CN1333485C - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，包括使用含氧气的气体和原料蒸气来产生含氢气的重整气体的重整器(8)，以及通过使重整气体中的氢气与氧气反应来产生电能的燃料电池(9)。控制器(21)确定重整器(8)是否已经产生过量氢气，并且当确定产生过量氢气时，燃烧过量氢气，保持重整器(8)温暖。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，更具体地说涉及当负载减少时的控制。
背景技术
日本专利局在1996年公布的JP8-45521A和日本专利局在1999年公布的JP11-307110A公开了一种燃料电池系统，其中烃作为其主要组分的燃料原料被蒸发，并且原料蒸气和空气被供应到重整器中。在重整器中，原料中的烃和空气中的氧气一起反应，产生富氢气的重整气体。富氢气的重整气体和空气被供应到燃料电池中，并且在燃料电池中，重整气体中的氢气和空气中氧气经历电化学反应，产生电能。
发明内容
当上述燃料电池被连接到消耗燃料电池中产生的电能的负载装置上时，必须控制供应给重整器的原料和空气流量，使得燃料电池产生负载所需的，根据运行条件变化的电能。
但是，当负载减少时，即便控制蒸发器，使得原料和空气流量适合相应于减少的负载的流量，在负载减少前轻微供应的原料和氧气也将保留在重整器中，所以重整器将继续在一段时间内产生富氢气的重整气体，因此产生过量的氢气。当不需要这种过量的氢气时，在上述现有技术设备中，减少供应给重整器的原料以便抑制过量氢气的产生。但是必须继续原料流，所以燃料消耗增加。
为什么尽管负载减少但仍继续供应原料的原因如下。如果减少对重整器的原料供应，当不需要过量氢气时，重整器的催化剂温度被相应降低至催化剂活化温度以下。当负载接着增加，使得需要富氢气的重整气体时，重整器中的重整反应需要一段时间来产生富氢气的重整气体，所以重整器必须被维持在维持活化所需的温度下。
因此，本发明的一个目标是使用过量的氢气来保持重整器温暖，并且当负载增加并需要富氢气的重整气体时，快速产生富氢气的重整气体。为了实现上述目标，本发明提供了一种燃料电池系统，包含使用含氧气的气体和原料蒸气来产生含氢气的重整气体的重整器、通过使重整气体中的氢气与氧气反应来产生电能的燃料电池、消耗燃料电池产生的电能的负载装置、保持重整器温暖的重整器温度维持系统，以及起着以下作用的控制器：确定重整器是否产生过量氢气，并且当确定产生过量氢气时，燃烧重整器温度维持系统中的过量氢气，以保持重整器温暖。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种控制燃料电池系统的方法，其中燃料电池系统具有使用含氧气的气体和原料蒸气来产生含氢气的重整气体的重整器，以及通过重整气体中的氢气与氧气反应来产生电能的燃料电池；该方法包括确定重整器是否产生过量氢气，并且当确定产生过量氢气时，燃烧重整器温度维持系统中的过量氢气，保持重整器温暖。
本发明的细节以及其它的特征和优点将在剩余的说明书中提出，并且在附图中表示。
附图说明
图1是根据本发明的燃料电池系统的示意图。
图2是表示控制器实施的控制细节的流程图。
图3是图2流程图的继续部分。
图4是表示氢气流量估计处理的流程图。
图5是水流量的特性曲线图。
图6是甲醇流量的特性曲线图。
图7是氢气流量基本值的特性曲线图。
图8是质量比校正值的特性曲线图。
图9是温度校正值的特性曲线图。
图10是表示计算过量氢气流量的流程图。
图11是表示计算目标再循环重整气体流量的流程图。
图12是表示计算目标空气流量的流程图。
图13是根据第二实施方案的分配比的特性曲线图。
具体实施方式
附图中的图1表示根据本发明第一实施方案的燃料电池系统。首先，描述基本结构和操作。
通过供水器4和甲醇给料器5将储水罐2中的水和燃料原料罐3中的甲醇送到蒸发器6中，并且加热变成水和甲醇蒸气的混合物(原料蒸气)，该混合物被供应给重整器8。此处，供水器4和甲醇给料器5主要包含给料泵和注射器。
基于燃料电池9的所需电能产生量，由控制器21计算水流量和甲醇流量的目标值，并且控制器21控制给料器4，5中的流量控制装置(注射器)，使得实现这些目标值。如果在车辆中安装了燃料电池系统，基于驾驶员加速踏板的下压量来计算所需电能产生量。
通过空气压缩机7将空气(含氧气体)送到重整器8。为了供应整个燃料电池系统所需的所有空气，流量控制器16控制空气压缩机7的转速，使得流量传感器15检测的压缩机排放流量等于重整器8所需的空气流量和燃料电池9所需的空气流量之和。在此情况下，举例来说，可以使用在日本专利局公布的JP2001-338659A中公开的无干扰控制系统来控制流量控制器16。
重整器8引起水和甲醇的气态混合物与空气中氧气的反应，并且产生富氢气的重整气体。重整器8在自热条件下操作，其中部分氧化反应释放的热量平衡甲醇分解吸收的热量。因此，从温度传感器14向其中输入重整器温度的温度控制器13通过调节安装在导向重整器8的空气通道11中的流量控制阀12的打开程度来控制供应给重整器8的空气流量，使得重整器温度为目标温度。
富氢气的重整气体包含低水平的一氧化碳。所述一氧化碳会使固体电解质燃料电池9中包含铂的电极催化剂中毒，使得其活性大量降低，所以与重整器8一起安装除去一氧化碳的转换反应器。
然后，一氧化碳已经被降低至非常低水平的重整气体和来自空气压缩机7的空气被分别送到燃料电池9的燃料电极和空气电极。在燃料电池9中，空气中的氧气和重整气体中氢气经历电化学反应，产生电能。
在燃料电池9中，很难使用重整氧化中的所有氢气，所以用于产生电能的包含一些残留氢气的重整气体，以及用于产生电能的包含一些残留氧气的空气被送到催化剂燃烧器10中，在那里燃烧。所得热的燃烧气体被送到蒸发器6中，并且用于蒸发甲醇和水的能量。
