本发明专利技术涉及一种减少燃料电池系统（１）中的安全气体的消耗的方法，所述燃料电池系统（１）包括至少一个燃料电池单元（５），该至少一个燃料电池单元（５）的燃料电池（２）包括：阳极侧（７）和阴极侧（８）以及介于阳极侧（７）和阴极侧（８）之间的电解质（９）；用于向阳极侧（７）供应安全气体的装置（１０）；以及用于将来自阳极侧（７）的废安全气体排出燃料电池单元（５）的装置（１１）。该方法包括：使来自所述燃料电池（２）的所述阳极侧（７）的废安全气体流中的特定百分比适于被重新供应给所述燃料电池（２）的所述阳极侧（７）。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】
本专利技术的一个目的是一种用于减少燃料电池系统中的安全气体的消耗的方法，所 述燃料电池系统包括至少一个燃料电池单元，该燃料电池单元的燃料电池包括阳极侧和 阴极侧以及介于该阳极侧和该阴极侧之间的电解质；用于为该阳极侧提供安全气体的装 置；以及用于将来自该阳极侧的废安全气体排出该燃料电池单元的装置。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
本专利技术具体涉及其中通常采用的基本材料成分是镍的SOFC型燃料电池系统(固 体氧化物燃料电池)。该燃料电池系统的一个缺点是其对于氧化敏感，结果产生氧化镍。在 周围的气体混合物不是绝对还原性(即，如果周围的气体混合物含有能够用于氧化反应的 氧分子)的情况下，镍立刻在不知不觉中发生氧化。如果不小心形成了足够量的氧化镍，则 阳电极的形态(morphology)将发生不利的变化。阳极的电化学活性大幅下降，在最糟糕的 情况下会导致整个燃料电池终止工作。因此，SOFC系统尤其需要在正常工作条件以外的情况下采取行动以便防止这样的 氧化。基本措施是向阳极侧提供安全气体，该安全气体含有能够保护燃料电池的阳电极不 发生氧化的还原成分。实际上，该安全气体用于通过利用电极借助于安全气体来使从阴极 侧逃脱到阳极侧的所有游离氧催化燃烧来结合所有的游离氧。在没有向燃料电池提供真实 燃料的状况下，燃料电池的阳极需要借助于安全气体建立的还原气体氛围。这样的典型状 况包括装置的启动和关闭。在安全气体中采用的还原成分例如是氢，在必要时使用催化剂 以便氢与氧发生反应并将氧燃烧掉。但是，出于安全的考虑，必须借助于适合的惰性气体(如氮)将氢的浓度稀释到适 当的水平。当所采用的安全气体是含氢的气体混合物时，仅从安全的角度来考虑，氢浓度越 低，则越有益。也就是说，必须将氢气的浓度稀释到足够低的水平，以使得在各个温度下的 氢气浓度低于与氢气的燃点相匹配的浓度。但是，所需要的氢的稀释浓度的缺点在于，由于用于稀释氢的惰性气体(例如， 氮)的量相应地增加，这意味着在稀释氢的同时出现很大的总流量。另一方面，为了限制所 需的安全气体的总量，氢浓度越高则越有益。使用较高浓度的氢将使得能够减少对氮的需 要，并且还将减少安全气体的总量。此外，当按照现有技术中描述的方式使用这样的安全气体时，处理操作窗口变得 限于不必要的小尺寸。必须控制安全气体的浓度以使得从可能的泄漏处(燃料电池通常向 它们附近泄漏一定量的气体)流出的混合物应将其特性保持为低于与自燃点匹配的值(主 要是低于LEL(爆炸下限)，即，低自燃点)。例如，在处于室温的氢氮混合物的情况下，意味 着大约6%的氢浓度。随着温度上升，该阈值浓度逐渐变得更低。因而，为氢浓度设定了非 常严格的限制。例如，即使氢浓度的适度的较小的变化也会使气体混合物的参数过于接近 与超过上述燃点的值相对应的值。因而，当使用含氢的安全气体时，处理的操作参数(特别是氢浓度)必须服从于精确的监控制度。这在高温时尤其具有重要意义。针对安全气体的 点燃，另一个基本方面是周围环境的温度，尤其是燃料电池周围的空间(安全气体可能能 够泄漏到该空间)的温度。在流过燃料电池一次以后，废安全气体从燃料电池系统中排出。与燃料电池的固 有流出物一起排出的气体通常被进一步引导通过后燃室，在该后燃室中，还原气体被烧掉 并且可以回收(recover)热量。因此，由于在目前可用的系统中应用的操作原理，存在着对大总量的安全气体的 较高需求。因而，安全气体的使用导致了原材料形式的主要成本。大流量的安全气体还意味 着安全气体所需的存储设施需要大量空间，这进一步导致了附加成本和可能的操作限制。 一般来说，这种被加压的、通常为含氢的安全气体被存储在压缩气罐中。因而，例如在运输 (aboard ships)时，安全气体的量受到存储所需的大空间和安全因素这两方面的限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够缓解或完全消除上述的现有技术问题的解决方案。 为了实现这个目的，提供了一种根据本专利技术的方法，该方法的特征在于在权利要求1的特 征部分中阐述的内容。另一方面，在权利要求7的特征部分中阐述了实现本专利技术的方法的 燃料电池系统的特征。此外，在从属权利要求中示出了本专利技术的一些优选实施方式。本专利技术的主要概念是从燃料电池单元的阳极侧排出的期望百分比的安全气体流 适于在阳极侧进行再循环。因而，实际上，问题是如何具体地调整和调节安全气体的再循 环，目的是在燃料电池的阳极侧重新使用包含在安全气体中的游离的未消耗的氢，以减少 可能的游离氧分子。使流过燃料电池并从燃料电池排出的全部安全气流中的特定大小的部 分转向，通过使这部分安全气体与从燃料电池排出的安全气体流相分离并在各个适当的位 置将这部分安全气体与进入燃料电池的安全气体供应重新结合，从而使这部分安全气体再 一次通过阳极侧。