[發明專利]控制燃料電池系統中的燃料電池堆的熱平衡的方法和裝置

有效

• 申請號: 201180027329.1
• 申請日: 2011-05-26
• 公開（公告）號: CN102918696A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 金·阿斯特羅姆;特羅·霍蒂寧
• 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: 黨曉林;王小東

發明目的

本發明的目的是用于控制燃料電池系統中的燃料電池堆的熱平衡的方法，所述燃料電池系統包括至少一個燃料電池單元和回熱器單元（recuperator?unit），所述燃料電池單元的燃料電池具有陽極側和陰極側以及插設在陽極側和陰極側之間的電解質，所述回熱器單元用于預熱所述陰極側的供應流。本發明的另一目的是應用所述方法的燃料電池系統。

背景技術

本發明具體地涉及一種SOFC式燃料電池系統（固體氧化物燃料電池），其中通常采用的基本材料成分是鎳。

當達到SOFC式燃料電池系統的熱平衡時，其中一個主要問題是在它們的壽命期間在生熱中發生的相當強烈的變化。在它們的服務時間的初期，生熱是有限的。然而，當最終發生堆的降解時，電效率惡化因此導致生熱增加，而電的生產傾向于減少。

另外，隨著當前堆性能的發展，可以預期的是，堆的面積比電阻將減小。這意味著電效率將隨著堆中生熱的成本下降而提高。在高溫燃料電池系統中，諸如SOFC，由于實際的機械和成本原因，在總熱平衡方面始終存在對于環境的顯著熱損失。

已經面對現實，在堆的壽命的初期，當它們的電效率位于頂點并且生熱最小時，包含在從堆離開的熱空氣流中的熱能不必足夠以充分加熱進入堆的供應氣流。也就是說，通常，供應氣流由熱交換器（所謂的回熱器單元），其中二次流呈來自陰極側的離開流的形式。

因此，從堆的陰極側離開的氣流未被充分加熱。為充分供應空氣加熱而所需的熱交換單元中的溫差dT將必須設定為極小。這將要求不成比例的熱交換面積，并且因此將意味著過大的熱交換單元。

一旦堆的降解在它們的使用壽命期間進行并且生熱增加，包含在離開空氣中的熱能就開始涵蓋由供應空氣預熱提出的要求并且陰極側上的供應溫度更容易獲得。

然而，由于堆的受損的電效率，供應到陰極側的空氣的量需要被提高，甚至達到相對于化學計算燃燒的四倍。這是為了即使當堆的使用壽命接近其盡頭時也能維持恒功率發電。

這相應地具有一系列更多的缺點的不可避免的結果。首先，供應氣流的增加增大了用于供應空氣的內部能耗，因此降低了輸出功率和效率。這對其來說進一步提高了由降解現象導致的壓降。這繼而意味著系統的電效率的相當大的下降。因為一般目的是保持系統的總功率盡可能恒定，因此由增加的燃料供應連同加強的供應氣流一起補償下降效率的結果是，借助堆的生熱顯著增加。另外，依照供應流量的增加，壓力損失也上升。這進一步對系統的電效率造成消極影響。總而言之，隨著堆的使用壽命的完全終止的拉近而面對不可避免的惡性循環。

另一方面，為了補償熱損失并且改變生熱，然而，存在能被使用的少數現有技術的方法。一個方法是例如減小供應氣流的流量，尤其是在燃料電池的使用壽命的初期。另一個可能性是使外部重整率增大。這些方法不幸地具有它們自己的限制。氣流不能無限制地減小，這是因為堆由堆所允許的氧氣利用率的相當嚴格的限制。另一方面在沒有增加過程拓撲的復雜性的情況下，外部重整的主動控制難以實現。

另外，對該問題的現有技術的一個更多解決方案由US2008/002047?A1提供。其中一個主要目的也是促進至燃料電池的陰極側的空氣的預熱。該系統大部分示意性地在圖1中呈現。

至燃料電池單元100的陰極側的供應空氣12的加熱基于利用由加力燃燒室101獲得的熱能。為此目的，設置有包括混合器2和4以及熱交換器3的專用回熱器單元。從陽極側和陰極側離開的流5、6首先在混合器2中混合。所引起的流7于是被利用以加熱新鮮的冷的供應空氣9。

至堆100的供應流12的最終溫度調節直到該階段之后才發生。為此目的，設置有空氣旁路11。旁路空氣與加熱的空氣10一起在混合器4中混合。至陰極側的供應溫度的調節通過調節與熱空氣11混合的冷空氣10的量來進行。換言之，陰極側的供應空氣首先被加熱超過設定目的溫度，然后借助于冷空氣被降低至設定值。

首先，這種解決方案意味著非常一般類型的問題，諸如增加的復雜性，不必要的熱交換器單元以及對在已經狹促的布置中的管道的增加的需求。

然而，具體的缺點由以下事實導致，即，因為陰極側上的供應空氣的溫度調節基于控制額外冷空氣的量，因此氣流的總質量流在相當顯著的范圍內變化。這使得非常難以控制進入陰極側的總的供應氣流。

還變得困難的是進行調節以有利于使系統適于降解現象。最后涉及過大熱交換器和過多管道的上述問題再一次出現。另外，復雜系統和增加的管道導致壓力損失的進一步增大以及通常整個系統的效率低的功能。