專利名稱：燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輕便型、特別是涉及可以利用市售的丁烷氣體卡式貯氣瓶的輕便型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
所謂燃料電池，主要是將氫和氧、或天然氣等改性而得到富氫的改性氣體與空氣分別引入燃料極和氧極，在這一對電極之間依靠電化學(xué)反應(yīng)進行發(fā)電，是一種公知的高能量效率的發(fā)電系統(tǒng)。因此，提出了利用這種燃料電池的輕便式發(fā)電系統(tǒng)。
日本專利特開平5-190196號提出了使用貯氣瓶內(nèi)的貯氫合金中吸收的氫使燃料電池工作的輕便式電源，但是內(nèi)裝有貯氫合金的貯氣瓶價格貴，不僅通用性有問題，而且該貯氣瓶重量大，作為輕便式電源有搬動不便的問題。
日本專利特開平6-310116號提出了一種輕便式燃料電池電源，它包括使用高壓封入甲醇水溶液代替氫的燃料氣體貯氣瓶、并將該燃料氣體貯氣瓶噴出的甲醇水溶液改性為以氫為主成份的氣體的燃料改性裝置，以該以氫為主成份的氣體作燃料進行發(fā)電的燃料電池，以及作為其容器的箱體。但是，用高壓封入甲醇水溶液的燃料氣體貯氣瓶要使用高耐壓的貯氣瓶，不僅不適合輕便式系統(tǒng)，而且市場上沒有銷售，存在缺少通用性的問題。
所以作為輕便式發(fā)電系統(tǒng)，現(xiàn)在使用中的是汽油發(fā)動機發(fā)電系統(tǒng)，但是在數(shù)百瓦發(fā)電能力的小型發(fā)電系統(tǒng)中，其發(fā)電效率很低，僅在10％以下。

發(fā)明內(nèi)容
因此，希望提供使用發(fā)電效率高的燃料電池、而且燃料源可以使用丁烷氣體貯氣瓶這種市售的便攜式貯氣瓶的、通用性強的輕便型燃料電池。但是存在著許多應(yīng)該解決的問題。
1)丁烷氣體的改性最好在600℃以上的高溫進行，與甲醛的改性(220～270℃)相比溫度是極高的，如此等等不同于水蒸氣改性方式的溫度水平。另一方面，對作為碳化氫系燃料的天然氣的改性方法的利用正在研究，但是不能夠原封不動地采用大型工廠的天然氣改性方法，特別是很難提供適用于輕便式系統(tǒng)的改性器。
2)如果使用丁烷氣體貯氣瓶，則容易受周圍溫度的影響，很難根據(jù)負載向改性器提供規(guī)定量的丁烷氣體，再將規(guī)定量的改性氣體提供給燃料電池，得到所希望的發(fā)電量。
3)作為燃料電池，在輕便式的情況下固體高分子型燃料電池比磷酸型燃料電池更理想，但是在該情況下必須將改性氣體中的CO濃度減少到數(shù)十ppm的數(shù)量級，特別是改性器的CO氧化部的操作條件較嚴格。
本發(fā)明的目的在于，提供解決上述問題、使用通用性強的丁烷氣體貯氣瓶、發(fā)電效率高的輕便式燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)。
本發(fā)明是以另行申請(1997年6月30日)的改性器的發(fā)明為契機完成的，輕便式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括內(nèi)裝有作為燃料的丁烷氣體的輕便式丁烷氣體貯氣瓶，將來自貯氣瓶的部分丁烷氣體作為燃料、而使其余丁烷氣體與水發(fā)生水蒸氣改性反應(yīng)并生成含氫的改性氣體的輕便式改性器，利用上述改性氣體中的氫氣與空氣中的氧氣進行發(fā)電的輕便式燃料電池，對上述丁烷氣體貯氣瓶來的丁烷氣體的氣化量進行調(diào)節(jié)的手段，以及在從上述丁烷氣體貯氣瓶到上述改性器的丁烷氣體提供路徑上設(shè)置的丁烷氣體流量調(diào)節(jié)手段。
采用本發(fā)明，如圖9的系統(tǒng)原理圖所示，用改性器使來自卡式貯氣瓶的丁烷氣體與水蒸氣發(fā)生丁烷氣體的水蒸氣改性反應(yīng)，生成以氫為主成份的改性氣體，在燃料電池單元中使氫和氧發(fā)生反應(yīng)，得到直流電，將它或使用逆變器將其變換為交流電，提供給負載。即使是數(shù)百瓦特的小型發(fā)電系統(tǒng)也能夠得到20％以上的高發(fā)電效率，可以達到使用汽油發(fā)動機時的能量效率的3倍左右。
