CN110137545B - 用于使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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。
此外，阳极氧化的效果可以通过重复氧化和还原的循环来放大，特别是对于具有更严重氧化的循环。随着时间的推移，阳极的高温Ni氧化和相应膨胀可导致比单一事件更严重的损坏。通过任何导致阳极的随后收缩的NiO还原，可以进一步放大这种损坏。最终，这些效应可能引起阳极的宏观结构损坏(燃料电池层的可见裂纹和彼此分层(分离))。由于燃料泄漏，宏观结构损坏可能导致燃料电池系统的灾难性故障。
避免燃料电池阳极的Ni氧化以及由此产生的燃料电池性能劣化的一种解决方案是连续地向燃料电池阳极提供还原气体(也称为转换气体，通常为H2和N2的混合物)，并且不向燃料电池系统提供SOFC燃料，无论SOFC系统处于或高于可能发生Ni氧化的温度。氢气消耗了从阴极流出的任何氧离子，从而防止阳极在高于300℃的温度下发生氧化。因此，在这种方法中的初始还原后，燃料电池阳极不会暴露于氧化条件。然而，该解决方案是资源密集且昂贵的，因为它需要大量的高度富含H2的转换气体。提供这种气体的唯一实用方法是使用将管道天然气和空气催化转化为富含H2和CO的混合物(CO也将通过消耗O2充当还原剂)的外部系统。
另一种解决方案是向燃料电池系统应用反向电流偏置(RCB)。RCB产生的反向电流从水中产生O2和H2，并将O2驱回到阴极，从而减少了在阳极处收集的O2的量。可以控制应用于燃料电池系统的RCB，以平衡正向反应(从H2与O2的反应产生H2O)和反向反应(将水分解成H2和O2并将O2驱回到阴极)。
可以组合提供转换气体和将RCB应用到燃料电池系统的这两种解决方案以降低与产生富含H2的转换气体相关的成本。由于可以使用上述RCB驱动的反应产生H2，因此可以大大减少在燃料电池系统外部产生的和进料到燃料阳极的H2的量。理论上，在不提供外部产生的转换气体的情况下，可以保护阳极免于氧化，尽管总是需要有限量的转换气体来适应从阴极到阳极的空气扩散泄漏并确保还原气体在整个燃料电池表面上的充分分布。
采用这种组合的解决方案，使用加压瓶来储存还原气体是可行的，还原气体可以≤5％H2(余量为N2)的形式存在，而不是产生大量高度富含H2的转换气体。储存的转换气体的使用是实用的，因为保护阳极所需的外部产生的氢气的量减少，因此，要存储在工厂现场的转换气体的量将是不合理的。在所有运行模式中，具有这种较低H2浓度的转换也更安全，因为当与空气混合时，该气体总是会降到低于形成爆炸性混合物所需的最低浓度。然而，仍然不希望这种储存气体所需的占用空间。此外，储存的气体可能需要经常更换，例如在发电厂的循环的每次启动和关闭之后。
发明内容
因此，需要新的和改进的在SOFC燃料电池系统的运行模式之间进行转换的方法，其防止燃料电池的氧化循环劣化，同时还使保护燃料电池阳极免于发生严重的Ni氧化所需的还原气体的量最小化。
已经观察到，如果阳极氧化在中间温度(在燃料电池系统的运行温度和不发生氧化的温度之间的某个温度)或更低温度下发生，则在重新还原阳极之后，由于微观结构损坏导致的电力生产效率的劣化将是微不足道的。假设这种改进是由于在该中间温度下氧气不能快速或有效地渗透到Ni颗粒中。这种减少的渗透可能是由相对薄的氧化物层引起的，其对于在Ni颗粒表面附近形成的氧气而言是不能渗透的，从而防止了氧化更深地进入Ni颗粒中。与在较高温度下可能发生的更严重的氧化相比，更少和更浅的氧化导致Ni颗粒的体积变化更小。此外，认为在中间温度下发生的Ni氧化在高温还原之后产生比在更接近运行温度下发生的Ni氧化更可恢复的反应性。最后，相比于高温氧化，在中间温度下发生的氧化不太可能导致宏观结构损坏。
本文公开的方法允许燃料电池在中间温度下氧化，其中如上所述，与高温氧化相比，认为阳极Ni氧化不太严重，并且是可逆的。在燃料电池系统被加热到或接近其运行温度之后，可以在开始发电之前立即重新还原燃料电池阳极。本文公开的方法极大地减少了供给燃料电池阳极所需的还原气体的量和时间。因此，也减少了保护燃料电池系统所需的储存的转换气体的量。
此外，在冷却到可能发生不太严重的氧化的中间温度之前和期间，本文公开的方法应用RCB来控制燃料利用率，并因此使保护整个燃料电池阳极表面所需的转换气体的流速最小化。控制燃料利用率允许优化在阳极处发生的正向和反向反应，提供更大的余量以适应还原气流的变化，其否则会有阳极氧化的风险。
此外，本文所述的方法利用RCB和较低流速的贫氢转换气体来有效地还原经氧化的燃料电池阳极。一旦还原燃料电池阳极(恢复阳极反应性和电导率)，运行就可以短暂地切换到利用RCB、更高的燃料利用率和低流速的贫氢转换气体的保护模式。
RCB可用于产生接近50％的燃料利用率，该利用率有助于使保护整个燃料电池表面所需的转换气体流速最小化。将燃料利用率控制在接近50％对于正向(H2消耗)和反向(H2生成)反应都是最佳的，并且为处理可能使燃料电池表面发生氧化风险的还原气流的变化提供了最大余量。测量总体燃料利用率确保可以应用最少量的还原气体，以有效地防止高温阳极氧化。
此外，本文描述的方法提供了还原燃料电池阳极的方式。必须重新还原经氧化的燃料电池阳极，否则将无法产生电力或严重阻碍电力的产生。与RCB组合的具有降低流量的贫氢转换气体可用于有效地还原燃料电池阳极。这种还原阳极的方法不仅使用较少的气体，而且由于氢的浓度较低(例如，小于5％)，因此其本质上也是安全的。可将燃料利用率控制在较低值(以增加阳极处的氢气浓度)，以更有效地还原燃料电池阳极。一旦燃料电池重新激活，运行可以短暂地切换到具有RCB的保护模式，其中如上所述，优选的燃料利用率为约50％。
此外，本文描述的方法以使转换气体的使用最小化的方式将还原的燃料电池系统转变为电力生产模式。这些方法可包括增加转换气体的流速以产生足够高的蒸汽-碳比率，以适应SOFC燃料的提供。在电力生产模式中，可以采用更高的燃料利用率，然而，通常不使用100％燃料的燃料利用率，以确保有足够的燃料可用于与每个阳极处的氧结合。在燃料电池被激活(还原)之后，希望尽可能快地进入电力生产模式以保存转换气体。向电力生产模式的转换可能需要增加转换气体的流速，以产生足够高的蒸汽-碳比率，以增加SOFC系统中的SOFC(运行)燃料的量。当SOFC系统处于电力生产模式时，可以使用高的燃料利用率来优化电效率。例如，燃料利用率可为约85％。高的燃料利用率受到维持运行温度所需的余热限制。
本公开的各种实施方案提供了以避免上述燃料电池劣化机制的方式使燃料电池系统在使用不同量的转换燃料和应用不同大小的反向电流偏置(RCB)(以控制阳极氧化和还原)的运行模式之间进行转换的方法。
本申请提供了一种使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的方法，所述燃料电池系统具有包括多个固体氧化物燃料电池的燃料电池堆，每个燃料电池包括由电解液隔开的阳极和阴极，用于向阳极提供燃料的阳极回路；以及用于向阴极提供氧化剂的阴极回路；
所述方法将所述燃料电池系统从具有还原状态的阳极的热待机模式转换为电力就绪的热待机模式，在所述具有还原状态的阳极的热待机模式中：
-氧化剂在热待机温度下流过阴极回路；
-在所述阳极回路中没有SOFC燃料流动；
-反向电流偏置应用到燃料电池堆；
-转换燃料以相对低的质量流速流入阳极回路中；和
-阳极燃料利用率为35％至65％；
在所述电力就绪的热待机模式中：
-氧化剂在热待机温度下流过所述阴极回路；
-SOFC燃料以满载质量流速的2％至5％的质量流速流入阳极回路中；
-转换燃料以相对较高的质量流速流入阳极回路中；
-没有反向电流偏置应用到所述燃料电池堆；和
-阳极燃料利用率为35％至90％；
所述转换方法包括：
-保持氧化剂流过阴极回路；
-通过控制流过所述阴极回路的氧化剂的质量流速和温度来控制燃料电池堆的温度；
-使SOFC燃料以逐渐增加的质量流速流入阳极回路中，直到电力就绪的热待机中的质量流速为满载质量流速的1％至5％；
-使转换燃料以相对高的质量流速流入阳极回路中；
-施加递减的反向电流偏置，同时逐渐增加SOFC燃料的质量流速，直到反向电流偏置为零，并且SOFC燃料进入阳极回路的质量流速在电力就绪的热待机范围内；和
-通过控制反向电流偏置的大小或转换燃料的质量流速和SOFC燃料进入阳极回路的质量流速来控制阳极燃料利用率。
根据本公开的一些实施方案，本申请提供了使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的方法，
所述燃料电池系统包括：
-燃料电池堆，其包括：
■多个固体氧化物燃料电池，每个固体氧化物燃料电池包括阳极、阴极和电解液；
-阳极回路，其包括：
■燃料添加流路(或称为整体式(in-block)燃料添加流路)，其包括燃料供应歧管、燃料排出歧管，以及与所述燃料供应歧管和所述燃料排出歧管流体连通的一个或多个燃料添加通道，其中每个阳极暴露于在一个或多个所述燃料添加通道中流动的燃料；
■阳极喷射器，其具有燃料供应输入、燃料再循环输入和组合的燃料输出；
■燃料再循环管道，其与所述阳极喷射器燃料再循环输入和所述整体式燃料添加流路燃料排出歧管流体连通；和
■组合的燃料供应管道，其与所述阳极喷射器的组合的燃料输出和所述整体式燃料添加流路燃料供应歧管流体连通；
-燃料供应管道，其与所述阳极喷射器燃料供应输入流体连通；
-SOFC燃料源，其与所述燃料供应管道流体连通；
-转换燃料源，其与所述燃料供应管道流体连通；
-阴极回路，其包括：
■氧化流路(或称为整体式(in-block)氧化流路)，其包括氧化剂供应歧管、氧化剂排出歧管、以及与所述氧化剂供应歧管和所述氧化剂排出歧管流体连通的一个或多个氧化通道，其中每个阴极暴露于在一个或多个氧化通道中流动的氧化剂；
■阴极喷射器，其具有氧化剂供应输入、氧化剂再循环输入和组合的氧化剂输出；
■氧化剂再循环管道，其与所述阴极喷射器氧化剂再循环输入和所述整体式氧化流路氧化剂排出歧管流体连通；
■组合的氧化剂供应管道，其与所述阴极喷射器的组合的氧化剂输出和所述整体式氧化流路氧化剂供应歧管流体连通；和
■热源，其被设置以加热在所述阴极回路中流动的氧化剂；
-氧化剂供应管道，其与所述阴极喷射器氧化剂供应输入流体连通；和
-氧化剂源，其与所述氧化剂供应管道流体连通；
所述方法将所述燃料电池系统从具有还原状态的阳极的热待机模式转换为电力就绪的热待机模式，在所述具有还原状态的阳极的热待机模式中：
-氧化剂在热待机温度下流过阴极回路；
-在所述阳极回路中没有SOFC燃料流动；
-反向电流偏置应用到燃料电池堆；
-转换燃料以相对低的质量流速流入阳极回路中；和
-阳极燃料利用率为35％至65％；
在所述电力就绪的热待机模式中：
-氧化剂在热待机温度下流过所述阴极回路；
-SOFC燃料以满载质量流速的2％至5％的质量流速流入阳极回路中；
-转换燃料以相对较高的质量流速流入阳极回路中；
-没有反向电流偏置应用到所述燃料电池堆；和
-阳极燃料利用率为35％至90％；
所述转换方法包括：
-保持氧化剂流过阴极回路；
-通过控制流过所述阴极回路的氧化剂的质量流速和温度来控制燃料电池堆的温度；
-使SOFC燃料以逐渐增加的质量流速流入阳极回路中，直到电力就绪的热待机中的质量流速为满载质量流速的1％至5％；
-使转换燃料以相对高的质量流速流入阳极回路中；
-施加递减的反向电流偏置，同时逐渐增加SOFC燃料的质量流速，直到反向电流偏置为零，并且SOFC燃料进入阳极回路的质量流速在电力就绪的热待机范围内；和
-通过控制反向电流偏置的大小或转换燃料的质量流速和SOFC燃料进入阳极回路的质量流速来控制阳极燃料利用率。
根据本公开的一些实施方案，本申请提供了一种在燃料电池系统的运行模式之间进行转换的方法，所述燃料电池系统具有包括多个固体氧化物燃料电池的燃料电池堆，每个燃料电池包括由电解液隔开的阳极和阴极，用于向阳极提供燃料的阳极回路；以及用于向阴极提供氧化剂的阴极回路；其中在转换开始时，燃料电池系统的状态包括：
氧化剂在800℃-1000℃的温度下流过阴极回路；
没有SOFC燃料流入阳极回路；
反向电流偏置应用到燃料电池堆；
转换燃料以相对低的质量流速流入阳极回路；和
阳极燃料利用率为35％至65％；
其中在转换结束时，燃料电池系统的状态包括：
氧化剂在800℃-1000℃的温度下流过阴极回路；
SOFC燃料以满载质量流速的约3％的质量流速流入所述阳极回路；
转换燃料以相对高的质量流速流入阳极回路；
没有反向电流偏置应用到所述燃料电池堆；和
阳极燃料利用率为35％至90％；
所述方法包括：
使氧化剂以满载质量流速的约50％至100％的质量流速流过所述阴极回路；
通过控制流过阴极回路的氧化剂的质量流速和温度，将燃料电池堆的温度控制在800℃至1000℃；
使SOFC燃料以逐渐增加的质量流速流入阳极回路，直到质量流速为满载质量流速的约3％；
使转换燃料以相对高的质量流速流入阳极回路；
将递减的反向电流偏置应用于燃料电池堆，同时逐渐增加SOFC燃料的质量流速，使得当SOFC燃料的质量流速为满载质量流速的约3％时，反向电流偏置为零；和
通过控制反向电流偏置的大小或转换燃料的质量流速和进入阳极回路的SOFC燃料的质量流速，将阳极燃料利用率控制在35％至90％的范围内。
根据本公开的一些实施方案，本申请提供了一种将燃料电池系统从其中将反向电流偏置在800℃至1000℃的热待机温度下应用到燃料电池的运行模式转换为其中反向电流偏置不再应用到燃料电池的运行模式的方法，该方法包括：
使氧化剂在燃料电池系统的阴极回路中流动；
控制在阴极回路中流动的氧化剂的温度，从而控制燃料电池的温度；
使转换燃料流入燃料电池系统的阳极回路；
使流入燃料电池系统的阳极回路中的SOFC燃料的质量流速逐渐增加，直到所述质量流速为满载质量流速的约3％；
向燃料电池堆施加递减的反向电流偏置，同时逐渐增加SOFC燃料的质量流速，使得当SOFC燃料的质量流速为满载质量流速的约3％时，反向电流偏置为零；和通过控制反向电流偏置的大小，任选的转换燃料的质量流速和SOFC燃料进入阳极回路的质量流速来将阳极燃料利用率控制在35％至90％的范围内。
