燃料电池系统的采用热和水回收的饱和器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年8月31日提交的美国专利申请号15/252,338的权益和优先权，其通过引用整体并入本文。
背景技术
本申请大致涉及燃料电池系统(例如熔融碳酸盐或其它高操作温度燃料电池系统)，更具体地涉及用于这种燃料电池系统的热回收系统的领域。
供应给燃料电池的反应气体，特别是供应给这种燃料电池的阳极的反应物燃料气体必须充分加湿(即含有足够的水)以保持燃料中所需的蒸汽-碳比，用于适当和有效的燃料电池操作，以提供反应气体的足够的离子导电性，并防止燃料电池中的碳沉积(即烟灰形成)。用于加湿的水通常被预热到所需的温度，这需要能量。
提供一种改进的燃料电池系统将是有利的，该燃料电池系统更有效地利用加热的水来加湿反应物燃料气体以输入燃料电池中。利用由燃料电池系统的各种部件产生的废热也是有利的。如审阅本公开的人员将理解的，可以使用本文公开的示例性实施方式获得这些和其它优点。
发明内容
示例性实施方式涉及一种燃料电池系统，其包括具有阳极和阴极的燃料电池，配置成从来自阳极的排气回收水的水回收系统，配置成在来自阴极的排气和来自水回收系统的水之间传递热量的热交换器，和具有由限定开口的分隔件分开的上部和下部的饱和器，该开口配置成允许燃料和蒸汽从下部通到上部。下部从燃料源接收燃料和从水回收单元接收水，并且上部从下部接收燃料和从热交换器接收水。
另一示例性实施方式涉及一种用于燃料电池系统的饱和器，其包括限定上部分和下部分的下部，该下部分配置成从燃料源接收燃料，并且上部分配置成从水回收单元接收水。饱和器还包括限定上部分和下部分的上部，该上部分配置成从热交换器接收水，该下部分配置成从下部接收燃料。饱和器还包括分开上部和下部的分隔件，该分隔件限定开口，该开口配置成允许燃料和蒸汽从下部通到上部。
另一示例性实施方式涉及一种使燃料电池系统的燃料饱和的方法，其包括从水回收单元提供第一和第二部分水，在饱和器的下部接收第一部分水和燃料，并且从下部输出部分加湿的燃料。该方法还包括在排气热交换器中加热第二部分水，在饱和器的上部接收第二部分水和部分加湿的燃料，并从上部输出完全加湿的燃料。
附图说明
图1示出了具有单级饱和器的直接燃料电池系统的示意图。
图2示出了具有两级饱和器的改进的直接燃料电池系统的示意图。
图3示出了根据示例性实施方式的图2的直接燃料电池系统的简化示意图。
具体实施方式
根据示例性实施方式，本文公开了一种燃料电池系统，其利用直接从直接接触冷却塔(“DCCT”)回收的低水平热量。配置成提供加热的水以加湿待输入燃料电池中的反应气体的饱和器可以分成两个部分，而在下部，使用来自DCCT的热量使系统的燃料部分饱和。来自DCCT底部的热水被引导至饱和器的底部。然后，来自饱和器下部的部分饱和的燃料在上部完全饱和至所需水平。然后在使用来自系统的阴极排气的热量预热后，将较热的水供给到上部。通过使饱和器下部中的气体预饱和，在阴极排气-水热交换器中需要较少的热量，使得热量可用于其它目的(例如减少补充燃料的使用)。
该布置适用于包括水回收的所有直接燃料电池(“DFC”)设计，因为其允许由燃料电池系统的其它部件产生的废热用于其它目的。例如，它在从系统或双堆高效燃料电池系统输出氢气、合成气或高压蒸汽的设计中特别有用，每个通常都需要额外的待施加热量，因为排出了大部分阳极排气，减少了阳极气体氧化剂(“AGO”)118中产生的热量。
图1示出了根据第一示例性实施方式的燃料电池系统100。图2示出了改进的燃料电池系统，其包括作为本申请主题的有利的热回收系统。下面将描述图1，以提供整个燃料电池系统的配置和操作的描述，然后讨论图2所示的改进版本。
