燃料电池热电联产系统、开始燃料电池热电联产系统的操作的方法以及操作燃料电池热电联产系统的方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池热电联产系统、开始燃料电池热电联产系统的操作的方法和操作该燃料电池热电联产系统的方法，该燃料电池热电联产系统包括用于通过燃料气体和含氧气体的电化反应而产生电力的燃料电池模块。

背景技术

一般来说，固体氧化物燃料电池(SOFC)采用固体电解质。固体电解质是氧化物离子导体如稳定的氧化锆。固体电解质插设在阳极和阴极之间以形成电解质电极组件(以下也称为MFA)。该电解质电极组件被夹在分离器(双极板)之间。在这种燃料电池的使用当中，通常将预定数量的电解质电极组件和分离器堆叠在一起以形成适合于燃料电池模块的燃料电池堆。

SOFC以相对较高温度操作。在发电反应中消耗的包含燃料气体和含氧气体的排气也具有高温。因此，期望实现排气的有效利用。

例如，已经采用了具有用于在来自SOFC的排气和水之间进行热交换的热交换器以及存储水的热水箱的系统。热水箱中的水通过热交换而被加热以产生具有预定温度的热水。该热水被供应至热水系统或加热系统供家庭使用。即，这些系统是燃料电池热电联产系统。

在燃料电池中，在开始燃料电池的操作之后使燃料电池变热到期望操作温度花费相当长的时间。例如，在以较低温度诸如低于凝固点等以下的温度开始燃料的操作的情况下或者在使用具有高操作温度的SOFC的情况下，开始燃料电池的操作所需的启动时间非常长。

在这方面，例如，已知在日本特开专利公报No.2006-179198(以下称为传统技术)中公开了一种燃料电池系统。在该传统技术中，在开始操作时，冷却剂流过旁路通道。然后，开始燃料电池堆的发电。另外，开始加热设备的操作以由此将绕过燃料电池循环的冷却剂加热。当冷却剂的温度达到预定温度或更高时，将冷却剂的流动切换到穿过燃料电池堆的通道。

根据该公开，在该结构中，可以防止冷的冷却剂流入燃料电池堆，从而方便燃料电池堆通过发电而自我加热。另外，根据该公开，旁路通道和旁路通道内的冷却剂与燃料电池堆自身以及燃料电池堆内的冷却剂相比具有较小的热容量，因此，即使使用具有小的热容量的加热装置，也能够在相对较短的时间段内对旁路通道和旁路通路内的冷却剂进行加热。

发明内容

然而，在上述传统技术中，由于冷却剂被加热到预定温度，因此特别是无法将在高温操作的SOFC迅速加热到期望温度。

为了解决这种类型的问题而作出了本发明，并且本发明的目的是提供一种燃料电池热电联产系统、开始该燃料电池热电联产系统的操作的方法和操作该燃料电池热电联产系统的方法，其中可以适当地缩短启动时间，并且经济地执行高效的发电操作。

根据本发明的燃料电池热电联产系统包括燃料电池模块、热交换器、热水箱、循环水通道和含氧气体供应通道。所述燃料电池模块通过燃料气体和含氧气体的电化学反应而产生电力。所述热交换器通过与从所述燃料电池模块排出的废热进行热交换而对水进行加热以由此产生热水。所述热水箱排出水并存储热水。循环水通道将从所述热水箱排出的水送到所述热交换器，并使在所述热交换器中获得的热水返回到所述热水箱。所述含氧气体供应通道将含氧气体供应至所述燃料电池模块。

所述燃料电池热电联产系统进一步包括设置在所述循环水通道上并且被构造将水加热的循环水加热器。另外，所述含氧气体供应通道的部分设置在所述循环水加热器中，以允许流过所述含氧气体供应通道的含氧气体通过从所述循环水加热器接收热而被加热。

