專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及控制燃料電池系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)及控制燃料電池系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)和方法能 夠防止由于啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)后堆與重整產(chǎn)品之間的溫差而導(dǎo)致的陽(yáng)極溢
、'六
背景技術(shù)：
通常，燃料電池是通過(guò)燃料與氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成 電能的系統(tǒng)。燃料電池作為下一代發(fā)電技術(shù)已被高度關(guān)注，因?yàn)樗幌瘳F(xiàn)有 的渦輪發(fā)電機(jī)那樣需要燃燒過(guò)程和驅(qū)動(dòng)設(shè)備，具有高的發(fā)電效率，也不會(huì)產(chǎn) 生諸如空氣污染、振動(dòng)以及噪聲等的環(huán)境問(wèn)題。根據(jù)電解質(zhì)的種類，燃料電 池可被分成磷酸燃料電池、堿性燃料電池、聚合物電解質(zhì)膜燃料電池、熔融 碳酸鹽燃料電池及固態(tài)氧化物燃料電池等。各種燃料電池基本上以相同原理 工作，但具有不同類型的燃料、工作溫度、催化劑及電解質(zhì)等。這些燃料電 池已被研究和開發(fā)用于各種用途，例如工業(yè)用途、家庭用途、休閑用途等。 尤其地， 一些燃料電池已作為諸如車輛、輪船等的運(yùn)輸工具的電源被研究和 開發(fā)。
其中，與磷酸燃料電池相比，使用固態(tài)聚合物膜代替液態(tài)電解質(zhì)作為電 解質(zhì)的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)具有高輸出特性、低工作溫度、快速啟動(dòng)和響應(yīng)特性的優(yōu)點(diǎn)，且廣泛適用于便攜式電源、便攜式電子裝置、
諸如汽車和游艇之類的運(yùn)輸工具及諸如用于家庭和公共建筑等中的固定發(fā)
電站之類的分布式電源。
聚合物電解質(zhì)膜燃料電池系統(tǒng)大體上可以由兩個(gè)部件組表示，即堆以及 系統(tǒng)和工作部。堆通過(guò)燃料和氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)直接發(fā)電，且包括陽(yáng)極催 化劑、陰極催化劑及插在這些電極催化劑之間的電解質(zhì)的膜-電極組件。另 外，可以通過(guò)堆疊多個(gè)膜-電極組件來(lái)制造堆。在堆疊型堆的情況下，分離 器被布置在膜-電極組件之間。系統(tǒng)和工作部包括燃料供應(yīng)器、氧化劑供應(yīng) 器、熱交換器、能量轉(zhuǎn)換器、控制器等以控制堆的工作。
在系統(tǒng)初始啟動(dòng)期間，上述聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的溫度開始變化。 因?yàn)樵谙到y(tǒng)剛剛啟動(dòng)后，堆不啟動(dòng)燃^)"和氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)，所以堆的溫 度低于正常工作狀態(tài)下的溫度。在開始工作之后，通過(guò)燃料和氧化劑的電化 學(xué)反應(yīng)，隨時(shí)間的推移，堆中生成電能和熱量。堆的溫度由于工作期間所生 成的熱量而逐漸上升。
同時(shí)，如果在啟動(dòng)系統(tǒng)后在正常工作溫度下被熱交換的重整產(chǎn)品被提供 給堆的陽(yáng)極，那么由于堆通常具有比正常工作溫度低的工作溫度，所以重整 產(chǎn)品中包括的相當(dāng)數(shù)量的蒸汽在堆的內(nèi)部被冷凝。蒸汽在堆的內(nèi)部的冷凝引 起陽(yáng)極溢流的問(wèn)題，從而阻礙堆的正常啟動(dòng)和工作。
尤其地，在堆的內(nèi)部冷凝的水可能聚集在堆的較低部。在這種情況下， 堆中的一些電池可能被水淹沒(méi)。這些電池生成相反電壓給堆以妨礙堆啟動(dòng)。 另外，如果具有上述問(wèn)題的系統(tǒng)被重復(fù)運(yùn)行，那么堆的性能可能會(huì)突然惡化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池系統(tǒng)及控制所述燃料電池系統(tǒng)的
方法，所述系統(tǒng)和方法能夠防止由于啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)后堆與重整產(chǎn)品之間
的溫差而導(dǎo)致的陽(yáng)極溢流。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種控制燃料電池系
6統(tǒng)的方法。所述方法包括;險(xiǎn)測(cè)燃料電池堆的溫度；才全測(cè)在燃料重整器中生成 而后通過(guò)熱交換器被提供給所述燃料電池堆的重整產(chǎn)品的溫度；以及在所述 燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間期間，將所述重整產(chǎn)品的溫度設(shè)置為低于所述燃料電 池堆的溫度。
設(shè)置所述重整產(chǎn)品的溫度的步驟可以包括設(shè)置所述重整產(chǎn)品的溫度以將基 于所述燃料電池堆的溫度的相對(duì)濕度保持在90 %至50 %的范圍內(nèi)的步驟。設(shè)置
