燃料电池装置的制作方法

1.本公开涉及燃料电池装置。


背景技术：

2.现有技术的一例被记载于专利文献1中。
3.在先技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：国际公开第2011/037258号


技术实现要素：

6.本公开的燃料电池装置是如下结构，具备：
7.燃料电池，通过燃料气体和空气来进行发电；
8.空气供给装置，向该燃料电池供给空气；
9.温度测定部，测定所述燃料电池的温度；以及
10.控制装置，
11.所述控制装置在所述燃料电池超过给定的温度的情况下，对所述空气供给装置进行控制，以使得增加向所述燃料电池供给的空气量，并且设定多个所述给定的温度。
附图说明
12.本公开的目的、特色以及优点根据下述的详细说明和附图更加明确。
13.图1是表示本公开的实施方式所涉及的燃料电池装置的概要结构的图。
14.图2是表示外装壳体内的燃料电池装置的结构的立体图。
15.图3是表示额定运行模式和部分负载运行模式下的燃料电池的温度的图表。
16.图4是表示空气增量控制的流程图。
具体实施方式
17.首先，对以本公开的燃料电池装置为基础的结构的燃料电池装置进行说明。
18.已知有使用作为含氢气体的燃料气体和作为含氧气体的空气进行发电的固体氧化物形的燃料电池(sofc)。这样的燃料电池例如与家电产品等外部负载所要求的电量对应地使燃料气体以及空气的供给量变化来进行发电。
19.以下，使用附图对本公开的实施方式所涉及的燃料电池装置进行说明。图1是表示本公开的实施方式所涉及的燃料电池装置的概要结构的图，图2是表示外装壳体内的燃料电池装置的结构的立体图。图3是表示额定运行模式和部分负载运行模式下的燃料电池的温度的图表。图4是表示空气增量控制的流程图。
20.实施方式的燃料电池装置100具备：燃料电池11，其利用燃料气体和空气进行发电；空气供给装置13，其向燃料电池11供给空气；温度测定部tc，其测定燃料电池11的温度；
以及控制装置30。燃料电池装置100构成为能够适当切换多种运行模式来实现运行。在本实施方式的运行模式中，至少包含额定运行模式以及部分负载运行模式(负载跟随运行模式)。额定运行模式是产生额定电力的运行模式。基于为了产生额定电力而预先确定的供给量，向燃料电池11供给燃料气体以及空气，成为恒定的发电量地进行动作。部分负载运行模式是根据外部负载的要求电力的变动而使发电量变动的运行模式。例如，当使用的家电产品的种类、数量变动时，要求电力发生变动。以与该变动相应的发电量使燃料电池发电。
21.如图1中符号hc1所示，具备第一热循环系统(热循环)，其具有第一热交换器2、储热箱3、冷却器5、热媒泵p2以及连接它们的循环流路等的废热回收系统即。如图1中符号hc2所示，具备作为废热回收系统的第二热循环系统，其具有第二热交换器4(也称为上水热交换器)、以及使热媒从前述的储热箱3循环的循环泵p3以及连接它们的流路配管等。使用前述的储热箱3中贮存的高温的热媒，利用第二热交换器4对从外部经由供给流路kin供给的自来水等水进行加温，将加温后的水朝向外部的热水器等再加热装置经由进给流路kout进行进给。
22.燃料电池模块1包括收容于收纳容器10的燃料电池11和改性器12。燃料电池11只要是通过燃料气体和空气进行发电的电池即可，例如也可以是多个燃料电池单体排列而成的电池堆构造。电池堆构造的燃料电池11通过利用玻璃密封材料等绝缘性接合材料将各燃料电池单体的下端固定于歧管而构成。此外，燃料电池11的发电所需的燃料气体以及空气从燃料电池单体的下端侧供给。燃料电池11以竖立设置有柱状的燃料电池单体的状态排列，该柱状的燃料电池单体具有气体在内部沿长度方向流通的气体流路，在相邻的燃料电池单体之间经由集电构件串联电连接而构成。作为燃料电池单体，已知有各种燃料电池单体，但在包含部分负载运行(负载跟随运行)模式作为运行模式的情况下，也可以使用固体氧化物形燃料电池单体。
