CN1284260C - 燃料电池电源装置预热 - Google Patents

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Abstract

在燃料电池电源装置中，分别通过转化器(4)和优先氧化反应器(5)中的催化反应而除去重整器(3)通过催化燃料反应产生的重整气体中所含的一氧化碳。在燃料电池电源装置起动期间，燃烧器(6)燃烧燃料，产生燃烧气体，并且燃烧气体通过燃烧气体供应通道(71-73)分别供应给重整器(3)、转化器(4)和优先氧化反应器(5)，从而同时完成这些催化反应器(3-5)的预热。

Description

燃料电池电源装置预热
技术领域
本发明涉及使用重整气体预热燃料电池电源装置。
背景技术
在燃料电池组所需的氢气通过燃料重整获得的燃料电池电源装置中，在反应器，例如重整器和一氧化碳脱除装置中使用催化剂。因此，需要起动燃料电池电源装置时预热每个反应器，以至于这些催化剂达到活化温度。在与之相关的文献，日本专利局在1993公开的JP05-303970中公开了使用一个燃烧器预热重整器和一氧化碳脱除装置的预热装置。
在该预热装置中，通过所述燃烧器实施燃料燃烧并且使用燃烧产生的热量预热重整器。然后，燃烧气体到达一氧化碳脱除装置，在那里使用燃烧气体的热量预热一氧化碳脱除装置。
发明内容
但是当使用这种预热装置时，燃烧器首先使用燃料燃烧产生的热量预热重整器，因此燃烧气体的温度没有充分升高，直至完成重整器的预热。结果，在使用燃烧气体的热量完成重整器预热和完成一氧化碳脱除装置预热之间出现同等的时间差异。所述时间差异会增长预热燃料电池电源装置所需的时间。
因此，本发明的一个目标是通过消除预热每个使用催化剂的反应器所需的时间量差异来缩短预热整个燃料电池电源装置所需的时间量。
本发明的另一个目标是减少在预热使用催化剂的反应器中消耗的能量量。
为了实现上述目标，本发明提供了一种用于与燃料电池电源装置一起使用的催化反应器的预热装置，燃料电池电源装置包含多个每个含有催化剂的催化反应器，以及串联连接催化反应器的气体通道。所述预热装置包含为了在起动燃料电池电源装置时预热催化剂而通过燃烧燃料产生燃烧气体的燃烧器，以及用来将燃烧气体分别分配给催化反应器的燃烧气体供应通道。
本发明的细节以及其它特征和优点将在下面的说明书中提出，并且表示在附图中。
附图说明
图1是装备有根据本发明的重整系统预热装置的燃料电池电源装置的示意图。
图2与图1相似，但是阐述了在起动燃料电池电源装置时所需输出小于额定输出时的重整系统的预热。
图3是阐述催化剂温度和重整系统中每个反应器转化速率之间关系的图。
图4是阐述仅向重整器供应燃烧气体时，预热时间和每个反应器温度之间关系的图。
图5是阐述向重整系统每个反应器供应燃烧气体时，预热时间和每个反应器温度之间关系的图。
图6与图1相似，但是阐述了本发明的第二实施方案。
图7是阐述根据本发明第二实施方案通过控制器而执行的空气供应阀控制路线的流程图。
图8与图1相似，但是阐述了本发明的第三实施方案。
图9是阐述根据本发明第三实施方案通过控制器而执行的流控制阀控制路线的流程图。
具体实施方式
参阅附图1，车辆中使用的燃料电池电源装置包含用于重整例如汽油或乙醇的烃燃料而产生富氢气气体的重整系统，以及使用富氢气气体和氧气实施电能产生的燃料电池组2。
重整系统包括借助重整气体通道27和28而串联连接的重整器3、转化器4和优先氧化反应器(PROX反应器)5。
借助燃料通道12，向重整器3供应来自燃料罐10由泵11加压的烃燃料。所供应的燃料通过注射器13注入重整器3的内部。借助包含空气供应阀21的空气通道61，从压缩机1向重整器3中还供应空气。重整器3使用公知的催化剂介入重整方法，例如蒸汽重整、部分氧化，或自热重整空气和烃燃料的混合物，从而产生氢气作为其主要组分的重整气体。
转化器4使用催化剂使重整气体中所含的一氧化碳(CO)与水蒸汽反应，将一氧化碳转化成二氧化碳(CO2)，从而降低重整气体中的CO浓度。
PROX反应器5使用催化剂使重整气体中所含的一氧化碳(CO)与空气中的氧气(O2)反应，将一氧化碳转化成二氧化碳(CO2)，从而降低重整气体中的CO浓度。为此，借助包含空气供应阀23的空气通道62，从压缩机1向PROX反应器5中供应空气。
燃料电池组2由燃料电池的堆叠体构成。每个燃料电池包含阳极2A、阴极2B和它们之间的膜电解质2C。燃料电池通过使用催化剂的氧化反应将借助重整气体通道29从PROX反应器5供应给阳极2A的氢气分离成质子(H+)和电子(e)。质子(H+)渗过膜电解质2C，到达阴极2B。
例如电动机的负载通过电路与阳极2A和阴极2B连接。电子驱动负载并借助电路到达阴极2B。借助包含空气供应阀24的空气通道63，从压缩机1向阴极2B供应空气，以至于已经渗透过膜电解质2C的质子(H+)和已经通过负载的电子(e)使用催化剂与空气中的氧气发生反应，产生水。附图中阐述的燃料电池组2作为单个燃料电池示意性地描述，但是实际上燃料电池组2由燃料电池的堆叠体构成，如上所述。
