燃料电池系统和燃料电池系统操作方法技术方案

本发明专利技术提供了一种燃料电池系统，其能够在无需从外部接收能量供应的情况下启动。所述燃料电池系统1具有连接至氢源41的输入单元11，产生含氢气体的重整器12，储氢容器13，使用含氢气体发电的燃料电池15，以及控制单元18。该控制单元18存储启动燃料电池15所需的含氢气体的阈值，并且控制储氢容器13中的储存量大于或等于启动燃料电池15所需的量。进而，在启动时，燃料电池15使用储氢容器13中储存的含氢气体来发电并且经由第一供电路径16向重整器12供电。重整器12启动并产生所需的氢气。

Operation methods of fuel cell system and fuel cell system

The invention provides a fuel cell system capable of starting without receiving energy supply from outside. The fuel cell system 1 has an input unit 11 connected to the hydrogen source 41, a reformer 12 that generates hydrogen gas, a hydrogen storage container 13, a fuel cell 15 that generates electricity using hydrogen gas, and a control unit 18. The control unit 18 stores the threshold of hydrogen gas required to start fuel cell 15, and controls the amount of storage in hydrogen storage container 13 to be greater than or equal to the amount required to start fuel cell 15. Furthermore, at startup, the fuel cell 15 generates electricity using hydrogen-containing gases stored in the hydrogen storage container 13 and supplies power to the reformer 12 via the first power supply path 16. The reformer 12 starts and produces the required hydrogen.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池系统和燃料电池系统操作方法
本专利技术涉及燃料电池系统。具体地，本专利技术涉及一种包括制氢装置和燃料电池的燃料电池系统，其能够在无需从外部接收能量供应的情况下启动并继续运行，诸如在停电或自然灾害期间。
技术介绍
已知燃料电池使用氢气和氧气作为燃料并且通过其化学反应产生能量。存在各种各样的燃料电池，诸如利用离子交换膜作为电解质的固体聚合物燃料电池、利用磷酸作为电解质的磷酸燃料电池以及利用锂或碳酸钾作为电解质的熔融碳酸盐燃料电池。在这些燃料电池中，固体聚合物燃料电池开始向家庭普及，因为它们可以在100℃或更低的低温下工作并且可以小型化。与其它燃料气体相比，燃料电池中用作燃料的氢气的储存和运输成本更高。因此，许多燃料电池系统包括制氢装置以现场产生氢气。制氢装置的一个公知实施例是使用氨、尿素或烃类的气态形式作为氢源通过分解反应产生氢气的重整器。用于操作具有重整器的燃料电池系统的方法至少包括两个步骤：首先启动重整器以产生氢气，然后供应所产生的氢气以启动燃料电池并发电。启动重整器需要外部供能，并且在大多数情况下，从外部电源接收电力。在通常情况下，燃料电池系统可以连接至外部电源来容易地接收能量。然而，当由于停电、自然灾害等原因切断了外部能量供应时，可能难以启动停止的燃料电池系统。为了消除对外部能量供应的需求，用于储存启动燃料电池系统所需的能量于蓄电池中的技术是公知的。然而，具有足以启动重整器的容量的蓄电池是昂贵的，因此这是使整个燃料电池系统的成本上升的一个因素。进一步地，当使用蓄电池作为紧急能量储存装置时，反复的充电和放电逐渐耗尽了蓄电池的容量，从而导致在使用一定时间后无法提供所需电力的风险。