燃料电池系统被安装在车辆中，并使来自燃料电池9的电流流向马达19，用来借助逆变器18驱动车辆。逆变器18和马达19是消耗燃料电池9产生的电能的负载装置。
当燃料电池系统与根据运行条件而变化的负载装置结合时，必须控制供应给重整器8的原料和空气流量，使得由燃料电池9产生负载装置所需的电能。但是，当负载装置所需的电能减少(当负载减少)时，即便调节原料和空气流量来适合负载减少后的条件，就在负载刚减少前原料和空气仍保持在重整器8中，因此重整器8继续产生富氢气的重整气体，并且当负载减少时，在重整器气体中产生比为负载装置提供电能所需的更多的氢气(过量氢气)。
根据本发明，在结合了根据运行条件而变化负载的负载装置的燃料电池系统中，当在例如负载减少时，产生了过量氢气时，所述过量的氢气被燃烧，并且燃烧产生的气体在重整器8的上流再循环，从而保持重整器温暖。通过燃烧过量氢气来保持重整器温暖，不需要向重整器8供应原料和空气，所以停止向重整器8供应原料和空气。
现在更详细地描述这一点。在图1中，从通道22中分支出通道23，向燃料电池9供应由重整器8产生的富氢气的重整气体，并且来自重整器8的部分或所有重整气体借助所述分支通道23导向重整器温度维持装置(RTMD)24。
来自空气压缩机7的空气借助空气给料通道25也被导向重整器温度维持装置24。重整器温度维持装置24包含氧化催化剂，并且经由供应分支通道23已经引入的重整气体中的过量氢气通过从空气压缩机7供应的空气中的氧气被燃烧。热的燃烧气体借助通道26被再循环至重整器8的入口。
在分支通道23和空气给料通道25中安装流量控制阀27，28。这些控制阀27，28的打开程度由来自控制器21的信号来控制。
在控制器21中，基于重整器8中产生的重整气体中的氢气流量Qh2gen和燃料电池9提供负载装置消耗的电能所需的氢气流量Qh2sum之间的差异，确定是否产生过量氢气。当确定产生过量氢气时，控制阀27，28都被打开。
在控制器21中，通过燃烧过量氢气，在重整器8的温度维持期间如下控制两个流量控制阀27，28。
[1]负载减少时使用的过量氢气被输送到燃烧器10中并燃烧。如果燃烧器10升高到允许的上限温度以上，燃烧器10的寿命缩短。但是，如果除去过量氢气，在重整器温度维持装置24中燃烧，并且如在本发明中那样再循环至重整器8中，那么可以抑制燃烧器10的温度升高。
同样，如果重整器8由于燃烧气体的再循环而升高到允许的上限温度以上，尽管打算维持所述温度，但是重整器8的寿命将缩短。因此，尽管需要处理过量氢气，但是必须以重整器8和燃烧器10不升高至上限温度以上的方式再循环燃烧气体。
因此，附加提供检测燃烧器10温度的温度传感器31。然后，基于温度传感器31，14检测的重整器8和燃烧器10的温度，以及重整气体的流量ΔQgas(下文中，该重整气体被称作“再循环重整气体”)，计算再循环重整气体的目标流量Qrec。然后，控制流量控制阀27的打开程度，使得再循环重整气体的流量为目标流量Qrec。
[2]向重整器温度维持装置24中引入空气，从而燃烧再循环重整气体中的过量氢气，所以通过增加或降低空气流量可以调节重整器8的温度。此处，当燃烧再循环重整气体中的过量氢气来保持重整器8的温暖时，基于实际重整器温度，反馈控制流速控制阀28的打开程度，使得重整器催化剂保持活性。
当产生过量氢气时，控制器21还实施恢复至先前状态的控制，如下。
[3]当使用过量氢气保持重整器8温暖时，停止向重整器8中供应原料蒸气和空气，并且当过量氢气的产生是临时的时，一旦再循环重整气体中的过量氢气全部被燃烧，不仅重整器8的温度，而且燃烧器10或蒸发器6的温度将下降。如果重整器温度下降至催化剂失活的温度，并且燃烧器10和蒸发器6的温度下降至不能获得这些装置所需性能的温度，当负载随后增加并且需要产生氢气时，重整器8中的重整反应不能迅速开始，并且氢气产生的响应性能变差。
因此，提供温度传感器32来检测蒸发器5的温度。在已经使用过量氢气开始温暖重整器8后，如果温度传感器14，31，32检测的重整器8、燃烧器10和蒸发器6中任何一个的温度下降至各自预定值以下，停止由重整器温度维持装置24加热重整器8，并且重新开始向重整器8供应原料蒸气和空气(重新开始向蒸发器6供应燃料原料和水，以及通过温度控制器13打开流量控制阀12，重新开始供应空气)。
[4]当燃烧再循环重整气体中的过量氢气来保持重整器8温暖时，重整器8、燃烧器10和蒸发器6的温度有时会下降至它们各自预定值以下，所以提供下面的附加结构和操作。具体地说，此时为了更快地将系统返回至产生过量氢气以前的状态，与上述甲醇给料器5分开提供第二甲醇给料器35，并且当所有所述三个温度都下降至它们各自预定值以下时，除了[3]的程序外，通过第二甲醇给料器35向燃烧器10供应甲醇，从而升高燃烧器10的温度。
接下来，基于下面的流程图，详细描述控制器21实施的上述控制。
控制器21控制两个流量控制阀27，28、供水器4、甲醇给料器5、流量控制阀12和第二甲醇给料器35。通过温度控制器13控制流量控制阀12。
图2、图3表示在预定间隔(例如10毫秒)下对这六个单元实施的控制。
在步骤S1中，估计由于重整器催化剂进行的重整反应而产生的氢气流量Qh2gen。使用图4来描述的氢气流量Qh2gen估计。
在图4中，在步骤S21中，读取流量传感器17检测的流向重整器8的原料流量Qgen[kg/min]和空气流量Qkai[m3/min]，以及由温度传感器14检测的重整器温度Tkai。
上述原料流量Qgen是通过水的流量加上甲醇流量得到的值。因为水的流量和甲醇流量由供应给注射器的负荷值(duty value)来控制(流量增加越多，负荷值增加)，所以水的流量[kg/min]和甲醇的流量[kg/min]可以通过查阅图5、图6中所示的表的这些负荷值来计算，并且如果将两者加起来，可以计算原料流量Qgen。
