CN103415949A - 用于改进高温燃料电池系统的可操作性的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是用于改进高温燃料电池设备在比标称电压值更高的燃料电池电压值下的可操作性，燃料电池设备中的每个燃料电池(103)包括阳极侧(100)、阴极侧(102)和位于阳极侧和阴极侧之间的电解质(104)，并且该装置包括用于确定燃料电池(103)的必要温度信息的装置(132)以及用于将燃料电池至少加载到其额定功率水平的主功率转换器(123)。该装置包括非隔离预调节器(122)，用于当燃料电池电压显著高于标称工作条件时至少在启动时的基本上较低的功率电平和低电流负载情况下将燃料电池电压降低到可用于主功率转换器(123)的电压电平，所述预调节器(122)位于燃料电池(103)与主功率转换器(123)之间，并且该装置包括旁路装置(408)，用于当燃料电池电压降低到适于主功率转换器的输入电压的电压电平时在基本上较高的电流负载下使预调节器(122)被绕过。

Description

用于改进高温燃料电池系统的可操作性的方法和装置
技术领域
燃料电池设备在满足不同种类的电力生成需求方面变得普遍。燃料电池设备是被供应有反应物来产生电能的电化学设备。
背景技术
燃料电池设备是电化学设备，其能够在环保处理中以高负荷比产生电力。燃料电池技术被认为是最有前途的能量生产方法之一。
如图1中所示的燃料电池具有阳极侧100和阴极侧102以及位于它们之间的电解质材料104。供给到燃料电池设备的反应物经历由于放热反应而产生电能和热的处理。
在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧106被供给到阴极侧102并通过接收来自阴极的电子而还原成负氧离子。负氧离子穿过电解质材料104到达阳极侧100，在这里，其与所使用的燃料108反应，产生水并且通常还产生二氧化碳(CO2)。在阳极和阴极之间是外部电路111，用于将电子e-传输到阴极。外部电路具有负载110。
在图2中示出了SOFC设备，其能够利用例如天然气、生物气、甲醇或其他含烃化合物作为燃料。图2中的SOFC设备具有堆栈形式103(SOFC堆栈)的平面状燃料电池。如图1所示，每个燃料电池均具有阳极100和阴极102结构。所使用的燃料的一部分在反馈装置109中经每个阳极再循环。
图2中的SOFC设备具有燃料热交换器105和重整炉107。热交换器用于控制燃料电池处理中的热条件并且能够将它们中的至少一个设置于SOFC设备的不同位置。循环气体中的多余热能在热交换器105中回收以在SOFC设备中或热回收单元外部进行利用。因此，如图2中所示，热回收热交换器能够位于不同的位置。重整炉是将例如天然气的燃料转化成适于燃料电池的复合物的设备，例如转换为含有半氢和其他半甲烷、二氧化碳和惰性气体的复合物。然而，重整炉不是所有燃料电池实施中所必须的，这是因为未处理的燃料也可以直接供给到燃料电池103。
通过使用测量工具115(例如燃料流量计、电流计和温度计)根据穿过阳极的再循环气体对SOFC设备的运行执行所需的测量。在燃料电池103的阳极100(图1)处使用的气体的仅一部分通过阳极在反馈装置109中进行再循环，并由此，图2中还图示了该气体的其他部分被排出114。
燃料电池堆的热管理是在高温燃料电池系统中机组辅助(BoP)设备的关键功能之一。燃料电池堆的热平衡受到很多机制的影响，这些机制包括内部重整、燃料电池反应、利用反应物流的热传递以及与周围结构的直接热交换。控制温度平衡的典型方法包括内部重整率的调节以及气流和阴极入口温度的调节。
系统加热器能够实施为电加热器，其具有加热电阻器或气体燃烧器或其组合。电加热器的好处包括良好的可控性并能够将其直接置于反应物流中或者待加热的结构中。电加热器的缺点是它们易于产生接地故障电流，尤其在高温加热器的情况下。而且，燃料电池堆是高温电气设备，可能会根据它们反应物供给时的隔离布置、支撑结构和负载装置而产生严重的接地故障电流。
高温燃料电池(MCFC，SOFC)具有600-1000℃的范围内的工作温度。需要高温来实现用于适当操作的足够的传导性(即，足够低的面比电阻(ASR))以从燃料电池引出电流。低于其标称工作温度，这些燃料电池经历增大的ASR，这限制了能够从电池引出的电流量。由于电池中产生的热正比于电流，因此除非相对高的电流，否则燃料电池中不能够达到用于保持工作温度的足够的热。在堆中产生的热足以补偿散热机制之前，通常需要标称电流的50％或更高。这些用于散热的机制包括燃料电池阳极处发生的吸热反应(内部重整)、利用反应物流的热传输以及到周围的热传输。
