BR112018012139B1 - Sistema de célula de combustível e método de controle para sistema de célula de combustível - Google Patents

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Abstract

SISTEMA DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL E MÉTODO DE CONTROLE PARA SISTEMA DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL. A presente invenção refere-se a um sistema de célula de combustível que inclui uma célula de combustível; um primeiro combustor acoplado a um lado do ar descarregado da célula de combustível; um dispositivo de aquecimento que aquece o primeiro combustor; e uma unidade de controle de aquecimento que executa um controle de aquecimento da célula de combustível após o aquecimento do primeiro combustor pelo dispositivo de aquecimento.

Description

CAMPO DA TÉCNICA
[001] A presente refere-se a um sistema de célula de combustível e um método de controle para o sistema de célula de combustível.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
[002] A JP2010-27579A descreve um combustor de ar descarregado que mistura e queima um efluente gasoso anódico e um efluente gasoso catódico após o uso com uma célula de combustível de óxido sólido. Este combustor de ar descarregado altera o gás após o uso na célula de combustível para um gás inofensivo para descarregá-lo para o exterior.
[003] Por outro lado, a célula de combustível precisa executar o aquecimento antes da geração elétrica. Usualmente, o aquecimento é executado na célula de combustível e no combustor de ar descarregado no estágio subsequente, de modo que um gás de aquecimento em alta temperatura, formado pela combustão de um combustível, seja fornecido à célula de combustível, em vez de um gás catódico para a célula de combustível.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[004] Entretanto, o aquecimento do combustor de ar descarregado é insuficiente em um estágio inicial do aquecimento. Assim, existe um problema de que um gás restante (um gás anódico ou o efluente gasoso anódico) que permaneceu dentro da célula de combustível é extrudado pelo aumento de temperatura da célula de combustível, sendo assim descarregado para o exterior sem ser queimado no combustor de ar descarregado. O combustível é possivelmente misturado como um gás não queimado sem combustão em um estágio que gera o gás de aquecimento. Existe um problema também de que o ar é descarregado para o exterior sem ser queimado no combustor de ar descarregado.
[005] Um objetivo da presente invenção é fornecer um sistema de célula de combustível que certamente queime um gás restante e um gás não queimado para reduzir a descarga para o exterior, mesmo em um momento de aquecimento de uma célula de combustível, e um método de controle para o sistema de célula de combustível.
[006] Um sistema de célula de combustível, de acordo com uma modalidade da presente invenção, é um sistema de célula de combustível que inclui uma célula de combustível; um primeiro combustor acoplado a um lado de ar descarregado da célula de combustível; um dispositivo de aquecimento que aquece o primeiro combustor; e uma unidade de controle de aquecimento que executa um controle de aquecimento da célula de combustível após o aquecimento do primeiro combustor pelo dispositivo de aquecimento.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[007] A Figura 1 é um diagrama de blocos que ilustra uma configuração principal de um sistema de célula de combustível na modalidade.
[008] A Figura 2 é um fluxograma que ilustra um procedimento de um controle antes do aquecimento no momento de uma ativação usual do sistema de célula de combustível na modalidade.
[009] A Figura 3 é um fluxograma que ilustra um procedimento de um controle antes do aquecimento no momento de uma reinicialização do sistema de célula de combustível na modalidade.
[010] A Figura 4 é um fluxograma que ilustra um procedimento quando controlando uma válvula de corte montada em uma passagem que fornece um efluente gasoso anódico ou similar a um combustor de ar descarregado antes do controle de aquecimento do sistema de célula de combustível na modalidade.
[011] A Figura 5 é um fluxograma que ilustra um procedimento de um controle de aquecimento do sistema de célula de combustível na modalidade.
[012] A Figura 6 é um fluxograma que ilustra um procedimento de um controle de parada do sistema de célula de combustível na modalidade.
[013] A Figura 7 é uma modificação do procedimento ilustrado na Figura 2
[014] A Figura 8 é uma modificação do procedimento ilustrado na Figura 3 DESCRIÇÃO DETALHADA
[015] A seguir, as modalidades da presente invenção serão descritas com referência aos desenhos.
[Configuração do Sistema de Célula de Combustível]
[016] A Figura 1 é um diagrama de blocos que ilustra uma configuração principal de um sistema de célula de combustível 10 de acordo com a modalidade. O sistema de célula de combustível 10 na modalidade é configurado de um sistema de fornecimento de combustível, um sistema de aquecimento, um sistema de fornecimento de ar, um sistema de ar descarregado, e um sistema de acionamento. O sistema de fornecimento de combustível fornece um gás anódico (um gás combustível) a uma pilha de células de combustível 12. O sistema de aquecimento aquece a pilha de célula de combustível 12. O sistema de fornecimento de ar fornece ar ao sistema de aquecimento e à pilha de células de combustível 12. O sistema de ar descarregado descarrega um efluente gasoso anódico e um efluente gasoso catódico descarregado a partir da pilha de células de combustível 12. O sistema de acionamento extrai energia elétrica da pilha de células de combustível 12 para obter energia.
