CN115799566A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统。本发明一实施例的燃料电池系统可以包括：电堆，利用重整气体生成电力；燃料处理装置，向电堆供应重整气体；第一气体流路，连接电堆和燃料处理装置，供从燃料处理装置吐出的重整气体流动；第二气体流路，连接电堆和燃料处理装置，供从电堆吐出的阳极废气流动；缓冲罐，储存从电堆吐出的阳极废气的一部分；第一缓冲罐流路，连接缓冲罐和第二气体流路；第二缓冲罐流路，供储存于缓冲罐的阳极废气流动；气体混合器，与第二缓冲罐流路连接，将储存于缓冲罐的阳极废气供应给电堆；以及控制部，通过调节气体混合器来将储存于缓冲罐的阳极废气供应给电堆，以预热电堆或去除电堆中残存的空气。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，更详细而言，涉及一种在发电运转初始进入时预热电堆和在停止运转时去除电堆中残留的空气的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池系统(Fuel cell system)是一种通过使烃类物质例如甲醇、乙醇、天然气等中包含的氢与氧进行电化学反应来产生电能的发电系统。
与现有技术1(韩国公开专利公告第10-2012-0071288号)相似地，通常的燃料电池系统包括：燃料处理装置，将包含氢原子的燃料转换重整(reforming)为氢气；以及电堆(stack)，利用从燃料处理装置供应的氢气来产生电能。另外，燃料电池系统还可以包括冷却电堆且用于回收热量的热交换器、冷却水配管以及将生成的直流电源转换为交流电源的电力转换装置等。
另一方面，为了在发电运转结束后去除电堆内残存的氧，现有技术2(韩国公开专利公告第10-2011-0019274号)公开了如下方案：通过在向电堆供应燃料的燃料供应系统的氢清除线上安装与氢清除阀分支的单独的分支阀，来在发电运转结束时，使经过所述分支阀的氢经由空气供应线清除电堆内阴极(Cathode)电极部，但是，上述方案存在需要附加生成并供应用于向所述阴极(Cathode)电极部供应的阳极废气(Anode Off Gas：AOG)的问题。
因此，需要进行在发电运转结束后去除电堆内阴极(Cathode)电极部中残存的氧，以防止电堆的寿命降低的研究。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：KR 10-2012-0071288 A
专利文献2：KR 10-2011-0019274 A
发明内容
本发明的目的在于解决上述的问题和其他问题。
本发明的另一目的在于，提供一种在发电运转结束后执行用于去除电堆内阴极(Cathode)电极部中残存的氧的清除运转的燃料电池系统。
本发明的另一目的在于，提供一种在发电运转时执行预热电堆的电堆预热运转的燃料电池系统。
本发明的另一目的在于，提供一种能够节省燃料电池系统的维护费用的燃料电池系统。
本发明的目的并不限定于以上提及的目的，本领域的技术人员可以通过以下的记载清楚地理解未被提及的其他目的。
为了解决上述课题，本发明一实施例的燃料电池系统可以包括：电堆，利用重整气体生成电力；燃料处理装置，向所述电堆供应重整气体；第一气体流路，连接所述电堆和所述燃料处理装置，供从所述燃料处理装置吐出的所述重整气体流动；第二气体流路，连接所述电堆和所述燃料处理装置，供从所述电堆吐出的阳极废气(aonde off gas，AOG)流动；缓冲罐，储存从所述电堆吐出的阳极废气的一部分；第一缓冲罐流路，连接所述缓冲罐和所述第二气体流路；第二缓冲罐流路，供储存于所述缓冲罐的阳极废气流动；气体混合器，与所述第二缓冲罐流路连接，将储存于所述缓冲罐的阳极废气供应给所述电堆；以及控制部，通过调节所述气体混合器来将储存于所述缓冲罐的阳极废气供应给所述电堆，以预热所述电堆或去除所述电堆中残存的空气。
本发明一实施例的燃料电池系统还可以包括：缓冲罐阀，配置在所述第一缓冲罐流路，并控制向所述缓冲罐供应的阳极废气的流动；以及缓冲罐压缩机，位于所述缓冲罐阀的前端，对向所述缓冲罐供应的阳极废气进行压缩；在发电运转时，所述控制部关闭所述气体混合器并开放所述缓冲罐阀，并且使所述缓冲罐压缩机运转，从而可以将从所述电堆吐出的阳极废气的一部分压缩后储存于所述缓冲罐。
本发明一实施例的燃料电池系统还可以包括：压力传感器，配置在所述缓冲罐，测量储存于所述缓冲罐内的阳极废气的压力；在利用所述压力传感器测量的储存于所述缓冲罐内的阳极废气的压力为第一设定压力以上时，所述控制部可以关闭所述缓冲罐阀并使所述缓冲罐压缩机停止。
本发明一实施例的燃料电池系统还可以包括：鼓风机，向所述电堆供应空气；以及空气供应阀，配置在所述电堆和所述鼓风机之间，调节从所述鼓风机向所述电堆供应的空气；在清除运转时，所述控制部可以关闭所述空气供应阀并开放所述气体混合器，以将储存于所述缓冲罐的阳极废气向所述电堆供应。
本发明一实施例的燃料电池系统还可以包括：压力传感器，配置在所述缓冲罐，测量储存于所述缓冲罐内的阳极废气的压力；在利用所述压力传感器测量的所述缓冲罐内的阳极废气的压力为第二设定压力以下时，所述控制部可以关闭所述气体混合器并结束清除运转。
本发明一实施例的燃料电池系统还可以包括：鼓风机，向所述电堆供应空气；以及空气供应阀，配置在所述电堆和所述鼓风机之间，调节从所述鼓风机向所述电堆供应的空气；在电堆预热运转时，所述控制部可以开放所述气体混合器和所述空气供应阀并使所述鼓风机运转，以使空气和阳极废气在混合后供应到所述电堆。
本发明一实施例的燃料电池系统还可以包括：第一气体阀，配置在所述第一气体流路，控制向所述电堆供应的重整气体的流动；旁通流路，连接所述第一气体流路和所述燃料处理装置；以及旁通阀，配置在所述旁通流路，控制所述旁通流路内的重整气体的流动；在电堆预热运转时，所述控制部可以关闭所述第一气体阀并开放所述旁通阀，以使从所述燃料处理装置吐出的重整气体再次流入到所述燃料处理装置。
