专利名称：设有阳极退化保护的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及设有用来减轻燃料电池组分有害氧化系统的固体燃料电池。
背景技术：
固体氧化物燃料电池通常运行在高温条件下，因为这些温度条件，固体氧化物燃料电池在各种运行阶段通常需要提供清洗气。在固体氧化物燃料电池的开启和关闭期间中，优选地，不让气态燃料通过燃料电池流动，因为气态燃料在这些低温条件下可能爆炸。然而，如果在阳极区域没有保持一个还原性环境，阳极就容易受到氧化，从而损害燃料电池的电化学性能和/或者使用寿命。这样，在开启和关闭过程中，不但避免固体氧化物燃料电池组分暴露在氧化性的气氛中非常重要，而且防止它们暴露在爆炸性气氛中也非常重要。
为了缓解这些状况，开发了清洗气系统以在开启和关闭期间向固体氧化物燃料电池提供清洗气。这样一个系统的例子在专利号为5,928,805的美国专利中进行了描述，该专利发布给Singhet al.根据Singh等的专利，在空气存在的情况下，通过燃烧烃类燃料来产生清洗气，以产生一种非爆炸性的燃烧产物混合物，储存的氢有选择性地被添加到燃烧产物混合物中以便在进入固体氧化物燃料电池中的最终气流中保持所需的氢浓度。为了在这种情况下产生所需的保护(cover)气体组分，必须仔细控制反应物进入燃烧器的流量以产生燃烧产物，从而通过有选择性的添加来自独立供应源的氢，使该燃烧产物的氢含量能够降低到所需要的浓度。
发明内容
本发明提供了一种利用第一气流来操作固体氧化物燃料电池的方法，第一气流包括水蒸汽和至少一种可氧化组分，该可氧化组分的特征在于相对于阳极具有更大的被氧化趋势。
在一个方面，本发明提供了一种操作燃料电池的方法，燃料电池包括阳极，阴极，第一通道，第二通道，其中，阳极设在第一通道而阴极设在第二通道中，该方法包括产生一种非爆炸性气态原料，该非爆炸性气态原料包括至少一种相对于阳极具有更大被氧化趋势的可氧化组分和剩余组分，其中剩余组分在气态原料中为一种主要组分，并基本上由水蒸汽构成；该方法还包括在氧化剂存在的情况下，当阳极探测到容易导致阳极氧化的温度时，将非爆炸性气态原料输送到第一通道以形成通过第一通道流动的第一气态流。
气态原料中水蒸汽的浓度，按体积计算大于气态原料总体积的50％。至少一种可氧化组分的浓度小于有效温度下使得气态原料可能爆炸所需的最小浓度。在这个方面，至少一种可氧化组分的浓度要小于至少一种可氧化组分的可燃性的下限。至少一种可氧化组分的浓度能够有效地减少或者完全防止阳极的损坏氧化。至少一种可氧化组分可以从包括氢、酒精、乙醛、酮、氨、肼、烃的组分团中进行选择。该方法还包括蒸发一种包括主要为水和至少一种可氧化组分的混合物溶液来产生气态原料。
阳极可包含镍。当阳极包含镍时，能有效促进阳极损坏氧化的温度大于或者等于400。该方法还包括使第二气流从第二通道流过，第二气流包括氧，与此同时使第一气体流从第一通道流过。至少一种可氧化组分可以是甲醇，而且水溶液中甲醇的浓度按重量计小于水溶液总重量的2.4％。可以理解的是，在一般情况下，能有效促进阳极损坏氧化的温度大大高于水沸腾的温度，因此，能够安全地将清洗气混合物提供到燃料电池，而不会有蒸汽浓度严重影响其运行的危险。
另外一个方面，本发明提供了一种操作燃料电池的方法，该燃料电池包括阳极、阴极、第一通道、第二通道，其中阳极设在第一通道，而阴极设在第二通道，该方法包括(i)逐渐加热第一通道；(ii)产生一种非爆炸性气态原料，该非爆炸性气态原料包括至少一种相对于阳极具有更大的被氧化趋势的可氧化组分，以及一种剩余组分，其中，剩余组分是气态原料中的主要组分，主要由水蒸汽构成；(iii)在氧化剂存在的情况下，当阳极的温度高于能够造成阳极损坏氧化的温度时，利用气态原料清扫第一通道。
另外一个方面，本发明提供了一种操作燃料电池的方法，该燃料电池包括阳极，阳极包括镍，阴极，第一通道，以及第二通道，其中阳极设在第一通道，而阴极设在第二通道，该方法包括通过(a)蒸发一种包括至少一种可氧化组分的混合物溶液，或者(b)蒸发一个水源来产生水蒸汽，然后将水蒸汽与至少一种可氧化组分相结合，从而产生一种非爆炸性气态原料，非爆炸性气态原料包括水蒸汽和至少一种相对于阳极具有更大被氧化趋势的可氧化组分。蒸发作用可以是闪蒸。当第一通道中的温度足够高，以至于气态燃料暴露在第一通道中不会发生爆炸时，利用气态原料对第一通道的清扫可以结束，然后气态燃料能流过第一通道。
