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)明涉及用含氫的改性氣體發(fā)電的燃料電池發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
氫生成器主要利用充填由原料氣體(碳?xì)浠衔?和水利用水蒸汽改性反應(yīng)生成包含氫的改性氣體用的改性催化劑的改性催化劑構(gòu)件、利用熱交換加熱該改性催化劑構(gòu)件用的生成燃燒氣體的燃燒器、以及去除利用改性催化劑生成的改性氣體中包含的一氧化碳?xì)怏w用的一氧化碳去除裝置構(gòu)成。
利用一氧化碳去除裝置去除了一氧化碳?xì)怏w的改性氣體被提供給燃料電池的陽(yáng)極。然后燃料電池消耗改性氣體(氫氣)進(jìn)行發(fā)電。
在這里，作為生成燃燒氣體的所述燃燒器的燃料氣體，使用包含在燃料電池內(nèi)部不消耗而從燃料電池排出的殘留的氫的廢氣。
這樣的廢氣中，通常除了包含殘留的氫以外還包含處于飽和狀態(tài)的水蒸汽。為此，燃料電池與燃燒器之間的廢氣流過的路徑采用隔熱措施，以此盡量防止廢氣中的水蒸汽發(fā)生凝集。
但是，這樣的隔熱處理無(wú)論在廢氣路徑上如何實(shí)施，由于廢氣的溫度(約70～80℃)高于周圍環(huán)境溫度，所以難以避免廢氣的熱量向外部環(huán)境發(fā)散，因此飽和狀態(tài)下的水蒸汽的一部分必然會(huì)發(fā)生凝集。由于水蒸汽的凝集而產(chǎn)生的微小的水滴一邊在廢氣中浮游，一邊隨著廢氣流動(dòng)流向燃燒器。
另一方面，如果在燃燒器中混入水滴，相應(yīng)于使水滴蒸發(fā)用的蒸發(fā)潛熱的熱量被燃燒器所消耗，因此導(dǎo)致氫生成器的熱效率下降。而且在燃燒器中的燃料氣體的燃燒狀態(tài)因水滴的存在而容易變得不穩(wěn)定，燃燒器的火焰有可能熄滅。
在這里，已知有一種能夠防止浮游在廢氣中的水滴混入燃燒器中，使燃燒器穩(wěn)定燃燒的裝置(參照例如作為已有技術(shù)例的專利文獻(xiàn)1日本特開2001-229952號(hào)公報(bào))。
這種裝置，在將高溫的廢氣提供給燃燒器之前進(jìn)行冷卻，因此能夠事先促進(jìn)廢氣中的水蒸汽凝集分離，以此可以使燃燒器的燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定的情況得以防止。
但是，在所述已有例中所示的裝置中，在熱交換部(廢氣冷卻部)發(fā)生的微小水滴要完全去除是困難的。而且通過該熱交換部的廢氣中的水蒸汽對(duì)于冷卻后的溫度依然處于飽和狀態(tài)，流入熱交換部與燃燒器之間的路徑的廢氣向外部環(huán)境氣氛的放熱如果引起其溫度的下降，則處于飽和狀態(tài)的水蒸汽發(fā)生凝集，水滴再度發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于這樣的情況而作出的，其目的是提供能夠?qū)U氣中含有的水蒸汽從該廢氣中適當(dāng)?shù)姆蛛x并去除，防止引入燃燒器的廢氣中產(chǎn)生水滴的燃料電池發(fā)電裝置。
本發(fā)明的燃料電池發(fā)電裝置，具備由原料氣體和水生成含氫的改性氣體的改性催化劑構(gòu)件、消耗所述改性氣體進(jìn)行發(fā)電的燃料電池、以及以從所述燃料電池送出的含氫廢氣作為燃料氣體，用于加熱所述改性催化劑構(gòu)件生成燃燒氣體的燃燒器，在從所述廢氣中分離水蒸汽后，對(duì)所述廢氣進(jìn)行加熱，將所述加熱的廢氣作為燃料氣體提供給所述燃燒器，另一方面，將所述分離的水蒸汽作為凝集水排出到外部。
更具體地說，燃料電池發(fā)電裝置具備由原料氣體和水生成含氫的改性氣體的改性催化劑構(gòu)件、消耗所述改性氣體進(jìn)行發(fā)電的燃料電池、從所述燃料電池送出的含氫廢氣中分離水蒸汽，同時(shí)使所述分離的水蒸汽凝集然后排出到外部的水分離去除部、利用熱交換加熱從所述水分離去除部送出的廢氣的加熱用熱交換部、以及以在所述加熱用熱交換部加熱的廢氣作為燃料氣體，用于加熱所述改性催化劑構(gòu)件生成燃燒氣體的燃燒器。
還有，也可以在這里具備利用熱交換使所述廢氣冷卻的冷卻用熱交換部，利用在所述冷卻用熱交換部對(duì)所述廢氣進(jìn)行冷卻，進(jìn)行所述水蒸汽的分離。
這樣，在利用水分離去除部可靠地分離廢氣中的水蒸汽之后，利用廢氣加熱器對(duì)其進(jìn)行熱交換加熱，因此能夠可靠地去除伴隨廢氣的微小水滴。
從而，可得到能夠有效應(yīng)對(duì)伴隨廢氣的水滴造成的燃燒器燃料氣體的燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定這樣的已有技術(shù)的存在問題的燃料電池發(fā)電裝置。
也可以采用這樣的結(jié)構(gòu)，即通過所述加熱用熱交換部，并且提供給所述燃燒器之前的廢氣的溫度，被加熱到在所述加熱用熱交換部的上游側(cè)而且是所述水分離部的下游側(cè)的地方的廢氣的溫度以上。
