CN106997957B - 包括热交换器的燃料电池模块和运行这种模块的方法 - Google Patents

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Abstract

用于燃料电池模块(200)中的燃料电池块(202)包括燃料电池(104)。联接到燃料电池的热交换器(214)包括第一热交换构件(120)、第二热交换构件(122)和限定内部空间(234)的壳体(232)。空气入口管(222)、燃料入口管(220)、空气出口管(226)和燃料出口管(224)各自引导流体(252,254)且至少部分地延伸通过内部空间。歧管(228,230)包括第一表面和与第一表面相反的第二表面。多个开口(262)限定在第一表面和第二表面中。歧管联接到燃料电池和热交换器，使得第一表面接触燃料电池而第二表面接触热交换器。歧管联接到空气入口管、燃料入口管、空气出口管和燃料出口管。

Description

包括热交换器的燃料电池模块和运行这种模块的方法
技术领域
本公开的领域大体涉及燃料电池模块，以及更具体而言涉及包括热交换器的燃料电池模块和其运行方法。
背景技术
燃料电池为电化学能量转化装置，其在产生功率时展示了较高效率和低污染的潜力。燃料电池大体提供直流电(DC)，其通过逆变器转化成交流电(AC)。DC或AC电压用于对马达、灯和任何数量的电气装置和系统提供功率。燃料电池在固定、半固定或便携式应用中运行。
诸如固体氧化物燃料电池(SOFC)的某些燃料电池在提供电力来满足工业和商业需求的大型功率系统中运行。其它用于较小的便携式应用，诸如对汽车提供功率。其它普遍类型的燃料电池包括磷酸(PAFC)、熔融碳酸盐(MCFC)和质子交换隔膜(PEMFC)，它们大体都以它们的电解质命名。
燃料电池通过跨越离子传导层以电化学的方式组合燃料和氧化剂来发电。也标记为燃料电池的电解质的这个离子传导层为液体或固体。燃料电池典型地以电串联的方式积聚在燃料电池的组件中，以便以可用的电压或电流产生功率。因此，互连结构用来串联或并联地连接或联接相邻的燃料电池，以形成燃料电池叠堆。大体上，燃料电池的构件包括电解质、阳极和阴极。发电的反应大体在阳极和阴极处进行，在这里，典型地设置催化剂来加速反应。阳极和阴极的结构设置成包括槽道和多孔层，以增加用于进行化学反应的表面面积。电解质在阳极和阴极之间传送带电粒子，并且在别的方面基本不可渗透燃料和氧化剂。
诸如管、阀和接头连接器的管道构件联接到燃料电池，以引导诸如燃料、氧化剂和副产物的流体进入和远离燃料电池。有时，热交换器用来加热或冷却流体。例如，在一些系统中，多个燃料电池联接到中心热交换器，并且流体分开来从中心热交换器引导到各个燃料电池。因此，多个管道构件延伸在中心热交换器和多个燃料电池之间。另外，在中心热交换器关闭以进行维护和维修时，所有联接到中心热交换器的燃料电池的生产率受到影响。
一些被管道构件引导的流体具有较高温度，例如，高于600℃的温度。但是，处理高温流体所需要的高温管道构件会增加组装和运行燃料电池的成本和复杂性。另外，处理高温流体所需要的一些材料与燃料电池不相容。例如，诸如不锈钢的一些材料使燃料电池中的阴极铬蒸气中毒。此外，随着管道构件被高温流体加温，管道构件膨胀，即滑移，这影响管道构件(特别是接头连接器)的完整性。另外，热从高温流体损失到周围环境，这降低燃料电池的效率。
发明内容
在一个方面，用于燃料电池模块中的燃料电池块包括燃料电池和联接到燃料电池的热交换器。热交换器包括第一热交换构件、第二热交换构件和限定内部空间的壳体。空气入口管将空气引导到燃料电池且至少部分地延伸通过内部空间。第一交换构件构造成提高空气入口管中的空气的温度。燃料入口管将燃料引导到燃料电池且至少部分地延伸通过内部空间。第二交换构件构造成提高燃料入口管中的燃料的温度。空气出口管引导空气远离燃料电池且至少部分地延伸通过内部空间。燃料出口管引导燃料远离燃料电池且至少部分地延伸通过内部空间。歧管包括第一表面和与第一表面相反的第二表面。多个开口限定在第一表面和第二表面中。歧管联接到燃料电池和热交换器，使得第一表面接触燃料电池而第二表面接触热交换器。歧管联接到空气入口管、燃料入口管、空气出口管和燃料出口管。
在另一个方面，燃料电池模块包括至少一个燃料电池块。至少一个燃料电池块包括燃料电池和联接到燃料电池的热交换器。热交换器包括第一热交换构件、第二热交换构件和限定内部空间的壳体。燃料电池模块进一步包括至少一个管，用于将流体引导到燃料电池。至少一个管至少部分地延伸通过内部空间。热交换器构造成将流体的温度提高到范围在大约600℃和大约800℃之间的温度。歧管包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面。歧管联接到燃料电池和热交换器，使得第一表面接触燃料电池而第二表面接触热交换器。至少一个管联接到歧管。
