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CN100454649C - 控制燃料电池组运行的方法及燃料电池组件 - Google Patents

控制燃料电池组运行的方法及燃料电池组件 Download PDF

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CN100454649C CNB2004800311185A CN200480031118A CN100454649C CN 100454649 C CN100454649 C CN 100454649C CN B2004800311185 A CNB2004800311185 A CN B2004800311185A CN 200480031118 A CN200480031118 A CN 200480031118A CN 100454649 C CN100454649 C CN 100454649C
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路易斯·雅玛特
加里·J.·科瓦奇克
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Abstract

本发明涉及控制跟踪负载的固体氧化物燃料电池系统，使得系统中的燃料电池在可接受的电化学反应效率内运行。该系统具有被编程以检测燃料电池组上的负载变化的控制器，当负载减少时，减少电池组的燃料流率或停用电池组中的一个或多个燃料电池，使得电池组在对应于减少的负载的可接受电化学反应效率范围内运行；当负载增加时，控制器增加电池组的燃料流率或启动电池组中的燃料电池，使得电池组在可接受的电化学反应效率范围内运行。

Description

控制燃料电池组运行的方法及燃料电池组件
技术领域
本发明涉及控制固体氧化物燃料电池(SOFC)系统的运行的方法和装置。
背景技术
通常，固体氧化物燃料电池(SOFC)包括一对由陶瓷固相电解质分隔的电极(阳极和阴极)。为在这样的陶瓷电解质中获得足够的离子电导性，SOFC在提高的温度下工作，通常在约700℃到1000℃之间。在典型的SOFC电解质中的材料是完全密集(非多孔)的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，其在高温下是极好的带负电的氧(氧化物)离子的导体。典型的SOFC阳极由多孔镍/氧化锆金属陶瓷制成，而典型的阴极由掺镁的锰酸镧(LaMnO3)或掺锶的锰酸镧(也被称作锰酸锶镧(LSM))制成。在工作中，在阳极上通过的燃料流中的氢或一氧化碳(CO)与通过电解质传导的氧化物离子反应以产生水和/或CO2及电子。电子经外电路从阳极传递到燃料电池的外面，经过电路上的负载，并回到阴极，在阴极来自空气流的氧接收电子并被转化为氧化物离子，其被注入电解质中。SOFC发生的反应包括：
阳极反应：H2+O＝→H2O+2e-
CO+O→CO2+2e-
CH4+4O＝→2H2O+CO2+8e-
阴极反应：O2+4e-→2O＝
已知的SOFC设计包括平面及管状燃料电池。申请人自己的PCT申请PCT/CAO1/00634及PCT/CA03/00059公开了一种通过电泳沉积(EPD)、金属电沉积(MED)和复合电沉积(CED)制作管状固体氧化物燃料电池的方法。燃料电池包括多个同心层，即内电极层、中间电解质层、和外电极层。内电极层和外电极层可分别合适地作为阳极和阴极，在这种情况下，燃料可通过使其通过管而提供给阳极，空气可通过使其在管的外表面上通过而提供给阴极。这两个申请所公开的方法对生产小直径“微型”燃料电池特别有用，其适于向小尺寸应用如便携电子设备供电。
