專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種包括固體電解質型燃料電池(S0FC)單電池的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術：
以往，作為這種燃料電池系統(tǒng)，公知有使固體電解質型燃料電池(以下也稱為 S0FC)單電池構成為無底或有底的筒形等，通過在該單電池的內側或外側通入包含氫的燃 料氣體，同時在相反側通入氧化劑氣體(空氣)，來進行發(fā)電反應的燃料電池系統(tǒng)。燃料氣 體是重整城市煤氣這種被重整氣體而得到的氣體，在進行該重整的重整器中進行所謂的水 蒸氣重整反應(以下也稱為SR)。提出了向該重整器供給純水的技術(例如參照下述專利 文獻1)。在下述專利文獻1中，記載了迅速地向重整器供給純水的技術。而且，在下述專利 文獻2中記載了向水箱供水的技術，以便即使在停水時也能夠使燃料電池系統(tǒng)持續(xù)運行。專利文獻1 日本國特開2008-135271號公報專利文獻2 日本國特開2008-53209號公報可是，由于S0FC模塊發(fā)電效率高，而使用的燃料氣體較少即可，所以具有只需非 常少的被重整氣體和水蒸氣即可的優(yōu)點。例如，在上述的水蒸氣重整反應SR中，所需的水 量為每分鐘約8ml左右。另一方面，著眼于包括S0FC模塊的燃料電池系統(tǒng)特有的起動方法時，由于上述的 水蒸氣重整反應SR是吸熱反應，所以如果在起動初始立即進行水蒸氣重整反應SR則S0FC 模塊的溫度不會上升，無法上升至穩(wěn)定的運行溫度。因而，在起動初始僅向重整器送入空氣 和被重整氣體，進行作為發(fā)熱反應的部分氧化重整反應(以下也稱為P0X)。如果比較部分 氧化重整反應P0X和水蒸氣重整反應SR，則由于水蒸氣重整反應SR的氫產(chǎn)生效率高，所以 要求隨著S0FC模塊的溫度上升而逐漸轉向水蒸氣重整反應SR。因而，如果著眼于向重整器 供給的水量，則需要從完全不使用水的狀態(tài)順暢地轉向每分鐘約8ml的供水。在這種轉移 過程中，還有進行兼用部分氧化重整反應P0X和水蒸氣重整反應SR的自熱重整反應ATR的 情況。雖然鑒于上述的情況，應該優(yōu)選從盡可能少的量逐漸增加向重整器供給的水量， 但是實際上進行這種供水是極為困難的。包括S0FC模塊的燃料電池系統(tǒng)是如上所述的高 效的燃料電池系統(tǒng)，同時也是溫度非常高(約700°C)的燃料電池系統(tǒng)。例如，在一次起動 并停止后再起動時，向重整器供水的供水管的溫度變高，該供水管內的水已蒸發(fā)的可能性 很高。如此很難在處于完全無水狀態(tài)的供水管中準確地供給少量的水，但是如果對無法準 確地向重整器供水這一情況置之不理，則在水不足的情況下有可能在重整器中發(fā)生碳析出 并損壞單電池或催化劑，而在水較多的情況下存在燃料電池模塊的溫度無法上升從而無法 進行穩(wěn)定運行的情況。準確地供給少量的水是很重要的，為了準確地供給少量的水需要鉆 研利用流量測定方法或其測定結果的控制，但是整備好使壓送少量水的泵沒有故障地進行 動作的環(huán)境也是很重要的。

發(fā)明內容
本發(fā)明是鑒于上述課題而進行的，其目的在于提供一種燃料電池系統(tǒng)，其為包括 具備S0FC單電池的S0FC模塊的燃料電池系統(tǒng)，能夠向重整器準確地供給少量的水，能夠切 實地持續(xù)運行。為了解決上述課題，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)是包括具備固體電解質型燃料電池單 電池的燃料電池模塊的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池模塊具備進行向所述燃 料電池單電池供給的燃料氣體的水蒸氣重整的重整器，所述燃料電池系統(tǒng)具備用于向所述 重整器供水的供水部件，所述供水部件具有貯存向所述重整器供給的水的貯水箱和用于使 向所述重整器供給的水成為純水的反浸透膜，所述貯水箱由配置在所述反浸透膜上游側的 第1水箱和配置在所述反浸透膜下游側即所述重整器側的第2水箱構成，并設置有經(jīng)由所 述反浸透膜向所述第2水箱壓送貯存在所述第1水箱中的水的第1泵和向所述重整器壓送 貯存在所述第2水箱中的水的第2泵，所述第2泵的壓送能力低于所述第1泵的壓送能力。
