燃料电池系统及相关方法技术方案

一种燃料电池系统，包含：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；使用燃料气体和氧化剂气体产生电能的燃料电池组；将从燃料电池组的阳极排放出的阳极排气再循环到阳极上的阳极排气再循环单元 ；临时从阳极排气再循环单元将阳极排气排放到其外面的清洗单元；至少燃烧从清洗单元中排放的阳极排气、从燃料电池组阴极排放的氧化剂气体或阴极排气的燃烧室；以及进行系统控制操作的系统控制器，使得在允许清洗单元向燃烧室排放阳极 排气时，燃烧室的燃烧温度不超过给定温度。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池系统，更具体地说涉及为燃烧阳极排气提供改进的燃烧室温度控制的燃料电池系统，以及相关的方法。
技术介绍
在燃料电池系统中，诸如氢气的燃料气体和包含氧气的氧化剂气体借助电解质彼此进行电化学反应，从安置在电解质两面的电极上放出电能。尤其是，作为电动车辆的电源，使用固体电解质的固体聚合物燃料电池因其低的操作温度和容易处理而受到普遍的关注。燃料电池驱动的车辆是最清洁的车辆，只有水作为排放物质而残留。这种车辆安装氢气吸收单元，例如高压氢气罐、液态氢气罐，以及吸收氢气的非晶形合金罐。从氢吸收单元供应的氢气和含氧气的空气被输送到燃料电池中，完成反应，从而从燃料电池中释放电能以驱动与驱动轮连接的马达。固体聚合物燃料电池包括阳极排气再循环型，其中包含从阳极出口排出的未反应氢气的阳极排气被再循环到阳极入口。该类型燃料电池包括供应氢气的阳极(燃料电极)入口，流速大于与阳极排气的电化学反应中消耗的氢气流速。当这种阳极再循环型燃料电池连续操作时，因为空气和蒸汽从阴极(空气电极)泄漏，所以阳极排气中的氮氧化物浓度和蒸汽浓度增加。此外，如果形成燃料气体的氢气包含杂质，与氢气不同，它们积聚在阳极排气中，没有在电化学反应中消耗。这些现象不可取地降低了电能产生的性能。因此，在某种程度上连续操作一段时间之后，从阳极排气再循环单元将包含大量杂质的阳极排气排出到外部燃烧室中，在其中发生阳极排气和空气的燃烧。使用日本专利申请公开特许(Laid-Open)第8-7803号建议的燃烧室，控制空气的流速，以致控制燃烧室的温度不超过耐热温度。在这种技术下，燃料电池系统包括用燃烧室形成的燃料重整器，阳极排气和阴极排气被引入其中并燃烧；用阴极排气轮机驱动的空气压缩机；以及使空气和从空气压缩机中输送的空气一起被引入燃烧室的低温鼓风机。此外，这种燃料电池系统包括基于燃料电池输出命令、燃烧排气的氧气浓度和燃烧室的出口温度给低温鼓风机输出转速命令，而给重整器-燃烧室-空气流速调节器阀输出打开程度(opening degree)校正命令的控制器。如果燃烧室的出口温度超过上限，依据供应给重整器燃烧室以降低燃烧室温度的空气流速增加所产生的打开程度，控制器控制重整器-燃烧室-空气流速调节器阀待增加的打开程度和待增加的低温鼓风机的转速。
技术实现思路
但是，上述技术具有如果燃烧室出口温度的检测值超过温度的上限值，增加空气流速降低燃烧室的温度的结构。因此，当燃烧室中进行间断性和短期燃烧时，出口气体温度的温度上升由于燃烧室中存在的热容而降低。因此，因为不能检测到超过温度上限值的燃烧温度，所以燃烧室的性能降低。为了解决这一问题，本专利技术一方面是燃料电池系统，包含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；使用燃料气体和氧化剂气体产生电能的燃料电池组；将从燃料电池组的阳极排放出的阳极排气再循环到阳极上的阳极排气再循环单元；临时从阳极排气再循环单元将阳极排气排放到其外面的清洗单元；至少燃烧从清洗单元中排放的阳极排气、从燃料电池组阴极排放的氧化剂气体和阴极排气的燃烧室，进行系统控制操作的系统控制器，使得在允许清洗单元向燃烧室排放阳极排气时，燃烧室的燃烧温度不超过给定温度。根据本专利技术的另一方面，提供了一种控制燃料电池系统的方法，该方法包括制备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；使用燃料气体和氧化剂气体产生电能的燃料电池组；至少燃烧从阳极排气排放的阳极排气，以及从燃料电池组阴极排放的氧化剂气体或阴极排气的燃烧室；从燃料电池组的阳极排放阳极排气；再循环从空气供应单元或燃料电池组阳极排放的阳极排气至阳极；至少燃烧从燃料电池组阳极排放的阳极排气及从燃料电池组阴极排放的氧化剂气体或阴极排气；以及执行系统控制，以致在允许阳极排气被排放到燃烧室时，燃烧室的燃烧温度不超过给定温度。