多个燃料电池可在电学和物理上连在一起以形成电池组从而向负载供电。在某些应用中，负载可随时间变化而变化；多种燃料电池系统已被提出，其中由电池组提供的功率跟踪变化的负载。当SOFC组输出跟踪变化的负载时，可能有电池组在不可接受的效率下运行的情况。例如，燃料利用率和燃料电池工作温度将随电池组输出改变而改变，并可能落在可接受工作范围之外。因此，希望提供使负荷跟踪燃料电池组能以有效方式运行的运行策略。这样的运行策略在燃料电池组用于便携式应用时特别重要，因为其中燃料供应是有限的，功率管理是重要考虑因素。
同样，在运行期间，电池组中的燃料电池应被维持在特别的温度范围以提供稳定的功率输出。因此，还需要提供电池组的原厂组件和电池组的运行策略之间的平衡，其将电池组维持在所需工作温度范围内，并维持在其它所需工作参数如效率和燃料利用率的范围之内。
发明内容
根据本发明的一方面，提供控制固体氧化物燃料电池组的运行的方法，其将电池组维持在所选择的效率范围内并将电池组中的燃料电池维持在所选择的工作温度范围内。该方法包括下述步骤：
(a)确定燃料电池组上的负载；
(b)启动燃料电池组中足够数量的燃料电池子组以在所选择的工作效率下提供满足负载的功率，通过将所启动的子组加热到所选择的工作温度并向子组提供足够的燃料和氧化剂以提供满足负载的功率；及
(c)通过燃烧从一个或多个启动的子组流出的未反应燃料加热至少一待用子组，从而将所加热的待用子组维持在备用温度，其中燃烧可发生在每一所加热的待用子组内。
加热所启动的子组可通过从所启动的子组的燃料电池中的电化学反应产生热量并在所启动的子组中燃烧未反应的燃料而实现。
所述方法还可包括确定燃烧所有未反应燃料所需要的启动的子组及加热的待用子组的数量，其后在这些启动的子组及加热的待用子组中燃烧所有未反应的燃料。该过程防止任何未反应的燃料从电池组流出并进入大气中。
所述方法还可包括监视负载。当已检测到负载变化时，通过改变至少一启动的子组的燃料和氧化剂流率而改变电池组功率从而跟踪负载变化。当增加至少一启动的子组的燃料和氧化剂流率未能使电池组功率发生足够变化时，可启动至少一加热的待用子组。
所述方法还可包括监视至少一启动的子组的温度。当子组温度超出所选工作温度范围的温度上限时，减少对该子组的燃料电池的用于燃烧的未反应燃料的供应和/或燃料及氧化剂的供应。相反，当子组温度低于温度范围的温度下限时，增加对该子组的燃料电池的用于燃烧的未反应燃料的供应和/或燃料及氧化剂的供应。
根据本发明的另一方面，提供燃料电池组件，其被配置成可将组件的燃料电池的工作温度维持在所选温度范围之内。燃料电池组件包括多个燃料电池子组，每一子组中具有至少一燃料电池和燃烧器。每一子组中的每一燃料电池均被连到氧化剂供应源和燃料供应源。每一子组中的每一燃料电池还被连到未反应燃料的管道，其依次连到每一子组中的燃烧器。从燃料电池流出的未反应燃料因而流经未反应燃料的管道，并可被导向一个或多个子组中的燃烧器以加热子组。
控制器与控制到燃料电池和燃烧器的燃料流及氧化剂流的执行机构通信。控制器被配置以操作启动的子组中的燃烧器和燃料电池，使得燃料电池和燃烧器产生的热量足以将启动的子组中的燃料电池维持在所选工作温度范围之内。控制器还控制从启动的子组流到启动的子组的燃烧器的未反应燃料流，及控制流到一个或多个待用子组的燃烧器的未反应燃料流以将待用子组加热到备用温度。为控制启动的子组的电输出及热输出，控制器还可被配置以控制流到每一启动的子组中的每一燃料电池的燃料流和氧化剂流。
每一子组中的至少一燃料电池可被嵌入在连续固态多孔泡沫基体中。同样，每一子组中的至少一燃料电池可被封装在绝热外壳中。
