專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和啟動燃料電池系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于啟動具有燃料重組器和燃料電池堆的燃料電池 系統(tǒng)的方法，其中，在第一啟動階段將具有代表燃料-空氣-比例的第一空 氣系數(shù)A,的氧氣和燃料送入燃料重組器中，在第二啟動階段將具有代表 燃料-空氣-比例的第二空氣系數(shù)A 2的氧氣和燃料送入燃料重組器中，且第 一空氣系數(shù)人,大于第二空氣系數(shù)^2 ( A, >A 2)，以及在第一和第二啟
動階段，將在燃料重組器中生成的重組物(18)送入燃料電池堆中。
此外，本發(fā)明還涉及一種具有燃料重組器和燃料電池堆的燃料電池系 統(tǒng)，其中，在第一啟動階段能夠?qū)⒕哂写砣剂?空氣-比例的第一空氣系 數(shù)入，的氧氣和燃料送入燃料重組器中，在第二啟動階段能夠?qū)⒕哂写?燃料-空氣-比例的第二空氣系數(shù)A 2的氧氣和燃料送入燃料重組器中，且第 一空氣系數(shù)入,大于第二空氣系數(shù)A2 (入，> A 2)，以及在第一和第二啟 動階段，'能夠?qū)⒃谌剂现亟M器中生成的重組物(18)送入燃料電池堆中。
背景技術(shù)：
此類燃料電池系統(tǒng)在燃料電池堆里產(chǎn)生電能。為此要向燃料電池堆中 送入空氣和一種富氫重組物，其中，后者是在一個由燃料和氧化劑，特別
是空氣組成的燃料重組器中產(chǎn)生的。為了最大限度提高H2的產(chǎn)量，燃料 重組器在代表燃料-空氣-比例的空氣系數(shù)等于或小于0.4情況下工作。
SOFC-燃料電池系統(tǒng)(固體氧化物燃料電池)的工作溫度高于80(TC。 這樣的溫度在啟動階段就必須達到。從燃料重組器中流出的熱氣體和預(yù)熱 的陰極空氣所提供的熱能為燃料電池堆所用。當燃料重組器作為燃燒室工 作的時候，確切地說，特別是在燃料重組器具有的代表燃料-空氣-比例的 空氣系數(shù)人大于l 1)時，燃料重組器能提供很高的熱量。如果達到
了一個已知的溫度，那么就有了一個原則上具有發(fā)電功能的系統(tǒng)，燃料重 組器就會轉(zhuǎn)換成重組工作方式，也就是說，空氣系數(shù)回到1以下，比如0. 4， 或更低。因此，比如可以通過一個次級燃料供給裝置送入附加的燃料來改變空氣系數(shù)。這類帶有次級燃料供給裝置的系統(tǒng)在比如DE 103 59 205 Al 中被公開。
可以通過獲取補燃器的溫度來監(jiān)控燃料電池系統(tǒng)的啟動過程。當流入 補燃器的具有氧化能力的氣體含量較高時，與燃燒工作狀態(tài)相比在進行重 組時這種情況自然會更多，此時補燃器溫度會上升。然而此類監(jiān)控具有時 間延遲性，特別是由通過氣體流經(jīng)系統(tǒng)的路線和補燃器的起燃過程的速度 引起的延遲。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種啟動燃料電池系統(tǒng)的方法，以及 提供一種此類燃料電池系統(tǒng)，從而實現(xiàn)可控地和在實際過程中無延遲地監(jiān) 控燃料電池系統(tǒng)在啟動階段之間的轉(zhuǎn)換。
此任務(wù)通過獨立權(quán)利要求的特征來解決。
本發(fā)明優(yōu)選的實施例在從屬權(quán)利要求中說明。
本發(fā)明基于這種類型的方法，通過獲取從燃料電池堆輸出的電壓來監(jiān) 控從第一階段到第二階段的轉(zhuǎn)換。從燃料電池堆輸出的電壓主要依賴于燃 料重組器是否根據(jù)燃燒室的類型工作或者是否以及成功地開始重組運行。 隨著表示重組運行特性的低空氣系數(shù)的設(shè)定，電池堆的電壓突然升高。如 果識別出所述升高，就意味著已經(jīng)向發(fā)生重組的第二啟動階段成功轉(zhuǎn)換， 否則就說明轉(zhuǎn)換失敗。從總的燃料電池堆輸出的電壓可以作為監(jiān)控啟動階 段的電壓來應(yīng)用。也可以選擇單電池電壓或者從某一組燃料電池所輸出的 電壓來進行監(jiān)控。