23.为了检测燃料电池11的温度，设置有测定燃料电池11的温度的温度测定部tc。作为温度测定部tc，能够使用热电偶等公知的测定装置。在本实施方式中，作为燃料电池11的温度的代表值，用热电偶测定燃料电池11的中心位置处的温度。
24.在燃料电池11中发电的结果是，从燃料电池模块1排出的废气在第一热交换器2中与在第一热交换器2内流动的水等热媒或者冷媒之间进行热交换。此时，废气中包含的水分凝结而产生冷凝水。产生的冷凝水经由冷凝水流路c被回收，并贮存在改性水箱6中。在产生了超过改性水箱6的容量的冷凝水的情况下，使其从改性水箱6溢流，经由排水流路d被排水。
25.除去了水分的废气经由废气流路e向燃料电池装置外排气。此外，贮存于改性水箱6的改性水经由改性水流路r以及改性水泵p1供给至燃料电池模块1内的改性器12，用于原燃料气体的水蒸气改性。
26.燃料电池模块1中的发电中使用的空气通过包含鼓风机b2和作为空气流路的配管f的空气供给装置13被导入燃料电池11。原燃料气体经由燃料气体泵b1和作为原燃料气体流路的配管g，与经由了改性水流路r的改性水一起被导入改性器12。
27.燃料电池装置100还可以具备进行发电以及热水供给等的情况下所需的各种结构。上述所示的各结构是一个例子，除了后述的空气增量控制所需的结构以外，是任意的结构。
28.燃料电池装置100除了前述的燃料电池模块1等之外，作为辅助其发电运行的辅机，具备功率调节器20、控制装置30、显示装置、或包含操作面板的操作基板40等。而且，如图2所示，燃料电池装置100例如配设于由各框架51和各外装面板52构成的壳体50中。
29.而且，燃料电池装置100如以下详细叙述的那样，为了提供用于执行各种功能的控制以及处理能力，具备包含至少一个处理器以及存储装置等的控制装置30。
30.根据各种实施方式，至少一个处理器可以作为单一的集成电路、或者多个可通信地连接的集成电路和/或分立电路来执行。至少一个处理器能够按照各种已知的技术来执行。
31.在一个实施方式中，处理器例如包含构成为通过执行存储于相关的存储器的指示来执行一个以上的数据计算过程或者处理的一个以上的电路或者单元。在其他的实施方式中，处理器也可以是构成为执行一个以上的数据计算过程或者处理的固件(firmware)，例如分立(discrete)逻辑组件。
32.根据各种实施方式，处理器包含一个以上的处理器、控制器、微处理器、微控制器、面向特定用途的集成电路、数字信号处理部、可编程逻辑器件、现场可编程门阵列、或者这些器件或结构的任意组合、或者其他已知的器件以及结构的组合，也可以执行以下说明的功能。
33.控制装置30与存储装置以及显示装置(均省略图示)、构成燃料电池装置100的各种结构部件以及各种传感器连接，以这些各功能部为代表，对燃料电池装置100的整体进行控制控制以及管理。控制装置30取得附属于其上的存储装置中存储的程序，执行该程序，由此实现燃料电池装置100的各部涉及的各种功能。
34.在从控制装置30向功能部或装置发送控制信号或者各种信息等的情况下，控制装置30与其他功能部只要通过有线或者无线连接即可。关于控制装置30进行的本实施方式的特征性控制，在后面进行说明。另外，在本实施方式中，控制装置30特别是基于与燃料电池装置相连的外部装置的指示、指令、之前所述的各种传感器的指示、计测值，控制燃料气体泵b1等各种辅机。在图中，有时省略了将控制装置30与构成燃料电池的各装置以及各传感器连结的连接线的图示。
35.未图示的存储装置能够存储程序以及数据。存储装置也可以用作暂时存储处理结果的作业区域。存储装置包含记录介质。记录介质也可以包含半导体存储介质、以及磁存储介质等任意的非暂时性(non
‑
