專利名稱：燃料電池發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用燃料電池發(fā)電的燃料電池發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
具備固體高分子型燃料電池的燃料電池發(fā)電裝置中，在燃料處理器中生成燃料氣體，該燃料氣體被提供給燃料電池的燃料極。在燃料處理器中利用水蒸汽將例如天然氣等發(fā)電原料氣體改性，以此生成富含氫的燃料氣體。另一方面，在燃料電池中，對夾著固體高分子膜與燃料極相對配置的氧化劑極，提供作為氧化劑氣體的空氣。在燃料電池中，使用所提供的燃料氣體和空氣進(jìn)行發(fā)電。
在這樣構(gòu)成的燃料電池發(fā)電裝置中，如果在停止中的裝置內(nèi)部存在富含氫的未反應(yīng)的燃料氣體，就有可能燃料氣體中的氫與空氣發(fā)生接觸引起爆炸事故。因此，為了安全，在裝置運(yùn)行時間以外，有必要從裝置內(nèi)部除掉燃料氣體。
作為從燃料電池發(fā)電裝置內(nèi)部除掉燃料氣體的方法，通常采用使惰性氣體、例如氮?dú)馔ㄟ^氣體供應(yīng)通道流入燃料處理器和燃料電池等，利用氮?dú)膺M(jìn)行凈化，排除存在于各部分中的燃料氣體的方法。但是，為了實施這樣的利用氮?dú)膺M(jìn)行凈化的方法，燃料電池發(fā)電裝置就需要大型的氮?dú)怃撈康鹊獨(dú)赓A存設(shè)備和氮?dú)夤?yīng)裝置等，又需要隨時更換氮?dú)怃撈炕蜻M(jìn)行補(bǔ)充等。因此，導(dǎo)致裝置大型化和復(fù)雜化，增加了裝置的初始成本和運(yùn)行成本。
另一方面，圖8是不利用惰性氣體進(jìn)行凈化，而能夠去除裝置內(nèi)部的燃料氣體的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)模式圖(參照例如專利文獻(xiàn)1WO01/97312號公報)。如圖8所示，這種燃料電池發(fā)電裝置具備燃料處理器2、向燃料處理器2分別提供水、發(fā)電原料氣體以及凈化用空氣的水供給裝置3、發(fā)電原料供給裝置4、凈化用空氣供給裝置5、燃料電池1、向燃料電池1的氧化劑極提供空氣的鼓風(fēng)機(jī)6、在發(fā)電時使燃料電池1冷卻的冷卻裝置(未圖示)、以及使燃料電池1排出的未反應(yīng)的燃料氣體(以下成為“燃料廢氣”)燃燒以對燃料處理器2進(jìn)行加熱的燃燒器8。該燃料電池1是以固體高分子膜為電解質(zhì)膜的固體高分子型電池。水供給裝置3通過配管3a連接于燃料處理器2，發(fā)電原料供給裝置4通過配管4a連接于燃料處理器2，凈化用空氣供給裝置5通過配管5a連接于燃料處理器2。又，通過配管11將燃料處理器2與燃料電池1加以連接。燃料電池1的內(nèi)部，形成連接燃料氣體入口12A與燃料氣體出口12C，向燃料極(未圖示)提供燃料氣體的燃料氣體通道12B，再通過配管13將燃料氣體出口12C與燃燒器8連接。另一方面，鼓風(fēng)機(jī)6通過配管6a連接于燃料電池1的氧化劑極(未圖示)。
在使這樣構(gòu)成的燃料電池發(fā)電裝置停止時，使從發(fā)電原料供給裝置4向燃料處理器2的發(fā)電原料氣體供應(yīng)停止，只從水供給裝置3向燃料處理器2供給水，以在其中生成水蒸汽。然后將該水蒸汽通過配管11提供給燃料電池1，使該水蒸汽通過其內(nèi)部，再通過配管13提供給燃燒器8。以此可以利用水蒸汽將存在于燃料處理器2、燃料電池1以及配管11、13內(nèi)部的燃料氣體排出以進(jìn)行凈化，在燃燒器8使其燃燒。然后，在利用該水蒸汽進(jìn)行凈化之后，由凈化用空氣供給裝置5向燃料處理器2提供空氣，在通過配管11，從燃料處理器2向燃料電池1供給該空氣，使其通過燃料電池1的內(nèi)部。從燃料電池1的燃料氣體出口12C取出的空氣通過配管13向燃燒器8傳送后放出。通過形成這樣的空氣流，利用空氣對燃料處理器2、燃料電池1以及配管11、13的內(nèi)部進(jìn)行凈化。如上所述，采用這樣的結(jié)構(gòu)，不使用氮?dú)獾榷栊詺怏w就能夠從燃料電池發(fā)電裝置的內(nèi)部清除燃料氣體。
但是，在如上所述利用水蒸汽進(jìn)行凈化之后利用空氣進(jìn)行凈化時，提供凈化用的空氣是未加濕狀態(tài)的空氣，因此，燃料電池1的固體高分子膜由于未加濕空氣而發(fā)干。由于固體高分子膜是在濕潤狀態(tài)下發(fā)揮導(dǎo)電性的材料，一旦固體高分子膜這樣發(fā)干，就會發(fā)生膜的內(nèi)部電阻增大等情況，導(dǎo)致膜性能劣化。其結(jié)果是，可能燃料電池1的發(fā)電效率下降。
為了防止這樣的燃料電池1的固體高分子膜發(fā)干，有在利用上述水蒸汽進(jìn)行凈化之后，不是利用未加濕的空氣，而是利用加濕空氣進(jìn)行凈化的方法。但是在利用加濕空氣進(jìn)行凈化的過程中，雖然取得了防止固體高分子膜干燥的效果，但是停止的裝置的各部分的溫度隨著停止時間的經(jīng)過而下降，加濕空氣中所包含的水分(水蒸汽)結(jié)露產(chǎn)生水，滯留于裝置的各部分。而且，一旦這種水滯留在例如配管11、13和燃料處理器2的內(nèi)部的氣體通道上，則在裝置重新啟動時，燃料氣體等氣體的流通變得不穩(wěn)定，在最壞的情況下，有可能發(fā)生氣體通道被水堵塞，氣體供應(yīng)停止，燃料電池發(fā)電裝置緊急停止的危險。
但是，利用氮?dú)獾榷栊詺怏w進(jìn)行的凈化不限于燃料電池發(fā)電裝置停止時，在裝置啟動時也能進(jìn)行。通過在啟動時進(jìn)行凈化，清除在停止中裝置內(nèi)存在的氣體，為發(fā)電的開始調(diào)整裝置的狀態(tài)。在這樣的啟動時進(jìn)行的凈化中也使用氮?dú)獾?，因此也發(fā)生與上面所述相同的問題。又，在裝置啟動時，使燃料處理器2和燃料電池1等各部分升溫到發(fā)電時的工作溫度，但是燃料電池1只要升高到70℃左右即可，而燃料處理器2需要升高到700℃的高溫。因而，燃料處理器2的升溫需要時間，因此在燃料處理器2升溫時燃料電池1的固體高分子膜有可能發(fā)干。因此產(chǎn)生與上面所述相同的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上面所述的問題而作出的，其目的在于提供能夠充分確保安全，并且能夠謀求降低初始成本和運(yùn)行成本，同時能夠穩(wěn)定地進(jìn)行高效率發(fā)電的燃料電池發(fā)電裝置。
為了解決上述問題，本發(fā)明第1種燃料電池發(fā)電裝置，具備利用用水和改性催化劑將發(fā)電原料改性為含氫的燃料氣體的燃料處理器、用氧化劑氣體及所述燃料氣體進(jìn)行發(fā)電的燃料電池、使在所述燃料電池沒有使用的所述燃料氣體燃燒，加熱所述燃料處理器的燃燒器、連接于所述燃料處理器、所述燃料電池、及與所述燃燒器連接的燃料氣體通道、向所述燃料處理器提供所述水的水供給裝置、向所述燃燒處理器供給所述發(fā)電原料的發(fā)電原料供給裝置、以及將所述燃料氣體凈化用的空氣提供給所述燃料處理器的凈化用空氣供給裝置，在這種燃料電池發(fā)電裝置中，在所述燃料電池停止動作時，實施利用水蒸汽對所述燃料處理器及所述燃料電池內(nèi)部進(jìn)行掃氣的第1凈化之后，實施利用加濕空氣對所述燃料電池內(nèi)部進(jìn)行掃氣的第2凈化和利用未加濕的空氣對所述燃料處理器內(nèi)部進(jìn)行掃氣的第3凈化。
也可以在所述第1凈化中提供了超過從所述燃料處理器到所述燃料電池的容積的水蒸汽的時刻開始所述第2凈化。
也可以是所述第3凈化在所述燃料處理器的溫度下降到即使提供空氣，改性催化劑也不劣化的溫度以下的時刻開始。
