TWI553952B - 燃料電池系統之多流熱交換器 - Google Patents

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TWI553952B
TWI553952B TW103132531A TW103132531A TWI553952B TW I553952 B TWI553952 B TW I553952B TW 103132531 A TW103132531 A TW 103132531A TW 103132531 A TW103132531 A TW 103132531A TW I553952 B TWI553952 B TW I553952B
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fuel cell
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inlet
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大衛Ｓ 威爾納
馬丁 派瑞
史威密那 凡卡塔拉馬南
維拉德 卡利卡
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博隆能源股份有限公司
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Description

燃料電池系統之多流熱交換器
本發明大體而言係關於燃料電池系統之領域，且更特定言之係關於一種含有多流熱交換器之燃料電池系統及一種操作該燃料電池系統之方法。
本申請案係基於2009年9月2日申請之美國臨時申請案61/272,227且主張該案之優先權。該61,272,227申請案之全文以引用之方式併入本文中。
燃料電池為可以高效率將儲存於燃料中之能量轉換為電能的電化學器件。高溫燃料電池包括固態氧化物及熔融碳酸鹽燃料電池。此等燃料電池可使用氫燃料及/或烴燃料來操作。存在若干種類之燃料電池(諸如，固態氧化物再生燃料電池)，其亦允許反向操作使得可藉由將電能用作輸入而將氧化燃料還原回至未氧化燃料。
1‧‧‧燃料電池堆疊模組
3‧‧‧基座
5‧‧‧腔室
7‧‧‧底板
9‧‧‧堆疊
10‧‧‧陽極尾氣氧化器(ATO)
11‧‧‧外部殼體
12‧‧‧ATO外部擋板
13‧‧‧多流熱交換器
14‧‧‧ATO內部擋板
15‧‧‧低溫部分/區
16‧‧‧鰭片或皺摺
17‧‧‧高溫部分/區
18‧‧‧開口
20‧‧‧管道/開口
21‧‧‧燃料入口管道/燃料入口
22‧‧‧ATO燃料入口管道/燃料入口/ATO入口
23‧‧‧燃料排放開口/管道
23A‧‧‧管道
23B‧‧‧管道
24‧‧‧內部空間
25‧‧‧空氣入口管道/空氣入口
26‧‧‧空間
27‧‧‧中心ATO排放管道
29‧‧‧燃料入口線
30‧‧‧管道
30A‧‧‧管道
30B‧‧‧管道
31‧‧‧燃料排放管道
33‧‧‧空氣入口管道
35‧‧‧空氣/ATO排放管路/管道
37‧‧‧重組器
41‧‧‧電接點
43‧‧‧共同電力匯流排
45‧‧‧電力匯流排
47‧‧‧導電壓力部件
60‧‧‧模組化燃料電池系統
61‧‧‧燃料電池堆疊模組
62‧‧‧熱匣
63‧‧‧燃料處理模組
65‧‧‧電力調節模組
67‧‧‧匣
69‧‧‧機架
78‧‧‧升流管
78ci‧‧‧拐角入口升流管
78co‧‧‧對角線拐角升流管
78di‧‧‧拐角升流管
