利用燃料电池帮助确定重整产品的λ值的制作方法

专利名称：利用燃料电池帮助确定重整产品的λ值的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于确定提供给燃料电池堆的重整产品的X值的方法，其 中，检测并评估至少一个燃料电池单元上的空载电压，以确定X值。
此外，本发明涉及用于重整装置、控制的方法，其中该重整装置用于 至少使燃料和空气反应成用于提供给燃料电池堆的重整产品。
本发明还涉及用于确定提供给燃料电池堆的重整产品的人值的设备， 该设备具有适用于检测并评估至少一个燃料电池单元上的空载电压以确定 X值的装置。
此外，本发明涉及包括重整装置和燃料电池堆的系统，其中该重整装 置用于至少使燃料和空气反应成重整产品，并且其中由经人控制的该重整 装置为该燃料电池堆提供重整产品。
背景技术：
该通用方法、设备和系统用于化学能到电能的转换。为此，将优选地 为燃料/空气混合物形式的燃料和空气提供给重整装置。在重整装置内发生 燃料和大气氧的反应，优选地，进行部分氧化过程。
然后，将如此产生的重整产品提供给燃料电池或燃料电池堆，通过作 为重整产品成分的氢和氧的控制反应来释放电能。
如上所述，重整装置可以设计成进行部分氧化过程以生成重整产品。 在这种情况下，当使用柴油作为燃料时，在部分氧化之前进行预先反应是 特别有用的。这样，长链柴油分子可以反应成具有"冷焰"的短链分子， 以利于重整装置操作的根本益处。通常，向重整装置的反应区提供气体混
合物，该气体混合物反应成H2和CO。重整产品的另一成分是来自空气的 N2，以及可选地，根据空气比例和温度，还有C02、 H20和CH4。在正常 操作中，根据需要的输出调整燃料量流量，并且将空气量流量调整到^=0.4 的范围内的人值或空气比例。可以通过不同的传感器，比如温度传感器和气体传感器，来监控重整反应。
除了部分氧化过程之外，还可以进行自热重整。和自热重整相比，部 分氧化过程是由提供低于化学计量的氧而引起。例如，混合物的空气比例
为X=0.4。部分氧化是放热的，所以，不希望出现的对重整装置的加热会 造成问题。此外，部分氧化倾向于增加烟灰形成。为了防止形成烟灰，可 以选择更大的空气比例X，并且/或者通过水蒸气使一些氧可用于氧化。因 为利用水蒸气的氧化过程会吸热，所以可以调整燃料、氧和水蒸气的比例， 以使整休既不放热也不吸热。因此，这样实现的自热重整会消除烟灰形成 和不期望的对重整装置过渡加热的问题。
在重整装置中进行氧化后，还可以进行其它气体处理步骤，特别是可 以在部分氧化的下游进行甲烷化。
例如， 一种当前的燃料电池系统是质子交换膜(PEM)系统，该系统 通常可以在室温和大约100°C之间的工作温度下工作。由于较低的工作温 度，这种类型的燃料电池通常用于移动应用，例如，用于机动车辆。
'此外，称作固体氧化物燃料电池(SOFC)系统的高温燃料电池也是公 知的。例如，这种系统在约S00。C的温度范围工作，固体电解质(固体氧 化物)可以进行氧离子传输。这种高温燃料电池和PEM相比的益处特别在 于其重型机械和化学负荷兼容性。
除了静态应用外，燃料电池用于通用系统的一个应用包括在机动车辆 领域中的具体应用，例如作为辅助动力单元(APU)。
在现有技术中，为了确定重整产品的、值，在重置装置输出区域装备 的传感器a探头)通常用于测量氧浓度。这构成花费很高的额外原料支出。 此外，还会发生密封性问题和/或温度问题。
.根据德国专利DE 103 58 933A1公知了通用方法、设备和系统，其中， 感测至少一个燃料电池单元上的空载电压，并相应地评估其结果以获得实 际人值用于将X值控制到X设定值。燃料电池单元上的空载电压与能量输 出时的电压的关系比与瞬时工作条件的关系更密切。例如，可以仅通过在 用电设备不从相应的燃料电池单元中消耗电流的工作阶段中测量电压来检 测空载电压。此外，例如，也可以通过将用电设备暂时与相应的燃料电池 单元分开来检测空载电压，但是这会影响用电设备的平稳工作。基于此，对一个或几个燃料电池单元进行感测电压采样会增加生产和布线复杂性。

