專利名稱：減少燃料電池系統(tǒng)中的安全氣體的消耗的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的一個(gè)目的是一種用于減少燃料電池系統(tǒng)中的安全氣體的消耗的方法，所 述燃料電池系統(tǒng)包括至少一個(gè)燃料電池單元，該燃料電池單元的燃料電池包括陽(yáng)極側(cè)和 陰極側(cè)以及介于該陽(yáng)極側(cè)和該陰極側(cè)之間的電解質(zhì)；用于為該陽(yáng)極側(cè)提供安全氣體的裝 置；以及用于將來(lái)自該陽(yáng)極側(cè)的廢安全氣體排出該燃料電池單元的裝置。本發(fā)明的另一個(gè) 目的是應(yīng)用該方法的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明具體涉及其中通常采用的基本材料成分是鎳的SOFC型燃料電池系統(tǒng)(固 體氧化物燃料電池)。該燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是其對(duì)于氧化敏感，結(jié)果產(chǎn)生氧化鎳。在 周圍的氣體混合物不是絕對(duì)還原性(即，如果周圍的氣體混合物含有能夠用于氧化反應(yīng)的 氧分子)的情況下，鎳立刻在不知不覺中發(fā)生氧化。如果不小心形成了足夠量的氧化鎳，則 陽(yáng)電極的形態(tài)(morphology)將發(fā)生不利的變化。陽(yáng)極的電化學(xué)活性大幅下降，在最糟糕的 情況下會(huì)導(dǎo)致整個(gè)燃料電池終止工作。因此，SOFC系統(tǒng)尤其需要在正常工作條件以外的情況下采取行動(dòng)以便防止這樣的 氧化?；敬胧┦窍蜿?yáng)極側(cè)提供安全氣體，該安全氣體含有能夠保護(hù)燃料電池的陽(yáng)電極不 發(fā)生氧化的還原成分。實(shí)際上，該安全氣體用于通過(guò)利用電極借助于安全氣體來(lái)使從陰極 側(cè)逃脫到陽(yáng)極側(cè)的所有游離氧催化燃燒來(lái)結(jié)合所有的游離氧。在沒(méi)有向燃料電池提供真實(shí) 燃料的狀況下，燃料電池的陽(yáng)極需要借助于安全氣體建立的還原氣體氛圍。這樣的典型狀 況包括裝置的啟動(dòng)和關(guān)閉。在安全氣體中采用的還原成分例如是氫，在必要時(shí)使用催化劑 以便氫與氧發(fā)生反應(yīng)并將氧燃燒掉。但是，出于安全的考慮，必須借助于適合的惰性氣體(如氮)將氫的濃度稀釋到適 當(dāng)?shù)乃健．?dāng)所采用的安全氣體是含氫的氣體混合物時(shí)，僅從安全的角度來(lái)考慮，氫濃度越 低，則越有益。也就是說(shuō)，必須將氫氣的濃度稀釋到足夠低的水平，以使得在各個(gè)溫度下的 氫氣濃度低于與氫氣的燃點(diǎn)相匹配的濃度。但是，所需要的氫的稀釋濃度的缺點(diǎn)在于，由于用于稀釋氫的惰性氣體(例如， 氮)的量相應(yīng)地增加，這意味著在稀釋氫的同時(shí)出現(xiàn)很大的總流量。另一方面，為了限制所 需的安全氣體的總量，氫濃度越高則越有益。使用較高濃度的氫將使得能夠減少對(duì)氮的需 要，并且還將減少安全氣體的總量。此外，當(dāng)按照現(xiàn)有技術(shù)中描述的方式使用這樣的安全氣體時(shí)，處理操作窗口變得 限于不必要的小尺寸。必須控制安全氣體的濃度以使得從可能的泄漏處(燃料電池通常向 它們附近泄漏一定量的氣體)流出的混合物應(yīng)將其特性保持為低于與自燃點(diǎn)匹配的值(主 要是低于LEL(爆炸下限)，即，低自燃點(diǎn))。例如，在處于室溫的氫氮混合物的情況下，意味 著大約6%的氫濃度。隨著溫度上升，該閾值濃度逐漸變得更低。因而，為氫濃度設(shè)定了非 常嚴(yán)格的限制。例如，即使氫濃度的適度的較小的變化也會(huì)使氣體混合物的參數(shù)過(guò)于接近 與超過(guò)上述燃點(diǎn)的值相對(duì)應(yīng)的值。因而，當(dāng)使用含氫的安全氣體時(shí)，處理的操作參數(shù)(特別是氫濃度)必須服從于精確的監(jiān)控制度。這在高溫時(shí)尤其具有重要意義。針對(duì)安全氣體的 點(diǎn)燃，另一個(gè)基本方面是周圍環(huán)境的溫度，尤其是燃料電池周圍的空間(安全氣體可能能 夠泄漏到該空間)的溫度。在流過(guò)燃料電池一次以后，廢安全氣體從燃料電池系統(tǒng)中排出。