專利名稱：具有一體化熱交換器網(wǎng)絡(luò)的高溫燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種燃料電池，更準(zhǔn)確地說，涉及一種高溫燃料電池系統(tǒng)及其操作。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種電化學(xué)裝置，該裝置將儲(chǔ)存在燃料中的能量高效地轉(zhuǎn)換成電能。高溫燃料電池包括固態(tài)氧化物和熔化碳酸鹽燃料電池。這些燃料電池可以使用氫和/或烴類燃料進(jìn)行操作。具有各種類別的燃料電池，如固態(tài)氧化物再生燃料電池，該燃料電池也允許反向操作，從而可使用作為輸入的電能，將氧化的燃料還原回到未氧化的燃料。
在高溫燃料電池系統(tǒng)，如固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)系統(tǒng)中，氧化流通過燃料電池的陰極側(cè)，而燃料流則通過燃料電池的陽極側(cè)。氧化流通常是空氣，而燃料流通常是富氫的氣體，該富氫的氣體是通過重整烴類燃料源產(chǎn)生的。操作在750℃和950℃之間的典型溫度的燃料電池能夠?qū)ш庪姷难蹼x子從陰極流動(dòng)流(flow stream)輸送到陽極流動(dòng)流中，在這里，該離子與自由氫或者烴分子中的氫相結(jié)合，以形成水蒸汽和/或與一氧化碳相結(jié)合，以形成二氧化碳。來自帶陰電的離子的過量電子通過在陽極和陰極之間接通的電路迂回到燃料電池的陰極側(cè)，從而產(chǎn)生流過該電路的電流。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，提供了一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池疊層和傳熱裝置，該傳熱裝置適合于將熱量從燃料電池疊層的陰極排氣流(cathode exhaust stream)傳遞到將要提供到燃料入口流(fuel inlet stream)的水中。
在一個(gè)方面中，傳熱裝置包括水蒸發(fā)器，該水蒸發(fā)器適合于將液態(tài)水轉(zhuǎn)換成蒸汽。蒸發(fā)器包括第一輸入端，它可操作地連接到燃料電池疊層的陰極排氣出口上；第二輸入端，它可操作地連接到水源上；以及第一輸出端，它可操作地連接到燃料電池疊層的燃料入口上。
在另一個(gè)方面中，該系統(tǒng)還包括燃料預(yù)熱器熱交換器(fuelpreheater heat exchanger)，該熱交換器包括第一輸入端，它可操作地連接到燃料電池疊層的陰極排氣出口上；第二輸入端，它可操作地連接到燃料源上；以及第一出口，它可操作地連接到燃料電池疊層上。
在又一個(gè)方面中，燃料預(yù)熱器熱交換器適合于將熱量從燃料電池疊層的陰極排氣流傳遞到正被提供到燃料電池疊層的燃料入口流中。
作為另一個(gè)方面，蒸發(fā)器包括同向流動(dòng)(co-flow)蒸發(fā)器，在該蒸發(fā)器中，陰極排氣流和水適合于沿著相同的方向流動(dòng)，并且蒸發(fā)器的輸出端可操作地連接到燃料預(yù)熱器熱交換器的入口上，使得陰極排氣流從蒸發(fā)器流入燃料預(yù)熱器熱交換器中。
根據(jù)一個(gè)方面，該系統(tǒng)還包括空氣預(yù)熱器，該空氣預(yù)熱器適合于使用來自陽極排氣流的熱量預(yù)熱空氣入口流(air inlet stream)。
在另一個(gè)方面中，在陽極排氣流進(jìn)入冷凝器之前，空氣預(yù)熱器適合于部分地冷凝陽極排氣流中的水蒸汽。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池疊層；第一裝置，它使用來自燃料電池疊層陰極排氣流的熱量將水蒸發(fā)成蒸汽；以及第二裝置，它將蒸汽提供到正被引導(dǎo)到燃料電池疊層的燃料入口流中。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法。該方法包括如下步驟操作燃料電池疊層以產(chǎn)生電能；使用來自燃料電池疊層陰極排氣流的熱量將水蒸發(fā)成蒸汽；以及將蒸汽提供到正被引導(dǎo)到燃料電池疊層的燃料入口流中。
根據(jù)一個(gè)方面，該方法還包括步驟使用蒸發(fā)水上游的陰極排氣流加熱空氣入口流。
在另一個(gè)方面中，該方法還包括在使用陰極排氣流加熱空氣入口流之前，使用燃料電池疊層陽極排氣流加熱空氣入口流。
在另一方面中，該方法還包括步驟在加熱空氣入口流期間，部分地冷凝陽極排氣流中的水蒸汽。
根據(jù)一個(gè)方面，該方法還包括用蒸發(fā)水下游的陰極排氣流預(yù)熱燃料入口流。
在一個(gè)方面中，蒸發(fā)步驟包括使陰極排氣流和水在蒸發(fā)器內(nèi)沿著相同的方向流動(dòng)。
作為一個(gè)方面，該方法還包括混合蒸汽和燃料入口流；使用來自燃料電池疊層陽極排氣流的熱量加熱蒸汽和燃料混合物；以及將蒸汽和燃料混合物提供到重整裝置(reformer)中。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池疊層；及順流(concurrent flow)水蒸發(fā)器，它適合于將熱量從陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中。
作為另一個(gè)方面，該系統(tǒng)還包括燃料預(yù)熱器；蒸發(fā)器的陰極排氣流輸出端，它可操作地連接到燃料預(yù)熱器上，使得陰極排氣流從蒸發(fā)器流入到燃料預(yù)熱器中。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池疊層；以及第一裝置，它將熱量從陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中，使得陰極排氣流和水在第一裝置中沿著相同的方向流動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法。該方法包括如下步驟使陰極排氣流和水流以順流的關(guān)系流動(dòng)；使用來自陰極排氣流的熱量將水蒸發(fā)成蒸汽，同時(shí)以順流的關(guān)系流動(dòng)，以及將蒸汽提供到正被導(dǎo)入到燃料電池疊層的燃料入口流中。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池疊層；傳熱裝置，它適合于將熱量從燃料電池疊層的陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中；空氣預(yù)熱器，它適合于使用來自陽極排氣流的熱量預(yù)熱空氣入口流；以及陰極同流換熱器熱交換器(cathoderecuperator heat exchanger)，它適合于將熱量從陰極排氣流傳遞到空氣入口流中。陰極同流換熱器可操作地連接到傳熱裝置相對(duì)于陰極排氣流流動(dòng)的上游和空氣預(yù)熱器相對(duì)于空氣入口流流動(dòng)的下游。此外，陰極同流換熱器熱交換器的尺寸設(shè)定成將陰極排氣流提供到具有足夠高溫度的傳熱裝置中，以便于蒸發(fā)傳熱裝置中的水。
觀察包括附屬權(quán)利要求和圖在內(nèi)的整個(gè)說明使得本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)變得更加清楚。


圖1是比較示例的系統(tǒng)中的流體流的溫度對(duì)熱量的曲線圖；圖2和3是本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。圖2是系統(tǒng)部件和流程圖；圖3示出燃料電池系統(tǒng)的熱交換器網(wǎng)絡(luò)的示意圖。
