本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

以往，已知使用重整氣體作為燃料氣體的燃料電池系統(tǒng)(例如，參見(jiàn)專利文獻(xiàn)1、2等)。作為該重整氣體，可以舉出：將烴作為原燃料而在下述式(1)中所示的水蒸氣重整反應(yīng)中得到的氣體、或在下述式(2)所示的部分氧化反應(yīng)中得到的氣體。

-ch2-+h2o→co+2h2…式(1)

-ch2-+1/2o2→co+h2…式(2)

這樣的燃料電池系統(tǒng)具有下述優(yōu)點(diǎn)：具備使用部分氧化反應(yīng)(其與水蒸氣重整反應(yīng)相比反應(yīng)速度快)的重整氣體供給裝置時(shí)，氣體處理效率優(yōu)異，從這方面來(lái)看，能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的小型化(緊湊化)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2012-160465號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本特開2010-67534號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的課題

然而，如下述式(3)所示，在重整氣體中較多含有的co(一氧化碳)會(huì)析出碳(c)。

所析出的碳會(huì)在燃料電池組內(nèi)產(chǎn)生焦化。

因此，本發(fā)明的課題在于提供一種燃料電池系統(tǒng)，其可防止供給重整氣體的燃料電池組內(nèi)的碳析出。

用于解決課題的方案

可解決上述課題的本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的特征在于，其具備：將原燃料部分氧化而生成一氧化碳和氫的部分氧化重整器；使上述一氧化碳和水蒸氣進(jìn)行變換反應(yīng)而生成二氧化碳和氫的變換反應(yīng)器；利用在上述部分氧化重整器和上述變換反應(yīng)器中的至少一者中生成的上述氫與氧化劑氣體的電化學(xué)反應(yīng)而進(jìn)行發(fā)電的燃料電池組；和將上述燃料電池組的排氣中包含的水蒸氣供給至上述變換反應(yīng)器的排氣回流配管。

若利用該燃料電池系統(tǒng)，通過(guò)變換反應(yīng)器所產(chǎn)生的變換反應(yīng)，燃料氣體中的一氧化碳濃度降低，從而可防止燃料電池組內(nèi)的碳析出。

另外，這樣的燃料電池系統(tǒng)也可以為如下構(gòu)成：上述燃料電池組通過(guò)將固體氧化物型燃料電池層積兩個(gè)以上而形成，上述排氣包含上述固體氧化物型燃料電池的陽(yáng)極排出氣體。

若利用該燃料電池系統(tǒng)，通過(guò)陽(yáng)極排出氣體供給在變換反應(yīng)器中使用的水蒸氣。由此，能夠?qū)㈥?yáng)極排出氣體中包含的未燃的燃料氣體進(jìn)行再利用，燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率提高。

另外，這樣的燃料電池系統(tǒng)也可以為如下構(gòu)成：其具備將使上述原燃料發(fā)生部分氧化的氧化劑氣體供給至上述部分氧化重整器的氧化劑氣體供給流道，接近上述變換反應(yīng)器而配置有上述氧化劑氣體供給流道以使得在上述氧化劑氣體供給流道中流通的上述氧化劑氣體與上述變換反應(yīng)器進(jìn)行熱交換而能夠?qū)⑸鲜鲎儞Q反應(yīng)器冷卻。

若利用該燃料電池系統(tǒng)，雖然高溫的重整氣體被送入變換反應(yīng)器，但是變換反應(yīng)器也可被供給至部分氧化重整器的氧化劑氣體所冷卻，因而能夠高效地進(jìn)行變換反應(yīng)器中的變換反應(yīng)。由此，燃料氣體中的一氧化碳濃度被更有效地降低，可更確實(shí)地防止燃料電池組內(nèi)的碳析出。

另外，這樣的燃料電池系統(tǒng)也可以為如下構(gòu)成：上述部分氧化重整器與上述變換反應(yīng)器一體地形成。

若利用該燃料電池系統(tǒng)，能夠使系統(tǒng)小型化。

另外，這樣的燃料電池系統(tǒng)也可以為如下構(gòu)成：其具備使上述燃料電池組的上述排氣中包含的未反應(yīng)的上述氫進(jìn)行燃燒的燃燒器，上述排氣回流配管將上述燃燒器的排氣中包含的上述水蒸氣供給至上述變換反應(yīng)器。

在該燃料電池系統(tǒng)中，例如在預(yù)熱時(shí)這樣的燃料電池組中的發(fā)電開始前，也可以將水蒸氣供給至變換反應(yīng)器。由此，可更高效地防止燃料電池組內(nèi)的碳析出。