與燃料電池的固 有流出物一起排出的氣體通常被進(jìn)一步引導(dǎo)通過(guò)后燃室，在該后燃室中，還原氣體被燒掉 并且可以回收(recover)熱量。因此，由于在目前可用的系統(tǒng)中應(yīng)用的操作原理，存在著對(duì)大總量的安全氣體的 較高需求。因而，安全氣體的使用導(dǎo)致了原材料形式的主要成本。大流量的安全氣體還意味 著安全氣體所需的存儲(chǔ)設(shè)施需要大量空間，這進(jìn)一步導(dǎo)致了附加成本和可能的操作限制。 一般來(lái)說(shuō)，這種被加壓的、通常為含氫的安全氣體被存儲(chǔ)在壓縮氣罐中。因而，例如在運(yùn)輸 (aboard ships)時(shí)，安全氣體的量受到存儲(chǔ)所需的大空間和安全因素這兩方面的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠緩解或完全消除上述的現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題的解決方案。 為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，提供了一種根據(jù)本發(fā)明的方法，該方法的特征在于在權(quán)利要求1的特 征部分中闡述的內(nèi)容。另一方面，在權(quán)利要求7的特征部分中闡述了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法的 燃料電池系統(tǒng)的特征。此外，在從屬權(quán)利要求中示出了本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方式。本發(fā)明的主要概念是從燃料電池單元的陽(yáng)極側(cè)排出的期望百分比的安全氣體流 適于在陽(yáng)極側(cè)進(jìn)行再循環(huán)。因而，實(shí)際上，問(wèn)題是如何具體地調(diào)整和調(diào)節(jié)安全氣體的再循 環(huán)，目的是在燃料電池的陽(yáng)極側(cè)重新使用包含在安全氣體中的游離的未消耗的氫，以減少 可能的游離氧分子。使流過(guò)燃料電池并從燃料電池排出的全部安全氣流中的特定大小的部 分轉(zhuǎn)向，通過(guò)使這部分安全氣體與從燃料電池排出的安全氣體流相分離并在各個(gè)適當(dāng)?shù)奈?置將這部分安全氣體與進(jìn)入燃料電池的安全氣體供應(yīng)重新結(jié)合，從而使這部分安全氣體再 一次通過(guò)陽(yáng)極側(cè)。有益效果本發(fā)明提供了實(shí)質(zhì)減少將要被提供到系統(tǒng)中的安全氣體的總需求的可能性，并 且因而提供了節(jié)約原材料成本的可能性。經(jīng)減少的安全氣體流(特別是從系統(tǒng)流出的安 全氣體)以及安全氣體的再循環(huán)還使得能夠降低熱量要求，特別是在燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng) (start-up)周期期間。另一方面，經(jīng)提高的熱效率縮短了系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間并由此改善了系統(tǒng) 的功能。這里使用的術(shù)語(yǔ)“啟動(dòng)”表示將系統(tǒng)加熱至能夠啟動(dòng)燃料電池的正常操作的溫度。 由于減少了對(duì)安全氣體的需求，因此能夠以比之前更少的所存儲(chǔ)的安全氣體的量來(lái)實(shí)現(xiàn)。 這對(duì)于具有有限的存儲(chǔ)設(shè)施的工作場(chǎng)所來(lái)說(shuō)尤其有意義。作為經(jīng)減少的安全氣體的量以及 由此帶來(lái)的經(jīng)減少的易爆的氫氣的量的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)以往的安全水平。對(duì)通風(fēng)的要求 也比以前更低。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，通過(guò)本發(fā)明所獲得的更多的益處將變得明
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現(xiàn)在將參照附圖來(lái)更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖中圖1示出了本發(fā)明的一種裝置的高度示意性的圖示，其中，從陽(yáng)極側(cè)返回的安全氣體的一部分進(jìn)行再循環(huán)以再次流經(jīng)陽(yáng)極側(cè)。
