本公開的領(lǐng)域大體涉及燃料電池模塊，以及更具體而言涉及包括熱交換器的燃料電池模塊和其運(yùn)行方法。

背景技術(shù)：

燃料電池為電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化裝置，其在產(chǎn)生功率時(shí)展示了較高效率和低污染的潛力。燃料電池大體提供直流電(dc)，其通過逆變器轉(zhuǎn)化成交流電(ac)。dc或ac電壓用于對(duì)馬達(dá)、燈和任何數(shù)量的電氣裝置和系統(tǒng)提供功率。燃料電池在固定、半固定或便攜式應(yīng)用中運(yùn)行。

諸如固體氧化物燃料電池(sofc)的某些燃料電池在提供電力來滿足工業(yè)和商業(yè)需求的大型功率系統(tǒng)中運(yùn)行。其它用于較小的便攜式應(yīng)用，諸如對(duì)汽車提供功率。其它普遍類型的燃料電池包括磷酸(pafc)、熔融碳酸鹽(mcfc)和質(zhì)子交換隔膜(pemfc)，它們大體都以它們的電解質(zhì)命名。

燃料電池通過跨越離子傳導(dǎo)層以電化學(xué)的方式組合燃料和氧化劑來發(fā)電。也標(biāo)記為燃料電池的電解質(zhì)的這個(gè)離子傳導(dǎo)層為液體或固體。燃料電池典型地以電串聯(lián)的方式積聚在燃料電池的組件中，以便以可用的電壓或電流產(chǎn)生功率。因此，互連結(jié)構(gòu)用來串聯(lián)或并聯(lián)地連接或聯(lián)接相鄰的燃料電池，以形成燃料電池疊堆。大體上，燃料電池的構(gòu)件包括電解質(zhì)、陽極和陰極。發(fā)電的反應(yīng)大體在陽極和陰極處進(jìn)行，在這里，典型地設(shè)置催化劑來加速反應(yīng)。陽極和陰極的結(jié)構(gòu)設(shè)置成包括槽道和多孔層，以增加用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的表面面積。電解質(zhì)在陽極和陰極之間傳送帶電粒子，并且在別的方面基本不可滲透燃料和氧化劑。

諸如管、閥和接頭連接器的管道構(gòu)件聯(lián)接到燃料電池，以引導(dǎo)諸如燃料、氧化劑和副產(chǎn)物的流體進(jìn)入和遠(yuǎn)離燃料電池。有時(shí)，熱交換器用來加熱或冷卻流體。例如，在一些系統(tǒng)中，多個(gè)燃料電池聯(lián)接到中心熱交換器，并且流體分開來從中心熱交換器引導(dǎo)到各個(gè)燃料電池。因此，多個(gè)管道構(gòu)件延伸在中心熱交換器和多個(gè)燃料電池之間。另外，在中心熱交換器關(guān)閉以進(jìn)行維護(hù)和維修時(shí)，所有聯(lián)接到中心熱交換器的燃料電池的生產(chǎn)率受到影響。

一些被管道構(gòu)件引導(dǎo)的流體具有較高溫度，例如，高于600℃的溫度。但是，處理高溫流體所需要的高溫管道構(gòu)件會(huì)增加組裝和運(yùn)行燃料電池的成本和復(fù)雜性。另外，處理高溫流體所需要的一些材料與燃料電池不相容。例如，諸如不銹鋼的一些材料使燃料電池中的陰極鉻蒸氣中毒。此外，隨著管道構(gòu)件被高溫流體加溫，管道構(gòu)件膨脹，即滑移，這影響管道構(gòu)件(特別是接頭連接器)的完整性。另外，熱從高溫流體損失到周圍環(huán)境，這降低燃料電池的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)方面，用于燃料電池模塊中的燃料電池塊包括燃料電池和聯(lián)接到燃料電池的熱交換器。熱交換器包括第一熱交換構(gòu)件、第二熱交換構(gòu)件和限定內(nèi)部空間的殼體?？諝馊肟诠軐⒖諝庖龑?dǎo)到燃料電池且至少部分地延伸通過內(nèi)部空間。第一交換構(gòu)件構(gòu)造成提高空氣入口管中的空氣的溫度。燃料入口管將燃料引導(dǎo)到燃料電池且至少部分地延伸通過內(nèi)部空間。第二交換構(gòu)件構(gòu)造成提高燃料入口管中的燃料的溫度?？諝獬隹诠芤龑?dǎo)空氣遠(yuǎn)離燃料電池且至少部分地延伸通過內(nèi)部空間。燃料出口管引導(dǎo)燃料遠(yuǎn)離燃料電池且至少部分地延伸通過內(nèi)部空間。歧管包括第一表面和與第一表面相反的第二表面。多個(gè)開口限定在第一表面和第二表面中。歧管聯(lián)接到燃料電池和熱交換器，使得第一表面接觸燃料電池而第二表面接觸熱交換器。歧管聯(lián)接到空氣入口管、燃料入口管、空氣出口管和燃料出口管。