在本發(fā)明中，使貯存供給重整器的水的貯水箱分離形成為第1水箱和第2水箱，通 過第1泵向第2水箱輸送貯存在第1水箱中的水，通過第2泵向重整器輸送貯存在第2水 箱中的水。因而，由于即使第2水箱的水變少也能夠從第1水箱進行補充，所以向重整器供 給的水的貯存量作為整體而增多，能夠切實地持續(xù)燃料電池系統(tǒng)的運行。而且，通過在從第 1水箱向第2水箱輸送水并從第2水箱向重整器輸送水的基礎上，使向重整器輸送水的第2 泵的壓送能力低于向第2水箱輸送水的第1泵的壓送能力，能夠在切實地經(jīng)由反浸透膜來 生成純水的同時以避免使第1泵壓送的影響波及第2泵的形式切實地向重整器供給少量的 水。本申請方案2的燃料電池系統(tǒng)的特征為，貯存在所述第1水箱中的水是從上水管 道供給的水或是在所述燃料電池系統(tǒng)所具備的換熱器上結露的水。在該方式中，由于在第1水箱中貯存從上水管道供給的水，所以即使是在換熱器 沒有生成結露水的狀況下也能夠切實地在第1水箱中貯存水。而且，由于在換熱器結露的 水也貯存在第1水箱中，所以即使是在停水時等沒有從上水管道供水的狀況下也能夠切實 地在第1水箱中貯存水。因而，能夠切實地持續(xù)燃料電池系統(tǒng)的運行。而且，由于使第1水 箱和第2水箱分離形成，所以即使在從上水管道供水的情況下，也能夠避免使上水管道壓 力的影響對向重整器的壓送產(chǎn)生影響，能夠切實地向重整器供給少量的水。本申請方案3的燃料電池系統(tǒng)的特征為，所述貯水箱在內部分割一體地構成的水 箱從而構成所述第1水箱和所述第2水箱。如上所述在本發(fā)明中，在第2水箱中貯存純水，通過壓送能力低的第2泵向重整器 供給少量的水。因而，由于在氣溫低的冬季等變得容易凍結，所以在該方式中通過在內部分 割一體地構成的水箱來形成第1水箱和第2水箱，使整體的熱容量變大從而難以凍結。而 且，通過一體地構成第1水箱和第2水箱，能夠使貯水箱小型化，進而使燃料電池系統(tǒng)整體 小型化。本申請方案4的燃料電池系統(tǒng)的特征為，所述第2水箱與所述第1水箱相比配置 在溫度較高的一側。在該方式中，由于與第1水箱相比使貯存純水的第2水箱配置在溫度較高的一側，所以通過將更容易凍結的第2水箱配置在難以凍結的環(huán)境中而使其難以凍結。本申請方案5的燃料電池系統(tǒng)的特征為，所述第2水箱與所述第1水箱相比配置 在所述燃料電池模塊附近。在該方式中，由于與第1水箱相比使貯存純水的第2水箱配置在高溫的燃料電池 模塊附近，所以通過將更容易凍結的第2水箱配置在難以凍結的環(huán)境中而使其難以凍結。本申請方案6的燃料電池系統(tǒng)的特征為，具備以加熱所述第1水箱及所述第2水 箱的形式設置的一體的水箱加熱部。在該方式中，由于作為一體的部件設置對一體地形成的第1水箱和第2水箱進行 加熱的水箱加熱部，所以在加熱控制變得容易的同時，能夠使燃料電池系統(tǒng)整體小型化。本申請方案7的燃料電池系統(tǒng)的特征為，在所述燃料電池模塊的下方配置所述第 1水箱及所述第2水箱，以從所述第2水箱朝向配置在其上方的所述燃料電池模塊豎起的形 式配置用于從所述第2水箱向所述燃料電池模塊供水的配管，同時在該配管的所述燃料電 池模塊附近配置有所述第2泵。在該方式中，由于在從配置在燃料電池模塊下方的第2水箱豎起的配管的燃料電 池模塊附近的位置配置有第2泵，所以能夠將第2泵配置在燃料電池模塊的重整器附近。因 而，在使第2泵工作時能夠立刻向重整器供水，能夠防止重整器的水枯竭。而且，通過將輸 送的水量少且輸送純水的第2泵配置在燃料電池模塊附近，第2泵能夠獲得燃料電池模塊 發(fā)出的熱量，從而使第2泵或配管難以凍結。本申請方案8的特征為，僅在所述配管的所述第2水箱附近的區(qū)域具備配管加熱部。在該方式中，由于僅在從第2水箱向燃料電池模塊豎起的配管的第2水箱附近的 區(qū)域設置有配管加熱部，所以能夠通過加熱配管的下側而向上方傳遞該熱量，能夠以較少 的能量有效地加熱配管整體。本申請方案9的特征為，所述水箱加熱部在變?yōu)榈?工作溫度以下時開始工作，所 述配管加熱部在變?yōu)榈?工作溫度以下時開始工作，所述第2工作溫度高于所述第1工作溫度。在本發(fā)明中，構成為一體地構成第1水箱和第2水箱而使熱容量較大且比較難以 凍結，另一方面，從第2水箱向重整器供給的水是純水，其流量較少而比較容易凍結。因此， 通過使對從第2水箱朝向重整器的配管進行加熱的配管加熱部的第2工作溫度高于水箱加 熱部的第1工作溫度，能夠切實地防止配管的凍結。如此，由于通過在有效地加熱容易凍結 的配管的基礎上使水箱加熱部的第1工作溫度較低，從而不會多余地加熱比較難以凍結的 貯水箱，所以不會使用多余的能量而能夠有效地實現(xiàn)防止凍結。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種燃料電池系統(tǒng)，能準確地向重整器供給少量的水，能夠 切實地持續(xù)運行。