具體實(shí)施例方式圖1在高度示意性的圖示中示出了燃料電池系統(tǒng)1。包括在該燃料電池系統(tǒng)1中 的燃料電池單元5包括一個(gè)或更多個(gè)燃料電池堆，燃料電池堆由相繼串聯(lián)連接的燃料電池 2組成，燃料電池2包括陽(yáng)極側(cè)7、陰極側(cè)8、設(shè)置在陽(yáng)極側(cè)7與陰極側(cè)8之間的電解質(zhì)9以 及設(shè)置在各個(gè)燃料電池之間的連接板6 (所謂的互連)。優(yōu)選地將連接板6設(shè)計(jì)成一種雙極 板，即，連接板6位于一個(gè)單獨(dú)的燃料電池2的陰極側(cè)上并且位于另一個(gè)單獨(dú)的燃料電池2 的陽(yáng)極側(cè)上，并且在其間作為燃料電池之間的導(dǎo)電體和氣體的隔離壁(阻斷不受控制的單 元至單元?dú)怏w流)這兩者。更重要的是，連接板6提供了用于在燃料電池中(在陽(yáng)極側(cè)和 陰極側(cè)這兩者上)流動(dòng)的氣體的流體通道系統(tǒng)。為了清楚起見，圖1僅以單個(gè)燃料電池2 的形式示出了燃料電池單元5的燃料電池堆。在該申請(qǐng)中，陽(yáng)極側(cè)7總體上既表示包括在燃料電池單元5的燃料電池2中的陽(yáng) 極電極，而且從燃料的角度看還表示用于將燃料電池單元5的范圍內(nèi)的燃料引導(dǎo)至實(shí)際的 單獨(dú)的燃料電池的陽(yáng)極的部件以及用于進(jìn)一步引導(dǎo)氣體離開該陽(yáng)極的部件。相應(yīng)地，陰極 側(cè)8表示陰極以及為了在燃料電池單元5的范圍內(nèi)將空氣引導(dǎo)至陰極以及從陰極引導(dǎo)空氣 而設(shè)置的部件。此外，為了饋送安全氣體，陽(yáng)極側(cè)7設(shè)置了供應(yīng)裝置，這里僅由供應(yīng)線路10表示該 供應(yīng)裝置。還設(shè)置了用于為燃料電池單元排空從陽(yáng)極側(cè)7排出的安全氣體的排放裝置。這 里，僅由排放線路11來(lái)表示該排放裝置。當(dāng)然，可以存在多條這樣的線路10、11。為了清楚 起見，沒(méi)有示出其它供應(yīng)裝置和排放裝置。在圖1中示出了預(yù)轉(zhuǎn)化器4和脫硫器3等可能 的燃料預(yù)處理裝置。因此，在燃料電池的陽(yáng)極側(cè)或燃料側(cè)使用安全氣體。實(shí)際上，所采用的還原成分可 以是能夠與氧發(fā)生反應(yīng)的任何物質(zhì)，但是最常使用的還原成分仍然是氫氣。出于安全的原 因，在該處理的特定階段中，必須將非常易燃的氫氣的濃度保持得低于構(gòu)成爆炸危險(xiǎn)的燃 點(diǎn)。這可以通過(guò)利用諸如氮和氬的惰性氣體成分補(bǔ)充安全氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此示例中，安全 氣體含有氫和氮。沿燃料電池供應(yīng)線路10將安全氣體引導(dǎo)至燃料電池單元5的內(nèi)部18，并 進(jìn)一步引導(dǎo)至陽(yáng)極側(cè)7。進(jìn)而沿排放線路11將已經(jīng)流經(jīng)燃料電池的陽(yáng)極側(cè)7的安全氣體從 燃料電池單元5中排出。還原成分的濃度在燃料電池中降低，這是因?yàn)橐恍┻€原成分在燃料電池中由于氧 化而被消耗掉。為了保證完全的氧化，需要絕對(duì)確保與安全氣體一起供應(yīng)到燃料電池中的 還原氫氣的量超過(guò)當(dāng)氫氣流經(jīng)燃料電池時(shí)被消耗掉的量。這就是為什么從系統(tǒng)中排出了處 于未消耗狀態(tài)的大部分氫并將其原樣與剩余的安全氣體一起傳送到燃料電池系統(tǒng)外部并 且通常進(jìn)一步傳送到在其中燃燒掉還原氣體的后燃器的原因。上述的現(xiàn)有技術(shù)的方案導(dǎo)致了安全氣體的大量消耗，并且由此造成了主要的給料 成本和可觀的存儲(chǔ)要求。根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在提供了一種通過(guò)陽(yáng)極側(cè)的安全氣體的期望量的部分再循環(huán)。為 了能夠?qū)⒑嚥考車臍怏w空間保持在還原條件并排除氧化，供應(yīng)給系統(tǒng)的還原物質(zhì)成 分的量必須超過(guò)從該系統(tǒng)排出的還原物質(zhì)成分的量。