[017] O sistema de fornecimento de combustível é configurado de um tanque de combustível 20, um filtro 22, uma bomba 24, um evaporador 32, um trocador de calor 34, um reformador 36 e similares. O sistema de aquecimento é configurado de um combustor de ativação 52 (um segundo combustor) e similares. O sistema de fornecimento de ar é configurado de um filtro 38, um compressor 40, um trocador de calor 50 e similares. O sistema de ar descarregado é configurado de um combustor de ar descarregado 58 (um primeiro combustor) e similares. O sistema de acionamento é configurado de um conversor DC-DC 68, uma bateria 70, um motor de acionamento 72 e similares. O sistema de célula de combustível 10 inclui uma unidade de controle 78 (uma unidade de controle de aquecimento, uma primeira unidade de controle de aquecimento e uma segunda unidade de controle de aquecimento) que controla a operação de todo o sistema.
[018] Dentre os componentes descritos acima, a pilha de células de combustível 12, o evaporador 32, o trocador de calor 34, o reformador 36, o trocador de calor 50, o combustor de ativação 52, o combustor de ar descarregado 58 e um dispositivo de aquecimento 66 estão alojados em um elemento isolante térmico 30 para reduzir a descarga de calor para o exterior e reduzir as respectivas diminuições de temperatura no momento de um controle de geração elétrica.
[019] A pilha de células de combustível 12, que é uma célula de combustível de óxido sólido (SOFC), é formada pelo empilhamento de células obtidas de tal forma que uma camada de eletrólito feita de um óxido sólido, tal como uma cerâmica, é interposta entre um eletrodo anodo (um polo de combustível) para o qual um gás anódico (um gás combustível) modificado pelo reformador 36 é fornecido e um eletrodo catodo (um polo de ar) ao qual o ar contendo oxigênio é fornecido como um gás catódico (um gás oxidante).
[020] Aqui, um anodo inclui não apenas o eletrodo anodo que constitui a pilha de células de combustível 12, mas também uma passagem dentro da pilha de células de combustível 12 que fornece o gás anódico ao eletrodo anodo e uma passagem dentro da pilha de células de combustível 12 que descarrega o efluente gasoso anódico após a reação no eletrodo anodo. De modo similar, um catodo inclui não apenas o eletrodo catodo que constitui a pilha de células de combustível 12, mas também uma passagem dentro da pilha de células de combustível 12 que fornece o gás catódico ao eletrodo catodo e uma passagem dentro da pilha de células de combustível 12 que descarrega o efluente gasoso catódico após a reação no eletrodo catodo.
[021] A pilha de células de combustível 12 executa a geração elétrica reagindo hidrogênio contido no gás anódico com o oxigênio no gás catódico e descarrega o efluente gasoso anódico e o efluente gasoso catódico catodo que são gerados após a reação. Um sensor de temperatura 76C que mede a temperatura no interior da pilha de células de combustível 12 é montado na pilha de células de combustível 12.
[022] Uma passagem 26A, uma passagem 42A (uma passagem de fornecimento), uma passagem 26C (uma passagem de descarga) e uma passagem 42C são acopladas à pilha de células de combustível 12 (um coletor). A passagem 26A fornece o gás anódico ao anodo da pilha de células de combustível 12. A passagem 42A fornece um gás de combustão ao catodo da pilha de células de combustível 12 no momento de aquecimento e fornece o gás catódico ao catodo da pilha de células de combustível 12 no momento do controle de geração elétrica. A passagem 26C introduz o efluente gasoso anódico (um efluente gasoso de combustível) descarregado a partir do anodo da pilha de células de combustível 12 para o combustor de ar descarregado 58. A passagem 42C introduz o efluente gasoso catódico (um efluente gasoso oxidante) descarregado a partir do catodo da pilha de células de combustível 12 para o combustor de ar descarregado 58. Uma válvula de corte 62 (uma válvula de corte de passagem de fluxo) é montada na passagem 26C. A válvula de corte 62 abre a passagem 26C no momento do controle de geração elétrica da pilha de células de combustível 12 e fecha a passagem 26C antes do controle de aquecimento do sistema de célula de combustível 10, que é descrito abaixo, e no controle de parada.
[023] O tanque de combustível 20, por exemplo, armazena um combustível para modificação composta de um líquido feito pela mistura de etanol com água. A bomba 24 suga o combustível para modificação para fornecer o combustível para modificação do sistema de fornecimento de combustível a uma pressão predeterminada. O filtro 22 é disposto entre o tanque de combustível 20 e a bomba 24 e remove a poeira do combustível para modificação sugado para a bomba 24.
[024] A passagem 26 que fornece o combustível para modificação, a partir do tanque de combustível 20, ramifica a passagem 26A que fornece o combustível para modificação ao evaporador 32 e uma passagem 26B que fornece um combustível para aquecimento (o combustível para modificação) para o combustor de ativação 52. Uma válvula de abertura/fechamento 28A configurada para abrir e fechar uma passagem de fluxo da passagem 26A é montada na passagem 26A. Similarmente, uma válvula de abertura/fechamento 28B é montada na passagem 26B.
[025] A válvula de abertura/fechamento 28B abre a passagem 26B no momento do controle de aquecimento do sistema de célula de combustível 10 para distribuir o combustível para aquecimento e fecha a passagem 26B no final do controle de aquecimento. A válvula de abertura/fechamento 28A fecha a passagem 26A no momento do controle de aquecimento e abre a passagem 26A no final do controle de aquecimento para distribuir o combustível para modificação.
[026] O evaporador 32 usa o calor de um gás descarregado a partir do combustor de ar descarregado 58 para evaporar o combustível para modificação. O calor é fornecido ao trocador de calor 34 a partir do combustor de ar descarregado 58. O trocador de calor 34 aquece adicionalmente o combustível evaporado para modificação para ser modificado no reformador 36.
