专利名称：改质装置，用于控制燃料电池系统中的泵的方法，和控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制燃料电池系统以对例如天然气、丙垸气 体及类似物的燃料进行改质从而生成氢气的方法，和一种控制装置。
背景技术：
氢氧燃料电池作为化学电池的一种而存在，并且由于用氢氧燃料 电池能够获得清洁、高效的发电，因此目前其作为一种将来的有效电 源的主要备选者而被积极研究。氢氧燃料电池采用氢气作为燃料，并 且作为用于获取这样的氢气的装置，存在一种用于对例如天然气的燃 料进行改质以生成氢气的燃料电池系统。
这样的燃料电池系统通过改质反应生成氢气，该改质反应由下述 方式产生采用例如天然气和水作为原料；被改质之前除掉硫化物； 并且放置原料与改质催化剂接触。然而，改质反应是一个吸热反应， 因此当燃料电池系统运行时，改质催化剂必须被加热。而且，当运行 开始时，也必须保证一定的热量以开始反应。
此处，例如在专利文献1中公开了一种用于高效加热改质催化剂 的方法。
图6是燃料电池发电系统的构造图，用于例如甲醇或类似物的改 质燃料以产生氢气的燃料改质装置应用于该系统，如专利文献1中所 示。
具有用于例如甲醇或类似物的改质燃料以产生氢气的燃料改质装 置的燃料电池发电系统的结构与具有用于例如天然气或类似物的改质
燃料的燃料改质装置的燃料电池发电系统的结构非常相似，并产生氢 气。
图6中示出的燃料电池发电系统包括燃料电池140和用于产生作
为供给到燃料电池140的气体燃料的氢气的燃料改质装置110。燃料改 质装置110包括用于蒸发液体燃料的蒸发器111和用于改质来自蒸发 器111的气体燃料的燃料改质单元109。
燃料电池140设置有以插入电解质141的方式存在的燃料极142 和空气极143;还有用于冷却燃料电池140的热交换器144。用于供给 气体燃料的己改质气体线路103和用于排出从燃料极142产生的废气 的废气线路105连接到燃料极142。同时，用于供给包含作为氧化剂的 酶的空气的线路(未示出)连接到空气极143。已改质气体线路103和 废气线路105连接到燃料改质单元109的各自的连接器上。燃料改质
单元109，其具体细节将在后面进行说明，设置有许多热交换器，其每 一个都具有分别位于连接到废气通道的一侧上的燃烧催化剂层和位于
连接到气体燃料通道的另一侧上的改质催化剂层。
而且，燃料电池发电系统设置有蒸发器111和燃烧器112。然后， 燃料改质单元109将来自蒸发器111的气体燃料导入连接到气体燃料 通道的一侧，并且也将经过废气线路105供给的燃烧热气导入连接到 燃烧热气通道的一侧。然后，利用燃烧催化剂层中产生的热量和改质 催化剂层的作用，气体燃料被改质并且送到已改质气体线路103。
燃料箱115经由泵113连接到蒸发器111。然后，储存在燃料箱 115中的燃料通过泵113(b)供给到蒸发器111，并且蒸发器111通过燃 烧器112的燃烧热，将燃料作为气体燃料供给到燃料改质单元109。
燃料改质单元109:将来自于蒸发器111的气体燃料导入每一个改 质催化剂层；将气体燃料(甲醇)和空气引入到经由废气线路105供
给的燃烧热气中；并且将气体作为燃烧气体引入到每个燃料催化剂层。
如上所述，通过利用燃烧器112加热燃料改质单元109和蒸发器 111，确保了改质反应所需求的热量，其中该燃烧器112被供给从燃料 箱115经过泵113(a)的燃料。
在专利文献1中，燃料改质单元109被进一步设计并且燃料改质 单元109内部的发热均匀性通过调节燃料改质单元109中燃烧催化剂 的浓度进行调节。
而且，专利文献2公开了燃料电池的控制系统并且示出了用于高 精度控制供给到燃料电池的燃料的压力流量特性的方法。
图7示出了用于专利文献2中所述的燃料电池的控制系统的构造图。
具有专利文献2中所述形状的燃料电池的控制系统210包括燃 料电池211;用于供给包括例如甲醇和水的液体混合物或类似物的液体 燃料的燃料供给单元212;用于通过蒸发液体燃料生成燃料蒸汽的蒸汽 产生单元213;产生用于加热蒸汽产生单元213和蒸发液体燃料的燃烧
气体的燃烧单元214;用于从燃料蒸汽生成浓的已改质氢燃料的改质单
