(57)【要約】  本発明は、改質器（１０）および燃料電池スタック（１２）を備える燃料電池システムを始動する方法に関する。第１始動段階中、燃料・空気比を特徴づける第１空気比λ１を有する酸素および燃料が、改質器に供給される。第２始動段階中、燃料・空気比を特徴づける第２空気比λ２を有する酸素および燃料が、改質器に供給される。第１空気比λ１は第２空気比λ２より大きく（λ１＞λ２）、第１始動段階および第２始動段階中に生成される改質油（１８）は、燃料電池スタックに供給される。本発明によれば、第１始動段階から第２始動段階への遷移が、燃料電池スタックによって供給される電圧の検出によって監視される。本発明はまた、燃料電池システムに関する。
2010503952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質器（１０）および燃料電池スタック（１２）を備える燃料電池システムを始動する方法であって、
前記改質器が、第１始動段階中、燃料／空気比を特徴づける第１空気比λ１の酸素および燃料の供給を受け取り、
前記改質器が、第２始動段階中、燃料／空気比を特徴づける第２空気比λ２の酸素および燃料の供給を受け取り、
前記第１燃料／空気比λ１が前記第２空気比λ２より大きく（λ１＞λ２）、
前記燃料電池スタックが、前記第１始動段階および前記第２始動段階中に前記改質器において生成される改質油（１８）の供給を受ける、燃料電池システムを始動する方法であり、
前記第１始動段階から前記第２始動段階への遷移が、前記燃料電池スタック（１２）によって提供される電圧を検知することによって監視されることを特徴とする、燃料電池システムを始動する方法。
【請求項２】
前記第１始動段階から前記第２始動段階への遷移が、温度の関数として引き起こされることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システムを始動する方法。
【請求項３】
前記第１始動段階から前記第２始動段階への正常な遷移が、前記燃料電池スタックによって提供される前記電圧が事前定義された電圧値を超過する場合に認識されることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池システムを始動する方法。
【請求項４】
前記第１始動段階から前記第２始動段階への正常な遷移が、前記燃料電池スタックによって提供される前記電圧が事前定義された電圧値だけ上昇する場合に認識されることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池システムを始動する方法。
【請求項５】
前記事前定義された電圧値が、経験的に取得される値に基づいて確立されることを特徴とする、請求項３または４に記載の燃料電池システムを始動する方法。
【請求項６】
前記事前定義された電圧値が、理論的に取得される燃料電池電圧値に基づいて確立されることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システムを始動する方法。
【請求項７】
前記事前定義された電圧値が、実際の空気比を含んで理論的に確立されることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システムを始動する方法。
【請求項８】
改質器（１０）および燃料電池スタック（１２）を備える燃料電池システムであって、
前記改質器が、第１始動段階中、燃料／空気比を特徴づける第１空気比λ１の酸素および燃料の供給を受け取り、
前記改質器が、第２始動段階中、燃料／空気比を特徴づける第２空気比λ２の酸素および燃料の供給を受け取り、
前記第１燃料／空気比λ１が前記第２空気比λ２より大きく（λ１＞λ２）、
前記燃料電池スタックが、前記第１始動段階および前記第２始動段階中に前記改質器において生成される改質油（１８）の供給を受ける、燃料電池システムであり、
前記第１始動段階から前記第２始動段階への遷移を、前記燃料電池スタック（１２）によって提供される電圧を検知することによって監視することができることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項９】
システム始動を監視する電子コントローラ（２０）を具備することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質器および燃料電池スタックを備える燃料電池システムを始動する方法であって、改質器が、第１始動段階中、燃料／空気比を特徴づける第１空気比λ１の酸素および燃料の供給を受け取り、改質器が、第２始動段階中、燃料／空気比を特徴づける第２空気比λ２の酸素および燃料の供給を受け取り、第１空気比λ１が第２空気比λ２より大きく（λ１＞λ２）、燃料電池スタックが、第１始動段階および第２始動段階中に改質器において生成される改質油（１８）の供給を受ける、燃料電池システムを始動する方法に関する。
