專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及燃料電池系統(tǒng)以及該燃料電池系統(tǒng)所使用的燃料電池的升溫控制方法。
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)是如下的發(fā)電系統(tǒng)，其中，將(用作燃料的)氫和(用作氧化劑的)空氣供給至燃料電池以允許在該燃料電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而發(fā)電。日本特開 2005-166439公開了這種燃料電池系統(tǒng)的一個例子。日本特開2005-166439所公開的燃料電池系統(tǒng)使用一側(cè)設(shè)置有陽極(anode)且另一側(cè)設(shè)置有陰極(cathode)的固體電解質(zhì)燃料電池。將作為氧化氣體的空氣供給至陰極，而將燃料氣體供給至陽極。通過使燃料氣體與空氣發(fā)生反應(yīng)來發(fā)電。該燃料電池系統(tǒng)被配置成具有啟動燃燒器，其中，該啟動燃燒器用于在啟動期間重整或部分燃燒從外部引入的燃料氣體并將由此產(chǎn)生的氣體作為還原性氣體供給至陽極。排氣燃燒器是為了燃燒從陽極側(cè)排出的陽極廢氣而設(shè)置的，而熱交換器是為了利用從排氣燃燒器產(chǎn)生的熱對空氣進行加熱而設(shè)置的。

發(fā)明內(nèi)容
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在日本特開2005-166439所公開的燃料電池系統(tǒng)中，燃燒從陽極排出的陽極廢氣并利用由于該氣體的熱而已升溫的空氣來對燃料電池進行加熱，但沒有利用從陰極排出的排氣的熱。此外，還存在以下顧慮由于向陽極供給溫度比較低的富燃氣體 (rich combustion gas)，在陽極中可能發(fā)生碳沉積。該結(jié)構(gòu)并未考慮該碳沉積。本發(fā)明的一個目的是提供一種燃料電池系統(tǒng)和/或方法，由此有效地利用從陰極排出的排氣的熱，以在避免由溫度變化所引起的局部損壞和其它問題的情況下使燃料電池升溫，并防止陽極發(fā)生碳沉積?？紤]到已知技術(shù)的狀態(tài)，本發(fā)明的一個方面是提供一種燃料電池系統(tǒng)，其基本包括燃料電池、第一燃燒器、第一加熱用氣體返回通道和氣體供給器。所述燃料電池包括具有陽極和陰極的固體電解質(zhì)電池。所述燃料電池被配置為通過使含氫氣體和含氧氣體反應(yīng)來發(fā)電。所述第一燃燒器被配置為選擇性地將加熱用氣體供給至所述燃料電池的陰極。所述第一加熱用氣體返回通道被配置為使從陰極排出的排氣的至少一部分與所述第一燃燒器的加熱用氣體混合，以使得包含陰極的排氣和所述第一燃燒器的加熱用氣體的加熱用混合氣體供給至陰極。所述氣體供給器連接至所述第一加熱用氣體返回通道，從而供給來自陰極的排氣以與所述第一燃燒器的加熱用氣體混合。


現(xiàn)在參考構(gòu)成本申請的原始公開的一部分的附圖圖1是根據(jù)第一實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意框圖；圖2是根據(jù)第一實施例的燃料電池系統(tǒng)的控制器的示意框圖；圖3是根據(jù)第一實施例的燃料電池系統(tǒng)所使用的燃料電池的控制器執(zhí)行的燃料電池升溫方法的流程圖；圖4是根據(jù)第二實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意框圖；圖5是根據(jù)第二實施例的燃料電池系統(tǒng)的控制器的示意框圖；圖6是根據(jù)第二實施例的燃料電池系統(tǒng)所使用的燃料電池的控制器執(zhí)行的燃料電池升溫方法的流程圖；圖7是根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意框圖；圖8是根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)的控制器的示意框圖；圖9是根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)所使用的燃料電池的控制器執(zhí)行的燃料電池升溫方法的流程圖；圖10是根據(jù)第四實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意框圖；圖11是根據(jù)第四實施例的燃料電池系統(tǒng)的控制器的示意框圖；以及圖12是根據(jù)第四實施例的燃料電池系統(tǒng)所使用的燃料電池的控制器執(zhí)行的燃料電池升溫方法的流程圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將參考附圖來解釋優(yōu)選的實施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本公開內(nèi)容將明白，以下對這些實施例的說明僅用于例示而不用于限制如由所附權(quán)利要求書及其等同物所限定的本發(fā)明。首先，參考圖1，例示根據(jù)第一實施例的燃料電池系統(tǒng)Al的示意框圖。從圖1可以看出，燃料電池系統(tǒng)Al包括控制器B、風(fēng)機1、燃料泵2和燃料電池10等等。在例示實施例中，燃料電池10是使用氧離子導(dǎo)體(氧離子導(dǎo)體)作為電解質(zhì)11的固體氧化物燃料電池(SOFC)。在例示實施例中，電解質(zhì)11具有設(shè)置在其一側(cè)上的陽極12以及設(shè)置在其另一側(cè)上的陰極13。在例示實施例中，電解質(zhì)11具有多個固體電解質(zhì)電池14，其中，陽極12和陰極13位于固體電解質(zhì)電池14的相對側(cè)上。具體地，在例示實施例中，固體電解質(zhì)電池14 堆疊以形成電池堆疊體15，其中，陽極12和陰極13位于電池堆疊體15的相對側(cè)上。為了便于例示，在圖1中，通過僅示出固體電解質(zhì)電池14中的一個電池來以簡化方式示出電池堆疊體15。在電池堆疊體15內(nèi)配置有用于獲取電池堆疊體15的溫度數(shù)據(jù)的溫度傳感器 16。將溫度傳感器16所獲取到的溫度數(shù)據(jù)輸入至控制器B。一般而言，在燃料電池10內(nèi)，通過使燃料氣體與空氣發(fā)生反應(yīng)來發(fā)電。固體電解質(zhì)電池14是如下的發(fā)電系統(tǒng)，其中，該發(fā)電系統(tǒng)通過分別供給用作燃料的含氫氣體和用作氧化劑的含氧氣體以允許在燃料電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電。特別地，在例示實施例中， 燃料電池系統(tǒng)Al可以使用例如“乙烷、丁烷、天然氣和其它合適的氣體”作為用作燃料而供給至陽極12的“含氫氣體”。