[发明专利]利用快速负荷恢复程序恢复高温燃料电池的高功率输出操作的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，并且尤其涉及燃料电池系统中功率负荷恢复的方法。

背景技术

燃料电池是通过电化学反应而将存储在碳氢化合物燃料中的化学能直接转换成电能的装置。通常，燃料电池包含由电解质分隔的阳极和阴极，电解质用来电传导带电离子。为了产生有用的功率电平，许多独立的燃料电池被串联地堆叠并且在各个电池之间有导电分隔板。

燃料电池通过使反应物燃料气体穿过阳极，同时使氧化气体穿过阴极而工作。燃料电池系统的电输出部分地依赖于被加湿的燃料气体和氧化气体分别被提供到阳极和阴极以及分别被传送穿过阳极和阴极的速率。为了将燃料电池系统的功率输出从低负荷增大或斜升(ramp)到对应于高目标功率输出的高负荷，被加湿的燃料气体和氧化剂气体被提供到燃料电池系统的速率要相应地增大。

高温燃料电池系统(例如，熔融碳酸盐燃料电池(“MCFC”)和固体氧化物燃料电池(“SOFC”))能够工作在约250kW或更高的高功率输出下。然而，当燃料电池系统的功率输出或负荷改变时，响应于改变的电化学反应速率而致使系统的热分布也改变，将热应力和机械应力施加于燃料电池堆。为了在燃料电池堆内保持相对恒定的热分布并且为了将该堆上的热-机械应力减到最小，典型地必须以缓慢且可控的速率来增大系统的功率输出以及因此增大负荷。例如，工作在低负荷下的MCFC系统的功率输出典型地以0.5kW/min(分钟)的速率增大直到系统达到高目标功率输出。结果，燃料电池系统需要大量的时间以便在不导致损害燃料电池堆的情况下达到高负荷工作状态。

在某些情况下，工作在高负荷状态下的燃料电池系统可能从高负荷突然下降到低负荷。可能由于短期电网中断(grid disruption)而致使这样的负荷并因此使功率输出突然下降，在该短期电网中断中连接到电网的燃料电池系统与该电网分离，因此消除了由该电网产生的负荷源并且将系统负荷减少到孤立负荷(island load)。在其它情况下，功率输出的突然下降由控制器来命令以便允许过程改变(processchange)(例如燃料转换(fuel switching))或者处理系统元件的失效。这种突然命令的功率输出的下降可能导致低负荷状态或零负荷状态。

一旦回复系统的斜升到高负荷的能力，则传统方法将以缓慢的渐进的速率将燃料电池的功率输出从低负荷增大或斜升到高负荷，在高目标功率输出处停止。高目标功率输出通常等于先前的高负荷。传统的方法需要大量时间，且因此导致相当可观的系统电力输出和效率的降低。因此，期望在中断之后在不导致损害燃料电池堆的情况下快速恢复负荷以允许燃料电池系统快速回到高负荷工作状态。

因此，本发明的目的为提供一种在负荷从高瞬间下降到低之后在燃料电池系统中快速恢复高负荷状态的方法。

本发明的另一目的为提供一种将燃料电池堆上的热应力和机械应力降到最小并且不导致该电池堆的损害的快速负荷恢复的方法。

发明内容

上述和其它的目的在具有燃料电池和用于控制燃料电池系统的功率输出的功率负荷控制器的燃料电池系统中实现。该功率负荷控制器适合于在负荷从高负荷下降到低负荷并且其后恢复斜升到高目标功率输出的能力时执行负荷恢复程序。高目标功率输出基本上等于或接近于从高负荷降到低负荷之前的该高负荷。具体地，该控制器适合于在一个或多个预定条件全部都满足时通过控制燃料电池系统的功率输出以第一预定速率从对应于低负荷的功率输出增大到对应于高负荷的高目标功率输出来执行快速负荷恢复程序，并且该控制器适合于在至少一个预定条件不满足时通过控制功率输出以低于该第一预定速率的第二预定速率增大到对应于高目标功率输出的功率输出来执行标准负荷恢复程序。该高负荷至少比低负荷大10kW并且从高负荷到低负荷的负荷下降是在10秒或更少的时间段(time period)内的瞬时负荷下降。

在一些示例性实施例中，燃料电池系统接收输入燃料、输入水和输入氧化剂并且进一步包括用于将输入燃料与水结合以产生被加湿的燃料的加湿组件。控制器通过控制至少输入燃料和输入水的流速来控制燃料电池系统的功率输出，其中控制该输入燃料和水的流速使得在执行快速负荷恢复程序期间碳与水汽的比为恒定的。在一些实施例中，控制器也控制到系统的输入氧化剂的流速。