圖1是表示本申請發(fā)明的實施方式的燃料電池系統(tǒng)的整體構成的示意結構圖。圖2是表示圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的控制構成的框圖。圖3是表示圖1所示的燃料電池系統(tǒng)起動時的各部溫度或各部控制電壓的曲線圖。圖4是模式化表示從圖1所示的貯水箱經(jīng)由流量調節(jié)單元直至燃料電池模塊的配 管路徑的圖。圖5是表示以橫向并列的形式一體地構成圖4所示的第1貯水箱和第2貯水箱的 圖。圖6是表示以縱向并列的形式一體地構成圖4所示的第1貯水箱和第2貯水箱的 圖。符號說明ADU-輔助設備單元；AH1-加熱器；AH2-加熱器；AP-空氣供給部；APla、APlb-流 量調節(jié)單元；AP2-電磁閥；ATR-自熱重整反應；ATR1-自熱重整反應；ATR2-自熱重整反 應；CB-控制箱；CE-燃料電池單電池；COD-—氧化碳檢測器；CS-燃料電池系統(tǒng)控制部； CS1-操作裝置；CS2-顯示裝置；CS3-警報裝置；DS1-重整器溫度傳感器；DS2-電堆溫度 傳感器；DS3-排氣溫度傳感器；DS4-重整器內壓力傳感器；DS5-水位傳感器；DS6-水流量 傳感器；DS7-燃料流量傳感器；DS8-重整用空氣流量傳感器；DS9-發(fā)電用空氣流量傳感 器；DS10-電力狀態(tài)檢測部；DS11-熱水貯存狀態(tài)檢測傳感器；DS12- —氧化碳檢測傳感器； DS13-可燃氣體檢測傳感器；EP-電力取出部；EP1-電力取出線；FC-燃料電池；FC1-發(fā)電 室；FC2-燃燒室；FCM-燃料電池模塊；FCS-燃料電池系統(tǒng)；FP-燃料供給部；FP1-流量調節(jié) 單元；FP2-脫硫器；FP4、FP5-氣體截止閥；⑶1、⑶2-可燃氣體檢測器；冊_溫水制造裝置； MV-混合部；P0X-部分氧化重整反應；RF-重整器；RF1-重整部；RF2-蒸發(fā)部；SR-水蒸氣重 整反應；WP-供水部；WP1-流量調節(jié)單元；WP2-貯水箱。
具體實施例方式下面，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。為了容易理解說明，在各附圖中對 同一構成要素盡可能地賦予同一符號，省略重復的說明。參照圖1對本發(fā)明的一個實施方式的燃料電池系統(tǒng)進行說明。圖1是表示作為一 個實施方式的燃料電池系統(tǒng)FCS的整體構成的示意結構圖。如圖1所示，燃料電池系統(tǒng)FCS 具備燃料電池模塊FCM、輔助設備單元ADU、貯水箱WP2、溫水制造裝置冊。首先，對燃料電池模塊FCM進行說明。燃料電池模塊FCM具備燃料電池FC、重整器 RF、控制箱CB、一氧化碳檢測器COD、可燃氣體檢測器GDI。燃料電池FC是固體電解質型燃 料電池(S0FC ； Sol id Oxide Fuel Cell)，具備發(fā)電室FC1和燃燒室FC2。在發(fā)電室FC1中 配置有多根燃料電池單電池CE。燃料電池單電池CE夾著電解質設置有燃料極和空氣極，構 成為通過在燃料極側通入燃料氣體，在空氣極側通入作為氧化劑氣體的空氣而能夠引起發(fā) 電反應。由于本實施方式的燃料電池FC是固體電解質型燃料電池(S0FC)，所以作為構成電 解質的材料例如使用摻雜有從Y、Sc等稀土類元素中選擇的至少一種元素的氧化鋯、摻雜 有從稀土類元素中選擇的至少一種元素的二氧化鈰、摻雜有從Sr、Mg中選擇的至少一種元 素的鎵酸鑭這樣的氧離子導電性氧化物。作為構成燃料極的材料例如使用M和摻雜有從Ca或Y、Sc等稀土類元素中選擇 的至少一種元素的氧化鋯的混合體、Ni和摻雜有從稀土類元素中選擇的至少一種元素的二 氧化鈰的混合體、Ni和摻雜有從Sr、Mg、Co、Fe、Cu中選擇的至少一種元素的鎵酸鑭的混合體這樣的材料。作為構成空氣極的材料例如使用摻雜有從Sr、Ca中選擇的至少一種元素的 錳酸鑭、摻雜有從Sr、Co、Ni、Cu中選擇的至少一種元素的鐵酸鑭、摻雜有從Sr、Fe、Ni、Cu 中選擇的至少一種元素的鈷酸鑭、銀這樣的材料。但是，構成電解質、燃料極及空氣極的材 料并不局限于此。發(fā)電室FC1所發(fā)的電通過電力取出線EP1作為發(fā)電電力被取出并被利用。燃燒室 FC2是使通過配置在發(fā)電室FC1中的燃料電池單電池CE而在發(fā)電反應中利用的剩余燃料氣 體燃燒的部分。燃料氣體在燃燒室FC2中燃燒的結果所產(chǎn)生的排放氣體在與重整器RF進 行熱交換之后被供給溫水制造裝置冊。被供給溫水制造裝置HW的排放氣體進一步進行熱 交換，在使自來水升溫成為溫水后向外部排出。重整器RF是將被重整氣體重整為燃料氣體，并向燃料電池FC的發(fā)電室FC1供 給的部分。作為被重整氣體的重整方式存在部分氧化重整反應(POX partial Oxidation Reforming)、自熱重整反應(ATR ；Auto Thermal Reforming)、水蒸氣重整反應(SR ；Steam Reforming)，并根據(jù)運行狀況選擇地執(zhí)行(在后面詳細說明)。重整器RF具備重整部RF1 和蒸發(fā)部RF2。蒸發(fā)部RF2是使從輔助設備單元ADU側供給的純水蒸發(fā)為水蒸氣，向重整部RF1 供給該水蒸氣的部分。重整部RF1是使用從輔助設備單元ADU側供給的被重整氣體、空氣 及從蒸發(fā)部RF2供給的水蒸氣將被重整氣體重整為燃料氣體的部分。在重整部RF1中封入 有重整催化劑。作為重整催化劑適合使用在氧化鋁的球體表面賦予鎳的物質、在氧化鋁的 球體表面賦予釕的物質。本實施方式的情況中這些重整催化劑為球體?？刂葡銫B將燃料電池系統(tǒng)控制部收容在其內部，并設置有操作裝置、顯示裝置、 警報裝置。在后面說明燃料電池系統(tǒng)控制部、操作裝置、顯示裝置、警報裝置。