具有一體化熱交換器網絡的高溫燃料電池系統的製作方法

2023-05-13 00:22:36 1

專利名稱：具有一體化熱交換器網絡的高溫燃料電池系統的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及一種燃料電池，更準確地說，涉及一種高溫燃料電池系統及其操作。
背景技術：
燃料電池是一種電化學裝置，該裝置將儲存在燃料中的能量高效地轉換成電能。高溫燃料電池包括固態氧化物和熔化碳酸鹽燃料電池。這些燃料電池可以使用氫和/或烴類燃料進行操作。具有各種類別的燃料電池，如固態氧化物再生燃料電池，該燃料電池也允許反向操作，從而可使用作為輸入的電能，將氧化的燃料還原回到未氧化的燃料。
在高溫燃料電池系統，如固態氧化物燃料電池(SOFC)系統中，氧化流通過燃料電池的陰極側，而燃料流則通過燃料電池的陽極側。氧化流通常是空氣，而燃料流通常是富氫的氣體，該富氫的氣體是通過重整烴類燃料源產生的。操作在750℃和950℃之間的典型溫度的燃料電池能夠將帶陰電的氧離子從陰極流動流(flow stream)輸送到陽極流動流中，在這裡，該離子與自由氫或者烴分子中的氫相結合，以形成水蒸汽和/或與一氧化碳相結合，以形成二氧化碳。來自帶陰電的離子的過量電子通過在陽極和陰極之間接通的電路迂迴到燃料電池的陰極側，從而產生流過該電路的電流。

發明內容
在本發明的一個方面中，提供了一種燃料電池系統，該系統包括燃料電池疊層和傳熱裝置，該傳熱裝置適合於將熱量從燃料電池疊層的陰極排氣流(cathode exhaust stream)傳遞到將要提供到燃料入口流(fuel inlet stream)的水中。
在一個方面中，傳熱裝置包括水蒸發器，該水蒸發器適合於將液態水轉換成蒸汽。蒸發器包括第一輸入端，它可操作地連接到燃料電池疊層的陰極排氣出口上；第二輸入端，它可操作地連接到水源上；以及第一輸出端，它可操作地連接到燃料電池疊層的燃料入口上。
在另一個方面中，該系統還包括燃料預熱器熱交換器(fuelpreheater heat exchanger)，該熱交換器包括第一輸入端，它可操作地連接到燃料電池疊層的陰極排氣出口上；第二輸入端，它可操作地連接到燃料源上；以及第一出口，它可操作地連接到燃料電池疊層上。
在又一個方面中，燃料預熱器熱交換器適合於將熱量從燃料電池疊層的陰極排氣流傳遞到正被提供到燃料電池疊層的燃料入口流中。
作為另一個方面，蒸發器包括同向流動(co-flow)蒸發器，在該蒸發器中，陰極排氣流和水適合於沿著相同的方向流動，並且蒸發器的輸出端可操作地連接到燃料預熱器熱交換器的入口上，使得陰極排氣流從蒸發器流入燃料預熱器熱交換器中。
根據一個方面，該系統還包括空氣預熱器，該空氣預熱器適合於使用來自陽極排氣流的熱量預熱空氣入口流(air inlet stream)。
在另一個方面中，在陽極排氣流進入冷凝器之前，空氣預熱器適合於部分地冷凝陽極排氣流中的水蒸汽。
根據本發明的一個方面，燃料電池系統包括燃料電池疊層；第一裝置，它使用來自燃料電池疊層陰極排氣流的熱量將水蒸發成蒸汽；以及第二裝置，它將蒸汽提供到正被引導到燃料電池疊層的燃料入口流中。
根據本發明的一個方面，提供一種操作燃料電池系統的方法。該方法包括如下步驟操作燃料電池疊層以產生電能；使用來自燃料電池疊層陰極排氣流的熱量將水蒸發成蒸汽；以及將蒸汽提供到正被引導到燃料電池疊層的燃料入口流中。
根據一個方面，該方法還包括步驟使用蒸發水上遊的陰極排氣流加熱空氣入口流。
在另一個方面中，該方法還包括在使用陰極排氣流加熱空氣入口流之前，使用燃料電池疊層陽極排氣流加熱空氣入口流。
在另一方面中，該方法還包括步驟在加熱空氣入口流期間，部分地冷凝陽極排氣流中的水蒸汽。
根據一個方面，該方法還包括用蒸發水下遊的陰極排氣流預熱燃料入口流。
在一個方面中，蒸發步驟包括使陰極排氣流和水在蒸發器內沿著相同的方向流動。
作為一個方面，該方法還包括混合蒸汽和燃料入口流；使用來自燃料電池疊層陽極排氣流的熱量加熱蒸汽和燃料混合物；以及將蒸汽和燃料混合物提供到重整裝置(reformer)中。
根據本發明的一個方面，燃料電池系統包括燃料電池疊層；及順流(concurrent flow)水蒸發器，它適合於將熱量從陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中。
作為另一個方面，該系統還包括燃料預熱器；蒸發器的陰極排氣流輸出端，它可操作地連接到燃料預熱器上，使得陰極排氣流從蒸發器流入到燃料預熱器中。
根據本發明的一個方面，燃料電池系統包括燃料電池疊層；以及第一裝置，它將熱量從陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中，使得陰極排氣流和水在第一裝置中沿著相同的方向流動。
根據本發明的一個方面，提供一種操作燃料電池系統的方法。該方法包括如下步驟使陰極排氣流和水流以順流的關係流動；使用來自陰極排氣流的熱量將水蒸發成蒸汽，同時以順流的關係流動，以及將蒸汽提供到正被導入到燃料電池疊層的燃料入口流中。
根據本發明的一個方面，燃料電池系統包括燃料電池疊層；傳熱裝置，它適合於將熱量從燃料電池疊層的陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中；空氣預熱器，它適合於使用來自陽極排氣流的熱量預熱空氣入口流；以及陰極同流換熱器熱交換器(cathoderecuperator heat exchanger)，它適合於將熱量從陰極排氣流傳遞到空氣入口流中。陰極同流換熱器可操作地連接到傳熱裝置相對於陰極排氣流流動的上遊和空氣預熱器相對於空氣入口流流動的下遊。此外，陰極同流換熱器熱交換器的尺寸設定成將陰極排氣流提供到具有足夠高溫度的傳熱裝置中，以便於蒸發傳熱裝置中的水。
