專利名稱：燃料電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在外裝盒內(nèi)收納燃料電池單體而構(gòu)成的燃料電池裝置。
背景技術(shù)：
近年來，作為下一代能源，提出有各種燃料電池裝置，該燃料電池裝置構(gòu)成為，將電池堆收納在收納容器內(nèi)而構(gòu)成燃料電池模塊，進(jìn)而將該燃料電池模塊收納在外裝盒內(nèi)而構(gòu)成燃料電池裝置(例如參照專利文獻(xiàn)1)。電池堆通過排列多個(gè)燃料電池單體而構(gòu)成，所述燃料電池單體能夠使用燃料氣體(含氫氣體)和空氣(含氧氣體)來獲得電力。在如上所述的燃料電池裝置中，例如，基于冷庫等外部負(fù)荷需求的電力量，適當(dāng)?shù)叵蛉剂想姵貑误w供給含氧氣體及燃料氣體，從而對(duì)應(yīng)于外部負(fù)荷需求的電力量進(jìn)行發(fā)電。專利文獻(xiàn)1 日本特開2007-59377號(hào)公報(bào)在燃料電池裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨著向燃料電池單體供給的空氣等含氧氣體的溫度變化，存在燃料電池模塊或電池堆的周圍溫度發(fā)生變化的情況。因此，在燃料電池裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)進(jìn)行將電池堆的空氣利用率(Ua)和電流量(I)的關(guān)系保持在恒定關(guān)系的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因電池堆的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度變動(dòng)而有可能導(dǎo)致難以進(jìn)行效率好的運(yùn)轉(zhuǎn)，另外，有可能導(dǎo)致電池堆的耐久性降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以提高耐久性的燃料電池裝置。本發(fā)明的燃料電池裝置具有利用燃料氣體和含氧氣體進(jìn)行發(fā)電的燃料電池單體排列多個(gè)而構(gòu)成且收納在模塊收納容器內(nèi)的電池堆、用于自所述模塊收納容器的外側(cè)向所述模塊收納容器內(nèi)的所述燃料電池單體供給所述含氧氣體的含氧氣體供給部、用于調(diào)節(jié)所述電池堆的發(fā)電量的供給電力調(diào)節(jié)部、配置在所述模塊收納容器的外側(cè)且用于測(cè)定向所述燃料電池單體供給的所述含氧氣體的溫度的溫度傳感器、用于控制所述含氧氣體供給部及所述供給電力調(diào)節(jié)部的控制裝置，所述燃料電池裝置的特征在于，在由所述溫度傳感器測(cè)定的所述含氧氣體的溫度比規(guī)定溫度高時(shí)，所述控制裝置進(jìn)行控制以增加利用所述含氧氣體供給部供給的含氧氣體量。在本發(fā)明的燃料電池裝置中，在自模塊收納容器的外側(cè)向模塊收納容器內(nèi)供給的燃料電池單體的含氧氣體溫度比規(guī)定溫度高時(shí)，控制裝置進(jìn)行控制以增加利用含氧氣體供給部供給的含氧氣體量，因此，更多的空氣等含氧氣體被供給到供給電池堆，從而可以減小電池堆的溫度上升。由此，可以形成提高了耐久性的燃料電池裝置。


圖1是表示具有燃料電池裝置的燃料電池系統(tǒng)的一例的結(jié)構(gòu)圖。圖2是構(gòu)成燃料電池裝置的燃料電池模塊的外觀立體圖。圖3是將燃料電池裝置的一部分省略地進(jìn)行表示的概略圖。
圖4是將燃料電池裝置的一部分省略地進(jìn)行表示的分解立體圖。圖5是表示燃料電池裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電池堆的空氣利用率和電池堆根據(jù)外部負(fù)荷的需求進(jìn)行發(fā)電的電流量的關(guān)系的一例的曲線圖。附圖標(biāo)記說明
1電池堆
3含氧氣體供給部
9供給電力調(diào)節(jié)部(功率調(diào)節(jié)器)
10控制裝置
22溫度傳感器
23模塊收納容器
24燃料電池單體
28吸氣部
29排氣部
39外裝盒
M燃料電池模塊
具體實(shí)施例方式圖1是表示具有燃料電池裝置的燃料電池系統(tǒng)的一例的結(jié)構(gòu)圖，圖2是構(gòu)成燃料電池裝置的燃料電池模塊的外觀立體圖。需要說明的是，在以后的各圖中，對(duì)于同一部件標(biāo)注同一附圖標(biāo)記。圖1所示的燃料電池系統(tǒng)具有進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電單元、存積熱交換后的熱水的熱水存積單元、用于使水在上述單元之間循環(huán)的循環(huán)配管，發(fā)電單元相當(dāng)于燃料電池裝置，通過將以下說明的各裝置收納在外裝盒內(nèi)而構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)。首先說明構(gòu)成燃料電池裝置的各裝置。圖1所示的燃料電池裝置具備排列多個(gè)燃料電池單體(未圖示)而構(gòu)成的電池堆1、用于供給天然氣等原燃料的原燃料供給部2、用于向構(gòu)成電池堆1的燃料電池單體供給含氧氣體的含氧氣體供給部3、利用原燃料和水蒸汽進(jìn)行水蒸汽改性反應(yīng)的改性器4。