[027] O reformador 36 modifica o combustível para modificação para o gás anódico contendo hidrogênio através da reação catalítica para fornecê-lo ao anodo da pilha de células de combustível 12.
[028] O compressor 40 leva o ar exterior através do filtro 38 para fornecer o ar para a pilha de células de combustível 12 e similares. Uma válvula de alívio 44 é montada na passagem 42 à qual o ar descarregado é fornecido pelo compressor 40. Quando a pressão dentro da passagem 42 excede um valor predeterminado, a válvula de alívio 44 abre a passagem 42 para evitar uma carga igual ou maior do que um valor predeterminado que se coloca no compressor 40. A passagem 42 ramifica a passagem 42A que fornece o ar ao trocador de calor 50 e uma passagem 42B que desvia do trocador de calor 50 e do combustor de ativação 52 para se unir à passagem 42A.
[029] Um estrangulador 46A é montado na passagem 42A. Um estrangulador 46B é montado na passagem 42B. As respectivas passagens 42A e 42B são configuradas para ajustar uma taxa de fluxo do ar pelo controle da unidade de controle 78. Além disso, um corta-chamas 48 que retém a chama é montado em uma posição que está à jusante do ar em relação a cada estrangulador de cada passagem. Dever-se-ia notar que o estrangulador 46B fornece ao ar com uma quantidade predeterminada para a passagem 42A no momento do controle de aquecimento da pilha de células de combustível 12 e fecha a passagem 42B após o final do controle de aquecimento.
[030] O trocador de calor 50 usa o calor do gás descarregado a partir do combustor de ar descarregado 58 para aquecer o ar para o gás de aquecimento ou o ar para o gás catódico.
[031] O ar aquecido pelo trocador de calor 50 e o combustível para aquecimento fornecido a partir da passagem 26B e aquecido por um aquecedor elétrico 54 são fornecidos ao combustor de ativação 52, e o combustor de ativação 52 mistura ambos, no momento do controle de aquecimento no sistema de célula de combustível 10. Então, um dispositivo de ignição acoplado ao combustor de ativação 52 inflama uma mistura do ar e o combustível para aquecimento para gerar o gás de combustão a uma alta temperatura. Este gás de combustão dificilmente contém oxigênio, e um constituinte principal do gás de combustão é um gás inerte. Adicionalmente, este gás de combustão tem alta temperatura fornecendo dano à pilha de células de combustível 12. Entretanto, o gás de combustão é misturado com o ar a partir da passagem 42B para ser resfriado, sendo assim restringido a uma temperatura apropriada para aquecer a pilha de células de combustível 12 e se tornando o gás de aquecimento contendo oxigênio. Dever-se-ia notar que, após o fim do controle de aquecimento, a geração do gás de combustão e do gás de aquecimento termina, e o ar que passou pelo trocador de calor 50 e o combustor de ativação 52 é continuamente usado como o gás catódico a ser fornecido para a pilha de células de combustível 12, transitando assim para o controle de geração elétrica.
[032] O combustor de ar descarregado 58 mistura o efluente gasoso anódico fornecido a partir da passagem 26C com o efluente gasoso catódico fornecido a partir da passagem 42C para queimar cataliticamente seu gás misto, gera o gás descarregado cujos constituintes principais são dióxido de carbono e água, e transmite o calor pela combustão catalítica para o trocador de calor 34 e similares, no momento do controle de geração elétrica. O combustor de ar descarregado 58 queima o gás de aquecimento (contendo oxigênio) fornecido a partir da passagem 42C no momento do controle de aquecimento para gerar o gás descarregado de forma similar à descrição acima. Ademais, o combustor de ar descarregado 58 é acoplado a uma passagem de ar descarregado 64 que descarrega o gás descarregado após a combustão. A passagem de ar descarregado 64 passa o evaporador 32 e o trocador de calor 50 para ser acoplado a um silenciador (não ilustrado). Consequentemente, o evaporador 32 e o trocador de calor 50 são aquecidos com o gás descarregado.
[033] O dispositivo de aquecimento 66 aquece o combustor de ar descarregado 58, e vários métodos de aquecimento, tais como aquecimento por resistência e aquecimento por indução são aplicáveis ao dispositivo de aquecimento 66. Este dispositivo de aquecimento 66 é acionado pela unidade de controle 78 antes do controle de aquecimento e aquece o combustor de ar descarregado 58 até a temperatura exigida para a combustão catalítica.
[034] Um sensor de temperatura 76A mede a temperatura do gás que circula dentro da passagem de ar descarregado 64. A medição da temperatura deste gás garante o cálculo da temperatura em uma parte do catalisador do combustor de ar descarregado 58. Um sensor de temperatura 76B mede a temperatura de uma abertura que introduz especialmente o efluente gasoso anódico ou o efluente gasoso catódico do combustor de ar descarregado 58. Esse pode calcular a temperatura na parte do catalisador do combustor de ar descarregado 58 antes do controle de aquecimento.
[035] O conversor DC-DC 68 é acoplado à pilha de células de combustível 12 e aumenta a tensão de saída da pilha de células de combustível 12 para fornecer energia elétrica para a bateria 70 ou para o motor de acionamento 72. A bateria 70 é carregada com a energia elétrica fornecida pelo conversor DC-DC 68 e fornece a energia elétrica para o motor de acionamento 72. O motor de acionamento 72 é acoplado à bateria 70 e ao conversor DC-DC 68 através de um inversor (não ilustrado) para ser uma fonte de energia de um veículo. No momento de frenagem do veículo, o motor de acionamento 72 gera energia elétrica regenerativa e pode carregar a bateria 70 com a energia elétrica regenerativa.