另一方面，为了解决上述课题，本发明一实施例的燃料电池系统的控制方法可以包括：通过调节用于控制向所述缓冲罐供应的阳极废气的流动的缓冲罐阀和用于压缩所述阳极废气的缓冲罐压缩机，来执行将从所述电堆吐出的阳极废气储存于所述缓冲罐的发电运转的步骤。
执行所述发电运转的步骤可以包括：关闭所述气体混合器并开放所述缓冲罐阀，并且使所述缓冲罐压缩机运转，以将从所述电堆吐出的阳极废气的一部分压缩后储存于所述缓冲罐的步骤。
将从所述电堆吐出的阳极废气储存于所述缓冲罐的步骤可以包括：在利用测量所述缓冲罐内储存的阳极废气的压力的压力传感器测量的压力为第一设定压力以上的情况下，关闭所述缓冲罐阀并使所述缓冲罐压缩机停止的步骤。
另一方面，为了解决上述课题，本发明一实施例的燃料电池系统的控制方法还可以包括：通过调节用于控制向所述电堆的空气流动的空气供应阀和所述气体混合器，来执行去除所述电堆中残留的空气的清除运转的步骤。
执行所述清除运转的步骤可以包括：关闭所述空气供应阀并开放所述气体混合器，以将储存于所述缓冲罐的阳极废气向所述电堆供应的步骤。
执行所述清除运转的步骤可以包括：在利用测量所述缓冲罐内储存的阳极废气的压力的压力传感器来测量的压力为第二设定压力以下的情况下，关闭所述气体混合器并结束所述清除运转的步骤。
另一方面，为了解决上述课题，本发明一实施例的燃料电池系统的控制方法还可以包括：通过调节用于控制向所述电堆的空气流动的空气供应阀、所述气体混合器以及所述鼓风机，来执行预热所述电堆的电堆预热运转的步骤。
执行所述电堆预热运转的步骤可以包括：开放所述气体混合器和所述空气供应阀，并且使所述鼓风机运转，以使空气和阳极废气在所述气体混合器中混合后供应到所述电堆的步骤。
关于其他实施例的具体内容包含在具体实施方式和附图中。
根据本发明的各种实施例，通过在发电运转结束后执行将储存于缓冲罐的阳极废气向电堆供应的清除运转来去除电堆内残存的氧，能够防止因阴极电极部的氧化而引起的电堆寿命减少。
另外，根据本发明的各种实施例，通过所述清除运转，使得电堆的使用年限等增加，从而能够节省系统维护费用并确保经济性。
另外，根据本发明的各种实施例，随着在发电运转初始进入时，储存于缓冲罐的阳极废气供应到电堆，电堆被快速预热，从而能够提高发电效率。
本发明的效果并不限于上述提及的效果，并且本领域技术人员可以通过所附的权利要求书的记载清楚地理解未提及的其他效果。
附图说明
图1是本发明一实施例的燃料处理装置的构成的示意图。
图2和图3是本发明一实施例的燃料电池系统的构成图。
图4是关于本发明一实施例的燃料电池系统的控制方法的流程图。
图5是关于本发明一实施例的电堆预热运转的控制方法的流程图。
图6是说明本发明一实施例的电堆预热运转的图。
图7是关于本发明一实施例的发电运转的控制方法的流程图。
图8a和图8b是说明本发明一实施例的发电运转的图。
图9是关于本发明一实施例的停止运转的控制方法的流程图。
图10a和图10b是说明本发明一实施例的停止运转的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明。在附图中，为了清楚和简要地说明本发明，省略了与该说明无关的部分的图示，并且在整个说明书中，相同的附图标记用于相同或非常相似的部分。
在以下的说明中所使用的结构要素的词尾“模块”及“部”仅是为了容易地撰写本说明书而赋予的，其本身并不会赋予特别重要的含义或作用。因此，上述“模块”及“部”可混合使用。
在本申请中，“包括”或“具有”等术语仅是为了指定说明书上记载的特征、数字、步骤、动作、结构要素、部件或其组合的存在，而并不意在排除一个或其以上的其他特征或数字、步骤、动作、结构要素、部件或其组合的存在或添加的可能性。
另外，在本说明书中，为了说明各种要素可以使用第一、第二等术语，但是，这些要素不受这些术语的限制。这些术语可以仅为了区分一个要素与另一个要素而使用。
图1是本发明一实施例的燃料处理装置的构成的示意图。
参照图1，燃料处理装置10可以包括脱硫器110、燃烧器120、蒸汽发生器130、重整器140(reformer)、第一反应器150和/或第二反应器160。燃料处理装置10还可以包括至少一个混合器111、112。
脱硫器110可以执行用于去除燃料气体中包含的硫化合物的脱硫工艺。例如，可以在脱硫器110的内部设置吸附剂。此时，通过脱硫器110的内部的燃料气体中包含的硫化合物可以被吸附于吸附剂。
吸附剂可以由金属氧化物、沸石(Zeolite)、活性炭(activated carbon)等构成。
脱硫器110还可以包括用于去除燃料气体中包含的杂质的过滤器。
燃烧器120可以向重整器140供应热量，以促进重整器140中的重整反应。例如，从脱硫器110吐出的燃料气体和从外部流入的空气可以在第一混合器111混合并供应到燃烧器120。此时，燃烧器120可以通过燃烧由燃料气体和空气混合而成的混合气体来产生燃烧热量。此时，重整器140的内部温度可以在燃烧器120提供的热量的作用下保持适当温度(例如：800℃)。
另一方面，由混合气体燃烧而在燃烧器120中生成的废气可以被排出到燃料处理装置10的外部。
蒸汽发生器130可以使水气化并以水蒸气排出。例如，蒸汽发生器130可以通过从燃烧器120中生成的废气、第一反应器150和/或第二反应器160吸收热量来使水气化。
蒸汽发生器130可以与第一反应器150、第二反应器160和/或供从燃烧器120排出的废气流动的配管邻近地配置。
重整器140可以使用催化剂来执行从去除了硫化合物的燃料气体生成氢气的重整工艺。例如，从脱硫器110吐出的燃料气体和从蒸汽发生器130吐出的水蒸气可以在第二混合器112混合并供应到重整器140。此时，当供应到重整器140的燃料气体和水蒸气在重整器140内进行重整反应时，可以生成氢气。
第一反应器150可以减少从重整器140吐出的气体中包含的成分中的由重整反应生成的一氧化碳。例如，从重整器140吐出的气体中包含的一氧化碳可以在第一反应器150内部与水蒸气反应而生成二氧化碳和氢。此时，第一反应器150的内部温度可以是低于重整器140的内部温度且高于常温的温度(例如：200℃)。
