專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及其燃料供給方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)及其燃料供給方法，并且更具體地，涉 及能夠減少供給至重整器和燃燒器的燃料的脈動，從而穩(wěn)定地供給燃料，
并且保持供給至電池組(stack)的改性氣體的組分所需的比率的燃料電池系 統(tǒng)及其燃料供給方法。
背景技術(shù)：
通常，燃料電池是根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)，將烴基燃料例如甲醇、乙醇或天 然氣中所含的氫和氧的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。圖1是說明這 樣的燃料電池的發(fā)電原理的示意圖。當(dāng)將含氧空氣供給至陰極1，并且將 含氫燃料供給至陽極3時(shí)，通過電解質(zhì)膜2發(fā)生與水的電解相反的反應(yīng)而 發(fā)電。典型地，由這樣的單元電池4產(chǎn)生的電能由于電壓太低以致電能不 可用。為此，將幾個(gè)單元電池4以電池組的形式串聯(lián)連接。
為了產(chǎn)生供給至這種燃料電池組(以下簡稱為"電池組")的氫，使用燃 料處理裝置。燃料處理裝置包括重整器，其將燃料(例如，城市家用煤氣) 改性，從而產(chǎn)生高質(zhì)量氫；以及燃燒器，其加熱重整器使得重整器的反應(yīng) 溫度保持在適當(dāng)?shù)臏囟?。被改性以產(chǎn)生高質(zhì)量氫的燃料(以下稱為"重整器 燃料")是與水(去離子水(DI-水))一起供給至重整器的。被燃燒以調(diào)節(jié)重整
器溫度的燃料(以下稱為"燃燒器燃料")是與含氧空氣一起供給至燃燒器 的。這樣的重整器燃料和燃燒器燃料對高質(zhì)量氫的產(chǎn)生具有顯著的影響。 即，燃料電池系統(tǒng)的操作性能受到水蒸氣/碳的比率(S/C)控制以及人(燃燒 器燃料與空氣的比率)控制的顯著影響，所述S/C控制用以控制將重整器燃 料和水供給至重整器的重整器燃料/水的比率，從而控制決定電池組的性能 的一氧化碳濃度，所述人控制用以控制將燃燒器燃料和空氣供給至燃燒器 的燃燒器燃料/空氣的比率，從而能夠在保持燃燒器的火焰的同時(shí)使重整器 燃料在重整器中有效地反應(yīng)。在家用燃料電池系統(tǒng)的情況下，在約2至3 Kpa的壓力下供給燃料，
即，城市煤氣。由于這種原因，考慮到系統(tǒng)中發(fā)生的壓力損耗，以及燃料 處理裝置和電池組之間的反應(yīng)過程中發(fā)生的脈動，家用燃料電池系統(tǒng)使用 燃料泵等。燃料泵與鼓風(fēng)機(jī)、閥等一起使用，以實(shí)現(xiàn)燃料至燃料電池系統(tǒng)
內(nèi)部的供給以及其它操作。這些裝置被稱為"配套設(shè)備(balance-of-plant) (BOP)"裝置。每一個(gè)BOP裝置的規(guī)格是考慮內(nèi)部系統(tǒng)壓力損耗和脈動而 確定的。然而，這樣的壓力損耗和脈動現(xiàn)象是連續(xù)變化的，并不處于靜態(tài)， 而處于動態(tài)。由于這種原因，在具體的BOP裝置例如燃料泵的情況下， 不能確定燃料泵的穩(wěn)定而有效率的規(guī)格。燃料泵的操作可能受到內(nèi)部/外部 系統(tǒng)壓力損耗(增壓)和脈動的影響。特別是，在家用燃料電池系統(tǒng)中，由 于燃料供給壓力可能降低到至少1 Kpa，因此可能發(fā)生由燃料流量的變化 所引起的顯著脈動。在這種情況下，可能熄火。而且， 一氧化碳的濃度可 能是不穩(wěn)定的。結(jié)果，可能產(chǎn)生不良的操作條件。而且，當(dāng)必須快速啟動 燃料電池系統(tǒng)時(shí)，可能要另外使用燃燒器燃料泵，以提高燃燒器燃料的流 量。然而，這在成本方面是不經(jīng)濟(jì)的。在這樣的情形下，重要的是提供用 于燃料電池系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)而穩(wěn)定的燃料供給系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是考慮到上述問題而進(jìn)行的，并且本發(fā)明的一個(gè)方面是提供燃 料電池系統(tǒng)內(nèi)的一種燃料供給裝置和燃料供給方法，所述裝置和方法能夠 在使用最少的配套設(shè)備(BOP)裝置供給重整器燃料和燃燒器燃料的同時(shí)， 使S/C控制和X控制自動化，并且有效率地和穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)操 作，克服了在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的壓力損耗和脈動。
本發(fā)明的其它方面和/或優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分地進(jìn)行闡述，并且 部分從描述中變得明顯，或者可以通過實(shí)施本發(fā)明而獲悉。
根據(jù)一個(gè)方面，燃料電池系統(tǒng)包括燃料處理裝置，其將燃料改性并 且產(chǎn)生改性氣體；電池組，其接受來自燃料處理裝置的改性氣體以產(chǎn)生能 量；燃料供給裝置，其將燃料供給至燃料處理裝置；和控制器，其確定燃 料處理裝置的實(shí)時(shí)操作所需的燃料供給量，并且控制燃料供給裝置供給所 確定的燃料供給量。燃料處理裝置可以包括將燃料改性的重整器，以及加熱重整器的燃燒 器。燃料供給裝置可以包括第一燃料供應(yīng)器，其控制被供給至燃料處理 裝置的燃料的總供給量；以及第二燃料供應(yīng)器，其控制分別被供給至重整 器和燃燒器的燃料供給量。
第一燃料供應(yīng)器可以包括將燃料供給至燃料處理裝置的燃料泵，并且 可以被控制，使得燃料泵供給的燃料量等于被供給至重整器作為重整器燃 料供給量的燃料供給量與被供給至燃燒器作為燃燒器燃料供給量的燃料 供給量的總和。
第一燃料供應(yīng)器可以控制燃料的總供給量，使得燃料泵供給其量大于 重整器燃料供給量和燃燒器燃料供給量的總和的燃料，以使燃料增壓。
第二燃料供應(yīng)器可以包括將重整器燃料供給至重整器的第一 閥，并且 可以被控制，使得第一閥控制重整器燃料的流量，以供給重整器所需的重 整器燃料供給量。
第二燃料供應(yīng)器可以包括將燃燒器燃料供給至燃燒器的第二閥，并且 可以被控制，使得第二閥控制燃燒器燃料的流量，以供給燃燒器所需的燃 燒器燃料供給量。
根據(jù)另一個(gè)方面，燃料電池系統(tǒng)包括燃料處理裝置，其將燃料改性 并且產(chǎn)生氫；電池組，其通過氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量；燃料供給裝 置，其將燃料供給至燃料處理裝置；和主控制器，其控制燃料供給裝置， 使得燃料供給裝置提供重整器進(jìn)行改性實(shí)時(shí)需要的重整器燃料量，以及加 熱重整器的燃燒器實(shí)時(shí)需要的燃燒器燃料供給量。
燃料供給裝置可以包括第一燃料供應(yīng)器，其控制被供給至重整器和 燃燒器的燃料的總供給量；以及第二燃料供應(yīng)器，其控制分別被供給至重 整器和燃燒器的燃料供給量。
第一燃料供應(yīng)器可以包括燃料泵，所述燃料泵增大燃料的供給壓力， 使得燃料供給量等于分別被供給至重整器和燃燒器作為重整器燃料和燃 燒器燃料的燃料供給量的總和。
燃料泵在增壓狀態(tài)下供給其量大于重整器燃料供給量和燃燒器燃料 供給量的總和的燃料，以減少被供給至重整器和燃燒器的燃料的脈動。
第一燃料供應(yīng)器還可以包括檢測燃料泵的實(shí)際燃料供給量的第一流第一流量計(jì)可以向主控制器和第一控制器輸送根據(jù)供給燃料的燃料 供給源的供給側(cè)壓力，以及系統(tǒng)中發(fā)生的壓力變化而實(shí)時(shí)變化的燃料供給