優(yōu)選使用乙醇、丁醇或其它醇。然而，在燃料電池系統(tǒng)Al應(yīng)用于諸如汽車或其它移動單元等的車輛內(nèi)的情況下，汽油、柴油、輕質(zhì)油或其它液體燃料可能特別適用于這些情況。然而，燃料不限于這些例子。此外，在例示實施例中，燃料電池系統(tǒng) Al使用“空氣”作為用作氧化氣體而供給至陰極13的“含氧氣體”的例子。從圖1還可以看出，燃料電池系統(tǒng)Al包括第一燃燒器20、重整器30、熱交換器40、 氣體供給器50和第三燃燒器70等等。風(fēng)機1被配置為向第一燃燒器20和重整器30供給新鮮的含氧氣體。燃料泵2被配置為向第一燃燒器20供給燃料。控制器B對風(fēng)機1和燃料泵2的轉(zhuǎn)速進行控制，從而根據(jù)需要增減各個轉(zhuǎn)速。圖2示意性示出圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的控制器B。在例示實施例中，如以下所述，有效地利用從燃料電池系統(tǒng)Al的陽極 12排出的排氣來使燃料電池10升溫，同時避免由燃料電池10內(nèi)的溫度變化所引起的局部損壞和其它問題并防止碳沉積。第一燃燒器20進行產(chǎn)生加熱用高溫氣體的功能。該加熱用高溫氣體是通過混合并燃燒燃料-空氣混合物所產(chǎn)生的。經(jīng)由流體連接(fluidly connected)在第一燃燒器20 的輸入側(cè)和風(fēng)機1之間的供給管Ia向第一燃燒器20供給空氣。經(jīng)由流體連接在第一燃燒器20的輸入側(cè)和燃料泵2之間的供給管加向第一燃燒器20供給燃料。在第一燃燒器20的排出側(cè)上，供給管20a流體連接在該排出側(cè)和燃料電池10的陰極13的輸入側(cè)之間。供給管20a被設(shè)計成將第一燃燒器20所產(chǎn)生的加熱用氣體供給至陰極13。在陰極13的排出側(cè)配置有排出管13a，以將從陰極13排出的加熱用排氣排出至燃料電池系統(tǒng)Al外。返回通道或返回管17跨在供給管20a和排出管13a之間。在本實施例中，返回管17構(gòu)成第一加熱用排氣返回通道。返回管17被配置為使從陰極13排出的加熱用排氣中的一部分與從第一燃燒器20供給至陰極13的加熱用氣體混合。具體地，返回管17的返回開始端與排出管13a互連，并且返回終止端與供給管20a互連。在返回通道17 中配置有氣體供給器50。氣體供給器50進行將流入返回管17內(nèi)的加熱用排氣供給至陰極 13的功能。在本實施例中，氣體供給器50是風(fēng)機。具體地，加熱用混合氣體是通過使從陰極13排出的加熱用排氣經(jīng)由返回管17和氣體供給器50與從第一燃燒器20供給的加熱用氣體混合所產(chǎn)生的，并將由此產(chǎn)生的加熱用混合氣體供給至陰極13。在氣體供給器50中配置有溫度傳感器19，以獲取從氣體供給器50供給的加熱用排氣的溫度數(shù)據(jù)。將溫度傳感器 19所獲取到的溫度數(shù)據(jù)輸入至控制器B。重整器30被配置為在以下所述的正常工作模式下對供給至燃料電池10的陽極12 的燃料氣體進行重整。供給管2b流體連接在燃料泵2的排出側(cè)和重整器30的輸入側(cè)之間，以向重整器30供給燃料。供給管Ib流體連接在風(fēng)機1和重整器30的輸入側(cè)之間，以向重整器30供給空氣。供給管30a流體連接在重整器30的供給側(cè)和陽極12的輸入側(cè)之間，以將從重整器30供給的重整燃料氣體供給至陽極12。重整器30可以配置有溫度傳感器30b，以根據(jù)需要和/或根據(jù)期望獲取重整器30的溫度數(shù)據(jù)。在陽極12的排出側(cè)配置有排出管12a，以將所排出的燃料排氣供給至第三燃燒器 70。第三燃燒器70進行如下的功能通過混合并燃燒作為燃料與新鮮空氣或從陽極12排出的加熱用排氣的空氣-燃料混合物來產(chǎn)生加熱用高溫氣體。排出管1 流體連接在陽極 12的排出側(cè)和第三燃燒器70的輸入側(cè)之間。在第三燃燒器70的排出側(cè)和熱交換器40的輸入側(cè)之間配置有作為加熱用氣體供給通道的供給管12b，以將第三燃燒器70所產(chǎn)生的加熱用氣體供給至熱交換器40。熱交換器40被配置為貼近重整器30，以使得在這兩者之間發(fā)生熱交換。熱交換器40被設(shè)計成經(jīng)由供給管12b供給有由于第三燃燒器70燃燒從陽極12供給的燃料排氣而產(chǎn)生的燃燒氣體中的一部分。在熱交換器40的排出側(cè)配置有排出管40a，以將燃料排氣在已用于進行熱交換之后排出至系統(tǒng)外。 在本實施例中，在用于使燃料電池10升溫至可工作溫度的升溫期間(在啟動模式或升溫模式期間)，上述的重整器30、熱交換器40和第三燃燒器均不工作，并且沒有向陽極 12供給燃料氣體。因而，僅進行升溫模式，直到燃料電池10的溫度達到其規(guī)定的工作溫度為止。 在例示實施例中，控制器B包括如下的微計算機，其中，該微計算機具有CPU (中央處理單元)、接口電路、諸如R0M(只讀存儲器)裝置和RAM(隨機存取存儲器)裝置等的存儲裝置以及其它的傳統(tǒng)組件(未示出)?？刂破鰾的該微計算機被編程為如下所述對燃料電池系統(tǒng)Al的其它組件進行控制。存儲器電路存儲處理結(jié)果和處理器電路所運行的控制程序?？刂破鰾的內(nèi)部RAM存儲工作標志的狀態(tài)以及各種控制數(shù)據(jù)?？刂破鰾的內(nèi)部ROM 存儲各種操作用的各種規(guī)定數(shù)據(jù)?？刂破鰾包括在燃料電池系統(tǒng)Al的工作期間所使用的一個或多個程序。通過執(zhí)行這些程序，控制器B進行以下的功能(1)測量流經(jīng)返回管17的加熱用排氣的溫度；(2) 測量流經(jīng)返回管17的加熱用排氣的流量；C3)基于流經(jīng)返回管17的加熱用排氣的流量和溫度來設(shè)置供給至第一燃燒器20的燃料和空氣各自的流量，以使得供給至陰極13的加熱用氣體達到預(yù)定溫度；(4)將燃料和含氧氣體以所設(shè)置的流量供給至第一燃燒器20 ； (5)測量燃料電池10的溫度；(6)基于流經(jīng)燃料電池10和返回管17的加熱用排氣各自的溫度來設(shè)置供給至燃料電池10的陰極13的加熱用氣體的溫度；(7)判斷燃料電池10的溫度是否已達到預(yù)定值；以及(8)當(dāng)判斷為燃料電池10的溫度已到達預(yù)定值時，從升溫模式切換為正常工作模式。本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本公開內(nèi)容將明白，控制器B的具體結(jié)構(gòu)和算法可以是能夠執(zhí)行上述這些功能的硬件和/或軟件的任意組合。將控制器B的、用于進行測量流經(jīng)返回管17的加熱用排氣的溫度的功能的編程和 /或硬件稱為“第一加熱用排氣溫度測量部Bi”。