专利名称：用于避免阳极氧化的方法和装置的制作方法
技术领域：
世界上大部分能量通过石油、煤、天然气和核能产生。例如考虑可获得性和对环境的友好性，所有这些生产方法都一定程度地具有其特定问题。就考虑环境而言，尤其是石油和煤在燃烧时导致污染。与核能相关的问题至少是使用过的燃料的存储。尤其因为环境问题，发展了更加环境友好且例如具有比上述能源更好高效率的新能源。燃料电池设备被认为是有前途的未来的能量转换设备，借助于该设备，燃料(例如生物气体)在环境友好过程中经由化学反应直接转换成电。
背景技术：
如图I所示，燃料电池包括阳极端100和阴极端102以及其间的电解质材料104。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧气106被馈入到阴极端102且其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到达阳极端100，在阳极端100它与燃料108反应，产生水且还典型地产生二氧化碳(C02)。位于阳极100和阴极102之间的是包含燃料电池的负载110的外部电路111。在图2中示出SOFC设备作为高温燃料电池设备的示例。SOFC设备可以利用例如天然气、生物气、甲醇或包含碳氢混合物的其他化合物作为燃料。图2中的SOFC设备包括堆栈形式的多于一个(典型地，多个)的燃料电池103 (S0FC栈)。每个燃料电池包括如图I所示的阳极100和阴极102结构。部分的使用过的燃料通过每个阳极在反馈装置109中循环。图2中的SOFC设备还包括燃料热交换器105和重整器107。热交换器用于控制燃料电池处理中的热条件且因此可以在SOFC设备的不同位置中装置多于一个的热交换器。循环气体时的额外的热能在一个或更多个热交换器105中回收以在SOFC设备中或热回收单元外部使用。重整器107是将诸如天然气这样的燃料转化成适于燃料电池的成分的设备，适于燃料电池的成分例如是包含氢气和甲烷的成分、二氧化碳、一氧化碳和惰性气体。不管怎样，在每个SOFC设备中，并不一定必须具有重整器。例如，惰性气体是在燃料电池技术中使用的净化气体或净化气体化合物的一部分。例如，氮是在燃料电池技术中用作净化气体的典型惰性气体。净化气体不必是元素的且它们也可以是化合物气体。通过使用测量装置115 (诸如燃料流量计、电流计和温度计)从通过阳极循环的气体实施针对SOFC设备的操作的必要测量。仅在阳极100处使用的部分气体在反馈装置109中通过阳极循环且气体的其他部分从阳极100排出114。固体氧化物燃料电池(SOFC)设备是通过氧化燃料直接产生电力的电化学转换设备。SOFC设备的优点包括高效率、长期稳定性、低放射和成本。主要缺点是高操作温度，这导致较长的启动时间以及机械和化学兼容性问题。固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极电极典型地包含相当量的镍，其在气氛不还原时易于形成氧化镍。如果氧化镍形成严重，则电极的形态不可逆转地改变，导致电化学活性的明显损失或甚至电池的击穿。因此，SOFC系统在启动和关闭期间需要包含还原剂的安全气体(诸如使用诸如氮这样的惰性气体稀释的氢)以防止燃料电池的阳极电极氧化。在实际系统中，安全气体的量必须最小化，因为例如过量含氢压缩气体是昂贵的且作为占用空间的成分是有问题的。根据现有技术应用，在正常启动或关闭期间运行时反应物的量通过阳极循环，SP，将未使用的安全气体循环回环路而最小化，因为同时需要最小化运行时反应物和在启动情形中加热且还同时需要最小化运行时反应物和在关闭情形中冷却系统。然而，在可能由于例如气体警报或断电导致的紧急关闭(ESD)中，不存在可用的有效循环，增加了所需安全气体的量。另外，因为鼓风机必须关闭，阴极气体流在ESD期间也不冷却系统，且因为将系统冷却到不发生镍氧化的温度所需的时间甚至是主动关闭情形的3倍，因此所需安全气体量甚至进一步增加。
发明内容