除燃烧器之外，燃料电池组件还可包括用于向燃料电池子组提供热量的电阻加热元件。电阻元件连接到电源并邻近燃料电池子组放置。
附图说明
图1为具有四个独立可控子组的微型SOFC组实施例的反应物管路示意图，其示出了SOFC组中的燃料流和氧化剂流连接。
图2(a)和(b)为图1所示SOFC组的子组之一的示意详图，图2(a)所示为具有氢燃烧器加热元件的子组，图2(b)所示为具有电阻加热元件的子组。
图3为图1的SOFC组的控制器示意图，其示出了控制器与子组的敏感器和执行机构及燃料电池系统中其它组件之间的通信连接。
图4为示出由控制器执行的负荷跟踪运行策略的控制器工作流程图。
图5为示出由控制器执行的温度管理策略的控制器工作流程图。
图6为示出由控制器执行的子组关机过程的控制器工作流程图。
具体实施方式
参考图1并根据本发明的一实施例，燃料电池系统1包括微型SOFC组10，其包括多个微型管状固体氧化物燃料电池12。这些燃料电池12具有0.5mm到5mm之间的直径并根据申请人在PCT申请PCT/CAO1/00634和PCT/CA03/00059公布的方法制造。然而，如果情况需要，也可提供采用同一或不同技术制造的、具有微型或更大燃料电池的燃料电池系统。具体地，燃料电池12具有三个同心密切接触的管状层，即：多孔电子及离子传导的阳极内层、密集陶瓷电解质中间层、及多孔电子及离子传导的阴极外层。
燃料电池12被分组为多个子组14。在该实施例中，电池组10包括四个子组14，每一子组分别具有2、3、3和4个燃料电池12。然而，子组14的数量和每一子组14中燃料电池12的数量可根据系统的功率要求而变化。子组14在电池组10中电学上串联连接；可选地，子组14可电学上并联连接，或并联和串联相结合(二者均未示出)。电池组10具有一对引线(未示出)，其连接到DC负载如膝上型计算机并向DC负载提供直流电。可选地，当系统1欲用于向A/C电设备供电时，系统1可包括连到电池组引线的DC/AC转换器(未示出)。
参考图2(a)和(b)，每一子组14具有绝热氧化剂室16，氧化剂室具有氧化剂供给口18和氧化剂排出口20。氧化剂室16可由Aspen气凝胶材料制成以提供合适的热绝缘。氧化剂供给管道21连接到氧化剂供给口18。氧化剂可以是空气。如申请人的PCT申请PCT/CA03/00216所公布的那样，燃料电池12嵌入在固态多孔泡沫基体22内。基体22由导电材料制成，因而可用于在反应的阴极侧聚集电流，并对燃料电池12提供机械支撑。或者，燃料电池12可用现有技术中已知的其它手段如衬垫(未示出)固定在氧化剂室16内的适当位置。每一燃料电池12具有燃料入口端和燃料出口端；燃料供给管道23连接到每一燃料电池12的燃料供给端，燃料排出管道24连到每一燃料电池12的燃料排出端。或者，燃料电池可以是单端燃料电池(未示出)，在这种情况下，燃料供给和排出管道23、24均连接到燃料电池12的开口端。
燃料可以是气态氢。然而，其它液相或气相形式的燃料也可用以取代，如：甲醇、丁烷、天然气及其它适于SOFC使用的、现有技术中已知的碳氢化合物。加热元件26位于每一氧化剂室16之内并用于将燃料电池12加热到约500-850℃之间的适当工作温度，最好在约750-850℃之间，特别是在启动期间，以将所述燃料电池12维持在该温度范围内。图2(a)中所示的加热元件26为氢燃烧器26。燃烧器26连接到未反应燃料的管道27，其接收从燃料电池12排出的未反应的燃料。
重新参考图1，每一燃料电池12的燃料排出管道24连到未反应燃料的管道27。未反应燃料的管道27具有公共总管，其从每一燃料排出管道24接收未反应的燃料。公共总管具有多个集管，每一集管连到燃烧器26之一，且控制阀60位于每一集管中；每一控制阀60控制从未反应燃料的管道27到每一燃烧器26的未反应燃料流。