第一燃料供應(yīng)器還可以包括第一控制器，其比較從第一流量計(jì)接受 的實(shí)際燃料供給量與重整器燃料供給量的設(shè)定值和燃燒器燃料供給量的 設(shè)定值的總和，并且根據(jù)比較的結(jié)果確定燃料泵的操作。這里，"設(shè)定值" 可以表示分別由主控制器和第一控制器確定的目標(biāo)燃料供給量。
第二燃料供應(yīng)器可以包括重整器燃料供給管線，其控制被供給至重 整器的重整器燃料的供給量；以及燃燒器燃料供給管線，其控制被供給至 燃燒器的燃燒器燃料供給量。
重整器燃料供給管線可以包括調(diào)節(jié)被供給至重整器的重整器燃料的 供給比率的第一閥。水蒸氣與碳的比率(S/C)的控制可以根據(jù)第一閥的控制 進(jìn)行。
第一閥可以是連接至燃料泵以精確地控制重整器燃料的流量的比例閥。
燃燒器燃料供給管線可以包括調(diào)節(jié)被供給至燃燒器的燃燒器燃料的 供給比率的第二閥。
第二閥可以是連接至燃料泵以精確地控制燃料泵燃料的流量的比例閥。
燃燒器燃料供給管線可以包括檢測通過第二閥的燃料流量的第二流
燃料電池系統(tǒng)還可以包括主控制器，所述主控制器確定重整器燃料供 給量和燃燒器燃料供給量，并且將根據(jù)該確定所獲得的值發(fā)送至燃料供給 裝置。
主控制器可以根據(jù)重整器燃料供給量的設(shè)定值和燃燒器燃料供給量 的設(shè)定值確定燃料泵的燃料供給量，可以比較所確定的燃料泵的燃料供給 量與通過第一流量計(jì)檢測的燃料泵的實(shí)際燃料供給量，并且可以根據(jù)比較 結(jié)果調(diào)節(jié)燃料泵的功率。
主控制器可以進(jìn)行重整器燃料供給量的設(shè)定值和實(shí)際的重整器燃料
9供給量之間的比較，以及燃燒器燃料供給量的設(shè)定值和實(shí)際的燃燒器燃料 供給量之間的比較，以分別控制第一閥和第二闊的打開程度。
主控制器可以對第一 閥和第二閥進(jìn)行比例-整體(proportional-integral) (PI)控制，以調(diào)節(jié)重整器燃料供給量和燃燒器燃料供給量。
主控制器可以計(jì)算在由第一流量計(jì)檢測的實(shí)際燃料供給量和由第二 流量計(jì)檢測的實(shí)際燃料供給量之間的差值，并且可以將計(jì)算的差值與重整 器燃料供給量的設(shè)定值進(jìn)行比較，以控制第一閥的打開程度。
根據(jù)另一個(gè)方面，通過由燃料的改性產(chǎn)生的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生 能量的燃料電池系統(tǒng)的供給方法包括確定被供給至重整器以進(jìn)行改性的 重整器燃料的供給量；確定被供給至燃燒器以加熱重整器的燃燒器燃料的 供給量；根據(jù)所確定的重整器燃料供給量和所確定的燃燒器燃料供給量， 確定燃料泵的燃料供給量，并且根據(jù)所確定的燃料泵的燃料供給量控制燃 料泵的操作；以及控制被供給至重整器的燃料的流量，以及被供給至燃燒 器的燃料的流量，使得所述流量實(shí)時(shí)提供所確定的重整器燃料供給量和燃 燒器燃料供給量。
對燃料泵的操作的控制可以包括操作所述燃料泵，使得燃料泵的燃 料供給量等于重整器燃料供給量和燃燒器燃料供給量的總和。
對燃料泵的操作的控制可以包括操作所述燃料泵，使得燃料泵在增 壓狀態(tài)下供給其量大于重整器燃料供給量和燃燒器燃料供給量的總和的 燃料，以調(diào)節(jié)被供給至重整器和燃燒器的燃料的總供給量。
對燃料泵的操作的控制可以包括當(dāng)可以通過燃料的外部供給壓力提 供等于重整器燃料供給量和燃燒器燃料供給量的總和的燃料量時(shí)，使燃料 泵停止。
對被供給至重整器的燃料的流量和被供給至燃燒器的燃料的流量的 實(shí)時(shí)控制可以包括在燃燒器燃料供給管線中安置第二閥和流量計(jì)，并且 根據(jù)第二閥打開程度的調(diào)節(jié)和第二流量計(jì)的流量檢測，控制被供給至燃燒 器的燃料的流量，以供給所確定的燃燒器燃料供給量；以及在重整器燃料 供給管線中安置第一閥，并且根據(jù)第一閥打開程度的調(diào)節(jié)，以及由第二流 量計(jì)檢測的燃料供給量和燃料泵的實(shí)際燃料供給量之間的差值的檢測，控 制被供給至重整器的燃料的流量，以供給所確定的重整器燃料供給量。


結(jié)合附圖，從下列實(shí)施方案的描述中，本發(fā)明的這些和/或其它方面和 優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，并且更容易理解，在附圖中
圖l是說明普通燃料電池的發(fā)電原理的示意圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)的框圖； 圖3是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)的控制構(gòu)造的 框圖4是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料供給裝置的一部分的框
圖5是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)的主要部分的 框圖6是說明控制根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)的總?cè)剂?供給量的方法的流程圖7是說明在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)內(nèi)，將燃料 通過多個(gè)閥供給至燃燒器和重整器的方法的流程圖8是說明在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)內(nèi)控制第一 閥的打開程度的操作的流程圖9是說明在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)內(nèi)控制第二 閥的打開程度的操作的流程圖；以及
圖10是說明在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)內(nèi)控制 總?cè)剂瞎┙o量的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在詳細(xì)參考本發(fā)明的實(shí)施方案，其實(shí)例示出在附圖中，其中在所有 附圖中相同的標(biāo)記表示相同的單元。下面通過參考附圖描述實(shí)施方案來說 明本發(fā)明。
圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)的框圖。 參考圖2，根據(jù)所說明的本發(fā)明實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)10包括發(fā) 電的電池組20;產(chǎn)生被供給至電池組20的氫的燃料處理裝置30;將燃料60供給至燃料處理裝置30的燃料供給裝置40;冷卻電池組20的冷卻單元50;
以及配套設(shè)備(BOP)裝置。
電池組20是根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)，將燃料60，即烴基燃料例如甲醇、乙醇 或天然氣中所含的氫和氧的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。電池組20 具有幾個(gè)單元電池或幾十個(gè)單元電池的層壓結(jié)構(gòu)，所述單元電池各自包括 膜電極組件(MEA)和隔板。電池組20構(gòu)成燃料電池主體。在圖2中，示意 性地顯示了燃料電極21、空氣電極22和冷卻板23被包含于根據(jù)所說明的本 發(fā)明實(shí)施方案的電池組20中。具體地，電池組20具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中對 幾個(gè)單元電池的每一個(gè)層壓結(jié)構(gòu)安裝一個(gè)冷卻板23，每一個(gè)單元電池包括 MEA，其中在一個(gè)電解質(zhì)膜的相反側(cè)分別安置一個(gè)燃料電極21和一個(gè)空氣 電極22。
