CN109415828A - 高温燃料电池系统的堆栈行结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是一种高温燃料电池系统或电解电池系统的堆栈排列结构体，所述电池系统中的每个电池包括阳极侧(100)、阴极侧(102)和位于所述阳极侧和所述阴极侧之间的电解质(104)，所述电池系统包括电池堆栈(103)形式的电池。所述排列结构体包括以行排列布置的堆栈(103)，其中所述堆栈以至少两行并排布置，并且所述排列结构体包括用于将空气进给到所述堆栈(103)的空气进给管道(120)，所述管道具有向密封的空气供给空间(132)进行输送的空气入口端(130)，所述空气供给空间(132)在所述堆栈(103)的行间形成从而使所述空气供给空间的至少两个侧面被所述堆栈本身包围。所述排列结构体包括燃料进给共轨(133)、燃料进给管道(122)和用于将燃料进给到所述堆栈(103)的单独进给通道(131)，以及沿着所述燃料进给共轨(133)、所述燃料进给管道(122)、所述单独进给通道(131)和所述空气进给管道(120)中的至少一个的至少一个辐射传热补偿元件(134)，用于对所述堆栈(103)的空气进给流进行流量和温度平衡的装置(135)，以及用于对所述电池系统中的燃料流进行流量平衡的装置(137)。

Description

高温燃料电池系统的堆栈行结构及方法

技术领域

世界的大多数能量借助石油、煤炭、天然气或核能来产生。就例如可利用性和环境友好性而言，所有这些产生方法都有它们的具体问题。就环境而言，尤其石油和煤炭在燃烧时会造成污染。关于核能的问题至少在于使用过的燃料的存储。

尤其由于环境问题，已经开发了更环境友好并且例如比上述能源效率更佳的新能源。燃料电池是具有发展前景的能量转换设备，例如生物气等燃料的能量通过燃料电池在环境友好的过程中经由化学反应直接转换成电能。

背景技术

如图1中所呈现的燃料电池包括阳极侧100和阴极侧102以及位于其间的电解质材料104。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧106被输送到阴极侧102并且通过接受来自阴极的电子而还原成负氧离子。负氧离子穿过电解质材料104到达阳极侧100，负氧离子在阳极侧100与燃料108反应从而产生水而且通常产生二氧化碳(CO₂)。阳极100和阴极102通过包括用于燃料电池从系统外提取电能的负载110的外部电路111连接。燃料电池也向反应物废排气流产生热量。

在图2中，呈现了作为高温燃料电池设备的示例的SOFC设备。SOFC设备可以将例如天然气、生物气、甲醇或包含烃的其他化合物用作燃料。图2中的SOFC设备包括堆栈形式(SOFC堆栈)的多于一个(通常为多个)燃料电池103。每个燃料电池包括如图1中呈现的阳极100和阴极102结构。使用过的燃料的一部分可以在反馈构造109中穿过各阳极再循环。图2中的SOFC设备还包括燃料热交换器501和重组器107。通常使用若干热交换器来控制在燃料电池工艺中的不同位置处的热条件。重组器107为将燃料(例如，天然气)转换成适于燃料电池的组合物(例如包含氢和甲烷、二氧化碳、一氧化碳以及惰性气体的组合物)的设备。但无论如何，在各SOFC设备中，并非必须具有重组器。

例如，惰性气体是用于燃料电池技术的吹扫气或吹扫气化合物的一部分。例如，氮气是燃料电池技术中的用作吹扫气的典型的惰性气体。吹扫气不一定是单质，其也可以是复合气体。

通过使用测量装置115(诸如燃料流量计、电流计以及温度计)，进行必要的测量以便SOFC设备的运行。在阳极100处使用的气体的一部分可以在反馈构造109中通过阳极来再循环，并且另一部分气体从阳极100排出114。

