專利名稱：高溫燃料電池的可選路徑冷卻的制作方法
高溫燃料電池的可選路徑冷卻交叉引用相關申請本申請要求于2008年4月18日提交的名稱為“Alternative Path Cooling of a High Temperature Fuel Cell”的美國臨時專利申請號61/046，052的權益，通過引用以其 整體明確地并入本文。
背景技術：
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。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泵、冷卻劑、管線和能量消耗需求帶來的復雜性。正是基于這些考慮和其它考慮，提出了本文作出的本公開。發明概述應該理解，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。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泵，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。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。附圖簡述
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；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；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；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。發明詳述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。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。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。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。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。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。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Iio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。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。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——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。此外，根據本實施方式，上述熱處理機械裝置的渦輪112——用于控制來自燃料電 池102的熱冷卻劑110——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。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Iio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 流的加熱，使其溫度高于從壓縮機202出來的非反應物冷卻劑108的溫度，而低于燃料電池 102的溫度。根據各種實施方式，用從上游來自燃料電池102的熱冷卻劑110來加熱非反應物 冷卻劑108可以通過二種流體的實質混合或通過在兩種流體之間進行熱接觸而不使非反 應物冷卻劑108與熱冷卻劑110混合來實現。為使熱從熱冷卻劑110傳輸到非反應物冷卻 劑108而不使二種流體混合，可以使用同流換熱器或熱交換器。使用同流換熱器的實施方 式將參考圖4進行描述。圖4圖解說明冷卻劑流過高溫燃料電池冷卻系統400的路徑。現將使用說明性溫 度值討論系統內不同階段的各種傳熱。應該理解，所述溫度值僅用于說明目的。高溫燃料 電池冷卻系統400的各個階段之間的實際溫差將取決于許多因素，其包括但不限于燃料電池102的運行特性、非反應物冷卻劑108的熱容、非反應物冷卻劑108通過系統的流速、壓 縮機202和渦輪112的操作規范以及同流換熱器402的特性，等等。在階段1，非反應物冷卻劑108在-51°C作為環境空氣流從處于一定高度的航空器 外部進入壓縮機202。非反應物冷卻劑108在階段2因為被壓縮機加壓而加熱，在84°C退 出壓縮機202。從階段2，非反應物冷卻劑108進入同流換熱器402。