JP2010503160A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムを始動する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、改質器（１０）および燃料電池のスタック（１２）を備える燃料電池システムを始動する方法に関する。燃料（１４）および空気（１６）が、開始原料として改質器に供給され、改質器によって生成される改質油（１８）が、燃料電池のスタックに供給される。本発明によれば、改質器（１０）に供給される開始原料の燃料・空気比を特徴づける空気比は、燃料電池のスタック（１２）の温度に従って変化する。本発明はまた、燃料電池システムに関する。

Description

本発明は、改質器および燃料電池スタックを備える燃料電池システムを始動する方法であって、改質器が、出発原料として燃料および空気の供給を受け、燃料電池スタックが、改質器によって生成される改質油の供給を受ける方法に関する。

本発明は、さらに、改質器および燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、改質器が、出発原料として燃料および空気の供給を受け、燃料電池スタックが、改質器によって生成される改質油の供給を受ける、燃料電池システムに関する。

一般的な燃料電池システムでは、電気は燃料電池スタックで生成される。この目的のために、燃料電池スタックは、空気と水素が豊富な改質油との供給を受ける。改質油は、改質器において、燃料と酸化剤、特に空気とから生成される。Ｈ_２収率を最適にするために、改質器は、燃料対空気の比率を特徴付ける空気比が０．４以下で動作する。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システムは、動作温度が８００℃を超え、かかる動作温度に始動段階で達する必要がある。この目的のために必要な熱エネルギーは、改質器から流れる高温ガスによって、かつ燃料電池スタックへの予熱されたカソード供給空気によって提供される。かかる始動段階には多数の問題がある。１つには、空気比が通常改質器運転に対して低いため、しかしながら特に低温のため、燃料電池スタックに煤が付着する可能性があり、それによって電極が閉塞されることにより、燃料電池スタックが崩壊することになる可能性がある。別の問題として、温度および空気比が高い場合、燃料電池スタックのアノード材料が酸化によって崩壊する危険がある。煤の付着およびアノード材料の酸化がそれほど問題とはならないのは、燃料電池スタックの定常動作時、すなわち上述した高温が８００℃を超え空気比がたとえば０．４程度に低い場合のみである。

本発明は、燃料電池システムの始動段階においてさえも、煤の付着および酸化による燃料電池スタックに対する損傷が防止されるような、燃料電池システムを始動する方法および燃料電池システムを提供するという目的に基づく。

この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項に示されている。

本発明は、改質器に供給される開始原料の燃料／空気比を特徴づける空気比が、燃料電池スタックの温度の関数として変化するという点で、一般的な方法に対して高度化されたものである。空気比を燃料電池スタックの温度の関数として変化させることにより、動作中のいずれの時点においても、すなわち特に燃料電池システムの始動中に、空気比および温度の非決定的な（ｕｎｃｒｉｔｉｃａｌ）組合せを設定することが可能になる。

これにより、空気比を燃料電池スタックの温度の上昇に伴って低減することができ、したがって、始動段階が高い空気比および低い温度で、言い換えれば、煤の付着およびアノード材料の酸化をともに阻止する決定的なパラメータの組合せを用いて、開始することが可能になる。ここで、燃料電池スタックの温度が上昇すると、連続運転に対して一般的な組合せが得られるまで、非決定的な空気比／温度の組合せを維持しながら空気比を徐々に低減することができる。

本発明による方法の特に好ましい実施形態によれば、燃料電池システムの始動時に、空気比は、１．３〜１．５の範囲に設定され、燃料電池スタックの動作温度に達した後には、空気比は０．３〜０．５の範囲に設定される。

空気比を、燃料電池スタックの温度の上昇に伴って段階的に低減させることができるようにしてもよい。これは特に実際的な解決法であり、それは、空気比を、必要な場合に瞬時温度値の関数として補正することができるためである。

しかしながら、空気比を、燃料電池スタックの温度の上昇に伴って連続的に低減させることも可能であり、したがって、空気比／時間関数を温度／時間関数に最適に適合させることができる。