有益的是，隨溫度的變化會引起從第一啟動階段向第二啟動階段的轉(zhuǎn) 換。在系統(tǒng)溫度超過30(TC時固體氧化物燃料電池堆能輸出的電壓主要取 決于向燃料重組器送入的混合物的空氣系數(shù)。因此，有益的是，啟動過程 的電壓監(jiān)控的溫度被限制在比如30(TC以上。有益的是，在此溫度之下有
利于其它的燃燒工作。
本發(fā)明又一優(yōu)選的改進是，當從燃料電池堆輸出的電壓超過了預(yù)設(shè)的 電壓值時，就可以確定從第一啟動階段向第二啟動階段的有序轉(zhuǎn)換。因此 從燃料電池堆輸出的電壓的絕對值可以作為按照本發(fā)明的監(jiān)控的標準來
5提出。
可選的或附加的是，當從燃料電池堆輸出的電壓升高到一個預(yù)設(shè)的電 壓值，就可以確定從第一啟動階段向第二啟動階段的有序轉(zhuǎn)換。因此第一 啟動階段和第二啟動階段從燃料電池堆輸出的電壓值之間的差值可以作 為監(jiān)控的特征值來應(yīng)用。
可以設(shè)置，預(yù)設(shè)的電壓值可以在經(jīng)驗值的基礎(chǔ)上確定。 可選的或附加的是，預(yù)設(shè)的電壓值也可以從理論計算出的燃料電池堆 電壓值的基礎(chǔ)上確定。根據(jù)能斯特方程
電池堆電壓Ueq主要與氧氣濃度cI)。2相關(guān)。(R:通用氣體常數(shù)；T:絕對溫 度值；Z:當量值；F:法拉第常數(shù)；》Q2:含氧量。)利用所說的理論關(guān)系 可以監(jiān)控重組過程的成功開始。
本發(fā)明基于這種類型的燃料電池系統(tǒng)，通過獲取從燃料電池堆輸出的 電壓能夠監(jiān)控從第一階段到第二階段的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明的方法的優(yōu)點和特性 也可以通過這種方式在燃料電池系統(tǒng)的范圍里實現(xiàn)。它對于以下給出的根 據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的特別優(yōu)選的實施例也是有效的。
特別優(yōu)選的又一改進是，在燃料電池系統(tǒng)里具有電子控制裝置，用來 監(jiān)控其啟動。這種電子控制裝置優(yōu)選地設(shè)計為帶有一個存儲器。所述控制 裝置用來單獨地控制燃料電池系統(tǒng)，或者承擔位于燃料電池系統(tǒng)外部(例 如在汽車中)的部件的控制功能。電子控制裝置同樣也可以在汽車里的一 個其它的控制裝置里被集成，例如所謂的機載計算機。


下面參照附圖借助于特別優(yōu)選的實施形式詳細闡述本發(fā)明。 糾
圖1燃料電池系統(tǒng)示意圖2溫度-時間-變化曲線和與之相關(guān)的空氣系數(shù)-時間-變化曲線； 圖3用來解釋本發(fā)明所述方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1示出了一個燃料電池系統(tǒng)的示意圖。燃料電池系統(tǒng)包括一個燃料
供給裝置26，特別是燃料泵， 一個空氣供給裝置28，特別是風機，所述 燃料供給裝置和空氣供給器在燃料重組器10的輸入端耦合。燃料重組器 IO在輸出端與一個燃料電池堆12的陽極端耦合。燃料電池堆12的陰極端 和空氣供給裝置30，特別是風機，相連。燃料電池堆12上設(shè)置有一個溫 度傳感器24。燃料電池堆12在輸出端和補燃器32相聯(lián)，所述補燃器32 同樣和一個空氣供給裝置34，特別是一個風機相聯(lián)。還設(shè)置了具有存儲器 22的電子控制裝置20，與系統(tǒng)的傳感器，特別是燃料電池堆12的溫度傳 感器24相聯(lián)，用來接收信號。此外，電子控制裝置20和燃料供給裝置26 以及空氣送供給裝置28、 30、 34相聯(lián)，用來控制運行，確切地說用來影 響調(diào)節(jié)的范圍。控制可以用來獲取單獨的電池和/或燃料電池堆12的總電 壓。
系統(tǒng)運行時燃料泵26和空氣鼓風機28將燃料14和空氣16送入燃料 重組器10當中。在燃料重組器中產(chǎn)生一種富氫重組物18，它將送到燃料 電池堆12的陽極端上。通過鼓風機30向燃料電池堆12的陰極送入陰極 空氣。陰極空氣是有益地預(yù)熱過的。在燃料電池堆12里貧化過的重組物 36被送入一個補燃器32，同樣的用鼓風機34送入空氣來實現(xiàn)優(yōu)選無殘渣 的燃燒。補燃器放出廢氣38。有益的是，廢氣38的熱能耦合回到燃料電 池系統(tǒng)的熱預(yù)算當中，比如用來預(yù)熱由鼓風機30送入的陰極空氣。
