燃料电池模块单元和燃料电池装置的制作方法

燃料电池模块单元和燃料电池装置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年10月30日在日本递交的日本专利申请no.2020-183252的优先权，本技术的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本公开涉及燃料电池模块单元和燃料电池装置。


背景技术：

4.已知的燃料电池模块包括燃料电池单元堆叠和重整器。燃料电池单元堆叠经由诸如氢气之类的燃料气体的电化学反应来产生电。重整器经由原始燃料的重整反应来产生燃料气体以供应给燃料电池单元堆叠。重整反应通常在高温下发生，并且因此，在启动时需要增加重整器的温度(参照专利文献1)。
5.引文列表
6.专利文献
7.专利文献1：日本待审专利申请公开no.2007-103194。


技术实现要素：

8.在本公开的第一方面中，一种燃料电池模块单元包括燃料电池模块和控制器。
9.燃料电池模块包括重整器和燃料电池单元堆叠。
10.重整器被配置为通过蒸汽重整原始燃料气体来产生含氢的燃料气体。
11.燃料电池单元堆叠包括多个燃料电池单元，该燃料电池单元被配置为通过由重整器产生的燃料气体与氧化剂的电化学反应来产生电。
12.控制器被配置为从启动起直到在燃料电池单元堆叠中开始产生电为止，升高重整器的温度，并且在开始产生电之前，多次降低重整器的温度。
13.在第二方面中，一种燃料电池装置包括燃料电池模块和控制器。
14.燃料电池模块包括重整器和燃料电池单元堆叠。
15.重整器被配置为通过蒸汽重整原始燃料气体来产生含氢的燃料气体。
16.燃料电池单元堆叠包括多个燃料电池单元，该燃料电池单元被配置为通过由重整器产生的燃料气体与氧化剂的电化学反应来产生电。
17.控制器被配置为控制重整器和燃料电池单元堆叠。
18.控制器被配置为从启动起直到在燃料电池单元堆叠中开始产生电为止，升高重整器的温度，并且在开始产生电之前，多次降低重整器的温度。
附图说明
19.图1是示出了根据实施例的包括燃料电池模块单元的燃料电池装置的示意性配置的功能框图。
20.图2是示出了由图1中的控制器控制的重整器从启动重整器起直到开始产生电为止的温度的曲线图。
21.图3是用于描述由图1中的控制器执行的启动处理的流程图。
具体实施方式
22.在下文中，将参照附图描述应用了本公开的燃料电池模块单元的实施例。
23.如图1所示，根据本公开的实施例的燃料电池模块单元19包括在燃料电池装置11中。例如，燃料电池装置11是固态氧化物燃料电池装置，并且在700至1000℃的操作温度下操作。燃料电池装置11可以包括燃料电池模块单元19、第一供应单元15、第二供应单元16、第三供应单元17、以及用于燃料电池模块单元19的辅助设备，诸如热交换器、热介质罐和重整水罐。
24.燃料电池模块单元19包括燃料电池模块10和控制器14。燃料电池模块10包括重整器12和电池堆叠(燃料电池单元堆叠)13。如果控制器14具有能够执行下面描述的控制的配置，则控制器14在结构上可以位于形成燃料电池模块10的外壳内或该外壳外部。
25.重整器12通过使用重整水对诸如烃类气体之类的原始燃料气体进行蒸汽重整来产生诸如氢气之类的燃料气体。经由第一供应单元15向重整器12供应原始燃料气体。重整水经由第二供应单元16供应到重整器12。
26.电池堆叠13包括多个燃料电池单元。燃料电池单元经由燃料气体和诸如空气中包含的氧气之类的氧化剂的电化学反应来产生电。燃料电池单元通过电化学反应产生水。从燃料电池单元排出的未反应的燃料和未反应的氧化剂在设置在重整器12附近的燃烧单元18中燃烧。由燃烧单元18中的燃烧产生的能量用于重整器12中的蒸汽重整反应。从燃料电池单元中排出的水与从未反应的燃料和未反应的氧化剂的燃烧中产生的燃烧气体一起以热气态从燃料电池模块10中排出。
27.控制器14包括一个或多个处理器和存储器。此类处理器可以包括加载有特定程序以执行特定功能的通用处理器、以及专用于特定处理的专用处理器。专用处理器可以包括专用集成电路(asic)。处理器可以包括可编程逻辑器件(pld)。pld可以包括现场可编程门阵列(fpga)。控制器14可以是一个或多个处理器一起工作的片上系统(soc)或系统级封装(sip)。
28.控制器14直接或间接地控制燃料电池模块10和用于操作燃料电池模块10的各个装置。控制器14可以例如控制重整器12的温度。控制器14可以例如基于重整器12的入口处的温度和电池堆叠13附近的温度来控制重整器12的温度。控制器14可以从设置在重整器12的入口附近的温度传感器获取重整器12的入口温度。
29.具体地，控制器14可以通过调节向重整器12供应原始燃料气体和重整水的速率、以及在燃烧单元18的点火之后向电池堆叠13供应氧化剂的速率来控制重整器12的温度。控制器14可以通过控制第一供应单元15来调节向重整器12供应原始燃料气体的速率。控制器14可以通过控制第二供应单元16来调节向重整器12供应重整水的速率。控制器14可以通过控制第三供应单元17来调节向电池堆叠13供应氧化剂的速率。
