CN101584069A - 改变燃料电池堆的热量和温度设置的燃料电池***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池***，包括燃料电池堆(10)，加力燃烧室(12)，以及位于所述加力燃烧室的排气管中的换热器(16)，所述加力燃烧室用于对从所述燃料电池堆排出的气体进行燃烧，在所述换热器(16)中可以对供应给所述燃料电池堆(10)的阴极进给气体(18)进行加热。根据本发明，阴极进给气体(20)在供应给所述燃料电池堆(10)以前无需先在换热器中(16)加热，以及所述燃料电池堆(10)的热量和温度平衡可以由所供应的整体的阴极进给气体流及在所述换热器中加热的阴极进给气体部分(18)与未在换热器中加热的阴极进给气体部分(20)之间的比值来进行调整。本发明还涉及对燃料电池堆的热量和温度平衡进行调整的方法。

Description

改变燃料电池堆的热量和温度设置的燃料电池***和方法
技术领域
本发明涉及燃料电池***，包括燃料电池堆、加力燃烧室(afterburner)、以及位于所述加力燃烧室的排气管中的换热器，所述加力燃烧室用于对从所述燃料电池堆排出的气体进行燃烧，在所述换热器中可以对供应给所述燃料电池堆的阴极进给气体进行加热。
本发明还涉及对位于燃料电池***中的燃料电池堆的热量和温度的设置(budget)进行改变(influence)的方法，换言之，对热量和温度平衡进行调整(tweak)的方法，所述燃料电池***还包括加力燃烧室、以及位于所述加力燃烧室的排气管中的换热器，所述加力燃烧室用于对从所述燃料电池堆排出的排出气体进行燃烧，在所述换热器中可以对供应给所述燃料电池堆的阴极进给气体进行加热。
背景技术
作为燃料电池***的核心单元，燃料电池堆将供应给燃料电池堆阳极端的富含氢的重整物(reformate)与供应给阴极端的阴极进给气体进行反应，以产生电和热量(heat)。特别地，在固体氧化物燃料电池(SOFC)***的情形下，因为涉及高温，对热量进行平衡具有重要作用。通过对进行温度调节的阴极进给气体的供应进行闭环控制来对燃料电池堆的热量和温度平衡进行调整。为此，在进入燃料电池堆之前，阴极进给气体先通过换热器来进行加热。为实现此目的所需要的热量优选地来自于加力燃烧室，该加力燃烧室在使用气体的过程中实现来自燃料电池堆的贫化的重整物的放热氧化反应。在该方案中，构成闭环控制基础的因素是感测到的在离开燃料电池堆的阴极排出气体流中的温度。通过更改阴极气体流速来实现，即通过将阴极鼓风机设定在适当的转速来实现对闭环控制的调整。
在由于燃料电池堆中的温度分布不总是具有期望的均匀分布而导致阴极排出气体温度不充分情形下，可能会出现问题。这会导致燃料电池堆被冷却或加热至不想要的程度，继而使燃料电池堆热机械地受压，造成输出的下降。
发明内容
本发明的一个目的是获得对燃料电池***的热量和温度平衡进行调整的燃料电池***和方法，以获得燃料电池堆中均匀的温度分布。
通过独立权利要求中的特征来实现上述目的。
本发明的有益实施例体现在从属权利要求中。
本发明是对于普通的燃料电池***的改进，其在于，可以将阴极进给气体供应给燃料电池堆，而无需在换热器中先进行加热，以及在于，可以通过对所供应的整体的阴极进给气体流、及在换热器中加热的阴极进给气体部分与未在换热器中加热的阴极进给气体部分之间的比值来对燃料电池堆的热量和温度平衡进行调整。这样，可以利用增强的可变性对燃料电池堆的热量和温度平衡进行调整。用于进行调整的参数是所提供的整体的阴极进给气体流以及单独的阴极气体部分的比值。例如通过相对于未加热的阴极气体部分增加经由换热器的阴极气体部分，可以增加供应给燃料电池堆的气体温度，而同时能够决定整体的阴极进给气体流的程度。这样可以实现燃料电池堆的输入处的温度的增加，同时还可以获得期望的阴极排出气体的温度的下降。换言之，即使热量输入有下降，温度还可以增加。反过来，即使由于较高的阴极进给气体吞吐量使得进入了较多的热量，还可以使燃料电池堆输入处的温度保持较低。
根据本发明的优选实施例，提供了第一温度传感器，用于感测阴极进给气体在进入燃料电池堆前的温度，第二温度传感器，用于感测阴极排出气体离开燃料电池堆后的温度，控制器，用于对由温度传感器给出的信号进行变换(mapping)和处理，其中，可以根据在控制器中处理的信号来调整整体的阴极进给气体供应以及在换热器中加热的阴极进给气体部分和未在换热器中加热的部分之间的比值。从而，对燃料电池堆的热量和温度平衡的调整可以基于在燃料电池堆的输入和输出处变换的温度来进行。