元215;用于选择性地氧化并除去已改质燃料中的一氧化碳的CO还原 器216;用于将例如空气或类似物的氧化剂供给到燃料电池211的氧化 剂供给单元217;控制装置218;已排出燃料流量控制器219;已改质 燃料压力检测器221;己改质燃料流量检测器222;已排出燃料压力检 测器223;发电电流检测器224;辅助燃料供给单元225;输出控制器 226;安装在已排出燃料流量控制器219中的小流量阀227和大流量阀 228;和目标发电输入单元229。
然后，控制系统210被构造为使得通过对小流量阀227和大流量阀228应用前馈控制和反馈控制，高精度地将燃料供给到燃烧单元214。
这样的两个阀，即具有互不相同的压力流量特性的小流量阀227 和大流量阀228被设置为使得确保高响应性的同时，在从低输出到高 输出的全输出范围内执行高精度的控制，并且因此以改善电力效率。
专利文献l:日本未审査专利申请公布No. 7(1995)-126002。 专利文献2:日本未审查专利申请公布No. 2001-338671。
发明内容
然而，在传统改质装置中，当安装多个泵时，每个泵的容量没有 被用到最大限度。因此，必须采用大泵，并且第一个问题是已经采用 了较大的改质装置。
接着，说明第二个问题。
近年来，已经进行了为家用发电机应用这样的燃料电池系统的尝 试，并且，事实上，制造者已经开始试验性地引入燃料电池系统作为 家用发电机。因此，存在承受不能由专利文献1和专利文献2中所公 开的方法来解决的问题的可能性。
具体的，当燃料电池系统将用作家用发电机时，它必须适于用户 的不同使用方式。而且，成本需要降低。
引用的文献1和文献2都是基于采用例如甲醇或类似物的酒精燃 料的前提。然而，当燃料电池系统用作住宅中的发电机时，如果能通 过碳氢化合物气体，例如包括天然气等的民用燃气和丙烷气体(这些 气体作为基本气体已经被广泛使用)，而不是利用含酒精的液体来运 行发电机，它将是高度便利的。
然而，当假定采用碳氢化合物气体作为燃料的燃料电池系统应用 到家庭用途时，需要经过多长时间后燃料电池系统才能准备好发电将 是另一个问题。
当燃料是碳氢化合物气体，并且燃料电池系统在由于用于改质的 燃料而停止很长时间的状态中使用碳氢化合物气体时，需要从系统启 动到准备正常运行的状态的大约一小时左右的暖机运行。这种情况下， 不像正常运行，燃烧单元所需求的燃料的量大约是系统连续运行期间 所需求的燃料的量的20至40倍。
原因是燃料电池中的发电是基于化学反应的，然而在如专利文献1 和专利文献2中所述的含有酒精的燃料(例如甲醇)的情况下，蒸发 改质能在200。C至300°C的温度下进行，具体的，在改质碳氢化合物 气体中包含的甲烷或类似物的情况下，需要600°C或者更高的温度。 然而， 一旦出现改质反应，虽然总体上发热量是负的，但是某种程度 上，热量被生成并且因此在反应出现的状态中，仅需要小量的热。
也就是说，尽管需要加热到600°C或者更高并且系统启动时需要 许多燃料，但是正常运行期间通过反应能够补充热量，因此燃烧单元 中使用的燃料的量能够减少。
而且，燃烧单元需要的热能也根据运行条件而变化。
作为一个具体示例，当一对工作夫妇在单独的房子里使用燃料电 池系统发电时，假定在白天，因为他们离家工作和上床之后几乎不耗 电，因此仅仅在早晨和晚上耗电。
如上所述，在电能几乎不消耗的时区中，即使当连续供热时，只 要发电量小，则仅仅需要最小量热以维持反应。 作为对比，在通常使用的燃料泵的情况下，燃料供给量的可用范 围从系统构造来确定。例如，当采用具有最大流量3L/min的泵以确保 燃烧单元启动所需的流量时，可靠的最小流量约是0.3 L/min并且在流 量低于该流量时不能获得稳定供给。
然而，这样的最小流量对于满足上面条件是不够的，并且如果有 节能的目标，那么需要0.1L/min或更小的最小流量。
也就是说，当采用天然气作为燃料的燃料电池系统用于家用时， 燃烧单元所需燃料的流量根据假定的运行状态大范围变化，因此，这 里的问题是普通泵很难覆盖所需最大流量和最小流量两者。
在如引用文献1中所述的这样的系统的情况下，仅仅安装一个燃 料泵以将燃料供给到燃烧单元，因此该泵不能满足上述条件。而且， 虽然引用文献2中所述方法是有效的，但是这样的用于供给燃料的泵 具有高的特殊性，而且，如果将家用中的普遍情况考虑在内，则从成 本的角度考虑，在燃料供给线路中并联采用两个燃料泵不是优选的。
