DE112007000026T5 - Brennstoffzellenstartverfahren und Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellenstartverfahren und Brennstoffzellensystem Download PDF

Info

Publication number
DE112007000026T5
DE112007000026T5 DE112007000026T DE112007000026T DE112007000026T5 DE 112007000026 T5 DE112007000026 T5 DE 112007000026T5 DE 112007000026 T DE112007000026 T DE 112007000026T DE 112007000026 T DE112007000026 T DE 112007000026T DE 112007000026 T5 DE112007000026 T5 DE 112007000026T5
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel
combustion
fuel cell
burner
reforming
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE112007000026T
Other languages
English (en)
Inventor
Kazumasa Takada
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of DE112007000026T5 publication Critical patent/DE112007000026T5/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04373Temperature; Ambient temperature of auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04783Pressure differences, e.g. between anode and cathode
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Startverfahren für eine Brennstoffzelle, die mit einem Reformer zum Erzeugen von Wasserstoff enthaltendem Brenngas von einem Reformierungsbrennstoff und Reformierungswasser, einem Brenner zum Erwärmen des Reformers und einer Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischer Energie von dem Brenngas und einem Oxidationsgas versehen ist, wobei das Verfahren eine erste Betriebsstufe, bei der der Brenner mit Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft gezündet wird, die zu diesem zugeführt werden, und eine zweite Betriebsstufe hat, bei der der Verbrennungsbrennstoff und die Verbrennungsluft kontinuierlich zu dem Brenner zugeführt werden und das Reformierungswasser zu dem Reformer zugeführt wird, wobei in der zweiten Betriebsstufe von dem Reformer abgeführtes Gas zu dem Brenner geführt wird,
wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass
die zweite Betriebsstufe eine Kaltstartroutine für den Fall hat, dass die Temperatur des Brenners vor einer Zündung gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist, und
eine Heißstartroutine zum Zuführen des Verbrennungsbrennstoffs und der Verbrennungsluft, um das...

Description

  • TECHNISCHES GEBIET:
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellenstartverfahren und ein Brennstoffzellensystem, das das Startverfahren verwendet.
  • STAND DER TECHNIK:
  • Eine Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie durch eine chemische Reaktion von Wasserstoff enthaltendem Brenngas und Oxidationsgas, die entsprechend zu einem Brennstoffpol und einem Oxidationspol von dieser zugeführt werden. Das Brenngas kann durch ein Reformieren von Reformierungsbrennstoff durch die Verwendung eines Reformierungskatalysators erhalten werden, wobei die Temperatur des Reformierungskatalysators auf einer hohen Temperatur gehalten werden sollte, um das Brenngas stabil zu erhalten. Dazu wird zu der Zeit eines Startbetriebs der Brennstoffzelle ein Brenner mit Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft versorgt, um einen Reformer zu erwärmen, und zu der Zeit eines gewöhnlichen Betriebs, in dem die Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt, wird der Brenner mit Anodenabgas (d. h. mit Wasserstoff enthaltendem Reformierungsgas, das an dem Brennstoffpol nicht verbraucht worden ist), das von der Brennstoffzelle abgegeben wird, und mit Verbrennungsluft versorgt, um den Reformer zu erwärmen. Um die Brennstoffzelle so schnell wie möglich in den gewöhnlichen Betrieb zu bringen, ist es notwendig, eine Startbetriebszeit für die Brennstoffzelle zu verkürzen und die Brennstoffzelle stabil zu starten.
  • Bis jetzt sind als ein Brennstoffzellenstartverfahren und ein Brennstoffzellensystem diejenigen bekannt, die im Patentdokument 1 und Patentdokument 2 beschrieben sind. Das Brennstoffzellenstartverfahren und das Brennstoffzellensystem, die in Patentdokument 1 beschrieben sind, haben den Aufbau, dass in einer ersten Betriebsstufe ein Brenner mit einem Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft gezündet wird, die zu diesem zugeführt werden, und dass in einer zweiten Betriebsstufe der Verbrennungsbrennstoff, der zu dem Brenner zugeführt wird, allmählich verringert wird, während ein zu einem Reformer zugeführter Reformierungsbrennstoff allmählich erhöht wird, um von dem Reformer gefördertes Erzeugungsgas zu dem Brenner zu führen. In dem Brennstoffzellenstartverfahren und dem Brennstoffzellensystem, da das von dem Reformer geförderte Erzeugungsgas als Verbrennungsbrennstoff verwendet werden kann, kann es realisiert werden, die Startbetriebszeit für die Brennstoffzelle zu verkürzen.
  • Des Weiteren ist das Brennstoffzellenstartverfahren und das Brennstoffzellensystem, die in Patentdokument 2 beschrieben sind, von dem Aufbau, dass in einer ersten Betriebsstufe ein Brenner mit Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft gezündet wird, die zu diesem zugeführt werden, und dass in einer zweiten Betriebsstufe die Zufuhr von Reformierungswasser auf eine vorbestimmte Strömungsrate erhöht wird, wenn die Temperatur eines Reformierungskatalysators in einem Reformer erhöht ist. In dem Brennstoffzellenstartverfahren und dem Brennstoffzellensystem, da eine Temperaturungleichmäßigkeit unwahrscheinlich über dem Reformierungskatalysator auftritt, und da das Brenngas leicht bezüglich einer Qualität stabil wird, kann es realisiert werden, die Startbetriebszeit für die Brennstoffzelle zu verkürzen.
    • Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte veröffentlichte Patentanmeldung Nr. 2001-354401 (Seiten 3–4 und 1)
    • Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte veröffentlichte Patentanmeldung Nr. 2004-146089 (Seiten 6–8 und 34)
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG:
  • PROBLEM, DASS DURCH DIE ERFINDUNG GELÖST WERDEN SOLL:
  • Jedoch kann es in den Brennstoffzellenstartverfahren und den Brennstoffzellensystemen des zuvor genannten Stands der Technik passieren, dass das Brennstoffzellensystem nicht stabil gestartet werden kann, weil dessen Zustand vor dem Starten nicht berücksichtigt wird. D. h. in diesen Brennstoffzellenstartverfahren und diesen Brennstoffzellensystemen, in denen die Brennstoffzelle unmittelbar nach einem Stopp wieder gestartet wird (Heißstarten), wird ein großes Dampfvolumen unmittelbar nach der Zufuhr von Reformierungswasser zu dem Reformer erzeugt, weil dieser bei einer hohen Temperatur verbleibt. Wenn der Dampf zu dem Brenner zurückgeführt wird, kann er ein Erlöschen des Brenners verursachen. Des Weiteren wird in diesen Brennstoffzellenstartverfahren und diesen Brennstoffzellensystemen dieselbe Reihenfolge verwendet, egal ob es sich um ein gewöhnliches Starten (Kaltstarten) oder ein wieder starten unmittelbar nach einem Stopp (Heißstarten) der Brennstoffzelle handelt. Dies engt den Bereich eines tolerierbaren Luftverhältnisses zum Erhalten der Verbrennung ein, so dass die Brennstoffzellenstartverfahren und die Brennstoffzellensysteme eine geringe Robustheit aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der Probleme des vorstehend genannten Stands der Technik gemacht, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellenstartverfahren und ein Brennstoffzellensystem vorzusehen, die stabil gestartet werden können.