第一反应器150可以被称为变换反应器(shift reactor)。
第二反应器160可以减少从第一反应器150吐出的气体中包含的成分中残存的一氧化碳。例如，从第一反应器150吐出的气体中包括的一氧化碳可以在第二反应器160内部与氧反应而发生选择性氧化(preferential oxidation，PROX)反应。
另一方面，在选择性氧化反应的情况下，需要大量的氧，因此需要追加供应空气，使得氢被追加供应的空气稀释，从而存在供应到电堆的氢的浓度减小的缺点。因此，为了克服这样的缺点，可以利用一氧化碳和氢发生反应的选择性甲烷化(selectivemethanation)反应。
另一方面，可以将经由重整器140、第一反应器150和/或第二反应器160从燃料处理装置10吐出的气体称为重整气体。
电堆20可以通过对从燃料处理装置10供应的重整气体进行电化学反应来生成电能。
电堆20可以由发生电化学反应的单个单元堆叠而构成。
单个单元可以由以电解质膜为中心配置有燃料极和空气极的膜电极组件(membrane electrode assembly，MEA)、分离器(separator)等构成。在膜电极组件的燃料极中，氢可以在催化剂的作用下被分离为氢离子和电子而发电，在膜电极组件的空气极中，氢离子和电子可以与氧结合而生成水。
电堆20还可以包括用于释放电化学反应过程中产生的热量的电堆热交换器(未图示)。电堆热交换器可以是将水作为制冷剂使用的热交换器。例如，供应到电堆热交换器的冷却水可以吸收电化学反应过程中产生的热量，因吸收的热量而温度上升的冷却水可以被吐出到电堆热交换器的外部。
图2和图3是本发明一实施例的包括燃料处理装置的燃料电池系统的构成图。
参照图2，燃料电池系统1可以包括燃料处理部I、电力生成部II、冷却水循环部III和/或热回收部IV。
燃料处理部I可以包括燃料处理装置10、调节供应到燃料处理装置10的燃料气体的流动的燃料阀30、使空气向燃料处理装置10流动的第一鼓风机71等。
电力生成部II可以包括：电堆20a、20b；重整气体热交换器21，供从燃料处理装置10吐出的重整气体进行热交换；AOG热交换器22，供未在电堆20a、20b反应并排出的气体进行热交换；加湿装置23，将水分供应给向电堆20a、20b供应的空气；以及第二鼓风机72，使空气向电堆20a、20b流动。其中，可以将未在电堆20a、20b反应并排出的气体称为阳极废气(anode off gas，AOG)。在本发明的一实施例中，描述了燃料电池系统1具有两个电堆20a、20b，但不限于此。
冷却水循环部III可以包括：供水罐13，储存燃料电池系统1中生成的水；水泵38，使水向燃料处理装置10流动；供水阀39，用于调节向燃料处理装置10供应的水的流动；以及冷却水泵43，使水向重整气体热交换器21流动。
热回收部IV可以包括：热回收罐15，储存用于热交换的水；以及热水泵48，使储存于热回收罐15的水向热回收罐15的外部流动。
燃料阀30可以配置在供向燃料处理装置10供应的燃料气体流动的燃料供应流路101。可以根据燃料阀30的开度程度来调节供应到燃料处理装置10的燃料气体的流量。例如，燃料阀30可以切断燃料供应流路101以中断向燃料处理装置10供应燃料气体。
在燃料供应流路101可以配置有用于检测在燃料供应流路101内流动的燃料气体的流量的第一燃料流量计51。
第一鼓风机71可以与第一外部空气流入流路201和燃料侧空气供应流路202连接。第一鼓风机71可以使经由第一外部空气流入流路201从外部流入的空气经由燃料侧空气供应流路202向燃料处理装置10流动。
经由燃料侧空气供应流路202流入燃料处理装置10的空气可以被供应到燃料处理装置10的燃烧器120。例如，流入到燃料处理装置10的空气可以与从脱硫器110吐出的燃料气体在第一混合器111混合并被供应到燃烧器120。
在第一外部空气流入流路201可以配置有用于去除空气中包含的灰尘等杂质的空气过滤器91和/或用于限制空气的流动方向的第一空气侧止回阀81。
燃料处理部I可以包括供从脱硫器110吐出的燃料气体向重整器140流动的第一内部气体流路102。在第一内部气体流路102可以配置有比例控制阀31、用于调节流入重整器140的燃料气体的流动的内部燃料阀32、用于检测在内部气体流路102内流动的燃料气体的流量的第二燃料流量计52、用于限制在内部气体流路102内流动的燃料气体的流动方向的燃料侧止回阀83和/或硫检测装置94。
比例控制阀31可以以电气控制方式通过内/外部反馈来调节从脱硫器110吐出并向重整器140流动的燃料气体的流量、压力等。
硫检测装置94可以检测从脱硫器110吐出的燃料气体中包含的硫。硫检测装置94可以包括与未被脱硫器110的吸附剂去除的硫化合物反应而改变颜色的指示剂。其中，指示剂可以包括酚酞(phenolphthalein)、钼化合物等。
燃料处理部I可以包括供从脱硫器110吐出的燃料气体向燃烧器120流动的第二内部气体流路103。燃烧器120可以使用经由第二内部气体流路103流入的燃料气体进行燃烧。
第一内部气体流路102和第二内部气体流路103可以彼此连通。
燃料处理装置10可以连接于供从供水罐13吐出的水流动的水供应流路303。在水供应流路303可以配置有水泵38、调节水的流动的供水阀39和/或检测在水供应流路303内流动的水的流量的水流量计54。
在燃料处理装置10的燃烧器120生成的废气可以经由废气吐出流路210从燃料处理装置10吐出。
燃料处理装置10可以连接于重整气体吐出流路104。从燃料处理装置10吐出的重整气体可以经由重整气体吐出流路104流动。
重整气体吐出流路104可以连接于供重整气体进行热交换的重整气体热交换器21。在重整气体吐出流路104可以配置有用于调节流入重整气体热交换器21的重整气体的流动的重整气体阀33。
