燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法转让专利
申请号 : CN201780093492.5
文献号 : CN110959211B
文献日 : 2021-06-11
发明人 : 有阪朋子 , 宫川慎二
申请人 : 日产自动车株式会社
摘要 :
权利要求 :
1.一种燃料电池系统,具备:燃料电池;
催化燃烧器,其被供给原燃料和氧化剂,来生成所述原燃料的燃烧气体;
重整器,其用于对所述原燃料进行重整,来生成所述燃料电池的燃料气体;以及控制部,其控制针对所述催化燃烧器的所述原燃料和所述氧化剂的供给,其中,在所述燃料电池系统启动时,所述控制部向所述催化燃烧器供给所述原燃料和所述氧化剂,在转为所述催化燃烧器中的所述原燃料的重整反应比所述原燃料的燃烧反应占优势的时期,所述控制部使所述氧化剂与所述原燃料的比率即空燃比相比于转为所述重整反应占优势的时期前的空燃比而言增大,其中,所述控制部在如下情况中的任一情况下,使所述空燃比增大:在所述燃料电池系统开始启动之后,在所述燃烧气体中的特定气体成分的浓度达到规定浓度时,
在所述燃料电池系统开始启动之后,在所述催化燃烧器的温度达到第一规定温度时,以及
在所述燃料电池系统开始启动之后的经过时间达到规定时间时。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统,其特征在于,还具备阳极气体通路,该阳极气体通路用于向所述燃料电池供给燃料气体,所述重整器插入安装于所述阳极气体通路,所述催化燃烧器被设置成能够对所述燃料电池和所述重整器中的至少一方进行加热。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统,其特征在于,所述原燃料为乙醇,
所述特定气体成分为CO、CO2、CH4、H2、H2O以及CH3CHO中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统,其特征在于,所述控制部具有排气传感器,该排气传感器被配设成能够检测所述特定气体成分的浓度。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统,其特征在于,所述控制部判定所述催化燃烧器所具备的催化剂的劣化程度,所述催化剂的劣化越严重,则所述控制部使所述规定时间越迟。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统,其特征在于,在使所述空燃比增大之后,在所述催化燃烧器的温度上升且达到第二规定温度时,所述控制部使所述空燃比减少。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统,其特征在于,所述控制部在要使所述空燃比增大时,使针对所述催化燃烧器供给的所述氧化剂的供给量增大。
8.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统,其特征在于,所述控制部在要使所述空燃比增大时,使针对所述催化燃烧器供给的所述原燃料的供给量减少。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统,其特征在于,所述控制部在要使所述空燃比增大时,停止对所述催化燃烧器供给所述原燃料,并且交替地进行供给的再开始和供给的停止。
10.一种燃料电池系统,具备:燃料电池;
催化燃烧器,其被供给原燃料和氧化剂,来生成所述原燃料的燃烧气体;
重整器,其用于对所述原燃料进行重整,来生成所述燃料电池的燃料气体;以及控制部,其控制针对所述催化燃烧器的所述原燃料和所述氧化剂的供给,其中,在所述燃料电池系统启动时,所述控制部向所述催化燃烧器供给所述原燃料和所述氧化剂,在所述催化燃烧器的温度趋向目标温度上升的过程中穿过所述原燃料的重整反应比所述原燃料的燃烧反应占优势的规定温度区域时,所述控制部使所述氧化剂与所述原燃料的比率即空燃比相比于所述催化燃烧器的温度处于所述规定温度区域外时的空燃比而言增大。
