改进的燃料电池系统和方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及改进的燃料电池系统和方法
【背景技术】
[0002] 燃料电池、燃料电池组、燃料电池组组件以及热交换器的系统、装置和方法的教导 是本领域普通技术人员公知的，具体包括W002/35628、W003/07582、W02004/089848、 W02005/078843、W02006/079800、W02006/106334、W0 2007/085863、W02007/110587、 TO2008/001119、TO2008/003976、TO2008/015461、TO2008/053213、W02008/104760、TO2008/ 132493、W02009/090419、W02010/020797 和 W02010/061190,通过引用方式将其整体并入本 文。必要时，本使用的术语的定义可见于上述公开。具体地，本发明的目的是改进W02008/ 053213中公开的系统和方法。
[0003] 对工作在450-650摄氏度(DegC)范围（中温固体氧化物燃料电池；IT-S0FC)中，尤 其是520-620摄氏度温度范围内的燃料电池烃燃料SOFC(固体氧化物燃料电池）系统进行操 作，将导致所面临不同技术问题组合，并且，相比于更高温的SOFC技术，比如工作温度>720 摄氏度的基于YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)的技术，需要不同的解决方案。
[0004] 较低的燃料电池工作温度使其不适用于高级别的燃料内部重整，因而这些系统通 常需要在燃料到达燃料电池组之前进行高级别的重整。
[0005] 在这些系统中，蒸汽重整用于将烃燃料流转换为被馈送到燃料电池组阳极入口的 富氢重整产品流。重整器通常工作在620-750摄氏度，使得输出重整产品在500-750摄氏度 的温度范围内，从而允许80%以上的烃（如天然气）的重整。然后，将重整产品流冷却至约 350-550摄氏度，以便进入约450摄氏度的燃料电池组。重整器通常由燃烧燃料电池组的废 气的尾气燃烧器的输出来加热。
[0006] IT-SOFC组冷却主要通过对燃料电池组的阴极侧的氧化剂流的控制来实现（即，为 起到更好的冷却效果，更多的空气被吹在燃料电池组的阴极侧）。这与其他SOFC技术不同， 其他SOFC技术中发生高级别内部重整并且内部重整反应引起的吸热效果的作用是吸收工 作燃料电池释放的热能。
[0007] 为实现上述高重整器温度，在重整器通常与燃料电池组尾气燃烧器(其用氧化剂 燃烧阳极废气中的任何剩余燃料，典型地用热阴极废气来燃烧)紧密热耦合。在该装置中， 尾气燃烧器及其热排出气体通过热交换器（例如热交换表面）与重整器紧密热耦合。典型 地，重整器设置成使得它紧邻或接触尾气燃烧器，以便尽可能多地将热量从尾气燃烧器传 递到重整器。
[0008] 本发明人已经确定了一些影响当前IT-SOFC燃料电池组装置的技术限制：
[0009] I. IT-SOFC降解导致燃料电池组效率的显著非线性损失
[0010] 在燃料电池的寿命期间，燃料电池的降解导致电效率的损失，因此在给定电功率 输出下导致热量产生增加。控制燃料电池组的工作温度对于燃料电池组的工作性能来说至 关重要。对于燃料电池系统，燃料电池组冷却的输送(尤其是通过栗/鼓风机到燃料电池的 阴极侧)是一个相当大的系统寄生负载(通常是最大的系统寄生负载）。当燃料电池降解时， 效率损失和增加的寄生负载的这种组合提供了不相称的（g卩，大于线性的，在此也称为非线 性的）系统级效率降低。
[0011] 另外，由于燃料电池组提供用于提供燃料电池组冷却的电力，燃料电池的效率损 失引起一个正反馈机制（即恶性循环），即燃料电池组效率变低，并且在给定电力输出下产 生更多热量，因此需要更多的冷却，这导致增加的电力需求，需要增加的电力产生，这又导 致需要进一步增加冷却的热量产生增加。
[0012] 2.重整器和尾气燃烧器的紧密热耦合导致增加的燃料电池组冷却负载
[0013] (吸热的)燃料重整器和尾气燃烧器(TGB)的紧密热耦合意味着离开燃料重整器的 燃料流的焓取决于流入燃料电池组的总气流。随着IT-SOFC降解，增加的电阻和继而增加的 燃料电池热量产生会导致增加了重整器温度，从而增加了重整燃料中的氢含量，进而增加 了燃料电池组工作期间的燃料电池组冷却负载。
[0014] 在不对重整器的出口和燃料电池组的阳极入口之间的阳极入口气体进行补充热 恢复的情况下，该增加的热能被传递至燃料电池组，作为附加的冷却负载，该冷却负载进一 步增加了总电力需求，并进一步导致燃料电池系统效率的降低。
[0015] 3 .作为重整产品而产生的一氧化碳导致碳脱落（drop-out)金属粉尘（metal dust ing)，导致燃料电池组阳极侧的降解
[0016] 重整燃料的碳脱落对燃料电池组性能具有显著的负面影响，尤其在超期使用期间 更是如此。由于包含一氧化碳的重整产品存在于重整器中并传递至IT-SOFC组阳极入口，并 且重整器通常在高温中操作以实现高级别的重整，所以重整产品会经历显著的温度降低。 随着温度降低，发生Boudouard反应，一氧化碳和二氧化碳之间的均衡向二氧化碳方向偏 移，一氧化碳被氧化为二氧化碳，并且碳析出，即，发生碳脱落。这种碳脱落的形式有：（i)碳 微粒，其覆盖在表面上并阻止/限制流体流动路径，以及（ii )金属粉尘（"Corrosion by Carbon and Nitrogen:Metal Dusting,Carburisation and Nitridation"，edited by H.J.Grabke and M. Schiitze，2007, ISBN 9781845692322)，碳形成在组件的暴露金属面的 表面上，从而随着时间从组件本体上移除金属，对组件规范有负面影响。
[0017] 这些限制通常不出现在较高温度的燃料电池系统中，因为一定程度的内部重整能 够也确实需要降低鼓风机寄生负载，并且任何外部重整必然更接近燃料电池组工作温度， 因此不需要通过Boudouard反应温度范围内的冷却。
[0018] 本发明的目的是解决、克服或减轻现有技术缺点中的至少一个。
【发明内容】
[0019]根据本发明，提供了如所附权利要求限定的中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC) 系统和操作IT-SOFC的方法。在所附的从属权利要求中还限定了更优选的特征。
[0020] 根据本发明的第一方面，提供一种中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC)系统，包 括：
[0021] (i)至少一个燃料电池组，所述燃料电池组包括至少一个中温固体氧化物燃料电 池，并且具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口、阴极废气出口，以及所述燃料电池组限定 用于阳极入口气体、阴极入口气体、阳极废气和阴极废气的流动的分离流动路径；以及
[0022] (ii)蒸汽重整器，用于将烃燃料重整为重整产品，并且具有用于阳极入口气体的 重整器入口、用于排出阳极入口气体的重整器出口以及重整器热交换器；
[0023] 并且限定：
[0024] (a)阳极入口气流流动路径，从燃料源到所述蒸汽重整器，再到所述至少一个燃料 电池组阳极入口；
[0025] (b)阳极废气流流动路径，从所述至少一个燃料电池组阳极废气出口到燃料电池 系统排气装置；
