專利名稱：具有多股流熱交換器及單一空氣控制的熱箱設(shè)計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體來說涉及燃料電池系統(tǒng)領(lǐng)域，且更特定來說涉及一種包含多股流熱交換器的燃料電池系統(tǒng)及操作所述燃料電池系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是可以高效率將存儲于燃料中的能量轉(zhuǎn)換為電能量的電氣化學(xué)裝置。高溫燃料電池包括固態(tài)氧化物及熔融碳酸鹽燃料電池。這些燃料電池可使用氫及/或烴燃料操作。存在若干種類的燃料電池，例如固態(tài)氧化物再生燃料電池，其還允許反向操作，以使得可使經(jīng)氧化的燃料使用電能量作為輸入還原回為未經(jīng)氧化的燃料。


圖1A是本發(fā)明實施例的燃料電池模塊在殼體被移除的情況下的三維剖面圖。圖IB是圖1A的模塊的示意性側(cè)截面圖。圖1C是圖1A的模塊的俯視圖。圖ID及IE是根據(jù)本發(fā)明的替代實施例的模塊的俯視圖。 圖2A、2B及5是本發(fā)明的實施例的燃料電池系統(tǒng)的組件及流體流動方向的示意性圖示。 圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的所繪制熱交換器熱負荷對溫度的計算機模擬。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的熱交換器的區(qū)及流體流動方向的示意性圖示。
圖6及7是可用于本發(fā)明的實施例中的兩個類型的多股流板式熱交換器的三維剖面圖。 圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的模塊化燃料電池系統(tǒng)的示意性三維視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的第一實施例提供燃料電池堆疊模塊l，其圖解說明于圖1A、1B及1C中。模塊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?；?可具有圓柱形形狀，具有平坦上表面及圓形截面，如圖1A及1C中所示。然而，基底3可具有任何其它合適形狀，例如方形、矩形、多邊形、橢圓形或不規(guī)則截面。基底板7可包含附接到室5的單獨組件，或基底3可包含單一組件，其中室5包含其內(nèi)部體積且基底板7包含其上表面。如下文將描述， 一個或一個以上熱交換器13可位于室5內(nèi)。 如圖1A到1C中所示，每一燃料電池堆疊模塊1包括至少一個燃料電池堆疊列9(為簡明起見，其將在本文中稱作"堆疊")及外殼體11。殼體11可具有任何合適形狀，例如穹頂形、經(jīng)遮蓋圓柱體(包括具有平坦頂部遮蓋物的圓柱體或具有穹頂形遮蓋物的圓柱
5體(其有助于減小熱張力))、立方體或三維矩形，用于遮蓋堆疊9。殼體ll顯示于圖1B中且其從頂部的位置在圖IC到IE中顯示為虛線。舉例來說，兩個或兩個以上堆疊9(例如，四個到十二個堆疊9)可位于殼體11下方。堆疊9優(yōu)選地垂直堆疊于每一殼體11下方。視需要，可以級聯(lián)配置提供垂直堆疊的燃料電池堆疊9，在所述級聯(lián)配置中，來自一個堆疊的燃料排出流用作鄰近堆疊的進入燃料流，例如往來于同一列中的模塊的級聯(lián)。
堆疊9可包含任何合適燃料電池。舉例來說，所述燃料電池可包含具有陶瓷氧化物電解質(zhì)的固態(tài)氧化物燃料電池。也可使用其它燃料電池類型，例如PEM、熔融碳酸鹽、磷酸等。堆疊9可包含外部及/或內(nèi)部裝有歧管的堆疊。舉例來說，所述堆疊可針對燃料及空氣在內(nèi)部裝有歧管，其中燃料及空氣立管延伸穿過燃料電池層及/或燃料電池之間的互連板中的開口?；蛘撸鐖D1B及1C中所示，燃料電池可針對燃料在內(nèi)部裝有歧管且針對空氣在外部裝有歧管，其中僅燃料進入及排出立管延伸穿過燃料電池層及/或燃料電池之間的互連板中的開口。燃料電池可具有交叉流動(其中空氣與燃料在每一燃料電池中的電解質(zhì)的相對側(cè)上彼此大致垂直地流動)，平行逆向流動(其中空氣與燃料在每一燃料電池中的電解質(zhì)的相對側(cè)上彼此大致平行地沿相反方向流動)或平行同向流動(其中空氣與燃料在每一燃料電池中的電解質(zhì)的相對側(cè)上彼此大致平行地沿相同方向流動)配置。每一堆疊9可具有一個燃料進口及出口，如下文將更加詳細地描述。然而，視需要，每一堆疊9沿其高度可具有若干燃料進口及出口。在所述情況下，每一堆疊9包含多個子堆疊單元(即，每一堆疊列9包含單獨的子堆疊)。 如圖1C、 1D及1E中所示，多個以角度間隔開的燃料電池堆疊9經(jīng)布置以形成繞所述模塊的中心軸的環(huán)形陣列(即，環(huán)狀結(jié)構(gòu))。應(yīng)注意，術(shù)語"環(huán)形陣列"并不限于圖1D中所示的具有圓形周界的陣列。舉例來說，所述陣列可具有六邊形或矩形(方形)周界(如圖1C及1E中分別所示)或橢圓形周界，其將提供較窄的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)則可更易于裝配于標(biāo)準(zhǔn)運輸集裝箱中。燃料電池堆疊9具有平行于模塊1的中心軸延伸的堆疊方向。優(yōu)選地，但非必需地，堆疊9中的每一者具有矩形截面。堆疊9使用陶瓷或其它絕緣間隔件彼此隔離。盡管堆疊9布置為環(huán)形陣列是優(yōu)選的，但可使用將裝配于殼體11內(nèi)的任何其它堆疊9布局，例如弧形布局(即，環(huán)狀的一部分)或柵格布局(例如，20個堆疊，4行乘5列)(舉例來說)。 殼體11可具有任何合適配置。舉例來說，殼體11可具有圓柱形配置。然而，殼體11可具有多邊形或橢圓形水平截面及/或其可具有錐形而非平坦上表面。所述殼體可由任何合適熱絕緣或?qū)岵牧现瞥?，例如金屬、陶瓷等?堆疊9及殼體11可拆卸地定位或可拆卸地連接到基底3的上表面(例如，基底板7)。優(yōu)選地，每一燃料電池堆疊9及殼體11單獨地可拆卸地連接到基底3的上表面7。在此情況下，殼體11可易于從基底3的上表面7移除而無需移除殼體11下方的堆疊9?；蛘撸绻麣んw11包含門或艙口，那么可易于經(jīng)由所述門或艙口移除殼體11下方的堆疊9而無需移除殼體11。 術(shù)語"可拆卸地連接"意指堆疊9及/或殼體11以易于移除以進行修理或維修的方式連接到基底3的上表面7。換句話說，"可拆卸地連接"與"永久性地連接"相對。舉例來說，堆疊9及/或殼體11通過卡扣配合連接、張力配合連接、緊固連接或滑軌連接中的至少一者可拆卸地連接到基底3的上表面7?？圻B接的實例是剌刀型連接，其中向內(nèi)或向外按通過鉤到開口中將組件固持到位的一個或一個以上叉來使其從所述開口中松開。張力配 合連接的實例是其中將組件(例如，堆疊9或殼體11)按到基底3的表面7中的開口或凹 槽中的連接，所述開口或凹槽具有與堆疊9或殼體11的截面大約相同的大小，以使得張力 將所述堆疊或所述殼體固持于所述開口或凹槽中。