專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有燃料電池的燃料電池系統(tǒng)。 相關(guān)技術(shù)的說(shuō)明
燃料電池通常通過(guò)使用氫和氧作為燃料發(fā)電。因?yàn)槿剂想姵卦诃h(huán) 境和獲得高能效的能力的方面的優(yōu)勢(shì)，所以已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的開(kāi)發(fā)以 使用燃料電池作為未來(lái)的能量供給系統(tǒng)。
目前，在許多燃料電池中，利用重整器由諸如汽油、天然氣或曱 醇的烴基燃料中產(chǎn)生含氫的重整氣體，并將所產(chǎn)生的重整氣體供給到 燃料電池的陽(yáng)極。在重整器中，通過(guò)例如使用蒸汽的蒸汽重整反應(yīng)進(jìn) 行重整。
因?yàn)檎羝卣磻?yīng)是吸熱反應(yīng)，所以加熱重整器以促進(jìn)重整反應(yīng)。 為此，開(kāi)發(fā)了利用燃燒器等向重整器供熱的燃料電池系統(tǒng)。例如，日
本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No. JP-A-2005-235583描述了使用陽(yáng)極廢氣作為燃料 氣體來(lái)加熱重整器的技術(shù)。根據(jù)該技術(shù)，獲得了高的重整效率。
然而，因?yàn)橹卣麣怏w中包含的曱烷的比例根據(jù)重整器中的條件變 化，所以陽(yáng)極廢氣中甲烷的比例也變化。因?yàn)闀跬殡y以燃燒，所以在 重整器內(nèi)部可能出現(xiàn)溫度分布。結(jié)果，燃燒器可能不能產(chǎn)生足夠的熱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供將足夠的熱供給到重整器中的燃料電池系統(tǒng)。
本發(fā)明的一個(gè)方面提供了燃料電池系統(tǒng)，該電池系統(tǒng)具有燃料電 池、重整器、利用所述燃料電池的陽(yáng)極廢氣作為燃料加熱所述重整器 的燃燒器、和根據(jù)在所述燃燒器內(nèi)部的氣流方向上的溫度分布控制供 給到所述燃燒器的燃燒成分的比例的比例控制器。
根據(jù)該方面，促進(jìn)了燃燒器中的燃燒。結(jié)果，將足量的熱提供到重整器中。
如果在所述燃燒器內(nèi)部的所述氣流方向上的溫度分布寬度超過(guò)規(guī)定值，則所述比例控制器可以增加供給到所述燃燒器的助燃?xì)怏w的量。在該情況下，促進(jìn)了所述燃燒器中的燃燒。結(jié)果，將足夠的熱供給到所述重整器中。還可以避免所述比例控制器的不必要控制。隨著在所述燃燒器內(nèi)部的氣流方向上的溫度分布寬度變大，所述比例控制器可以增加供給到所述燃燒器內(nèi)部的助燃?xì)怏w的量。在該情況下，有效地促進(jìn)了燃燒器中的燃燒。因此，將足夠的熱有效地供給到所述重整器中。
如果所述燃燒器中的過(guò)量的氧的比例超it^定比率，則所述比例控制器可以增加陽(yáng)極廢氣中的氫的量。因?yàn)闅淙菀兹紵?，所以促進(jìn)了燃燒器中的燃燒。如此，可以有效地提供足夠的熱。也抑制了因燃燒器中過(guò)量的氧的比例的不必要增加而引起的燃燒器中溫度的降低。隨著在所述燃燒器內(nèi)部的氣流方向上的溫度分布寬度變大，所述比例控制器也可以增加陽(yáng)極廢氣中的氫的量。在該情況下，有效地促進(jìn)了燃燒器中的燃燒。因此，將足夠的熱有效地提供到所述重整器中。
還可以提供獲取在所述燃燒器內(nèi)部的氣流方向上的溫度分布寬度的溫度分布寬度獲取單元。在該情況下，所述比例控制器基于由所述溫度分布寬度獲取單元獲取的溫度分布寬度控制燃燒成分的比例。還可以提
氣中的成分比例的成分比例預(yù)測(cè)單元，所述比例控制器可以基于由所述成分比例預(yù)測(cè)單元預(yù)測(cè)的成分比例控制燃燒成分的比例。在該情況下，促進(jìn)了燃燒器中的燃燒。
陽(yáng)祝爽氣可以包括難以燃燒的氣體，成分比例預(yù)測(cè)單元可以預(yù)測(cè)難以燃燒的氣體的比例，如果由所述成分比例預(yù)測(cè)單元預(yù)測(cè)的難以燃燒的氣體的比例等于或超過(guò)第一規(guī)定值，則比例控制器可以增加助燃?xì)怏w的量。在該情況下，促進(jìn)了難以燃燒的氣體的燃燒，并且可以抑制助燃?xì)怏w的不必要增加。如此，抑制了燃燒器中的溫度降低。結(jié)果，提高了燃燒器中的燃燒效率。如果由成分比例預(yù)測(cè)單元預(yù)測(cè)的難以燃燒的氣體的比例等于或超過(guò)第二規(guī)定值，則比例控制器可以減少燃料電池所消耗的氫的量，其中所述第二規(guī)定值大于所述第一規(guī)定值。在該情況下，促進(jìn)了燃燒器中的燃燒。還可以提供獲取在所述燃燒器內(nèi)的平均溫度的溫度獲取單元、和基于由所述溫度獲取單元獲取的平均溫度確定所述第 一規(guī)定值和所述第二規(guī)定值的確定單元。在該情況下，根據(jù)燃燒器中的溫度，可以避免助燃?xì)怏w的不必要增加，還可以避免所消耗的氳的量的不必要減少。
例獲取i元，^述比例控制器可以基于由所i助燃?xì)怏w比例獲^單元獲
該情況下，陽(yáng)極廢氣有效地燃燒。如此，將足夠的熱供給到重整器。
還可以提供獲取所述燃燒器的最低溫度的最低溫度獲取單元、和基于由所述最低溫度獲取單元獲取的最低溫度確定是否操作所述比例控制器的第一確定單元。如果必需的熱供給到了重整器，則停止比例控制器的操作。如此，避免了比例控制器的不必要控制。