本发明的目的是实现一种燃料电池系统，其中在关闭情形中阳极氧化的风险明显 减小。这通过在紧急关闭情形中明显减小净化气体量的用于高温燃料电池系统的装置实现，燃料电池系统中的每个燃料电池包括阳极端、阴极端以及阳极端和阴极端之间的电解质，且该燃料电池系统包括用于反应物的燃料电池系统管道装置。该装置包括用于容纳空气致动压力的已知容积，所述已知容积包括用于设计的释放速率的至少一个释放路径；至少一个压力源，提供能够执行空气致动的压力；至少一个净化气体源，具有能够转移燃料电池系统中的残余反应物的气体过压；至少一个阀，用于将净化气体源连接到燃料电池系统管道装置；装置，用于通过所述至少一个阀从至少一个净化气体源向燃料电池系统管道装置注入净化气流；装置，用于将已知容积与所述至少一个压力源隔离且用于对已知容积加压；至少一个空气致动阀，利用已知容积的压力来保持状态，且所述已知容积在正常操作中通过压力源加压，且在紧急关闭中从压力源断开，通过释放路径的净化气体释放导致在已知容积中的压力减小，实现至少一个空气致动阀的状态变化的设计时间延迟，从而在设计时间延迟之后减小或完全关闭进入到燃料电池系统管道装置的净化气体的紧急关闭致动流。本发明的焦点还在于一种用于在高温燃料电池系统的紧急关闭情形中明显减小净化气体量的方法。在该方法中使用用于容纳空气致动压力的已知容积；从能够执行空气致动的至少一个压力源布置压力；通过利用在至少一个净化气体源中的气体过压转移燃料电池系统中的残余反应物；通过至少一个阀将净化气体源连接到燃料电池管道装置；从至少一个净化气体源向燃料电池系统管道装置注入净化气流；将已知容积与所述至少一个压力源隔离且对已知容积加压；使用至少一个空气致动阀来利用已知容积的压力以保持状态；并且在该方法中，所述已知容积在正常操作中被加压，且在紧急关闭中所述已知容积从压力源断开，净化气体通过释放路径释放，导致在已知容积中的压力减小，实现至少一个空气致动阀的状态变化的设计时间延迟，从而在设计时间延迟之后减小或完全关闭进入到燃料电池系统管道装置的净化气体的紧急关闭致动流。本发明基于能够执行空气致动的压力和能够转移燃料电池系统中的残余反应物的气体过压的利用，且基于用于容纳空气致动压力的已知容积的利用，且该已知容积包括用于设计释放速率的至少一个释放路径。本发明还基于利用已知容积的压力来维持状态的至少一个空气致动阀，且所述已知容积在正常操作中通过提供能够执行空气致动的所述压力的压力源加压，且在紧急关闭中从压力源断开，通过释放路径的净化气体释放导致在已知容积中的压力减小，导致在至少一个空气致动阀的状态变化的设计延迟，从而减小在设计延迟之后进入燃料电池系统管道装置的净化气体的紧急关闭致动流。本发明的益处在于可以显著避免紧急关闭情形中阳极氧化的风险并且因而可以增加燃料电池系统的使用寿命。
图I示出单个燃料电池结构。图2示出SOFC设备的示例。图3示出根据本发明的第一优选实施方式。 图4示出根据本发明的第二优选实施方式。
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I)是大多数类型的燃料电池采用的典型夹层型几何形状，其中电解质104夹置在电极即阳极100和阴极102之间。SOFC还可以以管道几何形状制备，其中例如空气或燃料经过管道内部且其他气体沿着管道外部经过。这还可以布置为使得用作燃料的气体经过管道内部且空气沿着管道外部经过。管道设计在从燃料密封空气方面更好。然而，不管怎样，因为相比而言平面设计具有较低的电阻，所以平面设计的性能优于管道设计的性能。SOFC的其他几何形状包括修改的平面电池(MPC或MPS0FC)，其中波浪形结构代替平面电池的传统平坦配置。这种设计是有前途的，因为它们共享了平面电池(低电阻)和管道电池的优点。在SOFC中使用的陶瓷不会变成离子活性的，直到它们达到极高温度，且因此，必须以600至1000° C的温度加热栈。在阴极102发生氧106 (图I)到氧离子的还原。这些离子可以通过固体氧化电解质104传输到阳极100，在那里它们可以电化学氧化用作燃料108的气体。在该反应中，产生水和二氧化碳副产物以及两个电子。这些电子然后流动通过外部电路11，在外部电路111中这些电子可以被利用。然后当这些电子再次进入阴极材料102时该循环重复。在大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)、不同的生物气体(主要是氮和/或二氧化碳稀释的甲烷)以及包含燃料的其他高级烃(包括乙醇)。甲烷和高级烃需要在进入燃料电池栈103之前在重整器107 (图2)中重整，或者(部分)在栈
