燃料电池系统技术方案

一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，燃料电池堆包括至少一个燃料电池并具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口和阴极废气出口。燃料电池系统还包括重整器，用于将燃料重整为重整产物，所述重整器包括用于接收阳极入口气体的重整器入口、用于排出阳极入口气体的重整器出口、重整器热交换器，以及用于提供热源气体的热源。燃料电池系统还包括一条从所述热源到所述重整器热交换器再到预热器热交换器的热源气体主流体流动路径，以及一条从所述重整器热交换器上游的所述热源气体主流体流动路径上分流的热源气体旁通流体流动路径，且该热源气体旁通流体流动路径被布置成使一部分所述热源气体绕开所述重整器转向所述预热器热交换器。器。器。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池系统


[0001]本技术涉及燃料电池系统。

技术介绍

[0002]燃料电池、燃料电池堆、燃料电池堆组件以及热交换器系统、布置和方法的教导为本领域普通技术人员所熟知，并且特别包括WO2008/015461、WO2008/053213、WO2008/104760、WO2008/132493、WO2009/090419、WO2010/020797、WO2010/061190、WO2015/004419A1以及R.J.Braun,S.A.Klein&D.T.Reindl发表在Journal of Power Sources(第158卷，第2期，2006年8月25日，第1290
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1305页)上的“Evaluation of system configurations for solid oxide fuel cell
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based micro
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combined heat and power generators in residential applications(住宅用固体氧化物燃料电池微组合式热电联产器的系统配置评估)”，这些文献的全部内容通过引用并入本文。必要时可在上述出版物中找到本文所用术语的定义。
[0003]运行中的碳氢燃料电池系统，例如，SOFC(固体氧化物燃料电池)系统运行，其中燃料电池堆在450℃
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650℃的范围内运行(中温固体氧化物燃料电池；IT
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SOFC)，尤其是在520℃<br/>‑
620℃的温度范围内运行，会导致一系列具有挑战性的技术问题。
[0004]在此类系统中，在重整器处的蒸汽重整通常用于将碳氢燃料流(诸如，天然气)转化为富氢重整产物流，此重整产物流被馈送到燃料电池堆阳极入口。J.Braun、S.A.Klein&amp;D.T.Reindl的出版物中公开了一种这样的系统(如图1所示)，其中碳氢燃料在被输送到电池组的阳极入口之前被重整为富氢重整产物流。在此类系统中，燃料电池排出的气体用于提供重整器将碳氢燃料重整的加热需求。
[0005]燃料电池系统的典型稳态运行(见图1)包括向重整器134供应天然气(诸如，甲烷)，以将其重整为用于燃料电池堆105的燃料。在运行期间，向重整器提供通过燃烧燃料电池排出的气体——来自燃料电池的燃料侧(阳极120)和空气侧(阴极110)的排气产生的热量，以促进重整器内的重整反应。产生的富氢重整产物随后被馈送到燃料电池堆阳极入口126。来自重整器的多余热量可用于向燃料电池系统的其他部件提供热量。例如，多余的热量可以提供给紧邻重整器下游的蒸汽发生器137，蒸汽发生器137被布置成为重整器提供过热蒸汽。
[0006]除了重整器之外，这些系统中的一些系统还使用部分氧化(POX)反应器从碳氢燃料供应中产生富氢流，以输送到阳极入口。JP2012243564就是这种系统的一个示例，其中在POX反应器中使用氧化剂使碳氢燃料供应被部分氧化，以产生分子氢和一氧化碳。在JP2012243564中，POX反应器的输出被馈送到蒸汽重整器中，随后被馈送到堆叠的阳极入口。
[0007]除了向燃料电池供应氢之外，还需要确保燃料电池内发生的化学过程保持在合适的温度。调节燃料电池内部温度的常规方法是通过控制入口空气的温度和燃料电池阴极侧的流速。在图1的示例中，来自重整器134的多余热量也被提供给紧邻蒸汽发生器137下游的
预热器162，预热器162被布置成在空气被馈送到燃料电池堆阴极入口131之前将空气加热。
[0008]在排气燃烧为重整器和燃料电池阴极侧提供热量的燃料电池系统中，必须使燃烧气体的排气量与用于加热重整器和燃料电池的阴极侧的热量的比例达到热平衡。未能实现所述热平衡会导致燃料电池在阳极和阴极之间具有较大的热梯度。燃料电池上的较大热梯度会阻止燃料电池的最佳运行，尤其是当燃料电池以同流构型运行时(其中燃料和氧化剂均以相同的方向流过它们各自的燃料电池侧)。
[0009]本技术致力于解决、克服或减轻现有技术的至少一个缺点。

