燃料电池系统及其停机方法与流程

本发明大体涉及燃料电池领域，尤其涉及一种带有阳极保护的燃料电池系统及用于该燃料电池系统的停机方法。

背景技术：

燃料电池是一种电化学装置，其能够通过燃料，例如氢，与氧化剂，例如空气中含有的氧气，的电化学反应将来自燃料中的化学能转换为电能。由于燃料电池的环境优越性和高效率，燃料电池系统作为能源供应系统正被广泛开发。为了提高系统效率和燃料利用率，并且减少外部水源利用，燃料电池系统通常包括阳极循环回路。由于单个燃料电池仅仅只能产生1伏的电压，因此，通常将多个燃料电池堆叠在一起(通常被称为燃料电池电堆)以获得期望的电压。

典型的固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，sofc)的阳极通常是由镍/氧化钇稳定氧化锆(ni/ysz)金属陶瓷制成。阳极的镍充当用于氧化燃料的催化剂和电流导体。在燃料电池系统的正常运行期间，sofc电堆通常工作在700℃以上，并且，由于富氢燃料气体的持续供应，阳极的镍(ni)以其还原形式存在。

然而，例如当在燃料电池电堆发生阴阳极交叉泄漏或者边界泄漏时，如果阳极的还原气体不足，则阳极的镍会遭受氧化，镍会与从阴极层扩散过来或者引入到阳极腔室的空气中的氧气发生反应，从而在大约高于350℃的温度下形成氧化镍(nio)。在阳极的微结构中形成的nio会导致阳极层的体积膨胀，这将会给整体sofc结构施加压力。在快速氧化的过程中，电解质不能和形成的氧化镍一样快地膨胀，从而会导致破坏电解质的风险存在，这将会使得燃料和氧化剂气体直接混合，如果燃料电池温度高于燃料的自燃温度，则将会造成灾难性后果。

在实验室的设置中，可以通过供应还原气体来防止sofc电堆的氧化，还原气体通常是氢气和氮气的稀释混合物。在sofc停机或待机状态期间可以使用还原气体去吹扫阳极腔室来防止阳极的氧化。典型的sofc电堆通常需要四到十二个小时才能从其工作温度冷却到不会发生明显损坏阳极材料的温度。在该时段期间，将需要大量的还原气体供应和频繁的气瓶更换，从而来满足还原气体的消耗需求。

而且，在燃料电池电堆泄漏情况下的停机过程中，可能会在阳极电极处生成碳以及积碳。碳可能由烃裂化、布多阿尔(boudouard)反应或者一氧化碳(co)还原而生成。可以通过将水蒸气(h2o)引入到燃料电池系统以在一定条件下生成co和氢气(h2)来移除碳。如果碳的形成速率快于碳的移除速率，则将会积碳。内部的碳生成和沉积会导致阳极的效率降低，缩短有用装置的寿命，并且甚至会导致系统的被迫停机。

因此，需要一种改进的燃料电池系统来防止在停机操作期间燃料电池电堆的阳极的镍氧化和积碳。另外，还需要该系统便于经济地安装和操作。

技术实现要素：

本发明的一个方面在于提供一种燃料电池系统。所述燃料电池系统包括阳极循环回路、燃料供应装置、空气供应装置、电压监控装置及阳极保护控制器。所述阳极循环回路包括用于产生电力并具有阳极和阴极的燃料电池电堆。所述燃料供应装置用于将燃料提供至所述阳极循环回路中。所述空气供应装置用于将空气提供至所述燃料电池电堆的所述阴极。所述电压监控装置用于监控所述燃料电池电堆的电压。每当所述燃料电池电堆的电压降到低于预定的电压阈值时，所述阳极保护控制器把从所述燃料电池电堆拉出的电流降低预定量，并且，基于降低后的电流去降低提供至所述阳极循环回路中的所述燃料的燃料流量，从而维持所述阳极循环回路中的水碳比高于预定的水碳比限度。

本发明的另一个方面在于提供一种用于燃料电池系统的停机方法。所述燃料电池系统包括具有用于产生电力的燃料电池电堆的阳极循环回路。所述停机方法包括：监控所述燃料电池电堆的电压；以及每当所述燃料电池电堆的电压降到低于预定的电压阈值时，将从所述燃料电池电堆拉出的电流降低预定量，并且，基于降低后的电流去降低提供至所述阳极循环回路中的燃料的燃料流量，从而维持所述阳极循环回路中的水碳比高于预定的水碳比限度。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1是带有阳极循环回路的示意性燃料电池系统的示意性框图；

