燃料电池系统技术方案

一种燃料电池系统(200、300)和用于操作燃料电池系统(200、300)的方法。燃料电池系统(200、300)包括：阳极入口(226)和阳极出口(227)；用于加热堆叠(205)的装置；阳极废气再循环回路(240)，其被配置为提供气体流动路径以将阳极废气从阳极出口(227)再循环到阳极入口(226)；以及控制器(290)。该方法包括在燃料电池系统(200、300)启动时：将堆叠(205)加热至第一阈值温度；当堆叠(205)高于第一阈值温度时而不是在堆叠高于该第一阈值温度之前，以第一燃料流速从燃料供应源(225)向阳极入口(226)提供未重整的烃燃料；在向阳极入口(226)提供未重整的燃料的同时将阳极废气从阳极出口(227)再循环到阳极入口(226)；并在阳极废气再循环的同时从燃料电池系统(200、300)汲取电流。流。流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池系统


[0001]本专利技术涉及燃料电池系统和方法，并且特别地涉及燃料电池系统的启动和停机。

技术介绍

[0002]燃料电池、燃料电池堆叠、燃料电池堆叠组件以及热交换器系统、布置和方法的教导对于本领域普通技术人员来说是众所周知的，并且特别地包括本申请人的WO2015004419A，其通过引用以其整体并入本文。本文所用术语的定义可以根据需要在上述出版物中找到。特别地，本专利技术寻求改善WO2015004419A中公开的系统和方法。
[0003]本专利技术涉及燃料电池系统和该系统的操作方法，其中，烃燃料被提供到燃料电池堆叠的阳极入口。
[0004]典型的燃料电池将燃料和氧化剂形式的化学能转换为电能。燃料电池使用的燃料可以是氢气，并且氧化剂是氧，并且排气气体限于水。优选地关于天然气操作燃料电池系统，在这种情况下，天然气可以在燃料电池系统中重整为氢。为此需要供应水将天然气重整为氢。
[0005]操作以烃为燃料的燃料电池(例如SOFC(固体氧化物燃料电池))系统导致遇到一系列具有挑战性的技术问题，在该系统中燃料电池堆叠在450℃
‑
650℃范围内操作(中温固体氧化物燃料电池；IT
‑
SOFC)，更特别地在520℃
‑
620℃温度范围内操作。
[0006]在此类系统中，重整器处的蒸汽重整通常用于将烃燃料流(诸如天然气)转换为富氢重整物流，该富氢重整物流被馈送到燃料电池堆叠阳极入口。WO2015004419A公开了一种此类系统，其中，烃燃料在输送到堆叠的阳极入口之前被重整为富氢重整物流。在此类系统中，提供蒸汽供应以在重整器中重整烃燃料。这需要水供应源(例如水箱)和将液态水加热成蒸汽的装置，这可以在启动时(例如从环境温度)和在稳态操作期间(即当以操作温度从燃料电池系统汲取电流时)使用。当燃料电池系统在稳态下使用时，燃料电池本身产生水，这些水从堆叠中去除并且可以在重整器中使用。系统有时利用冷凝器从废气(off gas)中分离水，以补充水箱并随后在重整器中使用。
[0007]典型的启动序列(例如从环境温度)涉及在从堆叠汲取电流之前加热堆叠和重整器并向重整器和堆叠供应蒸汽/燃料流达一时间段。蒸汽经由单独的去离子水供应源和蒸汽生成器供应到重整器。这允许在重整器内发生蒸汽/甲烷重整(SMR)反应，释放用于燃料电池反应的氢并在阳极上方提供还原大气以防止阳极氧化。向重整器供应的蒸汽的存在提供了热力学上不利于重整器内(和堆叠中)的碳沉积反应的条件。碳沉积反应包括布多阿尔(Bouduard)反应(2CO<
‑
>CO2+C)、CO还原(H2+CO<
‑
>H2O+C)和甲烷裂解(CH4<
‑
>2H2+C)。这些反应可能导致碳的积聚，在系统的使用寿命内，这可能导致燃料电池阳极和/或重整催化剂的失活，并且可能导致燃料供应通道的堵塞。这进而导致燃料短缺。燃料电池系统中的启动和稳态条件通常旨在避免这些碳沉积反应。在较低温度下，来自这些反应的碳沉积的速率较低，然而在较低温度下出现其他问题。例如，如果烃燃料流过燃料电池系统中的含镍部件，则可能形成潜在危险的四羰基镍(NiCO4)。
[0008]已经提出了一些燃料电池系统，其中去除了水箱和将液态水加热成蒸汽的装置。这些系统中的一些系统除了重整器之外还使用部分氧化(POX)反应器，以从烃燃料供应源中产生富氢流，以输送到阳极入口。JP2012243564是此类系统的示例，其中使用氧化剂在POX反应器中部分地氧化烃燃料供应源以产生分子氢和一氧化碳。在JP2012243564中，POX反应器的输出被馈送到蒸汽重整器，并且随后馈送到堆叠的阳极入口。此类系统在启动时利用POX反应器，因为它不需要水供应源。在JP2012243564中，燃料电池堆叠利用在系统的启动期间由POX产生的氢，并且其中产生的水可以再循环到POX反应器和蒸汽重整器以重整烃燃料。这允许在没有水供应源的情况下启动，但需要POX反应器。US2005181247A、WO03092102和WO03065488是类似系统的进一步示例，其在启动期间使用重整器作为POX反应器，在一些情况下具有外部蒸汽供应源。
[0009]诸如DE102009053839和JP2009099264的其他系统通过将烃燃料从源引导至燃烧室(例如燃烧器)来启动，并利用重整器中的燃烧产物中的水将烃燃料重整为氢以输送到燃料电池堆叠的阳极。
[0010]US2018/145351A1涉及燃料电池系统的停机程序。US2018/145351A1寻求使用燃料流速和蒸汽流速(燃料和蒸汽混合并经由阳极再循环回路供应到阳极)之间的关系、从燃料电池堆叠汲取的电流和燃料电池堆叠的温度来降低燃料电池系统的停机期间的阳极氧化以及碳沉积。蒸汽从燃料电池系统外部的源供应。阳极废气返回到传达燃料和蒸汽的管道，并与这些燃料和蒸汽混合，该阳极废气来自燃料电池堆叠的阳极。混合气体的一部分由阳极再循环回路提供到阳极入口，并且其余部分作为排气从燃料电池系统排出。该部分不是用于降低停机期间阳极氧化以及碳沉积的关系的一部分。
[0011]一些系统利用氢的临时供应来启动燃料电池系统。DE102013226305提供了一个此类示例。其提供了金属氢化物存储罐，在该金属氢化物存储罐中存储氢以供燃料电池系统启动时使用。图1取自DE102013226305。图1示出燃料电池系统10，该燃料电池系统10包括：烃燃料供应源20、重整器14、金属氢化物存储罐24和燃料电池12。燃料在阳极入口18处供应到燃料电池的阳极侧。阳极废气可以经由排气气体再循环管线26从燃料电池12的阳极出口再循环28到重整器14。供应到阳极入口18的燃料可以使用阀32在来自重整器的重整的烃供应源和经由泵34来自金属氢化物存储罐24的氢供应源之间切换。在图1的燃料电池系统启动期间，来自金属氢化物存储罐24的氢被供应到燃料电池。阳极废气再循环到重整器，其中其水含量可以用于重整烃燃料，该重整的燃料在稳态操作期间被输送到燃料电池的阳极入口18。一些阳极废气可以经由出口22从系统中排除。
[0012]本专利技术的目的是降低燃料电池系统中所需的部件的数量，并且从而降低尺寸、重量和/或成本。
[0013]本专利技术寻求解决、克服或减轻现有技术缺点中的至少一个。