其它方面，本发明提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池，该燃料电池包括阳极、阴极、第一通道、以及第二通道，其中阳极设在第一通道，而阴极设在第二通道；用于蒸发一种包含至少一种可氧化组分的水溶液混合物以形成一种气态原料的装置，；以及用于向第一通道输送气态原料以形成一种流过第一通道的第一气流从而有效减轻阳极腐蚀的装置。
另外的方面，本发明提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括了燃料电池，该燃料电池包括阳极、阴极、第一通道、以及第二通道，其中阳极设在第一通道而阴极设在第二通道上；还提供了一个用于燃料电池系统的蒸发器，该燃料电池系统包括阳极、阴极、第一通道、以及第二通道，其中，阳极设在第一通道而阴极设在第二通道一个蒸发器与第一通道流体连通，用来蒸发包含至少一种可氧化组分的水溶液混合物以产生一种气态原料；一台与燃料电池通讯以接收阳极腐蚀显示的控制器，用于响应燃料电池内的阳极腐蚀指示以实现气态原料输送到第一通道以形成流过第一通道第一气流。
在一个方面，控制器与用于测量燃料电池内温度的温度传感器相连，其中，控制器用来实现在预定温度实现气态原料的输送。控制器还可与用来实现气态原料输送的移动装置相连，其中，控制器用来驱动移动装置以实现在预定温度实现气态原料输送。
结合以下附图并参考本发明的详细描述，本发明将更加清楚明了。
图1是燃料电池的示意图；图2是本发明燃料电池系统实施例的示意图。
具体实施例方式
参考图1，固体氧化物燃料电池110包括第一通道112和第二通道114。第一通道112与第二通道114被一个可传导离子的隔板116隔开，以便允许离子种类有选择性的从其中穿过。术语“可传导离子”表明隔板116可以在很小的程度上导电，但是不会达到严重影响燃料电池110性能的程度(穿过隔板116的电子的传导使下面描述的电极118、120短路)。阳极118设在第一通道112中，而阴极120设在第二通道114中。阳极118和阴极120中的每一个都紧靠隔板116设置，以有助于离子种类的迁移。阳极118和阴极120中的每一个也与一个外部载荷122以电力方式连接，从而提高电极之间以及到外部载荷122的电子传导。
气态燃料流过第一通道112，一种相对于气态燃料具有更大被还原趋势的氧化剂流过第二通道114。燃料在阳极118被氧化，氧化剂在阴极120被还原。在专利号为4,395,468的美国专利中披露了适当的“管状”固体氧化物燃料电池的一个例子。可以理解的是，平面型或者其它类型的固体氧化物燃料电池、或者其它高温燃料电池都在本为了减轻燃料电池内组分的腐蚀，同时防止形成可能发生爆炸的环境，本发明提供了一种操作燃料电池的方法。该方法包括产生一种非爆炸性气态原料，并将非爆炸性气体原料引入第一通道，以形成一个流过第一通道的第一气流。为了除去和更换第一通道内气体体积的目的，可以将气态原料引入到第一通道以形流过第一通道的第一气流。在这种情况下，为了这个目的将气态原料引入到第一通道就被称做第一通道的“清扫”。清扫第一通道能除去不需要的气体物质比如这些存在于第一通道中、在燃料电池运行过程中增加第一通道内形成爆炸混合物危险的这些物质。第一通道的清扫可以在燃料电池的启动和关闭期间进行。在启动期间，第一通道清除空气，在关闭期间，第一通道清除燃料。
气态原料包括(i)至少一种相对于阳极具有更大被氧化趋势的可氧化组分，和(ii)一种剩余组分。在气态原料中该剩余组分为主要组分。作为主要组分就意味着气态原料含量的大多数由该剩余组分组成。气态原料的至少一种可氧化组分的浓度位于气态原料或者第一气流在有效温度下具有爆炸性所需的浓度之外。在这个方面，气态原料为非爆炸性原料。
在氧化剂存在的情况下，一旦阳极探测到能够促进阳极损坏氧化的温度(有效温度)，第一通道中就需要相对于阳极为还原性的气氛。从热力学观点来看，在低于这个有效温度的温度下，阳极易于受到氧化剂比如空气的氧化，但是反应以可以接受的低反应速率进行。然而，氧化速度随着温度的增加而增加。在有效温度下，氧化速度高到令人无法接受，使阳极的结构损坏达到燃料电池的电化学性能和/或者使用寿命受到损害的程度，就是被称作“损坏氧化”的程度。