一氧化碳檢測器C0D是用于檢測原本經(jīng)由排放氣體通路等向外部排出的排放氣 體中的C0是否泄漏在覆蓋燃料電池模塊FCM及輔助設備單元ADU的外部殼體(未圖示) 中的器件?？扇細怏w檢測器GDI是用于檢測氣體泄漏的器件，安裝于燃料電池模塊FCM及 輔助設備單元ADU。下面，對輔助設備單元ADU進行說明。輔助設備單元ADU是具備用于向燃料電池 模塊FCM供給水、被重整氣體及空氣的輔助設備的單元。輔助設備單元ADU具備作為空氣 供給部，包括空氣鼓風機、流量調節(jié)閥等的流量調節(jié)單元APla、APlb及電磁閥AP2 ；作為燃 料供給部，包括燃料泵、流量調節(jié)閥等的流量調節(jié)單元FP1、脫硫器FP2、氣體截止閥FP4及 氣體截止閥FP5 ；作為供水部，包括水泵、流量調節(jié)閥等的流量調節(jié)單元WP1 ；以及可燃氣體 檢測器⑶2。從外部的空氣供給源供給來的空氣在電磁閥AP2關閉時不供給流量調節(jié)單元 APla、APlb,而在電磁閥AP2打開時供給流量調節(jié)單元APla、APlb。由流量調節(jié)單元APla 調節(jié)了流量的空氣作為重整用空氣通過加熱器AH1被加熱，被供給與被重整氣體的混合部 MV。由流量調節(jié)單元APlb調節(jié)了流量的空氣作為發(fā)電用空氣通過加熱器AH2被加熱，被供 給燃料電池模塊FCM的發(fā)電室FC1。向發(fā)電室FC1供給的發(fā)電用空氣被供給燃料電池單電 池CE的空氣極。從外部的燃料供給源供給來的城市煤氣通過二連電磁閥即氣體截止閥FP4及氣 體截止閥FP5控制其流入。如果氣體截止閥FP4、FP5的任意一個都打開，則城市煤氣被供給脫硫器FP2，如果氣體截止閥FP4、FP5的任意一個關閉，則城市煤氣被截止。向脫硫器FP2 供給的城市煤氣除去硫磺成分成為被重整氣體，被供給流量調節(jié)單元FP1。由流量調節(jié)單元 FP1調節(jié)了流量的被重整氣體被供給與重整用空氣的混合部MV。在混合部MV中混合的被 重整氣體和重整用空氣被供給燃料電池模塊FCM的重整器RF。從外部的供水源供給來的自來水在成為純水后貯存在貯水箱WP2中。貯存在貯水 箱WP2中的純水通過流量調節(jié)單元WP1調節(jié)流量并向燃料電池模塊FCM的重整器RF供給。可燃氣體檢測器GD2是用于檢測在作為燃料供給部的系統(tǒng)即氣體截止閥FP5、氣 體截止閥FP4、脫硫器FP2、流量調節(jié)單元FP1中是否發(fā)生了氣體泄漏即所謂的向外部放出 了粗氣體的傳感器。下面，參照圖2對本實施方式的燃料電池系統(tǒng)FCS的控制構成進行說明。圖2是 表示燃料電池系統(tǒng)FCS的控制構成的框圖。如圖2所示，燃料電池系統(tǒng)FCS具備燃料電池 模塊FCM、向燃料電池模塊FCM供給空氣的空氣供給部AP、向燃料電池模塊FCM供給作為燃 料氣體的被重整氣體的燃料供給部FP、向燃料電池模塊FCM供水的供水部WP、從燃料電池 模塊FCM取出電力的電力取出部EP。空氣供給部AP、燃料供給部FP、供水部WP、電力取出 部EP收容在輔助設備單元ADU中。根據(jù)從燃料電池系統(tǒng)控制部CS輸出的控制信號控制燃料電池模塊FCM、空氣供給 部AP、燃料供給部FP、供水部WP及電力取出部EP。燃料電池系統(tǒng)控制部CS由CPU、R0M及 RAM這樣的存儲器、以及用于收發(fā)控制信號或傳感器信號的接口構成。在燃料電池系統(tǒng)控 制部CS上安裝有操作裝置CS1、顯示裝置CS2及警報裝置CS3。從操作裝置CS1輸入的操 作指示信號輸出至燃料電池系統(tǒng)控制部CS，燃料電池系統(tǒng)控制部CS根據(jù)該操作指示信號 控制燃料電池模塊FCM等。燃料電池系統(tǒng)控制部CS控制的信息或規(guī)定的警報信息輸出至 顯示裝置CS2及警報裝置CS3。操作裝置CS1、顯示裝置CS2及警報裝置CS3的具體硬件構 成并未特別限定，可根據(jù)所需的功能選擇最合適的硬件構成。作為一個例子，作為操作裝置 CS1使用鍵盤、鼠標、觸摸屏這樣的硬件。作為顯示裝置CS2使用CRT顯示器、液晶顯示器這 樣的顯示類硬件。作為警報裝置CS3使用揚聲器、亮燈器這樣的硬件。燃料電池系統(tǒng)控制 部CS收容在控制箱CB中。而且，操作裝置CS1、顯示裝置CS2、警報裝置CS3被收容在未圖 示的箱中配置于室內。從設置于燃料電池系統(tǒng)FCS各位置的傳感器向燃料電池系統(tǒng)控制部CS輸出傳感 器信號。作為向燃料電池系統(tǒng)控制部CS輸出信號的傳感器，設置有重整器溫度傳感器DS 1、電堆溫度傳感器DS2、排氣溫度傳感器DS3、重整器內壓力傳感器DS4、水位傳感器DS5、水 流量傳感器DS6、燃料流量傳感器DS7、重整用空氣流量傳感器DS8、發(fā)電用空氣流量傳感器 DS9、電力狀態(tài)檢測部DS10、熱水貯存狀態(tài)檢測傳感器DS11、一氧化碳檢測傳感器DS12、可 燃氣體檢測傳感器DS13。