專利名稱：利用燃料電池幫助確定重整產(chǎn)品的λ值的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于確定提供給燃料電池堆的重整產(chǎn)品的X值的方法，其 中，檢測(cè)并評(píng)估至少一個(gè)燃料電池單元上的空載電壓，以確定X值。
此外，本發(fā)明涉及用于重整裝置、控制的方法，其中該重整裝置用于 至少使燃料和空氣反應(yīng)成用于提供給燃料電池堆的重整產(chǎn)品。
本發(fā)明還涉及用于確定提供給燃料電池堆的重整產(chǎn)品的人值的設(shè)備， 該設(shè)備具有適用于檢測(cè)并評(píng)估至少一個(gè)燃料電池單元上的空載電壓以確定 X值的裝置。
此外，本發(fā)明涉及包括重整裝置和燃料電池堆的系統(tǒng)，其中該重整裝 置用于至少使燃料和空氣反應(yīng)成重整產(chǎn)品，并且其中由經(jīng)人控制的該重整 裝置為該燃料電池堆提供重整產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
該通用方法、設(shè)備和系統(tǒng)用于化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)換。為此，將優(yōu)選地 為燃料/空氣混合物形式的燃料和空氣提供給重整裝置。在重整裝置內(nèi)發(fā)生 燃料和大氣氧的反應(yīng)，優(yōu)選地，進(jìn)行部分氧化過程。
然后，將如此產(chǎn)生的重整產(chǎn)品提供給燃料電池或燃料電池堆，通過作 為重整產(chǎn)品成分的氫和氧的控制反應(yīng)來釋放電能。
如上所述，重整裝置可以設(shè)計(jì)成進(jìn)行部分氧化過程以生成重整產(chǎn)品。 在這種情況下，當(dāng)使用柴油作為燃料時(shí)，在部分氧化之前進(jìn)行預(yù)先反應(yīng)是 特別有用的。這樣，長鏈柴油分子可以反應(yīng)成具有"冷焰"的短鏈分子， 以利于重整裝置操作的根本益處。通常，向重整裝置的反應(yīng)區(qū)提供氣體混
合物，該氣體混合物反應(yīng)成H2和CO。重整產(chǎn)品的另一成分是來自空氣的 N2，以及可選地，根據(jù)空氣比例和溫度，還有C02、 H20和CH4。在正常 操作中，根據(jù)需要的輸出調(diào)整燃料量流量，并且將空氣量流量調(diào)整到^=0.4 的范圍內(nèi)的人值或空氣比例?？梢酝ㄟ^不同的傳感器，比如溫度傳感器和氣體傳感器，來監(jiān)控重整反應(yīng)。
除了部分氧化過程之外，還可以進(jìn)行自熱重整。和自熱重整相比，部 分氧化過程是由提供低于化學(xué)計(jì)量的氧而引起。例如，混合物的空氣比例
為X=0.4。部分氧化是放熱的，所以，不希望出現(xiàn)的對(duì)重整裝置的加熱會(huì) 造成問題。此外，部分氧化傾向于增加煙灰形成。為了防止形成煙灰，可 以選擇更大的空氣比例X，并且/或者通過水蒸氣使一些氧可用于氧化。因 為利用水蒸氣的氧化過程會(huì)吸熱，所以可以調(diào)整燃料、氧和水蒸氣的比例， 以使整休既不放熱也不吸熱。因此，這樣實(shí)現(xiàn)的自熱重整會(huì)消除煙灰形成 和不期望的對(duì)重整裝置過渡加熱的問題。
在重整裝置中進(jìn)行氧化后，還可以進(jìn)行其它氣體處理步驟，特別是可 以在部分氧化的下游進(jìn)行甲烷化。
例如， 一種當(dāng)前的燃料電池系統(tǒng)是質(zhì)子交換膜(PEM)系統(tǒng)，該系統(tǒng) 通?？梢栽谑覝睾痛蠹s100°C之間的工作溫度下工作。由于較低的工作溫 度，這種類型的燃料電池通常用于移動(dòng)應(yīng)用，例如，用于機(jī)動(dòng)車輛。
'此外，稱作固體氧化物燃料電池(SOFC)系統(tǒng)的高溫燃料電池也是公 知的。例如，這種系統(tǒng)在約S00。C的溫度范圍工作，固體電解質(zhì)(固體氧 化物)可以進(jìn)行氧離子傳輸。這種高溫燃料電池和PEM相比的益處特別在 于其重型機(jī)械和化學(xué)負(fù)荷兼容性。
除了靜態(tài)應(yīng)用外，燃料電池用于通用系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用包括在機(jī)動(dòng)車輛 領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，例如作為輔助動(dòng)力單元(APU)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，為了確定重整產(chǎn)品的、值，在重置裝置輸出區(qū)域裝備 的傳感器a探頭)通常用于測(cè)量氧濃度。這構(gòu)成花費(fèi)很高的額外原料支出。 此外，還會(huì)發(fā)生密封性問題和/或溫度問題。
