專利名稱：用于避免陽極氧化的方法和裝置的制作方法
技術領域：
世界上大部分能量通過石油、煤、天然氣和核能產生。例如考慮可獲得性和對環境的友好性，所有這些生產方法都一定程度地具有其特定問題。就考慮環境而言，尤其是石油和煤在燃燒時導致污染。與核能相關的問題至少是使用過的燃料的存儲。尤其因為環境問題，發展了更加環境友好且例如具有比上述能源更好高效率的新能源。燃料電池設備被認為是有前途的未來的能量轉換設備，借助于該設備，燃料(例如生物氣體)在環境友好過程中經由化學反應直接轉換成電。
背景技術：
如圖I所示，燃料電池包括陽極端100和陰極端102以及其間的電解質材料104。在固體氧化物燃料電池(SOFC)中，氧氣106被饋入到陰極端102且其通過從陰極接收電子·而被還原為負氧離子。負氧離子經過電解質材料104到達陽極端100，在陽極端100它與燃料108反應，產生水且還典型地產生二氧化碳(C02)。位于陽極100和陰極102之間的是包含燃料電池的負載110的外部電路111。在圖2中示出SOFC設備作為高溫燃料電池設備的示例。SOFC設備可以利用例如天然氣、生物氣、甲醇或包含碳氫混合物的其他化合物作為燃料。圖2中的SOFC設備包括堆棧形式的多于一個(典型地，多個)的燃料電池103 (S0FC棧)。每個燃料電池包括如圖I所示的陽極100和陰極102結構。部分的使用過的燃料通過每個陽極在反饋裝置109中循環。圖2中的SOFC設備還包括燃料熱交換器105和重整器107。熱交換器用于控制燃料電池處理中的熱條件且因此可以在SOFC設備的不同位置中裝置多于一個的熱交換器。循環氣體時的額外的熱能在一個或更多個熱交換器105中回收以在SOFC設備中或熱回收單元外部使用。重整器107是將諸如天然氣這樣的燃料轉化成適于燃料電池的成分的設備，適于燃料電池的成分例如是包含氫氣和甲烷的成分、二氧化碳、一氧化碳和惰性氣體。不管怎樣，在每個SOFC設備中，并不一定必須具有重整器。例如，惰性氣體是在燃料電池技術中使用的凈化氣體或凈化氣體化合物的一部分。例如，氮是在燃料電池技術中用作凈化氣體的典型惰性氣體。凈化氣體不必是元素的且它們也可以是化合物氣體。通過使用測量裝置115 (諸如燃料流量計、電流計和溫度計)從通過陽極循環的氣體實施針對SOFC設備的操作的必要測量。僅在陽極100處使用的部分氣體在反饋裝置109中通過陽極循環且氣體的其他部分從陽極100排出114。固體氧化物燃料電池(SOFC)設備是通過氧化燃料直接產生電力的電化學轉換設備。SOFC設備的優點包括高效率、長期穩定性、低放射和成本。主要缺點是高操作溫度，這導致較長的啟動時間以及機械和化學兼容性問題。固體氧化物燃料電池(SOFC)的陽極電極典型地包含相當量的鎳，其在氣氛不還原時易于形成氧化鎳。如果氧化鎳形成嚴重，則電極的形態不可逆轉地改變，導致電化學活性的明顯損失或甚至電池的擊穿。因此，SOFC系統在啟動和關閉期間需要包含還原劑的安全氣體(諸如使用諸如氮這樣的惰性氣體稀釋的氫)以防止燃料電池的陽極電極氧化。在實際系統中，安全氣體的量必須最小化，因為例如過量含氫壓縮氣體是昂貴的且作為占用空間的成分是有問題的。根據現有技術應用，在正常啟動或關閉期間運行時反應物的量通過陽極循環，SP，將未使用的安全氣體循環回環路而最小化，因為同時需要最小化運行時反應物和在啟動情形中加熱且還同時需要最小化運行時反應物和在關閉情形中冷卻系統。然而，在可能由于例如氣體警報或斷電導致的緊急關閉(ESD)中，不存在可用的有效循環，增加了所需安全氣體的量。另外，因為鼓風機必須關閉，陰極氣體流在ESD期間也不冷卻系統，且因為將系統冷卻到不發生鎳氧化的溫度所需的時間甚至是主動關閉情形的3倍，因此所需安全氣體量甚至進一步增加。
發明內容
