專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用固體電解質型燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，具體而 言是涉及一種進行燃料利用率的可變控制的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術：
對現(xiàn)有的高分子電解質型燃料電池系統(tǒng)的控制進行說明。圖3是表示 現(xiàn)有的高分子電解質型燃料電池系統(tǒng)的圖。如圖3所示，在燃料電池系統(tǒng) 運行時，燃料處理裝置14對天然氣等原料進行水蒸氣改性，形成以氫氣 為主成分的氣體，用氫氣側加濕器11進行加濕后供給到燃料電池1。另外， 通過空氣供給裝置3，氧化劑氣體被氧化側加濕器13進行加濕，供給到燃 料電池l。燃料電池1將發(fā)出的支流電轉換成交流電，并連接有與電力系 統(tǒng)7相連接的功率調節(jié)裝置6，再連接電力負載8。
另一方面，因燃料電池1的發(fā)電而產生的熱量被在冷卻配管19內流 動的冷卻水回收。冷卻水通過冷卻水循環(huán)泵16進行循環(huán)，被冷卻水回收 的熱量經過熱交換器15并通過泵17而轉移到在散熱配管29內循環(huán)的水， 在蓄熱水箱12儲存有水。(例如，參照專利文獻l)
專利文獻l:日本專利2002—42841號公報
作為高分子電解質型燃料電池的特征，可列舉廢熱回收效率比發(fā)電效 率高的情況，在通常的運轉中，易發(fā)生蓄熱水箱完全沸騰并貯滿水的情況。 此時，由于廢熱回收效率高，因而鑒于系統(tǒng)效率有可能造成停止發(fā)電運行 的情況。
另外，作為另一個特征，其在于對主要的燃料民用煤氣進行改性，生 成氫氣和一氧化碳，除去生成的一氧化碳，但是其存在的問題在于為了除 去該一氧化碳而需要時間。因此，隨著發(fā)電量及溫度變化，不能迅速地改 變燃料，致使燃料利用率的控制極為緩慢。
雖然為了克服上述的缺點而在高分子電解質型燃料電池中開發(fā)了廢熱回收系統(tǒng)，但是在固體電解質型燃料電池中，關于廢熱回收系統(tǒng)還沒有 提案，另外，由于電解質與固體電解質型不同，因而與高分子電解質型電 池系統(tǒng)的廢熱回收相關的控制還不能直接應用于固體電解質型燃料電池 系統(tǒng)。作為固體電解質型燃料電池的特征，其在于發(fā)電效率比廢熱回收效率 高。若從對電力負載的電力供給這一方面來看，具有比高分子電解質型燃 料電池優(yōu)越的優(yōu)越性，而從向供熱水負載穩(wěn)定供熱水這一方面來看，存在 的問題在于可供給的絕對量小。發(fā)明內容鑒于上述問題，本發(fā)明的課題在于，提供一種可向供熱水負載進行穩(wěn) 定供給的燃料電池系統(tǒng)。為了解決上述課題，本發(fā)明具有下述特征。 本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，具備有固體電解質型燃料電池；對來自該固體電解質型燃料電池的廢氣和水進行熱交換的熱交換器； 儲存水的蓄熱水箱；在該蓄熱水箱和上述熱交換器之間使水進行循環(huán)的循環(huán)配管；設置于該循環(huán)配管的循環(huán)泵，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于，具備有控制裝置，以根據(jù)上述蓄熱水箱內的熱水的使用量來控制上述 固體電解質型燃料電池的燃料利用率。 另外， 一種燃料電池系統(tǒng)，具備有 固體電解質型燃料電池；對來自該固體電解質型燃料電池的廢氣和水進行熱交換的熱交換器； 儲存水的蓄熱水箱；在該蓄熱水箱和所述熱交換器之間使水進行循環(huán)的循環(huán)配管；設置于該循環(huán)配管的循環(huán)泵，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于，具備有控制裝置，以根據(jù)所述蓄熱水箱內的熱水的比例或者熱水溫度來控制所述固體電解質型燃料電池的燃料利用率。
