燃料电池系统和燃料电池系统操作方法与流程

本发明涉及燃料电池系统。具体地，本发明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。
背景技术：
：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技术实现要素：本发明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，本发明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。根据本发明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。根据本发明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，根据本发明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。在根据本发明的燃料电池系统中，燃料电池的输出功率优选地大于重整器消耗的功率。此外，根据本发明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。在根据本发明的燃料电池系统中，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，根据本发明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。根据本发明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。本发明还提供一种燃料电池系统的操作方法。根据本发明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。根据本发明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。本发明的效果根据本发明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，根据本发明的燃料电池系统能够自主启动并开始发电，而无需用于启动的蓄电池等。由于根据本发明的燃料电池系统的燃料电池的输出功率大于重整器消耗的功率，只使用燃料电池提供的电力便可以产生足够量的用于发电的含氢气体。因此，可以向燃料电池提供足够量的氢，这实现了燃料电池的稳定运行和持续发电。换言之，根据本发明的燃料电池系统除了自主启动之外还能够自主运行。由于根据本发明的燃料电池系统的燃料电池的工作温度大于或等于重整器的工作温度，因此不需要对来自重整器的含氢气体提供冷却装置。这使得整个燃料电池系统的构造更简单，并且降低了功耗。而且，还允许系统安装在更宽范围的位置处。通过由等离子体反应器、用于产生等离子体的电源和氢分离单元构成根据本发明的燃料电池系统的重整器，可以在室温和大气压条件下在氢分离膜与接地电极之间产生放电以将含氢原料转化成等离子体，从而产生含氢气体。由于根据本发明的重整器是在室温和大气压下工作的等离子体重整器，因此不需要其它类型的重整器中的加热装置，这使得整个系统的构造更简单，并且使用更少能量来操作。由于根据本发明的燃料电池系统应用了工作温度为100℃或更低的固体聚合物燃料电池，可以使用重整器提供的室温氢气来发电，从而简化了整个燃料电池系统的热设计。在不需要用于重整器的加热装置或用于储氢容器的冷却装置的情况下，整个燃料电池系统具有更简单的构造，并且可以降低功耗。因此，燃料电池系统可以有更低成本和更小尺寸。附图说明图1是示出根据本发明实施例的燃料电池系统的配置的框图；图2是示出根据本发明实施例的燃料电池系统的启动顺序的流程图；图3是示出根据本发明实施例的燃料电池系统的停止顺序的流程图；图4是根据本发明实施例的重整器的垂直截面的示意图；图5是示出根据示例的重整器消耗的电力与产氢量之间的关系的曲线图；图6是示出根据示例的燃料电池系统的氢气供应速率与发电速率之间的关系的曲线图。具体实施方式下面对本发明的优选实施例进行详细描述。