专利名称：停止运行和重新启动时控制燃料电池系统的控制组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，特别涉及停止运行和重新启动时控制 燃料电池系统的控制组件。
背景技术：
燃料电池为一种通过电化学反应把存储在碳氢燃料中的化学能直 接转换成电能的装置。 一般来说，燃料电池包括由电解质隔开的阳极 和阴极，电解质用来传导带电荷的离子。为了产生可使用的电力，多 个单燃料电池串联堆叠，燃料电池彼此之间有导电隔板。通过使反应剂燃料气体流过燃料电池系统的燃料电池的阳极，同 时使氧化气体流过燃料电池系统的燃料电池的阴极，熔融碳酸盐燃料电池("MCFC")系统运行。供应给MCFC系统的燃料一般为碳氢燃 料，该燃料进入燃料电池阳极前通常需要通过添加汽化的水或蒸汽来 加湿。MCFC运行时，氧化气体把燃料电池的阴极保持在氧化气氛中， 同时加湿的燃料气体把燃料电池的阳极保持在还原气氛中。MCFC系统停止运行时，也即燃料电池处于其运4亍温度并且不再 向该系统供应燃料和氧化剂气体时，必须做一些事来保护该系统。首 先，燃料电池的阴极必须保持在氧化气氛中，并且燃料电池的阳极必 须保持在还原气氛中。其次，需要吹扫MCFC系统的燃料输送管路中 的加湿燃料，以防止由液态水造成的凝结、羰基镍的可能生成以及对 燃料电池中的催化剂的损害。MCFC系统重新启动时，也即停止运行后在系统中重新建立流动 时，为确保系统连续运行又必须提供一定的条件。重新启动时，在启 动燃料流之前建立氧化剂流。因此，在尚未有正常燃料流时需要在燃 料电池的阳极保持还原气氛，以防止阳极氧化。此外，此时需要向阳极气流和燃料电池的阴极供应二氧化碳，这是需要的，以防止燃料电 池电解质的分解以及防止燃料电池基体-阳极界面上燃料电池基体粒 子的生长。在停止运行时控制燃料电池系统公知有若干方法。日本专利申请公开No.04004570 7>开了一种燃料电池系统，在该系统中，系统停止 运行期间且系统处于其正常运行温度时向燃料电池的阳极供应主要含 氢的备用气体，这防止阳极氧化。另一日本专利申请公开No.04324253 公开了 一种有备用气体的燃料电池系统，该备用气体在系统停止运行 时防止燃料电池的阳极氧化。在该例中，备用气体由还原气体与氮气 混合而制备。日本专利申请公开No.10289724公开了在燃料电池系统停止运行 时使用的另一种方法。在该方法中，由氮气或氩气构成并含有1~10 % 二氧化碳的惰性化气体供应给燃料电池阴极，以减少电解质板中 LiA102粒子的生长。欧洲专利申请7>开No.EP01481436涉及燃料电池 系统停止运行时使用的另一种惰性化方法，在该方法中，向燃料电池 阳极供应水蒸汽，同时把外部电压加到燃料电池上进行电解反应。最 后，日本专利申请公开No.10032013公开了用于在停止运行后控制燃 料电池系统的一种吹扫方法，在该方法中，通过分别再循环阳极流和 阴极流以及分别惰性化阳极流和阴极流来实现吹扫。但是，上述各系统没有提供能在停止运行和重新启动时实现 MCFC系统所要求的前述条件的一种整体系统。因此，燃料电池系统 的有效运行需要有一种满足这些条件的装置。因此，本发明的一个目的是提供一种在停止运行和/或重新启动时 能满足系统有效运行所需条件的燃料电池系统和方法。本发明的另一个目的是提供一种一体化燃料电池系统，停止运行 时该系统的燃料电池的阳极和阴极保持在适当气氛中，阳极与阴极不 物理隔离。本发明的另一个目的是提供一种简单、性价比高的上述类型的装 置和方法。发明内容在下述本发明各实施例中，用这样的燃料电池系统和方法实现上 述和其他目的，其中，该燃料电池系统接收输入的氧化剂气体和输入的燃料气体；该燃料电池系统设有燃料处理组件，其适于至少加湿供 应给该系统的燃料电池的阳极的输入的燃料气体，该燃料电池的阴极 经阳极氧化组件接收输入的氧化剂气体，该阳极氧化组件适于在该燃 料电池系统的正常运行、停止运行和重新启动时将燃料电池的阳极的输出与燃料电池的阴极的进口连接；该燃料电池系统还设有适于响应燃料电池系统的停止运行的控制组件，在停止运行时，至少输入的燃 料气体停止被燃料电池系统接收，该控制组件在燃料电池系统停止运 行时还适于控制燃料电池系统，使得吹扫气体能流过燃料处理组件而 从该处理组件驱除加湿的.燃料气体且使吹扫气体能流过燃料电池的阳 极。这样，在停止运行时，从燃料处理组件和燃料电池中把加湿燃料 (燃料和汽化水或蒸汽)吹扫走，同时燃料电池的阳极保持在还原气 氛中。燃料电池的阴极也保持在氧化剂气氛中。在本发明另一方面中，控制组件还适于响应燃料电池系统的重新 启动，在重新启动时，氧化剂气体开始重新被燃料电池系统接收，这 之后 一 定时间燃料气体开始重新被燃料电池系统接收且在燃料电池系 统中以预定流量流动，此外控制组件还适于从所述燃料电池系统的重 新启动到燃料气体在燃料电池系统中以预定流量时控制燃料电池系 统，使得含有二氧化碳的还原保护气体能流过燃料电池的阳极。这样， 重新启动时，流过燃料电池的阳极时保护气体中的二氧化碳防止基体-阳极界面上粒子的生长。此外，在此期间，阳极废气当用输入的氧化 剂气体氧化时导致燃料电池阴极生成反应气体，其含有足以防止阴极 中电解质损耗的二氧化碳。在下述本发明第一实施例中，控制组件将燃料电池与燃料处理组 件隔离，同时吹扫气体分别供应给燃料电池和燃料处理组件，并且吹扫气体和加湿的燃料从燃料处理组件排放。在该实施例中，使用高温 阀进行隔离和排放。在第二实施例中，控制组件将燃料处理组件与其 上游部件隔离，同时保持燃料电池和燃料处理组件的连接，并同时把 吹扫气体供应给燃料处理组件，使得吹扫气体流过燃料处理组件后流 过燃料电池阳极。在该例中，吹扫气体和加湿的燃料气体从燃料电池 清除，同时使用低温电磁岡进行隔离。在上述两实施例中，控制组件在燃料电池系统重新启动时使用类 似的部件向燃料电池阳极供应还原保护气体。