在甲烷、一氧化碳和氢燃料的情形中的燃料电池反应如下所示：

阳极：CH₄+H₂O＝CO+3H₂

CO+H₂O＝CO₂+H₂

H₂+O^2-＝H₂O+2e^-

阴极：O₂+4e^-＝2O^2-

总反应：CH₄+2O₂＝CO₂+2H₂O

CO+1/2O₂＝CO₂

H₂+1/2O₂＝H₂O

在电解运行模式(固体氧化物电解电池(SOEC))下，反应逆转，即，将热以及来自源110的电能供应到电池，其中水通常和二氧化碳在阴极侧被还原而形成氧离子，氧离子穿过电解质材料移向阳极侧，在阳极侧发生氧化反应。在SOFC和SOEC两种模式下均可以使用相同的固体电解质电池。在这样的情况下并且在本说明书的背景下，电极通常基于燃料电池运行模式而称为阳极和阴极，而在纯粹的SOEC应用中，氧电极可命名为阳极，并且反应物电极为阴极。

在固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解槽(SOE)堆栈(本文通称为固体氧化物电池堆栈)中，各电池内部的阴极气体相对于阳极气体的流动方向以及相邻电池之间的气体的流动方向通过堆栈的不同电池层组合。此外，阴极气体或阳极气体或两者可以在其耗尽之前通过一个以上的电池，并且多个气流可以在通过初级电池之后且在通过二次电池之前分离或合并。这些组合用于增加电流密度并且使电池和整个堆栈的热梯度最小化。

固体氧化物燃料电池(SOFC)设备是通过氧化燃料来直接产生电力的电化学转换设备。SOFC设备的优点包括高效率、长期稳定性、低排放以及低成本。主要缺点是运行温度高，其导致长的启动时间以及机械和化学相容性的问题。

固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极电极通常包含大量镍，如果气氛不是还原性的则易形成氧化镍。如果氧化镍形成严重，则电极的形态会不可逆地变化，导致电化学活性的显著损失或甚至电池的破坏。因此，为了防止燃料电池的阳极电极氧化，SOFC系统在启动和关闭期间通常需要吹扫气，即含有还原剂的安全气体(诸如用惰性气体如氮气稀释的氢气)。在实际系统中，因为大量的例如含氢气的加压气体昂贵且作为需要空间的成分会带来问题，所以必须使吹扫气的量最小化。

在系统启动和关闭条件下，需要使吹扫气的需求最小化。根据现有技术的应用，通过阳极再循环，即，将未使用的吹扫气循环回到回路，或通过蒸汽重组或催化部分氧化产生还原性气体，使正常启动或关闭期间的吹扫气的量最小化。然而，在例如由气体警报或断电引起的紧急关闭(ESD)中，可能无法或不允许运行阳极再循环或主动还原性气体产生装置，从而使所需的吹扫气的量增加。另外，如果在ESD期间不能供应用于冷却系统的阴极空气流，则所需的吹扫气的量由于将系统冷却至不发生镍氧化的温度的时间甚至是主动关闭情况的3倍而进一步增加。

如上所述，目前的SOFC堆栈需要还原性吹扫气以防止阳极在异常情况如紧急关闭情况下氧化。然而，对于实际应用，特别是对于更大的单元尺寸，吹扫气的量仍然是相当大的。堆栈在某一临界温度以上易受到有害的镍氧化，该临界温度通常在300至400摄氏度之间。低于该温度，镍氧化反应很慢，以至于阳极上不再需要还原气氛。在被动紧急关闭(ESD)情况下，由于不存在通过系统的空气流、部件的高热容量以及系统的良好隔热，单元的冷却极其缓慢(甚至长达10小时以上)。因为高效率的回热器将大部分热量带回系统，所以即使可以使用主动空气冷却，冷却通常也很慢。

高温燃料电池系统，特别是SOFC系统，通常在一个或多个绝缘外壳内包含多个燃料电池堆栈。就爆炸安全性而言，燃料电池堆栈本身以及在燃料供应管线内使用的任何法兰和密封表面应被视为燃料泄漏到其周围环境的潜在来源。在高温燃料电池的情况下，周围环境的温度通常高于所使用的气体燃料的自燃温度。因此，处理泄漏的传统方法是将所有潜在的泄漏源置于空气或排气流中，同时注意空气总是以过量的量来燃烧任何泄漏的燃料。这种方法需要一个适用于空气/排气流的压力水平的气密外壳，并且足够大以容纳所有具有非焊接连接的燃料歧管(即，泄漏源)。

如果泄漏相对较高，上述处理泄漏的方法特别方便。然而，在一些工艺和布局构造中，将所有燃料连接器安装在气密空间内的要求可能对系统紧凑性、可维护性和成本产生负面影响。尤其在露天歧管堆栈的情况下，即，堆栈被密封在空气进给管道的周边，在这种管道内安装所有燃料连接器通常是不切实际的。

