CN112640171A - 重整器的容器和燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有气流系统的燃料电池系统，包括第一热学区域、第二热学区域、设置在第一和第二热学区域之间的鼓风机。第一热学区域连接到燃料电池系统的入口端口。第二热学区域连接到燃料电池系统的出口端口。鼓风机被配置成从第一热学区域抽吸空气并将空气提供给第二热学区域。

Description

重整器的容器和燃料电池系统
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2018年8月30日提交的美国临时申请62/724,983的权益，其全部公开内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，其具有针对不同类型的部件进行了优化的不同热学区域，更具体地，涉及一种用于为燃料电池系统提供温度冷却空气或稀释空气的强制空气流动系统或方法。
背景技术
已经开发了强制空气流动系统，用于燃料消耗设备(例如燃料电池重整器或燃料电池系统)中的温度冷却或燃料稀释，以防止设备由于高温而发生故障或损坏，或者保持适合其预期操作的期望的热环境。
通常，鼓风机用于产生强制气流。在许多情况下，鼓风机位于其壳体的外壁上，会引起不想要的噪音或降低气流效率，或者被就地布置在设备内的特定部件上或周围。然而，缺乏对针对其中的气流通道的尺寸、形状或构造、鼓风机在空气通道中的位置和/或根据其热要求的部件配置的设计(或设计规则)的考虑，因此冷却或稀释效率不能最大化。
因此，需要一种新的气流系统或方法，用于向设备提供气流，以满足设备的给定的各种类型部件的热或稀释要求。
发明内容
根据以下附图、描述、详细的示例性实施例和权利要求，将更全面地理解本发明的前述以及其他特征和优点。
根据本发明的一个方面，提供了一种包封一设备的容纳箱。容纳箱包括第一热学区域、第二热学区域和鼓风机。第一热学区域连接到设置在容纳箱的第一外壁上的入口端口。第二热学区域连接到设置在容纳箱的第二外壁上的出口端口。鼓风机设置在第一和第二热学区域之间，并被构造成从第一热学区域抽吸空气并将空气提供给第二热学区域。
在一个实施例中，除了通过鼓风机，第二热学区域与第一热学区域气流隔离。
在一个实施例中，当鼓风机运行时，第二热学区域的温度水平高于第一热学区域的温度水平。
在一个实施例中，当鼓风机运行时，第二热学区域的压力水平高于第一热学区域的压力水平。
在一个实施例中，入口端口被配置成从设备外部将空气抽吸到第一热学区域。出口端口被配置成从第二热学区域排出空气。
在一个实施例中，容纳箱还包括设置在第一热学区域中的一个或多个功率电子部件和设置在第二热学区域中的用于发电的一个或多个燃料处理部件。
在一个实施例中，该设备包括具有一个或多个燃料处理部件的燃料电池系统。一个或多个燃料处理部件包括一个或多个电厂辅机设备(BOP)部件，其被配置为向燃料电池堆供应重整物，并且燃料电池堆被配置为基于从一个或多个电厂辅机设备部件提供的重整物产生电力。
在一个实施例中，一个或多个BOP部件包括燃料重整器、化学反应器、垫圈、泵、传感器、加湿器、热交换器和燃烧器中的至少一个。
在一个实施例中，容纳箱还包括流动开关单元，该流动开关单元被配置为：当由流动开关单元测量的空气流量不满足预设要求时关闭，以关断设备的运行，并且当空气流量满足预设要求时接通，以保持设备的运行。
在一个实施例中，流动开关单元包括活门或压差开关中的至少一个。
在一个实施例中，容纳箱还包括在第一和第二热学区域之间由绝热材料形成的分隔壁。
在一个实施例中，第二热学区域包括第一子区和第二子区，第二子区的需要控制的温度水平不同于第一子区。第一子区和第二子区通过由绝热材料形成的另一分隔壁分开。
在一个实施例中，该设备包括具有一个或多个燃料处理部件的燃料电池系统。一个或多个燃料处理部件包括一个或多个BOP部件，该BOP部件被配置为向燃料电池堆供应重整物，并且该燃料电池堆被配置为基于从一个或多个BOP部件提供的重整物产生电力。燃料电池堆设置在第一子区中，BOP部件设置在第二子区中。
在一个实施例中，第一热学区域以L形从入口端口延伸到鼓风机，第二热学区域以直线从鼓风机延伸到出口端口。
在一个实施例中，入口端口连接到延伸到室外空间的入口管道，环境空气通过该入口管道被引入第一热学区域。
在一个实施例中，出口端口连接到延伸到室外空间的出口管道，第二热学区域的空气通过该出口管道排出。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于向设备提供气流的方法。该方法包括：在该设备的容纳箱内设置第一热学区域和第二热学区域；在第一和第二热学区域之间设置鼓风机；在第一热学区域中设置一个或多个功率电子元件；以及在第二热学区域中设置一个或多个燃料处理部件。
在一个实施例中，第一热学区域连接到设置在容纳箱的第一外壁上的入口端口，第二热学区域连接到设置在容纳箱的第二外壁上的出口端口。
在一个实施例中，当鼓风机运行时，第二热学区域的温度水平高于第一热学区域的温度水平。
在一个实施例中，当鼓风机运行时，第二热学区域的压力水平高于第一热学区域的压力水平。