重整器溫度傳感器DS1是用于測定重整器RF的溫度的傳感器，在本實施方式的情 況中設置有2個。電堆溫度傳感器DS2是用于測定配置于發(fā)電室FC1的燃料電池單電池CE 的溫度的傳感器，配置在由多個燃料電池單電池CE構成的燃料電池電堆附近。排氣溫度傳 感器DS3是用于測定從燃燒室FC2排出的排放氣體的溫度的傳感器，配置在從燃燒室FC2 經(jīng)過重整器RF附近直至溫水制造裝置冊的路徑上。重整器內壓力傳感器DS4是用于測定 重整器RF內的壓力的傳感器。另外，雖然在此是由傳感器測定重整器RF內的壓力，但是也可以在重整器RF之前的部分中檢測混合燃料和水的部分的壓力。水位傳感器DS5是用于測定貯水箱WP2的水位的傳感器，在本實施方式的情況中 設置有4個。水流量傳感器DS6是用于測定從輔助設備單元ADU向燃料電池模塊FCM供給 的純水的流量的傳感器。燃料流量傳感器DS7是用于測定從輔助設備單元ADU向燃料電池 模塊FCM供給的被重整氣體的流量的傳感器。重整用空氣流量傳感器DS8是用于測定從輔 助設備單元ADU向燃料電池模塊FCM的重整器RF供給的重整用空氣的流量的傳感器。發(fā) 電用空氣流量傳感器DS9是用于測定從輔助設備單元ADU向燃料電池模塊FCM供給的發(fā)電 用空氣的流量的傳感器。電力狀態(tài)檢測部DS10是傳感部件的集合體，是檢測從燃料電池模塊FCM取出的發(fā) 電電力的狀態(tài)的部分。熱水貯存狀態(tài)檢測傳感器DS11是傳感部件的集合體，是檢測溫水制 造裝置HW的熱水貯存狀態(tài)的部分。—氧化碳檢測傳感器DS12是一氧化碳檢測器COD所具備的傳感器，是檢測燃料電 池模塊FCM內的一氧化碳向殼體內泄漏的傳感器?？扇細怏w檢測傳感器DS13是可燃氣體 檢測器GDI、GD2所具備的傳感器，是檢測燃料電池模塊FCM及輔助設備模塊ADU內的可燃 氣體泄漏的傳感器。下面，參照圖3對燃料電池系統(tǒng)FCS起動時(起動模式)的各種重整反應的轉換 進行說明。圖3是表示燃料電池系統(tǒng)FCS起動時的各部溫度或各部控制電壓的曲線圖。在本實施方式的燃料電池系統(tǒng)FCS的起動模式中，在依次轉換燃燒運行、部分氧 化重整反應P0X、第1自熱重整反應ATR1、第2自熱重整反應ATR2、水蒸氣重整反應SR的同 時進行重整反應。在說明圖3之前，先對各重整反應進行說明。部分氧化重整反應P0X是向重整器RF供給被重整氣體和空氣而進行的重整反應， 進行化學反應式(1)所示的反應。CmHn+x02 — aC02+bC0+cH2(1)由于部分氧化重整反應P0X是發(fā)熱反應所以起動性高，在燃料電池系統(tǒng)FCS的起 動初始是適合的重整反應。但是，由于部分氧化重整反應P0X的氫收率在理論上較少，而控 制發(fā)熱反應也較難，所以如果僅在需要向燃料電池模塊FCM供熱的起動初始階段中加以利 用則是理想的重整反應。另外，如果僅著眼于部分氧化重整反應P0X，則由于較高地設定空 速，所以例如在分割形成重整器RF來設置部分氧化重整反應P0X專用的重整器時，能夠使 該專用的重整器小型化。水蒸氣重整反應SR是向重整器RF供給被重整氣體和水蒸氣而進行的重整反應， 進行化學反應式(2)所示的反應。CmHn+xH20 — aC02+bC0+cH2(2)水蒸氣重整反應SR是氫收率最高的高效反應。但是，由于水蒸氣重整反應SR是 吸熱反應所以需要熱源，在與燃料電池系統(tǒng)FCS的起動初始階段相比溫度有一定程度升高 的階段中是合適的重整反應。另外，如果僅著眼于水蒸氣重整反應SR，則由于較低地設定空 速，所以重整器RF存在大型化的傾向。由第1自熱重整反應ATR1及第2自熱重整反應ATR2構成的自熱重整反應ATR是 部分氧化重整反應P0X和水蒸氣重整反應SR的中間的重整反應，是向重整器RF供給被重 整氣體、空氣和水蒸氣而進行的重整反應，進行化學反應式(3)所示的反應。
CmHn+x02+yH20 — aC02+bC0+cH2(3)自熱重整反應ATR的氫收率處于部分氧化重整反應P0X和水蒸氣重整反應SR的 中間，容易取得反應熱平衡，作為連接部分氧化重整反應P0X和水蒸氣重整反應SR的反應 是合適的重整反應。在本實施方式的情況下，先少量供水，進行更接近部分氧化重整反應 P0X的第1自熱重整反應ATR1，然后在溫度上升之后增加供水，進行更接近水蒸氣重整反應 SR的第2自熱重整反應ATR2。返回圖3，對燃料電池系統(tǒng)FCS的起動模式進行說明。圖3在橫軸上采用起動開始 后的經(jīng)過時間，在左縱軸上采用各部的溫度。由于是控制電壓所以沒有賦予特別的刻度，但 是用于供給重整用空氣的流量調節(jié)單元APla所包括的重整用空氣鼓風機的控制電壓、用 于供給發(fā)電用空氣的流量調節(jié)單元APlb所包括的發(fā)電用空氣鼓風機的控制電壓、用于供 給被重整氣體的流量調節(jié)單元FP1所包括的燃料泵的控制電壓、及用于供給純水的流量調 節(jié)單元WP1所包括的水泵的控制電壓以越位于圖中的上方則電壓越高(供給量增加)的形 式進行表示。