[036] A bateria 70 e o motor de acionamento 72 serão cargas acopladas à pilha de células de combustível 12 através do conversor DC-DC 68. Por outro lado, máquinas auxiliares, tais como a bomba 24 e o compressor 40, para induzir a pilha de células de combustível 12 a executar a geração elétrica, também são acoplados à pilha de células de combustível 12 como cargas e podem ser acionados pela fonte de energia elétrica a partir da pilha de células de combustível 12. Essas máquinas auxiliares também podem ser acionadas pela fonte de energia elétrica a partir da bateria. 70.
[037] A unidade de controle 78 é constituída por um circuito eletrônico de propósito geral, incluindo um microcomputador, um microprocessador, uma CPU e dispositivos periféricos, e executa um programa específico para executar processos para controlar o sistema de célula de combustível 10. A unidade de controle 78 pode executar um controle de acionamento/parada (um controle ON/OFF) nos componentes que constituem o sistema de célula de combustível 10. Tal como descrito abaixo, o controle do sistema de célula de combustível 10 executado pela unidade de controle 78 inclui um controle antes do aquecimento que aquece o combustor de ar descarregado 58 antes do aquecimento da pilha de células de combustível 12, o controle de aquecimento que aquece a pilha de células de combustível 12, um controle de geração elétrica que executa a geração elétrica usual, e um controle de parada que para o sistema. Dever-se-ia notar que, embora não ilustrado, um circuito que aplica uma força eletromotriz (uma tensão de proteção do anodo), cuja polaridade é inversa a da pilha de células de combustível 12 para a pilha de células de combustível 12, pode ser acoplado, e um controle de comutação pode ser executado neste circuito de modo que a unidade de controle 78 aplique a tensão de proteção do anodo à pilha de células de combustível 12 durante o controle de parada para reduzir a degradação (oxidação) do anodo (o eletrodo anodo).
[038] [Procedimento de Controle Antes do Aquecimento no Sistema de Célula de Combustível]
[039] Um fluxograma que ilustra um procedimento de controle antes do aquecimento no sistema de célula de combustível 10 na modalidade será descrito de acordo com a Figura 2.
[040] A Figura 2 é um procedimento quando o controle antes do aquecimento é executado no momento de uma ativação usual do sistema de célula de combustível 10 (um estado em que o sistema de célula de combustível 10 não é usado durante um longo período de tempo). Primeiro, quando o sistema inicia o controle antes do aquecimento, a unidade de controle 78 (a unidade de controle de aquecimento e a primeira unidade de controle de aquecimento) liga o compressor 40 para ligar o estrangulador 46A (também pode ser o estrangulador 46B) na etapa S101. Neste momento, um grau de abertura do estrangulador 46A é configurado para ser menor do que no momento do controle de aquecimento posterior. Assim, o gás com uma temperatura aproximadamente idêntica a do combustor de ar descarregado 58 flui para a passagem de ar descarregado 64 no estágio subsequente do combustor de ar descarregado 58, e o sensor de temperatura 76A pode medir a temperatura deste gás.
[041] Na etapa S102, a unidade de controle 78 liga o dispositivo de aquecimento 66 para aquecer o combustor de ar descarregado 58. Neste momento, o gás dentro do combustor de ar descarregado 58 também é aquecido. Na etapa S103A, a unidade de controle 78 determina se a temperatura do combustor de ar descarregado 58 atinge uma temperatura predeterminada que garante ou não a combustão catalítica a partir da temperatura detectada pelo sensor de temperatura 76A, e continua no estado ON do dispositivo de aquecimento 66 quando determinando que a temperatura do combustor de ar descarregado 58 não atingiu ainda a temperatura predeterminada. Por outro lado, quando a unidade de controle 78 determina que a temperatura do combustor de ar descarregado 58 atingiu a temperatura predeterminada, a unidade de controle 78 desliga o dispositivo de aquecimento 66 para terminar o controle antes do aquecimento na etapa S104, transitando assim para o próximo controle de aquecimento. Neste momento, o compressor 40 e o estrangulador 46A podem permanecer no estado ON.
[042] A Figura 3 é um procedimento quando o controle antes do aquecimento é executado no momento da reinicialização do sistema de célula de combustível 10 imediatamente após o final do controle de parada do sistema de célula de combustível 10. Após a etapa S101, na etapa S101A, a unidade de controle 78 determina se o combustor de ar descarregado 58 mantém a temperatura predeterminada que garante ou não a combustão catalítica a partir da temperatura detectada pelo sensor de temperatura 76A, e termina diretamente o controle antes do aquecimento para transitar para o próximo controle de aquecimento, quando determinando que o combustor de ar descarregado 58 mantém a temperatura predeterminada. Por outro lado, quando a unidade de controle 78 determina que a temperatura do combustor de ar descarregado 58 é inferior à temperatura predeterminada, a unidade de controle 78 executa o controle na ordem das etapas S102, S103A e S104 mencionadas acima, para terminar o controle antes do aquecimento, transitando assim para o próximo controle de aquecimento.