動(dòng)時(shí)間期間的熱交換性能提升得高于在所述燃料電池系統(tǒng)的正常工作時(shí)間期間
堆的體積中心部分的溫度。
所述控制燃料電池系統(tǒng)的方法可以進(jìn)一 步包括每當(dāng)所述重整產(chǎn)品的溫度等 于或高于所述燃料電池堆的溫度時(shí)，向所述燃料重整器提供所述重整產(chǎn)品。
所述控制燃料電池系統(tǒng)的方法可以進(jìn)一步包括向所述燃料電池堆提供氧化 劑的陰極。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種燃料電池系統(tǒng)。所述燃料電池系統(tǒng)包 括用于發(fā)電的燃料電池堆、檢測(cè)所述燃料電池堆的溫度的第一傳感器、生成重 整產(chǎn)品并將所述重整產(chǎn)品提供給所述燃料電池堆的燃料重整器、連接在所述燃 料電池堆與所述燃料重整器之間的熱交換器、；險(xiǎn)測(cè)所述熱交換器中的重整產(chǎn)品 的溫度的第二傳感器以及連接至所述燃料電池堆和所述熱交換器中的每一個(gè)的 控制器。所述熱交換器控制由所述燃料重整器纟是供的重整產(chǎn)品的溫度。所述控 制器控制所述熱交換器，以在所述燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間期間將所述重整產(chǎn) 品的溫度設(shè)置為低于所述燃料電池堆的溫度。
所述控制器可以控制所述熱交換器，以將所述重整產(chǎn)品的溫度設(shè)置為將基 于所述燃料電池堆的溫度的相對(duì)濕度保持在90%至50%的范圍內(nèi)。所述控制器 可以將熱交換器在所述燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間期間的熱交換性能提升得高于 在所述燃料電池系統(tǒng)的正常工作時(shí)間期間的熱交換性能。所述熱交換器可以包 括主熱交換器和輔助熱交換器。所述輔助熱交換器可以僅在所述燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間期間工作。所述控制器在啟動(dòng)所述系統(tǒng)后對(duì)所述主熱交換器和所述 輔助熱交換器一起進(jìn)行操作，以提高熱交換性能。
所述燃料電池系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括布置在所述燃料重整器與所述燃料電池 堆之間的閥。每當(dāng)所述重整產(chǎn)品的溫度等于或高于所述燃料電池堆的溫度時(shí)， 所述閥引導(dǎo)所述重整產(chǎn)品流入所述燃料重整器。
所述控制器可以包括通過(guò)讀取所述燃料電池堆的溫度自動(dòng)控制所述熱交換 器的操作的熱交換溫度控制設(shè)備。所述燃料電池系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括向所述燃 料電池堆的陰極提供氧化劑的氧化劑供應(yīng)器，。
所述燃料電池堆包括聚合物電解質(zhì)膜燃料電池方案中的堆。


通過(guò)參考結(jié)合附圖的下列詳細(xì)描述，對(duì)本發(fā)明的更完整認(rèn)知和許多附加 的優(yōu)點(diǎn)將更加明顯且更好理解。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或類似
的部件，其中
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的框圖2為#4居本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的控制燃^"電池系統(tǒng)的方法的流程圖3為用于解釋本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的工作過(guò)程的圖4為可在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中采用的熱交換溫度聯(lián)系(linking)
設(shè)備的示意圖5為可在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中采用的熱交換器的框圖；以及 圖6為可在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中的熱交換器中采用的氣體/液體分 離器的示意配置圖。
具體實(shí)施例方式
下文中，將參考附圖更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。4是供下列實(shí) 施例是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員完整地理解本發(fā)明。已知功能和配置的詳細(xì)描 述將被省略以使本發(fā)明的主題不因具有不必要的細(xì)節(jié)而模糊。然而，為了清楚地解釋本發(fā)明，與描述無(wú)關(guān)的部件在附圖中被省略，且附圖中相同的元件 始終被相同的標(biāo)記表示，每個(gè)部件的厚度或尺寸可以被放大以方便或清楚地 解釋。另外，術(shù)語(yǔ)燃料電池堆被用于整個(gè)申請(qǐng)文件中，但這是為了便于使用。 燃料電池堆可以包括堆疊型堆或平坦型堆。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的框圖。