本发明在下面特别地优选的情形中有益，其中，提供了阴极鼓风机，其由控制器来启动，阴极鼓风机后为分流器，其同样由控制器来启动，以及，分流器的第一输出流形成阴极进给气体中通过换热器供应给燃料电池堆的部分，分流器的第二输出流形成阴极进给气体中绕过换热器供应给燃料电池堆的部分。从而，通过阴极鼓风机的转速，可以直接确定所提供的整体阴极进给气体流。与此相独立地，燃料电池堆输入处的温度可以通过设置分流器来进行设置。
有利地，在进入燃料电池堆以前，阴极进给气体的各部分可以在混合区域中进行混合，第一温度传感器位于混合区域中或者位于其下游。燃料电池堆从而可以以传统方式进行设计，即采用唯一的用于阴极进给气体的进给器。将温度传感器置于混合区域中或者置于其下游则确保了温度信号的获得独立于分流器的设置。
在本发明的范围中，特别有益的是，基于第一温度传感器给出的信号，通过启动分流器和/或阴极鼓风机，来进行对进入燃料电池堆的阴极进给气体温度的闭环控制。从而，基于第一温度传感器在燃料电池堆输入处感测到的温度，可以实现闭环控制。当阴极鼓风机的转速为恒定时，该控制环可以完全基于分流器的设置而关闭。然而，即使当阴极鼓风机的转速变化，仍然可以通过对分流器进行调整来将燃料电池堆输入处的温度设置在所要求的水平。此外，可以想见的是，当燃料电池堆输入处的温度按需要变化时，可以保持分流器的设置不变，而改变阴极鼓风机的转速。并且，即使在阴极气体部分的比值没有变化时，通常燃料电池堆输入处温度也会有变化，因为换热器中的热流传递与流过换热器的气体不是成线性比例关系的。
还提出了，通过启动分流器和/或阴极鼓风机，基于第二温度传感器给出的信号，对燃料电池堆温度进行闭环控制。当通过燃料电池堆的气体吞吐量已知时，阴极进给气体温度和阳极排出气体温度之间的差是燃料电池堆温度的度量，从而当这两个温度已知时，可以通过对阴极鼓风机的转速进行调整和/或对分流器进行调整来改变燃料电池堆中的温度。当分流器连接到封闭的控制环，其中该封闭的控制环基于阴极进给气体温度工作并对阴极排出气体温度进行闭环控制使其到达设定值时，可以通过对阴极鼓风机进行调整，完全基于阴极排出气体温度，对阴极排出气体的设定温度进行闭环控制，使得最终对燃料电池堆的温度进行设定。
本发明是对普通方法的改进，其在于，向燃料电池堆供应先前在换热器中加热的阴极进给气体部分以及先前未在换热器中加热的阴极进给气体部分，通过所供应的整体的阴极进给气体流以及通过阴极进给气体部分的比值对燃料电池堆的热量和温度平衡进行调整。这样，在方法范围内也实现了根据本发明的燃料电池***益处和特别特征，这同样地适用于根据如下论述的本发明的方法的优选实施例。
下面有益的改进在于，阴极进给气体进入燃料电池堆之前的温度通过第一温度传感器来感测，阴极排出气体离开燃料电池堆之后的温度由第二温度传感器来感测，温度传感器给出的信号由控制器进行变换和处理，根据控制器中处理的信号来对整体的阴极进给气体的供应以及阴极进给气体部分的比值进行调整。
还提出了，阴极鼓风机由控制器来启动，后面跟有分流器的阴极鼓风机由控制器来启动，分流器的第一输出流形成阴极进给气体中通过换热器供应给燃料电池堆的部分，分流器的第二输出流形成阴极进给气体中绕过换热器供应给燃料电池堆的部分。
有益地，同样地提出了，阴极进给气体的各部分在进入燃料电池堆以前进行混合，第一温度传感器对生成的混合物的温度进行感测。
本发明在下述情形中特别地有益，通过启动分流器和/或阴极鼓风机，基于第一温度传感器给出的信号，来进行对进入燃料电池堆的阴极进给气体温度的闭环控制。
进一步提出了，通过启动分流器和/或阴极鼓风机，基于第二温度传感器给出的信号，来进行对燃料电池堆温度的闭环控制。
本发明基于下述发现，由于对整体的阴极进给气体流的设定与对阴极进给气体温度的设定相互独立，实现了以增强的可变性对燃料电池堆的热量和温度平衡进行调整。已经证实特别有益的是，在分别基于阴极进给气体温度和阴极排出气体温度工作的闭合的控制环的范围内，实现了对整体的阴极进给气体流和阴极气体部分的设定。
附图说明
下面将参照附图通过优选实施例来详细说明本发明，在附图中：