利用廢氣加熱器將廢氣加熱到其露點(diǎn)溫度以上，即使是通過廢氣加熱器流過燃料配管的廢氣在從廢氣加熱器被引向燃燒器時(shí)放熱，也能夠可靠地防止廢氣溫度下降到其露點(diǎn)以下。
又可以是能夠利用與所述原料氣體、所述水、和燃料電池用冷卻水中的任一種致冷劑的熱交換，在所述冷卻用熱交換部冷卻所述廢氣的裝置。
所述水分離去除部之一例是，具有貯存從所述廢氣中分離水蒸汽得到的凝集水的筒狀的凝集水箱，一邊使所述廢氣流入所述凝集水箱內(nèi)部，一邊通過所述冷卻用熱交換部使所述凝集水箱的外圓周面得到冷卻。
所述水分離去除部的另一例子是，具有貯存從所述廢氣中分離水蒸汽得到的凝集水的筒狀的凝集水箱，所述凝集水箱內(nèi)部的所述廢氣流入的路徑上配置充填了致冷劑的作為所述熱交換部的配管。
另一方面，在這里，所述加熱用熱交換部形成能夠利用與所述燃燒氣體的熱交換對(duì)所述廢氣進(jìn)行加熱的結(jié)構(gòu)。
作為與這樣的燃燒器進(jìn)行熱交換的加熱用熱交換部的一個(gè)例子，所述廢氣通往所述燃燒器的所述供給配管，配置于使所述燃燒器生成的燃燒氣體流過的路徑的內(nèi)部，在所述路徑的內(nèi)部，所述廢氣與所述燃燒氣體進(jìn)行熱交換。
又，作為另一例子，具備覆蓋使利用所述燃燒器生成的燃燒氣體流過的路徑的隔熱材料，所述廢氣通往所述燃燒器的供給配管配置于所述隔熱材料的內(nèi)側(cè)，在所述隔熱材料的內(nèi)側(cè)，所述廢氣與所述燃燒氣體進(jìn)行熱交換。
還有，作為再一個(gè)例子，所述廢氣通往所述燃燒器的供給配管，與構(gòu)成所述燃燒器的壁構(gòu)件接觸，在所述供給配管和所述壁構(gòu)件相接觸的部分，所述廢氣與所述燃燒氣體進(jìn)行熱交換。
還有，檢測(cè)所述燃燒器的燃燒狀態(tài)的火焰測(cè)量桿使用時(shí)，使廢氣的水滴蒸發(fā)，以此防止火焰測(cè)量桿的電流檢測(cè)精度降低。
又可以采用這樣的結(jié)構(gòu)，即去除所述水蒸汽得到的凝集水被提供給所述改性催化劑構(gòu)件。
采用本發(fā)明，能夠得到可將廢氣中包含的水蒸汽從該廢氣中可靠地分離、去除，防止導(dǎo)入燃燒器的廢氣生成水滴的燃料電池發(fā)電裝置。


圖1是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)1的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)方框圖。
圖2是表示水分離去除部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之一例的剖面圖。
圖3是表示水分離去除部?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)的另一例的剖面圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)2的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)方框圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)3的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)方框圖。
圖6是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)4的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)方框圖。
圖7是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)5的燃燒器的結(jié)構(gòu)說明圖。
符號(hào)說明1 城市煤氣供給配管2 水供給配管3、36 水轉(zhuǎn)發(fā)器4 改性器5 改性催化劑構(gòu)件6 燃燒器
7 改性氣體配管8 一氧化碳去除裝置9 燃料電池9a 陽(yáng)極9c 陰極10-1空氣供給配管10-2改性氣體供給配管11 廢氣配管11-1廢氣通道11-2致冷劑通道12、21 廢氣冷卻器13 空氣冷卻風(fēng)扇14 凝集水箱15、20、75 廢氣加熱器16 燃料配管17 燃燒用空氣供給配管18 燃燒氣體配管19 凝集水30 第1溫度測(cè)定部31 第2溫度測(cè)定部32 水排出閥33 控制裝置35 燃燒氣體流路40 廢氣入口配管41 廢氣出口配管42 擋板43 致冷劑通道45 通過區(qū)域46 致冷劑入口部48 配管50 水分離去除部60 燃燒筒61 外壁62 隔熱材料70 火焰測(cè)量桿
71-1、-2、-3、-4壁構(gòu)件72燃燒器燃料配管72p 蓋72h 廢氣排出孔73火焰區(qū)域74燃燒器用空氣配管76-1、-2 空氣緩沖器76h-1、-2 空氣噴出孔81水循環(huán)配管100、110、120、130 燃料電池發(fā)電裝置具體實(shí)施方式
