固體氧化物型燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種固體氧化物型燃料電池，通過抑制熱失控，可以延長重整器的耐用年數(shù)。本發(fā)明是一種固體氧化物型燃料電池，其特征在于，具有：燃料電池模塊，具備多個(gè)燃料電池單電池單元；重整部，配置在多個(gè)燃料電池單電池單元的上方，通過部分氧化重整反應(yīng)以及水蒸氣重整反應(yīng)來生成氫；蒸發(fā)室，與重整部鄰接配置；燃燒室，加熱蒸發(fā)室；燃料供給部件；重整用氧化劑氣體供給部件；供水部件；發(fā)電用氧化劑氣體供給部件；及控制部件，在燃料電池模塊的起動工序中，使燃料電池單電池單元升溫至可進(jìn)行發(fā)電的溫度，控制部件在起動工序的整個(gè)期間內(nèi)，控制重整用氧化劑氣體供給部件及供水部件，避免在重整部內(nèi)單獨(dú)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)。
【專利說明】固體氧化物型燃料電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種固體氧化物型燃料電池，尤其涉及通過使燃料和發(fā)電用氧化劑氣體進(jìn)行反應(yīng)而生成電力的固體氧化物型燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]在日本國特開2004-319420號公報(bào)(專利文獻(xiàn)I)中記載有燃料電池及其運(yùn)行方法。該文獻(xiàn)中所記載的燃料電池構(gòu)成為，在起動工序中，經(jīng)過在重整器內(nèi)對燃料進(jìn)行重整的多個(gè)工序，即部分氧化重整反應(yīng)工序(Ρ0Χ工序)、自熱重整反應(yīng)工序(ATR工序)、水蒸氣重整反應(yīng)工序(SR工序)，而轉(zhuǎn)入發(fā)電工序。
[0003]在此，在專利文獻(xiàn)I所記載的燃料電池中，在燃料電池模塊內(nèi)配置有重整器，該重整器通過使供給至各燃料電池單電池且在各燃料電池單電池中未利用于發(fā)電而殘留的燃料氣體(殘余氣體)在各燃料電池單電池的上端部燃燒而被加熱。另外，在本說明書中，將上述利用殘余氣體的燃燒熱量而將重整器加熱至可進(jìn)行重整的溫度的類型的燃料電池稱為“殘余氣體燃燒電池燃燒器方式”的燃料電池。
[0004]在上述殘余氣體燃燒電池燃燒器方式的燃料電池中，在起動時(shí)，通過使殘余氣體(由于在起動時(shí)未進(jìn)行發(fā)電，因此所供給的全部燃料成為殘余氣體)燃燒來加熱常溫的重整器。當(dāng)重整器內(nèi)的催化劑的溫度通過該加熱而上升至300°C左右時(shí)，在重整器內(nèi)則會發(fā)生燃料和重整用空氣進(jìn)行反應(yīng)的部分氧化重整反應(yīng)(Ρ0Χ工序)。由于部分氧化重整反應(yīng)是發(fā)熱反應(yīng)，因此在重整器內(nèi)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)時(shí)，通過該反應(yīng)熱量及殘余氣體的燃燒熱量，重整器則會被強(qiáng)力加熱。
[0005]當(dāng)重整器的溫度通過該加熱而進(jìn)一步上升時(shí)，則會向重整器內(nèi)供給重整用的水蒸氣，在重整器內(nèi)則會發(fā)生燃料和水蒸氣進(jìn)行反應(yīng)的水蒸氣重整反應(yīng)。雖然該水蒸氣重整反應(yīng)是能夠比部分氧化重整反應(yīng)更高效地生成氫的反應(yīng)，但是如果重整器內(nèi)的催化劑的溫度未上升至600°C左右則不會發(fā)生。另外，由于水蒸氣重整反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此如果不是重整器及燃料電池模塊內(nèi)的溫度充分上升的狀態(tài)，則催化劑的溫度急劇下降，無法進(jìn)行穩(wěn)定的水蒸氣重整。于是，在殘余氣體燃燒電池燃燒器方式的燃料電池中，進(jìn)行POX工序后，向重整器供給重整用空氣及水蒸氣，在重整器內(nèi)使部分氧化重整反應(yīng)及水蒸氣重整反應(yīng)同時(shí)發(fā)生(ATR工序)。在該ATR工序中，在部分氧化重整反應(yīng)的發(fā)熱、水蒸氣重整反應(yīng)的吸熱以及殘余氣體的燃燒熱量保持適度的平衡的同時(shí)，重整器及燃料電池模塊內(nèi)的溫度上升。
[0006]當(dāng)重整器及燃料電池模塊內(nèi)的溫度通過ATR工序而充分上升后，停止供給重整用空氣，在重整器內(nèi)僅發(fā)生水蒸氣重整反應(yīng)(SR工序)。此后，通過SR工序使各燃料電池單電池的溫度上升至可進(jìn)行發(fā)電的溫度后，燃料電池轉(zhuǎn)入發(fā)電工序，在發(fā)電工序中，只通過水蒸氣重整反應(yīng)來生成氫。
[0007]如此，在不具有針對重整器的專用加熱部件的殘余氣體燃燒電池燃燒器方式的燃料電池中，在起動工序的初期，通過利用在較低溫度下發(fā)生的部分氧化重整反應(yīng)的POX工序而從常溫急速地加熱重整器，之后執(zhí)行利用水蒸氣重整反應(yīng)的重整(ATR工序、SR工序)。[0008]專利文獻(xiàn)1:日本國特開2004-319420號公報(bào)
[0009]但是，由于POX工序中的部分氧化重整反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量，因此在重整器內(nèi)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)時(shí)，其周圍的催化劑的溫度也急劇上升。如此，催化劑的溫度上升時(shí)，則在該部分進(jìn)一步促進(jìn)部分氧化重整反應(yīng)，溫度高的部分被進(jìn)一步加熱。因此，在POX工序中，存在如下問題，重整器內(nèi)容易陷入熱失控狀態(tài)。發(fā)生上述熱失控時(shí)，在重整器整體的溫度充分上升之前，重整器的溫度變?yōu)榫植窟^度上升。上述狀態(tài)長期持續(xù)時(shí)，則存在如下問題，重整器的溫度局部過度上升，因重整用催化劑的劣化而導(dǎo)致重整器的耐用年數(shù)變短，或者重整器有時(shí)會發(fā)生損傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]因而，本發(fā)明的目的在于提供一種固體氧化物型燃料電池，通過抑制熱失控并使重整器內(nèi)的溫度迅速地上升，可以延長重整器的耐用年數(shù)，或防止重整器損傷。
[0011]為了解決上述課題，本發(fā)明是一種固體氧化物型燃料電池，是殘余氣體燃燒電池燃燒器方式的固體氧化物型燃料電池，供給至燃料電池單電池的燃料從一端流出，通過使流出的殘余氣體燃燒來加熱重整部，其特征在于，具有:燃料電池模塊，具備在使燃料流過的內(nèi)部通路上形成有燃料極的多個(gè)燃料電池單電池單元；重整部，配置在該燃料電池模塊內(nèi)的多個(gè)燃料電池單電池單元的上方，通過使燃料和重整用氧化劑氣體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而引起的部分氧化重整反應(yīng)以及使燃料和重整用水蒸氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而引起的水蒸氣重整反應(yīng)來生成氫；蒸發(fā)室，在多個(gè)燃料電池單電池單元的上方，與重整部鄰接配置，使所被供給的水蒸發(fā)；燃燒室，配置在燃料電池模塊內(nèi)，使流過內(nèi)部通路的燃料在各燃料電池單電池單元的上端燃燒，加熱上方的重整部及蒸發(fā)室；燃料供給部件，通過向重整部供給燃料，從而將在重整部中重整的燃料送入各燃料電池單電池單元；重整用氧化劑氣體供給部件，向重整部供給重整用氧化劑氣體；供水部件，向蒸發(fā)室供給重整用水；發(fā)電用氧化劑氣體供給部件，向多個(gè)燃料電池單電池單元的氧化劑氣體極供給發(fā)電用氧化劑氣體；及控制部件，在燃料電池模塊的起動工序中，控制燃料供給部件、重整用氧化劑氣體供給部件及供水部件，在重整部內(nèi)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)及水蒸氣重整反應(yīng)，使多個(gè)燃料電池單電池單元升溫至可進(jìn)行發(fā)電的溫度，控制部件在起動工序的整個(gè)期間內(nèi)，控制重整用氧化劑氣體供給部件及供水部件，避免在重整部內(nèi)單獨(dú)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)。
[0012]在如此構(gòu)成的本發(fā)明中，燃料供給部件及重整用氧化劑氣體供給部件向重整部供給燃料及重整用氧化劑氣體。另外，供水部件向與重整部鄰接配置的蒸發(fā)室供給重整用水。在重整部重整后的燃料被供給至燃料電池模塊所具備的多個(gè)燃料電池單電池單元。流過多個(gè)燃料電池單電池單元的形成有燃料極的內(nèi)部通路的燃料在各燃料電池單電池單元的上端燃燒，加熱上方的重整部及蒸發(fā)室。控制部件在燃料電池模塊的起動工序中，控制燃料供給部件、重整用氧化劑氣體供給部件及供水部件，在重整部內(nèi)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)及水蒸氣重整反應(yīng)，使多個(gè)燃料電池單電池單元升溫至可進(jìn)行發(fā)電的溫度。另外，控制部件在起動工序的整個(gè)期間內(nèi)，控制重整用氧化劑氣體供給部件及供水部件，避免在重整部內(nèi)單獨(dú)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)。
[0013]以往，在使流過各燃料電池單電池單元的燃料(殘余氣體)燃燒且利用該燃燒熱量加熱重整部的類型的殘余氣體燃燒電池燃燒器方式的固體氧化物型燃料電池中，在起動工序中，在重整部內(nèi)依次發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)(POX工序)、自熱重整反應(yīng)(ATR工序)、水蒸氣重整反應(yīng)(SR工序)，使燃料電池單電池單元的溫度上升。在此，部分氧化重整反應(yīng)在較低的溫度下發(fā)生，并且是發(fā)熱反應(yīng)，因此，可以對燃料電池模塊內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)力加熱。因此，使部分氧化重整反應(yīng)單獨(dú)發(fā)生的POX工序在從常溫加熱燃料電池單電池單元的初期階段是必要的工序。但是，在重整部內(nèi)單獨(dú)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)時(shí)，容易引起急劇的加熱所導(dǎo)致的熱失控，重整部內(nèi)的催化劑發(fā)生劣化，由此，成為重整部耐用年數(shù)縮短的原因。本申請發(fā)明人針對上述殘余氣體燃燒電池燃燒器方式的固體氧化物型燃料電池固有的技術(shù)課題，首先為了能夠在起動工序的初期生成水蒸氣重整用的水蒸氣，而將生成水蒸氣的蒸發(fā)室配置在多個(gè)燃料電池單電池單元的上方，并且與重整部鄰接配置。由此，在起動工序開始后，可以使蒸發(fā)室的溫度急速上升。在本申請發(fā)明中，通過采用上述構(gòu)成，并通過恰當(dāng)?shù)乜刂浦卣醚趸瘎怏w供給部件及供水部件，從而成功地不在重整部內(nèi)使部分氧化重整反應(yīng)單獨(dú)發(fā)生便使燃料電池模塊內(nèi)的溫度升溫至可進(jìn)行發(fā)電的溫度。由此，防止重整部的熱失控，解決了上述技術(shù)課題。
[0014]在本發(fā)明中，優(yōu)選控制部件作為重整部內(nèi)的燃料重整工序僅執(zhí)行在重整部內(nèi)同時(shí)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)及水蒸氣重整反應(yīng)的ATR工序以及在重整部內(nèi)僅發(fā)生水蒸氣重整反應(yīng)的SR工序。