从下面结合附图的详细说明中可清楚看出本发明的上述和其它特征和方面，附图中图1示出本发明MCFC系统第一实施例； 图2示出本发明MCFC系统第二实施例；图3A和3B分别示出系统停止运行和重新启动时图1系统的控制 组件的控制功能；以及图4A和4B分别示出系统停止运行和重新启动时图2系统的控制 组件的控制功能。
具体实施方式
下面讨论的本发明的图1和图2的实施例涉及一体化MCFC系 统，其中，停止运行时该系统的燃料电池的阳极和阴极保持适当气氛， 阳极与阴极不物理隔离。在输入燃料再次以预定水平在系统中开始流 动前重新启动时阳极和阴极也保持适当气氛。两实施例的不同之处在 于停止运行后加湿的输入燃料(输入的燃料和蒸汽)是如何吹扫和排 放的。图1示出本发明MCFC系统100第一实施例，包括向系统的燃料 进口 102a供应燃料气体的燃料供应102;可包括脱硫器的燃料净化系 统103;用于供水的供水系统132;燃料处理组件104;包括阳极108和阴极110的燃料电池106;空气供应系统124;在系统100正常运行、 停止运行和重新启动时将燃料电池106的阳极108的输出与燃料电池 的阴极110的输入连接的阳极气体氧化器("AGO") 126;以及用于 隔离阳极108、把还原保护气体从保护气体供应128供应给阳极以及 把用作吹扫气体的氮气从氮气供应116供应给阳极和燃料处理组件 104的输入燃料管路的控制组件101。在图1所示例示性装置中，燃料 处理组件104包括至少一个加热单元，例如热交换器，该加热单元用 于至少通过把来自供水系统132的水汽化成蒸汽而提供加湿的燃料并 且把来自燃料进口 102a的燃料预热到所需温度。但是，应该理解，燃 料处理组件104可包括用于在燃料气体进入阳极108前处理燃料气体 的其它单元，包括但不限于预转化器。燃料供应进口 102a通过连接管路105与燃料处理组件104的进口 104a连接，供水进口 132a通过连接管路133将供水系统132与燃料 处理组件104的进口 104c连接，并且燃料处理组件104的出口 104b 通过连接管路107与阳极108的进口 108a连接。阳极出口 108b通过 连接管路123与AG0126连接。空气供应系统124通过连接管路125 与AG0126连接，AG0126通过连接管路127与阴极110连接。来自 燃料进口 102a的燃料供应由控制阀112控制，该控制阀112在MCFC 运行时打开，在停止运行时关闭。控制组件101包括连接管路107上阳极108与燃料处理组件104 之间的高温电动隔离阀114;通过连接管路109连接到连接管路107 上隔离阀114与阳极进口 108a之间的氮气供应116,连接管路109由 氮气供应进口 116a供气；通过连接管路129连接到连接管路107上隔 离阀114与阳极进口 108a之间的保护气体供应128，连接管路129由 保护气体进口 128a供气；通过连接管路117连接到连接管路105上燃 料控制阀112与燃料处理组件进口 104a之间的氮气供应116,连接管 路117由氮气供应进口 116b供气；以及通过连接管路lll连接到连接 管路107上燃料处理组件104与隔离阀114之间的排放口 ll8。该控 制组件101还设有在连接管路111上用于打开和关闭排放口 118的高温电动排放阀120、连接管路129上用于控制从保护气体供应进口 128a 供应给阳极108的保护气体的电磁阀130、连接管路109上用于控制 从氮气供应进口 116a供应给阳极108的氮气的电磁岡122以及连接管 路117上用于控制从氮气供应进口 116b供应到连接管路105上燃料控 制阀112与燃料处理组件进口 104a之间的氮气的电磁阀119。控制组件101还包括程控控制器501，控制器501的运行由存储 在计算机可读存储介质中的权件程序或产品控制。图3A和3B分别示 出停止运^亍和重新启动时控制器501实施的控制。系统100正常运4亍 产生电力时，控制器501控制系统100，使得燃料供应102、空气供应 124和供水系统132打开。控制阀112和隔离阀114也被控制而打开， 同时排放阀120和电磁阀119、 122和130被控制而关闭。打开的阀 112和114允许加湿的燃料气体可流到阳极108。系统100停止运行时，控制器501控制系统，以执行图3A所示 的停止运行动作。特别是，在停止运行期间，响应停止运行警报的控 制器501受其程序控制，而执行包括停止运行操作503的停止运行过 程502。确切说，燃料供应102、空气供应124和供水系统132关闭。 控制阀112和隔离阀114也关闭，从而将燃料电池106与燃料处理组 件104隔离以及将燃料处理組件104与燃料供应102隔离。另一方面， 电磁操纵阀122打开，使得预定量的氮气、例如约lscfm的氮气可从 氮气供应116供应给阳极108。供应给阳极108的氮气把阳极保持在 还原气氛中，并将剩余的加湿燃料经阳极携带到AG0126，在AG0126 中，使用AGO中剩余的氧气氧化加湿燃料。氧化的燃料然后流入阴 极。电磁操纵阀119也打开，使得另外预定量的氮气、例如约10scfm 的氮气可供应给燃料处理组件104。排放阀120也同样地打开。因此， 流过燃料处理组件104的氮气可经打开的排放阀120吹扫燃料处理组 件和相关的燃料管路中的剩余加湿燃料(燃料和蒸汽)。系统100重新启动时，控制器501控制系统，以执行图3B所示 动作。响应操作者发出的系统启动信号，受其控制程序控制的控制器执行第一过程504,在该过程中，空气供应124、隔离阀114和电》兹阀 130打开。在此过程中，排放阀120和电磁阀119和122关闭。电磁阀130的打开允许预定量的还原保护气体、例如约9scfm的 保护气体(一般主要为氮气)流入阳极108。