包括燃料电池单元和部件的装置、用于该装置的部件单元和堆叠部件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有燃料电池单元和部件(例如，热交换器或重整器)的装置。本发明还涉及一种堆叠部件，例如用于上述装置或，通常用于与需要流体流过的设备相结合。本发明还涉及一种具有两个堆叠部件的部件单元。
【背景技术】
[0002]为了优化燃料电池堆的能量性能，需要结合热交换器、加力燃烧室、重整器或多个这些部件。这样由于空间常常受限，会优先采用紧凑系统。在W0-A-2004/082057中，描述了一种模块化构建的燃料电池系统，其中其他部件例如加力燃烧室、热交换器和重整器随后被配置到平面的燃料电池堆。燃料电池堆和其他部件的外部几何形状彼此匹配。通过部件中设置的板和管道中的钻孔，流体被导入部件中并从一个部件流到另一个部件。板与常规流向垂直设置，使得该流必须通过管道从一个部件导向另一个部件。需要偏转板桥接系统中的各个流体通道。这样，由于流体流动偏转，这个系统能承受高压降以及不均匀的温度，并且需要额外的空间来容纳部件间的连接部件。
【发明内容】
[0003]因此，需要一种紧凑装置，其具有燃料电池单元和例如热交换器、重整器、预热器或加力燃烧室的部件，该装置可提供良好的流动特性。还需要提供一种具有两个堆叠部件的部件单元以形成例如一种装置，或者例如用于该装置的一个堆叠部件，以支撑组合系统的整体性能。
[0004]根据本发明的一个方面，提供了一种装置，该装置包括:具有平行布置的多个燃料电池的燃料电池单元，该燃料电池单元限定所述装置的纵向轴线并且还限定与所述装置的所述纵向轴线同轴的主流向。在所述燃料电池单元的相反两端设置有燃料电池入口和燃料电池出口，并且所述燃料电池入口和所述燃料电池出口与所述主流向共线。所述装置还包括:具有第一流体管道的部件，所述第一流体管道被布置成平行于所述主流向。所述第一流体管道包括设置在所述部件的相反两端且与所述主流向共线的第一流体入口和第一流体出口。所述部件被布置成邻近所述燃料电池单元，使得所述部件的所述第一流体入口和所述第一流体出口中的至少一者被布置成邻近所述燃料电池出口和所述燃料电池入口中的至少一者，从而当进入所述装置的流体流从所述部件流到所述燃料电池单元或反之亦然时，所述流体流能在所述部件的所述第一流体管道中以及所述燃料电池单元中以大体上平行于所述装置的所述纵向轴线的方式流动。
[0005]根据本发明，燃料电池单元和部件(优选热交换器或重整器)被设置成使得流体可实质上线性流动并沿着主流向穿过所述部件和所述燃料电池单元，从而形成穿过装置的主流体流。燃料电池单元和部件以相邻的方式设置，并且燃料电池入口和部件的第一流体出口或者燃料电池出口和部件的第一流体入口以相邻的方式设置，这允许流体从所述部件到燃料电池单元的畅通或无偏转的穿过，反之亦然(这取决于部件和燃料电池单元沿着主流向的彼此上游和下游的设置)。根据本发明，装置中不会发生装置之间或部分装置中流向的方向的反转或改变，例如90度。这可以在装置中提供完整的低压降，均匀的流速和均匀的温度分布，以及更少部件需求的紧凑设计。另外，在装置和该装置的各个部分中可以实现均匀流动。装置的各部分之间或部件内的各部分之间的界面或管道连接变得不被需要，从而促进了紧凑装置的实现。由于装置中改善的温度分布，也可以实现提高的能量效率。部件或燃料电池单元可以模块化并组合成根据本发明的装置，这方便了根据本发明的装置的制造、安装和维护。例如，方便了部件或燃料电池单元的更换。同时，部件可以更容易地适应具体的燃料电池单元设计。
[0006]如果部件是包括多个彼此平行且上下叠置的板的板堆叠，那么部件的板被布置成平行于主流向。如果燃料电池单元是包括多个彼此平行且上下叠置的板的平面燃料电池单元，那么装置的所有板可以被布置成平行于主流向且实质上彼此平行。然而，部件或平面燃料电池单元的板可以分别围绕一个旋转轴相对于装置的纵向轴线或主流向旋转。部件、燃料电池单元、其他部件或者装置的多个部分的彼此相互间的旋转，例如可以在O度到180度之间的范围内，优选90度。在这些实施方式中，装置的所有部分的板被布置成平行于主流向。然而，例如相邻堆叠的板例如可以布置成彼此垂直。