燃料电池系统100包括燃料电池堆(即燃料电池)102，该燃料电池堆102包括阳极侧104，该阳极侧104配置成从燃料供应103接收燃料并输出阳极排气。燃料电池堆102还包括阴极侧106，该阴极侧106配置成接收氧化剂气体并输出阴极排气。燃料电池系统100还包括饱和器108，用于利用来自水回收单元114的水加热和加湿来自燃料供应103的燃料。从燃料供应103提供含烃燃料(例如天然气、丙烷等)。在脱硫器112中处理燃料，以除去燃料中存在的含硫化合物。脱硫器112包括一种或多种硫吸附剂或硫吸收床，燃料流动通过它们并且它们吸附或吸收燃料中的任何含硫化合物。
在通过脱硫器112之后，燃料由饱和器108接收，该饱和器108还配置成从水回收单元114接收水。根据示例性实施方式，水可以从来自燃料电池堆102的阳极和/或阴极排气，和/或从外部源(例如自来水)供应到水回收单元114。根据另一示例性实施方式，如下面进一步详细讨论的，水可以由启动水抛光器132提供。
如图1所示，水回收单元114包括DCCT 116。DCCT 116配置成接收阳极排气并冷凝阳极排气中的至少一部分水。根据示例性实施方式，阳极排气可在被接收在DCCT 116中之前由第一热交换器115冷却。如图2所示，阳极排气可以通过第二热交换器117冷却，将热量从阳极排气传递到纯化的氢气，产生加热的氢气流。然后可以将加热的氢气流接收在AGO118中并与空气混合(即燃烧)并供给到阴极106。参考图1，阳极排气从燃料电池堆102的阳极侧104输送到DCCT 116的一端，而冷却的回收水从水循环路径123输送到DCCT 116的相对端，使得阳极排气和冷却的回收水在相对的方向上相对于彼此流动。在DCCT 116中，阳极排气通过与回收水直接接触而冷却，冷凝阳极排气中的至少一部分水。当阳极排气通过DCCT 116时，从阳极排气冷凝的水与回收水混合。在DCCT 116的底部收集包含回收水和从阳极排气冷凝的水的混合物的热冷凝水。
如图1所示，在DCCT 116的底部收集的冷凝水的第一部分被输送到水再循环路径123，在那里使用热交换器124(例如风扇)冷却以在DCCT 116中用作回收水。第二部分冷凝水从水回收单元114输出，并且可以被送到(即再循环)到饱和器108以加湿燃料。
阴极排气从燃料电池堆102的阴极侧106通过第一排气热交换器120，第一排气热交换器120配置成将来自阴极排气的热量传递给从饱和器108输出的加湿燃料(即饱和气体)以过热加湿燃料。然后将加热的加湿燃料供给到燃料电池堆102的阳极侧104。进入阳极侧104的燃料在其中重整以产生氢气和CO，并与通过阴极侧106的氧化剂气体发生电化学反应以形成水和CO2作为燃料电池系统100产生电能。阳极排气包括未反应的燃料，包括氢气和CO，反应产物，包括水蒸气和CO2，以及少量其它化合物或气体。
在加热加湿的燃料之后，阴极排气通过第二排气热交换器122，第二排气热交换器122配置成将来自阴极排气的热量传递给来自DCCT 116的水。因此，第二排气热交换器122进一步预热来自DCCT 116的水并在将结合的水供给到饱和器108之前使来自饱和器108的水再循环。根据示例性实施方式，热水由第二排气热交换器122产生，其从阴极排气传递热量，这在典型的情况下可以加热到约240℉的温度。
根据示例性实施方式，水被提供给饱和器108的顶部108a附近并沿向下方向上流过饱和器108，而燃料被提供在饱和器108的底部108b附近并沿向上方向上流过饱和器108。在饱和器108中，燃料与水直接接触，并因此，第一部分水蒸发到燃料中，用水蒸气使燃料饱和并产生加湿燃料。饱和器108中的第二部分(即剩余部分)水尚未蒸发到燃料中，使其从饱和器108输出并与来自DCCT 116的水结合。未蒸发的水和来自DCCT 116的水通过第二排气热交换器122输送并提供给饱和器108的顶部108a。根据示例性实施方式，可以从水回收单元114供应水以将饱和器108中的水替换为它被蒸发以形成加湿燃料并从饱和器108输出。来自水回收单元114的过量水可以作为排放水通过水排放流130从系统中丢弃。根据示例性实施方式，燃料电池系统100配置成去除(即除去)回收水中基本上所有的CO2。该过程导致回收水的pH水平增加，简化了从燃料电池系统100处理过量水的过程(例如回收水处于适于引入环境而无需进一步处理的pH水平)。
