增强燃料电池系统的预热的方法和结构技术方案

本发明专利技术涉及增强燃料电池系统（１）的预热的方法，所述燃料电池系统（１）包括：至少一个燃料电池单元（５），该燃料电池单元（５）的燃料电池（２）设置有阳极侧（７）、阴极侧（８）和设置在阳极侧（７）和阴极侧（８）之间的电解质（９），以及连接板（６）设置在各个所述燃料电池（２）之间。在该方法中，通过在所述阴极侧（８）上流动的气体中包含的热能，在所述燃料电池单元（５）中至少大部分地加热了在所述阳极侧（７）上流动的安全气体。本发明专利技术还涉及实现该方法的燃料电池系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的目的是增强燃料电池系统的预热的方法，所述燃料电池系统包括至少一 个燃料电池单元以及在各个燃料电池之间设置的连接板，该燃料电池单元的燃料电池设置 有阳极侧、阴极侧和设置在阳极侧和阴极侧之间的电解质。本专利技术的另一个目的是应用该 方法的燃料电池系统。
技术介绍
本专利技术涉及燃料电池系统，该燃料电池系统在高温下工作并且通常需要启动实际 操作所需的、较长的预热过程。实际上，本专利技术尤其用于S0FC(Solid Oxide Fuel Cell 固 体氧化物燃料电池)和MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell 熔融碳酸盐燃料电池)型燃料 电池系统，该燃料电池系统加热到工作温度可能会耗费长达几个小时的时间。燃料电池的 加热持续进行，一直达到能够激活正常工作的温度级。这里针对以下状态使用术语“预热”， 即，燃料电池系统从寒冷的、不活动的状态加热到激活正常工作模式所需的温度级，或者燃 料电池系统的温度仅返回到该温度级，例如在工作中瞬时中断之后。在SOFC型燃料电池的 情况下，预热过程的最终温度通常在500-600°C的范围内。最后，电池的实际工作温度通常 稳定在600-1000°C的范围内，S卩，从而，即使在激活之后，在预热本身已经终止了的同时，燃 料电池系统的加热仍然继续。燃料电池系统的低效率预热和长的启动周期造成许多缺点。首先，加热消耗了大 量能量。在SOFC型燃料电池的情况下，启动周期自始至终还需要具有其固有成本的用于阳 极侧的安全气体。燃料电池系统的长启动周期也削弱了其可用性。其用途主要限于产生持 续的基本载荷型电或热，作为固定基础型设施或与诸如船舶的大型移动式设备有关。相反， 其对于小型移动操作具有较差应用性，以及对于需要快速启动电力的操作也具有较差应用 性。相同的问题很大程度上也适用于MCFC型燃料电池系统。在阳极侧发生的加热过程中，由于氢或用作还原组分的任何其他气体组分的高易 燃性引起了特定问题。需要特别监控温度以及组件的各部分中的浓度，以不超过与构成爆 炸事故的自燃点相匹配的值。在实践中，安全气体的浓度必须以这样的方式来控制使得从 可能的泄露处流出的混合物(燃料电池通常向它们的附近泄露一定量的气体)应当保持其 特性(property)在与自燃点相匹配的值之下(主要低于LEL(爆炸下限)，S卩，较低的自燃 点)。例如，在处于室温的氢-氮混合物的情况下，这表示大约6%的氢浓度。随着温度的 上升，该阈值浓度逐渐变得更低。因此，氢浓度具有强加在其上的非常严格的限制。例如氢 浓度的适度较小的变动使气体混合物的参数非常接近与超过上述燃点相对应的值。因此， 当在阳极侧加热安全气体时，总是存在超过氢浓度或安全气体温度的风险(例如由于故障 事件)，而导致潜在的爆炸危险。用于阳极侧的独立加热系统与其中包括的可能的安全装置 也会在占用空间的同时，导致相当高的设备成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种方案，通过该方案可以缓解或完全消除上面提到的现有 技术的问题。为了实现这个目的，根据当前说明的专利技术的方法是以权利要求1的特征性语 句中所阐述的为特征。另一方面，实现本专利技术的方法的燃料电池系统的特征性特征在权利 要求7的特征性语句中阐述。此外，在从属权利要求中提出了本专利技术的几个优选实施方式。根据本专利技术，用于预热阳极侧的是燃料电池的高效的内部传热能力。燃料电池表 面在结构上面积很大，从而需要大量热能以加热到工作温度。确实已经设计了其内部传热， 以有效地工作。通常，阳极侧的排出气体经过热级联，返回通过该气体所来自的同一换热 器。