專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，具體地涉及一種允許燃料電池的早期起動的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通過層疊電解質(zhì)、包含設(shè)置在電解質(zhì)一個表面上的陽極和設(shè)置在另一個表面上的陰極的MEA以及隔板而形成燃料電池(FC)。陽極接收燃料氣體(通常為包含氫氣的氣體)的供給，而陰極接收氧化氣體(通常為包含氧氣的氣體或者通常為空氣)的供給，以使得燃料電池發(fā)電。所述燃料氣體用于發(fā)電，并且從燃料電池中排出的燃料氣體通過泵被循環(huán)到燃料氣體供給系統(tǒng)中。由于在發(fā)電過程中少量氮氣從陰極處通過電解質(zhì)與燃料氣體相混合，因此排出的燃料氣體被氧化，之后被間歇地排出到大氣環(huán)境中。
為了使燃料電池執(zhí)行的發(fā)電穩(wěn)定，必須將燃料電池保持在預定溫度下并且必須恒定地加濕所供給的氣體。然而，燃料電池在起動時的溫度低，因此使其溫度被加熱到足以允許穩(wěn)定地發(fā)電要花費一定的時間。而且，由于要供給到燃料電池的氣體在起動時還未被加濕，因此該階段的發(fā)電仍是不穩(wěn)定的。由于前述原因，燃料電池起動可能花費一定的時間。
日本專利申請?zhí)亻_No.JP-A-2001-155754公開了以下內(nèi)容在陽極和陰極中設(shè)置有燃燒室，分別用于通過燃料電池起動時各燃燒室中產(chǎn)生的燃燒熱加熱燃料氣體和空氣，從而加速早期(盡早)起動。從燃料電池排出的燃料氣體和空氣在排氣燃燒部中完全燃燒。由于前述燃料電池系統(tǒng)需要分別為燃料電池的陽極和陰極設(shè)置燃燒室，因此難以減小前述系統(tǒng)的尺寸。
為了加速燃料電池起動的目的用于燃料電池陽極和陰極的那些燃燒室可阻礙燃料電池系統(tǒng)尺寸的減小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種小型化燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)不需要用于加熱燃料氣體和氧化氣體以便于燃料電池的早期起動的加熱單元。
(1)根據(jù)本發(fā)明，一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，供燃料氣體和氧化氣體供給到所述燃料電池的供給通路，供燃料氣體和氧化氣體從所述燃料電池流出的排氣通路，以及設(shè)置在所述排氣通路中并使來自所述燃料電池的燃料廢氣氧化的反應器。所述燃料電池系統(tǒng)還包括從所述供給通路延伸到達所述反應器并返回到所述供給通路的旁路通路，該旁路通路在所述燃料電池起動時接收要供給到所述燃料電池的燃料氣體和氧化氣體的至少一部分氣流，以便在所述反應器中所產(chǎn)生的熱量下被加熱。燃料電池系統(tǒng)的上述特征適用于下面所述的本發(fā)明的所有實施例。
(2)在本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)中，所述旁路通路包括燃料氣體旁路通路和氧化氣體旁路通路中的至少一個，所述燃料氣體旁路通路是從供燃料氣體供給到所述燃料電池的所述供給通路分出(分支)的、經(jīng)過所述反應器并返回到所述供給通路以便供富氫氣體流過的支路，所述氧化氣體旁路通路是從供氧化氣體供給到所述燃料電池(10)的所述供給通路分出的、經(jīng)過所述反應器并返回到所述供給通路以便供富氧氣體流過的支路。燃料電池系統(tǒng)的上述特征適用于下面所述的本發(fā)明的所有實施例。
(3)在本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)中，所述反應器包括第一反應器和第二反應器中的至少一個，所述第一反應器在所述燃料電池起動時允許富氫氣體從所述反應器流入所述燃料電池的陽極，所述第二反應器允許富氧氣體從所述反應器流入所述燃料電池的陰極。燃料電池系統(tǒng)的上述特征適用于下面所述的本發(fā)明的所有實施例。
(4)本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)還包括位于所述旁路通路中和位于供燃料氣體和氧化氣體供給到所述燃料電池的所述供給通路中的閥。在燃料電池系統(tǒng)中，所述閥用于在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間選擇一種狀態(tài)，其中在所述第一狀態(tài)下，在所述燃料電池起動時供給到所述燃料電池的燃料氣體和氧化氣體中的至少一部分流過所述旁路通路和所述反應器，在所述第二狀態(tài)下，在所述燃料電池起動之后的正常運轉(zhuǎn)期間從所述燃料電池排出的燃料氣體和氧化氣體中的至少一部分流過所述反應器。燃料電池系統(tǒng)的上述特征適用于下面所述的本發(fā)明的所有實施例。
