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)明涉及為了防止系統(tǒng)停止時伴隨系統(tǒng)內(nèi)可燃性氣體的置換或溫度的降低導(dǎo)致向系統(tǒng)內(nèi)吸引空氣而使用的具有在自身系統(tǒng)內(nèi)作成氮氣的功能的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，為了防止系統(tǒng)停止時伴隨系統(tǒng)內(nèi)可燃性氣體的置換(趕走可燃性氣體，填充不活潑氣體)或溫度的降低導(dǎo)致吸引空氣等，備有不活潑氣瓶。
備有不活潑氣瓶的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，導(dǎo)致附加設(shè)備的增大和氣體管理的負(fù)擔(dān)。因此，研究了具有在自身系統(tǒng)內(nèi)作成不活潑氣體的功能的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，例如構(gòu)成這樣的結(jié)構(gòu)利用使用脫氧材料的除氧器，使含氧氣體(燃燒排氣)流過，進(jìn)行脫氧處理，將生成的不活潑氣體(氮氣)蓄積在儲藏罐中，用于系統(tǒng)內(nèi)可燃性氣體的置換等。(例如專利文獻(xiàn)1)。
日本專利申請?zhí)亻_平6-203865號公報在現(xiàn)有的具有作成氮氣的功能的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，有必要使用對應(yīng)于流過除氧器的含氧氣體的流量，有充分的脫氧反應(yīng)速度的脫氧材料。另外，因為對脫氧材料進(jìn)行氧化還原反復(fù)使用，所以會降低脫氧材料的性能。因此，存在需要高性能而且大量的脫氧材料的問題。
本發(fā)明就是為了解決所述的問題而完成的，目的在于不需要使用高性能的脫氧材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)備有使用氫進(jìn)行發(fā)電的燃料電池；將氫供給該燃料電池的氫供給單元；內(nèi)部裝有脫氧材料，一邊儲藏氣體一邊將氣體中的氧除去的罐；使含氧氣體升壓并供給上述罐的升壓單元；將上述燃料電池或上述氫供給單元兩者中的至少一者與上述罐連接起來的不活潑氣體管道；以及設(shè)置在該不活潑氣體管道中途的斷流閥。
由于本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)備有使用氫進(jìn)行發(fā)電的燃料電池；將氫供給該燃料電池的氫供給單元；內(nèi)部裝有脫氧材料，一邊儲藏氣體一邊將氣體中的氧除去的罐；使含氧氣體升壓并供給上述罐的升壓單元；將上述燃料電池或上述氫供給單元兩者中的至少一者與上述罐連接起來的不活潑氣體管道；以及設(shè)置在該不活潑氣體管道中途的斷流閥，所以具有能顯著地增大有助于脫氧處理的脫氧材料和含氧氣體的接觸時間，即使使用脫氧反應(yīng)速度低的脫氧材料，也能充分地進(jìn)行脫氧處理的效果。


圖1是說明本發(fā)明的實施方式1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖2是說明本發(fā)明的實施方式2的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖3是說明本發(fā)明的實施方式3的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。
(附圖標(biāo)記)1固體高分子型燃料電池(燃料電池) 1A陽極 1B陰極2燃料改質(zhì)器 2A燃燒器 3城市煤氣供給系統(tǒng)4供水系統(tǒng) 5；原料供給管道 6燃料氣體供給管道7空氣供給系統(tǒng) 8罐 9陽極排氣供給管道10斷流閥 11斷流閥 12斷流閥 13壓縮機(jī)14斷流閥 15脫氧材料 16脫氧氮氣供給管道(不活潑氣體管道) 17斷流閥 18斷流閥19還原氣體供給管道(還原氣體管道)20還原氣體排出管道 21斷流閥22燃燒排氣供給管道(燃燒排氣管道)23壓力計(壓力測定單元) 24運算電路25排水罐 26常溫罐(第二罐) 27斷流閥(第二斷流閥)具體實施方式
