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，燃料和空氣作為原料被送入燃料重組器中，且一種在燃料 重組器中生成的重組物被送入燃料電池堆中。
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，燃料和空氣作為原料能夠被送入燃料重組器中，且一種在燃料 重組器中生成的重組物能夠被送入燃料電池堆中。
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800° C。 這樣的溫度在啟動階段就必須達(dá)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。在這樣的啟動階段要面臨幾 個問題。 一方面，在針對運(yùn)行燃料重組器通常很低的空氣系數(shù)，特別是在 低溫情況下，會在燃料電池堆里產(chǎn)生過度的煙塵。這會通過阻塞電極對燃 料電池堆造成不可逆損害。此外，在高溫和高的空氣系數(shù)下會在燃料電池 堆里造成不可逆的陽極材料氧化的危害。只有在燃料電池堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下， 也就是前面提到的超過800° C的高溫和很低的空氣系數(shù)，例如等于0.4 的情況下，煙塵的產(chǎn)生和陽極材料氧化的問題才能夠減少。

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 提供一個此類燃料電池系統(tǒng)，使在燃料電池堆的啟動階段也能阻止通過煙 塵和氧化對燃料電池系統(tǒng)造成的損害。此任務(wù)通過獨(dú)立權(quán)利要求的特征來解決。
本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)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，代表向燃料重組器送入的原料的燃料-
空氣-比例的空氣系數(shù)隨燃料電池堆的溫度而發(fā)生變化。通過這種空氣系數(shù)
隨燃料電池堆的溫度發(fā)生變化，可以實(shí)現(xiàn)在每一個運(yùn)行時間點(diǎn)上，也就是
說，尤其是在燃料電池系統(tǒng)啟動的時候，設(shè)定非臨界的空氣系數(shù)-溫度-組 合。
特別是能借此達(dá)到空氣系數(shù)隨燃料電池堆的溫度升高而降低。因此， 啟動階段在高空氣系數(shù)和低溫下開始，即在抑制煙塵的產(chǎn)生和陽極材料的 氧化的臨界值的組合下開始。隨著燃料電池堆的溫度上升，空氣系數(shù)在保 持非臨界的空氣系數(shù)-溫度-組合下逐漸降低，直到達(dá)到持續(xù)運(yùn)行所特定的 空氣系數(shù)-溫度-組合值。
根據(jù)本發(fā)明所述的方法所特別優(yōu)選的實(shí)施例設(shè)置，在啟動燃料電池系
統(tǒng)時將空氣系數(shù)調(diào)節(jié)到1.3至1.5之間，在到達(dá)燃料電池堆的工作溫度后 將空氣系數(shù)調(diào)節(jié)到0.3至0.5之間。
可以如此設(shè)計，空氣系數(shù)隨燃料電池堆的溫度升高逐級地降低。這還 同時涉及一種特別實(shí)用的技術(shù)方案，這是因?yàn)楦鶕?jù)需要可以跟蹤與當(dāng)前溫 度值相關(guān)的空氣系數(shù)。
當(dāng)然，空氣系數(shù)也可以隨燃料電池堆溫度的升高連續(xù)地降低。由此空 氣系數(shù)-時間-函數(shù)可以用一種最佳的方式和溫度-時間-函數(shù)相對應(yīng)。
本發(fā)明又一特別優(yōu)選的改進(jìn)是能測量燃料電池堆的溫度。因此可以根 據(jù)所測量的溫度值設(shè)置合適的空氣值。
根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行時間按經(jīng)驗(yàn)得出的值被用作燃料電池堆的 溫度。如果燃料電池系統(tǒng)的啟動性能充分成熟，燃料電池堆的溫度變化就 可以基于經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行預(yù)測。這時溫度的測量就不是必要的。經(jīng)驗(yàn)值就足夠 可以確定啟動運(yùn)行中合適的空氣系數(shù)以及之后對其進(jìn)行調(diào)節(jié)。
本發(fā)明基于此類燃料電池系統(tǒng)，即代表向燃料重組器送入的原料的燃 料-空氣-比例的空氣系數(shù)能夠隨燃料電池堆的溫度變化。通過這種方式， 根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)和特性也可以在系統(tǒng)的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這對于以下 給出的根據(jù)本發(fā)明所述的燃料電池系統(tǒng)特別優(yōu)選的實(shí)施例也是有效的。特別有益的改進(jìn)是，燃料電池系統(tǒng)具有電子控制裝置。此類電子控制 裝置接管根據(jù)本發(fā)明的與溫度相關(guān)的空氣系數(shù)的確定和調(diào)節(jié)。電子控制裝 置可專門為燃料電池系統(tǒng)調(diào)節(jié)所用。同樣可能的是，這種控制裝置也可以 在一個己有的電子控制裝置上，尤其是在汽車上的電子控制裝置上進(jìn)行集 成。在這種情況下，控制裝置可以設(shè)計為調(diào)節(jié)或控制燃料電池系統(tǒng)的所有 性能。
有益的設(shè)計是，可變的空氣系數(shù)與溫度的依賴關(guān)系在一個電子控制裝 置所屬的存儲器里儲存。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的改進(jìn)是，空氣系數(shù)能夠隨燃料電池堆的 溫度的升高而降低。
特別優(yōu)選的是，在燃料電池系統(tǒng)啟動時空氣系數(shù)能夠在1.3至1.5之
間被調(diào)節(jié)，且到達(dá)燃料電池堆的工作溫度后，空氣系數(shù)能夠在0.3至0.5
