包含空气入口挡板的燃料电池系统及其操作方法技术方案

本申请涉及包含空气入口挡板的燃料电池系统及其操作方法。一种燃料电池系统包含：燃料电池堆；阴极同流换热器，其经配置以使用从所述电池堆输出的阴极排气加热空气；以及空气入口挡板，其安置于所述阴极同流换热器与所述电池堆之间且含有沿着竖直方向分离且经配置以将从所述阴极同流换热器输出的受热空气提供到所述电池堆的多个区域的至少两行孔口。供到所述电池堆的多个区域的至少两行孔口。供到所述电池堆的多个区域的至少两行孔口。

【技术实现步骤摘要】
包含空气入口挡板的燃料电池系统及其操作方法


[0001]本专利技术的各方面涉及电化学电池系统，且更具体地说，涉及包含具有孔口的空气入口挡板的燃料电池系统。

技术介绍

[0002]诸如固体氧化物燃料电池之类的燃料电池是可将储存在燃料中的能量高效地转换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。这些燃料电池可使用氢气和/或烃类燃料操作。存在各种燃料电池，例如固体氧化物再生型燃料电池，其还允许反转操作，使得氧化燃料可使用电能作为输入还原成未氧化燃料。

技术实现思路

[0003]根据各种实施例，一种燃料电池系统包含：燃料电池堆；阴极同流换热器，其经配置以使用从所述电池堆输出的阴极排气加热空气；及空气入口挡板，其安置于所述阴极同流换热器与所述电池堆之间且含有沿着竖直方向分离且经配置以将从所述阴极同流换热器输出的受热空气提供到所述电池堆的多个区域的至少两个孔口行。
[0004]根据各种实施例，一种操作燃料电池系统的方法，其包括：将受热空气和燃料提供到燃料电池堆；以稳态模式操作所述电池堆以输出燃料排气和出风；将所述燃料排气和所述出风提供到阳极尾气氧化器以氧化所述燃料排气；将来自所述阳极尾气氧化器的排气提供到阴极同流换热器；将空气提供到所述阴极同流换热器；使用来自所述阳极尾气氧化器的所述排气加热所述空气以将来自所述阴极同流换热器的受热空气输出到空气入口挡扳上，所述空气入口挡板安置于所述阴极同流换热器与所述电池堆之间且包括沿着竖直方向分离的至少两个孔口行；及通过所述至少两个孔口行将所述受热空气提供到所述电池堆的多个区域。
附图说明
[0005]并入本文并且构成本说明书的一部分的附图示出了本专利技术的实例实施例，并且与上文给出的一般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为根据本公开各种实施例的燃料电池系统的示意图。
[0007]图2A为根据本公开的各种实施例的展示图1的系统的热箱的组件的截面视图，图2B展示图2A的系统的放大部分，图2C为图2A的系统的中心柱的三维剖视图，且图2D为安置于图2A的系统的中心柱下方的阳极轮毂结构的透视图。
[0008]图3A到3C为根据本公开的各种实施例的展示穿过图2A的系统的中心柱的燃料和空气流的截面视图。
[0009]图4A为展示安置于阴极同流换热器内部的空气入口挡板的横截面图，图4B为展示穿过阴极同流换热器、电池堆和中心柱的空气和排气流的简化部分横截面图，且图4C为图4A的空气入口挡板的侧视图。
[0010]图5为展示在不包含空气入口挡板的比较性燃料电池系统中从阴极同流换热器500到电池堆的空气分布的简化横截面图。
[0011]图6为展示在包含如图4A所示的空气入口挡板的燃料电池系统中操作的以51安培操作的寿命初期(BOL)电池堆的电池燃料分布(CFD)预测平均竖直温度分布的曲线图。
[0012]图7为展示来自CFD的平均竖直燃料利用率分布的曲线图，其对应于在51安培BOL操作条件下测试的电池堆的热分布。
[0013]图8为展示在包含如图4A所示的空气入口挡板的燃料电池系统中操作的以51安培操作的寿命初期(BOL)电池堆和以66安培操作的寿命中期(MOL)电池堆(例如，退化的电池条件)的平均竖直温度分布的曲线图。
具体实施方式
[0014]如本文中所阐述，参考示例性实施例和/或其中示出了本专利技术的示例性实施例的附图描述了本公开的各个方面。然而，本专利技术可以按许多不同形式实施，并且不应被解释为限于附图中所展示或本文中所描述的示例性实施例。应了解，各种所公开实施例可涉及结合所述特定实施例描述的特定特征、元件或步骤。还应了解，尽管关于一个特定实施例描述了特定特征、元件或步骤，但其可以在各种未图示的组合或排列中与替代实施例互换或组合。
[0015]将参考附图详细描述各种实施例。在可能的情况下，将在整个附图中使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。对特定实例和实施方案作出的参考是出于说明性目的，且并不意图限制本专利技术或权利要求书的范围。
[0016]在本文中，范围可以表示为从“约”一个特定值和/或到“约”另一个特定值。当表示此类范围时，实例包含从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当值通过使用先行词“约”或“基本上”表示为近似值时，应理解，特定值形成另一方面。在一些实施例中，“约X”的值可包含+/
‑
1％ X的值。应进一步理解，每一范围的端点相对于另一端点和独立于另一端点都是重要的。
[0017]在固体氧化物燃料电池(SOFC)系统中，一或多个燃料电池堆可具备空气和燃料以便生成电力。在操作期间，电池堆可由于电池发热、由于传入空气的对流冷却和/或电池堆和/或其它系统组件之间的辐射耦合而产生竖直温度梯度。举例来说，在电池堆的顶部和/或底部的燃料电池可具有比在电池堆中间的电池更低的温度，和/或在电池堆中间的电池可被过度冷却或加热。过度的竖直温度梯度可能导致电压性能降低、热应力、电池退化和燃料输送不均匀，这可能降低总体系统性能和/或效率。这甚至可能导致燃料不足和电池堆中一些燃料电池的相关故障。因此，本公开的实施例提供含有穿孔空气入口挡板的SOFC系统，所述穿孔空气入口挡板改善了电池堆温度变化，并且有助于优化竖直电池堆温度分布，以使燃料流均匀地流向电池堆中的各个电池。
