燃料电池单元及系统的热管理技术方案

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。趣的。趣的。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池单元及系统的热管理
[0001]本申请是申请号为201580063118.1、申请日为2015年9月21日、专利技术名称为“燃料电池单元及系统的热管理”的PCT国际专利技术专利申请的分案申请。


[0002]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。

技术介绍

[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]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。
[0008]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。
[0009]另一特征是本教导的燃料电池系统可以被设计成利用从燃料电池单元排出的热量。当加热的排出流体被释放到隔热区域内时，热量可被用于加热隔热区域内的燃料电池单元的部件。例如，燃料电池单元可以具有位于隔热区域内的蒸发器，并且隔热区域内的排出流体的热量可帮助预热进入蒸发器之前的流体可重整燃料和流体流，以及帮助维持蒸发器的操作温度。在加热的排出流体被释放到隔热区域外的情况下，来自两个或多个燃料电池单元的排出流可以被合并，例如，指向彼此，并且用于加热燃料电池或者热电联合系统的其他部件，例如介于各燃料电池单元的各隔热区域之间的那些部件。换句话说，加热的排出流体可以被合并，并在两个或多个燃料电池单元之间生成热区。此外，加热的排出流体可以与和燃料电池单元或系统相关联的液体换热板或者液体换热夹套接触，以捕获和控制热环境。
[0010]又一个特征是本教导的燃料电池单元可以被设计成优选通过和/或从燃料电池单元的至少一个面、或者面的部段、或者一个表面传热，其中级别降低的热绝缘部可以与燃料电池单元的至少一个面或其部段或者一个表面接触、接近、和/或热连通。保持结构可以根据需要将包括级别降低的热绝缘部在内的热绝缘部紧固在燃料电池单元周围。该保持结构通常是导热材料，并且可以是板形，诸如金属板或者“板金属”。保持结构可以是或者包括碳纤维。包括热绝缘部和/或保持结构的燃料电池单元可以位于热调节区域或者隔热区域内。以类似的方式，燃料电池单元的一个以上的面或其部段或一个表面、或者热调节区域可以与级别降低的热绝缘部相关联。
[0011]同样，燃料电池和/或隔热区域的阵列可以使一个或多个面或其部段或表面与级别降低的热绝缘部相关联，以优选沿着该燃料电池单元的阵列间传热。例如，来自两个或更多燃料电池单元和/或热调节区域的热量可以优选传向彼此，或者在燃料电池单元和/或热调节区域之间传递，以在各单元和/或区域之间产生热区。热绝缘部可以包括固体热绝缘部和/或流体热绝缘部。热调节区域可以包括温度调节流体入口和一个或多个排出口。正气体压力源可以与温度调节流体入口以及重整器、燃料电池堆和补燃器中的一个或多个可操作地流体连通。
[0012]本教导的又一个特征是燃料电池堆和/或补燃器之类的燃料电池单元的一个或多个部件可以与液体换热板或者液体换热夹套热连通，以便于从燃料电池单元的这些部件传热，并且有助于其热管理和燃料电池系统的热管理。在特定的实施方式中，液体换热夹套或者液体换热板可以是燃料电池单元及其相关联的热绝缘部的保持结构。例如，诸如级别降低的热绝缘部之类的热绝缘部可以与液体换热夹套或者液体换热板接触。
[0013]本教导的又一特征和优势是存在于液体换热板或者液体换热夹套中的加热的换热液体可以因各种目的被引导或者输送，并且可以保存系统的能量以有效使用。例如，由于排出流可以更冷并且需要较少的稀释，使用液体换热板或者液体换热夹套来冷却燃料电池单元可以允许减量或者较少的阴极空气流过或者被送过该系统。
[0014]另外，本教导的各特征的组合可以包括与燃料电池单元的一个或多个面或表面相关联(例如热连通)的液体换热板或者液体换热夹套，其中燃料电池单元与级别降低的热绝缘部相关联，从而将热量优选从燃料电池单元(从或者通过与级别降低的热绝缘部的一个或多个面或表面)传递到换热液体。此类方案以及此处描述的其他方案可以允许热敏感部件和结构(例如电子元器件和设备辅助部件)位于燃料电池或热电联合系统的温度较低(较冷)的区域中。
[0015]本教导的其他特征包括共用的(可重整的)燃料源管道，允许多个燃料电池单元，例如它们的重整器和/或蒸发器，连接或者耦接到该燃料源管道上，和/或共用的液体换热管道，允许各燃料电池单元的多个换热板或夹套连接或者耦接到该液体换热管道上。在这一设计中，燃料电池单元在包括可互换的加热器单元的多燃料电池单元系统或者热电联合系统内可易于互换。此外，阀门组件、传感器组件和/或包括控制器在内的控制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统，其至少包括第一燃料电池单元和第二燃料电池单元，其中每个燃料电池单元包括：重整器；与重整器可操作地流体连通的燃料电池堆；以及与燃料电池堆可操作地流体连通的补燃器，其中，级别降低的热绝缘部与第一燃料电池单元和/或第二燃料电池单元的至少一个面、面的部段、或一个表面接触、邻近和/或热连通，从而增加通过和/或从该至少一个面、面的该部段、或一个表面的传热。