專利名稱：燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池起動(dòng)方法和采用所述起動(dòng)方法的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池通過(guò)分別供應(yīng)到其燃料極和氧化劑極的含氫燃料氣和氧 化劑氣的化學(xué)反應(yīng)來(lái)發(fā)電?？梢酝ㄟ^(guò)利用重整催化劑使重整用燃料重整 得到燃料氣，其中重整催化劑的溫度應(yīng)該保持在高溫以穩(wěn)定地得到燃料 氣。為此，在燃料電池的起動(dòng)運(yùn)行時(shí)，向燃燒器供應(yīng)燃燒用燃料和助燃 空氣以加熱重整器，在燃料電池發(fā)電的正常運(yùn)行時(shí)，向燃燒器供應(yīng)從燃 料電池排出的陽(yáng)極廢氣(即，在燃料極未消耗的含氫重整氣)和供應(yīng)助 燃空氣以加熱重整器。為了使燃料電池盡可能快地進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)， 必須縮短燃料電池的起動(dòng)運(yùn)行時(shí)間并且穩(wěn)定地起動(dòng)燃料電池。
在此之前，已知記載于專利文件1和專利文件2的燃料電池起動(dòng)方 法和燃料電池系統(tǒng)。記載于專利文件i的燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系統(tǒng)具有如下設(shè)置在第一運(yùn)行階段，利用向燃燒器供應(yīng)的燃燒用燃料 和助燃空氣點(diǎn)燃燃燒器，在第二運(yùn)行階段，逐漸減少供應(yīng)到燃燒器的燃 燒用燃料，同時(shí)逐漸增加供應(yīng)到重整器的重整用燃料，以使生成氣從重 整器進(jìn)入到燃燒器中。在該燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系統(tǒng)中，因?yàn)?從重整器提供的生成氣可以用作燃燒用燃料，因此可以實(shí)現(xiàn)燃料電池起 動(dòng)運(yùn)行時(shí)間的縮短。
此外，記載于專利文件2的燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系統(tǒng)具有 如下設(shè)置在第一運(yùn)行階段，利用向燃燒器供應(yīng)的燃燒用燃料和助燃空 氣點(diǎn)燃燃燒器，在第二運(yùn)行階段，隨著重整器中重整催化劑的溫度升高， 將重整水的供應(yīng)增加到預(yù)定流量。在該燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系 統(tǒng)中，因?yàn)樵谥卣呋瘎┥纤坪醪粫?huì)發(fā)生溫度的不均勻以及因?yàn)槿剂蠚?的品質(zhì)容易變得穩(wěn)定，因此可以實(shí)現(xiàn)燃料電池起動(dòng)運(yùn)行時(shí)間的縮短。
專利文件1:日本未審查專利申請(qǐng)公開(kāi)No.2001-354401 (第3-4頁(yè) 和圖1)專利文件2:日本未審查專利申請(qǐng)公開(kāi)No.2004-146089 (第6-8頁(yè) 和圖3-4)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明待解決的問(wèn)題
然而，在上述現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系統(tǒng)中，因 為沒(méi)有考慮到起動(dòng)前燃料電池系統(tǒng)的狀態(tài)，所以可能會(huì)發(fā)生燃料電池系 統(tǒng)不能穩(wěn)定地起動(dòng)。亦即，在這些燃料電池起動(dòng)方法和這些燃料電池系 統(tǒng)中，在燃料電池停止之后立即再次起動(dòng)(熱起動(dòng))時(shí)，因?yàn)橹卣鞅?持在高溫，所以在重整水供應(yīng)到重整器之后立即產(chǎn)生大量的水蒸汽。在 返回到燃燒器時(shí)，水蒸汽可能引起燃燒器的熄滅。此外，在這些燃料電 池起動(dòng)方法和這些燃料電池系統(tǒng)中，無(wú)論燃料電池是常規(guī)起動(dòng)(冷起動(dòng)) 還是停止之后立即再次起動(dòng)(熱起動(dòng))都釆用相同的順序。這使得維持 燃燒的可容許空氣比范圍變窄，從而導(dǎo)致燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池 系統(tǒng)的穩(wěn)定性低。
本發(fā)明考慮了上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，并且本發(fā)明的一個(gè)目的是提 供能夠穩(wěn)定起動(dòng)的燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系統(tǒng)。
解決問(wèn)題的措施