從上述丁烷氣體貯氣瓶到改性器的氣流路徑由提供改性用的丁烷氣體的氣流路徑和提供改性器的燃料用的丁烷氣體的氣流路徑構(gòu)成，將部分丁烷氣體作為燃料使用，其余丁烷氣體作為改性用的熱源使用，可以得到高改性溫度，這是很理想的。
本發(fā)明的理想的發(fā)電系統(tǒng)的形態(tài)，是具備2個以上的所述丁烷氣體貯氣瓶，即使在替換貯氣瓶時，也能夠經(jīng)常不斷地提供氣流，使得能夠連續(xù)運轉(zhuǎn)。
上述丁烷氣體貯氣瓶設(shè)置對其丁烷氣體的氣化量進行調(diào)節(jié)的手段。丁烷氣體的氣化可以通過減壓及/或加熱進行。加熱是對貯氣瓶直接或間接進行，可以從利用電熱器或燃料電池排出的熱量的手段，以及利用改性裝置排出的熱量的手段中選出一種加熱手段。以此調(diào)節(jié)貯氣瓶的溫度，可以調(diào)節(jié)丁烷氣體的氣化量。
只對所述丁烷氣體的氣化量進行調(diào)節(jié)是難于確保必要的氣流量的。因此，雖然設(shè)置上述丁烷氣體氣流量調(diào)整手段，但是最好是由壓力調(diào)整器與流量調(diào)整閥構(gòu)成。
丁烷氣體貯氣瓶提供的丁烷氣體含有硫磺成份，容易使改性器的催化劑劣化，因此最好是進行脫硫。所以在本發(fā)明的最佳實施形態(tài)中，在提供所述改性用的丁烷氣體的氣流路徑上設(shè)置了脫硫器。為了提高脫硫效率，比較理想的是先將硫磺成份變成硫化氫，使其吸附在脫硫器上。因此在本發(fā)明的最佳實施形態(tài)中，脫硫器具備在改性用的丁烷氣體中添加氫的加氫催化部。
在丁烷氣體的水蒸氣改性反應(yīng)中，首先使用鎳或釕等催化劑，以600℃以上的溫度使水蒸氣和丁烷氣體的混合氣體進行如下反應(yīng)。還有，在使用鎳系催化劑的情況下，在S/C＜2時催化劑將發(fā)生劣化，而在使用釕系催化劑的情況下，即使S/C＜2催化劑也不容易發(fā)生劣化。
上述改性反應(yīng)部在600℃以上、S/C＞2.5的條件下運行，最好是在S/C為3左右的條件下運行。因為與S/C＜2.5(對天然氣進行水蒸氣改性的大型工廠的情況)相比，能量效率雖略微差些，但是能夠確保催化劑有長壽命(參照

圖10)。
接著，在大約220～280℃的溫度條件下在銅鋅系催化劑構(gòu)成的移位(shift)催化部使一氧化碳與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)。
通常以使一氧化碳濃度降低到1％以下為目標(biāo)。
再在鉑或釕系催化劑構(gòu)成的選擇氧化催化部有選擇地使一氧化碳氧化，使一氧化碳濃度降低。通常以50ppm以下為目標(biāo)。在使用鉑系催化劑時，反應(yīng)溫度的調(diào)整必須極其嚴格地進行，而在使用釕系催化劑時，能夠在約120～180℃的比較寬的溫度范圍內(nèi)有選擇地使一氧化碳氧化，因此是理想的。
上述改性器必須是輕便式小型的，為了高效率地進行水蒸氣的改性，重要的一點是正確的控制溫度，最理想的是獨立形成改性反應(yīng)部、移位反應(yīng)部及一氧化碳氧化部，再做成一體的改性器。改性器的各種形態(tài)在另一申請(1997年6月30日)有詳細說明。
上述改性反應(yīng)部使用的催化劑Ru/Al2O3或Ru/ZrO2可以使用如下方法制得，即將載體浸漬于氯化釕溶液中，使其含浸氯化釕，再烘干后，使用肼或氫作為還原劑使其還原，再水洗、烘干而制得。這些催化劑的改性催化性能比Ni/Al2O3催化劑好(參照圖11)。
上述一氧化碳氧化部最好是在化學(xué)計量比(即改性氣體中的一氧化碳氧化用的空氣的理論數(shù)量與所使用的空氣的數(shù)量之比)為3～10的條件下運行。因為一氧化碳氧化效率高，(參照圖12)，在3以下，氧在氫的氧化中消耗，一氧化碳的濃度不減少。又，上述一氧化碳氧化部比較理想是具備催化劑Ru/Al2O3，在120～180℃的溫度下運行。這是因為與鉑催化劑相比氧化溫度范圍寬，容易控制。