在一个实施例中，该方法还包括：在设备中设置流动开关单元；当由流动开关单元测量的空气流量不满足预设要求时，关断设备的运行；当空气流量满足预设要求时，保持设备运行。
在一个实施例中，流动开关单元包括活门或压差开关中的至少一个。
在一个实施例中，该方法还包括在第一和第二热学区域之间设置由绝热材料形成的分隔壁。
在一个实施例中，该方法还包括使用由绝热材料形成的另一分隔壁将第二热学区域分成至少第一子区和第二子区。第二子区的需要控制的温度水平不同于第一子区。
在一个实施例中，该方法还包括：在第一子区中设置一个或多个燃料处理部件的燃料电池堆；以及在第二子区中设置一个或多个燃料处理部件的一个或多个BOP部件。
在一个实施例中，设置第一热学区域包括将第一热学区域以L形从入口端口延伸到鼓风机。设置第二热学区域包括将第二热学区域从鼓风机沿直线延伸到出口端口。
附图说明
应当理解，以下描述的附图仅用于说明目的。附图不一定按比例绘制，重点通常放在说明本发明的原理上。附图无意以任何方式限制本发明的范围。相似的数字通常指相似的部分。
图1是根据本发明示例性实施例的示例性燃料电池系统的透视图；
图2A是图1的燃料电池系统的俯视图；
图2B是图2A的俯视图的简化布置，示出了冷区和热区以及鼓风机和穿过其中的气流通道；
图2C是根据本发明示例性实施例的燃料电池系统的俯视图的简化布置；
图2D是图2C的布置的后视图；
图2E是根据本发明示例性实施例的燃料电池系统的俯视图的简化布置；
图2F是图2E的布置的后视图；
图2G是根据本发明示例性实施例的燃料电池系统的俯视图的简化布置；
图2H是图2G的布置的后视图；
图3A是根据本发明示例性实施例的使用活门实现的示例性流动开关单元的框图；
图3B是根据本发明示例性实施例的使用压差开关实现的示例性流动开关单元的框图；
图4是图1的燃料电池系统的当从其前壁观看时的透视图，更详细地示出了冷区；
图5A是图1的燃料电池系统的当从其后壁观看时的透视图，更详细地示出了包括两个子热区的热学区域；
图5B是当沿着图5B的平面B-B’截取时的燃料电池系统的垂直截面图；
图6A是图1的燃料电池系统的示例俯视图布置，示出了根据本发明示例性实施例的冷和热学区域以及鼓风机的尺寸；
图6B是图1的燃料电池系统的示例俯视图布置，示出了根据本发明示例性实施例的热学区域的子热学区域以及鼓风机的尺寸；和
图7是示出根据本发明示例性实施例的用于在燃料电池系统内提供强制空气流的方法的流程图。
具体实施方式
现在已经发现根据本发明的设备(例如，燃料消耗设备)的优点在于，使得强制空气流动系统具有分开的热学区域(thermal zone)，以便自适应地满足设备内各种类型的元件或部件所需的不同热控制水平。根据本发明的实施例，热学区域可以被鼓风机分开。
本文使用的术语“燃料消耗设备”是指基于任何种类的燃料而运行的任何设备，如申请人2018年8月30日提交的美国临时申请62/724,993中描述的，所述申请的全部内容通过引用结合于此。
仅作为示例，燃料消耗设备可以包括但不限于：内燃机，或者包括内燃机的所有种类的设备，例如车辆、发电机等；以及燃料电池重整器或燃料电池系统。
表述“燃料”应理解为包括任何种类的液体燃料和气体燃料。
为了描述的目的，将参考燃料消耗设备(更具体地，燃料电池系统)来描述本发明，仅作为需要强制空气流动系统的设备的示例，然而本发明的范围或示例性实施例不限于此。例如，本发明的范围可以扩展到包含具有不同热冷却要求的发热部件的任何设备或封装所述设备的容纳箱，使得具有相对高的冷却要求的部件(例如CPU)可以放置在位于鼓风机之后(例如，图2A的120)的热学区域(例如，图2A的210A)，而具有相对较低的冷却要求的其他部件(例如，I/O、网络接口)可以放置在位于鼓风机之前的另一热学区域(例如，图2A的110a)。
例如，燃料电池系统可以包括用于发电的一个或多个燃料处理子系统，例如一个或多个燃料电池堆、电厂辅机设备(balance-of-plant：BOP)部件和用于功率调节、通信等的其他电子(或电气)部件。
燃料电池堆包括多个燃料电池。每个燃料电池可以通过其中发生的电化学反应以直流电(DC)的形式发电。单个燃料电池通常串联组合成燃料电池堆。这里使用的“电厂辅机设备”可以指燃料电池系统的所有支持部件和辅助系统，以便燃料电池堆产生电力。例如，BOP部件可包括但不限于：燃料重整器、化学反应器、垫圈、泵、传感器、加湿器、热交换器、燃烧器、鼓风机、风扇、开关、继电器、热敏电阻、热电偶、反应物管道、控制电子设备和/或类似物。
例如，如美国专利9,627,700和9,627,701(其全部公开内容通过引用结合于此)中描述的，燃料重整器可以被配置成供应重整物(例如，富氢重整物)到燃料电池堆，燃料电池堆需要在相对高热的环境中运行，以最大化发电。此外，需要向燃料电池堆和/或BOP部件供应足够量的空气流，从而空气流可用于与燃料混合，以提供例如燃料-空气混合物和富氢重整物，或者用于稀释燃料以满足系统的安全要求。此外，燃料电池系统的其他电子部件可以用作需要冷却的发热源。
也就是说，根据构成燃料电池系统的各个部件的类型或功能，可能存在不同的所需的热环境。考虑到这些要求，为燃料电池系统提供了一种新的和改进的强制空气流动系统。
术语“包括”、“具有”、“包含”的使用，包括其语法上的等同物，通常应理解为开放式和非限制性的，例如，不排除额外的未引用的元件或步骤，除非从上下文中另外具体陈述或理解。
