。
[0018]由于進(jìn)行SR時(shí)，在重整器內(nèi)進(jìn)行吸熱反應(yīng)即水蒸氣重整反應(yīng)，因此與重整器一起固體電解質(zhì)型燃料電池單電池也陷入容易產(chǎn)生溫度下降的狀況。根據(jù)如上構(gòu)成的本發(fā)明，在開始容易產(chǎn)生溫度下降的基于SR的重整時(shí)，或者在開始基于SR的重整后，在經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后開始起動(dòng)時(shí)發(fā)電。由此，在開始容易產(chǎn)生溫度下降的SR的同時(shí)，或者在開始基于SR的重整后經(jīng)過規(guī)定時(shí)間且重整器內(nèi)的重整反應(yīng)穩(wěn)定之后，開始起動(dòng)時(shí)發(fā)電，能夠在達(dá)到發(fā)電開始溫度之前進(jìn)行起動(dòng)時(shí)發(fā)電并抑制固體電解質(zhì)型燃料電池單電池的溫度下降。
[0019]在本發(fā)明中，優(yōu)選控制部件進(jìn)行如下控制，在發(fā)電模式運(yùn)行中向固體電解質(zhì)型燃料電池的外部輸出從燃料電池模塊取出的電力，另一方面，在起動(dòng)模式運(yùn)行中從燃料電池模塊取出的微弱電力不向固體電解質(zhì)型燃料電池的外部輸出。
[0020]通常，向固體電解質(zhì)型燃料電池的外部輸出的電力總是隨著需求電力的變化而變化。根據(jù)如上構(gòu)成的本發(fā)明，由于起動(dòng)模式運(yùn)行中的通過起動(dòng)時(shí)發(fā)電生成的微弱電力不向固體電解質(zhì)型燃料電池的外部輸出，因此能夠防止如下情況，因需求電力變化的不良影響而導(dǎo)致從燃料電池模塊取出的由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的電力發(fā)生變化，從而損傷固體電解質(zhì)型燃料電池單電池。
[0021]在本發(fā)明中，優(yōu)選還具有使燃料電池模塊工作的輔助設(shè)備，在起動(dòng)模式運(yùn)行中從燃料電池模塊取出的微弱電力全部被輔助設(shè)備消耗。
[0022]輔助設(shè)備為了使燃料電池模塊工作而被控制部件控制并工作。根據(jù)如上構(gòu)成的本發(fā)明，由于通過由控制部件控制的輔助設(shè)備消耗由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的微弱電力，因此消耗電力不會(huì)因外部的主要因素而變化，能夠使起動(dòng)時(shí)發(fā)電的發(fā)電電力穩(wěn)定。由此，能夠防止固體電解質(zhì)型燃料電池單電池?fù)p傷并執(zhí)行起動(dòng)時(shí)發(fā)電。
[0023]在本發(fā)明中，優(yōu)選發(fā)電開始溫度設(shè)定為600°C以上，控制部件在起動(dòng)模式運(yùn)行中，當(dāng)固體電解質(zhì)型燃料電池單電池的溫度達(dá)到500°C以上小于600°C的規(guī)定溫度時(shí)，使起動(dòng)時(shí)發(fā)電開始。
[0024]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在起動(dòng)模式運(yùn)行中，在重整器內(nèi)的水蒸氣重整反應(yīng)穩(wěn)定的500°C以上小于600°C的溫度下開始起動(dòng)時(shí)發(fā)電，因此能夠切實(shí)地防止固體電解質(zhì)型燃料電池單電池?fù)p傷，并進(jìn)行基于發(fā)電熱量的加熱。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)型燃料電池，能夠縮短從起動(dòng)到開始發(fā)電的時(shí)間，并在充分穩(wěn)定的狀態(tài)下開始發(fā)電?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖2為本發(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；
[0028]圖3為沿圖2的II1-1II線的剖視圖；
[0029]圖4為本發(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體的局部剖視圖；
[0030]圖5為本發(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；
[0031]圖6為本發(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；
[0032]圖7為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)起動(dòng)時(shí)的動(dòng)作的時(shí)間圖；
[0033]圖8為在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，固體電解質(zhì)型燃料電池的起動(dòng)模式運(yùn)行及發(fā)電模式運(yùn)行的一個(gè)例子的動(dòng)作圖表。
[0034]符號(hào)說明
[0035]1-固體電解質(zhì)型燃料電池；2_燃料電池模塊；4_輔助設(shè)備單元；8_密封空間；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(固體電解質(zhì)型燃料電池單電池)；18-燃燒室；20_重整器；22_空氣用換熱器；24_供水源；26-純水箱；28_水流量調(diào)節(jié)單元(水蒸氣供給部件)；30-燃料供給源；38_燃料流量調(diào)節(jié)單元(燃料供給部件);40-空氣供給源；44_重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元(重整用氧化劑氣體供給部件);45-發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元(發(fā)電用氧化劑氣體供給部件)；46-第I加熱器；48-第2加熱器；50_溫水制造裝置；52_控制箱；54_逆變器；56_切換器；83_點(diǎn)火裝置；84-燃料電池單電池；110_控制部(控制部件);112_操作裝置；114_顯示裝置；116_警報(bào)裝置；126_電力狀態(tài)檢測(cè)傳感器；142-發(fā)電室溫度傳感器(溫度檢測(cè)部件)；150-外氣溫度傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面，參照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)。