本發明的目的是實現一種燃料電池系統，其中在關閉情形中陽極氧化的風險明顯 減小。這通過在緊急關閉情形中明顯減小凈化氣體量的用于高溫燃料電池系統的裝置實現，燃料電池系統中的每個燃料電池包括陽極端、陰極端以及陽極端和陰極端之間的電解質，且該燃料電池系統包括用于反應物的燃料電池系統管道裝置。該裝置包括用于容納空氣致動壓力的已知容積，所述已知容積包括用于設計的釋放速率的至少一個釋放路徑；至少一個壓力源，提供能夠執行空氣致動的壓力；至少一個凈化氣體源，具有能夠轉移燃料電池系統中的殘余反應物的氣體過壓；至少一個閥，用于將凈化氣體源連接到燃料電池系統管道裝置；裝置，用于通過所述至少一個閥從至少一個凈化氣體源向燃料電池系統管道裝置注入凈化氣流；裝置，用于將已知容積與所述至少一個壓力源隔離且用于對已知容積加壓；至少一個空氣致動閥，利用已知容積的壓力來保持狀態，且所述已知容積在正常操作中通過壓力源加壓，且在緊急關閉中從壓力源斷開，通過釋放路徑的凈化氣體釋放導致在已知容積中的壓力減小，實現至少一個空氣致動閥的狀態變化的設計時間延遲，從而在設計時間延遲之后減小或完全關閉進入到燃料電池系統管道裝置的凈化氣體的緊急關閉致動流。本發明的焦點還在于一種用于在高溫燃料電池系統的緊急關閉情形中明顯減小凈化氣體量的方法。在該方法中使用用于容納空氣致動壓力的已知容積；從能夠執行空氣致動的至少一個壓力源布置壓力；通過利用在至少一個凈化氣體源中的氣體過壓轉移燃料電池系統中的殘余反應物；通過至少一個閥將凈化氣體源連接到燃料電池管道裝置；從至少一個凈化氣體源向燃料電池系統管道裝置注入凈化氣流；將已知容積與所述至少一個壓力源隔離且對已知容積加壓；使用至少一個空氣致動閥來利用已知容積的壓力以保持狀態；并且在該方法中，所述已知容積在正常操作中被加壓，且在緊急關閉中所述已知容積從壓力源斷開，凈化氣體通過釋放路徑釋放，導致在已知容積中的壓力減小，實現至少一個空氣致動閥的狀態變化的設計時間延遲，從而在設計時間延遲之后減小或完全關閉進入到燃料電池系統管道裝置的凈化氣體的緊急關閉致動流。本發明基于能夠執行空氣致動的壓力和能夠轉移燃料電池系統中的殘余反應物的氣體過壓的利用，且基于用于容納空氣致動壓力的已知容積的利用，且該已知容積包括用于設計釋放速率的至少一個釋放路徑。本發明還基于利用已知容積的壓力來維持狀態的至少一個空氣致動閥，且所述已知容積在正常操作中通過提供能夠執行空氣致動的所述壓力的壓力源加壓，且在緊急關閉中從壓力源斷開，通過釋放路徑的凈化氣體釋放導致在已知容積中的壓力減小，導致在至少一個空氣致動閥的狀態變化的設計延遲，從而減小在設計延遲之后進入燃料電池系統管道裝置的凈化氣體的緊急關閉致動流。本發明的益處在于可以顯著避免緊急關閉情形中陽極氧化的風險并且因而可以增加燃料電池系統的使用壽命。
圖I示出單個燃料電池結構。圖2示出SOFC設備的示例。圖3示出根據本發明的第一優選實施方式。 圖4示出根據本發明的第二優選實施方式。
具體實施例方式固體氧化物燃料電池(SOFC)可以具有多種幾何形狀。平面幾何形狀(圖I)是大多數類型的燃料電池采用的典型夾層型幾何形狀，其中電解質104夾置在電極即陽極100和陰極102之間。SOFC還可以以管道幾何形狀制備，其中例如空氣或燃料經過管道內部且其他氣體沿著管道外部經過。這還可以布置為使得用作燃料的氣體經過管道內部且空氣沿著管道外部經過。管道設計在從燃料密封空氣方面更好。然而，不管怎樣，因為相比而言平面設計具有較低的電阻，所以平面設計的性能優于管道設計的性能。SOFC的其他幾何形狀包括修改的平面電池(MPC或MPS0FC)，其中波浪形結構代替平面電池的傳統平坦配置。這種設計是有前途的，因為它們共享了平面電池(低電阻)和管道電池的優點。在SOFC中使用的陶瓷不會變成離子活性的，直到它們達到極高溫度，且因此，必須以600至1000° C的溫度加熱棧。在陰極102發生氧106 (圖I)到氧離子的還原。這些離子可以通過固體氧化電解質104傳輸到陽極100，在那里它們可以電化學氧化用作燃料108的氣體。在該反應中，產生水和二氧化碳副產物以及兩個電子。這些電子然后流動通過外部電路11，在外部電路111中這些電子可以被利用。然后當這些電子再次進入陰極材料102時該循環重復。在大固體氧化物燃料電池系統中，典型的燃料是天然氣(主要是甲烷)、不同的生物氣體(主要是氮和/或二氧化碳稀釋的甲烷)以及包含燃料的其他高級烴(包括乙醇)。甲烷和高級烴需要在進入燃料電池棧103之前在重整器107 (圖2)中重整，或者(部分)在棧