如上所述，同流換熱 器402是這樣的熱交換器，其將熱從來自燃料電池102的熱冷卻劑110傳輸到進入燃料電 池102的非反應物冷卻劑108以盡力阻止熱沖擊損害燃料電池102，熱沖擊是進入燃料電池 102的非反應物冷卻劑108和燃料電池102內的熱之間的過大溫差造成的。加熱同流換熱 器402內的非反應物冷卻劑108后，非反應物冷卻劑108流出同流換熱器402并在階段3、 在625 °C進入燃料電池102。非反應物冷卻劑108進一步吸收燃料電池102中的熱，變成熱冷卻劑110。熱冷卻 劑110流出燃料電池102并在階段4、在800°C下再次進入同流換熱器402。熱冷卻劑110 被用于加熱在同流換熱器402內的非反應物冷卻劑108。熱冷卻劑110流出同流換熱器402 并在階段5、在246°C進入渦輪112。熱冷卻劑通過渦輪112進一步被冷卻，并在階段6、在 110°C流出渦輪112。現在轉向圖5，現將詳細描述用于控制高溫燃料電池102的溫度的說明性程序 500。應該理解，可以進行比圖5中所示的和本文所述的更多或更少的操作。而且，還可以 以與本文描述的順序不同的順序進行這些操作。程序500起始于操作502，在那里非反應物 冷卻劑108被引導通過燃料電池102。如上所述，非反應物冷卻劑108可以作為沖壓空氣或 使用壓縮機202被驅動通過燃料電池102。在操作504，來自燃料電池102的熱被轉移到較 低溫度的非反應物冷卻劑108，產生熱冷卻劑110。在操作506，熱冷卻劑110被引導離開燃 料電池102。如果在操作508高溫燃料電池冷卻系統300不包括渦輪112作為熱處理機械裝置 的一部分，那么程序500推進到操作510，在那里熱冷卻劑110被排到環境中，或者如果高 溫燃料電池冷卻系統包括再循環系統，則在操作522被部分地再循環，如下所述。但是，如 果高溫燃料電池冷卻系統100包括渦輪112，那么程序500繼續從操作508到操作512。如 果壓縮機202在高溫燃料電池冷卻系統300內存在，并被用于提供非反應物冷卻劑108給 燃料電池102，那么程序500繼續進行操作512到操作514，在那里壓縮機被渦輪112驅動。 但是，如果非反應物冷卻劑108作為沖壓空氣被直接提供給燃料電池102，那么程序500從 操作512推進到操作516。如果在操作516高溫燃料電池冷卻系統300內不存在發電機114，那么程序500推 進到操作522且如下所述繼續進行。但是，如果發電機114在高溫燃料電池冷卻系統300內 被使用，那么程序繼續到操作518，在那里渦輪112被用于驅動發電機114以發電。在操作 520，電被引向與高溫燃料電池冷卻系統300在其上被使用的平臺相連的一個或多個系統。 由于除了由燃料電池102的如本文所述的電化學反應所產生的電，使用熱冷卻劑110還產 生了電，因此整個燃料電池系統的效率增加。如果在操作522高溫燃料電池冷卻系統300不包括用于將熱冷卻劑110再循環回 到非反應物冷卻劑108流中的再循環系統，那么程序500結束。但是，如果高溫燃料電池冷 卻系統300包括再循環設備302，那么程序500繼續從操作522到操作524，在那里一部分熱冷卻劑110被再循環回進入燃料電池102的非反應物冷卻劑108流中。如上所述，熱冷 卻劑110的再循環流可以被較前地放置在流動系統中，例如在渦輪112之前。熱冷卻劑110 被用于增加非反應物冷卻劑108流的溫度以使燃料電池102的熱沖擊得以避免。可以如上 所述使用同流換熱器402，以能夠從熱冷卻劑110傳熱到非反應物冷卻劑108。從上述各種實施方式應該清楚，本文提供的公開提供了重量有效方法以控制高溫 燃料電池的溫度。通過使用非反應物環境空氣或水流以冷卻燃料電池102，可以避免儲存 用于冷卻目的的過量反應物104和提供單獨的閉合系統冷卻回路。而且，上述高溫燃料電 池冷卻系統300提供了依據具體應用參數調整系統的靈活性。例如，可以根據平臺操作參 數，通過沖壓空氣或壓縮機提供非反應物冷卻劑108。類似地，渦輪112可以被加入高溫燃 料電池冷卻系統300以再次俘獲熱冷卻劑110中的一些能量，然后這些能量可以被用于驅 動壓縮機202和/或使用發電機114產生額外的電，增加燃料電池系統的總效率。上述主題是僅通過示例提供的而不應解釋為限制性的。不必按照圖解和描述的 實例實施方式以及應用，并且在不偏離在權利要求中闡述的本發明真正精神和范圍的情況 下，可以進行本文所述主題的各種改進和變化。
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權利要求