具有控制裝置，其根據(jù)用戶需要的供熱水量對供給的燃料氣體量進行 控制，改變燃料電池的燃料利用率。例如，在希望更多的供熱水量的情況 下，在蓄熱水箱內的熱水的比例小等情況下，不論電力負載的高低，都通 過降低燃料利用率，增加燃料電池產生的廢氣的能量，進而增加熱交換器 的熱水生成量，其結果是，增加了蓄熱水量(蓄熱水箱內的熱水的比例)， 或者提高了蓄熱水箱內的蓄水溫度，由此，增加供熱水量，可將熱水穩(wěn)定 地供給供水負載。
而所謂的燃料利用率，是指欲投進到燃料電池的燃料氣體量相對的實 際上有助于電化學反應(發(fā)電反應)的燃料氣體量的比例，所謂的降低燃 料利用率，可通過增加投進到燃料電池的燃料氣體的供給量而實現(xiàn)。
另外，上述控制裝置其特征在于，在上述固體電解質型燃料電池的工 作溫度降低時，進行降低上述固體電解質型燃料電池的燃料利用率的控 制。
以往，由于發(fā)電量減少、燃料電池的工作溫度降低時的狀態(tài)延續(xù)，廢 氣可回收的熱量減少，造成向供水負載的熱水供給量更加降低。與此同時， 若在燃料電池的工作溫度降低的狀態(tài)，則造成燃料電池的發(fā)電效率降低并 可供給到電力負載的最大電量比額定低。而且，之后，為了使可供給到電 力負載的燃料電池的最大電量成為額定電量，至發(fā)送電效率變高的溫度在 提升燃料電池的工作溫度而需要時間，存在的問題在于，不能與負載的急 劇需要的電力相適應，但是，在本發(fā)明中，在燃料電池的工作溫度降低時， 通過增加供給到燃料電池的燃料氣體量，降低燃料利用率，可提高廢氣溫 度，使熱交換器的廢氣與水的熱交換活躍，增加熱水生成量、增加蓄熱水 箱內的熱水比例，另外可用短時間提高蓄熱水箱內的水溫，同時可減緩燃 料電池的工作溫度的下降，可用短時間轉移到燃料電池可向電力負載提供 最大電力的溫度，進而可迅速進行對需要電力的電力供給。
另外，上述控制裝置其特征在于，在上述固體電解質型燃料電池的發(fā) 電量降低時，進行降低上述固體電解質型燃料電池的燃料利用率的控制。
在燃料電池的發(fā)電量降低時，通過增加向燃料電池供給的燃料氣體 量、降低燃料利用率，可減緩燃料電池的工作溫度的降低，迅速進行對需要電力的電力供給。由于此時也是增加散熱量，因而可增加熱水生成量、 增加儲存熱水量。
另外，上述控制裝置其特征在于，在夜間進行降低上述固體電解質型 燃料電池的燃料利用率的控制。
在夜間， 一般家庭內負載大多為最低使用量，使得燃料電池的工作溫 度下降。此時，通過進行降低燃料電池的燃料利用率的控制，就能防止燃 料電池的工作溫度的降低，可迅速進行對需要電力的電力供給，另外還可 增加熱水生成量。
另外，上述控制裝置其特征在于，具有開關，通過使用者的選擇強制 性地降低上述固體電解質型燃料電池的燃料利用率。在這種燃料電池系統(tǒng) 中，在希望更多的供熱水量的情況下，通過由燃料電池操作員隨時按壓開 關，可優(yōu)先于發(fā)電增加熱水生成量。
本發(fā)明的燃料電池，非常適合應用于進行l(wèi)kW以下尤其是750W以
下的發(fā)電的家庭燃料電池。
依照本發(fā)明，根據(jù)用戶的熱水使用量，或者根據(jù)蓄熱水箱內的熱水的 比例、熱水溫度，來控制燃料利用率，并控制進行與水的熱交換的廢氣溫 度，進而可提供一種可進行向供水負載的穩(wěn)定供給的燃料電池系統(tǒng)。


圖1是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的圖2是表示一例確定燃料利用率的順序的流程圖3是表示現(xiàn)有的高分子電解質型燃料電池系統(tǒng)的圖。
