一种控制系统（１０）利用氧传感器（７８）来感测燃料处理系统（４０）的燃烧器排气装置（６６）内的氧浓度，其中，燃烧器设备（４４）利用来自燃料电池（１２）的阳极排出流来向重整器（４８）供应热量。如果燃料电池（１２）阳极（１４）的阳极利用率超过可接受范围，则较少的氢气可用于燃烧器设备（４４），并且因此更多的氧气将会被氧传感器感测到。氧传感器控制器（８０）响应于所感测的氧气的增加来增加燃料原料（４２）到重整器（４８）中的流速以向阳极（１４）提供更多的氢燃料，从而使阳极利用率返回至可接受阳极利用率范围。如果阳极利用率下降至低于可接受范围，则发生相反的控制顺序。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及适合于在运输车辆、便携式电源设备中使用或作为静止电源设备使用的燃料电池电源设备，并且本公开尤其涉及用于控制燃料电池电源设备的阳极处的富氢燃料的使用的系统和方法，其利用设备的燃料处理系统内的重整器所产生的燃料。
技术介绍
燃料电池是众所周知的，一般用于从富氢燃料流和含氧氧化剂流来产生电流以对电气设备供电。燃料电池通常被布置在电池堆组件中，所述电池堆组件具有布置有公共歧管的多个燃料电池和诸如燃料处理系统、控制器和阀等其它部件以形成燃料电池电源设备。在现有技术的此类燃料电池电源设备中，众所周知的是由燃料处理系统重整器来产生燃料，并且所得到的富氢燃料流从重整器通过燃料进口线路流入燃料电池的阳极流场。氧气流同时流过燃料电池的阴极流场而产生电力。已知燃料电池电源设备为不同类型的设备提供电力。例如，正在进行许多努力以产生利用“质子交换膜”(PEM)电解液燃料电池来对运输车辆供电的燃料电池电源设备。还已知利用磷酸电解液的燃料电池对静止发电设备供电。在此类燃料电池供电设备中，已知使用具有经历吸热反应、因此要求添加热量的重整器的燃料处理系统(诸如催化蒸汽重整器)。由在阳极排出流内离开设备的燃料电池的过量氢来提供用于此类重整器的一个热源。阳极排出流被引导至燃烧器设备并被点燃。在磷酸电解液燃料电池(“PAFC”)电源设备中，借助于对流和传导将来自被点燃的排气装置的热量传递至重整器催化剂以向吸热反应重整器供应能量。在质子交换膜电解液(“PEM”)电源设备中，可以使用来自被点燃的排气装置的热量来将给水加热成蒸汽，该蒸汽随后被引导至重整器以将碳氢燃料原料变换成氢气气体和碳副产品。然后通过燃料进口线路将氢气气体引导至燃料电池的阳极流场中。 如在2004年11月16日颁发给Isom等人的美国专利No. 6，818，336所述(该专利为本专利技术中的全部权利的所有者所有)，已知根据重整器内的蒸汽性质和燃料设备上的功率需求来控制燃料原料到重整器中的流速。对于被构造成作为长期静止电源设备进行操作的燃料电池电源设备而言，燃料原料到燃料处理系统中的流速和所得到的氢气到设备的燃料电池中的流速的高效控制由于影响此类电源设备的不可预测扰动而要求精确的管理。影响负载追随燃料电池电源设备的基本扰动是功率需求的变化。功率需求的变换产生从设备的燃料电池吸取的电流的变化， 因此改变氢气的最佳流速。为了对功率需求的变化作出反应，已知的是能够基于从燃料电池吸取的电流来改变燃料流速设定点。要适当地控制富氢重整燃料到燃料电池阳极的流速，此基本控制机制是必要但不充分的。基本控制是不够的，因为即使当功率需求恒定时也存在影响电源设备的其它扰动。—个此类扰动是诸如天然气的燃料的起伏的燃料发热值。例如，如果燃料电池电源设备具有十年的预期操作持续时间，已知的是被供应给设备的天然气的发热值在此类十年跨度期间将显著地改变。第二常见扰动包括燃料处理系统氢气转换效率的变化。