发明内容
本发明是基于改进通用方法、设备和系统的目的，使得能够对组装和 工作而言较容易地确定X值。
该目的由独立权利要求的特征实现。
本发明的有益方面和其它实施例参见从属权利要求。
根据本发明用于确定X值的方法基于通用现有技术，其中，至少一个 燃料电池单元是专门提供用于感测的燃料电池堆的终端燃料电池单元，并 且可以从燃料电池堆的剩余燃料电池单元中获取用于至少一个用电设备的 电压。现在，通过检测终端燃料电池单元上的空载电压，简化了布线工程， 这是因为接触终端燃料电池单元比接触燃料电池堆中间的燃料电池单元要 更加简单。此外，釆用专门用于感测的燃料电池单元不会再中断平稳连续 的工作。在这种结构中，允许在燃料电池堆或用电设备的任何工作状况下 确定用于感测的燃料电池单元的电压，由于该燃料电池单元专门用于感测， 所以该电压总是对应燃料电池单元的空载电压。
此外，对于根据本发明用于确定X值的方法，优选地，可以通过能斯
脱(Nemst)方程来导出X值。这是因为用于感测的燃料电池单元的空载电 压遵循能斯脱方程。
此外，根据至少一个燃料电池单元的温度得到^值对于根据本发明的 方法也是有益的。因为在确定X值时，特别是在通过能斯脱方程确定X值 时，感测的电压较大程度上取决于周围的温度，通过在确定X值时引入温 度可以获得更精确的值。
本发明用于对重整装置进行人控制的方法基于通用现有技术，其中， 根据X值进行X控制，区别在于，现在使用本发明方法来确定X值。另外， 这里确定^值比现有技术效率更高。
'根据本发明用于确定、值的设备基于通用现有技术，但是这里至少一 个燃料电池单元是专门提供用于感测的燃料电池堆的终端燃料电池单元， 并且可以从燃料电池堆的剩余燃料电池单元中获取用于至少一个用电设备 的电压。因而，这就实现了在上述方法中获得的益处。优选地，对于根据本发明的设备，所提供的装置适于通过能斯脱方程来导出人值。这就允许通过直接评估能斯脱方程、经由适当的真值表或本领域技术人员可知的任何其它方法获得X值。
此外，将根据本发明的设备设计成具有温度传感器也是有益的，其中可以通过该温度传感器感测至少一个燃料电池单元的温度，将结果提供给能够根据所述至少一个燃料电池单元的温度来确定X值的装置。由于在确定人值时，特别是在通过能斯脱方程确定X值时，感测的电压较大程度上取决于周围的温度，所以这里通过在确定X值时引入温度可以获得更精确的值。
为了进行X控制，根据本发明的系统包括根据本发明用于确定人值的装置，除此之外，该系统基于通用现有技术。


下面，通过举例并参考附图描述本发明的优选实施例，其中
.图1的流程图示出根据本发明的方法的一个实施例；图2的方框图示出根据本发明的设备和系统的一个实施例；以及图3的示意图示出燃料电池堆的一个实施例。
具体实施例方式
现在参照图l，其中通过步骤Sl到S2示出根据本发明用于确定X值的方法的一个实施例，而步骤Sl到S5示出根据本发明用于对重整装置进行X控制的方法的一个实施例。
根据所示方法，包括多个燃料电池单元的燃料电池堆中的一个燃料电池单元专门提供用于感测，即，其不对用电设备进行供电，而是仅用于确定测量值。为此，该燃料电池单元和其它燃料电池单元电绝缘，从而可以用作X传感器。剩余燃料电池单元串联连接，从而可以提供更高电压以用于一个或多个用电设备。应当注意，其它实施例也是可能的，其中，提供一个以上的燃料电池单元专门用于感测，这些燃料电池单元相互串联连接以提供更高的测量电压。
在步骤Sl中，通过本领域技术人员熟悉的按照模拟和/或数字方式工作的工具来检测用于感测的燃料电池单元的空载电压UQ。因为该燃料电池单
元没有对用电设备供电，所以在用电设备或燃料电池堆的所有以及任何工作状况下，所检测的电压都对应于空载电压。
在步骤S2中，根据空载电压Uo和用于感测的燃料电池单元的实际温度T，经由能斯脱方程来确定X值X^,这是由于用于感测的燃料电池单元的空载电压U。遵循能斯脱方程。
可选地，在步骤S2中，可以忽略用于感测的燃料电池单元的温度，根据空载电压Uo，经由能斯脱方程来确定 i值人实际。