本発明は、燃料電池スタックの温度が検知され、したがって、検知された温度値の関数として適切な空気比を設定することができるという点で、特に有利に高度化されたものである。

しかしながら、この場合もまた、燃料電池システムの動作時間の関数として経験的に確立される値を、燃料電池スタックの温度として使用することも可能である。燃料電池システムが、その始動特性に関して技術的に十分に成熟すると、燃料電池スタックの温度の展開を、経験値に基づいて予測することができる。その後は、燃料電池スタックの温度を検知する必要はない。経験値は、始動中に適切な空気比を確立しその後設定するために十分であり得る。

本発明は、改質器に供給される開始原料の燃料／空気比を特徴づける空気比が、燃料電池スタックの温度の関数として変化し、したがって、本発明による方法の利点および特別な特徴がシステムの範囲においてもまた達成されるという点で、一般的な燃料電池システムに対して高度化されたものである。これはまた、以下に列挙するような本発明による燃料電池システムの特に好ましい実施形態にも適用される。

本システムは、燃料電池システムが電子コントローラを備えるという点で特に有用に高度化されている。かかる電子コントローラは、本発明による温度の関数としての空気比の確立および設定を操作する。電子コントローラは、燃料電池システムに専用であるようにしてもよい。しかしながら、コントローラは、特に自動車における既存の電子コントローラに組み込まれることも可能である。この場合、コントローラを、燃料電池システムのすべての機能のそれぞれ開ループ制御および閉ループ制御を提供するように設計することができる。

温度によって異なる空気比の依存性が電子コントローラに属するメモリに保存されることが好都合である。

本発明による燃料電池システムは、空気比を、燃料電池スタックの温度の上昇に伴って低減させることができるという点で有利に高度化されている。

燃料電池システムの始動時に、１．３〜１．５の範囲の空気比を設定することができ、燃料電池スタックの動作温度に達した後に、空気比を０．３〜０．５の範囲に設定することができることが特に好ましい。

本発明による燃料電池システムの１つの変形によれば、空気比を、燃料電池スタックの温度の上昇に伴って段階的に低減させることができる。

一方、システムを、空気比を、燃料電池スタックの温度の上昇に伴って連続的に低減させることを可能にすることによって高度化してもよい。

燃料電池スタックの温度を検知するために、少なくとも１つの温度センサが提供されることが好都合であることが実証され得る。

同様に、燃料電池システムの動作時間の関数として経験的に確立される値を、燃料電池スタックの温度として使用し、その値が、電子コントローラの構成材料としてのメモリによって利用可能となることもまた同様に有利であり得る。

ここで、本発明を、添付図面を参照して特に好ましい実施形態により詳述する。

燃料電池システムの概略図である。 本発明による、温度／時間プロットとその関数としての空気比／時間プロットとを示すグラフである。 本発明を説明するのに役立つ温度／空気比プロットを示すグラフである。 本発明を説明するのに役立つフローチャートである。

ここで図１を参照すると、燃料電池システムの概略図が示されている。燃料電池システムは、燃料供給器２６、すなわち特に燃料ポンプと、空気供給器２８、すなわち特に送風機と、を備えており、それらはともに改質器１０の入力に結合されている。改質器１０は、出力端において、燃料電池スタック１２のアノード端に結合されており、燃料電池スタック１２のカソード端は、空気供給器３０、すなわち特に送風機に接続されている。燃料電池スタック１２は、温度センサ２４を特徴として備えている。燃料電池スタック１２は、その出力端においてアフタバーナ３２に接続されており、アフタバーナ３２は同様に空気供給器３４、すなわち特に送風機に接続されている。また、メモリ２２を有する電子コントローラ２０も設けられており、それは、システムのセンサ、すなわち特に燃料電池スタック１２の温度センサ２４に接続されて信号を受け取る。電子コントローラ２０は、さらに、燃料供給器２６と空気供給器２８、３０、３４とに接続されており、それらの動作を微調整し、それぞれ閉ループ制御の範囲にある。

