專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及其發(fā)電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在改質(zhì)器中從改質(zhì)用燃料生成含氫改質(zhì)氣體，并在燃料電池中利用含氫改質(zhì)氣體中的氫來進(jìn)行發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
利用烴類或醇類等改質(zhì)用燃料來進(jìn)行發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)包括從上述改質(zhì)用燃料生成含氫的改質(zhì)氣體的改質(zhì)器；用于從上述改質(zhì)氣體中提取高純度氫的氫分離膜裝置；以及使氫處于氫質(zhì)子狀態(tài)，并和氧發(fā)生反應(yīng)以進(jìn)行發(fā)電的燃料電池。上述改質(zhì)器進(jìn)行例如改質(zhì)用燃料與水進(jìn)行的水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)以及改質(zhì)用燃料與氧進(jìn)行的部分氧化反應(yīng)等來生成上述改質(zhì)氣體。另外，上述氫分離膜裝置具有由鈀等構(gòu)成的氫分離膜，該氫分離膜具有只會(huì)使氫透過的性質(zhì)。另外，上述燃料電池具有被提供了透過氫分離膜的氫的陽(yáng)極流道；被提供了空氣等的陰極流道；以及配置在這些流道之間的質(zhì)子導(dǎo)體(電解質(zhì))。
在上述的燃料電池系統(tǒng)中，使提供給陽(yáng)極流道的氫處于氫質(zhì)子狀態(tài)，然后使之透過上述質(zhì)子導(dǎo)體，并且在陰極流道中，在該氫質(zhì)子和空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)生成水的同時(shí)來進(jìn)行發(fā)電。例如下述專利文獻(xiàn)1、2中所示的即為這種燃料電池系統(tǒng)。
從上述陰極流道排出的陰極廢氣中含有由上述氫質(zhì)子和氧進(jìn)行反應(yīng)而生成的水以及在和上述氫質(zhì)子的反應(yīng)中沒有使用的氧等。因此，在專利文獻(xiàn)1中，在上述改質(zhì)器的各個(gè)反應(yīng)中利用上述陰極廢氣。另外，從上述陽(yáng)極流道排出的陽(yáng)極廢氣中含有沒有透過上述質(zhì)子導(dǎo)體的氫以及從上述改質(zhì)器輸送來的水等。因此，在專利文獻(xiàn)2中，在上述改質(zhì)器的改質(zhì)反應(yīng)中利用上述陽(yáng)極廢氣。
另外，上述燃料電池的種類例如有在上述質(zhì)子導(dǎo)體中使用了固體高分子膜的固體高分子膜型燃料電池、以及在質(zhì)子導(dǎo)體中使用了碳化硅中浸漬有磷酸的物質(zhì)的磷酸型電池等。在上述改質(zhì)器中，為了抑制碳的析出，例如要在400℃以上的高溫進(jìn)行反應(yīng)，而另一方面，由于有在上述質(zhì)子導(dǎo)體中浸漬溶液來進(jìn)行使用的性質(zhì)，因此上述各個(gè)燃料電池的工作溫度在固體高分子膜型燃料電池中為20～120℃左右，在磷酸型燃料電池中為120～210℃左右。
從而在上述以往的燃料電池系統(tǒng)中，由上述改質(zhì)器生成的改質(zhì)氣體的溫度以及透過上述氫分離膜的氫的溫度大大高于提供給燃料電池的氫的溫度，從而需要在提供給燃料電池之前大幅度降低改質(zhì)氣體或者氫的溫度。
于是在專利文獻(xiàn)1中，通過熱交換器來進(jìn)行上述改質(zhì)器中生成的改質(zhì)氣體和陰極廢氣的熱交換，從而將熱量從改質(zhì)氣體傳給陰極廢氣并使該改質(zhì)氣體的溫度下降，另外，通過其它熱交換器降低上述透過氫分離膜的氫的溫度，然后將其提供給燃料電池。
另外，在專利文獻(xiàn)2中，通過使透過氫分離膜的氫通過冷凝器來降低溫度，然后將其提供給燃料電池。
這樣，在上述以往的燃料電池系統(tǒng)中，雖然特意降低了用于提供給燃料電池的氫的溫度，但不能在改質(zhì)器中利用從燃料電池的陰極流道中排出的陰極廢氣的熱量。另外，使用上述熱交換器或上述冷凝器等，不僅浪費(fèi)能源，而且會(huì)使上述燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。
另外，如上所述，上述固體高分子膜型燃料電池系統(tǒng)和上述磷酸型燃料電池是在上述質(zhì)子導(dǎo)體中浸漬溶液來進(jìn)行使用的。因此，在這些燃料電池中，在上述陰極流道中由上述氫質(zhì)子和上述空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的水會(huì)由于因陽(yáng)極流道和陰極流道之間的水量差引起的反向輸注(日文原文バツクリフュ-ジヨン，back fusion)而在上述質(zhì)子導(dǎo)體內(nèi)移動(dòng)，并流入上述陽(yáng)極流道。于是，通過發(fā)生依賴于飽和蒸氣壓力的氣化而從陽(yáng)極流道排出流入該陽(yáng)極流道的水。
因此，不能從上述陰極流道回收由上述燃料電池的發(fā)電而生成的全部水分，不能利用所述的全部水分來調(diào)節(jié)提供給上述改質(zhì)器的水量。
另外，由于不能全部回收上述水分，因此，上述以往的燃料電池系統(tǒng)大部分不能滿足上述改質(zhì)器的反應(yīng)所必需的水分。因此，在以往的燃料電池系統(tǒng)中，為了向改質(zhì)器提供充足的水分以進(jìn)行穩(wěn)定的運(yùn)行，需要向改質(zhì)器添加供給水分，并需要濃縮上述陰極廢氣中所包含的水分以供給改質(zhì)器。
另外，在上述以往的燃料電池系統(tǒng)中，上述質(zhì)子導(dǎo)體內(nèi)的成分可能會(huì)氣化并溶于陰極流道內(nèi)的水中。例如，在上述固體高分子膜型燃料電池中，氟成分可能會(huì)溶入水中，在上述磷酸型燃料電池中，磷酸可能會(huì)溶入水中。因此，傳輸給上述改質(zhì)器的陰極廢氣中的水的純度下降，并可能會(huì)在上述改質(zhì)器內(nèi)的改質(zhì)催化劑中吸附上述質(zhì)子導(dǎo)體中的氣化成分而引起被毒化的問題。
專利文獻(xiàn)1日本專利文獻(xiàn)特開2003-151599號(hào)公報(bào)；專利文獻(xiàn)2日本專利文獻(xiàn)特開2001-223017號(hào)公報(bào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于所述以往問題而作出的，其提供了一種燃料電池系統(tǒng)及其發(fā)電方法，使得可簡(jiǎn)化燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)造，且可從陰極流道回收全部生成水，并利用陰極廢氣所具有的剩余氧和高溫?zé)崮軄磉M(jìn)一步提高能效。
本發(fā)明的第一方式是一種燃料電池系統(tǒng)，其包括改質(zhì)器和燃料電池，其中所述改質(zhì)器具有從改質(zhì)用燃料生成包含氫的含氫改質(zhì)氣體的改質(zhì)反應(yīng)流道，所述燃料電池利用上述含氫改質(zhì)氣體來進(jìn)行發(fā)電，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于，上述燃料電池包括被從上述改質(zhì)反應(yīng)流道供給上述含氫改質(zhì)氣體的陽(yáng)極流道；被供給含氧氣體的陰極流道；以及被配置在該陰極流道和上述陽(yáng)極流道之間的電解質(zhì)體，上述電解質(zhì)體是層疊氫分離金屬層和由陶瓷構(gòu)成的質(zhì)子導(dǎo)體層而成的，其中，所述氫分離金屬層用于使被提供給上述陽(yáng)極流道的上述含氫改質(zhì)氣體中的氫透過，所述質(zhì)子導(dǎo)體層用于使透過該氫分離金屬層的上述氫處于質(zhì)子狀態(tài)并透過該質(zhì)子導(dǎo)體層，從而到達(dá)上述陰極流道，在上述燃料電池的上述陰極流道上連接有陰極廢氣管，該陰極廢氣管用于將從該陰極流道排出的陰極廢氣送往上述改質(zhì)器的上述改質(zhì)反應(yīng)流道(權(quán)利要求1)。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有包括電解質(zhì)體的燃料電池，所述電解質(zhì)體是層疊上述氫分離金屬層和上述質(zhì)子導(dǎo)體層而形成的。于是，在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，由于上述質(zhì)子導(dǎo)體層由陶瓷構(gòu)成，并且該質(zhì)子導(dǎo)體層可在不浸漬水分的情況下進(jìn)行使用，因此，可在例如300～600℃的高溫狀態(tài)下使上述燃料電池工作。因此，可直接從上述改質(zhì)器向上述燃料電池提供上述含氫改質(zhì)氣體。
另外，從上述陰極流道排出的陰極廢氣可在接近上述燃料電池的工作溫度的高溫狀態(tài)下被直接送往上述改質(zhì)器。因此，在上述燃料電池系統(tǒng)中，在改質(zhì)器中生成含氫改質(zhì)氣體的溫度可與燃料電池的工作溫度非常接近。
在上述燃料電池的陰極流道中，提供給該陰極流道的含氧氣體中的氧和從上述陽(yáng)極流道通過上述電解質(zhì)體而提供給上述陰極流道的氫質(zhì)子(H*、也可稱為氫離子)發(fā)生反應(yīng)并生成水。于是，通過進(jìn)行上述反應(yīng)并從形成于上述電解質(zhì)體的陽(yáng)極電極和陰極電極之間取出電能，上述燃料電池系統(tǒng)可進(jìn)行發(fā)電。
并且，在上述陰極流道中進(jìn)行了反應(yīng)之后，從該陰極流道排出的陰極廢氣具有在上述反應(yīng)中沒有被使用的氧(剩余氧)、因上述反應(yīng)而生成的水(生成水)、以及由上述燃料電池的高溫工作而產(chǎn)生的熱量。
另外，上述燃料電池的陰極流道的生成水變成例如300～600℃的高溫水蒸氣，該生成水幾乎不浸漬到上述質(zhì)子導(dǎo)體層，并且，上述氫分離金屬層具有僅使氫透過的特性，由此，上述生成水不會(huì)從陰極流道透到陽(yáng)極流道這邊。因此，可以通過上述陰極廢氣管而從上述陰極流道回收全部上述生成水。
由此，在本發(fā)明中，能夠從包含因上述燃料電池的發(fā)電而生成的生成水的陰極廢氣中容易確保上述改質(zhì)器的改質(zhì)反應(yīng)流道中的反應(yīng)所必需的水，并能夠向上述改質(zhì)反應(yīng)流道提供充足量的水。另外，在本發(fā)明中，可以利用上述陰極廢氣中的全部生成水來調(diào)節(jié)提供給上述改質(zhì)反應(yīng)流道的水量。
因此，能夠容易地設(shè)定燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行條件，并且能夠容易穩(wěn)定燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行。
另外，由于在上述燃料電池中是在干燥狀態(tài)下使用上述質(zhì)子導(dǎo)體層312，因此，不會(huì)發(fā)生質(zhì)子導(dǎo)體層中的成分氣化，并溶入陰極流道內(nèi)的上述生成水中的情況。從而不會(huì)降低送往上述改質(zhì)器的陰極廢氣中的上述生成水的純度，并且，例如當(dāng)在上述改質(zhì)器的改質(zhì)反應(yīng)流道中設(shè)置改質(zhì)催化劑時(shí)，該改質(zhì)催化劑也不會(huì)發(fā)生被毒化的問題。
在本發(fā)明中，當(dāng)在上述改質(zhì)器中上述改質(zhì)用燃料與上述陰極廢氣發(fā)生反應(yīng)并生成上述含氫改質(zhì)氣體時(shí)，在改質(zhì)器中，不僅能夠利用陰極廢氣所具有的上述剩余氧和上述充足量的生成水，還能夠利用陰極廢氣所具有的高溫?zé)崮?。因此，在改質(zhì)器中，可使上述改質(zhì)用燃料和具有上述高溫?zé)崮艿年帢O廢氣發(fā)生反應(yīng)而生成上述含氫改質(zhì)氣體，從而能夠提高該改質(zhì)器的能效。
另外，在本發(fā)明中，在如上所述的改質(zhì)器中生成含氫改質(zhì)氣體的溫度能夠和燃料電池的工作溫度非常接近。因此，在本發(fā)明中，不需要在改質(zhì)器和燃料電池之間設(shè)置因其各個(gè)溫度不同而必需的熱交換器和冷凝器等。因此，不會(huì)產(chǎn)生因使用這些設(shè)備而引起的能源浪費(fèi)，并能夠簡(jiǎn)化燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)造。
因此，根據(jù)本發(fā)明，能夠簡(jiǎn)化燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)造，可從陰極流道回收全部生成水，并可利用陰極廢氣所具有的高溫?zé)崮?，從而能夠進(jìn)一步提高燃料電池系統(tǒng)的能效。
另外，除了本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)之外，還有以900～1000℃左右的高溫進(jìn)行工作的固體氧化物燃料電池(SOFC)。根據(jù)該固體氧化物燃料電池，不會(huì)發(fā)生水經(jīng)由電解質(zhì)而通過陽(yáng)極流道和陰極流道之間的反向輸注(日文原文バツクリフュ-ジヨン)的問題。
但是，固體氧化物燃料電池是使提供給陽(yáng)極流道的氧變成透過氧化物離子導(dǎo)體的氧化物離子狀態(tài)，然后移動(dòng)到陰極流道與氫發(fā)生反應(yīng)來進(jìn)行發(fā)電的。
因此，固體氧化物燃料電池與本發(fā)明所述的具有層疊了上述氫分離金屬層和上述質(zhì)子導(dǎo)體層的電解質(zhì)體的燃料電池的結(jié)構(gòu)完全不同。另外，在固體氧化物燃料電池中，由于發(fā)電時(shí)所生成的水是在陽(yáng)極流道中生成的，因此，無法回收上述陰極廢氣中的全部生成水。
本發(fā)明的第二方式是一種燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)包括改質(zhì)器和燃料電池，所述改質(zhì)器具有從改質(zhì)用燃料生成包含氫的含氫改質(zhì)氣體的改質(zhì)反應(yīng)流道，所述燃料電池利用上述含氫改質(zhì)氣體來進(jìn)行發(fā)電，該燃料電池具有被從上述改質(zhì)反應(yīng)流道供給上述含氫改質(zhì)氣體的陽(yáng)極流道；被供給含氧氣體的陰極流道；以及被配置在該陰極流道和上述陽(yáng)極流道之間的電解質(zhì)體，該電解質(zhì)體是層疊氫分離金屬層和由陶瓷構(gòu)成的質(zhì)子導(dǎo)體層而成的，所述氫分離金屬層用于使被提供給上述陽(yáng)極流道的上述含氫改質(zhì)氣體中的氫透過，所述質(zhì)子導(dǎo)體層用于使透過該氫分離金屬層的上述氫處于質(zhì)子狀態(tài)并透過所述質(zhì)子導(dǎo)體層，從而到達(dá)上述陰極流道，所述燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電方法的特征在于，將在上述改質(zhì)反應(yīng)流道中生成的上述含氫改質(zhì)氣體提供給上述陽(yáng)極流道，并使上述含氫改質(zhì)氣體中的氫從上述陽(yáng)極流道透過上述氫分離金屬層之后，使之成為氫質(zhì)子狀態(tài)并透過上述質(zhì)子導(dǎo)體層而到達(dá)上述陰極流道，在該陰極流道中，上述氫質(zhì)子和上述含氧氣體中的氧發(fā)生反應(yīng)以進(jìn)行上述發(fā)電，并且，將從上述陰極流道排出的陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道，在該改質(zhì)反應(yīng)流道中，上述改質(zhì)用燃料和上述陰極廢氣發(fā)生反應(yīng)而生成上述含氫改質(zhì)氣體(權(quán)利要求22)。
