专利名称：燃料电池系统和启动燃料电池系统的方法
技术领域：
本发明涉及一种启动具有燃料重组器和燃料电池堆的燃料电池系统 的方法，其中，燃料和空气作为原料被送入燃料重组器中，且一种在燃料 重组器中生成的重组物被送入燃料电池堆中。
此外，本发明还涉及一种具有燃料重组器和燃料电池堆的燃料电池系 统，其中，燃料和空气作为原料能够被送入燃料重组器中，且一种在燃料 重组器中生成的重组物能够被送入燃料电池堆中。
背景技术：
此类燃料电池系统在燃料电池堆里产生电能。为此要向燃料电池堆中 送入空气和一种富氢重组物，其中，后者是在一个由燃料和氧化剂，特别 是空气组成的燃料重组器中产生的。为了最大限度提高H2的产量，燃料
重组器在代表燃料-空气-比例的空气系数等于或小于0.4情况下工作。
SOFC-燃料电池系统(固体氧化物燃料电池)的工作温度高于800° C。 这样的温度在启动阶段就必须达到。从燃料重组器中流出的热气体和预热 的阴极空气所提供的热能为燃料电池堆所用。在这样的启动阶段要面临几 个问题。 一方面，在针对运行燃料重组器通常很低的空气系数，特别是在 低温情况下，会在燃料电池堆里产生过度的烟尘。这会通过阻塞电极对燃 料电池堆造成不可逆损害。此外，在高温和高的空气系数下会在燃料电池 堆里造成不可逆的阳极材料氧化的危害。只有在燃料电池堆稳态运行下， 也就是前面提到的超过800° C的高温和很低的空气系数，例如等于0.4 的情况下，烟尘的产生和阳极材料氧化的问题才能够减少。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提供一种启动燃料电池系统的方法，以及 提供一个此类燃料电池系统，使在燃料电池堆的启动阶段也能阻止通过烟 尘和氧化对燃料电池系统造成的损害。此任务通过独立权利要求的特征来解决。
本发明优选的实施例在从属权利要求中说明。
本发明基于这种类型的方法，代表向燃料重组器送入的原料的燃料-
空气-比例的空气系数随燃料电池堆的温度而发生变化。通过这种空气系数
随燃料电池堆的温度发生变化，可以实现在每一个运行时间点上，也就是
说，尤其是在燃料电池系统启动的时候，设定非临界的空气系数-温度-组 合。
特别是能借此达到空气系数随燃料电池堆的温度升高而降低。因此， 启动阶段在高空气系数和低温下开始，即在抑制烟尘的产生和阳极材料的 氧化的临界值的组合下开始。随着燃料电池堆的温度上升，空气系数在保 持非临界的空气系数-温度-组合下逐渐降低，直到达到持续运行所特定的 空气系数-温度-组合值。
根据本发明所述的方法所特别优选的实施例设置，在启动燃料电池系
统时将空气系数调节到1.3至1.5之间，在到达燃料电池堆的工作温度后 将空气系数调节到0.3至0.5之间。
可以如此设计，空气系数随燃料电池堆的温度升高逐级地降低。这还 同时涉及一种特别实用的技术方案，这是因为根据需要可以跟踪与当前温 度值相关的空气系数。
当然，空气系数也可以随燃料电池堆温度的升高连续地降低。由此空 气系数-时间-函数可以用一种最佳的方式和温度-时间-函数相对应。
本发明又一特别优选的改进是能测量燃料电池堆的温度。因此可以根 据所测量的温度值设置合适的空气值。
根据燃料电池系统的运行时间按经验得出的值被用作燃料电池堆的 温度。如果燃料电池系统的启动性能充分成熟，燃料电池堆的温度变化就 可以基于经验值进行预测。这时温度的测量就不是必要的。经验值就足够 可以确定启动运行中合适的空气系数以及之后对其进行调节。
本发明基于此类燃料电池系统，即代表向燃料重组器送入的原料的燃 料-空气-比例的空气系数能够随燃料电池堆的温度变化。通过这种方式， 根据本发明的方法的优点和特性也可以在系统的范围内实现。这对于以下 给出的根据本发明所述的燃料电池系统特别优选的实施例也是有效的。特别有益的改进是，燃料电池系统具有电子控制装置。此类电子控制 装置接管根据本发明的与温度相关的空气系数的确定和调节。电子控制装 置可专门为燃料电池系统调节所用。同样可能的是，这种控制装置也可以 在一个己有的电子控制装置上，尤其是在汽车上的电子控制装置上进行集 成。在这种情况下，控制装置可以设计为调节或控制燃料电池系统的所有 性能。
有益的设计是，可变的空气系数与温度的依赖关系在一个电子控制装 置所属的存储器里储存。
根据本发明的燃料电池系统的改进是，空气系数能够随燃料电池堆的 温度的升高而降低。
特别优选的是，在燃料电池系统启动时空气系数能够在1.3至1.5之
间被调节，且到达燃料电池堆的工作温度后，空气系数能够在0.3至0.5
之间被调节。
