專利名稱：氫氣產(chǎn)生裝置和包含該氫氣產(chǎn)生裝置的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氫氣產(chǎn)生裝置，其使用催化劑通過(guò)重整反應(yīng)來(lái)交替地 產(chǎn)生氫，并通過(guò)再生反應(yīng)來(lái)使催化劑再生。再生反應(yīng)通過(guò)加熱催化劑來(lái)使 催化劑再生，用于下一次重整反應(yīng)。本發(fā)明還涉及一種包含這種氫氣產(chǎn)生 裝置的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在電動(dòng)車輛中，燃料電池被用作功率源。因此需要提供用于在燃料電 池中發(fā)電的氫或者用于產(chǎn)生氫的反應(yīng)物。在提供氫本身的情況下，可以用下面的方式來(lái)存儲(chǔ)氫(i)將氫氣壓縮并存儲(chǔ)在高壓容器中，(ii)將氫氣液化并存儲(chǔ)在罐中，或者(iii)使用 儲(chǔ)氫合金或者吸氫劑來(lái)提供氫。當(dāng)氫氣如(i)所述存儲(chǔ)在高壓容器中時(shí)， 由于容器的厚壁和較小的內(nèi)部容積，僅可以在高壓容器中存儲(chǔ)少量的氫。 當(dāng)如(ii)所述存儲(chǔ)液化的氫時(shí)，液化的氫的一部分由丁-蒸發(fā)而損耗，并 且大量的能量消耗在氫的液化上。當(dāng)如(iii)所述使用儲(chǔ)氫合金或者吸氫 劑來(lái)提供氫時(shí)，存儲(chǔ)的氫的密度通常小于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車輛所需的密度。此 外，對(duì)氫的存儲(chǔ)、吸收等的控制很困難。在提供反應(yīng)物的情況下，可以使 用反應(yīng)物通過(guò)蒸汽重整反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生氫氣。但是，因?yàn)橹卣磻?yīng)是吸熱反 應(yīng)，所以需要提供熱源。在系統(tǒng)中設(shè)置電加熱器等作為熱源降低了整個(gè)系 統(tǒng)的能源效率。此外，該系統(tǒng)必須能夠在車輛運(yùn)行的各種環(huán)境條件下提取 出驅(qū)動(dòng)車輛所需的氫量。目前，技術(shù)上還沒(méi)有提供用于供給氫的方法。但是，因?yàn)轭A(yù)期氫將用 在越來(lái)越多的裝置中，所以需要提供用于供給氫的方法。作為與上述相關(guān)的一種技術(shù)，美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)No 2003-0235529描 述一種通過(guò)交替進(jìn)行蒸汽重整反應(yīng)和回收反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生氫的重整裝置。蒸汽
重整反應(yīng)是吸熱，并且使用反應(yīng)物經(jīng)催化劑在特定條件下進(jìn)行。使用再生 反應(yīng)來(lái)提高被蒸汽重整反應(yīng)降低的催化劑溫度。在用于產(chǎn)生氫的重整裝置中，使用一對(duì)催化劑。當(dāng)重整反應(yīng)在一種催 化劑上進(jìn)行時(shí)，再生反應(yīng)在另一種催化劑上進(jìn)行。重整反應(yīng)和再生反應(yīng)在 每種催化劑上交替進(jìn)行。這有助于將重整反應(yīng)的運(yùn)行保持在一致的水平。 重整裝置特別適用于重整其中硫組分并未完全去除的液體燃料等。例如，美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2004-0170558、 No. 2004-0170559和NO. 204-0175326也描述了與上述相關(guān)的技術(shù)。而且，日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2004-146337描述了一種燃料電池，其包括可透氫材料，并在高溫下產(chǎn)生 電力。由于重整反應(yīng)在高溫下最有效率，因此需要升高兩種或更多種催化劑 的溫度。因此，如果催化劑是冷的，例如在重整裝置啟動(dòng)時(shí)，需要加熱全 部催化劑。結(jié)果，需要大量的時(shí)間來(lái)使所有催化劑的溫度達(dá)到適于產(chǎn)生所 需的氫量的合適溫度。即，重整裝置無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)激活。如果所需的氫 量由于電力需求的驟增而急劇增加，則在燃料電池產(chǎn)牛:電力時(shí)HMFC 30 上的負(fù)荷提高時(shí)，重整裝置無(wú)法立即產(chǎn)生額外所需的氫。特別是在車輛具有包括燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的情況下，需要提供 大尺寸電力存儲(chǔ)裝置，以在燃料電池開(kāi)始產(chǎn)生電力之前供給電力。需要電 力存儲(chǔ)裝置的原因在于，由重整裝置產(chǎn)生并供給至燃料電池的氫氣量對(duì)于 產(chǎn)生所需的電力最初并不夠用。然而，附加部件不僅增大燃料電池系統(tǒng)的 重量，而且提高了系統(tǒng)成本。此外，使用大尺寸電力存儲(chǔ)裝置難以穩(wěn)定地 供給電力。另外，大尺寸電力存儲(chǔ)裝置在車輛中占用大量空間。發(fā)明內(nèi)容考慮到以上問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種氫氣產(chǎn)生裝置，其中，例如在氫 氣產(chǎn)生裝置在催化劑溫度低于可以進(jìn)行重整反應(yīng)的溫度時(shí)啟動(dòng)的情況下， 用于產(chǎn)生氫的裝置反應(yīng)可以迅速開(kāi)始，并且通過(guò)重整反應(yīng)可以迅速且有效 地產(chǎn)生所需量的氫。本發(fā)明還提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其中，例如在燃 料電池在催化劑溫度低于可以進(jìn)行重整反應(yīng)的溫度時(shí)啟動(dòng)的情況下重整反
應(yīng)可以迅速開(kāi)始，并且可以穩(wěn)定地產(chǎn)生所需量的電力。用來(lái)產(chǎn)生氫氣的蒸汽重整反應(yīng)和再生反應(yīng)可以交替進(jìn)行。蒸汽重整反 應(yīng)是吸熱反應(yīng)。再生反應(yīng)是放熱反應(yīng)。因此，再生反應(yīng)升高催化劑的溫 度，而蒸汽重整反應(yīng)降低催化劑的溫度。因此，通過(guò)交替進(jìn)行再生反應(yīng)和 重整反應(yīng)，可以保持催化劑產(chǎn)生氫的效率。在此情況下，重整反應(yīng)產(chǎn)生氫 的速度，即使催化劑達(dá)到反應(yīng)溫度的速度，需要在氫氣產(chǎn)生裝置的常規(guī)操 作開(kāi)始之前(例如當(dāng)氫氣產(chǎn)生裝置啟動(dòng)時(shí))被提高。通過(guò)提供多個(gè)具有不 同熱效率(例如，不同熱容)的重整器，可以有效地提高產(chǎn)生氫的速度 (催化劑的加熱速度)。在每個(gè)重整器中，重整反應(yīng)和再生反應(yīng)均交替進(jìn) 行。據(jù)此完成本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明，放熱反應(yīng)包括燃燒反應(yīng)。本發(fā)明的第一方面涉及一種氫氣產(chǎn)生裝置，其包括多個(gè)重整器；切 換裝置；和切換控制裝置。多個(gè)重整器中的每一個(gè)均包括催化劑。在多個(gè) 重整器中的每個(gè)中，使用反應(yīng)物經(jīng)催化劑進(jìn)行重整反應(yīng)，并且使用放熱材 料進(jìn)行放熱反應(yīng)以加熱催化劑。切換裝置在將反應(yīng)物供給到多個(gè)重整器的 供給通道之間進(jìn)行切換，并且在將放熱材料供給到多個(gè)重整器的供給通道 之間進(jìn)行切換。當(dāng)重整反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，切換控制裝置控制切換裝置，以使多 個(gè)重整器中的催化劑溫度達(dá)到重整開(kāi)始溫度的至少一個(gè)重整器被選擇，并 將反應(yīng)物供給到被選擇的所述至少一個(gè)重整器。重整開(kāi)始溫度是可以進(jìn)行 重整反應(yīng)的溫度。例如，可以首先選擇催化劑溫度在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到重整 開(kāi)始溫度的至少一個(gè)重整器，其次選擇選擇催化劑溫度在第二短的時(shí)間內(nèi) 達(dá)到重整開(kāi)始溫度的至少一個(gè)重整器。在本發(fā)明的氫氣產(chǎn)生裝置中，提供了至少兩個(gè)重整器(在下文中，有時(shí)被稱為"壓力擺動(dòng)重整(Pressure Swing Reforming, PSR)重整器")。 在每個(gè)重整器中，可以交替進(jìn)行用于產(chǎn)生氫的蒸汽重整反應(yīng)以及再生反 應(yīng)。使用存儲(chǔ)的熱量來(lái)進(jìn)行蒸汽重整反應(yīng)。再生反應(yīng)使得已經(jīng)由于蒸汽重 整反應(yīng)而降低的存儲(chǔ)熱量增加。在至少一個(gè)重整器中進(jìn)行用于產(chǎn)生氫的蒸 汽重整反應(yīng)，在另外的至少一個(gè)重整器中進(jìn)行再生反應(yīng)(在下文中，氫氣 產(chǎn)生裝置有時(shí)被稱為"PSR裝置")。本發(fā)明可以采用如下所述的作為吸熱反應(yīng)的蒸汽重整反應(yīng)以及作為放
熱反應(yīng)的部分氧化反應(yīng)。在本發(fā)明的重整反應(yīng)中，主要進(jìn)行由下述方程 (1)表示的蒸汽重整反應(yīng)。CnH2n+2+nH20— (2n+1 )H2+nCO(1) CnH2n+2+(n/2)02— (n+l)H2+nCO (2) CO+H20<=>C02+H2 (3) CO+3H2<=>CH4+H20 (4)例如，在提供兩個(gè)重整器的情況下，使用存儲(chǔ)在一個(gè)重整器中的熱量 來(lái)進(jìn)行作為吸熱反應(yīng)的蒸汽重整反應(yīng)，而在另一個(gè)重整器中進(jìn)行作為放熱 反應(yīng)的再生反應(yīng)。切換裝置在將反應(yīng)物供給到所述兩個(gè)重整器的通道之間 進(jìn)行切換，并且在將放熱材料供給到所述兩個(gè)重整器的通道之間進(jìn)行切 換。當(dāng)在一個(gè)重整器中存儲(chǔ)的熱量由于蒸汽重整反應(yīng)而減少時(shí)，切換裝置 在供給通道之間進(jìn)行切換，以將在所述重整器中的反應(yīng)切換為再生反應(yīng)。 相應(yīng)地，將另一個(gè)重整器中的再生反應(yīng)切換為重整反應(yīng)，以使用再牛反應(yīng) 所生成的熱量來(lái)產(chǎn)生氫。因此，不需要提供加熱器等，并且在有效使用熱 能時(shí)可以連續(xù)地產(chǎn)生氫。在所述第一方面，優(yōu)選將反應(yīng)物供給到多個(gè)重整器中的其中溫度(特 別是催化劑溫度)已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度的至少一個(gè)重整器。然后，重整 反應(yīng)優(yōu)選在其中的催化劑溫度已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度的所述至少一個(gè)重整 器中進(jìn)行。結(jié)果，例如在氫氣產(chǎn)生裝置在催化劑溫度低于重整開(kāi)始溫度時(shí) 啟動(dòng)的情況下，重整反應(yīng)可以迅速開(kāi)始。因此，可以有效地降低開(kāi)始重整 反應(yīng)所需的時(shí)間。這改善了氫氣產(chǎn)生裝置的啟動(dòng)能力。而且，由于反應(yīng)物被供給到其中的催化劑溫度比其余重整器更快地達(dá) 到重整開(kāi)始溫度的所述至少一個(gè)重整器，因此在過(guò)渡時(shí)期，例如當(dāng)燃料電 池上的負(fù)荷在電力產(chǎn)生時(shí)增加以及燃料電池中所需的氫量急劇增大時(shí)，氫 氣產(chǎn)生裝置也可以迅速產(chǎn)生所需量的氫。在所述第一方面，氫氣產(chǎn)生裝置還可包括溫度檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)每個(gè)重整器中的催化劑的溫度；以及判定裝置，用于確定催化劑的溫度是
