燃料电池热交换系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种用于在燃料电池系统（１００）中交换热量的系统和方法，在所述燃料电池系统（１００）中，阳极和阴极废气配有分开的流动通道。在其中燃料电池组（１１０）具有分开的阳极和阴极废气流动通道的一个实施方案中，使来自所述至少一个燃料电池组（１１０）的分开的阳极废气和至少一种传热流体通过第一热交换单元（１２６），以在所述阳极废气和所述传热流体之间交换热量。然后将从所述至少一个燃料电池组排出的所述阴极废气与来自所述热交换单元（１２６）的所述阳极废气在燃烧器中合并且燃烧。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池系统内的能量管理。具体地，本专利技术涉及燃料电 池系统内的热交换系统和方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)系统通过将燃料流中所含的能量转换成 可用的热量和电力而有效工作。SOFC系统中的热量回收通常是通过利用 热交换器(例如，管壳式，板翅式以及微通道式)以各种流构造(多流 (multi-stream),逆流，协流，交叉流)形式实现的。系统中的一些流体流是 液体，而一些是其中含有水蒸汽的气体。SOFC系统效率可以将进入系统的燃料流中含有的潜能与由系统产生的并且使用者可利用的总的可用热 量和功率进行比较而获得。总的SOFC系统效率是重要的，因为它影响 SOFC系统产品在选择的应用市场中的商业生存能力。热和电损耗在决定 总的SOFC系统效率方面是重要的。SOFC系统内的热量和质量传递的管 理影响热和电损耗的大小。SOFC本身通过利用电化学过程将燃料中的能量转换成热量和电力而 工作。该过程的效率取决于数个因素，包括燃料电池燃料侧的燃料浓度， 燃料电池空气侧的氧分压，以及燃料电池的温度。为了工作，燃料电池以电化学反应方式消耗燃料和消耗空气中的氧。 除了通过该反应产生电力外，在燃料电池活性区的区域中还通过电化学过 程产生额外的热能。为了维持能量转换过程，需要将燃料和空气供应给燃 料电池并且需要将热量从燃料电池移除。通常，由燃料电池反应产生的热 量被部分消耗以将燃料电池本身及其周围环境保持在工作温度，并且剩余 热量的大部分利用空气流和/或燃料排出气流从燃料电池移除。通常，工作燃料电池消耗不了燃料流中的所有燃料，并且也消耗不了 空气流中的所有氧。因为燃料电池没有完全消耗燃料和空气中的氧，所以必须有从燃料电池活性区移除废燃料流(通常称作阳极废气)和改变了的空 气流(通常称作阴极废气)的方法。因此，将燃料供应至燃料电池活性区并 从燃料电池活性区移除，并且将空气供应至燃料电池活性区和从燃料电池 活性区移除。为了通过燃料电池实现有效的能量转换，可以将燃料重整器包括在燃 料电池之前的燃料供应管线中，或者重整可以在燃料电池组的内部发生， 以在燃料气体到达燃料电池前将烃基燃料重整成富氢流。SOFC在规定的工作温度，通常在规定的工作温度附近的温度范围内 有效地工作。该有效工作温度是典型地由燃料电池活性层中使用的材料的类型设定的，例如对于YSZ为720-950°C，对于CGO为500-650。C。对于SOFC，可以将引入的空气和燃料流在所述流到达燃料电池活性 区之前加热到燃料电池工作温度附近。这提高了燃料电池的工作效率并且 减小了温度梯度，因此减小热应力，所述热应力是在环境温度流体与热的 500-900°C燃料电池结构体接触时燃料电池可能经受的。效率也由于将电 池的热平衡改善为最佳的工作温度范围而得到提高。由于高的工作温度， 燃料流在其接触燃料电池活性区的点或其附近通常是气体。可以将热能从由燃料电池活性区排出的气体流(阳极和阴极废气)中取 出并且用于加热进入燃料电池活性区的燃料和空气流。这通常是通过以下 方式实现的将燃料电池废燃料流(其含有未使用的燃料形式的化学能)和 燃料电池废空气流混合，并且将得到的混合物在非常接近燃料电池组处燃 烧(如US5212023和EP1037296中所示)，并且利用通过该过程产生的热量，以经由热交换器传给引入的空气流。当向燃料电池系统供应烃燃料时，通常将燃料重整器放置在燃料电池组之前的燃料流中，以促进烃燃料重整为以下组成部分氢，二氧化碳， 一氧化碳和其他元素。有几种适合于燃料电池用途的重整方法，这些方法 是已知的，因此此处不再详述。