103内部重整。重整反应需要一定量的水且还需要另外的水来防止高级烃导致的可能的碳形成(焦化)。这种水通过循环阳极废气流而内部地提供，因为在燃料电池反应中产生过量的水，并且/或者所述水可以使用辅助水馈入(例如，直接新鲜水馈入或废水冷凝物的循环)提供。通过阳极循环装置，部分未使用燃料和阳极气体中的稀释剂被馈回处理，而在辅助水馈入装置中仅向处理添加水。 在根据本发明的优选实施方式中，布置一种装置以向阴极馈入作为净化气体(即安全气体)的惰性气体。惰性气体(例如氮)还可以包含少量氧。所述惰性气体被动地馈入到阴极，并且在ESD (紧急关闭)的情况中阻挡阴极，然后没有氧气渗透到阳极，且因此明显减小了阳极氧化的风险。阳极端的管道装置的冲刷可以使用少量净化气体完成且阴极端的管道装置的冲刷也使用少量净化气体完成，在阴极端优选地使用惰性气体完成。如果阻挡阀是常关类型，且并不太快速地关闭(例如慢弹簧负载阀)，则阴极管道中的运行时反应物(例如空气)可以通过冲刷去除，且没有另外的空气在阻挡之后渗透到系统的阴极部件，实现了根据本发明的用途。这样，可以明显减小在ESD期间所需的净化气体量。类似类型的阻挡阀也可以在阳极端使用以进一步减小所需的净化气体量。在图3中示出高温燃料电池系统中根据本发明的第一示例性优选装置。该装置优选地位于高温燃料电池系统的阴极端102中，用于明显减小紧急关闭情形中阴极端中的净化气体量，但是该装置也可以应用在阳极端100或者同时应用在高温燃料电池系统的阳极端100和阴极端102。该装置包括用于容纳空气致动压力的已知容积118，所述已知容积包括燃料电池系统的管道装置和用于设计的释放速率的至少一个释放路径117。至少一个压力源120提供能够执行空气致动的压力。
该装置包括至少一个净化气体源121，该净化气体源121具有能够转移燃料电池系统中的残余反应物的气体过压。优选地，与所述净化气体源周围的压力相比，净化气体源121具有本质的气体过压。该装置中至少一个阀124将净化气体源121连接到燃料电池系统管道装置，且装置122从至少一个净化气体源121向燃料电池系统管道装置注入净化气流。装置122例如是管道、沟道、输送管、钻孔和/或孔。装置128关闭燃料电池系统的至少一个管道端部以防止气流退出燃料电池系统。装置128例如是当解除致动压力时、在关闭动作中利用例如在弹簧、蓄压器或重力势中存储的能量关闭的任意阀。而且，该装置包括用于从所述至少一个压力源120隔离已知容积的装置125且所述装置125用于对已知容积118加压。装置125例如是当在紧急关闭的情形中去激励时在关闭动作中利用例如在弹簧、蓄压器或重力势中存储的能量关闭的任意阀。至少一个空气致动阀130利用已知容积118的压力来保持状态。该装置还可以包括至少一个鼓风机129和至少一个通气口 136。在图3中，在空气致动阀130上方的旁路路径中，通气口 136设计为限制旁通净化气流量。旁通流仅是当阀130打开时通过该阀的流量的一部分。在关闭阀130之后，通过通气口 136的通路确保维持小流量通过燃料电池阴极到达管道装置133，且减小从管道装置133到装置的相反方向中的氧气流的风险。图3和4中的通气口 116是释放路径117的管道装置中的流量限制。其尺度调节为限制净化气流以实现空气致动阀130的状态变化的设计时间延迟。已知容积118在正常操作中通过压力源120加压。