СИСТЕМА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА И СПОСОБ ЕЕ УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H01M8/04 H01M8/06 H01M8/12 

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Данная заявка притязает на приоритет заявки на патент Японии №2009-177746, поданной 30 июля 2009 года. Раскрытие заявки на патент Японии №2009-177746 полностью включено в данный документ посредством ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение, в общем, относится к системе топливного элемента и к способу управления для повышения температуры топливного элемента, используемого в системе топливного элемента.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Система топливного элемента является системой выработки электроэнергии, в которой водород (служащий в качестве топлива) и воздух (служащий в качестве окислителя) подаются в топливный элемент, чтобы давать возможность осуществления электрохимической реакции в топливном элементе, чтобы вырабатывать электроэнергию. Один пример системы топливного элемента этого типа раскрывается в выложенной заявке на патент Японии №2005-166439. Система топливного элемента, раскрытая в выложенной заявке на патент (Япония) №2005-166439, использует топливный элемент с твердым электролитом, в котором анод предоставляется на одной стороне твердого электролита, в то время как катод предоставляется на другой стороне. Воздух подается в качестве окислительного газа в катод, в то время как топливный газ подается в анод. Энергия вырабатывается посредством реакции топливного газа с воздухом. Система топливного элемента сконфигурирована с пусковой камерой сгорания для риформинга или частичного сгорания топливного газа, вводимого извне, во время пуска и подачи результирующего газа в качестве восстановительного газа в анод. Камера сгорания выпускаемого газа предоставляется для горения отходящего газа анода, выпускаемого из стороны анода, в то время как теплообменник предоставляется для нагрева воздуха с помощью тепла, сформированного из камеры сгорания выпускаемого газа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обнаружено, что в системе топливного элемента, раскрытой в выложенной заявке на патент Японии №2005-166439, отходящий газ анода, выпускаемый из анода, сжигается, и топливный элемент нагревается посредством воздуха, температура которого увеличена посредством тепла газа, но тепло газа, выпускаемого из катода, не использовано. Также существует такая проблема, что отложение углерода может вызываться в аноде посредством подачи обогащенной газовой смеси сгорания, имеющей сравнительно низкую температуру, в анод. Данная конфигурация не принимает во внимание это отложение углерода.

Одна цель настоящего раскрытия сущности заключается в том, чтобы предоставлять систему топливного элемента и/или способ, посредством которого тепло из выпускаемого газа, который выпускается из катода, эффективно используется для того, чтобы повышать температуру топливного элемента, при недопущении частичного повреждения и других проблем, вызываемых посредством изменений температуры, а также для того, чтобы предотвращать отложение углерода в аноде.

С учетом состояния известной технологии, один аспект настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставлять систему топливного элемента, которая в основном содержит топливный элемент, первую камеру сгорания, первый обратный канал для обогревающего газа и систему подачи газа. Топливный элемент включает в себя элемент с твердым электролитом с анодом и катодом. Топливный элемент выполнен с возможностью вырабатывать энергию посредством реакции водородосодержащего газа и кислородсодержащего газа. Первая камера сгорания выполнена с возможностью избирательно подавать обогревающий газ в катод топливного элемента. Первый обратный канал для обогревающего газа выполнен с возможностью смешивать, по меньшей мере, часть выпускаемого газа, выпускаемого из катода, с обогревающим газом первой камеры сгорания, так что смешанный обогревающий газ из выпускаемого газа катода и обогревающего газа первой камеры сгорания подается в катод. Система подачи газа соединена с первым обратным каналом для обогревающего газа для подачи выпускаемого газа из катода так, что он смешивается с обогревающим газом первой камеры сгорания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ссылаясь теперь на прилагаемые чертежи, которые являются частью этого исходного раскрытия сущности:

Фиг.1 является принципиальной блок-схемой конфигурации системы топливного элемента согласно первому варианту осуществления;

Фиг.2 является принципиальной блок-схемой контроллера системы топливного элемента согласно первому варианту осуществления;

Фиг.3 является блок-схемой последовательности операций способа повышения температуры топливного элемента, выполняемого посредством контроллера топливного элемента, используемого в системе топливного элемента согласно первому варианту осуществления;

Фиг.4 является принципиальной блок-схемой конфигурации системы топливного элемента согласно первому варианту осуществления;

Фиг.5 является принципиальной блок-схемой контроллера системы топливного элемента согласно второму варианту осуществления;

Фиг.6 является блок-схемой последовательности операций способа повышения температуры топливного элемента, выполняемого посредством контроллера топливного элемента, используемого в системе топливного элемента согласно второму варианту осуществления;

Фиг.7 является принципиальной блок-схемой конфигурации системы топливного элемента согласно третьему варианту осуществления;

Фиг.8 является принципиальной блок-схемой контроллера системы топливного элемента согласно третьему варианту осуществления;

Фиг.9 является блок-схемой последовательности операций способа повышения температуры топливного элемента, выполняемого посредством контроллера топливного элемента, используемого в системе топливного элемента согласно третьему варианту осуществления;

Фиг.10 является принципиальной блок-схемой конфигурации системы топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления;

Фиг.11 является принципиальной блок-схемой контроллера системы топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления; и

Фиг.12 является блок-схемой последовательности операций способа повышения температуры топливного элемента, выполняемого посредством контроллера топливного элемента, используемого в системе топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Выбранные варианты осуществления далее поясняются со ссылкой на чертежи. Специалистам в данной области техники из данного раскрытия должно быть очевидным, что последующие описания вариантов осуществления предоставляются только для иллюстрации, а не для ограничения изобретения, определяемого посредством прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.

Ссылаясь первоначально на Фиг.1, принципиальная блок-схема системы A1 топливного элемента проиллюстрирована в соответствии с первым вариантом осуществления. Как видно на Фиг.1, система A1 топливного элемента включает в себя, помимо прочего, контроллер B, нагнетатель 1 воздуха, топливный насос 2 и топливный элемент 10. В проиллюстрированном варианте осуществления, топливный элемент 10 является твердооксидным топливным элементом (SOFC), в котором кислородно-ионный проводник (оксидно-ионный проводник) используется в качестве электролита 11. В проиллюстрированном варианте осуществления, электролит 11 имеет анод 12, предоставляемый на одной стороне электролита 11, и катод 13, предоставляемый на другой стороне электролита 11. В проиллюстрированном варианте осуществления, электролит 11 имеет множество элементов 14 с твердым электролитом, при этом анод 12 и катод 13 находятся на противоположных сторонах элементов 14 с твердым электролитом. В частности, в проиллюстрированном варианте осуществления, элементы 14 с твердым электролитом размещаются поверх друг друга так, что они формируют батарею 15 элементов, при этом анод 12 и катод 13 находятся на противоположных сторонах батареи 15 элементов. Для иллюстрации, батарея 15 элементов проиллюстрирована упрощенно на Фиг.1 посредством показа только единичного элемента элементов 14 с твердым электролитом. Температурный датчик 16 располагается в батарее 15 элементов для обнаружения температурных данных батареи 15 элементов. Температурные данные, обнаруживаемые посредством температурного датчика 16, вводятся в контроллер B.

В общем, мощность в топливном элементе 10 формируется посредством реакции топливного газа с воздухом. Элементы 14 с твердым электролитом являются системой выработки электроэнергии, которая вырабатывает электроэнергию посредством отдельной подачи водородосодержащего газа, выступающего в качестве топлива, и кислородсодержащего газа, выступающего в качестве окислителя, чтобы давать возможность осуществления электрохимической реакции в топливном элементе. В частности, в проиллюстрированном варианте осуществления, система A1 топливного элемента может использовать, например, "этан, бутан, природный газ и другие подходящие газы" в качестве "водородосодержащего газа", который подается в качестве топлива в анод 12. Предпочтительно использовать этиловый спирт, бутанол или другой спирт. Тем не менее, в случаях системы A1 топливного элемента, используемой в транспортных средствах, к примеру, автомобилях или другие передвижных установках, бензин, дизельное топливо, легкое топливо или другое жидкое топливо, может быть, в частности, полезным в таких случаях. Тем не менее, топливо не ограничивается этими примерами. Кроме того, в проиллюстрированном варианте осуществления, система A1 топливного элемента использует "воздух" в качестве примера "кислородсодержащего газа", который подается в качестве окислительного газа в катод 13.

Как также видно на Фиг.1, система A1 топливного элемента включает в себя, помимо прочего, первую камеру 20 сгорания, установку 30 для риформинга, теплообменник 40, систему 50 подачи газа и третью камеру 70 сгорания. Нагнетатель 1 воздуха выполнен с возможностью подавать свежий кислородсодержащий газ в первую камеру 20 сгорания и установку 30 для риформинга. Топливный насос 2 выполнен с возможностью подавать топливо в первую камеру 20 сгорания. Частоты вращения нагнетателя 1 воздуха и топливного насоса 2 управляются посредством контроллера B так, что он увеличивает и уменьшает их частоты вращения по мере необходимости. Контроллер B системы топливного элемента, проиллюстрированной на Фиг.1, схематично иллюстрируется на Фиг.2. В проиллюстрированном варианте осуществления, как пояснено ниже, выпускаемый газ, выпускаемый из анода 12 системы A1 топливного элемента, эффективно используется для того, чтобы повышать температуру топливного элемента 10, при недопущении частичного повреждения и других проблем, вызываемых посредством изменений температуры в топливном элементе 10, и предотвращении отложения углерода.

