專利名稱：控制燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池堆的熱平衡的方法和裝置的制作方法
控制燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池堆的熱平衡的方法和裝置發(fā)明目的本發(fā)明的目的是用于控制燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池堆的熱平衡的方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括至少一個(gè)燃料電池單元和回?zé)崞鲉卧?recuperator unit),所述燃料電池單元的燃料電池具有陽極側(cè)和陰極側(cè)以及插設(shè)在陽極側(cè)和陰極側(cè)之間的電解質(zhì)，所述回?zé)崞鲉卧糜陬A(yù)熱所述陰極側(cè)的供應(yīng)流。本發(fā)明的另一目的是應(yīng)用所述方法的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明具體地涉及一種SOFC式燃料電池系統(tǒng)(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(dāng)達(dá)到SOFC式燃料電池系統(tǒng)的熱平衡時(shí)，其中一個(gè)主要問題是在它們的壽命期間在生熱中發(fā)生的相當(dāng)強(qiáng)烈的變化。在它們的服務(wù)時(shí)間的初期，生熱是有限的。然而，當(dāng)最終發(fā)生堆的降解時(shí)，電效率惡化因此導(dǎo)致生熱增加，而電的生產(chǎn)傾向于減少。另外，隨著當(dāng)前堆性能的發(fā)展，可以預(yù)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(tǒng)中，諸如S0FC，由于實(shí)際的機(jī)械和成本原因，在總熱平衡方面始終存在對(duì)于環(huán)境的顯著熱損失。已經(jīng)面對(duì)現(xiàn)實(shí)，在堆的壽命的初期，當(dāng)它們的電效率位于頂點(diǎn)并且生熱最小時(shí)，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(jìn)入堆的供應(yīng)氣流。也就是說，通常，供應(yīng)氣流由熱交換器(所謂的回?zé)崞鲉卧?，其中二次流呈來自陰極側(cè)的離開流的形式。因此，從堆的陰極側(cè)離開的氣流未被充分加熱。為充分供應(yīng)空氣加熱而所需的熱交換單元中的溫差dT將必須設(shè)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(jìn)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(yīng)空氣預(yù)熱提出的要求并且陰極側(cè)上的供應(yīng)溫度更容易獲得。然而，由于堆的受損的電效率，供應(yīng)到陰極側(cè)的空氣的量需要被提高，甚至達(dá)到相對(duì)于化學(xué)計(jì)算燃燒的四倍。這是為了即使當(dāng)堆的使用壽命接近其盡頭時(shí)也能維持恒功率發(fā)電。這相應(yīng)地具有一系列更多的缺點(diǎn)的不可避免的結(jié)果。首先，供應(yīng)氣流的增加增大了用于供應(yīng)空氣的內(nèi)部能耗，因此降低了輸出功率和效率。這對(duì)其來說進(jìn)一步提高了由降解現(xiàn)象導(dǎo)致的壓降。這繼而意味著系統(tǒng)的電效率的相當(dāng)大的下降。因?yàn)橐话隳康氖潜３窒到y(tǒng)的總功率盡可能恒定，因此由增加的燃料供應(yīng)連同加強(qiáng)的供應(yīng)氣流一起補(bǔ)償下降效率的結(jié)果是，借助堆的生熱顯著增加。另外，依照供應(yīng)流量的增加，壓力損失也上升。這進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)的電效率造成消極影響?？偠灾S著堆的使用壽命的完全終止的拉近而面對(duì)不可避免的惡性循環(huán)。另一方面，為了補(bǔ)償熱損失并且改變生熱，然而，存在能被使用的少數(shù)現(xiàn)有技術(shù)的方法。一個(gè)方法是例如減小供應(yīng)氣流的流量，尤其是在燃料電池的使用壽命的初期。另一個(gè)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?yàn)槎延啥阉试S的氧氣利用率的相當(dāng)嚴(yán)格的限制。