觀察包括附屬權利要求和圖在內的整個說明使得本發明的其它目的、特徵和優點變得更加清楚。


圖1是比較示例的系統中的流體流的溫度對熱量的曲線圖；圖2和3是本發明的第一優選實施例的燃料電池系統的示意圖。圖2是系統部件和流程圖；圖3示出燃料電池系統的熱交換器網絡的示意圖。
圖4、5、6和8是本發明的優選實施例的系統中的各種流體流的溫度對熱量的曲線圖；圖7示出本發明的第三優選實施例的燃料電池系統的熱交換器網絡的示意圖。
圖9示出本發明的一體化燃料加溼器組件某些部分的概略圖。
圖10是某些部分的概略圖，表示圖9中組件的流動路徑；圖11是圖9中組件的一個實施例的局部分解透視圖。
圖12是圖11中組件的熱交換器板的平面圖；圖13是用於圖9中組件的一個實施例中的熱交換器板對的局部分解透視圖。
具體實施例方式
為了使SOFC保持在它的工作高溫上，排出燃料電池的陽極和陰極流動流通常通過一系列的同流熱交換器(recuperative heatexchanger)將熱量傳遞到進入流(incoming flows)中。在比較示例中，這個可以包括將熱量傳遞到液態水源中以便產生蒸汽的過程，該蒸汽用來對烴類燃料進行蒸汽重整，以產生富氫的重整產品流。
例如，陰極熱量可同流換熱地從陰極排氣流動流中傳遞到進入的陰極空氣中，同時陽極熱量部分地、同流換熱地從陽極排氣傳遞到供給蒸汽重整裝置的進入加溼的燃料，比如天然氣中，並且部分地傳遞到水中，以產生正被提供到燃料中以加溼燃料的水蒸汽。此外，陽極排氣中的水蒸汽可被收回，以全部或者部分地用作蒸汽重整裝置的水源。
發明人發現，對其中使用陽極(即燃料側)排氣流來加熱加溼的燃料並且蒸發水的系統熱力學分析揭示出與傳遞到進入加溼的燃料(即水和燃料)所需的能量相比，在排出燃料電池的陽極排氣中可將得到更多的能量。但是，在陽極排氣中所得到的熱量和供給所需的熱量兩者中的大部分是潛熱的形式。其結果是，儘管在陽極排氣中可以得到足夠多的能量，但是如下試圖在商業上可能不切實可行，即試圖將熱量通過熱交換器從陽極排氣傳遞到水和天然氣中，而在該熱交換器中，熱量藉助於對流從陽極排氣流傳遞到分開排氣流和一個或者多個進入流體的導熱表面中，再從所述表面傳遞到一個或者多個進入流體中。
上述問題示出在圖1中，該圖1示出溫度對為陽極排氣和水傳遞的熱量的曲線圖。圖1中的條件假定是從水-氣轉換反應器(shiftreactor)進入蒸發器(即汽化器)和假設逆流蒸發器的400℃陽極排氣溫度能夠使水在最小的過熱下獲得完全的蒸發。
在圖1中可以看到，對於基本部分的熱負荷(heat duty)(即在Q值大約為1100W到大約1750W時，水的曲線位於陽極排氣曲線的上方)，冷凝來自完全飽和的陽極排氣中的水蒸汽並且等溫地蒸發水會導致排熱的陽極排氣溫度降低到低於受熱水的溫度。其結果是，只通過使用典型的熱交換器在流體之間實現所需的熱傳遞，在圖1假定的條件下是不能實現的，因為典型熱交換器的熱傳遞需要導熱分開材料的溫度要低於排熱流體的局部體積流體溫度並且高於受熱流體的局部體積流體溫度。
因此，多半需要額外的加熱源來蒸發足夠的水，以滿足甲烷重整所需的蒸汽量，它在具有6.5kW電輸出的系統中可以高達1.5kW。這種額外的加熱源降低了系統效率。
發明人發現，陰極(即空氣側)排氣可以用來蒸發正被提供到燃料中的水和/或用來加熱正被提供到該系統中的燃料。通過使用這種替代方法來收回SOFC燃料電池系統中的熱能，排氣的整個熱勢可以被收回來預熱燃料電池供給物(feeds)而不需要質量轉移裝置，如焓輪(enthalpy wheel)或者額外的熱源。但是，在使用這種替換方法的一些系統中，依然最好能使用質量轉移裝置，如焓輪或者額外的熱源。使用陰極排氣來蒸發加溼燃料的水和/或使用陰極排氣來加熱進入燃料的系統也能夠得到被動控制。但是，在使用陰極排氣蒸發加溼燃料的水和/或使用陰極排氣加熱進入燃料的一些系統中，多半最好使用主動控制。
圖2和3示出本發明的第一優選實施例的燃料電池系統1。優選的是，該系統1是高溫燃料電池疊層系統，如固態氧化物燃料電池(SOFC)系統或者熔化碳酸鹽燃料電池系統。系統1可以是再生系統，如固態氧化物再生燃料電池(SORFC)系統，該系統以燃料電池(即放電)和電解(即充電)兩種模式進行操作，或者它可以是只以燃料電池模式進行操作的非再生系統。
系統1包含一個或者多個高溫燃料電池疊層3。疊層3可以裝有多個SOFC、SORFC或者熔化碳酸鹽燃料電池。每個燃料電池含有電解質、位於陽極室內電解質的一側上的陽電極、位於陽極室內電解質的另一側上的陰電極以及其它部件，如分離板/電接點、燃料電池殼體和絕緣體。在以燃料電池模式進行操作的SOFC中，氧化劑，如空氣或者氧氣進入到陰極室中，同時燃料，如氫或者烴類燃料進入到陽極室中。可以使用任何合適的燃料電池結構和部件材料。
系統1還裝有傳熱裝置5，該傳熱裝置5在圖2中標示為燃料加溼器。裝置5適合於從燃料電池疊層3的陰極排氣進行傳熱，以蒸發將要提供到燃料入口流的水，並且還使燃料入口流與蒸汽(即蒸發的水)相混合。優選的是，傳熱裝置5裝有水蒸發器(即汽化器)6，該水蒸發器適合於使用來自陰極排氣流的熱量來蒸發水。蒸發器6含有第一輸入端7，它可操作地連接到燃料電池疊層3的陰極排氣出口9上；第二輸入端11，它可操作地連接到水源13上；以及第一輸出端15，它可操作地連接到疊層3的燃料入口17上。傳熱裝置5還裝有燃料-蒸汽混合器8，該混合器8混合蒸汽或者水蒸汽，它們從蒸發器6的第一輸出端15通過導管10提供到混合器8中；和輸入燃料，如甲烷或者天然氣，它們從燃料入口19提供，如圖3所示。
術語「可操作地連接」表示，可操作地連接的部件可以直接或者間接地相互連接。例如，兩個部件可通過流體(即氣體和/或液體)導管相互直接連接。另一方面，兩個部件可以間接地相互連接，使得流體流在第一部件到第二部件之間流過系統的一個或者多個額外部件。
