专利名称：高温燃料电池系统中的改善的燃料灵活性配置的制作方法
技术领域：
世界上大多数能量都是通过石油、煤、天然气或核能产生的。例如就可用性和环保性而言，所有这些产生方法都具有它们特定的问题。就环境而言，尤其是石油和煤在燃烧时会导致污染。核能的问题至少在于所使用的燃料的储存。特别是因为环境问题，已经开发了更加环保并且例如具有比上述能源更好的效率的新能源。燃料电池装置是非常有前途的未来能量转换装置，通过该装置，燃料(例如沼气)以环保过程经由化学反应直接转换为电。
背景技术：
如图1所示，燃料电池包括阳极侧100和阴极侧102、以及二者之间的电解质材料 104。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧气被提供给阴极侧102，并通过接收来自阴极的电子而还原为负氧离子。负氧离子经过电解质材料104到达阳极侧100，并在此与所使用的燃料发生反应，生成水并且通常也生成二氧化碳(CO2)。外部电路111位于阳极100和阴极 102之间，并包括用于燃料电池的负载110。在图2中呈现了 SOFC装置作为高温燃料电池装置的示例。SOFC装置可以利用例如天然气、沼气、甲醇或其他含有烃类混合物的化合物作为燃料。图2中的SOFC装置包括在堆形成103(S0FC堆)中的一个以上、典型地为多个的燃料电池。每一燃料电池包括如图 1所呈现的阳极100和阴极102结构。部分所使用的燃料通过每一阳极在反馈结构109中再循环。图2中的SOFC装置还包括燃料热交换器105和重整炉107。热交换器用以控制燃料电池过程中的热条件，并且在SOFC装置的不同位置处可以设置一个以上的热交换器。循环气体中的额外热能在一个或更多个热交换器105中回收以用在SOFC装置中，或在外部热回收设备中回收。重整炉107是将诸如天然气的燃料转换为适于燃料电池的合成物、例如转换为包含氢气与甲烷、二氧化碳、一氧化碳和惰性气体的合成物的装置。然而无论如何在每一 SOFC装置中不必然具有重整炉。利用测量装置115 (例如燃料流量计、电流计和温度计)，从通过阳极的再循环气体执行对于SOFC装置的操作的必要测量。在阳极100处使用的气体仅有一部分通过阳极在反馈结构109中再循环，而其他部分气体从阳极100排出114。固体氧化物燃料电池(SOFC)装置是直接通过氧化燃料而生成电的电化学转换装置。SOFC装置的优点包括高效率、长期稳定性、低排放和成本。主要缺点在于高操作温度， 而这导致长启动时间以及机械和化学兼容问题。大的固体氧化物燃料电池系统具有诸如空气压缩机、反应器和热交换器的多个组件，这些组件必须依照额定工作点设定尺寸。尤其对于热交换器，当流量与尺寸值相比差异太大时，效率完全改变。另外，在大的系统中，组件的热容量很高，导致慢的温度水平稳定， 进而影响诸如重整炉和燃料电池堆的温度敏感燃料电池系统组件的运行。这些效应导致固体氧化物燃料电池系统在不同于额定尺寸点的一些其他操作点中的操作可能很困难，或者至少导致系统效率下降。不同的工作点可包括所需功率输出上的变化、燃料质量上的可能波动(例如在若干沼气下的情形)，并且需要使用不同于为SOFC系统所设计的燃料的一些其他燃料来操作SOFC系统。这是对现有技术解决方案中利用合理的效率没有实现的所谓双燃料能力的需求。
发明内容
本发明的目的在于实现一种燃料电池系统，所述系统在系统配置具有微小变化的不同情况下可以使用在诸如甲烷比例的燃料成分上可能具有很大差异的气体。这可以通过用于利用燃料电池产生电力的高温燃料电池系统来实现，每一燃料电池包括阳极侧、阴极侧、所述阳极侧和阴极侧之间的电解质，并且所述燃料电池系统包括用于循环处于阳极侧的气体的装置。