另外，改性器4具有用于將由后述的水泵5供給的純水氣化并將自原燃料供給部 2供給的原燃料和水蒸汽混合的氣化部(未圖示)；在內(nèi)部具有改性催化劑并用于使混合的原燃料和水蒸汽進(jìn)行反應(yīng)以生成燃料氣體的改性部(未圖示)。由此，利用由改性器4生成的燃料氣體和由含氧氣體供給部3供給的含氧氣體，進(jìn)行燃料電池單體的發(fā)電。另外，在圖1中，通過將電池堆1和改性器4收納在模塊收納容器內(nèi)，從而構(gòu)成燃料電池模塊(以下，有時(shí)也簡(jiǎn)稱為模塊)，該燃料電池模塊構(gòu)成燃料電池裝置。需要說明的是，在圖1中利用雙點(diǎn)劃線包圍的部分表示構(gòu)成燃料電池模塊的各種裝置(在圖1中用M 表不)O在此，參照?qǐng)D2說明模塊M。作為模塊M，可以使用已知的燃料電池模塊。例如，在模塊收納容器(以下有時(shí)也簡(jiǎn)稱為收納容器)23內(nèi)收納電池堆裝置27和改性器4而構(gòu)成模塊M。電池堆裝置27通過利用玻璃密封材料等絕緣性接合材料將構(gòu)成電池堆1的燃料電池單體M的下端固定于歧管25而構(gòu)成。電池堆1構(gòu)成為，將具有使氣體沿長(zhǎng)度方向在內(nèi)部流動(dòng)的氣體流路的柱狀燃料電池單體M以豎立設(shè)置的狀態(tài)排列，并在鄰接的燃料電池單體M之間經(jīng)由集電部件(未圖示)電串聯(lián)連接而構(gòu)成。改性器4配置在燃料電池單體M的上方，對(duì)天然氣或燈油等原燃料進(jìn)行改性以生成供給到燃料電池單體M的燃料氣體。需要說明的是，利用改性器4生成的燃料氣體經(jīng)過氣體流通管沈供給到歧管25，進(jìn)而經(jīng)過歧管25供給到設(shè)置于燃料電池單體M的氣體流路。作為構(gòu)成電池堆1的燃料電池單體24，已知有各種燃料電池單體，但在進(jìn)行部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)(負(fù)荷跟蹤運(yùn)轉(zhuǎn))時(shí)，優(yōu)選采用固體氧化物形燃料電池單體。另外，構(gòu)成電池堆1 的燃料電池單體M通過采用固體氧化物形燃料電池單體，除可以使燃料電池單體M小型化之外，還可以使燃料電池單體M進(jìn)行工作所需的輔助設(shè)備等小型化，進(jìn)而可以使燃料電池裝置小型化。作為燃料電池單體M的形狀，雖然可以使用各種形狀的燃料電池單體對(duì)，但從有效進(jìn)行燃料電池單體M的發(fā)電這方面來看，可以采用中空平板型燃料電池單體24。作為這種中空平板型燃料電池單體M，可以使用在內(nèi)側(cè)形成有燃料極層并在外側(cè)形成有氧極層的燃料極支承型的中空平板型燃料電池單體對(duì)。另外，在圖2中，表示拆下收納容器23的一部分(前后壁)而將收納在內(nèi)部的電池堆裝置27及改性器4從后方取出的狀態(tài)。在此，對(duì)于圖2所示的模塊M而言，可以在收納容器23內(nèi)滑動(dòng)地收納電池堆裝置27。另外，電池堆裝置27也可以作為包含改性器4的裝置來處理。另外，在收納容器23的內(nèi)部設(shè)有含氧氣體導(dǎo)入部件觀，在圖2中，該含氧氣體導(dǎo)入部件觀在并置于歧管25的電池堆1之間配置。含氧氣體導(dǎo)入部件觀向燃料電池單體 24的下端部供給含氧氣體，以使含氧氣體與燃料氣體流一起在燃料電池單體M的側(cè)方自下端部朝向上端部流動(dòng)。通過使自燃料電池單體M的氣體流路排出的燃料氣體和含氧氣體在燃料電池單體M的上端部側(cè)燃燒，可以使燃料電池單體M的溫度上升，從而可以加快電池堆裝置27 的起動(dòng)。而且，通過使自燃料電池單體M的氣體流路排出的燃料氣體和含氧氣體在燃料電池單體M的上端部側(cè)燃燒，可以加熱配置在燃料電池單體M上方的改性器4。從而，可以利用改性器4有效地進(jìn)行改性反應(yīng)。另外，在圖1所示的燃料電池裝置中，設(shè)置有使因構(gòu)成電池堆1的燃料電池單體的發(fā)電而產(chǎn)生的廢氣與在循環(huán)配管13流動(dòng)的水進(jìn)行熱交換的熱交換器6 ；用于凈化利用熱交換而生成的冷凝水(優(yōu)選生成純水)的冷凝水凈化裝置7 ；用于將在熱交換器6生成的冷凝水供給到冷凝水凈化裝置7的冷凝水供給管15。利用冷凝水凈化裝置7處理后的冷凝水存積在利用水槽連結(jié)管16連結(jié)的水槽8后，利用水泵5供給到改性器4。需要說明的是，通過使冷凝水凈化裝置7具有水槽的功能，也可以不設(shè)置水槽8。并且，圖1所示的燃料電池裝置設(shè)置有用于根據(jù)外部負(fù)荷的需求調(diào)節(jié)電池堆1的發(fā)電量并將利用電池堆1生成的直流電力轉(zhuǎn)換為交流電力的供給電力調(diào)節(jié)部9、設(shè)置于熱交換器6的出口且用于測(cè)定流過熱交換器6出口的水的水溫的出口水溫傳感器11、處于收納容器23的外部且用于測(cè)定發(fā)電單元(外裝盒內(nèi))的溫度的溫度傳感器22、控制裝置10，上述各裝置與使水在循環(huán)配管13內(nèi)循環(huán)的循環(huán)泵12結(jié)合而構(gòu)成發(fā)電單元。