在電化學(xué)反應(yīng)中，不僅產(chǎn)生電能，而且產(chǎn)生熱量。由于這種原因，必 需連續(xù)驅(qū)散所產(chǎn)生的熱量，以實(shí)現(xiàn)電池組20的平穩(wěn)操作。為此，在電池組 20中，對每5至6個(gè)單元電池安裝一個(gè)冷卻板，以提供熱交換冷卻水從中通 過的通道。
在每一個(gè)燃料電極21，通過催化劑將氫分離為氫離子和電子，以產(chǎn)生 電能。由燃料龜極21產(chǎn)生的氫離子和電子與在相應(yīng)的空氣電極22的氧結(jié) 合，從而產(chǎn)生水。被安置在各自包括幾個(gè)單元電池的相鄰單元電池的組之 間的每一個(gè)冷卻板23提供流道，用于熱交換的冷卻水經(jīng)由所述流道流動以 驅(qū)散在電化學(xué)反應(yīng)中與電能一起產(chǎn)生的熱量，因此，適當(dāng)?shù)乜刂屏穗姵亟M 20的溫度。
燃料處理裝置30是通過將燃料改性并且純化而產(chǎn)生氫，并且將氫供給 至電池組20的改性裝置。燃料處理裝置30包括重整器31，其將烴基燃料 60，即改性裝置燃料改性，從而產(chǎn)生高質(zhì)量氫(改性氣體)；以及燃燒器32， 其加熱重整器31，從而將重整器31的反應(yīng)溫度保持在適當(dāng)?shù)臏囟?。燃料?理裝置30還包括 一氧化碳轉(zhuǎn)換器33和一氧化碳消除器34，其降低在重整 器31中制氫過程中以副產(chǎn)物形式產(chǎn)生的一氧化碳的量；以及第一熱交換器 35和第二熱交換器36，其加熱被供給至重整器31的熱水70。
重整器31是被燃燒器32加熱而發(fā)生顯著的改性反應(yīng)的部分。重整器31 利用催化劑將烴基燃料60， g卩，重整器燃料改性。由于這種功能，將用于產(chǎn)生高質(zhì)量氫(改性氣體)的重整器燃料(例如，城市家用煤氣)與水70(去離 子水)一起供給至重整器31 。為了控制對電池組20有致命的不利影響的一氧
化碳濃度，水蒸氣與碳的比率(s/c)的控制是重要的，這種控制用以控制將
重整器燃料和水供給至重整器31的重整器燃料與水的比率。g卩，高質(zhì)量氫 的產(chǎn)生受到S/C控制的顯著影響。
烴含有硫化合物。催化劑可能由于硫化合物而容易中毒。由于這種原 因，必需在將烴基燃料60供給至重整器31之前，將硫化合物從烴基燃料60 中除去。為此，將脫硫器安置在重整器31的入口，以將烴基燃料60進(jìn)行改 性處理。
燃燒器32在燃燒烴基燃料60，即燃燒器燃料，例如甲醇、乙醇或天然 氣的同時(shí)產(chǎn)生熱量。將由燃燒器32產(chǎn)生的熱量傳遞到重整器31，以在將重 整器31的反應(yīng)溫度保持在適當(dāng)?shù)臏囟鹊耐瑫r(shí)，促進(jìn)改性反應(yīng)。由于這種功 能，將用于控制重整器31的溫度的燃燒器燃料與含氧空氣80—起供給至燃 燒器32。 X(燃燒器燃料與空氣的比率)控制，其用以控制將燃燒器燃料和空 氣供給至燃燒器的燃燒器燃料與空氣的比率，使得在保持燃燒器32的火焰 的同時(shí)，重整器燃料能夠在重整器中有效率地反應(yīng)。即，高質(zhì)量氫的產(chǎn)生 受到人控制的顯著影響。
一氧化碳轉(zhuǎn)換器33是將在重整器31中制氫過程中以副產(chǎn)物形式產(chǎn)生 的一氧化碳的量降低至5,000 ppm (百萬分率)以下的部分。在一氧化碳轉(zhuǎn)換 器33中，發(fā)生下列反應(yīng)。
CO + H20"C02 + H2
由于一氧化碳對用于電池組20的燃料電極21的催化劑起著催化劑毒 物的作用，因此不應(yīng)當(dāng)將改性的燃料60直接供給至電池組20?？梢詫⒏男?的燃料60進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理以除去一氧化碳，使得由改性的燃料60產(chǎn)生的一氧 化碳的量可以降低至5,000 ppm以下。
燃料處理裝置30的可能需要70(TC以上的高溫?zé)崃康母男圆糠?，即?整器31，從利用烴基材料作為其燃料的燃燒器32接受所需熱量。被供給了 從重整器31出來的含氫氣體的一氧化物轉(zhuǎn)換器33除去在重整器31中產(chǎn)生 的氫中所含的一氧化碳，并且另外產(chǎn)生氫。因此，將高質(zhì)量氫供給至電池 組20，進(jìn)而產(chǎn)生電能和熱量。
13一氧化碳消除器34是燃料處理裝置30中通過優(yōu)先氧化(PROX)將一氧 化碳的量降低至容許范圍內(nèi)的部分。在一氧化碳消除器34中，進(jìn)行下列反
CO + 0.5O2" C02
通過一氧化碳消除器34中的正向反應(yīng)，降低一氧化碳的量，原因是 將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。當(dāng)由重整器31產(chǎn)生的氫通過一氧化碳消除 器34時(shí)，在氫中的一氧化碳含量降低至10 ppm以下。在電池組20是對 一氧化碳具有忍耐力的高溫型電池組的情況下， 一氧化碳消除器34可以
是不必要的。然而，在電池組20是低溫型電池組的情況下，可能需要一 氧化碳消除器34。從一氧化碳消除器34中排出的高質(zhì)量氫被供給至電池 組20。
第一熱交換器35和第二熱交換器36加熱經(jīng)由供水泵71供給至燃料 處理裝置30的水70，以將處于水蒸氣狀態(tài)的水70供給至重整器31。水 蒸氣與一氧化碳在由燃燒器32加熱的重整器31中反應(yīng)，從而產(chǎn)生氫。
燃料供給裝置40起著將烴基燃料60供給至燃料處理裝置30的作用。 燃料供給裝置40包括燃料泵41、第一流量計(jì)42和第一閥43，其中燃 料泵41將從燃料供給源供給的燃料60增壓，第一流量計(jì)42檢測燃料泵 41的實(shí)際燃料供給量，第一閥43控制被供給至重整器31的燃料60的供 給比率，即重整器燃料的供給比率。燃料供給裝置40還包括第二閥44 和第二流量計(jì)45，其中第二閥44控制被供給至燃燒器32的燃料60的供 給比率，即燃燒器燃料的供給比率，第二流量計(jì)45檢測燃燒器燃料的實(shí) 際供給量。
燃料泵41用于，根據(jù)在主控制器92(圖3)中為S/C控制而確定的重整 器燃料的供給量的設(shè)定值，以及在主控制器92中為X控制而確定的燃燒 器燃料供給量的設(shè)定值，供給重整器31和燃燒器32中所需的燃料60的 總量。稍后將描述主控制器92。根據(jù)燃料供給源的環(huán)境(例如，燃料供給 源的燃料供給壓力)自動控制燃料泵41的RPM。 g卩， 一旦確定重整器燃料 供給量的設(shè)定值和燃燒器燃料供給量的設(shè)定值，就根據(jù)燃料泵41的操作 供給所設(shè)定的重整器燃料供給量和燃燒器燃料供給量的總量。在該操作過 程中，根據(jù)燃料60的供給壓力自動控制燃料60的流量，以防止燃料60被不必要地施加正壓或負(fù)壓。當(dāng)在燃料60本身的供給壓力下以足夠的量
供給燃料60，而不采用燃料泵41增壓時(shí)，可以通過降低燃料泵41的功率 或者停止燃料泵41來降低被燃料供給裝置40消耗的能量。在這種情況下， 還可以確保燃料泵41的耐久性。根據(jù)通過主控制器92的前饋控制，其采 用集成有燃料泵41 (圖4)的燃料供給裝置40的硬件配置，即，第一控制 器46(印刷電路板(PCB))，以及第一流量計(jì)42，并且根據(jù)通過第一控制器 46的反饋控制，可以控制燃料泵41的操作，以根據(jù)燃料60的供給壓力降 低燃料泵41的功率，從而降低功耗。在Phillips Harbor的題目為"反饋控 制系統(tǒng)(Feedback Control Systems)"—書中公開了用于前饋控制和反饋控制 的控制邏輯電路。
