运行具有混合的离子/电子传导电解质的固态氧化物燃料电池堆的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了运行具有混合的离子／电子传导电解质的固态氧化物燃料电池堆的方法和装置，本发明专利技术提供的运行具有混合的离子／电子传导电解质的中间温度固态氧化物燃料电池堆（１０）的方法和装置用以提高其效率。确定固态氧化物燃料电池堆（１０）的需用功率输出，以及根据所确定的需用功率输出，控制固态燃料电池堆（１０）的一个或更多个运行条件。所述受控制的运行条件可以是燃料电池堆的温度和传送到燃料电池堆的燃料的稀释度中的至少一个。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】运行具有混合的离子/电子传导电解质的固态氧化物燃料电池堆的方法和装置
本专利技术涉及一种具体地通过改变固态氧化物燃料电池的一个或更多个运行条件来运行固态氧化物燃料电池堆(stack)以增加其效率的方法和装置。
技术介绍
固态氧化物燃料电池(SOFC)是一种以比更传统的产生技术更有效且更环保的方式从氢或化石燃料中产生电的有前途的装置。然而，传统的SOFC在非常高的温度(高于900℃)下运行，即使最近的创新也只能将该温度降低到700-800℃。这种高的运行温度导致了构造这种燃料电池堆时所使用的材料以及相关系统堆件的严重问题。可以在这种温度下经受住长期运行的材料趋于昂贵，或者易碎，或者既昂贵又易碎。尝试在高运行温度下使用较低成本的材料(诸如铁素体不锈钢)引起了堆性能降低的问题，这是因为长期在这种高运行温度下金属会发生氧化并且不稳定的铬价态(chromium species)会发生迁移(migration)。因此，为了针对大量市场应用而制造商业上有吸引力的SOFC堆，存在较强的动机来尝试降低堆的运行温度，从而降低所需材料的成本。在650℃以下的温度下，诸如铁素体不锈钢的低成本材料的结构足够稳定，从而允许长期的运行，而堆性能没有严重的降低。传统的SOFC使用掺杂了钇的锆氧化物(YSZ)电解质。这是在高温下传导氧化物离子的材料，但不传导电子。因此，它非常适合用作燃料电池电解质。不幸的是，YSZ不是特别好的氧化物离子导体，它的离子电阻在大约650℃以下变得不切实际地高，这导致了非常差的燃料电池性能。为了在此温度以下运行(这如前面所述是非常可取的)，需要不同-->的电解质材料。与不传导电子的YSZ不同，存在许多混合的离子/电子传导陶瓷电解质材料，它们在650℃以下具有高的离子传导性。就其性能、稳定性和处理时的安全性而言，在这些低温混合的离子/电子传导电解质材料之中最有前途且最广泛使用的是掺杂了钆的铈氧化物(CGO)，尽管还存在其他材料，诸如其他的经掺杂的铈氧化物。CGO在下至500℃以下展现出良好的离子传导性。不幸的是，CGO不像YSZ一样稳定，并且在(诸如通常在燃料电池的阳极侧见到的)温度下在还原气体中，Ce4+离子可能被还原为Ce3+。这导致电解质产生了一定的电子传导性，从而导致了在燃料电池内流动的短路电流。该短路从外部被观察为在开路中电池端子电压的下降，并且导致将燃料中的能量转换为电的效率降低。CGO的该特性让许多人拒绝将它作为电解质材料，因为他们认为由于内短路而产生的效率损失对于实用装置来说太过严重了。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是至少减少上述问题中的一些问题。根据本专利技术的第一方面，提供了一种运行具有混合的离子/电子传导电解质的固态氧化物燃料电池堆的方法，该方法包括以下步骤：确定所述固态氧化物燃料电池堆的需用功率输出；以及根据所确定的功率输出，控制所述固态氧化物燃料电池堆的一个或更多个运行条件。优选地，固态氧化物燃料电池堆的变化的运行条件是燃料电池堆的温度和传送到燃料电池堆的燃料的稀释度中的至少一个。CGO的电子传导性严重依赖于温度，在足够低的温度下，可以将电子漏电电流减小到可接受的水平。随着CGO电解质材料的运行温度的降低，短路影响的幅度也减小。该影响减小到这样的程度，即，当运行温度降低到500℃时可以忽略该影响。因此，当燃料电池的运行温度低于650℃或者更优选地低于600℃时，CGO是合适的电解质材料。这尤其适用于在高的外部负荷下的情况，在该情况下，通过电解质的氧化物离子-->流量倾向于将Ce3+再氧化为Ce4+，因而消除了电子传导性。由于相对于外部电路电流，短路电流变得很小，所以具有包括铈的电解质的燃料电池堆的效率在其额定功率的大约50％以上迅速提高。例如可以证明，在接近全功率运行的情况下并且在小于600℃的温度下，基于CGO的燃料电池的效率与在超过700℃的温度下运行的基于YSZ的燃料电池是可媲美的，并且使用CGO并没有产生严重的不利结果。根据本专利技术的第二方面，提供了一种用于具有混合的离子/电子传导电解质的固态氧化物燃料电池堆的控制系统，该控制系统包括：用于确定所述堆的需用功率输出的装置；以及控制器，用于根据所述需用功率输出，控制所述堆的一个或更多个运行条件。可以将所述控制器安排为控制所述堆的温度和传送到所述堆的燃料的稀释度中的至少一个。具有混合的离子/电子传导电解质的燃料电池堆可以设置有根据本专利技术的第二方面的控制系统。