參見(jiàn)圖1，燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆10、生成待提供給燃料電池堆 10的重整產(chǎn)品的燃料重整器20、控制由燃料重整器20提供給燃料電池堆 10的重整產(chǎn)品的溫度的熱交換器30、檢測(cè)燃料電池堆10的溫度的第一傳感 器42、檢測(cè)熱交換器30或重整產(chǎn)品的溫度的第二傳感器44以及將重整產(chǎn) 品的溫度控制為在燃料電池系統(tǒng)的初始啟動(dòng)時(shí)間期間保持低于燃料電池堆 的溫度或保持在預(yù)定范圍內(nèi)的控制器50。
燃料電池堆10基本上包括陽(yáng)極催化劑、陰極催化劑及插在這些電極催 化劑之間的電解質(zhì)的膜-電極組件。另外，可以通過(guò)堆疊多個(gè)膜-電極組件 來(lái)制造燃料電池堆10。在堆疊型燃料電池堆中，分離器被布置在膜-電極 組件之間。
上述燃料電池堆IO通過(guò)經(jīng)過(guò)陽(yáng)極入口 12提供的燃料和經(jīng)過(guò)陰極入口 16提供的氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)生成電能和熱量。提供給燃料電池堆10的燃 料和氧化劑可以分別經(jīng)過(guò)陽(yáng)極出口 14和陰極出口 18排放到堆10的外面。 上述燃料可以通過(guò)重整諸如天然氣、曱醇及乙醇等的原料來(lái)獲得。
燃料重整器20是用于向燃料電池堆10提供諸如氫之類的燃料的設(shè)備。 燃料重整器20通過(guò)重整諸如天然氣、曱醇及乙醇等的原料生成富含氫的重 整產(chǎn)品。燃料重整器20可以包括用于由蒸汽重整、部分氧化重整、自熱重 整或其組合構(gòu)成的重整反應(yīng)的催化劑過(guò)程。同樣，燃料重整器20可以包括 清除燃料中的諸如一氧化碳、硫磺等的雜質(zhì)的催化劑過(guò)程。上述催化劑過(guò)程 包括用于水煤氣轉(zhuǎn)換(WGS)的催化劑過(guò)程和用于優(yōu)先氧化的催化劑過(guò)程。
熱交換器30是將在燃料電池系統(tǒng)工作期間生成的熱量傳輸?shù)较到y(tǒng)外部 的設(shè)備。熱交換器30可以運(yùn)行以使燃料電池堆10、發(fā)動(dòng)機(jī)、各種控制器等工作在恒定溫度下。尤其地，本實(shí)施例的熱交換器30控制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間期
間從燃料重整器20提供的重整產(chǎn)品的溫度，以將重整產(chǎn)品的溫度設(shè)置為略
低于燃料電池堆的溫度。在這種情況下，可以說(shuō)重整產(chǎn)品的溫度與燃料電池 堆的溫度聯(lián)系起來(lái)。
第 一傳感器42是能夠檢測(cè)燃料電池堆10的可能從系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的室溫突 然變成系統(tǒng)工作期間的正常工作溫度的溫度的溫度傳感器。優(yōu)選地，第一傳 感器42被安裝在堆的內(nèi)部以便準(zhǔn)確地才企測(cè)燃津+電池堆10的溫度。
第二傳感器44是能夠檢測(cè)重整產(chǎn)品的溫度的溫度傳感器。第二傳感器 44可以被安裝成檢測(cè)熱交換器30的溫度、流經(jīng)熱交換器30的重整產(chǎn)品的 溫度以及流入燃料電池堆10的陽(yáng)極入口 12的重整產(chǎn)品的溫度中的任何一 個(gè)》
第 一傳感器42和第二傳感器44可以包括熱敏電阻、電阻溫度纟僉測(cè)器、 熱電偶及半導(dǎo)體溫度傳感器等中的任何一種。
控制器50通過(guò)預(yù)定的輸入端口接收第一傳感器42和第二傳感器44中 檢測(cè)到的溫度信號(hào)。控制器50根據(jù)所接收的溫度信號(hào)確定燃料電池堆10的 溫度和重整產(chǎn)品的溫度?？刂破?0的輸入端口可以包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器?？梢?通過(guò)使用微處理器或觸發(fā)器的邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器50。
另外，控制器50通過(guò)監(jiān)視待提供給燃料電池堆10的重整產(chǎn)品的溫度和 燃料電池堆10的溫度來(lái)控制熱交換器30,以便將重整產(chǎn)品的溫度保持為低 于燃料電池堆10的溫度。優(yōu)選地，重整產(chǎn)品的溫度被設(shè)置在與基于燃料電 池堆10的溫度的大約90%至50%的相對(duì)濕度相對(duì)應(yīng)的溫度范圍內(nèi)。
表1示出在l(TC與69。C之間的溫度范圍內(nèi)的飽和蒸汽的量(gr/m3) ("gr"代表克)。飽和蒸汽的量被排列在表1的二維數(shù)組中，其中每一行表
示溫度變化10。C，每一列表示溫度變化rc。
如果在大氣壓下燃料電池堆10的溫度是31。C,那么表1示出飽和蒸汽 的量為32.0 gr/^。重整產(chǎn)品溫度在具有比3rC時(shí)的飽和蒸汽量32.0gr/W小 預(yù)定量的水分的溫度范圍內(nèi)選擇。例如，如果重整產(chǎn)品的水分量被設(shè)置為基于燃料電池堆10的溫度的90%的相對(duì)濕度，那么相對(duì)濕度為90%的重整產(chǎn) 品的水分量為0,9x32.0 gr/w3,即28.8gr/w3。因此，重整產(chǎn)品的溫度一皮設(shè)置 為與28.8 gr/W的水分量對(duì)應(yīng)的溫度。在這種情況下，參見(jiàn)表1,重整產(chǎn)品 溫度大約是29°C。再如，如果重整產(chǎn)品的水分量被設(shè)置成基于燃料電池堆 IO的溫度，即31。C的50%的相對(duì)濕度，那么重整產(chǎn)品的水分量是0.5x32.0 gr/m3,即16.0 gr/w3。因此，重整產(chǎn)品的參考溫度是與16.0 gr/^的水分量 對(duì)應(yīng)的溫度，大約是19。C或20°C。