来自阳极2A的阳极排出物和来自阴极2B的阴极排出物在电能产生时放电。
如上所述，燃料电池组2、重整器3、转化器4和优先氧化反应器(PROX反应器)5都是使用催化剂实施反应的单元，并且在下面的说明书中，这些单元将被简称作催化反应器。
当根据上述过程通过燃料电池电源装置产生电能时，这些催化反应器的催化剂必需达到它们的活化温度。因此，在燃料电池电源装置中开始产生电能之前必需预热每个催化反应器。所述直至电能产生开始并包括预热的预备性操作将被称作燃料电池电源装置起动。
燃料电池电源装置装备有预热装置，所述预热装置包括在起动期间预热催化反应器3-5的燃烧器6和燃烧气体供应通道71至73。
燃烧器6通过与燃料通道12分开的燃料通道14供应烃燃料。借助包含空气供应阀20的空气通道60，还从压缩机1向燃烧器6中供应空气。燃烧器6使用注射器15向空气中注射燃料并燃烧空气-燃料混合物，从而产生燃烧气体。
燃烧气体的温度必需不超过每个催化反应器中催化剂的耐热温度。另外，因为燃烧气体被释放入大气中，接着预热催化反应器3-5，所以燃烧气体中所含的一氧化碳必需降低至尽可能低的水平。为了满足这些需求，控制燃烧器6的空气供应量和燃料注射量，使得空气供应量和燃料注射量比超过化学计量的空气燃料比。换句话说，燃烧器6通过贫燃料产生燃烧气体。
以所述方式产生的燃烧气体被供应到与燃烧器6平行连接的燃烧气体通道71-73中。燃烧气体通道71借助止回阀41向重整器3供应燃烧气体。供应到重整器3的燃烧气体被重整器3预热，然后排放到重整气体通道27。
燃烧气体通道72借助止回阀42与重整气体通道27汇合。在重整气体通道27的汇合点下流提供气体混合器31，混合来自重整器3的燃烧气体和燃烧气体通道72中的高温燃烧气体。
在气体混合器31中混合的燃烧气体从重整气体通道27流入转化器4，并且在已经预热了转化器4下，流出进入重整气体通道28。燃烧气体通道73与重整气体通道28汇合。
在重整气体通道28的汇合点下流提供气体混合器32，混合来自转化器4的燃烧气体和燃烧气体通道73中的高温燃烧气体。
通过气体混合器32混合的燃烧气体从重整气体通道29流入PROX反应器5，并且在已经预热了PROX反应器5下，通过燃料电池组2的阳极2A从重整气体通道29释放入大气中。如上所述，燃烧器6实施贫燃烧，产生带有低CO浓度的燃烧气体，因而在预热了重整系统后，燃烧气体在这种方式下可以直接排入大气中。
注意在预热催化反应器3-5期间，空气供应通道61和62的空气供应阀21和22一起关闭，以至于向催化反应器3-5只供应燃烧气体。
燃烧气体通道71和72的止回阀41和42起着如下作用。当燃料电池电源装置正常操作时，经由重整气体通道27、转化器4、重整气体通道28、PROX反应器5和重整气体通道29，向燃料电池组2的阳极2A供应来自重整器3的重整气体。
在所述过程期间，重整气体压力朝向上游面的催化反应器逐渐增加。此处，燃烧气体通道71、燃烧气体通道72和燃烧气体通道73总是被分别连接到重整器3、重整气体通道27和重整气体通道28上。当燃料电池电源装置正常操作时，燃烧器6不会实施燃烧并且燃烧气体通道71-73处于低压下。
在这些条件下，重整器3产生的重整气体借助燃烧气体通道73从燃烧气体通道71流入重整气体通道28，并且从重整器3流入重整气体通道27的重整气体借助燃烧气体通道73从燃烧气体通道72流入重整气体通道28。
因为所有这些重整气体流绕过转化器4，到达重整气体通道28，所以这些重整气体流没有经转化器4实施一氧化碳脱除。止回阀41和42起着阻止这种不可取的在燃烧气体通道71-73中形成的重整气体流的作用。在燃料电池电源装置起动时，催化反应器3-5必须被预热，但是通过经供应通道71-73，在催化反应器3-5之间分配燃烧器6产生的燃烧气体，可以消除预热催化反应器3-5所需的时间量差异。
为了缩短起动时间，需要催化反应器3-5的预热同时结束。通过适当地设置燃烧气体通道71-73的流量比，或者换句话说，通过燃烧气体通道71-73横截面通过流量可以实现这一点。这样做的设置方法将在下面描述。
首先，设置每个催化反应器3-5所需的目标温度，从而实现操作燃料电池电源装置所需的转化速率。目标温度是催化反应器3-5的催化剂达到预定活化状态的温度。目标温度在催化反应器3-5中是不同的，但是当催化反应器3-5分别达到它们的目标温度时，重整系统能够供应开始燃料电池组2操作需要的富氢气气体。
此处，如果当燃料电池电源装置正常操作时重整器3的催化剂温度、转化器4的催化剂温度和PROX反应器5的催化剂温度分别设置为Trp、Tsp和Tcp，通常建立关系Trp＞Tsp＞Tcp。也就是说，当燃料电池电源装置正常操作时，催化剂温度朝着重整气体流上流面上的各单元逐渐增加。对于上流面的各单元，催化反应器3-5各自目标温度同样被逐渐设置得更高。