有益效果本专利技术提供了实质减少将要被提供到系统中的安全气体的总需求的可能性，并 且因而提供了节约原材料成本的可能性。经减少的安全气体流(特别是从系统流出的安 全气体)以及安全气体的再循环还使得能够降低热量要求，特别是在燃料电池系统的启动 (start-up)周期期间。另一方面，经提高的热效率缩短了系统启动时间并由此改善了系统 的功能。这里使用的术语“启动”表示将系统加热至能够启动燃料电池的正常操作的温度。 由于减少了对安全气体的需求，因此能够以比之前更少的所存储的安全气体的量来实现。 这对于具有有限的存储设施的工作场所来说尤其有意义。作为经减少的安全气体的量以及 由此带来的经减少的易爆的氢气的量的结果，实现了超过以往的安全水平。对通风的要求 也比以前更低。根据本专利技术的示例性实施方式，通过本专利技术所获得的更多的益处将变得明Mo附图说明现在将参照附图来更加详细地描述本专利技术，附图中图1示出了本专利技术的一种装置的高度示意性的图示，其中，从阳极侧返回的安全气体的一部分进行再循环以再次流经阳极侧。 具体实施例方式图1在高度示意性的图示中示出了燃料电池系统1。包括在该燃料电池系统1中 的燃料电池单元5包括一个或更多个燃料电池堆，燃料电池堆由相继串联连接的燃料电池 2组成，燃料电池2包括阳极侧7、阴极侧8、设置在阳极侧7与阴极侧8之间的电解质9以 及设置在各个燃料电池之间的连接板6 (所谓的互连)。优选地将连接板6设计成一种双极 板，即，连接板6位于一个单独的燃料电池2的阴极侧上并且位于另一个单独的燃料电池2 的阳极侧上，并且在其间作为燃料电池之间的导电体和气体的隔离壁(阻断不受控制的单 元至单元气体流)这两者。更重要的是，连接板6提供了用于在燃料电池中(在阳极侧和 阴极侧这两者上)流动的气体的流体通道系统。为了清楚起见，图1仅以单个燃料电池2 的形式示出了燃料电池单元5的燃料电池堆。在该申请中，阳极侧7总体上既表示包括在燃料电池单元5的燃料电池2中的阳 极电极，而且从燃料的角度看还表示用于将燃料电池单元5的范围内的燃料引导至实际的 单独的燃料电池的阳极的部件以及用于进一步引导气体离开该阳极的部件。相应地，阴极 侧8表示阴极以及为了在燃料电池单元5的范围内将空气引导至阴极以及从阴极引导空气 而设置的部件。此外，为了馈送安全气体，阳极侧7设置了供应装置，这里仅由供应线路10表示该 供应装置。还设置本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种减少燃料电池系统（１）中的安全气体的消耗的方法，所述燃料电池系统（１）包括至少一个燃料电池单元（５），该至少一个燃料电池单元（５）的燃料电池（２）包括：阳极侧（７）和阴极侧（８）以及介于所述阳极侧（７）和所述阴极侧（８）之间的电解质（９）；用于向所述阳极侧（７）供应安全气体的装置（１０）；以及用于将来自所述阳极侧（７）的废安全气体排出所述燃料电池单元（５）的装置（１１），该方法的特征在于，来自所述燃料电池（２）的所述阳极侧（７）的所述废安全气体流中的特定百分比适于被重新供应至所述燃料电池（２）的所述阳极侧（７）。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】FI200857192008年7月10日1.一种减少燃料电池系统(1)中的安全气体的消耗的方法，所述燃料电池系统(1)包 括至少一个燃料电池单元(5)，该至少一个燃料电池单元( 的燃料电池( 包括阳极侧 (7)和阴极侧⑶以及介于所述阳极侧(7)和所述阴极侧⑶之间的电解质(9)；用于向所 述阳极侧(7)供应安全气体的装置(10)；以及用于将来自所述阳极侧(7)的废安全气体排 出所述燃料电池单元(5)的装置(11)，该方法的特征在于，来自所述燃料电池(2)的所述阳 极侧(7)的所述废安全气体流中的特定百分比适于被重新供应至所述燃料电池( 的所述 阳极侧(7)。2.根据权利要求1所述的方法，该方法的特征在于，至所述燃料电池单元( 的未消耗 的安全气体供应流同时被调整，以在所述阳极侧(7)实现所述安全气体中包含的一种还原 成分或多种还原成分的所期望的总量和/或所期望的安全气体流速。3.根据权利要求1或2所述的方法，该方法的特征在于，来自所述燃料电池单元(5)的 所述阳极侧(7)的一定百分比的所述安全气体被再循环，所述百分比是0-100%，优选的是 超过50 %，最适当的是超过75 %。4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，该方法的特征在于，再循环的废安 全气体在预转化器(4)、脱硫器C3)和/或其它可能的燃料预处理装置的上游处与所述未消 耗的安全气体流结合，或者经过所述可能的预处理装置而被重新供应回所述阳极侧(7)。5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的方法，该方法的特征在于，被供应至所述 燃料电池⑵的安全气体的温度被同时调整，以加热和/或冷却所述燃料电池单元(5)或 与所述燃料电池单元( 相关联的组件。6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的方法，该方法的特征在于，通过在所述阴 极侧(8)上流动的气体中包含的热能来加热在所述阳极侧(7)上流动的所述安全气体。7....
【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
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