另一方面在沒有增加過程拓?fù)涞膹?fù)雜性的情況下，外部重整的主動(dòng)控制難以實(shí)現(xiàn)。另外，對(duì)該問題的現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)更多解決方案由US2008/002047 Al提供。其中一個(gè)主要目的也是促進(jìn)至燃料電池的陰極側(cè)的空氣的預(yù)熱。該系統(tǒng)大部分示意性地在圖I中呈現(xiàn)。至燃料電池單元100的陰極側(cè)的供應(yīng)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(shè)置有包括混合器2和4以及熱交換器3的專用回?zé)崞鲉卧?。從陽極側(cè)和陰極側(cè)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(yīng)空氣9。至堆100的供應(yīng)流12的最終溫度調(diào)節(jié)直到該階段之后才發(fā)生。為此目的，設(shè)置有 空氣旁路11。旁路空氣與加熱的空氣10—起在混合器4中混合。至陰極側(cè)的供應(yīng)溫度的調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)與熱空氣11混合的冷空氣10的量來進(jìn)行。換言之，陰極側(cè)的供應(yīng)空氣首先被加熱超過設(shè)定目的溫度，然后借助于冷空氣被降低至設(shè)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(fù)雜性，不必要的熱交換器單元以及對(duì)在已經(jīng)狹促的布置中的管道的增加的需求。然而，具體的缺點(diǎn)由以下事實(shí)導(dǎo)致，S卩，因?yàn)殛帢O側(cè)上的供應(yīng)空氣的溫度調(diào)節(jié)基于控制額外冷空氣的量，因此氣流的總質(zhì)量流在相當(dāng)顯著的范圍內(nèi)變化。這使得非常難以控制進(jìn)入陰極側(cè)的總的供應(yīng)氣流。還變得困難的是進(jìn)行調(diào)節(jié)以有利于使系統(tǒng)適于降解現(xiàn)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(xiàn)。另外，復(fù)雜系統(tǒng)和增加的管道導(dǎo)致壓力損失的進(jìn)一步增大以及通常整個(gè)系統(tǒng)的效率低的功能。又另一缺點(diǎn)由以下事實(shí)顯現(xiàn)，S卩，萬一在回?zé)崞鲉卧巴耆珗?zhí)行后燃燒階段，首先濕度增加，并且其次，上升的溫度水平(通常在+1000° C以上)對(duì)材料提出高要求。也就是說，將使材料的費(fèi)用不合理。因此，當(dāng)堆降解時(shí)，S卩，它們的ASR增加導(dǎo)致產(chǎn)熱的顯著增加時(shí)，在系統(tǒng)的不同生命點(diǎn)需要靈活的熱平衡控制和補(bǔ)償方法。在燃料電池和燃料電池堆兩者內(nèi)以及包括相關(guān)的熱交換單元的燃料電池單元的附近內(nèi)的熱平衡需要被維持，而與內(nèi)部產(chǎn)熱的量無關(guān)。發(fā)明目的和解決方案本發(fā)明的目的在于提供一種解決方案，借助該解決方案，上述現(xiàn)有技術(shù)問題能減輕或完全消除。為了實(shí)現(xiàn)該目的，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于權(quán)利要求I的特征部分中所闡述的內(nèi)容。另一方面，實(shí)施本發(fā)明的方法的燃料電池系統(tǒng)的表征特征在權(quán)利要求8的特征部分中闡述。另外，本發(fā)明的數(shù)個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式存在于從屬權(quán)利要求中。本發(fā)明現(xiàn)在提供用于上述問題的可靠解決方案。根據(jù)本發(fā)明，離開陽極側(cè)的使用過的燃料流的期望部分從主流放泄，并且進(jìn)一步由陰極離開流(cathode exit flow)氧化，以產(chǎn)生額外的熱，供進(jìn)一步使用。換言之，本發(fā)明通常包括過程拓?fù)?，該過程拓?fù)湓试S尤其是在系統(tǒng)中的實(shí)際加力燃燒室之前部分燃燒廢燃料。當(dāng)來自堆排氣的貧化燃料的一小部分在陰極側(cè)離開流內(nèi)燃燒時(shí)，獲得溫度的大幅度增加。