.根據(jù)德國專利DE 103 58 933A1公知了通用方法、設(shè)備和系統(tǒng)，其中， 感測(cè)至少一個(gè)燃料電池單元上的空載電壓，并相應(yīng)地評(píng)估其結(jié)果以獲得實(shí) 際人值用于將X值控制到X設(shè)定值。燃料電池單元上的空載電壓與能量輸 出時(shí)的電壓的關(guān)系比與瞬時(shí)工作條件的關(guān)系更密切。例如，可以僅通過在 用電設(shè)備不從相應(yīng)的燃料電池單元中消耗電流的工作階段中測(cè)量電壓來檢 測(cè)空載電壓。此外，例如，也可以通過將用電設(shè)備暫時(shí)與相應(yīng)的燃料電池 單元分開來檢測(cè)空載電壓，但是這會(huì)影響用電設(shè)備的平穩(wěn)工作?；诖?，對(duì)一個(gè)或幾個(gè)燃料電池單元進(jìn)行感測(cè)電壓采樣會(huì)增加生產(chǎn)和布線復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是基于改進(jìn)通用方法、設(shè)備和系統(tǒng)的目的，使得能夠?qū)M裝和 工作而言較容易地確定X值。
該目的由獨(dú)立權(quán)利要求的特征實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的有益方面和其它實(shí)施例參見從屬權(quán)利要求。
根據(jù)本發(fā)明用于確定X值的方法基于通用現(xiàn)有技術(shù)，其中，至少一個(gè) 燃料電池單元是專門提供用于感測(cè)的燃料電池堆的終端燃料電池單元，并 且可以從燃料電池堆的剩余燃料電池單元中獲取用于至少一個(gè)用電設(shè)備的 電壓?，F(xiàn)在，通過檢測(cè)終端燃料電池單元上的空載電壓，簡化了布線工程， 這是因?yàn)榻佑|終端燃料電池單元比接觸燃料電池堆中間的燃料電池單元要 更加簡單。此外，釆用專門用于感測(cè)的燃料電池單元不會(huì)再中斷平穩(wěn)連續(xù) 的工作。在這種結(jié)構(gòu)中，允許在燃料電池堆或用電設(shè)備的任何工作狀況下 確定用于感測(cè)的燃料電池單元的電壓，由于該燃料電池單元專門用于感測(cè)， 所以該電壓總是對(duì)應(yīng)燃料電池單元的空載電壓。
此外，對(duì)于根據(jù)本發(fā)明用于確定X值的方法，優(yōu)選地，可以通過能斯
脫(Nemst)方程來導(dǎo)出X值。這是因?yàn)橛糜诟袦y(cè)的燃料電池單元的空載電 壓遵循能斯脫方程。
此外，根據(jù)至少一個(gè)燃料電池單元的溫度得到^值對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的 方法也是有益的。因?yàn)樵诖_定X值時(shí)，特別是在通過能斯脫方程確定X值 時(shí)，感測(cè)的電壓較大程度上取決于周圍的溫度，通過在確定X值時(shí)引入溫 度可以獲得更精確的值。
本發(fā)明用于對(duì)重整裝置進(jìn)行人控制的方法基于通用現(xiàn)有技術(shù)，其中， 根據(jù)X值進(jìn)行X控制，區(qū)別在于，現(xiàn)在使用本發(fā)明方法來確定X值。另外， 這里確定^值比現(xiàn)有技術(shù)效率更高。
'根據(jù)本發(fā)明用于確定、值的設(shè)備基于通用現(xiàn)有技術(shù)，但是這里至少一 個(gè)燃料電池單元是專門提供用于感測(cè)的燃料電池堆的終端燃料電池單元， 并且可以從燃料電池堆的剩余燃料電池單元中獲取用于至少一個(gè)用電設(shè)備 的電壓。因而，這就實(shí)現(xiàn)了在上述方法中獲得的益處。優(yōu)選地，對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，所提供的裝置適于通過能斯脫方程來導(dǎo)出人值。這就允許通過直接評(píng)估能斯脫方程、經(jīng)由適當(dāng)?shù)恼嬷当砘虮绢I(lǐng)域技術(shù)人員可知的任何其它方法獲得X值。
此外，將根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備設(shè)計(jì)成具有溫度傳感器也是有益的，其中可以通過該溫度傳感器感測(cè)至少一個(gè)燃料電池單元的溫度，將結(jié)果提供給能夠根據(jù)所述至少一個(gè)燃料電池單元的溫度來確定X值的裝置。由于在確定人值時(shí)，特別是在通過能斯脫方程確定X值時(shí)，感測(cè)的電壓較大程度上取決于周圍的溫度，所以這里通過在確定X值時(shí)引入溫度可以獲得更精確的值。
