[发明专利]分段式固体氧化物燃料电池堆及其运行和使用方法

说明书

领域

本发明一般性涉及固体氧化物燃料电池装置领域，更具体涉及模块化固体氧化物燃料电池装置及其使用和运行方法。

技术背景

近年来，固体氧化物燃料电池(SOFC)已经成为许多研究的对象。虽然与常规内燃机相比，SOFC在理论上能够提供从燃料的化学能至电能的更有效的转化，但是在设计长期运行寿命中保持稳定的燃料电池系统方面存在挑战。

与SOFC运行相关的高温和常规用于SOFC中的材料对设计和运行提出了许多挑战。

示例性的挑战包括减少燃料电池启动和关闭过程中的热冲击。常规SOFC要求延长的启动方案，以便在运行之前先均匀和缓慢地加热整个燃料电池堆，避免产生过多热应力和部件故障。其他示例性的挑战包括控制电池堆或燃料电池装置的功率输出，以及控制因部件(如阳极、阴极或电解质表面)污染或中毒导致的性能和/或寿命限制。这些污染物可能来自于燃料和/或氧化剂气流，或者可能存在于其他燃料电池部件中。燃料气流中存在污染物如烃或硫时，在一些运行模式中，会导致阳极中毒。其他污染物可包括玻璃密封物组分和来自装置部件的含铬化合物。铬化合物经常存在于燃料电池系统的金属部件中，如框体材料、气体导管和电互连件。

在常规SOFC系统中，在燃料电池运行过程中发生的性能损失可能经常要求关闭整个燃料电池系统，以及至少部分拆卸和/或更换，造成额外的费用、延误和功率输出损失。去除污染物可能经常需要进行拆卸以及清洁或更换受污染的部件。本发明通过部分地模块化SOFC设计以及能够提供SOFC电极循环再生和活化的运行方法，解决了与SOFC系统设计相关的这些和其他关心事项与挑战。

发明概述

本发明提供一种分段式模块化固体氧化物燃料电池，该电池具有多个设置在共同热环境中的可独立控制段；本发明还提供一种运行这种燃料电池的方法，其中可以对任何一个或多个可独立控制段进行选择性控制；本发明还提供一种用于对分段式模块化燃料电池装置进行维护运行的方法。

在第一实施方式中，本发明提供一种模块化固体氧化物燃料电池装置，该装置具有最大额定电功率，该装置包括“n”多个可独立控制的产生电能段，各个产生电能段具有最大化的电能产生能力，各段包括至少一个产生电能电池，所述产生电能电池包括至少一个阳极和至少一个阴极，其中将所述“n”多个可独立控制的产生电能段设置在共同热环境中。

在第二实施方式中，本发明提供一种用于启动固体氧化物燃料电池装置的方法，该装置包括“n”多个设置在共同热环境中可独立控制的产生电能段，所述方法包括确定准备以功率发生模式运行的可独立控制的产生电能段的数量“x”，以功率发生模式运行至少一个可独立控制的产生电能段，然后以功率发生模式运行至少一个另外的可独立控制的产生电能段，然后重复运行至少一个另外的可独立控制的产生电能段，直至有“x”数量的可独立控制的产生电能段处于运行中。

在第三实施方式中，本发明提供一种用于关闭固体氧化物燃料电池装置的方法，该装置包括“n”多个设置在共同热环境中可独立控制的产生电能段，这些段以功率发生模式运行，所述方法包括从“n”可独立控制的产生电能段中选择至少一个段，将其从功率发生模式切换至空转模式，将“n”可独立控制的产生电能段中的至少一个段切换至空转模式，然后选择至少一个另外的可独立控制的产生电能段，将所述至少一个另外的可独立控制的产生电能段切换至空转模式，然后重复地进行选择和将至少一个另外的可独立控制的产生电能段切换至空转模式，直至所有所述“n”可独立控制的产生电能段都处于空转模式中。

在第四实施方式中，本发明提供一种用于控制固体氧化物燃料电池装置的运行的方法，该装置包括“n”多个设置在共同热环境中可独立控制的产生电能段，所述方法包括确定所述固体氧化物燃料电池装置上的负荷，使足够数量的可独立控制的产生电能段活动，以选择的满足该负荷的运行效率供应能量。

在第五实施方式中，本发明提供一种运行燃料电池装置的方法，该装置包括“n”多个可独立控制的产生电能的段，所述方法包括以功率发生模式运行所述“n”可独立控制的产生电能段中的至少一个，同时使“n”可独立控制的产生电能段中的至少一个不以功率发生模式运行，而是进行一段时间的原位维护过程。

在详细说明以及随后的任一权利要求中部分地提出本发明的其他实施方式，它们一部分可以从详细说明中推导，或者可以通过实施本发明来了解。应该理解，以上的一般性说明和以下的详细说明都只是示例性和说明性的，不构成对本发明所揭示内容的限制。

附图简要描述