已经提供了各种技术在停电或自然灾害期间启动燃料电池系统。专利文献1公开了一种紧急燃料电池系统，其可以通过连接至车辆等的发电装置来启动。专利文献2和3公开了包括启动能量储存和供应装置的燃料电池系统，诸如蓄电池。此外，专利文献4公开了一种用于基于预先获得的停电信息来确保燃料电池系统的停止周期不与停电周期重叠的技术。专利文献5公开了一种燃料电池发电系统，其包括用于储存部分重整气体以供紧急情况使用的储氢装置，该储氢装置可以通过在燃料切换时间释放所储存的氢气来维持燃料电池的电池输出。专利文献5中公开的燃料电池系统的储氢装置的配置具有补偿在燃料切换时间处重整器响应的暂时延迟的目的，不会解决燃料电池系统的完全停止和启动。现有技术文献：专利文献专利文献1：日本未审查专利申请公开号2007-179886专利文献2：日本未审查专利申请公开号2012-38559专利文献3：日本未审查专利申请公开号2016-143619专利文献4：日本未审查专利申请公开号2016-167382专利文献5：日本未审查专利申请公开号1990-56866
技术实现思路
本专利技术要解决的问题具有重整器的传统燃料电池系统需要从外部提供诸如电能等能量，否则重整器无法启动，从而无法启动燃料电池系统。在停电或自然灾害期间不可能自主启动成为了一个问题。解决问题的方法为了克服上述问题，本专利技术提供了一种能够在无需从外部接收能量供应而启动的燃料电池系统。根据本专利技术的燃料电池系统包括：输入单元，其连接至氢源并且引入含氢原料；重整器，其分解由输入单元引入的原料以产生含氢气体；储氢容器，其临时储存由重整器产生的含氢气体；测量单元，其测量储氢容器中的含氢气体的储存量；燃料电池，其使用从储氢容器提供的含氢气体发电；第一供电路径，其将燃料电池产生的至少一部分电力提供给重整器；第二供电路径，其将燃料电池产生的部分电力提供给外部；以及，控制单元，其接收来自测量单元的测量数据以控制由重整器产生的含氢气体的量、由储氢容器储存的含氢气体的量，以及由燃料电池产生的电量。根据本专利技术所述的控制单元存储与启动燃料电池所需的含氢气体的最小量相对应的测量数据的阈值，并且基于测量数据与阈值的比较结果控制储氢容器中含氢气体的储存量大于或等于启动燃料电池所需的量。然后，在启动时，燃料电池使用储氢容器中储存的含氢气体来发电并且经由第一供电路径向重整器供电。在正常操作期间，根据本专利技术的燃料电池系统的控制单元执行控制以确保在储氢容器中总是储存有启动燃料电池所需的含氢气体量。当启动燃料电池系统时，通过将储氢容器中储存的含氢气体提供给燃料电池来开始发电。进一步地，通过提供燃料电池产生的电力以启动重整器来开始产氢。燃料电池可以使用由重整器产生的氢来继续发电。在根据本专利技术的燃料电池系统中，燃料电池的输出功率优选地大于重整器消耗的功率。此外，根据本专利技术的燃料电池系统的燃料电池的工作温度优选地大于或等于重整器的工作温度。在根据本专利技术的燃料电池系统中，产生含氢气体的重整器优选地包括：等离子体反应器，用于分解原料并将其转化为等离子体，所述等离子体反应器具有原料供应口和氢排出口；电源，用于产生等离子体，所述电源连接至第一供电路径；以及，氢分离单元，其界定(demarcates)等离子体反应器的氢排出口侧。重整器的氢分离单元的特征在于，它从等离子体反应器中转化成等离子体的原料中分离出氢，并且将氢传输到氢排出口侧。进一步地，根据本专利技术的重整器的氢分离单元优选地为连接至用于产生等离子体的电源的氢分离膜。该氢分离膜的特征在于，氢分离膜通过被供电而作为高压电极，并且在氢分离膜与接地电极之间放电以将原料转化成等离子体。根据本专利技术的燃料电池系统还包括在储氢容器的氢供应侧出口处的控制阀，控制阀的打开程度优选地由控制单元控制。控制单元的特征在于，它通过控制打开程度来控制储氢容器中储存的含氢气体的量。含氢原料优选地为氨或尿素。通过使用氨或尿素作为原料，与使用烃类气体作为氢源时相比，可以防止碳附着在重整器的氢分离膜上，这可以防止氢分离膜的劣化。本专利技术还提供一种燃料电池系统的操作方法。根据本专利技术的燃料电池系统的操作方法适用于燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：输入单元，其连接至氢源并且从氢源引入含氢原料；重整器，其分解由输入单元引入的原料以产生含氢气体；储氢容器，其临时储存由重整器产生的含氢气体；测量单元，其测量储氢容器中的含氢气体的储存量；燃料电池，其使用从储氢容器提供的含氢气体发电；第一供电路径，其将燃料电池产生的至少一部分电力提供给重整器；第二供电路径，其将燃料电池产生的部分电力提供给外部；以及，控制单元。