作为堆在低温不能内部地变热的结果，在系统启动阶段必须从外部源来供热，直到燃料电池比较接近其标称工作温度，从而允许足够大的电流来进一步加热。用于在启动期间为燃料电池堆提供外部热的方便的方法是利用电加热器，其在以适中的价格进行布置方面提供良好的可控性和灵活性。电加热器的价格和复杂性反过来与要求加热器运行的最高温度和热负荷密切相关。因此，电加热器为了将燃料电池加热至接近标称温度所需的最后几十度由其尺寸决定。需要实现的最大温度的少量减少或者在该温度需要传递的热负荷将会对系统紧密性和加热器大小产生很大影响，这样也减小了经济成本。
典型的用于堆内散热的最重要机制是内部蒸汽重整，其中甲烷与蒸汽(即H2O)在强吸热过程中反应以生成氢和一氧化碳：
CH4+H2O=CO+3H2
在燃料电池标称工作期间，这种散热机制的益处在于减少利用其他手段(例如，引入过量空气)来冷却堆的需求。在典型系统中，内部重整可用于堆反应散的热最多75％或更多。在系统加热期间，内部重整的冷却效果明显是负效果，因为其增加了需要从外部源(例如电加热器)提供的热量。内部重整的量依赖于燃料供应以及发生在堆外部的重整的程度，例如，预重整。没有预重整或在绝热预重整的情况下，大部分内部重整将会发生在堆栈，由此提供了显著的正比于燃料供应的冷却效果。燃料供应反过来实质上正比于电流，系统燃料利用更好的保持在了一个窄范围内，通常为75-85％。
另一个主要问题是，燃料电池电压不会作为加载电流的函数而线性下降。起始阶段的加载电压比标称加载条件高得多。电力电子装置必须设计成在起始阶段耐受高压。这常会导致非最佳的部件选择，这是因为较高额定电压的部件在标称加载条件下遭受相当高的功率损失。
发明内容
本发明的目的是以更低的经济成本和更小的功率损失实现燃料电池设备的功率电子装置的节省。这通过下述装置来实现，其用于改进高温燃料电池设备在比标称电压值更高的燃料电池电压值下的可操作性，燃料电池设备中的每个燃料电池具有阳极侧、阴极侧和位于该阳极侧和阴极侧之间的电解质，并且该装置具有用于确定燃料电池的必要温度信息的装置以及用于使燃料电池至少达到其额定功率水平的主功率转换器。该装置具有非隔离预调节器，用于当燃料电池电压显著高于标称工作条件的情况时至少在启动时和低电流负载情况下的足够低的功率电平将燃料电池电压降低到可用于主功率转换器的电压电平，所述预调节器位于燃料电池与主功率转换器之间，并且该装置具有旁路装置，用于当燃料电池电压降低到适于主功率转换器的输入电压的电压电平时在足够高的电流负载下使预调节器被绕过。
本发明的重点还在于一种用于改进高温燃料电池设备在比标称电压值更高的燃料电池电压值下的可操作性的方法，其中该方法确定燃料电池的必要温度信息，并且通过主功率转换器使燃料电池至少达到其额定功率水平。在该方法中，非隔离预调节器位于燃料电池和主功率转换器之间，并通过采用所述预调节器在燃料电池电压显著高于标称工作条件的情况时至少在启动时和低电流负载情况下的足够低的功率电平将燃料电池电压降低到可用于主功率转换器的电压电平，并且当燃料电池电压降低到适于主功率转换器的输入电压的电压电平时在足够高的电流负载下使预调节器被绕过。
本发明基于使用位于燃料电池和主功率转换器之间的非隔离预调节器来在燃料电池电压显著高于标称工作条件时至少在非常低的功率电平下将燃料电池电压降低到可用于主功率转换器的电压电平。然后，当燃料电池电压降低到适于主功率转换器的输入电压的电压电平时，该非隔离预调节器在非常高的电流负载下被绕过。
本发明的主要好处是，功率电子部件的规格能够改变以降低电压值，并且因此实现经济节约。功率损失在标称工作条件下显著减小，这是因为例如300V规格的功率电子部件在标称工作条件下的功率损耗比500V规格的功率电子部件低50％。这降低了高温燃料电池设备的冷却需求，并且系统尺寸能够更紧凑。
附图说明
图1显示了单燃料电池结构。
图2显示了燃料电池设备的示例。
图3显示了根据本发明的优选实施方式。
图4显示了高温燃料电池设备的启动过程的示例性曲线图。
图5显示了用于双向功率流的DC-DC转换器拓扑。
图6显示了燃料电池堆的增强的加热的实施方式。
具体实施方式