重整气体吐出流路104可以与供从燃料处理装置10吐出的重整气体向燃料处理装置10流动的旁通流路105连通。旁通流路105可以连接于燃料处理装置10。经由旁通流路105流入到燃料处理装置10的重整气体可以作为用于燃烧器120的燃烧的燃料。在旁通流路105可以配置有用于调节流入燃料处理装置10的重整气体的流动的旁通阀34。
重整气体热交换器21可以连接于供从燃料处理装置10吐出的重整气体流动的重整气体吐出流路104。重整气体热交换器21可以连接于供从供水罐13吐出的水流动的冷却水供应流路304。重整气体热交换器21可以使经由重整气体吐出流路104流入的重整气体和经由冷却水供应流路304供应的水进行热交换。
在冷却水供应流路304可以配置有使储存于供水罐13的水向重整气体热交换器21流动的冷却水泵43和/或用于检测冷却水供应流路304内流动的水的流量的冷却水流量计56。
重整气体热交换器21可以与电堆气体供应流路106连接。从重整气体热交换器21吐出的重整气体可以经由电堆气体供应流路106向电堆20a、20b流动。
在电堆气体供应流路106可以配置有用于调节重整气体中包含的水分的量的重整气体水分去除装置61。流入到重整气体水分去除装置61的重整气体可以在被去除水分后从重整气体水分去除装置61吐出。
在重整气体水分去除装置61中生成的冷凝水可以从重整气体水分去除装置61吐出并向第一水回收流路309流动。在第一水回收流路309可以配置有用于调节水的流动的第一水回收阀44。
电堆20a、20b可以通过对经由电堆气体供应流路106流入的重整气体进行电化学反应来生成电能。在一实施例中，在燃料电池系统1具有复数个电堆20a、20b的情况下，未在第一电堆20a反应并吐出的重整气体可以在第二电堆20b追加进行电化学反应。
第二鼓风机72可以连接于与第一外部空气流入流路201连通的第二外部空气流入流路203和电堆侧空气流入流路204。第二外部空气流入流路203可以连接于空气过滤器91的后端。第二鼓风机72可以使经由第二外部空气流入流路203流入的空气经由电堆侧空气流入流路204向电堆20侧流动。
在第二外部空气流入流路203可以配置有用于限制空气的流动方向的第二空气侧止回阀82。
在电堆侧空气流入流路204可以配置有用于检测在电堆侧空气流入流路204内流动的空气的流量的空气流量计53。
加湿装置23可以向经由电堆侧空气流入流路204流入的空气供应水分，并且可以通过电堆侧空气供应流路205吐出包含水分的空气。
在电堆侧空气供应流路205可以配置有用于调节向电堆20供应的空气的流动的电堆侧空气供应阀36。
电堆侧空气供应流路205可以连接于分别对应于电堆20a、20b的单独供应流路206、207。经由电堆侧空气供应流路205流动的空气可以经由单独供应流路206、207向电堆20a、20b供应。
复数个电堆20a、20b可以通过气体连接流路107彼此连接。未在第一电堆20a反应并吐出的重整气体可以经由气体连接流路107流入第二电堆20b。
在气体连接流路107可以配置有用于去除重整气体在通过第一电堆20a的期间被冷凝而生成的水的追加水分去除装置62。
在追加水分去除装置62生成的水可以从追加水分去除装置62吐出并向第二水回收流路310流动。在第二水回收流路310可以配置有用于调节水的流动的第二水回收阀45。第二水回收流路310可以与第一水回收流路309连接。
在电堆20a、20b中未反应并吐出的阳极废气(AOG)可以经由电堆气体吐出流路108流动。
AOG热交换器22可以与供从电堆20a、20b吐出的阳极废气(AOG)流动的电堆气体吐出流路108连接。AOG热交换器22可以与供从热回收罐15吐出的水流动的热水供应流路313连接。AOG热交换器22可以使经由电堆气体吐出流路108流入的阳极废气(AOG)和经由热水供应流路313供应的水进行热交换。
在热水供应流路313可以配置有使储存于热回收罐15的水向AOG热交换器22流动的热水泵48和/或用于检测热水供应流路313内流动的水的流量的热水流量计55。
AOG热交换器22可以与AOG供应流路109连接，被热交换的阳极废气(AOG)可以经由AOG供应流路109吐出。从AOG热交换器22吐出的阳极废气(AOG)可以经由AOG供应流路109向燃料处理装置10流动。经由AOG供应流路109供应到燃料处理装置10的阳极废气AOG可以作为燃烧器120的燃烧用燃料来使用。另外，从AOG热交换器22吐出的阳极废气(AOG)可以经由第一缓冲罐流路231向缓冲罐230流动。即，从AOG热交换器22吐出的阳极废气(AOG)的一部分可以向燃料处理装置10流动，而其余一部分可以向缓冲罐230流动。
缓冲罐230可以储存从电堆20吐出的阳极废气(AOG)。储存于缓冲罐230的阳极废气(AOG)可以被使用在后述的电堆预热运转或停止运转(清除运转)中。缓冲罐230可以通过第一缓冲罐流路231来与AOG供应流路109连接。缓冲罐230可以通过第二缓冲罐流路234来与气体混合器235连接。在缓冲罐230可以配置有用于调节流入到缓冲罐230的阳极废气(AOG)的流动的缓冲罐阀233。具体而言，缓冲罐阀233可以配置在缓冲罐230的入口端。缓冲罐230可以具备用于测量储存于缓冲罐230内的阳极废气(AOG)的压力的压力传感器236。
第一缓冲罐流路231的一端可以在AOG阀35和AOG水分去除装置63之间的位置与AOG供应流路109连接。第一缓冲罐流路231的另一端可以与缓冲罐230连接。在第一缓冲罐流路231可以配置有对向缓冲罐230流入的阳极废气(AOG)进行压缩的缓冲罐压缩机232。缓冲罐压缩机232可以配置在缓冲罐阀233的前端。
第二缓冲罐流路234的一端可以与缓冲罐230连接。第二缓冲罐流路234的另一端可以与气体混合器235连接。在第二缓冲罐流路234可以配置有使从缓冲罐230排出的阳极废气(AOG)和向电堆20流入的空气混合的气体混合器235。气体混合器235可以位于电堆侧空气供应阀36和电堆20之间。气体混合器235可以调节从缓冲罐230排出的阳极废气(AOG)的流动。例如，气体混合器235可以是文丘里类型的混合器。
