燃料电池系统操作状态的过渡构造和处理的制作方法

世界的大多数能量借助于石油、煤炭、天然气或核能来产生。所有这些产生方法就例如可用性和环境友好而言具有它们的具体问题。就环境而言，特别是石油和煤炭在燃烧时引起污染。关于核能的问题至少为用后燃料的存储。特别由于环境问题，已经开发更环境友好且例如比上面提及的能源效率更佳的的新能源。

燃料电池是具有发展前景的能量转换装置，例如生物气这样的燃料的能量通过燃料电池在环境友好的处理中经由化学反应直接转换成电能。

背景技术：

如图1中所呈现的燃料电池包括阳极侧100和阴极侧102以及它们之间的电解质材料104。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧106被输送到阴极侧102并且通过从阴极接收电子被还原成负氧离子。负氧离子穿过电解质材料104到达阳极侧100，在阳极侧100，负氧离子与燃料108反应，产生水以及通常二氧化碳(CO2)。在阳极100与阴极102之间的是包括针对燃料电池的负载110在内的外部电路111。

在图2中，呈现了作为高温燃料电池装置的示例的SOFC装置。SOFC装置可以将例如天然气、生物气、甲醇或包含碳氢化合物或纯氢的其他化合物用作燃料。图2中的SOFC装置可以包括堆形式(SOFC堆)的超过一个(通常为多个)燃料电池103。各燃料电池包括如图1中呈现的阳极100和阴极102结构。用后燃料的一部分可以在反馈构造109中穿过各阳极再循环。图2中的SOFC装置还包括燃料热交换器105和重组器107。通常使用若干热交换器来控制在燃料电池处理中的不同位置处的热条状况。重组器107为将燃料(诸如例如，天然气)转换成适于燃料电池的成分的装置，成分例如包含氢和甲烷、二氧化碳、一氧化碳以及惰性气体。但无论如何，在各SOFC装置中，不必须具有重组器。

通过使用测量装置115(诸如燃料流量计、电流计以及温度计)，对于SOFC装置的操作进行必要的测量。在阳极100处使用了的气体的一部分可以在反馈构造109中通过阳极来再循环，并且另一部分气体从阳极100排出114。

固体氧化物燃料电池(SOFC)装置为通过氧化燃料来直接产生电力的电化学转换装置。SOFC装置的优点包括高效率、长期稳定性、低排放以及低成本。主要缺点是高操作温度，其导致长的启动和关闭时间，并且导致机械和化学这两者的相容性问题。

天然气(诸如甲烷)和包含较高碳化合物的气体通常在SOFC中用作燃料，然而，这些气体必须在输送到燃料电池之前进行预处理，以防止焦化(即，形成有害碳化合物(诸如例如，焦炭、飞尘、焦油、碳酸盐和碳化物化合物))。这些不同形式的碳在该上下文中作为一般术语可以被称为有害碳化合物。碳氢化合物在形成有害碳化合物时经受热或催化分解。所产生的化合物会粘附到燃料电池装置表面并吸附在诸如镍颗粒)这样的催化剂上。在焦化时产生的有害碳化合物覆盖燃料电池装置的有效表面的一些，由此显著劣化燃料电池处理的反应性。有害碳化合物甚至可能完全阻塞燃料通道。

防止有害碳化合物的形成因此对于确保燃料电池的长使用寿命是重要的。防止有害碳化合物的形成还节省作为在燃料电池中作为用于加速化学反应的物质(镍、铂等)的催化剂。气体预处理需要水，该水被供给给燃料电池装置。通过复合氧离子和燃料(即，阳极100侧上的气体)产生的水也可以在气体的预处理中使用。

固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极通常包含大量镍，如果气氛不是还原性的则易形成氧化镍。如果氧化镍形成严重，则电极材料的形态会不可逆地变化，这引起电化学活性的重大损耗甚至引起电池的崩溃。因此，为了防止燃料电池的阳极氧化，SOFC系统在启动和关闭期间要求保护气氛，诸如包含还原剂的气体。在实际系统中，由于成本和存储空间的原因，必须使净化气体的量最小化。净化气体不必为元素的，它们还可以为化合物气体。