在本實施例中，基于溫度傳感器19所獲取到的溫度數(shù)據(jù)來測量加熱用排氣的溫度。將控制器B的、用于進行測量流經(jīng)返回管17的加熱用排氣的流量的功能的編程和/或硬件稱為“第一加熱用排氣流量測量部B2”。第一加熱用排氣流量測量部B2基于風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和該風(fēng)機的一次轉(zhuǎn)動可以送出的氣體量來測量加熱用排氣的流量，其中，風(fēng)機一次轉(zhuǎn)動可以送出的氣體量與氣體供給器50的設(shè)計相對應(yīng)。將控制器B的、用于進行設(shè)置供給至第一燃燒器20的燃料和氣體各自的流量的功能的編程和 /或程序稱為“流量設(shè)置部B3”。術(shù)語“預(yù)定溫度”是指基于燃料電池10的當(dāng)前溫度、燃料電池10不會因熱沖擊而損壞的溫度。將控制器B的、用于進行將燃料和含氧氣體以所設(shè)置的流量供給至第一燃燒器20的功能的編程和/或硬件稱為“燃料氣體供給部B4”。在本實施例中，通過以轉(zhuǎn)動驅(qū)動的方式控制風(fēng)機1和燃料泵2來進行供給。將控制器B的、用于進行測量燃料電池10的溫度的功能的編程和/或硬件稱為“電池溫度測量部B5”。在本實施例中，基于溫度傳感器16所獲取到的溫度數(shù)據(jù)來測量燃料電池10的溫度。將控制器B的、 用于進行設(shè)置供給至陰極13的加熱用氣體的溫度的功能的編程和/或硬件稱為“氣體溫度設(shè)置部B6”。在本實施例中，將加熱用氣體的溫度設(shè)置成隨著時間經(jīng)過而升高至目標溫度。 將控制器B的、用于進行判斷燃料電池10的溫度是否已到達預(yù)定值的功能的編程和/或硬件稱為“電池溫度判斷部B7”。將控制器B的、用于進行在判斷為燃料電池10的溫度已達到預(yù)定值時從升溫模式切換為正常工作模式的功能的編程和/或硬件稱為“模式切換部B8”。如這里所使用的，術(shù)語“升溫模式”是指如上所述的、使燃料電池10升溫至可工作溫度的動作。如這里所使用的，術(shù)語“正常工作模式”是指燃料電池10已達到可工作溫度從而在燃料電池10內(nèi)發(fā)電的工作狀態(tài)。將參考圖3來說明具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)Al所使用的燃料電池的升溫方法。圖3是示出燃料電池系統(tǒng)Al所使用的燃料電池的升溫方法的流程圖。燃料電池系統(tǒng)Al 所使用的升溫方法至少包括測量流經(jīng)第一加熱用排氣返回通道或第一加熱用排氣返回管 17的加熱用排氣的溫度；設(shè)置第一燃燒器20所燃燒的含氧氣體和燃料各自的流量，以使得從第一燃燒器20供給至陰極13的新的加熱用氣體達到預(yù)定溫度；以及將燃料和含氧氣體以所設(shè)置的流量供給至第一燃燒器20。這些步驟的詳情如下所述。現(xiàn)在將參考圖3的流程圖來論述該處理。在步驟Sl中，使燃料電池10升溫以進行啟動操作的處理開始，然后該處理進入步驟S2。在步驟S2中，從陰極13排出的加熱用排氣(貧燃排氣)穿過返回管17，其中，按恒定流量進行循環(huán)回供。將預(yù)定量的燃料和空氣供給至第一燃燒器20并在第一燃燒器20內(nèi)燃燒以產(chǎn)生新的加熱用氣體，該新的加熱用氣體與經(jīng)由返回管17供給回來的加熱用排氣混合以產(chǎn)生預(yù)定溫度的加熱用混合氣體，將該加熱用混合氣體供給至陰極13。在步驟S3中，測量經(jīng)由返回管17進行循環(huán)的加熱用排氣的溫度，并測量燃料電池 10的溫度。在步驟S4中，設(shè)置供給至燃料電池10的新的加熱用氣體的溫度。此時，基于燃料電池10的當(dāng)前溫度，將預(yù)定溫度的加熱用氣體設(shè)置為上述的燃料電池10不會因熱沖擊而損壞的溫度。該預(yù)定溫度是考慮到燃料電池10的熱容量和所供給的加熱用氣體的流量、即加熱用氣體的熱容量而適當(dāng)設(shè)置的。 在步驟S5中，根據(jù)循環(huán)返回的加熱用排氣的流量和比熱來計算為了使燃料電池 10升溫至預(yù)定溫度所需的熱量，并且確定為了產(chǎn)生該熱量而在第一燃燒器20內(nèi)所需的燃料和空氣各自的流量。由于將加熱用氣體供給至陰極13，因此優(yōu)選該加熱用氣體是具有氧化性質(zhì)的貧燃氣體。具體地，該氣體是空燃比1 1. 2的貧燃氣體。在步驟S6中，將以上計算出的燃料量和空氣量供給至第一燃燒器20。在步驟S7中，將第一燃燒器20所產(chǎn)生的加熱用氣體與加熱用排氣混合，并將預(yù)定溫度的加熱用氣體(加熱用混合氣體)供給至燃料電池10。由此，該加熱用混合氣體使燃料電池10升溫。如前面所述，由于供給至燃料電池10的加熱用氣體的溫度是根據(jù)燃料電池10的溫度所設(shè)置的，因此使燃料電池10升溫，并且還逐漸地將所供給的加熱用氣體的溫度設(shè)置為越來越高的溫度。在考慮到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐熱性的情況下向供給至燃料電池10的加熱用混合氣體的溫度指派上限溫度。例如，在本實施例中，上限溫度為800°c。具體地，加熱用氣體的設(shè)置溫度逐漸上升至800°C，之后，供給至燃料電池10的加熱用氣體的溫度將繼續(xù)保持為800°C。從燃料電池10排出的加熱用排氣向燃料電池10提供熱，并且該氣體在與燃料電池10的溫度大致相同的溫度下被排出。因此，由于循環(huán)中的加熱用排氣的溫度隨著燃料電池10的升溫而上升，因此根據(jù)供給至燃料電池10的加熱用氣體的設(shè)置溫度與循環(huán)中的加熱用排氣的溫度之差來調(diào)節(jié)第一燃燒器20內(nèi)的燃燒量，與該循環(huán)中的加熱用排氣混合的加熱用氣體的量，以及供給至燃料電池10的混合氣體的量。這樣，供給加熱用氣體以使燃料電池10升溫，直到燃料電池10達到可工作溫度為止。在步驟S8中，判斷燃料電池10是否已達到可工作溫度。一旦判斷為燃料電池10 已達到可工作溫度，則該處理進入步驟S9。否則，該處理返回至步驟S2，直到燃料電池10 已達到可工作溫度為止。在步驟S9中，加熱升溫操作結(jié)束，并且恢復(fù)正常工作模式。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，由于在室溫或更高溫度下將循環(huán)后的燃料氣體(加熱用排氣)從陰極排出，因此與使用新的或新鮮的空氣作為正常的二次空氣相比，為了產(chǎn)生相同流量的燃料氣體而需要較少的熱量、即較少的燃燒燃料量。因而，可以大幅縮減升溫期間的燃料消耗。對于利用廢熱，可以在不循環(huán)使用燃料排氣的情況下僅利用熱交換器來回收廢熱。然而，由于在升溫處理期間熱交換器自身為低溫，因此將首先使用一定熱量對熱交換器進行加熱。