参阅附图3，在催化剂温度T1和T2之间实现操作燃料电池电源装置所需的催化反应器3的转化速率。因此，设置目标温度为处于该区域内的温度。对于其它催化反应器4，5，使用相似的方式，设置它们各自的目标温度。所述区域将被称作催化反应器操作温度。典型地，重整器3的操作温度为600至800摄氏度；转化器4的操作温度为200至400摄氏度，并且PROX反应器5的操作温度为100至200摄氏度。
预热催化反应器3-5至它们各自目标温度所需的热量使用下面的表达式(1)确定。
所需热量＝反应器的热容·(目标温度-初始温度)  (1)
此处，反应器的热容对于每个催化反应器3-5是独立的固定值。初始温度是每个催化反应器3-5在预热开始时的催化剂温度。在此情况下，提供初始温度作为以固定值方式设置的初始温度，举例来说，20摄氏度(20℃)。
在所有情况下，通过从燃烧器6供应的燃烧气体来提供对每个催化反应器3-5的热量供应。如果假设设置的预热时间为Ti，并且如果在从预热开始消逝了设置的预热时间Ti时，完成对每个催化反应器3-5的目标热量供应，那么催化反应器3-5实现了同时操作燃料电池电源装置所需的转化速率。
催化反应器3-5在开始起动至设置的预热时间Ti结束期间吸收的热量在下面的表达式(2)中表达。
Figure C0380804000102
其中，t＝从预热开始消逝的时间。
就燃烧气体流而言，如果假设燃烧器6中产生的燃烧气体的温度为T，那么温度T下的燃烧气体借助燃烧气体通道71从燃烧器6直接供应到重整器3中，重整器3被安置在催化反应器3-5的最上流。
根据重整器3的预热表面积和热导率提前计算传递给重整器3的热量。如果已知给重整器3的热传递量，重整器3入口和出口处燃烧气体间的温度差值可以作为从预热开始消逝时间t的函数f1(t)来表达。
可选地，通过在重整器3出口处安装温度检测器51并且当向重整器3供应温度T的燃烧气体时，监控由温度检测器51检测的温度Ta(t)，重整器3入口和出口处燃烧气体间的温度差值可以作为从预热开始消逝时间t的函数T-Ta(t)来表达。如果函数f1(t)或函数T-Ta(t)和固定值的燃烧气体比热及流速Qa被代入表达式(2)，可以计算重整器3在开始起动至设置的预热时间Ti结束期间吸收的热量。
确定燃烧气体通道71的燃烧气体供应流速Qa，以至于在表达式(2)中计算的热量满足在表达式(1)中算计的所需热量。
供应给转化器4的燃烧气体是通过在气体混合器31中混合从重整器3流出，进入重整气体通道27的燃烧气体与从燃烧气体通道72供应的温度为T的燃烧气体而产生的混合气体。
从重整器3流出，进入重整气体通道27的燃烧气体的温度等于由温度检测器51检测的温度Ta(t)，并且它们的流速等于燃烧气体通道71的燃烧气体供应流速Qa。如果从燃烧气体通道72供应的燃烧气体流速被设为Qb，并且假设Qa和Qb都是常数，那么供应给转化器4的燃烧气体的温度是从开始预热消逝的时间t的函数。
根据转化器4的预热表面积和热导率提前计算传递给转化器4的热量。因此，根据传递给转化器4的热量，并且通过作为从预热开始消逝的时间t的函数，提供供应给转化器4的燃烧气体的温度，转化器4入口和出口处燃烧气体间的温度差值可以作为从预热开始消逝的时间t的函数来表达。
但是，还可以根据经验确定转化器4入口和出口处燃烧气体间的温度差值。
具体地说，在转化器4的出口处安装温度检测器52，并且在转化器4连接到重整器3和燃烧气体通道72情况下，在以流速Qa向重整器3供应燃烧气体并以流速Qb向燃烧气体通道72供应燃烧气体时，监控温度检测器52检测的温度Tb(t)。
在实施所述操作时，转化器4入口和出口处燃烧气体间的温度差值可以作为从预热开始消逝的时间t的函数f2(t)来表达。如果函数f2(t)和固定值燃烧气体比热及流速Qa+Qb被代入表达式(2)，可以计算转化器4在开始起动至设置的预热时间Ti结束期间吸收的热量。
确定燃烧气体通道72的燃烧气体供应流速Qb，以至于在表达式(2)中计算的热量满足在表达式(1)中计算的所需热量。
使用与确定转化器4入口和出口处燃烧气体间的温度差值相似的程序，即举例来说通过在PROX反应器5的出口处安装温度检测器53，并且由它监控温度Tc(t)，作为从预热开始消逝的时间t的函数f3(t)，确定安装在最下流的PROX反应器5入口和出口处燃烧气体间的温度差值。
如果燃烧气体通道73的燃烧气体供应流速被设为Qc，并且函数f3(t)和固定值燃烧气体的比热及流速Qa+Qb+Qc被代入表达式(2)，可以计算PROX反应器5在开始起动至设置的预热时间Ti结束期间吸收的热量。确定燃烧气体通道73的燃烧气体供应流速Qc，以至于在表达式(2)中计算的热量满足在表达式(1)中计算的所需热量。