需要說明的是，在圖1的圖示中，省略了供給電力調(diào)節(jié)部9和外部負(fù)荷的連接，作為供給電力調(diào)節(jié)部9，可以例示功率調(diào)節(jié)器。而且，通過將構(gòu)成上述發(fā)電單元的各裝置收納在外裝盒內(nèi)，可以形成容易進(jìn)行設(shè)置和搬運(yùn)等的燃料電池裝置。另外，熱水存積單元構(gòu)成為具有用于將熱交換后的熱水存積的熱水存積槽14。而且，在電池堆1和熱交換器6之間，設(shè)有用于對(duì)伴隨著電池堆1的運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行處理的廢氣處理裝置(未圖示)。需要說明的是，廢氣處理裝置通過在收納容器內(nèi)收納廢氣處理部而構(gòu)成，作為廢氣處理部，通?？梢允褂霉娜紵呋瘎?。另一方面，當(dāng)供給到冷凝水凈化裝置7的冷凝水的量少時(shí)或在冷凝水處理部處理后的冷凝水的純度低時(shí)，也可以對(duì)自外部供給的水進(jìn)行凈化并將其供給到改性器4，在圖1 中，作為對(duì)自外部供給的水進(jìn)行凈化的機(jī)構(gòu)，具備各水處理裝置。在此，作為用于將自外部供給的水供給到改性器4的各水處理裝置，至少具備用于凈化水的活性炭過濾器裝置19、反滲透膜裝置20及離子交換樹脂裝置21的各裝置中的離子交換樹脂裝置21 (優(yōu)選具備所有裝置)。而且，利用離子交換樹脂裝置21生成的純水存積在水槽8中。需要說明的是，在圖1所示的燃料電池裝置中，設(shè)有用于調(diào)節(jié)自外部供給的水的量的給水閥18。另外，利用單點(diǎn)劃線包圍的部分表示用于將向改性器4供給的水處理成純水的各水處理裝置(表示為外部水凈化裝置X)。需要說明的是，當(dāng)僅利用因燃料電池單體的發(fā)電而產(chǎn)生的廢氣與水進(jìn)行熱交換而生成的冷凝水能夠提供改性器4中的水蒸汽改性反應(yīng)所需的水時(shí)，可以不設(shè)置外部水凈化裝置X。在此，說明圖1所示的燃料電池裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)方法。在為了生成燃料電池單體發(fā)電所使用的燃料氣體而進(jìn)行水蒸汽改性反應(yīng)時(shí)，改性器4所使用的主要的純水使用在熱交換器6中伴隨著燃料電池單體的運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的廢氣和在循環(huán)配管13流動(dòng)的水進(jìn)行熱交換而生成的冷凝水。需要說明的是，在循環(huán)配管13流動(dòng)并與廢氣進(jìn)行熱交換而使溫度上升的水(即熱水)存積在熱水存積槽14中。利用熱交換器6生成的冷凝水流過冷凝水供給管15而供給到冷凝水凈化裝置7。利用冷凝水凈化裝置7所具有的冷凝水凈化部處理后的冷凝水經(jīng)過水槽連結(jié)管16供給到水槽8。存積在水槽8中的水利用水泵5供給到改性器4，利用該水和從原燃料供給部2供給的原燃料進(jìn)行水蒸汽改性反應(yīng)，生成的燃料氣體被供給到燃料電池單體。在燃料電池單體中，使用經(jīng)由改性器4供給的燃料氣體和自含氧氣體供給部3供給的含氧氣體進(jìn)行發(fā)電，利用燃料電池單體生成的電力經(jīng)由供給電力調(diào)節(jié)部9供給到外部負(fù)荷。通過上述方法，可以有效利用冷凝水進(jìn)行水獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)。另一方面，當(dāng)冷凝水的生成量少時(shí)或利用冷凝水凈化裝置7處理后的冷凝水的純度低時(shí)，也可以使用自外部供給的水。在該情況下，首先，例如打開電磁閥或空氣驅(qū)動(dòng)閥等給水閥18，自來水等自外部供給的水流過給水管17供給到活性炭過濾器19。利用活性炭過濾器19處理后的水繼續(xù)供給到反滲透膜20。利用反滲透膜20處理后的水供給到繼續(xù)離子交換樹脂裝置21，利用離子交換樹脂裝置21凈化后的水存積在水槽8中。存積在水槽8中的凈化后的水通過上述方法用于燃料電池單體的發(fā)電。對(duì)具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池裝置而言，在進(jìn)行額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，控制裝置10控制原燃料供給部2及含氧氣體供給部3的動(dòng)作，將額定運(yùn)轉(zhuǎn)所需的燃料氣體量和含氧氣體量供給到燃料電池單體。由此，在燃料電池單體產(chǎn)生額定電力，此時(shí)在燃料電池單體流過直流電流。而且，利用燃料電池單體的發(fā)電而生成的電力利用供給電力調(diào)節(jié)部9轉(zhuǎn)換為交流電力后供給到外部負(fù)荷。S卩，如圖5所示，在進(jìn)行額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，控制裝置10控制各裝置，以使電池堆1的空氣利用率(Ua)和燃料電池單體根據(jù)外部負(fù)荷的需求而生成的電流量(I)的關(guān)系處于恒定關(guān)系，即，即便電流量(I)稍微變動(dòng)，空氣利用率(Ua)也恒定。另一方面，在作為家庭用燃料電池裝置而使用時(shí)，外部負(fù)荷的需求電力容易變動(dòng)。 