已经做出本发明以解决上述问题，并且本发明的目标是提供一种 改质装置， 一种用于控制燃料电池系统中的泵的方法和一种控制装置， 能够通过较简单的构造高精度地供给燃料。
根据本发明的改质装置具有下述构造
(1)改质装置包括改质单元，用于对供给到其中的燃料进行改质 以生成氢气；燃烧单元，用于使供给到其中的燃料燃烧以加热所述改 质单元；第一燃料泵，用于压縮燃料并将燃料供给到第一燃料线路， 所述燃料通过该第一燃料线路被供给到所述燃烧单元；第二燃料泵， 用于压縮燃料并将燃料供给到第二燃料线路，所述燃料通过该第二燃 料线路被供给到所述改质单元；以及旁通线路，将所述第一燃料线路 和所述第二燃料线路连通。
(2) 如(l)所述的改质装置，所述第一燃料泵具有比所述第二燃料 泵的供给容量小的供给容量。
(3) 如(2)所述的改质装置，所述旁通线路包括第二截止阀。
(4) 如(3)所述的改质装置，所述第一燃料泵具有当所述燃料在所
述改质单元处被改质时使所述燃烧单元处所需要的最小量的燃料能被 稳定供给的燃料供给能力，和所述第二燃料泵具有当所述燃料在所述 改质单元处被改质时使所述改质单元处所需要的最大量的燃料能被稳 定供给的燃料供给能力。
根据本发明的用于控制燃料电池系统中的泵的方法具有下述构
造
(5)在用于控制燃料电池系统中的泵的方法中，该燃料电池系统 包括用于从燃料产生氢气的改质单元；用于加热所述改质单元的燃 烧单元；通过第一燃料线路连接到所述燃烧单元的第一燃料泵，该泵 用于将所述燃料供给到所述燃烧单元；通过第二燃料线路连接到所述 改质单元的第二燃料泵，该泵用于将所述燃料供给到所述改质单元； 以及连接到所述改质单元和所述第二燃料泵之间的所述第二燃料线路 的一点的第一截止阀，所述系统还包括将所述第一截止阀和所述第二 燃料泵之间的所述第二燃料线路的一点连接到所述第一燃料线路的旁 通线路，所述方法包括在系统启动时关闭所述第一截止阀并且通过所 述第二燃料泵使所述燃料经过所述旁通线路供给到所述燃烧单元的系 统启动步骤，以及在运行期间开启所述第一截止阀的系统运行步骤。
(6)如(5)所述的用于控制燃料电池系统中的泵的所述方法中，所 述旁通线路设置有第二截止阀，以及所述系统启动步骤包括开启所述 第二截止阀，并且所述系统运行步骤包括关闭所述第二截止阀。
C7)如(5)所述的用于控制燃料电池系统中的泵的所述方法中，所 述第一燃料泵具有当所述燃料在所述改质单元处被改质时使所述燃烧 单元处所需要的最小量的燃料能被稳定供给的燃料供给能力，和所述 第二燃料泵具有当所述燃料在所述改质单元处被改质时使所述改质单 元处所需要的最大量的燃料能被稳定供给的燃料供给能力。
根据本发明的燃料电池系统中的泵的控制装置具有下述构造 (8)用于燃料电池系统中的泵的控制装置，所述燃料电池系统包 括用于从燃料产生氢气的改质单元；用于加热所述改质单元的燃烧 单元；通过第一燃料线路连接到所述燃烧单元的第一燃料泵，该泵用 于将所述燃料供给到所述燃烧单元；通过第二燃料线路连接到所述改 质单元的第二燃料泵，该泵用于将所述燃料供给到所述改质单元；以 及连接到所述改质单元和所述第二燃料泵之间的所述第二燃料线路的 一点的第一截止阀，其中所述系统还包括将所述第一截止阀和所述第 二燃料泵之间的所述第二燃料线路的一点连接到所述第一燃料线路的 旁通线路，以及所述第一燃料泵具有比所述第二燃料泵的供给容量小 的供给容量。
(9) 在如(8)所述的用于燃料电池系统中的泵的控制装置中，所述 旁通线路包括第二截止阀。
(10) 在如(8)所述的燃料电池系统中的泵的控制装置中，所述第一 燃料泵具有当所述燃料在所述改质单元处被改质时使所述燃烧单元处 所需要的最小量的燃料能被稳定供给的燃料供给能力，和所述第二燃 料泵具有当所述燃料在所述改质单元处被改质时使所述改质单元处所 需要的最大量的燃料能被稳定供给的燃料供给能力。
接下来说明所述改质装置的功能和效果，用于控制燃料电池系统 中的泵的方法，以及具有上述构造的控制装置。
设置有使所述第一燃料线路和所述第二燃料线路连通的所述旁通 线路，因此，当泵中的一个具有备用容量时，通过增加具有备用容量 的所述泵的输出，能够弥补其它泵的不足容量。
