专利名称：燃料电池系统及用于燃料电池系统的控制方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统及用于染料电池系统的控制方法。
背景技术：
燃料电池一般是通过使用氢和氧作为燃料而获得电力的装置。因为燃料电池具有优异的环境友好性并且可以实现高的能量效率，所以燃料电池被积极研发成未来的能量供应系统。具体地，在各种类型的燃料电池当中，固体聚合物燃料电池具有良好的启动能力，因为它们在相当低的温度下被驱动。相应地，固体聚合物燃料电池已经被深入研究以应用于各种领域。通过重整等产生在燃料电池中用于产生电力的燃料气体。例如，日本专利申请公开No. 2005-145748 (JP-A-2005-145748)描述向燃料电池提供通过对氨的热分解所获得的含氢气体作为燃料气体。但是，燃料电池的固体聚合物电解质膜的质子导电率随着含水量降低而降低。因此，固体聚合物电解质膜应当包括适当量的水。在JP-A-2005-145748中，在染料气体中不含水，因为在重整中通过对氨的热分解没有产生水。因此，采用通过氨的热分解所获得的燃料气体，固体聚合物电解质膜不是湿润的。在这种情况下，发电效率会降低。
发明内容
本发明提供燃料电池系统，其中燃料电池通过使用使氨重整而获得的燃料气体而变湿润，并且本发明还提供用于燃料电池系统的控制方法。本发明的一个方面涉及燃料电池系统，其包括固体高分子型的燃料电池，其通过使用含氢气体作为燃料气体来产生电力；重整装置，其通过使氨重整而产生燃料气体；和供应量比率控制单元，其对待供应至重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制。在该燃料电池系统中，通过对待供应至重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制，可以通过使用使氨重整所获得的燃料气体而容易地使燃料电池变湿润。燃料电池系统还包括湿润状态检测单元，湿润状态检测单元对燃料电池的湿润状态进行检测，并且供应量比率控制单元可以根据湿润状态检测单元的检测结果对待供应至重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制。在这种情况下，根据燃料电池的湿润状态可以容易地使燃料电池变湿润。供应量比率控制单元可以根据湿润状态检测单元的检测结果将待供应至重整装置的氧和氨的供应量比率控制在预定范围内。燃料电池系统还可以包括操作状态检测单元，操作状态检测单元对燃料电池的操作状态进行检测，并且供应量比率控制单元可以根据操作状态检测单元的检测结果对待供应至重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制。在这种情况下，根据燃料电池的操作状态 可以容易地使燃料电池变湿润。供应量比率控制单元可以根据操作状态检测单元的检测结果将待供应至重整装置的氧和氨的供应量比率控制在预定范围内。湿润状态检测单元可以是对燃料气体的露点进行检测的露点传感器。湿润状态检测单元可以是对燃料电池的电解质膜的膜电阻进行检测的电阻传感器。湿润状态检测单元可以是对燃料气体的相对湿度进行检测的湿度传感器。操作状态检测单元可以对燃料电池的输出密度进行检测的装置。供应量比率控制单元将待供应至重整装置的氧和氨的供应量比率控制到等于或小于0. 90的值。本发明的第二方法涉及用于燃料电池系统的控制方法，燃料电池系统包括固体高分子型的燃料电池以及重整装置，燃料电池通过使用含氢气体作为燃料气体来产生电力，重整装置通过使氨重整而产生燃料气体。控制方法包括对待供应至重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制。采用根据本发明的用于燃料电池系统的控制方法，通过对待供应至重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制，可以通过使用使氨重整所获得的燃料气体而容易地使燃料电池变湿润。
