分段式固体氧化物燃料电池堆及其运行和使用方法技术

本发明专利技术揭示了分段式模块化固体氧化物燃料电池装置，该装置具有多个设置在共同热环境中的可独立控制的产生电能段。本发明专利技术还揭示了用于选择性地运行所揭示的分段式模块化固体氧化物燃料电池装置的一个或多个段的方法。本发明专利技术还揭示了用于在燃料电池运行过程中对分段式模块化燃料电池装置的一个或多个段进行维护过程的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】领域本专利技术一般性涉及固体氧化物燃料电池装置领域，更具体涉及模块化固体氧化物 燃料电池装置及其使用和运行方法。
技术介绍
近年来，固体氧化物燃料电池(SOFC)已经成为许多研究的对象。虽然与常规内燃 机相比，SOFC在理论上能够提供从燃料的化学能至电能的更有效的转化，但是在设计长期 运行寿命中保持稳定的燃料电池系统方面存在挑战。与SOFC运行相关的高温和常规用于SOFC中的材料对设计和运行提出了许多挑 战。示例性的挑战包括减少燃料电池启动和关闭过程中的热冲击。常规SOFC要求延 长的启动方案，以便在运行之前先均勻和缓慢地加热整个燃料电池堆，避免产生过多热应 力和部件故障。其他示例性的挑战包括控制电池堆或燃料电池装置的功率输出，以及控制 因部件(如阳极、阴极或电解质表面)污染或中毒导致的性能和/或寿命限制。这些污染 物可能来自于燃料和/或氧化剂气流，或者可能存在于其他燃料电池部件中。燃料气流中 存在污染物如烃或硫时，在一些运行模式中，会导致阳极中毒。其他污染物可包括玻璃密封 物组分和来自装置部件的含铬化合物。铬化合物经常存在于燃料电池系统的金属部件中， 如框体材料、气体导管和电互连件。在常规SOFC系统中，在燃料电池运行过程中发生的性能损失可能经常要求关闭 整个燃料电池系统，以及至少部分拆卸和/或更换，造成额外的费用、延误和功率输出损 失。去除污染物可能经常需要进行拆卸以及清洁或更换受污染的部件。本专利技术通过部分地 模块化SOFC设计以及能够提供SOFC电极循环再生和活化的运行方法，解决了与SOFC系统 设计相关的这些和其他关心事项与挑战。专利技术概述本专利技术提供一种分段式模块化固体氧化物燃料电池，该电池具有多个设置在共同 热环境中的可独立控制段；本专利技术还提供一种运行这种燃料电池的方法，其中可以对任何 一个或多个可独立控制段进行选择性控制；本专利技术还提供一种用于对分段式模块化燃料电 池装置进行维护运行的方法。在第一实施方式中，本专利技术提供一种模块化固体氧化物燃料电池装置，该装置具 有最大额定电功率，该装置包括“η”多个可独立控制的产生电能段，各个产生电能段具有最 大化的电能产生能力，各段包括至少一个产生电能电池，所述产生电能电池包括至少一个 阳极和至少一个阴极，其中将所述“η”多个可独立控制的产生电能段设置在共同热环境中。在第二实施方式中，本专利技术提供一种用于启动固体氧化物燃料电池装置的方法， 该装置包括“η”多个设置在共同热环境中可独立控制的产生电能段，所述方法包括确定准 备以功率发生模式运行的可独立控制的产生电能段的数量“X”，以功率发生模式运行至少 一个可独立控制的产生电能段，然后以功率发生模式运行至少一个另外的可独立控制的产5生电能段，然后重复运行至少一个另外的可独立控制的产生电能段，直至有“X”数量的可独 立控制的产生电能段处于运行中。在第三实施方式中，本专利技术提供一种用于关闭固体氧化物燃料电池装置的方法， 该装置包括“η”多个设置在共同热环境中可独立控制的产生电能段，这些段以功率发生模 式运行，所述方法包括从“η”可独立控制的产生电能段中选择至少一个段，将其从功率发生 模式切换至空转模式，将“η”可独立控制的产生电能段中的至少一个段切换至空转模式，然 后选择至少一个另外的可独立控制的产生电能段，将所述至少一个另外的可独立控制的产 生电能段切换至空转模式，然后重复地进行选择和将至少一个另外的可独立控制的产生电 能段切换至空转模式，直至所有所述“η”可独立控制的产生电能段都处于空转模式中。在第四实施方式中，本专利技术提供一种用于控制固体氧化物燃料电池装置的运行的 方法，该装置包括“η”多个设置在共同热环境中可独立控制的产生电能段，所述方法包括确 定所述固体氧化物燃料电池装置上的负荷，使足够数量的可独立控制的产生电能段活动， 以选择的满足该负荷的运行效率供应能量。