[0037]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)的整體結(jié)構(gòu)圖。如圖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具有燃料電池模塊2和輔助設(shè)備單元4。
[0038]燃料電池模塊2具有殼體6，在該殼體6的內(nèi)部隔著絕熱材料(未圖示，但是絕熱材料不是必需的結(jié)構(gòu)，沒有也是可以的)形成有密封空間8。另外，也可以不設(shè)置絕熱材料。在該密封空間8的下部即發(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具有10個(gè)燃料電池電堆14 (參照?qǐng)D5)，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。[0039]在燃料電池模塊2的密封空間8的所述發(fā)電室10的上方形成有燃燒室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)在該燃燒室18內(nèi)燃燒，生成排放氣體。
[0040]在該燃燒室18的上方還配置有對(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。在該重整器20的上方還配置有用于接收燃燒熱量以加熱空氣的空氣用換熱器22。
[0041]輔助設(shè)備單元4具有:純水箱26，貯存來自水管等供水源24的水并通過過濾器使其成為純水；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。輔助設(shè)備單元4還具有:氣體截止閥32，截?cái)鄰某鞘忻簹獾鹊娜剂瞎┙o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還具有截?cái)鄰目諝夤┙o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。所述第I加熱器46和第2加熱器48是為了有效地進(jìn)行起動(dòng)時(shí)的升溫而設(shè)置的，但是也可以省略。
[0042]在燃料電池模塊2上連接有溫水制造裝置50，燃料電池模塊2向溫水制造裝置50供給排放氣體。供水源24向該溫水制造裝置50供給自來水，自來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。
[0043]在燃料電池模塊2上還安裝有控制箱52，其用于控制燃料氣體的供給量等。
[0044]在燃料電池模塊2上還連接有: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；及切換器56，其進(jìn)行如下切換，將所發(fā)出的電力輸送至輔助設(shè)備單元4或逆變器54。
[0045]下面根據(jù)圖2及圖3，說明本發(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為本發(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。
[0046]如圖2及圖3所示，在燃料電池模塊2的殼體6的密封空間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。
[0047]重整器20安裝有用于向其上游端導(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)部從上游端依次形成有蒸發(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賦予鎳的氧化鋁的球體物質(zhì)表面，或在賦予釕的氧化鋁的球體物質(zhì)表面。
[0048]在該重整器20的下游端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。
[0049]在該分流器66的上方安裝有用于支撐所述燃料電池電堆14的具有貫穿孔的下支撐板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)。[0050]接下來，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在上游端具有空氣匯集室70，在下游端具有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。
[0051]在空氣用換熱器22的6個(gè)空氣流路管74內(nèi)流動(dòng)的空氣利用在燃燒室18燃燒后上升的排放氣體進(jìn)行預(yù)熱。 [0052]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。
[0053]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的上端與配置有空氣用換熱器22的空間連通，下端與排放氣體室78連通。而且，在排放氣體室78的下面大致中間位置連接有排放氣體排出管82，該排放氣體排出管82的下端端連接于圖1所示的所述溫水制造裝置50。
[0054]如圖2所示，用于點(diǎn)燃燃料氣體和空氣的點(diǎn)火裝置83設(shè)置于燃燒室18內(nèi)。
[0055]下面，根據(jù)圖4對(duì)燃料電池單電池單元16進(jìn)行說明。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。
[0056]如圖4所示，燃料電池單電池單元16具有燃料電池單電池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。
[0057]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，具有在內(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。
[0058]由于安裝在燃料電池單電池單元16的上端和下端的內(nèi)側(cè)電極端子86為相同結(jié)構(gòu)，所以在此具體地說明安裝于上端的內(nèi)側(cè)電極端子86。內(nèi)側(cè)電極層90的上部90a具有相對(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。
[0059]內(nèi)側(cè)電極層90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。
