CN101796680B - 具有多股流热交换器及单一空气控制的热箱设计 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种燃料电池堆叠模块，其包括：多个燃料电池堆叠；阳极尾气氧化器(ATO)，其与所述多个燃料电池堆叠成热量传递关系定位；基底，其支撑所述多个燃料电池堆叠及所述ATO；及至少一个热交换器，其位于所述基底中。ATO排出流及来自所述燃料电池堆叠的阳极排出流在多股流热交换器中加热堆叠燃料及空气进入流。
Description
相关申请案交叉参考
本申请案请求对2007年7月26日提出申请的美国临时申请案60/935,092的权益，所述申请案的全文以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明大体来说涉及燃料电池系统领域，且更特定来说涉及一种包含多股流热交换器的燃料电池系统及操作所述燃料电池系统的方法。
背景技术
燃料电池是可以高效率将存储于燃料中的能量转换为电能量的电气化学装置。高温燃料电池包括固态氧化物及熔融碳酸盐燃料电池。这些燃料电池可使用氢及/或烃燃料操作。存在若干种类的燃料电池，例如固态氧化物再生燃料电池，其还允许反向操作，以使得可使经氧化的燃料使用电能量作为输入还原回为未经氧化的燃料。
发明内容
一种燃料电池堆叠模块，其包括：多个燃料电池堆叠；阳极尾气氧化器(ATO)，其与所述多个燃料电池堆叠成热量传递关系定位；基底，其支撑所述多个燃料电池堆叠及所述ATO；及至少一个热交换器，其位于所述基底中。ATO排出流及来自所述燃料电池堆叠的阳极排出流在多股流热交换器中加热堆叠燃料及空气进入流。
附图说明
图1A是本发明实施例的燃料电池模块在壳体被移除的情况下的三维剖面图。图1B是图1A的模块的示意性侧截面图。图1C是图1A的模块的俯视图。图1D及1E是根据本发明的替代实施例的模块的俯视图。
图2A、2B及5是本发明的实施例的燃料电池系统的组件及流体流动方向的示意性图示。
图3是根据本发明的实施例的所绘制热交换器热负荷对温度的计算机模拟。
图4是根据本发明的实施例的热交换器的区及流体流动方向的示意性图示。
图6及7是可用于本发明的实施例中的两个类型的多股流板式热交换器的三维剖面图。
图8是根据本发明的一个实施例的模块化燃料电池系统的示意性三维视图。
具体实施方式
本发明的第一实施例提供燃料电池堆叠模块1，其图解说明于图1A、1B及1C中。模块1包含基底3，基底3包含室5及室5上方的提供基底3的上表面的基底板7。基 底3可具有圆柱形形状，具有平坦上表面及圆形截面，如图1A及1C中所示。然而，基底3可具有任何其它合适形状，例如方形、矩形、多边形、椭圆形或不规则截面。基底板7可包含附接到室5的单独组件，或基底3可包含单一组件，其中室5包含其内部体积且基底板7包含其上表面。如下文将描述，一个或一个以上热交换器13可位于室5内。
如图1A到1C中所示，每一燃料电池堆叠模块1包括至少一个燃料电池堆叠列9(为简明起见，其将在本文中称作“堆叠”)及外壳体11。壳体11可具有任何合适形状，例如穹顶形、经遮盖圆柱体(包括具有平坦顶部遮盖物的圆柱体或具有穹顶形遮盖物的圆柱体(其有助于减小热张力))、立方体或三维矩形，用于遮盖堆叠9。壳体11显示于图1B中且其从顶部的位置在图1C到1E中显示为虚线。举例来说，两个或两个以上堆叠9(例如，四个到十二个堆叠9)可位于壳体11下方。堆叠9优选地垂直堆叠于每一壳体11下方。视需要，可以级联配置提供垂直堆叠的燃料电池堆叠9，在所述级联配置中，来自一个堆叠的燃料排出流用作邻近堆叠的进入燃料流，例如往来于同一列中的模块的级联。
堆叠9可包含任何合适燃料电池。举例来说，所述燃料电池可包含具有陶瓷氧化物电解质的固态氧化物燃料电池。也可使用其它燃料电池类型，例如PEM、熔融碳酸盐、磷酸等。堆叠9可包含外部及/或内部装有歧管的堆叠。举例来说，所述堆叠可针对燃料及空气在内部装有歧管，其中燃料及空气立管延伸穿过燃料电池层及/或燃料电池之间的互连板中的开口。或者，如图1B及1C中所示，燃料电池可针对燃料在内部装有歧管且针对空气在外部装有歧管，其中仅燃料进入及排出立管延伸穿过燃料电池层及/或燃料电池之间的互连板中的开口。燃料电池可具有交叉流动(其中空气与燃料在每一燃料电池中的电解质的相对侧上彼此大致垂直地流动)，平行逆向流动(其中空气与燃料在每一燃料电池中的电解质的相对侧上彼此大致平行地沿相反方向流动)或平行同向流动(其中空气与燃料在每一燃料电池中的电解质的相对侧上彼此大致平行地沿相同方向流动)配置。每一堆叠9可具有一个燃料进口及出口，如下文将更加详细地描述。然而，视需要，每一堆叠9沿其高度可具有若干燃料进口及出口。在所述情况下，每一堆叠9包含多个子堆叠单元(即，每一堆叠列9包含单独的子堆叠)。
如图1C、1D及1E中所示，多个以角度间隔开的燃料电池堆叠9经布置以形成绕所述模块的中心轴的环形阵列(即，环状结构)。应注意，术语“环形阵列”并不限于图1D中所示的具有圆形周界的阵列。举例来说，所述阵列可具有六边形或矩形(方形)周界(如图1C及1E中分别所示)或椭圆形周界，其将提供较窄的系统，所述系统则可更易于装配于标准运输集装箱中。燃料电池堆叠9具有平行于模块1的中心轴延伸的堆叠方向。优选地，但非必需地，堆叠9中的每一者具有矩形截面。堆叠9使用陶瓷或其它绝缘间隔件彼此隔离。尽管堆叠9布置为环形阵列是优选的，但可使用将装配于壳体11内的任何其它堆叠9布局，例如弧形布局(即，环状的一部分)或栅格布局(例如，20个堆叠，4行乘5列)(举例来说)。