(實施方式1)圖1是說明本發(fā)明的實施方式1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)想例如商店或公司等白天耗電大的場所，白天發(fā)電使用。因此，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)每天都進(jìn)行啟動和停止，廉價地制造系統(tǒng)停止時使用的不活潑氣體是重要的。
燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由下列部分構(gòu)成作為使用氫發(fā)電的燃料電池的固體高分子型燃料電池1；通過水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)，將城市煤氣變換成以氫為主體的燃料氣體的燃料改質(zhì)器2；將作為原料的城市煤氣供給燃料改質(zhì)器2的城市煤氣供給系統(tǒng)3；將水供給燃料改質(zhì)器2的供水系統(tǒng)4；將城市煤氣和水混合起來，使其流過燃料改質(zhì)器2的原料供給管道5；使在燃料改質(zhì)器2中發(fā)生的以氫為主體的燃料氣體流到固體高分子型燃料電池1中的燃料氣體供給管道6；將空氣供給固體高分子型燃料電池1的空氣供給系統(tǒng)7；以及為了防止系統(tǒng)停止時伴隨系統(tǒng)內(nèi)可燃性氣體的置換或溫度下降發(fā)生的空氣吸引等，儲存向固體高分子型燃料電池1及燃料改質(zhì)器2供給的不活潑氣體的罐8等。
作為原料的城市煤氣和水混合后被供給燃料改質(zhì)器2，通過水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)，將以氫為主體的燃料氣體供給固體高分子型燃料電池1的陽極1A。另一方面，由空氣供給系統(tǒng)7將空氣供給固體高分子型燃料電池1的陰極1B。在固體高分子型燃料電池1中，氫和空氣中的氧按照以下的反應(yīng)式進(jìn)行反應(yīng)來發(fā)電。
(1)
(2)在陽極1A上發(fā)生(1)式所示的反應(yīng)，所發(fā)生的電子被取出到外部，作為電利用。被利用后的電子被供給陰極1B，與在固體高分子型燃料電池1內(nèi)移動的氫離子(H+)和氧引起(2)式所示的反應(yīng)。
由燃料改質(zhì)器2中的水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)引起的氫的生成，在約700℃的溫度下發(fā)生，還需要反應(yīng)熱。為了將燃料改質(zhì)器2加熱到約700℃來供給反應(yīng)熱，在燃料改質(zhì)器2中備有燃燒器2A，利用該燃燒器2A，使含氫的陽極排氣燃燒。為了將陽極排氣供給燃燒器2A，而有陽極排氣供給管道9。
為了在系統(tǒng)停止時能停止向燃料改質(zhì)器2供給城市煤氣和水，在城市煤氣供給系統(tǒng)3和原料供給管道5之間有斷流閥10，在供水系統(tǒng)4和原料供給管道5中間有斷流閥11。另外，在陽極排氣供給管道9中，有系統(tǒng)停止時阻斷陽極排氣氣流用的斷流閥12。如果系統(tǒng)停止時空氣混入燃料改質(zhì)器2中，則將成為由于催化劑被氧化引起的性能下降的原因，所以系統(tǒng)停止時將氮氣封入系統(tǒng)內(nèi)。這里，將從原料供給管道5的上游具有的斷流閥10及斷流閥11到下游中燃料電池1的陽極1A的下游具有的斷流閥12稱為系統(tǒng)內(nèi)。
利用作為升壓單元的壓縮機(jī)13，使作為含氧氣體的空氣升壓即壓縮，通過斷流閥14儲藏在罐8中。發(fā)電功率為10kW左右時，罐8的容量為數(shù)L。