在所述第1凈化中，用所述水供給裝置提供的所述水在所述燃料處理器中生成水蒸汽，同時使所述水蒸汽至少在所述燃料處理器流通，以此至少將所述燃料處理器內(nèi)部存在的所述燃料氣體從該部分中排除，在所述第2凈化中，與提供所述水同時，從所述凈化用空氣供給裝置再向所述燃料處理器提供所述空氣，以此在所述燃料處理器中將所述水蒸汽和所述空氣混合，生成加濕空氣，使所述加濕空氣通過所述燃料處理器、所述燃料電池、以及所述燃料氣體通道流動，以此將所述燃料處理器、所述燃料電池、以及所述燃料氣體通道內(nèi)部存在的所述燃料氣體從該部分排除，在所述第3凈化中，使所述水供給裝置停止供給，從而只將所述空氣提供給所述燃料處理器，使未加濕的空氣流入所述燃料處理器和所述燃料氣體通道，以此將所述燃料處理器和所述燃料氣體通道的內(nèi)部存在的所述加濕空氣從該部分排除。
采用這樣的結(jié)構(gòu)，在不使用氮?dú)獾榷栊詺怏w的情況下進(jìn)行凈化，因此可以不設(shè)置惰性氣體的鋼瓶等貯存設(shè)備和供給設(shè)備等，能夠有效利用發(fā)電時使用的裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行凈化。又，不必進(jìn)行鋼瓶的補(bǔ)充和替換。從而能夠確保裝置的安全，并且能夠謀求降低設(shè)備成本和運(yùn)行成本。
又，在低于水蒸汽的露點(diǎn)溫度的溫度下的燃料電池中，即使是由于水蒸汽結(jié)露，在第1凈化中難于充分趕走燃料氣體，在這里由于在進(jìn)行第1凈化之后利用加濕空氣進(jìn)行第2凈化，利用加濕空氣中的空氣成分能夠趕走燃料電池中的燃料氣體。而且，在這種情況下，在燃料電池中加濕空氣中的水蒸汽成分結(jié)露生成水，因此可以利用水保持燃料電池的固體高分子膜的濕潤狀態(tài)。
而且，在這里，在利用加濕空氣進(jìn)行的第2凈化后，由于在除燃料電池以外的部分利用未加濕空氣進(jìn)行第3凈化，在燃料處理器和燃料氣體通道中由結(jié)露產(chǎn)生的水可以利用未加濕的空氣使其干燥去除。而且，可以將在這些部分中存在的加濕空氣置換為未加濕的空氣，因此即使在停止工作時這些部分的溫度下降也能夠防止結(jié)露生成水的情況發(fā)生。因此能夠防止在這些部分滯留水，從而能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。而且該第3凈化在除了燃料電池以外的地方進(jìn)行，因此在燃料電池中能夠保持所述第2凈化中的固體高分子膜的濕潤狀態(tài)。因此能夠防止固體高分子膜的干燥引起的燃料電池的性能劣化，能夠?qū)崿F(xiàn)耐久使用性能。
也可以是，所述燃料氣體通道具有連接所述燃料處理器和所述燃料電池的第1通道、連接所述燃料電池和所述燃燒器的第2通道、在所述第1和所述第2通道上分別連接端部，旁路經(jīng)過所述燃料電池，將所述第1通道和所述第2通道加以連接的第3通道、切換通過所述第1通道從所述燃料處理器到達(dá)所述燃料電池的燃料電池供給管道和依序通過所述第1、所述第3、以及所述第2通道從所述燃料處理器到達(dá)所述燃燒器的燃料電池旁路管道的管道切換手段、在所述第2通道上，設(shè)置于比該第2通道和所述第3通道的連接部更上游的位置上的密封閥，在所述第3凈化時，封閉所述密封閥，同時切換所述管道切換手段，以形成所述燃料電池旁路管道，借助于此，使所述未加濕的空氣通過所述燃料電池旁路管道從所述燃料處理器旁路通過燃料電池提供給所述燃燒器。
采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)在燃料電池中不進(jìn)行第3凈化的結(jié)構(gòu)。
最好是所述第2凈化中使用的所述加濕空氣的露點(diǎn)溫度高于發(fā)電時的所述燃料電池的工作溫度。
在裝置停止工作時，燃料電池的溫度在發(fā)電時的工作溫度以下，因此采用這樣的結(jié)構(gòu)，在第2凈化時，提供給燃料電池的加濕空氣的水蒸汽成分結(jié)露生成水。因此能夠利用生成的水保持燃料電池的固體高分子膜的濕潤狀態(tài)。
也可以是，在第1凈化中，在所述燃料處理器中生成的所述水蒸汽的量至少超過在所述燃料處理器內(nèi)形成的燃料氣體通道的容積，而且所述燃料處理器的溫度如果是所述燃料處理器的所述催化劑不被空氣氧化的溫度，則開始從所述凈化用空氣供給裝置向所述燃料處理器提供所述空氣，然后從所述第1凈化切換到所述第2凈化。
也可以是，在所述第2凈化中，從所述凈化用供氣供給裝置向所述燃料處理器提供的所述空氣的量如果大于所述燃料處理器內(nèi)和所述燃料電池內(nèi)的燃料氣體通道的容積的合計值，則所述水供給裝置停止供水，從所述第2凈化切換到所述第3凈化。
發(fā)明效果本發(fā)明的燃料電池發(fā)電裝置能夠充分確保安全，同時能夠謀求降低裝置的初始成本和運(yùn)行成本，同時能夠提高耐用性，實現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。


圖1是本發(fā)明實施形態(tài)1的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實施形態(tài)2的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明實施形態(tài)3的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明實施形態(tài)4的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是表示圖1的燃料電池發(fā)電裝置的控制裝置內(nèi)貯存的控制程序的內(nèi)容概要的流程圖。
圖6是概略表示圖5的控制程序的停止動作的內(nèi)容的流程圖。
圖7是概略表示圖5的控制程序的啟動動作的內(nèi)容的流程圖。
圖8是現(xiàn)有的燃料電池發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)的模式圖。
符號說明1 燃料電池2 燃料處理器3 水供給裝置4 發(fā)電原料供給裝置5 凈化用空氣供給裝置6 鼓風(fēng)機(jī)3a、4a、5a、6a配管7 冷卻裝置7a循環(huán)配管7b泵
7c放熱器8 燃燒器11配管12A 燃料氣體入口12B 燃料氣體通道12C 燃料氣體出口13配管14密封閥15管道切換手段16旁路配管18加濕空氣生成裝置20加濕氣體生成裝置21、22、23配管24旁路配管25冷卻水加熱器26冷卻水管道切換手段27水蒸汽生成裝置28、30配管50控制裝置A 第一通道B 第二通道具體實施方式
下面參照附圖對本發(fā)明的實施形態(tài)1進(jìn)行說明。圖中標(biāo)以相同符號的結(jié)構(gòu)要素是相同或與其相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)要素。
實施形態(tài)1圖1是本發(fā)明實施形態(tài)1的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖1所示，本實施形態(tài)的燃料電池的發(fā)電裝置具備水供給裝置3、發(fā)電原料供給裝置4、凈化用空氣供給裝置5、燃料處理器2、具有固體高分子膜的燃料電池1、提供空氣用的鼓風(fēng)機(jī)6、燃燒器8、冷卻裝置7、以及控制裝置50。還有，控制裝置50對各結(jié)構(gòu)要素3、4、5、2、1、6、8、7以及下述管道切換手段15和密封閥14進(jìn)行控制，下述燃料電池發(fā)電裝置的一連串動作通過控制裝置50的控制進(jìn)行(在圖中只進(jìn)行了簡單表示)。