现在参考图2和图3，示出了具有两级饱和器208的燃料电池系统200的示意图。根据示例性实施方式，两级饱和器208包括限定下(即第一)部209和上(即第二)部210的容器，其由分隔件(即捕集盘)211部分地分开，该分隔件211配置成允许加湿的燃料通过。根据示例性实施方式，在DCCT 116的底部收集的基本上所有的水被输送到饱和器208。根据其它示例性实施方式，可以仅使用一部分这种水。
如图2所示，第一部分水从DCCT 116输送到饱和器208的下部209。第二部分水从DCCT 116输送到第二排气热交换器122以由阴极排气预热。然后，第二部分水从第二排气热交换器122输出，并且引导到饱和器210的上部210。
根据示例性实施方式，直接从DCCT 116接收的水(即没有首先通过第二排气热交换器122)在饱和器208的下部209的顶部209a附近被提供给饱和器208并沿向下方向流过下部209，同时燃料被提供给饱和器208的下部209的底(即下)部209b附近并沿向上方向流过下部209。在饱和器208的下部209中，燃料与水直接接触，并因此，下部209中的第一部分水蒸发到燃料中，用水蒸气使燃料饱和并产生部分加湿的燃料。下部209中的第二部分(即剩余部分)水尚未蒸发到燃料中，将其从下部209输出并返回到水循环路径223。
如图3所示，燃料在下部209中至少部分地加湿，然后通过分隔件211中的开口211a，该开口211a配置成允许燃料(而不是未蒸发的水)通过。例如，开口211a可以是分隔件211中的孔，其具有限定直径和表面区域的外周边。根据其它示例性实施方式，开口211a可以限定其它形状。重力迫使下部209中的未蒸发的水向下落远离开口211a，而燃料(例如以气体形式)和形成部分加湿的燃料的蒸汽向上移动穿过开口211。部分加湿的燃料从开口212a输出到上部210。分隔件211限定了一个或多个壁211b，该壁211b从开口211a的外周边大致向上延伸。盖212设置在开口211a上方并在其间限定一个或多个出口212a。例如，出口212a可以限定在盖212和壁211b的顶端之间。根据示例性实施方式，盖212延伸超出开口211a的外周(即具有更大的直径和/或更大的表面积)并且配置成防止上部210中的水穿过开口211a。根据另一示例性实施方式，出口212a定位在分隔件211上方，使得盖212配置成防止水在上部210中向下流过出口212a。例如，在进入出口212a并流过开口211a进入下部209之前，水可以在分隔件211的顶部汇集到壁211b的高度。根据另一示例性实施方式，分隔件211包括多个开口211a，每个开口211a配置成与上述开口211a相同。根据另一示例性实施方式，下部209和上部210可以位于分开的(即分别为第一和第二)容器中。在这种配置中，部分加湿的燃料从下部209的顶部209a输出，并在第一和第二容器之间引导到上部210的底部210b。
再次参考图2和图3，来自DCCT 116的第二部分水通过第二排气热交换器122供给(没有首先通过饱和器208)，在饱和器208的上部210的顶(即上)部210a附近被提供给饱和器208并沿向下方向流过上部210，而来自下部209的加湿燃料在通过分隔件211之后被提供给饱和器208的上部210的底(即下)部210b附近并沿向上方向流过上部210。在饱和器的上部210的顶部210a中接收的水可能比在饱和器209的下部209的顶部109a中接收的水更热。根据示例性实施方式，来自DCCT 116的第二部分水可以直接供给到饱和器208的上部210。在饱和器208的上部210中，加湿的燃料与来自第二排气热交换器122的水直接接触，并因此，上部210中的第二部分水中的至少一部分蒸发到燃料中，进一步用水蒸气使燃料用水饱和并产生进一步加湿的燃料。上部210中尚未蒸发到加湿燃料中的任何剩余的未蒸发水从上部210输出，并且可以与来自DCCT 116的热水结合。至少一部分结合的未蒸发水和直接来自DCCT 116的水通过第二排气热交换器122返回并提供给饱和器208的上部209的顶(即上)部209a。未通过第二排气热交换器122输送的任何水可以通过排放流230从燃料电池系统200中去除，如下面进一步详细描述的。