[043] A Figura 4 é um procedimento quando a válvula de corte 62 montada na passagem 26C, que fornece o efluente gasoso anódico e similares ao combustor de ar descarregado 58, é controlada no controle antes do aquecimento. Assume-se que antes da etapa S101 ser executada, a válvula de corte 62 é fechada para fechar a passagem 26C. Na etapa S101A, a unidade de controle 78 determina se o combustor de ar descarregado 58 mantém a temperatura predeterminada que garante ou não a combustão catalítica a partir da temperatura detectada pelo sensor de temperatura 76A. Então, quando a unidade de controle 78 determina que o combustor de ar descarregado 58 mantém a temperatura predeterminada, a unidade de controle 78 abre a válvula de corte 62 para abrir a passagem 26C para terminar o controle antes do aquecimento na etapa S105, transitando assim para o próximo controle de aquecimento. Por outro lado, quando a unidade de controle 78 determina que a temperatura do combustor de ar descarregado 58 é inferior à temperatura predeterminada, a unidade de controle 78 executa o controle na ordem das etapas S102, S103A, S104 e S105 mencionadas acima para terminar o controle antes do aquecimento, transitando assim para o próximo controle de aquecimento.
[044] Aqui, após a temperatura do combustor de ar descarregado 58 atingir a temperatura predeterminada, a válvula de corte 62 é aberta para abrir a passagem 26C. Assim, mesmo quando o gás anódico ou o efluente gasoso anódico que permaneceu no anodo da pilha de células de combustível 12 atinge o combustor de ar descarregado 58 através da passagem 26C, o gás anódico ou o efluente gasoso anódico podem ser misturados com o ar (o oxigênio) fornecido a partir da passagem 42C para ser queimado. [Procedimento de Controle de Aquecimento no Sistema de Célula de Combustível]
[045] A seguir é descrito um procedimento do controle de aquecimento no sistema de célula de combustível 10 de acordo com um fluxograma na Figura 5. Tal como descrito acima, o compressor 40 já foi ligado. Como ilustrado na Figura 5, quando o sistema inicia o controle de aquecimento, a unidade de controle 78 (a unidade de controle de aquecimento e a primeira unidade de controle de aquecimento) abre os estranguladores 46A, 46B com um grau de abertura predeterminado na etapa S201. Isto fornece o ar (o gás para combustão) para o combustor de ativação 52 e também fornece o ar para a passagem 42B. Quando o compressor 40 não está ligado como a modificação mencionada acima do controle antes do aquecimento, o compressor 40 é ligado na etapa S201.
[046] Na Etapa S202, a unidade de controle 78 liga a bomba 24 e o combustor de ativação 52 e liga a válvula de abertura/fechamento 28B para abrir a passagem 26B. Isto fornece o combustível para aquecimento para o combustor de ativação 52. Então, o combustível para aquecimento é misturado com o ar no combustor de ativação 52, e o combustor de ativação 52 inflama o dito combustível para gerar o gás de combustão a uma temperatura mais alta. Esse gás de combustão mistura-se com o ar fornecido a partir da passagem 42B para se tornar em gás de aquecimento. O gás de aquecimento é fornecido à pilha de células de combustível 12 (o catodo) para aquecer (calor) a pilha de células de combustível 12. Esse gás de combustão e gás de aquecimento aquecem o reformador 36 e similares.
[047] O gás de aquecimento que passou pela pilha de células de combustível 12 passa pelo combustor de ar descarregado 58, o evaporador 32 e o trocador de calor 50 como o gás descarregado para aquecê-los. Aqui, quando o gás de aquecimento contém um gás não queimado pelo combustível para aquecimento, um componente de gás não queimado do gás descarregado (o gás de aquecimento) que passou pela pilha de células de combustível 12 é queimado no combustor de ar descarregado 58. O trocador de calor 34 é aquecido principalmente pelo calor a partir do combustor de ar descarregado 58.
[048] Na Etapa S203, a unidade de controle 78 determina se a temperatura da pilha de células de combustível 12 atingiu uma temperatura de operação exigida para geração elétrica ou não a partir da temperatura detectada pelo sensor de temperatura 76C.
[049] Dever-se-ia notar que, também para o evaporador 32, o trocador de calor 34 e o reformador 36, é normalmente necessário determinar se estas temperaturas atingiram temperaturas adequadas para modificar adequadamente o combustível para modificação ou não. Entretanto, estas determinações não são necessárias quando os períodos para que elas atinjam as temperaturas apropriadas são mais curtos do que um período em que a temperatura da pilha de células de combustível 12 atinge a temperatura de operação.
[050] Quando a unidade de controle 78 determina que a temperatura da pilha de células de combustível 12 atingiu a temperatura de operação na etapa S203, a unidade de controle 78 para o combustor de ativação 52, desliga o estrangulador 46B e a válvula de abertura/fechamento 28B para fechar a passagem 26B, e liga a válvula de abertura/fechamento 28A para abrir a passagem 26A na etapa S204. Assim, o combustível para modificação torna-se o gás anódico (o gás combustível) a partir do tanque de combustível 20 através do evaporador 32, do trocador de calor 34, e do reformador 36, e então, este gás anódico é fornecido para o anodo da pilha de células de combustível 12. Por outro lado, o ar é continuamente fornecido a partir da passagem 42A e aquecido no trocador de calor 50 para ser fornecido para o catodo da pilha de células de combustível 12 como o gás catódico (o gás oxidante). Então, a força eletromotriz é gerada na pilha de células de combustível 12, de tal modo que a reação eletroquímica pelo gás anódico e o gás catódico começa na pilha de células de combustível 12. Assim, a pilha de células de combustível 12 transita para um estado que garante a geração elétrica.