[0015]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在重整部內(nèi)僅執(zhí)行同時(shí)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)及水蒸氣重整反應(yīng)的ATR工序以及僅發(fā)生水蒸氣重整反應(yīng)的SR工序，因此在重整部內(nèi)，不會單獨(dú)發(fā)生發(fā)熱反應(yīng)即部分氧化重整反應(yīng)，可以防止重整反應(yīng)的熱失控所引起的重整部的劣化、損傷。
[0016]在本發(fā)明中，優(yōu)選控制部件控制重整用氧化劑氣體供給部件，使重整用氧化劑氣體的供給量在重整部內(nèi)實(shí)現(xiàn)僅由部分氧化重整反應(yīng)進(jìn)行的燃料重整，與重整用氧化劑氣體中的氧O2和燃料中的碳C的比值02/C = 0.4相比，始終使氧O2的比例變少。
[0017]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于控制重整用氧化劑氣體供給部件，與重整用氧化劑氣體中的氧O2和燃料中的碳C的比值02/C = 0.4相比，始終使氧O2的比例變少，因此為了對所供給的燃料的全部量進(jìn)行部分氧化重整，氧O2則會不足，一定會誘發(fā)水蒸氣重整反應(yīng)，可以切實(shí)地保護(hù)重整部。
[0018]在本發(fā)明中，優(yōu)選控制部件將ATR工序分成多個(gè)階段來執(zhí)行，在ATR工序的初期階段，控制供水部件，使供水量變?yōu)樽钌佟?br> [0019]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于ATR工序被分成多個(gè)階段來執(zhí)行，在ATR工序的初期階段，使供水量變?yōu)樽钌?，因此可以抑制在重整部的溫度低的起動工序初期發(fā)生的水蒸氣重整反應(yīng)所引起的吸熱，使重整部溫度切實(shí)地上升。
[0020]在本發(fā)明中，優(yōu)選控制部件在重整部的溫度達(dá)到發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的溫度之前使供水部件開始供水，避免在重整部內(nèi)單獨(dú)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)。
[0021]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在重整部的溫度達(dá)到發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的溫度之前使供水部件開始供水，因此提前供給的水在蒸發(fā)室內(nèi)成為水蒸氣，當(dāng)達(dá)到發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的溫度時(shí)，可以切實(shí)地向重整部供給水蒸氣。
[0022]在本發(fā)明中，優(yōu)選控制部件在使流過各燃料電池單電池單元的內(nèi)部通路的燃料點(diǎn)燃后，在重整部的溫度達(dá)到發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的溫度之前使供水部件開始供水。[0023]在殘余氣體燃燒電池燃燒器方式的固體氧化物型燃料電池中，通常即使進(jìn)行點(diǎn)火，殘余氣體也不會立即點(diǎn)燃，在完成點(diǎn)燃之前有時(shí)需要時(shí)間。如果在點(diǎn)燃之前開始供水，則在點(diǎn)燃所需的時(shí)間變長時(shí)，大量的水未在蒸發(fā)室內(nèi)蒸發(fā)而導(dǎo)致貯留。大量的水貯留在蒸發(fā)室內(nèi)時(shí)，則直至水開始蒸發(fā)會需要較長的時(shí)間，水蒸氣的供給延后。另外，貯留的大量的水在短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)時(shí)，則在重整部內(nèi)發(fā)生急劇的水蒸氣重整反應(yīng)，有時(shí)會因其吸熱而引起重整部的溫度下降。根據(jù)如上構(gòu)成的本發(fā)明，由于在點(diǎn)燃后開始供水，因此可避免水蒸氣的供給延遲，避免發(fā)生急劇的水蒸氣重整反應(yīng)，切實(shí)地防止單獨(dú)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)及重整部的溫度下降。
[0024]在本發(fā)明中，優(yōu)選控制部件在執(zhí)行使流過各燃料電池單電池單元的內(nèi)部通路的燃料點(diǎn)燃的點(diǎn)火工序之前使供水部件工作，在點(diǎn)火工序中使供水部件停止，并且在點(diǎn)燃后使供水部件開始供水。
[0025]通常在起動工序開始時(shí)，將水從供水部件導(dǎo)向蒸發(fā)室的管路被空氣充滿。因此，需要向蒸發(fā)室供水時(shí)，即便使供水部件工作，在水實(shí)際上被供給至蒸發(fā)室之前的期間也會發(fā)生時(shí)延。根據(jù)如上構(gòu)成的本發(fā)明，由于在執(zhí)行點(diǎn)火工序之前使供水部件工作，因此可以預(yù)先清空將水導(dǎo)向蒸發(fā)室的管路內(nèi)的空氣，可以縮短在點(diǎn)燃后使供水部件工作時(shí)的供水時(shí)延，可以在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)向蒸發(fā)室內(nèi)供水。
[0026]在本發(fā)明中，優(yōu)選控制部件在從ATR工序的初期階段即ATRl工序轉(zhuǎn)入下一個(gè)階段即ATR2工序時(shí)，使供水量增加，另一方面，將重整用氧化劑氣體供給量保持于一定。
[0027]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于在從ATRl工序轉(zhuǎn)入ATR2工序時(shí)重整用氧化劑氣體供給量被保持于一定，因此可以保持可通過部分氧化重整進(jìn)行重整的碳量，同時(shí)使水蒸氣重整的比例增加,抑制重整部中的碳析出及重整部的溫度下降的風(fēng)險(xiǎn)。
[0028]在本發(fā)明中，優(yōu)選控制部件在從ATRl工序轉(zhuǎn)入ATR2工序時(shí)，將燃料供給量保持于一定。
[0029]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于從ATRl工序轉(zhuǎn)入ATR2工序時(shí)燃料供給量被保持于一定，因此可以防止在重整部的溫度低的狀態(tài)下重整反應(yīng)變得不穩(wěn)定，可以使重整部穩(wěn)定地升溫。
[0030]在本發(fā)明中，優(yōu)選控制部件構(gòu)成為在ATR2工序之后執(zhí)行ATR3工序，從ATR2工序轉(zhuǎn)入ATR3工序時(shí)，變更燃料供給量及重整用氧化劑氣體供給量，另一方面，將供水量保持
于一定。
[0031]根據(jù)如此構(gòu)成的本發(fā)明，由于從重整部的溫度較為上升的ATR2工序轉(zhuǎn)移時(shí)變更燃料供給量及重整用氧化劑氣體供給量，因此可以將重整反應(yīng)不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)抑制于最小限。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池，通過抑制熱失控并使重整器內(nèi)的溫度迅速地上升，可以延長重整器的耐用年數(shù)，或防止重整器損傷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池裝置的整體結(jié)構(gòu)圖。
[0034]圖2是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池裝置的燃料電池模塊的主視剖視圖。
[0035]圖3是沿圖2的II1-1II線的剖視圖。[0036]圖4是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池裝置的燃料電池單電池單元的(a)局部剖視圖及(b)橫截面圖。
[0037]圖5是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池裝置的燃料電池電堆的立體圖。
[0038]圖6是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池裝置的框圖。
[0039]圖7是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池裝置的重整器的立體圖。
[0040]圖8是在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池裝置中拆下頂板以示出重整器內(nèi)部的立體圖。
[0041]圖9是在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池裝置中表示重整器內(nèi)部的燃料流向的俯視剖視圖。
[0042]圖10是在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池裝置中表示收納在殼體內(nèi)的金屬制箱體及空氣用換熱器的立體圖。
[0043]圖11是在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池裝置中表示換熱器用絕熱材料和蒸發(fā)部的位置關(guān)系的剖視圖。
[0044]圖12是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池裝置的起動工序中的控制流程圖。
[0045]圖13是在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池裝置中表示起動工序的各階段的燃料、重整用空氣、水、發(fā)電用空氣的供給量的圖表。
[0046]圖14是在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池裝置中表示起動工序中的燃料等的各供給量及各部分的溫度的一個(gè)例子的時(shí)間圖。
[0047]圖15是表示本發(fā)明變形例的燃料電池裝置中的蒸發(fā)室升溫用絕熱層的剖視圖。
[0048]符號說明
[0049]1-固體氧化物型燃料電池；2_燃料電池模塊；4_輔助設(shè)備單元；7_絕熱材料(外側(cè)絕熱材料)；8-箱體；10_發(fā)電室；12_燃料電池單電池集合體；14_燃料電池電堆；16_燃料電池單電池單元(固體氧化物型燃料電池單電池)；18-燃燒室；20-重整器；20a-蒸發(fā)部(蒸發(fā)室);20b-重整部；21-整流板(間隔板);21a-開口部；21b-排氣通路；21c-氣體滯留空間；22_空氣用換熱器(發(fā)電氧化劑氣體用換熱器)；23_蒸發(fā)室用絕熱材料(蒸發(fā)室升溫用絕熱層)；24_供水源；26-純水箱；28-水流量調(diào)節(jié)單元(供水部件)；30_燃料供給源；38_燃料流量調(diào)節(jié)單元(燃料供給部件)；40_空氣供給源；44_重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元(重整用氧化劑氣體供給部件)；45_發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元(發(fā)電用氧化劑氣體供給部件)；46_第I加熱器；48_第2加熱器；50-溫水制造裝置(排熱回收用換熱器)；52-控制箱；54_逆變器；60_純水導(dǎo)入管；62_被重整氣體導(dǎo)入管；66_分流器(分散室)；70-燃燒氣體配管；72_發(fā)電用空氣流路；74_發(fā)電用空氣導(dǎo)入管；76_連接流路；76a_出口孔；77-發(fā)電用空氣供給路；77a-吹出口 ；82_排放氣體排出管；83_點(diǎn)火裝置(點(diǎn)燃部件)；84-燃料電池單電池；86_內(nèi)側(cè)電極端子；88_燃料氣體流路(內(nèi)部通路)；90_內(nèi)側(cè)電極層；92-外側(cè)電極層；94_電解質(zhì)層；110_控制部(控制部件)；110a-點(diǎn)燃判定部件；112_操作裝置；114_顯示裝置；116_警報(bào)裝置；126_電力狀態(tài)檢測傳感器(需求電力檢測部件)；132-燃料流量傳感器(燃料供給量檢測傳感器)；138-壓力傳感器(重整器壓力傳感器)；142-發(fā)電室溫度傳感器(溫度檢測部件)；148-重整器溫度傳感器；150-外氣溫度傳感器；223-空氣層(蒸發(fā)室升溫用絕熱層)?！揪唧w實(shí)施方式】