(5)在本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)中，在所述燃料電池起動時供給到所述反應器的氣體與要在所述燃料電池的正常運轉(zhuǎn)期間供給到所述燃料電池的進氣口的氣體相同。燃料電池系統(tǒng)的上述特征適用于下面所述的本發(fā)明的所有實施例。
(6)在本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)中，所述旁路通路與所述反應器的內(nèi)部連通，使得在所述燃料電池起動時流入所述反應器的氣體被在所述反應器中所發(fā)生的反應中加熱和加濕并被供給到所述燃料電池。燃料電池系統(tǒng)的上述特征適用于下面所述的本發(fā)明的實施例1-4。
(7)在本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)中，所述旁路通路包括燃料氣體旁路通路和氧化氣體旁路通路。所述反應器包括在所述燃料電池起動時排出富氫氣體以使其流入所述燃料電池的陽極的第一反應器和在所述燃料電池起動時排出富氧氣體以使其流入所述燃料電池的陰極的第二反應器。設(shè)置在供燃料氣體和氧化氣體供給到所述燃料電池的所述供給通路中的閥包括開閉閥，該開閉閥在所述燃料電池起動時允許全量的燃料氣體流入所述第一反應器以及全量的氧化氣體流入所述第二反應器。燃料電池系統(tǒng)的上述特征適用于下面所述的本發(fā)明的實施例1。
(8)在本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)中，所述旁路通路包括燃料氣體旁路通路和氧化氣體旁路通路。所述反應器包括在所述燃料電池起動時排出富氫氣體以使其流入所述燃料電池的陽極的第一反應器和在所述燃料電池起動時排出富氧氣體以使其流入所述燃料電池的陰極的第二反應器。設(shè)置在供燃料氣體和氧化氣體供給到所述燃料電池的所述供給通路中的閥包括流量控制閥，該流量控制閥在所述燃料電池起動時允許燃料氣體的一部分流入所述第一反應器以及氧化氣體的一部分流入所述第二反應器。燃料電池系統(tǒng)的上述特征適用于下面所述的本發(fā)明的實施例2。
(9)在本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)中，所述旁路通路包括氧化氣體旁路通路。所述反應器包括在所述燃料電池起動時排出富氧氣體以使其流入所述燃料電池的陰極的第二反應器。設(shè)置在供氧化氣體供給到所述燃料電池的所述供給通路中的閥在所述燃料電池起動時允許氧化氣體的至少一部分流入所述第二反應器。燃料電池系統(tǒng)的上述特征適用于下面所述的本發(fā)明的實施例3。
(10)在本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)中，所述旁路通路包括燃料氣體旁路通路。所述反應器包括在所述燃料電池起動時排出富氫氣體以使其流入所述燃料電池的陽極的第一反應器。設(shè)置在供燃料氣體供給到所述燃料電池的所述供給通路中的閥在所述燃料電池起動時允許燃料氣體的至少一部分流入所述第一反應器。燃料電池系統(tǒng)的上述特征適用于下面所述的本發(fā)明的實施例4。
(11)在本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)中，所述旁路通路布置在所述反應器的外部以便不與所述反應器的內(nèi)部連通，并且構(gòu)造成熱量可在所述旁路通路與所述反應器的內(nèi)部之間交換。燃料電池系統(tǒng)的上述特征適用于下面所述的本發(fā)明的實施例5。
(12)在控制根據(jù)(1)所述的燃料電池系統(tǒng)的方法中，要供給到燃料電池的燃料氣體和氧化氣體中的至少一部分在所述燃料電池起動時流入旁路通路，以便在反應器中所產(chǎn)生的熱量下被加熱。
根據(jù)前述燃料電池系統(tǒng)，反應器的作用是處理燃料廢氣和產(chǎn)生在燃料電池起動時作用于燃料電池的熱量。不必提供用于起動燃料電池的熱源，從而減小燃料電池系統(tǒng)的尺寸。如(2)-(5)中所述的每個燃料電池系統(tǒng)都是(1)中所述的燃料電池系統(tǒng)的實施例。
在(6)所涉及的燃料電池系統(tǒng)中，來自于反應器的氣體包含供給到燃料電池的燃料氣體燃燒產(chǎn)生的水分。這樣能夠在早期階段同時加熱和加濕要供給到燃料電池的氣體。已加熱和加濕的氣體可在早期階段供給到燃料電池，從而允許燃料電池起動的加速。
(7)-(10)中所述的每個燃料電池系統(tǒng)都是(6)的燃料電池系統(tǒng)的實施例。各個燃料電池系統(tǒng)(7)-(10)對應于本發(fā)明所涉及的實施例1-4。由于(8)中所述的燃料電池系統(tǒng)包括流量控制閥，因此燃料電池起動時的空燃比可保持在穩(wěn)定燃燒的范圍內(nèi)，從而使得氫氣燃燒穩(wěn)定。
與(6)中所述的燃料電池系統(tǒng)相比較，(11)中所述的燃料電池系統(tǒng)可降低成本。