根据本发明的燃料电池系统的替换形式设置，空气系数随燃料电池堆 的温度升高可以逐级降低。
另一方面，系统也可以这样改进，空气系数随燃料电池堆的温度升高 可以连续降低。
有益的是，设置至少一个温度传感器来测量燃料电池堆的温度。 同样可以有利地设置，能够使用根据燃料电池系统的运行时间凭经验
得出的值作为燃料电池堆的温度，其中，这个数值可以用一个电子控制装
置所属的存储器来提供。
下面参照附图借助于特别优选的实施形式详细阐述本发明。
其巾
图1燃料电池系统示意图2按照本发明的温度-时间-变化曲线和与之相关的空气系数-时间-变化曲线；
图3用来解释本发明的温度-空气系数-图； 图4用来解释根据本发明所述的方法的流程图。
具体实施例方式
图1示出了一个燃料电池系统的示意图。燃料电池系统包括一个燃料
供给装置26，特别是燃料泵， 一个空气供给装置28，特别是风机，所述 燃料供给装置和空气供给器在燃料重组器10的输入端耦合。燃料重组器 IO在输出端与一个燃料电池堆12的阳极端耦合。燃料电池堆12的阴极端 和空气供给装置30，特别是风机，相连。燃料电池堆12上设置有一个温 度传感器24。燃料电池堆12在输出端和补燃器32相联，所述补燃器32 同样和一个空气供给装置34，特别是一个风机相联。还设置了具有存储器 22的电子控制装置20，与系统的传感器，特别是燃料电池堆12的温度传 感器24相联，用来接收信号。此外，电子控制装置20和燃料供给装置26 以及空气送供给装置28、 30、 34相联，用来控制运行，确切地说用来影 响调节的范围。
系统运行时燃料泵26和空气鼓风机28将燃料14和空气16送入燃料 重组器10当中。在燃料重组器中产生一种富氢重组物18，它将送到燃料 电池堆12的阳极端12上。通过鼓风机30向燃料电池堆12的阴极送入阴 极空气。阴极空气是有益地预热过的。在燃料电池堆12里贫化过的重组 物36被送入一个补燃器32，同样的用鼓风机34送入空气来实现优选无残 渣的燃烧。补燃器放出废气38。有益的是，废气38的热能耦合回到燃料 电池系统的热预算当中，比如用来预热由鼓风机30送入的阴极空气。
根据本发明，在燃料电池系统启动运行时设置，驱动燃料重组器10 的空气系数A与通过温度传感器24所测的燃料电池堆12的温度相关且在 燃料泵26和/或空气鼓风机28的影响下通过控制装置20得到设置。所述 设置如此实现，即设置非临界的空气系数-温度-组合，特别要考虑到燃料 电池堆12中的烟尘沉积以及阳极材料的氧化。
图2示出了温度-时间-变化曲线和与之相关的根据本发明的空气系数-时间-变化曲线。这里示例了一个燃料电池堆的温度随时间的变化图。温度 T^ek从一个初始温度值，比如室温开始，然后迅速地上升到500。 C的范 围，以便接近燃料电池堆大约850° C的工作温度。设置一个与此相关的 燃料重组器的空气系数入，即从入=1.4开始，然后降到一个值入=0.4。改
7变空气系数入不是必须如图所示逐级设置。空气系数连续的变化也是可行 的。在某一温度T^k下设置的空气系数值入有益地在控制装置中用一个表 格的形式储存。除了测量的温度丁愈k夕卜，也可以在控制的存储器上储存根 据经验得出的与时间相关的温度Tstack。
图3示出了一个用来说明本发明的温度-空气系数-图。清晰可见，在 低温和低的空气系数下存在一个过量的烟尘形成，而在高温和高的空气系 数下又会出现不期望出现的阳极的氧化。因此，以低温为出发点选择了高 空气系数，这样，只存在较小的烟尘和较小的阳极氧化。以此为出发点， 在温度上升的同时空气系数降低，直到到达工作温度和为燃料重组器运行 的有益的空气系数值。
图4示出了用来阐述按照本发明的方法的流程图。系统启动时在步骤 S01中获取燃料电池堆的温度Tstaek。在步骤S02中设置某一空气系数入' 。 在步骤S03中检测燃料电池堆的温度T^ek是否超过某一预置温度Ti。如 果没超过，则此过程继续回到步骤SOl，这就是说入值保持不变，且需要 重新获取新的燃料电池堆温度T^k。然而，当在步骤S03燃料电池堆的温 度T^k超过给定的温度Tj时，在步骤S04将会检测燃料电池堆是否已经 达到其工作温度Te。如果还没达到，那么在步骤S05指数i将会增加1， 以便之后再转移回到步骤SOl。随后空气系数入会降低到值入w。反之， 如果在步骤S04检测到燃料电池堆达到了它的工作温度，那么启动燃料电 池系统的方法就结束。
上述的本发明的说明书和图例以及在权利要求中公开的特征可以独 立地或者任意组合，为实现本发明是不可缺少的。附图标记列表
10 燃料重组器
12 燃料电池堆
14 燃料
16 空气
18 重组物
20 控制装置
22 存储器