發(fā)明的效果

根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種燃料電池系統(tǒng)，其可防止供給重整氣體的燃料電池組內(nèi)的碳析出。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的外觀立體圖。

圖2是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成說(shuō)明圖。

圖3是第1實(shí)施方式的變形例中使用的部分氧化重整器和變換反應(yīng)器的構(gòu)成說(shuō)明圖。

圖4是本發(fā)明的第2實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成說(shuō)明圖。

圖5是本發(fā)明的第3實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成說(shuō)明圖。

圖6是本發(fā)明的第4實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成說(shuō)明圖。

圖7是本發(fā)明的第5實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成說(shuō)明圖。

圖8是本發(fā)明的第6實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成說(shuō)明圖。

圖9是示出在本發(fā)明的第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)中將回收率設(shè)定為20％、30％和40％時(shí)的碳析出起始溫度的曲線圖。

圖10是示出在本發(fā)明的第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)中將回收率設(shè)定為10％、20％和30％時(shí)的發(fā)電效率的曲線圖。

圖11是在本發(fā)明的第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)中示出變換反應(yīng)器的溫度與變換反應(yīng)后的一氧化碳濃度和氫濃度的關(guān)系的曲線圖。

具體實(shí)施方式

接著，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具備部分氧化重整器作為對(duì)于燃料電池組的燃料氣體的供給裝置。以下，作為本發(fā)明的實(shí)施方式，以具備將固體氧化物型燃料電池(sofc：solidoxidefuelcell)層積兩個(gè)以上而成的燃料電池組的固定用的燃料電池系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明。

(第1實(shí)施方式)

圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a的外觀立體圖，圖2是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a的構(gòu)成說(shuō)明圖。需要說(shuō)明的是，在圖1中，燃料電池組20用假想線(虛線)表示。

如圖1和圖2所示，燃料電池系統(tǒng)10a具備平板層積型燃料電池組20、部分氧化重整器22、變換反應(yīng)器23、燃燒器25、熱交換器24、排氣回流配管p6(參見(jiàn)圖2)、和控制部29(參見(jiàn)圖2)。

燃料電池組20具備利用后述燃料氣體中的氫與氧化劑氣體中的氧的電化學(xué)反應(yīng)而進(jìn)行發(fā)電的平板狀的固體氧化物型燃料電池30。

需要說(shuō)明的是，如后所述，本實(shí)施方式中的燃料氣體是包含部分氧化重整器22和變換反應(yīng)器23中生成的氫的混合氣體，氧化劑氣體為空氣。

本實(shí)施方式中的燃料電池30(參見(jiàn)圖1)在垂直方向vt(參見(jiàn)圖1)進(jìn)行層積。在燃料電池30的層積方向的兩端配置有端板(省略圖示)。

燃料電池30例如具備電解質(zhì)-電極接合體(mea)，在該接合體中，在由穩(wěn)定化氧化鋯等氧化物離子導(dǎo)電體構(gòu)成的電解質(zhì)的兩面設(shè)有陰極和陽(yáng)極。

雖然省略了圖示，但在該電解質(zhì)-電極接合體的兩側(cè)配設(shè)有陰極側(cè)隔膜和陽(yáng)極側(cè)隔膜。在陰極側(cè)隔膜形成有向陰極供給氧化劑氣體的氧化劑氣體流道，并且，在陽(yáng)極側(cè)隔膜形成有向陽(yáng)極供給燃料氣體的燃料氣體流道。

燃料電池30的工作溫度為幾百℃的高溫，如上所述，通過(guò)供給至陽(yáng)極的氫與供給至陰極的氧所產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)而進(jìn)行發(fā)電。具體而言，在供給氧的陰極進(jìn)行下述式(4)的電極反應(yīng)。

1/2o2+2e^-→o^2-…式(4)

另外，在陽(yáng)極，通過(guò)所供給的氫與從陰極側(cè)轉(zhuǎn)移的o^2-，從而進(jìn)行下述式(5)的電極反應(yīng)。

h2+o^2-→h2o+2e^-…式(5)

從燃料電池組20排出的燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)和氧化劑排氣被送出至后述的燃燒器25。

需要說(shuō)明的是，在陽(yáng)極生成的水蒸氣(h2o)成為燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)的構(gòu)成成分。在該燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)中，除了該水蒸氣以外，還包含在后述的部分氧化重整器22和變換反應(yīng)器23中生成的氫(電化學(xué)反應(yīng)后的未反應(yīng)的氫)、二氧化碳、一氧化碳、未重整的烴等。

