包括燃料電池單元和部件的裝置、用于該裝置的部件單元和堆疊部件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有燃料電池單元和部件(例如，熱交換器或重整器)的裝置。本發(fā)明還涉及一種堆疊部件，例如用于上述裝置或，通常用于與需要流體流過的設(shè)備相結(jié)合。本發(fā)明還涉及一種具有兩個(gè)堆疊部件的部件單元。
【背景技術(shù)】
[0002]為了優(yōu)化燃料電池堆的能量性能，需要結(jié)合熱交換器、加力燃燒室、重整器或多個(gè)這些部件。這樣由于空間常常受限，會優(yōu)先采用緊湊系統(tǒng)。在W0-A-2004/082057中，描述了一種模塊化構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)，其中其他部件例如加力燃燒室、熱交換器和重整器隨后被配置到平面的燃料電池堆。燃料電池堆和其他部件的外部幾何形狀彼此匹配。通過部件中設(shè)置的板和管道中的鉆孔，流體被導(dǎo)入部件中并從一個(gè)部件流到另一個(gè)部件。板與常規(guī)流向垂直設(shè)置，使得該流必須通過管道從一個(gè)部件導(dǎo)向另一個(gè)部件。需要偏轉(zhuǎn)板橋接系統(tǒng)中的各個(gè)流體通道。這樣，由于流體流動偏轉(zhuǎn)，這個(gè)系統(tǒng)能承受高壓降以及不均勻的溫度，并且需要額外的空間來容納部件間的連接部件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]因此，需要一種緊湊裝置，其具有燃料電池單元和例如熱交換器、重整器、預(yù)熱器或加力燃燒室的部件，該裝置可提供良好的流動特性。還需要提供一種具有兩個(gè)堆疊部件的部件單元以形成例如一種裝置，或者例如用于該裝置的一個(gè)堆疊部件，以支撐組合系統(tǒng)的整體性能。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種裝置，該裝置包括:具有平行布置的多個(gè)燃料電池的燃料電池單元，該燃料電池單元限定所述裝置的縱向軸線并且還限定與所述裝置的所述縱向軸線同軸的主流向。在所述燃料電池單元的相反兩端設(shè)置有燃料電池入口和燃料電池出口，并且所述燃料電池入口和所述燃料電池出口與所述主流向共線。所述裝置還包括:具有第一流體管道的部件，所述第一流體管道被布置成平行于所述主流向。所述第一流體管道包括設(shè)置在所述部件的相反兩端且與所述主流向共線的第一流體入口和第一流體出口。所述部件被布置成鄰近所述燃料電池單元，使得所述部件的所述第一流體入口和所述第一流體出口中的至少一者被布置成鄰近所述燃料電池出口和所述燃料電池入口中的至少一者，從而當(dāng)進(jìn)入所述裝置的流體流從所述部件流到所述燃料電池單元或反之亦然時(shí)，所述流體流能在所述部件的所述第一流體管道中以及所述燃料電池單元中以大體上平行于所述裝置的所述縱向軸線的方式流動。
[0005]根據(jù)本發(fā)明，燃料電池單元和部件(優(yōu)選熱交換器或重整器)被設(shè)置成使得流體可實(shí)質(zhì)上線性流動并沿著主流向穿過所述部件和所述燃料電池單元，從而形成穿過裝置的主流體流。燃料電池單元和部件以相鄰的方式設(shè)置，并且燃料電池入口和部件的第一流體出口或者燃料電池出口和部件的第一流體入口以相鄰的方式設(shè)置，這允許流體從所述部件到燃料電池單元的暢通或無偏轉(zhuǎn)的穿過，反之亦然(這取決于部件和燃料電池單元沿著主流向的彼此上游和下游的設(shè)置)。