(1)根据本发明的燃料电池系统的“自主启动”是指重整器和燃料电池可以在无需从外部接收电能或等效能量供应的情况下启动，由此可以开始发电并向外部负载提供能量。(2)“氢源”是指用于储存含氢原料并将该物质作为原料供应给根据本发明的燃料电池系统的装置。更具体地，“氢源”是指用于含氢原料的储存容器或与该储存容器连通的供应管。由氢源储存或供应的物质为氨、尿素或诸如甲烷等烃类气体。(3)“重整器”是指使用含氢物质作为原料产氢的装置。根据最优选实施例的重整器是等离子体重整器，其包括等离子体反应器、用于产生等离子体的电源、用作高压电极的氢分离单元以及接地电极，重整器通过在电极之间产生放电来将含氢物质转化成等离子体并且只允许氢通过氢分离单元。(4)作为等同于等离子重整器的重整器，可以采用使用催化剂分解含氢物质以提取氢的重整器，以及将等离子体反应与催化反应结合的重整器。(5)由于氢分离膜，由等离子体重整器产生的含氢气体的氢浓度为99.9％或更高。(6)在正常操作期间，控制单元执行以下控制：-控制从氢源引入输入单元的含氢原料的量。-存储与启动燃料电池所需的含氢气体的最小量相对应的储氢容器的储存量的阈值。监测和控制由测量单元输出的测量数据，将基于测量数据的储氢容器的储存量与存储的阈值进行比较，并且使用比较结果对重整器所产生的含氢气体的量进行反馈控制。通过控制重整器产生的含氢气体的量，控制单元控制储氢容器中储存的含氢气体的量。-控制氧气供应装置以控制供应给燃料电池的氧气量。-控制连接至储氢容器的控制阀的打开程度，从而控制由燃料电池生成的电量。-监测由燃料电池生成的电量以控制供应给重整器的电量。(7)当控制单元检测到诸如停电或自然灾害等异常并且已经从外部接收到停止命令时，控制单元检查储氢容器的储存量并且停止发电。(8)当控制单元已经从外部接收到启动命令并且达到预先计划的时间时，控制单元执行燃料电池系统的启动顺序。(9)测量储氢容器压力的压力计可以用作测量单元。可替代地，可以使用测量储氢容器中储存气体的重量的重量传感器。(10)根据本发明所述的燃料电池系统中最优选使用的燃料电池是固体聚合物燃料电池。也可以使用其它类型的燃料电池。下面将参照附图对根据本发明所述的燃料电池系统的一个优选实施例进行说明。现在将参照图1至图4对根据本发明所述的燃料电池系统以及该系统的操作方法进行说明。图1所示的燃料电池系统1包括输入单元11、重整器12、储氢容器13、测量单元14、燃料电池15、以及控制单元18。储氢容器13的出口侧具有控制阀19。控制单元18分别与输入单元11、重整器12、测量单元14、燃料电池15、氧气供应装置43以及控制阀19通信连接。燃料电池15连接至将所产生的至少一部分电力提供给重整器的第一供电路径16，以及向外部负载42供电的第二供电路径17。输入单元11连接至储存和供应含氢原料的氢源41，并且经由原料入口路径29将来自氢源41的原料引入重整器12。输入单元11优选地由电磁阀构成。控制单元18控制输入单元11的打开程度以控制引入的原料的量，从而控制重整器12产生的含氢气体的量。重整器12分解经由原料入口路径29引入的预定量的原料以产生含氢气体。所产生的含氢气体经由氢供应路径21临时储存在储氢容器13中。测量单元14连接至储氢容器13，并且测量储氢容器13中储存的含氢气体的量。测量单元14优选为测量储氢容器13内部压力的压力计。将测量压力的测量值输入到控制单元18中。控制单元18存储与用于启动燃料电池15所需的含氢气体的最小量(以下称为“启动用氢量”)相对应的储氢容器13的储存量的阈值，并且监测和控制储存量。在测量单元14为压力计并且输出测量值为压力值的情况下，控制单元18存储的阈值也是压力值。控制阀19设置在储氢容器13的出口侧。控制阀19优选地由电磁阀构成。控制单元18控制控制阀19的打开程度以控制储氢容器13的储存量和供应给燃料电池15的含氢气体量。燃料电池15使用从储氢容器13供应的含氢气体和从氧气供应装置43供应的空气中的氧气来发电。燃料电池15优选为工作温度为100℃或更低的固体聚合物燃料电池。由燃料电池输出的电力被分配并提供给第一供电路径16和第二供电路径17。控制单元18监测由燃料电池15产生的电量，并且确保必要的发电量。