燃料电池系统及其操作状态启动过渡方法及关闭过渡方法技术方案

燃料电池系统及其操作状态启动过渡方法及关闭过渡方法。该启动过渡方法包括：利用针对燃料电池(103)的预定义第一和第二温度极限，指定在第一极限以下的电池的低温操作状态；在第一极限以上和第二极限以下的电池的过渡温度范围；以及在第二温度极限以上的电池的中间温度操作状态，在该中间温度操作状态下，排除阳极处的自由氧，使系统中的电池的温度达到过渡温度范围，以及通过在过渡温度范围内将原料的空气燃料比λ调节为0.55以上并且基于中间温度范围内的温度信息控制原料的λ，并且在负载(131)被施加于燃料电池(103)时进一步减小原料的λ，以基于预定义的依赖于温度的边界值控制电池的阳极侧处的流体的氧碳比。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
世界的大多数能量借助于石油、煤炭、天然气或核能来产生。所有这些产生方法就例如可用性和环境友好而言具有它们的具体问题。就环境而言，特别是石油和煤炭在燃烧时引起污染。关于核能的问题至少为用后燃料的存储。特别由于环境问题，已经开发更环境友好且例如比上面提及的能源效率更佳的的新能源。燃料电池是具有发展前景的能量转换装置，例如生物气这样的燃料的能量通过燃料电池在环境友好的处理中经由化学反应直接转换成电能。
技术介绍
如图1中所呈现的燃料电池包括阳极侧100和阴极侧102以及它们之间的电解质材料104。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧106被输送到阴极侧102并且通过从阴极接收电子被还原成负氧离子。负氧离子穿过电解质材料104到达阳极侧100，在阳极侧100，负氧离子与燃料108反应，产生水以及通常二氧化碳(CO2)。在阳极100与阴极102之间的是包括针对燃料电池的负载110在内的外部电路111。在图2中，呈现了作为高温燃料电池装置的示例的SOFC装置。SOFC装置可以将例如天然气、生物气、甲醇或包含碳氢化合物或纯氢的其他化合物用作燃料。图2中的SOFC装置可以包括堆形式(SOFC堆)的超过一个(通常为多个)燃料电池103。各燃料电池包括如图1中呈现的阳极100和阴极102结构。用后燃料的一部分可以在反馈构造109中穿过各阳极再循环。图2中的SOFC装置还包括燃料热交换器105和重组器107。通常使用若干热交换器来控制在燃料电池处理中的不同位置处的热条状况。重组器107为将燃料(诸如例如，天然气)转换成适于燃料电池的成分的装置，成分例如包含氢和甲烷、二氧化碳、一氧化碳以及惰性气体。但无论如何，在各SOFC装置中，不必须具有重组器。通过使用测量装置115(诸如燃料流量计、电流计以及温度计)，对于SOFC装置的操作进行必要的测量。在阳极100处使用了的气体的一部分可以在反馈构造109中通过阳极来再循环，并且另一部分气体从阳极100排出114。固体氧化物燃料电池(SOFC)装置为通过氧化燃料来直接产生电力的电化学转换装置。SOFC装置的优点包括高效率、长期稳定性、低排放以及低成本。主要缺点是高操作温度，其导致长的启动和关闭时间，并且导致机械和化学这两者的相容性问题。天然气(诸如甲烷)和包含较高碳化合物的气体通常在SOFC中用作燃料，然而，这些气体必须在输送到燃料电池之前进行预处理，以防止焦化(即，形成有害碳化合物(诸如例如，焦炭、飞尘、焦油、碳酸盐和碳化物化合物))。这些不同形式的碳在该上下文中作为一般术语可以被称为有害碳化合物。碳氢化合物在形成有害碳化合物时经受热或催化分解。所产生的化合物会粘附到燃料电池装置表面并吸附在诸如镍颗粒)这样的催化剂上。