高温燃料电池系统包括用于确定阳极侧的气体成分以提供成分信息的装置、用于利用所述成分信息在阳极侧执行受控气体再循环的装置、用于利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的受控辅助水供给的装置、用于在所述燃料电池系统中设置希望温度条件的至少一个热交换器、用于利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的受控气体供给的装置、和用于控制所述燃料电池系统的额定功率以改变所述燃料电池系统的所述额定功率以对于在高温燃料电池系统中用作燃料的气体保持大体上最优的电力产生条件的装置，所述控制所述燃料电池系统的所述额定功率这样完成当存在需求时通过改变水供给来控制所述利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的所述受控辅助水供给的装置，当存在需求时通过改变气体再循环来控制所述利用所述成分信息执行在阳极侧的受控气体再循环的装置，和当存在需求时通过改变气体供给来控制所述利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的受控气体供给的装置。本发明的焦点还在于一种用于在高温燃料电池系统中产生电力的方法，在所述方法中气体在燃料电池的阳极侧循环。在所述方法中，确定在阳极侧的气体成分以提供成分信息，设置希望的温度条件以利用燃料电池产生电力，并控制所述燃料电池系统的额定功率以改变所述燃料电池系统的所述额定功率对于在高温燃料电池系统中用作燃料的气体保持大体上最优的电力产生条件，所述控制所述燃料电池系统的所述额定功率这样完成 当存在需求时通过改变所述水供给利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的受控辅助水供给，当存在需求时通过改变气体再循环利用所述成分信息在阳极侧执行受控气体再循环，和当存在需求时通过改变气体供给利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的受控气体供给。本发明基于通过利用阳极气体成分信息来控制在辅助水供给系统和阳极气体再循环系统之间的阳极流特征，以改变燃料电池系统的额定功率，以在甚至当在燃料电池系统中使用的气体改变为实质上不同类型的气体时也能保证大体上最优的电力产生条件，控制阳极流特征这样完成当存在这样的需求时通过改变所述辅助水供给，当存在这样的需求时通过改变所述气体再循环，和当存在这样的需求时通过改变向燃料电池系统的气体供 本发明的好处在于在系统配置变化很小的情况下改变在高温燃料电池系统中所使用的标称气体。这甚至能够实现为使得对于在燃料成分上(例如，在甲烷的比例上)具有非常大差异的气体使用相同的燃料装置实现，而无需为不同的气体建立并行的燃料电池
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图1显示单个燃料电池结构。图2显示SOFC装置的示例。图3显示根据本发明的优选实施方式。
具体实施例方式固体氧化物燃料电池(SOFC)可以具有多种几何形状。平面几何形状(图1)是大多数类型的燃料电池所采用的典型的三明治类型的几何形状，其中电解质104夹在电极 (阳极100和阴极102)之间。SOFC也可以做成管状几何形状，其中例如空气或燃料从管的内部通过，而其他气体沿着管的外面通过。这也可以设计为使得用作燃料的气体从管的内部通过，而空气沿着管的外面通过。管状设计在将燃料与空气密封隔开上更好。但是由于平面设计相对而言具有较低的电阻，所以无论如何平面设计的性能好于管状设计的性能。其他几何形状的SOFC包括改变的平面电池(MPC或MPS0FC)，其中波浪状的结构取代了平面电池的传统平面配置。由于这样的设计享有平面电池(低电阻)和管状电池的优点，因此这种设计非常有前途。在SOFC中使用的陶瓷直到达到非常高的温度才变得离子活跃，并且作为其结果， 必须在从600°C到1000°C范围内的温度对堆加热。从氧还原为氧离子(图1)发生在阴极 102处。这些离子接着可以通过固体氧化物电解质104被传送到阳极100，在这里它们可以电化学氧化作为燃料的气体。在这个反应中，释放出水和二氧化碳副产品以及两个电子。这些电子接着流经外部电路111，在外部电路111中它们可以被利用。当这些电子再次进入阴极材料102时，循环接着重复。在大的固体氧化物燃料电池系统中，典型的燃料是天然气(主要是甲烷)、不同的沼气(主要是氮气和/或由二氧化碳稀释的甲烷)和其他含有燃料的高级烃，所述高级烃包括乙醇。