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CN107732277A - 多堆栈燃料电池系统及换热器组件 - Google Patents

多堆栈燃料电池系统及换热器组件 Download PDF

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CN107732277A
CN107732277A CN201710686493.2A CN201710686493A CN107732277A CN 107732277 A CN107732277 A CN 107732277A CN 201710686493 A CN201710686493 A CN 201710686493A CN 107732277 A CN107732277 A CN 107732277A
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air
exchanger assembly
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D.B.希基
K.布朗
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Original Assignee
General Electric Co
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Abstract

本发明涉及多堆栈燃料电池系统及换热器组件。多堆栈燃料电池系统包括限定其中设置有对应的成上堆栈和成下堆栈的燃料电池的内室的上壳体和下壳体。换热器组件与内室流体地联接。换热器组件从壳体外接收输入燃料和/或输入空气，且从燃料电池接收引出的燃料和/或引出的空气。换热器组件加热输入燃料和/或输入空气，且/或冷却引出的燃料和/或引出的空气。换热器组件可设置在上壳体和下壳体之间。上壳体、成上堆栈的燃料电池和/或换热器组件可有助于将下堆栈中的燃料电池抵靠彼此压缩。

Description

多堆栈燃料电池系统及换热器组件
技术领域
本文描述的主题大体上涉及燃料电池系统，且更具体地涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)系统。
背景技术
燃料电池是电化学能量转换装置，其展示了发电中的相对较高效率和较低污染的潜力。燃料电池大体上提供直流(dc)，其可经由例如逆变器转换成交流(ac)。该dc或ac电压可用于为马达、灯、通信设备和任何数目的电气装置和系统供电。燃料电池可在固定、半固定、或便携应用中操作。某些燃料电池(诸如SOFC)可在提供电来满足工业和城市需要的大规模电力系统中操作。其他可用于较小的便携应用，诸如，例如对车辆供电。
燃料电池通过跨过离子传导层电化学地组合燃料和氧化剂来产生电。也标记为燃料电池的电解质的该离子传导层可为液体或固体。常见类型的燃料电池包括磷酸(PAFC)、熔融碳酸盐(MCFC)、质子交换膜(PEMFC)、和固体氧化物(SOFC)，所有大体上以其电解质命名。在实践中，燃料电池通常在燃料电池的组件中电气串联地积聚，以产生有用电压或电流下的电力。
大体上，燃料电池的构件包括电解质和两个电极。产生电的反应大体上在电极处发生，在该处，催化剂通常设置成加速反应。电极可构造为通道、多孔层等，以增大发生化学反应的表面面积。电解质将带电颗粒从一个电极携带至另一个，且另外对于燃料和氧化剂两者大致不可渗透。
通常，燃料电池将氢(燃料)和氧(氧化剂)转换成水(副产物)来产生电。副产物水可在高温操作中作为蒸汽离开燃料电池。该排放的蒸汽(和其他热排气组分)可用于涡轮和其他应用中，以生成额外的电或电力，从而提供提高的发电效率。如果空气用作氧化剂，则空气中的氮大致是惰性的，且通常经过燃料电池。氢燃料可经由碳基原料的本地重整(例如，现场蒸汽重整)或远程重整来提供，诸如，更容易地获得的天然气和其他烃类燃料和原料的重整。烃类燃料的示例包括但不限于天然气、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、和其他烃类。
一些燃料电池系统包括通过使燃料电池垂直地堆叠在彼此顶部上而与彼此串联连接的多个燃料电池。燃料电池可需要紧密保持在一起，以防止燃料电池之间的开裂或燃料或空气的其他流动路径。这些开裂或流动路径可导致燃料电池的整个堆栈的退化和故障。
联合循环燃料电池系统的将烃类燃料转换成电能的效率由系统内的损耗机制(其在燃料和/或空气从燃料和空气的源传递到燃料电池中期间损耗热)限制。通常，这些源设置成远离燃料电池，从而导致燃料和/或空气的较长传输路径。由于燃料和空气被加热以用于燃料电池中的反应，故用于传递燃料和空气的导管由于绝缘材料和导管的设计(以在传输至燃料电池期间降低燃料和空气中的热损耗)而可能昂贵。
发明内容
在一个实施例中，一种多堆栈燃料电池系统包括限定其中设置有成上堆栈的燃料电池的上内室的上壳体、以及限定其中设置有成下堆栈的燃料电池的下内室的下壳体。上壳体设置在下壳体上方，使得上壳体和成上堆栈的燃料电池的重量压缩下壳体内的下堆栈中的燃料电池。
在一个实施例中，一种多堆栈燃料电池系统包括限定其中设置有成一个或多个堆栈的燃料电池的一个或多个内室的一个或多个壳体、以及与该一个或多个壳体的该一个或多个内室流体地联接的换热器组件。换热器组件构造成接收来自该一个或多个壳体外的输入燃料或输入空气中一者或多者，且接收来自该一个或多个壳体中的燃料电池的引出的燃料或引出的空气中的一者或多者。换热器组件构造成以下一者或多者：加热输入燃料或输入空气中的该一者或多者，或冷却引出的燃料或引出的空气中的该一者或多者。