為了解決上述問(wèn)題，根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池起動(dòng)方法的特征在 于，在燃料電池起動(dòng)方法中設(shè)置有由重整用燃料和重整水產(chǎn)生含氫燃料 氣的重整器；用于加熱重整器的燃燒器；和用于由燃料氣和氧化劑氣發(fā) 電的燃料電池，并且包括利用向燃燒器供應(yīng)的燃燒用燃料和助燃空氣點(diǎn) 燃燃燒器的第一運(yùn)行階段和將燃燒用燃料和助燃空氣連續(xù)供應(yīng)到燃燒 器并且將重整7K供應(yīng)到重整器的第二運(yùn)行階段，其中在第二運(yùn)行階段， 將從重整器導(dǎo)出的氣體導(dǎo)至燃燒器，第二運(yùn)行階段包括在點(diǎn)燃前燃燒器 的溫度等于或低于預(yù)定溫度情況下的冷起動(dòng)程序和在點(diǎn)燃前燃燒器的 溫度高于預(yù)定溫度情況下的熱起動(dòng)程序，在該熱起動(dòng)程序中供應(yīng)燃燒用 燃料和助燃空氣以使空氣比小于冷起動(dòng)程序中的空氣比。
根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池起動(dòng)方法的特征在于，在權(quán)利要求1中， 在冷起動(dòng)程序中燃燒用燃料的供應(yīng)與第 一運(yùn)行階段相比降低，而在冷起 動(dòng)程序中助燃空氣的供應(yīng)與第 一運(yùn)行階段相比增加。
根據(jù)權(quán)利要求3的燃料電池起動(dòng)方法的特征在于，在權(quán)利要求l或 2中，在第二運(yùn)行階段向重整器供應(yīng)重整水而不供應(yīng)重整用燃料。
根據(jù)權(quán)利要求4的燃料電池起動(dòng)方法的特征在于，在權(quán)利要求1 ~ 3 的任一項(xiàng)中，在熱起動(dòng)程序中燃燒用燃料的供應(yīng)保持為預(yù)定流量。
權(quán)利要求5的燃料電池系統(tǒng)的特征在于，在燃料電池系統(tǒng)中，所述 系統(tǒng)包括由重整用燃料和重整水產(chǎn)生含氫燃料氣的重整器、加熱重整器 的燃燒器、由燃料氣和氧化劑氣發(fā)電的燃料電池、和具有第一運(yùn)行階段 和第二運(yùn)行階段的控制裝置，第一運(yùn)行階段是利用向燃燒器供應(yīng)燃燒用 燃料和助燃空氣點(diǎn)燃燃燒器的階段，第二運(yùn)行階段是連續(xù)供應(yīng)燃燒用燃
料和助燃空氣到燃燒器并且供應(yīng)重整水到重整器以在第二運(yùn)行階段將 從重整器導(dǎo)出的氣體導(dǎo)至燃燒器的階段，所述控制裝置在第二運(yùn)行階段 執(zhí)行在點(diǎn)燃前燃燒器的溫度等于或低于預(yù)定溫度情況下的冷起動(dòng)程序， 和執(zhí)行在點(diǎn)燃前燃燒器的溫度高于預(yù)定溫度情況下的熱起動(dòng)程序，在所 述熱起動(dòng)程序中供應(yīng)燃燒用燃料和助燃空氣以使空氣比小于冷起動(dòng)程 序中的空氣比。
根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)的特征在于，在權(quán)利要求5中，在 冷起動(dòng)程序中燃燒用燃料的供應(yīng)與笫一運(yùn)行階段相比降低，而在冷起動(dòng) 程序中助燃空氣的供應(yīng)與第一運(yùn)行階段相比增加。
根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池系統(tǒng)的特征在于,在權(quán)利要求5或6中， 在第二運(yùn)行階段向重整器供應(yīng)重整水而不供應(yīng)重整用燃料。
根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池系統(tǒng)的特征在于，在權(quán)利要求5~7的 任一項(xiàng)中，在熱起動(dòng)程序中燃燒用燃料的供應(yīng)保持為預(yù)定流量。
發(fā)明效果
在根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池起動(dòng)方法中，在第一運(yùn)行階段利用向 燃燒器供應(yīng)的燃燒用燃料和助燃空氣點(diǎn)燃燃燒器之后，在第二運(yùn)行階段 根據(jù)點(diǎn)燃前燃燒器的溫度改變?nèi)紵萌剂虾椭伎諝庵g的供應(yīng)比。 即，當(dāng)點(diǎn)燃前燃燒器的溫度高于預(yù)定溫度時(shí)，在熱起動(dòng)程序中供應(yīng)燃燒 用燃料和助燃空氣以使空氣比小于冷起動(dòng)程序中的空氣比。因此，在燃 料電池停止之后立即再次起動(dòng)時(shí)，在熱起動(dòng)程序中已經(jīng)供應(yīng)了足夠的燃 燒用燃料，因此即使重整水以水蒸汽形式從重整器返回到燃燒器，燃燒 器也很難熄滅。此外，因?yàn)樵诶淦饎?dòng)程序和熱起動(dòng)程序中采用不同的順 序，所以可以使維持燃燒的可容許空氣比范圍變寬。因此，在燃料電池 起動(dòng)方法中可以穩(wěn)定地起動(dòng)燃料電池。
在根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池起動(dòng)方法中，當(dāng)在點(diǎn)燃前燃燒器的溫
度等于或低于預(yù)定溫度時(shí)，在冷起動(dòng)程序中供應(yīng)足以使燃燒用燃料燃燒 的助燃空氣以減少燃燒用燃料的供應(yīng)并增加助燃空氣的供應(yīng)。因此，可
以實(shí)現(xiàn)燃燒廢氣中CO和NOx的降低。
在根據(jù)權(quán)利要求3的燃料電池起動(dòng)方法中，因?yàn)樵诘诙\(yùn)行階段， 向重整器供應(yīng)重整水而不供應(yīng)重整用燃料，因此可以防止碳粘附到重整 器中的催化劑上。