本最佳實(shí)施形態(tài)的特征在于，通過使從燃料電池送出的包含有殘存氫的廢氣冷卻的方法，促進(jìn)廢氣中含有的水蒸汽的凝集分離，將水蒸汽凝集排出到外部，同時(shí)將分離了水蒸汽的廢氣的溫度加熱到比露點(diǎn)高足夠多，使可能伴隨廢氣發(fā)生的微小水滴完全蒸發(fā)。在這里，廢氣得到充分加熱，以至于即使是在廢氣提供給燃燒器的中途發(fā)生廢氣向外部環(huán)境氣氛釋放熱量的情況，到達(dá)燃燒器的廢氣的溫度也不會(huì)降低到露點(diǎn)以下。
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)進(jìn)行詳細(xì)說明。
實(shí)施形態(tài)1圖1是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)1的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)方框圖。
燃料電池發(fā)電裝置100的改性氣體和氧化劑氣體的供給系統(tǒng)，主要由以下部分構(gòu)成，即具有使用原料氣體(都市煤氣)和水蒸汽利用改性反應(yīng)生成含氫的改性氣體用的改性催化劑構(gòu)件5的改性器4、作為向改性器4提供都市煤氣用的原料供給部的都市煤氣供給配管1、作為向改性器4供給水的水供給部的水供給配管2、使流入水供給配管2的水蒸發(fā)用的水蒸發(fā)器3、使從供給空氣供給配管17引入的空氣與廢氣(將在下面說明)的混合氣體燃燒，生成加熱改性催化劑構(gòu)件5用的燃燒氣體的燃燒器6、將利用改性器4生成的改性氣體引向下游側(cè)的改性氣體配管7、去除改性器4送來的改性氣體中所包含的一氧化碳?xì)怏w的一氧化碳去除裝置8、在陰極9c消耗氧化劑氣體(空氣)并且在陽(yáng)極9a消耗改性氣體(氫氣)進(jìn)行發(fā)電的燃料電池9、從氧化劑供給手段(未圖示)向燃料電池9的陰極9c引入氧化劑氣體的空氣供給配管10-1、以及從一氧化碳去除裝置8向燃料電池9的陽(yáng)極引入改性氣體的改性氣體供給配管10-2。
又，燃料電池發(fā)電裝置100的廢氣的處理系統(tǒng)，主要由以下部分構(gòu)成，即將含有在燃料電池9的內(nèi)部沒有消耗掉的殘留氫氣的約70～80℃的廢氣從陽(yáng)極9a向下游側(cè)引向的廢氣配管11、連接于廢氣配管11，通過與空冷風(fēng)扇13送來的空氣(致冷劑)的熱交換降低廢氣溫度的廢氣冷卻器(冷卻用熱交換部)12、貯存使廢氣中存在的水蒸汽凝集、液化得到的凝集水19，同時(shí)利用水排出閥32的開閉動(dòng)作將該凝集水19排向外部加以去除的凝集水箱14、將從凝集水箱14送出的廢氣引向燃燒器6的燃料配管16、將由燃燒器6生成的燃燒氣體從改性器4引向外部的燃燒氣體配管18、連接于燃料配管16和燃燒氣體配管18上，利用與在燃燒氣體配管18中流動(dòng)的燃燒氣體的熱交換加熱流過燃料配管的廢氣的廢氣加熱器(加熱用熱交換部)15、在廢氣加熱器15的上游側(cè)，而且是在凝集水箱14的下游側(cè)(出口近旁)的地方的廢氣的溫度測(cè)定用的第一溫度測(cè)定部30、測(cè)定通過廢氣加熱器15的提供給燃燒器6的所述廢氣的溫度用的第二溫度測(cè)定部31、以及根據(jù)第一和第二溫度測(cè)定部30、31的檢測(cè)溫度，利用流量調(diào)整閥(未圖示)控制廢氣和燃燒氣體的流量的控制裝置33。還有，控制裝置33根據(jù)規(guī)定的檢測(cè)信號(hào)(氣體溫度和氣體流量)也對(duì)燃料電池發(fā)電裝置100的動(dòng)作進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂?未圖示)。
又，從燃料電池9送出的含氫的廢氣中分離水蒸汽，同時(shí)使分離的水蒸汽凝集后向外部排出的水分離去除部50，由廢氣冷卻器12、空冷風(fēng)扇13、凝集水箱14構(gòu)成。
在這里，利用空冷風(fēng)扇13送來的空氣冷卻與廢氣配管11連接的廢氣冷卻器12(例如通廢氣的配管等)，以此使流過廢氣冷卻器12的廢氣的溫度在熱交換中降低。利用這樣的廢氣冷卻器12的廢氣放熱促進(jìn)效應(yīng)，使廢氣的溫度迅速下降到規(guī)定溫度，廢氣中含有的水蒸汽在廢氣中凝集為水滴之后，這些水滴匯集成凝集水19滯留于凝集水箱14內(nèi)部。
下面參照?qǐng)D1說明具有如上所述結(jié)構(gòu)的燃料電池發(fā)電裝置100的廢氣處理系統(tǒng)的動(dòng)作。
燃料電池9的發(fā)電和對(duì)燃料電池9的氣體供應(yīng)等，采用已有技術(shù)進(jìn)行，在這里省略對(duì)其動(dòng)作的說明。
從燃料電池9的陽(yáng)極9a送出的，約70～80℃的廢氣中，含有在燃料電池9中未消耗的氫氣和在改性器4中生成氫氣時(shí)生成的二氧化碳?xì)怏w及處于飽和狀態(tài)的水蒸汽。
這樣的廢氣通過廢氣配管11被提供給廢氣冷卻器12，在該廢氣冷卻器12與空冷風(fēng)扇13送來的空氣進(jìn)行熱交換，被冷卻到約50～60℃。在這里，從廢氣中分離水蒸汽的凝集水箱14出口近旁的廢氣，包含有相當(dāng)于約50～60℃的飽和水蒸汽。