水供給裝置3通過配管3a，發(fā)電原料供給裝置4通過配管4a，凈化用空氣供給裝置5通過配管5a，分別連接于燃料處理器2。在燃料處理器2的下部配置對燃料處理器2進(jìn)行加熱的燃燒器8。燃料處理器2通過配管11連接于燃料電池1的燃料氣體入口12A。燃料電池1內(nèi)形成將從燃料氣體入口12A向電池內(nèi)部提供的燃料氣體經(jīng)燃料極(未圖示)引向燃料氣體出口12C的燃料氣體通道12B。又，將燃料氣體出口12C出來的燃料氣體引向燃燒器8的配管13將燃料電池1和燃燒器8加以連接。而且，在配管11上配設(shè)作為管道切換手段15的三通閥，在該三通閥的一個接口上連接旁路配管16的一端。而旁路配管16的另一端連接于配管13，這樣，管道切換手段15就能夠切換從燃料處理器2通過配管11到達(dá)燃料電池1的第1通道A和旁路經(jīng)過燃料電池1從配管11直接到達(dá)配管13的第2通道B。這樣的三通閥是形成能夠切換例如第1管道A和第2管道B的結(jié)構(gòu)的電動閥，該電動閥通過控制裝置50進(jìn)行自動控制。又，在配管13上配置密封閥14，將其配置于比與旁路配管16的連接部上游的位置。在這里，密封閥14使用形成能夠自動控制的結(jié)構(gòu)的電動閥。
在冷卻裝置7中，配設(shè)能夠使冷卻水通往燃料電池1的循環(huán)配管7a，該循環(huán)配管7a的中途配設(shè)使冷卻水升壓的泵7b和放熱器(冷卻器)7c。又，鼓風(fēng)機(jī)6通過配管6a連接于燃料電池1。
在這里，燃料處理器2主要由改性部、一氧化碳變質(zhì)部、一氧化碳凈化部構(gòu)成(未圖示)。在這里，改性部具備以釕為主成分的催化劑，利用該催化劑，如下所述用所提供的水和發(fā)電原料氣體(例如天然氣)進(jìn)行改性反應(yīng)，生成富含氫的燃料氣體。這樣在改性部生成的燃料氣體，其一氧化碳濃度高，如將該一氧化碳濃度高的燃料氣體提供給燃料電池1，則燃料電池1將劣化。因此在改性部生成的燃料氣體被依序提供給一氧化碳變質(zhì)部和一氧化碳凈化部，以此除去燃料氣體中的一氧化碳，將一氧化碳濃度減少到20ppm以下。
下面對燃料電池發(fā)電裝置的動作進(jìn)行說明。
圖5是表示圖1的燃料電池發(fā)電裝置的控制裝置50內(nèi)貯存的控制程序的內(nèi)容概要的流程圖。又，圖6是概略表示圖5的控制程序的停止動作的內(nèi)容的流程圖，圖7是概略表示圖5的控制程序的啟動動作的內(nèi)容的流程圖。
如圖5所示，燃料電池發(fā)電裝置根據(jù)運(yùn)行開始指令啟動(圖5步驟S1)，然后，在裝置的狀態(tài)整備之后進(jìn)行發(fā)電工作(圖5步驟S2)。接著，在發(fā)電動作進(jìn)行了規(guī)定的時間之后，進(jìn)行使裝置停止用的動作(以下將其稱為停止模式的動作，以區(qū)別于裝置停止著的停止期間。燃料電池發(fā)電裝置經(jīng)過停止模式之后進(jìn)入停止期間)后停止(圖5步驟S4)。在燃料電池發(fā)電裝置中，反復(fù)進(jìn)行如上所述的各種動作(圖5步驟S1～S4)。
在下面按照燃料電池發(fā)電裝置發(fā)電時的動作(步驟S2)、停止時的動作(步驟S3)、裝置啟動時的動作(步驟S1)這樣的順序進(jìn)行說明。
在燃料電池發(fā)電裝置發(fā)電時(步驟S2)，對管道切換手段15進(jìn)行切換，以形成通過配管11從燃料處理器2向燃料電池1的第1管道A，又，將配管13中的密封閥14打開。然后，從水供給裝置3通過配管3a將水提供給利用燃燒器8進(jìn)行加熱，溫度維持在700℃左右的燃料處理器2的改性部(未圖示)，同時，從發(fā)電原料供給裝置4通過配管4a提供發(fā)電原料氣體(在這里是天然氣)。在燃料處理器2的改性部，所提供的水變成水蒸汽，同時利用該水蒸汽使發(fā)電原料氣體進(jìn)行改性，生成富含氫的燃料氣體。所生成的燃料氣體被依序提供給一氧化碳變質(zhì)部和一氧化碳凈化部(均未圖示)，以此，去除一氧化碳直到其濃度處于低水平。
如上所述，在發(fā)電時切換管道切換手段15，以形成第1管道A，因此燃料處理器2生成的燃料氣體能夠通過配管11經(jīng)過第1管道A提供給燃料電池1的燃料氣體入口12A。然后通過燃料氣體通道12B提供給燃料極(未圖示)。另一方面，對燃料電池1的氧化劑極(未圖示)，從鼓風(fēng)機(jī)通過配管6a提供作為氧化劑氣體的空氣。
在燃料電池1中，如上所述提供的燃料氣體與空氣發(fā)生反應(yīng)，以此進(jìn)行發(fā)電。在這樣進(jìn)行發(fā)電時，燃料電池1產(chǎn)生熱，因此利用冷卻裝置7進(jìn)行燃料電池1的冷卻。在冷卻裝置7中，利用泵7b升壓的冷卻水通過循環(huán)配管7a通入燃料電池1。以此將燃料電池1的熱量回收到冷卻水中?；厥諢岬睦鋮s水再與放熱器7c進(jìn)行熱交換，以此放熱冷卻。然后將該冷卻水再度提供給燃料電池1，以此將燃料電池1的溫度保持在70℃左右。
燃料電池1的發(fā)電反應(yīng)未消耗的殘留燃料氣體，作為燃料廢氣經(jīng)過燃料氣體的通道12B從燃料氣體出口12C排出，進(jìn)入配管13。如上所述，在發(fā)電時配管13的密封閥14打開著，因此燃料廢氣可以通過配管13提供給燃燒器8。然后，在燃燒器8中作為燃燒氣體使用，作為維持燃料處理器2的溫度用的熱源使用。
在使這樣進(jìn)行發(fā)電的裝置停止時(也就是圖5的停止模式(步驟S3))，使鼓風(fēng)機(jī)6停止，停止向燃料電池1提供空氣，同時使冷卻水裝置7停止工作。然后，利用水蒸汽、加濕空氣、以及未加濕的空氣(以下記為“未加濕空氣”)，對燃料處理器2、燃料電池1、以及氣體供給通道11、13等進(jìn)行凈化。
在利用水蒸汽進(jìn)行凈化(圖6的步驟S3-1)時，與發(fā)電時一樣進(jìn)行管道切換手段15的切換，以形成第1管道A，同時打開密封閥14。然后，首先使發(fā)電原料供給裝置4停止，停止對燃料處理器2供應(yīng)發(fā)電原料氣體。這時繼續(xù)從水供給裝置3對燃料處理器2供應(yīng)水。提供給燃料處理器2的水在燃料處理器2變成水蒸汽，但是在這里由于停止了發(fā)電原料氣體的供應(yīng)，在燃料處理器2不進(jìn)行改性反應(yīng)，因此該水蒸汽滯留在燃料處理器2內(nèi)。然后，利用該水蒸汽將燃料處理器2內(nèi)存在的燃料氣體壓出到配管11。被壓出到配管11的燃料氣體通過配管11經(jīng)過第1管道A從燃料氣體入口12A被引入燃料電池1，借助于此，存在于配管11和燃料電池1內(nèi)的燃料氣體依序被從這些部分推出。燃料氣體通過燃料氣體通道12B通入燃料電池1內(nèi)，然后從燃料氣體出口12C經(jīng)過配管13被送往燃燒器8。這樣，從燃料處理器2、配管11、燃料電池1及配管13被趕出的燃料氣體被送到燃燒器8，在這里，作為燃燒氣體使用。這樣，通過利用水蒸汽進(jìn)行凈化，能夠利用水蒸汽將燃料處理器2內(nèi)和燃料電池1內(nèi)的燃料氣體清除掉。
如果利用上述水蒸汽繼續(xù)進(jìn)行凈化，從燃料處理器2和燃料電池1等清除出的燃料氣體的量就會逐步減少。因此，提供給燃燒器8的燃料氣體的量逐步減少，隨著這一減少，燃燒器8中的燃燒停止。在這里，燃料處理器2在發(fā)電時維持于700℃左右的高溫，因此，即使燃燒器8進(jìn)行的加熱停止，燃料處理器2中也能夠利用余熱繼續(xù)生成水蒸汽。因此，能夠利用該水蒸汽繼續(xù)進(jìn)行上述凈化。然后，在這樣的利用燃料處理器2的余熱的水蒸汽進(jìn)行的凈化的同時，燃料處理器2的溫度逐漸下降。
接著，如果燃料處理器2中生成的凈化用的水蒸汽的量至少達(dá)到能夠把燃料處理器2內(nèi)和燃料電池1內(nèi)的燃料氣體充分趕出的量、例如實際上與燃料處理器2內(nèi)到燃料電池1的燃料氣體通道的容積相同的量，而且燃料處理器的溫度下降到即使向燃料處理器2提供空氣，改性部的催化劑也不氧化的溫度，就從上述利用水蒸汽的凈化切換到利用加濕空氣的凈化(圖6的步驟S3-2)。
對于該加濕空氣的切換，可以根據(jù)直接檢測為了發(fā)生水蒸汽而提供給燃料處理器2的水量決定凈化的切換時間，也可以根據(jù)向燃料處理器2供水的供給時間決定切換時間。而且，在這里，如上所述，燃料處理器2的改性部的催化劑以釕為主成分，因此，在考慮到某一程度的安全系數(shù)的情況下，設(shè)定不會使釕被空氣所氧化影響催化劑性能的溫度。例如，如果燃料處理器2在400℃以下(在這里約為400℃)，就提供加濕空氣，如下所述，利用加濕空氣進(jìn)行凈化。還有，這樣的燃料處理器2的溫度設(shè)定是相應(yīng)于安全系數(shù)的設(shè)定條件而改變的，又，隨著催化劑的種類而改變。因此，最好是不限定于上述溫度，而是根據(jù)條件適當(dāng)進(jìn)行設(shè)定。
