高溫燃料電池的可選路徑冷卻的制作方法
【專利說明】高溫燃料電池的可選路徑冷卻
[0001 ] 本申請為分案申請，原申請的申請日為2009年3月17日，申請?zhí)枮?00980113492.2(PCT/US2009/037340)，發(fā)明名稱為“高溫燃料電池的可選路徑冷卻”。
[0002]發(fā)明背景
[0003]燃料電池通過在進(jìn)入的燃料和氧化劑流之間引起電化學(xué)反應(yīng)而運行，以產(chǎn)生電。許多燃料電池，如固體氧化物燃料電池(SOFC)，在高溫下運行。在燃料電池中由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的廢熱必須被移出以控制燃料電池的溫度，以便防止電池失效。典型的熱控制系統(tǒng)包括將超出電化學(xué)反應(yīng)所需的過量反應(yīng)物循環(huán)通過燃料電池以吸收熱量。但是，在某些應(yīng)用中，如其中航行器上使用燃料電池的空運應(yīng)用中，重量是首先需要考慮的事項。儲存保持燃料電池溫度所需的過量反應(yīng)物在重量方面是不允許的。
[0004]為了冷卻的目的，燃料電池排出的氣體可被再循環(huán)回到進(jìn)入的反應(yīng)物流。但是，這樣做需要額外的冷卻子系統(tǒng)以冷卻再循環(huán)流體，原因在于從燃料電池吸收的熱量。額外的冷卻子系統(tǒng)造成更加復(fù)雜的控制系統(tǒng)，額外的交通工具熱負(fù)荷，以及增加了整個系統(tǒng)的重量。另一傳統(tǒng)熱控制系統(tǒng)包括單獨的閉合系統(tǒng)冷卻回路，用于將儲存的冷卻劑循環(huán)通過燃料電池和通過冷卻子系統(tǒng)。與上述的其它熱控制系統(tǒng)相似，分離的閉合系統(tǒng)冷卻回路增加了額外的重量，并且增加了由于額外的栗、冷卻劑、管線和能量消耗需求帶來的復(fù)雜性。
[0005]正是基于這些考慮和其它考慮，提出了本文作出的本公開。
[0006]發(fā)明概述
[0007]應(yīng)該理解，提供本概述是為了以簡化的形式介紹構(gòu)思的選擇，其將在以下的發(fā)明詳述中進(jìn)一步描述。本概述并非意欲用于限制所要求保護(hù)的主題的范圍。
[0008]取決于應(yīng)用，本文描述的系統(tǒng)和方法使用環(huán)境冷卻劑如空氣或水提供燃料電池的冷卻。根據(jù)本文提供的公開的一個方面，與反應(yīng)物分開的冷卻劑被提供給燃料電池。冷卻劑流過燃料電池以吸收熱量，然后被排出并被引導(dǎo)離開燃料電池。根據(jù)不同的實施方式，使用由于與燃料電池聯(lián)合的交通工具的運動經(jīng)由環(huán)境產(chǎn)生的沖壓(ram pressure)，或使用流體控制設(shè)備如壓縮機或栗，引入的環(huán)境冷卻劑可以被引導(dǎo)通過燃料電池。實施方式另外提供將熱的冷卻劑從燃料電池引導(dǎo)至渦輪，然后其又可以被用于驅(qū)動發(fā)電機以產(chǎn)生額外的電或驅(qū)動壓縮機。熱的冷卻劑還可以被再循環(huán)回到引入的環(huán)境冷卻劑中以在進(jìn)入燃料電池前增加環(huán)境冷卻劑的溫度，防止燃料電池由于熱沖擊而被破壞。
[0009]已討論的特征、作用和優(yōu)勢可以在本發(fā)明的各種實施方式中獨立地獲得，或者可以在其它實施方式中結(jié)合，其進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可以參考以下說明和附圖來理解。
[0010]附圖簡述
[0011 ]圖1是顯示依據(jù)本文所示各種實施方式的燃料電池冷卻系統(tǒng)的框圖；
[0012]圖2是顯示依據(jù)本文所示各種實施方式的使用渦輪驅(qū)動壓縮機的燃料電池冷卻系統(tǒng)的框圖；