在焦化时产生的有害碳化合物覆盖燃料电池装置的有效表面的一些，由此显著劣化燃料电池处理的反应性。有害碳化合物甚至可能完全阻塞燃料通道。防止有害碳化合物的形成因此对于确保燃料电池的长使用寿命是重要的。防止有害碳化合物的形成还节省作为在燃料电池中作为用于加速化学反应的物质(镍、铂等)的催化剂。气体预处理需要水，该水被供给给燃料电池装置。通过复合氧离子和燃料(即，阳极100侧上的气体)产生的水也可以在气体的预处理中使用。固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极通常包含大量镍，如果气氛不是还原性的则易形成氧化镍。如果氧化镍形成严重，则电极材料的形态会不可逆地变化，这引起电化学活性的重大损耗甚至引起电池的崩溃。因此，为了防止燃料电池的阳极氧化，SOFC系统在启动和关闭期间要求保护气氛，诸如包含还原剂的气体。在实际系统中，由于成本和存储空间的原因，必须使净化气体的量最小化。净化气体不必为元素的，它们还可以为化合物气体。燃料电池系统中的SR(蒸汽重组)处理传统上产生二氧化碳CO2和氢气H2以及过量的蒸汽。对燃料电池系统启动或关闭操作的要求包括产生足够的蒸汽和氢气，并且SR处理可以在外部水源或水容器以及相关净化系统、蒸发器、供水设备以及产生启动蒸汽所需的其他设备可用时使用。用于启动蒸汽产生的所需外围设备由于增加的复杂度而增加系统成本并降低可靠性。在较大的系统中，通常将阳极排出物的一部分再循环回重组器入口以回收燃料电池反应中产生的蒸汽的方法用于蒸汽重组处理，由此降低或消除对连续外部给水的需要。然而，当未向燃料电池施加负载时，诸如在启动、关闭或空闲期间，燃料电池处的蒸汽形成不发生。燃料电池系统中的CPOx(催化部分氧化)处理传统上产生一氧化碳CO和氢气H2。对燃料电池系统启动或关闭操作的要求包括产生足够的蒸汽和氢气，其中，较大量的CO产生是有害的。针对较完全的氧化使用较高空气即氧气量产生过多热量，这使得在启动情形下温升过多，或在关闭状况下冷却处理过慢。燃料电池系统中的OSR(氧-蒸汽重组)处理为CPOx和SR(蒸汽重组)这两者的组合，其中，向重组器供给空气和蒸汽这两者并且传统上产生二氧化碳CO2和氢气H2以及过量蒸汽。对燃料电池系统启动或关闭操作的要求包括产生足够的蒸汽和氢气，并且在外部水源或水容器以及相关净化系统、蒸发器、供水设备以及产生启动蒸汽所需的其他设备可用于SR并且空气或自由氧的其他源的供给可用于CPOx时，OSR处理可以被使用。用于启动蒸汽产生的所需外围设备由于增加的复杂度而增加了系统成本并降低了可靠性。CPOx(催化部分氧化)传统上产生一氧化碳CO和氢气H2。该气体混合物用于各种化学工业目的，并且CPOx的操作温度在700℃以上。传统产物气体由于系统加热时的结焦/操作温度而不适于燃料电池。对启动或关闭气体的要求包括产生足够的蒸汽和氢气，而更大量的CO产生是有害的。针对较完全氧化而使用较高空气即氧气量产生过多热量，这使得对于正常SOFC操作状况、热管理、热应力以及材料选择而言，温度过度上升。一种在没有温度过度上升的情况下增大氧化量的方法是在多个阶段中执行部分氧化，其中在输送另外氧气之前进行中间冷却。这种构造增加来系统的成本和复杂度。可期望设计系统和相关系统状态过渡过程，其使得与系统启动和关闭有关的部件的量和复杂度开销最小化，消除了对辅助给水以及特殊启动/关闭气体的供给以及具有服务启动和关闭的主要功能的其他设备的需要。接着简短讨论与该