否己經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度。如果判定裝置確定至少一個(gè)重整器中的催化劑 溫度已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度，則切換控制裝置可以控制切換裝置以選擇所 述至少一個(gè)重整器。g卩，切換控制裝置控制切換裝置以在供給通道之間進(jìn) 行切換，從而將反應(yīng)物供給到被選擇的所述至少一個(gè)重整器。在某些構(gòu)造中，或在某些操作狀態(tài)中，無(wú)法確定其中催化劑溫度比其 余重整器更快地達(dá)到重整開(kāi)始溫度的重整器。這可能出現(xiàn)在例如以下情 況PSR重整器的熱容是未知的；或者多個(gè)PSR重整器的熱容之間不存在 顯著差異；或者氫氣產(chǎn)生裝置在催化劑溫度還未明顯降低的情況下即重新 啟動(dòng)。然而，根據(jù)上述方面，可以基于重整器中存儲(chǔ)的實(shí)際熱量(更具體 地，檢測(cè)到的催化劑溫度)來(lái)選擇其中催化劑溫度比其余重整器更快地達(dá) 到重整開(kāi)始溫度的重整器。因此，重整反應(yīng)可以基于重整器中的催化劑溫 度而進(jìn)行。結(jié)果，重整反應(yīng)可以在氫氣產(chǎn)生裝置啟動(dòng)之后迅速開(kāi)始。即， 顯著地減少了用于產(chǎn)生氫的重整反應(yīng)開(kāi)始所需的時(shí)間。這極大地改善了氫 氣產(chǎn)生裝置的啟動(dòng)能力。在根據(jù)第一方面的氫氣產(chǎn)生裝置中，多個(gè)重整器可以包括具有第一熱 容的重整器以及具有大于第一熱容的第二熱容的重整器。切換控制裝置可 以控制切換裝置，以使反應(yīng)物優(yōu)選供給到具有第一熱容的重整器。具有第 一熱容的重整器可以與具有第二熱容的重整器配對(duì)。可以構(gòu)成至少一對(duì)具 有第一熱容的重整器和具有第二熱容的重整器。在上述方面，重整反應(yīng)在配對(duì)重整器中的一個(gè)重整器中進(jìn)行，再生反 應(yīng)在配對(duì)重整器中的另一個(gè)重整器中進(jìn)行。具有較小熱容的重整器中的催 化劑溫度比具有較大熱容的重整器中的催化劑溫度更快地達(dá)到重整開(kāi)始溫 度。重整反應(yīng)優(yōu)先在其中催化劑溫度更快地達(dá)到重整開(kāi)始溫度的重整器中 進(jìn)行。結(jié)果，重整反應(yīng)可以在例如氫氣產(chǎn)生裝置在催化劑溫度低于重整開(kāi) 始溫度時(shí)啟動(dòng)的情況下迅速開(kāi)始。即，顯著地減少了用于產(chǎn)生氫的重整反 應(yīng)開(kāi)始所需的時(shí)間。這有效地改善了氫氣產(chǎn)生裝置的啟動(dòng)能力。在過(guò)渡期間，例如當(dāng)氫需要量驟增時(shí)，重整反應(yīng)優(yōu)先在具有較小熱容 的重整器中進(jìn)行。結(jié)果，氫氣產(chǎn)生裝置可以有效地產(chǎn)生所需量的氫。在根據(jù)第一方面的氫氣產(chǎn)生裝置中，多個(gè)重整器可以包括第一對(duì)結(jié)構(gòu) 和第二對(duì)結(jié)構(gòu)。第一對(duì)結(jié)構(gòu)包括至少一對(duì)熱容小于或等于預(yù)定熱容的重整 器，第二對(duì)結(jié)構(gòu)包括至少一對(duì)熱容大于預(yù)定熱容的重整器。切換控制裝置 可以控制切換裝置以選擇第一對(duì)結(jié)構(gòu)，并將反應(yīng)物供給到第一對(duì)結(jié)構(gòu)中的 至少一個(gè)重整器。如上所述，在第一對(duì)結(jié)構(gòu)和第二對(duì)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)重整反應(yīng)在配對(duì)重整器中的一個(gè)重整器中進(jìn)行時(shí)，再生反應(yīng)在配對(duì)重整器中的另一 個(gè)重整器中進(jìn)行。在上述方面，第一對(duì)結(jié)構(gòu)中的催化劑溫度比第二對(duì)結(jié)構(gòu)更快地達(dá)到重 整開(kāi)始溫度。重整反應(yīng)優(yōu)先在第一對(duì)結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)重整器中進(jìn)行。結(jié) 果，重整反應(yīng)可以在例如氫氣產(chǎn)生裝置在催化劑溫度低于重整開(kāi)始溫度時(shí) 啟動(dòng)的情況下迅速開(kāi)始。即，顯著地減少了用于產(chǎn)生氫的重整反應(yīng)開(kāi)始所 需的時(shí)間。這有效地改善了氫氣產(chǎn)生裝置的啟動(dòng)能力。而且，由于重整反 應(yīng)在第一對(duì)結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)重整器中進(jìn)行，氫氣產(chǎn)生裝置可以在例如過(guò) 渡期間(例如，當(dāng)燃料電池上的負(fù)荷驟增時(shí))迅速地產(chǎn)生所需的額外量的 氫。在根據(jù)第一方面的氫氣產(chǎn)生裝置中，切換裝置在供給反應(yīng)物的供給通 道之間進(jìn)行切換，并在供給放熱材料的供給通道之間進(jìn)行切換。此外，切 換裝置可以在供給含氧氣體的供給通道之間進(jìn)行切換。切換控制裝置可以 控制切換裝置，以便在應(yīng)當(dāng)被供給反應(yīng)物的至少一個(gè)重整器被選擇之前 (即，至少一個(gè)重整器中的溫度(特別是催化劑溫度)達(dá)到重整開(kāi)始溫度 之前)將反應(yīng)物和含氧氣體供給到多個(gè)重整器。在上述方面中，如果重整器的溫度(特別是催化劑溫度)低于重整開(kāi) 始溫度，特別是當(dāng)氫氣產(chǎn)生裝置啟動(dòng)時(shí)，則將反應(yīng)物和含氧氣體供給到重 整器，從而進(jìn)行放熱反應(yīng)，以使催化劑溫度達(dá)到重整開(kāi)始溫度。在根據(jù)第一方面的氫氣產(chǎn)生裝置中，切換控制裝置可以在氫氣產(chǎn)生裝 置啟動(dòng)時(shí)操作。本發(fā)明的第二方面涉及燃料電池系統(tǒng)。所述燃料電池系統(tǒng)包括根據(jù) 本發(fā)明第一方面的氫氣產(chǎn)生裝置；以及使用所述氫氣產(chǎn)生裝置所生成的含 氫氣體來(lái)產(chǎn)生電力的燃料電池。如上所述，優(yōu)先將反應(yīng)物供給到其中催化劑溫度已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫12
度的至少一個(gè)重整器，以使重整反應(yīng)在所述至少一個(gè)重整器中進(jìn)行。因 此，例如在燃料電池系統(tǒng)在燃料電池系統(tǒng)的氫氣產(chǎn)生裝置中的催化劑溫度 低于重整開(kāi)始溫度時(shí)啟動(dòng)的情況下，可以迅速地開(kāi)始重整反應(yīng)并且可以有 效地產(chǎn)生所需量的氫。g卩，顯著地減少了用于產(chǎn)生氫的重整反應(yīng)開(kāi)始所需 的時(shí)間，并且可以穩(wěn)定地進(jìn)行用于產(chǎn)生電力的常規(guī)操作。在所述第二方面，燃料電池可以包括電解質(zhì)膜，其中在可透氫金屬層 的至少一個(gè)表面上提供有電解質(zhì)層。在燃料電池包括其中在可透氫金屬層 的至少一個(gè)表面上提供有電解質(zhì)層的電解質(zhì)膜的情況下，燃料電池的操作溫度范圍為300-60(TC。此操作溫度范圍與進(jìn)行重整反應(yīng)的反應(yīng)溫度范圍基本上相同。因此，氫氣產(chǎn)生裝置所生成的富氫氣體的溫度處于燃料電池 的操作溫度范圍內(nèi)。而且，從燃料電池陽(yáng)極排放的氣體(下文中稱為"陽(yáng) 極廢氣")和從燃料電池陰極排放的氣體(下文中稱為"陰極廢氣")可以在不改變其溫度的條件下被輸送至PSR重整器，并用于再生反應(yīng)等。因 此，通過(guò)使用包括這種電解質(zhì)膜的燃料電池，可以在燃料電池系統(tǒng)中有效 地利用熱量。此外，這避免了在將富氫氣體供給至燃料電池之前對(duì)其進(jìn)行 預(yù)加熱的需要。在本發(fā)明的氫氣產(chǎn)生裝置中，使用存儲(chǔ)在重整器中的熱量來(lái)進(jìn)行重整 反應(yīng)。在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，將蒸汽重整反應(yīng)所生成的氫供給至燃 料電池，并且通過(guò)再生反應(yīng)(放熱反應(yīng))來(lái)增加被用于產(chǎn)生氫的蒸汽重整 反應(yīng)所減少的熱量。而且，重整反應(yīng)和再生反應(yīng)交替進(jìn)行。結(jié)果，在燃料 電池系統(tǒng)在催化劑溫度低于重整開(kāi)始溫度時(shí)啟動(dòng)的情況下，重整反應(yīng)可以 迅速開(kāi)始，可以使用反應(yīng)物有效地產(chǎn)生所需量的氫，并且可以穩(wěn)定地進(jìn)行 用于產(chǎn)生電力的操作。在根據(jù)上述方面的氫氣產(chǎn)生裝置中，在氫氣產(chǎn)生裝置在催化劑溫度低 于重整開(kāi)始溫度時(shí)啟動(dòng)的情況下，用于產(chǎn)生氫的重整反應(yīng)可以迅速開(kāi)始， 并且可以有效地產(chǎn)生所需量的氫。此外，在根據(jù)上述方面的燃料電池系統(tǒng) 中，在燃料電池系統(tǒng)在催化劑溫度低于重整開(kāi)始溫度時(shí)啟動(dòng)的情況下，用 于產(chǎn)生氫的重整反應(yīng)可以迅速開(kāi)始，并且可以穩(wěn)定地產(chǎn)生所需量的電力。根據(jù)本發(fā)明，在用于控制氫氣產(chǎn)生裝置的方法中，監(jiān)測(cè)每個(gè)重整器中
的催化劑溫度，以確定催化劑是否已經(jīng)達(dá)到可以進(jìn)行重整反應(yīng)的重整開(kāi)始 溫度。在多個(gè)重整器中選擇其中催化劑溫度已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度的至少 一個(gè)重整器。將反應(yīng)物供給至被選擇的所述至少一個(gè)重整器。根據(jù)本發(fā)明，氫氣產(chǎn)生裝置包括多個(gè)重整器、切換裝置和切換控制裝 置。每個(gè)重整器均包括催化劑，在每個(gè)重整器中，使用反應(yīng)物經(jīng)催化劑進(jìn) 行重整反應(yīng)，使用放熱材料進(jìn)行放熱反應(yīng)以加熱催化劑。切換裝置在將反 應(yīng)物供給至多個(gè)重整器的供給通道之間進(jìn)行切換，并且在將放熱材料供給 至多個(gè)重整器的供給通道之間進(jìn)行切換。當(dāng)重整反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，切換控制裝 置控制切換裝置，以使多個(gè)重整器中的其中催化劑溫度已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始 溫度的至少一個(gè)重整器被選擇，并將反應(yīng)物供給至被選擇的所述至少一個(gè) 重整器。重整開(kāi)始溫度是可以進(jìn)行重整反應(yīng)的溫度。


參考附圖，本發(fā)明的上述和/或其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將從示例性實(shí)施 方式的以下描述中變得更加清楚，其中相同或相應(yīng)的部分用相同的參考標(biāo) 號(hào)來(lái)表示，其中圖1為示出了根據(jù)本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)造的 示意圖；圖2為示出了根據(jù)本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的PSR重整器的示意性構(gòu) 造的透視圖；圖3為示出了根據(jù)本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的氫膜燃料電池 (HMFC)的示意性剖視圖；圖4為示出了根據(jù)本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的控制裝置的框圖；圖5為示出了根據(jù)本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行基于熱容和催化劑溫度的重整反應(yīng)控制的反應(yīng)控制程序的流程圖；圖6為示出了根據(jù)本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行基于熱容的重整反應(yīng)控制的反應(yīng)控制程序的流程圖；圖7為示出了根據(jù)本發(fā)明的第三種實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行基于催化劑溫度的重整反應(yīng)控制的反應(yīng)控制程序的流程圖8為示出了根據(jù)本發(fā)明的第四種實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的一部分 的構(gòu)造的示意圖；圖9示出了構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的燃料電池的另一個(gè)實(shí)施 例的示意性剖視圖；圖10為示出了構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的燃料電池的另一個(gè)實(shí)施例的示意性剖視圖。
具體實(shí)施方式
以下，將參考附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)。 在燃料電池系統(tǒng)的描述中，也將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的氫氣產(chǎn)生裝置。在 下述實(shí)施方式中，可以使用從燃料電池陽(yáng)極排放的氣體(下文稱為"陽(yáng)極 廢氣")作為放熱材料。將參考圖1-圖5來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的燃料電池系 統(tǒng)。根據(jù)本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)配備在電動(dòng)車輛中。燃料電池系統(tǒng)包 括氫膜燃料電池(下文稱為"HMFC")和根據(jù)本發(fā)明的氫氣產(chǎn)生裝置。 HMFC包括電解質(zhì)膜，在此，質(zhì)子導(dǎo)電陶瓷設(shè)置在可透氫金屬膜的表面 上。氫氣產(chǎn)生裝置包括具有不同熱容的重整器。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)， 催化劑溫度被升至可以進(jìn)行重整反應(yīng)的溫度(下文稱為"重整幵始溫 度")。具有較小熱容的重整器比具有較大熱容的重整器更快地達(dá)到重整 開(kāi)始溫度。結(jié)果，重整反應(yīng)優(yōu)先在具有較小熱容的重整器屮開(kāi)始。根據(jù)本實(shí)施方式的氫氣產(chǎn)生裝置是通過(guò)并行連接兩個(gè)重整裝置來(lái)形成 的。每個(gè)重整裝置包括兩個(gè)重整器，每個(gè)重整器具有不同的預(yù)定熱容。 HMFC使用氫氣產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的氫來(lái)產(chǎn)生電力。在根據(jù)本實(shí)施方式的氫氣產(chǎn)生裝置中，使用汽油蒸氣和水蒸氣的混合 物作為反應(yīng)物，并且使用從燃料電池的氫電極(陽(yáng)極)排放的陽(yáng)極廢氣作 為在再生反應(yīng)中消耗的放熱材料。如果需要，陽(yáng)極廢氣可以與汽油、氫氣 等一起供給。然而，本發(fā)明并不限于下述實(shí)施方式。如圖1所示，根據(jù)本實(shí)施方式的氫氣產(chǎn)生裝置具有催化劑和注射裝 置。氫氣產(chǎn)生裝置包括PSR裝置1、 PSR裝置2和HMFC 30。 PSR裝置1