還可以提供獲取供給到所述重整器的重整前燃料的量的重整前燃料量獲取單元、和基于由所述重整前燃料量獲取單元獲取的重整前燃料的量確定是否操作所述比例控制器的第二確定單元。在該情況下，如果陽(yáng)極廢氣的供給量小，則所述比例控制器單元停止操作。如此，避免了比例控制器的不必要控制。


參照附圖，從以下示例性實(shí)施方案的描述中，本發(fā)明的前述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)會(huì)變得明顯，附圖中類(lèi)似的附圖標(biāo)記用于表示類(lèi)
似的要素/元件，其中
圖l是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)的整體構(gòu)造的示意
圖2是顯示功率指令值和所需空氣量之間的關(guān)系的 一個(gè)實(shí)例的圖3是顯示功率指令值和所需的重整前燃料量之間的關(guān)系的一個(gè)實(shí)例的圖4是顯示所需的重整前燃料量和溫差極限之間的關(guān)系的一個(gè)實(shí)例的圖；圖5是顯示燃燒成分比例控制器進(jìn)行的控制過(guò)程的一個(gè)實(shí)例的流程
圖6是顯示燃燒器中溫度分布寬度、摩爾比R和過(guò)量空氣比例k之間的關(guān)系的一個(gè)實(shí)例的圖；以及
圖7是顯示燃燒成分比例控制器進(jìn)行的控制過(guò)程的一個(gè)實(shí)例的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的一些實(shí)施方案。
圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)100的整體構(gòu)造的示意圖。如圖1所示，燃料電池系統(tǒng)100具有控制器10、重整前燃料罐20、燃料泵30、量調(diào)節(jié)閥40、重整器50、燃料電池60、和空氣泵70、 80。
重整前燃料罐20儲(chǔ)存待供給到下文所述的重整單元51的重整前燃料。該實(shí)施方案使用烴燃料作為重整前燃料。燃料泵30將儲(chǔ)存在重整前燃料罐20中的重整前燃料供給到重整單元51 。量調(diào)節(jié)閥40調(diào)節(jié)供給到重整單元51的重整前燃料的量。
重整器50由重整前燃料產(chǎn)生含氫的重整氣體。除了重整單元51之外，重整器50還具有燃燒器52、第一溫度傳感器53、第二溫度傳感器54、和過(guò)量空氣比例X傳感器55。第一溫度傳感器53設(shè)置在燃燒器52中的上游處。第二溫度傳感器54設(shè)置在燃燒器52中的下游處。
第一溫度傳感器53可以設(shè)置在燃燒器52的催化劑入口附近，第二溫度傳感器54可以設(shè)置在燃燒器52的催化劑出口附近。第一溫度傳感器53和第二溫度傳感器54可以設(shè)置在重整單元51的催化劑中。在該情況下，第一溫度傳感器53可以設(shè)置于重整單元51的燃燒器52入口側(cè)的催化劑中，第二溫度傳感器54可以設(shè)置于重整單元51的燃燒器52的出口側(cè)的催化劑中?？諝膺^(guò)量比例X傳感器55設(shè)置在從外部與燃燒器52連通的排放系統(tǒng)中?？諝膺^(guò)量比例k表示供給到燃燒器52的氧的量與燃燒器52中完全燃燒所需的氧的量的比例。燃料電池60具有陰極61、陽(yáng)極62、冷卻單元63、電壓計(jì)64、和電流計(jì)65?？諝獗?0將空氣供給到陰極61，空氣泵80將空氣供給到冷卻單元63。控制器10包括CPU (中央處理單元)、ROM (只讀存儲(chǔ)器)和RAM (隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)。控制器10基于由第一溫度傳感器53、第二溫度傳感器54、空氣過(guò)量比例k傳感器55、電壓計(jì)64、和電流計(jì)65提供的檢測(cè)結(jié)果控制燃料電池系統(tǒng)100的各個(gè)部分。詳情在下文描述。
在該實(shí)施方案中，使用氫分離膜燃料電池作為燃料電池60。氫分離膜燃料電池是具有由可透過(guò)氬的金屬形成的氳分離膜層的燃料電池。氫分離膜燃料電池是由氫分離層和質(zhì)子導(dǎo)電電解質(zhì)的層合物形成的。供給到氫分離膜燃料電池的陽(yáng)極的氫通過(guò)催化劑轉(zhuǎn)化成質(zhì)子，移動(dòng)穿過(guò)質(zhì)子導(dǎo)電電解質(zhì)，在陰極與氧結(jié)合變成水。在陰極處產(chǎn)生的水通過(guò)在氫分離膜燃料電池發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱變成蒸汽。
現(xiàn)在將描述燃料電池系統(tǒng)100的一般操作。燃料泵30根據(jù)來(lái)自控制器10的指令將儲(chǔ)存在重整前燃料罐20中的重整前燃料供給到量調(diào)節(jié)岡40。量調(diào)節(jié)閥40根據(jù)來(lái)自控制器10的指令，將重整單元51中的重整反應(yīng)所需的重整前燃料的量的重整前燃料供給到重整單元51 。
在重整單元51中，由重整前燃料和陰極廢氣產(chǎn)生含氫的重整氣體，這將在下文描述。首先，在重整前燃料中包含的曱烷和陰極廢氣中包含的蒸汽之間發(fā)生蒸汽重整反應(yīng)，結(jié)果是產(chǎn)生氫和一氧化碳。然后，所產(chǎn)生的一氧化碳的一部分與陰極廢氣中的蒸汽反應(yīng)，以產(chǎn)生氫和二氧化碳。如果對(duì)于蒸汽重整反應(yīng)蒸汽不足，則陰極廢氣中的氧和甲烷進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，以產(chǎn)生氫和一氧化碳。