在一个实施例中，一种方法包括，使换热器组件与具有设置在其中的成下堆栈的燃料电池的下壳体联接，以及使具有设置在其中的成上堆栈的燃料电池的上壳体与换热器组件联接。换热器组件与下壳体和上壳体联接，使得上壳体中的成上堆栈的燃料电池的重量将下堆栈中的燃料电池抵靠彼此压缩。
技术方案1. 一种系统，包括：
上壳体，其限定上内室，成上堆栈的燃料电池设置在所述上内室中；以及
下壳体，其限定下内室，成下堆栈的燃料电池设置在所述下内室中，其中所述上壳体设置在所述下壳体上方，使得所述上壳体和所述成上堆栈的燃料电池的重量压缩所述下壳体内的下堆栈中的燃料电池。
技术方案2. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，由所述上壳体限定的所述上内室与所述下壳体的下内室分开。
技术方案3. 根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括设置在所述上壳体和所述下壳体之间的换热器组件，其中所述换热器组件构造成改变以下一者或多者的温度：供应至所述上堆栈中的燃料电池和所述下堆栈中的燃料电池的输入燃料、供应至所述上堆栈中的燃料电池和所述下堆栈中的燃料电池的输入空气、从所述上堆栈中的燃料电池和所述下堆栈中的燃料电池接收的引出的燃料、或从所述上堆栈中的燃料电池和所述下堆栈中的燃料电池接收的引出的空气。
技术方案4. 根据技术方案3所述的系统，其特征在于，所述换热器组件包括使所述上壳体中的燃料电池与所述下壳体中的燃料电池传导地联接的一种或多种传导材料。
技术方案5. 根据技术方案3所述的系统，其特征在于，所述换热器组件构造成从所述换热器组件外接收处于或低于指定温度的温度下的输入燃料或输入空气中的一者或多者，且在将输入燃料或输入空气中的所述一者或多者引导到所述上堆栈或所述下堆栈中的一者或多者中的燃料电池中之前，将输入燃料或输入空气中的所述一者或多者的温度升高到高于所述指定温度。
技术方案6. 根据技术方案5所述的系统，其特征在于，所述换热器组件构造成通过将热能从自所述上堆栈或所述下堆栈中的一者或多者中的燃料电池接收的引出的燃料或引出的空气中的一者或多者传递至输入燃料或输入空气中的所述一者或多者来将输入燃料或输入空气中的所述一者或多者的温度升高到高于所述指定温度。
技术方案7. 根据技术方案3所述的系统，其特征在于，所述换热器组件构造成从所述上壳体或所述下壳体中的一者或多者接收高于指定温度的温度下的引出的燃料或引出的空气中的一者或多者，且构造成在将引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者引导出所述换热器组件之前，将引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者的温度降低至或低于所述指定温度。
技术方案8. 根据技术方案7所述的系统，其特征在于，所述换热器组件构造成通过将热能从引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者传递至输入燃料或输入空气中的一者或多者来将引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者的温度降低至或低于所述指定温度。
技术方案9. 一种系统，包括：
一个或多个壳体，其限定一个或多个内室，成一个或多个堆栈的燃料电池设置在所述一个或多个内室中；以及
换热器组件，其与所述一个或多个壳体的所述一个或多个内室流体地联接，所述换热器组件构造成从所述一个或多个壳体外接收输入燃料或输入空气中的一者或多者，且从所述一个或多个壳体中的燃料电池接收引出的燃料或引出的空气中的一者或多者，其中所述换热器组件构造成以下一者或多者：加热输入燃料或输入空气中的所述一者或多者，或冷却引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者。
技术方案10. 根据技术方案9所述的系统，其特征在于，所述一个或多个壳体包括上壳体和下壳体，且其中所述换热器组件设置在所述上壳体与所述下壳体之间。
技术方案11. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，所述换热器组件使所述上壳体的内室与所述下壳体的内室分开。
技术方案12. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，所述换热器组件使所述上壳体中的成第一堆栈的燃料电池与所述下壳体中的成第二堆栈的燃料电池传导地联接。
技术方案13. 根据技术方案9所述的系统，其特征在于，所述一个或多个壳体包括具有成第一堆栈的燃料电池的上壳体、以及具有成第二堆栈的燃料电池的下壳体，且其中所述上壳体设置在所述下壳体上方，使得所述上壳体和所述成第一堆栈的燃料电池的重量将所述第二堆栈中的燃料电池抵靠彼此压缩。
技术方案14. 根据技术方案9所述的系统，其特征在于，所述换热器组件构造成将热能从引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者传递至输入燃料或输入空气中的所述一者或多者，以将输入燃料或输入空气中的所述一者或多者加热至超过指定温度的温度。