30.控制器14可以基于蒸汽/碳比(s/c比)来控制原始燃料气体和重整水之一的供应速率。例如，控制器14可以控制第二供应单元16，使得重整水的供应速率相对于原始燃料气
体的供应速率具有使得实现所设置的s/c比的值。备选地，控制器14可以控制第一供应单元15，使得原始燃料气体的供应速率相对于重整水的供应速率具有使得实现所设置的s/c比的值。
31.控制器14从启动燃料电池模块10起升高重整器12的温度，直到在单元堆叠13中开始产生电为止。如图2所示，在电池堆叠13中开始产生电之前，控制器14多次降低重整器12的温度。这里，“重整器12的温度”可以指在重整器12的入口处的温度。在下面的描述中，重整器12的温度为重整器12的入口温度。控制器14可以调节重整器12的温度，使得重整器12的第二次温度下降的幅度大于重整器12的第一次温度下降的幅度。温度下降的幅度是在温度上升、然后下降、并且然后再次上升的过程期间的最大值和最小值之间的差值。控制器14可以控制温度，使得重整器12的第二次温度下降的持续时间长于重整器12的第一次温度下降的持续时间。温度下降的持续时间是从最大值所位于的时间点到温度从最大值所位于的时间点开始的温度下降中所达到的最小值升高了5％的时间点的时间。在下文中，将描述本实施例中的由控制器14所使用的更具体的温度控制方法。
32.在启动之后，控制器14使第一供应单元15发起原始燃料气体的供应，并使第三供应单元17发起氧化剂的供应。控制器14还通过点燃燃烧单元18来发起加热重整器12和电池堆叠13的过程。如下所述，加热过程可以包括重整准备过程、第一蒸汽重整过程、第二蒸汽重整过程和第三蒸汽重整过程。可以依次执行加热过程中的重整准备过程、第一蒸汽重整过程、第二蒸汽重整过程和第三蒸汽重整过程。供应原始燃料气体的速率在第一蒸汽重整过程至第三蒸汽重整过程中可以是恒定的，或可以在重整准备过程中降低。供应氧化剂的速率在第一蒸汽重整过程至第三蒸汽重整过程中可以是恒定的，或可以在重整准备过程中降低。
33.当重整器12的温度在重整准备过程期间达到第一重整阈值时，控制器14使第二供应单元16发起重整水的供应。第一重整阈值可以是可以发生蒸汽重整的温度，并且可以根据测量温度的位置而变化，并且例如，可以是60至100℃。在第一蒸汽重整过程中供应重整水的速率可以是不会导致燃烧单元18意外点燃的固定速率。作为发起供应的结果，第一蒸汽重整过程被发起。控制器14可以通过调节s/c比来将供应重整水的速率调节为恒定值。
34.在第一蒸汽重整过程期间，当重整器12的温度大于或等于第二重整阈值，且电池堆叠13附近的温度大于或等于第一堆叠阈值时，控制器14增加供应重整水的速率，同时保持供应原始燃料气体的速率。第二重整阈值可以是重整器12中的原始燃料气体的热解和重整催化剂的热降解可以保持在预期操作范围内的温度，并且可以是例如210至320℃，这取决于测量温度的位置。第一堆叠阈值是通过将下面描述的第二堆叠阈值乘以规定分数(诸如1/3)来获得的值，并且可以是例如130至170℃。
35.控制器14可以通过增加s/c比来增加供应重整水的速率。控制器14通过增加供应重整水的速率同时保持供应原始燃料气体的速率来发起第二蒸汽重整过程。在从第一蒸汽重整过程切换到第二蒸汽重整过程中，增加供应重整水的速率，同时保持供应原始燃料气体的速率，并且因此，重整器12的温度先降低一次并且然后再次升高。
36.在第二蒸汽重整过程期间，当重整器12的温度大于或等于第三重整阈值，且电池堆叠13附近的温度大于或等于第二堆叠阈值时，控制器14增加供应重整水的速率，同时保持供应原始燃料气体的速率。第三重整阈值可以是重整器12中的原始燃料气的热解和重整
催化剂的热降解可以保持在预期操作范围内的温度，并且可以例如与第二重整阈值相同或不同。第二堆叠阈值是例如在燃料电池模块的额定操作期间堆叠温度的值，该值被确定为以便在规定范围(诸如60至70％)内满足与第三重整阈值的相关性，并且可以是例如430至470℃。供应重整水的速率的增加可以是导致重整器12的温度下降的量大于在切换到第二蒸汽重整过程期间发生的重整器12的温度下降的幅度的增加。备选地，供应重整水的速率的增加也可以是导致温度下降持续时间长于切换到第二蒸汽重整过程期间重整器12的温度下降持续时间的增加。
37.控制器14可以通过增加s/c比来增加供应重整水的速率。控制器14通过增加供应重整水的速率同时保持供应原始燃料气体的速率来发起第三蒸汽重整过程。在从第二蒸汽重整过程切换到第三蒸汽重整过程中，增加供应重整水的速率，同时保持供应原始燃料气体的速率，并且因此，重整器12的温度线下降一次并且然后再次增加。
38.当电池堆叠13附近的温度超过第三堆叠阈值时，控制器14可以允许由电池堆叠13产生的电输出。