在步骤S22中，通过查阅图7所示的表，从原料流量Qgen计算氢气流量基本值Qh2gen0[NL/min]。氢气流量基本值Qh2gen0是对于标准质量比和标准重整器温度的氢气流量，并且与图7所示的原料流量Qgen直接成正比。在氢气流量基本值的单位中“L”附加的“N”表示处于标准态的值(0℃，1atm)。
标准质量比和标准重整器温度是运行重整器8需要的质量比和温度，标准质量比由重整器催化剂中的反应方程式来确定。标准重整器温度由重整器催化剂的规格来确定，举例来说为400℃。
在步骤S23中，空气流量Qkai中的氧气流量(质量流量)Qo2[kg/min]由下面的等式(1)来计算：
Qo2＝Qkai×ρ×0.21    ...(1)
式中，ρ＝空气密度[kg/m3]。等式(1)中的0.21是空气流量中氧气流量的比例。
在步骤S24中，通过下面的等式(2)，从氧气流量Qo2和原料流量Qgen来计算质量比Rmass：
Rmass＝Qo2/Qgen    ...(2)
然后，在步骤S25中通过查阅图8中所示的表，基于质量比Rmass来计算质量比校正值H1。
同样，在步骤S26中，通过查阅图9所示的表从重整器温度计算温度校正值H2。在步骤S27中，使用这两个校正值H1，H2和基本值Qh2gen0，由下面的等式(3)来计算由重整器8产生的氢气流量[NL/min]：
Qh2gen＝Qh2gen0+H1+H2    ...(3)
质量比校正值H1是实际质量比向少的一面偏离标准质量比时的校正值(负值)，并且质量比超过标准质量比越多，氢气流量降低，如图8所示。这是因为当质量比增加(氧气增加)时，一氧化碳和二氧化碳组分增加，并且氢气组分降低。同样，温度校正值H2是实际重整器温度向高的一面偏离标准重整器温度时的校正值(负值)，并且重整器温度超过标准重整器温度越多，氢气流量降低，如图9所示。这是因为当重整器温度增加时，一氧化碳组分增加，并且氢气组分相应降低。
图8、图9、图7的实际特性由模拟或实验来确定。
当完成由重整器8产生的氢气流量Qh2gen的估计时，路线返回图2，并且在步骤S2中，计算过量氢气流量ΔQh2。现在参照图10的流程图描述过量氢气流量ΔQh2的计算。
在图10中，在步骤S31中，读取电流传感器33检测的电流I[A]。电流I是流出燃料电池9的电流。在步骤S32中，计算燃料电池9提供负载装置所需电能需要的氢气流量(下文中，该氢气流量被称作“消耗的氢气流量”)Qh2sum。具体地说，根据下面的等式(4)，从电流I计算消耗的氢气流量Qh2sum[NL/min]：
Qh2sum＝K1×nc×I    ...(4)
nc是形成燃料电池9的电池的总数量，例如420。系数K1是取决于燃料电池9特性的值，例如7.0。
在步骤S33中，计算重整器8产生的氢气流量Qh2gen和消耗的氢气流量Qh2sum之间的差值，作为过量氢气流量ΔQh2。换句话说，由下面的等式(5)来计算过量氢气流量ΔQh2：
ΔQh2＝Qh2gen-Qh2sum    ...(5)
在步骤S34中，过量氢气流量ΔQh2与0比较，并且当ΔQh2是负的时，路线进行至步骤S35，并且限制ΔQh2为0。这是因为由于计算误差，等式(5)的计算结果可能是负的，并且这种限制考虑了这种可能性。
当完成过量氢气流量的ΔQh2计算时，路线返回图2，并且在步骤S3中，由下面的等式(6)计算重整器8产生的重整气体流量ΔQgas[NL/min]：
ΔQgas＝ΔQh2×K2    ...(6)
式中，K2为系数。
重整气体流量ΔQgas必须总是大于过量氢气流量ΔQh2，所以系数K2是大于1.0的值(常数值)。
在步骤S4中，过量氢气流量ΔQh2与预定值(例如0)比较，并且确定是否存在过量氢气。如果ΔQh2小于预定值(小于0)，不产生过量氢气，并且因为不需要燃烧过量氢气，所以终止该路线。
另一方面，如果ΔQh2大于预定值(正值)，确定产生了过量氢气，所以路线进行至步骤S5，并且计算目标再循环重整气体流量Qrec。目标再循环重整气体流量Qrec的计算将参照图11的流程图来描述。
在图11中，步骤S41中，读取由温度传感器14检测的重整器温度Tkai和由温度传感器31检测的燃烧器温度Tnen。在步骤S42，S43，S44中，比较重整器温度Tkai和重整器8允许的上限温度值Tmkai，并且比较燃烧器温度Tnen和燃烧器10允许的上限温度Tmnen。
为了确定重整器8或燃烧器10的温度上升是否在允许的范围以内，做出所述比较，并且燃烧过量氢气。更详细地描述，必须燃烧过量氢气，但是在燃料重整系统中，只有重整器8和燃烧器10能够燃烧过量氢气。在此情况下，控制重整器8和燃烧器10至目标温度，但是当过量氢气通过催化反应被燃烧时，温度上升。如果所述的温度上升在允许范围以内，没有问题。因此，燃烧过量氢气，使得温度上升位于允许范围以内。举例来说，重整器8的目标温度tTkai为400℃，并且燃烧器10的目标温度tTnen例如为370℃，所以如果确定重整器8的允许温度值为ε1(例如约20℃)并且确定燃烧器10的允许温度值为ε2(例如约20℃)，重整器8的允许上限温度为420℃(Tmkai＝tTkai+ε1＝400℃+20℃＝420℃)，并且燃烧器10的允许上限温度Tmnen为390℃。
(tTnen+ε2＝370℃+20℃＝390℃)。
通过比较允许的上限温度Tmkai，Tmnen与实际温度Tkai，Tnen，可以确定是否能允许燃烧过量氢气所需的温度上升。
具体地说，区别下面四种情况，并且对于每种情况，为重整器8和燃烧器10设置最优的分配比。如果过量氢气对重整器8的分配比(因此，也是包含过量氢气的重整气体对重整器8的分配比)为α，对燃烧器10的分配比为1-α。α是从0至1的整数。
(a)如果重整器8低于允许的上限温度Tmkai，并且燃烧器10低于上限温度Tmnen，路线进行至步骤S45，并且设置对重整器8的分配比α为0.5，使得包含过量氢气的重整气体平等地分配给重整器8和燃烧器10。