保护气体含有一定量氢 气(即约至少3%的氢气)，以便在阳极108保持还原气体气氛。保护 气体还含有一定量二氧化碳，以防止电解质基体-阳极界面上碳粒子生 长。保护气体流过阳极108后经连接管路123流入阳极气体氧化器 126。来自新鲜空气供应124的新鲜空气在流入阴极110前在阳极气体 氧化器126中与保护气体混合。为确保氧化的空气-保护气体混合物中 的二氧化碳减小阴极IIO中电解质的分解，保护气体中的二氧化碳为 一定的量，以使得氧化的空气-保护气体混合物中的二氧化碳在阴极中 保持约300ppm的二氧化碳浓度。回到图2A，控制器501从过程504进到过程505，在该过程505 中，供水系统132打开。在过程506中，检测是否存在水流，如不存 在，过程进到507，发出停止运行警报，如果水流在一定时间段如5 分钟不存在，则启动图2A的停止运行操作。如果水流存在，过程进到508，在此过程中，打开燃料供应102 和控制阀112，以根椐水流来控制输入燃料气体的流量。过程然后进 到509,判断燃料流是否大于所需点或设定点燃料流的50%，如果是， 过程进到510，在此过程中关闭电磁阀130。这样就停止保护气体的流 动，系统的重新启动511得以完成。如果在过程509中燃料流量小于 设定点的50%,过程进到512，在过程512中，在该状况持续预定时 间例如30分钟后开始停止运行。因此，在重新启动过程中，首先开始输入氧化剂气体(空气)的 流动，这之后的某个时间开始输入燃料气体的流动。此外，随着输入 氧化剂气体的流动而开始还原保护气体的流动，并且还原保护气体的 流动一直持续到开始输入燃料气体的流动且输入燃料气体达到预定流 量。此时，停止保护气体的流动。从而，在整个重新启动过程中把阳极108保持在还原气氛中，并且向阴极IIO供应预定量的二氧化碳。如图1所示，控制组件101还可包括在保护气体流入阳极108前 对保护气体预热的加热系统134。该加热系统可为电加热器，或使用 阴极废气的热量加热保护气体的热交换器。可使用类似美国专利 4，917，971所述的构造，以使用阴极废气加热流入阳极108前的保护气 体。图1还示出连接管路109上的加热系统136,该加热系统136可 包括在控制组件IOI中，该加热系统在系统停止运行时预热从氮气供 应进口 116a经连接管路109流到阳极108的吹扫气体。如上所述，加 热系统136可使用阴极废气的热量。系统停止运行时在连接管路117中流动、从氮气供应进口 116b供 应到连接管路105上燃料控制阀112与燃料处理组件进口 104a之间的 吹扫气体由燃料处理组件104加热。可以理解，在图1系统中，系统100运行时排^t阀120必须在连 接管路107与排放口 118之间提供紧密的密封，以防止燃料气体漏入 排放口 118。同样，系统停止运行时隔离阀114必须提供紧密密封， 以有效隔离阳极108并防止气体空气从排^t口 118漏回阳极108。但是，阀114、 120打开后无法重新紧密密封会在系统IOO运行时 造成流到阳极108的燃料气体的减少，从而降低系统效率和电力生产。 此外，高温电动阀114、 120价格昂贵，需要来自电源例如不间断电源 的另外电力以供它们的操作。在图l实施例的一变型中，为减轻对两高温阀的需要，可除去连 接管路107上的隔离阀114。此外，可调节将燃料处理组件104与排 放口 118相连的连接管路107和111的长度和直径(长度较长和直径 较小)，从而减小排放到足够低的温度(例如，15英尺长不绝热1/4 英寸直径的不锈钢管道可把气体温度降低到约150° F)的加湿的气体 的流率，从而可用低温阀例如电磁阀取代阀120。因此，使用该变型， 只需要一个阀，且该阀可为价格便宜的低温电磁阀。图2示出根据本发明第二实施例使用控制组件201的燃料电池系统200。燃料电池系统200也包括用于从供应202向系统200供应气 态或其它形态的燃料的燃料进口 202a;可包括脱硫器的燃料净化系统 203;用于处理燃料气体的燃料处理组件204;从供水系统232向燃料 处理组件204供应水流的供水进口 232a;包括阳极208和阴极210的 燃料电池206;空气供应系统224;在系统200正常运行、停止运行和 重新启动时将燃料电池206的阳极208的输出与燃料电池的阴极210 的输入连接的阳极气体氧化器("AGO") 226;以及保护气体供应系 统228。在图2所示例示性装置中，燃料处理组件204包括至少一个 加热单元，例如热交换器，该加热单元用于至少通过把水汽化成蒸汽 来提供加湿燃料且把来自燃料进口 202a的燃料预热到所需温度。但 是，应该理解，燃料处理组件204还可包括用于在燃料气体流入阳极 208前处理燃料气体的其它单元，包括但不限于预转化器。如图所示，燃料供应进口 202a通过连接管路205与燃料净化系统 203的进口 203a连接，;燃料净化系统的出口 203b通过连接管路211 与燃料处理组件204的进口 204a连接，供水进口 232a通过连接管路 233与燃料处理组件204的进口 204d连接，燃料处理组件204的出口 204b通过连接管路207与阳极208的进口 208a连接。燃料气体从进 口 202a向系统200的输送受控制阀212的控制，该控制阀212处于连 接管路211上位于燃料净化出口 203a之后。控制阀212在系统200正 常运行时打开，以允许燃料气体供应给燃料处理组件204;控制阀212 在系统停止运行时关闭。如图2所示，控制组件201包括用于将燃料处理组件204和阳极 208与从控制阀212流出的燃料隔离的隔离单元214;保护气体进口 228，用于在重新启动时把保护气体从保护气体系统228供应给阳极 208，直到达到预定的燃料流量；和在系统停止运行时把吹扫气体从吹 扫气体供应216供应给燃料处理组件204的吹扫气体进口 216a。