在又一个方面，提供引导流体通过燃料电池模块的方法。燃料电池模块包括燃料电池块。方法包括将第一流体引导到燃料电池块。燃料电池块包括燃料电池、热交换器和歧管。热交换器包括限定内部空间的壳体。歧管包括第一表面和与第一表面相反的第二表面。第一开口和第二开口限定在第一表面和第二表面中。歧管联接到热交换器和燃料电池，使得第一开口和第二开口与燃料电池处于流体连接。方法进一步包括引导第一流体通过内部空间。第一流体被引导通过第一开口且进入燃料电池。第二流体被引导离开燃料电池且通过第二开口。第二流体被引导通过内部空间。随着流体被引导通过内部空间，热从第二流体传递到第一流体。热交换器构造成将第一流体的温度提高到范围在大约600℃和大约800℃之间的温度。热交换器包括第一热交换构件和第二热交换构件。
技术方案1. 一种用于燃料电池模块中的燃料电池块，所述燃料电池块包括：
燃料电池；
热交换器，其联接到所述燃料电池，所述热交换器包括第一热交换构件、第二热交换构件和限定内部空间的壳体；
空气入口管，其用于将空气引导到所述燃料电池，所述空气入口管至少部分地延伸通过所述内部空间，所述第一交换构件构造成提高所述空气入口管中的空气的温度；
燃料入口管，其用于将燃料引导到所述燃料电池，所述燃料入口管至少部分地延伸通过所述内部空间，所述第二热交换构件构造成提高所述燃料入口管中的燃料的温度；
空气出口管，其用于引导空气远离所述燃料电池，所述空气出口管至少部分地延伸通过所述内部空间；
燃料出口管，其用于引导燃料远离所述燃料电池，所述燃料出口管至少部分地延伸通过所述内部空间；以及
歧管，其包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面，多个开口限定在所述第一表面和所述第二表面中，所述歧管联接到所述燃料电池和所述热交换器，使得所述第一表面接触所述燃料电池而所述第二表面接触所述热交换器，所述歧管联接到所述空气入口管、所述燃料入口管、所述空气出口管和所述燃料出口管。
技术方案2. 根据技术方案1所述的燃料电池块，其特征在于，所述燃料电池为第一燃料电池，所述燃料电池块进一步包括联接到所述热交换器的第二燃料电池。
技术方案3. 根据技术方案2所述的燃料电池块，其特征在于，所述歧管为第一歧管，所述燃料电池块进一步包括联接到所述第二燃料电池和所述热交换器的第二歧管。
技术方案4. 根据技术方案3所述的燃料电池块，其特征在于，所述第一燃料电池、所述第二燃料电池和所述热交换器在竖向方向上对准，所述热交换器定位在所述第一燃料电池和所述第二燃料电池之间。
技术方案5. 根据技术方案4所述的燃料电池块，其特征在于，所述壳体包括顶部壁、底部壁和延伸在所述顶部壁和所述侧壁之间的侧壁，所述第一歧管联接到所述顶部壁而所述第二歧管联接到所述底部壁。
技术方案6. 根据技术方案1所述的燃料电池块，其特征在于，所述歧管具有最大宽度，其范围在大约254毫米和大约1270毫米之间。
技术方案7. 根据技术方案6所述的燃料电池块，其特征在于，所述歧管具有测量在所述第一表面和所述第二表面之间的厚度，所述厚度的范围在大约2毫米和大约400毫米之间。
技术方案8. 根据技术方案1所述的燃料电池块，其特征在于，所述燃料电池联接到多个燃料电池，以形成燃料电池叠堆。
技术方案9. 一种燃料电池模块，包括：
至少一个燃料电池块，其包括：
燃料电池；
热交换器，其联接到所述燃料电池，所述热交换器包括第一热交换构件、第二热交换构件和限定内部空间的壳体；
至少一个管，其用于将流体引导到所述燃料电池，所述至少一个管至少部分地延伸通过所述内部空间；以及
歧管，其包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面，所述歧管联接到所述燃料电池和所述热交换器，使得所述第一表面接触所述燃料电池而所述第二表面接触所述热交换器，所述至少一个管联接到所述歧管。
技术方案10. 根据技术方案9所述的燃料电池模块，其特征在于，所述至少一个燃料电池块包括多个所述燃料电池块。
技术方案11. 根据技术方案10所述的燃料电池模块，其特征在于，所述多个所述燃料电池块中的各个燃料电池块进一步包括联接到所述燃料电池的多个燃料电池。
技术方案12. 根据技术方案11所述的燃料电池模块，其特征在于，所述热交换器构造成将所述流体的温度提高到范围在大约600℃和大约800℃之间的温度。
技术方案13. 根据技术方案9所述的燃料电池模块，其特征在于，所述至少一个管包括空气入口管和燃料入口管，所述空气入口管和所述燃料入口管中的各个至少部分地延伸通过所述内部空间，所述第一热交换构件构造成提高所述空气入口管中的流体的温度而所述第二热交换构件构造成提高所述燃料入口管中的流体的温度。
