燃料电池热交换系统和方法

专利名称：燃料电池热交换系统和方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统内的能量管理。具体地，本发明涉及燃料电 池系统内的热交换系统和方法。
背景技术：
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。

发明内容
本发明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。在本发明 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，在本发明的一些方面，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。
本发明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。
在本发明的方面中，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。
在本发明的方面中，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 前接收最低温度的传热流体(例如从储热器循环的冷却水)。
出于清楚的目的，本文中将冷凝器热交换单元或冷凝器热交换器定义 为被设计成在其工作时可以使水从通过热交换器装置的所述流的一个中 冷凝出来的热交换器。
阳极废气包含未转换的燃料，热能和水蒸汽。有利的是，通过回收所 述流中的热能尽可能多地回收该能量，其还包括回收所述流中携带的水蒸 汽中含有的潜热，并且回收所述流中携带的未燃烧燃料中的化学能。
当冷凝阳极废气以回收潜热能和作为液体的水蒸汽时，必须实现阳极 废气流的显著的温降-取决于工作条件，所述流的温度降低到明显低于
100°C，例如50。C以下。通过从阳极废气流中移除这样多的热能，所述流 中携带的热能的大部分进入传热流体中，只有少量热能留在阳极废气流 中。假设传热流体是水，除非将水加压，否则通常只能加热到最高100°C， 而更通常为50-S5。C。在这些温度，水可能不能被用作高温能源以将该能 量有效供给回到燃料电池系统中，所述燃料电池系统处于比此时加热的水更高的温度；因此可以将该热量输出至热负载或储热器，以用作加热源， 例如在家用加热系统中。
从阳极废气流移除潜热能和冷凝水可能影响燃料电池系统的热效率。 因此，根据本发明的一个方面，提供一种燃料电池装置，其中在阳极废气 到达冷凝热交换器之前，通过另一热交换单元从阳极废气传递至少一些热 能。可以使用进入燃料电池组系统中的较低温度的流体进料中的一种，如 空气侧进料，将这种在到达冷凝热交换器之前传递的热能传送回到燃料电 池组系统中。因为到电池组的流体进料主要是气体，并且阳极废气是气体， 因此另一热交换单元可以是气体-至-气体热交换器。因此，在本发明的方 面中，可以将阳极废气热能中的一些传递至燃料电池组的引入空气流，由 此在空气流在阴极侧进入燃料电池组之前将其加热。
因为在本发明的方面中通过另一(气体-至-气体)热交换单元(其可以是 空气加热器热交换装置)从阳极废气流中移除一些热能，因此可以降低热交 换单元的大小和工作要求，所述热交换单元可以是气体-至-水冷凝器热交 换器，其中阳极废气在通过所述另一热交换器流入。这可以允许减小的传 热流体回路体积和更小的传热流体泵(并且因此降低燃料电池系统电寄生 负载)。另外，可以减小所需的储热器和或散热器的大小，从而可以提供更 紧凑的系统。
在本发明的一个方面中，提供用于混合和燃烧阳极和阴极废气的燃烧 器。燃烧器然后输出燃烧器废气。在本发明的方面中提供第二热交换单元， 其用于从该燃烧器废气中回收热量，并且这可以使用与阳极废气冷凝器热 交换单元相同的传热流体。传热流体可以在通过第二(燃烧器废气)热交换 单元(在本发明的方面中称作燃料电池热量回收热交换器)之前通过第一 (阳极废气)热交换单元，使得在传热流体在燃料电池热量回收热交换器中 被进一步加热之前，阳极废气与传热流体交换热量。这在阳极废气含有比 燃烧器废气更大比例的蒸汽和水蒸汽的情况下可以是有益的。
因为与阳极废气相比，阴极废气通常含有较少的水蒸汽，因此当与从 冷凝阳极废气水蒸汽可获得的能量相比时，试图回收与阴极废气水蒸汽有 关的少量能量是收益不大的。因此，可以不将阴极废气中的水蒸汽冷凝出 来。因此，将从燃料电池排出的阴极废气作为后-燃烧器氧化剂进料供给到燃烧器，即不需要在燃料电池和燃烧器之间的阴极废气流中提供热交换 器。从燃料电池排出的阴极废气可以被直接供给到燃烧器，并且可以没有 来自阴极废气的明显的热量损耗。到燃烧器的更高温度的阴极废气迸料有 助于维持高的燃烧器温度。该特征使得用于燃烧器的氧化剂进料可以在不 被加热的情况下输入，这意味着在燃烧器废气中有更多的可用热能，从而 可以在实施方案中用来加热燃料重整器。特别是，进入燃烧器的较低水蒸 汽含量的热交换的阳极废气与较高温度的阴极废气的组合允许燃烧器在 更高的温度工作，使得热连接至燃烧器废气流的吸热的重整器装置可以在 没有额外的热量输入的情况下工作。这样的布置可以意味着不需要额外的 燃烧器来加热重整器，在重整器的温度工作过程中不需要额外的燃料供应 和/或不需要提高阳极废气中未燃烧的燃料百分比。备选地，第二热交换器 可以被设置在燃烧器前面并且在阴极废气燃烧前冷却阴极废气。额外的热 交换器可以被设置在产生阴极废气的燃料电池组和燃烧器之间。
在本发明的一个方面中，可以在燃烧器废气到达第二热交换装置之前 使燃烧器废气通过其他热交换单元，其发生的原因可以与使阳极废气在其 通过第一热交换单元之前通过另一热交换单元的原因类似。
所提供的热交换单元(其可以包括第一和第二热交换单元(其可以是冷 凝型)，另一热交换单元(其可以是气体/气体型)，和/或燃烧器和第二热交 换单元之间的其他热交换单元中的一个或多个)的相对大小和能量传递特 性可以是平衡的，以实现从阳极废气到引入的空气的良好的传热，同时允 许进行冷凝热的回收，从而实现到散热器或热负载的良好的热回收。