表1
飽和蒸汽的 量 (gr/附3 )溫度(1 。C間隔)0123456789
/皿度 (10 'c間 隔)60129.8135.6141.5147.6153.9跳5167.3174.2181.6189.0
5082.986.990.995,299.6104,2108.9114.0119.1124.4
4051.053.656.459.262.265.368.571.875.378.9
3030.332.033.835.637.539.541.643.846.48.5
2017.318.319.420.621.823.024.325.727.228.7
109.4010.010.611.312.112.813.614.515.416.3
另外，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的控制器50能夠依賴于燃料電池系統(tǒng)的 工作進(jìn)度應(yīng)用不同的參考以控制重整產(chǎn)品的溫度。例如，當(dāng)燃料電池堆10 的溫度為31°C,即系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的溫度時(shí)，燃料電池系統(tǒng)中的控制器可以將 重整產(chǎn)品的溫度設(shè)置為大約29°C。此時(shí)，參考可以是基于燃料電池堆10的 溫度的90。/。的相對(duì)濕度。每當(dāng)燃料電池堆10達(dá)到正常工作狀態(tài)時(shí)，控制器 50可以應(yīng)用不同的參考以控制重整產(chǎn)品的溫度。例如，每當(dāng)燃料電池堆10 達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，控制器50可以將參考改變?yōu)榛谌剂想姵囟袸O的溫度的 50%的相對(duì)濕度。如果在正常工作狀態(tài)下燃料電池堆10的溫度大約是61°C， 那么控制器50可以通過(guò)應(yīng)用基于燃料電池堆10的溫度的50%的相對(duì)濕度 的參考將重整產(chǎn)品的溫度設(shè)置為大約46°C。
在上述描述中，為了便于解釋，重整產(chǎn)品的溫度的設(shè)置過(guò)程不包括將燃
料重整器20連接至燃料電池堆10的陽(yáng)極入口 12的管道中的重整產(chǎn)品的壓力作用。如果考慮到施加于經(jīng)過(guò)管道的重整產(chǎn)品的壓力，那么重整產(chǎn)品中包 括的水分量將進(jìn)一步減少。因此，根據(jù)測(cè)量重整產(chǎn)品的溫度的位置，考慮到 管道中的壓力，可以將重整產(chǎn)品的溫度設(shè)置得略低或略高。另外，因?yàn)橹卣?產(chǎn)品不是大氣中的空氣，所以重整產(chǎn)品中包括的水分量可能與表1所示的值 有輕微差異。
上述燃料電池系統(tǒng)通過(guò)反應(yīng)式1至3中表示的氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)生成 電能和熱量。包含氬的重整產(chǎn)品在燃料重整器20中被生成，然后通過(guò)熱交 換器30被熱交換。包含氫的重整產(chǎn)品被提供給陽(yáng)極入口 12,且空氣中的氧 氣被通過(guò)氧化劑供應(yīng)器60提供給陰極入口 16。氧化劑供應(yīng)器60可以包括 空氣泵或鼓風(fēng)才幾。 反應(yīng)式1 陽(yáng)極H2(g)—2H++2e— 反應(yīng)式2
陰極l/202(g) + 2H++2e—— H20(1) 反應(yīng)式3
整體H2(g) + l/202(g) — H20(l)+電能+熱量
將詳細(xì)描述控制上述燃料電池系統(tǒng)的過(guò)程。圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí) 施例的控制燃料電池系統(tǒng)的方法的流程圖。
如圖2所示，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的控制方法包括以下步驟。首先， 本發(fā)明的控制方法包括啟動(dòng)系統(tǒng)的步驟(S10)。步驟S10可以包括在檢測(cè) 到用戶的開關(guān)操作或由控制器中的編程操作例程生成的操作控制信號(hào)之后， 執(zhí)行啟動(dòng)系統(tǒng)所需的操作的步驟。另外，控制方法包括當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)檢測(cè)燃 料電池堆的溫度Ts的步驟(S12 )。步驟S12可以包括通過(guò)與燃料電池堆相 連的第一傳感器42周期性地檢測(cè)燃料電池堆的溫度的步驟，和通過(guò)控制器 50周期性地監(jiān)視被檢測(cè)到的溫度的步驟。