[0026] (c)阴极入口气流流动路径，从至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器，再到 所述至少一个燃料电池组阴极入口；以及
[0027] (d)阴极废气流流动路径，从所述至少一个燃料电池组阴极废气出口到所述燃料 电池系统排气装置；
[0028] 其中，所述重整器热交换器是与以下各项流体流动联通的并流型热交换器，并且 被布置用于在所述阴极入口气体和所述阳极入口气体之间交换热量：（i)所述至少一个氧 化剂入口和所述至少一个燃料电池组阴极入口，以及（ii)所述燃料源和所述至少一个燃料 电池组阳极入口。
[0029] 本文中对方法步骤的提及也是对适配或配置用于执行这些方法步骤的本发明的 系统的提及。
[0030] 为避免疑问，本文中对并流型热交换器的提及是对共流型热交换器的提及。
[0031 ] 优选地，至少一个燃料电池组是金属支持型IT-SOFC组，优选如US6794075所教导。 优选地，IT-SOFC具有在400摄氏度-650摄氏度，优选在450摄氏度-650摄氏度，更优选在 520-620摄氏度范围中的稳态工作温度。
[0032] 优选地，至少一个燃料电池组的每个燃料电池组都包括至少一个燃料电池组层， 至少一个燃料电池组层的每个燃料电池组层都包括至少一个燃料电池、燃料和氧化剂入 口/出口连接、以及用于一个或多个燃料和氧化剂流的流动路径，以及用于一个或多个使用 过的燃料和氧化剂流的流动路径、燃料电池组基板和燃料电池组端板。优选地，每个燃料电 池组还包括燃料电池组端板和燃料电池组压缩装置。优选地，每个燃料电池组还包括组互 连。优选地，燃料电池组互连是导电的不透气金属互连板。
[0033] 事实上，重整器热交换器是并流型热交换器，并且被布置用于在阴极入口气体和 阳极入口气体进入至少一个燃料电池前在它们之间交换热量，这意味着来自重整器和重整 器热交换器的阴极和阳极入口气体的出口温度，也就是到至少一个燃料电池组的阴极侧和 阳极侧的入口温度彼此非常接近。
[0034] 到至少一个燃料电池的阳极和阴极入口气体之间的温差由重整器热交换器的性 能确定。例如，在稳态工作中，到至少一个燃料电池组的阳极和阴极入口气体之间的彼此温 差在20摄氏度内，更典型地在15摄氏度内。
[0035]这种并流型装置具有许多明显的优点。具体地，其意味着相比现有技术的燃料电 池系统，至少一个燃料电池的电解质层上的热压力将大大减小。通过减小热压力，可以降低 电解质随时间的降解率。
[0036]如上所述，碳脱落是燃料电池中，尤其是它们的整个寿命周期中的重要问题。迫切 需要降低碳脱落量，或者至少使发生在至少一个燃料电池中、或者发生在重整器和至少一 个燃料电池组/至少一个燃料电池之间的管道中的碳脱落量最小化。通常来说，难以在最终 产品中触及这些组件，因此一般不适合进行便捷的维护，尤其是家用产品。
[0037] 来自重整器的阳极入口气体的出口温度（因而到至少一个燃料电池组的阳极侧的 入口温度)的临近性，意味着大大降低了重整器和至少一个燃料电池组之间的碳脱落风险。
[0038] 当IT-SOFC系统适配为使来自重整器的阳极入口气体的出口温度接近于至少一个 燃料电池组的工作温度时，进一步降低了至少一个燃料电池组中的碳脱落风险。
[0039] 优选地，IT-SOFC还包括:至少一个氧化剂加热器，位于所述氧化剂入口和所述重 整器热交换器之间的所述阴极入口气流流动路径中；至少一个氧化剂鼓风机;燃料电池组 阴极入口气体温度传感器;燃料电池组阴极废气温度传感器；以及控制装置，所述控制装置 适于控制所述至少一个氧化剂鼓风机和通过所述至少一个氧化剂加热器对入口氧化剂的 加热，以将所述阴极入口气体温度传感器维持在预定温度或附近，并且将所述阴极废气温 度传感器维持在预定温度或附近。在整个说明书的上下文中，"维持"包括以下情形:在控制 装置通过所述氧化剂加热器控制所述氧化剂鼓风机和对入口氧化剂的加热前，阴极入口气 体温度传感器不在预定温度或附近。类似地，在整个说明书的上下中，"维持"包括以下情 形:在控制装置通过所述氧化剂加热器控制所述氧化剂鼓风机和对入口氧化剂的加热前， 阴极废气温度传感器不在预定温度或附近。