根据本公开的一些实施方案，提供了使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的方法。燃料电池系统可包括燃料电池堆、阳极回路、燃料供应管道、SOFC燃料源、转换燃料源、阴极回路、氧化剂供应管道和氧化剂源。燃料电池堆可包括多个固体氧化物燃料电池，每个固体氧化物燃料电池包括阳极、阴极和电解液。阳极回路可包括整体式燃料添加流路、阳极喷射器、燃料再循环管道和组合的燃料供应管道。整体式燃料添加流路可包括燃料供应歧管、燃料排出歧管以及与所述燃料供应歧管和所述燃料排出歧管流体连通的一个或多个燃料添加通道，其中每个阳极暴露于在一个或多个所述燃料添加通道中流动的燃料。阳极喷射器可具有燃料供应输入、燃料再循环输入和组合的燃料输出。燃料再循环管道可以与阳极喷射器燃料再循环输入和整体式燃料添加流路燃料排出歧管流体连通。组合的燃料供应管道可以与阳极喷射器组合的燃料输出和整体式燃料添加流路燃料供应歧管流体连通。燃料供应管道可以与阳极喷射器燃料供应输入流体连通。SOFC燃料源可以与燃料供应管道流体连通。转换燃料源可以与燃料供应管道流体连通。阴极回路可包括整体式氧化流路、阴极喷射器、氧化剂再循环管道、组合的氧化剂供应管道和热源。整体式氧化流路可包括氧化剂供应歧管、氧化剂排出歧管以及与氧化剂供应歧管和氧化剂排出歧管流体连通的一个或多个氧化通道，其中每个阴极暴露于在一个或多个氧化通道中流动的氧化剂。阴极喷射器可具有氧化剂供应输入、氧化剂再循环输入和组合的氧化剂输出。氧化剂再循环管道可以与阴极喷射器氧化剂再循环输入和整体式氧化流路氧化剂排出歧管流体连通。组合的氧化剂供应管道可以与阴极喷射器组合的氧化剂输出和整体式氧化流路氧化剂供应歧管流体连通。可以布置热源以加热在阴极回路中流动的氧化剂。氧化剂供应管道可以与阴极喷射器氧化剂供应输入流体连通。氧化剂源可以与氧化剂供应管道流体连通。
使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的方法可以将燃料电池系统从关闭模式转换到热待机模式(或热备用模式)。在关闭模式中，氧化剂可以在环境温度下流过阴极回路，在阳极回路中可以没有燃料流动，并且可以没有RCB应用到燃料电池堆。在热待机模式中，氧化剂可以在热待机温度(或热备用温度)下流过阴极回路，转换燃料可以足以防止阳极氧化的质量流速从源流入阳极回路，RCB可以应用到燃料电池堆，阳极燃料利用率在阳极保护燃料利用率范围内。该方法可以包括使氧化剂保持流过阴极回路，当燃料电池堆的温度达到环境温度和热待机温度之间的预定温度时，通过控制流过阴极回路的氧化剂的质量流速和温度来控制燃料电池堆的加热；当燃料电池堆的温度等于或低于预定温度时，以足以防止阳极氧化的质量流速使转换燃料流到阳极回路中，将RCB应用到燃料电池堆，并通过控制流过阴极回路的氧化剂的质量流速和温度来保持对燃料电池堆的加热的控制，直到燃料电池堆的温度达到热待机温度。
使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的方法可以使燃料电池系统从其中阳极处于氧化状态的热待机模式转换到其中阳极处于还原状态的热待机模式。在阳极处于氧化状态的热待机模式中，氧化剂可以在热待机温度下流过阴极回路，在阳极回路中可以没有转换燃料流动，并且没有SOFC燃料流入阳极回路中。在其中阳极处于还原状态的热待机模式中，氧化剂可以在热待机温度下流过阴极回路，转换燃料可以从其源流入阳极回路，RCB可以应用到燃料电池堆，并且阳极燃料利用率可以在阳极还原范围内。该方法可以包括使氧化剂保持流过阴极回路，通过控制流过阴极回路的氧化剂的质量流速和温度来控制燃料电池堆的温度，以一定的质量流速使转换燃料流入阳极回路中，将RCB应用到燃料电池堆，并通过控制转换燃料的质量流速和RCB的大小来控制阳极燃料利用率，直到阳极基本上处于还原状态。
使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的方法可以将燃料电池系统从其中阳极处于还原状态的热待机模式转换为电力就绪的热待机模式。在其中阳极处于还原状态的热待机模式中，氧化剂可以在热待机温度下流过阴极回路，可以没有SOFC燃料流入阳极回路，RCB可以应用到燃料电池堆，转换燃料可以相对低的质量流速流入阳极回路中，并且阳极燃料利用率可以在35％至65％的范围内。在电力就绪的热待机模式中，氧化剂可以在热待机温度下流过阴极回路，SOFC燃料可以满载质量流速的2％至5％的质量流速流入阳极回路中，转换燃料可以相对高的质量流速流入阳极回路中，可以没有RCB应用到燃料电池堆，并且阳极燃料利用率可以在35％至90％的范围内。该方法可以包括使氧化剂保持流过阴极回路，通过控制流过阴极回路的氧化剂的质量流速和温度来控制燃料电池堆的温度，使SOFC燃料以逐渐增加的质量流速流入阳极回路，直到质量流速处于满载质量流速的1％至5％的电力就绪热待机范围内，使转换燃料以相对高的质量流速流入阳极回路中，应用递减的RCB，同时逐渐增加SOFC燃料的质量流速，直到RCB为零，并且SOFC燃料进入阳极回路的质量流速在电力就绪的热待机范围内，并通过控制RCB的大小或者进入阳极回路的转换燃料的质量流速和SOFC燃料的质量流速来控制阳极燃料利用率。
使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的方法可以将燃料电池系统从电力就绪的热待机模式转换到关闭模式。在电力就绪的热待机模式中，氧化剂可以在热待机温度下流过阴极回路，可以没有SOFC燃料流入阳极回路，转换燃料可以足以防止阳极氧化的质量流速从其源流入阳极回路，RCB可以应用到燃料电池堆，并且阳极燃料利用率可以在约35％至约65％的范围内。在关闭模式中，氧化剂可以在环境温度下流过阴极回路，可以没有SOFC燃料流入阳极回路，可以没有转换燃料流入阳极回路，并且可以没有RCB应用到燃料电池堆。该方法可包括使氧化剂保持流过阴极回路，通过控制流过阴极回路的氧化剂的质量流速或温度来控制燃料电池堆的冷却，保持转换燃料以足以防止阳极氧化的质量流速流入阳极回路中，保持RCB应用到燃料电池堆，当燃料电池堆的温度降低到在热待机温度和环境温度之间的预定温度时，停止将转换燃料流入阳极回路中；当燃料电池堆的温度等于或低于预定温度时，停止将RCB应用到燃料电池堆，并通过控制流过阴极回路的氧化剂的质量流速或温度来保持对燃料电池堆的冷却的控制，直到燃料电池堆的温度处于环境温度。
根据本公开的一些实施方案，提供了将燃料电池系统从关闭模式转换到热待机模式的方法。燃料电池系统可具有包括多个固体氧化物燃料电池的燃料电池堆，每个燃料电池包括由电解液间隔开的阳极和阴极，用于向阳极提供燃料的阳极回路，以及用于向阴极提供氧化剂的阴极回路。燃料电池系统处于关闭模式的的条件可包括使氧化剂在环境温度下以满载质量流速的约50％至100％的质量流速流过阴极回路，没有燃料在阳极回路中流动，并且没有RCB应用到燃料电池堆。燃料电池系统处于热待机模式的条件可以包括，使氧化剂在800℃至1000℃的温度下以满载质量流速的约50％至100％的质量流速流过阴极回路，转换燃料以足以防止阳极氧化的质量流速从其源流入阳极回路，RCB应用到燃料电池堆，并且阳极燃料利用率在阳极保护燃料利用率范围内。该方法可以包括使氧化剂以满载质量流速的约50％至100％的质量流速保持流过阴极回路，通过控制流过阴极回路的氧化剂的质量流速和温度来控制燃料电池堆从环境温度加热至在600℃至700℃的预定温度，当燃料电池堆达到在环境温度和热待机温度之间的预定温度时，使转换燃料以足以防止阳极氧化的质量流速流入阳极回路中；当燃料电池堆的温度达到预定温度或更早时，将RCB应用到燃料电池堆，并通过控制流过阴极回路的氧化剂的质量流速和温度来控制将燃料电池堆从预定温度加热到800℃到1000℃的热待机温度。
根据本公开的一些实施方案，提供了使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的方法，燃料电池系统具有包括多个固体氧化物燃料电池的燃料电池堆，每个燃料电池包括由电解液间隔开的阳极和阴极，用于向阳极提供燃料的阳极回路，以及用于向阴极提供氧化剂的阴极回路。在转变开始时，燃料电池系统的条件可包括处于氧化状态的阳极，在800℃至1000℃的热待机温度下流过阴极回路的氧化剂，在阳极回路中没有SOFC燃料流动，并且没有RCB应用到燃料电池堆。转换结束时，燃料电池系统的条件可包括处于还原状态的阳极，在800℃至1000℃的温度下以满载质量流速的约50％至100％的质量流速流过阴极回路的氧化剂，从其源流入阳极回路的转换燃料，应用到燃料电池堆的RCB，以及5％至35％的阳极燃料利用率。该方法可以包括使氧化剂以满载质量流速的约50％至100％的质量流速保持流过阴极回路，通过控制流过阴极回路的氧化剂的质量流速和温度来使燃料电池堆的温度控制在800℃至1000℃的范围内，将转换燃料流入阳极回路，将RCB应用到燃料电池堆；和通过控制转换燃料的质量流速和RCB的大小来使阳极燃料利用率控制在35％至65％，直到阳极基本上处于还原状态。
根据本公开的一些实施方案，提供了使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的方法，该燃料电池系统具有包括多个固体氧化物燃料电池的燃料电池堆，每个燃料电池包括由电解液间隔开的阳极和阴极，用于向阳极提供燃料的阳极回路，以及用于向阴极提供氧化剂的阴极回路。在转换开始时，燃料电池系统的条件可包括使氧化剂在800℃至1000℃的温度下流过阴极回路，没有SOFC燃料流入阳极回路，将RCB应用到燃料电池堆，转换燃料以相对低的质量流速流入阳极回路中，和阳极燃料利用率在35％至65％的范围内。在转换结束时，燃料电池系统的条件可包括使氧化剂在800℃至1000℃的温度下流过阴极回路，SOFC燃料以满载质量流速的约3％的质量流速流入阳极回路中，转换燃料以相对高的质量流速流入阳极回路中，没有RCB应用到燃料电池堆，和阳极燃料利用率在35％至90％的范围内。该方法可包括使氧化剂以满载质量流速的约50％至100％的质量流速流过阴极回路，通过控制流过阴极回路的氧化剂的质量流速和温度将燃料电池堆的温度控制在800℃至1000℃的范围内，使SOFC燃料以逐渐增加的质量流速流入阳极回路中，直到质量流速为满载质量流速的约3％，使转换燃料以相对高的质量流速流入阳极回路中，将递减的RCB应用到燃料电池堆，同时逐渐增加SOFC燃料的质量流速，使得当SOFC燃料的质量流速为满载质量流速的约3％时，RCB为零，和通过控制RCB的大小或转换燃料的质量流速和SOFC燃料进入阳极回路中的质量流速来将阳极燃料利用率控制在35％至90％的范围内。
根据本公开的一些实施方案，提供了将燃料电池系统从电力就绪的热待机模式转换到关闭模式的方法，该燃料电池系统具有包括多个固体氧化物燃料电池的燃料电池堆，每个燃料电池包括由电解液间隔开的阳极和阴极，用于向阳极提供燃料的阳极回路，以及用于向阴极提供氧化剂的阴极回路。在电力就绪的热待机模式中，燃料电池系统的条件可包括使氧化剂在800℃至1000℃范围内的温度下以满载质量流速的约50％至100％的质量流速流过阴极回路，没有SOFC燃料流入阳极回路，转换燃料以足以防止阳极氧化的质量流速从其源流入阳极回路，将RCB应用到燃料电池堆，以及阳极燃料利用率在约35％至约65％的范围内。在关闭模式中，燃料电池系统的条件可包括使氧化剂在环境温度下以满载质量流速的约50％至100％的质量流速流过阴极回路，没有SOFC燃料流入阳极回路中，没有转换燃料从转换燃料源流出，并且没有RCB应用到燃料电池堆。该方法可以包括使氧化剂以满载质量流速的约50％至100％的质量流速保持流过阴极回路，通过控制流过阴极回路的氧化剂的质量流速或温度来控制燃料电池堆冷却至环境温度，使转换燃料以足以防止在燃料电池堆冷却到450℃至700℃范围内的预定温度期间阳极发生氧化的质量流速流入阳极回路，然后当燃料电池堆的温度处于预定温度时，停止转换燃料流入阳极回路；并且在燃料电池堆冷却至等于或低于预定温度的温度期间，保持RCB应用到燃料电池堆，然后停止将RCB应用到燃料电池堆。
根据本公开的一些实施方案，提供了使具有包括多个燃料电池的电池堆的燃料电池系统从环境温度下的关闭模式(其中燃料电池的阳极基本上不含氧化金属)转换到在800℃至1000℃的温度下的热待机模式(其中燃料电池的阳极包括氧化金属)的方法。该方法可包括使氧化剂在燃料电池系统的阴极回路中流动，加热在阴极回路中流动的氧化剂从而有效加热燃料电池堆，允许氧化包含在燃料电池的阳极中的金属，同时使燃料电池堆加热到低于热待机模式温度的预定温度，并且抑制燃料电池阳极中的金属的进一步氧化，同时通过将RCB应用到燃料电池堆，燃料电池堆从预定温度加热到热待机温度，同时使燃料电池堆处于或低于预定温度，并且使燃料电池系统的阳极回路中的转换燃料以足以防止阳极中的金属氧化的质量流速流动。
根据本公开的一些实施方案，提供了将在800℃至1000℃的热待机温度下处于氧化状态的燃料电池阳极还原至显著的还原状态的方法。该方法可包括使氧化剂在燃料电池系统的阴极回路中流动，控制在阴极回路中流动的氧化剂的温度从而控制燃料电池的温度，使转换燃料流入燃料电池系统的阳极回路中，将RCB应用到燃料电池，并通过控制转换燃料的质量流速和RCB的大小来还原阳极，以将阳极燃料利用率保持在5％至35％的范围内。
根据本公开的一些实施方案，提供了将燃料电池系统从其中RCB在800℃至1000℃范围内的热待机温度下应用到燃料电池的运行模式转换至其中RCB不再应用到燃料电池的运行模式的方法。该方法可包括使氧化剂在燃料电池系统的阴极回路中流动，控制在阴极回路中流动的氧化剂的温度，从而控制燃料电池的温度，使转换燃料流入燃料电池系统的阳极回路中，使SOFC燃料以逐渐增加的质量流速流入燃料电池系统的阳极回路中，直到质量流速为满载质量流速的约3％，将递减的RCB应用到燃料电池堆，同时逐渐增加SOFC燃料的质量流速，使得当SOFC燃料的质量流速为满载质量流速的约3％时，RCB为零；和通过控制RCB的大小，任选的进入阳极回路中的转换燃料的质量流速和SOFC燃料的质量流速来将阳极燃料利用率控制在35％至90％的范围内。