為了進(jìn)行X控制，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明用于確定人值的裝置，除此之外，該系統(tǒng)基于通用現(xiàn)有技術(shù)。


下面，通過舉例并參考附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中
.圖1的流程圖示出根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例；圖2的方框圖示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備和系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例；以及圖3的示意圖示出燃料電池堆的一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照?qǐng)Dl，其中通過步驟Sl到S2示出根據(jù)本發(fā)明用于確定X值的方法的一個(gè)實(shí)施例，而步驟Sl到S5示出根據(jù)本發(fā)明用于對(duì)重整裝置進(jìn)行X控制的方法的一個(gè)實(shí)施例。
根據(jù)所示方法，包括多個(gè)燃料電池單元的燃料電池堆中的一個(gè)燃料電池單元專門提供用于感測(cè)，即，其不對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行供電，而是僅用于確定測(cè)量值。為此，該燃料電池單元和其它燃料電池單元電絕緣，從而可以用作X傳感器。剩余燃料電池單元串聯(lián)連接，從而可以提供更高電壓以用于一個(gè)或多個(gè)用電設(shè)備。應(yīng)當(dāng)注意，其它實(shí)施例也是可能的，其中，提供一個(gè)以上的燃料電池單元專門用于感測(cè)，這些燃料電池單元相互串聯(lián)連接以提供更高的測(cè)量電壓。
在步驟Sl中，通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的按照模擬和/或數(shù)字方式工作的工具來檢測(cè)用于感測(cè)的燃料電池單元的空載電壓UQ。因?yàn)樵撊剂想姵貑?br> 元沒有對(duì)用電設(shè)備供電，所以在用電設(shè)備或燃料電池堆的所有以及任何工作狀況下，所檢測(cè)的電壓都對(duì)應(yīng)于空載電壓。
在步驟S2中，根據(jù)空載電壓Uo和用于感測(cè)的燃料電池單元的實(shí)際溫度T，經(jīng)由能斯脫方程來確定X值X^,這是由于用于感測(cè)的燃料電池單元的空載電壓U。遵循能斯脫方程。
可選地，在步驟S2中，可以忽略用于感測(cè)的燃料電池單元的溫度，根據(jù)空載電壓Uo，經(jīng)由能斯脫方程來確定 i值人實(shí)際。
在步驟S3中，通過關(guān)系A(chǔ)X二A設(shè)定一A實(shí)際根據(jù)"直X實(shí)際和X設(shè)定值入設(shè)定確定控制差A(yù)入。
然后，在步驟S4中，根據(jù)控制差A(yù)X生成啟動(dòng)信號(hào)S。
在步驟S5中，根據(jù)啟動(dòng)信號(hào)S啟動(dòng)至少一個(gè)啟動(dòng)器。 一個(gè)或多個(gè)啟動(dòng)器可以專門分配給重整裝置，并且例如，可以改變空氣和燃料的供應(yīng)。如果有幾個(gè)啟動(dòng)器，則啟動(dòng)信號(hào)S優(yōu)選地包括適用于分別觸發(fā)啟動(dòng)器的多個(gè)數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，其中的框圖示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例和根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備24可以用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的硬件和/或軟件實(shí)現(xiàn)，并且設(shè)備24設(shè)計(jì)用于確定重整產(chǎn)品10的X值X實(shí)際。重整產(chǎn)品10由重整裝置16生成并且提供給燃料電池堆12。燃料電池堆12包括多個(gè)燃料電池單元，其中，在所示情況中，提供一個(gè)燃料電池單元14專門用于感測(cè)，使得該燃料電池單元14永遠(yuǎn)提供空載電壓Uo，應(yīng)當(dāng)注意，即使當(dāng)用電設(shè)備34有較高電源要求時(shí)也是如此。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備24包括裝置26，其評(píng)估燃料電池單元14的空載電壓U。