這時(shí)，廢氣中存在的水蒸汽凝集液化，以此從廢氣中分離水蒸汽得到的凝集水19滯留于凝集水箱14。
其后，廢氣被提供給廢氣加熱器(加熱用熱交換部)15，在該廢氣加熱器15，使其與燃燒氣體配管18流過的高溫燃燒氣體進(jìn)行熱交換，以此將該廢氣加熱到80～90℃左右。以此將廢氣的溫度提高到比露點(diǎn)溫度(約50～60℃)高得足夠多的溫度。然后在該狀態(tài)下將廢氣通過燃料配管16提供給燃燒器6。
凝集水箱14的出口近旁的廢氣溫度通過第一溫度測(cè)定部30檢測(cè)，而通過廢氣加熱器15的，提供給燃燒器6之前的廢氣溫度利用第二溫度測(cè)定部31檢測(cè)。又，這些檢測(cè)溫度利用控制裝置33監(jiān)視，控制裝置33進(jìn)行控制以維持合適的廢氣溫度。例如，通過廢氣加熱器15的加熱后的廢氣的溫度由于某種重要原因(廢氣/燃燒氣體的溫度和流量的變化)而發(fā)生偏移的情況下，控制裝置33對(duì)廢氣及/或燃燒氣體的流量進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂疲允蛊淠軌蜓杆俚竭_(dá)其目標(biāo)值。
被引向燃燒器6內(nèi)部的廢氣、與流過燃燒用空氣供給配管17流入燃燒器6內(nèi)部的空氣混合之后，該混合氣體在燃燒器6的內(nèi)部燃燒生成高溫燃燒氣體。其后，利用熱交換對(duì)改性催化劑構(gòu)件5進(jìn)行加熱的燃燒氣體通過燃燒氣體配管18，如上面已經(jīng)作出的說明所述，作為廢氣加熱器15的廢氣加熱源使用，然后向大氣中排出。
還有，也可以將凝集水箱14中貯存的凝集水19作為提供給改性器4的水使用(參照?qǐng)D6)。
利用上面所說明的燃料電池發(fā)電裝置100的廢氣處理系統(tǒng)的動(dòng)作，在利用水分離去除部50恰當(dāng)分離廢氣中的水蒸汽之后，利用廢氣加熱器15對(duì)其進(jìn)行熱交換加熱，因此能夠確實(shí)使伴隨廢氣的水滴蒸發(fā)。
而且，通過將廢氣加熱到比其露點(diǎn)溫度高足夠多的溫度，即使是在通過廢氣加熱器15流過燃料配管16的廢氣在被引向燃燒器6時(shí)放熱，也能夠恰當(dāng)防止廢氣溫度降低到其露點(diǎn)溫度之下的情況發(fā)生。
這樣，能夠得到可以恰當(dāng)應(yīng)對(duì)因伴隨廢氣而來的水滴而引起的燃燒器6中的燃料氣體燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定的已有技術(shù)的存在問題的燃料電池發(fā)電裝置100。
又，在上述實(shí)施形態(tài)1中，通過廢氣加熱器15的廢氣的溫度以80～90℃為例，但是，這是隨裝置結(jié)構(gòu)而變化的，因此，并不意味著廢氣的理想的加熱條件被限定于這樣的溫度范圍。
總而言之，這里的加熱條件，其意思是加熱到在廢氣到達(dá)燃燒器6的時(shí)刻由于廢氣的放熱而引起的廢氣溫度下降也不導(dǎo)致廢氣溫度低于其露點(diǎn)。但是有必要將通過廢氣加熱器15提供給燃燒器6之前的廢氣溫度至少提高到凝集水箱14的下游側(cè)(出口近旁)的廢氣溫度以上。
水分離去除部50的變形例如圖1所示，可以分別配置使用空冷風(fēng)扇13的廢氣冷卻器12和凝集水箱14，但是，作為其變形例，也可以如圖2和圖3所示，將相當(dāng)于廢氣冷卻器的冷卻用熱交換器與凝集水箱14連接，將兩者形成一體配置。以使可以將燃料電池發(fā)電裝置100的水分離去除部50的結(jié)構(gòu)加以簡(jiǎn)化。
圖2和圖3都是表示具有連接冷卻用熱交換部的冷凝水箱的水分離去除部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)例的剖面圖。
如圖2所示，水分離去除部50具備如下所述部分，即具有蓋部和底部，貯存從廢氣中分離水蒸汽得到的凝集水19的筒狀的凝集水箱14、與廢氣配管11(參照?qǐng)D1)連接，以將廢氣引向凝集水箱14內(nèi)部，設(shè)置于凝集水箱14的蓋部的廢氣入口配管40、連接于燃料配管16(參照?qǐng)D1)，以將通過凝集水箱14內(nèi)部的廢氣引向其外部，設(shè)置于凝集水箱14的蓋部的廢氣出口配管41、配置于廢氣出入口配管40、41的近旁的凝集水箱14的內(nèi)部，遮擋廢氣氣流使廢氣流速降低，以使廢氣中含有的水滴容易滴下的擋板42、以及為了將滯留在凝集水箱14內(nèi)部的凝集水19定期引向外部，與水排出閥32(參照?qǐng)D1)連接，設(shè)置于凝集水箱14底部的水出口配管(未圖示)。
還有，在這里凝集水箱14的大約上半部?jī)?nèi)部形成廢氣通過的通過區(qū)域45(凝集水箱14的內(nèi)部的廢氣流通路徑)。
又，配置致冷劑通道43(冷卻用熱交換部)，在與凝集水箱14的外圓周面之間形成致冷劑流動(dòng)的空間，使得從致冷劑入口部46引入的致冷劑(液體和氣體)沿著凝集水箱14的外圓周面流動(dòng)，以此使得廢氣在通過區(qū)域45流動(dòng)時(shí)廢氣與流過致冷劑流路43的致冷劑冷卻的凝集水箱14的外圓周面接觸，廢氣溫度因而下降。也就是說，由于與流過致冷劑流路43內(nèi)部的致冷劑的熱交換，廢氣得以冷卻。