優選的是，系統1還裝有重整裝置21和燃燒器23。重整裝置21適合於把烴類燃料重整成含氫的反應產品，再將該反應產品提供到燃料電池疊層3中。優選的是，燃燒器23用熱的方法與重整裝置21結合成一體，以把熱量提供到重整裝置21中。優選的是，燃料電池疊層3的陰極排氣出口9可操作地連接到燃燒器23的入口25上。此外，烴類燃料源27也可操作地連接到燃燒器23的入口25上。
烴類燃料重整裝置21可以是能夠部分或者全部地重整烴類燃料以形成含碳和含游離氫的燃料的任何合適裝置。例如，燃料重整裝置21可以是能夠將烴類氣體重整成游離氫和含碳氣體的氣體混合物的任何合適裝置。例如，通過蒸汽甲烷重整(SMR)反應，使燃料重整裝置21可以重整加溼的沼氣，如天然氣以形成游離氫、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽和任意的殘餘量未重整沼氣。然後把游離氫和一氧化碳提供到燃料電池疊層3的燃料入口17中。優選的是，燃料重整裝置21用熱的方法與燃料電池組3結合成一體，以支持重整裝置21內的吸熱反應並且冷卻疊層3。在上下文中的術語「用熱的方法結合成一體」表示，來自燃料電池疊層3中的反應的熱量驅動燃料重整裝置21內的淨吸熱燃料重整。通過將重整裝置和疊層置於相同的熱箱37和/或置於相互熱接觸中，或者通過提供將疊層連接到重整裝置上的熱導管或者熱導材料，使燃料重整裝置21可以用熱的方法與燃料電池疊層3結合成一體。
在穩態操作期間，燃燒器23將補充熱量提供到重整裝置21中，以進行SMR反應。燃燒器23可以是用熱的方法與重整裝置21結合成一體的任何合適的燃燒器。燃燒器23通過入口25接受烴類燃料，如天然氣和氧化劑(即空氣或者其它含氧的氣體)，如疊層3的陰極排氣流。但是，可以將除了陰極排氣流之外的其它氧化劑源提供到燃燒器中。在燃燒器內燃燒燃料和陰極排氣流(即熱空氣)以產生熱量來加熱重整裝置21。燃燒器出口26可操作地連接到傳熱裝置5的入口7上，以將與燃燒的燃料成分混合的陰極排氣從燃燒器中提供到傳熱裝置5中。儘管所示的系統1使用了通過燃燒器的、傳熱裝置5內的陰極排氣流，但是在一些系統中多半最好利用沒有通過燃燒器的、傳熱裝置5中的陰極排氣流。
優選的是，從在重整裝置的穩態操作期間(並不是在剛剛起動期間)進行操作的燃燒器23和疊層3的陰極(即空氣)排氣流中提供補充到重整裝置21的熱量。最優選的是，燃燒器23與重整裝置21直接接觸，並且疊層3的陰極排氣構造成使得陰極排氣流接觸重整裝置21和/或環繞重整裝置21，以有利於額外的傳熱。這降低了對SMR的燃燒熱的要求。
優選的是，重整裝置21夾在燃燒器23和一個或者多個疊層3之間，以有助於傳熱。當重整裝置不需要熱量時，燃燒器裝置起著熱交換器的作用。因此，相同的燃燒器23可以用在系統1的起動和穩態操作中。
系統1還包括燃料預熱器熱交換器(即陽極同流換熱器)29，該燃料預熱器熱交換器適合於使用來自疊層3陽極排氣出口31排出的燃料電池疊層3的陽極排氣流的熱量來加熱燃料入口流。系統1還包括陰極同流換熱器熱交換器33，該熱交換器33適合於使用來自疊層3陰極排氣出口9排出的陰極排氣流的熱量來加熱來自鼓風機35的空氣入口流。優選的是，將與來自燃燒器23出口26的燃燒的燃料成分混合的陰極排氣流提供到陰極同流換熱器33中，以加熱空氣入口流。然後將與燃燒的燃料成分混合的陰極排氣流提供到傳熱裝置5的蒸發器6中，以將水蒸發成蒸汽，然後它被提供到燃料入口流中，該燃料入口流進入到重整裝置21中。
優選的是，燃料電池疊層3、重整裝置21、燃燒器23、燃料預熱器熱交換器29和陰極同流換熱器熱交換器33設置在熱箱37內。優選的是，陰極同流換熱器熱交換器33通過故意地尺寸不足，以確保排出熱交換器33的陰極排氣流的溫度足夠高，以使傳熱裝置5能通過傳遞來自陰極排氣流的熱量將水蒸發成蒸汽。例如，在一個高度優選的實施例中，優選的是，陰極同流換熱器熱交換器具有小於預定尺寸的尺寸，使得陰極排氣流以至少200℃的溫度，比如200℃到230℃、例如大約210℃排出陰極同流換熱器熱交換器。在這個高度優選的實施例中，陰極排氣流以至少800℃的溫度，比如大約800℃到大約850℃、例如大約820℃進入陰極同流換熱器熱交換器33。陰極同流換熱器熱交換器33通過故意地尺寸不足，使這個高度優選的實施例具有大約10kW到12kW，比如大約11kW的交換率。相反，這個高度優選的實施例的全尺寸的熱交換器可具有大約16kW的交換率。儘管描述了一個高度優選實施例的具體溫度和熱交換率，但是應該明白，出口溫度和進口溫度以及熱交換率將高度取決於每個具體應用的特殊參數，因此，應該明白，除非在權利要求中另有特別敘述之外，對具體的出口溫度和入口溫度或者熱交換率沒有限制。
優選的是，系統1還裝有空氣預熱器熱交換器39，該熱交換器39適合於使用從疊層陽極出口31排出的陽極排氣流的熱量預熱來自鼓風機35的空氣入口流。優選的是，鼓風機將空氣入口流提供到系統1中，該系統1所包括的空氣是燃料電池疊層3產生電能所需的空氣的至少2.5倍，比如2.5到6.5倍、優選為3-4.5倍。例如，鼓風機35可以把空氣入口流預熱到大約50℃。然後，從鼓風機把稍微預熱過的入口空氣流提供到空氣預熱器熱交換器39中，在這裡，氣流被預熱到大約100℃到大約150℃，舉例來說，如大約140℃。該預熱過的空氣入口流然後以大約100℃到大約150℃進入到陰極同流換熱器熱交換器33中，並且以大約700℃到大約750℃、比如大約720℃排出熱交換器33。由於預熱過的空氣入口流以大於室溫的溫度進入到陰極同流換熱器熱交換器33中，陰極排氣流可以以大於200℃的溫度排出熱交換器33。因此，空氣預熱器熱交換器39充分地預熱空氣入口流，從而允許使用尺寸不足的陰極同流換熱器熱交換器33，這種熱交換器降低了整個系統的製造成本。