由于安全氣體的流出物仍然攜帶著以有用形式存在的氫H2，這種還原成分的再循環(huán)可以用于使還原成分的總量(S卩，從陽(yáng)極側(cè)的 角度來(lái)看，還原成分的流過(guò)量)超過(guò)最初供應(yīng)給該系統(tǒng)的還原成分的量?，F(xiàn)在，通過(guò)將從燃 料電池系統(tǒng)排出的廢安全氣體的所需要的一部分重新用于供應(yīng)，可以將安全氣體的主要饋 送(即，未消耗的安全氣體的饋送)減少基本上與將被再循環(huán)的安全氣體中含有的游離氫 H2相匹配的量。這使得能夠減輕對(duì)將要被供應(yīng)給SOFC系統(tǒng)的還原成分H2的需要并且還由 此降低供應(yīng)量。當(dāng)然也可以使用氫以外的其它還原成分來(lái)應(yīng)用本發(fā)明的這種主要原理。因此，在本申請(qǐng)中，術(shù)語(yǔ)“未消耗的安全氣體”用于表示來(lái)自安全氣體存儲(chǔ)設(shè)施等 的安全氣體，該安全氣體包括從外部供應(yīng)到該系統(tǒng)的氣體混合物的至少大部分。該安全氣 體可以含有在供應(yīng)線路中仍然未相互混合并由此在被供應(yīng)到燃料電池中之前在適當(dāng)?shù)奈?置處與期望的成分形成混合氣體的安全氣體。另一方面，術(shù)語(yǔ)“廢安全氣體”用于表示已經(jīng) 至少通過(guò)陽(yáng)極側(cè)一次并且正在離開陽(yáng)極的安全氣體。如在現(xiàn)有技術(shù)中那樣，優(yōu)選地引導(dǎo)未 包含在未消耗的安全氣體或廢安全氣體中的部分(即，由于泄漏或溢出而從系統(tǒng)中排出的 部分安全氣體)通過(guò)后燃器。應(yīng)當(dāng)注意，處于儲(chǔ)存狀態(tài)中的安全氣體當(dāng)然不必是氣體的形式。一個(gè)值得注意的 示例是甲醇-水混合物，其在被包含在該過(guò)程中之前蒸發(fā)。此外，通過(guò)某些準(zhǔn)備措施，可以 在現(xiàn)場(chǎng)直接由燃料產(chǎn)生安全氣體，因此除了緊急停工的情況以外，并非絕對(duì)必須具有單獨(dú) 的氣體存儲(chǔ)。在該情況下，也就是說(shuō)，通過(guò)調(diào)整完全禁止了燃料的饋送。在圖1的工作示例中，以線路12的形式在供應(yīng)線路10與排放線路11之間建立了 流體連通。由此，從燃料電池單元5排出的廢安全氣體流的期望部分被重定向到對(duì)燃料電 池的安全氣體供應(yīng)中。將要被重定向的部分例如被引導(dǎo)到線路10中，在線路10中流動(dòng)著 新鮮的未消耗的安全氣體。此時(shí)，新鮮的安全氣體可能仍然是在它們的特定供應(yīng)線路中的 分離的成分的形式，或者是已經(jīng)混合的混合氣體的形式。實(shí)際上，可以通過(guò)再循環(huán)裝置(例如，通過(guò)泵、噴射器或其它促流裝置)來(lái)實(shí)現(xiàn)廢 安全氣體的再循環(huán)。實(shí)際上，優(yōu)選的是在至少可能的燃料預(yù)處理裝置(例如，預(yù)轉(zhuǎn)化器4) 的上游實(shí)現(xiàn)在燃料電池單元外部進(jìn)行的廢安全氣體的再循環(huán)以及廢安全氣體流與未消耗 的安全氣體流的混合?；蛘?，可以將安全氣體的再循環(huán)流引導(dǎo)至其它的預(yù)處理單元(例如， 燃料脫硫單元3或類似類型的氣體凈化裝置)的上游處。但是，不需要以物理方式實(shí)現(xiàn)到 供應(yīng)線路10中的再循環(huán)。重要的是，能夠使從燃料電池排出的安全氣體再次流經(jīng)燃料電池 的陽(yáng)極側(cè)7。稍后在本說(shuō)明書中示出安全氣體再循環(huán)的其它可選路線。在非常優(yōu)選的情況下，根據(jù)本發(fā)明的安全氣體再循環(huán)適于以基本連續(xù)的方式進(jìn) 行，即，再循環(huán)直接返回到供應(yīng)側(cè)而不需要中間存儲(chǔ)。從減小安全氣體存儲(chǔ)所需的空間的觀 點(diǎn)來(lái)看，這代表了另一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)?；旧峡梢园葱枰?-100%的整個(gè)區(qū)間選擇安全氣 體的再循環(huán)氣流相對(duì)于安全氣體的總氣流的百分比。