1.用于熱控制燃料電池的系統，所述系統包括冷卻劑供給機械裝置，其可操作以向所述燃料電池提供非反應物冷卻劑；所述燃料電池內的熱交換器，其被配置為從所述冷卻劑供給機械裝置接收所述非反應 物冷卻劑，引導所述非反應物冷卻劑通過所述燃料電池的一部分以吸收來自所述燃料電池 的熱，產生熱冷卻劑，并從所述燃料電池排出所述熱冷卻劑；和熱處理機械裝置，其被配置為接收從所述熱交換器排出的所述熱冷卻劑并引導所述熱 冷卻劑離開所述燃料電池。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述非反應物冷卻劑包括環境空氣流。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述環境空氣流包括沖壓空氣，其中所述冷卻劑 供給機械裝置包括用于將所述沖壓空氣引入所述熱交換器的入口，并且其中所述熱交換器 包括用于引導所述沖壓空氣通過所述燃料電池的所述一部分以從所述燃料電池吸熱的導 管。
4.根據權利要求2所述的系統，其中所述冷卻劑供給機械裝置包括壓縮機，其被配置 為加壓所述環境空氣流并將所述環境空氣流弓I導至所述熱交換器。
5.根據權利要求1所述的系統，其中所述非反應物冷卻劑包括環境水流。
6.根據權利要求1所述的系統，其中所述熱處理機械裝置包括渦輪，其被配置為由從 所述熱交換器排出的所述熱冷卻劑的流動產生機械能。
7.根據權利要求6所述的系統，其中所述渦輪與發電機連接，使得能夠從所述熱冷卻 劑的流動產生的所述機械能產生電。
8.根據權利要求6所述的系統，其中所述冷卻劑供給機械裝置包括壓縮機，其被配置 為加壓所述環境空氣流和將所述環境空氣流引導至所述熱交換器，并且其中所述渦輪被進 一步配置以驅動所述壓縮機。
9.根據權利要求1所述的系統，其中所述熱處理機械裝置包括出口，其被配置為使所 述熱冷卻劑排至周圍環境。
10.根據權利要求1所述的系統，其中所述熱處理機械裝置包括再循環設備，其可操作 以使一部分所述熱冷卻劑與所述非反應物冷卻劑結合，以增加所述非反應物冷卻劑的溫度 并減小所述非反應物冷卻劑和來自所述燃料電池的熱之間的溫差。
11.根據權利要求1所述的系統，其中所述燃料電池包括提供能量至航空器系統的固 體氧化物燃料電池，其中所述非反應物冷卻劑包括沖壓空氣，其中所述熱冷卻劑包括熱沖 壓空氣，并且其中所述熱處理機械裝置包括渦輪，所述渦輪被配置為由從所述熱交換器排 出的所述熱沖壓空氣的流動產生機械能。
12.用于熱控制燃料電池的方法，其包括將反應物引入所述燃料電池；在所述燃料電池內的化學反應中利用所述反應物產生產物和廢熱；將非反應物冷卻劑引導通過所述燃料電池以從所述燃料電池吸收一部分所述廢熱以 生成熱冷卻劑；和將所述熱冷卻劑從所述燃料電池引導出。
13.根據權利要求12所述的方法，其中將非反應物冷卻劑引導通過所述燃料電池以從 所述燃料電池吸收一部分所述廢熱以生成熱冷卻劑包括將沖壓空氣引導通過所述燃料電池以產生熱空氣。
14.根據權利要求12所述的方法，其中將非反應物冷卻劑引導通過所述燃料電池以從所述燃料電池吸收一部分所述廢熱以生成熱冷卻劑包括將環境空氣流引導通過配置為加 壓所述環境空氣流的壓縮機并將所述環境空氣流引導至所述燃料電池。
15.根據權利要求14所述的方法，其進一步包括引導來自所述燃料電池的熱環境空氣 流并使之通過配置為驅動所述壓縮機的渦輪。
16.根據權利要求12所述的方法，其進一步包括引導來自所述燃料電池的熱冷卻劑并 使之通過配置為從所述熱冷卻劑的流動產生機械能的渦輪，其中所述渦輪與發電機連接， 使得能夠從所述渦輪產生的機械能產生電。
17.根據權利要求12所述的方法，其進一步包括，在引導所述非反應物冷卻劑通過所 述燃料電池之前將來自所述燃料電池的所述熱冷卻劑的一部分引導至所述非反應物冷卻 劑，以增加所述非反應物冷卻劑的溫度并減小所述非反應物冷卻劑和所述燃料電池之間的 iS差ο
18.用于熱控制燃料電池的方法，其包括引導非反應物空氣流通過可操作以加壓所述非反應物空氣流的壓縮機；將在所述壓縮機內加壓的所述非反應物空氣流引導至所述燃料電池；將來自燃料電池的熱傳遞到所述非反應物空氣流以產生廢熱空氣流；將所述廢熱空氣流引導至渦輪以產生機械能；和利用來自所述渦輪的機械能以驅動所述壓縮機。
19.根據權利要求18所述的方法，其進一步包括利用來自所述渦輪的機械能以驅動發 電機。
20.根據權利要求18所述的方法，其進一步包括，在將來自所述壓縮機的所述非反應 物空氣流引導至所述燃料電池之前，將一部分所述廢熱空氣流再循環至所述非反應物空氣 流，以增加所述非反應物空氣流的溫度并減小所述非反應物空氣流和所述燃料電池之間的溫差ο
全文摘要
系統和方法提供用于熱控制高溫燃料電池。根據本文所述的實施方式，從壓縮機或沖壓空氣源將非反應物冷卻劑引入燃料電池。非反應物冷卻劑吸收來自燃料電池內的電化學反應的廢熱。熱冷卻劑從燃料電池排出并被通入周圍環境或被引導通過渦輪。通過渦輪從熱冷卻劑重獲的能量可以被用于驅動壓縮機或發電機以產生額外的電并增加燃料電池系統的效率。熱冷卻劑的一部分可以被再循環到進入燃料電池的非反應物冷卻劑中，以阻止對燃料電池的熱沖擊。
文檔編號H01M8/02GK102007633SQ200980113492
公開日2011年4月6日 申請日期2009年3月17日 優先權日2008年4月18日
發明者C·巴朗, M·E·馬塔, T·R·斯托拉 申請人:波音公司