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)本發(fā)明，僅來自陽極側(cè)總離開流的一小部分與主流分離，并且，最主要的是，這在回?zé)崞鲉卧皥?zhí)行。一方面，從主流漏出的分離的子流能被直接引導(dǎo)回堆隔室。在該情況下，它在燃料電池外(即，燃料電池堆和堆隔室的外壁之間)被氧化。這也是通常漏出堆的所有燃料被氧化的地方。為此目的，能容易地設(shè)置或選擇合適的空間。因此能避免用于此目的的任何附加結(jié)構(gòu)。另一方面，在堆隔室本身外的陰極側(cè)離開流內(nèi)，能氧化分離的燃料。實(shí)際上，與主要的離開殘余燃料流分開的燃料部分被簡(jiǎn)單地引入陰極側(cè)離開管線，并且與其混合且氧化，由此在回?zé)崞鲉卧吧邷囟?。根?jù)本發(fā)明的前述實(shí)施方式，漏出的燃料進(jìn)一步被引入堆隔室中并且來自該燃燒的煙道氣與來自陰極側(cè)的離開流一起被引到回?zé)崞鲉卧⑶疫M(jìn)一步引出整個(gè)系統(tǒng)。該具體實(shí)施方式
還包括額外益處，該益處在于，通過燃燒使用過的燃料的一部分獲得的熱能現(xiàn)在以有效方式被引到堆。溫度升高還發(fā)生在出口燃料流中，從而補(bǔ)償通過堆隔室的結(jié)構(gòu)的損失在所述工藝流程內(nèi)的熱損失。另外，堆隔室內(nèi)的燃燒提供這樣的可能性，即，由于陰極側(cè) 上的離開流的大大升高的離開溫度，因此促進(jìn)了陰極側(cè)上供應(yīng)流的預(yù)熱。后一實(shí)施方式提供了最簡(jiǎn)單的機(jī)會(huì)，以在改型的情況下改善燃料電池系統(tǒng)的熱平衡。僅僅需要一個(gè)使陽極側(cè)離開管線和陰極側(cè)離開管線與合適的控制裝置接合在一起的單個(gè)管線。另外，因?yàn)檠趸l(fā)生在堆隔室外，并且燃料被連續(xù)從整個(gè)系統(tǒng)逐出，因此消除了在例如啟動(dòng)期間在自然溫度水平左右可能的燃料自燃相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。甚至盡管以下事實(shí)，S卩，這種組件最終導(dǎo)致從陰極側(cè)離開的流中的含水量的進(jìn)一步增加，也已選擇了根據(jù)本發(fā)明的令人驚訝的解決方案。這對(duì)涉及材料的要求，尤其是當(dāng)它達(dá)到回?zé)崞鲉卧獣r(shí)，具有另一消極影響。然而，已發(fā)現(xiàn)的是，盡管材料有關(guān)的問題的風(fēng)險(xiǎn)增大，本發(fā)明仍提供更好的用于控制整個(gè)系統(tǒng)的總熱平衡的裝置，并且由此提供在其整個(gè)使用壽命期間更好的可用性。本發(fā)明所提供的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提供了一種用于由于由燃料電池的降解引起的增加的生熱而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的總熱平衡的有效裝置。由本發(fā)明獲得的主要益處尤其基于下列事實(shí)。本發(fā)明的基本概念是，因?yàn)樵谑褂脡勖跗谄陂g，尤其從廢燃料取得附加的生熱，因此這不會(huì)影響系統(tǒng)的電效率。并且進(jìn)一步，因?yàn)槿剂喜皇菑亩讶肟谌〉玫?，因此不?huì)對(duì)新燃料的利用具有任何影響，并且因?yàn)殛枠O再循環(huán)成分不會(huì)改變，因此再循環(huán)也不受影響。僅在過程中看見變化的地方是加力燃燒室，該加力燃燒室現(xiàn)在接收較少燃料，并因此在該位置產(chǎn)生較少熱。值得注意的也是以下事實(shí)，S卩，從離開陽極側(cè)的主燃料殘余流分開的燃料的量現(xiàn)在以最主動(dòng)的方式被調(diào)節(jié)和控制。通過非常直接的方式能徑向調(diào)節(jié)性能本身。該量的燃料與離開陽極側(cè)的主燃料流分離使得，溫度(尤其是離開回?zé)崞鲉卧年帢O側(cè)供應(yīng)氣流的溫度)維持在期望的水平，并且以可靠的方式穩(wěn)定熱平衡。由燃料電池的降解造成的生熱的增加因此能通過減小回流到根據(jù)本發(fā)明的堆的漏出殘余燃料流來有效地補(bǔ)償。關(guān)于本發(fā)明的其中一個(gè)基本益處在于，現(xiàn)在可以在堆的整個(gè)使用壽命期間使用基本恒定的空氣質(zhì)量流。通常，當(dāng)與化學(xué)計(jì)算燃燒相比時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)燃料電池的供應(yīng)空氣的質(zhì)量流占大約=4。這意味著包含在進(jìn)入燃料電池的供應(yīng)空氣中的氧氣的總量的大約四分之一實(shí)際上用于燃料電池反應(yīng)而殘余氧氣(也就是說空氣)被引出系統(tǒng)。陰極側(cè)的供應(yīng)流現(xiàn)在能被保持甚至完全恒定，而降解度被完全忽略。然而，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)本發(fā)明的解決方案不必要求恒定供應(yīng)流。本發(fā)明簡(jiǎn)單地提供優(yōu)良的額外的自由度以控制整個(gè)系統(tǒng)，而與降解度和其結(jié)果無關(guān)。由于基本穩(wěn)定的氣流，現(xiàn)在更加容易使回?zé)崞髋c其初始尺寸一致。不再需要不合需要的過大尺寸。也避免了在熱交換面積和流管道方面如上所述的其它尺寸問題。獲得的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，避免了在加力燃燒室之后的額外的熱交換單元。并且進(jìn)一步，通過以下事實(shí)能發(fā)現(xiàn)清楚的益處，即，在另外被需要的情況下能免除用于溫度控制的單獨(dú)的空氣旁路。當(dāng)達(dá)到上述US2008/002047A1的益處時(shí)，由本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的特殊優(yōu)點(diǎn)是對(duì)回?zé)崞鲉卧臏囟群蜐穸认嚓P(guān)的應(yīng)力的絕對(duì)減小。由于當(dāng)與現(xiàn)有技術(shù)方案比較時(shí)，流過的氣體的受·限的溫度和降低的含水量，顯現(xiàn)與回?zé)崞鲉卧臉?gòu)造和維護(hù)兩者相關(guān)的成本的顯著的節(jié)約潛能。由本發(fā)明產(chǎn)生的更多優(yōu)點(diǎn)和下列有利實(shí)施方式一起變得明顯。


現(xiàn)在參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖中圖I示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的裝置的高度示意圖，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的有利實(shí)施方式的裝置的高度示意圖，其中來自陽極側(cè)的廢氣中的一部分被引入燃料電池隔室并且在其中被氧化，圖2a示出了圖2的區(qū)域A的局部放大圖，其是根據(jù)本發(fā)明的另一裝置的高度示意圖，其中來自陽極側(cè)的廢氣的一部分直接在燃料電池隔室內(nèi)被漏出，以及圖3示出了包括用于放泄的機(jī)構(gòu)的殘余燃料管線堆隔室的一部分的局部放大圖。
具體實(shí)施例方式圖2示出了高度示意圖中的燃料電池系統(tǒng)I。包括在燃料電池系統(tǒng)I中的燃料電池單元5包括一個(gè)或更多個(gè)燃料電池堆6，所述燃料電池堆包括連續(xù)串聯(lián)的燃料電池2，所述燃料電池2具有陽極側(cè)7、陰極側(cè)8和設(shè)置在它們之間的電解質(zhì)9 ;以及設(shè)置在單獨(dú)的燃料電池之間的連接板(所謂的互連件)。為了清楚起見，圖I僅示出了燃料電池單元5中的呈單個(gè)燃料電池2形式的一個(gè)燃料電池堆6。燃料電池堆的數(shù)量當(dāng)然不會(huì)由任何形式限于某一值。能使用許多個(gè)乃至單個(gè)單元。在該應(yīng)用中，陽極側(cè)7通常是指包括在燃料電池單元5的燃料電池2中的陽極電極，并且從燃料的觀點(diǎn)，是指用于將燃料電池單元5范圍內(nèi)的燃料傳導(dǎo)到實(shí)際的單獨(dú)的燃料電池的陽極的部件并且是指用于遠(yuǎn)離陽極進(jìn)一步傳導(dǎo)氣體的部件。相應(yīng)地，陰極側(cè)8是指陰極，以及是指用于將空氣傳導(dǎo)到在燃料電池單元5的范圍內(nèi)的陰極并且將空氣從陰極導(dǎo)出的部件。另外，為了供給燃料氣體，陽極側(cè)7設(shè)置有供應(yīng)裝置，這里單獨(dú)地由供應(yīng)管線10表示。圖2中，燃料通過管線IOa進(jìn)入系統(tǒng)I并且這里首先進(jìn)入脫硫器3。管線12中的可能的再循環(huán)燃料以及來自管線IOb的流一起，所建立的流進(jìn)入下一個(gè)預(yù)重整器4或類似的可能的燃料預(yù)處理裝置。同樣設(shè)置有用于排放燃料電池單元的從陽極側(cè)7輸出的消耗的燃料氣體的裝置。這里，這些裝置僅由排放管線11表示。當(dāng)然，可以存在多個(gè)這種管線10、11。