與上述發(fā)明相同，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電方法是使用具有層疊上述氫分離金屬層和上述質(zhì)子導(dǎo)體層而成的電解質(zhì)體的燃料電池，使該燃料電池在例如300～600℃的高溫狀態(tài)下工作來進(jìn)行發(fā)電的。
與上述發(fā)明相同，在上述改質(zhì)器中，能夠使具有上述剩余氧、上述充足量的生成水以及上述高溫?zé)崮艿年帢O廢氣和上述改質(zhì)用燃料發(fā)生反應(yīng)以生成上述含氫改質(zhì)氣體。
因此，根據(jù)本發(fā)明，能夠有效利用陰極廢氣所具有的高溫?zé)崮軄磉M(jìn)行發(fā)電，從而能夠進(jìn)一步提高燃料電池系統(tǒng)的能效。


圖1是表示第一實(shí)施例中的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖2是表示第一實(shí)施例中的燃料電池的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖3是表示第一實(shí)施例中的其它燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖4是表示第一實(shí)施例中的其它燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖5是表示第二實(shí)施例中的、在陰極廢氣管中設(shè)置氧分離膜體時(shí)的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖6是表示第二實(shí)施例中的、在陰極廢氣管中設(shè)置氧分離膜體時(shí)的其它燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖7是表示第二實(shí)施例中的、在陰極廢氣管中設(shè)置氧分離膜體時(shí)的其它燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖8是表示第二實(shí)施例中的、在陰極廢氣管中設(shè)置氧分離膜體時(shí)的其它燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖9是表示第三實(shí)施例中的、向陰極廢氣管中混入含氧致冷氣體時(shí)的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖10是表示第三實(shí)施例中的、向陰極廢氣管中混入致冷廢氣時(shí)的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖11是表示第三實(shí)施例中的、向陰極廢氣管中混入空氣時(shí)的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖12是表示第三實(shí)施例中的、向陰極廢氣管中混入改質(zhì)用燃料時(shí)的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖13是表示第四實(shí)施例中的、向陰極廢氣管中混入陽(yáng)極廢氣時(shí)的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖14是表示第四實(shí)施例中的、向陰極廢氣管中混入含氫改質(zhì)氣體時(shí)的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖15是表示第四實(shí)施例中的、向陰極廢氣管中混入氫時(shí)的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；
圖16是表示第五實(shí)施例中的、在提供改質(zhì)用燃料的混合器上連接有陰極廢氣管和空氣管時(shí)的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖17是表示第五實(shí)施例中的、在提供改質(zhì)用燃料的混合器上連接有陰極廢氣管和空氣管，并連接有水蒸氣管時(shí)的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖；圖18是表示第五實(shí)施例中的、在提供改質(zhì)用燃料的混合器上連接有陰極廢氣管和空氣管，并將陰極廢氣直接提供給改質(zhì)器時(shí)的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的說明圖。
具體實(shí)施例方式
下面說明上述本發(fā)明中的第一、第二方式的優(yōu)選實(shí)施方式。
在上述本發(fā)明的第一、第二方式中，不僅能夠?qū)纳鲜鲫帢O流道排出的陰極廢氣全部經(jīng)由上述陰極廢氣管送往上述改質(zhì)器，而且還能夠僅將其中的一部分送往改質(zhì)器。于是，能夠?qū)⑺屯馁|(zhì)器的陰極廢氣的流量適當(dāng)調(diào)節(jié)至改質(zhì)器中的反應(yīng)所需的流量。
另外，在上述改質(zhì)器的改質(zhì)反應(yīng)流道中例如可進(jìn)行從改質(zhì)用燃料和水生成氫和一氧化碳等的水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)，以及燃燒改質(zhì)用燃料的一部分和氧從而生成水和一氧化碳等的部分氧化反應(yīng)。于是，通過水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)而生成氫，另一方面，由于該水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此，進(jìn)行上述部分氧化反應(yīng)的放熱反應(yīng)可將改質(zhì)器中的反應(yīng)溫度維持得較高。
另外，上述改質(zhì)用燃料例如可以是烴燃料或者醇燃料等。作為上述烴燃料，例如有甲烷、乙烷等燃料氣體、丙烷、丁烷等液化石油氣、辛烷等汽油。另外，作為上述醇燃料，例如有甲醇、乙醇等。
另外，在上述本發(fā)明的第一方式中，上述陰極廢氣管優(yōu)選在不通過僅混合上述陰極廢氣和上述改質(zhì)用燃料的混合器，或者不通過僅混合上述陰極廢氣、上述改質(zhì)用燃料以及水蒸氣的混合器的情況下，將上述陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)器流道(權(quán)利要求2)。
即，在上述本發(fā)明的第一方式中，除了在陰極廢氣管不通過混合器的情況下將上述陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)器流道的方式之外，還包括通過混合器將陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)器流道的方式，但在本發(fā)明中，優(yōu)選不通過混合器將陰極廢氣送往改質(zhì)反應(yīng)器流道的方式，且當(dāng)在向改質(zhì)器的供給中使用混合器時(shí)優(yōu)選陰極廢氣管連接混合器的方式，其中所述混合器混合陰極廢氣和上述改質(zhì)用燃料，或者混合陰極廢氣、改質(zhì)用燃料和水蒸氣，除此之外，混合例如空氣、陰極廢氣以及改質(zhì)器的EGR排放氣體等。
在陰極廢氣管不通過混合器將上述陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)器流道的方式中，能夠在簡(jiǎn)化布管方式等的同時(shí)，降低因通過其它裝置而產(chǎn)生的能量損失。
另外，當(dāng)陰極廢氣管連接混合陰極廢氣和上述改質(zhì)用燃料，或者混合陰極廢氣、改質(zhì)用燃料以及水蒸氣，除此之外，混合例如空氣、陽(yáng)極廢氣以及改質(zhì)器的EGR排氣等的混合器時(shí)，即使在陰極廢氣中氧含量不足的情況下，也能夠例如從空氣管經(jīng)由混合器向改質(zhì)器提供空氣，從而確保部分氧化反應(yīng)中所需的氧，或者能夠?qū)㈥?yáng)極廢氣和EGR排放氣體連同改質(zhì)用燃料等一起經(jīng)由混合器提供給改質(zhì)器，從而提高氫、熱量和改質(zhì)用燃料的使用效率以及熱效率。因此，能夠提高改質(zhì)器中的反應(yīng)效率和燃料等的使用效率，從而能夠進(jìn)一步提高燃料電池系統(tǒng)的能效。
另外，在上述本發(fā)明的第一方式中，上述改質(zhì)器優(yōu)選具有加熱流道，該加熱流道被形成為鄰接上述改質(zhì)反應(yīng)流道，并進(jìn)行燃燒來加熱該改質(zhì)反應(yīng)流道。(權(quán)利要求3)在這種情況下，能夠通過在上述改質(zhì)器中形成上述改質(zhì)反應(yīng)流道和上述加熱流道來減少在上述改質(zhì)器中進(jìn)行的上述部分氧化反應(yīng)的比重。因此，在上述改質(zhì)反應(yīng)流道中，能夠盡可能多得在生成上述氫等的水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)中使用上述改質(zhì)用燃料，并能夠通過減少給改質(zhì)器的改質(zhì)用燃料的供給量來提高改質(zhì)器的能效。因此，能夠進(jìn)一步提高燃料電池系統(tǒng)的能效。
另外，上述燃料電池的上述陽(yáng)極流道優(yōu)選連接用于將從該陽(yáng)極流道排出的陽(yáng)極廢氣送往上述加熱流道的陽(yáng)極廢氣管(權(quán)利要求4)。
然而，從上述陽(yáng)極流道排出的陽(yáng)極廢氣中含有沒有透過上述電解質(zhì)體的氫分離金屬層而排出的氫以及上述含氫改質(zhì)氣體中所包含的氫以外的物質(zhì)(尤其是一氧化碳、甲烷等可燃性物質(zhì))，并具有因燃料電池高溫工作而產(chǎn)生的熱量。
因此，當(dāng)將上述陽(yáng)極廢氣從上述陽(yáng)極流道通過上述陽(yáng)極廢氣管送往上述加熱流道時(shí)，在加熱流道中，不僅可在燃燒中利用陽(yáng)極廢氣所含有的氫及上述可燃性物質(zhì)等，還可利用陽(yáng)極廢氣所具有的高溫?zé)崮軄磉M(jìn)行燃燒。另外，在上述改質(zhì)反應(yīng)流道中，能夠利用上述陰極廢氣所具有的高溫?zé)崮軄磉M(jìn)行上述含氫改質(zhì)氣體的生成。因此，能夠進(jìn)一步提高上述改質(zhì)器中的能效，從而能夠進(jìn)一步提高上述燃料電池系統(tǒng)的能效。
另外，上述燃料電池優(yōu)選具有提供用于冷卻該燃料電池的含氧致冷氣體的致冷流道(權(quán)利要求5)。
在該情況下，能夠調(diào)節(jié)供應(yīng)給上述燃料電池的致冷流道的上述含氧致冷氣體的供給量，從而將燃料電池的溫度維持在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。
另外，上述燃料電池的上述致冷流道優(yōu)選連接用于將從該致冷流道排出的致冷廢氣送往上述加熱流道的致冷廢氣管(權(quán)利要求6)。
然而，從上述致冷流道排出的致冷廢氣含有上述含氧致冷氣體中所含有的氧，并含有通過上述燃料電池而加熱的熱量。
因此，當(dāng)將上述陽(yáng)極廢氣從上述陽(yáng)極流道通過上述陽(yáng)極廢氣管送往上述加熱流道，并且將上述致冷廢氣從上述致冷流道通過上述致冷廢氣管送往上述加熱流道時(shí)，在加熱流道中，不僅可燃燒陽(yáng)極廢氣所含有的氫和致冷廢氣所含有的氧，還可利用陽(yáng)極廢氣和致冷廢氣所分別具有的高溫?zé)崮軄磉M(jìn)行燃燒。因此，能夠進(jìn)一步提高上述改質(zhì)器中的能效，從而能夠進(jìn)一步提高上述燃料電池系統(tǒng)的能效。
另外，不僅能夠?qū)纳鲜鲫?yáng)極流道排出的陽(yáng)極廢氣的全部經(jīng)由上述陽(yáng)極廢氣管送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道，而且還能夠僅將其中的一部分送往改質(zhì)反應(yīng)流道。于是，能夠?qū)⑺屯馁|(zhì)反應(yīng)流道的陽(yáng)極廢氣的流量適當(dāng)調(diào)節(jié)至改質(zhì)反應(yīng)流道中的反應(yīng)所需的流量。
另外，對(duì)于上述陽(yáng)極廢氣和上述致冷廢氣也一樣，不僅能夠?qū)⑵淙拷?jīng)由上述陽(yáng)極廢氣管或者上述致冷廢氣管送往上述加熱流道，還能夠僅將其一部分送往上述加熱流道。于是，能夠?qū)⑺屯訜崃鞯赖年?yáng)極廢氣的流量或者致冷廢氣的流量適當(dāng)調(diào)節(jié)至加熱流道中的燃燒所需的流量。
另外，優(yōu)選在上述陰極廢氣管中設(shè)有排氣用三通調(diào)節(jié)閥，通過上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥，排出上述陰極廢氣的一部分，并將剩余部分送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道(權(quán)利要求7)。
在這種情況下，能夠通過上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的上述陰極廢氣的流量，即，送往改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量。
然而，當(dāng)供給上述陽(yáng)極流道的上述含氫氣體的流量、供給上述陰極流道的上述含氧氣體的流量等發(fā)生變化，且上述陰極流道中理論空氣量相對(duì)于氫質(zhì)子量的比率(陰極化學(xué)定量關(guān)系)發(fā)生變化時(shí)，在和上述氫質(zhì)子的反應(yīng)中沒有使用的陰極廢氣中的剩余氧的量也會(huì)發(fā)生變化。此時(shí)，特別是當(dāng)該剩余氧的量多于上述改質(zhì)反應(yīng)流道所必需的氧量時(shí)，能夠通過上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥排出一部分陰極廢氣來減少送往改質(zhì)反應(yīng)流道的陰極廢氣的流量。由此能夠?qū)⑺屯馁|(zhì)反應(yīng)流道的陰極廢氣中的剩余氧的量維持在適當(dāng)?shù)牧俊?br> 并且，當(dāng)使用上述含氧氣體中空氣以外的氣體時(shí)，計(jì)算上述陰極化學(xué)定量關(guān)系時(shí)的理論空氣量可以是將含氧氣體換算成空氣的量。
