CN1262033C - 燃料电池驱动系统 - Google Patents

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Abstract

当系统启动时，一种提供给启动燃烧室(20)的空气和燃料的空气-燃料混合物(空气-燃料比率富)由热线点火塞(40)进行点火，从而产生用于重整反应的包含燃料成分的高温气体。用于重整反应的包含燃料成分的高温气体被提供给重整装置(22)。

Description

燃料电池驱动系统
技术领域：
本发明涉及一种为燃料电池提供含氢重整气的燃料电池驱动系统。
背景技术：
日本专利局于1995年出版的JP-A-H7-215702披露了一种燃料电池驱动系统，该系统为了提高氢产量和抑制煤烟产生，提供一种在启动时具有空气-燃料的理想配比的燃料-空气混合物，由热线点火塞对它点火，由燃烧产生的热加热重整催化剂和燃料气体，通过与重整催化剂的部分氧化反应产生CO(一氧化碳)，及利用水蒸气进行一种变换反应产生氢。
发明内容：
然而，在上述技术中，燃料是在接近空气-燃料的理想配比中完全燃烧，因此燃烧温度增加并且产生NOx。此外，催化剂温度随燃烧气体升高而上升，而温度升高后，燃料供应和热线点火塞点火重复进行，因此重整气的成分不容易稳定且控制很复杂。
因此，本发明的一个目的在于当燃料电池驱动系统启动时获得一种稳定的重整气成分。本发明的另一个目的在于缩短燃料电池和重整装置的启动时间，抑制NOx的放出，和改善耐热性能。
为了达到本发明的上述目的，本发明为燃料电池提供一种用于燃料电池的驱动系统，包括：通过重整燃料气体产生含氢重整气体并把该重整气体提供给燃料电池的重整装置，及位于重整装置上游的气体供应设备，其中：气体供应设备产生一种用于重整反应的包含燃料成分的高温气体，并在点火塞处于点火中的系统启动时对于所输入的燃料和空气进行混合，使得以与理论空燃比的状态相比燃料的浓度更高的状态燃烧燃料，从而把该用于重整反应的包含燃料成分的高温气体提供给重整装置，并在点火塞处于停止中的系统处于正常运行状态时为重整装置提供燃料气体和空气的混合物。
本发明的细节和其它特征及优点将在说明书的剩余部分加以阐明并在附图中加以显示。
附图说明：
图1是一个根据本发明的燃料电池驱动系统的方框图，示出了该系统的启动运行状态；
图2和图1类似，但它显示正常运行状态；
图3是一个气体供应设备的示意图；
图4是一个流程图，它显示驱动系统的启动过程；
图5是一个根据本发明第二实施例的气体供应设备的示意图；
图6是一个流程图，它显示第二实施例的启动过程；
图7是一个特征曲线图，它显示过量空气因子与火焰温度的关系；
图8是一个根据第三实施例的气体供应设备的示意图；
图9和图8类似，但它显示本发明第四实施例；
图10和图8类似，但它显示本发明第五实施例；
图11和图8类似，但它显示本发明第六实施例；
图12是用于第六实施例中的蒸发盘的一个正视图；
图13和图8类似，但它显示本发明第七实施例；
图14是用于第七实施例中的蒸发盘的一个横截面图；
图15是用于第七实施例中的蒸发盘的一个正视图；
图16和图1类似，但它显示本发明第八实施例。
具体实施方式：
参照图1和图2，燃料电池驱动系统包括一个气体供应设备19，重整装置22，CO去除设备23，阳极废气燃烧室27，蒸发器28，燃料泵32，压缩机34和水泵39。图1显示系统启动运行期间的状态；图2显示系统完全启动后的正常运行期间的状态。
气体供应设备19包括一个启动燃烧室20和一个混合器21。当系统启动时，启动燃烧室20燃烧燃料并产生高温气体。混合器21把启动燃烧室20产生的高温气体和启动重整装置22所需的燃料和空气混合，并使燃料蒸发。在本实施例中，甲醇作为燃料供给混合器21，但也可以供给其它含碳氢化合物的液体燃料，如汽油。
燃料由燃料喷射器29(第一燃料供给装置)供给启动燃烧室20。经压缩机34压缩的空气通过一个空气喷嘴35也供给启动燃烧室20。一个热线点火塞40也插入启动燃烧室20用来点燃燃料。燃料和空气也由燃料喷射器30(第二燃料供给装置)和由一个空气喷嘴36(第一空气供给装置)供给混合器21以便调节气体成分。