控制方法可以包括检测燃料电池的湿润状态；和根据检测到的燃料电池的湿润状态对待供应至重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制。在这种情况下，根据燃料电池的湿润状态可以容易地使燃料电池变湿润。根据检测到的燃料电池的湿润状态，可以将氧和氨的供应量比率控制在预定范围内。上述方法还可以包括检测燃料电池的操作状态；和根据检测到的燃料电池的操作状态对待供应至重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制。在这种情况下，根据燃料电池的操作状态可以容易地使燃料电池变湿润。此外，根据检测到的燃料电池的操作状态，可以将氧和氨的供应量比率控制在预定范围内。在上述构造中，通过对燃料气体的露点进行检测可以获取燃料电池的湿润状态。此外，在上述构造中，通过对燃料电池的电解质膜的膜电阻进行检测可以获取燃料电池的湿润状态。此外，在上述构造中，通过对燃料气体的相对湿度进行检测可以获取燃料电池的湿润状态。在上述构造中，通过对燃料电池的输出密度进行检测可以获取燃料电池的操作状态。此外，在上述构造中，可以将待供应至重整装置的氧和氨的供应量比率控制到等于或小于0. 90的值。采用根据本发明的燃料电池系统和用于燃料电池系统的控制方法，通过使用使氨重整所获得的燃料气体可以使燃料电池变湿润。
根据参照附图对示例性实施例的下列描述，本发明的前述以及其他目标、特征和优点将显而易见，其中，相同的附图标记用于表示相同的元件，其中图I是电池的示意性截面图；图2是示出燃料电池系统的构造的示意性示图；图3是与根据检测结果对空气/NH3比率进行控制的情况有关的流程图；图4示出燃料电池中电流密度和产生的电压之间的关系；图5示出在考虑到燃料电池的输出密度的情况下的空气/NH3比率；图6是与考虑到燃料电池的输出密度的情况有关的流程图；和图7A和图7B示出湿润状态检测单元的另一示例。
具体实施方式
下面将根据本发明的示例性实施例来说明本发明。下面说明根据本发明的第一实施例的燃料电池系统5。首先，将说明燃料电池系统5中使用的燃料电池50。燃料电池50由一堆多个电池200组成。图I是电池200的示意性截面图。电池200包括电解质膜201、阳极催化剂膜202、阴极催化剂膜203、第一气体扩散层204、第二气体扩散层205、第一分离物206和第二分离物207。具有质子导电率的固体聚合物电解质膜可以用作电解质膜201。阳极催化剂膜202和阴极催化剂膜203设置成将电解质膜201夹在中间。阳极催化剂膜202由包括催化剂的导电材料制成，该催化剂增强氢的质子化。阴极催化剂膜203由包括催化剂的导电材料制成，该催化剂增强质子和氧的反应。例如， 碳载钼(carbonsupporting platinum)可以用作阳极催化剂膜202和阴极催化剂膜203。第一气体扩散层204设置在阳极催化剂膜202的与电解质膜201相反的一侧上。第二气体扩散层205设置在阴极催化剂膜203的与电解质膜201相反的一侧上。第一气体扩散层204和第二气体扩散层205由具有导电性和透气性的材料制成。例如，碳纸或碳布形式的碳纤维可以用作具有导电性和透气性的材料。第一分离物206和第二分离物207由导电材料(例如，不锈钢)制成。燃料气体流动路径208形成于第一分离物206的位于电解质膜201 —侧的表面上，燃料气体在燃料气体流动路径208中流动。第一冷却剂流动路径210形成于第一分离物206的与电解质膜201相反一侧的表面上，冷却剂在第一冷却剂流动路径210中流动。氧化剂气体流动路径209形成于第二分离物207的位于电解质膜201 —侧的表面上，氧化剂气体在氧化剂气体流动路径209中流动。第二冷却剂流动路径211形成于第二分离物207的与电解质膜201相反一侧的表面上，冷却剂在第二冷却剂流动路径211中流动。例如，燃料气体流动路径208、氧化剂气体流动路径209、第一冷却剂流动路径210、第二冷却剂流动路径211由形成于第一分离物206和第二分离物207的表面中的凹槽组成。当产生电力时，电池200以下列方式操作。