在假定突然發(fā)生啟動操作(即，溫度突然上升)的情況下，大量燃燒氣體將被供給至燃料電池，并且需要超大型熱交換器以回收來自這些大量燃燒氣體的廢熱。因此，熱交換器的熱容量增大，并且即使將熱交換器用于在升溫期間回收廢熱，廢熱的回收率也將由于對熱交換器進行預(yù)熱所需的熱量而不會增大。現(xiàn)在參考圖4 圖6來解釋根據(jù)第二實施例的燃料電池系統(tǒng)A2?？紤]到第一實施例和第二實施例之間的相似性，對第二實施例的燃料電池系統(tǒng)A2中與第一實施例相同的部件指派相同的附圖標記。此外，為了簡短，省略對第二實施例中與第一實施例相同的部件的說明。圖4是示出根據(jù)第二實施例的燃料電池系統(tǒng)A2的結(jié)構(gòu)的示意框圖。圖5是示出作為根據(jù)第二實施例的燃料電池系統(tǒng)A2的組成部分的控制器B的功能的示意框圖。圖 6是示出燃料電池系統(tǒng)A2所使用的燃料電池10的升溫方法的流程圖。除根據(jù)上述第一實施例的燃料電池系統(tǒng)Al所示的結(jié)構(gòu)以外，根據(jù)第二實施例的燃料電池系統(tǒng)A2還包括第二燃燒器60、流量調(diào)節(jié)閥61和溫度傳感器62。此外，本實施例不使用重整器30、熱交換器40 和第三燃燒器70。第二燃燒器60進行產(chǎn)生加熱用高溫氣體的功能。第二燃燒器60使從風(fēng)機1經(jīng)由供給管Ib所供給的空氣與從燃料泵2經(jīng)由供給管2b所供給的燃料混合并燃燒，以產(chǎn)生加熱用高溫氣體。第二燃燒器60的排出側(cè)流體連接至供給管60a，以將所產(chǎn)生的加熱用氣體供給至燃料電池10的陽極12。在供給管13a中配置有流量調(diào)節(jié)閥61。返回通道或返回管 61a流體連接在流量調(diào)節(jié)閥61和供給管60a之間。在本實施例中，返回管61a構(gòu)成第二加熱用排氣返回通道。流量調(diào)節(jié)閥61能夠連接至控制器B的輸出側(cè)，以使得控制器B選擇性地打開和關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥61。具體地，根據(jù)從控制器B輸出的開/閉驅(qū)動信號，流量調(diào)節(jié)閥61引導(dǎo)適當(dāng)量的加熱用排氣流經(jīng)返回管61a。更具體地，返回管61a是為了使從陰極13排出的加熱用排氣循環(huán)至陽極12所形成的。特別地，剩余加熱用排氣的至少一部分沒有循環(huán)回陰極13 而被重新引導(dǎo)至與第二燃燒器60所產(chǎn)生的加熱用氣體混合。這樣，將從陰極13排出的加熱用排氣與第二燃燒器60所產(chǎn)生的加熱用氣體的混合物引入陽極12。
溫度傳感器62用于獲取流經(jīng)返回管61a的加熱用排氣的溫度數(shù)據(jù)。溫度傳感器 62連接至控制器B的輸入側(cè)。換言之，將所獲取到的、流經(jīng)返回管61a的加熱用排氣的溫度數(shù)據(jù)輸入至控制器B。在本實施例中，控制器B包括燃料電池系統(tǒng)A2的工作期間所使用的一個或多個程序。與如上所論述的第一實施例相同，通過執(zhí)行這些程序，控制器B進行第一加熱用排氣溫度測量部Bl、第一加熱用排氣流量測量部B2、流量設(shè)置部B3、燃料氣體供給部B4、電池溫度測量部B5、氣體溫度設(shè)置部B6、電池溫度判斷部B7和模式切換部B8的功能。然而，在本實施例中，除這些功能以外，控制器B還進行以下的功能(1)測量供給至陽極12的加熱用排氣的流量；(2)測量該加熱用排氣的溫度；以及C3)基于從陰極13排出的被供給至陽極12 的加熱用排氣的流量和溫度來設(shè)置在第二燃燒器60內(nèi)燃燒的燃料和空氣各自的流量，以使得供給至陽極12的燃料氣體的溫度和蒸汽(例如，水蒸氣)碳比(S/C比)均達到預(yù)定值。將控制器B的、用于進行測量經(jīng)由返回管61a供給至陽極12的加熱用排氣的流量的功能的編程和/或硬件稱為“第二加熱用排氣流量測量部B9”。將控制器B的、用于進行測量流經(jīng)返回管61a的加熱用排氣的溫度的功能的編程和/或硬件稱為“第二加熱用排氣溫度測量部B10”。將控制器B的、用于進行設(shè)置在第二燃燒器60內(nèi)燃燒的燃料和空氣各自的流量以使得供給至陽極12的燃料氣體的S/C比和溫度均達到預(yù)定值的功能的編程和 /或硬件稱為“第二流量設(shè)置部Bl 1”。參考圖6來說明具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)A2所使用的燃料電池的升溫方法。 圖6是示出燃料電池系統(tǒng)A2所使用的燃料電池的升溫方法的流程圖。在本實施例中，與上述的燃料電池系統(tǒng)Al相同，基于流經(jīng)返回管17的加熱用排氣的流量和溫度來調(diào)節(jié)供給至第一燃燒器20的燃料和空氣各自的流量，以使得供給至陰極 13的加熱用混合氣體達到預(yù)定溫度。在步驟Ml中，使燃料電池10升溫以進行啟動操作的處理開始，并且該處理進入步驟&12。在步驟&ι2中，設(shè)置從陰極13排出的加熱用排氣(貧燃排氣)輸送至返回管61a 的流量。具體地，為了防止陽極12氧化，供給至陽極12的加熱用排氣具有氧化還原性。還原性的加熱用排氣含有一定量的水蒸氣，使得在陽極12上不會發(fā)生碳沉積。還在將該還原性的加熱用排氣調(diào)整為預(yù)定溫度的情況下供給該加熱用排氣，以避免在燃料電池10內(nèi)發(fā)生熱沖擊。為了實現(xiàn)這些效果，使用從陰極13排出并且未循環(huán)經(jīng)過陰極13的加熱用排氣。如上所述，在返回管61a內(nèi)流動的加熱用排氣的氧濃度低。通過使返回管61a的加熱用排氣在被引入陽極12之前與通過在第二燃燒器60內(nèi)進行富燃所產(chǎn)生的新的加熱用氣體混合，由此產(chǎn)生的加熱用混合氣體具有氧化還原性。由于從陰極13排出的加熱用排氣還含有的高濃度的水蒸氣，因此可以提供充足濃度的水蒸氣以防止在陽極12內(nèi)發(fā)生由加熱用混合氣體所引起的碳沉積。通過使用從陰極13供給的加熱用排氣作為第二燃燒器60 所產(chǎn)生的新的加熱用氣體的調(diào)溫用氣體，可以向陽極12供給具有還原性從而無碳沉積風(fēng)險并且還具有期望溫度的加熱用排氣。還可以對所排出的不經(jīng)由返回管17進行循環(huán)的剩余加熱用排氣的輸送量進行適當(dāng)設(shè)置。為了防止陽極12氧化，優(yōu)選供給具有所需最低限度的還原性的燃料氣體。因而，優(yōu)選將從陰極13供給的加熱用排氣的流量設(shè)置為小的量。此夕卜，在燃料電池10突然升溫的情況下，同樣高效地向陽極12供給大量的加熱用氣體，因此將從陰極13供給的加熱用排氣的流量設(shè)置為大的量。對于陰極13，為了使從陰極13供給的加熱用排氣升溫至預(yù)定溫度所需的第二燃燒器60內(nèi)的燃燒量是基于供給至燃料電池10的加熱用氣體的預(yù)定溫度所設(shè)置的。