在重整單元51中產(chǎn)生的重整氣體供給到陽(yáng)極62，重整氣體中的氫在陽(yáng)極62處轉(zhuǎn)化成質(zhì)子。在陽(yáng)極62處未轉(zhuǎn)化成質(zhì)子的氫和在重整單元51中未反應(yīng)的甲烷作為陽(yáng)極廢氣供給到燃燒器52。氫是易于燃燒的氣體，曱烷是難以燃燒的氣體。
空氣泵80根據(jù)來(lái)自控制器10的指令將所需量的空氣供給到冷卻單元63。供給到冷卻單元63的空氣冷卻燃料電池60，并供給到燃燒器52。在燃燒器52處，陽(yáng)極廢氣和從冷卻單元63供給的空氣引起燃燒反應(yīng)。也就是說(shuō)，包含在空氣中的氧作為助燃?xì)怏w，陽(yáng)極廢氣作為
燃料。通過(guò)燃燒器52中的燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的廢氣排放到燃料電池系統(tǒng) 100的外部。在燃燒器52中的燃燒反應(yīng)中的燃燒熱用于重整單元51 中的蒸汽重整反應(yīng)。在該實(shí)施方案中，陽(yáng)極廢氣和氧統(tǒng)稱(chēng)為燃燒成分。
第一溫度傳感器53檢測(cè)燃燒器52中氣流方向上入口側(cè)的溫度， 并將檢測(cè)結(jié)果提供給控制器10。第二溫度傳感器54檢測(cè)燃燒器52中 氣流方向上排放出口側(cè)的溫度，并將檢測(cè)結(jié)果提供給控制器IO?？諝?過(guò)量比例X傳感器55由從燃燒器52排出的廢氣檢測(cè)(獲取)燃燒器 52中的空氣過(guò)量比例h并將檢測(cè)結(jié)果提供給控制器10。電壓計(jì)64 檢測(cè)燃料電池60所產(chǎn)生的電壓，并將檢測(cè)結(jié)果提供給控制器10。電 流計(jì)65檢測(cè)燃料電池60所產(chǎn)生的電流，并將檢測(cè)結(jié)果提供給控制器 10。
空氣泵70根據(jù)來(lái)自控制器10的指令向陰極61供給所需量的氧。 在陰極61處，由在陽(yáng)極62處轉(zhuǎn)化的質(zhì)子和供給到陰極61的空氣中的 氧產(chǎn)生水和電功率。所產(chǎn)生的電功率儲(chǔ)存在蓄電池中或用于諸如電動(dòng) 機(jī)的負(fù)荷。所產(chǎn)生的水通過(guò)在燃料電池60中產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)化成蒸汽。所 產(chǎn)生的蒸汽和在陰極61處未與質(zhì)子反應(yīng)的空氣作為陰極廢氣供給到 重整單元51，這些分別用于蒸汽重整反應(yīng)和部分氧化反應(yīng)。
在燃燒器52中不完全燃燒的情況下，不足的熱使重整單元51中 的重整效率降低。例如，因?yàn)闀跬楸葰涓y以燃燒，所以曱烷的不完 全燃燒可能導(dǎo)致熱不足。該實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)IOO避免了重整 單元51中的熱不足。具體地，通過(guò)基于燃燒器52中的溫度分布控制 燃燒器52內(nèi)部的燃燒成分比例，燃料電池系統(tǒng)IOO避免了在重整單元 51中的熱不足。該控制在下文中描述。
首先，控制器10確定功率指令值P一c，該功率指令值P—c是對(duì)燃 料電池60所需的電功率的量。功率指令i P一c例如是從加速:器(未示 出)的打開(kāi)度或二次電池的剩余容量確定的。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)100是 分散的電源例如家用電源時(shí)，可以由燃料電池系統(tǒng)100所在地的功率 需求等確定功率指令值P一c。
然后，控制器10基于功率指令值Pj利用例如圖2所示的映射確定所需的空氣量Qc一base，該空氣量Qc一base是供給到陰極61的空氣 的量。圖2顯示了^率指令值P一c和所^P的空氣量Qc一base之間的關(guān) 系的一個(gè)實(shí)例，其中橫軸表示功^指令值P一c，縱軸i示所需的空氣 量Qc—base。在圖2中，所需的空氣量Qc—base與功率指令值P—c成 比例。在圖2中，因?yàn)椴皇撬泄┙o到陰^61的氧都用于發(fā)電，所以 對(duì)所需的空氣量Qc—base進(jìn)行彌補(bǔ)。
然后，控制器10基于功率指令值P一c利用例如圖3所示的映射確 定所需的重整前燃料量Q一f，該重整前^料量Q一f是待供給到重整單 元51的重整前燃料的量。、3顯示了功率指令值Pj和所需的重整前 燃料量Q一f之間的關(guān)系的一個(gè)實(shí)例，其中橫軸代表_功率指令值P一c， 縱軸代表^需的重整前燃料量Q一f。在圖3中，所需的重整前燃^量 Q_f隨著功率指令值P一c的增加而增加。所需的重整前燃料量Q_f的 增加率隨著功率指令值P_c的增加而增加。這是因?yàn)橹卣麊卧?1^|重 整效率隨著重整前燃料量^增加而降低。
然后，控制器10確定在燃燒器52內(nèi)部在氣流方向上是否存在大 的溫度分布寬度。在該實(shí)施方案中，當(dāng)?shù)诙囟葌鞲衅?4檢測(cè)的溫度 T2和第一溫度傳感器53檢測(cè)的溫度Tl之間的差大于規(guī)定值時(shí)，控制 器10確定燃燒器52中氣流方向上的溫度分布寬度是大的。也就是說(shuō)， 控制器10基于檢測(cè)的溫度Tl和檢測(cè)的溫度T2預(yù)測(cè)燃燒器52中的溫 度分布寬度。作為檢測(cè)的溫度T2和檢測(cè)的溫度Tl之間的差的可容許 的最大值的溫差極限Td一ref，可以用作進(jìn)行該確定的閾值。溫差極限 Td一ref是例如在燃燒器52中出現(xiàn)不完全燃燒時(shí)的溫差。