有关的一些现有技术文献。在专利申请文献US2011159386A1中，提出了用于启动燃料电池系统的处理，其具有燃料电池、重组器以及辅助燃烧器，该燃料电池具有阴极侧和阳极侧。燃料电池空气用辅助燃烧器预热并输送给燃料电池的阴极侧。残留气体从燃料电池的阳极侧到重组器并从重组器到阳极侧循环。在该公报中，重组器由燃料的过化学计量燃烧(燃烧器操作阶段)加热，借此，重组器出口气体从阳极分流。这需要昂贵的在高温下(～900℃)的导流装置。在燃烧器操作阶段期间，阳极循环不生效。此外，该文献教导在阳极低于250℃时临时开始重组器操作，这引起形成有害羰基镍化合物的风险。US2011159386未提出空气燃料比超过0.55且重组反应的温度管理由再循环负责的操作模式。因此，US2011159386的实施方式未提出在以最小量的系统复杂度限制重组器中的温升的同时在所有情况下向燃料电池提供安全操作条件的解决方案。在专利申请文献US2006093879A本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统操作状态的启动过渡处理，在该系统中各燃料电池包括阳极侧(100)、阴极侧(102)以及在所述阳极侧与所述阴极侧之间的电解质(104)，并且在该处理中，在包含至少燃料电池阳极和在所述燃料电池上游的催化元件(120)在内的再循环回路中执行再循环，该处理特征在于：在所述启动过渡处理中执行：‑利用针对所述燃料电池(103)的预定义的第一温度极限和第二温度极限，指定在所述第一极限以下的电池的低温操作状态，在该低温操作状态下，排除所述电池处碳质物质的存在；在所述第一极限以上和所述第二极限以下的电池的过渡温度范围，在该过渡温度范围内，发起在与空气的混合物中、结合以超过70％的再循环速率再循环的阳极尾气、到所述燃料系统的燃料流供应；以及在所述第二温度极限以上的所述电池的中间温度操作状态，在该中间温度操作状态下，排除所述阳极处的自由氧，‑使所述系统中的所述电池的温度达到过渡温度范围，以促进在所述低温操作状态与所述中间温度操作状态之间通过所述过渡温度范围的过渡，‑每当燃料被供给时促进并保护在所述催化元件处所供给的燃料与自由氧之间的反应，以及‑通过在过渡温度范围内将原料的空气燃料比λ调节为0.55λ以上并且基于所述中间温度范围内的温度信息控制所述原料的所述λ并且在负载(131)被施加于所述燃料电池(103)时进一步减小所述原料的λ以补偿穿过所述电池到所述电池的所述阳极侧的氧流入并控制燃料利用，来基于预定义的依赖于温度的边界值控制电池的所述阳极侧处的流体的氧碳比。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种燃料电池系统操作状态的启动过渡处理，在该系统中各燃料电池包括阳极侧(100)、阴极侧(102)以及在所述阳极侧与所述阴极侧之间的电解质(104)，并且在该处理中，在包含至少燃料电池阳极和在所述燃料电池上游的催化元件(120)在内的再循环回路中执行再循环，该处理特征在于：在所述启动过渡处理中执行：-利用针对所述燃料电池(103)的预定义的第一温度极限和第二温度极限，指定在所述第一极限以下的电池的低温操作状态，在该低温操作状态下，排除所述电池处碳质物质的存在；在所述第一极限以上和所述第二极限以下的电池的过渡温度范围，在该过渡温度范围内，发起在与空气的混合物中、结合以超过70％的再循环速率再循环的阳极尾气、到所述燃料系统的燃料流供应；以及在所述第二温度极限以上的所述电池的中间温度操作状态，在该中间温度操作状态下，排除所述阳极处的自由氧，-使所述系统中的所述电池的温度达到过渡温度范围，以促进在所述低温操作状态与所述中间温度操作状态之间通过所述过渡温度范围的过渡，-每当燃料被供给时促进并保护在所述催化元件处所供给的燃料与自由氧之间的反应，以及-通过在过渡温度范围内将原料的空气燃料比λ调节为0.55λ以上并且基于所述中间温度范围内的温度信息控制所述原料的所述λ并且在负载(131)被施加于所述燃料电池(103)时进一步减小所述原料的λ以补偿穿过所述电池到所述电池的所述阳极侧的氧流入并控制燃料利用，来基于预定义的依赖于温度的边界值控制电池的所述阳极侧处的流体的氧碳比。