可以獨立于陰極13來設(shè)置供給至陽極12的加熱用氣體的預(yù)定溫度，但為了避免燃料電池10發(fā)生熱沖擊，優(yōu)選將該預(yù)定溫度設(shè)置為與陰極13的溫度大致相同的設(shè)置溫度。第二燃燒器60 內(nèi)的燃燒量是根據(jù)使從陰極13供給的加熱用排氣升溫所需的熱量來設(shè)置的。還考慮到加熱用混合氣體的組成來設(shè)置第二燃燒器60內(nèi)的燃燒量。具體地，為了使加熱用混合氣體具有還原性，考慮要包含多少未燃燒的燃料，并且還考慮為了防止碳沉積在未燃燒的燃料中需要多少水蒸氣。因此，在第二燃燒器60內(nèi)進行富燃，但在空燃比保持在小于1和燃燒極限(在汽油的情況下約為0. 2)之間的情況下進行燃燒。如上所述，沒有經(jīng)由返回管17進行循環(huán)的加熱用排氣與配置在陽極12的上游側(cè)的第二燃燒器60所產(chǎn)生的新的加熱用氣體混合，直到燃料電池10達到預(yù)定溫度為止。這樣，將具有不使燃料電池10發(fā)生熱沖擊的溫度、并且具有消除在陽極12內(nèi)發(fā)生碳沉積的還原性的加熱用氣體供給至燃料電池10以進行升溫。在步驟Sa3中，檢測、測量和存儲從陰極13排出的被引向陽極12的加熱用排氣的溫度和組成。在本實施例中，溫度傳感器62檢測引向陽極12的加熱用排氣的溫度。溫度傳感器62配置在流量調(diào)節(jié)閥61中，但可以使用由配置在氣體供給器50的排出側(cè)的溫度傳感器19所檢測到的溫度來代替利用溫度傳感器62所檢測到的溫度。流量調(diào)節(jié)閥61包括用于測量加熱用排氣的組成的測量裝置。加熱用排氣的組成是由該測量裝置所測量出的。然而，由于如上所述、該組成逐漸接近于在第一燃燒器20內(nèi)產(chǎn)生的加熱用氣體組成，因此還可以根據(jù)第一燃燒器20內(nèi)的燃燒條件(空燃比)來估計該組成。換言之，可以使用設(shè)置有如下的氣體組成估計部的結(jié)構(gòu)，其中，該氣體組成估計部用于基于第一燃燒器20內(nèi)的燃燒條件(空燃比)來估計加熱用排氣的組成。在步驟Sa4中，設(shè)置供給至陽極12的加熱用氣體的溫度。在步驟Sa5中，基于加熱用排氣的流量和溫度來設(shè)置第二燃燒器60內(nèi)的燃燒量。在步驟Sa6中，將燃料和氣體供給至第二燃燒器60。在步驟Sa7中，使從第二燃燒器60供給的新的加熱用氣體和從陰極13排出的加熱用排氣混合并供給至陽極12。在步驟中，判斷燃料電池10是否已達到可工作溫度。一旦判斷為已達到可工作溫度，則該處理進入步驟&9。否則，如果沒有達到可工作溫度，則該處理返回至步驟 S 3.2 ο在步驟M9中，加熱升溫操作結(jié)束，并且該系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎９ぷ髂Ｊ健，F(xiàn)在參考圖7 圖9來解釋根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)A3?？紤]到該第三實施例和前述實施例之間的相似性，對第三實施例的燃料電池系統(tǒng)A3中與前述實施例相同的部件指派相同的附圖標記。此外，為了簡短，已省略了對第三實施例中與前述實施例相同的部件的說明。圖7是示出根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)A3的結(jié)構(gòu)的示意框圖。圖8 是根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)A3的控制器B的示意框圖。圖9是示出燃料電池系統(tǒng) A3所使用的燃料電池10的控制器B執(zhí)行的燃料電池升溫方法的流程圖。
除了根據(jù)上述第一實施例的燃料電池系統(tǒng)Al所示的結(jié)構(gòu)以外，根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)A3還具有如下的結(jié)構(gòu)，其中，該結(jié)構(gòu)配置有第二實施例中的流量調(diào)節(jié)閥 61、第二實施例中的溫度傳感器62、以及流量調(diào)節(jié)閥71。供給管2b流體連接在燃料泵2和重整器30的輸入側(cè)之間。此外，供給管30a流體連接在重整器30的排出側(cè)和陽極12之間。流量調(diào)節(jié)閥61配置在供給管13a和返回管 61a之間。返回管61a流體連接在流量調(diào)節(jié)閥61和供給管30a之間。換言之，返回管61a 被形成為向陽極12供給從陰極13排出且未循環(huán)回陰極13的剩余加熱用排氣中的至少一部分。流量調(diào)節(jié)閥71設(shè)置在返回管61a中。對流量調(diào)節(jié)閥71進行設(shè)計，以使得供給管 71a流體連接在該閥和重整器30的輸入側(cè)之間，并且可以將加熱用排氣輸送至陽極12和重整器30。供給管71a構(gòu)成用于將從陰極13排出的加熱用排氣中的至少一部分回供至重整器30的第三加熱用排氣返回通道。流量調(diào)節(jié)閥71連接至控制器B的輸出側(cè)，從而根據(jù)從控制器B輸出的開閉驅(qū)動信號來選擇性地進行開閉。在本實施例中，控制器B包括燃料電池系統(tǒng)A3的工作期間所使用的一個或多個程序。與如上所述的第一實施例相同，通過執(zhí)行這些程序，控制器B進行第一加熱用排氣溫度測量部Bl、第一加熱用排氣流量測量部B2、流量設(shè)置部B3、燃料氣體供給部B4、電池溫度測量部B5、氣體溫度設(shè)置部B6、電池溫度判斷部B7和模式切換部B8的功能。然而，在本實施例中，除這些功能以外，控制器B還進行以下的功能⑴判斷重整器30的溫度是否已達到工作溫度；O)當(dāng)判斷為重整器30的溫度已達到工作溫度時，基于從陰極13排出的、經(jīng)由供給管71a被回供至重整器30的加熱用排氣的溫度和輸送量來設(shè)置對重整器30的燃料和空氣各自的流量；以及⑶將加熱用排氣以所設(shè)置的流量供給至重整器30。將控制器B的、用于判斷重整器30的溫度是否已達到工作溫度的功能的編程和/ 或硬件稱為“工作溫度判斷部B12”。重整器30配置有溫度傳感器30b，以獲取重整器30的溫度數(shù)據(jù)。將控制器B的、用于進行設(shè)置對重整器30的燃料和空氣各自的流量的功能的編程和/或硬件稱為“重整器流量設(shè)置部B13”。將控制器B的、用于進行將加熱用排氣以所設(shè)置的流量供給至重整器30的功能的編程和/或硬件稱為“重整器氣體供給部B14”。參考圖9來說明使用具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)A3所使用的燃料電池的升溫方法。圖9是示出燃料電池系統(tǒng)A3所使用的燃料電池的升溫方法的流程圖。