(12)中所述的方法用于執(zhí)行起動(1)中所述的燃料電池系統(tǒng)的控制。這允許燃料電池系統(tǒng)的早期起動。


從以下參照附圖所作出的優(yōu)選實施例的說明中將更加明白本發(fā)明的前述和其它目的、特征和優(yōu)點，在附圖中相似的附圖標記用于表示相似的元件，其中圖1是示出實施例1所涉及的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是示出實施例1所涉及的燃料電池系統(tǒng)在起動時的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是示出實施例1所涉及的燃料電池系統(tǒng)在正常運轉(zhuǎn)期間的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是示出實施例2所涉及的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5是示出實施例3所涉及的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6是示出實施例4所涉及的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖；以及圖7是示出實施例5所涉及的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式
下面將參照圖1-7說明本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)。
圖1-3示出本發(fā)明的實施例1、圖4示出實施例2、圖5示出實施例3、圖6示出實施例4，以及圖7示出實施例5。
實施例1-4被分類為本發(fā)明的第一組。在第一組的實施例中，要供給到燃料電池的氣體在反應器中被加濕。實施例5被分類為本發(fā)明的第二組。在第二組的實施例中，要供給到燃料電池的氣體未在反應器中被加濕。在實施例中相同或相似的那些元件將用相同的附圖標記表示。
下面將參照圖1，說明在本發(fā)明的所有實施例中相同或相似的特征。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池10、供燃料氣體和氧化氣體供給到燃料電池10的供給通路11、供燃料氣體和氧化氣體從燃料電池10排出的排氣通路12、以及設(shè)置在排氣通路12中用于使來自燃料電池10的燃料廢氣氧化的反應器13。所述燃料電池系統(tǒng)還包括從供給通路11延伸到反應器13并從該處返回到供給通路11的旁路通路14。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還包括分別從排出氫氣和空氣的管道到反應器13的次級側(cè)的通路20(排出氫氣通路20A、排出空氣通路20B)。
在本發(fā)明所涉及的燃料電池系統(tǒng)中，要在燃料電池起動時供給到燃料電池10的燃料氣體和氧化氣體的至少一部分供給到旁路通路14中，以便通過反應器中所產(chǎn)生的熱量被加熱。
與反應器13相連接的旁路通路14可獨立于排氣通路形成或者可專用為排氣通路。優(yōu)選使得旁路通路的一部分專用為排氣通路以便于簡化燃料電池系統(tǒng)并減小燃料電池系統(tǒng)的尺寸。
燃料電池10為固體高分子電解質(zhì)類型的，例如為由包含電解質(zhì)、形成在電解質(zhì)一個表面上的陽極以及形成在另一個表面上的陰極的MEA(薄膜電極組件)和隔板構(gòu)成的層疊體。MEA和隔板沿不局限于垂直方向的任意方向?qū)盈B。燃料氣體包含氫氣，氧化氣體包含氧氣，例如為空氣。
反應器13裝有用于氧化燃料氣體的氧化催化劑。然而，也可在反應器13中提供吸收催化劑。術(shù)語“氧化”可包括燃燒。由吸收催化劑吸收的燃料氣體通過催化劑氧化而被氧化，并且在燃燒所產(chǎn)生的熱量下燃燒以便于被去除。
在本發(fā)明的實施例中“旁路通路14返回到供給通路11”包括氣體直接流入燃料電池10。用于說明旁路通路14的術(shù)語“旁路”代表繞過供給通路11與旁路通路14的分支點和從其處返回的返回點之間的通路部分的操作。換句話說，旁路通路14從供給通路11延伸到反應器13，之后返回到燃料電池10。
供燃料氣體和氧化氣體供給到燃料電池10的供給通路11包括供燃料氣體供給到燃料電池10的供給通路11A和供氧化氣體供給到燃料電池10的供給通路11B。
供燃料氣體和氧化氣體從燃料電池10排出的排氣通路12包括供燃料氣體從燃料電池10排出的排氣通路12A和供氧化氣體從燃料電池10排出的排氣通路12B。
供燃料氣體從燃料電池10排出的排氣通路12A裝有供燃料氣體循環(huán)到供給通路11A的循環(huán)通路15。循環(huán)通路15裝有用于使流過排氣通路12A的氫氣返回到供給通路11A的泵16。
由于在燃料電池運轉(zhuǎn)期間包含在氧化氣體中的少量氮通過電解質(zhì)與燃料氣體相混合，因此在預定間隔下將燃料氣體排出到大氣環(huán)境中以去除氮。用于將燃料氣體排出到大氣環(huán)境中的通路裝有反應器13，所述反應器13用于在氫氣排出到大氣環(huán)境中之前燃燒氫氣，從而避免可燃氣體直接排放到大氣環(huán)境中。
