[发明专利]具有多股流热交换器及单一空气控制的热箱设计

说明书

相关申请案交叉参考

本申请案请求对2007年7月26日提出申请的美国临时申请案60/935,092的权益，所述申请案的全文以引用方式并入本文中。 

技术领域

本发明大体来说涉及燃料电池系统领域，且更特定来说涉及一种包含多股流热交换器的燃料电池系统及操作所述燃料电池系统的方法。 

背景技术

燃料电池是可以高效率将存储于燃料中的能量转换为电能量的电气化学装置。高温燃料电池包括固态氧化物及熔融碳酸盐燃料电池。这些燃料电池可使用氢及/或烃燃料操作。存在若干种类的燃料电池，例如固态氧化物再生燃料电池，其还允许反向操作，以使得可使经氧化的燃料使用电能量作为输入还原回为未经氧化的燃料。 

发明内容

一种燃料电池堆叠模块，其包括：多个燃料电池堆叠；阳极尾气氧化器(ATO)，其与所述多个燃料电池堆叠成热量传递关系定位；基底，其支撑所述多个燃料电池堆叠及所述ATO；及至少一个热交换器，其位于所述基底中。ATO排出流及来自所述燃料电池堆叠的阳极排出流在多股流热交换器中加热堆叠燃料及空气进入流。 

附图说明

图1A是本发明实施例的燃料电池模块在壳体被移除的情况下的三维剖面图。图1B是图1A的模块的示意性侧截面图。图1C是图1A的模块的俯视图。图1D及1E是根据本发明的替代实施例的模块的俯视图。 

图2A、2B及5是本发明的实施例的燃料电池系统的组件及流体流动方向的示意性图示。 

图3是根据本发明的实施例的所绘制热交换器热负荷对温度的计算机模拟。 

图4是根据本发明的实施例的热交换器的区及流体流动方向的示意性图示。 

图6及7是可用于本发明的实施例中的两个类型的多股流板式热交换器的三维剖面图。 

图8是根据本发明的一个实施例的模块化燃料电池系统的示意性三维视图。 

具体实施方式

本发明的第一实施例提供燃料电池堆叠模块1，其图解说明于图1A、1B及1C中。模块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。基 底3可具有圆柱形形状，具有平坦上表面及圆形截面，如图1A及1C中所示。然而，基底3可具有任何其它合适形状，例如方形、矩形、多边形、椭圆形或不规则截面。基底板7可包含附接到室5的单独组件，或基底3可包含单一组件，其中室5包含其内部体积且基底板7包含其上表面。如下文将描述，一个或一个以上热交换器13可位于室5内。 

如图1A到1C中所示，每一燃料电池堆叠模块1包括至少一个燃料电池堆叠列9(为简明起见，其将在本文中称作“堆叠”)及外壳体11。壳体11可具有任何合适形状，例如穹顶形、经遮盖圆柱体(包括具有平坦顶部遮盖物的圆柱体或具有穹顶形遮盖物的圆柱体(其有助于减小热张力))、立方体或三维矩形，用于遮盖堆叠9。壳体11显示于图1B中且其从顶部的位置在图1C到1E中显示为虚线。举例来说，两个或两个以上堆叠9(例如，四个到十二个堆叠9)可位于壳体11下方。堆叠9优选地垂直堆叠于每一壳体11下方。视需要，可以级联配置提供垂直堆叠的燃料电池堆叠9，在所述级联配置中，来自一个堆叠的燃料排出流用作邻近堆叠的进入燃料流，例如往来于同一列中的模块的级联。 

堆叠9可包含任何合适燃料电池。举例来说，所述燃料电池可包含具有陶瓷氧化物电解质的固态氧化物燃料电池。也可使用其它燃料电池类型，例如PEM、熔融碳酸盐、磷酸等。堆叠9可包含外部及/或内部装有歧管的堆叠。举例来说，所述堆叠可针对燃料及空气在内部装有歧管，其中燃料及空气立管延伸穿过燃料电池层及/或燃料电池之间的互连板中的开口。或者，如图1B及1C中所示，燃料电池可针对燃料在内部装有歧管且针对空气在外部装有歧管，其中仅燃料进入及排出立管延伸穿过燃料电池层及/或燃料电池之间的互连板中的开口。燃料电池可具有交叉流动(其中空气与燃料在每一燃料电池中的电解质的相对侧上彼此大致垂直地流动)，平行逆向流动(其中空气与燃料在每一燃料电池中的电解质的相对侧上彼此大致平行地沿相反方向流动)或平行同向流动(其中空气与燃料在每一燃料电池中的电解质的相对侧上彼此大致平行地沿相同方向流动)配置。每一堆叠9可具有一个燃料进口及出口，如下文将更加详细地描述。然而，视需要，每一堆叠9沿其高度可具有若干燃料进口及出口。在所述情况下，每一堆叠9包含多个子堆叠单元(即，每一堆叠列9包含单独的子堆叠)。