圖3中示出重整器RF的溫度、燃料電池單電池CE的電堆溫度、燃燒室FC2的 溫度(根據(jù)重整器RF的溫度等估計)、流量調節(jié)單元APla所包括的重整用空氣鼓風機的控 制電壓、流量調節(jié)單元APlb所包括的發(fā)電用空氣鼓風機的控制電壓、流量調節(jié)單元FP1所 包括的燃料泵的控制電壓、流量調節(jié)單元WP1所包括的水泵的控制電壓。首先，控制流量調節(jié)單元APla、電磁閥AP2、加熱器AH1及混合部MV來增加重整用 空氣，并向重整器RF供給空氣。而且，控制流量調節(jié)單元FP1、氣體截止閥FP4、FP5及混合 部MV來增加被重整氣體的供給，并向重整器RF供給被重整氣體。如此，供給空氣和被重整 氣體，通過點火器點火從而執(zhí)行燃燒運行(另外，根據(jù)條件通過自燃點火從而執(zhí)行燃燒運 行)。此時向重整器RF供給的重整用空氣的流量為每分鐘10. 0L(升)，向重整器RF供給 的被重整氣體的流量為每分鐘6. 0L。而且，在起動模式整體過程中，以向發(fā)電室FC1供給的 發(fā)電用空氣的流量為每分鐘100. 0L的形式控制流量調節(jié)單元APlb。在發(fā)電室FC1上方的 燃燒室FC2中，經(jīng)由重整器RF的燃料氣體和發(fā)電用空氣混合燃燒，燃燒室FC2的溫度逐漸 上升。接下來，由于在重整器RF的溫度達到300°C左右時重整器處于可進行P0X運行的 狀態(tài)，所以在達到300°C左右時自然而然地進行部分氧化重整反應P0X。由于部分氧化重整 反應P0X是發(fā)熱反應，所以各部的溫度上升。開始部分氧化重整反應P0X并經(jīng)過規(guī)定時間 后，進一步增加重整用空氣的供給量從而深入進行部分氧化重整反應P0X。具體為，向重整 器RF供給的重整用空氣的流量為每分鐘18. 0L，向重整器RF供給的被重整氣體的流量為每 分鐘5. 0L。接下來，以重整器RF的溫度達到600°C以上，并且由燃料電池單電池CE構成的電 堆的溫度超過約250°C為條件，轉向第1自熱重整反應ATR1。在第1自熱重整反應ATR1中， 向重整器RF供給的重整用空氣的流量減少至每分鐘8. 0L,向重整器RF供給的被重整氣體 的流量保持每分鐘5. 0L。而且，向重整器RF供給每分鐘1. 0ml的極微量的純水。自熱重整 反應ATR是混合部分氧化重整反應P0X和水蒸氣重整反應SR的反應，由于可取得熱量內部 平衡，所以在重整器RF內可熱量自足并進行反應。而且，第1自熱重整反應ATR1是空氣較 多的接近部分氧化重整反應P0X的反應，是發(fā)熱占支配地位的反應。另外，在第1自熱重整 反應ATR1中，由燃料電池單電池CE構成的電堆的溫度為約250°C至約400°C。
10
接下來，以重整器RF的溫度達到600°C以上，并且由燃料電池單電池CE構成的電 堆的溫度超過約400°C為條件，轉向第2自熱重整反應ATR2。在第2自熱重整反應ATR2中， 向重整器RF供給的重整用空氣的流量減少至每分鐘4. 0L,向重整器RF供給的被重整氣體 的流量也減少至每分鐘4. 0L。而且，向重整器RF供給每分鐘3. 0ml的微量的純水。由于第 2自熱重整反應ATR2的空氣較少而水較多，所以是接近水蒸氣重整反應SR的反應，是吸熱 占支配地位的反應。但是，由于表示發(fā)電室FC1內的溫度的電堆溫度超過了約400°C，所以 即使吸熱反應占支配地位也不會導致大幅度的溫度降低。另外，在第2自熱重整反應ATR2 中，蒸發(fā)部RF2的溫度在約100°C以上。接下來，以重整器RF的溫度達到650°C以上，并且由燃料電池單電池CE構成的電 堆的溫度超過約600°C為條件，轉向水蒸氣重整反應SR。在水蒸氣重整反應SR中，截止向 重整器RF供給的重整用空氣，向重整器RF供給的被重整氣體的流量減少至每分鐘3. 0L。 而且，向重整器RF供給每分鐘8. 0ml的純水。由于該水蒸氣重整反應SR是吸熱反應，所以 在通過來自燃燒室FC2的燃燒熱量取得熱平衡的同時進行反應。在該階段中，由于已經(jīng)是 起動的最終階段，所以發(fā)電室FC1內升溫至足夠的高溫，因此即使吸熱反應為主體也不會 導致大幅度的溫度降低。而且，即使進行水蒸氣重整反應SR，在燃燒室FC2中也持續(xù)保持燃 燒反應。如上所述，由于按照點火至燃燒工序的進行來切換重整工序，因此發(fā)電室FC1內 的溫度逐漸上升。如果發(fā)電室FC1內的溫度(電堆的溫度)達到比使燃料電池模塊FCM穩(wěn) 定地工作的額定溫度(約700°C)低的規(guī)定發(fā)電溫度，則關閉包括燃料電池模塊FCM的電 路。由此，燃料電池模塊FCM開始發(fā)電，電流能夠在電路中流動并向外部供電。通過燃料電 池單電池CE的發(fā)電，燃料電池單電池CE自身也發(fā)熱，進而燃料電池單電池CE的溫度上升。 結果使燃料電池模塊FCM工作的額定溫度達到例如700°C至800°C。此后，為了保持額定溫度，供給比燃料電池單電池CE中消耗的燃料氣體及空氣的 量多的量的燃料氣體及空氣，使燃燒室FC2中的燃燒持續(xù)。