燃料电池系统技术方案

一种燃料电池系统，至少具备：被供给原料并生成含氢的燃料气体的氢生成装置（４）；被供给在所述氢生成装置生成的所述燃料气体并利用被供给的热能以及排放气体来加湿该燃料气体的加湿器（５）；以及被供给在所述加湿器被加湿的所述燃料气体且被供给氧化剂气体，并且一边排出所述热能以及排放气体，一边进行发电的燃料电池（８），还具备，通过与冷却介质进行热交换而冷却从所述燃料电池排出的排放气体所具有的水蒸气，从而将其变换为凝结水，并向所述加湿器供给该凝结水以进行加湿的凝结器（６）。由此，提供一种耐久性以及可靠性优异且廉价的燃料电池系统，该燃料电池系统不必配置特别的专用辅助机器，能够通过使用加湿器的简易的构成而充分且切实地加湿向固体高分子型燃料电池供给的燃料气体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种具备使用燃料气体和氧化剂气体进行发电的固体 高分子型燃料电池的燃料电池系统。
技术介绍
一直以来，作为能够有效地利用能源的分散型发电装置，发电效 率以及综合效率均很高的燃料电池热电联产系统(以下简称为"燃料 电池系统") 一直被瞩目。该燃料电池系统分别具备作为发电部的本体 的构成要素，即燃料电池，以及除了该燃料电池之外的附加的构成要 素。通常将具备这些各种构成要素的发电装置的全体统称为燃料电池 系统。燃料电池系统，具备作为发电部的本体的构成要素，即层叠型燃 料电池(通常称为"电池堆"，以下简称为"燃料电池")。在该燃料电 池中，层叠了规定个数的单电池(通常称为"单元")。该燃料电池， 例如可列举出磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、碱性水溶液 型燃料电池、固体高分子型燃料电池、或者固体电解质型燃料电池等。 在这些燃料电池中，由于磷酸型燃料电池和固体高分子型燃料电池(简称PEFC)的发电运转时的工作温度比其它的燃料电池的工作温度低， 因而多被用作构成燃料电池系统的燃料电池。特别是固体高分子型燃 料电池，与磷酸型燃料电池相比，其电极催化剂的劣化较小且电解质 不发生流失，因而特别适用于便携电子仪器和电动车等的用途。固体高分子型燃料电池在发电运转的时候使用氢。但是，该氢的 供给设备作为一种基础设施通常却没有配备。所以，为了通过具备固 体高分子型燃料电池的燃料电池系统来得到规定的电力，必须在该燃 料电池系统的安置场所生成氢。因此，在现有的燃料电池系统中，多 将氢生成装置与燃料电池一起设置。在该氢生成装置中，使用天然气、 丙烷气体、石脑油、汽油以及煤油等烃类原料，或者甲醇等醇类原料和水，通过例如水蒸汽重整反应来生成含氢的燃料气体。通过被分别供给该燃料气体中所含有的氢和空气等的氧化剂气体中所含有的氧，固体高分子型燃料电池输出规定的电力。然而，在具备固体高分子型燃料电池的燃料电池系统中，在其发 电运转时，向固体高分子型燃料电池分别供给以具有规定的露点的方 式被加湿的燃料气体和氧化剂气体。特别是在考虑到固体高分子型燃 料电池的寿命的情况下，优选向固体高分子型燃料电池分别供给以具 有比该固体高分子型燃料电池中的燃料气体以及氧化剂气体最初被导 入的规定的区域的温度高的露点的方式被加湿的燃料气体以及氧化剂 气体。这样，通过供给以具有规定的露点的方式被加湿的燃料气体以 及氧化剂气体、或者以具有比规定的区域的温度高的露点的方式被加 湿的燃料气体以及氧化剂气体，从而在燃料电池系统中恰当地进行固 体高分子型燃料电池的发电运转。通常，在被设计成从固体高分子型燃料电池排出的氧化剂气体(以 下简称为"排出气体")具有充分的排气焓的燃料电池系统中，通过与 全热交换器中的排出气体进行全热交换，从而容易且切实地将供给至 固体高分子型燃料电池的氧化剂气体加湿至规定的露点。另一方面，在具备氢生成装置的燃料电池系统中，由于在进行水 蒸汽重整反应时，所添加的水的一部分作为水蒸汽残留在燃料气体中， 因而从氢生成装置排出的燃料气体被自动加湿至某种程度。所以，只 要氢生成装置的运转条件和固体高分子型燃料电池的运转条件适合， 就可以不设置另外的加湿器，直接向固体高分子型燃料电池供给在氢 生成装置生成的燃料气体。但是，为了水蒸汽重整反应的高效率化， 优选在不诱发碳析出的范围内减少水的添加量，由此降低从水蒸汽重 整反应的反应系统中被夺取的气化潜热。在这种情况下，由于水的添 加量被减少，因而无论固体高分子型燃料电池的运转条件如何， 一定 将产生在氢生成装置中燃料气体不被加湿至规定的露点的情况。