确定起动期间供应给燃烧器6的燃料和空气的流速，以至于燃烧器6以等于或大于以上述方式计算的燃烧气体供应流速Qa，Qb，Qc总值的流速，供应温度T的燃烧气体。
此外，确定通过燃烧气体通道71-73横截面的流量，以至于由燃烧器6产生的燃烧气体以Qa∶Qb∶Qc的比例分配在燃烧气体通道71-73中。根据确定的横截面流量来确定构成燃烧气体通道71-73的管道横截面尺寸。可选地，通过在燃烧气体通道71-73中安装阀门并且设置阀门的打开程度来实现上述分配比例。
图5阐述了在具有根据上述程序确定规格的预热装置实施催化反应器3-5的预热时，催化反应器3-5催化剂温度的变化。此处，分配比Qa∶Qb∶Qc被设置为4∶1∶1。此外，图4阐述了在仅向重整器3供应燃烧器6产生的所有燃烧气体，而不将之按上面所述分配给转化器4和PROX反应器5时，在相似的重整系统中催化反应器3-5催化剂温度的变化。
参阅图4，当仅向重整器3供应所有燃烧气体时，重整器3的催化剂温度快速达到目标温度，如点A1所示。但是，传递给重整器3之后，供应给转化器4的燃烧气体的温度降低，并且在传递给转化器4之后，供应给PROX反应器5的燃烧气体甚至具有更低的温度，并且结果如点B1和点C1所示，这些单元4，5达到它们各自目标温度需要大量的时间。
为了阻止燃料电池组2的一氧化碳中毒，必须从转化器4和PROX反应器5产生的重整气体中脱除一氧化碳，但是仅当重整器3的催化剂已经达到其目标温度时，重整系统不能向燃料电池组2供应重整气体。因此，重整系统仅在图中的点C1处开始向燃料电池组2供应重整气体，因而从开始预热至点C1的时间变成预热所需的时间。
另外，分别在从点A1至点C1的间隔和从点B1至点C1的间隔期间不需要预热重整器3和转化器4，结果达到完成重整系统预热时消耗了大量的燃料。
参阅图5，根据本发明的预热装置通过燃烧气体通道71-73直接将来自燃烧器6的燃烧气体分配给重整器3、转化器4和PROX反应器5，因而，与图4相比，尽管延迟了重整器3中的预热完成，但是PROX反应器5中的预热完成被巨大加速，结果重整器3、转化器4和PROX反应器5的预热同时结束，如点A2、B2和C2所示。
因此，与图4相比，完成重整系统预热所需的时间被大大缩短。通过以这种方式同时完成所有催化反应器3-5的预热，没有特定的反应器不需要预热，从而在预热期间消耗少量的燃料。
应该指出在上述分配比Qa∶Qb∶Qc的计算中，初始温度被设置为固定值，但实际上初始温度根据外面空气温度等而变化。但是，如果基于上述计算的分配比Qa∶Qb∶Qc来设计预热装置，重整器3、转化器4和PROX反应器5的预热完成时间甚至在初始温度不同时也不会发生大的偏差，因而与图4中所示情况相比，大大节约了预热时间和预热消耗的能量。
在上面的描述中，参考正常燃料电池电源装置操作设置每个催化反应器3-5的目标温度。但是，与二次电池组合使用的电源装置，例如车辆燃料电池电源装置在开始产生电能后不需要立即实施满电能产生。这是因为通过二次电池的供电容量可以补偿电能产生不足。在此情况下，燃料电池组2在电能产生刚开始后所需的重整气体流速是低的，因而只要催化反应器3-5的每个催化剂中部分已经达到目标温度所需重整气体的流速供应就满足。
如果正常操作期间的负载假设为100％，并且电能产生刚开始后的负载假设为50％，那么如图2所示，催化反应器3-5中50％的每个催化剂达到其目标温度是足够的。因为甚至在部分催化剂还没有达到目标温度时，催化反应也在一定程度上发生，所以只要设置催化剂预热的比例等于所需负载的比例，实际重整气体供应容量就足以满足需求。
为了实现所述部分预热状态，根据负载比例减少了表达式(1)中计算的所需热量，并且基于减少的所需热量确定设定的预热时间Ti。然后，燃烧器6在起动预热后设置的预热时间Ti消逝时停止操作。
在所述部分预热状态中，每个催化反应器3-5的出口处温度等于预热前的温度；转化器4只通过从燃烧气体供应通道72供应的燃烧气体的热量来预热；并且PROX反应器5只通过从燃烧气体供应通道73供应的燃烧气体的热量来预热。
在此情况下，每个催化反应器3-5吸收的热量由下面的表达式(3)表达。
重整器3吸收的热量∶转化器4吸收的热量∶PROX反应器5吸收的热量＝(预热整个重整器3所需的热量·负载比例)∶(预热整个转化器4所需的热量·负载比例)∶(预热整个PROX反应器5所需的热量·负载比例)        (3)
也在此情况下，预热装置中的燃烧气体供应通道71-73直接将来自燃烧器6的燃烧气体分配给催化反应器3-5，因此可以高效地仅预热每种催化剂所需的部分，从而很大降低了预热时间和预热消耗的能量。
在此情况下，燃料电池组2的电能产生刚开始后所需的负载越小，每个催化反应器3-5中预热物体的体积越小。因此，通过预热燃烧气体至尽可能高，但不超过催化剂耐热温度的温度可以高效地降低供应流速。