包括第一 PSR重整器(PSR1) 10A和第二 PSR重整器(PSR2) 20A。 PSR裝置2包括第三PSR重整器(PSR3) 10B和第四PSR重整器 (PSR4) 20B。重整反應(yīng)和再生反應(yīng)可以在第一 PSR重整器10A和第二 PSR重整器20A的每個(gè)中交替進(jìn)行。當(dāng)重整反應(yīng)在第一 PSR重整器10A 和第二 PSR重整器20A之一中進(jìn)行時(shí)，再生反應(yīng)在另一個(gè)中進(jìn)行。重整 反應(yīng)和再生反應(yīng)也可以在第三PSR重整器10B和第四PSR重整器20B的 每個(gè)中交替進(jìn)行。當(dāng)重整反應(yīng)在第三PSR重整器10B和第四PSR重整器 20B之一中進(jìn)行時(shí)，再生反應(yīng)在另一個(gè)中進(jìn)行。每個(gè)PSR重整器所產(chǎn)生的 氫被供給至HMFC30，以使HMFC 30可以產(chǎn)生電力。閥起到切換裝置的 作用，通過(guò)控制裝置對(duì)其進(jìn)行控制，以在重整器或HMFC 30的通道之間 自動(dòng)改變連接。在本實(shí)施方式中，重整反應(yīng)和再生反應(yīng)在PSR裝置1中的第一 PSR 重整器10A和第二 PSR重整器20A的每個(gè)中交替進(jìn)行。當(dāng)重整反應(yīng)在 PSR重整器IOA和20A之一中進(jìn)行時(shí)，再生反應(yīng)在另一個(gè)中進(jìn)行。重整反 應(yīng)和再生反應(yīng)在PSR裝置2中的第三PSR重整器10B和第四PSR重整器 20B的每個(gè)中交替進(jìn)行。當(dāng)重整反應(yīng)在PSR重整器10B和20B之一屮進(jìn)行 時(shí)，再生反應(yīng)在另一個(gè)中進(jìn)行?？刂蒲b置自動(dòng)控制多個(gè)閥(閥V1-V8以及 閥V15-V22)以根據(jù)具體重整器中進(jìn)行的反應(yīng)來(lái)供給適當(dāng)?shù)牟牧?對(duì)于本 情況，至少是反應(yīng)物或放熱材料)。這些閥在將反應(yīng)物供給至PSR重整器 的供給通道之間進(jìn)行切換。閥還可以在將來(lái)自HMFC 30的陽(yáng)極廢氣供給 至PSR重整器的供給通道之間進(jìn)行切換。此外，閥在排放從PSR重整器 產(chǎn)生的富氫氣體的排放通道之間進(jìn)行切換，以及在將含氧氣體(例如空 氣)供給至PSR重整器的供給通道之間進(jìn)行切換。主要在預(yù)熱操作期間將 空氣供給至每個(gè)PSR重整器。PSR裝置1和PSR裝置2具有相同的構(gòu)造。第一 PSR重整器10A的 熱容"p"小于第二 PSR重整器20A的熱容"q" (p < q)。第三PSR重 整器10B的熱容"r"小于第四PSR重整器20B的熱容"s" (r < s)。第 一 PSR重整器10A的熱容"p"基本上等于第三PSR重整器10B的熱容 "r"。第二PSR重整器20A的熱容"q"基本上等于第四PSR重整器20B 的熱容"S"。因此，在所有重整器被加熱的情況下，PSR重整器10A和10B比PSR重整器20A和20B更快地達(dá)到重整開(kāi)始溫度。因此，重整反應(yīng) 優(yōu)先在PSR重整器IOA和10B中進(jìn)行。注射裝置15和注射裝置16安裝在第一 PSR重整器IOA的一端。注射 裝置15注射反應(yīng)物。注射裝置16在為了預(yù)熱重整器進(jìn)行燃燒反應(yīng)時(shí)供給 空氣。下文中，術(shù)語(yǔ)"燃燒反應(yīng)"是指當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)用于預(yù)熱重 整器進(jìn)行的燃燒反應(yīng)。術(shù)語(yǔ)"燃燒反應(yīng)"也指再生反應(yīng)。第一 PSR重整器 IOA通過(guò)注射裝置15和16分別連接至具有閥VI的供給管103和具有閥 V5的空氣供給管107。第一 PSR重整器IOA還連接至具有閥V9的排氣管 111。注射裝置18和注射裝置17安裝在第二 PSR重整器20A的一端。注射 裝置18注射反應(yīng)物。注射裝置17在重整器中進(jìn)行燃燒反應(yīng)時(shí)供給空氣。 第二 PSR重整器20A通過(guò)注射裝置18和17分別連接至具有閥V2的供給 管103和具有閥V6的空氣供給管108。第二 PSR重整器20A還連接至具 有閥V10的排氣管112。供給管103和104通過(guò)具有混合器144的管101連接至供給管100。 汽油通過(guò)供給管100供給。如果需要，可以通過(guò)供給管ioo供給汽油蒸氣 與水蒸氣的混合物來(lái)代替汽油。供給管107和108連接至空氣供給管 115。泵安裝在空氣供給管115的一端，并且通過(guò)空氣供給管115供給來(lái) 自大氣的空氣。通過(guò)以自動(dòng)方式交替開(kāi)啟閥VI和V2、交替開(kāi)啟閥V5和 V6以及V9和VIO，可以選擇性地將反應(yīng)物和/或空氣供給至進(jìn)行重整反應(yīng) 的PSR重整器，并將再生反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體從進(jìn)行再生反應(yīng)的PSR重整 器排放。此時(shí)，通過(guò)排氣管136 (下文描述)從HMFC 30排放的陰極廢氣中的 水蒸氣與汽油蒸氣混合以形成反應(yīng)物。然后，反應(yīng)物被供給至進(jìn)行重整反 應(yīng)的PSR重整器。類似地，注射裝置19和注射裝置20安裝在第三PSR重整器10B的一 端。注射裝置19注射反應(yīng)物。注射裝置20在進(jìn)行燃燒反應(yīng)時(shí)供給空氣。 第三PSR重整器10B通過(guò)注射裝置19和20分別連接至具有閥V4的供給
管105和具有閥V7的空氣供給管109。第三PSR重整器10B還連接至具 有閥Vll的排氣管113。注射裝置21和注射裝置22安裝在第四PSR重整器20B的一端。注射 裝置21注射反應(yīng)物。注射裝置22在進(jìn)行燃燒反應(yīng)時(shí)供給空氣。第四PSR 重整器20B通過(guò)注射裝置21和22分別連接至具有閥V3的供給管106和 具有閥V8的空氣供給管110。第四PSR重整器20B還連接至具有閥V12 的排氣管114。供給管105和106通過(guò)具有混合器145的管102連接至供給管100。 汽油通過(guò)供給管100供給。如果需要，可以通過(guò)供給管100供給汽油蒸氣 與水蒸氣的混合物來(lái)代替汽油。而且，供給管109和UO連接至空氣供給 管115。泵安裝在空氣供給管115的一端，并且通過(guò)空氣供給管115供給 來(lái)自大氣的空氣。通過(guò)以自動(dòng)方式交替開(kāi)啟閥V3和V4、交替開(kāi)啟閥V7 和V8以及VI1和V102，可以選擇性地將反應(yīng)物和/或空氣供給至進(jìn)行重 整反應(yīng)的PSR重整器，并將再生反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體從進(jìn)行再生反應(yīng)的PSR 重整器排放。具有閥V15的排氣管116連接至第一 PSR重整器10A的另一端。重 整反應(yīng)所產(chǎn)生的富氫氣體通過(guò)排氣管116排放。此外，第一 PSR重整器 10A具有注射從HMFC 30排放的陽(yáng)極廢氣的注射裝置23。如果需要，注 射裝置23可以將陽(yáng)極廢氣與汽油、氫氣等一起注射。第一 PSR重整器 IOA通過(guò)注射裝置23連接至具有閥V19的供給管120。具有閥V16的排氣管117連接至第二 PSR重整器20A的另一端。重 整反應(yīng)所產(chǎn)生的富氫氣體通過(guò)排氣管117排放。此外，第二 PSR重整器 20A具有注射從HMFC 30排放的陽(yáng)極廢氣的注射裝置24。如果需要，注 射裝置24可以將陽(yáng)極廢氣與汽油、氫氣等一起注射。第二 PSR重整器 20A通過(guò)注射裝置24連接至具有閥V20的供給管121 。排氣管116和117通過(guò)管131連接至氫供給管133。每個(gè)PSR重整器 所產(chǎn)生的富氫氣體通過(guò)氫供給管133供給至HMFC 30。供給管120和121 連接至供給管125。從HMFC 30排放的陽(yáng)極廢氣通過(guò)供給管125供給至 PSR重整器IOA和20A。通過(guò)以自動(dòng)方式交替開(kāi)啟閥V15和V16，以及交
替開(kāi)啟閥V19和V20，將陽(yáng)極廢氣選擇性地供給至進(jìn)行再生反應(yīng)的PSR重整器。如果需要，陽(yáng)極廢氣可以與汽油、氫氣等一起供給。而且，進(jìn)行重整反應(yīng)的PSR重整器所產(chǎn)生并排放的富氫氣體供給至HMFC30。 HMFC 30使用富氫氣體來(lái)產(chǎn)生電力。第三和第四PSR重整器的構(gòu)造與第一和第二 PSR重整器的構(gòu)造相 同。具有閥V17的排氣管118連接至第三PSR重整器10B的另一端。重 整反應(yīng)所產(chǎn)生的富氫氣體通過(guò)排氣管118排放。此外，第三PSR重整器 10B具有注射從HMFC 30排放的陽(yáng)極廢氣的注射裝置25。如果需要，注 射裝置25可以將陽(yáng)極廢氣與汽油、氫氣等一起注射。第三PSR重整器 IOB通過(guò)注射裝置25連接至具有闊V21的供給管122。具有閥V18的排氣管119連接至第四PSR重整器20B的另一端。重 整反應(yīng)所產(chǎn)生的富氫氣體通過(guò)排氣管119排放。第四PSR重整器20B具有 注射裝置26。注射裝置26注射從HMFC 30排放的陽(yáng)極廢氣。如果需要， 注射裝置26可以將陽(yáng)極廢氣與汽油、氫氣等一起注射。第四PSR重整器 20B通過(guò)注射裝置26連接至具有閥V22的供給管123。排氣管118和119通過(guò)管132連接至氫供給管133。每個(gè)PSR重整器 所產(chǎn)生的富氫氣體通過(guò)氫供給管133供給至HMFC 30。供給管122和123 連接至供給管126的一端。從HMFC 30排放的陽(yáng)極廢氣通過(guò)供給管126 供給至PSR重整器10B和20B。如果需要，陽(yáng)極廢氣可以與汽油、氫氣等 一起供給。通過(guò)以自動(dòng)方式交替開(kāi)啟閥V17和V18，以及交替開(kāi)啟閥V21 和V22，將陽(yáng)極廢氣選擇性地供給至進(jìn)行再生反應(yīng)的PSR重整器。如果需 要，陽(yáng)極廢氣可以與汽油、氫氣等一起供給。而且，進(jìn)行重整反應(yīng)的PSR 重整器所產(chǎn)生并排放的富氫氣體供給至HMFC30。 HMFC 30使用富氫氣體 來(lái)產(chǎn)生電力。當(dāng)用于預(yù)熱的燃燒反應(yīng)或重整反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，例如當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng) 時(shí)，或在過(guò)渡期間(例如，當(dāng)HMFC 30上的負(fù)荷驟增時(shí))，注射裝置 15、 18、 19和21將寬范圍的反應(yīng)物注入各自的PSR重整器。而且，當(dāng)燃 燒反應(yīng)或重整反應(yīng)(部分氧化反應(yīng))進(jìn)行時(shí)，例如當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng) 時(shí)，或在過(guò)渡期間，注射裝置16、 17、 20和22將空氣(含氧氣體)與寬 范圍的反應(yīng)物一起注入各自的PSR重整器。通過(guò)注射空氣和反應(yīng)物的混合物，燃燒反應(yīng)或重整反應(yīng)在設(shè)置在各自PSR重整器中的催化劑12上進(jìn)行。注射裝置23-26將寬范圍的陽(yáng)極廢氣注入各自的PSR重整器，以使再 生反應(yīng)在設(shè)置在各自PSR重整器中的催化劑12上進(jìn)行。如果需要，注射 裝置23-26可以將陽(yáng)極廢氣與汽油、氫氣等一起注射。氫供給管133或管131和132可連接至儲(chǔ)氫罐(例如，儲(chǔ)氫裝置)， 該儲(chǔ)氫罐獨(dú)立分開(kāi)設(shè)置并存儲(chǔ)過(guò)量的富氫氣體。利用這種構(gòu)造，當(dāng)燃料電 池啟動(dòng)時(shí)、當(dāng)燃料電池在低負(fù)荷下操作時(shí)、或當(dāng)所需氫量因負(fù)荷改變而變 化時(shí)(例如，在過(guò)渡期間)，可從儲(chǔ)氫罐中取出氫，并適當(dāng)?shù)靥岣吆徒档?氫量。而且，通過(guò)暫時(shí)改變供給的氫量，可以適當(dāng)?shù)靥岣吆徒档凸┙o至 PSR重整器的陽(yáng)極廢氣中的氫量。供給管125和126分別具有閥V23和閥V24。供給管125通過(guò)閥V23 連接至外部供給管140和空氣供給管142。供給管126通過(guò)閥V24連接至 外部供給管141和空氣供給管143。除了通過(guò)供給管125和126供給的陽(yáng) 極廢氣以外，可以從燃料電池系統(tǒng)外部通過(guò)外部供給管140和141供給汽 油、氫氣等。而且，陽(yáng)極廢氣中的用于燃燒氫的空氣等通過(guò)空氣供給管 142和143供給，從而控制控制空氣量。每個(gè)供給管125和126可以具有調(diào)節(jié)陽(yáng)極廢氣量的節(jié)流閥以及氫緩沖 罐(例如，儲(chǔ)氫裝置、高壓氫罐等)。在此情況下，通過(guò)操作節(jié)流閥，或 從氫緩沖罐供給氫，可以控制供給至每個(gè)PSR重整器的氫量，而不論燃料 電池產(chǎn)生電力時(shí)的燃料電池操作狀態(tài)如何。HMFC 30的陽(yáng)極側(cè)(氫電極側(cè))連接至氫供給管133以及排放陽(yáng)極廢 氣的排氣管134。排氣管134連接至供給管125和126。 HMFC 30的陰極 側(cè)(氧電極側(cè))連接至空氣供給管135和排氣管136。含氧比例高的空氣 (氧化劑氣體)通過(guò)空氣供給管135供給，并用于產(chǎn)生電力。燃料電池反 應(yīng)所產(chǎn)生的陰極廢氣通過(guò)排氣管136排放。排氣管137連接至排氣管134 的某個(gè)部分。排氣管137具有閥V25。如果需要，陽(yáng)極廢氣可以通過(guò)開(kāi)啟 閥V25排放到燃料電池系統(tǒng)外部，以防止供給未充分加熱的(例如在PSR