圖4顯示了所需的重整前燃料量Q一f和溫差極限Td一ref之間的關(guān) 系的一個(gè)實(shí)例。在圖4中，橫軸表示f整前燃料量Q一f，縱軸表示溫 差極限Td—ref。例如，如圖4所示，溫差極限Td_ref可以表現(xiàn)為恒定 值，直至^需的重整前燃料量Q一f增加到規(guī)定"所需重整前燃料量 Q一f ，此后，隨著所需的重整前燃料i Q一f進(jìn)一步增加，溫差極限Td一ref 與所需的重整前燃料量Q一f成比例地;加。然后，在所需的重整i燃 料量Q一f超過(guò)規(guī)定值之后，溫差極限Td一ref再次保持恒定。
如果檢測(cè)的溫度T2和檢測(cè)的溫度Tl之間的差超過(guò)溫差極限 Td—ref，則控制器10對(duì)燃料電池系統(tǒng)100中的各個(gè)部分進(jìn)行控制，以使得燃燒器52中的溫度分布寬度變窄。首先，控制器10控制空氣泵 80以增加空氣過(guò)量比例X，使得促進(jìn)燃燒器52中甲烷的燃燒。如此， 可以避免因燃燒器52中的不完全燃燒而引起的熱不足。此外，在該實(shí) 施方案中，因?yàn)榭諝馔ㄟ^(guò)冷卻單元63供給到燃燒器52，所以供給到 燃燒器52的空氣的量可能與供給到冷卻單元63的空氣的量不同。因 此，在必要的情況下可以使用旁通閥等(未顯示)校正供給到燃燒器 52的空氣的量。
控制器10可以控制空氣泵80，使得空氣過(guò)量比例X隨著檢測(cè)的溫 度T2和檢測(cè)的溫度T1之間的差變大而變大。在該情況下，曱烷高效 燃燒。如此，有效地避免了因燃燒器52中不完全燃燒而引起的熱不足。 空氣過(guò)量比例X優(yōu)選為約3 ~ 4。
如果空氣過(guò)量比例1達(dá)到規(guī)定值，則控制器10控制空氣泵80以 停止增加空氣過(guò)量比例3u這是因?yàn)?，?dāng)相對(duì)低溫的空氣的量過(guò)量時(shí)， 燃燒器52的溫度降低。該規(guī)定值稱(chēng)為最大過(guò)量比例Xref一u。當(dāng)空氣過(guò) 量比例1達(dá)到或超過(guò)最大過(guò)量比例Xref_u時(shí)，控制器10控制空氣泵 70以減小供給到陰極61的空氣的量。^該情況下，燃料電池60的發(fā) 電量減小。如此，減小了在燃料電池60中消耗的氫的量，因此在陽(yáng)極 廢氣中包含的氫的量增加。因?yàn)闅湟子谌紵?，所以促進(jìn)了燃燒器52中 的燃燒。通過(guò)上述方法，可以供給足夠的熱。此外，可以通過(guò)減小置 于燃料電池60上的電負(fù)荷來(lái)減小燃料電池60中消耗的氫的量。
隨著檢測(cè)的溫度T2和檢測(cè)的溫度Tl之間的差變大，控制器10 可以控制空氣泵70以減小供給到陰極61的空氣的量。在該情況下， 供給到燃燒器52的氫的量增加。如此，促進(jìn)了燃燒器52中的燃燒。 結(jié)果，可以有效地提供足夠的熱。
當(dāng)檢測(cè)的溫度T2和檢測(cè)的溫度Tl之間的差小于溫差極限Td一ref 時(shí)，控制器10可以控制空氣泵80以減小空氣過(guò)量比例X。在該'S"況 下，供給到燃燒器52的空氣的量減小。如此，減小了無(wú)助于燃燒的相 對(duì)低溫的氮的量，使得燃燒器52中的燃燒效率提高。
如果燃燒器52中的最低溫度等于或大于規(guī)定值，則控制器10可 以停止控制燃燒器52中的燃燒成分比例。這是因?yàn)?，如果燃燒?2中的最低溫度相對(duì)高，則在重整單元51中有足夠的熱。這樣避免了進(jìn) 行不必要的控制。例如，可以基于供給到重整單元51的重整前燃料的 量確定所述規(guī)定溫度。在該實(shí)施方案中，由第一溫度傳感器53檢測(cè)的 檢測(cè)溫度Tl可以用作燃燒器52中的最低溫度。
當(dāng)供給到燃燒器52的陽(yáng)極廢氣的量小時(shí)，控制器10可以停止控 制燃燒器52中的燃燒成分比例。這是為了避免不必要的控制，其原因 是，如果陽(yáng)極廢氣的量小，則不管陽(yáng)極廢氣中甲烷的比例如何都可能 出現(xiàn)溫度分布。該實(shí)施方案基于通過(guò)量調(diào)節(jié)岡40供給到重整單元51 的重整前燃料的量和燃料電池60發(fā)電的量確定供給到燃燒器52的陽(yáng) 極廢氣的量是否是小的。例如，如果期望的發(fā)電效率大于由重整前燃 料的量和所產(chǎn)生的電功率確定的發(fā)電效率，則控制器IO可以確定所供 給的陽(yáng)極廢氣的量是小的。
然后，將描述通過(guò)控制器IO控制燃燒成分比例的一個(gè)實(shí)例。圖5 是顯示該控制過(guò)程的一個(gè)實(shí)例的流程圖?？刂破?0在接通電源之后以 規(guī)定的時(shí)間段執(zhí)行圖5的流程圖所示的過(guò)程。例如，通過(guò)起動(dòng)器開(kāi)關(guān) 接通控制器IO。起動(dòng)器開(kāi)關(guān)可以是手動(dòng)開(kāi)關(guān)，或者作為替代方案，可 以是計(jì)時(shí)器型開(kāi)關(guān)。從例如溫度傳感器響應(yīng)的觀(guān)點(diǎn)看，優(yōu)選執(zhí)行時(shí)間 段是短的。因?yàn)闇囟葌鞲衅魍ǔ＞哂屑s100ms的響應(yīng)，所以在該實(shí)施 方案中，控制器10執(zhí)行圖5流程圖中的過(guò)程512ms的時(shí)間段。