如果重整器3、转化器4和PROX反应器5中的催化剂耐热温度分别设为Tr、Ts和Tc，通常建立Tr＞Ts＞Tc的关系。如果在超过耐热温度的温度下供应燃烧气体，由于发生烧结等，催化剂的寿命降低，因此燃烧气体仅在等于或低于各自催化剂耐热温度的温度下供应给催化反应器3-5。
在所述预热装置中，供应给转化器4或PROX反应器5的燃烧气体是从燃烧气体供应通道72或73供应的高温燃烧气体和已经在位于上流的重整器3或转化器4中冷却的低温燃烧气体的混合物，因此如果燃烧器6产生的燃烧气体的温度Tg被设置在Tr＞Tg＞Tc的范围内，可以防止供应给催化反应器3-5中任一催化剂的燃烧气体温度超过它们的耐热温度。
为了便于说明，在图1和图2中已经插入了温度检测器51至53。但是，由上述说明明显看出所述温度检测器51至53被安置为实验性设备，用来确定分配比Qa∶Qb∶Qc，或者换句话说，用来获得预热装置的设计数据，因此它们并不是预热装置的构成元件。
因为下面的原因，从预热装置中可以省略燃烧气体供应通道72。
PROX反应器5中使用的催化剂通常在低温下激活，但是在高温下具有不好的耐用性。因此，需要充分混合从燃烧气体供应通道73中供应给这PROX反应器5的燃烧气体与从转化器4流出的燃烧气体，从而降低流入PROX反应器5的燃烧气体温度至或者低于催化剂的耐热温度Tc。结果，在流入PROX反应器5的燃烧气体温度和初始温度之间不会有大的差异，因而预热PROX反应器5中的催化剂趋向于花费时间。
从转化器4中流出进入重整气体通道28的燃烧气体的温度根据从开始预热时消逝的时间量而增加。另一方面，从燃烧气体通道72中供应给重整气体通道28的燃烧气体的温度是常数。因此，流入PROX反应器5的燃烧气体的温度根据从开始预热时消逝的时间量t而升高。如果基于所述特性，在预热完成时间点处抑制流入PROX反应器5的燃烧气体的温度至或者低于耐热温度Tc，在开始预热时流入PROX反应器5的燃烧气体的温度必须远低于耐热温度Tc。但是，流入PROX反应器5的燃烧气体的这种温度特性延迟了热量在PROX反应器5中的吸收，从而延长了PROX反应器5催化剂的预热。
通过省略燃烧气体供应通道72，降低了从转化器4中流出的燃烧气体的流速并且增加了燃烧气体供应通道73中燃烧气体的流速。结果，预热开始时流入PROX反应器5的燃烧气体的温度和预热完成时流入PROX反应器5的燃烧气体温度之间的差值减小。因此，通过省略燃烧气体供应通道72，在抑制流入PROX反应器5的燃烧气体的温度至或者低于耐热温度Tc情况下，减小了预热这PROX反应器5所需的热量。
下面参阅图6和7来描述本发明的第二实施方案。
参阅图6，除了根据图1第一实施方案的预热装置组成外，根据本实施方案的预热装置进一步装备有空气供应通道64、65和空气供应阀22、23。另外，在第一实施方案中，温度检测器51-53作为获得设计数据的实验性设备被描述，但是在本实施方案中，温度检测器51-53作为预热装置的构成元件提供。本实施方案的预热装置还装备有在燃料电池电源装置起动期间控制空气供应阀22和23打开的控制器82。同时，本实施方案中省略了第一实施方案中提供的气体混合器31和32。
空气供应通道64通过空气供应阀22从压缩机1中给燃烧气体供应通道72供应空气。空气供应通道65通过空气供应阀23从压缩机1中给燃烧气体供应通道73供应空气。温度检测器51-53检测的温度被分别作为信号输入控制器82。
控制器82由包含中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和输入/输出接口(I/O接口)的微型计算机构成。控制器82可以由多个微型计算机构成。
参阅图7，描述控制器82在预热重整系统时执行的控制空气供应阀22和23的路线。该路线仅在重整系统预热开始点时执行一次，或者换句话说与燃料电池电源装置起动同步。
首先，在步骤S1中，控制器82从来自温度检测器52和53的输入信号中读取燃料电池电源装置失效的温度或者起动点时的温度。温度检测器52和53检测的温度相应于转化器4和PROX反应器5的出口温度。
接着，在步骤S2中，控制器82根据温度检测器52和53检测的温度计算转化器4和PROX反应器5中催化剂的初始温度。催化反应器出口温度和初始催化剂温度之间的关系可以经验性确定。所述关系被存储在控制器82的存储器中，作为关系图(map)或数学公式，并且控制器82使用在步骤S1中读取的温度检测器52和53检测的温度回溯关系图，从而计算出PROX反应器5催化剂的初始温度。控制器82使用表达式(1)根据初始催化剂温度计算预热转化器4和PROX反应器5所需的热量。
接着，在步骤S3中，控制器82比较预热转化器4所需的热量与预热转化器4的预设热量。预热转化器4的预设热量相应于在第一实施方案中描述的当从设置的初始温度预热转化器4时所需的热量，或者换句话说相应于设置的预热热量。