附图说明图1是阐述根据本专利技术燃料电池系统第一实施方案结构的系统结构图。图2A至2E是阐述在第一实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图2A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图2B表示空气供应单元2供应的空气的流速；图2C表示阴极排气的排放速率；图2D表示氢气供应单元1供应的氢气的流速；并且图2E表示阳极排气的排放速率。图3是阐述形成第一实施方案一部分的系统控制器控制内容的流程图。图4是阐述根据本专利技术燃料电池系统第二实施方案结构的系统结构图。图5A至5E是阐述在第二实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图5A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图5B表示空气供应单元2供应的空气的流速；图5C表示阴极排气的排放速率；图5D表示氢气供应单元1供应的氢气的流速；并且图5E表示阳极排气的排放速率。图6是阐述形成第二实施方案一部分的系统控制器控制内容的流程图。图7是阐述根据本专利技术燃料电池系统第三实施方案结构的系统结构图。图8A至8E是阐述在第三实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图8A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图8B表示辅助空气供应单元28供应的空气的流速；图8C表示阴极排气的排放速率；图8D表示氢气供应单元1供应的氢气的流速；并且图8E表示阳极排气的排放速率。图9是阐述形成第三实施方案一部分的系统控制器控制内容的流程图。图10A至10D是阐述在第四实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图10A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图10B表示阴极排气的排放速率；图10C表示氢气供应单元1供应的氢气的流速；并且图10D表示阳极排气的排放速率。图11是阐述形成第四实施方案一部分的系统控制器控制内容的流程图。图12A至12E是阐述在第五实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图12A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图12B表示空气供应单元2供应的空气的流速；图12C表示阴极排气的排放速率；图12D表示氢气供应单元1供应的氢气的流速；并且图12E表示阳极排气的排放速率。图13是阐述形成第五实施方案一部分的系统控制器控制内容的流程图。图14是阐述根据本专利技术燃料电池系统第六实施方案结构的系统结构图。图15A至15E是阐述在第六实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图15A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图15B表示水的供应速率；图15C表示阴极排气的排放速率；图15D表示氢气供应单元1供应的氢气的流速；并且图15E表示阳极排气的排放速率。图16是阐述形成第六实施方案一部分的系统控制器控制内容的流程图。图17是以燃料电池操作条件方式阐述燃烧温度预测图的视图。图18A至18E是阐述在第七实施方案中燃烧温度控制的时间图，其中，图18A表示燃烧室7的燃烧温度Te；图18B表示空气供应单元2供应的空气的流速；图18C表示阴极排气的排放速率；图18D表示氢气供应单元1供应的氢气的流速；并且图18E表示阳极排气的排放速率。图19是阐述形成第七实施方案一部分的系统控制器控制内容的流程图。图20是阐述在第七实施方案中用来计算电压阈值，从而判断发现是否实施阳极排气清洗的数据表的视图。图21是阐述在第七实施方案中用来计算电压阈值，从而判断发现是否实施阳极排气清洗的数据表的视图。图22是阐述在第七实施方案中用来计算空气流速变化率的数据表的视图。图23是阐述在第七实施方案中用来计算空气流速变化率的数据表的视图。图24是阐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

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