如圖5所示，控制器10確定功率指令值P_c (步驟Sl )。例如， 由加速器的打開(kāi)度確定功率指令值P一c。然后，控制器10基于功率指 令值P一c確定所需的空氣量Qc—base(步驟S2)。在該情況下，通過(guò)利 用圖2)斤示的映射確定所需的空氣量Qc一base。然后，控制器10基于 功率指令值P一c確定所需的重整前燃料i Q一f (步驟S3)。在該情況 下，控制器10 i過(guò)利用圖3所示的映射確定戶(hù)f需的重整前燃料量Q一f。
然后，控制器10基于所需的重整前燃料量Q一f確定溫差極限 Td—ref (步驟S4 )。在該情況下，控制器10通過(guò)利^圖4所示的映射 確i溫差極限Td—ref。然后，控制器10從空氣過(guò)量比例l傳感器55 獲取空氣過(guò)量比眾ix (步驟S5)。然后，控制器IO從第一溫度傳感器 53獲取檢測(cè)的溫度Tl,從第二溫度傳感器54獲取檢測(cè)的溫度T2 (步 驟S6)。然后，控制器10從電壓計(jì)64獲取產(chǎn)生的電壓V，從電流計(jì)65獲取產(chǎn)生的電流A (步驟S7)。
然后，控制器10確定檢測(cè)的溫度Tl是否為至少規(guī)定值(步驟S8 )。 如果在步驟S8確定檢測(cè)的溫度Tl為至少規(guī)定溫度，則控制器10結(jié) 束流程圖中所示的過(guò)程。步驟S8中的規(guī)定值是在重整單元51中未發(fā) 生熱不足的溫度。如此，避免了流程圖中所示處理不必要執(zhí)行。
如果在步驟S8中確定檢測(cè)的溫度Tl低于規(guī)定值，則控制器10隨 后確定燃料電池60的發(fā)電效率是否等于或大于規(guī)定值(步驟S9 )。可 由流程圖中所示過(guò)程執(zhí)行的前一周期確定的所產(chǎn)生電壓V、所產(chǎn)生電 流A和所需的重整前燃料量Q一f，確定燃料電池60的發(fā)電效率。如果 在步驟S9中確定燃料電池60 ^!發(fā)電效率等于或大于規(guī)定值，則控制 器10結(jié)束流程圖中所示的過(guò)程，由此避免了流程圖中所示過(guò)程的不必 要的執(zhí)行。
如果在步驟S9中確定燃料電池60的發(fā)電效率低于規(guī)定值，則控 制器10隨后確定檢測(cè)的溫度T2和檢測(cè)的溫度Tl之間的差是否超過(guò) 溫差極限Td_ref (步驟S10 )。如果在步驟S10中確定檢測(cè)的溫度T2 和檢測(cè)的溫iTl之間的差超過(guò)溫差極限Td_ref，則控制器10將空氣 過(guò)量比例X設(shè)定為最大的過(guò)量比例lref一u和空氣過(guò)量比例k + Xd中的 較小者(步驟Sll)。在該實(shí)施方案中，kd為例如約0.2。通過(guò)執(zhí)行步 驟Sll，空氣過(guò)量比例X增加，由此促進(jìn)燃燒器52中的燃燒。
然后，控制器10確定空氣過(guò)量比例X是否等于最大空氣過(guò)量比例 lref_u (步驟S12 )。如果在步驟S12中確定空氣過(guò)量比例X等于最大 空氣過(guò)量比例Xref一u，則控制器10將供給到陰極61的空氣量Q_c減 少5。/。(步驟S13)，由此減小燃料電池60的發(fā)電。結(jié)果，陽(yáng)極廢氣中 氫的量增加。在步驟13中不使用絕對(duì)單位減少供給到陰極61的空氣 的量的原因是為了避免供給到陰極61的空氣量突然變化。在步驟S12 中，可以確定空氣過(guò)量比例X是否等于或大于最大空氣過(guò)量比例
然后，控制器10由通過(guò)用從空氣泵80供給到冷卻單元63的空氣 量Q—a除以緊鄰的前一次執(zhí)行流程圖過(guò)程時(shí)的空氣過(guò)量比例、n-l所 得的i、和當(dāng)前的空氣過(guò)量比例k,確定待供給到冷卻單元63的空氣量Q一a (步驟S14)。如果在步驟S12中未確定空氣過(guò)量比例X等于最 大過(guò)i比例kref—u，則控制器10執(zhí)行步驟S14而不執(zhí)行步驟S13。如 此，促進(jìn)了燃燒l 52中的燃燒，而不減少燃料電池60的發(fā)電量。此 后，控制器10結(jié)束流程圖中所示的過(guò)程。
如果在步驟S10中未確定檢測(cè)的溫度T2和檢測(cè)的溫度Tl之間的 差超過(guò)溫差極限Td—ref，則控制器10將待供給到陰極61的空氣量Q_c 設(shè)定為所需的空氣i Qc—base和當(dāng)前供給到陰極61的空氣量Q一c ; 上Qc一d之和中的較小者(步驟S15)。在該情況下，Qc—d優(yōu)選^—可能 地小至i超過(guò)空氣泵70的控制精度。這是因?yàn)?，?dāng)供給到陰極61的空 氣量突然增加時(shí)，燃燒器52中的溫度分布寬度可能突然加寬。
然后，控制器10將空氣過(guò)量比例X設(shè)定為最小過(guò)量比例Xref_l和 空氣過(guò)量比例Hd中的較大者(步驟S16)。在該情況下，空氣過(guò)量比 例X減小，結(jié)果供給到燃燒器52的空氣的量減小。結(jié)果，抑制了燃燒 器52的溫度降低。最小過(guò)量比例人ref一l理論上為1。然而，難以使用 供給到燃燒器52的所有的氧。因此，^該實(shí)施方案中，最小過(guò)量比例 Xref一l設(shè)定為約1.2。 Xd的值優(yōu)選盡可能地小到超過(guò)空氣泵80的控制 精JT，例如為約0.05。在上述步驟之后，執(zhí)行步驟S14。