根据本公开的一些实施方案，提供了使具有包括多个燃料电池的电池堆的燃料电池系统从在800℃至1000℃范围内的温度下的电力就绪的热待机模式(其中燃料电池的阳极基本上不含氧化金属)转换为环境温度下的关闭模式(其中燃料电池的阳极包含氧化金属)的方法。该方法可包括使氧化剂在燃料电池系统的阴极回路中流动，控制在阴极回路中流动的氧化剂的质量流速或温度，从而实现燃料电池堆的冷却；抑制燃料电池阳极中的金属氧化，同时通过将RCB应用到燃料电池堆而使燃料电池堆从热待机温度冷却到预定温度，同时使燃料电池堆高于预定温度；并使转换燃料以足以防止阳极中的金属氧化的质量流速在燃料电池系统的阳极回路中流动；并且通过停止转换燃料在阳极回路中的流动，使燃料电池堆从预定温度冷却到环境温度，实现燃料电池阳极中包含的金属的氧化。
附图的简要说明
图1是本公开的固体氧化物燃料电池(SOFC)系统的一个示例实施方案的一些组件的框图。
图2是图1的燃料电池系统的SOFC单元的框图。
图3是图1的SOFC系统的一些组件的框图。
图4和4A是示出运行图1的SOFC系统以从关闭模式转换到热待机模式的两种方法的流程图。
图5是示出运行图1的SOFC系统以从热待机模式转换到电力就绪的热待机运行模式的方法的流程图。
图6是示出运行图1的SOFC系统以从电力就绪的热待机运行模式转换到运行模式的方法的流程图。
图7是示出运行图1的SOFC系统以从运行模式转换到电力就绪的热待机模式的方法的流程图。
图8是示出运行图1的SOFC系统以从电力就绪的热待机模式转换到关闭模式的方法的流程图。
图9是示出运行图1的SOFC系统以从运行模式转换到关闭模式的方法的流程图。
发明详述
虽然本文描述的特征、方法、装置和系统可以各种形式体现，但附图示出并且详细描述了一些示例性和非限制性实施方案。并非所有在附图和详细描述中示出和描述的组件都是必需的，并且一些实现方式可以包括与明确示出和描述的那些组件相比是附加的、不同的或更少的组件。在不脱离本文所述的权利要求的精神或范围的情况下，可以变化组件的布置和类型；组件的形状、尺寸和材料；以及组件的附接和连接方式。本说明书旨在作为一个整体，并且根据本文所教导的原理以及由本领域普通技术人员所理解的原理来进行解释。
例如，本文描述的系统和方法不限于具有基于Ni的阳极的SOFC。具有发生体积变化的氧化的阳极的任何燃料电池系统可受益于本文所述的形成保护性氧化层的方法，所述保护性氧化层减轻了阳极由于氧化造成的体积增长。
本公开的各种实施方案提供了用于使燃料电池系统在使用不同量的转换燃料和应用不同大小的反向电流偏置的运行模式之间进行转换的方法，该方法以避免上述燃料电池劣化机制的方式来控制阳极的氧化和还原。
图1-3示出了本公开的固体氧化物燃料电池(SOFC)系统100及其组件的一个示例性实施方案。虽然在本文描述的实例中描述了SOFC系统，但是本公开可以在任何其他合适的燃料电池系统中实施。SOFC系统100包括氧化剂流量控制装置102a、转换燃料流量控制装置104a、SOFC燃料流量控制装置106a、阴极喷射器110、阳极喷射器120、预重整器130、重整器140，SOFC单元180(也称为“燃料电池堆”)、热源185、控制器190、一个或多个温度传感器195、一个或多个燃料流量测量、电流和/或电压传感器，其可用作燃料利用率传感器196；以及外部电源200(其可以是任何合适的电源，例如电池或A/C或D/C电源)。SOFC系统100可电连接到外部电负载300(其可以是任何合适的组件)以向电负载提供电力。
如下面详细描述的，SOFC系统100可流体连接到氧化剂源102(例如，空气或任何其他合适的氧化剂的源)、转换燃料源104和SOFC燃料源106。转换燃料源104是转换燃料的来源，其为包含至少一种可还原化合物的还原气体混合物。转换燃料可包括例如，约1％至约5％的氢气、约70％至约95％的氮气和约1％至约5％的H2O(即，水)。在各种实施方案中，转换燃料是保护气体(约5％的氢气和约95％的氮气的混合物)。SOFC燃料源106是SOFC燃料(或在非SOFC实施方案中，其为其他合适的运行燃料)的来源，其可包括氢气、烃、一氧化碳、水、或其混合物。
1.组件
氧化剂流量控制装置102a包括彼此流体连通的氧化剂入口和氧化剂出口(均未标记)。氧化剂入口可流体连接到氧化剂源102，以使氧化剂流量控制装置102a能够从氧化剂源102吸取氧化剂。氧化剂流量控制装置102a是配置为(直接或间接)控制氧化剂进入SOFC系统100的质量流速的任何合适的装置。氧化剂流量控制装置102a可包括例如，涡轮机械、压缩机、计量阀、或任何其他合适的系统或组件，例如临界流量孔或与上游减压阀组合的临界流量孔。
转换燃料流量控制装置104a包括彼此流体连通的转换燃料入口和转换燃料出口(未标记)。转换燃料入口可流体连接到转换燃料源104，以使转换燃料流量控制装置104a能够从转换燃料源104接收转换燃料。转换燃料流量控制装置104a是配置为(直接或间接)控制转换燃料进入SOFC系统100的质量流速的任何合适的装置。转换燃料流量控制装置104a可包括例如，涡轮机械、压缩机、计量阀、或任何其他合适的系统或组件，例如临界流量孔或与上游减压阀组合的临界流量孔。
SOFC燃料流量控制装置106a包括彼此流体连通的SOFC燃料入口和SOFC燃料出口(未标记)。SOFC燃料入口可流体连接到SOFC燃料源106，以使SOFC燃料流量控制装置106a能够从SOFC燃料源106接收SOFC燃料。SOFC燃料流量控制装置106a是配置为(直接或间接)控制SOFC燃料进入SOFC系统100的质量流速的任何合适的装置。SOFC燃料流量控制装置106a可包括例如，涡轮机械、压缩机、计量阀、或任何其他合适的系统或组件，例如临界流量孔或与上游减压阀组合的临界流量孔。
阴极喷射器110包括彼此流体连通的动力流体入口110a(也称为“氧化剂供应输入”)、吸入流体入口110b(也称为“氧化剂再循环输入”)和流体出口110c(也称为“组合的氧化剂输出”)。阴极喷射器110被配置(例如，会聚/发散喷嘴结构或任何其他合适的结构)，使得当相对高压的动力流体被引入到动力流体入口110a中并且相对低压的吸入流体存在于吸入流体入口110b中时，动力流体流过阴极喷射器110，并在动力流体入口110a和吸入流体入口110b的下游产生低压区域(在某些情况下为真空)。该低压区域从吸入流体入口110b吸入吸入流体，并使得吸入流体在流出流体出口110c之前与动力流体混合。
阳极喷射器120包括彼此流体连通的动力流体入口120a(也称为“燃料供应输入”)、吸入流体入口120b(也称为“燃料再循环输入”)和流体出口120c(也称为“组合的燃料输出”)。阳极喷射器120被配置(例如，会聚/发散喷嘴结构或任何其他合适的结构)，使得当相对高压的动力流体被引入到动力流体入口120a中并且相对低压的吸入流体存在于吸入流体入口120b中时，动力流体流过阳极喷射器120，并在动力流体入口120a和吸入流体入口120b的下游产生低压区域(在某些情况下为真空)。该低压区域从吸入流体入口120b吸入吸入流体，并使得吸入流体在流出流体出口120c之前与动力流体混合。
预重整器130包括彼此流体连通的燃料入口和燃料出口(未标出)。预重整器130是合适的装置(例如，绝热催化转化器)，其配置为从未重整的燃料中除去高级烃类，从而将未重整的燃料转化为预重整的燃料。在某些实施方案中，预重整器130被配置成除了转换或SOFC燃料和吸入流体中存在的热量之外，没有热输入。在一些实施方案中，SOFC系统不包括预重整器。
重整器140包括：(1)冷侧，包括彼此流体连通的燃料入口和燃料出口(未标出)；(2)热侧，包括彼此流体连通的氧化剂入口和氧化剂出口(未标出)。重整器140配置为将来自相对热的氧化剂的热量(其从热侧的氧化剂入口流到氧化剂出口)传递到相对冷的预重整燃料(其行进通过冷侧的燃料入口到燃料出口)。在该示例性实施方案中，重整器140(部分地)是逆流热交换器，尽管在其他实施方案中，重整器可以包括任何其他合适类型的热交换器。当预重整燃料从燃料入口流到燃料出口时，重整器140配置为通过催化剂将预重整燃料重整为重整燃料。预重整燃料的加热有助于催化转化过程。在一些实施方案中，重整器140可仅用作热交换器以加热其中的预重整燃料。预重整燃料的重整可以在SOFC单元180内发生。
如图2中所示，SOFC单元180包括多个单独的SOFC 180a、180b、...180z-1和180z(其中z是任何合适的数字)，每个包括包含Ni的阳极160和阴极150，中间夹着电解液170。SOFC通过互连件(未标出)彼此串联电连接。
SOFC单元180包括彼此流体连通的阳极入口160a(也称为“燃料供应歧管”)和阳极出口160b(也称为“燃料排出歧管”)。在阳极入口160a和阳极出口160b之间可以存在一个或多个燃料添加通道。每个阳极暴露于在一个或多个燃料添加通道中流动的燃料。阳极入口160a、一个或多个燃料添加通道和阳极出口160b可被称为燃料添加流路。
SOFC单元180还包括彼此流体连通的阴极入口150a(也称为“氧化剂供应歧管”)和阴极出口150b(也称为“氧化剂排出歧管”)。在阴极入口150a和阴极出口150b之间可以存在一个或多个氧化通道。每个阴极可以暴露于在一个或多个氧化通道中流动的氧化剂。阴极入口150a、一个或多个氧化通道和阴极出口150b可以称为氧化流路。
SOFC单元180可电连接到外部电负载300，以向电负载300提供电力。SOFC单元180还可电连接到电源200，使得电源200可将反向电流偏置(RCB)应用到SOFC单元180。应用的RCB通过SOFC单元180感应出反向电流。改变所应用的RCB的大小会改变所感应的反向电流的大小。在一些实施方案中，电负载300和电源200可以是相同的例如电网中的一个。
通常，在运行中，氧化剂从阴极入口150a经过阴极150流到阴极出口150b，并且SOFC燃料(有时与转换燃料结合)经过阳极160从阳极入口160a流到阳极出口160b。阴极150将氧化剂中的氧还原成氧离子，然后氧离子通过电解液170扩散到阳极160。阳极160使燃料氧化，其释放出流过电负载300的电子。
热源185是任何合适的装置，例如热交换器或燃烧器，其配置为使流过SOFC系统100的氧化剂加热。
控制器190包括通信地连接到存储器(未示出)的中央处理单元(CPU)(未示出)。CPU被配置为执行存储在存储器上的程序代码或指令以控制SOFC系统100的各种组件的运行。CPU可以是微处理器；内容可寻址存储器；数字信号处理器；专用集成电路；现场可编程门阵列；任何合适的可编程逻辑设备、分立栅极或晶体管逻辑；分立硬件组件；或这些的任何组合。CPU还可以实现这些设备的组合，例如数字信号处理器和微处理器、多个微处理器的组合、或者与数字信号处理器核结合的一个或多个微处理器。
存储器被配置为根据需要存储、维护和提供数据以支持SOFC系统100的功能。例如，在各种实施方案中，存储器存储可由CPU执行以控制SOFC系统100的运行的程序代码或指令。存储器包括任何合适的数据存储设备，例如易失性存储器(例如，随机存取存储器、动态随机存取存储器或静态随机存取存储器)；非易失性存储器(例如，只读存储器、掩模只读存储器、可编程只读存储器、可擦除可编程只读存储器、电可擦除可编程只读存储器)；和/或非易失性随机存取存储器(例如，闪存、固态存储器)。
温度传感器195是热电偶或其他合适类型的温度传感器，其被配置为感测温度并产生和发送表示感测温度的信号。
燃料利用率传感器196可以是可用作燃料利用率传感器196的燃料流量测量、电流和/或电压传感器中的一种或多种。燃料利用率传感器196可被配置，以感测电流并且生成并发送表示所感测的电流的信号，与配置为感测燃料流量的燃料流量传感器相结合并且生成并发送表示所感测的燃料流量的信号，确定燃料利用率。或者，使用低H2含量的弱还原气体，燃料利用率传感器196可以是配置为感测电压并产生和发送表示感测的电压的信号的电压传感器。
2.连接
氧化剂流量控制装置102a的氧化剂入口可流体连接到氧化剂源102。氧化剂流量控制装置102a的氧化剂出口与阴极喷射器110的动力流体入口110a流体连通。
转换燃料流量控制装置104a的转换燃料入口可流体连接到转换燃料源104。转换燃料流量控制装置104a的转换燃料出口与阳极喷射器120的动力流体入口120a流体连通。
SOFC燃料流量控制装置106a的SOFC燃料入口可流体连接到SOFC燃料源106。SOFC燃料流量控制装置106a的SOFC燃料出口与阳极喷射器120的动力流体入口120a流体连通。
阴极喷射器110的动力流体入口110a与氧化剂流量控制装置102a的氧化剂出口流体连通。动力流体入口110a上游的氧化剂流路可以称为氧化剂供应管道。阴极喷射器110的吸入流体入口110b与重整器140的氧化剂出口流体连通。阴极喷射器110的吸入流体入口110b和重整器140的氧化剂出口之间的氧化剂流路可以称为氧化剂再循环管道。在一些实施方案中，吸入流体入口110b可以与阴极出口150b直接流体连通。阴极喷射器110的流体出口110c与SOFC单元180的阴极入口150a流体连通。阴极喷射器110的流体出口110c和SOFC单元180的阴极入口150a之间的氧化剂流路可被称为组合的氧化剂供应管道。
阳极喷射器120的动力流体入口120a分别与转换燃料和转换燃料的SOFC燃料出口以及SOFC燃料流量控制装置104a和106a流体连通。动力流体入口120a上游的燃料流路可以称为燃料供应管道。阳极喷射器120的吸入流体入口120b与SOFC单元180的阳极出口160b流体连通。阳极喷射器120的吸入流体入口120b和SOFC单元180的阳极出口160b之间的燃料流路可以称为燃料再循环管道。阳极喷射器120的流体出口120c与预重整器130的燃料入口流体连通。流体出口120c和阳极入口160a之间的燃料流路可以称为组合的燃料供应管道。