于是離開流11經(jīng)由熱交換器裝置30被引導(dǎo)以加熱管線10中的進(jìn)入供應(yīng)燃料。燃料的一部分通過管線12再循環(huán)，而其余的燃料被引到加力燃燒室31。其熱量尤其用于在單元21中產(chǎn)生流，該流被引入管線IOb以用于預(yù)重整器4。在陰極側(cè)上通過管線14供應(yīng)空氣，空氣然后被分開以輸送到燃料電池堆6并且進(jìn)一步輸送到單獨(dú)的燃料電池2。因此，由此構(gòu)成離開流15的來自燃料電池2的空氣進(jìn)一步離開燃料堆隔室5c并且此后被引導(dǎo)以經(jīng)由回?zé)崞鲉卧?9流動(dòng)從而加熱供應(yīng)空氣流14。為了清楚起見，而且這里所有的管道僅由單個(gè)管線呈現(xiàn)。為此目的，引導(dǎo)來自堆的離開流并且布置合適的管道的各種可能性由堆6和堆隔室的外壁或外·殼5c之間的虛線段15a示出。另外，本發(fā)明的有利實(shí)施方式呈現(xiàn)在圖2中。根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在設(shè)置有來自燃料排·出管線的放泄，即，特殊使用的燃料。在該實(shí)施方式中，放泄本身不能在堆隔室5c內(nèi)直接完成。相反的，這在陽極側(cè)7的供應(yīng)管線10和排放管線11之間的熱交換之后發(fā)生。這因此是燃料排出管線中的后點(diǎn)。在本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施方式中，燃料的本身有利的可改變的期望部分被分離并且所分離的燃料流50改道回到燃料電池隔室5c內(nèi)的周圍5b。該部分尤其取決于堆條件和負(fù)荷率。例如，由機(jī)構(gòu)52測(cè)量的溫度值也能用于確定待和離開流11分離的殘余燃料的量。一旦燃料流已進(jìn)入燃料電池隔室的熱容積5b，它就立刻被氧化。另外，因?yàn)榕c燃料排出管線11分開的燃料流的部分的分離現(xiàn)在以相當(dāng)?shù)蜏厮?例如在+100 -+400° C之間的范圍內(nèi))發(fā)生，因此使標(biāo)準(zhǔn)型閥或相似的調(diào)節(jié)元件51的有成本效益的使用變得可能。這意味著為了熱平衡調(diào)節(jié)的目的放泄的容易可執(zhí)行的、可靠的且精確可控的控制，并且因此使其成為本發(fā)明的有極大成本效益的實(shí)施方式。應(yīng)該注意，用于單元29的術(shù)語“回?zé)崞鳌蹦芡ǔＳ蔁峤粨Q器替代。因此涵蓋適于由陰極側(cè)供應(yīng)流參與的熱交換的任何熱交換設(shè)備。另一方面，用于預(yù)熱的所利用的熱能也源于除只陰極側(cè)8的離開流15以外的其它源。總之，回?zé)岢绦蜻@里覆蓋堆隔室5c外的熱交換行為以用于基本預(yù)熱陰極側(cè)8的供應(yīng)流14的至少一部分。然而，在回?zé)崞鲉卧?9之前和/或之后的一些其它較小的措施是可能的。本發(fā)明還涵蓋必要的行動(dòng)以便確保從根據(jù)本發(fā)明的陽極側(cè)放泄的燃料的正確流向。換言之，放泄優(yōu)選地布置成使得圍繞放泄點(diǎn)的陽極側(cè)和陰極側(cè)之間的壓差是正的。也就是說，陽極側(cè)上的較高壓力確保燃料流向陰極側(cè)上的低壓水平。壓差優(yōu)選地在5mbar以上,最優(yōu)選地在10mbar-50mbar的范圍內(nèi)。然而,這些值不具有限制意義。高得多的值也完全可接受并且基本上任何正壓差都適用于此目的。壓差的管理能布置在放泄點(diǎn)的恰好周圍或以更大的規(guī)模布置在燃料電池系統(tǒng)的各種單元、隔室和/或流動(dòng)回路內(nèi)。流向也能由合適的機(jī)構(gòu)(諸如閥或閘門)確保，以防止沿相反方向出現(xiàn)任何流動(dòng)。燃料流動(dòng)的預(yù)定程度也能借助合適的機(jī)構(gòu)來加強(qiáng)以形成或促進(jìn)強(qiáng)制流動(dòng)，所述機(jī)構(gòu)像合適類型的進(jìn)給器或鼓風(fēng)機(jī)。本發(fā)明的幾個(gè)其他實(shí)施方式由本發(fā)明提供的裝置決不限于直接在上描述的實(shí)施方式，其唯一的目的僅是以簡(jiǎn)化的方式和構(gòu)造說明本發(fā)明的主要原理。也存在實(shí)施本發(fā)明的幾個(gè)其他可能裝置。另一個(gè)有利實(shí)施方式包括明顯地發(fā)生在堆隔室5c外的滲出燃料的氧化。燃料流從陽極側(cè)離開流11分開，并且代替使燃料流與陰極側(cè)離開流在堆隔室內(nèi)混合，混合具體地發(fā)生在堆隔室外陰極側(cè)離開管線15內(nèi)，在回?zé)崞?9之前?