[0050]下面，參照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)。
[0051]圖1是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)的整體結(jié)構(gòu)圖。如該圖1所示，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)I具備燃料電池模塊2和輔助設(shè)備單元4。
[0052]燃料電池模塊2具備殼體6，在該殼體6內(nèi)部收納有被外側(cè)絕熱材料即絕熱材料7包圍的構(gòu)成密封空間的箱體8。在該箱體8內(nèi)部的下方部分即發(fā)電室10內(nèi)，配置有利用燃料和氧化劑(空氣)進(jìn)行發(fā)電反應(yīng)的燃料電池單電池集合體12。該燃料電池單電池集合體12具備10個(gè)燃料電池電堆14 (參照圖5)，該燃料電池電堆14由16根燃料電池單電池單元16 (參照圖4)構(gòu)成。如此，燃料電池單電池集合體12具有160根燃料電池單電池單元16，這些燃料電池單電池單元16全部串聯(lián)連接。
[0053]在燃料電池模塊2的箱體8內(nèi)部的上述發(fā)電室10的上方形成有燃燒室18,發(fā)電反應(yīng)中未使用的剩余的燃料和剩余的氧化劑(空氣)在該燃燒室18內(nèi)燃燒，生成排放氣體。
[0054]而且，在該燃燒室18的上方配置有對燃料進(jìn)行重整的重整器20，利用前述剩余氣體的燃燒熱量將重整器20加熱至可進(jìn)行重整反應(yīng)的溫度。而且，在該重整器20的上方配置有空氣用換熱器22，用于接收重整器20的熱量以加熱空氣，抑制重整器20的溫度下降。
[0055]接下來，輔助設(shè)備單元4具備:純水箱26，貯存來自水管等供水源24的水并通過過濾器使其成為純水；及水流量調(diào)節(jié)單元28 (由電動機(jī)驅(qū)動的“水泵”等)，調(diào)節(jié)從該貯水箱供給的水的流量。輔助設(shè)備單元4還具備:氣體截止閥32，截?cái)鄰某鞘忻簹獾鹊娜剂瞎┙o源30供給的燃料；脫硫器36，用于從燃料氣體除去硫磺；及燃料流量調(diào)節(jié)單元38(由電動機(jī)驅(qū)動的“燃料泵”等)，調(diào)節(jié)燃料氣體的流量。輔助設(shè)備單元4進(jìn)一步具備:電磁閥42，截?cái)鄰目諝夤┙o源40供給的氧化劑即空氣；重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44及發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45 (由電動機(jī)驅(qū)動的“空氣鼓風(fēng)機(jī)”等)，調(diào)節(jié)空氣的流量；第I加熱器46，加熱向重整器20供給的重整用空氣；以及第2加熱器48，加熱向發(fā)電室供給的發(fā)電用空氣。上述第I加熱器46和第2加熱器48是為了高效地進(jìn)行起動時(shí)的升溫而設(shè)置的，但是也可以省略。
[0056]接下來，在燃料電池模塊2上連接有溫水制造裝置50，其被供給排放氣體。該溫水制造裝置50被供給來自供水源24的自來水，該自來水由于排放氣體的熱量而成為溫水，并被供給至未圖示的外部供熱水器的貯熱水箱。
[0057]而且，在燃料電池模塊2上安裝有控制箱52，其用于控制燃料氣體的供給量等。
[0058]而且，在燃料電池模塊2上連接有電力導(dǎo)出部(電力轉(zhuǎn)換部)即逆變器54，其用于向外部供給由燃料電池模塊發(fā)出的電力。
[0059]接下來，根據(jù)圖2及圖3，說明本發(fā)明實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)的燃料電池模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖2是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)的燃料電池模塊的側(cè)視剖視圖，圖3是沿圖2的II1-1II線的剖視圖。
[0060]如圖2及圖3所示，在燃料電池模塊2的殼體6內(nèi)的被密閉的箱體8內(nèi)，如上所述，從下方依次配置有燃料電池單電池集合體12、重整器20、空氣用換熱器22。
[0061 ] 重整器20在其上游端側(cè)安裝有用于導(dǎo)入純水的純水導(dǎo)入管60和用于導(dǎo)入將要重整的燃料氣體和重整用空氣的被重整氣體導(dǎo)入管62，而且，在重整器20的內(nèi)部，自上游側(cè)起依次形成有蒸發(fā)部20a和重整部20b，在上述蒸發(fā)部20a和重整部20b中填充有重整催化齊U。導(dǎo)入該重整器20的混合有水蒸氣(純水)的燃料氣體及空氣通過填充在重整器20內(nèi)的重整催化劑而被重整。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(zhì)，或在氧化鋁的球體表面賦予釕的物質(zhì)。
[0062]在該重整器20的下游端側(cè)連接有燃料氣體供給管64，該燃料氣體供給管64向下方延伸，并且還在形成于燃料電池單電池集合體12下方的分流器66內(nèi)水平延伸。在燃料氣體供給管64的水平部64a下方的面上形成有多個(gè)燃料供給孔64b，從該燃料供給孔64b向分流器66內(nèi)供給重整后的燃料氣體。
[0063]在該分流器66的上方安裝有用于支撐上述燃料電池電堆14的具備貫穿孔的下支撐板68，分流器66內(nèi)的燃料氣體被供給至燃料電池單電池單元16內(nèi)。
[0064]接下來，在重整器20的上方設(shè)置有空氣用換熱器22。
[0065]另外，如圖2所示，用于使燃料氣體和空氣開始燃燒的點(diǎn)火裝置83設(shè)置于燃燒室18。
[0066]下面，根據(jù)圖4對燃料電池單電池單元16進(jìn)行說明。圖4(a)是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)的燃料電池單電池單元的局部剖視圖。圖4(b)是燃料電池單電池單元的橫截面圖。
[0067]如圖4(a)所示，燃料電池單電池單元16具備燃料電池單電池84和分別連接于該燃料電池單電池84的上下方向端部的內(nèi)側(cè)電極端子86。
[0068]燃料電池單電池84是在上下方向上延伸的管狀結(jié)構(gòu)體，具備在內(nèi)部形成內(nèi)部通路即燃料氣體流路88的圓筒形內(nèi)側(cè)電極層90、圓筒形外側(cè)電極層92、位于內(nèi)側(cè)電極層90和外側(cè)電極層92之間的電解質(zhì)層94。該內(nèi)側(cè)電極層90是燃料氣體流過的燃料極，為(-)極，另一方面，外側(cè)電極層92是與空氣接觸的空氣極，為(+)極。
[0069]由于安裝在燃料電池單電池84的上端側(cè)和下端側(cè)的內(nèi)側(cè)電極端子86為相同結(jié)構(gòu)，因此在此具體地說明安裝于上端側(cè)的內(nèi)側(cè)電極端子86。內(nèi)側(cè)電極層90的上部90a具備相對于電解質(zhì)層94和外側(cè)電極層92露出的外周面90b和上端面90c。內(nèi)側(cè)電極端子86隔著導(dǎo)電性密封材料96與內(nèi)側(cè)電極層90的外周面90b連接，而且，通過與內(nèi)側(cè)電極層90的上端面90c直接接觸而與內(nèi)側(cè)電極層90電連接。在內(nèi)側(cè)電極端子86的中心部形成有與內(nèi)側(cè)電極層90的燃料氣體流路88連通的燃料氣體流路98。
[0070]內(nèi)側(cè)電極層90例如可以由NiO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、NiO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、NiO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中的至少一種形成。
[0071]電解質(zhì)層94例如可以由摻雜有從Y、Sc等稀土類元素中選擇的至少一種元素的氧化錯(cuò)、摻雜有從稀土類元素中選擇的至少一種元素的二氧化鋪、摻雜有從Sr、Mg中選擇的至少一種元素的鎵酸鑭中的至少一種形成。
[0072]外側(cè)電極層92例如可以由摻雜有從Sr、Ca中選擇的至少一種元素的錳酸鑭、摻雜有從Sr、Co、N1、Cu中選擇的至少一種元素的鐵酸鑭、摻雜有從Sr、Fe、N1、Cu中選擇的至少一種元素的鈷酸鑭、銀等中的至少一種形成。
[0073]下面，參照圖4(b)詳細(xì)說明燃料電池單電池84的結(jié)構(gòu)。[0074]如圖4(b)所示，內(nèi)側(cè)電極層90由第I燃料極90d和第2燃料極90e構(gòu)成。另外，電解質(zhì)層94由第I電解質(zhì)94a和第2電解質(zhì)94b構(gòu)成，外側(cè)電極層92由空氣極92a和集電層92b構(gòu)成。
[0075]在本實(shí)施方式中，第I燃料極90d通過將NiO和摻雜有Y的氧化鋯即YSZ的混合物燒成為圓筒狀而形成。第2燃料極90e通過使NiO和摻雜有Gd的二氧化鈰即⑶C的混合物在第I燃料極90d的外側(cè)成膜而形成。
[0076]另外，在本實(shí)施方式中，第I電解質(zhì)94a通過將摻雜有鑭的二氧化鈰即LDC40層疊在第2燃料極90e的外側(cè)而形成。而且，第2電解質(zhì)94b通過將摻雜有Sr及Mg的鎵酸鑭即LSGM層疊在第I電解質(zhì)94a的外側(cè)而形成。通過對如此形成的成形體進(jìn)行燒成而構(gòu)成燒成體。
[0077]另外，在本實(shí)施方式中，空氣極92a通過在該燒成體的外側(cè)使摻雜有Sr及Fe的鈷酸鑭即LSCF成膜而形成。集電層92b通過在空氣極92a的外側(cè)形成Ag層而構(gòu)成。
[0078]下面，根據(jù)圖5對燃料電池電堆14進(jìn)行說明。圖5是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)的燃料電池電堆的立體圖。
[0079]如圖5所示，燃料電池電堆14具備16根燃料電池單電池單元16，這些燃料電池單電池單元16的下端側(cè)及上端側(cè)分別被陶瓷制下支撐板68及上支撐板100支撐。在上述下支撐板68及上支撐板100上分別形成有內(nèi)側(cè)電極端子86可貫穿的貫穿孔68a及100a。
[0080]而且，在燃料電池單電池單元16上安裝有集電體102及外部端子104。該集電體102由與安裝于燃料極即內(nèi)側(cè)電極層90的內(nèi)側(cè)電極端子86電連接的燃料極用連接部102a和與空氣極即外側(cè)電極層92的外周面整體電連接的空氣極用連接部102b —體地形成?？諝鈽O用連接部102b由在外側(cè)電極層92的表面沿上下方向延伸的鉛垂部102c和從該鉛垂部102c沿外側(cè)電極層92的表面在水平方向上延伸的很多水平部102d形成。而且，燃料極用連接部102a從空氣極用連接部102b的鉛垂部102c朝向燃料電池單電池單元16的位于上下方向的內(nèi)側(cè)電極端子86，向斜上方或斜下方直線延伸。