为了达到这个目的，控制单元18控制控制阀19的打开程度和从氧气供应装置43提供的氧气量。氧气供应装置43优选为普通风机。在正常操作期间，除了执行控制以实现需要的发电量之外，控制单元18还持续执行控制以在储氢容器13中储存启动燃料电池15所需的含氢气体的最小量。在接收到来自测量单元14的测量数据之后，控制单元18将测量数据与存储的阈值进行比较。如果基于比较结果确定了所储存的含氢气体低于启动用氢量，则控制单元18进行反馈控制以增加含氢气体的储存量。具体地，控制单元18控制输入单元以增加供应给重整器12的原料的量，并且执行控制以增加从燃料电池15供应到重整器12的电力以迅速增加重整器12产生的含氢气体量，使得储氢容器13的储存量变得大于或等于启动用氢量。现在将参照图3对燃料电池系统1的停止方法进行说明。停止燃料电池系统1的一系列步骤完全通过控制单元18的控制来执行。当燃料电池系统1停止经由第二供电路径17向外部负载42供电时(步骤s21)，控制单元18检查测量单元14的测量数据，并且确认储氢容器13中储存了启动用氢量(步骤s22)。在确认之后，控制单元18关闭输入单元11(步骤s23)，并且停止重整器12(步骤s24)。当控制单元18已经确认完全停止制氢时(步骤s25)，其关闭控制阀19并且关闭储氢容器13(步骤s26)。这停止了向燃料电池15供氢。接下来，控制单元18停止氧气供应装置43以停止向燃料电池15供氧(步骤s27)。最后，控制单元18停止运行燃料电池15(步骤s28)。通过这些步骤，伴随着储氢容器13中储存了启动用氢量，燃料电池系统1完全停止了。现在参照图2对在储氢容器13中储存了启动用氢量的燃料电池系统1的启动方法进行说明。启动通过控制单元18的控制来执行。控制单元18检查储氢容器13中储存的氢气量(步骤s1)，打开控制阀19(步骤s2)，并且从储氢容器13向燃料电池15供氢(步骤s3)。控制单元18控制氧气供应装置43向燃料电池15供氧(步骤s4)，并且启动燃料电池15(步骤s5)。从而开始发电。在发电开始时，控制单元18经由第一供电路径16将所产生的电力全部提供给重整器12(步骤s6)。然后，控制单元18打开输入单元11并且将原料引入重整器12(步骤s7)。重整器12启动，从而开始制氢(步骤s8)。控制单元18再次检查测量单元14的测量数据，并且检查在储氢容器13中是否储存了大于或等于启动用氢量的含氢气体量(步骤s9)。当确保了储存量时，步骤s9的结果会是yes，并且控制单元18启动正常操作并且控制发电量(步骤s10)。然后，控制单元18经由第二供电路径开始向外部负载42供电(步骤s11)。当执行图3所示的正常停止方法时，在燃料电池系统1的储氢容器13中总是储存了大于或等于启动用氢量的氢气量。只有在启动全新安装的燃料电池系统1时，才可以通过将启动燃料电池15所需的含氢气体量引入储氢容器13来启动燃料电池15。现在将参照图4对优选用于本实施例中的重整器12进行说明。所述重整器12是等离子体重整器，其包括等离子体反应器23、容纳在等离子体反应器23内的高压电极25、以及设置为与等离子体反应器23的外部接触的接地电极27。等离子体反应器23由石英制成，并且成型为圆柱形。高压电极25包括圆柱形的氢分离膜32、以及支撑氢分离膜32两端的盘状支撑件33。氢分离膜32优选为钯合金薄膜。高压电极25连接至高压脉冲电源22，该高压脉冲电源22经由第一供电路径16连接至燃料电池15，并且提供高压。在等离子体反应器23与支撑件33之间安装有o形环34，使得氢分离膜32与等离子体反应器23的内壁同心设置。因此，在等离子体反应器23的内壁与氢分离膜32之间形成放电空间24，在该放电空间24中保持恒定的距离。此外，在氢分离膜32内部，形成有由氢分离膜32和支撑件33围成的密封内部腔室26。接地电极27与等离子体反应器23和氢分离膜32同心设置。在本实施例中，经由输入单元11和原料入口路径29从氢源41提供的最合适的原料是氨气。将该氨气供应到重整器12的放电空间24。氢分离膜32和接地电极27彼此面对，并且由石英制成的等离子体反应器23设置在氢分离膜32与接地电极27之间，从而使等离子体反应器23充当电介质，这允许通过向氢分离膜32形式的高压电极25施加高压来产生介质阻挡放电。