旁路通路14包括燃料氣體旁路通路14A與氧化氣體旁路通路14B中的至少一個。燃料氣體旁路通路14A是在分支點處從供給通路11A分出的經(jīng)過反應器13并返回到燃料氣體供給通路11A的支路，富氫氣體從燃料氣體旁路通路14A中流過。氧化氣體旁路通路14B是在分支點處從供給通路11B分出的經(jīng)過反應器13并返回到供給通路11B的支路，富氧氣體從氧化氣體旁路通路14B中流過。
普通燃料電池系統(tǒng)中未使用的旁路通路14使得可允許反應器13在加熱和/或加濕要供給的氣體時發(fā)揮作用。燃料氣體旁路通路14A包括反應器13上游的上游燃料氣體旁路通路14Au和反應器13下游的下游燃料氣體旁路通路14Ad。
氧化氣體旁路通路14B包括反應器13上游的上游氧化氣體旁路通路14Bu和反應器13下游的下游氧化氣體旁路通路14Bd。
反應器13包括在燃料電池10起動時使富氫氣體流到燃料電池10的陽極側(cè)的第一反應器13A和在燃料電池10起動時使富氧氣體流到燃料電池10的陰極側(cè)的第二反應器13B中的至少一個。
第一反應器13A在小空燃比λ下操作，而第二反應器13B在大空燃比λ下操作。
第一反應器13A排出H2、H2O和N2，而第二反應器13B排出O2、H2O和N2。
當從第一反應器13A排出的氣體與流過供給通路11A的燃料氣體相混合并且混合物被供給到燃料電池時，混合物的溫度變?yōu)?0℃或更高(從第一反應器13A排出的氣體的溫度高于混合物的溫度)。
當從第二反應器13B排出的氣體與流過氧化氣體供給通路11B的燃料氣體相混合并且混合物被供給到燃料電池時，混合物的溫度變?yōu)?0℃或更高(從第二反應器13B排出的氣體的溫度高于混合物的溫度)。
在旁路通路14和供給通路11中設(shè)有閥17。閥17用于在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間選擇一種狀態(tài)，其中在第一狀態(tài)下，要在燃料電池10起動時供給到燃料電池10的燃料氣體和氧化氣體中的至少一部分允許流過旁路通路14和反應器13，而在第二狀態(tài)下，在燃料電池起動之后的正常運轉(zhuǎn)期間從燃料電池10排出的燃料氣體和氧化氣體中的至少一部分允許流過反應器13。
設(shè)置在燃料氣體旁路通路14A和供給通路11中的閥17包括閥17A(1)、17A(2)和17A(3)。閥17A(1)設(shè)置在供給通路11A的相對于旁路通路14A的分支點與返回接合點之間。閥17A(2)設(shè)置在上游燃料氣體旁路通路14Au中。閥17A(3)設(shè)置在下游燃料氣體旁路通路14Ad中。
設(shè)置在氧化氣體旁路通路14B和供給通路11中的閥17包括閥17B(1)、17B(2)、17B(3)和17B(4)。閥17B(1)設(shè)置在供給通路11B的相對于旁路通路14B的分支點與返回接合點之間。閥17B(2)設(shè)置在上游氧化氣體旁路通路14Bu中。閥17B(3)設(shè)置在下游氧化氣體旁路通路14Bd中。閥17B(4)設(shè)置在下游氧化氣體旁路通路14Bd中相對于排氣通路12B的分支部分的下游的部位處。然而，閥17B(4)的設(shè)置也并非是必需的。
閥17可被構(gòu)成為通斷閥(開閉閥)或流量控制閥。在燃料電池的運轉(zhuǎn)控制單元(設(shè)置在車輛中的電腦)的指令下執(zhí)行閥17的關(guān)閉控制或閥17的開度控制。根據(jù)燃料電池的運轉(zhuǎn)(在起動時或起動之后的正常運轉(zhuǎn)期間)執(zhí)行前述控制。
流量控制閥18設(shè)置在旁路通路14中。流量控制閥18的作用是關(guān)于分別流入反應器13中的燃料氣體(氫氣)和氧化氣體(空氣)在小值和大值之間選擇流量比，以便于分別在第一和第二反應器13A和13B中調(diào)節(jié)空燃比λ。
流量控制閥18包括流量控制閥18A(1)、18A(2)、18B(1)和18B(2)。流量控制閥18A(1)設(shè)置在燃料氣體旁路通路14A相對于第一反應器13A的入口周圍。流量控制閥18A(2)設(shè)置在燃料氣體旁路通路14A相對于第二反應器13B的入口周圍。流量控制閥18B(1)設(shè)置在氧化氣體旁路通路14B相對于第一反應器13A的入口周圍。流量控制閥18B(2)設(shè)置在燃料氣體旁路通路14B相對于第二反應器13B的入口周圍。
閥19設(shè)置在供來自于燃料電池10的燃料氣體和氧化氣體流出的排氣通路12中。閥19可被構(gòu)成為通斷閥。閥19包括閥19A(1)、19A(2)、19A(3)和19A(4)，它們分別設(shè)置在供來自燃料電池10的燃料氣體流出的排氣通路12A中。閥19A(1)設(shè)置在排氣通路12A的循環(huán)通路15分支的部位的下游的位置處。閥19A(2)設(shè)置在第一反應器13(A)的分支通路在排氣通路12A中合流的部位的上游的位置處。閥19A(3)設(shè)置在反應器13的分支通路中第一反應器13(A)的上游。閥19A(4)設(shè)置在第一反應器13(A)的分支通路中第一反應器13(A)的下游。