另外，在上述燃料電池系統(tǒng)中，可以使流向上述陽(yáng)極流道的上述含氫氣體的流量以及流向上述陰極流道的上述含氧氣體的流量等發(fā)生變化，從而有意識(shí)地改變上述陰極化學(xué)定量關(guān)系。此時(shí)，可以調(diào)節(jié)上述陰極廢氣中由上述氫質(zhì)子與氧進(jìn)行反應(yīng)而而得的上述生成水的量和上述剩余氧的量之間的比率。并且，即使在這個(gè)時(shí)候，也能夠通過上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥來排出一部分陰極廢氣，由此能夠?qū)⑺屯鲜龈馁|(zhì)反應(yīng)流道的陰極廢氣中的剩余氧的量維持在適當(dāng)?shù)牧俊?br> 另外，在上述陰極廢氣管中設(shè)有供給用三通調(diào)節(jié)閥，上述燃料電池系統(tǒng)可被構(gòu)成為經(jīng)由上述供給用三通調(diào)節(jié)閥，將上述陰極廢氣的一部分送往上述加熱流道，并將剩余部分送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道(權(quán)利要求8)。
在這種情況下，可以利用上述陰極廢氣的一部分以用于在上述加熱流道中進(jìn)行燃燒，另外，還可以利用陰極廢氣的剩余部分以用于在上述改質(zhì)反應(yīng)流道中進(jìn)行反應(yīng)。由此，不是將上述改質(zhì)反應(yīng)流道中沒有被利用的陰極廢氣全部排出，而是在上述加熱流道中加以利用，從而能夠進(jìn)一步提高上述燃料電池系統(tǒng)的能效。
另外，在該情況下，也可以通過上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥來減少送往改質(zhì)反應(yīng)流道的陰極廢氣的流量。另外，即使在該情況下，也可以有意識(shí)地改變上述陰極廢氣，從而調(diào)節(jié)上述陰極廢氣中的上述生成水的量和上述剩余氧量之間的比率。
另外，在上述陰極廢氣管中設(shè)有再供給用三通調(diào)節(jié)閥，上述燃料電池系統(tǒng)可被構(gòu)成為經(jīng)由上述再供給用三通調(diào)節(jié)閥，將上述陰極廢氣的一部分再次提供給上述陰極流道，并將剩余部分送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道(權(quán)利要求9)。
在該情況下，通過將上述陰極廢氣的一部分再次提供給上述陰極流道，能夠有意識(shí)地減少并調(diào)節(jié)提供給陰極流道的上述含氧氣體中的氧濃度。
另外，在該情況下，也能夠通過使用上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥來減少送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的上述陰極廢氣的流量。于是，在該情況下，能夠調(diào)節(jié)排氣用三通調(diào)節(jié)閥的排氣量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的水量，并能夠調(diào)節(jié)通過上述再供給用三通調(diào)節(jié)閥再次提供給陰極流道的再次供給量，來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的氧量。由此，能夠適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量以及它們的比率。
另外，在該情況下，也能夠通過有意識(shí)地改變上述陰極化學(xué)定量關(guān)系來調(diào)節(jié)送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量之間的比率。
另外，在上述陰極廢氣管中設(shè)有氧分離膜體，上述燃料電池系統(tǒng)可被構(gòu)成為使上述陰極廢氣中的氧的一部分透過上述氧分離膜體排出(權(quán)利要求10)。
在該情況下，可通將陰極廢氣中的氧的一部分經(jīng)由上述氧分離膜體而排出，來減少陰極廢氣中的剩余氧量，從而將送往改質(zhì)反應(yīng)流道的陰極廢氣中的剩余氧量維持在適當(dāng)?shù)牧俊?br> 另外，在該情況下，也能夠通過使用上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥來減少送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的上述陰極廢氣的流量。于是，在該情況下，能夠調(diào)節(jié)排氣用三通調(diào)節(jié)閥的排氣量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的水量，并能夠調(diào)節(jié)上述氧分離膜體排出氧的量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的氧量。由此，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量及它們的比率。
另外，在上述陰極廢氣管中設(shè)有氧分離膜體，上述燃料電池系統(tǒng)可被構(gòu)成為使上述陰極廢氣中的氧的一部分透過上述氧分離膜體而再次提供給上述陰極流道(權(quán)利要求11)。
在該情況下，也能夠減少通過上述氧分離膜體而送往改質(zhì)反應(yīng)流道的陰極廢氣中的剩余氧量，從而將該剩余氧量維持在適當(dāng)?shù)牧俊?br> 另外，在該情況下，能夠通過將上述陰極廢氣中的氧的一部分再次提供給上述陰極流道來增加提供給陰極流道的上述含氧氣體中的氧量，并能夠易于確保上述燃料電池中的反應(yīng)所必須的氧量。因此，在將上述陰極化學(xué)定量關(guān)系維持在適當(dāng)比率的情況下，也能夠減少提供給陰極流道的含氧氣體的流量。
另外，在該情況下，也能夠調(diào)節(jié)排氣用三通調(diào)節(jié)閥的排氣量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的水量，并能夠調(diào)節(jié)透過上述氧分離膜體的氧量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的氧量。由此，能夠適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量以及它們的比率。
另外，在上述陰極廢氣管中設(shè)有氧分離膜體，上述燃料電池系統(tǒng)可被構(gòu)成為使上述陰極廢氣中的氧的一部分透過上述氧分離膜體而送往上述加熱流道(權(quán)利要求12)。
在該情況下，也能夠減少通過上述氧分離膜體而送往改質(zhì)反應(yīng)流道的陰極廢氣中的剩余氧量，從而將該剩余氧量維持在適當(dāng)?shù)牧俊?br> 另外，在該情況下，能夠在上述加熱流道中利用通過上述氧分離膜體而獲得的陰極廢氣中的氧以進(jìn)行燃燒。由此，能夠在上述加熱流道中有效利用在上述改質(zhì)反應(yīng)流道中沒有利用的陰極廢氣中的氧，從而能夠進(jìn)一步提高上述燃料電池系統(tǒng)的能效。
另外，在該情況下，也能夠調(diào)節(jié)排氣用三通調(diào)節(jié)閥的排氣量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的水量，并能夠調(diào)節(jié)透過上述氧分離膜體的氧量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的氧量。由此，能夠適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量及它們的比率。
另外，在上述陰極廢氣管中設(shè)有氧分離膜體，上述燃料電池系統(tǒng)可被構(gòu)成為使上述陰極廢氣中的氧的一部分透過上述氧分離膜體而儲(chǔ)存在氧緩沖器中(權(quán)利要求13)。
在該情況下，也能夠減少通過上述氧分離膜體送往改質(zhì)反應(yīng)流道的陰極廢氣中的剩余氧量，從而將該剩余氧量維持在適當(dāng)?shù)牧俊?br> 另外，在該情況下，在上述改質(zhì)反應(yīng)流道中沒有利用的陰極廢氣中的氧可以儲(chǔ)存在上述氧緩沖器中。于是，例如當(dāng)希望增加上述改質(zhì)反應(yīng)流道所必須的氧量時(shí)，可以從上述氧緩沖器向該改質(zhì)反應(yīng)流道提供氧。
另外，在該情況下，還能夠調(diào)節(jié)排氣用三通調(diào)節(jié)閥的排氣量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的水量，并能夠調(diào)節(jié)透過上述氧分離膜體的氧量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的氧量。由此，能夠適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量及它們的比率。
另外，上述燃料電池系統(tǒng)優(yōu)選被構(gòu)成為在上述陰極廢氣管中混合上述含氧致冷氣體的一部分(權(quán)利要求14)。
在該情況下，特別是當(dāng)上述陰極廢氣中的剩余氧量少于上述改質(zhì)反應(yīng)流道所必需的氧量時(shí)，可以通過向該改質(zhì)反應(yīng)流道提供混合了上述含氧致冷氣體的一部分的陰極廢氣來增加在改質(zhì)反應(yīng)流道中利用的陰極廢氣中的氧量。
另外，在該情況下，也可以通過使用上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥來減少送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的上述陰極廢氣的流量。于是，在該情況下，能夠調(diào)節(jié)排氣用三通調(diào)節(jié)閥的排氣量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的水量，并能夠調(diào)節(jié)上述含氧致冷氣體的混合量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的氧量。由此，能夠適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量及它們的比率。
另外，上述燃料電池系統(tǒng)可被構(gòu)成為在上述陰極廢氣管中混合上述致冷廢氣的一部分(權(quán)利要求15)。
在該情況下，能夠向上述改質(zhì)反應(yīng)流道提供混合了一部分致冷廢氣的陰極廢氣，其中所述致冷廢氣處于通過上述燃料電池內(nèi)部而被加熱的狀態(tài)。因此，可以在幾乎不降低在改質(zhì)反應(yīng)流道中利用的陰極廢氣的溫度的情況下增加該陰極廢氣中的氧量。
另外，在該情況下，也可以通過使用上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥來減少送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的上述陰極廢氣的流量。于是，在該情況下，能夠調(diào)節(jié)排氣用三通調(diào)節(jié)閥的排氣量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的水量，并能夠調(diào)節(jié)上述致冷廢氣的混合量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的氧量。由此，能夠適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量及它們的比率。
另外，上述燃料電池系統(tǒng)可被構(gòu)成為在上述陰極廢氣管中混合空氣(權(quán)利要求16)。
在該情況下，特別是當(dāng)上述陰極廢氣中的剩余氧量少于上述改質(zhì)反應(yīng)流道所必須的氧量時(shí)，可以通過在上述陰極廢氣中混合空氣來增加在改質(zhì)反應(yīng)流道中利用的陰極廢氣中的氧量。
另外，在該情況下，也可以通過使用上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥來減少送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的上述陰極廢氣的流量。于是，在該情況下，能夠調(diào)節(jié)排氣用三通調(diào)節(jié)閥的排氣量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的水量，并能夠調(diào)節(jié)上述空氣的混合量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的氧量。由此，能夠適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量及它們的比率。
另外，上述燃料電池系統(tǒng)可被構(gòu)成為在上述陰極廢氣管中混合氧(權(quán)利要求17)。
在該情況下，特別是當(dāng)上述陰極廢氣中的剩余氧量少于上述改質(zhì)反應(yīng)流道所必需的氧量時(shí)，可以通過在上述陰極廢氣中混合氧來進(jìn)一步有效增加在改質(zhì)反應(yīng)流道中利用的陰極廢氣中的氧量。
另外，在該情況下，也可以通過使用上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥來減少送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的上述陰極廢氣的流量。于是，在該情況下，能夠調(diào)節(jié)排氣用三通調(diào)節(jié)閥的排氣量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的水量，并能夠調(diào)節(jié)上述氧的混合量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的氧量。由此，能夠適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量及它們的比率。
另外，上述燃料電池系統(tǒng)可被構(gòu)成為在上述陰極廢氣管中混合改質(zhì)用燃料(權(quán)利要求18)。
在該情況下，能夠在上述陰極廢氣管中燃燒上述改質(zhì)用燃料和上述陰極廢氣中的剩余氧。于是，通過該燃燒，可以減少陰極廢氣中的氧量，并增加陰極廢氣中的水量。因此，可以將按照上述氧量相對(duì)于上述水量減少的方式進(jìn)行了調(diào)節(jié)的陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道。
另外，在該情況下，也可以通過使用上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥來減少送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的上述陰極廢氣的流量。于是，在該情況下，可以通過排氣用三通調(diào)節(jié)閥的排氣量的調(diào)節(jié)和上述改質(zhì)用燃料的混合量的調(diào)節(jié)來適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量及它們的比率。
另外，上述燃料電池系統(tǒng)可被構(gòu)成為在上述陰極廢氣管中混合上述陽(yáng)極廢氣的一部分(權(quán)利要求19)。
