专利名称：避免阳极氧化的方法和装置的制作方法
技术领域：
世界上大多数能量是通过石油、煤炭、天然气或者核能产生的。到目前为止，所有这些生产方法都具有它们特有的问题，例如，可用性和环境友好程度受到关注。对于环境而言，石油和煤炭在被燃烧时造成污染。核能的问题至少是使用后燃料的存储。特别因为环境问题，开发了例如比上述能源具有更好的环境友好程度的新能源。燃料电池是有希望的未来能量转换装置，通过燃料电池，例如生物气体的燃料的能量通过化学反应直接转换为电力。
背景技术：
如图1所示的燃料电池包括阳极侧100和阴极侧102以及位于它们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106被馈送到阴极侧102，并且通过从阴极接收电子而被还原为负氧离子。负氧离子经过电解质材料104到达阳极侧100，在阳极侧100与燃料108反应，产生水并且通常还产生二氧化碳(C02)。在阳极100和阴极102之间，存在外电路111，该外电路111包括燃料电池的负载110。在图2中示出了作为高温燃料电池装置的示例的SOFC装置。该SOFC装置可以利用例如天然气、生物气体、甲醇或者包含碳氢化合物的其它化合物作为燃料。图2中的SOFC装置包括堆构造103形式的超过一个燃料电池(SOFC堆)，通常包括多个燃料电池。每个燃料电池都包括如图1所示的阳极100和阴极102的结构。用过的燃料的一部分可以在反馈装置109中通过每一个阳极再循环。图2中的SOFC装置还包括燃料热交换器105和重整器(reformer) 107。通常使用多个热交换器以便控制燃料电池处理中的不同位置处的热状况。重整器107是这样一种装置，其将诸如例如天然气这样的燃料转换为适用于燃料电池的混合物，例如，转换为包含氢气和甲烷、二氧化碳、一氧化碳和惰性气体的混合物。但是，在每个SOFC装置中不是必须具有重整器。例如，惰性气体是燃料电池技术中使用的弛放气(purge gas)或者驰放气的一部分。例如，氮气是在燃料电池技术中通常被用作驰放气的惰性气体。驰放气并不必须是单一气体，也可以包括混合气体。通过使用测量装置115 (诸如燃料流量计、电流计和温度计)，对SOFC装置的操作进行必要的测量。阳极100处使用的气体的一部分可以在反馈装置109中通过阳极再循环，并且气体的另一部分从阳极100耗尽114。固体氧化物燃料电池(SOFC )装置是直接从氧化燃料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、低排放和成本。主要缺点是高工作温度，这导致长的启动时间和机械和化学兼容问题。固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极通常包含大量的镍，如果空气不是还原性的，则容易形成镍氧化物。如果镍氧化物形成严重，则电极的形态不可逆地改变，造成电化学活动的显著损失甚至电池故障。因此，SOFC系统在启动和关机期间需要驰放气(S卩，安全气体)，包含还原剂(诸如，用诸如氮气这样的惰性气体稀释的氢气)，以便于防止燃料电池的阳极被氧化。在实际系统中，因为大量的例如包含氢气的加压气体是昂贵的并且由于要求空间的部件而有问题，所以驰放气的量必须减到最少。根据现有技术的应用，通过阳极再循环，S卩，将未使用的驰放气循环回到环路中，在正常启动或者关机期间驰放气的量被减到最少，这是因为在启动情况下同时需要将驰放气减到最少和加热，并且在关闭情况下还同时需要将驰放气减到最少和系统的冷却。然而，在可能由于气体报警或停电而导致的紧急关机(ESD)时，不再存在可用的主动再循环，造成需要的驰放气的量增加。另外，在ESD期间，因为鼓风机必须被关闭，阴极空气流不对系统进行冷却，并且因此，由于将系统冷却到不发生镍氧化的温度的时间与主动关闭情况相比甚至增加三倍，所以需要的驰放气的量增加得更多。如上所述，当前的SOFC堆需要减少驰放气以保护阳极以免在例如紧急关机的异常情况期间氧化。然而，驰放气的量对于实际现场应用而言仍然很大，特别是较大的单元尺寸。在特定临界温度以上，堆容易遭受有害的镍氧化，该临界温度通常大致在300-400摄氏度之间。在该温度以下，镍氧化反应很慢，阳极上不需要还原性的空气。在被动的紧急关机情况下，由于不存在穿过系统的空气流、部件的高热容、系统的良好的热绝缘，单元的冷却及其缓慢(甚至10小时或者更长)。即使可利用主动的空气冷却，由于高效率的同流换热器(recuperator)将大部分热带回系统,冷却也是缓慢的。