；旌蟽?yōu)選地適于這樣進(jìn)行時(shí)的來自燃料氧化的任何火焰的形成不會(huì)發(fā)生在回?zé)崞?9內(nèi)。也就是說，氧化反應(yīng)基本上發(fā)生在回?zé)崞髦皶r(shí)的其中產(chǎn)生的熱或多或少分散到整個(gè)流15。燃燒本身能由陰極側(cè)離開流的管線15內(nèi)用于燃燒、防熱和火焰控制的合適機(jī)構(gòu)來完成。也可以執(zhí)行從堆隔室5b內(nèi)部的容積5c內(nèi)的堆燃料出口管道11直接放泄燃料，如由管線50b所示的。這能例如借助鉆進(jìn)管道的適當(dāng)尺寸的孔來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。所需的熱平衡調(diào)節(jié)能由氣流注意，并且當(dāng)氣流的調(diào)節(jié)窗變得太窄時(shí)在服務(wù)中斷期間能減少孔132的數(shù)量。這里應(yīng)注意的是，在堆隔室5c內(nèi)建立陰極側(cè)離開流15的方式?jīng)Q不由本發(fā)明限制。 可以使離開氣流離開燃料電池2并且然后將其從隔室5c經(jīng)由一個(gè)單離開管線15或經(jīng)由如圖管線15c所示于是連接在一起的數(shù)個(gè)管線引出。離開空氣也能以更受控方式經(jīng)由合適的管15b被引導(dǎo)，該管15b布置到燃料電池堆，這些管能在堆隔室5c內(nèi)或隔室外被接合在一起。如何布置陰極側(cè)離開流15、15b、15c的路線的自由度基本上很多，這取決于用于將放泄燃料混合到離開氣流15的機(jī)構(gòu)。具體地，注意本發(fā)明的上述實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)，其包括借助來自燃料電池的離開空氣的堆的或多或少包括一切的纏繞。也就是說，離開空氣被允許自由地流動(dòng)以在通過為此目的設(shè)置的排出口離開之前纏繞整個(gè)堆隔室空間5b。換言之，一旦燃料已從陽極側(cè)7被放泄，不論這發(fā)生在堆隔室5c外還是內(nèi)，借助在隔室5c的空間5b內(nèi)圍繞堆5附近從陰極側(cè)8離開的氣流確保燃料的有效且保證的氧化和纏繞。并且進(jìn)一步，這具體地發(fā)生在從隔室5c離開之前。排除了沒有氧化的燃料的任何積聚。上述本發(fā)明的后一實(shí)施方式又包括另一優(yōu)點(diǎn)。也就是說，一旦放泄的燃料與陰極側(cè)的離開空氣具體地在堆隔室外，例如在回?zé)崞鲉卧?9之前的管線15內(nèi)混合，就獲得以下優(yōu)點(diǎn)，這里對(duì)堆隔室中的纏繞的需要不存在。通常發(fā)生在燃料電池本身中的不可避免的燃料泄漏現(xiàn)象當(dāng)然需要被管理。然而，因?yàn)闇囟人酵ǔ０踩卦谧匀稽c(diǎn)以上，因此該燃料的纏繞需要由陰極側(cè)離開空氣的瞬間氧化來減小。在燃料最終與例如除離開流管線15以外的離開空氣混合的同時(shí)，離開流15本身通常確保足夠的纏繞效果。設(shè)置燃料的放泄的另一個(gè)可能另選方案基本上與本發(fā)明的前面說明的實(shí)施方式相同。然而，在該情況下，放泄50b能以更連續(xù)的方式可控。這能借助連接到隔室5c內(nèi)的燃料輸出管線11的熱“閥”元件51 (未示出)進(jìn)行。該實(shí)施方式允許熱平衡的直接且主動(dòng)的可控性，而不需要在堆的壽命期間修改固定放泄孔。總的說來，放泄燃料的量的控制能由任何合適的已知方法來實(shí)施，這些方法可應(yīng)用于調(diào)節(jié)來自主流的分離流的質(zhì)量流。幾個(gè)這種方法在圖3中呈現(xiàn)。存在筒形控制機(jī)構(gòu)130，該控制機(jī)構(gòu)根據(jù)需要關(guān)閉/打開離開開口或調(diào)節(jié)這些開口的打開部131的大小，開口131基本上以氣密或壓力密閉方式繞管線134 (與11對(duì)應(yīng))布置。另一方面，開口中的一個(gè)或更多個(gè)如需要能布置成被密封133。也能使用各種閥式裝置。