緊固連接的實例是通過扣件的連接，所 述扣件例如螺栓或夾子，其可由維修人員移除?；夁B接的實例是抽屜或燕尾型連接，例如 堆疊9中的突出物可滑動到其中的基底3的上表面7中的凹槽，或基底3的上表面7中的 突出物可滑動到其中的底部堆疊9板中的凹槽。永久性連接的實例是焊接連接，例如其中 殼體11焊接到基底的表面7的連接。 堆疊9與殼體11可使用彼此不同的連接類型可拆卸地連接。此外，在本發(fā)明的替 代方面中，殼體11可拆卸地連接到基底3的上表面7，而堆疊9可非可拆卸地連接到同一表 面7。 優(yōu)選地，至少一個熱交換器位于基底3的內(nèi)部體積5中。舉例來說，如圖1B中所 示，多股流熱交換器13位于基底3的內(nèi)部體積5中。 熱交換器13可包含低溫部分15及高溫部分17。低溫部分15可由較不昂貴的低 溫材料(例如，不銹鋼)制成，其不能夠耐受非常高的溫度。高溫部分17可由耐高溫的較 昂貴高溫材料(例如，Inconel或其它鎳合金)制成。此配置降低熱交換器13的成本。視 需要，也可在熱交換器13中提供由耐中溫材料制成的一個或一個以上中溫部分。
可使用任一類型的熱交換器，例如鰭板型熱交換器。視需要，熱交換器的高溫部 分17可充當(dāng)燃料電池堆疊9的完全或部分外部轉(zhuǎn)化器37。在此情況下，給熱交換器13的 攜載燃料進入流的通道的所有或一部分鰭狀物涂敷燃料轉(zhuǎn)化催化劑，例如用于烴燃料(例 如，天然氣或甲烷)的鎳及/或銠。如果堆疊9包含內(nèi)部轉(zhuǎn)化類型(即，燃料電池包含對于 轉(zhuǎn)化是催化活性的一個或一個以上內(nèi)部表面或涂層。催化劑可包含催化劑涂層，或使用鎳 作為燃料電池外殼及支撐物的金屬構(gòu)造的部分)的燃料電池，那么外部轉(zhuǎn)化器37可充當(dāng)預(yù) 轉(zhuǎn)化器?；蛘?，對于完全內(nèi)部轉(zhuǎn)化型燃料電池或?qū)τ谔幚須淙剂?其不需要轉(zhuǎn)化)的燃料 電池系統(tǒng)，可省略轉(zhuǎn)化器37。對于外部轉(zhuǎn)化型燃料電池(即，不包含燃料轉(zhuǎn)化催化劑的燃料 電池或其中催化劑是電池外殼的金屬結(jié)構(gòu)的部分的燃料電池，催化劑仍可存在，但不被設(shè) 計用作催化劑，通常是由于所述電池的降級)，轉(zhuǎn)化器37充當(dāng)主燃料轉(zhuǎn)化器。在本發(fā)明的替 代實施例中，轉(zhuǎn)化器37不集成到熱交換器中，而是位于模塊1的熱箱中的單獨位置中。在 本發(fā)明的另一替代實施例中，單獨的燃料及空氣熱交換器將分別來自燃料及空氣排出流的 熱量分別提供到燃料及空氣進入流，如下文將結(jié)合圖2B描述。 如圖1A到1E中所示，陽極尾氣氧化器(AT0) 10優(yōu)選地位于基底3的中心部分上 方(即，在基底板7上)，與堆疊9成熱量傳遞關(guān)系(即，使得熱量通過AT0 10與堆疊9之 間的對流及/或輻射而轉(zhuǎn)移)。優(yōu)選地但非必需地，AT0 10位于環(huán)形堆疊9陣列中部，以 使得AT0 10由堆疊9環(huán)繞。然而，對于不形成完整環(huán)狀(例如，柵格或弧形布局)的堆疊 9布局，AT0 10可鄰近于堆疊定位或可部分地由堆疊9環(huán)繞。在環(huán)形或弧形陣列中，ATO暴 露于燃料電池堆疊的徑向向內(nèi)面以從所述徑向向內(nèi)面接收陰極排出流。ATO是來自堆疊的 陽極(燃料)排出物在其中通過與氧化劑流反應(yīng)(例如，堆疊陽極排出流與堆疊陰極(空 氣)排出流的反應(yīng))而氧化的室?？山oATO室壁涂敷以合適的助氧化反應(yīng)催化劑，例如支 撐構(gòu)件或材料上的鈀。所述氧化反應(yīng)釋放可用于加熱堆疊9及/或?qū)酇TO排出流提供到熱交換器13中的熱量。如圖IB中所示，ATO 10可包含ATO外部擋板12，其是附接到外殼 體11的頂部的圓柱形或其它經(jīng)合適成形的壁，但其鄰近于基底3的基底板7包含供堆疊陰 極(空氣)排出流穿過的開口 18。 ATO 10還可包含內(nèi)部擋板14，其是附接到基底板7的圓 柱形或其它經(jīng)合適成形的壁，但其鄰近于殼體11的上表面包含供陽極及陰極排出流穿過 的開口 20。內(nèi)部擋板14優(yōu)選地位于外部擋板12內(nèi)。也可將內(nèi)部擋板14視為AT0/陰極排 出導(dǎo)管27的環(huán)面。內(nèi)部擋板14的內(nèi)部及/或外部表面及/或外部擋板12的內(nèi)部表面可 由助氧化催化劑材料遮蓋，所述助氧化催化劑材料可涂敷于位于擋板12、 14的表面上的任 選鰭狀物或褶皺16上。舉例來說，盡管圖IB顯示雙通路ATO(向上流動，然后向下流動)， 但ATO 10可具有更多通路，且內(nèi)部擋板14可包含穿孔?；蛘?，內(nèi)部擋板14可延伸到殼體 11的頂部且僅具有而非接近頂部的開口 20。] —個或一個以上AT0燃料進入導(dǎo)管22在外部AT0擋板12與內(nèi)部AT0擋板14之 間位于基底板7中。ATO燃料進入導(dǎo)管22在擋板12與14之間提供ATO燃料進入流，在擋 板12與14之間，所述燃料進入流與ATO空氣進入流混合并反應(yīng)。所述ATO燃料進入流可 包含以下各項中的一者或兩者i)來自堆疊燃料進入流的單獨燃料進入流，例如天然氣進 入流；及/或ii)已穿過熱交換器13的堆疊陽極排出流的至少一部分。或者，所述AT0燃 料進入流也可部分或完全繞過熱交換器以保持進口溫度得到限制。所述ATO空氣進入流可 包含堆疊陰極排出流(其在外擋板12下從堆疊9流動到ATO 10，如圖IB中所示)，或新鮮 空氣進入流(其可以或可不與ATO燃料進入流中的任一者混合)，或新鮮空氣進入流與堆疊 陰極排出物的組合。所述ATO燃料進入流由所述ATO空氣進入流(例如，堆疊陰極排出流 或陰極排出物與任選新鮮空氣進入流的混合物]。ATO排出流(經(jīng)氧化的燃料)經(jīng)由在內(nèi) 部擋板14中部位于基底板7中的中心ATO排出導(dǎo)管27從ATO 10移除。
如圖IB及1C中所示，基底3還包含多個燃料進口 21，其將燃料進入流提供到燃 料電池堆疊9 ;多個燃料排出開口 23，其移除來自堆疊9的燃料排出流；多個外圍空氣進口 25，其將空氣(或其它氧化劑)進入流提供到堆疊9;及中心AT0排出導(dǎo)管27，其移除來自 堆疊9的空氣/ATO排出流。進口 21及25及排出開口 23可包含基底板7中的孔及/或延 伸穿過基底板7的管道。因此，在本發(fā)明的一個實施例中，堆疊9針對空氣在外部裝有歧管 且針對燃料在內(nèi)部裝有歧管。多個以角度間隔開的燃料電池堆疊9經(jīng)布置以在堆疊空氣進 口 25的環(huán)狀布置內(nèi)形成繞模塊的中心軸的環(huán)形陣列。 模塊1如下操作。燃料及空氣進入流在熱交換器13中由陽極排出流及/或AT0 排出流加熱，如下文將更加詳細地描述。燃料進入流經(jīng)由用于每一堆疊的相應(yīng)燃料進口 21 從下方向上且在內(nèi)部提供到堆疊9中。來自堆疊9的陽極(燃料)排出流向下且經(jīng)由所述 堆疊在內(nèi)部提供且經(jīng)由相應(yīng)燃料排出開口 23移除到位于基底3中的熱交換器13中。
