CN102089913A - 用于燃料电池装置的方法和控制结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于产生电能的燃料电池装置结构，其包括至少一个燃料电池阳极(100)和阴极(102)、用于在阳极和阴极之间传送离子的电解质(104)以及与电解质分开并用于电子从阳极行进至阴极的通路(108)。针对该燃料电池装置，实现了用于防止积碳形成的控制结构，该控制结构包括：用于针对燃料的反馈(109)循环计算基于化学反应热力学平衡的一个或更多个热力学平衡模型的计算装置(110)；和装置(110、112)，该装置(110、112)用于执行以下操作：通过使燃料经由燃料电池阳极(100)在反馈结构中循环来实现循环；至少根据电流和燃料流速产生循环中的测量值；通过计算来确定燃料的组成；利用所述测量值和燃料组成，基于将要循环的燃料的热力学平衡模型来计算设定的转换值；以及在必要的情况下，重复所述计算以产生转换值，依靠该转换值，能够确定燃料组成的计算将会以足够的精度收敛，并且通过利用该转换值，可以将燃料电池装置的操作设定为保持在根据热力学平衡模型的安全限度内。

Description

用于燃料电池装置的方法和控制结构
技术领域
燃料电池是被提供有反应物以产生电能的电化学装置。
背景技术
图1示出了包括阳极侧100和阴极侧102以及位于它们之间的电解质104的燃料电池。馈送至燃料电池装置的反应物经历了其中由于放热反应而产生了电能和水的过程。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，馈送至阴极侧的氧从阴极接收电子，也就是说，氧被还原为负氧离子，负氧离子经过电解质到达阳极并在阳极与所使用的燃料相结合，产生水和二氧化碳。阳极和阴极之间是外部电路，电子通过该外部电路传送至阴极。
通常将如甲烷的天然气和包含较高水平的碳化合物的气体用作SOFC中的燃料，然而，在将这些气体馈送至燃料电池前需要对这些气体进行预处理，以防止积碳的形成(即，焦化)。在焦化时，碳氢化合物热分解，并产生粘附在燃料电池装置的表面并吸附在如镍颗粒的催化剂上的碳。在焦化过程中产生的碳覆盖了燃料电池装置的活性表面的一部分，从而使燃料电池过程的反应性显著劣化。这些碳甚至可能完全阻塞燃料通路。
因此，防止焦化对于确保燃料电池具有较长使用寿命非常重要。防止焦化还节省了催化剂(即，在燃料电池中用于加速反应的物质(镍、铂等))。气体预处理需要水，水被提供至燃料电池装置。在氧离子和燃料(即，阳极上的气体)结合的过程中产生的水也可以被用于气体的预处理。
为了使现有技术中的气体预处理成功，必须充分准确地知道在反馈结构中通过阳极而循环的气体的组成。尤其必须控制氧/碳(O/C)比并且在某种程度上还要控制氢/碳(H/C)比，以避免积碳形成的最危险的反应环境。
现有技术的问题是，气体预处理需要使用如气体色谱的复杂且昂贵的在线测量装置来确定将要循环的气体的组分，以便能够确保以适于该过程的方式来执行气体预处理。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池的实现，无需复杂昂贵的连续测量装置就可以将该燃料电池保持在安全的工作限度之内。这是通过产生电能的燃料电池装置结构来实现的，该燃料电池装置结构包括至少一个燃料电池阳极和阴极、用于在所述阳极和所述阴极之间传送离子的电解质以及与所述电解质分开的用于电子从所述阳极行进至所述阴极的通路。针对所述燃料电池装置，实现了用于防止积碳形成的控制结构，该控制结构包括：计算装置，该计算装置用于针对燃料的反馈循环计算基于化学反应热力学平衡的一个或更多个热力学平衡模型；和用于执行以下处理的装置：通过使燃料经由所述燃料电池阳极在反馈结构中循环而实现循环；至少根据电流和燃料流速产生循环中的测量值；通过计算来确定所述燃料的组成；利用所述测量值和燃料组成，基于将要循环的所述燃料的热力学平衡模型来计算设定的转换值；以及在必要的情况下，重复所述计算以产生所述转换值，依靠所述转换值，能够确定所述燃料组成的计算将会以足够的精度收敛，并且通过利用所述转换值，可以将所述燃料电池装置的操作设定为保持在根据所述热力学平衡模型的安全限度内。