重整装置22重整燃料，并产生含氢重整气。CO去除设备23通过利用一种CO去除催化剂把重整装置22所产生的重整气中CO (一氧化碳)的浓度降低到燃料电池26所允许的值。
一个用于把在重整装置启动期间产生的全部重整气供给阳极废气燃烧室27的转变阀24，及一个用于关闭进入燃料电池26的重整气流的转变阀25，都设置在CO去除设备23的下游。
在启动运行期间，阳极废气燃烧室27通过催化反应来燃烧重整装置22提供的经由CO去除设备23的重整气，而在正常运行期间，它通过催化反应燃烧来自燃料电池26的含阳极废气的氢和含阴极废气的氧，并产生高温燃烧气。随后，这种燃烧气被导入下游蒸发器28，并且在蒸发器28的温度升高以后它被排放到外面。
CO去除设备23和阳极废气燃烧室27所需空气分别由空气喷嘴37(第二空气供给装置)和空气喷嘴38提供。燃料通过燃料泵32和一个没有示出的压力调节设备被加压到预定压力，并被供给启动燃烧室20。
在正常运行期间(图2)，转变阀24关闭，转变阀25打开，且所有来自CO去除设备23的重整气被送入燃料电池26。燃料电池26中没有用作能量产生的剩余重整气被提供给阳极废气燃烧室27。由于催化燃烧剩余的重整气变成高温燃烧气，它进入蒸发器28并且温度升高。这时，燃料和水分别经供应阀31，33进入蒸发器28，通过热交换在蒸发器28中蒸发，并流入混合器21。
被蒸发的气体同空气喷嘴36来的空气进行混合以便获得重整所需成分，并进入重整装置22。这时，停止对启动燃烧室20和混合器21的燃料供应。
接着，系统的启动过程将参照图1，图3，图4进行描述。图3显示气体供应设备19的具体组成，图4显示启动过程。
在图4中，首先在步骤S1，S2，转变阀25关闭，进入燃料电池26的重整气流被切断，转变阀24打开，重整气进入阳极废气燃烧室27。
其次，在步骤S3，燃料泵32被启动，燃料压力被调到预定值。
在步骤S4至S6，压缩机34被启动，启动燃烧室20中的热线点火塞40被激励，空气通过空气喷嘴38进入阳极废气燃烧室27。
在步骤S7和S8，燃料和空气分别从燃料喷射器29和空气喷嘴35进入启动燃烧室20，对其进行混合以使得空气-燃料比富于空气-燃料的理想配比，并由热线点火塞40对它点火以便产生用于重整反应的包含燃料的高温气体。这时，基于一个温度传感器50的检测结果来调节燃料和空气的量，并且气体温度被调到一个预定值。
在步骤S9，在这种高温气体进入混合器21后，分别来自第二燃料喷射器30和供应喷嘴36的燃料和空气被混合，并且燃料被蒸发。高温气体的成分通过调节进入混合器21的燃料和空气的量被调到这样一种成分，该成分适合于重整装置22中进行的重整反应。也基于温度传感器51的检测结果通过调节进入混合器21的燃料和空气的量来控制气体温度。
在步骤S10和S11，高温气体流进重整装置22。该高温气体通过重整反应加热重整装置22并流进CO去除设备23。
在步骤S12和S13，重整气通过来自空气喷嘴37的在入口处提供给CO去除设备23的空气被调到预定温度，且该重整气进入CO去除设备23。在CO去除设备23的温度通过由于反应导致的自产生(self-generation)热量而升高后，重整气进入阳极废气燃烧室27。
在步骤S14和S15，重整气与阳极废气燃烧室27中的空气混合，通过催化反应进行重整气的燃烧，且高温燃烧气被送入蒸发器28。由于这种燃烧气，蒸发器28被加热并且其温度升高。燃烧气的温度由于同蒸发器28进行热交换而下降，且蒸发器28的出口温度(由温度传感器52检测)初始较低，但它随系统的升温而升高。
在步骤S16，当传感器52的值超过预定值时，它表示系统的升温已经完成，程序进入步骤S17及后续步骤。
在步骤S17到S21，燃料和水从供应阀31，33提供给蒸发器28，启动燃烧室20的燃料和水的供应停止，并且混合器21的燃料供应也停止。同时，转变阀25打开，重整气提供给燃料电池26。这时，转变阀24关闭，流入阳极废气燃烧室27的重整气被切断。步骤S17到S21的过程也可以同时进行。