壳体11可具有任何合适配置。举例来说，壳体11可具有圆柱形配置。然而，壳体11可具有多边形或椭圆形水平截面及/或其可具有锥形而非平坦上表面。所述壳体可由任何合适热绝缘或导热材料制成，例如金属、陶瓷等。
堆叠9及壳体11可拆卸地定位或可拆卸地连接到基底3的上表面(例如，基底板7)。优选地，每一燃料电池堆叠9及壳体11单独地可拆卸地连接到基底3的上表面7。在此情况下，壳体11可易于从基底3的上表面7移除而无需移除壳体11下方的堆叠9。或者，如果壳体11包含门或舱口，那么可易于经由所述门或舱口移除壳体11下方的堆叠9而无需移除壳体11。
术语“可拆卸地连接”意指堆叠9及/或壳体11以易于移除以进行修理或维修的方式连接到基底3的上表面7。换句话说，“可拆卸地连接”与“永久性地连接”相对。举例来说，堆叠9及/或壳体11通过卡扣配合连接、张力配合连接、紧固连接或滑轨连接中的至少一者可拆卸地连接到基底3的上表面7。卡扣连接的实例是刺刀型连接，其中向内或向外按通过钩到开口中将组件固持到位的一个或一个以上叉来使其从所述开口中松开。张力配合连接的实例是其中将组件(例如，堆叠9或壳体11)按到基底3的表面7中的开口或凹槽中的连接，所述开口或凹槽具有与堆叠9或壳体11的截面大约相同的大小，以使得张力将所述堆叠或所述壳体固持于所述开口或凹槽中。紧固连接的实例是通过扣件的连接，所述扣件例如螺栓或夹子，其可由维修人员移除。滑轨连接的实例是抽屉或燕尾型连接，例如堆叠9中的突出物可滑动到其中的基底3的上表面7中的凹槽，或基底3的上表面7中的突出物可滑动到其中的底部堆叠9板中的凹槽。永久性连接的实例是焊接连接，例如其中壳体11焊接到基底的表面7的连接。
堆叠9与壳体11可使用彼此不同的连接类型可拆卸地连接。此外，在本发明的替代方面中，壳体11可拆卸地连接到基底3的上表面7，而堆叠9可非可拆卸地连接到同一表面7。
优选地，至少一个热交换器位于基底3的内部体积5中。举例来说，如图1B中所示，多股流热交换器13位于基底3的内部体积5中。
热交换器13可包含低温部分15及高温部分17。低温部分15可由较不昂贵的低温材料(例如，不锈钢)制成，其不能够耐受非常高的温度。高温部分17可由耐高温的较昂贵高温材料(例如，Inconel或其它镍合金)制成。此配置降低热交换器13的成本。视需要，也可在热交换器13中提供由耐中温材料制成的一个或一个以上中温部分。
可使用任一类型的热交换器，例如鳍板型热交换器。视需要，热交换器的高温部分17可充当燃料电池堆叠9的完全或部分外部转化器37。在此情况下，给热交换器13的携载燃料进入流的通道的所有或一部分鳍状物涂敷燃料转化催化剂，例如用于烃燃料(例如，天然气或甲烷)的镍及/或铑。如果堆叠9包含内部转化类型(即，燃料电池包含对于转化是催化活性的一个或一个以上内部表面或涂层。催化剂可包含催化 剂涂层，或使用镍作为燃料电池外壳及支撑物的金属构造的部分)的燃料电池，那么外部转化器37可充当预转化器。或者，对于完全内部转化型燃料电池或对于处理氢燃料(其不需要转化)的燃料电池系统，可省略转化器37。对于外部转化型燃料电池(即，不包含燃料转化催化剂的燃料电池或其中催化剂是电池外壳的金属结构的部分的燃料电池，催化剂仍可存在，但不被设计用作催化剂，通常是由于所述电池的降级)，转化器37充当主燃料转化器。在本发明的替代实施例中，转化器37不集成到热交换器中，而是位于模块1的热箱中的单独位置中。在本发明的另一替代实施例中，单独的燃料及空气热交换器将分别来自燃料及空气排出流的热量分别提供到燃料及空气进入流，如下文将结合图2B描述。
如图1A到1E中所示，阳极尾气氧化器(ATO)10优选地位于基底3的中心部分上方(即，在基底板7上)，与堆叠9成热量传递关系(即，使得热量通过ATO 10与堆叠9之间的对流及/或辐射而转移)。优选地但非必需地，ATO 10位于环形堆叠9阵列中部，以使得ATO 10由堆叠9环绕。然而，对于不形成完整环状(例如，栅格或弧形布局)的堆叠9布局，ATO 10可邻近于堆叠定位或可部分地由堆叠9环绕。在环形或弧形阵列中，ATO暴露于燃料电池堆叠的径向向内面以从所述径向向内面接收阴极排出流。ATO是来自堆叠的阳极(燃料)排出物在其中通过与氧化剂流反应(例如，堆叠阳极排出流与堆叠阴极(空气)排出流的反应)而氧化的室。可给ATO室壁涂敷以合适的助氧化反应催化剂，例如支撑构件或材料上的钯。所述氧化反应释放可用于加热堆叠9及/或将热ATO排出流提供到热交换器13中的热量。如图1B中所示，ATO 10可包含ATO外部挡板12，其是附接到外壳体11的顶部的圆柱形或其它经合适成形的壁，但其邻近于基底3的基底板7包含供堆叠阴极(空气)排出流穿过的开口18。ATO 10还可包含内部挡板14，其是附接到基底板7的圆柱形或其它经合适成形的壁，但其邻近于壳体11的上表面包含供阳极及阴极排出流穿过的开口20。内部挡板14优选地位于外部挡板12内。也可将内部挡板14视为ATO/阴极排出导管27的环面。内部挡板14的内部及/或外部表面及/或外部挡板12的内部表面可由助氧化催化剂材料遮盖，所述助氧化催化剂材料可涂敷于位于挡板12、14的表面上的任选鳍状物或褶皱16上。举例来说，尽管图1B显示双通路ATO(向上流动，然后向下流动)，但ATO 10可具有更多通路，且内部挡板14可包含穿孔。或者，内部挡板14可延伸到壳体11的顶部且仅具有而非接近顶部的开口20。]