利用加濕空氣進(jìn)行的凈化，與利用水蒸汽進(jìn)行的凈化一樣，將管道切換手段15加以切換，以形成第1管道A，同時，打開密封閥14。然后，繼續(xù)如上所述從水供給裝置3向燃料處理器2供水，使其產(chǎn)生水蒸汽。而且一邊這樣在燃料處理器2產(chǎn)生水蒸汽，一邊從凈化用空氣供給裝置5向燃料處理器2提供空氣。借助于此，在燃料處理器2將水蒸汽與空氣加以混合，生成加濕空氣。在這種情況下，如上所述，燃料處理器2內(nèi)的燃料氣體被水蒸汽所清除、凈化，因此，在燃料處理器2內(nèi)，燃料氣體與空氣不直接接觸，能夠確保安全。
加濕空氣中空氣和水蒸汽的比例設(shè)定為，使其露點(diǎn)溫度在燃料電池1的發(fā)電時的工作溫度之上。具體地說，在提供給燃料處理器2的空氣流量為10L/分的情況下，水的供給流量調(diào)整為3.6g/分，以此生成露點(diǎn)溫度為70℃以上的加濕空氣。通過這樣設(shè)定加濕空氣的露點(diǎn)溫度，如下所述，在發(fā)電時的工作溫度以下的停止工作時的燃料電池1中，由于結(jié)露產(chǎn)生水，能夠使燃料電池1的固體高分子膜保持濕潤狀態(tài)。
在燃料處理器2中生成的加濕空氣經(jīng)過配管11通過第1管道A被提供給燃料電池1。在燃料電池1中，加濕空氣從燃料氣體入口12A進(jìn)入燃料氣體通道12B，經(jīng)過該通道12B達(dá)到燃料氣體出口12C。在這里，如上所述，停止工作時的燃料電池1的溫度在發(fā)電時的工作溫度(即約70℃)以下，因此，在露點(diǎn)溫度為70℃以上的加濕空氣的情況下，燃料氣體通道12B內(nèi)，水蒸汽成分結(jié)露形成水，因此，除去結(jié)露的水蒸汽成分的飽和狀態(tài)的加濕空氣在從燃料氣體出口12C進(jìn)入配管13，通過配管13被送到燃燒器8放出。利用形成這樣的加濕空氣的氣流，進(jìn)行用加濕空氣的凈化，將水蒸汽凈化時不能夠充分排出的，殘留在燃料電池1和配管13內(nèi)的燃料氣體從這些部分趕出。被趕出的燃料氣體通過配管13被送到燃燒器8后，向外部排放。另一方面，在燃料電池1的內(nèi)部，通過結(jié)露產(chǎn)生水保持固體高分子膜的濕潤狀態(tài)。
但是在上述利用加濕空氣進(jìn)行的凈化中，燃料氣體8中的燃燒微弱或停止，因此，隨著時間的經(jīng)過，燃料處理器2、燃料電池1、配管11、13等裝置各部分的溫度下降。于是，一旦這些部分的溫度下降到加濕空氣的露點(diǎn)溫度以下，加濕空氣中的水蒸汽成分就形成露水，這些水滯留在裝置的各部分。在裝置的各部分中，燃料電池1中，由于水滯留在內(nèi)部能夠如上所述保持固體高分子膜的濕潤狀態(tài)，因此，水的存在是有利的，但是，在燃料處理器2和配管11、13中等滯留在管道中的水會堵塞氣體的管道。其結(jié)果是，在例如使裝置重新啟動時，有可能引起氣體流通不穩(wěn)定的情況發(fā)生。因此，在本實施形態(tài)中，為了防止燃料電池發(fā)電裝置停止工作后的燃料處理器2和配管11、13中的露水的發(fā)生和水的滯留，如下所述，用未加濕空氣對除了燃料電池1以外的部分進(jìn)行凈化(圖6的步驟S3-3)。
也就是說，使能夠?qū)⑷剂咸幚砥?和燃料電池1等內(nèi)部存在的燃料氣體和水蒸汽成分趕出的量、例如，燃料處理器2的容積和燃料電池1的容積的合計值以上的量(具體地說，該合計值的2～3倍的量)的加濕空氣如上所述流通。而且，如果燃料處理器2的溫度在提供空氣時也低于改性部的催化劑不被氧化的溫度，或是使加濕空氣繼續(xù)流通到使其下降至該溫度以下之后，將管道切換手段15加以切換，以形成從配管11流向旁路配管16的第2管道B，同時關(guān)閉密封閥14。然后使水供給裝置3停止工作以停止水的供應(yīng)，只有空氣還繼續(xù)從凈化用空氣供給裝置5向燃料處理器2提供。由于停止了水的供應(yīng)，在燃料處理器2中不再生成水蒸汽，因此，提供給燃料處理器2的空氣不加濕。于是，該未加濕空氣從燃料處理器2進(jìn)入配管11再通過配管16，經(jīng)過第1管道B進(jìn)入配管13。再送往燃燒器8后放出到外部。利用這樣形成的未加濕空氣的流動，將燃料處理器2、配管11、13內(nèi)存在的加濕空氣趕出，進(jìn)行凈化。
這樣，利用以未加濕空氣進(jìn)行的凈化，燃料處理器2、配管11、13內(nèi)的加濕空氣被未加濕空氣所置換，因此，即使是停止運(yùn)行時裝置各部分保持于低溫的情況下，也能夠防止燃料處理器2、配管11、13內(nèi)部結(jié)露產(chǎn)生水的情況發(fā)生。在上述利用加濕空氣進(jìn)行的凈化中滯留在氣體管道中的水，可以利用未加濕空氣使其干燥，將其從氣體管道中排出。另一方面，該利用未加濕空氣進(jìn)行的凈化，通過經(jīng)過燃料電池旁路的通道進(jìn)行，因此，未加濕空氣沒有向燃料電池1提供，在燃料電池1中，利用加濕空氣進(jìn)行的凈化中產(chǎn)生的水得以保持，固體高分子膜被保持于濕潤狀態(tài)。因此，能夠防止燃料電池1的固體高分子膜發(fā)干，并且能夠防止其他各部分中水的滯留。
在利用未加濕空氣進(jìn)行凈化之后，使凈化用空氣供給裝置6停止工作，停止對燃料處理器2供給空氣。如上所述，使燃料電池發(fā)電裝置停止時的一連串動作結(jié)束，使裝置停止工作(圖5的步驟S4)。
在本實施形態(tài)中，利用水蒸汽進(jìn)行凈化之后再加加濕空氣進(jìn)行凈化，因此對于溫度比水蒸汽的露點(diǎn)溫度低，因水蒸汽結(jié)露，在水蒸汽凈化時難以充分趕走燃料電池1內(nèi)的燃料氣體，也能夠利用加濕空氣充分趕走燃料氣體。而且在利用加濕空氣進(jìn)行凈化時，由于加濕空氣中的水蒸汽充分結(jié)露形成水，利用所形成的水能夠保持燃料電池1的固體高分子膜的濕潤狀態(tài)。而且在這種情況下，利用水蒸汽凈化至少能夠去除燃料處理器2的燃料氣體，因此即使是向燃料處理器2提供加濕空氣，也由于燃料氣體與空氣沒有直接接觸，因而能夠確保安全。而且，在利用加濕空氣進(jìn)行凈化之后，利用未加濕空氣對除了燃料電池1以外的部分進(jìn)行凈化，因此能夠保持燃料電池1的固體高分子膜的濕潤狀態(tài)，而且能夠去除滯留于燃料處理器2和配管11、13中的水、和裝置停止工作期間將會結(jié)露形成水的這部分水蒸汽。
下面參照圖7對停止著的燃料電池啟動時的動作(圖5中的步驟S1)進(jìn)行說明。啟動時，首先將配管切換手段15加以切換，以形成通過配管11從燃料處理器2向燃料電池1的第1管道A，同時打開密封閥14。然后，從發(fā)電原料供給裝置4通過配管4a向燃料處理器2提供發(fā)電原料氣體，在從燃料處理器2通過配管11向燃料電池1提供發(fā)電原料氣體。提供給燃料電池1的發(fā)電原料氣體從燃料氣體入口12A向燃料氣體出口12C通過燃料氣體通道12B內(nèi)部移動。從燃料氣體出口12C取得的發(fā)電原料氣體通過配管13提供給燃燒器8。通過形成這樣的發(fā)電原料氣體流，能夠利用發(fā)電燃料氣體將停止期間在燃料處理器2、配管11、燃料電池1、以及配管13內(nèi)存在的氣體趕出去。