  • MAßNAHMEN ZUR LÖSUNG DES PROBLEMS:
  • Um die vorstehend genannten Probleme zu lösen, liegt das Merkmal eines Brennstoffzellenstartverfahrens gemäß Anspruch 1 darin, dass in einem Startverfahren für eine Brennstoffzelle, die mit einem Reformer zum Erzeugen von Wasserstoff enthaltendem Brenngas aus Reformierungsbrennstoff und Reformierungswasser, einem Brenner zum Erwärmen des Reformers und einer Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischer Energie von dem Brenngas und einem Oxidationsgas versehen ist, eine erste Betriebsstufe, bei der der Brenner mit Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft gezündet wird, die zu diesem zugeführt werden, und eine zweite Betriebsstufe hat, bei der der Verbrennungsbrennstoff und die Verbrennungsluft zu dem Brenner kontinuierlich zugeführt werden und das Reformierungswasser zu dem Reformer zugeführt wird, wobei in der zweiten Betriebsstufe von dem Reformer abgeführtes Gas zu dem Brenner geführt wird, wobei die zweite Betriebsstufe eine Kaltstartroutine für den Fall hat, dass die Temperatur des Brenners vor einer Zündung gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist, und eine Heißstartroutine zum Zuführen des Verbrennungsbrennstoffs und der Verbrennungsluft, um das Luftverhältnis in der Heißstartroutine kleiner als in der Kaltstartroutine zu machen, in dem Fall hat, dass die Temperatur des Brenners vor einer Zündung höher als die vorbestimmte Temperatur ist.
  • Das Merkmal des Brennstoffzellenstartverfahrens gemäß Anspruch 2 liegt darin, dass in Anspruch 1 die Zufuhr des Verbrennungsbrennstoffs in der Kaltstartroutine im Vergleich zu der ersten Betriebsstufe verringert wird, während die Zufuhr der Verbrennungsluft in der Kaltstartroutine im Vergleich zu dem ersten Betriebsstufe erhöht wird.
  • Das Merkmal des Brennstoffzellenstartverfahrens gemäß Anspruch 3 liegt darin, dass in Anspruch 1 oder 2 der Reformer in der zweiten Betriebsstufe mit dem Reformierungswasser versorgt wird, ohne mit dem Reformierungsbrennstoff versorgt zu werden.
  • Das Merkmal des Brennstoffzellenstartverfahrens gemäß Anspruch 4 liegt darin, dass in einem der Ansprüche 1 bis 3 die Zufuhr des Verbrennungsbrennstoffs in der Heißstartroutine bei einer vorbestimmten Strömungsrate gehalten wird.
  • Das Merkmal eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 5 liegt darin, dass in einem Brennstoffzellensystem, das einen Reformer zum Erzeugen von Wasserstoff enthaltendem Brenngas von einem Reformierungsbrennstoff und Reformierungswasser, einen Brenner zum Erwärmen des Reformers, eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischer Energie von dem Brenngas und einem Oxidationsgas, und eine Steuerungseinrichtung aufweist, die eine erste Betriebsstufe, bei der der Brenner mit Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft gezündet wird, die zu diesem zugeführt werden, und eine zweite Betriebsstufe des kontinuierlichen Zuführens des Verbrennungsbrennstoffs und der Verbrennungsluft zu dem Brenner und des Zuführens des Reformierungswassers zu dem Reformer hat, und zum Führen des von dem Reformer abgeführten Gases zu dem Brenner in der zweiten Betriebsstufe, die Steuerungseinrichtung in der zweiten Betriebsstufe eine Kaltstartroutine in dem Fall ausführt, dass die Temperatur des Brenners vor einer Zündung gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist, und eine Heißstartroutine zum Zuführen des Verbrennungsbrennstoffs und der Verbrennungsluft, um das Luftverhältnis in der Heißstartroutine kleiner als das in der Kaltstartroutine zu machen, in dem Fall ausführt, dass die Temperatur des Brenners vor einer Zündung höher als die vorbestimmte Temperatur ist.
  • Das Merkmal des Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 6 liegt darin, dass in Anspruch 5 die Zufuhr des Verbrennungsbrennstoffs in der Kaltstartroutine im Vergleich zu der ersten Betriebsstufe verringert ist, während die Zufuhr der Verbrennungsluft in der Kaltstartroutine im Vergleich zu der ersten Betriebsstufe erhöht ist.
  • Das Merkmal des Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 7 liegt darin, dass in Anspruch 5 oder 6 der Reformer in der zweiten Betriebsstufe mit dem Reformierungswasser versorgt wird, ohne mit dem Reformierungsbrennstoff versorgt zu werden.
  • Das Merkmal des Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 8 liegt darin, dass in einem der Ansprüche 5 bis 7 die Zufuhr des Verbrennungsbrennstoffs in der Heißstartroutine bei einer vorbestimmten Strömungsrate gehalten wird.
  • WIRKUNGEN DER ERFINDUNG:
  • In dem Brennstoffzellenstartverfahren gemäß Anspruch 1 wird, nachdem der Brenner mit Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft, die zu diesem zugeführt werden, in der ersten Betriebsstufe gezündet wird, das Zufuhrverhältnis zwischen Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft in der zweiten Betriebsstufe in Abhängigkeit von der Temperatur des Brenners vor der Zündung geändert. Das heißt, wo die Temperatur des Brenners vor der Zündung höher als die vorbestimmte Temperatur ist, werden Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft in der Heißstartroutine zugeführt, um das Luftverhältnis kleiner als in der Kaltstartroutine zu machen. Somit ist dort, wo die Brennstoffzelle unmittelbar nach einem Stopp wieder gestartet wird, ausreichend Verbrennungsbrennstoff in der Heißstartroutine zugeführt worden, und somit erlischt der Brenner kaum, selbst wenn das Reformierungswasser in Form von Dampf von dem Reformer gefördert wird, um zu dem Brenner zurückgeführt zu werden. Weil verschiedene Reihenfolgen in der Kaltstartroutine und der Heißstartroutine verwendet werden, ist es des Weiteren möglich, den Bereich eines tolerierbaren Luftverhältnisses zum Erhalten der Verbrennung zu verbreitern. Demzufolge ist es in dem Brennstoffzellenstartverfahren möglich, die Brennstoffzelle stabil zu starten.
  • In dem Brennstoffzellenstartverfahren gemäß Anspruch 2 wird, wo die Temperatur des Brenners vor einer Zündung gleich oder niedriger als die vorbestimmte Temperatur ist, eine Verbrennungsluft, die ausreichend ist, damit der Verbrennungsbrennstoff verbrennt, in der Kaltstartroutine zugeführt, um die Zufuhr von Verbrennungsbrennstoff zu verringern und die Zufuhr von Verbrennungsluft zu erhöhen. Somit kann es realisiert werden, dass CO und NOx in einem Verbrennungsabgas verringert werden.
  • In dem Brennstoffzellenstartverfahren gemäß Anspruch 3 kann es, da in der zweiten Betriebsstufe der Reformer mit Reformierungswasser versorgt wird, ohne mit Reformierungsbrennstoff versorgt zu werden, realisiert werden, dass verhindert wird, dass Kohlenstoff an dem Katalysator in dem Reformer anhaftet.
  • In dem Brennstoffzellenstartverfahren gemäß Anspruch 4 kann, da die Zufuhr von Verbrennungsbrennstoff in der Heißstartroutine bei der vorbestimmten Strömungsrate gehalten wird, ausreichend Verbrennungsbrennstoff zugeführt werden, um zu verhindern, dass der Brenner erlöscht.
  • In dem Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5 wird, nachdem der Brenner mit Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft, die zu diesem zugeführt werden, in der ersten Betriebsstufe gezündet wird, das Zufuhrverhältnis zwischen Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft in der zweiten Betriebsstufe in Abhängigkeit von der Temperatur des Brenners vor der Zündung geändert. Das heißt, wo die Temperatur des Brenners vor der Zündung höher als die vorbestimmte Temperatur ist, werden Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft in der Heißstartroutine zugeführt, um das Luftverhältnis kleiner als in der Kaltstartroutine zu machen. Somit ist dort, wo die Brennstoffzelle unmittelbar nach einem Stopp wieder gestartet wird, ausreichend Verbrennungsbrennstoff in der Heißstartroutine zugeführt worden, und somit erlöscht der Brenner kaum, selbst wenn das Reformierungswasser in der Form von Dampf von dem Reformer geleitet wird, um zu dem Brenner zurück geführt zu werden. Des Weiteren ist es möglich, weil verschiedene Reihenfolgen in der Kaltstartroutine und der Heißstartroutine verwendet werden, den Bereich eines tolerierbaren Luftverhältnisses zum Erhalten der Verbrennung breit zu machen. Demzufolge ist es in dem Brennstoffzellensystem möglich, die Brennstoffzelle stabil zu starten.