预重整器130的燃料入口与阳极喷射器120的流体出口120c流体连通。预重整器130的燃料出口与重整器140的燃料入口流体连通。在一些实施方案中，预重整器130的燃料出口可与重整器140和阳极入口160a流体连通，使得预重整燃料的一部分可以绕过重整器140并且直接提供给阳极入口160a。
重整器140的燃料入口与预重整器130的燃料出口流体连通。重整器140的燃料出口与SOFC单元180的阳极入口160a流体连通。重整器140的氧化剂入口与SOFC单元180的阴极出口150b流体连通。重整器140的氧化剂出口与阴极喷射器110的吸入流体入口110b流体连通。在一些实施方案中，重整器140的氧化剂出口可以与SOFC系统的辅助部分(未示出)流体连通。
SOFC单元180的阴极入口150a与阴极喷射器110的流体出口110c流体连通。SOFC单元180的阴极出口150b与重整器140的氧化剂入口流体连通。在一些实施方案中，SOFC单元180的氧化剂出口150b可以与阴极喷射器110的吸入流体入口110b流体连通。SOFC单元180的阳极入口160a与重整器140的燃料出口流体连通。在一些实施方案中，SOFC单元180的阳极入口160a可以与预重整器130的出口流体连通。SOFC单元180的阳极出口160b与阳极喷射器120的吸入流体入口120b流体连通。在一些实施方案中，SOFC单元180的阳极出口160b可以与SOFC系统100的辅助部分(未示出)流体连通。
这些流体连接可以通过柔性和/或刚性管、管道、管线等以任何合适的方式实现。
热源185与在SOFC系统100中流动的氧化剂热连通。例如，当氧化剂在SOFC系统100中行进时，热源185可以与携带氧化剂的一个或多个流体管线热连通。在一些实施方案中，热源185可具有一个或多个用于转换和/或SOFC燃料的燃料入口(未示出)和催化(或其他)燃烧器以点燃在氧化剂流动路径中流动的氧化剂燃料混合物。
外部电源200可电连接到SOFC单元180，并配置为将RCB应用到SOFC单元180以诱导从阴极150流到阳极160并最终到达地面的反向电流。
外部电负载300可电连接到SOFC单元180，使得SOFC单元180可以向电负载300提供从阳极160流到阴极150的电流形式的电力。
如图3所示，控制器190可运行地连接到氧化剂流量控制装置102a，以运行氧化剂流量控制装置102a，氧化剂流量控制装置102a反过来控制氧化剂进入SOFC系统100的质量流速。控制器190可运行地连接到转换燃料流量控制装置104a，以运行转换燃料流量控制装置104a，转换燃料流量控制装置104a反过来控制转换燃料进入SOFC系统100的质量流速。控制器190可运行地连接到SOFC燃料流量控制装置106a，以运行SOFC燃料流量控制装置106a，SOFC燃料流量控制装置106a反过来控制SOFC燃料进入SOFC系统100的质量流速。控制器190可运行地连接到热源185以运行热源185，热源185反过来加热氧化剂。控制器190可运行地连接到电源200，电源200可电连接到SOFC单元180，使得控制器190可以控制电源200何时将RCB应用到SOFC单元180并且可以控制RCB的大小。控制器190可运行地连接到SOFC单元180，SOFC单元180可电连接到电负载300，使得控制器190可以控制SOFC单元180何时向电负载300提供电力并且可以控制所提供的电力的大小。
控制器190通信地连接到温度传感器195和燃料利用率传感器196、燃料流量、电流和/或电压传感器，以接收由那些传感器产生的信号。
3.运行
SOFC系统100可以下面描述的各种模式运行，例如，热待机模式、电力就绪的热待机模式、正常运行模式和关闭模式。
本文使用的关闭模式是指其中SOFC系统100未运行且处于环境温度的状态。在一些实施方案中，氧化剂可以在环境温度下流过所述燃料电池系统100的阴极回路。在一些实施方案中，可以没有氧化剂流过阴极回路。没有燃料(转换或SOFC)在SOFC系统100的阳极回路中流动；因此，SOFC系统100不会产生电力，也不会使用燃料。没有RCB应用于SOFC单元180的燃料电池。
当SOFC系统100在热待机模式下运行时，系统100处于热待机温度(其可以是约800摄氏度至1000摄氏度之间的运行温度)。SOFC系统100向SOFC单元180的阴极侧提供氧化剂，但不向SOFC单元180的阳极侧提供SOFC燃料或转换燃料。因此，SOFC单元180不产生电力。将氧化剂供应到SOFC系统100以将与热源185组合的SOFC单元180保持在运行温度下。需要热源185，因为发电不产生热量。
当SOFC系统100在电力就绪的热待机模式下运行时，SOFC单元180的阳极处于还原状态。为了避免氧气在运行温度下被积聚在阳极处而可能发生的阳极氧化，RCB被应用到SOFC单元180的燃料电池，并且在相对较高的质量流速下将转换气体供应到SOFC单元180的阳极。如下所述，供应转换气体在阳极处产生过量的氢气，其消耗氧气，防止阳极快速氧化，并且在如果任何燃料电池阳极处于氧化状态下促进阳极还原。SOFC燃料以满载设计的SOFC燃料质量流速的约3％的速率供应到SOFC单元180的阳极。阳极燃料利用率保持在约80％。氧化剂以设计负载质量流速的约50％的速率供应到SOFC单元180。热源185可运行并将SOFC单元维持在运行温度下。
当SOFC系统100处于正常运行模式时，SOFC单元180处于约800摄氏度至1000摄氏度之间的运行温度，并且SOFC系统100将氧化剂提供到SOFC单元180的阴极侧，并将SOFC燃料提供到SOFC单元180的阳极侧。随后的反应产生提供给电负载300的电力。
下面描述用于将SOFC系统100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回到(正常)运行模式，从正常运行模式转换到关闭模式和电力就绪的热待机模式二者，从电力就绪的热待机模式转换到关闭模式的方法。这些方法中的每一种至少在以下目的下进行：(1)防止阳极的过度氧化，从而防止上述阳极劣化机制，同时(2)通过监测燃料利用率使对于转换燃料的依赖性最小化。
在每种适用的运行模式中，氧化剂通常如下流过SOFC系统100。控制器190配置为控制氧化剂流量控制装置102a，以控制氧化剂以特定的氧化剂质量流速流入SOFC系统100。氧化剂流量控制装置102a配置为从氧化剂源102吸取氧化剂并迫使氧化剂通过SOFC系统100的阴极回路，即：进入阴极喷射器110，从阴极喷射器110进入SOFC单元180，从SOFC单元180到重整器140，以及从重整器140返回到阴极喷射器110。在一些实施方案中，氧化剂可从SOFC单元180流到阴极喷射器110而不通过重整器140。在一些实施方案中，一部分氧化剂在流过重整器140后被排出到大气或提供给辅助回路(未示出)或其两者。
更具体地，控制器190配置为控制氧化剂流量控制装置102a，以从氧化剂源102吸取氧化剂并将氧化剂提供给阴极喷射器110的动力流体入口110a(即，将氧化剂提供到阴极回路中)。氧化剂流过阴极喷射器110，与在吸入流体入口110b处接收的阴极排气混合，并从流体出口110c流出到SOFC单元180的阴极入口150a。氧化剂从SOFC单元180的阴极入口150a流到SOFC单元180的阴极出口150b。在阴极入口150a和阴极出口150b之间，氧化剂流过SOFC单元180中的各种燃料电池的阴极。当氧化剂流过SOFC单元180的阴极侧时，控制器190可以控制热源185以加热氧化剂。反过来，该加热的氧化剂将热量传递到SOFC单元180中，从而升高整个单元180的温度。氧化剂作为阴极排气离开SOFC单元的阴极出口150b，并流入重整器140的氧化剂入口。阴极排气流过重整器140，离开重整器140的氧化剂出口，并流到阴极喷射器110的吸入流体入口110b，在那里它被引导回SOFC单元180的阴极入口150a。
通常，转换燃料如下流过SOFC系统100。控制器190配置为控制转换燃料流量控制装置104a以控制转换燃料以特定的转换燃料质量流速进入SOFC系统100。转换燃料流量控制装置104a配置为从转换燃料源104接收转换燃料并迫使转换燃料通过SOFC系统100的阳极回路，即：进入阳极喷射器120，从阳极喷射器120进入预重整器130，从预重整器130进入重整器140，从重整器140进入SOFC单元180，和从SOFC单元180返回到阳极喷射器120。在一些实施方案中，如上所述，离开预重整器130的一些燃料可以在重整器140周围流动并且被直接供应到SOFC单元180，使得一些燃料可在进入SOFC单元180时可以是未重整的。在一些实施方案中，如上所述，重整器140可仅用作热交换器。
更具体地，控制器190配置为控制转换燃料流量控制装置104a，以从转换燃料源104接收转换燃料并将转换燃料提供给阳极喷射器120的动力流体入口120a(即，以将转换燃料提供到阳极回路中)。转换燃料流过阳极喷射器120，与在吸入流体入口120b处接收的阳极排气混合，并从流体出口120c流出到达预重整器130的燃料入口。转换燃料流过预重整器130，离开预重整器130的燃料出口，并流入重整器140的燃料入口。转换燃料流过重整器140，离开重整器140的燃料出口，并流入SOFC单元180的阳极入口160a。转换燃料从SOFC单元180的阳极入口160a流到SOFC单元180的阳极出口160b。在阳极入口160a和阳极出口160b之间，转换燃料经过SOFC单元180中的燃料电池的阳极。转换燃料作为阳极排气离开SOFC单元180的阳极出口160b并流入阳极喷射器120的吸入流体入口120b，在那里它被引导回到预重整器130中。在一些实施方案中，阳极排气的一部分可被提供给辅助回路(未示出)或排出到大气或其两者，而不是继续在阳极回路内流动。
通常，SOFC燃料如下流过SOFC系统100。控制器190配置为控制SOFC燃料流量控制装置106a，以控制SOFC燃料以特定的SOFC燃料质量流速进入SOFC系统100。SOFC燃料流量控制装置106a配置成从SOFC燃料源106接收SOFC燃料并迫使SOFC燃料通过SOFC系统100的阳极回路。在一些实施方案中，提供了SOFC燃料的替代流动路径；这些替代路径可以类似于上面描述的用于转换燃料的路径。
更具体地，控制器190配置为控制SOFC燃料流量控制装置106a，以从SOFC燃料源106接收SOFC燃料并将SOFC燃料提供给阳极喷射器120的动力流体入口120a(即，将SOFC燃料提供到阳极回路中)。SOFC燃料流过阳极喷射器120，与在吸入流体入口120b处接收的阳极排气混合，并从流体出口120c流出到达预重整器130的燃料入口。SOFC燃料流过预重整器130，离开预重整器130的燃料出口，并流入重整器140的燃料入口。SOFC燃料流过重整器140，离开重整器140的燃料出口，并流入SOFC单元180的阳极入口160a。SOFC燃料从SOFC单元180的阳极入口160a流到SOFC单元180的阳极出口160b。在阳极入口160a和阳极出口160b之间，SOFC燃料被提供给SOFC单元180中的燃料电池的阳极。SOFC燃料作为阳极排气离开SOFC单元的阳极出口160b并流入阳极喷射器120的吸入流体入口120b，在那里它被引导回到预重整器130中。在一些实施方案中，可以提供SOFC燃料的替代流动路径，例如上面针对转换燃料描述的那些流动路径。在一些实施方案中，重整器140可仅用作热交换器。
当SOFC系统100运行时，控制器190被配置为基于由温度传感器195感测的温度周期性地确定SOFC单元180的代表温度。如下所述，“SOFC单元温度”是指SOFC单元180的代表温度。如下所述，控制器190被配置为监测SOFC单元温度以确定在SOFC系统100在不同运行模式之间转换时在何时采取某些动作。
如下所述，“满载”是指SOFC产生电力的设计能力。
当SOFC系统100运行时，控制器190配置成基于由燃料利用率传感器196感测的燃料流量、电流和/或电压周期性地确定SOFC系统100的燃料利用率。如下所述，“燃料利用率”是指消耗的燃料与供给到SOFC单元180的阳极喷射器中的总燃料的比例，如下面式(1)所示。根据情况，燃料是指SOFC燃料、转换燃料或其混合物。如下所述，控制器190被配置为监测燃料利用率以确定在SOFC系统100在不同运行模式之间转换时在何时采取某些动作。
还可以从进入和离开SOFC单元180的测量燃料浓度计算燃料利用率。
当转换燃料供给到与RCB组合的SOFC单元180时，通过在主要运行温度和压力下的能斯特电势和H2浓度之间的关系能更准确地将燃料利用率与测量电压相关联。能斯特电势提供了在SOFC条件下测量电压的良好近似值，该条件使用贫转换燃料和RCB的组合。在这些条件下，使用净电流和总燃料进料会出现大的误差。
在一些实施方案中，SOFC系统100和/或控制器190配置为通过控制RCB的大小、转换和/或SOFC燃料的质量流速或其两者来控制燃料利用率。在一些实施方案中，SOFC系统100和/或控制器190配置为通过控制从转换和/或SOFC燃料源104/106供应到阳极喷射器120的转换和/或SOFC燃料的质量流速或被供应到阳极喷射器120的由SOFC单元180排出的燃料的质量流速或其两者来控制燃料利用率。在一些实施方案中，SOFC系统100和/或控制器190配置成控制进入阳极回路中的转换燃料的质量流速，以维持燃料再循环管道中的燃料排气的正质量流速大致等于供给喷射器的转换燃料的质量流速的大小。
3.1从关闭模式转换到热待机模式
图4是示出运行SOFC系统100以将SOFC系统100从关闭模式转换到热待机模式的方法400的流程图。在各种实施方案中，存储在控制器190的存储器中并由控制器190的CPU执行的指令表示方法400。尽管图4中所示的流程图描述了方法400，但是也可以采用执行下面描述的动作的其他方法。在某些实施方案中，各个块以其中它们被示出的顺序来执行，而在其他实施方案中，块可以不同的顺序执行。