图1是根据本发明的燃料电池***的示意表示。
附图标记：
10  燃料电池***
12  加力燃烧室
14  排气管/排出气体
16  换热器
18  阴极进给气体部分
20  第二阴极气体部分
22  温度传感器
24  温度传感器
26  控制器
28  阴极鼓风机
30  分流器
32  燃料进给器
34  鼓风机
36  重整物
38  阴极排出气体
40  阳极排出气体
42  加力燃烧室鼓风机
44  重整装置
具体实施方式
下面参照图1，示出了根据本发明的燃料电池***的示意表示。燃料电池***包括重整装置44，其分别通过燃料进给器32和鼓风机34接收燃料和气体的供给。除了所示的燃料进给器和鼓风机34，还可以提供额外的燃料进给器和鼓风机，使得重整过程在设计上能够有变化。在本实例中，重整装置30用于进行催化重整，其完全基于将气体作为氧化剂来工作。然而，可以理解，本发明并不限于此，也可以使用其他氧化剂(例如水)。在重整装置44中，生成富含氢的重整物36，将所述重整物供应给燃料电池堆10的阳极端。燃料电池堆10的阴极端通过阴极鼓风机28接收阴极进给气体的供应。在输出端，阴极排出气体38和阳极排出气体40离开燃料电池堆10。作为阳极排出气体40离开燃料电池堆的贫化的重整物转移至加力燃烧室12，更多的气体作为氧化剂通过加力燃烧室鼓风机42进入该加力燃烧室12。同样地，加力燃烧室12可以分配另外的燃料进给器。在加力燃烧室12中，出现氧化反应，使得离开加力燃烧室12的排出气体最终完全氧化，排出空气14通过换热器16。重整装置30在沿着由阴极鼓风机28输送的阴极进给气体流的方向上位于换热器16的上游。分流器生成阴极气体部分18，其通过换热器16，以及阴极气体部分20，其绕过换热器16。在阴极进给气体进入燃料电池堆10之前，对阴极气体部分18、20进行混合。提供了两个温度传感器22、24，第一温度传感器22感测阴极进给气体的温度，即相混合的阴极气体部分18，20的温度。另一温度传感器24感测阴极排出气体38的温度。由温度传感器22、24给出的信号转移至控制器26，其在设置重整装置30的过程中对阴极鼓风机28的转速进行调整。控制器可以处理其他任务，例如对燃料电池***进行完全的控制。
所描述的组件获得了两个闭环控制，其中一个是基于温度传感器22感测到的阴极进给气体温度，从而对分流器的设定当作控制变量，同时另外的闭环控制可以基于温度传感器24感测到的阴极排出气体的温度来工作。在该情形下，阴极鼓风机28的转速用作控制变量。同样地，可以使用阴极鼓风机28的转速，基于阴极进给气体和阴极排出气体的温度传感器22、24之间的温度差来操作闭环控制。但是无论在何种情形下，与传统的现有技术中对阴极气体流的闭环控制通常基于阴极排出气体温度的***相比，特别是在燃料电池堆10的热量和温度平衡方面，本发明获得了对燃料电池***的操作进行调整的额外的可能性。
可以理解，通过了解本发明的上述说明书、附图和权利要求书中公开的特征及其任意组合，可以实现本发明。

Claims (12)

1、一种燃料电池***，包括燃料电池堆(10)、加力燃烧室(12)、以及位于所述加力燃烧室的排气管中的换热器(16)，其中所述加力燃烧室(12)用于对从所述燃料电池堆(10)排出的气体进行燃烧，在所述换热器(16)中可以对供应给所述燃料电池堆(10)的阴极进给气体(18)进行加热，其特征在于：
-无需预先在所述换热器(16)中对阴极进给气体(20)加热就可以将所述阴极进给气体(20)供应给所述燃料电池堆(10)，以及
-可以通过阴极进给气体流的整体供应、以及通过在所述换热器中加热的阴极进给气体部分(18)与未在所述换热器中加热的阴极进给气体部分(20)之间的比值，来对所述燃料电池堆(10)的热量和温度平衡进行调整。
2、根据权利要求1所述的燃料电池***，其特征在于，
-提供了第一温度传感器(22)，其用于感测阴极进给气体在进入所述燃料电池堆(10)之前的温度，
-提供了第二温度传感器(24)，其用于感测所述阴极排出气体在离开所述燃料电池堆(10)之后的温度，
-提供了控制器(26)，其用于对由所述温度传感器(22、24)给出的信号进行变换和处理，以及