一个或一个以上ATO燃料进入导管22在外部ATO挡板12与内部ATO挡板14之间位于基底板7中。ATO燃料进入导管22在挡板12与14之间提供ATO燃料进入流，在挡板12与14之间，所述燃料进入流与ATO空气进入流混合并反应。所述ATO燃料进入流可包含以下各项中的一者或两者：i)来自堆叠燃料进入流的单独燃料进入流，例如天然气进入流；及/或ii)已穿过热交换器13的堆叠阳极排出流的至少一部分。或者，所述ATO燃料进入流也可部分或完全绕过热交换器以保持进口温度得到限制。所述ATO空气进入流可包含堆叠阴极排出流(其在外挡板12下从堆叠9流动到 ATO 10，如图1B中所示)，或新鲜空气进入流(其可以或可不与ATO燃料进入流中的任一者混合)，或新鲜空气进入流与堆叠阴极排出物的组合。所述ATO燃料进入流由所述ATO空气进入流(例如，堆叠阴极排出流或阴极排出物与任选新鲜空气进入流的混合物]。ATO排出流(经氧化的燃料)经由在内部挡板14中部位于基底板7中的中心ATO排出导管27从ATO 10移除。
如图1B及1C中所示，基底3还包含：多个燃料进口21，其将燃料进入流提供到燃料电池堆叠9；多个燃料排出开口23，其移除来自堆叠9的燃料排出流；多个外围空气进口25，其将空气(或其它氧化剂)进入流提供到堆叠9；及中心ATO排出导管27，其移除来自堆叠9的空气/ATO排出流。进口21及25及排出开口23可包含基底板7中的孔及/或延伸穿过基底板7的管道。因此，在本发明的一个实施例中，堆叠9针对空气在外部装有歧管且针对燃料在内部装有歧管。多个以角度间隔开的燃料电池堆叠9经布置以在堆叠空气进口25的环状布置内形成绕模块的中心轴的环形阵列。
模块1如下操作。燃料及空气进入流在热交换器13中由阳极排出流及/或ATO排出流加热，如下文将更加详细地描述。燃料进入流经由用于每一堆叠的相应燃料进口21从下方向上且在内部提供到堆叠9中。来自堆叠9的阳极(燃料)排出流向下且经由所述堆叠在内部提供且经由相应燃料排出开口23移除到位于基底3中的热交换器13中。
如图1B中的箭头所示，堆叠空气进入流经由在基底3的外围中布置为环形或环状配置的进口25穿过基底板7在壳体11下方提供。所述空气进入流流过堆叠9的电池。堆叠9及陶瓷间隔件(为清晰起见未显示)防止所述空气进入流在不首先流过堆叠9的情况下直接流动到内部空间24中。阴极(空气)排出流退出堆叠9进入堆叠9与外ATO挡板12之间的空间24。所述阴极排出流流过外ATO挡板12下方的开口18进入外与内ATO挡板12、14之间的空间26。所述堆叠阴极排出流与从空间26中的导管20提供的ATO燃料进入流混合并反应。所述氧化反应在系统启动期间且在稳定状态操作期间经由辐射及/或对流向堆叠9提供热量，以提供用于堆叠9中的内部燃料转化反应的充分热量。然后，ATO排出物(经氧化的燃料)向上经由内挡板14上方的开口20且向下经由中心ATO排出导管27排出到位于基底板7下方的室5中的热交换器13中。尽管图1B及1C中显示特定ATO配置，但应了解，也可使用其它配置，例如其中流体流沿邻近于氧化催化剂涂敷的构件的线性或曲折路径的配置。举例来说，圆柱体可位于挡板14内，以限制鳍状物及催化剂的体积(且因此限制其量)。
如图1A到1C中所示，燃料进入线路29连接到燃料热交换器13的第一进口。多个燃料进入导管21流畅连接到热交换器13的第一出口。术语“流畅连接”意指使得燃料进入流从热交换器13流过一个或一个以上其它组件直到其到达每一燃料进入导管21的直接连接或间接连接。多个燃料排出开口23流畅连接到热交换器13的第二进口。燃料排出线路31连接到热交换器13的第二出口。空气进入线路33连接到热交换器13的第三进口。如果需要，可提供一个或一个以上任选空气旁通导管，其使来自 空气进入线路33的一些或所有空气进入流转向绕过热交换器13或绕过热交换器13的一部分。因此，所述旁通导管可将空气进入线路33直接连接到堆叠9空气进口。提供到所述旁通导管中的空气量可通过流量调节器来控制，例如计算机或操作者控制的阀。基底中的多个空气进入导管25流畅连接到热交换器13的第三出口。中心空气/ATO排出导管27流畅连接到热交换器13的第四进口。空气/ATO排出线路35连接到热交换器13的第四出口。视需要，热交换器13可具有单独的空气及ATO排出线路(即，一些或所有热空气排出物可绕过ATO，ATO可改为使用新鲜进入空气用于氧化反应)。
优选地，基底3及壳体11还用于提供从堆叠9到功率调节装备的电连接。举例来说，基底3的上表面7可包含多个电触点41，例如负或接地电触点。每一触点41位于燃料电池堆叠9的底部端板将接触基底3的基底板7(即，上表面)之处。每一燃料电池堆叠9的每一负或接地电极或端板电连接到多个电触点41中的一者。基底3还包含共用电总线43，例如负或接地总线，其经由触点41电连接到燃料电池9。
壳体11包含至少一个其它电总线45，例如用于每一堆叠9的单独电总线45。总线45具有与共用电总线43的极性不同的极性。举例来说，壳体11可具有多个正总线45。燃料电池堆叠9的正电极或端板电连接到从壳体11延伸的相应正电总线45。