方法400响应于控制器190接收输入(例如经由输入设备来自操作者)而开始，该输入包括开始将SOFC系统100从关闭模式转换到热待机模式的指令。作为响应，如块402所示，SOFC系统100开始向SOFC系统100的阴极回路提供氧化剂以将氧化剂供应到SOFC单元180的阴极侧。例如，控制器190控制氧化剂流量控制装置102a从氧化剂源102吸取氧化剂，并以一定的氧化剂质量流速将氧化剂提供给SOFC系统100的阴极回路(如上所述)。在一些实施方案中，氧化剂质量流速大于满载时的氧化剂质量流速的50％。在一些实施方案中，氧化剂质量流速大于满载时的氧化剂质量流速的75％。在一些实施方案中，氧化剂质量流速为满载时的氧化剂质量流速的65％至100％。在一些实施方案中，氧化剂质量流速为满载时的氧化剂质量流速的50％至100％。在一些实施方案中，氧化剂质量流速等于满载时的氧化剂质量流速。
如块404所示，SOFC系统100加热SOFC单元180，直到SOFC单元温度达到热待机温度。例如，控制器190控制热源185以加热SOFC单元180上游的氧化剂，当氧化剂流过SOFC单元180的阴极侧时，热源185反过来加热SOFC单元180。在该示例性实施方案中，热待机温度在约800摄氏度至约1000摄氏度之间。在其他实施方案中，热待机温度在约800摄氏度至约900摄氏度之间。在进一步的实施方案中，热待机温度为约850摄氏度。一旦SOFC单元180达到其热待机温度，控制器190就控制热源185或氧化剂流量控制装置102a或其两者，以将SOFC单元180维持在其热待机温度。当SOFC单元180达到热待机温度时，其当前即处于热待机模式。
在一些实施方案中，SOFC系统以约1℃至5℃/分钟的速率控制SOFC单元180从环境温度加热到热待机温度。在一些实施方案中，SOFC系统以约3℃/分钟的速率控制SOFC单元180从环境温度加热到热待机温度。
在将SOFC单元180从环境温度加热到热待机温度期间，没有转换燃料或SOFC燃料供应到阳极回路。因此，SOFC单元180的阳极可以被氧化。如果SOFC单元180的阳极预先在如上下文所述的中间温度下被氧化，则在先前的冷却期间形成的保护性NiO壳减轻或防止Ni阳极的进一步氧化。
在一些实施方案中，运行SOFC系统100以将SOFC系统100从关闭模式转换到热待机模式的方法400A包括提供转换燃料和/或从预定的加热温度开始应用RCB。方法400A在图4A中示出。方法400A可包括与上述方法400所述相同的步骤和参数，但其根据以下内容进行了修改。
如果先前未形成保护层，则方法400A可用于在还原阳极160的Ni颗粒上形成保护性氧化物层。方法400A可以响应于接收开始向阴极回路提供氧化剂的输入，如方块402A所示并且如上所述。如上所述，可以运行加热源185以升高SOFC单元180温度，直到SOFC单元180达到预定的加热温度，如方块404A所示。一旦SOFC单元180被加热到预定的加热温度，就可以向SOFC单元180应用RCB或提供转换燃料或这两者，如方块406A所示，以防止SOFC单元180的阳极160的氧化或进一步氧化。如方块408A所示，在SOFC单元180从预定的加热温度持续加热到热待机温度的同时，保持RCB的应用、提供转换燃料或其两者。
在一些实施方案中，RCB的应用或转换燃料的提供中的一者或两者可在SOFC单元180达到预定的加热温度之前发生。例如，在一些实施方案中，RCB的应用可以在预定的加热温度之前发生，以驱动将氧气驱回SOFC单元180的阴极侧的反向反应，从而使阳极160具有较低浓度的氧化剂。在达到预定的加热温度后，可以提供转换燃料以清除自由氧。
预定温度可以由系统操作员确定。在一些实施方案中，预定的加热温度可以选择为约300至400摄氏度。当在该温度下选择时，方法400A用于防止阳极在加热期间的任何显著氧化。当例如，阳极在启动时处于完全还原状态时，这可能特别有用。虽然选择该预定的加热温度范围可以使用比更高的预定温度更多的转换燃料，但该方法将使用比在加热期间始终向SOFC单元180提供转换燃料的其他方法更少的转换燃料。
在一些实施方案中，预定的加热温度在约450摄氏度至约750摄氏度之间。在一些实施方案中，预定的加热温度在约550摄氏度至约750摄氏度之间。在一些实施方案中，预定的加热温度在约600摄氏度至约650摄氏度之间。在一些实施方案中，预定的加热温度为约650摄氏度。这些实施方案允许在阳极160的Ni颗粒上形成保护性氧化物层，以保护阳极免受在较高温度下可能发生的后续严重氧化。此外，可以使用较少的转换燃料，因为直到SOFC单元180处于更接近热待机温度的温度时才提供转换燃料。
如方块406A所示，SOFC系统100开始将转换燃料提供到SOFC系统100的阳极回路中，以将转换燃料供应到SOFC单元180的阳极侧。例如，控制器190控制转换燃料流量控制装置104a以从转换燃料源104接收转换燃料，并将转换燃料以转换燃料质量流速提供到SOFC系统100的阳极回路中(如上所述)。在一些实施方案中，系统100将利用相对较低的转换气体流速来保存转换气体。在一些实施方案中，阳极还原将利用较高的转换气体流速。
SOFC系统100可以控制转换燃料质量流速和/或RCB的大小，以将燃料利用率保持在阳极保护燃料利用率范围内。例如，控制器190通过控制转换燃料流量控制装置104a来控制转换燃料质量流速和/或通过控制电源200来控制RCB的大小，以将燃料利用率增加到阳极保护燃料利用率范围内。在一些实施方案中，阳极保护模式燃料利用范围为约35％至约65％。在一些实施方案中，阳极保护模式燃料利用范围为约40％至约60％。在一些实施方案中，阳极保护燃料利用率范围是50％。
在一些实施方案中，当SOFC单元180从预定的加热温度加热到热待机温度时，通过使燃料利用率保持在阳极保护燃料利用率范围内，可以使任何氧化的阳极还原。取决于阳极氧化的类型和量，这可以允许在SOFC单元180达到热待机温度之前完全还原阳极。在这样的实施方案中，在SOFC单元180达到热待机温度之后，不需要再执行阳极的单独还原。
在一些实施方案中，在从预定加热温度加热到热待机温度期间，燃料利用率可以处于阳极还原燃料利用率范围内。取决于阳极氧化的类型和量，这可以允许在SOFC单元180达到热待机温度之前完全还原阳极。在这样的实施方案中，在SOFC单元180达到热待机温度之后，不需要再执行阳极的单独还原。在一些实施方案中，阳极还原燃料利用率范围为约5％至约15％。在一些实施方案中，阳极还原燃料利用率范围为约5％至约35％。在一些实施方案中，阳极还原燃料利用率为约10％。在一些实施方案中，阳极还原燃料利用率为约20％。
在一些实施方案中，氧化剂质量流速大于满载时的氧化剂质量流速的50％。在一些实施方案中，氧化剂质量流速大于满载时的氧化剂质量流速的75％。在一些实施方案中，氧化剂质量流速为满载时的氧化剂质量流速的65％至100％。在一些实施方案中，氧化剂质量流速为满载时的氧化剂质量流速的50％至100％。在一些实施方案中，氧化剂质量流速等于满载时的氧化剂质量流速。
3.2从热待机模式转换为电力就绪的热待机模式
图5是示出运行SOFC系统100以将SOFC系统100从热待机模式转换到电力就绪的热待机模式的方法500的流程图。在各种实施方案中，存储在控制器190的存储器中并由控制器190的CPU执行的指令表示方法500。尽管关于图5中所示的流程图描述了方法500，但是还可以采用执行下面描述的动作的其他方法。在某些实施方案中，块以其中它们被示出的顺序执行；而在其他实施方案中，块可以不同的顺序执行。方法500响应于控制器190接收输入(例如经由输入设备来自操作者)而开始，该输入包括开始将SOFC系统100从热待机模式转换到电力就绪的热待机模式的指令。
在SOFC单元温度达到热待机温度之后，可能必须还原燃料电池阳极以在SOFC系统100开始产生电力之前恢复阳极的反应性和导电性。为此目的，如方块502所示，SOFC系统100开始将转换燃料提供到SOFC系统100的阳极回路中，以将转换燃料供应到SOFC单元180的阳极侧。例如，控制器190控制转换燃料流量控制装置104a以从转换燃料源104接收转换燃料，并将转换燃料以转换燃料质量流速提供到SOFC系统100的阳极回路中(如上所述)。在一些实施方案中，阳极还原将利用较低的转换气体流速来保存转换气体。在一些实施方案中，阳极还原将利用较高的转换气体流速。在阳极还原期间，是否使用更高或更低的转换气体流速可以至少部分地通过阳极还原之后的运行模式来确定。例如，较低的流速可用于保存气体并为保护模式提供更好的设置，该保护模式可在从高温(例如，运行)温度冷却之前和期间进入。如果燃料系统模式将更快地转换到负载和随后的正常运行模式，则可以使用更高的流速。
如方块503所示，在燃料电池阳极还原期间，氧化剂的质量流速被保持但降低至约50％。在一些实施方案中，在燃料电池阳极还原期间的氧化剂的质量流速保持在40至60％的范围内。到达阳极的较低量的氧化剂降低了系统压力，这增加了给定的转换气体质量流速的阳极再循环速率。因此，确保充分的阳极再循环所需的最小转换气体量较少。充分的阳极再循环(即，正的再循环流)对于确保在整个燃料电池表面上的足够的质量流速和足够的流量分布是重要的。必须保持氧化剂流，使得通过控制氧化剂的温度和质量流速，SOFC单元180的温度可以保持在热待机温度。
如方块504所示，SOFC系统100开始将RCB应用到SOFC单元180。RCB的大小使得此时的燃料利用率在阳极还原燃料利用率范围内，这更有利于还原燃料电池阳极。例如，控制器190控制电源200以将RCB应用到SOFC单元180，RCB大小使得燃料利用率在阳极还原燃料利用率范围内。在一些实施方案中，阳极还原燃料利用率范围为约5％至约15％。在一些实施方案中，阳极还原燃料利用率范围为约5％至约35％。在一些实施方案中，阳极还原燃料利用率为约10％。在一些实施方案中，阳极还原燃料利用率为约20％。在开始将转换燃料提供到SOFC系统100的阳极回路中并且在开始将RCB应用到SOFC单元180之后，SOFC系统100控制转换燃料质量流速和/或RCB的大小，以维持燃料利用率在阳极还原模式燃料利用率范围内或附近，直到SOFC单元180的阳极已经被还原，如方块506所示。在一些实施方案中，燃料再循环管道中的燃料的质量流速被单独控制，以控制燃料利用率或结合转换燃料质量流速和/或RCB。
在阳极已经被还原之后，SOFC系统100控制转换燃料质量流速和/或RCB的大小，以将燃料利用率增加到阳极保护燃料利用率范围内，如方块508所示。例如，控制器190控制转换燃料流量控制装置104a，以控制转换燃料质量流速和/或控制电源200并控制RCB的大小以将燃料利用率增加到阳极保护燃料利用率范围内。在一些实施方案中，阳极保护模式燃料利用范围为约35％至约65％。在一些实施方案中，阳极保护模式燃料利用范围为约40％至约60％。在一些实施方案中，阳极保护模式燃料利用率范围是50％。
为了减少阳极还原所需的时间，设定燃料利用率(在阳极保护燃料利用范围内)、转换燃料质量流速和RCB的大小以促进阳极还原(即，将NiO还原为Ni)。当阳极处的H2不足以消耗(或清除)从阴极流出的O2时，发生阳极氧化。RCB的应用从H2O产生H2并迫使O2返回阴极。增加RCB产生相对低的燃料利用率(例如，小于50％)并且通过支持反向反应而导致阳极处的H2过剩，这促进了阳极还原。
此时，SOFC单元180的阳极已经还原，并且SOFC系统100控制转换燃料质量流速和/或RCB的大小，以将燃料利用率保持在阳极保护燃料利用率范围内，如方块510所示的，直到SOFC单元180转换到电力就绪的热待机模式或关闭模式。例如，控制器190控制转换燃料流量控制装置104a(以控制转换燃料质量流速)和/或控制电源200(以控制RCB的大小)以将燃料利用率保持在阳极保护燃料利用率范围内。
当转换到电力就绪的热待机状态时，转换燃料质量流速增加到高于阳极还原和保护所需的速度，如方块512所示。当SOFC燃料质量流速逐渐增加到燃料电池的正常运行范围的低端时，需要更高的转换燃料流速来管理所需范围内的燃料电池温度。此外，必须增加转换燃料流速以维持高的阳极再循环速率，这对于保持使SOFC燃料重整且不形成碳所需的足够的蒸汽与碳的比率而言是必需的。
随着转换气体以更高的质量流速供应到SOFC单元180，SOFC系统100开始将SOFC燃料提供到SOFC系统100的阳极回路中，以将SOFC燃料供应到SOFC单元180的阳极侧，如方块514所示。例如，控制器190控制SOFC燃料流量控制装置106a，以从SOFC燃料源106接收SOFC燃料，并将SOFC燃料以SOFC燃料质量流速提供到SOFC系统100的阳极回路中(如上所述)。此时，SOFC系统100将SOFC燃料和转换燃料提供到SOFC系统100的阳极回路中。初始SOFC燃料质量流速足够小，使得存在由转换燃料中的H2和存在于阳极处的O2反应产生足够的H2O，以使添加的SOFC燃料发生重整。如果初始SOFC燃料质量流速太高，则由于可用于重整燃料的蒸汽不足而存在碳形成的风险。
SOFC系统100将逐渐增加SOFC燃料质量流速并减少RCB。减少RCB，从而导致较少的所产生的蒸汽通过与H2的反向反应而反应。然而，如果RCB递减太多，则所有氢气被消耗，从而使阳极经受氧化。额外的蒸汽产生能够支持更高的SOFC燃料质量流速。总之，SOFC燃料质量流速逐渐增加，并且RCB减少很小，步骤之间有足够的时间，使得在整个燃料电池表面上始终保持过量蒸汽和氢气。在下一个增量步骤开始之前，每个增量步骤之后需要时间，以能达到新的安全稳态条件。所需时间仅为1分钟左右，但该时间将根据具体的燃料电池系统而不同。
