[发明专利]燃料电池热交换系统和方法

说明书

本申请是国际申请号为PCT/GB2007/004156，国际申请日为2007年10月31日，进入中国国家阶段日期为2009年6月5日，中国国家申请号为“200780045175.2”，发明名称为“燃料电池热交换系统和方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及燃料电池系统内的能量管理。具体地，本发明涉及燃料电池系统内的热交换系统和方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)系统通过将燃料流中所含的能量转换成可用的热量和电力而有效工作。SOFC系统中的热量回收通常是通过利用热交换器(例如，管壳式，板翅式以及微通道式)以各种流构造(多流(multi-stream)，逆流，协流，交叉流)形式实现的。系统中的一些流体流是液体，而一些是其中含有水蒸汽的气体。SOFC系统效率可以将进入系统的燃料流中含有的潜能与由系统产生的并且使用者可利用的总的可用热量和功率进行比较而获得。总的SOFC系统效率是重要的，因为它影响SOFC系统产品在选择的应用市场中的商业生存能力。热和电损耗在决定总的SOFC系统效率方面是重要的。SOFC系统内的热量和质量传递的管理影响热和电损耗的大小。

SOFC本身通过利用电化学过程将燃料中的能量转换成热量和电力而工作。该过程的效率取决于数个因素，包括燃料电池燃料侧的燃料浓度，燃料电池空气侧的氧分压，以及燃料电池的温度。

为了工作，燃料电池以电化学反应方式消耗燃料和消耗空气中的氧。除了通过该反应产生电力外，在燃料电池活性区的区域中还通过电化学过程产生额外的热能。为了维持能量转换过程，需要将燃料和空气供应给燃料电池并且需要将热量从燃料电池移除。通常，由燃料电池反应产生的热量被部分消耗以将燃料电池本身及其周围环境保持在工作温度，并且剩余热量的大部分利用空气流和/或燃料排出气流从燃料电池移除。

通常，工作燃料电池消耗不了燃料流中的所有燃料，并且也消耗不了空气流中的所有氧。因为燃料电池没有完全消耗燃料和空气中的氧，所以必须有从燃料电池活性区移除废燃料流(通常称作阳极废气)和改变了的空气流(通常称作阴极废气)的方法。因此，将燃料供应至燃料电池活性区并从燃料电池活性区移除，并且将空气供应至燃料电池活性区和从燃料电池活性区移除。

为了通过燃料电池实现有效的能量转换，可以将燃料重整器包括在燃料电池之前的燃料供应管线中，或者重整可以在燃料电池组的内部发生，以在燃料气体到达燃料电池前将烃基燃料重整成富氢流。

SOFC在规定的工作温度，通常在规定的工作温度附近的温度范围内有效地工作。该有效工作温度是典型地由燃料电池活性层中使用的材料的类型设定的，例如对于YSZ为720-950℃，对于CGO为500-650℃。

对于SOFC，可以将引入的空气和燃料流在所述流到达燃料电池活性区之前加热到燃料电池工作温度附近。这提高了燃料电池的工作效率并且减小了温度梯度，因此减小热应力，所述热应力是在环境温度流体与热的500-900℃燃料电池结构体接触时燃料电池可能经受的。效率也由于将电池的热平衡改善为最佳的工作温度范围而得到提高。由于高的工作温度，燃料流在其接触燃料电池活性区的点或其附近通常是气体。

可以将热能从由燃料电池活性区排出的气体流(阳极和阴极废气)中取出并且用于加热进入燃料电池活性区的燃料和空气流。这通常是通过以下方式实现的：将燃料电池废燃料流(其含有未使用的燃料形式的化学能)和燃料电池废空气流混合，并且将得到的混合物在非常接近燃料电池组处燃烧(如US5212023和EP1037296中所示)，并且利用通过该过程产生的热量，以经由热交换器传给引入的空气流。

当向燃料电池系统供应烃燃料时，通常将燃料重整器放置在燃料电池组之前的燃料流中，以促进烃燃料重整为以下组成部分：氢，二氧化碳，一氧化碳和其他元素。有几种适合于燃料电池用途的重整方法，这些方法是已知的，因此此处不再详述。典型的重整方法包括自热重整(ATR)，蒸汽重整(SR)，水煤气-转换重整(WGS)和部分氧化重整(POX或CPOX)。

总之，对于有效的重整器工作，有一些不需要将水添加到燃料流中来工作的重整方法(例如CPOX)，并且有需要添加水的重整方法(例如ATR，SR，WGS)。

非-水重整器类型，如CPOX，不要求水供应装置成为燃料电池系统的一部分。本领域技术人员应理解，这种非水添加系统所产生的在重整燃料流中的氢浓度低于由水添加系统产生的氢浓度，该水添加系统产生更富含氢的燃料流。