11.一种燃料电池系统的控制方法,用于控制燃料电池系统,该燃料电池系统具备重整器和催化燃烧器,用于向燃料电池供给通过所述重整器中的原燃料的重整所产生的燃料气体,其中,
在所述燃料电池系统启动时,使所述原燃料在所述催化燃烧器的催化剂上燃烧,以通过燃烧所产生的燃烧气体为热源,来促进所述燃料电池系统的暖机,在转为所述催化剂上的所述原燃料的重整反应比所述原燃料的燃烧反应占优势的时期,使针对所述燃烧提供的氧化剂与所述原燃料的比率即空燃比相比于转为所述重整反应占优势的时期前的空燃比而言增大,其中,在如下情况中的任一情况下,使所述空燃比增大:在所述燃料电池系统开始启动之后,在所述燃烧气体中的特定气体成分的浓度达到规定浓度时,
在所述燃料电池系统开始启动之后,在所述催化燃烧器的温度达到第一规定温度时,以及
在所述燃料电池系统开始启动之后的经过时间达到规定时间时。
说明书 :
燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法
技术领域
背景技术
燃料电池进行加热,以促进燃料电池的暖机(第0068、0069段)。
发明内容
的燃烧,有时在使催化剂升温的过程中大气污染物质的排出量增大。因而,如果只是单纯地
向燃烧器供给原燃料并使原燃料燃烧,担心向大气中排放的大气污染物质增加。
燃烧器的原燃料和氧化剂的供给。本方式所涉及的控制部在燃料电池系统启动时向催化燃
烧器供给原燃料和氧化剂,在转为催化燃烧器中的原燃料的重整反应比原燃料的燃烧反应
占优势的时期,该控制部使氧化剂与原燃料的比率即空燃比相比于转为重整反应占优势的
时期前的空燃比增大。
附图说明
具体实施方式
器”)4以及控制部5。
在阳极(anode)系统中具备用于向燃料电池的阳极供给燃料气体的阳极气体通路11以及用
于流通从阳极排出的发电反应后的阳极排气的阳极排气通路11exh(在图1中未图示),另一
方面,在阴极(cathode)系统中具备用于向燃料电池的阴极供给氧化剂气体的阴极气体通
路12以及用于流通从阴极排出的发电反应后的阴极排气的阴极排气通路12exh(未图示)。
(箭头A1)。原燃料例如是含氧燃料,在本实施方式中是乙醇。
燃料电池的阴极供给大气中的空气来向阴极供给发电反应中使用的氧。氧化剂气体或空气
从大气向阴极气体通路12的吸入例如是由设置于阴极气体通路12的开放端附近的空气压
缩机或鼓风机等空气吸入单元6进行的。
电池堆1,还被供给到燃料处理部2和氧化剂气体加热部3。图1通过粗的虚线示出了热量从
燃烧器4向燃料电池堆1、燃料处理部2以及氧化剂气体加热部3的移动。
单元的控制器51。用于向燃料处理部2供给原燃料的主燃料供给单元52以及用于向燃烧器4
供给原燃料的副燃料供给单元53均可以为喷射器(第一燃料喷射器52、第二燃料喷射器
53)。第一燃料喷射器52和第二燃料喷射器53能够构成为:根据来自控制器51的指令信号来
进行工作,能够对燃料处理部2和燃烧器4连续或间歇地供给原燃料。
行处理的状态的情况下,通过第一燃料喷射器52向燃料电池系统S供给原燃料,在燃料处理
部2不处于能够对原燃料进行处理的状态的情况下,通过第二燃料喷射器53供给原燃料。由
此,在燃料处理部2不处于能够对原燃料进行处理的状态的情况下,以在燃烧器4中生成的
燃烧气体为热源来对燃料电池堆1和燃料处理部2进行加热,以促进燃料电池系统S的暖机。
燃料罐7中贮存有含氧燃料与水的混合物(例如含有45体积%的乙醇的乙醇水溶液)。燃料
罐7与燃料电池堆1经由阳极气体通路11进行连接,在阳极气体通路11上,从流动的方向上
的上游侧起依次插入安装有蒸发器21、燃料热交换器22以及重整器23。另一方面,在蒸发器
21的上游侧,从阳极气体通路11分支出分支燃料通路11sub,分支燃料通路11sub连接于燃
烧器(催化燃烧器)41。在阳极气体通路11上的分支燃料通路11sub的分支点与蒸发器21之
间的位置插入安装有第一燃料喷射器52,在分支燃料通路11sub上插入安装有第二燃料喷
射器53。由此,能够将原燃料的流通在阳极气体通路11与分支燃料通路11sub之间进行切
换。蒸发器21、燃料热交换器22以及重整器23构成燃料电池系统S的燃料处理部2,用于对原
燃料进行处理,来生成燃料电池的燃料气体。