重整器預(yù)熱時(shí))陽(yáng)極廢氣。當(dāng)重整反應(yīng)所產(chǎn)生的氫(富氫氣體)和空氣被供給至HMFC 30時(shí)， HMFC 30產(chǎn)生電力。在產(chǎn)生電力之后，陽(yáng)極廢氣和陰極廢氣從HMFC 30 排放。此外，從HMFC 30排放的陽(yáng)極廢氣可以通過(guò)排氣管134和供給管 125和126主要供給至進(jìn)行再生反應(yīng)的PSR重整器。而且，如果需要，陽(yáng) 極廢氣通過(guò)排氣管137排放到燃料電池系統(tǒng)外部。另外，排氣管136通過(guò)混合器144和145連接至每個(gè)管101和102的 某個(gè)部分。陽(yáng)極廢氣中包含的水分和殘余氧被循環(huán)并用于重整反應(yīng)。因 此，汽油和陽(yáng)極廢氣通過(guò)每個(gè)混合器混合，以形成混合氣體，然后將該混 合氣體供給至每個(gè)PSR重整器。當(dāng)水分量較小時(shí)，例如當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟 動(dòng)時(shí)或當(dāng)燃料電池在低負(fù)荷下操作時(shí)，這種構(gòu)造是有效的。當(dāng)需要將大量 水蒸氣供給至進(jìn)行重整反應(yīng)的PSR重整器時(shí)，即需要由重整反應(yīng)產(chǎn)生的氫 量由于燃料電池所需的氫量增加而增加時(shí)，例如當(dāng)HMFC 30上的負(fù)荷驟 增時(shí)，這種構(gòu)造也是有效的。冷氣管可以在HMFC 30中延仲。在此情況下，從大氣獲得的冷卻空 氣(冷卻介質(zhì))通過(guò)冷氣管供給，以使HMFC 30通過(guò)熱交換冷卻。此冷 氣管可以連接至供給陽(yáng)極廢氣的供給管(例如，供給管125、 126等)， 或可以直接連接至進(jìn)行再生反應(yīng)的PSR重整器。在此情況下，可以進(jìn)行溫 度調(diào)節(jié)控制和流率控制，并且當(dāng)進(jìn)行再生反應(yīng)時(shí)，空氣可用于燃燒。第一至第四PSR重整器(IOA、 20A、 10B和20B)具有相同的構(gòu) 造，只是各自的熱容不同。即，如圖2所示，每個(gè)PSR重整器包括柱體 11和催化劑(催化劑支撐部分)12。柱體11具有圓形截面。柱體11的軸 向兩端封閉。催化劑12被支撐在柱體11的內(nèi)壁表面上。柱體11具有進(jìn)行 反應(yīng)的空間，并且也支撐催化劑本體。使用蜂窩陶瓷將柱體11形成為具有圓柱形狀。柱體11具有直徑為10 cm的圓形截面。柱體11為中空體。柱體11的軸向兩端封閉。柱體11的 截面可以根據(jù)需要具有任意的其它形狀，例如矩形和橢圓形。而且，可根 據(jù)需要調(diào)整柱體11的大小。體11內(nèi)壁的曲面上，軸向兩端具有預(yù)定寬度A的區(qū)域被稱為"無(wú)催化劑區(qū)IIA和11B"(參考圖1)。催化劑12未支撐在無(wú)催化劑區(qū)UA禾Q IIB上。g卩，催化劑12被支撐在柱體11內(nèi)壁的除無(wú)催化劑區(qū)11A 和IIB的整個(gè)表面。催化劑12可由金屬形成，所述金屬例如是Pd、 Ni、 Pt、 Ph、 Ag、 Ce、 Cu、 La、 Mo、 Mg、 Sn、 Ti、 Y和Zn。當(dāng)重整反應(yīng)使用催化劑在催化劑12上進(jìn)行時(shí)，重整反應(yīng)所產(chǎn)生的富 氫氣體在排放富氫氣體的方向上的下游側(cè)的無(wú)催化劑區(qū)IIA處被冷卻。因 此，使富氫氣體的溫度接近HMFC 30的操作溫度。當(dāng)重整反應(yīng)切換為再 生反應(yīng)時(shí)，無(wú)催化劑區(qū)11A的溫度已經(jīng)由于與富氫氣體的熱交換而變高。 因此，在陽(yáng)極廢氣供給催化劑12之前，可以在無(wú)催化劑區(qū)IIA處將在排 放富氫氣體的相反方向上供給的陽(yáng)極廢氣預(yù)加熱。結(jié)果，形成的溫度分布 可使存儲(chǔ)的熱量向著支撐催化劑12的柱體11中部增加。這有利于促進(jìn)反 應(yīng)。測(cè)量催化劑12的溫度的溫度傳感器27安裝在柱體11上。在本實(shí)施方式中，第一 PSR重整器10A基本上與第二 PSR重整器 20A配對(duì)。重整反應(yīng)和再生反應(yīng)在第一 PSR重整器IOA和第二 PSR重整 器20A中的每一個(gè)交替進(jìn)行。當(dāng)重整反應(yīng)在PSR重整器10A和20A之--中進(jìn)行時(shí)，再生反應(yīng)在另一個(gè)PSR重整器中進(jìn)行。而且，第三PSR重整 器10B與第四PSR重整器20B配對(duì)。重整反應(yīng)和再生反應(yīng)在第三PSR重 整器10B和第四PSR重整器20B中的每一個(gè)交替進(jìn)行。當(dāng)重整反應(yīng)在 PSR重整器10B和20B之一中進(jìn)行時(shí)，再生反應(yīng)在另一個(gè)PSR重整器中 進(jìn)行。如圖3所示，HMFC 30包括電解質(zhì)膜51、氧電極(02電極)52和氫 電極(H2電極)53。電解質(zhì)膜51包括由可透氫金屬制成的致密可透氫 層。電解質(zhì)膜51設(shè)置在氧電極52與氫電極53之間。當(dāng)每個(gè)PSR重整器 所產(chǎn)生的富氫氣體供給至HMFC 30時(shí)，氫選擇性地通過(guò)電解質(zhì)膜51，從 而產(chǎn)生電力?？諝馔ǖ?9a形成在氧電極52與電解質(zhì)膜51之間。充當(dāng)氧化劑氣體 的空氣通過(guò)空氣通道59a。 g卩，空氣通過(guò)空氣通道59a供給和排放。氫通 道59b形成在氫電極53與電解質(zhì)膜51之間。富氫氣體通過(guò)氫通道5%。 即，富氫氣體通過(guò)氫通道59b供給和排放。氧電極52和氫電極53均可用
例如碳的各種材料(例如，擔(dān)載鉑或鉑和其它金屬的合金的碳粉)或電解質(zhì)溶液(例如，Aldrich Chemical Company生產(chǎn)的Nafion溶液)來(lái)形成。 電解質(zhì)膜51具有四個(gè)層，包括由釩(V)制成的致密基材56。基材56設(shè)置在鈀(Pd)層55與57之間。Pd層55、 57是致密的可透氫金屬層。由固體氧化物(BaCe03)制成的薄電解質(zhì)層54設(shè)置在Pd層的表面上，其不接觸基材56?？梢允褂免墶g或包含鈮和鉭中至少一種的合金代替釩(V)來(lái)形成基材56。它們具有高透氫率，而且并不昂貴。可以使用SrCe03基陶瓷質(zhì)子導(dǎo)體代替BaCe03來(lái)形成電解質(zhì)層54。 可透氫金屬的實(shí)例包括鈀、釩、鈮、鉭、包含釩、鈮和鉭中的至少一種的合金以及鈀合金。通過(guò)提供由這種可透氫金屬制成的致密層，可以保護(hù)電解質(zhì)膜。優(yōu)選地，鄰近氧電極的致密層(涂層)用釩(釩本身或包含釩的合 金，例如釩-鎳)、鈮、鉭或包含鈮和鉭中至少一種的合金形成，原因在于 這些金屬具有高透氫率并且一般并不昂貴。鄰近氫電極的致密層可以使ffl 這些金屬中的任意一種形成。然而，這些金屬會(huì)導(dǎo)致氫脆化。因此，優(yōu)選 地，鄰近氫電極的致密層用鈀或鈀合金形成。鈀和鈀合金具有高透氫率， 而且不容易引起氫脆化。在Pd層55、基材56和Pd層57堆疊的情況下，即兩個(gè)或更多個(gè)不同 金屬層(致密可透氫金屬層)如圖3所示堆疊，可以在不同金屬間的界面 的至少一部分上設(shè)置可抑制不同金屬離子擴(kuò)散的金屬擴(kuò)散抑制層(參考圖 9和圖10)。金屬擴(kuò)散抑制層描述在日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. JP-A-2004-146337的第15-16段中。除如上所述堆疊鈀層(Pd層)、釩層(V層)和鈀層(Pd層)以 外，也可以堆疊五個(gè)層。例如、Pd層、鉭層(Ta層)、V層、Ta層禾口 Pd 層可按所述次序堆疊。如上所述，質(zhì)子或氫原子通過(guò)釩的速度高于質(zhì)子或 氫原子通過(guò)鈀的速度。而且，釩的成本低于鈀。然而，與鈀相比，釩將氫 分子分解成質(zhì)子等的能力較差。因此，通過(guò)在V層的一個(gè)或兩個(gè)表面上提 供將氫分子分解為質(zhì)子等的能力較高的Pd層，可以提高透氫率。在此情
況下，通過(guò)在金屬層之間提供金屬擴(kuò)散抑制層，可以抑制不同金屬離子的 擴(kuò)散以及透氫率的降低。因此，可以抑制HMFC電動(dòng)勢(shì)的下降。電解質(zhì)層54由固體氧化物制成。可以在電解質(zhì)層54與Pd層55之間 的界面的至少一部上提供可抑制電解質(zhì)層54中的氧原子與Pd反應(yīng)的反應(yīng) 抑制層(參考圖9的反應(yīng)抑制層65)。反應(yīng)抑制層描述在日本專利申請(qǐng)公 開(kāi)No. JP-A-2004-146337的第24-25段中。電解質(zhì)膜51包括可透氫的致密釩基材以及相鄰HMFC 30的陰極形成 的無(wú)機(jī)電解質(zhì)層。因此，電解質(zhì)膜可以制得較薄。通過(guò)采用這種構(gòu)造，可 以將通常操作溫度較高的固體氧化物燃料電池(SOFC)的操作溫度降至 300-60(TC的溫度范圍。結(jié)果，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，從 HMFC 30排放的陰極廢氣可以直接供給至進(jìn)行重整反應(yīng)的每個(gè)PSR重整 器。當(dāng)氫(H2)密度高的富氫氣體供給至氫通道59b并且含氧(02)空氣 供給至空氣通道59a時(shí)，由方程(1) - (3)表示的電化學(xué)反應(yīng)在HMFC 30中進(jìn)行(即，進(jìn)行燃料電池反應(yīng))，并且將電力供給至HMFC 30外 部。方程(1)表示陽(yáng)極中的反應(yīng)，方程(2)表示陰極中的反應(yīng)，方程 (3)表示HMFC30中的總反應(yīng)。H2 —2H+ + 2e- (1)(1/2) 02 + 2H+ + 2e- — H20 (2)H2 + (l/2)02 —H20 (3)如圖4所示，PSR重整器10A禾Q 20A (PSR裝置1) 、 PSR重整器 IOB禾卩20B (PSR裝置2) 、 HMFC 30、泵P、閥Vl-V12、 V15-V25、注 射裝置15-26等電連接至控制裝置150。控制裝置150控制每個(gè)裝置的操 作時(shí)間。控制裝置150對(duì)HMFC 30執(zhí)行常規(guī)的操作控制以產(chǎn)生電力。 即，控制裝置150通過(guò)根據(jù)連接至HMFC 30的負(fù)荷量級(jí)(未示出)調(diào)節(jié) 氫氣和空氣的量來(lái)控制HMFC 30的輸出。而且，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng) 時(shí)，或在過(guò)渡時(shí)期，例如當(dāng)HMFC 30上的負(fù)荷驟增時(shí)，控制裝置150執(zhí) 行對(duì)每個(gè)PSR重整器的預(yù)熱操作的控制。此外，控制裝置150執(zhí)行反應(yīng)控 制，以在常規(guī)操作中的重整反應(yīng)與再生反應(yīng)之間進(jìn)行切換。在本實(shí)施方式中，在打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)之后，基于四個(gè)psr重整器的已知熱容，在四個(gè)psr重整器中選擇應(yīng)當(dāng)開(kāi)始重整反應(yīng)的psr重整器。然 后，根據(jù)溫度傳感器檢測(cè)到的值，將汽油和空氣供給至被選擇的psr重整 器，并且在被選擇的psr重整器中進(jìn)行燃燒反應(yīng)，以預(yù)熱psr重整器。 或者，重整反應(yīng)在不加熱psr重整器的條件下在被選擇的psr重整器中 開(kāi)始。然后，開(kāi)始常規(guī)操作，即在每個(gè)psr裝置的psr重整器中交替進(jìn) 行重整反應(yīng)和再生反應(yīng)。