第一閥43是比例控制閥(以下稱為"比例閥")，其連接至燃料泵41的 出口以與第一流量計(jì)42 —起構(gòu)成用于重整器燃料的供給管線。重整器燃 料的供給量的設(shè)定值，即，通過S/C控制以穩(wěn)定一氧化碳濃度的燃料電池 系統(tǒng)的穩(wěn)定操作所需的燃料60的供給量，由主控制器92確定。實(shí)際上， 由于各種因素例如系統(tǒng)本身的內(nèi)部壓力的變化，以及所供給的燃料和去離 子水的壓力的變化，重整器燃料的供給量是實(shí)時(shí)變化的。第一闊43從主 控制器92接受表示實(shí)時(shí)變化的重整器燃料的供給量的設(shè)定值，使得它可 以操作以實(shí)時(shí)供給重整器燃料的所需供給量，從而將所需量的重整器燃料 供給至重整器31。為了使重整器31能夠利用燃料60和水70產(chǎn)生改性反 應(yīng)，將燃料處理裝置30加熱至高溫(約500至70(TC)。在這種情況下，將 燃料60和水70供給至重整器31可能引起燃料處理裝置30的內(nèi)部壓力的 變化。因此，S/C和燃料供給量可能受到內(nèi)部壓力變化的影響。因此，為 了穩(wěn)定的S/C控制，采用被安置在用于重整器燃料的供給管線中的第一閥 43和第一流量計(jì)42與第二流量計(jì)45 —起實(shí)現(xiàn)燃料60至重整器31的穩(wěn) 定供給。
第二閥44是連接至燃料泵41的出口以與第二流量計(jì)45 —起構(gòu)成用 于燃燒器燃料的供給管線的比例閥。燃燒器燃料供給量的設(shè)定值，即通過 X控制的穩(wěn)定操作燃料電池系統(tǒng)所需的燃料60的供給量，由主控制器92 決定。實(shí)際上，由于各種因素，例如系統(tǒng)本身的內(nèi)部壓力的變化以及所供 給的燃料和空氣的壓力的變化，燃燒器燃料供給量是實(shí)時(shí)變化的。第二閥44從主控制器92接受表示實(shí)時(shí)變化的燃燒器燃料供給量的設(shè)定值，使得
它可以操作以實(shí)時(shí)控制燃燒器燃料的所需供給量，從而將所需量的燃燒器
燃料供給至燃燒器32。為了使重整器31能夠產(chǎn)生改性反應(yīng)，將燃料處理 裝置30加熱至高溫(約500至70(TC)。為了加熱燃料處理裝置30，將燃料 60和空氣80供給至燃燒器32。當(dāng)將適當(dāng)量的燃料60和空氣80供給至燃 燒器32時(shí)，可以防止燃料處理裝置30中形成煙灰，并且實(shí)現(xiàn)燃料處理裝 置30的耐久性的提高。令人滿意的廢氣條件只有在燃燒器燃料的供給穩(wěn) 定時(shí)才能得到。特別是，通過用來控制燃燒器32功率的燃燒器燃料供給 量的變化，可以避免由燃燒器燃料的供給引起的燃燒器32的點(diǎn)火失敗， 并且避免熄火。為了能夠通過控制燃燒器燃料的供給實(shí)現(xiàn)對重整器31的 溫度控制，可以連接控制重整器31溫度的設(shè)定值控制邏輯電路，以及控 制燃燒器燃料流量的設(shè)定值控制邏輯電路，以起著主/副控制邏輯電路的作 用。
燃料供給裝置40的這種設(shè)計(jì)簡化了 BOP裝置，因此對提供經(jīng)濟(jì)效應(yīng) 有大的貢獻(xiàn)。特別是，燃料供給裝置40的內(nèi)部反饋控制可以降低對燃料 供給裝置40的機(jī)械影響。
冷卻單元50驅(qū)散在電池組20的電化學(xué)反應(yīng)過程中與電能一起產(chǎn)生的 熱量，以冷卻電池組20。為了這種功能，冷卻單元50包括冷卻水儲存罐 51和第三熱交換器52。儲存在冷卻水儲存罐51中的熱交換冷卻水在通過 電池組20的冷卻板23中限定的流道的同時(shí)，從電池組20中吸收熱量。 吸收熱的冷卻水通過第三熱交換器52中的二次冷卻水進(jìn)行冷卻，然后再 次循環(huán)到電池組20的冷卻板23中。
標(biāo)記"53"表示熱水儲罐，該熱水儲罐儲存與循環(huán)電池組20的冷卻水進(jìn) 行熱交換的二次冷卻水，以允許被儲存的二次冷卻水用作家用熱水等。標(biāo) 記"54"表示第四熱交換器，其加熱從電池組20的空氣電極出來的水，并且 將加熱的水回收至供水泵71。標(biāo)記"81"表示空氣供給泵。
圖3是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)的控制構(gòu)造的 框圖。為了該控制構(gòu)造，燃料電池系統(tǒng)包括溫度傳感器90和驅(qū)動器94，以 及主控制器92。
溫度傳感器90檢測重整器31的反應(yīng)溫度，并且將表示檢測的反應(yīng)溫度的值輸入主控制器92中。
主控制器92控制燃料電池系統(tǒng)10的總體操作，包括重整器燃料的供給 和燃燒器燃料的供給。主控制器92確定用于穩(wěn)定的S/C控制的重整器燃料 的供給量的設(shè)定值，以及用于穩(wěn)定的X控制的燃燒器燃料供給量的設(shè)定值。 然后，主控制器92根據(jù)所確定的重整器燃料供給量的設(shè)定值以及所確定的 燃燒器燃料供給量的設(shè)定值，確定燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值。將所 確定的燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值從主控制器92輸送至第一控制器 46。第一控制器46比較燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值與通過第一流量計(jì) 42檢測的燃料泵41的實(shí)際燃料供給量，并且根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)燃料泵41的 功率。
主控制器92可以被構(gòu)造成控制燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值，使得 燃料泵41的燃料供給量大于重整器燃料的供給量和燃燒器燃料供給量的 總和。在這種情況下，因?yàn)閷⒅卣魅剂虾腿紵魅剂弦耘c其設(shè)定值相應(yīng) 的量分別供給至第一閥43和第二閥44， 一定量的燃料60殘留。由于殘留的 燃料量，燃料供給管線的內(nèi)部壓力增加。結(jié)果，可以減少由于燃料泵41發(fā) 生的燃料60的供給脈動。
主控制器92還將重整器燃料供給量設(shè)定值和燃燒器燃料供給量設(shè)定 值的總和與預(yù)定最小值進(jìn)行比較。如果重整器和燃燒器燃料供給量的設(shè)定 值的總和小于預(yù)定最小值，則主控制器92確定，燃料60的當(dāng)前供給量對應(yīng) 于在不操作燃料泵41的情況下使燃料60通過燃料60本身的壓力被充分供 給的燃料供給量。因此，在這種情況下，主控制器92調(diào)節(jié)燃料泵41的功率 或者使燃料泵41停止。在這種情況下，如果必要的話，主控制器92還連續(xù) 地監(jiān)測由第一流量計(jì)42和第二流量計(jì)45檢測的實(shí)際的重整器和燃燒器燃
料供給量是否分別提供重整器和燃燒器燃料供給量的設(shè)定值，以重啟燃料 泵41或者再調(diào)節(jié)燃料泵41的功率。
主控制器92還調(diào)節(jié)第一閥43的打開程度，使得重整器燃料經(jīng)由第一閥 43以與用于S/C控制的重整器燃料供給量的設(shè)定值對應(yīng)的量被供給至重整 器31。為了這種功能，主控制器92得到由第一流量計(jì)42檢測的燃料泵41的 實(shí)際燃料供給量與由第二流量計(jì)45檢測的實(shí)際的燃燒器燃料供給量之差， 以確定是否將重整器燃料以對應(yīng)重整器燃料供給量的設(shè)定值的量供給。根
17據(jù)確定結(jié)果，主控制器92利用比例-整體(PI)控制系統(tǒng)控制第一閥43的打開程度。