燃料电池系统中的SR(蒸汽重组)处理传统上产生二氧化碳CO2和氢气H2以及过量的蒸汽。对燃料电池系统启动或关闭操作的要求包括产生足够的蒸汽和氢气，并且SR处理可以在外部水源或水容器以及相关净化系统、蒸发器、供水设备以及产生启动蒸汽所需的其他设备可用时使用。用于启动蒸汽产生的所需外围设备由于增加的复杂度而增加系统成本并降低可靠性。在较大的系统中，通常将阳极排出物的一部分再循环回重组器入口以回收燃料电池反应中产生的蒸汽的方法用于蒸汽重组处理，由此降低或消除对连续外部给水的需要。然而，当未向燃料电池施加负载时，诸如在启动、关闭或空闲期间，燃料电池处的蒸汽形成不发生。

燃料电池系统中的CPOx(催化部分氧化)处理传统上产生一氧化碳CO和氢气H2。对燃料电池系统启动或关闭操作的要求包括产生足够的蒸汽和氢气，其中，较大量的CO产生是有害的。针对较完全的氧化使用较高空气即氧气量产生过多热量，这使得在启动情形下温升过多，或在关闭状况下冷却处理过慢。

燃料电池系统中的OSR(氧-蒸汽重组)处理为CPOx和SR(蒸汽重组)这两者的组合，其中，向重组器供给空气和蒸汽这两者并且传统上产生二氧化碳CO2和氢气H2以及过量蒸汽。对燃料电池系统启动或关闭操作的要求包括产生足够的蒸汽和氢气，并且在外部水源或水容器以及相关净化系统、蒸发器、供水设备以及产生启动蒸汽所需的其他设备可用于SR并且空气或自由氧的其他源的供给可用于CPOx时，OSR处理可以被使用。用于启动蒸汽产生的所需外围设备由于增加的复杂度而增加了系统成本并降低了可靠性。

CPOx(催化部分氧化)传统上产生一氧化碳CO和氢气H2。该气体混合物用于各种化学工业目的，并且CPOx的操作温度在700℃以上。传统产物气体由于系统加热时的结焦/操作温度而不适于燃料电池。对启动或关闭气体的要求包括产生足够的蒸汽和氢气，而更大量的CO产生是有害的。针对较完全氧化而使用较高空气即氧气量产生过多热量，这使得对于正常SOFC操作状况、热管理、热应力以及材料选择而言，温度过度上升。一种在没有温度过度上升的情况下增大氧化量的方法是在多个阶段中执行部分氧化，其中在输送另外氧气之前进行中间冷却。这种构造增加来系统的成本和复杂度。

可期望设计系统和相关系统状态过渡过程，其使得与系统启动和关闭有关的部件的量和复杂度开销最小化，消除了对辅助给水以及特殊启动/关闭气体的供给以及具有服务启动和关闭的主要功能的其他设备的需要。

接着简短讨论与该技术领域有关的一些现有技术文献。在专利申请文献US2011159386A1中，提出了用于启动燃料电池系统的处理，其具有燃料电池、重组器以及辅助燃烧器，该燃料电池具有阴极侧和阳极侧。燃料电池空气用辅助燃烧器预热并输送给燃料电池的阴极侧。残留气体从燃料电池的阳极侧到重组器并从重组器到阳极侧循环。在该公报中，重组器由燃料的过化学计量燃烧(燃烧器操作阶段)加热，借此，重组器出口气体从阳极分流。这需要昂贵的在高温下(～900℃)的导流装置。在燃烧器操作阶段期间，阳极循环不生效。此外，该文献教导在阳极低于250℃时临时开始重组器操作，这引起形成有害羰基镍化合物的风险。US2011159386未提出空气燃料比超过0.55且重组反应的温度管理由再循环负责的操作模式。因此，US2011159386的实施方式未提出在以最小量的系统复杂度限制重组器中的温升的同时在所有情况下向燃料电池提供安全操作条件的解决方案。