技术方案15. 根据技术方案9所述的系统，其特征在于，所述换热器组件构造成将热能从引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者传递至输入燃料或输入空气中的所述一者或多者，以将引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者冷却至超过指定温度的温度。
技术方案16. 根据技术方案9所述的系统，其特征在于，所述换热器组件构造成将热从来自燃料电池的引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者传递至输入燃料或输入空气中的所述一者或多者，而不使引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者与输入燃料或输入空气中的所述一者或多者混合。
技术方案17. 一种方法，包括：
使换热器组件与具有设置在其中的成下堆栈的燃料电池的下壳体联接；以及
使具有设置在其中的成上堆栈的燃料电池的上壳体与所述换热器组件联接，其中所述换热器组件与所述下壳体和所述上壳体联接，使得所述上壳体中的所述成上堆栈的燃料电池的重量将所述下堆栈中的燃料电池抵靠彼此压缩。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，使所述上壳体与所述换热器组件联接包括，将所述换热器组件设置在所述上壳体和所述下壳体之间。
技术方案19. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，使所述换热器组件与所述下壳体联接以及使所述上壳体与所述换热器组件联接包括，使所述上堆栈中的燃料电池与所述下堆栈中的燃料电池通过所述换热器组件传导地联接。
技术方案20. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，使所述换热器组件与所述下壳体联接以及使所述上壳体与所述换热器组件联接包括，使所述换热器组件与其中设置有所述成下堆栈和所述成上堆栈的燃料电池的所述下壳体和所述上壳体的内室流体地联接。
附图说明
本发明的主题通过参照附图阅读非限制性实施例的以下描述将更好理解，在以下附图中：
图1示出了多堆栈燃料电池系统的一个实施例；
图2示出了可包括图1中所示的若干多堆栈燃料电池系统的发电工厂的一个实施例；
图3示出了图1中所示的多堆栈燃料电池系统的分解视图；
图4示出了成堆栈的燃料电池的分解视图；
图5示意性地示出了根据一个实施例的图1中所示的多堆栈燃料电池系统的操作；
图6示出了图1中所示的换热器组件的一个实施例的透视图；
图7示出了根据一个实施例的图1中所示的换热器组件的空气处理构件；
图8示出了根据一个实施例的图1中所示的换热器组件的燃料处理构件；且
图9示出了用于提供和操作多堆栈燃料电池系统的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
本文描述的本发明主题提供了多个堆栈(或多堆栈)燃料电池系统，其具有定位在彼此的顶部上的成多个堆栈的SOFC。在一个实施例中，成顶部堆栈的燃料电池放置在成底部堆栈的燃料电池上方。顶部堆栈的重量可有助于将下堆栈中的燃料电池压缩在一起。用于成堆栈的燃料电池两者的换热器组件可定位在堆栈之间。换热器可有助于加热堆栈，诸如，通过接收600摄氏度或较低(或另一温度)的温度下的输入气体，且将气体加热至800摄氏度(或另一温度)以用于堆栈。结果，换热器可接收相对较冷或低温的燃料和空气以用于燃料电池堆栈，加热燃料和空气，将燃料和空气供应至堆栈，且在将副产物引导离堆栈之前，接收和冷却来自堆栈的副产物流出物或排气(例如，通过加热引入到换热器组件中的燃料和空气)。由于输入燃料和空气以及来自换热器组件的输出副产物相对较冷(例如，不高于600摄氏度)，故将燃料和空气引导到换热器中和经由换热器接收来自堆栈的副产物输出的导管可由较不昂贵且/或非绝缘材料(诸如不锈钢)制作。
图1示出了多堆栈燃料电池系统100的一个实施例。系统100包括沿垂直方向106垂直地堆叠在彼此的顶部上的燃料电池(诸如SOFC)的两个堆栈组件102、104。垂直方向106大体上定向成与重力方向相对。各个堆栈组件102、104中的燃料电池沿垂直方向106放置在彼此的顶部上，使得燃料电池垂直地堆叠在彼此的顶部上。这导致了燃料电池的上堆栈组件102的重量将下堆栈组件104中的燃料电池压缩在一起，且有助于保持这些燃料电池抵靠彼此。燃料和空气引导到燃料电池的堆栈组件102、104中以生成电流。
换热器组件108设置在燃料电池的堆栈组件102、104之间且与其流体地联接。如下文描述的那样，换热器组件108可使用来自燃料电池的副产物的热来加热引入的燃料和引入的空气(且还冷却引出的燃料和空气的副产物)。备选地，换热器组件108可使用来自燃料电池的引出的空气的热来加热引入的燃料和引入的空气，且冷却引出的空气，但不冷却引出的燃料(其可用于重整目的)。
图2示出了可包括若干多堆栈燃料系统100的发电工厂200的一个实施例。工厂200包括工厂机械平衡(MBOP) 202，其操作成作为用于燃料电池系统100的燃料和空气的源。MBOP 202可将来自各种罐或其他容器的燃料和空气经由单独的导管204供应至燃料电池系统100。尽管在图2中未示出，但导管204可与堆栈导管206流体地联接，堆栈导管206与燃料电池系统100的换热器组件108(图1中所示)流体地联接。工厂200可选地可包括天然气发动机208，其使用与燃料电池系统100相同的燃料来操作。工厂200还可包括工厂电气平衡210，其代表接收由燃料电池系统100和/或发动机208生成的DC的电气构件。EBOP 210可包括控制系统，其控制工厂200(经由电路、处理器、输入装置等)、逆变器等的操作。EBOP 210的逆变器可将由燃料电池系统100生成的DC转换成AC。该AC然后可供应至一个或多个负载(例如，直接地或经由公用电网)。