[0060]電解質(zhì)層94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鋯、摻雜有從稀土類元素中選擇的至少一種元素的二氧化鈰、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。
[0061]外側(cè)電極層92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、N1、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。[0062]下面，根據(jù)圖5對(duì)燃料電池電堆14進(jìn)行說明。圖5為本發(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。
[0063]如圖5所示，燃料電池電堆14具有16根燃料電池單電池單元16，這些燃料電池單電池單元16的下端及上端分別被陶瓷制下支撐板68及上支撐板100支撐。在下支撐板68及上支撐板100上分別形成有可被內(nèi)側(cè)電極端子86貫穿的貫穿孔68a及100a。
[0064]在燃料電池單電池單元16上還安裝有集電體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。
[0065]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的上端及下端的內(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。
[0066]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)行說明。圖6為本發(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。
[0067]如圖6所示，固體電解質(zhì)型燃料電池I具有控制部110，該控制部110連接有:操作裝置112，具有用于使用者操作的“開”、“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)發(fā)出警報(bào)(warning)。另外，該警報(bào)裝置116也可以為與位于遠(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。
[0068]接下來，向控制部110輸入來自以下說明的各種傳感器的信號(hào)。
[0069]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。
[0070]CO檢測(cè)傳感器122是用于檢測(cè)原本經(jīng)過排放氣體通路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。
[0071]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。
[0072]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。
[0073]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。
[0074]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。
[0075]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。
[0076]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。[0077]水位傳感器136是用于檢測(cè)純水箱26的水位的元件。
[0078]壓力傳感器138是用于檢測(cè)重整器20的外部上端的壓力的元件。
[0079]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。
[0080]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附近的前面和后面，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。
[0081]燃燒室溫度傳感器144是用于檢測(cè)燃燒室18的溫度的元件。
[0082]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。
[0083]重整器溫度傳感器148是用于檢測(cè)重整器20的溫度的元件，根據(jù)重整器20的入口溫度和出口溫度計(jì)算出重整器20的溫度。
[0084]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。并且，也可以設(shè)置測(cè)定外氣濕度等的傳感器。
[0085]來自這些傳感器的信號(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)，以控制這些單元的空氣流量。
[0086]控制部110分別向切換器56及逆變器54發(fā)送控制信號(hào)，以控制電力的輸出目標(biāo)及電力供給量。
[0087]下面，根據(jù)圖7說明本實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)起動(dòng)時(shí)的動(dòng)作。圖7為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)起動(dòng)時(shí)的動(dòng)作的時(shí)間圖。
[0088]最初，為了加熱燃料電池模塊2，在無負(fù)荷狀態(tài)，即，使包括燃料電池模塊2的電路在開路狀態(tài)下開始運(yùn)行。此時(shí)，由于電路中沒有電流通過，所以燃料電池模塊2不進(jìn)行發(fā)電。
[0089]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及燃燒室18。
[0090]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)燃燒室18。
[0091]之后，通過點(diǎn)火裝置83點(diǎn)火，使供給到燃燒室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的密封空間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)，還加熱空氣換熱器22內(nèi)的發(fā)電用空氣。