在AOG供应流路109可以配置有用于调节阳极废气(AOG)中包含的水分的量的AOG水分去除装置63和/或用于调节向燃料处理装置10供应的阳极废气(AOG)的流动的AOG阀35。流入到AOG水分去除装置63的阳极废气(AOG)可以在被去除水分后从AOG水分去除装置63吐出。
在AOG水分去除装置63生成的冷凝水可以从AOG水分去除装置63吐出并经由第三水回收流路311流动。在第三水回收流路311可以配置有调节水的流动的第三水回收阀46。第三水回收流路311可以与第一水回收流路309连接。
电堆侧空气吐出流路211可以连接于分别对应于电堆20a、20b的单独吐出流路208、209。从电堆20a、20b吐出的空气可以经由单独吐出流路208，209向电堆侧空气吐出流路211流动。此时，经由电堆侧空气吐出流路211流动的空气可以包含由在电堆20a、20b发生的电化学反应生成的水分。
在电堆侧空气吐出流路211可以配置有用于调节从电堆20排出的空气的流动的电堆侧空气吐出阀37。
电堆侧空气吐出流路211可以与加湿装置23连接。加湿装置23可以利用经由电堆侧空气吐出流路211供应的空气中包含的水分来向朝电堆20流动的空气供应水分。经由电堆侧空气吐出流路211供应到加湿装置23的空气可以经过加湿装置23吐出到加湿装置吐出流路212。
供水罐13可以与水流入流路301连接，可以储存经由水流入流路301供应的水。在水流入流路301可以配置有用于去除从外部供应的水中包含的杂质的第一液体过滤器92和/或用于调节流入供水罐13的水的流动的水流入阀41。
供水罐13可以与水排出流路302连接，可以将储存于供水罐13的水中的至少一部分经由水排出流路302排出到外部。在水排出流路302可以配置有用于调节从供水罐13排出的水的流动的水排出阀42。
供水罐13可以与水储存流路308连接，可以储存经由水储存流路308流动的水。例如，从重整气体水分去除装置61、追加水分去除装置62、AOG水分去除装置63和/或空气水分去除装置64吐出并经由第三水回收流路311流动的水可以经由水储存流路308流入供水罐13。在水储存流路308可以配置有用于去除返回到供水罐13的水中包含的杂质的第二液体过滤器93。
储存于供水罐13的水的至少一部分可以在冷却水泵43的作用下向重整气体热交换器21流动，并且可以在重整气体热交换器21与重整气体进行热交换。从重整气体热交换器21吐出的水可以经由电堆供水流路305流入到电堆20a、20b。
经由电堆供水流路305流入电堆20a、20b的水可以冷却电堆20a、20b。流入到电堆20a、20b的水可以沿着电堆20a、20b中包括的电堆热交换器(未图示)流动，并且可以吸收由在电堆20a、20b发生的电化学反应产生的热量。
复数个电堆20a、20b可以通过水连接流路306连接。从第一电堆20a吐出的水可以经由水连接流路306流入第二电堆20b。
从电堆20a、20b吐出的水可以经由电堆水吐出流路307流入冷却水热交换器24。冷却水热交换器24可以使从电堆20a、20b吐出的水和从热回收罐15吐出的水进行热交换。从电堆20a、20b吐出的水可以经由冷却水热交换器24向水储存流路308流动。
在热水泵48的作用下从热回收罐15吐出的水可以经由热水供应流路313流入到AOG热交换器22。在AOG热交换器22中与阳极废气(AOG)进行热交换后的水可以被吐出到第一热水循环回路314。
空气热交换器25可以与供从加湿装置23吐出的空气流动的加湿装置吐出流路212连接。空气热交换器25可以与供从AOG热交换器22吐出的水流动的第一热水循环回路314连接。空气热交换器25可以使经由加湿装置吐出流路212流入的空气和经由第一热水循环回路314流入的水进行热交换。
在空气热交换器25中热交换的空气可以经由空气排出流路213从空气热交换器25吐出。空气排出流路213可以与废气吐出流路210连通，废气吐出流路210中流动的废气和空气排出流路213中流动的空气可以被混合。
在空气排出流路213可以配置有空气水分去除装置64。空气水分去除装置64可以调节向外部排出的空气中包含的水分的量。流入空气水分去除装置64的空气可以在被去除水分后从空气水分去除装置64吐出。
在空气水分去除装置64生成的冷凝水可以从空气水分去除装置64吐出并经由第四水回收流路312流动。在第四水回收流路312可以配置有用于调节水的流动的第四水回收阀47。第四水回收流路312可以与水储存流路308连接。
在空气热交换器25中被热交换的水可以经由第二热水循环流路315从空气热交换器25吐出。从空气热交换器25吐出的水可以经由第二热水循环流路315流入冷却水热交换器24。
冷却水热交换器24可以使经由电堆水吐出流路307流入的水和经由第二热水循环流路315流入的水进行热交换。
废气热交换器26可以与供废气流动的废气吐出流路210连接。废气热交换器26可以与供从冷却水热交换器24吐出的水流动的第三热水循环流路316连接。废气热交换器26可以使经由废气吐出流路210流入的废气和经由第三热水循环流路316流入的水进行热交换。
在废气热交换器26中被热交换的废气可以吐出到废气流路214，在废气流路214流动的废气可以被排出到外部。
在废气热交换器26中被热交换的水可以吐出到热水回收流路317，在热水回收流路317流动的水可以流入热回收罐15。
另一方面，燃料电池系统1还可以包括至少一个控制部(未图示)。控制部可以包括至少一个处理器。在此，处理器可以是CPU(central processing unit：中央处理器)等普通处理器。当然，处理器可以是ASIC等专用装置(dedicated device)或其他基于硬件的处理器。
控制部可以控制燃料电池系统1的动作整体。控制部可以与设置于燃料电池系统1的各个构成连接，可以与各个构成之间发送和/或接收信号。例如，控制部可以处理从设置于燃料电池系统1的各个构成接收的信号，可以将基于处理信号的结果的控制信号发送到设置于燃料电池系统1的各个构成。