優選的是，空氣預熱器39設置在熱箱37的外部和陰極同流換熱器33的上遊，這樣首先通過空氣預熱器39中的陽極排氣流來加熱空氣入口流，接著再通過陰極同流換熱器33中的陰極排氣流來加熱。因此，通過來自疊層3的陽極和陰極兩種排氣流來加熱提供到疊層3的陰極入口41中的空氣入口流。
系統1任選地裝有水氣轉換反應器43，該反應器43適合於將燃料電池疊層陽極排氣流中的至少一部分水蒸汽轉換成游離氫。因此，反應器43的入口45可操作地連接到疊層陽極出口31上，而反應器43的出口47可操作地連接到空氣預熱器39的入口49上。水-氣轉換反應器43可以是將排出燃料電池疊層3燃料排氣出口31的至少一部分水轉換成游離氫的任何合適的裝置。例如，反應器43可以包括管或者導管，該管或者導管裝有催化劑，該催化劑把陽極排氣流中的一些或者全部一氧化碳和水蒸汽轉換成二氧化碳和氫。催化劑可以是任何合適的催化劑，比如氧化鐵或者鉻促進氧化鐵催化劑。
系統1還任選地裝有冷凝器51，優選地使用環境空氣流作為吸熱設備，該冷凝器51適合於將陽極排氣流中的水蒸汽冷凝成液態水。系統1還任選地裝有氫回收系統53，該系統53適合於在陽極排氣流通過冷凝器51之後從陽極排氣流中回收氫。例如，氫回收系統可以是壓力擺動吸收系統或者另一合適的氣體分離系統。優選的是，在陽極排氣流進入到冷凝器51中減少冷凝器51上的負荷之前，空氣預熱器39部分地冷凝陽極排氣流中的水蒸汽。因此，空氣預熱器39的出口55可操作地連接到冷凝器51的入口57上。冷凝器51的第一出口59將從水中分離出的氫和其它氣體提供到氫回收系統53中。冷凝器51的第二出口61將水提供到任選的水淨化系統63中。來自淨化系統63的水通過入口11被提供到蒸發器6中，該蒸發器6包括一部分傳熱裝置5。
系統1還任選地裝有脫硫器65，該脫硫器65設置在來自燃料源27的燃料入口流的路徑中。脫硫器65從燃料入口流中除去一些或者全部的硫。優選的是，脫硫器65包括催化劑，比如Co-Mo或者其它合適的催化劑，該催化劑可以從氫化的、含硫的天然氣燃料中產生CH4和H2S氣體；及吸附劑層，比如ZnO或者其它合適的材料，用來從燃料入口流中除去H2S氣體。因此，無硫或者減少硫的烴類燃料，比如甲烷或者天然氣離開脫硫器65。
參照圖2和3對本發明第一優選實施例的系統1的操作方法加以描述。
從鼓風機35中通過導管101將空氣入口流提供到空氣預熱器39中。在空氣熱器39中通過與來自水-氣轉換反應器43的陽極排氣流交換熱量來預熱空氣入口流。然後，通過導管103將預熱過的空氣入口流提供到陰極同流換熱器33中，在這裡，通過與陰極排氣流交換熱量，將空氣入口流加熱到更高的溫度。然後，通過導管105將空氣入口流提供到疊層3的陰極入口41中。
然後空氣作為陰極排氣流排出疊層3陰極出口9。該陰極排氣流環繞重整裝置21並通過導管107和入口25進入到燃燒器23的燃燒區中。脫硫過的天然氣或者另一烴類燃料從燃料入口27通過導管109還供給到燃燒器23入口25中，以進行額外的加熱。來自燃燒器23的排氣流(即陰極排氣流)然後通過導管111進入到陰極同流換熱器中，在這裡，它與進入的空氣交換熱量。
此後，通過導管113將陰極排氣流提供到傳熱裝置6的蒸發器6中。然後在蒸發器6中抽出留在陰極排氣流中的其餘部分的熱量，以便在通過排氣導管115排出之前蒸發用於蒸汽甲烷重整的水。
在燃料側，烴類燃料入口流從燃料源27，比如儲氣箱或者裝閥的天然氣管進入到脫硫器65中。脫過硫的燃料入口流(即脫過硫的天然氣)然後通過導管117進入到傳熱裝置5的燃料混合器8中。在混合器8中，使燃料與來自蒸發器6的、淨化過的蒸汽相混合。
蒸汽/燃料混合物而後通過導管119被提供到燃料預熱器29中。此後，在通過導管121進入到重整裝置之前，依靠與燃料預熱器29中的陽極排氣流交換熱量來加熱蒸汽/燃料混合物。然後，重整產品從重整裝置21通過導管123進入到疊層3的陽極入口17中。
疊層陽極排氣流排出陽極出口31並且通過導管125被提供到燃料預熱器29中，在這裡，它加熱進入的燃料/蒸汽混合物。來自熱箱37的陽極排氣流此後通過導管127進入到水氣轉換反應器43中。來自反應器43的陽極排氣流而後通過導管129被提供到空氣預熱器39中，在這裡，它與空氣入口流交換熱量。然後，通過導管131將陽極排氣流提供到冷凝器51中，在這裡，從陽極排氣流中除去水，並且使水再循環或者把水排出。例如，水通過導管133被提供到水淨化器63中，它從淨化器通過導管135提供到蒸發器中。另一方面，水通過進水口137，比如水管被提供到淨化器63中。富氫的陽極排氣然後從冷凝器51通過導管139被提供到氫淨化系統53中，在這裡，從蒸汽中的其它氣體中分離出氫。其它氣體通過清洗導管141清除，而氫通過導管143提供作其它用途或者儲存。
因此，如上所述，系統1中的流體流在多個不同位置上進行熱量交換。陰極排氣流環繞蒸汽甲烷重整裝置21以供給重整所需的吸熱熱量。然後，將天然氣或者其它烴類燃料根據需要直接加入到通過燃燒器23的陰極排氣流中，以滿足重整的全部熱量需求。從燃燒器23排出的高溫排氣(它含有陰極排氣流和燃燒過的燃料成分，稱為「陰極排氣流」)的熱量被回收到陰極同流換熱器33中進入的陰極空氣中(即空氣入口流)。排出燃料電池疊層3陽極側的陽極排氣流的熱量首先被回收到燃料預熱器29中進入的陽極供給物(即燃料入口流)中，然後回收到空氣預熱器39內進入的陰極供給物(即空氣入口流)中。
優選的是，超過燃料電池反應所需的化學計算的量提供從鼓風機35供給到燃料電池疊層3中的空氣，以便冷卻疊層而帶走由疊層所產生的熱量。空氣流量對化學計算量的典型比率超過4、比如4.5到6，優選大約為5。這導致基本上比陽極氣體(即燃料)更高的陰極空氣品質流量。因此，如果陰極排氣流只加熱空氣入口流，那麼在陰極排氣和空氣入口流之間傳遞的熱量明顯高於在陽極排氣和燃料入口流之間傳遞的熱量一般大約3倍。