每一燃料电池堆叠9的正电极或端板可使用任何合适触点或电连接电连接到相应正电总线45。举例来说，如图1B中所示，壳体11的内部上表面包含多个导电压力构件47。壳体11上的压力构件47与基底3的上表面7上的触点41上方的堆叠9位置对准。每一压力构件47可拆卸地将至少一个燃料电池堆叠9固持于壳体11与基底3的上表面7之间。每一燃料电池堆叠9的正电极或端板经由相应压力构件47电连接到正电总线45。压力构件47可以是挠性杆、板或弹簧，其对堆叠9施加向下的压力以保持堆叠9牢固地抵靠基底的上表面7上的电触点41。当向下推壳体11以关闭模块1时，所述压力构件弯曲以将堆叠9按到基底3上的适当位置。当移除壳体11以维修或修理所述模块时，所述压力构件释放堆叠9。
优选地，但非必需地，每一堆叠9或每一对堆叠9连接到功率调节系统的单独DC/DC转换器单元。举例来说，每一对堆叠中的每一堆叠的一个电输入/输出可串联连接且每一对堆叠中的每一堆叠的其它电输入/输出提供相应的正及负电压输入到相应的DC/DC转换器单元中。优选地，但非必需地，燃料电池堆叠(即，燃料电池堆叠列)可布置成六的倍数以简化功率调节，如在2007年5月5日提出申请且全文以引用方式并入本文中的美国申请案第11/797,707号及第11/707,708号中所描述。因此，每一模块可具有6、12、18、24个(等)堆叠9。举例来说，图1C到1E中所示的模块1包含十二个堆叠9。每一组四个堆叠可连接到三相AC输出的一个相应相位输出，如美国申请案第11/797,707号中所描述。
因此，在包含多个模块的系统中，每一模块1可在不停止所述燃料电池系统中的其它模块1的操作的情况下与所述燃料电池系统电断开或从其移除及/或进行维修或修理。换句话说，每一模块1可与所述燃料电池系统电断开、从其移除及/或进行维修或 修理，而其它模块1继续操作以发电。因此，当一个堆叠9出故障或使其离线以进行维修时，不必关闭所述整个燃料电池系统。
当使一个模块1离线(即，将其关断以进行移除、修理或维修)而其它模块1继续操作时，应停止到离线的模块1的燃料流动。此可通过在每一燃料进入线路29中放置阀来实现。可手动或以电子方式关断所述阀以停止燃料流过既定燃料进入线路29，而燃料继续流过其它燃料进入线路29到达其它模块1。
本发明的第二实施例提供用于燃料电池系统的多股流热交换器13，其中多于两个流体流在同一装置中交换热量。因此，单个多股流热交换器可取代现有技术系统中所使用的多个单独的热交换器，例如单独的空气及燃料热交换器。所述多股流热交换器允许与单独的燃料及空气热交换器相同的热量交换量，但因热流与冷流之间的更均匀温度差异而具有更小量的热量传递面积。此外，视需要，可将蒸汽产生器及/或外部转化器37以物理方式集成到多股流热交换器13中，以使得燃料电池堆叠9阳极排出流及/或ATO 10排出流的热量用于将水转换为蒸汽及/或为烃燃料到氢及一氧化碳的燃料转化反应提供热量，例如蒸汽甲烷转化(“SMR”)反应。
多股流热交换器13可用作基底或位于用于构建燃料电池系统的热箱的基底3中。因此，多股流热交换器13降低模块1的重心且使所述模块更稳定。使用单个多股流热交换器13将所述系统中的空气流动控制装置的数目从两个减少到一个。可消除ATO空气流动控制装置。通过减少额外管件的数量来使系统集成更简单。此外，多股流热交换器13增加所述系统的效率，从而促进更好的热量传递，移除夹点且减少寄生损失，包括来自消除ATO空气鼓风机的增益。最后，多股流热交换器13允许在区15及17中使用低温与高温材料的组合，以降低所述装置的成本。
图2A图解说明第二实施例的包含一个或一个以上模块1的燃料电池系统100的过程流程图。为清晰起见，图2A中显示一个模块1。系统100包含多个燃料电池堆叠9，例如固态氧化物燃料电池堆叠(其中所述堆叠的一个固态氧化物燃料电池包含陶瓷电解质(例如，氧化钌氧化锆(YSZ)或氧化钪稳定氧化锆(SSZ))、阳极电极(例如，镍-YSZ或Ni-SSZ金属陶瓷)及阴极电极(例如，亚锰酸镧锶(LSM))。模块1表示为热箱，其可包含基底3与壳体11的组合，如图1B中所示。图中将任选转化器37与热交换器13分开显示。然而，如上所述，热交换器37可以物理方式集成到热交换器13中。
系统100还包含蒸汽产生器103。经由导管30A从水源104(例如，水箱或水管)给蒸汽产生器103提供水，且蒸汽产生器103将所述水转换为蒸汽。所述蒸汽经由导管30B从产生器103提供到混合器105且在混合器105中与堆叠阳极(燃料)再循环流混合。混合器105可位于模块1的热箱内或外。优选地，经加湿的阳极排出流在混合器105的燃料进入线路或导管29下游中与燃料进入流组合，如图2A中示意性显示。或者，视需要，所述燃料进入流也可直接提供到混合器105，或所述蒸汽可直接提供到所述燃料进入流中及/或所述阳极排出流可直接提供到所述燃料进入流中，随后将所 述经组合燃料流加湿，如图1C、1D及1E中所示。
蒸汽产生器103可由单独的加热器及/或由与蒸汽产生器103成热量交换关系传递的热ATO排出流加热。如果蒸汽产生器103以物理方式并入到热交换器13中，那么所述蒸汽产生器也可在所述热交换器中由阳极排出流加热。蒸汽产生器103可以物理方式位于所述热箱中，例如在基底3的室5内。或者，蒸汽产生器103可可位于模块1的热箱外。因此，如图1C中所示，如果蒸汽产生器103位于所述模块的热箱中，那么水经由导管30从水源104提供。如果蒸汽产生器103位于所述模块的热箱之外，那么蒸汽经由导管30从水源104提供。