因此，在正常工作状态下，在燃料电池中加热并且从燃料电池排出的气体根据逆流原 理使进入的气体变热。通过将加热后的阴极侧流用作直接热源，现在将燃料电池阳极侧和 阴极侧之间的燃料电池的该热传热效应以及传热能力应用于加热阳极侧安全气体，并且同 时，附加地应用于对燃料电池单元的阳极侧结构的加热。本专利技术的基本理念包括使燃料电 池系统的阳极侧组件的加热至少大部分地基于通过燃料电池从阴极侧传递到阳极侧的热 能。因此，具体而言，在燃料电池单元中发生阳极侧加热。更具体地，热横越电解质从阴极到 阳极，并且特别是从一个单独的燃料电池的阴极，尤其从在该阴极侧上流动的空气，直接通 过连接板，到另一个单独的燃料电池的阳极，尤其到在连接板的阳极侧上流动的安全气体。 在阴极侧上流动的气体混合物(通常是空气)可以首先利用例如在空气流中设置的电加热 器被加热。将加热后的空气被传送到燃料电池表面，以使其在阴极侧的流通道中流动。在 燃料电池中，空气传播的热继续有效地行进到阳极侧中，并且还行进到在阳极侧的流通道 中流动的安全气体中。结果，对燃料电池系统的加热将得到简化和推进，以将系统带到工作 温度。通过同时为阳极侧提供安全气体循环来实现具体有益的方案。这实现了降低阳极 气体消耗以及增强对阳极侧热能的利用这两者。本专利技术提供了相对于现有技术具有大量益处的方案。从能量成本的角度，通过缩 短的启动周期并且提供增强的传热这两者实现了节约。从设备的角度，存在减少为加热阳 极侧而设置的加热单元的个数或者降低其电力或完全消除加热单元的有益可能性。因此， 从设备成本的角度，并且还可能从由系统要求的空间的角度，提供了益处。凭借更简单的加 热方式，以及凭借阴极侧和阳极侧之间的永久较小温度差，也提高了系统可调整性。此外， 通过根据本专利技术的另一个实施方式为阳极侧提供安全气体循环，由于减小了热损失并且提 供了比之前更高效的传热这两方面，将存在削减能量成本的可能性。附图说明现在，将参照附图更详细地描述本专利技术，其中图1示意性地示出了本专利技术的一种结构，其中对阴极侧的加热也用于对阳极侧进 行加热。图2是图1中区域A的特写图，其示出了根据本专利技术的燃料电池中可用的传热过程。 具体实施例方式图1以高度示意性的视图示出了燃料电池系统1。燃料电池系统1中包括的燃料电池单元5包括由连续串联连接的燃料电池2以及设置在各个燃料电池之间的所谓内部连 线(interconnect)的连接板6组成的一个或更多个燃料电池组，燃料电池2以阳极侧7、阴 极侧8和设置在阳极侧7与阴极侧8之间的电解质9为特征。连接板6优选地被设计为某 种双极板，即，其位于一个单独的燃料电池2的阴极侧以及另一个单独的燃料电池2的阳极 侧上，并且在其之间起到燃料电池之间的电导体的作用以及起到阻挡气体在电池之间未受 控的流动的气体隔离壁的作用。然而，最重要的是，其在阳极侧和阴极侧两侧上设置了用于 气体在燃料电池中流动的流通道系统。为了清楚，图1仅示出了燃料电池组中的单个燃料 电池2。在该申请中，阳极侧7通常指的是在燃料电池单元5的燃料电池2中所包括的阳 极电极以及从燃料的观点用于将燃料电池单元5范围内的燃料引导到实际单独的燃料电 池的阳极的组件这两者。分别地，阴极侧8指的是阴极电极，以及用于将空气引导到燃料电 池单元5范围内的阴极而设置的组件。类似地，阳极侧和相应阴极侧这里分别被认为包括 用于气体流的流通道，该流通道设置于在燃料电池5之间设置的连接板6中的阳极侧和相 应阴极侧上。因此，在阳极侧上，用于安全气体和燃料的流动，并且在阴极侧上，用于空气的 流动。此外，为了向阳极7供给安全气体，设置了供给装置，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增强燃料电池系统（１）的预热的方法，所述燃料电池系统（１）包括：至少一个燃料电池单元（５），该燃料电池单元（５）的燃料电池（２）设置有阳极侧（７）、阴极侧（８）以及设置在所述阳极侧（７）和所述阴极侧（８）之间的电解质（９），而且连接板（６）设置在各个燃料电池（２）之间，其特征在于，通过在所述阴极侧（８）上流动的气体中包含的热能，在所述燃料电池单元（５）中至少大部分地加热了在所述阳极侧（７）上流动的安全气体。

【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：特罗·霍蒂宁，
申请(专利权)人：瓦锡兰芬兰有限公司，
类型：发明
国别省市：FI