供应至电池200的氧化剂气体经过氧化剂气体流动路径209，扩散到第二气体扩散层205中，然后到达阴极催化剂膜203。供应至电池200的燃料气体经过燃料气体流动路径208，扩散到第一气体扩散层204中，然后到达阳极催化剂膜202。已经到达阳极催化剂膜202的燃料气体中包含的氢(H2)被催化剂分离成质子和电子。质子被电解质膜201传导并到达阴极催化剂膜203。在阴极催化剂膜203中，通过催化剂由氧化剂气体中包含的氧(O2)和电解质膜201所传导的质子产生水(H2O),并产生电力。产生的电力被输出到外部。未用于产生电力的燃料气体作为燃料排气从电池200排出。未用于产生电力的氧化剂气体作为氧化剂排气从电池200排出。当产生电力时，电池200根据以上所述进行操作。图2是示出燃料电池系统5的构造的框图。燃料电池系统5是使用经重整的气体作为燃料气体的燃料电池系统。下面将参照图2说明燃料电池系统5的构造。燃料电池系统5包括重整装置10、二次电池20、存储装置30、NH3处理装置40、燃料电池50、氢回收装置60、散热器70、加湿模块80、阀91和92、泵101至105、控制单元110、露点传感器121、电流传感器122、以及电压传感器123。重整装置10使启动燃料重整并产生经重整的气体。在本实施例中，重整装置10通过使用氨(NH3)作为启动燃料来产生经重整的气体。重整装置10的构造不具体限定，只要通过使用氨作为启动燃料可以产生经重整的气体。例如，本实施例的重整装置10包括催化装置11、重整器12和热交换器13。催化装置11、重整器12和热交换器13以此顺序进行连接。催化装置11包括增强对氨的氧化的催化剂以及用于加热该催化剂的加热器16a。因此，催化装置11是电加热的催化剂(EHC)。加热器16a的电源是二次电池20。重整器12包括用于将氨转化成氢和氮的催化剂。热交换器13包括加热器16b。热交换器13执行与从存储装置30提供至催化装置11的液氨的热交换。加热器16b的电源是二次电池20。
存储装置30存储液氨。连接存储装置30和催化装置11的流动路径的中间部分穿过热交换器13内部。阀91和泵101设置在连接存储装置30和催化装置11的流动路径中。NH3处理装置40用于对由重整装置10产生的经重整气体中所包含的氨进行处理。例如，NH3处理装置40具有用于去除经重整气体中所包含的氨的氨吸附剂。氢回收装置60从燃料电池50的燃料排气中回收氢。更具体地，氢回收装置60具有氢分离膜。氢分离膜选择性地传输氢。氢分离膜的类型不具体限定。例如，可以使用钯合金系的氢分离膜。散热器70对燃料电池50的冷却剂进行冷却。散热器70和燃料电池50通过用于循环冷却剂的流动路径来连接。用于循环冷却剂的泵103设置在该流动路径中。该流动路径连接到燃料电池50的第一冷却剂流动路径210和第二冷却剂流动路径211 (图I)。加湿模块80对提供至燃料电池50的氧化剂气体进行加湿。在本实施例中，加湿模块80通过使用氧化剂排气中所包含的水蒸气来对氧化剂气体进行加湿。用于控制氧化剂气体的流率的阀92设置在加湿模块80和燃料电池50的氧化剂排气出口之间。控制单元110是微型计算机，该微型计算机包括作为操作单元的中央处理器(CPU)、作为非易失性存储单元的只读存储器(ROM)、以及作为易失性存储单元的随机存取存储器(RAM)。控制单元110控制加热器16a、加热器16b、阀91和92、以及泵101至105的操作。露点传感器121设置在NH3处理装置40和燃料电池50之间，检测燃料气体的露点，并将获得的结果发送至控制单元110。电流传感器122检测燃料电池50的产生的电流，并将获得的结果发送至控制单元110。电压传感器123检测燃料电池50的产生的电压，并将获得的结果发送至控制单元110。下面将说明燃料电池系统5的启动处理。启动处理是从燃料电池系统5启动到通过重整装置10产生经重整的气体所执行的处理。在启动处理中，控制单元110驱动加热器16a和加热器16b。结果，催化装置11和热交换器13被加热。