在专利申请文献US2006093879A1中，提出了一种用于启动具有阳极排出物再循环回路的燃料电池系统的过程。燃料电池系统与它的主负载断开，并且在它的阴极侧和阳极侧这两者中具有空气。来自阳极侧流再循环的大部分气体被排出，并且仅少量有限氢气流被提供到阳极侧再循环中。燃料和空气混合物中的氢气和氧气随着它们在阳极侧中再循环而催化地反应，直到大致上没有氧气留在再循环回路中为止；然后将到阳极侧流中的燃料流动速率提高到正常操作等级，其后跨电池连接主负载。因此US2006093879A1中提出的实施方式是用于燃料电池系统的重组阶段，并且该文献中的要点为从阳极侧去除氧气。必须向阳极侧输送氢气和水蒸气，而不是产生它们。

在专利申请US2002102443A1中，提出了一种用于关闭具有阳极排出物再循环回路的燃料电池系统的过程。在US2002102443的实施方式中，电阻性负载与燃料电池并联连接，以限制电压并且反应残留氢气。该方案在SOFC中将由于燃料不足而引起不可逆的阳极氧化。阳极侧流排出物的一部分在操作期间在再循环回路中通过阳极侧再循环。该燃料电池系统通过以下方式来关闭：将主负载从外部电路断开，其后停止包含燃料的新鲜氢气到阳极侧流中的流动，并且通过在阳极再循环回路内再循环这种气体与催化剂接触来催化地反应阳极侧再循环中的氢气，直到大致上去除全部氢气为止。由此，文献US2002102443A1提出了一种与文献US2006093879A1中所提出的方法类似但反向的方法。

在专利申请文献WO2013/117810中，提出了一种利用针对高温燃料电池系统的再循环的构造。在WO2013/117810的实施方式中，在再循环流中执行催化部分氧化，以通过排出来自阳极出口流的整个流的30％或更少来产生具有用于燃料电池系统启动或关闭状况中的再循环流的显著少量一氧化碳的部分被氧化的启动气体。WO2013/117810的实施方式限于催化部分氧化操作，并且遭受对操作条件的相当严格的要求。所产生的惰性气体由于高剌么达lamda值而包含潜在不足量的氢气。同样，由于高剌么达值，重组器的热量控制需要主动冷却和/或非常高的再循环速率。WO2013/117810未提出在没有阳极氧化风险的情况下可以实现与启动和关闭时的羰基形成有关的安全操作的过程。

技术实现要素：

本发明的目的是实现一种燃料电池系统，在该燃料电池系统中，由提供实用宽操作条件的先进处理和构造在燃料电池系统的启动和关闭状况下最小化甚至完全消除了对使用净化气体和外部给水的需要。这由燃料电池系统操作状态的启动过渡处理来实现，在该燃料电池系统中，各燃料电池包括阳极侧、阴极侧以及所述阳极侧与所述阴极侧之间的电解质，并且在所述处理中，在包含至少燃料电池阳极和所述燃料电池上游的催化元件的再循环回路中执行再循环。在所述启动过渡处理中执行：利用针对所述燃料电池的预定义第一温度极限和第二温度极限，其指定在所述第一极限以下的电池的低温操作状态，在该低温操作状态下，排除所述电池处碳质物质的存在；在所述第一极限以上和所述第二极限以下的电池的过渡温度范围，在该过渡温度范围内，发起在与空气的混合物中、结合以超过70％的再循环速率再循环的阳极尾气、到所述燃料电池系统的燃料流供给；以及在所述第二温度极限以上的所述电池的中间温度操作状态，在该中间温度操作状态下，排除所述阳极处的自由氧；使所述系统中的所述电池的温度达到过渡温度范围，以促进低温操作状态与中间温度操作状态之间通过所述过渡温度范围的过渡，每当燃料被供给时促进并保护在所述催化元件处所供给的燃料与自由氧之间的反应，以及通过在过渡温度范围内将原料的空气燃料比λ调节为0.55λ以上并且基于所述中间温度范围内的温度信息控制所述原料的所述λ，并且在负载被施加于所述燃料电池时进一步减小所述原料的λ以补偿穿过所述电池到所述电池的所述阳极侧的氧流入并控制燃料利用，来基于预定义的依赖于温度的边界值控制电池的所述阳极侧处的流体的氧碳比。