[0092]此時(shí)，由于通過燃料流量調(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供給混合有重整用空氣的燃料氣體，所以在重整器20中，進(jìn)行式(I)所示的部分氧化重整反應(yīng)P0X。由于該部分氧化重整反應(yīng)POX是發(fā)熱反應(yīng)，所以起動(dòng)性良好。而且，由于燃燒室18通過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，從而升溫。即使進(jìn)行該部分氧化重整反應(yīng)P0X，在燃燒室18中也仍然持續(xù)保持燃料氣體和空氣的燃燒反應(yīng)。
[0093]CniHJxO2 — aC02+bC0+cH2 (I)[0094]部分氧化重整反應(yīng)POX開始后，根據(jù)通過重整器溫度傳感器148檢測(cè)出的重整器20的溫度，通過水流量調(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開始向重整器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)行并用有所述的部分氧化重整反應(yīng)POX和下面所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可取得熱量內(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的放熱反應(yīng)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。而且，在自熱重整反應(yīng)ATR進(jìn)行中，在燃燒室18中也仍然持續(xù)進(jìn)行燃燒反應(yīng)。
[0095]式(2 )所示的自熱重整反應(yīng)ATR開始后，根據(jù)由重整器溫度傳感器146檢測(cè)出的重整器20的溫度，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，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。
[0096]CmHn+x02+yH20 — aC02+bC0+cH2 (2)
[0097]CmHn+xH20 ^ aC02+bC0+cH2(3)
[0098]由于該水蒸氣重整反應(yīng)SR是吸熱反應(yīng)，所以與來自燃燒室18的燃燒熱量取得熱平衡并進(jìn)行反應(yīng)。而且，即使進(jìn)行水蒸氣重整反應(yīng)SR，在燃燒室18中也仍然持續(xù)進(jìn)行燃燒反應(yīng)。
[0099]如此，燃料電池模塊2通過點(diǎn)火裝置83點(diǎn)火后，通過依次進(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。以上的起動(dòng)處理結(jié)束后，從燃料電池模塊2向逆變器54取出電力。即，開始發(fā)電。通過燃料電池模塊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。
`[0100]在發(fā)電開始后，為了保持重整器20的溫度，供給比燃料電池單電池84中發(fā)電所消耗的燃料氣體及發(fā)電用空氣的量多的燃料氣體及發(fā)電用空氣，使燃燒室18中的燃燒持續(xù)。另外，在發(fā)電過程中以重整效率高的水蒸氣重整反應(yīng)SR進(jìn)行發(fā)電。
[0101]在后面說明以上的起動(dòng)模式運(yùn)行的詳細(xì)內(nèi)容。
[0102]下面，說明本發(fā)明實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池I的發(fā)電模式運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷跟蹤運(yùn)行。
[0103]固體電解質(zhì)型燃料電池I在起動(dòng)模式運(yùn)行之后(圖7的tlO時(shí)刻之后)，在發(fā)電模式運(yùn)行中執(zhí)行負(fù)荷跟蹤運(yùn)行，以便得到與來自逆變器54 (圖6)的要求發(fā)電量相對(duì)應(yīng)的輸出電力。即，如圖6所示，控制部件即控制部110根據(jù)來自逆變器54的要求發(fā)電量，向燃料供給部件即燃料流量調(diào)節(jié)單元38、氧化劑氣體供給部件即發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45及水蒸氣供給部件即水流量調(diào)節(jié)單元28發(fā)送信號(hào)，向燃料電池模塊2供給所需流量的燃料、空氣和水。由此，使固體電解質(zhì)型燃料電池I的輸出電力變化，以便跟蹤來自逆變器54的要求發(fā)電量。
[0104]在此，由于在燃料供給量等急劇變化時(shí)，很難使穩(wěn)定地運(yùn)行發(fā)電模式，因此進(jìn)行如下運(yùn)行，使燃料供給量等緩慢變化。這樣，即使要求電力發(fā)生急劇的變化時(shí)，也不使輸出電力急劇地對(duì)其進(jìn)行跟蹤，輸出電力的響應(yīng)相對(duì)于要求電力延遲變化。在本實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池I中，發(fā)電模式運(yùn)行中的輸出電力的最大增加率設(shè)定為200W/min。
[0105]下面，與圖8 一起再次參照?qǐng)D7，詳細(xì)地說明本發(fā)明實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池I的起動(dòng)模式運(yùn)行。
[0106]圖8為固體電解質(zhì)型燃料電池I的起動(dòng)模式運(yùn)行的處理步驟的動(dòng)作圖表。
[0107]在圖7的t0時(shí)刻，開始固體電解質(zhì)型燃料電池I的起動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)，控制部110向重整用氧化劑氣體供給裝置即重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44及發(fā)電用氧化劑氣體供給裝置即發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45發(fā)送信號(hào)使它們起動(dòng)，向燃料電池模塊2供給重整用空氣及發(fā)電用空氣。另外，在本實(shí)施方式中，在to時(shí)刻開始供給的重整用空氣的供給量設(shè)定為10L/min，發(fā)電用空氣的供給量設(shè)定為100L/min (圖8)。