在另一個(gè)方面，燃料電池模塊包括至少一個(gè)燃料電池塊。至少一個(gè)燃料電池塊包括燃料電池和聯(lián)接到燃料電池的熱交換器。熱交換器包括第一熱交換構(gòu)件、第二熱交換構(gòu)件和限定內(nèi)部空間的殼體。燃料電池模塊進(jìn)一步包括至少一個(gè)管，用于將流體引導(dǎo)到燃料電池。至少一個(gè)管至少部分地延伸通過內(nèi)部空間。熱交換器構(gòu)造成將流體的溫度提高到范圍在大約600℃和大約800℃之間的溫度。歧管包括第一表面和與所述第一表面相反的第二表面。歧管聯(lián)接到燃料電池和熱交換器，使得第一表面接觸燃料電池而第二表面接觸熱交換器。至少一個(gè)管聯(lián)接到歧管。

在又一個(gè)方面，提供引導(dǎo)流體通過燃料電池模塊的方法。燃料電池模塊包括燃料電池塊。方法包括將第一流體引導(dǎo)到燃料電池塊。燃料電池塊包括燃料電池、熱交換器和歧管。熱交換器包括限定內(nèi)部空間的殼體。歧管包括第一表面和與第一表面相反的第二表面。第一開口和第二開口限定在第一表面和第二表面中。歧管聯(lián)接到熱交換器和燃料電池，使得第一開口和第二開口與燃料電池處于流體連接。方法進(jìn)一步包括引導(dǎo)第一流體通過內(nèi)部空間。第一流體被引導(dǎo)通過第一開口且進(jìn)入燃料電池。第二流體被引導(dǎo)離開燃料電池且通過第二開口。第二流體被引導(dǎo)通過內(nèi)部空間。隨著流體被引導(dǎo)通過內(nèi)部空間，熱從第二流體傳遞到第一流體。熱交換器構(gòu)造成將第一流體的溫度提高到范圍在大約600℃和大約800℃之間的溫度。熱交換器包括第一熱交換構(gòu)件和第二熱交換構(gòu)件。

技術(shù)方案1.一種用于燃料電池模塊中的燃料電池塊，所述燃料電池塊包括：

燃料電池；

熱交換器，其聯(lián)接到所述燃料電池，所述熱交換器包括第一熱交換構(gòu)件、第二熱交換構(gòu)件和限定內(nèi)部空間的殼體；

空氣入口管，其用于將空氣引導(dǎo)到所述燃料電池，所述空氣入口管至少部分地延伸通過所述內(nèi)部空間，所述第一交換構(gòu)件構(gòu)造成提高所述空氣入口管中的空氣的溫度；

燃料入口管，其用于將燃料引導(dǎo)到所述燃料電池，所述燃料入口管至少部分地延伸通過所述內(nèi)部空間，所述第二熱交換構(gòu)件構(gòu)造成提高所述燃料入口管中的燃料的溫度；

空氣出口管，其用于引導(dǎo)空氣遠(yuǎn)離所述燃料電池，所述空氣出口管至少部分地延伸通過所述內(nèi)部空間；

燃料出口管，其用于引導(dǎo)燃料遠(yuǎn)離所述燃料電池，所述燃料出口管至少部分地延伸通過所述內(nèi)部空間；以及

歧管，其包括第一表面和與所述第一表面相反的第二表面，多個(gè)開口限定在所述第一表面和所述第二表面中，所述歧管聯(lián)接到所述燃料電池和所述熱交換器，使得所述第一表面接觸所述燃料電池而所述第二表面接觸所述熱交換器，所述歧管聯(lián)接到所述空氣入口管、所述燃料入口管、所述空氣出口管和所述燃料出口管。

技術(shù)方案2.根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃料電池塊，其特征在于，所述燃料電池為第一燃料電池，所述燃料電池塊進(jìn)一步包括聯(lián)接到所述熱交換器的第二燃料電池。

技術(shù)方案3.根據(jù)技術(shù)方案2所述的燃料電池塊，其特征在于，所述歧管為第一歧管，所述燃料電池塊進(jìn)一步包括聯(lián)接到所述第二燃料電池和所述熱交換器的第二歧管。

技術(shù)方案4.根據(jù)技術(shù)方案3所述的燃料電池塊，其特征在于，所述第一燃料電池、所述第二燃料電池和所述熱交換器在豎向方向上對(duì)準(zhǔn)，所述熱交換器定位在所述第一燃料電池和所述第二燃料電池之間。

技術(shù)方案5.根據(jù)技術(shù)方案4所述的燃料電池塊，其特征在于，所述殼體包括頂部壁、底部壁和延伸在所述頂部壁和所述側(cè)壁之間的側(cè)壁，所述第一歧管聯(lián)接到所述頂部壁而所述第二歧管聯(lián)接到所述底部壁。

技術(shù)方案6.根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃料電池塊，其特征在于，所述歧管具有最大寬度，其范圍在大約254毫米和大約1270毫米之間。

技術(shù)方案7.根據(jù)技術(shù)方案6所述的燃料電池塊，其特征在于，所述歧管具有測量在所述第一表面和所述第二表面之間的厚度，所述厚度的范圍在大約2毫米和大約400毫米之間。

技術(shù)方案8.根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃料電池塊，其特征在于，所述燃料電池聯(lián)接到多個(gè)燃料電池，以形成燃料電池疊堆。