每一燃烧器26具有压电点火器(未示出)，其电连接到电源如常规的电化学电池。点火器产生火花，火花点燃通过燃烧器26的未反应燃料；所发生的燃烧产生加热子组14及其中的燃料电池12的热量。燃烧产物及未反应燃料经排出管道58从燃烧器26排出并流出子组14和系统1。这样的氢燃烧器在现有技术中是公知的，因而不再于此详述；合适的已知氢燃烧器的例子为Jeongmin Ahn等人在燃烧学会(the Combustion Institute)学报2004年第30卷中题为“热再循环燃烧器中的气相及催化燃烧”的文章中所述的类型。
或者，如图2(b)中所示，加热元件26可以是电连接到电源的电阻元件。这样的电阻元件可单独工作或与图2(a)中所示的燃烧器26结合以共同向子组14提供热量。
再次参考图1，每一子组14的燃料供给管道23连接到燃料供给容器28。该容器28可以是气态氢压力槽、金属氢化物槽或现有技术中已知的其它合适的氢容器。当氢气在压力下从密闭容器28提供时，不需要氢气泵；然而，如果需要较高的燃料供给压力和/或流率，或燃料未被包含在合适的密闭容器中，则可提供泵(未示出)。
风扇29与氧化剂供给管道21保持不固定的联系，其连接到电源，并在电化学反应需要时将空气吹入每一氧化剂室16中。
电缓冲器(未示出)电连接到燃料电池组10及负载。缓冲器可以是本领域公知的可充电电化学电池；缓冲器在负载增加速度快于燃料电池12可响应的速度时向负载供电，并在燃料电池12产生的功率不足以向控制器32、加热元件26、风扇29及系统1的其它组件供电时用于向这些组件供电。缓冲器可定期或按需由燃料电池12再充电。
阀30安装在每一燃料供给管道23中。每一阀30可单独由控制器32(参见图3)控制并可以是电磁阀，例如。这使每一子组14的燃料供应能得以单独控制。类似地，可控制阀34安装在每一氧化剂供给管道21中以使每一子组14的氧化剂流可被单独控制。主燃料阀36与控制器32联络并位于靠近燃料容器28的燃料供给管道23上。主燃料阀36可以是单向止回阀，当燃料容器28被从系统1中移除时其自动关闭，并当情况指示时如当系统1被关闭或出现紧急情况期间，其也可由控制器32启动以停止来自容器28的燃料流。
参考图3，控制器32从各个敏感器接收数据并通过控制各个执行机构的运行而控制燃料电池系统1的运行。执行机构包括燃料和氧化剂供给管道21、23中的可控制阀30、34、主燃料阀36、燃烧器26、风扇29及缓冲器开关37。缓冲器开关37在闭合时将缓冲器电连接到负载。敏感器包括下述用于每一子组14的敏感器(为了清晰，在图3中仅示出了一个子组14的敏感器)：
电压敏感器40；
电流敏感器42；
温度敏感器46；
燃料流量计48；
氧化剂流量计50；
燃料压力敏感器52；及
氧化剂压力敏感器54。
控制器32还与燃料容器28中的燃料水平敏感器56通信。控制器32还与负载通信。在负载为膝上型计算机时，控制器32与计算机的CPU通信并接收数据，数据可包括膝上型计算机的预期工作时间。为了说明，在本说明书的下面部分中负载将为膝上型计算机；然而，应理解的是，系统1可电连接到任何电力供电的设备。
通常，控制器32被编程以管理燃料电池系统1的运行，使得燃料电池12在可接受的电化学反应效率下并在可接受的工作温度范围内运行。具体地，控制器32被编程以通过将燃料电池12加热到适当的工作温度而启动一个或多个子组14中的燃料电池12，并将所启动的燃料电池12维持在工作温度范围内，还将一个或多个待用燃料电池12维持在合适的备用温度。控制器32还被编程以将子组14的燃料流率维持在目标工作范围内，其使子组14中的燃料电池12能够以可接受的电化学反应效率进行工作。