[0108]之后，在tl時(shí)刻，控制部110向燃料供給裝置即燃料流量調(diào)節(jié)單元38發(fā)送信號(hào)，開始向重整器20供給燃料。由此，送入重整器20的燃料及重整用空氣經(jīng)由重整器20、燃料氣體供給管64、分流器66被送入各燃料電池單電池單元16內(nèi)。送入各燃料電池單電池單元16內(nèi)的燃料及重整用空氣分別從各燃料電池單電池單元16的燃料氣體流路98上端流出。另外，在本實(shí)施方式中，在tl時(shí)刻開始供給的燃料的供給量設(shè)定為6L/min (圖8的“燃燒運(yùn)行”狀態(tài))。
[0109]而且，在t2時(shí)刻，控制部110向點(diǎn)火裝置83發(fā)送信號(hào)，對(duì)從燃料電池單電池單元16的上端部流出的燃料點(diǎn)火。由此，在燃燒室18內(nèi)的燃燒部使燃料燃燒，尺寸長且細(xì)長的燃料電池單電池單元16通過燃燒熱量從上方被加熱。而且，在加熱配置在燃料電池單電池單元16上方的重整器20的同時(shí)，燃燒室18、發(fā)電室10的溫度也上升(圖7的時(shí)刻t2?t3)。通過加熱重整器20，當(dāng)重整器20的溫度上升至300°C左右時(shí)，在重整器20內(nèi)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)(POX)(圖7的時(shí)刻t3)。由于部分氧化重整反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以重整器20由于部分氧化重整反應(yīng)的發(fā)生還被該反應(yīng)熱量加熱(圖8的“P0X1”狀態(tài))。
[0110]溫度進(jìn)一步上升，當(dāng)重整器20的溫度達(dá)到350°C時(shí)，控制部110向燃料流量調(diào)節(jié)單元38發(fā)送信號(hào)，使燃料供給量減少，同時(shí)向重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44發(fā)送信號(hào)，使重整用空氣供給量增加(圖7的t4時(shí)刻)。由此，燃料供給量改變?yōu)?L/min，重整用空氣供給量改變?yōu)?8L/min (圖8的“P0X2”狀態(tài))。這些供給量是用于發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的適當(dāng)?shù)墓┙o量。即，通過在開始發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的初期的溫度范圍內(nèi)使所供給的燃料的比率較多，從而形成燃料切實(shí)地點(diǎn)火的狀態(tài)，同時(shí)保持其供給量從而使點(diǎn)火穩(wěn)定(圖8的“P0X1”狀態(tài))。而且，在穩(wěn)定地點(diǎn)火且溫度上升后，作為用于生成部分氧化重整反應(yīng)所需的充分的燃料供給量抑制了燃料的浪費(fèi)(圖8的“P0X2”狀態(tài))。
[0111]之后，在圖7的t5時(shí)刻，當(dāng)重整器20的溫度達(dá)到600°C以上，且燃料電池單電池單元16的溫度達(dá)到250°C以上時(shí)，控制部110向重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44發(fā)送信號(hào)，減少重整用空氣供給量，同時(shí)向水蒸氣供給部件即水流量調(diào)節(jié)單元28發(fā)送信號(hào)，開始供水。由此，重整用空氣供給量改變?yōu)?L/min，供水量變?yōu)?cc/min (圖8的“ATR1”狀態(tài))。通過向重整器20內(nèi)導(dǎo)入水(水蒸氣)，還在重整器20內(nèi)發(fā)生水蒸氣重整反應(yīng)。即，在圖8的“ATR1 ”狀態(tài)下，發(fā)生混合有部分氧化重整反應(yīng)和水蒸氣重整反應(yīng)的自熱重整(ATR)。
[0112]在本實(shí)施方式中，燃料電池單電池單元16的溫度通過配置在發(fā)電室10內(nèi)的溫度檢測(cè)部件即發(fā)電室溫度傳感器142來測(cè)定。雖然發(fā)電室內(nèi)的溫度和燃料電池單電池單元的溫度嚴(yán)格來說并不相同，但是由發(fā)電室溫度傳感器檢測(cè)出的溫度反映了燃料電池單電池單元的溫度，能夠通過配置在發(fā)電室內(nèi)的發(fā)電室溫度傳感器掌握燃料電池單電池單元的溫度。另外，在本說明書中，所謂的燃料電池單電池單元的溫度意味著通過所指示的任意傳感器而測(cè)定的反映了燃料電池單電池單元溫度的值的溫度。
[0113]而且，在圖7的t6時(shí)刻，當(dāng)重整器20的溫度達(dá)到600°C以上，且燃料電池單電池單元16的溫度達(dá)到400°C以上時(shí)，控制部110向燃料流量調(diào)節(jié)單元38發(fā)送信號(hào)，減少燃料供給量。而且，控制部110向重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44發(fā)送信號(hào)，減少重整用空氣供給量，同時(shí)向水流量調(diào)節(jié)單元28發(fā)送信號(hào)，增加供水量。由此，燃料供給量改變?yōu)?L/min，重整用空氣供給量改變?yōu)?L/min，供水量變?yōu)?cc/min (圖8的“ATR2”狀態(tài))。通過減少重整用空氣供給量并增加供水量，在重整器20內(nèi)，部分氧化重整反應(yīng)的比率減少，水蒸氣重整反應(yīng)的比率增加。
[0114]之后，在圖7的t7時(shí)刻，當(dāng)燃料電池單電池單元16的溫度達(dá)到500°C以上時(shí)，控制部110向切換器56發(fā)送信號(hào)，使切換器56進(jìn)行切換。由此，開始起動(dòng)時(shí)發(fā)電，從燃料電池模塊2向輔助設(shè)備單元4供給少量電力(圖8的“發(fā)電方式”欄)。作為該起動(dòng)時(shí)發(fā)電而取出的微弱電力作為使內(nèi)置于輔助設(shè)備單元4的輔助設(shè)備即水流量調(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等工作的電力而被利用。另外，在本實(shí)施方式中，在開始從燃料電池模塊2供給由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的電力之前，使輔助設(shè)備單元4工作的電力全部由系統(tǒng)電力供給。