技術(shù)方案9.一種燃料電池模塊，包括：

至少一個(gè)燃料電池塊，其包括：

燃料電池；

熱交換器，其聯(lián)接到所述燃料電池，所述熱交換器包括第一熱交換構(gòu)件、第二熱交換構(gòu)件和限定內(nèi)部空間的殼體；

至少一個(gè)管，其用于將流體引導(dǎo)到所述燃料電池，所述至少一個(gè)管至少部分地延伸通過所述內(nèi)部空間；以及

歧管，其包括第一表面和與所述第一表面相反的第二表面，所述歧管聯(lián)接到所述燃料電池和所述熱交換器，使得所述第一表面接觸所述燃料電池而所述第二表面接觸所述熱交換器，所述至少一個(gè)管聯(lián)接到所述歧管。

技術(shù)方案10.根據(jù)技術(shù)方案9所述的燃料電池模塊，其特征在于，所述至少一個(gè)燃料電池塊包括多個(gè)所述燃料電池塊。

技術(shù)方案11.根據(jù)技術(shù)方案10所述的燃料電池模塊，其特征在于，所述多個(gè)所述燃料電池塊中的各個(gè)燃料電池塊進(jìn)一步包括聯(lián)接到所述燃料電池的多個(gè)燃料電池。

技術(shù)方案12.根據(jù)技術(shù)方案11所述的燃料電池模塊，其特征在于，所述熱交換器構(gòu)造成將所述流體的溫度提高到范圍在大約600℃和大約800℃之間的溫度。

技術(shù)方案13.根據(jù)技術(shù)方案9所述的燃料電池模塊，其特征在于，所述至少一個(gè)管包括空氣入口管和燃料入口管，所述空氣入口管和所述燃料入口管中的各個(gè)至少部分地延伸通過所述內(nèi)部空間，所述第一熱交換構(gòu)件構(gòu)造成提高所述空氣入口管中的流體的溫度而所述第二熱交換構(gòu)件構(gòu)造成提高所述燃料入口管中的流體的溫度。

技術(shù)方案14.根據(jù)技術(shù)方案13所述的燃料電池模塊，其特征在于，進(jìn)一步包括空氣出口管和燃料出口管，所述空氣出口管至少部分地延伸通過所述內(nèi)部空間，所述第一熱交換構(gòu)件和所述第二熱交換構(gòu)件中的至少一個(gè)構(gòu)造成從所述空氣出口管中的流體移除熱。

技術(shù)方案15.一種引導(dǎo)流體通過燃料電池模塊的方法，所述燃料電池模塊包括燃料電池塊，所述方法包括：

將第一流體引導(dǎo)到所述燃料電池塊，所述燃料電池塊包括燃料電池、熱交換器和歧管，所述熱交換器包括限定內(nèi)部空間的殼體，所述歧管包括第一表面和與所述第一表面相反的第二表面，第一開口和第二開口限定在所述第一表面和所述第二表面中，所述歧管聯(lián)接到所述熱交換器和所述燃料電池，使得所述第一開口和所述第二開口與所述燃料電池處于流體連接；

引導(dǎo)所述第一流體通過所述內(nèi)部空間；

引導(dǎo)所述第一流體通過所述第一開口且進(jìn)入所述燃料電池；

引導(dǎo)第二流體離開所述燃料電池且通過所述第二開口；

引導(dǎo)所述第二流體通過所述內(nèi)部空間；以及

隨著所述流體被引導(dǎo)通過所述內(nèi)部空間，將熱從所述第二流體傳遞到所述第一流體，所述熱交換器構(gòu)造成將所述第一流體的溫度提高到范圍在大約600℃和大約800℃之間的溫度，所述熱交換器包括第一熱交換構(gòu)件和第二熱交換構(gòu)件。

技術(shù)方案16.根據(jù)技術(shù)方案15所述的方法，其特征在于，所述燃料電池為第一燃料電池而所述歧管為第一歧管，所述方法進(jìn)一步包括引導(dǎo)第三流體通過所述內(nèi)部空間和通過第二歧管而進(jìn)入第二燃料電池，所述第二歧管聯(lián)接到所述熱交換器和所述第二燃料電池。

技術(shù)方案17.根據(jù)技術(shù)方案16所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括引導(dǎo)第三流體通過所述內(nèi)部空間和引導(dǎo)第四流體通過所述內(nèi)部空間。

技術(shù)方案18.根據(jù)技術(shù)方案17所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括隨著所述流體被引導(dǎo)通過所述內(nèi)部空間，將熱從所述第四流體傳遞到所述第三流體。

技術(shù)方案19.根據(jù)技術(shù)方案15所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在引導(dǎo)所述第一流體通過所述內(nèi)部空間之前，將所述第一流體保持在范圍在大約100℃和大約600℃之間的溫度。

技術(shù)方案20.根據(jù)技術(shù)方案19所述的方法，其特征在于，引導(dǎo)所述第一流體通過所述內(nèi)部空間包括引導(dǎo)所述第一流體通過至少部分地延伸通過所述內(nèi)部空間的管。

附圖說明

在參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本公開的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在附圖中，相同符號(hào)在所有圖中表示相同部件，其中：