通过在使水从DCCT 116通过第二排气热交换器122之前使饱和器208的下部209中的燃料预饱和(即预加湿)，饱和器208的上部210中的部分加湿的燃料需要更少的水进一步(即完全)加湿。具体地，这意味着通过第二排气热交换器122的水需要较少的热量从阴极排气传递到水，以便提供足够量的蒸发水以进一步(例如完全)加湿燃料。因此，阴极排气产生的热量可以重新分配到燃料电池系统200内部或外部的其它位置。
根据示例性实施方式，上部210中的任何未蒸发的水在分隔件211上方和出口212a下方的位置处从饱和器208的上部210输出。因此，分隔件211配置成防止未蒸发的水从上部210回流到饱和器208的下部209。根据另一示例性实施方式，可以从水回收单元114供应水以将饱和器208中的水替换为它被蒸发以形成加湿的燃料并从饱和器208输出。
根据示例性实施方式，当从上部209输出的过量未蒸发的水超过指定量时，过量的水可以通过水排放流230输出并从燃料电池系统200中除去。未蒸发的水从饱和器208穿到循环泵228，这将水再循环到第二排气热交换器122。如图2所示，在通过第二排气热交换器122之前，可以使用水排放技术处理第二部分水，以防止溶解在水中的任何非挥发性污染物或溶解固体的积聚。根据示例性实施方式，用水排放流230去除的水量对应于在DCCT 116中冷凝的过量水，其高于加湿所需的量。根据示例性实施方式，水排放流230中的过量水可以在现场(例如通过排水管)送出或存储(例如在罐中)以在燃料电池堆102中产生并在水回收系统214中冷凝的水不足以加湿燃料电池系统200中的燃料时在燃料电池系统200启动期间使用。根据另一示例性实施方式，来自外部源(例如水龙头)的补给水可以是在启动期间使用以提供至少一部分足够量的水用于加湿。
对于引入燃料电池堆102的阳极104的加湿燃料，可能需要约1.9的蒸汽/碳比。根据示例性实施方式，在200至220万BTU的热量之间，并且通常在2.05和210万BTU，要求达到1.9的比例。在具有单级饱和器108的燃料电池系统100中，大部分或全部所需的热量必须来自通过第二排气热交换器122的阴极排气。在具有两级饱和器208的燃料电池系统200中，来自DCCT 116的水向饱和器208的下部209提供约80万BTU的热量，导致引入饱和器208的上部210的部分加湿燃料的蒸汽/碳比为约0.8。因此，部分加湿的燃料需要较少的热量从阴极排气传递到上部210，以便完成饱和过程以达到1.9的比率。根据示例性实施方式，相对于具有单级饱和器108的燃料电池系统100，从阴极排气提供的热量可减少超过45％。
此外，在图1中，从DCCT 116输出的水具有来自阳极排气的高热水平。当水通过水循环路径123时，热交换器124必须足够大，以在水被重新引入DCCT 116之前从水中除去足够的热量。现在参考图2，热交换器224以与热交换器124类似的方式操作。然而，在从DCCT 116输出的水通过水循环路径223并进入热交换器224之前，它通过两级饱和器208的下部209。下部209中的预饱和过程将热量从水传递到燃料，使得从饱和器208返回到水循环路径223的水在具有约80万BTU热量去除之后变冷。因为通过两级饱和器208比通过单级饱和器108从水中抽出更多的热量，所以在将回收水供给回DCCT 116之前必须通过热交换器224除去更少的热量。因此，在图2所示的实施方式中可以减少热交换器224(例如风扇)的尺寸和/或容量，这可以进一步降低燃料电池系统200的操作和制造成本。