脫氧材料15被填充在罐8的內(nèi)部。脫氧材料15中采用例如銅、或鐵、鎳等金屬粉末、金屬塊、或金屬粉末和陶瓷的成形物之類的自行氧化后將氧除去的材料。罐8與燃料改質(zhì)器2相鄰設(shè)置，以便傳導(dǎo)燃料改質(zhì)器2的熱，燃料改質(zhì)器2及固體高分子型燃料電池1工作時，為使罐8內(nèi)的脫氧材料15保持例如100℃的溫度設(shè)置在適當(dāng)?shù)囊?guī)定的位置。該規(guī)定的位置以燃料改質(zhì)器2或固體高分子型燃料電池1中的任一者或兩者為基準(zhǔn)來決定?？紤]氧化、還原所需要的催化劑的性能，設(shè)定脫氧材料15的工作溫度。在罐8的內(nèi)部利用脫氧材料15，將氧從空氣中除去了的以氮為主要成分的氣體被稱為脫氧氮氣。脫氧氮氣是不活潑氣體。
這樣，作為在罐8中能有效地形成由脫氧材料15引起的氧化反應(yīng)及還原反應(yīng)的溫度條件，利用燃料電池系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的熱，不需要新的熱源，能有效地提高燃料電池系統(tǒng)的能量效率。
脫氧氮氣供給管道16通過斷流閥17連接在罐8和原料供給管道5之間。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電停止時，打開斷流閥17，使脫氧氮氣流過脫氧氮氣供給管道16，將脫氧氮氣充滿原料供給管道5、燃料改質(zhì)器2、燃料氣體供給管道6、固體高分子型燃料電池1、陽極排氣供給管道9。
另外，為了使脫氧材料15還原(使氧分離)而使用燃料氣體的一部分，為此，有從燃料氣體供給管道6的中途分支后通過斷流閥18進(jìn)入罐8的作為還原氣體管道的還原氣體供給管道19；以及使從罐8出來的氣體在陽極排氣供給管道9的中途返回的還原氣體排出管道20。還原氣體排出管道20中有斷流閥21。
下面說明工作情況。關(guān)于填充在罐8內(nèi)的脫氧材料15的還原及脫氧處理，雖然可以按照各種各樣的順序進(jìn)行工作，但以下給出一例。
為了使脫氧材料15還原，在燃料改質(zhì)器2的工作中，在數(shù)十分鐘至數(shù)小時左右的規(guī)定時間內(nèi)，將斷流閥18和斷流閥21打開，將斷流閥14和斷流閥17關(guān)閉。在這樣的狀態(tài)期間，以氫為主體的燃料氣體的一部分被供給罐8。脫氧材料15利用燃料氣體進(jìn)行還原，恢復(fù)作為脫氧材料15的功能。從罐8出來的未反應(yīng)的部分的氫在燃燒器2A中燃燒。在還原氣體供給管道19或還原氣體排出管道20中，設(shè)有孔板等流量調(diào)節(jié)單元(圖中未示出)，設(shè)定適當(dāng)?shù)牧髁恳允惯€原反應(yīng)不至于過度或不足，有望提高燃料電池系統(tǒng)的效率。
脫氧材料15還原后，關(guān)閉斷流閥18和斷流閥21，打開斷流閥14，用壓縮機(jī)13壓縮空氣并供給罐8。將空氣供給罐8且達(dá)到上限壓力(例如10個大氣壓)后，使壓縮機(jī)13停止，關(guān)閉斷流閥14。被供給罐8的空氣利用脫氧材料15進(jìn)行脫氧處理，變換成不活潑氣體即脫氧氮氣，儲藏在罐8內(nèi)。
脫氧處理后，由于氧被除去了，所以罐8內(nèi)的氣體壓力比空氣供給時的上限壓力低。假設(shè)空氣中的氧濃度為α(這里，假設(shè)為20％)，如果氧大致被除去，則壓力也下降到(1-α)倍。如果下降到了規(guī)定的壓力，則再次打開斷流閥14，用壓縮機(jī)13壓縮空氣并供給罐8。將空氣供給罐8且達(dá)到上限壓力后，使壓縮機(jī)13停止，關(guān)閉斷流閥14，反復(fù)進(jìn)行這樣的工作，能將接近上限壓力的氮儲藏在罐8中。然后，等待罐8內(nèi)由脫氧材料15進(jìn)行的脫氧處理結(jié)束，一旦結(jié)束，罐8內(nèi)便充滿了脫氧氮氣。
初次填充空氣時，用罐8的上限壓力填充罐8的容量大小的空氣。第二次以后，填充與被除去的氧相同數(shù)量的空氣，所以填充的空氣量逐漸減少。假設(shè)脫氧材料15除去氧的速度與氧接觸脫氧材料15的概率即與氧濃度成比例關(guān)系，那么對罐8內(nèi)的氧濃度，氧濃度的對數(shù)與時間成比例地減少。因此，氧達(dá)到填充后的β(例如0.1)倍所需要的時間與氧濃度無關(guān)而是一定的。設(shè)氧達(dá)到填充后的β倍所需要的時間為T(例如2分鐘)，假設(shè)填充空氣所需要的時間為零，填充之后經(jīng)過時間T時反復(fù)進(jìn)行了n次空氣的供給，那么設(shè)剛填充完后氧濃度為C(n)，下一次填充前氧濃度為D(n)時，有以下關(guān)系。