如圖1B中的箭頭所示，堆疊空氣進入流經(jīng)由在基底3的外圍中布置為環(huán)形或環(huán)狀 配置的進口 25穿過基底板7在殼體11下方提供。所述空氣進入流流過堆疊9的電池。堆 疊9及陶瓷間隔件(為清晰起見未顯示)防止所述空氣進入流在不首先流過堆疊9的情況 下直接流動到內(nèi)部空間24中。陰極(空氣)排出流退出堆疊9進入堆疊9與外AT0擋板 12之間的空間24。所述陰極排出流流過外AT0擋板12下方的開口 18進入外與內(nèi)AT0擋 板12、14之間的空間26。所述堆疊陰極排出流與從空間26中的導(dǎo)管20提供的AT0燃料 進入流混合并反應(yīng)。所述氧化反應(yīng)在系統(tǒng)啟動期間且在穩(wěn)定狀態(tài)操作期間經(jīng)由輻射及/或
8對流向堆疊9提供熱量，以提供用于堆疊9中的內(nèi)部燃料轉(zhuǎn)化反應(yīng)的充分熱量。然后，ATO 排出物(經(jīng)氧化的燃料)向上經(jīng)由內(nèi)擋板14上方的開口20且向下經(jīng)由中心AT0排出導(dǎo)管 27排出到位于基底板7下方的室5中的熱交換器13中。盡管圖IB及1C中顯示特定ATO 配置，但應(yīng)了解，也可使用其它配置，例如其中流體流沿鄰近于氧化催化劑涂敷的構(gòu)件的線 性或曲折路徑的配置。舉例來說，圓柱體可位于擋板14內(nèi)，以限制鰭狀物及催化劑的體積 (且因此限制其量)。 如圖1A到1C中所示，燃料進入線路29連接到燃料熱交換器13的第一進口。多 個燃料進入導(dǎo)管21流暢連接到熱交換器13的第一出口 。術(shù)語"流暢連接"意指使得燃料進 入流從熱交換器13流過一個或一個以上其它組件直到其到達每一燃料進入導(dǎo)管21的直接 連接或間接連接。多個燃料排出開口 23流暢連接到熱交換器13的第二進口。燃料排出線 路31連接到熱交換器13的第二出口 ?？諝膺M入線路33連接到熱交換器13的第三進口 。 如果需要，可提供一個或一個以上任選空氣旁通導(dǎo)管，其使來自空氣進入線路33的一些或 所有空氣進入流轉(zhuǎn)向繞過熱交換器13或繞過熱交換器13的一部分。因此，所述旁通導(dǎo)管 可將空氣進入線路33直接連接到堆疊9空氣進口 。提供到所述旁通導(dǎo)管中的空氣量可通 過流量調(diào)節(jié)器來控制，例如計算機或操作者控制的閥?；字械亩鄠€空氣進入導(dǎo)管25流暢 連接到熱交換器13的第三出口 。中心空氣/AT0排出導(dǎo)管27流暢連接到熱交換器13的第 四進口。空氣/AT0排出線路35連接到熱交換器13的第四出口。視需要，熱交換器13可 具有單獨的空氣及ATO排出線路(即，一些或所有熱空氣排出物可繞過ATO， AT0可改為使 用新鮮進入空氣用于氧化反應(yīng))。 優(yōu)選地，基底3及殼體11還用于提供從堆疊9到功率調(diào)節(jié)裝備的電連接。舉例來 說，基底3的上表面7可包含多個電觸點41，例如負或接地電觸點。每一觸點41位于燃料 電池堆疊9的底部端板將接觸基底3的基底板7(即，上表面)之處。每一燃料電池堆疊9 的每一負或接地電極或端板電連接到多個電觸點41中的一者?；?還包含共用電總線 43，例如負或接地總線，其經(jīng)由觸點41電連接到燃料電池9。 殼體11包含至少一個其它電總線45，例如用于每一堆疊9的單獨電總線45?？?線45具有與共用電總線43的極性不同的極性。舉例來說，殼體11可具有多個正總線45。 燃料電池堆疊9的正電極或端板電連接到從殼體11延伸的相應(yīng)正電總線45。
每一燃料電池堆疊9的正電極或端板可使用任何合適觸點或電連接電連接到相 應(yīng)正電總線45。舉例來說，如圖1B中所示，殼體11的內(nèi)部上表面包含多個導(dǎo)電壓力構(gòu)件 47。殼體11上的壓力構(gòu)件47與基底3的上表面7上的觸點41上方的堆疊9位置對準(zhǔn)。每 一壓力構(gòu)件47可拆卸地將至少一個燃料電池堆疊9固持于殼體11與基底3的上表面7之 間。每一燃料電池堆疊9的正電極或端板經(jīng)由相應(yīng)壓力構(gòu)件47電連接到正電總線45。壓 力構(gòu)件47可以是撓性桿、板或彈簧，其對堆疊9施加向下的壓力以保持堆疊9牢固地抵靠 基底的上表面7上的電觸點41。當(dāng)向下推殼體ll以關(guān)閉模塊l時，所述壓力構(gòu)件彎曲以將 堆疊9按到基底3上的適當(dāng)位置。當(dāng)移除殼體11以維修或修理所述模塊時，所述壓力構(gòu)件 釋放堆疊9。 優(yōu)選地，但非必需地，每一堆疊9或每一對堆疊9連接到功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的單獨DC/ DC轉(zhuǎn)換器單元。舉例來說，每一對堆疊中的每一堆疊的一個電輸入/輸出可串聯(lián)連接且每 一對堆疊中的每一堆疊的其它電輸入/輸出提供相應(yīng)的正及負電壓輸入到相應(yīng)的DC/DC轉(zhuǎn)
9換器單元中。優(yōu)選地，但非必需地，燃料電池堆疊(即，燃料電池堆疊列)可布置成六的倍 數(shù)以簡化功率調(diào)節(jié)，如在2007年5月5日提出申請且全文以引用方式并入本文中的美國申 請案第11/797， 707號及第11/707， 708號中所描述。因此，每一模塊可具有6、 12、 18、24個 (等)堆疊9。舉例來說，圖1C到1E中所示的模塊1包含十二個堆疊9。每一組四個堆疊 可連接到三相AC輸出的一個相應(yīng)相位輸出，如美國申請案第11/797， 707號中所描述。
因此，在包含多個模塊的系統(tǒng)中，每一模塊1可在不停止所述燃料電池系統(tǒng)中的 其它模塊1的操作的情況下與所述燃料電池系統(tǒng)電斷開或從其移除及/或進行維修或修 理。換句話說，每一模塊l可與所述燃料電池系統(tǒng)電斷開、從其移除及/或進行維修或修理， 而其它模塊1繼續(xù)操作以發(fā)電。因此，當(dāng)一個堆疊9出故障或使其離線以進行維修時，不必 關(guān)閉所述整個燃料電池系統(tǒng)。 當(dāng)使一個模塊1離線(即，將其關(guān)斷以進行移除、修理或維修)而其它模塊1繼續(xù) 操作時，應(yīng)停止到離線的模塊1的燃料流動。此可通過在每一燃料進入線路29中放置閥來 實現(xiàn)?？墒謩踊蛞噪娮臃绞疥P(guān)斷所述閥以停止燃料流過既定燃料進入線路29，而燃料繼續(xù) 流過其它燃料進入線路29到達其它模塊1。 本發(fā)明的第二實施例提供用于燃料電池系統(tǒng)的多股流熱交換器13，其中多于兩個 流體流在同一裝置中交換熱量。