[0081]而且，在位于燃料電池電堆14 一端(圖5中左端的里側(cè)及跟前側(cè))的2個(gè)燃料電池單電池單元16的上側(cè)端及下側(cè)端的內(nèi)側(cè)電極端子86上分別連接有外部端子104。這些外部端子104與位于鄰接的燃料電池電堆14 一端的燃料電池單電池單元16的外部端子104(未圖示)連接，如上所述，160根燃料電池單電池單元16全部串聯(lián)連接。
[0082]下面，根據(jù)圖6對安裝于本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)的傳感器類等進(jìn)行說明。圖6是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(SOFC)的框圖。
[0083]如圖6所示，固體氧化物型燃料電池I具備控制部110，該控制部110連接有:操作裝置112，具備用于使用者操作的“開”、“關(guān)”等操作按鈕；顯示裝置114，用于顯示發(fā)電輸出值(瓦特?cái)?shù))等的各種數(shù)據(jù)；及警報(bào)裝置116，在異常狀態(tài)時(shí)等發(fā)出警報(bào)(warning)。另外，該警報(bào)裝置116也可以是與位于遠(yuǎn)距離地點(diǎn)的管理中心連接，向該管理中心通知異常狀態(tài)的形式。
[0084]接下來，向控制部110輸入來自以下說明的各種傳感器的信號。
[0085]首先，可燃?xì)怏w檢測傳感器120是用于檢測氣體泄漏的元件，安裝于燃料電池模塊2及輔助設(shè)備單元4。
[0086]CO檢測傳感器122是用于檢測原本經(jīng)由排放氣體通路80等向外部排出的排放氣體中的CO是否泄漏在覆蓋燃料電池模塊2及輔助設(shè)備單元4的外部殼體(未圖示)中的元件。
[0087]熱水貯存狀態(tài)檢測傳感器124是用于檢測未圖示的供熱水器的熱水溫度、水量等的元件。
[0088]電力狀態(tài)檢測傳感器126是用于檢測逆變器54及配電板(未圖示)的電流及電壓等的兀件。
[0089]發(fā)電用空氣流量檢測傳感器128是用于檢測向發(fā)電室10供給的發(fā)電用空氣的流量的元件。
[0090]重整用空氣流量傳感器130是用于檢測向重整器20供給的重整用空氣的流量的元件。
[0091]燃料流量傳感器132是用于檢測向重整器20供給的燃料氣體的流量的元件。
[0092]水流量傳感器134是用于檢測向重整器20供給的純水的流量的元件。
[0093]水位傳感器136是用于檢測純水箱26的水位的元件。
[0094]壓力傳感器138是用于檢測重整器20的外部上游側(cè)的壓力的元件。
[0095]排氣溫度傳感器140是用于檢測流入溫水制造裝置50的排放氣體的溫度的元件。
[0096]如圖3所示，發(fā)電室溫度傳感器142是設(shè)置在燃料電池單電池集合體12附近的前面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，用于檢測燃料電池電堆14附近的溫度，從而推斷燃料電池電堆14(即燃料電池單電池84自身)的溫度的元件。
[0097]燃燒室溫度傳感器144是用于檢測燃燒室18的溫度的元件。
[0098]排放氣體室溫度傳感器146是用于檢測排放氣體室78的排放氣體的溫度的元件。
[0099]重整器溫度傳感器148是用于檢測重整器20的溫度的元件，根據(jù)重整器20的入口溫度和出口溫度計(jì)算出重整器20的溫度。
[0100]外氣溫度傳感器150是當(dāng)固體氧化物型燃料電池(SOFC)配置在室外時(shí)用于檢測外氣溫度的元件。而且，也可以設(shè)置測定外氣濕度等的傳感器。
[0101]來自這些傳感器類的信號發(fā)送至控制部110，控制部110根據(jù)基于這些信號的數(shù)據(jù)，向水流量調(diào)節(jié)單元28、燃料流量調(diào)節(jié)單元38、重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44、發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45發(fā)送控制信號，以控制這些單元的各流量。
[0102]下面，參照圖7至圖9說明重整器20的詳細(xì)構(gòu)成。
[0103]圖7是重整器20的立體圖，圖8是拆下頂板以示出重整器20內(nèi)部的立體圖。圖9是表示重整器20內(nèi)部的燃料流向的俯視剖視圖。
[0104]如圖7所示，重整器20是長方體狀的金屬制箱，在內(nèi)部填充有用于對燃料進(jìn)行重整的重整催化劑。而且，在重整器20的上游側(cè)連接有用于導(dǎo)入水的純水導(dǎo)入管60以及用于導(dǎo)入燃料及重整用空氣的被重整氣體導(dǎo)入管62。另外，在重整器20的下游側(cè)連接有燃料氣體供給管64，使在內(nèi)部重整后的燃料流出。而且，在重整器20上沿長度方向設(shè)置有8個(gè)通氣口 20c。上述通氣口 20c被設(shè)置為從重整器20的底面貫穿至上面，使在重整器20下方的燃燒室18(圖2)中燃燒的燃燒氣體順暢地向重整器20的上方排出，各通氣口 20c未與重整器20的內(nèi)部連通。
[0105]如圖8所示，在重整器20內(nèi)部的上游側(cè)設(shè)置有蒸發(fā)室即蒸發(fā)部20a，與該蒸發(fā)部20a鄰接，在下游側(cè)設(shè)置有重整部20b。通過在蒸發(fā)部20a的內(nèi)部配置多個(gè)隔板，從而形成有曲折的通路。導(dǎo)入至重整器20的水在溫度上升的狀態(tài)下在蒸發(fā)部20a內(nèi)蒸發(fā)，成為水蒸氣。而且，導(dǎo)入至重整器20的燃料氣體、重整用空氣流過蒸發(fā)部20a的曲折的通路并與水蒸氣混合。
[0106]另一方面，在重整部20b的內(nèi)部也通過配置多個(gè)隔板而形成有曲折的通路，在該通路中填充有催化劑。蒸發(fā)部20a中混合的燃料氣體及重整用空氣流過重整部20b的通路并進(jìn)行部分氧化重整反應(yīng)。另外，從蒸發(fā)部20a導(dǎo)入燃料氣體、水蒸氣及重整用空氣的混合物時(shí)，在重整部20b中發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)及水蒸氣重整反應(yīng)。另外，從蒸發(fā)部20a導(dǎo)入燃料氣體及水蒸氣的混合物時(shí)，在重整部20b中僅發(fā)生水蒸氣重整反應(yīng)。
[0107]另外，在本實(shí)施方式中，雖然蒸發(fā)部和重整部一體構(gòu)成，從而形成I個(gè)重整器，但是作為變形例，也可以設(shè)置僅具備重整部的重整器，并在其上游側(cè)鄰接設(shè)置蒸發(fā)室。
[0108]如圖9所示，導(dǎo)入至重整器20的蒸發(fā)部20a的燃料氣體、水及重整用空氣最初沿重整器20的橫向蜿蜒流動，之后向2個(gè)通路分支，并沿重整器20的長度方向蜿蜒前行。進(jìn)而，通路再次合流，在重整器20的中央部分連接于重整部20b。導(dǎo)入至重整部20b的燃料等在重整部20b的中央沿長度方向流動后，分支為2個(gè)并折返，2個(gè)通路再次折返以朝向重整部20b的下游端，在此合流并流入至燃料氣體供給管64。燃料在如此流過蜿蜒的通路的同時(shí)被填充在通路中的催化劑重整。
[0109]下面，再參照圖10及圖11，同時(shí)再次參照圖2及圖3，詳細(xì)說明發(fā)電氧化劑氣體用換熱器即空氣用換熱器22的結(jié)構(gòu)。圖10是表示收納在殼體6內(nèi)的金屬制箱體8及空氣用換熱器22的立體圖。圖11是表示換熱器用絕熱材料和蒸發(fā)部的位置關(guān)系的剖視圖。
[0110]如圖10所示，空氣用換熱器22是配置在燃料電池模塊2內(nèi)的箱體8的上方的換熱器。另外，如圖2及圖3所示，由于在箱體8的內(nèi)部形成有燃燒室18，并收納有多個(gè)燃料電池單電池單元16、重整器20等，因此空氣用換熱器22位于它們的上方?？諝庥脫Q熱器22構(gòu)成為通過回收、利用在燃燒室18內(nèi)燃燒并作為排氣而排出的燃燒氣體的熱量，從而對被導(dǎo)入至燃料電池模塊2內(nèi)的發(fā)電用空氣進(jìn)行預(yù)熱。另外，如圖10所示，在箱體8的上面和空氣用換熱器22的底面之間，以夾在它們之間的方式配置有蒸發(fā)室升溫用絕熱層即蒸發(fā)室用絕熱材料23。而且，外側(cè)絕熱材料即絕熱材料7覆蓋圖10所示的空氣用換熱器22及箱體8的外側(cè)(圖2)。
[0111]如圖2及圖3所示，空氣用換熱器22具有多個(gè)燃燒氣體配管70和發(fā)電用空氣流路72。而且，如圖2所示，在多個(gè)燃燒氣體配管70 —側(cè)的端部上設(shè)置有排放氣體匯集室78，該排放氣體匯集室78與各燃燒氣體配管70連通。而且，在排放氣體匯集室78上連接有排放氣體排出管82。另外，各燃燒氣體配管70另一側(cè)的端部開放，該開放的端部介由形成在箱體8上面的連通開口 8a而與箱體8內(nèi)的燃燒室18連通。
[0112]燃燒氣體配管70是朝向水平方向的多個(gè)金屬制圓管，各圓管各自平行配置。另一方面，發(fā)電用空氣流路72由各燃燒氣體配管70的外側(cè)空間構(gòu)成。而且，在發(fā)電用空氣流路72—側(cè)的端部上方連接有發(fā)電用空氣導(dǎo)入管74，燃料電池模塊2外部的空氣經(jīng)由發(fā)電用空氣導(dǎo)入管74而被導(dǎo)入至發(fā)電用空氣流路72。另外，在發(fā)電用空氣流路72的另一側(cè)端部的兩個(gè)側(cè)面上連接有一對連接流路76 (圖3、圖10)，發(fā)電用空氣流路72和各連接流路76分別介由出口孔76a而連通。
[0113]如圖3所示，在箱體8的兩個(gè)側(cè)面上分別設(shè)置有發(fā)電用空氣供給路77。設(shè)置在空氣用換熱器22的兩個(gè)側(cè)面上的各連接流路76分別與設(shè)置在箱體8的兩個(gè)側(cè)面上的發(fā)電用空氣供給路77的上部連通。而且，在各發(fā)電用空氣供給路77的下部沿水平方向排列設(shè)置有很多的吹出口 77a。經(jīng)由各發(fā)電用空氣供給路77而供給的發(fā)電用空氣從很多的吹出口77a向燃料電池模塊2內(nèi)的燃料電池電堆14的下部側(cè)面噴射。
[0114]另外，在箱體8內(nèi)部的頂棚面上安裝有間隔板即整流板21，在該整流板21上設(shè)置有開口部21a。
[0115]整流板21是水平配置在箱體8的頂棚面和重整器20之間的板材。該整流板21構(gòu)成為調(diào)整從燃燒室18流向上方的氣體流向，并引導(dǎo)至空氣用換熱器22的入口(連通開口 8a)。從燃燒室18流向上方的發(fā)電用空氣及燃燒氣體經(jīng)由設(shè)置在整流板21中央的開口部21a而流入整流板21的上側(cè)，沿整流板21的上面和箱體8的頂棚面之間的排氣通路21b流向圖2中的左側(cè)方向，并被引導(dǎo)至空氣用換熱器22的入口。而且，如圖11所示，開口部21a被設(shè)置在重整器20的重整部20b的上方，經(jīng)由開口部21a而上升的氣體流向與蒸發(fā)部20a相反側(cè)的圖2、圖11中的左側(cè)的排氣通路21b。因此，蒸發(fā)部20a上方的空間(圖2、圖11中的右側(cè))作為排氣流動比重整部20b上方的空間慢的氣體滯留空間21c而發(fā)揮作用。
[0116]蒸發(fā)室用絕熱材料23是在空氣用換熱器22的底面上以大致覆蓋其整體的方式安裝的絕熱材料。因而，蒸發(fā)室用絕熱材料23橫跨配置在蒸發(fā)部20a整體的上方。該蒸發(fā)室用絕熱材料23被配置為，抑制形成在整流板21的上面和箱體8的頂棚面之間的排氣通路21b及氣體滯留空間21c內(nèi)的高溫氣體直接加熱空氣用換熱器22的底面。因此，從滯留在蒸發(fā)部20a上方的排氣通路中的排氣直接傳遞給空氣用換熱器22的底面的熱量變少，蒸發(fā)部20a周圍的溫度變得容易上升。