2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，该级别降低的热绝缘部与接触、邻近和/或热连通第二燃料电池单元的至少一个面、面的部段或一个表面的级别降低的热绝缘部相对。3.如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括第三燃料电池单元，其中第一燃料电池单元、第二燃料电池单元和第三燃料电池单元串联，第一燃料电池单元的级别降低的热绝缘部和第二燃料电池单元的级别降低的热绝缘部相对，并且接触、邻近和/或热连通第二燃料电池单元的第二面或表面的级别降低的热绝缘部与接触、邻近和/或热连通第三燃料电池单元的至少一个面、面的部段或一个表面的级别降低的热绝缘部相对。4.如权利要求3所述的燃料电池系统，包括与第二燃料电池单元的第三面或表面接触、邻近、和/或热连通的级别降低的热绝缘部。5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，第一燃料电池单元、第二燃料电池单元和第三燃料电池单元限定第一组燃料电池单元；该系统还包括第二组燃料电池单元，其中，第二组燃料电池单元基本上类似于第一组燃料电池单元并且定位成使得第一组燃料电池单元中的第二燃料电池单元的第三面与第二组燃料电池单元中的第二燃料电池单元的第三面相对。6.如权利要求1
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5中任一项所述的燃料电池系统，其中，第一燃料电池单元、第二燃料电池单元和当存在时的第三燃料电池单元中的至少一个位于隔热区域或者热调节区域内，隔热区域或者热调节区域包括温度调节流体入口以及一个或多个排出流体出口。7.如权利要求6所述的燃料电池系统，包括与温度调节流体入口以及重整器、燃料电池堆和补燃器中的一个或多个可操作地流体连通的正气压源。8.如权利要求1
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7中任一项所述的燃料电池系统，其中，第一燃料电池单元和第二燃料电池单元中的每一个独立地包括：阴极空气管道，其与燃料电池堆的阴极可操作地流体连通并且被构造成将阴极空气输送到阴极；阳极反应物管道，其与燃料电池堆的阳极可操作地流体连通并且被构造成将阳极空气、氧化剂以及可重整燃料中的一种或多种输送到阳极；以及排出管道，其与补燃器热连通并且可操作地流体连通，并且被构造成从补燃器中排出加热的补燃器燃烧产物。9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中，排出管道包括上游端和下游端，并且排出管道的下游端终止于隔热区域或者热调节区域内。
10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中，第一燃料电池单元和第二燃料电池单元中的每一个独立地包括与加热的补燃器燃烧产物热连通并且与重整器可操作地流体连通的蒸发器。11.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中，排出管道包括上游端和下游端，并且排出管道的下游端终止于隔热区域或热调节区域外。12.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，第一燃料电池单元的排出管道的下游端指向第二燃料电池单元的排出管道的下游端，从而来自每个燃料电池单元的排出流被构造成合并。13.如权利要求6
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12中任一项所述的燃料电池系统，其中，隔热区域或热调节区域由固态热绝缘部、流体热绝缘部或其组合限定。14.如权利要求1
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13中任一项所述的燃料电池系统，包括与第一燃料电池单元和/或第二燃料电池单元的级别降低的热绝缘部热连通的液体换热板或者液体换热夹套，从而通过和/或从至少一个面、至少一个面的部段、或一个表面优选地传热至液体换热板或者液体换热夹套中的换热液体。15.如权利要求14中任一项所述的燃料电池系统，其中，液体换热板或者液体换热夹套包括液体换热出口，并且该液体换热出口与液液换热器、液气换热器和空气调节系统中的一个或多个流体连通。16.一种燃料电池系统，包括燃料电池单元，其中燃料电池单元包括：重整器；与重整器可操作地流体连通的燃料电池堆；以及与燃料电池堆可操作地流体连通的补燃器，其中燃料电池单元位于隔热区域内，隔热区域包括温度调节流体入口以及一个或多个排出流体出口，以及与温度调节流体入口以及重整器、燃料电池堆和补燃器中的一个或多个可操作地流体连通的正气体压力源。17.如权利要求16所述的燃料电池系统，其中，燃料电池系统包括第一燃料电池单元和第二燃料电池单元，其中第一燃料电池单元和第二燃料电池单元独立地包括如权利要求1所述的燃料电池单元。18.如权利要求16或17所述的燃料电池系统，其中，燃料电池单元包括或者第一燃料电池单元和第二燃料电池单元中的每一个独立地包括：阴极空气管道，其与燃料电池堆的阴极可操作地流体连通并被构造成将阴极空气输送到阴极；阳极反应物管道，其与燃料电池堆的阳极可操作地流体连通并被构造成将阳极空气、氧化剂和可重整燃料中的一种或多种输送到阳极；以及排出管道，其与补燃器热连通并且可操作地流体连通，并且被构造成从补燃器中排出加热的补燃器燃烧产物。19.如权利要求18所述的燃料电池系统，其中，排出管道包括上游端和下游端，并且排出管道的下游端终止于隔热区域内。20.如权利要求19所述的燃料电池系统，其中，燃料电池单元包括或者第一燃料电池单