燃料电池系统的控制单元接收来自测量单元的测量数据，以控制由重整器产生的含氢气体的量、储氢容器中含氢气体的储存量以及由燃料电池产生的电量。控制单元存储与启动燃料电池所需的含氢气体的最小量相对应的测量数据的阈值。通过比较和判断从测量单元输入的测量数据和所存储的阈值，控制单元对储氢容器中的含氢气体的储存量执行反馈控制以大于或等于启动燃料电池所需的量。根据本专利技术的燃料电池系统的操作方法的特征在于，该方法包括控制单元已经接收到启动命令后从储氢容器向燃料电池提供含氢气体的步骤、燃料电池使用所提供的含氢气体开始发电的步骤、将燃料电池产生的电力提供给重整器的步骤、重整器通过分解原料并将其转化为等离子体来产氢的步骤、以及将所产生的含氢气体提供给燃料电池以继续发电的步骤。本专利技术的效果根据本专利技术的燃料电池系统能够自主启动并开始发电，而无需从外部接收诸如电能等能量供应。此外，根据本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池系统，包括：输入单元，其连接至氢源并且配置为从所述氢源引入含氢原料；重整器，其配置为分解由所述输入单元引入的原料以产生含氢气体；储氢容器，其配置为临时储存由所述重整器产生的含氢气体；测量单元，其配置为测量所述储氢容器中的含氢气体的储存量；燃料电池，其配置为使用从所述储氢容器提供的含氢气体发电；第一供电路径，其配置为将所述燃料电池产生的至少一部分电力提供给所述重整器；第二供电路径，其配置为将所述燃料电池产生的部分电力提供给外部；以及，控制单元，其配置为接收来自所述测量单元的测量数据并且控制由所述重整器产生的含氢气体的量、所述储氢容器的含氢气体的储存量，以及由所述燃料电池产生的电量；其特征在于，所述控制单元存储与启动燃料电池所需的含氢气体的最小量相对应的测量数据的阈值，并且基于测量数据与阈值的比较结果控制储氢容器的含氢气体的储存量大于或等于启动燃料电池所需的量，以及，启动时的燃料电池使用储氢容器中储存的含氢气体来发电，并且经由第一供电路径向重整器供电。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.18 JP 2016-2249111.一种燃料电池系统，包括：输入单元，其连接至氢源并且配置为从所述氢源引入含氢原料；重整器，其配置为分解由所述输入单元引入的原料以产生含氢气体；储氢容器，其配置为临时储存由所述重整器产生的含氢气体；测量单元，其配置为测量所述储氢容器中的含氢气体的储存量；燃料电池，其配置为使用从所述储氢容器提供的含氢气体发电；第一供电路径，其配置为将所述燃料电池产生的至少一部分电力提供给所述重整器；第二供电路径，其配置为将所述燃料电池产生的部分电力提供给外部；以及，控制单元，其配置为接收来自所述测量单元的测量数据并且控制由所述重整器产生的含氢气体的量、所述储氢容器的含氢气体的储存量，以及由所述燃料电池产生的电量；其特征在于，所述控制单元存储与启动燃料电池所需的含氢气体的最小量相对应的测量数据的阈值，并且基于测量数据与阈值的比较结果控制储氢容器的含氢气体的储存量大于或等于启动燃料电池所需的量，以及，启动时的燃料电池使用储氢容器中储存的含氢气体来发电，并且经由第一供电路径向重整器供电。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池的输出功率大于所述重整器消耗的功率。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池的工作温度大于或等于所述重整器的工作温度。4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述重整器包括：等离子体反应器，用于分解原料并将其转化为等离子体，所述等离子体反应器具有原料供应口和氢排出口；电源，用于产生等离子体，所述电源连接至所述第一供电路径；以及，氢分离单元，其界定等离子体反应器的氢排出口侧，其中，所述氢分离单元从等离子体反应器中转化成等离子体的原料中分离出氢，并且将氢传输到氢排出口侧。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：三浦友规，
申请(专利权)人：泽藤电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP