[發明專利]燃料電池系統及其停機方法

有效

• 申請號: 201611041688.3
• 申請日: 2016-11-22
• 公開（公告）號: CN108091907B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 王宏剛;孔祥東;安德魯·菲利普·夏皮羅;帕特里克·卡羅爾;約翰·皮契瑞洛
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: H01M8/04089
• 分類號: H01M8/04089;H01M8/04298;H01M8/04955;H01M8/04537
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 侯穎媖

本發明公開了燃料電池系統，其包括具有用于產生電力的燃料電池電堆的陽極循環回路、用于將燃料提供至陽極循環回路中的燃料供應裝置、用于將空氣提供至燃料電池電堆的陰極的空氣供應裝置、用于監控燃料電池電堆的電壓的電壓監控裝置及陽極保護控制器。每當燃料電池電堆的電壓降到低于預定的電壓閾值時，陽極保護控制器將把從燃料電池電堆拉出的電流降低預定量，并且，基于降低后的電流去降低提供至陽極循環回路中的燃料流量，從而維持陽極循環回路中的水碳比高于預定的水碳比限度。還公開了用于燃料電池系統的停機方法。

技術領域

本發明大體涉及燃料電池領域，尤其涉及一種帶有陽極保護的燃料電池系統及用于該燃料電池系統的停機方法。

背景技術

燃料電池是一種電化學裝置，其能夠通過燃料，例如氫，與氧化劑，例如空氣中含有的氧氣，的電化學反應將來自燃料中的化學能轉換為電能。由于燃料電池的環境優越性和高效率，燃料電池系統作為能源供應系統正被廣泛開發。為了提高系統效率和燃料利用率，并且減少外部水源利用，燃料電池系統通常包括陽極循環回路。由于單個燃料電池僅僅只能產生1伏的電壓，因此，通常將多個燃料電池堆疊在一起(通常被稱為燃料電池電堆)以獲得期望的電壓。

典型的固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的陽極通常是由鎳/氧化釔穩定氧化鋯(Ni/YSZ)金屬陶瓷制成。陽極的鎳充當用于氧化燃料的催化劑和電流導體。在燃料電池系統的正常運行期間，SOFC電堆通常工作在700℃以上，并且，由于富氫燃料氣體的持續供應，陽極的鎳(Ni)以其還原形式存在。

然而，例如當在燃料電池電堆發生陰陽極交叉泄漏或者邊界泄漏時，如果陽極的還原氣體不足，則陽極的鎳會遭受氧化，鎳會與從陰極層擴散過來或者引入到陽極腔室的空氣中的氧氣發生反應，從而在大約高于350℃的溫度下形成氧化鎳(NiO)。在陽極的微結構中形成的NiO會導致陽極層的體積膨脹，這將會給整體SOFC結構施加壓力。在快速氧化的過程中，電解質不能和形成的氧化鎳一樣快地膨脹，從而會導致破壞電解質的風險存在，這將會使得燃料和氧化劑氣體直接混合，如果燃料電池溫度高于燃料的自燃溫度，則將會造成災難性后果。

在實驗室的設置中，可以通過供應還原氣體來防止SOFC電堆的氧化，還原氣體通常是氫氣和氮氣的稀釋混合物。在SOFC停機或待機狀態期間可以使用還原氣體去吹掃陽極腔室來防止陽極的氧化。典型的SOFC電堆通常需要四到十二個小時才能從其工作溫度冷卻到不會發生明顯損壞陽極材料的溫度。在該時段期間，將需要大量的還原氣體供應和頻繁的氣瓶更換，從而來滿足還原氣體的消耗需求。

而且，在燃料電池電堆泄漏情況下的停機過程中，可能會在陽極電極處生成碳以及積碳。碳可能由烴裂化、布多阿爾(Boudouard)反應或者一氧化碳(CO)還原而生成。可以通過將水蒸氣(H₂O)引入到燃料電池系統以在一定條件下生成CO和氫氣(H₂)來移除碳。如果碳的形成速率快于碳的移除速率，則將會積碳。內部的碳生成和沉積會導致陽極的效率降低，縮短有用裝置的壽命，并且甚至會導致系統的被迫停機。

因此，需要一種改進的燃料電池系統來防止在停機操作期間燃料電池電堆的陽極的鎳氧化和積碳。另外，還需要該系統便于經濟地安裝和操作。

發明內容

本發明的一個方面在于提供一種燃料電池系統。所述燃料電池系統包括陽極循環回路、燃料供應裝置、空氣供應裝置、電壓監控裝置及陽極保護控制器。所述陽極循環回路包括用于產生電力并具有陽極和陰極的燃料電池電堆。所述燃料供應裝置用于將燃料提供至所述陽極循環回路中。所述空氣供應裝置用于將空氣提供至所述燃料電池電堆的所述陰極。所述電壓監控裝置用于監控所述燃料電池電堆的電壓。每當所述燃料電池電堆的電壓降到低于預定的電壓閾值時，所述陽極保護控制器把從所述燃料電池電堆拉出的電流降低預定量，并且，基于降低后的電流去降低提供至所述陽極循環回路中的所述燃料的燃料流量，從而維持所述陽極循環回路中的水碳比高于預定的水碳比限度。