在根據(jù)權(quán)利要求4的燃料電池起動(dòng)方法中，因?yàn)樵跓崞饎?dòng)程序中燃 燒用燃料的供應(yīng)保持為預(yù)定流量，所以可以充分供應(yīng)燃燒用燃料以防止 燃燒器熄滅。
在根據(jù)權(quán)利要求5的燃料電池系統(tǒng)中，在第一運(yùn)行階段利用向燃燒 器供應(yīng)的燃燒用燃料和助燃空氣點(diǎn)燃燃燒器之后，在第二運(yùn)行階段根據(jù) 點(diǎn)燃前燃燒器的溫度改變?nèi)紵萌剂虾椭伎諝庵g的供應(yīng)比。即，當(dāng) 點(diǎn)燃前燃燒器的溫度高于預(yù)定溫度時(shí)，在熱起動(dòng)程序中供應(yīng)燃燒用燃料 和助燃空氣以使空氣比小于冷起動(dòng)程序中的空氣比。因此，當(dāng)燃料電池 停止之后立即再次起動(dòng)時(shí)，在熱起動(dòng)程序中已經(jīng)供應(yīng)了足夠的燃燒用燃 料，因此即使以水蒸汽形式送出的重整水從重整器返回到燃燒器，燃燒 器也很難熄滅。此外，因?yàn)樵诶淦饎?dòng)程序和熱起動(dòng)程序中采用不同的順 序，所以可以使維持燃燒的可容許空氣比范圍變寬。因此，在燃料電池 起動(dòng)方法中可以穩(wěn)定地起動(dòng)燃料電池。
在根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)點(diǎn)燃前燃燒器的溫度等于 或低于預(yù)定溫度時(shí)，在冷起動(dòng)程序中供應(yīng)足以使燃燒用燃料燃燒的助燃 空氣以減少燃燒用燃料的供應(yīng)并增加助燃空氣的供應(yīng)。因此，可以實(shí)現(xiàn) 燃燒廢氣中CO和NOx的降低。
在根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池系統(tǒng)中，因?yàn)樵诘诙\(yùn)行階段，向 重整器供應(yīng)重整水而不供應(yīng)重整用燃料，因此可以防止碳粘附到重整器 中的催化劑上。
在根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池系統(tǒng)中，因?yàn)樵跓崞饎?dòng)程序中燃燒用 燃料的供應(yīng)保持為預(yù)定流量，所以可以充分供應(yīng)燃燒用燃料以防止燃燒 器熄滅。


圖1涉及一個(gè)實(shí)施方案中的燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系統(tǒng)并 且是該燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
圖2涉及在該實(shí)施方案中的燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系統(tǒng)并 且是起動(dòng)運(yùn)行程序的流程圖。
圖3涉及在該實(shí)施方案中的燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系統(tǒng)并 且是在熱起動(dòng)的起動(dòng)運(yùn)行情況下的時(shí)序圖。
圖4涉及在該實(shí)施方案中的燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系統(tǒng)并 且是在冷起動(dòng)的起動(dòng)運(yùn)行情況下的時(shí)序圖。
附圖標(biāo)記的說(shuō)明
IO...重整器;20...燃燒器;30...燃料電池;S4、 S5…第一運(yùn)行階段；
S6 S12…第二運(yùn)行階段；S7、 S9、 SIO、 Sll、 S12…熱起動(dòng)程序；S8、 S9、 SIO、 Sll、 S12…冷起動(dòng)程序。
具體實(shí)施例方式
下文中，將參考附圖描述具體實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的燃料電池起動(dòng)方法 和燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案。對(duì)于燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系 統(tǒng)，使用圖l所示的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)設(shè)置有由重整用燃料 和重整水產(chǎn)生作為燃料氣的含氫重整氣的重整器10、加熱重整器10的 燃燒器20、由重整氣和作為氧化劑氣的空氣發(fā)電的燃料電池30、和用 于控制燃料電池系統(tǒng)的控制器1。
重整器10由重整部11、蒸發(fā)器部12、 一氧化碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)部(下文 稱為"CO轉(zhuǎn)化部")13和一氧化碳選擇性氧化部(下文稱為"CO選擇性 氧化部")14構(gòu)成。