在該情況下，能夠在上述陰極廢氣管中燃燒上述陽(yáng)極廢氣中的氧和上述陽(yáng)極廢氣中的剩余氧。于是，通過該燃燒，可以減少陰極廢氣中的氧量，并增加陰極廢氣中的水量。另外，在該情況下，在上述陰極廢氣管中，能夠在上述陰極廢氣中混合上述陽(yáng)極廢氣中的水，從而增加陰極廢氣中的水量。
因此，可以將按照上述氧量相對(duì)于上述水量減少的方式進(jìn)行了調(diào)節(jié)的陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道。
另外，在該情況下，也可以通過使用上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥來減少送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的上述陰極廢氣的流量。于是，在該情況下，可以通過排氣用三通調(diào)節(jié)閥的排氣量的調(diào)節(jié)和上述陽(yáng)極廢氣的混合量的調(diào)節(jié)來適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量及它們的比率。
另外，上述燃料電池系統(tǒng)可被構(gòu)成為在上述陰極廢氣管中混合上述含氫改質(zhì)氣體的一部分(權(quán)利要求20)。
在該情況下，能夠在上述陰極廢氣管中燃燒上述含氫改質(zhì)氣體中的氫和上述陰極廢氣中的氧。于是，通過該燃燒，可以減少陰極廢氣中的氧量，并增加陰極廢氣中的水量。因此，可以將按照上述氧量相對(duì)于上述水量減少的方式進(jìn)行了調(diào)節(jié)的陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道。
另外，在該情況下，也可以通過使用上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥來減少送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的上述陰極廢氣的流量。于是，在該情況下，可以通過排氣用三通調(diào)節(jié)閥的排氣量的調(diào)節(jié)和上述含氫改質(zhì)氣體的混合量的調(diào)節(jié)來適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量及它們的比率。
另外，在該情況下，能夠再次向上述改質(zhì)反應(yīng)流道提供上述含氫改質(zhì)氣體的一部分，從而增加在改質(zhì)反應(yīng)流道中生成的含氫改質(zhì)氣體中的氫濃度。
另外，上述燃料電池系統(tǒng)可被構(gòu)成為在上述陰極廢氣管中混合氫(權(quán)利要求21)。
在該情況下，能夠在上述陰極廢氣管中燃燒上述氫和上述陰極廢氣中的氧。于是，通過該燃燒，可以減少陰極廢氣中的氧量，并增加陰極廢氣中的水量。因此，可以將按照上述氧量相對(duì)于上述水量減少的方式進(jìn)行了調(diào)節(jié)的陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道。
另外，在該情況下，也可以通過使用上述排氣用三通調(diào)節(jié)閥來減少送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道的上述陰極廢氣的流量。于是，在該情況下，可以通過排氣用三通調(diào)節(jié)閥的排氣量的調(diào)節(jié)和上述氫的混合量的調(diào)節(jié)來適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道的水量和氧量及它們的比率。
另外，在該情況下，不僅能夠向上述改質(zhì)反應(yīng)流道提供陰極廢氣，還能提供氫，從而能夠進(jìn)一步增加在改質(zhì)反應(yīng)流道中生成的含氫改質(zhì)氣體中的氫濃度。
另外，在上述本發(fā)明的第二方式中，上述陰極廢氣管優(yōu)選不通過僅混合上述陰極廢氣和上述改質(zhì)用燃料的混合器或者僅混合上述陰極廢氣、上述改質(zhì)用燃料以及水蒸氣的混合器，將上述陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)器流道(權(quán)利要求22)。
即，在上述本發(fā)明的第二方式中，除了在陰極廢氣管不通過混合器的情況下將上述陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)器流道的方式之外，還包括通過混合器將陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)器流道的方式。但在本發(fā)明中，優(yōu)選不通過混合器將陰極廢氣送往改質(zhì)反應(yīng)器流道的方式，以及當(dāng)在向改質(zhì)器供給當(dāng)中使用混合器時(shí)，優(yōu)選在混合器上連接陰極廢氣管的方式，其中所述混合器混合陰極廢氣和上述改質(zhì)用燃料，或者混合陰極廢氣、改質(zhì)用燃料和水蒸氣，除此之外，混合例如空氣、陰極廢氣以及改質(zhì)器的EGR排放氣體等。
在陰極廢氣管不通過混合器將上述陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)器流道的方式中，能夠簡(jiǎn)化布管方式等，并降低因通過其它裝置而產(chǎn)生的能量損失。
另外，當(dāng)陰極廢氣管連接混合陰極廢氣和上述改質(zhì)用燃料，或者混合陰極廢氣、改質(zhì)用燃料以及水蒸氣，除此之外，混合例如空氣、陽(yáng)極廢氣以及改質(zhì)器的EGR排放氣體等的混合器時(shí)，即使在陰極廢氣中氧含量不足的情況下，也能夠例如從空氣管經(jīng)由混合器向改質(zhì)器提供空氣，從而確保部分氧化所需的氧，或者能夠?qū)㈥?yáng)極廢氣和ERG排放氣體連同改質(zhì)用燃料等一起經(jīng)由混合器提供給改質(zhì)器，從而提高氫、熱量和改質(zhì)用燃料的使用效率以及熱效率。因此，能夠提高改質(zhì)器中的反應(yīng)效率和燃料等的使用效率，從而能夠進(jìn)一步提高燃料電池系統(tǒng)的能效(權(quán)利要求22)。
在上述本發(fā)明的第二方式中，上述改質(zhì)器具有加熱流道，該加熱流道被形成為鄰接上述改質(zhì)反應(yīng)流道，并進(jìn)行燃燒來加熱該改質(zhì)反應(yīng)流道，上述燃料電池具有提供用于冷卻該燃料電池的含氧致冷氣體的致冷流道，將從上述陰極流道排出的陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道，在該改質(zhì)反應(yīng)流道中，上述改質(zhì)用燃料和上述陰極廢氣發(fā)生反應(yīng)而生成上述含氫改質(zhì)氣體，另外，將從上述陽(yáng)極流道排出的陽(yáng)極廢氣和從上述致冷流道排出的致冷廢氣送往上述加熱流道，在該加熱流道中燃燒上述陽(yáng)極廢氣和上述致冷廢氣以進(jìn)行上述加熱(權(quán)利要求23)。
在這種情況下，在上述加熱流道中不僅能夠燃燒上述陽(yáng)極廢氣所具有的氫和上述致冷廢氣所具有的氧，而且還能夠利用陽(yáng)極廢氣所具有的高溫?zé)崮芎椭吕鋸U氣所具有的熱能來進(jìn)行燃燒。另外，在上述改質(zhì)反應(yīng)流道中，可以利用上述陰極廢氣所具有的高溫?zé)崮軄磉M(jìn)行上述含氫改質(zhì)氣體的生成。因此，能夠有效利用陰極廢氣、陽(yáng)極廢氣以及致冷廢氣所分別具有的能量來進(jìn)行發(fā)電，從而能夠進(jìn)一步提高燃料電池系統(tǒng)的能效。
下面利用附圖來說明本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)及其發(fā)電方法。
(第一實(shí)施例)如圖1、圖2所示，本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1具有改質(zhì)器2和燃料電池3，其中，所述改質(zhì)器2根據(jù)由烴燃料組成的改質(zhì)用燃料F來生成含氫的含氫改質(zhì)氣體Ga，所述燃料電池3利用在該改質(zhì)器2中生成的上述含氫改質(zhì)氣體Ga進(jìn)行發(fā)電。
上述改質(zhì)器2具有改質(zhì)反應(yīng)流道21和加熱流道22，其中，所述改質(zhì)反應(yīng)流道21根據(jù)上述改質(zhì)用燃料F生成上述含氫改質(zhì)氣體Ga，所述加熱流道22被形成為鄰接該改質(zhì)反應(yīng)流道21，并進(jìn)行燃燒以加熱該改質(zhì)反應(yīng)流道21。
另外如圖2所示，上述燃料電池3具有被從上述改質(zhì)反應(yīng)流道21提供上述含氫改質(zhì)氣體Ga的陽(yáng)極流道32；被提供含氧氣體Gc的陰極流道33；設(shè)置在所述陰極流道33和上述陽(yáng)極流道32之間的電解質(zhì)體31；以及提供用于冷卻該燃料電池3的含氧致冷氣體Gr的致冷流道34。
另外，上述電解質(zhì)體31是層疊氫分離金屬層(透氫金屬層)311和由陶瓷構(gòu)成的質(zhì)子導(dǎo)體層312而成的，其中，所述氫分離金屬層311用于使被提供給上述陽(yáng)極流道32的上述含氫改質(zhì)氣體Ga中的氫透過，所述質(zhì)子導(dǎo)體層用于使透過該氫分離金屬層311的上述氫處于質(zhì)子狀態(tài)并透過該質(zhì)子導(dǎo)體層，從而到達(dá)上述陰極流道33。
另外如圖1所示，上述燃料電池系統(tǒng)1具有陰極廢氣管46、陽(yáng)極廢氣管45、以及致冷廢氣管47，所述陰極廢氣管46用于將從上述陰極流道33排出的陰極廢氣Oc送往上述改質(zhì)器2中的改質(zhì)反應(yīng)流道21，上述陽(yáng)極廢氣管45用于將從上述陽(yáng)極流道32排出的陽(yáng)極廢氣Oa送往上述加熱流道22，上述致冷廢氣管47用于將從上述致冷流道34排出的致冷廢氣Or送往上述加熱流道22。
另外，上述改質(zhì)器2被如下構(gòu)成，即，使上述改質(zhì)用燃料F和上述陰極廢氣Oc在其改質(zhì)反應(yīng)流道21中發(fā)生反應(yīng)，從而生成上述含氫改質(zhì)氣體Ga。另外，上述改質(zhì)器2被如下構(gòu)成，即，使上述陽(yáng)極廢氣Oa和上述致冷廢氣Or在上述加熱流道22中燃燒以進(jìn)行上述加熱。
下面進(jìn)行詳細(xì)說明。
如圖1、圖2所示，本實(shí)施例的氫分離金屬層311由鈀(Pd)和釩(V)的層疊金屬構(gòu)成。另外，氫分離金屬層311既可以僅有鈀，也可以是含有鈀的合金。另外，若換算成電流密度，則氫分離金屬層311在三個(gè)大氣壓的陽(yáng)極氣體供給條件下，具有超過10A/cm2的透氫性能(氫分離性能)。這樣，氫分離金屬層311的導(dǎo)電阻抗小到可忽略不記的程度。
另外，本實(shí)施例的質(zhì)子導(dǎo)體層312由作為陶瓷的鈣鈦型氧化物構(gòu)成。并且，質(zhì)子導(dǎo)體層312的導(dǎo)電阻抗小到和固體高分子型電解質(zhì)膜的導(dǎo)電阻抗大體相同。另外，作為鈣鈦型氧化物，例如有BaCeO3系列、SrCeO3系列。
另外，如圖2所示，上述電解質(zhì)體31具有形成在上述質(zhì)子導(dǎo)體層312的上述陽(yáng)極流道32側(cè)的表面上的陽(yáng)極電極321(陽(yáng)極)和形成在上述質(zhì)子導(dǎo)體層312的上述陰極流道33側(cè)的表面上的陰極電極331(陰極)。另外，用于從上述燃料電池3取出電能的電池輸出線36連接在陽(yáng)極電極321和陰極電極331之間。
另外，本實(shí)施例的質(zhì)子導(dǎo)體層312的陽(yáng)極電極321由構(gòu)成上述氫分離金屬層311的鈀構(gòu)成。另外，本實(shí)施例的質(zhì)子導(dǎo)體層312的陰極電極331由Pt系的電極催化劑構(gòu)成。并且，陽(yáng)極電極321也可以由Pt系的電極催化劑構(gòu)成。
在本實(shí)施例中，如圖1所示，在上述陰極廢氣管46中設(shè)有作為排氣用三通調(diào)節(jié)閥的陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61，該陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61可將在上述陰極廢氣管46中流動(dòng)的陰極廢氣Oc分路為兩支。
上述燃料電池系統(tǒng)1被如下構(gòu)成，即，通過上述陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61，排出在陰極廢氣管46中流動(dòng)的陰極廢氣Oc的一部分，并將其剩余部分送往上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21。另外，陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61能夠調(diào)節(jié)上述排出的陰極廢氣Oc的流量和送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道21的陰極廢氣Oc的流量的分配比率。于是，可通過上述陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61來調(diào)節(jié)從上述陰極廢氣管46送往上述改質(zhì)器2中的改質(zhì)反應(yīng)流道21的陰極廢氣Oc的流量。
由此，當(dāng)陰極廢氣Oc中的氧量(在燃料電池3的反應(yīng)中沒有被使用的剩余氧量)多于改質(zhì)反應(yīng)流道21所需的氧量時(shí)，可通過陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61來排出陰極廢氣Oc的一部分，從而將送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的陰極廢氣Oc中的剩余氧量維持在合適的量。
另外，在本實(shí)施例中使用的各個(gè)三通調(diào)節(jié)閥是多路閥，其具有使氣體流入的入口、使氣體流出的出口、以及放氣口。本實(shí)施例的多路閥可調(diào)節(jié)向出口和放氣口分支流入的氣體的流量的分配比率。以下各實(shí)施例中所示的各個(gè)三通調(diào)節(jié)閥也是相同的。
當(dāng)流向上述陽(yáng)極流道32的含氫改質(zhì)氣體Ga的流量和流向上述陰極流道33的含氧氣體Gc的流量等發(fā)生變化，從而使理論空氣量相對(duì)于陰極流道33中的氫質(zhì)子量的比率(陰極化學(xué)定量關(guān)系)發(fā)生變化時(shí)，在和氫質(zhì)子的反應(yīng)中沒有被使用的陰極廢氣Oc的中的剩余氧量也發(fā)生變化。此時(shí)，特別是該剩余氧量多于改質(zhì)反應(yīng)流道21所需的氧量時(shí)，可通過上述陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61排出陰極廢氣Oc的一部分，從而減少送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的陰極廢氣Oc的流量。由此，可將送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的陰極廢氣Oc中的剩余氧量維持在合適的量。