如图2中所示，工厂200还可包括若干多堆栈燃料电池系统100。这些系统100经由导管204、206与MBOP 202流体地联接，以从MBOP 202接收燃料和空气，且将出自系统100的副产物燃料和空气引导至MBOP 202。在一个实施例中，燃料电池系统100可通过导管204、206从MBOP 202单独地接收不高于600摄氏度的降低温度下的空气和燃料。相比于如果需要导管204、206将超过600摄氏度的升高温度下的燃料和空气输送至燃料电池系统100的情况，这可允许导管204、206较不绝缘且由较不昂贵的材料形成。
图3示出了图1中所示的多堆栈燃料电池系统100的分解视图。系统100的下堆栈组件104(图1中所示)包括下支撑板300，下堆栈组件104的下外夹套壳体302设置在下支撑板300上。下外夹套壳体302包围或环绕成下堆栈304的燃料电池。下外夹套壳体302由相对的壳体部分306、308(其与彼此匹配以形成下外夹套壳体的环绕成下堆栈304的燃料电池的部分)形成。壳体部分306、308位于下支撑板300上。
换热器组件108设置在下外夹套壳体302的顶部上，其中成下堆栈304的燃料电池沿垂直方向设置在换热器组件108和下支撑板300之间，且在下外夹套壳体302的壳体部分306、308之间。换热器组件108与下外夹套壳体302内的内室流体地联接，内室还包括成下堆栈304的燃料电池，使得换热器组件108可将空气和燃料输送到下外夹套壳体302的内室中且接收来自成下堆栈304的燃料电池的引出的空气和燃料。
若干堆栈导管310、312、314、316(在图2中也示为206)与换热器组件108且与导管204(图2中所示)流体地联接。不同堆栈导管310、312、314、316将燃料输送到换热器组件108中，将空气输送到换热器组件108中，接收来自换热器组件108的引出的燃料，或接收来自换热器组件108的引出的空气。
上堆栈组件102的上外夹套壳体318设置在换热器组件108上。上外夹套壳体318包围或环绕成上堆栈320的燃料电池。上外夹套壳体318由相对的壳体部分322、324(其与彼此匹配以形成上外夹套壳体318的环绕成上堆栈320的燃料电池的部分)形成。壳体部分322、324位于换热器组件108的上表面上。
上外夹套壳体318还包括位于成上堆栈320的燃料电池上的介电端盖326。介电端盖326可由熔融石英或另一非传导材料形成。上外夹套壳体318的波纹管盖328抵靠成上堆栈320的燃料电池的上端或表面而压缩介电端盖326。波纹管盖328可在上堆栈320中的燃料电池上提供压缩力。波纹管盖328由上外夹套壳体318的半圆形端部件330、332环绕，半圆形端部件330、332还与壳体部分322、324联接以将成上堆栈320的燃料电池包围在上外夹套壳体318的内室内。
外夹套壳体302、310中的每一个限定与外界环境密封的内室。除供应到室中以通过燃料电池产生电流的燃料和空气外，且除未由燃料电池消耗的燃料和/或空气外，这些内室与外部环境密封。内室可由夹套壳体302、318以及另一构件(诸如换热器组件108的外表面)限定。例如，其中设置有成下堆栈304的燃料电池402的内室可由壳体部分306、308、下板300以及换热器组件108的下外表面限定或包围。其中设置有成上堆栈320的燃料电池402的内室可由壳体部分322、324、盖326、可选地端部件330、332、可选地波纹管盖328、以及换热器组件108的上外表面限定或包围。备选地，换热器组件108可不在系统100的上堆栈102和下堆栈104之间。例如，换热器组件108可至上堆栈和/或下堆栈的一侧或多侧，可在下堆栈下方，可在上堆栈上方等。除换热器组件108外的构件的板、表面等可形成上外夹套壳体318或下外夹套壳体302的内室的边界中的一者或多者。
若干长形销或棒334可垂直地延伸穿过上堆栈320和/或下堆栈304中的燃料电池中的开口或孔，且在一端上与波纹管盖328且在另一端上与换热器组件108的上表面联接。这些销或棒334可具有引起上堆栈320中的燃料电池在介电端盖326和换热器组件108之间抵靠彼此压缩的长度。较长的长形销或棒336可在一端上与上外夹套壳体318且在另一端上与下外夹套壳体302联接，以使外夹套壳体302、318与彼此装固，且/或在外夹套壳体302、318上朝换热器组件108施加力。
堆栈304、320中的燃料电池与彼此传导地联接，使得由燃料电池生成的直流垂直地穿过堆栈304且垂直地穿过堆栈320传导。这些燃料电池也可与换热器组件108传导地联接，换热器组件108包括一种或多种传导材料或由其形成。换热器组件108提供由燃料电池生成的直流从上堆栈320向下传导穿过下堆栈304且/或从下堆栈304向上传导穿过上堆栈320的传导路径。
图4示出了成堆栈400的燃料电池402的分解视图。堆栈400代表图3中所示的堆栈304、320中的一者或多者。堆栈400包括垂直地堆叠在彼此的顶部上的若干燃料电池402。燃料电池402可为SOFC或另一类型的燃料电池。燃料电池402包括多个传导板404、406和密封件408，其与彼此联接以形成燃料电池402，诸如通过将板404、406和密封件408钎焊在一起以形成燃料电池402。燃料电池402在堆栈400中邻接彼此，使得燃料电池402在堆栈400中传导地与彼此串联联接。如上文描述的那样，一个堆栈304或320中的燃料电池402可与换热器组件108(图1和3中所示)传导地联接，换热器组件108还使堆栈304或320中的燃料电池402与另一个堆栈320或304中的燃料电池402传导地联接。