閥19還包括閥19B(1)、19B(2)和19B(3)，它們分別設(shè)置在供來自燃料電池10的氧化氣體流出的排氣通路12B中。閥19B(1)設(shè)置在排氣通路12B的分支通路相對于反應器13分支的位置處的下游。閥19B(2)設(shè)置在相對于反應器13的分支通路中第二反應器13(B)的上游。閥19B(3)設(shè)置在相對于第二反應器13(B)的分支通路中第二反應器13(B)的下游。
要在燃料電池起動時供給到反應器13的氣體與在燃料電池的正常運轉(zhuǎn)期間供給到燃料電池的進氣口的氣體相同。在燃料電池起動時供給到反應器13的氧化氣體可獨立于要在燃料電池的正常運轉(zhuǎn)期間供給到燃料電池的進氣口的氣體用作二次空氣。
在分類為本發(fā)明第一組的各個實施例(1-4)中，旁路通路14與反應器13的內(nèi)部連通。因此，要在燃料電池10起動時供給到反應器13中的氣體(氫氣和空氣)在反應器13中的反應(由空氣氧化氫氣)下被加熱，并且被反應所產(chǎn)生的水分加濕。
下面將說明本發(fā)明實施例的作用和效果。
在燃料電池10起動之后的正常運轉(zhuǎn)時，燃料廢氣與設(shè)置在排氣通路12中的反應器13中的空氣(氧化廢氣或獨立供給的二次空氣)反應，以便于作為不包含氫氣的氣體被排出到大氣環(huán)境中。在燃料電池10起動時，燃料氣體和空氣(來自于燃料電池10的氧化廢氣或獨立供給的二次空氣)被供給到反應器13，并且在氫氣的氧化反應所產(chǎn)生的熱量下被加熱的燃料氣體和空氣被供給到燃料電池10，以有利于早期起動。用于燃料廢氣的燃燒所提供的反應器13的作用是處理從燃料電池排出的燃料廢氣以及用作有助于燃料電池的早期起動的熱源。因此，不必提供專用于起動燃料電池的熱源(燃燒器等)。在允許早期起動的同時，本發(fā)明可提供小型化燃料電池系統(tǒng)。
在設(shè)置兩個反應器即，連接于陽極側(cè)的第一反應器13A和連接于陰極側(cè)的第二反應器13B的情況下，在燃料電池起動時，第一反應器13A在小空燃比λ下操作，而第二反應器13B在大空燃比λ下操作。在燃料電池10起動的情況下，如此被加熱的不包含氧氣的燃料氣體和如此被加熱的不包含氫氣的氧化氣體可被供給到燃料電池10。氫氣傳感器和氧氣傳感器可設(shè)置在氣體通路中以便于執(zhí)行反饋控制，在所述反饋控制下在必要的情況下選擇燃料氣體和氧化氣體的每個流量。這使得可執(zhí)行更精確的起動控制。
通斷閥用作閥17A(1)和17B(1)以使得全量的氣體可被供給到反應器13。流量控制閥的使用允許一部分氣體(適當量)被供給到反應器13。如果流量控制閥用作閥17A(1)和17B(1)以便于部分地向反應器13中供給空氣的話，可在穩(wěn)定的燃燒范圍內(nèi)的空燃比λ下執(zhí)行反應器13中的燃燒，從而使氫氣的燃燒穩(wěn)定。
在分類為本發(fā)明第一組的實施例1-4中，來自反應器13的氣體包含供給到燃料電池10的燃料氣體(H2)的燃燒中產(chǎn)生的水分。供給到燃料電池的氣體不僅可在早期階段被加熱而且還可同時被加濕。這使得可在早期階段使得燃料電池達到穩(wěn)定運轉(zhuǎn)范圍。
下面將說明本發(fā)明各個實施例的具體特征。
實施例1在圖1-3所示的本發(fā)明的實施例中，旁路通路14包括燃料氣體旁路通路14A和氧化氣體旁路通路14B。反應器13包括在燃料電池起動時排出富氫氣體以使其被供給到燃料電池的陽極側(cè)的第一反應器13A，以及在燃料電池起動時排出富氧氣體以使其被供給到燃料電池的陰極側(cè)的第二反應器13B。通斷閥或開閉閥用作設(shè)置在分別供燃料氣體和氧化氣體供給到燃料電池10的供給通路11A、11B中的閥17A(1)和17B(1)。每個閥17A(1)和17B(1)都選擇性地操作以便于將全量的燃料氣體供給到第一反應器13A，以及將全量的氧化氣體供給到第二反應器13B。
在這種情況下，在起動時閥17A(2)、17A(3)、18A(1)、18A(2)和19A(2)打開，而閥17A(1)、19A(3)和19A(4)關(guān)閉。另外閥17B(2)、17B(3)、17B(4)、18B(1)、18B(2)和19B(1)打開，而閥17B(1)、19B(2)和19B(3)關(guān)閉。
在正常運轉(zhuǎn)期間，閥17A(2)、17A(3)、19A(2)關(guān)閉，而閥17A(1)、19A(3)、19A(4)、18A(1)和18A(2)打開。另外閥17B(2)、17B(3)、17B(4)和19B(1)關(guān)閉，而閥17B(1)、19B(2)、19B(3)、18B(1)和18B(2)打開。
