[发明专利]用于燃料电池中热控制的方法和设备

说明书

公开了用于控制燃料电池系统的内部温度的方法和设备。该方法和系统包括测量高温燃料电池系统的燃烧器温度，所述高温燃料电池系统包括燃料电池堆叠和燃烧器，燃料电池堆叠包含至少一个燃料电池。该方法还包括将测量的燃烧器温度与预先确定的燃烧器温度设定点比较以确定在测量的燃烧器温度和预先确定的燃烧器温度设定点之间的燃烧器温度差，以及控制被供应至燃烧器的氧化剂的量以减少或增加被供应至燃烧器的氧化剂的量，以从而减小燃烧器温度差并且控制燃料电池堆叠入口温度。

发明领域

公开了用于控制燃料电池系统的内部温度的方法和设备。特别地，公开了用于控制高温燃料电池系统的内部温度的方法和设备。

背景

燃料电池是直接从将燃料氧化产生电力的电化学转化装置。

包括固体氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的高温燃料电池系统(high-temperature fuel cell system)在非常高的温度下操作，并且可以在实际的烃(practical hydrocarbon)上直接运行，而不需要在低温燃料电池中必要的复杂且昂贵的外部燃料重整器(fuel reformer)。某些高温燃料电池可以在足够高的温度下操作使得燃料可以在燃料电池中内部地重整。本发明将参考固体氧化物燃料电池来描述，但是将理解，本发明适用于依赖于内部重整的任何高温燃料电池技术，并且还适用于不依赖于内部重整的氢作为燃料的系统(hydrogen fuelled system)。

SOFC具有阳极和阴极，阳极供应有燃料(通常为甲烷)的流，而阴极供应有氧化剂(通常为空气)的流。SOFC在相对较高的温度典型地约1000℃下操作以维持低的内部电阻。维持这样高的温度是一个挑战，并且另外的挑战是减小穿过多个燃料电池例如燃料电池堆叠(fuel cell stack)的温度梯度。

燃料电池堆叠的热管理对于平衡燃料电池性能和燃料电池寿命跨度是重要的。通常，燃料电池堆叠在前面，堆叠的氧化剂入口附近冷运行，而在后面，堆叠的氧化剂出口附近较热运行。温度梯度是由于作为欧姆热放出的能量损失引起的燃料电池的低效率。因此，在堆叠内的每个燃料电池模块引起另外的温度升高。

当燃料电池堆叠热运行时，燃料电池堆叠的性能是良好的，但燃料电池的寿命通过燃料电池的增加的劣化(degradation)而减小。当堆叠冷运行时，堆叠的性能是差的，但是燃料电池的寿命增加。在燃料电池堆叠性能和燃料电池堆叠寿命之间存在平衡，并且因此存在燃料电池堆叠将理想地操作的最优温度范围。

本发明的实施方案目的在于通过改进燃料电池堆叠的热管理，减轻上文问题中的某些。

US2006228596公开用于操作混合的加压固体氧化物燃料电池和涡轮发电系统(turbine power generation system)的方法，所述涡轮发电系统包括固体氧化物燃料电池(SOFC)发电机和涡轮发电机。该方法包括根据功率需求控制SOFC/涡轮混合发电系统的气流以及利用从SOFC发电机获得的电流调节SOFC发电机温度。

公开内容概述

根据第一方面，提供了用于控制高温燃料电池系统的内部温度的方法，所述方法包括：

测量所述高温燃料电池系统的燃烧器温度，所述高温燃料电池系统包括燃料电池堆叠和燃烧器，所述燃料电池堆叠包括至少一个燃料电池；

将测量的燃烧器温度与预先确定的燃烧器温度设定点比较，以确定在测量的燃烧器温度和所述预先确定的燃烧器温度设定点之间的燃烧器温度差；

控制被供应至所述燃烧器的氧化剂的量以减少或增加被供应至所述燃烧器的所述氧化剂的量，以从而减小所述燃烧器温度差并且控制燃料电池堆叠入口温度。