CN105514463A - 高温燃料电池的可选路径冷却 - Google Patents

Abstract

系统和方法提供用于热控制高温燃料电池。根据本文所述的实施方式，从压缩机或冲压空气源将非反应物冷却剂引入燃料电池。非反应物冷却剂吸收来自燃料电池内的电化学反应的废热。热冷却剂从燃料电池排出并被通入周围环境或被引导通过涡轮。通过涡轮从热冷却剂重获的能量可以被用于驱动压缩机或发电机以产生额外的电并增加燃料电池系统的效率。热冷却剂的一部分可以被再循环到进入燃料电池的非反应物冷却剂中，以阻止对燃料电池的热冲击。

Description

高温燃料电池的可选路径冷却

本申请为分案申请，原申请的申请日为2009年3月17日，申请号为200980113492.2(PCT/US2009/037340)，发明名称为“高温燃料电池的可选路径冷却”。

发明背景

燃料电池通过在进入的燃料和氧化剂流之间引起电化学反应而运行，以产生电。许多燃料电池，如固体氧化物燃料电池(SOFC)，在高温下运行。在燃料电池中由电化学反应产生的废热必须被移出以控制燃料电池的温度，以便防止电池失效。典型的热控制系统包括将超出电化学反应所需的过量反应物循环通过燃料电池以吸收热量。但是，在某些应用中，如其中航行器上使用燃料电池的空运应用中，重量是首先需要考虑的事项。储存保持燃料电池温度所需的过量反应物在重量方面是不允许的。

为了冷却的目的，燃料电池排出的气体可被再循环回到进入的反应物流。但是，这样做需要额外的冷却子系统以冷却再循环流体，原因在于从燃料电池吸收的热量。额外的冷却子系统造成更加复杂的控制系统，额外的交通工具热负荷，以及增加了整个系统的重量。另一传统热控制系统包括单独的闭合系统冷却回路，用于将储存的冷却剂循环通过燃料电池和通过冷却子系统。与上述的其它热控制系统相似，分离的闭合系统冷却回路增加了额外的重量，并且增加了由于额外的泵、冷却剂、管线和能量消耗需求带来的复杂性。

正是基于这些考虑和其它考虑，提出了本文作出的本公开。

发明概述

应该理解，提供本概述是为了以简化的形式介绍构思的选择，其将在以下的发明详述中进一步描述。本概述并非意欲用于限制所要求保护的主题的范围。

取决于应用，本文描述的系统和方法使用环境冷却剂如空气或水提供燃料电池的冷却。根据本文提供的公开的一个方面，与反应物分开的冷却剂被提供给燃料电池。冷却剂流过燃料电池以吸收热量，然后被排出并被引导离开燃料电池。根据不同的实施方式，使用由于与燃料电池联合的交通工具的运动经由环境产生的冲压(rampressure)，或使用流体控制设备如压缩机或泵，引入的环境冷却剂可以被引导通过燃料电池。实施方式另外提供将热的冷却剂从燃料电池引导至涡轮，然后其又可以被用于驱动发电机以产生额外的电或驱动压缩机。热的冷却剂还可以被再循环回到引入的环境冷却剂中以在进入燃料电池前增加环境冷却剂的温度，防止燃料电池由于热冲击而被破坏。

已讨论的特征、作用和优势可以在本发明的各种实施方式中独立地获得，或者可以在其它实施方式中结合，其进一步的细节可以参考以下说明和附图来理解。

附图简述

图1是显示依据本文所示各种实施方式的燃料电池冷却系统的框图；

图2是显示依据本文所示各种实施方式的使用涡轮驱动压缩机的燃料电池冷却系统的框图；

图3是显示依据本文所示各种实施方式的燃料电池冷却系统的框图，其使用再循环冷却剂以增加进入燃料电池的环境冷却剂的温度；

图4是显示依据本文所示各种实施方式的冷却剂流动通过燃料电池冷却系统的示意图，以图解系统内不同阶段的传热；和

图5是图解依据本文所示各种实施方式的控制高温燃料电池的温度的方法的流程图。

发明详述

以下详细说明涉及控制燃料电池的温度的系统和方法。如上简述，燃料电池系统包括两个输入流、燃料和氧化剂。典型的热控制系统使用过量的反应物流和/或单独的闭合系统冷却回路以控制相应燃料电池的温度。当燃料电池在具有严格的重量限制、空间限制和功率限制的交通工具或平台中运行时，这些系统并不总是最佳的。