[0115]而且，向燃料電池模塊2供給的燃料供給量、發(fā)電用空氣供給量保持與起動(dòng)時(shí)發(fā)電開始前相同的量?；蛘?，也可以根據(jù)用于執(zhí)行起動(dòng)時(shí)發(fā)電所使用的分量使燃料供給量、發(fā)電用空氣供給量增加。
[0116]在本實(shí)施方式中，由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的電力為約50W,該電力都使用于使輔助設(shè)備單元4工作，并不向固體電解質(zhì)型燃料電池I的外部輸出。該由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的電力可以設(shè)定為與在開始發(fā)電時(shí)燃料電池模塊2所具有的發(fā)電能力(額定電力)相比足夠小的值，優(yōu)選設(shè)定為額定電力的1/10?1/30左右。因而，由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的電力與從固體電解質(zhì)型燃料電池I向外部輸出的固體電解質(zhì)型燃料電池I的輸出電力不同。如果向輔助設(shè)備單元4供給由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的電力，則開始燃料電池單電池單元16的發(fā)電。另夕卜，在本實(shí)施方式中，由于由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的電力從t7時(shí)刻的由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的電力的發(fā)電開始以約100W/sec的增加率增加，因此以約0.5sec達(dá)到50W的固定值。如此，由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的電力以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)荷跟蹤時(shí)的電力增加率增加。
[0117]起動(dòng)時(shí)發(fā)電開始后，在燃料電池單電池單元16的內(nèi)部通過電流，因燃料電池單電池單元16的內(nèi)部電阻產(chǎn)生焦耳熱。由此，燃料電池單電池單元16利用在通過從上端流出的燃料燃燒所產(chǎn)生的燃燒熱量的基礎(chǔ)上，通過流過燃料電池單電池單元16的電流所產(chǎn)生的自身發(fā)熱而被加熱。
[0118]由于燃料電池單電池單元16的自身發(fā)熱較大地產(chǎn)生在燃料電池單電池單元16的中間部，因此燃料電池單電池單元16的中間部尤其被較強(qiáng)地加熱。在通過燃料的燃燒熱量從燃料電池單電池單元16的上方進(jìn)行加熱的基礎(chǔ)上，通過中間部的自身發(fā)熱，使燃料電池單電池單元16的溫度更加均勻地上升。
[0119]之后，在圖7的t8時(shí)刻，當(dāng)重整器20的溫度達(dá)到650°C以上，且燃料電池單電池單元16的溫度達(dá)到600°C以上時(shí)，控制部110向重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44發(fā)送信號(hào)，停止供給重整用空氣。而且，控制部110向燃料流量調(diào)節(jié)單元38發(fā)送信號(hào)，減少燃料供給量，同時(shí)向水流量調(diào)節(jié)單元28發(fā)送信號(hào)，增加供水量。由此，燃料供給量改變?yōu)?L/min，供水量改變?yōu)?cc/min (圖8的“SR1”狀態(tài))。通過停止供給重整用空氣，在重整器20內(nèi)，不再發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)，開始僅發(fā)生水蒸氣重整反應(yīng)的SR。另外，基于起動(dòng)時(shí)發(fā)電的升溫在轉(zhuǎn)入SRl后也持續(xù)進(jìn)行。
[0120]而且，在圖7的t9時(shí)刻，當(dāng)重整器20的溫度達(dá)到650°C以上，且燃料電池單電池單元16的溫度達(dá)到650°C以上時(shí)，控制部110向燃料流量調(diào)節(jié)單元38發(fā)送信號(hào)，減少燃料供給量，同時(shí)向水流量調(diào)節(jié)單元28發(fā)送信號(hào)，使供水量也減少。而且，控制部110向發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45發(fā)送信號(hào)，使發(fā)電用空氣的供給量也減少。由此，燃料供給量改變?yōu)榘l(fā)電待機(jī)燃料供給量的2.9L/min，供水量改變?yōu)?.3cc/min，發(fā)電用空氣供給量改變?yōu)?0L/min (圖8的“SR2”狀態(tài))。
[0121]之后，在圖7的tlO時(shí)刻，當(dāng)重整器20的溫度達(dá)到650°C以上，且燃料電池單電池單元16的溫度達(dá)到可進(jìn)行規(guī)定發(fā)電開始電力的發(fā)電的700°C時(shí)，控制部110使固體電解質(zhì)型燃料電池I的發(fā)電模式開始運(yùn)行。發(fā)電模式開始運(yùn)行后，控制部110向切換器56發(fā)送信號(hào)，使切換器56進(jìn)行切換。由此，電流從燃料電池模塊2流向輔助設(shè)備單元4及逆變器54 (圖8的“發(fā)電方式”欄)。另外，在本實(shí)施方式中，發(fā)電開始電力設(shè)定為額定輸出電力的700W。S卩，控制部110在燃料電池模塊2達(dá)到可輸出額定輸出電力的狀態(tài)時(shí)，使發(fā)電模式開始運(yùn)行。
[0122]在tlO時(shí)刻開始運(yùn)行發(fā)電模式后，電流從燃料電池模塊2經(jīng)由切換器56流向逆變器54,該電力作為固體電解質(zhì)型燃料電池I的輸出電力向外部輸出。輸出電力從tlO時(shí)刻的OW逐漸增加，以便跟蹤于要求發(fā)電量。如上所述，此時(shí)的輸出電力的增加率被限制為最大 200W/min。