[0117]另外，與為了抑制熱量向外氣散失而覆蓋燃料電池模塊2的箱體8及空氣用換熱器22整體的外側(cè)絕熱材料即絕熱材料7不同，蒸發(fā)室用絕熱材料23是配置在絕熱材料7的內(nèi)部的絕熱材料。而且，絕熱材料7構(gòu)成為絕熱性比蒸發(fā)室用絕熱材料23高。S卩，絕熱材料7的內(nèi)面和外面之間的熱阻比蒸發(fā)室用絕熱材料23的上面和下面之間的熱阻大。SP，用同一材料構(gòu)成絕熱材料7和蒸發(fā)室用絕熱材料23時(shí)，使絕熱材料7構(gòu)成為比蒸發(fā)室用絕熱材料23厚。
[0118]下面，說明固體氧化物型燃料電池I的發(fā)電運(yùn)行時(shí)的燃料、發(fā)電用空氣及排放氣體的流向。
[0119]首先，燃料介由被重整氣體導(dǎo)入管62而被導(dǎo)入重整器20的蒸發(fā)部20a，同時(shí)純水介由純水導(dǎo)入管60而被導(dǎo)入蒸發(fā)部20a。由于在發(fā)電運(yùn)行中，蒸發(fā)部20a被加熱至高溫，因此導(dǎo)入至蒸發(fā)部20a的純水較快地被蒸發(fā)而成為水蒸氣。所蒸發(fā)的水蒸氣及燃料在蒸發(fā)部20a內(nèi)混合，流入重整器20的重整部20b。與水蒸氣一起被導(dǎo)入重整部20b的燃料在此進(jìn)行水蒸氣重整，被重整為富含氫的燃料氣體。在重整部20b中重整后的燃料經(jīng)由燃料氣體供給管64向下方下降，流入分散室即分流器66。
[0120]分流器66是配置在燃料電池電堆14下側(cè)的體積較大的長方體狀的空間，設(shè)置在其上面的很多的孔與構(gòu)成燃料電池電堆14的各燃料電池單電池單元16的內(nèi)側(cè)連通。導(dǎo)入至分流器66的燃料經(jīng)由設(shè)置在其上面的很多的孔，并經(jīng)由燃料電池單電池單元16的燃料極側(cè)，即燃料電池單電池單元16的內(nèi)部，從其上端流出。另外，燃料即氫氣流過燃料電池單電池單元16的內(nèi)部時(shí)，與流過空氣極(氧化劑氣體極)即燃料電池單電池單元16外側(cè)的空氣中的氧進(jìn)行反應(yīng)從而生成電荷。未使用于該發(fā)電而殘留的剩余燃料從各燃料電池單電池單元16的上端流出，在設(shè)置于燃料電池電堆14上方的燃燒室18內(nèi)燃燒。
[0121]另一方面，通過發(fā)電用氧化劑氣體供給部件即發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45，氧化劑氣體即發(fā)電用空氣介由發(fā)電用空氣導(dǎo)入管74而被送入燃料電池模塊2內(nèi)。被送入燃料電池模塊2內(nèi)的空氣介由發(fā)電用空氣導(dǎo)入管74而被導(dǎo)入空氣用換熱器22的發(fā)電用空氣流路72，并被預(yù)熱。預(yù)熱后的空氣介由各出口孔76a(圖3)而流出至各連接流路76。流入各連接流路76的發(fā)電用空氣經(jīng)由設(shè)置于燃料電池模塊2兩個(gè)側(cè)面的發(fā)電用空氣供給路77而流向下方，從很多的吹出口 77a朝向燃料電池電堆14而被噴射至發(fā)電室10內(nèi)。
[0122]噴射至發(fā)電室10內(nèi)的空氣與燃料電池電堆14的空氣極側(cè)(氧化劑氣體極側(cè))即各燃料電池單電池單元16的外側(cè)面接觸，空氣中的氧的一部分被利用于發(fā)電。另外，介由吹出口 77a而向發(fā)電室10的下部噴射的空氣一邊利用于發(fā)電一邊沿發(fā)電室10內(nèi)上升。沿發(fā)電室10內(nèi)上升的空氣使從各燃料電池單電池單元16的上端流出的燃料燃燒。該燃燒所產(chǎn)生的燃燒熱量加熱配置在燃料電池電堆14上方的重整器20的蒸發(fā)部20a及重整部20b。燃料燃燒而生成的燃燒氣體在加熱上方的重整器20后，經(jīng)由重整器20上方的開口部21a而流入整流板21的上側(cè)。流入整流板21上側(cè)的燃燒氣體經(jīng)由用整流板21構(gòu)成的排氣通路21b，而被引導(dǎo)至空氣用換熱器22的入口即連通開口 8a。從連通開口 8a流入空氣用換熱器22的燃燒氣體流入開放的各燃燒氣體配管70的端部，與沿各燃燒氣體配管70外側(cè)的發(fā)電用空氣流路72流動的發(fā)電用空氣之間進(jìn)行熱交換，并匯集至排放氣體匯集室78。匯集至排放氣體匯集室78的排放氣體介由排放氣體排出管82而向燃料電池模塊2的外部排出。由此，蒸發(fā)部20a中的水的蒸發(fā)以及重整部20b中的吸熱反應(yīng)即水蒸氣重整反應(yīng)被促進(jìn)，同時(shí)空氣用換熱器22內(nèi)的發(fā)電用空氣被預(yù)熱。
[0123]下面，再參照圖12至14，說明固體氧化物型燃料電池I的起動工序中的控制。
[0124]圖12是起動工序中的控制流程圖。圖13是表示起動工序的各階段的燃料、重整用空氣、水、發(fā)電用空氣的供給量的圖表。圖14是表示起動工序中的燃料等的各供給量及各部分的溫度的一個(gè)例子的時(shí)間圖。另外，圖14的縱軸刻度表示溫度，燃料等的各供給量概略示出它們的增減。
[0125]在圖12至圖14所示的起動工序中，使處于常溫狀態(tài)的燃料電池電堆14的溫度上升至可進(jìn)行發(fā)電的溫度。
[0126]首先，在圖12的步驟SI中，控制部110使供水部件即水流量調(diào)節(jié)單元28工作規(guī)定時(shí)間。在起動初期，在水流量調(diào)節(jié)單元28至重整器20的蒸發(fā)部20a的純水導(dǎo)入管60內(nèi)充滿空氣。另外，由于由水流量調(diào)節(jié)單元28供給的水的流量極為微少，因此使水流量調(diào)節(jié)單元28工作后，在水實(shí)際上流入蒸發(fā)部20a之前發(fā)生時(shí)延。因此，在起動的最初階段，通過使水流量調(diào)節(jié)單元28工作規(guī)定時(shí)間，從而預(yù)先清空純水導(dǎo)入管60內(nèi)的空氣，同時(shí)使重整用水充滿純水導(dǎo)入管60內(nèi)。在本實(shí)施方式中，控制部110在以供水量約3cc/min使水流量調(diào)節(jié)單元28工作約2分鐘后，使其停止，在后續(xù)的點(diǎn)火工序中使水流量調(diào)節(jié)單元28停止。
[0127]之后，在圖12的步驟S2中，開始供給發(fā)電用空氣及重整用空氣(圖14的時(shí)刻t0)。具體而言，控制部件即控制部110向發(fā)電用氧化劑氣體供給部件即發(fā)電用空氣流量調(diào)節(jié)單元45發(fā)送信號，使其工作。如上所述，發(fā)電用空氣介由發(fā)電用空氣導(dǎo)入管74而被導(dǎo)入燃料電池模塊2內(nèi)，經(jīng)由空氣用換熱器22、發(fā)電用空氣供給路77而流入發(fā)電室10內(nèi)。另外，控制部Iio向重整用氧化劑氣體供給部件即重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44發(fā)送信號，使其工作。導(dǎo)入燃料電池模塊2內(nèi)的重整用空氣經(jīng)由重整器20、分流器66而流入各燃料電池單電池單元16的內(nèi)部，并從其上端流出。另外，在時(shí)刻t0，由于還未供給燃料，因此在重整器20內(nèi)不發(fā)生重整反應(yīng)。在本實(shí)施方式中，在圖14的時(shí)刻t0開始的發(fā)電用空氣的供給量為約100L/min，重整用空氣的供給量為約10.0L/min (參照圖13的“預(yù)清空”)。
[0128]之后，在圖14的距時(shí)刻t0經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后的時(shí)刻tl，開始燃料供給(圖12的步驟S3)。具體而言，控制部110向燃料供給部件即燃料流量調(diào)節(jié)單元38發(fā)送信號，使其工作。在本實(shí)施方式中，在時(shí)刻tl開始的燃料供給量為約5.0L/min(參照圖13的“點(diǎn)火”)。另外，重整用空氣供給量減少至約9.0L/min，發(fā)電用空氣供給量保持之前的值。導(dǎo)入燃料電池模塊2內(nèi)的燃料經(jīng)由重整器20、分流器66而流入各燃料電池單電池單元16的內(nèi)部，并從其上端流出。另外，在時(shí)刻tl，由于重整器的溫度還處于低溫，因此在重整器20內(nèi)不發(fā)生重整反應(yīng)。
[0129]之后，在圖12的步驟S4中，判斷是否是應(yīng)該點(diǎn)火的時(shí)機(jī)。具體而言，判斷是否從圖14的時(shí)刻tl經(jīng)過規(guī)定時(shí)間從而已完成進(jìn)行點(diǎn)火的準(zhǔn)備。在距時(shí)刻tl未經(jīng)過規(guī)定時(shí)間時(shí)，反復(fù)進(jìn)行步驟S4的處理。在距時(shí)刻tl已經(jīng)過規(guī)定時(shí)間的時(shí)刻t2，執(zhí)行圖12的步驟S5，開始針對所供給的燃料的點(diǎn)火工序。具體而言，在點(diǎn)火工序中，控制部110向點(diǎn)火部件即點(diǎn)火裝置83(圖2)發(fā)送信號，對從各燃料電池單電池單元16的上端流出的燃料進(jìn)行點(diǎn)火。點(diǎn)火裝置83在燃料電池電堆14的上端附近反復(fù)產(chǎn)生火花，對從各燃料電池單電池單元16的上端流出的燃料進(jìn)行點(diǎn)火。
[0130]之后，在圖12的步驟S6中，通過內(nèi)置在控制部110中的點(diǎn)燃判定部件IIOa(圖6)，判斷是否已完成點(diǎn)燃，即是否處于使從各燃料電池單電池單元16的上端流出的燃料持續(xù)燃燒的狀態(tài)。已完成點(diǎn)燃時(shí)，則進(jìn)入步驟S7，而未完成點(diǎn)燃時(shí)則反復(fù)進(jìn)行步驟S6的處理。具體而言，點(diǎn)燃判定部件IlOa在通過配置在燃料電池電堆14的上端附近的溫度檢測部件即發(fā)電室溫度傳感器142檢測出的溫度比點(diǎn)火開始前上升10°C以上時(shí)，則判斷為已完成點(diǎn)燃(參照圖13的“點(diǎn)火”)?；蛘撸部梢匀缦聵?gòu)成本發(fā)明，根據(jù)檢測來自燃料電池模塊2的排氣溫度的排氣溫度傳感器140 (圖6)的檢測溫度、檢測重整器20的溫度的重整器溫度傳感器148(圖6)的檢測溫度、或者多個(gè)檢測溫度的組合，來判斷是否已完成點(diǎn)燃。
[0131]在圖14的時(shí)刻t3判定已完成點(diǎn)燃時(shí)，則進(jìn)入步驟S7,從步驟S7開始，執(zhí)行點(diǎn)燃完成后(圖14中的時(shí)刻t3之后)的起動工序。
[0132]在圖14的時(shí)刻t3判定已完成點(diǎn)燃時(shí)，開始供給重整用水。具體而言，控制部110向供水部件即水流量調(diào)節(jié)單元28 (圖6)發(fā)送信號，使其工作。如上所述，在圖14的時(shí)刻t0之前，水流量調(diào)節(jié)單元28工作規(guī)定時(shí)間，清空純水導(dǎo)入管60內(nèi)的空氣，同時(shí)在純水導(dǎo)入管60內(nèi)充滿重整用水。因此，從水流量調(diào)節(jié)單元28剛剛工作開始之后水便流入重整器20的蒸發(fā)部20a。由此，不會發(fā)生時(shí)延，可以在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)生成水蒸氣重整用的水蒸氣。