另外，在發(fā)電中以重整效率高的 水蒸氣重整反應SR進行發(fā)電。雖然水蒸氣重整反應SR自身嚴格來說在400°C至800°C左 右進行，但是在與燃料電池單電池CE的組合中設定為在500°C至700°C左右進行反應。在本實施方式中，在圖3所示的第1自熱重整反應ATR1開始時，向重整器RF供給 每分鐘lcc這樣的極微量的水。參照圖4對用于準確地供給如此微量的水的一個實施方式 進行說明。圖4是模式化表示從圖1所示的貯水箱WP2經(jīng)由流量調節(jié)單元WP1直至燃料電 池模塊FCM的配管路徑的圖。如圖4所示，貯水箱WP2具備第1貯水箱WP2a和第2貯水箱WP2b。在第1貯水 箱WP2a上連接有供給上水的供水管10。在供水管10上設置有電磁閥101，能夠通過開閉 電磁閥101向第1貯水箱WP2a供給上水或停止供給上水。第1貯水箱WP2a配置為能夠接 收在溫水制造裝置冊的換熱器冊1上結露的水。因而，第1貯水箱WP2a能夠貯存在溫水 制造裝置HW的換熱器HW1上結露的水，同時在水量不足時從供水管10補給水。在第1貯 水箱WP2a上設置有加熱器HI，構成為防止第1貯水箱WP2a內的水凍結。在連接第1貯水箱WP2a和第2貯水箱WP2b的管路11上設置有泵111 (第1泵) 和反浸透膜20。泵111能夠從第1貯水箱WP2a向第2貯水箱WP2b送入每分鐘1L的水。 由于通過泵111經(jīng)由反浸透膜20向第2貯水箱WP2b側壓入水，所以經(jīng)過反浸透膜20的水變?yōu)榧兯①A存在第2貯水箱WP2b中。在第2貯水箱WP2b上設置有加熱器H2，構成為防 止第2貯水箱WP2b內的水凍結。在連接第2貯水箱WP2b和燃料電池模塊FCM的管路13上設置有脈沖泵131 (第2 泵)和水流量傳感器DS6。因而，管路13由從第2貯水箱WP2b至脈沖泵131的管路13a、 從脈沖泵131至水流量傳感器DS6的管路13b、從水流量傳感器DS6至燃料電池模塊FCM的 管路13c構成。在管路13a的第2貯水箱WP2b附近設置有加熱器H3，構成為防止管路13a 內的水尤其是離開燃料電池模塊FCM的位置的水凍結。從增大其熱容量以實現(xiàn)防止凍結的觀點出發(fā)更優(yōu)選一體地構成上述的第1貯水 箱WP2a和第2貯水箱WP2b，還優(yōu)選一體地構成加熱器HI及加熱器H2。在圖5及圖6中表 示該例。圖5表示以橫向并列的形式一體地構成第1貯水箱WP2a和第2貯水箱WP2b，并以 靠近燃料電池模塊FCM內側的形式配置第2貯水箱WP2b的例子。圖6表示以縱向并列的 形式一體地構成第1貯水箱WP2a和第2貯水箱WP2b，并以位于燃料電池模塊FCM側(上 側)的形式配置第2貯水箱WP2b的例子。而且，作為一體的加熱器H12構成圖4所示的加 熱器HI及加熱器H2，配置為能夠加熱第1貯水箱WP2a和第2貯水箱WP2b雙方。在本實施方式中，在第2貯水箱WP2b中貯存純水，通過壓送能力低的脈沖泵131 向燃料電池模塊FCM(重整器RF)供給少量的水。因而，由于在氣溫低的冬季等變得容易凍 結，所以通過在內部分割一體地構成的水箱來形成第1貯水箱WP2a和第2貯水箱WP2b，使 整體的熱容量變大從而變得難以凍結。而且，通過一體地構成第1貯水箱WP2a和第2貯水 箱WP2b，能夠使貯水箱WP小型化，進而使燃料電池系統(tǒng)FCS整體小型化。而且，由于與第1貯水箱WP2a相比將貯存純水的第2貯水箱WP2b配置在高溫側， 所以通過將更容易凍結的第2貯水箱WP2b配置在難以凍結的環(huán)境中，而使其難以凍結。具 體為，如圖5所示，第2貯水箱WP2b與第1貯水箱WP2a相比配置在靠近燃料電池模塊FCM 的內側。由于與第1貯水箱WP2a相比將貯存純水的第2貯水箱WP2b配置在靠近高溫的燃 料電池模塊FCM的內側，所以通過將更容易凍結的第2貯水箱WP2b配置在難以凍結的環(huán)境 中，而使其難以凍結。而且，如圖5及圖6所示，在第1貯水箱WP2a和第2貯水箱WP2b的外側具備以加 熱第1貯水箱WP2a和第2貯水箱WP2b的形式設置的一體的加熱器H12 (水箱加熱部)。如 此，由于作為一體的部件設置對一體地形成的第1貯水箱WP2a和第2貯水箱WP2b進行加 熱的加熱器H12，所以在加熱控制變得容易的同時，能夠使燃料電池系統(tǒng)FCS整體小型化。而且，如圖5及圖6所示，第1貯水箱WP2a和第2貯水箱WP2b配置在燃料電池模 塊FCM的下方，從第2貯水箱WP2b向燃料電池模塊FCM豎起配管，在該配管的靠近燃料電 池模塊FCM側配置有第2泵。由于在從配置在燃料電池模塊FCM下方的第2貯水箱WP2b 豎起的配管的靠近燃料電池模塊FCM側的位置上配置有脈沖泵131，所以能夠將脈沖泵131 配置在燃料電池模塊FCM的重整器RF附近。因而，在使脈沖泵131工作時能夠立刻向重整 器RF供水，能夠防止重整器RF的水枯竭。而且，通過將輸送的水量少且輸送純水的脈沖泵 131配置在燃料電池模塊FCM附近，脈沖泵131能夠獲得燃料電池模塊FCM發(fā)出的熱量，從 而使脈沖泵或配管難以凍結。