在该 例中，隔离单元214为隔离阀，该隔离阀相对于燃料从燃料进口 202a 到阳极208的流动方向位于连接管路211上控制阀212之后、燃料处 理组件204之前。吹扫气体进口 216a经由连接管路209与连接管路211在连接管路211上隔离阀214与燃料处理组件204之间一位置连 接。连接管路209上还设有用于控制给系统200供应吹扫气体的吹扫 气体控制组件，其包括吹扫气体阀218。保护气体进口 228a经由连接 管路229连接到连接管路207上燃料处理组件204与阳极208之间一 位置。连接管路229上设有用于在重新启动时控制向阳极208的保护 气体流动的保护气体隔离阀230。在该例中，吹扫气体为氮气，吹扫气体供应216为氮气供应，吹 扫气体阀218为氮气阀。此外，在所示该例示性例子中，氮气控制阀 218和隔离阀214为电磁阀。在该例中，保护气体主要含有氢气以及 还原气体、例如至少3%的氢气。此外，保护气体含有足够的二氧化 碳，从而流过阳极208时减小电解质基体-阳极界面上粒子生长，并且 在重新启动时确保阴极气体中有至少300ppm的二氧化碳。保护气体 隔离阀230为用于氮气的电磁阀。控制组件201还包括程控控制器601，控制器601的运行受存储 在计算机可读存储介质中,的软件程序或产品的控制。图4A和4B分别 示出停止运行和重新启动时控制器601实施的控制。系统200正常运 行产生电力时，控制器601控制系统200,使得控制阀212和隔离阀 214打开，以允许燃料气体从燃料供应进口 202a经燃料净化系统203 供应给燃料处理组件204的进口 204a。并且，水从供水进口 232a供 应给燃料处理组件204的另一进口 204d。在燃料处理组件204中，水 被汽化生成蒸汽，并且蒸汽与燃料气体混合而生成一般预热到300°C 的加湿的燃料气体。预热、加湿的燃料从燃料处理组件204通过出口 204b流入连接管路207，并被传送到燃料电池阳极208。如上所述， 燃料处理组件204可包括其它燃料处理单元，例如预转化器，在这种 情况下，燃料气体在这些单元中处理后流到燃料电池阳极208。系统200停止运行时，控制器601控制系统，以执行图4A所示 的停止运行动作。特别是，在停止运行期间，响应停止运行警报，控 制器601受其程序控制而执行包括停止运行操作603的停止运行过程 602。特别是，实施控制以使得控制阀212关闭，从而燃料气体不再从进口 202a供应给系统200。燃料供应202、空气供应224和供水系统 232也关闭，切断燃料、空气和水的供应。隔离阀214同样地也关闭， 以将燃料处理组件204和阳极208与燃料净化系统203中可从控制阀 212逸出的剩佘燃料隔离。阀230也类似地关闭。此外，氮气供应阀 218打开，以允许氮气供应给燃料处理组件204。氮气把燃料处理组件 204中剩余的加湿燃料(燃料和蒸汽)吹扫到阳极208中，并且防止 氧化剂气体从阴极210回流入阳极208。燃料处理组件204为吹扫气 体提供热量，并把流入阳极208前的吹扫气体的温度提高到所需温度。如图所示，氮气由氮气供应216供应，并可沿连接管路209经氮 气阀218流到连接管路211，连接管路211把氮气运送到燃料处理组 件204。氮气吹扫燃料处理组件204，之后经连接管路207运送到阳极 208。燃料处理组件204和连接管路中的加湿燃料经阳极被吹扫入 AG0226中，在AG0226中，使用AG0226中剩余的氧气氧化燃料。 氧化的燃料流入阴极。系统200重新启动时，控制器601控制系统，以执行图4B所示 的动作。响应操作者发角的,系统启动信号，受其控制程序控制的控制 器执行笫一过程604，在该过程中，空气供应224、打开、控制阀218 关闭以及控制阀230打开。此时，控制阀212和隔离阀214保持关闭， 以将燃料处理组件204和阳极208与上游部件即燃料净化系统203隔 离。电磁阀230的打开允许预定量的还原保护气体、例如约9scfm的 保护气体流入阳极208。保护气体含有数量足以使阳极208保持还原 气氛的氢气。保护气体还含有减小基体-阳极界面上粒子生长的二氧化碳o保护气体流过阳极208后经连接管路223流入AG0226。来自新 鲜空气供应224的新鲜空气在流入阴极210前在AG0226中与保护气 体混合。由于保护气体中的二氧化碳，氧化的空气-保护气体混合物中 的二氧化碳保持300ppm 二氧化碳的浓度，从而减小阴极中电解质基 体的分解。回到图4B，控制器从过程604进到过程605，在该过程中，供水 系统232打开。在过程606中，检测是否存在水流，如果不存在水， 过程进到607。在过程607中，如果水流在一定时间例如5分钟内不 存在，则发出停止运行警报，开始图2A的停止运行操作。如果过程606中水流存在，过程进到608，在该过程608中，打 开燃料供应202和阀212， 214，以根据水流控制输入燃料气体的流量。 过程然后进到609，判断燃料流是否大于预定或设定点燃料流的50% ， 如果是，过程进到610，在此过程中关闭电磁阀230。这样就停止保护 气体的流动，系统的重新启动611得以完成。如果在过程609中燃料 流量小于设定点的50%，过程进到612，在过程612中，在该状况持 续预定时间例如30分钟后开始停止运行。因此，在重新启动过程中，首先开始输入氧化剂气体(空气)的 流动，之后某个时间输入燃料气体才开始流入。此外，还原保护气体 随着输入氧化剂气体的流入而开始流入，并且一直持续到输入燃料气 体开始流入且达到预定流量。此时，停止保护气体的流动。从而，在 整个重新启动过程中把阳极208保持在还原气氛中，并且向阴极210 供应所需量的二氧化碳。如图2所示，控制M件201还可包括加热单元234，用于在重新 启动时在保护气体流入阳极208前对其预热。该加热单元可为电加热 器，或使用阴极废气的热量加热保护气体的热交换器。