首先，由于在罐8內(nèi)氧利用脫氧材料15而被除去，所以變成以下的樣子。
D(n)＝β×C(n) (3)由于填充空氣來代替被脫氧材料15除去了的氧，所以變成以下的樣子。
C(n+1)＝D(n)+(C(n)-D(n))×α(4)根據(jù)(3)式和(4)式，初次填充后C(1)＝α，所以變成以下的樣子。
C(n)＝(β+(1-β)×α)n-1×α(5)D(n)＝(β+(1-β)×α)n-1×α×β(6)除氧操作結(jié)束后，罐內(nèi)氣體的壓力和上限壓力的差在γ(例如1％)以內(nèi)，為了將氣體填充到罐8中，所需要的填充重復(fù)次數(shù)N是由(5)式計算的C(n)達(dá)到γ以下的最小的n。假設(shè)β＝0.1，則N＝3，即使β＝0.01，同樣N＝3。在β＝0.01的情況下，T為β＝0.1時的T的2倍，所以空氣的反復(fù)填充結(jié)束時的時間，在β＝0.1的情況下能更早完成填充。另外，將空氣填充到罐8內(nèi)需要數(shù)秒至數(shù)十秒的時間，在將空氣填充到罐8內(nèi)的過程中也會利用脫氧材料15進(jìn)行氧的除去，所以上式未必仍成立，但可以說大致相同。
將罐8中作成并且儲藏起來的脫氧氮氣，在發(fā)電停止時用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的不活潑氣體的置換，或者為了防止系統(tǒng)停止時的負(fù)壓吸引，而用于不活潑氣體的補(bǔ)充。
系統(tǒng)內(nèi)的不活潑氣體的置換按以下步驟進(jìn)行燃料電池系統(tǒng)停止時關(guān)閉斷流閥10和斷流閥11，停止原料的供給，打開斷流閥17，使脫氧氮氣從脫氧氮氣供給管道16流入原料供給管道5。在脫氧氮氣供給管道16中設(shè)有孔板等流量調(diào)節(jié)單元(圖中未示出)，能調(diào)節(jié)脫氧氮氣的流量。另外，不僅燃料電池系統(tǒng)停止時，而且啟動時也可以實施不活潑氣體的置換。
用不活潑氣體將系統(tǒng)充滿后，也便儲藏在罐8內(nèi)的脫氧氮氣在系統(tǒng)內(nèi)流通。這是因為系統(tǒng)一旦停止，燃燒器2A中的燃燒也停止，所以燃料電池系統(tǒng)總體的溫度降低，由于溫度降低，所以系統(tǒng)內(nèi)的壓力降低，防止將空氣吸引到系統(tǒng)內(nèi)。溫度充分降低后，將斷流閥12和斷流閥17關(guān)閉。在溫度充分降低之前，也可以關(guān)閉斷流閥12和斷流閥17，使系統(tǒng)內(nèi)成為密封空間，通過壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等，以比大氣壓高的壓力將脫氧氮氣供給系統(tǒng)內(nèi)，即使壓力伴隨溫度降低而降低后，也能達(dá)到比大氣壓高的適當(dāng)?shù)膲毫Α?br> 在該實施方式1中，將脫氧材料15設(shè)置在罐8中，對加壓儲藏的含氧氣體進(jìn)行脫氧處理。將本發(fā)明的方法稱為靜止系統(tǒng)的方法。與此不同，以往的使含氧氣體流過脫氧材料15進(jìn)行脫氧處理，將通過脫氧處理生成的脫氧氮氣儲藏在罐中，將這樣的方法稱為流通系統(tǒng)的方法。
在靜止系統(tǒng)的方法中，能顯著地增加有助于脫氧處理的脫氧材料15和含氧氣體的接觸時間，用脫氧反應(yīng)速度低的脫氧材料15，也能充分地進(jìn)行脫氧處理。因此不需要使用高性能的脫氧材料15，另外，還能減少脫氧材料15的使用量。
以下說明流通系統(tǒng)的方法和靜止系統(tǒng)的方法中脫氧反應(yīng)所需要的脫氧材料15的量。首先，說明脫氧反應(yīng)的基本情況。脫氧材料15是將吸收氧的材料空間上分散的方法進(jìn)行配置。在該實施方式1中，使用銅系列催化劑，在100℃的溫度下進(jìn)行脫氧反應(yīng)。150g的脫氧材料15占有的容積大約為0.15L，如果空氣接觸150g的脫氧材料15達(dá)1分30秒，則氧濃度減少到0.1％。不管是流通系統(tǒng)還是靜止系統(tǒng)，如果與相同量相同性能的脫氧材料接觸相同的時間，則氧濃度減少相同程度。