在紧急关闭情形中，已知容积从压力源120断开，且通过已知容积的释放路径117的净化气体释放导致已知容积118中压力下降。这实现了至少一个空气致动阀130的状态变化的设计时间延迟，从而在设计时间延迟之后减小或完全关闭进入到燃料电池系统管道装置的净化气体的紧急关闭制动流。设计的时间延迟例如可以进行尺寸调节以符合至少等于系统管道装置的容积的6倍的净化气体总容流，确保残余反应物的适当转移，无论如何，尺寸调节不限于此。所述设计时间延迟的长度例如可以从10秒到一个小时。在图4中示出高温燃料电池系统中根据本发明的第二示例性优选装置。该装置优选地位于高温燃料电池系统的阴极端102中，用于明显减小紧急关闭情形中阴极端中的净化气体量，但是该装置也可以应用在阳极端100或者同时应用在高温燃料电池系统的阳极端100和阴极端102。该装置包括作为空气致动阀130的将要被空气致动的至少一个可控调节设备130，用于在所述设计时间延迟之后充分限制或完全关闭净化气流。如图4所示，所述可控调节设备130的位置处于空气换热器的输出管道装置133中。另外，该第二实施方式可以包括如参考图3中在第一实施方式中呈现的类似特征。本发明的实施方式还可以执行为使得同一压力单元120、121用于执行所述压力源(120)和所述净化气体源121 二者的功能。
尽管参考附图和说明书描述了本发明，但是本发明决不限于这些描述，因为本发明受权利要求书允许的范围内的变型支配。
权利要求
1.一种在紧急关闭情形中明显减小净化气体量的用于高温燃料电池系统的装置，在所述燃料电池系统中的每个燃料电池包括阳极端(100)、阴极端(102)以及在所述阳极端和所述阴极端之间的电解质(104)，并且所述燃料电池系统包括用于反应物的燃料电池系统管道装置，其特征在于，所述装置包括 -用于容纳空气致动压力的已知容积(118)，所述已知容积包括用于设计释放速率的至少一个释放路径(117)， -至少一个压力源(120)，所述至少一个压力源提供能够执行空气致动的压力， -至少一个净化气体源(121 )，所述至少一个净化气体源包括能够转移在所述燃料电池系统中的残余反应物的气体过压， -至少一个阀(124)，所述至少一个阀用于将所述净化气体源(121)连接到所述燃料电池系统管道装置， -用于从所述至少一个净化气体源(121)向所述燃料电池系统管道装置注入净化气流的装置(122)， -用于将所述已知容积(118)与所述至少一个压力源(120)隔离并且用于对所述已知容积(118)加压的装置(125)， -至少一个空气致动阀(130)，所述至少一个空气致动阀利用所述已知容积(118)的压力来保持状态，并且 -所述已知容积(118)在正常操作中通过所述压力源(120)加压，并且在紧急关闭中从所述压力源(120)断开，通过所述释放路径(117)的净化气体释放导致所述已知容积中(118)的压力减小，实现至少一个空气致动阀(130)的状态改变的设计时间延迟，从而在所述设计时间延迟之后减小或完全关闭进入到所述燃料电池系统管道装置的净化气体的紧急关闭致动流。
2.根据权利要求I所述的用于高温燃料电池系统的装置，其特征在于，所述装置包括至少一个净化气体源(121)，与在所述净化气体源的周围的压力相比，所述至少一个净化气体源具有气体过压。
3.根据权利要求I所述的用于高温燃料电池系统的装置，其特征在于，所述装置包括用于执行所述压力源(120)和所述净化气体源(121) 二者的功能的同一压力单元(120，121)。
4.根据权利要求I所述的用于高温燃料电池系统的装置，其特征在于，所述装置包括用于关闭所述燃料电池系统的至少一个管道端部以防止气流退出所述燃料电池系统的装置(128)。
5.根据权利要求I所述的用于高温燃料电池系统的装置，其特征在于，所述装置包括作为空气致动阀(130)的待空气致动的至少一个可控调节设备(130)，所述至少一个可控调节设备用于在所述设计时间延迟之后充分限制或完全关闭所述净化气流。
6.根据权利要求I所述的用于高温燃料电池系统的装置，其特征在于，所述装置位于所述高温燃料电池系统的所述阴极端(102)中，用于在紧急关闭情形中明显减小在所述阴极端中的净化气体量。
