[发明专利]高温燃料电池的可选路径冷却

说明书

交叉引用相关申请

本申请要求于2008年4月18日提交的名称为“Alternative Path Cooling of a High Temperature Fuel Cell”的美国临时专利申请号61/046,052的权益，通过引用以其整体明确地并入本文。

发明背景

燃料电池通过在进入的燃料和氧化剂流之间引起电化学反应而运行，以产生电。许多燃料电池，如固体氧化物燃料电池(SOFC)，在高温下运行。在燃料电池中由电化学反应产生的废热必须被移出以控制燃料电池的温度，以便防止电池失效。典型的热控制系统包括将超出电化学反应所需的过量反应物循环通过燃料电池以吸收热量。但是，在某些应用中，如其中航行器上使用燃料电池的空运应用中，重量是首先需要考虑的事项。储存保持燃料电池温度所需的过量反应物在重量方面是不允许的。

为了冷却的目的，燃料电池排出的气体可被再循环回到进入的反应物流。但是，这样做需要额外的冷却子系统以冷却再循环流体，原因在于从燃料电池吸收的热量。额外的冷却子系统造成更加复杂的控制系统，额外的交通工具热负荷，以及增加了整个系统的重量。另一传统热控制系统包括单独的闭合系统冷却回路，用于将储存的冷却剂循环通过燃料电池和通过冷却子系统。与上述的其它热控制系统相似，分离的闭合系统冷却回路增加了额外的重量，并且增加了由于额外的泵、冷却剂、管线和能量消耗需求带来的复杂性。

正是基于这些考虑和其它考虑，提出了本文作出的本公开。

发明概述

应该理解，提供本概述是为了以简化的形式介绍构思的选择，其将在以下的发明详述中进一步描述。本概述并非意欲用于限制所要求保护的主题的范围。

取决于应用，本文描述的系统和方法使用环境冷却剂如空气或水提供燃料电池的冷却。根据本文提供的公开的一个方面，与反应物分开的冷却剂被提供给燃料电池。冷却剂流过燃料电池以吸收热量，然后被排出并被引导离开燃料电池。根据不同的实施方式，使用由于与燃料电池联合的交通工具的运动经由环境产生的冲压(ram pressure)，或使用流体控制设备如压缩机或泵，引入的环境冷却剂可以被引导通过燃料电池。实施方式另外提供将热的冷却剂从燃料电池引导至涡轮，然后其又可以被用于驱动发电机以产生额外的电或驱动压缩机。热的冷却剂还可以被再循环回到引入的环境冷却剂中以在进入燃料电池前增加环境冷却剂的温度，防止燃料电池由于热冲击而被破坏。

已讨论的特征、作用和优势可以在本发明的各种实施方式中独立地获得，或者可以在其它实施方式中结合，其进一步的细节可以参考以下说明和附图来理解。

附图简述

图1是显示依据本文所示各种实施方式的燃料电池冷却系统的框图；

图2是显示依据本文所示各种实施方式的使用涡轮驱动压缩机的燃料电池冷却系统的框图；

图3是显示依据本文所示各种实施方式的燃料电池冷却系统的框图，其使用再循环冷却剂以增加进入燃料电池的环境冷却剂的温度；

图4是显示依据本文所示各种实施方式的冷却剂流动通过燃料电池冷却系统的示意图，以图解系统内不同阶段的传热；和

图5是图解依据本文所示各种实施方式的控制高温燃料电池的温度的方法的流程图。

发明详述

以下详细说明涉及控制燃料电池的温度的系统和方法。如上简述，燃料电池系统包括两个输入流、燃料和氧化剂。典型的热控制系统使用过量的反应物流和/或单独的闭合系统冷却回路以控制相应燃料电池的温度。当燃料电池在具有严格的重量限制、空间限制和功率限制的交通工具或平台中运行时，这些系统并不总是最佳的。

在整个本公开中，为了说明的目的，将就高温燃料电池如用于为航行器或航行器子系统产生电力的SOFC的运行，描述不同的实施方式。但是，应当理解，本文提供的公开同样可应用于在冷却剂环境流容易得到的任何应用中使用的任何类型的燃料电池。作为本文公开的“冷却剂”的实例，航行器和交通工具通过周围的空气推动自身，产生了依据本文描述的各种实施方式可用作冷却剂的环境空气流。类似地，船只如舰艇和潜艇通过周围的水推进自身，产生了依据本文描述的各种实施方式可用作冷却剂的环境水流。因此，本文所述的“环境冷却剂”和“冷却剂”的流应用于任何流动的流，并且依据不同的实施方式，应用于包含要被冷却的燃料电池的平台周围的环境内的流体。“环境冷却剂”流还应用于静态系统，其中冷却剂流被驱入该系统。