燃料电池系统和燃料电池操作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种燃料电池系统及相关方法，具有燃烧在燃料气体或阳极废气和氧化剂气体或阴极废气之间的混合气体的催化燃烧器（７），操作系统控制器（３５）进行控制，使得至少在从向催化燃烧器供应混合气体开始直到判别出催化燃烧器被充分活化的点火阶段，混合气体的燃料气体浓度保持在给定范围（大于催化剂活化下限，低于可燃贫乏限度），而在点火阶段过去之后，即使燃料气体浓度处于偏离给定范围的值，也把混合气体供应至催化燃烧器。

【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操作方法
本专利技术涉及燃料电池系统，具体而言，本专利技术涉及具有改进的阳极废气燃烧特性的燃料电池系统，以及相关方法。
技术介绍
燃料电池系统用于燃料气体例如氢气与含氧的氧化剂气体彼此之间的电化学反应，从而使电能从在电解质膜的两侧上设置的电极中取出。尤其是，由于采用固体电解质的固体聚合物燃料电池工作温度低、便于控制，因此它作为电动汽车用电源倍受关注。也就是说，燃料电池驱动车辆是终极清洁车辆，在这种车辆上安装有吸氢装置例如高压氢罐、液氢罐和吸氢非晶合金罐，从而把由吸氢装置提供的氢、和含氧空气传送给燃料电池，以实现从燃料电池提取电能的反应，来驱动连接成用以驱动车轮的马达，仅剩下水作为排放物质。在固体聚合物燃料电池中，当采用空气作为氧化剂气体时，从阴极经过电解质膜到达阳极的氮气保留在阳极系统中，由此降低了氢气分压，造成燃料电池效率降低。因此，如果在阳极系统中保留有一些氮气的话，就需要由在阳极出口处设置的净化阀将含氮燃料气体净化到系统的外部。这种操作有时称作“阳极净化”。当这种情况发生时，从阳极排出的气体称作阳极废气，阳极废气中含有含氢的可燃气体。人们并不希望直接把氢排放到外部，因此，在催化燃烧器中燃烧净化后的阳极废气，由此将含氮气和水蒸汽的混合气体排放到系统的外部。在用于燃烧阳极废气的技术中，一种典型的技术记载在日本专利临时公开7-78626(参见第3页和图1)中。这种技术以在使混合器中的阳极废气和阴极废气之间的混合比为偏离爆炸极限的值的预定关系为基础，根据在燃料线路中输送气体的流速，采取了一种由允许一-->部分阴极废气和阳极废气在燃料电池中混合的混合器和调节在废气传送线路中燃烧废气的流速的调节器单元构成的结构形式。
技术实现思路
然而，由于原有技术采取了其中以特定混合比(该混合比为偏离爆炸范围的值)燃烧阳极废气和阴极废气的结构形式，在燃烧混合气体的混合比落入低于爆炸贫乏极限的值的情况下，燃烧所需的氧化剂气体的流速增加，因此，用于处理燃料气体所需的催化剂的量也增加。这造成了以下问题：需要形成超大尺寸的催化燃烧器；或者，由于燃烧温度相对降低至较低值，因此热量的回收效率变差。此外，原有技术遇到的另一问题在于，当混合比为高于浓度范围上限的值时，可燃气体排放到系统外部，导致安全可靠性的降低。为了解决上述问题，本专利技术的一种方案是提供一种燃料电池系统，该系统包括：供应燃料气体的燃料气体供应单元；供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元；具有阳极和阴极的燃料电池堆，由燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应产生电能，阳极废气从阳极排出，阴极废气从阴极排出；燃烧在燃料气体或阳极废气和氧化剂气体或阴极废气之间的混合气体的催化燃烧器；在点火阶段向催化燃烧器选择性提供燃料气体和阳极废气中至少一种的阳极废气控制阀；在点火阶段向催化燃烧器选择性提供氧化剂气体和阴极废气中至少一种的阴极废气控制阀；以及对阳极废气控制阀和阴极废气控制阀进行控制的控制器，使得至少在从向催化燃烧器供应混合气体开始直到判别出催化燃烧器被充分活化的点火阶段，混合气体的燃料气体浓度保持在给定范围，而在点火阶段过去之后，即使燃料气体浓度处于偏离给定范围的值，也把混合气体供应至催化燃烧器。