时需要从外部供给热量。在本实施方式中,在重整期间也利用燃烧器41使阳极排气中的残
留燃料燃烧,并将通过燃烧而产生的热量供给到重整器23。
在本实施方式中,在阴极气体通路12的开放端附近设置有空气压缩机61,大气中的空气作
为氧化剂气体通过空气压缩机61被吸入到阴极气体通路12。被吸入的空气在通过空气热交
换器31时从常温(例如25℃)被加热,之后被供给到燃料电池堆1。
烧气体。在本实施方式中,燃烧器41与蒸发器21经由燃烧气体通路42进行连接,利用燃烧气
体所具有的热量来对蒸发器21进行加热。另一方面,构成为:燃料热交换器22和重整器23被
收容在与燃烧器41共用的壳体中(用双点划线L表示),燃烧气体的热量在该共用的壳体L的
内部被传递到燃料热交换器22和重整器23。这样,在本实施方式中,利用在燃烧器41中生成
的燃烧气体,不仅对燃料电池堆1进行加热,还对燃料处理部2进行加热。不限于此,燃烧器
41也可以是对燃料电池堆1和燃料处理部2中的某一个进行加热的专用的燃烧器。
通路12sub的氧化剂(空气)的流量进行调节的流量控制阀62。并且,燃烧器41与从燃料电池
堆1延伸出的阳极排气通路11exh及阴极排气通路12exh连接。由此,在燃料电池系统S启动
时,在重整器23达到可重整温度之前,能够通过将流量控制阀62打开来通过分支空气通路
12sub向燃烧器41供给氧化剂,另一方面,在重整器23达到可重整温度之后,将流量控制阀
62关闭,来经由阴极排气通路12exh供给氧化剂(阳极排气中的残留氧)。
进行时,碳化氢和一氧化碳等大气污染物质的排出量增大。
入通过燃料电池堆1的额定运转而产生的电力,从蓄电池向行驶用的电动发电机供给与车
辆的目标驱动力相应的电力。
器51来控制。在本实施方式中,控制器51被构成为包括微计算机的电子控制单元,该微计算
机具备中央运算电路、ROM及RAM等各种存储装置、输入输出接口等。
射器52向燃料电池系统S供给通常时供给量的原燃料。
升温至其动作温度。固体氧化物型燃料电池的动作温度为800℃~1000℃左右,在本实施方
式中,使燃料电池堆1或燃料电池的温度上升至600℃~700℃。
温度传感器103的信号、以及来自用于检测排气浓度Ccmb的排气传感器104的信号等,来作为
与启动控制有关的信息。
度设为堆温度Tstk。
也就是燃烧器41的出口部温度设为燃烧器温度Tcmb。
为重整器温度Tref。
的生成物产生的CO、CH4、H2以及CH3CHO中的至少一种气体成分设为特定气体成分。在燃烧气
体通路42的燃烧器41与空气热交换器31之间的位置设置排气传感器104,将由排气传感器
104检测出的浓度设为排气浓度Ccmb。
系统的通路中的实际有气体流通的通路,用细的实线表示阳极系统及阴极系统的通路中的
气体的流通停止的通路。
工作并将流量控制阀62打开,来通过分支空气通路12sub向燃烧器41供给氧化剂(空气)。利
用通过原燃料的燃烧而产生的热量来对燃料热交换器22和重整器23进行加热,并且经由燃
烧气体通路42向空气热交换器31和蒸发器21供给燃烧气体。将燃料电池堆1与蒸发器21、燃
料热交换器22、重整器23及空气热交换器31一起进行加热,从而能够促进燃料电池系统S整
体的暖机。
方面,使阳极排气中的残留燃料在燃烧器41中燃烧,来对重整器23供给进行重整所需要的
热量,并且向空气热交换器31和蒸发器21供给残留燃料的燃烧气体,来将燃料电池系统S整
体维持在运转所需要的温度。
系统S的启动控制。控制器51根据启动要求信号的输入来开始进行启动控制,根据判定为燃
料电池堆1或燃料电池的暖机已完成来结束启动控制。
入S103。燃烧器温度Tcmb的目标值Tcmb_t例如为800℃。
计算能够产生使燃烧气体为目标温度所需要的热量的原燃料的供给量来作为启动时供给
量Qf_str。启动时供给量Qf_str不仅能够通过运算得到,还能够预先设定为通过实验等适当地
决定的量。
空燃比为预先决定的规定值(以下称为“启动时目标空燃比”)所需要的量的空气的空气压
缩机61的转速。在本实施方式中,将按每个启动时供给量Qf_str分配目标压缩机转速Ncmp_t所
得到的对应图数据存储到控制器51中,通过根据启动时供给量Qf_str检索该对应图数据,来
