氢动力燃料电池系统和操作所述系统的方法技术方案

本申请涉及一种包含冷凝器的氢动力燃料电池系统和使用压力控制操作所述系统的方法。一种操作燃料电池动力系统的方法包含：将新氢燃料提供给动力模块，所述动力模块各自含有加热器和燃料电池的堆叠；将来自所述堆叠的含有氢和水的燃料排气提供给冷凝器；从所述燃料排气中去除水，以产生含有脱水的氢的再循环的燃料；以及对从所述冷凝器输出的所述再循环的燃料进行加压，并且将所述再循环的燃料再循环到所述动力模块。可以使去除的水在堆叠阴极排气中气化。中气化。中气化。

【技术实现步骤摘要】
氢动力燃料电池系统和操作所述系统的方法


[0001]本公开总体上涉及一种燃料电池系统，并且更具体地涉及一种具有用于从燃料排气中剔除水并且进行压力控制操作的冷凝器的氢动力燃料电池系统。

技术介绍

[0002]如固体氧化物燃料电池等燃料电池是可以将储存在燃料中的能量高效地转化为电能的电化学装置。高温燃料电池包含固体氧化物和熔融碳酸盐燃料电池。这些燃料电池可以使用氢和/或烃燃料来操作。存在一些燃料电池类别，如固体氧化物再生燃料电池，其也允许反向操作，使得可以使用电能作为输入将氧化的燃料还原为未氧化的燃料。

