專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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。當(dāng)燃料重組器作為燃燒室工 作的時(shí)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(shí)，燃料重組器能提供很高的熱量。如果達(dá)到
了一個(gè)已知的溫度，那么就有了一個(gè)原則上具有發(fā)電功能的系統(tǒng)，燃料重 組器就會(huì)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(gè)次級(jí)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(jí)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(bǔ)燃器的溫度來監(jiān)控燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)過程。當(dāng)流入 補(bǔ)燃器的具有氧化能力的氣體含量較高時(shí)，與燃燒工作狀態(tài)相比在進(jìn)行重 組時(shí)這種情況自然會(huì)更多，此時(shí)補(bǔ)燃器溫度會(huì)上升。然而此類監(jiān)控具有時(shí) 間延遲性，特別是由通過氣體流經(jīng)系統(tǒng)的路線和補(bǔ)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(dòng)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(shí)現(xiàn)可控地和在實(shí)際過程中無延遲地監(jiān) 控燃料電池系統(tǒng)在啟動(dòng)階段之間的轉(zhuǎn)換。
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，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(yùn)行。 隨著表示重組運(yùn)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(shí)別出所述升高，就意味著已經(jīng)向發(fā)生重組的第二啟動(dòng)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(dòng)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(jìn)行監(jiān)控。
有益的是，隨溫度的變化會(huì)引起從第一啟動(dòng)階段向第二啟動(dòng)階段的轉(zhuǎn) 換。在系統(tǒng)溫度超過30(TC時(shí)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(dòng)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(jìn)是，當(dāng)從燃料電池堆輸出的電壓超過了預(yù)設(shè)的 電壓值時(shí)，就可以確定從第一啟動(dòng)階段向第二啟動(dòng)階段的有序轉(zhuǎn)換。因此 從燃料電池堆輸出的電壓的絕對(duì)值可以作為按照本發(fā)明的監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)來
5提出。
可選的或附加的是，當(dāng)從燃料電池堆輸出的電壓升高到一個(gè)預(yù)設(shè)的電 壓值，就可以確定從第一啟動(dòng)階段向第二啟動(dòng)階段的有序轉(zhuǎn)換。因此第一 啟動(dòng)階段和第二啟動(dòng)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(yàn)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(jì)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(duì)溫 度值；Z:當(dāng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)。它對(duì)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(shí)施例也是有效的。
特別優(yōu)選的又一改進(jìn)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(dòng)。這種電子控制裝置優(yōu)選地設(shè)計(jì)為帶有一個(gè)存儲(chǔ)器。所述控制 裝置用來單獨(dú)地控制燃料電池系統(tǒng)，或者承擔(dān)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?yán)锏囊?個(gè)其它的控制裝置里被集成，例如所謂的機(jī)載計(jì)算機(jī)。


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。 糾
圖1燃料電池系統(tǒng)示意圖2溫度-時(shí)間-變化曲線和與之相關(guān)的空氣系數(shù)-時(shí)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(shí)施例方式
圖1示出了一個(gè)燃料電池系統(tǒng)的示意圖。燃料電池系統(tǒng)包括一個(gè)燃料
供給裝置26，特別是燃料泵， 一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)空氣供給裝置34，特別是一個(gè)風(fēng)機(jī)相聯(lián)。還設(shè)置了具有存儲(chǔ)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(hào)。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?？刂瓶梢杂脕慝@取單獨(dú)的電池和/或燃料電池堆12的總電 壓。
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(gè)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?jiān)?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。
在燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(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。這是因?yàn)樵诘蜏睾偷涂諝庀禂?shù)下會(huì)出現(xiàn)過度 煙塵，在高溫和高空氣系數(shù)下會(huì)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(shí)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(shí)間-變化曲線。這里示例了一個(gè)燃料電池堆的溫度隨時(shí)間的變化圖。溫度 Tstack從一個(gè)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(gè)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(gè)值入=0.4。改變空氣 系數(shù)A不是必須如圖所示逐級(jí)設(shè)置?？諝庀禂?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(gè)表格的
形式儲(chǔ)存。除了測量的溫度T^k外，也可以在控制的存儲(chǔ)器上儲(chǔ)存根據(jù)經(jīng) 驗(yàn)得出的與時(shí)間相關(guān)的溫度Tstack。
根據(jù)本發(fā)明，在燃燒運(yùn)行和重組運(yùn)行之間的轉(zhuǎn)換，也即第一啟動(dòng)階段 和第二啟動(dòng)階段的轉(zhuǎn)換，在大約30(TC時(shí)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(jí)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(dòng)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(cuò)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(dòng)之后，燃 料重組器在第一啟動(dòng)階段按照燃燒器的類型工作(步驟SOl)，在第一啟動(dòng) 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(huì)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(jìn)入第二啟動(dòng)階段(步驟S03)。 步驟S04中將會(huì)檢測所述向第二啟動(dòng)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(jìn)入第二啟動(dòng)階段，即重組運(yùn)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(jìn)入第二啟動(dòng)階段，即重組運(yùn)行階段。此類錯(cuò)誤會(huì)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(cuò)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(dú) 立地或者任意組合，為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明是不可缺少的。
8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(chǔ)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)燃料電池系統(tǒng)的方法，其特征在于， 根據(jù)溫度的變化會(huì)引起從所述第一啟動(dòng)階段向所述第二啟動(dòng)階段的轉(zhuǎn) 換。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的方法，其特征在 于，當(dāng)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(shí)，就可以確 定從所述第一啟動(dòng)階段向所述第二啟動(dòng)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(dòng)燃料電池系統(tǒng)的方法，其特征在 于，當(dāng)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(shí)，就可以 確定從所述第一啟動(dòng)階段向所述第二啟動(dòng)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(dòng)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(yàn)值的基礎(chǔ)上確定。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3到5中任一項(xiàng)所述的啟動(dòng)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(jì)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(dòng)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(jì)入當(dāng)前的空氣系數(shù)經(jīng)過理論計(jì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)階段到第二啟動(dòng)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(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(hào)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