[发明专利]模块化燃料电池堆组件

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及多堆燃料电池系统。

背景技术

在建造燃料电池系统中，燃料电池传统上一个堆叠在另一个上以形成燃料电池堆。电池的数目确定堆的额定功率，为了向系统提供更高的额定功率，利用许多个燃料电池堆并且燃料电池堆的输出组合以提供预期的功率输出。

在一种多堆燃料电池系统中，已经提出通过形成模块化多堆燃料电池组件来模块化系统，每个所述组件包含容纳在壳体内的多个燃料电池堆。在为高温燃料电池堆，尤其为碳酸盐燃料电池堆开发的这种设计的系统中，矩形或盒状的密闭结构用作壳体并且堆沿着结构的长度成直线布置。结构内的每个堆具有用于接收操作堆所需的燃料和氧化剂气体的入口歧管和用于从堆输出废燃料和氧化剂气体的出口歧管。

密闭结构包括燃料和氧化剂气体入口以用于通过管系或管道与堆的各个燃料和氧化剂气体入口歧管连通。所述结构也具有燃料和氧化剂气体出口以用于通过管系与氧化剂和燃料气体出口歧管连通。燃料入口沿着所述结构的长度成直线布置并且集管(header)将燃料输送到每个端口。类似类型的布置用于氧化剂气体入口。燃料和氧化剂气体出口也与各个集管连通以用于运载来自模块组件的废气。

为了保证合适的均匀流动分布和通过堆的所需压差，流动挡板设在将燃料和氧化剂气体入口连接到各自堆入口歧管的管系或管道中。壳体内的每个堆和管系也被隔绝以将堆与密闭结构绝热。

密闭结构的冷盒状设计需要密闭结构内部以及外部的热膨胀接头以最小化横跨燃料和氧化剂密封件的压差。也提供氮气以清除从燃料电池到壳体中的任何微小泄漏。

尽管以上类型的模块化多堆燃料电池组件实现了预期效果，但是管系和挡板要求使每个组件复杂而昂贵。绝热要求也是苛刻的，从而进一步增加了每个组件的成本。另外，氮气净化的需要增加了另一气流，从而增加了过程控制要求。这些因素导致设计者寻找不太复杂和成本较低的设计选择。

发明内容

所以，本发明的目标是提供一种改进的模块化多堆燃料电池组件。

本发明的进一步目标是提供一种模块化多堆燃料电池组件，其中以更简单和更具有成本效率的方式实现堆间流动分布和压差要求。

本发明的又一目标是提供一种模块化多堆燃料电池组件，其中输入和输出端口要求和管系要求显著减少。

本发明的进一步目标是提供一种模块化多堆燃料电池组件，其中使组件绝热的方式被改进。

本发明的进一步目标是提供一种模块化多堆燃料电池组件，其中组件的壳体和进出壳体的连接被简化。

本发明的又一附加目标是提供一种以上类型的模块化多堆燃料电池组件，其消除了氮气净化的使用，最小化绝热并且减小了管系和关联膨胀接头。

根据本发明的原理，在一种模块化多堆燃料电池组件中实现了以上和其他目标，其中燃料电池堆位于密闭结构内并且其中气体分配器设在所述结构中，将接收的燃料和氧化剂气体分配到所述堆并且接收来自所述堆的燃料废气，从而实现所需气流分布和通过所述堆的气体压差。优选地，气体分配器相对于所述堆居中和对称地布置，从而它自身促进了理想的均匀气流分布和低压差的实现。

在本发明的进一步方面中，密闭结构充当用于所述堆的氧化剂气体输入歧管并且每个堆的端板用于将燃料耦联到来自所述堆的废燃料和氧化剂气体。本发明的附加方面包括使密闭结构的内表面的部分上的组件绝热以缓解使所述堆和流动分布管系绝热的需要，从而由围绕所述堆的上壳体和由上壳体接合并且支撑所述堆的基部元件形成密闭结构，每个入口和出口燃料以及氧化剂气体端口使用单一端口并且为这些端口中的每一个配置具有阶梯状过渡部的外壁。

在下文将要公开的本发明的实施方式中，上壳体包括优选为准球形的头部和从所述头部延伸的主体，所述主体优选为圆形或卵形加压容器。基部元件又包括容纳基架的基板，所述基架支撑燃料电池堆，所述燃料电池堆数目为四并且被定位成具有两组相对的堆。这允许气体分配器位于所述堆的中心并且相对于所述堆对称地布置。每个所述堆在三个面上具有歧管，一个入口歧管用于燃料气体，两个出口歧管分别用于燃料废气和氧化剂废气。上壳体自身充当用于每个堆的第四面的氧化剂气体入口歧管。

气体分配器具有三个连续部分。一个部分接收燃料并且将它分配给耦联到每个堆的第一端板的管系。其他部分通过分别耦联到每个堆的第二端板和第一端板的管系接收氧化剂废气和燃料废气。