通过从系统中的一种或多种废气中回收水，可以提供在水的使用方面 自给自足的系统。从一种或多种废气接收的水可以在进入燃料电池之前在 燃料的重整过程中使用。这样的系统降低了水消耗，因为水被回收和再利 用。在偏远地区，可以完全消除对单独的水供应的需求。
尽管本发明和布局不限于一种应用，但是本申请人的燃料电池技术
(如GB2368450中所示-GB2368450通过引用以其全文形式结合在此)的 中间温度工作(400-650。C)，当与超过700。C工作的高温设计相比时，意味 着可以由非奇异(non-exotic)金属制造暴露于高温流体的系统部件，从而允 许更加灵活的系统设计，因此允许选择较低规格和较低成本的系统部件用材料。这样的材料包括使用不锈钢部件作为燃料电池支撑体和双极板，这 意味着可以简单地通过将燃料电池支撑板焊接到毗连的双极板上而实现 阳极燃料侧密封。空气侧密封可以通过使用压缩垫圈而实现，压缩垫圈由 诸如蛭石的材料制成。另外，系统部件和流体流的中间工作温度允许紧密 热连接和热整体设计。这导致系统成本和复杂性下降。
本发明方面的紧密连接的热交换器布置可以用于多种应用，包括组合 的冷却和提供动力，三联产(组合的加热、冷却和发电)，固定式发电和辅 助电力生产。本发明的方面在组合的加热和电力系统，以及与电网相独立 的电源中特别有用。将热量从SOFC系统移除至储热器或热负载的速率可 以通过至少一个循环泵控制，这允许在一定程度上控制通过冷凝器热交换 单元从系统中取出的能量的量，因此可用于被供给回到系统中的能量的 量，以及可以实现的冷凝程度。
在至少两个热交换单元的根据本发明一个方面的装置中，可以将这些 热交换单元组合到相同的装置中，因此提供更高的成本效益和更有效率的 装置。此外，在存在减少的流体连接的情况下，可以实现更简单组装和更 轻的整体装置。
在本发明的另一方面中，至少可以给阳极废气冷凝器热交换单元供给 多种传热流体。例如，可以将一些从阳极废气传递来的热量供给到燃料电 池系统燃料源，并且通过由应用功率要求设定的燃料流量，而且还通过控 制其他传热流体的流量，比方说通过在热吸收/释放系统中的循环泵，部分 地控制所传递的热量的量。所用的传热流体可以变化，并且热交换器的性 能，因此设计将部分地由传热流体流量以及传热流体的热容量决定。这样 的流体可以包括在封闭循环系统或开放循环系统中的水，制冷剂(例如来自 吸收式冷冻器)，燃料(例如来自载体或管输送气体)，或空气。
在本发明的方面中，燃料电池组中一个或多个燃料电池的工作温度可
以在100°C-1100。C、 250。C-850。C或450。C-650。C之间。在本发明的方面 中， --个或多个燃料电池可以是金属负载的SOFC。


现在将参考附图，纯粹以举例方式描述本发明的实施方案，其中
14图la显示根据本发明的一个实施方案，包括热交换系统的燃料电池 系统；
图lb显示图la中所示系统的一种变化；
图lc显示图la中所示系统的一种变化，其中从备选的重整产品流动 通道至燃料电池组组件，省略了重整器冷却器热交换器装置；
图2a显示根据本发明一个实施方案的热交换系统，其用于在图la或 lb所示的燃料电池系统；
图2b显示根据本发明一个实施方案的备选的热交换系统； 图2c显示根据本发明一个实施方案的另一个备选的热交换系统； 图2d显示根据本发明一个实施方案的另一个备选的热交换系统； 图3显示根据本发明一个实施方案，包括热交换系统的备选的燃料电 池系统；
图4显示了在图3的燃料电池系统中使用的热交换系统； 图5显示根据本发明一个实施方案，包括热交换系统的备选的燃料电 池系统；和
图6显示根据本发明--个实施方案的组合的第--和第二热交换单元。
具体实施例方式
图la显示了根据本发明一个实施方案，包括热交换系统120的燃料 电池系统100。燃料电池系统100包括燃料电池组组件110和热交换系统 120。燃料电池系统100还包括燃烧器/重整器装置130，启动加热装置140 和冷凝水储罐150。
参考图la，显示了用于燃料电池系统工作的氧气(例如空气)和燃料气 体所采取的流体流动通道。
首先，将描述空气-侧进料系统。经由空气过滤器装置(未显示)和机械 空气运动装置，在本实施方案中为变速鼓风机172 -其鼓风机速度由系统控 制装置(未显示)控制，将含氧气体，通常为空气，从环境中供应到燃料电 池系统100。可以将空气过滤器装置安装在系统周围的框架上。通过所述 装置以最小的压力损失抽吸空气至鼓风机172。在其通过鼓风机172的途 中，如果控制空气流的方向，则空气可以从与其接触的热的表面/热交换器，
15如安装在电力电子设备(power electronics)和变压器装置上的热交换器174 汲取热量。
然后将该空气从鼓风机174供给到热交换系统120中的空气加热器热 交换装置122。空气加热器热交换装置122是气体/气体热交换器。气体进 料中的一种是从鼓风机172供给的引入的空气；另一种是来自燃料电池组 组件(下面将与燃料侧流相关地讨论)的阳极废气。在装置122的正常工作 下，从自燃料电池组组件燃料侧供给的阳极废气中，在其被供给穿过热交 换器122时传递一定量的热能(将阳极废气流从燃料电池组出口温度，约 500-650°C，降低到高于水的沸点温度，约100-200°C),以加热引入的空 气流(将空气流从约环境温度，0-50°C加热到100-250°C)。加热速率的差 异是由于空气流的流量明显高于阳极废气的流量。可以通过穿过装置122 的空气的流量，其进而由鼓风机172的速度控制，控制由空气加热器热交 换装置122提供给阳极废气的冷却程度。
在正常工作条件下离开空气加热器热交换器装置122的空气的温度将 升高。然而，空气温度进一步升高至燃料电池组空气入口温度所需的温度。 燃料电池组的入口空气温度是可控的。这可以如下所述实现。