提供給燃燒器8的發(fā)電原料氣體作為燃燒氣體在這里得到利用，以此對燃料處理器2進(jìn)行加熱。在這里，燃料處理器2的溫度，不再是向燃料處理器2提供發(fā)電原料氣體和水，也不生成燃料氣體(即不進(jìn)行改性反應(yīng))的溫度，而是生成下述加濕發(fā)電原料氣體的溫度，而且使燃料處理器2的溫度升高到在燃料處理器2中發(fā)電原料氣體中的碳發(fā)生碳化析出的溫度以下的溫度(圖7的步驟S1-1)。例如在這里，使燃料處理器2升高到約200℃以內(nèi)。在這種情況下，控制發(fā)電原料供給裝置4，調(diào)整提供給燃燒器8的發(fā)電原料氣體的供給量，以此調(diào)整在燃燒器得到的熱量，以調(diào)整燃料處理器2的溫度。還有，在這里，將燃料處理器2的溫度升高到約200℃以內(nèi)，但是，燃料處理器2的升溫溫度并不限于此，而是相應(yīng)于燃料處理器2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和催化劑的結(jié)構(gòu)適當(dāng)設(shè)定。
燃料處理器2的溫度如果達(dá)到約200℃，就利用水供給裝置3通過配管3a向燃料處理器2供水。借助于此，在燃料處理器2內(nèi)，使所提供的水變成水蒸汽，該水蒸汽與上述發(fā)電原料氣體混合生成加濕發(fā)電原料氣體。在這里，加濕發(fā)電原料氣體通過調(diào)整發(fā)電原料氣體和水蒸汽的混合比例使其露點(diǎn)溫度高于啟動時的燃料電池1的升溫設(shè)定溫度生成。在這種情況下，如下所述，使燃料電池1升溫到約80℃，因此，加濕發(fā)電原料氣體的露點(diǎn)溫度設(shè)定在80℃以上。例如，向燃料處理器2提供的發(fā)電原料氣體的供給量為10L/分的情況下，向燃料處理器2的供水量為7.1g/分以上，以此生成露點(diǎn)溫度80℃以上的加濕發(fā)電原料氣體。通過這樣設(shè)定加濕發(fā)電原料氣體的露點(diǎn)溫度，如下所述，在加濕發(fā)電原料氣體的露點(diǎn)溫度以下的燃料電池1中，使其結(jié)露生成水，利用所生成的水保持燃料電池1的固體高分子膜的濕潤狀態(tài)。
如上所述，在燃料處理器2生成的加濕發(fā)電原料氣體通過配管11經(jīng)過第1管道A提供給燃料電池1。加濕發(fā)電原料氣體在燃料電池1中從燃料氣體入口12A通過燃料氣體通道12B到達(dá)燃料氣體出口12C，在通過配管13被送到燃燒器8用于燃燒。利用這樣使加濕發(fā)電原料氣體流通的方法提供加濕發(fā)電原料氣體的熱量使燃料電池1升溫(圖7的步驟S1-2)。然后，如果燃料電池1的溫度到達(dá)約80℃，則將管道切換手段15加以切換，以形成旁路通過燃料電池1的第2管道B，同時關(guān)閉密封閥14。以此實現(xiàn)在燃料電池1內(nèi)封入加濕發(fā)電原料氣體的結(jié)構(gòu)(圖7的步驟S1-3)。
還有，使燃料電池1升溫到比發(fā)電時的工作溫度(70℃左右)高的約80℃，是因為，如下所述，由于將燃料電池1放置到燃料處理器2的溫度穩(wěn)定，因此在該放置過程中燃料電池1的溫度下降，考慮到這種情況，將其設(shè)定在比該工作溫度高的溫度上。在這里，估計到在放置過程中溫度下降，將燃料電池1的升溫設(shè)定溫度設(shè)定為約80℃，以使其動作結(jié)束時的燃料電池1的溫度為發(fā)電時的工作溫度、即70℃左右。
如上所述在燃料電池1內(nèi)封入加濕發(fā)電原料氣體時，如上所述加濕發(fā)電原料氣體由于其露點(diǎn)溫度被設(shè)定在80℃以上，因此加濕空氣中的水蒸汽成分在燃料電池1內(nèi)結(jié)露生成水。利用所生成的水可以使燃料電池1的固體高分子膜保持濕潤狀態(tài)。
這樣一邊在燃料電池1內(nèi)封入加濕發(fā)電原料氣體的狀態(tài)，一邊向燃料處理器2提供發(fā)電原料氣體和水，使燃料處理器2的溫度達(dá)到適合生成燃料氣體的溫度、在這里是700℃左右。在燃料處理器2中，在未達(dá)到改性反應(yīng)的溫度的狀態(tài)下，如上所述，生成加濕發(fā)電原料氣體，但是，隨著溫度的上升，改性反應(yīng)進(jìn)行中生成燃料氣體。在燃料處理器2生成的加濕發(fā)電原料和燃料氣體通過配管11，通過第2管道B進(jìn)入配管16。然后再通過配管13被送到燃燒器8用于燃燒(圖7的步驟S1-4)。
在這樣的情況下，調(diào)整從發(fā)電原料供給裝置4提供的發(fā)電原料氣體的供應(yīng)量，使燃料處理器2的溫度為700℃左右。又在燃料處理器2中的改性反應(yīng)中調(diào)整水供給裝置3提供的水量，以生成富含氫的燃料氣體。在這里，對水的供給量進(jìn)行調(diào)整，使所提供的水量包含的氫原子數(shù)目為發(fā)電原料氣體、即天然氣的組成中的碳原子數(shù)的5～6倍左右。
但是，即使是燃料處理器2的溫度達(dá)到設(shè)定溫度即700℃左右，在燃料處理器2的整體溫度穩(wěn)定之前，所生成的燃料氣體中所包含的一氧化碳的濃度也是高的。如上所述，如果提供一氧化碳濃度高的燃料氣體，則燃料電池1的性能將會劣化，因此，在燃料處理器2的溫度穩(wěn)定之前的期間，在燃料處理器2中生成的一氧化碳濃度高的燃料氣體不提供給燃料電池1，而通過配管11、配管16以及配管13被送往燃燒器8。
另一方面，如上所述，使燃料處理器2升溫到700℃然后使其穩(wěn)定于該溫度的期間，燃料電池1如上所述在將加濕發(fā)電原料氣體封入的狀態(tài)下放置，因此固體高分子膜保持濕潤狀態(tài)。
如果燃料處理器2的總體溫度在700℃左右穩(wěn)定下來，生成的燃料氣體中包含的一氧化碳濃度在20ppm以下的低濃度，就將密封閥14打開。又，與此同時，將管道切換手段15加以切換，以通過配管11，再通過第1管道A將燃料氣體提供給燃料電池1。以此將在燃料處理器2中生成的燃料氣體通過配管11提供給燃料電池1。然后在提供該燃料的同時，從鼓風(fēng)機(jī)6通過配管6a向燃料電池1提供空氣。以此在燃料電池1進(jìn)行發(fā)電(圖5的步驟S2)。發(fā)電動作如上面所述。
如上所述，在本實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電裝置中，在裝置停止工作時和啟動時，可以不使用氮?dú)獾榷栊詺怏w進(jìn)行凈化，因此，不必設(shè)置凈化用的惰性氣體的貯存裝置和供給裝置等設(shè)備。因此，能夠謀求降低裝置的初始成本和運(yùn)行成本。又，在停止工作時和啟動時，能夠防止燃料電池1的固體高分子膜的發(fā)干，因此能夠防止燃料電池1的耐用性變壞。而且，在停止動作時，由于在利用加濕空氣進(jìn)行凈化之后利用未加濕空氣進(jìn)行凈化，因此能夠防止露水堵塞氣體通道。因此在重新啟動裝置時能夠迅速而且穩(wěn)定地使裝置運(yùn)行。
還有，在上面所述中對于在燃料電池發(fā)電裝置啟動時使加濕發(fā)電原料氣體通入燃料電池1進(jìn)行凈化同時將該氣體封入，又在裝置停止工作時使水蒸汽、加濕空氣以及對加濕空氣通入燃料處理器2、燃料電池1、以及配管11、13等依序進(jìn)行凈化的情況進(jìn)行說明，但是，這樣的啟動時的動作和停止時的動作未必一定要兩者組合進(jìn)行。例如也可以是只在燃料發(fā)電裝置停止時進(jìn)行上述停止動作的結(jié)構(gòu)，也可以是只在啟動時進(jìn)行上述啟動動作的結(jié)構(gòu)。
實施形態(tài)2圖2是本發(fā)明實施形態(tài)2的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電裝置具有與實施形態(tài)1相同的結(jié)構(gòu)，但是還具備向燃料電池1提供的加濕空氣生成用的加濕空氣生成裝置18，這一點(diǎn)是與實施形態(tài)1不同的。
也就是說，本實施形態(tài)的裝置中，利用配管21將水供給裝置3與加濕空氣生成裝置18加以連接，同時，利用配管30將凈化用空氣供給裝置5和加濕空氣生成裝置18加以連接。又，利用配管23將加濕空氣生成裝置18與配管11的管道切換手段15的下游部加以連接。加濕空氣生成裝置18具備作為加熱手段的加熱器。其它結(jié)構(gòu)與實施形態(tài)1相同。