圖4、5、6和8是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)中的各種流體流的溫度對(duì)熱量的曲線圖；圖7示出本發(fā)明的第三優(yōu)選實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的熱交換器網(wǎng)絡(luò)的示意圖。
圖9示出本發(fā)明的一體化燃料加濕器組件某些部分的概略圖。
圖10是某些部分的概略圖，表示圖9中組件的流動(dòng)路徑；圖11是圖9中組件的一個(gè)實(shí)施例的局部分解透視圖。
圖12是圖11中組件的熱交換器板的平面圖；圖13是用于圖9中組件的一個(gè)實(shí)施例中的熱交換器板對(duì)的局部分解透視圖。
具體實(shí)施例方式
為了使SOFC保持在它的工作高溫上，排出燃料電池的陽極和陰極流動(dòng)流通常通過一系列的同流熱交換器(recuperative heatexchanger)將熱量傳遞到進(jìn)入流(incoming flows)中。在比較示例中，這個(gè)可以包括將熱量傳遞到液態(tài)水源中以便產(chǎn)生蒸汽的過程，該蒸汽用來對(duì)烴類燃料進(jìn)行蒸汽重整，以產(chǎn)生富氫的重整產(chǎn)品流。
例如，陰極熱量可同流換熱地從陰極排氣流動(dòng)流中傳遞到進(jìn)入的陰極空氣中，同時(shí)陽極熱量部分地、同流換熱地從陽極排氣傳遞到供給蒸汽重整裝置的進(jìn)入加濕的燃料，比如天然氣中，并且部分地傳遞到水中，以產(chǎn)生正被提供到燃料中以加濕燃料的水蒸汽。此外，陽極排氣中的水蒸汽可被收回，以全部或者部分地用作蒸汽重整裝置的水源。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對(duì)其中使用陽極(即燃料側(cè))排氣流來加熱加濕的燃料并且蒸發(fā)水的系統(tǒng)熱力學(xué)分析揭示出與傳遞到進(jìn)入加濕的燃料(即水和燃料)所需的能量相比，在排出燃料電池的陽極排氣中可將得到更多的能量。但是，在陽極排氣中所得到的熱量和供給所需的熱量?jī)烧咧械拇蟛糠质菨摕岬男问?。其結(jié)果是，盡管在陽極排氣中可以得到足夠多的能量，但是如下試圖在商業(yè)上可能不切實(shí)可行，即試圖將熱量通過熱交換器從陽極排氣傳遞到水和天然氣中，而在該熱交換器中，熱量借助于對(duì)流從陽極排氣流傳遞到分開排氣流和一個(gè)或者多個(gè)進(jìn)入流體的導(dǎo)熱表面中，再?gòu)乃霰砻鎮(zhèn)鬟f到一個(gè)或者多個(gè)進(jìn)入流體中。
上述問題示出在圖1中，該圖1示出溫度對(duì)為陽極排氣和水傳遞的熱量的曲線圖。圖1中的條件假定是從水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器(shiftreactor)進(jìn)入蒸發(fā)器(即汽化器)和假設(shè)逆流蒸發(fā)器的400℃陽極排氣溫度能夠使水在最小的過熱下獲得完全的蒸發(fā)。
在圖1中可以看到，對(duì)于基本部分的熱負(fù)荷(heat duty)(即在Q值大約為1100W到大約1750W時(shí)，水的曲線位于陽極排氣曲線的上方)，冷凝來自完全飽和的陽極排氣中的水蒸汽并且等溫地蒸發(fā)水會(huì)導(dǎo)致排熱的陽極排氣溫度降低到低于受熱水的溫度。其結(jié)果是，只通過使用典型的熱交換器在流體之間實(shí)現(xiàn)所需的熱傳遞，在圖1假定的條件下是不能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榈湫蜔峤粨Q器的熱傳遞需要導(dǎo)熱分開材料的溫度要低于排熱流體的局部體積流體溫度并且高于受熱流體的局部體積流體溫度。
因此，多半需要額外的加熱源來蒸發(fā)足夠的水，以滿足甲烷重整所需的蒸汽量，它在具有6.5kW電輸出的系統(tǒng)中可以高達(dá)1.5kW。這種額外的加熱源降低了系統(tǒng)效率。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，陰極(即空氣側(cè))排氣可以用來蒸發(fā)正被提供到燃料中的水和/或用來加熱正被提供到該系統(tǒng)中的燃料。通過使用這種替代方法來收回SOFC燃料電池系統(tǒng)中的熱能，排氣的整個(gè)熱勢(shì)可以被收回來預(yù)熱燃料電池供給物(feeds)而不需要質(zhì)量轉(zhuǎn)移裝置，如焓輪(enthalpy wheel)或者額外的熱源。但是，在使用這種替換方法的一些系統(tǒng)中，依然最好能使用質(zhì)量轉(zhuǎn)移裝置，如焓輪或者額外的熱源。使用陰極排氣來蒸發(fā)加濕燃料的水和/或使用陰極排氣來加熱進(jìn)入燃料的系統(tǒng)也能夠得到被動(dòng)控制。但是，在使用陰極排氣蒸發(fā)加濕燃料的水和/或使用陰極排氣加熱進(jìn)入燃料的一些系統(tǒng)中，多半最好使用主動(dòng)控制。
圖2和3示出本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1。優(yōu)選的是，該系統(tǒng)1是高溫燃料電池疊層系統(tǒng)，如固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)系統(tǒng)或者熔化碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)。系統(tǒng)1可以是再生系統(tǒng)，如固態(tài)氧化物再生燃料電池(SORFC)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以燃料電池(即放電)和電解(即充電)兩種模式進(jìn)行操作，或者它可以是只以燃料電池模式進(jìn)行操作的非再生系統(tǒng)。
系統(tǒng)1包含一個(gè)或者多個(gè)高溫燃料電池疊層3。疊層3可以裝有多個(gè)SOFC、SORFC或者熔化碳酸鹽燃料電池。每個(gè)燃料電池含有電解質(zhì)、位于陽極室內(nèi)電解質(zhì)的一側(cè)上的陽電極、位于陽極室內(nèi)電解質(zhì)的另一側(cè)上的陰電極以及其它部件，如分離板/電接點(diǎn)、燃料電池殼體和絕緣體。在以燃料電池模式進(jìn)行操作的SOFC中，氧化劑，如空氣或者氧氣進(jìn)入到陰極室中，同時(shí)燃料，如氫或者烴類燃料進(jìn)入到陽極室中。可以使用任何合適的燃料電池結(jié)構(gòu)和部件材料。
系統(tǒng)1還裝有傳熱裝置5，該傳熱裝置5在圖2中標(biāo)示為燃料加濕器。裝置5適合于從燃料電池疊層3的陰極排氣進(jìn)行傳熱，以蒸發(fā)將要提供到燃料入口流的水，并且還使燃料入口流與蒸汽(即蒸發(fā)的水)相混合。優(yōu)選的是，傳熱裝置5裝有水蒸發(fā)器(即汽化器)6，該水蒸發(fā)器適合于使用來自陰極排氣流的熱量來蒸發(fā)水。蒸發(fā)器6含有第一輸入端7，它可操作地連接到燃料電池疊層3的陰極排氣出口9上；第二輸入端11，它可操作地連接到水源13上；以及第一輸出端15，它可操作地連接到疊層3的燃料入口17上。傳熱裝置5還裝有燃料-蒸汽混合器8，該混合器8混合蒸汽或者水蒸汽，它們從蒸發(fā)器6的第一輸出端15通過導(dǎo)管10提供到混合器8中；和輸入燃料，如甲烷或者天然氣，它們從燃料入口19提供，如圖3所示。