發明人發現，不是將從陰極排氣流中回收到的所有熱量直接傳遞到進入的空氣中，而是系統1隻將一部分陰極排氣流熱量傳遞到進入的空氣入口流中，並且使用可得到的陰極排氣流熱量的剩餘部分，以將蒸發器6內的水完全蒸發。
因此，在空氣入口流被加熱到合適的燃料電池溫度之前，它用空氣預熱器39中的陽極排氣流來預熱。這種預熱確保當進入陰極同流換熱器33中時，空氣入口流具有足夠高的溫度，以確保同流換熱器33能使空氣入口流的溫度升高到合適的燃料電池溫度。
圖4和5分別示出一個分析實施例的流體溫度對蒸發器6(即水汽化器)和空氣預熱器39傳遞的熱量的曲線圖。從圖4和5中的曲線圖可以看到，圖1中所示的熱力交叉(cross-over)被消除。這就不需要消耗額外燃料的溼度交換器或者補充加熱器。
在熱交換器中，「溫度近似值」被定義為熱交換器中任何位置上的兩個流體流之間的最小溫差。在圖4和5中可以看到，兩個熱交換器(即蒸發器6和空氣預熱器39)具有非常小的溫度近似值，其位於遠離熱交換器每一端，在兩相區域開始的地方。使每個熱交換器中的溫度近似值最大化是有利的，因為流體之間的導熱速度隨著這些流之間的局部溫差的減小而降低，從而導致需要更大的熱交換器來傳遞所需的熱量。
如果在陰極同流換熱器33中產生的總陰極空氣預熱的部分減小，那麼溫度近似值將在蒸發器6內增大。但是，溫度近似值將在空氣預熱器39內減小。相反，如果在陰極同流換熱器33中產生的總陰極空氣預熱的部分增大，那麼溫度近似值將在空氣預熱器39內增大。但是，溫度近似值在蒸發器6內將減小。於是，在總的陰極熱負荷中，將具有一些最佳的百分比，該百分比在陰極同流換熱器33內應該被傳遞，以便使蒸發器6和空氣預熱器39內的溫度近似值最大化。
發明人還發現，通過使用陰極排氣流來蒸發水，使排出蒸發器6的蒸汽中的過熱量對進入到蒸發器中的陰極排氣流的溫度和質量單位流量非常敏感。這在圖6中可以看到，該圖6示出陰極排氣流質量流量(其中進入到蒸發器中的陰極排氣流溫度保持不變)中4.5％的增量對合成加溼的天然氣溫度的影響。
可以看到，進入燃料預熱器29中加溼的天然氣的溫度由於陰極排氣流流動速率中這種微小增量而提高了28℃。這種溫度的增量導致排出燃料預熱器的陽極排氣流的溫度更高，及隨後排出水氣轉換反應器43並進入空氣預熱器39中的溫度更高。這又導致陰極空氣預熱的增加，從而勢必提高進入蒸發器6中陰極排氣流的溫度，因此使該問題更加惡化。加溼的天然氣溫度將連續地步步上升，從而產生系統穩定性問題，除非入口空氣流動速率得到控制。因此，陰極空氣(即入口空氣)流動速率需要得到控制，因為它是控制系統1的一個主要方法。
在第二優選實施例中，前面提及的潛在穩定性問題通過繞著蒸發器6具有可調整的陰極排氣旁路可以得到減小或者消除，小部分的陰極排氣流通過該旁路能夠轉向，以便控制通過蒸發器6的陰極排氣流動速率。這個解決方案採用了流體流動速率的主動控制。
在第三優選實施例中，採用被動方法來減小或者消除前面提及的潛在穩定性問題，而不需要額外的監視和控制。發明人已發現，通過溫度收縮效應(temperature pinch)限制蒸發器中增加的過熱潛能，使進入燃料預熱器29中加溼的天然氣溫度對陰極排氣流流動速率和/或溫度的變化相對不敏感。
圖7示出第三優選實施例的系統的熱交換器部分。第三優選實施例的系統的其它部分與圖2和3所示的第一優選實施例的系統的其它部分相同。
如圖7所示，水通過蒸發器6的流動方向與通過蒸發器6的陰極排氣流的流動方向一致，而不是相反。不是在位於兩相流動區域的開始處的蒸發器6中具有溫度近似值，而是移到蒸發器6的傳熱區域的端部，在這裡，溫度近似值將「收縮」到零值或者非常接近零值。在這點之後，流與流之間不發生熱傳遞，而且兩個流體將以共同的溫度或者接近共同的溫度排出。陰極排氣流流動速率需要稍微增加，以便確保陰極排氣流的熱容量足以獲得水中的全部水汽量。然後，水(即蒸汽)帶有一些過熱量排出蒸發器6。排出蒸發器6的陰極排氣流隨後可用來預熱第二燃料預熱器67中的燃料，比如天然氣。由於燃料入口流與陰極排氣流相比具有非常小的流動速率，因此非常容易獲得100％的有效熱傳遞並且將燃料入口流預熱到與排出蒸發器的水汽和陰極排氣流相同的溫度。
因此，如圖7所示，第三優選實施例的系統也裝有第二燃料預熱器67。該燃料預熱器67包括第一輸入端69，它可操作地連接到燃料電池疊層3的陰極排氣出口9上；第二輸入端71，它可操作地連接到燃料源27上；及第一輸出端73，它可操作地連接到燃料入口導管17上。第二燃料預熱器67適合於將熱量從燃料電池疊層的陰極排氣流傳遞到正被提供到燃料電池疊層3的燃料入口流中。第三優選實施例中的蒸發器6包括順流或者「同向流動」蒸發器，在這種蒸發器中，陰極排氣流和水適合於沿著相同的方向流動，並且蒸發器的輸出端可操作地連接到燃料預熱器67的入口上，因此陰極排氣流從蒸發器6流入第二燃料預熱器67中。
因此，水和陰極排氣流優選地被提供到蒸發器的相同側和相互並行的流中。水被轉變為蒸發器6中的蒸汽，並且被提供到蒸汽/燃料混合器8中。陰極排氣流從蒸發器被提供到第二燃料預熱器熱交換器67中，在這裡，它加熱入口燃料流，該入口燃料流而後通過混合器8和第一燃料預熱器熱交換器(陽極同流換熱器29)被提供到疊層3。
第三優選實施例的系統對陰極排氣流的溫度和質量流量的變化基本上不敏感。作為一個分析實施例，圖8示出進入陽極同流換熱器(即第一燃料預熱器)29中加溼的天然氣溫度將提高低於7度，因為在第三優選實施例的系統中陰極排氣流質量流量的增量為6.8％。這種小的溫升不應引起上述溫度的步步變動，因此在不需要主動控制入口空氣和/或陰極排氣流流動的情況下將使系統得以穩定。