本发明还涉及一种利用燃料电池技术产生电能的方法，在该方法中，通过位于所述燃料电池的阳极和阴极之间的电解质来传送离子，并且经由与所述电解质分开的通路从所述阳极向所述阴极传送电子。在该方法中，为了防止积碳的形成，执行如下阶段：针对燃料的反馈循环计算基于化学反应热力学平衡的一个或更多个热力学平衡模型；和利用如下步骤经由所述燃料电池阳极在反馈结构中执行所述燃料的循环：至少根据电流和燃料流速产生循环中的测量值；通过计算来确定所述燃料的组成；利用所述测量值和燃料组成，基于将要循环的所述燃料的所述热力学平衡模型来计算所设置的转换值；以及在必要的情况下，重复所述计算以产生所述转换值，依靠所述转换值，能够确定所述燃料组成的计算将会以足够的精度收敛，并且通过利用所述转换值，可以将所述燃料电池装置的操作设定为保持在根据所述热力学平衡模型的安全限度内。
本发明基于如下事实，基于燃料电池过程的热力学平衡以及期望的氧和碳之间的比，计算出了各种化学反应热力学平衡模型，至少将电流和燃料流速的数值设置为已知值。通过计算来确定燃料的组成。在燃料电池过程中，基于至少针对燃料流速和电流而产生的测量值并基于通过计算而确定的燃料组成，在燃料的反馈循环中使用所述热力模型，并且，通过计算，可以发现一个或更多个热力平衡模型是燃料电池过程的保持在设定的安全限度内的操作模式。
根据本发明的实现使得能够无须单独的水供应就可在反馈结构中进行安全的燃料循环，同时提高燃料的利用率(即，提高燃料电池过程中的电能产生效率)。本发明的另一个优点是在于，在不需要使用如气体色谱的复杂且昂贵的连续在线测量装置的情况下能够安全地使用燃料电池装置(防止了焦化)。
附图说明
图1示出了根据现有技术的燃料电池的实现。
图2示出了根据本发明优选实施方式的燃料电池装置的实现。
具体实施方式
燃料电池是可以用于高效率并环保地产生电能的电化学装置。燃料电池技术被认为是能源生产的最有前途的未来形式之一。
本发明的优选实施方式涉及SOFC装置，即，固体氧化物燃料电池。图2示出了根据本发明优选实施方式的SOFC装置，该SOFC装置例如可以使用天然气、沼气、或者甲醇或包含碳氢化合物的其它化合物作为燃料。如图2所示的燃料电池装置结构包括板状燃料电池，各个燃料电池都包括图1所示的阳极100和阴极102，并且在图2中，燃料电池以堆构造103(SOFC堆)组合起来。燃料经由阳极在反馈结构中循环。电解质104位于燃料电池的阳极和阴极之间。向阴极侧102提供氧，氧从阴极接收电子，即，氧被还原为负氧离子，负氧离子经过电解质到达阳极，并在阳极与所使用的燃料相结合，产生水和二氧化碳。阳极和阴极之间具有单独的通路108(即，外部电路)，经由该通路108电子(即，电流)经过负载到达阴极。
图2所示的燃料电池装置结构包括燃料换热器105和重整器107。换热器用于控制燃料电池过程的热平衡，并且在燃料电池装置中的不同位置处可以具有若干个换热器。循环气体中的过多热能在换热器中被回收，以在燃料电池装置或区域加热网络中的其它位置处使用。因此，用于回收热量的换热器可以位于与图2所示的位置不同的位置处。重整器是将如天然气的燃料转换为适于燃料电池的形式(例如，重整为一半为氢气以及剩余部分为甲烷、二氧化碳以及惰性气体的气体混合物)的装置。然而，并不是在全部燃料电池的实现中都需要重整器，也可以将未经处理的燃料直接馈送给燃料电池103。
在燃料电池103的阳极100上燃烧的燃料的仅一部分在反馈结构中通过阳极循环，因此，图2示意性示出了从阳极100排出114燃料的剩余部分。
图2所示的根据本发明优选实施方式的燃料电池装置的使用包括用于防止积碳形成的控制结构，所述控制结构包括计算机作为计算装置110，以针对燃料通过阳极100的反馈109循环计算基于化学反应热力学平衡的一个或更多个平衡模型。可以通过控制计算机110(该控制计算机110例如是可编程逻辑(PLC，可编程逻辑控制器)或者其它基于处理器的计算机)结合燃料电池过程来执行所述计算过程。还可以在与燃料电池装置自身所处位置不同位置处的计算机的处理器上将该计算过程执行为提前计算(advance calculation)。
依靠提前计算过程，可以以热力学平衡模型的形式产生该过程的热力学平衡曲线。这类计算可能相对较慢并且需要计算机的大量处理能力，计算机可以例如位于燃料电池制造公司的产品开发部门。