術(shù)語“可操作地連接”表示，可操作地連接的部件可以直接或者間接地相互連接。例如，兩個(gè)部件可通過流體(即氣體和/或液體)導(dǎo)管相互直接連接。另一方面，兩個(gè)部件可以間接地相互連接，使得流體流在第一部件到第二部件之間流過系統(tǒng)的一個(gè)或者多個(gè)額外部件。
優(yōu)選的是，系統(tǒng)1還裝有重整裝置21和燃燒器23。重整裝置21適合于把烴類燃料重整成含氫的反應(yīng)產(chǎn)品，再將該反應(yīng)產(chǎn)品提供到燃料電池疊層3中。優(yōu)選的是，燃燒器23用熱的方法與重整裝置21結(jié)合成一體，以把熱量提供到重整裝置21中。優(yōu)選的是，燃料電池疊層3的陰極排氣出口9可操作地連接到燃燒器23的入口25上。此外，烴類燃料源27也可操作地連接到燃燒器23的入口25上。
烴類燃料重整裝置21可以是能夠部分或者全部地重整烴類燃料以形成含碳和含游離氫的燃料的任何合適裝置。例如，燃料重整裝置21可以是能夠?qū)N類氣體重整成游離氫和含碳?xì)怏w的氣體混合物的任何合適裝置。例如，通過蒸汽甲烷重整(SMR)反應(yīng)，使燃料重整裝置21可以重整加濕的沼氣，如天然氣以形成游離氫、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽和任意的殘余量未重整沼氣。然后把游離氫和一氧化碳提供到燃料電池疊層3的燃料入口17中。優(yōu)選的是，燃料重整裝置21用熱的方法與燃料電池組3結(jié)合成一體，以支持重整裝置21內(nèi)的吸熱反應(yīng)并且冷卻疊層3。在上下文中的術(shù)語“用熱的方法結(jié)合成一體”表示，來自燃料電池疊層3中的反應(yīng)的熱量驅(qū)動(dòng)燃料重整裝置21內(nèi)的凈吸熱燃料重整。通過將重整裝置和疊層置于相同的熱箱37和/或置于相互熱接觸中，或者通過提供將疊層連接到重整裝置上的熱導(dǎo)管或者熱導(dǎo)材料，使燃料重整裝置21可以用熱的方法與燃料電池疊層3結(jié)合成一體。
在穩(wěn)態(tài)操作期間，燃燒器23將補(bǔ)充熱量提供到重整裝置21中，以進(jìn)行SMR反應(yīng)。燃燒器23可以是用熱的方法與重整裝置21結(jié)合成一體的任何合適的燃燒器。燃燒器23通過入口25接受烴類燃料，如天然氣和氧化劑(即空氣或者其它含氧的氣體)，如疊層3的陰極排氣流。但是，可以將除了陰極排氣流之外的其它氧化劑源提供到燃燒器中。在燃燒器內(nèi)燃燒燃料和陰極排氣流(即熱空氣)以產(chǎn)生熱量來加熱重整裝置21。燃燒器出口26可操作地連接到傳熱裝置5的入口7上，以將與燃燒的燃料成分混合的陰極排氣從燃燒器中提供到傳熱裝置5中。盡管所示的系統(tǒng)1使用了通過燃燒器的、傳熱裝置5內(nèi)的陰極排氣流，但是在一些系統(tǒng)中多半最好利用沒有通過燃燒器的、傳熱裝置5中的陰極排氣流。
優(yōu)選的是，從在重整裝置的穩(wěn)態(tài)操作期間(并不是在剛剛起動(dòng)期間)進(jìn)行操作的燃燒器23和疊層3的陰極(即空氣)排氣流中提供補(bǔ)充到重整裝置21的熱量。最優(yōu)選的是，燃燒器23與重整裝置21直接接觸，并且疊層3的陰極排氣構(gòu)造成使得陰極排氣流接觸重整裝置21和/或環(huán)繞重整裝置21，以有利于額外的傳熱。這降低了對(duì)SMR的燃燒熱的要求。
優(yōu)選的是，重整裝置21夾在燃燒器23和一個(gè)或者多個(gè)疊層3之間，以有助于傳熱。當(dāng)重整裝置不需要熱量時(shí)，燃燒器裝置起著熱交換器的作用。因此，相同的燃燒器23可以用在系統(tǒng)1的起動(dòng)和穩(wěn)態(tài)操作中。
系統(tǒng)1還包括燃料預(yù)熱器熱交換器(即陽極同流換熱器)29，該燃料預(yù)熱器熱交換器適合于使用來自疊層3陽極排氣出口31排出的燃料電池疊層3的陽極排氣流的熱量來加熱燃料入口流。系統(tǒng)1還包括陰極同流換熱器熱交換器33，該熱交換器33適合于使用來自疊層3陰極排氣出口9排出的陰極排氣流的熱量來加熱來自鼓風(fēng)機(jī)35的空氣入口流。優(yōu)選的是，將與來自燃燒器23出口26的燃燒的燃料成分混合的陰極排氣流提供到陰極同流換熱器33中，以加熱空氣入口流。然后將與燃燒的燃料成分混合的陰極排氣流提供到傳熱裝置5的蒸發(fā)器6中，以將水蒸發(fā)成蒸汽，然后它被提供到燃料入口流中，該燃料入口流進(jìn)入到重整裝置21中。
優(yōu)選的是，燃料電池疊層3、重整裝置21、燃燒器23、燃料預(yù)熱器熱交換器29和陰極同流換熱器熱交換器33設(shè)置在熱箱37內(nèi)。優(yōu)選的是，陰極同流換熱器熱交換器33通過故意地尺寸不足，以確保排出熱交換器33的陰極排氣流的溫度足夠高，以使傳熱裝置5能通過傳遞來自陰極排氣流的熱量將水蒸發(fā)成蒸汽。例如，在一個(gè)高度優(yōu)選的實(shí)施例中，優(yōu)選的是，陰極同流換熱器熱交換器具有小于預(yù)定尺寸的尺寸，使得陰極排氣流以至少200℃的溫度，比如200℃到230℃、例如大約210℃排出陰極同流換熱器熱交換器。在這個(gè)高度優(yōu)選的實(shí)施例中，陰極排氣流以至少800℃的溫度，比如大約800℃到大約850℃、例如大約820℃進(jìn)入陰極同流換熱器熱交換器33。陰極同流換熱器熱交換器33通過故意地尺寸不足，使這個(gè)高度優(yōu)選的實(shí)施例具有大約10kW到12kW，比如大約11kW的交換率。相反，這個(gè)高度優(yōu)選的實(shí)施例的全尺寸的熱交換器可具有大約16kW的交換率。盡管描述了一個(gè)高度優(yōu)選實(shí)施例的具體溫度和熱交換率，但是應(yīng)該明白，出口溫度和進(jìn)口溫度以及熱交換率將高度取決于每個(gè)具體應(yīng)用的特殊參數(shù)，因此，應(yīng)該明白，除非在權(quán)利要求中另有特別敘述之外，對(duì)具體的出口溫度和入口溫度或者熱交換率沒有限制。
優(yōu)選的是，系統(tǒng)1還裝有空氣預(yù)熱器熱交換器39，該熱交換器39適合于使用從疊層陽極出口31排出的陽極排氣流的熱量預(yù)熱來自鼓風(fēng)機(jī)35的空氣入口流。優(yōu)選的是，鼓風(fēng)機(jī)將空氣入口流提供到系統(tǒng)1中，該系統(tǒng)1所包括的空氣是燃料電池疊層3產(chǎn)生電能所需的空氣的至少2.5倍，比如2.5到6.5倍、優(yōu)選為3-4.5倍。例如，鼓風(fēng)機(jī)35可以把空氣入口流預(yù)熱到大約50℃。然后，從鼓風(fēng)機(jī)把稍微預(yù)熱過的入口空氣流提供到空氣預(yù)熱器熱交換器39中，在這里，氣流被預(yù)熱到大約100℃到大約150℃，舉例來說，如大約140℃。該預(yù)熱過的空氣入口流然后以大約100℃到大約150℃進(jìn)入到陰極同流換熱器熱交換器33中，并且以大約700℃到大約750℃、比如大約720℃排出熱交換器33。由于預(yù)熱過的空氣入口流以大于室溫的溫度進(jìn)入到陰極同流換熱器熱交換器33中，陰極排氣流可以以大于200℃的溫度排出熱交換器33。因此，空氣預(yù)熱器熱交換器39充分地預(yù)熱空氣入口流，從而允許使用尺寸不足的陰極同流換熱器熱交換器33，這種熱交換器降低了整個(gè)系統(tǒng)的制造成本。
優(yōu)選的是，空氣預(yù)熱器39設(shè)置在熱箱37的外部和陰極同流換熱器33的上游，這樣首先通過空氣預(yù)熱器39中的陽極排氣流來加熱空氣入口流，接著再通過陰極同流換熱器33中的陰極排氣流來加熱。因此，通過來自疊層3的陽極和陰極兩種排氣流來加熱提供到疊層3的陰極入口41中的空氣入口流。