燃料电池系统1的可接受电化学反应效率范围为60％；可接受的效率范围可随系统不同而不同，这对本领域那些技术人员是显而易见的。尽管希望燃料电池系统1在大于60％的理想效率下运行，但这样的理想效率在现实的燃料电池运行中永远不可能达到。为确定燃料电池系统1在可接受的电化学反应效率范围内运行所要求的工作参数，具体地，为确定可接受的燃料流率，考虑下述用于可逆反应的基本热力学等式：
效率＝功率输出/燃料使用率
再者，燃料电池12的燃料使用率由下面的等式确定：
燃料使用率＝燃料供给×燃料利用
因此，
效率＝功率输出/(燃料供给×燃料利用)
燃料电池系统1的电化学反应效率因而可通过控制至少下述之一进行控制：功率输出、燃料供给和燃料利用。电池组的功率输出由外部负载控制，其可随时间而改变。燃料供给可通过控制燃料电池12的燃料流率进行控制。然而，燃料利用不能被直接控制，因为其取决于燃料电池系统的构造和配置，且必须以经验为主进行确定。因此，当包括所有控制组件的燃料电池系统被建造时，应实施校准程序以确定燃料利用和不同变量之间的关系。
在实际工作条件下，图1所示的系统1的理想燃料利用预计在约80-85％之间。
燃料使用可通过控制燃料供给即燃料电池12的燃料流进行控制。因此，燃料电池系统1的电化学反应效率可通过控制燃料供给进行控制。给定燃料利用和功率输出(由燃料电池系统1上施加的负载确定)，控制器32可计算燃料电池系统1在可接受的电化学反应效率范围内运行所需要的燃料供给范围。当负载变化时，功率输出和燃料利用改变，因而所要求的燃料供给范围也将改变。控制器32因而被编程以确定特定负载的适当燃料供给范围，并调整燃料流率以落在适当的燃料供给范围内。
在启动时，燃料电池12通过首先将氧化剂和燃料经氧化剂和燃料供给管道21、23流到燃料电池12而被启动。当燃料电池12尚未达到其工作温度时，燃料未被反应并流出燃料电池12通过燃料排出管道24流到未反应燃料的管道27，然后流到燃烧器26，之后燃烧器点燃燃料以产生加热燃料电池12的热量。当燃料电池12被加热到约500℃以上的温度时，如本领域中所公知的，发生电化学反应，产生电流，电流被供应给电连接到燃料电池组10的引线的负载。
在系统启动期间，控制器32被编程以执行下述步骤：控制器32从计算机接收启动信号且控制器32通过闭合缓冲器开关37启动缓冲器以立即向计算机供电，确定计算机在缓冲器29上所要求的负载。其后，控制器32确定为提供满足该要求的功率输出而必须启动的子组14的数量，之后打开连到适当数量的所选子组14的燃料和氧化剂流阀30、34，子组14的适当数量通过计算为使燃料流率在对应于所测量负载的可接受燃料供给范围内而需要启动的子组14的数量进行确定，从而达到目标工作效率。控制器32还开动将被启动的所选子组14的燃烧器26，其通过打开相关的控制阀60并开动燃烧器26的相关点火器进行。燃烧器26开始加热氧化剂室16及位于其中的燃料电池12。控制器32监视所启动的子组14内的温度，一旦子组14中的燃料电池12达到约500℃的最小工作温度，燃料电池12中的电化学反应开始且电流被产生。一旦子组14产生足够的、满足所要求的负载的电流，缓冲器26通过断开缓冲器负载开关37而被停用，负载所需功率仅由起作用的子组14提供。
燃料电池12的温度最终将达到750-850℃之间的目标工作温度范围，因为燃烧器26和燃料电池12本身均产生热量。当在使用中时，燃料电池12消耗用于电化学反应的燃料，因而只有较少的未反应燃料到达燃烧器26，从而燃烧器26只产生较少的热量。燃烧器26所减少的热量由电化学反应产生的热量弥补。控制器32被编程以确保燃料电池电化学反应和燃烧器26产生的热量将燃料电池12维持在目标工作温度范围内。控制器32可通过控制燃料电池12和燃烧器26的燃料和氧化剂流率而将燃料电池温度维持在该温度范围之内。具体地，控制器32通过控制风扇29的速度或通过控制氧化剂流阀34而控制氧化剂流率。控制器32通过控制与那些燃料电池12相关的燃料流阀30而控制燃料电池12的燃料流率，及通过控制与那些燃烧器26相关的控制阀60而控制燃烧器26的燃料流率。