之間被調(diào)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的替換形式設(shè)置，空氣系數(shù)隨燃料電池堆 的溫度升高可以逐級降低。
另一方面，系統(tǒng)也可以這樣改進(jìn)，空氣系數(shù)隨燃料電池堆的溫度升高 可以連續(xù)降低。
有益的是，設(shè)置至少一個溫度傳感器來測量燃料電池堆的溫度。 同樣可以有利地設(shè)置，能夠使用根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行時間憑經(jīng)驗(yàn)
得出的值作為燃料電池堆的溫度，其中，這個數(shù)值可以用一個電子控制裝
置所屬的存儲器來提供。


下面參照附圖借助于特別優(yōu)選的實(shí)施形式詳細(xì)闡述本發(fā)明。
其巾
圖1燃料電池系統(tǒng)示意圖2按照本發(fā)明的溫度-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)明的溫度-空氣系數(shù)-圖； 圖4用來解釋根據(jù)本發(fā)明所述的方法的流程圖。
具體實(shí)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(fēng)機(jī)，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(fēng)機(jī)，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(bǔ)燃器32相聯(lián)，所述補(bǔ)燃器32 同樣和一個空氣供給裝置34，特別是一個風(fēng)機(jī)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(yùn)行，確切地說用來影 響調(diào)節(jié)的范圍。
系統(tǒng)運(yùn)行時燃料泵26和空氣鼓風(fēng)機(jī)28將燃料14和空氣16送入燃料 重組器10當(dāng)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12上。通過鼓風(fēng)機(jī)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(bǔ)燃器32，同樣的用鼓風(fēng)機(jī)34送入空氣來實(shí)現(xiàn)優(yōu)選無殘 渣的燃燒。補(bǔ)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(dāng)中，比如用來預(yù)熱由鼓風(fēng)機(jī)30送入的陰極空氣。
根據(jù)本發(fā)明，在燃料電池系統(tǒng)啟動運(yùn)行時設(shè)置，驅(qū)動燃料重組器10 的空氣系數(shù)A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(fēng)機(jī)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(shí)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。
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 T^ek從一個初始溫度值，比如室溫開始，然后迅速地上升到500。 C的范 圍，以便接近燃料電池堆大約850° C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
7變空氣系數(shù)入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T^k下設(shè)置的空氣系數(shù)值入有益地在控制裝置中用一個表 格的形式儲存。除了測量的溫度丁愈k夕卜，也可以在控制的存儲器上儲存根 據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出的與時間相關(guān)的溫度Tstack。
圖3示出了一個用來說明本發(fā)明的溫度-空氣系數(shù)-圖。清晰可見，在 低溫和低的空氣系數(shù)下存在一個過量的煙塵形成，而在高溫和高的空氣系 數(shù)下又會出現(xiàn)不期望出現(xiàn)的陽極的氧化。因此，以低溫為出發(fā)點(diǎn)選擇了高 空氣系數(shù)，這樣，只存在較小的煙塵和較小的陽極氧化。以此為出發(fā)點(diǎn)， 在溫度上升的同時空氣系數(shù)降低，直到到達(dá)工作溫度和為燃料重組器運(yùn)行 的有益的空氣系數(shù)值。
圖4示出了用來闡述按照本發(fā)明的方法的流程圖。系統(tǒng)啟動時在步驟 S01中獲取燃料電池堆的溫度Tstaek。在步驟S02中設(shè)置某一空氣系數(shù)入' 。 在步驟S03中檢測燃料電池堆的溫度T^ek是否超過某一預(yù)置溫度Ti。如 果沒超過，則此過程繼續(xù)回到步驟SOl，這就是說入值保持不變，且需要 重新獲取新的燃料電池堆溫度T^k。然而，當(dāng)在步驟S03燃料電池堆的溫 度T^k超過給定的溫度Tj時，在步驟S04將會檢測燃料電池堆是否已經(jīng) 達(dá)到其工作溫度Te。如果還沒達(dá)到，那么在步驟S05指數(shù)i將會增加1， 以便之后再轉(zhuǎn)移回到步驟SOl。隨后空氣系數(shù)入會降低到值入w。反之， 如果在步驟S04檢測到燃料電池堆達(dá)到了它的工作溫度，那么啟動燃料電 池系統(tǒng)的方法就結(jié)束。
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(dú) 立地或者任意組合，為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明是不可缺少的。附圖標(biāo)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(fēng)機(jī)
30 鼓風(fēng)機(jī)
32 補(bǔ)燃器
34 鼓風(fēng)機(jī)
