Processing

Please wait...

Settings

Settings

Goto Application

1. CN102473946 - 用于操作高温燃料电池的方法

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ ZH ]
用于操作高温燃料电池的方法


本发明涉及一种用于操作高温燃料电池的方法,在产生电能的正常模式 下,向该燃料电池供给较佳为柴油的液态燃料,并在阳极侧前置有用于液态燃 料的重整器(reformer),其中至少一部分的热阳极废气经由再循环管路而再 循环到阳极回路中,并且在连接于重整器之前的压缩机的上游,液态燃料喷洒 或喷射到热阳极废气中,重整液态燃料所需的空气量被添加到由阳极废气和燃 料构成的混合物中。
例如在AT 502.130 B1中公开了一种高温燃料电池,例如固体氧化物燃料 电池(SOFC),其具有用于为了重整过程而再循环水的阳极回路,以及一种 用于操作这种燃料电池的方法。该方法允许不供给附加的外部水地操作燃料电 池。为了碳氢化合物的吸热蒸汽重整而需要水。如果使用诸如汽油或柴油的液 态碳氢化合物,重整过程可借助于再循环的水来大幅改进,操作温度可降低。
根据应用情况,SOFC系统的操作方案不同。在固定的应用场合中,系统 可持久地操作。在移动的应用场合中,例如重型卡车的辅助动力单元(APU) 中,系统仅在部分时间内可操作并且必须在剩余时间内保持在一定温度。没有 电流产生的阶段是非常关键的,这是因为SOFC的阳极必须保持在还原环境中 (具有燃料),但没有用于重整的水。相同的问题不仅出现在备用(待用)操 作中,还在启动和关闭燃料电池过程中出现。
在正常操作过程中出现的重整器和燃料电池内的沉积物和污染物是另一 问题。
如果SOFC用碳氢化合物运行,则不可避免地在重整器内以及还在SOFC 的阳极处出现沉积物和污染物,这将使SOFC和重整器的性能退化。最重要的 沉积物和污染物是碳、硫以及更高级的碳氢化合物,碳是由于取决于温度的化 学平衡的热力学而出现的,硫包含在燃料中,而更高级的碳氢化合物在重整器 内未完全裂化。所有这些物质形成重整器内的催化功能层上或SOFC阳极上的 沉积物,并因此覆盖活性表面,这将导致能效损失。此外,这些沉积物可嵌入 到陶瓷层内,从而改变材料的结构和组分。由于无法完全避免此类物质的产生, 所以问题主要是如何从系统中去除这些物质。
从DE 10 2007 033 150 A1中已知一种在汽车中用于发电的燃料电池系统。 该燃料电池系统包括重整器以及至少一个燃料电池,该重整器产生来自于包含 氢的燃料(例如,柴油)以及来自于供应氧气的氧料(例如,空气)的燃烧气 体,在阳极处向燃料电池供给燃烧气体,并例如供给空气作为阴极气体。在正 常操作过程中,向重整器馈送燃料和氧料(oxidator)。在再循环操作过程中, 最初仅向重整器馈送来自于燃料电池的阳极废气,并且如果后续添加氧料,则 应注意没有氧气进入燃料电池的阳极侧。
本发明的目的是提供一种如此操作高温燃料电池的方法,即在备用操作过 程中避免上述缺陷,同时还将解决去除燃料电池的不可避免的沉积物和污染物 的问题。
根据本发明,此目的如此实现,即在从正常操作转变到不发电的备用操作 时停止馈送液态燃料和空气,且存在于阳极回路中的气体混合物持久地循环, 此外,为了去除高温燃料电池内的沉积物和污染物而随着备用操作的开始将规 定量的空气馈送到阳极回路。
与DE 10 2007 033 150 A1的方法不同,燃料电池的阳极被供给氧气,空 气的供给量确定为在存在于回路内的燃料组分氧化之后在阳极回路中获得 0.5-10体积%的氧气含量。
当高温燃料电池处于正常操作中并产生电能时,出现的水的一部分持久地 在阳极回路中循环。通常由此约5%到50%的阳极废气再循环。这将导致在回 路中局部水含量为5%到20%。如果系统转变成备用操作,则停止产生电流并 通过回路中的泵来使达100%的阳极废气再循环。