78do‧‧‧對角線拐角升流管
78mi‧‧‧中間入口升流管
78mo‧‧‧中間出口升流管
78ni‧‧‧中間入口升流管
78no‧‧‧中間出口升流管
80‧‧‧多流熱交換器
81a‧‧‧端板
81b‧‧‧端板
82‧‧‧空氣預熱器/空氣預熱器段
83‧‧‧燃料熱交換器/燃料熱交換器段
84‧‧‧空氣熱交換器/空氣熱交換器段
85‧‧‧出口/燃料開口
86‧‧‧入口/空氣開口
87‧‧‧出口/空氣開口
88‧‧‧入口/燃料開口
89‧‧‧入口/空氣開口
90‧‧‧出口/燃料開口
91‧‧‧入口/燃料開口
92‧‧‧出口/空氣開口
93‧‧‧中間板
93a‧‧‧板
93b‧‧‧板
93c‧‧‧板
93d‧‧‧板
93e‧‧‧板
93f‧‧‧板
94‧‧‧孔
95‧‧‧流徑
96‧‧‧熱空氣
97‧‧‧冷空氣
98‧‧‧熱燃料
99‧‧‧冷燃料
100‧‧‧燃料電池系統
103‧‧‧蒸汽產生器
104‧‧‧水源
105‧‧‧混合器
107‧‧‧分流器
109‧‧‧脫水器
111‧‧‧CPOx反應器
112‧‧‧排水管
113‧‧‧陽極尾氣再循環管道
115‧‧‧天然氣入口管道
117‧‧‧管道
119‧‧‧管道
137‧‧‧燃料熱交換器
182‧‧‧空氣預熱器
183‧‧‧陽極復熱器段
184‧‧‧陰極復熱器段
185‧‧‧出口
186‧‧‧入口
187‧‧‧出口
188‧‧‧入口
189‧‧‧入口
190‧‧‧出口
191‧‧‧入口
192‧‧‧出口
198‧‧‧空氣重新分佈孔
199‧‧‧空氣重新分佈孔
200‧‧‧系統
201‧‧‧可選液態燃料/水混合器/密封件
203‧‧‧空氣熱交換器
205‧‧‧空氣預熱器熱交換器
300‧‧‧熱交換器
301‧‧‧流
302‧‧‧流
303‧‧‧流
304‧‧‧區
305‧‧‧區
306‧‧‧肋狀或鰭片式熱交換板
307‧‧‧入口/出口歧管
310‧‧‧熱交換器
316‧‧‧熱交換器板
317‧‧‧開口
400‧‧‧系統
401‧‧‧CPOx空氣過濾器
403‧‧‧鼓風機
405‧‧‧主空氣過濾器
407‧‧‧鼓風機
409‧‧‧電磁閥
411‧‧‧可變速度鼓風機
900‧‧‧板型多流熱交換器組態
902‧‧‧主要表面
903‧‧‧邊緣表面
AO‧‧‧升流管
E‧‧‧升流管
EI‧‧‧升流管
FI‧‧‧升流管
FO‧‧‧升流管
Z1‧‧‧區
Z2‧‧‧區
Z3‧‧‧區
Z4‧‧‧區
Z5‧‧‧區
圖1A為本發明之一實施例之燃料電池模組的三維剖視圖，其中一殼體被移除。圖1B為圖1A之模組之示意性側視橫截面圖。圖1C為圖1A之模組之俯視圖。圖1D及圖1E為根據本發明之替代實施例之模組的俯視圖；圖2A、圖2B、圖2C及圖5為本發明之實施例之燃料電池系統的組 件及流體流動方向的示意圖；圖3為根據本發明之一實施例之熱交換器基於電腦模擬的理想化熱交換器熱負荷對溫度的曲線(總複合曲線)；圖4為根據本發明之一實施例之熱交換器的區及流體流動方向的示意圖；圖5為含有整合至多流熱交換器中之蒸汽產生器的系統的程序流程圖；圖6及圖7為可用於本發明之實施例中之兩種類型之多流板式熱交換器的三維剖視圖；圖8A為本發明之另一實施例之多流板式熱交換器的示意圖；圖8B、圖8C、圖8D及圖8E為圖8A之熱交換器之板的俯視圖；圖9A為本發明之另一實施例之多流板式熱交換器的示意性三維視圖；圖9B及圖9C為圖9A之熱交換器的俯視圖；圖9D及圖9E為圖9A之熱交換器的側視橫截面圖；及圖10為根據本發明之一實施例之模組化燃料電池系統的示意性三維視圖。