在由多个堆栈组成的高温燃料电池或电解系统中，在不同堆栈处发生的运行条件的管理对于最大化系统性能和寿命是至关重要的。在不同温度下运行的堆栈将具有不同的内部电阻和流动阻力，从而导致体积流量的差异并因此导致燃料利用率、电压和温度梯度的差异。这种差异可能加速在最不利条件下运行的那些堆栈的劣化，从而限制系统的寿命。作为对策，为了防止这些堆栈经历不利条件，可以全局增加运行条件下的安全裕度，但是安全裕度的增加通常会降低系统输出和/或增加成本。

在现有技术的实施方式中，使操作条件差异最小化的方法包括被动装置，例如使用对称性、导向叶片和用于流量均化的流量限制器，以及主动装置，例如分堆栈或分堆栈组流量或负载控制的装置。通常使用几种方法的组合。实现尽可能均匀的操作条件的努力限制着系统布局并且往往成为选择燃料电池或电解系统几何结构的决定性因素。

在高温燃料电池系统中，显著的复杂性和成本通常与在热室和冷室之间的界面和边界，例如气体、电力和机械支持馈通相关。热和冷结构之间需要连接，例如使热管穿过气密冷壁时，热损失和热机械应力的管理成为问题，其通常需要昂贵和/或耗费空间的排列结构。而且，不同热部件之间的传输管可能需要来自冷结构和热机械补偿器的支持。因此，理想的是使热冷馈通和传输管最小化。通过集成部件可以实现这一点。在现有技术实施方式中，提出了集成燃烧器、重组器和热交换器的各种设计。利用适当的对称性或热管理，可以使这样的排列结构与燃料电池相邻。然而，这种排列结构不使用阳极再循环，或者将阳极再循环布置在堆栈室外部，需要昂贵的馈通和/或要再循环的气体的中间冷却。在包括多个堆栈的系统中，将所有堆栈集成到一个室中也有利于最小化馈通量和热损失。此外，避免堆栈特定性或堆栈组特定性的绝缘材料会降低系统成本和体积。然而，在公共环境中集成大量堆栈通常自然地引入不同堆栈之间的运行条件的差异。

在多堆栈排列结构中，最重要的是平衡堆栈排列结构内的运行条件，以最小化由环境引起的性能和寿命变化，并且防止个别堆栈的过早失效。对称性的使用提供了一种使差异自然地最小化的良好方法，但对于大量堆栈，其可能无法以合理的成本或在合理的几何尺寸内实现完美的对称性。此外，尽管具有大量的个体堆栈，但在周边系统(BoP)中使用通用部件例如重组器、燃烧器、热交换器、喷射器、鼓风机和阀门等通常是有利的。与这些的接口通常在本为对称的排列结构中引入不对称性。

代替完全对称(例如，圆形或矩形)的堆栈构造的是，以从一端、两端或从行中间供给的行构造来排列堆栈，这可能更具成本和空间效益。有利的是在出口空气自由流动的空间内输送燃料和入口空气结构，或者可选地在输送入口空气的空间内输送燃料管和出口空气管。在这两种情况下，由于有害颗粒可能从绝缘材料中脱落并随着流动而迁移，因此有利的是不将所述管隔离在所述输送空气的空间内。此外，在较冷的入口管和较热的出口管之间固有地发生的辐射热交换有利于减少单独的热交换器的需求或负担。然而，在行构造中进行热交换的分配管引入了沿分配共轨的不同流动分支的流动温度差。在合理尺寸的分配管中的压力损失和动态压力进一步引入了供应不同堆栈或堆栈组的流动分支之间的压力差。另外，沿行构造行进的反应物供应管的温度变化改变了流动构造中不同堆栈所经历的热辐射场。所有这些现象都在堆栈运行条件中引入变化，这影响它们的性能和寿命。为避免这种变化的有害影响，需要对全局操作参数应用适当的安全裕度，以确保不会局部超出允许的极限值。