符號說明
31:固體電解質型燃料電池 32:燃料供給裝置
33:空氣供給裝置 34:水供給裝置 35:燃料加濕裝置 36:功率調節(jié)器 37:電力系統(tǒng)38:電力負載 39:控制裝置 40:熱交換器 41:循環(huán)泵 42:蓄熱水箱
43a、 43b:循環(huán)配管
具體實施例方式
下面，基于

用于實施本發(fā)明的最佳實施方式。而下面的說明 是本發(fā)明的最佳實施方式例，所謂的本領域技術人員在專利要求的范圍內 進行變更、修正并做成其他的實施方式是容易的，下面的說明不是局限于 專利要求的范圍。
圖1是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的圖。如圖1所示，本發(fā)明的固體 電解質型燃料電池系統(tǒng)具有固體電解質型燃料電池31、將民用煤氣及天 然氣等提供給燃料電池31的燃料供給裝置32、用于將氧化劑空氣提供給 燃料電池31的空氣供給裝置33、供給水的供水裝置34、對提供給燃料電 池31的燃料氣體進行加濕的燃料加濕裝置35。另外，通過控制裝置39 對燃料供給裝置32、空氣供給裝置33、供水裝置34、燃料加濕裝置35 進行流量及工作的控制。
燃料電池31將發(fā)出的直流電轉換成交流電，且其上連接有與電力系 統(tǒng)37相連接的功率調節(jié)裝置36，還連接有電力負載38。
另外，燃料電池31與對發(fā)電產生的廢熱進行回收的熱交換器40相連 接，而熱交換器40又連接著用于使蓄熱水箱42內的水進行循環(huán)的循環(huán)配 管43a、 43b，并設置又將循環(huán)配管43a、 43b內的水提供給熱交換器40的 循環(huán)泵41。蓄熱水箱42內的水通過循環(huán)泵41從底部經由循環(huán)配管43a被 供給到熱交換器40，通過該熱交換器變熱，再經由循化配管43b返回到蓄 熱水箱42的上部。在蓄熱水箱42內被分成熱水與涼水，形成有層。
在不進行向電力系統(tǒng)37的逆流動的情況下，即在將由燃料電池發(fā)出 的電不供給到商用電力系統(tǒng)的情況下，燃料電池31與電力負載38的電力 消耗聯(lián)動并確定發(fā)電電力。供給到燃料電池31的燃料氣體量，根據(jù)燃料電池31的輸出功率和燃料利用率由控制裝置39進行運算，以控制燃料供給裝置32。因燃料電池31的發(fā)電而產生的廢氣經過熱交換器40而使循環(huán) 水變熱，可將熱水儲存于蓄熱水箱42以備使用。通常，為了提高發(fā)電效率，而盡可能地將燃料電池31的燃料利用率 設定得比較高。即，為了得到規(guī)定的輸出電流，而盡可能少消耗燃料氣體， 提高燃料利用率。但是，與高分子電解質型燃料電池l相比較，固體電解質型燃料電池 31具有發(fā)電效率比廢熱回收效率高的特征，因此，若進行與高分子型燃料 電池同樣的運行，則使熱水量減少，因此，以熱水的使用為主要功能的燃 料電池的使用方法中有可能發(fā)生不良情況。因此，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng) 其特征在于，不論是在作為供熱水負載的熱水的使用量大的情況及蓄熱水 箱內的熱水比例變小的情況下，還是在蓄熱水箱內的熱水溫度降低的情況 下，都可降低燃料利用率的設定。這是由于，雖然若降低燃料利用率勢必 將降低發(fā)電效率，但是由于增加了其中的廢熱能量，因而可提高被熱交換 器40回收的水的溫度，增加蓄熱水箱內的儲存熱水量，或者可提高熱水 溫度的緣故。例如，在需要更多的供熱水量的情況下，通過降低燃料利用 率，可增加燃料電池產生的廢氣的能量，其結果是，可增加熱交換器的熱 水生成量，或者可提高蓄熱水箱內的熱水溫度，增加蓄熱水箱內的熱水量、 增加儲存熱水量、增加供熱水量。