因此，單個多股流熱交換器可取代現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中所使用 的多個單獨的熱交換器，例如單獨的空氣及燃料熱交換器。所述多股流熱交換器允許與單 獨的燃料及空氣熱交換器相同的熱量交換量，但因熱流與冷流之間的更均勻溫度差異而具 有更小量的熱量傳遞面積。此外，視需要，可將蒸汽產(chǎn)生器及/或外部轉(zhuǎn)化器37以物理方 式集成到多股流熱交換器13中，以使得燃料電池堆疊9陽極排出流及/或ATO 10排出流 的熱量用于將水轉(zhuǎn)換為蒸汽及/或為烴燃料到氫及一氧化碳的燃料轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供熱量，例 如蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化("SMR")反應(yīng)。 多股流熱交換器13可用作基底或位于用于構(gòu)建燃料電池系統(tǒng)的熱箱的基底3中。 因此，多股流熱交換器13降低模塊1的重心且使所述模塊更穩(wěn)定。使用單個多股流熱交換 器13將所述系統(tǒng)中的空氣流動控制裝置的數(shù)目從兩個減少到一個?？上鼳TO空氣流動 控制裝置。通過減少額外管件的數(shù)量來使系統(tǒng)集成更簡單。此外，多股流熱交換器13增加 所述系統(tǒng)的效率，從而促進更好的熱量傳遞，移除夾點且減少寄生損失，包括來自消除ATO 空氣鼓風(fēng)機的增益。最后，多股流熱交換器13允許在區(qū)15及17中使用低溫與高溫材料的 組合，以降低所述裝置的成本。 圖2A圖解說明第二實施例的包含一個或一個以上模塊1的燃料電池系統(tǒng)100的 過程流程圖。為清晰起見，圖2A中顯示一個模塊1。系統(tǒng)100包含多個燃料電池堆疊9，例如 固態(tài)氧化物燃料電池堆疊(其中所述堆疊的一個固態(tài)氧化物燃料電池包含陶瓷電解質(zhì)(例 如，氧化釕氧化鋯(YSZ)或氧化鈧穩(wěn)定氧化鋯(SSZ))、陽極電極(例如，鎳-YSZ或Ni-SSZ 金屬陶瓷)及陰極電極(例如，亞錳酸鑭鍶(LSM))。模塊1表示為熱箱，其可包含基底3與 殼體11的組合，如圖1B中所示。圖中將任選轉(zhuǎn)化器37與熱交換器13分開顯示。然而，如 上所述，熱交換器37可以物理方式集成到熱交換器13中。 系統(tǒng)100還包含蒸汽產(chǎn)生器103。經(jīng)由導(dǎo)管30A從水源104(例如，水箱或水管) 給蒸汽產(chǎn)生器103提供水，且蒸汽產(chǎn)生器103將所述水轉(zhuǎn)換為蒸汽。所述蒸汽經(jīng)由導(dǎo)管30B 從產(chǎn)生器103提供到混合器105且在混合器105中與堆疊陽極(燃料)再循環(huán)流混合?；旌掀?05可位于模塊1的熱箱內(nèi)或外。優(yōu)選地，經(jīng)加濕的陽極排出流在混合器105的燃料進 入線路或?qū)Ч?9下游中與燃料進入流組合，如圖2A中示意性顯示?；蛘撸曅枰?，所述燃 料進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進入流中及/或 所述陽極排出流可直接提供到所述燃料進入流中，隨后將所述經(jīng)組合燃料流加濕，如圖1C、 1D及1E中所示。 蒸汽產(chǎn)生器103可由單獨的加熱器及/或由與蒸汽產(chǎn)生器103成熱量交換關(guān)系傳 遞的熱ATO排出流加熱。如果蒸汽產(chǎn)生器103以物理方式并入到熱交換器13中，那么所述 蒸汽產(chǎn)生器也可在所述熱交換器中由陽極排出流加熱。蒸汽產(chǎn)生器103可以物理方式位于 所述熱箱中，例如在基底3的室5內(nèi)。或者，蒸汽產(chǎn)生器103可可位于模塊1的熱箱外。因 此，如圖1C中所示，如果蒸汽產(chǎn)生器103位于所述模塊的熱箱中，那么水經(jīng)由導(dǎo)管30從水 源104提供。如果蒸汽產(chǎn)生器103位于所述模塊的熱箱之外，那么蒸汽經(jīng)由導(dǎo)管30從水源 104提供。 系統(tǒng)100還包含分裂器107、任選脫水器109及催化部分壓力氧化(CPOx)反應(yīng)器 111。如果可保持提供到ATO 10的陽極排出流充分熱而避免冷凝，那么不需要脫水器109 及排水管。所述系統(tǒng)如下操作。進入燃料流(例如，氫流，舉例來說，天然氣)提供到燃料 進入導(dǎo)管29中且經(jīng)由CPOx反應(yīng)器111。在系統(tǒng)啟動期間，空氣也提供到CPOx反應(yīng)器111 中，以催化地部分氧化所述燃料進入流。在穩(wěn)定狀態(tài)系統(tǒng)操作期間，關(guān)斷所述空氣流動且所 述CPOx反應(yīng)器充當(dāng)燃料通路，在所述燃料通路中所述燃料不會被部分氧化。因此，系統(tǒng)100 可包含僅一個燃料進入導(dǎo)管，其經(jīng)由CPOx反應(yīng)器111在啟動及穩(wěn)定狀態(tài)兩個模式中提供燃 料。因此，不需要在穩(wěn)定狀態(tài)操作期間繞過所述CPOx反應(yīng)器的單獨燃料進入導(dǎo)管。
燃料進入流提供到多股流熱交換器13中，其中其溫度通過與ATO排出流及堆疊 陽極(燃料)排出流交換熱量而升高。然后，所述燃料進入流任選地提供到任選轉(zhuǎn)化器37 中，任選轉(zhuǎn)化器37可集成到熱交換器13中或與熱交換器13分開地位于熱箱中。所述燃料 進入流在所述轉(zhuǎn)化器中經(jīng)由SMR反應(yīng)轉(zhuǎn)化且所述經(jīng)轉(zhuǎn)化的燃料進入流(其包括氫、一氧化 碳、水汽及未經(jīng)轉(zhuǎn)化的甲烷)經(jīng)由燃料進口21提供到堆疊9中。所述燃料進入流經(jīng)由堆疊 9中的燃料進入立管向上行進穿過所述堆疊且在發(fā)電期間在堆疊9中氧化。所述經(jīng)氧化的 燃料(即，陽極或燃料排出流)經(jīng)由燃料排出立管沿堆疊9行進且然后經(jīng)由燃料排出開口 23從所述堆疊排出到熱交換器13中。 在熱交換器13中，所述陽極排出流經(jīng)由熱量交換加熱燃料進入流及空氣進入流。 然后，所述陽極排出流經(jīng)由燃料排出導(dǎo)管31提供到分裂器107中。所述陽極排出流的第一 部分從分裂器107提供到脫水器109中。在脫水器109中，水被從所述陽極排出流中移除 且所述被移除的水被存儲或經(jīng)由排水管112排放。剩余陽極排出流可經(jīng)由導(dǎo)管113從脫水 器109提供到AT0 10中?？山?jīng)由燃料進口 22從進入ATO 10的導(dǎo)管115給所述陽極排出 流提供新鮮燃料(例如，天然氣)，作為經(jīng)組合ATO燃料進入流。 所述陽極排出流的第二部分從分裂器107再循環(huán)到燃料進入流中。