离开空气加热器热交换器装置122的加热的空气然后流经空气预热装 置140中的空气预热器热交换器142。使用空气预热器热交换器142以利 用后排出气体燃烧器流中含有的热能，将引入的空气源温度升高至接近或 达到燃料电池组工作温度。为了帮助控制燃料电池组入口温度，包括在空 气旁通管线182中的可控空气旁通阀180允许空气从在空气加热器热交换 装置之前的点被供应到在空气预加热器热交换器之后、但是在燃料电池组 之前的点。通过控制旁通空气的体积，该旁通管线182中的空气旁通可变 控制阀180允许在空气进入燃料电池组之前，通过将旁通空气与空气预热 热交换器出口空气混合而控制空气温度。在一个备选的实施方案中，空气 旁通管线和阀可从系统中省略。
该实施方案中的空气预热装置140包括启动燃烧器144，其在本实 施方案中供应有来自与燃料电池系统燃料源相同的来源的燃料(而在其他 实施方案中可以是电加热器)，并且在某些情况下其被点燃以加热通过空气 预热器热交换器142的空气。特别是，当空气加热器装置热交换器122没
16有产生足够的热量以将引入的空气加热到所需的工作温度时，启动燃烧器
144可在燃料电池系统100的启动过程中工作。启动燃烧器144还可以在 负载突变过程中工作，例如在来自燃料电池组组件110的所需输出功率增 加，从而需要升高燃料电池组组件110的工作温度时。启动燃烧器和预热
器可以是单个装置。
然后空气源进入在空气侧(阴极侧)的燃料电池组组件iio中，进入燃
料电池阴极侧活性区112。此时加热的空气流流到燃料电池组空气侧112， 横贯燃料电池组的阴极区域，经历氧消耗，并且从燃料电池活性区的阴极 侧112以及周围环境和表面汲取热量。在燃料电池阴极活性区112的端部， 此时部分氧消耗的空气流被称作阴极废气，其温度为约500-650°C。
阴极废气， 一旦其通过燃料电池组组件110，不是像以前的燃料电池 系统那样立即与阳极废气合并，而是从燃料电池排出的阴极废气直接进入 燃烧器/重整器装置130的燃烧器132中。
现在将描述燃料进料侧。在本实施方案中，燃料是含烃燃料，例如， 瓶装气体(如LPG)或管道输送气体，如天然气或家用燃气。备选地，其他 燃料进料可以是氢(在这种情况下将不需要燃料气体重整器)或诸如煤气， 或一氧化碳，或厌氧沼气，或生物气体，或汽车用气体(auto-gas)，或汽油 或柴油或航空燃料(煤油或Jet-Al)或类似燃料的来源。
到燃料电池系统100的燃料进料被调节到设定压力和可控流量(在通 过至少一个隔离阀，通过任选的和可再填充的脱硫剂装置，并且如果需要 通过具有任选的脉动减震器的气体增压泵之前，由主进料调节，或由至少 --个可控泵调节)。主燃料气体进料温度，例如天然气源，通常在0-50。C， 更通常12-25。C范围内。通过在泵之前放置脱硫剂装置，使脱硫剂装置暴 露于较低的压力条件下，并且这暗含其设计，材料的使用以及脱硫剂材料 的维护/再填充。
取决于系统需要，这种燃料管线可以实现数种进料。首先，如上所述， 将进料提供给启动燃烧器144。这可以在脱硫剂装置之前或之后进行。要 求将该燃料进料在系统启动时或如上所述在从比方说低功率工作点至'J满 功率的负载快速变化时供给启动燃烧器。在本实施方案中，启动燃烧器144 是亚-化学计量的燃烧器，其产生热的排出气流，然后供给空气预热器以加热流经燃料电池组的空气并且因此加热燃料电池组组件110。来自启动燃 烧器144的排出气体然后流动到热交换系统120 (下面将更详细地讨论)中
的燃料电池热量回收/燃烧器废气冷凝器热交换器124。在启动或正常工作
的任何点，空气预热器热交换器都不会成为来自空气加热器热交换装置的 引入的被加热空气的散热器。
另一分开的进料在脱硫装置后提供和供应燃烧器重整器装置130的燃 烧器132。该燃料进料仅用于系统启动，其中运行燃烧器132，同时将快 速加热空气循环通过燃料电池组以将燃料电池组组件iio和相关的系统部 件加热到接近工作温度。燃烧器132然后使空气和燃料电池组排出气流中 的废弃的燃料反应物反应，并且得到的热气流(500-750。C)进入燃烧器/重整 器装置130内的重整器134以将重整器134加热到接近工作温度。在本实 施方案中，将脱硫燃料用作燃烧器132进料，因为这简化了燃烧器催化剂 设计。此外，泵的使用克服了可能由燃烧器132的流动通道下游中的压降 造成的反压力问题。然而，如果使用耐硫燃烧器，则对脱硫燃料没有特殊 要求。
在图la所示的实施方案中，将剩余燃料经由任选的单向阀(未显示) 供给至蒸汽/燃料气体混合器136和蒸汽发生器139，在那里与蒸汽混合。 蒸汽进料燃料的温度升高到120-400°C，之后进入重整器热交换器138， 在重整器热交换器138中燃料流从由重整器134 (下面讨论)通过的重整产 品流中汲取温度，从而燃料流温度升高到350-550°C，之后其通到燃料重 整器134中。设置在重整器134中的用于重整过程的催化剂的吸热反应具 有从通过重整器134的燃烧器132产物供给的热量。此时重整的燃料(重整 产品)在500-750°C之间的温度从重整器134排出，之后返回通过重整器热 交换器138的另一侧以传递其一部分热量，加热引入的燃料气体。重整器 热交换器138和燃料重整器134可以是单个装置。此外，燃烧器132可以 与重整器134和重整器热交换器138在同一个装置中。
在图lb中所示，并且其他方面与参考图la描述的相同的另一实施方 案中，将剩余燃料经由任选的单向阀(未显示)供给至蒸汽/燃料气体混合器 136，如第一实施方案一样，在那里与蒸汽混合。在如图lb所示的实施方 案中，蒸汽进料燃料的温度升高到120-400°C，之后其进入重整器热交换
18器138，在重整器热交换器138中燃料流从由重整器134通过的重整产品 流汲取温度，从而燃料流温度升高到350-650°C，之后其进入燃料重整器 134中。在图lb所示的实施方案中，按照设置在重整器134中的催化剂的 反应，反应是放热的，而不是吸热的。在图lb所示的实施方案中，重整 过程是自给的。因此，在该实施方案中，不需要来自燃烧器废气的热量， 并且燃烧器废气不供给通过重整器134。此时重整的燃料(重整产品)在 500-750°C之间的温度从重整器134排出，之后返回通过重整器热交换器 138的另一侧以传递其一部分热量，加热引入的燃料气体。重整器热交换 器138和燃料重整器134可以是单个装置。此外，燃烧器132可以不在与 重整器134和重整器热交换器138相同的装置中。燃烧器废气流可以从燃 烧器132供给至蒸汽/燃料气体混合器136。
