[發明專利]用于燃料電池裝置的方法和控制結構

有效

• 申請號: 200980126468.2
• 申請日: 2009-06-11
• 公開（公告）號: CN102089913A
• 公開（公告）日: 2011-06-08
• 發明（設計）人: 特羅·霍蒂寧;蒂莫·萊赫蒂寧
• 申請（專利權）人: 瓦錫蘭芬蘭有限公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/12
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 李輝;張旭東

技術領域

燃料電池是被提供有反應物以產生電能的電化學裝置。

背景技術

圖1示出了包括陽極側100和陰極側102以及位于它們之間的電解質104的燃料電池。饋送至燃料電池裝置的反應物經歷了其中由于放熱反應而產生了電能和水的過程。在固體氧化物燃料電池(SOFC)中，饋送至陰極側的氧從陰極接收電子，也就是說，氧被還原為負氧離子，負氧離子經過電解質到達陽極并在陽極與所使用的燃料相結合，產生水和二氧化碳。陽極和陰極之間是外部電路，電子通過該外部電路傳送至陰極。

通常將如甲烷的天然氣和包含較高水平的碳化合物的氣體用作SOFC中的燃料，然而，在將這些氣體饋送至燃料電池前需要對這些氣體進行預處理，以防止積碳的形成(即，焦化)。在焦化時，碳氫化合物熱分解，并產生粘附在燃料電池裝置的表面并吸附在如鎳顆粒的催化劑上的碳。在焦化過程中產生的碳覆蓋了燃料電池裝置的活性表面的一部分，從而使燃料電池過程的反應性顯著劣化。這些碳甚至可能完全阻塞燃料通路。

因此，防止焦化對于確保燃料電池具有較長使用壽命非常重要。防止焦化還節省了催化劑(即，在燃料電池中用于加速反應的物質(鎳、鉑等))。氣體預處理需要水，水被提供至燃料電池裝置。在氧離子和燃料(即，陽極上的氣體)結合的過程中產生的水也可以被用于氣體的預處理。

為了使現有技術中的氣體預處理成功，必須充分準確地知道在反饋結構中通過陽極而循環的氣體的組成。尤其必須控制氧/碳(O/C)比并且在某種程度上還要控制氫/碳(H/C)比，以避免積碳形成的最危險的反應環境。

現有技術的問題是，氣體預處理需要使用如氣體色譜的復雜且昂貴的在線測量裝置來確定將要循環的氣體的組分，以便能夠確保以適于該過程的方式來執行氣體預處理。

發明內容

本發明的目的是提供一種燃料電池的實現，無需復雜昂貴的連續測量裝置就可以將該燃料電池保持在安全的工作限度之內。這是通過產生電能的燃料電池裝置結構來實現的，該燃料電池裝置結構包括至少一個燃料電池陽極和陰極、用于在所述陽極和所述陰極之間傳送離子的電解質以及與所述電解質分開的用于電子從所述陽極行進至所述陰極的通路。針對所述燃料電池裝置，實現了用于防止積碳形成的控制結構，該控制結構包括：計算裝置，該計算裝置用于針對燃料的反饋循環計算基于化學反應熱力學平衡的一個或更多個熱力學平衡模型；和用于執行以下處理的裝置：通過使燃料經由所述燃料電池陽極在反饋結構中循環而實現循環；至少根據電流和燃料流速產生循環中的測量值；通過計算來確定所述燃料的組成；利用所述測量值和燃料組成，基于將要循環的所述燃料的熱力學平衡模型來計算設定的轉換值；以及在必要的情況下，重復所述計算以產生所述轉換值，依靠所述轉換值，能夠確定所述燃料組成的計算將會以足夠的精度收斂，并且通過利用所述轉換值，可以將所述燃料電池裝置的操作設定為保持在根據所述熱力學平衡模型的安全限度內。

本發明還涉及一種利用燃料電池技術產生電能的方法，在該方法中，通過位于所述燃料電池的陽極和陰極之間的電解質來傳送離子，并且經由與所述電解質分開的通路從所述陽極向所述陰極傳送電子。在該方法中，為了防止積碳的形成，執行如下階段：針對燃料的反饋循環計算基于化學反應熱力學平衡的一個或更多個熱力學平衡模型；和利用如下步驟經由所述燃料電池陽極在反饋結構中執行所述燃料的循環：至少根據電流和燃料流速產生循環中的測量值；通過計算來確定所述燃料的組成；利用所述測量值和燃料組成，基于將要循環的所述燃料的所述熱力學平衡模型來計算所設置的轉換值；以及在必要的情況下，重復所述計算以產生所述轉換值，依靠所述轉換值，能夠確定所述燃料組成的計算將會以足夠的精度收斂，并且通過利用所述轉換值，可以將所述燃料電池裝置的操作設定為保持在根據所述熱力學平衡模型的安全限度內。

本發明基于如下事實，基于燃料電池過程的熱力學平衡以及期望的氧和碳之間的比，計算出了各種化學反應熱力學平衡模型，至少將電流和燃料流速的數值設置為已知值。通過計算來確定燃料的組成。在燃料電池過程中，基于至少針對燃料流速和電流而產生的測量值并基于通過計算而確定的燃料組成，在燃料的反饋循環中使用所述熱力模型，并且，通過計算，可以發現一個或更多個熱力平衡模型是燃料電池過程的保持在設定的安全限度內的操作模式。

根據本發明的實現使得能夠無須單獨的水供應就可在反饋結構中進行安全的燃料循環，同時提高燃料的利用率(即，提高燃料電池過程中的電能產生效率)。本發明的另一個優點是在于，在不需要使用如氣體色譜的復雜且昂貴的連續在線測量裝置的情況下能夠安全地使用燃料電池裝置(防止了焦化)。