103內部重整。重整反應需要一定量的水且還需要另外的水來防止高級烴導致的可能的碳形成(焦化)。這種水通過循環陽極廢氣流而內部地提供，因為在燃料電池反應中產生過量的水，并且/或者所述水可以使用輔助水饋入(例如，直接新鮮水饋入或廢水冷凝物的循環)提供。通過陽極循環裝置，部分未使用燃料和陽極氣體中的稀釋劑被饋回處理，而在輔助水饋入裝置中僅向處理添加水。 在根據本發明的優選實施方式中，布置一種裝置以向陰極饋入作為凈化氣體(即安全氣體)的惰性氣體。惰性氣體(例如氮)還可以包含少量氧。所述惰性氣體被動地饋入到陰極，并且在ESD (緊急關閉)的情況中阻擋陰極，然后沒有氧氣滲透到陽極，且因此明顯減小了陽極氧化的風險。陽極端的管道裝置的沖刷可以使用少量凈化氣體完成且陰極端的管道裝置的沖刷也使用少量凈化氣體完成，在陰極端優選地使用惰性氣體完成。如果阻擋閥是常關類型，且并不太快速地關閉(例如慢彈簧負載閥)，則陰極管道中的運行時反應物(例如空氣)可以通過沖刷去除，且沒有另外的空氣在阻擋之后滲透到系統的陰極部件，實現了根據本發明的用途。這樣，可以明顯減小在ESD期間所需的凈化氣體量。類似類型的阻擋閥也可以在陽極端使用以進一步減小所需的凈化氣體量。在圖3中示出高溫燃料電池系統中根據本發明的第一示例性優選裝置。該裝置優選地位于高溫燃料電池系統的陰極端102中，用于明顯減小緊急關閉情形中陰極端中的凈化氣體量，但是該裝置也可以應用在陽極端100或者同時應用在高溫燃料電池系統的陽極端100和陰極端102。該裝置包括用于容納空氣致動壓力的已知容積118，所述已知容積包括燃料電池系統的管道裝置和用于設計的釋放速率的至少一個釋放路徑117。至少一個壓力源120提供能夠執行空氣致動的壓力。
該裝置包括至少一個凈化氣體源121，該凈化氣體源121具有能夠轉移燃料電池系統中的殘余反應物的氣體過壓。優選地，與所述凈化氣體源周圍的壓力相比，凈化氣體源121具有本質的氣體過壓。該裝置中至少一個閥124將凈化氣體源121連接到燃料電池系統管道裝置，且裝置122從至少一個凈化氣體源121向燃料電池系統管道裝置注入凈化氣流。裝置122例如是管道、溝道、輸送管、鉆孔和/或孔。裝置128關閉燃料電池系統的至少一個管道端部以防止氣流退出燃料電池系統。裝置128例如是當解除致動壓力時、在關閉動作中利用例如在彈簧、蓄壓器或重力勢中存儲的能量關閉的任意閥。而且，該裝置包括用于從所述至少一個壓力源120隔離已知容積的裝置125且所述裝置125用于對已知容積118加壓。裝置125例如是當在緊急關閉的情形中去激勵時在關閉動作中利用例如在彈簧、蓄壓器或重力勢中存儲的能量關閉的任意閥。至少一個空氣致動閥130利用已知容積118的壓力來保持狀態。該裝置還可以包括至少一個鼓風機129和至少一個通氣口 136。在圖3中，在空氣致動閥130上方的旁路路徑中，通氣口 136設計為限制旁通凈化氣流量。旁通流僅是當閥130打開時通過該閥的流量的一部分。在關閉閥130之后，通過通氣口 136的通路確保維持小流量通過燃料電池陰極到達管道裝置133，且減小從管道裝置133到裝置的相反方向中的氧氣流的風險。圖3和4中的通氣口 116是釋放路徑117的管道裝置中的流量限制。其尺度調節為限制凈化氣流以實現空氣致動閥130的狀態變化的設計時間延遲。已知容積118在正常操作中通過壓力源120加壓。在緊急關閉情形中，已知容積從壓力源120斷開，且通過已知容積的釋放路徑117的凈化氣體釋放導致已知容積118中壓力下降。