在整个本公开中，为了说明的目的，将就高温燃料电池如用于为航行器或航行器子系统产生电力的SOFC的运行，描述不同的实施方式。但是，应当理解，本文提供的公开同样可应用于在冷却剂环境流容易得到的任何应用中使用的任何类型的燃料电池。作为本文公开的“冷却剂”的实例，航行器和交通工具通过周围的空气推动自身，产生了依据本文描述的各种实施方式可用作冷却剂的环境空气流。类似地，船只如舰艇和潜艇通过周围的水推进自身，产生了依据本文描述的各种实施方式可用作冷却剂的环境水流。因此，本文所述的“环境冷却剂”和“冷却剂”的流应用于任何流动的流，并且依据不同的实施方式，应用于包含要被冷却的燃料电池的平台周围的环境内的流体。“环境冷却剂”流还应用于静态系统，其中冷却剂流被驱入该系统。

利用本文所述的构思和技术，可以以允许热控制燃料电池组的方式，使用与流入燃料电池的反应物流分开的冷却剂流，运行高温燃料电池系统。一旦通过燃料电池内的热交换加热，被加热的冷却剂可以被用于产生额外的电和/或驱动进一步的系统组件，如下所述。由于分开的冷却剂流从周围环境而非从储存库输入燃料电池系统，并且由于从燃料电池输出的含废热的冷却剂可以被用于驱动系统组件并产生额外的能量，因此本文公开的实施方式提供了有效率的、重量有效(weight-effective)的热控制系统。

在以下详细描述中，参考附图，附图形成本文的一部分并通过图解、具体实施方式或实施例进行显示。现在参考附图，其中在数个图中相同的数字代表相同的元件，高温燃料电池冷却系统的热控制将被描述。图1显示依据本文描述的一个实施方式的高温燃料电池冷却系统100。高温燃料电池冷却系统100包括燃料电池102，其可运行以从包括氧气和燃料的反应物104的电化学反应产生产物106，如水和电。

非反应物冷却剂108被导向燃料电池102。根据一个实施方式，非反应物冷却剂108包括被高温燃料电池冷却系统100从冲过含高温燃料电池冷却系统100的交通工具的环境空气中俘获的冲压空气。用于提供冲压空气给燃料电池102的冷却剂供给机械装置可以包括俘获环境空气流并将其传输进入和通过燃料电池102的管道和任何其它组件。可选的冷却剂供给机械装置的例子将在下面参考图2进行描述。

在燃料电池102中，环境空气可经管道、导管、孔或其它通道被引向整个燃料电池，以从电化学反应内部吸收废热。以这种方式，燃料电池102，或与非反应物冷却剂108热接触的燃料电池的部分，作为热交换器运行，将来自较高温燃料电池的热传递到较低温度的非反应物冷却剂108。包括废热饱和的非反应物冷却剂108的热冷却剂110从燃料电池102中被排出。

高温燃料电池冷却系统100可以包括热处理机械装置，其从燃料电池102接收热冷却剂110并处理或者以其他方式利用它。依据本文所述的不同实施方式，热冷却剂110可以以许多方式和方式的组合进行利用。首先，热处理机械装置可以仅包括用于使热冷却剂110排到周围环境中的管道和组件。例如，被压入通过燃料电池102的冲压空气可以被排向大气。

可选的热处理机械装置可以包括涡轮112，如图1所示。涡轮112可以与发电机114连接。在这种实施方式中，热冷却剂110驱动涡轮112，涡轮112又驱动发电机114，以产生电。除了由燃料电池102内的电化学反应所产生的能量，发电机114还可以提供能量给航行器系统。离开涡轮112的热冷却剂110可以被排入周围环境。热处理机械装置可以另外包括再循环设备302，其将在下面参考图3详细说明。

图2显示使用可选的冷却剂供给机械装置的可选高温燃料电池冷却系统200。具体而言，可选的冷却剂供给机械装置包括压缩机202——用于向燃料电池102中提供非反应物冷却剂108。根据此实施方式，不使用冲压空气来冷却燃料电池102。而是，低压、非反应物环境空气流被引向压缩机202，压缩机202提供一些非反应物冷却剂108的增压以将其供应到燃料电池102。作为一个实例，在可再生的高高度航行器电力系统中，氧气和氢气都是在压力下储存的。但是，由于冷却空气流并不具有反应性，因此不需要对流进行高度加压。结果是，压缩机202可以使用没有任何级间冷却的单级系统。

