[发明专利]燃料电池组流动罩

说明书

本发明涉及改进的燃料电池组组合体，以及燃料电池组组合体的操作方法，具体地涉及改进的气体流动和热管理。 

在本文中使用的术语″燃料电池组组合体″是指至少一个燃料电池组，至少一个燃料电池组中的每一个包括至少一个燃料电池组层，至少一个燃料电池组层中的每一个包括至少一个燃料电池、燃料和氧化剂入口/出口连接，以及用于燃料和一种或多种氧化剂流的流动通道，和用过的燃料和一种或多种氧化剂流的流动通道、燃料电池组底板和密封连接至燃料电池组底板的罩。燃料电池组组合体的其它任选部件包括合适的燃料侧密封件、氧化剂侧密封件、端板和压缩系统、燃料电池组绝缘体以及电连接和控制/监控连接。 

在本文中使用的术语″燃料电池组系统组合体″是指燃料电池组组合体加上系统电子设备。其它任选部件包括重整器(如果入口燃料被重整的话)、水回收系统、水蒸汽发生器装置、至少一个任选涉及热交换器流之一的相变的热交换器、系统电子设备和系统控制装置、热绝缘体、启动燃烧器和尾气燃烧室。 

术语″系统电子设备″包括控制电子设备和/或任何功率电子设备，其中可以有任选一起或分开放置在燃料电池组组合体内或其附近的至少一个电子设备板和/或装置。 

术语″系统控制装置″包括气体和流体控制阀和泵、鼓风机装置和安全设备。 

燃料电池组组合体采用入口氧化剂和燃料进行操作，从而产生氧化产物(本文中称作废气流，但是也称作阳极废气和阴极废气)、热和DC电流形式的电力。总体上，燃料电池组系统组合体还可以包括其它单元，包括系统控制装置和系统电子设备，所述系统电子设备包括：例如功率电子设备，其将DC燃料电池输出从第一电压转变为第二电压，和/或将DC燃料电池输出转变为AC波形。 

通常，燃料电池组以1∶1至10∶1之间，更通常为2∶1至5∶1，并且还更通常为2.5∶1至4∶1的氧化剂/燃料的比率运行。因而，在操作中，流过燃料电池组的氧化剂气体的体积比流过燃料电池组的燃料的体积更大。典型地，过量的氧化剂气体流用于使燃料电池组的冷却在燃料电池的电化学反应位置附近进行。 

对于本领域的技术人员，熟知的是燃料电池的操作效率与在燃料电池的电化学反应点的局部温度相关。在燃料电池组组合体的操作中，入口气体流在其进入燃料电池之前被加热，-如果它在太低的温度下进入燃料电池，则在电化学反应点的局部温度可能太低，并且可能不利地影响到燃料电池的操作效率和功率输出。控制燃料电池组的温度的能力对燃料电池组的操作效率及其额定功率输出有显著的影响。工程上相当大的努力都耗费在设计燃料电池组以及设备部件和控制工艺的平衡上，以确保燃料电池组在操作条件的范围内都保持对最有效的电化学反应恰当的温度。典型的操作条件包括系统开启、稳态操作、动态负荷变化和系统关闭。 

例如，使用中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)装置，燃料电池组组合体中燃料电池组的一个或多个燃料电池的电化学反应可以在局部燃料电池温度介于450-650℃之间的情况下最有效率地操作。燃料电池组操作温度通常在450-650℃之间。对于燃料电池组的有效操作而言，将氧化剂和燃料入口流加热至接近(例如，在单位为℃的燃料电池组操作温度的0-20％、更优选0-10％、还更优选0-5％之内)燃料电池组的操作温度的温度。这样的IT-SOFC的实例是结合了基于至少一种金属负载的氧化铈钆(ceriagadolinium oxide)(CGO)电解质燃料电池的燃料电池组。这样的IT-SOFC系统的实例可以具有至少一个热交换系统，该热交换系统能够将进入到燃料电池组中的氧化剂气体流加热到约480℃的温度。对于典型的燃料电池系统设计，热交换系统出口氧化剂气体流温度被设计为与所需的燃料电池组氧化剂气体流入口温度基本上相同，使得燃料电池入口氧化剂气体流不再需要热交换。在典型的IT-SOFC系统中，用于热交换系统的加热气体可以具有约510℃的热交换器系统入口温度。由于在温度为约480℃的进入到燃料电池组中的氧化剂气体流和约510℃的热交换系统加热气体入口温度之间的低热势，因此热交换器设计将必需是大尺寸和高质量的。用于约 1kW电功率输出燃料电池系统的这种热交换系统的实例是高效率的，但是设计复杂并且昂贵的重约3.5kg的热交换装置。 

用于加热燃料电池组氧化剂气体流的热交换系统可以由至少两个热交换器装置构成。所述至少两个热交换装置可以使用至少两种燃料电池系统气体流(例如，阳极废气和尾气燃烧器废气流)作为用于燃料电池组氧化剂气流的加热流体。