技术方案14. 根据技术方案13所述的燃料电池模块，其特征在于，进一步包括空气出口管和燃料出口管，所述空气出口管至少部分地延伸通过所述内部空间，所述第一热交换构件和所述第二热交换构件中的至少一个构造成从所述空气出口管中的流体移除热。
技术方案15. 一种引导流体通过燃料电池模块的方法，所述燃料电池模块包括燃料电池块，所述方法包括：
将第一流体引导到所述燃料电池块，所述燃料电池块包括燃料电池、热交换器和歧管，所述热交换器包括限定内部空间的壳体，所述歧管包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面，第一开口和第二开口限定在所述第一表面和所述第二表面中，所述歧管联接到所述热交换器和所述燃料电池，使得所述第一开口和所述第二开口与所述燃料电池处于流体连接；
引导所述第一流体通过所述内部空间；
引导所述第一流体通过所述第一开口且进入所述燃料电池；
引导第二流体离开所述燃料电池且通过所述第二开口；
引导所述第二流体通过所述内部空间；以及
随着所述流体被引导通过所述内部空间，将热从所述第二流体传递到所述第一流体，所述热交换器构造成将所述第一流体的温度提高到范围在大约600℃和大约800℃之间的温度，所述热交换器包括第一热交换构件和第二热交换构件。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述燃料电池为第一燃料电池而所述歧管为第一歧管，所述方法进一步包括引导第三流体通过所述内部空间和通过第二歧管而进入第二燃料电池，所述第二歧管联接到所述热交换器和所述第二燃料电池。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，进一步包括引导第三流体通过所述内部空间和引导第四流体通过所述内部空间。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，进一步包括随着所述流体被引导通过所述内部空间，将热从所述第四流体传递到所述第三流体。
技术方案19. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，进一步包括在引导所述第一流体通过所述内部空间之前，将所述第一流体保持在范围在大约100℃和大约600℃之间的温度。
技术方案20. 根据技术方案19所述的方法，其特征在于，引导所述第一流体通过所述内部空间包括引导所述第一流体通过至少部分地延伸通过所述内部空间的管。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有图中表示相同部件，其中：
图1为通过示例性功率发生系统的流体流的示意图；
图2为示例性燃料电池模块的透视图；
图3为图2中显示的燃料电池模块的示例性燃料电池块的透视图。
图4为图3中显示的燃料电池块的部分的透视图；以及
图5为图2中显示的燃料电池模块的示例性歧管的平面图。
除非另外指示，本文提供的图意图示出本公开的实施例的特征。相信这些特征可应用于包括本公开的一个或多个实施例的广泛系统中。因而，图不意图包括本领域普通技术人员所知道的实践本文公开的实施例所需要的所有传统特征。
参考标号列表：
100功率发生系统
102燃料电池模块
104燃料电池
106集成热交换器
108阳极
110阴极
112阳极入口
114阳极出口
116阴极入口
118阴极出口
120空气热交换构件
122燃料热交换构件
124燃料预热器
126燃料重整器
128内燃发动机
130燃料热交换器
132冷却器
134压缩机
200燃料电池模块
202燃料电池块
204空气预热器
206燃料入口集管
208空气入口集管
210燃料出口集管
212空气出口集管
214集成热交换器
216第一燃料电池叠堆
218第二燃料电池叠堆
220燃料入口管
222空气入口管
224燃料出口管
226空气出口管
228上歧管
230下歧管
232壳体
234内部空间
236空气热交换构件
238燃料热交换构件
240顶部壁
242底部壁
244侧壁
246外表面
248外表面
250外表面
252燃料
254空气
258第一表面
260第二表面
262开口
264厚度
266直径
268半径
270长度
272孔。
具体实施方式
在以下说明书和所附权利要求中，将参照许多术语，所述术语应当定义为具有以下含义。
除非上下文另有明确指出，否则单数形式“一”、“一种”和“该” 包括复数对象。
“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情形可出现或可不出现，且该描述包括其中事件出现的情形和不出现的情形。
如在文中的整个说明书和权利要求中使用的近似语言可用于修饰可允许改变的任何定量表示，而不导致与其相关的基本功能改变。因此，通过一个术语或多个术语例如“约”和“基本上”修饰的值并不限于所规定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。在此处且在整个说明书和权利要求中，范围限制可合并和/或互换，这些范围被确认为包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指定。