39.接下来，将使用图3中的流程图来描述本实施例中的由控制器14执行的启动处理。启动处理在例如燃料电池装置11的输入单元检测到用于启动燃料电池装置11的用户输入时开始。
40.在步骤s100中，控制器14控制第一供应单元15和第三供应单元17，以便发起原始燃料气体和氧化剂的供应。在供应开始之后，过程前进到步骤s101。
41.在步骤s101中，控制器14确定重整器12的温度是否已经达到(或换言之，大于或等于)第一重整阈值。当重整器12的温度不大于或等于第一重整阈值时，过程返回到步骤s101。当重整器12的温度大于或等于第一重整阈值时，过程前进到步骤s102。
42.在步骤s102中，控制器14控制第二供应单元16开始供应重整水。在供应开始之后，过程前进到步骤s103。
43.在步骤s103中，控制器14确定重整器12的温度是否大于或等于第二重整阈值、以及电池堆叠13附近的温度是否大于或等于第一堆叠阈值。当重整器12的温度小于第二重整阈值或电池堆叠13附近的温度小于第一堆叠阈值时，过程返回到步骤s103。当重整器12的温度大于或等于第二重整阈值且电池堆叠13附近的温度大于或等于第一堆叠阈值时，过程前进到步骤s104。
44.在步骤s104中，控制器14控制第二供应单元16，以便通过增加s/c比来增加供应重整水的速率。在s/c增加之后，过程前进到步骤s105。
45.在步骤s105中，控制器14确定重整器12的温度是否大于或等于第三重整阈值、以及电池堆叠13附近的温度是否大于或等于第二堆叠阈值。当重整器12的温度小于第三重整阈值或电池堆叠13附近的温度小于第二堆叠阈值时，过程返回到步骤s105。当重整器12的温度大于或等于第三重整阈值且电池堆叠13附近的温度大于或等于第二堆叠阈值时，过程前进到步骤s106。
46.在步骤s106中，控制器14控制第二供应单元16，以便通过增加s/c比来增加供应重整水的速率。在s/c增加之后，启动处理结束。
47.在本实施例的由此配置的燃料电池模块10中，重整器12的温度从启动起增加，直到开始产生电为止，并且在开始产生电之前，多次降低重整器12的温度。在蒸汽重整反应
中，基于蒸汽重整反应的平衡、热解的影响、催化剂降解等来确定设计反应温度。如果超过设计反应温度，将会发生由于由原始燃料气体的渐进式热分解引起的催化剂表面上的碳沉积而导致的催化剂失活、由于催化剂的热降解而导致的重整效率降低、以及重整器12自身的劣化。另一方面，在具有上述配置的燃料电池模块10中，由于在开始产生电之前多次有意地降低重整器12的温度，因此可以减少在开始产生电之前在增加重整器12的温度的过程期间重整器12超过设计反应温度的温度过度升高。具体地，在本实施例中，燃料电池模块10多次降低重整器12的温度，并且因此，能够提高抑制温度过度上升的可靠性。因此，燃料电池模块10可以延长重整器12和催化剂的寿命。
48.在本实施例的燃料电池模块10中，重整器12的第二次温度下降的幅度大于重整器12的第一次温度下降的幅度。在这种配置下，在燃料电池模块10中，可以降低在电池堆叠13或燃烧单元18的附近未被充分加热的情形下执行的第一次温度下降中的温度下降的幅度，并且因此，可以降低燃烧单元18被意外点燃的可能性。
49.在本实施例的燃料电池模块10中，重整器12的第二次温度下降的持续时间长于重整器12的第一次温度下降的持续时间。在这种配置下，在燃料电池模块10中，可以使在电池堆叠13或燃烧单元18的附近未被充分加热的情形下执行的第一次温度下降中的温度下降的持续时间更短，并且因此，可以降低燃烧单元18被意外点燃的可能性。
50.在本实施例的燃料电池模块10中，供应原始燃料气体的速率在第一蒸汽重整过程至第三蒸汽重整过程中保持恒定而不被降低。在这种配置下，燃料电池模块10能够减少将温度升高到电池堆叠13的电产生操作温度所需的时间，同时减少重整器12过热的发生。因此，燃料电池模块10能够缩短启动时间。
51.本领域的技术人员可以基于本公开对本公开的内容进行各种变型和修改。因此，请注意，此类变型和修改包括在本公开的范围内。例如，在每个实施例中，只要不存在逻辑矛盾，可以将每个功能部分、每种方式、每个步骤等添加到其他实施例，或者可以用其他实施例的每个功能部分、每种方式、每个步骤等替换。在每个实施例中，每个功能部分、每种方式、每个步骤等中的多个可以被组合到单个功能部分、方式或步骤，或被划分为多个功能部分、方式或步骤。本公开的上述实施例中的每个实施例不限于所描述的实施例中的每个实施例的忠实实现，并且可以通过适当地组合或省略一些特征来实现。
52.例如，在本实施例中，控制器14从启动起直到产生电为止在升高重整器12的温度的同时暂时地降低重整器12的温度两次，但温度也可以被暂时地降低三次或更多次。
53.附图标记
54.10燃料电池模块
55.11燃料电池装置
56.12重整器
57.13单元堆叠
58.14控制器
59.15第一供应单元
60.16第二供应单元
61.17第三供应单元
62.18燃烧单元
63.19燃料电池模块单元。