圖1為通過示例性功率發(fā)生系統(tǒng)的流體流的示意圖；

圖2為示例性燃料電池模塊的透視圖；

圖3為圖2中顯示的燃料電池模塊的示例性燃料電池塊的透視圖。

圖4為圖3中顯示的燃料電池塊的部分的透視圖；以及

圖5為圖2中顯示的燃料電池模塊的示例性歧管的平面圖。

除非另外指示，本文提供的圖意圖示出本公開的實(shí)施例的特征。相信這些特征可應(yīng)用于包括本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的廣泛系統(tǒng)中。因而，圖不意圖包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知道的實(shí)踐本文公開的實(shí)施例所需要的所有傳統(tǒng)特征。

參考標(biāo)號(hào)列表：

100功率發(fā)生系統(tǒng)

102燃料電池模塊

104燃料電池

106集成熱交換器

108陽極

110陰極

112陽極入口

114陽極出口

116陰極入口

118陰極出口

120空氣熱交換構(gòu)件

122燃料熱交換構(gòu)件

124燃料預(yù)熱器

126燃料重整器

128內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)

130燃料熱交換器

132冷卻器

134壓縮機(jī)

200燃料電池模塊

202燃料電池塊

204空氣預(yù)熱器

206燃料入口集管

208空氣入口集管

210燃料出口集管

212空氣出口集管

214集成熱交換器

216第一燃料電池疊堆

218第二燃料電池疊堆

220燃料入口管

222空氣入口管

224燃料出口管

226空氣出口管

228上歧管

230下歧管

232殼體

234內(nèi)部空間

236空氣熱交換構(gòu)件

238燃料熱交換構(gòu)件

240頂部壁

242底部壁

244側(cè)壁

246外表面

248外表面

250外表面

252燃料

254空氣

258第一表面

260第二表面

262開口

264厚度

266直徑

268半徑

270長度

272孔。

具體實(shí)施方式

在以下說明書和所附權(quán)利要求中，將參照許多術(shù)語，所述術(shù)語應(yīng)當(dāng)定義為具有以下含義。

除非上下文另有明確指出，否則單數(shù)形式“一”、“一種”和“該”包括復(fù)數(shù)對(duì)象。

“可選的”或“可選地”表示隨后描述的事件或情形可出現(xiàn)或可不出現(xiàn)，且該描述包括其中事件出現(xiàn)的情形和不出現(xiàn)的情形。

如在文中的整個(gè)說明書和權(quán)利要求中使用的近似語言可用于修飾可允許改變的任何定量表示，而不導(dǎo)致與其相關(guān)的基本功能改變。因此，通過一個(gè)術(shù)語或多個(gè)術(shù)語例如“約”和“基本上”修飾的值并不限于所規(guī)定的精確值。在至少一些情況下，近似語言可對(duì)應(yīng)于用于測量該值的儀器的精度。在此處且在整個(gè)說明書和權(quán)利要求中，范圍限制可合并和/或互換，這些范圍被確認(rèn)為包括其中包含的所有子范圍，除非上下文或語言另有指定。

本文描述的燃料電池模塊包括熱交換器，以提高使用燃料電池模塊產(chǎn)生電功率的效率和降低成本。特別地，本文描述的實(shí)施例減少引導(dǎo)流體通過燃料電池模塊所需要的高溫管道構(gòu)件。本文描述的實(shí)施例還有利于控制通過燃料電池模塊的流體流。另外，燃料電池模塊包括歧管，其有利于將管道構(gòu)件和熱交換器聯(lián)接到燃料電池。而且，本文描述的熱交換器提高燃料電池模塊中的流體熱傳遞的效率。

圖1為示例性功率發(fā)生系統(tǒng)100的示意圖，其包括燃料電池模塊102。燃料電池模塊102包括燃料電池104和集成熱交換器106。燃料電池104為固體氧化物燃料電池(sofc)和熔融碳酸鹽燃料電池(mcfc)中的一個(gè)。燃料電池104通過跨越離子傳導(dǎo)層(未顯示)以電化學(xué)的方式組合燃料和氧化劑(兩者在下面進(jìn)一步論述)產(chǎn)生直流(dc)電功率。離子傳導(dǎo)層(即，燃料電池104的電解質(zhì))為液體或固體。在一些實(shí)施例中，燃料電池104以電串聯(lián)的方式定位在燃料電池104的組件(圖1中僅顯示一個(gè))中，以便以有用的電壓或電流產(chǎn)生功率。

在示例性實(shí)施例中，燃料電池104包括電解質(zhì)、陽極108和陰極110。產(chǎn)生dc電的電化學(xué)反應(yīng)大體在陽極108和陰極110處進(jìn)行，其中設(shè)置催化劑(未顯示)來加速反應(yīng)。陽極108和陰極110包括槽道和多孔層(都未顯示)，以增加用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的表面面積。電解質(zhì)將帶電粒子從陽極108和陰極110中的一個(gè)傳送到另一個(gè)，并且在別的方面基本不滲透燃料和氧化劑。為了有利于燃料流過陽極108，陽極108包括入口112和出口114。同樣，陰極110包括入口116和出口118。陽極108將尾氣體流從陽極出口114排出，其包括水、氫、一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)和未反應(yīng)燃料，如果有的話。