此外，根据本实施方式，上述热处理机械装置的涡轮112——用于控制来自燃料电池102的热冷却剂110——被用于机械驱动压缩机202。压缩机也可以被其它机构如可选的电源或从发电机(114)驱动。应该理解，如果热冷却剂110的特性允许期望的涡轮112和发电机114输出，则涡轮112和发电机114可以被用于机械驱动或电力驱动本公开范围内任何数目和类型的期望的平台组件。

参看图3，又一可选的高温燃料电池冷却系统300包括再循环设备302以将热冷却剂110的一部分引回到流入燃料电池102的非反应物冷却剂108中。再循环设备302可以包括鼓风机或排出器，其可运行以将热冷却剂110供应给进入燃料电池的非反应物冷却剂108流。因为在从压缩机202出来的环境冷却剂和燃料电池102之间可能存在明显的温度差别，由于利用显著冷于燃料电池102反应的非反应物冷却剂108而发生的热冲击，可能存在高的损害燃料电池102的可能性。因此，本文描述的实施方式提供非反应物冷却剂108流的加热，使其温度高于从压缩机202出来的非反应物冷却剂108的温度，而低于燃料电池102的温度。

根据各种实施方式，用从上游来自燃料电池102的热冷却剂110来加热非反应物冷却剂108可以通过二种流体的实质混合或通过在两种流体之间进行热接触而不使非反应物冷却剂108与热冷却剂110混合来实现。为使热从热冷却剂110传输到非反应物冷却剂108而不使二种流体混合，可以使用同流换热器或热交换器。使用同流换热器的实施方式将参考图4进行描述。

图4图解说明冷却剂流过高温燃料电池冷却系统400的路径。现将使用说明性温度值讨论系统内不同阶段的各种传热。应该理解，所述温度值仅用于说明目的。高温燃料电池冷却系统400的各个阶段之间的实际温差将取决于许多因素，其包括但不限于燃料电池102的运行特性、非反应物冷却剂108的热容、非反应物冷却剂108通过系统的流速、压缩机202和涡轮112的操作规范以及同流换热器402的特性，等等。

在阶段1，非反应物冷却剂108在-51℃作为环境空气流从处于一定高度的航空器外部进入压缩机202。非反应物冷却剂108在阶段2因为被压缩机加压而加热，在84℃退出压缩机202。从阶段2，非反应物冷却剂108进入同流换热器402。如上所述，同流换热器402是这样的热交换器，其将热从来自燃料电池102的热冷却剂110传输到进入燃料电池102的非反应物冷却剂108以尽力阻止热冲击损害燃料电池102，热冲击是进入燃料电池102的非反应物冷却剂108和燃料电池102内的热之间的过大温差造成的。加热同流换热器402内的非反应物冷却剂108后，非反应物冷却剂108流出同流换热器402并在阶段3、在625℃进入燃料电池102。

非反应物冷却剂108进一步吸收燃料电池102中的热，变成热冷却剂110。热冷却剂110流出燃料电池102并在阶段4、在800℃下再次进入同流换热器402。热冷却剂110被用于加热在同流换热器402内的非反应物冷却剂108。热冷却剂110流出同流换热器402并在阶段5、在246℃进入涡轮112。热冷却剂通过涡轮112进一步被冷却，并在阶段6、在110℃流出涡轮112。

现在转向图5，现将详细描述用于控制高温燃料电池102的温度的说明性程序500。应该理解，可以进行比图5中所示的和本文所述的更多或更少的操作。而且，还可以以与本文描述的顺序不同的顺序进行这些操作。程序500起始于操作502，在那里非反应物冷却剂108被引导通过燃料电池102。如上所述，非反应物冷却剂108可以作为冲压空气或使用压缩机202被驱动通过燃料电池102。在操作504，来自燃料电池102的热被转移到较低温度的非反应物冷却剂108，产生热冷却剂110。在操作506，热冷却剂110被引导离开燃料电池102。

如果在操作508高温燃料电池冷却系统300不包括涡轮112作为热处理机械装置的一部分，那么程序500推进到操作510，在那里热冷却剂110被排到环境中，或者如果高温燃料电池冷却系统包括再循环系统，则在操作522被部分地再循环，如下所述。但是，如果高温燃料电池冷却系统100包括涡轮112，那么程序500继续从操作508到操作512。如果压缩机202在高温燃料电池冷却系统300内存在，并被用于提供非反应物冷却剂108给燃料电池102，那么程序500继续进行操作512到操作514，在那里压缩机被涡轮112驱动。但是，如果非反应物冷却剂108作为冲压空气被直接提供给燃料电池102，那么程序500从操作512推进到操作516。