本文描述的燃料电池模块包括热交换器，以提高使用燃料电池模块产生电功率的效率和降低成本。特别地，本文描述的实施例减少引导流体通过燃料电池模块所需要的高温管道构件。本文描述的实施例还有利于控制通过燃料电池模块的流体流。另外，燃料电池模块包括歧管，其有利于将管道构件和热交换器联接到燃料电池。而且，本文描述的热交换器提高燃料电池模块中的流体热传递的效率。
图1为示例性功率发生系统100的示意图，其包括燃料电池模块102。燃料电池模块102包括燃料电池104和集成热交换器106。燃料电池104为固体氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)中的一个。燃料电池104通过跨越离子传导层(未显示)以电化学的方式组合燃料和氧化剂(两者在下面进一步论述)产生直流(DC)电功率。离子传导层(即，燃料电池104的电解质)为液体或固体。在一些实施例中，燃料电池104以电串联的方式定位在燃料电池104的组件(图1中仅显示一个)中，以便以有用的电压或电流产生功率。
在示例性实施例中，燃料电池104包括电解质、阳极108和阴极110。产生DC电的电化学反应大体在阳极108和阴极110处进行，其中设置催化剂(未显示)来加速反应。阳极108和阴极110包括槽道和多孔层(都未显示)，以增加用于进行化学反应的表面面积。电解质将带电粒子从阳极108和阴极110中的一个传送到另一个，并且在别的方面基本不渗透燃料和氧化剂。为了有利于燃料流过阳极108，阳极108包括入口112和出口114。同样，阴极110包括入口116和出口118。阳极108将尾气体流从阳极出口114排出，其包括水、氢、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和未反应燃料，如果有的话。
在示例性实施例中，集成热交换器106联接到燃料电池104。集成热交换器106包括第一热交换构件120和第二热交换构件122。第一热交换构件120联接成与燃料电池阴极入口116和燃料电池阴极出口118处于流连通，使得第一热交换构件120从自燃料电池阴极排出的流体移除热且将热传递到被引导到燃料电池阴极入口116的流体。第二热交换构件122联接成与燃料电池阴极出口118和燃料电池阳极入口112处于流连通，使得第二热交换构件122从自燃料电池阴极出口118排出的流体移除热且将热传递到被引导到燃料电池阳极入口112的流体。在示例性实施例中，第一热交换构件120为空气-空气热交换构件而第二热交换构件122为空气-燃料热交换构件。在备选实施例中，第一热交换构件120和第二热交换构件122为使得集成热交换器106能够如本文描述的那样起作用的任何热交换构件。另外，在一些实施例中，集成热交换器106包括使得集成热交换器106能够如本文描述的那样起作用的任何数量的热交换构件。例如，在一些实施例中，集成热交换器106包括至少一个燃料-燃料热交换构件。
功率发生系统100还包括燃料预热器124，其联接成与阳极出口112处于流连通。燃料预热器124联接成与含碳源，即烃燃料源(未显示)处于流连通，其在示例性实施例中，含碳源将天然气引导到燃料预热器124。在备选实施例中，使用使得功率发生系统100和燃料电池104能够如本文描述的那样运行的任何燃料。
功率发生系统100进一步包括联接到燃料电池阳极出口114的烃燃料重整器126和燃料预热器124。烃燃料重整器126将包括夹带的尾气体流的燃料流转化成具有夹带的二氧化碳(CO2)的热的重整燃料流。内燃发动机128联接成与烃燃料重整器126处于流连通。热的重整燃料流被引导到内燃发动机128。在示例性实施例中，内燃发动机128包括往复4冲程发动机。在备选实施例中，内燃发动机128包括例如(不限制)往复2冲程发动机、对置活塞2冲程发动机和/或燃气涡轮发动机。在一些实施例中，内燃发动机128以机械的方式联接到发电机和/或其它负载，例如，(不限制)泵和压缩机。燃料热交换器130联接到烃燃料重整器126，使得燃料热交换器130加温从烃燃料重整器126引导到燃料电池阳极入口112的燃料的一部分。
在示例性实施例中，功率发生系统100进一步包括水烘干机或冷却器132和压缩机134。在备选实施例中，冷却器132和压缩机134被省略。在示例性实施例中，冷却器132联接到燃料预热器124且降低从燃料预热器124引导向内燃发动机128的燃料的温度，使得燃料中的水冷凝且被抽取。压缩机134联接到燃料电池模块102且有利于流体移动通过燃料电池模块102。在备选实施例中，功率发生系统100包括使得功率发生系统100能够如本文描述的那样起作用的以任何方式联接的任何构件。例如，在一些实施例中，功率发生系统100包括额外的热交换器和燃料重整器。另外，在一些实施例中，功率发生系统100的一些构件并联和/或串联联接。