下文將詳細(xì)描述由控制裝置150執(zhí)行的涉及重整反應(yīng)的反應(yīng)控制程 序。圖5示出了當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)基于熱容和催化劑溫度來(lái)控制重整 反應(yīng)的反應(yīng)控制程序。psr重整器10a和10b的熱容小于psr重整器20a和20b。因此， psr重整器ioa和10b的溫度比psr重整器20a和20b的溫度更快地達(dá) 到重整開(kāi)始溫度。因此，當(dāng)該程序開(kāi)始時(shí)，首先在步驟sioo，選擇psr 重整器ioa和iob，并且通過(guò)溫度傳感器分別檢測(cè)psr重整器10a中的 催化劑溫度t1和PSR重整器10b中的催化劑溫度t3，并將其輸入控制裝置 150。接下來(lái)，在步驟s200中，確定催化劑溫度t1是否已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始 溫度t。在步驟s300中，確定催化劑溫度f(wàn)是否已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度 t。如果在步驟s200中確定催化劑溫度 一未達(dá)到重整開(kāi)始溫度t,則需要 將psr重整器10A中的催化劑溫度升至重整開(kāi)始溫度t。因此，在步驟 s202中，開(kāi)啟閥vi和v5，并將汽油和空氣供給至psr重整器ioa，以 使燃燒反應(yīng)在psr重整器10a中進(jìn)行，以預(yù)熱psr重整器ioa。在此步 驟中，也同時(shí)開(kāi)啟閥v15以預(yù)熱hmfc 30。此外，同時(shí)開(kāi)啟閥v10和 v20以預(yù)熱psr重整器20a。閥v2和v6、閥v9、閥v16和閥v19關(guān) 閉。在步驟s204中，再次確定催化劑溫度P是否由于燃燒已經(jīng)達(dá)到重整 開(kāi)始溫度t。如果確定催化劑溫度t1已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度t，則在步驟 S206中關(guān)閉閥V5。接著，在步驟S208中，在PSR重整器10A中開(kāi)始重 整反應(yīng)。同時(shí)，保持閥VI、閥VIO、閥V15和閥V20開(kāi)啟。閥V2、閥 V9、閥V6、閥V16和閥V19關(guān)閉。在PSR重整器20A中開(kāi)始再生反 應(yīng)。在步驟S300中，確定催化劑溫度tS是否已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度T。如 果在步驟S300中確定催化劑溫度P未達(dá)到重整開(kāi)始溫度T，則需要將PSR 重整器10B中的溫度升至重整開(kāi)始溫度T。因此，在歩驟S302中，開(kāi)啟 閥V4和V7，并供給汽油和空氣，以使燃燒反應(yīng)在PSR重整器10B中進(jìn) 行以預(yù)熱。在此步驟中，也同時(shí)開(kāi)啟閥V17以預(yù)熱HMFC 30。此外，同 時(shí)開(kāi)啟閥V12和V22以預(yù)熱PSR重整器20A。閥V3、 V8、 Vll、 V18和 V21關(guān)閉。在歩驟S304中，再次確定催化劑溫度P是否已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度 T。如果確定催化劑溫度13己經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度T，則在歩驟S306中關(guān) 閉閥V7。然后，在步驟S308中，在PSR重整器IOB中開(kāi)始重整反應(yīng)。同 時(shí)，保持閥V4、 V12、 V17禾n V22開(kāi)啟。閥V3、 VI1、 V8、 V18禾B V21 關(guān)閉。在PSR重整器20B中開(kāi)始再生反應(yīng)。然后，此程序結(jié)束。如果在歩驟S204或S304中確定催化劑溫度 一或P未達(dá)到重整開(kāi)始溫 度T，則通過(guò)燃燒繼續(xù)加熱PSR重整器10A或10B (即，繼續(xù)預(yù)熱操 作)，直到催化劑溫度t'或一達(dá)到重整開(kāi)始溫度T。如果在步驟S200中確定催化劑溫度t1已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度T，則確 定在PSR重整器10A中可以開(kāi)始重整反應(yīng)。因此，在步驟S208中，在 PSR裝置l側(cè)開(kāi)啟閥VI、 V15、 V20和V10，以使重整反應(yīng)在PSR重整器 10A中進(jìn)行。而且，再生反應(yīng)在PSR重整器20A中進(jìn)行。如果在步驟 S300中確定催化劑溫度t3已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度T，則確定在PSR重整器 10B中可以幵始重整反應(yīng)。因此，在步驟S308中，在PSR裝置2側(cè)開(kāi)啟 閥V4、 V17、 V22禾n V12，以使重整反應(yīng)在PSR重整器10B中迸行。而 且，再生反應(yīng)在PSR重整器20B中進(jìn)行。然后，此程序結(jié)束。在上述程序中，將在PSR重整器20A和20B中的再生反應(yīng)所產(chǎn)生的 氣體分別通過(guò)排氣管112和114排放到燃料電池系統(tǒng)外部。
如上所述，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，基于已知的熱容和檢測(cè)到的催化 劑溫度，重整反應(yīng)在其中催化劑溫度比其它PSR重整器更快地達(dá)到重整開(kāi) 始溫度的PSR重整器中進(jìn)行。而且，同時(shí)加熱其中催化劑溫度迅速達(dá)到重整開(kāi)始溫度的PSR重整器、其它PSR重整器和HMFC 30。因此，用于產(chǎn) 生氫的重整反應(yīng)可以在啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)后的短時(shí)間內(nèi)開(kāi)始。這極大地改 善了氫氣產(chǎn)生裝置的啟動(dòng)能力。而且，在本實(shí)施方式中，多個(gè)PSR重整器 間的熱效率存在差異。因此，當(dāng)所需的氫量驟增時(shí)，例如當(dāng)HMFC上的負(fù) 荷驟增時(shí)，可以迅速地產(chǎn)生足夠的氫。在重整反應(yīng)和再生反應(yīng)在PSR重整器中開(kāi)始、并且程序如上述結(jié)束之 后，開(kāi)始常規(guī)操作。即，如上所述，首先，在PSR重整器IOA和10B中 開(kāi)始重整反應(yīng)，并在PSR重整器20A和20B中開(kāi)始再生反應(yīng)。保持閥 VI、 V15、 V20、 VIO、 V4、 V17、 V22和V12開(kāi)啟。因此，在供給管100 與103之間、排氣管116與氫供給管133之間以及供給管121與供給管 125之間允許連通。而且，在供給管100與105之間、排氣管118與氫供 給管133之間以及供給管123與供給管126之間允許連通。反應(yīng)物供給至 PSR重整器10A和IOB使得重整反應(yīng)得以進(jìn)行。而且，從HMFC30排放 的陽(yáng)極廢氣(放熱材料)被供給至PSR重整器20A和20B，以使再生反應(yīng) 進(jìn)行。由于燃燒反應(yīng)在PSR重整器IOA和10B中進(jìn)行以預(yù)熱(進(jìn)行預(yù)熱操 作)，在重整反應(yīng)開(kāi)始之前，熱量已在PSR重整器IOA和10B中提高。 因此，當(dāng)反應(yīng)物從每個(gè)注射裝置15和19注射至催化劑12時(shí)，使用汽油進(jìn) 行蒸汽重整反應(yīng)，從而產(chǎn)生合成氣體(富氫氣體)。優(yōu)選地，重整反應(yīng)在 300-1100 。C的溫度下進(jìn)行。提前將重整反應(yīng)如此產(chǎn)生的富氫氣體在各自的無(wú)催化劑區(qū)11A中冷 卻。PSR重整器10A的無(wú)催化劑區(qū)IIA連接至排氣管116， PSR重整器 10B的無(wú)催化劑區(qū)IIA連接至排氣管118。然后，富氫氣體通過(guò)連接至排 氣管116和118的氫供給管133供給至HMFC30的陽(yáng)極。此時(shí)，空氣通過(guò) 設(shè)置在HMFC 30陰極側(cè)的空氣供給管135供給。因此，HMFC產(chǎn)生電力 (即，進(jìn)行燃料電池反應(yīng))。在消耗供給的富氫氣體以產(chǎn)生電力之后，陽(yáng) 極廢氣排放至排氣管134。然后，陽(yáng)極廢氣通過(guò)供給管125和126以及供 給管121和123，并從注射裝置24和26注射。陽(yáng)極廢氣主要包含未在燃 料電池反應(yīng)中使用的氫以及CO和CH4。此時(shí)，用于燃燒的陽(yáng)極廢氣的量可以較小。在此情況下，無(wú)法存儲(chǔ)足 夠的熱量，或者無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)熱量。因此，可以改變閥V23的狀態(tài) 和/或閥V24的狀態(tài)，以使外部供給管140與供給管125之間和/或外部供 給管141與供給管126之間連通。結(jié)果，可以額外供給汽油、氫氣等。因 此，當(dāng)陰極廢氣中的水蒸氣量較小時(shí)，例如當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)燃 料電池在低負(fù)荷下操作時(shí)，或當(dāng)HMFC 30上的負(fù)荷驟增時(shí)，可以通過(guò)燃 燒即刻存儲(chǔ)足夠的熱量。類似地，通過(guò)改變閥V23的狀態(tài)和/或閥V24的狀態(tài)，通過(guò)空氣供給 管142和Z或143供給易于燃燒陽(yáng)極廢氣中的氫等物質(zhì)的空氣。當(dāng)陽(yáng)極廢氣從注射裝置24和26供給至PSR重整器20A和20B時(shí)， 在各自的催化劑12上燃燒氫等物質(zhì)，從而提高通過(guò)燃燒存儲(chǔ)的熱量， 即，可以提高PSR重整器20A和20B中的催化劑溫度。如上所述，在再 生反應(yīng)進(jìn)行之前，被供給陽(yáng)極廢氣等的PSR重整器20的無(wú)催化劑區(qū)]1A 的溫度已經(jīng)通過(guò)重整反應(yīng)提高。因此，當(dāng)再生反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，熱量山T與被 供給的陽(yáng)極廢氣等熱交換被返回至催化劑12。即，可以有效地使用熱量。在存儲(chǔ)的熱量減少(即，催化劑溫度降低)并因而使產(chǎn)生氫的效率在 其中進(jìn)行重整反應(yīng)的PSR重整器10A和10B中的至少一個(gè)中降低的情況 下，根據(jù)每個(gè)PSR重整器10A和10B中存儲(chǔ)的熱量下降，執(zhí)行以下控 制。將PSR重整器10A中的重整反應(yīng)切換為再生反應(yīng)，并將PSR重整器 20A中的再生反應(yīng)切換為重整反應(yīng)。而且，將PSR重整器IOB中的重整反 應(yīng)切換為再生反應(yīng)，并將PSR重整器20B中的再生反應(yīng)切換為重整反應(yīng)。更具體地，關(guān)閉閥V1、 V15、 V20和V10，并幵啟PSR裝置1側(cè)的閥 V2、 V16、 V19和V9。結(jié)果，在供給管100與供給管104之間、排氣管 117與氫供給管133之間以及供給管120與供給管125之間允許連通。而 且，關(guān)閉閥V4、 V17、 V22禾n V12,并開(kāi)啟PSR裝置2側(cè)的閥V3、 V18、 V21和Vll。結(jié)果，在供給管IOO與供給管106之間、排氣管119
與氫供給管133之間以及供給管122與供給管126之間允許連通。此時(shí)，反應(yīng)物供給至PSR重整器20A和20B以進(jìn)行重整反應(yīng)。從 HMFC 30排放的陽(yáng)極廢氣供給至PSR重整器10A和10B以進(jìn)行再生反 應(yīng)。在PSR裝置1和PSR裝置2中，可以同時(shí)或獨(dú)立地在重整反應(yīng)與再生 反應(yīng)之間彼此切換。在重整反應(yīng)與再生反應(yīng)以上述方式彼此切換的情況下，在重整反應(yīng)在 每個(gè)PSR重整器20A和20B中進(jìn)行之前，存儲(chǔ)的熱量已經(jīng)由于再生反應(yīng) 而增加。因此，當(dāng)反應(yīng)物通過(guò)供給管104和106并從注射裝置18和21注 射至各自的催化劑12時(shí)，使用汽油在各自的催化劑12上進(jìn)行蒸汽重整反 應(yīng)，從而產(chǎn)生合成氣體(富氫氣體)。優(yōu)選地，如上所述，重整反應(yīng)在 300-1100"C的溫度下進(jìn)行。提前將PSR重整器20A和20B的重整反應(yīng)如此 產(chǎn)生的富氫氣體在各自的無(wú)催化劑區(qū)IIA中冷卻。PSR重整器20A的無(wú)催 化劑區(qū)UA連接至排氣管117， PSR重整器20B的無(wú)催化劑區(qū)IIA連接至 排氣管119。然后，富氫氣體通過(guò)連接至排氣管117和119的氫供給管 133供給至HMFC 30的陽(yáng)極。而且，空氣從空氣供給管135供給。因此， HMFC30產(chǎn)生電力(即，進(jìn)行燃料電池反應(yīng))。在消耗供給的富氫氣體以 產(chǎn)生電力之后，陽(yáng)極廢氣排放至排氣管134。然后，陽(yáng)極廢氣通過(guò)供給管 125和126以及供給管120和122，并從注射裝置23和25注射。如上所述，可以改變閥V23的狀態(tài)和/或閥V24的狀態(tài)，以使外部供 給管140與供給管125之間禾B/或外部供給管141與供給管126之間連通。 結(jié)果，可以額外供給汽油、氫氣等。類似地，通過(guò)改變閥V23的狀態(tài)和/ 或閥V24的狀態(tài)，通過(guò)空氣供給管142和/或143供給用于燃燒陽(yáng)極廢氣中的氫等物質(zhì)的空氣。陽(yáng)極廢氣從注射裝置23和25供給至PSR重整器IOA和IOB，并且氫等物質(zhì)在各自的催化劑12上燃燒，從而可以再次增加通過(guò)燃燒存儲(chǔ)的熱 量，即可以再次提高PSR重整器10A和10B中的催化劑溫度。如上所 述，在再生反應(yīng)進(jìn)行之前，被供給陽(yáng)極廢氣等的PSR重整器10A和10B 的無(wú)催化劑區(qū)11A的溫度已經(jīng)通過(guò)重整反應(yīng)提高。因此，當(dāng)再生反應(yīng)進(jìn)行 時(shí)，熱量由于與被供給的陽(yáng)極廢氣等熱交換被返回至催化劑12。即，可以