或者也可以如圖2所示，同時(shí)采用空冷風(fēng)扇13向凝集水箱14外圍送風(fēng)，使其與空氣(致冷劑)進(jìn)行熱交換的方法，使廢氣的溫度更快下降。
利用這樣的冷卻流路43對(duì)廢氣放熱的促進(jìn)效果，使得廢氣中含有的水蒸汽在廢氣中凝集為水滴，然后水滴匯集在凝集水箱14內(nèi)作為凝集水19滯留。
又如圖3所示，作為水分離去除部50的另一例子，充填了致冷劑的配管(冷卻用熱交換部)48，從外部到凝集水箱14的內(nèi)部的通過區(qū)域45，并且從通過區(qū)域45向外延伸地大致配置為“U”字狀，這樣，在廢氣流過通過區(qū)域45時(shí)，廢氣與流過致冷劑的配管48接觸，以此與該致冷劑進(jìn)行熱交換，以使廢氣冷卻。還有，配管48以外的圖3所示的水分離去除部50的結(jié)構(gòu)與圖2所示的情況相同，兩者相同的結(jié)構(gòu)其說明省略。
實(shí)施形態(tài)2圖4是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)2的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)方框圖。
在圖4中，與圖1相同的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)以相同的符號(hào)。
從圖1與圖4(a)的比較可以了解到，實(shí)施形態(tài)2的燃料電池發(fā)電裝置110的結(jié)構(gòu)與上述實(shí)施形態(tài)1的燃料電池發(fā)電裝置100的結(jié)構(gòu)不同之處在于，將水蒸發(fā)部36配置于改性器4的內(nèi)部的燃燒氣體流路35上、以及將作為廢氣提供給燃燒器6的供給配管的廢氣加熱器20配置于改性器4的燃燒氣體流路35上。通過將水蒸發(fā)部36配置于改性器4的燃燒氣體流路35上，可以謀求提高燃料電池發(fā)電裝置100的熱效率。又，通過將廢氣加熱器20配置于改性器4的燃燒氣體流路35上，可以謀求簡(jiǎn)化廢氣加熱器20的結(jié)構(gòu)。
在這里，參照?qǐng)D4(b)對(duì)水蒸發(fā)部36和廢氣加熱器20的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。還有，省略這些結(jié)構(gòu)以外的與實(shí)施形態(tài)1相同的結(jié)構(gòu)的說明。
圖4(b)是實(shí)施形態(tài)2的改性器的燃燒氣體流路中的水蒸發(fā)部和廢氣加熱器的配置結(jié)構(gòu)的模式圖。
在由外壁61包圍的改性器4的內(nèi)部，配置有與燃燒器6(參照?qǐng)D4(a))連接，將燃燒器6生成的燃燒氣體引向下游的筒狀的燃燒筒60，以此在燃燒筒60和外壁61之間形成筒狀的燃燒氣體流路35。而且在燃燒筒60的外圓周面近旁配置筒狀的水蒸發(fā)部36，另一方面廢氣加熱器20的一部分向燃燒氣體流路35的內(nèi)部延伸，配置得能夠通過該處。還有，廢氣加熱器20與外壁61的連接處利用適當(dāng)?shù)姆椒芊庖员苊馊紵龤怏w泄漏。
在這樣的燃燒氣體流路35中，如圖4(b)所示的兩點(diǎn)鎖線所示，從燃燒筒60流出的燃燒氣體通過燃燒筒60與水蒸發(fā)部36之間的筒狀的空間，然后使其方向改變180°，該燃燒氣體通過水蒸發(fā)部36與外壁61之間的筒狀空間，被引向燃燒氣體配管18。
這樣，在燃燒氣體流過燃燒氣體流路35時(shí)，在其內(nèi)部，如圖4(b)的一點(diǎn)鎖線所示流過水蒸發(fā)部36的水(正確地說，如圖4(a)所示流過都市煤氣供給管1的都市煤氣與流過水供給管2的水的混合物)通過與燃燒氣體進(jìn)行熱交換而被加熱，同時(shí)如圖4(b)的箭頭所示流過廢氣加熱器20的廢氣通過與燃燒氣體的熱交換而被加熱。
實(shí)施形態(tài)3圖5是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)3的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)方框圖。
圖5中，與圖4相同的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)以相同的符號(hào)。
從圖5與圖4的比較可以了解到，實(shí)施形態(tài)3的燃料電池發(fā)電裝置120的結(jié)構(gòu)與上述實(shí)施形態(tài)2的燃料電池發(fā)電裝置110的結(jié)構(gòu)不同之處在于，將隔熱材料62配置于改性器4的外壁61的周圍、以及將作為廢氣提供給燃燒器6的供給配管的廢氣加熱器20配置于該隔熱材料62內(nèi)側(cè)(正確地說在隔熱材料62上形成凹部，在該凹部收容廢氣加熱器20，再用別的隔熱材料覆蓋廢氣加熱部22)。通過配置隔熱材料62，能夠恰當(dāng)控制流過改性器4的燃燒氣體流路35的燃燒氣體的放熱，同時(shí)，能夠用在隔熱材料62內(nèi)側(cè)配置廢氣加熱器20的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)進(jìn)行廢氣與燃燒氣體的熱交換。也就是說，對(duì)廢氣加熱器20和隔熱材料62之間的連接處不進(jìn)行密封等處理，可以將廢氣加熱器配置在隔熱材料62的內(nèi)側(cè)。