在本實施例中，與上述燃料電池系統(tǒng)Al相同，基于流經(jīng)返回管17的加熱用排氣的流量和溫度來調(diào)節(jié)供給至第一燃燒器20的含氫氣體和空氣各自的流量的增減，以使得供給至陰極13的加熱用混合氣體達到預(yù)定溫度。在步驟中，使燃料電池10升溫從而進行啟動操作的處理開始，并且該處理進入步驟&2。在步驟Sc2中，利用第三燃燒器70所產(chǎn)生的加熱用排氣對重整器30進行預(yù)熱。將從陰極13供給的加熱用排氣應(yīng)用于重整器30中的重整反應(yīng)，并且通過重整后的加熱用排氣來防止陽極12中的碳沉積。還將針對重整后的加熱用氣體的調(diào)溫用氣體輸送至重整器 30的上游，并用于與重整器30的下游處的重整后的加熱用氣體混合。在步驟Sc3中，判斷重整器30是否已達到工作溫度。如果判斷為重整器30已達到工作溫度，則該處理進入步驟&4。否則，如果沒有達到工作溫度，則該處理返回至步驟Sc2。在步驟中，根據(jù)輸送量和重整器30的溫度來設(shè)置重整器30的燃料和空氣各自的流量。在步驟Sc5中，將燃料、空氣和加熱用排氣供給至重整器30。首先，為了使重整器30達到可工作溫度(工作溫度)，將燃料、空氣和加熱用排氣供給至第三燃燒器70并進行混合，從而產(chǎn)生加熱用氣體。將該加熱用氣體供給至為了對重整器30進行預(yù)熱所設(shè)置的熱交換器40。因而，使重整器30升溫。在重整器30已達到工作溫度之后，將燃料和從陰極13供給的加熱用排氣供給至重整器30。這樣，產(chǎn)生了重整氣體。由于在從陰極13供給的加熱用排氣中包含微量氧和大量水蒸氣，因此在重整器 30中通過部分氧化反應(yīng)和水蒸氣重整反應(yīng)來產(chǎn)生重整氣體。由于部分氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)并且水蒸氣重整反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此保持這兩個反應(yīng)的速率之間的平衡，從而使重整器30穩(wěn)定地工作，即保持重整器30處于預(yù)定溫度范圍內(nèi)。因此，根據(jù)需要向重整器30供給空氣，從而增大部分氧化反應(yīng)的速率。在已將重整后的加熱用排氣供給至陽極12之后，使包括在所排出的重整氣體中的未燃燒的燃料成分在第三燃燒器70內(nèi)燃燒，由此可以產(chǎn)生高溫燃料氣體，并將該燃料氣體作為重整器30的調(diào)溫氣體供給至熱交換器40。通過在重整器30內(nèi)的反應(yīng)速率和來自加熱用排氣的熱之間實現(xiàn)平衡，可以使重整器30在預(yù)定溫度范圍內(nèi)以穩(wěn)定方式工作。從陰極13供給的加熱用排氣由設(shè)置在重整器 30的上游的流量調(diào)節(jié)閥71分成為了進行重整反應(yīng)而供給至重整器30的流量、和為了對重整氣體進行調(diào)溫而供給至重整器30的下游的流量。與上述燃料電池系統(tǒng)A2相同，混合后的加熱用排氣是無碳沉積風(fēng)險的含水蒸氣的還原性重整氣體，并且對輸送量和在重整器30內(nèi)產(chǎn)生的重整氣體量、即供給至重整器30 的燃料量進行調(diào)節(jié)，以使得達到預(yù)定溫度。在步驟中，將重整后的加熱用混合氣體供給至陽極12。在步驟中，判斷燃料電池10是否已達到可工作溫度。一旦判斷為已達到可工作溫度，則該處理進入步驟&8。否則，如果沒有達到可工作溫度，則該處理返回至步驟 Sc4。在步驟中，加熱升溫操作結(jié)束，并且該系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎９ぷ髂Ｊ健，F(xiàn)在將參考圖10 圖12來解釋根據(jù)第四實施例的燃料電池系統(tǒng)A4?？紤]到該第四實施例和前述實施例之間的相似性，對第四實施例的燃料電池系統(tǒng)A4中與前述實施例相同的部件指派相同的附圖標記。此外，為了簡短，已省略了針對第四實施例中與前述實施例相同的部件的說明。圖10是示出根據(jù)第四實施例的燃料電池系統(tǒng)A4的結(jié)構(gòu)的示意框圖。圖11是根據(jù)第四實施例的燃料電池系統(tǒng)A4的控制器B的示意框圖。圖12是示出燃料電池系統(tǒng)A4所使用的燃料電池10的控制器B執(zhí)行的燃料電池升溫方法的流程圖。根據(jù)第四實施例的燃料電池系統(tǒng)A4具有根據(jù)前述第一實施例的燃料電池系統(tǒng)Al 所示的結(jié)構(gòu)，其中，該結(jié)構(gòu)配置有溫度傳感器63。溫度傳感器63被配置為測量供給至燃料電池10的陰極13的加熱用混合氣體的溫度。溫度傳感器63連接至控制器B的輸入側(cè)。換言之，將所獲取到的加熱用混合氣體的溫度數(shù)據(jù)輸入至控制器B。
在本實施例中，控制器B包括燃料電池系統(tǒng)A4的工作期間所使用的一個或多個程序。與如上所論述的第一實施例相同，通過執(zhí)行這些程序，控制器B進行第一加熱用排氣溫度測量部Bl、第一加熱用排氣流量測量部B2、流量設(shè)置部B3、燃料氣體供給部B4、電池溫度測量部B5、氣體溫度設(shè)置部B6、電池溫度判斷部B7和模式切換部B8的功能。然而，在本實施例中，除了這些功能以外，控制器B還進行以下的功能(1)測量供給至陰極13的加熱用混合氣體的溫度；以及( 判斷供給至陰極13的加熱用混合氣體和流經(jīng)返回管17的加熱用排氣之間的溫度差。將控制器B的、用于進行測量供給至陰極的加熱用混合氣體的溫度的功能的編程和/或硬件稱為“陰極供給氣體溫度測量部B15”。在本實施例中，基于溫度傳感器63所獲取到的溫度數(shù)據(jù)來測量加熱用混合氣體的溫度。將控制器B的、用于進行判斷供給至陰極 13的加熱用混合氣體和流經(jīng)返回管17的加熱用排氣之間的溫度差的功能的編程和/或硬件稱為“氣體溫度差判斷部B16”。換言之，氣體溫度差判斷部B16判斷供給至陰極13的加熱用混合氣體和從陰極13排出的加熱用排氣之間的溫度差是否超過預(yù)定值。在判斷為溫度差在預(yù)定范圍外時，氣體溫度設(shè)置部B6重設(shè)供給至陰極13的加熱用氣體的溫度，以使得該溫度差恢復(fù)到預(yù)定范圍內(nèi)。參考圖12來說明具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)A4所使用的燃料電池的升溫方法。在本實施例中，與上述燃料電池系統(tǒng)Al相同，基于流經(jīng)返回管17的加熱用排氣的流量和溫度來調(diào)節(jié)供給至第一燃燒器20的燃料和空氣各自的流量，以使得供給至陰極13的加熱用氣體達到預(yù)定溫度。在步驟Sdl中，使燃料電池10升溫從而進行啟動操作的處理開始，并且該處理進入步驟Sd2。在步驟Sd2中，使加熱用排氣經(jīng)由返回管17回供。