这里单数的使用，例如“一”和“该”，包括复数(反之亦然)，除非另外特别说明。
应当理解，只要本部分保持可操作，步骤的顺序或执行某些动作的顺序是无关紧要的。例如，这里描述的方法可以以任何合适的顺序执行，除非这里另有说明或者与上下文明显矛盾。此外，两个或多个步骤或动作可以同时进行。
任何和所有的例子的使用，或者这里提供的示例性语言，例如“比如”，仅仅是为了更好地说明本发明，而不是对本发明的范围进行限制，除非另有说明。说明书中的任何语言都不应被解释为表示任何未要求保护的元素对于本发明的实践是必要的。
短语“至少一个”、“一个或多个”和“和/或”是开放式表达式，在操作中既有联系又有分离。例如，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”和“A、B和/或C”这些表达中的每一个表示单独的A、单独的B、单独的C、一起的A和B、一起的A和C、一起的B和C、或者一起的A、B和C。
这里使用的术语“接通(switched on)”可以指开关系统、开关单元、开关等被“闭合”以激活其两端节点之间的电连接的操作，使得电力可以流过该电连接。此外，这里使用的术语“切断(switched off)”可以指开关系统、开关单元、开关等被“断开”以使其两端节点之间的电连接无效，从而电力不能流过电连接的操作。因此，在整个本发明中，术语“接通”和“闭合”可互换使用，术语“切断”和“开路”可互换使用。
在整个描述中，使用了术语“热区(hot zone)”和“冷区(cold zone)”。这些术语本质上是相对而言的，可以指需要不同温度要求的区域。因此，“热区”可以指包含发热部件并比其他系统部件需要更大量冷却的区域。然而，“冷区”可以指这样的区域，在该区域中，部件可以产生或可以不产生热量，且可以需要或可以不需要冷却，但是比“热区”中的部件需要更少的冷却。
图1是示例性燃料电池系统1的透视图，示出了根据本发明示例性实施例的容纳箱10的外壁。图2A是图1的燃料电池系统的俯视图。图2B是图1的俯视图的简化布置，其图示出了根据本发明示例性实施例的冷区和热区以及鼓风机120和穿过其中的气流通道150。图2C是根据本发明示例性实施例的燃料电池系统的俯视图的简化布置。图2D是图2C的布置的后视图。图2E是根据本发明示例性实施例的燃料电池系统的俯视图的简化布置。图2F是图2E的布置的后视图。
现在参考图1，燃料电池系统1被容纳箱10的六个外壁包围。容纳箱10可以被配置成使得所有外壁在压力、温度等方面相对于外界密封，除了入口端口100和出口端口200之外。入口端口100可以设置在一个外壁上(例如，前壁)，并被配置成具有一个或多个开口，通过所述一个或多个开口，新鲜和/或冷空气(例如环境空气)可以被引入燃料电池系统1的容纳箱10中。类似地，出口端口200可设置成具有一个或多个开口，通过所述一个或多个开口，热区210中产生的热空气或气体可被排放到燃料电池系统1的外部。
现在参考图2A和2B，燃料电池系统1可以配置成包括鼓风机120和两个热学区域；冷区110和热区210，它们通过鼓风机120分开。例如，鼓风机120可以设置在冷区110和热区210之间，将这些区110和210分开。在一个实施例中，鼓风机120可以使用电风扇(例如，EBMPABST RER 160)实现。特别参考图2B，当鼓风机120被驱动运行时，可以沿着从入口端口100到出口端口200的路径依次经由冷区110、鼓风机120和热区210形成气流通道150。入口端口100和出口端口200可以设置在气流通道150的两端。
现在参考图2A，冷区110可以对应于气流通道150的上游部分，需要冷却的电子部件放置在该处。电子部件可以包括但不限于：功率转换或调节部件111、用于通信的电子电路112等。在冷区110中，新鲜或冷空气(流)可通过入口端口100被抽吸通过入口端口，以在电子部件111和112上产生有效的强制对流，从而降低其温度。如图2B所示，在一个实施例中，冷区110可以沿方向D1和D2延伸，以形成从入口端口100开始到鼓风机120的L形路径。
热区210可对应于气流通道150的下游部分，在该处放置燃料电池堆211和BOP部件212，因此热区210的温度与冷区110相比相对较高，因此热空气或气体将通过燃料电池系统1的出口端口200排出。在一个实施例中，热区210可以以与D1和D2相反的方向从鼓风机120到出口端口200直线延伸。在本发明的图中，方向D1、D2和D3彼此垂直。
因此，气流通道150的整个路径可以是U形的，如图2B所示，其允许部署燃料电池系统(例如，1)的所有所需部件到容纳箱的受限空间(例如，10)中，提供更大的设计灵活性。然而，本发明的示例性实施例不限于此，并且气流通道可以适应性地设计成满足设计要求，例如整个箱的尺寸或形状等。并且相应的入口端口和出口端口的位置和结构可以相应地变化。
在一个实施例中，现在参考图2C和2D，入口端口100a和出口端口200a可以设置在燃料电池系统的同一后端。更具体地如图2D所示，入口端口100a可以设置在出口端口200a的旁边，使得空气将通过入口端口100a被抽吸到燃料电池系统中，并经由鼓风机120通过出口端口200a流出，形成气流通道150a。例如，当鼓风机120被驱动运行时，气流通道150a可以沿着从入口端口100a到出口端口200a的路径依次经由冷区110a、鼓风机120和热区210形成。气流通道150a的整个路径可以是U形的，如图2C所示。
在一个实施例中，参考图2E和2F，两个入口端口100b1和100b2以及出口端口200b可以设置在燃料电池系统的同一后端。更具体地如图2E所示，两个入口端口100b1和100b2可以设置在出口端口200b的两侧，使得空气将通过两个入口端口100b1和100b2被抽吸到燃料电池系统中，并且经由鼓风机120分别通过出口端口200b流出，分别形成两个气流通道150b1和150b2。例如，当鼓风机120被驱动运行时，气流通道150b1可以沿着从入口端口100b1到出口端口200b的路径依次经由冷区110b1、鼓风机120和热区210形成，并且进一步地，气流通道150b2可以沿着从入口端口110b2到出口端口200b的路径依次经由冷区110b2、鼓风机120和热区210形成。每个气流通道150b1或150b2的整个路径可以是U形的，如图2E所示。
在一个实施例中，参考图2G和2H，两个入口端口100b1和100b2以及出口端口200b可以设置在燃料电池系统的同一后端。更具体地，如图2E所示，两个入口端口100b1和100b2可以设置在出口端口200b的两侧，使得空气将通过两个入口端口100b1和100b2被抽吸到燃料电池系统中，并且经由鼓风机120分别通过出口端口200b流出，分别形成两个气流通道150b1和150b2。例如，当鼓风机120被驱动运行时，气流通道150b1可以沿着从入口端口100b1到出口端口200b的路径依次经由冷区110b1、鼓风机120和热区210形成，并且进一步，气流通道150b2可以沿着从入口端口110b2到出口端口200b的路径依次经由冷区110b2、鼓风机120和热区210形成。每个气流通道150b1或150b2的整个路径可以是U形的，如图2G所示。在通过入口端口100b1和100b2进入的较冷的入口空气环绕出口端口200b时，这种构造也将对通过出口端口200b排出的排气提供冷却。
尽管在图2D和2F中示出了每个入口端口100a、100b1或100b2的整体形状是以垂直方向D3为中心的四边形，但是本发明示例性实施例不限于此。例如，每个入口端口的整体形状可以是圆形或任何种类的多边形，和/或入口端口100a、100b1或100b2可以延伸以覆盖冷区110a、110b1或110b2的整个区域，以确保更有效的抽吸操作；例如，见图2H。
现在参考图2A到2H，在一个实施例中，入口端口100、100a、100b1或100b2和出口端口200、200a或200b可以被配置为在不联接到另外的通风部件(例如管道，如图1所示)的情况下被终止。然而，在一些环境中，在所述环境中燃料电池系统安装在具有有限通风条件的室内空间或包围物中，入口端口100、100a、100b1或100b2和/或出口端口200、200a或200b可进一步连接到相应的管道(未示出)，以增强通过气流通道的空气通风。例如，入口端口100、100a、100b1或100b2可进一步连接到延伸到室外空间或任何其他空间的入口管道(未示出)，使得新鲜或冷空气可从室外空间引入。尽管在图1中示出了入口端口(例如，100)具有布置在燃料电池系统1的前壁上的多个小开口，而没有将任何支持部件联接到入口管道，但是根据本发明的入口端口的尺寸、形状、位置和/或构造不限于此。此外，出口端口200、200a或200b可以进一步连接到延伸到室外空间的出口管道(未示出)，用于更有效地排出通过其中的热空气或气体。包括入口端口100、100a、100b1或100b2、入口管道、出口端口200、200a或200b和出口管道在内的所有通风相关的部件可以被完全密封，以防止排气/流出物返回到燃料电池系统的室内/包围物或容纳箱中。
如上所述，冷区110、110a、110b1或110b2可以是放置电子(或电气)部件的地方，以便由于通过入口端口100、100a、100b1或100b2抽吸的冷空气或新鲜空气而被冷却。电子(或电气)部件可以包括：功率电子设备111，用于处理例如从燃料电池堆211产生的电力的功率调节和功率转换；和其他通信电子部件212。例如，功率电子设备111可以包括功率逆变器、功率转换器、电池等。
此外，热区210可以是燃料电池堆211和BOP部件212放置的地方。鼓风机120可以位于冷区110、110a、110b1或110b2和热区210之间，将冷区110、110a、110b1或110b2和热区210分开。鼓风机120被配置成将经过冷区110、110a、110b1或110b2空气流吸入，并将空气吹向热区210。
在参考图2A到2F的示例实施例中，冷区110、110a、110b1或110b2和热区210通过鼓风机120和分隔壁310、310a、310b1或310b2分开，使得除了通过鼓风机120，热区210与冷区110、110a、110b1或110b2气体(或空气)流隔离；例如，在冷区110、110a、110b1或110b2和热区210之间，除了通过鼓风机120，没有气体或空气连通。