图4是关于本发明一实施例的燃料电池系统的控制方法的流程图。图5是关于电堆预热运转的控制方法的流程图。图6是电堆预热运转时的燃料电池系统的运转图。
参照图4，燃料电池系统1可以执行预热电堆的电堆预热运转(S100)。可以在后述的发电运转之前执行电堆预热运转。通常，在燃料电池系统1的发电运转初始进入时，电堆20被冷却为与周边的大气温度相同的状态。因此，需要执行将电堆20预热至规定温度的电堆预热运转，以使电堆20稳定且高效地执行发电运转。以下，参照图5和图6说明电堆预热运转。
参照图5和图6，燃料电池系统1可以保持用于发电运转的运转待机状态(S110)。其中，运转待机状态可以是指，向燃料电池系统1的各个构成供电等用于执行发电运转的一系列的准备过程。
步骤S110之后，燃料电池系统1可以执行预热燃料处理装置10的燃烧器120的运转(S120)。例如，可以通过将由燃料气体和空气混合而成的气体供应到燃烧器120来产生燃烧热量。此时，重整器140的内部温度可以逐渐上升至促进重整反应的适当温度(例如：800℃)。
另外，在执行预热燃烧器120的运转的期间，燃料电池系统1可以切断向重整器140的燃料气体供应。例如，燃料电池系统1可以调节比例控制阀31以使从脱硫器110吐出的燃料气体全部供应到燃烧器120，从而切断向重整器140的燃料气体的供应。
例如，在执行预热燃烧器120的运转的期间，燃料电池系统1可以将重整气体阀33、旁通阀34以及AOG阀35都关闭。此时，对重整器140的燃料气体的供应被切断，因此在重整器140不会生成重整气体。另外，重整气体或阳极废气(AOG)不会在重整气体吐出流路104、旁通流路105以及AOG供应流路109流动。
另外，燃料电池系统1可以执行初始生成重整气体的重整运转(S120)。例如，当重整器140的内部温度因燃烧器120的预热而上升至适当温度(例如：800℃)时，燃料电池系统1可以开始初始生成重整气体的重整运转。例如，当第一反应器150的内部温度为用于去除一氧化碳的最低温度(例如：160℃)以上时，燃料电池系统1可以开始初始生成重整气体的重整运转。
在执行初始生成重整气体的运转的情况下，燃料电池系统1可以调节比例控制阀31，以使从脱硫器110吐出的燃料气体中的一部分供应到重整器140，而其余一部分供应到燃烧器120。
另一方面，当开始初始生成重整气体的运转的情况下，燃料电池系统1可以驱动水泵38向燃料处理装置10的蒸汽发生器130供水，以使用于重整反应的水蒸气供应到重整器140。此时，当供应到重整器140的水蒸气的压力保持在用于重整反应的最小压力以上的情况下，例如，若水泵38被驱动后经过规定时间，则燃料电池系统1可以将从脱硫器110吐出的燃料气体中的一部分供应到重整器140。
另一方面，在执行初始生成重整气体的运转的期间，从燃料处理装置10吐出的重整气体中，氢气的比率可能小于预设的最小比率。其中，预设的最小比率可以是指，为了能够实现目标发电量而重整气体中氢气占据的比率的最小值(例如：80％)。此时，当氢气的比率低于预设的最小比率的重整气体被供应到电堆20的情况下，电堆20中难以产生目标发电量的电，因此，可以将从燃料处理装置10吐出的重整气体作为燃烧器120的燃料再使用。
例如，在执行初始生成重整气体的运转的期间，燃料电池系统1可以关闭重整气体阀33和AOG阀35，并开放旁通阀34。此时，从燃料处理装置10吐出的重整气体可以经由重整气体吐出流路104和旁通流路105再次流入燃料处理装置10，可以作为燃烧器120的燃烧用燃料来使用。
在步骤S120之后，燃料电池系统1可以开放电堆侧空气供应阀36(S130)。因此，在加湿装置23中加湿的空气可以经由电堆侧空气供应阀36供应到气体混合器235。
在步骤S130之后，燃料电池系统1可以开放电堆侧空气吐出阀37(S140)。因此，电堆20中重整气体和空气的化学反应后生成的气体可以在经由电堆侧空气吐出阀37供应到加湿装置23后被排出到外部。
在步骤S140之后，燃料电池系统1可以使第二鼓风机72以规定转数运转(S150)。因此，随着第二鼓风机72的运转，空气可以从外部增压到电堆20。
在步骤S150之后，燃料电池系统1可以开放气体混合器235，使储存于缓冲罐230的阳极废气(AOG)和空气混合(S160)。此时，缓冲罐阀233可以被关闭，以使储存于缓冲罐230的阳极废气(AOG)向第二缓冲罐流路234流动。因此，从第二鼓风机72增压的空气和储存于缓冲罐230的阳极废气(AOG)可以在气体混合器235混合并被供应到电堆20，并且电堆20可以在从电堆20内的阴极(Cathode)入口端产生的化学反应引起的发热反应的作用下被快速预热。其中，储存于缓冲罐230内的阳极废气(AOG)可以是燃料电池系统1试运转时储存的阳极废气(AOG)，或者是后述的清除运转后残存的阳极废气(AOG)。
图7是关于发电运转的控制方法的流程图。图8a和图8b是发电运转时的燃料电池系统的运转图。具体而言，图8a是在发电运转时将阳极废气(AOG)储存于缓冲罐的燃料电池系统的运转图，图8b是在发电运转时缓冲罐中阳极废气(AOG)储存完成后的燃料电池系统的运转图。
再次参照图4，燃料电池系统1可以执行利用重整气体和空气的化学反应来在电堆生成电的发电运转(S200)。当执行发电运转的情况下，燃料电池系统1可以执行将从电堆20吐出的阳极废气(AOG)储存于缓冲罐230的步骤。以下，参照图7和图8说明发电运转。
参照图7和图8，燃料电池系统1可以关闭气体混合器235(S210)。因此，可以在发电运转时切断储存于缓冲罐230的阳极废气(AOG)向气体混合器235供应。
在步骤S210之后，燃料电池系统1可以根据目标发电量来调节第二鼓风机72的转数(S220)。此时，电堆侧空气供应阀36可以被开放，由此，外部空气可以经由加湿装置23和气体混合器235供应到电堆20。