舉例來說，所 述陽極排出流的第二部分通過鼓風(fēng)機(圖2A中未顯示)經(jīng)由導(dǎo)管117再循環(huán)到混合器105 中。所述陽極排出流在混合器105中通過與從蒸汽產(chǎn)生器103提供的蒸汽混合而加濕。然 后，所述經(jīng)加濕陽極排出流從混合器105提供到燃料進入導(dǎo)管29中，其在此處與燃料進入 流混合。從水箱104提供水來制造蒸汽是任選的。新鮮燃料的所有加濕可由陽極再循環(huán)流提供。 空氣進入流由鼓風(fēng)機(未顯示)從空氣進入導(dǎo)管33提供到熱交換器13中。所述 鼓風(fēng)機可包含用于整個系統(tǒng)的單個空氣流動控制器。在所述熱交換器中，所述空氣進入流 由ATO排出流及陽極排出流經(jīng)由熱量交換來加熱。然后，經(jīng)加熱的空氣進入流經(jīng)由空氣進 口25提供到模塊中。所述空氣穿過堆疊9進入AT0 10中。在ATO IO中，所述空氣排出流 氧化所述ATO燃料進入流以產(chǎn)生ATO排出流。所述ATO排出流經(jīng)由ATO排出導(dǎo)管27排出到 熱交換器13中。所述ATO排出流經(jīng)由熱量交換在熱交換器13中加熱燃料及空氣進入流。 所述ATO排出流(其仍高于室溫)經(jīng)由導(dǎo)管119從熱交換器13提供到蒸汽產(chǎn)生器103。來 自所述AT0排出流的熱量用于在蒸汽產(chǎn)生器103中經(jīng)由熱量交換將水轉(zhuǎn)換為蒸汽。然后，所 述ATO排出流經(jīng)由導(dǎo)管35從所述系統(tǒng)移除。如果蒸汽產(chǎn)生器103以物理方式集成到熱交 換器13中，那么可省略導(dǎo)管119且所述蒸汽產(chǎn)生在熱交換器13中發(fā)生。因此，通過控制空 氣進入鼓風(fēng)機輸出(即，功率或速度)，可控制引入到所述系統(tǒng)中的空氣的量值(即，體積、 壓力、速度等)。陰極(空氣)排出流用作ATO空氣進入流，因此消除對單獨的ATO空氣進 入控制器或鼓風(fēng)機的需要。此外，由于ATO排出流用于加熱空氣及燃料進入流，因此對導(dǎo)管 33中的單個空氣進入流的控制可用于控制堆疊9及AT0 IO的溫度。如果存在空氣旁通導(dǎo) 管，那么此導(dǎo)管通過與經(jīng)由所述旁通導(dǎo)管直接提供到堆疊9中的空氣量相比控制提供到熱 交換器13中的空氣量來增強控制堆疊9及ATO 10溫度的能力。 圖3及4圖解說明經(jīng)由實例性五區(qū)熱交換器13的流體流動。所述區(qū)在圖4中標(biāo) 記為Z1到Z5。應(yīng)注意，熱交換器13可具有少于五個區(qū)(例如，一個到四個區(qū))或多于五個 區(qū)(例如，六個到十個區(qū))。所述熱交換器可以是逆向流動、同向流動或其組合類型的熱交 換器，其具有板及鰭狀物或其它合適配置。此外，下文所描述的流體流動引入次序及流動流 溫度是實例性的且可依據(jù)特定系統(tǒng)配置而改變。 冷空氣進入流在大約室溫下從導(dǎo)管33進入熱交換器的區(qū)1且由熱陽極排出流加 熱。所述陽極排出流放棄其一些熱量且作為溫陽極排出流(舉例來說，在大約iooc的溫度 下)退出到導(dǎo)管31中。 所述經(jīng)加溫的空氣進入流(在大約100C的溫度下)從熱交換器的區(qū)1提供到區(qū) 2中。相對冷的燃料進入流(其已通過添加來自蒸汽產(chǎn)生器的蒸汽及來自導(dǎo)管117的經(jīng)再 循環(huán)陽極排出流而加溫到大約100C)也從導(dǎo)管29提供到所述熱交換器的區(qū)2中?？諝馀c 燃料進入流不混合，而是流過由熱交換器板分隔的區(qū)2中的不同相應(yīng)通道，或在單個熱交 換器板的單獨通道中。所述空氣及燃料進入流在區(qū)2中經(jīng)由跨越熱交換器板的熱量交換由 熱陽極排出流加熱。 經(jīng)加溫的空氣及燃料進入流(在大約150C的溫度下)提供到熱交換器13的區(qū)3 中。所述熱陽極排出流也首先在大約800C的溫度下在區(qū)3中進入熱交換器13。所述空氣 及燃料進入流在區(qū)3中經(jīng)由跨越熱交換器板的熱量交換由所述熱陽極排出流且由熱AT0排 出流加熱。所述陽極與AT0排出流不混合，但流過由熱交換器板分隔的區(qū)3中的不同相應(yīng) 通道。在交換熱量之后，溫ATO排出流在大約300C的溫度下在區(qū)3中退出熱交換器13，進 入導(dǎo)管119。然后，所述AT0排出流用于在蒸汽產(chǎn)生器103中產(chǎn)生蒸汽。如可從圖3及4看 到，區(qū)3可以是熱交換器3的最大或最長區(qū)(即，具有最長流體流動通道長度的區(qū))，在所述 區(qū)中，流體流花費所述熱交換器中的任一區(qū)的最長時間。
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進一步加溫的空氣及燃料進入流(在大約600C的溫度下)提供到熱交換器13的 區(qū)4中。所述空氣及燃料進入流在區(qū)4中經(jīng)由跨越熱交換器板的熱量交換由熱AT0排出流 加熱。升溫的空氣進入流在大約650C的溫度下在區(qū)4中退出熱交換器13，進入導(dǎo)管25，將 提供到燃料電池堆疊9中。 進一步加溫的燃料進入流(在大約650C的溫度下)提供到熱交換器13的區(qū)5中。 所述ATO排出流首先在大約875C的溫度下從導(dǎo)管27在區(qū)5中進入熱交換器13。所述燃料 進入流在區(qū)5中經(jīng)由跨越所述熱交換器板的熱量交換由熱ATO排出流加熱。所述升溫的燃 料進入流在大約750C的溫度下在區(qū)5中退出熱交換器13，進入導(dǎo)管21，將提供到燃料電池 堆疊9(及/或在存在單獨的轉(zhuǎn)化器的情況下提供到轉(zhuǎn)化器37中)中。
如圖3中所示，假設(shè)因大約1%的熱交換器泄露而產(chǎn)生的間隙。此外，如圖3中所 示，熱流(ATO及陽極排出流)在其兩者均存在的每一區(qū)中維持在彼此大約相同的溫度下。 同樣，冷流(空氣及燃料進入流)在其兩者均存在的每一區(qū)中維持在彼此大約相同的溫度 下。最后，圖3中顯示在基于夾點技術(shù)設(shè)計熱交換器13的情況下的全局夾點。
參照圖1B，熱交換器13的低溫部分15可對應(yīng)于圖4中所示的區(qū)1及2(及任選地 區(qū)3的鄰近部分)，而熱交換器13的高溫部分17可對應(yīng)于圖4中所示的區(qū)4及5 (及任選 地區(qū)3的鄰近部分)。 圖2B圖解說明根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的系統(tǒng)200的示意圖，其中單個多股流熱 交換器13由單獨的熱交換器取代。為簡短起見，將不再次描述為圖2A的系統(tǒng)100及圖2B 的系統(tǒng)200兩者所共用的共同編號的元件。如圖2B中所示，多股流熱交換器13由燃料熱 交換器137、空氣熱交換器203及任選的空氣預(yù)熱器熱交換器205取代。