另外，控制方法包括當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)檢測(cè)在燃料重整器20中生成的重整產(chǎn)品的溫度TR的步驟(S14)。步驟S14中;f全測(cè)重整產(chǎn)品的溫度TR可通過(guò) 第二傳感器44執(zhí)行，并且包括周期性地檢測(cè)熱交換器或重整產(chǎn)品的溫度的 步驟和通過(guò)控制器周期性地監(jiān)視被檢測(cè)到的溫度的步驟。另外，控制方法包 括確定重整產(chǎn)品的溫度TR是否低于燃料電池堆的Ts和溫差(Ts-Tr)是否等 于或小于參考溫差A(yù)Tr的步驟(S16)。參考溫差是從燃料電池堆的溫度中 減去參考溫度所得的值。這里，參考溫度對(duì)應(yīng)于相對(duì)于燃料電池堆的Ts的 飽和蒸汽量而言，具有大約90%至大約50%的飽和蒸汽量的溫度之一。如 果重整產(chǎn)品的溫度在由燃料電池堆的溫度和參考溫差限定的溫度范圍內(nèi)，那 么堆的內(nèi)部的濕度可以被保持在預(yù)定的水分范圍。但是如果重整產(chǎn)品溫度高 于燃料電池堆的溫度，那么堆的內(nèi)部可能會(huì)發(fā)生陽(yáng)極溢流。
在步驟S16中，如果重整產(chǎn)品的溫度在最佳溫度范圍內(nèi)(步驟S16中為 "是，，)，那么控制方法包括向燃料電池堆提供熱交換后的重整產(chǎn)品的步驟 (S18)。步驟S18可以包括開啟在燃料電池堆的陽(yáng)極入口側(cè)安裝的閥的通 道的步驟。閥包括螺線管閥。在步驟S16中，如果溫度超出最佳溫度范圍(步 驟S16中為"否，，)，那么控制方法包括返回至步驟S12的步驟。在這種情況 下，重整產(chǎn)品沒(méi)有被提供給燃料電池堆10，而是可以被提供給燃料重整器 20，也可以作為加熱燃料重整器20的燃料使用。
圖3為用于解釋本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的工作過(guò)程的圖。 本實(shí)驗(yàn)的實(shí)例使用200W的燃料電池系統(tǒng)。如圖3所示，剛剛啟動(dòng)系統(tǒng) 之后的燃料電池堆的溫度大約是31°C,這近似于室溫。在系統(tǒng)啟動(dòng)后的大 約IO分鐘之內(nèi)，燃料電池堆的溫度從大約31。C突然上升至大約63°C。這里， 在系統(tǒng)剛剛開始工作后的時(shí)段被稱為燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間。在圖3所示
的實(shí)例中，啟動(dòng)時(shí)間是燃料電池堆的溫度為3rc左右的時(shí)段。在燃料電池
系統(tǒng)的工作穩(wěn)定之后的時(shí)段被稱為燃料電池系統(tǒng)的正常工作時(shí)間。在圖3所 示的實(shí)例中，燃料電池系統(tǒng)的正常工作時(shí)間是燃料電池堆的溫度保持在63 。C 左右的時(shí)段。另外，燃料電池堆的溫度從大約3rC逐漸上升至大約63。C的 時(shí)段被稱為燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間。如果在上述系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間期間，重整產(chǎn)品的溫度被控制在大約50°C， 這對(duì)于燃料電池堆的正常工作狀態(tài)可能是合適的溫度，正常工作狀態(tài)下堆的 溫度大約是63°C，并且如果而后重整產(chǎn)品被提供給燃料電池堆，那么由于 堆的溫度低于燃料電池堆內(nèi)部的重整產(chǎn)品的溫度，因此重整產(chǎn)品中包括的相 當(dāng)數(shù)量的蒸汽被冷凝。冷凝水堵塞陽(yáng)極入口或陽(yáng)極的燃料通道，從而阻礙了 重整產(chǎn)品的供應(yīng)。然后，冷凝水聚集在燃料電池堆的較低部。在這種情況下， 位于燃料電池堆的較低部的電池被淹沒(méi)在水中，以致不能正常啟動(dòng)或生成相 反電壓，因而對(duì)堆具有不利影響。
然而，本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的控制方法將待提供給燃料電池堆的重 整產(chǎn)品的溫度控制為低于燃料電池堆的溫度，保持它們之間的預(yù)定溫差，從 而防止上述問(wèn)題。換句話說(shuō)，本實(shí)驗(yàn)的實(shí)例在燃料電池堆的溫度乂人大約31°C 上升至大約63。C時(shí)，通過(guò)保持重整產(chǎn)品與燃料電池堆之間的預(yù)定溫差控制 重整產(chǎn)品的溫度從大約29。C上升至大約50°C。當(dāng)重整產(chǎn)品被提供給燃料電 池堆的內(nèi)部時(shí)，用于控制重整產(chǎn)品的溫度的參考溫差被設(shè)置成在燃料電池堆 的內(nèi)部保持大約90%至50%的相對(duì)濕度，同時(shí)保持重整產(chǎn)品的溫度低于燃 料電池堆的溫度。
如圖3所示，由于與啟動(dòng)時(shí)間相比，在系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)期間堆的內(nèi) 部的濕度^^皮減少，所以重整產(chǎn)品一皮控制為在正常工作時(shí)間比在啟動(dòng)時(shí)間具有 更低的相對(duì)濕度。當(dāng)在正常工作狀態(tài)下，燃料電池堆溫度大約是63。C時(shí)， 重整產(chǎn)品的溫度被設(shè)置成大約48。C至大約52°C。
利用本實(shí)施例，在啟動(dòng)系統(tǒng)后，堆的溫度與重整產(chǎn)品的溫度之間的差防 止在堆的內(nèi)部生成過(guò)量的冷凝水，并通過(guò)堆與重整產(chǎn)品之間的溫度失配防止 形成低濕度的大氣，從而也防止了堆的內(nèi)部過(guò)度干燥。
圖4為可在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中采用的熱交換溫度控制設(shè)備的示 意圖。換句話說(shuō)，圖4示出燃料電池系統(tǒng)中的控制器中包括的熱交換溫度控 制設(shè)備的界面的一個(gè)示例。