通过在流动分支中设计足够的压降而使得分支内的压降控制分配排列结构内的压降，可以减少分支之间流动的流量偏差。然而，如果这种分配排列结构涉及转移到不同流动分支的反应物的加热或冷却的差异，则这种温度差异引起流体密度和粘度的变化，其再次引入流量偏差。此外，反应物到堆栈的入口温度的差异通过流体本身的热含量和通过所含的例如蒸汽重组的吸热和/或放热来显著影响堆栈的热平衡。这可以产生放大堆栈之间的差异的正反馈现象。换言之，最冷的堆栈接收大部分燃料(由于密度最高)和大部分空气，因此其具有最高的冷却流量和最高的吸热蒸汽重组量，这进一步使其冷却。分别地，最热的堆栈接收最少的冷却反应物，因此具有最低的流动冷却量。其也具有内部重组，这往往会进一步升高其温度。

由于在不对称供给的情况下，出口处的温度往往比入口处具有更小的差异，因此放置在堆栈的出口流中的流量限制器元件在平衡流量方面是最有效的。然而，作为补偿本为不均匀流量分配的方式的大压降增加了系统寄生损失，尤其增加了对反应物循环排列结构的要求。尤其对于喷射器驱动的阳极或阴极再循环，额外的压降会严重降低再循环的性能。流量限制元件对制造公差也很敏感。

发明内容

本发明的目的是实现一种具有改进的流量和温度平衡条件和改进的条件的电池系统。这通过高温燃料电池系统或电解电池系统的堆栈排列结构体(stack arrangement)来实现，所述电池系统中的每个电池包括阳极侧、阴极侧和处于所述阳极侧和所述阴极侧之间的电解质，所述电池系统包括电池堆栈形式的电池。所述排列结构包括以行(row)排列布置的堆栈(stack)，其中所述堆栈以至少两行并排布置，并且所述排列结构体包括用于将空气进给到所述堆栈的空气进给管道，所述管道具有向密封的空气供给空间进行输送的空气入口端，所述空气供给空间在所述堆栈的行间形成从而使所述空气供给空间的至少两个侧面被所述堆栈本身包围，并且所述排列结构体包括燃料进给共轨、燃料进给管道和用于将燃料进给到所述堆栈的单独进给通道，以及沿着所述燃料进给共轨、所述燃料进给管道、所述单独进给通道和所述空气进给管道中的至少一个的至少一个辐射传热补偿元件，用于对所述堆栈的空气进给流进行流量和温度平衡的装置，以及用于对所述电池系统中的燃料流进行流量平衡的装置。

本发明的焦点还在于一种高温燃料电池系统或电解电池系统的方法。在该方法中，将电池堆栈以行排列布置，使得所述堆栈以至少两行并排布置，通过具有空气入口端的空气进给管道将空气供给到所述堆栈，所述空气入口端向密封的空气供给空间进行输送，所述空气供给空间在所述堆栈的行间形成从而使所述空气供给空间的至少两个侧面被所述堆栈本身包围，并且在所述方法中，通过进给共轨、燃料进给管道和单独进给通道将燃料供给到所述堆栈，沿着所述燃料进给共轨、所述燃料进给管道、所述单独进给通道和所述空气进给管道中的至少一个进行辐射传热补偿，对所述堆栈的空气进给流进行流量和温度平衡，并且对电池系统中的燃料流进行流量平衡。

本发明基于一种具有空气入口端的空气进给管道，所述空气入口端对密封的空气供给空间进行输送，用于将空气供给到以至少两行并排布置的堆栈。所述密封的空气供给空间在所述堆栈行间形成从而所述空气供给空间的至少两个侧面被所述堆栈本身包围。本发明还基于沿着燃料进给共轨、燃料进给管道、单独进给通道和空气进给管道中的至少一个的辐射传热补偿，以及对所述堆栈的空气供给流进行流量和温度平衡，以及对电池系统中的燃料流进行流量平衡。

本发明的优点是可以构建紧凑且经济上有益的燃料电池或电解电池系统。而且，因为至少可以部分地消除密封问题，所以可以改进电池系统的功能性。

附图说明

图1示出了单个燃料电池结构。

图2示出了SOFC设备的实例。

图3示出了根据本发明的高温电池系统的示例性堆栈排列结构。

图4示出了根据本发明的堆栈行形成。

本发明的详细说明

固体氧化物燃料电池(SOFC)可以具有多种几何结构。平面几何结构(图1)是大多数类型的燃料电池所采用的典型夹层式几何结构，其中，电解质104夹在电极(即阳极100和阴极102)之间。SOFC也可以制成管状几何结构，其中，例如空气或燃料穿过管的内部而其他气体沿管的外部穿过。这也可以布置来使得用作燃料的气体穿过管的内部并且空气沿管的外部穿过。SOFC的其他几何结构包括改性平面电池(MPC或MPSOFC)，其中，波状结构代替平面电池的传统平坦结构。因为这种设计享有平面电池(低电阻)和管状电池的优点，所以它们很有前景。