如圖2B中所示，如果燃料電池或燃料電池堆疊9包含內(nèi)部燃料轉(zhuǎn)化催化劑，那么 可省略外部轉(zhuǎn)化器37?；蛘?，燃料熱交換器137可在熱交換器的燃料進入部分中包含轉(zhuǎn)化 催化劑。在此情況下，熱交換器137用作熱交換器與轉(zhuǎn)化器兩者。 視需要，可省略脫水器109且可使從分裂器107提供到導(dǎo)管113中的燃料排出流 的整個部分再循環(huán)到ATO 113中。 此外，可省略到ATO 10中的天然氣進入導(dǎo)管115。而是，可從燃料電池堆疊9陽極 尾氣再循環(huán)導(dǎo)管113提供用于AT0 IO的所有燃料。對于具有內(nèi)部燃料轉(zhuǎn)化的熱良好封裝 的系統(tǒng)，可省略經(jīng)由導(dǎo)管115將新鮮燃料引入到AT0 10中。而是，控制或調(diào)整經(jīng)由導(dǎo)管29 提供到堆疊9的新鮮燃料量以控制加熱過程。消除到ATO的單獨燃料導(dǎo)管(及相關(guān)聯(lián)燃料 鼓風(fēng)機)及使用堆疊陰極排出流作為ATO 10中的氧化劑氣體源(代替使用單獨的空氣進 入導(dǎo)管來向ATO IO中提供新鮮空氣)降低燃料電池及控制系統(tǒng)以及操作所述系統(tǒng)的方法 的復(fù)雜性及成本。舉例來說，對導(dǎo)管33中的主空氣進入流的控制可用作用于系統(tǒng)溫度的主 控制。 圖2B中所示的系統(tǒng)200以與圖2A中所示系統(tǒng)100類似的方式操作。然而，在系 統(tǒng)200中，導(dǎo)管33中的空氣進入流首先提供到任選空氣預(yù)熱器熱交換器205中，在所述任 選空氣預(yù)熱器熱交換器中，所述空氣進入流由燃料(陽極)排出流預(yù)加熱。術(shù)語燃料排出 與陽極排出在本文中關(guān)于固態(tài)氧化物燃料電池堆疊可互換使用。然后，經(jīng)預(yù)加熱的空氣進 入流提供到空氣熱交換器203中，在所述空氣熱交換器中，所述經(jīng)預(yù)加熱的空氣進入流由 來自導(dǎo)管27的AT0 IO排出流加熱。然后，所述AT0排出流經(jīng)由導(dǎo)管119從空氣熱交換器
13203提供到蒸汽產(chǎn)生器103。烴燃料進入流經(jīng)由燃料進入導(dǎo)管29提供到燃料熱交換器137 中。然后，所述燃料進入流經(jīng)由導(dǎo)管21提供到燃料電池堆疊9中，在所述燃料電池堆疊中， 所述燃料進入流可在內(nèi)部轉(zhuǎn)化。或者，可改為使用集成到熱交換器137中的單獨外部轉(zhuǎn)化 器37或外部轉(zhuǎn)化器。燃料排出流經(jīng)由導(dǎo)管23A從堆疊9提供到燃料熱交換器137中。然 后，所述燃料排出流經(jīng)由導(dǎo)管23B從燃料熱交換器137提供到任選空氣預(yù)熱器熱交換器205 中。然后，所述燃料排出流經(jīng)由導(dǎo)管31從空氣預(yù)熱器熱交換器205提供到分裂器107中。
視需要，可任選地將轉(zhuǎn)化器37及/或蒸汽產(chǎn)生器103集成到熱交換器的現(xiàn)有區(qū)中 或可將其作為額外區(qū)添加。舉例來說，轉(zhuǎn)化器催化劑可提供到區(qū)3、4及/或5中的燃料進 入流導(dǎo)管中，以將轉(zhuǎn)化器37集成到熱交換器13中。 通過將蒸汽產(chǎn)生器作為一個或一個以上額外區(qū)添加到熱交換器13而可以物理方 式將蒸汽產(chǎn)生器103與熱交換器集成在一起。圖5圖解說明包含集成到多股流熱交換器中 的蒸汽產(chǎn)生器(13/103)的系統(tǒng)200的過程流程圖。在圖5的實例中，所述熱交換器包含七 個區(qū)。然而，可使用包含多于七個區(qū)或少于七個區(qū)的熱交換器。上文已結(jié)合圖2A描述了圖 5中所示的具有與圖2A中的元件相同的編號的其它元件且為簡短起見將不再次結(jié)合圖5加 以描述。每一元件中的實例性溫度顯示于所述元件上方的圓圈中。應(yīng)注意，可使用其它合 適溫度。 以下表格描述穿過集成式熱交換器/蒸汽產(chǎn)生器13/103的七個區(qū)Zl到Z7中的 每一者的熱及冷流體流動流區(qū)冷側(cè)流熱側(cè)流Zl水A腦HZ2水、空氣A腦HZ3水、空氣ANEXH， ATO-EXHZ4水、空氣、燃料-混合ANEXH， ATO-EXHZ5空氣、燃料-混合ANEXH， ATO-EXHZ6燃料_混合ANEXH， ATO-EXHZ7燃料_混合 ATO-EXH 在以上表格中，"水"對應(yīng)于來自水源104及導(dǎo)管30A的水進入流，"空氣"對應(yīng)于來 自導(dǎo)管33的空氣進入流，"燃料-混合"對應(yīng)于來自導(dǎo)管29的經(jīng)加濕燃料進入流，"ANEXH" 對應(yīng)于來自導(dǎo)管23的陽極排出流且ATO-EXH對應(yīng)于來自導(dǎo)管27的ATO排出流。因此，"水" 存在于區(qū)Zl到Z4中(在Zl中進入且在Z4中退出)，"空氣"存在于區(qū)Z2到Z5中(在Z2 中進入且在Z5中退出)且"燃料-混合"存在于區(qū)Z4到Z7中(在Z4中進入且在Z7中退 出)。這些冷側(cè)流在區(qū)Zl到Z6中(在Z6中進入且在Zl中退出)由"ANEXH"流加熱且在 區(qū)Z3到Z7中(在Z7中進入且在Z3中退出)由ATO-EXH流加熱。 因此，區(qū)Zl對應(yīng)于蒸汽產(chǎn)生器103，區(qū)Z2到Z4對應(yīng)于并合式蒸汽產(chǎn)生器/熱交換 器，且區(qū)Z5到Z7對應(yīng)于熱交換器。當(dāng)然，也可使用其它熱交換器及流動配置。應(yīng)注意，在圖 5中，如果使用液體烴燃料，那么可將所述液體燃料與水一起提供到所述蒸汽產(chǎn)生器中以使 所述液體燃料氣化。任選液體燃料/水混合器201可用于混合液體燃料與水。此外，任選 ATO燃料/陽極排出混合器203可用于在將經(jīng)混合燃料提供到ATO進口 22中之前將ATO燃 料(例如，導(dǎo)管115中的天然氣)與導(dǎo)管113中的陽極排出物混合。