因此，获得了良好的效果，即在两个泵的供给容量都小于传统泵 的供给容量的情况下，通过所述泵总能够将需求量的燃料供给到所述 燃烧单元。
而且，由于所述第二燃料泵最初用于将燃料供给到所述燃料改质 装置，因此，仅仅通过增加旁通线路而没有如当安装新泵时出现的额 外成本，就能供给需求量的燃料是可能的。
而且，由于所述第一燃料泵的供给容量小于所述第二燃料泵的供 给容量，因此，与独立运行的情况相比，所述第一燃料泵的供给容量 能够减小。这里，压縮能力能够类似地用作控制方式而代替泵的供给 容量。也就是说，所述第一燃料泵的最大压縮能力应小于所述第二燃 料泵的最大压縮能力。
而且，所述第二截止阀设置在所述旁通线路中，使得所述第一燃 料线路能从所述第二燃料线路断开，因此在运行期间能够控制每个泵 而不影响其它泵。
当系统启动时，通过关闭所述第一截止阀和打开所述第二截止阀， 使得将燃料由第二燃料泵经过所述旁通线路供给到所述燃烧单元的第 一流动通道被使用。相比较地，在运行期间，通过开启所述第一截止 阀，关闭所述第二截止阀并且断开所述旁通线路，使得将燃料通过第 一燃料泵供给到所述燃烧单元，并且利用第二燃料泵将燃料供给到所 述改质装置的第二流动通道被使用。因此，切换通道使得系统启动时 大量燃料通过所述第二燃料泵来供给，且使得正常运行期间小量燃料 通过所述第一燃料泵来供给。
因此，能够获得总是仅将需求量的燃料供给到所述燃烧单元的良 好效果。
而且，所述第一燃料泵具有当燃料在改质装置中被改质时使得能 够稳定供给所述燃烧单元所需求的最小量的燃料的燃料供给能力，并 且所述第二燃料泵具有当燃料在改质装置中被改质时使得能够稳定供
给改质装置所需求的最大量的燃料的燃料供给能力。因此，所述第一 泵的供给容量能被降低至一燃料供给水平，当所述燃料在所述改质装 置中被改质时，该燃料供给水平使得能够稳定供给所述燃烧单元所需 求的最小量的燃料。
而且，系统启动时，由于不需要将燃料供给到所述改质装置，所 述第一燃料泵能用于供给初次燃烧所需量的燃料。正常运行期间，所 述第二泵能用于供给连续运行所需量的燃料。因此，所述系统能够稳 定运行。而且，将最优量的燃料供给到所述改质装置和所述燃烧单元 也是可能的。
图1是示出了用于控制燃料电池系统中的天然气泵的方法或者本
实施例系统中的改质装置的构造的示意图。
图2是示出了本实施例中作为在系统启动时使用的流动通道的第
一流动通道的构造的示意图。
图3是示出了本实施例中作为在正常运行期间的流动通道的第二
流动通道的构造的示意图。
图4是示出了本实施例中在启动时的系统流程的流程图。
图5是示出了本发明的第二实施例的构造的示意图。
图6是专利文献1中的燃料电池发电系统的系统构造图；以及
图7是专利文献2中的燃料电池的控制系统的构造示意图。
附图标记说明
10. 燃料改质系统
11. 用于燃烧的燃料泵
12. 用于改质的燃料泵
13. 燃料供给单元
14. 燃料气体截止阀
15. 第二截止阀
16.第一截止阀17.第一燃料线路18.第二燃料线路19.旁通线路20.燃烧单元21.改质单元22.空气入口部件23.排气管24.堆叠线路(stack line)
具体实施例方式
参考附图，现在将给出用于控制燃料电池系统中的泵的方法的优 选实施例的详细描述和具体表达本发明的系统。在本实施例中，天然 气用作燃料。
图1是示出了用于控制燃料电池系统中的天然气泵的方法或者根 据本实施例的系统的改质装置的构造的示意图。
燃料改质系统10包含燃料供给单元13，燃烧单元20和改质单元 21，并且它们通过管道相互连接。
燃料气体截止阀14 (双联阀)设置于燃料供给单元13的一端，并 且用于燃烧的燃料泵11和用于改质的燃料泵12连接到燃料气体截止 阀14的另一端。
燃料通过燃料泵11，经第一燃料线路17，从燃料供给单元13供 给到燃烧单元20以用于燃烧。燃料也通过燃料泵12，经第二燃料线路 18，从燃料供给单元13供给到改质单元21以用于改质。第一截止阀 16安装在第二燃料线路18中。 安装旁通线路19，使得将第一燃料线路17连接到在第一截止阀 16和用于改质的燃料泵12之间的第二燃料线路的中间。然后，第二截