如果预热转化器4所需的热量小于设置的预热热量，控制器82在步骤S4中打开空气供应阀22。在进行步骤S4后，控制器82进行步骤S5的处理。
另一方面，如果预热转化器4所需的热量不小于步骤S3中设置的预热热量，控制器82跳过步骤S4，并且进行步骤S5的处理。
在步骤S5中，控制器82比较预热PROX反应器5所需的热量与预热PROX5反应器的预设热量。
如果预热PROX反应器5所需的热量小于预热PROX反应器5的设置热量，控制器82在步骤S6中打开空气供应阀23。在进行步骤S6后，控制器82结束路线。
另一方面，如果步骤S5中预热PROX反应器5所需的热量不小于预热PROX反应器5的设置热量，控制器82立即结束路线而不实施步骤S6。
注意在步骤S3和S5中，在步骤S2中计算的预热转化器4和PROX反应器5所需的热量与各自的设置预热热量比较。但是，除了比较热量外，转化器4和PROX反应器5的初始温度与在分配比Qa∶Qb∶Qc计算中使用的设置初始温度比较。因此，如果转化器4的初始温度高于步骤S3中的设置初始温度，在步骤S4中打开空气供应阀22，并且如果PROX反应器5中的初始温度高于步骤S5中设置的初始温度，在步骤S6中打开空气供应阀23。
在第一实施方案中，通过燃烧气体供应通道71-73横截面的流量用设置初始温度被设置为固定值，但是实际上预热开始点处的温度并不是常数。根据各自冷却条件，例如布置在带有大的热容、大的冷却空气流速的设备反应器周围，或者通过具有大热容的液体冷却，在预热开始点处催化反应器3-5的温度也是不同的。这种初始温度的差异导致预热所需热量的差异。在本实施方案中，控制器82执行的空气供应路线用于补偿这种差异。
在执行所述路线时，当从温度检测器52检测的温度计算的预热转化器4所需的热量小于设置的预热热量时，举例来说，打开空气供应阀22，从空气供应通道64向燃烧气体供应通道72供应空气。通过向燃烧气体供应通道72供应空气，燃烧气体流过燃烧气体供应通道72的压降增加，并且燃烧气体的流速降低。
结果，供应给转化器4的气体温度下降，并且转化器4吸收的热量降低。另一方面，燃烧气体供应通道72的燃烧气体供应流速的降低导致燃烧气体供应通道71和73的燃烧气体供应流速的增加，从而增加了供应给重整器3和PROX反应器5的热量。结果，缩短了重整器3和PROX反应器5的预热时间。
此外，当根据温度检测器52检测的温度计算的预热PROX反应器5所需的热量小于设置的预热热量时，打开空气供应阀23，从空气供应通道65向燃烧气体供应通道73供应空气。通过向燃烧气体供应通道73供应空气，燃烧气体流过燃烧气体供应通道73产生的压降增加，并且燃烧气体的流速降低。结果，供应给PROX反应器5的热量降低，并且供应给重整器3和转化器4的热量增加同等量。
为了说明这种现象，必须考虑燃烧气体供应通道71-73中的压降。燃烧气体供应通道71-73中每个的压降具有在下面表达式(4)中表示的关系。
燃烧气体供应通道71的压降＝燃烧气体供应通道72的压降-重整器3中的压降＝燃烧气体供应通道73的压降-(重整器3中的压降+转化器4中的压降)    (4)
如果燃烧气体供应通道71-73被看成管道体，表达式(4)中每个的压降根据下面的表达式(5)来计算。
压降＝压降系数·(管道长度/管道直径)·气体密度·{(气体流速)2/2}(5)
逻辑值或实验值都可以用于催化反应器3-5和燃烧气体供应通道71-73的压降系数。
图7中的流程图阐述了空气供应阀22和23的最基本控制，但是如果进一步控制空气供应阀21至23打开程度，以至于根据表达式(5)确定的每个催化反应器3-5和燃烧气体供应通道71-73中的压降满足表达式(4)中的关系，催化反应器3-5预热完成的时间可以总是成直线，不管催化反应器3-5中催化剂的初始温度如何。
PROX反应器5无论什么也不需要预热，或者换句话说当PROX反应器5的催化剂已经达到操作温度时的情况可以被看作一个实例。在此情况下，为了使从燃烧气体供应通道73供应给重整气体通道28的气体温度等于PROX反应器5的操作温度，控制器82设置从空气供应通道65供应给重整气体通道28的空气供应流速并且控制空气供应阀23至相应的打开程度。
作为向燃烧气体供应通道73供应空气的结果，燃烧气体供应通道73中的燃烧气体的压降增加，从而供应给重整器3和转化器4的燃烧气体的流速升高。此外，因为流入PROX反应器5的气体温度下降至操作温度附近，所以维持PROX反应器5的催化剂温度处于操作温度。
此外，当流入转化器4的气体温度将要超过转化器4中催化剂的耐热温度Ts时，控制器82操作空气供应阀22，增加从空气供应通道64供应给燃烧气体供应通道72的空气流速，从而可以降低流入转化器4的气体温度。相似地，当流入PROX反应器5的气体温度将要超过PROX反应器5中催化剂的耐热温度Tc时，控制器82操作空气供应阀23，增加从空气供应通道65供应给燃烧气体供应通道73的空气流速，从而可以降低流入PROX反应器5的气体温度。因此，燃烧器6产生的燃烧气体的温度Tg被设置为接近重整器3耐热温度Tr的值。