(b)如果重整器8低于允许的上限温度Tmkai，并且燃烧器10高于上限温度Tmnen，路线进行至步骤S46，并且因为必须分配给重整器8更大量，α被设置为大于0.5，例如0.7。
(c)如果重整器8高于允许的上限温度Tmkai，并且燃烧器10低于上限温度Tmnen，路线进行至步骤S47，并且因为必须分配给燃烧器10更大量，α被设置为小于0.5，例如0.3。
(d)如果重整器8高于允许的上限温度Tmkai，并且燃烧器10高于上限温度Tmnen，路线进行至步骤S48，并且α被设置为0.5，从而平等地分配给这两种装置。
在步骤S49中，通过下面的等式(7)计算分配给重整器8的包含过量氢气的重整气体分配量(等于目标再循环重整气体流量Qrec)[NL/min]：
Qrec＝ΔQgas×α    ...(7)
给燃烧器10的分配量为ΔQgas.1-α)。
通过根据重整器8和燃烧器10的温度，确定包含过量氢气的重整气体在重整器8和燃烧器10之间的分配，可以防止重整器8和燃烧器10温度的过度上升。如果所述温度之一低于允许的上限温度，过量氢气可以大量地供应所述装置并燃烧。
当完成目标再循环重整气体流量Qrec的计算时，路线返回图2，并且在步骤S6中计算燃烧该再循环重整气体中的氢所需的空气流量tQa(下文中，该空气流量称作“目标空气流量”)。
必须向重整器温度维持装置24供应空气的原因是重整器温度维持装置24充满燃烧催化剂，并且燃烧过量氢气需要氧化剂。因此，使用空气中的氧气作为该燃烧的氧化剂。
现在，参照图12的流程图来描述目标空气流量tQa的计算。
在图12中，步骤S61中，通过下面的等式(8)计算燃烧分配给重整器温度维持装置24的过量氢气流量ΔQh2量所需的空气流量，作为空气流量基本值Qa0：
Qa0＝ΔQh2×α/(2×0.21)    ...(8)
该式如下推导。如果过量氢气流量ΔQh2中分配给重整器温度维持装置24的量是再循环氢气流量Qh2kw，那么：
Qh2kw＝ΔQh2×α            ...(9)
所以根据化学反应，燃烧该再循环氢气流量Qh2kw所需的氧气流量为Qo2kw：
Qo2kw＝Qh2kw/2     (10)
包含该氧气流量Qo2kw的空气流量(＝Qa0)为：
Qa0＝Qo2kw/0.21    (11)
结合等式(9)-(11)，得到等式(8)。
在步骤S62中，读取由温度传感器14检测的重整器温度Tkai。在步骤S63中，比较重整器温度与预定值V1。当重整器8被燃烧过量氢气产生的气体加热时，如果重整器8的温度由于燃烧气体的引入而增加，尽管过量氢气被燃烧，但是重整催化剂被活化，并且产生大量的氢气。相反，如果重整器8的温度是低的，重整催化剂是失活的，并且不产生氢气。因此，设置重整催化剂保持活性的极限温度为第一预定值V1。具体地说，设置第一预定值V1为目标值tTkai(例如400℃)，或者低于目标值的温度(大约350℃)。
如果重整器温度Tkai低于第一预定值V1(等于活化下限温度)，路线进行至步骤S64，将重整器8升高至可以维持活化态的温度，并且比较空气流速基本值Qa0与第二预定值V2。
使用第二预定值V2以确定重整器温度维持装置24的运行区是否在第一区域或者第二区域内。第一区域是当空气流量(氧气流量)降低时重整器温度维持装置24中催化剂燃烧温度降低，并且当空气流量(氧气流量)增加时重整器温度维持装置24中催化剂燃烧温度增加的区域。第二区域是当空气流量(氧气流量)降低时重整器温度维持装置24中催化剂燃烧温度增加，并且当空气流量(氧气流量)增加时重整器温度维持装置24中催化剂燃烧温度降低的区域。当空气流量小时，获得第一区域特征，并且当超过特定的空气流量时，获得第二种流量特征。
因此，当空气流量基本值Qa0小于第二预定值V2时(第一区域)，通过增加空气流量来增加重整器温度维持装置24中的催化剂燃烧温度，路线进行至步骤S65，并且空气流量反馈量Qfb增加预定值ΔQa1。具体地说，通过下面的等式(12)计算空气流量反馈量Qfb：
Qfb＝Qfbz+ΔQa1    ...(12)
式中，Qfbz＝Qfb的立即先前值。
在步骤S70中，由下面的等式(13)计算目标空气流量tQa：
tQa＝Qa0+Qfb       ...(13)
当运行区域位于第一区域内，并且重整器8的温度小于第一预定值V1时，空气流量根据等式(12)，(13)以控制的间隔持续增加，使得重整器8的温度达到第一预定值V1，并且从重整器温度维持装置24供应给重整器8的燃烧气体的温度因此上升。在此情况下，还没有到达活化下限温度的重整器8可以快速返回至超过活化下限温度的温度。
尽管没有显示，但是如果即使按照等式(12)以每个控制间隔继续增加空气流量，重整器8的温度下降了，那么停止增加空气流量。
相反，如果重整器8的温度低于第一预定值V1并且空气流量基本值Qa0超过第二预定值V2(第二区域)，路线从S63，S64进行至步骤S66，并且空气流量反馈量Qfb降低预定值ΔQa1。具体地说，在通过下面的等式(14)计算空气流量反馈量Qfb后，实行步骤S70的处理：
Qfb＝Qfbz-ΔQa1    (14)
式中，Qfbz＝Qfb的立即先前值。
当重整器8的温度超过预定值V1时，路线从步骤S63进行至步骤S57，并且比较空气流量基本值Qa0与第二预定值。如果Qa0小于第二预定值V2(第一区域)，路线进行至步骤S68，并且空气流量反馈量Qfb降低预定值ΔQa2。具体地说，通过下面的等式(15)计算空气流量反馈量Qfb：
Qfb＝Qfbz-ΔQa2    ...(15)
式中，Qfbz＝Qfb的立即先前值。
并且实行步骤S70的处理。