參照圖2，在燃料電池起動時，閥17A(1)關(guān)閉，以使得所供給的全量的燃料氣體供給到其中燃料氣體在小空燃比λ下燃燒和加熱的第一反應器13A中，并且燃料氣體還由燃燒所產(chǎn)生的水分加濕，以便供給到燃料電池10的陽極側(cè)。同樣，閥17B(1)關(guān)閉，以使得所供給的全量的氧化氣體供給到其中燃料氣體在大空燃比λ下燃燒和加熱的第二反應器13B中，并且燃料氣體還由燃燒所產(chǎn)生的水分加濕，以便供給到燃料電池10的陰極側(cè)。這樣能夠早期起動燃料電池10以及加濕燃料電池10。
參照圖3，在正常運轉(zhuǎn)或穩(wěn)定工作期間，閥17A(1)如圖3所示打開，以使得所供給的全量的燃料氣體供給到燃料電池10的陽極側(cè)，并且閥17B(1)打開，以使得所供給的全量的氧化氣體直接供給到燃料電池10的陰極側(cè)。所排出的燃料氣體被間歇地供給到第一反應器13A以便于排出氮氣。所排出的氧化氣體被恒定地供給到第二反應器13B，以使得所排出的氫氣和所謂的臭氣成分被吸收。在第一反應器13A和第二反應器13B中交替地執(zhí)行燃燒，從而通過燃燒去除所吸收的氫氣和臭氣成分。所排出氫氣的催化燃燒所產(chǎn)生的熱量用于前述燃燒。
實施例2在本發(fā)明的實施例2中，如圖4所示，流量控制閥用作設(shè)置在供給通路11A、11B中的閥17A(1)和17B(1)。在閥17A(3)、17B(3)的下游有逆止閥21A、21B(中斷氣體分別從供給通路11A、11B向反應器13A、13B流動的單向閥)。其它結(jié)構(gòu)與本發(fā)明實施例1中的相同。
由于流量控制閥用作閥17A(1)和17B(1)，因此直接供給到燃料電池10的燃料氣體和氧化氣體的各自流量與經(jīng)由反應器13供給到燃料電池10的氣體的流量的比例可改變。因此，氫氣可在穩(wěn)定燃燒范圍內(nèi)的空燃比λ下被氧化(燃燒)。本實施例的其它作用和效果與實施例1中的相同。
實施例3
在本發(fā)明的實施例3中，如圖5所示，旁路通路14僅包括氧化氣體旁路通路14B而不包括燃料氣體旁路通路14A。反應器13僅包括在起動時排出富氧氣體以便于將其供給到燃料電池的陰極側(cè)的第二反應器13B。設(shè)置在供氧化氣體供給到燃料電池的供給通路11B中的閥17B(1)用于在燃料電池起動時將至少一部分氧化氣體(包括一部分氣體和全量的氣體)供給到第二反應器13B。在燃料電池起動時只有一部分氧化氣體供給到第二反應器13B的情況下，閥17B(1)構(gòu)成為流量控制閥。在燃料電池起動時全量的氧化氣體供給到第二反應器13B的情況下，閥17B(1)構(gòu)成為開閉閥或通斷閥。
實施例3的作用和效果與實施例1中關(guān)于氧化氣體的那些相同。
實施例4在本發(fā)明的實施例4中，如圖6所示，旁路通路14僅包括燃料氣體旁路通路14A而不包括氧化氣體旁路通路14B。反應器13僅包括在燃料電池起動時排出富氫氣體以便于將其供給到燃料電池的陽極側(cè)的第一反應器13A。設(shè)置在供燃料氣體供給到燃料電池的供給通路11A中的閥17A(1)用于在燃料電池起動時將至少一部分燃料氣體(包括僅一部分燃料氣體和全量的燃料氣體)供給到第一反應器13A。在燃料電池起動時只有一部分燃料氣體供給到第一反應器13A的情況下，閥17A(1)構(gòu)成為流量控制閥。在燃料電池起動時全量的燃料氣體供給到第一反應器13A的情況下，閥17A(1)構(gòu)成為開閉閥或通斷閥。
實施例4的作用和效果與實施例1關(guān)于燃料氣體的那些相同。
實施例5在本發(fā)明的實施例5中，旁路通路14(燃料氣體旁路通路14A和/或氧化氣體旁路通路14B)布置在反應器13的外部，以使其不與反應器13的內(nèi)部連通但是卻可與其內(nèi)部熱交換。
根據(jù)本發(fā)明的實施例5，由于流過旁路通路14的氣體不流過反應器13的內(nèi)部，因此不會發(fā)生氫和氧的氧化以及燃燒。由于沒有產(chǎn)生水分，因此氣體未被加濕。然而，所排出的燃料氣體被氧化，并且所產(chǎn)生的熱量用于加熱反應器中在熱交換過程中供給的氣體。因此，所供給的氣體可被加熱。其它作用和效果與實施例1中的那些相似。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池(10)，供燃料氣體和氧化氣體供給到所述燃料電池(10)的供給通路(11)，供燃料氣體和氧化氣體從所述燃料電池(10)流出的排氣通路(12)，以及設(shè)置在所述排氣通路(12)中并使來自所述燃料電池的燃料廢氣氧化的反應器(13)，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于包括從所述供給通路(11)延伸到達所述反應器(13)并返回到所述供給通路(11)的旁路通路(14)，該旁路通路(14)在所述燃料電池起動時接收要供給到所述燃料電池的燃料氣體和氧化氣體的至少一部分氣流，以便在所述反應器(13)中所產(chǎn)生的熱量下被加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述旁路通路(14)包括燃料氣體旁路通路(14A)和氧化氣體旁路通路(14B)中的至少一個，所述燃料氣體旁路通路(14A)是從供燃料氣體供給到所述燃料電