[发明专利]控制燃料电池系统中的燃料电池堆的热平衡的方法和装置

说明书

发明目的

本发明的目的是用于控制燃料电池系统中的燃料电池堆的热平衡的方法，所述燃料电池系统包括至少一个燃料电池单元和回热器单元（recuperator unit），所述燃料电池单元的燃料电池具有阳极侧和阴极侧以及插设在阳极侧和阴极侧之间的电解质，所述回热器单元用于预热所述阴极侧的供应流。本发明的另一目的是应用所述方法的燃料电池系统。

背景技术

本发明具体地涉及一种SOFC式燃料电池系统（固体氧化物燃料电池），其中通常采用的基本材料成分是镍。

当达到SOFC式燃料电池系统的热平衡时，其中一个主要问题是在它们的寿命期间在生热中发生的相当强烈的变化。在它们的服务时间的初期，生热是有限的。然而，当最终发生堆的降解时，电效率恶化因此导致生热增加，而电的生产倾向于减少。

另外，随着当前堆性能的发展，可以预期的是，堆的面积比电阻将减小。这意味着电效率将随着堆中生热的成本下降而提高。在高温燃料电池系统中，诸如SOFC，由于实际的机械和成本原因，在总热平衡方面始终存在对于环境的显著热损失。

已经面对现实，在堆的寿命的初期，当它们的电效率位于顶点并且生热最小时，包含在从堆离开的热空气流中的热能不必足够以充分加热进入堆的供应气流。也就是说，通常，供应气流由热交换器（所谓的回热器单元），其中二次流呈来自阴极侧的离开流的形式。

因此，从堆的阴极侧离开的气流未被充分加热。为充分供应空气加热而所需的热交换单元中的温差dT将必须设定为极小。这将要求不成比例的热交换面积，并且因此将意味着过大的热交换单元。

一旦堆的降解在它们的使用寿命期间进行并且生热增加，包含在离开空气中的热能就开始涵盖由供应空气预热提出的要求并且阴极侧上的供应温度更容易获得。

然而，由于堆的受损的电效率，供应到阴极侧的空气的量需要被提高，甚至达到相对于化学计算燃烧的四倍。这是为了即使当堆的使用寿命接近其尽头时也能维持恒功率发电。

这相应地具有一系列更多的缺点的不可避免的结果。首先，供应气流的增加增大了用于供应空气的内部能耗，因此降低了输出功率和效率。这对其来说进一步提高了由降解现象导致的压降。这继而意味着系统的电效率的相当大的下降。因为一般目的是保持系统的总功率尽可能恒定，因此由增加的燃料供应连同加强的供应气流一起补偿下降效率的结果是，借助堆的生热显著增加。另外，依照供应流量的增加，压力损失也上升。这进一步对系统的电效率造成消极影响。总而言之，随着堆的使用寿命的完全终止的拉近而面对不可避免的恶性循环。

另一方面，为了补偿热损失并且改变生热，然而，存在能被使用的少数现有技术的方法。一个方法是例如减小供应气流的流量，尤其是在燃料电池的使用寿命的初期。另一个可能性是使外部重整率增大。这些方法不幸地具有它们自己的限制。气流不能无限制地减小，这是因为堆由堆所允许的氧气利用率的相当严格的限制。另一方面在没有增加过程拓扑的复杂性的情况下，外部重整的主动控制难以实现。

另外，对该问题的现有技术的一个更多解决方案由US2008/002047 A1提供。其中一个主要目的也是促进至燃料电池的阴极侧的空气的预热。该系统大部分示意性地在图1中呈现。

至燃料电池单元100的阴极侧的供应空气12的加热基于利用由加力燃烧室101获得的热能。为此目的，设置有包括混合器2和4以及热交换器3的专用回热器单元。从阳极侧和阴极侧离开的流5、6首先在混合器2中混合。所引起的流7于是被利用以加热新鲜的冷的供应空气9。

至堆100的供应流12的最终温度调节直到该阶段之后才发生。为此目的，设置有空气旁路11。旁路空气与加热的空气10一起在混合器4中混合。至阴极侧的供应温度的调节通过调节与热空气11混合的冷空气10的量来进行。换言之，阴极侧的供应空气首先被加热超过设定目的温度，然后借助于冷空气被降低至设定值。

首先，这种解决方案意味着非常一般类型的问题，诸如增加的复杂性，不必要的热交换器单元以及对在已经狭促的布置中的管道的增加的需求。

然而，具体的缺点由以下事实导致，即，因为阴极侧上的供应空气的温度调节基于控制额外冷空气的量，因此气流的总质量流在相当显著的范围内变化。这使得非常难以控制进入阴极侧的总的供应气流。

还变得困难的是进行调节以有利于使系统适于降解现象。最后涉及过大热交换器和过多管道的上述问题再一次出现。另外，复杂系统和增加的管道导致压力损失的进一步增大以及通常整个系统的效率低的功能。