根據(jù)本發(fā)明，裝置中不會發(fā)生裝置之間或部分裝置中流向的方向的反轉(zhuǎn)或改變，例如90度。這可以在裝置中提供完整的低壓降，均勻的流速和均勻的溫度分布，以及更少部件需求的緊湊設(shè)計(jì)。另外，在裝置和該裝置的各個(gè)部分中可以實(shí)現(xiàn)均勻流動。裝置的各部分之間或部件內(nèi)的各部分之間的界面或管道連接變得不被需要，從而促進(jìn)了緊湊裝置的實(shí)現(xiàn)。由于裝置中改善的溫度分布，也可以實(shí)現(xiàn)提高的能量效率。部件或燃料電池單元可以模塊化并組合成根據(jù)本發(fā)明的裝置，這方便了根據(jù)本發(fā)明的裝置的制造、安裝和維護(hù)。例如，方便了部件或燃料電池單元的更換。同時(shí)，部件可以更容易地適應(yīng)具體的燃料電池單元設(shè)計(jì)。
[0006]如果部件是包括多個(gè)彼此平行且上下疊置的板的板堆疊，那么部件的板被布置成平行于主流向。如果燃料電池單元是包括多個(gè)彼此平行且上下疊置的板的平面燃料電池單元，那么裝置的所有板可以被布置成平行于主流向且實(shí)質(zhì)上彼此平行。然而，部件或平面燃料電池單元的板可以分別圍繞一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸相對于裝置的縱向軸線或主流向旋轉(zhuǎn)。部件、燃料電池單元、其他部件或者裝置的多個(gè)部分的彼此相互間的旋轉(zhuǎn)，例如可以在O度到180度之間的范圍內(nèi)，優(yōu)選90度。在這些實(shí)施方式中，裝置的所有部分的板被布置成平行于主流向。然而，例如相鄰堆疊的板例如可以布置成彼此垂直。
[0007]在一些優(yōu)選實(shí)施方式中，燃料電池單元是高溫燃料電池的單元，例如固體氧化物燃料電池(SOFC)。尤其是，在高溫燃料電池中，可進(jìn)一步采用高溫流體，并且用于燃料電池的燃料中只有一部分被燃料電池本身所利用。因此，其他效果可以通過優(yōu)化流動特性來獲得，尤其在將燃料電池與熱交換器或重整器或優(yōu)選二者組合時(shí)。
[0008]沿主流向流動的主流體流例如可以是燃料電池和重整器的陰極流以及流經(jīng)熱交換器的熱氣。優(yōu)選地，主流體流是流體流，其具有穿過燃料電池單元和裝置的部件的較高的體積流速。這樣，主流體對應(yīng)于穿過部件的第一流體，而第二流體通常具有相比于第一流體的流速低的體積流速的流速。第二流體還可以是具有相比于第一或主流體低的質(zhì)量流速的流體流。然而，較低的體積流還可以由具有同樣質(zhì)量流速但具有比主流體低的溫度的流體流來實(shí)現(xiàn)(或第一流)。通過優(yōu)化，尤其是均勻化具有更高體積流速的流體流，可以獲得非常好的效率的裝置。例如，重整器的陰極流可以比陽極流高約兩個(gè)數(shù)量級。
[0009]可以優(yōu)化堆疊部件的第二流體管道中的第二流體流。第二流體也以平行于堆疊部件的板的方式流動。
[0010]部件可以設(shè)置在燃料電池單元的上游或下游。因此，(在部件設(shè)置在燃料電池單元的上游的情況下)部件的第一流體出口被布置成鄰近燃料電池入口，或者(在部件設(shè)置在燃料電池單元的下游的情況下)燃料電池出口被布置成鄰近部件的第一流體入口。
[0011]如果在根據(jù)本發(fā)明的裝置中提供一個(gè)或多個(gè)其他部件，例如熱交換器、重整器、加力燃燒室或預(yù)熱器，優(yōu)選在其他部件中設(shè)置用于流體的管道，例如以允許第一流體流入主流向。這樣，通過其他部件可以擴(kuò)展一個(gè)裝置，而不會失去它的流動特性或它的緊湊性。