[0133]在本實(shí)施方式中，在時(shí)刻t3開始的供水量為2.0cc/min。在時(shí)刻t3，燃料供給量保持于之前的約5.0L/min(參照圖13的“ATR1”)。而且，發(fā)電用空氣及重整用空氣的供給量也保持于之前的值。另外，在該時(shí)刻t3，重整用空氣中的氧O2和燃料中的碳C的比值O2/C為約0.32 (參照圖13的“02/C”欄)。在此，比值02/C = I是指對應(yīng)于如下狀態(tài)，即燃料中的碳原子C的數(shù)量與重整用空氣中的氧分子O2的數(shù)量相等。因而，理論上在比值o2/c =0.5的狀態(tài)下，燃料中所有的碳原子C與重整用空氣中所有的氧分子O2進(jìn)行反應(yīng)，由此燃料中的所有的碳變?yōu)橐谎趸?，比?2/C低于0.5時(shí)則產(chǎn)生剩余的碳，產(chǎn)生碳析出等的問題。但是，實(shí)際上由于重整用空氣中包含的微量的水分等與燃料中的碳進(jìn)行反應(yīng)，因此不會引起碳析出，有時(shí)可以使比值02/C的值下降至約0.4左右。因而，ATRl工序中的比值02/C =0.32是對所供給的燃料的全部量進(jìn)行部分氧化重整時(shí)，重整用空氣處于不足的狀態(tài)。
[0134]另外，在時(shí)刻t3，通過所供給的水而生成的水蒸氣S與燃料中的碳C的比值S/C為0.43 (參照圖13的“S/C”欄)。在此，比值S/C = I意味著如下狀態(tài)，所供給的燃料中包含的碳的全部量通過所供給的水(水蒸氣)在化學(xué)上沒有過多或過少地被水蒸氣重整。因而，比值S/C = 0.43是對所供給的燃料的全部量進(jìn)行水蒸氣重整時(shí)，重整用水處于不足的狀態(tài)。而且，實(shí)際上若是S/C= I的水蒸氣量則會在重整器20內(nèi)產(chǎn)生剩余的碳，因此，在對所供給的所有的燃料進(jìn)行水蒸氣重整時(shí)，S/C = 2.5左右的水蒸氣量是較為適當(dāng)?shù)牧俊?br> [0135]在圖14的時(shí)刻t3點(diǎn)燃后，所供給的燃料作為殘余氣體而從各燃料電池單電池單元16的上端流出，并在此燃燒。該燃燒熱量加熱配置在燃料電池電堆14上方的重整器20的蒸發(fā)部20a及重整部20b。在此，在重整器20的上方(箱體8之上)配置有蒸發(fā)室用絕熱材料23，由此，在燃料剛剛開始燃燒之后，蒸發(fā)部20a及重整部20b的溫度從常溫急劇上升。由于向配置在蒸發(fā)室用絕熱材料23之上的空氣用換熱器22導(dǎo)入外氣，因此空氣用換熱器22尤其在剛剛開始燃燒之后溫度較低，容易成為冷卻源。在本實(shí)施方式中，通過在箱體8的上面和空氣用換熱器22的底面之間配置有蒸發(fā)室用絕熱材料23，從而可抑制熱量從箱體8內(nèi)的配置在上部的重整器20向空氣用換熱器22轉(zhuǎn)移，變得容易在箱體8內(nèi)的重整器20附近留住熱量。此外，由于蒸發(fā)部20a上方的整流板21上側(cè)的空間構(gòu)成為燃料氣體流動變慢的氣體滯留空間21c (圖2)，因此蒸發(fā)部20a附近被雙重絕熱，溫度更加急速地上升。
[0136]如此，通過蒸發(fā)部20a的溫度急速上升，殘余氣體開始燃燒后可在短時(shí)間內(nèi)生成水蒸氣。而且，由于向蒸發(fā)部20a每次少量地供給重整用水，因此與大量的水貯留在蒸發(fā)部20a中的情況相比，可以通過較少的熱量將水加熱至沸點(diǎn)，可以盡快開始供給水蒸氣。而且，如上所述，在蒸發(fā)部20a中不會發(fā)生時(shí)延，從水流量調(diào)節(jié)單元28剛剛開始工作之后便流入水，因此，可以避免供水延遲所引起的蒸發(fā)部20a的過度溫度上升及水蒸氣的供給延遲。
[0137]另外，在殘余氣體開始燃燒后經(jīng)過一定程度的時(shí)間時(shí)，空氣用換熱器22的溫度也通過從燃燒室18流入空氣用換熱器22的排放氣體而上升。對重整器20和空氣用換熱器22之間進(jìn)行絕熱的蒸發(fā)室用絕熱材料23是設(shè)置在絕熱材料7內(nèi)側(cè)的絕熱材料。因而，配置蒸發(fā)室用絕熱材料23的目的不是抑制熱量從燃料電池模塊2散失，而是在殘余氣體剛剛開始燃燒之后，使重整器20尤其是其蒸發(fā)部20a的溫度急速上升。因此，蒸發(fā)室用絕熱材料23被設(shè)計(jì)為具有為了達(dá)成該目的所需的足夠的熱阻，其構(gòu)成為熱阻比絕熱材料7小。
[0138]如此，在重整器20的溫度上升的時(shí)刻t4，經(jīng)由蒸發(fā)部20a而流入重整部20b的燃料和重整用空氣發(fā)生式(I)所示的部分氧化重整反應(yīng)。
[0139]CniHJxO2 — aC02+bC0+cH2 (I)
[0140]由于該部分氧化重整反應(yīng)是發(fā)熱反應(yīng)，因此在重整部20b內(nèi)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)時(shí)，其周圍的溫度在局部急劇上升。
[0141]另一方面，在本實(shí)施方式中，從剛剛確認(rèn)點(diǎn)燃之后的時(shí)刻t3開始供給重整用水，另外，由于構(gòu)成為蒸發(fā)部20a的溫度急速上升，因此在時(shí)刻t4，已經(jīng)在蒸發(fā)部20a內(nèi)生成水蒸氣，并向重整部20b供給。即，使殘余氣體點(diǎn)燃后，從重整部20b的溫度達(dá)到發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的溫度的規(guī)定時(shí)間之前開始供水，在達(dá)到發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的溫度時(shí)，在蒸發(fā)部20a中貯留有規(guī)定量的水，并生成有水蒸氣。因此，由于發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)而溫度急劇上升時(shí)，則發(fā)生供給至重整部20b的重整用水蒸氣與燃料進(jìn)行反應(yīng)的水蒸氣重整反應(yīng)。該水蒸氣重整反應(yīng)是式(2)所示的吸熱反應(yīng)，在比部分氧化重整反應(yīng)高的溫度下發(fā)生。
[0142]CniHJxH2O — aC02+bC0+cH2 (2)
[0143]如此，到達(dá)圖14的時(shí)刻t4時(shí)，在重整部20b內(nèi)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)，另外，由于發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)而引起的溫度上升，還同時(shí)發(fā)生水蒸氣重整反應(yīng)。因而，在時(shí)刻t4之后在重整部20b內(nèi)發(fā)生的重整反應(yīng)是部分氧化重整反應(yīng)和水蒸氣重整反應(yīng)同時(shí)存在的式⑶所示的自熱重整反應(yīng)(ATR)。即，在時(shí)刻t4開始ATRl工序。
[0144]CmHn+x02+yH20 ^ aC02+bC0+cH2 (3)
[0145]如此，在本發(fā)明實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池I中，在起動工序的整個(gè)期間內(nèi)進(jìn)行供水，部分氧化重整反應(yīng)(POX)不會單獨(dú)發(fā)生。另外，在圖14所示的時(shí)間圖中，時(shí)刻t4的重整器溫度為約200°C。雖然該重整器溫度比發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的溫度低，但是由重整器溫度傳感器148 (圖6)檢測出的溫度為重整部20b的平均溫度。實(shí)際上即使在時(shí)刻t4，重整部20b也局部達(dá)到發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的溫度，利用所發(fā)生的部分氧化重整反應(yīng)的反應(yīng)熱量，還誘發(fā)水蒸氣重整反應(yīng)。如此，在本實(shí)施方式中，點(diǎn)燃后，從重整部20b達(dá)到發(fā)生部分氧化重整的溫度之前開始供水，部分氧化重整反應(yīng)不會單獨(dú)發(fā)生。
[0146]另外，如上所述，部分氧化重整反應(yīng)是發(fā)熱反應(yīng)，水蒸氣重整反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。因此，在燃料電池模塊2內(nèi)的溫度還低的起動工序的初期，在重整部20b內(nèi)發(fā)生過度的水蒸氣重整反應(yīng)時(shí),會引起重整部20b的溫度下降。在本實(shí)施方式中，通過將ATRl工序中的02/C、S/C的值設(shè)定為恰當(dāng)?shù)闹?，而成功地誘發(fā)水蒸氣重整反應(yīng)，并使重整部20b的溫度上升。
[0147]另外，通過重整部20b中`的自熱重整反應(yīng)而產(chǎn)生的一氧化碳以及未使用于重整而殘留的水蒸氣經(jīng)由燃料氣體供給管64及分流器66(圖2)，到達(dá)各燃料電池單電池單元16的燃料極。如上所述，由于將鎳使用于各燃料電池單電池單元16的第I燃料極90d及第2燃料極90e (圖4(b))，因此通過鎳的催化作用，一氧化碳和水蒸氣進(jìn)行式(4)所示的變換反應(yīng)。即，在重整部20b的溫度達(dá)到發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的溫度的狀態(tài)下，在各燃料電池單電池單元16的燃料極誘發(fā)變換反應(yīng)。
[0148]CCHH2O — C02+H2 (4)
[0149]通過該變換反應(yīng)而由一氧化碳及水蒸氣生成二氧化碳及氫。在此，由于變換反應(yīng)是發(fā)熱反應(yīng)，因此通過在各燃料電池單電池單元16的燃料極發(fā)生變換反應(yīng)，而加熱燃料電池單電池單元16。另外，通過變換反應(yīng)生成的氫從各燃料電池單電池單元16的上端流出，在燃燒室18中燃燒。因此，通過發(fā)生變換反應(yīng)，從而重整器20被更加強(qiáng)力地加熱。
[0150]在此，變換反應(yīng)的活化溫度范圍是約500°C~600°C的溫度范圍，已知發(fā)生在下限溫度為約500°C、上限溫度為約650°C左右的溫度范圍內(nèi)。在起動工序的初期(時(shí)刻t4~)，各燃料電池單電池單元16的溫度整體上未達(dá)到發(fā)生變換反應(yīng)的溫度，但是從重整器20流出的高溫的一氧化碳及水蒸氣與各燃料電池單電池單元16的燃料極的表面接觸時(shí)，則溫度局部上升。由此，即使在起動工序的初期也確認(rèn)到了發(fā)生變換反應(yīng)。另外，在本實(shí)施方式中，通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)將燃料從重整器20導(dǎo)向各燃料電池單電池單元16的燃料氣體供給管64及分流器66的構(gòu)成、配置、尺寸，從而調(diào)節(jié)到達(dá)各燃料電池單電池單元16的一氧化碳及水蒸氣的溫度，以有效誘發(fā)變換反應(yīng)。而且，在本實(shí)施方式中，在各燃料電池單電池單元16的燃料極中使用作為變換反應(yīng)的催化劑而發(fā)揮作用的鎳，同時(shí)通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)燃料電池單電池單元16的長度，從而積極地誘發(fā)燃料極中的變換反應(yīng)。另外，已知除鎳以外，各種貴金屬作為變換反應(yīng)的催化劑而發(fā)揮作用。