另外，根据本发明，提供了一种开始燃料电池热电联产系统的操作的方法和操作该燃料电池热电联产系统的方法。

该燃料电池热电联产系统包括燃料电池模块、蒸汽重整器、重整水腔室、热交换器、热水箱、循环水通道、循环水加热器、含氧气体供应通道和旁路通道。

在开始所述燃料电池热电联产系统的操作的方法中，如果确定所述燃料电池模块的操作已经开始，则确定所述燃料电池热电联产系统的内部温度是否在预定温度以下。然后，如果确定所述重整水腔室的内部温度在所述预定温度以下，则开启所述循环水加热器，并且向所述含氧气体供应通道打开所述旁路通道(使所述旁路通道与所述含氧气体供应通道连通)。如果确定所述重整水腔室的温度不在所述预定温度以下，则开启所述循环水加热器，并且相对于所述含氧气体供应通道而言关闭所述旁路通道(将所述旁路通道从所述含氧气体供应通道断开)。

另外，在根据本发明的操作方法中，如果确定所述燃料电池模块处于稳定操作状态，则确定所述燃料电池热电联产系统的内部温度是否在预定温度以下。如果确定所述燃料电池热电联产系统的内部温度在所述预定温度以下，则开启所述循环水加热器，并且向所述含氧气体供应通道打开所述旁路通道。

在本发明中，流过所述含氧气体供应通道的含氧气体通过从所述循环水加热器接收热而被加热。因此，被加热的含氧气体能够对所述燃料电池模块进行加热。因而，可以适当地减少开始所述燃料电池模块的操作所需的时间。另外，所述含氧气体能够由用于加热循环水的循环水加热器加热，因此无需用于含氧气体的专用加热设备。因而，燃料电池热电联产系统能够经济地进行高效的发电操作。

另外，在本发明中，在开始低温操作时，被加热的含氧气体能够流过低温的重整水腔室，从而可以防止重整水的冻结。另外，流过循环水通道的水由循环水加热器加热，并且热水箱能够存储热水。

另外，在本发明中，在低温操作过程中，被加热的含氧气体能够流过低温的重整水腔室，从而可以防止重整水的冻结。而且，流过循环水通道的水由循环加热器加热，并且热水箱能够存储热水。

附图说明

当结合附图理解如下描述时，本发明的以上和其它目的、特征和优点将变得更清楚，在这些附图中通过例示性实施例的方式示出了本发明的优选实施方式。

图1是示意性示出了根据本发明的一个实施方式的燃料电池热电联产系统的结构的图；

图2是示出了开始燃料电池热电联产系统的操作的方法(启动方法)以及操作该燃料电池热电联产系统的方法(操作方法)的流程图；

图3是图示在低温开始操作的说明图；

图4是图示在正常温度开始操作的说明图；

图5是图示在低温操作的说明书；

图6是图示在热水箱存储热水的情况下在正常温度操作的说明图；以及

图7是图示在热水箱没有存储热水的情况下在正常温度操作的说明图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的一个实施方式的燃料电池热电联产系统10包括燃料电池模块12、热交换器14、热水箱16、循环水通道18和含氧气体供应通道20。

燃料电池模块12包括燃料电池堆22、蒸汽重整器24和蒸发器26。燃料电池堆22通过堆叠多个燃料电池而形成，所述燃料电池用于通过燃料气体(氢气、甲烷和一氧化碳的混合气体)和含氧气体(空气)的电化学反应而产生电力。该燃料电池是包括电解质电极组件(MEA)的固体氧化物燃料电池(SOFC)。该电解质电极组件包括阴极、阳极和插设在阴极和阳极之间的电解质。例如，电解质是氧化物离子导体如稳定的氧化锆。

蒸汽重整器24对主要含有碳氢化合物和水蒸气的原燃料(例如，城市气体)的混合气体进行蒸汽重整以由此产生燃料气体并将该燃料气体供应至燃料电池堆22。蒸发器26将重整水蒸发，并将水蒸气供应之蒸汽重整器24。