在示例性實(shí)施例中，集成熱交換器106聯(lián)接到燃料電池104。集成熱交換器106包括第一熱交換構(gòu)件120和第二熱交換構(gòu)件122。第一熱交換構(gòu)件120聯(lián)接成與燃料電池陰極入口116和燃料電池陰極出口118處于流連通，使得第一熱交換構(gòu)件120從自燃料電池陰極排出的流體移除熱且將熱傳遞到被引導(dǎo)到燃料電池陰極入口116的流體。第二熱交換構(gòu)件122聯(lián)接成與燃料電池陰極出口118和燃料電池陽極入口112處于流連通，使得第二熱交換構(gòu)件122從自燃料電池陰極出口118排出的流體移除熱且將熱傳遞到被引導(dǎo)到燃料電池陽極入口112的流體。在示例性實(shí)施例中，第一熱交換構(gòu)件120為空氣-空氣熱交換構(gòu)件而第二熱交換構(gòu)件122為空氣-燃料熱交換構(gòu)件。在備選實(shí)施例中，第一熱交換構(gòu)件120和第二熱交換構(gòu)件122為使得集成熱交換器106能夠如本文描述的那樣起作用的任何熱交換構(gòu)件。另外，在一些實(shí)施例中，集成熱交換器106包括使得集成熱交換器106能夠如本文描述的那樣起作用的任何數(shù)量的熱交換構(gòu)件。例如，在一些實(shí)施例中，集成熱交換器106包括至少一個(gè)燃料-燃料熱交換構(gòu)件。

功率發(fā)生系統(tǒng)100還包括燃料預(yù)熱器124，其聯(lián)接成與陽極出口112處于流連通。燃料預(yù)熱器124聯(lián)接成與含碳源，即烴燃料源(未顯示)處于流連通，其在示例性實(shí)施例中，含碳源將天然氣引導(dǎo)到燃料預(yù)熱器124。在備選實(shí)施例中，使用使得功率發(fā)生系統(tǒng)100和燃料電池104能夠如本文描述的那樣運(yùn)行的任何燃料。

功率發(fā)生系統(tǒng)100進(jìn)一步包括聯(lián)接到燃料電池陽極出口114的烴燃料重整器126和燃料預(yù)熱器124。烴燃料重整器126將包括夾帶的尾氣體流的燃料流轉(zhuǎn)化成具有夾帶的二氧化碳(co2)的熱的重整燃料流。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)128聯(lián)接成與烴燃料重整器126處于流連通。熱的重整燃料流被引導(dǎo)到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)128。在示例性實(shí)施例中，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)128包括往復(fù)4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。在備選實(shí)施例中，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)128包括例如(不限制)往復(fù)2沖程發(fā)動(dòng)機(jī)、對(duì)置活塞2沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和/或燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。在一些實(shí)施例中，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)128以機(jī)械的方式聯(lián)接到發(fā)電機(jī)和/或其它負(fù)載，例如，(不限制)泵和壓縮機(jī)。燃料熱交換器130聯(lián)接到烴燃料重整器126，使得燃料熱交換器130加溫從烴燃料重整器126引導(dǎo)到燃料電池陽極入口112的燃料的一部分。

在示例性實(shí)施例中，功率發(fā)生系統(tǒng)100進(jìn)一步包括水烘干機(jī)或冷卻器132和壓縮機(jī)134。在備選實(shí)施例中，冷卻器132和壓縮機(jī)134被省略。在示例性實(shí)施例中，冷卻器132聯(lián)接到燃料預(yù)熱器124且降低從燃料預(yù)熱器124引導(dǎo)向內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)128的燃料的溫度，使得燃料中的水冷凝且被抽取。壓縮機(jī)134聯(lián)接到燃料電池模塊102且有利于流體移動(dòng)通過燃料電池模塊102。在備選實(shí)施例中，功率發(fā)生系統(tǒng)100包括使得功率發(fā)生系統(tǒng)100能夠如本文描述的那樣起作用的以任何方式聯(lián)接的任何構(gòu)件。例如，在一些實(shí)施例中，功率發(fā)生系統(tǒng)100包括額外的熱交換器和燃料重整器。另外，在一些實(shí)施例中，功率發(fā)生系統(tǒng)100的一些構(gòu)件并聯(lián)和/或串聯(lián)聯(lián)接。

圖2為用于功率發(fā)生系統(tǒng)100中的燃料電池模塊200的透視圖。圖3和4為燃料電池模塊200的部分的透視圖。燃料電池模塊200包括至少一個(gè)燃料電池塊202、空氣預(yù)熱器204、燃料入口集管206、空氣入口集管208、燃料出口集管210和空氣出口集管212。各個(gè)燃料電池塊202包括集成熱交換器214、第一燃料電池疊堆216、第二燃料電池疊堆218、燃料入口管220、空氣入口管222、燃料出口管224、空氣出口管226、上歧管228和下歧管230。在備選實(shí)施例中，燃料電池塊202包括使得燃料電池模塊200能夠如本文描述的那樣起作用的任何數(shù)量的燃料電池疊堆216,218和集成熱交換器214。

在示例性實(shí)施例中，各個(gè)燃料電池塊202具有功率發(fā)生容量，其限定為燃料電池塊202在燃料電池模塊200的運(yùn)行期間產(chǎn)生的功率量。在一些實(shí)施例中，各個(gè)燃料電池塊202具有的功率發(fā)生容量的范圍在大約1千瓦(kw)和大約500kw之間。在進(jìn)一步實(shí)施例中，各個(gè)燃料電池塊202具有的功率發(fā)生容量的范圍在大約25千瓦(kw)和大約250kw之間。在一些實(shí)施例中，各個(gè)燃料電池塊202具有的功率發(fā)生容量為大約200kw。