图3显示了根据本发明的优选实施方式。这个装置专注于改进高温燃料电池设备在比标称电压值更高的燃料电池电压值下的可操作性。该装置具有用于确定燃料电池103的必要温度信息的装置132，燃料电池103被布置为包括多个燃料电池堆103的堆形式。该装置132能够通过采用现有技术的温度测量技术来实现。主功率转换器123(即，隔离功率级123)的功能是产生负载电流以将燃料电池堆103加载至少达到它们的额定功率水平。在根据本发明的优选装置中，主功率转换器123的最大允许输入电压小于最大燃料电池电压。此外，该装置具有非隔离预调节器122，其位于燃料电池堆103和主功率转换器123之间。该预调节器122将燃料电池电压降低到可用于主功率转换器123的电压电平。当燃料电池电压显著高于标称工作条件时至少在启动阶段的非常低的功率水平和低电流负载情况下执行该步骤。
在较高的电流负载下，当燃料电池电压降低到适于主功率转换器的输入电压的电压电平时，旁路装置408用于使预调节器122被绕过。在优选装置中，旁路装置408具有继电器机构，用于改变旁路装置408的工作模式时所需的切换操作。预调节器122的最大允许电流优选小于燃料电池103的额定电流的50％。
如图3中所示，优选的预调节器122具有电压驱动部件，用于在燃料电池堆103的加载期间(尤其是在加载的开始阶段)驱动操作。预调节器122的功率级拓扑能够在反向功率流模式下进行升压操作，下文将在描述主功率转换器123的双向操作时进行更详细的说明。图3显示了预调节器拓扑的优选示例，其包括作为电压驱动部件的至少四个分立的半导体(即，两个二极管400、402、电容器403和一个电感部件(即，线圈404))以及与二极管400、402并联连接的晶体管开关406、407，如图3所示。晶体管开关406、407可以实现为IGBT、MOSFET、JFET、双极或其他晶体管。为了执行所谓的升压操作，即，为了从较低的电压电平到较高的电压电平的非隔离预调节器级的操作的驱动，采用开关406和二极管400。在加载的开始阶段，当燃料电池的电压接近Nernst电位电压时，预调节器相应地通过开关407和二极管402在功率级运行模式中使用以将堆电压电平减小到例如0.9V/电池。这样，不需要为了能够处理燃料电池的高启动电压来调整主功率转换器的规格，因此允许针对标称功率运行的主功率转换器的更优化设计。因此，预调节器不需要为了燃料电池103的全功率水平而调整规格。通过装备具有包括旁路布线408和优选是继电器机构的旁路开关408(图3)的旁路装置408的预调节器122，该预调节器能够在例如标称水平的30％的功率水平被绕过，从而堆电压从峰值降低到主功率转换器123能够直接承受的范围。仅为了部分负载电流而调整预调节器的规格的需求允许部件以及相关的冷却设施的显著的成本降低。例如，标称电流的30％的电流水平对于电解运行模式也是足够的。
图4显示了高温燃料电池设备的启动阶段的示例性曲线图。在燃料电池堆103的加热过程的第一阶段300中，例如在电解运行模式300中，燃料电池堆电压值基本上高于燃料电池103的正常运行模式302的标称电压值。图4还描述了负载电流在加热过程中如何相对于例如堆电压值和堆温度值来改变。
在本发明的优选装置中，主功率转换器123具有电隔离。在所描述的优选实施方式中，在燃料电池堆103和该隔离主功率转换器之间采用了非隔离预调节器，与电解操作的能力相关的额外成本是非常有限的，这是因为利用了主功率级对于双向功率流的适应性。在很多隔离拓扑中，在它们当中，能够用于双向功率流的优选的全桥拓扑能够以相对低的成本和最小的额外复杂性来设置。主转换器中的双向功率流的能力也能用于除启动操作之外的其他功能，例如用于将运行的电阻器与电网隔离。因此，与系统优点相比，仅与上述电解操作的能力相关的开销保持较低。
主功率转换器123可以具有用于执行双向功率流的工具。图5显示了示例性的设置，其中采用了隔离DC-DC(直流-直流)转换器作为主功率转换器123，用于加载燃料电池堆103并用于在足够高的频率(例如10-100kHz)下运行。图5显示了DC-DC转换器拓扑，其能够通过采用用于控制通过转换器的双向功率流的功率电子切换装置137来利用双向功率流144。所述装置137例如通过额外的半导体、额外的控制电子装置和功率电子开关来布置。DC-DC转换器本身包括电隔离级，其因此能用于为至少一个加热电阻器138提供隔离，前提是隔离级的整体额定功率(任何方向)不需要增加。这样，所述至少一个加热电阻器可经DC(直流)电压连接部141与燃料电池侧的燃料电池堆103并联。因此，该至少一个加热电阻器采用了同样的电隔离作为燃料电池堆，与单向转换器相比，使得元件数量和成本增加最小。因为根据本发明的转换器设置成通过添加一些半导体开关来执行双向功率流，因此，例如在系统升温期间，与现有技术的燃料电池堆103所产生的功率相比，能够从转换器向至少一个加热电阻器提供更多的功率。