本發明之第一實施例提供圖1A、圖1B及圖1C中所說明之燃料電池堆疊模組1。模組1含有基座3，該基座3包含腔室5及腔室5之上的底板7，該底板7提供基座3之上表面。基座3可具有一具有平坦上表面及圓形橫截面之圓柱形狀，如圖1A及圖1C中所展示。然而，基座3可具有任何其他合適形狀，諸如方形、矩形、多邊形、橢圓形或不規則橫截面。底板7可包含附著至腔室5之單獨組件或基座3可包含一整體組件，其中腔室5包含其內部體積且底板7包含其上表面。如下文將描述，一或多個熱交換器13可位於腔室5內部。
如圖1A至圖1C中所展示，每一燃料電池堆疊模組1包括至少一燃料電池堆疊柱9(為了簡單性，本文中將稱為「堆疊」)及外部殼體11。殼體11可具有用於覆蓋該(等)堆疊9之任何合適形狀，諸如穹狀、有蓋圓柱體(包括一具有平坦頂蓋之圓柱體或一具有穹狀蓋之圓柱體(其幫助減小熱應力))、立方體或三維矩形。殼體11展示於圖1B中且其自頂部之位置在圖1C至圖1E中展示為虛線。舉例而言，兩個或兩個以上堆疊9(諸如，四至十二個堆疊9)可位於殼體11之下。堆疊9較佳垂直堆疊於每一殼體11之下。必要時，可以級聯組態提供垂直堆疊之燃料電池堆疊9，其中來自一堆疊之燃料排放流用作一鄰近堆疊(諸如，至及自相同柱中之模組的級聯)之入口燃料流。
堆疊9可包含任何合適燃料電池。舉例而言，燃料電池可包含具有陶瓷氧化物電解質之固態氧化物燃料電池。亦可使用其他燃料電池類型，諸如PEM、熔融碳酸鹽、磷酸等。堆疊9可包含外部及/或內部歧管式堆疊。舉例而言，堆疊針對燃料及空氣可為內部歧管式，其中燃料及空氣升流管延伸穿過燃料電池層中及/或燃料電池之間的互連板中的開口。或者，如圖1B及圖1C中所展示，燃料電池針對燃料可為內部歧管式且針對空氣可為外部歧管式，其中僅燃料入口及排放升流管延伸穿過燃料電池層中及/或燃料電池之間的互連板中的開口。燃料電池可具有交叉流(其中空氣及燃料流在每一燃料電池中之電解質之相對側上約略垂直於彼此)、逆流平行(其中空氣及燃料流在每一燃料電池中之電解質之相對側上約略彼此平行但在相反方向上)或同向流平行(其中空氣及燃料流在每一燃料電池中之電解質之相對側上在相同方向上約略彼此平行)組態。每一堆疊9可具有一個燃料入口及出口，如下文將予以更詳細描述。然而，必要時，每一堆疊9可沿其高度而具有若干燃料入口及出口。在彼種狀況下，每一堆疊9含有複數個子堆疊單元(亦即，每一堆疊柱9含有單獨子堆疊)。
如圖1C、圖1D及圖1E中所展示，複數個有角度地間隔之燃料電池堆疊9經配置以關於模組之中心軸線而形成環形陣列(亦即，環狀結構)。應注意，術語「環形陣列」並不限於具有圓形周邊(其展示於圖1D中)之陣列。舉例而言，陣列可具有六邊形或矩形(方形)周邊(如分別在圖1C及圖1E中展示)或橢圓形周邊，其將提供更窄系統，其可接著更容易地裝配於標準裝運容器中。燃料電池堆疊9具有平行於模組1之中心軸線而延伸之堆疊方向。較佳地但不必，堆疊9中之每一者具有矩形橫截面。使用陶瓷或其他絕緣間隔物而使堆疊9彼此絕緣。儘管配置為環形陣列之堆疊9為較佳的，但可使用將裝配於殼體11內之任何其他堆疊9佈局，諸如弧形佈局(亦即，環之一部分)或柵格佈局(例如，20個堆疊，4列×5行)。
殼體11可具有任何合適組態。舉例而言，殼體11可具有圓柱形組態。然而，殼體11可具有多邊形或橢圓形水平橫截面及/或其可具有錐形上表面而非平坦上表面。殼體可由任何合適之絕熱或導熱材料(諸如，金屬、陶瓷等)製成。