系统100还包含分裂器107、任选脱水器109及催化部分压力氧化(CPOx)反应器111。如果可保持提供到ATO 10的阳极排出流充分热而避免冷凝，那么不需要脱水器109及排水管。所述系统如下操作。进入燃料流(例如，氢流，举例来说，天然气)提供到燃料进入导管29中且经由CPOx反应器111。在系统启动期间，空气也提供到CPOx反应器111中，以催化地部分氧化所述燃料进入流。在稳定状态系统操作期间，关断所述空气流动且所述CPOx反应器充当燃料通路，在所述燃料通路中所述燃料不会被部分氧化。因此，系统100可包含仅一个燃料进入导管，其经由CPOx反应器111在启动及稳定状态两个模式中提供燃料。因此，不需要在稳定状态操作期间绕过所述CPOx反应器的单独燃料进入导管。
燃料进入流提供到多股流热交换器13中，其中其温度通过与ATO排出流及堆叠阳极(燃料)排出流交换热量而升高。然后，所述燃料进入流任选地提供到任选转化器37中，任选转化器37可集成到热交换器13中或与热交换器13分开地位于热箱中。所述燃料进入流在所述转化器中经由SMR反应转化且所述经转化的燃料进入流(其包括氢、一氧化碳、水汽及未经转化的甲烷)经由燃料进口21提供到堆叠9中。所述燃料进入流经由堆叠9中的燃料进入立管向上行进穿过所述堆叠且在发电期间在堆叠9中氧化。所述经氧化的燃料(即，阳极或燃料排出流)经由燃料排出立管沿堆叠9行进且然后经由燃料排出开口23从所述堆叠排出到热交换器13中。
在热交换器13中，所述阳极排出流经由热量交换加热燃料进入流及空气进入流。然后，所述阳极排出流经由燃料排出导管31提供到分裂器107中。所述阳极排出流的第一部分从分裂器107提供到脱水器109中。在脱水器109中，水被从所述阳极排出流中移除且所述被移除的水被存储或经由排水管112排放。剩余阳极排出流可经由导管113从脱水器109提供到ATO 10中。可经由燃料进口22从进入ATO 10的导管115给所述阳极排出流提供新鲜燃料(例如，天然气)，作为经组合ATO燃料进入流。
所述阳极排出流的第二部分从分裂器107再循环到燃料进入流中。举例来说，所述阳极排出流的第二部分通过鼓风机(图2A中未显示)经由导管117再循环到混合器105中。所述阳极排出流在混合器105中通过与从蒸汽产生器103提供的蒸汽混合而加湿。然后，所述经加湿阳极排出流从混合器105提供到燃料进入导管29中，其在此处与燃料进入流混合。从水箱104提供水来制造蒸汽是任选的。新鲜燃料的所有加 湿可由阳极再循环流提供。
空气进入流由鼓风机(未显示)从空气进入导管33提供到热交换器13中。所述鼓风机可包含用于整个系统的单个空气流动控制器。在所述热交换器中，所述空气进入流由ATO排出流及阳极排出流经由热量交换来加热。然后，经加热的空气进入流经由空气进口25提供到模块中。所述空气穿过堆叠9进入ATO 10中。在ATO 10中，所述空气排出流氧化所述ATO燃料进入流以产生ATO排出流。所述ATO排出流经由ATO排出导管27排出到热交换器13中。所述ATO排出流经由热量交换在热交换器13中加热燃料及空气进入流。所述ATO排出流(其仍高于室温)经由导管119从热交换器13提供到蒸汽产生器103。来自所述ATO排出流的热量用于在蒸汽产生器103中经由热量交换将水转换为蒸汽。然后，所述ATO排出流经由导管35从所述系统移除。如果蒸汽产生器103以物理方式集成到热交换器13中，那么可省略导管119且所述蒸汽产生在热交换器13中发生。因此，通过控制空气进入鼓风机输出(即，功率或速度)，可控制引入到所述系统中的空气的量值(即，体积、压力、速度等)。阴极(空气)排出流用作ATO空气进入流，因此消除对单独的ATO空气进入控制器或鼓风机的需要。此外，由于ATO排出流用于加热空气及燃料进入流，因此对导管33中的单个空气进入流的控制可用于控制堆叠9及ATO 10的温度。如果存在空气旁通导管，那么此导管通过与经由所述旁通导管直接提供到堆叠9中的空气量相比控制提供到热交换器13中的空气量来增强控制堆叠9及ATO 10温度的能力。
图3及4图解说明经由实例性五区热交换器13的流体流动。所述区在图4中标记为Z1到Z5。应注意，热交换器13可具有少于五个区(例如，一个到四个区)或多于五个区(例如，六个到十个区)。所述热交换器可以是逆向流动、同向流动或其组合类型的热交换器，其具有板及鳍状物或其它合适配置。此外，下文所描述的流体流动引入次序及流动流温度是实例性的且可依据特定系统配置而改变。
冷空气进入流在大约室温下从导管33进入热交换器的区1且由热阳极排出流加热。所述阳极排出流放弃其一些热量且作为温阳极排出流(举例来说，在大约100C的温度下)退出到导管31中。
所述经加温的空气进入流(在大约100C的温度下)从热交换器的区1提供到区2中。相对冷的燃料进入流(其已通过添加来自蒸汽产生器的蒸汽及来自导管117的经再循环阳极排出流而加温到大约100C)也从导管29提供到所述热交换器的区2中。空气与燃料进入流不混合，而是流过由热交换器板分隔的区2中的不同相应通道，或在单个热交换器板的单独通道中。所述空气及燃料进入流在区2中经由跨越热交换器板的热量交换由热阳极排出流加热。