向高压电极25施加高压的高压脉冲电源22，施加具有10μs的极短保留时间的电压。通过以预定流速向放电空间供应氨气，在用作高压电极25的氢分离膜32与接地电极27之间产生介质阻挡放电，并且在放电空间24中产生氨的大气压非平衡等离子体，来实施重整器12的产氢。由氨的大气压非平衡等离子体产生的氢以氢原子的形式由氢分离膜32吸附，当氢原子通过氢分离膜32时分散，之后重新结合成氢分子并且进入内部腔室26。这样，只有氢被分离出来。本文所述的重整器12在室温下工作。当使用氨时，氨中包含的大约100％的氢可以被分离并引入内部腔室26。因此，获得的含氢气体为纯度为99.9％或更高的氢气。示例下面示出了应用等离子体重整器作为重整器12和固体聚合物燃料电池作为燃料电池15的燃料电池系统1的自主启动的示例。本示例使用了在0.1mpa(1个标准大气)下具有50升(0.05m3)启动用氢量的固体聚合物燃料电池。在本示例中，使用压力计作为测量单元14以测量储氢容器13中的含氢气体的储存量。控制单元18存储与启动燃料电池15所需的含氢气体量相对应的压力阈值。在发电过程中，控制单元18监测测量单元的测量结果，使用所存储的阈值与测量结果的比较结果对重整器12产生的含氢气体的量和储氢容器13的储存量进行反馈控制，并且将与启动所需的50升氢气量相对应的含氢气体持续地储存在储氢容器13中。本示例的重整器12是等离子体重整器，其包括等离子体反应器23、容纳在等离子体反应器23内的高压电极25、以及设置为与等离子体反应器23的外部接触的接地电极27。等离子体重整器的功耗与所产生的氢气量之间的关系的示例如表1和图5所示。下面示出的体积是基于标准状态(1个标准大气，0℃)计算的。[表1]等离子体重整器消耗的电力(wh)所产生的氢气量(l/min)37.52.09754.181508.3522512.5330016.70如表1和图5所示，本示例中构成重整器12的等离子体重整器可以与所提供的电力成比例地产氢。具体地，当原料氨以1.39升/分钟(基于标准状态计算的)供应时，伴随37.5w的功耗，每分钟产氢2.09升。照此，利用100w的功耗，每分钟产氢5.57升。所氢气供应量与本示例中应用的固体聚合物燃料电池产生的电量之间的关系的示例如表2和图6所示。根据本示例的燃料电池15可以产生与氢气供应量成比例的电力。[表2]燃料电池产生的电力(wh)氢气供应量(l/min)2502.095004.1810008.35150012.53200016.70控制单元18将燃料电池15产生的部分电力提供给重整器12。该电力启动重整器12并且在氢分离膜32形式的高压电极25与接地电极27之间产生介质阻挡放电，从而开始产氢。通过将燃料电池15产生的1000w电力中的150w电力提供给重整器12，可以产生燃料电池15发电所需的氢。这样，可以启动燃料电池15和重整器112，并且可以继续发电。本实施例中描述的燃料电池系统1的配置和操作方法可以根据需要改变。例如，在重整器12的一种变型中，容纳在等离子体反应器23内的圆柱形氢分离膜32可以接地，并且设置为与等离子体反应器23的外部接触的电极可以连接至高压脉冲电源22。此时，氢分离膜32充当接地电极，并且可以像本示例一样产生介质阻挡放电。即使在这种情况下，氢分离膜32也暴露于等离子体，从而实现氢分离。在本实施例中，描述了一个示例，其中储氢容器13以及控制阀19设置在分开的位置，但是控制阀19也可以设置在储氢容器13的出口处。此外，测量储氢容器13的储存量的测量单元14可以是除了压力计之外的另一种测量装置。可以在从重整器12经由储氢容器13到燃料电池15的氢供应路径21中设置用于控制流速的任何装置。用于从燃料电池15向重整器12和外部负载42供电的供电路径16和17的布线和电流电压控制装置也可以根据整个装置的总体布置和功能而改变。符号说明：1燃料电池系统11输入单元12重整器13储氢容器14测量单元15燃料电池16第一供电路径17第二供电路径18控制单元19控制阀21氢供应路径22高压脉冲电源23等离子体反应器24放电空间25高压电极27接地电极29原料入口路径32氢分离膜33支撑件41氢源42外部负载43氧气供应装置当前第1页12