這樣，即使降低發(fā)電效率也可將其廢熱 能量用在儲存熱水方面，可使燃料電池系統(tǒng)有效運行。另外，與高分子電解質型燃料電池相比較，固體電解質型燃料電池31 工作溫度比較高，需要較高地持續(xù)保持燃料電池31自身的工作溫度，需 要用于其的熱能。因此，通過降低燃料利用率，可兼得比較高地保持燃料 電池31自身的工作溫度，利用廢熱能可有效地比較高地持續(xù)保持燃料電 池31自身的工作溫度，即使對于來自負載的較大的需求電力也可迅速響 應并將電力供給到負載。另外，在燃料電池31的工作溫度降低時，控制裝置39通過增加供給 到燃料電池31的燃料氣體量進行降低燃料利用率的控制，可減緩燃料電 池31的工作溫度的降低，增加熱水生成量、增加儲存熱水量。在燃料電 池31的工作溫度降低時，通過增加供給到燃料電池31的燃料氣體量降低燃料利用率，可減緩燃料電池31的工作溫度的降低，可用短時間轉移到 燃料電池31可向電力負載供給最大電力，即使對于來自負載的較大的需 求電力，也可迅速響應并將電力供給到負載。另外，此時，與不降低燃料 利用率的情況相比由于增加了廢熱量，因而可增加儲存熱水量。這是緣于下面的原理。通常，若燃料電池31的工作溫度降低，在穩(wěn)定地控制燃料利用率的情況下，熱能只是燃料電池31自身的放熱能量和殘留燃料氣體的燃燒能量。因此，若工作溫度低則內阻上升，由于降低了 可發(fā)出電力的能量的最大量，因而不提高能量的總量，至可發(fā)出額定電力就需要時間。在工作溫度降低期間，燃料電池31的發(fā)電效率也降低了， 另外，廢熱能量減少。在這種狀態(tài)時，增加供給到燃料電池31的燃料氣 體量、降低燃料利用率，由此，通過增加殘存燃料的燃燒能，可用短時間 轉移到燃料電池31可向電力負載供給最大電力。另外，此時，與不降低燃料利用率的情況相比由于增加了廢熱量，因而可增加儲存熱水量。而燃料電池31的工作溫度通過配置于燃料電池31附近的溫度傳感器可加以確認。另外，燃料電池由空氣極和燃料極隔著固體電解質構成，將 空氣供給到空氣極，將燃料氣體供給到燃料極，使其余的燃料氣體燃燒產 生廢氣。另外，在燃料電池31輸出的電力負載降低時，通過增加供給到燃料 電池31的燃料氣體量、由控制裝置39進行降低燃料利用率的控制，可減 緩燃料電池31的工作溫度的降低、增加儲存熱水量。這是由于，若來自 燃料電池31的電力負載降低，則燃料電池31不發(fā)生逆流，因而與電力負 荷一致而降低發(fā)電電力的緣故。在將燃料利用率保持在一定的狀態(tài)下，由 于燃料電池31的工作電壓降低，至再次提高工作溫度使燃料電池31的發(fā) 電效率降低，因而將造成可輸出的最大電力降低，減少了儲存熱水量，但 是，此時，通過進行降低燃料利用率的控制，可改善這些問題。即，在燃 料電池31的電力負載降低時，通過增加供給到燃料電池31的燃料氣體量、 降低燃料利用率，可減緩燃料電池31的工作溫度的降低。由于此時也增 加了廢熱量，因而可增加儲存熱水量。另外，上述控制裝置其特征在于，在夜間進行降低燃料電池31的燃 料利用率的控制。在夜間，通常大多數(shù)家庭內負載為最低使用量，因而燃料電池的工作溫度降低。此時，通過進行降低燃料電池的燃料利用率的控 制，可防止燃料電池的工作溫度的降低，可迅速進行對需求電力的電力供 給，還可增加熱水生成量。另外，由于根據(jù)使用者的選擇，具有強制性地降低燃料電池的燃料利 用率的開關，因而在希望更多的熱水量情況下，通過由燃料電池使用者隨 時按壓開關，可優(yōu)先于發(fā)電增加熱水生成量。圖2表示了一例確定具體的燃料利用率的程序。在圖2，例如將通常運行的燃料利用率定為75%。在確定燃料利用率的過程中，最初要判斷降低燃料利用率的廢熱優(yōu)先模式是否有效。關于廢熱優(yōu)先模式，例如通過在燃料電池31的控制裝置39設置廢熱 優(yōu)先開關就可設定模式。另外，也可以在控制裝置39設置遙控(未圖示)， 在該遙控設置排熱優(yōu)先模式開關。