本发明专利技术涉及一种控制燃料电池系统（1）中的燃料电池堆（6）的热平衡的方法，所述燃料电池系统（1）具有至少一个包括所述燃料电池堆（6）的燃料电池单元（5），所述燃料电池堆的燃料电池（2）包括阳极侧（7）和阴极侧（8）以及插设在它们之间的电解质（9）；和用于热交换的回热器单元（29），其用于预热所述阳极侧（8）的供应流（14）。在所述方法中，从来自所述阳极侧（7）的燃料排出流分离出期望部分，并且该部分适于在所述回热器单元（29）之前与所述阴极侧（8）离开流（15）混合。本发明专利技术还涉及实施所述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】控制燃料电池系统中的燃料电池堆的热平衡的方法和装置专利技术目的本专利技术的目的是用于控制燃料电池系统中的燃料电池堆的热平衡的方法，所述燃料电池系统包括至少一个燃料电池单元和回热器单元(recuperator unit),所述燃料电池单元的燃料电池具有阳极侧和阴极侧以及插设在阳极侧和阴极侧之间的电解质，所述回热器单元用于预热所述阴极侧的供应流。本专利技术的另一目的是应用所述方法的燃料电池系统。
技术介绍
本专利技术具体地涉及一种SOFC式燃料电池系统(固体氧化物燃料电池)，其中通常采用的基本材料成分是镍。 当达到SOFC式燃料电池系统的热平衡时，其中一个主要问题是在它们的寿命期间在生热中发生的相当强烈的变化。在它们的服务时间的初期，生热是有限的。然而，当最终发生堆的降解时，电效率恶化因此导致生热增加，而电的生产倾向于减少。另外，随着当前堆性能的发展，可以预期的是，堆的面积比电阻将减小。这意味着电效率将随着堆中生热的成本下降而提高。在高温燃料电池系统中，诸如S0FC，由于实际的机械和成本原因，在总热平衡方面始终存在对于环境的显著热损失。已经面对现实，在堆的寿命的初期，当它们的电效率位于顶点并且生热最小时，包含在从堆离开的热空气流中的热能不必足够以充分加热进入堆的供应气流。也就是说，通常，供应气流由热交换器(所谓的回热器单元)，其中二次流呈来自阴极侧的离开流的形式。因此，从堆的阴极侧离开的气流未被充分加热。为充分供应空气加热而所需的热交换单元中的温差dT将必须设定为极小。这将要求不成比例的热交换面积，并且因此将意味着过大的热交换单元。一旦堆的降解在它们的使用寿命期间进行并且生热增加，包含在离开空气中的热能就开始涵盖由供应空气预热提出的要求并且阴极侧上的供应温度更容易获得。然而，由于堆的受损的电效率，供应到阴极侧的空气的量需要被提高，甚至达到相对于化学计算燃烧的四倍。这是为了即使当堆的使用寿命接近其尽头时也能维持恒功率发电。这相应地具有一系列更多的缺点的不可避免的结果。首先，供应气流的增加增大了用于供应空气的内部能耗，因此降低了输出功率和效率。这对其来说进一步提高了由降解现象导致的压降。这继而意味着系统的电效率的相当大的下降。因为一般目的是保持系统的总功率尽可能恒定，因此由增加的燃料供应连同加强的供应气流一起补偿下降效率的结果是，借助堆的生热显著增加。另外，依照供应流量的增加，压力损失也上升。这进一步对系统的电效率造成消极影响。总而言之，随着堆的使用寿命的完全终止的拉近而面对不可避免的恶性循环。另一方面，为了补偿热损失并且改变生热，然而，存在能被使用的少数现有技术的方法。一个方法是例如减小供应气流的流量，尤其是在燃料电池的使用寿命的初期。另一个可能性是使外部重整率增大。这些方法不幸地具有它们自己的限制。气流不能无限制地减小，这是因为堆由堆所允许的氧气利用率的相当严格的限制。另一方面在没有增加过程拓扑的复杂性的情况下，外部重整的主动控制难以实现。另外，对该问题的现有技术的一个更多解决方案由US2008/002047 Al提供。其中一个主要目的也是促进至燃料电池的阴极侧的空气的预热。该系统大部分示意性地在图I中呈现。至燃料电池单元100的阴极侧的供应空气12的加热基于利用由加力燃烧室101获得的热能。为此目的，设置有包括混合器2和4以及热交换器3的专用回热器单元。从阳极侧和阴极侧离开的流5、6首先在混合器2中混合。