燃料電池模塊200具有的總功率發(fā)生容量為燃料電池塊202的功率發(fā)生容量的總和。在一些實(shí)施例中，燃料電池模塊200具有的總功率發(fā)生容量在大約25kw和大約1500kw之間。在進(jìn)一步實(shí)施例中，燃料電池模塊200具有的總功率發(fā)生容量在大約150kw和大約1250kw之間。在示例性實(shí)施例中，燃料電池模塊200包括六個(gè)燃料電池塊202且各個(gè)燃料電池塊202具有大約167kw的功率發(fā)生容量。因此，燃料電池模塊200具有的總功率發(fā)生容量為大約1000kw。在備選實(shí)施例中，燃料電池模塊200包括使得燃料電池模塊200能夠如本文描述的那樣起作用的具有任何功率發(fā)生容量的任何數(shù)量的燃料電池塊202。

在示例性實(shí)施例中，第一燃料電池疊堆216和第二燃料電池疊堆218各自包括多個(gè)燃料電池104(顯示在圖1中)，其包括電解質(zhì)和兩個(gè)電極。第一燃料電池疊堆216和第二燃料電池疊堆218通過跨越離子傳導(dǎo)層而以電化學(xué)的方式組合燃料和氧化劑產(chǎn)生電。在示例性實(shí)施例中，第一燃料電池疊堆216和第二燃料電池疊堆218包括燃料電池104，其為固體氧化物燃料電池。在備選實(shí)施例中，第一燃料電池疊堆216和第二燃料電池疊堆218包括使得燃料電池模塊200能夠如本文描述的那樣起作用的任何類型的燃料電池。在示例性實(shí)施例中，第一燃料電池疊堆216和第二燃料電池疊堆218在集成熱交換器214的相反的側(cè)聯(lián)接到集成熱交換器214。在備選實(shí)施例中，第一燃料電池疊堆216和第二燃料電池疊堆218以使得燃料電池塊202能夠如本文描述的那樣起作用的任何方式聯(lián)接到集成熱交換器214，。

在示例性實(shí)施例中，集成熱交換器214包括限定內(nèi)部空間234的殼體232、第一熱交換構(gòu)件236和第二熱交換構(gòu)件238。參照顯示在圖3中的定向，殼體232包括頂部壁240、底部壁242和延伸在頂部壁240和底部壁242之間的側(cè)壁244。頂部壁240、底部壁242和側(cè)壁244中的各個(gè)包括相應(yīng)外表面246,248,250。在備選實(shí)施例中，集成熱交換器214包括使得集成熱交換器214能夠如本文描述的那樣起作用的任何數(shù)量的壁和表面。

諸如燃料252和空氣254的流體在運(yùn)行燃料電池模塊200期間被引導(dǎo)通過燃料電池模塊200。特別地，流體被引導(dǎo)通過燃料入口集管206、空氣入口集管208、燃料出口集管210、空氣出口集管212、燃料入口管220、空氣入口管222、燃料出口管224和空氣出口管226。如圖3中最佳地看到的那樣，燃料入口管220、空氣入口管222、燃料出口管224和空氣出口管226中的各個(gè)將流體引導(dǎo)到和引導(dǎo)出第一燃料電池疊堆216和第二燃料電池疊堆218。

空氣預(yù)熱器204在集成熱交換器214上游聯(lián)接到空氣入口集管208和在集成熱交換器214下游聯(lián)接到空氣出口管226?？諝忸A(yù)熱器204從空氣出口管226中的空氣254移除熱且將熱傳遞到空氣入口管222中的空氣254。在示例性實(shí)施例中，在空氣入口管222引導(dǎo)空氣254通過內(nèi)部空間234之前，空氣預(yù)熱器204將空氣入口管222中的空氣254的溫度提高到范圍在大約100℃(212℉)和大約600℃(1112℉)之間的溫度。

在運(yùn)行中，空氣254被引導(dǎo)通過空氣入口集管208而進(jìn)入空氣入口管222，以輸送到燃料電池塊202。各個(gè)空氣入口管222至少部分地延伸到內(nèi)部空間234中。在內(nèi)部空間234內(nèi)，空氣入口管222分成單獨(dú)的區(qū)段，以將空氣254輸送到第一燃料電池疊堆216和第二燃料電池疊堆218。在備選實(shí)施例中，空氣入口管222將空氣254饋送到使得燃料電池模塊200能夠如本文描述的那樣起作用的任何數(shù)量的燃料電池疊堆216,218。在示例性實(shí)施例中，空氣入口管222通過第一熱交換構(gòu)件236加溫，使得被引導(dǎo)通過空氣入口管222的空氣254的溫度被提高。在示例性實(shí)施例中，在集成熱交換器214的外部，空氣入口管222中的空氣254保持在低于600℃的溫度。在內(nèi)部空間234中，第一熱交換構(gòu)件236將空氣入口管222中的空氣254的溫度提高到范圍在大約600℃(1112℉)和大約800℃(1472℉)之間的溫度。因此，僅需要高溫管道構(gòu)件來用于內(nèi)部空間234內(nèi)的空氣入口管222的部分。高溫管道為設(shè)計(jì)和制造成引導(dǎo)具有較高溫度(即，高于大約600℃(1112℉)的溫度)的流體的構(gòu)件。