在使用保持占有約0.15L體積的150g脫氧材料15的氧除去器在流通系統(tǒng)中進(jìn)行脫氧處理的情況下，如果使空氣以0.1L/分鐘的速度流動，則使5L空氣流過需要50分鐘，空氣在氧除去器中滯留的時間平均為1分30秒，所以從氧除去器出來的氣體的氧濃度為0.1％。在需要用更短的時間進(jìn)行脫氧處理的情況下，有必要增加氧除去器的容量和脫氧材料15的量。例如，將脫氧材料15的重量及其占有體積增大10倍，在使用1500g脫氧材料15的氧除去器中，使空氣以1L/分鐘的速度流動時流出氧除去器的氣體中的氧濃度為0.1％。
在靜止系統(tǒng)的方法中，考慮在0.5L容積的罐8內(nèi)配置占有約0.15L體積的150g脫氧材料，填充100℃10個大氣壓的空氣進(jìn)行脫氧處理的情況。在此情況下，相當(dāng)于將100℃1個大氣壓5L的空氣填充到了罐8內(nèi)，罐8內(nèi)的氣體與脫氧材料15接觸的時間比率為0.15/0.5＝0.3，所以從填充空氣算起5分鐘后，空氣接觸脫氧材料15的時間的平均值為1分30秒，罐8內(nèi)的氧濃度變?yōu)?.1％。隨著時間的流逝，氧濃度進(jìn)一步下降。另外，在花費時間進(jìn)行脫氧處理的情況下，也可以用更少量的脫氧材料15。例如，從填充算起50分鐘后，使氧濃度為0.1％時，在靜止系統(tǒng)的方法中15g脫氧材料即可。
這樣在靜止系統(tǒng)的方法中，由于脫氧材料接觸壓縮的空氣，所以接觸脫氧材料的氣體的量能比流通系統(tǒng)的方法的情況大，用相同時間生成相同量的脫氧后的氣體所需要的脫氧材料的量能比流通系統(tǒng)的方法的情況小。在靜止系統(tǒng)的方法中，在儲藏在罐8內(nèi)的期間進(jìn)行脫氧處理，所以能用更長的時間進(jìn)行脫氧處理，在花費更長的時間的情況下，用更少量的脫氧材料即可。
另外，在靜止系統(tǒng)的方法中，也能使用脫氧反應(yīng)速度慢的脫氧材料，不用高性能的分散金屬載體催化劑，也能使用更便宜的多孔化的金屬粒等。
在本實施方式中，舉例示出了備有將城市煤氣等燃料即碳化氫變換成以氫為主體的燃料氣體的燃料改質(zhì)器的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，但在由作為氫供給單元的氫供給系統(tǒng)將氫供給到燃料電池的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中也能適用。
另外，由系統(tǒng)內(nèi)的不活潑氣體進(jìn)行的置換等中使用的管道及斷流閥，也可以兼作使脫氧材料15的還原中用的燃料氣體流通的管道及斷流閥用。例如，沒有脫氧氮氣供給管道16和斷流閥17，通過打開斷流閥18，關(guān)閉斷流閥21，也可以由系統(tǒng)內(nèi)的不活潑氣體進(jìn)行置換等。另外，也可以仍然有脫氧氮氣供給管道16和斷流閥17，打開斷流閥17和斷流閥18兩者，將不活潑氣體供給系統(tǒng)內(nèi)。
在本實施方式中，雖然在脫氧材料15還原時將從罐8出來的氣體送給燃燒器2A，但也可以供給燃料電池的陽極1A的入口側(cè)。另外，脫氧材料15還原時不是將斷流閥18經(jīng)常打開，而是定期地關(guān)閉斷流閥18，也可以用滯留在罐8內(nèi)的氫進(jìn)行還原。由此，能將氫有效地用于還原反應(yīng)。另外，在還原處理的最后用滯留在罐8內(nèi)的氫進(jìn)行還原，降低罐8內(nèi)的氫濃度，供給供脫氧的含氧氣體時，能降低氧和氫急劇反應(yīng)的可能性，更能謀求安全化。如果關(guān)閉斷流閥18進(jìn)行脫氧處理，則能防止由燃料氣體的擴(kuò)散引起的氫濃度的上升，更有效。間歇地供給還原用的氣體產(chǎn)生的效果與使用氫氣以外的氣體的情況相同。
這里雖然給出了燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電工作時生成脫氧氮氣的順序，但如果脫氧材料15呈具有脫氧功能的還原狀態(tài)，則在任何時刻都可以進(jìn)行脫氧氮氣的生成，例如發(fā)電停止后或燃料電池發(fā)電系統(tǒng)啟動時，也可以生成脫氧氮氣。另外，也可以在多個時刻生成脫氧氮氣。