重整部11由外部供應(yīng)的燃料和水蒸汽的混合氣體產(chǎn)生重整氣并送 出該重整氣?？梢允褂锰烊粴?、LPG 、煤油、汽油或甲醇等作為燃料。 下文將以使用天然氣的形式描述該實(shí)施方案。重整部11中填充有催化 劑(例如，Ru或Ni基催化劑)，并且從燃料供應(yīng)管41導(dǎo)入的重整用 燃料與從蒸汽供應(yīng)管52導(dǎo)入的水蒸汽的混合物通過(guò)催化劑反應(yīng)并重整 產(chǎn)生氫氣和一氧化碳?xì)?即所謂的水蒸汽重整反應(yīng))。同時(shí)，發(fā)生所謂 的 一氧化碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)，其中通過(guò)水蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生的 一氧化碳與水蒸 汽反應(yīng)以產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。這些生成氣(總稱為所謂的"重整氣") 導(dǎo)入CO轉(zhuǎn)化部13。水蒸汽重整反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，而一氧化碳轉(zhuǎn)化反應(yīng) 是放熱反應(yīng)。此外，重整部11在從燃燒器20噴出的燃燒氣直接沖擊的 內(nèi)壁的內(nèi)表面上設(shè)置有溫度傳感器lla。通過(guò)該溫度傳感器lla，可以 檢測(cè)燃燒器20的燃燒溫度，即重整部11的內(nèi)壁溫度T。溫度傳感器lla的檢測(cè)結(jié)果傳輸至控制器1。
重整部11連接到燃料供應(yīng)管41，該燃料供應(yīng)管41連接到燃料供 應(yīng)源Sf(例如，城市燃?xì)夤?，并且從燃料供應(yīng)源Sf供應(yīng)重整用燃料至 重整部ll。在燃料供應(yīng)管41上從上游側(cè)依次設(shè)置有第一燃料閥42、重 整用燃料泵43、脫硫器44和第二燃料閥45。第一和第二燃料閥42、 45 響應(yīng)來(lái)自控制器1的指令以打開(kāi)或關(guān)閉燃料供應(yīng)管41。重整用燃料泵 43抽吸從燃料供應(yīng)源Sf供應(yīng)的重整用燃料以將重整用燃料送到重整部 11，并響應(yīng)來(lái)自控制器1的指令以調(diào)節(jié)重整用燃料的供應(yīng)量。脫硫器44 除去重整用燃料中的硫成分(例如，硫化合物)。因此，在從中除去硫 成分之后將重整用燃料供應(yīng)到重整部11。
此外，連接到蒸發(fā)器部12的蒸汽供應(yīng)管52連接到第二燃料閥45 和重整部ll之間的燃料供應(yīng)管41。從蒸發(fā)器部12供應(yīng)的水蒸汽與重整 用燃料混合，以供應(yīng)到重整部ll。蒸發(fā)器部12連接到給水管51，給水 管51連接到重整水供應(yīng)源Sw。在給水管51上從上游側(cè)依次設(shè)置有水 泵53和水閥54。水泵53抽吸從重整水供應(yīng)源Sw供應(yīng)的重整水并將其 送到蒸發(fā)器部12,并響應(yīng)來(lái)自控制器1的指令以調(diào)節(jié)重整水的供應(yīng)量。 水閥54響應(yīng)來(lái)自控制器1的指令以打開(kāi)或關(guān)閉給水管51。
蒸發(fā)器部12通過(guò)加熱并沸騰重整水來(lái)產(chǎn)生水蒸汽以將水蒸汽供應(yīng) 到重整部11。蒸發(fā)器部12連接到給水管51以及蒸汽供應(yīng)管52，并且 從給水管51導(dǎo)出的水流過(guò)蒸發(fā)器部12并被加熱以水蒸汽形式送到蒸汽 供應(yīng)管52。
CO轉(zhuǎn)化部13用以減少?gòu)闹卣?1供應(yīng)的重整氣中的一氧化碳， 即用作一氧化碳減少部。CO轉(zhuǎn)化部13填充有催化劑(例如，Cu-Zn 基催化劑)，并且將來(lái)自重整部11的重整氣引導(dǎo)通過(guò)催化劑以輸出到 CO選擇性氧化部14。此時(shí)，發(fā)生所謂的一氧化碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)，其中通過(guò) 催化劑使包含在導(dǎo)入的重整氣中的一氧化碳和水蒸汽反應(yīng)以產(chǎn)生氫氣 和二氧化碳?xì)?。該一氧化碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)是放熱反應(yīng)。
CO選擇性氧化部14用于進(jìn)一步減少?gòu)腃O轉(zhuǎn)化部13供應(yīng)的重整 氣中的一氧化碳以將重整氣供應(yīng)到燃料電池30，即，用作一氧化碳減少 部。CO選擇性氧化部14填充有催化劑(例如，Ru或Pt基催化劑)。 此外，CO選擇性氧化部14連接到重整氣供應(yīng)管71,并且從CO轉(zhuǎn)化 部13供應(yīng)的重整氣流過(guò)CO選擇性氧化部14并通過(guò)重整氣供應(yīng)管71
導(dǎo)出。
此外，氧化空氣與供應(yīng)到CO選擇性氧化部14的重整氣混合。具 體地，CO選擇性氧化部14連接到與空氣供應(yīng)源Sa連接的氧化空氣供 應(yīng)管61并從該空氣供應(yīng)源Sa (例如，大氣)獲得氧化空氣的供應(yīng)。在 氧化空氣供應(yīng)管61上從上游側(cè)依次設(shè)置有過(guò)濾器62、空氣泵63和空氣 閥64。過(guò)濾器62過(guò)濾空氣?？諝獗?3抽吸從空氣供應(yīng)源Sa供應(yīng)的空 氣并將該空氣送到CO選擇性氧化部14，并響應(yīng)來(lái)自控制器1的指令以 調(diào)節(jié)空氣供應(yīng)量。空氣閥64響應(yīng)來(lái)自控制器1的指令以打開(kāi)或關(guān)閉氧 化空氣供應(yīng)管61。因此，氧化空氣與來(lái)自CO轉(zhuǎn)化部13的重整氣混合， 以供應(yīng)到CO選擇性氧化部14。