特別是，在早晨或傍晚以后的時(shí)間帶，由于需求電力增高，故優(yōu)選提高燃料電池單體的發(fā)電量，因此，在上述情況下燃料電池裝置進(jìn)行額定運(yùn)轉(zhuǎn)，與此相對(duì)，在白天或夜間等，由于需求電力降低，故優(yōu)選降低燃料電池單體的發(fā)電量。在需求電力低的時(shí)間帶使燃料電池裝置進(jìn)行額定運(yùn)轉(zhuǎn)這有可能導(dǎo)致來自燃料電池裝置的電力倒流到與燃料電池裝置連接的系統(tǒng)電力。因此，特別是在家庭用燃料電池裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，優(yōu)選進(jìn)行與外部負(fù)荷的需求電力相應(yīng)的部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)(負(fù)荷跟蹤運(yùn)轉(zhuǎn))、換言之進(jìn)行根據(jù)外部負(fù)荷的需求電力使發(fā)電量變動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在如上所述的部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，控制裝置10控制原燃料供給部2及含氧氣體供給部3的動(dòng)作，以便向燃料電池單體供給為了獲得與外部負(fù)荷的需求電力相應(yīng)的電力量而需要的燃料氣體量和含氧氣體量。利用燃料電池單體的發(fā)電而生成的直流電力利用供給電力調(diào)節(jié)部9轉(zhuǎn)換為交流電力后供給到外部負(fù)荷。即，在部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，電池堆的空氣利用率(Ua)和電流量(I)根據(jù)需求負(fù)荷而變動(dòng)(與額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相比，空氣利用率(Ua) 降低)。在燃料電池裝置進(jìn)行額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過將電池堆的空氣利用率(Ua)和電流量(I) 保持在恒定關(guān)系，可以進(jìn)行效率好的運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，在燃料電池裝置進(jìn)行部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，雖然根據(jù)外部負(fù)荷的變動(dòng)，電池堆的空氣利用率和電流量也變動(dòng)，但在該情況下，通過預(yù)先設(shè)定電池堆的空氣利用率(Ua)和電流量⑴的關(guān)系，也可以進(jìn)行效率好的運(yùn)轉(zhuǎn)。在此，在燃料電池裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨著向燃料電池單體供給的含氧氣體(空氣)的溫度發(fā)生變化，存在燃料電池模塊或電池堆的周圍溫度發(fā)生變化的情況。因此，在燃料電池裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在進(jìn)行將電池堆的空氣利用率(Ua)和電流量(I)的關(guān)系保持在恒定關(guān)系的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因燃料電池單體的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度變動(dòng)而有可能導(dǎo)致難以進(jìn)行效率好的運(yùn)轉(zhuǎn)，另外有可能導(dǎo)致電池堆的耐久性降低。因此，在本實(shí)施方式中，基于向燃料電池單體供給的含氧氣體的溫度，使電池堆的空氣利用率(Ua)和電流量(I)的關(guān)系變動(dòng)。在此，在燃料電池裝置中，對(duì)于向燃料電池單體供給的含氧氣體而言，供給自模塊用收納容器23的外部導(dǎo)入的含氧氣體。因此，也可以基于收納有收納容器23的外裝盒外側(cè)的外部氣溫，使電池堆的空氣利用率(Ua)和電流量(I)的關(guān)系變動(dòng)。另一方面，在將用于測(cè)定外部氣溫的熱電偶等配置在外裝盒外面的情況下，除有可能因沖擊而破損之外，在燃料電池裝置與房屋鄰接而配置的情況下，有可能受到房屋的墻壁或燃料電池裝置的輻射