另一較小可能性進(jìn)一步通過在熱交換器30之前至少部分地在堆隔室5c外執(zhí)行放泄因此降低用于放泄的裝置的周圍的溫度水平來顯現(xiàn)。該實(shí)施方式由圖2和圖2a中的路線50c描繪。而且這里備用設(shè)置用于陽極側(cè)和陰極側(cè)之間的有效壓差和/或正確流向。確保燃料的合適供給以及安全的流控制所需的機(jī)構(gòu)未被示出。根據(jù)本發(fā)明的又另一實(shí)施方式的一個(gè)更大可能性在于，根據(jù)圖2中的管線50在熱交換器30之后使燃料放泄。然而，代替將燃料供給回到堆隔室，燃料能通過管線50d被直接引導(dǎo)到離開流管線15并且在其中混合。在該情況下，再一次避免了堆隔室內(nèi)的任何測(cè)量。實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的最簡(jiǎn)單且低成本實(shí)施。上面的所有這些實(shí)施方式也能彼此結(jié)合?，F(xiàn)在回頭看前面提出的第一實(shí)施方式和其更多優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)該注意的是，通過燃燒分離的燃料殘余獲得的熱能的熱傳遞能布置成直接在燃料電池堆隔室中的類型。同時(shí)能降低隔室內(nèi)的各種溫差。由于堆的有效升溫，根據(jù)本發(fā)明的裝置使得也有可能執(zhí)行系統(tǒng)的加強(qiáng)的最后加熱 直到正常操作溫度。一旦根據(jù)自燃已經(jīng)達(dá)到可接受的溫度水平，典型地在+500 -+600° C之間的范圍內(nèi)，并且此后已經(jīng)開始至燃料電池的燃料供應(yīng)，根據(jù)本發(fā)明的殘余燃料流的放泄也能開始。通過借助于根據(jù)本發(fā)明的燃料殘余燃燒加強(qiáng)燃料電池堆的加熱，可以獲得最后加熱階段的加熱時(shí)間的大幅縮短。甚至達(dá)到40%的時(shí)間節(jié)省是可能的。另外，根據(jù)本發(fā)明的又另一優(yōu)選實(shí)施方式，甚至可以想到通過利用也在自燃溫度之下的上述燃料殘余燃燒助推啟動(dòng)。燃燒能在堆隔室內(nèi)或外執(zhí)行，這取決于使用什么裝置。當(dāng)在自燃溫度下操作時(shí)，然而最可取的是使用用于保證火焰以防止火焰熄滅的合適裝置。一旦已經(jīng)形成了火焰，來自燃燒的熱通常防止熄火。又另一益處也通過從啟動(dòng)一開始利用燃料而發(fā)生，可能性出現(xiàn)以避免對(duì)用于加熱流和部件(諸如電加熱器)的其它裝置的需要。根據(jù)本發(fā)明的裝置也在生產(chǎn)能力利用系數(shù)和操作時(shí)間的度兩者方面最靈活。裝置能例如正當(dāng)絕對(duì)必要時(shí)使用，諸如在系統(tǒng)的使用壽命的初期，當(dāng)生熱否則不夠時(shí)使用。另一方面，裝置能用在使用壽命的最后階段以用于縮短加熱時(shí)間。由本發(fā)明獲得的另一基本益處是以下事實(shí)，S卩，通過利用這種裝置，回?zé)崞鞯某叽缒鼙伙@著減小。當(dāng)來自燃料電池單元的熱流在開始不太顯著時(shí)，不足能通過提高堆隔室內(nèi)的殘余燃料的二次燃燒來補(bǔ)償。這樣能容易地表面回?zé)崞鞯倪^大尺寸。后來當(dāng)降解導(dǎo)致增加的生熱時(shí)，燃燒能停止，這是因?yàn)榛責(zé)崞髯兊媚軌蛞猿浞址绞郊訜峁?yīng)空氣。
權(quán)利要求
1.一種用于控制燃料電池系統(tǒng)(I)中的燃料電池堆(6)的熱平衡的方法，所述燃料電池系統(tǒng)(I)具有至少一個(gè)包括燃料電池堆(6)的燃料電池單元(5)，所述燃料電池堆的燃料電池(2)包括陽極側(cè)(7)和陰極側(cè)(8)以及插設(shè)在所述陽極側(cè)和所述陰極側(cè)之間的電解質(zhì)(9)， 所述方法的特征在于，從所述陽極側(cè)(7)的燃料排出流(11)分離出期望部分并且該部分被供應(yīng)到圍繞所述燃料電池單元(5)的燃料堆隔室(5b)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，與所述陽極側(cè)(7)的所述燃料排出流(11)分離的所述部分適于在回?zé)崞鲉卧?29)之前與所述陰極側(cè)(8)離開流(15)混合，所述回?zé)崞鲉卧?29 )被設(shè)置成用于預(yù)熱所述陰極側(cè)(8 )的供應(yīng)流(14 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述部分在0-50%之間，優(yōu)選地在O-15%之間，最適當(dāng)?shù)卦?-12%之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述部分與所述燃料排出流(11)的分離在熱交換之后實(shí)現(xiàn)，所述熱交換被安排在所述燃料排出流(11)和進(jìn)入所述燃料電池(2)的所述陽極側(cè)(7)的燃料供應(yīng)流(10)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述部分的至少一部分從已經(jīng)在圍繞所述燃料電池(2)的所述堆隔室(5b)內(nèi)的所述堆燃料輸出流(11)放泄。