又，燃料電池發(fā)電裝置的動作，圖5中的燃料電池發(fā)電裝置發(fā)電時的動作(步驟S2)和裝置啟動時的動作(步驟S1)與實施形態(tài)1相同。也就是說，發(fā)電時的動作(步驟S2)和啟動時的動作(步驟S1)進(jìn)行之際，預(yù)先使加濕空氣生成裝置18停著，而且停止從水供給裝置3和凈化空氣供給裝置5向加濕空氣生成裝置18供水和提供凈化用空氣。
下面對不同點(diǎn)、也就是停止時的動作(步驟S3)進(jìn)行說明。
首先，利用水蒸汽進(jìn)行的凈化與實施形態(tài)1一樣進(jìn)行。也就是說，預(yù)先使加濕空氣生成裝置18停止，而且停止從水供給裝置3和凈化空氣供給裝置5向加濕空氣生成裝置18供水和提供凈化用空氣。
接著，一旦燃料處理器2中生成的凈化用的水蒸汽的量至少達(dá)到能夠?qū)⑷剂咸幚砥?內(nèi)和燃料電池1內(nèi)的燃料氣體充分趕出的量、例如，以燃料處理器2內(nèi)到燃料電池的燃料氣體通道的容積實質(zhì)上相同的量，就從上述利用水蒸汽凈化切換為利用加濕空氣進(jìn)行凈化(圖6的步驟S3-2)。
利用加濕空氣進(jìn)行的凈化將管道切換手段15加以切換以形成第1管道B，同時打開封閉閥14。然后從水供給裝置3向加濕空氣生成裝置18供水以形成水蒸汽。又，從凈化用空氣供給裝置5向加濕空氣生成裝置18提供空氣。以此在加濕空氣生成裝置18中將水蒸汽與空氣混合生成加濕空氣。在這種情況下，如上所述，燃料電池1內(nèi)的燃料氣體被水蒸汽凈化排出，因此在燃料電池1內(nèi)不會發(fā)生燃料氣體與空氣直接接觸的情況，因此能夠確保安全。
加濕空氣的露點(diǎn)溫度與實施形態(tài)1一樣設(shè)定。
在加濕空氣生成裝置18中生成的加濕空氣從配管23通過配管11通過給燃料電池1。然后，與實施形態(tài)1一樣進(jìn)行使用加濕空氣的凈化。然后，在向燃料電池1通入燃料電池1的容積以上的加濕空氣的時刻，要更充分凈化時可以在通入燃料電池1的容積的2～3倍的加濕空氣的時刻，結(jié)束利用加濕空氣進(jìn)行的凈化。在上述利用加濕空氣進(jìn)行的凈化結(jié)束時，關(guān)閉密封閥14，同時停止加濕空氣生成裝置18的工作，停止從水供給裝置3和凈化空氣供給裝置5向加濕空氣生成裝置18提供水和凈化用空氣。
另一方面，在上述利用水蒸汽進(jìn)行的凈化結(jié)束之后，即使供給空氣，燃料處理器2的溫度也不下降到改性部的催化劑不會氧化的溫度的情況下，水供給裝置3在加濕空氣生成裝置18進(jìn)行的凈化工作開始之后，也向燃料處理器2提供水。如在實施形態(tài)1中所述，在由于燃燒器8中的燃燒微弱或停止，燃料處理器2的溫度即使在提供空氣的情況下也下降到改性部的催化劑不氧化的溫度的時刻，與實施形態(tài)1一樣，利用未加濕空氣對除了燃料電池1以外的部分進(jìn)行凈化(圖6的步驟S3-3)。
在利用未加濕空氣進(jìn)行凈化之后，停止從凈化用空氣供給裝置6向燃料處理器2提供凈化用空氣。
如上所述動作之后，結(jié)束燃料電池發(fā)電裝置停止時的一連串動作，使裝置停止(圖5的步驟S4)。
如上所述，本實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電裝置，與實施形態(tài)1不同，其特征在于，可以同時進(jìn)行下述兩種凈化，即不使用燃料處理器2中的水蒸汽，利用加濕空氣對燃料電池1進(jìn)行的凈化、以及利用未加濕空氣對燃料電池1以外的部分，更具體地說，對燃料處理器2、配管11、配管13和燃燒器8進(jìn)行的凈化。
實施形態(tài)3
圖3是本發(fā)明實施形態(tài)3的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，本實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電裝置具有與實施形態(tài)1相同的結(jié)構(gòu)，但是，還具備向燃料電池1提供的加濕發(fā)電原料氣體生成用的加濕氣體生成裝置20和使燃料電池1升溫用的冷卻水加熱器25，這一點(diǎn)是與實施形態(tài)1不同的。
也就是說，在本實施形態(tài)中，利用配管21將水供給裝置3和加濕氣體生成裝置20加以連接，同時，利用配管22將發(fā)電原料供給裝置4和加濕氣體生成裝置20加以連接。又，利用配管23將加濕氣體生成裝置20和配管11的管道切換手段15的下游部加以連接。加濕氣體生成裝置20具備作為加熱手段的加熱器。
又，在本實施形態(tài)的燃料電池1的冷卻裝置7中，在循環(huán)配管7a上還連接著旁路配管24。該旁路配管24配置為能夠使放熱器7c旁路，以使燃料電池1出來的冷卻水返回泵7b，再度流向燃料電池1。還有，在該旁路配管24中途設(shè)置作為冷卻水的加熱手段的冷卻水加熱器25，同時，設(shè)置對從循環(huán)配管7a到旁路配管24的冷卻水管道進(jìn)行切換的冷卻水管道切換手段26。在這里，冷卻水管道切換手段26使用與管道切換手段15相同的三通閥。
本實施形態(tài)的裝置的發(fā)電時的動作和停止時的動作與實施形態(tài)1中所述的動作相同。在這里，發(fā)電時和停止時預(yù)先使加濕氣體裝置20停止，并預(yù)先停止從水供給裝置3和發(fā)電氣體供給裝置4向加濕氣體生成裝置20提供水和發(fā)電原料氣體。又，與預(yù)先停止冷卻水加熱器25同時，將冷卻水管道切換手段26加以切換，以便使從燃料電池1回收熱的冷卻水通過循環(huán)配管7a，將其提供給放熱器7c。
另一方面，在裝置啟動動作時，如下所述進(jìn)行，使燃料電池1和燃料處理器2的升溫分別獨(dú)立進(jìn)行。還有，燃料電池1和燃料處理器2的升溫也可以同時并行進(jìn)行，又可以在進(jìn)行任一方的升溫之后，進(jìn)行另一方的升溫。在這里，對在進(jìn)行了燃料電池1的升溫之后進(jìn)行燃料處理器2的升溫的情況進(jìn)行說明。
在燃料電池1升溫時，首先，將冷卻水管道切換手段26加以切換，以使從燃料電池1取出的冷卻水能夠提供給旁路配管24，同時，使冷卻水加熱器25工作。借助于此，利用泵7b加壓的冷卻水通過燃料電池1后，通過旁路配管24再度返回泵7b。冷卻水這樣返回泵7b時，利用冷卻水加熱器25對冷卻水進(jìn)行加熱。使這樣在冷卻水加熱器25中得到加熱的冷卻水通過燃料電池1循環(huán)，以此將冷卻水的熱量提供給熱量電池1以使燃料電池1升溫。而且，在這時，配管13的封閉閥14的開閉是任意的，但是，在這里是預(yù)先開著，而且，加濕氣體生成裝置20和對加濕氣體生成裝置20的供水和發(fā)電原料氣體供應(yīng)分別停止。
燃料電池1的溫度如果達(dá)到約70℃，就此水供給裝置3動作，通過配管21對加濕氣體生成裝置20供水。又與此同時使發(fā)電原料供給裝置4動作，通過配管22對加濕氣體生成裝置20提供發(fā)電原料氣體。在加濕氣體生成裝置20中，利用加熱器(未圖示)對所提供的水進(jìn)行加熱形成水蒸汽，該水蒸汽與發(fā)電原料氣體混合生成加濕發(fā)電原料氣體。
在這里，加濕氣體生成裝置20生成的加濕發(fā)電原料氣體的露點(diǎn)，通過調(diào)整加濕生成裝置20的發(fā)電原料氣體的量和水量的比例，調(diào)整為啟動動作時的燃料電池1的升溫設(shè)定溫度以上的溫度。在這種情況下，燃料電池1溫度升高到發(fā)電時的工作溫度(70℃左右)、也就是說，燃料電池1的升溫設(shè)定溫度為約70℃，因此，相對于發(fā)電原料氣體10L/分的供應(yīng)量，對加濕氣體生成裝置20提供3.6g/分以上的水供應(yīng)量，以使加濕發(fā)電原料氣體的露點(diǎn)為70℃以上。
在加濕氣體生成裝置20生成的加濕發(fā)電原料氣體通過配管23和11提供給燃料電池1。在燃料電池1中，從燃料氣體入口12A向燃料氣體出口12C移動通過燃料氣體通道12B的加濕發(fā)電原料氣體，通過配管13提供給燃燒器8用于燃燒。借助于此，利用加濕發(fā)電原料氣體將裝置停止時在配管11、燃料電池1、以及配管13內(nèi)部存在的氣體加以清除。