在氧化劑排氣中，包含作為氧化劑氣體所供給的空氣中所含的氮、未反應(yīng)的氧等。

圖2中，符號(hào)t1是檢測(cè)燃料電池組20的溫度的溫度傳感器。另外，雖未進(jìn)行圖示，但燃料電池組20中也可以設(shè)置輔助燃料電池組20預(yù)熱的組用加熱器。

部分氧化重整器22為如下構(gòu)成：使包含烴的原燃料作為反應(yīng)成分，進(jìn)行下述式(6)所示的部分氧化反應(yīng)，生成重整氣體(co+h2)，將該重整氣體送出至變換反應(yīng)器23。

-ch2-+1/2o2→co+h2…式(6)

作為用于部分氧化重整器22的部分氧化反應(yīng)催化劑，例如可以舉出pt、rh、pd等。作為部分氧化重整器22的溫度，優(yōu)選為約500℃～1000℃左右。

本實(shí)施方式中的原燃料例如假定了13a等主要包含甲烷的家用煤氣、主要包含丙烷的lpg等。

本實(shí)施方式中用于部分氧化反應(yīng)的氧(o2)利用從后述的氧化劑氣體供給配管p3分支的特定配管(省略圖示)進(jìn)行供給，該氧化劑氣體供給配管p3向燃料電池組20供給氧化劑氣體。

原燃料藉由噴射器60被供給至部分氧化重整器22。需要說(shuō)明的是，該噴射器60設(shè)置于將未圖示的原燃料泵與部分氧化重整器22連接的原燃料供給配管p5。該噴射器60連接有后述的排氣回流配管p6。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施方式中的噴射器60具有電磁針閥(省略圖示)。該電磁針閥藉由排氣回流配管p6對(duì)流入原燃料供給配管p5的后述的燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是，該燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)的流量調(diào)節(jié)也可以通過(guò)在排氣回流配管p6設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥(省略圖示)來(lái)進(jìn)行。

變換反應(yīng)器23為如下構(gòu)成：進(jìn)行使水蒸氣與部分氧化重整器22中生成的重整氣體中的一氧化碳反應(yīng)的下述式(7)的變換反應(yīng)，生成變換氣，將該變換氣送出至燃料電池組20(陽(yáng)極側(cè))。

co+h2o→co2+h2…式(7)

作為用于變換反應(yīng)器23的變換反應(yīng)催化劑，例如可以舉出cu-zn系催化劑、fe-cr系催化劑、pt系催化劑等。

作為變換反應(yīng)器23的溫度，優(yōu)選為約350℃～550℃左右。

圖2中，符號(hào)p1為將部分氧化重整器22與變換反應(yīng)器23連接的重整氣體供給配管，符號(hào)p2為將變換反應(yīng)器23與燃料電池組20(陽(yáng)極側(cè)入口)連接的燃料氣體供給配管。符號(hào)s1為設(shè)置于燃料氣體供給配管p2的一氧化碳濃度傳感器(下文中簡(jiǎn)稱為“co傳感器s1”)。

需要說(shuō)明的是，燃料氣體供給配管p2中流通混合氣體，該混合氣體除了包含變換反應(yīng)器23中生成的變換氣(co2+h2)和部分氧化重整器22中生成的氫(h2)以外，還包含變換反應(yīng)器23中未反應(yīng)的一氧化碳(co)、水蒸氣(h2o)、部分氧化重整器22中未重整的原燃料(烴)等微量成分。該混合氣體相當(dāng)于上述本實(shí)施方式中的燃料氣體。

co傳感器s1檢測(cè)該燃料氣體中的一氧化碳濃度(下文中簡(jiǎn)稱為“co濃度”)。

燃燒器25為使從燃料電池組20排出的燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)中包含的未反應(yīng)的氫進(jìn)行燃燒的構(gòu)成。另外，在燃燒器25中，在變換反應(yīng)器23中未完全變換為二氧化碳的一氧化碳、未重整的原燃料(烴)也進(jìn)行燃燒。在這些燃燒中利用從燃料電池組20供給至燃燒器25的氧化劑排氣。需要說(shuō)明的是，該氧化劑排氣中包含對(duì)于該燃燒足夠的量的氧。該燃燒器25的燃燒器排氣除了包含作為氫、一氧化碳的燃燒產(chǎn)物的水蒸氣、二氧化碳以外，還包含氧化劑排氣(空氣成分)。從燃燒器25排出的燃燒器排氣藉由以下說(shuō)明的熱交換器24被排出到燃料電池系統(tǒng)10a的體系外。