[0123]而且，向燃料電池模塊2供給的燃料供給量及發(fā)電用空氣供給量在轉(zhuǎn)入發(fā)電模式運(yùn)行后，還在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持之前的起動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)的供給量。因此，可從起動(dòng)模式運(yùn)行順利地轉(zhuǎn)入發(fā)電模式運(yùn)行。接下來，將起動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)的供給量保持到til時(shí)刻后，改變?nèi)剂瞎┙o量及發(fā)電用空氣供給量，變?yōu)榕c實(shí)際的輸出電力相對(duì)應(yīng)的供給量(圖7的til?tl2時(shí)刻)。在圖7的tl2時(shí)刻之后，供給與圖8的“發(fā)電模式”所示的輸出電力相對(duì)應(yīng)的量的燃料及發(fā)電用空氣。而且，轉(zhuǎn)入發(fā)電模式運(yùn)行后，燃料電池模塊2的發(fā)電能力與要求電力無關(guān)，保持在由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所廣生的電力以上。
[0124]而且，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池1，由于在起動(dòng)模式運(yùn)行中的燃料電池單電池單元16的溫度沒有充分上升的階段中，通過執(zhí)行起動(dòng)時(shí)發(fā)電而從燃料電池模塊2取出微弱電力，因此能夠通過該發(fā)電的發(fā)電熱量促進(jìn)燃料電池單電池單元16升溫。而且，由于通過燃燒部的燃料燃燒對(duì)燃料電池單電池單元16加熱是從單電池的上端部進(jìn)行的，因此容易在燃料電池單電池單元16上產(chǎn)生溫度不均勻，與此相對(duì)，由于由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的發(fā)電熱量顯著產(chǎn)生在燃料電池單電池單元16的中間位置，因此不容易產(chǎn)生溫度不均勻的情況。因而，根據(jù)本實(shí)施方式，能夠抑制燃料電池單電池單元16及燃料電池電堆14的溫度不均勻。而且，在燃料電池單電池單元16上產(chǎn)生溫度不均勻時(shí)，變?yōu)樵谌剂想姵貑坞姵貑卧?6的僅一部分達(dá)到了可發(fā)電的溫度的狀態(tài)下進(jìn)行發(fā)電，或在燃料電池單電池單元16的一部分被過度加熱的狀態(tài)下進(jìn)行發(fā)電，因此，有時(shí)會(huì)加快燃料電池單電池單元16劣化，或損傷單電池。根據(jù)本實(shí)施方式，由于抑制了燃料電池單電池單元16及燃料電池電堆14的溫度不均勻，因此能夠延長燃料電池單電池單元16的耐用年數(shù)。而且，由于由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所進(jìn)行的發(fā)電生成微弱電力，因此即使在燃料電池單電池單元16的溫度達(dá)到發(fā)電開始溫度之前，從燃料輸出模塊2取出電力，也不會(huì)損傷燃料電池單電池單元16。
[0125]而且，根據(jù)本實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池1，由于在起動(dòng)時(shí)發(fā)電中取出的微弱電力是大致一定的50W的電力，因此不必為了執(zhí)行起動(dòng)時(shí)發(fā)電而使燃料供給量、水蒸氣供給量等變化，即使在達(dá)到發(fā)電開始溫度之前從燃料電池模塊2取出電力，也能夠防止燃料電池模塊2的運(yùn)行變得不穩(wěn)定。由此，能夠切實(shí)地防止燃料電池單電池單元16損傷并執(zhí)行起動(dòng)時(shí)發(fā)電。
[0126]而且，根據(jù)本實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池1，由于在重整器20內(nèi)已開始重整效率高且能夠生成足夠氫的水蒸氣重整的ATR中的進(jìn)行更多的水蒸氣重整的ATR2中開始起動(dòng)時(shí)發(fā)電，因此即使燃料電池單電池單元16在達(dá)到發(fā)電開始溫度之前進(jìn)行發(fā)電，也不會(huì)發(fā)生氫枯竭，能夠切實(shí)地防止燃料電池單電池單元16損傷。
[0127]通常，向固體電解質(zhì)型燃料電池的外部輸出的電力總是隨著需求電力的變化而變化。根據(jù)本實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池1，由于起動(dòng)模式運(yùn)行中的通過起動(dòng)時(shí)發(fā)電生成的微弱電力不向固體電解質(zhì)型燃料電池I的外部輸出，而全部被輔助設(shè)備單元4消耗，因此能夠防止如下情況，因需求電力變化的不良影響而導(dǎo)致從燃料電池模塊2取出的由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的電流發(fā)生變化，從而導(dǎo)致起動(dòng)模式運(yùn)行不穩(wěn)定。而且，由于通過由控制部110控制的輔助設(shè)備單元4消耗由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的微弱電力，因此能夠使起動(dòng)時(shí)發(fā)電的發(fā)電電力更加穩(wěn)定。
[0128]而且，根據(jù)本實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池1，由于在運(yùn)行起動(dòng)模式時(shí)，當(dāng)燃料電池單電池單元16的溫度達(dá)到500°C時(shí)開始起動(dòng)時(shí)發(fā)電，因此重整器20內(nèi)的水蒸氣重整反應(yīng)穩(wěn)定，能夠切實(shí)地執(zhí)行達(dá)到發(fā)電開始溫度之前的起動(dòng)時(shí)發(fā)電，并且能夠利用發(fā)電熱量進(jìn)行升溫。
[0129]根據(jù)本實(shí)施方式的固體電解質(zhì)型燃料電池，由于由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的電力的增加率被設(shè)定為遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)電模式運(yùn)行中的負(fù)荷跟蹤時(shí)的輸出電力的最大增加率，因此能夠迅速地產(chǎn)生自身發(fā)熱，可縮短燃料電池的起動(dòng)時(shí)間。而且，由于由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的電力被設(shè)定為與發(fā)電開始時(shí)的發(fā)電能力相比足夠小，因此即使較大地設(shè)定增加率，也能夠避免燃料電池單電池單元16損傷。