技术特征：
1.一种燃料电池模块单元，包括：燃料电池模块，包括重整器和燃料电池单元堆叠，所述重整器被配置为通过蒸汽重整原始燃料气体来产生含氢的燃料气体，所述燃料电池单元堆叠包括多个燃料电池单元，所述燃料电池单元被配置为从由所述重整器产生的燃料气体和氧化剂之间的电化学反应中产生电；以及控制器，被配置为从启动起直到在所述燃料电池单元堆叠中开始产生电为止，升高所述重整器的温度，并且在所述燃料电池单元堆叠中开始产生电之前，多次降低所述重整器的温度。2.根据权利要求1所述的燃料电池模块单元，其中，由所述控制器执行的所述重整器的第二次温度下降的幅度大于由所述控制器执行的所述重整器的第一次温度下降的幅度。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池模块单元，其中，由所述控制器执行的所述重整器的第二次温度下降的持续时间大于由所述控制器执行的所述重整器的第一次温度下降的持续时间。4.一种燃料电池装置，包括：根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池模块单元；以及辅助设备。5.一种燃料电池装置，包括：燃料电池模块，包括重整器和燃料电池单元堆叠，所述重整器被配置为通过蒸汽重整原始燃料气体来产生含氢的燃料气体，所述燃料电池单元堆叠包括多个燃料电池单元，所述燃料电池单元被配置为从由所述重整器产生的燃料气体和氧化剂之间的电化学反应中产生电；以及控制器，被配置为控制所述重整器和所述燃料电池单元堆叠，其中，所述控制器从启动起直到在所述燃料电池单元堆叠中开始产生电为止，升高所述重整器的温度，并且在开始产生电之前，多次降低所述重整器的温度。

技术总结
一种燃料电池模块单元19包括燃料电池模块10和控制器14。燃料电池模块10包括重整器12和燃料电池单元堆叠13。重整器12通过重整原始燃料气体来产生燃料气体。燃料电池单元堆叠13包括多个燃料电池单元。燃料电池单元通过由重整器12产生的燃料气体和氧化剂之间的化学反应来产生电。控制器14从启动起直到在燃料电池单元堆叠13中开始产生电为止，升高重整器12的温度。控制器14多次降低重整器12的温度，直到燃料电池单元堆叠13开始产生电为止。燃料电池单元堆叠13开始产生电为止。燃料电池单元堆叠13开始产生电为止。


技术研发人员：鹫尾拓朗 杉原一成 山内亨祐
受保护的技术使用者：京瓷株式会社
技术研发日：2021.09.17
技术公布日：2023/7/22