在步骤S3中，通过关系AX二A设定一A实际根据"直X实际和X设定值入设定确定控制差A入。
然后，在步骤S4中，根据控制差AX生成启动信号S。
在步骤S5中，根据启动信号S启动至少一个启动器。 一个或多个启动器可以专门分配给重整装置，并且例如，可以改变空气和燃料的供应。如果有几个启动器，则启动信号S优选地包括适用于分别触发启动器的多个数据。
现在参照图2，其中的框图示出根据本发明的设备的一个实施例和根据本发明的系统的一个实施例。根据本发明的设备24可以用本领域技术人员公知的硬件和/或软件实现，并且设备24设计用于确定重整产品10的X值X实际。重整产品10由重整装置16生成并且提供给燃料电池堆12。燃料电池堆12包括多个燃料电池单元，其中，在所示情况中，提供一个燃料电池单元14专门用于感测，使得该燃料电池单元14永远提供空载电压Uo，应当注意，即使当用电设备34有较高电源要求时也是如此。根据本发明的设备24包括装置26，其评估燃料电池单元14的空载电压U。，以确定X值入实际，并且其按照利用温度传感器40所感测的来评估燃料电池单元14的实际温度。在该结构中，温度传感器40是可选的，gp，也可以不考虑如利用温度传感器40所感测的温度而确定U直"际。优选地，装置26通过能斯脱方程确定X值X顿。可以通过本领域技术人员公知的模拟或数字电路，特别是通过硬件结合适当的软件，来实现用于确定人值的装置。
根据本发明的设备24是本发明的系统32的组件，其中除了设备24之外，系统32还包括重整装置16，用于将燃料20和空气22反应成重整产品10;以及燃料电池堆12，由重整装置16为该燃料电池堆12提供重整产品10，并且除了燃料电池单元14的空载电压Uo外，该燃料电池堆12还向用电设备34提供输出电压。所示系统还包括加法器28，其根据X设定值 i设定和实际人值X实际生成控制差A u将该控制差AX提供给控制器30，其中控制器30也属于系统32，并且根据控制差AX输出一个或多个适当的启动信号S。在所示情况中，将启动信号S提供给启动器18，其中启动器18是重整装置16的组件。例如，启动器18可以用于管理燃料20和/或空气22的供应。
现在参照图3，其中的示意图示出燃料电池堆的一个实施例。燃料电池堆12包括通过定位框38固定的多个燃料电池单元14、 36。燃料电池单元14v 36通过公知方式和装置将重整产品和氧化剂转化成电能。为此，燃料电池单元14、 36的形状为板状，包括两个通孔，这两个通孔形成堆叠燃料电池单元的通道，可以通过这两个通道提供重整产品并排放阳极废气。在多个燃料电池单元中提供至少一个专门用于感测的终端燃料电池单元14，并且该终端燃料电池单元14与其它燃料电池单元36电绝缘。终端燃料电池单元14电性连接到用于评估空载电压Uo的装置26，并且可选地，装置26可用于评估终端燃料电池单元14的温度T。燃料电池堆12最外侧的两个燃料电池单元可以作为终端燃料电池单元14。可能提供多个，即一列最外侧终端燃料电池单元专门用于感测。用电设备电性连接到剩余的燃料电池单元36，这些燃料电池单元36串联连接，以提供更高电压。在该结构中，从剩余燃料电池单元36的最外侧获取用于用电设备34的电压。应当注意，这里使用的用电设备一词涵盖串联和/或并联连接的一个或多个用电设备的全部以及任何组合。用于感测燃料电池单元14的温度的温度传感器40与燃料电池单元14接触。例如，当燃料电池单元14配置为与其它燃料电池单元36相同时，可以将温度传感器联接到燃料电池单元14的外侧。可选地，温度传感器40可以设置在燃料电池单元14的凹槽中，或者设置在定位框38的凹槽中。温度传感器40通过接线(未示出)连接到装置26。
工作时，燃料电池堆12的工作状况根据用电设备的电源需求而改变。在终端燃料电池单元14处，装置26总能够感测该燃料电池单元14的空载电压UQ，而与用电设备34的电源需求和燃料电池堆12的工作模式无关。应该理解，在上述说明书、附图和权利要求中公开的本发明的特征对于单独地以及以任何结合来实现本发明都是必须的。