现在回到图la，重整产品气体在350-550。C附近离开重整器热交换器 138，之后在燃料侧114进入燃料电池组组件110。重整产品通过阳极侧燃 料电池活性区114，在燃料电池组中燃料电池的阳极侧上经过，进行放热 电化学反应以汲取来自阴极侧空气的越过燃料电池组件的氧离子，产生电 力并且释放热能。这些氧离子与重整产品流中的氢结合以产生蒸汽，从而 结束电化学反应并且驱动电子环绕电力负载电路，从燃料电池组的一侧经 由电力电子设备系统和电力负载到达另一侧。电力负载可以同时在燃料电 池系统内部和燃料电池系统外部。
重整产品流在其通过阳极侧燃料电池活性区114时转化成较少地富含 氢的气流。因为离开阳极侧燃料电池活性区114，所以其被称为阳极废气。 阳极废气从燃料电池区域携带蒸汽，并且还从阳极侧燃料电池活性区114 及其周围环境和表面汲取热量。
阳极废气在500-620°C离开燃料电池组组件110。该阳极废气流然后 通到气体-气体空气加热器热交换装置122中以将其部分热能传递给引入 的空气流，该热能然后经由空气侧气体进料回到燃料电池组组件110。阳 极废气在约100-300°C离开空气加热器热交换器装置122。该气流然后进 入阳极废气冷凝器热交换器126，在那里，考虑到环境温度和热交换器传 热流体的冷却能力，温度降低到尽可能合理低的温度(0-100。C，但是优选 在20- 60。C范围内)。在这样的温度，可以发生阳极废气蒸汽冷凝以回收阳极废气流中含有的水并且因此回收蒸发能的相关潜热。该阳极废气冷凝 器热交换器126是气体-至-液体热交换器，其中优选在热交换器与阳极废 气相反一侧上使用高热能储存介质作为传热流体。这样的介质可以是，比 方说，来自储热器的水，或来自汽车中的冷却散热器的水混合物，或制冷 液，或油或其他燃料流体。该介质也可以是空气。阳极废气冷凝器热交换
器126被安置成使得能够收集冷凝物并且从热交换器126排出，在被安装 用于运动(movement)不确定的应用中时，如果需要经由挡板。下面更详细 地讨论热交换器126。
阳极废气然后从冷凝器热交换器126流动到燃烧器132，在那里与阴 极废气合并并且在合适的催化剂上或者在火焰存在下燃烧。阳极废气的冷 却使得燃烧器132能够在较低温度工作，这降低了燃烧器成本。
燃烧器反应消耗并且因此从阳极废气流中移除任何未使用的燃料，并 且产生约600-850。C的气流，称作燃烧器废气流，其依旧是阴极废气流。
在图la所示的实施方案中，燃烧器废气流然后直接供给至重整器134， 以经由重整器热交换器134加热重整器134，使燃料进料吸热重整器反应 热平衡。燃烧器废气流在580-720。C离开重整器。燃烧器132和重整器134 可以是同一装置的一部分。 如上讨论，在图lb所示的实施方案中，燃烧器废气不通过重整器134。 在图la和lb所示的两个实施方案中，燃烧器废气流然后供给到至少一个 蒸汽发生器139，在那里热能经由热交换表面部分地传递至水以产生蒸汽， 该蒸汽供给到供应重整器134的燃料流中。用于蒸汽发生器的水储存在冷 凝水储罐150中。燃烧器废气在400-650。C之间离开蒸汽发生器139，这 取决于系统的工作条件。可以将蒸汽发生器139和蒸汽/燃料气体混合器 136组合在单个装置中。还可以将燃烧器132和/或重整器134设置在相同 的单个装置中。
燃烧器废气然后通过启动燃烧器144并且穿过空气预加热器热交换装 置142(如上讨论，其是气体/气体热交换器)，在那里一些热能传递穿过热 交换器142以加热引入的空气流。在本实施方案中，该加热作用以稳态方 式将燃烧器废气温度降低至100-350°C。
冷却的燃烧器废气流然后通到燃料电池热量回收冷凝器热交换器124，在那里，考虑到环境温度和热交换器传热流体的冷却能力，温度降
低到尽可能合理低的温度(0-80。C，但是优选在15-50。C范围内)。在这些
温度，可以发生燃烧器废气蒸汽冷凝以回收燃烧器废气流内含有的水并且
因此回收蒸发热的相关潜热。因此，阴极废气通过燃烧器132，重整器134， 蒸汽发生器139和空气预热装置140，之后进入燃料电池热量回收冷凝器 热交换器124，但是在燃烧器装置后，阴极废气与阳极废气合并且在燃烧 器装置中燃烧，因而称为燃烧器废气。
燃料电池热量回收冷凝器热交换器124可以是气体/液体热交换器，其 中高热能储存介质位于热交换器与燃烧器废气相反的一侧上。这样的介质 是，在本实施方案中，来自储热器的水，但是可以备选地来自汽车中的冷 却散热器或地源热泵系统。热交换器124被安置成使得能够收集冷凝物并 且从热交换器排出，在被安装用于运动不确定的应用中时，如果需要经由 挡板。下面更详细地描述热交换器124。
供给燃料电池热量回收冷凝器热交换器124的传热流体也可以与经由 阳极废气冷凝器热交换器126流动的传热流体相同。因此阳极废气冷凝器 热交换器126和燃料电池热量回收冷凝器热交换器124可以是具有共用冷 却侧进料的同一装置。在本实施方案中，是这样布置的传热流体首先冷 却阳极废气以从阳极废气回收最大量的潜热，并且因此回收冷凝物。下面 更详细地讨论这种布置。在本实施方案中，传热流体是液态水，但是也可 以使用其他传热流体，如油，液态或气态制冷剂，液态或气态燃料，或空
在备选的实施方案中，流经热交换器124， 126的传热流体被分开， 经由每个热交换器124， 126流动并且控制每个热交换器124， 126的流量， 例如被动地或者经由简单的节流布置，以最优化从每个热交换器冷却侧移 除热量。然后将被加热的传热流体供给至储热器，或供给至热负载，或供 给至传热装置或供给至散热装置。冷凝器热交换器可以通过使用冷空气流 冷却，特别是在燃料电池系统不是CHP(组合的热量和功率)系统或三联产 系统的情况下，如通过风扇布置提供，或者通过冷表面如船在吃水线下的 区域-例如船体，或舵，或襟翼的区域，或卫星表面或飞机表面而冷却。
将来自冷凝器热交换器124， 126的冷凝物收集并且供给到冷凝物收
21集罐150，在那里可以将其过滤，脱气，调节并且储存在冷凝水储罐150