本专利技术的另一方案是一种操作燃料电池系统的方法，该燃料电池系统具有用于供应燃料气体的燃料气体供应单元和用于供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元，该方法包括：提供具有阳极和阴极的燃料电池堆，由燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应产生电能，阳极-->废气从阳极排出，阴极废气从阴极排出；提供催化燃烧器，该燃烧器燃烧在从燃料电池堆的阳极排出的阳极废气和从燃料电池堆的阴极排出的阴极废气之间的混合气体；在点火阶段向催化燃烧器提供燃料气体和阳极废气中的至少一种；在点火阶段向催化燃烧器提供氧化剂气体和阴极废气中的至少一种；以及控制供应到催化燃烧器的混合气体的燃料浓度，使得至少在从向催化燃烧器供应混合气体开始直到判别出催化燃烧器被充分活化的点火阶段，混合气体的燃料气体浓度保持在给定范围，而在点火阶段过去之后，即使燃料气体浓度处于偏离给定范围的值，也把混合气体供应至催化燃烧器。附图说明图1是本专利技术的第一实施例的燃料电池系统的总体结构图。图2A至2C是用于说明在图1所示的第一实施例的燃料电池系统中如何进行系统控制的时序图。图3是说明图1所示的第一实施例的燃料电池系统操作的基本顺序的控制流程图。图4A至4C是用于说明在本专利技术第二实施例的燃料电池系统中如何进行系统控制的时序图。图5是说明第二实施例的燃料电池系统操作的基本顺序的控制流程图。图6A至6C是用于说明在本专利技术第三实施例的燃料电池系统中如何进行系统控制的时序图。图7是说明第三实施例的燃料电池系统操作的基本顺序的流程图。具体实施方式(第一实施例)现在参见图1、图2A-2C和图3，详细描述根据本专利技术的燃料电池系统的第一实施例。图1是第一实施例的燃料电池系统的结构图。-->在图1中，示出了本实施例的燃料电池系统，该系统包括：通过阳极气体供应管道11向燃料电池堆3的阳极4提供作为燃料气体的氢气的氢气供应单元(燃料气体供应单元)1；通过阴极气体供应管道14向阴极5提供作为氧化剂气体的空气的空气供应单元(氧化剂气体供应单元)2。向燃料电池堆3提供氢和空气，以实现电化学反应，由此产生电能。当此反应发生时，在阳极4中未被消耗的阳极废气从阳极4排出，由在阴极5中消耗的一部分氧化剂气体产生的并含有由发电产生的水分的阴极废气从阴极5排出。在燃料电池堆3正常工作的过程中，全部量的阳极废气通过阳极废气循环管道12传输到阳极气体供应管道11，并重新引入阳极4。另一方面，阴极废气通过阴极废气输送管道15和用于加湿将被引入到燃料电池堆3的氢和空气的加湿器10传输到催化燃烧器7，阴极废气通过燃烧器排出到外部。催化燃烧器7由混合器23和燃烧室24构成，在混合器23中氢气或阳极废气以及空气或阴极废气混合成均匀的混合气体，燃烧室24装有燃烧催化剂以燃烧混合气体，从而形成燃烧气体。燃烧气体与在冷却剂热交换器8中的冷却剂进行热交换，然后通过排气管19排出到系统外部。为了使燃料电池堆3保持在适于发电的最佳工作温度，燃料电池堆3在内部形成有冷却剂通道(未示出)。在正常工作状态，冷却剂从燃料电池堆3的冷却剂出口流过冷却剂通道调节阀22、冷却剂冷却单元9、冷却剂泵21和在排水槽25中的冷却剂通道，并循环至燃料电池堆3的冷却剂进口、在燃料电池堆3中的冷却剂通道以及它的冷却剂出口。并且，在燃料电池堆3中形成的反应热量从冷却剂冷却单元9散发到外部，由此使燃料电池堆3保持在规定的适当温度。并且，在燃料电池系统的启动模式下，由于冷却剂的温度保持在低值，因此把氢和空气引入催化燃烧器7以燃烧这些成分，采用燃烧热量来加热经过冷却剂热交换器8的冷却剂，以提高冷却剂温度，从-->而把燃料电池堆3加热至最佳工作温度。特别是，在启动模式下，冷却剂通道调节器阀22让冷却剂泵21和冷却剂热交换器8彼此连接，由此使冷却剂经过由冷却剂热交换器8、冷却剂泵21、排水槽25、燃料电池堆3的冷却剂进口、燃料电池堆3的冷却剂出口和冷却剂通道调节阀22构成的封闭回路进行循环。