甲烷和高级烃需要在进入燃料电池堆之前在重整炉107(图幻中被重整，或(部分地)在堆103内部被重整。重整反应需要一定量的水，并且还需要额外的水来避免高级烃导致的可能的碳形成(焦化)。这些水可以通过循环阳极气体排出流来在内部提供，因为在燃料电池反应中生成过量的水，和/或可以利用辅助水供给(例如，直接淡水供给或排出冷凝循环)提供这些水。通过阳极再循环结构，阳极气体中的未使用的燃料和稀释物中的部分也被反馈回该过程，而在辅助水供给结构中，该过程的添加物仅仅是水。图3显示根据本发明的示例性优选实施方式，其中，阳极再循环与辅助水供给之间的操作模式和比例、通过气体处理反应器的阳极流特征、热交换器和燃料电池堆可以大体上保持为常量，同时保证用于重整反应和避免焦化的充足的水量。该固体氧化物燃料电池系统包括用于确定阳极侧100的气体成分以提供成分信息的装置120。在本发明的该优选实施方式中，该成分信息是用作燃料的气体中氧与碳之间的关系，即0/C关系。成分信息还可以包括水量信息和/或氢与碳之间的关系，即，H/C关系。优选地通过计算过程确定0/ C关系和/或水量信息和/或H/C关系，因此所述用于确定气体成分的装置120例如是位于计算机1 或某一其他装置中的计算处理器。当然，所述装置120也可以是从气体流中测量所需值的测量设备。
根据本发明优选实施方式的固体氧化物燃料电池系统(图3)还包括用于在所述燃料电池系统中设置所希望的温度条件的至少一个热交换器105。利用用来管理所述至少一个热交换器的操作的传送结构(passing arrangement)，成分信息还可用于热交换器。通过采用利用成分信息的所述传送结构，所述至少一个热交换器的效率甚至可能是可控的。 该传送结构包括传送直接蒸汽流或阳极再循环供给或其组合的一个或更多个管道。所述成分信息被装置122使用，用来通过改变受控气体的量和/或温度来执行阳极侧100的受控气体再循环。所述成分信息还被装置IM使用，用来通过改变受控辅助水的量和/或温度来执行对燃料电池系统的受控辅助水供给。根据本发明的实施方式还包括用于通过改变受控气体的量和/或温度、利用所述成分信息来执行对燃料电池系统的受控气体供给的装置123。所有这些用于控制的装置122、123、IM包括一个或更多个控制处理器，所述处理器例如位于同一控制计算机126中，或如图3所示同装置122、123、IM分离地设置。当作为燃料使用的气体例如从天然气变换为沼气时，改变燃料电池系统的额定功率，以对于固体氧化物燃料电池系统中作为燃料使用的气体保持大体上最优的电力生产条件。这由通过控制利用所描述的所述成分信息来执行对燃料电池系统的受控辅助水供给的所述装置124、通过控制利用所描述的所述成分信息来执行阳极侧100处的受控气体再循环的所述装置122、并且通过控制利用所描述的所述成分信息来执行对燃料电池系统的受控气体供给的所述装置123，来控制固体氧化物燃料电池系统的额定功率的装置1 来实现。同样，用于控制固体氧化物燃料电池系统的额定功率的装置1 包括例如位于如图3 所示的控制计算机126中的一个或更多个控制处理器。虽然装置1 称为计算机，但是本发明可以利用例如仅包括一个控制逻辑电路或等同物的装置126来实现。在本发明的优选实施方式中，通过利用用于确定气体成分的所述装置120、并且利用所描述的所述控制装置122和/或123和/或IM控制阳极侧的气体再循环与辅助水供给之间的阳极流特征，来实现利用控制装置1 对额定功率的控制。如在图3中采用双向箭头所示，在控制装置122、123、IM和1 之间可以存在双向控制信息流，例如向控制装置 126提供反馈信息，使得所描述的根据本发明的控制结构积极跟随控制过程的状态。如同利用SOFC所描述的，还可以针对MCFC(熔融碳酸盐燃料电池)和在400°C 和更高温度操作的高温燃料电池利用本发明。MCFC是使用由悬浮于BASE (Beta-Alumina Solid Electrolyte)的多孔化学惰性陶瓷阵列中的熔融碳酸盐混合物构成的电解质的高温燃料电池。本发明使得在双燃料(例如，天然气、沼气)操作系统中成功地使用相同SOFC(或 MCFC或其他)系统部件和组件成为可能。