，以確定X值入實(shí)際，并且其按照利用溫度傳感器40所感測(cè)的來評(píng)估燃料電池單元14的實(shí)際溫度。在該結(jié)構(gòu)中，溫度傳感器40是可選的，gp，也可以不考慮如利用溫度傳感器40所感測(cè)的溫度而確定U直"際。優(yōu)選地，裝置26通過能斯脫方程確定X值X頓?？梢酝ㄟ^本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的模擬或數(shù)字電路，特別是通過硬件結(jié)合適當(dāng)?shù)能浖?，來?shí)現(xiàn)用于確定人值的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備24是本發(fā)明的系統(tǒng)32的組件，其中除了設(shè)備24之外，系統(tǒng)32還包括重整裝置16，用于將燃料20和空氣22反應(yīng)成重整產(chǎn)品10;以及燃料電池堆12，由重整裝置16為該燃料電池堆12提供重整產(chǎn)品10，并且除了燃料電池單元14的空載電壓Uo外，該燃料電池堆12還向用電設(shè)備34提供輸出電壓。所示系統(tǒng)還包括加法器28，其根據(jù)X設(shè)定值 i設(shè)定和實(shí)際人值X實(shí)際生成控制差A(yù) u將該控制差A(yù)X提供給控制器30，其中控制器30也屬于系統(tǒng)32，并且根據(jù)控制差A(yù)X輸出一個(gè)或多個(gè)適當(dāng)?shù)膯?dòng)信號(hào)S。在所示情況中，將啟動(dòng)信號(hào)S提供給啟動(dòng)器18，其中啟動(dòng)器18是重整裝置16的組件。例如，啟動(dòng)器18可以用于管理燃料20和/或空氣22的供應(yīng)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，其中的示意圖示出燃料電池堆的一個(gè)實(shí)施例。燃料電池堆12包括通過定位框38固定的多個(gè)燃料電池單元14、 36。燃料電池單元14v 36通過公知方式和裝置將重整產(chǎn)品和氧化劑轉(zhuǎn)化成電能。為此，燃料電池單元14、 36的形狀為板狀，包括兩個(gè)通孔，這兩個(gè)通孔形成堆疊燃料電池單元的通道，可以通過這兩個(gè)通道提供重整產(chǎn)品并排放陽極廢氣。在多個(gè)燃料電池單元中提供至少一個(gè)專門用于感測(cè)的終端燃料電池單元14，并且該終端燃料電池單元14與其它燃料電池單元36電絕緣。終端燃料電池單元14電性連接到用于評(píng)估空載電壓Uo的裝置26，并且可選地，裝置26可用于評(píng)估終端燃料電池單元14的溫度T。燃料電池堆12最外側(cè)的兩個(gè)燃料電池單元可以作為終端燃料電池單元14。可能提供多個(gè)，即一列最外側(cè)終端燃料電池單元專門用于感測(cè)。用電設(shè)備電性連接到剩余的燃料電池單元36，這些燃料電池單元36串聯(lián)連接，以提供更高電壓。在該結(jié)構(gòu)中，從剩余燃料電池單元36的最外側(cè)獲取用于用電設(shè)備34的電壓。應(yīng)當(dāng)注意，這里使用的用電設(shè)備一詞涵蓋串聯(lián)和/或并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)用電設(shè)備的全部以及任何組合。用于感測(cè)燃料電池單元14的溫度的溫度傳感器40與燃料電池單元14接觸。例如，當(dāng)燃料電池單元14配置為與其它燃料電池單元36相同時(shí)，可以將溫度傳感器聯(lián)接到燃料電池單元14的外側(cè)?？蛇x地，溫度傳感器40可以設(shè)置在燃料電池單元14的凹槽中，或者設(shè)置在定位框38的凹槽中。溫度傳感器40通過接線(未示出)連接到裝置26。
工作時(shí)，燃料電池堆12的工作狀況根據(jù)用電設(shè)備的電源需求而改變。在終端燃料電池單元14處，裝置26總能夠感測(cè)該燃料電池單元14的空載電壓UQ，而與用電設(shè)備34的電源需求和燃料電池堆12的工作模式無關(guān)。應(yīng)該理解，在上述說明書、附圖和權(quán)利要求中公開的本發(fā)明的特征對(duì)于單獨(dú)地以及以任何結(jié)合來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明都是必須的。
參考標(biāo)號(hào)列表
1重整產(chǎn)品
2燃料電池堆
14感測(cè)燃料電池單元
16重整裝置
18啟動(dòng)器
20燃料
22空氣
24用于確定X值的設(shè)備
26用于評(píng)估空載電壓和溫度的裝置
28加法器
30系統(tǒng)
34用電設(shè)備
36提供給用電設(shè)備的燃料電池單元
38定位框
40溫度傳感器
權(quán)利要求