发明内容
本发明的目的是实现一种燃料电池系统，其中显著减少了关机情况下阳极的氧化的风险。该目的通过一种用于高温燃料电池的冷却装置来实现，该冷却装置用于在系统关机情况下显著减少驰放气的量，所述燃料电池系统中的每一个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燃料电池堆形式的燃料电池。该冷却装置包括:冷却剂源，其能够在系统关机情况下提供在所述高温燃料电池系统的冷却过程中使用的冷却剂；冷却结构，其连接到所述冷却剂源并且被主要布置在所述燃料电池堆的热效应区域中以接收至少从所述燃料电池堆辐射的热并且将接收到的热传递到所述冷却剂；用于将所述冷却剂从所述冷却剂源馈送到所述冷却结构的装置；用于从所述冷却结构排出用过的冷却剂的装置；以及用于在系统关机情况开始时利用触发力来触发所述冷却结构中的冷却剂流的装置。本发明的重点还在于一种高温燃料电池系统中在系统关机情况下显著减少驰放气的量的方法，其中燃料电池按照燃料电池堆的形式布置。在该方法中，通过如下方式在所述系统关机情况期间的所述高温燃料电池系统的冷却过程中使用冷却剂，通过将所述冷却剂馈送到冷却结构，所述冷却结构被主要布置在所述燃料电池堆的热效应区域中以接收至少从所述燃料电池堆辐射的热并将接收到的热传递到所述冷却剂，并且在所述系统关机情况开始时在所述冷却结构中触发被馈送到所述冷却结构中的冷却剂流并将用过的冷却剂被从所述冷却结构中排出。本发明是基于本质上具有大的热容量特性的冷却剂以及主要位于热的燃料电池堆附近的冷却剂的流动装置的使用。通过这种方式提高高温燃料电池系统的冷却速率，特别是在ESD (紧急关机)情况下的冷却速度，显著减少了高温燃料电池系统的冷却过程中需要的驰放气的量。
本发明的优点是明显地减少系统关机情况下的阳极氧化并且以有成本效益的方式延长燃料电池系统的寿命。并且因为更快的冷却过程，节省了大量的能量生产时间。
图1示出了单个燃料电池结构。图2示出了 SOFC装置的示例。图3示出了根据本发明的高温燃料电池系统的冷却装置。图4示出了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采用的典型的夹心型几何形状，其中电解质104被夹在电极(阳极100和阴极102)之间。SOFC还可以被制成管状几何形状，其中例如，空气或燃料在管道内部通过，而其它气体沿管道外部通过。还可以安排为使得用作燃料的气体在管道内部通过，而空气沿管道的外部通过。SOFC的其它几何形状包括变型的平面电池(MPC或MPS0FC)，其中波状结构取代了的平面电池的传统的平坦构造。这种设计由于共享了平面电池(低阻抗)和管状电池两者的优点而是有希望的。SOFC中使用的陶瓷在达到非常高的温度前不会变得离子活跃，结果，堆不得不在600到1000° C的温度范围内进行加热。氧气106 (图1)在阴极102处还原为氧离子。这些离子接着可通过固体氧化电解质104传递到阳极100，在阳极100处，这些离子可通过电化学的方式将用作燃料108的气体氧化。在此反应中，产生两个电子以及水和二氧化碳副产品。这些电子接着流过外电路111，这些电子在外电路111中能够得到利用。随着电子再次进入阴极材料102，循环接着重复。在大型固体氧化物燃料电池系统中，通常的燃料是天然气(主要是甲烷)，不同的生物气体(主要是用氮气和/或二氧化碳稀释的甲烷)和其它包含高级烃燃料，包括醇类。甲烷和高级烃需要在进入燃料电池堆103之前在重整器107 (图2)中重整，或者在堆103内部(部分地)重整。重整反应要求特定量的水，而且为了防止由于高级烃导致的可能的碳形成(焦化)，也需要额外的水。可通过循环阳极气体废气流来提供这些水，因为在燃料电池反应中产生过量的水，和/或可以通过辅助的水馈送(例如，直接的清水馈送或者废气冷凝水的循环)来提供水。利用阳极再循环装置，阳极气体中的未使用的燃料的一部分和稀释剂被回馈给处理，而在辅助水馈送装置中，添加到处理的仅仅是水。因为固体氧化物燃料电池的阳极通常由形态对于电池性能很关键的多孔镍基陶瓷-金属结构组成，所以镍的氧化会不可逆地改变燃料电池性能。这就是为什么SOFC系统要求包含还原剂的驰放气，诸如用氮气这样的惰性气体稀释的氢气，以便于防止燃料电池系统的阳极氧化。