最好是將所述改性器來的改性氣體中的水份、從燃料電池排出的改性氣體、排出的空氣中的水份，以及/或者燃燒氣體中的水份加以回收，作為改性用水循環(huán)利用。在這種情況下，最好是具備對上述循環(huán)利用的水進行過濾的過濾器、進行凈化的離子交換器以及貯水的水箱。
雖然具備通過逆變器及變換器輸出所述燃料電池的電力，使所述燃料電池的功率輸出不因負載而變動的電路，但是最好是具備通過調(diào)節(jié)器連接于該電氣線路的二次電池。因為可以作為起動時的電源，或能夠適應(yīng)急劇的負載變化。
附圖概述圖1是表示本發(fā)明第1實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的概略圖。
圖2是表示本發(fā)明第2實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的概略圖。
圖3是表示本發(fā)明第3實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的概略圖。
圖4是表示本發(fā)明第4實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的概略圖。
圖5是表示本發(fā)明第5實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的概略圖。
圖6是表示本發(fā)明第6實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的概略圖。
圖7是表示本發(fā)明第7實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的概略圖。
圖8是表示本發(fā)明其他實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的概略圖。
圖9是表示本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)的原理圖。
圖10是表示丁烷氣體改性時改性氣體率相對于S/C的變化曲線。
圖11是表示改性催化劑釕的性能的、改性氣體量相對于空間速度變化的曲線。
圖12是表示一氧化碳氧化性能的、氧化后的一氧化碳濃度相對于化學(xué)計量比變化的曲線。
圖13是本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)的配置概要圖。
圖14是表示本發(fā)明的最佳實施狀態(tài)的流程圖。
圖15是表示卡式貯氣瓶的其他兩種加熱方式A、B的概要圖。
圖16是表示改性用的丁烷氣體的其他脫硫方式的概要圖。
下面對本發(fā)明作詳細說明。
下面根據(jù)附圖對第1燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的實施形態(tài)加以說明。圖1是表示本發(fā)明第1實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的概略圖。上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，在箱體20內(nèi)具有向燃料電池12提供丁烷氣體的燃料供給裝置11及進行發(fā)電的燃料電池12。
本發(fā)明的特征在于，上述燃料供給裝置11具備使用丁烷氣體作為原燃料、以該丁烷氣體作為供給源裝滿丁烷的輕便式的丁烷氣體貯氣瓶(卡式貯氣瓶cassettebomb)1。上述丁烷氣體貯氣瓶1可實現(xiàn)卡式等小型化，與氫氣相比，較容易使用。作為上面所述的丁烷氣體貯氣瓶1，可以舉出日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS-S-2148規(guī)定的卡(cassette)式爐用燃料容器等。又，上述燃料供給裝置11具備裝丁烷氣體貯氣瓶1的裝接件2及對由安裝的丁烷氣體貯氣瓶1引入的丁烷進行減壓、使其氣化的氣化器3。也可以在燃料供給裝置上設(shè)置與這樣的氣化器3配合或單獨地對丁烷氣體的氣化量進行調(diào)節(jié)的手段。其詳細情況將在圖14及圖15敘述。又，上述氣化器3沒有特別限定形式，只要是能使丁烷變成氣體狀態(tài)提供給后續(xù)工序的改性器4的裝置就可以，如下面所述，將JIS-S-2148所規(guī)定的丁烷氣體卡式貯氣瓶水平設(shè)置時不特別需要氣化器3。