该计算过程基于如下事实：在对产生电力的燃料电池过程进行的计算中，电流以及水的流速(在具有单独的外部供水的燃料电池装置中是必要的)作为已知值而给出。由于根据本发明优选实施方式的燃料电池装置的高工作温度，不必给出燃料电池过程的温度作为已知值。另一个已知值是燃料(例如，天然气)的流速；优选地是循环的总流速。针对不同的化学反应，可以发现每一个温度的热力学平衡曲线来作为热力学平衡模型。在根据本发明优选实施方式的燃料电池装置的操作过程中，基本的化学反应是例如氧在阴极上还原为负氧离子以及氧离子与所使用的燃料在阳极上的结合(这产生了水和二氧化碳)。在文献中可以发现针对燃料电池装置过程中的不同温度下的氧和碳之间的含量比的最优值中的一些值的预定值，通过这些预定值可以使积碳形成减到最小。在文献中还可以发现能够计算不同的燃料组成的氧和碳的含量比的更优值的计算方法。在燃料电池过程中，保持水量的流速足够高以确保该处理保持在积碳形成区外部是非常重要的。作为提前计算而执行的或者与燃料电池过程实时地执行的计算过程是通过在用于计算燃料电池过程在已知温度处的化学反应的热力学平衡模型的计算中利用所述给定已知值来进行的。在提前计算中，可以针对如循环流值的各种流值来产生平衡曲线。然而，对于根据本发明的实现的成功而言，计算多个平衡曲线并不是必需的。
在根据本发明一个实施方式的计算过程中，提前计算形成了三维(3D)矩阵，其中水的供应流、燃料的供应流和电流是x轴、y轴和z轴，并且在化学反应中产生的组分的质量百分比是矩阵中的x轴、y轴和z轴的元素。为了减少变量数以及矩阵的维度，可以向用于在系统计算中使用的结果数据应用多项式。这样能够产生操作根据本发明的燃料电池装置所需要的足够准确的控制数据，并且能够利用控制计算机110进行实时计算。向结果数据应用多项式还使得可以从3D矩阵中消除电流，电流通常是通过瞬间效应来影响燃料电池过程的因素。然而，当在燃料电池过程中实时地计算热力学平衡模型时，并不一定要求所述形成三维矩阵的步骤。
在根据本发明的实现中，控制计算机110被用作实现循环的装置，在该计算机上记录了通过提前计算产生的或者在燃料电池过程中实时计算热力学平衡模型所用的热力学平衡曲线。用于实现循环的装置110、112通过使燃料在反馈结构中循环并且通过利用测量装置112进行测量来产生燃料流速、电流以及可能地还有水的流速、温度及其它因素的测量值。通过控制计算机110的计算，确定了关于燃料的组成的如氧和碳之间的含量比的所需信息。在接下来的阶段，控制计算机110用于利用所述测量值和所计算出的氧/碳比而基于循环燃料的实时的热力学平衡模型或提前计算平衡曲线来计算将要设置的改变的值。通过迭代来重复所述计算，直到达到收敛状态为止，此时可以发现对燃料的组成进行的计算以足够的精度收敛，也就是说，在反馈结构中循环到燃料电池的燃料的氧/碳比在计算中不再变化。因此，在第一次或者多次迭代计算中产生了改变的值，利用该值可以将燃料的组成设置为在操作燃料电池装置期间收敛，即，收敛为保持在根据热力学平衡模型或平衡曲线的安全限度内的操作。在该操作中，燃料的氧/碳含量比以非常高的精度保持为期望值。
实际上，测量电流对应于测量氧离子量(即，氧通量)。因此，根据本发明的实施所需要的测量装置112是代表基本测量技术的廉价的装置，诸如流量计、电流计和温度计，在与燃料电池装置有关的任何情况下都需要这些装置。燃料组成所需要的信息是氧/碳比，氧/碳比在收敛阶段基于预定的安全限度来计算。燃料循环之间的时间差例如可以仅仅是20ms，但是并不限于此。
当燃料电池过程的温度变化时，可以通过新的转换阶段利用控制计算机100将燃料电池装置的操作调整为与新的、改变的温度相符合的热力学平衡曲线或热力学模型。然而，在本发明的优选实施方式中，由于SOFC燃料电池装置的高工作温度，这不是必需的。相反，当燃料流速、电流或者可能的在外部布置的水的流速发生变化时，新的转换阶段对于SOFC具有实际的意义。这样，即使在发生变化时，燃料电池装置的操作也保持在安全限度内。可以快速地执行根据本发明的转换阶段，使得可以与燃料电池装置的电能产生过程相关地执行这些转换阶段。
例如，在750℃的工作温度，根据本发明的燃料电池装置可以利用1MV或更少的额定电力来发电(然而，并不限于所述温度或额定电力)，并且该燃料电池装置可连接至供电系统和区域加热网络这两者，区域加热网络回收从燃料电池装置的操作中释放出的热能。