如图1和图2所示，水回收单元114还可包括启动水抛光器132、232和废热回收热交换器134。用于加湿燃料的水可首先在水处被引入燃料电池系统100、200的水回收单元114、214处。启动水抛光器132、232可以配置成从传统的自来水源或任何其它来源接收水并从中去除污染物和固体。根据示例性实施方式，如图1所示，启动水可以在DCCT 116下游但在DCCT水循环泵119的上游引入水回收单元114，以部分地直接向饱和器108提供水，而不首先通过水循环路径123，使得可以在比DCCT水循环泵119的出口处所需压力更低的压力下引入补给水。如图2所示，启动水可以在热交换器124和DCCT 116的上游引入水回收单元214，使得水在被引入饱和器208之前沿着水循环路径223通过热交换器124和DCCT 116中的每一个。根据其它示例性实施方式，可以将启动水引入到水回收单元114、214的其它位置。可以在缩短的时间段内引入启动水以开始燃料电池系统100、200的操作然后停止。根据另一示例性实施方式，在燃料电池系统100、200已经运行之后，可以将启动水引入水回收单元114、214，以便增加燃料电池系统100、200中可用的水量，或者在排放流130、230中更换从系统中除去的水。仍然参考图1和图2，水回收单元114还可包括废热回收交换器134。废热回收交换器134可沿水循环路径123、223放置在任何位置，并配置成将来自水再循环路径123、223中的水的多余热量传递到燃料电池系统100、200内部或外部的其它位置。根据另一示例性实施方式，启动水可以来源于从燃料电池系统100、200的正常操作期间产生的排放水填充的水箱(例如当产生电力时)。在从燃料电池系统100、200排出(例如到下水道或其它位置)之前，水向罐的排放可允许少量的排放水冷却。根据示例性实施方式，排放水可以是基本上纯的，具有来自燃料电池堆102的微量电解质。
如本文所用，术语“大约”、“约”、“基本上”和类似术语旨在具有广泛的含义，与本公开所涉及主题的本领域普通技术人员的共同和可接受的用法相一致。本领域技术人员应当理解，本发明人认为这些术语旨在允许描述和要求保护的某些特征而不将这些特征的范围限制于所提供的精确数值范围。因此，这些术语应被解释为表明所描述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或变更被认为是在所附权利要求中所述的本公开范围内。
应当注意，这里用于描述各种实施方式的术语“示例性”旨在表示这些实施方式是可能的示例、表示和/或说明(并且这样的术语并不旨在表示这些实施方式必然是非凡或最高级的示例。
这里使用的术语“耦合”、“连接”等意味着两个构件直接或间接地彼此连接。这种连接可以是固定的(例如永久的)或可移动的(例如可去除的或可释放的)。这种连接可以通过两个构件或两个构件以及任何另外的彼此一体地形成为单个整体的中间构件实现，或者通过两个构件或两个构件以及任何另外的彼此连接的中间构件实现。
本文中对元件位置的引用(例如“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)仅用于描述附图中各种元件的取向。应当注意，根据其它示例性实施方式，各种元件的取向可以不同，并且这些变型旨在被本公开所涵盖。