蒸发器26通过重整水循环通道28连接至重整水泵30、重整水箱32和离子交换器34。重整水泵30、重整水箱32和离子交换器34容纳在重整水腔室36内。

热交换器14设置在循环水通道18中。热交换器14通过与从燃料电池模块12通过排气通道38排出的排气(消耗的燃料气体和含有气体)的排气热进行热交换而将水加热，以由此产生热水。热水箱16设置在循环水通道18中。热水箱16将水排放到循环水通道18，并且存储热水。应该注意，来此外部的水被供应(补充)到热水箱16。

循环水通道18将从热水箱16排出的水送到热交换器14，并且使在热交换器14中获得的热水返回到热水箱16。尽管没有示出，热水箱16将热水供应至热水供应系统或加热系统以供家庭使用。

用于加热水的循环水加热器40和用于循环水(和热水)的循环水泵42设置在循环水通道18中。含氧气体供应通道20的部分20a设置在循环水加热器40中，以允许流过含氧气体供应通道20的含氧气体通过从循环水加热器40接收热而被加热。

含氧气体供应通道20将含氧气体(空气)供应到燃料电池模块12。含氧气体供应通道20包括旁路通道44，该旁路通道44在设置在含氧气体供应通道20中的中途的分叉点DP处从含氧气体供应通道20分叉，延伸穿过重整水腔室36，然后在汇合点MP处与含氧气体供应通道20汇合。用于允许含氧气体被供应至旁路通道44的三通阀(开关阀)46设置在分叉点DP处。用于防止含氧气体从含氧气体供应通道20向回回流到旁路通道44的止回阀48设置在汇合点MP附近。

在含氧气体供应通道20中，空气过滤器50、流量计52和空气泵54以上述顺序朝向燃料电池模块12设置在汇合点MP的下游。

燃料电池热电联产系统10连接至系统电源56，并且包括用于控制电力的电气设备单元(PCS)58。该电气设备单元58包括用于通过风扇60的操作将外部空气吸入电器设备单元58内的进气端口62以及用于通过含氧气体供应通道20将吸入到电气设备单元58内的空气供应到燃料电池模块12的电气设备单元侧含氧气体供应通道64。

电气设备单元侧含氧气体供应通道64在空气过滤器50上游的位置连接至含氧气体供应通道20。应该注意，电气设备单元侧含氧气体供应通道64可以与含氧气体供应通道20独立地(分开地)连接至燃料电池模块12以将空气(含氧气体)供应至燃料电池模块12。

燃料电池热电联产系统10包括控制单元66。控制单元66控制整个燃料电池热电联产系统10，并且该控制单元66连接至电气设备单元58、三通阀46和温度传感器68。温度传感器68检测燃料电池热电联产系统10的内部温度，特别是重整水腔室36的内部温度。

下面将参照图2所示的流程图关于开始燃料电池热电联产系统10的操作的方法(启动方法)以及操作燃料电池热电联产系统10的方法(操作方法)描述该燃料电池热电联产系统10的操作。

首先，在步骤S1中，确定燃料电池模块12的操作是否已经开始。如果确定燃料电池模块12的操作已经开始(在步骤S1中为“是”)，则程序继续至步骤S2以确定重整水腔室36的内部温度是否在预定温度T℃(例如5℃)以下。

如果确定重整水腔室36的内部温度在预定温度T℃以下(在步骤S2中为“是”)，则程序继续至步骤S3和步骤S4。在步骤S3中，循环水加热器40开启。在步骤S4中，操作三通阀46以允许含氧气体供应通道20连接至旁路通道44(即，将旁路通道44打开至含氧气体供应通道20)。步骤S3和步骤S4可以同时进行。另选地，步骤S3的过程和步骤S4的过程可以切换。

