高溫燃料電池的可選路徑冷卻的制作方法
【專利說明】高溫燃料電池的可選路徑冷卻
[0001 ] 本申請為分案申請，原申請的申請日為2009年3月17日，申請號為200980113492.2(PCT/US2009/037340)，發明名稱為“高溫燃料電池的可選路徑冷卻”。
[0002]發明背景
[0003]燃料電池通過在進入的燃料和氧化劑流之間引起電化學反應而運行，以產生電。許多燃料電池，如固體氧化物燃料電池(SOFC)，在高溫下運行。在燃料電池中由電化學反應產生的廢熱必須被移出以控制燃料電池的溫度，以便防止電池失效。典型的熱控制系統包括將超出電化學反應所需的過量反應物循環通過燃料電池以吸收熱量。但是，在某些應用中，如其中航行器上使用燃料電池的空運應用中，重量是首先需要考慮的事項。儲存保持燃料電池溫度所需的過量反應物在重量方面是不允許的。
[0004]為了冷卻的目的，燃料電池排出的氣體可被再循環回到進入的反應物流。但是，這樣做需要額外的冷卻子系統以冷卻再循環流體，原因在于從燃料電池吸收的熱量。額外的冷卻子系統造成更加復雜的控制系統，額外的交通工具熱負荷，以及增加了整個系統的重量。另一傳統熱控制系統包括單獨的閉合系統冷卻回路，用于將儲存的冷卻劑循環通過燃料電池和通過冷卻子系統。與上述的其它熱控制系統相似，分離的閉合系統冷卻回路增加了額外的重量，并且增加了由于額外的栗、冷卻劑、管線和能量消耗需求帶來的復雜性。
[0005]正是基于這些考慮和其它考慮，提出了本文作出的本公開。
[0006]發明概述
[0007]應該理解，提供本概述是為了以簡化的形式介紹構思的選擇，其將在以下的發明詳述中進一步描述。本概述并非意欲用于限制所要求保護的主題的范圍。
[0008]取決于應用，本文描述的系統和方法使用環境冷卻劑如空氣或水提供燃料電池的冷卻。根據本文提供的公開的一個方面，與反應物分開的冷卻劑被提供給燃料電池。冷卻劑流過燃料電池以吸收熱量，然后被排出并被引導離開燃料電池。根據不同的實施方式，使用由于與燃料電池聯合的交通工具的運動經由環境產生的沖壓(ram pressure)，或使用流體控制設備如壓縮機或栗，引入的環境冷卻劑可以被引導通過燃料電池。實施方式另外提供將熱的冷卻劑從燃料電池引導至渦輪，然后其又可以被用于驅動發電機以產生額外的電或驅動壓縮機。熱的冷卻劑還可以被再循環回到引入的環境冷卻劑中以在進入燃料電池前增加環境冷卻劑的溫度，防止燃料電池由于熱沖擊而被破壞。
[0009]已討論的特征、作用和優勢可以在本發明的各種實施方式中獨立地獲得，或者可以在其它實施方式中結合，其進一步的細節可以參考以下說明和附圖來理解。
[0010]附圖簡述
[0011 ]圖1是顯示依據本文所示各種實施方式的燃料電池冷卻系統的框圖；
[0012]圖2是顯示依據本文所示各種實施方式的使用渦輪驅動壓縮機的燃料電池冷卻系統的框圖；
[0013]圖3是顯示依據本文所示各種實施方式的燃料電池冷卻系統的框圖，其使用再循環冷卻劑以增加進入燃料電池的環境冷卻劑的溫度；
[0014]圖4是顯示依據本文所示各種實施方式的冷卻劑流動通過燃料電池冷卻系統的示意圖，以圖解系統內不同階段的傳熱;和
[0015]圖5是圖解依據本文所示各種實施方式的控制高溫燃料電池的溫度的方法的流程圖。
[0016]發明詳述
[0017]以下詳細說明涉及控制燃料電池的溫度的系統和方法。如上簡述，燃料電池系統包括兩個輸入流、燃料和氧化劑。典型的熱控制系統使用過量的反應物流和/或單獨的閉合系統冷卻回路以控制相應燃料電池的溫度。當燃料電池在具有嚴格的重量限制、空間限制和功率限制的交通工具或平臺中運行時，這些系統并不總是最佳的。
[0018]在整個本公開中，為了說明的目的，將就高溫燃料電池如用于為航行器或航行器子系統產生電力的SOFC的運行，描述不同的實施方式。但是，應當理解，本文提供的公開同樣可應用于在冷卻劑環境流容易得到的任何應用中使用的任何類型的燃料電池。作為本文公開的“冷卻劑”的實例，航行器和交通工具通過周圍的空氣推動自身，產生了依據本文描述的各種實施方式可用作冷卻劑的環境空氣流。類似地，船只如艦艇和潛艇通過周圍的水推進自身，產生了依據本文描述的各種實施方式可用作冷卻劑的環境水流。因此，本文所述的“環境冷卻劑”和“冷卻劑”的流應用于任何流動的流，并且依據不同的實施方式，應用于包含要被冷卻的燃料電池的平臺周圍的環境內的流體。“環境冷卻劑”流還應用于靜態系統，其中冷卻劑流被驅入該系統。