熱交換器24使從燃燒器25送出的燃燒器排氣與供給至燃料電池組20的氧化劑氣體進(jìn)行熱交換，使氧化劑氣體升溫。需要說(shuō)明的是，利用未圖示的空氣供給泵將大氣中的空氣作為氧化劑氣體送入熱交換器24。另外，在熱交換器24中進(jìn)行了熱交換的氧化劑氣體藉由氧化劑氣體供給配管p3被供給至燃料電池組20(陰極側(cè)入口)。

排氣回流配管p6從燃料電池組20的陽(yáng)極排出氣體出口配管p4分支，與噴射器60連接。該排氣回流配管p6將燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)的一部分藉由噴射器60送入原燃料供給配管p5，由此將燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)中包含的水蒸氣供給至變換反應(yīng)器23。通過(guò)該水蒸氣使上述變換反應(yīng)進(jìn)行。

圖2中，符號(hào)s2為設(shè)置于排氣回流配管p6的濕度傳感器。

控制部29是由cpu、存儲(chǔ)器等構(gòu)成的電子單元，利用cpu執(zhí)行保存于存儲(chǔ)器等存儲(chǔ)部的控制程序。

本實(shí)施方式中的控制部29利用co傳感器s1檢測(cè)燃料氣體中的co濃度，利用溫度傳感器t1檢測(cè)燃料電池組20的溫度，利用濕度傳感器s2檢測(cè)在排氣回流配管p6中流動(dòng)的燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)的濕度。如后所述，控制部29按照基于這些檢測(cè)值來(lái)控制在排氣回流配管p6中流動(dòng)的燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)的流量的方式而構(gòu)成。

接著，參照?qǐng)D2對(duì)本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a的工作和燃料電池系統(tǒng)10a所起到的作用效果進(jìn)行說(shuō)明。

在燃料電池系統(tǒng)10a啟動(dòng)時(shí)，利用省略了圖示的空氣供給泵將作為氧化劑氣體的空氣供給至氧化劑氣體供給配管p3。空氣的一部分也通過(guò)特定路徑被供給至部分氧化重整器22。

另外，原燃料從省略了圖示的原燃料供給泵被供給至噴射器60。噴射器60將特定流量的原燃料送入部分氧化重整器22。

在部分氧化重整器22中，利用原燃料中包含的烴和上述通過(guò)特定路徑送入的空氣中的氧使部分氧化反應(yīng)進(jìn)行，生成重整氣體。所生成的重整氣體因部分氧化反應(yīng)的反應(yīng)熱而為高溫。

配置于部分氧化重整器22的下游側(cè)的變換反應(yīng)器23、燃料電池組20由于重整氣體的流通而被升溫，進(jìn)行預(yù)熱。需要說(shuō)明的是，燃料電池組20的預(yù)熱也可以通過(guò)上述的組用加熱器(省略圖示)來(lái)進(jìn)行。

氧化劑氣體藉由氧化劑氣體供給配管p3被供給至燃料電池組20。在燃料電池組20的預(yù)熱完成前，供給至燃料電池組20的燃料氣體不被用于發(fā)電(未反應(yīng)的狀態(tài))，而與被供給至燃料電池組20的氧化劑氣體一起被送入燃燒器25而進(jìn)行燃燒。

從燃燒器25送出的燃燒器排氣被送入熱交換器24，與另行送入該熱交換器24的氧化劑氣體進(jìn)行熱交換。由此，在氧化劑氣體供給配管p3中流通的氧化劑氣體在被升溫為特定溫度后被供給至燃料電池組20。

控制部29在利用溫度傳感器t1判斷燃料電池組20的預(yù)熱已完成時(shí)，將燃料電池組20與例如二次電池等外部負(fù)荷進(jìn)行電連接。由此，燃料電池組20開始發(fā)電。在燃料電池組20的陰極和陽(yáng)極，上述電極反應(yīng)進(jìn)行。

另外，控制部29利用co傳感器s1監(jiān)視在燃料氣體供給配管p2中流通的燃料氣體中包含的co濃度。在co傳感器s1所檢測(cè)出的co濃度超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，控制部29判斷燃料電池組20有碳析出的可能。

另外，該閾值由對(duì)上述的co濃度與燃料電池組20中的碳析出的關(guān)系預(yù)先求出的圖來(lái)決定，控制部29通過(guò)參照存儲(chǔ)有這樣的圖的存儲(chǔ)器來(lái)進(jìn)行上述判斷。

控制部29判斷超過(guò)上述閾值時(shí)，對(duì)噴射器60中的上述電磁針閥(省略圖示)的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體而言，按照被供給至變換反應(yīng)器23的水蒸氣的量增大的方式打開電磁針閥(省略圖示)。