在大固体氧化物燃料电池系统中，通常燃料为天然气(主要是甲烷)、不同的生物气体(主要为由氮气和/或二氧化碳稀释的甲烷)，以及其他含高级烃的燃料或醇。甲烷和高级烃需要在进入燃料电池堆栈103之前在重组器107(图2)中进行重组或者(部分地)在堆栈103内部进行重组。重组反应需要一定量的水，并且还需要额外的水来防止可能由高级烃引起的碳形成(焦化)。因为在燃料电池反应中产生过量的水，所以这种水可以通过循环阳极气体废气流来内部提供，和/或所述水可以用辅助给水提供(例如，直接进给新鲜水或废气凝结的循环)。通过阳极再循环设置，阳极气体中的部分未使用的燃料和稀释剂也被供给回该过程，而在辅助给水设置中，该过程的唯一添加剂是水。

在根据本发明的排列结构体中，堆栈相对于供给以至少一行构造布置，使得尽管供给不对称并且尽管在分配管上缺乏隔离，但各个堆栈的操作条件的偏差基本上为零。通过将空气以对堆栈的流量和温度平衡的出口的迂回形式供给到堆栈行，并且通过在燃料供给分支中具有分支特异性的压降元件并且使用沿燃料进给共轨的至少一个传热增强元件来实现接近于零的偏差。用于对堆栈103进行流量和温度平衡的空气供给流的装置也可以例如通过穿孔管来实现。堆栈布置成塔并且塔进一步并排成行，使得在每对两行之间形成基本上为长方体形状的空气入口空间，其中堆栈空气入口(和中间密封)构成所述长方体空间的至少两个最大面，并且空气供给结构构成其余的两个面。为了防止堆栈的空气旁路流穿过相邻堆栈塔之间的间隙，所述间隙可以用例如陶瓷块或纤维、密封垫圈或其组合来填充。在所述长方体空间内，可以使用穿孔的弯曲(例如U形)的管或在两端具有一个公共头的直管，来促进在迂回构造中的锯齿形空气供给模式。也可以同轴地布置促进均匀的流量和温度配置到堆栈空气入口的管。在一个优选实施方式中，堆栈空气入口面构成长方体边界总面积的50％以上。

在根据本发明的排列结构体中，堆栈行可以包含在隔离的气密外壳中，其内部体积至少部分地构成阴极出口通道。补燃器可以位于所述外壳的内部或外部。作为另选，离开燃料系统的未耗尽燃料的后氧化可以被安排在所述外壳内的多个位置。还可以提取离开燃料系统的部分或全部未耗尽的燃料以用于例如氢生成。燃料供应管位于所述阴极出口通道部内并沿着所述相邻堆栈塔的行。所述供应管路包括至少一个传热增强元件和每个堆栈行内的至少一个压降结构。所述至少一个传热增强元件相对于堆栈行不对称地放置在燃料供给管内，以补偿管表面沿行的梯度。传热增强元件可以是例如管内的板或波纹结构、管表面上的翅片或变形。传热增强元件也可以充当压降元件，并且可以在不同位置使用不同的几何结构以实现优化传热与压降。压降元件可以包括各种管插件、孔和沿反应物供应结构的孔。

在经历大温差的大几何结构中，需要考虑不同结构的热膨胀差异。通常，沿分配管的至少一部分需要诸如波纹管的补偿装置。在根据本发明的一个优选实施方式中，沿行构造到个别堆栈组的流动分支包括多个弯管，以提供固有的灵活性并因此允许使波纹管的需求最小化。