另一方面，燃料电池系统1可以根据目标发电量来调节燃料处理装置10的重整器140(S220)。此时，燃料电池系统1可以开放重整气体阀33并关闭旁通阀34，以将从燃料处理装置10吐出的重整气体供应给电堆20。另外，燃料电池系统1可以开放AOG阀35，使得从电堆20吐出的阳极废气(AOG)的一部分再次被供应到燃料处理装置10。
在步骤S220之后，燃料电池系统1可以开放缓冲罐阀233(S230)。在步骤S230之后，燃料电池系统1可以驱动缓冲罐压缩机232(S240)。因此，随着缓冲罐压缩机232驱动，从电堆20吐出的阳极废气(AOG)的其余部分可以被压缩并供应到缓冲罐230。
在步骤S240之后，燃料电池系统1可以利用配置于缓冲罐230的压力传感器236来检测储存于缓冲罐230的阳极废气(AOG)的压力Pbt(S250)。
在步骤S250之后，燃料电池系统1可以判断缓冲罐230中阳极废气(AOG)的储存是否已完成(步骤S260)。例如，燃料电池系统1可以判断在所述步骤S250动作中利用压力传感器236检测的缓冲罐230的压力Pbt是否为第一设定压力Pa以上。其中，第一设定压力Pa是指，与能够储存于缓冲罐230的阳极废气(AOG)的整体储存量100％对应的阳极废气(AOG)的压力值，可以表示缓冲罐230内阳极废气(AOG)的储存已完成。
当缓冲罐230的压力Pbt小于第一设定压力Pa的情况下(S260中为“否”)，燃料电池系统1判断为缓冲罐230中阳极废气(AOG)的储存未完成，并返回到步骤S250动作，并且可以直到缓冲罐230中阳极废气(AOG)的储存完成为止，持续检测缓冲罐230的压力Pbt，同时可以将所述缓冲罐230的压力Pbt与第一设定压力Pa进行比较。
当缓冲罐230的压力Pbt为第一设定压力以上的情况下(S260中为“是”)，燃料电池系统1可以关闭缓冲罐阀233(S270)。在步骤S270之后，燃料电池系统1可以使缓冲罐压缩机232停止(S280)。因此，燃料电池系统1可以切断从电堆20吐出的阳极废气(AOG)流入到缓冲罐230，并且可以将从电堆20吐出的阳极废气(AOG)全部供应给燃料处理装置10。
图9是关于停止运转的控制方法的流程图。图10a和图10b是停止运转(清除运转)时的燃料电池系统的运转图。具体而言，图10a是停止运转中的燃料电池系统的运转图，图10b是停止运转结束后的燃料电池系统的运转图。
再次参照图4，燃料电池系统1可以结束电堆20的发电，并执行用于去除电堆20内残存的氧的停止运转(清除运转)(S300)。当燃料电池系统的发电运转结束的情况下，通常存在阴极(Cathode)电极部因电堆20内化学反应后残存的氧而氧化，使得电堆20的寿命减少的问题。因此，在燃料电池系统1的发电运转结束后，需要执行用于去除电堆内残存的氧的停止运转(清除运转)。以下，参照图9、图10a和图10b说明停止运转(清除运转)。
参照图9、图10a和图10b，在用户结束发电运转或因系统内发生错误而结束发电运转的情况下，燃料电池系统1可以执行后热运转以使电堆的发电量逐渐减少(S310)。其中，后热运转可以是指，阶段性地减少输出而停止运转，以防止由重整器温度和电堆中的急剧的输出变化引起的可靠性问题的运转。例如，燃料电池系统1可以通过调节第二鼓风机72和燃料处理装置10来阶段性地减少向电堆20供应的空气和重整气体的流量。
在步骤S310之后，燃料电池系统1可以关闭电堆侧空气供应阀36(S320)。因此，燃料电池系统1可以切断向电堆20供应的空气。
在步骤S320之后，燃料电池系统1可以开放电堆侧空气吐出阀37(S330)。在步骤S330之后，燃料电池系统1可以开放气体混合器235(S340)。此时，燃料电池系统1可以关闭缓冲罐阀233，以将储存于缓冲罐230的阳极废气(AOG)向气体混合器235供应。因此，供应到气体混合器235的阳极废气(AOG)被供应到电堆20，从而可以将阴极(Cathode)电极部中残存的氧排出到电堆的外部。由此，在发电运转结束后，阴极(Cathode)电极部中残存的氧被去除，从而可以防止阴极(Cathode)电极部的氧化。
在步骤S340之后，燃料电池系统1可以利用配置于缓冲罐230的压力传感器236来检测储存于缓冲罐230的阳极废气(AOG)的压力Pbt(S350)。
在步骤S350之后，燃料电池系统1可以判断电堆内残存的氧是否被去除(步骤S360)。例如，燃料电池系统1可以判断在所述步骤S350动作中利用压力传感器236检测的缓冲罐230的压力Pbt是否为第二设定压力Pb以上。其中，第二设定压力Pb可以是指，与能够储存于缓冲罐230的阳极废气(AOG)的整体储存量的50％对应的阳极废气(AOG)的压力值。
当缓冲罐230的压力Pbt大于第二设定压力Pb的情况下(S360中为“否”)，燃料电池系统1判断为电堆20中残存的氧的去除未完成，并返回到步骤S350动作，并且可以直到电堆20中残存的氧的去除完成为止，持续检测缓冲罐230的压力Pbt，同时可以将所述缓冲罐230的压力Pbt与第二设定压力Pb进行比较。
当缓冲罐230的压力Pbt为第二设定压力Pb以下的情况下(S360中为“是”)，燃料电池系统1可以关闭气体混合器235(步骤S370)。因此，可以切断储存于缓冲罐230的阳极废气(AOG)向气体混合器235供应。
附图只是为了便于理解本说明书公开的实施例而提供的，本说明书公开的技术思想并不受限于附图，本发明包括本发明的技术思想和技术范围内作出的所有变更、等同物及替代物。
同理，附图中以特定的顺序描述了动作，但不应理解为为了获得优选的结果而必须按照所示出的该特定的顺序或依次执行这种动作，或者必须执行示出的所有动作。在特定情形下，多任务和并行处理可能是有利的。
另外，以上示出并说明了本发明的优选实施例，但是本发明不限于上述的特定实施例，显然本领域普通技术人员可以在不脱离权利要求书中所要求保护的本发明的主旨的情况下进行各种变形实施，这种变形实施例不应脱离本发明的技术思想或前景而单独理解。

Claims (15)

1.一种燃料电池系统，其中，包括：
电堆，利用重整气体生成电力；
燃料处理装置，向所述电堆供应重整气体；
