[发明专利]提高燃料电池堆的可控性的方法和装置

说明书

技术领域

特别由于环境问题，环保并高效的新能源已经得到了开发。燃料电池设备将能够利用未来能量转换设备，通过环保处理中的化学反应，直接将如沼气的燃料转换成电力。

背景技术

如图1所呈现的，燃料电池包括阳极侧100和阴极侧102，以及阳极侧100和阴极侧102之间的电解质材料104。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧气被馈送至阴极侧102，并且通过从阴极接收电子，氧气被分解(reduce)为负氧离子。负氧离子经过电解质材料104到达阳极侧100，负氧离子在阳极侧100与所使用的燃料发生反应产生水，并且通常还产生二氧化碳(CO₂)。在阳极100和阴极102之间是包括燃料电池的负载110的外部电路111。

在图2中，呈现了作为高温燃料电池设备的示例的SOFC设备。例如，SOFC设备可以利用天然气、沼气、甲醇或含烃混合物(hydrocarbon mixture)的其它化合物作为燃料。图2中的SOFC设备系统在一个或多个堆结构103(SOFC堆)中包括一个以上的燃料电池，通常包括多个燃料电池。较大的SOFC设备系统在多个堆103中包括很多燃料电池。如图1所呈现的，每个燃料电池包括阳极100和阴极102结构。部分使用过的燃料可以在反馈装置109中进行再循环。图2中的SOFC设备还包括燃料热交换器105和转化器107。热交换器被用于控制燃料电池过程中的热状态，并且在SOFC设备的不同位置中可以存在这些热交换器中的一个以上。在一个或多个热交换器105中回收循环气体中的额外热能，以便在SOFC设备中或外部使用。转化器107是将诸如天然气的燃料转换为适合燃料电池的混合物(例如，包括以下全部或至少部分的混合物：氢气、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、惰性气体和水)的设备。然而，无论如何，在各SOFC设备中并不是必须要具有转换器的。

通过利用测量模块115(比如燃料流量计、流速计和温度计)执行对SOFC设备的运行的必要的测量。仅用于阳极100的部分气体在反馈装置109中进行再循环，而其它部分气体从阳极100排出114。

固体氧化物燃料电池(SOFC)设备是从对燃料的氧化中直接产生电的电化学转换设备。SOFC设备的优点包括高效率、长期稳定性、低排放、低燃料易变性以及低成本。主要缺陷在于导致启动时间长以及机械和化学二者兼容性问题的高运行温度。

燃料电池系统具有显著超出相当尺寸的常规的能源生产技术的电力生产和热电联产(CHP)的效率的潜能。燃料电池系统被广泛认为是关键的未来能源生产技术。

为了最大化燃料电池系统的性能和寿命，需要对燃料电池的运行状态的精确控制。燃料电池产生DC电流，而在更高功率的系统中，通常期望AC输出，因此需要从DC到AC的电力转换。为了顾及实际的对接和从燃料电池收集电流以及后续的电力转换，将燃料电池制造为包含多个串联的个体电池的堆。

在包括多个堆的燃料电池系统中，堆的电互连拓扑是关键的设计参数。多个堆的串联提供较低的布线和电力转换损耗以及较低的组件成本。然而，缺点是所有串联的堆将具有相同的电流。理想地，当所有堆是相同的，且它们的运行状态完全等同时，这不是问题。但是，在实际系统中，将总是有一些温度、燃料流和堆特性上的变化。尤其在设计为考虑替换个体堆的系统中，由于使用时间差异，在堆之间可能存在显著的变化。当相异的堆被置于电串联时，它们的电流通常需要根据串联中性能最差的堆而受限。因此，燃料电池系统失去了较健壮的堆的潜在性能。

由于堆的内阻的固有的负温度系数，堆的电并联尤其是在高温燃料电池系统中是有问题的。在将多个串联的堆的串并联在一起时，此特性甚至引起不平均的均流(current sharing)问题。为了避免该均流问题，通常使用针对每个堆的独立的转换器，而这为系统带来了额外的成本。

在芬兰专利公开FI118553 B1中呈现了一种生物催化的燃料电池装置，该燃料电池装置中的燃料电池串联或并联。以提高所述生物催化的燃料电池装置的输出电压为目的，这种装置包括通过采用控制电路控制的可控开关，以使得所述开关能够循环地改变至导通状态和从导通状态改变。由于在FI118553 B1中没有呈现能够单独测量堆以及为了避免串联的堆之间的相异性问题而进行调整的实施方式，所以，无论如何，FI118553 B1并没有给出对所描述的至少是置于电串联的相异堆(其中，其电流需要根据串联中最差性能的堆而受限)的问题的解决方案。

发明内容