通過(guò)如上所述執(zhí)行圖5的流程圖中所示的過(guò)程之后，控制了燃燒 器52中的燃燒成分比例。如此，促進(jìn)了燃燒器52中的燃燒。結(jié)果， 在重整單元51中提供了足夠的熱，并且避免了圖5流程圖中所示過(guò)程 的不必要的執(zhí)行。
盡管該實(shí)施方案獲取(測(cè)量、預(yù)測(cè))了由兩個(gè)溫度傳感器檢測(cè)的 溫度之間的差作為溫度分布寬度，并且將該溫度分布寬度作為燃燒器 52的溫度分布，但是燃燒器52的溫度分布不限于該溫度分布寬度。 例如，通過(guò)利用更多的溫度傳感器，更精確地獲取(預(yù)測(cè)或測(cè)量)燃 燒器52的溫度分布。
在該實(shí)施方案中，以下要素/元件可以如下所述地視為與本發(fā)明的 組成要素/元件相關(guān)。具體地，陽(yáng)極廢氣和空氣可以對(duì)應(yīng)于燃燒成分， 空氣中含的氧可以對(duì)應(yīng)于助燃?xì)怏w，甲烷可以對(duì)應(yīng)于難以燃燒的氣體， 第一溫度傳感器53和第二溫度傳感器54可以對(duì)應(yīng)于溫度分布寬度獲取單元，控制器10可以對(duì)應(yīng)于比例控制器，重整前燃料量獲取單元、 第一確定單元和第二確定單元、空氣過(guò)量比例X傳感器55可以對(duì)應(yīng)于 助燃?xì)怏w比例獲取單元，第一溫度傳感器53可以對(duì)應(yīng)于最低溫度獲取 單元。
下面將描述根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的燃料電池系統(tǒng)100a。燃料 電池系統(tǒng)100a與燃料電池系統(tǒng)100的不同之處在于控制器10所執(zhí)行 的控制過(guò)程。下面描述基于燃燒器52中的溫度分布進(jìn)行的燃燒器52 中燃燒成分比例的控制。
控制器10基于燃燒器52中氣流方向上的溫度分布寬度和空氣過(guò) 量比例X利用例如圖6中所示的映射確定摩爾比R,該摩爾比R是陽(yáng) 極廢氣中氫的摩爾數(shù)與陽(yáng)極廢氣中甲烷的摩爾數(shù)之比。圖6顯示燃燒 器52的溫度分布寬度、摩爾比R、和空氣過(guò)量比例X之間的關(guān)系的一 個(gè)實(shí)例，其中，橫軸表示燃燒器52中的溫度分布寬度，縱軸表示摩爾 比R。在該實(shí)施方案中，檢測(cè)的溫度T2和檢測(cè)的溫度T1之間的溫度 差用作燃燒器52的溫度分布寬度。
如圖6所示，摩爾比R隨著溫度分布寬度的增加而增加。隨著空 氣過(guò)量比例X增加，摩爾比R的增加率變大?？刂破鱅O基于例如來(lái)自 第一溫度傳感器53、第二溫度傳感器54、和空氣過(guò)量比例1傳感器 55的檢測(cè)結(jié)果確定摩爾比R。
然后，控制器10確定摩爾比R是否等于或大于第一規(guī)定值Ra。 第 一規(guī)定值Ra為例如約0.2。摩爾比R超過(guò)第 一規(guī)定值Ra表示陽(yáng)極 廢氣中甲烷的比例是高的。在該情況下，控制器10控制燃料電池系統(tǒng) 100a的各個(gè)部分以促進(jìn)甲烷的燃燒。首先，控制器10控制空氣泵80 以增加空氣過(guò)量比例X,由此促進(jìn)燃燒器52中甲烷的燃燒，以避免因 燃燒器52中的不完全燃燒引起的熱不足。
控制器10可以控制空氣泵80以使空氣過(guò)量比例X隨著摩爾比R 變大而變大。在該情況下，曱烷高效燃燒。如此，可以有效地提供足 夠的熱。空氣過(guò)量比例X優(yōu)選為約3 4。
在摩爾比R等于或大于第二規(guī)定值Rb的情況下，控制器10控制空氣泵80以停止增加空氣過(guò)量比例X。這是因?yàn)椋?dāng)在相對(duì)低溫下的 空氣的量變得過(guò)量時(shí)，燃燒器52的溫度降低。第二規(guī)定值Rb設(shè)定為 大于第一規(guī)定值Ra，例如為約0.5。然后，控制器10控制空氣泵70 以減小供給到陰極61的空氣的量。在該情況下，燃料電池60的發(fā)電 量減小，導(dǎo)致陽(yáng)極廢氣中包含的氫的量增加。結(jié)果，促進(jìn)了燃燒器52 中的燃燒。上述過(guò)程可以避免熱不足。
控制器10可以控制空氣泵70，以使供給到陰極61的空氣量隨著 摩爾比R變大而減少。在該情況下，供給到燃燒器52的氫的量增加， 由此促進(jìn)燃燒器52中的燃燒。結(jié)果，可以有效地提供足夠的熱。
如果摩爾比R低于第一規(guī)定值Ra，則可以控制空氣泵80以減小 空氣過(guò)量比例X。在該情況下，供給到燃燒器52的空氣的量減少，由 此減少無(wú)助于燃燒的相對(duì)低溫的氮的量。結(jié)果，提高了燃燒器52中的 燃燒效率。
第一規(guī)定值Ra和第二規(guī)定值Rb可以基于燃燒器52中的平均溫 度變化。例如，隨著燃燒器52中的平均溫度升高，第一規(guī)定值Ra和 第二規(guī)定值Rb可以變大。這是因?yàn)?，如果燃燒?2中的平均溫度高， 則可以在不控制空氣過(guò)量比例X和氬量的情況下將足夠的熱提供到重 整單元51。例如，平均溫度可以是由第一溫度傳感器53和第二溫度 傳感器54檢測(cè)的溫度的平均值。
現(xiàn)在將描述由根據(jù)第二實(shí)施方案的控制器10進(jìn)行的燃燒成分比例 的控制過(guò)程的一個(gè)實(shí)例。圖7是顯示上述控制過(guò)程的一個(gè)實(shí)例的流程 圖。如圖7所示，控制器10確定功率指令值P一c(步驟S21)。功率指 令值P一c例如是由加速器的打開(kāi)度確定的.然;，控制器10可以基于 功率指^Ht P_c確定所需的空氣量Qc一base(步驟S22 )。在該情況下， 通過(guò)利用例如圖2所示的映射確定所f的空氣量Qc一base。