[051] Agora, em um estágio inicial de geração elétrica, a temperatura da pilha de células de combustível 12 não atingiu a temperatura onde a geração elétrica é efetivamente executada, o componente transformado em energia elétrica na reação eletroquímica é pequeno, e o componente transformado em calor é dominante. Portanto, a unidade de controle 78 (a unidade de controle de aquecimento e a segunda unidade de controle de aquecimento) liga o conversor DCDC 68 e ajusta a energia elétrica solicitada para carregar a bateria 70 (a carga) para ajustar uma quantidade de geração elétrica da pilha de células de combustível 12, fazendo com que a pilha de células de combustível 12 execute a geração elétrica na etapa S205. A energia elétrica gerada pela pilha de células de combustível 12 carrega a bateria 70 através do conversor DC-DC 68. Assim, a unidade de controle 78 aquece a pilha de células de combustível 12 até uma temperatura que possa aumentar o componente transformado em energia elétrica na reação eletroquímica pelo calor gerado pela própria pilha de células de combustível 12. Tal como descrito acima, o controle de aquecimento termina para a transição para o controle de geração elétrica. [Operação no Momento do Controle de Geração Elétrica no Sistema de
Célula de Combustível]
[052] A seguir é descrita a operação em um momento de controle de geração elétrica no sistema de célula de combustível 10. No momento de controle de geração elétrica no sistema, o combustível para modificação fornecido a partir do tanque de combustível 20 primeiro é evaporado pelo evaporador 32, o combustível evaporado para modificação é aquecido pelo trocador de calor 34, o combustível aquecido para modificação é modificado para o gás anódico no reformador 36, e este gás anódico é fornecido ao anodo da pilha de células de combustível 12. Por outro lado, a temperatura do ar, tal como o gás catódico, é aumentada pelo trocador de calor 50 e passa o combustor de ativação 52 para ser fornecido ao catodo da pilha de células de combustível 12. A pilha de células de combustível 12, para a qual o gás anódico e o gás catódico são fornecidos, executa a geração elétrica através da reação eletroquímica para fornecer a energia elétrica correspondente à energia elétrica solicitada da bateria 70 e o motor de acionamento 72 (o conversor DC-DC 68) e adicionalmente, a energia elétrica exigida das máquinas auxiliares, tais como a bomba 24 e o compressor 40. O efluente gasoso anódico e o efluente gasoso catódico usados na reação eletroquímica são introduzidos no combustor de ar descarregado 58. Em seguida, o combustor de ar descarregado 58 queima o efluente gasoso anódico e o efluente gasoso catódico em um estado misto para gerar o gás descarregado. O gás descarregado passa e aquece o evaporador 32 e o trocador de calor 50.
[Procedimento de Controle de Parada no Sistema de Célula de Combustível]
[053] A seguir é descrito um procedimento de controle de parada no sistema de célula de combustível 10 de acordo com um fluxograma na Figura 6. Tal como ilustrado na Figura 6, quando o sistema inicia o controle de parada, a unidade de controle 78 desliga a bomba 24 para desligar a válvula de abertura/fechamento 28A na etapa S301. Isto interrompe o fornecimento de gás anódico para parar a geração elétrica da pilha de células de combustível 12. Na etapa S302, a unidade de controle 78 fecha a válvula de corte 62 para fechar a passagem 26C. Isso evita que o gás contendo oxigênio flua para trás na passagem 26C para reduzir a degradação do anodo (o eletrodo anodo).
[054] Na Etapa S303, a unidade de controle 78 aumenta o grau de abertura do estrangulador 46A por uma quantidade predeterminada (também é possível manter o grau de abertura) para resfriar a pilha de células de combustível 12 de dentro usando o ar usado como o gás catódico, tal como um gás para resfriamento.
[055] Na etapa S304, a unidade de controle 78 mede a temperatura da pilha de células de combustível 12 para determinar se esta temperatura diminuiu para uma temperatura predeterminada, isto é, a temperatura limite superior para garantir a prevenção da degradação (oxidação) do anodo ou não. Quando a unidade de controle 78 determina que esta temperatura abaixou para uma temperatura inferior à temperatura predeterminada na etapa S304, a unidade de controle 78 desliga o compressor 40 para desligar o estrangulador 46A na etapa S305. Em vista disso, o controle de parada termina. Uma vez que a passagem 26C é fechada na etapa S302, o gás anódico ou o efluente gasoso anódico permanece no anodo da pilha de células de combustível 12. Entretanto, o gás anódico ou o efluente gasoso anódico é queimado no combustor de ar descarregado 58 no próximo controle de aquecimento.
[Modificação do Procedimento de Controle Antes do Aquecimento no Sistema de Célula de Combustível]
[056] A Figura 7 ilustra uma modificação do procedimento ilustrado na Figura 2, isto é, um procedimento de controle sem o compressor 40. Quando o sistema inicia um controle antes do aquecimento, a unidade de controle 78 liga o dispositivo de aquecimento 66 para aquecer o combustor de ar descarregado 58 na etapa S102. Na etapa S103B, a unidade de controle 78 determina se a temperatura do combustor de ar descarregado 58 atingiu a temperatura predeterminada que garante ou não a combustão catalítica a partir da temperatura detectada pelo sensor de temperatura 76B. Quando a unidade de controle 78 determina que a temperatura do combustor de ar descarregado 58 ainda não atingiu a temperatura predeterminada, a unidade de controle 78 continua no estado ON do dispositivo de aquecimento 66. Por outro lado, quando a unidade de controle 78 determina que a temperatura do combustor de ar descarregado 58 atingiu a temperatura predeterminada, a unidade de controle 78 desliga o dispositivo de aquecimento 66 para terminar o controle antes do aquecimento na etapa S104, e depois, transita para o próximo controle de aquecimento. O compressor 40 é ligado no início do controle de aquecimento.