Первая камера 20 сгорания выполняет функцию формирования высокотемпературного обогревающего газа. Высокотемпературный обогревающий газ формируется посредством смешения и горения горючей смеси. Воздух подается в первую камеру 20 сгорания через подводящую трубу 1a, которая подсоединена для протекания текучих сред между впускной стороной первой камеры 20 сгорания и нагнетателем 1 воздуха. Топливо подается в первую камеру 20 сгорания через подводящую трубу 2a, которая подсоединена для протекания текучих сред между впускной стороной первой камеры 20 сгорания и топливным насосом 2.

На выпускной стороне первой камеры 20 сгорания, подводящая труба 20a подсоединена для протекания текучих сред между выпускной стороной и впускной стороной катода 13 топливного элемента 10. Подводящая труба 20a выполнена с возможностью подавать обогревающий газ, сформированный посредством первой камеры 20 сгорания, в катод 13. На выпускной стороне катода 13 располагается выпускная труба 13a для выпуска выпускаемого обогревающего газа, выпускаемого из катода 13, из системы A1 топливного элемента. Промежуток между подводящей трубой 20a и выпускной трубой 13a является обратным каналом или трубой 17. В этом варианте осуществления, обратная труба 17 составляет первый обратный канал выпускаемого обогревающего газа. Обратная труба 17 выполнена с возможностью смешения части выпускаемого обогревающего газа, выпускаемого из катода 13, с обогревающим газом, подаваемым из первой камеры 20 сгорания в катод 13. В частности, обратный начальный конец обратной трубы 17 соединяется с выпускной трубой 13a, а обратный терминальный конец соединяется с подводящей трубой 20a. Система 50 подачи газа располагается в обратном канале 17. Система 50 подачи газа выполняет функцию подачи выпускаемого обогревающего газа, протекающего в обратную трубу 17, в катод 13. В настоящем варианте осуществления, система 50 подачи газа является нагнетателем воздуха. В частности, смешанный обогревающий газ формируется посредством смешения выпускаемого обогревающего газа, выпускаемого из катода 13, с обогревающим газом, подаваемым из первой камеры 20 сгорания, и результирующий смешанный обогревающий газ подается в катод 13 посредством обратной трубы 17 и системы 50 подачи газа. Температурный датчик 19 располагается в системе 50 подачи газа для обнаружения температурных данных выпускаемого обогревающего газа, подаваемого из системы 50 подачи газа. Температурные данные, обнаруживаемые посредством этого температурного датчика 19, вводятся в контроллер B.

Установка 30 для риформинга выполнена с возможностью риформинга топливного газа, подаваемого в анод 12 топливного элемента 10 в нормальном рабочем режиме, описанном ниже. Подводящая труба 2b подсоединена для протекания текучих сред между впускной стороной установки 30 для риформинга и выходной стороной топливного насоса 2 для подачи топлива в установку 30 для риформинга. Подводящая труба 1b подсоединена для протекания текучих сред между впускной стороной установки 30 для риформинга и нагнетателем 1 воздуха для подачи воздуха в установку 30 для риформинга. Подводящая труба 30a подсоединена для протекания текучих сред между стороной подачи установки 30 для риформинга и впускной стороной анода 12, так что прошедшие риформинг топливные газы, подаваемые из установки 30 для риформинга, подаются в анод 12. Установка 30 для риформинга может содержать температурный датчик 30b для обнаружения температурных данных установки 30 для риформинга по мере необходимости.

На выпускной стороне анода 12 располагается выпускная труба 12a для подачи выпускаемого выхлопного топливного газа в третью камеру 70 сгорания. Третья камера 70 сгорания выполняет функцию формирования высокотемпературного обогревающего газа посредством смешения и горения смеси "воздух-топливо" из топлива и либо свежего воздуха, либо выпускаемого обогревающего газа, выпускаемого из анода 12. Выпускная труба 12a подсоединена для протекания текучих сред между впускной стороной третьей камеры 70 сгорания и выпускной стороной анода 12. Между выпускной стороной третьей камеры 70 сгорания и впускной стороной теплообменника 40 располагается подводящая труба 12b, которая является каналом подачи обогревающего газа для подачи обогревающего газа, сформированного посредством третьей камеры 70 сгорания, в теплообменник 40.

Теплообменник 40 располагается рядом с установкой 30 для риформинга, так что между ними возникает теплообмен. Теплообменник 40 выполнен с возможностью подачи в него части горючего газа, являющегося результатом сжигания выхлопного топливного газа, подаваемого из анода 12 через подводящую трубу 12b, посредством третьей камеры 70 сгорания. На выпускной стороне теплообменника 40, располагается выпускная труба 40a для выпуска выхлопного топливного газа из системы после того, как газ использован в теплообмене.

В настоящем варианте осуществления, во время возрастания температуры для повышения температуры топливного элемента 10 до рабочей температуры (во время пуска или режима повышения температуры), установка 30 для риформинга, теплообменник 40 и третья камера сгорания, описанная выше, не работают, и топливный газ не подается в анод 12. Таким образом, режим повышения температуры выполняется только вплоть до того, как температура топливного элемента 10 достигает предписанной рабочей температуры.

В проиллюстрированном варианте осуществления, контроллер B включает в себя микрокомпьютер с ЦПУ (центральным процессором), интерфейсную схему, запоминающие устройства, к примеру, устройство ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) и устройство ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) и другие стандартные компоненты (не показаны). Микрокомпьютер контроллера B программируется так, что он управляет другими компонентами системы A1 топливного элемента, как пояснено ниже. Запоминающая схема сохраняет результаты обработки и управляющие программы, которые выполняются посредством процессорной схемы. Внутреннее ОЗУ контроллера B сохраняет состояния функциональных флагов и различные управляющие данные. Внутреннее ПЗУ контроллера B сохраняет различные предписанные данные для различных операций.

Контроллер B включает в себя одну или более программ, которые используются в работе системы A1 топливного элемента. Посредством выполнения этих программ контроллер B выполняет следующие функции: (1) измерение температуры выпускаемого обогревающего газа, протекающего через обратную трубу 17; (2) измерение расхода выпускаемого обогревающего газа, протекающего через обратную трубу 17; (3) задание расходов воздуха топлива и воздуха, подаваемых в первую камеру 20 сгорания, на основе расхода и температуры выпускаемого обогревающего газа, протекающего через обратную трубу 17, так что обогревающий газ, подаваемый в катод 13, достигает предварительно определенной температуры; (4) подача топливного газа и кислородсодержащего газа с заданным расходом в первую камеру 20 сгорания; (5) измерение температуры топливного элемента 10; (6) задание температуры обогревающего газа, подаваемого в катод 13 топливного элемента 10, на основе температур выпускаемого обогревающего газа, протекающего через топливный элемент 10 и обратную трубу 17; (7) определение того, достигает или нет температура топливного элемента 10 предварительно определенного значения; и (8) переключение с режима повышения температуры на нормальный рабочий режим, когда определяется то, что температура топливного элемента 10 достигает предварительно определенного значения. Специалистам в данной области техники из этого раскрытия сущности должно быть очевидным, что точная структура и алгоритмы для контроллера B могут быть любой комбинацией аппаратных средств и/или программного обеспечения, которая должна выполнять описанные функции.

Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию измерения температуры выпускаемого обогревающего газа, протекающего через обратную трубу 17, упоминаются как "первый модуль B1 измерения температуры выпускаемого обогревающего газа". В настоящем варианте осуществления, температура выпускаемого обогревающего газа измеряется на основе температурных данных, обнаруживаемых посредством температурного датчика 19. Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию измерения расхода выпускаемого обогревающего газа, протекающего через обратную трубу 17, упоминаются как "первый модуль B2 измерения расхода выпускаемого обогревающего газа". Первый модуль B2 измерения расхода выпускаемого обогревающего газа измеряет расход газа выпускаемого обогревающего газа из частоты вращения нагнетателя воздуха и объема газа, который может нагнетаться посредством одного вращения нагнетателя воздуха, согласно конструкции системы 50 подачи газа. Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию задания расходов топлива и воздуха, подаваемых в первую камеру 20 сгорания, упоминаются как "модуль B3 задания расхода". Термин "предварительно определенная температура" означает температуру, при которой топливный элемент 10 не повреждается посредством теплового удара, на основе текущей температуры топливного элемента 10. Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию подачи топливного газа и кислородсодержащего газа с заданным расходом в первую камеру 20 сгорания, упоминаются как "модуль B4 подачи топливного газа". В настоящем варианте осуществления, подача выполняется посредством управления с возможностью вращения и с возможностью приведения в действие нагнетателем 1 воздуха и топливным насосом 2. Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию измерения температуры топливного элемента 10, упоминаются как "модуль B5 измерения температуры элемента". В настоящем варианте осуществления, температура топливного элемента 10 измеряется на основе температурных данных, обнаруживаемых посредством температурного датчика 16. Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию задания температуры обогревающего газа, подаваемого в катод 13, упоминаются как "модуль B6 задания температуры газа". В настоящем варианте осуществления, температура обогревающего газа задается так, что она увеличивается со временем до целевой температуры. Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию определения того, достигает или нет температура топливного элемента 10 предварительно определенного значения, упоминаются как "модуль B7 определения температуры элемента". Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию переключения с режима повышения температуры на нормальный рабочий режим, когда определяется то, что температура топливного элемента 10 достигает предварительно определенного значения, упоминаются как "модуль B8 переключения режима".