然后，控制器10基于功率指令值P_c確定所需的重整前燃料量 Q一f(步驟S23)。在該情況下，控制器10可以通過(guò)利用例如圖3中所 示的映射確定所需的重整前燃料量Q一f。然后，控制器10從空氣過(guò)量 比例k傳感器55獲取空氣過(guò)量比例X (步驟S24)。然后，控制器IO 從第一溫度傳感器53獲取檢測(cè)的溫度Tl，從第二溫度傳感器54獲取檢測(cè)的溫度T2 (步驟S25 )。
然后，控制器10基于檢測(cè)的溫度T2和檢測(cè)的溫度Tl之間的差和 空氣過(guò)量比例X(步驟S26)利用例如圖6中所示的映射確定摩爾比R。 然后，控制器10確定摩爾比R是否等于或大于第二規(guī)定值Rb (步驟 S27)。如果在步驟S27中確定摩爾比R等于或大于第二規(guī)定值Rb， 則控制器10將供給到陰極61的空氣量Q一c減少5% (步驟S28 )。結(jié) 果，陽(yáng)極廢氣中的氫的量增加。
然后，控制器IO由通過(guò)用從空氣泵80供給到冷卻單元63的空氣 量Q一a除以緊鄰的前一次執(zhí)行流程圖的過(guò)程時(shí)的空氣過(guò)量比例、n-l 所得^l值和當(dāng)前的空氣過(guò)量比例X，確定待供給到冷卻單元63的空氣 量Q_a (步驟S29)。在上述步驟之后，控制器10結(jié)束流程圖中所示 的過(guò)程。
如果在步驟S27中確定摩爾比R小于第二規(guī)定值Rb，則控制器 lO確定摩爾比R是否等于或大于第一規(guī)定值Ra (步驟S30)。如果在 步驟S30中確定摩爾比R等于或大于第一規(guī)定值Ra，則控制器10將 空氣過(guò)量比例X設(shè)定為空氣過(guò)量比例X+Xd (步驟S31 )。在該實(shí)施方案 中，Xd為例如約0.2。通過(guò)執(zhí)行步驟S31，增加了空氣過(guò)量比例X，由 此促進(jìn)了燃燒器52中的燃燒。在上述步驟之后，控制器10執(zhí)行步驟 S29。
如果在步驟S30中確定摩爾比R小于第一規(guī)定值Ra，則控制器 10將待供給到陰極61的空氣量Q—c設(shè)定為所需的空氣量Qc一base和 當(dāng)前供給到陰極61的空氣量Q一c加上Qc_d之和中的較小^ (步驟 S32)。在該情況下，Qc一d優(yōu)選v^可能小到^:過(guò)空氣泵70的控制精度。 這是因?yàn)椋?dāng)供給到陰^161的空氣的量突然增加時(shí)，燃燒器52中的 溫度分布寬度可能突然加寬。
然后，控制器10將空氣過(guò)量比例l設(shè)定為最小過(guò)量比例kef一l和 空氣過(guò)量比例X-Xd中的較大者(步驟S33 )。在該情況下，空氣ii"量比 例3i減小，結(jié)果供給到燃燒器52的空氣的量減少。結(jié)果，抑制了燃燒 器52的溫度降低。在該實(shí)施方案中，最小過(guò)量比例kef一l設(shè)定為約 1.2。在步驟S33中，Xd的值可以為例如約0.05。在上述i驟之后，執(zhí)行步驟S29。
通過(guò)如上所述執(zhí)行圖7的流程圖中所示的過(guò)程，控制了燃燒器52 中的燃燒成分比例。如此，促進(jìn)了燃燒器52中的燃燒。結(jié)果，在重整 單元51中可以提供足夠的熱?？梢詫D5中的步驟S8和S9并入圖7 的流程圖中，由此避免不必要的執(zhí)行。
盡管可以設(shè)想檢測(cè)來(lái)自燃燒器52的燃燒廢氣的氧濃度以控制燃 燒器52中的燃燒成分比例，但是不能從氧濃度預(yù)測(cè)甲烷和氫的比例。 鑒于此，可以設(shè)想使用氫傳感器和甲烷傳感器測(cè)量陽(yáng)極廢氣中甲烷 和氫的比例。然而，因?yàn)闀跬楦蓴_氫傳感器，所以難以準(zhǔn)確測(cè)量包含 甲烷的陽(yáng)極廢氣中的氫濃度。此外，因?yàn)闀跬閭鞲衅魇侨紵蛡鞲衅鳎?所以難以用于其中存在含氫混合物的氣體，諸如陽(yáng)極廢氣。
在該實(shí)施方案中，以下要素/元件可以如下地視為與本發(fā)明的組成 要素/元件相關(guān)。具體地，陽(yáng)極廢氣和空氣可以對(duì)應(yīng)于燃燒成分，空氣 中包含的氧可以對(duì)應(yīng)于助燃?xì)怏w，曱烷可以對(duì)應(yīng)于難以燃燒的氣體， 第一溫度傳感器53和第二溫度傳感器54可以對(duì)應(yīng)于溫度分布寬度獲 取單元和溫度獲取單元，控制器10可以對(duì)應(yīng)于比例控制器、確定單元、 重整前燃料量獲取單元、第一確定單元、第二確定單元和成分比例預(yù) 測(cè)單元，空氣過(guò)量比例X傳感器55可以對(duì)應(yīng)于助燃?xì)怏w比例獲取單元， 第一溫度傳感器53可以對(duì)應(yīng)于最低溫度獲取單元，第一預(yù)測(cè)值Ra可 以對(duì)應(yīng)于第一規(guī)定值，第二預(yù)測(cè)值Rb可以對(duì)應(yīng)于第二規(guī)定值。