在实际的燃料电池系统中，维持过量的驰放气存储是不经济的，即，安全气体的量应减到最少。另外，为了使用驰放气而需要的加压装置对燃料电池系统的物理大小有明显作用。在根据本发明的实施方式中，为了将使用驰放气的需要最小化，通过利用被动吸收装置从堆103及其周围吸收热。按此方式，可以使堆的温度水平达到不再需要驰放气的水平，至少不需要大量的驰放气。这可以通过如下方式来实现，在ESD之后将水或者具有高热容和/或高的相变潜热的某些其它介质馈送到系统的热室中因而通过对水进行加热和使水蒸发来吸收热。水例如可以被馈送到专用结构中，其中水可以利用重力从热室上方的水槽(tank)按照预设的限制流过。可以设置简单的冷却结构，例如使用用于使冷却剂从发热的燃料电池堆室上方的水槽在热室旁边流下的管道结构，并且相同管道结构还可以在燃料电池堆室下方通过利用重力排出用过的冷却剂。热室旁边的管道结构中的有效的蒸汽产生防止了冷却剂流速达到特定的速度水平。通过辐射传热，热的燃料电池堆室的高温将水加热并使其蒸发，特别是在冷却过程的开始时的较高温度，因而从热的结构去除热是有效的。可以这样来限制水的流速，即，使得冷却不会造成系统中的高的热梯度。在馈送水的结构中，可以存在压力释放阀(或类似的装置)以防止蒸发的水的危险的压力积累。从释放阀放出的气可以安全地引导到例如系统的排出管，在ESD之后可以排干，因为在冷却之后将存在冷凝的水。在图3中示出根据本发明的用于高温燃料电池系统的简化的冷却装置，以示出在利用本发明时需要的主要部分。该冷却装置包括能够在系统关机情况下提供在高温燃料电池系统的冷却过程中使用的冷却剂的冷却剂源120。水或适用于冷却目的的某些其它液体被用作冷却剂，并且冷却剂源120例如是从水管网络或者装有水(或者其它冷却剂)的水槽装置的水入口或者向冷却装置提供冷却剂的任何其它来源。冷却结构122连接到冷却剂源120并且被主要布置在燃料电池堆103的热效应区域中以便接收至少从燃料电池堆辐射的热并且将接收到的热传递到冷却剂。沿着冷却剂源120与冷却结构122之间的连接的是用于从冷却剂源120向冷却结构122馈送所述冷却剂的装置124。所述装置124例如可通过阀门装置来实现。冷却装置还包括用于从冷却结构122排出用过的冷却剂的装置126。装置126的最简化的示例例如是管道，所述管道从冷却结构122排出用过的冷却剂的流。当燃料电池系统的系统关机情况开始时，冷却装置通过装置136关机触发冷却剂到冷却结构的流动，所述装置136限制流动的速度，所述装置136用于利用触发力来触发冷却结构122中的冷却剂流。装置136例如通过利用弹簧阀或压力装置来实现以在所述触发过程中进行例如被动的自驱动型操作。冷却结构122的操作可以与堆103的阳极侧的燃料热交换器105的操作结合进行。图3中还示出在关机情况下一些气体(例如，氮气)在阴极侧102中流动的可能性，因而图3还示出堆130的阴极侧102中在冷却过程中使用的气体的气体热交换器131和排气出口。在图4中示出了根据本发明的优选实施方式，该优选实施方式用于在高温燃料电池系统中在系统关机情况下显著减少驰放气的量。这是通过冷却装置实现的，该冷却装置包括冷却剂源120，冷却剂源120优选地含有水作为冷却剂。在该优选实施方式中，冷却剂源位于燃料电池堆103的上方，并且限制功能部件136利用重力以使得根据预定冷却剂流速而受到限制的冷却剂的流利用重力主要在燃料电池堆的附近在冷却结构122中向下流动。因而该限制功能部件也是用于利用触发力的所述装置136的一个示例。在大多数情况下，系统关机情况是ESD (紧急关机)情况。冷却结构122连接到冷却剂源120并且被主要布置在燃料电池堆103的热效应区域中以便接收至少从燃料电池堆辐射的热并且将接收到的热传递到冷却结构122中的冷却剂，即，水。在从堆向水传热的过程中，即在燃料电池堆的冷却过程中，利用了水到蒸汽的相变。图4中的优选的冷却装置还包括用于从冷却剂源120向冷却结构122中馈送所述冷却剂的装置124。存在所述装置124的很多替代。例如，可通过使用单独的水槽装置124来提供装置124。在所述单独的罐装置124的操作中，可利用加压装置来将水从冷却剂源120馈送到冷却结构122中。所述装置124例如还可以是膜扩展水箱(membrane expansionvessel) 124，该膜扩展水箱在进行加压动作中利用加压气体将冷却剂从水箱124馈送到冷却结构122。