[0151]如此，在本發(fā)明實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池I中，通過將重整器20的蒸發(fā)部20a配置在燃料電池電堆14的上方，從而用殘余氣體的燃燒熱量直接加熱蒸發(fā)部20a。另外，本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池I構(gòu)成為，在蒸發(fā)部20a的上方配置蒸發(fā)室用絕熱材料23，同時(shí)形成氣體滯留空間21c，在起動工序的初期，蒸發(fā)部20a的溫度急速上升，在重整反應(yīng)開始時(shí)供給水蒸氣。此外，在本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池I中，通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)各燃料電池單電池單元16、燃料氣體供給管64及分流器66，從而在燃料電池單電池單元16的燃料極中，積極地誘發(fā)變換反應(yīng)。通過上述構(gòu)成，在起動工序中，防止單獨(dú)發(fā)生重整器20內(nèi)的部分氧化重整反應(yīng)，從重整反應(yīng)一開始便發(fā)生自熱重整反應(yīng)。由此，抑制因重整部20b的熱失控而使溫度過度上升從而導(dǎo)致重整器20及重整催化劑劣化。另外，在本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池I中，通過利用變換反應(yīng)的反應(yīng)熱量及由變換反應(yīng)生成的氫的燃燒熱量，從而成功省略使部分氧化重整反應(yīng)單獨(dú)發(fā)生的POX工序，并通過ATRl工序，使重整器20及燃料電池電堆14的溫度盡快穩(wěn)定地上升。
[0152]之后，在圖12的步驟S8中，判斷重整器20的溫度是否已達(dá)到規(guī)定的ATR2工序轉(zhuǎn)移溫度。已達(dá)到ATR2工序轉(zhuǎn)移溫度時(shí)則進(jìn)入步驟S9，未達(dá)到時(shí)則反復(fù)進(jìn)行步驟S8的處理。在本實(shí)施方式中，當(dāng)重整器溫度傳感器148的檢測溫度達(dá)到約500°C以上時(shí)，從ATRl工序轉(zhuǎn)入ATR2工序。
[0153]之后，在步驟S9中，供水量從2.0cc/min變更為3.0cc/min (參照圖13的“ATR2工序”及圖14的時(shí)刻t5)。另外，燃料供給量、重整用空氣供給量及發(fā)電用空氣供給量保持于之前的值。由此，ATR2工序中的水蒸氣和碳的比值S/C增加至0.64，另一方面，重整用空氣和碳的比值02/C則保持于0.32。如此，通過將重整用空氣和碳的比值02/C保持于一定，并使水蒸氣和碳的比值S/C增加，從而未使可進(jìn)行部分氧化重整的碳量下降，而使可進(jìn)行水蒸氣重整的碳量增加。由此，切實(shí)避免重整部20b中的碳析出的風(fēng)險(xiǎn)，并可以在重整部20b的溫度上升的同時(shí)，使水蒸氣重整的碳量增加。
[0154]進(jìn)而，在圖12的步驟SlO中，判斷燃料電池電堆14的溫度是否已達(dá)到規(guī)定的ATR3工序轉(zhuǎn)移溫度。已達(dá)到ATR3工序轉(zhuǎn)移溫度時(shí)則進(jìn)入步驟S11，未達(dá)到時(shí)則反復(fù)進(jìn)行步驟SlO的處理。在本實(shí)施方式中，當(dāng)發(fā)電室溫度傳感器142的檢測溫度達(dá)到約400°C以上時(shí)，從ATR2工序轉(zhuǎn)入ATR3工序。
[0155]之后，在步驟SI I中，燃料供給量從5.0L/min變更至4.0L/min，重整用空氣供給量從9.0L/min變更至6.5L/min(參照圖13的“ATR3工序”及圖14的時(shí)刻t6)。另外，供水量及發(fā)電用空氣供給量保持于之前的值。由此，ATR3工序中的水蒸氣和碳的比值S/C增加至
0.80，另一方面，重整用空氣和碳的比值02/C減少至0.29。如此，通過將供水量保持于一定，并使重整用空氣供給量減少，從而可以避免水蒸氣重整的急劇增加所引起的溫度下降的風(fēng)險(xiǎn)，并使可進(jìn)行部分氧化重整的碳量下降，使水蒸氣重整反應(yīng)的比例增加。如此，雖然ATR工序被分成ATR1、ATR2及ATR3的三個(gè)階段來執(zhí)行，但是控制水流量調(diào)節(jié)單元28，使ATR工序的初期階段即ATRl工序中的供水量最少。另外，通過將ATR工序分成多個(gè)階段來執(zhí)行，從而在各階段變更燃料、重整用空氣、重整用水的供給比例，避免過度發(fā)生水蒸氣重整所引起的溫度下降，并利用自熱重整反應(yīng)而使重整器20及燃料電池電堆14的溫度上升。
[0156]進(jìn)而，在圖12的步驟S12中，判斷燃料電池電堆14的溫度是否已達(dá)到規(guī)定的SRl工序轉(zhuǎn)移溫度。已達(dá)到SRl工序轉(zhuǎn)移溫度時(shí)則進(jìn)入步驟S13，未達(dá)到時(shí)則反復(fù)進(jìn)行步驟S12的處理。在本實(shí)施方式中，當(dāng)發(fā)電室溫度傳感器142的檢測溫度達(dá)到約550°C以上時(shí)，則轉(zhuǎn)入SRl工序。
[0157]之后，在步驟S13中，燃料供給量從4.0L/min變更至3.0L/min，供水量從3.0cc/min變更至7.0cc/min (參照圖13的“SR1工序”及圖14的時(shí)刻t7)。另外，停止供給重整用空氣，發(fā)電用空氣供給量被保持于之前的值。由此，在SRl工序中，在重整部20b內(nèi)只發(fā)生水蒸氣重整，水蒸氣和碳的比值S/C被設(shè)定于為了對所供給的燃料的全部量進(jìn)行水蒸氣重整而恰當(dāng)?shù)?.49。由于在圖14的時(shí)刻t7，重整器20、燃料電池電堆14的溫度都已充分上升，因此即使在重整部20b內(nèi)不發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)，也可以穩(wěn)定地發(fā)生水蒸氣重整反應(yīng)。
[0158]進(jìn)而，在圖12的步驟S14中，判斷燃料電池電堆14的溫度是否已達(dá)到規(guī)定的SR2工序轉(zhuǎn)移溫度。已達(dá)到SR2工序轉(zhuǎn)移溫度時(shí)則進(jìn)入步驟S15，未達(dá)到時(shí)則反復(fù)進(jìn)行步驟S14的處理。在本實(shí)施方式中，當(dāng)發(fā)電室溫度傳感器142的檢測溫度達(dá)到約600°C以上時(shí)，則轉(zhuǎn)入SR2工序。
[0159]之后，在步驟S15中，燃料供給量從3.0L/min變更至2.5L/min，供水量從7.0cc/min變更至6.0cc/min (參照圖13的“SR2工序”及圖14的時(shí)刻t8)。另外，發(fā)電用空氣供給量被保持于之前的值。由此，在SR2工序中，水蒸氣和碳的比值S/C被設(shè)定于2.56。如此，在本實(shí)施方式中，作為在起動工序中執(zhí)行的燃料重整的工序，僅執(zhí)行ATR工序(ATR1工序、ATR2工序及ATR3工序)及SR工序(SRl工序及SR2工序)。
[0160]另外，執(zhí)行規(guī)定時(shí)間的SR2工序后，轉(zhuǎn)入發(fā)電工序，結(jié)束圖12所示的流程圖的處理。在發(fā)電工序中，從燃料電池電堆14向逆變器54(圖6)導(dǎo)出電力，開始發(fā)電。另外，在發(fā)電工序中，在重整部20b中只通過水蒸氣重整來對燃料進(jìn)行重整。
[0161]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池I，在殘余氣體燃燒電池燃燒器方式的固體氧化物型燃料電池中，為了能夠在起動工序的初期生成水蒸氣重整用的水蒸氣，而將蒸發(fā)部20a配置在多個(gè)燃料電池單電池單元16的上方，同時(shí)與重整部20b鄰接配置(圖2、圖3)。通過采用這種構(gòu)成，可以盡早地生成水蒸氣，此外，通過控制重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44及水流量調(diào)節(jié)單元28，避免在重整部20b內(nèi)單獨(dú)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)，從而防止重整部20b的熱失控。
[0162]另外，根據(jù)本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池1，由于在重整部20b內(nèi)，僅執(zhí)行同時(shí)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)及水蒸氣重整反應(yīng)的ATR工序(圖14的時(shí)刻t4?t7)以及僅發(fā)生水蒸氣重整反應(yīng)的SR工序(圖14的時(shí)刻t7?)，因此在重整部20b內(nèi)，不會單獨(dú)發(fā)生發(fā)熱反應(yīng)即部分氧化重整反應(yīng)，可以防止重整反應(yīng)的熱失控所引起的重整部20b的劣化、損傷。
[0163]而且，根據(jù)本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池1，由于控制重整用空氣流量調(diào)節(jié)單元44，與重整用空氣中的氧O2和燃料中的碳C的比值02/C = 0.4相比，始終使氧O2的比例變少(參照圖13的“02/C”欄)，因此為了對所供給的燃料的全部量進(jìn)行部分氧化重整，氧O2則會不足，一定會誘發(fā)水蒸氣重整反應(yīng)，可以切實(shí)保護(hù)重整部。
[0164]另外，根據(jù)本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池1，由于ATR工序被分成ATR1、ATR2、ATR3來執(zhí)行(圖14的時(shí)刻t4?t7)，在ATR工序的初期階段，供水量最少(參照圖13的“純水流量”欄)，因此可以抑制在重整部溫度低的起動工序的初期發(fā)生的水蒸氣重整反應(yīng)所引起的吸熱，使重整部的溫度切實(shí)上升。
[0165]而且，根據(jù)本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池1，由于在重整部20b的溫度達(dá)到發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的溫度之前由水流量調(diào)節(jié)單元28開始供水(圖14的時(shí)刻t3)，因此提前供給的水在蒸發(fā)部20a內(nèi)成為水蒸氣，當(dāng)達(dá)到發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的溫度時(shí)(圖14的時(shí)刻t4)，可以切實(shí)向重整部20b供給水蒸氣。
[0166]另外，根據(jù)本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池1，由于在點(diǎn)燃后開始供水(圖12的步驟S6 — S7)，因此可避免水蒸氣的供給延遲，避免發(fā)生急劇的水蒸氣重整反應(yīng)，切實(shí)防止單獨(dú)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)及重整部20b的溫度下降。
[0167]而且，根據(jù)本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池1，由于在執(zhí)行點(diǎn)火工序(圖12的步驟S5、S6)之前使水流量調(diào)節(jié)單元28工作(圖12的步驟SI)，因此可以預(yù)先清空將水導(dǎo)向蒸發(fā)部20a的管路內(nèi)的空氣，可以縮短點(diǎn)燃后使水流量調(diào)節(jié)單元28工作時(shí)(圖12的步驟S7)的供水時(shí)延，可以在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)向蒸發(fā)部20a內(nèi)供水。
[0168]另外，根據(jù)本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池1，由于從ATRl工序轉(zhuǎn)入ATR2工序時(shí)(圖14的時(shí)刻t5)重整用空氣供給量被保持于一定，因此能夠保持可通過部分氧化重整而進(jìn)行重整的碳量，同時(shí)使水蒸氣重整的比例增加,可以抑制重整部20b中的碳析出及重整部20b的溫度下降的風(fēng)險(xiǎn)。