典型的重整方法包括自热重整(ATR)，蒸 汽重整(SR)，水煤气-转换重整(WGS)和部分氧化重整(POX或CPOX)。总之，对于有效的重整器工作，有一些不需要将水添加到燃料流中来 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-水重整器类型，如CPOX，不要求水供应装置成为燃料电池系统的 一部分。本领域技术人员应理解，这种非水添加系统所产生的在重整燃料 流中的氢浓度低于由水添加系统产生的氢浓度，该水添加系统产生更富含 氢的燃料流。为了最优化燃料电池工作效率，采用蒸汽的重整选择提供显著更大的 潜在工作效率的增加。在寻求这种效率的系统中，在系统中添加水以产生 蒸汽。蒸汽可以由燃料侧排出气流中的水分和/或由储水器或水源提供。在 系统从环境温度启动时，可能没有来自燃料侧排出气流的在系统中直接可 用的蒸汽，因此可以采用蒸汽发生器从储水器产生蒸汽。在一些应用中，需要加热外负载-例如储热水器。因此可以使用一些由 SOFC系统产生的热量以满足这种加热需要。
技术实现思路
本专利技术的方面寻求提供用于燃料电池系统的至少-一个或多个可以整 合的热交换单元，其被安置成在被分成分开的阳极和阴极废气的至少--个 燃料电池组燃料侧的排出气流和空气侧排出气流之间传递热量。在本专利技术 的方面中，所述的传递是从一个或多个排出气流向进料到燃料电池组中的 空气和燃料流传递热量，而且，在本专利技术的一些方面，将热量传递给外部 热负载如热接收装置例如储热器和/或散热装置例如散热器和/或传热装置 例如热泵或斯特林发动机。由于额外的热量传递，还可能发生水从一个或 多个排出气流中例如阳极废气和阴极废气中任一个或两个中冷凝出来。还 可以通过燃烧未使用的燃料气体以产生热量，利用阳极废气中未使用的燃 料的能量。在一个方面中，将该热量供给回到燃料电池系统中。在另一方 面中，燃料电池系统接收来自其他来源(例如放置在汽车排气系统旁边的重 整器，或汽轮机排气)的热量，并且将通过使未使用的燃料气体燃烧产生的 热量用于燃料电池系统之外的其他用途。本专利技术的一个方面提供一种改变从至少一个燃料电池组排出的废气 的温度的方法，所述至少一个燃料电池组具有分开的阳极和阴极废气流动 通道，所述方法包括使来自所述至少一个燃料电池组的分开的阳极废气 和传热流体通过第一热交换单元，以在所述阳极废气和所述传热流体之间交换热量。在本专利技术的方面中，分开的流体进料到热交换单元的次序， 一个或多 个热交换单元的排列和组合和/或流体进料的可控性使得有足够的热能返 回到持续工作的燃料电池系统，并且有利于和改善系统工作和效率，同时 使得水蒸汽的冷凝从至少一个阳极废气流和从阴极废气流中独立地发生， 从而将用于非燃料电池系统热负载用途的热量回收最大化。在本专利技术的方面中，热交换单元(其可以是冷凝器热交换单元)的次序 和放置可以根据需要设置，以改善从燃料电池组的热排出气体至冷的引入 流体的热能传递，并且从阳极和/或阴极废气排出气流(其可以是在阳极和 阴极废气组合和燃烧以形成燃烧器废气后的阶段)尽可能多地冷凝出蒸汽， 以获取潜热能，并且回收用于系统中和/或别处的冷凝水。对于SOFC系统， 以体积计的最大量的可用水蒸汽通常出现在阳极废气流中。因此在能量方 面，该气流是热量和冷凝水回收的最有效的组合来源。因此，在一个方面， 该气流经历最有效的冷凝过程。如果系统包括一种循环传热流体，则为了 使其发生，放置用于从阳极废气中冷凝出水的阳极废气冷凝器热交换单 元，使得其在相同的传热流体回路中所包括的任何其他冷凝热交换单元之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改变从至少一个燃料电池组排出的废气的温度的方法，所述至少一个燃料电池组具有分开的阳极和阴极废气流动通道，所述方法包括：　使来自所述至少一个燃料电池组的分开的阳极废气和至少一种传热流体通过第一热交换单元，以在所述阳极废气和所述至少一 种传热流体之间交换热量；　将所述分开的阳极废气从所述第一热交换单元通到燃烧器中；和　使从所述至少一个燃料电池组排出的分开的阴极废气进入所述燃烧器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯德弗里恩特，罗伯特摩根，保罗巴纳德，罗伯特利娅，
申请(专利权)人：塞瑞斯知识产权有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]