用上述裝接件2，丁烷氣體貯氣瓶1可以自由地裝上、卸下。因此，貯氣瓶中的丁烷氣體用光的話，可以多次更換丁烷氣體貯氣瓶1，能夠供給所需數(shù)量的丁烷氣體。上述氣化器3與燃料電池12之間設(shè)置丁烷氣體流量調(diào)節(jié)手段。上述燃料電池12具備進行改性反應(yīng)的改性器4、減少在改生器4生成的氣體的一氧化碳的一氧化碳清除器5，以及燃料電池主體6。上述改性器4是用改性催化劑使丁烷氣體與水蒸汽狀態(tài)的水發(fā)生水蒸汽改性反應(yīng)，生成富含氫的改性氣體的裝置。作為上述改性催化劑，可以舉出將金屬擔(dān)載于載體的催化劑。擔(dān)載金屬可以舉出釕、銠、鎳等。其中將釕或銠中的至少一種擔(dān)載金屬擔(dān)載于載體上的改性催化劑與擔(dān)載有鎳等擔(dān)載金屬的改性催化劑相比，催化活性高，因而能使改性器4小型化。而且使用上述擔(dān)載有釕或銠的改性催化劑的改性器4，由于它既小型又能夠長時間維持改性催化劑的功能，從這一點來看是比較理想的。上述擔(dān)載有擔(dān)載金屬的載體可以使用氧化鋯或氧化鋁等，此外還可使用硅膠、活性氧化鋁、二氧化鈦、堇青石(cordierite)、沸石、絲光沸石、硅膠、活性碳等。在用上述改性器4生成的改性氣體中，與氫同時還生成微量二氧化碳、甲烷氣體、一氧化碳。
連接上述改性器4還有一氧化碳清除器5。一氧化碳清除器5是用于減少改性氣體中的一氧化碳濃度的。在本系統(tǒng)中，一氧化碳是會使廣泛用作電池主體6的電極的鉑催化劑等中毒的氣體，因此有必要減少。上述一氧化碳清除器5的結(jié)構(gòu)有例如將使用催化劑減少一氧化碳的一氧化碳移位器和使一氧化碳氧化的一氧化碳氧化清除器組合的結(jié)構(gòu)，或一氧化碳移位器與向甲烷移位的甲烷轉(zhuǎn)化器組合的結(jié)構(gòu)。上述一氧化碳移位器使用的催化劑，擔(dān)載金屬有例如鐵、鉻、銅、鋅等，載體有例如氧化鋁系材料等。上述一氧化碳氧化清除器比較理想是在用一氧化碳移位器減少了一氧化碳的改性氣體中再混入氧或空氣，利用以鉑、釕等為擔(dān)載金屬的氧化鋁系的載體構(gòu)成的催化劑使其反應(yīng)，更進一步降低一氧化碳濃度。又，上述甲烷轉(zhuǎn)化器利用鎳、鈀、銠等作為擔(dān)載金屬的氧化鋁系的載體構(gòu)成的催化劑使通過一氧化碳移位器的改性氣體中的一氧化碳與氫發(fā)生反應(yīng)，使甲烷逆移位以減低一氧化碳濃度。
通過上述一氧化碳清除器5的改性氣體被提供給燃料電池主體6。向燃料電池主體6的燃料板(負極)引入改性氣體中的氫，向另一極即氧極(正極)引入空氣中的氧，在這燃料極(負極)與氧極(正極)之間基于電學(xué)反應(yīng)進行發(fā)電。上述燃料電池主體6的例子有磷酸型燃料電池、固體高分子型燃料電池等，其中具有通過固體高分子膜引入上述改性氣體中的氫的燃料極和引入氧的氧極的固體高分子型燃料電池即使在70～80℃的較低溫度下也能工作，因此受設(shè)置場所限制少，作為便攜式燃料電池較理想。
用上述燃料電池主體6發(fā)電的輸出可以作為直流電取出。上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具備逆變器21，穩(wěn)定地進行直流與直流，或直流與交流的變換，以易于使用上述直流功率的規(guī)定的形式穩(wěn)定地取出上述直流功率。利用上述逆變器21，可以與一般市電的交流電一樣以100V交流電輸出，或以12V直流電輸出。上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)采用原燃料容易使用的輕便式丁烷氣體貯氣瓶1，安裝在裝接件2上，因而能夠供給與需要量相應(yīng)的丁烷氣體，因此能夠使容納系統(tǒng)的箱體小型化，容易移動。而且還具備一氧化碳清除器5，因此能夠維持高發(fā)電效率。