因此， 在具备氢生成装置的燃料电池系统中，通常另外设置用于将燃料气体 切实地加湿至规定的露点的加湿器。通过该加湿器，在燃料电池系统 中将在氢生成装置生成的燃料气体切实地加湿至规定的露点。然而，在具备氢生成装置的燃料电池系统中，与加湿氧化剂气体的构成相同，向全热交换器供给从固体高分子型燃料电池排出的燃料 气体(以下简称为"排放气体")，通过全热交换将在氢生成装置生成 的燃料气体加湿至规定的露点是即使在排放气体具有充分的排气烚的 情况下也非常困难的。其理由是，因为如果将发电运转时从固体高分 子型燃料电池排出的排放气体以及排出气体各自的流量相比较，则排 放气体的流量显著地小于排出气体的流量。具体而言， 一般的固体高分子型燃料电池的工作温度为60 8(TC左右，特别是在热电联产用途的情况下，通常对于向固体高分子型燃 料电池供给的冷却水的供给量进行控制，使得向固体高分子型燃料电池供给的冷却水的温度和从其排出的冷却水的温度的温度差为l(TC左 右。在此情况下，如果假定固体高分子型燃料电池中的氧利用率(简 称Uo)为50%，则从固体高分子型燃料电池排出的排出气体的摩尔流 量为供给的氧化剂气体的摩尔流量的90%。即，在氧化剂气体的加湿 工艺中，向全热交换器供给足够的温度以及流量的排出气体。所以， 在从固体高分子型燃料电池排出的排出气体的温度例如为7(TC的情况 下，利用该7(TC的温度的排出气体，通过全热交换将氧化剂气体的露 点调整到6(TC是可以通过使用经过恰当设计的全热交换器来容易且可 靠地达成的。但是，如上所述，使用排放气体并通过全热交换将燃料气体加湿 至规定的露点是非常困难的。其理由为，由于通常在氢生成装置生成 的燃料气体是氢和二氧化碳的比例为8比2左右的混合气体，而另一 方面，固体高分子型燃料电池中的燃料利用率(简称Uf)为80%左右， 因而从固体高分子型燃料电池排出的排放气体的摩尔流量为向其供给 的燃料气体的摩尔流量的40%左右。即，在燃料气体的加湿工艺中， 不向全热交换器供给充分的流量的排放气体(充分的热量)。所以，燃 料气体没有被充分地加热。因此，即使从固体高分子型燃料电池排出 的排放气体的温度为70°C ，利用该70°C的温度的排放气体并通过全热 交换将燃料气体的露点调整到6(TC是即使使用经过恰当设计的全热交 换器也非常困难的。因此，有人提出了一种将从燃料电池排出的温度上升的冷却水作为热源使用，加湿燃料气体的燃料电池系统，以代替将排放气体作为 热源使用，加湿燃料气体的构成(例如，参照专利文献l)。在目前的提案中，从燃料电池排出的温度上升的冷却水在加湿燃 料气体时被作为热源使用。具体而言，在向加湿器供给从燃料电池排 出的温度上升的冷却水的同时，向该加湿器供给从该燃料电池排出的 排放气体。由此，在加湿器中，由于在氢生成装置生成的燃料气体被 充分地加热的同时，供给的排放气体被充分地加热，因而燃料气体被 充分地加湿。以下，大致说明将从燃料电池排出的温度上升的冷却水作为热源 使用，加湿燃料气体的燃料电池系统的构成。图9是模式性地示意将从燃料电池排出的温度上升的冷却水作为 热源使用，加湿燃料气体的现有的固定发电用的燃料电池系统的典型 构成的一部分的方框图。另外，在图9中，各个具有箭头的实线分别 表示燃料电池系统中的各构成要素间的连接状态，以及发电运转中的 燃料气体、氧化剂气体、 一次冷却水、二次冷却水的流通方向。如图9所示，现有的燃料电池系统500包括氧化剂气体给排系统、 燃料气体给排系统、以及燃料电池107。该氧化剂气体给排系统包括鼓 风机IOI本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，其特征在于：　至少具备：　被供给原料并生成含氢的燃料气体的氢生成装置；　被供给在所述氢生成装置生成的所述燃料气体并利用被供给的热能以及排放气体来加湿该燃料气体的加湿器；以及　被供给在所述加湿器被加湿 的所述燃料气体且被供给氧化剂气体，并且一边排出所述热能以及排放气体，一边进行发电的燃料电池，　还具备凝结器，在该凝结器中，从所述燃料电池排出的排放气体所具有的水蒸汽通过与冷却介质进行热交换而被冷却，从而变换为凝结水，并向所述加湿器供给 该凝结水以进行所述加湿。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：小林晋，波多野进，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]