在一个实施例中，阳极包括镍，使阳极和/或者其组分的损坏氧化变得担忧的有效温度依赖于镍对损坏氧化的敏感性。在氧或者其它氧化剂存在并且温度高于400的情况下，镍易于受到无法接受的高速氧化，但是在低温条件下反应速率非常低。氧化速率随着温度的增加而增加。通常会在表面上形成一层能够使进一步的氧化慢下来或者使氧化速率几乎降低为零的氧化膜，而块状镍直到相对较高的温度下都不会轻易被氧化。在固体氧化物燃料电池阳极中，镍通常以非常细小的颗粒分布在多孔陶瓷基体中，比如氧化钇稳定的氧化锆。由于镍的表面积非常大，而氧气进入到那里的通道相对良好，所以镍对氧化作用的敏感性相对较高。氧化作用将镍转变成密度更小的氧化镍(主要是NiO)，从而产生需要的空间并在结构中产生应力直到其分解。这种现象在高温下变得更加显著，并造成损坏氧化。但是，并没有一个明确的在这个温度之上镍就必须受到保护的温度，因为这取决于镍的具体形状、阳极的总成分和暴露持续时间。在温度为400时，在第一通道中提供一个相对于镍为还原性的环境，在大多数情况下都是明智的，但是根据具体的情况，可以选择一个更高的起始温度。对于使用纯氧或者在相对较高压力下运行的燃料电池，就需要一个较低的起始温度。
为了在有效温度下产生需要的还原气氛，气态原料被引入到第一通道以形成一个流过第一通道的第一气流，气体原料包括至少一种可氧化组分和剩余组分，其中剩余组分主要由水蒸汽构成。至少一种可氧化组分限定为一种相对于阳极具有更大被氧化趋势的化合物。在这个方面，在氧化剂存在的情况下，气态原料中可氧化组分相对于阳极或者阳极的任何组分如阳极表面的一种或者多种组分更容易被氧化。相反地，在氧化剂存在的情况下，气态原料中的不可氧化组分相对于阳极或者阳极的任何组分如阳极表面的一种或者多种组分更不容易或者一样容易被氧化。术语“氧化剂”是指一种相对于阳极或者阳极的任何成分比如阳极表面的一种或者多种组分具有更大被还原趋势的化合物。
比如，阳极包括镍，合适的可氧化组分包括氢、酒精、乙醛、酮、氨、肼、酯、有机酸、合适的烃，以及，通常任意有机化合物，当合适的可氧化组分及其反应产物被输送到燃料电池110并流过燃料电池110时，该有机化合物在其水溶液蒸发和/随后的反应期间能够充分转变为可氧化气体产物。这些合适的可氧化组分中的任何一种组分必须与燃料电池运行相容(即，没有有害的硫含量)，而且在氧气或者任何其它氧化物存在的情况下必须具有比镍大很多的被氧化的热力学趋势。镍通常被加入到固体氧化物燃料电池阳极中。
在一个实施例中，至少一种可氧化组分(包括一种或者多种这样的可氧化组分)以能够有效减轻阳极损坏氧化的浓度存在。当靠近阳极的环境中有氧化剂存在时，至少一种可氧化组分不足的浓度将不能减轻阳极的损坏氧化。阳极的损坏氧化包括阳极表面上影响燃料电池性能和使用寿命的一种或者多种组分的氧化。在一个实施例中，一个阳极表面组分是镍。减轻损坏氧化包括相对于没有气体流流过第一通道而阳极暴露在含有氧化剂的气氛条件下，降低损坏氧化的速率。通过将气态原料引入到第一通道，从而将至少一种可氧化组分引入到第一通道中来降低损坏氧化的速率。一旦引入到第一通道，至少一种可氧化组分和/或者其反应产物将暴露给阳极，从而有助于形成相对于阳极为还原性的气氛。当气态原料被引入到第一通道时，反应产物包括由于至少一种可氧化组分的蒸汽重整和/或者热分解产生的那些产品，并且作为输入过程中产生的至少一种可氧化组分和/或者反应产物，作为第一气流的一部分流过第一通道。
在其它实施例中，至少一种可氧化组分以能够有效防止损坏氧化的浓度存在。在实际条件下，如果腐蚀对燃料电池的电化学性能或者使用寿命产生的影响微不足道，就可以本质上防止阳极的损坏氧化。
至少一种可氧化组分喜欢比阳极或者阳极的任一组分更低的氧化势，氧化势限定为一种物质接收电子的趋势。通常，氧化势可以量化为一种与物质的还原态和氧化态都保持平衡的惰性金属电极的电势，氧化势通过参考标准电极进行测量。它是对一种要还原的化合物的还原趋势或者氧化其它物质的趋势的测量。具有较低氧化势的化合物同具有更高氧化势的化合物相比更容易被氧化。
如上面提到的那样，气态原料的剩余组分主要由水蒸汽构成。在这个方面，水蒸汽和至少一种可氧化组分以外的化合物能够以少量的形式存在于气态原料中，这个含量不足以损害到使用水蒸汽作为气态原料主要惰性组分而产生的成本节约，也不足以损害到向第一通道引入气态原料来形成的还原性气氛。这些化合物包括气态原料被引入到第一通道时形成的反应产物，包括气态原料在被引入到第一通道并流向第一通道过程中，在至少一个可氧化组分重整过程中形成的任何不可氧化组分。在一个实施例中，气态原料中的水蒸汽浓度按体积计算大于气态原料总体积的50％。