另外，在上述燃料電池系統(tǒng)1中，可以改變流向上述陽(yáng)極流道32的含氫改質(zhì)氣體Ga的流量以及流向上述陰極流道33的含氧氣體Gc的流量等，從而有意識(shí)地改變上述陰極化學(xué)定量關(guān)系。此時(shí)，能夠調(diào)節(jié)陰極廢氣Oc中由氫質(zhì)子和氧反應(yīng)而生成的水的量(水量)和上述剩余氧量的比率。于是，在此時(shí)也能夠通過上述陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61排出陰極廢氣Oc的一部分，從而將送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的陰極廢氣Oc中的剩余氧量維持在合適的量。
另外如圖1所示，在本實(shí)施例中，在上述陽(yáng)極廢氣管45中設(shè)有陽(yáng)極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥51，該陽(yáng)極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥51能夠?qū)⒘鹘?jīng)陽(yáng)極廢氣管45的陽(yáng)極廢氣分支為兩路。
上述燃料電池系統(tǒng)1被如下構(gòu)成，即，通過上述陽(yáng)極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥51，排出在陽(yáng)極廢氣管45中流動(dòng)的陽(yáng)極廢氣Oa的一部分，并將其剩余部分送往上述改質(zhì)器2的加熱流道22。另外，陽(yáng)極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥51能夠調(diào)節(jié)上述排出的陽(yáng)極廢氣Oa的流量和送往上述加熱流道22的陽(yáng)極廢氣Oa的流量的分配比率。于是，可通過上述陽(yáng)極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥51來調(diào)節(jié)從上述陽(yáng)極廢氣管45送往上述改質(zhì)器2中的加熱流道22的陽(yáng)極廢氣Oa的流量。
由此，當(dāng)陽(yáng)極廢氣Oa中的氫量(沒有透過燃料電池3的電解質(zhì)體31中的氫分離金屬層311的剩余氫量)多于加熱流道22所需的氫量時(shí)，可通過陽(yáng)極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥51來排出陽(yáng)極廢氣Oa的一部分，從而將送往加熱流道22的陽(yáng)極廢氣Oa中的剩余氫量維持在合適的量。
另外如圖1所示，在本實(shí)施例中，在上述致冷廢氣管47中設(shè)有致冷廢氣用三通調(diào)節(jié)閥71，該致冷廢氣用三通調(diào)節(jié)閥71能夠?qū)⒘鹘?jīng)致冷廢氣管47的致冷廢氣分支為兩路。
上述燃料電池系統(tǒng)1被如下構(gòu)成，即，通過上述致冷廢氣用三通調(diào)節(jié)閥71，排出在致冷廢氣管47中流動(dòng)的致冷廢氣Or的一部分，并將其剩余部分送往上述改質(zhì)器2的加熱流道22。另外，致冷廢氣用三通調(diào)節(jié)閥71能夠調(diào)節(jié)上述排出的致冷廢氣Or的流量和送往上述加熱流道22的致冷廢氣Or的流量的分配比率。
另外，可通過上述致冷廢氣用三通調(diào)節(jié)閥71來調(diào)節(jié)從上述致冷廢氣管47送往上述改質(zhì)器2中的加熱流道22的致冷廢氣Or的流量。由此，當(dāng)致冷廢氣Or中的氧量多于加熱流道22所需的氫量時(shí)，可通過致冷廢氣用三通調(diào)節(jié)閥71來排出致冷廢氣Or的一部分，從而將送往加熱流道22的致冷廢氣Or中的剩余氫量維持在合適的量。
如圖1所示，上述燃料電池系統(tǒng)1具有用于向上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21提供上述改質(zhì)用燃料F的燃料供給管41。上述陰極廢氣管46與上述燃料供給管41連接，在該連接部設(shè)有反應(yīng)流道用混合閥881，該反應(yīng)流道用混合閥881將流經(jīng)陰極廢氣管46的陰極廢氣和流經(jīng)燃料供給管41的改質(zhì)用燃料F混合。于是，改質(zhì)用燃料F和陰極廢氣Oc的混合氣體被提供給上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21。
另外，上述陰極廢氣管46也可以直接連接在上述改質(zhì)反應(yīng)流道21上，從而也可以在改質(zhì)反應(yīng)流道21內(nèi)混合陰極廢氣Oc和改質(zhì)用燃料F。
于是在改質(zhì)反應(yīng)流道21中，由改質(zhì)用燃料F和陰極廢氣Oc中所含的水(高溫水蒸氣)進(jìn)行水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)，生成氫和一氧化碳等。另外，在改質(zhì)反應(yīng)流道21中，由改質(zhì)用燃料F和陰極廢氣Oc中所含的氧進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，生成水、一氧化碳、二氧化碳等。這樣，通過上述水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)以及部分氧化反應(yīng)來生成含氫和水等的上述含氫改質(zhì)氣體Ga。
此外，上述水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，而上述部分氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，從而可通過部分氧化反應(yīng)來抑制改質(zhì)反應(yīng)流道21內(nèi)的溫度的下降。
另外，如圖1所示，在本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1中，上述陽(yáng)極廢氣管45和上述致冷廢氣管47連接在與上述改質(zhì)器2的加熱流道22相連通的加熱用氣體混合管451上。在該連接部設(shè)有混合流經(jīng)陽(yáng)極廢氣管45的陽(yáng)極廢氣Oa和流經(jīng)致冷廢氣管47的致冷廢氣Or的加熱流道用混合閥882。于是，陽(yáng)極廢氣Oa和致冷廢氣Or的混合氣體被提供給上述改質(zhì)器2的加熱流道22。
并且，上述陽(yáng)極廢氣管45和致冷廢氣管47也可以分別直接連接在上述加熱流道22上，從而也可以在加熱流道22內(nèi)混合陽(yáng)極廢氣Oa和致冷廢氣Or。
于是在加熱流道22中，由陽(yáng)極廢氣Oa中所含的氫和致冷廢氣Or中所含的氧進(jìn)行燃燒反應(yīng)，生成水等。
這樣，通過在上述加熱流道22中進(jìn)行燃燒反應(yīng)，可從上述加熱流道22向上述改質(zhì)反應(yīng)流道21傳遞熱量，從而能夠較高地維持改質(zhì)反應(yīng)流道21內(nèi)的溫度。在本實(shí)施例中，通過使改質(zhì)反應(yīng)流道21中的水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)以及部分氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量和上述加熱流道22中的燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量大致均衡，而將改質(zhì)器2中生成的含氫改質(zhì)氣體Ga的溫度維持在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。
另外，從連接在加熱流道22的出口上的排氣管49，將在上述加熱流道22中進(jìn)行燃燒反應(yīng)之后的燃燒廢氣排到燃料電池系統(tǒng)1的外部。
另外，可通過在上述改質(zhì)器2中形成加熱流道22來減少在改質(zhì)反應(yīng)流道21中進(jìn)行的部分氧化反應(yīng)的比例。因此，在改質(zhì)反應(yīng)流道21中，能夠盡可能多得將改質(zhì)用燃料F使用在用于生成上述氫等的水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)中，從而可以減少提供給改質(zhì)反應(yīng)流道21的改質(zhì)用燃料F的供給量。
另外，如圖1所示，上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21和上述燃料電池3中的陽(yáng)極流道32通過在改質(zhì)反應(yīng)流道21中生成的含氫改質(zhì)氣體Ga所流經(jīng)的改質(zhì)氣體供給管42來連接。
另外，在上述燃料電池3的陰極流道33上連接有用于向該陰極流道33提供上述含氧氣體Gc的含氧氣體供給管43。本實(shí)施例的含氧氣體Gc為空氣，在含氧氣體供給管43中設(shè)有將作為含氧氣體Gc的空氣加壓送出的加壓器60。本實(shí)施例的含氧氣體加壓器60為泵60。對(duì)此，含氧氣體加壓器60還可以是風(fēng)扇、壓縮機(jī)或者噴射器等。
并且，上述含氧氣體Gc除了空氣以外，例如也可以使用氧。
另外，上述燃料電池3的致冷流道34上連接有用于將上述含氧致冷氣體Gr提供給該致冷流道34的致冷氣體供給管44。本實(shí)施例的含氧致冷氣體Gr為空氣，在致冷氣體供給管44中設(shè)有將作為含氧致冷氣體Gr的空氣加壓送出的致冷氣體加壓器70。于是，通過調(diào)節(jié)致冷氣體加壓器70向燃料電池3的致冷流道34供給的含氧致冷氣體Gr的量，可以將燃料電池3的溫度維持在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。
另外，本實(shí)施例的致冷氣體加壓器70為泵70。對(duì)此，致冷氣體加壓器70還可以是風(fēng)扇、壓縮機(jī)或者噴射器等。
另外，上述燃料電池系統(tǒng)1被如下構(gòu)成，即，不通過熱交換器或冷凝器等，將上述含氫改質(zhì)氣體Ga直接從上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21提供給上述燃料電池3的陽(yáng)極流道32。另外，燃料電池系統(tǒng)1被如下構(gòu)成，即，不通過熱交換器等，將上述陰極廢氣Oc直接從燃料電池3的陰極流道33提供給改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21。
并且在圖1中，示出了上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21和加熱流道22分別各形成一個(gè)的情況。與之相對(duì)，在上述改質(zhì)器2中，可分別形成多個(gè)改質(zhì)反應(yīng)流道21和加熱流道22，并且可交替地進(jìn)行配置。
另外，在圖1、圖2中，示出了上述燃料電池3的陽(yáng)極流道32、陰極流道33、以及致冷流道34分別各形成一個(gè)的情況。與之相對(duì)，在上述燃料電池3中，可分別形成多個(gè)陽(yáng)極流道32、陰極流道33、以及致冷流道34，并且可交替地進(jìn)行配置。
下面說明使用上述燃料電池系統(tǒng)1進(jìn)行發(fā)電的方法以及燃料電池系統(tǒng)1的作用效果。
在本實(shí)施例中，在上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21中，從上述燃料供給管41送來的改質(zhì)用燃料F和從上述陰極廢氣管46送來的陰極廢氣Oc發(fā)生反應(yīng)，從而生成上述含氫改質(zhì)氣體Ga。另一方面，在上述改質(zhì)器2的加熱流道22中，因從上述陽(yáng)極廢氣管45送來的陽(yáng)極廢氣Oa和從上述致冷廢氣管47送來的致冷廢氣Or發(fā)生反應(yīng)而發(fā)熱，從而加熱流道22加熱改質(zhì)反應(yīng)流道21。這樣，在改質(zhì)反應(yīng)流道21中生成含氫改質(zhì)氣體Ga，并通過由加熱流道22加熱該改質(zhì)反應(yīng)流道21，從而將從改質(zhì)反應(yīng)流道21送往上述燃料電池3的陽(yáng)極流道32的含氫改質(zhì)氣體Ga的溫度維持在300～600℃的高溫。
在改質(zhì)器2中生成的含氫改質(zhì)氣體Ga的溫度可以是300～600℃，但優(yōu)選為400～500℃。在該情況下，可以將上述燃料電池3的電解質(zhì)體31中的氫分離金屬層311的溫度維持在發(fā)揮透氫性能的最佳溫度，從而能夠容易地抑制在氫分離金屬層311中發(fā)生劣化等。
另外，在上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21中生成的上述含氫改質(zhì)氣體Ga通過上述改質(zhì)氣體供給管42，被提供給上述燃料電池3的陽(yáng)極流道32。然后，被提供給陽(yáng)極流道32的含氫改質(zhì)氣體Ga中的氫的大部分透過上述電解質(zhì)體31的氫分離金屬層311而到達(dá)電解質(zhì)體31的質(zhì)子導(dǎo)體層312。然后，上述氫變?yōu)闅滟|(zhì)子狀態(tài)，并透過質(zhì)子導(dǎo)體層312。
在上述陰極流道33中，上述氫質(zhì)子和從上述含氧氣體供給管43提供的含氧氣體Gc中的氧發(fā)生反應(yīng)并生成水。在本實(shí)施例中，在300～600℃的高溫狀態(tài)下進(jìn)行該燃料電池3的反應(yīng)，從而使上述生成的水變成高溫水蒸氣。
另外，在進(jìn)行上述反應(yīng)的同時(shí)，上述燃料電池系統(tǒng)1可通過從上述電解質(zhì)體31的陽(yáng)極電極321和陰極電極331之間向上述電池輸出線36給出電能來進(jìn)行發(fā)電。
本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1具有配備電解質(zhì)體31的燃料電池3，該電解質(zhì)體31由上述氫分離金屬層311和上述質(zhì)子導(dǎo)體層312層疊而成。在本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1中，上述質(zhì)子導(dǎo)體層312由陶瓷構(gòu)成，由于該質(zhì)子導(dǎo)體層312可以在不浸漬水分的情況下進(jìn)行使用，因此，上述燃料電池3例如能夠以300～600℃的高溫狀態(tài)進(jìn)行工作。因此，可從上述改質(zhì)器2直接向上述燃料電池3提供含氫改質(zhì)氣體Ga。
另外，從上述陰極流道33排出的陰極廢氣Oc能夠以接近上述燃料電池3的工作溫度的高溫狀態(tài)直接發(fā)送給上述改質(zhì)器2。因此，在上述燃料電池系統(tǒng)1中，改質(zhì)器2中生成含氫改質(zhì)氣體Ga的溫度可以和燃料電池3的工作溫度基本相同。
在上述陰極流道33中進(jìn)行反應(yīng)之后，從該陰極流道33排出的陰極廢氣Oc具有在上述反應(yīng)中沒有被使用的氧(剩余氧)、因上述反應(yīng)而生成的水(生成水)、以及由上述燃料電池3的高溫工作而產(chǎn)生的熱量。