有效地使用熱量。在上述實(shí)施方式中，在常規(guī)操作開(kāi)始之后，可以執(zhí)行控制以使重整反應(yīng)在PSR重整器20A和20B中進(jìn)行，并且例如在過(guò)渡時(shí)期(例如，當(dāng) HMFC30上的負(fù)荷驟增時(shí))，重整反應(yīng)也在重整器IOA和10B中暫時(shí)進(jìn) 行以提高重整反應(yīng)所產(chǎn)生的氫量。而且，在上述實(shí)施方式中，PSR重整器10A與PSR重整器20A配 對(duì)，PSR重整器IOB與PSR重整器20B配對(duì)。重整反應(yīng)與再生反應(yīng)在每 個(gè)配對(duì)PSR重整器中交替進(jìn)行。當(dāng)重整反應(yīng)在配對(duì)PSR重整器之一中進(jìn) 行時(shí)，再生反應(yīng)在另一個(gè)PSR重整器中進(jìn)行。然而，熱容大于PSR重整 器IOA和10B的熱容的PSR重整器20A和20B可以彼此配對(duì)。在此情況 下，當(dāng)重整反應(yīng)在PSR重整器20A和20B之一中進(jìn)行時(shí)，再生反應(yīng)在另 一個(gè)PSR重整器中進(jìn)行。PSR重整器IOA和10B可以彼此配對(duì)，以使當(dāng) 重整反應(yīng)在PSR重整器10A和10B之一中進(jìn)行時(shí)，再生反應(yīng)在另一個(gè) PSR重整器中進(jìn)行?；蛘撸梢酝Ｖ筆SR重整器IOA和IOB的操作。在此實(shí)施方式中，第一 PSR重整器10A與第二 PSR重整器20A配 對(duì)，第三PSR重整器IOB與第四PSR重整器20B配對(duì)。然而，可以在不 配對(duì)重整器的情況下執(zhí)行控制。例如，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，重整反 應(yīng)可以在其中催化劑溫度最快達(dá)到重整開(kāi)始溫度的一個(gè)PSR重整器中進(jìn) 行，再生反應(yīng)可以在其它三個(gè)PSR重整器中進(jìn)行。將參考圖6描述根據(jù)第二種實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)。在第二種實(shí)施 方式中，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，基于己知的PSR重整器熱容，在不使 用溫度傳感器檢測(cè)值的條件下，選擇其中應(yīng)當(dāng)開(kāi)始重整反應(yīng)的PSR重整 器，并且在被選擇的PSR重整器中強(qiáng)制開(kāi)始重整反應(yīng)。用于第一種實(shí)施方式的反應(yīng)物和放熱材料也可以用于第二種實(shí)施方 式。與第一種實(shí)施方式相同和相應(yīng)的部件將由相同的參考標(biāo)號(hào)表示，并 且省略這些部件的詳細(xì)描述。在此實(shí)施方式中，在打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)之后，汽油和空氣被選擇性地和自 動(dòng)地供給至熱容小于PSR重整器20A和20B的熱容的PSR重整器10A 禾口 IOB。在PSR重整器IOA和10B中強(qiáng)制進(jìn)行燃燒以預(yù)熱之后，重整反 IOB中開(kāi)始。圖6示出了當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)基于熱容來(lái)控制重整反應(yīng)的反應(yīng)控 制程序。在熱容小于PSR重整器20A和20B的熱容的PSR重整器10A 和10B中，通過(guò)預(yù)熱，催化劑溫度比PSR重整器20A和20B更快地達(dá)到 重整開(kāi)始溫度。因此，當(dāng)此程序開(kāi)始時(shí)，首先在步驟S400中，開(kāi)啟PSR 裝置1側(cè)的閥VI和V5以及PSR裝置2側(cè)的閥V4和V7，并將汽油和空 氣強(qiáng)制供給至PSR重整器IOA和IOB。結(jié)果，使用汽油進(jìn)行燃燒反應(yīng)， 并開(kāi)始PSR重整器10A和10B的加熱(預(yù)熱)。與此同時(shí)，開(kāi)啟閥V15和V17以預(yù)熱HMFC 30。此外，開(kāi)啟閥VIO 和V20以及閥V12和V22，以預(yù)熱PSR重整器20A和20B。接下來(lái)，在步驟S402中，確定溫度傳感器所檢測(cè)的PSR重整器10A 中的催化劑12的溫度—是否已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度T (t1 ST)。而且， 在歩驟S408中，確定PSR重整器10B中的催化劑12的溫度t、是否已經(jīng) 達(dá)到重整開(kāi)始溫度T (t3 2T)。如果在步驟S402中確定催化劑12的溫度t1已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度 T，則確定重整反應(yīng)可以在PSR重整器10A中開(kāi)始。因此，在歩驟S404 屮，閥V5關(guān)閉。接著，在步驟S406中，改變閥的狀態(tài)，以使重整反應(yīng) 在PSR裝置1的PSR重整器10A中進(jìn)行，并且再生反應(yīng)在PSR重整器 20A中進(jìn)行。更具體地，閥V5關(guān)閉。此時(shí)，保持閥V1開(kāi)啟。如果在步驟S408中確定催化劑的溫度t3已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度T，則 確定重整反應(yīng)可以在PSR重整器IOB中開(kāi)始。因此，在步驟S410中，閥 V7關(guān)閉。接著，在步驟S412中，改變閥的狀態(tài)，以使重整反應(yīng)在PSR 裝置2的PSR重整器10B中進(jìn)行，并且再生反應(yīng)在PSR重整器20B中進(jìn) 行。更具體地，閥V7關(guān)閉。此時(shí)，保持閥V4開(kāi)啟。然后，程序結(jié)束。如果在步驟S402或步驟S408中確定催化劑溫度—或P未達(dá)到重整開(kāi) 始溫度T，則確定重整反應(yīng)無(wú)法在PSR重整器10A或10B中進(jìn)行。因 此，通過(guò)燃燒持續(xù)加熱PSR重整器IOA或10B (即，持續(xù)預(yù)熱操作)， 直到催化劑溫度t1或 一達(dá)到重整開(kāi)始溫度T。在此實(shí)施方式中，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，催化劑的初始溫度未被檢
測(cè)，并且通過(guò)將汽油和空氣供給至PSR重整器IOA和IOB，在PSR重整 器IOA和10B中強(qiáng)制開(kāi)始預(yù)熱操作。因此，用于產(chǎn)生氫的重整反應(yīng)可以 在燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)后很快進(jìn)行。這極大地改善了氫氣產(chǎn)生裝置的啟動(dòng) 能力。在重整反應(yīng)或再生反應(yīng)在每個(gè)PSR重整器中開(kāi)始之后，如第一種實(shí)施 方式所述開(kāi)始常規(guī)操作。在本實(shí)施方式中，在常規(guī)操作開(kāi)始之后，可以執(zhí)行控制以使重整反應(yīng) 在PSR重整器20A和20B中進(jìn)行，并且例如在過(guò)渡時(shí)期(例如，當(dāng) HMFC 30上的負(fù)荷驟增時(shí))，重整反應(yīng)也在重整器IOA和IOB中暫時(shí)進(jìn) 行以提高重整反應(yīng)所產(chǎn)生的氫量。而且，與第一種實(shí)施方式中相同，熱 容大于PSR重整器10A和10B的熱容的PSR重整器20A和20B可以彼 此配對(duì)。在此情況下，當(dāng)重整反應(yīng)在PSR重整器20A和20B之一中進(jìn)行 時(shí)—，再生反應(yīng)在另一個(gè)PSR重整器中進(jìn)行。而且，在此實(shí)施方式中，第一 PSR重整器10A與第二 PSR重整器 20A配對(duì)，第三PSR重整器IOB與第四PSR重整器20B配對(duì)。然而，可 以在不配對(duì)重整器的情況下執(zhí)行控制。例如，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)， 重整反應(yīng)可以在其中催化劑溫度最快達(dá)到重整開(kāi)始溫度的一個(gè)PSR重整 器中進(jìn)行，再生反應(yīng)可以在其它三個(gè)PSR重整器中進(jìn)行。將參考圖7描述根據(jù)第三種實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)。在此實(shí)施方式 中，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，基于溫度傳感器檢測(cè)到的值，不考慮已知的 PSR重整器熱容，選擇其中應(yīng)當(dāng)開(kāi)始重整反應(yīng)的PSR重整器，并且在被選 擇的PSR重整器中開(kāi)始重整反應(yīng)。用于第一種實(shí)施方式的反應(yīng)物和放熱材料也可以用于第三種實(shí)施方 式。與第一種實(shí)施方式相同和相應(yīng)的部件將由相同的參考標(biāo)號(hào)表示，并 且省略這些部件的詳細(xì)描述。在此實(shí)施方式中，在打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)之后，檢測(cè)全部四個(gè)PSR重整器中 的催化劑溫度(t1、 t2、 P和t4)，優(yōu)先選擇其中催化劑溫度已經(jīng)迅速達(dá)到 重整開(kāi)始溫度的PSR重整器，并且在被選擇的PSR重整器中進(jìn)行重整反 應(yīng)。
圖7示出了當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)基于催化劑溫度來(lái)控制重整反應(yīng)的反應(yīng)控制程序。當(dāng)執(zhí)行程序時(shí)，在步驟s500中將全部psr重整器中的催 化劑溫度t1、 t2、 一和P輸入控制裝置150。在步驟S502中，在輸入控制裝置150的催化劑溫度(t1、 t2、 P和t4) 的基礎(chǔ)上，確定其中溫度已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度t的psr重整器的總數(shù) (En)。如果在步驟s502中確定總數(shù)(En)小于2，則確定psr重整器10a 或10b中的催化劑溫度(t或t3)已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度T，或者所有 psr重整器中的催化劑溫度均為達(dá)到重整開(kāi)始溫度t。因此，在歩驟s504 中，確定總數(shù)(Di)是否為0或1。如果在歩驟s504中確定總數(shù)(En) 為1，程序進(jìn)行到歩驟s506。在步驟s506中，改變閥的狀態(tài)來(lái)調(diào)整管的 設(shè)置，以使重整反應(yīng)首先在其中催化劑溫度已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度t的 PSR重整器中進(jìn)行。例如，如果PSR重整器10a中的催化劑溫度t'已經(jīng)達(dá) 到重整開(kāi)始溫度T (t1 2T)，則開(kāi)啟閥V1、 V15、 V20和V10以開(kāi)始重整 反應(yīng)。在此情況下，四個(gè)psr重整器中只有一個(gè)重整器中的催化劑溫度己經(jīng) 達(dá)到重整開(kāi)始溫度t (例如，psr重整器10a)。因此，進(jìn)行歩驟s508。如果在歩驟s504中確定總數(shù)(En)為0，則在歩驟s508中加熱全部 四個(gè)psr重整器，以使兩個(gè)psr重整器中的催化劑溫度達(dá)到重整開(kāi)始溫 度T。更具體地，開(kāi)啟閥Vl-v4以及閥v5-v8，并將汽油和空氣供給至所 有psr重整器ioa、 iob、 20a和20b。在所有psr重整器ioa、 iob、 20a和20b進(jìn)行燃燒反應(yīng)以預(yù)熱。此時(shí)，還開(kāi)啟閥v15-v18，以從psr重 整器排放燃燒氣體并加熱hmfc 30。如果當(dāng)全部四個(gè)psr重整器加熱時(shí)，來(lái)自hmfc 30的陽(yáng)極廢氣未被 充分加熱，則開(kāi)啟閥v25，以使陽(yáng)極廢氣不是被引入psr重整器。而是將 陽(yáng)極廢氣從由排氣管134延伸的排氣管137排放。如果在步驟s504中確定總數(shù)(En)為1，則在步驟s508中加熱其中 催化劑溫度未達(dá)到重整開(kāi)始溫度t的另外三個(gè)psr重整器，以使這三個(gè) psr重整器中的一個(gè)重整器的催化劑溫度達(dá)到重整開(kāi)始溫度t。在此情況