在燃料電池系統(tǒng)啟動運行時，驅(qū)動燃料重組器10的空氣系數(shù)入與通 過溫度傳感器24所測的燃料電池堆12的溫度相關(guān)，且在燃料泵26和/或 空氣鼓風機28的影響下通過控制裝置20得到設(shè)置。所述設(shè)置如此實現(xiàn)， 即設(shè)置非臨界的空氣系數(shù)-溫度-組合，特別要考慮到燃料電池堆12中的煙 塵沉積以及陽極材料的氧化。這是因為在低溫和低空氣系數(shù)下會出現(xiàn)過度 煙塵，在高溫和高空氣系數(shù)下會出現(xiàn)不期望出現(xiàn)的燃料電池陽極的氧化。
圖2示出了溫度-時間-變化曲線和與之相關(guān)的根據(jù)本發(fā)明的空氣系數(shù)-時間-變化曲線。這里示例了一個燃料電池堆的溫度隨時間的變化圖。溫度 Tstack從一個初始溫度值，比如室溫開始，然后迅速地上升到50(TC的范圍， 以便接近燃料電池堆大約85(TC的工作溫度。設(shè)置一個與此相關(guān)的燃料重組器的空氣系數(shù)入，即從入=1.4開始，然后降到一個值入=0.4。改變空氣 系數(shù)A不是必須如圖所示逐級設(shè)置。空氣系數(shù)連續(xù)的變化也是可行的。在 某一溫度Tstaek下設(shè)置的空氣系數(shù)值A(chǔ)有益地在控制裝置中用一個表格的
形式儲存。除了測量的溫度T^k外，也可以在控制的存儲器上儲存根據(jù)經(jīng) 驗得出的與時間相關(guān)的溫度Tstack。
根據(jù)本發(fā)明，在燃燒運行和重組運行之間的轉(zhuǎn)換，也即第一啟動階段 和第二啟動階段的轉(zhuǎn)換，在大約30(TC時完成。此轉(zhuǎn)換可通過突然降低空 氣系數(shù)，或者如圖2中描述的，逐級地或連續(xù)地降低空氣系數(shù)來完成。如 果記錄下燃料電池堆輸出的電壓中的相應(yīng)的躍變，就可以正常地開始第二 啟動階段且由此開始重組過程。如果沒有出現(xiàn)此類的電壓躍變，那么向重 組過程的轉(zhuǎn)換就出現(xiàn)了錯誤。
圖3示出了用來闡述本發(fā)明所述的方法的流程圖。系統(tǒng)啟動之后，燃 料重組器在第一啟動階段按照燃燒器的類型工作(步驟SOl)，在第一啟動 階段期間，在步驟S02中檢測系統(tǒng)的溫度，例如燃料電池堆的溫度是否超 過臨界溫度Ts。如果不是，則第一階段將會按照步驟S01繼續(xù)執(zhí)行。但如 果超過了此臨界溫度Ts，則燃料電池系統(tǒng)將進入第二啟動階段(步驟S03)。 步驟S04中將會檢測所述向第二啟動階段的轉(zhuǎn)換是否成功，其中將電池電 壓U與臨界電壓Us相比較。如果電池電壓超過臨界電壓Us，則表明己經(jīng) 成功進入第二啟動階段，即重組運行階段(步驟S05)。如果在步驟S04 中算出的電壓沒有超過臨界電壓Us，那就如步驟S06所示，確定沒有成功 進入第二啟動階段，即重組運行階段。此類錯誤會引發(fā)多種形式的反應(yīng)， 比如關(guān)閉系統(tǒng)，重啟系統(tǒng)，給出錯誤信息，諸如此類。
上述的本發(fā)明的說明書和圖例以及在權(quán)利要求中公開的特征可以獨 立地或者任意組合，為實現(xiàn)本發(fā)明是不可缺少的。
8附圖標記列表
10 燃料重組器
12 燃料電池堆
14 燃料
16 空氣
18 重組物
20 控制裝置
22 存儲器
24 溫度傳感器
26 燃料供給裝置
28 鼓風機
30 鼓風機
32 補燃器
34 鼓風機
36 重組物
38 廢氣
權(quán)利要求