[0169]而且，根據(jù)本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池1，由于從ATRl工序轉(zhuǎn)入ATR2工序時(shí)(圖14的時(shí)刻t5)燃料供給量被保持于一定，因此可以在重整部20b的溫度低的狀態(tài)下防止重整反應(yīng)變得不穩(wěn)定，可以使重整部20b穩(wěn)定地升溫。
[0170]另外，根據(jù)本實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池1，由于從重整部20b的溫度較為上升的ATR2工序轉(zhuǎn)移時(shí)(圖14的時(shí)刻t6)變更燃料供給量及重整用空氣供給量，因此可以將重整反應(yīng)不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)抑制于最小限。
[0171]以上，說明了本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，但是可以對上述的實(shí)施方式加以各種變更。
[0172]在上述的實(shí)施方式中，雖然作為蒸發(fā)室升溫用絕熱層，具備配置在箱體8的上面和空氣用換熱器22之間的蒸發(fā)室用絕熱材料23，但是作為變形例，也可以使蒸發(fā)室升溫用絕熱層如圖15所示構(gòu)成。
[0173]在圖15所示的變形例中，蒸發(fā)室升溫用絕熱層由形成在蒸發(fā)部20a和空氣用換熱器22之間的空氣層223構(gòu)成。空氣層223由蒸發(fā)部20a和空氣用換熱器22之間的密封的空間構(gòu)成。通過如此構(gòu)成的空氣層223，可以抑制熱量從蒸發(fā)部20a向空氣用換熱器22移動，在起動工序的初期，可以使蒸發(fā)部20a的溫度急速上升。另外，在圖15所示的變形例中，雖然空氣層223由密封的空間構(gòu)成，但是也可以由未與燃燒室18連通的開放的空間構(gòu)成空氣層223，或者，還可以由形成為燃燒室18內(nèi)的排氣難以流入且氣體所滯留的氣體滯留空間構(gòu)成。
【權(quán)利要求】
1.一種固體氧化物型燃料電池，是殘余氣體燃燒電池燃燒器方式的固體氧化物型燃料電池，供給至燃料電池單電池的燃料從一端流出，通過使流出的殘余氣體燃燒來加熱重整部，其特征在于，具有: 燃料電池模塊，具備在使燃料流過的內(nèi)部通路上形成有燃料極的多個(gè)燃料電池單電池單元； 重整部，配置在該燃料電池模塊內(nèi)的所述多個(gè)燃料電池單電池單元的上方，通過使所述燃料和重整用氧化劑氣體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而引起的部分氧化重整反應(yīng)以及使所述燃料和重整用水蒸氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而引起的水蒸氣重整反應(yīng)來生成氫； 蒸發(fā)室，在所述多個(gè)燃料電池單電池單元的上方，與所述重整部鄰接配置，使所被供給的水蒸發(fā)； 燃燒室，配置在所述燃料電池模塊內(nèi)，使流過所述內(nèi)部通路的燃料在所述各燃料電池單電池單元的上端燃燒，加熱上方的所述重整部及所述蒸發(fā)室； 燃料供給部件，通過向所述重整部供給燃料，從而將在所述重整部中重整的燃料送入所述各燃料電池單電池單元； 重整用氧化劑氣體供給部件，向所述重整部供給重整用氧化劑氣體； 供水部件，向所述蒸發(fā)室供給重整用水； 發(fā)電用氧化劑氣體供給部件，向所述多個(gè)燃料電池單電池單元的氧化劑氣體極供給發(fā)電用氧化劑氣體； 及控制部件，在所述燃料電池模塊的起動工序中，控制所述燃料供給部件、所述重整用氧化劑氣體供給部件及所述供水部件，在所述重整部內(nèi)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)及水蒸氣重整反應(yīng)，使所述多個(gè)燃料電池單電池單元升溫至可進(jìn)行發(fā)電的溫度， 所述控制部件在所述起動工序的整個(gè)期間內(nèi)，控制所述重整用氧化劑氣體供給部件及所述供水部件，避免在所述重整部內(nèi)單獨(dú)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述控制部件作為所述重整部內(nèi)的燃料重整工序僅執(zhí)行在所述重整部內(nèi)同時(shí)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)及水蒸氣重整反應(yīng)的ATR工序以及在所述重整部內(nèi)僅發(fā)生水蒸氣重整反應(yīng)的SR工序。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述控制部件控制所述重整用氧化劑氣體供給部件，使重整用氧化劑氣體的供給量在所述重整部內(nèi)實(shí)現(xiàn)僅由部分氧化重整反應(yīng)進(jìn)行的燃料重整，與重整用氧化劑氣體中的氧O2和燃料中的碳C的比值O2/C = 0.4相比，始終使氧O2的比例變少。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述控制部件將所述ATR工序分成多個(gè)階段來執(zhí)行，在所述ATR工序的初期階段，控制所述供水部件，使供水量變?yōu)樽钌佟?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述控制部件在所述重整部的溫度達(dá)到發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的溫度之前使所述供水部件開始供水，避免在所述重整部內(nèi)單獨(dú)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述控制部件在使流過所述各燃料電池單電池單元的內(nèi)部通路的燃料點(diǎn)燃后，在所述重整部的溫度達(dá)到發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)的溫度之前使所述供水部件開始供水。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述控制部件在執(zhí)行使流過所述各燃料電池單電池單元的內(nèi)部通路的燃料點(diǎn)燃的點(diǎn)火工序之前使所述供水部件工作，在所述點(diǎn)火工序中使所述供水部件停止，并且在點(diǎn)燃后使所述供水部件開始供水。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述控制部件在從所述ATR工序的初期階段即ATRl工序轉(zhuǎn)入下一個(gè)階段即ATR2工序時(shí)，使供水量增加，另一方面，將重整用氧化劑氣體供給量保持于一定。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述控制部件在從所述ATRl工序轉(zhuǎn)入所述ATR2工序時(shí)，將燃料供給量保持于一定。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述控制部件構(gòu)成為在所述ATR2工序之后執(zhí)行ATR3工序，從所述ATR2工序轉(zhuǎn)入所述ATR3工序時(shí)，變更燃料供給量及重整用氧化劑氣體供給量，另一方面，將供水量保持于一定。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體氧化物型燃料電池，是殘余氣體燃燒電池燃燒器方式的固體氧化物型燃料電池，供給至燃料電池單電池的燃料從一端流出，通過使流出的殘余氣體燃燒來加熱重整部，其特征在于，具有: 燃料電池模塊，收納有在使燃料流過的內(nèi)部通路上形成有燃料極的多個(gè)燃料電池單電池單元； 外側(cè)絕熱材料，抑制熱量從該燃料電池模塊的內(nèi)部向外部散失； 重整部，配置在所述燃料電池模塊內(nèi)的所述多個(gè)燃料電池單電池單元的上方，通過使所述燃料和重整用氧化劑氣體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而引起的部分氧化重整反應(yīng)以及使所述燃料和重整用水蒸氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而引起的水蒸氣重整反應(yīng)來生成氫； 蒸發(fā)室，在所述多個(gè)燃料電池單電池單元的上方，與所述重整部鄰接配置，使所被供給的水蒸發(fā)； 燃燒室，配置在所述燃料電池模塊內(nèi)，使流過所述內(nèi)部通路的燃料在所述各燃料電池單電池單元的上端燃燒，加熱上方的所述重整部及所述蒸發(fā)室； 燃料供給部件，通過向所述重整部供給燃料，從而將在所述重整部中重整的燃料送入所述各燃料電池單電池單元； 重整用氧化劑氣體供給部件，向所述重整部供給重整用氧化劑氣體； 供水部件，向所述蒸發(fā)室供給重整用水； 發(fā)電用氧化劑氣體供給部件，向所述多個(gè)燃料電池單電池單元的氧化劑氣體極供給發(fā)電用氧化劑氣體； 發(fā)電氧化劑氣體用換熱器，配置在所述蒸發(fā)室的上方，在所述燃燒室內(nèi)生成的燃燒氣體和導(dǎo)入所述燃料電池模塊內(nèi)的發(fā)電用氧化劑氣體之間進(jìn)行熱交換，對供給至所述多個(gè)燃料電池單電池單元的發(fā)電用氧化劑氣體進(jìn)行預(yù)熱； 蒸發(fā)室升溫用絕熱層，配置在該發(fā)電氧化劑氣體用換熱器和所述蒸發(fā)室之間，通過抑制熱量從所述蒸發(fā)室向所述發(fā)電氧化劑氣體用換熱器移動，從而促進(jìn)所述蒸發(fā)室升溫；及控制部件，在所述燃料電池模塊的起動工序中，控制所述燃料供給部件、所述重整用氧化劑氣體供給部件及所述供水部件，在所述重整部內(nèi)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)及水蒸氣重整反應(yīng)，使所述多個(gè)燃料電池單電池單元升溫至可進(jìn)行發(fā)電的溫度， 所述控制部件在所述起動工序的整個(gè)期間內(nèi)，控制所述重整用氧化劑氣體供給部件及所述供水部件，避免在所述重整部內(nèi)單獨(dú)發(fā)生部分氧化重整反應(yīng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，對所述蒸發(fā)室和所述發(fā)電氧化劑氣體用換熱器之間進(jìn)行絕熱的所述蒸發(fā)室升溫用絕熱層的熱阻構(gòu)成為比對所述燃料電池模塊的內(nèi)部和外部之間進(jìn)行絕熱的所述外側(cè)絕熱材料的熱阻小。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述蒸發(fā)室升溫用絕熱層橫跨配置在所述蒸發(fā)室大致整體的上方。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，所述蒸發(fā)室升溫用絕熱層由配置在所述發(fā)電氧化劑氣體用換熱器和所述蒸發(fā)室之間的蒸發(fā)室用絕熱材料，或者設(shè)置在所述發(fā)電氧化劑氣體用換熱器和所述蒸發(fā)室之間的氣體滯留空間構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于，還具有排氣通路，設(shè)置在所述重整部及所述蒸發(fā)室和所述蒸發(fā)室升溫用絕熱層之間，將所述燃燒室內(nèi)生成的燃燒氣體導(dǎo)向所述發(fā)電氧化劑氣體用換熱器。
【文檔編號】H01M8/12GK103579648SQ201310300965
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月19日
【發(fā)明者】赤木陽祐, 阿部俊哉, 大塚俊治, 土屋勝久, 松尾卓哉, 渡邊直樹, 大村肇, 田中修平, 星子琢也 申請人:Toto株式會社