  • In dem Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 6 wird, wo die Temperatur des Brenners vor einer Zündung gleich oder niedriger als die vorbestimmte Temperatur ist, Verbrennungsluft, die ausreichend ist, damit der Verbrennungsbrennstoff verbrennt, in der Kaltstartroutine zugeführt, um die Zufuhr von Verbrennungsbrennstoff zu verringern und die Zufuhr von Verbrennungsluft zu erhöhen. Somit kann es realisiert werden, dass CO und NOx in einem Verbrennungsabgas verringert werden.
  • In dem Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 7 kann es, da in der zweiten Betriebsstufe der Reformer mit Reformierungswasser versorgt wird, ohne mit Reformierungsbrennstoff versorgt zu werden, realisiert werden, dass verhindert wird, dass Kohlenstoff an dem Katalysator in dem Reformer anhaftet.
  • In dem Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 8 kann, da die Zufuhr von Verbrennungsbrennstoff in der Heißstartroutine bei der vorbestimmten Strömungsrate gehalten wird, ausreichend Verbrennungsbrennstoff zugeführt werden, um zu verhindern, dass der Brenner erlöscht.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
  • 1 bezieht sich auf ein Brennstoffzellenstartverfahren und ein Brennstoffzellensystem in einer Ausführungsform und ist eine schematische Ansicht des Brennstoffzellensystems.
  • 2 bezieht sich auf das Brennstoffzellenstartverfahren und das Brennstoffzellensystem in der Ausführungsform und ist ein Flussdiagramm eines Startbetriebsprogramms.
  • 3 bezieht sich auf das Brennstoffzellenstartverfahren und das Brennstoffzellensystem in der Ausführungsform und ist ein Zeitdiagramm in dem Fall, dass der Startbetrieb ein Heißstarten ist.
  • 4 bezieht sich auf das Brennstoffzellenstartverfahren und das Brennstoffzellensystem in der Ausführungsform und ist ein Zeitdiagramm in dem Fall, dass der Startbetrieb ein Kaltstarten ist.
  • 10
    Reformer;
    20
    Brenner;
    30
    Brennstoffzelle;
    S4, S5
    erste Betriebsstufe;
    S6 bis S12
    zweite Betriebsstufe;
    S7, S9, S10, S11, S12
    Heißstartroutine;
    S8, S9, S10, S11, S12
    Kaltstartroutine.
  • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG:
  • Nachstehend wird eine Ausführungsform, die ein Brennstoffzellenstartverfahren und ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung konkretisiert, mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Für das Brennstoffzellenstartverfahren und das Brennstoffzellensystem wird ein Brennstoffzellensystem verwendet, das in 1 gezeigt ist. Das Brennstoffzellensystem ist mit einem Reformer 10 zum Erzeugen von Wasserstoff enthaltendem Reformierungsgas als ein Brenngas von einem Reformierungsbrennstoff und einem Reformierungswasser, einem Brenner 20 zum Erwärmen des Reformers 10, einer Brennstoffzelle 30 zum Erzeugen von elektrischer Energie von dem Reformierungsgas und Luft als Oxidationsgas, und einer Steuerungseinrichtung 1 zum Steuern des Brennstoffzellensystems versehen.
  • Der Reformer 10 besteht aus einem Reformierungsabschnitt 11, einem Verdampferabschnitt 12, einem katalytischen Kohlenoxid-Konvertierungsabschnitt (nachstehend als "CO-Konvertierungsabschnitt" bezeichnet) 13 und einem Kohlenoxid-Selektivoxidationsabschnitt (nachstehend als "CO-Selektivoxidationsabschnitt" bezeichnet) 14.
  • Der Reformierungsabschnitt 11 erzeugt Reformierungsgas aus einem Gasgemisch aus Brennstoff und Dampf, die von der Außenseite zugeführt werden, und gibt das Reformierungsgas ab. Als der Brennstoff kann Erdgas, LPG, Kerosin, Benzin, Methanol oder dgl. verwendet werden. Die vorliegende Ausführungsform wird nachstehend in der Form beschrieben, die Erdgas verwendet. Der Reformierungsabschnitt 11 ist mit einem Katalysator gefüllt (bspw. Ru- oder Ni-Basiskatalysator) und ein Gemisch aus Reformierungsbrennstoff, der von einem Brennstoffzufuhrrohr 41 zugeführt wird, und von einem Dampfzufuhrrohr 52 zugeführter Dampf reagiert durch den Katalysator und wird reformiert, um Wasserstoffgas und Kohlenoxidgas zu erzeugen (eine sog. Dampf-Reformierreaktion). Gleichzeitig findet eine sog. katalytische Kohlenoxidkonvertierung statt, in der das Kohlenoxid, das durch die Dampf-Reformierungsreaktion erzeugt wird, und der Dampf reagieren, um zu Wasserstoffgas und Kohlendioxid zu werden. Diese erzeugten Gase (zusammengefasst sog. "Reformierungsgas") werden zu dem CO-Konvertierungsabschnitt 13 geführt. Die Dampf-Reformierungsreaktion ist eine endotherme Reaktion, wohingegen die katalytische Kohlenoxidkonvertierung eine exotherme Reaktion ist. Des Weiteren ist der Reformierungsabschnitt 11 mit einem Temperatursensor 11a an einer Innenfläche einer Innenwand versehen, auf die aus dem Brenner 20 ausgeblasenes Verbrennungsgas direkt auftritt. Durch diesen Temperatursensor 11a ist es möglich, die Brenntemperatur des Brenners 20 zu erfassen, d. h. die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11. Das Erfassungsergebnis des Temperatursensors 11a wird zu der Steuerungseinrichtung 1 übertragen.
  • Der Reformierungsabschnitt 11 ist mit dem Brennstoffzufuhrrohr 41 verbunden, das mit einer Brennstoffzufuhrquelle Sf (bspw. einem Stadtgasrohr) verbunden ist, und wird mit Reformierungsbrennstoff von der Brennstoffzufuhrquelle Sf versorgt. Das Brennstoffzufuhrrohr 41 ist mit einem ersten Brennstoffventil 42, einer Reformierungsbrennstoffpumpe 43, einem Entschwefeler 44 und einem zweiten Brennstoffventil 45 in Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite versehen. Das erste und zweite Brennstoffventil 42, 45 sprechen auf Befehle von der Steuerungseinrichtung 1 an, um das Brennstoffzufuhrrohr 41 zu öffnen oder zu schließen. Die Reformierungsbrennstoffpumpe 43 saugt Reformierungsbrennstoff an, der von der Brennstoffzufuhrquelle Sf zugeführt wird, um den Reformierungsbrennstoff zu dem Reformierungsabschnitt 11 abzugeben, und spricht auf einen Befehl von der Steuerungseinrichtung 1 an, um die Zufuhrmenge von Reformierungsbrennstoff zu regulieren. Der Entschwefeler 44 entfernt Schwefelbestandteile (bspw. Schwefelverbindungen) in dem Reformierungsbrennstoff. Somit wird der Reformierungsbrennstoff nach einem Entfernen der Schwefelbestandteile von diesem zu dem Reformierungsabschnitt 11 zugeführt.