燃料电池402由在堆叠的燃料电池402的相对端上的传导端板410、412设置。这些端板410、412由长形棒或销414与彼此联接，棒或销414由紧固件416(诸如螺栓、螺母、螺钉等)附连到端板410、412上。棒或销414的长度足够短，以引起端板410、412将燃料电池402抵靠彼此压缩。
图5示意性地示出了根据一个实施例的图1中所示的多堆栈燃料电池系统100的操作。换热器组件108接收引入换热器的燃料500和引入换热器的空气502以用于利用系统100的上部分102和下部分104中的燃料电池402(图4中所示)生成电流。引入换热器的燃料500和空气502可经由堆栈导管310、312、314、316(图3中所示)和导管204(图2中所示)中的两个或更多个单独的导管从燃料500和空气502的源接收。引入换热器的燃料500和空气502可为低温燃料和空气，诸如，不高于600摄氏度、不高于400摄氏度、不高于200摄氏度、不高于100摄氏度、或不高于导管310、312、314、316外的环境温度的温度下的燃料500和空气502。
供应较低温度下的引入换热器的燃料500和空气502可允许较不绝缘(且因此较不昂贵)的材料在导管204、206、310、312、314、316中使用，可减少供应引入换热器的燃料500和空气502所需的构件(例如，通过消除或减少对于在进入换热器组件108或堆栈组件102、104之前加热引入的燃料500和空气502的构件的需要)，且/或可允许引入换热器的燃料500和空气502的源位于离系统100较远。
换热器组件108将热能、或热传递至引入换热器的燃料500和空气502，以便在将燃料和/或空气输送至燃料电池402之前，升高燃料和/或空气的温度。换热器组件108可传递来自引出燃料电池的燃料504和/或空气506的热，其由换热器组件108从成堆栈304、320、400(图3和4中所示)的燃料电池402接收。在一个实施例中，冷却的引入换热器的燃料500和冷却的引入换热器的空气502两者由加热的引出燃料电池的燃料504和加热的引出燃料电池的空气506加热。备选地，冷却的引入换热器的燃料500或冷却的引入换热器的空气502中的仅一者而不是两者，由加热的引出燃料电池的燃料504和加热的引出燃料电池的空气506加热。备选地，冷却的引入换热器的燃料500和/或冷却的引入换热器的空气502中的一者或两者由加热的引出燃料电池的燃料504或加热的引出燃料电池的空气506中的仅一者加热。
换热器组件108可将引入换热器的燃料500和/或引入换热器的空气502加热至至少指定的温度，诸如，高于600摄氏度(但低于制作系统100的构件的材料的温度上限)的温度。指定的温度可为导管204、206可安全传递(例如，没有熔化、烧灼或另外破坏导管)的温度。指定的温度可备选地是燃料和/或空气将处于的温度，以用于燃料电池将燃料和空气转换成电流。
换热器组件108可使用来自引出燃料电池的燃料504和/或引出燃料电池的空气506的热能来加热引入换热器的燃料500和/或引入换热器的空气502，或可使用额外的热源(例如，通过传导电流加热的电阻元件)来加强引入换热器的燃料500和/或引入换热器的空气502的加热。在一个实施例中，图3中所示的系统100的外夹套壳体306、308、322、324可加热系统100中的燃料和空气，或至少保持系统100中的燃料和/或空气的温度。
加热的引入换热器的燃料500和引入换热器的空气502由换热器组件108引导到系统100的上堆栈组件102和下堆栈组件104中以作为加热的输入燃料电池的燃料508和加热的输入燃料电池的空气510。上堆栈组件102和下堆栈组件104中的燃料电池402消耗该加热的输入燃料电池的燃料508和空气510中的至少一些以生成电流。在该过程期间未消耗的加热的输入燃料电池的燃料508和/或加热的输入燃料电池的空气510中的至少一些从上堆栈组件102和下堆栈组件104流动，且到换热器组件108中以作为加热的引出燃料电池的燃料504和加热的引出燃料电池的空气506。
在热能从加热的引出燃料电池的燃料504和/或加热的引出燃料电池的空气506交换至冷却的输入燃料500和/或冷却的输入空气502期间，加热的引出的燃料504和/或加热的引出的空气506可冷却。例如，加热的引出的燃料504和/或加热的引出的空气506可冷却至不超过600摄氏度、不超过400摄氏度、不超过200摄氏度、不超过100摄氏度、或不超过导管310、312、314、316外的环境温度的温度。由换热器组件108冷却的引出的燃料504和引出的空气506可称为冷却的引出的燃料512和冷却的引出的空气514。冷却的引出的燃料512和空气514可经由导管204、206、310、312、314、316中的一者或多者远离换热器组件108流动。冷却引出的燃料512和空气514可允许较不绝缘(且因此较不昂贵)的材料在导管204、206、310、312、314、316中使用，且/或减少接收燃料512和空气514所需的构件(例如，通过消除或减少对于冷却引出的燃料和空气的构件的需要)。
如图5中所示，输入到换热器组件108中和从换热器组件108输出的所有燃料和/或空气是冷却的燃料500、512和冷却的空气502、514。如上文描述的那样，这可降低处理换热器组件108外的燃料500、512和空气502、514的导管和其他构件的成本和复杂性。