在由于通过加热器16a所执行的加热而引起催化装置11的催化剂的温度达到第一温度之后，控制单元110控制阀91到达打开状态并且控制泵101，以使得从存储装置30将氨以预定量供应至催化装置11。此外，控制单元110控制泵102，以使得以预定量将空气供应至催化装置11。第一温度不具体限定，只要可以显示出催化装置11的催化活性。例如，在本实施例中，第一温度设置成在200°C至300°C范围内的任意值。当将阀91控制到打开状态并且泵101被驱动时，存储装置30中以液体状态存在的氨通过与热交换器13中的加热器16b进行热交换而被加热并蒸发，然后流入到催化装置11中。在催化装置11中，由泵101引入的氨与由泵102引入的空气进行混合，在催化装置11的催化剂的活化作用下进行由下列表达式(I)表示的氧化反应(在(由ChemicalSociety of Japan出版的)Chemical Handbook中描述反应热)。在这种情况下,反应热被传导至与催化装置11相邻的重整器12并加热重整器12。NH3+3/402 — l/2N2+3/2H20+316. 62kJ/mol ... (I)当重整器12的温度达到第二温度时，控制单元110关闭加热器16a。第二温度不具体限定(在(由Chemical Society of Japan出版的)Chemical Handbook中描述反应热)，只要第二温度是在重整器12中进行由下列表达式(2)表示的重整反应的温度。在本实施例中，例如，第二温度是在700°C至800°C范围内的任意温度。控制单元110然后关闭加热器16a和加热器16b。通过上述处理来进行启动处理。NH3 — l/2N2+3/2H20-46. llkj/mol ... (2)即使在加热器16a和加热器16b被关闭之后，氨和空气也被继续供应至催化装置
11。在这种情况下，由于自热重整(自热交换重整)，由表达式(I)所表示的氧化反应在催化装置11中继续进行。在重整器12已经接收来自催化装置11的热量、并且热交换器13接收来自重整器12的热量的情况下，在热交换器13内部流动的液氨被蒸发。流动到催化装置11中的一部分氨与催化装置11中的空气一起参与由表达式(I)所表示的氧化反应。未在催化装置11中参与由表达式(I)所表示的氧化反应的氨流动到重整器12中，并通过在重整器12中进行的由表达式(2)所表示的重整反应而转变成经重整的气体。经重整的气体经过热交换器13，然后被引入到NH3处理装置40中。在NH3处理装置40中，从经重整的气体去除氨。已经去除氨的经重整气体作为燃料气体被供应至燃料电池50的燃料气体流动路径208 (参见图I)。露点传感器121检测供应至燃料电池50的燃料气体的露点，并将检测结果发送至控制单元110。因此，露点传感器121用作湿润状态检测单元。下面将描述燃料电池系统5的定常处理。在完成上述启动处理之后执行定常处理。在完成启动处理之后，控制单元110控制泵105，以使得预定量的空气被供应至燃料电池50的氧化剂气体流动路径209。结果，在燃料电池50中执行电力生成。泵104响应于来自控制单元110的指令而将燃料排气供应至氢回收装置60。氢回收装置60将引入的燃料排气供应至氢分离膜，并回收穿过氢分离膜的气体，从而从燃料排气中回收氢并将回收的氢供应至燃料电池50的燃料气体流动路径208 (参见图I)中。已去除氢的燃料排气被氢回收装置60排出到燃料电池系统5的外部。控制单元110控制阀92的操作。结果，氧化剂排气中所包含的水被引入到加湿模块80中。加湿模块80使用氧化剂排气中所包含的水，并对氧化剂气体进行加湿。泵103响应于来自控制单元110的指令而使冷却剂循环。因此，冷却剂被散热器70冷却。结果，燃料电池50保持在预定温度。假设在重整装置10中由上述表达式(I)所表示的氨的氧化反应没有进行，而只进行由上述表达式(2)所表示的氨的热分解反应。在这种情况下，在供应至燃料电池50的燃料气体中不包含水蒸气。因此，燃料电池50的电解质膜201会干透，并且发电效率会降低。在由表达式(I)所表示的氨的氧化反应深入进行以在燃料气体中引入水蒸气的情况下，在由表达式(I)所表示的反应中没有产生氢，因此氨利用效率降低。