根据本发明一变型,阳极回路可在备用操作过程中在出口侧关闭,以避免 诸如环境空气的介质被吸入。
存在于系统内的沉积物,诸如碳、硫和更高级的碳氢化合物可非常有效地 用氧气来氧化并可由此从系统中去除,但必须注意到通过这种净化方法,SOFC 的阳极并非不可逆地被破坏。例如电池方法的适当设计将解决该问题。
所述的净化方法例如适用于电解质层是燃料电池的支撑结构的ESC系统 (电解质支撑型电池)。电池在一定程度上对氧气稳定,这是因为电池仅具有 被氧气氧化的、非常薄的阳极层。
更为合适的是MSC系统(金属支撑型电池),其中支撑结构是多孔金属 板,极薄的陶瓷层(阳极、电解质、阴极)敷加到该金属板上。这种电池对氧 气的稳定性相当大。阳极被完全氧化,但还可不损坏地被再次还原。
为了从例如MSC电池的高温燃料电池中去除沉积物和污染物,根据本发 明一变型可以关闭用于阳极废气的再循环管路并直接用空气来冲净高温燃料 电池的阳极以及上游的重整器。
现参见所附示意性的附图来更详细地描述本发明。在附图中示出
图1是用于在正常操作中操作高温燃料电池的现有技术的装置;以及
图2至6是根据本发明的用于使用如图1中所示的装置来操作高温燃料电 池的方法的不同操作状态。
从上述AT 502.130 B1中已知如图1中示意地示出的用于操作高温燃料电 池的装置。该装置包括高温燃料电池1或燃料电池堆,为了简化表示仅示出其 阳极A。燃料电池用液态燃料B(液态碳氢化合物,例如柴油)来操作,该液 态燃料经由上游的重整器2供给到阳极A。此外,设置有用于热阳极废气的再 循环管路3,该再循环管路从高温燃料电池的阳极A的出口侧出发,连接到重 整器2的入口侧。在重整器2之前的压缩机4(例如,泵)的上游设置有喷射 器5,该喷射器用于将液态燃料B喷洒或喷射到热阳极废气中。为重整液态燃 料B所需的空气量L在压缩机4上游添加到由废气和燃料构成的混合物中。
在图2至4中,示出本发明方法的备用操作模式,其中停止发电以及液态 燃料B和空气L(用虚线表示)的供给,使存在于阳极回路3内的气体混合物 持久地循环(实线)。因此,没有介质(柴油燃料、空气)被馈送到系统中并 且没有阳极废气被排出。主要的局部水含量保持恒定,且仍存在于回路中(在 还原环境下)的燃料或燃烧气体被馈送到阳极A。通过气体混合物的水含量有 效地抑制碳形成。还可有利地在关停系统的过程中采用图2到4中所示的备用 操作模式。在此情况下,阳极回路中的气体混合物(可达100%)在没有介质 (空气、燃料)流入的情况下循环并且系统被(主动或被动地)冷却。阳极回 路仅在堆温度降低至约300℃以下之后才切断。
在图3和4中所示的变型中,阳极回路的出口设有阀6或止回阀7以避免 不受控制地经由阳极A的出口吸入环境空气。
随着阳极回路在闭合模式下运行的备用操作(如图2到4中所示),可通 过将规定量的空气L引入回路,并且使对应的部分体积的废气在阳极出口处排 出(参见图5)而去除沉积物和污染物。只要燃料组分(H 2 ,CO)还存在于回 路中,它们就在重整器中通过在空气中供给的氧气来氧化。仅在从回路中去除 所有燃料组分之后,才将在回路中呈现稳定的氧气比例。该比例可选择性地设 定在0.5体积%-10.0体积%。氧气将与沉积物反应并使它们氧化。氧化的沉积 物可从表面逸出并以CO 2 、SO 2 、H 2 O等的形式进入阳极回路。催化剂表面将 因此非常有效地从沉积物中去除,并将重新建立燃料电池1的初始性能。
在图6中示出这种净化过程的一种特定变型。如果提供非常稳健的SOFC 堆技术,例如在MSC系统(金属支撑型电池)的情况下,空气L可直接供给 至包含重整器2的阳极路径。在此,再循环管路3被关闭(不是绝对必要的) 并且仅向重整器2和燃料电池1的阳极A馈送空气。如上所述,这将使所有沉 积物和污染物氧化并从系统中去除它们。