[0013]圖3是顯示依據(jù)本文所示各種實施方式的燃料電池冷卻系統(tǒng)的框圖，其使用再循環(huán)冷卻劑以增加進(jìn)入燃料電池的環(huán)境冷卻劑的溫度；
[0014]圖4是顯示依據(jù)本文所示各種實施方式的冷卻劑流動通過燃料電池冷卻系統(tǒng)的示意圖，以圖解系統(tǒng)內(nèi)不同階段的傳熱;和
[0015]圖5是圖解依據(jù)本文所示各種實施方式的控制高溫燃料電池的溫度的方法的流程圖。
[0016]發(fā)明詳述
[0017]以下詳細(xì)說明涉及控制燃料電池的溫度的系統(tǒng)和方法。如上簡述，燃料電池系統(tǒng)包括兩個輸入流、燃料和氧化劑。典型的熱控制系統(tǒng)使用過量的反應(yīng)物流和/或單獨的閉合系統(tǒng)冷卻回路以控制相應(yīng)燃料電池的溫度。當(dāng)燃料電池在具有嚴(yán)格的重量限制、空間限制和功率限制的交通工具或平臺中運行時，這些系統(tǒng)并不總是最佳的。
[0018]在整個本公開中，為了說明的目的，將就高溫燃料電池如用于為航行器或航行器子系統(tǒng)產(chǎn)生電力的SOFC的運行，描述不同的實施方式。但是，應(yīng)當(dāng)理解，本文提供的公開同樣可應(yīng)用于在冷卻劑環(huán)境流容易得到的任何應(yīng)用中使用的任何類型的燃料電池。作為本文公開的“冷卻劑”的實例，航行器和交通工具通過周圍的空氣推動自身，產(chǎn)生了依據(jù)本文描述的各種實施方式可用作冷卻劑的環(huán)境空氣流。類似地，船只如艦艇和潛艇通過周圍的水推進(jìn)自身，產(chǎn)生了依據(jù)本文描述的各種實施方式可用作冷卻劑的環(huán)境水流。因此，本文所述的“環(huán)境冷卻劑”和“冷卻劑”的流應(yīng)用于任何流動的流，并且依據(jù)不同的實施方式，應(yīng)用于包含要被冷卻的燃料電池的平臺周圍的環(huán)境內(nèi)的流體?！碍h(huán)境冷卻劑”流還應(yīng)用于靜態(tài)系統(tǒng)，其中冷卻劑流被驅(qū)入該系統(tǒng)。
[0019]利用本文所述的構(gòu)思和技術(shù)，可以以允許熱控制燃料電池組的方式，使用與流入燃料電池的反應(yīng)物流分開的冷卻劑流，運行高溫燃料電池系統(tǒng)。一旦通過燃料電池內(nèi)的熱交換加熱，被加熱的冷卻劑可以被用于產(chǎn)生額外的電和/或驅(qū)動進(jìn)一步的系統(tǒng)組件，如下所述。由于分開的冷卻劑流從周圍環(huán)境而非從儲存庫輸入燃料電池系統(tǒng)，并且由于從燃料電池輸出的含廢熱的冷卻劑可以被用于驅(qū)動系統(tǒng)組件并產(chǎn)生額外的能量，因此本文公開的實施方式提供了有效率的、重量有效(weight-effective)的熱控制系統(tǒng)。
[0020]在以下詳細(xì)描述中，參考附圖，附圖形成本文的一部分并通過圖解、【具體實施方式】或?qū)嵤├M(jìn)行顯示?，F(xiàn)在參考附圖，其中在數(shù)個圖中相同的數(shù)字代表相同的元件，高溫燃料電池冷卻系統(tǒng)的熱控制將被描述。圖1顯示依據(jù)本文描述的一個實施方式的高溫燃料電池冷卻系統(tǒng)100。高溫燃料電池冷卻系統(tǒng)100包括燃料電池102，其可運行以從包括氧氣和燃料的反應(yīng)物104的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生產(chǎn)物106，如水和電。
[0021]非反應(yīng)物冷卻劑108被導(dǎo)向燃料電池102。根據(jù)一個實施方式，非反應(yīng)物冷卻劑108包括被高溫燃料電池冷卻系統(tǒng)100從沖過含高溫燃料電池冷卻系統(tǒng)100的交通工具的環(huán)境空氣中俘獲的沖壓空氣。用于提供沖壓空氣給燃料電池102的冷卻劑供給機械裝置可以包括俘獲環(huán)境空氣流并將其傳輸進(jìn)入和通過燃料電池102的管道和任何其它組件?？蛇x的冷卻劑供給機械裝置的例子將在下面參考圖2進(jìn)行描述。