计算目标压缩机转速Ncmp_t。
中,根据排气传感器104的输出来判定作为特定气体成分的浓度的排气浓度Ccmb是否超过了
规定值Ccmb_thr,在排气浓度Ccmb超过了规定值Ccmb_thr的情况下,认为重整反应占优势,进入
S106。另一方面,在排气浓度Ccmb为规定值Ccmb_thr以下的情况下,认为燃烧反应占优势,进入
S111。
12sub向燃烧器41供给的空气的量增大,由此使空燃比增大(以下有时将增大后的空燃比称
为“启动时校正空燃比”)。具体地说,对目标压缩机转速Ncmp_t进行增大校正,来使空气压缩
机61的喷出量增大。不限于此,也可以通过使流量控制阀62的开度增大,来使向燃烧器41供
给的空气的量增大。
S105所示的处理中因排气浓度Ccmb超过规定值Ccmb_thr而认为转为重整反应比燃烧反应占优
势、从而通过S106所示的处理使空燃比增大之后,排气浓度Ccmb降低,判定其降低速度ΔCcmb
是否减少至规定值ΔCcmb_thr。然后,在排气浓度Ccmb的变化速度ΔCcmb减少至规定值ΔCcmb_thr
的情况下,认为转为燃烧反应占优势,进入S108,在排气浓度Ccmb的变化速度ΔCcmb未减少至
规定值ΔCcmb_thr的情况下,认为处于重整反应依然占优势的状态,返回到S106,反复执行
S106和107所示的处理。
减少,来使通过分支空气通路12sub向燃烧器41供给的空气的量减少为原来的供给量。在通
过对流量控制阀62的控制已经使空燃比增大的情况下,使流量控制阀62的开度减少。
器23能够进行重整的下限温度Tref_min以上。在重整器温度Tref为下限温度Tref_min以上的情况
下,认为处于能够对原燃料进行处理的状态,进入S110,在重整器温度Tref低于下限温度
Tref_min的情况下,认为不处于能够对原燃料进行处理的状态,返回到S101,反复执行S101~
108所示的处理,以将燃烧器41的温度Tcmb维持在其目标值Tcmb_t以上。
通过判定蒸发器21是否处于能够使原燃料蒸发的状态来进行。具体地说,判定蒸发器温度
Tvap是否为蒸发器21能够进行蒸发的下限温度Tvap_min以上,在蒸发器温度Tvap为下限温度
Tvap_min以上的情况下,判定为处于能够对原燃料进行处理的状态。蒸发器温度Tvap为蒸发器
21的温度,例如,在燃烧气体通路42的蒸发器21的下游侧的位置设置蒸发器温度传感器,将
由蒸发器温度传感器检测出的温度为设蒸发器温度Tvap。
器41切换为燃料处理部2或重整器23,由重整器23生成燃料气体,并利用通过发电而产生的
热量来继续进行燃料电池堆1的暖机。
认为燃料电池堆1的暖机已完成,结束启动控制,在堆温度Tstk未达到规定温度Tstk_wup的情
况下,认为暖机还没有完成,返回到S101,反复执行S101~110所示的处理。在结束了启动控
制的情况下,按照未图示的另外的例程来执行通常时的控制,使燃料电池堆1在额定输出下
运转。
用于对在催化剂上发生的反应进行约束的温度,在本实施方式中,以燃烧器41的出口部温
度为代表。适当地参照图6来说明通过本实施方式获得的效果。
促进燃料电池系统S整体的暖机。
生成,可以明确的是其速度主要受到催化剂的温度约束,通常通过使燃烧反应比重整反应
占优势地进行来对其进行抑制(期间A和C)。但是,在催化剂的温度处于图6所示的T1~T2的
范围时(期间B),转为重整反应比燃烧反应占优势,碳化氢和一氧化碳等特定气体成分的排
出量Qg增大。
剂的相对的增量来促进燃烧反应,从而抑制因重整反应导致的大气污染物质的生成。由此,
能够一边抑制大气污染物质的排出,一边使燃烧器41的温度上升,来促进暖机。图6中用粗
的实线表示通过增大空燃比来降低后的特定气体成分的排出量Qg。
气体成分的浓度来更加适当地设定规定时期,从而能够抑制大气污染物质的排出。
的不足而使燃烧器41的升温产生延迟,从而能够避免启动的完成过度地延迟。
来使空燃比增大的情况下的变化。通过减少原燃料的量,不需要使氧化剂的供给量Qa增大,
因此能够抑制燃烧器41所具备的催化剂的劣化严重。
还能够根据燃烧器41的温度来进行。
测出的温度达到了第一规定温度(图6所示的温度T1)时(时刻t1),认为达到了规定时期,使