堆疊9及殼體11可移除地定位或可移除地連接至基座3之上表面(諸如，底板7)。較佳地，每一燃料電池堆疊9及殼體11單獨地可移除地連接至基座3之上表面7。在此狀況下，殼體11可在不移除殼體11之下的堆疊9的情況下容易地自基座3之上表面7移除。或者，若殼體11含有門或艙口，則殼體11之下的堆疊9可在不移除殼體11的情況下容易地經由門或艙口而移除。在一替代實施例中，殼體11及/或堆疊9可永久地連接至基座3。舉例而言，可將殼體11焊接至基座3。
術語「可移除地連接」意謂堆疊9及/或殼體11以容易地移除以用於修復或服務之方式連接至基座3之上表面7。換言之，「可移除地連接」為「永久地連接」之相反方式。舉例而言，堆疊9及/或殼體11藉由搭扣配合連接、張力配合連接、緊固連接或滑軌連接中之至少一者 而可移除地連接至基座3之上表面7。搭扣配合連接之一實例為卡口型連接，其中藉由鉤住至開口中而將組件固持於適當位置的一或多個叉指被向內或向外按壓以使其自開口脫鉤。張力配合連接之一實例為其中組件(諸如，堆疊9或殼體11)被按壓至基座3之表面7中的開口或溝槽(其具有與堆疊9或殼體11之橫截面大約相同的大小)中使得張力將堆疊或殼體固持於開口或溝槽中。緊固連接之一實例為藉由扣件(諸如，螺栓或夾子)之連接，其可由服務人員移除。滑軌連接之一實例為抽屜或鳩尾型連接，諸如基座3之上表面7中的溝槽(堆疊9中之突起可滑動至該溝槽中)，或底部堆疊9板中之溝槽(基座3之上表面7中之突起可滑動至該溝槽中)。永久連接之一實例為焊接連接，諸如其中殼體11焊接至基座之表面7。
堆疊9及殼體11可使用彼此不同類型之連接來可移除地連接。此外，在本發明之一替代態樣中，殼體11可可移除地連接至基座3之上表面7，而堆疊9可非可移除地連接至相同表面7。
較佳地，至少一熱交換器位於基座3之內部體積5中。舉例而言，如圖1B中所展示，多流熱交換器13位於基座3之內部體積5中。
熱交換器13可包含低溫部分15及高溫部分17。低溫部分15可由較不昂貴、低溫材料(諸如，不鏽鋼)製成，其不能容忍非常高的溫度。高溫部分17可由較昂貴、高溫材料(諸如，英高鎳(Inconel)或其他鎳合金)製成，其能容忍高溫。此組態降低熱交換器13之成本。必要時，亦可將由能容忍中間溫度之材料製成的一或多個中間溫度部分提供於熱交換器13中。
可使用任何類型之熱交換器(諸如，鰭片式板型熱交換器)。必要時，熱交換器之高溫部分17可充當燃料電池堆疊9之完整或部分外部重組器37。在此狀況下，熱交換器13之通路(其載運燃料入口流)的所有鰭片或一部分鰭片塗佈有燃料重組催化劑，諸如用於烴燃料(諸 如，天然氣或甲烷)之鎳及/或銠。若堆疊9含有內部重組型之燃料電池(亦即，燃料電池含有為用於重組之催化活性的一或多個內表面或塗層。催化劑可包含催化劑塗層，或將鎳用作燃料電池外殼及支撐件之金屬構造之部分)，則外部重組器37可充當預重組器。或者，對於完整內部重組型燃料電池或對於對氫燃料(其不需要重組)操作之燃料電池系統而言，可省略重組器37。對於外部重組型燃料電池(亦即，不含有燃料重組催化劑之燃料電池或催化劑為電池外殼之金屬結構之部分的燃料電池，催化劑可仍然存在，但通常歸因於電池之降級而並未設計成用作催化劑)而言，重組器37充當主燃料重組器。在本發明之一替代實施例中，重組器37未整合至熱交換器中，而是位於模組1之熱匣中的一單獨位置中。在本發明之另一替代實施例中，單獨之燃料及空氣熱交換器將分別來自燃料及空氣排放流之熱分別提供至燃料及空氣入口流，如下文將關於圖2B所描述。