第2實施形態(tài)示于圖2。為了使上述燃料供給裝置11及燃料電池12一個人能夠搬動，因此容納這些部分的箱體20具備搬運用的把手22、車輪23及皮帶。由于上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)本身的小型化，同時還備有這些部件，可以很容易地搬運。
還有，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)起動時需要電功率，因此在室外等使用時最好是內(nèi)裝有能以本身能量起動的這樣大小容量的電池(未圖示)。
第3實施形態(tài)示于圖3。圖3是表示本發(fā)明第3實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的概略圖。下面的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的說明只涉及與上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的不同點。上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具備可以同時裝接兩個卡式丁烷體貯氣瓶1、1的裝接件2。在用個丁烷氣體貯氣瓶1工作的情況下，由于貯氣瓶內(nèi)的丁烷氣體用完時需要更換，這時將會暫時中斷丁烷氣體的供應(yīng)。因此發(fā)電也會停止。采用上述同時設(shè)置兩個丁烷氣體貯氣瓶1、1，在對一邊的丁烷氣體貯氣瓶1進行更換的時間里，由于另一邊的丁烷氣體貯氣瓶1可以提供丁烷氣體，所以能夠繼續(xù)進行發(fā)電。上述丁烷氣體貯氣瓶1氣體用完時最好是用蜂鳴器或指示燈等顯示。還有，上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)只要同時設(shè)置丁烷氣體貯氣瓶1兩個以上，并不受上述實施形態(tài)的限定。
第4實施形態(tài)示于圖4。上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)能夠在通常工作時將裝接于裝接件2的丁烷氣體貯氣瓶1內(nèi)的丁烷氣體貯藏于具有暫時貯存功能的上述燃料箱9中。燃料電池的發(fā)電在起動時需要很多丁烷氣體，因此采取當(dāng)前一次使用時補充燃料箱9貯存的丁烷氣體的結(jié)構(gòu)。由于在起動之際從丁烷氣體貯氣瓶1以外的來源補充丁烷氣體，所以能夠順利起動。而且安裝在裝接件2上的丁烷氣體貯氣瓶1是1個，在必須更換該丁烷氣體貯氣瓶1時也可以從燃料箱9得到丁烷氣體補給，因此不必停止發(fā)電，能夠繼續(xù)工作。
上述燃料箱9也可以采用如圖4所示形成能暫時把從丁烷氣體貯氣瓶1引入的全部丁烷氣體貯存于燃料箱9的結(jié)構(gòu)，但采取像圖5所示的第5實施形態(tài)那樣的構(gòu)造，即將燃料箱9設(shè)置在裝接件2與氣化器3之間的分叉管道上，能夠切換閥門26把必要數(shù)量的氣體貯存到燃料箱9中，而只在必要時提供補給。如上所述，上述燃料電池電發(fā)系統(tǒng)具有利用燃料箱9貯存的丁烷氣體，調(diào)整向燃料電池12提供的氣體量的功能，因此既是輕便式又能夠不停止地長時間發(fā)電。