在第五实施方式中，本专利技术提供一种运行燃料电池装置的方法，该装置包括“η”多 个可独立控制的产生电能的段，所述方法包括以功率发生模式运行所述“η”可独立控制的 产生电能段中的至少一个，同时使“η”可独立控制的产生电能段中的至少一个不以功率发 生模式运行，而是进行一段时间的原位维护过程。在详细说明以及随后的任一权利要求中部分地提出本专利技术的其他实施方式，它们 一部分可以从详细说明中推导，或者可以通过实施本专利技术来了解。应该理解，以上的一般性 说明和以下的详细说明都只是示例性和说明性的，不构成对本专利技术所揭示内容的限制。附图简要描述附图结合在说明书中并构成说明书的一部分，与说明书一起说明了本专利技术的一些 实施方式，用于阐释本专利技术的原理，而非构成限制。附图说明图1是显示根据本专利技术一种实施方式的示例性模块化固体氧化物燃料电池装置 的示意图。图2是说明根据本专利技术一种实施方式的套件(packet)的示意图。图3是显示根据本专利技术一种实施方式的阳极和阴极的示意图，其中阳极和阴极通 过填充金属的通孔互连。图4是显示根据本专利技术一种实施方式的分段式燃料电池堆的示意图。图5是显示根据本专利技术一种实施方式的分段式燃料电池堆的示意图。图6是显示根据本专利技术一种实施方式的分段式燃料电池堆的示意图。图7是显示根据本专利技术一种实施方式的分段式燃料电池堆的示意图。图8是根据本专利技术一种实施方式的示例性控制方案。图9示出通过根据本专利技术一种实施方式的燃料电池堆的一个段(3号)的循环再 生而回收的示例性功率输出。图10示出根据本专利技术各种实施方式，在Cr-氧化物蒸汽中，在阴极极化条件下，在 初始阴极运行过程中因为铬中毒而引起的阴极性能损失，以及随后的性能恢复。图11示出根据本专利技术各种实施方式，在对称的阴极/阴极单电池泵样品中，铬中 毒之后的阴极性能恢复。6图12示出根据本专利技术各种实施方式，在阴极极化条件下，因为接触氧化铬蒸汽导 致在潮湿空气中发生铬中毒而引起的阴极性能损失，以及随后的性能恢复。图13示出根据本专利技术各种实施方式，在阴极极化条件下，在阴极/阴极单电池泵 样品中，因为羟基氧化铬(chromium oxyhydroxide)蒸汽中的铬中毒而引起的阴极性能损失。图14示出根据本专利技术各种实施方式，电池铬中毒的可逆部分通过负荷的循环运 行而恢复以及恢复周期。图15示出根据本专利技术各种实施方式，在阴极极化条件下的性能损失，以及随后通 过施加0伏偏压而恢复阴极性能。图16示出根据本专利技术各种实施方式，对阴极的电化学活化，以及得到的提高的阴 极性能。图17示出根据本专利技术各种实施方式，通过对阳极的氧化还原循环而使装置的性 能恢复。专利技术详述提供以下对本专利技术的说明作为本专利技术目前已知的最佳实施方式。因此，相关领域 技术人员能够理解可以对本文所述的本专利技术各种实施方式进行许多变化，而仍然获得本发 明的有益结果。同样显而易见的是，可以通过选择本专利技术的一些特性而不利用其他特性来 获得本专利技术所需的优点。因此，本领域技术人员将认识到，对本专利技术的许多修改和改进都是 可行的，在某些情况下甚至是需要的，成为本专利技术的一部分。因此，提供以下说明作为对本 专利技术原理的示例而非限制。如本文所用，单数形式的“一个”、“一种”或“该”包括复数指代物的情况，除非上 下文中有另外的清楚指示。因此，例如对“一种燃料套件”的引用包括具有两个或更多个这 种电接触点的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化固体氧化物燃料电池装置，其具有最大额定电功率，该装置包括：“ｎ”多个可独立控制的产生电能段，各个产生电能段具有最大产生电能的能力，各个段包括至少一个产生电能电池，该电池包括至少一个阳极和至少一个阴极；其中所述“ｎ”多个可独立控制的产生电能段设置在共同热环境之内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：ME波丁，M贝克豪斯瑞考尔特，JM哈里森，P马克斯，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]