如果在操作516高温燃料电池冷却系统300内不存在发电机114，那么程序500推进到操作522且如下所述继续进行。但是，如果发电机114在高温燃料电池冷却系统300内被使用，那么程序继续到操作518，在那里涡轮112被用于驱动发电机114以发电。在操作520，电被引向与高温燃料电池冷却系统300在其上被使用的平台相连的一个或多个系统。由于除了由燃料电池102的如本文所述的电化学反应所产生的电，使用热冷却剂110还产生了电，因此整个燃料电池系统的效率增加。

如果在操作522高温燃料电池冷却系统300不包括用于将热冷却剂110再循环回到非反应物冷却剂108流中的再循环系统，那么程序500结束。但是，如果高温燃料电池冷却系统300包括再循环设备302，那么程序500继续从操作522到操作524，在那里一部分热冷却剂110被再循环回进入燃料电池102的非反应物冷却剂108流中。如上所述，热冷却剂110的再循环流可以被较前地放置在流动系统中，例如在涡轮112之前。热冷却剂110被用于增加非反应物冷却剂108流的温度以使燃料电池102的热冲击得以避免。可以如上所述使用同流换热器402，以能够从热冷却剂110传热到非反应物冷却剂108。

从上述各种实施方式应该清楚，本文提供的公开提供了重量有效方法以控制高温燃料电池的温度。通过使用非反应物环境空气或水流以冷却燃料电池102，可以避免储存用于冷却目的的过量反应物104和提供单独的闭合系统冷却回路。而且，上述高温燃料电池冷却系统300提供了依据具体应用参数调整系统的灵活性。例如，可以根据平台操作参数，通过冲压空气或压缩机提供非反应物冷却剂108。类似地，涡轮112可以被加入高温燃料电池冷却系统300以再次俘获热冷却剂110中的一些能量，然后这些能量可以被用于驱动压缩机202和/或使用发电机114产生额外的电，增加燃料电池系统的总效率。

上述主题是仅通过示例提供的而不应解释为限制性的。不必按照图解和描述的实例实施方式以及应用，并且在不偏离在权利要求中阐述的本发明真正精神和范围的情况下，可以进行本文所述主题的各种改进和变化。

Claims (9)

1.用于热控制燃料电池的方法，其包括：

将反应物引入所述燃料电池；

在所述燃料电池内的化学反应中利用所述反应物产生产物和废热；

将非反应物冷却剂引导通过所述燃料电池以从所述燃料电池吸收一部分所述废热以生成热冷却剂；和

将所述热冷却剂从所述燃料电池引导出。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将非反应物冷却剂引导通过所述燃料电池以从所述燃料电池吸收一部分所述废热以生成热冷却剂包括将冲压空气引导通过所述燃料电池以产生热空气。

3.根据权利要求1所述的方法，其中将非反应物冷却剂引导通过所述燃料电池以从所述燃料电池吸收一部分所述废热以生成热冷却剂包括将环境空气流引导通过配置为加压所述环境空气流的压缩机并将所述环境空气流引导至所述燃料电池。

4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括引导来自所述燃料电池的热环境空气流并使之通过配置为驱动所述压缩机的涡轮。

5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括引导来自所述燃料电池的热冷却剂并使之通过配置为从所述热冷却剂的流动产生机械能的涡轮，其中所述涡轮与发电机连接，使得能够从所述涡轮产生的机械能产生电。

6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括，在引导所述非反应物冷却剂通过所述燃料电池之前将来自所述燃料电池的所述热冷却剂的一部分引导至所述非反应物冷却剂，以增加所述非反应物冷却剂的温度并减小所述非反应物冷却剂和所述燃料电池之间的温差。

7.用于热控制燃料电池的方法，其包括：

引导非反应物空气流通过可操作以加压所述非反应物空气流的压缩机；

将在所述压缩机内加压的所述非反应物空气流引导至所述燃料电池；

将来自燃料电池的热传递到所述非反应物空气流以产生废热空气流；

将所述废热空气流引导至涡轮以产生机械能；和

利用来自所述涡轮的机械能以驱动所述压缩机。

8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括利用来自所述涡轮的机械能以驱动发电机。

9.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括，在将来自所述压缩机的所述非反应物空气流引导至所述燃料电池之前，将一部分所述废热空气流再循环至所述非反应物空气流，以增加所述非反应物空气流的温度并减小所述非反应物空气流和所述燃料电池之间的温差。