因而，可以想到至少暫時(shí)可以提供甚至是完全再循環(huán)，其中所有的安全氣體都處 于再循環(huán)中。只要每次用于氧還原所需要的氫的消耗量和通常在燃料電池表面存在的泄漏 允許，則基本上可以在不向再循環(huán)流中增加任何安全氣體的情況下維持完全再循環(huán)。畢竟 實(shí)際上，總是存在從燃料電池表面向外流動(dòng)的一定量的氣體。同樣，安全氣體被設(shè)置為通過(guò) 陽(yáng)極限流閥少量地流出到出口管中。因此，仍然必須按照一定量(最方便地，按照有規(guī)律的 間隔)來(lái)增加安全氣體或其成分。在本實(shí)施方式的背景下，非常優(yōu)選的是一直維持較小的安全氣體流進(jìn)入到系統(tǒng)中。根據(jù)本發(fā)明，至少超過(guò)一半(最合適的情況為超過(guò)75% )的安全氣體被再循環(huán)回 陽(yáng)極側(cè)。每次可以完全根據(jù)系統(tǒng)的部件和限制來(lái)選擇最適合的數(shù)值范圍。例如，可允許的 壓力水平和流速以及再循環(huán)裝置的容量針對(duì)有效調(diào)整窗口提出了它們特定的閾值。在對(duì)再 循環(huán)比率(rate)進(jìn)行調(diào)整的過(guò)程中，可以將這些考慮在內(nèi)。優(yōu)選地根據(jù)其它參數(shù)來(lái)主動(dòng)地 (active)調(diào)整再循環(huán)的百分比，但是還可以使用恒定不變的再循環(huán)比率(即，再循環(huán)量可 以是恒定的，或者再循環(huán)流的量可以是恒定的)。同樣，調(diào)整可以適于僅按照特定的時(shí)間間 隙來(lái)執(zhí)行。在本發(fā)明中，所采用的主要調(diào)整參數(shù)優(yōu)選地是陽(yáng)極側(cè)上的還原成分(即例如，氫) 的總量。同時(shí)，根據(jù)氫的總量和廢安全氣體的再循環(huán)比率來(lái)調(diào)整安全氣體的總量。被再循 環(huán)的安全氣體的百分比越高，則向供應(yīng)線路主要(primary)提供的安全氣體的比例(可以 相應(yīng)地完全略去)就越高。對(duì)安全氣體再循環(huán)比率的調(diào)整還可以用于對(duì)其自身施加對(duì)在燃 料電池中再循環(huán)的安全氣體中的成分物質(zhì)的濃度的所期望影響。因而，在對(duì)再循環(huán)百分比 的調(diào)整中，可以將各種成分的濃度的變化和各種成分的濃度之間的相互關(guān)系考慮在內(nèi)。在 任何情況下都特別重要的是將游離氫壓的量保持在與各個(gè)溫度的濃度相匹配的燃點(diǎn)之下。在SOFC系統(tǒng)的背景下，本發(fā)明的裝置的值得注意的實(shí)際示例是Wartsila燃料電池 實(shí)驗(yàn)室原型(WC20 alpha)。在該原型中使用的安全氣體包含氫和氮。在沒(méi)有本發(fā)明的安全 氣體再循環(huán)裝置的情況下操作該系統(tǒng)時(shí)，所需要的安全氣體的量大致是36m3(STP)的氫H2 和19m3的氮N2。另一方面，當(dāng)以預(yù)先設(shè)置的方式使用安全氣體的再循環(huán)時(shí)，可以將需要的 安全氣體的量減少到5m3的氫和37m3的氮。實(shí)際上，這代表了超過(guò)五倍的氮量減少和超過(guò) 七倍的氫量減少。 本發(fā)明的一些其它實(shí)施方式本發(fā)明所提供的裝置并不限于上述的實(shí)施方式，上述實(shí)施方式的唯一用途僅僅是 以簡(jiǎn)化的方式和結(jié)構(gòu)來(lái)解釋本發(fā)明的主要原理。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)附加地使用未消耗安全氣體的主動(dòng)調(diào)整(即，其主氣流)，可以 更加有效地將未消耗安全氣體的量減到最少。因此根據(jù)在陽(yáng)極側(cè)的消耗量和/或根據(jù)再循 環(huán)的百分比，可以比以前更加精確地補(bǔ)充新鮮的安全氣體。同樣，可以觀察到泄漏的量和安 全氣體的流失。就初始狀況下的調(diào)整設(shè)置值來(lái)說(shuō)，能夠應(yīng)用根據(jù)某些特定的再循環(huán)比率而 計(jì)算出的設(shè)置值。關(guān)于安全氣體的調(diào)整，在這個(gè)非常簡(jiǎn)單的實(shí)施方式中，能夠執(zhí)行安全氣體 的再循環(huán)，使得在利用安全氣體的主要供應(yīng)來(lái)增加再循環(huán)時(shí)，安全氣體將減少而不會(huì)再與 主要?dú)怏w的濃度相干擾。