系統(tǒng)1任選地裝有水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器43，該反應(yīng)器43適合于將燃料電池疊層陽極排氣流中的至少一部分水蒸汽轉(zhuǎn)換成游離氫。因此，反應(yīng)器43的入口45可操作地連接到疊層陽極出口31上，而反應(yīng)器43的出口47可操作地連接到空氣預(yù)熱器39的入口49上。水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器43可以是將排出燃料電池疊層3燃料排氣出口31的至少一部分水轉(zhuǎn)換成游離氫的任何合適的裝置。例如，反應(yīng)器43可以包括管或者導(dǎo)管，該管或者導(dǎo)管裝有催化劑，該催化劑把陽極排氣流中的一些或者全部一氧化碳和水蒸汽轉(zhuǎn)換成二氧化碳和氫。催化劑可以是任何合適的催化劑，比如氧化鐵或者鉻促進(jìn)氧化鐵催化劑。
系統(tǒng)1還任選地裝有冷凝器51，優(yōu)選地使用環(huán)境空氣流作為吸熱設(shè)備，該冷凝器51適合于將陽極排氣流中的水蒸汽冷凝成液態(tài)水。系統(tǒng)1還任選地裝有氫回收系統(tǒng)53，該系統(tǒng)53適合于在陽極排氣流通過冷凝器51之后從陽極排氣流中回收氫。例如，氫回收系統(tǒng)可以是壓力擺動(dòng)吸收系統(tǒng)或者另一合適的氣體分離系統(tǒng)。優(yōu)選的是，在陽極排氣流進(jìn)入到冷凝器51中減少冷凝器51上的負(fù)荷之前，空氣預(yù)熱器39部分地冷凝陽極排氣流中的水蒸汽。因此，空氣預(yù)熱器39的出口55可操作地連接到冷凝器51的入口57上。冷凝器51的第一出口59將從水中分離出的氫和其它氣體提供到氫回收系統(tǒng)53中。冷凝器51的第二出口61將水提供到任選的水凈化系統(tǒng)63中。來自凈化系統(tǒng)63的水通過入口11被提供到蒸發(fā)器6中，該蒸發(fā)器6包括一部分傳熱裝置5。
系統(tǒng)1還任選地裝有脫硫器65，該脫硫器65設(shè)置在來自燃料源27的燃料入口流的路徑中。脫硫器65從燃料入口流中除去一些或者全部的硫。優(yōu)選的是，脫硫器65包括催化劑，比如Co-Mo或者其它合適的催化劑，該催化劑可以從氫化的、含硫的天然氣燃料中產(chǎn)生CH4和H2S氣體；及吸附劑層，比如ZnO或者其它合適的材料，用來從燃料入口流中除去H2S氣體。因此，無硫或者減少硫的烴類燃料，比如甲烷或者天然氣離開脫硫器65。
參照?qǐng)D2和3對(duì)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)1的操作方法加以描述。
從鼓風(fēng)機(jī)35中通過導(dǎo)管101將空氣入口流提供到空氣預(yù)熱器39中。在空氣熱器39中通過與來自水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器43的陽極排氣流交換熱量來預(yù)熱空氣入口流。然后，通過導(dǎo)管103將預(yù)熱過的空氣入口流提供到陰極同流換熱器33中，在這里，通過與陰極排氣流交換熱量，將空氣入口流加熱到更高的溫度。然后，通過導(dǎo)管105將空氣入口流提供到疊層3的陰極入口41中。
然后空氣作為陰極排氣流排出疊層3陰極出口9。該陰極排氣流環(huán)繞重整裝置21并通過導(dǎo)管107和入口25進(jìn)入到燃燒器23的燃燒區(qū)中。脫硫過的天然氣或者另一烴類燃料從燃料入口27通過導(dǎo)管109還供給到燃燒器23入口25中，以進(jìn)行額外的加熱。來自燃燒器23的排氣流(即陰極排氣流)然后通過導(dǎo)管111進(jìn)入到陰極同流換熱器中，在這里，它與進(jìn)入的空氣交換熱量。
此后，通過導(dǎo)管113將陰極排氣流提供到傳熱裝置6的蒸發(fā)器6中。然后在蒸發(fā)器6中抽出留在陰極排氣流中的其余部分的熱量，以便在通過排氣導(dǎo)管115排出之前蒸發(fā)用于蒸汽甲烷重整的水。
在燃料側(cè)，烴類燃料入口流從燃料源27，比如儲(chǔ)氣箱或者裝閥的天然氣管進(jìn)入到脫硫器65中。脫過硫的燃料入口流(即脫過硫的天然氣)然后通過導(dǎo)管117進(jìn)入到傳熱裝置5的燃料混合器8中。在混合器8中，使燃料與來自蒸發(fā)器6的、凈化過的蒸汽相混合。
蒸汽/燃料混合物而后通過導(dǎo)管119被提供到燃料預(yù)熱器29中。此后，在通過導(dǎo)管121進(jìn)入到重整裝置之前，依靠與燃料預(yù)熱器29中的陽極排氣流交換熱量來加熱蒸汽/燃料混合物。然后，重整產(chǎn)品從重整裝置21通過導(dǎo)管123進(jìn)入到疊層3的陽極入口17中。
疊層陽極排氣流排出陽極出口31并且通過導(dǎo)管125被提供到燃料預(yù)熱器29中，在這里，它加熱進(jìn)入的燃料/蒸汽混合物。來自熱箱37的陽極排氣流此后通過導(dǎo)管127進(jìn)入到水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器43中。來自反應(yīng)器43的陽極排氣流而后通過導(dǎo)管129被提供到空氣預(yù)熱器39中，在這里，它與空氣入口流交換熱量。然后，通過導(dǎo)管131將陽極排氣流提供到冷凝器51中，在這里，從陽極排氣流中除去水，并且使水再循環(huán)或者把水排出。例如，水通過導(dǎo)管133被提供到水凈化器63中，它從凈化器通過導(dǎo)管135提供到蒸發(fā)器中。另一方面，水通過進(jìn)水口137，比如水管被提供到凈化器63中。富氫的陽極排氣然后從冷凝器51通過導(dǎo)管139被提供到氫凈化系統(tǒng)53中，在這里，從蒸汽中的其它氣體中分離出氫。其它氣體通過清洗導(dǎo)管141清除，而氫通過導(dǎo)管143提供作其它用途或者儲(chǔ)存。
因此，如上所述，系統(tǒng)1中的流體流在多個(gè)不同位置上進(jìn)行熱量交換。陰極排氣流環(huán)繞蒸汽甲烷重整裝置21以供給重整所需的吸熱熱量。然后，將天然氣或者其它烴類燃料根據(jù)需要直接加入到通過燃燒器23的陰極排氣流中，以滿足重整的全部熱量需求。從燃燒器23排出的高溫排氣(它含有陰極排氣流和燃燒過的燃料成分，稱為“陰極排氣流”)的熱量被回收到陰極同流換熱器33中進(jìn)入的陰極空氣中(即空氣入口流)。排出燃料電池疊層3陽極側(cè)的陽極排氣流的熱量首先被回收到燃料預(yù)熱器29中進(jìn)入的陽極供給物(即燃料入口流)中，然后回收到空氣預(yù)熱器39內(nèi)進(jìn)入的陰極供給物(即空氣入口流)中。
優(yōu)選的是，超過燃料電池反應(yīng)所需的化學(xué)計(jì)算的量提供從鼓風(fēng)機(jī)35供給到燃料電池疊層3中的空氣，以便冷卻疊層而帶走由疊層所產(chǎn)生的熱量?？諝饬髁繉?duì)化學(xué)計(jì)算量的典型比率超過4、比如4.5到6，優(yōu)選大約為5。這導(dǎo)致基本上比陽極氣體(即燃料)更高的陰極空氣質(zhì)量流量。因此，如果陰極排氣流只加熱空氣入口流，那么在陰極排氣和空氣入口流之間傳遞的熱量明顯高于在陽極排氣和燃料入口流之間傳遞的熱量一般大約3倍。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，不是將從陰極排氣流中回收到的所有熱量直接傳遞到進(jìn)入的空氣中，而是系統(tǒng)1只將一部分陰極排氣流熱量傳遞到進(jìn)入的空氣入口流中，并且使用可得到的陰極排氣流熱量的剩余部分，以將蒸發(fā)器6內(nèi)的水完全蒸發(fā)。
因此，在空氣入口流被加熱到合適的燃料電池溫度之前，它用空氣預(yù)熱器39中的陽極排氣流來預(yù)熱。這種預(yù)熱確保當(dāng)進(jìn)入陰極同流換熱器33中時(shí)，空氣入口流具有足夠高的溫度，以確保同流換熱器33能使空氣入口流的溫度升高到合適的燃料電池溫度。