图2是根据本发明的一个具体实施方式的带有阳极保护的燃料电池系统的示意性框图；

图3是根据本发明的一个具体实施方式的scr模型的示意图；

图4是图3的scr模型中的公式的验证；

图5是根据本发明的一个具体实施方式的用于燃料电池系统的示意性停机方法的前半部分的流程图；

图6是根据本发明的一个具体实施方式的用于燃料电池系统的示意性停机方法的后半部分的流程图；及

图7是根据本发明的一个实施案例的用于燃料电池系统的停机方法的效果图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

带有阳极循环回路的燃料电池系统

图1示出示意性燃料电池系统100的示意性框图。如图1所示，示意性燃料电池系统100包括阳极循环回路11。阳极循环回路11包括用于产生电力的燃料电池电堆12。燃料电池电堆12可以包括堆叠在一起的多个燃料电池。燃料电池可以例如包括但并不局限于固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，sofc)。实际上，燃料电池可以是使用镍基作为阳极材料的任何燃料电池。

燃料电池电堆12包括阳极121、阴极122及电解质123。燃料电池电堆12的阳极121具有阳极入口1211和阳极出口1212。

阳极121可以支持产生电力的电化学反应。燃料可以与通过电解质123的扩散从阴极122接收到的氧离子在阳极121处被氧化。反应能够在阳极121处产生热、水蒸汽和以自由电子形式的电力，该电力能够用于将功率提供至能源消耗装置18。氧离子可以通过阴极氧化剂的氧还原来产生，电子可能从能源消耗装置18返回至阴极122。

能源消耗装置18适于从燃料电池电堆12拉出电流，或者将电负载应用到燃料电池电堆12。能源消耗装置18可以包括，但不限于，工具、灯光或照明组件、电器(如家庭或其他电器)、家庭或其他住宅、办公室或其他商业机构、计算机、信号或通信设备等。

阴极122可以被连接到阴极氧化剂源，例如空气中的氧气。阴极氧化剂被定义为供应至阴极122供燃料电池系统100在产生电力时应用的氧化剂。阴极122对于从阴极氧化剂接收到的氧离子是可渗透的。

电解质123能够与阳极121和阴极122相连通。电解质123可以将来自阴极122的氧离子传递到阳极121，并且可以具有很小的导电性或不具有导电性，因此，能够防止自由电子从阴极122到达阳极121。

继续参照图1，燃料电池系统100可以包括用于将燃料提供至阳极循环回路11中的燃料供应装置141和用于将空气提供至燃料电池电堆12的阴极122的空气供应装置151。燃料可以包括例如天然气(ng)、甲烷(ch4)等的碳氢燃料。燃料电池系统100还可以包括用于测量提供至阳极循环回路11中的燃料的燃料流量qfuel的燃料流量计142和用于调节提供至阳极循环回路11中的燃料流量qfuel的燃料流量调节器143，以及还包括用于测量提供至阴极122的空气的空气流量qair的空气流量计152和用于调节提供至阴极122的空气流量qair的空气流量调节器153。

为了减少或移除在燃料中的例如硫(其是有害的，并且容易将在后端的燃料重整所使用的催化剂粘结)等不期望成分的浓度，燃料电池系统100还可以包括燃料净化装置144。然而，对于纯净的燃料，例如甲烷(ch4)，则燃料净化装置144可以被省略。

因此，提供至阳极循环回路11中的燃料可以包括由燃料供应装置141提供的燃料，或者经由燃料净化装置144净化后的燃料。

可选地，燃料电池系统100还可以包括用于将用于燃料重整的水蒸气供应至阳极循环回路11中的水蒸气供应装置161、用于测量供应至阳极循环回路11中的水蒸气的水蒸气流量qsteam的水蒸气流量计162、以及用于调节供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量qsteam的水蒸气流量调节器163。

在一个具体实施方式中，如图1所示，阳极循环回路11还可以包括燃料重整器13。燃料重整器13具有重整器入口131和重整器出口132。燃料电池电堆12的阳极出口1212可以连接到燃料重整器13的重整器入口131，并且，燃料重整器13的重整器出口132返回至燃料电池电堆12的阳极入口1211，从而形成阳极循环回路11。