此外，燃料电池系统的容纳箱(例如，10)可以被设计成除了通过入口端口100、100a、100b1或100b2和出口端口200、200a或200b，与外部气体(或空气)隔离。分隔壁310、310a、310b1或310b2可以从形成出口端口200、200a或200b的左侧壁沿方向D1延伸到鼓风机120。分隔壁310、310a、310b1或310b2可以由绝热材料形成，以防止热区210和冷区110、110a、110b1或110b2之间的热传递。因此，仍然参考图2A到2F，通过鼓风机120和分隔壁310、310a、310b1或310b2形成的分离可以在两个区域110、110a、110b1或110b2和210之间产生压差，以增强它们之间的热分离，从而允许对每个热学区域进行独立的热控制。
优选地，冷区110、110a、110b1或110b2和热区210彼此压力密封，使得当鼓风机120运行时，热区210的压力可以高于冷区110、110a、110b1或110b2的压力。例如，随着鼓风机120运行，热区210的压力会变高(例如，正差压+ΔP)，且冷区110、110a、110b1或110b2的压力可会变低(例如，负差压-ΔP)。仅举例来说，冷区110、110a、110b1或110b2和热区210之间的期望压差可以是0.22～0.3inWC。更具体地，热区210的这种相对较高的压力可以便于在热区210中产生的热空气或气体通过出口端口200、200a或200b排出到外部。
类似于美国专利号9,627,700和9,627,701中所描述的，根据本发明的鼓风机120可以通过使用燃料重整器的各种加热器、汽化器、点火器、反应单元等，将空气或含氧气体引入燃料重整器(未示出)或任何其它类似的功能部件或元件的管道中，所述燃料重整器或任何其它类似的功能部件或元件需要空气供给以与燃料混合，以提供燃料-空气混合物和富氢重整物。空气或含氧气体可用于稀释燃料，以满足系统的安全要求。
鼓风机120可以帮助富氢重整物移动到燃料电池堆211。燃料电池堆211包括多个燃料电池。燃料电池堆的电功率或能量效率的量取决于几个因素，例如燃料电池类型、电池尺寸、其工作温度(例如，工作温度)和供应给电池的气体压力。例如，众所周知，燃料电池的能量效率通常在40％-60％之间，然而，如果在热电联产方案(cogeneration scheme)中捕获废热，在800℃至1200℃的操作温度范围内，效率可以高达85％。
现在参考图2A到2H，在冷区110、110a、110b1或110b2和热区210之间部署鼓风机120提供了如下几个技术优势。首先，由于鼓风机120位于热区210的上游(在该处从BOP部件212和/或燃料电池堆212产生高温空气或气体)，没有热空气或气体将从热区210回流到鼓风机120，因此防止鼓风机120由于来自热区210的这种热空气或气体而被损坏，否则可能导致电机寿命的减少或其功能的过早失效。此外，由于位于冷区110、110a、110b1或110b2和热区210之间的鼓风机120可以防止热区210的热空气或气体回流到冷区110、110a、110b1或110b2，因此冷区110、110a、110b1或110b2的温度不会受到热区210的高温的影响，以使得冷区的温度冷却更容易。此外，由于鼓风机120位于容纳箱(例如，10)内部，使用可以相应地降低由鼓风机120产生的噪音水平。
在一个实施例中，一个或多个安全传感器和/或开关可以设置在气流通道150、150a、150b1或150b2中，优选地在冷区110、110a、110b1或110b2、热区210和/或其两者的鼓风机120附近。仅作为示例，如图2A所示，流动开关单元113可以设置在冷区110中的鼓风机120附近。申请人的2018年8月30日提交的美国临时申请的62/724，993描述了一种连接在电源节点和燃料安全关断阀之间的安全控制开关组件。在本发明的一个实施例中，安全控制开关组件包括串联连接的开关单元，每个开关单元基于相应的安全相关环境条件被接通或切断。例如，在至少一个开关单元(例如，图2A的113)被切断时，安全控制开关组件可以被切断，以关断进入燃料安全关断阀的功率供应，从而阻断进入燃料消耗设备的燃料供应，以用于安全操作。图2A中示例性示出的流动开关单元113可用作安全控制开关组件中的开关单元之一。流动开关单元113可以基于是否有足够量的空气流入热区210而被接通或切断。例如，在检测到空气量小于预设水平时，流动开关单元113可被切断，以关断燃料安全关断阀(例如，图5A和5B的217)或燃料电池系统1的任何其他安全相关部件，以确保安全操作。如果空气量等于或大于预设水平，则流动开关单元113可被接通，以使燃料电池系统1工作而不被中断，保持向燃料电池系统1供应燃料。
现在参考图3A，其示出了示例性流动开关单元113a的框图，流动开关单元113a可以使用能测量流入鼓风机120的空气量(或空气流速)的活门型流量计411(称为“活门(flapper)”)来实现。
仅作为示例，活门412可以设置在继电器线圈413和常开开关414之间。继电器线圈413具有直接或间接地连接到电源411的一个终端节点、和通过活门412连接到地GND的另一终端节点。常开开关414是保持常开的机械开关，并且在电流流过继电器线圈413时转为接通(例如，闭合)，以便接合终端节点N1和N2之间的连接，以给燃料安全关断阀217供电。