本发明的目的还由燃料电池系统操作状态的关闭过渡处理来实现，在该燃料电池系统中，各燃料电池包括阳极侧、阴极侧以及所述阳极侧与所述阴极侧之间的电解质，并且在所述处理中，在包含至少燃料电池阳极和所述燃料电池上游的催化元件的再循环回路中执行再循环。在所述关闭过渡处理中，执行：利用针对所述燃料电池的预定义第一和第二温度极限，指定在所述第一极限以下的电池的低温操作状态，在该低温操作状态下，排除所述电池处碳质物质的存在；在所述第一极限以上和所述第二极限以下的电池的过渡温度范围，在该过渡温度范围内，在与空气的混合物中结合以超过70％的再循环速率再循环的阳极尾气终止到所述燃料电池系统的燃料供给，所述再循环至少部分由喷射器促进的复压操作支持；以及在所述第二温度极限以上的所述电池的中间温度操作状态，在该中间温度操作状态下，排除所述阳极处的自由氧；每当燃料被供给时促进并保护在所述催化元件处所供给的燃料与自由氧之间的反应，使所述系统中的所述电池的温度达到过渡温度范围，以促进低温操作状态与中间温度操作状态之间通过所述过渡温度范围的过渡，以及通过在过渡温度范围内将原料的空气燃料比λ调节为0.55λ以上，并且基于所述中间温度范围内的温度信息控制原料的所述λ，并且在减小燃料电池负载时进一步增大原料的λ以补偿穿过所述电池到所述电池的所述阳极侧的氧流入并控制燃料利用，来基于预定义的依赖于温度的边界值控制电池的所述阳极侧处的流体的氧碳比。

本发明的焦点为一种燃料电池系统，在该燃料电池系统中，各燃料电池包括阳极侧、阴极侧以及所述阳极侧与所述阴极侧之间的电解质，所述燃料电池系统包括用于执行催化反应的催化元件和用于在包含至少燃料电池阳极侧和所述燃料电池上游的所述催化元件的再循环回路中执行再循环的装置。所述燃料电池系统包括：用于以下处理的装置：预定义针对所述燃料电池的第一温度极限和第二温度极限，指定在所述第一极限以下的电池的低温操作状态，在该低温操作状态下，排除所述电池处碳质物质的存在；指定在所述第一极限以上和所述第二极限以下的电池的过渡温度范围，在该过渡温度范围内，发起在与空气的混合物中、结合以超过70％的再循环速率再循环的阳极尾气、到所述燃料电池系统的燃料流供给；并且指定在所述第二温度极限以上的所述电池的中间温度操作状态，在该中间温度操作状态下，排除所述阳极处的自由氧，并且针对启动过渡处理，所述燃料电池系统包括：用于每当燃料被供给时促进并保护在所述催化元件处所供给的燃料与自由氧之间的反应的装置；用于使所述系统中的所述电池的温度达到过渡温度范围以促进低温操作状态与中间温度操作状态之间通过所述过渡温度范围的过渡的装置；以及用于通过在过渡温度范围内将原料的空气燃料比λ调节为0.55λ以上，并且基于所述中间温度范围内的温度信息控制所述原料的所述λ，并且在负载被施加于所述燃料电池时进一步减小λ以补偿穿过所述电池到所述电池的所述阳极侧的氧流入并控制燃料利用，以基于预定义的依赖于温度的边界值控制电池的所述阳极侧处的流体的氧碳比的装置。