例如，如果特定子组14的燃料电池温度接近工作温度范围的上限，控制器26可增加该子组14的冷却，其通过增加子组14的氧化剂流率和/或减少子组中燃料电池12及燃烧器26之一或二者的燃料流率实现，从而减少燃料电池12和/或燃烧器热量输出。控制器26还可通过完全关掉燃烧器26而减少热量输出，其通过使燃烧器26内的点火器停用或停止该燃烧器26的未反应燃料流实现。相反，当特定子组14的燃料电池12需要额外的热量时，控制器32可增加氧化剂和燃料流率以增加电化学反应及相应的热量输出。
期望从启动的子组14的燃料电池12排出的未反应燃料流提供较该子组14的燃烧器26所需更多的燃料以将该子组14维持在目标工作温度范围内。不是将多余的未反应燃料排到大气中，该未反应的燃料可被导向一个或多个待用子组14中的燃烧器以将这些子组14中的燃料电池12维持在提高的“备用”温度。这使得这些子组14中的燃料电池12可比室温的子组更快启动。
备用温度接近但低于燃料电池12内开始电化学反应的最小温度，即在300-500℃之间，最好在约400℃。因此，控制器32确定启动的子组14的燃烧器26所需要的未反应燃料以将启动的子组14维持在目标工作温度，其后驱动调节那些燃烧器26的控制阀60并将适量的燃料传送到那些燃烧器26。接着，控制器32确定使用剩余的未反应燃料可有多少待用子组14能被保持在备用温度，之后，驱动调节那些子组14的控制阀34、60以将氧化剂和燃料传送到那些子组14的燃烧器26。控制器32还可断开热的待用子组14的燃料供给阀及通过那些子组14的燃料电池12的燃料流以阻止其氧化。
燃烧器26被期望能燃烧大多数未反应的燃料。当气态H2用作燃料时，燃烧反应非常快且空气非常充裕，因而未燃烧的H2燃料排放应是零。当使用燃料如甲醇时，未燃烧的燃料量应最少。可选地，为阻止任何未燃烧的燃料释放到大气中，额外的“总”燃烧器(未示出)可被安装在燃烧器26的下游以燃烧任何未被燃烧器26燃烧的燃料。
当需要启动备用子组14时，控制器32增加一个或多个待用子组14的氧化剂流，这使其中的燃烧器26产生更多的热量并将燃料电池12加热到目标工作温度范围内。控制器32接着驱动调节备用子组14的燃料供给阀30，以增加燃料电池12的燃料流。其后电化学反应开始。
当运行期间工作负载改变时，控制器32确定燃料电池工作温度是否必须调节，如果是，进行必要的调节使得电池组输出跟踪负载变化。参考图4，控制器32确定新的工作负载。当负载增加时，控制器32闭合缓冲器开关37从而立即供电以满足新的负载。其后，控制器32确定对应于新工作负载的新的目标工作参数(即燃料流率和子组温度)，并调整瞬时启动的子组14的流率和/或温度，使得燃料流率和温度在对应于新工作负载的目标工作范围内。如果调整不足以使系统1在目标工作范围内，则启动另外的子组14。一旦燃料电池12产生足够的满足新负载的功率，控制器32断开缓冲器开关37。
当负载减少时，则该燃料流率的目标工作范围将减少。控制器32首先驱动调节现用子组14的燃料和氧化剂供给阀30、34以降低到其的燃料和氧化剂流率，从而降低功率输出。如果负载已减少很多使得功率输出的降低导致现用子组在它们的目标效率范围之外，则控制器32使一个或多个子组14停用直到剩下的子组14可有效运行为止。子组通过关闭燃料供给阀30而停用。氧化剂供给阀34和未反应燃料控制阀60可保持打开以使燃烧器26工作并把停用的子组14维持在备用温度。