雖然上文已經(jīng)說(shuō)明了本發(fā)明的一些實(shí)施方案，但是應(yīng)當(dāng)理解，本 發(fā)明不限于所說(shuō)明的實(shí)施方案的細(xì)節(jié)，而是可以實(shí)施為具有本領(lǐng)域技 術(shù)人員可以知道的各種變化、修改和改進(jìn)，而不脫離本發(fā)明的精神和 范圍。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池；重整器；利用所述燃料電池的陽(yáng)極廢氣作為燃料加熱所述重整器的燃燒器；和根據(jù)在所述燃燒器內(nèi)部的氣流方向上的溫度分布控制供給到所述燃燒器的燃燒成分的比例的比例控制器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中如果在所述燃燒器內(nèi)部 的所述氣流方向上的溫度分布寬度超過(guò)規(guī)定值，則所述比例控制器增加 供給到所述燃燒器的助燃?xì)怏w的量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中隨著在所述燃燒器內(nèi)部 的所述氣流方向上的溫度分布寬度變大，所述比例控制器增加供給到所 述燃燒器的助燃?xì)怏w的量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中如果所述燃燒器中過(guò)量的氧的比例超過(guò)規(guī)定比率，則所述比例控制器增加在所述陽(yáng)極廢氣中的 氫的量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2~4中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中隨著在所述 燃燒器內(nèi)部的所述氣流方向上的所述溫度分布寬度變大，所述比例控制 器增加在所述陽(yáng)極廢氣中的氫的量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2~5中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括獲取在所 述燃燒器內(nèi)部的所述氣流方向上的所述溫度分布寬度的溫度分布寬度 獲取單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括基于由所述溫度分布其中所述比例控制器基于由所述成分比例預(yù)測(cè)單元預(yù)測(cè)的成分比 例控制所述燃燒成分的比例。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述陽(yáng)極廢氣包括難以燃燒的氣體；所述成分比例預(yù)測(cè)單元預(yù)測(cè)在所述陽(yáng)極廢氣中的難以燃燒的氣體 的比例；和如果由所述成分比例預(yù)測(cè)單元預(yù)測(cè)的難以燃燒的氣體的比例等于 或超過(guò)第一規(guī)定值，則所述比例控制器增加助燃?xì)怏w的量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中如果由所述成分比例預(yù) 測(cè)單元預(yù)測(cè)的難以燃燒的氣體的比例等于或超過(guò)第二規(guī)定值，則所述比 例控制器減少所述燃料電池所消耗的氫的量，所述第二規(guī)定值大于所述 第一規(guī)定值。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括 獲取在所述燃燒器內(nèi)的平均溫度的溫度獲取單元；和基于由所述溫度獲取單元獲取的平均溫度確定所述第 一規(guī)定值和 所述第二規(guī)定值的確定單元。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2~10中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括兀，其中所述比例控制器基于由所述助燃?xì)怏w比例獲取單元獲取的所
12.根據(jù)權(quán)利要求1 11中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括 獲取所述燃燒器的最低溫度的最低溫度獲取單元；和基于由所述最低溫度獲取單元獲取的最低溫度確定是否操作所述 比例控制器的第一確定單元。
13.根據(jù)權(quán)利要求1 12中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括獲取供給到所述重整器的重整前燃料的量的重整前燃料量獲取單 元j 和基于由所述重整前燃料量獲取單元獲取的重整前燃料的量確定是 否操作所述比例控制器的第二確定單元。
14.根據(jù)權(quán)利要求1~13中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括 將空氣供給到所述燃料電池的泵，其中所述比例控制器通過(guò)調(diào)節(jié)從所述泵供給到所述燃料電池的空 氣的量控制所述燃燒成分的比例。
15.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述溫度分布寬度獲取 單元包括設(shè)置在所述燃燒器的催化劑入口附近的第一溫度傳感器、和設(shè) 置在所述燃燒器的催化劑出口附近的第二溫度傳感器，其中所述溫度分 布寬度是由所述第 一溫度傳感器獲取的溫度和由所述第二溫度傳感器 獲取的溫度之間的差。
全文摘要
燃料電池系統(tǒng)(100)具有燃料電池(60)、重整器(51)、利用燃料電池的陽(yáng)極廢氣作為燃料加熱重整器的燃燒器(52)、和比例控制器(10)，該比例控制器(10)根據(jù)燃燒器內(nèi)氣流方向上的溫度分布控制供給到燃燒器的燃燒成分的比例。
文檔編號(hào)H01M8/06GK101512809SQ200780031936
公開(kāi)日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月31日
發(fā)明者增井孝年 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社