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述放泄借助設(shè)置到所述燃料排出流(11)的管道的合適機(jī)構(gòu)在所述堆隔室(5b)中實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至5中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，對(duì)所述放泄的控制通過利用所述陽極側(cè)(7)上的主動(dòng)壓力控制來實(shí)現(xiàn)。
8.—種控制燃料電池系統(tǒng)(I)中的燃料電池堆(6)的熱平衡的裝置，所述燃料電池系統(tǒng)(I)具有至少一個(gè)包括燃料電池堆(6)的燃料電池單元(5)，所述燃料電池堆的燃料電池(2 )包括陽極側(cè)(7 )和陰極側(cè)(8 )以及插設(shè)在所述陽極側(cè)和陰極側(cè)之間的電解質(zhì)(9 )，所述裝置的特征在于，已經(jīng)適于從所述陰極側(cè)(7)的燃料排出流(11)分離出期望部分并且該部分適于被供應(yīng)到圍繞所述燃料電池(2)的燃料堆隔室(5b)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，與所述陽極側(cè)(7)的所述燃料排出流(11)分離的所述部分已經(jīng)適于在進(jìn)入回?zé)崞鲉卧?29)之前與所述陰極側(cè)(8)離開流(15)混合，所述回?zé)崞鲉卧?29)被設(shè)置成用于預(yù)熱所述陰極側(cè)(8)的供應(yīng)流(14)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的裝置，其特征在于，所述部分在0-50%之間，優(yōu)選地在O-15%之間，最適當(dāng)?shù)卦?-12%之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10中的任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述部分與所述燃料排出流(11)的分離已適于在熱交換之后實(shí)現(xiàn)，所述熱交換被安排在所述燃料排出流(11)和進(jìn)入所述燃料電池(2)的所述陽極側(cè)(7)的燃料供應(yīng)流(10)之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11中的任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述部分的至少一部分適于從已經(jīng)在圍繞所述燃料電池(2)的所述堆隔室(5b)內(nèi)的所述堆燃料輸出流(11)放泄。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述放泄借助設(shè)置到所述燃料排出流(11)的管道的合適機(jī)構(gòu)在所述堆隔室(5b)中實(shí)現(xiàn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8至12中的任一項(xiàng)所述的布置，其特征在于，對(duì)所述放泄的控制已經(jīng)通過利用所述陽極側(cè)(7)上的主動(dòng)壓力控制來實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制燃料電池系統(tǒng)(1)中的燃料電池堆(6)的熱平衡的方法，所述燃料電池系統(tǒng)(1)具有至少一個(gè)包括所述燃料電池堆(6)的燃料電池單元(5)，所述燃料電池堆的燃料電池(2)包括陽極側(cè)(7)和陰極側(cè)(8)以及插設(shè)在它們之間的電解質(zhì)(9)；和用于熱交換的回?zé)崞鲉卧?29)，其用于預(yù)熱所述陽極側(cè)(8)的供應(yīng)流(14)。在所述方法中，從來自所述陽極側(cè)(7)的燃料排出流分離出期望部分，并且該部分適于在所述回?zé)崞鲉卧?29)之前與所述陰極側(cè)(8)離開流(15)混合。本發(fā)明還涉及實(shí)施所述方法的燃料電池系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01M8/12GK102918696SQ201180027329
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者金·阿斯特羅姆, 特羅·霍蒂寧 申請(qǐng)人:瓦錫蘭芬蘭有限公司