[0022]在燃料電池102中，環(huán)境空氣可經(jīng)管道、導(dǎo)管、孔或其它通道被引向整個燃料電池，以從電化學(xué)反應(yīng)內(nèi)部吸收廢熱。以這種方式，燃料電池102，或與非反應(yīng)物冷卻劑108熱接觸的燃料電池的部分，作為熱交換器運行，將來自較高溫燃料電池的熱傳遞到較低溫度的非反應(yīng)物冷卻劑108。包括廢熱飽和的非反應(yīng)物冷卻劑108的熱冷卻劑110從燃料電池102中被排出。
[0023]高溫燃料電池冷卻系統(tǒng)100可以包括熱處理機械裝置，其從燃料電池102接收熱冷卻劑110并處理或者以其他方式利用它。依據(jù)本文所述的不同實施方式，熱冷卻劑110可以以許多方式和方式的組合進(jìn)行利用。首先，熱處理機械裝置可以僅包括用于使熱冷卻劑110排到周圍環(huán)境中的管道和組件。例如，被壓入通過燃料電池102的沖壓空氣可以被排向大氣。
[0024]可選的熱處理機械裝置可以包括渦輪112，如圖1所示。渦輪112可以與發(fā)電機114連接。在這種實施方式中，熱冷卻劑110驅(qū)動渦輪112，渦輪112又驅(qū)動發(fā)電機114，以產(chǎn)生電。除了由燃料電池102內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的能量，發(fā)電機114還可以提供能量給航行器系統(tǒng)。離開渦輪112的熱冷卻劑110可以被排入周圍環(huán)境。熱處理機械裝置可以另外包括再循環(huán)設(shè)備302，其將在下面參考圖3詳細(xì)說明。
[0025]圖2顯示使用可選的冷卻劑供給機械裝置的可選高溫燃料電池冷卻系統(tǒng)200。具體而言，可選的冷卻劑供給機械裝置包括壓縮機202—一用于向燃料電池102中提供非反應(yīng)物冷卻劑108。根據(jù)此實施方式，不使用沖壓空氣來冷卻燃料電池102。而是，低壓、非反應(yīng)物環(huán)境空氣流被引向壓縮機202，壓縮機202提供一些非反應(yīng)物冷卻劑108的增壓以將其供應(yīng)到燃料電池102。作為一個實例，在可再生的高高度航行器電力系統(tǒng)中，氧氣和氫氣都是在壓力下儲存的。但是，由于冷卻空氣流并不具有反應(yīng)性，因此不需要對流進(jìn)行高度加壓。結(jié)果是，壓縮機202可以使用沒有任何級間冷卻的單級系統(tǒng)。
[0026]此外，根據(jù)本實施方式，上述熱處理機械裝置的渦輪112—一用于控制來自燃料電池102的熱冷卻劑110—一被用于機械驅(qū)動壓縮機202。壓縮機也可以被其它機構(gòu)如可選的電源或從發(fā)電機(114)驅(qū)動。應(yīng)該理解，如果熱冷卻劑110的特性允許期望的渦輪112和發(fā)電機114輸出，則渦輪112和發(fā)電機114可以被用于機械驅(qū)動或電力驅(qū)動本公開范圍內(nèi)任何數(shù)目和類型的期望的平臺組件。
[0027]參看圖3，又一可選的高溫燃料電池冷卻系統(tǒng)300包括再循環(huán)設(shè)備302以將熱冷卻劑110的一部分引回到流入燃料電池102的非反應(yīng)物冷卻劑108中。再循環(huán)設(shè)備302可以包括鼓風(fēng)機或排出器，其可運行以將熱冷卻劑110供應(yīng)給進(jìn)入燃料電池的非反應(yīng)物冷卻劑108流。因為在從壓縮機202出來的環(huán)境冷卻劑和燃料電池102之間可能存在明顯的溫度差別，由于利用顯著冷于燃料電池102反應(yīng)的非反應(yīng)物冷卻劑108而發(fā)生的熱沖擊，可能存在高的損害燃料電池102的可能性。因此，本文描述的實施方式提供非反應(yīng)物冷卻劑108流的