中作为用于燃烧器/重整器装置130的蒸汽发生器139的水备用。
通过从燃料电池排出的废气回收水，可以将水再用于重整过程。这总 体上降低了，并且在一些实施方案中可以消除，将水单独供应到燃料电池 系统的需要。因此，对于用于系统中的水要求明显少的处理，这导致更小 的处理(例如软化)装置要求，以及系统的总的大小。残余在回收的水中的 热能还可用于确保水系统温度总体上保持高于在水的冰点。
燃烧器废气流离开热交换器系统120并且通过任选的单向阀(未显示)， 之后经由烟道组件从装置排出到大气或另一提取系统。
在本实施方案中，将额外的整合的冷凝器热交换器和燃烧器组件160 结合在系统中。这样的装置与在家用冷凝煮器装置中存在的整合的冷凝器 热交换器和燃烧器组件类似。该装置具有分开的燃料进料。整合的冷凝器 热交换器和燃烧器组件160可以独立于燃料电池系统100运行，但是容纳 在同一系统外壳中，其是由燃料电池系统IOO和整合的冷凝器热交换器和 燃烧器组件160共用的控制电子设备控制的。如果燃料气体中存在硫化合 物，燃料进料不是必须要求脱硫。这样的额外热交换器允许将额外的热能 提供给储热器或热负载，并且如果需要，允许发生额外的冷凝，用于额外 的能量回收或用于提供冷凝水。独立的但是连接的整合的燃烧器和冷凝器 热交换器装置独立于燃料电池提供额外的热量输出。这种独立的额外热交 换器还可以供应额外的冷凝水，如果冷凝系统包括合适的污染物移除装置 以移除任何硫或氮的或类似相关污染物。
整合的冷凝器热交换器和燃烧器组件160具有属于其自身的泵或鼓风
机进料空气供应。将空气从环境中经由任选的空气过滤器装置(未显示)和 可控鼓风机供应到整合的冷凝器热交换器和燃烧器组件160。可以将过滤 器安装在系统周围的框架上。以最小的压力损失将空气吸引通过装置至鼓 风机。在其通过装置的途中，如果控制空气流的方向，空气可以从其接触 的热表面/热交换器汲取热量。另外，整合的冷凝器热交换器和燃烧器组件 160具有属于其自身的循环泵，该循环泵从热负载或储热器循环传热流体。 这可以与阳极废气冷凝器热交换器126和燃料电池热量回收热交换器124 中使用的传热流体相同。所述负载可以是储热器或散热器组件如用于汽车应用的散热器，用集装箱加热或冷却的散热器，或用于环流供暖系统的散 热器如在家用或办公情形中典型存在的散热器。
这样，整合的冷凝器热交换器和燃烧器组件160可以独立于燃料电池 系统100工作并且仍满足来源或负载的热要求。
将由燃料电池组组件iio产生的电力经由电力电子设备装置供给至一
个或多个电力负载。可以取这种电力中的一些以直接或通过供给电力到负
载电网(load grid)和从负载电网取回电力供给燃料电池系统电力需求。
图la的备选的重整产品进料显示在图lc中。此处除去了重整器热交 换器138，并且因此通过这样做，重整器的产物没有被重整器热交换器冷 却，而是经由至少一个流体导管流动到燃料电池组组件110。流体导管可 以被设计成允许足够的重整器产物温度下降，使得进入燃料电池组组件的 重整产品具有合适的温度，并且低于其离开重整器134时的温度。采用这 样的改变，可以改变重整器装置134的设计以允许来自缺少的重整器热交 换器138的损失热能。图lc中的系统设计变化适用于本文公开的所有系 统布局。
显示用于图la的具有分开的阳极和阴极/燃烧器废气的燃料电池系统 中的热交换系统的简图示于图2a中。显示了三个热交换器。这些热交换 器是第一热交换单元226，其可以是例如图la的阳极废气冷凝器热交换器 126;第二热交换单元224，其可以是例如图la的燃料电池热量回收/燃烧 器废气冷凝器热交换器124;以及另一热交换单元222，其可以是例如图 la的空气加热器热交换器122。此外，显示了四个流体通道。它们是1.通 过第 一热交换单元226并且随后通过第二热交换单元224的传热流体的第 --流体通道210; 2.通过另一热交换单元222并且随后通过第一热交换单 元226的第二流体通道212; 3.通过第二热交换单元224的第三流体通道 214;和4.通过另一热交换单元222的第四流体通道216。
第-一流体流动通道210从储热器或散热装置或装置的冷的--侧到达第 一热交换单元226，并且从第二热交换单元224排出到储热器或散热器散 热装置或装置的热的一侧。在本实施方案中第一流体是水。储热器可以是 家用水加热储存器，和或可以是家用加热系统。此处描述了多种其他选择， 并且更多的选择对于本领域技术人员也是显而易见的。第二流体流动通道
23212从燃料电池系统的阳极侧活性区到达另一热交换单元222，并且随后 从第一热交换单元226排出至燃料电池系统的燃烧器，例如如图la所示。 第二流体是来自燃料电池的阳极废气。
第三流体流动通道214含有燃烧器废气并且从预热器燃烧器到达第二 热交换单元224，并且作为排气排出。第四流体流动通道216是空气，其 通过另一热交换单元224然后被输出以用于燃料电池的空气侧流。每个单 元的热交换能力可以通过适当调节大小而变化，并且通过改变两种流体的 相对流量和/或传热流体进入到第一热交换器的进入温度而变化。这种控制 的一个实例可以包括，例如，变速传热流体泵和/或可变热输出控制装置(如 汽车中的散热器和风扇装置)，其中传热流体在进入第一热交换器装置之前 流过)。此外，两个装置224， 226的总的热交换可以通过改变传热流体的 流量而变化。
在工作中，热阳极废气从燃料电池沿着第二流体通道212流经另一热 交换单元222。热量从阳极废气交换到沿着第四流体通道216吸入系统中 的空气。热量从阳极废气传递到在另一热交换单元222中的空气，冷却阳 极废气并且在空气进入燃料电池组件之前加热空气。另一热交换单元222 是气体-气体热交换器。阳极废气然后继续沿着第二流体通道212到达第一 热交换单元226，其沿着第一流体流动通道210接收水形式的传热流体。 阳极废气被作为冷凝器热交换器的第一热交换单元226进一步冷却，并且 因此从阳极废气中除去熔合能(fUsion energy)的潜热。传热流体在此热交换
中变热。