技术实现思路

[0014]根据第一方面，提供了一种用于操作燃料电池系统的方法，该燃料电池系统包括布置成堆叠的多个电池单元，每个电池单元包括由电解质分离开的阳极和阴极，并且该燃料电池系统包括阳极入口和阳极出口，该阳极入口用于向每个电池单元供应阳极入口气体，并且该阳极出口用于从每个电池单元去除阳极废气，该方法包括在燃料电池系统的启
动时：将堆叠加热至第一阈值温度；当堆叠高于第一阈值温度时而不是在所述堆叠高于第一阈值温度之前，以第一燃料流速从燃料供应源向阳极入口提供未重整的烃燃料；在向阳极入口提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括布置成堆叠的多个电池单元，每个电池单元包括由电解质分离开的阳极和阴极，并且所述燃料电池系统包括阳极入口和阳极出口，所述阳极入口用于向每个电池单元供应阳极入口气体，所述阳极出口用于从每个电池单元去除阳极废气，所述方法包括在所述燃料电池系统的启动时：将所述堆叠加热至第一阈值温度；当所述堆叠高于所述第一阈值温度时而不是在所述堆叠高于所述第一阈值温度之前，以第一燃料流速从燃料供应源向所述阳极入口提供未重整的烃燃料；在向所述阳极入口提供未重整的燃料的同时将阳极废气从所述阳极出口再循环到所述阳极入口；以及在所述阳极废气再循环的同时从所述燃料电池系统汲取电流。2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：监测所述堆叠温度，并且当所述堆叠温度达到大于所述第一阈值温度的第二阈值温度时，增加所述未重整的烃燃料的燃料流速和电流汲取。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在维持所述燃料电池的电压高于电压阈值的同时汲取所述电流。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述电压阈值在0.6V与0.8V之间5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述阳极和所述电解质中的至少一个包括铈土。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述阳极包括CGO。7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述电解质包括CGO。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在高于所述第一阈值温度的启动期间提供的所述未重整的烃燃料具有与在稳态操作期间提供到所述阳极入口的所述未重整的烃燃料相同的成分。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一阈值温度在400℃至500℃的范围内，优选地在400℃至450℃的范围内。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将阳极废气再循环的步骤将由所述堆叠产生的水提供到所述堆叠的所述阳极入口，并且所述方法包括：在位于每个电池单元和相邻电池单元之间的重整催化剂处使用再循环的水重整所述未重整的烃燃料。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括停机程序，所述停机程序包括：在维持所述堆叠电压高于阈值的同时降低所述未重整的烃燃料的所述燃料流速和所述电流汲取。12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括当所述堆叠温度低于所述第一阈值温度时而不是在低于所述第一阈值温度之前停止所述未重整的烃燃料供应。13.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：布置成堆叠的多个电池单元，每个电池单元包括由电解质分离开的阳极和阴极，并且所述燃料电池系统包括阳极入口和阳极出口，所述阳极入口用于向每个电池单元供应阳极入口气体，所述阳极出口用于从每个电池单元去除阳极废气；用于加热所述堆叠的装置；用于测量所述堆叠的温度的装置；
燃料入口，所述燃料入口被配置为连接到未重整的烃燃料的供应源并且被配置为将所述未重整的烃燃料提供到所述阳极入口；阳极废气再循环回路，所述阳极废气再循环回路被配置为提供气体流动路径以将阳极废气从所述阳极出口再循环到所述阳极入口；用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：赛瑞斯知识产权有限公司，
类型：发明
国别省市：