在根据本发明的一个替代实施方式中，每两个堆栈塔行之间的空间可以是空气出口空间，并且空气入口可以位于绝缘气密容器的内部、外部。燃料管道可以布置在空气入口或出口空间内或在所述空间之间，例如在堆栈行的下方或上方。燃料普通栏杆可以布置为支撑和供给燃料到堆栈(歧管)的结构的一部分。歧管可以具有塔特异性，共用于两个相邻或两个相对的堆栈塔，或者共用于四个或更多个塔。歧管可以放置在塔的中间，在具有用于入口和出口燃料的单独歧管的一端或两端。在高塔构造中，可以在堆栈塔的不同高度处具有多个歧管以促进均匀的燃料流动。

尽管将系统设计成为所有堆栈提供相同的操作条件，但由于各种原因，系统的不同部分可能出现变化。根据本发明的空气供给构造可以包括将可控量的冷空气混合到不同堆栈组的加热的空气入口流的装置，以允许补偿温度、电流或流量的差异。类似地，可以提供将少量剩余燃料注入到不同流动分支的装置作为补偿装置。

堆栈通常需要至少在操作期间施加外部压缩。压缩可以由弹簧通过施加压力或在某些情况下通过在堆栈塔上施加重量来设置。压缩反作用力可以通过冷结构传递，例如通过空气密封外壳或使用部分穿过热环境运行的杆或板。对于需要持续压缩的堆栈，可能需要在系统组装和拆卸期间应用特殊的传输压缩装置。在根据本发明的实施方式中，歧管可以作为用于运行时压缩和/或传输压缩的单个或多个堆栈塔的力分配板。

为了防止堆栈的短路并且为了避免触电的危险，通常需要将至少部分燃料电池堆栈与系统底盘以及与其电流接触的任何结构(包括气体进给管道)电隔离。隔离强度要求取决于连接拓扑、功率转换拓扑和相关法规。在根据本发明的实施方式中，隔离可以位于堆栈系统界面，例如在堆栈和歧管之间的各个和多个部分，沿气体供给管和支撑结构，相对于密封件，与堆栈成一体或与热隔离集成。隔离元件可以是各种低电导率的密封件、离散的陶瓷部件、各种纤维或其组合。该系统可以包括在运行期间监视隔离强度的装置。

在根据本发明的实施方式中，个别补偿元件可以包括流量限制(包括管道或壁上的孔)、传热增强元件等。根据本发明的排列结构体可以是例如包括空气和燃料进给管(即，管道)的排列结构体，所述空气和燃料进给管(即，管道)在任何中间有空气通道的横截面部都具有以相反方向水平流动的流动。

在图3和图4中所示的根据本发明的高温电池系统的示例性堆栈排列结构体中，电池系统可以是燃料电池系统或电解电池系统。电池系统中的每个电池包括阳极侧100、阴极侧102以及位于所述阳极侧和所述阴极侧之间的电解质104。电池系统包括电池堆栈103中的电池。所述堆栈排列结构体包括以行排列布置的堆栈103，其中所述堆栈至少以两行并排布置，并且所述构造包括用于将空气供给到所述堆栈103的空气进给管道120。所述管道具有空气入口端130，其被输送到密封的空气供给空间132，其形成在具有由所述堆栈本身包围的空气供给空间的至少两侧的所述堆栈103行之间。空气供给空间132的侧面(即，面)与堆栈一起优选地形成一个具有矩形横截面的空间。柔性材料可以用来密封相邻堆栈103之间的空间并且补偿尺寸公差。所述柔性材料也可以是电隔离材料。还可以使用材料组合，其中一种材料是柔性的而另一种材料是电隔离的。如果材料的公差足够大，则不需要柔性。根据本发明的堆栈构造包括燃料进给共轨133、燃料进给管道122和用于将燃料供给到堆栈103的单独进给通道131，以及沿着燃料进给共轨133、燃料进给管道122和单独进给通道131中的至少一个的至少一个辐射传热补偿元件134。辐射传热补偿元件134可以是例如用于减小水力直径、用于改善对流传热或用于增强湍流的插入元件。类似的传热补偿元件134也可以适用于根据本发明的空气进给管道120。在一个实施方式中，为了在反应物管道分支之间提供均匀的入口温度，辐射传热补偿元件134可以是分支特异性的补偿元件。

在图3和图4中示出了根据本发明的堆栈行形式。堆栈排列结构体还包括用于对堆栈103进行流量和温度平衡的空气供给流的装置135。装置135可以例如通过迂回排列结构体135a(图3)来完成。用于对堆栈103进行流量和温度平衡的空气供给流的装置135也可以例如通过穿孔管来实现。在一个优选实施方式中，提供压降的流量平衡元件放置在除了在不平衡状态下具有最低流量的至少一个之外的所有平行分支中。因此，由于平衡导致的总压力损失增量基本上为零。