圖4和5分別示出一個(gè)分析實(shí)施例的流體溫度對(duì)蒸發(fā)器6(即水汽化器)和空氣預(yù)熱器39傳遞的熱量的曲線圖。從圖4和5中的曲線圖可以看到，圖1中所示的熱力交叉(cross-over)被消除。這就不需要消耗額外燃料的濕度交換器或者補(bǔ)充加熱器。
在熱交換器中，“溫度近似值”被定義為熱交換器中任何位置上的兩個(gè)流體流之間的最小溫差。在圖4和5中可以看到，兩個(gè)熱交換器(即蒸發(fā)器6和空氣預(yù)熱器39)具有非常小的溫度近似值，其位于遠(yuǎn)離熱交換器每一端，在兩相區(qū)域開始的地方。使每個(gè)熱交換器中的溫度近似值最大化是有利的，因?yàn)榱黧w之間的導(dǎo)熱速度隨著這些流之間的局部溫差的減小而降低，從而導(dǎo)致需要更大的熱交換器來傳遞所需的熱量。
如果在陰極同流換熱器33中產(chǎn)生的總陰極空氣預(yù)熱的部分減小，那么溫度近似值將在蒸發(fā)器6內(nèi)增大。但是，溫度近似值將在空氣預(yù)熱器39內(nèi)減小。相反，如果在陰極同流換熱器33中產(chǎn)生的總陰極空氣預(yù)熱的部分增大，那么溫度近似值將在空氣預(yù)熱器39內(nèi)增大。但是，溫度近似值在蒸發(fā)器6內(nèi)將減小。于是，在總的陰極熱負(fù)荷中，將具有一些最佳的百分比，該百分比在陰極同流換熱器33內(nèi)應(yīng)該被傳遞，以便使蒸發(fā)器6和空氣預(yù)熱器39內(nèi)的溫度近似值最大化。
發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，通過使用陰極排氣流來蒸發(fā)水，使排出蒸發(fā)器6的蒸汽中的過熱量對(duì)進(jìn)入到蒸發(fā)器中的陰極排氣流的溫度和質(zhì)量單位流量非常敏感。這在圖6中可以看到，該圖6示出陰極排氣流質(zhì)量流量(其中進(jìn)入到蒸發(fā)器中的陰極排氣流溫度保持不變)中4.5％的增量對(duì)合成加濕的天然氣溫度的影響。
可以看到，進(jìn)入燃料預(yù)熱器29中加濕的天然氣的溫度由于陰極排氣流流動(dòng)速率中這種微小增量而提高了28℃。這種溫度的增量導(dǎo)致排出燃料預(yù)熱器的陽極排氣流的溫度更高，及隨后排出水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器43并進(jìn)入空氣預(yù)熱器39中的溫度更高。這又導(dǎo)致陰極空氣預(yù)熱的增加，從而勢(shì)必提高進(jìn)入蒸發(fā)器6中陰極排氣流的溫度，因此使該問題更加惡化。加濕的天然氣溫度將連續(xù)地步步上升，從而產(chǎn)生系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，除非入口空氣流動(dòng)速率得到控制。因此，陰極空氣(即入口空氣)流動(dòng)速率需要得到控制，因?yàn)樗强刂葡到y(tǒng)1的一個(gè)主要方法。
在第二優(yōu)選實(shí)施例中，前面提及的潛在穩(wěn)定性問題通過繞著蒸發(fā)器6具有可調(diào)整的陰極排氣旁路可以得到減小或者消除，小部分的陰極排氣流通過該旁路能夠轉(zhuǎn)向，以便控制通過蒸發(fā)器6的陰極排氣流動(dòng)速率。這個(gè)解決方案采用了流體流動(dòng)速率的主動(dòng)控制。
在第三優(yōu)選實(shí)施例中，采用被動(dòng)方法來減小或者消除前面提及的潛在穩(wěn)定性問題，而不需要額外的監(jiān)視和控制。發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，通過溫度收縮效應(yīng)(temperature pinch)限制蒸發(fā)器中增加的過熱潛能，使進(jìn)入燃料預(yù)熱器29中加濕的天然氣溫度對(duì)陰極排氣流流動(dòng)速率和/或溫度的變化相對(duì)不敏感。
圖7示出第三優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)的熱交換器部分。第三優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)的其它部分與圖2和3所示的第一優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)的其它部分相同。
如圖7所示，水通過蒸發(fā)器6的流動(dòng)方向與通過蒸發(fā)器6的陰極排氣流的流動(dòng)方向一致，而不是相反。不是在位于兩相流動(dòng)區(qū)域的開始處的蒸發(fā)器6中具有溫度近似值，而是移到蒸發(fā)器6的傳熱區(qū)域的端部，在這里，溫度近似值將“收縮”到零值或者非常接近零值。在這點(diǎn)之后，流與流之間不發(fā)生熱傳遞，而且兩個(gè)流體將以共同的溫度或者接近共同的溫度排出。陰極排氣流流動(dòng)速率需要稍微增加，以便確保陰極排氣流的熱容量足以獲得水中的全部水汽量。然后，水(即蒸汽)帶有一些過熱量排出蒸發(fā)器6。排出蒸發(fā)器6的陰極排氣流隨后可用來預(yù)熱第二燃料預(yù)熱器67中的燃料，比如天然氣。由于燃料入口流與陰極排氣流相比具有非常小的流動(dòng)速率，因此非常容易獲得100％的有效熱傳遞并且將燃料入口流預(yù)熱到與排出蒸發(fā)器的水汽和陰極排氣流相同的溫度。
因此，如圖7所示，第三優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)也裝有第二燃料預(yù)熱器67。該燃料預(yù)熱器67包括第一輸入端69，它可操作地連接到燃料電池疊層3的陰極排氣出口9上；第二輸入端71，它可操作地連接到燃料源27上；及第一輸出端73，它可操作地連接到燃料入口導(dǎo)管17上。第二燃料預(yù)熱器67適合于將熱量從燃料電池疊層的陰極排氣流傳遞到正被提供到燃料電池疊層3的燃料入口流中。第三優(yōu)選實(shí)施例中的蒸發(fā)器6包括順流或者“同向流動(dòng)”蒸發(fā)器，在這種蒸發(fā)器中，陰極排氣流和水適合于沿著相同的方向流動(dòng)，并且蒸發(fā)器的輸出端可操作地連接到燃料預(yù)熱器67的入口上，因此陰極排氣流從蒸發(fā)器6流入第二燃料預(yù)熱器67中。
因此，水和陰極排氣流優(yōu)選地被提供到蒸發(fā)器的相同側(cè)和相互并行的流中。水被轉(zhuǎn)變?yōu)檎舭l(fā)器6中的蒸汽，并且被提供到蒸汽/燃料混合器8中。陰極排氣流從蒸發(fā)器被提供到第二燃料預(yù)熱器熱交換器67中，在這里，它加熱入口燃料流，該入口燃料流而后通過混合器8和第一燃料預(yù)熱器熱交換器(陽極同流換熱器29)被提供到疊層3。
第三優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)對(duì)陰極排氣流的溫度和質(zhì)量流量的變化基本上不敏感。作為一個(gè)分析實(shí)施例，圖8示出進(jìn)入陽極同流換熱器(即第一燃料預(yù)熱器)29中加濕的天然氣溫度將提高低于7度，因?yàn)樵诘谌齼?yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)中陰極排氣流質(zhì)量流量的增量為6.8％。這種小的溫升不應(yīng)引起上述溫度的步步變動(dòng)，因此在不需要主動(dòng)控制入口空氣和/或陰極排氣流流動(dòng)的情況下將使系統(tǒng)得以穩(wěn)定。