相应地，通过控制供应至重整装置10的空气/NH3比率，控制电解质膜201的湿润状态，并同时保持氨的利用效率。在本实施例中，控制单元110控制空气/NH3比率，以使得燃料气体的露点温度进入预定温度范围。结果，可以防止电解质膜201干透，并同时抑制溢流。通过使用对泵101和泵102的控制命令值，可以控制空气/NH3比率。因此，控制单元110和泵101、102用作供应量比率控制单元，供应量比率控制单元用于对到重整装置10的氧和氨的供应量比率进行控制。作为示例，当燃料气体温度是80°C时，燃料气体的露点温度优选在从接近45°C的温度到接近50°C的温度的范围内。露点温度范围可以根据燃料电池50的类型和标准而适当地改变。在这种情况下，通过控制空气/NH3比率可以控制燃料气 体中的水蒸气比率。在可以控制燃料气体中的水蒸气比率的情况下，可以控制燃料气体的相对湿度，并且还可以控制燃料气体的露点温度。表I示出在将露点温度控制到45°C和50°C的情况下的空气/NH3比率。如表I中所示，当燃料气体温度是80°C时，通过将空气/NH3比率控制到0. 62，燃料气体的露点温度可以控制到45°C。当燃料气体温度是80°C时，通过将空气/NH3比率控制到0. 90，燃料气体的露点温度可以控制到50°C。表I
项目露点温度45°C~ 露点温度50°C~
经重整气体中的水蒸气比率(％ ) 105IT9
经重整气体的相对湿度202671
空气/NH3 (mol (摩尔)比率)062090下面将描述在重整装置10中执行的自热重整。重整装置10中的热量产生的量应当控制为大于热量吸收的量，以维持重整装置10中的自热重整。重整装置10中热量产生的量包括由表达式(I)所表示的氨的氧化反应的热量的量、以及由热交换器13中的经重整气体的热交换所发出的热量的量。重整装置10中的热量吸收的量包括由表达式(2)所表示的热分解反应的热量的量、以及在供应至重整装置10的空气和氨的温度升高时所吸收的热量的量。表2示出供应至重整装置10的成分的比热和从重整装置10排出的成分的比热。根据表2中所示的比热、由表达式(I)所表示的反应热量、以及由表达式(2)所表示的反应热量，确定在重整装置10中热量产生的量和热量吸收的量变成彼此相等时的空气/NH3比率。表3至表5示出重整装置10中热量吸收的量。表3示出在热交换器13中氨和空气的温度从_33°C升高到750°C的情况下热量吸收的量。表4示出氨蒸发的潜热和在氨的分解反应期间热量吸收的量。表5示出热量吸收的总量。表6至8示出在重整装置10中热量产生的量。表6示出在经重整气体中的成分的温度从750°C降低到80°C的情况下热量散发的量(热量产生的量)。表7示出在氨的氧化期间热量产生的量。表8示出热量产生的总量。表9示出在重整装置10中热量吸收的量等于热量产生的量的情况下的空气/NH3比率。在使空气/NH3比率为0. 600的情况下，可以获得在重整装置10中热量吸收的量和热量产生的量之间的平衡。
表 权利要求
1.ー种燃料电池系统，其包括 固体高分子型的燃料电池，其通过使用含氢气体作为燃料气体来产生电力； 重整装置，其通过使氨重整而产生所述燃料气体； 供应量比率控制单元，其对待供应至所述重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制；和 湿润状态检测单元，其对所述燃料电池的湿润状态进行检测，其中所述供应量比率控制单元根据所述湿润状态检测单元的检测结果对待供应至所述重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制。
2.根据权利要求I所述的燃料电池系统，其中，所述供应量比率控制单元根据所述湿润状态检测单元的检测结果将待供应至所述重整装置的氧和氨的供应量比率控制在预定范围内。
3.根据权利要求I或2所述的燃料电池系统，其中，所述湿润状态检测单元是对所述燃料气体的露点进行检测的露点传感器。
4.根据权利要求I或2所述的燃料电池系统，其中，所述湿润状态检测单元是对所述燃料电池的电解质膜的膜电阻进行检测的电阻传感器。