作为示例，在催化蒸汽重整器中，已知的是催化剂的有效性在任何给定的重整器寿命内劣化。引起电流瞬变的第三扰动是重整器内的蒸汽-碳比率的变化。此类变化可能起因于由喷射器的机械退化或喷射器和相关设备的其它性能变化引起的蒸汽喷射器的性能变化。随着燃料电池电源设备的操作，出于电源设备效率、瞬态性能和重整器耐久性的目的，将阳极利用率(anode utilization)保持在一定的最佳性能范围内是重要的。对于示例性燃料电池电源设备而言，该最佳阳极利用率范围在约百分之78 (%)与约84%之间。 (出于本文的目的，对于短语“阳极利用率”，其意味着阳极催化剂处的氢燃料被离解成氢离子和电子。例如，如果阳极利用率是82%，则意味着氢燃料供应的8 在阴极处被变换成水， 而氢燃料的其余18%在阳极排出流内从阳极流场中流出。)对于大多数燃料电池而言，已知的是超过最佳范围的阳极利用率引起对阳极催化剂和/或用于催化剂的支撑材料的损坏。 相反，使燃料电池在低于最佳范围的阳极利用率下操作引起宝贵的氢燃料的损失。在燃料电池电源设备经历上述扰动中的一个或多个的同时将阳极利用率保持在最佳范围内的努力已经产生可接受的结果。在PAFC电源设备中，此努力包括仔细监视从被点燃的燃料电池阳极排气接收热量的重整器内的温度。在前述美国专利No. 6，818，336中描述了用于PEM电源设备的反馈系统。如果燃料电池的阳极利用率超过最佳范围，则将在阳极处使用更多的轻骑，因此将少的氢气将在阳极排出流中。因此，来自排出流的燃烧器设备中的能量的量将较少，并且重整器内的温度传感器将感测到重整器内的温度的降低。在重整器内感测的温度的降低随后被传送到控制器，该控制器增加到重整器中的燃料原料的流速。这又向阳极流场提供更大的氢燃料量以使阳极利用率返回到最佳范围内。类似地，如果燃料电池的阳极利用率降低至低于最佳范围，则在阳极处使用较少的氢燃料，因此更多的氢气在被供给到燃烧器设备的阳极排出流内。因此，由于燃烧器设备具有更多的燃料，所以重整器内的温度将增加。重整器温度传感器然后将把温度的增加传送至控制器，控制器又减小到重整器中的燃料原料的流速。这向阳极流场提供较少的氢燃料以使阳极利用率返回到最佳范围内。在包括用于阳极利用率的此类重整器温度控制系统的燃料电池电源设备的制造中，通常通过使用敏感(例如气相色谱分析)测量结果来确定作为燃料电池电流的函数的重整器温度设定点以确定与最佳范围内的阳极利用率相对应的重整器温度来在工厂测试期间调节电源设备。虽然重整器温度控制系统提供了燃料电池电源设备的可接受操作，但该系统涉及很大的成本并要求极大的谨慎。例如，如果燃料电池电源设备被设计和制造成具有十年寿命，则重整器内的温度传感器必须在全部的十年内在极其苛刻的条件内生成精确的读数。 已知的是穿过催化蒸汽重整器内的催化床中的不锈钢管的蒸汽温度常常超过650摄氏度 (°C)，同时，而当设备不在操作且暴露于环境条件时，重整器温度可低于冰点。另外，可接受温度传感器通常被穿入密封重整器容器(具有穿过容器的有线连通链路)内的此类管道部件中。如果此类温度传感器出现故障，则对于电源设备的操作，移除并替换燃料处理系统的复杂重整器内的损坏传感器是极其昂贵且具有破坏性的。此外，此类传感器一定是非常昂贵的。因此，需要一种燃料电池电源设备，其包括高效且便宜的系统，用于在设备的稳态操作期间以及由各种类型的扰动引起的电流瞬变期间控制阳极利用率。
技术实现思路