图6示出了图1中所示的换热器组件108的一个实施例的透视图。换热器组件108包括由多个垂直本体或棒606连结的上板602和相对的下板604形成的外壳体600。上板602可与上堆栈组件102(图1中所示)中的燃料电池402(图4中所示)接合或另外传导地联接，且下板604可与下堆栈组件104(图1中所示)中的燃料电池402接合或另外传导地联接。壳体600可由一种或多种传导材料形成，使得上堆栈组件102中的燃料电池402由壳体600与下堆栈组件104中的燃料电池402传导地联接。
换热器组件108包括若干入口导管608、610、612、614和出口导管616、618、620、622。这些导管608、610、612、614、616、618、620、622在换热器组件108的相对侧上包括开口，使得导管可在换热器组件108的上板602上或上方的位置与上堆栈组件102的内部流体地联接，且在换热器组件108的下板604上或下方的位置与下堆栈组件104的内部流体地联接。
继续参照图6中所示的换热器组件108，图7示出了根据一个实施例的换热器组件108的空气处理构件，且图8示出了根据一个实施例的换热器组件108的燃料处理构件。空气502、506、510、514(图5中所示)流过的换热器组件108的导管与燃料500、504、508、512(图5中所示)流过的换热器组件108的导管分开且未流体地联接。这些导管在换热器组件108的相对侧上包括开口，使得上堆栈组件102和下堆栈组件104两者与导管流体地联接。
关于图7中所示的换热器组件108的空气处理构件，入口导管608可称为冷却的空气入口，换热器组件108通过冷却的空气入口接收来自多堆栈燃料电池系统100(图1中所示)外的冷却的输入空气502(图5中所示)。入口导管612可称为加热的空气入口，换热器组件108通过加热的空气入口接收来自上堆栈组件102或下堆栈组件104的加热的引出的空气506。出口导管620可称为加热的空气出口，换热器组件108通过加热的空气出口将加热的输入空气510(图5中所示)供应至上堆栈组件102或下堆栈组件104。出口导管616可称为冷却的空气出口，换热器组件108通过冷却的空气出口将冷却的引出的空气514供应至系统100外的一个或多个位置。
关于图8中所示的换热器组件108的燃料处理构件，入口导管610可称为冷却的燃料入口，换热器组件108通过冷却的燃料入口接收来自系统100外的冷却的输入燃料500(图5中所示)。入口导管614可称为加热的燃料入口，换热器组件108通过加热的燃料入口接收来自上堆栈组件102或下堆栈组件104的加热的引出的燃料504。出口导管622可称为加热的燃料出口，换热器组件108通过加热的燃料出口将加热的输入燃料508(图5中所示)供应至上堆栈组件102或下堆栈组件104。出口导管618可称为冷却的燃料出口，换热器组件108通过冷却的燃料出口将冷却的引出的燃料512供应至系统100外的一个或多个位置。
如上文描述的那样，换热器组件108通过将燃料和空气引导穿过组件108中的单独导管608、610、612、614、616、618、620、622来操作，以引起引出的加热的燃料和/或空气升高输入的冷却的燃料和/或空气的温度(且因此冷却加热的燃料和/或空气)。导管610将冷却的燃料500从换热器组件108外接收到换热器组件108中，且导管614将加热的燃料504从上堆栈组件102和/或下堆栈组件104接收到换热器组件108中。导管610、614引导与彼此热接近(例如，足够接近要升高燃料500的温度的加热的燃料和/或加热的空气)的燃料以引起来自系统100外的冷燃料500由来自燃料电池402的加热的燃料504加热(且冷却加热的燃料504)，但不使燃料500、504与彼此混合。接收冷却的燃料500的导管610与导管622流体地联接，使得加热成加热的燃料508的冷却的燃料500引导到堆栈组件102、104中的一者或多者中的燃料电池402中。接收来自堆栈组件102、104中的一者或多者中的燃料电池402的加热的燃料504的导管614与导管618流体地联接，使得冷却至冷却的燃料512的加热的燃料504经由导管618引导出换热器组件108和系统100。
导管608将冷却的空气502从换热器组件108外接收到换热器组件108中，且导管612将加热的空气506从上堆栈组件102和/或下堆栈组件104接收到换热器组件108中。导管618、612引导与彼此热接近的这些冷却和加热的空气，以引起来自系统100外的冷空气502由来自燃料电池402的加热的空气506加热(且冷却加热的空气506)，但不使空气502、506与彼此混合。接收冷却的空气502的导管608与导管620流体地联接，使得加热成加热的空气510的冷却的空气502引导到堆栈组件102、104中的一者或多者中的燃料电池402中。接收来自堆栈组件102、104中的一者或多者中的燃料电池402的加热的空气506的导管612与导管616流体地联接，使得冷却至冷却的空气514的加热的空气506经由导管616引导出换热器组件108和系统100。
图9示出了用于提供和操作多堆栈燃料电池系统的方法900的一个实施例的流程图。方法900可用于组装和/或操作图1中所示的燃料电池系统100。在一个实施例中，方法900的部分可用于组装系统100，且方法900的另一个部分可用于操作系统100。并非方法900的所有实施例限于组装和操作系统100两者。
在902处，换热器组件与下燃料电池堆栈组件联接。换热器组件108(图1中所示)可通过安装换热器组件108或另外使换热器组件108与下堆栈组件104接触而与下堆栈组件104(图1中所示)传导地联接。