当重整器温度维持装置24的运行区域是第一区域，并且重整器8的温度超过第一预定值V1时，如果空气流量根据等式(13)，(15)继续以控制的间隔降低，使得重整器8的温度达到第一预定值V1，重整器温度维持装置24中的燃烧不完全，并且燃烧气体中将包含大量未燃烧的重整气体。当燃烧气体通过重整器8并通过分支通道23再次进入重整器温度维持装置24中时，未燃烧的气体继续在重整器温度维持装置24中燃烧。在此情况下，可以延长重整器温度维持装置24的温暖时间。
相反当重整器8的温度超过第一预定值V1并且空气流量基本值Qa0超过第二预定值V2(第二区域)，路线从步骤S63，S67进行至步骤S69，并且空气流量反馈量Qfb增加固定值ΔQa2。具体地说，通过下面的等式(16)计算空气流量反馈量Qfb：
Qfb＝Qfbz+ΔQa2    ...(16)
式中，Qfbz＝Qfb的立即先前值。
并且实行步骤S70的处理：
当完成目标空气流量tQa的计算时，路线返回图2，并且在步骤S7中，由温度传感器14，31，32检测的三个温度(重整器温度Tkai、燃烧器温度Tnen和蒸发器温度Tjou)分别与各自预定值Vkai，Vnen，Vjou比较。
这些各自的预定值Vkai，Vnen，Vjou如下。重整器8的预定值Vkai是可以维持重整器8活化的最小温度(活化下限温度)，例如400℃。燃烧器10的预定值Vnen是可以维持燃烧器10所需功能的最小温度，例如370℃。蒸发器6的预定值Vjou是可以维持蒸发器6功能所需的最小温度，例如110℃。
如果这三个温度Tkai，Tnen，Tjou高于各自的预定值Vkai，Vnen，Vjou，路线进行到步骤S9、S10，重整器温度维持装置24工作，并且停止原料蒸气和空气的供应。
取三个温度Tkai，Tnen，Tjou高于各自预定值Vkai，Vnen，Vjou作为一种条件的原因是因为如果尽管重整器催化剂没有处于活化温度或者没有维持燃烧器10或蒸发器6所需的功能，但重整器温度维持装置24工作并且停止原料蒸气和空气的供应；如果存在从负载减少到负载增加的转变，返回负载刚减少前的状态(产生过量氢气之前的状态)被延迟。因此，当三个温度Tkai，Tnen，Tjou均高于各自的预定值Vkai，Vnen，Vjou时，路线仅进行至步骤S8，并且测试三个温度高于各自预定值的状态是否已经继续一段时间或者更长时间。
如果三个温度高于各自预定值的状态没有继续一段时间或者更长时间，终止该处理，并且仅在三个温度高于各自预定值的状态已经继续了一段时间或者更长时间时，路线进行至步骤S9、S10。
取三个温度高于各自预定值的状态在一段时间或者更长时间继续作为一个条件的原因如下。具体地说，可以发生尽管三个温度之一不高于预定值，但是由于噪声等，所有三个温度临时高于预定值。这意味着由于噪声做出了不正确的判断。如果预定时间设置成长于噪声可能影响温度信号的时间，即便噪声影响温度信号并且三个温度都高于预定值，这种状态也不会继续长于预定时间，并且终止所述路线，不进行另外的步骤。因此，取三个温度高于各自预定值的状态在一段时间或者更长时间继续作为条件的原因是防止由于噪声对温度信号的影响而做出不正确的判断。
当三个温度高于各自预定值的状态已经继续了一段时间或者更长时间时，为了燃烧包含过量氢气的重整气体，在步骤S9中，控制流量控制阀27的打开程度，实现目标再循环重整气体流量Qrec，并且控制流量控制阀28，实现目标空气流量tQa。
代替流量控制阀27，28，也可以使用自动调节气体流量至目标流量的控制阀。这些控制阀包含流量传感器，并且当输入计算的再循环重整气体流量Qrec或者目标空气流量tQa时，驱动阀门，使得内部流量传感器检测到的实际流速与输入值一致。
另外，过量氢气在重整器温度维持装置24中燃烧并且通过燃烧气体保持重整器8温暖，所以不需要向重整器8中供应原料蒸气和空气。因此，在步骤S10中，向温度控制器13发出停止向蒸发器6供应原料的命令，以及停止向重整器8供应空气的命令。
在接收到这些命令的供水器4和甲醇给料器5中，关闭注射器。在接收到这些命令的温度控制器13中，关闭流量控制阀12。
在步骤S7中，确定是否继续由重整器温度维持装置24的加热，当产生出过量氢气时，如果停止了对重整器8的原料蒸气和空气的供应，并且继续由重整器温度维持装置24的加热，由重整器温度维持装置24燃烧的氢气被完全消耗，并且惰性气体(燃烧后的气体)在重整器8和重整器温度维持装置24之间循环。在此情况下，由于重整器温度维持装置24的加热没有作用并且重整器温度下降。燃烧器10和蒸发器6的温度也由于热量的损失而下降。
因此，当由重整器温度维持装置24加热期间，所述三个温度之一低于预定值时，路线从步骤S7进行至图3，并且根据重整器8、燃烧器10和蒸发器6的温度，在原料蒸气和空气的供应已经停止时中断由重整器温度维持装置24的加热。
具体地说，在下面两种情况下发生所述中断。
(1)当在由重整器温度维持装置24加热期间，三个温度均降至各自预定值以下时，路线从图3的步骤S11进行至步骤S12，S13，并且实行下面的程序。
(a)停止再循环到重整器温度维持装置24(关闭流量控制阀27)。
(b)开始对蒸发器6的原料供应(打开供水器4和甲醇给料器5中的注射器)。
(c)开始对重整器8的空气供应(打开流量控制阀12)。
(d)开始对燃烧器10的燃料供应(打开第二甲醇给料器35的注射器)。
添加上面操作(d)的原因是因为当三个温度均降至各自预定值以下时，燃烧器10的上游侧没有被立即加热，并且为了加热整个燃料重整系统，在燃烧器10中分开进行供应燃料原料并燃烧燃料原料是有效的。
因此，由于所供应的燃料原料(甲醇)的燃烧，燃烧器10的温度首先升高。由于来自燃烧器10的燃烧气体，蒸发器6的温度升高。当蒸发器6的温度升高时，蒸发器6蒸发的原料被输送到重整器8中，并且由于原料蒸气的部分氧化反应，重整器8的温度升高。当重整催化剂达到活化温度时，重整器8产生富氢气的重整气体，并且没有被燃料电池9使用的重整气体中的氢气被燃烧器10燃烧。因此，重整器8的温度返回至活化温度，燃烧器10和蒸发器6的温度返回至可以维持它们功能的温度，并且产生出富氢气的重整气体。