transitory)的存储介质。此外，存储装置也可以包含多个种类的存储介质。存储装置也可以包含存储卡、光盘或者光磁盘等便携式存储介质和存储的读取装置的组合。存储装置也可以包含被用作ram(random access memory：随机存取存储器)等暂时性存储区域的存储器件。
36.另外，燃料电池装置的控制装置30以及存储装置也能够作为在燃料电池装置100的外部具有的结构来实现。进而，也能够作为包含本公开所涉及的控制装置30中的特征性控制工序的控制方法来实现，或者作为用于使计算机执行上述工序的控制程序来实现。
37.在此，对额定运行模式和部分负载运行模式下的燃料电池11的温度进行简单说明。图3是表示额定运行模式和部分负载运行模式下的燃料电池的温度的图表。本实施方式的燃料电池11设为以竖立设置有柱状的燃料电池单体的状态排列的电池堆构造，以燃料气体以及空气从燃料电池11的下端侧供给的构造为例。在额定运行模式下，与部分负载运行
模式相比，燃料气体以及空气的供给量多，竖立设置的燃料电池单体的前端部分的发电量多，因此前端部分的温度变高。即，从燃料电池单体的根部到前端部分的温度梯度变大。另一方面，在部分负载运行模式下，燃料气体以及空气的供给量比较少，竖立设置的燃料电池单体的根部不会被空气冷却，因此，与额定运行模式相比，根部的温度变高。进而，燃料电池单体的前端部分的发电量比额定运行模式少，因此前端部分的温度变低。即，从燃料电池单体的根部到前端部分的温度梯度变小。通过产生这样的温度梯度，作为燃料电池11的代表值而测定的燃料电池11的中心位置的温度(中心温度)与部分负载运行模式相比，尽管发电量比额定运行模式少，但也会成为高温。在假设发电量越多则中心温度越高的情况下，若为了进行燃料电池11的冷却而使空气的供给量变动，则会产生无法充分冷却的过度冷却等问题。
38.在燃料电池装置100中，在燃料电池11的温度超过给定的温度(阈值温度)的情况下，控制空气供给装置13，以使得向燃料电池11供给的空气量增加，但若一律以一个阈值温度进行判断，则会因运行模式的不同而引起的温度分布而产生上述那样的问题。在本实施方式中，通过设定多个阈值温度，即使在运行模式不同的情况下也能够适当地冷却燃料电池11。由此，燃料电池装置100能够抑制耐老化性降低。另外，在本实施方式中，运行模式的不同反映于发电量的不同，发电量由电流值检测。
39.图3是表示空气增量控制的流程图。在流程图中，将“步骤”简称为“s”，并且在在图表内，将判断控制中的“正”(计算机标志＝1)用[是]表示，将“否”(计算机标志＝0(零))用[否]表示。
[0040]
在燃料电池装置100的控制中，在〔开始〕之前，由温度测定部tc连续测定燃料电池22的中心温度。在此测定的中心温度也可以在空气增量控制以外的控制中使用。当开始本实施方式的空气增量控制时，控制装置30开始燃料电池11的中心温度的监视。
[0041]
此外，燃料电池装置100伴随着发电量的增减来控制空气供给装置13，适当变更空气利用率ua。在此，空气利用率ua是燃料电池11的发电中使用的空气量相对于向燃料电池11供给的空气量的比例，在发电时适用作为标准值的第一利用率ua1。
[0042]
在〔s1〕中，判断中心温度是否超过第一设定温度h1。第一设定温度h1是包含第二设定温度h2以及第三设定温度h3的最高温度，是燃料电池11的运行上限温度。第二设定温度h2是燃料电池11的发电量不足给定量的情况下的设定温度、即与部分负载运行模式对应的设定温度。第三设定温度h3是燃料电池11的发电量为给定量以上的情况下的设定温度、即与额定运行模式对应的设定温度，是比第二设定温度h2低的设定温度。在本实施方式中，例如，h1为720℃，h2为690℃，h3为660℃。
[0043]