  • Des Weiteren ist ein mit dem Verdampferabschnitt 12 verbundenes Dampfzufuhrrohr 52 mit dem Brennstoffzufuhrrohr 41 zwischen dem zweiten Brennstoffventil 45 und dem Reformierungsabschnitt 11 verbunden. Der von dem Verdampferabschnitt 12 zugeführte Dampf wird mit dem Reformierungsbrennstoff gemischt, um zu dem Reformierungsabschnitt 11 zugeführt zu werden. Der Verdampferabschnitt 12 ist mit einem Speisewasserrohr 51 verbunden, das mit einer Reformierungswasserzufuhrquelle Sw verbunden ist. Das Speisewasserrohr 51 ist mit einer Speisewasserpumpe 53 und einem Wasserventil 54 in Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite versehen. Die Wasserpumpe 53 saugt von der Reformierungswasserzufuhrquelle Sw zugeführtes Reformierungswasser an, um das Reformierungswasser zu dem Verdampferabschnitt 12 abzugeben, und spricht auf einen Befehl von der Steuerungseinrichtung 1 an, um die Zufuhrmenge von Reformierungswasser zu regulieren. Das Wasserventil 54 spricht auf einen Befehl von der Steuerungseinrichtung 1 an, um das Speisewasserrohr 51 zu öffnen oder zu schließen.
  • Der Verdampferabschnitt 12 erzeugt Dampf durch Erwärmen und Sieden von Reformierungswasser, um den Dampf zu dem Reformierungsabschnitt 11 zuzuführen. Der Verdampferabschnitt 12 ist mit dem Speisewasserrohr 51 und auch mit dem Dampfzufuhrrohr 52 verbunden, und von dem Speisewasserrohr 51 geleitetes Wasser strömt, um durch den Verdampferabschnitt 12 hindurch zu gehen, und wird erwärmt, um zu dem Dampfzufuhrrohr 52 in der Form von Dampf abgegeben zu werden.
  • Der CO-Konvertierungsabschnitt 13 dient, um das Kohlenoxid in dem Reformierungsgas zu verringern, das von dem Reformierungsabschnitt 11 zugeführt wird, d. h. er dient als ein Kohlenoxid-Reduktionsabschnitt. Der CO-Konvertierungsabschnitt 13 ist mit einem Katalysator (bspw. einem Cu-Zn-Basiskatalysator) gefüllt, und das von dem Reformierungsabschnitt 11 abgeführte Reformierungsgas wird durch den Katalysator hindurch geführt, um zu dem CO-Selektivoxidationsabschnitt 14 ausgegeben zu werden. Zu dieser Zeit findet eine sog. katalytische Kohlenoxid-Konvertierung statt, in der das Kohlenoxid und der Dampf, die in dem Reformierungsgas enthalten sind, durch den Katalysator reagieren, um in Wasserstoffgas und Kohlendioxidgas umgewandelt zu werden. Diese katalytische Kohlenoxid-Konvertierung ist eine exotherme Reaktion.
  • Der CO-Selektivoxidationsabschnitt 14 dient dazu, das Kohlenoxid in dem von dem CO-Konvertierungsabschnitt 13 zugeführten Reformierungsgas weiter zu verringern, um das Reformierungsgas zu der Brennstoffzelle 30 zuzuführen, d. h. er dient als ein Kohlenoxid-Verringerungsabschnitt. Der CO-Selektivoxidationsabschnitt 14 ist mit einem Katalysator (bspw. Ru- oder Pt-Basiskatalysator) gefüllt. Des Weiteren ist der CO-Selektivoxidationsabschnitt 14 mit einem Reformierungsgaszufuhrrohr 71 verbunden, und das von dem CO-Konvertierungsabschnitt 13 zugeführte Reformierungsgas strömt, um durch den CO-Selektivoxidationsabschnitt 14 hindurch zu gehen, und wird durch das Reformierungsgaszufuhrrohr 71 abgegeben.
  • Des Weiteren wird Oxidationsluft mit dem Reformierungsgas gemischt, das zu dem CO-Selektivoxidationsabschnitt 14 zugeführt wird. Im Speziellen ist der CO-Selektivoxidationsabschnitt 14 mit einem Oxidationsluftzufuhrrohr 61 verbunden, das mit der Luftzufuhrquelle Sa verbunden ist, und wird mit Oxidationsluft von der Luftzufuhrquelle Sa (bspw. der Atmosphäre) versorgt. Das Oxidationsluftzufuhrrohr 61 ist mit einem Filter 62, einer Luftpumpe 63 und einem Luftventil 64 in Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite versehen. Der Filter 62 filtert Luft. Die Luftpumpe 63 saugt von der Luftzufuhrquelle Sa zugeführte Luft an, um die Luft zu dem CO-Selektivoxidationsabschnitt 14 abzugeben, und spricht auf einen Befehl von der Steuerungseinrichtung 1 an, um die Luftzufuhrmenge zu regulieren. Das Luftventil 64 spricht auf einen Befehl von der Steuerungseinrichtung 1 an, um das Oxidationsluftzufuhrrohr 61 zu öffnen oder zu schließen. Somit wird die Oxidationsluft mit dem Reformierungsgas von dem CO-Konvertierungsabschnitt 13 gemischt, um zu dem CO-Selektivoxidationsabschnitt 14 zugeführt zu werden.
  • Demzufolge reagiert das Kohlenoxid in dem Reformierungsgas, das zu dem CO-Selektivoxidationsabschnitt 14 zugeführt wird, mit Sauerstoff in der Oxidationsluft, um Kohlendioxid zu werden. Diese Reaktion ist eine exotherme Reaktion und wird durch den Katalysator gefördert. Somit wird durch die Oxidationsreaktion die Dichte von Kohlenmonoxid in dem Reformierungsgas weiter verringert (geringer als 10 ppm) und das Reformierungsgas wird zu einem Brennstoffpol 31 der Brennstoffzelle 30 zugeführt.
  • Der Brenner 20 wird mit brennbarem Gas (Verbrennungsbrennstoff, Reformierungsgas und Anodenabgas) versorgt und erwärmt den Reformierungsabschnitt 11 durch Verbrennen des brennbaren Gases. Das Verbrennungsabgas wird durch ein Abgasrohr 81 ausgestoßen. Der Brenner 20 ist mit einem Verbrennungsbrennstoffzufuhrrohr 47 verbunden, das von dem Brennstoffzufuhrrohr 41 an der stromaufwärtigen Seite der Reformierungsbrennstoffpumpe 43 abzweigt, und wird mit Verbrennungsbrennstoff versorgt. Das Verbrennungsbrennstoffzufuhrrohr 47 ist mit einer Verbrennungsbrennstoffpumpe 48 versehen. Die Verbrennungsbrennstoffpumpe 48 ist eine Pumpe der Membranbauart und saugt von der Brennstoffzufuhrquelle Sf zugeführten Verbrennungsbrennstoff an, um den Verbrennungsbrennstoff zu dem Brenner 20 abzugeben. Die Verbrennungsbrennstoffpumpe 48 spricht auf einen Befehl von der Steuerungseinrichtung 1 an, um die Zufuhrmenge von Verbrennungsbrennstoff zu regulieren.
  • Des Weiteren ist der Brenner 20 mit einem Verbrennungsluftzufuhrrohr 65 verbunden, das von dem Oxidationsluftzufuhrrohr 61 an der stromaufwärtigen Seite der Luftpumpe abzweigt, und wird mit Verbrennungsluft zum Verbrennen eines Verbrennungsbrennstoffs, eines Reformierungsgases oder eines Anodenabgases versorgt. Das Verbrennungsluftzufuhrrohr 65 ist mit einer Verbrennungsluftpumpe 66 versehen. Die Verbrennungsluftpumpe 66 saugt von der Luftzufuhrquelle Sa zugeführte Verbrennungsluft an, um die Luft zu dem Brenner 20 abzugeben, und spricht auf einen Befehl von der Steuerungseinrichtung 1 an, um die Zufuhrmenge von Verbrennungsluft zu regulieren. Wenn der Brenner 20 in Erwiderung auf einen Befehl von der Steuerungseinrichtung 1 gezündet wird, wird der Verbrennungsbrennstoff, das Reformierungsgas oder das Anodenabgas, das zu dem Brenner zugeführt wird, verbrannt, um ein Verbrennungsgas mit hoher Temperatur zu erzeugen.