参考标号列表
1重整产品
2燃料电池堆
14感测燃料电池单元
16重整装置
18启动器
20燃料
22空气
24用于确定X值的设备
26用于评估空载电压和温度的装置
28加法器
30系统
34用电设备
36提供给用电设备的燃料电池单元
38定位框
40温度传感器
权利要求
1、一种用于确定提供给燃料电池堆(12)的重整产品(10)的λ值(λ实际)的方法，其中检测并评估至少一个燃料电池单元(14)上的空载电压(U0)以确定所述λ值(λ实际)，其特征在于，所述至少一个燃料电池单元(14)是专门提供用于感测的所述燃料电池堆(12)的终端燃料电池单元，以及可以在所述燃料电池堆(12)的剩余燃料电池单元(36)上获取提供给至少一个用电设备(34)的电压。
2、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，经由能斯脱方程确定所述 入{1 (X实际)。
3、 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还根据所述至少一个燃料电池单元(14)的温度(T)来感测所述x值a实际)。
4、 一种用于对重整装置(16)进行X控制的方法，其中所述重整装置 (16)用于至少将燃料(20)和空气反应成用于提供给燃料电池堆(12) 的重整产品(10)，其特征在于，根据如前述任意一项权利要求所述的方法所确定的所述x值a实际)来执行人控制。
5、 一种用于确定提供给燃料电池堆(12)的重整产品ao)的x值a实际)'的设备(24)，包括装置(26)，其中所述装置(26)适用于检测并评 估至少一个燃料电池单元(14)上的空载电压(U0)以确定所述人值(X实 际)，其特征在于，所述至少一个燃料电池单元(14)是专门提供用于感测 的所述燃料电池堆(12)的终端燃料电池单元，以及可以在所述燃料电池 堆(12)的剩余燃料电池单元(36)上获取提供给至少一个用电设备(34) 的电压。
6、 如权利要求5所述的设备(24)，其特征在于，所述装置(26)适于经由能斯脱方程导出所述人值a实际)。
7、 如权利要求5或6所述的设备，其特征在于，提供温度传感器(40)， 利用所述温度传感器(40)可感测所述至少一个燃料电池单元(14)的温 度，将结果提供给可根据所述至少一个燃料电池单元(14)的温度(T)来确定所述、值a实际)的装置。
8、 一个系统(32)，包括重整装置(16)和燃料电池堆(12)，其中， 所述重整装置(16)用于至少将燃料(20)和空气(22)反应成重整产品(10)，所述燃料电池堆(12)与所述重整装置(16)连接以便从中接收重 整产品(10)，所述重整装置(16)是经X控制的，其特征在于，为了执行 X控制，所述系统包括如权利要求5至7中任意一项所述的设备(24)。
全文摘要
本发明涉及用于确定提供给燃料电池堆(12)的重整产品(10)的λ值(λ_实际)的方法。在所述方法中，检测并评估至少一个燃料电池单元(14)上的空载电压(U₀)以确定该λ值(λ_实际)。根据本发明，所述至少一个燃料电池单元(14)是专门用于测量目的的燃料电池堆(12)的终端燃料电池单元(14)，并且可以在燃料电池堆(12)的剩余燃料电池单元(36)上获取提供给至少一个用电设备(34)的电压。本发明还涉及用于对重整装置进行λ控制的方法、用于确定λ值的设备、包括用于至少将燃料(20)和空气(22)反应成重整产品(10)的重整装置(16)的系统(32)、以及燃料电池堆(12)，其中由重整装置(16)为燃料电池堆(12)提供重整产品(10)，重整装置(16)中的λ值是受控制的。
文档编号H01M8/04GK101479872SQ200780021613
公开日2009年7月8日 申请日期2007年6月12日 优先权日2006年6月27日
发明者A·恩格尔, B·布勒克尔, M·博尔策, M·普法尔茨格拉夫, M·罗祖梅克, M·聚斯尔, M·贝登贝克尔, S·克丁 申请人:艾纳尔达公司