因此，導(dǎo)至CO選擇性氧化部14的重整氣中的一氧化碳與氧化空 氣中的氧反應(yīng)成為二氧化碳。該反應(yīng)是放熱反應(yīng)并且通過(guò)催化劑加速。 因此，通過(guò)氧化反應(yīng)進(jìn)一步降低重整氣中一氧化碳的濃度(小于 10ppm)，并將重整氣供應(yīng)到燃料電池30的燃料極31。
燃燒器20供應(yīng)有可燃?xì)怏w(燃燒用燃料、重整氣和陽(yáng)極廢氣)并 且通過(guò)燃燒所述可燃?xì)怏w來(lái)加熱重整部11。燃燒廢氣通過(guò)排氣管81排 出。燃燒器20連接到在重整用燃料泵43的上游側(cè)從燃料供應(yīng)管41分 支出的燃燒用燃料供應(yīng)管47，并且供應(yīng)有燃燒用燃料。在燃燒用燃料供 應(yīng)管47上設(shè)置有燃燒用燃料泵48。燃燒用燃料泵48是隔膜泵并且抽吸
燃^用瓜;i 48 4i來(lái)^控制i 1的指令以S節(jié)燃5i用燃料S供應(yīng)量。
此外，燃燒器20連接到在空氣泵63的上游側(cè)從氧化空氣供應(yīng)管61 分支出的助燃空氣供應(yīng)管65,并且供應(yīng)有用于燃燒燃燒用燃料、重整氣 或陽(yáng)極廢氣的助燃空氣。在助燃空氣供應(yīng)管65上設(shè)置有助燃空氣泵66。 助燃空氣泵66抽吸從空氣供應(yīng)源Sa供應(yīng)的助燃空氣以將所述空氣送 到燃燒器20,并且響應(yīng)來(lái)自控制器l的指令以調(diào)節(jié)助燃空氣的供應(yīng)量。 當(dāng)響應(yīng)來(lái)自控制器1的指令點(diǎn)燃燃燒器20時(shí)，燃燒供應(yīng)到燃燒器20的 燃燒用燃料、重整氣或陽(yáng)極廢氣以產(chǎn)生高溫燃燒氣。
通過(guò)燃料電池30中的多個(gè)層堆疊各自具有燃料極31和氧化劑極32 的電池。燃料電池30的燃料極31的入口通過(guò)重整氣供應(yīng)管71與CO 選擇性氧化部14連接，并且供應(yīng)重整氣到燃料極31。燃料電池30的燃 料極31的出口通過(guò)廢氣供應(yīng)管72與燃燒器20連接以將從燃料電池30排出的陽(yáng)極廢氣供應(yīng)到燃燒器20。繞過(guò)燃料電池30的旁路管73在重整 氣供應(yīng)管71和廢氣供應(yīng)管72之間建立直接連接。在重整氣供應(yīng)管71 上設(shè)置有位于重整氣供應(yīng)管71與旁路管73的分支點(diǎn)和燃料電池30之 間的第一重整氣閥74。在廢氣供應(yīng)管72上設(shè)置有位于廢氣供應(yīng)管72 與旁路管73的合流點(diǎn)和燃料電池30之間的廢氣岡75。旁路管73設(shè)置 有第二重整氣閥76。第一和第二重整氣閥74、 76與廢氣閥75可操作用 以打開(kāi)或關(guān)閉各自的管并且可通過(guò)控制器1控制。
此外，燃料電池30的氧化劑極32的入口與在空氣泵66的上游側(cè) 從助燃空氣供應(yīng)管65分支出來(lái)的陰極空氣供應(yīng)管67的一端連接，并且 將作為氧化劑氣的陰極空氣供應(yīng)到氧化劑極32中。在陰極空氣供應(yīng)管 67上從上游側(cè)依次"^殳置有陰極空氣泵68和陰極空氣閥69。陰極空氣泵 68抽吸從空氣供應(yīng)源Sa供應(yīng)的陰極空氣以將所述空氣送到燃料電池 30的氧化劑極32，并且響應(yīng)來(lái)自控制器1的指令以調(diào)節(jié)陰極空氣的供 應(yīng)量。陰極空氣閥69響應(yīng)來(lái)自控制器1的指令用以打開(kāi)或關(guān)閉陰極空 氣供應(yīng)管67。此外，燃料電池30的氧化劑極32的出口與排氣管82的 一端相連接，排氣管82的另一端通大氣。
控制器l具有與其電連接的溫度傳感器lla，各個(gè)泵43、 48、 53、 63、 66、 68，各個(gè)閥42、 45、 54、 64、 69、 74、 75、 76和燃燒器20。 通過(guò)控制器1可控制燃料電池系統(tǒng)。
將參考圖2~4描述如上構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行。圖2是起動(dòng) 運(yùn)行程序的流程圖。此外，圖3是顯示在起動(dòng)運(yùn)行為熱起動(dòng)的情況下， 重整部11的內(nèi)壁溫度T和燃燒用燃料、助燃空氣和重整水的供應(yīng)量的 時(shí)序圖。此外，圖4是在起動(dòng)運(yùn)行為冷起動(dòng)的情況下，重整部ll的內(nèi) 壁溫度T和燃燒用燃料、助燃空氣和重整水的供應(yīng)量的時(shí)序圖。當(dāng)如圖 3和4所示在時(shí)刻t0打開(kāi)起動(dòng)開(kāi)關(guān)(未顯示)時(shí)，控制器1開(kāi)始執(zhí)行 圖2所示的起動(dòng)運(yùn)行程序。