(2)当由重整器温度维持装置24加热期间，三个温度之一已经降至预定值以下时，路线从步骤S11，S14进行至步骤S15，并且实行从上述(a)至(c)的操作。
由于这些操作，重整器8的温度因部分氧化反应的反应热而升高；由于没有被燃料电池使用的重整器8产生的富氢气重整气体中氢气的燃烧，燃烧器10的温度升高，并且由于燃烧器10温度升高的影响，蒸发器6的温度升高。
在上述(2)中，不用进行操作(d)。这是因为当三个温度之一低于预定值时，可以立即加热重整器8、燃烧器10和蒸发器6，所以不需要分开向燃烧器10供应燃料。
但是，在上述(1)和(2)中，如果突然供应大量的原料，蒸发器6的温度可能下降，所以在抑制原料增加速率至预定值(固定值)下供应原料。
因此，根据重整器8、燃烧器10和蒸发器6的温度，重复地以控制间隔来确定是否实施或停止由重整器温度维持装置24的加热，所以重整催化剂可以继续被维持在活化温度下，并且当需要在重整器8中再次产生富氢气的重整气体时，富氢气的重整气体在良好的响应下产生。
接下来，下面将描述本实施方案的作用。
在本实施方案中，重整器温度维持系统包含当确定存在过量氢气时，在重整器8上游再循环部分或所有包含过量氢气的重整气体的再循环装置，以及使用通过由燃烧再循环装置再循环的重整气体而产生的气体来加热重整器8的重整器温度维持装置24。因此，当发生可能产生过量氢气的负载减少时，燃烧过量氢气来加热重整器8。因此，重整器催化剂的温度可以维持在催化重整器8中重整反应的足够温度下。在产生过量氢气的负载减少后，如果发生需要产生氢气的负载增加，可以快速开始重整器8中的重整反应，并且产生氢气的响应性能增强。
当使用由燃烧重整气体获得的气体，通过重整器温度维持装置24加热重整器8时，停止向重整器8供应原料蒸气和空气(含氧气的气体)，所以阻止了当产生出过量氢气时消耗过量的原料，并且抑制了燃料消耗(图2的步骤S4、S10)。
当产生过量氢气时，通过停止对蒸发器6的原料供应，防止了不必要的原料消耗。但是当不再向重整器8供应原料和空气时，催化剂反应不会发生，并且重整器8的温度正常将下降。如果重整器8的温度下降，然后如果需要氢气并且需要在重整器8中产生重整气体，就需要有一定的时间来使重整器中的催化剂变成活性，并且响应性能被损害。因此，重整器8必须经常维持催化剂活化温度。在本实施方案中，即使由于原料和空气供应的延迟而已经减少了对重整器8的空气供应和对蒸发器6的原料供应，重整器8的过量氢气产生也会继续一段时间，所以使用重整器温度维持装置24来燃烧重整气体中的过量氢气并且保持重整器8温暖。
当确定已经产生过量氢气时，基于重整器8和燃烧器10的温度，计算目标再循环重整气体量Qrec和包含过量氢气的重整气体量ΔQgas(图11)。然后，控制流量控制阀27的打开程度，使得实现目标再循环重整气体流量Qrec。再循环重整气体流量可以根据重整器8和燃烧器10的温度来调节，所以可以防止重整器8和燃烧器10的温度超过各自允许的上限温度，同时维持重整催化剂处于活化状态。
基于重整器8和燃烧器10的温度，在重整器8和燃烧器10之间分配包含过量氢气的重整气体(图11)。根据重整器8和燃烧器10的温度，可以改变包含过量氢气的重整气体对重整器8和燃烧器10的分配流速，所以可以防止重整器8和燃烧器10的温度超过各自允许的上限温度。
对温度低于各自允许上限温度的重整器8和燃烧器10中任何一个的分配比被增加(图11)，所以过量氢气在重整器8和燃烧器10的温度不超过允许上限温度的范围内燃烧。
如果重整器8和燃烧器10两者的温度都低于允许的上限温度，并且向其中之一供应大量的重整气体，可能供应大量重整气体的装置温度将超过允许的上限温度。但是，如果重整器8和燃烧器10的温度都低于允许的上限温度，分配比相等(图11的步骤S42，S43，S45)，所以避免了只向一个装置中分配大量的重整气体。
当向重整器温度维持装置24中供应空气来燃烧通过流量控制阀27再循环的重整气体时，基于重整器的温度来控制向重整器温度维持装置24供应的空气的流量(图12)，所以可以调节空气流量来维持重整催化剂的温度在活化温度。举例来说，通过重整器温度越高，越降低空气流量，未燃烧的重整气体被继续在重整器8和重整器温度维持装置24之间再循环，所以可能延长因重整器温度维持装置24的加热时间；可能延长停止向重整器8供应原料和空气的时间，并且可以进一步抑制燃料的消耗。当重整器的温度是低的时，通过增加空气流量，因重整器温度维持装置24的加热作用增加，并且重整催化剂的温度被维持在活化温度下。
当重整器温度高于第一预定值(重整催化剂的活化下限温度)时，降低向重整器温度维持装置24供应的空气流量(图12的步骤S63，S67，S68)，所以未燃烧的重整气体被继续在重整器8和重整器温度维持装置24之间再循环，并且可能延长因重整器温度维持装置24的加热时间。
当重整器温度低于第一预定值(重整催化剂的活化下限温度)时，增加向重整器温度维持装置24供应的空气流量(图12的步骤S63，S64，S65)，所以热的燃烧气体可以再循环至重整器8，并且重整器8的温度被升高至活化温度。
当重整器8由重整器温度维持装置24加热并且停止对重整器8的原料和空气供应，如果重整器8、燃烧器10和蒸发器6之一的温度降至各自预定值以下，停止重整器温度维持装置24对重整器8的加热，并且重新开始对重整器8的原料和空气供应(图2中的步骤S7，图3中的步骤S11，S14，S15)，所以重整器8中发生部分氧化反应，重整器温度升高，并且重整器温度可以被返回至超过预定值的温度。此外，重整气体由于重整器8中的重整反应而产生，所述重整气体在燃烧器10中燃烧，并且产生的热量被供应给蒸发器6，所以燃烧器10和蒸发器6的温度也可以返回至超过预定值的温度。