当ESD (紧急关机)情况开始时，被装置124馈送到冷却结构122的冷却剂流还被用于利用触发力的装置136以预定速度触发到冷却结构。装置136能够进行被动自驱动型操作。所述用于利用触发力以触发冷却结构中的冷却剂流的装置136还可以这样设置，即，利用冷却装置中存在的压力储备来进行由所述触发实现的被动操作。所述装置136还能够根据燃料电池堆103的需要的冷却功率和允许的冷却速度来限定流速，使得冷却剂流通过装置136以预定流速触发到冷却结构122。在本发明的优选实施方式中，通过在冷却结构中使用板状结构部件以便冷却剂最大化冷却结构的热辐射吸收区域，增强了冷却结构122的热辐射吸收效率。这些板状结构部件可以例如用于热辐射交换器132，热辐射交换器132是冷却结构122中的专门用于吸收来自燃料电池堆103的热辐射并将吸收的热传递到在冷却结构122中流动的冷却剂(即，水)的冷却单元。此外，为了提高冷却装置的冷却效率，冷却结构122包括用于从燃料电池堆103吸收热的护套结构134以便冷却燃料电池系统的阳极侧100和阴极侧102中的至少一方。所述被吸收的热进一步通过护套结构134传递到冷却剂。在图4中示出了护套结构134仅存在于燃料电池堆103的阴极侧103中，但是如上所述，该护套结构还可以在堆103的阳极侧102中用于燃料电池堆103的冷却。冷却结构122的操作优选地与堆103的阳极侧的燃料热交换器105的操作结合进行，但并不是必须如此。优选的冷却装置(图4)还可以包括用于将用过的冷却剂注入反应物排出管道的装置126，以在燃料电池系统的其它部分的操作中利用用过的冷却剂。在冷却结构122和诸如护套134和热辐射交换器132的相关部件中，使用耐受高达1000摄氏度或更高温度的非常高的温度的适当的金属材料或一些其它材料。尽管参照附图呈现了本发明，但是本发明不限于此，在权利要求允许的范围内可以对本发明进行各种修改。
权利要求
1.一种用于高温燃料电池系统的冷却装置，该冷却装置显著减少系统关机情况下的驰放气的量，所述燃料电池系统中的各个燃料电池包括阳极侧(100)、阴极侧(102)以及所述阳极侧与所述阴极侧之间的电解质(104)，并且所述燃料电池系统包括燃料电池堆(103)形式的燃料电池，其特征在于，所述冷却装置包括: -冷却剂源(120)，其能够提供在所述系统关机情况下在所述高温燃料电池系统的冷却过程中使用的冷却剂， -冷却结构(122)，其连接到所述冷却剂源(120)并且被主要布置在所述燃料电池堆(103)的热效应区域中以接收至少从所述燃料电池堆辐射的热并将接收到的热传递到所述冷却剂， -用于将所述冷却剂从所述冷却剂源(120)馈送到所述冷却结构(122)的装置(124)， -用于从所述冷却结构排出用过的冷却剂的装置(126)， -以及用于在所述系统关机情况开始时利用触发力来触发所述冷却结构中的冷却剂流的装置(136)。
2.根据权利要求1所述的用于高温燃料电池系统的冷却装置，其特征在于，该冷却装置包括用于根据燃料电池堆(103)的需要的冷却功率和允许的冷却速度来限定冷却剂的流速的装置(136)。
3.根据权利要求1所述的用于高温燃料电池系统的冷却装置，其特征在于，该冷却装置包括水作为所述冷却剂以接收来自所述燃料电池系统的热，并且在所述冷却过程中利用水到蒸汽的相变。
4.根据权利要求1所述的用于高温燃料电池系统的冷却装置，其特征在于，所述冷却结构(122)包括用于所述冷却剂的板状结构部件，以提高所述冷却结构的热辐射吸收效率。
5.根据权利要求1所述的用于高温燃料电池系统的冷却装置，其特征在于，该冷却装置包括所述用于利用触发力来执行被动自驱动型操作的装置(136 )。
6.根据权利要求1所述的用于高温燃料电池系统的冷却装置，其特征在于，该冷却装置包括单独的水槽装置(124)作为用于馈送的所述装置(124)。
7.根据权利要求6所述的用于高温燃料电池系统的冷却装置，其特征在于，所述单独的水槽装置(124)利用加压气体作为驱动力将所述冷却剂馈送到所述冷却结构(122)。
8.根据权利要求1所述的用于高温燃料电池系统的冷却装置，其特征在于，该冷却装置包括位于所述冷却装置(122)上部的包含冷却剂的冷却剂源(120)和限制功能部分(136)，所述限制功能部分(136)通过利用重力使根据预定的冷却剂流速而受到限制的冷却剂流主要在所述燃料电池堆附近流下。