因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，使用來自陰極排氣流的熱量來蒸發(fā)水?？諝鉄峤粨Q器(即陰極同流換熱器)的尺寸不足，使得熱流以至少200℃，比如200℃到230℃的高溫從其排出?？諝庖?.5和更大的理想配比(stoic)被供給到系統(tǒng)中，從而具有足夠的排氣熱量來蒸發(fā)蒸汽甲烷重整所需的水。優(yōu)選的是，這么多的空氣被提供到燃料電池疊層中，該空氣是燃料電池疊層產(chǎn)生電能所需空氣的2.5到6.5倍之間、更加優(yōu)選為3到4.5倍之間。進(jìn)入到陰極同流換熱器中的入口空氣在空氣預(yù)熱器中使用陽極排氣流進(jìn)行預(yù)熱，以降低陰極同流換熱器上的負(fù)荷。來自陽極排氣流的水在空氣預(yù)熱器中部分地被冷凝，以降低陽極冷凝器中的負(fù)荷。
參照?qǐng)D9，燃料加濕器5優(yōu)選以一體化組件200的形式提供，該組件200作為一個(gè)整體裝置包括水蒸發(fā)器6、燃料加熱器或者預(yù)熱器，比如燃料預(yù)熱器67和燃料/蒸汽混合器8，該混合器8連接到水蒸發(fā)器6上，以從其中接受蒸汽并且連接到燃料加熱器67上，以從其中接受加熱過的燃料。水蒸發(fā)器6優(yōu)選地包括水流路徑202，該水流路徑202與輸送熱量的流體流路徑204成傳熱關(guān)系，該流體流路徑204在所示的系統(tǒng)中是陰極排氣流路徑，而燃料加熱器包括燃料流路徑206，該燃料流路徑206也與輸送熱量的流體流路徑204成傳熱關(guān)系，該流體流路徑204仍然是所示系統(tǒng)用的陰極排氣流路徑204。燃料/蒸汽混合器8連接到水流路徑202上，以從其中接受蒸汽并且連接到燃料流路徑206上，以從其中接受加熱過的燃料。如在圖9中所看到的那樣，燃料預(yù)熱器67相對(duì)于輸送熱量的流體流路徑204優(yōu)選地設(shè)置在水蒸發(fā)器6的下游。但是，在一些應(yīng)用中，燃料預(yù)熱器67相對(duì)于輸送熱量的流體流路徑204多半最好設(shè)置在水蒸發(fā)器6的上游。
參照?qǐng)D10，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，水流路徑202優(yōu)選地包括多個(gè)平行的水流通道210，燃料流路徑206包括多個(gè)平行的燃料流通道212，及輸送熱量的流體流路徑204包括多個(gè)平行的輸送熱量的流體流通道214，該通道214與水蒸發(fā)器6中的水流通道210交叉并且與燃料加熱器67中的燃料流路徑212交叉。進(jìn)一步參照?qǐng)D10，燃料/蒸汽混合器8優(yōu)選為連接到所有水和燃料流通道210和212上的歧管或者增壓室(plenum)216的形式。
優(yōu)選的是，每個(gè)水流通道210包括液體壓降入口區(qū)域220，相對(duì)于水流通道210的剩余部分222，該區(qū)域220提供更大的壓力降，從而有助于確保把水流合適地分配到所有的水流通道210中。但是，盡管區(qū)域220是優(yōu)選的，但是在一些應(yīng)用中，水流通道210多半最好沒有任何這樣的區(qū)域220。
同樣優(yōu)選的是，每個(gè)區(qū)域220通過以224概略示出的熱隔斷部(thermal break)與輸送熱量的流體流路徑206隔熱。熱隔斷部224的作用是減少熱傳導(dǎo)到壓降入口區(qū)域220中，并且優(yōu)選地防止或者限制區(qū)域220中水流的任何蒸發(fā)。
如在圖9和10中看到的那樣，水流和輸送熱量的流體流通過一體化組件200具有順流的關(guān)系，該組件200的優(yōu)點(diǎn)曾在本文前面論述過，這些優(yōu)點(diǎn)包括由于溫度收縮效應(yīng)為相關(guān)系統(tǒng)提供穩(wěn)定性，因而使該系統(tǒng)對(duì)輸送熱量的流體的流動(dòng)速率的變化以及輸送熱量的流體的溫度變化更加不敏感。盡管順流布置是優(yōu)選的，但是在一些應(yīng)用中，該流動(dòng)多半最好布置成達(dá)到逆流關(guān)系，與順流關(guān)系相比，這種逆流關(guān)系或許可以使輸送熱量的流體流的流動(dòng)速率和/或入口溫度更低，或者使加濕的燃料出口溫度更高。
圖11示出一體化燃料加濕器組件200的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。這個(gè)實(shí)施例使用了所謂的堆積式承載板(stacked plate)結(jié)構(gòu)，并且包括多個(gè)水/燃料板或者片228，這些板或者片與多個(gè)輸送熱量的流體板或者框架230交叉，每個(gè)水/燃料板限定一個(gè)水流通道210和一個(gè)燃料流通道212，并且每個(gè)輸送熱量的流體板230限定一個(gè)輸送熱量的流體通道214。
每個(gè)水/燃料板228還包括水/燃料混合室232，該混合室232通向通道210和212，分別從其中接受蒸汽和加熱過的燃料。每個(gè)輸送熱量的流體板230還包括水/燃料混合室234，該混合室234從輸送熱量的流體流通道214被封閉。該室232和234對(duì)準(zhǔn)，以形成水/燃料混合增壓室216，該增壓室216貫穿所有的板228和230。
每個(gè)水/燃料板228還包括一對(duì)輸送熱量的流體旁通開口238和240，該對(duì)開口238和240至水/燃料板228中的通道210和212被封閉。每個(gè)板228中的開口238和240分別與輸送熱量的流體板230中的、輸送熱量的流體流通道214的相對(duì)端部對(duì)準(zhǔn)，分別形成輸送熱量的流體入口歧管242和輸送熱量的流體出口歧管244，這些歧管242和244貫穿所有的板228和230，以將輸送熱量的流體分別導(dǎo)入和導(dǎo)出通道214。
每個(gè)水/燃料板228還包括水入口開口246，該開口246相互對(duì)準(zhǔn)并且對(duì)準(zhǔn)每個(gè)輸送熱量的流體板230中的水旁通開口250，以形成水入口歧管252，該歧管252貫穿所有的板228和230。
每個(gè)輸送熱量的流體板包括燃料旁通開口254，該開口254對(duì)準(zhǔn)與室232相對(duì)的每個(gè)水/燃料板228中的燃料流通道212的端部，以形成燃料入口增壓室或者歧管256，該增壓室或者歧管256貫穿所有的板228和230，從而將燃料供給到每個(gè)通道212中。
組件200還包括分離片(separator sheets)260，該分離片260插入在板228和230中每一個(gè)之間，以便將它們相應(yīng)的流動(dòng)通道相互密封，這在堆積式承載板熱交換器結(jié)構(gòu)中人所共知。每個(gè)分離片260具有開口262、264、268、270和272，這些開口分別對(duì)準(zhǔn)室232和234、旁通開口238、旁通開口240、水入口開口246和旁通開口250以及燃料旁通開口254并且分別與它們相對(duì)應(yīng)。
組件200還包括一對(duì)端板280和282，這對(duì)端板夾在板228和230與片260之間，以流體不能透過的方式密封組件200。端板280包括輸送熱量的流體入口連接部或者孔口284，該連接部或者孔口284對(duì)準(zhǔn)輸送熱量的流體入口歧管242，以向其引導(dǎo)輸送熱量的流體；及加濕的燃料出口連接部或者孔口286，該連接部或者孔口286對(duì)準(zhǔn)與通道210和212的開口相對(duì)的增壓室236的端部處的水/燃料混合增壓室236，以引導(dǎo)來自增壓室236的加濕的燃料。端板282包括水入口連接部或者孔口288，該連接部或者孔口288與水歧管252對(duì)準(zhǔn)，以向其供給水流；燃料入口連接部或者孔口290，該連接部或者孔口290與燃料歧管256對(duì)準(zhǔn)，以向其供給燃料流；以及輸送熱量的流體出口連接部或者孔口292，該連接部或者孔口292與出口歧管244對(duì)準(zhǔn)，以從其中引導(dǎo)輸送熱量的流體。