技术实现思路

[0003]根据各个实施例，一种动力系统包含：动力模块，所述动力模块各自包括加热器和产生燃料排气的燃料电池的堆叠；冷凝器，所述冷凝器被配置成从所述燃料排气中去除水以产生再循环的燃料；再循环歧管，所述再循环歧管被配置成接收来自所述动力模块的所述燃料排气，并且将所述燃料排气转移到所述冷凝器；再循环吹风机，所述再循环吹风机被配置成对从所述冷凝器输出的所述再循环的燃料加压；以及燃料供应歧管，所述燃料供应歧管被配置成将新燃料或所述新燃料与所述再循环的燃料的混合物提供给所述动力模块。
[0004]根据各个实施例，一种操作燃料电池动力系统的方法包含：将新氢燃料提供给动力模块，所述动力模块各自含有加热器和燃料电池的堆叠；将来自所述堆叠的含有氢和水的燃料排气提供给冷凝器；从所述燃料排气中去除水，以产生含有脱水的氢的再循环的燃料；以及对从所述冷凝器输出的所述再循环的燃料进行加压，并且将所述再循环的燃料再循环到所述动力模块。
附图说明
[0005]并入本文并构成本说明书的一部分的附图展示了本专利技术的示例实施例，并且与上文给出的总体描述和下文给出的详细描述一起用于解释本专利技术的特征。
[0006]图1是根据本公开的各个实施例的燃料电池动力模块的示意图。
[0007]图2A是根据本公开的各个实施例的包含图1的动力模块的动力系统的示意视图，并且图2B是示出燃料和连接到图2A的动力模块的燃料排气元件的放大示意视图。
[0008]图2C是根据本公开的各个实施例的示出燃料和可以可替代地连接到图2A的动力模块并且被配置成用于进行压力控制的排气元件的示意视图。
[0009]图2D是根据本公开的各个实施例的示出燃料供应和可以可替代地连接到图2A的动力模块并且被配置成用于压力控制的再循环模块组件的示意视图。
[0010]图3是根据本公开的各个实施例的包含图1的动力模块的动力系统的示意视图。
[0011]图4A是根据本公开的各个实施例的包含图1的动力模块的动力系统的示意视图。
[0012]图4B是根据本公开的各个实施例的示出替代性燃料供应和被配置成用于压力控
制操作并且可以在图4A的系统中使用的再循环元件的示意视图。
[0013]图5是根据本公开的各个实施例的图3的动力系统的另外的组件的简化示意视图。
[0014]图6是根据本公开的各个实施例的图2A的动力系统的另外的组件的简化示意视图。
具体实施方式
[0015]如本文所述，参考示例性实施例和/或附图描述了本公开的各个方面，在附图中说明了本专利技术的示例性实施例。然而，本专利技术可以以许多不同形式体现，并且不应被解释为限于图中所示或本文所述的示例性实施例。应当理解，所公开的各个实施例可以涉及结合所述具体实施例描述的具体特征、元件或步骤。还应理解，尽管关于一个具体实施例进行了描述，但具体特征、元件或步骤可以以各种未示出的组合或排列的形式与替代性实施例互换或组合。
[0016]将参考附图详细描述各个实施例。适当的时候，贯穿附图，将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。对具体实例和实施方案的参考是出于说明性目的并且不旨在限制本专利技术或权利要求的范围。
[0017]在本文中，范围可以表示为从“约”一个具体值和/或到“约”另一个具体值。当表达此范围时，实例包含从一个具体值和/或至另一个具体值。类似地，当通过使用先行词“约”或“基本上”将值表示为近似值时，应当理解，具体值形成另一方面。在一些实施例中，“约X”的值可以包含+/
‑
1％ X的值。应当进一步理解，每个范围的端点相对于另一个端点和独立于另一个端点都是重要的。
[0018]燃料电池系统，如固体氧化物燃料电池(SOFC)系统，可以使用氢或通过重整烃燃料，如丙烷或天然气操作，或者可以使用氢气操作。使用氢气操作的SOFC系统可以具有相对简化的结构，因为不需要燃料重整，并且可以以非常高的效率通过再循环阳极排气操作。具体地，氢燃料的SOFC系统的燃料利用效率可以为95％或更高。
[0019]图1是根据本公开的各个实施例的被配置成使用氢气(H2)操作的SOFC系统动力模块10的示意表示。参照图1，动力模块10包含热箱100以安置在其中或附近的各种组件。热箱100可以含有通过互连件分开的燃料电池，如固体氧化物燃料电池的堆叠110。堆叠110的固体氧化物燃料电池可以含有陶瓷电解质，如氧化钇稳定氧化锆(YSZ)、氧化钪稳定氧化锆(SSZ)、氧化钪和二氧化铈稳定氧化锆或氧化钪、氧化钇和二氧化铈稳定氧化锆、阳极电极，如镍
‑
YSZ、镍
‑
SSZ或掺杂镍二氧化铈金属陶瓷，以及阴极电极，如镧锶锰(LSM)。所述互连件可以是金属合金互连件，如铬铁合金互连件。堆叠110可以针对燃料内部地或外部地歧管化。
[0020]模块10还可以含有阳极回热器120热交换器、阴极回热器130热交换器和启动加热器150。在一些实施例中，动力模块10可以任选地包含阳极排气冷却器140和/或再循环吹风机232。模块10还可以包含主空气吹风机160(例如，系统吹风机)，所述主空气吹风机可以安置在热箱100的外部。然而，本公开不限于模块组件中的每个模块组件相对于热箱100的任何具体位置。