随后，由蒸发器28蒸发的蒸汽提供给重整装置22，并进行重整反应。由于在阳极废气燃烧室27中进行的含阳极废气的氢和含阴极废气的氧的催化反应，蒸发器28被加热，且正常运行状态继续进行。
在本实施例中，当系统启动时，通过使得在启动燃烧室20中燃烧的空气-燃料混合物富于(浓度大于)燃料的理想配比的空气-燃料比，火焰温度(气体温度)如图7所示下降，并且可抑制因燃烧而产生的NOx。
在阳极废气燃烧室27，通过从空气喷嘴38引入空气，及在空气-燃料的理想配比的贫端(lean side)进行贫燃烧(lean combustion)，燃烧气的温度被保持在预定值范围内，从而防止了蒸发器28的过热，且可燃烧的气体成分被完全燃烧，这降低了热的散发。
当分别来自燃料喷射器30和空气喷嘴36的燃料和空气与启动燃烧室20产生的高温气体通过混合器21进行混合，且燃料被蒸发，通过调节供给的燃料和空气量将气体成分调节到适合于在重整装置22来进行的重整反应，而且，基于温度传感器51的检测结果在一个预定温度范围内充分调节气体温度时，就能够获得一个稳定的重整反应。
图5显示第二实施例。
根据本实施例，空气喷嘴36设置在燃料喷射器30下游。在由启动燃烧室20产生的高温气体与燃料喷射器30提供的燃料混合并蒸发后，从空气喷嘴36供给空气。因此，通过高温气体进行的燃料蒸发被增强，由此产生一个稳定的重整反应。
图6显示第二实施例的启动过程。相同的符号表示相同的过程。
同第一实施例的区别在于，蒸发器28的燃料供应于步骤S17启动之后，允许在步骤S30延迟一预定时间，开始为燃料电池26供应重整气，而对启动燃烧室20的燃料和空气的供应及对混合器21的燃料供应停止。由于这一操作，从开始运行到正常运行的过渡平滑进行。
图8至15显示本发明第三至第七实施例。它们与先前的实施例的主要区别在于气体供应设备(19)的结构。图中相同的符号表示相同的部分。
图8显示第三实施例。
用于提供燃料的燃料喷射器29基本位于启动燃烧室20上游端面的中心，用于把燃料喷射进混合器21的燃料喷射器30的喷嘴30a，从与启动燃烧室20和重整装置22连成一片的混合器21的一侧面伸入，且喷射器30的喷嘴喷射端口位于燃料喷射器29的喷嘴29a的对面，且基本位于混合器21的中心。
通过这种方法，用于调节气体成分的燃料从燃料喷射器30均匀地注入来自启动燃烧室20的高温气体，于是便可获得相同的气体成分。
图9显示第四实施例。
用于调节气体成分的燃料喷射器30以预定的角度设置于混合器21的侧面，以便其喷嘴30a不伸入混合器21。喷嘴30a的喷射端口开在混合器21的侧面上。
通过这种方法，燃料喷射器30的暴露于高温燃烧气的表面积减少，因此燃料喷射器30的耐热性(heat strength)可以设得相对低些。
在图10显示的第五实施例中，启动燃烧室20和重整装置22不是象先前的实施例那样连成一片。而是单独形成，一个高温气体通道41从混合器21的侧面通到重整装置22。空气喷嘴36为高温气体通道41提供空气。用于调节气体成分的燃料喷射器30设置于混合器21的下游端面上，以使它可面对燃料喷射器29，用于调节气体成分的燃料基本上从混合器21下游端面的中心注入。
结果，不需要为燃料喷射器30设计特殊的喷嘴结构或角度，因此能用常规的喷射阀来获得相同的气体成分。此外，燃料喷射器30在甲醇被蒸发后仅接触温度相对较低的气体，因此它的耐热性可以设得较低。
在图11显示的第六实施例中，一个蒸发盘42包括如图12所示的多个位于第二燃料喷射器30上游的小直径孔43。通过提供这种蒸发盘42，可截获经燃料喷射器30注入的没有蒸发的燃料，且仍然没被蒸发的燃料通过与来自启动燃烧室20的高温气体进行热交换而进行蒸发。也可在燃料喷射器30的上游使用网孔或栅格来代替蒸发盘42。
在图13显示的第七实施例中，包括多个环形盘结合的蒸发盘42设置在燃料喷射器30上游。