  • Zellen, die jeweils einen Brennstoffpol 31 und einen Oxidationspol 32 haben, sind durch eine Vielzahl von Lagen in der Brennstoffzelle 30 gestapelt. Der Brennstoffpol 31 der Brennstoffzelle 30 ist an seinem Einlassanschluss durch das Reformierungsgaszufuhrrohr 71 mit dem CO-Selektivoxidationsabschnitt 14 verbunden, und Reformierungsgas wird zu dem Brennstoffpol 31 zugeführt. Der Brennstoffpol 31 der Brennstoffzelle 30 ist an seinem Auslassanschluss durch ein Abgaszufuhrrohr 72 mit dem Brenner 20 verbunden, um von der Brennstoffzelle 30 abgegebenes Anodenabgas von dem Brenner 20 zuzuführen. Ein Umgehungsrohr 73 umgeht die Brennstoffzelle 30, um eine direkte Verbindung zwischen dem Reformierungsgaszufuhrrohr 71 und dem Abgaszufuhrrohr 72 herzustellen. Das Reformierungsgaszufuhrrohr 71 ist mit einem ersten Reformierungsgasventil 74 zwischen einem Abzweigpunkt zu dem Umgehungsrohr 73 und der Brennstoffzelle 30 versehen. Das Abgaszufuhrrohr 72 ist an sich mit einem Abgasventil 75 zwischen einem Zusammenlaufpunkt mit dem Umgehungsrohr 73 und der Brennstoffzelle 30 verbunden. Das Umgehungsrohr 73 ist mit einem zweiten Reformierungsgasventil 76 versehen.
  • Das erste und zweite Reformierungsgasventil 74, 76 und das Abgasventil 75 sind betreibbar, um jeweilige Rohre zu öffnen oder zu schließen, und sind durch die Steuerungseinrichtung 1 steuerbar.
  • Des Weiteren ist der Oxidationspol 32 der Brennstoffzelle 30 an seinem Einlassanschluss mit einem Ende eines Kathodenluftzufuhrrohrs 67 verbunden, das von dem Verbrennungsluftzufuhrrohr 65 an der stromaufwärtigen Seite der Luftpumpe 66 abzweigt, und Kathodenluft als ein Oxidationsgas wird in den Oxidationspol 32 zugeführt. Das Kathodenluftzufuhrrohr 67 ist mit einer Kathodenluftpumpe 68 und einem Kathodenluftventil 69 in Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite versehen. Die Kathodenluftpumpe 68 saugt von der Luftzufuhrquelle Sa zugeführte Kathodenluft an, um die Luft zu dem Oxidationspol 32 der Brennstoffzelle 30 abzugeben, und spricht auf einen Befehl der Steuerungseinrichtung 1 an, um die Zufuhrmenge von Kathodenluft zu regulieren. Das Kathodenluftventil 69 arbeitet, um das das Kathodenluftzufuhrrohr 67 in Erwiderung auf einen Befehl von der Steuerungseinrichtung 1 zu öffnen oder zu schließen. Des Weiteren ist der Oxidationspol 32 der Brennstoffzelle 30 an seinem Auslassanschluss mit einem Ende eines Abgasrohrs 82 verbunden, das an seinem anderen Ende zu der Atmosphäre geöffnet ist.
  • Die Steuerungseinrichtung 1 ist mit dem Temperatursensor 11a, den jeweiligen Pumpen 43, 48, 53, 63, 66, 68, den jeweiligen Ventilen 42, 45, 54, 64, 69, 74, 75, 76 und dem Brenner 20 elektrisch verbunden. Das Brennstoffzellensystem ist durch die Steuerungseinrichtung 1 steuerbar.
  • Der Betrieb des Brennstoffzellensystems, das wie vorstehend aufgebaut ist, wird mit Bezug auf die 2 bis 4 beschrieben. 2 ist ein Flussdiagramm eines Startbetriebprogramms. Des Weiteren ist 3 ein Zeitdiagramm, das die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11 und die Zufuhrmengen von Verbrennungsbrennstoff, Verbrennungsluft und Reformierungswasser in dem Fall zeigt, dass der Startbetrieb ein Heißstarten ist. Des Weiteren ist 4 ein Zeitdiagramm, das die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11 und die Zufuhrmengen von Verbrennungsbrennstoff, Verbrennungsluft und Reformierungswasser in dem Fall zeigt, dass der Startbetrieb ein Kaltstarten ist. Wenn ein Startschalter (nicht gezeigt) zur Zeit t0 eingeschaltet wird, wie in den 3 und 4 gezeigt ist, beginnt die Steuerungseinrichtung 1 die Ausführung des Startbetriebsprogramms, das in 2 gezeigt ist.
  • In Schritt S1 wird überprüft, ob die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11, d. h. die Temperatur des Brenners 20 vor einer Zündung, die von dem Temperatursensor 11a eingegeben wird, höher als 100°C ist. Wenn die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11 höher als 100°C (JA) ist, wird der Startbetrieb als ein Wiederstarten unmittelbar nach dem Stopp des Brennstoffzellensystems beurteilt, d. h. als ein Heißstarten, und dann wird Schritt S2 erreicht. Des Weiteren, wenn die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11 gleich oder geringer als 100°C ist (NEIN), wird der Startbetrieb als ein gewöhnliches Starten des Brennstoffzellensystems beurteilt, d. h. als ein Kaltstarten, und dann wird Schritt S3 erreicht.
  • Bei Schritt S2 wird ein Heißstartflag auf EIN (1) geschaltet, um ein Heißstarten zu merken, und dann wird Schritt S4 erreicht. Bei Schritt S3 wird das Heißstartflag auf AUS (0) eingestellt, um ein Kaltstarten zu merken, und dann wird Schritt S4 erreicht. Bei Schritt S4 wird der Brenner 20 gezündet. Im Speziellen wird die Verbrennungsluftpumpe 66 angetrieben, um Verbrennungsluft von der Luftzufuhrquelle Sa durch das Verbrennungsluftzufuhrrohr 65 zu dem Brenner 20 zuzuführen. Des Weiteren wird die Verbrennungsbrennstoffpumpe 48 angetrieben und das erste Brennstoffventil 42 wird geöffnet, um Verbrennungsbrennstoff von der Brennstoffzufuhrquelle Sf durch das Verbrennungsbrennstoffzufuhrrohr 47 zu dem Brenner 20 zuzuführen, der dann gezündet wird. Des Weiteren wird das zweite Reformierungsgasventil 76 geöffnet, um durch das Umgehungsrohr 73 eine direkte Verbindung zwischen dem Reformierungsgaszufuhrrohr 71 und dem Abgaszufuhrrohr 72 herzustellen. Wenn der Brenner 20 gezündet wurde, wird Verbrennungsgas aus dem Brenner 20 herausgeblasen und bewirkt, dass die Temperatur des Reformierungsabschnitts 11 ansteigt. Das Verbrennungsgas wird durch das Abgasrohr 81 ausgestoßen. Dann wird bei Schritt S5 ein Warten fortgeführt, bis die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11 über 300°C ansteigt, und Schritt S6 wird erreicht, wenn die Temperatur T über 300°C ansteigt. Hier bilden die Schritte S4 und S5 eine erste Betriebsstufe. Diese erste Betriebsstufe deckt die Dauer von der Zeit t0 bis t1 in 3 und die Dauer von der Zeit t0 bis t4 in 4 ab.