为了安全方面的考虑，气态原料在有效促进阳极损坏氧化的温度下必须是不可爆炸的。在这个方面，气态原料的至少一种可氧化组分的浓度要小于使得气态原料或者第一气流在这些温度下可能发生爆炸所需要的最小浓度。例如，当气态原料包括水蒸汽和氢，而气态原料或者第一气流的温度低于氢的自燃温度(即590)，保持气态原料中氢的浓度低于氢与氧化剂源比如空气混合后能够形成爆炸性混合物所需的浓度，这一点是很明智的。这样一个浓度上限被称为可燃性下限。在环境温度和压力下，氢在空气中的可燃极限按照体积计算占氢-空气混合物的总体积的4.0％到75％。这样，气态原料中“安全的”氢浓度按照体积计算占气态原料总体积的4.0％，表明最大的安全系数就成为了这个极限安全浓度的组成部分，因为与空气混合时只能进行进一步的稀释。在这个方面，在有些情况下，可以使用更高一些的氢浓度比如体积的5％，而不会损害安全性。由压力和温度确定的可燃性极限随着气态原料压力和/或者温度的增加而扩大。这样，在压力和温度高于环境的压力和温度时，气态原料中安全的氢浓度低于体积的4％。
气态原料被引入到第一通道，以产生流过第一通道的第一气流，直到温度达到气态燃料能够安全流过第一通道流动。低于这个临界温度，气态燃料具有爆炸性。气体爆炸通常被定义为预混合气即燃料-空气或者燃料-氧化剂燃烧使压力迅速增加的过程。在这个临界温度以上，气态燃料可以燃烧而不会爆炸。当气态燃料含有的氢浓度为燃料总体积的4％以上，而阳极含镍时，为了保护阳极不受腐蚀，当阳极温度高于400时使第一气流流过第一通道是明智的。使气态燃料以低于气态燃料自燃的温度流过第一通道是不安全的，因为气态燃料含有其浓度能够产生爆炸性混合物的氢。当第一通道中的温度高于气态燃料自燃温度，使气态燃料流过第一通道流动就是安全的，不会有爆炸的危险。但是，在低于自燃温度下阳极需要防止氧化时，就必须从气态原料中得到的第一气流而不是气态燃料流过第一通道流动，以避免出现可能爆炸状况。
气态燃料限定为能够通过直接或者间接(比如，在电化学电池中)与氧反应发生氧化作用并伴随着热能和电能的产生、而形态为气态或者气态蒸汽的物质或者混合物。对于固体氧化物燃料电池的运行，气态燃料的定义特点就是物质或者物质混合物发生氧化作用的形态，尤其是物质或者物质混合物与燃料电池阳极反应以产生电能的形态，而不是提供到燃料电池系统，产生存在于燃料电池组中的特定气态燃料成分，并在燃料电池阳极进行氧化作用的物质或者物质混合物的形态。因此，举例来说，利用液态烃或者液态烃混合物的初级燃料，如汽油、石脑油或者柴油机燃料，在燃料电池组中被氧化以及在阳极进行反应的最终物质或者物质混合物都是通过初级液态燃料的蒸发或者化学转化形成的气相。
在一个实施例中，气态原料被引入到第一通道，其中，气态原料包括甲醇和剩余组分，其中，剩余组分主要由水蒸汽构成。气态原料中甲醇的浓度不足以使第一通道中的第一气流成为具有爆炸性可能的混合物。在这个方面，保持甲醛的浓度低于这样一个浓度，即当甲醛全部转变为氢的情况下，产生的气体混合物中氢浓度为可以接受的浓度，如同上面解释的那样。当气态原料通过闪蒸产生而且被输送到第一通道，并且当气态原料组分及其反应产物流过第一通道时，甲醇在一定程度上被重整为氢。在一个实施例中，可以在第一通道或者在一个与第一通道相连的外部给料导管中设置重整催化剂，以加强甲醛的重整。在一个实施例中，当需要保守系统设计时，在设法确定甲醛临界浓度时，优选地假设所有的甲醛都重整为氢。
比如，一种按重量计算含甲醛2.4％的气态原料，当全部重整时，就转变成一种含有的氢占总体积4.0％的气体混合物(假设甲醛是初始气态原料中经过重整可作为氢来源的唯一组分)。如上面解释的那样，在一个实施例中，当需要一个安全裕度来运行的时候，在环境压力和温度下，可以接受的氢临界浓度为气体混合物总体积的4.0％.因此，假定全部的甲醛都重整为氢，在考虑到这个安全裕度的情况下，则气态原料中可接受的甲醛临界浓度为气态原料总重的2.4％。当然，根据可接受的危险限度，更高一些的甲醛浓度仍然可以接受。
为了形成流过第一通道的第一气流，气态原料被生产出来然后被引入到第一通道。在这个方面的一个实施例中，通过一个蒸发器对包括至少一种可氧化组分和水的水溶液进行闪蒸的方式来制造气态原料。在至少一种可氧化组分为液态烃的情况下，通过一个蒸发器对包含烃和水的一种乳状液，优选地对一种稳定乳状液进行闪蒸的方式来产生气态原料。在一个实施例中，乳状液包括在水中的柴油机燃料。水溶液和水乳浊液在这里都统称为“混合物溶液”。