圖6及7是兩個類型的多股流板熱交換器的非限制性三維剖面圖。應(yīng)注意，可使用 其它熱交換器配置。圖6顯示熱交換器300配置，其中兩個流在每一區(qū)(例如，圖4中所示 的區(qū)Zl及Z5)中交換熱量。舉例來說，流301與302在區(qū)304中交換熱量且流301與302 在區(qū)305中交換熱量。每一區(qū)304、305包含肋狀或鰭式熱量交換板306。進入/放泄歧管 307位于所述區(qū)之間。 圖7顯示另一熱交換器310配置，其中兩個冷流Rl及R2 (例如，空氣及燃料進入 流)與含熱水的流交換熱量，例如陽極或ATO排出流(其對應(yīng)于圖4中所示的區(qū)Z2及Z4)。 這些配置可容易地擴展為四個流體流(例如，圖4中所示的區(qū)3)。熱交換器310可類似于 板型熱交換器300且包含熱交換器板316。然而，舉例來說，每一板316可包含六個開口 317 以接納所述三個流的三個進口及三個出口且所述三個流提供于平行板316之間的每個三 分之一空間中。所述熱交換器可經(jīng)配置以處置多于三個流且可具有除平行板型配置以外的 不同配置。 本發(fā)明的另一實施例提供用于整個燃料電池系統(tǒng)而非僅用于燃料電池堆疊模塊 的模塊設(shè)計。所述模塊化系統(tǒng)設(shè)計提供靈活的安裝及操作。模塊以單個設(shè)計集合實現(xiàn)了裝 機發(fā)電容量的按比例縮放、可靠的發(fā)電、燃料處理的靈活性及功率輸出電壓及頻率的靈活 性。所述模塊化設(shè)計產(chǎn)生具有非常高的可用性及可靠性的"總是接通"的單元。此設(shè)計還 提供容易的按比例增加方式且滿足消費者的特定安裝要求。所述模塊化設(shè)計還允許使用可 隨消費者及/或隨地理區(qū)域變化的可用燃料以及所需電壓及頻率。因此，總的來說，由于燃 料電池系統(tǒng)被設(shè)計為模塊化集合，其可經(jīng)安裝以適應(yīng)不同消費者的要求且所述系統(tǒng)的元件 能夠協(xié)同工作以實現(xiàn)非常高的系統(tǒng)可靠性及可用性。 圖8顯示模塊化燃料電池系統(tǒng)60的實例性配置。系統(tǒng)60包括以下元件。系統(tǒng)60 包括多個燃料電池堆疊模塊61。這些模塊61是包含用于從容易轉(zhuǎn)化的燃料流產(chǎn)生DC功率 的組件的裝置。 在第二實施例的一個方面中，每一燃料電池堆疊模塊61與第一實施例的模塊1相 同。因此，圖8中所示的每一模塊61可包含基底3、殼體11及一個或一個以上燃料電池堆 疊9，如圖1B中所示。舉例來說，對于高溫燃料電池系統(tǒng)，例如SOFC或熔融碳酸鹽燃料電 池系統(tǒng)，每一燃料電池堆疊模塊61與第一實施例的模塊1相同。在第二實施例的替代方面 中，每一模塊61可包含一個基底3及由多個殼體11遮蓋的多個燃料電池堆疊9?；蛘?，每 一模塊61可具有與第一實施例的模塊1不同的結(jié)構(gòu)或配置。舉例來說，對于低溫燃料電池 系統(tǒng)，例如PEM系統(tǒng)，每一模塊61可與第一實施例的模塊1不同。因此，第二實施例的系統(tǒng) 適用于高溫及低溫燃料電池堆疊模塊。 每一模塊61包含至少一個燃料電池堆疊9。多個燃料電池堆疊模塊61可以叢集 安裝來安裝，例如安裝于單個熱箱62中。單個燃料電池堆疊模塊61的故障僅導(dǎo)致稍微降 級的輸出容量或稍微降級的系統(tǒng)效率，因為剩余燃料電池堆疊模塊61繼續(xù)操作。
系統(tǒng)60還包含一個或一個以上燃料處理模塊63。這些模塊是包含用于預(yù)處理燃 料以使得其可被容易轉(zhuǎn)化的組件的裝置。燃料處理模塊61可經(jīng)設(shè)計以處理不同組燃料。舉 例來說，可提供柴油燃料處理模塊、天然氣燃料處理及乙醇燃料處理模塊。處理模塊63可 處理選自以下各項中的以下燃料中的至少一者來自管線的天然氣、壓縮天然氣、丙烷、液 態(tài)石油氣、汽油、柴油、民用燃料油、煤油、JP-5、JP-8、航空燃料、氫、氨、乙醇、甲醇、合成氣、生物氣、生物柴油及其它合適烴或含氫燃料。視需要，轉(zhuǎn)化器37可位于燃料處理模塊63中。 或者，如果期望將轉(zhuǎn)化器37與燃料電池堆疊9熱集成在一起，那么轉(zhuǎn)化器37可位于燃料電 池堆疊模塊61中。此外，如果使用內(nèi)部轉(zhuǎn)化燃料電池，那么可完全省略外部轉(zhuǎn)化器37。
系統(tǒng)60還包含一個或一個以上功率調(diào)節(jié)模塊65。這些模塊65是包含用于將DC 功率轉(zhuǎn)換為AC功率、連接到電網(wǎng)且管理瞬變的組件的裝置。功率調(diào)節(jié)模塊65可經(jīng)設(shè)計以 將來自燃料電池模塊61的DC功率轉(zhuǎn)換為不同的AC電壓及頻率?？商峁┯糜?08V、60Hz ; 480V、60Hz ;415V、50Hz及其它常見電壓及頻率的設(shè)計。舉例來說，每一模塊65可包含用于 燃料電池模塊61中的每一對堆疊9的專用DC/DC轉(zhuǎn)換器單元及用于每一模塊65的多個 DC/AC轉(zhuǎn)換器單元的共用DC/DC轉(zhuǎn)換器單元。 每一類型的模塊61、63、65可安裝于單獨的容器(例如，箱、架或平臺)中或上。因 此，所述容器可彼此分開地定位，且可單獨移動、修理或維修。舉例來說，如圖8中所示，燃 料電池堆疊模塊61位于共用熱箱62中。 一個或一個以上燃料處理模塊63可位于單獨的 箱67中。 一個或一個以上功率調(diào)節(jié)模塊65可位于單獨的架69上。 本文中所描述的燃料電池系統(tǒng)視需要可具有其它實施例及配置?？梢曅枰砑悠?它組件，如(舉例來說)在2002年11月20日提出申請的美國申請案第10/300， 021號中、 在2007年1月22日提出申請的美國申請案第11/656,006號中、在2003年4月9日提出 申請的美國臨時申請案第60/461， 190號中及在2003年5月29日提出申請的美國申請案 第10/446， 704號中所描述，所有所述申請案全文以引用方式并入本文中。此外，應(yīng)了解，本 文任一實施例中所描述及/或任一圖中所圖解說明的任一系統(tǒng)元件或方法步驟也可用于 上文所描述的其它合適實施例的系統(tǒng)及/或方法中，即使未對此種使用未予以明確描述。
出于圖解說明及描述的目的，已呈現(xiàn)對本發(fā)明的上述說明。并非打算窮盡或?qū)⒈?發(fā)明限定為所揭示的精確形式，且可依據(jù)以上教示或根據(jù)本發(fā)明的實踐實現(xiàn)修改及改變。 本說明的選擇旨在解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用。本發(fā)明的范圍打算由所附權(quán)利要求書 及其等效項來界定。
1權(quán)利要求
一種燃料電池堆疊模塊，其包含多個燃料電池堆疊；陽極尾氣氧化器(ATO)，其與所述多個燃料電池堆疊成熱量傳遞關(guān)系定位；基底，其支撐所述多個燃料電池堆疊及所述ATO；及至少一個熱交換器，其位于所述基底中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊，其中所述多個燃料電池堆疊包含環(huán)繞中心軸的燃料電池堆疊的環(huán)形陣列，其中所述燃料電池堆疊中的每一者具有平行于所述中心軸延伸的堆疊方向；且所述ATO位于所述燃料電池堆疊的所述環(huán)形陣列中部。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的模塊，其中所述ATO暴露至所述燃料電池堆疊的徑向向內(nèi)面以從所述徑向向內(nèi)面接收陰極排出流。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的模塊，其中所述環(huán)形陣列包含三個或三個以上以角度間隔開的燃料電池堆疊且每一堆疊具有矩形截面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊，其中所述燃料電池堆疊包含固態(tài)氧化物燃料電池堆