[0019]利用本文所述的構思和技術，可以以允許熱控制燃料電池組的方式，使用與流入燃料電池的反應物流分開的冷卻劑流，運行高溫燃料電池系統。一旦通過燃料電池內的熱交換加熱，被加熱的冷卻劑可以被用于產生額外的電和/或驅動進一步的系統組件，如下所述。由于分開的冷卻劑流從周圍環境而非從儲存庫輸入燃料電池系統，并且由于從燃料電池輸出的含廢熱的冷卻劑可以被用于驅動系統組件并產生額外的能量，因此本文公開的實施方式提供了有效率的、重量有效(weight-effective)的熱控制系統。
[0020]在以下詳細描述中，參考附圖，附圖形成本文的一部分并通過圖解、【具體實施方式】或實施例進行顯示。現在參考附圖，其中在數個圖中相同的數字代表相同的元件，高溫燃料電池冷卻系統的熱控制將被描述。圖1顯示依據本文描述的一個實施方式的高溫燃料電池冷卻系統100。高溫燃料電池冷卻系統100包括燃料電池102，其可運行以從包括氧氣和燃料的反應物104的電化學反應產生產物106，如水和電。
[0021]非反應物冷卻劑108被導向燃料電池102。根據一個實施方式，非反應物冷卻劑108包括被高溫燃料電池冷卻系統100從沖過含高溫燃料電池冷卻系統100的交通工具的環境空氣中俘獲的沖壓空氣。用于提供沖壓空氣給燃料電池102的冷卻劑供給機械裝置可以包括俘獲環境空氣流并將其傳輸進入和通過燃料電池102的管道和任何其它組件。可選的冷卻劑供給機械裝置的例子將在下面參考圖2進行描述。
[0022]在燃料電池102中，環境空氣可經管道、導管、孔或其它通道被引向整個燃料電池，以從電化學反應內部吸收廢熱。以這種方式，燃料電池102，或與非反應物冷卻劑108熱接觸的燃料電池的部分，作為熱交換器運行，將來自較高溫燃料電池的熱傳遞到較低溫度的非反應物冷卻劑108。包括廢熱飽和的非反應物冷卻劑108的熱冷卻劑110從燃料電池102中被排出。
[0023]高溫燃料電池冷卻系統100可以包括熱處理機械裝置，其從燃料電池102接收熱冷卻劑110并處理或者以其他方式利用它。依據本文所述的不同實施方式，熱冷卻劑110可以以許多方式和方式的組合進行利用。首先，熱處理機械裝置可以僅包括用于使熱冷卻劑110排到周圍環境中的管道和組件。例如，被壓入通過燃料電池102的沖壓空氣可以被排向大氣。
[0024]可選的熱處理機械裝置可以包括渦輪112，如圖1所示。渦輪112可以與發電機114連接。在這種實施方式中，熱冷卻劑110驅動渦輪112，渦輪112又驅動發電機114，以產生電。除了由燃料電池102內的電化學反應所產生的能量，發電機114還可以提供能量給航行器系統。離開渦輪112的熱冷卻劑110可以被排入周圍環境。熱處理機械裝置可以另外包括再循環設備302，其將在下面參考圖3詳細說明。
[0025]圖2顯示使用可選的冷卻劑供給機械裝置的可選高溫燃料電池冷卻系統200。具體而言，可選的冷卻劑供給機械裝置包括壓縮機202—一用于向燃料電池102中提供非反應物冷卻劑108。根據此實施方式，不使用沖壓空氣來冷卻燃料電池102。而是，低壓、非反應物環境空氣流被引向壓縮機202，壓縮機202提供一些非反應物冷卻劑108的增壓以將其供應到燃料電池102。作為一個實例，在可再生的高高度航行器電力系統中，氧氣和氫氣都是在壓力下儲存的。但是，由于冷卻空氣流并不具有反應性，因此不需要對流進行高度加壓。結果是，壓縮機202可以使用沒有任何級間冷卻的單級系統。
[0026]此外，根據本實施方式，上述熱處理機械裝置的渦輪112—一用于控制來自燃料電池102的熱冷卻劑110—一被用于機械驅動壓縮機202。壓縮機也可以被其它機構如可選的電源或從發電機(114)驅動。應該理解，如果熱冷卻劑110的特性允許期望的渦輪112和發電機114輸出，則渦輪112和發電機114可以被用于機械驅動或電力驅動本公開范圍內任何數目和類型的期望的平臺組件。
[0027]參看圖3，又一可選的高溫燃料電池冷卻系統300包括再循環設備302以將熱冷卻劑110的一部分引回到流入燃料電池102的非反應物冷卻劑108中。再循環設備302可以包括鼓風機或排出器，其可運行以將熱冷卻劑110供應給進入燃料電池的非反應物冷卻劑108流。因為在從壓縮機202出來的環境冷卻劑和燃料電池102之間可能存在明顯的溫度差別，由于利用顯著冷于燃料電池102反應的非反應物冷卻劑108而發生的熱沖擊，可能存在高的損害燃料電池102的可能性。因此，本文描述的實施方式提供非反應物冷卻劑108流的