止阀15安装在旁通线路19中。
第一燃料线路17是使得燃烧单元20和用于燃料供给的燃料供给 端口 (例如，设置在建筑物中的燃料供给端口或者储存燃料的储存容 器的供给端口)之间能够连通的线路。通过燃料供给端口供给的燃料 经由第一燃料线路17输送到燃烧单元20。而且，第二燃料线路18是 使得改质单元21和燃料供给端口之间能够连通的线路，并且通过该供 给端口供给的燃料经由第二燃料线路18输送到改质单元21。
选择具有i L/miti的最大排出量的泵作为用于燃烧的燃料泵11。 该用于燃烧的燃料泵11具有止回阀，并且能够控制流量降低至最小约 0.1 L/min。
同时，选择具有5 L/min的最大排出量的泵作为用于改质的燃料泵 12。该用于改质的燃料泵12具有止回阀，并且能够控制流量降低至最 小约0.5 L/min。
空气入口部件22和排气管23连接到燃烧单元20，并且从燃料供 给单元13输送的燃料与通过空气入口部件22导入的空气混合，燃烧 并且通过排气管23排出。
堆叠线路24连接到改质单元21，并且通过从燃料改质生成的燃料 气体经由该堆叠线路24被输送到未示出的燃料电池单元。
此处，尽管未示出，在改质单元21和堆叠线路24之间，安装有 使改质单元21中产生的燃料气体中的一氧化碳受到转移反应的转移反 应单元和还原从转移反应单元排出的燃料气体中的一氧化碳的一氧化 碳还原单元。燃料气体中一氧化碳的浓度能够通过转移反应单元和一
氧化碳还原单元而减少，所述一氧化碳毒化燃料电池的电极催化剂。 作为一氧化碳还原单元，能够通过供给小量空气来选择性地氧化并移
除一氧化碳的一氧化碳选择氧化单元可以被采用。 一氧化碳还原单元 也可以被替代为甲烷化单元，使得通过一氧化碳与水反应来形成甲烷。
这种构造由作为应用天然气的燃料电池系统的一部分的燃料改质 系统10来表示。然后，该燃料电池系统被容纳在一个外壳中，以安装 在普通家庭、小商店或类似地方，该燃料电池系统还包括燃料电池单 元，恢复水箱，蒸发器，冷凝器及未示出并且连接到堆叠线路24的另 一端的其它部件。
如上所述，由于天然气或类似物用作燃料，因此优点是燃料电池 系统能够容易地用于例如丙烷气体、民用燃气或类似物的基础燃气己 准备好的环境中。
接下来，解释流动通道的构造。
图2中示出的第一流动通道的构造表示了系统启动时的流动通道。
当系统启动时，第一截止阀16关闭并且第二截止阀15开启。而 且，用于燃烧的燃料泵11没有被启动，并且用于改质的燃料泵12被 启动。而且，燃料气体截止阀14开启。
因此，燃料通过用于改质的燃料泵12从燃料供给单元13中泵出， 并且通过第二燃料线路18和在其中间分支出的旁通线路19，通向第一 燃料线路17，因此燃料被供给到燃烧单元20。
图3中示出的第二流动通道的构造表示了正常运行期间的流动通道。
正常运行期间，第一截止阀16开启并且第二截止阀15关闭。而 且，用于燃烧的燃料泵11和用于改质的燃料泵12被启动，并且燃料
气体截止阀14开启。
因此，燃料通过用于燃烧的燃料泵11从燃料供给单元13中泵出， 并且通过第一燃料线路17进入燃烧单元20。同时，燃料通过用于改质 的燃料泵12从燃料供给单元13中泵出并且通过第二燃料线路18进入 改质单元21。这种情况下，由于第二截止阀15关闭，燃料不通过第一 燃料线路17和第二燃料线路18之间。
如上所述构造燃料改质系统10，这使得通过改质燃料将氢气供给 到燃料电池成为可能。
接下来，图4中示出了启动时的系统流程，并且说明了用于控制 燃料电池系统中的天然气泵的方法以及根据本发明的系统启动时的控 制装置的运行。
当歩骤S10中系统启动时，步骤Sll中发出开启燃料气体截止阀 14的命令，使得燃料气体截止阀14开启，并且因此准备供给燃料。步 骤S12中，发出开启第二截止阀15的命令，使得第二截止阀15开启 并且因此燃料准备通过旁通线路19。由于该状态与图2中所示的第一 流动通道的构造相对应，因此第一截止阀16关闭，并且因此燃料不供 给到改质单元21。
步骤S13中，发出驱动用于改质的燃料泵12的命令，并且到燃烧 单元的燃料供给开始。如前所述，启动时燃烧单元20需要大量的燃料， 使得能够启动改质单元21中的反应。因此，燃料通过具有大排出容量 的用于改质的燃料泵12被输送到燃烧单元20。