【０００２】
本発明はさらに、改質器および燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、改質器が、第１始動段階中、燃料／空気比を特徴づける第１空気比λ１の酸素および燃料の供給を受け取り、改質器が、第２始動段階中、燃料／空気比を特徴づける第２空気比λ２の酸素および燃料の供給を受け取り、第１空気比λ１が第２空気比λ２より大きく（λ１＞λ２）、燃料電池スタックが、第１始動段階および第２始動段階中に改質器において生成される改質油（１８）の供給を受ける、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
一般的な燃料電池システムでは、電気は燃料電池スタックで生成される。この目的のために、燃料電池スタックは、空気と水素が豊富な改質油との供給を受ける。改質油は、改質器において、燃料と酸化剤、特に空気とから生成される。Ｈ２収率を最適にするために、改質器は、燃料／空気比率を特徴付ける空気比が０．４以下で動作する。
【０００４】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムは、動作温度が８００℃を超え、かかる動作温度に始動段階で達する必要がある。この目的のために必要な熱エネルギーは、改質器から流れる高温ガスによって、かつ燃料電池スタックへの予熱されたカソード供給空気によって提供される。改質器は、バーナとして動作する時、すなわち特に燃料／空気率を特徴づける空気比λが１を超える（λ＞１）場合、高い熱収率を可能にする。電気を発生させることに関して、原則としてそのように機能することができるシステムが存在するように、所定温度が得られると、改質器は改質モードに切り替わり、すなわち空気比が１を下回り、たとえば０．４以下となる。空気比の変更を、たとえば第２燃料供給器を介して追加の燃料を供給することによって行うことができる。第２燃料供給器を特徴として備える１つのかかるシステムについては、たとえば独国特許出願公開第１０３  ５９  ２０５  Ａ１号明細書に開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池システムの始動の監視は、高濃度の酸化可能ガスがアフタバーナ内に流れ込む時に上昇するアフタバーナの温度を検知することによって可能であり、これは、当然ながら、バーナモードにある時より改質中において頻繁に行われる。しかしながら、監視は、特にシステム内のガスの流路とアフタバーナにおける点火速度とによってもたらされる時間遅延により、妨害される。
【０００６】
本発明は、燃料電池システムの始動段階間の遷移が実際的にゼロ遅延で確実に達成されるような、燃料電池システムを始動する方法と１つのかかる燃料電池システムとを提供するという目的に基づく。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。
【０００８】
本発明の有利な実施形態は、従属請求項に示されている。
【０００９】
本発明は、第１始動段階から第２始動段階への遷移が、燃料電池スタックによって提供される電圧を検知することによって監視されるという点で、一般的な方法に対して高度化されたものである。燃料電池スタックによって提供される電圧は、主に、改質器がバーナのように動作しているか、または改質モードがすでに正常に開始したかによって決まる。改質モードに対して特徴的であるような低減した空気比が利用可能となると、電池電圧が急激に上昇する。この上昇が検知されると、改質がすでに発生する第２始動段階に正常に遷移しており、そうでない場合、遷移はなされていない。始動段階を監視する電圧として、燃料電池スタックによって提供される電圧を全体として使用することができる。別法として、単一電池の電圧または燃料電池システムのいくつかのグループによって提供される電圧を、監視に用いることができる。
【００１０】
第１始動段階から第２始動段階への遷移が、温度の関数として引き起こされることが好都合である。システム温度が３００℃を超えると、ＳＯＦＣ燃料電池スタックは、改質器に供給される混合気の空気比に対して必要な電圧を提供することができる。このため、始動の監視を、たとえば３００℃を上回る温度に対する電圧の関数として制限することが好都合であり、これは、この温度を下回るとバーナとしてのさらなる動作が有利であるため、いかなる場合も好都合である。