本发明的焦点还为一种燃料电池系统，在该燃料电池系统中，各燃料电池包括阳极侧、阴极侧以及所述阳极侧与所述阴极侧之间的电解质，所述燃料电池系统包括用于执行催化反应的催化元件；以及用于在包含至少燃料电池阳极侧和所述燃料电池上游的所述催化元件的再循环回路中执行再循环的装置。所述燃料电池系统包括：用于以下处理的装置：预定义针对所述燃料电池的第一温度极限和第二温度极限，指定在所述第一极限以下的电池的低温操作状态，在该低温操作状态下，排除所述电池处碳质物质的存在；指定在所述第一极限以上和所述第二极限以下的电池的过渡温度范围，在该过渡温度范围内，在与空气的混合物中结合以超过70％的再循环速率再循环的阳极尾气终止到所述燃料电池系统的燃料供给；并且指定在所述第二温度极限以上的所述电池的中间温度操作状态，在该中间温度操作状态下，排除所述阳极处的自由氧，并且所述燃料电池系统对于关闭过渡处理包括：用于每当燃料被供给时促进并保护在所述催化元件处所供给的燃料与自由氧之间的反应的装置；用于使所述系统中的所述电池的温度达到过渡温度范围，以促进低温操作状态与中间温度操作状态之间通过所述过渡温度范围的过渡的装置；以及用于通过在过渡温度范围内将原料的空气燃料比λ调节为0.55λ以上并且基于所述中间温度范围内的温度信息控制原料的所述λ，并且在减小燃料电池负载时进一步增大原料的λ以补偿穿过所述电池到所述电池的所述阳极侧的氧流入并控制燃料利用，来基于预定义的依赖于温度的边界值控制电池的所述阳极侧处的流体的氧碳比的装置。

本发明基于指定在第一温度极限以下的电池的低温操作状态，在该低温操作状态下，排除电池处碳质物质的存在，并且基于在第一极限以上和第二极限以下的电池的过渡温度范围的预定义，在该过渡温度范围内，燃料流可以在与空气的混合物中供给给燃料系统。燃料流由以超过70％的再循环速率再循环的阳极尾气携带。本发明还基于在第二温度极限以上的电池的中间温度操作状态的预定义，在该中间温度操作状态下，排除电池处的自由氧，并且本发明基于当在第一温度极限以上操作时促进并保护催化元件处所供给的燃料与自由氧之间的反应。在过渡处理中，来促进低温操作状态与中间温度操作状态通过过渡温度范围之间的过渡。电池的阳极侧处流体的氧碳比通过在过渡温度范围内并在中间温度操作状态下将原料的空气燃料比λ调节为0.55λ以上且在过渡到电池的负载加载时将空气燃料比λ调节为0.55λ以下、基于预定义的依赖于温度的边界值来控制。

本发明的益处是即使在没有所需的任何外部净化气体且没有水的情况下也可以执行燃料电池系统的启动和关闭，这带来显著的成本和空间节省以及安装益处。另外的益处是与现有技术实施方案相比，可以显著减少甚至消除用于从阳极循环去除热量以防止过温并促进关闭的装置和方法步骤。本发明可以在相当广泛的种种操作条件下实施，由此不限制其他功能燃料电池处理特性和系统单元特性的优化。

附图说明

图1呈现了单个燃料电池结构。

图2呈现了SOFC装置的示例。

图3呈现了第一温度极限和第二温度极限的预定义。

图4呈现了根据本发明的优选实施方式。

具体实施方式

固体氧化物燃料电池(SOFC)可以具有多个几何结构。平面几何结构(图1)是大多数类型的燃料电池所采用的典型夹层式几何结构，其中，电解质104夹在电极(阳极100与阴极102)之间。SOFC还可以以管状几何结构来制作，其中，例如空气或燃料穿过管的内部，并且其他气体沿着管的外部穿过。这还可以被设置为使得用作燃料的气体穿过管的内部，而空气沿着管的外部穿过。SOFC的其他几何结构包括修改平面电池(MPC或MPSOFC)，其中，波状结构代替平面电池的传统平坦构造。因为这种设计共享了平面电池(低电阻)和管状电池这两者的优点，所以它们是有前途的。