另一方面，如在本發(fā)明的解決方案中所描述的，例如通過(guò)稍后描述的增加主要安 全氣體的氫濃度，可以補(bǔ)償由諸如可接受壓力水平和流速的上述限制所限定的以及由再循 環(huán)裝置的容量所施加的特定閾值所限定的調(diào)整窗口。未被還原消耗的惰性氣體(即，在此情況下為氮)將在再循環(huán)安全氣體的過(guò)程中 被再循環(huán)，被再循環(huán)的惰性氣體在量和比例上都超過(guò)了始終在流過(guò)陽(yáng)極側(cè)時(shí)被消耗掉一些 的氫。因而，在從陽(yáng)極側(cè)排出時(shí)，安全氣體中氮的百分比高于安全氣體進(jìn)入陽(yáng)極側(cè)時(shí)的氮的 百分比。因而，在再循環(huán)安全氣體的過(guò)程中，氫的濃度趨于降低，而氮的百分比則相應(yīng)地趨 于上升?？梢酝ㄟ^(guò)單獨(dú)減少惰性氣體(即，氮)的供應(yīng)來(lái)對(duì)此做出補(bǔ)償。換言之，根據(jù)本發(fā)明的安全氣體再循環(huán)通過(guò)單獨(dú)地調(diào)整主要供應(yīng)到燃料電池系統(tǒng)中的安全氣體中的還原成 分和惰性氣體的百分比來(lái)提供了比之前有效得多且低成本的控制方法。根據(jù)本發(fā)明的附加實(shí)施方式，不使用標(biāo)準(zhǔn)的安全混合氣體而是使用被濃縮到期望 程度的氫混合物來(lái)替換在燃料電池的陽(yáng)極側(cè)被氧化的氫。由于在燃料電池中僅僅是氫被消 耗掉而氮的消耗量可以忽略，因此在再循環(huán)安全氣體時(shí)，可以非常有力地強(qiáng)調(diào)替換安全氣 體的濃度中氫的百分比。例如，在不連續(xù)的供應(yīng)氣流中使用氮和氫或者氮和來(lái)自單獨(dú)的壓 力箱的濃縮氫混合物實(shí)際上是可行的，可以按照需要來(lái)控制其饋送和混合比例。這使得能 夠更加容易地在氮K和氫H2之間實(shí)現(xiàn)各個(gè)所期望的混合比例，而無(wú)需不必要地增加氮。因 此，可以實(shí)現(xiàn)氮的消耗量的特別顯著的降低。另外，可以提高進(jìn)入的氫的濃度，而不會(huì)使從 燃料電池泄漏的氫的濃度超過(guò)燃點(diǎn)。這代表了本發(fā)明的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，即，使用明顯較高的 氫氣濃度而不受到由LEL濃度所施加的限制的能力，從而進(jìn)一步減小存儲(chǔ)安全氣體所需的 空間。在本發(fā)明的又一個(gè)優(yōu)選的附加實(shí)施方式中，與安全氣體的再循環(huán)相關(guān)聯(lián)，還提供 了對(duì)安全氣體的溫度的調(diào)整以及與該安全氣體相結(jié)合的熱量的利用，以加熱系統(tǒng)的其它部 件，例如預(yù)轉(zhuǎn)化器4和其它燃料側(cè)的預(yù)處理裝置3。在圖1中，附圖標(biāo)記13用于表示這些可 能的可選的其它路徑，還可以想到，可再循環(huán)的安全氣體沿著這些路徑輸送回安全氣體供 應(yīng)流。因而，再循環(huán)的安全氣體還可以完全被輸送通過(guò)可能的預(yù)處理裝置等，尤其是在系統(tǒng) 不具有這些裝置的情況下。還能夠提供組件20，用于在將可再循環(huán)的安全氣體輸送回再循環(huán)前對(duì)該可再循環(huán) 的安全氣體進(jìn)行處理。在輸送回陽(yáng)極之前，將已與氧發(fā)生反應(yīng)的氫(即，實(shí)際上為水蒸氣) 從安全氣體中分離出來(lái)是特別有益的。這樣，將安全氣體保持得盡可能的干燥，同時(shí)可以 提高氫在再循環(huán)氣體的總流量中的百分比。在圖中還標(biāo)出了加熱裝置25，通過(guò)該加熱裝置 25，可以按照需要來(lái)影響安全氣體的溫度，特別是通過(guò)安全氣體來(lái)加熱燃料電池單元。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方式，還可以在燃料電池單元5內(nèi)部至少部分地執(zhí)行安 全氣體的再循環(huán)。安全氣體的一部分根本無(wú)需從整個(gè)單元5中排出，相反，當(dāng)該部分安全氣 體從陽(yáng)極側(cè)流動(dòng)通道中排出時(shí)，該部分安全氣體在可能的泵觀或類似的助推器的輔助下 沿線路23直接轉(zhuǎn)向回到陽(yáng)極側(cè)的供應(yīng)氣流中。