[0018]图1为根据本公开的各种实施例的SOFC系统10的示意图。参看图1，系统10包含热箱100和安置于热箱中或邻近于热箱的各个组件。热箱100可含有电池堆102，其含有交替燃料电池(例如，固体氧化物燃料电池)和互连件。电池堆102的一个固体氧化物燃料电池含有陶瓷电解质，例如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)、氧化钪和二氧化铈稳定的氧化锆或氧化钪、氧化钇和二氧化铈稳定的氧化锆；阳极电极，例如镍
‑
YSZ、镍
‑
SSZ或镍掺杂的二氧化铈金属陶瓷；以及阴极电极，例如亚锰酸锶镧(LSM)。互连件可为金属合金互连件，例如铬
‑
铁合金互连件。电池堆102可在内部或外部并联以用于燃料。
[0019]热箱100还可含有阳极同流换热器热交换器110、阴极同流换热器热交换器500、阳极尾气氧化器(ATO)150、阳极排气冷却器热交换器140、分离器158、涡流发生器159和水喷射器160。系统10还可包含催化部分氧化(CPOx)反应器200、混合器210、CPOx风机204(例如空气风机)、主空气风机208(例如，系统风机)和阳极再循环风机212，它们可安置于热箱100的外部。然而，本公开不限于每一组件相对于热箱100的任何特定位置。
[0020]CPOx反应器200经由燃料管道300A从燃料入口300接收燃料入口流。燃料入口300可为燃料箱或公用天然气管线，其包含用于控制提供到CPOx反应器200的燃料的量的阀。CPOx风机204可在系统启动期间将空气提供到CPOx反应器200。燃料和/或空气可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统，其包括：燃料电池堆；阴极同流换热器，其经配置以使用从所述电池堆输出的阴极排气加热空气；以及空气入口挡板，其安置于所述阴极同流换热器与所述电池堆之间，且包括沿着竖直方向分离且经配置以将从所述阴极同流换热器输出的受热空气提供到所述电池堆的多个区域的至少两个孔口行。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中在所述系统的稳态操作期间，所述空气入口挡板经配置以控制所述电池堆的竖直温度分布，使得燃料电池之间的温度变化为40℃或更低。3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中在所述系统的稳态操作期间，所述空气入口挡板经配置以控制所述电池堆的所述竖直温度分布，使得所述电池堆中的所述燃料电池中的任一者的最大燃料利用率比所述燃料电池堆的平均燃料利用率高约1％或更小。4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中在所述系统的所述稳态操作期间，所述燃料电池具有在86％到91％的范围内的燃料利用率，且所述燃料电池包括固体氧化物燃料电池。5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中：所述孔口是穿过所述空气入口挡板中直径在5mm到15mm范围内的实心板部分的穿孔；且每一行中的邻近孔口由在5mm到15mm范围内的中心到中心距离分离。6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中：所述空气入口挡板为圆柱形的；所述阴极同流换热器包括环形空气出口，其经配置以在水平方向上朝向所述电池堆输出所述受热空气；且所述空气入口挡板经配置以竖直地偏转从所述环形空气出口输出的所述受热空气。7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中：所述孔口布置成围绕所述空气入口挡板的圆周延伸的阵列；且每一阵列包括至少两行所述孔口。8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中：所述孔口布置成第一阵列、第二阵列、第三阵列和第四阵列；所述第一阵列和所述第二阵列安置于所述环形空气出口下方；且所述第三阵列和所述第四阵列安置于所述环形空气出口上方。9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述第三阵列和所述第四阵列包括比所述第一阵列和所述第二阵列更大数目的所述孔口。10.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中：所述空气入口挡板的实心板部分位于所述环形空气出口的竖直层面处；所述空气入口挡板在所述环形空气出口的所述竖直层面处不具有所述孔口中的任一者；且所述空气入口挡板的所述实心板部分经配置以竖直地偏转从所述环形空气出口输出的所述受热空气。
11.一种操作燃料电池系统的方法，其包括：将受热空气和燃料提供到燃料电池堆；以稳态模式操作所述电池堆以输出燃料排气和出风；将所述燃料排气和所述出风提供到阳极尾气氧化器以氧化所述燃料排气；将来自所述阳极尾气氧化器的排气提供到阴极同流换热器；将空气...

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