第一气体流路，连接所述电堆和所述燃料处理装置，供从所述燃料处理装置吐出的所述重整气体流动；
第二气体流路，连接所述电堆和所述燃料处理装置，供从所述电堆吐出的阳极废气流动；
缓冲罐，储存从所述电堆吐出的阳极废气的一部分；
第一缓冲罐流路，连接所述缓冲罐和所述第二气体流路；
第二缓冲罐流路，供储存于所述缓冲罐的阳极废气流动；
气体混合器，与所述第二缓冲罐流路连接，将储存于所述缓冲罐的阳极废气供应给所述电堆；以及
控制部，通过调节所述气体混合器来将储存于所述缓冲罐的阳极废气供应给所述电堆，以预热所述电堆或去除所述电堆中残存的空气。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还包括：
缓冲罐阀，配置在所述第一缓冲罐流路，并控制向所述缓冲罐供应的阳极废气的流动；以及
缓冲罐压缩机，位于所述缓冲罐阀的前端，对向所述缓冲罐供应的阳极废气进行压缩；
在发电运转时，所述控制部关闭所述气体混合器并开放所述缓冲罐阀，并且使所述缓冲罐压缩机运转，以将从所述电堆吐出的阳极废气的一部分压缩后储存于所述缓冲罐。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，还包括：
压力传感器，配置在所述缓冲罐，测量储存于所述缓冲罐内的阳极废气的压力；
在利用所述压力传感器测量的储存于所述缓冲罐内的阳极废气的压力为第一设定压力以上时，所述控制部关闭所述缓冲罐阀并使所述缓冲罐压缩机停止。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还包括：
鼓风机，向所述电堆供应空气；以及
空气供应阀，配置在所述电堆和所述鼓风机之间，调节从所述鼓风机向所述电堆供应的空气；
在清除运转时，所述控制部关闭所述空气供应阀并开放所述气体混合器，以将储存于所述缓冲罐的阳极废气向所述电堆供应。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，还包括：
压力传感器，配置在所述缓冲罐，测量储存于所述缓冲罐内的阳极废气的压力；
在利用所述压力传感器测量的所述缓冲罐内的阳极废气的压力为第二设定压力以下时，所述控制部关闭所述气体混合器并结束清除运转。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还包括：
鼓风机，向所述电堆供应空气；以及
空气供应阀，配置在所述电堆和所述鼓风机之间，调节从所述鼓风机向所述电堆供应的空气；
在电堆预热运转时，所述控制部开放所述气体混合器和所述空气供应阀并使所述鼓风机运转，以使空气和阳极废气在混合后供应到所述电堆。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，还包括：
第一气体阀，配置在所述第一气体流路，控制向所述电堆供应的重整气体的流动；
旁通流路，连接所述第一气体流路和所述燃料处理装置；以及
旁通阀，配置在所述旁通流路，控制所述旁通流路内的重整气体的流动；
在电堆预热运转时，所述控制部关闭所述第一气体阀并开放所述旁通阀，以使从所述燃料处理装置吐出的重整气体再次流入到所述燃料处理装置。
8.一种燃料电池系统的控制方法，其中，
所述燃料电池系统包括：
电堆；
鼓风机，向所述电堆供应空气；
燃料处理装置，向所述电堆供应重整气体；
缓冲罐，储存从所述电堆吐出的阳极废气的一部分；以及
气体混合器，混合所述阳极废气和所述空气；
所述燃料电池系统的控制方法包括：
通过调节用于控制向所述缓冲罐供应的阳极废气的流动的缓冲罐阀和用于压缩所述阳极废气的缓冲罐压缩机，来执行将从所述电堆吐出的阳极废气储存于所述缓冲罐的发电运转的步骤。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统的控制方法，其中，
执行所述发电运转的步骤包括：
关闭所述气体混合器并开放所述缓冲罐阀，并且使所述缓冲罐压缩机运转，以将从所述电堆吐出的阳极废气的一部分压缩后储存于所述缓冲罐的步骤。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统的控制方法，其中，
将从所述电堆吐出的阳极废气储存于所述缓冲罐的步骤包括：
在利用测量所述缓冲罐内储存的阳极废气的压力的压力传感器测量的压力为第一设定压力以上的情况下，关闭所述缓冲罐阀并使所述缓冲罐压缩机停止的步骤。
11.根据权利要求8所述的燃料电池系统的控制方法，其中，还包括：
通过调节用于控制向所述电堆的空气流动的空气供应阀和所述气体混合器，来执行去除所述电堆中残留的空气的清除运转的步骤。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统的控制方法，其中，
执行所述清除运转的步骤包括：
关闭所述空气供应阀并开放所述气体混合器，以将储存于所述缓冲罐的阳极废气向所述电堆供应的步骤。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统的控制方法，其中，
执行所述清除运转的步骤包括：
在利用测量所述缓冲罐内储存的阳极废气的压力的压力传感器来测量的压力为第二设定压力以下的情况下，关闭所述气体混合器并结束所述清除运转的步骤。
14.根据权利要求8所述的燃料电池系统的控制方法，其中，还包括：
通过调节用于控制向所述电堆的空气流动的空气供应阀、所述气体混合器以及所述鼓风机，来执行预热所述电堆的电堆预热运转的步骤。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统的控制方法，其中，
执行所述电堆预热运转的步骤包括：
开放所述气体混合器和所述空气供应阀，并且使所述鼓风机运转，以使空气和阳极废气在所述气体混合器中混合后供应到所述电堆的步骤。
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