改变燃料电池堆的热量和温度设置的燃料电池系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及燃料电池系统，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。根据本发明专利技术，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。本发明专利技术还涉及对燃料电池堆的热量和温度平衡进行调整的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池系统，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。本专利技术还涉及对位于燃料电池系统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，所述燃料电池系统还包括加力燃烧室、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。
技术介绍
作为燃料电池系统的核心单元，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)系统的情形 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。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是获得对燃料电池系统的热量和温度平衡进行调整 的燃料电池系统和方法，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。 本专利技术的有益实施例体现在从属权利要求中。本专利技术是对于普通的燃料电池系统的改进，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。根据本专利技术的优选实施例，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。本专利技术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。在本专利技术的范围中，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。本专利技术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迸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迸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 现了根据本专利技术的燃料电池系统益处和特别特征，这同样地适用于根据如 下论述的本专利技术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。本专利技术在下述情本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：S克丁，N京特，周苏，J劳伦斯，
申请(专利权)人：艾纳尔达公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]