闪蒸有助于更简单的工艺控制，因为气态原料的成分与启动混合物溶液的成分基本一样。此外，与启动混合物溶液的低沸点不同的是，闪蒸减轻了富含挥发性可氧化成分的气态原料初期产物产生的后果，如果挥发性可氧化成分富集的浓度显著，将增加爆炸的危险性。蒸汽中至少一个可氧化组分的极微量富集是可以接受的，只要不达到可能发生爆炸的浓度。
气态原料可以通过对含有一种可氧化组分的混合物溶液进行闪蒸以外的方法来进行生产。比如，在气态原料包括水蒸汽和甲醛的情况下，这些气态组分中的每种组分都可以在它们的纯液态状态下通过单独蒸发得到，然后将这些蒸发得到的气流进行组合以实现需要的浓度。另外一个例子，当可氧化组分为氢时，这个组分可以通过解吸吸氢组分的金属氢化物来得到，或者直接向来自压缩气态原料气缸的气流中添加气态氢来得到。
在一个实施例中，在启动期间，第一通道被渐进加热。在这一方面，第一通道可以通过在靠近第一通道的区域使用电热器或者燃烧燃料，以传导方式对其内部进行加热。另外一个可选方法是，在气态原料被引入到第一通道之前，在固体氧化物燃料电池外面对气态原料进行加热，或者在空气被引入到第二通道之前，在固体氧化物燃料电池外面对空气进行加热。当阳极的温度高于能够造成阳极氧化的温度，气态原料被引入到第一通道中以形成流过第一通道的第一气流。一旦第一通道内的温度足够高，以至于气态原料被暴露在第一通道中都不会发生爆炸时，就停止气态原料的流动，然后气态燃料就开始流到第一通道中。可以理解的是，气态燃料的流动可以在气态原料的流动结束之前就开始进行，只要第一通道中的温度足够高，以至于当气态燃料暴露在第一通道中时不会发生爆炸。在这个方面，在一个实施例中，当第一通道的温度足够高，气态燃料就可以开始流过第一通道并逐渐增加，而同时气态原料流逐渐减少并最终停止。
在启动或者关闭状态期间，包含可氧化组分比如氢的第一气流流过第一通道，少量的第一气流会从第一通道泄漏并进入到第二通道，从而使阳极暴露给第一气流。因为可氧化组分具有被氧化的趋势，让阳极暴露给第一气流将促进还原及阳极的分解。为了减轻启动或者关闭期间阳极的分解，使第二气流流过第二通道并穿过穿阳极是最好不过的了，其中，第二气流包括一种相对于阳极具有很大还原趋势的可还原组分。
在这个方面的另外一个实施例中，在利用气态原料清扫第一通道的同时，第二气流流过第二通道，其中，第二气流包括一种相对于阳极具有更大被还原趋势的可还原组分。在启动或者关闭期间，可使第二气流流过燃料电池的第二通道。和阳极一样，阴极在启动或者关闭期间也容易受到腐蚀。但是，对于阴极，当阴极暴露在还原性气氛时(即，阴极暴露在气态原料中，比如含有相对于阴极具有更大的被氧化的热力学趋势的组分的第一气流，因此造成阴极被还原)，阴极分解发生在较高的温度下。
例如，在一个实施例中，阴极包括至少一些镧氧化物以及其它稀土元素、镁、钙和其它碱土金属、铬、锰、钴和镍，这些元素优选地但不是必须地为钙钛矿晶型(不是所有的元素都必须以阴极成分的形式存在，有些元素可以用相同化学特性的元素代替)。一种合适的阴极材料就是锰酸锶镧。在对阴极材料的互补关系中，一种合适的第二气流包括空气或者其它含有氧的其它气态混合物，其中氧的数量足以防止由于阴极通道泄漏的可氧化物组分以及在固体氧化物燃料电池运行期间遇到的任何其它还原情况而造成的阴极材料的还原。
图2是根据本发明的系统10的示意图。系统10包括燃料电池12、储存容器14、泵16以及闪蒸器18。燃料电池12包括阳极20以及阴极22。阳极20设在第一通道24，而阴极22设在第二通道26。第一通道24与燃料供应装置32相连，而第二通道与空气供应装置34相连。
储存容器14中装着含有至少一种可氧化组分的气态混合物。泵16与储存容器14相连，并将混合物溶液输送到闪蒸器18。闪蒸器18对泵输送来的混合物溶液进行闪蒸，以产生流向第一通道24并因此被引入到第一通道24的气体原料。气态原料一旦输送到第一通道24，气态原料形成流过第一通道24的第一气流，一旦阳极达到预定的温度，第一气流有助于减轻阳极20的分解。
在启动期间，燃料电池12包括第一通道24都被加热。在靠近燃料电池12以及包括第一通道24的区域使用电热器或者燃烧燃料，以传导的方式对燃料电池和第一通道进行加热。另外一种方法是，在气态原料被引入到第一通道24之前，在燃料电池12的外部对气态原料进行加热，或者在空气被引入到第二通道26之前，在燃料电池12的外部对空气进行加热。
系统10还包括用于探测阳极20的温度值的温度传感器28。温度传感器28连接到控制器30，比如这种情况下的泵控制器，温度传感器28用来将阳极20的温度信号传输到控制器30。