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊，其進一步包含可拆卸地定位于所述基底上的殼體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的模塊，其中所述燃料電池堆疊可拆卸地定位于所述殼體下方的所述基底上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的模塊，其中所述基底包含具有內(nèi)部體積及上表面的室；所述ATO及所述多個燃料電池堆疊定位于所述基底的所述上表面上；且所述至少一個熱交換器位于所述基底的所述內(nèi)部體積中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的模塊，其中所述熱交換器包含多股流熱交換器；燃料進入線路連接到所述熱交換器的第一進口；空氣進入線路連接到所述熱交換器的第二進口；陽極排出線路連接到所述熱交換器的第三進口 ；且ATO排出線路連接到所述熱交換器的第四進口。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的模塊，其中燃料轉(zhuǎn)化器及蒸汽產(chǎn)生器中的至少一者以物理方式與所述熱交換器集成于所述基底的所述內(nèi)部體積內(nèi)。
11. 一種操作燃料電池堆疊模塊的方法，其包含將燃料進入流及空氣進入流提供到多個燃料電池堆疊；將來自所述多個燃料電池堆疊的ATO燃料進入流及陰極排出流提供到陽極尾氣氧化器(ATO)中，所述陽極尾氣氧化器與所述多個燃料電池堆疊成熱量傳遞關(guān)系定位；及從所述ATO提供ATO排出流以加熱所述燃料進入流及所述空氣進入流。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其進一步包含將所述AT0排出流、來自所述多個燃料電池堆疊的陽極排出流、所述燃料進入流及所述空氣進入流提供到多股流熱交換器中，以使用所述ATO排出流及所述陽極排出流加熱所述燃料進入流及所述空氣進入流。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述多個燃料電池堆疊包含環(huán)繞中心軸的燃料電池堆疊的環(huán)形陣列，其中所述燃料電池堆疊中的每一者具有平行于所述中心軸延伸的堆疊方向；所述ATO位于所述燃料電池堆疊的所述環(huán)形陣列中部；且所述熱交換器位于支撐所述ATO及燃料電池堆疊的所述環(huán)形陣列的基底的內(nèi)部體積中。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其進一步包含在所述熱交換器中轉(zhuǎn)化所述燃料進入流。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其進一步包含將水流提供到所述熱交換器中，使用ATO排出蒸汽將所述水流氣化為蒸汽且將所述蒸汽提供到所述燃料進入流中。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其進一步包含通過控制所述空氣進入流來控制所述多個所述燃料電池堆疊的溫度及所述ATO的溫度。
17. —種燃料電池系統(tǒng)，其包含多個燃料電池堆疊；陽極尾氣氧化器(AT0);多股流熱交換器；燃料進入線路，其連接到所述熱交換器的第一進口 ；空氣進入線路，其連接到所述熱交換器的第二進口 ；陽極排出線路，其連接到所述熱交換器的第三進口 ；ATO排出線路，其連接到所述熱交換器的第四進口 ；燃料電池堆疊燃料進口，其連接到所述熱交換器的第一出口 ；及燃料電池堆疊空氣進口 ，其連接到所述熱交換器的第二出口 。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其進一步包含基底，其支撐所述多個燃料電池堆疊及所述AT0 ;及殼體，其可拆卸地定位于所述基底上。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述基底包含具有內(nèi)部體積及上表面的室；所述AT0及所述多個燃料電池堆疊定位于所述基底的所述上表面上；且所述熱交換器位于所述基底的所述內(nèi)部體積中。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中燃料轉(zhuǎn)化器及蒸汽產(chǎn)生器中的至少一者以物理方式與所述熱交換器集成于所述基底的所述內(nèi)部體積內(nèi)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述熱交換器包含包含低溫級材料的低溫部分及包含高溫級材料的高溫部分。
22. —種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其包含經(jīng)由多股流熱交換器將燃料進入流及空氣進入流提供到多個燃料電池堆疊；將AT0燃料進入流及來自所述多個所述燃料電池堆疊的陰極排出流提供到陽極尾氣氧化器(AT0)中；及將來自所述AT0的AT0排出流及來自所述多個所述燃料電池堆疊的陽極排出流提供到所述多股流熱交換器中以加熱所述燃料進入流及所述空氣進入流。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述多股流熱交換器位于支撐所述AT0及所述多個燃料電池堆疊的基底的內(nèi)部體積中。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其進一步包含在所述多股流熱交換器中轉(zhuǎn)化所述燃料進入流。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其進一步包含將水流提供到所述多股流熱交換器中，使用AT0排出蒸汽將所述水流氣化成蒸汽且將所述蒸汽提供到所述燃料進入流中。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種燃料電池堆疊模塊，其包括多個燃料電池堆疊；陽極尾氣氧化器(ATO)，其與所述多個燃料電池堆疊成熱量傳遞關(guān)系定位；基底，其支撐所述多個燃料電池堆疊及所述ATO；及至少一個熱交換器，其位于所述基底中。ATO排出流及來自所述燃料電池堆疊的陽極排出流在多股流熱交換器中加熱堆疊燃料及空氣進入流。
文檔編號H01M8/10GK101796680SQ200880105391
公開日2010年8月4日 申請日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月26日
發(fā)明者戴維·魏因格特納, 斯瓦米納坦·文卡塔拉曼 申請人:博隆能源股份有限公司