如图14，15所示，蒸发盘42包括在高温气流下游方向上的大直径环形盘42a-42f。特别地，环形盘横切面的直径越往下游越大。盘42a是圆锥形的，而盘42b-42f的形状象一个没有底的碟子。
盘42a-42f设计成是同心的，一个盘下游的直径大于外部地邻近它的另一个盘的上游直径，最里面的盘42a的上游侧是封闭的。
通过提供这种蒸发盘42，从启动燃烧室20到混合器21的高温气流是平滑的，通过燃料喷射器注入的仍未蒸发的燃料被蒸发盘42截获，因此促进了蒸发。
图16显示第八实施例。
一个直接接收来自启动燃烧室20的燃烧气的燃烧气供给阀10设置在一个用于连接重整装置22和CO去除设备23的重整气体通道40中。一个检测CO去除剂温度的温度传感器53设置在CO去除设备23中。
在本实施例中，当系统启动时，用于重整反应的包含燃料的高温气体被提供给重整装置22，操作燃烧气供给阀10，以便来自重整装置22的重整气和来自空气喷嘴37的空气同来自启动燃烧室20的燃烧气进行混合，且混合气流进CO去除设备23。该混合气温度高，且含大量的氧。
通过这种控制，当系统启动时，CO去除设备23内的CO去除催化剂由于混合气的热量而直接被加热。混合气内的氧氧化重整气中诸如氢和一氧化碳等可燃成分，且催化剂由于此时的氧化产生的热量而被加热。系统刚刚启动之后，重整装置22内的氧化催化剂的活性程度低，因此包含在重整气里的诸如氢和一氧化碳这样的可燃成分的浓度也低。然而，当重整装置22内的氧化剂活性提高时，重整气里的可燃成分的浓度也升高。
结果，氧化产生的热量很快增加，CO去除设备23内的CO去除催化剂的温度很快上升到其中CO能被氧化的预定温度范围内。从启动燃烧室20到CO去除设备23的高温气体的供应继续进行，直到CO去除设备23内的CO去除剂的温度达到预定温度。
因此，在本实施例中，除了重整装置22的升温，也有助于CO去除设备23的升温，这样系统的启动时间能进一步减少。
日本专利申请P2000-276342(2000年9月12日申请)和P2000-343569(2000年11月10日申请)的全部内容在这里一并引入作为参考。
虽然上面参照了本发明的一特定实施例对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的实施例。按照上面的描述的教导，本领域技术人员将会想到对上述实施例进行各种修改和变化。本发明的范围参照下面的权利要求书限定。
本发明的工业领域：
本发明可用于当系统启动时在一个燃料电池驱动系统中获得一种稳定的重整气成分，并对它的性能进行改善。进一步说，本发明也可用于减少系统的启动时间，并降低NOx的排放量。

Claims (20)

1、一种用于燃料电池(26)的驱动系统，包括：
通过重整燃料气体产生含氢重整气体并把该重整气体提供给燃料电池(26)的重整装置(22)，及
位于重整装置(22)上游的气体供应设备(19)，其中：
气体供应设备(19)产生一种用于重整反应的包含燃料成分的高温气体，并在点火塞处于点火中的系统启动时对于所输入的燃料和空气进行混合，使得以与理论空燃比的状态相比燃料的浓度更高的状态燃烧燃料，从而把该用于重整反应的包含燃料成分的高温气体提供给重整装置(22)，并在点火塞处于停止中的系统处于正常运行状态时为重整装置(22)提供燃料气体和空气的混合物。
2、如权利要求1所述的驱动系统，还包括：
为气体供应设备(19)提供燃料的第一燃料供应装置(29)，其中：
气体供应设备(19)通过按富空气燃料比率燃烧由第一燃料供应装置(29)提供的燃料来产生用于重整反应的包含燃料成分的高温气体。
3、如权利要求1所述的驱动系统，还包括：
为气体供应设备(19)提供燃料的第一燃料供应装置(29)，
在第一燃料供应装置(29)下游提供燃料的第二燃料供应装置(30)，及
在第一燃料供应装置(29)下游提供空气的第一空气供应装置(36)，其中：
气体供应设备(19)通过混合由燃烧第一燃料供应装置(29)提供的燃料而产生的高温气体和由第二燃料供应装置(30)提供的燃料及由第一空气供应装置(36)提供的空气，产生用于重整反应的包含燃料成分的高温气体。