在步驟Sl,檢查從溫度傳感器lla輸入的重整部11的內(nèi)壁溫度T 即燃燒器20點(diǎn)燃之前的溫度是否高于100°C。當(dāng)重整部11的內(nèi)壁溫度 T高于100。C (是)時(shí)，起動(dòng)運(yùn)行被判斷為在燃料電池系統(tǒng)停止之后立 即再次起動(dòng)，即為熱起動(dòng)，然后進(jìn)入步驟S2 。此外，當(dāng)重整部ll的內(nèi) 壁溫度T等于或小于IOO'C (否)時(shí)，起動(dòng)運(yùn)行被判斷為燃料電池系統(tǒng) 的常規(guī)起動(dòng)，即為冷起動(dòng)，然后進(jìn)入步驟S3。在步驟S2，熱起動(dòng)標(biāo)記設(shè)置為開(kāi)(1)以存儲(chǔ)為熱起動(dòng)，然后進(jìn)入 步驟S4。在步驟S3，熱起動(dòng)標(biāo)記設(shè)置為關(guān)(0)以存儲(chǔ)為冷起動(dòng)，然后 進(jìn)入步驟S4。在步驟S4，點(diǎn)燃燃燒器20。具體地，驅(qū)動(dòng)助燃空氣泵66 以將來(lái)自空氣供應(yīng)源Sa的助燃空氣通過(guò)助燃空氣供應(yīng)管65供應(yīng)到燃燒 器20。此外，驅(qū)動(dòng)燃燒用燃料泵48并打開(kāi)第一燃料閥42以通過(guò)燃燒用 燃料供應(yīng)管47將來(lái)自燃料供應(yīng)源Sf的燃燒用燃料供應(yīng)到燃燒器20，然 后點(diǎn)燃燃燒器20。此外，打開(kāi)第二重整氣閥76以通過(guò)旁路管73在重整 氣供應(yīng)管71和廢氣供應(yīng)管72之間產(chǎn)生直接連接。隨著燃燒器20被點(diǎn) 燃，燃燒氣由燃燒器20噴出并使重整部11升溫。燃燒氣通過(guò)排氣管81 排出。然后，在步驟S5， 一直等待直到重整部ll的內(nèi)壁溫度T升高到 超過(guò)300。C，并且當(dāng)溫度T升高到超過(guò)300。C時(shí)進(jìn)入步驟S6。在此，步 驟S4和S5組成第一運(yùn)行階段。該第一運(yùn)行階段包括圖3中從時(shí)刻t0 到tl的時(shí)段，和圖4中從時(shí)刻t0到t4的時(shí)段。
在步驟S6，檢查起動(dòng)運(yùn)行是熱起動(dòng)還是冷起動(dòng)。在熱起動(dòng)標(biāo)記為 開(kāi)(1)的情況下(是)，起動(dòng)運(yùn)行被判斷為熱起動(dòng)，然后進(jìn)入步驟S7。 在熱起動(dòng)標(biāo)記為關(guān)(0)的情況下(否)，起動(dòng)運(yùn)行被判斷為冷起動(dòng)，然 后進(jìn)入步驟S8。
在步驟S7，執(zhí)行起動(dòng)運(yùn)行是熱起動(dòng)的情況的過(guò)程。即，如圖3中從 時(shí)刻tl到時(shí)刻t2的時(shí)段所示，控制助燃空氣泵66以逐漸增加從空氣供 應(yīng)源Sa通過(guò)助燃空氣供應(yīng)管65供應(yīng)到燃燒器20的助燃空氣的供應(yīng)量。 此外，從燃料供應(yīng)源Sf通過(guò)燃燒用燃料供應(yīng)管47供應(yīng)到燃燒器20的 燃燒用燃料的供應(yīng)量保持恒定。因此，為燃燒器2 0供應(yīng)充分的燃燒用 燃料以4吏其不熄滅。在圖3中，附圖標(biāo)記GT1、 GF1、 GA1、 GW1和 GR1分別表示重整部11的內(nèi)壁溫度T、燃燒用燃料的供應(yīng)量、助燃空 氣的供應(yīng)量、重整水的供應(yīng)量和重整用燃料的供應(yīng)量。執(zhí)行步驟S7之 后進(jìn)入步驟S9。
在步驟S8，執(zhí)行起動(dòng)運(yùn)行是冷起動(dòng)情況下的過(guò)程。即，如圖4中從 時(shí)刻t4到時(shí)刻t5的時(shí)段所示，控制助燃空氣泵66以逐漸增加從空氣供 應(yīng)源Sa通過(guò)助燃空氣供應(yīng)管65供應(yīng)到燃燒器20的助燃空氣的供應(yīng)量。 此外，控制燃燒用燃料泵48以逐漸降低從燃料供應(yīng)源Sf通過(guò)燃燒用燃 料供應(yīng)管47供應(yīng)到燃燒器20的燃燒用燃料的供應(yīng)量。因此，燃燒用燃 料完全燃燒，由此可以實(shí)現(xiàn)燃燒廢氣中CO和NOx的減少并使重整部 11的內(nèi)壁溫度T略微上升。在此，通過(guò)利用軟件計(jì)時(shí)器，可以逐漸增
加助燃空氣的供應(yīng)量并逐漸地降低燃燒用燃料的供應(yīng)量。在圖4中，附 圖標(biāo)記GT2、 GF2、 GA2、 GW2和GR2分別表示重整部11的內(nèi)壁溫 度T、燃燒用燃料的供應(yīng)量、助燃空氣的供應(yīng)量、重整水的供應(yīng)量、和 重整用燃料的供應(yīng)量。在執(zhí)行步驟S8之后進(jìn)入步驟S9。
在步驟S9， 一直等到重整部11的內(nèi)壁溫度T超過(guò)40(TC，當(dāng)溫度T 超過(guò)400。C時(shí)進(jìn)入步驟S10。在步驟SIO，如圖3 (時(shí)刻t2)和圖4 (時(shí) 刻t5)所示，驅(qū)動(dòng)水泵53并打開(kāi)水閥54以將來(lái)自重整水供應(yīng)源Sw的 重整水通過(guò)給水管51以VI cm"分鐘(在該特定實(shí)施方案中Vl=3)供 應(yīng)到蒸發(fā)器部12。重整水在蒸發(fā)器部12加熱以轉(zhuǎn)化為水蒸汽，然后通 過(guò)蒸汽供應(yīng)管52將水蒸汽供應(yīng)到重整部11。因此，重整催化劑幾乎沒(méi) 有溫度不均勻性，并且燃料氣的品質(zhì)更易于穩(wěn)定。此外，因?yàn)橄蛑卣?11供應(yīng)重整水而不供應(yīng)重整用燃料，因此可以實(shí)現(xiàn)防止碳粘附到重整催 化劑。在熱起動(dòng)程序中，在供應(yīng)重整水時(shí)，重整水立即轉(zhuǎn)化為水蒸汽， 因此即使在供應(yīng)重整水的同時(shí)供應(yīng)重整用燃料也不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。因此， 在熱起動(dòng)程序中，能在步驟S10供應(yīng)重整用燃料。在執(zhí)行步驟S10之后 進(jìn)入步驟Sll。