步骤S14中，点火命令发出到燃烧单元20。这种情况下，燃烧在
燃烧单元20中开始，空气通过空气入口部件22吸入，并且由燃烧生
成的气体通过排气管23排出。
步骤S15中，减少流量的命令发出到用于改质的燃料泵12。当燃 烧单元20中的燃烧启动时，必要的能量被聚积，因此用于改质的燃料 泵12的输出被逐渐减少以控制燃烧。
步骤S16中，连续地，情况被维持直到用于改质的燃料泵12处的 流量达到1 L/min (步骤S16中，No)。当流量变得低于1 L/min (步骤S16 中，Yes)时，流程前进到步骤S17，该步骤中，发出驱动用于燃烧的 燃料泵11的命令。然后，步骤S18中发出停止用于改质的燃料泵12 的命令。步骤S19中发出关闭第二截止阔15的命令。步骤S20中发出 开启第一截止阀16的命令。步骤S21中再次启动用于改质的燃料泵 12，从而启动燃料供给到改质单元21。此后，流程进行到步骤S22中 的发电顺序中。
该状态与图3中示出的第二流动通道的构造相对应，并且燃料通 过用于燃烧的燃料泵11和用于改质的燃料泵12分别供给到燃烧单元 20和改质单元21。
由于以上构造，根据本发明的燃料电池系统泵控制方法和控制装 置示出了下列功能和效果。
能够通过使用旁通线路19，在为系统启动和为正常运行之间切换 流动通道，并且能够选择将使用的泵。这使得系统启动时通过具有大 排出容量的用于改质的燃料泵12将燃料输送到燃烧单元20和正常运 行期间通过具有小排出容量的用于燃烧的燃料泵11将燃料输送到燃烧 单元20成为可能，因此能够稳定供给必需量的燃料。
因此，即使在正常运行期间发电量低的情况下(以前这已经成为
一个问题)，稳定输送燃料，改善燃料经济性，并且降低排放已经成 为了可能。
参照图5，说明了本发明的第二实施例。图5中所示的构造几乎与 图1中所示的构造一样。因此，相同部件通过相同附图标记表示，其 解释省略并且仅仅解释不同的部件。与图1中所示构造不同的是第二
截止阀15未安装在旁通线路19中。
具体的，即使在仅安装旁通线路19而未安装第二截止阀15的情 况下，也能够通过在第一燃料线路17和第二燃料线路18中安装压力 传感器(未示出)和分别反馈两条线路的压力值，从第二燃料线路18 将任意量的燃料供给到第一燃料线路17。总的来讲，依照Bernoulli方 程，通过压差确定流体的流量。因此，具有预定面积的孔设置在旁通 线路19中，使得通过从第二燃料线路18和第一燃料线路17之间的压 差计算流量并且将结果流量乘以孔的面积，能够控制将从第二燃料线 路供给到第 一 燃料线路的燃料的量。
第二实施例具有第二截止阀15被省略的优点。
而且，即使在未安装压力传感器时，具有预定开口面积的孔必须 仅仅设置在旁通线路19中。启动时，第一截止阀16关闭，因此供给 与驱动第一燃料泵和第二燃料泵两者相对应的大量的燃料是可能的。 在正常运行期间，第一截止阀16开启，通过第二燃料泵供给燃料并且 将一预定量的燃料供给到第一燃料线路是可能的。
如上所述，通过在第一和第二实施例中示出的改质装置，实现了 下列效果。
(1)提供了用于改质被供给的燃料以产生氢气的改质单元21，用 于燃烧被供给的燃料以加热所述改质单元21的燃烧单元20，用于压縮
并将燃料供给到第一燃料线路17以将燃料输送到所述燃烧单元20的 第一燃料泵11，用于压縮并将燃料供给到第二燃料线路18以将燃料供
给到所述改质单元21的第二燃料泵12，和将所述第一燃料线路17和 所述第二燃料线路18连通的旁通线路19。因此，当其它泵具有备用容 量时，通过增加具有备用容量的其它泵的输出来弥补泵的不足容量是 可能的。这使得在系统启动时，通过第二燃料泵供给大量的燃料并且 在正常运行期间，通过第一燃料泵供给小量的燃料是可能的。
因此，获得了总是仅将所需量的燃料供给到燃烧单元的良好效果。
而且，第二燃料泵最初用于将燃料供给到燃料改质单元。因此， 仅仅加入旁通线路以供给所需量的燃料，而没有如加入新泵情况下出 现的这样大的额外成本。
(2) 而且，第一燃料泵11的供给容量小于第二燃料泵12的供给容 量。因此，能够减少第一燃料泵的供给容量。