在904处，换热器组件与上燃料电池堆栈组件联接。换热器组件108可通过将上堆栈组件102安装到换热器组件108上而与上堆栈组件102(图1中所示)传导地联接。上堆栈组件和换热器组件的重量可有助于将下堆栈组件中的燃料电池抵靠彼此压缩，以防止邻近或相邻的燃料电池之间的密封件受损或中断。
在906处，冷却的燃料和冷却的空气从外源接收到换热器组件中。如上文描述的那样，燃料和空气可不加热至高于指定温度。在908处，加热的燃料和加热的空气从燃料电池堆栈组件中的一者或多者接收到换热器组件中。在910和912处，加热的燃料和/或加热的空气紧邻冷却的燃料和/或冷却的空气引导穿过换热器组件，使得冷却的燃料和/或冷却的空气被加热，且加热的燃料和/或加热的空气被冷却。在换热器中加热的燃料和空气可引导到堆栈组件的燃料电池中，以由燃料电池使用而生成电流。在914处，在换热器组件中冷却的燃料和/或空气引导出换热器组件。
在一个实施例中，多堆栈燃料电池系统包括限定上内室(其中设置有成上堆栈的燃料电池)的上壳体、以及限定下内室(其中设置有成下堆栈的燃料电池)的下壳体。上壳体设置在下壳体上方，使得上壳体和成上堆栈的燃料电池的重量压缩下壳体内的下堆栈中的燃料电池。
可选地，由上壳体限定的上内室与下壳体的下内室分开。
该系统可包括设置在上壳体和下壳体之间的换热器组件。换热器组件可构造成改变以下一者或多者的温度：供应至上堆栈中的燃料电池和下堆栈中的燃料电池的输入燃料、供应至上堆栈中的燃料电池和下堆栈中的燃料电池的输入空气、从上堆栈中的燃料电池和下堆栈中的燃料电池接收的引出的燃料、或从上堆栈中的燃料电池和下堆栈中的燃料电池接收的引出的空气。
在一个示例中，换热器组件包括使上壳体中的燃料电池与下壳体中的燃料电池传导地联接的一种或多种传导材料。换热器组件可构造成从换热器组件外接收处于或低于指定温度的温度下的输入燃料或输入空气中的一者或多者，且在将输入燃料或输入空气中的该一者或多者引导到上堆栈或下堆栈中的一者或多者中的燃料电池中之前，将输入燃料或输入空气中的该一者或多者的温度升高到高于指定温度。换热器组件可构造成通过将热能从自上堆栈或下堆栈中的一者或多者中的燃料电池接收的引出的燃料或引出的空气中的一者或多者传递至输入燃料或输入空气中的该一者或多者来将输入燃料或输入空气中的该一者或多者的温度升高到高于指定温度。换热器组件可构造成从上壳体或下壳体中的一者或多者接收高于指定温度的温度下的引出的燃料或引出的空气中的一者或多者，且可构造成在将引出的燃料或引出的空气中的该一者或多者引导出换热器组件之前，将引出的燃料或引出的空气中的该一者或多者的温度降低至或低于指定温度。
在一个示例中，换热器组件构造成通过将热能从引出的燃料或引出的空气中的该一者或多者传递至输入燃料或输入空气中的一者或多者来将引出的燃料或引出的空气中的该一者或多者的温度降低至或低于指定温度。
在一个实施例中，多堆栈燃料电池系统包括限定一个或多个内室(其中设置有成一个或多个堆栈的燃料电池)的一个或多个壳体、以及与该一个或多个壳体的该一个或多个内室流体地联接的换热器组件。换热器组件构造成接收来自该一个或多个壳体外的输入燃料或输入空气中的一者或多者，以及接收来自该一个或多个壳体中的燃料电池的引出的燃料或引出的空气中的一者或多者。换热器组件构造成以下一者或多者：加热输入燃料或输入空气中的该一者或多者，或冷却引出的燃料或引出的空气中的该一者或多者。
可选地，该一个或多个壳体包括上壳体和下壳体，且换热器组件可设置在上壳体和下壳体之间。
在一个示例中，换热器组件可使上壳体的内室与下壳体的内室分开。换热器组件可使上壳体中的成第一堆栈的燃料电池与下壳体中的成第二堆栈的燃料电池传导地联接。
该一个或多个壳体可包括具有成第一堆栈的燃料电池的上壳体、以及具有成第二堆栈的燃料电池的下壳体。上壳体可设置在下壳体上方，使得上壳体和成第一堆栈的燃料电池的重量将第二堆栈中的燃料电池抵靠彼此压缩。
在一个示例中，换热器组件构造成将热能从引出的燃料或引出的空气中的该一者或多者传递至输入燃料或输入空气中的该一者或多者，以将输入燃料或输入空气中的该一者或多者加热至超过指定温度的温度。换热器组件可构造成将热能从引出的燃料或引出的空气中的该一者或多者传递至输入燃料或输入空气中的该一者或多者，以将引出的燃料或引出的空气中的该一者或多者冷却至超过指定温度的温度。
可选地，换热器组件构造成将热从来自燃料电池的引出的燃料或引出的空气中的该一者或多者传递至输入燃料或输入空气中的该一者或多者，而不使引出的燃料或引出的空气中的该一者或多者与输入燃料或输入空气中的该一者或多者混合。
在一个实施例中，一种方法包括使换热器组件与具有设置在其中的成下堆栈的燃料电池的下壳体联接，以及使具有设置在其中的成上堆栈的燃料电池的上壳体与换热器组件联接。换热器组件与下壳体和上壳体联接，使得上壳体中的成上堆栈的燃料电池的重量将下堆栈中的燃料电池抵靠彼此压缩。
可选地，使上壳体与换热器组件联接包括，将换热器组件设置在上壳体和下壳体之间。使换热器组件与下壳体联接以及使上壳体与换热器组件联接可包括，使上堆栈中的燃料电池与下堆栈中的燃料电池通过换热器组件传导地联接。
在一个示例中，使换热器组件与下壳体联接以及使上壳体与换热器组件联接包括，使换热器组件与其中设置有成下堆栈和成上堆栈的燃料电池的下壳体和上壳体的内室流体地联接。
如本文使用的以单数叙述且冠以词语"一个"或"一种"的元件或步骤应当理解为未排除多个所述元件或步骤，除非明确声明此类排除。此外，对目前描述的主题的"一个实施例"的参照不旨在解释为排除也包含所述特征的额外实施例的存在。此外，除非明确相反地声明，则实施例"包括"或"具有"带特定性质的元件或多个元件可包括不具有此性质的额外此类元件。