本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)包括用于控制重整產(chǎn)品和燃料電池堆的溫度
14的熱交換溫度控制設(shè)備52。熱交換溫度控制設(shè)備52被包括在控制器50中， 以基于燃料電池堆在系統(tǒng)正常工作時(shí)間和在系統(tǒng)啟動(dòng)期間的溫度控制重整 產(chǎn)品的溫度?？刂圃O(shè)備52能被設(shè)置成處于自動(dòng)模式或手動(dòng)模式。
如圖4所示，熱交換溫度控制設(shè)備52具有為重整產(chǎn)品和燃料電池堆設(shè) 置溫度的界面52a。如果在熱交換溫度控制設(shè)備52中，燃料電池堆在正常工 作時(shí)間的溫度被設(shè)置成63°C,那么啟動(dòng)系統(tǒng)后，堆的風(fēng)扇在堆的溫度超過(guò) 63。C之前不會(huì)工作。如果重整產(chǎn)品在正常工作時(shí)間的溫度被設(shè)置成50°C, 那么啟動(dòng)系統(tǒng)后，熱交換器風(fēng)扇(H/X風(fēng)扇)在重整產(chǎn)品的溫度超過(guò)50°C 之前不會(huì)工作。另外，盡管它們處于正常工作狀態(tài)，但如果自動(dòng)模式被設(shè)置 成關(guān)閉(OFF)，那么它們不會(huì)工作，或僅僅按照預(yù)設(shè)狀態(tài)而沒(méi)有聯(lián)系地進(jìn) 行工作。
同時(shí)，如果在熱交換溫度控制設(shè)備52中，熱交換風(fēng)扇和堆風(fēng)扇被設(shè)置 成自動(dòng)模式，那么在堆的溫度在室溫左右的啟動(dòng)時(shí)間和在燃料電池堆的溫度 上升的燃料電池系統(tǒng)工作期間，重整產(chǎn)品的溫度都被控制為低于燃料電池堆 的溫度。換句話說(shuō)，在自動(dòng)模式下，即使在燃料電池堆的溫度改變的情況下， 重整產(chǎn)品的溫度也被自動(dòng)控制成低于燃料電池堆的溫度。
為了基于燃料電池堆的溫度控制重整產(chǎn)品的溫度，本實(shí)施例的燃料電池 系統(tǒng)能夠?qū)⒅卣a(chǎn)品的溫度控制在燃料重整器的特定點(diǎn)。例如，當(dāng)燃料重整 器包括蒸汽重整反應(yīng)器(SR反應(yīng)器)、水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器(WGS反應(yīng)器)、 優(yōu)先氧化反應(yīng)器(PROX反應(yīng)器)時(shí)，本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)能夠被操作 以將重整產(chǎn)品溫度與燃料電池堆溫度聯(lián)系起來(lái)。在這種情況下，設(shè)置重整產(chǎn) 品溫度時(shí)可以考慮PROX反應(yīng)器中的溫度變化和熱交換器中的溫度變化。作 為另 一個(gè)實(shí)例，本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)能被操作以將PROX反應(yīng)器的重整 產(chǎn)品溫度與燃料電池堆溫度聯(lián)系起來(lái)。在這種情況下，對(duì)重整產(chǎn)品溫度進(jìn)行 基本設(shè)置時(shí)可以考慮熱交換器中的溫度變化。另外，本實(shí)施例的燃料電池系 統(tǒng)可以在考慮到重整產(chǎn)品經(jīng)過(guò)連接在燃料重整器與燃料電池堆之間的管道 時(shí)的壓力和溫度變化的情況下設(shè)置重整產(chǎn)品溫度。圖5為可在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中采用的熱交換器的框圖。參見(jiàn)圖5， 熱交換器30a包括以框示意性地示出的管道塊32和冷卻經(jīng)過(guò)管道塊32的重 整產(chǎn)品的冷卻器。
冷卻器包括第一風(fēng)扇34a和第二風(fēng)扇34b。管道塊32可以以Z字形或 螺旋形延伸。用于排放冷凝水的排水閥可以被連接在管道塊32的出口附近。 另外，管道塊32的出口可以與三路閥35相連，其中當(dāng)熱交換后的重整產(chǎn)品 的溫度高于燃料電池堆的溫度時(shí)，三路閥35向燃料重整器提供重整產(chǎn)品Rl 作為氧化燃料，當(dāng)熱交換后的重整產(chǎn)品的溫度低于燃料電池堆的溫度在預(yù)定 范圍內(nèi)時(shí)，三路閥35向燃料電池堆提供重整產(chǎn)品R2。
兩個(gè)風(fēng)扇34a和34b在高功率下被操作以使管道塊32中流動(dòng)的重整產(chǎn) 品R0的溫度略低于初始在室溫左右的堆的溫度，然后，兩個(gè)風(fēng)扇34a和34b 的功率被慢慢減少，以通過(guò)基于在燃料電池系統(tǒng)工作期間上升的燃料電池堆
的溫度監(jiān)視和控制重整產(chǎn)品的溫度來(lái)允許重整產(chǎn)品的溫度逐漸上升。另外， 兩個(gè)風(fēng)扇34a和34b中的僅僅一個(gè)可以被操作以保持重整產(chǎn)品的溫度恒定。 本實(shí)施例的熱交換器30a可以^皮操作以利用兩個(gè)風(fēng)扇34a和34b的高速 工作和低速工作控制重整產(chǎn)品的溫度。例如，通過(guò)在啟動(dòng)時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間期 間的高速工作，重整產(chǎn)品的溫度可能顯著低于堆的溫度，通過(guò)低速工作，重 整產(chǎn)品的溫度可以合適地保持在低于堆的溫度的預(yù)定值。這里，低速意味著 'i曼于高速。