池(10)的所述供給通路(11)分出的、經(jīng)過所述反應器(13)并返回到所述供給通路以便供富氫氣體流過的支路，所述氧化氣體旁路通路(14B)是從供氧化氣體供給到所述燃料電池(10)的所述供給通路(11)分出的、經(jīng)過所述反應器(13)并返回到所述供給通路以便供富氧氣體流過的支路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述反應器(13)包括第一反應器(13A)和第二反應器(13B)中的至少一個，所述第一反應器(13A)在所述燃料電池(10)起動時允許富氫氣體從所述反應器流入所述燃料電池(10)的陽極，所述第二反應器(13B)允許富氧氣體從所述反應器流入所述燃料電池(10)的陰極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，它還包括位于所述旁路通路(14)中和位于供燃料氣體和氧化氣體供給到所述燃料電池(10)的所述供給通路(11)中的閥(17)，所述閥用于在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間選擇一種狀態(tài)，其中在所述第一狀態(tài)下，在所述燃料電池起動時供給到所述燃料電池的燃料氣體和氧化氣體中的至少一部分流過所述旁路通路(14)和所述反應器(13)，在所述第二狀態(tài)下，在所述燃料電池起動之后的正常運轉(zhuǎn)期間從所述燃料電池(10)排出的燃料氣體和氧化氣體中的至少一部分流過所述反應器(13)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在所述燃料電池(10)起動時供給到所述反應器(13)的氣體與要在所述燃料電池(10)的正常運轉(zhuǎn)期間供給到所述燃料電池(10)的進氣口的氣體相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述旁路通路(14)與所述反應器(13)的內(nèi)部連通，使得在所述燃料電池(10)起動時流入所述反應器(13)的氣體被在所述反應器(13)中所發(fā)生的反應中加熱和加濕并被供給到所述燃料電池(10)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述旁路通路(14)包括燃料氣體旁路通路(14A)和氧化氣體旁路通路(14B)；所述反應器(13)包括在所述燃料電池起動時排出富氫氣體以使其流入所述燃料電池的陽極的第一反應器(13A)和在所述燃料電池起動時排出富氧氣體以使其流入所述燃料電池的陰極的第二反應器(13B)；并且設(shè)置在供燃料氣體和氧化氣體供給到所述燃料電池(10)的所述供給通路中的閥(17)包括開閉閥，該開閉閥在所述燃料電池起動時允許全量的燃料氣體流入所述第一反應器(13A)以及全量的氧化氣體流入所述第二反應器(13B)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述旁路通路(14)包括燃料氣體旁路通路(14A)和氧化氣體旁路通路(14B)；所述反應器(13)包括在所述燃料電池起動時排出富氫氣體以使其流入所述燃料電池的陽極的第一反應器(13A)和在所述燃料電池起動時排出富氧氣體以使其流入所述燃料電池的陰極的第二反應器(13B)；并且設(shè)置在供燃料氣體和氧化氣體供給到所述燃料電池(10)的所述供給通路(11)中的閥(17)包括流量控制閥，該流量控制閥在所述燃料電池起動時允許燃料氣體的一部分流入所述第一反應器(13A)以及氧化氣體的一部分流入所述第二反應器(13B)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述旁路通路(14)包括氧化氣體旁路通路(14B)；所述反應器包括在所述燃料電池起動時排出富氧氣體以使其流入所述燃料電池的陰極的第二反應器(13B)；并且設(shè)置在供氧化氣體供給到所述燃料電池的所述供給通路(11)中的閥(17)在所述燃料電池起動時允許氧化氣體的至少一部分流入所述第二反應器(13B)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述旁路通路(14)包括燃料氣體旁路通路；所述反應器包括在所述燃料電池起動時排出富氫氣體以使其流入所述燃料電池的陽極的第一反應器(13A)；并且設(shè)置在供燃料氣體供給到所述燃料電池(10)的所述供給通路(11)中的閥(17)在所述燃料電池起動時允許燃料氣體的至少一部分流入所述第一反應器(13A)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述旁路通路(14)布置在所述反應器(13)的外部以便不與所述反應器的內(nèi)部連通，并且構(gòu)造成熱量可在所述旁路通路(14)與所述反應器(13)的內(nèi)部之間交換。