如图3中所示，电气设备单元58通过从系统电源56供应的电力进行操作，并且电气设备单元58操作循环水加热器40。电力从电气设备单元58供应至控制单元66，并且控制单元66基于来自温度传感器68的温度信号操作三通阀46。由此，循环通过循环水通道18的水和流过含氧气体供应通道20的空气被循环水加热器40加热。

在流过含氧气体供应通道20的空气被加热之后，通过三通阀46的操作，空气从旁路通道44流到重整水通道36内。空气流过重整水腔室36而对重整水泵30、重整水箱32和离子交换器34进行加热，之后空气从旁路通道44流过止回阀48，并且随后返回到含氧气体供应通道20。

在空气返回到含氧气体供应通道20之后，空气流过空气过滤器50、流量计52和空气泵54。然后，空气被供应到燃料电池模块12并对燃料电池模块12进行加热。

同时，在电气设备单元58中，从通过风扇60从进气端口62吸入的低温外部空气通过冷却电气设备单元58而被加热。来自电气设备单元侧含氧气体供应通道64的加热空气汇合到含氧气体供应通道20内。然后，该空气被供应至燃料电池模块12。

如图2所示，如果确定重整水腔室36的内部温度超过预定温度T℃(在步骤S2中为“否”)，则程序继续至步骤S5和S6。在步骤S5中，循环水加热器40被开启。在步骤S6中，操作三通阀46以将含氧气体供应通道20从旁路通道44断开(即，相对于含氧气体供应通道20而言关闭旁路通道44)。步骤S5和步骤S6可以同时进行。另选地，步骤S5的过程和步骤S6的过程可以切换。

如图4所示，循环通过循环水通道18的水和流过含氧气体供应通道20的空气通过循环水加热器40加热。加热空气流过含氧气体供应通道20，并且该空气流过空气过滤器50、流量计52和空气泵54。然后，该空气被供应到燃料电池模块12，并且将燃料电池模块12加热。同时，空气通过冷却电气设备单元58而被加热。加热空气汇合到含氧气体供应通道20，随后被供应到燃料电池模块12。

接下来，程序继续至步骤S7。确定燃料电池模块12是否处于操作准备状态，即，确定燃料电池模块12是否被加热到期望的能发电温度。如果确定燃料电池12处于操作准备状态(在步骤S7中为“是”)，则程序继续至步骤S8以开始稳定的操作。

在燃料电池模块12稳定操作时，例如，原燃料诸如城市气体(含有CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀)被供应至燃料电池模块12。通过重整水泵30的操作，重整水箱32中的重整水流过离子交换器34，并且从重整水循环通道28供应至蒸发器26。因而，获得了水蒸气。

在蒸汽重整器24中，对水蒸气和原燃料的混合气体进行蒸汽重整。结果，移除(重整)了C₂₊的碳化氢，并且获得了主要含有甲烷的重整气体(燃料气体)。该重整气体被供应至燃料电池堆22。因而，重整气体中的甲烷被重整而产生氢气，主要含有该氢气的燃料气体被供应至阳极(未示出)。

同时，供应到燃料电池模块12的空气流入燃料电池堆22，并且被供应至阴极(未示出)。因而，在燃料电池堆22中，通过燃料气体和空气的电化学反应，产生了电力。

然后，程序继续至步骤S9，以确定重整腔室36的内部温度是否在预定温度T℃(例如5℃)以下。如果确定重整水腔室36的内部温度在预定温度T℃以下(在步骤S9中为“是”)，则程序继续至步骤S10和S11。

在步骤S10中，循环水加热器40开启。在步骤S11中，三通阀46操作以允许含氧气体供应通道20连接至旁路通道44(即，向含氧气体供应通道20打开旁路通道44)。步骤S10和步骤S11可以同时执行。另选地，步骤S10中的过程和步骤S11中的过程可以切换。

如图5所示，由于操作燃料电池模块12，因此电力从该燃料电池模块12供应至电气设备单元58。同时，从系统电源56到电气设备单元58的电力供应停止。循环水加热器40通过从电气设备单元58供应至循环水加热器40的电力操作。