在圖12中清楚地看到，由連續(xù)的狹槽限定通道210，該狹槽從水入口開口246延伸到水/燃料混合室232，其中，狹槽通向板228的兩個(gè)表面。同樣地，由連續(xù)的狹槽限定燃料通道212，該狹槽從燃料入口歧管256延伸到水/燃料混合室232，而且該狹槽通向水/燃料板228的相對(duì)表面。參照?qǐng)D11和12，由一部分狹槽限定通道210的減壓區(qū)域220，該部分狹槽形成在具有較窄狹槽寬度的密封螺旋形型板(serpentine pattern)中，它們一起提供盤旋的流動(dòng)路徑。然后水通道210延續(xù)到狹槽更開闊的區(qū)域中，在這里水發(fā)生蒸發(fā)。在這方面，鄰近減壓區(qū)域220的狹槽的初始長(zhǎng)度具有縮減的寬度，以便在水流從減壓區(qū)域220運(yùn)動(dòng)到流動(dòng)通道210的剩余部分222中時(shí)，避免水流的分開，當(dāng)通道延伸到室232時(shí)，通道210進(jìn)一步擴(kuò)寬。
在圖12中清楚地看到，每個(gè)水/燃料板228還包括熱隔斷部224，該熱隔斷部224呈狹縫或者狹槽300的形狀，并延續(xù)減壓區(qū)域220和水流通道210的剩余部分222之間該壓力降入口區(qū)域220的長(zhǎng)度。如在圖11中看到的那樣，每個(gè)輸送熱量的流體板230包括相應(yīng)的狹縫或者狹槽302，每個(gè)分離片260包括相應(yīng)的狹縫或者狹槽304，而每個(gè)端板282包括相應(yīng)的狹縫或者狹槽306，所有的狹縫300、302、304、306在整個(gè)疊層中對(duì)準(zhǔn)，以形成增壓室308，該增壓室308貫穿疊層，并且通向大氣中。如前面所論述的那樣，熱隔斷部224起作用，以將對(duì)壓力降入口區(qū)域220的熱傳導(dǎo)最小化，并且優(yōu)選地防止或者限制在減壓區(qū)域220中的水流發(fā)生任何蒸發(fā)，從而確保水流在減壓區(qū)域220中保持液相。這是理想的，因?yàn)槿绻试S水發(fā)生蒸發(fā)，那么在壓力降入口區(qū)域220的狹窄通道內(nèi)可能產(chǎn)生大的壓力降，并且壓力降可以控制。盡管熱隔斷部224是優(yōu)選的，但在一些應(yīng)用中，在組件200內(nèi)多半最好沒有熱隔斷部224。
如在圖11和12中看到的那樣，流動(dòng)通道210以與通道214中輸送熱量的流體流成完全順流關(guān)系來引導(dǎo)水流，但是形成具有螺旋形構(gòu)型，以便相對(duì)于通道214中的輸送熱量的流體流提供局部的交叉流動(dòng)，因此，改善對(duì)水的傳熱，同時(shí)還達(dá)到理想的順流關(guān)系。
優(yōu)選的是，每個(gè)流動(dòng)通道214包括延伸的表面，在所示的實(shí)施例中這些表面表示為肋片或者湍流器插入物(turbulator insert)310的形式，該肋片或者湍流器插入物310中的許多合適的型式為人所共知。在流動(dòng)通道210和212中還可提供延伸的表面，但這些延伸的表面沒有表示在所示的實(shí)施例中。
參照?qǐng)D13，該圖示出一水/燃料板對(duì)312，舉例說明形成水流通道210的一個(gè)替換實(shí)施例。板對(duì)312中的每個(gè)板314、316包括多個(gè)不連續(xù)的狹槽318，這些狹槽布置成覆蓋相對(duì)板中相應(yīng)不連續(xù)的狹槽318的部分，以形成水流通道210，其中水從板314、316其中之一上的一個(gè)狹槽318流動(dòng)到相對(duì)板314、316上的相應(yīng)狹槽318中，然后，從那個(gè)相應(yīng)狹槽318返回到第一板314、316上的第二相應(yīng)狹槽318中，并這樣下去，直到水流入水/燃料混合器8中為止。由各為寬度較窄且長(zhǎng)度短的多個(gè)狹槽318限定這個(gè)實(shí)施例中的減壓區(qū)域220，因此需要多次改變流動(dòng)方向，并且提供盤旋流動(dòng)路徑。對(duì)于圖13中狹槽的特殊布置，水流通道210被分成三個(gè)平行的支路320，但是應(yīng)該明白，這種構(gòu)型是任選的，并且將高度取決于每個(gè)應(yīng)用的要求。還應(yīng)該懂得，合適形狀和尺寸的多個(gè)板對(duì)312可以代替圖11和12所示實(shí)施例中的水/燃料板228。
盡管示出了組件200的兩個(gè)優(yōu)選實(shí)施例并且結(jié)合圖11-13來描述了這些實(shí)施例，但是應(yīng)該明白，可以使用任何合適的熱交換器結(jié)構(gòu)來形成組件200，例如包括板式結(jié)構(gòu)和棒型結(jié)構(gòu)、拉制杯結(jié)構(gòu)、嵌套板結(jié)構(gòu)和裝有不連續(xù)的傳熱管的結(jié)構(gòu)。還應(yīng)該懂得，所采用的特殊類型的熱交換器結(jié)構(gòu)高度取決于其中采用一體化加濕器組件200的系統(tǒng)的特殊要求。在這方面，應(yīng)該明白，盡管本文結(jié)合燃料電池系統(tǒng)1描述了一體化燃料加濕器組件200，但是一體化燃料加濕器組件可以應(yīng)用于許多其它類型的系統(tǒng)中，并且預(yù)定不局限于燃料電池系統(tǒng)，除非清楚地列舉在權(quán)利要求中。
盡管可以使用特殊應(yīng)用的任何合適材料來制造一體化組件200，但當(dāng)用在燃料電池系統(tǒng)1中時(shí)，優(yōu)選的是，片260和板228、230、280和282由不銹鋼或者其它合適的耐腐蝕合金來構(gòu)成，并且使用另一種合適的耐腐蝕釬焊合金來進(jìn)行鎳銅釬焊或者釬焊。
為了舉例說明和描述目的提出了對(duì)本發(fā)明的上述描述。它不是完全周密的或者把本發(fā)明限制在公開的準(zhǔn)確形式上，而是根據(jù)上面的指導(dǎo)可以進(jìn)行改進(jìn)和變化或者通過本發(fā)明的實(shí)踐取得這些變化和改進(jìn)。選擇該描述以解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)踐應(yīng)用。意圖是用這里附加的權(quán)利要求和它們的等效物限定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池疊層；以及傳熱裝置，它適合于將熱量從燃料電池疊層的陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，燃料電池疊層包括固態(tài)氧化物燃料電池疊層。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，傳熱裝置包括水蒸發(fā)器，該水蒸發(fā)器適合于將液態(tài)水轉(zhuǎn)換成蒸汽，該蒸發(fā)器包括第一輸入端，它可操作地連接到燃料電池疊層的陰極排氣出口上；第二輸入端，它可操作地連接到水源上；以及第一輸出端，它可操作地連接到燃料電池疊層的燃料入口上。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括燃料預(yù)熱器熱交換器，該熱交換器包括第一輸入端，它可操作地連接到燃料電池疊層的陰極排氣出口上；第二輸入端，它可操作地連接到燃料源上；以及第一輸出端，它可操作地連接到燃料電池疊層上。