システムの動作時、燃料供給器２６および空気供給器２８は、それぞれ燃料１４および空気１６を改質器１０に供給する。改質器では、水素が豊富な改質油１８が物質化し、燃料電池スタック１２のアノード端に供給される。燃料電池スタック１２のカソード端は、空気供給器３０を介してカソード供給空気の供給を受ける。このカソード供給空気は、予熱されていることが好都合である。燃料電池スタック１２において消耗された改質油３６はアフタバーナ３２に供給され、アフタバーナ３２は同様に、空気供給器３４から空気の供給を受け、残留物がないことが好ましい燃焼を実施する。アフタバーナ３２の出力は排気ガス３８であり、その熱エネルギーを燃料電池システムの熱収支に戻して、たとえば空気供給器３０によって送り出されるカソード供給空気を予熱することができる。

本発明によれば、燃料電池システムの始動時、改質器１０が動作する空気比λを、燃料供給器２６および／または空気供給器２８を微調整する電子コントローラ２０により、温度センサ２４によって検知される燃料電池スタック１２の温度の関数として、設定することができる。設定は、特に燃料電池スタック１２の煤の付着および燃料電池スタック１２のアノード材料の酸化に関して、非決定的な空気比／温度の組合せが具体化するようになされる。

ここで図２を参照すると、本発明による、温度／時間プロットとその関数としての空気比／時間プロットとを示すグラフが示されている。時間の関数としてプロットされる燃料電池スタックの例示的な温度曲線が示されている。温度Ｔ_{ｓｔａｃｋ}は、開始温度値、たとえば室温を基礎とし、その後、５００℃の領域の温度まで急速に上昇した後、およそ８５０℃の燃料電池スタックの動作温度に近づく。これの関数として、改質器の空気比λを設定し、すなわち、λ＝１．４を基礎とし、その後、λ＝０．４の値まで低減させることができる。λは、図示するように段階的に変化する必要はなく、空気比の連続した曲線が実際的である。所定の温度Ｔ_{ｓｔａｃｋ}に対して設定される空気比値λは、コントローラに表の形式で保存されることが好都合である。コントローラのメモリには、測定温度Ｔ_{ｓｔａｃｋ}に加えて、時間の関数として経験的に確定される温度Ｔ_{ｓｔａｃｋ}もまた格納することができる。

ここで図３を参照すると、本発明を説明するのに役立つように温度／空気比プロットを示すグラフが示されている。これは、温度が低くかつ空気比が低い場合に、煤の付着が発生し、一方で、温度が高くかつ空気比が高い場合に、望ましくないアノードの酸化が発生する可能性があることを示している。したがって、低温の場合、本発明により、煤の付着およびアノードの酸化が最小限である高い空気比が選択される。これに基づき、温度が上昇すると、改質器動作に好都合であるような動作温度および空気比が得られるまで、空気比を低減することができる。

ここで図４を参照すると、本発明を説明するのに役立つようにフローチャートが示されている。まずステップＳ０１において、システム始動のために、燃料電池スタックの温度Ｔ_{ｓｔａｃｋ}を検知する。ステップＳ０２において、所定の空気比λ_ｉを設定することができる。ステップＳ０３において、燃料電池スタックの温度Ｔ_{ｓｔａｃｋ}が所定温度Ｔ_ｉを超過したか否か判断する。超過していない場合、方法はステップＳ０１に進み、すなわち、λ値は変化しないままであり、燃料電池スタックの温度Ｔ_{ｓｔａｃｋ}を再び検知する。しかしながら、ステップＳ０３において、燃料電池スタックの温度Ｔ_{ｓｔａｃｋ}が所定温度Ｔ_ｉを超過する場合、ステップＳ０４において、燃料電池スタックがすでにその動作温度を取得したか否か判断する。取得していない場合、ステップＳ０５において、指数ｉを１だけ増加させ、その後ステップＳ０１に進み、空気比λをより低い空気比λ_ｉ＋１に設定する。しかしながら、ステップＳ０４において、燃料電池スタックがその動作温度を取得したと「認識される」場合、燃料電池システムの始動方法を終了する。