另外，也可根據(jù)家庭的熱水使用狀態(tài)、蓄熱水箱內的熱水的比例、蓄 熱水箱內的熱水溫度、以及燃料電池31發(fā)電時組件溫度(工作溫度)使 廢熱優(yōu)先模式自動地發(fā)揮作用。關于廢熱優(yōu)先模式的自動切換的判斷，例 如將判斷周期設為一周，可設定在熱水的使用量的合計達到規(guī)定量以上的 情況，及組件溫度降低到規(guī)定溫度以下的狀態(tài)廢熱累計時間達到規(guī)定值以 上的情況。另外，作為廢熱優(yōu)先模式的解除方法，可在連續(xù)檢測判斷條件， 在判斷周期的熱水使用量的合計達到規(guī)定量以下的情況，以及在組件溫度 降低的狀態(tài)的累計時間達到規(guī)定值以下的情況下，進行解除。在排熱優(yōu)先模式不發(fā)揮作用的情況下，通常用運行的燃料利用率75% 進行發(fā)電運行。在使排熱優(yōu)先模式發(fā)揮作用的情況下，要進行是否要強制 排熱模式的判斷。強制排熱模式不管是什么運轉狀態(tài)而總是在降低燃料利 用率的狀態(tài)下進行運轉的狀態(tài)。該模式對于使用家庭的熱水的消耗量明顯 變多且頻繁而且頻繁發(fā)生熱水用光時非常有用。關于強制排熱模式的設定，也可根據(jù)使用者的選擇通過在控制裝置39 (及遙控)上設置強制性地降低固體電解質型燃料電池的燃料利用率的開 關(強制排熱模式開關)來設定模式。通過在該強制排熱模式下進行發(fā)電 運行，可增加比通常發(fā)電運轉狀態(tài)更多的儲存熱水量。然后，進行燃料電池31的組件內部溫度(工作溫度)的判斷，模塊溫度例如在從通常的運轉溫度75(TC到65(TC以下的情況下，將燃料利用 率降低到60%進行發(fā)電運轉。在該運轉模式，可增加儲存熱水量，同時可 減緩燃料電池31的組件溫度的降低，進而可用短時間轉移至燃料電池可 向電力負載供給最大電力的溫度。再者，通過減緩燃料電池31的溫度循 環(huán)負載，還可得到提高燃料電池31的壽命的效果。關于該組件溫度的判 斷，雖然作為例子設置為單級控制，但是也可以設置多個溫度判斷分支用 多級控制燃料利用率。例如，在從通常的運轉溫度到75(TC到70(TC、 650 "C的情況下，也可以各自的溫度級控制燃料利用率。在這種情況下，由于 與單級控制相比，可根據(jù)燃料電池的狀態(tài)進一步細化控制燃料氣體量，因 而可抑制必須量以上的燃料氣體的消耗，進而可進行更有效的控制。然后，進行蓄熱水箱42的儲存熱水量的判斷，在蓄熱水箱內的熱水 比例(例如4(TC以上的熱水)例如為50%以下時，將燃料利用率降低到 60%進行發(fā)電運轉。通過用該模式進行發(fā)電運轉，可增加比通常的發(fā)電狀 態(tài)更多的熱水量。關于該熱水量的判斷，雖然作為例子設置為單級控制， 但是也可以設置多個熱水量的判斷分支，用多級控制燃料利用率。在這種 情況下，由于與單級控制相比，可根據(jù)燃料電池的狀態(tài)進一步細化控制燃 料氣體量，因而可抑制必須量以上的燃料氣體的消耗，進而可進行更有效 的控制。然后進行運轉時間的判斷，運轉時間只要是夜間(例如在24: 00 6: 00期間)就將燃料利用率降低到60%進行發(fā)電運轉。 一般的家庭夜間大多 是保持負載最小的狀態(tài)。此時，由于燃料電池31的組件溫度降低，因而 通過降低燃料利用率并增加所供給的燃料氣體量，可減緩組件溫度的降 低，進而可用短時間轉移至燃料電池可向電力負載供給最大電力的溫度。 另外，此時，由于增加了廢熱能，因而可增加蓄熱水箱42內的熱水量。在上述的燃料利用率的決定程序中，雖然將通過控制而降低時的燃料 利用率一律設為60%，但是也可設定在50 70%左右的范圍內。另外，也 可以用各個分支條件，例如強制排熱模式或者組件溫度來改變燃料利用 率。