5.根据权利要求I或2所述的燃料电池系统，其中，所述湿润状态检测单元是对所述燃料气体的相対湿度进行检测的湿度传感器。
6.ー种燃料电池系统，其包括 固体高分子型的燃料电池，其通过使用含氢气体作为燃料气体来产生电力； 重整装置，其通过使氨重整而产生所述燃料气体； 供应量比率控制单元，其对待供应至所述重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制；和 操作状态检测単元，其对所述燃料电池的操作状态进行检测，其中所述供应量比率控制单元根据所述操作状态检测単元的检测结果对待供应至所述重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述供应量比率控制单元根据所述操作状态检测単元的检测结果将待供应至所述重整装置的氧和氨的供应量比率控制在预定范围内。
8.根据权利要求6或7所述的燃料电池系统，其中，所述操作状态检测単元对所述燃料电池的输出密度进行检測。
9.根据权利要求I至8中任一项权利要求所述的燃料电池系统，其中，所述供应量比率控制单元将待供应至所述重整装置的氧和氨的供应量比率控制到等于或小于O. 90的值。
10.一种用于燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括固体高分子型的燃料电池以及重整装置，所述燃料电池通过使用含氢气体作为燃料气体来产生电力，所述重整装置通过使氨重整而产生所述燃料气体， 所述控制方法包括下列步骤 检测所述燃料电池的湿润状态；和 根据检测到的所述燃料电池的湿润状态对待供应至所述重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制。
11.根据权利要求10所述的用于燃料电池系统的控制方法，其中，根据检测到的所述燃料电池的湿润状态将氧和氨的供应量比率控制在预定范围内。
12.根据权利要求10或11所述的用于燃料电池系统的控制方法，其中，通过对所述燃料气体的露点进行检测来检测所述燃料电池的湿润状态。
13.根据权利要求10或11所述的用于燃料电池系统的控制方法，其中，通过对所述燃料电池的电解质膜的膜电阻进行检测来检测所述燃料电池的湿润状态。
14.根据权利要求10或11所述的用于燃料电池系统的控制方法，其中，通过对所述燃料气体的相対湿度进行检测来检测所述燃料电池的湿润状态。
15.一种用于燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括固体高分子型的燃料电池以及重整装置，所述燃料电池通过使用含氢气体作为燃料气体来产生电力，所述重整装置通过使氨重整而产生所述燃料气体，所述控制方法包括下列步骤 检测所述燃料电池的操作状态；和 根据检测到的所述燃料电池的操作状态对待供应至所述重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制。
16.根据权利要求15所述的用于燃料电池系统的控制方法，其中，根据检测到的所述燃料电池的操作状态将氧和氨的供应量比率控制在预定范围内。
17.根据权利要求15或16所述的用于燃料电池系统的控制方法，其中，通过对所述燃料电池的输出密度进行检测来检测所述燃料电池的操作状态。
18.根据权利要求10至17中任一项权利要求所述的用于燃料电池系统的控制方法，其中，将待供应至所述重整装置的氧和氨的供应量比率控制到等于或小于O. 90的值。
全文摘要
燃料电池系统(5)包括固体聚合物型的燃料电池，其通过使用含氢气体作为燃料气体来产生电力；重整装置(2)，其通过使氨重整而产生燃料气体；和供应量比率控制单元(110)，其对待供应至重整装置的氧和氨的供应量比率进行控制。
文档编号H01M8/06GK102714331SQ201180005998
公开日2012年10月3日 申请日期2011年1月11日 优先权日2010年1月12日
发明者永长秀男 申请人:丰田自动车株式会社