图2为用于功率发生系统100中的燃料电池模块200的透视图。图3和4为燃料电池模块200的部分的透视图。燃料电池模块200包括至少一个燃料电池块202、空气预热器204、燃料入口集管206、空气入口集管208、燃料出口集管210和空气出口集管212。各个燃料电池块202包括集成热交换器214、第一燃料电池叠堆216、第二燃料电池叠堆218、燃料入口管220、空气入口管222、燃料出口管224、空气出口管226、上歧管228和下歧管230。在备选实施例中，燃料电池块202包括使得燃料电池模块200能够如本文描述的那样起作用的任何数量的燃料电池叠堆216,218和集成热交换器214。
在示例性实施例中，各个燃料电池块202具有功率发生容量，其限定为燃料电池块202在燃料电池模块200的运行期间产生的功率量。在一些实施例中，各个燃料电池块202具有的功率发生容量的范围在大约1千瓦(kW)和大约500kW之间。在进一步实施例中，各个燃料电池块202具有的功率发生容量的范围在大约25千瓦(kW)和大约250kW之间。在一些实施例中，各个燃料电池块202具有的功率发生容量为大约200kW。
燃料电池模块200具有的总功率发生容量为燃料电池块202的功率发生容量的总和。在一些实施例中，燃料电池模块200具有的总功率发生容量在大约25kW和大约1500kW之间。在进一步实施例中，燃料电池模块200具有的总功率发生容量在大约150kW和大约1250kW之间。在示例性实施例中，燃料电池模块200包括六个燃料电池块202且各个燃料电池块202具有大约167kW的功率发生容量。因此，燃料电池模块200具有的总功率发生容量为大约1000kW。在备选实施例中，燃料电池模块200包括使得燃料电池模块200能够如本文描述的那样起作用的具有任何功率发生容量的任何数量的燃料电池块202。
在示例性实施例中，第一燃料电池叠堆216和第二燃料电池叠堆218各自包括多个燃料电池104(显示在图1中)，其包括电解质和两个电极。第一燃料电池叠堆216和第二燃料电池叠堆218通过跨越离子传导层而以电化学的方式组合燃料和氧化剂产生电。在示例性实施例中，第一燃料电池叠堆216和第二燃料电池叠堆218包括燃料电池104，其为固体氧化物燃料电池。在备选实施例中，第一燃料电池叠堆216和第二燃料电池叠堆218包括使得燃料电池模块200能够如本文描述的那样起作用的任何类型的燃料电池。在示例性实施例中，第一燃料电池叠堆216和第二燃料电池叠堆218在集成热交换器214的相反的侧联接到集成热交换器214。在备选实施例中，第一燃料电池叠堆216和第二燃料电池叠堆218以使得燃料电池块202能够如本文描述的那样起作用的任何方式联接到集成热交换器214，。
在示例性实施例中，集成热交换器214包括限定内部空间234的壳体232、第一热交换构件236和第二热交换构件238。参照显示在图3中的定向，壳体232包括顶部壁240、底部壁242和延伸在顶部壁240和底部壁242之间的侧壁244。顶部壁240、底部壁242和侧壁244中的各个包括相应外表面246,248,250。在备选实施例中，集成热交换器214包括使得集成热交换器214能够如本文描述的那样起作用的任何数量的壁和表面。
诸如燃料252和空气254的流体在运行燃料电池模块200期间被引导通过燃料电池模块200。特别地，流体被引导通过燃料入口集管206、空气入口集管208、燃料出口集管210、空气出口集管212、燃料入口管220、空气入口管222、燃料出口管224和空气出口管226。如图3中最佳地看到的那样，燃料入口管220、空气入口管222、燃料出口管224和空气出口管226中的各个将流体引导到和引导出第一燃料电池叠堆216和第二燃料电池叠堆218。
空气预热器204在集成热交换器214上游联接到空气入口集管208和在集成热交换器214下游联接到空气出口管226。空气预热器204从空气出口管226中的空气254移除热且将热传递到空气入口管222中的空气254。在示例性实施例中，在空气入口管222引导空气254通过内部空间234之前，空气预热器204将空气入口管222中的空气254的温度提高到范围在大约100℃(212℉)和大约600℃(1112℉)之间的温度。