SOFC系统100将继续逐渐增加SOFC燃料质量流速，同时降低转换燃料质量流速，同时降低RCB的大小，直到燃料利用率增加到运行模式燃料利用率范围内，如方块516所示。例如，控制器190控制SOFC燃料流量控制装置106a以增加SOFC燃料质量流速，同时控制转换燃料流量控制装置104a以减小转换燃料质量流速，并且同时控制电源200以减小RCB的大小，直到燃料利用率增加到运行模式燃料利用率范围内。在一些实施方案中，运行模式燃料利用率范围为约35％至约90％，即有效产生电力所需的燃料利用率范围。在一些实施方案中，运行燃料利用率范围为约65％至85％。在一些实施方案中，运行燃料利用率为约80％。在一些实施方案中，运行燃料利用率为约75％。
在一些实施方案中，SOFC系统100逐渐增加SOFC燃料质量流速，同时相应地减小转换燃料质量流速，同时相应地减小RCB的大小，直到燃料利用率增加到运行模式燃料利用率范围内。电力就绪的热待机状态中的SOFC燃料质量流速可被称为电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速。在某些实施方案中，SOFC系统100以SOFC系统100满载下的SOFC燃料质量流速的约0.2％至约2％的增量来增加SOFC燃料质量流速，直到燃料利用率增加到运行模式燃料利用率范围内。在一些实施方案中，SOFC系统100以SOFC系统100满载下的SOFC燃料质量流速的约0.4％至约1％的增量来增加SOFC燃料质量流速，直到燃料利用率增加到运行模式燃料利用率范围内。在一些实施方案中，SOFC系统100以SOFC系统100满载下的SOFC燃料质量流速的约0.1％的增量来增加SOFC燃料质量流速，直到燃料利用率增加到运行模式燃料利用率范围内。在一些实施方案中，SOFC系统100以SOFC系统100满载下的SOFC燃料质量流速的约0.6％的增量来增加SOFC燃料质量流速，直到燃料利用率增加到运行模式燃料利用率范围内。在一些实施方案中，SOFC系统100以小于SOFC系统100满载下的SOFC燃料质量流速的约1.5％的增量来增加SOFC燃料质量流速，直到燃料利用率增加到运行模式燃料利用范围内。用于转换RCB的增量SOFC燃料添加步骤的数量通常为5，SOFC燃料的总增加量为2％，但可以将总增加量从1％变化到10％。这确保了燃料利用率从待机模式燃料利用范围内逐渐增加到运行模式燃料利用范围内。在一些实施方案中，SOFC燃料流质量流速以0.6％的增量从设计的满载SOFC燃料质量流速的0％增加至1-5％。在一些实施方案中，SOFC燃料流质量流速以0.6％的增量从设计的满载SOFC燃料质量流速的0％增加至3％。在一些实施方案中，SOFC燃料流质量流速以0.1％的增量从设计的满载SOFC燃料质量流速的0％增加至3％。
在一些实施方案中，转换燃料质量流速在相对高的质量流速下保持恒定。
在其他实施方案中，SOFC系统100增加SOFC燃料质量流速，同时减少转换燃料质量流速和RCB的大小中的至少一个，直到燃料利用率增加到运行模式燃料利用率范围内。例如，SOFC系统100可以仅降低转换燃料质量流速，同时增加SOFC燃料质量流速，直到燃料利用率增加到运行模式燃料利用范围内，或者可以仅在增加SOFC燃料质量流速的同时减小RCB的大小，直到燃料利用率增加到运行模式燃料利用率范围内。
在燃料利用率从阳极保护/还原燃料利用率范围内增加到运行模式燃料利用率范围内之后，SOFC系统100停止将RCB应用到SOFC单元180，如方块518所示。例如，响应于确定燃料利用率已经增加到运行模式燃料利用率范围内，控制器190控制电源200停止将RCB应用到SOFC单元180。如上所述，RCB的停止可以增量步骤发生。
3.3从电力就绪的热待机模式转换到正常运行模式
图6是示出运行SOFC系统100以将SOFC系统100从电力就绪的热待机模式转换到正常运行模式的方法600的流程图。在各种实施方案中，存储在控制器190的存储器中并由控制器190的CPU执行的指令表示方法500。尽管图6中所示的流程图描述了方法600，但是也可以采用执行下面描述的动作的其他方法。在某些实施方案中，块以其中它们被示出的顺序执行；而在其他实施方案中，块可以不同的顺序执行。方法600响应于控制器190接收输入(例如经由输入设备来自操作者)而开始，该输入包括开始将SOFC系统100从电力就绪的热待机模式转换到正常运行模式的指令。
在停止将RCB应用到SOFC单元180之后，SOFC系统100开始向电负载300提供电力，如方块602所示。例如，响应于RCB的大小达到零，控制器190控制SOFC单元180开始向电负载300提供电力。
在开始向电负载300提供电力之后，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速增加到第一运行SOFC燃料质量流速，同时降低转换燃料质量流速并且同时增加汲取的电力的大小以将燃料利用率保持在运行模式燃料利用率范围内，如方块604所示。例如，控制器190控制SOFC燃料流量控制装置106a以增加SOFC燃料质量流速，同时控制转换燃料流量控制装置104a以减小转换燃料质量流速，并且同时控制SOFC单元180以增加被汲取到电负载300的电力的大小。在一些实施方案中，第一运行SOFC燃料质量流速为SOFC系统100的满负载下的SOFC燃料质量流速的约35％至约65％。在一些实施方案中，第一运行SOFC燃料质量流速为SOFC系统100的满负载下的SOFC燃料质量流速的约50％。
在某些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速递增地增加到第一运行SOFC燃料质量流速，同时相应地减小转换燃料质量流速并且同时相应地增加提供给电负载的电力的大小，以将燃料利用率保持在运行模式燃料利用率范围内。在一些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速增加到第一运行SOFC燃料质量流速，其增量为SOFC系统100满载时的SOFC燃料质量流速的约1％至约10％。在一些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速增加到第一运行SOFC燃料质量流速，其增量为SOFC系统100满载时的SOFC燃料质量流速的约2％至约5％。在一些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速增加到第一运行SOFC燃料质量流速，其增量为SOFC系统100满载时的SOFC燃料质量流速的约3％。SOFC燃料质量流速逐渐增加到第一运行SOFC燃料质量流速，这使得控制器190能够控制转换燃料流量控制装置104a和SOFC单元180，以使燃料利用率充分保持在运行模式燃料利用率范围内。
在发电期间，需要SOFC燃料质量流速的小幅增加以维持目标条件的蒸汽与碳比率，从而用于SOFC燃料的内部重整。SOFC单元180的电流也以同步的方式增加，以产生更多电力。将产生更多蒸汽，其在阳极回路中再循环，以(重新)建立目标蒸汽与碳比率。SOFC单元180电流增加的增量落后于SOFC燃料质量流速增加的增量越多，蒸汽与碳比率低于稳态目标就越多，这倾向于使系统温度升高到高于期望的温度范围。相反，如果SOFC单元180的电流增加的增量比SOFC燃料质量流速增加的增量的增加更快，则在SOFC单元180的出口附近的阳极处可能发生燃料不足，进而引起氧化或其他劣化机制。
在装载SOFC单元180的正常过程中，稳态蒸汽与碳比率足够(≥2.3)，以防止上述不利影响。然而，优选的是，在SOFC单元180负载的增量增加期间，蒸汽与碳比率更高，并且永远不会减少，甚至不会瞬间减少。因此，为了改善SOFC燃料质量流速和SOFC单元180电流的同步增加，通常这样执行SOFC燃料质量流速增量：通过以短的时间间隔略微引导SOFC单元180电流负载的增量增加，以容许在流量控制装置增加后增加的SOFC燃料流量到达燃料电池位点所需的时间，以及阳极气体(SOFC燃料和转换气体)在SOFC燃料流量控制装置106a和燃料电池之间穿过管道的控制响应和停留时间。在SOFC单元180的卸载期间执行该SOFC燃料增加引导过程的逆向。这种引导步骤的过程最大限度地减少了蒸汽与碳比率和燃料利用率偏离其目标范围的瞬时偏差。
上述过程，其中SOFC燃料质量流速的增加略微导致SOFC单元180电流增加(或对于卸载反之亦然)在上述RCB转换中不需要，因为RCB和SOFC燃料质量流速增加二者中的步骤要小得多。换句话说，当系统化学达到新的稳定状态时，在不降低RCB的情况下SOFC燃料质量流速增加将不会产生碳形成(即，在燃料添加后，在阳极回路周围的阳极气体的再循环流已经具有足够的时间，使得沿着流动路径的任何点处的组成不再随时间变化)。然而，在SOFC燃料质量流速逐步增加之前，可能需要降低RCB。
在其他实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速增加到第一运行SOFC燃料质量流速，同时减小转换燃料质量流速和增加提供给电负载300的电力的大小中的至少一个，以使燃料利用率保持在运行模式燃料利用率范围内。例如，SOFC系统100可以仅降低转换燃料质量流速，同时将SOFC燃料质量流速增加到第一运行SOFC燃料质量流速，或者可以仅增加所提供的电力的大小，同时将SOFC燃料质量流速增加到第一次运行SOFC燃料质量流速。
在SOFC燃料质量流速达到第一运行SOFC燃料质量流速之后，SOFC系统100停止向SOFC系统的阳极回路提供转换燃料，如方块606所示，以停止向SOFC单元180的阳极侧供应转换燃料。在一些实施方案中，当已经达到第一运行SOFC燃料质量流速时，可以将转换燃料减小到小的可控值。例如，控制器190控制转换燃料流量控制装置104a以停止将转换燃料从转换燃料源104提供到SOFC系统100的阳极回路中。
当转换气体已经关闭，或者可以在任何时间关闭时，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速增加到第二运行SOFC燃料质量流速，同时增加提供给电负载300的电力的大小，以将燃料利用率维持在运行模式燃料利用率范围内，如方块608所示。例如，响应于转换燃料质量流速达到零，控制器190控制SOFC燃料流量控制装置106a，以将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速增加到第二运行SOFC燃料质量流速，同时控制SOFC单元180，以增加提供给电负载300的电力的大小。在该示例性实施方案中，第二运行SOFC燃料质量流速高达SOFC系统100满载时的SOFC燃料质量流速的约100％。
在某些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速递增地增加到第二运行SOFC燃料质量流速，同时相应地增加提供给电负载300的电力的大小，以将燃料利用率保持在运行模式燃料利用率范围内。在一些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速增加到第二运行SOFC燃料质量流速，增量为SOFC系统100满载时的SOFC燃料质量流速的约1％至约10％。在一些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速增加到第二运行SOFC燃料质量流速，增量为SOFC系统100满载时的SOFC燃料质量流速的约2％至约5％。在一些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速增加到第二运行SOFC燃料质量流速，增量为SOFC系统100满载时的SOFC燃料质量流速的约3％。这确保了SOFC燃料质量流速逐渐增加到第二运行SOFC燃料质量流速，使得控制器190能够控制SOFC单元180，以将燃料利用率充分地保持在运行模式燃料利用率范围内，这产生最佳电转换效率，且同时始终保持足够的蒸汽与碳比率。在一些实施方案中，如上所述，SOFC燃料质量流速的增加可略微导致SOFC单元180电流负载的增加。
此时，SOFC系统100处于运行模式，并且SOFC系统100控制SOFC燃料质量流速和/或提供给电负载300的电力的大小，以将燃料利用率保持在运行模式燃料利用率范围内，如方块610所示，直到接收到转换到另一运行模式的指令(例如，电力就绪的热待机模式或关闭模式)。例如，控制器190控制SOFC燃料流量控制装置106a(以控制SOFC燃料质量流速)和SOFC单元180(以控制提供给电负载300的电力的大小)中的至少一个，以保持燃料利用率在运行模式燃料利用率范围内。
在运行模式中，阴极150将氧化剂中的氧还原成氧离子，氧离子通过电解液170扩散到阳极160中。阳极160氧化SOFC燃料，其释放出流过电负载300的电子。氧化剂流量控制装置102a可根据需要控制氧化剂质量流速，以支持从SOFC单元180汲取的电力。在一些实施方案中，氧化剂流量控制装置102a控制氧化剂质量流速为满负载氧化剂质量流速的50％至100％之间。
3.4从运行模式转换为电力就绪的热待机模式
图7是示出运行SOFC系统100以将SOFC系统100从运行模式转换到待机模式的方法700的流程图。在各种实施方案中，存储在控制器190的存储器中并由控制器190的CPU执行的指令表示方法700。尽管关于图7中所示的流程图描述了方法700，但是也可以采用执行下面描述的动作的其他方法。在某些实施方案中，块以其中它们被示出的顺序执行，而在其他实施方案中，块可以不同的顺序执行。
方法700响应于控制器190接收输入(例如经由输入设备来自操作者)而开始，该输入包括开始将SOFC系统100从运行模式转换到电力就绪的热待机模式的指令。在响应中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第二运行SOFC燃料质量流速降低到第一运行SOFC燃料质量流速，同时降低提供给电负载300的电力的大小，以将燃料利用率保持在运行模式燃料利用率范围内，如方块702所示。例如，控制器190控制SOFC燃料流量控制装置106a以将SOFC燃料质量流速从第二运行SOFC燃料质量流速降低到第一运行SOFC燃料质量流速，同时控制SOFC单元180，以降低提供给电负载300的电力的大小。