传热流体然后沿着第--流体通道210到达第二热交换单元224并且从 第三流体流动通道214中的燃烧器废气接收热能。第二热交换单元224也 是冷凝器热交换器，并且因此从燃烧器废气中除去熔合能的潜热。传热流 体在此热交换过程中进一步变热。
在一个实施方案中，第一热交换单元226和第二热交换单元224被合 并成单个装置。在另一实施方案中，另一热交换装置222也被结合在该单 个装置中。在另一实施方案中，第一热交换装置226和另一热交换装置222
被结合在单个装置中。
在图2b所示的备选的实施方案中，省略了图2a的另一热交换单元和第四流体流动通道，第二流体流动通道仅通过第一热交换单元。
在图2C所示的另一备选的实施方案中，省略图2a的第二热交换单元， 并且第一流体流动通道仅通过第一热交换单元。
在图2d所示的另一备选的实施方案中，图2a的第二和另一热交换单 元都被省略。在该实施方案中，第二流体流动通道来自于燃料电池组，并 且通过第一热交换单元。
在图2， 2b， 2c和2d的每一个中，如果热交换单元不产生冷凝物， 则可以省略冷凝物的参考标记。
现在将参考图3描述另-一实施方案。在参考图la，具有用类似参考标 记标记的类似单元的该实施方案中，将额外的气体-气体热交换器装置380 插在阳极废气热交换器126和燃烧器132之间。该额外的气体-气体热交换 器380采用空气，所述空气在任何热量被加入到空气流的上游，即，如图 所示，在电力电子设备热交换器H4之前，被吸入燃料电池系统的阴极空 气进料中。由空气流提供的额外的冷却使得额外的冷凝从阳极废气在其回 到燃烧器132之前发生，并且如此可以提高系统的总的工作效率。备选地， 可以将被吹入整合的燃烧器冷凝器160中的空气用作额外热交换器380的 冷却进气。此外，在此实施方案中，整合的燃烧器装置160的空气流通过 电力电子设备热交换器174，但是这可以省略。
体现本发明并且含有这样的额外热交换单元的热交换系统显示在图4 中。图4对应于图2a，只是将额外热交换单元480设置在稍微改进的第二 流体流动通道412中，位于第一热交换单元126之后，并且设置通过额外 热交换单元480的第五流体流动通道418。这导致更多的冷凝物，并且因 此更多的热量从流经第二流体流动通道412的阳极废气中被移除。
在另一实施方案中，将阳极废气从阳极废气冷凝器热交换器携带至燃 烧器的管道位于系统组件的外表面，该管道暴露于周围环境温度如周围的 空气，或强制空气流，乃至水，条件是例如管道成为位于吃水线下的船体 或类似方面的一部分。
该额外气体-至-气体热交换器380的另一实施方案显示在图5中，与 参考图la描述的那些相应的单元具有相同的参考标记。在该实施方案中， 电力电子设备热交换器174是由用于整合的冷凝器燃烧器160和/或用于燃料电池组件110的空气冷却的。空气流还可以通过另一额外的空气冷却的 热交换器590以提供额外的冷却，并且因此提供额外的冷凝效果。
图6显示了根据本发明的一个实施方案，合并的第一和第二，或阳极
废气和燃料电池热量回收冷凝器热交换单元624， 626，其可以如先前实施 方案所示。在该实施方案中，共用管道610限定了第一传热流体流动通道， 其运送传热流体。该管道直径和厚度可以是连续的，或者可以变化，或者 具有为了提高或控制热交换而增加的热交换特征，如翅片或湍流增强特 征，以基于应用规格和热交换器流体流的温度匹配组合热交换器装置的热 交换要求。第一热交换单元626还包括用于阳极废气的第二流体流动通道 612，其运送通过管道610的阳极废气，从而允许从阳极废气至传热流体 的热交换。第二热交换单元还包括用于接收燃烧器废气并且允许从该气体 至传热流体的热交换的第三流体流动通道614。
使用时，例如水或处理水，制冷液，或油，或其他燃料流体或空气形 式的传热流体，从第一单元626起，然后到达并且通过第二单元624，流 经管道610。在传热流体流经第一单元626时，其从第二流体流动通道612 中的阳极废气吸收热能。阳极废气被充分冷却，使得气流中的蒸汽冷凝出 来，并且在本实施方案中，简单地通过重力流或经由换气泵从第一单元626 流出。在传热流体流经第二单元624时，其从第三流体流动通道614中的 燃烧器废气吸收热能。燃烧器废气也被充分冷却，使得气流中的蒸汽冷凝 出来，并且在本实施方案中，也通过重力流从第二单元624流出。备选地， 如果回流是个问题并且想要避免，则可以经由低压设置单向阀在非常小的 压力下将冷凝物排出。气体在已经被传热流体冷却的情况下从第一和第二 单元626， 624排出，并且传热流体在已经被两种气体加热的情况下排出。
使用具有简单的送进和送出连接的简单覆盖装置，可以将热交换器的 两个空气接收区域612， 614，例如通过焊接或铜焊或其他这种材料接合技 术，接合到该管道610上。这种类型的组件的有利之处可以在于，构造非 常简单，因为其具有很少的部件，并且可以大量制造，例如通过使用液压 成形工艺，可以由低成本钢材制成，可以容易地调节大小用于不同的应用 和热要求，并且组装位置和体积灵活，具有插在中心部分的简单、挠性的 弯曲部。合适热交换器的其他实例为冲压的，机械加工的或蚀刻的板式热
26交换器，管壳式热交换器和多流传热装置。
在上述实施方案中，可以通过将越过一个或多个上述热交换单元的热 交换方向反转，将热量提供到燃料电池系统中。该方法由于燃料电池系统 的冷的、霜冻保护，避免冷凝或低温保护，可用于例如燃料电池系统启动。 这可以以多种方式实现，例如，参考图la，通过将鼓风机172方向反转和
经由排气出口并且越过热交换单元124引入空气，所述热交换单元124正 接收来自储热器或散热器的、温度比进入排气口的空气高的传热流体。因 此引入的空气被加热并且以防止在燃料电池系统内发生冷冻或冷凝的速 率反向通过系统。这样的实施方案，可以用于例如汽车APU应用，其中 传热流体可以从热的汽车排气或发动机冷却回路的热的一侧汲取热量。另 外，经由燃料电池系统排气口进入的空气可以越过发动机排气口获取，或 甚至取自发动机排出气流本身。在燃料电池不是处于完全工作模式，或者 处于定时周期，或者被一定的监控条件所触发的同时，这样的操作可以连 续进行。这样的监控条件可以包括燃料电池系统温度降低到低于某一温度 (对于霜冻保护，其可以是3或5。C)时，或者可以是燃料电池系统和环境 温度之间的湿度和温差的测量(例如，用于冷凝保护)。