参考图5，控制器32监视每一子组14中的温度敏感器并采取行动以将子组14保持在目标工作温度范围内，在该实施例中其在750℃和850℃之间。如果任一启动的子组14的温度超出目标温度范围，控制器32首先通过增加风扇29的速度或增加氧化剂供给阀34的开口而增加通过子组14的氧化剂流率。氧化剂流用于通过将热量带出子组14而冷却燃料电池12。如果温度还是超出目标工作范围，控制器32驱动调节控制阀60以减少燃烧器26的燃料流率，从而减少燃烧器26的热输出。如果温度还超出目标温度范围，则控制器32驱动调节燃料供给阀30以减少燃料电池12的燃料流率，这使燃料电池的电及热输出减少；应注意，由于电输出依赖于外部负载，不希望燃料电池12的燃料流率的变化显著改变电输出，但希望其产生很大的热输出变化。可选地，控制阀60可被关闭以完全停止燃烧器的运行。
如果任一启动的子组14的温度下降低于新的目标温度范围，控制器32首先驱动调节燃料和氧化剂供给阀30、34以增加燃料电池12的燃料和氧化剂流率，从而增加燃料电池12的热输出(同时最小程度增加电输出)。额外的燃料流将导致另外的可用未反应燃料，其可经控制阀60传送到燃烧器26以增加燃烧器的热输出并贡献额外的热量。
参考图6，控制器32被编程以关闭子组14，其通过减少子组14的燃料流直到子组中的燃料电池12的电化学反应停止为止实现。当燃料电池12在700℃以上时，燃料流率被减少20％；当燃料电池12下降到700℃以下时，燃料流率再减少10％。当燃料电池12下降到500℃以下时，控制器将燃料流率降低到足以阻止燃料电池12被空气氧化的最低水平，氧化在300℃以上时出现。可选地(未在图6中示出)，当燃料电池12下降到400℃以下时，控制器32启动燃烧器26以将燃料电池12维持在约400℃的备用温度。
在该实施例中，四个子组14中的每一个具有不同数量的燃料电池12(除了第二和第三子组14均具有三个燃料电池12以外)，因而在给定运行条件下产生不同的输出。这使控制器32能选择合适的子组14满足负载所需。然而，子组14的数量和每一子组14中燃料电池12的数量可在本发明范围内根据用户需要变化。
在本发明的优选实施例已图示和描述的同时，应意识到，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可对其进行各种变化。

Claims (23)

1、控制固体氧化物燃料电池组的运行的方法，包括：
(a)确定固体氧化物燃料电池组上的负载；
(b)启动燃料电池组中足够数量的燃料电池子组以在所选择的工作效率下提供满足负载的功率；及
(c)通过燃烧从至少一子组排出的未反应燃料来给至少一待用子组加热，从而将所加热的待用子组维持在备用温度。
2、根据权利要求1的方法，其中启动子组包括将所启动的子组加热到所选择的工作温度并向所启动的子组供应足够的燃料和氧化剂以提供满足负载的功率。
3、根据权利要求2的方法，其中燃烧发生在每一所加热的待用子组内。
4、根据权利要求3的方法，其中加热所启动的子组包括通过所启动的子组的燃料电池中的电化学反应产生热量并在所启动的子组中燃烧未反应的燃料。
5、根据权利要求4的方法，还包括确定燃烧所有未反应燃料所需要启动和加热的待用子组的数量，其后在这些启动并加热的待用子组中燃烧所有未反应的燃料。
6、根据权利要求2的方法，还包括监视负载，当检测到负载变化时，通过改变至少一启动的子组的燃料和氧化剂流率改变电池组功率以跟踪负载变化。
7、根据权利要求6的方法，还包括当增加至少一启动的子组的燃料和氧化剂流率未能使电池组功率发生足够变化时，可启动至少加热的待用子组。
8、根据权利要求2的方法，还包括监视至少一启动的子组的温度，当温度在所选工作温度范围之外时，当温度超出范围的温度上限时，减少用于在所监视的现用子组中燃烧的未反应燃料的供应，当温度低于范围的温度下限时，增加用于在所监视的现用子组中燃烧的未反应燃料的供应。