可使用类似美 国专利4，917，971所述的构造，以使用阴极废气加热流入阳极208前的 保护气体。可以理解，在图2系统中，无须经单独排放口对加湿燃料进行排 i文。此外，由于隔离阀214位于燃料处理组件204之前，因此该阀基 本上不受系统200中的温度梯度影响。因此，如上所述，阀214可使 用当系统200停止运行时能重新紧密密封的电磁阀。该阀在停止运行 时防止剩余燃料从燃料净化系统203流入燃料处理组件204和阳极 208。吹扫气体把燃料处理组件204中的加湿燃料(燃料和蒸汽)经阳 极208驱入AG0226中。该燃料在AG0226中氧化，从而阴极保持氧由于氮气供应阀218也位于燃料处理组件204之前，因此其操作 也同样基本上不受温度影响。该阀也可使用电磁阀，系统停止运行后 向阳极供应氮气时提高可靠性和响应性。可以各种方式修正图1和图2的系统100和200。 一种修正是停 止运行后允许一定量的空气从空气供应124或224流到AG0126或 226，从而把阴极保持在氧化气氛中。另一种修正是经循环管路135 或235使得从阴极110或210流出的 一部分阴极气体循环回到AG0126 或226。在停止运行时，这一循环流将提供足够的剩余氧气，足以氧 化从燃料处理组件104或204经阳极108或208吹扫入AG0126或226 中的燃料。应该注意，在图1和2的实施例中使用的控制器501和601可为 GE制造的普通PLCs (可编程逻辑控制器-非常可靠的耐用电脑)。 这些实施例使用的控制程序可为名称为"Versapro"的软件产品，该 软件产品也是可在用于工业自动化的GE PLCs中运用的GE产品。总之，应该理解，上述装置只是代表本发明应用的许多可能的具 体实施例的例示。在不偏离本发明的精神和范围的情况下可根据本发 明原理容易地设计出许多不同的其它装置。
权利要求
1、一种用于接收输入的燃料气体和输入的氧化剂气体的燃料电池系统，包括适于至少加湿输入的燃料气体的燃料处理组件；燃料电池，该燃料电池具有适于接收加湿的输入燃料气体的阳极和适于接收输入的氧化剂气体的阴极；在该燃料电池系统的正常运行、停止运行和重新启动时适于将所述燃料电池的阳极的输出与所述燃料电池的所述阴极的输入连接且还适于接收所述输入的氧化剂气体的阳极氧化组件；以及适于响应所述燃料电池的停止运行的控制组件，在停止运行时，至少输入的燃料气体停止被所述燃料电池系统接收，所述控制组件在所述燃料电池系统停止运行时还适于控制所述燃料电池系统，使得吹扫气体能流过所述燃料处理组件而从所述燃料处理组件驱除加湿的燃料气体且使吹扫气体能流过所述燃料电池的所述阳极。
2、 按权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于 所述燃料电池系统停止运行时所述控制组件还适于 控制所述燃料电池系统，从而将所述燃料处理组件与所述燃料电池隔离，并使得在所述燃料处理组件中流动的吹扫气体在流过所述燃 料处理组件后能被排放。
3、 按权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于 所述阳极氧化组件用来进行氧化反应，并生成输出气体作为输入连接到所述燃料电池的所述阴极。
4、 按权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，进一步包括的管路。
5、按权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于 所述控制组件还适于在所述燃料电池系统停止运行时允许预定-的输入氧化剂气体流动。
6、 按权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于 所述燃料处理组件包括适于接收输入的燃料气体的输入管路和与所述燃料电池的所述阳极连接的输出管路；以及所述控制组件包括连接在所述输出管路中的第一阀，所述第一 阀在所述燃料电池系统停止运行时关闭，从而将所述燃料处理组件与 所述燃料电池的所述阳极隔离。
7、 按权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于 所述控制组件还包括在所述第一阀前的一点上与所述燃料处理组件的所述输出管路连接的第一管路；所述第一管路中的第二阀，所 述第二阀在所述燃料电池系统停止运行时打开；以及在所述第二阀之 后的一点上与所述第一管路连接的排放口 。
8、 按权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于 所述控制组件还包括在所述输入管路中并且适于在所述燃料电池系统停止运行时关闭的第三阀；在所述第三阀之后与所述燃料处理 组件的输入管路连接并且适于接收要流过所述燃料处理组件的吹扫气 体的第二管路；在所述第一阀之后一点与所述燃料处理组件的所述输出管路连接并适于接收要流过所述燃料电池的所述阳极的吹扫气体的 第三管路；连接在所述第二管路中并在所述燃料电池系统停止运行时 打开的第四阀；以及连接在所述第三管路中并在所述燃料电池系统停 止运行时打开的第五阀。
9、 按权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于 所述控制组件在所述燃料电池系统正常运行时控制所述第一和第三阀打开并控制所述第二、第四和第五阀关闭；以及所述控制组件在所述燃料电池系统停止运行时控制所述第一和第 三阀关闭并控制所述第二、第四和第五阀打开。
10、 按权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于 所述阳极氧化组件适于进行氧化反应，并生成输出气体作为输入连接到所述燃料电池的所述阴极。