如果活门412所处位置的空气流量等于或大于预设的空气流量阈值，则活门412被配置为将一个终端节点卡扣到另一终端节点，从而接通其两个终端节点之间的电连接。此外，如果空气流量小于预设的空气流量阈值，则活门412被配置为切断终端节点之间的电连接。
例如，当活门412被接通时，电流流过继电器线圈413的两个终端节点，以在其周围产生磁场，并迫使常开开关414闭合，因此整个流动开关单元113a将被接通。如果活门412为开路，则没有电流流过继电器线圈413，因此常开开关414将保持开路。
替换地，代替具有如图3A所示的继电器线圈413和常开开关414的配置，活门412本身可以位于终端节点N1和N2之间，以控制燃料安全关断阀217的操作。
现在参考图3B，其示出了示例流动开关单元113b的框图，流动开关单元113b可以使用压差开关415来实现。压差开关415可以可选地设置在与活门412基本相同的位置或其附近的位置。压差开关415可以使用一个或多个传感器来实现，所述一个或多个传感器测量冷区(例如110、110a、110b1或110b2)和热区(例如，210)之间的压差。如上所述，当鼓风机120运行时，两个区域(例如，110、110a、110b1或110b2和210)之间出现压差。应当理解，空气流动得越好，则冷区和热区之间的压差就越大，反之亦然，因此由压差开关415测量的压差可以作为空气沿着气流通道(例如，150、150a、150b1或150b2)流动得有多好的指标。因此，压差开关415可以被配置为在冷区和热区之间的压差小于预设压差阈值时被切断，否则，开关415被接通。在一个方面，压差开关415可以结合到开关单元113b中，如图3B所示，其配置和操作基本上与图3A的配置和操作相同或近似，只是采用压差开关415代替了活门412。因此，为了简单起见，将省略其重复描述。
另外，代替具有如图3B中所示的继电器线圈413和常开开关414的配置，压差开关415本身可以位于终端节点N1和N2之间，以控制燃料安全关断阀217的操作。
仍然在一个实施例中，用于测量空气流量(例如，空气流速或空气速度)的一个或多个传感器(未示出)可以另外放置在感兴趣的位置，或者可以放置在活门412和/或压差开关415之外。在这种情况下，传感器可以将关于空气流量的测量结果发送到包括一个或多个处理器的控制器(未示出)，并且控制器可以基于传感器提供的结果来控制燃料安全关断阀的操作，以指示是否关断燃料供应，如美国专利9,627,700和9,627,701中所描述的。
在一个示例场景中，活门412、压差开关415或与控制器结合的传感器中的任何一个和/或它们的组合可用于识别是否存在阻碍空气流过入口管道和/或气流通道(例如，150)的问题(例如，入口管道中的堵塞)。
图4是图1的燃料电池系统1在从其前面板观察时的透视图，更详细地示出了冷区(例如，110)。图5A是图1的燃料电池系统1在从其后壁观察时的透视图，其这更详细地示出了包括两个子热区的热区210。图5B是沿着图5A的平面B-B’截取的燃料电池系统1的垂直剖视图。
现在参考图5A和5B，热区210可以进一步通过至少一个分隔内壁510被分成至少两个子热区210a和210b，用于在考虑了子热区210a和210b上的不同温度要求的情况下向子热区210a和210b提供单独的空气供给。例如，由鼓风机120提供的空气流可以通过分隔壁510被分成两个空气流，因此一个空气流可以提供用于与燃料混合或用于燃料稀释的空气，而另一空气流可以用于在燃料电池堆211附近的BOP部件212周围保持较冷的环境。
在燃料电池系统1运行期间，子热区210a的温度可以保持高于子热区210b。例如，燃料电池堆211可能需要相对高的工作温度(例如，大约800℃～1200℃)以便有更高的能量效率，而其他BOP部件(如反应堆单元或任何其他热辐射构件)则需要保持在低于子热区210a的温度。因此，在一个实施例中，燃料电池堆211和一些BOP部件(例如热敏电阻器、热电偶、开关和/或类似物)可以放置在子热区210a中，而其它BOP部件(例如CPOX或反应物鼓风机、风扇、燃料控制阀、燃料安全关断阀、传感器和/或类似物)可以放置在子热区210b中。在一些实施例中，控制电子器件和敏感电气部件可以放置在子热区210b中。在一个实施例中，分隔壁510可以由绝热材料形成，因此可以防止或减少子热区210a和210b之间的热交换。
因此，包封燃料电池系统1的容纳箱10可以具有至少两个(例如，110和210)或三个分离的热区(例如，110、210a和210b)，并且可以独立地控制每个区域的温度水平，从而使得更容易满足对燃料电池系统1的各种类型的部件给出的不同温度要求。
尽管在图5A和5B示出了热区210的两个子热区210a和210b沿着垂直方向D3分开，但是本发明示例性实施例不限于此。例如，热区210的子热区可以多于两个，和/或子热区可以沿其他方向分开(例如，方向D2)。
现在参考图6A和6B，示出了上述三个热学区域(例如，110、210a和210b)以及根据本发明示例性实施例的燃料电池系统1的鼓风机120的示例尺寸。图6A展示了俯视图布置的尺寸。如图所示，箱10在方向D2和D1上的长度为约300毫米和约450毫米；例如，方向D2的长度与方向D1的长度之比为1∶约1.5。