在另一个这种反向加热实施方案中，再次参考图la，当燃料电池系统 不工作时，电能可用于燃料电池系统。其实例包括连接到电网或电池装置。 即使燃料电池系统没有工作，电力电子设备装置174也可以从连接的电源 获取动力以产生足够的热能，从而加热引入的空气，然后越过空气加热器 热交换器122交换该热量的一部分以加热燃料气体流。在另一实施方案中， 将由此通过电力电子设备产生的热量用于加热通过鼓风机装置172循环通
过燃料电池系统的空气，以在系统不工作时防止燃料电池系统的冷凝或霜 冻。
在本发明的另一实施方案中，第一和第二热交换单元中的任一个或两 者适合于接收多种传热流体。在一个实施方案中，这种热量传递交换单元 的设计允许传热流体通过，其中至少两个热交换区被设计成使得流经每个 热交换区的传热流体具有可控速率。在另一实施方案中，第一流体流经热 量传递交换单元并且将单元布置成使得热交换流体各自可控地通过热交 换单元中分开的围壁(enclosure)，从而使它们不混合。在实施方案中，不
27同传热流体的流量是可控的，从而以不同速率可控地移除热量。
本发明纯粹以举例方式进行了描述，对于本领域技术人员，各种变化、 添加和/或省略显而易见，所有这些与它们的等价物一起构成本发明的一部 分。
除非上下文另外明确指出，措辞"包括"，"包含"，"含有"等应解释为 开放式的，而不是封闭式的，即表示"包括，但不限于"。
100燃料电池系统 110燃料电池组组件 120热交换系统
122空气加热器热交换装置
124燃料电池热量回收/燃烧器废气冷凝器热交换器 126阳极废气冷凝器热交换器 130燃烧器/重整器装置 132燃烧器 134重整器
136蒸汽/燃料气体混合器
138重整器热交换器
139蒸汽发生器
140空气预热装置
142空气预热器热交换器
144启动燃烧器
150冷凝水储罐
160整合的冷凝器热交换器和燃烧器组件 172鼓风机
174电力电子设备热交换器
180空气旁通可变控制阀
182旁通管线
210第一流体流动通道
212第二流体流动通道214第三流体流动通道 216第四流体流动通道
222另一热交换单元
224第二热交换单元
226第一热交换单元
380/480额外的热交换单元
412第二流体流动通道
418第五流体流动通道
590另一额外的空气冷却的热交换器
610管道(第一流体流动通道)
612第二流体流动通道
614第三流体流动通道
626第一单元
624第二单元
权利要求
1.一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。
2. 根据权利要求1的方法，其中所述第一热交换单元冷却所述阳极废 气，并且加热所述至少一种传热流体。
3. 根据权利要求1或2的方法，所述方法还包括 燃烧合并的阳极和阴极废气以产生燃烧器废气；和 使燃烧器废气和所述至少一种传热流体通过第二热交换单元，以在所述燃烧器废气和所述至少一种传热流体之间交换热量。
4. 根据权利要求3的方法，其中所述第二热交换单元冷却所述燃烧器 废气，并且加热所述至少一种传热流体。
5. 根据权利要求4的方法，其中将冷却的燃烧器废气从所述第二热交 换单元输出到排气中。
6. 根据权利要求3、 4或5的方法，其中在所述第二热交换单元中形 成来自所述燃烧器废气的冷凝物，并且将所述冷凝物从所述第二热交换单 元输出。
7. 根据权利要求3至6中任何一项的方法，其中所述传热流体在其己 经从所述第-一热交换单元输出后被所述第二热交换单元接收。
8. 根据权利要求2或其任何一项从属权利要求的方法，其中在所述第 一热交换单元中形成来自所述阳极废气的冷凝物，并且将所述冷凝物从所 述第一热交换单元输出。
9. 根据任何一项前述权利要求的方法，其中所述至少一种热交换流体 选自包括以下的组.，水，制冷液，防冻液，混合流体，燃料和空气。
10. 根据任何一项前述权利要求的方法，其中所述第一热交换单元接 收多种传热流体。
11. 根据权利要求10的方法，所述方法还包括独立地控制所述传热 流体中的每一种的流量，以最优化向或者从所述传热流体交换热量。
12. 根据任何一项前述权利要求的方法，所述方法还包括使所述分 幵的阳极废气在其被所述第一热交换单元接收之前通过另一热交换单元， 所述另一热交换单元在所述阳极废气和流体流之间交换热量。
13. 根据权利要求12的方法，所述另一热交换单元冷却所述阳极废 气，并且使所述流体流变热。
14. 根据权利要求12或13的方法，其中进入所述另一热交换单元的所述流体流是阴极侧进料气流，所述阴极侧进料气随后进入所述至少一个 燃料电池组并且以所述阴极废气的形式排出。
15. 根据任何一项前述权利要求的方法，其中所述燃料电池的工作温 度在100。C至1100。C、 250°C至850。C、或450。C至650。C之间。
16. 根据权利要求6或8或其任何一项从属权利要求的方法，其中将 冷凝的水再循环并且用于将燃料在其进入一个或多个燃料电池之前重整。
17. —种燃料电池系统，其包括至少一个燃料电池组，其具有分别用于阳极和阴极废气流的分开的出口和流动通道；第一热交换单元，其被连接以接收已经从所述至少一个燃料电池组的 阳极废气出口输出的阳极废气，所述第一热交换单元用于在来自所述至少 一个燃料电池组的所述阳极废气和所述至少一种传热流体之间交换热量； 和燃烧器，其被构造成接收并且合并从所述第一热交换单元排出的阳极 废气和从所述至少一个燃料电池组排出的阴极废气，并且将它们燃烧以产 生燃烧器废气。
18. 根据权利要求17的燃料电池系统，其中所述第一热交换单元被构 造成冷却所述阳极废气，并且加热所述传热流体。
19. 根据权利要求18或19的燃料电池系统，所述第一热交换单元用 于降低所述燃烧器的工作温度。
20. 根据权利要求17至19中任何一项的燃料电池系统，所述燃料电 池系统还包括第二热交换单元，所述第二热交换单元被连接以接收所述传 热流体和来自所述燃烧器的燃烧器废气，所述第二热交换单元用于在所述 燃烧器废气和所述传热流体之间交换热量。