(3) 而且，由于第二截止阀15安装于旁通线路19中，第一燃料线 路能从第二燃料线路断开。这使得在正常运行期间，没有其它泵影响 地控制每一个泵成为可能。此外，因为不必精确控制第一燃料泵11和 第二燃料泵12，因此控制装置能够简化。
(4) 而且，第一燃料泵11具有燃料供给能力，该燃料供给能力使 得当燃料在改质单元21处被改质时，能够稳定供给燃烧单元20处所 需求的最小量的燃料。第二燃料泵12具有燃料供给能力，该燃料供给 能力使得当燃料在改质单元21处被改质时，能够稳定供给改质单元21 处所需求的最大量的燃料。因此，降低第一泵的供给容量到燃料供给 级别是可能的，该燃料供给级别使得当燃料在改质单元处被改质时， 能够稳定供给燃烧单元处所需求的最小量的燃料。
而且，系统启动时，燃料不需要供给到改质单元，因此第一燃料 泵用于提供初次燃烧所必需的燃料。正常运行期间，第二泵用于供给 连续运行所需求的燃料。因此，系统能够稳定运行。而且，将最优量 的燃料稳定供给到改质单元和燃烧单元是可能的。
如上所述，用于控制燃料电池系统中的泵的方法和根据本实施例 的控制装置能够表现出下列良好效果。
(5) 在用于控制燃料电池系统的泵的方法中，所述燃料电池系统包 括用于从燃料产生氢气的改质单元21，用于加热所述改质单元21的燃
烧单元20，经第一燃料线路17连接到所述燃烧单元20并用于将燃料 供给到所述燃烧单元20的第一燃料泵11，经第二燃料线路18连接到 所述改质单元21并用于将燃料供给所述改质单元21的第二燃料泵12， 和安装在所述第二燃料线路18中并连接到所述改质单元21和所述第 二燃料泵12之间一点的第一截止阀16。进一步设置了用于将所述第一 燃料线路17连接到所述第一截止阀16和所述第二燃料泵12之间的所 述第二燃料线路18中的一位置的旁通线路19。所述第一燃料泵12的 供给容量小于所述第二燃料泵ll的供给容量。系统启动时，通过关闭 所述第一截止阀16并且由所述第二燃料泵12经过所述旁通线路19将 燃料供给到所述燃烧单元20，执行系统启动步骤。系统运行期间，通 过开启所述第一截止阀执行系统运行步骤。因此，在系统启动时从用 于改质的燃料泵12供给大量的燃料，并且在系统正常运行期间从用于 燃烧的燃料泵11供给小量的燃料是可能的。
(6) 而且，所述第二截止阀15安装于所述旁通线路19中，使得所 述第二截止阀15在系统启动步骤中开启，在系统运行时关闭。因此， 能够通过简单的控制来最优控制整个系统。而且，所述用于燃烧的燃 料泵11用于将初次燃烧所需的燃料量供给到所述燃烧单元20。在系统 运行期间，所述用于改质的燃料泵12用于将连续运行所需的燃料供给 到所述燃烧单元20。因此，稳定运行系统是可能的。
(7)而且，所述第一燃料泵11具有燃料供给能力，该燃料供给能 力使得当燃料在所述改质单元21处被改质时，能够稳定供给所述燃烧 单元20处所需求的最小量燃料。所述第二燃料泵12具有燃料供给能 力，该燃料供给能力使得当燃料在所述改质单元21处被改质时，能够 稳定供给所述改质单元21处所需求的最大量燃料。因此，第一泵的供
给容量能降低至燃料供给级别，该燃料供给级别使得当燃料在所述改 质单元处被改质时，能够稳定供给燃烧单元处所需求的最小量的燃料。
而且，系统启动时，燃料不需要供给到所述改质单元21，并且所
述第一燃料泵11用于供给初次燃烧所需求的燃料。正常运行期间，所
述第二泵12用于供给连续运行所需求的燃料。因此，系统能够稳定运
行。而且，将最优量的燃料稳定供给到改质单元和燃烧单元是可能的。
上面说明了根据本发明的改质装置和燃料电池系统气泵控制方法 的具体实施例。然而，本发明不局限于那些实施例，并且只要其任何 修改未背离本发明的实质特征，就不能将该修改排除于本发明保护范 围之外。
例如，虽然实施例中用于燃烧的燃料泵11的容量设置在1 L/min 并且用于改质的燃料泵12的容量设置在5 L/min，但是该容量将依照 燃料电池的容量进行变化。本发明可以变化泵的组合中的泵的容量， 该泵的组合使得能够将燃料稳定供给到燃烧单元20和改质单元21。
而且，虽然已经基于天然气进行了说明，但是可以采用丙烷气体， 并且在安装旁通线路19的发明的情况中，也可以采用全碳氢化合物类 型的燃料，例如甲醇或类似物。
权利要求