  • In Schritt S6 wird überprüft, ob der Startbetrieb das Heißstarten oder das Kaltstarten ist. Falls das Heißstartflag auf AN (1) ist (JA), wird der Startbetrieb als das Heißstarten beurteilt, und der Schritt S7 wird dann erreicht. Falls das Heißstartflag auf AUS (0) ist (NEIN), wird der Startbetrieb als das Kaltstarten beurteilt, und der Schritt S8 wird dann erreicht.
  • In Schritt S7 wird ein Prozess für den Fall ausgeführt, dass der Startbetrieb ein Heißstarten ist. D. h., wie als die Dauer von einer Zeit t1 bis zu einer Zeit t2 in 3 gezeigt ist, wird die Verbrennungsluftpumpe 66 gesteuert, um die Zufuhrmenge von Verbrennungsluft allmählich zu erhöhen, die von der Luftzufuhrquelle Sa durch das Verbrennungsluftzufuhrrohr 65 zu dem Brenner 20 zugeführt wird. Des Weiteren wird die Zufuhrmenge von Verbrennungsbrennstoff konstant gehalten, der von der Brennstoffzufuhrquelle Sf durch das Verbrennungsbrennstoffzufuhrrohr 47 zu dem Brenner 20 zugeführt wird. Somit wird ausreichend Verbrennungsbrennstoff zugeführt, damit der Brenner 20 nicht aufhört zu brennen. In 3 stellen Symbole GT1, GF1, GA1, GW1 und GR1 die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11, die Zufuhrmenge von Verbrennungsbrennstoff, die Zufuhrmenge von Verbrennungsluft, die Zufuhrmenge von Reformierungswasser bzw. die Zufuhrmenge von Reformierungsbrennstoff dar. Schritt S9 folgt der Ausführung von Schritt S7.
  • In Schritt S8 wird ein Prozess für den Fall ausgeführt, dass der Startbetrieb ein Kaltstarten ist. D. h., wie als die Dauer von einer Zeit t4 bis zu einer Zeit t5 in 4 gezeigt ist, wird die Verbrennungsluftpumpe 66 gesteuert, um die Zufuhrmenge von Verbrennungsluft allmählich zu erhöhen, die von der Luftzufuhrquelle Sa durch das Verbrennungsluftzufuhrrohr 65 zu dem Brenner 20 zugeführt wird. Des Weiteren wird die Verbrennungsbrennstoffpumpe 48 gesteuert, um die Zufuhrmenge von Verbrennungsbrennstoff allmählich zu verringern, der von der Brennstoffzufuhrquelle Sf durch das Verbrennungsbrennstoffzufuhrrohr 47 zu dem Brenner 20 zugeführt wird. Somit wird bewirkt, dass der Verbrennungsbrennstoff vollständig verbrennt, wodurch realisiert werden kann, dass CO und NOx in dem Verbrennungsabgas reduziert werden und dass die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11 sanft ansteigt. Hier ist es durch Verwenden eines Softwaretimers möglich, die Zufuhrmenge von Verbrennungsluft allmählich zu erhöhen und die Zufuhrmenge von Verbrennungsbrennstoff allmählich zu verringern. In 4 stellen Symbole GT2, GF2, GA2, GW2 und GR2 die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11, die Zufuhrmenge von Verbrennungsbrennstoff, die Zufuhrmenge von Verbrennungsluft, die Zufuhrmenge von Reformierungswasser bzw. die Zufuhrmenge von Reformierungsbrennstoff dar. Schritt S9 folgt der Ausführung von Schritt S8.
  • In Schritt S9 wird ein Warten fortgeführt, bis die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11 400°C übersteigt, und Schritt S10 wird erreicht, wenn die Temperatur T 400°C übersteigt. Bei Schritt S10 wird, wie in 3 (Zeit t2) und 4 (Zeit t5) gezeigt ist, die Wasserpumpe 53 angetrieben und das Wasserventil 54 wird geöffnet, um Reformierungswasser mit V1 cm3/min (V1 = 3 in dieser speziellen Ausführungsform) von der Reformierungswasserzufuhrquelle Sw durch das Speisewasserrohr 51 zu dem Verdampferabschnitt 12 zuzuführen. Das Reformierungswasser wird an dem Verdampferabschnitt 12 erwärmt, um zu Dampf zu werden, der dann durch das Dampfzufuhrrohr 52 zu dem Reformierungsabschnitt 11 zugeführt wird. Somit hat der Reformierungskatalysator kaum eine ungleichmäßige Temperatur, und die Qualität des Brenngases wird leichter stabilisiert. Des Weiteren, da der Reformierungsabschnitt 11 mit Reformierungswasser versorgt wird, ohne mit Reformierungsbrennstoff versorgt zu werden, kann es realisiert werden, dass verhindert wird, dass Kohlenstoff an dem Reformierungskatalysator anhaftet. In der Heißstartroutine wird das Reformierungswasser, wenn es zugeführt wird, sofort in Dampf umgewandelt, und somit tritt kein Problem auf, selbst wenn Reformierungsbrennstoff zu der gleichen Zeit zugeführt wird, zu der Reformierungswasser zugeführt wird. Deshalb ist es in der Heißstartroutine möglich, Reformierungsbrennstoff bei Schritt S10 zuzuführen. Schritt S11 folgt der Ausführung von Schritt S10.
  • In Schritt S11 wird ein Warten fortgeführt, bis die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11 600°C übersteigt, und Schritt S12 wird ausgeführt, wenn die Temperatur T 600°C übersteigt. Bei Schritt S12 wird die Reformierungsbrennstoffpumpe 43 angetrieben und das zweite Brennstoffventil 45 wird geöffnet, um Reformierungsbrennstoff von der Brennstoffzufuhrquelle Sf durch das Brennstoffzufuhrrohr 41 zu dem Reformierungsabschnitt 11 zuzuführen. Des Weiteren wird die Speisewasserpumpe 53 gesteuert, um Reformierungswasser mit V2 cm3/min (V2 = 8 in dieser speziellen Ausführungsform) von der Reformierungswasserzfuhrquelle Sw durch das Speisewasserrohr 51 zu dem Verdampferabschnitt 12 zuzuführen. Somit findet in dem Reformierungsabschnitt 11 die Dampfreformierreaktion statt, in der ein Gasgemisch aus Reformierungsbrennstoff und Dampf durch den Katalysator reagiert, wodurch Reformierungsgas erzeugt wird. Kohlenmonoxid in dem Reformierungsgas wird als eine Folge des Hindurchgehens durch den CO-Konvertierungsabschnitt 13 und den CO-Selektivoxidationsabschnitt 14 verringert, und das Reformierungsgas wird von dem Reformer 10 zu dem Reformierungsgaszufuhrrohr 71 zugeführt. Des Weiteren wird, wie in 3 (Zeit t3) und 4 (Zeit t6) gezeigt ist, die Verbrennungsbrennstoffpumpe 48 durch Verwenden eines Softwaretimers allmählich gestoppt, wodurch die Zufuhr von Verbrennungsbrennstoff von der Brennstoffzufuhrquelle Sf zu dem Brenner 20 allmählich unterbrochen wird. Somit kann die Verbrennung des Brenners 20 mit dem Reformierungsgas aufrecht erhalten werden, das von dem Reformer 10 durch das Reformierungsgaszufuhrrohr 71, das Umgehungsrohr 73 und das Abgaszufuhrrohr 72 zu dem Brenner 20 zugeführt wird. Hier bilden die Schritte S6 bis S12 eine zweite Betriebsstufe. Des Weiteren decken die Schritte S7, S9, S10, S11 und S12 die Heißstartroutine ab, wohingegen die Schritte S8, S9, S10, S11 und S12 die Kaltstartroutine abdecken.