经加温的空气及燃料进入流(在大约150C的温度下)提供到热交换器13的区3中。所述热阳极排出流也首先在大约800C的温度下在区3中进入热交换器13。所述空气及燃料进入流在区3中经由跨越热交换器板的热量交换由所述热阳极排出流且由热ATO排出流加热。所述阳极与ATO排出流不混合，但流过由热交换器板分隔的区 3中的不同相应通道。在交换热量之后，温ATO排出流在大约300C的温度下在区3中退出热交换器13，进入导管119。然后，所述ATO排出流用于在蒸汽产生器103中产生蒸汽。如可从图3及4看到，区3可以是热交换器3的最大或最长区(即，具有最长流体流动通道长度的区)，在所述区中，流体流花费所述热交换器中的任一区的最长时间。
进一步加温的空气及燃料进入流(在大约600C的温度下)提供到热交换器13的区4中。所述空气及燃料进入流在区4中经由跨越热交换器板的热量交换由热ATO排出流加热。升温的空气进入流在大约650C的温度下在区4中退出热交换器13，进入导管25，将提供到燃料电池堆叠9中。
进一步加温的燃料进入流(在大约650C的温度下)提供到热交换器13的区5中。所述ATO排出流首先在大约875C的温度下从导管27在区5中进入热交换器13。所述燃料进入流在区5中经由跨越所述热交换器板的热量交换由热ATO排出流加热。所述升温的燃料进入流在大约750C的温度下在区5中退出热交换器13，进入导管21，将提供到燃料电池堆叠9(及/或在存在单独的转化器的情况下提供到转化器37中)中。
如图3中所示，假设因大约1％的热交换器泄露而产生的间隙。此外，如图3中所示，热流(ATO及阳极排出流)在其两者均存在的每一区中维持在彼此大约相同的温度下。同样，冷流(空气及燃料进入流)在其两者均存在的每一区中维持在彼此大约相同的温度下。最后，图3中显示在基于夹点技术设计热交换器13的情况下的全局夹点。
参照图1B，热交换器13的低温部分15可对应于图4中所示的区1及2(及任选地区3的邻近部分)，而热交换器13的高温部分17可对应于图4中所示的区4及5(及任选地区3的邻近部分)。
图2B图解说明根据本发明的另一实施例的系统200的示意图，其中单个多股流热交换器13由单独的热交换器取代。为简短起见，将不再次描述为图2A的系统100及图2B的系统200两者所共用的共同编号的元件。如图2B中所示，多股流热交换器13由燃料热交换器137、空气热交换器203及任选的空气预热器热交换器205取代。
如图2B中所示，如果燃料电池或燃料电池堆叠9包含内部燃料转化催化剂，那么可省略外部转化器37。或者，燃料热交换器137可在热交换器的燃料进入部分中包含转化催化剂。在此情况下，热交换器137用作热交换器与转化器两者。
视需要，可省略脱水器109且可使从分裂器107提供到导管113中的燃料排出流的整个部分再循环到ATO 113中。
此外，可省略到ATO 10中的天然气进入导管115。而是，可从燃料电池堆叠9阳极尾气再循环导管113提供用于ATO 10的所有燃料。对于具有内部燃料转化的热良好封装的系统，可省略经由导管115将新鲜燃料引入到ATO 10中。而是，控制或调整经由导管29提供到堆叠9的新鲜燃料量以控制加热过程。消除到ATO的单独燃料导管(及相关联燃料鼓风机)及使用堆叠阴极排出流作为ATO 10中的氧化剂气体 源(代替使用单独的空气进入导管来向ATO 10中提供新鲜空气)降低燃料电池及控制系统以及操作所述系统的方法的复杂性及成本。举例来说，对导管33中的主空气进入流的控制可用作用于系统温度的主控制。
图2B中所示的系统200以与图2A中所示系统100类似的方式操作。然而，在系统200中，导管33中的空气进入流首先提供到任选空气预热器热交换器205中，在所述任选空气预热器热交换器中，所述空气进入流由燃料(阳极)排出流预加热。术语燃料排出与阳极排出在本文中关于固态氧化物燃料电池堆叠可互换使用。然后，经预加热的空气进入流提供到空气热交换器203中，在所述空气热交换器中，所述经预加热的空气进入流由来自导管27的ATO 10排出流加热。然后，所述ATO排出流经由导管119从空气热交换器203提供到蒸汽产生器103。烃燃料进入流经由燃料进入导管29提供到燃料热交换器137中。然后，所述燃料进入流经由导管21提供到燃料电池堆叠9中，在所述燃料电池堆叠中，所述燃料进入流可在内部转化。或者，可改为使用集成到热交换器137中的单独外部转化器37或外部转化器。燃料排出流经由导管23A从堆叠9提供到燃料热交换器137中。然后，所述燃料排出流经由导管23B从燃料热交换器137提供到任选空气预热器热交换器205中。然后，所述燃料排出流经由导管31从空气预热器热交换器205提供到分裂器107中。
视需要，可任选地将转化器37及/或蒸汽产生器103集成到热交换器的现有区中或可将其作为额外区添加。举例来说，转化器催化剂可提供到区3、4及/或5中的燃料进入流导管中，以将转化器37集成到热交换器13中。
通过将蒸汽产生器作为一个或一个以上额外区添加到热交换器13而可以物理方式将蒸汽产生器103与热交换器集成在一起。图5图解说明包含集成到多股流热交换器中的蒸汽产生器(13/103)的系统200的过程流程图。在图5的实例中，所述热交换器包含七个区。然而，可使用包含多于七个区或少于七个区的热交换器。上文已结合图2A描述了图5中所示的具有与图2A中的元件相同的编号的其它元件且为简短起见将不再次结合图5加以描述。每一元件中的实例性温度显示于所述元件上方的圆圈中。应注意，可使用其它合适温度。