所述系统可以是开/关类型，其包括开关用以根据要使用的气体选择操作模式。在本发明优选实施方式(图3)中，所述系统优选地是自动控制系统，如同所描述的，其随着气体成分中的变化改变其操作模式。所使用的气体中的甲烷成分允许在几乎100% (天然气)到甚至低至30%或更低(“污染的(dirty)”沼气)之间变化。在本发明的优选实施方式中，许多或者甚至全部SOFC系统部件和组件对于不同的作为燃料使用的气体类型都是相同的。无论如何，如果以某种方式是合理的，那么本发明也可以这样使用，使得仅仅很少SOFC系统部件和组件对于不同的作为燃料使用的气体类型都是相同的。
当使用稀释的沼气作为燃料时，根据本发明的这些成果尤其重要，因为根据现有技术的阳极再循环会导致惰性气体组合进入循环，从而引起极高的阳极再循环流来提供充足的水量。根据现有技术，当从沼气应用变为天然气应用时，这会导致气体处理组件和部件尺寸过大。根据本发明，通过改变阳极再循环与辅助水供给之间的比例，可以在不同气体操作下使用相同的系统部件和组件，并且系统功率尤其是效率保持良好或者至少合理的值。本发明类似地应用于控制功率输出、并且因此控制所需的入口燃料流以维持高效率的可能需求。本发明类似地还应用于燃料质量上的可能的波动，这例如是在典型的沼气应用中的情形。在现有技术中的具有高波动性的系统中，肯定存在高安全裕度以避免焦化。 当根据本发明应用对燃料成分的间接或直接在线测量以控制所需的水量、并在阳极侧处仍然维持大体上保持恒定的流量特征时，甚至非常低的安全裕度都足以避免焦化。虽然参考附图和说明书描述了本发明，但是由于在权利要求所限定的范围内，可以对本发明作出变型，故而本发明绝不局限于所述附图和说明书。
权利要求
1.一种用于利用燃料电池产生电力的高温燃料电池系统，每一燃料电池包括阳极侧 (100)、阴极侧(102)、所述阳极侧和所述阴极侧之间的电解质(104)，并且所述燃料电池系统包括用于循环阳极侧的气体的装置(109)，其特征在于，所述高温燃料电池系统包括-用于确定阳极侧(100)的气体成分以提供成分信息的装置(120)，-用于利用所述成分信息执行阳极侧(100)的受控气体再循环的装置(122)，-用于利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的受控辅助水供给的装置(124)，-用于在所述燃料电池系统中设置希望温度条件的至少一个热交换器(105)，-用于利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的受控气体供给的装置(123)，-以及用于控制所述燃料电池系统的额定功率以改变所述燃料电池系统的所述额定功率、以对于所述高温燃料电池系统中用作燃料的气体保持大体上最优的电力产生条件的装置(126)，所述控制所述燃料电池系统的所述额定功率这样完成当存在需求时，通过改变所述水供给来控制所述利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的受控辅助水供给的装置(124)，当存在需求时，通过改变所述气体再循环来控制所述利用所述成分信息执行阳极侧的受控气体再循环的装置(122)，和当存在需求时，通过改变所述气体供给来控制所述利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的受控气体供给的装置(123)。
2.根据权利要求1所述的高温燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括用于利用所述成分信息通过改变所述水的量和/或温度来执行受控辅助水供给的装置 (124)。
3.根据权利要求1所述的高温燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括用于利用所述成分信息通过改变所述气体的量和/或温度来执行受控气体再循环的装置 (122)。