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，向所述燃料重組器送入燃料(14)和空氣(16)作為原料，以及向所述燃料電池堆送入在所述燃料重組器中產(chǎn)生的重組物(18)，其特征在于，代表向所述燃料重組器(10)中送入的所述原料的燃料-空氣-比例的空氣系數(shù)隨所述燃料電池堆(12)的溫度而變化。
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， 所述空氣系數(shù)隨所述燃料電池堆(12)的溫度升高而降低。
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，在啟動所述燃料電池系統(tǒng)時將空氣系數(shù)設(shè)置在介于1.3至1.5的范圍 內(nèi)，以及到達(dá)所述燃料電池堆(12)的工作溫度后，將空氣系數(shù)設(shè)置在 介于0.3至0.5的范圍內(nèi)。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的啟動燃料電池系統(tǒng)的方法，其 特征在于，所述空氣系數(shù)隨所述燃料電池堆(12)的溫度升高而逐級地 降低。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的啟動燃料電池系統(tǒng)的方法，其 特征在于，所述空氣系數(shù)隨所述燃料電池堆(12)的溫度升高而連續(xù)地 降低。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的啟動燃料電池系統(tǒng)的方法，其 特征在于，測量所述燃料電池堆(12)的溫度。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的啟動燃料電池系統(tǒng)的方法，其 特征在于，應(yīng)用根據(jù)所述燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行時間憑經(jīng)驗(yàn)獲得的值作為 所述燃料電池堆(12)的溫度。
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，能夠向所述燃料重組器送入燃料(14)和空氣(16)作為原料， 以及能夠向所述燃料電池堆送入在所述燃料重組器中產(chǎn)生的重組物(18)，其特征在于，代表向所述燃料重組器(10)中送入的所述原料的 燃料-空氣-比例的空氣系數(shù)能夠隨所述燃料電池堆(12)的溫度而變化。
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)具有電子控制裝置(20)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，要改變 的所述空氣系數(shù)與所述溫度的依賴關(guān)系在電子控制裝置(20)所屬的存 儲器(22)中儲存。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在 于，所述空氣系數(shù)能夠隨所述燃料電池堆(12)的溫度升高而降低。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8至11中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在 于，在啟動所述燃料電池系統(tǒng)時空氣系數(shù)可以設(shè)置在介于1.3至1.5的范 圍內(nèi)，以及到達(dá)所述燃料電池堆(12)的工作溫度后，空氣系數(shù)可以設(shè) 置在介于0.3至0.5的范圍內(nèi)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8至12中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在 于，所述空氣系數(shù)能夠隨所述燃料電池堆(12)的溫度升高而逐級降低。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8至13中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在 于，所述空氣系數(shù)能夠隨所述燃料電池堆(12)的溫度升高而連續(xù)降低。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8至14中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在 于，設(shè)置至少一個溫度傳感器(24)來測量所述燃料電池堆(12)的溫 度。
16. 根據(jù)權(quán)利要求8至15中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在 于，可以應(yīng)用根據(jù)所述燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行時間憑經(jīng)驗(yàn)獲得的值作為所 述燃料電池堆(12)的溫度，其中，所述數(shù)值可以由所述電子控制裝置(20)所屬的存儲器(22)提供。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種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，向所述燃料重組器送入燃料(14)和空氣(16)作為原料，以及向所述燃料電池堆送入在所述燃料重組器中產(chǎn)生的重組物(18)。按照本發(fā)明，代表向所述燃料重組器(10)中送入的所述原料的燃料-空氣-比例的空氣系數(shù)隨所述燃料電池堆(12)的溫度而變化。本發(fā)明還涉及一種燃料電池系統(tǒng)。
文檔編號H01M8/04GK101584067SQ200780033737
公開日2009年11月18日 申請日期2007年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月11日
發(fā)明者蘇 周, 施特凡·凱丁, 杰里米·勞倫斯, 諾貝特·岡特 申請人:艾奈德有限公司