7熱等的影響而導(dǎo)致測(cè)定的外部氣溫產(chǎn)生誤差。因此，優(yōu)選為，在收納容器23的外部測(cè)定外裝盒內(nèi)側(cè)的含氧氣體的溫度，基于該外裝盒內(nèi)側(cè)的含氧氣體的溫度控制含氧氣體的供給量并使電池堆的空氣利用率(Ua)和電流量⑴的關(guān)系變動(dòng)。在本實(shí)施方式的燃料電池裝置中，基于利用收納容器23外側(cè)的溫度傳感器測(cè)定的含氧氣體的溫度，控制含氧氣體供給部3的動(dòng)作，以使對(duì)于利用供給電力調(diào)節(jié)部9調(diào)節(jié)的電池堆1的發(fā)電量的電池堆1的空氣利用率(Ua)變動(dòng)。在測(cè)定收納容器23外側(cè)的含氧氣體的溫度時(shí)，存在下述情況，即在外裝盒內(nèi)配置用于測(cè)定外裝盒內(nèi)的溫度(外裝盒內(nèi)的含氧氣體的溫度)的溫度傳感器22，并且基于利用溫度傳感器22測(cè)定的外裝盒內(nèi)的溫度，控制含氧氣體供給部3?；蛘?，存在下述情況，即在外裝盒的外側(cè)配置溫度傳感器，基于外裝盒外側(cè)的外部氣溫來控制含氧氣體供給部3。通常，由于構(gòu)成為，外裝盒內(nèi)的含氧氣體被吸引而供給到燃料電池單體，因此，相比利用配置在外裝盒外側(cè)的溫度傳感器測(cè)定的外部氣溫，利用配置在外裝盒內(nèi)的溫度傳感器22測(cè)定的含氧氣體的溫度更接近向燃料電池單體供給的含氧氣體的溫度，故優(yōu)選基于利用配置在外裝盒內(nèi)的溫度傳感器22測(cè)定的含氧氣體的溫度控制含氧氣體供給部3。以下，對(duì)下述情況進(jìn)行說明，即在收納容器23的外側(cè)且處于外裝盒內(nèi)側(cè)的位置配置溫度傳感器22，根據(jù)利用溫度傳感器22測(cè)定的外裝盒內(nèi)的溫度來控制含氧氣體供給部3的情況。在本實(shí)施方式的燃料電池裝置中，在外裝盒內(nèi)配置用于測(cè)定外裝盒內(nèi)的溫度(外裝盒內(nèi)的含氧氣體的溫度)的溫度傳感器22，并且，基于利用溫度傳感器22測(cè)定的外裝盒內(nèi)的溫度，控制含氧氣體供給部3的動(dòng)作，以使對(duì)于利用供給電力調(diào)節(jié)部9調(diào)節(jié)的電池堆1 的發(fā)電量的電池堆1的空氣利用率(Ua)變動(dòng)。圖3是將本實(shí)施方式的燃料電池裝置的構(gòu)成該燃料電池裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各裝置省略一部分而表示的概略圖，圖4是將本發(fā)明的燃料電池裝置的構(gòu)成該燃料電池裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各裝置省略一部分而表示的分解立體圖。需要說明的是，在圖3中，虛線表示傳送到控制裝置10的主信號(hào)路徑、或自控制裝置10傳送的主信號(hào)路徑。另外，箭頭表示空氣等含氧氣體的流動(dòng)，虛線箭頭表示伴隨著模塊M的運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的廢氣的流動(dòng)。圖3及圖4所示的燃料電池裝置四利用隔板31將由支柱36和外裝板30構(gòu)成的外裝盒39內(nèi)部劃分為上下兩部分，將隔板31的上方側(cè)作為收納上述模塊M的模塊收納室 32，將隔板31的下方側(cè)作為收納用于使模塊M動(dòng)作的輔助設(shè)備等的輔助設(shè)備收納室33。需要說明的是，在圖3中，作為在輔助設(shè)備收納室33內(nèi)收納的輔助設(shè)備等，示出含氧氣體供給部3、熱交換器6、控制裝置10，省略了圖1所示的其他的各裝置，在圖4中，進(jìn)一步省略了圖 3所示的各裝置中的熱交換器6。在圖3及圖4所示的含氧氣體供給部3，作為向燃料電池單體供給的含氧氣體而使用外裝盒39內(nèi)的含氧氣體，該含氧氣體供給部3具有用于吸入外裝盒39內(nèi)的含氧氣體的吸氣部34、用于將利用吸氣部34吸入的含氧氣體輸送到燃料電池單體的排氣部35。另外， 吸氣部34的一端也可以配置成與外裝盒39的外部相連，以便直接吸入外裝盒39外側(cè)的外部空氣。在該情況下，將外部空氣直接供給到燃料電池單體對(duì)。溫度傳感器22優(yōu)選根據(jù)向燃料電池單體M供給的含氧氣體的溫度測(cè)定最接近燃料電池單體M的含氧氣體的溫度。因此，溫度傳感器22優(yōu)選配置在含氧氣體供給部3的吸氣部34內(nèi)或排氣部35內(nèi)，在圖3及圖4所示的燃料電池裝置四，示出了將溫度傳感器
822配置在含氧氣體供給部3的吸氣部34內(nèi)的例子。由此，可以更準(zhǔn)確地測(cè)定向燃料電池單體M供給的含氧氣體的溫度。另外，溫度傳感器22也可以配置在吸氣部34內(nèi)和排氣部 35內(nèi)這兩個(gè)部位。在本實(shí)施方式的燃料電池裝置四，基于利用溫度傳感器22測(cè)定的外裝盒內(nèi)(優(yōu)選為吸氣部34或排氣部35)的溫度，控制含氧氣體供給部3的動(dòng)作，以使對(duì)于利用供給電力調(diào)節(jié)部9調(diào)節(jié)的電池堆1的發(fā)電量的電池堆1的空氣利用率(Ua)變動(dòng)。以下說明含氧氣體供給部3的控制。圖5是表示本實(shí)施方式的燃料電池裝置運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的電池堆1的空氣利用率(Ua) 和電流量(I)的關(guān)系的一例的曲線圖。在圖中，實(shí)線A是表示向燃料電池單體M供給的含氧氣體的溫度(收納容器23 和外裝盒39之間的含氧氣體的溫度，以下有時(shí)簡(jiǎn)稱為外裝盒內(nèi)的溫度)處于規(guī)定溫度范圍內(nèi)時(shí)的電池堆1的空氣利用率(Ua)和電流量(I)的關(guān)系的曲線圖；單點(diǎn)劃線B是表示向燃料電池單體M供給的含氧氣體的溫度(外裝盒39內(nèi)的溫度)比規(guī)定溫度高時(shí)的電池堆1 的空氣利用率(Ua)和電流量⑴的關(guān)系的曲線圖；雙點(diǎn)劃線C是表示外裝盒39內(nèi)的溫度比規(guī)定溫度低時(shí)的電池堆1的空氣利用率(Ua)和電流量(I)的關(guān)系的曲線圖。