燃料重整器13可以接收燃料(或者在供应水蒸气的情况下接收燃料和水蒸气的组合)及来自燃料电池电堆12的阳极出口1212的尾气，并且在重整器出口132处产生重整气。重整气包括富氢(h2)气体，并且也可以包括一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)、水蒸气(h2o)以及未反应的燃料，例如甲烷(ch4)。在重整器出口132处的至少一部分重整气(也被称为再循环的重整气)可以被返回到阳极入口1211，其余作为排气排出。

当燃料电池系统100运行时，将燃料，例如甲烷(ch4)供应至阳极循环回路11中，特别是在本具体实施方式中的燃料重整器13的重整器入口131，并且，氧气，例如空气中含有的氧气被供应至燃料电池电堆12的阴极122。在燃料重整器13中，燃料可以通过化学反应被重整以产生氢气。例如，甲烷(ch4)通过如下的燃料重整反应(1)被转化为一氧化碳(co)和氢气(h2)，并且，一氧化碳和水蒸气(h2o)通过如下的水汽变换反应(2)被转化为二氧化碳(co2)和氢气(h2)。

ch4+h2o→co+3h2(1)

co+h2o→co2+h2(2)

再循环的重整气返回到燃料电池电堆12的阳极入口1211。在燃料电池电堆12的阳极121中，再循环的重整气和来自阴极122的氧离子混合，并且通过如下的电化学反应(3)被转化为水蒸气，从而产生电力和热。

2h2+o2→2h2o(3)

在另一个具体实施方式中，燃料电池电堆12可以具有内部重整功能而不需要单独的燃料重整器13。在这种情况下，燃料电池电堆12的阳极出口1212能够被直接返回到阳极入口1211，从而形成阳极循环回路11。因此，在燃料电池电堆12的阳极121中，也将会发生以上的燃料重整反应(1)以及水汽变换反应(2)。

带有阳极保护的燃料电池系统

图2示出根据本发明的一个具体实施方式的带有阳极保护的燃料电池系统200的示意性框图。如图2所示，与图1的燃料电池系统100相比，根据本发明的一个具体实施方式的燃料电池系统200还可以包括电压监控装置21。电压监控装置21可以实时地监控燃料电池电堆12的电压vfc。在燃料电池系统200的停机期间，由于燃料电池电堆12的温度下降或者燃料电池电堆12发生恶化的阴阳极交叉泄漏或者边界泄漏，燃料电池电堆12的电压vfc会降低。在燃料电池系统200的预定运行条件下，燃料电池电堆12的电压vfc可以是用于燃料电池电堆12的阳极121的健康状态的指示器。一旦燃料电池电堆12的电压vfc低于预定的电压阈值vth，则预示着燃料电池电堆12的阳极121将发生氧化。预定的电压阈值vth可以与镍-氧化镍平衡(nickel-nickeloxideequilibrium)相关联并带有一定的操作余量。例如，预定的电压阈值vth的范围可以从0.55v到0.65v。可选地，预定的电压阈值vth可以为0.63v。

因此，为了防止燃料电池电堆12的阳极121发生氧化，本发明的燃料电池系统200还可以包括阳极保护控制器22。电压监控装置21能够可通讯地与阳极保护控制器22连接，并且，将监控到的燃料电池电堆12的电压vfc发送给阳极保护控制器22。预定的电压阈值vth可以预先存储在阳极保护控制器22中。每当燃料电池电堆12的电压vfc降到低于预定的电压阈值vth时，阳极保护控制器22可以把从燃料电池电堆12拉出的电流i降低预定量δi，并且，基于降低后的电流去降低提供至阳极循环回路11中的燃料流量qfuel，从而维持阳极循环回路11中的水碳比(steamtocarbonratio，scr)高于预定的水碳比限度scrlimit。

预定量δi例如可以为5a。阳极循环回路11中的scr可以包括重整器入口131处的scr或者阳极入口1211处的scr。scr可以被定义为在混合气中所含有的水蒸气含量与在该混合气中所含有的一氧化碳(co)含量和甲烷(ch4)含量的总和的比。预定的水碳比限度scrlimit可以预先存储在阳极保护控制器22中。预定的水碳比限度scrlimit可以是期望的或目标的值，例如2.55。或者，预定的水碳比限度scrlimit可以是在期望的或目标的范围内。这种预定的水碳比限度scrlimit的说明性的且非排他性的例子可以包括在2：1和5：1之间。关于阳极循环回路11中的scr的更多细节可以参考中国专利申请第201510962881.x号，其内容通过参考的方式被引用于此。