图5的实施方式还包括主动控制装置136，用于加热电阻器138的脉宽调制(PWM)，所述装置136优选与该DC/DC转换器123集成在一起。控制处理器136a能够由模拟电子处理器和/或数字电子处理器来实现。切换装置136b例如是双极晶体管、JFET晶体管、MOSFET晶体管、IGBT或其他晶体管开关。该设置还包括机组辅助(BoP)控制系统140，用于确定加热功率设定点。控制系统140与DC-DC转换器123通信，例如将加热功率设定点命令给转换器123。所述通信优选经由串行通信装置142来执行，以优化仪器电缆的使用。
阳极流通系统中的燃料电池的部分可用在电解运行模式中，由此产生氢，然后被同时加载的其他燃料电池消耗以在加热末期增强高温燃料电池的加热。由于燃料电池循环中的功率(和氢)的内部循环，驱动燃料电池中的电流所需的新鲜燃料供给(即，甲烷)的量显著减少，并由此能够显著减少利用内部重整冷却的堆的量。这在启动阶段增强了燃料电池的加热并减少了对于外部加热(例如，电加热器138(图5))的需要和要求。在电解运行模式下，本发明的预调节器122能用于升压操作以将电解电流注入燃料电池103，即，预调节器用于将隔离级(例如0.9V/燃料电池)的电压升压到电解所需的电平。
图6显示了根据本发明的优选实施方式，用于通过显著减少内部重整而不需要外部重整装置来增强燃料电池堆103的加热。这基于在电解运行模式下运行至少两组燃料电池的一部分，而利用阳极循环以使所形成的氢重新循环回燃料供给，可在正常燃料电池模式下运行的燃料电池的其他部分利用。字母A表示燃料电池103的阳极侧，并且字母C表示燃料电池103的阴极侧。附图标记126表示正在加载的燃料电池的负载电流，并且附图标记127表示在电解运行模式中运行的燃料电池的电解电流。附图标记130表示反馈中的吹风机，如图6所示。在电解模式中运行的燃料电池堆中，相对于正常燃料电池模式操作，反转燃料电池反应。
H2+O2-<-H2O+2e-
而在正常操作的燃料电池的其他部分中，氢的反应为
H2+O2-=H2O+2e-
如果两个反应平衡，即，电解和正常加载反应以相同速率进行，燃料(CH4)供给在理论上能够完全断开，同时水和氢在系统内进行循环。实际上，将需要少量的CH4供应并且可能的话还需要水供应，以确保在所有阳极处保持具有足够蒸汽含量的还原气氛。如果再循环速率相对于阳极处的燃料供给和反应物形成是足够高的，则不同堆处的气体浓度将被高效地平均。
在上述燃料电池反应中，产生热，而在甲烷蒸气重整中没有消耗与电流成正比的量的热。基本上，功率在电解和正常运行模式堆之间以有损耗的方式循环。主要的热损耗发生在因此被加热的堆中。由于内部重整的可实现的显著减小，从而需要更少的外部加热，而且，与例如内部重整下的标称的50％相比，堆会在更低的电流(例如，标称的25％)下实现热平衡。因此，对于电加热器的需求可以用更小和更廉价的加热器来实现，其结果是能够实现更紧凑的系统。
为了在电解模式运行下运行堆，需要为堆提供比Nernst电势更高的电压和电流。在本发明的优选实施方式中，用于产生所述电压(高于Nemst电势)和反向电流的装置并入到功率电子器件，该器件通常作为用于堆的负载。因此，功率电子器件必须允许双向功率流并能运行比负载模式高很多的堆电压。这些堆电压值例如在电解中为例如1.2-1.5V每燃料电池，且在负载中为0.7-0.9V每燃料电池。优选地，功率电子器件的拓扑为这样的类型，使得在更高压下运行的能力的需要不会在正常加载模式中导致任何运行的无益点。这例如是在非隔离的升压型拓扑中的情况。
尽管上述附图示出了SOFC燃料电池设备，但是应该注意的是，根据本发明的实施方式可以用在不同种类的高温燃料电池设备中，例如用在MCFC(熔融碳酸盐燃料电池)设备中。MCFC是高温燃料电池，其采用由悬浮在多孔的化学惰性陶瓷基体中的熔融碳酸盐混合物构成的电解质。
尽管已经参照所附的附图和说明书示出了本发明，但是本发明并不限于此，本发明可以进行权利要求所允许范围内的改变。