下面圖6表示第6實施形態(tài)。上述燃料電池系統(tǒng)形成上述燃料供給裝置11與燃料電池12能夠分別獨立的結(jié)構(gòu)。在上述燃料供給裝置11與燃料電池12連接的配管7上設(shè)置連接件8，將該連接件8拆開，則燃料供給裝置11與燃料電池12即分離，安裝該連接件8，使其互相吻合，將配管7連接起來，使丁烷氣體流通，就這樣，由于能分開，燃料供給裝置11與燃料電池12可做得比較小而輕，就易于移動。其中最好也安裝多個丁烷氣體瓶1，或具備燃料箱9。而且改性器4的溫度也有部分達到例如500℃以上高溫的情況，因此可以使丁烷氣體貯氣瓶1或燃料箱9免于受熱。而且也可以如下面所述以其作為熱源加以有效利用。
下面圖7表示第7實施形態(tài)。
下面圖7表示第7實施形態(tài)。圖7是表示本發(fā)明第7實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的概略圖。上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在一氧化碳清除器5與燃料電池主體6之間有通過以最低限度貯存氫的氫貯存器10的氣流路徑。所述氫貯存器10可以是例如貯氫合金箱、氫貯氣瓶。以泵等輔助動力預(yù)先在所述氫貯存器10貯備氫，以此可以在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)起動后立即將氫貯存器10貯存的氫補充給通過一氧化碳清除器5而來的改性氣體，因此能夠迅速發(fā)電。而且減輕了起動時的改性器4的負擔(dān)，因此能夠使改性器4穩(wěn)定運行。并且在工作中將通過一氧化碳清除器5的改性氣體立即引入燃料電池主體6。另外在工作中改性氣體中的氫也被貯存下來，可以在下一次起動時使用。
還有，在本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，與丁烷氣體反應(yīng)的水的供給裝置和供給方法沒有特別限定，例如圖8所示，也可以在箱體20中內(nèi)裝貯水箱24及對從該貯水箱24引來的水進行過濾的過濾裝置25。上述過濾裝置25可以是例如離子交換器、中空紙膜過濾器、具有活性炭的裝置。
圖13是本發(fā)明的輕便式發(fā)電系統(tǒng)的配置概要圖，圖14表示其系統(tǒng)流程圖。在圖中，101是輕便式的卡式丁烷貯氣瓶，使用例如日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS-S-2148的產(chǎn)品，在燃料電池主體100上同時水平設(shè)置兩個，可以拆卸，而且以來自側(cè)壁上安裝的電風(fēng)扇102的冷空氣通過燃料電池主體的內(nèi)部吸收燃料電池的廢熱，使得控制在規(guī)定的溫度20～40℃。利用改性器110產(chǎn)生的廢熱的方法可以采用圖15A、B所示的方法。圖15A通過管道D將改性裝置110排出的氣體送到卡式貯氣瓶101，為了進行溫度控制，設(shè)置有氣流路徑控制板C。圖15B在改性裝置110的側(cè)壁設(shè)置受熱部R，通過熱管P向放熱部H傳熱，對卡式貯氣瓶101進行加熱。
如圖14所示，從貯氣瓶101輸出的丁烷氣體通過壓力調(diào)整器103及流量調(diào)整閥104被送到改性裝置110。丁烷氣體通常被分流為燃料用丁烷氣體和改性用丁烷氣體提供給改性裝置110。也就是說，燃料用丁烷氣體通過供應(yīng)路徑LF與燃燒用的空氣一起被送到改性裝置110的燃燒室111，進行火焰燃燒或催化劑燃燒。而改性用丁烷氣體通過供應(yīng)路徑LM，再通過脫硫器105(ZnO系或Cu/Zn系)被送到改性裝置110。也可以如圖16所示在改性用丁烷氣體的氣流路徑上設(shè)置加氫催化部118(Ni-Mo系、Co-Mo系)，從移位催化部110B將一部分改性氣體引入。在這里，使用加壓泵116進行加壓，使用流量調(diào)整閥117對流量進行調(diào)整后，引入改性用丁烷氣體的氣流路徑。該改性氣體中的氫與丁烷氣體中的硫磺成份在加氫催化部118形成硫化氫，被脫硫器105所吸附。又，通過供給路徑LW向改性裝置110提供丁烷氣體的水蒸氣改性用的水。通常以水蒸氣與丁烷氣體混合，因此在通過改性裝置110的側(cè)壁預(yù)熱后提供給改性裝置110。