另外，主控制器92將根據(jù)負(fù)荷確定用于X控制的重整器31的溫度的設(shè) 定值與由溫度傳感器90檢測的重整器31的實(shí)際溫度進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié) 果，主控制器92確定燃燒器燃料供給量的設(shè)定值。之后，主控制器92比較 所確定的燃燒器燃料供給量的設(shè)定值與由第二流量計(jì)45檢測的實(shí)際的燃 燒器燃料供給量。根據(jù)比較結(jié)果，主控制器92利用PI控制系統(tǒng)控制第二閥 44的打開程度，以經(jīng)由第二閥44將燃燒器燃料以對應(yīng)所確定的燃燒器燃料 供給量的設(shè)定值的量供給至燃燒器32。
驅(qū)動器94根據(jù)來自主控制器92的驅(qū)動控制信號操作燃料泵41、第一閥 43和第二閥44。
圖4是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料供給裝置的一部分的框圖。
參考圖4，第一控制器46是具有與燃料泵41集成的硬件配置的PCB。 第一控制器46接受來自主控制器92的燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值，比 較所接受的設(shè)定值與由第一流量計(jì)42檢測的燃料泵41的實(shí)際燃料供給量， 并且根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)燃料泵41的功率。
之后，將描述具有上述構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)、其燃料供給方法的操作 以及它們的功能和效果。
圖5是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)的主要部分的 框圖。圖5說明了使燃料電池系統(tǒng)10能夠有效率地并且穩(wěn)定地操作以抵抗 壓力損耗和脈動的燃料供給裝置40的構(gòu)造。
參考圖5，通過燃料泵41和第一閥43，將燃料60作為重整器燃料與水 70—起供給至重整器31 。還通過燃料泵41和第二閥44將燃料60作為燃燒器 燃料供給至燃燒器32。還經(jīng)由空氣供給泵81將空氣80供給至燃燒器32。
現(xiàn)在，將參考圖6至9描述利用圖5中所示的燃料供給裝置40的構(gòu)造， 將燃料60作為重整器燃料和燃燒器燃料供給至重整器31和燃燒器32的控 制方法。
圖6是說明控制根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)的總?cè)剂?供給量的方法的流程圖。所說明的方法利用在圖5中由"①"表示的燃料供給管線(燃料泵和第一流量計(jì))控制燃料60的供給。
參考圖6，主控制器92確定用于燃料電池系統(tǒng)10的穩(wěn)定S/C控制的重整 器燃料的供給量的設(shè)定值，以及用于燃料電池系統(tǒng)10的穩(wěn)定X控制的燃燒 器燃料供給量的設(shè)定值(IOO)。然后，主控制器92根據(jù)所確定的重整器燃料 供給量的設(shè)定值和所確定的燃燒器燃料供給量的設(shè)定值，確定燃料泵41的 燃料供給量的設(shè)定值(IOO)。
之后，主控制器92確定所確定的燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值是 否小于預(yù)定最小值(使得能夠通過燃料60本身的壓力充分供給燃料60的燃 料供給量)(IOI)。當(dāng)燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值小于預(yù)定最小值時(shí)， 主控制器92確定，燃料60的當(dāng)前供給量對應(yīng)在不操作燃料泵41的情況下使 燃料60由于燃料60本身的壓力被充分供給的燃料供給量。因此，在這種情 況下，主控制器92調(diào)節(jié)燃料泵41的功率或者使燃料泵41停止(103)。在這種 情況下，如果必要的話，主控制器92還連續(xù)地監(jiān)測由第一流量計(jì)42和第二 流量計(jì)45檢測的實(shí)際的重整器和燃燒器燃料供給量是否分別提供重整器 和燃燒器燃料供給量的設(shè)定值，以重啟燃料泵41或者再調(diào)節(jié)燃料泵41的功
當(dāng)在操作101確定燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值不小于預(yù)定最小值 時(shí)，主控制器92確定，燃料60的當(dāng)前供給量對應(yīng)防止燃料60在不操作燃料 泵41的情況下被供給的燃料供給量(102)。在這種情況下，主控制器92將所 確定的燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值輸送至第一控制器46(102)。
第一控制器46比較從主控制器92接受的燃料泵41的燃料供給量的設(shè) 定值與由第一流量計(jì)42檢測的燃料泵41的實(shí)際燃料供給量F/M—1。當(dāng)接受 的燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值大于所檢測的燃料泵41的實(shí)際燃料供 給量F/M一1 (104)時(shí)，第一控制器46提高燃料泵41的功率，以使燃料60以分 別對應(yīng)重整器和燃燒器燃料供給量的設(shè)定值的量被供給至重整器31和燃 燒器32(106)。
另一方面，當(dāng)接受的燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值小于所檢測的燃 料泵41的實(shí)際燃料供給量F/IVL1 (IOS)時(shí)，第一控制器46降低燃料泵41的功 率，以使燃料60以分別對應(yīng)重整器和燃燒器燃料供給量的設(shè)定值的量被供 給至重整器31和燃燒器32 (110)。同時(shí)，當(dāng)接受的燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值等于所檢測的燃料泵
41的實(shí)際燃料供給量F/MJ時(shí)，第一控制器46反饋到操作100，以接受由第 一流量計(jì)42最新檢測的燃料泵41的實(shí)際燃料供給量F/M一1，并且比較所接 受的實(shí)際燃料供給量與接受的燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值。根據(jù)比較 結(jié)果，第一控制器46進(jìn)行操作100后面的相關(guān)操作。
根據(jù)圖6中所示的本發(fā)明的燃料供給方法，降低了燃料壓力對燃料電 池系統(tǒng)10的操作的影響。因此，降低了燃料供給源的環(huán)境對燃料電池系統(tǒng) IO的操作的影響。
圖7是說明在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)中通過多個(gè) 閥，將燃料供給至燃燒器和重整器的流程圖。根據(jù)該方法，主控制器92分 別通過S/C控制和X控制確定重整器燃料供給量和燃燒器燃料供給量的設(shè) 定值，以調(diào)節(jié)第一閥43和第二閥44的打開程度。
參考圖7，主控制器92比較通過S/C控制確定的重整器燃料供給量的設(shè) 定值與重整器燃料供給量的設(shè)定值的預(yù)定最小值(200)。當(dāng)所確定的重整器
燃料供給量的設(shè)定值大于重整器燃料供給量的設(shè)定值的預(yù)定最小值時(shí)，主 控制器92將第一閥43的打開程度調(diào)節(jié)至20%(202)，以實(shí)時(shí)供給燃料60。之 后，主控制器92控制第一閥43使得通過第一流量計(jì)42和第二流量計(jì)45確定 的重整器31的實(shí)際燃料供給量為所確定的設(shè)定值(目標(biāo)值)，同時(shí)比較重整