在本发明的燃料电池系统200中，通过监控燃料电池电堆12的电压vfc，一旦燃料电池电堆12的电压vfc降到低于预定的电压阈值vth，则可以通过将电流i降低预定量δi来增加燃料电池电堆12的电压vfc，从而维持燃料电池电堆12的电压vfc高于预定的电压阈值vth，并且同时，可以基于降低后的电流来相应地降低燃料流量qfuel，从而对阳极循环回路11的scr进行控制。因此，通过实时监控燃料电池电堆12的电压vfc及阳极保护控制器22的控制，本发明的燃料电池系统200能够有效地防止燃料电池电堆12的阳极121发生氧化以及积碳。

本发明的燃料电池系统200不需要使用例如基于氨的还原气体的任何额外气体供应或者氢气瓶来防止阳极121的镍氧化，而仅仅使用在燃料电池电堆12的正常运行中所使用的现有燃料供应装置141。本发明的燃料电池系统200能够经济地安装和操作。

继续参照图2所示，在燃料电池系统200中，燃料流量调节器143能够可通讯地与阳极保护控制器22连接。阳极保护控制器22能够对燃料流量调节器143进行控制，以调节供应至阳极循环回路11中的燃料流量qfuel。燃料电池系统200还可以包括用于测量从燃料电池电堆12拉出的电流i的电流传感器23、以及用于调节从燃料电池电堆12拉出的电流i的功率调节装置24。例如，功率调节装置24可以包括dc-dc转换器、dc-ac逆变器、或dc-dc转换器和dc-ac逆变器的结合。电流传感器23和功率调节装置24能够可通讯地与阳极保护控制器22连接。电流传感器23能够将测量的从燃料电池电堆12拉出的电流i发送给阳极保护控制器22。阳极保护控制器22能够对功率调节装置24进行控制以响应于监控到的燃料电池电堆12的电压vfc，调节从燃料电池电堆12拉出的电流i。

在从燃料电池电堆12拉出的电流i被降低预定量δi之后，燃料电池电堆12的电压vfc能够相应地增加。当燃料电池电堆12的电压vfc大于或等于预定的电压阈值vth时，如果在此时，电流i仍然大于预定量δi，则阳极保护控制器22可以不采取行动，而仅仅等待直到燃料电池电堆12的电压vfc降到低于预定的电压阈值vth。当电流i小于或等于预定量δi，则阳极保护控制器22能够控制功率调节装置24以电流i设置为零。

在带有水蒸气供应装置161的燃料电池系统200中，水蒸气流量调节器163能够可通讯地与阳极保护控制器22连接。在一个具体实施方式中，每当燃料电池电堆12的电压vfc降到低于预定的电压阈值vth时，可以保持供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量qsteam不变。在另一个具体实施方式中，如果水蒸气供应装置161能够提供充足的水蒸气，则每当燃料电池电堆12的电压vfc降到低于预定的电压阈值vth时，则阳极保护控制器22还可以控制水蒸气流量调节器163以增加供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量qsteam。换句话说，可以通过同时降低燃料流量qfuel和增加水蒸气流量qsteam来维持阳极循环回路11中的scr高于预定的scr限度scrlimit。

燃料电池系统200还可以包括温度传感器25。温度传感器25能够可通讯地与阳极保护控制器22连接。温度传感器25可以测量燃料电池电堆12的温度tstack以及阳极循环回路11的最小温度tmin和最大温度tmax，并且将测量到的温度tstack、tmin及tmax发送给阳极保护控制器22。

返回参照图2，燃料电池系统200还可以包括阳极排气阀26和压力传感器27。阳极排气阀26和压力传感器27能够可通讯地与阳极保护控制器22连接。压力传感器27能够测量阳极121的压力pa和阴极122的压力pc，并且将测量到的压力pa、pc发送给阳极保护控制器22。每当燃料电池电堆12的电压vfc降到低于预定的电压阈值vth时，则阳极保护控制器22还可以控制阳极排气阀26以维持阳极121和阴极122之间的压差在预定的压力范围。例如，预定的压力范围可以高于3千帕(kpa)。

