[發明專利]燃料電池熱交換系統和方法

有效

• 申請號: 200780045175.2
• 申請日: 2007-10-31
• 公開（公告）號: CN101589498A
• 公開（公告）日: 2009-11-25
• 發明（設計）人: 詹姆斯·德弗里恩特;羅伯特·摩根;保羅·巴納德;羅伯特·利婭
• 申請（專利權）人: 塞瑞斯知識產權有限公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/02;H01M8/06
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 王 旭

技術領域

本發明涉及燃料電池系統內的能量管理。具體地，本發明涉及燃料電 池系統內的熱交換系統和方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池(SOFC)系統通過將燃料流中所含的能量轉換成 可用的熱量和電力而有效工作。SOFC系統中的熱量回收通常是通過利用 熱交換器(例如，管殼式，板翅式以及微通道式)以各種流構造(多流 (multi-stream)，逆流，協流，交叉流)形式實現的。系統中的一些流體流是 液體，而一些是其中含有水蒸汽的氣體。SOFC系統效率可以將進入系統 的燃料流中含有的潛能與由系統產生的并且使用者可利用的總的可用熱 量和功率進行比較而獲得。總的SOFC系統效率是重要的，因為它影響 SOFC系統產品在選擇的應用市場中的商業生存能力。熱和電損耗在決定 總的SOFC系統效率方面是重要的。SOFC系統內的熱量和質量傳遞的管 理影響熱和電損耗的大小。

SOFC本身通過利用電化學過程將燃料中的能量轉換成熱量和電力而 工作。該過程的效率取決于數個因素，包括燃料電池燃料側的燃料濃度， 燃料電池空氣側的氧分壓，以及燃料電池的溫度。

為了工作，燃料電池以電化學反應方式消耗燃料和消耗空氣中的氧。 除了通過該反應產生電力外，在燃料電池活性區的區域中還通過電化學過 程產生額外的熱能。為了維持能量轉換過程，需要將燃料和空氣供應給燃 料電池并且需要將熱量從燃料電池移除。通常，由燃料電池反應產生的熱 量被部分消耗以將燃料電池本身及其周圍環境保持在工作溫度，并且剩余 熱量的大部分利用空氣流和/或燃料排出氣流從燃料電池移除。

通常，工作燃料電池消耗不了燃料流中的所有燃料，并且也消耗不了 空氣流中的所有氧。因為燃料電池沒有完全消耗燃料和空氣中的氧，所以 必須有從燃料電池活性區移除廢燃料流(通常稱作陽極廢氣)和改變了的空 氣流(通常稱作陰極廢氣)的方法。因此，將燃料供應至燃料電池活性區并 從燃料電池活性區移除，并且將空氣供應至燃料電池活性區和從燃料電池 活性區移除。

為了通過燃料電池實現有效的能量轉換，可以將燃料重整器包括在燃 料電池之前的燃料供應管線中，或者重整可以在燃料電池組的內部發生， 以在燃料氣體到達燃料電池前將烴基燃料重整成富氫流。

SOFC在規定的工作溫度，通常在規定的工作溫度附近的溫度范圍內 有效地工作。該有效工作溫度是典型地由燃料電池活性層中使用的材料的 類型設定的，例如對于YSZ為720-950℃，對于CGO為500-650℃。

對于SOFC，可以將引入的空氣和燃料流在所述流到達燃料電池活性 區之前加熱到燃料電池工作溫度附近。這提高了燃料電池的工作效率并且 減小了溫度梯度，因此減小熱應力，所述熱應力是在環境溫度流體與熱的 500-900℃燃料電池結構體接觸時燃料電池可能經受的。效率也由于將電 池的熱平衡改善為最佳的工作溫度范圍而得到提高。由于高的工作溫度， 燃料流在其接觸燃料電池活性區的點或其附近通常是氣體。

可以將熱能從由燃料電池活性區排出的氣體流(陽極和陰極廢氣)中取 出并且用于加熱進入燃料電池活性區的燃料和空氣流。這通常是通過以下 方式實現的：將燃料電池廢燃料流(其含有未使用的燃料形式的化學能)和 燃料電池廢空氣流混合，并且將得到的混合物在非常接近燃料電池組處燃 燒(如US5212023和EP1037296中所示)，并且利用通過該過程產生的熱量， 以經由熱交換器傳給引入的空氣流。

當向燃料電池系統供應烴燃料時，通常將燃料重整器放置在燃料電池 組之前的燃料流中，以促進烴燃料重整為以下組成部分：氫，二氧化碳， 一氧化碳和其他元素。有幾種適合于燃料電池用途的重整方法，這些方法 是已知的，因此此處不再詳述。典型的重整方法包括自熱重整(ATR)，蒸 汽重整(SR)，水煤氣-轉換重整(WGS)和部分氧化重整(POX或CPOX)。

總之，對于有效的重整器工作，有一些不需要將水添加到燃料流中來 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-水重整器類型，如CPOX，不要求水供應裝置成為燃料電池系統的 一部分。本領域技術人員應理解，這種非水添加系統所產生的在重整燃料 流中的氫濃度低于由水添加系統產生的氫濃度，該水添加系統產生更富含 氫的燃料流。