SOFC中所用的陶瓷直到达到非常高的温度才变得离子活跃，因此，必须在600至1000℃的温度范围内对堆进行操作。氧气106(图1)到氧离子的还原发生在阴极102处。这些离子然后可以穿过固体氧化物电解质104传递到阳极100，在阳极100，离子可以将用作燃料108的气体电化学地氧化。在该反应中，放出水和二氧化碳副产品以及两个电子。这些电子然后流过使用它们的外部电路111。循环然后随着那些电子再次进入阴极材料102而重复。

在大固体氧化物燃料电池系统中，通常燃料为天然气(主要为甲烷)、不同生物气(主要为由氮气和/或二氧化碳稀释的甲烷)以及其他包含较高碳氢化合物的燃料(包括醇类)。甲烷和较高碳氢化合物需要在进入燃料电池堆103之前在重组器107(图2)中或(部分地)在堆103内部重组。重组反应需要特定量的水或其他含氧化合物，并且为了防止可能的碳形成，即，由较高碳氢化合物或其他含碳化合物引起的焦化，还需要另外的水或其他含氧化合物。因为在燃料电池反应中产生额外量的水或其他含氧化合物，所以该水或其他含氧化合物可以通过循环阳极排出物流来内部地提供，和/或所述水或其他含氧化合物可以用辅助的供水或其他含氧化合物输送器来提供，例如，直接新鲜水输送或排出物凝结的循环。由阳极再循环结构，阳极气体中的未用燃料的另一部分和稀释剂被输送回处理，而在辅助给水构造中，对处理的唯一添剂物为水。因为固体氧化物燃料电池的阳极通常由多孔镍基质陶瓷金属结构构成，该结构的形态对于电池性能是关键的，所以镍的氧化会不可逆地改变燃料电池性能。这是SOFC系统需要保护性的气氛(诸如包含还原剂的气体)的原因，以防止燃料电池系统的阳极氧化。通常，启动特别是关闭氧化保护通过输送净化气体，即，包含还原剂的安全气体来实现，诸如通常用诸如氮气这样的惰性气体稀释的氢气。在实际燃料电池系统中，维持过多的净化气体存储是不经济的，即，应使净化气体的量最小化。燃料电池安装可以包括用于现场产生净化气体的装置，或使用外部产生的净化气体，其通常现场存储在压缩气瓶中。这两种方案都对物理尺寸以及对燃料电池安装的成本具有显著影响。

在图3中，呈现了根据本发明的、用于确定过渡时的燃料供给控制的操作窗口以及关于限制引起CPOX重组器反应器中的过多热量产生的空气燃料比的安全操作区域的第一温度极限和第二温度极限的预定义的示例性示意图。λ代表输送到系统的燃料侧的燃料电池系统原料的空气燃料比，即，忽视了阳极处的氧流。在第一温度极限以下的温度区域112中，排除碳质物质。第一温度极限上方是用于向燃料电池系统供给碳质气体物质的安全操作区域116。积碳范围113定义了积碳会发生的对燃料供给的操作点。第二温度极限上方为镍(Ni)氧化范围117。第三温度极限为这样的温度，超过该温度，允许燃料电池的负载加载，并且加载的开始还限制氧流区域119。重组器过热可能发生的操作区域118形成较高堆温度下的原料上限λ。限于第一温度极限的安全操作区域116根据本发明代表到优选λ值的区域。安全操作区域如图3的示例性示意图中呈现的在第二温度极限和第三温度极限上方延伸。