器31的實(shí)際燃料供給量與所確定的設(shè)定值(202)。 20%的打開程度是在最初 打開第一閥43時(shí)設(shè)定的第一閥43的打開程度。最初可以將第一閥43以例如 10%的打開程度打開。
當(dāng)在操作200確定所確定的重整器燃料供給量的設(shè)定值不大于重整器 燃料供給量的設(shè)定值的預(yù)定最小值時(shí)，主控制器92關(guān)閉第一閥43，原因是 無需將燃料供給至重整器31 (204)。
隨后，主控制器92比較通過X控制確定的燃燒器燃料供給量的設(shè)定值 與燃燒器燃料供給量的設(shè)定值的預(yù)定最小值(206)。當(dāng)所確定的燃燒器燃料
供給量的設(shè)定值大于燃燒器燃料供給量的設(shè)定值的預(yù)定最小值時(shí)，主控制 器92將第二闊44的打開程度調(diào)節(jié)為20% (208)。
另一方面，當(dāng)在操作206確定所確定的燃燒器燃料供給量的設(shè)定值不 大于燃燒器燃料供給量的設(shè)定值的預(yù)定最小值時(shí)，主控制器92關(guān)閉第二閥44，原因是無需將燃料供給至燃燒器32 (210)。如果在這種情況下第一閥 43也處于關(guān)閉狀態(tài)(212)，則主控制器92停止燃料泵41，原因是無需供給重 整器燃料和燃燒器燃料(214)。
之后，主控制器92返回到回路以精確地控制第一閥43和第二閥44的流 量(216)。
根據(jù)圖7所示的本發(fā)明的燃料供給方法，可以提高燃料電池系統(tǒng)10的 耐久性和效率，原因是可以在電池組20的啟動和操作過程中更有效率和精 確地實(shí)現(xiàn)燃料60的供給。
圖8是說明在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)中控制第一 閥的打開程度的方法的流程圖。所說明的方法利用在圖5中由"②"表示的 重整器燃料供給管線(第一閥和第一流量計(jì))，以及被安置在燃燒器燃料供 給管線中的第二流量計(jì)45，控制燃料60的供給。
參考圖8，主控制器92控制第一閥43的打開程度，以提供用于穩(wěn)定S/C 控制的重整器燃料供給量的設(shè)定值(300)。主控制器92得到在由第一流量計(jì) 42檢測的燃料泵的實(shí)際燃料供給量與由第二流量計(jì)45檢測的實(shí)際的燃燒 器燃料供給量之間的差值，即，差值"F/M一1-F/M—2"。之后，主控制器92 比較所得到的差值"F/M—1-F/M—2"與重整器燃料供給量的設(shè)定值(302)。
當(dāng)在操作302確定重整器燃料供給量的設(shè)定值大于由第一流量計(jì)42和 第二流量計(jì)45檢測的值之間的差值"F/MJ-F/M—2"時(shí)，主控制器92進(jìn)行PI 控制，以增大第一閥43的打開程度，因此增大了重整器燃料60的供給量 (304)。
另一方面，當(dāng)在操作302確定重整器燃料供給量的設(shè)定值小于由第一 流量計(jì)42和第二流量計(jì)45檢測的值之間的差值"F/M一l-F/M—2" (306)時(shí)，主 控制器92進(jìn)行PI控制，以減小第一閥43的打開程度，因此降低了重整器燃 料60的供給量(308)。
當(dāng)在操作306確定重整器燃料供給量的設(shè)定值等于由第一流量計(jì)42和 第二流量計(jì)45檢測的值之間的差值"F/MJ-F/M—2" (306)時(shí)，主控制器92 反饋到操作300，同時(shí)保持第一閥43的打開程度，然后進(jìn)行操作300和隨后 的操作。
根據(jù)圖8中所示的本發(fā)明的燃料供給方法，可以響應(yīng)在燃料電池系統(tǒng)IO中發(fā)生的壓力變化，恒定地供給燃料60。
圖9是說明在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)中控制第二
閥的打開程度的方法的流程圖。所說明的方法利用在圖5中由"③"表示的 重整器燃料供給管線(第二閥和第二流量計(jì))控制燃料60的供給。
參考圖9，主控制器92根據(jù)負(fù)荷設(shè)定重整器溫度值，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的X控 制，并且根據(jù)所設(shè)定的重整器溫度確定所需的燃燒器燃料供給量的設(shè)定 值。然后，主控制器92將所確定的設(shè)定值輸送至第二閥44(400)。
之后，主控制器92比較根據(jù)負(fù)荷設(shè)定的重整器溫度值與由溫度傳感器 90檢測的重整器溫度值(TC值)(402)。當(dāng)所設(shè)定的重整器溫度值大于重整 器溫度值(TC值)時(shí)，主控制器92增大燃燒器燃料供給量的設(shè)定值，以增大 燃燒器燃料供給量(404)。
當(dāng)在操作402確定所設(shè)定的重整器溫度值不大于重整器溫度值(IC值) 時(shí)，主控制器92確定所設(shè)定的重整器溫度值是否小于重整器溫度值(TC值) (406)。當(dāng)所設(shè)定的重整器溫度值不小于重整器溫度值(TC值)時(shí)，主控制器 92繼續(xù)操作410，并且進(jìn)行操作410和后續(xù)操作。
另一方面，當(dāng)在操作406確定所設(shè)定的重整器溫度值小于重整器溫度 值(TC值)時(shí)，主控制器92降低燃燒器燃料供給量的設(shè)定值，以相應(yīng)地控制 燃燒器燃料的供給(408)。
隨后，主控制器92比較所確定的燃燒器燃料供給量的設(shè)定值與由第二 流量計(jì)45檢測的實(shí)際的燃燒器燃料供給量F/1VL2 (410)。當(dāng)所確定的燃燒器 燃料供給量的設(shè)定值大于實(shí)際的燃燒器燃料供給量F/M—2時(shí)，主控制器92 進(jìn)行PI控制，以增大第二閥44的打開程度，從而精確地控制燃燒器燃料的 供給(412)。
當(dāng)在操作410確定所確定的燃燒器燃料供給量的設(shè)定值不大于實(shí)際的 燃燒器燃料供給量F/M一2時(shí)，主控制器92確定所確定的燃燒器燃料供給量 的設(shè)定值是否小于實(shí)際的燃燒器燃料供給量F/M—2 (414)。當(dāng)所確定的燃燒 器燃料供給量的設(shè)定值不小于實(shí)際的燃燒器燃料供給量F/M—2時(shí)，主控制 器92反饋到操作400，并且進(jìn)行操作400和隨后的操作。
另一方面，當(dāng)在操作414確定所確定的燃燒器燃料供給量的設(shè)定值小 于實(shí)際的燃燒器燃料供給量F/M—2時(shí)，主控制器92進(jìn)行PI控制，以減小第二閥44的打開程度，從而精確地控制燃燒器燃料的供給(416)。
根據(jù)圖9中所示的本發(fā)明的燃料供給方法，可以響應(yīng)在燃料電池系統(tǒng) IO中發(fā)生的壓力變化，恒定地供給燃料60。
圖10是說明在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)中控制 總?cè)剂瞎┙o量的方法的流程圖。所說明的方法利用在圖5中由"①"表示的 燃料供給管線(燃料泵和第一流量計(jì))控制燃料60的供給。
參考圖IO，主控制器92確定用于燃料電池系統(tǒng)10的穩(wěn)定S/C控制的重 整器燃料的供給量的設(shè)定值，以及用于燃料電池系統(tǒng)10的穩(wěn)定X控制的燃 燒器燃料供給量的設(shè)定值(500)。然后，主控制器92確定燃料泵41的燃料供 給量的設(shè)定值，使得燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值大于所確定的重整器 燃料供給量的設(shè)定值和所確定的燃燒器燃料供給量的設(shè)定值的總和，以將 燃料泵41的燃料供給量控制為大于重整器和燃燒器燃料供給量的總和 (500)。
