[发明专利]用于燃料电池电源设备的阳极利用率控制系统

说明书

技术领域

本公开涉及适合于在运输车辆、便携式电源设备中使用或作为静止电源设备使用的燃料电池电源设备，并且本公开尤其涉及用于控制燃料电池电源设备的阳极处的富氢燃料的使用的系统和方法，其利用设备的燃料处理系统内的重整器所产生的燃料。

背景技术

燃料电池是众所周知的，一般用于从富氢燃料流和含氧氧化剂流来产生电流以对电气设备供电。燃料电池通常被布置在电池堆组件中，所述电池堆组件具有布置有公共歧管的多个燃料电池和诸如燃料处理系统、控制器和阀等其它部件以形成燃料电池电源设备。在现有技术的此类燃料电池电源设备中，众所周知的是由燃料处理系统重整器来产生燃料，并且所得到的富氢燃料流从重整器通过燃料进口线路流入燃料电池的阳极流场。氧气流同时流过燃料电池的阴极流场而产生电力。

已知燃料电池电源设备为不同类型的设备提供电力。例如，正在进行许多努力以产生利用“质子交换膜”（PEM）电解液燃料电池来对运输车辆供电的燃料电池电源设备。还已知利用磷酸电解液的燃料电池对静止发电设备供电。在此类燃料电池供电设备中，已知使用具有经历吸热反应、因此要求添加热量的重整器的燃料处理系统（诸如催化蒸汽重整器）。

由在阳极排出流内离开设备的燃料电池的过量氢来提供用于此类重整器的一个热源。阳极排出流被引导至燃烧器设备并被点燃。在磷酸电解液燃料电池（“PAFC”）电源设备中，借助于对流和传导将来自被点燃的排气装置的热量传递至重整器催化剂以向吸热反应重整器供应能量。在质子交换膜电解液（“PEM”）电源设备中，可以使用来自被点燃的排气装置的热量来将给水加热成蒸汽，该蒸汽随后被引导至重整器以将碳氢燃料原料变换成氢气气体和碳副产品。然后通过燃料进口线路将氢气气体引导至燃料电池的阳极流场中。如在2004年11月16日颁发给Isom等人的美国专利No. 6,818,336所述（该专利为本发明中的全部权利的所有者所有），已知根据重整器内的蒸汽性质和燃料设备上的功率需求来控制燃料原料到重整器中的流速。

对于被构造成作为长期静止电源设备进行操作的燃料电池电源设备而言，燃料原料到燃料处理系统中的流速和所得到的氢气到设备的燃料电池中的流速的高效控制由于影响此类电源设备的不可预测扰动而要求精确的管理。影响负载追随燃料电池电源设备的基本扰动是功率需求的变化。功率需求的变换产生从设备的燃料电池吸取的电流的变化，因此改变氢气的最佳流速。

为了对功率需求的变化作出反应，已知的是能够基于从燃料电池吸取的电流来改变燃料流速设定点。要适当地控制富氢重整燃料到燃料电池阳极的流速，此基本控制机制是必要但不充分的。基本控制是不够的，因为即使当功率需求恒定时也存在影响电源设备的其它扰动。

一个此类扰动是诸如天然气的燃料的起伏的燃料发热值。例如，如果燃料电池电源设备具有十年的预期操作持续时间，已知的是被供应给设备的天然气的发热值在此类十年跨度期间将显著地改变。

第二常见扰动包括燃料处理系统氢气转换效率的变化。作为示例，在催化蒸汽重整器中，已知的是催化剂的有效性在任何给定的重整器寿命内劣化。引起电流瞬变的第三扰动是重整器内的蒸汽-碳比率的变化。此类变化可能起因于由喷射器的机械退化或喷射器和相关设备的其它性能变化引起的蒸汽喷射器的性能变化。

随着燃料电池电源设备的操作，出于电源设备效率、瞬态性能和重整器耐久性的目的，将阳极利用率（anode utilization）保持在一定的最佳性能范围内是重要的。对于示例性燃料电池电源设备而言，该最佳阳极利用率范围在约百分之78（%）与约84%之间。（出于本文的目的，对于短语“阳极利用率”，其意味着阳极催化剂处的氢燃料被离解成氢离子和电子。例如，如果阳极利用率是82%，则意味着氢燃料供应的82%在阴极处被变换成水，而氢燃料的其余18%在阳极排出流内从阳极流场中流出。）对于大多数燃料电池而言，已知的是超过最佳范围的阳极利用率引起对阳极催化剂和/或用于催化剂的支撑材料的损坏。相反，使燃料电池在低于最佳范围的阳极利用率下操作引起宝贵的氢燃料的损失。