需要說明的是，在各曲線圖中，空氣利用率(Ua)和電流量(I)的關(guān)系變得恒定的區(qū)域(左端部)是向電池堆1供給最低流量的含氧氣體的范圍。在燃料電池裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在進(jìn)行部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)或進(jìn)行額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，優(yōu)選基于電池堆1的發(fā)電效率、電池堆1的溫度、模塊M內(nèi)的溫度等進(jìn)行效率最好的運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，優(yōu)選為，預(yù)先設(shè)定電池堆1的空氣利用率(Ua)和電流量(I)的最優(yōu)關(guān)系式。曲線圖A表示該關(guān)系式的一例。需要說明的是，曲線圖A表示溫度在規(guī)定溫度范圍內(nèi)恒定例如外裝盒39內(nèi)的溫度在15 25°C的范圍內(nèi)恒定的狀態(tài)的曲線圖。當(dāng)向燃料電池單體供給的含氧氣體的溫度為高溫或低溫時(shí)，隨著向燃料電池單體 M供給的含氧氣體的溫度變化，存在模塊M或電池堆1周圍的溫度發(fā)生變化的情況。因此， 在燃料電池裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，若進(jìn)行按照一定的關(guān)系式保持電池堆1的空氣利用率(Ua)和電流量⑴的關(guān)系的運(yùn)轉(zhuǎn)(僅進(jìn)行曲線圖A的運(yùn)轉(zhuǎn))，則因電池堆1的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度變動(dòng)而有可能導(dǎo)致難以進(jìn)行效率好的運(yùn)轉(zhuǎn)，另外有可能導(dǎo)致電池堆1的耐久性降低。因此，在本實(shí)施方式的燃料電池裝置中，控制裝置10基于利用溫度傳感器22測(cè)定的外裝盒39內(nèi)的含氧氣體的溫度，控制含氧氣體供給部3，以使對(duì)于利用供給電力調(diào)節(jié)部9 調(diào)節(jié)的電池堆1的發(fā)電量的電池堆1的空氣利用率(Ua)變動(dòng)。由此，可以減小向燃料電池單體供給的含氧氣體的溫度的影響，從而可以提高電池堆1的發(fā)電效率和耐久性。具體而言，當(dāng)外裝盒39內(nèi)的含氧氣體的溫度比規(guī)定溫度高時(shí)(例如，溫度比25°C 高的高溫時(shí))，電池堆1的溫度上升，有可能降低耐久性。因此，在該情況下，優(yōu)選為，控制裝置10控制含氧氣體供給部3，以便相對(duì)于當(dāng)向燃料電池單體M供給的含氧氣體的溫度處于規(guī)定溫度范圍內(nèi)時(shí)預(yù)先設(shè)定的、對(duì)于利用供給電力調(diào)節(jié)部9調(diào)節(jié)的電池堆1的發(fā)電量的電池堆1的空氣利用率，使電池堆1的空氣利用率減小。在圖5中，曲線圖B表示該狀態(tài)。需要說明的是，若使用圖5的曲線圖進(jìn)行說明，則進(jìn)行控制以使空氣利用率減小指的是，相對(duì)于向燃料電池單體對(duì)供給的含氧氣體的溫度(外裝盒39內(nèi)的溫度)處于規(guī)定溫度范圍內(nèi)(例如，15 25°C)時(shí)電池堆1處于任意發(fā)電量(I)時(shí)的空氣利用率(Ua)(用曲線圖A表示)，空氣利用率正減小。需要說明的是，向燃料電池單體M供給的含氧氣體的規(guī)定溫度范圍指的是，如上所述，除可以設(shè)為例如15 25°C之外，也可以設(shè)為例如20°C這樣的溫度點(diǎn)。另外，規(guī)定溫度范圍可以基于溫度傳感器22的配置部位適當(dāng)設(shè)定。由此，當(dāng)外裝盒39內(nèi)的溫度比規(guī)定溫度高時(shí)，向電池堆1供給更多的含氧氣體，從而可以減小電池堆1的溫度上升。由此，可以形成提高了耐久性的燃料電池裝置。另一方面，當(dāng)外裝盒39內(nèi)的溫度比規(guī)定溫度低時(shí)(例如，溫度比15°C低的低溫時(shí))，電池堆1的溫度降低，從而有可能導(dǎo)致電池堆1的發(fā)電性能降低。因此，在該情況下，優(yōu)選為，控制裝置10控制含氧氣體供給部3，以便相對(duì)于當(dāng)外裝盒39內(nèi)的溫度在規(guī)定溫度范圍(例如，15 25°C)內(nèi)時(shí)預(yù)先設(shè)定、對(duì)于利用供給電力調(diào)節(jié)部9調(diào)節(jié)的電池堆1的發(fā)電量的電池堆1的空氣利用率，使電池堆1的空氣利用率增加。 在圖5中，曲線圖C表示該狀態(tài)。需要說明的是，若使用圖5的曲線圖進(jìn)行說明，則進(jìn)行控制以使空氣利用率增加指的是，相對(duì)于外裝盒39內(nèi)的溫度在規(guī)定溫度范圍(例如，15 25°C)內(nèi)時(shí)電池堆1處于任意發(fā)電量(I)時(shí)的空氣利用率(Ua)(用曲線圖A表示)，空氣利用率正增加。