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，燃料預(yù)熱器熱交換器適合于將熱量從燃料電池疊層的陰極排氣流傳遞到被提供到燃料電池疊層的燃料入口流中。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，蒸發(fā)器包括同向流動(dòng)蒸發(fā)器，在該同向流動(dòng)蒸發(fā)器中，陰極排氣流和水適合于沿著相同的方向流動(dòng)；并且蒸發(fā)器的輸出端可操作地連接到燃料預(yù)熱器熱交換器的入口上，使得陰極排氣流從蒸發(fā)器流入燃料預(yù)熱器熱交換器中。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括空氣預(yù)熱器，該空氣預(yù)熱器適合于使用來自陽極排氣流的熱量來預(yù)熱空氣入口流。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，在陽極排氣流進(jìn)入冷凝器之前，空氣預(yù)熱器適合于部分地冷凝陽極排氣流中的水蒸汽。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括陰極同流換熱器熱交換器，該熱交換器具有小于預(yù)定尺寸的尺寸，使得陰極同流換熱器熱交換器適合于提供以至少200℃的溫度排出陰極同流換熱器熱交換器的陰極排氣流。
10.一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池疊層；第一裝置，它使用來自燃料電池疊層陰極排氣流的熱量將水蒸發(fā)成蒸汽；以及第二裝置，它將蒸汽提供到被引導(dǎo)到燃料電池疊層的燃料入口流中。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括第三裝置，它使用在蒸發(fā)水上游的陰極排氣流加熱空氣入口流，并且在加熱空氣入口流之后提供具有至少200℃溫度的排出的陰極排氣流；以及第四裝置，它在使用陰極排氣流加熱空氣入口流之前，使用燃料電池疊層陽極排氣流加熱空氣入口流。
12.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，該方法包括操作燃料電池疊層，以產(chǎn)生電能；使用來自燃料電池疊層陰極排氣流的熱量將水蒸發(fā)成蒸汽；以及將蒸汽提供到被引導(dǎo)到燃料電池疊層的燃料入口流中。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，燃料電池疊層包括固態(tài)氧化物燃料電池疊層。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，該方法還包括使用蒸發(fā)水上游的陰極排氣流加熱空氣入口流。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，該方法還包括在使用陰極排氣流加熱空氣入口流之前，使用燃料電池疊層陽極排氣流加熱空氣入口流。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，該方法還包括在加熱空氣入口流期間，部分地冷凝陽極排氣流中的水蒸汽。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，陰極排氣流在加熱空氣入口流之后具有至少200℃的溫度。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，該方法還包括用蒸發(fā)水下游的陰極排氣流預(yù)熱燃料入口流。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，蒸發(fā)步驟包括使陰極排氣流和水在蒸發(fā)器內(nèi)沿著相同的方向流動(dòng)。
20.如權(quán)利要求12所述的方法，該方法還包括混合蒸汽和燃料入口流；使用來自燃料電池疊層陽極排氣流的熱量加熱蒸汽和燃料的混合物；以及將蒸汽和燃料的混合物提供到重整裝置中。
21.如權(quán)利要求12所述的方法，該方法還包括在重整裝置內(nèi)重整包含甲烷和天然氣中至少一種的燃料；以及將重整過的燃料提供到燃料電池疊層的陽極入口中。
22.一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池疊層；以及順流水蒸發(fā)器，它適合于將熱量從陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中。
23.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括燃料預(yù)熱器；蒸發(fā)器的陰極排氣流輸出端可操作地連接到燃料預(yù)熱器上，使得陰極排氣流從蒸發(fā)器流入到燃料預(yù)熱器中。
24.一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池疊層；以及第一裝置，它將熱量從陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中，使得陰極排氣流和水在第一裝置中沿著相同的方向流動(dòng)。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，第一裝置包括用于將陰極排氣流提供到燃料預(yù)熱器中的裝置。
26.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，該方法包括使陰極排氣流和水流以順流的關(guān)系流動(dòng)；使用來自陰極排氣流的熱量將水蒸發(fā)成蒸汽，同時(shí)以所述順流的關(guān)系流動(dòng)；以及將蒸汽提供到被導(dǎo)入到燃料電池疊層的燃料入口流中。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，該方法還包括在所述蒸發(fā)步驟之后，使用來自陰極排氣流的熱量加熱燃料流。
28.一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池疊層；傳熱裝置，它適合于將熱量從燃料電池疊層的陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中；空氣預(yù)熱器，它適合于使用來自陽極排氣流的熱量預(yù)熱空氣入口流；以及陰極同流換熱器熱交換器，它適合于將熱量從陰極排氣流傳遞到空氣入口流中，陰極同流換熱器熱交換器可操作地連接到傳熱裝置相對(duì)于陰極排氣流的上游和空氣預(yù)熱器相對(duì)于空氣入口流的下游，并且其尺寸設(shè)定成將陰極排氣流在足夠高溫度下提供到傳熱裝置中，以便于蒸發(fā)傳熱裝置中的水。
29.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于，陰極同流換熱器熱交換器尺寸設(shè)定成提供至少以200℃的溫度排出陰極同流換熱器熱交換器的陰極排氣流。
全文摘要
提供一種燃料電池系統(tǒng)(1)，該系統(tǒng)包括燃料電池疊層(3)；和傳熱裝置(5)，該傳熱裝置適合于將熱量從燃料電池疊層(3)的陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中。
文檔編號(hào)H01M8/12GK1862864SQ20061007786
公開日2006年11月15日 申請(qǐng)日期2006年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月9日
發(fā)明者T·M·班德豪爾, M·J·賴因克, J·瓦倫薩 申請(qǐng)人:穆丹制造公司