11、 按权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于所述系统还包括加热单元，该加热单元在所述第三管路中所述第 五阀后，并响应于来自所述燃料电池的所述阴极的废气以用于加热流过所述第三管路的吹扫气体；所述第一和第二阀包括高温电动阀； 所述第三、第四和第五阀包括电磁阀； 所述还原吹扫气体包括氮气；所述燃料处理组件适于接收来自供水供应的水；以及 所述第三和第四管路适于接收来自共同供应源的所述吹扫气体。
12、 按权利要求IO所述的燃料电池系统，其特征在于 所述控制组件还适于响应所述燃料电池系统的重新启动，在重新启动时，所述氧化剂气体开始重新被所述燃料电池系统接收，这之后 一定时间所述燃料气体开始重新被所述燃料电池系统接收，所述控制 组件还适于从所述燃料电池系统的重新启动直到所述燃料气体在所 述燃料电池系统中以预定流量流动时，控制所述燃料电池系统，使得 含有二氧化碳的还原保护气体能流过所述燃料电池的所述阳极。
13、 按权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于 所述控制组件还包括在所述第三管路与所述燃料处理组件的所述输出管路连接的连接点之后一点上与所述燃料处理组件的所述输出 管路连接的第四管路，以及所述第四管路中的第六阀，所述第六阀在 所述燃料电池系统正常运行时关闭，并从所述燃料电池系统重新启动 直到所述输入的燃料气体在所述燃料电池系统中以所述预定流量流动 时打开。
14、 按权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于 所述系统还包括在所述第三管路中所述第五阀后的加热单元，该加热单元响应于来自所述燃料电池的所述阴极的废气来加热流过所述 第三管路的吹扫气体；所述第一和第二阀包括高温电动阀；所述第三、第四和第五和第六阀包括电^兹阀；所述吹扫气体包括氮气；所述燃料处理组件适于接收来自供水供应的水； 所述第三和第四管路适于接收来自共同供应源的所述吹扫气体；以及所述还原保护气体含有氢气。
15、 按权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于 所述阳极氧化组件适于进行氧化反应，并生成输出气体作为输入连接到所述燃料电池的所述阴极；以及所述控制组件还适于响应所述燃料电池系统的重新启动，在重新 启动时，所述氧化剂气体开始重新被所述燃料电池系统接收，这之后 一定时间所述燃料气体开始重新被所述燃料电池系统接收，所述控制 组件还适于从所述燃料电池系统的重新启动直到所述燃料气体在所 述燃料电池系统中以预定流量流动时，控制所述燃料电池系统，允许 含有二氧化碳的还原保护气体能流过所述燃料电池的所述阳极。
16、 按权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于 所述控制组件在所述燃料电池系统停止运行时还适于控制所述燃料电池系统，从而保持所述燃料处理组件与所述燃料电池的所述阳 极的连接，使得在所述燃料处理组件中流动的吹扫气体流过所述燃料 处理组件后能流过所述燃料电池的所述阳极。
17、 按权利要求16所述的燃料电池系统，其特征在于 所述阳极氧化组件适于进行氧化反应，并生成输出气体作为输入连接到所述燃料电池的所述阴极。
18、 按权利要求17所述的燃料电池系统，其特征在于，进一步包括的管路。
19、 按权利要求17所述的燃料电池系统，其特征在于 所述控制组件在所述燃料电池系统停止运行时还适于允许预定量的输入氧化剂气体流动。
20、 按权利要求16所述的燃料电池系统，其特征在于所述燃料处理组件包括适于接收输入的燃料气体的输入管路和与所述燃料电池的所述阳极连接的输出管路；以及所述控制组件包括与所述燃料处理组件的所述输入管路连接并 适于接收所述吹扫气体的第一管路；连接在所述第一管路中的第一阀， 所述第一阀在所述燃料电池系统停止运行时打开；以及在所述第一管 路与所述燃料处理组件的所述输入管路连接的连接点之前的一点上连 接在所述燃料处理组件的所述输入管路中的第二阀，用于将所述燃料 处理组件与所述第二阀之前的部件隔离，所述第二阀在所述燃料电池 系统停止运行时关闭。
21、 按权利要求20所述的燃料电池系统，其特征在于所述系统还包括在所述燃料处理组件的所述输入管路中并在所述 第二阀连接在所述燃料处理组件的所述输入管路中的连接点之前一点 上的控制阀，所述控制阀在所述燃料电池系统停止运行时关闭。
22、 按权利要求21所述的燃料电池系统，其特征在于 所述控制组件在所述燃料电池系统正常运行时控制所述第二阀和所述控制阀打开，并控制所述笫一阀关闭；以及所述控制组件在所述燃料电池系统停止运行时控制所述第二阀和 所述控制阀关闭，并控制所述第一阀打开。
23、 按权利要求22所述的燃料电池系统，其特征在于 所述第 一和第二阀以及所述控制阀包括电磁阀； 所述吹扫气体包括氮气；以及 所述燃料处理组件适于接收来自供水供应的水。
24、 按权利要求22所述的燃料电池系统，其特征在于 所述阳极氧化组件适于进行氧化反应，并生成输出气体作为输入连接到所述燃料电池的所述阴极。
25、 按权利要求24所述的燃料电池系统，其特征在于 所述控制组件还适于响应所述燃料电池系统的重新启动，在重新启动时，所述氧化剂气体开始重新被所述燃料电池系统接收，这之后 一定时间所述燃料气体开始重新被所述燃料电池系统接收，所述控制组件还适于从所述燃料电池系统的重新启动直到所述燃料气体在所 述燃料电池系统中以预定流量流动时，控制所述燃料电池系统，使得 含有二氧化碳的还原保护气体能流过所述燃料电池的所述阳极。
26、 按权利要求25所述的燃料电池系统，其特征在于 所述控制组件还包括与所述燃料处理组件的所述输出管路连接的第二管路；以及所述第二管路中的第三阀，所述第三阀从所述燃料 电池系统重新启动直到所述燃料气体在所述燃料电池系统中以预定流 量流动时打开。