  • Die Ausführung des Startbetriebsprogramms wird nach Ausführung von Schritt S12 beendet. Des Weiteren wird nach Beendigung der Ausführung des Startbetriebsprogramms begonnen, ein gewöhnliches Betriebsprogramm (nicht gezeigt) auszuführen, wobei nach dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit, die hergenommen ist, um das Reformierungsgas stabil zu machen, das erste Reformierungsgasventil 74 und das Abgasventil 75 geöffnet werden und das zweite Reformierungsgasventil 76 geschlossen wird. Des Weiteren wird die Kathodenluftpumpe 68 angetrieben und das Kathodenluftventil 69 wird geöffnet, um Kathodenluft von der Luftzufuhrquelle Sa durch das Kathodenluftzufuhrrohr 67 zu dem Oxidationspol 32 der Brennstoffzelle 30 zuzuführen. Somit wird die Brennstoffzelle 30 in den gewöhnlichen Betrieb gebracht, um elektrische Energie zu erzeugen.
  • In dem Brennstoffzellenstartverfahren und dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird, nachdem der Brenner 20 bei Schritt S4 mit Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft gezündet worden ist, die zu diesem zugeführt worden sind, das Verhältnis einer Zufuhr zwischen Verbrennungsstoff und Verbrennungsluft in den Schritten S7 und S8 in Abhängigkeit von der Innenwandtemperatur T vor der Zündung des Reformierungsabschnitts 11 geändert. Im Speziellen wird, wenn die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11 vor der Zündung gleich oder niedriger als 100°C ist, in Schritt S8 die Zufuhr von Verbrennungsbrennstoff verringert und die Zufuhr von Verbrennungsluft wird erhöht. Wenn die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11 vor einer Zündung höher als 100°C ist, wird in Schritt S7 die Zufuhr von Verbrennungsbrennstoff konstant gehalten. Das heißt, wenn die Innenwandtemperatur T des Reformierungsabschnitts 11 vor der Zündung höher als 100°C ist, werden Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft so zugeführt, dass das Luftverhältnis in diesem Fall kleiner als das in dem Fall wird, in dem die Temperatur gleich oder niedriger als 100°C ist. Hier meint der Ausdruck "Luftverhältnis" eine tatsächliche Luftmenge zu einer Luftmenge, die erforderlich ist, damit ein Brennstoff vollständig verbrennt. Deshalb ist in einem Fall, in dem die Brennstoffzelle unmittelbar nach einem Stopp nochmals gestartet werden soll, in Schritt S7 ausreichend Verbrennungsbrennstoff zugeführt worden, und somit erlöscht die Flamme des Brenners 20 kaum, selbst wenn Reformierungswasser, das in Dampf gewandelt worden ist, durch das Reformierungsgaszufuhrrohr 71, das Umgehungsrohr 73 und das Abgaszufuhrrohr 72 in den Brenner 20 eintritt. Des Weiteren, weil jeweils verschiedene Reihenfolgen in den Schritten S7 und S8 verwendet werden, kann der Bereich eines tolerierbaren Luftverhältnisses, um die Verbrennung zu erhalten, verbreitert werden. Demzufolge kann es in dem Brennstoffzellenstartverfahren und dem Brennstoffzellensystem realisiert werden, die Brennstoffzelle stabil zu starten.
  • Obwohl das Brennstoffzellenstartverfahren und das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf Basis der Ausführungsform beschrieben worden sind, ist es nicht notwendig zu sagen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsform beschränkt ist und in einer anderen Form ausgeführt werden kann, die in geeigneter Weise modifiziert ist, um nicht dem technischen Konzept der vorliegenden Erfindung zu widersprechen.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT:
  • Das Brennstoffzellenstartverfahren und das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein tolerierbares Luftverhältnis zum Erhalten der Verbrennung verbreitern, und ist daher zum stabilen Starten einer Brennstoffzelle geeignet.
  • Zusammenfassung
  • Die Erfindung sieht ein Brennstoffzellenstartverfahren und ein Brennstoffzellensystem vor, die einen Betriebsstart stabil machen können. Das Brennstoffzellenstartverfahren und das Brennstoffzellensystem sind mit einem Reformer 10, einem Brenner 20 und einer Brennstoffzelle 30 versehen und haben einen Schritt S4 zum Zünden des Brenners 20 mit Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft, die zu diesem zugeführt werden, und Schritte S5 bis S12 des Führens wenigstens eines Teils eines erzeugten Gases, das von dem Reformer 10 geliefert wird, zu dem Brenner 20, während Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft zu dem Brenner 20 zugeführt werden. Die Schritte S5 bis S12 umfassen Schritte S8 bis S12 für den Fall, dass die Temperatur des Brenners vor einer Zündung gleich oder niedriger als 100°C ist, und Schritte S7, S9 bis S12 des Zuführens des Verbrennungsbrennstoffs und der Verbrennungsluft, um das Luftverhältnis geringer als das in den Schritten S8 bis S12 zu machen, in dem Fall, dass die Temperatur des Brenners vor einer Zündung höher als 100°C ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2001-354401 [0004]
    • - JP 2004-146089 [0004]

Claims (8)

  1. Startverfahren für eine Brennstoffzelle, die mit einem Reformer zum Erzeugen von Wasserstoff enthaltendem Brenngas von einem Reformierungsbrennstoff und Reformierungswasser, einem Brenner zum Erwärmen des Reformers und einer Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischer Energie von dem Brenngas und einem Oxidationsgas versehen ist, wobei das Verfahren eine erste Betriebsstufe, bei der der Brenner mit Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft gezündet wird, die zu diesem zugeführt werden, und eine zweite Betriebsstufe hat, bei der der Verbrennungsbrennstoff und die Verbrennungsluft kontinuierlich zu dem Brenner zugeführt werden und das Reformierungswasser zu dem Reformer zugeführt wird, wobei in der zweiten Betriebsstufe von dem Reformer abgeführtes Gas zu dem Brenner geführt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die zweite Betriebsstufe eine Kaltstartroutine für den Fall hat, dass die Temperatur des Brenners vor einer Zündung gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist, und eine Heißstartroutine zum Zuführen des Verbrennungsbrennstoffs und der Verbrennungsluft, um das Luftverhältnis in der Heißstartroutine geringer als in der Kaltstartroutine zu machen, in dem Fall hat, dass die Temperatur des Brenners vor einer Zündung höher als die vorbestimmte Temperatur ist.
  2. Startverfahren für eine Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass in Anspruch 1 in der Kaltstartroutine die Zufuhr des Verbrennungsbrennstoffs im Vergleich zu der ersten Betriebsstufe verringert wird und die Zufuhr der Verbrennungsluft im Vergleich zu der ersten Betriebsstufe erhöht wird.
  3. Startverfahren für eine Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass in Anspruch 1 oder 2 der Reformer in der zweiten Betriebsstufe mit dem Reformierungswasser versorgt wird, ohne mit dem Reformierungsbrennstoff versorgt zu werden.
  4. Startverfahren für eine Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Ansprüche 1 bis 3 die Zufuhr des Verbrennungsbrennstoffs in der Heißstartroutine bei einer vorbestimmten Strömungsrate gehalten wird.