以上情況在別的實施方式中也適用。
(實施方式2)圖2是說明本發(fā)明的實施方式2的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。在實施方式2中，使用氧濃度比空氣低的氣體即從燃料改質(zhì)器2排出的燃燒排氣構(gòu)成生成脫氧氮氣時用的含氧氣體。
只說明與實施方式1情況下的圖1不同的地方。追加了將燃料改質(zhì)器2的排氣的一部分輸入壓縮機(jī)13中的作為燃燒氣體管道的燃燒排氣供給管道22。還追加了測定罐8內(nèi)的儲藏氣體壓力的作為壓力測定單元的壓力計23；輸入用壓力計23測定的壓力，算出脫氧材料15的反應(yīng)速度的運算電路24；以及收集存在于罐8內(nèi)的冷凝水的設(shè)置在脫氧氮氣供給管道16的中途的排水罐25。
下面說明工作。與實施方式1同樣地進(jìn)行脫氧材料15的還原。脫氧材料15還原后，關(guān)閉斷流閥18和斷流閥21，打開斷流閥14。用壓縮機(jī)13壓縮從燃燒排氣供給管道22供給的燃料改質(zhì)器2的排氣的一部分，并供給罐8。一邊用事先測量的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)用壓力計23測量的壓力變化的數(shù)據(jù)，用運算電路24算出脫氧材料15的反應(yīng)速度，一邊與實施方式1同樣地進(jìn)行脫氧處理。算出的脫氧材料15的反應(yīng)速度被看作是判斷脫氧材料15是否保持著充分的性能的依據(jù)。
將含氧氣體供給罐8進(jìn)行脫氧處理時，隨著脫氧反應(yīng)的進(jìn)行，儲藏氣體的壓力下降。就是說，每單位時間的壓力下降與脫氧材料15的反應(yīng)速度成比例。由于脫氧材料15反復(fù)地進(jìn)行氧化還原，所以脫氧性能下降。在脫氧材料15的氧化反應(yīng)速度下降了的情況下，罐8內(nèi)的壓力下降速度降低。因此，通過將由壓力計23測定的壓力下降輸入到運算電路24中，算出脫氧材料15的反應(yīng)速度，能判斷伴隨催化劑性能的下降進(jìn)行更換的必要性。為了能更準(zhǔn)確地判斷，也可以測定儲藏氣體的溫度變化等與壓力條件有關(guān)的信息，修正運算電路24。
與實施方式1相同，燃料電池系統(tǒng)停止時打開斷流閥17，使脫氧氮氣從脫氧氮氣供給管道16流過原料供給管道5，進(jìn)行由系統(tǒng)內(nèi)的不活潑氣體進(jìn)行的置換。由于在脫氧氮氣供給管道16的中途設(shè)有排水罐25，所以能將罐8內(nèi)生成的冷凝水排放到罐8外部。
在該實施方式中，由于采用按照靜止系統(tǒng)的方法進(jìn)行的脫氧反應(yīng)，所以與流通系統(tǒng)的方法相比較，能顯著地增大有助于脫氧處理的脫氧材料和含氧氣體的接觸時間，也能使用脫氧反應(yīng)速度慢的脫氧材料，能減少脫氧反應(yīng)所需要的脫氧材料的使用量。
從燃料改質(zhì)器2排出的燃燒排氣是氧濃度比空氣低的氣體，所以更能縮短罐8中的脫氧處理的時間，在脫氧處理的時間相同的情況下，需要的脫氧材料15的量可以更少。
另外，由于備有計算反應(yīng)速度的運算電路24，所以能準(zhǔn)確地判斷是否有必要更換脫氧材料15。
在本實施方式中雖然使用了燃燒氣體，但使用在系統(tǒng)內(nèi)生成的氧濃度比空氣低的氣體，能獲得同樣的效果，例如，也可以用燃料電池的陰極排氣。另外，也可以將燃燒氣體和陰極排氣中任一者或兩者與空氣混合起來供給罐8。另外，在供給含水的含氧氣體的情況下，在用壓縮機(jī)升壓前，最好進(jìn)行水氣分離。
在本實施方式中，雖然將排水罐25設(shè)置在脫氧氮氣供給管道16中，但也可以將排水罐25設(shè)置在還原氣體排出管道20中。只要是氣體從罐8流出的管道，那么排水罐25可以設(shè)置在任何的地方。
以上情況在別的實施方式中也適用。