[057] A Figura 8 ilustra uma modificação do procedimento ilustrado na Figura 3, isto é, um procedimento do controle sem o compressor 40. Quando o sistema inicia o controle antes do aquecimento, a unidade de controle 78 determina se o combustor de ar descarregado 58 mantém a temperatura predeterminada que garante ou não a combustão catalítica a partir da temperatura detectada pelo sensor de temperatura 76B na etapa S101B. Quando a unidade de controle 78 determina que o combustor de ar descarregado 58 mantém a temperatura predeterminada, a unidade de controle 78 termina diretamente o controle antes do aquecimento para transitar para o próximo controle de aquecimento. Por outro lado, quando a unidade de controle 78 determina que a temperatura do combustor de ar descarregado 58 é inferior à temperatura predeterminada, a unidade de controle 78 executa o controle na ordem das etapas mencionadas acima S102, S103B e S104 até o término do controle antes do aquecimento e, em seguida, transita para o próximo controle de aquecimento. O compressor 40 é ligado no início do controle de aquecimento.
[Efeito do Sistema de Célula de Combustível na Modalidade]
[058] O sistema de célula de combustível 10 na modalidade inclui a unidade de controle de aquecimento (a unidade de controle 78) que executa o controle de aquecimento da célula de combustível (a pilha de células de combustível 12) após o aquecimento do primeiro combustor (o combustor de ar descarregado 58) através do dispositivo de aquecimento 66. Isto é, de acordo com o sistema de célula de combustível 10 e seu método de controle na modalidade, após o combustor de ar descarregado 58 ser acoplado ao lado do ar descarregado da pilha de células de combustível 12, ele é aquecido, e o controle de aquecimento é executado na pilha de células de combustível 12. Isso pode queimar certamente o gás anódico ou o efluente gasoso anódico (o gás restante) restante na pilha de células de combustível 12 através do combustor de ar descarregado 58 durante o controle de aquecimento da pilha de células de combustível 12.
[059] O sistema de célula de combustível 10 na modalidade inclui o segundo combustor (o combustor de ativação 52) disposto na passagem de fornecimento (a passagem 42A) que fornece o gás oxidante (o gás catódico) para a célula de combustível (a pilha de células de combustível 12), e a unidade de controle de aquecimento (a unidade de controle 78) inclui a primeira unidade de controle de aquecimento (a unidade de controle 78) que executa o controle de aquecimento na célula de combustível (a pilha de células de combustível 12) pelo segundo combustor (o combustor de ativação 52). Assim, mesmo se o gás não queimado, que é um combustível não queimado e restante, é misturado ao gás de combustão gerado pelo combustor de ativação 52, o combustor de ar descarregado 58 que já foi aquecido pode queimá-lo.
[060] O sistema de célula de combustível 10 na modalidade inclui a carga (a bateria 70) acoplada à célula de combustível (a pilha de células de combustível 12), e a unidade de controle de aquecimento (a unidade de controle 78) inclui a segunda unidade de controle de aquecimento (a unidade de controle 78) que ajusta a energia elétrica fornecida a partir da célula de combustível (pilha de células de combustível 12) para a carga (a bateria 70) para aquecer a célula de combustível (pilha de células de combustível 12). Aqui, a unidade de controle de aquecimento (a unidade de controle 78) executa o controle pela segunda unidade de controle de aquecimento (a unidade de controle 78) depois de executar o controle pela primeira unidade de controle de aquecimento (a unidade de controle 78). Isto pode seguramente elevar a temperatura da pilha de células de combustível 12 até a temperatura exigida para o controle de geração elétrica usual usando geração de calor de acordo com a geração elétrica da própria pilha de células de combustível 12. O gás restante e o gás não queimado que passam através da pilha de células de combustível 12, após a ativação do sistema de célula de combustível 10 e até executar a geração elétrica, podem ser certamente queimados no combustor de ar descarregado 58. Assim, o gás restante e o gás não queimado não são descarregados para o exterior.
[061] A unidade de controle de aquecimento (a unidade de controle 78) inicia o controle de aquecimento da célula de combustível (a pilha de células de combustível 12) com base na temperatura do primeiro combustor (o combustor de ar descarregado 58). A temperatura do primeiro combustor (o combustor de ar descarregado 58) é avaliada com base na temperatura medida pelo sensor de temperatura 76A disposto na posição que está à jusante do gás em relação ao primeiro combustor (o combustor de ar descarregado 58). Isto pode medir a temperatura do combustor de ar descarregado 58 com alta precisão. Neste caso, o ar é escoado para o catodo da pilha de células de combustível 12. Assim, se o gás anódico ou o efluente gasoso anódico fluir para o combustor de ar descarregado 58, o dito combustor de ar descarregado 58 pode queimá-lo até o momento em que a temperatura do combustor de ar descarregado 58 atingiu a temperatura exigida para a combustão catalítica.