参照图2，阳极保护控制器22可以包括水碳比(scr)模型220。阳极保护控制器22可以根据降低后的电流从scr模型220中确定所需降低的燃料流量需求，并且响应于所需降低的燃料流量需求，控制燃料流量调节器143以降低燃料流量qfuel。scr模型220可以是查找表、线性方程、非线性方程组、或者计算机模拟工具包等。

scr模型220可以定义从提供至阳极循环回路11中的燃料流量qfuel、供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量qsteam、从燃料电池电堆12拉出的电流i及燃料电池电堆12的温度tstack映射出阳极循环回路11中的scr的关系。参照图3，在scr模型220中，供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量qsteam、从燃料电池电堆12拉出的电流i、燃料电池电堆12的温度tstack以及阳极循环回路11中的scr可以作为scr模型220的输入变量，并且，提供至阳极循环回路11中的燃料流量qfuel可以作为scr模型220的输出变量。在本具体实施方式中，scr模型220可以接收来自水蒸气流量计162测量到的水蒸气流量qsteam、来自电流传感器23测量到的降低后的电流、来自温度传感器25测量到的燃料电池电堆12的温度tstack以及预定的scr限度scrlimit，并且输出所需降低的燃料流量需求。

scr模型预测

以下，将结合参照图4，在燃料电池电堆12的数量为四的情况下以甲烷(ch4)作为燃料的示意性示例给出在scr模型220中的参数关系预测。

在第一种情况(情况1)下，如果燃料电池电堆12的温度tstack＜500℃，则可以得到在scr模型220中的scr方程如下：

其中，在以上的公式(4)中，scr代表阳极循环回路11中的水碳比，代表供应至阳极循环回路11中以克每分钟(g/min)为单位的水蒸气流量，代表提供至阳极循环回路11中以标准升每分钟(slpm)为单位的甲烷流量，以及eps代表一个非常小的值，例如0.0001，以避免公式(4)的分母为零。

在第二种情况(情况2)下，如果燃料电池电堆12的温度tstack>500℃，并且，如果从燃料电池电堆12拉出的电流i＝0，以及供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量则可以得到在scr模型220中的scr方程如下：

在第三种情况(情况3)下，如果燃料电池电堆12的温度tstack>500℃，并且，如果从燃料电池电堆12拉出的电流i>0，以及供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量则可以得到在scr模型220中的scr方程如下：

f＝96485c/mol(8)

其中，在以上的公式(6)-(8)中，ufsys代表燃料电池系统200的燃料利用率，ii代表从第i个燃料电池电堆拉出的电流，ni代表在第i个燃料电池电堆中所包含的燃料电池的数量，以及f代表法拉第常数。

在第四种情况(情况4)下，如果燃料电池电堆12的温度tstack>500℃，并且，如果从燃料电池电堆12拉出的电流i>0，以及供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量则可以得到在scr模型220中的scr方程如下：

scr＝-8.98+19.1×ufsys(9)

因此，只要供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量从每一个燃料电池电堆12拉出的降低后的电流以及燃料电池电堆12的温度tstack被测量出，并且预定scr限度scrlimit，则能够根据以上的方程式容易地确定出所需降低的燃料流量需求。

参照图4中的两条点线，以上公式的有效性可以通过与高保真计算机机理模型的对比测试得到验证。在图4中，一条点线代表从高保真计算机机理模型中模拟得到的对于第一至第四种情况下的阳极循环回路11中的scr，另一条点线代表从以上的方程(4)-(9)中预测得到的对于第一至第四种情况下的阳极循环回路11中的scr。从图4可以看出，该对比结果表明：对于第一至第四种情况，以上的方程(4)-(9)的预测结果能够很好地与从高保真计算机机理模型得到的模拟结果相符合。

尽管以上的方程使用甲烷作为燃料通过大量的测试数据来获得，但是对于其他的燃料，以上的方程仅仅只需改变部分参数，scr模型220的总体框架将保持不变。因此，可以得出scr模型220可以包括至少以下的总体参数关系。

当燃料电池电堆12的温度tstack低于预定的温度时，则在水碳比模型220中，阳极循环回路11中的scr与提供至阳极循环回路11中的燃料流量qfuel及供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量qsteam有关。

当燃料电池电堆12的温度tstack高于预定的温度时，如果从燃料电池电堆12拉出的电流i为零，并且，供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量qsteam大于零，则在scr模型220中，阳极循环回路11中的scr与提供至阳极循环回路11中的燃料流量qfuel、供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量qsteam及燃料电池电堆12的温度tstack有关。