由此，可充分進(jìn)行變換反應(yīng)器23中的“co+h2o→co2+h2”所示的變換反應(yīng)，變換反應(yīng)器23內(nèi)的殘余的co被消耗。由此，被供給至燃料電池組20的燃料氣體中包含的co濃度降低，可避免燃料電池組20中的碳析出。

另外，在排氣回流配管p6中流通的燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)中包含的未反應(yīng)的氫、一氧化碳、未重整的原燃料等再次被供給至部分氧化重整器22、變換反應(yīng)器23，從而燃料電池組20的發(fā)電效率提高。

另外，控制部29利用溫度傳感器t1監(jiān)視根據(jù)發(fā)電量而變化的燃料電池組20的溫度。控制部29基于該燃料電池組20的溫度來(lái)運(yùn)算根據(jù)上述發(fā)電量所需要的燃料氣體量。該運(yùn)算通過(guò)參照存儲(chǔ)有對(duì)燃料電池組20的溫度與所需要的燃料氣體量的關(guān)系預(yù)先求出的圖的存儲(chǔ)器來(lái)進(jìn)行。

另外，控制部29對(duì)生成經(jīng)運(yùn)算得出的燃料氣體量時(shí)在變換反應(yīng)器23中所需要的水分量(水蒸氣量)進(jìn)行運(yùn)算。該運(yùn)算基于上述部分氧化反應(yīng)和變換反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量計(jì)算來(lái)進(jìn)行。

另一方面，控制部29利用濕度傳感器s2求出在排氣回流配管p6中流通的燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)的水分量。

基于該水分量，控制部29對(duì)排氣回流配管p6中的燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)的流量進(jìn)行運(yùn)算以確保變換反應(yīng)器23中所需要的上述水分量(水蒸氣量)。

控制部29按照達(dá)到經(jīng)運(yùn)算得出的排氣回流配管p6中的燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)的流量的方式打開噴射器60的電磁針閥(省略圖示)。

由此，可充分進(jìn)行變換反應(yīng)器23中的變換反應(yīng)，供給至燃料電池組20的燃料氣體中包含的co濃度降低，可避免燃料電池組20中的碳析出。

在本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a中，排氣回流配管p6的燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)的流量q2相對(duì)于從燃料電池組20排出的陽(yáng)極排出氣體的流量q1的百分率(100q2/q1)、即回收率優(yōu)選設(shè)定為10％～30％左右。

需要說(shuō)明的是，如上所述，本實(shí)施方式中的燃料電池組20的由控制部29所進(jìn)行的發(fā)電量的運(yùn)算是基于燃料電池組20的溫度而進(jìn)行的，但也可以基于燃料電池組20的通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電流值或電壓值來(lái)進(jìn)行。

(第1實(shí)施方式的變形例)

圖3是第1實(shí)施方式的變形例中使用的部分氧化重整器22和變換反應(yīng)器23的構(gòu)成說(shuō)明圖。

如圖1所示，部分氧化重整器22和變換反應(yīng)器23按照相互相鄰的方式進(jìn)行配置。

如圖3所示，對(duì)內(nèi)置部分氧化反應(yīng)催化劑22a的部分氧化重整器22如上所述供給原燃料和氧化劑氣體，生成重整氣體。該重整氣體藉由重整氣體供給配管p1被送入內(nèi)置變換反應(yīng)催化劑23b的變換反應(yīng)器23。在變換反應(yīng)器23中，如上所述進(jìn)行變換反應(yīng)，將生成的燃料氣體送出。

在該變形例中，向部分氧化重整器22供給氧化劑氣體的部分氧化用的氧化劑氣體供給流道p9(下文中稱為pox氧化劑氣體供給流道p9)按照在變換反應(yīng)器22內(nèi)與變換反應(yīng)催化劑23b發(fā)生熱接觸(能夠與變換反應(yīng)催化劑23b進(jìn)行熱交換)的方式進(jìn)行配置。具體而言，按照與內(nèi)置的變換反應(yīng)催化劑23b的外側(cè)相鄰的方式配置有pox氧化劑氣體供給流道p9。

即，在該變形例中，按照在pox氧化劑氣體供給流道p9中流通的氧化劑氣體(空氣)與變換反應(yīng)器23進(jìn)行熱交換而能夠?qū)⒆儞Q反應(yīng)器23冷卻的方式，接近變換反應(yīng)器23而配置有pox氧化劑氣體供給流道p9。