[062] A unidade de controle de aquecimento (a unidade de controle 78) inicia o controle de aquecimento da célula de combustível (a pilha de células de combustível 12) com base na temperatura do primeiro combustor (o combustor de ar descarregado 58). A temperatura do primeiro combustor (o combustor de ar descarregado 58) é medida pelo sensor de temperatura 76B disposto na entrada do gás do primeiro combustor (o combustor de ar descarregado 58). Isto pode medir diretamente a temperatura do combustor de ar descarregado 58 sem fluir o ar para o catodo da pilha de células de combustível 12.
[063] O sistema de célula de combustível 10 na modalidade inclui a válvula de corte de passagem de fluxo (a válvula de corte 62) montada na passagem de descarga (a passagem 26C) que fornece o efluente gasoso de combustível (o efluente gasoso anódico) descarregado a partir da célula de combustível (a pilha de células de combustível 12) para o primeiro combustor (o combustor de ar descarregado 58). A unidade de controle de aquecimento (a unidade de controle 78) controla a válvula de corte da passagem de fluxo (a válvula de corte 62) depois de aquecer o primeiro combustor (o combustor de ar descarregado 58), abrindo assim a passagem de descarga (a passagem 26C). Isto evita que o gás anódico ou o efluente gasoso anódico que permanece no anodo da pilha de células de combustível 12 flua para o combustor de ar descarregado 58 no controle antes do aquecimento, e pode queimar certamente o gás anódico ou o efluente gasoso anódico no controle de aquecimento.
[064] As modalidades da presente invenção descritas acima são meramente ilustrativas de alguns exemplos de aplicação da presente invenção e não para limitar o escopo técnico da presente invenção às construções específicas das modalidades acima.
[065] O presente pedido reivindica uma prioridade do Pedido de Patente Japonesa No. 2015-244516 depositado no Escritório de Patentes do Japão em 15 de dezembro de 2015, e todo o conteúdo é aqui incorporado pela referência.

Claims (9)

1. Sistema de célula de combustível (10) compreendendo: uma célula de combustível (12); um sistema de fornecimento de combustível que é configurado para fornecer um gás anódico à célula de combustível (12); um primeiro combustor (58) acoplado a um lado de ar descarregado da célula de combustível (12); um dispositivo de aquecimento (66) que é configurado para aquecer o primeiro combustor (58); uma válvula de corte de passagem de fluxo (62) montada em uma passagem de descarga (26C) que é configurada para fornecer um efluente gasoso de combustível descarregado a partir da célula de combustível (12) para o primeiro combustor (58); uma unidade de controle de aquecimento (78) que é configurada para executar um controle de aquecimento da célula de combustível (12) depois de aquecer o primeiro combustor (58) pelo dispositivo de aquecimento (66); CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de controle de aquecimento (78) é configurada para controlar a válvula de corte de passagem de fluxo (62) para abrir a passagem de descarga (26C) depois de aquecer o primeiro combustor (58) até a uma temperatura exigida para combustão catalítica.
2. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um segundo combustor (52) disposto em uma passagem de fornecimento que fornece um gás oxidante à célula de combustível (12), onde a unidade de controle de aquecimento (78) inclui uma primeira unidade de controle de aquecimento (78) que executa o controle de aquecimento na célula de combustível (12) pelo segundo combustor (52).
3. Sistema de célula de combustível (10), de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: Uma carga acoplada à célula de combustível (12), onde a unidade de controle de aquecimento (78) inclui uma segunda unidade de controle de aquecimento (78) que ajusta uma energia elétrica fornecida a partir da célula de combustível (12) à carga para aquecer a célula de combustível (12).
4. Sistema de célula de combustível (10), de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de controle de aquecimento (78) executa um controle pela segunda unidade de controle de aquecimento (78) depois de executar um controle pela primeira unidade de controle de aquecimento (78).
5. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a temperatura do primeiro combustor (58) é medida por um sensor de temperatura (76A) disposto em uma posição que está à jusante de um gás em relação ao primeiro combustor (58).
6. Sistema de célula de combustível (10), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a temperatura do primeiro combustor (58) é medida por um sensor de temperatura (76B) disposto em uma entrada de um gás do primeiro combustor (58).
7. Método de controle para um sistema de célula de combustível (10) com-preendendo: prover uma célula de combustível (12); prover um sistema de fornecimento de combustível que é configurado para fornecer um gás anódico à célula de combustível (12); prover um primeiro combustor (58) acoplado a um lado de ar descarregado da célula de combustível (12); prover um dispositivo de aquecimento (66) que é configurado para aquecer o primeiro combustor (58); prover uma válvula de corte de passagem de fluxo (62) montada em uma passagem de descarga (26C) que é configurada para fornecer um efluente gasoso de combustível descarregado a partir da célula de combustível (12) para o primeiro combustor (58); prover uma unidade de controle de aquecimento (78) que é configurada para executar um controle de aquecimento da célula de combustível (12) depois de aquecer o primeiro combustor (58) pelo dispositivo de aquecimento (66); o método CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda configurar a unidade de controle de aquecimento (78) para controlar a válvula de corte de passagem de fluxo (62) para abrir a passagem de descarga (26C) depois de aquecer o primeiro combustor (58) até a uma temperatura exigida para combustão catalítica.
8. Método de controle para o sistema de célula de combustível (10), de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: executar o controle de aquecimento na célula de combustível (12) por um segundo combustor (52) disposto em uma passagem de fornecimento que fornece um gás oxidante para a célula de combustível (12).
9. Método de controle para o sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende aquecer o primeiro combustor (58) para executar o controle de aquecimento na célula de combustível (12) e, subsequentemente iniciar um controle de geração elétrica da célula de combustível (12).
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