然后，如果從加濕氣體生成裝置20向燃料電池1提供的加濕發(fā)電原料氣體的量達(dá)到能夠充分將上述氣體從燃料電池1趕出的量、例如，以燃料電池1內(nèi)的燃料氣體通道12B的容積相同，就使水供給裝置3和發(fā)電原料供給裝置4停止，以停止對加濕氣體生成裝置20的供水和發(fā)電原料氣體供給，同時使加濕氣體生成裝置20停止。又，與這些停止動作同時，關(guān)閉密封閥14。以此，在燃料電池1的燃料氣體通道12B內(nèi)封入加濕發(fā)電原料氣體。
在燃料電池1中，燃料處理器2升溫到700℃，并且在穩(wěn)定于該溫度之前的時間(以下稱該時間為“燃料處理器升溫期間”)，保持這樣的封入加濕發(fā)電原料氣體的狀態(tài)。在燃料處理器升溫期間，利用冷卻水加熱器25調(diào)整冷卻水的加熱量，將燃料電池1的溫度維持于發(fā)電時的工作溫度、即70℃左右。在這里，這樣維持于70℃左右的溫度下的燃料電池1中，封入的加濕發(fā)電原料氣體的露點(diǎn)如上所述為70℃以上，因此，加濕發(fā)電原料氣體中的水蒸汽成分結(jié)露生成水。在燃料電池1中，利用這樣生成的水保持固體高分子膜的濕潤狀態(tài)。因此，能夠防止燃料處理器升溫期間固體高分子膜發(fā)干的情況發(fā)生。
接著，在如上所述在燃料電池1內(nèi)封入加濕發(fā)電原料的狀態(tài)下、利用燃燒器8的熱使燃料處理器2升溫。在這里，將管道切換手段15切換，以形成從配管11通過旁路配管16到達(dá)配管13的第2供給通道B，又將配管13的密封閥14保持關(guān)閉狀態(tài)不變。而且，在從水供給裝置3通過配管3a向燃料處理器2供水的同時，從發(fā)電原料供給裝置4通過配管4a將發(fā)電原料氣體提供給燃料處理器2。
在燃料處理器2中，最初溫度較低，因此所提供的水不蒸發(fā)而保持液體狀態(tài)。因此，提供給燃料處理器的水和發(fā)電原料氣體中，只有發(fā)電原料氣體在燃料處理器內(nèi)流動，而且，從配管11通過旁路配管16進(jìn)入配管13到達(dá)燃燒器8。然后，提供給燃燒器8的發(fā)電原料氣體在這里燃燒。由于這樣的發(fā)電原料氣體的燃燒，燃料處理器2的溫度升高。又，利用這樣使發(fā)電原料氣體流通的方法，可以用發(fā)電原料氣體使燃料處理器2、配管11、旁路配管16、以及配管13凈化。
一旦燃料處理器2升溫，其溫度到達(dá)100℃以上，提供給燃料處理器2的水就變成水蒸汽。在這里，在燃料處理器2的溫度處于不發(fā)生改性反應(yīng)的范圍的情況下，該水蒸汽與發(fā)電原料氣體混合，以此生成加濕發(fā)電原料氣體。在這里生成的加濕發(fā)電原料氣體通過配管11、旁路配管16、以及配管13被送往燃燒器8用于燃燒。另一方面，一旦燃料處理器2升高到更高溫度，水蒸汽和發(fā)電原料氣體被使用于改性反應(yīng)，以此生成富含氫的燃料氣體。
當(dāng)燃料處理器2升溫到能夠高效率穩(wěn)定地進(jìn)行改性反應(yīng)的溫度、在這里，也就是700℃左右。在這種情況下，調(diào)整發(fā)電原料供給裝置4提供的發(fā)電原料氣體供給量，使燃料處理器2的溫度為700℃左右。又，調(diào)整水供給裝置3提供的水量，使供給的水中所含的氫原子數(shù)為發(fā)電原料氣體中包含的碳原子數(shù)的5～6倍，以使在燃料處理器2生成的燃料氣體中包含的氫的比例比較高。
接著，如果燃料處理器2的溫度在700℃左右穩(wěn)定下來，生成的燃料氣體中的一氧化碳濃度降到20ppm以下，就打開密封閥14。然后，將管道切換手段15加以切換，以形成通過配管11從燃料處理器2向燃料電池1的第1供給通道A。借助于此，通過配管11向燃料電池1提供在燃料處理器2生成的燃料氣體。利用該提供的燃料氣體，將封入燃料電池1的燃料氣體通道12B、以及封入配管13內(nèi)部的加濕發(fā)電原料氣體趕出，通過配管將其送到燃燒器8。又，所提供的燃料氣體也在趕出加濕發(fā)電原料氣體的同時通過配管13被送往燃燒器8。送往燃燒器8的加濕發(fā)電原料氣體和燃料氣體被用于燃燒。
在用燃料氣體充分置換被封入的加濕發(fā)電原料氣體之后，從鼓風(fēng)機(jī)6通過配管6a向燃料電池1提供空氣。又在使冷卻水加熱器25停止的同時，將冷卻水管道切換手段26加以切換，以將從燃料電池1出來的冷卻水送往放熱器10c，而不是送往旁路配管24。以此與實施形態(tài)1的情況一樣，在燃料電池1進(jìn)行發(fā)電。
如上所述，在本實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電裝置中，在裝置停止動作時進(jìn)行與實施形態(tài)1相同的動作，因此在實施形態(tài)1中能夠得到與上面所述的效果相同的效果。而且，在該裝置啟動動作時，在燃料處理器升溫期間，將加濕發(fā)電原料氣體封入燃料電池1的燃料氣體通道12B內(nèi)部，因此，能夠防止燃料處理器升溫期間燃料電池1的固體高分子膜發(fā)干，從而能夠提高燃料電池1的耐用性。又，由于是在使燃料電池1升溫到約70℃之后將加濕發(fā)電原料氣體提供給燃料電池1，因此，加濕發(fā)電原料氣體不會相應(yīng)于燃料電池1的溫度狀態(tài)而部分結(jié)露。因此，能夠?qū)l(fā)電前的燃料電池1的內(nèi)部的加濕狀態(tài)保持穩(wěn)定。
而且在本實施形態(tài)中，不是像實施形態(tài)1的情況那樣利用燃料處理器2提供的加濕發(fā)電原料氣體使燃料電池1升溫，而是利用冷卻水加熱器25，獨(dú)立于燃料處理器2使燃料電池1升溫，同時，獨(dú)立于燃料處理器2，利用加濕氣體生成裝置20生成向燃料電池1提供的加濕發(fā)電原料氣體。因此，沒有必要為了像實施形態(tài)1的情況那樣提高燃料電池1的溫度和生成加濕發(fā)電原料氣體而將燃料處理器2維持在200℃。因此，可以分別高效率、迅速地使燃料處理器2和燃料電池1升溫到所希望的溫度，迅速啟動裝置。
本實施形態(tài)的裝置停止時的動作，與實施形態(tài)1中所述的動作相同。但是，通常在燃料電池1停止時，空氣有可能進(jìn)入燃料電池1。因此，本實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電裝置的啟動時的動作，是不管與燃料電池1停止時的動作如何，對防止燃料電池1的固體高分子膜發(fā)干有效方法。
實施形態(tài)4圖4是本發(fā)明實施形態(tài)4的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)模式圖。如圖4所示，本實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電裝置具有與實施形態(tài)3相同的結(jié)構(gòu)，下面是與實施形態(tài)3不同之處。
即在實施形態(tài)3，加濕氣體生成裝置20中，將水蒸汽與發(fā)電原料氣體加以混合生成加濕發(fā)電原料氣體，但是在本實施形態(tài)中，在水蒸汽生成裝置27中生成水蒸汽，在配管11內(nèi)將該水蒸汽與通過燃料處理器2的發(fā)電原料氣體加以混合生成加濕發(fā)電原料氣體。
為了實現(xiàn)這樣結(jié)構(gòu)，在本實施形態(tài)的裝置中，在配管3a的中途配設(shè)水蒸汽生成裝置27，同時，通過配管28將該水蒸汽生成裝置27、在管道切換手段15的下游部分、與配管11連接。水蒸汽生成裝置27具備作為加熱手段的加熱器。
這樣構(gòu)成的裝置在發(fā)電時和停止時的動作與實施形態(tài)3中所述的動作相同。在這里，在發(fā)電時和停止時使水蒸汽生成裝置27停止。
另一方面，在裝置啟動時，如下所述，使燃料電池1和燃料處理器2升溫。在這里，對與實施形態(tài)3的情況一樣在進(jìn)行燃料電池1的升溫之后進(jìn)行燃料處理器2的升溫的情況進(jìn)行說明，但是，燃料電池1和燃料處理器2的升溫也可以同時并行執(zhí)行，又可以先進(jìn)行燃料處理器2的升溫。