9、根据权利要求2的方法，还包括监视至少一启动的子组的温度，当温度在所选工作温度范围之外时，当温度超出范围的温度上限时，减少所监视的现用子组的燃料电池的燃料和氧化剂供应，当温度低于范围的温度下限时，增加所监视的现用子组的燃料电池的燃料和氧化剂供应。
10、根据权利要求2的方法，还包括将燃料流到所加热的待用子组中的燃料电池，并使用从加热的待用子组排出的未反应燃料进行燃烧。
11、以所选效率并在工作温度范围内向负载供电的燃料电池组件，包括
(a)多个燃料电池子组，每一子组具有至少一固体氧化物燃料电池和燃烧器，每一子组中的每一燃料电池均被连到氧化剂供应源和燃料供应源；
(b)连到每一子组中的每一燃料电池和燃烧器的未反应燃料的管道，从一子组的燃料电池流出的未反应燃料流经未反应燃料的管道，并被导向一个或多个子组中的燃烧器以加热子组。
12、根据权利要求11的燃料电池组件，还包括控制燃料电池和燃烧器的燃料和氧化剂流的执行机构，及与执行机构通信的控制器，控制器被配置以控制现用子组的燃料电池的燃料和氧化剂流，使得燃料电池在所选效率下工作。
13、根据权利要求11或12的燃料电池组件，还包括控制燃料电池和燃烧器的燃料和氧化剂流的执行机构，及与执行机构通信的控制器，控制器被配置以控制现用子组的燃烧器和燃料电池的燃料和氧化剂流，使得由燃料电池和燃烧器产生的热量足以将燃料电池维持在所选择的工作温度范围内。
14、根据权利要求13的燃料电池组件，其中控制器还被配置以控制从现用子组到现用子组的燃烧器及一个或多个待用子组的燃烧器的未反应燃料流，使得一个或多个待用子组被燃烧器加热到备用温度。
15、根据权利要求11的燃料电池组件，其中每一子组中的至少一燃料电池嵌入在连续固态多孔泡沫基体中。
16、根据权利要求15的燃料电池组件，其中每一子组中的至少一燃料电池封装在绝热外壳中。
17、根据权利要求11的燃料电池组件，还包括连到电源并邻近燃料电池子组置放的电阻加热元件，用于向燃料电池子组提供热量。
18、根据权利要求13的燃料电池组件，其中控制器还被配置以确定燃烧所有未反应的燃料所需要的现用及加热的待用子组的数量，并在这些现用及加热的待用子组中燃烧所有未反应的燃料。
19、根据权利要求13的燃料电池组件，其中控制器还被配置以监视负载，当检测到负载变化时，通过改变至少一现用子组的燃料和氧化剂流率改变电池组功率以跟踪负载变化。
20、根据权利要求19的燃料电池组件，其中控制器还被配置以在当增加至少一启动的子组的燃料和氧化剂流率未能使电池组功率发生足够变化时，启动至少一加热的待用子组。
21、根据权利要求13的燃料电池组件，其中控制器还被配置以监视至少一启动的子组的温度，当温度在所选工作温度范围之外时，当温度超出范围的温度上限时，减少用于在所监视的现用子组中燃烧的未反应燃料的供应，当温度低于范围的温度下限时，增加用于在所监视的现用子组中燃烧的未反应燃料的供应。
22、根据权利要求13的燃料电池组件，其中控制器还被配置以监视至少一启动的子组的温度，当温度在所选工作温度范围之外时，当温度超出范围的温度上限时，减少所监视的现用子组的燃料电池的燃料和氧化剂供应，当温度低于范围的温度下限时，增加所监视的现用子组的燃料电池的燃料和氧化剂供应。
23、根据权利要求13的燃料电池组件，其中控制器还被配置以确定从现用子组的燃烧器需要的热量，其后将足够的未反应热量传送到现用子组的燃烧器以提供所需要的热量，之后将剩余的未反应热量传送到至少一待用子组以用于将其加热到备用温度。
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