以下表格描述穿过集成式热交换器/蒸汽产生器13/103的七个区Z1到Z7中的每一者的热及冷流体流动流：
区 冷侧流 热侧流
Z1 水 ANEXH
Z2 水、空气 ANEXH
Z3 水、空气 ANEXH，ATO-EXH
Z4 水、空气、燃料-混合 ANEXH，ATO-EXH
Z5 空气、燃料-混合 ANEXH，ATO-EXH
Z6 燃料-混合 ANEXH，ATO-EXH
Z7 燃料-混合 ATO-EXH
在以上表格中，“水”对应于来自水源104及导管30A的水进入流，“空气”对应于来自导管33的空气进入流，“燃料-混合”对应于来自导管29的经加湿燃料进入流，“ANEXH”对应于来自导管23的阳极排出流且ATO-EXH对应于来自导管27的ATO排出流。因此，“水”存在于区Z1到Z4中(在Z1中进入且在Z4中退出)，“空气”存在于区Z2到Z5中(在Z2中进入且在Z5中退出)且“燃料-混合”存在于区Z4到Z7中(在Z4中进入且在Z7中退出)。这些冷侧流在区Z1到Z6中(在Z6中进入且在Z1中退出)由“ANEXH”流加热且在区Z3到Z7中(在Z7中进入且在Z3中退出)由ATO-EXH流加热。
因此，区Z1对应于蒸汽产生器103，区Z2到Z4对应于并合式蒸汽产生器/热交换器，且区Z5到Z7对应于热交换器。当然，也可使用其它热交换器及流动配置。应注意，在图5中，如果使用液体烃燃料，那么可将所述液体燃料与水一起提供到所述蒸汽产生器中以使所述液体燃料气化。任选液体燃料/水混合器201可用于混合液体燃料与水。此外，任选ATO燃料/阳极排出混合器203可用于在将经混合燃料提供到ATO进口22中之前将ATO燃料(例如，导管115中的天然气)与导管113中的阳极排出物混合。
图6及7是两个类型的多股流板热交换器的非限制性三维剖面图。应注意，可使用其它热交换器配置。图6显示热交换器300配置，其中两个流在每一区(例如，图4中所示的区Z1及Z5)中交换热量。举例来说，流301与302在区304中交换热量且流301与302在区305中交换热量。每一区304、305包含肋状或鳍式热量交换板306。进入/放泄歧管307位于所述区之间。
图7显示另一热交换器310配置，其中两个冷流R1及R2(例如，空气及燃料进入流)与含热水的流交换热量，例如阳极或ATO排出流(其对应于图4中所示的区Z2及Z4)。这些配置可容易地扩展为四个流体流(例如，图4中所示的区3)。热交换器310可类似于板型热交换器300且包含热交换器板316。然而，举例来说，每一板316可包含六个开口317以接纳所述三个流的三个进口及三个出口且所述三个流提供于平行板316之间的每个三分之一空间中。所述热交换器可经配置以处置多于三个流且可具有除平行板型配置以外的不同配置。
本发明的另一实施例提供用于整个燃料电池系统而非仅用于燃料电池堆叠模块的模块设计。所述模块化系统设计提供灵活的安装及操作。模块以单个设计集合实现了装机发电容量的按比例缩放、可靠的发电、燃料处理的灵活性及功率输出电压及频率的灵活性。所述模块化设计产生具有非常高的可用性及可靠性的“总是接通”的单元。此设计还提供容易的按比例增加方式且满足消费者的特定安装要求。所述模块化设计还允许使用可随消费者及/或随地理区域变化的可用燃料以及所需电压及频率。因此，总的来说，由于燃料电池系统被设计为模块化集合，其可经安装以适应不同消费者的要求且所述系统的元件能够协同工作以实现非常高的系统可靠性及可用性。
图8显示模块化燃料电池系统60的实例性配置。系统60包括以下元件。系统60包括多个燃料电池堆叠模块61。这些模块61是包含用于从容易转化的燃料流产生DC功率的组件的装置。
在第二实施例的一个方面中，每一燃料电池堆叠模块61与第一实施例的模块1相同。因此，图8中所示的每一模块61可包含基底3、壳体11及一个或一个以上燃料电池堆叠9，如图1B中所示。举例来说，对于高温燃料电池系统，例如SOFC或熔融碳酸盐燃料电池系统，每一燃料电池堆叠模块61与第一实施例的模块1相同。在第二实施例的替代方面中，每一模块61可包含一个基底3及由多个壳体11遮盖的多个燃料电池堆叠9。或者，每一模块61可具有与第一实施例的模块1不同的结构或配置。举例来说，对于低温燃料电池系统，例如PEM系统，每一模块61可与第一实施例的模块1不同。因此，第二实施例的系统适用于高温及低温燃料电池堆叠模块。
每一模块61包含至少一个燃料电池堆叠9。多个燃料电池堆叠模块61可以丛集安装来安装，例如安装于单个热箱62中。单个燃料电池堆叠模块61的故障仅导致稍微降级的输出容量或稍微降级的系统效率，因为剩余燃料电池堆叠模块61继续操作。
系统60还包含一个或一个以上燃料处理模块63。这些模块是包含用于预处理燃料以使得其可被容易转化的组件的装置。燃料处理模块61可经设计以处理不同组燃料。举例来说，可提供柴油燃料处理模块、天然气燃料处理及乙醇燃料处理模块。处理模块63可处理选自以下各项中的以下燃料中的至少一者：来自管线的天然气、压缩天然气、丙烷、液态石油气、汽油、柴油、民用燃料油、煤油、JP-5、JP-8、航空燃料、氢、氨、乙醇、甲醇、合成气、生物气、生物柴油及其它合适烃或含氢燃料。视需要，转化器37可位于燃料处理模块63中。或者，如果期望将转化器37与燃料电池堆叠9热集成在一起，那么转化器37可位于燃料电池堆叠模块61中。此外，如果使用内部转化燃料电池，那么可完全省略外部转化器37。