上記説明および図面において開示されかつ請求項に記載されている本発明の特徴は、本発明を単独または任意の組合せの両方で達成する上で不可欠であり得るということが理解される。

１０…改質器、１２…燃料電池スタック、１４…燃料、１６…空気、１８…改質油、２０…コントローラ、２２…メモリ、２４…温度センサ、２６…燃料供給器、２８…送風機、３０…送風機、３２…アフタバーナ、３４…送風機、３６…改質油、３８…排気ガス

Claims (16)

1. 改質器（１０）および燃料電池スタック（１２）を備える燃料電池システムを始動する方法であって、前記改質器が開始原料として燃料（１４）および空気（１６）の供給を受け、前記燃料電池スタックが前記改質器によって生成される改質油（１８）の供給を受け、前記改質器（１０）に供給される前記開始原料の燃料／空気比を特徴づける空気比が、前記燃料電池スタック（１２）の温度の関数として変化することを特徴とする、燃料電池システムを始動する方法。
2. 前記空気比が、前記燃料電池スタック（１２）の温度の上昇に伴って低減することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システムを始動する方法。
3. 前記燃料電池システムの始動時に、１．３〜１．５の範囲の空気比が設定され、前記燃料電池スタック（１２）の前記動作温度に達した後に、空気比が０．３〜０．５の範囲に設定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池システムを始動する方法。
4. 前記空気比が、前記燃料電池スタック（１２）の温度の上昇に伴って段階的に低減することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムを始動する方法。
5. 前記空気比が、前記燃料電池スタック（１２）の温度の上昇に伴って連続的に低減することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システムを始動する方法。
6. 前記燃料電池スタック（１２）の温度が検知されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システムを始動する方法。
7. 前記燃料電池システムの前記動作時間の関数として経験的に確立される値が、前記燃料電池スタック（１２）の温度として使用されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システムを始動する方法。
8. 改質器（１０）および燃料電池スタック（１２）を備える燃料電池システムであって、前記改質器が開始原料として燃料（１４）および空気（１６）の供給を受け、前記燃料電池スタックが前記改質器によって生成される改質油（１８）の供給を受ける、燃料電池システムであり、前記改質器（１０）に供給される前記開始原料の燃料／空気比を特徴づける空気比が、前記燃料電池スタック（１２）の温度の関数として可変であることを特徴とする、燃料電池システム。
9. 電子コントローラ（２０）を具備することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記温度によって異なる前記空気比の依存性が、前記電子コントローラ（２０）に属するメモリに保存されることを特徴とする、請求項８または９に記載の燃料電池システム。
11. 前記空気比を、前記燃料電池スタック（１２）の温度の上昇に伴って低減させることができることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料電池システムの始動時に、１．３〜１．５の範囲の空気比を設定することができ、前記燃料電池スタック（１２）の前記動作温度に達した後に、空気比を０．３〜０．５の範囲に設定することができることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
13. 前記空気比を、前記燃料電池スタック（１２）の温度の上昇に伴って段階的に低減させることができることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
14. 前記空気比を、前記燃料電池スタック（１２）の温度の上昇に伴って連続的に低減させることができることを特徴とする、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
15. 前記燃料電池スタック（１２）の温度を検知するために、少なくとも１つの温度センサ（２４）が提供されることを特徴とする、請求項８〜１４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
16. 当該燃料電池システムの前記動作時間の関数として経験的に確立される値を、前記燃料電池スタック（１２）の温度として使用することができ、前記値が、前記電子コントローラ（２０）の構成材料としてのメモリ（２２）によって利用可能となることを特徴とする、請求項８〜１５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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