  5. Brennstoffzellensystem mit einem Reformer zum Erzeugen von Wasserstoff enthaltendem Brenngas von einem Reformierungsbrennstoff und einem Reformierungswasser, einem Brenner zum Erwärmen des Reformers, einer Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischer Energie von dem Brenngas und einem Oxidationsgas, und einer Steuerungseinrichtung, die eine erste Betriebsstufe, bei der der Brenner mit Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft gezündet wird, die zu diesem zugeführt werden, und eine zweite Betriebsstufe hat, bei der der Verbrennungsbrennstoff und die Verbrennungsluft kontinuierlich zu dem Brenner zugeführt werden und das Reformierungswasser zu dem Reformer zugeführt wird, wobei in der zweiten Betriebsstufe die Steuerungseinrichtung von dem Reformer abgeführtes Gas zu dem Brenner führt, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, dass in der zweiten Betriebsstufe die Steuerungseinrichtung eine Kaltstartroutine für den Fall ausführt, dass die Temperatur des Brenners vor einer Zündung gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist, und eine Heißstartroutine zum Zuführen des Verbrennungsbrennstoffs und der Verbrennungsluft, um das Luftverhältnis in der Heißstartroutine geringer als in der Kaltstartroutine zu machen, in dem Fall ausführt, dass die Temperatur des Brenners vor einer Zündung höher als die vorbestimmte Temperatur ist.
  6. Brennstoffzellensystem, dadurch gekennzeichnet, dass in Anspruch 5 in der Kaltstartroutine die Zufuhr des Verbrennungsbrennstoffs im Vergleich zu der ersten Betriebsstufe verringert wird und die Zufuhr der Verbrennungsluft im Vergleich zu der ersten Betriebsstufe erhöht wird.
  7. Brennstoffzellensystem, dadurch gekennzeichnet, dass in Anspruch 5 oder 6 der Reformer in der zweiten Betriebsstufe mit dem Reformierungswasser versorgt wird, ohne mit dem Reformierungsbrennstoff versorgt zu werden.
  8. Brennstoffzellensystem, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Ansprüche 5 bis 7 die Zufuhr des Verbrennungsbrennstoffs in der Heißstartroutine bei einer vorbestimmten Strömungsrate gehalten wird.
DE112007000026T 2006-01-30 2007-01-29 Brennstoffzellenstartverfahren und Brennstoffzellensystem Withdrawn DE112007000026T5 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006021283A JP4887048B2 (ja) 2006-01-30 2006-01-30 燃料電池の起動方法及び燃料電池システム
JP2006-021283 2006-01-30
PCT/JP2007/051409 WO2007086566A1 (ja) 2006-01-30 2007-01-29 燃料電池の起動方法及び燃料電池システム

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE112007000026T5 true DE112007000026T5 (de) 2008-07-10

Family

ID=38309343

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112007000026T Withdrawn DE112007000026T5 (de) 2006-01-30 2007-01-29 Brennstoffzellenstartverfahren und Brennstoffzellensystem

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20080233442A1 (de)
JP (1) JP4887048B2 (de)
CN (1) CN101341621B (de)
DE (1) DE112007000026T5 (de)
WO (1) WO2007086566A1 (de)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4724029B2 (ja) 2006-03-27 2011-07-13 アイシン精機株式会社 改質装置の運転停止方法
JP5334034B2 (ja) * 2007-04-25 2013-11-06 アイシン精機株式会社 改質装置および燃料電池システム
JP5325403B2 (ja) * 2007-08-29 2013-10-23 Jx日鉱日石エネルギー株式会社 燃料電池システムの起動方法
JP5078705B2 (ja) * 2008-03-31 2012-11-21 アイシン精機株式会社 燃料電池システム
JP5164657B2 (ja) * 2008-04-25 2013-03-21 アイシン精機株式会社 燃料電池システム
JP4887326B2 (ja) * 2008-04-25 2012-02-29 アイシン精機株式会社 燃料電池システム
JP5008613B2 (ja) * 2008-06-30 2012-08-22 アイシン精機株式会社 燃料電池システム
US8758950B2 (en) * 2009-05-12 2014-06-24 Panasonic Corporation Fuel cell system
JP5441001B2 (ja) * 2009-05-28 2014-03-12 Toto株式会社 固体電解質型燃料電池
DE102009031774B4 (de) 2009-06-30 2012-02-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem
FI125775B (en) * 2014-06-30 2016-02-15 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Method and system for preventing reverse current degeneration in fuel cells
CN109873179B (zh) * 2017-12-04 2022-03-08 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池系统及低温快速启动方法
JP7307810B2 (ja) * 2019-10-29 2023-07-12 京セラ株式会社 燃料電池装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001354401A (ja) 2000-06-12 2001-12-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd 水素発生装置の起動方法
JP2004146089A (ja) 2002-10-22 2004-05-20 Rinnai Corp 燃料電池式発電システムとその起動方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002023659A1 (en) * 2000-09-12 2002-03-21 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell drive system
JP2002154805A (ja) * 2000-11-14 2002-05-28 Nissan Motor Co Ltd 改質反応装置及び改質システム
JP4045755B2 (ja) * 2001-05-23 2008-02-13 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP3768137B2 (ja) * 2001-07-27 2006-04-19 本田技研工業株式会社 燃料改質装置とその起動方法
JP4923371B2 (ja) * 2001-09-21 2012-04-25 トヨタ自動車株式会社 水素分離膜を備える水素生成装置の起動方法
JP3801022B2 (ja) * 2001-11-08 2006-07-26 日産自動車株式会社 燃料電池の低温起動方法
JP2003163024A (ja) * 2001-11-26 2003-06-06 Nissan Motor Co Ltd 改質型燃料電池システム
JP2004311337A (ja) * 2003-04-10 2004-11-04 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムとその起動方法
US7666539B2 (en) * 2003-06-27 2010-02-23 Ultracell Corporation Heat efficient portable fuel cell systems
WO2005090230A1 (en) * 2004-03-12 2005-09-29 Hyradix, Inc. Hydrogen generator apparatus and start-up processes

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001354401A (ja) 2000-06-12 2001-12-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd 水素発生装置の起動方法
JP2004146089A (ja) 2002-10-22 2004-05-20 Rinnai Corp 燃料電池式発電システムとその起動方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP4887048B2 (ja) 2012-02-29
JP2007207435A (ja) 2007-08-16
CN101341621B (zh) 2010-06-02
CN101341621A (zh) 2009-01-07
US20080233442A1 (en) 2008-09-25
WO2007086566A1 (ja) 2007-08-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112007000026T5 (de) Brennstoffzellenstartverfahren und Brennstoffzellensystem
DE112007000653B4 (de) Verfahren für die Abschaltung einer Reformiervorrichtung
DE19755813C2 (de) Verfahren zum Betrieb einer Wasserdampfreformierungsanlage, damit betreibbare Reformierungsanlage und Brennstoffzellensystem-Betriebsverfahren
DE112007000635T5 (de) Reformer
EP1203750B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Starten eines Reaktors in einem Gaserzeugungssystem
DE10392305T5 (de) Dampfgenerator für eine PEM-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
DE102016203792B4 (de) Brennstoffzellenmodul
DE60121419T2 (de) Betriebssystem für brennstoffzellen
DE60106699T2 (de) Vorrichtung zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit wasserstoffreichem Gas
EP0921585A2 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Wasserdampfreformierung eines Kohlenwasserstoffs
DE10252076A1 (de) Integriertes brennstoffverarbeitendes System für Schnellstart und Betriebssteuerung
DE10115336A1 (de) Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
DE10252075A1 (de) Gestufte magere Verbrennung für einen Schnellstart eines brennstoffverarbeitenden Systems
DE10107332A1 (de) Brennstoffzellensystem
EP1938411A2 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines reformers
DE102007000540A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102015216257B4 (de) Brennstoffzellenmodul
EP2061113B1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zu dessen Betrieb
EP1947723B1 (de) Energiebereitstellungssystem
DE19944540B4 (de) Reaktorsystem mit elektrischen Heizmitteln
DE102006028699B4 (de) Verfahren zum Betreiben eines Reformersystems
WO2018122252A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung und verfahren zu einem anfahren der brennstoffzellenvorrichtung
DE10324213A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung
WO2004007356A2 (de) Verfahren zum starten eines gaserzeugungssystems
DE112009000652B4 (de) Reformiervorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20130801