下，以上述方式開(kāi)啟到這三個(gè)PSR重整器的供給通道，以使燃燒反應(yīng)在這 三個(gè)PSR重整器中進(jìn)行以預(yù)熱PSR重整器。例如，如果催化劑溫度t1已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度(t1 >T)，則開(kāi)啟閥V2-V4以及閥V6-V8，以將汽 油和空氣供給至PSR重整器10B、 20A和20B。燃燒反應(yīng)在PSR重整器 10B、 20A和20B中進(jìn)行以預(yù)熱PSR重整器。接下來(lái)，在歩驟510中，將PSR重整器中的催化劑溫度再次輸入控制 裝置150 (如果總數(shù)(Bi)為0，則將全部四個(gè)PSR重整器中的催化劑溫 度輸入控制裝置150;如果總數(shù)(Bi)為1，則將其余三個(gè)PSR重整器中 還未達(dá)到重整開(kāi)始溫度的催化劑溫度輸入控制裝置150)。在歩驟S512 中，基于輸入控制裝置150的催化劑溫度，確定其中催化劑溫度己經(jīng)達(dá)到 重整開(kāi)始溫度T的PSR重整器的總數(shù)(Di)。如果在步驟S512中確定總數(shù)(En)為2或更大。則在歩驟S514中以 下述方式控制閥來(lái)打開(kāi)供給通道。即，控制閥以將反應(yīng)物供給至其中催化 劑溫度已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度T的至少兩個(gè)PSR重整器。而且.，控制閥以 將陽(yáng)極廢氣供給至其中催化劑溫度未達(dá)到重整開(kāi)始溫度T的PSR重整器。 如果在步驟S502中確定總數(shù)(En)為2或更大，則以此方式控制閥。例如，(i)當(dāng)在歩驟S504中確定總數(shù)(En)為0、并且在歩驟S512 中確定PSR重整器IOA和10B中的催化劑溫度 一和f均已達(dá)到重整開(kāi)始 溫度T (t1, t3>T)時(shí)，以及(ii)當(dāng)總數(shù)(En)為、并且在步驟S504中 確定PSR重整器10B中的催化劑溫度t3已經(jīng)達(dá)到重整開(kāi)始溫度T (t3 >T) 時(shí)，開(kāi)啟閥V1、 V15、 V20禾卩V10，并且開(kāi)啟閥V4、 V17、 V22和V12。 結(jié)果，重整反應(yīng)在PSR重整器IOA和10B中進(jìn)行，再生反應(yīng)在PSR重整 器20A和20B中進(jìn)行。如果在步驟S512中確定總數(shù)(Di)小于2，則持續(xù)預(yù)熱直到確定總 數(shù)(En)為2或更大。如上所述，在當(dāng)燃料電池系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)進(jìn)行重整反應(yīng)的情況下，可以基 于設(shè)置在PSR重整器中的溫度傳感器檢測(cè)的值，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的操作 狀態(tài)來(lái)開(kāi)始重整反應(yīng)。例如，燃料電池系統(tǒng)可在其停止之后立即恢復(fù) (即，燃料電池系統(tǒng)可在催化劑溫度還未明顯降低時(shí)重新啟動(dòng))。因此，
用于產(chǎn)生氫的重整反應(yīng)可以在燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)后的短時(shí)間內(nèi)開(kāi)始。這極 大地改善了氫氣產(chǎn)生裝置的啟動(dòng)能力。在重整反應(yīng)或再生反應(yīng)在每個(gè)PSR重整器中幵始之后，如第一種實(shí)施 方式所述開(kāi)始常規(guī)操作。例如，當(dāng)存儲(chǔ)的熱量減少時(shí)，即催化劑溫度降低并因此使PSR重整器10A和/或PSR重整器10B中的重整反應(yīng)所產(chǎn)生 氫的效率下降時(shí)，根據(jù)每個(gè)PSR重整器IOA和IOB中存儲(chǔ)的熱量的減少 量來(lái)執(zhí)行下述控制(i)和/或控制(ii)。在控制(i)中，將PSR重整器 10A中的重整反應(yīng)切換為再生反應(yīng)，并將PSR重整器20A中的再生反應(yīng) 切換為重整反應(yīng)。在控制(ii)中，將PSR重整器10B中的重整反應(yīng)切 換為再生反應(yīng)，并將PSR重整器20B中的再生反應(yīng)切換為重整反應(yīng)。在本實(shí)施方式中，在常規(guī)操作開(kāi)始之后，可以執(zhí)行控制以使重整反應(yīng) 在PSR重整器20A和20B中進(jìn)行，并且例如在過(guò)渡時(shí)期(例如，當(dāng) HMFC 30上的負(fù)荷驟增時(shí))，重整反應(yīng)也在重整器IOA和IOB中暫時(shí)進(jìn) 行以提高重整反應(yīng)所產(chǎn)生的氫量。而且，與第一種實(shí)施方式中相同，熱 容大于PSR重整器10A和10B的熱容的PSR重整器20A和20B可以彼 此配對(duì)。在此情況下，當(dāng)重整反應(yīng)在PSR重整器20A和20B之一中進(jìn)行 時(shí)，再生反應(yīng)在另一個(gè)PSR重整器中進(jìn)行。如第一種實(shí)施方式所述，控制可以在不將第一 PSR重整器10A與第 二 PSR重整器20A配對(duì)以及不將第三PSR重整器10B與第四PSR重整 器20B配對(duì)的條件下進(jìn)行。例如，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，重整反應(yīng)可 以在其中催化劑溫度最快達(dá)到重整開(kāi)始溫度的一個(gè)PSR重整器中進(jìn)行，再生反應(yīng)可以在其它三個(gè)PSR重整器中進(jìn)行。將參考圖8描述根據(jù)本發(fā)明的第四種實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)。在第 一種實(shí)施方式中，形成兩對(duì)PSR重整器，以使每一對(duì)包括具有不同熱容的 兩個(gè)PSR重整器。而在本實(shí)施方式中，形成兩對(duì)PSR重整器，以使每一 對(duì)包括具有基本相同的熱容的兩個(gè)PSR重整器。用于第一種實(shí)施方式的反應(yīng)物和放熱材料也可以用于第四種實(shí)施方 式。與第一種實(shí)施方式相同和相應(yīng)的部件將由相同的參考標(biāo)號(hào)表示，并且 省略這些部件的詳細(xì)描述。
如圖8所示，根據(jù)本發(fā)明的氫氣產(chǎn)生裝置具有催化劑和注射裝置。氫氣產(chǎn)生裝置包括PSR裝置1、 PSR裝置2和HMFC 30。 PSR裝置1包括第 一PSR重整器(PSR1) IOA和第三PSR重整器(PSR3) IOB。 PSR裝置2 包括第二 PSR重整器(PSR2) 20A和第四PSR重整器(PSR4) 20B。重 整反應(yīng)和再生反應(yīng)在第一 PSR重整器(PSR1) 10A和第三PSR重整器 (PSR3) 10B的每個(gè)中交替進(jìn)行。當(dāng)重整反應(yīng)在第一 PSR重整器 (PSR1) 10A和第三PSR重整器(PSR3) 10B之一中進(jìn)行時(shí)，再生反應(yīng) 在另一個(gè)PSR重整器中進(jìn)行。重整反應(yīng)和再生反應(yīng)在第二 PSR重整器 (PSR2) 20A和第四PSR重整器(PSR4) 20B的每個(gè)中交替進(jìn)行。當(dāng)重 整反應(yīng)在第二 PSR重整器(PSR2) 20A和第四PSR重整器(PSR4) 20B 之一中進(jìn)行時(shí)，再生反應(yīng)在另一個(gè)PSR重整器中進(jìn)行。每個(gè)PSR重整器 所產(chǎn)生的氫被供給至HMFC 30，以使HMFC 30可以產(chǎn)生電力。在連接至 重整器和HMFC 30的通道中設(shè)置閥。閥起到切換裝置的作用，通過(guò)控制 裝置對(duì)其進(jìn)行控制，以在重整器或HMFC 30的通道之間自動(dòng)改變連接。PSR裝置1和PSR裝置2具有相同的構(gòu)造。第一 PSR重整器IOA的 熱容"p"基本上等于第三PSR重整器10B的熱容"r"。第二 PSR重整 器20A的熱容"q"基本上等于第四PSR重整器20B的熱容"s" 。 PSR 重整器10A和10B的熱容小于PSR重整器20A和20B的熱容(p， r < q, s)。因此，在所有重整器被加熱的情況下，PSR裝置1的溫度比PSR裝置 2的溫度更快地達(dá)到重整開(kāi)始溫度。因此，重整反應(yīng)首先在PSR裝置1中進(jìn)行。管線設(shè)置、燃料電池啟動(dòng)后的操作以及富氫氣體、陽(yáng)極廢氣等的供給 和排放與第一種實(shí)施方式相同。在此實(shí)施方式中，當(dāng)HMFC 30上的負(fù)荷增大并且HMFC 30中所需的 氫量驟增時(shí)，可以通過(guò)使用諸如電加熱器之類的加熱器來(lái)加熱每個(gè)催化 劑。在此情況下，電加熱器等設(shè)置在每個(gè)PSR重整器中的催化劑12附 近，并且進(jìn)行重整反應(yīng)的每個(gè)重整器中通過(guò)開(kāi)啟電加熱器等來(lái)直接加熱催 化劑。當(dāng)需要迅速提高重整反應(yīng)速率，以及需要在短期內(nèi)在重整反應(yīng)與再
生反應(yīng)之間進(jìn)行切換時(shí)，直接加熱催化劑是有效的。例如電加熱器的加熱器可以選擇性地設(shè)置在每個(gè)PSR重整器中溫度最 高的催化劑區(qū)域。重整反應(yīng)在溫度最高的區(qū)域進(jìn)行得最快。g卩，反應(yīng)速度 并不依賴于溫度線性變化。重整反應(yīng)的速率在高溫下急劇增大。采用這種 構(gòu)造，對(duì)通過(guò)加熱促進(jìn)反應(yīng)作用不大的區(qū)域并不過(guò)多地加熱。這提高了熱 能效率。在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，可以根據(jù)用途等因素從氫膜燃料電池(HMFC)中選擇燃料電池，所述HMFC包括電解質(zhì)膜，在此將電解質(zhì) 層設(shè)置在致密可透氫金屬膜(層)的至少一個(gè)表面上。HMFC可以是質(zhì)子 導(dǎo)電固體氧化物燃料電池或質(zhì)子交換膜燃料電池。例如，可以使用包括電解質(zhì)膜、氫電極、氫供給部分、氧電極和氧化 劑氣體供給部分的HMFC (1)。在HMFC (1)中，電解質(zhì)膜包括可透氫 金屬層和無(wú)機(jī)電解質(zhì)層(特別是質(zhì)子導(dǎo)電陶瓷層)，所述屯解質(zhì)層設(shè)置在 可透氫金屬層的至少一個(gè)表面上。氫電極設(shè)置在電解質(zhì)膜的一個(gè)表面上。 氫供給部分將氫供給至氫電極。氧電極設(shè)置在電解質(zhì)膜的另一個(gè)表面上。 氧化劑氣體供給部分將氧化劑氣體供給至氧電極。或者，可以使用包括電 解質(zhì)膜、氫電極、氫供給部分、氧電極和氧化劑氣體供給部分的HMFC (2)。在HMFC (2)中，電解質(zhì)膜包括質(zhì)子導(dǎo)電電解質(zhì)層和可透氫金屬 層。所述質(zhì)子導(dǎo)電電解質(zhì)層設(shè)置在可透氫金屬層之間。氫電極設(shè)置在電解 質(zhì)膜的一個(gè)表面上。氫供給部分將氫供給至氫電極。氧電極設(shè)置在電解質(zhì) 膜的另一個(gè)表面上。氧化劑氣體供給部分將氧化劑氣體供給至氧電極。圖9和圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的HMFC的其它實(shí) 例。HMFC.的實(shí)例詳細(xì)描述在日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. JP-A-2004-146337 中。圖9示出了包括電解質(zhì)膜61、氧電極(02電極)62和氫電極(H2電 極)63的HMFC 60。 HMFC 60還包括金屬擴(kuò)散抑制層67和反應(yīng)抑制層 65。電解質(zhì)膜61具有五層結(jié)構(gòu)，并包括由釩(V)制成的致密基材66。 電解質(zhì)膜61設(shè)置在氧電極(02電極)62與氫電極(H2電極)63之間。在 電解質(zhì)膜61中，致密金屬擴(kuò)散抑制層67和鈀(Pd)層68以所述次序設(shè) 置在基材66的朝向氫電極(陽(yáng)極)63的表面上。而且，致密反應(yīng)抑制層65 (例如，質(zhì)子導(dǎo)體層、混合導(dǎo)體層或絕緣體層)和由固體氧化物制成的 薄電解質(zhì)層64 (例如，金屬氧化物SrCe03 (鈣鈦礦的一種)層)以所述 次序設(shè)置在基材66的朝向氧電極(陰極)62的表面上。反應(yīng)抑制層65抑 制電解質(zhì)層64中的氧原子與基材(V) 66之間反應(yīng)。如上述實(shí)施方式，在 電解質(zhì)膜與氧電極之間以及電解質(zhì)膜與氫電極之間分別形成空氣通道59a 和氫通道59b。如上所述，金屬擴(kuò)散抑制層和反應(yīng)抑制層詳細(xì)描述在上述 文獻(xiàn)中。圖IO示出了包括電解質(zhì)膜71、氧電極(02電極)72和氫電極(&電 極)73的HMFC 70。電解質(zhì)膜71設(shè)置在氧電極(02電極)72與氫電極(H2電極)73之間。電解質(zhì)膜71具有多層結(jié)構(gòu)，并包括致密可透氫金屬 層。例如，在電解質(zhì)膜71中，電解質(zhì)層76設(shè)置在致密可透氫金屬層之 間。電解質(zhì)層76由固體聚合物膜(例如，Nafion⑧膜)構(gòu)成。鈀(Pd)層(致密層)77設(shè)置在電解質(zhì)層76的朝向氫電極(陽(yáng)極)的表面上。充當(dāng) 基材的釩鎳(V-Ni)層(致密層)75以及Pd層(致密層)74設(shè)置在電解 質(zhì)層76的朝向氧電極(陰極)的表面上。如上述實(shí)施方式，在電解質(zhì)膜 71與氧電極之間以及電解質(zhì)膜71與氫電極之間分別形成空氣通道59a和 氫通道5%。而且在此HMFC中，金屬擴(kuò)散抑制層可以提供在V-Ni層75 與Pd層74之間。而且，反應(yīng)抑制層可以設(shè)置在電解質(zhì)層76與V-M層75 或Pd層77之間。在圖IO所示的質(zhì)子交換膜HMFC中，可以在可透氫金屬層之間設(shè)置 含水電解質(zhì)層。釆用此構(gòu)造，可以抑制高溫下水從電解質(zhì)層的蒸發(fā)以及膜 電阻的增加?？梢詫⑼ǔ］^低的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEFC)的操作溫度 升至300-600°C。這種燃料電池適用于根據(jù)本發(fā)明的其中燃料電池排放的 陰極廢氣被直接供給至應(yīng)當(dāng)進(jìn)行反應(yīng)的PSR重整器的燃料電池系統(tǒng)。在上述實(shí)施方式中，使用汽油蒸汽與水蒸氣的混合物作為反應(yīng)物。然 而，也可以使用非汽油的烴燃料。