1、一種用于確定提供給燃料電池堆(12)的重整產(chǎn)品(10)的λ值(λ實(shí)際)的方法，其中檢測(cè)并評(píng)估至少一個(gè)燃料電池單元(14)上的空載電壓(U0)以確定所述λ值(λ實(shí)際)，其特征在于，所述至少一個(gè)燃料電池單元(14)是專門提供用于感測(cè)的所述燃料電池堆(12)的終端燃料電池單元，以及可以在所述燃料電池堆(12)的剩余燃料電池單元(36)上獲取提供給至少一個(gè)用電設(shè)備(34)的電壓。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，經(jīng)由能斯脫方程確定所述 入{1 (X實(shí)際)。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，還根據(jù)所述至少一個(gè)燃料電池單元(14)的溫度(T)來感測(cè)所述x值a實(shí)際)。
4、 一種用于對(duì)重整裝置(16)進(jìn)行X控制的方法，其中所述重整裝置 (16)用于至少將燃料(20)和空氣反應(yīng)成用于提供給燃料電池堆(12) 的重整產(chǎn)品(10)，其特征在于，根據(jù)如前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法所確定的所述x值a實(shí)際)來執(zhí)行人控制。
5、 一種用于確定提供給燃料電池堆(12)的重整產(chǎn)品ao)的x值a實(shí)際)'的設(shè)備(24)，包括裝置(26)，其中所述裝置(26)適用于檢測(cè)并評(píng) 估至少一個(gè)燃料電池單元(14)上的空載電壓(U0)以確定所述人值(X實(shí) 際)，其特征在于，所述至少一個(gè)燃料電池單元(14)是專門提供用于感測(cè) 的所述燃料電池堆(12)的終端燃料電池單元，以及可以在所述燃料電池 堆(12)的剩余燃料電池單元(36)上獲取提供給至少一個(gè)用電設(shè)備(34) 的電壓。
6、 如權(quán)利要求5所述的設(shè)備(24)，其特征在于，所述裝置(26)適于經(jīng)由能斯脫方程導(dǎo)出所述人值a實(shí)際)。
7、 如權(quán)利要求5或6所述的設(shè)備，其特征在于，提供溫度傳感器(40)， 利用所述溫度傳感器(40)可感測(cè)所述至少一個(gè)燃料電池單元(14)的溫 度，將結(jié)果提供給可根據(jù)所述至少一個(gè)燃料電池單元(14)的溫度(T)來確定所述、值a實(shí)際)的裝置。
8、 一個(gè)系統(tǒng)(32)，包括重整裝置(16)和燃料電池堆(12)，其中， 所述重整裝置(16)用于至少將燃料(20)和空氣(22)反應(yīng)成重整產(chǎn)品(10)，所述燃料電池堆(12)與所述重整裝置(16)連接以便從中接收重 整產(chǎn)品(10)，所述重整裝置(16)是經(jīng)X控制的，其特征在于，為了執(zhí)行 X控制，所述系統(tǒng)包括如權(quán)利要求5至7中任意一項(xiàng)所述的設(shè)備(24)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于確定提供給燃料電池堆(12)的重整產(chǎn)品(10)的λ值(λ_實(shí)際)的方法。在所述方法中，檢測(cè)并評(píng)估至少一個(gè)燃料電池單元(14)上的空載電壓(U₀)以確定該λ值(λ_實(shí)際)。根據(jù)本發(fā)明，所述至少一個(gè)燃料電池單元(14)是專門用于測(cè)量目的的燃料電池堆(12)的終端燃料電池單元(14)，并且可以在燃料電池堆(12)的剩余燃料電池單元(36)上獲取提供給至少一個(gè)用電設(shè)備(34)的電壓。本發(fā)明還涉及用于對(duì)重整裝置進(jìn)行λ控制的方法、用于確定λ值的設(shè)備、包括用于至少將燃料(20)和空氣(22)反應(yīng)成重整產(chǎn)品(10)的重整裝置(16)的系統(tǒng)(32)、以及燃料電池堆(12)，其中由重整裝置(16)為燃料電池堆(12)提供重整產(chǎn)品(10)，重整裝置(16)中的λ值是受控制的。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101479872SQ200780021613
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2007年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月27日
發(fā)明者A·恩格爾, B·布勒克爾, M·博爾策, M·普法爾茨格拉夫, M·羅祖梅克, M·聚斯?fàn)? M·貝登貝克爾, S·克丁 申請(qǐng)人:艾納爾達(dá)公司