При использовании в данном документе, термин "режим повышения температуры" означает действие повышения температуры топливного элемента 10 до рабочей температуры, как описано выше. При использовании в данном документе, термин "нормальный рабочий режим" означает, что рабочий режим в топливном элементе 10 достигает рабочей температуры для принудительной выработки электроэнергии в топливном элементе 10.

Способ повышения температуры топливного элемента, используемого в системе A1 топливного элемента, имеющей конфигурацию, описанную выше, описывается со ссылкой на Фиг.3. Фиг.3 является блок-схемой последовательности операций, показывающей способ повышения температуры топливного элемента, используемого в системе A1 топливного элемента. Способ повышения температуры, используемый в системе A1 топливного элемента, включает в себя, по меньшей мере, измерение температуры выпускаемого обогревающего газа, протекающего через первый обратный канал или трубу 17 выпускаемого обогревающего газа, задание расходов кислородсодержащего газа и топлива, сжигаемых посредством первой камеры 20 сгорания, так что новый обогревающий газ, подаваемый из первой камеры 20 сгорания в катод 13, достигает предварительно определенной температуры, и подачу топлива и кислородсодержащего газа, имеющих заданные расходы, в первую камеру 20 сгорания. Подробности этого заключаются в следующем.

Ссылаясь на блок-схему последовательности операций способа по Фиг.3, далее поясняется процесс. На этапе S1 начинается процесс повышения температуры топливного элемента 10 для операции пуска, и затем процесс переходит к этапу S2.

На этапе S2 выпускаемый обогревающий газ (выпускаемый газ сгорания обедненной смеси), выпускаемый из катода 13, проходит через обратную трубу 17 с циркуляционной обратной подачей, выполняемой при постоянном расходе.

Предварительно определенные объемы топлива и воздуха подаются и сжигаются в первой камере 20 сгорания так, что они формируют новый обогревающий газ, который смешивается с выпускаемым обогревающим газом, подаваемым обратно через обратную трубу 17, так что они формируют смешанный обогревающий газ предварительно определенной температуры, который подается в катод 13.

На этапе S3 температура выпускаемого обогревающего газа, распространяемого по замкнутой системе через обратную трубу 17, измеряется, и температура топливного элемента 10 измеряется.

На этапе S4 температура нового обогревающего газа, подаваемого в топливный элемент 10, задается. В это время, обогревающий газ предварительно определенной температуры задается равным температуре, при которой топливный элемент 10, описанный выше, не повреждается посредством теплового удара, на основе текущей температуры топливного элемента 10. Эта предварительно определенная температура надлежащим образом задается с учетом теплоемкости топливного элемента 10 и расхода подаваемого обогревающего газа, т.е. теплоемкости обогревающего газа.

На этапе S5 количество тепла, необходимое для того, чтобы повышать температуру топливного элемента 10 до предварительно определенной температуры, вычисляется из расхода, и удельная теплоемкость выпускаемого обогревающего газа, распространяемого по замкнутой системе обратно, и определяются расходы топлива и воздуха, необходимые в первой камере 20 сгорания для того, чтобы формировать это количество тепла. Поскольку обогревающий газ подается в катод 13, обогревающий газ предпочтительно является газом сгорания обедненной смеси, имеющим окислительные свойства. В частности, газ подвергается сгоранию обедненной смеси при составе смеси "воздух-топливо" в 1-1,2.

На этапе S6 объемы топлива и воздуха, вычисленные выше, подаются в первую камеру 20 сгорания.

На этапе S7 обогревающий газ, сформированный посредством первой камеры 20 сгорания, смешивается с выпускаемым обогревающим газом, и обогревающий газ (смешанный обогревающий газ) предварительно определенной температуры подается в топливный элемент 1. Этот смешанный обогревающий газ тем самым повышает температуру топливного элемента 10.

Как описано выше, поскольку температура обогревающего газа, подаваемого в топливный элемент 10, задается согласно температуре топливного элемента 10, температура топливного элемента 10 повышается, и температура подаваемого обогревающего газа также постепенно задается равной постепенно повышающейся температуре. Температуре смешанного обогревающего газа, подаваемого в топливный элемент 10, назначается верхняя предельная температура с учетом термостойкости конструктивных элементов. Например, в настоящем варианте осуществления, верхняя предельная температура составляет 800°C. В частности, заданная температура обогревающего газа постепенно увеличивается до 800°C, после чего температура обогревающего газа, подаваемого в топливный элемент 10, по-прежнему поддерживается при 800°C.

Выпускаемый обогревающий газ, выпускаемый из топливного элемента 10, предоставляет тепло в топливный элемент 10, и газ также выпускается при температуре, приблизительно идентичной температуре топливного элемента 10. Следовательно, поскольку температура циркуляционного выпускаемого обогревающего газа повышается вместе с возрастанием температуры в топливном элементе 10, объем сгорания в первой камере 20 сгорания регулируется согласно разности между заданной температурой обогревающего газа, подаваемого в топливный элемент 10, и температурой циркуляционного выпускаемого обогревающего газа, объему обогревающего газа, смешиваемого с циркуляционным выпускаемым обогревающим газом, и объему смешанного газа, подаваемому в топливный элемент 10. Таким образом, обогревающий газ подается, чтобы повышать температуру топливного элемента 10 до тех пор, пока топливный элемент 10 не достигает рабочей температуры.

На этапе S8 принимается решение в отношении того, достигает или нет топливный элемент 10 рабочей температуры. После того, как определено то, что рабочая температура топливного элемента 10 достигнута, процесс переходит к этапу S9. В противном случае, процесс возвращается к этапу S2 до тех пор, пока рабочая температура топливного элемента 10 не достигнута.

На этапе S9 операция повышения температуры для нагрева завершается, и нормальный рабочий режим восстанавливается. Согласно вышеописанной конфигурации, поскольку циркулирующий топливный газ (выпускаемый обогревающий газ) выпускается из катода при комнатной температуре или выше, меньшее количество тепла, т.е. меньший объем сгоревшего топлива требуется для того, чтобы формировать топливный газ при идентичном расходе по сравнению с использованием нового или свежего воздуха в качестве обычного вторичного воздуха. Таким образом, расход топлива во время роста температуры может быть значительно уменьшен.

Если рассматривать использование отработанного тепла, должно быть возможным восстанавливать отработанное тепло только с помощью теплообменника без циркуляционного выхлопного топливного газа. Тем не менее, поскольку сам теплообменник имеет низкую температуру во время процесса роста температуры, сначала определенное количество тепла должно быть использовано для того, чтобы нагревать теплообменник. Если предположить, что операция пуска происходит внезапно (т.е. температура внезапно повышается), то большой объем горючего газа подается в топливный элемент, и слишком большой теплообменник должен требоваться для того, чтобы восстанавливать отработанное тепло из большого объема горючего газа. Следовательно, теплоемкость теплообменника увеличивается, и даже если теплообменник используется для восстановления отработанного тепла во время роста температуры, то скорость восстановления отработанного тепла не увеличивается вследствие количества тепла, требуемого для того, чтобы предварительно нагревать теплообменник.

Ссылаясь теперь на Фиг.4-6, далее поясняется система A2 топливного элемента в соответствии со вторым вариантом осуществления. С учетом аналогичности между первым и вторым вариантами осуществления, частям системы A2 топливного элемента второго варианта осуществления, которые являются идентичными частям первого варианта осуществления, присваиваются ссылки с номерами, идентичные ссылкам с номерами частей первого варианта осуществления. Кроме того, описания частей второго варианта осуществления, которые являются идентичными частям первого варианта осуществления, опущены для краткости. Фиг.4 является принципиальной блок-схемой, показывающей конфигурацию системы A2 топливного элемента согласно второму варианту осуществления. Фиг.5 является принципиальной блок-схемой, показывающей функции контроллера B, составляющего часть системы A2 топливного элемента согласно второму варианту осуществления. Фиг.6 является блок-схемой последовательности операций, показывающей способ повышения температуры топливного элемента 10, который используется в системе A2 топливного элемента. В дополнение к конфигурации, показанной в системе A1 топливного элемента согласно первому варианту осуществления, описанному выше, система A2 топливного элемента согласно второму варианту осуществления также включает в себя вторую камеру 60 сгорания, клапан 61 регулирования расхода и температурный датчик 62. Так же, установка 30 для риформинга, теплообменник 40 и третья камера 70 сгорания не используются в этом варианте осуществления.