电力从电气设备单元58供应至控制单元66。控制单元66基于来自温度传感器68的温度信号而操作三通阀46。因而，循环通过循环水通道18的水和流过含氧气体供应通道20的空气被循环水加热器40加热。应该注意，来自燃料电池模块12的排气被供应至热交换器14，并且循环通过循环水通道18的水通过与排气的废热进行热交换而被加热。

空气流过含氧气体供应通道20并被加热。加热空气从旁路通道44流过重整水腔室36，并且加热重整水泵30、重整水箱32和离子交换器34。之后，空气返回到含氧气体供应通道20。该空气与已经流过电气设备单元58并且已经被加热的空气混合。混合空气流过空气过滤器50、流量计52和空气泵54。然后，空气被供应至燃料电池模块12并加热燃料电池模块12。

如图2所示，如果确定重整水腔室36的内部温度超过预定温度T℃(在步骤S9中为“否”)，则程序继续至步骤S12。在步骤S12中，确定热水箱16是否存储预定量的热水。如果确定热水箱16存储了预定量的热水(在步骤S12中为“是”)，则程序继续至步骤S13和步骤S14。

在步骤S13中，循环水加热器40被关闭，并且在步骤S14中，三通阀46操作而将含氧气体供应通道20从旁路通道44断开(即，相对于含氧气体供应通道20而言关闭旁路通道44)。步骤S13和步骤S14可以同时进行。另选地，步骤S13的过程和步骤S14的过程可以切换。

如图6所示，电力从燃料电池模块12供应至电气设备单元58，并且加热空气仅从电气设备单元侧含氧气体供应通道64供应至燃料电池模块12。另外，循环通过循环水通道18的水通过热交换器14进行的热交换过程而保持被加热，并且被存储在热水箱16中。

如图2中所示，如果确定热水箱16没有存储预定量的热水(在步骤S12为“否”)，则程序继续至步骤S15和步骤S16。在步骤S15中，循环水加热器40开启，而在步骤S16中，如在步骤S14中的情况下一样，三通阀46操作而将含氧气体供应通道20从旁路通道44断开(相对于含氧气体供应通道20而言关闭旁路通道44)。步骤S15和步骤S16可以同时进行。另选地，步骤S15的过程和步骤S16的过程可以切换。

如图7所示，电力从燃料电池模块12供应至电气设备单元58，并且循环水加热器40通过从电气设备单元58供应至循环水加热器40的电力而操作。因而，由循环水加热器40加热的空气和由电气设备单元58加热的空气被供应至燃料电池模块12。在循环水通道18中，水被循环水加热器40加热，并且水被热交换器14加热。

另外，程序继续至步骤S17以确定燃料电池模块12的操作是否将完成。如果确定燃料电池模块12的操作将完成(在步骤S17中为“是”)，则燃料电池热电联产系统10的操作控制完成。

在该实施方式中，如图1所示，在燃料电池热电联产系统10中，循环水加热器40设置在循环水通道18上，并且含氧气体供应通道20的部分20a设置在循环水加热器40中。因此，流过含氧气体供应通道20的空气(含氧气体)从循环水加热器40接收热，并因而被加热，并且通过被加热的空气，能够对燃料电池模块12进行加热。

因此，可以适当地缩短开始燃料电池模块12的操作所需要的时间。另外，可以通过用于加热循环水的循环水加热器40加热空气，并且不需要用于含氧气体的专门加热设备。然而，燃料电池热电联产系统10能够经济地进行高效的发电操作。

另外，燃料电池模块12包括蒸汽重整器24，并且燃料电池热电联产系统10包括容纳重整水箱32的重整水腔室36，该重整水箱32存储用于产生水蒸气的重整水。另外，含氧气体供应通道20包括旁路通道44，该旁路通道44在设置在含氧气体供应通道20的中途的分叉点DP处从含氧气体供应通道20分叉，延伸经过重整水腔室36并且然后与含氧气体供应通道20汇合。