当燃料电池电堆12的温度tstack高于预定的温度时，如果从燃料电池电堆12拉出的电流i大于零，并且，供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量qsteam大于零，则在scr模型220中，阳极循环回路11中的scr与提供至阳极循环回路11中的燃料流量qfuel、供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量qsteam及从燃料电池电堆12拉出的电流i有关。

当燃料电池电堆12的温度tstack高于预定的温度时，如果从燃料电池电堆12拉出的电流i大于零，并且，供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量qstaam为零，则在scr模型220中，阳极循环回路11中的scr与提供至阳极循环回路11中的燃料流量qfuel及从燃料电池电堆12拉出的电流i有关。

用于燃料电池系统的停机方法

图5示出根据本发明的一种具体实施方式的用于燃料电池系统200的停机方法的前半部分的流程图。如图5所示，在步骤b51中，在燃料电池系统200的运行过程中，例如通过使用电压监控装置21，来实时地监控燃料电池电堆12的电压vfc。燃料电池电堆12的电压vfc可以指示燃料电池电堆12的阳极121的健康状态。

每当燃料电池电堆12的电压vfc降到低于预定的电压阈值vth，则意味着燃料电池电堆12的阳极121将发生氧化，则过程可以前进到步骤b52。预定的电压阈值vth可以是镍-氧化镍平衡点并带有一定的操作余量。例如，预定的电压阈值vth的范围可以从0.55v到0.65v。

每当燃料电池电堆12的电压vfc降到低于预定的电压阈值vth，则可以保持提供至燃料电池电堆12的阴极121的空气的空气流量qair不变。

在步骤b52中，可以把从燃料电池电堆12拉出的电流i降低预定量δi，例如5a，并且然后，过程可以前进到步骤b53。

在步骤b53中，可以基于降低后的电流相应地降低提供至阳极循环回路11中的燃料的燃料流量qfuel，从而维持阳极循环回路11中的scr高于预定的水碳比限度scrlimit。预定的水碳比限度scrlimit可以在2：1和5：1之间。例如，预定的水碳比限度scrlimit可以为2.55。

作为一个示例，在步骤b54中，可以预先建立scr模型220。scr模型220可以定义从提供至阳极循环回路11中的燃料流量qfuel、供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量qsteam、从燃料电池电堆12拉出的电流i及燃料电池电堆12的温度tstack映射出阳极循环回路11中的scr的关系。在步骤b53中，可以根据降低后的电流从步骤b54中的scr模型220中先确定出所需降低的燃料流量需求，然后，根据所需降低的燃料流量需求来相应地调节燃料流量qfuel。

每当燃料电池电堆12的电压vfc降到低于预定的电压阈值vth，则可以保持供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量qsteam不变。在带有充足的水蒸气供应的可选的具体实施方式中，也可以增加供应至阳极循环回路11中的水蒸气流量qsteam。在这种情况下，步骤b53可以通过同时降低燃料流量qfuel和增加水蒸气流量qsteam来维持阳极循环回路11中的scr高于预定的scr限度scrlimit。

此外，每当燃料电池电堆12的电压vfc降到低于预定的电压阈值vth，则可以维持阳极121和阴极122之间的压差在预定的压力范围，例如高于3kpa。

在从燃料电池电堆12拉出的电流i被降低预定量δi之后，则燃料电池电堆12的电压vfc能够相应地增加，然后过程可以继续到步骤b55以判断燃料电池电堆12的电压vfc是否仍然低于预定的电压阈值vth。如果判断的结果为是，则过程可以返回到步骤b52。也就是说，当燃料电池电堆12的电压vfc仍然低于预定的电压阈值vth时，则可以重复步骤b52和步骤b53，直到燃料电池电堆12的电压vfc大于或等于预定的电压阈值vth。如果在步骤b55中判断的结果为否，则过程可以前进到步骤b56。

步骤b56可以判断从燃料电池电堆12拉出的电流i是否小于或等于预定量δi。当电流i仍然大于预定量δi时，则过程可以返回到步骤b55，并且继续等待直到燃料电池电堆12的电压vfc降到低于预定的电压阈值vth。当电流i小于或等于预定量δi，则过程可以前进到步骤b57。

在步骤b57中，可以将从燃料电池电堆12拉出的电流i直接设置为零。

图6示出根据本发明的一种具体实施方式的用于燃料电池系统200的停机方法的后半部分的流程图。以下将参考图6，详细描述在将电流i降低到零之后燃料电池系统200的后续停机操作。