空燃比增大。之后,燃烧器41的温度进一步上升,在温度传感器的检测温度达到了高于第一
规定温度T1的第二规定温度(温度T2)时,使空燃比减少。使空燃比增大的具体的方法可以
与之前所叙述的方法相同,使针对燃烧器41供给的氧化剂的供给量增大或者使原燃料的供
给量减少。
占优势的状态,由此,能够通过使用了温度传感器的廉价结构来进行判定,并能够抑制大气
污染物质的排出。而且,在燃烧器41的温度达到了第二规定温度T2时使空燃比减少,由此能
够避免由于空燃比的不必要的增大而导致燃烧器41所具备的催化剂的劣化严重。
等预先掌握。因此,设定估计燃烧器41的温度变为规定温度T1和T2的经过时间t1、t2,在开
始启动控制之后经过时间达到了第一规定时间t1时,使空燃比增大,之后,在达到第一规定
时间t1之后的第二规定时间t2时,使空燃比减少。
体成分,并根据该成分的浓度(排气浓度Ccmb)来判定是否处于规定时期。是否处于规定时期
的判定不限于此,还能够将作为燃烧反应的生成物产生的CO2或H2O设为特定气体成分,并根
据燃烧气体中的该成分的浓度来进行判定。
根据由于转为重整反应占优势而趋向于减少的气体成分的排出量来判定是否达到了应使
空燃比增大的规定时期。
比的增大不限于此,还能够通过交替地执行原燃料的量的减少和增加来进行空燃比的增
大。
燃比的增大来促进燃烧反应,抑制大气污染物质的排出。而且,在原燃料的供给停止之后,
通过交替地执行供给再开始和供给的停止,能够一边抑制燃烧器41所具备的催化剂的劣化
严重,一边避免由于原燃料的供给停止而使燃烧器41的升温过度地受到阻碍从而导致启动
所需要的时间大幅地延长。
时间t1和第二规定时间t2进行校正。具体地说,催化剂的劣化越严重,则将第一规定时间t1
和第二规定时间t2设定得越迟。存在如下倾向:催化剂的劣化越严重,则与经过时间相对的
燃烧器41的温度的上升梯度越平缓。因而,在催化剂的劣化严重的情况下,相比于劣化前而
言,将第一规定时间t12和第二规定时间t22设定得迟,并且延长使空燃比增大的期间B(t12
~t22),由此在与劣化程度相应的适当的时期使空燃比增大,能够抑制大气污染物质的排
出。催化剂的劣化程度能够根据开始供给原燃料之后的燃烧器41的温度的上升梯度来检
测。
式所涉及的启动控制(图5)的不同点为中心来进行说明。
的反应中的重整反应占优势地进行且来自燃烧器41的特定气体成分的排出量Qg超过规定
量Qg_thr的区域(温度T1~T2)。关于是否处于规定温度区域的判定,除了能够通过直接检测
燃烧器41的温度来进行以外,还能够通过检测排气浓度Ccmb来进行,还能够根据启动开始后
的经过时间来判断。在燃烧器41处于规定温度区域的情况下,认为重整反应占优势,进入
S203,在不处于规定温度区域的情况下,认为燃烧反应占优势,进入S202。
增大,启动时供给量Qf_str与之前的实施方式同样地根据在燃烧器41中生成的燃烧气体的目
标温度(Tcmb_t)来设定。
进行的:计算针对启动时供给量Qf_str的原燃料实现第一空燃比λ1或第二空燃比λ2所需要的
空气的量,并基于空气压缩机61的工作特性来将所计算出的空气量换算为目标压缩机转速
Ncmp_t。
器41中重整反应占优势的规定温度区域时(期间B),相比于处于规定温度区域外的情况(期
间A或C)而言,使燃烧器41中的空燃比增大,由此使氧化剂的量相对地增加,从而能够使燃
烧反应占优势地进行,来抑制大气污染物质的排出。
燃烧器(以下称为“排气燃烧器”)41以外,还设置有催化燃烧器32,供给侧的催化燃烧器32
被插入安装于阴极气体通路12。构成为能够对催化燃烧器32供给原燃料和氧化剂(用虚线
表示供给路径),具体地说,从燃料罐7供给乙醇,并且经由空气压缩机61供给大气中的空
气。催化燃烧器32构成为利用燃烧气体对流过阴极气体通路12的氧化剂气体(空气)进行加
热的热交换器,在燃料电池系统S启动时,将通过空气压缩机61取入到阴极气体通路12的空
气进行加热后供给到燃料电池的阴极。还能够停止对排气燃烧器41供给原燃料和氧化剂,
专门由催化燃烧器32来执行燃料电池堆1的暖机。
上述实施方式在权利要求书所记载的事项的范围内进行各种变更和修正。