在燃料电池的启动期间，一旦从温度传感器28接收到表示第一预定低温的信号，控制器30就驱动泵16运行。第一预定低温就是需要气态原料在第一通道流动，以减轻阳极损坏氧化的温度。在启动期间，气态原料的作用是减轻或者防止阳极20的氧化，以及通过把空气从第一通道24中清除，从而减轻或者防止在燃料电池中形成爆炸性的燃料-空气气体混合物。
一旦燃料电池12被进一步加热，最后达到第一预定高温，第一预定高温限定了气态燃料能够安全提供给燃料电池12而不会有爆炸危险的温度。达到第一预定高温以后，气态燃料就开始通过第一通道进行流动。当气态燃料以能够清除泄漏或者扩散到阳极室氧气的速度输入后，就不再需要气态原料气来保护阳极20不受损坏氧化。在一个实施例中，停止了泵16的运行。在另外一个方法的其它实施例中，根据特定的燃料电池12的要求，优选地通过同时降低从泵16的排出速度并逐渐增加燃料流速，或者在停止泵16运行之前开始燃料流，从而用燃料流逐渐替代气态原料流。
当燃料电池12使用集成燃料重整器(比如专利号为4,395,468和4,374,184的美国专利描述的那些)时，在燃料流开始以后的过程中，或者在燃料电池为了重整燃料的其它操作过程中，需要向燃料中增加蒸汽。在使用集成燃料重整器的燃料电池中，废气要进行循环以便向重整器提供含有多种物质的氧源。在启动迁建或者产生的气流比燃料供给速率低的期间，废气不能被充分氧化掉。在这个方面的另外实施例中，可以利用清洗气用来向燃料电池12提供所需的蒸汽。作为一个变化，通过用纯水来替换供料箱14中的混合物溶液，清洗气输送系统就可以用来提供基本上纯蒸汽。
在燃料电池关闭期间也能够利用气态原料流。气态原料流的作用是保护阳极20不受损坏氧化，并从燃料电池12中除去以前供应的燃料的残留物，以减轻爆炸的危险。当燃料供应被终止或者预计到即将出现燃料供应短缺以后，立即将气态原料供应到第一通道24中。在这个方面，为了在关闭期间与检测燃料流结束或者预测低燃料流一致，一旦从温度传感器28接收到表明第二预定高温的信号，控制器30就驱动泵16运行，在该第二预定高温，就要停止燃料流动(因为爆炸的危险不可接受)并开始气态原料流动。在关闭期间，一旦温度传感器28接收到表明第二预定低温的信号，控制器30还用来停止泵16运行，在这个第二预定低温，气态原料的流动就变得不必要了，因为阳极20的损坏氧化不值得考虑了。
下面结合以下非限定性的例子对发明进行进一步的描述。
第一例由InDEC b.v.(P.O.Box 1，1755 ZG PETTEN，荷兰)提供的“阳极支持”型(最厚的并且构造层为阳极)平面固体氧化物燃料电池在阴极侧位于空气的氛围下，而阳极侧位于含氢为3％的氮构成的气态原料混合物气氛下保持在800的温度下。然后阳极侧N2-H2气态原料混合物被水蒸汽和甲醛蒸汽的混合物代替，水蒸汽和甲醛蒸汽的混合物通过重量为3％的甲醛水溶液闪蒸得到。电池的温度在800保持几个小时，然后逐渐冷却到室温，而让阳极保持在水蒸汽-甲醛蒸汽的气氛中且温度高于400，得到了以下的观察结果(1)有蒸汽-甲醇混合物存在时，电池在温度高于400的情况下测量得到的电池电压总是比阳极氧化条件下的电池电压高。这表明气态原料混合物的良好保护特性。
(2)冷却到室温以后，电池没有表现出任何阳极氧化或者与阳极氧化相关的退化迹象。对其它没有保护气氛(比如含氮3％的氢)电池进行相同检测的结果表明阳极较大程度的损坏通常导致电池的机械性碎裂。
第二例西门子威斯丁豪斯电力公司(Siemens Westinghouse PowerCorporation，1310 Beulah Road，Pittsburgh PA，15235-5098)生产的管状固体氧化物燃料电池在阴极侧位于空气氛围中而阳极侧位于氢中含11％水蒸汽的气态燃料混合物氛围中，以运行在温度大约1000条件下。电池的电化学放电被停止，然后电池进入到开路状态。阳极侧H2-H2O气态原料混合物被蒸汽和乙醇的混合物代替，乙醇蒸汽通过闪蒸浓度为0.6摩尔/升的乙醇水溶液来产生。电池可以在蒸汽-乙醇蒸汽混合物的清扫下冷却。随后的分析没有显示阳极或者电池有任何被氧化损坏的迹象。
虽然披露的内容描述和说明了本发明的优选实施例，应当理解的是，本发明并不局限于这些实施例。本发明领域的一般技术人员可以对这些实施例进行很多改变和修改。对本发明的限定范围，请参考附录的权利要求书。
权利要求