綜上所述，通過使固體電解質型燃料電池在發(fā)電過程中的燃料利用率 可以變化，可有效地增加熱水生成量，進而可增加存儲熱水量，另外還可提高燃料電池的工作溫度。而關于如上所述的程序，如圖2所示通過連續(xù)進行判斷，在改變了運 轉狀態(tài)的情況下，可進行與該運轉狀態(tài)相適應的運轉。而就圖2而言，在進行了排熱優(yōu)先模式是否有效的第一級判斷之后， 雖然進行了強制排熱模式等第二級判斷，但是在排熱優(yōu)先模式時，不需要 進行強制排熱模式等第二級判斷，即使在降低了燃料利用率的情況下，也 可進行向供水負載的穩(wěn)定供給。
權利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其具備固體電解質型燃料電池；對來自該固體電解質型燃料電池的廢氣和水進行熱交換的熱交換器；儲存水的蓄熱水箱；在該蓄熱水箱和所述熱交換器之間使水進行循環(huán)的循環(huán)配管；和設置于該循環(huán)配管的循環(huán)泵，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于，具備有控制裝置，根據(jù)所述蓄熱水箱內的熱水的使用量來控制所述固體電解質型燃料電池的燃料利用率。
2. —種燃料電池系統(tǒng)，其具備 固體電解質型燃料電池；對來自該固體電解質型燃料電池的廢氣和水進行熱交換的熱交換器； 儲存水的蓄熱水箱；在該蓄熱水箱和所述熱交換器之間使水進行循環(huán)的循環(huán)配管； 設置于該循環(huán)配管的循環(huán)泵，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于， 具備有控制裝置，根據(jù)所述蓄熱水箱內的熱水的比例或者熱水溫度來 控制所述固體電解質型燃料電池的燃料利用率。
3. 如權利要求1或者2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 所述控制裝置在所述固體電解質型燃料電池的工作溫度降低時，進行降低所述固體電解質型燃料電池的燃料利用率的控制。
4. 如權利要求1或者2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 所述控制裝置在所述固體電解質型燃料電池的發(fā)電量降低時，進行降低所述固體電解質型燃料電池的燃料利用率的控制。
5. 如權利要求1或者2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 所述控制裝置在夜間進行降低所述固體電解質型燃料電池的燃料利用率的控制。
6. 如權利要求1或者2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 具有開關，該開關通過使用者的選擇強制性地降低所述固體電解質型燃料電池的燃料利用率。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可進行對進熱水負荷的穩(wěn)定供給的燃料電池系統(tǒng)。具備有固體電解質型燃料電池(31)、對來自該固體電解質型燃料電池(31)的廢熱和水進行熱交換的熱交換器(40)、儲存水的蓄熱水箱(42)、在該蓄熱水箱(42)和熱交換器(40)之間使水進行循環(huán)的循環(huán)配管(43a)和(43b)、設置于該循環(huán)配管(43a)和(43b)的循環(huán)泵(41)，其特征在于，具備有控制裝置(39)，以根據(jù)所使用的貯水量來控制固體電解質型燃料電池(31)在發(fā)電過程的燃料利用率。
文檔編號H01M8/12GK101300704SQ20068004097
公開日2008年11月5日 申請日期2006年10月31日 優(yōu)先權日2005年10月31日
發(fā)明者樋口種男 申請人:京瓷株式會社