当重整器8通过重整器温度维持装置24被加热，并且停止对重整器8的原料和空气供应，防止了重整器温度维持装置24中可燃重整气体的不足，此不足会导致重整器温度的降低，或者燃烧器10燃烧的可燃气体的不足，此不足会导致燃烧器温度的降低，以及因此蒸发器温度的降低。
在重整器8、燃烧器10和蒸发器6所有三个温度都返回至各自预定值以上后，当三个温度都返回至各自预定值以上的状态已经继续预定时间时，再次实行重整器温度维持装置24对重整器8的加热和中断原料蒸气及空气的供应(图2中的步骤S4，步骤S7-S10)。在此情况下，在预定时间已经消逝后，重整器催化剂的温度被再次维持在足以催化重整反应的温度下，并且当产生过量氢气的负载减少后负载增加时，重整器8中的重整反应可以快速再开始。
设置重整器8产生的重整气体中的氢气流速Qh2gen和燃料电池9产生逆变器18及驱动马达19(负载装置)需要的电能所需要的氢气流量Qh2sum之间的差别作为过量氢气流量ΔQh2(图10)，所以根据负载装置消耗电能的波动，可以获得过量氢气流量ΔQh2。
重整气体中的一氧化碳增加并且重整气体中的氢气组分比例降低，重整器温度高于标准温度越多。但是，当重整器8在标准温度下时，基于重整器温度校正重整器8产生的重整气体中的氢气流量，并且采取校正值作为重整器8产生的重整气体中的氢气流量(图4中的步骤S26，S27)，所以甚至在重整器温度高于标准温度时，也可以高度准确地估计氢气组分含量。
重整气体中的一氧化碳增加并且重整气体中的氢气组分比例降低，质量比高于标准质量比越多(氧气的量越大)。但是，当供应给重整器8的原料和氧气的质量比为标准质量比时，基于供应给重整器8的原料和氧气的实际质量比，校正重整器8产生的重整气体中的氢气流量，并且采取校正值作为重整器8产生的重整气体中的氢气流量(图4中的步骤S25，S27)，所以甚至在质量比高于标准质量比时，也可以高度准确地估计氢气组分。
图13是根据第二实施方案包含过量氢气的重整气体对重整器8的分配比α的特性曲线图。在第一实施方案中，包含过量氢气的重整气体对重整器8的分配比α是不连续的值，但是在第二实施方案中，根据重整器温度它是连续值。
具体地说，如图13所示，设置分配比α越大，重整器温度越低于目标温度。原因如下。当没有达到目标温度时，允许过量氢气的燃烧和温度的升高。当达到目标温度时，不允许过量氢气的燃烧和温度的升高。因此，α设置得越大，重整器温度越低。
除了本实施方案外，可以想象下面的分配方法。当大量重整气体被供应到每单位重整气体变化量具有更大温度变化的重整器8和燃烧器10中任何一个中时，可能发生每单位重整气体变化量具有更大温度变化的装置的温度超过允许的上限温度的情况。因此，对每单位重整气体变化量具有更小温度变化的重整器8和燃烧器10中任何一个的分配比被增加。
根据所述方法，能够避免每单位重整气体变化量具有更大温度变化的装置的温度超过允许上限温度的可能性。
日本专利申请P2002-72059(2002年3月15日提交)的全部内容引入本文作参考。
尽管参考本发明的特定实施方案，上面已经描述了本发明，但是本发明并不局限于上述实施方案。根据上述讲解，本领域技术人员可以对上述实施方案做出修改和改变。本发明的范围参照下面的权利要求来定义。
应用领域
本发明可以应用于燃料电池系统，举例来说例如车辆燃料电池系统，它控制供应给重整器的包含原料的气体和包含氧气的气体的流量，使得燃料电池产生根据运行条件而变化的负载所需的电能。它对于高效地使用发生负载减少时产生的过量氢气是有效的，并且因此增强了系统与燃料之间的性能-价格比。

Claims (23)

1、一种燃料电池系统，包括：
使用含氧气的气体和原料蒸气来产生含氢气的重整气体的重整器(8)；
通过使重整气体中的氢气与氧气反应来产生电能的燃料电池(9)；
消耗燃料电池(9)产生的电能的负载装置(18，19)；
保持重整器(8)温暖的重整器温度维持系统(23，24，26，27)；以及
起着以下作用的控制器(21)：
确定重整器(8)是否产生过量氢气，并且
当确定产生了过量氢气时，燃烧重整器温度维持系统(23，24，26，27)中的过量氢气，保持重整器(8)温暖。
2、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中：
重整器温度维持系统(23，24，26，27)包括：
在重整器(8)上游再循环部分或所有包含过量氢气的重整气体的再循环装置(27)，以及
使用通过燃烧再循环装置(27)再循环的重整气体中的过量氢气而产生的气体来保持重整器(8)温暖的重整器温度维持装置(24)。
3、根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中：
控制器(21)进一步起着当确定产生过量氢气时，停止向重整器(8)供应原料蒸气和含氧气体的作用。
4、根据权利要求3所述的燃料电池系统，进一步包括：
燃烧燃料电池(9)没有使用的重整气体中氢气的燃烧器(10)，及
通过燃烧器(10)的热量蒸发原料的蒸发器(6)。
5、根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
当确定产生过量氢气时，基于包含过量氢气的重整气体的流量、重整器(8)的温度和燃烧器(10)的温度，计算由再循环装置(27)再循环的重整气体的目标流量，及
控制再循环装置(27)，使得由再循环装置(27)再循环的重整气体是目标流量。
6、根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着基于所产生的过量氢气的流量计算再循环的重整气体的目标流量的作用。
7、根据权利要求5或6所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