同時(shí)，這使得能夠增強(qiáng)實(shí)際的燃料電池中的 安全氣體的流動(dòng)。同樣，例如可以使陰極側(cè)與陽(yáng)極側(cè)之間的溫度差異盡可能地小。在本發(fā)明的又一個(gè)附加實(shí)施方式中，提供了這樣一種裝置，該裝置加熱并調(diào)整在 陽(yáng)極側(cè)上再循環(huán)的空氣的溫度，并在對(duì)陽(yáng)極側(cè)進(jìn)行加熱的過(guò)程中進(jìn)一步利用包含在該空氣 中的熱量。被加熱的空氣中所包含的熱量在燃料電池中向陽(yáng)極側(cè)行進(jìn)并進(jìn)入在陽(yáng)極側(cè)中再 循環(huán)的安全氣體中，在陽(yáng)極側(cè)中再循環(huán)的安全氣體還將一些熱量傳遞到燃料電池單元并進(jìn) 一步傳遞到該再循環(huán)的安全氣體的再循環(huán)回路的其它部分。因而，在陽(yáng)極側(cè)，能夠完全地放 棄用于加熱陽(yáng)極側(cè)中包括的元件的單獨(dú)的加熱裝置21。因此，利用只在陰極側(cè)使用的加熱 器，可以有效地且平穩(wěn)地提高燃料電池系統(tǒng)的各部件中的溫度。利用在燃料電池中建立起 來(lái)的有效的熱傳遞和氣體流動(dòng)，同時(shí)將陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)之間的溫度差異保持在控制下。
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權(quán)利要求
1.一種減少燃料電池系統(tǒng)(1)中的安全氣體的消耗的方法，所述燃料電池系統(tǒng)(1)包 括至少一個(gè)燃料電池單元(5)，該至少一個(gè)燃料電池單元( 的燃料電池( 包括陽(yáng)極側(cè) (7)和陰極側(cè)⑶以及介于所述陽(yáng)極側(cè)(7)和所述陰極側(cè)⑶之間的電解質(zhì)(9)；用于向所 述陽(yáng)極側(cè)(7)供應(yīng)安全氣體的裝置(10)；以及用于將來(lái)自所述陽(yáng)極側(cè)(7)的廢安全氣體排 出所述燃料電池單元(5)的裝置(11)，該方法的特征在于，來(lái)自所述燃料電池(2)的所述陽(yáng) 極側(cè)(7)的所述廢安全氣體流中的特定百分比適于被重新供應(yīng)至所述燃料電池( 的所述 陽(yáng)極側(cè)(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法的特征在于，至所述燃料電池單元( 的未消耗 的安全氣體供應(yīng)流同時(shí)被調(diào)整，以在所述陽(yáng)極側(cè)(7)實(shí)現(xiàn)所述安全氣體中包含的一種還原 成分或多種還原成分的所期望的總量和/或所期望的安全氣體流速。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，該方法的特征在于，來(lái)自所述燃料電池單元(5)的 所述陽(yáng)極側(cè)(7)的一定百分比的所述安全氣體被再循環(huán)，所述百分比是0-100%，優(yōu)選的是 超過(guò)50 %，最適當(dāng)?shù)氖浅^(guò)75 %。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的方法，該方法的特征在于，再循環(huán)的廢安 全氣體在預(yù)轉(zhuǎn)化器(4)、脫硫器C3)和/或其它可能的燃料預(yù)處理裝置的上游處與所述未消 耗的安全氣體流結(jié)合，或者經(jīng)過(guò)所述可能的預(yù)處理裝置而被重新供應(yīng)回所述陽(yáng)極側(cè)(7)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的方法，該方法的特征在于，被供應(yīng)至所述 燃料電池⑵的安全氣體的溫度被同時(shí)調(diào)整，以加熱和/或冷卻所述燃料電池單元(5)或 與所述燃料電池單元( 相關(guān)聯(lián)的組件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的方法，該方法的特征在于，通過(guò)在所述陰 極側(cè)(8)上流動(dòng)的氣體中包含的熱能來(lái)加熱在所述陽(yáng)極側(cè)(7)上流動(dòng)的所述安全氣體。