7.一种用于在高温燃料电池系统的紧急关闭情形中明显减小净化气体量的方法，其特征在于，在所述方法中-使用用于容纳空气致动压力的已知容积(118)， -布置来自能够执行空气致动的至少一个压力源(120)的压力， -通过利用在至少一个净化气体源(121)中的气体过压转移所述燃料电池系统中的残余反应物， -通过至少一个阀(124)将所述净化气体源(121)连接到所述燃料电池管道装置， -从所述至少一个净化气体源(121)向所述燃料电池系统管道装置注入净化气流， -将所述已知容积(118)与所述至少一个压力源(120)隔离并且对已知容积(118)加压， -使用用于利用所述已知容积(118)的压力来保持状态的至少一个空气致动阀(130)，-并且，在所述方法中，所述已知容积(118)在正常操作中被加压，并且在紧急关闭中所述已知容积从所述压力源(120)断开，通过释放路径(117)的净化气体释放导致在所述已知容积(118)中的压力减小，实现至少一个空气致动阀(130)的状态变化的设计时间延迟，从而在所述设计时间延迟之后减小或完全关闭进入到所述燃料电池系统管道装置的净化气体的紧急关闭致动流。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，与在所述净化气体源的周围的压力相比，向至少一个净化气体源(121)布置气体过压。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将同一压力单元(120，121)用于执行所述压力源(120)和所述净化气体源(121) 二者的功能。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，关闭所述燃料电池系统的至少一个管道端部以防止气流退出所述燃料电池系统。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将待空气致动的至少一个可控调节设备(130)用作所述空气致动阀(130)，所述至少一个可控调节设备用于在所述设计时间延迟之后充分限制或完全关闭所述净化气流。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述高温燃料电池系统的所述阴极端(102)中执行所述方法，用于在紧急关闭情形中明显减小在所述阴极端中的净化气体量。
全文摘要
本发明的焦点是一种在紧急关闭情形中明显减小净化气体量的用于高温燃料电池系统的装置。该装置包括用于容纳空气致动压力的已知容积(118)，所述已知容积包括用于设计释放速率的至少一个释放路径(117)；至少一个压力源(120)，提供能够执行空气致动的压力；至少一个净化气体源(121)，具有能够转移燃料电池系统中的残余反应物的气体过压；至少一个阀(124)，用于将净化气体源(121)连接到燃料电池系统管道装置；装置(122)，用于通过所述至少一个阀(124)从至少一个净化气体源(121)向燃料电池系统管道装置注入净化气流；装置(125)，用于将已知容积(118)与所述至少一个压力源(120)隔离并且用于对已知容积(118)加压；至少一个空气致动阀(130)，利用已知容积的压力来保持状态，且所述已知容积(118)在正常操作中通过压力源(120)加压，且在紧急关闭中从压力源(120)断开，通过释放路径(117)的净化气体释放导致在已知容积中(118)的压力减小，实现至少一个空气致动阀(130)的状态变化的设计时间延迟，从而在设计时间延迟之后减小或完全关闭进入到燃料电池系统管道装置的净化气体的紧急关闭致动流。
文档编号H01M8/04GK102792505SQ201180011791
公开日2012年11月21日 申请日期2011年1月12日 优先权日2010年3月1日
发明者T·哈卡拉, 特罗·霍蒂宁, 金·阿斯特罗姆 申请人:瓦锡兰芬兰有限公司