在运行中，空气254被引导通过空气入口集管208而进入空气入口管222，以输送到燃料电池块202。各个空气入口管222至少部分地延伸到内部空间234中。在内部空间234内，空气入口管222分成单独的区段，以将空气254输送到第一燃料电池叠堆216和第二燃料电池叠堆218。在备选实施例中，空气入口管222将空气254馈送到使得燃料电池模块200能够如本文描述的那样起作用的任何数量的燃料电池叠堆216,218。在示例性实施例中，空气入口管222通过第一热交换构件236加温，使得被引导通过空气入口管222的空气254的温度被提高。在示例性实施例中，在集成热交换器214的外部，空气入口管222中的空气254保持在低于600℃的温度。在内部空间234中，第一热交换构件236将空气入口管222中的空气254的温度提高到范围在大约600℃(1112℉)和大约800℃(1472℉)之间的温度。因此，仅需要高温管道构件来用于内部空间234内的空气入口管222的部分。高温管道为设计和制造成引导具有较高温度(即，高于大约600℃(1112℉)的温度)的流体的构件。
在运行燃料电池模块200期间，燃料252被引导通过燃料入口集管206而进入燃料入口管220，以输送到燃料电池块202。各个燃料入口管220至少部分地延伸到内部空间234中。在示例性实施例中，在内部空间234内，燃料入口管220分成单独的区段，以将燃料输送到第一燃料电池叠堆216和第二燃料电池叠堆218。在备选实施例中，燃料入口管220将燃料馈送到使得燃料电池模块200能够如本文描述的那样起作用的任何数量的燃料电池叠堆216,218。在示例性实施例中，燃料入口管220被第二热交换构件238加温，使得被引导通过燃料入口管220的流体的温度被提高。在示例性实施例中，在集成热交换器214的外部，流体燃料入口管220保持在低于600℃的温度。在内部空间234中，第二热交换构件238有利于将燃料入口管220中的流体的温度提高到范围在大约600℃(1112℉)和大约800℃(1472℉)之间的温度。因此，仅需要高温管道构件用于内部空间234内的燃料入口管220的部分。
在示例性实施例中，燃料从第一燃料电池叠堆216和第二燃料电池叠堆218排出而进入燃料出口管224，燃料出口管224至少部分地延伸进入内部空间234。燃料出口管224引导燃料离开内部空间234且到达燃料出口集管210。空气从第一燃料电池叠堆216和第二燃料电池叠堆218排出而进入空气出口管226，空气出口管226至少部分地延伸到内部空间234中。空气出口管226引导空气离开内部空间234且到达空气出口集管212。在内部空间234内部，第一热交换构件236有利于空气出口管226和空气入口管222之间的热交换，而第二热交换构件238有利于空气出口管226和空气入口管222之间的热交换。因此，随着流体被引导通过内部空间234，出口管226中的空气的流体降低温度。在示例性实施例中，空气出口管226中的流体的温度被降低，使得在离开内部空间234之前温度低于大约600℃(1112℉)。因此，仅需要高温管道构件用于内部空间234内的空气出口管226的部分。
在示例性实施例中，参照显示在图3中的定向，上歧管228定位在集成热交换器214上方，而下歧管230定位在集成热交换器214下方。上歧管228定位在集成热交换器214和第一燃料电池叠堆216之间且联接到集成热交换器214和第一燃料电池叠堆216。下歧管230定位在集成热交换器214和第二燃料电池叠堆218之间且联接到集成热交换器214和第二燃料电池叠堆218。在备选实施例中，燃料电池模块200的构件以使得燃料电池模块200能够如本文描述的那样起作用的任何方式定位。另外，在备选实施例中，燃料电池模块200包括使得燃料电池模块200能够如本文描述的那样起作用的任何数量的歧管。在示例性实施例中，上歧管228和下歧管230基本相同。因此，下歧管230的另外的描述是不需要的，因为上歧管228在下面详细描述。在备选实施例中，下歧管230不同于上歧管228。在一些实施例中，上歧管228和/或下歧管230被省略。
图5为上歧管228的平面图。上歧管228包括第一表面258、与第一表面258相反的第二表面260和多个开口262。开口262限定在第一表面258和第二表面260中且延伸在第一表面258和第二表面260之间，以提供槽道用于通过上歧管228的流体流。上歧管228具有厚度264，其测量在第一表面258和第二表面260之间。在一些实施例中，厚度264的范围在大约2毫米(0.1(英寸))和大约400毫米(16英寸)之间。在示例性实施例中，厚度264为大约19毫米(0.75英寸)。上歧管228具有最大宽度266，其限定在上歧管228的侧向边缘之间。在示例性实施例中，上歧管228具有圆形形状，其包括的直径等于最大宽度266。在一些实施例中，最大宽度266的范围在大约254毫米(10英寸)和大约1270毫米(50英寸)之间。在示例性实施例中，最大宽度266为大约406毫米(16英寸)。在备选实施例中，上歧管228为使得上歧管228能够如本文描述的那样起作用的任何形状和大小。