7.一種減少燃料電池系統(tǒng)(1)中的安全氣體的消耗的裝置，所述燃料電池系統(tǒng)(1)包 括至少一個(gè)燃料電池單元(5)，該至少一個(gè)燃料電池單元(5)的燃料電池(2)包括陽(yáng)極側(cè) (7)和陰極側(cè)⑶以及介于所述陽(yáng)極側(cè)(7)和所述陰極側(cè)⑶之間的電解質(zhì)(9)；用于向所 述陽(yáng)極側(cè)(7)供應(yīng)安全氣體的裝置(10)；以及用于將來(lái)自所述陽(yáng)極側(cè)(7)的廢安全氣體排 出所述燃料電池單元( 的裝置(11)，所述燃料電池包括至少一個(gè)燃料電池單元(5)，該裝 置的特征在于，來(lái)自所述燃料電池O)的所述陽(yáng)極側(cè)(7)的所述廢安全氣體流的特定百分 比適于被重新供應(yīng)至所述燃料電池O)的所述陽(yáng)極側(cè)(7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，該裝置的特征在于，能夠同時(shí)調(diào)整到所述燃料電池單 元(5)的未消耗的安全氣體供應(yīng)流，以在所述陽(yáng)極側(cè)(7)實(shí)現(xiàn)所述安全氣體中包含的一種 還原成分或多種還原成分的所期望的總量和/或所期望的安全氣體流速。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的裝置，該裝置的特征在于，來(lái)自所述燃料電池單元(5)的 所述陽(yáng)極側(cè)(7)的一定百分比的所述安全氣體適于被再循環(huán)，所述百分比在0-100%的范 圍內(nèi)，優(yōu)選的是超過(guò)50 %，最適當(dāng)?shù)氖浅^(guò)75 %。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一權(quán)利要求所述的裝置，該裝置的特征在于，再循環(huán)的廢 安全氣體流在預(yù)轉(zhuǎn)化器G)、脫硫器C3)和/或其它可能的燃料預(yù)處理裝置的上游處與所述未消耗的安全氣體流結(jié)合，或者經(jīng)過(guò)所述可能的預(yù)處理裝置而被重新供應(yīng)回所述陽(yáng)極側(cè) ⑵。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一權(quán)利要求所述的裝置，該裝置的特征在于，提供了用于調(diào)整被供應(yīng)至所述燃料電池O)的安全氣體的溫度，以加熱和/或冷卻所述燃料電池單元 (5)或與所述燃料電池單元(5)相關(guān)聯(lián)的組件的裝置00)。
12.根據(jù)權(quán)利要求7至11中任一權(quán)利要求所述的裝置，該裝置的特征在于，在所述陽(yáng)極 側(cè)(7)上流動(dòng)的所述安全氣體適于通過(guò)在所述陰極側(cè)(8)上流動(dòng)的氣體中包含的熱能而被 加熱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種減少燃料電池系統(tǒng)(1)中的安全氣體的消耗的方法，所述燃料電池系統(tǒng)(1)包括至少一個(gè)燃料電池單元(5)，該至少一個(gè)燃料電池單元(5)的燃料電池(2)包括陽(yáng)極側(cè)(7)和陰極側(cè)(8)以及介于陽(yáng)極側(cè)(7)和陰極側(cè)(8)之間的電解質(zhì)(9)；用于向陽(yáng)極側(cè)(7)供應(yīng)安全氣體的裝置(10)；以及用于將來(lái)自陽(yáng)極側(cè)(7)的廢安全氣體排出燃料電池單元(5)的裝置(11)。該方法包括使來(lái)自所述燃料電池(2)的所述陽(yáng)極側(cè)(7)的廢安全氣體流中的特定百分比適于被重新供應(yīng)給所述燃料電池(2)的所述陽(yáng)極側(cè)(7)。本發(fā)明還涉及實(shí)現(xiàn)該方法的燃料電池系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01M8/10GK102089915SQ200980126746
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月10日
發(fā)明者尤卡·古斯, 特羅·霍蒂寧, 蒂莫·萊赫蒂寧 申請(qǐng)人:瓦錫蘭芬蘭有限公司