燃料電池1的升溫與實施形態(tài)3的情況一樣進(jìn)行，但是，存在以下所述的與實施形態(tài)3不同之處。即利用冷卻水加熱器25進(jìn)行燃料電池1的加熱時，使水蒸汽生成裝置27停止工作，又停止從水供給裝置3向水蒸汽生成裝置27供水。然后，一旦燃料電池1的溫度為約70℃，就使水蒸汽生成裝置27工作，同時從水供給裝置3通過配管3a向水蒸汽生成裝置27供水，又，從發(fā)電原料供給裝置4通過配管4a將發(fā)電原料氣體提供給燃料處理器2。在水蒸汽生成裝置27中，對所提供的水進(jìn)行加熱，生成水蒸汽，該水蒸汽通過配管28被送到配管11。另一方面，提供給燃料處理器2的發(fā)電原料氣體也被送到配管11，在配管11和配管28的連接部的下游，與通過配管28提供的水蒸汽混合。這樣將水蒸汽和發(fā)電原料氣體混合生成的加濕發(fā)電原料氣體與實施形態(tài)3的情況一樣設(shè)定露點(diǎn)溫度。例如，在這種情況下，從發(fā)電原料供給裝置4向燃料處理器2提供的發(fā)電原料氣體的供給量為10L/分，相應(yīng)從水供給裝置3提供給水蒸汽生成裝置27的供水量為3.6g/分以上。以此使加濕發(fā)電原料氣體的露點(diǎn)溫度為70℃以上。
采用如上所述方法生成的加濕發(fā)電原料氣體，通過配管11被送往燃料電池1。以后的加濕發(fā)電原料氣體封入動作與實施形態(tài)3的情況相同。這樣一來，與燃料電池1的升溫同時，在該燃料電池1內(nèi)封入加濕發(fā)電原料氣體之后，使燃料處理器2升溫。燃料處理器2的升溫動作與實施形態(tài)3的情況相同。
這樣構(gòu)成的本實施形態(tài)的燃料電池發(fā)電裝置中，提供給燃料電池1的加濕發(fā)電原料氣體利用水蒸汽生成裝置27生成，因此，能夠得到與實施形態(tài)3的情況一樣的效果。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的燃料電池發(fā)電裝置，可以作為發(fā)電裝置使用于各種用途，例如，可以使用于家庭用燃料電池供電供熱聯(lián)合系統(tǒng)等。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池發(fā)電裝置，具備利用水和改性催化劑將發(fā)電原料改性為含氫的燃料氣體的燃料處理器、用氧化劑氣體及所述燃料氣體進(jìn)行發(fā)電的燃料電池、使所述燃料電池沒有使用的所述燃料氣體燃燒，加熱所述燃料處理器的燃燒器、連接于所述燃料處理器、所述燃料電池、及與所述燃燒器連接的燃料氣體通道、向所述燃料處理器提供所述水的水供給裝置、向所述燃燒處理器供給所述發(fā)電原料的發(fā)電原料供給裝置、以及將所述燃料氣體凈化用的空氣提供給所述燃料處理器的凈化用空氣供給裝置，其特征在于，在所述燃料電池停止動作時，實施利用水蒸汽對所述燃料處理器及所述燃料電池內(nèi)部進(jìn)行掃氣的第1凈化之后，實施利用加濕空氣對所述燃料電池內(nèi)部進(jìn)行掃氣的第2凈化和利用未加濕的空氣對所述燃料處理器內(nèi)部進(jìn)行掃氣的第3凈化。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，在所述第1凈化中提供了超過從所述燃料處理器到所述燃料電池的容積的水蒸汽的時刻開始所述第2凈化。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，所述第3凈化在所述燃料處理器的溫度下降到即使提供空氣，改性催化劑也不劣化的溫度以下的時刻開始。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，在所述第1凈化中，用所述水供給裝置提供的所述水在所述燃料處理器中生成水蒸汽，同時使所述水蒸汽至少在所述燃料處理器流通，以此將所述燃料處理器內(nèi)部存在的所述燃料氣體從該部分中排除，在所述第2凈化中，與提供所述水同時，從所述凈化用空氣供給裝置再向所述燃料處理器提供所述空氣，以此在所述燃料處理器中將所述水蒸汽和所述空氣混合，生成加濕空氣，使所述加濕空氣通過所述燃料處理器、所述燃料電池、以及所述燃料氣體通道流動，以此將所述燃料處理器、所述燃料電池、以及所述燃料氣體通道內(nèi)部存在的所述燃料氣體從該部分排除，在所述第3凈化中，使所述水供給裝置停止供給，從而只將所述空氣提供給所述燃料處理器，使未加濕的空氣流入所述燃料處理器和所述燃料氣體通道，以此將所述燃料處理器和所述燃料氣體通道的內(nèi)部存在的所述加濕空氣從該部分排除。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，所述燃料氣體通道具有連接所述燃料處理器和所述燃料電池的第1通道、連接所述燃料電池和所述燃燒器的第2通道、在所述第1和所述第2通道上分別連接端部，旁路經(jīng)過所述燃料電池，將所述第1通道和所述第2通道加以連接的第3通道、切換通過所述第1通道從所述燃料處理器到達(dá)所述燃料電池的燃料電池供給管道、和依序通過所述第1、所述第3、以及所述第2通道從所述燃料處理器到達(dá)所述燃燒器的燃料電池旁路管道的管道切換手段、在所述第2通道上，設(shè)置于比該第2通道和所述第3通道的連接部更上游的位置上的密封閥，在所述第3凈化時，封閉所述密封閥，同時切換所述管道切換手段，以形成所述燃料電池旁路管道，借助于此，使所述未加濕的空氣通過所述燃料電池旁路管道從所述燃料處理器旁路通過燃料電池提供給所述燃燒器。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，所述第2凈化中使用的所述加濕空氣的露點(diǎn)溫度高于發(fā)電時的所述燃料電池的工作溫度。
7.如權(quán)利要求4所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，在第1凈化中在所述燃料處理器中生成的所述水蒸汽的量至少超過在所述燃料處理器內(nèi)形成的燃料氣體通道的容積，而且所述燃料處理器的溫度如果是所述燃料處理器的所述催化劑不被空氣氧化的溫度，則開始從所述凈化用空氣供給裝置向所述燃料處理器提供所述空氣，然后從所述第1凈化切換到所述第2凈化。
8.如權(quán)利要求4所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，在所述第2凈化中，從所述凈化用空氣供給裝置向所述燃料處理器提供的所述空氣的量如果大于所述燃料處理器內(nèi)和所述燃料電池內(nèi)的燃料氣體通道的容積的合計值，則所述水供給裝置停止供水，從所述第2凈化切換到所述第3凈化。
全文摘要
本發(fā)明的目的是，提供能夠充分確保安全，并且能夠謀求降低初始成本和運(yùn)行成本，同時能夠穩(wěn)定地進(jìn)行高效率發(fā)電的燃料電池發(fā)電裝置。在具備利用燃料氣體和氧化劑氣體發(fā)電的燃料電池(1)、以及對所述發(fā)電原料氣體進(jìn)行水蒸汽改性，生成所述燃料氣體的燃料處理器(2)的燃料電池發(fā)電裝置停止時，打開密封閥(14)同時切換管道切換手段(15)，并依次用水蒸汽和加濕空氣凈化燃料處理器(2)、配管(11)、燃料電池(1)、以及配管(13)。然后關(guān)閉密封閥(14)，同時切換管道切換手段，使燃料電池(1)旁路化，用未加濕空氣凈化燃料處理器(2)、配管(11)、旁路配管(16)、以及配管(13)。
文檔編號H01M8/04GK1577931SQ20041006959
公開日2005年2月9日 申請日期2004年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月24日
發(fā)明者尾關(guān)正高, 中村彰成, 田中良知 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社