27、 按权利要求26所述的燃料电池系统，其特征在于 所述第一、第二和第三阀和所述控制阀包括电磁阀； 所述还原气体包括氮气；所述第一组件适于接收来自供水供应的水；以及 所述还原保护气体含有氢气。
28、 按权利要求16所述的燃料电池系统，其特征在于 所述阳极氧化组件适于进行氧化反应，并生成输出气体作为输入连接到所述燃料电池的所述阴极；以及所述控制组件还适于响应所述燃料电池系统的重新启动，在重新 启动时，所述氧化剂气体开始重新被所述燃料电池系统接收，这之后 一定时间所述燃料气体开始重新被所述燃料电池系统接收，所述控制 组件还适于从所述燃料电池系统的重新启动直到所述燃料气体在所 述燃料电池系统中以预定流量流动时，调节所述燃料电池系统，以允 许含有二氧化碳的还原保护气体能流过所述燃料电池的所述阳极。
29、 按权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于 所述控制组件还适于响应所述燃料电池系统的重新启动，在重新启动时，所述氧化剂气体开始重新被所述燃料电池系统接收，这之后 一定时间所述燃料气体开始重新被所述燃料电池系统接收，所述控制 组件还适于从所述燃料电池系统的重新启动直到所述燃料气体在所 述燃料电池系统中以预定流量流动时，调节所述燃料电池系统，以允 许含有二氧化碳的还原译护气体能流过所述燃料电池的所述阳极。
30、 按权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于 所述控制组件在所述燃料电池系统停止运行时还适于控制所述燃料电池系统，从而保持所述燃料处理组件与所述燃料电池的连接， 并使得在所述燃料处理组件中流动的吹扫气体流过所述燃料处理组件 后能经低温阀向排放口排放。
31、 按权利要求30所述的燃料电池系统，其特征在于 所述燃料处理组件包括适于接收输入的燃料气体的输入管路和与所述燃料电池的所述阳极连接的输出管路；以及所述控制组件还包括与所述燃料处理组件的所述输出管路连接 并且长度和直径适于允许经所述低温阀排放的第一管路；所述低温阀 位于所述第一管路中并在所述燃料电池系统停止运行时打开；以及在 所述低温阀之后的一点上与所述第一管路连接的排放口 。
32、 按权利要求31所述的燃料电池系统，其特征在于 所述控制组件还包括在所述输入管路中并且适于当所述燃料电池系统停止运行时关闭的第 一阀；在所述第一阀后与所述辦料处理组 件的输入管路连接并适于接收要流过所述燃料处理组件的吹扫气体的 第二管路；第二阀是所述第二管路，适于在所述燃料电池系统停止运 行时打开；在所述第一管路与所述燃料处理组件的所述输出管路连接 的连接点之后的一点上与,所述燃料处理组件的所述输出管路连接的第 三管路，其适于接收要流过所述燃料电池的所述阳极的吹扫气体；以 及连接在所述第二管路中并适于在所述燃料电池系统停止运行时打开 的第三阀。
33、 按权利要求32所述的燃料电池系统，其特征在于 所述低温阀和所述第一、第二和第三阀包括电磁阀； 所述吹扫气体为氮气；所述燃料处理组件适于接收来自供水供应的水，以及 所述第二和第三管路适于接收来自共同供应源的所述吹扫气体。
34、 按权利要求32所述的燃料电池系统，其特征在于 所述阳极氧化组件适于进行氧化反应，并生成输出气体作为输入连接到所述燃料电池的所述阴极；以及所述控制组件还适于响应所述燃料电池系统的重新启动，在重新 启动时，所述氧化剂气体开始重新被所述燃料电池系统接收，这之后 一定时间所述燃料气体开始重新被所述燃料电池系统接收，所述控制 组件还适于从所述燃料电池系统的重新启动直到所述燃料气体在所 述燃料电池系统中以预定流量流动时，调节所述燃料电池系统，以允 许含有二氧化碳的还原保护气体能流过所述燃料电池的所述阳极。
35、 一种用于接收输入的燃料气体和输入的氧化剂气体的燃料电 池系统，包括用于至少加湿输入的燃料气体的燃料处理组件； 燃料电池，该燃料电池具有适于接收加湿的输入的燃料气体的阳 极和适于接收输入的氧化剂气体的阴极；阳极氧化组件，其适于在该燃料电池系统的正常运行、停止运行极的输入连接，且还适于接收所述输入的氧化剂气体；以及控制组件，其适于响应所述燃料电池系统的重新启动，在重新启 动时，所述氧化剂气体开始重新被所述燃料电池系统接收，这之后一 定时间所述燃料气体开始重新被所述燃料电池系统接收，所述控制组 件还适于从所述燃料电池系统的重新启动直到所述燃料气体在所述 燃料电池系统中以预定流量流动时，调节所述燃料电池系统，以允许 含有二氧化碳的还原保护气体能流过所述燃料电池的所述阳极。
36、 按权利要求35所述的燃料电池系统，其特征在于所述阳极氧化组件适于进行氧化反应，并生成输出气体作为输入 连接到所述燃料电池的所述阴极；所述第 一组件包括用于接收输入的燃料气体的输入管路和与所述 燃料电池的所述阳极连接的输出管路；以及所述控制组件包括与所述第一组件的所述输出管路连接的第一 管路和位于所述第一管路中的第一阀；所述第一阀从所述燃料电池系 统重新启动直到所述燃料气体开始在所述燃料电池系统中以所述预定流量流动时打开。
37、 按权利要求36所述的燃料电池系统，其特征在于 所述第一阀包括电磁阀；所述还原保护气体含有氢气。
38、 一种操作被提供有输入的燃料气体和输入的氧化剂气体的燃 料电池系统的方法，该燃料电池系统包括适于至少加湿输入的燃料气 体的燃料处理组件和燃料电池，该燃料电池具有适于接收加湿的输入 的燃料气体的阳极和适于经阳极氧化组件接收输入的氧化剂气体的阴 极，该阳极氧化组件适于在该燃料电池系统的正常运行、停止运行和 重新启动时将所述燃料电池的阳极的输出与所述燃料电池的所述阴极 的输入连接且适于接收所述输入的氧化剂气体，该方法包括停止所述燃料电池系统的运行，包括至少停止向所述燃料电池系 统供应所述输入的燃料气体；以及当所述燃料电池系统停止运行时，使得吹扫气体流过所述燃料处 理组件，以从所述燃料处理组件清除加湿的燃料气体，并使还原吹扫 气体能流过所述燃料电池的所述阳极。