在该结构中，在低温时，被循环水加热器40加热的空气被供应至从含氧气体供应通道20分叉的旁路通道44，且空气流过重整水通道36，然后返回到到含氧气体供应通道20。因而，由于被加热的空气流过重整水腔室36，因此，能够可靠地防止重整水冻结。另外，不需要用于防止重整水腔室36的冻结的加热器、恒温器等。实现了设施尺寸的减小，并且容易实现成本降低，由此提供经济的系统。

另外，作为用于允许空气被供应到旁路通道44的切换阀的三通阀46设置在分叉点DP处。由此，简单地通过三通阀46的切换操作，就可容易且可靠地将被加热的空气供应至重整水腔室36，从而可以尽可能地抑制重整水的冻结。

而且，燃料电池热电联产系统10包括用于控制电力的电气设备单元58。该电气设备单元58包括用于将外部空气吸入电气设备单元58内的进气端口62和用于将吸入电气设备单元58内的空气通过含氧气体供应通道20供应至燃料电池模块12的电气设备单元侧含氧气体供应通道64。

在该结构中，流过电气设备单元58的空气对电气设备单元58进行冷却，并且返回过来被加热。之后，被加热的空气被供应至燃料电池模块12。因而，由于不需要专用空气加热设备，因此可经济地构造该系统，并且容易实现尺寸减小。

另外，在根据本发明的启动方法中，当确定燃料电池模块12的操作已经开始时，确定重整水腔室36的内部温度是否在预定温度T℃以下。如果确定重整水腔室36的内部温度在预定温度T℃以下，则开启循环水加热器40，并且将旁路通道44连接(打开)至含氧气体供应通道20。

在该结构中，在以低温开始操作时，被加热的空气能够流过低温下的重整水腔室36，从而可以防止重整水冻结。另外，流过循环水通道18的水被循环水加热器40加热，并且热水箱16能够存储热水。

另外，在该启动方法中，吸入用于控制电力的电气设备单元58内的空气通过含氧气体供应通道20供应至燃料电池模块12。因而，无需专用空气加热设备，从而可经济地构造该系统，并且容易实现尺寸减小。

而且，在根据本发明的操作方法中，如果确定燃料电池模块12处于稳定操作状态，则确定重整水腔室36的内部温度是否在预定温度T℃以下。如果确定该内部温度在预定温度T℃以下，则开启循环水加热器40，并且将旁路通道44打开(连接)至含氧气体供应通道20。

因而，在低温操作过程中，被加热的空气能够流过低温下的重整水腔室36，从而可以防止重整水冻结。而且，流过循环水通道18的水被循环水加热器40加热，并且热水箱16能够存储热水。

另外，在该方法中，如果确定重整水腔室36的内部温度不在预定温度T℃以下，则确定热水箱16是否存储预定量的热水。如果确定热水箱16存储预定量的热水，则关闭循环水加热器40，并且将旁路通道44从含氧气体供应通道20断开(相对于该含氧气体供应通道20而言关闭)。因而，在热交换器14中，从热水箱16排出的水被从燃料电池模块12排放的废热加热，从而可以保持热水箱16中的热水是温暖的。

另外，如果确定热水箱16没有存储预定量的热水，则开启循环水加热器40，并且将旁路通道44从含氧气体供应通道20断开(相对于该含氧气体供应通道而言关闭)。因而，由于循环通过循环水通道18的水被循环水加热器40加热，所以热水箱16能够存储热水。

另外，在该操作方法中，吸入到用于控制电力的电气设备单元58内的空气通过含氧气体供应通道20供应至燃料电池模块12。因而，无需专用空气加热设备，从而能够经济地构造系统，并且容易实现尺寸减小。

尽管已经参照优选实施方式具体示出并描述了本发明，但是将理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明进行改动和修改。