Вторая камера 60 сгорания выполняет функцию формирования высокотемпературного обогревающего газа. Вторая камера 60 сгорания смешивает и сжигает воздух, подаваемый через подводящую трубу 1b из нагнетателя 1 воздуха, вместе с топливом, подаваемым через подводящую трубу 2b из топливного насоса 2, чтобы формировать высокотемпературный обогревающий газ. На выпускной стороне вторая камера 60 сгорания соединена для протекания текучих сред с подводящей трубой 60a для подачи сформированного обогревающего газа в анод 12 топливного элемента 10. Клапан 61 регулирования расхода располагается в подводящей трубе 13a. Обратный канал или труба 61a подсоединен для протекания текучих сред между клапаном 61 регулирования расхода и подводящей трубой 60a. В этом варианте осуществления, обратная труба 61a составляет второй обратный канал выпускаемого обогревающего газа.

Клапан 61 регулирования расхода функционально соединяется с выходной стороной контроллера B, так что контроллер B избирательно открывает и закрывает клапан 61 регулирования расхода. В частности, согласно сигналу приведения в действие для открытия/закрытия, выводимому из контроллера B, клапан 61 регулирования расхода направляет надлежащий объем выпускаемого обогревающего газа, чтобы он протекал через обратную трубу 61a. Более конкретно, обратная труба 61a формируется так, что она распространяет по замкнутой системе выпускаемый обогревающий газ, выпускаемый из катода 13, в анод 12. В частности, по меньшей мере, часть избыточного выпускаемого обогревающего газа не распространяется по замкнутой системе обратно в катод 13 и перенаправляется так, что она смешивается с обогревающим газом, сформированным посредством второй камеры 60 сгорания. Таким образом, смесь из выпускаемого обогревающего газа, выпускаемого из катода 13, и обогревающего газа, сформированного посредством второй камеры 60 сгорания, вводится в анод 12.

Температурный датчик 62 используется для того, чтобы обнаруживать температурные данные выпускаемого обогревающего газа, протекающего через обратную трубу 61a. Температурный датчик 62 соединяется с входной стороной контроллера B. Другими словами, обнаруживаемые температурные данные выпускаемого обогревающего газа, протекающего через обратную трубу 61a, вводятся в контроллер B.

В этом варианте осуществления, контроллер B включает в себя одну или более программ, которые используются в работе системы A2 топливного элемента. Аналогично первому варианту осуществления, как пояснено выше, посредством выполнения этих программ, контроллер B выполняет функции первого модуля B1 измерения температуры выпускаемого обогревающего газа, первого модуля B2 измерения расхода выпускаемого обогревающего газа, модуля B3 задания расхода, модуля B4 подачи топливного газа, модуля B5 измерения температуры элемента, модуля B6 задания температуры газа, модуля B7 определения температуры элемента и модуля B8 переключения режима. Тем не менее, в этом варианте осуществления, в дополнение к этим функциям, контроллер B также выполняет следующие функции: (1) измерение расхода выпускаемого обогревающего газа, подаваемого в анод 12; (2) измерение температуры выпускаемого обогревающего газа; и (3) задание расходов топлива и воздуха, сжигаемых во второй камере 60 сгорания, так что соотношение пара (например, водяного пара) и углерода (S/C-коэффициент) и температура топливного газа, подаваемого в анод 12, достигают предварительно определенных значений на основе расхода и температуры выпускаемого обогревающего газа, выпускаемого из катода 13 и подаваемого в анод 12.

Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию измерения расхода выпускаемого обогревающего газа, подаваемого в анод 12 через обратную трубу 61a, упоминаются как "второй модуль B9 измерения расхода выпускаемого обогревающего газа". Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию измерения температуры выпускаемого обогревающего газа, протекающего через обратную трубу 61a, упоминаются как "второй модуль B10 измерения температуры выпускаемого обогревающего газа". Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию задания расходов топлива и воздуха, сжигаемых во второй камере 60 сгорания, так что S/C-коэффициент и температура топливного газа, подаваемого в анод 12, достигают предварительно определенных значений, упоминаются как "второй модуль B11 задания расхода".

Способ повышения температуры топливного элемента с использованием системы A2 топливного элемента, имеющей конфигурацию, описанную выше, описывается со ссылкой на Фиг.6. Фиг.6 является блок-схемой последовательности операций, показывающей способ повышения температуры топливного элемента, используемого в системе A2 топливного элемента.

В настоящем варианте осуществления, расходы топлива и воздуха, подаваемых в первую камеру 20 сгорания, регулируются так, что смешанный обогревающий газ, подаваемый в катод 13, достигает предварительно определенной температуры, на основе расхода и температуры выпускаемого обогревающего газа, протекающего через обратную трубу 17, что является аналогичным системе A1 топливного элемента, описанной выше.

На этапе Sa1, процесс повышения температуры топливного элемента 10 для операции пуска начинается, и процесс переходит к этапу Sa2.

На этапе Sa2, расход задается для доставки выпускаемого обогревающего газа (выпускаемый газ сгорания бедной смеси), выпускаемого из катода 13, в обратную трубу 61a. В частности, выпускаемый обогревающий газ, подаваемый в анод 12, имеет окислительно-восстановительные свойства, чтобы предотвращать окисление анода 12. В Восстановительный выпускаемый обогревающий газ содержит определенный объем водяного пара так, что он не вызывает отложение углерода на аноде 12. Восстановительный выпускаемый обогревающий газ также подается при регулировании до предварительно определенной температуры так, что он не вызывает тепловой удар в топливном элементе 10. Чтобы достигать этих результатов, используется выпускаемый обогревающий газ, выпускаемый из катода 13 без рециркуляции через катод 13.

Как описано выше, выпускаемый обогревающий газ, протекающий в обратной трубе 61a, имеет низкую концентрацию кислорода. Посредством смешения выпускаемого обогревающего газа обратной трубы 61a с новым обогревающим газом, сформированным из сгорания богатой смеси во второй камере 60 сгорания перед введением в анод 12, результирующий смешанный обогревающий газ должен иметь окислительно-восстановительные свойства. Поскольку выпускаемый обогревающий газ, выпускаемый из катода 13, также содержит высокую концентрацию водяного пара, можно предоставлять концентрацию водяного пара, достаточную для того, чтобы предотвращать отложение углерода, вызываемое посредством смешанного обогревающего газа в аноде 12. Посредством использования выпускаемого обогревающего газа, подаваемого из катода 13, в качестве газа регулирования температуры нового обогревающего газа, сформированного посредством второй камеры 60 сгорания, можно подавать в анод 12 выпускаемый обогревающий газ, который имеет восстановительные свойства, нулевой риск отложения углерода, а также требуемую температуру. Также можно надлежащим образом задавать доставляемый объем избыточного выпускаемого обогревающего газа, выпускаемого без циркуляции через обратную трубу 17. Чтобы предотвращать окисление анода 12, топливный газ, имеющий минимальные требуемые восстановительные свойства, предпочтительно подается. Таким образом, расход выпускаемого обогревающего газа, подаваемого из катода 13, предпочтительно задается равным небольшому объему. Кроме того, в случаях, в которых температура топливного элемента 10 внезапно повышается, подача большого объема обогревающего газа в анод 12 является также эффективной, и расход выпускаемого обогревающего газа, подаваемого из катода 13, следовательно, задается равным высокому показателю.

Как и в случаях с катодом 13, объем сгорания во второй камере 60 сгорания, необходимый для того, чтобы повышать температуру выпускаемого обогревающего газа, подаваемого из катода 13, до предварительно определенной температуры, задается на основе предварительно определенной температуры обогревающего газа, подаваемого в топливный элемент 10. Предварительно определенная температура обогревающего газа, подаваемого в анод 12, может задаваться независимо от катода 13, но предпочтительно задается равной температуре, приблизительно идентичной заданной температуре катода 13, во избежание теплового удара для топливного элемента 10. Объем сгорания во второй камере 60 сгорания задается согласно количеству тепла, требуемого для того, чтобы повышать температуру выпускаемого обогревающего газа, подаваемого из катода 13. Объем сгорания во второй камере 60 сгорания также задается с учетом состава смешанного обогревающего газа. В частности, для того, чтобы смешанный обогревающий газ имел восстановительные свойства, уделяется внимание тому, сколько несгоревшего топлива должно быть включено, а также тому, сколько водяного пара необходимо в несгоревшем топливе, чтобы предотвращать отложение углерода. Следовательно, сгорание богатой смеси выполняется во второй камере 60 сгорания, но сгорание выполняется с составом смеси "воздух-топливо", поддерживаемым в промежутке от меньше 1 до предела воспламеняемости (приблизительно 0,2 в случае бензина).

