[发明专利]燃料电池单元及系统的热管理

说明书

本申请描述了操作燃料电池系统的各种布置和方法，该燃料电池系统包括一个或多个燃料电池单元、重整器和补燃器。目的是允许燃料电池系统的高效热管理。更具体地，本申请针对以下问题：如何增加通过和/或从系统中的燃料电池至少一个面/部段/表面的传热，该系统包括至少两个燃料电池单元(例如，通过利用与燃料电池堆的其他侧相比级别降低的绝缘来提供相邻的燃料电池堆(503,503”,503”')的相邻侧)；如何增加单个燃料电池单元周围的热环境的调节和控制；如何更好地利用来自包括至少两个燃料电池单元的系统的排出流；如何在包括至少两个燃料电池单元的系统中降低引发化学反应或启动的时间。在包括燃料电池系统的热电联合系统的情况下，这些布置和方法可能是特别令人感兴趣的。

技术领域

本教导一般涉及燃料电池单元和系统。更具体地说，本教导涉及燃料电池单元和燃料电池系统的热管理。

背景技术

燃料电池系统或热电联合(CHP)系统(可以包括一个或多个燃料电池单元)的热管理是其设计中的重要考量，以有效地操作和生成电和/或热。为了燃料电池系统的热管理，通常用空气流使热空气和其他流体移动通过燃料电池单元和系统，包括通过燃料电池堆的通风口。但是，使用空气流对燃料电池系统进行热管理会在整个系统内产生不期望的压降和相关的流体流动分布异常，影响其操作。

对于存在多个燃料电池堆并且多个燃料电池堆在一个阵列中对齐的燃料电池系统，冷空气常常沿直线横穿阵列从一端输送到另一端，以帮助控制燃料电池堆的温度。然而，在此类方案中，尽管阵列中的第一燃料电池单元可以被充分冷却或者调温，但是最后遇到“冷”空气的燃料电池单元常常被不充分地调温，因为当输送的空气移动通过系统时会变热，并且在调节后面的燃料电池单元的温度时变得无效，集电结构和其他温度敏感结构或者电子器件可能位于后面的燃料电池单元处。此外，在操作中，此类构造会导致系统内的可变温度，例如，产生“热点”和/或“冷点”，因为会增加空气流以期补偿热控制的不足。

另外，来自燃料电池和/或加热器的排出流常常通过换热器将废气的热量转移到循环水，以实现气液热传递。在此情况下，排出流通常需要被稀释，以降低其温度，以避免排出流中的水沸腾。

这样，为了更有效且恒定地操作燃料电池或热电联合系统，本领域期待燃料电池单元以及燃料电池和热电联合系统以及操作此类单元和系统的方法有新的设计和构造，它可以更好地且更有效地管理燃料电池单元周围和/或燃料电池或热电联合系统内的热环境。

发明内容

本教导提供了燃料电池单元、燃料电池系统以及作为或集成为热电联合系统的燃料电池单元，以及热管理此类单元和系统的方法，其可以解决现有技术的各种不足和缺点，包括上述的那些。更特别的是，燃料电池单元、燃料电池系统以及包括燃料电池单元的热电联合系统的设计和构造、以及根据本教导的方法的实践可以允许对燃料电池单元(包括燃料电池系统或热电联合系统中的燃料电池单元)进行更有效的热管理。

例如，本教导的一个特征是燃料电池系统的各燃料电池单元可以在隔热区域内。每个隔热区域可以包括温度调节流体入口和一个或多个排出流体出口，从而允许独立地监测和管理每个燃料电池单元的热环境，以加强对燃料电池系统的控制。风扇或吹风机之类的正气体压力源可以与温度调节流体入口可操作地流体连通，以便于在隔热区域内移动和传递热量。在此类方案中，燃料电池单元可以被更快速和高效地冷却。此外，燃料电池或热电联合系统可以具有更小的占用面积或包装，因为燃料电池单元和/或加热器单元并非不受控制地向外辐射热量。