在這里，參照?qǐng)D5(b)對(duì)水蒸發(fā)部36與廢氣加熱器20的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。
圖5(b)是實(shí)施形態(tài)3的改性器的燃燒氣體流路中的水蒸發(fā)部與廢氣加熱器的配置結(jié)構(gòu)的示意圖。
與實(shí)施形態(tài)2一樣，在燃料筒62與改性器4的外壁61之間形成筒狀的燃燒氣體流路35。然后與該外壁61接觸配置隔熱材料62將其覆蓋，廢氣加熱器20的一部分向該隔熱材料62的內(nèi)側(cè)延伸，以通過該處的狀態(tài)配置。
還有，與實(shí)施形態(tài)2相同，在燃燒筒60的外圓周近旁配置圓筒狀的水蒸發(fā)部36。
在這樣的燃燒氣體流路35上，如圖5(b)的二點(diǎn)鎖線所示，從燃燒筒60流出的燃燒氣體通過燃燒筒60與水蒸發(fā)部36之間的筒狀的空間之后，其方向改變180°，該燃燒氣體通過水蒸發(fā)部36與外壁61之間的筒狀的空間被引向燃燒氣體配管18。
這樣，在燃燒氣體流過燃燒氣體流路35時(shí)，在其內(nèi)部，如圖5(b)的一點(diǎn)鎖線所示流過水蒸發(fā)部36的水(正確地說，如圖5(a)所示流過都市煤氣供給管1的都市煤氣與流過水供給管2的水的混合物)通過與燃燒氣體進(jìn)行熱交換而被加熱，同時(shí)如圖5(b)的箭頭所示流過廢氣加熱器20的廢氣通過與燃燒氣體的熱交換而被加熱。
實(shí)施形態(tài)4圖6是本發(fā)明實(shí)施形態(tài)4的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)方框圖。
圖6中，與圖1相同的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)以相同的符號(hào)。
從圖1與圖6的比較可以了解到，實(shí)施形態(tài)4的燃料電池發(fā)電裝置130的結(jié)構(gòu)與上述實(shí)施形態(tài)1的燃料電池發(fā)電裝置100的結(jié)構(gòu)不同之處在于，不使用圖1所示的空冷風(fēng)扇13，設(shè)置利用廢氣流過的廢氣通道11-1與致冷劑流過的致冷劑通道11-2連接的廢氣冷卻器(冷卻用熱交換部)21、以及將水排出閥32連接于水蒸發(fā)部3。又，分離燃料電池9送出的含氫的廢氣中的水蒸汽，同時(shí)，使分離的水蒸汽凝集后排向外部的水分離去除部50，由廢氣冷卻器21和凝集水箱14構(gòu)成。
這樣就可以不使用空冷風(fēng)扇13，減少零部件數(shù)目，同時(shí)，流過廢氣通道11-1的廢氣和流過致冷劑通道11-2的致冷劑能夠通過廢氣冷卻器21進(jìn)行熱交換以得到冷卻。
還有，實(shí)施形態(tài)4中的與實(shí)施形態(tài)1相同的結(jié)構(gòu)的說明省略。
在這里，如圖6所示，廢氣冷卻器21上連接的致冷劑通道11-2中的從廢氣冷卻器21向下游延伸的部分與水供給配管2連接，以此可以將提供給改性器4的供給水作為致冷劑使用。
又，廢氣冷卻器21上連接的致冷劑通道11-2中的從廢氣冷卻器21向下游延伸的部分與都市煤氣供給配管1連接，以此可以將提供給改性器4的都市煤氣(原料氣體)作為致冷劑使用。
或者，廢氣冷卻器21上連接的致冷劑通道11-2中的從廢氣冷卻器21向下游延伸的部分與燃料電池用冷卻水配管80連接，以此可以將提供給燃料電池9的冷卻水作為致冷劑使用。
又，作為圖2或圖3所示的凝集水箱14的致冷劑通道43或配管48流過的致冷劑，也可以使用例如提供給這樣的改性器4的水、提供給改性器4的原料氣體、或提供給燃料電池9的冷卻水。
而且如圖6所示將水排出閥32與水供給配管2用水循環(huán)配管81連接，借助于此，滯留于凝集水箱14中的凝集水19通過該水循環(huán)配管81流回水蒸發(fā)部3。于是，從廢氣中去除水蒸汽得到的凝集水19能夠作為提供給改性催化劑5的水再利用。
實(shí)施形態(tài)5如圖7所示，配置作為向燃燒器6提供廢氣的配管的廢氣加熱器75，使其與構(gòu)成燃燒器6的壁構(gòu)件接觸。這是圖1所示的燃料配管16與燃燒氣體配管18連接的廢氣加熱器15的變形例。
還有，在這里，參照?qǐng)D7對(duì)燃燒器6的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明，其它的結(jié)構(gòu)與實(shí)施形態(tài)1相同，因此，這些結(jié)構(gòu)的說明省略。