Как описано выше, выпускаемый обогревающий газ, который не циркулирует через обратную трубу 17, смешивается с новым обогревающим газом, сформированным посредством второй камеры 60 сгорания, расположенной на стороне впуска анода 12, до тех пор пока топливный элемент 10 не достигает предварительно определенной температуры. Таким образом, обогревающий газ, имеющий температуру, которая не приводит к тепловому удару для топливного элемента 10, и который имеет восстановительные свойства, которые исключают риск отложения углерода в катоде 13, подается в топливный элемент 10, чтобы повышать температуру.

На этапе Sa3, температура и состав выпускаемого обогревающего газа, выпускаемого из катода 13 и направляемого в анод 12, определяются, измеряются и сохраняются. В настоящем варианте осуществления, температура выпускаемого обогревающего газа, направляемого в анод 12, определяется посредством температурного датчика 62. Температурный датчик 62 располагается в клапане 61 регулирования расхода, но температура, определяемая посредством температурного датчика 19, расположенного на выпускной стороне системы 50 подачи газа, может быть использована в качестве замены температурного датчика 62.

Клапан 61 регулирования расхода включает в себя измерительное устройство для измерения состава выпускаемого обогревающего газа. Состав выпускаемого обогревающего газа измеряется посредством этого измерительного устройства. Тем не менее, состав также может быть оценен из условий сгорания (состава смеси "воздух-топливо") в первой камере 20 сгорания, поскольку состав постепенно приближается к составу обогревающего газа, сформированному в первой камере 20 сгорания, как описано выше. Другими словами, может быть использована конфигурация, в которой модуль оценки состава газа предоставляется для оценки состава выпускаемого обогревающего газа на основе условий сгорания (состава смеси "воздух-топливо") в первой камере 20 сгорания.

На этапе Sa4, задается температура обогревающего газа, подаваемого в анод 12.

На этапе Sa5, объем сгорания во второй камере 60 сгорания задается на основе расхода и температуры выпускаемого обогревающего газа.

На этапе Sa6, топливо и воздух подаются во вторую камеру 60 сгорания.

На этапе Sa7, новый обогревающий газ, подаваемый из второй камеры 60 сгорания, и выпускаемый обогревающий газ, выпускаемый из катода 13, смешиваются и подаются в анод 12.

На этапе Sa8, принимается решение в отношении того, достигает или нет топливный элемент 10 рабочей температуры. После того, как определяется то, что рабочая температура достигнута, процесс переходит к этапу Sa9. В противном случае, если рабочая температура не достигнута, то процесс возвращается к этапу Sa2.

На этапе Sa9, операция нагрева и повышения температуры завершается, и система переходит в нормальный рабочий режим.

Ссылаясь теперь на Фиг.7-9, далее поясняется система A3 топливного элемента в соответствии с третьим вариантом осуществления. С учетом аналогичности между этим третьим вариантом осуществления и предшествующими вариантами осуществления, частям системы A3 топливного элемента третьего варианта осуществления, которые являются идентичными частям предшествующих вариантов осуществления, присваиваются ссылки с номерами, идентичные ссылкам с номерами частей предшествующих вариантов осуществления. Кроме того, описания частей третьего варианта осуществления, которые являются идентичными частям предыдущих вариантов осуществления, опущены для краткости. Фиг.7 является принципиальной блок-схемой, показывающей конфигурацию системы A3 топливного элемента согласно третьему варианту осуществления. Фиг.8 является принципиальной блок-схемой контроллера B системы A3 топливного элемента согласно третьему варианту осуществления. Фиг.9 является блок-схемой последовательности операций, показывающей способ повышения температуры топливного элемента, выполняемый посредством контроллера B топливного элемента 10, который используется в системе A3 топливного элемента.

В дополнение к конфигурации, показанной в системе A1 топливного элемента согласно первому варианту осуществления, описанному выше, система A3 топливного элемента согласно третьему варианту осуществления также имеет конфигурацию, содержащую клапаны 61 регулирования расхода второго варианта осуществления, температурный датчик 62 второго варианта осуществления и клапан 71 регулирования расхода.

Подводящая труба 2b подсоединена для протекания текучих сред между впускной стороной установки 30 для риформинга и топливным насосом 2. Также подводящая труба 30a подсоединена для протекания текучих сред между выпускной стороной установки 30 для риформинга и анодом 12. Клапан 61 регулирования расхода располагается между подводящей трубой 13a и обратной трубой 61a. Обратная труба 61a подсоединена для протекания текучих сред между клапаном 61 регулирования расхода и подводящей трубой 30a. Другими словами, обратная труба 61a формируется для подачи в анод 12, по меньшей мере, части избыточного выпускаемого обогревающего газа, выпускаемого из катода 13, который в противном случае не распространяется по замкнутой системе обратно в катод 13.

Клапан 71 регулирования расхода предоставляется в обратной трубе 61a. Клапан 71 регулирования расхода выполнен так, что подводящая труба 71a подсоединена для протекания текучих сред между клапаном и впускной стороной установки 30 для риформинга, и выпускаемый обогревающий газ может доставляться в анод 12 и установку 30 для риформинга. Подводящая труба 71a составляет третий обратный канал выпускаемого обогревающего газа для подачи обратно в установку 30 для риформинга, по меньшей мере, части выпускаемого обогревающего газа, выпускаемого из катода 13. Клапан 71 регулирования расхода соединяется с выходной стороной контроллера B так, что он избирательно открывается и закрывается посредством сигналов приведения в действие для открытия и закрытия, выводимых из контроллера B.

В этом варианте осуществления, контроллер B включает в себя одну или более программ, которые используются в работе системы A3 топливного элемента. Аналогично первому варианту осуществления, как пояснено выше, посредством выполнения этих программ, контроллер B выполняет функции первого модуля B1 измерения температуры выпускаемого обогревающего газа, первого модуля B2 измерения расхода выпускаемого обогревающего газа, модуля B3 задания расхода, модуля B4 подачи топливного газа, модуля B5 измерения температуры элемента, модуля B6 задания температуры газа, модуля B7 определения температуры элемента и модуля B8 переключения режима. Тем не менее, в этом варианте осуществления, в дополнение к этим функциям, контроллер B также выполняет следующие функции: (1) определение того, достигает или нет температура установки 30 для риформинга рабочей температуры; (2) задание расходов топлива и воздуха для установки 30 для риформинга на основе температуры и доставляемого объема выпускаемого обогревающего газа, выпускаемого из катода 13, который подается обратно в установку 30 для риформинга через подводящую трубу 71a, когда определено то, что температура установки 30 для риформинга достигает рабочей температуры; и (3) подача выпускаемого обогревающего газа, имеющего этот заданный расход, в установку 30 для риформинга.

Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию определения того, достигает или нет температура установки 30 для риформинга рабочей температуры, упоминаются как "модуль B12 определения рабочей температуры". Установка 30 для риформинга содержит температурный датчик 30b для обнаружения температурных данных установки 30 для риформинга. Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию задания расходов топлива и воздуха для установки 30 для риформинга, упоминаются как "модуль B13 задания расхода установки для риформинга". Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию подачи выпускаемого обогревающего газа с этим заданным расходом в установку 30 для риформинга, упоминаются как "модуль B14 подачи газа в установку для риформинга".

Способ повышения температуры топливного элемента с использованием системы A3 топливного элемента, имеющей вышеописанную конфигурацию, описывается со ссылкой на Фиг.9. Фиг.9 является блок-схемой последовательности операций, показывающей способ повышения температуры топливного элемента, используемого в системе A3 топливного элемента.

В настоящем варианте осуществления, увеличение и уменьшение расходов водородосодержащего газа и воздуха, подаваемых в первую камеру 20 сгорания, регулируется на основе расхода и температуры выпускаемого обогревающего газа, протекающего через обратную трубу 17, так что смешанный обогревающий газ, подаваемый в катод 13, достигает предварительно определенной температуры, как и в системе A1 топливного элемента, описанной выше.

На этапе Sc1, процесс повышения температуры топливного элемента 10 для операции пуска начинается, и процесс переходит к этапу Sc2.

На этапе Sc2, установка 30 для риформинга предварительно нагревается посредством выпускаемого обогревающего газа, сформированного посредством третьей камеры 70 сгорания. Выпускаемый обогревающий газ, подаваемый из катода 13, применяется к реакции риформинга в установке 30 для риформинга, и отложение углерода в катоде 13 предотвращается посредством прошедшего риформинг выпускаемого обогревающего газа. Регулирующий температуру газ прошедшего риформинг обогревающего газа также доставляется выше установки 30 для риформинга, а также используется для того, чтобы смешиваться с прошедшим риформинг обогревающим газом ниже установки 30 для риформинга.