在運(yùn)行燃料電池模塊200期間，燃料252被引導(dǎo)通過燃料入口集管206而進(jìn)入燃料入口管220，以輸送到燃料電池塊202。各個(gè)燃料入口管220至少部分地延伸到內(nèi)部空間234中。在示例性實(shí)施例中，在內(nèi)部空間234內(nèi)，燃料入口管220分成單獨(dú)的區(qū)段，以將燃料輸送到第一燃料電池疊堆216和第二燃料電池疊堆218。在備選實(shí)施例中，燃料入口管220將燃料饋送到使得燃料電池模塊200能夠如本文描述的那樣起作用的任何數(shù)量的燃料電池疊堆216,218。在示例性實(shí)施例中，燃料入口管220被第二熱交換構(gòu)件238加溫，使得被引導(dǎo)通過燃料入口管220的流體的溫度被提高。在示例性實(shí)施例中，在集成熱交換器214的外部，流體燃料入口管220保持在低于600℃的溫度。在內(nèi)部空間234中，第二熱交換構(gòu)件238有利于將燃料入口管220中的流體的溫度提高到范圍在大約600℃(1112℉)和大約800℃(1472℉)之間的溫度。因此，僅需要高溫管道構(gòu)件用于內(nèi)部空間234內(nèi)的燃料入口管220的部分。

在示例性實(shí)施例中，燃料從第一燃料電池疊堆216和第二燃料電池疊堆218排出而進(jìn)入燃料出口管224，燃料出口管224至少部分地延伸進(jìn)入內(nèi)部空間234。燃料出口管224引導(dǎo)燃料離開內(nèi)部空間234且到達(dá)燃料出口集管210?？諝鈴牡谝蝗剂想姵丿B堆216和第二燃料電池疊堆218排出而進(jìn)入空氣出口管226，空氣出口管226至少部分地延伸到內(nèi)部空間234中。空氣出口管226引導(dǎo)空氣離開內(nèi)部空間234且到達(dá)空氣出口集管212。在內(nèi)部空間234內(nèi)部，第一熱交換構(gòu)件236有利于空氣出口管226和空氣入口管222之間的熱交換，而第二熱交換構(gòu)件238有利于空氣出口管226和空氣入口管222之間的熱交換。因此，隨著流體被引導(dǎo)通過內(nèi)部空間234，出口管226中的空氣的流體降低溫度。在示例性實(shí)施例中，空氣出口管226中的流體的溫度被降低，使得在離開內(nèi)部空間234之前溫度低于大約600℃(1112℉)。因此，僅需要高溫管道構(gòu)件用于內(nèi)部空間234內(nèi)的空氣出口管226的部分。

在示例性實(shí)施例中，參照顯示在圖3中的定向，上歧管228定位在集成熱交換器214上方，而下歧管230定位在集成熱交換器214下方。上歧管228定位在集成熱交換器214和第一燃料電池疊堆216之間且聯(lián)接到集成熱交換器214和第一燃料電池疊堆216。下歧管230定位在集成熱交換器214和第二燃料電池疊堆218之間且聯(lián)接到集成熱交換器214和第二燃料電池疊堆218。在備選實(shí)施例中，燃料電池模塊200的構(gòu)件以使得燃料電池模塊200能夠如本文描述的那樣起作用的任何方式定位。另外，在備選實(shí)施例中，燃料電池模塊200包括使得燃料電池模塊200能夠如本文描述的那樣起作用的任何數(shù)量的歧管。在示例性實(shí)施例中，上歧管228和下歧管230基本相同。因此，下歧管230的另外的描述是不需要的，因?yàn)樯掀绻?28在下面詳細(xì)描述。在備選實(shí)施例中，下歧管230不同于上歧管228。在一些實(shí)施例中，上歧管228和/或下歧管230被省略。

圖5為上歧管228的平面圖。上歧管228包括第一表面258、與第一表面258相反的第二表面260和多個(gè)開口262。開口262限定在第一表面258和第二表面260中且延伸在第一表面258和第二表面260之間，以提供槽道用于通過上歧管228的流體流。上歧管228具有厚度264，其測量在第一表面258和第二表面260之間。在一些實(shí)施例中，厚度264的范圍在大約2毫米(0.1(英寸))和大約400毫米(16英寸)之間。在示例性實(shí)施例中，厚度264為大約19毫米(0.75英寸)。上歧管228具有最大寬度266，其限定在上歧管228的側(cè)向邊緣之間。在示例性實(shí)施例中，上歧管228具有圓形形狀，其包括的直徑等于最大寬度266。在一些實(shí)施例中，最大寬度266的范圍在大約254毫米(10英寸)和大約1270毫米(50英寸)之間。在示例性實(shí)施例中，最大寬度266為大約406毫米(16英寸)。在備選實(shí)施例中，上歧管228為使得上歧管228能夠如本文描述的那樣起作用的任何形狀和大小。