在图4中，呈现了燃料电池系统的示意构造，其用于在跨温度范围或温度范围内的系统瞬时期间基于来自燃料电池堆以及重组器反应器的温度信息来控制燃料系统原料的空气燃料比并将作为整个氧碳比控制中的负载加载的结果的、穿过燃料电池堆的氧流考虑在内。在该燃料电池系统中，各燃料电池包括阳极侧100、阴极侧102以及阳极侧与阴极侧之间的电解质104。燃料电池系统包括用于执行催化反应的催化元件120和用于在包含至少燃料电池阳极侧100和在燃料电池上游的催化元件120在内的再循环回路中执行再循环装置122。根据图4的燃料电池系统包括要用于燃料电池系统的启动过渡处理中的燃料电池103的预定义第一温度极限和第二温度极限。装置124指定了在第一极限以下的电池的低温操作状态，在该低温操作状态下，排除电池103处碳质物质的存在；和在第一极限以上和第二极限以下的电池的过渡温度范围，在该过渡温度范围内，由以超过70％的再循环速率再循环的阳极尾气携带的燃料流在与空气的混合物中供给到燃料系统。装置124还指定在第二温度极限以上的电池103的中间温度操作状态，在该中间温度操作状态下，排除阳极侧100处的自由氧。第一温度极限和第二温度极限可以由用于预定义的装置124来预定义，该装置124例如为计算机单元，其中基于热力学数据执行建模。第一温度极限和第二温度极限还可以实验地预定义或由一些其他装置来预定义。根据本发明的燃料电池系统的控制基于所述温度极限。

图4的燃料系统还包括装置126，该装置126用于每当燃料被供给时促进并保护燃料电池上游处所供给的燃料与自由氧之间的反应。用于促进的装置126例如可以由诸如热电偶这样的温度测量装置、点火源、催化元件和/或用于通过将反应器加热至反应阈值温度以上的装置来实现。针对反应器的阈值温度可以不同于用于针对燃料电池的预定义温度极限。用于保护的装置126例如可以由温度传感器、气体传感器和/或由点火传感器来实现。在根据本发明的优选实施方式中，装置利用阴极侧102上的执行气体输送在进行燃料电池103的加热处理。

根据图4的燃料电池系统针对启动过渡处理包括装置128，该装置128用于使系统中的电池103的温度达到过渡温度范围，以促进低温操作状态与中间温度操作状态之间通过过渡温度范围过渡。装置128例如可以由热交换器105(图2)、加热器和/或燃烧器来实现。燃料电池系统包括装置130，该装置130用于通过在过渡温度范围内将原料的空气燃料比λ调节为0.55λ以上并且基于中间温度范围内的温度信息控制原料的λ，来基于预定义的依赖于温度的边界值控制电池的阳极侧处的流体的氧碳比。装置130还在负载被施加于燃料电池时进一步减小λ以补偿穿过电池到电池的阳极侧的氧流入并控制燃料利用。在根据本发明的优选实施方式中，燃料电池系统可以包括装置130，该装置130用于基于向燃料电池103供给足够量的氢物质、避免在燃料电池处沉积固态碳，来控制空气燃料比和总原料体积流量，并且该装置130用于将再循环回路输送体积流量维持在预定义等级以上。装置130例如可以由流量控制器、控制阀等以及与用于确定相关操作极限的热力学模型或预先计算的值组合的仪表装置来实现。由根据本发明的装置124、126、128、130，可以独立于单独热传递操作执行重组反应，即，由于较低的原料λ值，可以不为了对重组器温度状况有影响而需要主动加热或冷却装置。然而，在一些情况下，包括促进燃料电池温度级别与阳极入口流之间的热传递以限制阳极入口流温度与燃料电池温度之间的温差的优选被动热交换元件或结构可以是有利的。

为了避免形成有害碳化合物而且避免阳极氧化，需要对理论极限值在原料控制中施加足够余裕，以也允许原料流量和其他仪器数据中的不准确性。这些不准确性可以依赖于操作状态，诸如例如，燃料输送控制器的相对误差。在发明的优选实施方式中，在安全操作区域的控制和定义中连续考虑依赖状态的不准确性，而不是使用固定余裕，借此，余裕从不不必要的高或底，并且优化了系统性能。可以使用例如用于确定重组器处的流量大小(诸如流量测量)、特性压降、热容以及热量产生的多个同时装置，以使原料流量并且因此λ的不确定性最小化。