之后，主控制器92確定所確定的燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值是否 小于預(yù)定最小值(使得能夠通過燃料60本身的壓力充分供給燃料60的燃料 供給量)(501)。當(dāng)燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值小于預(yù)定最小值時(shí)，主 控制器92確定燃料60的當(dāng)前供給量對應(yīng)在不操作燃料泵41的情況下使燃 料60由于燃料60本身的壓力被充分供給的燃料供給量。因此，在這種情況 下，主控制器92調(diào)節(jié)燃料泵41的功率或者停止燃料泵41 (503)。在這種情 況下，如果必要的話，主控制器92還連續(xù)地監(jiān)測由第一流量計(jì)42和第二流 量計(jì)45檢測的實(shí)際的重整器和燃燒器燃料供給量是否分別提供重整器和 燃燒器燃料供給量的設(shè)定值，以重啟燃料泵41或者再調(diào)節(jié)燃料泵41的功 率。
當(dāng)在操作501確定燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值不小于預(yù)定最小值 時(shí)，主控制器92確定燃料60的當(dāng)前供給量對應(yīng)防止燃料60在不操作燃料 泵41的情況下被供給的燃料供給量(102)。在這種情況下，主控制器92將所 確定的燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值輸送至第一控制器46 (502)。
第一控制器46比較從主控制器92接受的燃料泵41的燃料供給量的設(shè) 定值與由第一流量計(jì)42檢測的燃料泵41的實(shí)際燃料供給量F/M—1。當(dāng)接受 的燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值大于所檢測的燃料泵41的實(shí)際燃料供給量F/M—1 (504)時(shí)，第一控制器46提高燃料泵41的功率，以使燃料60以分 別對應(yīng)重整器和燃燒器燃料供給量的設(shè)定值的量被供給至重整器31和燃 燒器32 (506)。
另一方面，當(dāng)接受的燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值小于所檢測的燃 料泵41的實(shí)際燃料供給量F/MJ (508)時(shí)，第一控制器46降低燃料泵41的功 率，以使燃料60以分別對應(yīng)重整器和燃燒器燃料供給量的設(shè)定值的量被供 給至重整器31和燃燒器32 (510)。
同時(shí)，當(dāng)接受的燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值等于所檢測的燃料泵 41的實(shí)際燃料供給量F/M—l時(shí)，第一控制器46反饋到操作500，以接受由第 一流量計(jì)42最新檢測的燃料泵41的實(shí)際燃料供給量F/M—1 ，并且比較所接 受的實(shí)際燃料供給量與接受的燃料泵41的燃料供給量的設(shè)定值。根據(jù)比較 結(jié)果，第一控制器46進(jìn)行操作500后面的相關(guān)操作。
根據(jù)圖10中所示的本發(fā)明的燃料供給方法，當(dāng)將重整器燃料和燃燒器 燃料以與其設(shè)定值相應(yīng)的量分別供給至第一閥43和第二閥44時(shí)， 一定量的 燃料60殘留。由于殘留的燃料量，燃料供給管線的內(nèi)部壓力增加。結(jié)果， 可以減少由于燃料泵41發(fā)生的燃料60的供給脈動。
盡管已經(jīng)顯示并且描述了本發(fā)明的總發(fā)明構(gòu)思的幾個(gè)實(shí)施方案，但是 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在不偏離本發(fā)明的原理和精神的情況下，可以在 這些實(shí)施方案中進(jìn)行變化，本發(fā)明的范圍在后附權(quán)利要求書及其等同物中 限定。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料處理裝置，其將燃料改性以產(chǎn)生改性氣體；電池組，其接受來自所述燃料處理裝置的所述改性氣體以產(chǎn)生能量；燃料供給裝置，其將所述燃料供給至所述燃料處理裝置；和控制器，其確定所述燃料處理裝置的實(shí)時(shí)操作所需的燃料供給量，并且控制所述燃料供給裝置以供給所確定的燃料供給量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料處理裝置包括將所述燃料改性的重整器，以及加熱所述重整器的燃燒器；并且所述燃料供給裝置包括第一燃料供應(yīng)器，其控制被供給至所述燃料處理裝置的所述燃料的總供給量；以及第二燃料供應(yīng)器，其控制分別被供給至所述重整器和所述燃燒器的燃料供給量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中第一燃料供應(yīng)器包括將所述燃料供給至所述燃料處理裝置的燃料泵，并且所述燃料泵供給的燃料量等于被供給至所述重整器的燃料供給量與被供給至所述燃燒器的燃料供給量的總和，其中被供給至所述重整器的燃料供給量為重整器燃料供給量，并且被供給至所述燃燒器的燃料供給量為燃燒器燃料供給量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中第一燃料供應(yīng)器控制所述燃料的總供給量，其中所述燃料泵供給其量大于所述重整器燃料供給量和所述燃燒器燃料供給量的總和的燃料，以使所述燃料增壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中第二燃料供應(yīng)器包括將所述重整器燃料供給至所述重整器的閥，并且所述閥控制所述重整器燃料的流量，以供給所述重整器需要的重整器燃料供給量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中第二燃料供應(yīng)器包括將所述燃燒器燃料供給至所述燃燒器的閥，并且所述閥控制所述燃燒器燃料的流量，以供給所述燃燒器需要的燃燒器燃料供給量。
7. —種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料處理裝置，其將燃料改性以產(chǎn)生氫；電池組，其通過所述氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量；燃料供給裝置，其將所述燃料供給至所述燃料處理裝置；和主控制器，其控制所述燃料供給裝置，其中所述燃料供給裝置供給重整器進(jìn)行所述改性實(shí)時(shí)需要的重整器燃料供給量，以及燃燒器加熱所述重整器實(shí)時(shí)需要的燃燒器燃料供給量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料供給裝置包括第一燃料供應(yīng)器，其控制被供給至所述重整器和所述燃燒器的燃料的總供給量；以及第二燃料供應(yīng)器，其控制分別被供給至所述重整器和所述燃燒器的所述燃料的供給量。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中第一燃料供應(yīng)器包括用于提供被供給至所述重整器和所述燃燒器的燃料的總供給量的燃料泵，以及檢測所述總?cè)剂狭康牡谝涣髁坑?jì)；并且所述燃料泵供給的燃料量等于分別被供給至所述重整器和所述燃燒器作為重整器燃料和燃燒器燃料的所述燃料的供給量的總和。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中第一燃料供應(yīng)器包括用于提供被供給至所述重整器和所述燃燒器的所述燃料的總供給量的燃料泵，以及檢測所述總?cè)剂狭康牡谝涣髁坑?jì)；并且所述燃料泵供給的燃料量大于分別被供給至所述重整器和所述燃燒器作為重整器燃料和燃燒器燃料的所述燃料的供給量的總和。