(實施方式3)圖3是說明本發(fā)明的實施方式3的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。在實施方式3中，在斷流閥17和罐8之間的脫氧氮氣供給管道16的中途，備有作為第二個罐的常溫罐26和作為第二個斷流閥的斷流閥27。罐8被設(shè)置在例如燃料改質(zhì)器2及固體高分子型燃料電池1工作時罐8內(nèi)的脫氧材料15能被保持100℃的溫度的規(guī)定的位置，與此不同，常溫罐26被設(shè)置在常溫罐26內(nèi)外的溫度為室溫的位置。
以下給出工作例。填充在罐8內(nèi)的脫氧材料15的還原及脫氧處理與實施方式1的情況相同。為了使脫氧材料15還原，只在燃料改質(zhì)器2工作過程中的規(guī)定時間，打開斷流閥18及斷流閥21，關(guān)閉斷流閥14、斷流閥17及斷流閥27。在這樣的狀態(tài)期間，以氫為主體的燃料氣體的一部分被供給罐8。脫氧材料15利用燃料氣體進(jìn)行還原，恢復(fù)作為脫氧材料15的功能。
脫氧材料15還原后，關(guān)閉斷流閥18和斷流閥21，打開斷流閥14，用壓縮機(jī)13壓縮空氣，供給罐8。供給空氣直至罐8達(dá)到上限壓力、例如10個大氣壓為止，然后使壓縮機(jī)13停止，關(guān)閉斷流閥14。供給到罐8中的空氣利用脫氧材料15進(jìn)行脫氧處理，剩下以作為不活潑氣體的氮為主要成分的脫氧氮氣并被儲藏在罐8內(nèi)。
充分地進(jìn)行了脫氧處理后，打開斷流閥27，使罐8和常溫罐26的壓力均勻，將脫氧氮氣分配到兩個罐內(nèi)。然后，再關(guān)閉斷流閥27，打開斷流閥14，用壓縮機(jī)13壓縮空氣，供給罐8。供給空氣直至罐8達(dá)到上限壓力為止，然后使壓縮機(jī)13停止，關(guān)閉斷流閥14，脫氧處理后打開斷流閥27，反復(fù)進(jìn)行使罐8和常溫罐26的壓力均勻化的工作，能將接近上限壓力的脫氧氮氣儲藏在罐8和常溫罐26中。
在同一儲藏壓力下，儲藏在罐8內(nèi)的氣體溫度越高，罐的每單位容積的脫氧氮氣的儲藏量越小。在本實施方式中，在脫氧反應(yīng)中用的罐8的溫度比室溫高的情況下，能使作為罐8和常溫罐26的合計容量的每單位罐容量所能儲藏的脫氧氮氣量更多。另外，常溫罐26對罐8的容積比例越大，其效果越好。
能將這樣作成而且儲藏起來的脫氧氮氣用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的不活潑氣體的置換和系統(tǒng)停止時負(fù)壓吸引的補(bǔ)充。
由于備有常溫罐26，所以在罐8中脫氧材料15正在進(jìn)行還原、或罐8中的脫氧反應(yīng)不能充分地進(jìn)行的情況下，也能使用脫氧氮氣，具有燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運用自由度高的效果。
另外，上述脫氧材料15的還原后，可燃性氣體成分殘留在罐8內(nèi)。這里，在將含氧氣體供給罐8內(nèi)之前，打開斷流閥27和斷流閥21，使儲藏在常溫罐26內(nèi)的脫氧氮氣流到罐8內(nèi)，能防止可燃性氣體和含氧氣體混合，能實現(xiàn)更安全的工作。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，備有使用氫進(jìn)行發(fā)電的燃料電池；將氫供給該燃料電池的氫供給單元；內(nèi)部裝有脫氧材料，一邊儲藏氣體一邊將氣體中的氧除去的罐；使含氧氣體升壓并供給上述罐的升壓單元；將上述燃料電池或上述氫供給單元兩者中的至少一者與上述罐連接起來的不活潑氣體管道；以及設(shè)置在該不活潑氣體管道中途的斷流閥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于上述氫供給單元是將燃料改質(zhì)后生成氫的燃料改質(zhì)器，上述不活潑氣體管道將上述罐與上述燃料電池或上述燃料改質(zhì)器兩者中的至少一者連接起來。