在由方向D1和D2形成的平面中，热区210和鼓风机120中的每一个形成为四边形或与近似四边形，并且冷区110a形成为L形。
箱10的后壁(见图6A的顶部)可沿方向D1分成长度约为50mm的冷区110、长度约为50mm的鼓风机120和长度约为350mm的热区210。相对于箱10的前壁(见图6A的底部)，冷区110延伸形成L形，其内表面在方向D1和D2上分别具有约400毫米和约225毫米的长度。左侧壁可分为长度约为75毫米的冷区110和长度约为225毫米的热区210。
图6B示出了当沿着图2A的线A-A’截取时的垂直截面图布置的尺寸。如图所示，上子热区210a和下子热区210b形成为在垂直方向D3上分别具有约200毫米和约70毫米的长度。
应该理解的是，参照图6A和6B描述的热学区域110、210a和210b以及鼓风机120的尺寸仅仅是例子，它们的绝对尺寸或它们之间的体积、面积和/或长度的相对比例可以根据系统的热要求不同地设计，以控制每个区域。
基于图6A和6B中所示的示例尺寸，冷区110和热区210的体积可以分别计算为例如约12150cm3和约21625cm3，因此冷区110与热区210的体积比为1∶约1.78。此外，在热区210中，子热区210a和210b的体积将分别为例如16018cm3和约5606cm3，以给出子热区210b和子热区210a之间的体积比为1∶约2.85。
图7是示出了根据本发明示例性实施例的利用燃料电池系统提供强制空气流并驱动该系统的方法的流程图。
现在参考图1、2A至2E、3A、3B、4、5和7，作为提供气流系统的步骤，该方法可以包括将燃料电池系统的容纳箱(例如，图1的1)分成至少两个热学区域，例如冷区(例如，110、110a、110b1或110b2)和热区(例如，210)(S710)。在一个实施例中，热区可以进一步被分成至少两个子热区(例如图5A的210a和210b)。该方法还可以包括：在冷区和热区之间放置鼓风机(例如，图2A的120)，以提供穿过冷区和热区的气流(S720)；放置电子(或电气)部件，例如功率电子部件(例如图2A的111)和/或任何其他控制或通信相关部件(例如，图2A的112)到冷区中(S730)；并且放置一个或多个燃料电池堆(例如，图2A的211)和BOP部件(例如，图2A的213)到热区中(S740)。在一个实施例中，燃料电池堆可以放置在子热区(例如，图5的210a)，BOP部件可以被放置在子热区(例如，图5的210b)。该方法还可以包括在鼓风机之前或附近放置一个或多个流动开关(例如，图2A、3A和3B的113、113a、113b、412和/或415)或一个或多个空气流量传感器(S750)。
另外，作为用于驱动燃料电池系统的步骤，该方法可以进一步包括：驱动鼓风机(S810)；通过流动开关或传感器测量空气流量(或空气流率或流动速度)(S820)；确定所测量的空气流量满足预设的空气流量要求(S830)；当所测量的空气流量满足预设的空气流量要求时，保持燃料电池系统的运行；是(S840)；当所测量的空气流量不满足预设要求时，关断燃料电池系统的运行；否(S850)。预设空气流量要求可包括所测量的空气流量等于或大于预设阈值。关闭燃料电池系统的运行可以包括通过控制燃料安全关断阀或断开与燃料安全关断阀的电源连接来关断燃料供应。
本发明包括其他特定形式的实施例，而不脱离其理念或基本特征。因此，前述实施例在所有方面都被认为是说明性的，而不是对这里描述的本发明的限制。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由前面的描述来指示，并且在权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化都旨在包含在其中。

Claims (31)

1.一种包封一设备的容纳箱，包括：
第一热学区域，连接到设置在容纳箱的第一外壁上的入口端口；
第二热学区域，连接到设置在容纳箱的第二外壁上的出口端口；
鼓风机，设置在第一和第二热学区域之间，该鼓风机被配置成从第一热学区域抽吸空气并将空气提供给第二热学区域。
2.根据权利要求1所述的容纳箱，其中，除了通过鼓风机，第二热学区域与第一热学区域气流隔离。
3.根据权利要求1所述的容纳箱，其中当鼓风机运行时，第二热学区域的温度水平高于第一热学区域的温度水平。
4.根据权利要求1所述的容纳箱，其中当鼓风机运行时，第二热学区域的压力水平高于第一热学区域的压力水平。
5.根据权利要求1所述的容纳箱，其中，所述入口端口被配置为从所述设备的外部将空气抽吸到所述第一热学区域，并且
其中出口端口被配置成从第二热学区域排出空气。
6.根据权利要求1所述的容纳箱，进一步包括：
设置在第一热学区域中的一个或多个功率电子部件；
设置在第二热学区域中的用于发电的一个或多个燃料处理部件，
其中当鼓风机运行时，第二热学区域的温度水平高于第一热学区域的温度水平。
7.根据权利要求6所述的容纳箱，其中所述设备包括具有一个或多个燃料处理部件的燃料电池系统，
其中所述一个或多个燃料处理部件包括：
一个或多个电厂辅机设备(BOP)部件，被配置为向燃料电池堆供应重整物；
该燃料电池堆被配置成基于从一个或多个BOP部件提供的重整物产生电力。