而且，如圖5及圖6所示，僅在從第2貯水箱WP2b至燃料電池模塊FCM的配管的 靠近第2貯水箱WP2b的區(qū)域具備加熱器H3 (配管加熱部)。如此，由于設置有加熱器H3，所以通過加熱配管的下方能夠使該熱量傳遞至上方，能夠以較少的能量有效地加熱配管整 體。而且，在上述的本實施方式中，加熱器H12(水箱加熱部)在變?yōu)榈?工作溫度以 下時開始工作，加熱器H3 (配管加熱部)在變?yōu)榈?工作溫度以下時開始工作，且構成為第 2工作溫度高于第1工作溫度。在本實施方式中，構成為一體地構成第1貯水箱WP2a和第2貯水箱WP2b而使熱 容量較大且比較難以凍結，另一方面，從第2貯水箱WP2b向重整器RF供給的水是純水，其 流量較少而比較容易凍結。因此，通過使對從第2貯水箱WP2b朝向重整器RF的配管進行 加熱的加熱器H3 (配管加熱部)的第2工作溫度高于加熱器H12 (水箱加熱部)的第1工 作溫度，能夠切實地防止配管的凍結。如此，由于通過在有效地加熱容易凍結的配管的基礎 上使加熱器H12(水箱加熱部)的第1工作溫度較低，從而不會多余地加熱比較難以凍結的 貯水箱WP2，所以不會使用多余的能量而能夠有效地實現(xiàn)防止凍結。
權利要求
一種燃料電池系統(tǒng)，是包括具備固體電解質型燃料電池單電池的燃料電池模塊的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池模塊具備進行向所述燃料電池單電池供給的燃料氣體的水蒸氣重整的重整器，所述燃料電池系統(tǒng)具備用于向所述重整器供水的供水部件，所述供水部件具有貯存向所述重整器供給的水的貯水箱；及用于使向所述重整器供給的水成為純水的反浸透膜，所述貯水箱由配置在所述反浸透膜上游側的第1水箱和配置在所述反浸透膜下游側即所述重整器側的第2水箱構成，設置有經(jīng)由所述反浸透膜向所述第2水箱壓送貯存在所述第1水箱中的水的第1泵和向所述重整器壓送貯存在所述第2水箱中的水的第2泵，所述第2泵的壓送能力低于所述第1泵的壓送能力。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，貯存在所述第1水箱中的水是從上水管道供給的水或是在所述燃料電池系統(tǒng)所具備 的換熱器上結露的水。
3.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述貯水箱在內部分割一體地構成的水箱從而構成所述第1水箱和所述第2水箱。
4.根據(jù)權利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 所述第2水箱與所述第1水箱相比配置在溫度較高的一側。
5.根據(jù)權利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第2水箱與所述第1水箱相比配置在所述燃料電池模塊附近。
6.根據(jù)權利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具備以加熱所述第1水箱及所述第2水箱的形式設置的一體的水箱加熱部。
7.根據(jù)權利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在所述燃料電池模塊的下方配置所述第1水箱及所述第2水箱， 以從所述第2水箱朝向配置在其上方的所述燃料電池模塊豎起的形式配置用于從所 述第2水箱向所述燃料電池模塊供水的配管，同時在該配管的所述燃料電池模塊附近配置 有所述第2泵。
8.根據(jù)權利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，僅在所述配管的所述第2水箱附近的區(qū)域具備配管加熱部。
9.根據(jù)權利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述水箱加熱部在變?yōu)榈?工作溫度以下時開始工作，所述配管加熱部在變?yōu)榈?工 作溫度以下時開始工作，所述第2工作溫度高于所述第1工作溫度。
全文摘要
本發(fā)明能夠提供一種燃料電池系統(tǒng)，能夠準確地向重整器供給少量的水，能夠切實地持續(xù)運行。具體為，該燃料電池系統(tǒng)(FCS)的特征為，貯水箱由夾著反浸透膜(20)配置在燃料電池模塊FCM(重整器)的相反側的第1貯水箱(WP2a)和與反浸透膜(20)相比配置在燃料電池模塊FCM(重整器)側的第2貯水箱(WP2b)構成，泵由向第2貯水箱(WP2b)壓送貯存在第1貯水箱(WP2a)中的水的泵(111)和向燃料電池模塊FCM(重整器)壓送貯存在第2貯水箱(WP2b)中的水的脈沖泵(131)構成，脈沖泵(131)的壓送能力低于泵(111)的壓送能力。
文檔編號H01M8/06GK101853954SQ201010142049
公開日2010年10月6日 申請日期2010年3月30日 優(yōu)先權日2009年3月31日
發(fā)明者中野清隆, 土屋勝久, 大江俊春, 川村昌之, 重住司 申請人:Toto株式會社