燃燒器6主要具有設(shè)置為在通過廢氣加熱器75的廢氣流通配管上連接，能夠?qū)U氣引向火焰區(qū)域7 3的燃燒器燃料配管72、以及多個(gè)壁構(gòu)件71-1、71-2、71-3、71-4構(gòu)成，設(shè)置為能夠?qū)⒖諝庖蚧鹧鎱^(qū)域的空氣緩沖器76-1、76-2、將燃燒用空氣供給配管17(參照?qǐng)D1)與空氣緩沖器76-1連接，能夠?qū)⒖諝庖蚩諝饩彌_器76-1的燃燒器用空氣配管74、以及檢測(cè)空氣與廢氣構(gòu)成的混合氣體的燃燒狀態(tài)的火焰測(cè)量桿70。
又，在燃燒配管72的廢氣下游側(cè)端上安裝蓋72p，使其遮擋廢氣流，并且在該蓋72p的近旁的燃燒器燃料配管72的側(cè)壁上，在圓周方向上等間隔地設(shè)置多個(gè)廢氣噴出孔72h，借助于此，如圖7的箭頭所示，利用蓋72p將通過燃燒器燃料配管72內(nèi)部上升的廢氣被遮擋，被遮擋的廢氣能夠從廢氣噴出孔72h均勻地向火焰區(qū)域73噴出。
又，筒狀的空氣緩沖器76-1和中央有凹部的環(huán)狀的空氣緩沖器76-2利用在筒狀的壁構(gòu)件71-2的圓周方向上等間隔設(shè)置的空氣噴出孔76h-1連通。又在空氣緩沖器76-2的凹部，在其深度方向上和其圓周方向上等間隔設(shè)置多個(gè)空氣噴出孔76h-2。利用這樣的結(jié)構(gòu)，如圖7的虛線所示，從空氣緩沖器76-1通過空氣噴出孔76h-1向空氣緩沖器76-2輸送的空氣，能夠從空氣噴出孔76h-2均勻地向火焰區(qū)域73噴出。
這樣，廢氣與空氣在火焰區(qū)域73混合。然后，混合氣體在火焰區(qū)域73燃燒，生成高溫的燃燒氣體。
還有，該混合氣體的燃燒狀態(tài)利用火焰測(cè)量桿70檢測(cè)，根據(jù)火焰測(cè)量桿70輸出的檢測(cè)信號(hào)，控制裝置33(參照?qǐng)D1)恰當(dāng)?shù)乜刂浦鹧鎱^(qū)域73的混合氣體的燃燒。
在這里，如圖7所示，廢氣加熱器20在與構(gòu)成燃燒器6的空氣緩沖器76-1、76-2的下壁的壁構(gòu)件71-1接觸的狀態(tài)下配置。因此，在火焰區(qū)域73生成的熱的一部分被傳遞出去，壁構(gòu)件71-1受到加熱，以此可以實(shí)現(xiàn)流過廢氣加熱器20的廢氣與壁構(gòu)件71-1的熱交換，從而能夠進(jìn)行加熱。
利用這樣的結(jié)構(gòu)，可以使通過廢氣加熱器75的、提供給燃燒器6之前的廢氣得到加熱，成為溫度比其露點(diǎn)溫度高得足夠多的氣體。
從而，利用廢氣加熱器75使伴隨廢氣發(fā)生的水滴確實(shí)蒸發(fā)之后，能夠?qū)⑦@樣的廢氣提供給燃燒器6的火焰區(qū)域73，因此，能夠適當(dāng)應(yīng)對(duì)使燃燒器6的火焰區(qū)域73的廢氣燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定這樣的已有的存在問題。
還有，在這里，火焰測(cè)量桿70能夠通過對(duì)火焰施加電壓以檢測(cè)火焰中流過的碳離子電流，以判定燃燒器6的火焰區(qū)域73中的燃料氣體的燃燒狀態(tài)。
但是，作為燃料氣體的廢氣中，大量含有氫氣，廢氣的燃燒中，與都市煤氣等的燃燒相比，相對(duì)說來，處于氫離子較多，碳離子較少的狀態(tài)，因此，火焰測(cè)量桿70的碳離子電流檢測(cè)精度不好。
在這樣的狀態(tài)下，如果不能利用廢氣加熱器75使廢氣中的水滴確實(shí)蒸發(fā)掉，則由于該水滴的影響，火焰測(cè)量桿70的碳離子電流檢測(cè)精度可能進(jìn)一步下降。
在本實(shí)施形態(tài)5，由于能夠在向燃燒器提供之前確實(shí)去除廢氣中的水滴，因此，除了能夠使廢氣燃燒狀態(tài)穩(wěn)定外，而且具有抑制火焰測(cè)量桿70的碳離子電流檢測(cè)精度下降的效果。當(dāng)然，這樣提高火焰測(cè)量桿70的檢測(cè)精度的效果，只要使用火焰測(cè)量桿70，在實(shí)施形態(tài)1～4所述的燃料電池發(fā)電裝置中也能夠得到。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，具備由原料氣體和水生成含氫的改性氣體的改性催化劑構(gòu)件、消耗所述改性氣體進(jìn)行發(fā)電的燃料電池、以及以從所述燃料電池送出的含氫廢氣作為燃料氣體，用于加熱所述改性催化劑構(gòu)件生成燃燒氣體的燃燒器，在從所述廢氣中分離水蒸汽后，對(duì)所述廢氣進(jìn)行加熱，將所述加熱的廢氣作為燃料氣體提供給所述燃燒器，另一方面，將所述分離的水蒸汽作為凝集水排出到外部。
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，利用使所述廢氣冷卻的方法分離所述水蒸汽。