Claims (14)

1.一种用于改进高温燃料电池设备在比标称电压值更高的燃料电池电压值下的可操作性的装置，所述燃料电池设备中的每个燃料电池(103)包括阳极侧(100)、阴极侧(102)和位于所述阳极侧和所述阴极侧之间的电解质(104)，并且所述装置包括用于确定所述燃料电池(103)的必要温度信息的装置和用于将燃料电池至少加载到其额定功率水平的主功率转换器(123)，其特征在于，所述装置包括非隔离预调节器(122)，所述非隔离预调节器用于当所述燃料电池电压显著高于标称运行条件时至少在启动时和低电流负载情况下的基本上较低的功率水平将所述燃料电池电压降低到可用于所述主功率转换器(123)的电压电平，所述预调节器(122)位于所述燃料电池(103)和所述主功率转换器(123)之间，并且所述装置包括旁路装置(408)，所述旁路装置用于在所述燃料电池电压降低到适合所述主功率转换器的输入电压的电压电平时，在基本上较高的电流负载下，使所述预调节器(122)被绕过。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主功率转换器(123)的最大允许输入电压小于最大燃料电池电压。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主功率转换器(123)包括电隔离。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预调节器(122)的最大允许电流小于所述燃料电池(103)的额定电流的50％。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旁路装置(408)包括继电器机构，所述继电器机构用于切换改变所述旁路装置的运行模式所需的操作。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主功率转换器(123)包括用于执行双向功率流的装置(137)。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于将电解电流注入所述燃料电池(103)的操作的升压模式的所述预调节器(122)。
8.一种用于改进高温燃料电池设备在比标称电压值更高的燃料电池电压值下的可操作性的方法，其中，所述方法确定燃料电池(103)的必要温度信息，并且由主功率转换器(123)将所述燃料电池至少加载到其额定功率水平，其特征在于，在所述方法中，在所述燃料电池(103)和所述主功率转换器(123)之间设置有非隔离预调节器(122)，并且当所述燃料电池电压显著高于标称运行条件时通过使用所述预调节器(122)至少在启动时和低电流负载情况下的基本上较低的功率水平将所述燃料电池电压降低到可用于所述主功率转换器(123)的电压电平，并且当所述燃料电池电压降低到适合于所述主功率转换器的输入电压的电压电平时，所述预调节器(122)在基本上较高的电流负载下被绕过。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述主功率转换器(123)的最大允许输入电压小于最大燃料电池电压。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述主功率转换器(123)被电隔离。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预调节器(122)的最大允许电流小于所述燃料电池(103)的额定电流的50％。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在使所述预调节器(122)被绕过时，利用继电器机构进行切换操作。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过利用所述主功率转换器(123)执行双向功率流。
14.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，在所述预调节器(122)的操作的升压模式中，将电解电流注入到所述燃料电池(103)。
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