根據(jù)這樣的變形例，變換反應(yīng)催化劑23b被在pox氧化劑氣體供給流道p9中流通的部分氧化用氧化劑氣體所冷卻。優(yōu)選將變換反應(yīng)催化劑23b的溫度設(shè)定為350℃～550℃左右。由此，可高效地進(jìn)行變換反應(yīng)器23中的變換反應(yīng)。另外，部分氧化用氧化劑氣體通過(guò)與變換反應(yīng)催化劑23b的熱交換而升溫，之后被供給至部分氧化重整器22。由此，可高效地進(jìn)行部分氧化重整器22中的部分氧化反應(yīng)。與第1實(shí)施方式相比，可更有效地防止燃料電池組20中的碳析出。燃料電池組20的發(fā)電效率也進(jìn)一步提高。

(第2實(shí)施方式)

圖4是本發(fā)明的第2實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10b的構(gòu)成說(shuō)明圖。

本實(shí)施方式中，對(duì)于與上述第1實(shí)施方式相同的構(gòu)成要素附以相同符號(hào)，以省略詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖4所示，本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10b中，第1實(shí)施方式中的部分氧化重整器22(參見(jiàn)圖2)與變換反應(yīng)器23(參見(jiàn)圖2)一體地形成，構(gòu)成了部分氧化重整-變換反應(yīng)復(fù)合器26。

該部分氧化重整-變換反應(yīng)復(fù)合器26在一個(gè)殼體內(nèi)內(nèi)置有部分氧化反應(yīng)催化劑和變換反應(yīng)催化劑，省略了重整氣體供給配管p1(參見(jiàn)圖2)。

根據(jù)該第2實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10b，可起到與上述第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a同樣的上述作用效果，并且可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。

(第3實(shí)施方式)

圖5是本發(fā)明的第3實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10c的構(gòu)成說(shuō)明圖。

本實(shí)施方式中，對(duì)于與上述第1實(shí)施方式和第2實(shí)施方式相同的構(gòu)成要素附以相同符號(hào)，以省略詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖5所示，本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10c與第2實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10b(參見(jiàn)圖4)不同，與排氣回流配管p6(下文中有時(shí)稱為第1排氣回流配管)不同地另外設(shè)置有將從熱交換器24排出的燃燒器排氣送入噴射器60的排氣回流配管p7(下文中有時(shí)稱為第2排氣回流配管)。

圖5中，符號(hào)v1、v2是分別設(shè)于排氣回流配管p6、p7的電磁開閉閥。需要說(shuō)明的是，圖5中，用括號(hào)對(duì)燃燒器排氣所附加的“陽(yáng)極排出氣體”的文字是指在燃燒器排氣中包含陽(yáng)極排出氣體。

在第2實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10b(參見(jiàn)圖4)中，燃料電池組20(參見(jiàn)圖4)預(yù)熱時(shí)不進(jìn)行利用燃料電池組20的發(fā)電。即，不進(jìn)行包含水蒸氣的燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)向噴射器60的供給，因而變換反應(yīng)器23中的變換反應(yīng)不進(jìn)行，與預(yù)熱完成后相比一氧化碳(co)富集的燃料氣體被供給至燃料電池組20。

與此相對(duì)，本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10c中，如圖5所示，在燃料電池組20預(yù)熱時(shí)，包含水蒸氣的燃燒器排氣藉由排氣回流配管p7被供給至噴射器60。即，在燃料電池組20預(yù)熱時(shí)，也在部分氧化重整-變換反應(yīng)復(fù)合器26中進(jìn)行變換反應(yīng)。

另外，預(yù)熱完成后的燃料電池組20能夠進(jìn)行燃料電池組20的發(fā)電，可以將燃燒器25中產(chǎn)生的水蒸氣與包含陽(yáng)極排出氣體的水蒸氣兩者用于部分氧化重整-變換反應(yīng)復(fù)合器26中的變換反應(yīng)。

另外，在燃料電池系統(tǒng)10c中，控制部29也可以如下構(gòu)成：在燃料電池組20預(yù)熱時(shí)使電磁開閉閥v1為關(guān)閉狀態(tài)，使電磁開閉閥v2為打開狀態(tài)。并且，也可以如下構(gòu)成：在燃料電池組20預(yù)熱完成后，控制部29使電磁開閉閥v1為打開狀態(tài)，使電磁開閉閥v2為關(guān)閉狀態(tài)。即，該燃料電池系統(tǒng)10c可以為如下構(gòu)成：在燃料電池組20預(yù)熱時(shí)，將燃燒器排氣中包含的水蒸氣用于變換反應(yīng)，在燃料電池組20預(yù)熱完成后，將陽(yáng)極排出氣體中包含的水蒸氣用于變換反應(yīng)。

根據(jù)這樣的燃料電池系統(tǒng)10c，可起到與上述第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a同樣的上述作用效果，同時(shí)在燃料電池組20的預(yù)熱時(shí)也能夠降低燃料氣體中包含的co濃度，能夠更確實(shí)地防止燃料電池組20內(nèi)的碳析出。