在图3和图4中所示的根据本发明的堆栈排列结构体还包括用于在电池系统中进行流量和温度平衡的燃料流的装置137。装置137可以包括用于将每个堆栈103行相对于流动方向和行不对称放置的至少一个传热元件134。用于进行流量和温度平衡的反应物流的装置137还可以包括堆栈组特异性的辐射传热补偿元件134，其中管道长度、水力直径和/或压降特性具有堆栈特异性以来补偿燃料进给共轨133中的压力和温度差。换言之，可以根据每个堆栈选择管道长度、水力直径和压降特性中的至少一个，来补偿燃料进给共轨133中的压力和温度差。

在一个实施方式中，根据本发明的辐射传热补偿元件134排列结构体可以包括燃料供给侧或空气供给侧或两者中的弯曲管结构140。辐射传热补偿元件除了在反应物管道分支之间提供均匀的入口温度外，还可以通过利用不同种类的壁温管理构造体来为所有燃料电池堆栈提供均匀的热辐射环境。

根据本发明的共轨结构使得堆栈排列结构体坚固并且由于从多个平行分支均匀地除去了过量的局部流动，因此使由于泄漏和旁路流导致的流量的不均匀分配最小化。

根据本发明的堆栈排列结构体可以包括用于从阳极侧100燃烧残余气体的补燃器。在一个实施方式中，该排列结构体可以包括容纳在空气供给空间132中的空气加热器。空气加热器可以优选地与堆栈103之间的空气分配装置一起放置，通过对流和辐射提供热量。加热器可以是例如电加热器或燃烧器构造体或其组合。

在根据本发明的实施方式中，可以使用插入元件134来实现非均匀的热隔离。例如，尽管输送的流体中存在热梯度，但是可以实现稳定的外部管表面温度，从而形成具有所需温度的气体流动。管插入件134优选地设计成相对于要使壁达热平衡的管或管道表面具有尽可能高的视角因数。在一个实施方式中，管插入件可以优选地经涂覆而具有工程发射率特性或催化性质，以起到例如重组器或杂质捕集器的作用。在另一个实施方式中，可以对管道和插入元件134的材料组合进行选择，使其具有不同的热膨胀系数，因此堆栈排列结构体可以被设计来补偿结构中的热运动。

在一个实施方式中，平衡辐射和对流热传递的相对比例可以改善延长操作窗口上的非均匀的热隔离。类似地，对于流量平衡，可以在压力损失元件中平衡线性和二次压降特性，以显著延长操作窗口。通过减少对辐射源的对称性要求来简化辐射传热结构，还能够在根据本发明的实施方式中实现非均匀的热隔离。不同种类的热辐射传递方法可以同时在管内进行。

因此，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的主旨或基本特征的情况下，本发明可以以其他特定形式实施。因此，目前公开的实施方式在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而非前面的描述指定，并且在其含义和范围内的所有变化以及其等同物都应当包含在其中。

Claims (16)

1.一种高温燃料电池系统或电解电池系统的堆栈排列结构体，所述电池系统中的每个电池包括阳极侧(100)、阴极侧(102)和处于所述阳极侧和所述阴极侧之间的电解质(104)，所述电池系统包括电池堆栈(103)形式的电池，其特征在于，所述排列结构体包括以行排列布置的堆栈(103)，其中所述堆栈以至少两行并排布置，并且所述排列结构体包括用于将空气进给到所述堆栈(103)的空气进给管道(120)，所述管道具有向密封的空气供给空间(132)进行输送的空气入口端(130)，所述空气供给空间(132)在所述堆栈(103)的行间形成从而使所述空气供给空间的至少两个侧面被所述堆栈本身包围，并且所述排列结构体包括燃料进给共轨(133)、燃料进给管道(122)和用于将燃料进给到所述堆栈(103)的单独进给通道(131)，以及沿着所述燃料进给共轨(133)、所述燃料进给管道(122)、所述单独进给通道(131)和所述空气进给管道(120)中的至少一个的至少一个辐射传热补偿元件(134)，用于对所述堆栈(103)的空气进给流进行流量和温度平衡的装置(135)，以及用于对所述电池系统中的燃料流进行流量平衡的装置(137)。