元和第二燃料电池单元中的每一个独立地包括：与加热的补燃器燃烧产物热连通并且与重整器可操作地流体连通的蒸发器。21.如权利要求18所述的燃料电池系统，其中，排出管道包括上游端和下游端，并且排出管道的下游端终止于隔热区域外。22.如权利要求21所述的燃料电池系统，其中，燃料电池系统包括第一燃料电池单元和第二燃料电池单元，并且第一燃料电池单元的排出管道的下游端指向第二燃料电池单元的排出管道的下游端，从而来自每个燃料电池单元的排出流被构造成合并。23.如权利要求16
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22中任一项所述的燃料电池系统，其中，隔热区域包括固体热绝缘部、流体热绝缘部或其组合。24.如权利要求16
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23中任一项所述的燃料电池系统，其中，隔热区域由固体热绝缘部、流体热绝缘部或其组合限定。25.一种燃料电池系统，至少包括第一燃料电池单元和第二燃料电池单元，其中每个燃料电池单元独立地包括：重整器；与重整器可操作地流体连通的燃料电池堆；与燃料电池堆可操作地流体连通的补燃器；以及与补燃器热连通并且可操作地流体连通的排出管道，其中该排出管道包括上游端和下游端，并且第一燃料电池单元的排出管道的下游端指向第二燃料电池单元的排出管道的下游端，从而来自每个燃料电池单元的排出流被构造成合并。26.如权利要求25所述的燃料电池系统，包括位于第一燃料电池单元和第二燃料电池单元之间的正气体压力源，并且该正气体压力源与来自每个燃料电池单元的排出流可操作地流体连通，从而能够移动排出流。27.如权利要求25或26所述的燃料电池系统，其中，每个燃料电池单元的排出管道被构造成将加热的补燃器燃烧产物从补燃器排出至蒸发器和液体源中的至少一个。28.如权利要求27所述的燃料电池系统，其中，蒸发器和液体源中的至少一个位于第一燃料电池单元和第二燃料电池单元之间的通道中，并且排出管道被构造成将加热的补燃器燃烧产物从补燃器排出至该通道中。29.如权利要求26
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28中任一项所述的燃料电池系统，还包括与排出管道和通道流体连通的两个或更多个正气体压力源，并且所述两个或更多个正气体压力源被独立地构造成控制排出流从排出管道输送到通道中。30.一种燃料电池单元，包括：重整器；与重整器可操作地流体连通的燃料电池堆；与燃料电池堆可操作地流体连通的补燃器；以及与补燃器热连通并且与重整器可操作地流体连通的蒸发器，其中燃料电池单元位于隔热区域内，隔热区域包括温度调节流体入口以及一个或多个排出流体出口，以及与温度调节流体入口以及蒸发器、重整器、燃料电池堆和补燃器中的一个或多个可操
作地流体连通的正气体压力源。31.如权利要求30所述的燃料电池单元，其中，燃料电池单元包括：与燃料电池堆的阴极可操作地流体连通的阴极空气管道；与蒸发器可操作地流体连通的阳极空气管道；和与蒸发器可操作地流体连通的可重整燃料管道。32.如权利要求31所述的燃料电池单元，包括与补燃器热连通且可操作地流体连通、并且与阳极空气管道和蒸发器热连通的排出管道。33.如权利要求16
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32中任一项所述的燃料电池系统，包括：与燃料电池单元的或第一燃料电池单元和第二燃料电池单元中的独立的每一个的重整器、燃料电池堆、和补燃器中的一个或多个热连通的液体换热板或者液体换热夹套。34.如权利要求14、15和33中的一项所述的燃料电池系统，其中，液体换热板或者液体换热夹套包围重整器、燃料电池堆和补燃器中的一个或多个。35.如权利要求33或34所述的燃料电池系统，其中，液体换热板或液体换热夹套包括接口，该接口被构造成将液体换热板或者液体换热夹套连接至燃料电池系统的共用的液体换热管道。36.如权利要求35所述的燃料电池系统，其中，液体换热板或液体换热夹套和共用的液体换热管道之间的接口包括阀组件，该阀组件包括快速连接阀、固定节流孔以及比例阀中的一个或多个，其中当存在时，快速连接阀、固定节流孔以及比例阀中的每一个被构造成在液体换热板或者液体换热夹套和共用的液体换热管道之间提供可操作的流体连通。37.如权利要求1
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36中任一项所述的燃料电池系统，其中，燃料电池单元的重整器或...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯恩，
申请(专利权)人：瓦特燃料电池公司，
类型：发明
国别省市：