附图说明现在将参照附图通过示例描述本专利技术的实施例，在附图中：图1示出了在500℃到600℃的温度范围内具有基于CGO的电解质的燃料电池的相对于电功率密度而绘制的能量转换效率；图2示出了在燃料稀释度的范围内具有基于CGO的电解质的燃料电池的相对于电功率密度而绘制的能量转换效率；图3示意性地示出了具有控制系统的燃料电池堆，该控制系统用于根据需用功率输出来控制燃料电池堆的一个或更多个运行条件；图4示意性地示出了依靠液态石油气(LPG)燃料运行的固态氧化物燃料电池系统；图5示出了对图4所示的系统进行仿真期间的堆(直流(DC))功率输出和系统(交流(AC))功率输出；图6示出了仿真期间的堆温度；-->图7示出了仿真期间的化学计量空气比；图8示出了仿真期间得到的堆效率和系统效率；图9示出了仿真期间堆内的离子电流和外部电流；图10示出了单个燃料电池的预测电压；图11示出了另一仿真的重整器(reformer)中的蒸汽/碳的比；以及图12示出了另一仿真的堆效率。具体实施方式下面提出两种策略，用于在部分负荷的情况下使短路电流最小化，从而使燃料电池在其整个运行范围的效率最高。方法1图1示出了对具有0.2Wcm-2的标称最大指定功率输出的基于CGO的燃料电池的计算机仿真的结果。在从500℃到600℃的运行温度的范围内，相对于电功率密度，绘制出能量转换效率。将能量转换效率定义为电功率输出除以所消耗的氢燃料的化学能(假设100％的燃料转换)。因为在现实中100％的燃料转换是不可能的，因此这些值是针对该电池的最大理论效率，而不是实际效率。然而，实际的趋势会遵循相同的模式。从图1可以看出，任何给定功率密度处的最大效率都是随温度而定的，并且功率密度越高，出现最大效率时的温度就越高。其原因如下。较低温度的运行降低了电子漏电电流密度以及外部电路电流密度(在该外部电路电流密度下，电子漏电电流变得可以忽略)两者的绝对大小。这意味着在低外部电流密度处，在低运行温度下可实现较高的效率。然而，低温也增加了各种电池电阻，尤其是阴极过电势(over-potential)。因此对于任何给定的电流密度，由内部电池电阻引起的电压损失会较高，这导致电流越大则效率越低。然而，在这些较高的电流密度处，即使在较高的温度下，电子漏电电流也可忽略，而电池电阻较低。这导致损失在内部电池电阻中的电压较低，因而得到较高的电池端子电压，并且因此而得到较高的效率。因此，使用这些特性对堆的效率进行优化的清晰的策略是使堆的温-->度可以根据所要求的功率输出在500-600℃的范围内变化，或者可以达到650℃。这可以相对简单地实现，因为从堆输出的较高的电功率也导致了较高的热输出，并且通过对堆进行过冷却(under-cooling)，可以容易地使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运行具有混合的离子／电子传导电解质的固态氧化物燃料电池堆的方法，该方法包括以下步骤：确定所述固态氧化物燃料电池堆的需用功率输出；以及根据所确定的功率输出，控制所述固态氧化物燃料电池堆的一个或更多个运行条件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】GB 2004-2-10 0402906.21、一种运行具有混合的离子/电子传导电解质的固态氧化物燃料电池堆的方法，该方法包括以下步骤：确定所述固态氧化物燃料电池堆的需用功率输出；以及根据所确定的功率输出，控制所述固态氧化物燃料电池堆的一个或更多个运行条件。2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述固态氧化物燃料电池堆的受控制的运行条件是燃料电池堆的温度和传送到燃料电池堆的燃料的稀释度中的至少一个。3、根据权利要求2所述的方法，其中，随着所述固态氧化物燃料电池堆的功率输出降低，该燃料电池堆的温度下降，并且随着所述固态氧化物燃料电池堆的功率输出增加，该燃料电池堆的温度升高。4、根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，燃料电池堆的所述温度保持在650℃或以下。5、根据权利要求4所述的方法，其中，燃料电池堆的所述温度保持在600℃或以下。6、根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，用预定量的蒸汽、二氧化碳、氮、或者包括蒸汽、二氧化碳和/或氮的混合物，对传送到燃料电池堆的燃料进行稀释。7、根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，用来自燃料电池的阳极侧的可变比例的回收废气，对传送到燃料电池堆的燃料进行稀释。8、根据权利要求2至7中任一项所述的方法，其中，随着所述固态氧化物燃料电池堆的功率输出降低，传送到该燃料电池堆的燃料的稀释度增加，并且随着所述固态氧化物燃料电池的功率输出增加，传送到该燃料电池堆的燃料的稀释度降低。9、根据前述权利要求任一项所述的方法，该方法可应用于具有包括掺杂了钆的铈氧化物的电解质的固态氧化物燃料电池。-->10、一种基本上如以上参照附图所描述的方法。11、一种用于具有混合的离子/电子传导电解质的固态氧化物燃料电池堆的控制系统，该控制系统包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特利赫，奈杰尔彼得布兰登，阿索尔达克特，卡里姆埃尔库瑞，马丁施密特，
申请(专利权)人：塞瑞斯知识产权有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]