在某些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第二运行SOFC燃料质量流速递减到第一运行SOFC燃料质量流速，同时相应地降低提供给电负载300的电力的大小，以将燃料利用率保持在运行模式燃料利用率范围内。在一些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第二运行SOFC燃料质量流速逐渐降低到第一运行SOFC燃料质量流速，递减量为SOFC系统100满载时的SOFC燃料质量流速的约1％至约10％。在一些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第二运行SOFC燃料质量流速逐渐降低到第一运行SOFC燃料质量流速，递减量为SOFC系统100满载时的SOFC燃料质量流速的约2％至约5％。在一些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第二运行SOFC燃料质量流速逐渐降低到第一运行SOFC燃料质量流速，递减量为SOFC系统100满载时的SOFC燃料质量流速的约3％。这种递减降低确保了SOFC燃料质量流速逐渐降低到第一运行SOFC燃料质量流速，使得控制器190能够控制SOFC单元180，以使燃料利用率充分地保持在运行模式燃料利用率范围内。如上所述，SOFC单元180的电流负载可以在SOFC燃料质量流速在同一步骤中降低之前稍微降低一个增量步骤。
在SOFC质量流速达到第一运行SOFC燃料质量流速之后，SOFC系统100开始将转换燃料提供到SOFC系统100的阳极回路中，以将转换燃料供应到SOFC单元180的阳极侧，如方块704所示。例如，控制器190控制转换燃料流量控制装置104a，以从转换燃料源104接收转换燃料，并在转换燃料质量流速下将转换燃料提供到SOFC系统100的阳极回路中(如上所述)。所使用的转换燃料量以小的可控值开始，随着SOFC燃料质量流速和SOFC单元180电流减小，该可控值以增量增加。最终，转换燃料流速将达到大于所用的值。最终转换燃料流速更高-等于先前已经转换掉的RCB的速率。
在开始向SOFC系统100的阳极回路提供转换燃料之后，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速降低到电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速，同时增加转换燃料质量流速；并且在减小提供给电负载300的电力的大小的同时将燃料利用维持在运行模式燃料利用率范围内，如方块706所示。例如，控制器190控制SOFC燃料流量控制装置106a，以将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速降低到电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速，同时控制转换燃料流量控制装置104a，以增加转换燃料质量流速；并且同时控制SOFC单元180以减小提供给电负载300的电力的大小。在该示例性实施方案中，电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速为SOFC系统100满负载下的SOFC燃料质量流速的约1％至约10％。在其他实施方案中，电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速为在SOFC系统100的满负载下的SOFC燃料质量流速的约3％。
在某些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速递减到电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速，同时相应地增加转换燃料质量流速；并且同时相应地减小提供给电负载300的电力的大小，以将燃料利用率保持在运行模式燃料利用率范围内。在某些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速降低到电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速，递减量为SOFC系统100满载时的SOFC燃料质量流速的约1％至约10％。在其他实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速降低到电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速，递减量为SOFC系统100满载时的SOFC燃料质量流速的约2％至约5％。在其他实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速降低到电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速，递减量为SOFC系统100满载时的SOFC燃料质量流速的约3％。SOFC燃料质量流速的这种递减确保SOFC燃料质量流速逐渐降低到电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速，这使得控制器190能够控制转换燃料流量控制装置104a和SOFC单元180，以将燃料利用率保持在运行模式燃料利用率范围内。
在其他实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速降低到电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速，同时增加转换燃料质量流速并且减小提供给电负载300的电力的大小中的至少一个，以将燃料利用率保持在运行模式燃料利用率范围内。例如，SOFC系统100可以仅增加转换燃料质量流速，同时将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速降低到电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速，或者可以仅减少所提供的电力的大小，同时将SOFC燃料质量流速从第一运行SOFC燃料质量流速降低到电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速。
在SOFC燃料质量流速达到电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速之后，SOFC系统100停止向电负载300提供电力，如方块708所示。例如，响应于SOFC燃料质量流速达到电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速，控制器190控制SOFC单元180以停止向电负载300提供电力。
在SOFC单元180停止发电时，必须接通热源185，以便提供更换维持SOFC单元180的温度的电损耗所需的热输入。可以调节来自热源185的热输入，以控制SOFC单元180的冷却速率。
3.5从电力就绪的热待机模式转换到关闭模式
图8是示出运行SOFC系统100以将SOFC系统100从电力就绪的热待机模式转换到关闭模式的方法800的流程图。在各种实施方案中，存储在控制器190的存储器中并由控制器190的CPU执行的指令表示方法800。尽管图8中所示的流程图描述了方法800，但是也可以采用执行下面描述的动作的其他方法。在某些实施方案中，块以其中它们被示出的顺序执行；而在其他实施方案中，块可以不同的顺序执行。
在停止向电负载300应用电力之后，SOFC系统100开始将RCB应用到SOFC单元180，如方块802所示。例如，控制器190控制电源200以将RCB应用到SOFC单元180。初始RCB配置为将燃料利用率从运行燃料利用率范围降低至75％的燃料利用率。随着SOFC燃料质量流速递减到零，RCB逐渐增加，导致燃料利用率为50％。
SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速减小到零，从而在一系列增量步骤中停止向SOFC单元180的阳极侧供应SOFC燃料，同时增加转换燃料质量流速。在一些实施方案中，转换燃料质量流速可以具有更高的值，同时SOFC燃料质量流速减小到零。此外，SOFC系统100增加RCB的大小以将燃料利用率降低到阳极保护燃料利用范围内，如方块804所示。例如，控制器190控制SOFC燃料流量控制装置106a，以将SOFC燃料质量流速从电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速减小到零，同时控制转换燃料流量控制装置104a，以增加转换燃料质量流速；并且在控制电源200的同时增加RCB的大小，以将燃料利用率降低到阳极保护燃料利用率范围内。
在一些实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速递减到零，同时相应地增加转换燃料质量流速并且同时相应地增加RCB的大小，以使燃料利用率降低至阳极保护燃料利用率范围内。在一些实施方案中，SOFC系统100以SOFC系统100满载下的SOFC燃料质量流速的约0.2％至约2％的增量降低SOFC燃料质量流速，直到燃料利用率降低至零。在一些实施方案中，SOFC系统100以SOFC系统100满载下的SOFC燃料质量流速的约0.4％至约1％的增量降低SOFC燃料质量流速，直到燃料利用率降低至零。用于递减SOFC燃料同时转换RCB的步骤数量通常为5，SOFC燃料的总增加量为2％，但可以在1％到10％之间变化。这确保了从电力就绪的热待机范围内的燃料利用率逐渐降低到阳极保护燃料利用率范围内。在一些实施方案中，SOFC燃料质量流速以0.6％的增量从设计的满载SOFC燃料质量流速的3％降低至0％。
在其他实施方案中，SOFC系统100将SOFC燃料质量流速从电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速降低到零，同时增加转换燃料质量流速和RCB的大小中的至少一个，直到燃料利用率降低到阳极保护燃料利用率范围内。例如，SOFC系统100可以仅增加转换燃料质量流速，同时将SOFC燃料质量流速从电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速减小到零；或者可以仅增加RCB的大小，同时将SOFC燃料质量流速从电力就绪的热待机SOFC燃料质量流速降低到零。
此时，SOFC系统控制转换燃料质量流速和/或RCB的大小，以将燃料利用率保持在阳极保护燃料利用率范围内，如方块806所示。例如，控制器190控制转换燃料流量控制装置104a(以控制转换燃料质量流速)和/或控制电源200(以控制RCB的大小)，以将燃料利用率保持在阳极保护燃料利用率范围内。在关闭/冷却期间，必须保持阳极保护燃料利用率，以保护阳极免于在较高运行温度下发生快速氧化。
通过应用RCB和提供转换气体，将燃料利用率维持在阳极保护范围内，SOFC系统100可以开始冷却过程。SOFC系统100使SOFC单元180能够从运行温度冷却，同时控制RCB的大小以将燃料利用率保持在待机模式燃料利用率范围内，如方块808所示。在一些实施方案中，转换气体保持在比用于电气加载/卸载SOFC单元180和转换RCB开启/关闭时所用的值更低的值。例如，控制器190控制电源200以控制RCB的大小，以将燃料利用率保持在待机模式燃料利用率范围内，同时控制热源185和/或氧化剂流量控制装置102a，以使SOFC单元180能够冷却。
在一些实施方案中，氧化剂质量流速可以保持在满载设计的氧化剂质量流速的约65-90％。在一些实施方案中，氧化剂质量流速可以保持在满载设计的氧化剂质量流速的约70-80％。在一些实施方案中，氧化剂质量流速可以保持在满载设计的氧化剂质量流速的约75％。在一些实施方案中，氧化剂质量流速为满载时的氧化剂质量流速的50％至100％。
SOFC系统100监测SOFC单元温度，以确定其是否已达到保护温度(其可称为“预定温度”)，如菱形810所示。例如，控制器190监测SOFC单元温度以确定其是否已达到保护温度。在一些实施方案中，保护温度在约450摄氏度和约750摄氏度之间。在一些实施方案中，保护温度在约450摄氏度和约750摄氏度之间。在一些实施方案中，保护温度在约550摄氏度和约750摄氏度之间。在一些实施方案中，保护温度在约600摄氏度和约650摄氏度之间。在一些实施方案中，保护温度为约650摄氏度。
一旦SOFC系统在菱形810处确定SOFC单元温度已达到保护温度，则SOFC系统100停止向SOFC系统100的阳极回路提供转换燃料，以停止向SOFC单元180的阳极侧供应转换燃料并且停止将RCB应用到SOFC单元180，如方块812所示。例如，响应于确定SOFC单元温度已经达到保护温度，控制器190控制转换燃料流量控制装置104a，以停止将转换燃料从转换燃料源104提供到SOFC系统的阳极回路中，并控制电源200停止将RCB应用到SOFC单元180。这使得空气能够渗透SOFC单元，使得当SOFC单元从保护温度冷却到氧化温度(例如，约400摄氏度到约500摄氏度)时，阳极可以氧化。也就是说，由于在阳极处不存在消耗从阴极流出的O2的SOFC或转换燃料，因此，O2使阳极氧化。与阳极被允许从较高的运行温度氧化到氧化温度时发生的氧化相比，这种从保护温度到氧化温度的受控氧化在阳极中的Ni上形成薄的保护性氧化物层。由于保护性氧化物层相对较薄，因此与阳极被允许从较高的运行温度氧化到氧化温度发生的体积变化(因此形成相对较厚的保护性氧化物层)相比，当其从Ni被氧化到NiO时，体积变化较小。这意味着阳极可以耐受氧化循环和再还原循环而不发生燃料电池性能劣化。