由此，當(dāng)外裝盒39內(nèi)的溫度比規(guī)定溫度低時(shí)，向電池堆1供給更少的含氧氣體，從而可以減小電池堆1的溫度降低。另外，當(dāng)外裝盒39內(nèi)的溫度比規(guī)定溫度低時(shí)(低溫時(shí))，隨著發(fā)電性能的降低，電池堆1的電壓降低，用于應(yīng)對(duì)外部負(fù)荷的需求的電力量增加，更大的電流流動(dòng)，從而也有可能導(dǎo)致電池堆1的耐久性降低。但是，當(dāng)外裝盒39內(nèi)的溫度比規(guī)定溫度低時(shí)，控制含氧氣體供給部3以使電池堆 1的空氣利用率增加，從而可以抑制電池堆1的溫度降低。由此，可以形成提高了發(fā)電效率和耐久性的燃料電池裝置。需要說明的是，電池堆1的電流量⑴和空氣利用率(Ua)的關(guān)系式可以基于電池堆1的額定發(fā)電量、模塊M的容積等適當(dāng)設(shè)定。另外，電池堆1的空氣利用率(Ua)和電流量⑴的關(guān)系并不限于上述的恒定關(guān)系。例如，在進(jìn)行部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)或進(jìn)行額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)向到燃料電池單體M供給的含氧氣體的溫度自規(guī)定溫度范圍內(nèi)變更至比規(guī)定溫度范圍高的狀態(tài)或比規(guī)定溫度范圍低的狀態(tài)時(shí)，或者自比規(guī)定溫度范圍高的狀態(tài)或比規(guī)定溫度范圍低的狀態(tài)變更至規(guī)定溫度范圍內(nèi)時(shí)，伴隨著該溫度變化，也可以改變空氣利用率(Ua)和電流量(I)的關(guān)系。例如，控制裝置10可以控制含氧氣體供給部3，以便在向燃料電池單體M供給的含氧氣體的溫度處于規(guī)定溫度范圍內(nèi)時(shí)成為曲線圖A所示的關(guān)系式，另外，在部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)過程中或額定運(yùn)轉(zhuǎn)過程中當(dāng)外裝盒39內(nèi)的溫度變得比規(guī)定溫度高時(shí)，控制裝置10也可以控制含氧氣體供給部3以便成為曲線圖B所示的關(guān)系式。同樣地，控制裝置10可以控制含氧氣體供給部3，以便在外裝盒39內(nèi)的溫度處于規(guī)定溫度范圍內(nèi)時(shí)成為曲線圖A所示的關(guān)系式，另外，在部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)外裝盒39 內(nèi)的溫度變得比規(guī)定溫度低時(shí)，控制裝置10也可以控制含氧氣體供給部3以便成為曲線圖 C所示的關(guān)系式。并且，基于外裝盒39內(nèi)的溫度，控制裝置10控制含氧氣體供給部3，以便自曲線圖 B或C所示的關(guān)系式變?yōu)榍€圖A所示的關(guān)系式，除此之外，也可以反復(fù)進(jìn)行變更該關(guān)系式的控制。即，換言之，電池堆1的空氣利用率(Ua)可以設(shè)為關(guān)于電池堆1的發(fā)電量(I)和溫度(t)這兩個(gè)變量的函數(shù)f(i，t)。因此，例如在外裝盒39內(nèi)的溫度比規(guī)定溫度高時(shí)，可以適當(dāng)改變電池堆1的空氣利用率(Ua)和電流量(I)的關(guān)系式，而且，在外裝盒39內(nèi)的溫度比規(guī)定溫度低時(shí)，也可以適當(dāng)改變電池堆1的空氣利用率(Ua)和電流量(I)的關(guān)系式。如上所述，基于利用溫度傳感器22測(cè)定的外裝盒39內(nèi)的溫度，使對(duì)于利用供給電力調(diào)節(jié)部9調(diào)節(jié)的電池堆1的發(fā)電量的電池堆1的空氣利用率(Ua)變動(dòng)，這種運(yùn)轉(zhuǎn)特別是在燃料電池裝置進(jìn)行額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)很有用，因此，優(yōu)選至少在額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行上述運(yùn)轉(zhuǎn)。在燃料電池裝置正進(jìn)行額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)外裝盒39內(nèi)的溫度高時(shí)有可能導(dǎo)致電池堆1的耐久性降低，反之當(dāng)外裝盒39內(nèi)的溫度低時(shí)有可能導(dǎo)致電池堆1的發(fā)電效率降低。 因此，在燃料電池裝置正進(jìn)行額定運(yùn)轉(zhuǎn)期間，控制裝置10基于利用溫度傳感器22測(cè)定的外裝盒39內(nèi)的溫度，使對(duì)于利用供給電力調(diào)節(jié)部9調(diào)節(jié)的電池堆1的發(fā)電量的電池堆1的空氣利用率(Ua)變動(dòng)，從而可以提高電池堆1的耐久性及發(fā)電效率，并可以形成提高了發(fā)電效率和耐久性的燃料電池裝置。