在图6的步骤b61中，可以将提供至阳极循环回路11中的燃料流量qfuel设置为提供至阳极循环回路11中的水蒸气流量qsteam的5％，然后过程可以前进到步骤b62。

步骤b62可以判断阳极循环回路11中可测量到的最小温度tmin是否低于150℃。如果判断的结果为是，则过程可以前进到步骤b63。如果判断的结果为否，则过程可以返回到步骤b62，并且继续等待直到阳极循环回路11中的最小温度tmin低于150℃。

在步骤b63中，可以切断提供至阳极循环回路11中的燃料流量qfuel和水蒸气流量qsteam，并且，然后过程可以前进到步骤b64。

在步骤b64中，使用安全气体，例如氮气(n2)来吹扫阳极循环回路11，然后过程可以前进到步骤b65。

步骤b65可以判断阳极循环回路11中可测量到的最大温度tmax是否低于50℃。如果判断的结果为否，则过程可以返回到步骤b65，并且继续等待直到阳极循环回路11中的最大温度tmax低于50℃。如果阳极循环回路11中的最大温度tmax低于50℃，则过程可以前进到步骤b66。

在步骤b66中，可以切断供应至燃料电池电堆12的阴极122的空气流量qair，燃料电池系统200处于离线状态。

图7示出根据本发明的一个实施案例的停机方法的效果图。在图7中，x轴是以时间为单位，而y轴对于不同的曲线①-⑤具有不同的单位。曲线①代表供应至阳极循环回路中的水蒸气流量并以标准升每分钟(slpm，standardliterperminute)为单位。在该实施案例中，由于水蒸气管路中的管道堵塞，因此，水蒸气流量是受限的，这意味着在停机过程中水蒸气流量不能增加。曲线②代表提供至阳极循环回路中的天然气(ng，naturalgas)流量并以slpm为单位，并且，在图7中，为了显示目的，使用“天然气流量/2”(代表天然气流量的一半)来示出天然气流量曲线。曲线③代表从燃料电池电堆拉出的电流并以a(安培)为单位。曲线④代表燃料电池电堆的温度并以c(摄氏度)为单位，并且，在图7中，为了显示目的，使用“电堆温度/10”(代表燃料电池电堆的温度读数的1/10)来示出燃料电池电堆的温度曲线。曲线⑤代表燃料电池电堆的电压并以v(伏特)为单位，并且，在图7中，为了显示目的，使用“电堆电压*100”(代表燃料电池电堆的电压的100倍)来示出燃料电池电堆的电压曲线。

如图7所示，从时间t0到时间t1，由于燃料电池系统中的水蒸气产生系统故障，水蒸气流量保持不变。在这种情况下，一旦燃料电池电堆的电压低于预定的电压阈值，例如在本实施案例中为0.65v，则逐步地降低从燃料电池电堆拉出的电流。随着电流的降低，燃料电池电堆的电压增加。为了防止在燃料电池电堆的阳极积碳，在电流降低后，相应地降低天然气流量，从而维持阳极循环回路中的scr大于预定的水碳比限度，例如在本实施案例中为2.5。由于电流和天然气流量降低，燃料电池电堆的温度会逐步地降低。当时间到达t1时，天然气流量保持在预定的最小天然气流量以维持阳极腔室的还原环境。在时间t2，当从燃料电池电堆拉出的电流小于或等于预定量，例如在本实施案例中为5a，将电流直接设置为零。

本发明的停机方法可以实时地监控燃料电池电堆12的电压vfc，每当燃料电池电堆12的电压vfc降到低于预定的电压阈值vth，则可以将从燃料电池电堆12拉出的电流i降低预定量δi，从而来维持燃料电池电堆12的电压vfc高于预定的电压阈值vth，并且可以基于降低后的电流来相应地降低燃料流量qfuel，从而控制阳极循环回路11中的scr。本发明的停机方法能够有效地防止在停机过程中燃料电池电堆12的阳极121发生氧化以及积碳，并且不需要额外的还原气体供应，从而使得燃料电池系统200具有较低的运行成本。

尽管根据本发明的具体实施方式的用于操作燃料电池系统200的方法的动作被示出为功能块，但是，在图5和图6所示的各个功能块的顺序和各个功能块之间的动作的分离并不意图是限制性的。例如，可以以不同的顺序来执行各个功能块，并且，与一个功能块相关联的动作可以与一个或者多个其它功能块相结合或者可以被细分成多个功能块。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。