【００１１】
本発明は、第１始動段階から第２始動段階への十分な遷移が、燃料電池スタックによって提供される電圧が事前定義された電圧値を超過した場合に認識されるという点で、特に有利に高度化されている。したがって、燃料電池スタックによって提供される電圧の絶対値は、本発明に従って監視する基準としての役割を果たすことができる。
【００１２】
別法として、またはそれに加えて、第１始動段階から第２始動段階への十分な遷移は、燃料電池スタックによって提供される電圧が事前定義された電圧値だけ上昇する場合に認識されるようにしてもよい。したがって、第１始動段階中と第２始動段階中との燃料電池スタックによって提供される電圧の差は、監視を特徴づけるパラメータとしての役割を果たすことができる。
【００１３】
事前定義された電圧値は、経験的に取得される値に基づいて確立されるようにしてもよい。別法として、またはそれに加えて、事前定義された電圧値は、理論的に取得される値に基づいて確立されるようにしてもよい。ネルンスト式
【数１】
2010503952.tif 000003
によれば、電池電圧Ｕｅｑは酸素濃度
【数２】
2010503952.tif 000004
の関数である（ここで、Ｒは一般的な気体定数であり、Ｔは絶対温度であり、ｚは当量数であり、Ｆはファラディ定数であり、
【数３】
2010503952.tif 000005
は酸素比である）。このように、この理論的公式を利用することにより、改質の正常な開始を監視することができる。
【００１４】
本発明は、第１始動段階から第２始動段階への遷移が、燃料電池スタックによって提供される電圧を検知することによって監視され、したがって、本発明による方法の利点および特別な特徴を燃料電池システムの範囲においても達成されるという点で、一般的な燃料電池システムに対して高度化されたものである。これは、以下に列挙するような本発明による燃料電池システムの特に好ましい実施形態にも同様に適用される。
【００１５】
本システムは、燃料電池システムが、始動を監視する電子コントローラを備えるという点で特に有利に高度化されている。かかる電子コントローラは、好ましくは、メモリを特徴として備え、燃料電池システムを単独で制御する役割を果たすか、またはたとえば車両において、燃料電池システムの外部の構成要素の制御機能を処理する。電子コントローラは、車両の何らかの他のコントローラ、たとえばいわゆる車載コンピュータに組み込まれることも可能である。
【００１６】
ここで、本発明を、添付図面を参照して特に好ましい実施形態により詳述する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃料電池システムの概略図である。
【図２】本発明による、温度／時間プロットとその関数としての空気比／時間プロットとを示すグラフである。
【図３】本発明を説明するのに役立つ温度／空気比プロットを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ここで図１を参照すると、燃料電池システムの概略図が示されている。燃料電池システムは、燃料供給器２６、すなわち特に燃料ポンプと、空気供給器２８、すなわち特に送風機と、を備えており、それらはともに改質器１０の入力に結合されている。改質器１０は、出力端において、燃料電池スタック１２のアノード端に結合されており、燃料電池スタック１２のカソード端は、空気供給器３０、すなわち特に送風機に接続されている。燃料電池スタック１２は、温度センサ２４を特徴として備えている。燃料電池スタック１２は、その出力端においてアフタバーナ３２に接続されており、アフタバーナ３２は同様に空気供給器３４、すなわち特に送風機に接続されている。また、メモリ２２を有する電子コントローラ２０も設けられており、それは、システムのセンサ、すなわち特に燃料電池スタック１２の温度センサ２４に接続されて信号を受け取る。コントローラ２０は、さらに、燃料供給器２６と空気供給器２８、３０、３４とに接続されており、それらの動作を微調整し、それぞれ閉ループ制御の範囲にある。コントローラは、個々の電池の電圧および／または燃料電池スタック１２の電圧全体を取り込むことに適している。
【００１９】