(第4實(shí)施方式)

圖6是本發(fā)明的第4實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10d的構(gòu)成說(shuō)明圖。

本實(shí)施方式中，對(duì)于與上述第1實(shí)施方式至第3實(shí)施方式相同的構(gòu)成要素附以相同符號(hào)，以省略詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖6所示，本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10d與第3實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10c(參見(jiàn)圖5)不同，作為第2排氣回流配管的排氣回流配管p7在作為第1排氣回流配管的排氣回流配管p6的延伸途中匯合。并且，在該匯合位置配置有電磁流道切換閥v3。

本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10d中，控制部29如下構(gòu)成：按照在燃料電池組20預(yù)熱時(shí)燃燒器排氣流通至噴射器60的方式設(shè)定電磁流道切換閥v3，按照在燃料電池組20預(yù)熱完成后燃料排氣流通至噴射器60的方式設(shè)定電磁流道切換閥v3。需要說(shuō)明的是，圖6中，用括號(hào)對(duì)燃燒器排氣所附加的“陽(yáng)極排出氣體”的文字是指在燃燒器排氣中包含陽(yáng)極排出氣體。

根據(jù)這樣的燃料電池系統(tǒng)10c，可起到與上述第3實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10c同樣的上述作用效果，同時(shí)可以縮短排氣回流配管p7，并且可以將兩個(gè)電磁開閉閥v1、v2替換為單一的電磁流道切換閥v3，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的小型化。

(第5實(shí)施方式)

圖7是本發(fā)明的第5實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10e的構(gòu)成說(shuō)明圖。

本實(shí)施方式中，對(duì)于與上述第1實(shí)施方式至第4實(shí)施方式相同的構(gòu)成要素附以相同符號(hào)，以省略詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖7所示，本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10e與第4實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10d(參見(jiàn)圖6)不同，為將部分氧化重整-變換反應(yīng)復(fù)合器26(參見(jiàn)圖6)分離成部分氧化重整器22和變換反應(yīng)器23的構(gòu)成。另外，燃料電池系統(tǒng)10e與第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a(參見(jiàn)圖2)不同，在部分氧化重整器22與變換反應(yīng)器23之間配置了噴射器60。需要說(shuō)明的是，圖7中，用括號(hào)對(duì)燃燒器排氣所附加的“陽(yáng)極排出氣體”的文字是指在燃燒器排氣中包含陽(yáng)極排出氣體。

在該燃料電池系統(tǒng)10e中，能夠?qū)魵獾娜紵髋艢饣蛉剂吓艢馑腿刖o挨變換反應(yīng)器23的上游側(cè)。

根據(jù)該燃料電池系統(tǒng)10e，可起到與第4實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10d同樣的效果，同時(shí)能夠直接送入水蒸氣相關(guān)的變換反應(yīng)器23，因而可更高效地進(jìn)行變換反應(yīng)。由此，可以更確實(shí)地降低燃料氣體中包含的co濃度，可以更確實(shí)地防止燃料電池組20內(nèi)的碳析出。

(第6實(shí)施方式)

圖8是本發(fā)明的第6實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10f的構(gòu)成說(shuō)明圖。

本實(shí)施方式中，對(duì)于與上述第1實(shí)施方式至第5實(shí)施方式相同的構(gòu)成要素附以相同符號(hào)，以省略詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖8所示，本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10f與第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a(參見(jiàn)圖2)不同，省略了變換反應(yīng)器23。

另外，燃料電池系統(tǒng)10f具備將包含由空氣成分構(gòu)成的氧化劑排氣的燃燒器排氣送入噴射器60的排氣回流配管p7。

該燃料電池系統(tǒng)10f中，與第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a同樣地，在co傳感器s1所檢測(cè)出的co濃度超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值的情況下，控制部29判斷燃料電池組20有碳析出的可能。

在控制部29判斷超過(guò)上述閾值的情況下，對(duì)噴射器60中的上述電磁針閥(省略圖示)的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體而言，按照被供給至燃料電池組的燃料氣體中包含的co濃度降低的方式，將燃燒器排氣送入噴射器60。這樣，通過(guò)燃料氣體中包含的co濃度降低，從而可避免燃料電池組20中的碳析出。

以上，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明不限定于上述實(shí)施方式，可以在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變更。

上述實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a～10f假定了固定型的燃料電池系統(tǒng)，但也可以用于船舶等移動(dòng)體。

另外，上述實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a～10f假定了家用煤氣、lpg等包含烴的物質(zhì)作為原燃料，但也可以使用包含碳原子和氫原子并在特定溫度下可氣化的其它化合物(例如，醇等低分子量有機(jī)化合物)作為原燃料。