因此，在本發明的優選實施例中，使用來自陰極排氣流的熱量來蒸發水。空氣熱交換器(即陰極同流換熱器)的尺寸不足，使得熱流以至少200℃，比如200℃到230℃的高溫從其排出。空氣以2.5和更大的理想配比(stoic)被供給到系統中，從而具有足夠的排氣熱量來蒸發蒸汽甲烷重整所需的水。優選的是，這麼多的空氣被提供到燃料電池疊層中，該空氣是燃料電池疊層產生電能所需空氣的2.5到6.5倍之間、更加優選為3到4.5倍之間。進入到陰極同流換熱器中的入口空氣在空氣預熱器中使用陽極排氣流進行預熱，以降低陰極同流換熱器上的負荷。來自陽極排氣流的水在空氣預熱器中部分地被冷凝，以降低陽極冷凝器中的負荷。
參照圖9，燃料加溼器5優選以一體化組件200的形式提供，該組件200作為一個整體裝置包括水蒸發器6、燃料加熱器或者預熱器，比如燃料預熱器67和燃料/蒸汽混合器8，該混合器8連接到水蒸發器6上，以從其中接受蒸汽並且連接到燃料加熱器67上，以從其中接受加熱過的燃料。水蒸發器6優選地包括水流路徑202，該水流路徑202與輸送熱量的流體流路徑204成傳熱關係，該流體流路徑204在所示的系統中是陰極排氣流路徑，而燃料加熱器包括燃料流路徑206，該燃料流路徑206也與輸送熱量的流體流路徑204成傳熱關係，該流體流路徑204仍然是所示系統用的陰極排氣流路徑204。燃料/蒸汽混合器8連接到水流路徑202上，以從其中接受蒸汽並且連接到燃料流路徑206上，以從其中接受加熱過的燃料。如在圖9中所看到的那樣，燃料預熱器67相對於輸送熱量的流體流路徑204優選地設置在水蒸發器6的下遊。但是，在一些應用中，燃料預熱器67相對於輸送熱量的流體流路徑204多半最好設置在水蒸發器6的上遊。
參照圖10，在一個優選實施例中，水流路徑202優選地包括多個平行的水流通道210，燃料流路徑206包括多個平行的燃料流通道212，及輸送熱量的流體流路徑204包括多個平行的輸送熱量的流體流通道214，該通道214與水蒸發器6中的水流通道210交叉並且與燃料加熱器67中的燃料流路徑212交叉。進一步參照圖10，燃料/蒸汽混合器8優選為連接到所有水和燃料流通道210和212上的歧管或者增壓室(plenum)216的形式。
優選的是，每個水流通道210包括液體壓降入口區域220，相對於水流通道210的剩餘部分222，該區域220提供更大的壓力降，從而有助於確保把水流合適地分配到所有的水流通道210中。但是，儘管區域220是優選的，但是在一些應用中，水流通道210多半最好沒有任何這樣的區域220。
同樣優選的是，每個區域220通過以224概略示出的熱隔斷部(thermal break)與輸送熱量的流體流路徑206隔熱。熱隔斷部224的作用是減少熱傳導到壓降入口區域220中，並且優選地防止或者限制區域220中水流的任何蒸發。
如在圖9和10中看到的那樣，水流和輸送熱量的流體流通過一體化組件200具有順流的關係，該組件200的優點曾在本文前面論述過，這些優點包括由於溫度收縮效應為相關系統提供穩定性，因而使該系統對輸送熱量的流體的流動速率的變化以及輸送熱量的流體的溫度變化更加不敏感。儘管順流布置是優選的，但是在一些應用中，該流動多半最好布置成達到逆流關係，與順流關係相比，這種逆流關係或許可以使輸送熱量的流體流的流動速率和/或入口溫度更低，或者使加溼的燃料出口溫度更高。
圖11示出一體化燃料加溼器組件200的一個優選實施例。這個實施例使用了所謂的堆積式承載板(stacked plate)結構，並且包括多個水/燃料板或者片228，這些板或者片與多個輸送熱量的流體板或者框架230交叉，每個水/燃料板限定一個水流通道210和一個燃料流通道212，並且每個輸送熱量的流體板230限定一個輸送熱量的流體通道214。
每個水/燃料板228還包括水/燃料混合室232，該混合室232通向通道210和212，分別從其中接受蒸汽和加熱過的燃料。每個輸送熱量的流體板230還包括水/燃料混合室234，該混合室234從輸送熱量的流體流通道214被封閉。該室232和234對準，以形成水/燃料混合增壓室216，該增壓室216貫穿所有的板228和230。
每個水/燃料板228還包括一對輸送熱量的流體旁通開口238和240，該對開口238和240至水/燃料板228中的通道210和212被封閉。每個板228中的開口238和240分別與輸送熱量的流體板230中的、輸送熱量的流體流通道214的相對端部對準，分別形成輸送熱量的流體入口歧管242和輸送熱量的流體出口歧管244，這些歧管242和244貫穿所有的板228和230，以將輸送熱量的流體分別導入和導出通道214。
每個水/燃料板228還包括水入口開口246，該開口246相互對準並且對準每個輸送熱量的流體板230中的水旁通開口250，以形成水入口歧管252，該歧管252貫穿所有的板228和230。
每個輸送熱量的流體板包括燃料旁通開口254，該開口254對準與室232相對的每個水/燃料板228中的燃料流通道212的端部，以形成燃料入口增壓室或者歧管256，該增壓室或者歧管256貫穿所有的板228和230，從而將燃料供給到每個通道212中。
組件200還包括分離片(separator sheets)260，該分離片260插入在板228和230中每一個之間，以便將它們相應的流動通道相互密封，這在堆積式承載板熱交換器結構中人所共知。每個分離片260具有開口262、264、268、270和272，這些開口分別對準室232和234、旁通開口238、旁通開口240、水入口開口246和旁通開口250以及燃料旁通開口254並且分別與它們相對應。