[0012]有利的是，例如，用于根據(jù)本發(fā)明的裝置的部件是重整器或熱交換器，例如也可以是加力燃燒室或預(yù)熱器的形式。在根據(jù)本發(fā)明的裝置的一些優(yōu)選實(shí)施方式中，部件可以設(shè)置在燃料電池單元的一側(cè)，優(yōu)選上游，并且至少一個(gè)另外的部件設(shè)置在燃料電池單元的相反側(cè)，優(yōu)選下游。例如，熱交換器可以設(shè)置在燃料電池單元的上游側(cè)，使得熱氣流平行于裝置的縱向軸線流動并進(jìn)入燃料電池單元的燃料電池中作為陰極流。直到離開燃料電池單元，這個(gè)陰極流仍舊沿著平行于裝置的縱向軸線的主流向進(jìn)入并穿過設(shè)置在下游并鄰近燃料電池單元的重整器。
[0013]在裝置的這種設(shè)置中，熱交換器中的第二流體流例如可以是來自燃料電池單元的陽極氣體與熱氣的混合物。隨后，這個(gè)混合物在熱交換器中氧化。所產(chǎn)生的熱用于(進(jìn)一步)加熱陰極氣體，然后導(dǎo)入燃料電池單元的燃料電池中。隨后，來自燃料電池單元的排污口可以直接連接到相鄰設(shè)置的熱交換器的第二流體入口。燃料電池單元所產(chǎn)生的熱可用于設(shè)置在更下游的重整器中的重整行為。如果熱交換器設(shè)置在燃料電池單元的下游，第二流體例如可以是由熱交換器的第一熱流體加熱的冷卻氣體或冷卻液體。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個(gè)方面，燃料電池單元的高度和寬度對應(yīng)于部件的高度和寬度。根據(jù)本發(fā)明的裝置的各部分的幾何形狀匹配允許以非常緊湊的方式設(shè)計(jì)裝置，并且允許改善流動和溫度特性。各個(gè)部分的相鄰設(shè)置不需要其他接口并且可以容易地用其他匹配部件來補(bǔ)充。雖然燃料電池單元可以是燃料電池的平面堆疊或者也可以是管狀燃料電池的堆疊，但所述部件(尤其是熱交換器和重整器)優(yōu)選是板堆疊。在這些板堆疊中，部件的板的寬度對應(yīng)于燃料電池單元的寬度。堆疊的高度在高度上彼此匹配，因此，部件和燃料電池單元具有同樣的高度。堆疊的長度可與在部件中執(zhí)行的所需的物理或化學(xué)工藝相適應(yīng)，或與相鄰燃料電池單元或部件的規(guī)范相適應(yīng)。例如，部件或其他部件與燃料電池單元的幾何形狀匹配包括調(diào)整部件堆疊中板的數(shù)量，使得堆疊的高度與下一個(gè)部件(例如燃料電池堆)的高度相同。通過如此，例如重整器的出口的寬度和高度可與燃料電池堆的寬度和高度一 Sc ο
[0015]通過部件和燃料電池單元的幾何形狀匹配，‘核心部件’或‘核心堆疊’的匹配意味著，部件的一部分被涉及，在這里執(zhí)行該部件的物理或化學(xué)工藝。部件通常包括用于第二流體的第二入口和第二出口，例如用于熱交換器的冷卻或加熱流體或者用于重整器的陽極流體。這些供給入口和排污口不會形成核心堆疊的一部分，但是例如會延伸到裝置的兩個(gè)相對側(cè)。同時(shí)，燃料電池單元可提供有供給入口，例如一個(gè)管狀入口或一系列小管，每個(gè)都連接到燃料電池單元的一段。
[0016]被布置成與主流向共線的第一流體入口和出口以及燃料電池入口和出口彼此可以機(jī)械連接。優(yōu)選地，裝置的相鄰部分的入口和出口彼此不機(jī)械連接。部件和燃料電池單元優(yōu)選彼此相鄰