尽管在以上说明中参照附图说明了本发明，但是本发明不限于这些说明和附图，而是可以在所附权利要求中指定的限制范围内修改本发明。

Claims (10)

1.一种用于产生电能的燃料电池装置结构，其包括至少一个燃料电池阳极(100)和阴极(102)、用于在所述阳极和所述阴极之间传送离子的电解质(104)以及与所述电解质分开并用于电子从所述阳极行进至所述阴极的通路(108)，其特征在于，针对所述燃料电池装置，实现了用于防止形成积碳的控制结构，该控制结构包括：
针对燃料的反馈(109)循环计算基于化学反应热力学平衡的一个或更多个热力学平衡模型的计算装置(110)；和
装置(110、112)，其用于执行以下操作：通过使燃料经由所述燃料电池阳极(100)在反馈结构中循环而实现循环；至少根据电流和燃料流速产生循环中的测量值；通过计算来确定所述燃料的组成；利用所述测量值和燃料组成，基于将要循环的所述燃料的所述热力学平衡模型来计算设定的转换值；以及在必要的情况下，重复所述计算以产生所述转换值，依靠所述转换值，能够确定所述燃料组成的计算将会以足够的精度收敛，并且通过利用所述转换值，能够将所述燃料电池装置的操作设定为保持在根据所述热力学平衡模型的安全限度内。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置结构，其特征在于，所述控制结构包括计算装置(110)，该计算装置(110)用于将热力学平衡模型计算为通过提前计算产生的热力学平衡曲线。
3.根据权利要求1所述的燃料电池装置结构，其特征在于，所述燃料由包含碳氢化合物的化合物组成。
4.根据权利要求2所述的燃料电池装置结构，其特征在于，所述控制结构包括计算装置(110)，该计算装置(110)用于基于碳和氧之间的最优含量比来计算热力学平衡曲线，以防止在燃料电池过程的一个或更多个温度处形成积碳。
5.根据权利要求2所述的燃料电池装置结构，其特征在于，所述控制结构包括计算装置(110)，该计算装置(110)用于形成三维矩阵，其中，水的供应流、燃料的供应流和电流是x轴、y轴和z轴，并且在化学反应中产生的组分的质量百分比是所述矩阵中的x轴、y轴和z轴的元素。
6.一种利用燃料电池技术来产生电能的方法，在该方法中，通过位于所述燃料电池的阳极(100)和阴极(102)之间的电解质(104)来传送离子，并且经由与所述电解质分开的通路(108)从所述阳极向所述阴极传送电子，其特征在于，在该方法中，执行以下阶段以防止积碳形成：
针对燃料的反馈(109)循环计算基于化学反应热力学平衡的一个或更多个热力学平衡模型；和
利用如下步骤经由所述燃料电池阳极(100)在反馈结构中执行燃料的循环：至少根据电流和燃料流速产生循环中的测量值；通过计算来确定所述燃料的组成；利用所述测量值和燃料组成，基于将要循环的所述燃料的所述热力学平衡模型来计算设定的转换值；以及在必要的情况下，重复所述计算以产生所述转换值，依靠所述转换值，能够确定所述燃料组成的计算将会以足够的精度收敛，并且通过利用所述转换值，能够将所述燃料电池装置的操作设定为保持在根据所述热力学平衡模型的安全限度内。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用通过提前计算产生的热力学平衡曲线来计算热力学平衡模型。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述燃料由包含碳氢化合物的化合物组成。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，基于碳和氧之间的最优含量比来计算所述热力学平衡曲线，以防止在燃料电池过程的一个或更多个温度处形成积碳。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过计算形成三维矩阵，其中，水的供应流、燃料的供应流和电流是x轴、y轴和z轴，并且在化学反应中产生的组分的质量百分比是所述矩阵中的x轴、y轴和z轴的元素。
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