将理解的是，以上描述旨在是说明性而非限制性的。例如，以上描述的实施例(和/或其方面)可与彼此组合使用。此外，可进行许多修改来使特定情形或材料适于本文阐述的主题的教导内容，而不脱离其范围。尽管本文描述的材料的尺寸和类型旨在限定公开的主题的参数，但它们绝不是限制性的，且为示例性实施例。在查阅以上描述时，许多其他实施例将对于本领域的技术人员显而易见。因此，本文描述的主题的范围应当参照所附权利要求连同此权利要求被授权的等同方案的完整范围而确定。在所附权利要求中，用语"包括"和"其中"用作相应用语"包含"和"在其中"的通俗英文同义词。此外，在以下权利要求中，用语"第一"、"第二"和"第三"等仅用作标记，且不旨在对其对象施加数字要求。此外，以下权利要求的限制并未以装置加功能的格式撰写，且不旨在基于35 U.S.C. § 112(f)来解释，除非且直到此权利要求限制明确地使用短语"装置，其用于"后接没有其他结构的功能的声明。
此书面描述使用示例来公开本文阐述的主题的若干实施例，包括最佳模式，且还使本领域的普通技术人员能够实践公开主题的实施例，包括制作和使用装置或系统以及执行方法。本文描述的主题可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的普通技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则旨在使这些其他示例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1. 一种系统，包括：
上壳体，其限定上内室，成上堆栈的燃料电池设置在所述上内室中；以及
下壳体，其限定下内室，成下堆栈的燃料电池设置在所述下内室中，其中所述上壳体设置在所述下壳体上方，使得所述上壳体和所述成上堆栈的燃料电池的重量压缩所述下壳体内的下堆栈中的燃料电池。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，由所述上壳体限定的所述上内室与所述下壳体的下内室分开。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括设置在所述上壳体和所述下壳体之间的换热器组件，其中所述换热器组件构造成改变以下一者或多者的温度：供应至所述上堆栈中的燃料电池和所述下堆栈中的燃料电池的输入燃料、供应至所述上堆栈中的燃料电池和所述下堆栈中的燃料电池的输入空气、从所述上堆栈中的燃料电池和所述下堆栈中的燃料电池接收的引出的燃料、或从所述上堆栈中的燃料电池和所述下堆栈中的燃料电池接收的引出的空气。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述换热器组件包括使所述上壳体中的燃料电池与所述下壳体中的燃料电池传导地联接的一种或多种传导材料。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述换热器组件构造成从所述换热器组件外接收处于或低于指定温度的温度下的输入燃料或输入空气中的一者或多者，且在将输入燃料或输入空气中的所述一者或多者引导到所述上堆栈或所述下堆栈中的一者或多者中的燃料电池中之前，将输入燃料或输入空气中的所述一者或多者的温度升高到高于所述指定温度。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述换热器组件构造成通过将热能从自所述上堆栈或所述下堆栈中的一者或多者中的燃料电池接收的引出的燃料或引出的空气中的一者或多者传递至输入燃料或输入空气中的所述一者或多者来将输入燃料或输入空气中的所述一者或多者的温度升高到高于所述指定温度。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述换热器组件构造成从所述上壳体或所述下壳体中的一者或多者接收高于指定温度的温度下的引出的燃料或引出的空气中的一者或多者，且构造成在将引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者引导出所述换热器组件之前，将引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者的温度降低至或低于所述指定温度。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述换热器组件构造成通过将热能从引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者传递至输入燃料或输入空气中的一者或多者来将引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者的温度降低至或低于所述指定温度。
9. 一种系统，包括：
一个或多个壳体，其限定一个或多个内室，成一个或多个堆栈的燃料电池设置在所述一个或多个内室中；以及
换热器组件，其与所述一个或多个壳体的所述一个或多个内室流体地联接，所述换热器组件构造成从所述一个或多个壳体外接收输入燃料或输入空气中的一者或多者，且从所述一个或多个壳体中的燃料电池接收引出的燃料或引出的空气中的一者或多者，其中所述换热器组件构造成以下一者或多者：加热输入燃料或输入空气中的所述一者或多者，或冷却引出的燃料或引出的空气中的所述一者或多者。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述一个或多个壳体包括上壳体和下壳体，且其中所述换热器组件设置在所述上壳体与所述下壳体之间。
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