На этапе Sc3, принимается решение в отношении того, достигает или нет установка 30 для риформинга рабочей температуры. После того, как определяется то, что рабочая температура достигнута, процесс переходит к этапу Sc4, если определяется то, что установка 30 для риформинга достигает рабочей температуры. В противном случае, если рабочая температура не достигнута, то процесс возвращается к этапу Sc2.

На этапе Sc4, расходы топлива и воздуха для установки 30 для риформинга задаются из доставляемого объема и температуры установки 30 для риформинга.

На этапе Sc5, топливо, воздух и выпускаемый обогревающий газ подаются в установку 30 для риформинга.

Во-первых, чтобы приводить установку 30 для риформинга к рабочей температуре (рабочей температуре), топливо, воздух и выпускаемый обогревающий газ подаются и смешиваются в третьей камере 70 сгорания так, что они формируют обогревающий газ. Этот обогревающий газ подается в теплообменник 40, предоставляемый для того, чтобы предварительно нагревать установку 30 для риформинга. Таким образом, температура установки 30 для риформинга повышается. После того, как установка 30 для риформинга достигает рабочей температуры, выпускаемый обогревающий газ, подаваемый из катода 13, и топливо подаются в установку 30 для риформинга. Таким образом, прошедший риформинг газ формируется.

Поскольку очень маленький объем кислорода и большой объем водяного пара включаются в выпускаемый обогревающий газ, подаваемый из катода 13, прошедший риформинг газ формируется в установке 30 для риформинга посредством реакции частичного окисления и реакции риформинга водяного пара. Поскольку реакция частичного окисления является экзотермической, а реакция риформинга водяного пара является эндотермической, равновесие между скоростями этих двух реакций сохраняется, чтобы стабильно управлять установкой 30 для риформинга, т.е. чтобы поддерживать установку 30 для риформинга в предварительно определенном диапазоне температур. Следовательно, воздух подается по мере необходимости в установку 30 для риформинга, чтобы увеличивать скорость реакции частичного окисления.

После того, как прошедший риформинг выпускаемый обогревающий газ подан в анод 12, компонент несгоревшего топлива, включенный в выпускаемый прошедший риформинг газ, сжигается в третьей камере 70 сгорания, посредством чего высокотемпературный топливный газ может быть сформирован и подан в качестве газа регулирования температуры установки 30 для риформинга в теплообменник 40.

Установка 30 для риформинга может стабильно работать в предварительно определенном диапазоне температур посредством достижения равновесия между скоростью реакции в установке 30 для риформинга и теплом из выпускаемого обогревающего газа. Выпускаемый обогревающий газ, подаваемый из катода 13, делится посредством клапана 71 регулирования расхода, предоставляемого выше установки 30 для риформинга, на расход, подаваемый в установку 30 для риформинга для реакции риформинга, и расход, подаваемый ниже установки 30 для риформинга, чтобы регулировать температуру прошедшего риформинг газа.

Аналогично системе A2 топливного элемента, описанной выше, выпускаемый обогревающий газ после смешения является восстановительным прошедшего риформинг газом, содержащим водяной пар и не имеющим риска отложения углерода, и доставляемый объем и объем реформированного газа, сформированного в установке 30 для риформинга, т.е. объем топлива, подаваемый в установку 30 для риформинга, регулируется так, что предварительно определенная температура достигается.

На этапе Sc6, прошедший риформинг смешанный обогревающий газ подается в анод 12.

На этапе Sc7, принимается решение в отношении того, достигает или нет топливный элемент 10 рабочей температуры. После того, как определяется то, что рабочая температура достигнута, процесс переходит к этапу Sc8. В противном случае, если рабочая температура не достигнута, то процесс возвращается к этапу Sc4.

На этапе Sc8, операция нагрева и повышения температуры завершается, и система переходит в нормальный рабочий режим.

Ссылаясь теперь на Фиг.10-12, далее поясняется система A4 топливного элемента в соответствии с четвертым вариантом осуществления. С учетом аналогичности между этим четвертым вариантом осуществления и предшествующими вариантами осуществления, частям системы A4 топливного элемента четвертого варианта осуществления, которые являются идентичными частям предшествующих вариантов осуществления, присваиваются ссылки с номерами, идентичные ссылкам с номерами частей предшествующих вариантов осуществления. Кроме того, описания частей четвертого варианта осуществления, которые являются идентичными частям предыдущих вариантов осуществления, опущены для краткости. Фиг.10 является принципиальной блок-схемой, показывающей конфигурацию системы A4 топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления. Фиг.11 является принципиальной блок-схемой контроллера B системы A4 топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления. Фиг.12 является блок-схемой последовательности операций, показывающей способ повышения температуры топливного элемента, выполняемый посредством контроллера B топливного элемента 10, который используется в системе A4 топливного элемента.

Система A4 топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления имеет конфигурацию, показанную в системе A1 топливного элемента согласно предыдущему первому варианту осуществления, в которой предоставляется температурный датчик 63. Температурный датчик 63 выполнен с возможностью измерения температуры смешанного обогревающего газа, подаваемого в катод 13 топливного элемента 10. Температурный датчик 63 соединяется с входной стороной контроллера B. Другими словами, обнаруживаемые температурные данные выпускаемого обогревающего газа вводятся в контроллер B.

В этом варианте осуществления, контроллер B включает в себя одну или более программ, которые используются в работе системы A4 топливного элемента. Аналогично первому варианту осуществления, как пояснено выше, посредством выполнения этих программ, контроллер B выполняет функции первого модуля B1 измерения температуры выпускаемого обогревающего газа, первого модуля B2 измерения расхода выпускаемого обогревающего газа, модуля B3 задания расхода, модуля B4 подачи топливного газа, модуля B5 измерения температуры элемента, модуля B6 задания температуры газа, модуля B7 определения температуры элемента и модуля B8 переключения режима. Тем не менее, в этом варианте осуществления, в дополнение к этим функциям, контроллер B также выполняет следующие функции: (1) измерение температуры смешанного обогревающего газа, подаваемого в катод 13; и (2) определение разности температур между смешанным обогревающим газом, подаваемым в катод 13, и выпускаемым обогревающим газом, протекающим через обратную трубу 17.

Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию измерения температуры смешанного обогревающего газа, подаваемого в катод, упоминаются как "модуль B15 измерения температуры подаваемого в катод газа". В настоящем варианте осуществления, температура смешанного обогревающего газа измеряется на основе температурных данных, обнаруживаемых посредством температурного датчика 63. Программные и/или аппаратные средства контроллера B, используемого для того, чтобы выполнять функцию определения разности температур между смешанным обогревающим газом, подаваемым в катод 13, и выпускаемым обогревающим газом, протекающим через обратную трубу 17, упоминаются как "модуль B16 определения разности температур газов". Другими словами, модуль B16 определения разности температур газов определяет то, превышает или нет разность температур между смешанным обогревающим газом, подаваемым в катод 13, и выпускаемым обогревающим газом, выпускаемым из катода 13, предварительно определенное значение. После определения того, что эта разность температур находится за пределами предварительно определенного диапазона, модуль B6 задания температуры газа сбрасывает температуру обогревающего газа, подаваемого в катод 13, так что разность температур возвращается в предварительно определенный диапазон.

Способ повышения температуры топливного элемента, который использует систему A4 топливного элемента, имеющую вышеописанную конфигурацию, описывается со ссылкой на Фиг.12. В настоящем варианте осуществления, расходы топлива и воздуха, подаваемых в первую камеру 20 сгорания, регулируются на основе расхода и температуры выпускаемого обогревающего газа, протекающего через обратную трубу 17, так что обогревающий газ, подаваемый в катод 13, достигает предварительно определенной температуры, аналогично системе A1 топливного элемента, описанной выше.

На этапе Sd1, процесс повышения температуры топливного элемента 10 для операции пуска начинается, и процесс переходит к этапу Sd2.

На этапе Sd2, выпускаемый обогревающий газ подается обратно через обратную трубу 17.

На этапе Sd3, температуры топливного элемента 10 и выпускаемого обогревающего газа определяются, измеряются и сохраняются.

На этапе Sd4, температура обогревающего газа, подаваемого в топливный элемент 10, задается. В частности, температура обогревающего газа, подаваемого в топливный элемент 10, задается на основе температуры топливного элемента 10.

На этапе Sd5, принимается решение в отношении того, является или нет разность температур между топливным элементом 10 и выпускаемым обогревающим газом равной либо превышающей предварительно определенное значение. После определения того, что эта разность температур равна или превышает предварительно определенное значение, процесс переходит к этапу Sd6. В противном случае, если эта разность температур не равна или превышает предварительно определенное значение, то процесс переходит к этапу Sd10. Другими словами, принимается решение в отношении того, превышает или нет температура подаваемого обогревающего газа минус температура выпускаемого обогревающего газа, циркулирующего через обратную трубу 17, предварительно определенное значение.