這實現了至少一個空氣致動閥130的狀態變化的設計時間延遲，從而在設計時間延遲之后減小或完全關閉進入到燃料電池系統管道裝置的凈化氣體的緊急關閉制動流。設計的時間延遲例如可以進行尺寸調節以符合至少等于系統管道裝置的容積的6倍的凈化氣體總容流，確保殘余反應物的適當轉移，無論如何，尺寸調節不限于此。所述設計時間延遲的長度例如可以從10秒到一個小時。在圖4中示出高溫燃料電池系統中根據本發明的第二示例性優選裝置。該裝置優選地位于高溫燃料電池系統的陰極端102中，用于明顯減小緊急關閉情形中陰極端中的凈化氣體量，但是該裝置也可以應用在陽極端100或者同時應用在高溫燃料電池系統的陽極端100和陰極端102。該裝置包括作為空氣致動閥130的將要被空氣致動的至少一個可控調節設備130，用于在所述設計時間延遲之后充分限制或完全關閉凈化氣流。如圖4所示，所述可控調節設備130的位置處于空氣換熱器的輸出管道裝置133中。另外，該第二實施方式可以包括如參考圖3中在第一實施方式中呈現的類似特征。本發明的實施方式還可以執行為使得同一壓力單元120、121用于執行所述壓力源(120)和所述凈化氣體源121 二者的功能。
盡管參考附圖和說明書描述了本發明，但是本發明決不限于這些描述，因為本發明受權利要求書允許的范圍內的變型支配。
權利要求
1.一種在緊急關閉情形中明顯減小凈化氣體量的用于高溫燃料電池系統的裝置，在所述燃料電池系統中的每個燃料電池包括陽極端(100)、陰極端(102)以及在所述陽極端和所述陰極端之間的電解質(104)，并且所述燃料電池系統包括用于反應物的燃料電池系統管道裝置，其特征在于，所述裝置包括 -用于容納空氣致動壓力的已知容積(118)，所述已知容積包括用于設計釋放速率的至少一個釋放路徑(117)， -至少一個壓力源(120)，所述至少一個壓力源提供能夠執行空氣致動的壓力， -至少一個凈化氣體源(121 )，所述至少一個凈化氣體源包括能夠轉移在所述燃料電池系統中的殘余反應物的氣體過壓， -至少一個閥(124)，所述至少一個閥用于將所述凈化氣體源(121)連接到所述燃料電池系統管道裝置， -用于從所述至少一個凈化氣體源(121)向所述燃料電池系統管道裝置注入凈化氣流的裝置(122)， -用于將所述已知容積(118)與所述至少一個壓力源(120)隔離并且用于對所述已知容積(118)加壓的裝置(125)， -至少一個空氣致動閥(130)，所述至少一個空氣致動閥利用所述已知容積(118)的壓力來保持狀態，并且 -所述已知容積(118)在正常操作中通過所述壓力源(120)加壓，并且在緊急關閉中從所述壓力源(120)斷開，通過所述釋放路徑(117)的凈化氣體釋放導致所述已知容積中(118)的壓力減小，實現至少一個空氣致動閥(130)的狀態改變的設計時間延遲，從而在所述設計時間延遲之后減小或完全關閉進入到所述燃料電池系統管道裝置的凈化氣體的緊急關閉致動流。
2.根據權利要求I所述的用于高溫燃料電池系統的裝置，其特征在于，所述裝置包括至少一個凈化氣體源(121)，與在所述凈化氣體源的周圍的壓力相比，所述至少一個凈化氣體源具有氣體過壓。
3.根據權利要求I所述的用于高溫燃料電池系統的裝置，其特征在于，所述裝置包括用于執行所述壓力源(120)和所述凈化氣體源(121) 二者的功能的同一壓力單元(120，121)。
4.根據權利要求I所述的用于高溫燃料電池系統的裝置，其特征在于，所述裝置包括用于關閉所述燃料電池系統的至少一個管道端部以防止氣流退出所述燃料電池系統的裝置(128)。
5.根據權利要求I所述的用于高溫燃料電池系統的裝置，其特征在于，所述裝置包括作為空氣致動閥(130)的待空氣致動的至少一個可控調節設備(130)，所述至少一個可控調節設備用于在所述設計時間延遲之后充分限制或完全關閉所述凈化氣流。
6.根據權利要求I所述的用于高溫燃料電池系統的裝置，其特征在于，所述裝置位于所述高溫燃料電池系統的所述陰極端(102)中，用于在緊急關閉情形中明顯減小在所述陰極端中的凈化氣體量。