39、 按权利要求38所述的方法，其特征在于 所述使得吹扫气体流过所述燃料处理组件以从所述燃料处理组件清除加湿的燃料气体并使还原吹扫气体能流过所述燃料电池的所述阳 极包括将所述燃料处理组件与所述燃料电池的所述阳极隔离；并使 得流过所述燃料处理组件的吹扫气体排放。
40、 按权利要求39所述的方法，其特征在于所述阳极氧化组件适于进行氧化反应，并生成输出气体作为输入 连接到所述燃料电池的所述阴极。
41、 按权利要求40所述的方法，其特征在于，进一步包括 重新启动所述燃料电池系统，包括重新向所述燃料电池系统供应所述氧化剂气体，这之后 一定时间重新向所述燃料电池系统供应所 述燃料气体；以及从所述燃料电池系统重新启动到所述燃料气体在所述燃料电池系统中以预定流量流动时，使得含有二氧化碳的还原保护气体流过所述 燃料电池的所述阳极。
42、 按权利要求41所述的方法，其特征在于， 所述吹扫气体含有氮气；并且 所述保护气体含有氢气。
43、 按权利要求38所述的方法，其特征在于，清除加湿的燃料气体并使还原吹扫气体能流过所述燃料电池的所述阳 极包括使所述燃料处理组件保持与所述燃料电池的所述阳极连接； 以及使得在所述燃料处理组件中流动的吹扫气体流过所述燃料处理组 件后通过所述燃料电池的所述阳极。
44、 按权利要求43所述的方法，其特征在于，所述阳极氧化组件适于进行氧化反应，并生成输出气体作为输入 连接到所述燃料电池的所述阴极。
45、 按权利要求44所述的方法，其特征在于，进一步包括 重新启动所述燃料电池系统包括重新向所述燃料电池系统供应所述氧化剂气体，这之后 一 定时间重新向所述燃料电池系统供应所述 燃料气体；以及从所述燃料电池系统重新启动到所述燃料气体在所述燃料电池系 统中以预定流量流动时，使得含有二氧化碳的还原保护气体流过所述 燃料电池的所述阳极。
46、 按权利要求45所述的方法，其特征在于， 所述吹扫气体含有氣气；并且 所述还原保护气体含有氢气。
47、 按权利要求38所述的方法，其特征在于， 所述使得吹扫气体流过所述燃料处理组件以从所述燃料处理组件清除加湿的燃料气体并使还原吹扫气体能流过所述燃料电池的所述阳 极包括保持所述燃料处理组件与所述燃料电池的所述阳极的连接； 以及使得在所述燃料处理组件中流动的吹扫气体流过所述燃料处理组件后经低温阀通过排放口 。
48、 按权利要求38所述的方法，其特征在于，所述阳极氧化组件适于进行氧化反应，并生成输出气体作为输入 连接到所述燃料电池的所述阴极。
49、 按权利要求48所述的方法，其特征在于，进一步包括 重新启动所述燃料电池系统包括重新向所述燃料电池系统供应所述氧化剂气体，这之后一定时间重新向所述燃料电池系统供应所述 燃料气体；以及从所述燃料电池系统重新启动到开始重新向所述燃料电池供应所 述燃料气体时，使得含有二氧化碳的还原保护气体流过所述燃料电池 的所述阳极；以及使得所述还原保护气体流过所述燃料电池的所述阳 极后与所述输入的氧化剂气体混合，使该混合气体氧化，并且使所氧 化的气体输入所述燃料电池的所述阳极。
50、 按权利要求49所述的方法，其特征在于， 所述吹扫气体含有氮气；并且 所述保护气体含有氩气。
51、 按权利要求38所述的方法，其特征在于， 所述阳极氧化组件适于进行氧化反应，并生成输出气体作为输入连接到所述燃料电池的所述阴极。
52 、 一种操作被提供有输入的燃料气体和输入的氧化剂气体的燃 料电池系统的方法，该燃料电池系统包括适于至少加湿输入的燃料气 体的燃料处理组件和燃料电池，该燃料电池具有适于接收加湿的输入极，该阳极氧化组件适于在该燃料电池系统的正常运行、停止运行和的输入连接且适于接收所述输入的氧化剂气体，该方法包括停止所述燃料电池系统的运行，包括至少停止向所述燃料电池系统供应所述输入的燃料气体；重新启动所述燃料电池系统，包括重新向所述燃料电池系统供应所述氧化剂气体，并且这之后一定时间重新向所述燃料电池系统供应所述燃料气体；以及从所述燃料电池系统重新启动到所述燃料气体在所述燃料电池系 统中以预定流量流动时，使得含有二氧化碳的还原保护气体流过所述 燃料电池的所述阳极。
53、 按权利要求52所述的方法，其特征在于，进一步包括 所述阳极氧化组件适于进行氧化反应，并生成输出气体作为输入连接到所述燃料电池的所述阴极。
54、 按权利要求53所述的方法，其特征在于， 所述还原吹扫气体含有氮气；并且 所述保护气体含有氢气。
55、 一种存储在计算机可读存储介质中用于执行按权利要求38、 39、 41、 43、 45、 47、 49和52中任一权利要求所迷的方法的软件程 序或产品。
全文摘要
一种燃料电池系统和方法，该燃料电池系统接收输入的氧化剂气体和输入的燃料气体；该燃料电池系统具有燃料处理组件，其适于至少加湿要供应给该系统的燃料电池的阳极的输入燃料气体，该燃料电池的阴极经阳极氧化组件接收输入的氧化剂气体，该阳极氧化组件适于在该燃料电池系统的正常运行、停止运行和重新启动时将燃料电池的阳极的输出与燃料电池的阴极的进口连接；该系统还具有控制组件，其适于响应燃料电池系统的停止运行，在停止运行时，输入的燃料气体和输入的氧化剂气体停止被燃料电池系统接收，该控制组件在燃料电池系统停止运行时还适于控制燃料电池系统，使得吹扫气体能流过燃料处理组件而从处理组件清除加湿燃料气体且使吹扫气体能流过燃料电池的阳极。
文档编号H01M8/16GK101326671SQ200680029006
公开日2008年12月17日 申请日期2006年8月9日 优先权日2005年8月11日
发明者D·比奇, G·L·卡尔森, G·伯恩特森, M·比肖夫, M·法鲁克, R·文卡塔拉曼, S·彼得汉斯 申请人:燃料电池能有限公司;Cfc解决方案有限责任公司