[發明專利]增強燃料電池系統的預熱的方法和結構

無效

• 申請號: 200980126725.2
• 申請日: 2009-07-09
• 公開（公告）號: CN102089914A
• 公開（公告）日: 2011-06-08
• 發明（設計）人: 特羅·霍蒂寧;金·阿斯特羅姆;蒂莫·基維薩里;尤卡·古斯
• 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
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 李輝;王伶

技術領域

本發明的目的是增強燃料電池系統的預熱的方法，所述燃料電池系統包括至少一個燃料電池單元以及在各個燃料電池之間設置的連接板，該燃料電池單元的燃料電池設置有陽極側、陰極側和設置在陽極側和陰極側之間的電解質。本發明的另一個目的是應用該方法的燃料電池系統。

背景技術

本發明涉及燃料電池系統，該燃料電池系統在高溫下工作并且通常需要啟動實際操作所需的、較長的預熱過程。實際上，本發明尤其用于SOFC(Solid?Oxide?Fuel?Cell：固體氧化物燃料電池)和MCFC(Molten?Carbonate?Fuel?Cell：熔融碳酸鹽燃料電池)型燃料電池系統，該燃料電池系統加熱到工作溫度可能會耗費長達幾個小時的時間。燃料電池的加熱持續進行，一直達到能夠激活正常工作的溫度級。這里針對以下狀態使用術語“預熱”，即，燃料電池系統從寒冷的、不活動的狀態加熱到激活正常工作模式所需的溫度級，或者燃料電池系統的溫度僅返回到該溫度級，例如在工作中瞬時中斷之后。在SOFC型燃料電池的情況下，預熱過程的最終溫度通常在500-600℃的范圍內。最后，電池的實際工作溫度通常穩定在600-1000℃的范圍內，即，從而，即使在激活之后，在預熱本身已經終止了的同時，燃料電池系統的加熱仍然繼續。

燃料電池系統的低效率預熱和長的啟動周期造成許多缺點。首先，加熱消耗了大量能量。在SOFC型燃料電池的情況下，啟動周期自始至終還需要具有其固有成本的用于陽極側的安全氣體。燃料電池系統的長啟動周期也削弱了其可用性。其用途主要限于產生持續的基本載荷型電或熱，作為固定基礎型設施或與諸如船舶的大型移動式設備有關。相反，其對于小型移動操作具有較差應用性，以及對于需要快速啟動電力的操作也具有較差應用性。相同的問題很大程度上也適用于MCFC型燃料電池系統。

在陽極側發生的加熱過程中，由于氫或用作還原組分的任何其他氣體組分的高易燃性引起了特定問題。需要特別監控溫度以及組件的各部分中的濃度，以不超過與構成爆炸事故的自燃點相匹配的值。在實踐中，安全氣體的濃度必須以這樣的方式來控制：使得從可能的泄露處流出的混合物(燃料電池通常向它們的附近泄露一定量的氣體)應當保持其特性(property)在與自燃點相匹配的值之下(主要低于LEL(爆炸下限)，即，較低的自燃點)。例如，在處于室溫的氫-氮混合物的情況下，這表示大約6％的氫濃度。隨著溫度的上升，該閾值濃度逐漸變得更低。因此，氫濃度具有強加在其上的非常嚴格的限制。例如氫濃度的適度較小的變動使氣體混合物的參數非常接近與超過上述燃點相對應的值。因此，當在陽極側加熱安全氣體時，總是存在超過氫濃度或安全氣體溫度的風險(例如由于故障事件)，而導致潛在的爆炸危險。用于陽極側的獨立加熱系統與其中包括的可能的安全裝置也會在占用空間的同時，導致相當高的設備成本。

發明內容

本發明的目的是提供一種方案，通過該方案可以緩解或完全消除上面提到的現有技術的問題。為了實現這個目的，根據當前說明的發明的方法是以權利要求1的特征性語句中所闡述的為特征。另一方面，實現本發明的方法的燃料電池系統的特征性特征在權利要求7的特征性語句中闡述。此外，在從屬權利要求中提出了本發明的幾個優選實施方式。

根據本發明，用于預熱陽極側的是燃料電池的高效的內部傳熱能力。燃料電池表面在結構上面積很大，從而需要大量熱能以加熱到工作溫度。確實已經設計了其內部傳熱，以有效地工作。通常，陽極側的排出氣體經過熱級聯，返回通過該氣體所來自的同一換熱器。因此，在正常工作狀態下，在燃料電池中加熱并且從燃料電池排出的氣體根據逆流原理使進入的氣體變熱。通過將加熱后的陰極側流用作直接熱源，現在將燃料電池陽極側和陰極側之間的燃料電池的該熱傳熱效應以及傳熱能力應用于加熱陽極側安全氣體，并且同時，附加地應用于對燃料電池單元的陽極側結構的加熱。本發明的基本理念包括使燃料電池系統的陽極側組件的加熱至少大部分地基于通過燃料電池從陰極側傳遞到陽極側的熱能。因此，具體而言，在燃料電池單元中發生陽極側加熱。更具體地，熱橫越電解質從陰極到陽極，并且特別是從一個單獨的燃料電池的陰極，尤其從在該陰極側上流動的空氣，直接通過連接板，到另一個單獨的燃料電池的陽極，尤其到在連接板的陽極側上流動的安全氣體。在陰極側上流動的氣體混合物(通常是空氣)可以首先利用例如在空氣流中設置的電加熱器被加熱。將加熱后的空氣被傳送到燃料電池表面，以使其在陰極側的流通道中流動。在燃料電池中，空氣傳播的熱繼續有效地行進到陽極側中，并且還行進到在陽極側的流通道中流動的安全氣體中。結果，對燃料電池系統的加熱將得到簡化和推進，以將系統帶到工作溫度。