8.根据权利要求7所述的容纳箱，其中，所述一个或多个BOP部件包括燃料重整器、化学反应器、垫圈、泵、传感器、加湿器、热交换器和燃烧器中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的容纳箱，还包括流动开关单元，所述流动开关单元被配置为：当由所述流动开关单元测量的空气流量不满足预设要求时被关闭，以关断所述设备的运行，并且当所述空气流量满足预设要求时被接通，以保持所述设备的运行。
10.根据权利要求9所述的容纳箱，其中所述流动开关单元包括活门或压差开关中的至少一个。
11.根据权利要求1所述的容纳箱，还包括在第一和第二热学区域之间的由绝热材料形成的分隔壁。
12.根据权利要求1所述的容纳箱，其中所述第二热学区域包括第一子区和第二子区，所述第二子区的需要控制的温度水平不同于所述第一子区，其中第一子区和第二子区通过由绝热材料形成的另一分隔壁分开。
13.根据权利要求12所述的容纳箱，其中所述设备包括具有一个或多个燃料处理部件的燃料电池系统，
其中所述一个或多个燃料处理部件包括：
一个或多个BOP部件，其被配置为向燃料电池堆供应重整物；和
所述燃料电池堆被配置成基于从所述一个或多个BOP部件提供的重整物产生电力，并且
其中燃料电池堆设置在第一子区中，BOP部件设置在第二子区中。
14.根据权利要求1所述的容纳箱，其中，所述第一热学区域以L形从所述入口端口延伸到所述鼓风机，并且所述第二热学区域以直线从所述鼓风机延伸到所述出口端口。
15.根据权利要求1所述的容纳箱，其中，所述第一外壁和所述第二外壁位于同一平面，并且
其中第一热学区域以L形从入口端口延伸到鼓风机，第二热学区域沿第一方向从鼓风机延伸到出口端口。
16.根据权利要求15所述的容纳箱，还包括连接到设置在第一外壁上的另一入口端口的第三热学区域，
其中第三热学区域以另一L形从另一入口端口延伸到鼓风机。
17.根据权利要求16所述的容纳箱，其中所述第二热学区域位于所述第一热学区域和所述第三热学区域之间。
18.根据权利要求13所述的容纳箱，其中所述BOP部件包括鼓风机、风扇、燃料控制阀、燃料安全关断阀和传感器中的至少一个，
其中所述一个或多个燃料处理部件进一步包括：
一个或多个其他BOP部件，包括热敏电阻、热电偶和开关中的至少一个，所述其他BOP部件设置在第一子区中。
19.根据权利要求12所述的容纳箱，其中所述设备包括具有一个或多个燃料处理部件的燃料电池系统，
其中所述一个或多个燃料处理部件包括：
第一组BOP部件，包括热敏电阻、热电偶和开关中的至少一个；和
第二组BOP部件，包括鼓风机、风扇、燃料控制阀、燃料安全关断阀和传感器中的至少一个，
其中，所述第一组BOP部件设置在所述第一子区中，并且第二组BOP部件位于第二子区中。
20.由权利要求1所述的容纳箱包封的所述设备，其中，所述入口端口连接到延伸到室外空间的入口管道，环境空气通过所述入口管道被引入到第一热学区域。
21.由如权利要求1所述的容纳箱包封的所述设备，其中，所述出口端口连接到延伸到室外空间的出口管道，第二热学区域的空气通过该出口管道排出。
22.一种用于向设备提供气流的方法，包括：
在所述设备的容纳箱内设置第一热学区域和第二热学区域；
在第一和第二热学区域之间设置鼓风机；
在第一热学区域中设置一个或多个功率电子部件；和
在第二热学区域中设置一个或多个燃料处理部件。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述第一热学区域连接到设置在所述容纳箱的第一外壁上的入口端口，并且所述第二热学区域连接到设置在所述容纳箱的第二外壁上的出口端口。
24.根据权利要求22所述的方法，其中当鼓风机运行时，第二热学区域的温度水平高于第一热学区域的温度水平。
25.根据权利要求22所述的方法，其中当鼓风机运行时，第二热学区域的压力水平高于第一热学区域的压力水平。
26.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：
在设备中设置流动开关单元；
当由流动开关单元测量的空气流量不满足预设要求时，关断设备的运行；和
当空气流量满足预设要求时，保持设备的运行。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述流动开关单元包括活门或压差开关中的至少一个。
28.根据权利要求22所述的方法，还包括在所述第一和第二热学区域之间设置由绝热材料形成的分隔壁。
29.根据权利要求22所述的方法，还包括使用由绝热材料形成的另一分隔壁将第二热学区域分成至少第一子区和第二子区，
其中第二子区的需要控制的温度水平不同于第一子区。
30.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：
在第一子区中设置一个或多个燃料处理部件的燃料电池堆；和
在第二子区中设置一个或多个燃料处理系统的一个或多个BOP部件。
31.根据权利要求23所述的方法，其中设置第一热学区域包括将第一热学区域以L形从入口端口延伸到鼓风机，并且其中设置第二热学区域包括将第二热学区域以直线从鼓风机延伸到出口端口。
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