[发明专利]燃料电池系统及其控制方法

说明书

燃料电池系统包括具有阳极和阴极的燃料电池堆、包括该阳极的阳极再循环回路、用于经由燃料馈送路径提供燃料气体的燃料供应装置、用于向阴极提供空气的空气供应装置、用于驱动通过回路的循环的阳极鼓风机。回路具有第一路径和第二路径，并且阳极布置在第二路径中。燃料馈送路径和第一路径合并以形成第二路径，并且第二路径分成第一路径和燃料排气路径。切换元件位于第一路径和合并点中的至少一个中，并且被配置为在阳极鼓风机故障的情况下迫使燃料气体流过第二路径到燃料排气路径。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年7月10日提交的序列号为16/030,908的美国专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。

背景技术

本公开总体上涉及燃料电池领域，更具体地涉及具有阳极保护的燃料电池系统以及用于控制该燃料电池系统的方法。

燃料电池是电化学装置，其可通过燃料（如氢）与氧化剂（如大气中所含的氧）的电化学反应将来自燃料的化学能转化为电能。燃料电池系统作为能量供应系统被广泛开发，因为燃料电池在环境方面是有优点的并且是高效的。为了提高系统效率和燃料利用率并减少外部水使用，燃料电池系统通常包括阳极再循环回路。由于单个燃料电池仅能产生约1V的电压，因此，通常将多个燃料电池堆叠在一起（通常称为燃料电池堆）以获得期望的电压。

燃料被供应到阳极再循环回路。阳极再循环回路包括阳极鼓风机（blower）路径和阳极路径。阳极鼓风机布置在阳极鼓风机路径中，并且燃料电池堆的阳极布置在阳极路径中。阳极路径在分离点处被分成阳极鼓风机路径和燃料排气路径。阳极鼓风机用于为阳极再循环回路提供驱动力。

典型的固体氧化物燃料电池（SOFC）的阳极通常由镍（Ni）金属陶瓷制成。阳极中的镍用作燃料氧化的催化剂和电流导体。在燃料电池系统的正常操作期间，SOFC堆通常在700℃以上操作，并且由于主要是氢燃料气体的连续供应，阳极中的镍（Ni）保持其还原形式（reduced form）。

然而，当在阳极鼓风机上发生任何故障或异常事件时，阳极再循环回路会断开。所供应的吹扫（purge）气体（通常使用燃料和蒸汽的混合物）可能会从阳极鼓风机路径而不是阳极路径逸出，这不能保证所需的还原气体通过燃料电池堆。

此外，在失去阳极再循环之后，阳极再循环回路中的重整器（reformer）不能再从阳极排气中回收热。通过使用燃料和蒸汽的混合物作为吹扫气体，由于吸热蒸汽重整反应，重整器可以比阳极更快地冷却。在重整器入口温度降到某一值（其根据所使用的催化剂可以在400℃到650℃的范围内）以下之后，蒸汽重整反应停止。然后，没有富含H₂的还原气体可用于阳极。

当阳极经受缺乏还原气体气氛时，阳极中的Ni可能经历再氧化，其中，Ni可与从阴极层扩散或引入阳极室的空气中的氧进行反应，在约350℃以上的温度下形成氧化镍（NiO）。在阳极的微结构中形成NiO可导致阳极层的体积膨胀，这对整个SOFC结构施加应力。在快速氧化期间，电解质不能像形成氧化镍那样快地膨胀，从而导致电解质破裂的可能性。燃料电池堆的完整性将受损。

发明内容

在本公开的实施例的一个方面，提供了一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括：燃料电池堆，被配置用于发电并且具有阳极和阴极；阳极再循环回路，包括所述阳极；燃料供应装置，用于经由燃料馈送路径提供燃料气体；空气供应装置，用于经由空气馈送路径将空气提供到燃料电池堆的阴极；阳极鼓风机；以及切换元件。阳极再循环回路具有第一路径和第二路径，并且阳极布置在第二路径中。在燃料电池系统的正常操作期间，燃料馈送路径和第一路径在合并点处合并而形成第二路径，并且第二路径在分离点处分成第一路径和燃料排气路径。阳极鼓风机位于阳极再循环回路中并且被配置用于驱动通过阳极再循环回路的循环。切换元件位于第一路径和合并点中的至少一个中，并且被配置为在阳极鼓风机故障的情况下迫使燃料气体流过第二路径到燃料排气路径。