系统60还包含一个或一个以上功率调节模块65。这些模块65是包含用于将DC功率转换为AC功率、连接到电网且管理瞬变的组件的装置。功率调节模块65可经设计以将来自燃料电池模块61的DC功率转换为不同的AC电压及频率。可提供用于208V、60Hz；480V、60Hz；415V、50Hz及其它常见电压及频率的设计。举例来说，每一模块65可包含用于燃料电池模块61中的每一对堆叠9的专用DC/DC转换器单元及用于每一模块65的多个DC/AC转换器单元的共用DC/DC转换器单元。
每一类型的模块61、63、65可安装于单独的容器(例如，箱、架或平台)中或上。因此，所述容器可彼此分开地定位，且可单独移动、修理或维修。举例来说，如图8中所示，燃料电池堆叠模块61位于共用热箱62中。一个或一个以上燃料处理模块63可位于单独的箱67中。一个或一个以上功率调节模块65可位于单独的架69上。
本文中所描述的燃料电池系统视需要可具有其它实施例及配置。可视需要添加其它组件，如(举例来说)在2002年11月20日提出申请的美国申请案第10/300,021号中、在2007年1月22日提出申请的美国申请案第11/656,006号中、在2003年4 月9日提出申请的美国临时申请案第60/461,190号中及在2003年5月29日提出申请的美国申请案第10/446,704号中所描述，所有所述申请案全文以引用方式并入本文中。此外，应了解，本文任一实施例中所描述及/或任一图中所图解说明的任一系统元件或方法步骤也可用于上文所描述的其它合适实施例的系统及/或方法中，即使未对此种使用未予以明确描述。
出于图解说明及描述的目的，已呈现对本发明的上述说明。并非打算穷尽或将本发明限定为所揭示的精确形式，且可依据以上教示或根据本发明的实践实现修改及改变。本说明的选择旨在解释本发明的原理及其实际应用。本发明的范围打算由所附权利要求书及其等效项来界定。
Claims (16)
1.一种燃料电池堆叠模块，其包含：
多个燃料电池堆叠；
阳极尾气氧化器，其与所述多个燃料电池堆叠成热量传递关系定位；
基底，其支撑所述多个燃料电池堆叠及所述阳极尾气氧化器；及
至少一个热交换器，其位于所述基底中。
2.根据权利要求1所述的模块，其中：
所述多个燃料电池堆叠包含环绕中心轴的所述多个燃料电池堆叠的环形阵列，其中所述多个燃料电池堆叠中的每一者具有平行于所述中心轴延伸的堆叠方向；且
所述阳极尾气氧化器位于所述多个燃料电池堆叠的所述环形阵列中部。
3.根据权利要求2所述的模块，其中所述阳极尾气氧化器暴露至所述多个燃料电池堆叠的径向向内面以从所述径向向内面接收阴极排出流。
4.根据权利要求2所述的模块，其中所述环形阵列包含三个或三个以上以角度间隔开的燃料电池堆叠且每一堆叠具有矩形截面。
5.根据权利要求1所述的模块，其中所述燃料电池堆叠包含固态氧化物燃料电池堆叠。
6.根据权利要求1所述的模块，其进一步包含可拆卸地定位于所述基底上的壳体。
7.根据权利要求6所述的模块，其中所述燃料电池堆叠可拆卸地定位于所述壳体下方的所述基底上。
8.根据权利要求6所述的模块，其中：
所述基底包含具有内部体积及上表面的室；
所述阳极尾气氧化器及所述多个燃料电池堆叠定位于所述基底的所述上表面上；且
所述至少一个热交换器位于所述基底的所述内部体积中。
9.根据权利要求8所述的模块，其中：
所述热交换器包含多股流热交换器；
燃料进入线路连接到所述热交换器的第一进口；
空气进入线路连接到所述热交换器的第二进口；
阳极排出线路连接到所述热交换器的第三进口；且
阳极尾气氧化器排出线路连接到所述热交换器的第四进口。
10.根据权利要求9所述的模块，其中燃料转化器及蒸汽产生器中的至少一者与所述热交换器集成于所述基底的所述内部体积内。
11.根据权利要求1所述的模块，其包含：
将燃料进入流及空气进入流提供到多个燃料电池堆叠；
将来自所述多个燃料电池堆叠的阳极尾气氧化器燃料进入流及阴极排出流提供到阳极尾气氧化器中，所述阳极尾气氧化器与所述多个燃料电池堆叠成热量传递关系定位。
12.根据权利要求11所述的模块，其进一步包含将所述阳极尾气氧化器排出流、来自所述多个燃料电池堆叠的阳极排出流、所述燃料进入流及所述空气进入流提供到多股流热交换器中，以使用所述阳极尾气氧化器排出流及所述阳极排出流加热所述燃料进入流及所述空气进入流。
13.根据权利要求12所述的模块，其中：
所述多个燃料电池堆叠包含环绕中心轴的所述多个燃料电池堆叠的环形阵列，其中所述多个燃料电池堆叠中的每一者具有平行于所述中心轴延伸的堆叠方向；
所述阳极尾气氧化器位于所述多个燃料电池堆叠的所述环形阵列中部；且
所述热交换器位于支撑所述阳极尾气氧化器及所述多个燃料电池堆叠的所述环形阵列的基底的内部体积中。
14.根据权利要求13所述的模块，其进一步包含在所述热交换器中转化所述燃料进入流。
15.根据权利要求13所述的模块，其进一步包含将水流提供到所述热交换器中，使用阳极尾气氧化器排出流将所述水流气化为蒸汽且将所述蒸汽提供到所述燃料进入流中。
16.根据权利要求13所述的模块，其进一步包含通过控制所述空气进入流来控制所述多个所述燃料电池堆叠的温度及所述阳极尾气氧化器的温度。
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