組件200還包括一對端板280和282，這對端板夾在板228和230與片260之間，以流體不能透過的方式密封組件200。端板280包括輸送熱量的流體入口連接部或者孔口284，該連接部或者孔口284對準輸送熱量的流體入口歧管242，以向其引導輸送熱量的流體；及加溼的燃料出口連接部或者孔口286，該連接部或者孔口286對準與通道210和212的開口相對的增壓室236的端部處的水/燃料混合增壓室236，以引導來自增壓室236的加溼的燃料。端板282包括水入口連接部或者孔口288，該連接部或者孔口288與水歧管252對準，以向其供給水流；燃料入口連接部或者孔口290，該連接部或者孔口290與燃料歧管256對準，以向其供給燃料流；以及輸送熱量的流體出口連接部或者孔口292，該連接部或者孔口292與出口歧管244對準，以從其中引導輸送熱量的流體。
在圖12中清楚地看到，由連續的狹槽限定通道210，該狹槽從水入口開口246延伸到水/燃料混合室232，其中，狹槽通向板228的兩個表面。同樣地，由連續的狹槽限定燃料通道212，該狹槽從燃料入口歧管256延伸到水/燃料混合室232，而且該狹槽通向水/燃料板228的相對表面。參照圖11和12，由一部分狹槽限定通道210的減壓區域220，該部分狹槽形成在具有較窄狹槽寬度的密封螺旋形型板(serpentine pattern)中，它們一起提供盤旋的流動路徑。然後水通道210延續到狹槽更開闊的區域中，在這裡水發生蒸發。在這方面，鄰近減壓區域220的狹槽的初始長度具有縮減的寬度，以便在水流從減壓區域220運動到流動通道210的剩餘部分222中時，避免水流的分開，當通道延伸到室232時，通道210進一步擴寬。
在圖12中清楚地看到，每個水/燃料板228還包括熱隔斷部224，該熱隔斷部224呈狹縫或者狹槽300的形狀，並延續減壓區域220和水流通道210的剩餘部分222之間該壓力降入口區域220的長度。如在圖11中看到的那樣，每個輸送熱量的流體板230包括相應的狹縫或者狹槽302，每個分離片260包括相應的狹縫或者狹槽304，而每個端板282包括相應的狹縫或者狹槽306，所有的狹縫300、302、304、306在整個疊層中對準，以形成增壓室308，該增壓室308貫穿疊層，並且通向大氣中。如前面所論述的那樣，熱隔斷部224起作用，以將對壓力降入口區域220的熱傳導最小化，並且優選地防止或者限制在減壓區域220中的水流發生任何蒸發，從而確保水流在減壓區域220中保持液相。這是理想的，因為如果允許水發生蒸發，那麼在壓力降入口區域220的狹窄通道內可能產生大的壓力降，並且壓力降可以控制。儘管熱隔斷部224是優選的，但在一些應用中，在組件200內多半最好沒有熱隔斷部224。
如在圖11和12中看到的那樣，流動通道210以與通道214中輸送熱量的流體流成完全順流關係來引導水流，但是形成具有螺旋形構型，以便相對於通道214中的輸送熱量的流體流提供局部的交叉流動，因此，改善對水的傳熱，同時還達到理想的順流關係。
優選的是，每個流動通道214包括延伸的表面，在所示的實施例中這些表面表示為肋片或者湍流器插入物(turbulator insert)310的形式，該肋片或者湍流器插入物310中的許多合適的型式為人所共知。在流動通道210和212中還可提供延伸的表面，但這些延伸的表面沒有表示在所示的實施例中。
參照圖13，該圖示出一水/燃料板對312，舉例說明形成水流通道210的一個替換實施例。板對312中的每個板314、316包括多個不連續的狹槽318，這些狹槽布置成覆蓋相對板中相應不連續的狹槽318的部分，以形成水流通道210，其中水從板314、316其中之一上的一個狹槽318流動到相對板314、316上的相應狹槽318中，然後，從那個相應狹槽318返回到第一板314、316上的第二相應狹槽318中，並這樣下去，直到水流入水/燃料混合器8中為止。由各為寬度較窄且長度短的多個狹槽318限定這個實施例中的減壓區域220，因此需要多次改變流動方向，並且提供盤旋流動路徑。對於圖13中狹槽的特殊布置，水流通道210被分成三個平行的支路320，但是應該明白，這種構型是任選的，並且將高度取決於每個應用的要求。還應該懂得，合適形狀和尺寸的多個板對312可以代替圖11和12所示實施例中的水/燃料板228。
儘管示出了組件200的兩個優選實施例並且結合圖11-13來描述了這些實施例，但是應該明白，可以使用任何合適的熱交換器結構來形成組件200，例如包括板式結構和棒型結構、拉制杯結構、嵌套板結構和裝有不連續的傳熱管的結構。還應該懂得，所採用的特殊類型的熱交換器結構高度取決於其中採用一體化加溼器組件200的系統的特殊要求。在這方面，應該明白，儘管本文結合燃料電池系統1描述了一體化燃料加溼器組件200，但是一體化燃料加溼器組件可以應用於許多其它類型的系統中，並且預定不局限於燃料電池系統，除非清楚地列舉在權利要求中。
儘管可以使用特殊應用的任何合適材料來製造一體化組件200，但當用在燃料電池系統1中時，優選的是，片260和板228、230、280和282由不鏽鋼或者其它合適的耐腐蝕合金來構成，並且使用另一種合適的耐腐蝕釺焊合金來進行鎳銅釺焊或者釺焊。
為了舉例說明和描述目的提出了對本發明的上述描述。它不是完全周密的或者把本發明限制在公開的準確形式上，而是根據上面的指導可以進行改進和變化或者通過本發明的實踐取得這些變化和改進。選擇該描述以解釋本發明的原理及其實踐應用。意圖是用這裡附加的權利要求和它們的等效物限定本發明的範圍。
權利要求
1.一種燃料電池系統，該系統包括燃料電池疊層；以及傳熱裝置，它適合於將熱量從燃料電池疊層的陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，燃料電池疊層包括固態氧化物燃料電池疊層。
3.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，傳熱裝置包括水蒸發器，該水蒸發器適合於將液態水轉換成蒸汽，該蒸發器包括第一輸入端，它可操作地連接到燃料電池疊層的陰極排氣出口上；第二輸入端，它可操作地連接到水源上；以及第一輸出端，它可操作地連接到燃料電池疊層的燃料入口上。