应当理解，尽管已经关于本发明的优选实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员可以想到各种其它实施方式和变型，这些实施方式和变型在本发明的范围和精神内，并且这些其它实施方式和变型旨在由相应的权利要求覆盖。本领域技术人员将容易理解，可以进行许多修改(例如各种元件的尺寸、结构、形状和比例的变化、参数的值、安装布置、材料的使用、取向、工艺等)而没有实质性背离本文所述主题的新颖教导和优点。例如，根据替代实施方式，可以改变或重新排序任何过程或方法步骤的顺序或序列。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以在各种示例性实施方式的设计、操作条件和布置中进行其它替换、修改、改变和省略。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种燃料电池系统，其包括：
具有阳极和阴极的燃料电池；
水回收单元，其配置成从来自所述阳极的排气回收水；
热交换器，其配置成在来自所述阴极的排气和来自所述水回收系统的水之间传递热量；
燃料源；和
饱和器，其包括：
限定上部分和下部分的下部，所述下部分配置成从所述燃料源接收燃料，并且所述上部分配置成从所述水回收单元接收水；
限定上部分和下部分的上部，所述上部分配置成从所述热交换器接收水，并且所述下部分配置成从所述下部接收燃料；和
将所述上部和所述下部分开的分隔件，所述分隔件限定开口，所述开口配置成允许燃料和蒸汽从所述下部通到所述上部。
2.根据权利要求1所述的饱和器，所述分隔件还包括：
从所述开口向上延伸的至少一个壁；
设置在所述开口上方的盖子；和
在所述盖子和所述至少一个壁之间限定的出口。
3.根据权利要求1所述的饱和器，其中，所述上部分配置成从所述上部的所述下部分输出未蒸发的水；并且
其中，所述热交换器配置成从所述上部和所述水回收单元中的至少一个接收水。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的燃料电池系统，其中，所述下部配置成至少部分地加湿来自所述燃料源的燃料。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的燃料电池系统，所述分隔件还包括：
从所述开口向上延伸的至少一个壁；
设置在所述开口上方的盖子；和
在所述盖子和所述至少一个壁之间限定的出口。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的燃料电池系统，所述水回收系统还包括直接接触冷却塔，其配置成从来自所述阳极的排气中冷凝并分离水；
其中，所述直接接触冷却塔中的基本上所有的水都输出到所述饱和器。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的燃料电池系统，其中，所述水回收系统配置成从所述下部接收未蒸发的水。
8.根据权利要求1-3中任意一项所述的燃料电池系统，其中，所述热交换器配置成在来自所述阴极的排气和从所述上部输出的未蒸发的水之间传递热量。
9.一种用于根据权利要求1-3中任一项所述的燃料电池系统在饱和器中使燃料饱和的方法，所述方法包括：
从水回收单元提供第一部分水和第二部分水；
在所述饱和器的所述下部中接收所述第一部分水和燃料；
从所述下部输出部分加湿的燃料；
在所述热交换器中加热所述第二部分水；
在所述饱和器的所述上部中接收所述第二部分水和所述部分加湿的燃料；以及
从所述上部输出进一步加湿的燃料。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述下部的所述下部分中接收的燃料被所述第一部分水加湿，产生所述部分加湿的燃料。
11.根据权利要求9所述的方法，其还包括从所述上部输出未蒸发的水；以及
加热所述热交换器中的所述未蒸发的水。
12.根据权利要求11所述的方法，其还包括通过排放流从所述上部去除至少一部分所述未蒸发的水。
13.根据权利要求9所述的方法，其还包括从所述下部输出未蒸发的水；以及
在所述水回收单元中接收所述未蒸发的水。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述水回收单元中的基本上所有的水都被接收在所述饱和器中。