当通过空气供应量来控制供应给催化反应器3-5的热量时，甚至在燃烧气体供应通道72和重整气体通道27之间汇合点处没有足够实施气体混合时可以抑制流入转化器4的气体温度至或者低于耐热温度Ts。相似地，甚至在燃烧气体供应通道73和重整气体通道28之间汇合点处没有足够实施气体混合时可以抑制流入PROX反应器5的气体温度至或者低于耐热温度Tc。因此，在本实施方案中省略了气体混合器31和32。
接着，参阅图8和图9描述本发明的第三实施方案。
参阅图8，根据本实施方案的预热装置在燃烧气体供应通道73中装备有流量控制阀80，代替第二实施方案中的空气供应阀22和23。
在第二实施方案中，通过来自空气供应阀22和23的空气供应改变供应给催化反应器3-5的燃烧气体流速，但是在本实施方案中，通过操作流量控制阀80改变供应给PROX反应器5的燃烧气体流速。
在重整系统起动期间，通过空气供应通道64总是将空气供应给燃烧气体供应通道72。相似地，通过空气供应通道65总是将空气供应给燃烧气体供应通道73。在燃烧气体供应通道73和空气供应通道65之间汇合点的下游安装流量控制阀80。
在本实施方案中，事先在催化反应器3-5的初始温度作为固定值的下，使用表达式(1)计算催化反应器3-5每个的设置预热热量Ha0，Hb0，Hc0，并且基于它们的结果和从空气供应通道64和65供应的空气流速，确定通过燃烧气体71-73横截面的流量。然后，设置相应于燃烧气体通道73横截面流量的流量控制阀80的打开程度作为流量控制阀80的初始打开程度。
接着参阅图9，描述控制器82执行的流量控制阀控制路线，从而控制催化反应器3-5的预热。该路线也是仅在重整系统开始起动时执行一次。
首先，在步骤S11中，控制器82读取温度检测器51-53检测的温度。
接着，在步骤S12中，使用与根据第二实施方案图7路线的步骤S2中相似的关系图计算催化反应器3-5中催化剂的初始温度。然后，所得初始温度被代入表达式(1)中，分别计算预热催化反应器3-5中催化剂所需的热量Ha，Hb，Hc。
接着，在步骤S13中，判断Hc/(Ha+Hb)是否小于预设值Hc0/(Ha0+Hb0)。此处，Hc/(Ha+Hb)表达了预热PROX反应器5所需的热量与预热其它催化反应器3，4所需总热量的比例。Hc0/(Ha0+Hb0)是基于预设预热热量的固定值。如果Hc/(Ha+Hb)小于Hc0/(Ha0+Hb0)，控制器82从步骤S14中开始打开时减小流量控制阀80的打开程度。在实施步骤S14后，控制器82结束所述路线。
另一方面，如果Hc/(Ha+Hb)不小于Hc0/(Ha0+Hb0)，控制器82在步骤S15中确定Hc/(Ha+Hb)是否大于Hc0/(Ha0+Hb0)。如果Hc/(Ha+Hb)大于Hc0/(Ha0+Hb0)，步骤S16中从初始打开增加流量控制阀80的打开程度。在进行了步骤S16之后，控制器82结束所述路线。
如果在步骤S15中，Hc/(Ha+Hb)不大于Hc0/(Ha0+Hb0)，控制器82结束所述路线，而从初始打开时不改变流量控制阀80的打开程度。
通过从初始打开时降低流量控制阀80的打开程度，供应给PROX反应器5的燃烧气体的压降增加。结果，供应给PROX反应器5的燃烧气体的流速降低并且供应给PROX反应器5的热量也降低。同时，供应给重整器3和转化器4的热量增加。相反，通过从初始打开时增加流量控制阀80的打开程度，供应给PROX反应器5的燃烧气体的压降降低。结果，供应给PROX反应器5的燃烧气体的流速增加并且供应给PROX反应器5的热量也增加。同时，供应给重整器3和转化器4的热量降低。
因此，供应给PROX反应器5的热量与供应给其它催化反应器3，4的热量之间的比例Hc/(Ha+Hb)根据流量控制阀80打开程度的增加和降低而改变。
如上所述，在安置反应器的更上流催化反应器3-5的操作温度增加。因此，在安置反应器的更上流，操作刚停止后热辐射的量增加。随着周围环境温度和催化剂温度间的差异变小，热辐射的量快速降低。
当反应器重新起动时，预热催化反应器3-5所需的热量与热辐射的量成正比。因此，当从高于设置初始温度的初始温度开始预热催化反应器3-5时的Hc/(Ha+Hb)值小于从设置初始温度开始预热催化反应器3-5时的Hc0/(Ha0+Hb0)。换句话说，供应给重整器3和转化器4的热量必须相对于初始温度的增加而增加。
根据所述路线，根据基于实际初始温度的热量比Hc/(Ha+Hb)和基于设置预热热量的热量比Hc0/(Ha0+Hb0)的比较流量控制阀80的打开程度增加和降低，因而不管初始温度如何，催化反应器3-5被高效地预热，从而降低了预热重整系统所需的时间量。