[0007]在一些优选实施方式中，燃料电池单元是高温燃料电池的单元，例如固体氧化物燃料电池(SOFC)。尤其是，在高温燃料电池中，可进一步采用高温流体，并且用于燃料电池的燃料中只有一部分被燃料电池本身所利用。因此，其他效果可以通过优化流动特性来获得，尤其在将燃料电池与热交换器或重整器或优选二者组合时。
[0008]沿主流向流动的主流体流例如可以是燃料电池和重整器的阴极流以及流经热交换器的热气。优选地，主流体流是流体流，其具有穿过燃料电池单元和装置的部件的较高的体积流速。这样，主流体对应于穿过部件的第一流体，而第二流体通常具有相比于第一流体的流速低的体积流速的流速。第二流体还可以是具有相比于第一或主流体低的质量流速的流体流。然而，较低的体积流还可以由具有同样质量流速但具有比主流体低的温度的流体流来实现(或第一流)。通过优化，尤其是均匀化具有更高体积流速的流体流，可以获得非常好的效率的装置。例如，重整器的阴极流可以比阳极流高约两个数量级。
[0009]可以优化堆叠部件的第二流体管道中的第二流体流。第二流体也以平行于堆叠部件的板的方式流动。
[0010]部件可以设置在燃料电池单元的上游或下游。因此，(在部件设置在燃料电池单元的上游的情况下)部件的第一流体出口被布置成邻近燃料电池入口，或者(在部件设置在燃料电池单元的下游的情况下)燃料电池出口被布置成邻近部件的第一流体入口。
[0011]如果在根据本发明的装置中提供一个或多个其他部件，例如热交换器、重整器、加力燃烧室或预热器，优选在其他部件中设置用于流体的管道，例如以允许第一流体流入主流向。这样，通过其他部件可以扩展一个装置，而不会失去它的流动特性或它的紧凑性。
[0012]有利的是，例如，用于根据本发明的装置的部件是重整器或热交换器，例如也可以是加力燃烧室或预热器的形式。在根据本发明的装置的一些优选实施方式中，部件可以设置在燃料电池单元的一侧，优选上游，并且至少一个另外的部件设置在燃料电池单元的相反侧，优选下游。例如，热交换器可以设置在燃料电池单元的上游侧，使得热气流平行于装置的纵向轴线流动并进入燃料电池单元的燃料电池中作为阴极流。直到离开燃料电池单元，这个阴极流仍旧沿着平行于装置的纵向轴线的主流向进入并穿过设置在下游并邻近燃料电池单元的重整器。
[0013]在装置的这种设置中，热交换器中的第二流体流例如可以是来自燃料电池单元的阳极气体与热气的混合物。随后，这个混合物在热交换器中氧化。所产生的热用于(进一步)加热阴极气体，然后导入燃料电池单元的燃料电池中。随后，来自燃料电池单元的排污口可以直接连接到相邻设置的热交换器的第二流体入口。燃料电池单元所产生的热可用于设置在更下游的重整器中的重整行为。如果热交换器设置在燃料电池单元的下游，第二流体例如可以是由热交换器的第一热流体加热的冷却气体或冷却液体。
[0014]根据本发明的装置的一个方面，燃料电池单元的高度和宽度对应于部件的高度和宽度。根据本发明的装置的各部分的几何形状匹配允许以非常紧凑的方式设计装置，并且允许改善流动和温度特性。各个部分的相邻设置不需要其他接口并且可以容易地用其他匹配部件来补充。虽然燃料电池单元可以是燃料电池的平面堆叠或者也可以是管状燃料电池的堆叠，但所述部件(尤其是热交换器和重整器)优选是板堆叠。在这些板堆叠中，部件的板的宽度对应于燃料电池单元的宽度。堆叠的高度在高度上彼此匹配，因此，部件和燃料电池单元具有同样的高度。堆叠的长度可与在部件中执行的所需的物理或化学工艺相适应，或与相邻燃料电池单元或部件的规范相适应。例如，部件或其他部件与燃料电池单元的几何形状匹配包括调整部件堆叠中板的数量，使得堆叠的高度与下一个部件(例如燃料电池堆)的高度相同。通过如此，例如重整器的出口的宽度和高度可与燃料电池堆的宽度和高度一 Sc ο
[0015]通过部件和燃料电池单元的几何形状匹配，‘核心部件’或‘核心堆叠’的匹配意味着，部件的一部分被涉及，在这里执行该部件的物理或化学工艺。部件通常包括用于第二流体的第二入口和第二出口，例如用于热交换器的冷却或加热流体或者用于重整器的阳极流体。这些供给入口和排污口不会形成核心堆叠的一部分，但是例如会延伸到装置的两个相对侧。同时，燃料电池单元可提供有供给入口，例如一个管状入口或一系列小管，每个都连接到燃料电池单元的一段。
[0016]被布置成与主流向共线的第一流体入口和出口以及燃料电池入口和出口彼此可以机械连接。优选地，装置的相邻部分的入口和出口彼此不机械连接。部件和燃料电池单元优选彼此相邻