1.一种改质装置，包括改质单元，用于对供给到所述改质单元的燃料进行改质以生成氢气；燃烧单元，用于使供给到所述燃烧单元的燃料燃烧以加热所述改质单元；第一燃料泵，用于压缩燃料并将燃料供给到第一燃料线路，所述燃料通过该第一燃料线路被供给到所述燃烧单元；第二燃料泵，用于压缩燃料并将燃料供给到第二燃料线路，所述燃料通过该第二燃料线路被供给到所述改质单元；以及旁通线路，将所述第一燃料线路和所述第二燃料线路连通。
2. 如权利要求1所述的改质装置，其中所述第一燃料泵具有比所述第二燃料泵的供给容量小的供给容后— 里。
3. 如权利要求2所述的改质装置，其中 所述旁通线路包括第二截止阀。
4. 如权利要求3所述的改质装置，其中所述第一燃料泵具有当所述燃料在所述改质单元处被改质时使所 述燃烧单元处所需要的最小量的燃料能被稳定供给的燃料供给能力， 和所述第二燃料泵具有当所述燃料在所述改质单元处被改质时使所 述改质单元处所需要的最大量的燃料能被稳定供给的燃料供给能力。
5. —种用于控制燃料电池系统中的泵的方法，所述燃料电池系 统包括用于从燃料产生氢气的改质单元； 用于加热所述改质单元的燃烧单元；通过第一燃料线路连接到所述燃烧单元的第一燃料泵，该泵用于 将所述燃料供给到所述燃烧单元；通过第二燃料线路连接到所述改质单元的第二燃料泵，该泵用于将所述燃料供给到所述改质单元；以及连接到所述改质单元和所述第二燃料泵之间的所述第二燃料线路 的一点的第一截止阀，其中，所述系统还包括将所述第一截止阀和所述第二燃料泵之间 的所述第二燃料线路的一点连接到所述第一燃料线路的旁通线路，所述方法包括在系统启动时关闭所述第一截止阀并且通过所述第 二燃料泵使所述燃料经过所述旁通线路供给到所述燃烧单元的系统启 动步骤，以及在运行期间开启所述第一截止阔的系统运行步骤。
6. 如权利要求5所述的用于控制燃料电池系统中的泵的方法，其中所述旁通线路设置有第二截止阀，以及所述系统启动步骤包括开启所述第二截止阀，并且所述系统运行 步骤包括关闭所述第二截止阀。
7. 如权利要求5所述的用于控制燃料电池系统中的泵的方法，所述第一燃料泵具有当所述燃料在所述改质单元处被改质时使所 述燃烧单元处所需要的最小量的燃料能被稳定供给的燃料供给能力， 禾口所述第二燃料泵具有当所述燃料在所述改质单元处被改质时使所 述改质单元处所需要的最大量的燃料能被稳定供给的燃料供给能力。
8. —种用于燃料电池系统中的泵的控制装置，所述燃料电池系统包括用于从燃料产生氢气的改质单元； 用于加热所述改质单元的燃烧单元；通过第一燃料线路连接到所述燃烧单元的第一燃料泵，该泵用于 将所述燃料供给到所述燃烧单元；通过第二燃料线路连接到所述改质单元的第二燃料泵，该泵用于 将所述燃料供给到所述改质单元；以及连接到所述改质单元和所述第二燃料泵之间的所述第二燃料线路 的一点的第一截止阀，其中，所述系统还包括将所述第一截止阀和所述第二燃料泵之间 的所述第二燃料线路的一点连接到所述第一燃料线路的旁通线路，以 及所述第一燃料泵具有比所述第二燃料泵的供给容量小的供给容
9. 如权利要求8所述的用于燃料电池系统中的泵的控制装置，其 中所述旁通线路包括第二截止阀。
10. 如权利要求8所述的用于燃料电池系统中的泵的控制装置，其中所述第一燃料泵具有当所述燃料在所述改质单元处被改质时使所 述燃烧单元处所需要的最小量的燃料能被稳定供给的燃料供给能力， 和所述第二燃料泵具有当所述燃料在所述改质单元处被改质时使所 述改质单元处所需要的最大量的燃料能被稳定供给的燃料供给能力。
全文摘要
目标是提供一种改质装置，一种用于控制燃料电池系统中天然气泵的方法及其它，能选择性地改变用于系统启动和用于正常运行的流量。在用于控制燃料电池系统中天然气泵的方法中，本发明的改质器包括将第一燃料线路(17)连接到第二燃料线路(18)的旁通线路(19)，所述燃料电池系统包括改质单元(21)，燃烧单元(20)，燃料供给单元(13)，用于燃烧的燃料泵(11)，用于改质的燃料泵(12)，和位于第二燃料线路(18)中的第一截止阀(16)。
文档编号C01B3/38GK101175690SQ20068001640
公开日2008年5月7日 申请日期2006年5月10日 优先权日2005年5月11日
发明者长田和浩 申请人:丰田自动车株式会社