3.一種燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，具備由原料氣體和水生成含氫的改性氣體的改性催化劑構(gòu)件、消耗所述改性氣體進(jìn)行發(fā)電的燃料電池、從所述燃料電池送出的含氫廢氣分離水蒸汽，同時(shí)使所述分離的水蒸汽凝集然后將其排出到外部的水分離去除部、利用熱交換對(duì)所述水分離去除部送出的廢氣進(jìn)行加熱的加熱用熱交換部、以及以在所述加熱用熱交換部加熱的廢氣作為燃料氣體，用于對(duì)所述改性催化劑構(gòu)件進(jìn)行加熱生成燃燒氣體的燃燒器。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，通過所述加熱用熱交換部，并且提供給所述燃燒器之前的廢氣的溫度，被加熱到在所述加熱用熱交換部的上游側(cè)而且是所述水分離部的下游側(cè)的地方的廢氣的溫度以上。
5.如權(quán)利要求3所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，具備利用熱交換使所述廢氣冷卻的冷卻用熱交換部，通過在所述冷卻用熱交換部冷卻所述廢氣，進(jìn)行所述水蒸汽的分離。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，利用與所述原料氣體、所述水、和燃料電池用冷卻水中的任一種致冷劑的熱交換，在所述冷卻用熱交換部冷卻所述廢氣。
7.如權(quán)利要求5所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，所述水分離去除部具有貯存從所述廢氣中分離水蒸汽得到的凝集水的筒狀的凝集水箱，一邊使所述廢氣流入所述凝集水箱內(nèi)部，一邊通過所述冷卻用熱交換部使所述凝集水箱的外圓周面得到冷卻。
8.如權(quán)利要求5所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，所述水分離去除部具有貯存從所述廢氣中分離水蒸汽得到的凝集水的筒狀的凝集水箱，所述凝集水箱內(nèi)部的所述廢氣流入的路徑上配置充填了致冷劑的作為所述熱交換部的配管。
9.如權(quán)利要求3所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，所述加熱用熱交換部形成能夠利用與所述燃燒氣體的熱交換對(duì)所述廢氣進(jìn)行加熱的結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，所述廢氣通往所述燃燒器的所述供給配管配置于使所述燃燒器生成的燃燒氣體流過的路徑的內(nèi)部，在所述路徑的內(nèi)部，所述廢氣與所述燃燒氣體進(jìn)行熱交換。
11.如權(quán)利要求9所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，具備覆蓋使利用所述燃燒器生成的燃燒氣體流過的路徑的隔熱材料，所述廢氣通往所述燃燒器的供給配管配置于所述隔熱材料的內(nèi)側(cè)，在所述隔熱材料的內(nèi)側(cè)，所述廢氣與所述燃燒氣體進(jìn)行熱交換。
12.如權(quán)利要求9所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，所述廢氣通往所述燃燒器的供給配管，與構(gòu)成所述燃燒器的壁構(gòu)件接觸，在所述供給配管和所述壁構(gòu)件相接觸的部分，所述廢氣與所述燃燒氣體進(jìn)行熱交換。
13.如權(quán)利要求3所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，檢測(cè)所述燃燒器的火焰區(qū)域的燃料氣體的燃燒狀態(tài)的火焰測(cè)量桿被插入所述火焰區(qū)域。
14.如權(quán)利要求3所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，去除所述水蒸汽得到的凝集水被提供給所述改性催化劑構(gòu)件。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠從廢氣中適當(dāng)分離包含于廢氣中的水蒸汽并且加以去除，可靠地抑制廢氣中生成水滴的情況發(fā)生的燃料電池發(fā)電裝置。該裝置具有由原料氣體和水生成含氫的改性氣體的改性催化劑構(gòu)件(5)、消耗所述改性氣體的氫發(fā)電的燃料電池(9)、以及以從所述燃料電池(9)送出的含氫廢氣作為燃料氣體，用于加熱所述改性催化劑構(gòu)件(5)生成燃燒氣體的燃燒器(6)，該裝置在從所述廢氣中分離水蒸汽后，對(duì)所述廢氣進(jìn)行加熱，將所述加熱的廢氣作為燃料氣體提供給所述燃燒器(6)，另一方面，將所述分離的水蒸汽以凝集水的形態(tài)排出到外部。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1577933SQ20041007154
公開日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2004年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月15日
發(fā)明者向井裕二, 鵜飼邦弘, 前西晃, 麻生智倫, 吉田豐 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社