7.一種用于在高溫燃料電池系統的緊急關閉情形中明顯減小凈化氣體量的方法，其特征在于，在所述方法中-使用用于容納空氣致動壓力的已知容積(118)， -布置來自能夠執行空氣致動的至少一個壓力源(120)的壓力， -通過利用在至少一個凈化氣體源(121)中的氣體過壓轉移所述燃料電池系統中的殘余反應物， -通過至少一個閥(124)將所述凈化氣體源(121)連接到所述燃料電池管道裝置， -從所述至少一個凈化氣體源(121)向所述燃料電池系統管道裝置注入凈化氣流， -將所述已知容積(118)與所述至少一個壓力源(120)隔離并且對已知容積(118)加壓， -使用用于利用所述已知容積(118)的壓力來保持狀態的至少一個空氣致動閥(130)，-并且，在所述方法中，所述已知容積(118)在正常操作中被加壓，并且在緊急關閉中所述已知容積從所述壓力源(120)斷開，通過釋放路徑(117)的凈化氣體釋放導致在所述已知容積(118)中的壓力減小，實現至少一個空氣致動閥(130)的狀態變化的設計時間延遲，從而在所述設計時間延遲之后減小或完全關閉進入到所述燃料電池系統管道裝置的凈化氣體的緊急關閉致動流。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，與在所述凈化氣體源的周圍的壓力相比，向至少一個凈化氣體源(121)布置氣體過壓。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，將同一壓力單元(120，121)用于執行所述壓力源(120)和所述凈化氣體源(121) 二者的功能。
10.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，關閉所述燃料電池系統的至少一個管道端部以防止氣流退出所述燃料電池系統。
11.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，將待空氣致動的至少一個可控調節設備(130)用作所述空氣致動閥(130)，所述至少一個可控調節設備用于在所述設計時間延遲之后充分限制或完全關閉所述凈化氣流。
12.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，在所述高溫燃料電池系統的所述陰極端(102)中執行所述方法，用于在緊急關閉情形中明顯減小在所述陰極端中的凈化氣體量。
全文摘要
本發明的焦點是一種在緊急關閉情形中明顯減小凈化氣體量的用于高溫燃料電池系統的裝置。該裝置包括用于容納空氣致動壓力的已知容積(118)，所述已知容積包括用于設計釋放速率的至少一個釋放路徑(117)；至少一個壓力源(120)，提供能夠執行空氣致動的壓力；至少一個凈化氣體源(121)，具有能夠轉移燃料電池系統中的殘余反應物的氣體過壓；至少一個閥(124)，用于將凈化氣體源(121)連接到燃料電池系統管道裝置；裝置(122)，用于通過所述至少一個閥(124)從至少一個凈化氣體源(121)向燃料電池系統管道裝置注入凈化氣流；裝置(125)，用于將已知容積(118)與所述至少一個壓力源(120)隔離并且用于對已知容積(118)加壓；至少一個空氣致動閥(130)，利用已知容積的壓力來保持狀態，且所述已知容積(118)在正常操作中通過壓力源(120)加壓，且在緊急關閉中從壓力源(120)斷開，通過釋放路徑(117)的凈化氣體釋放導致在已知容積中(118)的壓力減小，實現至少一個空氣致動閥(130)的狀態變化的設計時間延遲，從而在設計時間延遲之后減小或完全關閉進入到燃料電池系統管道裝置的凈化氣體的緊急關閉致動流。
文檔編號H01M8/04GK102792505SQ201180011791
公開日2012年11月21日 申請日期2011年1月12日 優先權日2010年3月1日
發明者T·哈卡拉, 特羅·霍蒂寧, 金·阿斯特羅姆 申請人:瓦錫蘭芬蘭有限公司