[发明专利]用于使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的方法

说明书

本发明涉及用于使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的系统和方法。燃料电池系统可以是包括含Ni阳极的SOFC系统。转换可以是从关闭模式转换到热待机模式、从热待机模式转换到电力就绪的热待机模式、从电力就绪的热待机模式转换到运行模式、从运行模式转换到电力就绪的热待机模式、从电力就绪的热待机模式转换到热待机模式、从热待机模式转换到关闭模式，以及从运行模式转换到关闭模式。

发明领域

本公开涉及燃料电池系统。更具体地，本公开涉及用于使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的方法。

发明背景

燃料电池是通过使燃料氧化来发电的电化学转换装置。燃料电池通常包括阳极、阴极和位于阳极与阴极之间的电解液。燃料电池系统通常包括通过互连件彼此串联电连接的多个燃料电池(有时统称为“燃料电池单元”)，以及包括配置为将燃料提供给燃料电池的阳极和将氧化剂提供给燃料电池的阴极的若干组件。氧化剂中的氧在阴极处被还原成氧离子，氧离子通过电解液层扩散到阳极中。燃料在阳极处被氧化，其发出流过电负载的电子。

固体氧化物燃料电池(SOFC)系统具有由固体氧化物或陶瓷形成的电解液，并且提供高的效率和低的排放。大多数SOFC阳极包括Ni。SOFC系统的一个缺点是SOFC需要相对高的运行温度，通常为800摄氏度至1000摄氏度，以保持低的内部电阻并实现最佳性能。这种高温导致另一个问题。当SOFC阳极上的氧浓度在大于约300摄氏度至约400摄氏度的温度(在本公开的背景技术部分中将其称为“氧化温度”)下超过一定水平时，可能发生阳极氧化。根据氧化的严重程度，阳极氧化最终会导致阳极开裂和SOFC系统性能下降。

例如，当操作员将典型的SOFC系统从运行模式(其中SOFC系统在约900摄氏度的运行温度下运行)转换到关闭模式时(其中SOFC系统处于环境温度)，SOFC系统停止向SOFC的阳极提供燃料。空气取代了燃料。由于燃料不再消耗从阴极流向阳极的氧离子，那些氧离子在阳极处积聚，并最终达到足够高的浓度，以将阳极中的至少一些Ni氧化成NiO。Ni氧化成NiO有两个作用。首先，基本上消除了燃料电池阳极的催化反应性和电导率，这两者都是驱动电化学反应和产生电力所必需的。其次，阳极的体积增加，这可能导致阳极的微观结构(或甚至宏观结构)损坏，其严重程度取决于体积变化的大小和/或其频率。

为了防止这些影响，SOFC系统的典型运行使用在冷却期间连续流过阳极的还原气体，以保护燃料电池阳极不发生Ni的氧化。从停止SOFC燃料流到SOFC系统时开始并直到SOFC系统达到太低而不能发生显著的氧化反应速率时的温度(约300℃)，应用该还原气体。该还原气体，也称为转换气体，可以是反应性地消耗氧气的任何气体。

当操作员在环境温度下从关闭模式重新启动SOFC系统时，可能发生类似的氧化效应，因为通常不向阳极提供SOFC燃料，直到SOFC单元达到其运行温度。在加热期间在阳极处不存在SOFC燃料，这可导致阳极的Ni氧化，除非将还原气体在SOFC单元高于300摄氏度的任何加热期间连续地供给到燃料电池阳极。

根据氧化的程度和严重性，阳极的Ni氧化可以是可逆的。如果经氧化的燃料电池阳极暴露于在升高的温度(例如运行温度)下具有足够氢气的转换气体，则NiO将被还原为Ni，从而恢复阳极的催化活性和电导率。然而，如果Ni氧化在足够高的温度下发生，例如在紧接着SOFC系统启动冷却后的那个温度(基本上是运行温度)，则观察到阳极氧化更严重并且更可能导致燃料电池系统性能不可逆地降低。假设氧气在较高温度下更快速且有效地渗透Ni颗粒，从而产生更大的体积变化，因此，对阳极的微观结构损坏更大。微观结构损坏可能导致Ni颗粒与膜材料(即，电解液)分离，降低反应三相点的可用表面积，从而降低燃料电池的反应性和整体发电效率。