上述燃料電池3的陰極流道33中的生成水成為例如300～600℃的高溫水蒸氣，該生成水幾乎不浸漬到上述質(zhì)子導(dǎo)體層312中，并且，上述氫分離金屬層311具有僅使氫透過的特性，由此，上述生成水不會(huì)從陰極流道33透到陽(yáng)極流道32這邊。因此，可以通過上述陰極廢氣管46而從上述陰極流道33回收全部上述生成水。
由此，在上述燃料電池系統(tǒng)1中，能夠很容易地從包含因上述燃料電池3的發(fā)電而生成的生成水的陰極廢氣Oc來確保上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21中的反應(yīng)所必需的水，能夠向上述改質(zhì)反應(yīng)流道21提供充足量的水。另外，在燃料電池系統(tǒng)1中，可以利用上述陰極廢氣Oc中的全部生成水來調(diào)節(jié)提供給上述改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量。
因此，能夠容易地設(shè)定燃料電池系統(tǒng)1的運(yùn)行條件，并且能夠容易穩(wěn)定燃料電池系統(tǒng)1的運(yùn)行。
另外，由于在上述燃料電池3中是在干燥狀態(tài)下使用上述質(zhì)子導(dǎo)體層312的，因此，不會(huì)發(fā)生質(zhì)子導(dǎo)體層312中的成分氣化，并溶入陰極流道33內(nèi)的上述生成水中的情況。從而不會(huì)降低送往上述改質(zhì)器2的陰極廢氣Oc中的上述生成水的純度，并且不會(huì)發(fā)生配置在上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21內(nèi)的、用于進(jìn)行上述水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)的改質(zhì)催化劑被毒化的問題。
在上述燃料電池系統(tǒng)1中，在上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21中，當(dāng)上述改質(zhì)用燃料F和陰極廢氣Oc發(fā)生反應(yīng)而生成含氫改質(zhì)氣體Ga時(shí)，在該改質(zhì)反應(yīng)流道21中，不僅能夠利用陰極廢氣Oc所具有的剩余氧和充足量的生成水，還能夠利用陰極廢氣Oc所具有的高溫?zé)崮?。因此，在改質(zhì)反應(yīng)流道21中，可使改質(zhì)用燃料F和具有高溫?zé)崮艿年帢O廢氣Oc發(fā)生反應(yīng)而生成含氫改質(zhì)氣體Ga，從而能夠提高該改質(zhì)反應(yīng)流道21的能效。
另外，從上述陽(yáng)極流道32排出的陽(yáng)極廢氣Oa中具有沒有透過上述電解質(zhì)體31的氫分離金屬層311而排出的氫以及上述含氫改質(zhì)氣體Ga中所含有的氫之外的物質(zhì)，并且還具有燃料電池3的高溫工作所產(chǎn)生的熱量。另外，從上述致冷流道34排出的致冷廢氣Or具有上述含氧致冷氣體Gr中所包含的氧，并且還具有通過上述燃料電池3而被加熱的熱量。
因此，當(dāng)將陽(yáng)極廢氣Oa從陽(yáng)極流道32通過上述陽(yáng)極廢氣管45送往上述加熱流道22，以及將致冷廢氣Or從致冷流道34通過上述致冷廢氣管47送往加熱流道22時(shí)，在加熱流道22中，不僅可使陽(yáng)極廢氣Oa所具有的氫和致冷廢氣Or所具有的氧進(jìn)行燃燒，還能夠利用陽(yáng)極廢氣和致冷廢氣Or所分別具有的高溫?zé)崮軄磉M(jìn)行燃燒。由此，能夠進(jìn)一步提高加熱流道22的能效。
另外，在本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1中，在如上所述的改質(zhì)器2中生成含氫改質(zhì)氣體Ga的溫度可以和燃料電池3的工作溫度大致相同。因此，在本實(shí)施例中，不需要在改質(zhì)器2和燃料電池3之間設(shè)置因其各個(gè)溫度不同而必需的熱交換器和冷凝器等。因此，不會(huì)產(chǎn)生因使用這些設(shè)備而引起的能源浪費(fèi)，并能夠簡(jiǎn)化燃料電池系統(tǒng)1的構(gòu)造。
因此，根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1，能夠簡(jiǎn)化其構(gòu)造，并能夠在從陰極流道33回收全部生成水的同時(shí)，利用陰極廢氣Oc、陽(yáng)極廢氣Oa以及致冷廢氣Or所分別具有的高溫?zé)崮埽瑥亩軌蛱岣呷剂想姵叵到y(tǒng)1的能效。
另外，雖然省略了圖示，但當(dāng)開始運(yùn)行上述燃料電池系統(tǒng)1時(shí)，可直接向上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21提供水和氧(空氣等)，并能夠向上述改質(zhì)器2的加熱流道22直接提供燃料和氧(空氣等)。
于是，在開始運(yùn)行上述燃料電池系統(tǒng)1之后，改質(zhì)反應(yīng)流道21所必需的水和氧可僅由上述陰極廢氣Oc來提供，加熱流道22所必需的作為燃料的氫和氧可僅由上述陽(yáng)極廢氣Oa和上述致冷廢氣Or來提供。
另外，在改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21中，也可以通過上述高溫陰極廢氣Oc來順利進(jìn)行提供給改質(zhì)反應(yīng)流道21的改質(zhì)用燃料F的氣化。
另外，當(dāng)本實(shí)施例的燃料電池3在例如300～600℃的高溫下工作時(shí)，上述氫分離金屬層311幾乎不受一氧化碳等的毒化影響。因此，當(dāng)進(jìn)行上述高溫工作時(shí)，可直接向燃料電池3的陽(yáng)極流道32提供除了氫以外還含有一氧化碳等的含氫改質(zhì)氣體Ga。
另外，在本實(shí)施例中，在上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21中沒有被利用的陰極廢氣Oc的一部分被排到燃料電池系統(tǒng)1的外部。與之相對(duì)，如下所述，可以在例如燃料電池系統(tǒng)1中改質(zhì)反應(yīng)流道21以外的部位使用在改質(zhì)反應(yīng)流道21中沒有被利用的陰極廢氣Oc的一部分。
即，如圖3所示，作為使用在上述改質(zhì)反應(yīng)流道1中沒有被利用的陰極廢氣Oc的一部分的一種變形，上述燃料電池系統(tǒng)1可被構(gòu)成為通過供給用三通調(diào)節(jié)閥611，將流經(jīng)陰極廢氣管46的陰極廢氣Oc的一部分送往上述改質(zhì)器2的加熱流道22，同時(shí)將剩余部分送往改質(zhì)反應(yīng)流道21。
具體來說，設(shè)在陰極廢氣管46中的供給用三通調(diào)節(jié)閥611的放氣口和致冷廢氣管47通過陰極廢氣混合管48C連接，并在其連接部設(shè)有陰極廢氣/致冷廢氣混合閥88C。于是，可將流經(jīng)陰極廢氣管46的陰極廢氣Oc的一部分混合入流經(jīng)致冷廢氣管47的致冷廢氣Or中。
在該情況下，可以使用在改質(zhì)反應(yīng)流道21中不需要的陰極廢氣Oc的一部分以用于在加熱流道22中進(jìn)行燃燒。由此，能夠進(jìn)一步提高燃料電池系統(tǒng)1的能效。
另外，在該情況下，也可以在陰極廢氣管46中設(shè)有上述陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61，通過該陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61，可減少送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的陰極廢氣Oc的流量。
另外，如圖4所示，作為使用在上述改質(zhì)反應(yīng)流道21中沒有被利用的陰極廢氣的一部分的其它變形，上述燃料電池系統(tǒng)1被構(gòu)成地可通過再供給用三通調(diào)節(jié)閥612，將流經(jīng)陰極廢氣管46的陰極廢氣Oc的一部分再次提供給上述陰極流道33，同時(shí)將剩余部分送往改質(zhì)反應(yīng)流道21。
具體來說，通過陰極廢氣混合管48D來連接配置在陰極廢氣管46中的再供給用三通調(diào)節(jié)閥612的放氣口和含氧氣體供給管43，并在該連接部設(shè)有陰極廢氣/含氧氣體混合閥88D。于是，流經(jīng)陰極廢氣管46的陰極廢氣Oc的一部分可以混合到流經(jīng)含氧氣體供給管43的含氧氣體Gc中。
在該情況下，可通過將在改質(zhì)反應(yīng)流道21中不需要的陰極廢氣Oc的一部分再次提供給陰極流道33來有意識(shí)地減少提供給陰極流道33的含氧氣體Gc中的氧濃度。
另外，在該情況下，還可以在陰極廢氣管46中配置上述陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61。于是，可調(diào)節(jié)陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61的排氣量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量，并調(diào)節(jié)上述再供給用三通調(diào)節(jié)閥612對(duì)陰極流道33的再次供給量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道21的氧量。據(jù)此，可適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量和氧量及它們的比率。
另外，在上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21中，表示陰極廢氣Oc中的水(S)的摩爾量與改質(zhì)用燃料F中的碳(C)的摩爾量之比的S/C例如可設(shè)為1～3。另外，在上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21中，表示陰極廢氣Oc中的氧(O)的摩爾量與改質(zhì)用燃料F中的碳(C)的摩爾量之比的O/C例如可設(shè)為0～1.0。
為了增加送往上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量，考慮增加流向上述陽(yáng)極流道32的含氫改質(zhì)氣體Ga的流量，并增加因燃料電池3的發(fā)電而生成的生成水的量。但是若進(jìn)行該操作，則會(huì)大量使用上述改質(zhì)用燃料F，從而降低了能效。而若要維持高能效，則會(huì)由于進(jìn)行上述水蒸氣改質(zhì)反應(yīng)而需要相當(dāng)于大量改質(zhì)用燃料F的大量的水。
由此可知，為了維持上述燃料電池系統(tǒng)1的高能效，能夠從上述陰極流道33回收因上述燃料電池3的發(fā)電而生成的全部生成水是非常重要的。
另外，利用因上述燃料電池3的發(fā)電而生成的全部生成水，從而能夠調(diào)節(jié)提供給上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量，由此，易于增大上述的S/C。因此，可增大改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21的S/C的調(diào)節(jié)幅度，從而易于設(shè)定燃料電池系統(tǒng)1的運(yùn)行條件。
(第二實(shí)施例)如圖5～圖8所示，本實(shí)施例是在上述陰極廢氣管46中設(shè)有氧分離膜體81，降低陰極廢氣Oc中的氧濃度來調(diào)節(jié)上述改質(zhì)器2中的改質(zhì)反應(yīng)流道21的O/C(氧(O)摩爾量與碳(C)摩爾量之比)和S/C(水(S)摩爾量與碳(C)摩爾量之比)的各種變形示例。
上述氧分離膜體81設(shè)在氧分離膜裝置810的內(nèi)部，并被配置在陰極廢氣管46中。上述氧分離膜裝置810具有用于使陰極廢氣Oc中的氧透過的氧分離膜體81和被該氧分離膜體81隔開的兩個(gè)流道811、812。該兩個(gè)流道811、812由傳送從陰極流道33排出的陰極廢氣Oc的廢氣流道811和透過氧分離膜體81的氧所流經(jīng)的氧透過流道812構(gòu)成。
另外，上述氧分離膜體81可以使用例如硅膜、乙烯基芳族胺聚合體、メソ-テトラキスポルフエニナトコバルト(meso-tetrakisporphinato-cobalt)或者聚苯醚等來構(gòu)成。
另外，在本實(shí)施例中，在上述陰極廢氣管46中設(shè)有陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61。
如圖5所示，上述燃料電池系統(tǒng)1可被構(gòu)成為將透過氧分離膜體81的氧排到燃料電池系統(tǒng)1的外部。由此，可減少陰極廢氣Oc中的氧量(上述剩余氧量)，從而將送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的陰極廢氣Oc中的氧量維持在適當(dāng)?shù)牧俊?br> 另外，在該情況下，可調(diào)節(jié)從上述陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61排到外部的陰極廢氣Oc的排氣量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量。另外，可調(diào)節(jié)上述氧分離膜體81的氧的排氣量來確定送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的氧量。由此，能夠調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量和氧量及它們的比率，從而適當(dāng)調(diào)節(jié)改質(zhì)反應(yīng)流道21中的O/C以及S/C。
另外，如下所述，也可在上述燃料電池系統(tǒng)1中改質(zhì)反應(yīng)流道21以外的部位使用透過配置在上述陰極廢氣管46中的氧分離膜體81而取出的氧。
即，如圖6所示，作為在改質(zhì)反應(yīng)流道21以外使用陰極廢氣Oc中的氧的一種變形，燃料電池系統(tǒng)1可被構(gòu)成為將透過氧分離膜體81的氧再次提供給上述燃料電池3的陰極流道33。
具體來說，通過氧混合管48E來連接設(shè)在陰極廢氣管46中的氧分離膜裝置80中的氧透過流道812和含氧氣體供給管43，并在該連接部配置氧/含氧氣體混合閥88E。于是，可將透過氧分離膜體81的氧混合到流經(jīng)含氧氣體供給管43的含氧氣體Gc中。
在該情況下也可與上述同樣地，調(diào)節(jié)上述陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61中的陰極廢氣Oc的排氣量和上述氧分離膜體81的氧的排氣量，從而適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量和氧量及它們的比率，并適當(dāng)調(diào)節(jié)改質(zhì)反應(yīng)流道21中的O/C和S/C。
另外，在該情況下，可通過將陰極廢氣Oc中的氧的一部分再次提供給陰極流道33來增加提供給陰極流道33的含氧氣體Gc中的氧量。因此，可以在不改變上述陰極化學(xué)定量關(guān)系(理論空氣量相對(duì)于陰極流道33中的氫質(zhì)子量的比率)的情況下容易地增大氧濃度。