控制装置可以选择安全操作区域的依赖于温度的边界处的最佳点或从安全操作区域的边界之间选择最佳点来优化系统的热平衡。例如，在升温或部分负载期间，可以有利的是以高于最小剌么达和最大燃料利用来操作以增加传送到系统的热量。另一方面，在系统在高温下以及在系统关闭期间，可以有利的是在重组器中在热力学碳形成极限以下操作，只要未违反针对燃料电池的安全操作区域。关于发起燃料输送，可以有利的是通过用惰性气体或还原气体在短持续时间内净化初始自由氧来去除阳极回路中的任何初始自由氧。类似地，在关闭中在终止燃料输送之后，可以由空气或净化气体从阳极回路置换碳质物质。

在根据本发明的优选实施方式中，燃料电池系统包括装置138，该装置138用于执行发起燃料电池的负载加载并提高电流，同时在达到额定负载的70％-85％之前将原料的空气燃料比进一步降至0.1以下。优选地，原料的空气燃料比在接近额定工况下被降至零，以完全避免部分氧化，由此优化了系统的性能以及重组器寿命。空气燃料比的降低优选地基于堆电流信息和阳极再循环流信息，基于其可以确定再循环至燃料输送的蒸汽量。

根据图4的燃料电池系统对于关闭过渡处理包括装置130，该装置130用于通过在过渡温度范围内将原料的空气燃料比λ调节为0.55λ以上来基于预定义的依赖于温度的边界值控制电池的阳极侧处的流体的氧碳比，并且基于中间温度范围内的温度信息控制λ。装置130还可以在减小燃料电池负载131时进一步增大λ，以补偿穿过电池到电池的阳极侧的氧流入并控制燃料使用。在关闭过渡处理中，可以使用与关于启动过渡处理描述相同的、用于执行燃料电池系统操作的装置。关于启动和关闭过渡处理描述的第一温度极限和第二温度极限均在200℃至400℃之间。例如，第一温度极限可以为250℃，以提供关于羰基形成的合理安全余裕。

在关闭过渡处理中，以与启动过渡处理不同的顺序执行处理步骤：在减小燃料电池加载时进一步增大λ，以补偿穿过电池到电池的阳极侧的被减少的氧流入并控制燃料使用，通过在过渡温度范围内将原料的空气燃料比λ调节为0.55λ以上基于预定义的依赖于温度的边界值控制电池的阳极侧处的流体的氧碳比，并且基于中间温度范围内的温度信息控制λ，使系统中的电池的温度达到过渡温度范围，以促进低温操作状态与中间温度操作状态之间通过过渡温度范围的过渡，以及每当燃料被供给时促进并保护催化元件处所供给的燃料与自由氧之间的反应。可能需要在阳极入口流进入燃料电池之前从阳极入口流去除热量，以能够使燃料电池温度降至过渡温度范围，其中原料的λ在实现该范围之前高于0.55。

在用于启动或关闭过渡处理的、根据图4的燃料电池系统中，还呈现了装置134，该装置134用于暂停加热或冷却处理，以促进安全系统热空闲状态并促进针对反转处理方向的随后选项。利用与阴极和阳极流动控制组合的电加热器、燃烧器以及热交换器来将处理保持于基本上稳定的温度。例如可以在特定检修操作期间进入热空闲状态，作为特定系统异常情况下的安全措施，或作为外部负载缺失情况下的等待状态。

阳极再循环可以由再循环吹风机或蒸汽或燃料驱动喷射器来实现。在根据本发明的优选实施方式中，燃料电池系统可以包括用于在再循环回路中执行复压促进循环的至少一个喷射器140。

虽然已经参照附图和规范呈现了本发明，但本发明绝不限于此，因为本发明经受权利要求所允许的范围内的变化。