圖6為示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的包括氣體/液體分離器(下文 中稱為G/L分離器)的燃料電池系統(tǒng)的框圖。
參見(jiàn)圖1的系統(tǒng)，本實(shí)施例的兩個(gè)G/L分離器36a和36b基本上被連接 在燃料重整器20與燃料電池堆IO之間。此時(shí)，現(xiàn)有的熱交換器可以被安 裝在燃料重整器20與兩個(gè)G/L分離器36a和36b之間。另一方面，參見(jiàn)圖 1的系統(tǒng)，本實(shí)施例的兩個(gè)G/L分離器36a和36b可以被連接在熱交換器30a 與燃料電池堆10之間。在這種情況下，來(lái)自圖5的熱交換器30a的重整產(chǎn) 品R2可以被認(rèn)為作為重整產(chǎn)品Ra流入第一G/L分離器。
16器30b包括連接在燃料重整器與燃料電池 堆之間的第一至第七管道32a、 32b、 32c、 32d、 32e、 32f以及32g、布置在 第 一管道32a與第二管道32b之間的第一 G/L分離器36a以及布置在第三管 道32c與第四管道32d之間的第二 G/L分離器36b。
熱交換器30b包括連接至第二管道32b、第三管道32c、第六管道32f 以及第七管道32g的四路閥37a。這里，第六管道32f在第二管道32b與第 五管道32e之間形成旁路以通過(guò)第五管道32e而非第二 G/L分離器36b將經(jīng) 過(guò)第二管道32b的重整產(chǎn)品提供給燃料電池堆。第七管道32g是當(dāng)基于燃料 電池堆的溫度確定經(jīng)過(guò)第二管道32b的重整產(chǎn)品的溫度超出最佳溫度范圍 時(shí)，向燃料重整器提供重整產(chǎn)品Rb的管道。
另外，熱交換器30b包括選擇性地控制來(lái)自第二 G/L分離器36b通過(guò)第 四管道32d的重整產(chǎn)品的流和經(jīng)過(guò)第六管道32f的重整產(chǎn)品的流的三路閥 37b。
在上述熱交換器30b中，第一 G/L分離器36a與啟動(dòng)系統(tǒng)后獨(dú)立操作以 控制濕度的主濕度控制器相對(duì)應(yīng)。第二 G/L分離器36b與被操作以在系統(tǒng)的 正常工作時(shí)間幫助第一 G/L分離器36a從而反饋控制經(jīng)過(guò)第一 G/L分離器 36a的重整產(chǎn)品的濕度的輔助濕度控制器相對(duì)應(yīng)。
本發(fā)明提供在啟動(dòng)系統(tǒng)后具有低于堆的溫度在預(yù)定范圍內(nèi)的溫度的重 整產(chǎn)品，這可以防止在現(xiàn)有的堆的內(nèi)部引起的陽(yáng)極溢流問(wèn)題。另外，隨著在 啟動(dòng)時(shí)期堆的溫度增加，重整產(chǎn)品的溫度相應(yīng)地被增加，這可以增加堆的啟
動(dòng)和工作穩(wěn)定性并防止堆的性能惡化。另外，盡管由于堆的溫度的不穩(wěn)定性 導(dǎo)致堆的溫度低于控制值，但是熱交換后的重整產(chǎn)品的溫度與堆的溫度相聯(lián) 系，這可以防止陽(yáng)極溢流。另外，盡管在啟動(dòng)系統(tǒng)后，堆的溫度升高到設(shè)定 溫度之上，但重整產(chǎn)品的溫度與堆的溫度相聯(lián)系，這可以防止堆的內(nèi)部變干燥。
盡管已示出和描述了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解 的是，可以在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對(duì)這些實(shí)施例做出改變，
17本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書和它們的等同物限定,
權(quán)利要求
1、一種控制燃料電池系統(tǒng)的方法，包括以下步驟檢測(cè)燃料電池堆的溫度；檢測(cè)在燃料重整器中生成并且而后通過(guò)熱交換器被提供給所述燃料電池堆的重整產(chǎn)品的溫度；以及在所述燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間期間，將所述重整產(chǎn)品的溫度設(shè)置為低于所述燃料電池堆的溫度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制燃料電池系統(tǒng)的方法，其中在所述燃料電池 系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間期間，將所述重整產(chǎn)品的溫度設(shè)置為低于所述燃料電池堆的溫 度的步驟包括將所述重整產(chǎn)品的溫度設(shè)置為將基于所述燃料電池堆的溫度的 相對(duì)濕度保持在卯％至50 %范圍內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制燃料電池系統(tǒng)的方法，其中在所述燃料電池 系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間期間，將所述重整產(chǎn)品的溫度設(shè)置為低于所述燃料電池堆的溫 度的步驟包括將所述熱交換器在所述燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間期間的熱交換 性能提升得高于在所述燃料電池系統(tǒng)的正常工作時(shí)間期間的熱交換性能。