在中心温度超过第一设定温度h1的[是]情况下，需要迅速地使燃料电池11的温度降低。因此，控制装置30在〔s2〕中，将空气利用率ua设为比作为标准值的第一利用率ua1低的第二利用率ua2。即使为了冷却燃料电池11而增加向燃料电池11供给的空气量，用于发电的空气量也几乎不变化，因此空气利用率ua变低。即，在〔s2〕中，控制空气供给装置13，以使得增加向燃料电池11供给的空气量。
[0044]
在中心温度为第一设定温度h1以下[否]的情况下，在〔s3〕中，判断中心温度持续第一设定温度h1以下的持续时间是否超过给定时间t。在持续时间不超过t[是]的情况下，返回〔s1〕。另一方面，在持续时间超过t[否]的情况下，控制装置30检测燃料电池11的发电
量，判断发电量是否为给定量以上。具体而言，测定从燃料电池11输出的电流值作为发电量，判断是否为给定的电流值a1以上。此外，在本实施方式中，持续时间t例如为2分钟。
[0045]
在〔s4〕中，在电流值小于a1[否]的情况下，在〔s5〕中，判断中心温度是否超过第二设定温度h2。在中心温度超过第二设定温度h2[是]的情况下，控制装置30在〔s9〕中判断空气利用率是否为第二利用率ua2。在空气利用率不是ua2[否]的情况下，为了使空气利用率接近第二利用率ua2，在〔s10〕中，使空气利用率降低一个等级。即，在部分负载运行模式的情况下，在中心温度超过h2的情况下，为了冷却而增加空气的供给量。
[0046]
另一方面，在〔s4〕中，在电流值为a1以上[是]的情况下，在〔s6〕中，判断中心温度是否超过第三设定温度h3。在中心温度超过第三设定温度h3[是]的情况下，控制装置30在〔s9〕中判断空气利用率是否为第二利用率ua2。在空气利用率不是ua2[否]的情况下，为了使空气利用率接近第二利用率ua2，在〔s10〕中，使空气利用率降低一个等级。即，在额定运行模式的情况下，在中心温度超过比h2低的h3的情况下，为了冷却而使空气的供给量增加。
[0047]
另外，在〔s9〕中，在空气利用率为第二利用率ua2[是]的情况下，空气利用率不变更而维持，返回〔s1〕。换句话说，空气利用率被控制为使第二利用率ua2作为下限值而分级地降低。
[0048]
在〔s5〕中，在中心温度为第二设定温度h2以下[否]的情况下，或者在〔s6〕中，在中心温度为第三设定温度h3以下[否]的情况下，控制装置30在〔s7〕中判断空气利用率是否为作为标准值的第一利用率ua1。在空气利用率不是ua1[否]的情况下，在〔s8〕中，使空气利用率增加一个等级。即，在部分负载运行模式或者额定运行模式中，在中心温度为阈值温度以下且当前的空气利用率不是标准值的情况下，使空气供给量减少，进行控制以使得空气利用率返回标准值。换句话说，空气利用率被控制为，将作为标准值的第一利用率ua1作为上限值，分级地增加。
[0049]
在〔s7〕中，在空气利用率为ua1[是]的情况下，不变更空气利用率而维持，返回〔s1〕。
[0050]
本公开能够实现以下的实施方式。
[0051]
本公开的燃料电池装置是如下结构，具备：
[0052]
燃料电池，通过燃料气体和空气来进行发电；
[0053]
空气供给装置，向该燃料电池供给空气；
[0054]
温度测定部，测定所述燃料电池的温度；以及
[0055]
控制装置，
[0056]
所述控制装置在所述燃料电池超过给定的温度的情况下，对所述空气供给装置进行控制，以使得增加向所述燃料电池供给的空气量，并且设定多个所述给定的温度。
[0057]
根据本公开的燃料电池装置，能够抑制耐老化性降低。
[0058]
本公开能够在不脱离其精神或者主要特征的情况下以其他各种方式实施。因此，前述的实施方式在所有方面只不过是例示，本公开的范围是在权利要求书中表示的，在说明书正文中没有任何限制。进而，属于权利要求书的变形、变更全部在本公开的范围内。
[0059]
符号说明
[0060]
11 燃料电池
[0061]
13 空气供给装置
[0062]
30 控制装置
[0063]
100 燃料电池装置
[0064]
tc 温度测定部。