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于備有將燃料電池發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的含氫的氣體引導(dǎo)到上述罐中的還原氣體管道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于利用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的熱，使上述罐達(dá)到規(guī)定的溫度條件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于備有測定上述罐內(nèi)的氣體壓力的壓力測定單元；以及根據(jù)由該壓力測定單元測定的壓力下降速度，判斷上述脫氧材料的更換必要性的運算電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于備有連接在氣體從上述罐流出的管道上，蓄積冷凝水的排水罐。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于備有將從上述脫氧材料除去氧的還原氣體引導(dǎo)到上述罐中的還原氣體管道；以及為了將上述還原氣體間歇地輸入上述罐內(nèi)，而設(shè)置在上述還原氣體管道中的還原氣體斷流閥。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于備有設(shè)置在比設(shè)置在上述不活潑氣體管道中途的上述斷流閥更靠近上述罐一側(cè)的第二罐、以及設(shè)置在上述第二罐和上述罐之間的第二斷流閥；使上述第二罐的溫度比上述罐低，打開上述第二斷流閥，將在上述罐中進(jìn)行了脫氧處理的氣體分配給上述第二罐。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于將氧從上述罐內(nèi)的上述脫氧材料中除去后，用上述第二罐內(nèi)的氣體置換上述罐內(nèi)的氣體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于使上述升壓單元升壓后供給上述罐的氣體的至少一部分，成為其氧濃度比燃料電池發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的空氣的氧濃度低的氣體。
11.一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，具有內(nèi)裝了生成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中使用的不活潑氣體的脫氧材料的罐；以及使由上述脫氧材料將氧除去后的氣體升壓，供給上述罐的升壓單元。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于備有將由內(nèi)裝在上述罐內(nèi)的上述脫氧材料除去了氧的還原氣體供給上述罐的還原氣體管道。
全文摘要
提供一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。在現(xiàn)有的具有作成氮氣的功能的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，對于流過除氧器的含氧氣體的流量，有必要使用有充分的脫氧反應(yīng)速度的脫氧材料。該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)備有使用氫進(jìn)行發(fā)電的燃料電池(1)；將氫供給該燃料電池(1)的氫供給單元(2)；內(nèi)裝有脫氧材料(15)，一邊儲藏氣體一邊將氣體中的氧除去的罐(8)；使含氧氣體升壓并供給罐(8)的升壓單元(13)；將罐(8)與燃料電池(1)或氫供給單元(2)兩者中的至少一者連接起來的不活潑氣體管道(16)；以及設(shè)置在不活潑氣體管道(16)中途的斷流閥(17)。
文檔編號H01M8/00GK1848499SQ20051010993
公開日2006年10月18日 申請日期2005年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月12日
發(fā)明者中田光昭, 前田秀雄, 小關(guān)秀規(guī) 申請人:三菱電機(jī)株式會社