На этапе Sd6, объем сгорания в первой камере 20 сгорания определяется из температуры и циркулирующего подаваемого объема выпускаемого обогревающего газа.

На этапе Sd7, топливо и воздух подаются в первую камеру 20 сгорания в объемах, определенных посредством вычисления.

На этапе Sd8, новый обогревающий газ и выпускаемый обогревающий газ смешиваются и подаются.

На этапе Sd9, принимается решение в отношении того, достигает или нет топливный элемент 10 предварительно определенной температуры. Когда определяется то, что предварительно определенная температура достигнута, процесс переходит к этапу Sd11, в противном случае процесс возвращается к этапу Sd2.

На этапе Sd10, в случаях, в которых предварительно определенное значение превышается, сгорание не выполняется в первой камере 20 сгорания, и только выпускаемый обогревающий газ подается через обратную трубу 17 в топливный элемент 10. Сторона впуска топливного элемента 10 тем самым охлаждается, в то время как сторона выпуска нагревается, и температура может немедленно выверяться.

На этапе Sd11, операция нагрева и повышения температуры завершается, и система переходит в нормальный рабочий режим.

Краткий обзор системы A4 топливного элемента согласно настоящему варианту осуществления заключается в следующем. В частности, когда разность температур между сторонами впуска и выпуска топливного элемента 10 достигает предварительно определенного значения, обогревающий газ, сформированный в первой камере 20 сгорания, подается в топливный элемент 10 без комбинирования с циркуляционным газом. Другими словами, используется система охлаждения горючего газа, подаваемого в топливный элемент 10, посредством чего разность температур между сторонами впуска и выпуска топливного элемента 10 может немедленно разрешаться. Термическое напряжение, созданное в топливном элементе 10, может быть уменьшено, посредством чего надежность топливного элемента 10 во время роста температуры повышается. Кроме того, когда температура подаваемого обогревающего газа понижается в случаях разности температур выше/ниже, топливный элемент 10 охлаждается, и тепло, подаваемое в топливный элемент 10, временно передается обогревающему газу.

В это время, если выпускаемый обогревающий газ циркулирует как есть в этой системе, тепло, подаваемое в топливный элемент 10, циркулирует обратно в топливный элемент 10, но в традиционной системе, которая не распространяет по замкнутой системе выпускаемый обогревающий газ, тепло, принятое из топливного элемента 10, вытекает из системы. Следовательно, чрезмерное тепло должно подаваться, чтобы повышать температуру топливного элемента 10, что приводит к ухудшению расхода топлива, но такого ухудшения расхода топлива не наблюдается во время роста температуры в настоящей системе, и разности температур выше/ниже могут немедленно разрешаться.

В настоящем варианте осуществления, с учетом повышения надежности, используется система, в которой температура обогревающего газа уменьшается, когда разность температур выше/ниже возникает, но другие варианты включают в себя использование системы, в которой скорость повышения температуры уменьшается, системы, в которой обогревающий газ идентичной температуры подается, и т.п. В это время, надлежащее предварительно определенное значение (допустимое значение) разности температур выше/ниже задается.

В случаях, в которых температура топливного газа уменьшается, предварительно определенное значение предпочтительно задается равным сравнительно высокой температуре, поскольку разность температур может быть немедленно уменьшена, а в случаях, в которых скорость повышения температуры уменьшается, предварительно определенное значение задается равным сравнительно низкой температуре, поскольку разность температур разрешается на низкой скорости. Кроме того, разность температур выше/ниже также может разрешаться посредством комбинирования систем, в которых скорость повышения температуры уменьшается при первом предварительно определенном значении, температура поддерживается при втором предварительно определенное значение, температура уменьшается при третьем предварительно определенном значении и т.д.

Хотя только выбранные варианты осуществления предпочитаются для того, чтобы иллюстрировать настоящее изобретение, специалистам в данной области техники из этого раскрытия сущности должно быть очевидным, что различные изменения и модификации могут выполняться в данном документе без отступления от объема изобретения, заданного в прилагаемой формуле изобретения. Например, в настоящем варианте осуществления, описанном выше, описывается пример, в котором система 50 подачи газа предоставляется в обратной трубе 17, но вместо предоставления системы 50 подачи газа, поперечное сечение проточного канала выпускной трубы 13a и обратной трубы 17 может быть выполнено так, что соотношение топливного газа к воздуху в первой камере 20 сгорания попадает в требуемый диапазон с учетом объема воздуха, протекающего через катод 13, когда батарея 15 элементов достигает предварительно определенной температуры.

Кроме того, например, поперечные сечения проточного канала не ограничены различением между собой; другой вариант заключается в том, чтобы надлежащим образом задавать длины проточного канала выпускной трубы 13a и обратной трубы 17.

В настоящем варианте осуществления, представлен пример, в котором система подачи газа предоставляется в обратной трубе, но в другой конфигурации, например, система подачи газа используется совместно с частью циркуляции анода, используемого во время нормального рабочего режима. В частности, трубы и переключающие клапаны могут быть надлежащим образом соединены и использованы соответствующим образом, так что они выступают в качестве устройства циркуляции для катода во время роста температуры и для анода в нормальном режиме работы.

Нагнетатель воздуха описан в качестве примера системы подачи газа, но эжектор и т.п. также может быть надлежащим образом использован.

Таким образом, настоящее изобретение не ограничено вариантами осуществления, описанными выше; модификации, к примеру, описанные ниже, могут быть осуществлены. Например, компоненты, которые показаны непосредственно соединенными или контактирующими друг с другом, могут иметь промежуточные структуры, расположенные между ними. Функции одного элемента могут выполняться посредством двух и наоборот. Структуры и функции одного варианта осуществления могут приспосабливаться в другом варианте осуществления. Необязательно одновременное присутствие всех преимуществ в конкретном варианте осуществления. Каждый признак, который является уникальным относительно предшествующего уровня техники, один или в комбинации с другими признаками, также должен считаться отдельным описанием дополнительных вариантов осуществления изобретения заявителем, включающим в себя структурные и/или функциональные принципы, осуществленные посредством такого признака(ов). Таким образом, вышеприведенные описания вариантов осуществления предоставляются только для иллюстрации, а не для ограничения изобретения, заданного посредством прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.

Система топливного элемента содержит топливный элемент (10), первую камеру (20) сгорания, первый обратный канал (17) для обогревающего газа и систему (50) подачи газа. Топливный элемент (10) включает в себя элемент с твердым электролитом с анодом (12) и катодом (13). Топливный элемент (10) вырабатывает энергию посредством реакции водородосодержащего газа и кислородсодержащего газа. Первая камера (20) сгорания избирательно подает обогревающий газ в катод (13) топливного элемента (10). Первый обратный канал (17) для обогревающего газа смешивает, по меньшей мере, часть выпускаемого газа, выпускаемого из катода (13), с обогревающим газом первой камеры (20) сгорания, так что смешанный обогревающий газ из выпускаемого газа и обогревающего газа подается в катод (13). Система (50) подачи газа соединена с первым обратным каналом (17) для обогревающего газа для подачи выпускаемого газа из катода (13) так, что он смешивается с обогревающим газом первой камеры (20) сгорания. Повышение эффективности использования газа, выпускаемого из катода, путем использования его для повышения температуры топливного элемента, а также снижение отложений углерода на аноде, является техническим результатом заявленного изобретения. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Система топливного элемента, содержащая:
- топливный элемент, включающий в себя элемент с твердым электролитом с анодом и катодом, причем топливный элемент выполнен с возможностью вырабатывать энергию посредством реакции водородосодержащего газа и кислородсодержащего газа;
- первую камеру сгорания, выполненную с возможностью избирательно подавать обогревающий газ в катод топливного элемента;
- первый обратный канал для обогревающего газа, выполненный с возможностью смешивать, по меньшей мере, часть выпускаемого газа, выпускаемого из катода, с обогревающим газом первой камеры сгорания, так что смешанный обогревающий газ из выпускаемого газа катода и обогревающего газа первой камеры сгорания подается в катод; и
- модуль подачи газа, соединенный с первым обратным каналом для обогревающего газа для подачи выпускаемого газа из катода так, что он смешивается с обогревающим газом, выпускаемым из первой камеры сгорания, при этом
система дополнительно содержит:
- вторую камеру сгорания, выполненную с возможностью избирательно подавать обогревающий газ в анод топливного элемента; и
- второй обратный канал для обогревающего газа, выполненный с возможностью подавать, по меньшей мере, часть выпускаемого газа, выпускаемого из катода, так что выпускаемый газ из катода смешивается с обогревающим газом второй камеры сгорания, так что смешанный газ из выпускаемого газа и обогревающего газа второй камеры сгорания подаются в анод.

2. Система по п.1, в которой второй обратный канал для обогревающего газа выполнен так, что выпускаемый газ, подаваемый обратно в анод, является только частью общего объема выпускаемого обогревающего газа, выпускаемого из катода.