所引起的流7于是被利用以加热新鲜的冷的供应空气9。至堆100的供应流12的最终温度调节直到该阶段之后才发生。为此目的，设置有 空气旁路11。旁路空气与加热的空气10—起在混合器4中混合。至阴极侧的供应温度的调节通过调节与热空气11混合的冷空气10的量来进行。换言之，阴极侧的供应空气首先被加热超过设定目的温度，然后借助于冷空气被降低至设定值。首先，这种解决方案意味着非常一般类型的问题，诸如增加的复杂性，不必要的热交换器单元以及对在已经狭促的布置中的管道的增加的需求。然而，具体的缺点由以下事实导致，S卩，因为阴极侧上的供应空气的温度调节基于控制额外冷空气的量，因此气流的总质量流在相当显著的范围内变化。这使得非常难以控制进入阴极侧的总的供应气流。还变得困难的是进行调节以有利于使系统适于降解现象。最后涉及过大热交换器和过多管道的上述问题再一次出现。另外，复杂系统和增加的管道导致压力损失的进一步增大以及通常整个系统的效率低的功能。又另一缺点由以下事实显现，S卩，万一在回热器单元之前完全执行后燃烧阶段，首先湿度增加，并且其次，上升的温度水平(通常在+1000° C以上)对材料提出高要求。也就是说，将使材料的费用不合理。因此，当堆降解时，S卩，它们的ASR增加导致产热的显著增加时，在系统的不同生命点需要灵活的热平衡控制和补偿方法。在燃料电池和燃料电池堆两者内以及包括相关的热交换单元的燃料电池单元的附近内的热平衡需要被维持，而与内部产热的量无关。专利技术目的和解决方案本专利技术的目的在于提供一种解决方案，借助该解决方案，上述现有技术问题能减轻或完全消除。为了实现该目的，根据本专利技术的方法的特征在于权利要求I的特征部分中所阐述的内容。另一方面，实施本专利技术的方法的燃料电池系统的表征特征在权利要求8的特征部分中阐述。另外，本专利技术的数个优选实施方式存在于从属权利要求中。本专利技术现在提供用于上述问题的可靠解决方案。根据本专利技术，离开阳极侧的使用过的燃料流的期望部分从主流放泄，并且进一步由阴极离开流(cathode exit flow)氧化，以产生额外的热，供进一步使用。换言之，本专利技术通常包括过程拓扑，该过程拓扑允许尤其是在系统中的实际加力燃烧室之前部分燃烧废燃料。当来自堆排气的贫化燃料的一小部分在阴极侧离开流内燃烧时，获得温度的大幅度增加。应该强调的是，根据本专利技术，仅来自阳极侧总离开流的一小部分与主流分离，并且，最主要的是，这在回热器单元之前执行。一方面，从主流漏出的分离的子流能被直接引导回堆隔室。在该情况下，它在燃料电池外(即，燃料电池堆和堆隔室的外壁之间)被氧化。这也是通常漏出堆的所有燃料被氧化的地方。为此目的，能容易地设置或选择合适的空间。因此能避免用于此目的的任何附加结构。另一方面，在堆隔室本身外的阴极侧离开流内，能氧化分离的燃料。实际上，与主要的离开残余燃料流分开的燃料部分被简单地引入阴极侧离开管线，并且与其混合且氧化，由此在回热器单元之前升高温度。根据本专利技术的前述实施方式，漏出的燃料进一步被引入堆隔室中并且来自该燃烧的烟道气与来自阴极侧的离开流一起被引到回热器单元并且进一步引出整个系统。该具体实施方式还包括额外益处，该益处在于，通过燃烧使用过的燃料的一部分获得的热能现在以有效方式被引到堆。温度升高还发生在出口燃料流中，从而补偿通过堆隔室的结构的损失在所述工艺流程内的热损失。另外，堆隔室内的燃烧提供这样的可能性，即，由于阴极侧 上的离开流的大大升高的离开温度，因此促进了阴极侧上供应流的预热。后一实施方式提供了最简单的机会，以在改型的情况下改善燃料电池系统的热平衡。仅仅需要一个使阳极侧离开管线和阴极侧离开管线与合适的控制装置接合在一起的单个管线。另外，因为氧化发生在堆隔室外，并且燃料被连续从整个系统逐出，因此消除了在例如启动期间在自然温度本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：金·阿斯特罗姆，特罗·霍蒂宁，
申请(专利权)人：瓦锡兰芬兰有限公司，
类型：
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。