另外，在該情況下，能夠容易確保燃料電池3中的反應(yīng)所必需的氧量。因此，可減少提供給陰極流道33的含氧氣體Gc的流量，從而將上述陰極化學(xué)定量關(guān)系降低到適當(dāng)?shù)谋嚷?。由此，可?shí)現(xiàn)減少配置在上述含氧氣體供給管43中的泵60等輔機(jī)的動(dòng)力，從而有效提高燃料電池系統(tǒng)1的效率。
另外，如圖7所示，作為在改質(zhì)反應(yīng)流道21以外使用陰極廢氣Oc中的氧的其它變形，燃料電池系統(tǒng)1可被構(gòu)成為將透過氧分離膜體81的氧送往上述改質(zhì)器2的加熱流道22。
具體來說，通過氧/致冷廢氣混合管48F來連接設(shè)在陰極廢氣管46中的氧分離膜裝置80中的氧透過流道812和致冷廢氣管47，并在該連接部配置氧/致冷廢氣混合閥88F。于是，可將透過氧分離膜體81的氧混合到流經(jīng)致冷廢氣管47的致冷廢氣Or中。
在該情況下也可與上述同樣地，調(diào)節(jié)上述陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61中的陰極廢氣Oc的排氣量和上述氧分離膜體81的氧的排氣量，從而適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量和氧量及它們的比率，并適當(dāng)調(diào)節(jié)改質(zhì)反應(yīng)流道21中的O/C和S/C。
另外，在該情況下，可用通過氧分離膜體81而獲得的氧在加熱流道22中進(jìn)行燃燒。由此，可在加熱流道22中有效利用在改質(zhì)反應(yīng)流道21中沒有利用的陰極廢氣Oc中的氧，從而能夠進(jìn)一步提高燃料電池系統(tǒng)1的能效。
另外如圖8所示，作為在改質(zhì)反應(yīng)流道21以外使用陰極廢氣Oc中的氧的其它變形，燃料電池系統(tǒng)1可被構(gòu)成為將透過氧分離膜體81的氧存儲(chǔ)在氧緩沖器82中。
在該情況下也可與上述同樣地，調(diào)節(jié)上述陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61中的陰極廢氣Oc的排氣量和上述氧分離膜體81的氧的排氣量，從而適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量和氧量及它們的比率，并適當(dāng)調(diào)節(jié)改質(zhì)反應(yīng)流道21中的O/C和S/C。
另外，在該情況下，在改質(zhì)反應(yīng)流道21中沒有利用的陰極廢氣Oc中的氧可存儲(chǔ)在上述氧緩沖器82中。于是，例如當(dāng)希望增加改質(zhì)反應(yīng)流道21所必需的氧量時(shí)，可從氧緩沖器82向該改質(zhì)反應(yīng)流道21提供氧。另外，上述氧緩沖器82例如可由氧泵構(gòu)成。
本實(shí)施例中的其它方面和上述第一實(shí)施例相同，并能取得和上述第一實(shí)施例相同的作用效果。
(第三實(shí)施例)如圖9～圖11所示，本實(shí)施例是從燃料電池系統(tǒng)1的任意部位或者從燃料電池系統(tǒng)1的外部向上述陰極廢氣管46提供含氧的特定氣體，增加改質(zhì)反應(yīng)流道21中的氧濃度來調(diào)節(jié)上述O/C和S/C的各種變形示例。
在本實(shí)施例中，在陰極廢氣管46中進(jìn)行上述陰極廢氣Oc和上述特性氣體的混合，并將進(jìn)行了氧濃度調(diào)節(jié)的陰極廢氣Oc提供給改質(zhì)反應(yīng)流道21。
另外，在本實(shí)施例中，在上述陰極廢氣管46中也設(shè)置有陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61。
如圖9所示，作為上述變形的一種，上述燃料電池系統(tǒng)1可被構(gòu)成為將用于提供給其致冷流道34的含氧致冷氣體Gr的一部分混合到流經(jīng)陰極廢氣管46的陰極廢氣Oc中，并將該混合氣體透送往改質(zhì)反應(yīng)流道21。
具體來說，在致冷氣體供給管44中設(shè)有致冷氣體用三通調(diào)節(jié)閥72。通過致冷氣體混合管48G來連接該致冷氣體用三通調(diào)節(jié)閥72的放氣口和陰極廢氣管46，并在該連接部設(shè)有致冷氣體/陰極廢氣混合閥88G。于是，可將流經(jīng)致冷氣體供給管44的含氧致冷氣體Gr的一部分混合到流經(jīng)陰極廢氣管46的陰極廢氣Oc中。
在該情況下，可增加陰極廢氣Oc中的氧量，從而將送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的陰極廢氣Oc中的氧量維持在適當(dāng)?shù)牧俊?br> 另外，在該情況下，可調(diào)節(jié)從上述陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61排到外部的陰極廢氣Oc的排氣量來確定送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量。另外，可調(diào)節(jié)上述含氧致冷氣體Gr的混合量來確定送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的氧量。由此，能夠適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量和氧量及它們的比率，從而可適當(dāng)調(diào)節(jié)改質(zhì)反應(yīng)流道21中的O/C以及S/C。
另外，如圖10所示，作為上述的另外一種變形，上述燃料電池系統(tǒng)1可被構(gòu)成為將從其致冷流道34排出的致冷廢氣Or的一部分混合到流經(jīng)陰極廢氣管46的陰極廢氣中，并將該混合得到的混合氣體送往改質(zhì)反應(yīng)流道21。
具體來說，通過致冷廢氣混合管48H來連接設(shè)在致冷廢氣管47中的致冷廢氣用三通調(diào)節(jié)閥71的放氣口和陰極廢氣管46，并在其連接部設(shè)置致冷廢氣/陰極廢氣混合閥88H。于是，可將流經(jīng)致冷廢氣管47的致冷廢氣Or的一部分混合到流經(jīng)陰極廢氣管46的陰極廢氣Oc中。
在該情況下，也可和上述同樣地，調(diào)節(jié)上述陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61的陰極廢氣Oc的排氣量和上述致冷廢氣Or的混合量，適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量和氧量及它們的比率，從而可適當(dāng)調(diào)節(jié)改質(zhì)反應(yīng)流道21中的O/C以及S/C。
另外，在該情況下，可向改質(zhì)反應(yīng)流道21提供上述陰極廢氣Oc和通過上述燃料電池3內(nèi)部而處于被加熱狀態(tài)的致冷廢氣Or的混合氣體。由此，可在使改質(zhì)反應(yīng)流道21中利用的陰極廢氣Oc的溫度幾乎不降低的情況下增加該陰極廢氣Oc中的氧量。
在致冷廢氣管47中設(shè)有兩個(gè)上述致冷廢氣用三通調(diào)節(jié)閥71，其中一個(gè)可用于調(diào)節(jié)流經(jīng)上述致冷廢氣管47的致冷廢氣Or的流量，另一個(gè)可用于進(jìn)行上述混合。
另外，如圖11所示，作為上述的另外一種變形，上述燃料電池系統(tǒng)1可被構(gòu)成為通過空氣泵63而使空氣混合到上述陰極廢氣管46中。
在該情況下，連接空氣泵63的噴出口和陰極廢氣管46，并在其連接部設(shè)置空氣/陰極廢氣混合閥88I。于是，可將從空氣泵63排出的空氣混合到流經(jīng)陰極廢氣管46的陰極廢氣Oc中。
另外，在該情況下也可和上述同樣地，調(diào)節(jié)上述陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61的陰極廢氣Oc的排氣量和上述空氣的混合量，適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量和氧量及它們的比率，從而可適當(dāng)調(diào)節(jié)改質(zhì)反應(yīng)流道21中的O/C以及S/C。
另外，在該情況下，可以用氧緩沖器來代替上述空氣泵63。此時(shí)，可更加有效地增加在改質(zhì)反應(yīng)流道21中利用的陰極廢氣Oc中的氧量。
本實(shí)施例中的其它方面和上述第一實(shí)施例相同，并能取得和上述第一實(shí)施例相同的作用效果。
(第四實(shí)施例)如圖12～圖15所示，本實(shí)施例是如下所述的各種變形示例，即，從燃料電池系統(tǒng)1的任意部位或者從燃料電池系統(tǒng)1的外部向上述陰極廢氣管46提供含氫的特定氣體或燃料，然后使該特定氣體或燃料與陰極廢氣Oc中的氧進(jìn)行燃燒，并通過調(diào)節(jié)陰極廢氣Oc中的氧量和水量來調(diào)節(jié)上述改質(zhì)器2的改質(zhì)反應(yīng)流道21中的O/C和S/C。
在本實(shí)施例中，使上述陰極廢氣Oc和上述特定氣體或燃料在陰極廢氣管46中燃燒，并將進(jìn)行了氧濃度調(diào)節(jié)的陰極廢氣Oc提供給改質(zhì)反應(yīng)流道21。
另外，在本實(shí)施例中，在上述陰極廢氣管46中也設(shè)置有陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61。
如圖12所示，作為上述變形的一種，上述燃料電池系統(tǒng)1可被構(gòu)成為使改質(zhì)用燃料F混合到上述陰極廢氣管46中。
在該情況下，連接改質(zhì)用燃料F的供給管和陰極廢氣管46，并在其連接部設(shè)置燃料/陰極廢氣混合閥88J。于是，可將改質(zhì)用燃料F混合到流經(jīng)陰極廢氣管46的陰極廢氣Oc中。
在該情況下，可在陰極廢氣管46中燃燒上述改質(zhì)用燃料F和上述陰極廢氣Oc中的氧(剩余氧)。于是，通過該燃燒，可在減少陰極廢氣Oc中的氧量的同時(shí)，增加陰極廢氣Oc中的水量。
另外，在該情況下，通過陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61的排氣量的調(diào)節(jié)和上述改質(zhì)用燃料F的混合量的調(diào)節(jié)，可適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量和氧量及它們的比率，并適當(dāng)調(diào)節(jié)改質(zhì)反應(yīng)流道21中O/C和S/C。
另外，如圖13所示，作為上述的另外一種變形，上述燃料電池系統(tǒng)1可被構(gòu)成為將流經(jīng)上述陽(yáng)極廢氣管45的陽(yáng)極廢氣Oa的一部分混合到上述陰極廢氣管46中。
具體來說，通過陽(yáng)極廢氣混合管48K來連接設(shè)在陽(yáng)極廢氣管45中的陽(yáng)極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥51的放氣口和陰極廢氣管46，并在其連接部設(shè)置陽(yáng)極廢氣/陰極廢氣混合閥88K。于是，可將流經(jīng)陽(yáng)極廢氣管45的陽(yáng)極廢氣Oa的一部分混合到流經(jīng)陰極廢氣管46的陰極廢氣Oc中。
在該情況下，可在陰極廢氣管46中燃燒陽(yáng)極廢氣Oa中的氫和陰極廢氣中的剩余氧。于是通過該燃燒，可減少陰極廢氣Oc中的氧量，并增加陰極廢氣Oc中的水量。并且在情況下，可在陰極廢氣管46中使陽(yáng)極廢氣Oa中的水混合到陰極廢氣Oc中，從而增加陰極廢氣Oc中的水量。
于是在該情況下，也可通過陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61的排氣量的調(diào)節(jié)和上述陽(yáng)極廢氣Oa的混合量的調(diào)節(jié)來適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量和氧量及它們的比率，并適當(dāng)調(diào)節(jié)改質(zhì)反應(yīng)流道21中O/C和S/C。
在陽(yáng)極廢氣管45中設(shè)有兩個(gè)上述陽(yáng)極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥51，其中一個(gè)可用于調(diào)節(jié)流經(jīng)上述陽(yáng)極廢氣管45的陽(yáng)極廢氣Oa的流量，另一個(gè)可用于進(jìn)行上述混合。
另外，如圖14所示，作為上述的另外一種變形，上述燃料電池系統(tǒng)1可被構(gòu)成為將流經(jīng)上述改質(zhì)氣體供給管42的含氫改質(zhì)氣體Ga的一部分混合到上述陰極廢氣管46中。
具體來說，在改質(zhì)氣體供給管42中設(shè)置改質(zhì)氣體用三通調(diào)節(jié)閥53。通過改質(zhì)氣體混合管48A來連接改質(zhì)氣體用三通調(diào)節(jié)閥53的放氣口和陰極廢氣管46，并在其連接部設(shè)置改質(zhì)氣體/陰極廢氣混合閥88A。于是，可將流經(jīng)改質(zhì)氣體供給管42的含氫改質(zhì)氣體Ga的一部分混合到流經(jīng)陰極廢氣管46的陰極廢氣Oc中。
在該情況下，可在陰極廢氣管46中燃燒含氫改質(zhì)氣體Ga中的氫和陰極廢氣中的剩余氧。于是通過該燃燒，可減少陰極廢氣Oc中的氧量，并增加陰極廢氣Oc中的水量。
于是在該情況下，也可通過陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61的排氣量的調(diào)節(jié)和上述含氫改質(zhì)氣體Ga的混合量的調(diào)節(jié)來適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量和氧量及它們的比率，并適當(dāng)調(diào)節(jié)改質(zhì)反應(yīng)流道21中O/C和S/C。并且在該情況下，可將上述含氫改質(zhì)氣體Ga的一部分再次提供給該改質(zhì)反應(yīng)流道21，從而使在改質(zhì)反應(yīng)流道21中生成的含氫改質(zhì)氣體Ga中的氫濃度增加。
另外，如圖15所示，作為上述的另外一種變形，上述燃料電池系統(tǒng)1可被構(gòu)成為將氫從氫緩沖器83混合到上述陰極廢氣管46中。
在情況下，對(duì)氫緩沖器83和陰極廢氣管46進(jìn)行連接，并在其連接部設(shè)置氫/陰極廢氣混合閥88L。于是，可將存儲(chǔ)在氫緩沖器83中的氫混合到流經(jīng)陰極廢氣管46的陰極廢氣Oc中。
在該情況下，可在上述陰極廢氣管46中燃燒氫和陰極廢氣中的氧。通過該燃燒，可減少陰極廢氣Oc中的氧量，并增加陰極廢氣Oc中的水量。
另外，在該情況下，也可通過陰極廢氣用三通調(diào)節(jié)閥61的排氣量的調(diào)節(jié)和上述氫的混合量的調(diào)節(jié)來適當(dāng)調(diào)節(jié)送往改質(zhì)反應(yīng)流道21的水量和氧量及它們的比率，并適當(dāng)調(diào)節(jié)改質(zhì)反應(yīng)流道21中O/C和S/C。
另外，在此情況下，不僅可向改質(zhì)反應(yīng)流道21提供陰極廢氣，還可提供氫，從而可進(jìn)一步增加在改質(zhì)反應(yīng)流道21中生成的含氫改質(zhì)氣體Ga中的氫濃度。另外，上述氫緩沖器83例如可由氫泵、儲(chǔ)氫合金或者碳等構(gòu)成。