技术实现思路

[0010]根据本技术，提供了所附独立权利要求中限定的燃料电池系统。进一步优选的特征在所附从属权利要求中限定。
[0011]根据本技术的第一方面，提供了一种燃料电池系统，包括：
[0012](i)至少一个燃料电池堆，所述燃料电池堆包括至少一个燃料电池并具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口、阴极废气出口，并且设有用于阳极入口气体、阴极入口气体、阳极废气以及阴极废气的流动的单独流动路径；
[0013](ii)重整器，用于将燃料重整为重整产物，所述重整器包括用于接收阳极入口气体的重整器入口、用于排出阳极入口气体的重整器出口，以及重整器热交换器；
[0014](iii)预热器，用于将阴极入口气体加热，所述预热器包括用于接收阴极入口气体的预热器入口、用于排出阴极入口气体的预热器出口，以及预热器热交换器；以及
[0015](iv)热源，用于提供热源气体；
[0016]并且设有：
[0017](a)从燃料源到所述重整器再到所述至少一个燃料电池堆的阳极入口的阳极入口气体流体流动路径；
[0018](b)从所述至少一个燃料电池堆的阳极废气出口到燃料电池系统排气口的阳极废气流体流动路径；
[0019](c)从阴极入口气体源到所述预热器再到所述至少一个燃料电池堆的阴极入口的阴极入口气体流体流动路径；
[0020](d)从所述至少一个燃料电池堆的阴极废气出口到所述燃料电池系统排气口的阴极废气流体流动路径；
[0021](e)从所述热源到所述重整器热交换器再到所述预热器热交换器的热源气体主流体流动路径；以及
[0022](f)热源气体旁通流体流动路径，其从所述重整器热交换器上游的所述热源气体主流体流动路径分流，并被布置成使一部分所述热源气体绕开所述重整器转向所述预热器热交换器；
[0023]其中，所述重整器热交换器被布置成用于在所述阳极入口气体与所述热源气体之间进行热交换；并且其中，所述预热器热交换器被布置成用于在所述阴极入口气体与所述热源气体之间进行热交换。
[0024]所述热源气体旁通流体流动路径从所述重整器热交换器上游的所述热源气体主流体流动路径分流或分开，从而使一部分所述热源气体绕开所述重整器并在此部分内保留
一部分更高等级的热量。所述热源气体旁通流体流动路径用于绕过(避开)所述重整器热交换器。所述热源气体旁通流体流动路径可以与所述重整器热交换器下游和所述预热器热交换器上游的热源气体主流体流动路径重新合并。
[0025]所述热源气体旁通流体流动路径可以由旁通管道限定，所述旁通管道可以在位于所述热源与所述重整器热交换器之间的旁通入口处与热源气体主流体流动通道(限定所述热源气体主流体流动路径)相交(或接合)。所述旁通管道可以在位于所述重整器热交换器与所述预热器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：(i) 至少一个燃料电池堆，所述燃料电池堆包括至少一个燃料电池并具有阳极入口、阴极入口、阳极废气出口、阴极废气出口，并且设有用于阳极入口气体、阴极入口气体、阳极废气以及阴极废气的流动的单独流动路径；(ii) 重整器，用于将燃料重整为重整产物，所述重整器包括用于接收阳极入口气体的重整器入口、用于排出阳极入口气体的重整器出口，以及重整器热交换器；(iii) 预热器，用于将阴极入口气体加热，所述预热器包括用于接收阴极入口气体的预热器入口、用于排出阴极入口气体的预热器出口，以及预热器热交换器；以及(iv) 热源，用于提供热源气体；并且设有：(a) 从燃料源到所述重整器再到所述至少一个燃料电池堆的阳极入口的阳极入口气体流体流动路径；(b) 从所述至少一个燃料电池堆的阳极废气出口到燃料电池系统排气口的阳极废气流体流动路径；(c) 从阴极入口气体源到所述预热器再到所述至少一个燃料电池堆的阴极入口的阴极入口气体流体流动路径；(d) 从所述至少一个燃料电池堆的阴极废气出口到所述燃料电池系统排气口的阴极废气流体流动路径；(e) 从所述热源到所述重整器热交换器再到所述预热器热交换器的热源气体主流体流动路径；以及(f) 热源气体旁通流体流动路径，其从所述重整器热交换器上游的所述热源气体主流体流动路径分流，并被布置成使一部分所述热源气体绕开所述重整器转向所述预热器热交换器；其中，所述重整器热交换器被布置成用于在所述阳极入口气体与所述热源气体之间进行热交换；并且其中，所述预热器热交换器被布置成用于在所述阴极入口气体与所述热源气体之间进行热交换。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：转向所述热源气体旁通流体流动路径的所述热源气体部分是被动控制的。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于：所述热源气体旁通流体流动路径的至少一部分具有比所述热源气体主流体流动路径小的横截面。4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于：还包括旁通入口和旁通出口；所述旁通入口接入所述热源与所述重整器热交换器之间的所述热源气体主流体流动路径；所述旁通出口接入所述重整器热交换器与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：理查德，
申请(专利权)人：赛瑞斯知识产权有限公司，
类型：新型
国别省市：