在一些实施方案中，SOFC系统100停止将转换燃料提供到SOFC系统100的阳极回路中，并且同时停止将RCB应用到SOFC单元180。在一些实施方案中，SOFC系统100依次地或以其它顺序进行上述操作。在一些实施方案中，一旦SOFC单元温度达到特定值(例如，600摄氏度)，则SOFC系统100就停止提供RCB。在一些实施方案中，一旦SOFC单元温度达到特定值(例如，650摄氏度)，则SOFC系统100就停止向SOFC单元180提供转换燃料。
然后，SOFC系统100使SOFC单元冷却到环境温度，如方块814所示。例如，控制器190控制热源185和/或氧化剂流量控制装置102a，以使SOFC单元180能够以预定速率冷却。在一些实施方案中，预定速率为每分钟约1至约10摄氏度。在一些实施方案中，预定速率为每分钟约1至约5摄氏度。在一些实施方案中，预定速率为每分钟约3摄氏度。
3.6从运行模式转换到关闭模式
图9是示出运行SOFC系统100以将SOFC系统100从运行模式转换到关闭模式的方法900的流程图。在各种实施方案中，存储在控制器190的存储器中并由控制器190的CPU执行的指令表示方法900。尽管图9中所示的流程图描述了方法900，但是也可以采用执行下面描述的动作的其他方法。在一些实施方案中，方块和/或菱形以其中它们被示出的顺序进行，而在其他实施方案中，方块和/或菱形也可以不同的顺序进行。该方法900描述了由于某些系统故障导致的紧急关闭，该系统故障需要立即启动关闭模式以确保安全或保护资产(燃料电池)。该系统故障要求立即停止向SOFC单元180提供SOFC燃料。停止SOFC燃料的提供需要停止SOFC单元180发电。
方法900响应于控制器190接收输入(例如经由输入设备来自操作者)而开始，该输入包括开始将SOFC系统100从运行模式转换到关闭模式的指令。作为响应，SOFC系统100停止向电负载300提供电力，如方块902所示，并且将SOFC燃料质量流速减小到零以停止将SOFC燃料供应到SOFC单元180的阳极侧，如方块904所示。例如，控制器190控制SOFC单元180以减小提供给电负载300的电力的大小，并控制SOFC燃料流量控制装置106a以将SOFC燃料质量流速降低到零。这些步骤可以任何顺序同时或依次执行。
然后，SOFC系统100开始将RCB应用到SOFC单元180，如方块906所示，并开始向SOFC单元180的阳极侧提供转换燃料，如方块908所示。例如，控制器190控制电源200以将RCB应用到SOFC单元180，并控制转换燃料流量控制装置104a，以从转换燃料源104接收转换燃料并将转换燃料以转换燃料质量流速提供到SOFC系统100(如上所述)。在一些实施方案中，转换燃料质量流速处于较低值以节省其使用。虽然在该示例性实施方案中同时执行这些步骤，但在其他实施方案中也可以依次(或以任意顺序)执行这些步骤。
SOFC系统100控制RCB的大小以将燃料利用率降低到阳极保护燃料利用率范围内，如方块910所示。例如，控制器190控制转换燃料流量控制装置104a(以控制转换燃料质量流速)和/或控制电源200(以控制RCB的大小)，以将燃料利用率降低到阳极保护燃料利用率范围内。
SOFC系统100使SOFC单元180能够从运行温度冷却，同时控制RCB的大小和/或转换燃料质量流速以将燃料利用率保持在阳极保护燃料利用率范围内，如方块912所示。例如，控制器190控制电源200以控制RCB的大小，从而将燃料利用率保持在热待机模式燃料利用率范围内，同时控制热源185和/或氧化剂流量控制装置102，以使SOFC单元180能够冷却。
SOFC系统100监测SOFC单元温度以确定其是否已达到保护温度，如菱形914所示。例如，控制器190监测SOFC单元温度以确定其是否已达到保护温度。在该示例性实施方案中，保护温度在约450摄氏度至约750摄氏度之间。在其他实施方案中，保护温度在约550摄氏度至约750摄氏度之间。在其他实施方案中，保护温度在约600摄氏度至约650摄氏度之间。
一旦SOFC系统在菱形914处确定SOFC单元温度已达到保护温度，则SOFC系统100停止向SOFC系统100的阳极回路提供转换燃料，以停止向SOFC单元180的阳极侧供应转换燃料并且停止将RCB应用到SOFC单元180，如方块916所示。这使得空气能够渗透SOFC单元180，使得当SOFC单元冷却至环境温度时，阳极可以氧化。例如，响应于确定SOFC单元温度已经达到保护温度，控制器190控制转换燃料流量控制装置104a，以停止将转换燃料从转换燃料源104提供到SOFC系统100的阳极回路中，并控制电源200，以停止将RCB应用到SOFC单元180。
在某些实施方案中，SOFC系统100停止向SOFC单元180的阳极侧提供转换燃料并同时停止将RCB应用到SOFC单元。在其他实施方案中，SOFC系统100依次地或以任何顺序进行上述操作。在各种实施方案中，一旦SOFC单元温度达到特定值(例如，600摄氏度)，则SOFC系统100就停止应用RCB。在其他实施方案中，一旦SOFC单元温度达到特定值(例如，650摄氏度)，则SOFC系统100就停止向SOFC单元180提供转换气体。
然后，SOFC系统100使SOFC单元冷却到环境温度，如方块918所示。例如，控制器190控制热源185和/或氧化剂流量控制装置102a，以使SOFC单元180能够以预定速率冷却。在一些实施方案中，预定速率为每分钟约1至约10摄氏度。在一些实施方案中，预定速率为每分钟约1至约5摄氏度。在其他实施方案中，预定速率为每分钟约3摄氏度。过高的冷却速率会导致热开裂引起的电池堆损坏。
对于本领域技术人员而言，对本文描述的实施方案进行各种修改是显而易见的。可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行这些修改，并且不会减少其预期的优点。本申请所附的权利要求旨在涵盖这些改变和修改。

Claims (17)

1.一种使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的方法，
所述燃料电池系统包括：
-燃料电池堆，其包括：
■多个固体氧化物燃料电池，每个固体氧化物燃料电池包括阳极、阴极和电解质；
-阳极回路，其包括：
■整体式燃料添加流路，其包括燃料供应歧管、燃料排出歧管、以及与所述燃料供应歧管和所述燃料排出歧管流体连通的一个或多个燃料添加通道，其中每个阳极暴露于在一个或多个所述燃料添加通道中流动的燃料；
■阳极喷射器，其具有燃料供应输入、燃料再循环输入和组合的燃料输出；
■燃料再循环管道，其与所述阳极喷射器燃料再循环输入和所述整体式燃料添加流路燃料排出歧管流体连通；和
■组合的燃料供应管道，其与所述阳极喷射器的组合的燃料输出和所述整体式燃料添加流路燃料供应歧管流体连通；
-燃料供应管道，其与所述阳极喷射器燃料供应输入流体连通；
-SOFC燃料源，其与所述燃料供应管道流体连通；
-转换燃料源，其与所述燃料供应管道流体连通；
-阴极回路，其包括：
■整体式氧化流路，其包括氧化剂供应歧管、氧化剂排出歧管、以及与所述氧化剂供应歧管和所述氧化剂排出歧管流体连通的一个或多个氧化通道，其中每个阴极暴露于在一个或多个氧化通道中流动的氧化剂；
■阴极喷射器，其具有氧化剂供应输入、氧化剂再循环输入和组合的氧化剂输出；
■氧化剂再循环管道，其与所述阴极喷射器氧化剂再循环输入和所述整体式氧化流路氧化剂排出歧管流体连通；
■组合的氧化剂供应管道，其与所述阴极喷射器的组合的氧化剂输出和所述整体式氧化流路氧化剂供应歧管流体连通；和
■热源，其被设置以加热在所述阴极回路中流动的氧化剂；
-氧化剂供应管道，其与所述阴极喷射器氧化剂供应输入流体连通；和
-氧化剂源，其与所述氧化剂供应管道流体连通；
所述方法将所述燃料电池系统从具有还原状态的阳极的热待机模式转换为电力就绪的热待机模式，在所述具有还原状态的阳极的热待机模式中：
-氧化剂在热待机温度下流过阴极回路；
-在所述阳极回路中没有SOFC燃料流动；
-反向电流偏置应用到燃料电池堆；
-转换燃料以相对低的质量流速流入阳极回路中；和
-阳极燃料利用率为35％至65％；
在所述电力就绪的热待机模式中：
-氧化剂在热待机温度下流过所述阴极回路；
-SOFC燃料以满载质量流速的2％至5％的质量流速流入阳极回路中；
-转换燃料以相对较高的质量流速流入阳极回路中；
-没有反向电流偏置应用到所述燃料电池堆；和
-阳极燃料利用率为35％至90％；
所述转换方法包括：
-保持氧化剂流过阴极回路；
-通过控制流过所述阴极回路的氧化剂的质量流速和温度来控制燃料电池堆的温度；
-使SOFC燃料以逐渐增加的质量流速流入阳极回路中，直到电力就绪的热待机中的质量流速为满载质量流速的1％至5％；
-使转换燃料以相对高的质量流速流入阳极回路中；
-施加递减的反向电流偏置，同时逐渐增加SOFC燃料的质量流速，直到反向电流偏置为零，并且SOFC燃料进入阳极回路的质量流速在电力就绪的热待机范围内；和
-通过控制反向电流偏置的大小，或控制转换燃料的质量流速和SOFC燃料进入阳极回路的质量流速，来控制阳极燃料利用率；
其中，所述转换燃料源是转换燃料的来源，所述转换燃料源为包含至少一种可还原化合物的还原气体混合物。
2.如权利要求1所述的方法，其包括当SOFC燃料进入阳极回路的质量流速同时增加到满载质量流速的3％时，将进入燃料电池堆的反向电流偏置降低到零。
3.如权利要求2所述的方法，其包括以小于满载质量流速的1.5％的增量将流入阳极回路中的SOFC燃料的质量流速从零逐渐增加到满载质量流速的3％。
4.如权利要求3所述的方法，其包括以满载质量流速的0.6％的增量将流入阳极回路中的SOFC燃料的质量流速从零逐渐增加到满载质量流速的3％。
5.如权利要求1所述的方法，其包括以小于满载质量流速的1.5％的增量将流入阳极回路中的SOFC燃料的质量流速从零逐渐增加到电力就绪的热待机范围内。
6.如权利要求5所述的方法，其包括以满载质量流速的0.6％的增量将流入阳极回路中的SOFC燃料的质量流速从零逐渐增加到电力就绪的热待机范围内。
7.如权利要求1所述的方法，其包括将阳极燃料利用率控制在50％。
8.如权利要求1所述的方法，其包括将阳极燃料利用率提高到80％。
9.如权利要求1所述的方法，其还包括通过控制反向电流偏置的大小或流入阳极回路的转换燃料的流动来控制阳极燃料利用率。
10.如权利要求1所述的方法，其包括将所述阴极回路中的氧化剂的流速保持为全负载质量流速的50％。
11.如权利要求1所述的方法，其包括将所述燃料电池堆的温度保持在800℃至100℃的热待机温度。
12.如权利要求11所述的方法，其包括将所述燃料电池堆的温度保持在850℃的热待机温度。
13.一种在燃料电池系统的运行模式之间进行转换的方法，所述燃料电池系统具有包括多个固体氧化物燃料电池的燃料电池堆，每个燃料电池包括由电解质隔开的阳极和阴极，用于向阳极提供燃料的阳极回路；以及用于向阴极提供氧化剂的阴极回路；其中在转换开始时，燃料电池系统的状态包括：
氧化剂在800℃-1000℃的温度下流过阴极回路；
没有SOFC燃料流入阳极回路；
反向电流偏置应用到燃料电池堆；
转换燃料以相对低的质量流速流入阳极回路；和
阳极燃料利用率为35％至65％；
其中在转换结束时，燃料电池系统的状态包括：
氧化剂在800℃-1000℃的温度下流过阴极回路；
SOFC燃料以满载质量流速的3％的质量流速流入所述阳极回路；
转换燃料以相对高的质量流速流入阳极回路；
没有反向电流偏置应用到所述燃料电池堆；和
阳极燃料利用率为35％至90％；
所述方法包括：
使氧化剂以满载质量流速的50％至100％的质量流速流过所述阴极回路；
通过控制流过阴极回路的氧化剂的质量流速和温度，将燃料电池堆的温度控制在800℃至1000℃；
使SOFC燃料以逐渐增加的质量流速流入阳极回路，直到质量流速为满载质量流速的3％；
使转换燃料以相对高的质量流速流入阳极回路；
将递减的反向电流偏置应用于燃料电池堆，同时逐渐增加SOFC燃料的质量流速，使得当SOFC燃料的质量流速为满载质量流速的3％时，反向电流偏置为零；和
通过控制反向电流偏置的大小，或控制转换燃料的质量流速和进入阳极回路的SOFC燃料的质量流速，将阳极燃料利用率控制在35％至90％的范围内；
其中，所述转换燃料来源于转换燃料源，所述转换燃料源为包含至少一种可还原化合物的还原气体混合物。
14.如权利要求13所述的方法，其还包括通过控制流入燃料电池堆的转换燃料的质量流速来控制阳极燃料利用率。
15.如权利要求13所述的方法，其包括以小于满载质量流速的1.5％的增量使流入阳极回路的SOFC燃料的质量流速逐渐增加，直到所述质量流速为满载质量流速的3％。
16.如权利要求15所述的方法，其包括以满载质量流速的0.6％的增量使流入阳极回路的SOFC燃料的质量流速逐渐增加，直到所述质量流速为满载质量流速的3％。
17.一种将燃料电池系统从其中将反向电流偏置在800℃至1000℃的热待机温度下应用到燃料电池的运行模式转换为其中反向电流偏置不再应用到燃料电池的运行模式的方法，该方法包括：
使氧化剂在燃料电池系统的阴极回路中流动；
控制在阴极回路中流动的氧化剂的温度，从而控制燃料电池的温度；
使转换燃料流入燃料电池系统的阳极回路；
使流入燃料电池系统的阳极回路中的SOFC燃料的质量流速逐渐增加，直到所述质量流速为满载质量流速的3％；
向燃料电池堆施加递减的反向电流偏置，同时逐渐增加SOFC燃料的质量流速，使得当SOFC燃料的质量流速为满载质量流速的3％时，反向电流偏置为零；和
通过控制反向电流偏置的大小、或通过控制反向电流偏置的大小和转换燃料的质量流速、或通过控制反向电流偏置的大小和转换燃料的质量流速和SOFC燃料进入阳极回路的质量流速，来将阳极燃料利用率控制在35％至90％的范围内；
其中，所述转换燃料来源于转换燃料源，所述转换燃料源为包含至少一种可还原化合物的还原气体混合物。
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