1.用于啟動具有燃料重組器(10)和燃料電池堆(12)的燃料電池系統(tǒng)的方法，-其中在第一啟動階段將具有代表燃料-空氣-比例的空氣系數(shù)λ1的氧氣和燃料送入所述燃料重組器中，-在第二啟動階段將具有代表燃料-空氣-比例的空氣系數(shù)λ2的氧氣和燃料送入所述燃料重組器中，-所述第一空氣系數(shù)λ1大于所述第二空氣系數(shù)λ2(λ1＞λ2)，-以及在第一和第二啟動階段，向所述燃料電池堆送入在所述燃料重組器中生成的重組物(18)，其特征在于，通過獲取從所述燃料電池堆(12)輸出的電壓來監(jiān)控從所述第一階段到所述第二階段的轉(zhuǎn)換。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的啟動燃料電池系統(tǒng)的方法，其特征在于， 根據(jù)溫度的變化會引起從所述第一啟動階段向所述第二啟動階段的轉(zhuǎn) 換。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的啟動燃料電池系統(tǒng)的方法，其特征在 于，當從所述燃料電池堆輸出的電壓超過了預(yù)設(shè)的電壓值時，就可以確 定從所述第一啟動階段向所述第二啟動階段的有序轉(zhuǎn)換。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的啟動燃料電池系統(tǒng)的方法，其特征在 于，當從所述燃料電池堆輸出的電壓升高到了預(yù)設(shè)的電壓值時，就可以 確定從所述第一啟動階段向所述第二啟動階段的有序轉(zhuǎn)換。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的啟動燃料電池系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)的電壓值可以從經(jīng)驗值的基礎(chǔ)上確定。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3到5中任一項所述的啟動燃料電池系統(tǒng)的方法， 其特征在于，所述預(yù)設(shè)的電壓值可以從理論計算的燃料電池電壓值的基 礎(chǔ)上確定。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的啟動燃料電池系統(tǒng)的方法，其特征在于， 所述預(yù)設(shè)的電壓值可以通過計入當前的空氣系數(shù)經(jīng)過理論計算確定。
8. —種燃料電池系統(tǒng)，具有燃料重組器(10)和燃料電池堆(12)，-其中在第一啟動階段能夠?qū)⒕哂写砣剂?空氣-比例的空氣系數(shù)A,的 氧氣和燃料送入所述燃料重組器中，-在第二啟動階段能夠?qū)⒕哂写砣剂?空氣-比例的空氣系數(shù)入2的氧氣 和燃料送入所述燃料重組器中，-所述第一空氣系數(shù)入,大于所述第二空氣系數(shù)入2 (人, >人2 )，-以及在第一和第二啟動階段，能夠向所述燃料電池堆送入在所述燃料重組器中生成的重組物(18)，其特征在于，通過獲取從所述燃料電池堆(12)輸出的電壓能夠監(jiān)控從 第一啟動階段到第二啟動階段的轉(zhuǎn)換。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電 池系統(tǒng)里具有電子控制裝置(20)，用來監(jiān)控系統(tǒng)的啟動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于啟動具有燃料重組器和燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)的方法，其中，在第一啟動階段將具有代表燃料-空氣-比例的空氣系數(shù)λ₁的氧氣和燃料送入所述燃料重組器中，其中，在第二啟動階段將具有代表燃料-空氣-比例的空氣系數(shù)λ₂的氧氣和燃料送入所述燃料重組器中，其中，所述第一空氣系數(shù)λ₁大于所述第二空氣系數(shù)λ₂(λ₁＞λ₂)，其中，在第一和第二啟動階段，向所述燃料電池堆送入在所述燃料重組器中生成的重組物(18)。根據(jù)本發(fā)明，通過獲取從所述燃料電池堆(12)輸出的電壓來監(jiān)控從所述第一階段到所述第二階段的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明還涉及一種燃料電池系統(tǒng)。
文檔編號H01M8/04GK101589497SQ200780033972
公開日2009年11月25日 申請日期2007年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月15日
發(fā)明者亨利·羅辛, 斯特凡·凱丁, 諾貝特·岡特 申請人:艾奈德有限公司