9.根据权利要求1所述的用于高温燃料电池系统的冷却装置，其特征在于，所述冷却结构(122)包括护套结构(134)，所述护套结构(134)通过利用所述冷却剂冷却所述燃料电池系统的所述阳极侧(100)和所述阴极侧(102)中的至少一方来吸收来自所述燃料电池堆(103)的热。
10.根据权利要求1所述的用于高温燃料电池系统的冷却装置，其特征在于，该冷却装置包括用于将用过的冷却剂注入到反应物排出管道的装置(126)，以在所述燃料电池系统的其它部分的操作中利用用过的冷却剂。
11.一种高温燃料电池系统中在系统关机情况下显著减少驰放气的量的方法，其中燃料电池按照燃料电池堆(103)布置，其特征在于，在该方法中，通过如下方式在所述系统关机情况期间在所述高温燃料电池系统的冷却过程中利用冷却剂，将所述冷却剂馈送到冷却结构(122)，所述冷却结构(122)被主要布置在所述燃料电池堆(103)的热效应区域中以接收至少从所述燃料电池堆辐射的热并将接收到的热传递到所述冷却剂，以及在所述系统关机情况开始时，将被馈送到所述冷却结构(122)中的冷却剂流触发到所述冷却结构中，并且将用过的冷却剂被从所述冷却结构(122)排出。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，根据燃料电池堆的需要的冷却功率和允许的冷却速度来限定所述冷却剂的流速。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使用水作为所述冷却剂来接收来自所述燃料电池系统的热，并且在所述冷却过程中利用水到蒸汽的相变。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过在所述冷却结构中使用针对所述冷却剂的板状结构部件，提高所述冷却结构(122)的热辐射吸收效率。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在该方法中，利用由所述触发实现的被动自驱动型操作。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，从单独的水槽装置(124)执行所述冷却剂的所述馈送。
17.根据权利要求11所述 的方法，其特征在于，利用加压气体作为驱动力从单独的水槽装置(124)将所述冷却剂馈送到所述冷却结构(122)，执行所述冷却剂的所述馈送。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过利用重力根据预定的冷却流速来限制冷却剂流主要在所述燃料电池堆的附近流下，从所述燃料电池堆(103)上方的存储器馈送所述冷却剂。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，利用护套结构(134)，通过利用所述护套结构中的冷却剂冷却所述燃料电池系统的所述阳极侧(100)和所述阴极侧(102)中的至少一方来吸收来自所述燃料电池堆的热。
20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，用过的冷却剂被注入反应物排出管道，以在所述燃料电池系统的其它部分的操作中利用用过的冷却剂。
全文摘要
本发明的重点在于一种用于高温燃料电池系统的冷却装置，该冷却装置用于在系统关机情况下显著减少驰放气的量。燃料电池系统中的每个燃料电池都包括阳极侧(100)、阴极侧(102)以及介于阳极侧与阴极侧之间的电解质(104)，燃料电池系统包括燃料电池堆形式的燃料电池。该冷却装置包括冷却剂源(120)，其能够提供在系统关机情况下在高温燃料电池系统的冷却过程中使用的冷却剂；冷却结构(122)，其连接到冷却剂源120并被主要布置在燃料电池堆(103)的热效应区域中以接收至少从燃料电池堆辐射的热并且将接收到的热传递到冷却剂；用于将冷却剂从冷却剂源(120)馈送到冷却结构(122)的装置(124)；用于从冷却结构排出用过的冷却剂的装置(126)以及用于在系统关机情况开始时利用触发力来触发所述冷却结构中的冷却剂流的装置(136)。
文档编号H01M8/04GK103210536SQ201180044212
公开日2013年7月17日 申请日期2011年6月30日 优先权日2010年9月17日
发明者金·阿斯特罗姆, T·哈卡拉, 特罗·霍蒂宁 申请人:康维恩公司