2.一种燃料电池系统操作状态的关闭过渡处理，在该燃料电池系统中，各燃料电池包括阳极侧(100)、阴极侧(102)以及所述阳极侧与所述阴极侧之间的电解质(104)，并且在所述处理中，在包含至少燃料电池阳极和所述燃料电池上游的催化元件(120)的再循环回路中执行再循环，所述处理特征在于：在所述关闭过渡处理中执行：-利用针对所述燃料电池(103)的预定义的第一温度极限和第二温度极限，指定在所述第一极限以下的电池的低温操作状态，在该低温操作状态下，排除所述电池处碳质物质的存在；在所述第一极限以上和所述第二极限以下的电池的过渡温度范围，在该过渡温度范围内，终止在与空气的混合物中、结合以超过70％的再循环速率再循环的阳极尾气、到所述燃料系统的燃料供给；以及在所述第二温度极限以上的所述电池的中间温度操作状态，在该中间温度操作状态下，排除所述阳极处的自由氧，-每当燃料被供给时促进并保护在所述催化元件处所供给的燃料与自由氧之间的反应，-使所述系统中的所述电池的温度达到过渡温度范围，以促进低温操作状态与中间温度操作状态之间通过所述过渡温度范围的过渡，-通过在过渡温度范围内将原料的空气燃料比λ调节为0.55λ以上，并且基于所述中间温度范围内的温度信息控制原料的所述λ，并且在减小燃料电池负载(131)时进一步增大原料的λ以补偿穿过所述电池到所述电池的所述阳极侧的氧流入并控制燃料使用，来基于预定义的依赖于温度的边界值控制电池的所述阳极侧处的流体的氧碳比，以及-独立于单独热传递操作执行重组反应。3.根据权利要求1或2所述的过渡处理，所述处理特征在于：在所述过渡处理中，暂停加热或冷却处理以促进安全系统热空闲状态并促进针对反转处理方向的随后选项。4.根据权利要求1或2所述的过渡处理，所述处理特征在于：所述第一温度极限和所述第二温度极限均在200℃至400℃之间。5.根据权利要求1所述的启动过渡处理，所述处理特征在于：在所述启动处理中，执行：用施加在所述阴极侧(102)上的热量加热所述燃料电池(103)。6.根据权利要求1所述的启动过渡处理，所述处理特征在于：在所述启动处理中，执行：发起所述燃料电池的负载加载并提高电流，同时在达到额定负载的70％-85％之前将燃料电池系统原料的所述空气燃料比进一步降至0.1以下。7.根据权利要求1或2所述的过渡处理，所述处理特征在于：所述再循环至少部分由喷射器促进的复压操作支持。8.根据权利要求1或2所述的过渡处理，所述处理特征在于：基于向所述燃料电池供给足够量的氢物质、避免在所述燃料电池处沉积固态碳，来控制空气燃料比和总体积流量，并且将再循环回路供给体积流量维持在预定义等级以上。9.根据权利要求1或2所述的过渡处理，所述处理特征在于：在所述处理中，在阳极输入流与燃料电池温度级别之间传递热量。10.一种燃料电池系统，在该燃料电池系统中，各燃料电池包括阳极侧(100)、阴极侧(102)以及所述阳极侧与所述阴极侧之间的电解质(104)，所述燃料电池系统包括用于执行催化反应的催化元件(120)以及用于在包含至少燃料电池阳极侧(100)和所述燃料电池上游的所述催化元件(120)的再循环回路中执行再循环的装置(122)，该燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：金·阿斯特罗姆，T·哈卡拉，M·哈利宁，
申请(专利权)人：康维恩公司，
类型：发明
国别省市：芬兰;FI