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制燃料電池系統(tǒng)的方法，其中所述熱交換器包 括主熱交換器和輔助熱交換器，并且在所述燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間期間，將 所述重整產(chǎn)品的溫度設(shè)置為低于所述燃料電池堆的溫度的步驟包括在所述燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間期間#:作所述主熱交換器和所述輔助熱交 換器；以及在所述燃料電池系統(tǒng)的正常工作時(shí)間期間只操:作所述主熱交換器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制燃料電池系統(tǒng)的方法，其中檢測(cè)燃料電池堆 的溫度的步驟包括檢測(cè)所述燃料電池堆的體積中心部分的溫度。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制燃料電池系統(tǒng)的方法，進(jìn)一步包括每當(dāng)所 述重整產(chǎn)品的溫度等于或高于所述燃料電池堆的溫度時(shí)，向所述燃料重整器提 供所述重整產(chǎn)品。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制燃料電池系統(tǒng)的方法，進(jìn)一步包括向所述 燃料電池堆的陰極提供氧化劑。
8、 一種燃料電池系統(tǒng)，包括 用于發(fā)電的燃料電池堆；檢測(cè)所述燃料電池堆的溫度的第 一傳感器；生成重整產(chǎn)品并向所述燃料電池堆提供所述重整產(chǎn)品的燃料重整器； 連接在所述燃料電池堆與所述燃料重整器之間的熱交換器，所述熱交換器控制從所述燃料重整器提供的重整產(chǎn)品的溫度；檢測(cè)所述熱交換器中的重整產(chǎn)品的溫度的第二傳感器；以及 連接至所述燃料電池堆和所述熱交換器中的每一個(gè)的控制器，所述控制器控制所述熱交換器，以在所述燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間期間將所述重整產(chǎn)品的溫度設(shè)置為低于所述燃料電池堆的溫度。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制器控制所述熱交換 器，以將所述重整產(chǎn)品的溫度設(shè)置為將基于所述燃料電池堆的溫度的相對(duì)濕度 保持在90 %至50 %的范圍內(nèi)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制器將所述熱交換 器在所述燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間期間的熱交換性能提升得高于在所述燃料電 池系統(tǒng)的正常工作時(shí)間期間的熱交換性能。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述熱交換器包括主熱交 換器和輔助熱交換器，所述輔助熱交換器僅在所述燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間期 間被操作。
12、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步包括布置在所述燃料重 整器與所述燃料電池堆之間的閥，每當(dāng)所述重整產(chǎn)品的溫度等于或高于所述燃 料電池堆的溫度時(shí)，所述閥引導(dǎo)所述重整產(chǎn)品流入所述燃料重整器。
13、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制器包括通過(guò)讀取 所述燃料電池堆的溫度自動(dòng)控制所述熱交換器的操作的熱交換溫度控制設(shè)備。
14、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步包括向所述燃料電池堆的陰極提供氧化劑的氧化劑供應(yīng)器。
15、根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池堆包括聚合 物電解質(zhì)膜燃料電池方案中的堆。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)及控制燃料電池系統(tǒng)的方法能夠防止啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)后由于堆與重整產(chǎn)品之間的溫差而導(dǎo)致的陽(yáng)極溢流。控制燃料電池系統(tǒng)的方法包括以下步驟檢測(cè)燃料電池堆的溫度；檢測(cè)燃料重整器中生成而后通過(guò)熱交換器被提供給所述燃料電池堆的重整產(chǎn)品的溫度；以及在所述燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間期間，將所述重整產(chǎn)品的溫度設(shè)置為低于所述燃料電池堆的溫度。
文檔編號(hào)G05D23/00GK101561686SQ20091013186
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月15日
發(fā)明者吉田泰樹, 安鎮(zhèn)弘, 徐晙源, 朱利亞, 洪明子, 趙雄浩, 賢 金, 金東賢, 金周龍, 韓萬(wàn)錫 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社