另外，上述實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a～10f假定了以固體氧化物型燃料電池作為構(gòu)成要素，但也可以以固體高分子型、熔融碳酸鹽型、磷酸型等的其它燃料電池作為構(gòu)成要素。該情況下，根據(jù)各種燃料電池的電極反應(yīng)，含水分的排出氣體被回流至變換反應(yīng)器。

實(shí)施例

接著，下面對(duì)驗(yàn)證本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中的作用效果的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。

該實(shí)施例中，對(duì)第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a(參見(jiàn)圖2)的燃料電池組20中的碳析出起始溫度進(jìn)行驗(yàn)證。

該實(shí)施例中，將排氣回流配管p6的燃料排氣(陽(yáng)極排出氣體)的流量q2相對(duì)于從燃料電池組20排出的陽(yáng)極排出氣體的流量q1的百分率(100q2/q1)所規(guī)定的回收率設(shè)定為20％、30％和40％。并且，進(jìn)行各回收率下的碳析出的化學(xué)平衡計(jì)算，計(jì)算出各回收率下的碳析出起始溫度。

將其結(jié)果示于圖9。圖9是示出將回收率設(shè)定為20％、30％和40％時(shí)的碳析出起始溫度t20、t30、t40的曲線圖。曲線圖的縱軸為碳摩爾分?jǐn)?shù)，橫軸為反應(yīng)溫度。

如圖9所示，隨著回收率向20％、30％和40％增加，確認(rèn)到碳析出起始溫度向t20℃、t30℃、和t40℃降低。即，驗(yàn)證了：在第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a(參見(jiàn)圖2)中，回收率越增加，則可在越低的溫度下不使碳析出至燃料電池組20而進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

另外，該實(shí)施例中，在第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a(參見(jiàn)圖2)中，計(jì)算出將回收率分別設(shè)定為10％、20％和30％時(shí)的燃料電池組20的發(fā)電效率。

將其結(jié)果示于圖10。圖10是示出將回收率設(shè)定為10％、20％和30％時(shí)的發(fā)電效率的曲線圖。曲線圖的縱軸為燃料電池組20的發(fā)電效率，橫軸為燃料氣體的利用率。

如圖10所示，隨著回收率向10％、20％和30％增加，確認(rèn)到發(fā)電效率增加。

另外，該實(shí)施例中，對(duì)第1實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10a(參見(jiàn)圖2)的變換反應(yīng)器23(參見(jiàn)圖2)中的變換反應(yīng)的溫度依賴性進(jìn)行了驗(yàn)證。具體而言，計(jì)算出變換反應(yīng)器23(參見(jiàn)圖2)中的溫度、和該變換反應(yīng)器23中的變換反應(yīng)后的co濃度與氫濃度。

將其結(jié)果示于圖11。圖11是示出變換反應(yīng)器23的溫度與變換反應(yīng)后的co濃度和氫濃度的關(guān)系的曲線圖。曲線圖的左縱軸為co濃度[％]，曲線圖的右縱軸為氫(h2)濃度[％]。另外，圖11中用虛線示出了變換反應(yīng)前的co濃度和氫(h2)濃度。

如圖11所示，變換反應(yīng)后的氫(h2)濃度具有隨著變換反應(yīng)器23的溫度上升而上升的趨勢(shì)。因此，若僅著眼于供給至燃料電池組20的氫(h2)濃度，則變換反應(yīng)器23的溫度越高越好。

另一方面，可知：關(guān)于變換反應(yīng)后的co濃度，至特定溫度為止，隨著變換反應(yīng)器23的溫度上升而降低，但是若超過(guò)該特定的溫度，則反而會(huì)上升。另外確認(rèn)到，若考慮可防止燃料電池組20中的碳析出的燃料氣體中的co濃度，則變換反應(yīng)器23的溫度優(yōu)選為350℃至550℃的范圍。

符號(hào)說(shuō)明

10a～10f燃料電池系統(tǒng)

20燃料電池組

22部分氧化重整器

23變換反應(yīng)器

24熱交換器

25燃燒器

29控制部

30燃料電池

50原燃料供給配管

60噴射器

p1重整氣體供給配管

p2燃料氣體供給配管

p3氧化劑氣體供給配管

p4陽(yáng)極排出氣體出口配管

p5原燃料供給配管

p6排氣回流配管(第1排氣回流配管)

p7排氣回流配管(第2排氣回流配管)

p9氧化劑氣體供給流道(氧化劑氣體供給流道)

s1一氧化碳濃度傳感器

s2濕度傳感器

t1溫度傳感器