3. Система по п.1 или 2, дополнительно содержащая:
- второй модуль измерения расхода выпускаемого обогревающего газа, выполненный с возможностью измерять расход выпускаемого газа, подаваемого в анод посредством второго обратного канала для обогревающего газа;
- второй модуль измерения температуры выпускаемого обогревающего газа, выполненный с возможностью измерять температуру выпускаемого газа, подаваемого в анод посредством второго обратного канала для обогревающего газа; и
- второй модуль задания расхода, выполненный с возможностью задавать расходы водородосодержащего газа и кислородсодержащего газа, подаваемых во вторую камеру сгорания, так что соотношение пара к углероду выпускаемого газа и температура выпускаемого газа, подаваемого в анод, достигают предварительно определенных значений на основе расхода, измеренного посредством второго модуля измерения расхода выпускаемого обогревающего газа, и температуры, измеренной посредством второго модуля измерения температуры выпускаемого обогревающего газа.

4. Система топливного элемента, содержащая:
- топливный элемент, включающий в себя элемент с твердым электролитом с анодом и катодом, причем топливный элемент выполнен с возможностью вырабатывать энергию посредством реакции водородосодержащего газа и кислородсодержащего газа;
- первую камеру сгорания, выполненную с возможностью избирательно подавать обогревающий газ в катод топливного элемента;
- первый обратный канал для обогревающего газа, выполненный с возможностью смешивать, по меньшей мере, часть выпускаемого газа, выпускаемого из катода, с обогревающим газом первой камеры сгорания, так что смешанный обогревающий газ из выпускаемого газа катода и обогревающего газа первой камеры сгорания подаются в катод; и
- модуль подачи газа, соединенный с первым обратным каналом для обогревающего газа для подачи выпускаемого газа из катода так, что он смешивается с обогревающим газом, выпускаемым из первой камеры сгорания, при этом система дополнительно содержит:
- установку для риформинга, выполненную с возможностью подавать водородосодержащий газ и кислородсодержащий газ в топливный элемент;
- дополнительный обратный канал для обогревающего газа, выполненный с возможностью подавать, по меньшей мере, часть выпускаемого газа, выпускаемого из катода, в установку для риформинга.

5. Система по п.4, дополнительно содержащая:
- теплообменник, выполненный с возможностью обмениваться теплом с установкой для риформинга;
- третью камеру сгорания, выполненную с возможностью избирательно подавать обогревающий газ в теплообменник через канал подачи обогревающего газа, подсоединенный для протекания текучих сред между третьей камерой сгорания и теплообменником.

6. Система по п.4 или 5, дополнительно содержащая:
- второй модуль задания расхода, выполненный с возможностью задавать расходы водородосодержащего газа и кислородсодержащего газа, подаваемых в установку для риформинга, так что соотношение пара к углероду топливного газа и температура топливного газа, подаваемого в анод, достигают предварительно определенных значений на основе расхода и температуры выпускаемого газа, подаваемого в установку для риформинга.

7. Система по п.6, дополнительно содержащая:
- модуль определения рабочей температуры, выполненный с возможностью определять, достигает или нет температура установки для риформинга рабочей температуры установки для риформинга;
- модуль задания расхода установки для риформинга, выполненный с возможностью задавать скорость, на которой выпускаемый газ протекает в установку для риформинга, на основе температуры установки для риформинга, определенной посредством модуля определения рабочей температуры, и доставляемого объема выпускаемого газа, выпускаемого из катода и протекающего в установку для риформинга, после определения того, что температура установки для риформинга достигает рабочей температуры установки для риформинга; и
- модуль подачи газа в установку для риформинга, выполненный с возможностью подавать выпускаемый газ в установку для риформинга при заданном расходе.

8. Система топливного элемента, содержащая:
- топливный элемент, включающий в себя элемент с твердым электролитом с анодом и катодом, причем топливный элемент выполнен с возможностью вырабатывать энергию посредством реакции водородосодержащего газа и кислородсодержащего газа;
- первую камеру сгорания, выполненную с возможностью избирательно подавать обогревающий газ в катод топливного элемента;
- первый обратный канал для обогревающего газа, выполненный с возможностью смешивать, по меньшей мере, часть выпускаемого газа, выпускаемого из катода, с обогревающим газом первой камеры сгорания, так что смешанный обогревающий газ из выпускаемого газа катода и обогревающего газа первой камеры сгорания подаются в катод; и
- модуль подачи газа, соединенный с первым обратным каналом для обогревающего газа для подачи выпускаемого газа из катода так, что он смешивается с обогревающим газом первой камеры сгорания, при этом
система дополнительно содержит:
- первый модуль измерения температуры выпускаемого обогревающего газа, выполненный с возможностью измерять температуру выпускаемого газа, протекающего через первый обратный канал для обогревающего газа;
- первый модуль измерения расхода выпускаемого обогревающего газа, выполненный с возможностью измерять расход выпускаемого газа, протекающего через первый обратный канал для обогревающего газа;
- модуль задания расхода, выполненный с возможностью задавать расходы водородосодержащего газа и кислородсодержащего газа, подаваемых в первую камеру сгорания, так что обогревающий газ, подаваемый из первой камеры сгорания в катод, достигает предварительно определенной температуры, на основе расхода, измеренного посредством первого модуля измерения температуры выпускаемого обогревающего газа, и температуры, измеренной посредством первого модуля измерения расхода выпускаемого обогревающего газа; и
- модуль подачи топливного газа, выполненный с возможностью подавать водородосодержащий газ и кислородсодержащий газ в первую камеру сгорания при расходах, заданных посредством модуля задания расхода.

9. Система по п.8, дополнительно содержащая:
- модуль измерения температуры элемента, выполненный с возможностью измерять температуру топливного элемента;
- модуль задания температуры газа, выполненный с возможностью задавать температуру обогревающего газа, подаваемого из первой камеры сгорания в катод, на основе температур, измеренных посредством первого модуля измерения расхода выпускаемого обогревающего газа и модуля измерения температуры элемента;
- модуль определения температуры элемента, который определяет, достигает или нет топливный элемент начальной рабочей температуры; и
- модуль переключения режима, выполненный с возможностью переключаться с режима повышения температуры на нормальный рабочий режим после определения, что топливный элемент достигает начальной рабочей температуры.

10. Система по п.9, в которой модуль задания температуры газа выполнен с возможностью задавать температуру обогревающего газа, подаваемого из первой камеры сгорания, так, что она увеличивается со временем до целевой температуры.

11. Система топливного элемента, содержащая:
- топливный элемент, включающий в себя элемент с твердым электролитом с анодом и катодом, причем топливный элемент выполнен с возможностью вырабатывать энергию посредством реакции водородосодержащего газа и кислородсодержащего газа;
- первую камеру сгорания, выполненную с возможностью избирательно подавать обогревающий газ в катод топливного элемента;
- первый обратный канал для обогревающего газа, выполненный с возможностью смешивать, по меньшей мере, часть выпускаемого газа, выпускаемого из катода, с обогревающим газом первой камеры сгорания, так что смешанный обогревающий газ из выпускаемого газа катода и обогревающего газа первой камеры сгорания подаются в катод; и
- модуль подачи газа, соединенный с первым обратным каналом для обогревающего газа для подачи выпускаемого газа из катода так, что он смешивается с обогревающим газом первой камеры сгорания, при этом система дополнительно содержит:
- модуль измерения температуры подаваемого в катод газа, выполненный с возможностью измерять температуру смешанного обогревающего газа, подаваемого в катод; и
- модуль определения разности температур газов, выполненный с возможностью определять разность температур между смешанным обогревающим газом, подаваемым в катод, и выпускаемым газом, протекающим через первый обратный канал для обогревающего газа;
- модуль задания температуры газа, выполненный с возможностью задавать температуру обогревающего газа, подаваемого в катод из первой камеры сгорания, после определения того, что разность температур находится за пределами предварительно определенного диапазона, так что разность температур возвращается в предварительно определенный диапазон.

12. Способ повышения температуры твердооксидного топливного элемента, содержащий этапы, на которых:
- формируют обогревающий газ в первой камере сгорания, которая принимает водородосодержащий газ и кислородсодержащий газ;
- повторно распространяют по замкнутой системе, по меньшей мере, часть выпускаемого газа, выпускаемого из катода топливного элемента, обратно в катод посредством использования системы подачи газа, которая инструктирует выпускаемому газу смешиваться с обогревающим газом первой камеры сгорания и протекать через катод до того, как работа топливного элемента начинается, так что топливный элемент нагревается до рабочей температуры топливного элемента;
- измеряют температуру выпускаемого газа, рециркулирующего из катода, до смешения с обогревающим газом, выделяемым из первой камеры сгорания;
- задают расходы водородосодержащего газа и кислородсодержащего газа для первой камеры сгорания так, что обогревающий газ, выделяемый из первой камеры сгорания и подаваемый в катод, достигает предварительно определенной температуры; и
- подают топливо и кислородсодержащий газ при заданных расходах в первую камеру сгорания.