[0040] 优选地，阴极入口气体温度传感器被维持在5、10、15、20、25、30、35、40、45或者50 摄氏度的预定温度内，最优选在5摄氏度的预定温度内。
[0041 ] 优选地，阴极废气温度传感器被维持在5、10、15、20、25、30、35、40、45或者50摄氏 度的预定温度内，最优选在5摄氏度的预定温度内。
[0042] 优选地，主阴极入口气体流动路径(也称为"入口氧化剂主路径"）从氧化剂入口流 至重整器热交换器氧化剂入口。
[0043] 优选地，空气旁路入口气体流动路径(也称为"入口氧化剂旁路"）从氧化剂入口流 至重整器热交换器氧化剂入口。
[0044] 优选地，第二空气旁路入口气体流动路径从氧化剂入口传送至重整器阴极废气流 流动路径，即，在重整器热交换器氧化剂出口和燃料电池组阴极入口之间，更优选在重整器 热交换器氧化剂出口和燃料电池组阴极入口气体温度传感器之间。
[0045]优选地，IT-SOFC系统还包括位于所述氧化剂入口和所述重整器热交换器之间的 所述阴极入口气流流动路径中的至少一个氧化剂加热器。
[0046]优选地，IT-SOFC系统还包括从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器， 再到所述至少一个燃料电池组阴极入口的入口氧化剂主路径；以及从所述至少一个氧化剂 入口到所述至少一个燃料电池组阴极入口和/或从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器 热交换器、再到所述至少一个燃料电池组阴极入口的至少一个入口氧化剂旁路。
[0047] 优选地，所述至少一个氧化剂加热器位于所述入口氧化剂主路径中。
[0048] 因此，不需要控制至少一个热源（只要其能够供应所需要的热量），替代地，改变经 由主路径和旁路的氧化剂的流动，以实现所需要的阴极入口气体温度。
[0049] 根据该布置，至少一个氧化剂加热器不在至少一个入口氧化剂旁路中。
[0050] 从至少一个氧化剂出口到所述至少一个燃料电池组阴极入口的至少一个入口氧 化剂旁路不经过重整器热交换器。
[0051] 该旁路允许在阴极入口气体离开重整器热交换器后的对阴极入口气体温度的独 立控制度。
[0052] 优选地，所述至少一个入口氧化剂旁路包括至少两个入口氧化剂旁路，一个入口 氧化剂旁路从至少一个氧化剂入口到所述至少一个燃料电池组阴极入口，另一个入口氧化 剂旁路从所述至少一个氧化剂入口到所述重整器热交换器，再到所述至少一个燃料电池组 阴极入口。
[0053] 优选地，IT-SOFC系统还包括至少一个氧化剂鼓风机，至少一个鼓风机位于所述入 口氧化剂主路径和/或所述至少一个入口氧化剂旁路中。至少一个鼓风机可以是单个鼓风 机。单个鼓风机可以位于所述入口氧化剂主路径和所述至少一个入口氧化剂旁路中。
[0054] 至少一个鼓风机可以是两个鼓风机。两个鼓风机可以分别位于所述入口氧化剂主 路径和所述至少一个入口氧化剂旁路中。至少一个入口氧化剂旁路可以是单个入口氧化剂 芳路。
[0055] 至少一个鼓风机可以是三个鼓风机。至少两个入口氧化剂旁路可以是两个入口氧 化剂旁路。三个鼓风机可以分别位于所述入口氧化剂主路径和所述两个入口氧化剂旁路 中。
[0056] 优选地，IT-SOFC系统还包括至少一个可调节的入口氧化剂流分流器，用于控制所 述至少一个入口氧化剂旁路和所述入口氧化剂主路径之间的入口氧化剂流。
[0057] 优选地，IT-SOFC系统还包括可调节的入口氧化剂流分流器，用于控制所述一个入 口氧