基于重整器(8)和燃烧器(10)的温度，设置包含过量氢气的重整气体在重整器(8)和燃烧器(10)之间分配的比例，及
基于分配比和包含过量氢气的重整气体的流量，计算再循环的重整气体的目标流量。
8、根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
当重整器(8)的温度低于其允许上限温度且燃烧器(10)的温度高于其允许上限温度时使重整器(8)的分配比变大，当燃烧器(10)的温度低于其允许上限温度且重整器(8)的温度高于其允许上限温度时使燃烧器(10)的分配比变大。
9、根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
当重整器(8)和燃烧器(10)都具有低于它们各自允许上限温度的温度时，使所述分配比平衡。
10、根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中：
控制器(21)进一步起着以下作用：
使重整器(8)和燃烧器(10)中每单位重整气体变化量的温度变化小的一个的分配比变大。
11、根据权利要求3至6中任一项定义的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
向重整器温度维持装置(24)供应空气，用来燃烧再循环装置(27)再循环的重整气体中的过量氢气，及
基于重整器(8)的温度，控制供应给重整器温度维持装置(24)的空气的流量。
12、根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
当重整器(8)的温度高于第一预定值，并且供应给重整器温度维持装置(24)的空气流量低于第二预定值时，降低供应给重整器温度维持装置(24)的空气流量。
13、根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
当重整器(8)的温度低于第一预定值，并且供应给重整器温度维持装置(24)的空气流量低于第二预定值时，增加供应给重整器温度维持装置(24)的空气流量。
14、根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
当重整器(8)的温度高于第一预定值，并且供应给重整器温度维持装置(24)的空气流量超过第二预定值时，增加供应给重整器温度维持装置(24)的空气流量。
15、根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
当重整器(8)的温度低于第一预定值，并且供应给重整器温度维持装置(24)的空气流量超过第二预定值时，降低供应给重整器温度维持装置(24)的空气流量。
16、根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
当重整器(8)由重整器温度维持装置(24)保持温暖，并且停止向重整器(8)供应原料蒸气和含氧气体时，当重整器(8)的温度、燃烧器(10)的温度和蒸发器(6)的温度中任何一个小于预定值时，停止由重整器温度维持装置(24)的加热，并且重新开始向重整器(8)供应原料蒸气和含氧气体。
17、根据权利要求16所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
在重整器(8)的温度、燃烧器(10)的温度和蒸发器(6)的温度都返回至它们各自预定值以上，并且重整器(8)的温度、燃烧器(10)的温度和蒸发器(6)的温度都在它们各自预定值以上的状态已经继续一段时间之后，重新开始由重整器温度维持装置(24)对重整器(8)的加热，并且停止向重整器(8)供应原料蒸气和含氧气体。
18、根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
通过从重整器(8)产生的重整气体中的氢气流量中减去燃料电池(9)提供负载装置(19)消耗的电能所需的氢气流量来计算过量氢气流量。
19、根据权利要求18所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
通过基于重整器(8)的温度校正当重整器(8)处于标准温度时重整器(8)产生的重整气体中的氢气流量，来计算重整器(8)产生的重整气体中的氢气流量。
20、根据权利要求18或19所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
通过基于供应给重整器(8)的原料和氧气的实际质量比校正当供应给重整器(8)的原料和氧气的质量比为标准质量比时重整器(8)产生的重整气体中的氢气流量，来计算重整器(8)产生的重整气体中的氢气流量。
21、根据权利要求6、18、19中任一项所述的燃料电池系统，其中控制器(21)进一步起着以下作用：
确定当过量氢气流量高于预定值时，存在过量氢气。
22、一种控制燃料电池系统的方法，其中燃料电池系统具有使用含氧气的气体和原料蒸气来产生含氢气的重整气体的重整器(8)，以及通过使重整气体中的氢气与氧气反应来产生电能的燃料电池(9)；该方法包括：
确定重整器(8)是否产生过量氢气，并且
当确定产生过量氢气时，燃烧过量氢气，保持重整器(8)温暖。
23、一种燃料电池系统，包括：
使用含氧气的气体和原料蒸气来产生含氢气的重整气体的重整器(8)；
通过使重整气体中的氢气与氧气反应来产生电能的燃料电池(9)；
消耗燃料电池(9)产生的电能的负载装置(18，19)；
保持重整器(8)温暖的重整器温度维持系统(23，24，26，27)；
确定重整器(8)是否产生过量氢气的装置，及
当确定产生了过量氢气时，燃烧重整器温度维持系统(23，24，26，27)中过量氢气的装置。
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