[发明专利]燃料电池堆中的热管理

说明书

技术领域

本发明通常涉及燃料电池，且具体地涉及提高燃料电池堆中的热梯度同时允许高燃料利用率。

背景技术

燃料电池是包括电解质和在电解质的相对侧上的相应电极（阳极和阴极）的电化学设备。燃料电池可采用各种不同的配置，包括平面的和管状的。通过使燃料气体流横穿阳极并使助燃气流横穿阴极而在电极处产生电化学反应。在燃料是氢的最单纯的反应形式中，结果是电和水以及热，因为反应是放热的。

为了产生有用数量的电，大量燃料电池成层地堆叠在一起，堆叠的燃料电池串联地电连接，且负载电连接到堆的端部。将层串联连接允许每层中的相同的电流/电流密度。多个这样的堆可电连接在一起，但本发明特别涉及单独的堆。可在堆的每层中设置多于一个燃料电池，一层（阵列）中的多个这样的燃料电池并联地电连接。堆中的相邻的燃料电池或燃料电池的阵列可通过气体分离器、隔板、集电器、密封物和可能的其它层部件而彼此分离。在平面燃料电池堆中，燃料电池和其它堆部件布置在端板之间，端板也可为燃料气体和助燃气的供应和排放提供歧管化功能。

如上所述，燃料气体可被供应到燃料电池作为氢，所述氢可选地从碳氢化合物或在适当的高温燃料电池堆例如固体氧化物燃料电池（SOFC）堆或熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）堆中预先重整（reform），燃料气体可以可选地被供应作为在堆中重整的碳氢化合物例如天然气。助燃气可以是纯氧，但更通常是空气。气体通常通过燃料和助燃剂供应和排放歧管被供应到堆叠的多个燃料电池或燃料电池阵列并从多个燃料电池或燃料电池阵列排放，燃料和助燃剂分布通道分别对阳极和阴极开放。

碳氢化合物重整以提供氢作为燃料是吸热反应，该反应如果在堆中被执行则被高温（≥650℃）燃料电池的阳极上的燃料的放热氧化支持。需要小心避免来自吸热重整反应的过度冷却。

在燃料电池堆中的电产生的高效率需要高燃料利用率——例如高达供应到阳极的在燃料电池反应中被氧化的燃料的80%到95%。100%燃料利用率或接近于其并不导致高效率，因为电池电压趋于崩溃。如果存在对任何一个燃料电池的不足的燃料供应，则该燃料电池可氧化并引起电池的故障和最终引起堆的故障。

到每个单独的电池或阵列的燃料流由电池/阵列的燃料供应通道例如气体连接器中的通道两端的压力降控制，并因此由制造容差确定。制造成本随着制造过程的较高准确度明显增加。为了实现比如90%的燃料利用率，流变化需要充分低于10%，这将需要非常高的精度，且因此在一个实施方式中需要昂贵的气体分离器来避免电池和堆故障。只有流变化是已知的且在操作中被考虑了，才能避免由于单独的电池/阵列的过度利用而引起的故障。例如，如果流变化（由于制造容差和热效应）对于两层堆是±20%且如果电池可在高达95%的燃料利用率下操作，则堆的总燃料利用率不能超过76%，以便避免归因于过度利用的损坏。针对上述情况的单独的燃料利用率对于低燃料流层将是95%，而对于高燃料流层将是63%。由于性能变化引起的燃料电池堆的故障容差或一个燃料电池的其它故障可通过使用堆中的燃料电池的阵列来减轻，但额外的燃料气体总是必须被供应到燃料电池，以便最小化燃料电池氧化的风险。这个做法的结果是，在从燃料电池排放的燃料气体中存在未使用的燃料，也就是说，单独的燃料电池和燃料电池阵列以相对低的燃料利用率运行。在不同的电池/阵列中的燃料利用率的可变性也将导致变化的热分布——在具有较高的燃料利用率的电池/阵列中的较高的热梯度，反之亦然。这也可能是堆故障的原因之一或将至少限制最大燃料利用率以避免故障。

为了提高总燃料利用率，且因此提高燃料电池堆的效率，提出了再利用燃料电池堆的燃料废气并将它与最新供应的燃料气体混合。这种方法的主要优点是，在每个电池/阵列内的实际燃料利用率减小了，而总利用率可以非常高，这取决于再利用率。这也有将作为燃料电池反应的产物的蒸汽引入到最新供应的燃料气体的优点。蒸汽对在内部将碳氢化合物重整为氢燃料是必要的，且再利用燃料废气意味着最新供应的燃料气体需要较少的添加的蒸汽。见例如WO 2003/019707。