システムの動作時、燃料ポンプ２６および送風機２８は、それぞれ燃料１４および空気１６を改質器１０に供給する。改質器では、水素が豊富な改質油１８が物質化し、燃料電池スタック１２のアノード端に供給される。燃料電池スタック１２のカソード端は、空気送風機３０を介してカソード供給空気の供給を受ける。このカソード供給空気は、予熱されていることが好都合である。燃料電池スタック１２において消耗された改質油３６はアフタバーナ３２に供給され、アフタバーナ３２は同様に、送風機３４から空気の供給を受け、残留物がないことが好ましい燃焼を実施する。アフタバーナ３２の出力は排気ガス３８であり、その熱エネルギーを燃料電池システムの熱収支に戻して、たとえば送風機３０によって送り出されるカソード供給空気を予熱することができる。
【００２０】
燃料電池システムの始動時、改質器１０が動作する空気比λを、燃料供給器２６および／または送風機２８を微調整する電子コントローラ２０により、温度センサ２４によって検知される燃料電池スタック１２の温度の関数として、設定することができる。設定は、特に燃料電池スタック１２の煤の付着および燃料電池スタック１２のアノード材料の酸化に関して、非決定的な空気比／温度の組合せが具体化するようになされる。その理由は、低温と低い空気比の組合せにおいては煤が過剰に付着される一方で、高温と高い空気比の組合せにおいては燃料電池アノードの酸化が問題になるからである。
【００２１】
ここで図２を参照すると、本発明による、温度／時間プロットとその関数としての空気比／時間プロットとを示すグラフが示されている。時間の関数としてプロットされる燃料電池スタックの例示的な温度曲線が示されている。温度Ｔｓｔａｃｋは、開始温度値、たとえば室温を基礎とし、その後、５００℃の領域の温度まで急速に上昇した後、およそ８５０℃の燃料電池スタックの動作温度に近づく。これの関数として、改質器の空気比λを設定し、すなわち、λ＝１．４を基礎とし、その後、λ＝０．４の値まで低減させることができる。λは、図示するように段階的に変化する必要はなく、空気比の連続した曲線が実際的である。所定の温度Ｔｓｔａｃｋに対して設定される空気比値λは、コントローラに表の形式で保存されることが好都合である。コントローラのメモリには、検知された温度Ｔｓｔａｃｋに加えて、時間の関数として経験的に確定される温度Ｔｓｔａｃｋを格納することができる。
【００２２】
本発明によれば、バーナモードから改質モード、言い換えれば、第１始動段階から第２始動段階への移行は、３００℃で行われる。この移行を、空気比の急激な低下をもたらすことにより、あるいは図２に示すように、空気比を段階的にまたは連続的に減少させることにより行うことができる。コントローラが、燃料電池スタックによって提供される電圧において対応するステップ状変化を「認識する」と、第２始動段階、したがって最終的に改質プロセスの正常な開始が確保され、一方、電圧にかかるステップ状変化が存在しない場合、それは、改質プロセスへの遷移が正常に行われていないことを示す。
【００２３】
ここで図３を参照すると、本発明を説明するのに役立つフローチャートが示されている。システムの始動後、改質器を、第１始動段階でバーナとして動作させる（ステップＳ０１）。この第１始動段階中、ステップＳ０２において、システムの温度、たとえば燃料電池スタックの温度が閾値温度ＴＳを超過するか否か判断する。超過しない場合、ステップＳ０１により第１始動段階が継続される。しかしながら、閾値温度ＴＳを超過すると、燃料電池システムを第２始動段階に切り替える（ステップＳ０３）。これが正常に行われたか否かを、ステップＳ０４において、電池電圧Ｕを閾値電圧ＵＳと比較することによって判断する。電池電圧が閾値電圧ＵＳを超過する場合、これは、第２始動段階、すなわち改質モードが正常に開始されたことを示す（ステップＳ０５）。しかしながら、ステップＳ０４で検知された電圧が閾値電圧ＵＳを超過しない場合、これは、ステップＳ０６において第２始動段階、すなわち改質モードの開始が正常に行われなかったことを示す。この障害に対する応答を、いくつかの方法で、たとえばシステムを停止する、システムを再起動する、エラーメッセージの表示等により、行ってもよい。
【００２４】
上記説明および図面において開示されかつ請求項に記載されている本発明の特徴は、本発明を単独または任意の組合せの両方で達成する上で不可欠であり得るということが理解される。
【符号の説明】
【００２５】
１０…改質器、１２…燃料電池スタック、１４…燃料、１６…空気、１８…改質油、２０…コントローラ、２２…メモリ、２４…温度センサ、２６…燃料供給器、２８…送風機、３０…送風機、３２…アフタバーナ、３４…送風機、３６…改質油、３８…排気ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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