4.如權利要求3所述的系統，該系統還包括燃料預熱器熱交換器，該熱交換器包括第一輸入端，它可操作地連接到燃料電池疊層的陰極排氣出口上；第二輸入端，它可操作地連接到燃料源上；以及第一輸出端，它可操作地連接到燃料電池疊層上。
5.如權利要求4所述的系統，其特徵在於，燃料預熱器熱交換器適合於將熱量從燃料電池疊層的陰極排氣流傳遞到被提供到燃料電池疊層的燃料入口流中。
6.如權利要求5所述的系統，其特徵在於，蒸發器包括同向流動蒸發器，在該同向流動蒸發器中，陰極排氣流和水適合於沿著相同的方向流動；並且蒸發器的輸出端可操作地連接到燃料預熱器熱交換器的入口上，使得陰極排氣流從蒸發器流入燃料預熱器熱交換器中。
7.如權利要求1所述的系統，該系統還包括空氣預熱器，該空氣預熱器適合於使用來自陽極排氣流的熱量來預熱空氣入口流。
8.如權利要求7所述的系統，其特徵在於，在陽極排氣流進入冷凝器之前，空氣預熱器適合於部分地冷凝陽極排氣流中的水蒸汽。
9.如權利要求7所述的系統，該系統還包括陰極同流換熱器熱交換器，該熱交換器具有小於預定尺寸的尺寸，使得陰極同流換熱器熱交換器適合於提供以至少200℃的溫度排出陰極同流換熱器熱交換器的陰極排氣流。
10.一種燃料電池系統，該系統包括燃料電池疊層；第一裝置，它使用來自燃料電池疊層陰極排氣流的熱量將水蒸發成蒸汽；以及第二裝置，它將蒸汽提供到被引導到燃料電池疊層的燃料入口流中。
11.如權利要求10所述的系統，該系統還包括第三裝置，它使用在蒸發水上遊的陰極排氣流加熱空氣入口流，並且在加熱空氣入口流之後提供具有至少200℃溫度的排出的陰極排氣流；以及第四裝置，它在使用陰極排氣流加熱空氣入口流之前，使用燃料電池疊層陽極排氣流加熱空氣入口流。
12.一種操作燃料電池系統的方法，該方法包括操作燃料電池疊層，以產生電能；使用來自燃料電池疊層陰極排氣流的熱量將水蒸發成蒸汽；以及將蒸汽提供到被引導到燃料電池疊層的燃料入口流中。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，燃料電池疊層包括固態氧化物燃料電池疊層。
14.如權利要求12所述的方法，該方法還包括使用蒸發水上遊的陰極排氣流加熱空氣入口流。
15.如權利要求14所述的方法，該方法還包括在使用陰極排氣流加熱空氣入口流之前，使用燃料電池疊層陽極排氣流加熱空氣入口流。
16.如權利要求15所述的方法，該方法還包括在加熱空氣入口流期間，部分地冷凝陽極排氣流中的水蒸汽。
17.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，陰極排氣流在加熱空氣入口流之後具有至少200℃的溫度。
18.如權利要求12所述的方法，該方法還包括用蒸發水下遊的陰極排氣流預熱燃料入口流。
19.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，蒸發步驟包括使陰極排氣流和水在蒸發器內沿著相同的方向流動。
20.如權利要求12所述的方法，該方法還包括混合蒸汽和燃料入口流；使用來自燃料電池疊層陽極排氣流的熱量加熱蒸汽和燃料的混合物；以及將蒸汽和燃料的混合物提供到重整裝置中。
21.如權利要求12所述的方法，該方法還包括在重整裝置內重整包含甲烷和天然氣中至少一種的燃料；以及將重整過的燃料提供到燃料電池疊層的陽極入口中。
22.一種燃料電池系統，該系統包括燃料電池疊層；以及順流水蒸發器，它適合於將熱量從陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中。
23.如權利要求22所述的系統，該系統還包括燃料預熱器；蒸發器的陰極排氣流輸出端可操作地連接到燃料預熱器上，使得陰極排氣流從蒸發器流入到燃料預熱器中。
24.一種燃料電池系統，該系統包括燃料電池疊層；以及第一裝置，它將熱量從陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中，使得陰極排氣流和水在第一裝置中沿著相同的方向流動。
25.如權利要求24所述的系統，其特徵在於，第一裝置包括用於將陰極排氣流提供到燃料預熱器中的裝置。
26.一種操作燃料電池系統的方法，該方法包括使陰極排氣流和水流以順流的關係流動；使用來自陰極排氣流的熱量將水蒸發成蒸汽，同時以所述順流的關係流動；以及將蒸汽提供到被導入到燃料電池疊層的燃料入口流中。
27.如權利要求26所述的方法，該方法還包括在所述蒸發步驟之後，使用來自陰極排氣流的熱量加熱燃料流。
28.一種燃料電池系統，該系統包括燃料電池疊層；傳熱裝置，它適合於將熱量從燃料電池疊層的陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中；空氣預熱器，它適合於使用來自陽極排氣流的熱量預熱空氣入口流；以及陰極同流換熱器熱交換器，它適合於將熱量從陰極排氣流傳遞到空氣入口流中，陰極同流換熱器熱交換器可操作地連接到傳熱裝置相對於陰極排氣流的上遊和空氣預熱器相對於空氣入口流的下遊，並且其尺寸設定成將陰極排氣流在足夠高溫度下提供到傳熱裝置中，以便於蒸發傳熱裝置中的水。
29.如權利要求28所述的系統，其特徵在於，陰極同流換熱器熱交換器尺寸設定成提供至少以200℃的溫度排出陰極同流換熱器熱交換器的陰極排氣流。
全文摘要
提供一種燃料電池系統(1)，該系統包括燃料電池疊層(3)；和傳熱裝置(5)，該傳熱裝置適合於將熱量從燃料電池疊層(3)的陰極排氣流傳遞到將要提供到燃料入口流的水中。
文檔編號H01M8/12GK1862864SQ20061007786
公開日2006年11月15日 申請日期2006年5月8日 優先權日2005年5月9日
發明者T·M·班德豪爾, M·J·賴因克, J·瓦倫薩 申請人:穆丹製造公司