在步驟Sd3中，檢測、測量和存儲燃料電池10和加熱用排氣各自的溫度。在步驟Sd4中，設(shè)置供給至燃料電池10的加熱用氣體的溫度。具體地，基于燃料電池10的溫度來設(shè)置供給至燃料電池10的加熱用氣體的溫度。在步驟Sd5中，判斷燃料電池10和加熱用排氣之間的溫度差是否等于或大于預(yù)定值。在判斷為該溫度差等于或大于預(yù)定值時，該處理進入步驟Sd6。否則，如果該溫度差小于預(yù)定值，則該處理進入步驟SdlO。換言之，判斷所供給的加熱用氣體溫度減去經(jīng)由返回管 17進行循環(huán)的加熱用排氣的溫度是否超過預(yù)定值。在步驟Sd6中，根據(jù)加熱用排氣的溫度和循環(huán)供給量來確定第一燃燒器20內(nèi)的燃燒里。在步驟Sd7中，向第一燃燒器20供給通過計算所確定的燃料量和空氣量。在步驟SdS中，混合并供給新的加熱用氣體和加熱用排氣。在步驟Sd9中，判斷燃料電池10是否已達到預(yù)定溫度。當(dāng)判斷為已達到預(yù)定溫度時，該處理進入步驟Sdll，否則該處理返回至步驟Sd2。在步驟SdlO中，在超過預(yù)定值的情況下，不在第一燃燒器20內(nèi)進行燃燒，并且僅將加熱用排氣經(jīng)由返回管17供給至燃料電池10。因而，燃料電池10的上游側(cè)冷卻而下游側(cè)加熱，并且可以立即對溫度進行修正。在步驟Sdll中，加熱升溫操作結(jié)束，并且該系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎９ぷ髂Ｊ健?br> 總結(jié)根據(jù)本實施例的燃料電池系統(tǒng)A4如下。具體地，當(dāng)燃料電池10的上游側(cè)和下游側(cè)之間的溫度差已達到預(yù)定值時，在第一燃燒器20內(nèi)產(chǎn)生的加熱用氣體在不與循環(huán)氣體混合的情況下被供給至燃料電池10。換言之，使用使供給至燃料電池10的燃燒氣體冷卻的系統(tǒng)，由此可以立即消除燃料電池10的上游側(cè)和下游側(cè)之間的溫度差。可以減輕在燃料電池10內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力，由此提高了升溫期間燃料電池10的可靠性。此外，當(dāng)在上游/ 下游溫度差的情況下降低所供給的加熱用氣體的溫度時，燃料電池10冷卻，并將供給至燃料電池10的熱暫時傳遞至加熱用氣體。此時，如果加熱用排氣在系統(tǒng)內(nèi)原樣進行循環(huán)，則供給至燃料電池10的熱循環(huán)回燃料電池10，但在不使加熱用排氣循環(huán)的傳統(tǒng)系統(tǒng)中，取自燃料電池10的熱流出系統(tǒng)外。 因此，為了使燃料電池10升溫而必須供給額外的熱，這導(dǎo)致燃料消耗增加，但在本系統(tǒng)中升溫期間不會發(fā)生這種燃料消耗增加，并且可以立即消除上游/下游溫度差。在本實施例中，為了提高可靠性，在發(fā)生上游/下游溫度差時使用降低加熱用氣體的溫度的系統(tǒng)，但其它的選擇包括使用降低升溫速度的系統(tǒng)或使用供給相同溫度的加熱用氣體的系統(tǒng)等。此時，適當(dāng)設(shè)置上游/下游溫度差的預(yù)定值(容許值)。在降低燃料氣體的溫度的情況下，由于可以立即消除該溫度差，因此優(yōu)選將預(yù)定值設(shè)置為比較高的溫度；并且在降低升溫速度的情況下，由于以緩慢的速度消除該溫度差， 因而將預(yù)定值設(shè)置為比較低的溫度。此外，可以通過組合升溫速度下降為第一預(yù)定值、溫度維持于第二預(yù)定值、溫度下降為第三預(yù)定值等的系統(tǒng)來消除上游/下游溫度差。盡管僅選擇了優(yōu)選的實施例來例示本發(fā)明，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本公開內(nèi)容將明白，在不背離如由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以進行各種改變和修改。例如，在上述本實施例中，說明了如下的例子對返回管17設(shè)置氣體供給器50，然而代替設(shè)置氣體供給器50，可以對排出管13a和返回管17的流路截面進行設(shè)計，以使得考慮到在電池堆疊體15已達到預(yù)定溫度時流經(jīng)陰極13的空氣量，第一燃燒器20內(nèi)的燃料氣體與空氣之比落入期望范圍內(nèi)。此外，例如，流路截面不限于相互不同；另一選擇是適當(dāng)設(shè)置排出管13a和返回管 17的流路長度。在本實施例中，示出了對返回管設(shè)置氣體供給器的例子，然而在其它結(jié)構(gòu)中，例如，與正常工作模式期間所使用的陽極的循環(huán)部件共用氣體供給器。具體地，管和切換閥可以適當(dāng)?shù)剡B接并相應(yīng)地進行使用，從而在升溫期間用作針對陰極的循環(huán)裝置和在正常工作期間用作針對陽極的循環(huán)裝置。說明了風(fēng)機作為氣體供給器的例子，但還可以適當(dāng)使用噴射器等。因而，本發(fā)明不限于上述實施例；可以進行諸如以下所述等的各種修改。例如，被示出為直接連接或相互接觸的組件之間可以布置中間結(jié)構(gòu)。一個元件的功能可以由兩個元件來執(zhí)行，反之亦然。一個實施例的結(jié)構(gòu)和功能可以用于另一實施例。具體實施例無需同時具有所有的優(yōu)點。應(yīng)當(dāng)認為相對于現(xiàn)有技術(shù)來說獨特的各個特征本身或其與其它特征的結(jié)合均為對本申請人的進一步發(fā)明的單獨說明，包括該特征所體現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和/或功能概念。因而，前面對根據(jù)本發(fā)明的實施例的說明僅用于例示，而無意限制如由所附權(quán)利要求書及其等同物限定的本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池，其包括具有陽極和陰極的固體電解質(zhì)電池，并被配置為通過使含氫氣體與含氧氣體發(fā)生反應(yīng)來發(fā)電；第一燃燒器，其被配置為選擇性地向所述燃料電池的陰極供給加熱用氣體； 第一加熱用氣體返回通道，其被配置為使從所述陰極排出的排氣中的至少一部分與所述第一燃燒器的加熱用氣體混合，以向所述陰極供給包含所述陰極的排氣和所述第一燃燒器的加熱用氣體的加熱用混合氣體；以及氣體供給器，其連接至所述第一加熱用氣體返回通道從而供給來自所述陰極的排氣， 以使來自所述陰極的排氣與所述第一燃燒器的加熱用氣體混合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括第二燃燒器，其被配置為選擇性地向所述燃料電池的陽極供給加熱用氣體；以及第二加熱用氣體返回通道，其被配置為供給從所述陰極排出的排氣中的至少一部分， 