在步驟Sll， 一直等到重整部11的內(nèi)壁溫度T超過(guò)600。C，并且當(dāng) 溫度T超過(guò)600。C時(shí)進(jìn)入步驟S12。在步驟S12，驅(qū)動(dòng)重整用燃料泵43 并且打開(kāi)第二燃料閥45以將來(lái)自燃料供應(yīng)源Sf的重整用燃料通過(guò)燃 料供應(yīng)管41供應(yīng)到重整部11。此外，控制水泵53以將來(lái)自重整水供應(yīng) 源Sw的重整水通過(guò)給水管51以V2 cm"分鐘(在該特定的實(shí)施方案中 V2=8)供應(yīng)到蒸發(fā)器部12。因此，在重整部ll中，發(fā)生水蒸汽重整反 應(yīng)，其中重整用燃料和水蒸汽的混合氣體通過(guò)催化劑反應(yīng)，由此產(chǎn)生重 整氣。由于穿過(guò)CO轉(zhuǎn)化部13和CO選擇性氧化部14,重整氣中的一 氧化碳減少并且重整氣從重整器10導(dǎo)至重整氣供應(yīng)管71。此外，如圖 3 (時(shí)刻t3)和圖4 (時(shí)刻t6)所示，通過(guò)利用軟件計(jì)時(shí)器逐漸停止燃 燒用燃料泵48，由此逐漸中止從燃料供應(yīng)源Sf向燃燒器20供應(yīng)燃燒 用燃料。因此，利用從重整器10通過(guò)重整氣供應(yīng)管71、旁路管73和廢 氣供應(yīng)管72供應(yīng)到燃燒器20的重整氣，可以維持燃燒器20的燃燒。 在此，步驟S6到S12組成第二運(yùn)行階段。此外，步驟S7、 S9、 SIO、 Sll和S12包括熱起動(dòng)程序，而步驟S8、 S9、 SIO、 Sll和S12包括冷 起動(dòng)程序。
在執(zhí)行步驟S12之后終止起動(dòng)運(yùn)行程序的執(zhí)行。此外， 一旦終止起
動(dòng)運(yùn)行程序的執(zhí)行，就開(kāi)始執(zhí)行正常運(yùn)行程序(未顯示)，其中經(jīng)過(guò)預(yù)
定時(shí)間以使重整氣穩(wěn)定之后，打開(kāi)第一重整閥74和廢氣閥75，并關(guān)閉 第二重整氣閥76。此外，驅(qū)動(dòng)陰極空氣泵68并打開(kāi)陰極空氣閥69以將 來(lái)自空氣供應(yīng)源Sa的陰極空氣通過(guò)陰極空氣供應(yīng)管67供應(yīng)到燃料電 池30的氧化劑極32。因此，燃料電池30進(jìn)入正常運(yùn)行以發(fā)電。
在本實(shí)施方案的燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系統(tǒng)中，在步驟S4 利用向燃燒器20供應(yīng)的燃燒用燃料和助燃空氣來(lái)點(diǎn)燃燃燒器20之后， 根據(jù)點(diǎn)燃前重整部11的內(nèi)壁溫度T在步驟S7和S8改變?nèi)紵萌剂虾?助燃空氣之間的供應(yīng)比。具體地，在點(diǎn)燃前重整部11的內(nèi)壁溫度T等 于或低于100。C時(shí)，在步驟S8減少燃燒用燃料的供應(yīng)并且增加助燃空氣 的供應(yīng)。在點(diǎn)燃前重整部11的內(nèi)壁溫度T高于IOO'C時(shí)，在步驟S7中 使燃燒用燃料的供應(yīng)保持恒定。即，在點(diǎn)燃前重整部11的內(nèi)壁溫度T 高于IOO'C時(shí)，供應(yīng)燃燒用燃料和助燃空氣使得在這種情況下的空氣比 變得小于在等于或低于IOO'C的情況下的空氣比。在此，術(shù)語(yǔ)"空氣比，， 是指實(shí)際的空氣量與燃料完全燃燒所需要的空氣量之比。因此，在燃料 電池停止之后立即再次起動(dòng)時(shí)，在步驟S7已經(jīng)充分供應(yīng)了燃燒用燃料， 因此，即使重整水轉(zhuǎn)化為水蒸汽通過(guò)重整氣供應(yīng)管71、旁路管73和廢 氣供應(yīng)管72進(jìn)入燃燒器20,燃燒器20的火也幾乎不熄滅。此外，因?yàn)?在步驟S7和S8分別使用不同的順序，因此維持燃燒的可容許空氣比范 圍可以變寬。因此，在燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn) 燃料電池的穩(wěn)定起動(dòng)。
盡管已經(jīng)根據(jù)實(shí)施方案描述了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池起動(dòng)方法和 燃料電池系統(tǒng)，但不需說(shuō)明的是本發(fā)明不局限于所述實(shí)施方案，并且可 以采用不與本發(fā)明的技術(shù)原理抵觸而適當(dāng)改變的任何其它方式實(shí)施。
工業(yè)實(shí)用性