在示例性實(shí)施例中，各個(gè)開口262具有帶有半徑268的至少部分地圓形形狀。在一些實(shí)施例中，半徑268的范圍在大約2.5毫米(0.1英寸)和大約254毫米(10英寸)之間。在示例性實(shí)施例中，半徑268為大約25毫米(1英寸)。一些開口262為伸長的，以形成具有長度270的槽口狀形狀。在一些實(shí)施例中，長度270的范圍在大約25毫米(1英寸)和大約254毫米(10英寸)之間。在示例性實(shí)施例中，長度270為大約64毫米(2.5英寸)。在備選實(shí)施例中，開口262為使得上歧管228能夠如本文描述的那樣起作用的任何形狀和大小。在示例性實(shí)施例中，上歧管228進(jìn)一步包括多個(gè)孔272，以有利于將上歧管228聯(lián)接到其它構(gòu)件。

回頭參照圖3和4，上歧管228聯(lián)接到第一燃料電池疊堆216，使得第一表面258接觸第一燃料電池疊堆216而第二表面260接觸集成熱交換器214。燃料入口管220、空氣入口管222、燃料出口管224和空氣出口管226在開口262附近聯(lián)接到上歧管228。因此，燃料入口管220和入口管222中的流體被引導(dǎo)通過開口262而進(jìn)入第一燃料疊堆216。另外，第一燃料疊堆216中的流體被引導(dǎo)通過開口262而進(jìn)入燃料出口管224和空氣出口管226。

參照圖1-3，引導(dǎo)流體252,254通過燃料電池模塊200的方法包括引導(dǎo)流體252,254通過燃料電池塊200。在一些實(shí)施例中，流體252,254單獨(dú)地被引導(dǎo)通過多個(gè)燃料電池塊202，多個(gè)燃料電池塊202聯(lián)接在一起，以形成燃料電池模塊200。在示例性實(shí)施例中，流體252,254被引導(dǎo)通過內(nèi)部空間234。在一些實(shí)施例中，流體252,254被引導(dǎo)通過空氣出口集管212、燃料入口管220、空氣入口管222、燃料出口管224和空氣出口管226，它們至少部分地延伸通過內(nèi)部空間234。在示例性實(shí)施例中，流體252,254被引導(dǎo)通過開口262且進(jìn)入燃料電池104。流體252,254通過開口262和通過內(nèi)部空間234被引導(dǎo)出燃料電池104。隨著流體252,254被引導(dǎo)通過內(nèi)部空間234，熱被從被引導(dǎo)出燃料電池104的流體252,254移除且傳遞到被引導(dǎo)向燃料電池104的流體252,254。集成熱交換器214構(gòu)造成將流體252,254的溫度提高到范圍在大約600℃和大約800℃之間的溫度。在一些實(shí)施例中，在引導(dǎo)流體252,254通過內(nèi)部空間234之前，流體252,254保持在范圍在大約100℃和大約600℃之間的溫度。

上面描述的燃料電池模塊包括熱交換器，以提高使用燃料電池模塊產(chǎn)生電功率的效率和成本。特別地，本文描述的實(shí)施例減少將引導(dǎo)流體通過燃料電池模塊所需要的高溫管道構(gòu)件。本文描述的實(shí)施例還有利于控制通過燃料電池模塊的流體流。另外，燃料電池模塊包括歧管，其有利于將管道構(gòu)件和熱交換器聯(lián)接到燃料電池。而且，本文描述的熱交換器提高燃料電池模塊中的流體熱傳遞的效率。

本文描述的方法、系統(tǒng)和設(shè)備的示例性技術(shù)效果包括下者中的至少一個(gè)：(a)提高燃料電池模塊的運(yùn)行效率；(b)減少維護(hù)和修理空氣燃料電池模塊所需要的時(shí)間和成本；(c)降低組裝和運(yùn)行燃料電池模塊的成本；(d)減少在燃料電池模塊中需要的高溫管道構(gòu)件的量；(e)控制通過燃料電池模塊的流體的壓降；和(f)減少燃料電池模塊中的管道連接的復(fù)雜性。

上面詳細(xì)描述了包括集成熱交換器的燃料電池模塊的示例性實(shí)施例。包括集成熱交換器的燃料電池模塊和運(yùn)行這種系統(tǒng)和裝置的方法不限于本文描述的特定實(shí)施例，而是相反，系統(tǒng)的構(gòu)件和/或方法的步驟可與本文描述的其它構(gòu)件和/或步驟獨(dú)立地和分開來使用。例如，方法也可與其它系統(tǒng)結(jié)合起來使用，并且不限于僅用本文描述的燃料電池模塊、燃料電池系統(tǒng)和方法實(shí)踐。相反，示例性實(shí)施例可結(jié)合目前構(gòu)造成接收和接受燃料電池的許多其它燃料電池應(yīng)用(例如(而不限制)在遠(yuǎn)處區(qū)域和工業(yè)設(shè)施中的分布式發(fā)電設(shè)施)實(shí)施和使用。

雖然本發(fā)明的各種實(shí)施例的特定特征可能顯示在一些附圖中而未顯示在其它附圖中，但是這僅僅是為了方便。根據(jù)本發(fā)明的原理，附圖的任何特征可結(jié)合任何其它附圖的任何特征來參照和/或要求保護(hù)。

本書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及實(shí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可取得專利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這樣的其它示例具有不異于權(quán)利要求的字面語言的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語言無實(shí)質(zhì)性差異的等效結(jié)構(gòu)要素，則它們意于處在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。