2.根据权利要求1所述的高温电池系统的堆栈排列结构体，其特征在于，用于对所述堆栈(103)的空气进给流进行流量和温度平衡的所述装置(135)包括迂回排列结构体(135a)。

3.根据权利要求1所述的高温电池系统的堆栈排列结构体，其特征在于，用于对所述堆栈(103)的空气进给流进行流量和温度平衡的所述装置(135)包括穿孔管。

4.根据权利要求1所述的高温电池系统的堆栈排列结构体，其特征在于，所述排列结构体包括用于每个堆栈(103)行的至少一个辐射传热补偿元件(134)，其相对于流动方向和所述行不对称放置。

5.根据权利要求1所述的高温电池系统的堆栈排列结构体，其特征在于，用于对燃料流进行流量和温度平衡的所述装置(137)包括堆栈组特异性辐射传热补偿元件(134)以补偿所述燃料进给共轨(133)中的压力和温度差，该堆栈组特异性辐射传热补偿元件(134)在管道长度、直径和压降特性中的至少一方面具有堆栈组特异性。

6.根据权利要求1所述的高温电池系统的堆栈排列结构体，其特征在于，所述排列结构体包括容纳在所述空气供给空间(132)中的空气加热器。

7.根据权利要求1所述的高温电池系统的堆栈排列结构体，其特征在于，所述辐射传热补偿元件(134)包括弯曲管结构体(140)。

8.根据权利要求1所述的高温电池系统的堆栈排列结构体，其特征在于，所述排列结构体包括柔性材料以将相邻堆栈(103)之间的空间密封并且补偿尺寸公差。

9.一种高温燃料电池系统或电解电池系统的方法，其特征在于，在所述方法中，将电池堆栈(103)以行排列布置，使得所述堆栈以至少两行并排布置，通过具有空气入口端(130)的空气进给管道(120)将空气供给到所述堆栈(103)，所述空气入口端(130)向密封的空气供给空间(132)进行输送，所述空气供给空间(132)在所述堆栈(103)的行间形成从而使所述空气供给空间(120)的至少两个侧面被所述堆栈(103)本身包围，并且在所述方法中，通过进给共轨(133)、燃料进给管道(122)和单独进给通道(131)将燃料供给到所述堆栈(103)，沿着所述燃料进给共轨(133)、所述燃料进给管道(122)、所述单独进给通道(131)和所述空气进给管道(120)中的至少一个进行辐射传热补偿，对所述堆栈(103)的空气进给流进行流量和温度平衡，并且对电池系统中的燃料流进行流量平衡。

10.根据权利要求9所述的高温燃料电池系统或电解电池系统的方法，其特征在于，在所述方法中，通过迂回排列结构体(135a)对所述堆栈(103)的空气进给流进行流量和温度平衡。

11.根据权利要求9所述的高温燃料电池系统或电解电池系统的方法，其特征在于，在所述方法中，通过利用穿孔管对所述堆栈(103)的空气进给流进行流量和温度平衡。

12.根据权利要求9所述的高温燃料电池系统或电解电池系统的方法，其特征在于，在所述方法中，相对于流动方向和所述行不对称地进行辐射传热补偿，对每个堆栈(103)行进行所述辐射传热补偿。

13.根据权利要求9所述的高温燃料电池系统或电解电池系统的方法，其特征在于，在所述方法中，通过堆栈组特异性辐射传热补偿来对燃料流进行流量和温度平衡，以补偿燃料进给中的压力和温度差，所述堆栈组特异性辐射传热补偿管道长度、直径和压降特性中的至少一方面具有堆栈组特异性。

14.根据权利要求9所述的高温燃料电池系统或电解电池系统的方法，其特征在于，在所述方法中，在空气供给空间(132)中加热空气。

15.根据权利要求9所述的高温燃料电池系统或电解电池系统的方法，其特征在于，在所述方法中，通过使用弯曲管结构体(140)进行辐射传热补偿。

16.根据权利要求9所述的高温燃料电池系统或电解电池系统的方法，其特征在于，在所述方法中，使用柔性材料来将相邻堆栈(103)之间的空间密封并且补偿尺寸公差。