在示例性实施例中，各个开口262具有带有半径268的至少部分地圆形形状。在一些实施例中，半径268的范围在大约2.5毫米(0.1英寸)和大约254毫米(10英寸)之间。在示例性实施例中，半径268为大约25毫米(1英寸)。一些开口262为伸长的，以形成具有长度270的槽口状形状。在一些实施例中，长度270的范围在大约25毫米(1英寸)和大约254毫米(10英寸)之间。在示例性实施例中，长度270为大约64毫米(2.5英寸)。在备选实施例中，开口262为使得上歧管228能够如本文描述的那样起作用的任何形状和大小。在示例性实施例中，上歧管228进一步包括多个孔272，以有利于将上歧管228联接到其它构件。
回头参照图3和4，上歧管228联接到第一燃料电池叠堆216，使得第一表面258接触第一燃料电池叠堆216而第二表面260接触集成热交换器214。燃料入口管220、空气入口管222、燃料出口管224和空气出口管226在开口262附近联接到上歧管228。因此，燃料入口管220和入口管222中的流体被引导通过开口262而进入第一燃料叠堆216。另外，第一燃料叠堆216中的流体被引导通过开口262而进入燃料出口管224和空气出口管226。
参照图1-3，引导流体252,254通过燃料电池模块200的方法包括引导流体252,254通过燃料电池块200。在一些实施例中，流体252,254单独地被引导通过多个燃料电池块202，多个燃料电池块202联接在一起，以形成燃料电池模块200。在示例性实施例中，流体252,254被引导通过内部空间234。在一些实施例中，流体252,254被引导通过空气出口集管212、燃料入口管220、空气入口管222、燃料出口管224和空气出口管226，它们至少部分地延伸通过内部空间234。在示例性实施例中，流体252,254被引导通过开口262且进入燃料电池104。流体252,254通过开口262和通过内部空间234被引导出燃料电池104。随着流体252,254被引导通过内部空间234，热被从被引导出燃料电池104的流体252,254移除且传递到被引导向燃料电池104的流体252,254。集成热交换器214构造成将流体252,254的温度提高到范围在大约600℃和大约800℃之间的温度。在一些实施例中，在引导流体252,254通过内部空间234之前，流体252,254保持在范围在大约100℃和大约600℃之间的温度。
上面描述的燃料电池模块包括热交换器，以提高使用燃料电池模块产生电功率的效率和成本。特别地，本文描述的实施例减少将引导流体通过燃料电池模块所需要的高温管道构件。本文描述的实施例还有利于控制通过燃料电池模块的流体流。另外，燃料电池模块包括歧管，其有利于将管道构件和热交换器联接到燃料电池。而且，本文描述的热交换器提高燃料电池模块中的流体热传递的效率。
本文描述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括下者中的至少一个：(a)提高燃料电池模块的运行效率；(b)减少维护和修理空气燃料电池模块所需要的时间和成本；(c)降低组装和运行燃料电池模块的成本；(d)减少在燃料电池模块中需要的高温管道构件的量；(e)控制通过燃料电池模块的流体的压降；和(f)减少燃料电池模块中的管道连接的复杂性。
上面详细描述了包括集成热交换器的燃料电池模块的示例性实施例。包括集成热交换器的燃料电池模块和运行这种系统和装置的方法不限于本文描述的特定实施例，而是相反，系统的构件和/或方法的步骤可与本文描述的其它构件和/或步骤独立地和分开来使用。例如，方法也可与其它系统结合起来使用，并且不限于仅用本文描述的燃料电池模块、燃料电池系统和方法实践。相反，示例性实施例可结合目前构造成接收和接受燃料电池的许多其它燃料电池应用(例如(而不限制)在远处区域和工业设施中的分布式发电设施)实施和使用。
虽然本发明的各种实施例的特定特征可能显示在一些附图中而未显示在其它附图中，但是这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征来参照和/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (14)

1.一种用于燃料电池模块中的燃料电池块，所述燃料电池块包括：
第一燃料电池和第二燃料电池；
热交换器，其联接到所述第一燃料电池和所述第二燃料电池，所述热交换器包括第一热交换构件、第二热交换构件和限定内部空间的壳体；
空气入口管，其用于将空气引导到所述第一燃料电池和所述第二燃料电池，所述空气入口管至少部分地延伸通过所述内部空间，所述第一热交换构件构造成提高所述空气入口管中的空气的温度；
燃料入口管，其用于将燃料引导到所述第一燃料电池和所述第二燃料电池，所述燃料入口管至少部分地延伸通过所述内部空间，所述第二热交换构件构造成提高所述燃料入口管中的燃料的温度；
空气出口管，其用于引导空气远离所述第一燃料电池和所述第二燃料电池，所述空气出口管至少部分地延伸通过所述内部空间；