1.一种操作燃料电池的方法，燃料电池包括阳极、阴极、第一通道和第二通道，其中，阳极设在第一通道而阴极设在第二通道，该方法包括(i)产生一种非爆炸性气态原料，该非爆炸性气态原料由(a)至少一种相对于阳极具有更大被氧化趋势的可氧化组分，以及(b)剩余组分，其中剩余组分在气态原料中是主要组分，主要由水蒸汽构成；(ii)在氧化剂存在的情况下，当阳极达到能够促进阳极损坏氧化的温度时，将非爆炸性气态原料引入到第一管道，以形成流过第一通道的第一气流。
2.如权利要求1所述的方法，其中，气态原料中水蒸汽的浓度按体积计算大于气态原料总体积的50％。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分的浓度小于气态原料在有效温度时可能爆炸所必需的最小浓度。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分的浓度小于所述至少一种可氧化组分的可燃性下限。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分的浓度能够有效减轻阳极的损坏氧化。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分的浓度能够充分有效地防止阳极的损坏氧化。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分是从包括氢、酒精、乙醛、酮、酯、有机酸、氨、肼和烃的组中进行选择。
8.如权利要求7所述的方法，还包括蒸发一种包括主要是水和所述至少一种可氧化组分的混合物溶液来产生气态原料。
9.如权利要求8所述的方法，其中，阳极包括镍。
10.如权利要求9所述的方法，其中，有效温度为400。
11.如权利要求10所述的方法，还包括使第二气流流过第二通道，第二气流包括氧，与此同时使第一气流流过第一通道。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分是甲醇，而水溶液中甲醇的浓度按重量计算小于水溶液总重的2.4％。
13.一种操作燃料电池的方法，所述燃料电池包括阳极、阴极、第一通道和第二通道，其中，阳极设在第一通道，而阴极设在第二通道，该方法包括(i)逐渐加热第一流体通道；(ii)产生一种包括非爆炸气态原料，该非爆炸气态原料包括(a)至少一种相对于阳极具有更大被氧化趋势的可氧化组分，以及(b)剩余组分，其中剩余组分在气态原料中为主要组分，剩余组分主要由水蒸汽构成；(iii)在氧化剂存在的情况下，当阳极温度高于能够造成阳极损坏氧化的温度时，利用气态原料清扫第一通道。
14.如权利要求13所述的方法，其中，气态原料中水蒸汽的浓度按体积计算大于气态原料总体积的50％。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分的浓度小于气态原料在有效温度下可能爆炸所需的最小浓度。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分的浓度小于所述至少一种可氧化组分的可燃性下限。
17.如权利要求14所述的方法，其中，气态原料包括所述至少一种可氧化组分，其浓度能够有效减轻阳极损坏氧化。
18.如权利要求17所述的方法，其中，气态原料包括所述至少一种可氧化组分，其浓度能够有效防止阳极损坏氧化。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分是从包括氢、酒精、乙醛、酮、氨、肼和烃的组中进行选择。
20.如权利要求19所述的方法，还包括蒸发一种包括主要为水和至少一种可氧化组分的混合物溶液，以产生气态原料。
21.如权利要求20所述的方法，其中，阳极包括镍。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述有效温度为400。
23.如权利要求22所述的方法，还包括使第二气流流过通过第二通道，第二气流包括氧，与此同时利用气态原料清扫第一通道。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分为甲醇，并且水溶液中甲醇的浓度按照重量计算大约小于水溶液总重量的2.4％。
25.如权利要求24所述的方法，还包括在权利要求13所述的第(iii)条完成后，当第一流体通道内的温度足够高，气态燃料暴露在第一通道中也不可能爆炸时，停止气态原料对第一通道的清扫，并使气态燃料流过通过第一通道。