这使得在冷却剂热交换器8中的冷却剂温度逐步升高，由此使燃料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：供应燃料气体的燃料气体供应单元；供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元；具有阳极和阴极的燃料电池堆，由在燃料气体或阳极废气和氧化剂气体之间的电化学反应产生电能，阳极废气从阳极排出，阴极废气从阴极排 出；燃烧在燃料气体或阳极废气和氧化剂气体或阴极废气之间的混合气体的催化燃烧器；在点火阶段向催化燃烧器提供燃料气体和阳极废气中至少一种的阳极废气控制阀；在点火阶段向催化燃烧器提供氧化剂气体和阴极废气中至少一种的阴极废气 控制阀；以及对阳极废气控制阀和阴极废气控制阀进行控制的控制器，使得至少在从向催化燃烧器供应混合气体开始直到判别出催化燃烧器被充分活化的点火阶段，混合气体的燃料气体浓度保持在给定范围，而在点火阶段过去之后，即使燃料气体浓度处于偏离给定 范围的值，也可把混合气体有效地供应至催化燃烧器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2003-2-19 041147/20031.一种燃料电池系统，包括：供应燃料气体的燃料气体供应单元；供应氧化剂气体的氧化剂气体供应单元；具有阳极和阴极的燃料电池堆，由在燃料气体或阳极废气和氧化剂气体之间的电化学反应产生电能，阳极废气从阳极排出，阴极废气从阴极排出；燃烧在燃料气体或阳极废气和氧化剂气体或阴极废气之间的混合气体的催化燃烧器；在点火阶段向催化燃烧器提供燃料气体和阳极废气中至少一种的阳极废气控制阀；在点火阶段向催化燃烧器提供氧化剂气体和阴极废气中至少一种的阴极废气控制阀；以及对阳极废气控制阀和阴极废气控制阀进行控制的控制器，使得至少在从向催化燃烧器供应混合气体开始直到判别出催化燃烧器被充分活化的点火阶段，混合气体的燃料气体浓度保持在给定范围，而在点火阶段过去之后，即使燃料气体浓度处于偏离给定范围的值，也可把混合气体有效地供应至催化燃烧器。2.根据权利要求1的燃料电池系统，其中控制器控制阳极废气控制阀以把燃料气体和阳极废气中的至少一种提供给催化燃烧器，从而使在点火阶段在催化燃烧器中的混合气体的平均浓度处于给定范围。3.根据权利要求2的燃料电池系统，其中控制器控制阳极废气控制阀，从而在点火阶段将阳极废气间歇地提供给催化燃烧器。4.根据权利要求2的燃料电池系统，其中控制器控制阴极废气控制阀，从而在点火阶段、以增加的流速将氧化剂气体和阴极废气中的至少一种间歇地提供给催化燃烧器。5.根据权利要求2的燃料电池系统，其中控制器控制氧化剂供-->应单元，从而在点火阶段、以瞬间增加的流速将氧化剂气体和阴极废气中的至少一种提供给催化燃烧器。6.根据权利要求2的燃料电池系统，其中控制器控制氧化剂供应单元，从而在点火阶段、以瞬间下降的流速将氧化剂气体和阴极废气中的至少一种提供给催化燃烧器。7.根据权利要求2的燃料电池系统，其中控制器控制阳极废气控制阀，从而在点火阶段使将提供给催化燃烧器的混合气体中的燃料气体和阳极废气中的至少一种保持在处于所述给定范围内的最大浓度。8.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述给定范围确定为超过一燃料浓度，此燃料浓度大于使由混合气体产生的燃烧温度达到催化燃烧器的活化温度的值。9.根据权利要求1的燃料电池系统，其中将所述给定范围确定为低于形成混合气体的可燃极限的浓度。10.根据权利要求1的燃料电池系统，其中将所述给定范围确定为大于使混合气体的燃烧温度达到催化燃烧器的活化温度的浓度并且低于形成混合气体的可燃极限的浓度。11.根据权利要求1的燃料电池系统，还包括：温度检测器，检测催化燃烧器的操作温度，以产生表示催化剂温度处于给定低值的检测信号；其中，控制器响应检测信号，以打...

【专利技术属性】
技术研发人员：的场雅司，
申请(专利权)人：日产自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]