[0021]阳极回热器120通过燃料入口导管112接收来自燃料入口102的燃料(例如，H2)。燃料在阳极回热器120中通过从堆叠110输出的燃料排气(例如，阳极排气)而被加热，之后通
过堆叠燃料导管113提供给堆叠110。第一加热器导管152A可以将燃料入口102流体地连接到启动加热器150。第二加热器导管152B也可以将燃料入口102流体地连接到启动加热器150。因此，启动加热器150可以接收由第一加热器导管152A和第二加热器导管152B中的一或两个提供的燃料。导管112、152A和152B可以使用任何合适的流体连接器流体地连接到燃料入口102。例如，燃料入口导管112可以连接到燃料入口102，第一加热器导管152A可以在燃料入口102下游的第一双向分离器处连接到燃料导管112，并且第二加热器导管152B可以在第一双向分离器下游的第二双向分离器处连接到第一加热器导管152B，如图1所示。可替代地，单个三向分离器可以将来自燃料入口102的燃料分离到所有三个导管112、152A和152B中。还可以使用其它流体连接件以将燃料入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动力系统，其包括：动力模块，所述动力模块各自包括加热器和产生燃料排气的燃料电池的堆叠；冷凝器，所述冷凝器被配置成从所述燃料排气中去除水以产生再循环的燃料；再循环歧管，所述再循环歧管被配置成接收来自所述动力模块的所述燃料排气，并且将所述燃料排气转移到所述冷凝器；再循环吹风机，所述再循环吹风机被配置成对从所述冷凝器输出的所述再循环的燃料加压；以及燃料供应歧管，所述燃料供应歧管被配置成将新燃料或所述新燃料与所述再循环的燃料的混合物提供给所述动力模块。2.根据权利要求1所述的动力系统，其进一步包括压力调节器，所述压力调节器被配置成控制提供给所述动力模块的所述新燃料的压力或所述新燃料与所述再循环的燃料的所述混合物的压力，其中所述系统缺乏质量流量控制器或质量流量控制阀。3.根据权利要求1所述的动力系统，其进一步包括至少一个容纳所述动力模块的柜，其中所述冷凝器安置在所述至少一个容纳所述动力模块的柜的外部。4.根据权利要求1所述的动力系统，其进一步包括：各自容纳多个所述动力模块的分开的成排的柜；以及再循环模块外壳，所述再循环模块外壳安置在所述成排的柜的外部并且容纳所述冷凝器和所述再循环吹风机，其中所述再循环歧管将每个排的柜的所述动力模块流体地连接到所述再循环模块。5.根据权利要求1所述的动力系统，其进一步包括氢燃料供应，所述氢燃料供应通过燃料供应导管流体地连接到所述燃料供应歧管，其中所述新燃料包括从所述燃料供应接收到的氢(H2)，并且所述再循环的燃料包括脱水的氢。6.根据权利要求5所述的动力系统，其中：所述堆叠包括固体氧化物燃料电池堆叠；并且所述再循环吹风机被配置成将所述再循环的燃料加压到范围为约1磅每平方英寸表压psig至约2psig的压力，并且将经加压的再循环的燃料提供给所述燃料供应歧管。7.根据权利要求5所述的动力系统，其中所述动力系统进一步包括：流量控制阀，所述流量控制阀安置在所述燃料供应歧管和所述再循环歧管上；以及系统控制器，所述系统控制器被配置成基于所述动力系统的操作模式控制所述流量控制阀，其中：在启动模式期间，所述系统控制器被配置成控制所述流量控制阀，使得所述燃料供应歧管将所述新燃料供应给所述加热器；并且在全电力稳态模式期间，所述系统控制器被配置成控制所述流量控制阀，使得所述燃料供应歧管将所述新燃料与所述再循环的燃料的所述混合物供应给所述堆叠，并且不将燃料供应给所述加热器。8.根据权利要求7所述的动力系统，其中所述加热器各自包括加热燃料入口和点火燃料入口，所述加热燃料入口和所述点火燃料入口流体地连接到所述燃料供应歧管。9.根据权利要求8所述的动力系统，其进一步包括吹扫导管，所述吹扫导管将所述燃料
供应导管流体地连接到所述再循环歧管或再循环导管，所述再循环导管将所述再循环歧管流体地连接到所述冷凝器，其中在所述启动模式期间，所述系统控制器被配置成控制所述流量控制阀，使得通过所述再循环吹风机吹扫所述堆叠中的空气，从而将所述新燃料通过所述再循环导管和主燃料入口提供给所述堆叠。10.根据权利要求8所述的动力系统，其进一步包括第一流量控制孔口，所述第一流量控制孔口位于所述燃料供应歧管与所述点火燃料入口之间，其中：所述流量控制孔口被配置成使提供给所述点火燃料入口的所述新燃料的流速低于提供给所述加热燃料入口的流速；在所述启动模式期间，所述系统控制器被配置成控制所述流量控制阀，使得所述燃料供应歧管初始地将所述新燃料通过所述点火燃料入口供应给所述加热器，以点燃所述加热器中的燃料与空气的混合物，并且然后将所述新燃料通过所述加热燃料入口供应给所述加热器，以加热所述动力系统；在低电力稳态模式期间，所述系统控制器被配置成控制所述流量控制阀，...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：博隆能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：