4、如权利要求3所述的驱动系统，其中：
用于重整反应的包含燃料成分的高温气体的温度通过调节第二燃料供应装置(30)的燃料供应量和第一空气供应装置(36)的空气供应量来调整。
5、如权利要求1-4中任一项权利要求所述的驱动系统，其中：
当系统启动时，切断对燃料电池(26)的重整气的供应。
6、如权利要求1-4中任一项权利要求所述的驱动系统，还包括：
用于蒸发燃料并为气体供应设备(19)提供燃料气体的蒸发器(28)，其中：
当系统的启动已经完成时，在开始给蒸发器(28)提供燃料后，开始从重整装置(22)对燃料电池(26)供应重整气体，并且气体供应设备(19)停止产生用于重整反应的包含燃料成分的高温气体。
7、如权利要求3或4所述的驱动系统，其中：
第一空气供应装置(36)在第二燃料供应装置(30)的下游提供空气。
8、如权利要求7所述的驱动系统，其中：
第二燃料供应装置(30)喷射燃料的方向与通过燃烧由第一燃料供应装置(29)提供的燃料而产生的高温气流的方向相对。
9、如权利要求7所述的驱动系统，其中：
气体供应设备(19)包括
燃烧由第一燃料供应装置(29)提供的燃料的燃烧部分(20)；和
混合由燃烧第一燃料供应装置(29)提供的燃料而产生的高温气体和由第二燃料供应装置(30)提供的燃料及由第一空气供应装置(36)提供的空气的混合部分(21)；和
第二燃料供应装置(30)，用于在混合部分(21)的中心提供燃料。
10、如权利要求7所述的驱动系统，其中：
气体供应设备(19)包括
燃烧由第一燃料供应装置(29)提供的燃料的燃烧部分(20)；和
混合由燃烧第一燃料供应装置(29)提供的燃料而产生的高温气体和由第二燃料供应装置(30)提供的燃料及由第一空气供应装置(36)提供的空气的混合部分(21)；和
第二燃料供应装置(30)设置在混合部分(21)的侧面以便它不会延伸进混合部分(21)内部。
11、如权利要求9所述的驱动系统，其中：
第二燃料供应装置(30)设置在混合部分(21)的下游端面以便逆着高温气流的方向提供燃料。
12、如权利要求3，4或8-11中任一项权利要求所述的驱动系统，其中：
用于截获和蒸发由第二燃料供应装置(30)提供的燃料的蒸发盘(42)设置在第二燃料供应装置(30)的上游。
13、如权利要求12所述的驱动系统，其中：
蒸发盘(42)有多个孔(43)。
14、如权利要求12所述的驱动系统，其中：
蒸发盘(42)包括多个同心设置的环形盘(42a-42f)。
15、如权利要求14所述的驱动系统，其中：
环形盘(42a-42f)横截面的直径越往下游越大，且该环形盘(42a-42f)的下游直径大于外部地邻近该环形盘(42a-42f)的另一个环形盘(42b-42f)的上游直径。
16、如权利要求1-4中任一项权利要求所述的驱动系统，还包括：
用于去除重整装置(22)所产生的重整气体中的一氧化碳的CO去除设备(23)。
17、如权利要求16所述的驱动系统，还包括：
直接把在气体供应设备(19)中产生的高温气体提供给CO去除设备(23)的旁路线，其中：
在系统启动时，在气体供应设备(19)中产生的高温气体也被提供给CO去除设备(23)。
18、如权利要求17所述的驱动系统，还包括：
    用于为CO去除设备(23)提供空气的第二空气供应装置(37)，其中：
    当系统启动时，由重整装置(22)所产生的重整气体和由第二空气供应装置(37)提供的空气被提供给CO去除设备(23)。
19、如权利要求17所述的驱动系统，其中：
在气体供应设备(19)中产生的高温气体被提供给CO去除设备(23)，直到CO去除设备(23)内的CO去除催化剂的温度达到预定温度。
20、如权利要求1-4中任一项权利要求所述的驱动系统，还包括：
用于燃烧含氢的阳极废气和含氧的阴极废气的混合物的阳极废气燃烧室(27)。
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