改性裝置110由進行改性反應(yīng)的改性催化部110A和發(fā)生移位反應(yīng)的移位催化部110B、進行一氧化碳氧化的選擇氧化催化部110C構(gòu)成，形成能夠分別獨立且進行溫度控制的反應(yīng)室，改性催化部110A用燃燒室111直接加熱。移位催化部110B位于改性催化部110A的上方，由從下方來的熱量間接加熱。選擇氧化催化部110C包圍移位催化部110B形成，利用來自移位催化部110B的燃燒排氣間接加熱。
上述改性裝置110來的改性氣體中包含水蒸氣。以該凝結(jié)器107使該水蒸氣凝結(jié)，用汽水分離器108回收，將改性氣體送到燃料電池主體100。另一方面，水份用送液泵112循環(huán)利用，因此被送到水箱115中，而且通過過濾器113和離子交換樹脂114處理，能夠長期使用。
用空氣泵106向上述燃料電池主體100輸送空氣，利用上述改性氣體中的氫氣和空氣中的氧氣進行發(fā)電。在燃料電池100使用后的改性氣體中殘留有氫。為了使其燃燒，使用同樣從燃料電池主體100排出的使用后的空氣。
在燃燒裝置109中讓使用后的改性氣體和排出的空氣燃燒，通過凝結(jié)裝置107’在汽水分離器108’回收水份，與上述水份一樣通過過濾器113和離子交換樹脂114進行處理，送到水箱115。
來自燃料電池主體的電功率輸出隨著負載而變動，因此通過逆變器/變換器121變成一定的直流功率或交流功率，而且在該電氣線路的中途通過調(diào)節(jié)器119設(shè)置可充電電池120，借助于此，可以在起動時不能從燃料電池主體100得到電力供應(yīng)時由該可充電電池對輔助機器123等提供電力，以使起動得以進行。又，在運行時將燃料電池100來的電力的一部分存儲于可充電電池120，在負載發(fā)生急劇變動、燃料電池主體100來的電力供應(yīng)短缺時，也可以利用該可充電電池的電力補給使對負載的電力供應(yīng)保持穩(wěn)定。
在使用卡式貯氣瓶的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，具備兩個以上卡式貯氣瓶時，有可能供應(yīng)改性裝置110的丁烷氣體來自幾個卡式貯氣瓶101的量相等并且氣體同時用光，為了避免發(fā)生這種情況，在從各卡式貯氣瓶來的丁烷氣體的氣流路徑上設(shè)置氣流路徑調(diào)整器以改變各卡式貯氣瓶的流量，以此改變卡式貯氣瓶中的丁烷氣體的消耗量。以此可以經(jīng)常確保某一卡式貯氣瓶中有丁烷氣體，使燃料電池能夠連續(xù)運行。
權(quán)利要求
1．一種輕便式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括內(nèi)裝有作為燃料的丁烷氣體的輕便式丁烷氣體貯氣瓶，將部分丁烷氣體作為燃料使用、而使其余的丁烷氣體與水發(fā)生反應(yīng)并生成含氫的改性氣體的改性裝置，利用上述改性氣體中的氫氣與空氣中的氧氣進行發(fā)電的燃料電池，對上述丁烷氣體貯氣瓶來的丁烷氣體的氣化量進行調(diào)節(jié)的手段，以及設(shè)置于從上述丁烷氣體貯氣瓶向上述改性裝置提供丁烷氣體的氣流路徑上的丁烷氣體流量調(diào)節(jié)手段。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，從上述丁烷氣體貯氣瓶到上述改性裝置的氣流路徑具備提供改性用的丁烷氣體的氣流路徑與提供改性裝置的燃料用丁烷氣體的氣流路徑。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，通過具備2個以上的所述丁烷氣體貯氣瓶，再將各氣流路徑加以連接并切換貯氣瓶，使得能夠連續(xù)運行。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，對上述丁烷氣體貯氣瓶來的丁烷氣體的氣化量進行調(diào)節(jié)的手段包含從利用電熱器或燃料電池排出的熱量的手段，以及利用改性裝置排出的熱量的手段中選擇出的加熱手段。