燃料出口管，其用于引导燃料远离所述第一燃料电池和所述第二燃料电池，所述燃料出口管至少部分地延伸通过所述内部空间；以及
第一歧管和第二歧管，其各自包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面，多个开口限定在所述第一表面和所述第二表面中，所述第一歧管联接到所述第一燃料电池和所述热交换器，使得所述第一歧管的所述第一表面接触所述第一燃料电池而所述第一歧管的所述第二表面接触所述热交换器，所述第二歧管联接到所述第二燃料电池和所述热交换器，使得所述第二歧管的所述第一表面接触所述第二燃料电池而所述第二歧管的所述第二表面接触所述热交换器，所述第一歧管和所述第二歧管联接到所述空气入口管、所述燃料入口管、所述空气出口管和所述燃料出口管；
其中，所述第一燃料电池和所述第二燃料电池设置在所述热交换器的相反的表面上，使得所述热交换器设置在所述第一燃料电池和所述第二燃料电池之间。
2.根据权利要求1所述的燃料电池块，其特征在于，所述第一燃料电池、所述第二燃料电池和所述热交换器在竖向方向上对准，所述热交换器定位在所述第一燃料电池和所述第二燃料电池之间。
3.根据权利要求2所述的燃料电池块，其特征在于，所述壳体包括顶部壁、底部壁和延伸在所述顶部壁和所述底部壁之间的侧壁，所述第一歧管联接到所述顶部壁而所述第二歧管联接到所述底部壁。
4.根据权利要求1所述的燃料电池块，其特征在于，所述第一歧管和所述第二歧管中的各个具有最大宽度，其范围在254毫米和1270毫米之间。
5.根据权利要求4所述的燃料电池块，其特征在于，所述第一歧管和所述第二歧管中的各个具有测量在所述第一表面和所述第二表面之间的厚度，所述厚度的范围在2毫米和400毫米之间。
6.一种燃料电池模块，包括：
至少一个根据权利要求1至5中的任一项所述的燃料电池块。
7.根据权利要求6所述的燃料电池模块，其特征在于，所述至少一个燃料电池块包括多个所述燃料电池块。
8.根据权利要求6所述的燃料电池模块，其特征在于，所述热交换器构造成将空气和燃料的温度提高到范围在600℃和800℃之间的温度。
9.根据权利要求6所述的燃料电池模块，其特征在于，所述第一热交换构件和所述第二热交换构件中的至少一个构造成从所述空气出口管中的流体移除热。
10.一种引导流体通过燃料电池模块的方法，所述燃料电池模块包括燃料电池块，所述方法包括：
将第一流体引导到所述燃料电池块，所述燃料电池块包括第一燃料电池、第二燃料电池、热交换器、第一歧管和第二歧管，所述热交换器包括限定内部空间的壳体，所述第一歧管和所述第二歧管各自包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面，第一开口和第二开口限定在所述第一表面和所述第二表面中，所述第一歧管联接到所述热交换器和所述第一燃料电池，使得所述第一歧管的所述第一开口和所述第二开口与所述第一燃料电池处于流体连接，所述第二歧管联接到所述热交换器和所述第二燃料电池，使得所述第二歧管的所述第一开口和所述第二开口与所述第二燃料电池处于流体连接；
引导所述第一流体通过所述内部空间；
引导所述第一流体通过所述第一歧管和所述第二歧管的所述第一开口且进入所述第一燃料电池和所述第二燃料电池；
引导第二流体离开所述第一燃料电池和所述第二燃料电池且通过所述第一歧管和所述第二歧管的所述第二开口；
引导所述第二流体通过所述内部空间；以及
随着所述第一流体和第二流体被引导通过所述内部空间，将热从所述第二流体传递到所述第一流体，所述热交换器构造成将所述第一流体的温度提高到范围在600℃和800℃之间的温度，所述热交换器包括第一热交换构件和第二热交换构件；
其中，所述第一燃料电池和所述第二燃料电池设置在所述热交换器的相反的表面上，使得所述热交换器设置在所述第一燃料电池和所述第二燃料电池之间。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括引导第三流体通过所述内部空间和引导第四流体通过所述内部空间。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括随着所述第三流体和第四流体被引导通过所述内部空间，将热从所述第四流体传递到所述第三流体。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括在引导所述第一流体通过所述内部空间之前，将所述第一流体保持在范围在100℃和600℃之间的温度。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，引导所述第一流体通过所述内部空间包括引导所述第一流体通过至少部分地延伸通过所述内部空间的管。
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