以使得來自所述陰極的排氣與所述第二燃燒器的加熱用氣體混合，從而向所述陽極供給包含所述排氣和所述第二燃燒器的加熱用氣體的混合氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，對所述第二加熱用氣體返回通道進行配置，以使得回供至所述陽極的排氣僅是從所述陰極排出的加熱用排氣的總量中的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括 重整器，其被配置為向所述燃料電池供給含氫氣體和含氧氣體；以及附加的加熱用氣體返回通道，其被配置為向所述重整器供給從所述陰極排出的排氣中的至少一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括 熱交換器，其被配置為與所述重整器交換熱；以及第三燃燒器，其被配置為選擇性地經(jīng)由流體連接在所述第三燃燒器和所述熱交換器之間的加熱用氣體供給通道向所述熱交換器供給加熱用氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括第一加熱用排氣溫度測量部，其被配置為測量流經(jīng)所述第一加熱用氣體返回通道的排氣的溫度；第一加熱用排氣流量測量部，其被配置為測量流經(jīng)所述第一加熱用氣體返回通道的排氣的流量；流量設(shè)置部，其被配置為基于所述第一加熱用排氣溫度測量部所測量出的溫度和所述第一加熱用排氣流量測量部所測量出的流量來設(shè)置供給至所述第一燃燒器的含氫氣體和含氧氣體各自的流量，以使得從所述第一燃燒器供給至所述陰極的加熱用氣體達到預(yù)定溫度；以及燃料氣體供給部，其被配置為以所述流量設(shè)置部所設(shè)置的流量向所述第一燃燒器供給含氫氣體和含氧氣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括 電池溫度測量部，其被配置為測量所述燃料電池的溫度；氣體溫度設(shè)置部，其被配置為基于所述第一加熱用排氣溫度測量部和所述電池溫度測量部各自測量出的溫度來設(shè)置從所述第一燃燒器供給至所述陰極的加熱用氣體的溫度； 電池溫度判斷部，其被配置為判斷所述燃料電池是否已達到工作開始溫度；以及模式切換部，其被配置為在判斷為所述燃料電池已達到所述工作開始溫度時，從升溫模式切換為正常工作模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體溫度設(shè)置部被配置為將從所述第一燃燒器供給的加熱用氣體的溫度設(shè)置為隨著時間經(jīng)過而升高至目標溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括第二加熱用排氣流量測量部，其被配置為測量經(jīng)由所述第二加熱用氣體返回通道供給至所述陽極的排氣的流量；第二加熱用排氣溫度測量部，其被配置為測量經(jīng)由所述第二加熱用氣體返回通道供給至所述陽極的排氣的溫度；以及第二流量設(shè)置部，其被配置為基于所述第二加熱用排氣流量測量部所測量出的流量和所述第二加熱用排氣溫度測量部所測量出的溫度來設(shè)置供給至所述第二燃燒器的含氫氣體和含氧氣體各自的流量，以使得供給至所述陽極的排氣的蒸汽碳比和溫度各自達到預(yù)定值。
10.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括第二流量設(shè)置部，其被配置為基于供給至所述重整器的排氣的流量和溫度來設(shè)置供給至所述重整器的含氫氣體和含氧氣體各自的流量，以使得供給至所述陽極的燃料氣體的蒸汽碳比和溫度各自達到預(yù)定值。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括工作溫度判斷部，其被配置為判斷所述重整器的溫度是否已達到所述重整器的工作溫度；重整器流量設(shè)置部，其被配置為在判斷為所述重整器的溫度已達到所述重整器的工作溫度時，基于所述工作溫度判斷部所判斷出的所述重整器的溫度以及從所述陰極排出并流入所述重整器的排氣的輸送量來設(shè)置流入所述重整器的排氣的流量；以及重整器氣體供給部，其被配置為以所設(shè)置的流量向所述重整器供給排氣。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括 陰極供給氣體溫度測量部，其被配置為測量供給至所述陰極的加熱用混合氣體的溫度；以及氣體溫度差判斷部，其被配置為判斷供給至所述陰極的加熱用混合氣體和流經(jīng)所述第一加熱用氣體返回通道的排氣之間的溫度差；其中，所述氣體溫度設(shè)置部被配置為當(dāng)判斷為所述溫度差在預(yù)定范圍外時，對從所述第一燃燒器供給至所述陰極的加熱用氣體的溫度進行設(shè)置，以使得所述溫度差恢復(fù)到所述預(yù)定范圍內(nèi)。
13.一種固體氧化物燃料電池升溫方法，包括在接收含氫氣體和含氧氣體的第一燃燒器內(nèi)產(chǎn)生加熱用氣體； 在燃料電池開始工作之前，通過使用氣體供給器來使從所述燃料電池的陰極排出的排氣中的至少一部分再循環(huán)回所述陰極，以使得所述燃料電池加熱升溫至所述燃料電池的工作溫度，其中，所述氣體供給器使從所述陰極排出的排氣中的至少一部分與所述第一燃燒器的加熱用氣體混合并流向所述陰極；在從所述陰極起開始再循環(huán)的排氣與從所述第一燃燒器輸出的加熱用氣體混合之前， 測量該排氣的溫度；設(shè)置供給至所述第一燃燒器的含氫氣體和含氧氣體各自的流量，以使得從所述第一燃燒器輸出并被供給至所述陰極的加熱用氣體達到預(yù)定溫度；以及以所設(shè)置的流量向所述第一燃燒器供給燃料和含氧氣體。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，其配置有燃料電池(10)、第一燃燒器(20)、第一加熱用氣體返回通道(17)和氣體供給器(50)。燃料電池(10)包括具有陽極(12)和陰極(13)的固體電解質(zhì)電池。燃料電池(10)通過使含氫氣體和含氧氣體發(fā)生反應(yīng)來發(fā)電。第一燃燒器(20)選擇性地向燃料電池(10)的陰極(13)供給加熱用氣體。第一加熱用氣體返回通道(17)將從陰極(13)排出的排氣中的至少一部分與第一燃燒器(20)的加熱用氣體混合，以向陰極(13)供給包含該排氣和該加熱用氣體的加熱用混合氣體。氣體供給器(50)連接至第一加熱用氣體返回通道(17)，從而供給來自陰極(13)的排氣以與第一燃燒器(20)的加熱用氣體混合。
文檔編號H01M8/04GK102473948SQ201080033948
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月30日
發(fā)明者矢口竜也, 竹內(nèi)和史 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社