26.一种操作燃料电池的方法，燃料电池包括含有镍的阳极，阴极、第一通道、以及第二通道，其中，阳极设在第一通道而阴极设在第二通道(i)通过(a)蒸发一种含有至少一种可氧化组分的混合物溶液，或者通过(b)蒸发水源产生水蒸汽，然后将水蒸汽与至少一种可氧化组分结合，从而产生一种非爆炸性气态原料，该非爆炸性气态原料包括水蒸汽和至少一种相对于阳极具有更大被氧化趋势的一种可氧化组分；(ii)在氧化剂存在的情况下，当阳极达到了能够促进阳极损坏氧化的温度时，利用气态原料清扫第一通道。
27.如权利要求26所述的方法，其中，通过蒸发含有所述至少一种可氧化组分的混合物溶液来产生所述非爆炸性气态原料。
28.如权利要求27所述的方法，其中，气态原料中水蒸汽的浓度按照体积计算大于气态原料总体积的50％。
29.如权利要求28所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分的浓度比有效温度下使气态原料可能爆炸所需的最小浓度小。
30.如权利要求28所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分的浓度比所述至少一种可氧化组分的可燃性下限低。
31.如权利要求28所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分的浓度能够有效减轻阳极的损坏氧化。
32.如权利要求31所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分的浓度能够充分有效地防止阳极的损坏氧化。
33.如权利要求32所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分是从包括氢、酒精、乙醛、酮、氨、肼和烃的组中进行选择。
34.如权利要求33所述的方法，其中，阳极包括镍。
35.如权利要求34所述的方法，其中，所述有效温度为400。
36.如权利要求35所述的方法，还包括使第二气流流过第二通道，第二气体流包括氧，与此同时，利用气态原料清扫第一通道。
37.如权利要求36所述的方法，其中，所述至少一种可氧化组分包括甲醇。
38.如权利要求37所述的方法，其中，水溶液中甲醛的浓度按照重量计算小于水溶液的总重的2.4％。
39.如权利要求27所述的方法，其中，所述蒸发是闪蒸。
40.如权利要求38所述的方法，其中，所述蒸发是闪蒸。
41.一种燃料电池系统，包括燃料电池，该燃料电池包括阳极、阴极、第一通道、第二通道，其中，阳极设在第一通道而阴极设在第二通道；用于蒸发一种混合物溶液以产生气态原料的装置，该混合物溶液包括至少一种可氧化组分；用于将气态原料输送到第一通道的装置，从而形成流过第一通道并能够减轻阳极腐蚀的第一气流。
42.一种燃料电池系统，包括燃料电池，该燃料电池包括阳极、阴极、第一通道、第二通道，其中，阳极设在第一通道而阴极设在第二通道；蒸发器，蒸发器与第一通道流体连通，用于蒸发包括至少一种可氧化组分的混合物溶液以产生气态原料；控制器，控制器与燃料电池相连，用于接收阳极腐蚀指示，该控制器用来将气态原料输送到第一通道以形成流过第一通道的第一气流，以响应燃料电池中的阳极腐蚀指示。
43.如权利要求42所述的燃料电池系统，其中，所述控制器与用来测量燃料电池内温度的温度传感器相连，其中，所述控制器在预定温度引起气态原料的输送。
44.如权利要求43所述的燃料电池系统，其中，所述控制器与用来引起气态原料输送的移动装置相连，其中所述控制器用来驱动移动装置以在预定温度引起气态原料的输送。
全文摘要
本发明提供了操作燃料电池的方法，燃料电池包括阳极、阴极、第一通道、以及第二通道，其中，阳极设在第一通道，而阴极设在第二通道，该方法包括产生一种非爆炸性气态原料，非爆炸性气态原料包括(i)至少一种相对于阳极具有很大被氧化趋势的一种可氧化组分，以及(ii)剩余组分，其中，剩余组分在气态原料中为主要组分并且主要由水蒸汽构成，在氧化剂存在的情况下，当阳极温度达到能够促进阳极损坏氧化的温度时，将非爆炸性气态原料引入到第一通道以产生流过第一通道的第一气态原料流。提供非爆炸性气态原料以减轻或者防止阳极氧化并减轻或者防止可能爆炸的气态混合物的形成。此外，非爆炸性气态原料可以为重整提供一个蒸汽源。
文档编号H01M8/04GK1672282SQ03818282
公开日2005年9月21日 申请日期2003年7月30日 优先权日2002年7月31日
发明者沃伊泰克·哈利奥帕, 戈登·M·麦卡拉里, 雷蒙德·A·乔治 申请人:燃料电池技术有限公司, 西门子威斯丁豪斯电力公司