此外，通过根据基于实际初始温度的热量比Hc/(Ha+Hb)和基于设置预热热量的热量比Hc0/(Ha0+Hb0)确定流量控制阀80打开程度的增加和降低率，供应给催化反应器3-5的热量可以以更准确的程度分配。
在空气供应通道64中安装与第二实施方案相似的空气供应阀22。
2002年4月9日归档的日本专利Tokugan 2002-106235的内容引入本文作参考。
尽管参阅本发明的特定实施方案，在上面已经说明了本发明，但是本发明并不局限于上述实施方案。根据上述教导，本领域技术人员可以对所述实施方案做出修改和改变。
举例来说，在上述每个实施方案中，预热对象是构成重整系统的重整器3、转化器4和PROX反应器5，但是燃料电池组2，其中阳极2A和阴极2B装备有催化剂，也是催化反应器的一种类型。因此，本发明对于通过来自燃烧器6的燃烧气体预热重整器3和燃料电池组2的情况也是适用的。
工业应用性
如上所述，在本发明中，燃烧气体各自分配给多个催化反应器，从而消除催化反应器预热完成时间中的差异并且降低预热燃料电池电源装置所需的时间量。因此，当应用于安装在经常操作并停止的车辆中的燃料电池电源装置时，本发明产生了特别有利的效应。
权利要求了排他性性质或基本权利的本发明实施方案定义如下。

Claims (11)

1、一种用于与燃料电池电源装置一起使用的催化反应器(3-5)的预热装置，所述燃料电池电源装置包括多个每个包含催化剂的催化反应器(3-5)和串联连接催化反应器(3-5)的气体通道(27，28)，所述预热装置包含：
为了在起动燃料电池电源装置时预热催化剂而通过燃烧燃料产生燃烧气体的燃烧器(6)；以及
用来将燃烧气体分别分配给催化反应器(3-5)的燃烧气体供应通道(71-73)。
2、权利要求1定义的预热装置，其中燃烧器(6)包含燃烧空气-燃料比大于理论空燃比的燃料和空气混合物的贫燃烧燃烧器(6)。
3、权利要求1定义的预热装置，其中催化反应器(3-5)中所含催化剂的活化温度与不同催化反应器(3-5)中所含催化剂的活化温度不同。
4、权利要求1至权利要求3任何一项定义的预热装置，其中预热装置进一步包含热量供应调节机构(22，23，80)，用来降低反应器(3-5)中催化剂达到活化温度的时间差异。
5、权利要求4定义的预热装置，其中热量供应调节机构(22，23，80)包含能够向燃烧气体供应通道(71-73)之一供应空气的阀(22，23)。
6、权利要求5定义的预热装置，其中预热装置进一步包含检测与燃烧气体供应通道(71-73)之一相连的特定催化反应器(4，5)催化剂温度的检测器(52，53)和起着如下作用的控制器(82)：从燃烧气体分配前检测的催化剂温度计算预热催化剂至活化温度所需的热量(S2)；比较所述热量与预设预热热量(S3，S5)；以及控制阀(22，23)，以至于当所述热量小于设置的预热热量时向特定的催化反应器(4，5)中供应空气。
7、权利要求4定义的预热装置，其中热量供应调节机构(22，23，80)在燃烧气体供应通道(71-73)之一中包含能够增加和降低燃烧气体流量的阀(80)。
8、权利要求7定义的预热装置，其中预热装置进一步包含检测每个催化反应器(3-5)催化剂温度的检测器(51-53)和起着如下作用的控制器(82)：从燃烧气体分配前检测的每个催化反应器(3-5)的催化剂温度，计算预热每个催化反应器(3-5)中的催化剂至活化温度所需的热量(S12)；比较预热通过阀(80)供应燃烧气体的催化反应器(5)中催化剂所需的热量与预热不同催化反应器(3，4)中催化剂所需的热量的热量比与预设热量比(S13，S15)；以及控制阀(80)，当所述热量比小于预设的热量比时，使燃烧气体流量降低。
9、权利要求8定义的预热装置，其中控制器(82)进一步起着控制阀(80)，从而在所述热量比大于预设热量比(S16)时，增加燃烧气体流量的作用。
10、权利要求1至权利要求3任何一项定义的预热装置，其中催化反应器(3-5)包含重整燃料产生包含氢气和一氧化碳的重整气体的重整器(3)；通过转化降低经气体通道(27，28)从重整器(3)中流入的重整气体中一氧化碳浓度的转化器(4)；以及通过优先氧化反应降低经气体通道(27，28)从转化器中流入的重整气体中一氧化碳浓度的优先氧化反应器(5)；并且燃烧气体供应通道(71-73)包含向重整器(3)分配燃烧气体的燃烧气体通道(71)和向优先氧化反应器(5)中分配燃烧气体的燃烧气体通道(72)。
11、权利要求1至权利要求3任何一项定义的预热装置，其中在小于正常操作期间负载的起动负载下操作起动时的电源装置，并且安排预热装置，相应于起动负载和正常操作期间负载的比例，预热每个催化反应器(3-5)中的催化剂有限的时间。
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