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其中第一燃料供應(yīng)器還包括第一控制器，其基于所述燃料的外部供給壓力確定所述燃料泵的操作。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述主控制器基于所述重整器燃料供給量的設(shè)定值和所述燃燒器燃料供給量的設(shè)定值，確定所述燃料泵的所述燃料供給量，比較所確定的所述燃料泵燃料供給量與由第一流量計(jì)檢測的所述燃料泵的燃料供給量，并且基于比較結(jié)果調(diào)節(jié)所述燃料泵的功率。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其中當(dāng)所述重整器燃料供給量的設(shè)定值與所述燃燒器燃料供給量的設(shè)定值的總和小于預(yù)定的最小供給量值時(shí)，使所述燃料泵停止。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其中第二燃料供應(yīng)器包括重整器燃料供給管線，其控制被供給至所述重整器的所述重整器燃料的供給量；以及燃燒器燃料供給管線，其控制被供給至所述燃燒器的所述燃燒器燃料的供給量。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述重整器燃料供給管線包括調(diào)節(jié)被供給至所述重整器的所述重整器燃料的供給比率的第一閥；并且所述燃燒器燃料供給管線包括調(diào)節(jié)被供給至所述燃燒器的所述燃燒器燃料的供給比率的第二閥；以及檢測通過所述第二閥的燃料的流量的第二流量計(jì)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中第一閥和第二閥是連接至所述燃料泵以分別精確地控制所述重整器燃料的流量和所述燃燒器燃料的流量的比例閥。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中基于由所述主控制器采用被第一流量計(jì)和第二流量計(jì)檢測的值之間的差值確定的所述重整器燃料供給量的比較，調(diào)節(jié)第一閥的打開程度。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中基于通過比較由所述主控制器確定的所述燃燒器燃料供給量與由第二流量計(jì)檢測的值獲得的差值，調(diào)節(jié)第二閥的打開程度。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述主控制器控制第一閥在所述重整器燃料供給量的設(shè)定值不大于預(yù)定最小值時(shí)關(guān)閉。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述主控制器控制第二閥在所述燃燒器燃料供給量的設(shè)定值不大于預(yù)定最小值時(shí)關(guān)閉。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述主控制器控制第一閥在所述重整器燃料供給量的設(shè)定值不大于所述重整器燃料供給量的預(yù)定最小值時(shí)關(guān)閉，控制第二閥在所述燃燒器燃料供給量的設(shè)定值不大于所述燃燒器燃料供給量的預(yù)定最小值時(shí)關(guān)閉，并且控制所述燃料泵在第一閥和第二閥都關(guān)閉時(shí)停止。
22. —種燃料電池系統(tǒng)的燃料供給方法，所述燃料電池系統(tǒng)通過由燃料的改性產(chǎn)生的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量，所述方法包括確定被供給至重整器以進(jìn)行所述改性的重整器燃料的供給量；確定被供給至燃燒器以加熱所述重整器的燃燒器燃料的供給量；基于所確定的重整器燃料供給量和所確定的燃燒器燃料供給量，確定燃料泵的燃料供給量，并且根據(jù)所確定的所述燃料泵的燃料供給量控制所述燃料泵的操作；以及控制被供給至所述重整器的燃料的流量，以及被供給至所述燃燒器的燃料的流量，其中所述流量實(shí)時(shí)提供所確定的重整器燃料供給量和燃燒器燃料供給量。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的燃料供給方法，其中所述控制所述燃料泵的操作包括操作所述燃料泵，以使所述燃料泵的燃料供給量等于所述重整器燃料供給量和所述燃燒器燃料供給量的總和。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的燃料供給方法，其中所述控制所述燃料泵的操作包括操作所述燃料泵，使得所述燃料泵在增壓狀態(tài)下供給其量大于所述重整器燃料供給量和所述燃燒器燃料供給量的總和的燃料，以調(diào)節(jié)被供給至所述重整器和所述燃燒器的所述燃料的總供給量。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的燃料供給方法，其中所述控制所述燃料泵的操作包括當(dāng)通過所述燃料的外部供給壓力供給等于所述重整器燃料供給量和所述燃燒器燃料供給量的總和的燃料量時(shí)，使所述燃料泵停止。
26. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的燃料供給方法，其中所述實(shí)時(shí)控制被供給至所述重整器的燃料的流量和被供給至所述燃燒器的燃料的流量包括將第二閥和流量計(jì)安置在燃燒器燃料供給管線中，并且基于第二閥的打開程度的調(diào)節(jié)和第二流量計(jì)的流量檢測，控制被供給至所述燃燒器的燃料的流量，以提供所確定的燃燒器燃料供給量；和將第一閥安置在重整器燃料供給管線中，并且基于第一閥的打開程度的調(diào)節(jié)，以及由所述流量計(jì)檢測的燃料供給量與所述燃料泵的實(shí)際燃料供給量之間的差值的檢測，控制被供給至所述重整器的燃料的流量，以提供所確定的重整器燃料供給量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)及其燃料供給方法。燃料電池系統(tǒng)中的穩(wěn)定燃料供給系統(tǒng)通過將由選自各種烴化合物的主要原料改性的氫與存在于空氣中的氧組合，產(chǎn)生熱量和電能。本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)中的燃料供給裝置和燃料供給方法在利用最少的配套設(shè)備(BOP)裝置的同時(shí)，使水蒸氣與碳比率(S/C)控制和λ控制自動化，并且有效率地和穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)操作，克服了在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的壓力損耗和脈動。該方法在所述燃料電池系統(tǒng)的啟動和操作過程中更有效率地并精確地供給燃料，同時(shí)即使在發(fā)生突然的流量變化時(shí)，也防止燃燒器熄火，并且保持適當(dāng)?shù)囊谎趸紳舛?。而且，操作方法基于燃料泵的?guī)格的選擇，提高了與分解能力相關(guān)的功能，因此在燃料電池系統(tǒng)的成本和構(gòu)造方面更經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定。
文檔編號G05D7/00GK101673835SQ20091013305
公開日2010年3月17日 申請日期2009年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日
發(fā)明者東孝美, 吳宰爀, 許晉碩 申請人:三星電子株式會社