另外，如圖5所示，在進(jìn)行部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，控制裝置10基于利用盒內(nèi)溫度傳感器 22測(cè)定的外裝盒39內(nèi)的溫度，使對(duì)于利用供給電力調(diào)節(jié)部9調(diào)節(jié)的電池堆1的發(fā)電量的電池堆1的空氣利用率(Ua)變動(dòng)，從而也可以有效抑制電池堆1的溫度降低，并可以形成提高了發(fā)電效率和耐久性的燃料電池裝置。另外，在上述實(shí)施方式中，外裝盒內(nèi)的溫度被劃分為處于15 25°C、比15°C低、比 25°C高這三種情況，并改變電池堆1的空氣利用率(Ua)和電流量(I)的關(guān)系式，但對(duì)于外裝盒內(nèi)的溫度，可以設(shè)定在任意的溫度，另外，也可以將外裝盒內(nèi)的溫度劃分為四種以上的情況，并基于與各溫度對(duì)應(yīng)的關(guān)系式控制含氧氣體供給部。在該情況下，可以進(jìn)一步提高發(fā)電效率及耐久性。
1權(quán)利要求
1.一種燃料電池裝置，具有電池堆，其由多個(gè)利用燃料氣體和含氧氣體進(jìn)行發(fā)電的燃料電池單體排列而成且收納在模塊收納容器內(nèi)；含氧氣體供給部，其用于自所述模塊收納容器的外側(cè)向所述模塊收納容器內(nèi)的所述燃料電池單體供給所述含氧氣體；供給電力調(diào)節(jié)部，其用于調(diào)節(jié)所述電池堆的發(fā)電量；溫度傳感器，其配置在所述模塊收納容器的外側(cè)且用于測(cè)定向所述燃料電池單體供給的所述含氧氣體的溫度；以及控制裝置，其用于分別控制所述含氧氣體供給部及所述供給電力調(diào)節(jié)部，所述燃料電池裝置的特征在于，在由所述溫度傳感器測(cè)定的所述含氧氣體的溫度比規(guī)定溫度高時(shí)，所述控制裝置進(jìn)行控制以增加利用所述含氧氣體供給部供給的含氧氣體量。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池裝置，其特征在于，在由所述溫度傳感器測(cè)定的所述含氧氣體的溫度比規(guī)定溫度低時(shí)，所述控制裝置進(jìn)行控制以減小利用所述含氧氣體供給部供給的含氧氣體量。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池裝置，其特征在于，在所述控制裝置中，對(duì)應(yīng)于由所述溫度傳感器測(cè)定的溫度范圍而存儲(chǔ)有多個(gè)電流量和氧利用率的關(guān)系式，選擇與由所述溫度傳感器測(cè)定的溫度對(duì)應(yīng)的所述關(guān)系式來控制所述含氧氣體量。
4.如權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的燃料電池裝置，其特征在于，在外裝盒內(nèi)收納有所述模塊收納容器、所述含氧氣體供給部、所述供給電力調(diào)節(jié)部、所述控制裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池裝置，其特征在于，所述溫度傳感器配置于外裝盒的外側(cè)，基于由所述溫度傳感器測(cè)定的外部氣溫來控制所述含氧氣體供給部。
6.如權(quán)利要求4所述的燃料電池裝置，其特征在于，所述溫度傳感器配置于外裝盒的內(nèi)側(cè)，基于由所述溫度傳感器測(cè)定的所述外裝盒內(nèi)的溫度來控制所述含氧氣體供給部。
7.如權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的燃料電池裝置，其特征在于，所述含氧氣體供給部具有吸入含氧氣體的吸氣部、將由該吸氣部吸入的含氧氣體送出到所述燃料電池單體的排氣部，所述溫度傳感器配置在所述吸氣部或所述排氣部。
8.如權(quán)利要求1 7中任一項(xiàng)所述的燃料電池裝置，其特征在于，所述控制裝置在所述燃料電池裝置的額定運(yùn)轉(zhuǎn)過程中控制所述含氧氣體供給部。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可以提高耐久性的燃料電池裝置。該燃料電池裝置具有收納在收納容器(23)內(nèi)的電池堆(1)；用于自收納容器(23)的外側(cè)向收納容器(23)內(nèi)的燃料電池單體供給含氧氣體的含氧氣體供給部(3)；用于調(diào)節(jié)電池堆(1)的發(fā)電量的供給電力調(diào)節(jié)部(9)；配置在收納容器(23)的外側(cè)且用于測(cè)定向燃料電池單體供給的含氧氣體的溫度的溫度傳感器(22)；用于控制含氧氣體供給部(3)及供給電力調(diào)節(jié)部(9)的控制裝置(10)。在由溫度傳感器(22)測(cè)定的含氧氣體的溫度比規(guī)定溫度高時(shí)，控制裝置(10)進(jìn)行控制以增加利用含氧氣體供給部(3)供給的含氧氣體量。由此，可以形成提高了耐久性的燃料電池裝置。
文檔編號(hào)H01M8/12GK102511101SQ20108004107
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者中村光博, 小野孝, 高橋成門 申請(qǐng)人:京瓷株式會(huì)社