[0130]以上，說明了本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，但是可以對(duì)所述的實(shí)施方式施加各種改變。尤其是在所述實(shí)施方式中，雖然固體電解質(zhì)型燃料電池構(gòu)成為根據(jù)要求電力而使輸出電力可變，但是也可以將本發(fā)明應(yīng)用于始終輸出一定電力的燃料電池。而且，雖然在所述的實(shí)施方式中，由起動(dòng)時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的電力被供給到輔助設(shè)備單元，但是也可以使本發(fā)明構(gòu)成為在固體電解質(zhì)型燃料電池的外部消耗該電力。
[0131]而且，雖然在所述的實(shí)施方式中，在ATR2中當(dāng)燃料電池單電池單元16的溫度達(dá)到500°C的時(shí)刻開始起動(dòng)時(shí)發(fā)電，但是作為變形例，也可以在SRl開始時(shí)，或在SRl開始后經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后開始起動(dòng)時(shí)發(fā)電。由于從ATR轉(zhuǎn)入SR時(shí)，在重整器20內(nèi)發(fā)熱反應(yīng)即部分氧化重整反應(yīng)結(jié)束，同時(shí)吸熱反應(yīng)即水蒸氣重整反應(yīng)增大，因此變?yōu)槿菀桩a(chǎn)生溫度下降的狀況。根據(jù)所述的變形例，在開始容易產(chǎn)生溫度下降的基于SR的重整時(shí)，或者在開始基于SR的重整后，在經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后開始起動(dòng)時(shí)發(fā)電。由此，在開始容易產(chǎn)生溫度下降的SR的同時(shí)，或者在開始基于SR的重整后經(jīng)過規(guī)定時(shí)間且重整器20內(nèi)的重整反應(yīng)穩(wěn)定之后，開始起動(dòng)時(shí)發(fā)電，能夠在達(dá)到發(fā)電開始溫度之前進(jìn)行起動(dòng)時(shí)發(fā)電并抑制燃料電池模塊2的溫度下降。
【權(quán)利要求】
1.一種固體電解質(zhì)型燃料電池，是使燃料和發(fā)電用氧化劑氣體進(jìn)行反應(yīng)來發(fā)電的固體電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，具有: 燃料電池模塊，具有多個(gè)固體電解質(zhì)型燃料電池單電池； 重整器，利用通過使燃料和水蒸氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而對(duì)燃料進(jìn)行水蒸氣重整的重整反應(yīng)即SR來生成氫； 燃料供給部件，通過向該重整器供給燃料，將由所述重整器重整的燃料送入所述固體電解質(zhì)型燃料電池單電池； 重整用氧化劑氣體供給部件，向所述重整器供給重整用氧化劑氣體； 水蒸氣供給部件，向所述重整器供給重整用水蒸氣； 發(fā)電用氧化劑氣體供給部件，向所述固體電解質(zhì)型燃料電池單電池供給發(fā)電用氧化劑氣體； 燃燒部，設(shè)置在所述固體電解質(zhì)型燃料電池單電池的一端部，使發(fā)電中未使用的燃料燃燒； 及控制部件，控制所述燃料供給部件、所述重整用氧化劑氣體供給部件、所述水蒸氣供給部件及所述發(fā)電用氧化劑氣體供給部件， 所述控制部件構(gòu)成為，執(zhí)行如下起動(dòng)模式運(yùn)行，在預(yù)先確定的溫度范圍內(nèi)，在所述重整器內(nèi)進(jìn)行所述SR的重整反應(yīng)，并使所述固體電解質(zhì)型燃料電池單電池升溫至可從所述燃料電池模塊取出電力的發(fā)電開始溫度，另一方面，執(zhí)行如下發(fā)電模式運(yùn)行，在超過所述發(fā)電開始溫度的時(shí)刻結(jié)束所述起動(dòng)模式運(yùn)行，并從所述燃料電池模塊取出電力， 而且，所述控制部件構(gòu)成為，在達(dá)到所述發(fā)電開始溫度之前的所述起動(dòng)模式運(yùn)行中，執(zhí)行通過從所述燃料電池模塊取出比所述發(fā)電模式運(yùn)行中的從所述燃料電池模塊取出的電力小的微弱電力，而在所述固體電解質(zhì)型燃料電池單電池中產(chǎn)生發(fā)電熱量，并使所述固體電解質(zhì)型燃料電池單電池升溫的起動(dòng)時(shí)發(fā)電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于， 在上述起動(dòng)時(shí)發(fā)電中從所述燃料電池模塊取出的微弱電力是大致一定的電力。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于， 所述控制部件在開始所述重整器內(nèi)的基于所述SR的重整之后使所述起動(dòng)時(shí)發(fā)電開始。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于， 所述控制部件進(jìn)行如下控制，在所述發(fā)電模式運(yùn)行中向所述固體電解質(zhì)型燃料電池的外部輸出從所述燃料電池模塊取出的電力，另一方面，在所述起動(dòng)模式運(yùn)行中從所述燃料電池模塊取出的微弱電力不向所述固體電解質(zhì)型燃料電池的外部輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固體電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于， 還具有使所述燃料電池模塊工作的輔助設(shè)備，在所述起動(dòng)模式運(yùn)行中從所述燃料電池模塊取出的微弱電力全部被所述輔助設(shè)備消耗。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于， 所述發(fā)電開始溫度設(shè)定為600°C以上，所述控制部件在所述起動(dòng)模式運(yùn)行中，當(dāng)所述固體電解質(zhì)型燃料電池單電池的溫度達(dá)到500°C以上小于600°C的規(guī)定溫度時(shí)，使所述起動(dòng)時(shí)發(fā)電開始。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK103647096SQ201310542488
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2009年9月30日
【發(fā)明者】重住司, 大塚俊治, 土屋勝久, 中野清隆, 大江俊春 申請(qǐng)人:Toto株式會(huì)社