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述丁烷氣體流量調(diào)節(jié)手段由壓力調(diào)整器與流量調(diào)整閥構(gòu)成。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，在所述提供改性用的丁烷氣體的氣流路徑上設(shè)置脫硫器。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述脫硫器具備對改性用的丁烷氣體添加氫的加氫催化部。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述改性裝置是將獨立的改性反應(yīng)部、移位反應(yīng)部及一氧化碳氧化部做成一體的小型改性裝置。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述改性反應(yīng)部在600℃以上的溫度下，在S/C2.5以上運行。
10．根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述改性反應(yīng)部具備催化劑Ru/Al2O3。
11．根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述一氧化碳氧化部在化學(xué)計量比、即改性氣體中的一氧化碳氧化用的空氣的理論數(shù)量與所使用的空氣的數(shù)量之比為3～10的條件下運行。
12．根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述一氧化碳氧化部具備催化劑Ru/Al2O3，在120～180℃的溫度下運行。
13．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，具備將所述改性裝置來的改性氣體中的水份、從燃料電池排出的改性氣體、排出的空氣中的水份，以及/或者燃燒氣體中的水份加以回收，作為改性用水的循環(huán)利用手段。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，具備對上述循環(huán)利用的水進行過濾的過濾器、進行凈化的離子交換器，以及貯水的水箱。
15．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，具備通過逆變器及變換器輸出所述燃料電池的電力，使所述燃料電池的電力輸出不因負載而變動的電路。
16．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，具備通過調(diào)節(jié)器連接于所述電氣線路的可充電電池。
17．根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池是具有通過固體高分子膜引入所述改性氣體中的氫氣的燃料極和引入空氣中的氧氣的氧極的固體高分子型的。
全文摘要
本發(fā)明燃料電池發(fā)電系統(tǒng),是使用內(nèi)裝有燃料丁烷氣體的輕便式丁烷貯氣瓶,將部分丁烷氣體作為燃料用,而用改性裝置使其余丁烷氣體與水反應(yīng),生成含氫的改性氣體,利用由上述改性氣體中的氫氣與空氣中的氧氣形成的燃料電池進行發(fā)電,其特征是在于,具備對上述丁烷氣體貯氣瓶來的丁烷氣體的氣化量進行調(diào)節(jié)的手段,以及設(shè)置于從上述丁烷氣體貯氣瓶到上述改性裝置的丁烷氣體提供路徑上的丁烷氣體流量調(diào)節(jié)手段,而且本系統(tǒng)是輕便式的。
文檔編號H01M8/06GK1224538SQ9719616
公開日1999年7月28日 申請日期1997年7月2日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月2日
發(fā)明者工藤均, 山鹿范行, 品川干夫, 安達淳治, 德永嘉則, 中村透, 橋本登, 溝渕學(xué), 絹川謙作 申請人:松下電工株式會社