如圖1A至圖1E中所展示，陽極尾氣氧化器(ATO)10較佳位於基座3之中心部分上方(亦即，位於底板7上)而與堆疊9成熱傳遞關係(亦即，使得藉由ATO 10與堆疊9之間的對流及/或輻射來傳遞熱)。較佳地但不必，ATO 10位於環形堆疊9陣列之中間，使得ATO 10由堆疊9圍繞。然而，對於不形成完整環之堆疊9佈局(諸如，柵格或弧形佈局)而言，ATO 10可位於鄰近於堆疊處或可由堆疊9部分地圍繞。在環形或弧形陣列中，ATO曝露至燃料電池堆疊之徑向向內之面以自其接收陰極排放流。ATO為一腔室，其中來自堆疊之陽極(燃料)排放流藉由與氧化劑流反應(諸如，堆疊陽極排放流與堆疊陰極(空氣)排放流之反應)而被氧化。ATO腔室壁可塗佈有合適之促氧化反應催化劑，諸如支撐部件或材料上之鈀。氧化反應釋放可用以對堆疊9及/或提供至熱交換器13中之熱ATO排放流加熱的熱。如圖1B中所展示，ATO 10可包含ATO外部擋板12，該ATO外部擋板12為圓柱形或其他合適形狀 之壁，其附著至外部殼體11之頂部，但其含有鄰近於基座3之底板7的開口18(堆疊陰極(空氣)排放流通過該開口18)。ATO 10亦可包含內部擋板14，該內部擋板14為圓柱形或其他合適形狀之壁，其附著至底板7，但其含有鄰近於殼體11之上表面的開口20(陽極及陰極排放流通過該開口20)。或者，內部擋板14可延伸至殼體11之頂部且僅具有頂部附近之穿孔而非開口20。內部擋板14較佳地位於外部擋板12內部。內部擋板14亦可視為ATO/陰極排放管道27之環形套筒。內部擋板14之內表面及/或外表面及/或外部擋板12之內表面可覆蓋有促氧化催化劑材料，其可塗佈於位於擋板12、14之表面上的可選鰭片或皺摺16上。舉例而言，儘管圖1B展示雙通道ATO(向上流動、接著向下流動)，但ATO 10可具有更多通道，且內部擋板14可含有穿孔。在一替代實施例中，ATO可包含單通道ATO。舉例而言，在此實施例中，消除ATO擋板12，且內部擋板14外部上之塗佈有ATO催化劑之鰭片16為可選的。在另一替代實施例中，可用直接位於全部或一部分內部擋板14上的催化劑塗層來代替內部擋板14之任一側面上的一部分或全部塗佈有ATO催化劑之鰭片。必要時，可將另一圓柱體置放於內部擋板14之內部(亦即，圓柱形擋板12可移至圓柱形擋板14之內部)。排放流自堆疊9向上且在擋板14上方流動以進入ATO。
一或多個ATO燃料入口管道22可位於底板7中外部ATO擋板12與內部ATO擋板14之間。或者，ATO燃料入口管道可自底板管道連接(duct)至ATO之頂部。ATO燃料入口管道22在擋板12與擋板14之間提供ATO燃料入口流，其中燃料入口流與ATO空氣入口流混合並反應。ATO燃料入口流可包含以下各項中之一者或兩者：i)與堆疊燃料入口流分離之燃料入口流，諸如天然氣入口流；及/或ii)已通過熱交換器13之堆疊陽極排放流之至少一部分。或者，ATO燃料入口流亦可部分地或完全地繞過熱交換器以保持入口溫度受限制。ATO空氣入口流可 包含堆疊陰極排放流(其自堆疊9流至外部擋板12之下的ATO 10，如圖1B中所展示)或新鮮空氣入口流(其可與或可不與ATO燃料入口流中之任一者混合)或新鮮空氣入口流與堆疊陰極排放流之組合。ATO燃料入口流藉由ATO空氣入口流(諸如，堆疊陰極排放流或陰極排放流與可選新鮮空氣入口流之混合物)而被氧化。ATO排放流(氧化燃料)經由位於底板7中在內部擋板14之中間的中心ATO排放管道27而自ATO 10移除。在上文所描述之單通道ATO實施例中，中心ATO排放管道27亦可含有內部圓柱體以迫使ATO流穿過環形套筒。