本實(shí)施例中的其它方面和上述第一實(shí)施例相同，并能取得和上述第一實(shí)施例相同的作用效果。
(第五實(shí)施例)如圖16～圖18所示，本實(shí)施例是如下所述的各種變形示例，即，通過連接上述陰極廢氣管46和空氣管90的混合器92而將改質(zhì)用燃料F提供給改質(zhì)器2。
上述混合器92與連接在燃料供給管41上的改質(zhì)器2連通，在混合器92內(nèi)混合改質(zhì)用燃料F和其它氣體，然后將其提供給改質(zhì)器2。如圖16～圖18所示，可至少向混合器92提供陰極廢氣Oc、含氧氣體Gc和改質(zhì)用燃料F，并可將它們的混合氣體提供給改質(zhì)器2。
為了將含氧氣體Gc提供給混合器92，將空氣管90與含氫氣體供給管43和混合器92連接。另外，在空氣管90中設(shè)有空氣流量控制閥94，用于控制對(duì)混合器92供給含氧氣體Gc的量。
另外，在本實(shí)施例中，雖然使給混合器92提供含氫氣體Gc，但也可構(gòu)成為向混合器92提供陽(yáng)極廢氣Oa和燃燒廢氣等EGR排放氣體。
如圖16所示，上述燃料電池系統(tǒng)1可將從含氧氣體供給管43供給來的含氧氣體Gc提供給混合器92，并將在其內(nèi)部混合改質(zhì)用燃料F、陰極廢氣Oc以及含氧氣體Gc而得到的混合氣體提供給改質(zhì)器2。
在該情況下，可將陰極廢氣Oc混合到改質(zhì)用燃料F中進(jìn)行使用，從而提高燃料電池系統(tǒng)1的能效，并且，當(dāng)陰極廢氣Oc中的氧量不足時(shí)，由于可將從空氣管90供給來的含氧氣體Gc與改質(zhì)用燃料F混合后提供給改質(zhì)器2，因此能夠確保部分氧化所需的氧量。
另外，如圖17所示，作為使用混合器92的其它變形，上述燃料電池系統(tǒng)1可被構(gòu)成為能夠從上述燃料電池系統(tǒng)1之外向混合器92提供水蒸氣。
具體來說，將水蒸氣管96連接到混合器92上，混合水蒸氣St和混合器92中的改質(zhì)用燃料F、陰極廢氣Oc以及含氧氣體Gc，然后提供給改質(zhì)器2。
在該情況下，可提高與上述相同的燃料電池系統(tǒng)1的能效，并能夠抑制改質(zhì)器中水蒸氣不足的發(fā)生，從而確保穩(wěn)定的系統(tǒng)工作。
另外，如圖18所示，作為使用混合器92的其它變形，上述燃料電池系統(tǒng)1可被構(gòu)成為能夠?qū)幕旌掀?2排出的混合氣體提供給改質(zhì)器2，并可將陰極廢氣Oc直接提供給改質(zhì)器2。
具體來說，通過陰極廢氣混合閥98將從混合器92排出的混合氣體與改質(zhì)器2相連通，并將陰極廢氣管46連接到陰極廢氣混合閥100上，進(jìn)而，通過直連管(direct line)連通陰極廢氣混合閥98和陰極廢氣混合閥100。根據(jù)該實(shí)施例，可將陰極廢氣Oc的一部分或者全部從陰極廢氣混合閥100提供給混合器92，并將陰極廢氣Oc的一部分或者全部直接提供給改質(zhì)器2。
在該情況下，由于改質(zhì)用燃料F的流量相對(duì)于陰極廢氣比較少，因此，相對(duì)于在混合器92中的通過時(shí)間，陰極廢氣的流量占支配地位。另一方面，需要任意時(shí)間以用于以液滴狀態(tài)提供改質(zhì)用燃料F，并進(jìn)行氣化/混合。因此，利用陰極廢氣的一部分，在抑制流速的狀態(tài)下保持改質(zhì)原料的氣化時(shí)間，并在此之后，和從混合器供應(yīng)來的、包含剩余陰極廢氣的混合氣體相混合，由此，可提供規(guī)定的水量和氧量。
在該情況下，也可將陰極廢氣Oc混合到改質(zhì)用燃料F中進(jìn)行使用，從而提高燃料電池系統(tǒng)1的能效，并且，當(dāng)陰極廢氣Oc中的氧量不足時(shí)，由于可將從空氣管90供給來的含氧氣體Gc與改質(zhì)用燃料F混合后提供給改質(zhì)器2，因此可確保部分氧化所需的氧量。
本實(shí)施例中的其它方面和上述第一實(shí)施例相同，并能取得和上述第一實(shí)施例相同的作用效果。
發(fā)明效果如上所述，可根據(jù)本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)及其發(fā)電方法，其可簡(jiǎn)化燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)造，并可在從陰極流道回收全部生成水的同時(shí)，利用陰極廢氣所具有的剩余氧和高溫?zé)崮軄磉M(jìn)一步提高能效。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括改質(zhì)器和燃料電池，所述改質(zhì)器具有從改質(zhì)用燃料生成包含氫的含氫改質(zhì)氣體的改質(zhì)反應(yīng)流道，所述燃料電池利用上述含氫改質(zhì)氣體來進(jìn)行發(fā)電，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于，上述燃料電池包括被從上述改質(zhì)反應(yīng)流道供給上述含氫改質(zhì)氣體的陽(yáng)極流道；被供給含氧氣體的陰極流道；以及被配置在該陰極流道和上述陽(yáng)極流道之間的電解質(zhì)體；上述電解質(zhì)體是層疊氫分離金屬層和由陶瓷構(gòu)成的質(zhì)子導(dǎo)體層而成的，所述氫分離金屬層用于使被提供給上述陽(yáng)極流道的上述含氫改質(zhì)氣體中的氫透過，所述質(zhì)子導(dǎo)體層用于使透過該氫分離金屬層的上述氫處于質(zhì)子狀態(tài)并透過該質(zhì)子導(dǎo)體層，從而到達(dá)上述陰極流道，在上述燃料電池的上述陰極流道上連接有陰極廢氣管，該陰極廢氣管用于將從該陰極流道排出的陰極廢氣送往上述改質(zhì)器的上述改質(zhì)反應(yīng)流道。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述陰極廢氣管在不通過僅混合上述陰極廢氣和上述改質(zhì)用燃料的混合器或者僅混合上述陰極廢氣、上述改質(zhì)用燃料以及水蒸氣的混合器的情況下，將上述陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述改質(zhì)器具有加熱流道，該加熱流道被形成為鄰接上述改質(zhì)反應(yīng)流道，并進(jìn)行燃燒來加熱該改質(zhì)反應(yīng)流道。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述燃料電池的上述陽(yáng)極流道連接有用于將從該陽(yáng)極流道排出的陽(yáng)極廢氣送往上述加熱流道的的陽(yáng)極廢氣管。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述燃料電池具有提供用于冷卻該燃料電池的含氧致冷氣體的致冷流道。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述燃料電池的上述致冷流道連接有用于將從該致冷流道排出的致冷廢氣送往上述加熱流道的致冷廢氣管。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中設(shè)有排氣用三通調(diào)節(jié)閥，通過該排氣用三通調(diào)節(jié)閥，排出上述陰極廢氣的一部分，并將剩余部分送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道。
8.如權(quán)利要求3至7中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中設(shè)有供給用三通調(diào)節(jié)閥，通過該供給用三通調(diào)節(jié)閥，將上述陰極廢氣的一部分送往上述加熱流道，并將剩余部分送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道。
9.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中設(shè)有再供給用三通調(diào)節(jié)閥，通過該再供給用三通調(diào)節(jié)閥，將上述陰極廢氣的一部分再次提供給上述陰極流道，并將剩余部分送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道。
10.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中設(shè)有氧分離膜體，使上述陰極廢氣中的氧的一部分透過上述氧分離膜體而排出。
11.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中設(shè)有氧分離膜體，使上述陰極廢氣中的氧的一部分透過上述氧分離膜體而再次提供給上述陰極流道。
12.如權(quán)利要求3至7中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中設(shè)有氧分離膜體，使上述陰極廢氣中的氧的一部分透過上述氧分離膜體而送往上述加熱流道。
13.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中設(shè)有氧分離膜體，使上述陰極廢氣中的氧的一部分透過上述氧分離膜體而存儲(chǔ)在氧緩沖器中。
14.如權(quán)利要求5至13中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中混合上述含氧致冷氣體的一部分。
15.如權(quán)利要求6至13中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中混合上述致冷廢氣的一部分。
16.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中混合空氣。
17.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中混合氧。
18.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中混合改質(zhì)用燃料。
19.如權(quán)利要求4至13中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中混合上述陽(yáng)極廢氣的一部分。
20.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中混合上述含氫改質(zhì)氣體的一部分。
21.如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述陰極廢氣管中混合氫。
22.一種燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括改質(zhì)器和燃料電池，其中所述改質(zhì)器具有從改質(zhì)用燃料生成包含氫的含氫改質(zhì)氣體的改質(zhì)反應(yīng)流道，所述燃料電池利用上述含氫改質(zhì)氣體來進(jìn)行發(fā)電，該燃料電池具有被從上述改質(zhì)反應(yīng)流道供給上述含氫改質(zhì)氣體的陽(yáng)極流道；被供給含氧氣體的陰極流道；以及被配置在該陰極流道和上述陽(yáng)極流道之間的電解質(zhì)體，該電解質(zhì)體是層疊氫分離金屬層和由陶瓷構(gòu)成的質(zhì)子導(dǎo)體層而成的，所述氫分離金屬層用于使被提供給上述陽(yáng)極流道的上述含氫改質(zhì)氣體中的氫透過，所述質(zhì)子導(dǎo)體層用于使透過該氫分離金屬層的上述氫處于質(zhì)子狀態(tài)并透過該質(zhì)子導(dǎo)體層，從而到達(dá)上述陰極流道，所述燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電方法的特征在于，將在上述改質(zhì)反應(yīng)流道中生成的上述含氫改質(zhì)氣體提供給上述陽(yáng)極流道，并使上述含氫改質(zhì)氣體中的氫從上述陽(yáng)極流道透過上述氫分離金屬層之后，使之成為氫質(zhì)子狀態(tài)并透過上述質(zhì)子導(dǎo)體層而到達(dá)上述陰極流道，在該陰極流道中，上述氫質(zhì)子和上述含氧氣體中的氧發(fā)生反應(yīng)以進(jìn)行上述發(fā)電，并且，將從上述陰極流道排出的陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道，在該改質(zhì)反應(yīng)流道中，上述改質(zhì)用燃料和上述陰極廢氣發(fā)生反應(yīng)而生成上述含氫改質(zhì)氣體。
23.如權(quán)利要求22所述的燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電方法，其特征在于，上述陰極廢氣管在不通過僅混合上述陰極廢氣和上述改質(zhì)用燃料的混合器或者僅混合上述陰極廢氣、上述改質(zhì)用燃料以及水蒸氣的混合器的情況下，將上述陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)器流道。
24.如權(quán)利要求22或23所述的燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電方法，其特征在于，上述改質(zhì)器具有加熱流道，該加熱流道被形成為鄰接上述改質(zhì)反應(yīng)流道，并進(jìn)行燃燒來加熱該改質(zhì)反應(yīng)流道，上述燃料電池具有提供用于冷卻該燃料電池的含氧致冷氣體的致冷流道，將從上述陰極流道排出的陰極廢氣送往上述改質(zhì)反應(yīng)流道，在該改質(zhì)反應(yīng)流道中，使上述改質(zhì)用燃料和上述陰極廢氣發(fā)生反應(yīng)而生成上述含氫改質(zhì)氣體，另外，將從上述陽(yáng)極流道排出的陽(yáng)極廢氣和從上述致冷流道排出的致冷氣體送往上述加熱流道，在該加熱流道中，使上述陽(yáng)極廢氣和上述致冷廢氣發(fā)生燃燒以進(jìn)行上述加熱。
全文摘要
燃料電池系統(tǒng)(1)具有改質(zhì)器(2)和燃料電池(3)。改質(zhì)器(2)具有生成含氫改質(zhì)氣體(Ga)的改質(zhì)反應(yīng)流道(21)和加熱用的加熱流道(22)。燃料電池(3)具有被供給含氫改質(zhì)氣體(Ga)的陽(yáng)極流道(32)；被供給含氧氣體(Gc)的陰極流道(33)；以及被配置在二者之間的電解質(zhì)體(31)。電解質(zhì)體(31)是層疊氫分離金屬層(311)和質(zhì)子導(dǎo)體層(312)而成的。燃料電池系統(tǒng)(1)具有將從陰極流道(33)排出的陰極廢氣(Oc)送往改質(zhì)反應(yīng)流道(21)的陰極廢氣管(46)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1910774SQ20058000243
公開日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2005年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月14日
發(fā)明者志滿津孝, 青木博史, 三井宏之, 荻野溫, 青山智, 鹽川諭, 井口哲, 木村憲治, 佐藤博道, 伊澤康浩, 伊藤直樹, 飯島昌彥 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社