4.根据权利要求1所述的高温燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括用于利用所述成分信息管理所述至少一个热交换器(105)的操作的传送结构。
5.根据权利要求1所述的高温燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括用于利用所述成分信息控制所述至少一个热交换器(105)的效率的传送结构。
6.根据权利要求1所述的高温燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括用于确定阳极侧的气体成分以提供所述气体中的氧与碳之间的关系(0/C关系)作为成分信息的装置(120)。
7.根据权利要求1所述的高温燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括用于通过控制阳极侧(100)的气体再循环与辅助水供给之间的阳极流特征来控制所述燃料电池系统的额定功率的装置(126)。
8.一种用于在高温燃料电池系统中产生电力的方法，在所述方法中气体在燃料电池的阳极侧(100)循环，其特征在于，在所述方法中-确定阳极侧(100)的气体成分以提供成分信息，-设置希望的温度条件以利用燃料电池产生电力，-以及控制所述燃料电池系统的额定功率，以改变所述燃料电池系统的所述额定功率以对于所述高温燃料电池系统中用作燃料的气体保持大体上最优的电力产生条件，所述控制所述燃料电池系统的所述额定功率这样完成当存在需求时，通过改变所述水供给利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的受控辅助水供给，当存在需求时，通过改变所述气体再循环利用所述成分信息执行阳极侧(100)的受控气体再循环，和当存在需求时，通过改变所述气体供给利用所述成分信息执行向所述燃料电池系统的受控气体供给。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过利用所述成分信息改变所述水的量和/或温度来改变所述水供给。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过利用所述成分信息改变所述气体的量和/或温度来改变所述气体再循环。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，由传送结构利用所述成分信息来管理设置希望温度条件时的操作。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，由传送结构利用所述成分信息来控制设置希望温度条件时的效率。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，确定阳极侧(100)的气体成分以提供所述气体中的氧与碳之间的所述关系(0/C关系)作为成分信息。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过控制阳极侧(100)的气体再循环与辅助水供给之间的阳极流特征来完成对所述额定功率的控制。
全文摘要
本发明的焦点在于一种用于在高温燃料电池系统中产生电力的方法，在该方法中气体在燃料电池的阳极侧(100)循环。确定阳极侧(100)的气体成分以提供成分信息，设置希望温度条件以利用燃料电池产生电力。在该方法中，控制燃料电池系统的额定功率以改变燃料电池系统的额定功率以对于高温燃料电池系统中用作燃料的气体保持大体上最优的电力产生条件，控制燃料电池系统的额定功率这样完成当存在需求时通过改变所述水供给利用所述成分信息执行向燃料电池系统的受控辅助水供给，当存在需求时通过改变所述气体再循环利用所述成分信息执行阳极侧(100)的受控气体再循环，和当存在需求时通过改变所述气体供给利用所述成分信息执行向燃料电池系统的受控气体供给。
文档编号H01M8/04GK102334222SQ201080009242
公开日2012年1月25日 申请日期2010年2月22日 优先权日2009年2月26日
发明者特罗·霍蒂宁, 蒂莫·基维萨里, 金·阿斯特罗姆 申请人:瓦锡兰芬兰有限公司