-其中，可以根据在所述控制器(26)中处理的信号，对阴极进给气体的整体供应、以及在所述换热器中加热的阴极进给气体部分(18)和未在所述换热器中加热的部分(20)之间的比值进行调整。
3、根据权利要求2所述的燃料电池***，其特征在于，
-提供了由所述控制器(26)启动的阴极鼓风机(28)，
-在所述阴极鼓风机(28)之后的由所述控制器(26)启动的分流器(30)，以及
-所述分流器的第一输出流形成阴极进给气体中经由所述换热器(16)供应给所述燃料电池堆(10)的部分(18)，所述分流器的第二输出流形成阴极进给气体中绕过所述换热器供应给所述燃料电池堆的部分(20)。
4、根据上述权利要求中任意一项权利要求所述的燃料电池***，其特征在于，
-在进入所述燃料电池堆之前，在混合区域中混合阴极进给气体的各部分(18，20)，以及
-所述第一温度传感器位于所述混合区域中或者位于所述混合区域的下游。
5、根据权利要求3或4所述的燃料电池***，其特征在于，通过启动所述分流器(30)和/或所述阴极鼓风机(28)，基于由所述第一温度传感器(22)给出的信号，对进入所述燃料电池堆(10)的阴极进给气体的温度进行闭环控制。
6、根据权利要求3-5中任意一项权利要求所述的燃料电池***，其特征在于，通过启动所述分流器(30)和/或所述阴极鼓风机(28)，基于由所述第二温度传感器(24)给出的信号，对所述燃料电池堆(10)的温度进行闭环控制。
7、一种对位于燃料电池***中的燃料电池堆(10)的热量和温度平衡进行调整的方法，所述燃料电池***还包括加力燃烧室(12)以及位于所述加力燃烧室(12)的排气管(14)中的换热器(16)，其中所述加力燃烧室(12)用于对从所述燃料电池堆(10)排出的气体进行燃烧，在所述换热器(16)中可以对供应给所述燃料电池堆(10)的阴极进给气体(18)进行加热，其特征在于：
-将预先在所述换热器(16)中进行加热的阴极进给气体部分(18)和没有预先在所述换热器(16)中进行加热的阴极进给气体部分(20)供应给所述燃料电池堆，以及
-可以通过阴极进给气体流的整体供应、以及通过所述阴极进给气体部分(18、20)之间的比值，来对所述燃料电池堆(10)的热量和温度平衡进行调整。
8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
-由第一温度传感器(22)感测所述阴极进给气体在进入所述燃料电池堆(10)之前的温度，
-由第二温度传感器(24)感测所述阴极排出气体在离开所述燃料电池堆(10)之后的温度，
-由控制器(26)变换和处理由所述温度传感器(22、24)给出的信号，以及
-根据在所述控制器(26)中处理的信号，对阴极进给气体的整体供应、以及所述阴极进给气体各部分(18，20)的比值进行调整。
9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
-由所述控制器(26)启动阴极鼓风机(28)，
-由所述控制器(26)启动在所述阴极鼓风机(28)之后的分流器(30)，以及
-所述分流器的第一输出流形成阴极进给气体中经由所述换热器(16)供应给所述燃料电池堆(10)的部分(18)，所述分流器的第二输出流形成阴极进给气体中绕过所述换热器供应给所述燃料电池堆的部分(20)。
10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
-在进入所述燃料电池堆之前，对阴极进给气体的各部分(18，20)进行混合，以及
-所述第一温度传感器(22)对所产生的混合物的温度进行感测。
11、根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，通过启动所述分流器(30)和/或所述阴极鼓风机(28)，基于由所述第一温度传感器(22)给出的信号，采用闭环方式控制进入所述燃料电池堆(10)的阴极进给气体的温度。
12、根据权利要求9-11中任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，通过启动所述分流器(30)和/或所述阴极鼓风机(28)，基于由所述第二温度传感器(24)给出的信号，采用闭环方式控制所述燃料电池堆(10)的温度。
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