本公开涉及一种用于燃料电池电源设备的阳极利用率控制系统，所述燃料电池电源设备用于由氧化剂流和富氢燃料流产生电流。该系统包括至少一个燃料电池，其包括被固定到电解液的相对侧的阳极催化剂和阴极催化剂；阳极流场，其被限定为与阳极催化剂且与燃料进口线路进行流体连通以便引导富氢燃料流从阳极催化剂附近的燃料进口线路流动并通过阳极排气装置(exhaust)离开阳极流场。所述燃料电池还包括阴极流场，其被限定为与阴极催化剂并与氧化剂的源进行流体连通以便引导氧化剂流从阴极催化剂附近的氧化剂进口线路流动并通过阴极排气装置离开阴极流场。所述电源设备还包括用于由燃料原料产生富氢燃料流的燃料处理系统。该燃料处理系统具有燃烧器设备，该燃烧器设备被构造成通过以下中的一个将热量传送到吸热反应重整器通过经由热传递线本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种用于燃料电池（１２）电源设备的阳极利用率控制系统（１０），所述燃料电池（１２）电源设备用于由氧化剂流和富氢燃料流产生电流，所述系统（１０）包括：ａ． 至少一个燃料电池（１２），其包括：被固定到电解液（１８）的相对侧的阳极催化剂（１４）和阴极催化剂（１６）；阳极流场（２０），其被限定为与阳极催化剂（１４）且与燃料进口线路（２２）进行流体连通以便引导富氢燃料流从阳极催化剂（１４）附近的燃料进口线路（２２）流动并通过阳极排气装置（２４）作为阳极排出流离开阳极流场（２０）；阴极流场（２６），其被限定为与阴极催化剂（１６）并与氧化剂的源（２８）进行流体连通以便引导氧化剂流从阴极催化剂（１６）附近的氧化剂进口线路（３０）流动并离开阴极流场（２６）；ｂ． 燃料处理系统（１０），其用于由燃料原料（４２）产生富氢燃料流，所述燃料处理系统（１０）包括燃烧器设备（４４），所述燃烧器设备（４４）被固定成与阳极排气装置（２４）流体连通并被固定成与吸热反应重整器（４８）处于热传递关系，所述燃烧器设备（４４）被构造成通过以下中的一个将热量传递至重整器（４８）：通过经由被固定成与燃烧器设备（４４）内燃烧的阳极排出流流体连通的热传递线路（４６）的传导和对流将热量直接传送到重整器（４８）中，或通过在燃烧器设备（４４）内燃烧阳极排气流以在被固定在燃烧器设备（４４）附近的锅炉（４５）内产生蒸汽并通过蒸汽传递线路（４９）将所述蒸汽引导至被固定成与热传递线路（４６）或蒸汽传递线路（４９）流体连通的重整器（４８），所述重整器（４８）还被固定成与燃料原料进口线路（５４）流体连通以便将燃料原料（４２）引导至重整器（４８）中以将其重整成富氢燃料流，所述重整器（４８）还被固定成与燃料进口线路（２２）流体连通以便将经重整的富氢燃料流通过燃料进口线路（２２）引导至燃料电池（１２）中；ｃ． 燃烧器供给线路（６２），其被流体连通地固定在燃烧器设备（４４）与阳极排气装置（２４）之间以便将阳极排出流引导至燃烧器设备（４４）中以将其燃烧并通过燃烧器排气装置（６６）离开燃烧器设备（４４）；ｄ． 氧传感器（２８），其被固定成与燃烧器排气装置（６６）流体连通以便感测通过燃烧器排气装置（６６）离开燃烧器设备（４４）的已燃烧阳极排出流内的氧的浓度；以及ｅ．氧传感器控制器（８０），其被连通地固定在氧传感器（７８）与燃料流控制设备（５５、５６）之间，所述燃料流控制设备（５５、５６）被固定成与燃料原料进口线路（５４）流体连通，所述氧传感器控制器（８０）被构造成响应于已燃烧阳极排出流内感测的氧浓度来选择性地控制燃料原料（４２）通过流控制设备（５５、５６）到重整器（４８）中的流速。...
【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：J·伊索姆，
申请(专利权)人：UTC电力公司，
类型：发明
国别省市：US
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