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池起動(dòng)方法和燃料電池系統(tǒng)能使維持燃燒的可 容許空氣比變寬，因此適于穩(wěn)定起動(dòng)燃料電池。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池起動(dòng)方法，設(shè)置有由重整用燃料和重整水產(chǎn)生含氫燃料氣的重整器、加熱所述重整器的燃燒器、和由所述燃料氣和氧化劑氣發(fā)電的燃料電池，所述方法包括利用供應(yīng)到所述燃燒器的燃燒用燃料和助燃空氣點(diǎn)燃所述燃燒器的第一運(yùn)行階段，和連續(xù)供應(yīng)所述燃燒用燃料和所述助燃空氣到所述燃燒器并供應(yīng)所述重整水到所述重整器的第二運(yùn)行階段，其中在所述第二運(yùn)行階段中，將從所述重整器導(dǎo)出的氣體導(dǎo)入到所述燃燒器中，所述方法的特征在于，所述第二運(yùn)行階段包括在點(diǎn)燃前所述燃燒器的溫度等于或低于預(yù)定溫度的情況下的冷起動(dòng)程序，和在點(diǎn)燃前所述燃燒器的溫度高于預(yù)定溫度情況下的熱起動(dòng)程序，在所述熱起動(dòng)程序中供應(yīng)所述燃燒用燃料和所述助燃空氣以使空氣比小于所述冷起動(dòng)程序中的空氣比。
2. 權(quán)利要求1的燃料電池起動(dòng)方法，其特征在于在所述冷起動(dòng)程序中 所述燃燒用燃料的供應(yīng)與所述第一運(yùn)行階段相比降低，而所述助燃空氣 的供應(yīng)與所述第 一運(yùn)行階段相比增加。
3. 權(quán)利要求1或2的燃料電池起動(dòng)方法，其特征在于在所述第二運(yùn)行 階段向所述重整器供應(yīng)所述重整水而不供應(yīng)所述重整用燃料。
4. 權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)的燃料電池起動(dòng)方法，其特征在于在所述熱 起動(dòng)程序中所述燃燒用燃料的供應(yīng)保持為預(yù)定流量。
5. —種燃料電池系統(tǒng)，包括由重整用燃料和重整水產(chǎn)生含氫燃料氣的 重整器、加熱所述重整器的燃燒器、由所述燃料氣和氧化劑氣發(fā)電的燃 料電池、和具有第一運(yùn)行階段和第二運(yùn)行階段的控制裝置，所述第一運(yùn) 行階段為利用供應(yīng)到所述燃燒器的燃燒用燃料和助燃空氣點(diǎn)燃所述燃 燒器的階段，所述第二運(yùn)行階段為連續(xù)供應(yīng)所述燃燒用燃料和所述助燃 空氣到所述燃燒器并供應(yīng)所述重整水到所述重整器的階段，其中在所述 第二運(yùn)行階段中，所述控制裝置將從所述重整器導(dǎo)出的氣體導(dǎo)入到所述 燃燒器中，所述系統(tǒng)的特征在于，在所述第二運(yùn)行階段，所述控制裝置在點(diǎn)燃 前所述燃燒器的溫度等于或低于預(yù)定溫度的情況下執(zhí)行冷起動(dòng)程序，和 在點(diǎn)燃前所述燃燒器的溫度高于預(yù)定溫度情況下執(zhí)行熱起動(dòng)程序，在所述熱起動(dòng)程序中供應(yīng)所述燃燒用燃料和所述助燃空氣以使空氣比 小于所述冷起動(dòng)程序中的空氣比。
6. 權(quán)利要求5的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于在所述冷起動(dòng)程序中所述 燃燒用燃料的供應(yīng)與所述第一運(yùn)行階段相比降低，而所述助燃空氣的供 應(yīng)與所述第 一運(yùn)行階段相比增加。
7. 權(quán)利要求5或6的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于在所述第二運(yùn)行階段， 向所述重整器供應(yīng)所述重整水而不供應(yīng)所述重整用燃料。
8. 權(quán)利要求5~7中任一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于在所述熱起 動(dòng)程序中所述燃燒用燃料的供應(yīng)保持為預(yù)定流量。
全文摘要
一種燃料電池的穩(wěn)定起動(dòng)方法和燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括重整器(10)、燃燒器(20)和燃料電池(30)，該燃料電池起動(dòng)方法包括供應(yīng)燃燒用燃料和助燃空氣到燃燒器(20)并點(diǎn)燃它們的步驟(S4)和用于在供應(yīng)燃燒用燃料和助燃空氣的同時(shí)將來(lái)自重整器(10)的生成氣的至少一部分導(dǎo)至燃燒器(20)的步驟(S5～S12)。步驟(S5～S12)包括在點(diǎn)燃前燃燒器(20)的溫度等于或低于100℃時(shí)的步驟(S8～S12)和在點(diǎn)燃前燃燒器(20)的溫度高于100℃時(shí)的步驟(S7、S9～S12)，在步驟(S7、S9～S12)中供應(yīng)燃燒用燃料和助燃空氣以使空氣比小于步驟(S8～S12)中的空氣比。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101341621SQ200780000780
公開(kāi)日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2007年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月30日
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