權(quán)利要求
1.一種氫氣產(chǎn)生裝置，其特征在于，包括多個(gè)重整器(10A，10B，20A，20B)，其中每個(gè)均包括催化劑(12)，在每個(gè)所述重整器中，使用反應(yīng)物經(jīng)所述催化劑(12)進(jìn)行重整反應(yīng)，并且使用放熱材料進(jìn)行放熱反應(yīng)以加熱所述催化劑(12)；切換裝置(V1-V12，V15-V25)，用于在將所述反應(yīng)物供給到所述多個(gè)重整器(10A，10B，20A，20B)的供給通道之間進(jìn)行切換，并且在將所述放熱材料供給到所述多個(gè)重整器(10A，10B，20A，20B)的供給通道之間進(jìn)行切換；和切換控制裝置(150)，用于控制所述切換裝置(V1-V12，V15-V25)以在所述多個(gè)重整器(10A，10B，20A，20B)中選擇至少一個(gè)重整器，在所述至少一個(gè)重整器中，所述催化劑(12)的溫度達(dá)到能夠進(jìn)行所述重整反應(yīng)的重整開(kāi)始溫度，并且在所述重整反應(yīng)開(kāi)始的情況下將所述反應(yīng)物供給到被選擇的所述至少一個(gè)重整器。
2. 如權(quán)利要求l所述的氫氣產(chǎn)生裝置，其特征在于，還包括 溫度檢測(cè)裝置(27)，用于檢測(cè)每個(gè)所述重整器(IOA， IOB， 20A，20B)中的所述催化劑(12)的溫度；禾口判定裝置(150)，用于確定由所述溫度檢測(cè)裝置(27)檢測(cè)到的所 述催化劑(12)的溫度是否已達(dá)到所述重整開(kāi)始溫度，其中，如果所述判 定裝置(150)確定至少一個(gè)重整器中的所述催化劑(12)的溫度己達(dá)到 所述重整開(kāi)始溫度，則所述切換控制裝置(150)控制所述切換裝置(VI-V12， V15-V25)，以使其中所述催化劑(12)的溫度被確定已達(dá)到所述 重整開(kāi)始溫度的所述至少一個(gè)重整器被選擇。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的氫氣產(chǎn)生裝置，其中所述多個(gè)重整器 (IOA， IOB， 20A， 20B)包括具有第一熱容的重整器和具有第二熱容的重整器，其中所述第二熱容大于所述第一熱容；并且所述切換控制裝置 (150)控制所述切換裝置(Vl-V12， V15-V25)，以使所述具有第一熱 容的重整器被選擇。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的氫氣產(chǎn)生裝置，其中所述多個(gè)重整器(IOA， 10B， 20A， 20B)包括至少一對(duì)具有小于或等于預(yù)定熱容的熱容 的重整器以及至少一對(duì)具有大于所述預(yù)定熱容的熱容的重整器；并且所述 切換控制裝置(150)控制所述切換裝置(Vl-V12， V15-V25)，以使所 述至少一對(duì)具有小于或等于所述預(yù)定熱容的熱容的重整器被選擇，并且將 所述反應(yīng)物供給到被選擇的重整器對(duì)中的至少一個(gè)重整器。
5. 如權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)所述的氫氣產(chǎn)生裝置，其中所述切換裝 置(V1-V12， V15-V25)在供給含氧氣體的供給通道之間進(jìn)行切換；并且 所述切換控制裝置(150)控制所述切換裝置(V1-V12， V15-V25)，以 在至少一個(gè)重整器被選擇之前將所述反應(yīng)物和所述含氧氣體供給到所述多 個(gè)重整器(IOA， IOB， 20A， 20B)。
6. 如權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)所述的氫氣產(chǎn)生裝置，其中所述切換控 制裝置(150)在所述氫氣產(chǎn)生裝置啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行。
7. —種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，包括 如權(quán)利要求1-6中任何一項(xiàng)所述的氫氣產(chǎn)生裝置；和 使用由所述氫氣產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的含氫氣體來(lái)產(chǎn)生「乜力的燃料電池。
8. 如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池包括在可透 氫金屬層的至少一個(gè)表面上提供電解質(zhì)層的電解質(zhì)膜。
9. 一種控制氫氣產(chǎn)生裝置的方法，其特征在于，包括 確定多個(gè)重整器(IOA， IOB， 20A， 20B)中的每個(gè)重整器屮的催化劑(12)的溫度是否已達(dá)到能進(jìn)行重整反應(yīng)的重整開(kāi)始溫度；在所述多個(gè)重整器(IOA， IOB， 20A， 20B)中選擇所述催化劑的溫度已達(dá)到所述重整開(kāi)始溫度的至少一個(gè)重整器；和 將反應(yīng)物供給到被選擇的所述至少一個(gè)重整器。
10. —種氫氣產(chǎn)生裝置，其特征在于，包括多個(gè)重整器(IOA， IOB， 20A， 20B)，其中每個(gè)均包括催化劑 (12)，在每個(gè)所述重整器中，當(dāng)供給反應(yīng)物時(shí)，使用所述反應(yīng)物經(jīng)所述 已被加熱的催化劑(12)進(jìn)行重整反應(yīng)，并且當(dāng)供給放熱材料時(shí)，使用所 述放熱材料進(jìn)行放熱反應(yīng)以加熱所述催化劑(12); 切換裝置(V1-V12， V15-V25)，用于在將所述反應(yīng)物供給到所述多 個(gè)重整器(IOA， 10B， 20A， 20B)的供給通道之間進(jìn)行切換，并且在將 所述放熱材料供給到所述多個(gè)重整器(IOA， 10B， 20A， 20B)的供給通 道之間進(jìn)行切換；和切換控制裝置(150)，用于控制所述切換裝置(Vl-V12， V15-V25)以在所述多個(gè)重整器(IOA， IOB， 20A， 20B)中選擇至少一個(gè)重 整器，在所述至少一個(gè)重整器中，所述催化劑(12)的溫度達(dá)到能夠進(jìn)行 所述重整反應(yīng)的重整開(kāi)始溫度，并且在所述重整反應(yīng)開(kāi)始的情況下將所述 反應(yīng)物供給到被選擇的所述至少一個(gè)重整器。
11.—種氫氣產(chǎn)生裝置，其特征在于，包括多個(gè)重整器，其中每個(gè)均包括催化劑，在每個(gè)所述重整器中，使用反 應(yīng)物經(jīng)所述已被加熱的催化劑進(jìn)行重整反應(yīng)，并且使用放熱材料進(jìn)行放熱 反應(yīng)以加熱所述催化劑；切換部分，用于在將所述反應(yīng)物供給到所述多個(gè)重整器的供給通道之 間進(jìn)行切換，并且在將所述放熱材料供給到所述多個(gè)重整器的供給通道之 間進(jìn)行切換；和切換控制部分，用于控制所述切換部分以在所述多個(gè)重整器中選擇至 少一個(gè)重整器，在所述至少一個(gè)重整器中，所述催化劑的溫度達(dá)到能夠進(jìn) 行所述重整反應(yīng)的重整開(kāi)始溫度，并且在所述重整反應(yīng)開(kāi)始的情況下將所 述反應(yīng)物供給到被選擇的所述至少一個(gè)重整器。
12. 如權(quán)利要求11所述的氫氣產(chǎn)生裝置，其特征在于，還包括 溫度檢測(cè)部分，用于檢測(cè)每個(gè)所述重整器中的所述催化劑的溫度；和 判定部分，用于確定由所述溫度檢測(cè)部分檢測(cè)到的所述催化劑的溫度是否已達(dá)到所述重整開(kāi)始溫度，其中，如果所述判定部分確定至少一個(gè)重 整器中的所述催化劑的溫度已達(dá)到所述重整開(kāi)始溫度，則所述切換控制部 分控制所述切換煩不煩，以使其中所述催化劑的溫度被確定己達(dá)到所述重 整開(kāi)始溫度的所述至少一個(gè)重整器被選擇。
13. 如權(quán)利要求11或12所述的氫氣產(chǎn)生裝置，其中所述多個(gè)重整器 包括具有第一熱容的重整器和具有第二熱容的重整器，其中所述第二熱容 大于所述第一熱容；并且所述切換控制部分控制所述切換部分，以使所述具有第一熱容的重整器被選擇。
14. 如權(quán)利要求11或12所述的氫氣產(chǎn)生裝置，其中所述多個(gè)重整器 包括至少一對(duì)具有小于或等于預(yù)定熱容的熱容的重整器以及至少一對(duì)具有 大于所述預(yù)定熱容的熱容的重整器；并且所述切換控制部分控制所述切換 部分，以使所述至少一對(duì)具有小于或等于所述預(yù)定熱容的熱容的重整器被 選擇，并且將所述反應(yīng)物供給到被選擇的重整器對(duì)中的至少一個(gè)重整器。
15. 如權(quán)利要求11-14中任何一項(xiàng)所述的氫氣產(chǎn)生裝置，其屮所述切換 部分在供給含氧氣體的供給通道之間進(jìn)行切換；并且所述切換控制部分控 制所述切換部分，以在至少一個(gè)重整器被選擇之前將所述反應(yīng)物和所述含 氧氣體供給到所述多個(gè)重整器。
16. 如權(quán)利要求11-14中任何一項(xiàng)所述的氫氣產(chǎn)生裝置，其中所述切換控制部分在所述氫氣產(chǎn)生裝置啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行。
17. —種燃料電池系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求11-16中任何一項(xiàng)所述的氫氣產(chǎn)生裝置；和 使用由所述氫氣產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的含氫氣體來(lái)產(chǎn)生lli力的燃料電池。
18. 如權(quán)利要求17所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池包括在可 透氫金屬層的至少一個(gè)表面上提供電解質(zhì)層的電解質(zhì)膜。
19. 一種控制氫氣產(chǎn)生裝置的方法，包括確定多個(gè)重整器中的每個(gè)重整器中的催化劑的溫度是否已達(dá)到能進(jìn)行重整反應(yīng)的重整開(kāi)始溫度；在所述多個(gè)重整器中選擇所述催化劑的溫度已達(dá)到所述重整開(kāi)始溫度 的至少一個(gè)重整器；和將反應(yīng)物供給到被選擇的所述至少一個(gè)重整器。
20. —種氫氣產(chǎn)生裝置，包括多個(gè)重整器，其中每個(gè)均包括催化劑，在每個(gè)所述重整器中，當(dāng)供給 反應(yīng)物時(shí)，使用所述反應(yīng)物經(jīng)所述已被加熱的催化劑進(jìn)行重整反應(yīng)，并且 當(dāng)供給放熱材料時(shí)，使用所述放熱材料進(jìn)行放熱反應(yīng)以加熱所述催化劑；切換部分，用于在將所述反應(yīng)物供給到所述多個(gè)重整器的供給通道之間進(jìn)行切換，并且在將所述放熱材料供給到所述多個(gè)重整器的供給通道之間進(jìn)行切換；和切換控制部分，用于控制所述切換部分以在所述多個(gè)重整器中選擇至 少一個(gè)重整器，在所述至少一個(gè)重整器中，所述催化劑的溫度達(dá)到能夠進(jìn) 行所述重整反應(yīng)的重整開(kāi)始溫度，并且在所述重整反應(yīng)開(kāi)始的情況下將所 述反應(yīng)物供給到被選擇的所述至少一個(gè)重整器。
全文摘要
在根據(jù)本發(fā)明的氫氣產(chǎn)生裝置中，多個(gè)重整器以重整和再生模式周期性地操作。PSR重整器10A和10B的熱容小于其余PSR重整器的熱容。因此，與其余PSR重整器相比，催化劑溫度在PSR重整器10A和10B中更快地達(dá)到重整開(kāi)始溫度。當(dāng)氫氣產(chǎn)生裝置啟動(dòng)并且重整反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，將汽油蒸氣和水蒸氣選擇性地優(yōu)先供給至PSR重整器10A和10B，以使重整反應(yīng)在PSR重整器10A和10B中進(jìn)行。
文檔編號(hào)H01M8/06GK101151762SQ200680010761
公開(kāi)日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2006年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月5日
發(fā)明者三井宏之, 增井孝年, 志滿津孝, 青木博史 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社