24 温度传感器
26 燃料供给装置
28 鼓风机
30 鼓风机
32 补燃器
34 鼓风机
36 重组物
38 废气
权利要求
1.用于启动具有燃料重组器(10)和燃料电池堆(12)的燃料电池系统的方法，其中，向所述燃料重组器送入燃料(14)和空气(16)作为原料，以及向所述燃料电池堆送入在所述燃料重组器中产生的重组物(18)，其特征在于，代表向所述燃料重组器(10)中送入的所述原料的燃料-空气-比例的空气系数随所述燃料电池堆(12)的温度而变化。
2. 根据权利要求l所述的启动燃料电池系统的方法，其特征在于， 所述空气系数随所述燃料电池堆(12)的温度升高而降低。
3. 根据权利要求1或2所述的启动燃料电池系统的方法，其特征在 于，在启动所述燃料电池系统时将空气系数设置在介于1.3至1.5的范围 内，以及到达所述燃料电池堆(12)的工作温度后，将空气系数设置在 介于0.3至0.5的范围内。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的启动燃料电池系统的方法，其 特征在于，所述空气系数随所述燃料电池堆(12)的温度升高而逐级地 降低。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的启动燃料电池系统的方法，其 特征在于，所述空气系数随所述燃料电池堆(12)的温度升高而连续地 降低。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的启动燃料电池系统的方法，其 特征在于，测量所述燃料电池堆(12)的温度。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的启动燃料电池系统的方法，其 特征在于，应用根据所述燃料电池系统的运行时间凭经验获得的值作为 所述燃料电池堆(12)的温度。
8. —种燃料电池系统，具有燃料重组器(10)和燃料电池堆(12)， 其中，能够向所述燃料重组器送入燃料(14)和空气(16)作为原料， 以及能够向所述燃料电池堆送入在所述燃料重组器中产生的重组物(18)，其特征在于，代表向所述燃料重组器(10)中送入的所述原料的 燃料-空气-比例的空气系数能够随所述燃料电池堆(12)的温度而变化。
9. 根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统具有电子控制装置(20)。
10. 根据权利要求8或9所述的燃料电池系统，其特征在于，要改变 的所述空气系数与所述温度的依赖关系在电子控制装置(20)所属的存 储器(22)中储存。
11. 根据权利要求8至10中任一项所述的燃料电池系统，其特征在 于，所述空气系数能够随所述燃料电池堆(12)的温度升高而降低。
12. 根据权利要求8至11中任一项所述的燃料电池系统，其特征在 于，在启动所述燃料电池系统时空气系数可以设置在介于1.3至1.5的范 围内，以及到达所述燃料电池堆(12)的工作温度后，空气系数可以设 置在介于0.3至0.5的范围内。
13. 根据权利要求8至12中任一项所述的燃料电池系统，其特征在 于，所述空气系数能够随所述燃料电池堆(12)的温度升高而逐级降低。
14. 根据权利要求8至13中任一项所述的燃料电池系统，其特征在 于，所述空气系数能够随所述燃料电池堆(12)的温度升高而连续降低。
15. 根据权利要求8至14中任一项所述的燃料电池系统，其特征在 于，设置至少一个温度传感器(24)来测量所述燃料电池堆(12)的温 度。
16. 根据权利要求8至15中任一项所述的燃料电池系统，其特征在 于，可以应用根据所述燃料电池系统的运行时间凭经验获得的值作为所 述燃料电池堆(12)的温度，其中，所述数值可以由所述电子控制装置(20)所属的存储器(22)提供。
全文摘要
本发明涉及一种用于启动具有燃料重组器(10)和燃料电池堆(12)的燃料电池系统的方法，其中，向所述燃料重组器送入燃料(14)和空气(16)作为原料，以及向所述燃料电池堆送入在所述燃料重组器中产生的重组物(18)。按照本发明，代表向所述燃料重组器(10)中送入的所述原料的燃料-空气-比例的空气系数随所述燃料电池堆(12)的温度而变化。本发明还涉及一种燃料电池系统。
文档编号H01M8/04GK101584067SQ200780033737
公开日2009年11月18日 申请日期2007年7月17日 优先权日2006年9月11日
发明者苏 周, 施特凡·凯丁, 杰里米·劳伦斯, 诺贝特·冈特 申请人:艾奈德有限公司