21. 根据权利要求20的燃料电池系统，其中所述第二热交换单元被构 造成冷却所述燃烧器废气，并且加热所述传热流体D
22. 根据权利要求20或21的燃料电池系统，其中所述第二热交换单 元包括冷凝热交换器。
23. 根据权利要求20至22中任何一项的燃料电池系统，其中所述热 交换流体的流动通道由所述第一热交换单元和后面的第二热交换单元限 定，用于使传热流体进入、通过和离开所述第一热交换单元，随后进入、 通过和离开所述第二传热单元。
24. 根据权利要求20至23中任何一项的燃料电池系统，其中所述第 二热交换单元适合于接收多种传热流体。
25. 根据权利要求17至24中任何一项的燃料电池系统，其中所述第 一热交换单元包括冷凝热交换器。
26. 根据权利要求17至25中任何一项的燃料电池系统，其中所述第 一热交换单元适合于接收多种传热流体。
27. 根据权利要求17至26中任何一项的燃料电池系统，所述燃料电 池系统还包括另一热交换单元，所述另一热交换单元被连接在所述至少一 个燃料电池组的阳极废气出口和所述第一热交换单元之间，用于在所述阳 极废气进入所述第一热交换单元之前降低所述阳极废气的温度。
28. 根据权利要求27的燃料电池系统，其中所述另一热交换单元是气 体-气体热交换器。
29. 根据权利要求27或28的燃料电池系统，其中所述第一和另-一热 交换单元被整合成单个装置。
30. 根据权利要求20或其任何一项从属权利要求的燃料电池系统，其 中所述第一和第二热交换单元被整合成单个装置。
31. 根据权利要求17至30中任何一项的燃料电池系统，其中所述燃 料电池是固体氧化物燃料电池。
32. 根据权利要求17至31中任何一项的燃料电池系统，其中所述燃 料电池被构造成在100°C-1100°C， 250°C-850。C，或450°C-650°C之间工作。
33. 根据权利要求22或25或其任何一项从属权利要求的燃料电池系 统，其中所述系统被构造成使来自所述一个或多个冷凝热交换器的水再循 环，并且将所述的水提供给重整器，用于将燃料在其进入所述一个或多个 燃料电池之前重整。
34. 根据权利要求17至33中任何一项的燃料电池系统，其被构造成在海洋环境中工作。
35. 根据权利要求17至33中任何一项的燃料电池系统，其被构造成 在汽车环境中工作。
36. 根据权利要求17至33中任何一项的燃料电池系统，其被构造成 在航空环境中工作。
37. 在具有出自至少一个燃料电池组的分开的阳极和阴极废气出口和 流动通道的燃料电池系统中， 一种热交换器系统，其包括第一冷凝热交换单元，其被连接以接收来自所述燃料电池系统的所述 至少一个燃料电池组的所述阳极废气出口的阳极废气和传热流体，并且从 所述第一热交换单元输出冷却的阳极废气，来自所述阳极废气的冷凝物和 变热的传热流体；和燃烧器，其被连接至所述第一热交换单元，以接收来自所述第一热交 换单元的冷却的阳极废气和从所述至少一个燃料电池组排出的阴极废气， 并且将它们燃烧以产生燃烧器废气。
38. 在具有出自至少一个燃料电池组的分开的阳极和阴极废气出口和 流动通道的燃料电池系统中， 一种热交换器系统，其包括第一冷凝热交换单元，其被连接以接收来自所述至少一个燃料电池组 的所述阳极废气出口的阳极废气和传热流体，并且从所述第一热交换单元 输出冷却的阳极废气，来自所述阳极废气的冷凝物和变热的传热流体；燃烧器，其被连接至所述第一热交换单元，以接收来自所述第一热交 换单元的冷却的阳极废气和从所述至少一个燃料电池组排出的阴极废气， 并且将它们燃烧以产生燃烧器废气；和第二冷凝热交换单元，其被连接以接收燃烧器废气和所述传热流体， 并且从所述第二热交换单元输出冷却的燃烧器废气，来自所述燃烧器废气 的冷凝物和变热的传热流体。
39. 在具有出自至少--个燃料电池组的分开的阳极和阴极废气出口和 流动通道的燃料电池系统中， 一种热交换器系统，其包括第一冷凝热交换单元，其被连接以接收来自所述至少一个燃料电池组 的所述阳极废气出口的阳极废气和传热流体，并且从所述第一热交换单元 输出冷却的阳极废气，来自所述阳极废气的冷凝物和变热的传热流体；燃烧器，其被连接至所述第一热交换单元，以接收来自所述第一热交 换单元的冷却的阳极废气和从所述至少一个燃料电池组排出的阴极废气， 并且将它们燃烧以产生燃烧器废气；第二冷凝热交换单元，其被连接以接收燃烧器废气和所述传热流体， 并且从所述第二热交换单元输出冷却的燃烧器废气，来自所述燃烧器废气 的冷凝物和变热的传热流体；和另一热交换单元，其被连接在至少一个燃料电池组和所述第一热交换 单元之间的所述阳极废气流体流动通道中，并且被构造成在所述阳极废气 进入所述第一热交换单元之前，降低通过所述阳极废气流体流动通道的所 述阳极废气的温度。
40. 在具有出自至少一个燃料电池组的分开的阳极和阴极废气出口和流动通道的燃料电池系统中， 一种热交换器系统，其包括第一冷凝热交换单元，其被连接以接收来自所述至少一个燃料电池组 的所述阳极废气出口的阳极废气和至少一种传热流体，并且从所述第一热 交换单元输出冷却的阳极废气，来自所述阳极废气的冷凝物和变热的传热 流体；和另一热交换单元，其被连接在至少一个燃料电池组和所述第一热交换 单元之间的所述阳极废气流体流动通道中，并且被构造成在所述阳极废气 进入所述第一热交换单元之前，降低通过所述阳极废气流体流动通道的所 述阳极废气的温度。
41. 一种冷却从至少一个燃料电池组排出的废气的方法，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，该方法参考任一附图基本上如上所述。
42. —种燃料电池系统，所述的燃料电池系统参考任一附图基本上如 上所述。
全文摘要
本发明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。
文档编号H01M8/06GK101589498SQ200780045175
公开日2009年11月25日 申请日期2007年10月31日 优先权日2006年11月1日
发明者保罗·巴纳德, 罗伯特·利娅, 罗伯特·摩根, 詹姆斯·德弗里恩特 申请人:塞瑞斯知识产权有限公司