12.一種控制根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)的方法，其特征在于，要供給到燃料電池的燃料氣體和氧化氣體中的至少一部分在所述燃料電池(10)起動時流入旁路通路(14)，以便在反應器(13)中所產(chǎn)生的熱量下被加熱。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)的旁路通路(14)包括燃料氣體旁路通路(14A)和氧化氣體旁路通路(14B)中的至少一個，富氫氣體供給到所述燃料氣體旁路通路(14A)，富氧氣體供給到所述氧化氣體旁路通路(14B)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)的反應器(13)包括第一反應器(13A)和第二反應器(13B)中的至少一個，在所述燃料電池起動時富氫氣體從所述第一反應器(13A)供給進所述燃料電池(10)的陽極，富氧氣體從所述第二反應器(13B)供給進所述燃料電池(10)的陰極。
15.根據(jù)權(quán)利要求12-14中任一項所述的方法，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)是在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間選擇的，其中在所述第一狀態(tài)下，在所述燃料電池起動時供給到所述燃料電池的燃料氣體和氧化氣體中的至少一部分流過所述旁路通路(14)和所述反應器(13)，在所述第二狀態(tài)下，在所述燃料電池起動之后的正常運轉(zhuǎn)期間從所述燃料電池(10)排出的燃料氣體和氧化氣體中的至少一部分流過所述反應器(13)。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15中任一項所述的方法，其特征在于，與在所述燃料電池(10)起動時供給到所述反應器(13)的氣體相同的氣體在所述燃料電池(10)的正常運轉(zhuǎn)期間供給到所述燃料電池(10)的進氣口。
17.根據(jù)權(quán)利要求12-16中任一項所述的方法，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)包括與所述反應器(13)的內(nèi)部連通的旁路通路(14)，在所述燃料電池(10)起動時流入所述反應器(13)的氣體被在所述反應器(13)中所發(fā)生的反應中加熱和加濕并被供給到所述燃料電池(10)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)的旁路通路(14)包括燃料氣體旁路通路(14A)和氧化氣體旁路通路(14B)，并且所述燃料電池系統(tǒng)的反應器(13)包括第一反應器(13A)和第二反應器(13B)，在所述燃料電池起動時，全量的燃料氣體供給到所述第一反應器(13A)以及全量的氧化氣體供給到所述第二反應器(13B)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)的旁路通路(14)包括燃料氣體旁路通路和氧化氣體旁路通路，并且所述燃料電池系統(tǒng)的反應器(13)包括第一反應器(13A)和第二反應器(13B)，在所述燃料電池起動時，燃料氣體的一部分供給到所述第一反應器(13A)以及氧化氣體的一部分供給到所述第二反應器(13B)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，所述燃料電池系統(tǒng)的旁路通路(14)包括氧化氣體旁路通路，并且所述反應器(13)包括第二反應器(13B)，在所述燃料電池起動時，氧化氣體的至少一部分供給到所述第二反應器(13B)。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)的旁路通路(14)包括燃料氣體旁路通路，并且所述反應器(13)包括第一反應器(13A)，在所述燃料電池起動時，燃料氣體的至少一部分供給到所述第一反應器(13A)。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池(10)、供燃料氣體和氧化氣體供給到燃料電池的供給通路(11)、供燃料氣體和氧化氣體從燃料電池排出的排氣通路(12)，以及設(shè)置在所述排氣通路(12)中使得來自燃料電池的燃料廢氣氧化的反應器(13)。所述燃料電池系統(tǒng)還包括從供給通路(11)延伸到達反應器(13)并返回到供給通路(11)的旁路通路(14)，使得在燃料電池起動時供給到燃料電池的燃料氣體和氧化氣體中的至少一部分供給到旁路通路14并且在反應器(13)中被加熱。旁路通路(14)與反應器(13)的內(nèi)部連通，使得在燃料電池起動時氣體在反應器(13)中的反應下被加熱和加濕。
文檔編號H01M8/06GK1875511SQ200480031674
公開日2006年12月6日 申請日期2004年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月27日
發(fā)明者大塚力, 柳拓男, 畔柳宗利 申請人:豐田自動車株式會社