[发明专利]燃料电池系统和方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池系统(200)和一种用于控制燃料电池系统(200)中传热流体的温度的方法(900)。系统(200)包括至少一个燃料电池堆(205)，燃料电池堆(205)包括至少一个燃料电池且具有阳极入口和用于阳极废气流动的阳极废气出口。系统(200)还包括第一热交换器(215)，第一热交换器(215)被联接以接收从阳极废气出口输出的阳极废气，第一热交换器(215)被配置为在阳极废气与传热流体之间进行热交换，以冷却阳极废气和加热传热流体。系统(200)还包括被配置为向传热流体提供热量的第二热交换器(230)和被配置为从传热流体移除热量的除热区(235)。

技术领域

本发明涉及燃料电池系统和方法。

背景技术

关于燃料电池、燃料电池堆、燃料电池堆组件以及热交换器系统、布置和方法的教导是本领域普通技术人员已知的，特别是包括WO2008053213A，此申请的全部内容通过引用并入本文。具体而言，本发明旨在改进WO2008053213A所公开的系统和方法。

典型的燃料电池将燃料和氧化剂形式的化学能转换为电能。燃料电池使用的燃料可以是氢气，且氧化剂是氧气，而排气则仅限于水。优选地是用天然气作为燃料电池系统的燃料，在这种情况下，天然气可以在燃料电池系统中被重整为氢气。这样做需要有水供应，以便将天然气重整为氢气。

运行中的碳氢化合物为燃料的燃料电池(例如，SOFC(固体氧化物燃料电池))系统，其中燃料电池堆在450-650摄氏度范围内运行(中温固体氧化物燃料电池；IT-SOFC)，特别是在520-620摄氏度温度范围内运行，会遇到一系列具有挑战性的技术问题。

提供燃料电池堆冷却(特别是通过泵/鼓风机)是一个相当大的系统寄生负载(通常是最大的系统寄生负载)。由于燃料电池堆为泵/鼓风机提供电力以提供燃料电池堆冷却，冷却需求增加，导致电力需求增加，需要增加发电量，降低了系统的整体效率。

图1引自WO2008053213A，其解决了上述问题和其他问题。图1是显示用于燃料电池系统的热交换系统的图示。图中显示了三个热交换器。这些热交换器是：第一热交换元件26，可称为阳极废气-冷凝器热交换器；第二热交换元件24，可称为燃料电池热回收/燃烧器废气-冷凝器热交换器；以及第三热交换元件22，可以是，例如，空气加热器热交换器。此外，还显示了四条流体路径。这些流体路径是：1.通过第一热交换元件26并随后通过第二热交换元件24的传热流体的第一流体路径10；2.通过第三热交换元件22并随后通过第一热交换元件26的第二流体路径12；3.通过第二热交换元件24的第三流体路径14；以及4.通过第三热交换元件22的第四流体路径16。

第一流体流动路径10从热存储(thermal store)或排热装置/单元的冷侧延伸到第一热交换元件26，并从第二热交换元件24延伸到热存储或散排热装置/单元的暖侧。第一流体是水。

第二流体流动路径12从燃料电池系统的阳极侧活性区延伸到第三热交换元件22，并随后从第一热交换元件26延伸到燃料电池系统的燃烧器。第二流体是来自燃料电池的阳极废气。

第三流体流动路径14包含燃烧器废气，且从预热器燃烧器延伸到第二热交换元件24，并作为排气排出。第四流体流动路径16是空气，其通过第三热交换元件24，然后输出到燃料电池的空气侧中使用。

运行时，热的阳极废气从燃料电池沿第二流体路径12流经第三热交换元件22。热量从阳极废气交换到沿第四流体路径16吸入系统的空气中。热量从阳极废气传递给第三热交换元件22中的空气，在空气进入燃料电池组件之前，冷却阳极废气并加热空气。第三热交换元件22是气体-气体热交换器。然后，阳极废气沿第二流体路径12继续流到第一热交换元件26，第一热交换元件26接收沿第一流体流动路径10流动的呈水形式的传热流体。阳极废气被第一热交换元件26进一步冷却，第一热交换元件26是冷凝器热交换器，因此熔化潜热能量(latent heat of fusion energy)从阳极废气中移除。传热流体在此热交换中被加热。