如圖1B及圖1C中所展示，基座3亦含有：複數個燃料入口21，其將燃料入口流提供至燃料電池堆疊9；複數個燃料排放開口23，其自堆疊9移除燃料排放流；複數個周邊空氣入口25，其將空氣(或其他氧化劑)入口流提供至堆疊9；及中心ATO排放管道27，其自堆疊9移除空氣/ATO排放流。入口21及25以及排放開口23可包含底板7中之孔及/或延伸穿過底板7之管。因此，在本發明之一實施例中，堆疊9針對空氣為外部歧管式且針對燃料為內部歧管式。複數個有角度地間隔之燃料電池堆疊9經配置以在堆疊空氣入口25之環狀配置內部關於模組之中心軸線而形成環形陣列。
模組1如下操作。燃料及空氣入口流在熱交換器13中藉由陽極排放流及/或ATO排放流而加熱，如下文將予以更詳細描述。燃料入口流自下穿過用於每一堆疊之各別燃料入口21向上且在內部提供至堆疊9中。來自堆疊9之陽極(燃料)排放流向下並在內部穿過堆疊而提供且經由至位於基座3中之熱交換器13中的各別燃料排放開口23而被移除。
如由圖1B中之箭頭所展示，堆疊空氣入口流穿過以環形或環狀組態配置於基座3之周邊中的入口25、穿過底板7而提供於殼體11之下。空氣入口流流經堆疊9之電池。堆疊9及陶瓷間隔物(為了清晰起 見並未展示)防止空氣入口流在不首先流經堆疊9的情況下直接流至內部空間24中。陰極(空氣)排放流離開堆疊9而至堆疊9與外部ATO擋板12之間的空間24中。陰極排放流流經外部ATO擋板12下方的開口18而至外部ATO擋板12與內部ATO擋板14之間的空間26中。堆疊陰極排放流在空間26中與自管道20提供之ATO燃料入口流混合並反應。氧化反應在系統啟動期間及在穩態操作期間經由輻射及/或對流而將熱提供至堆疊9，以提供用於堆疊9中之內部燃料重組反應的足夠熱。ATO排放流(氧化燃料)接著穿過內部擋板14之上的開口20而向上排放且穿過中心ATO排放管道27而向下排放至位於底板7下方之腔室5中的熱交換器13中。儘管在圖1B及圖1C中展示特定ATO組態，但應理解，亦可使用其他組態，諸如流體流動遵循鄰近於塗佈有氧化催化劑之部件的線性或曲折路徑的組態。舉例而言，一圓柱體可位於擋板14內部以限制鰭片及催化劑之體積(及因此鰭片及催化劑之量)。
如圖1A至圖1C中所展示，燃料入口管路29連接至燃料熱交換器13之第一入口。複數個燃料入口管道21流體地連接至熱交換器13之第一出口。術語「流體地連接」意謂直接地連接或間接地連接，使得燃料入口流自熱交換器13流經一或多個其他組件直至其到達每一燃料入口管道21。複數個燃料排放開口23流體地連接至熱交換器13之第二入口。燃料排放管路31連接至熱交換器13之第二出口。空氣入口管路33連接至熱交換器13之第三入口。必要時，可提供一或多個可選空氣旁通管道，其使熱交換器13周圍或在熱交換器13之一部分周圍之來自空氣入口管路33之一些或全部空氣入口流轉向。因此，旁通管道可將空氣入口管路33直接連接至堆疊9空氣入口。提供至旁通管道中之空氣的量可由流量調節器(諸如，電腦或操作員控制之閥門)控制。基座中之複數個空氣入口管道25流體地連接至熱交換器13之第三出口。中心空氣/ATO排放管道27流體地連接至熱交換器13之第四入口。空氣 /ATO排放管路35連接至熱交換器13之第四出口。必要時，熱交換器13可具有單獨之空氣及ATO排放管路(亦即，一些或全部熱空氣排放流可繞過ATO，其可改為使用新鮮入口空氣以用於氧化反應)。
較佳地，亦使用基座3及殼體11以提供自堆疊9至電力調節設備之電連接。舉例而言，基座3之上表面7可含有複數個電接點41(諸如，負或接地電接點)。每一接點41位於燃料電池堆疊9之底部端板將接觸基座3之底板7(亦即，上表面)處。每一燃料電池堆疊9之每一負或接地電極或端板電連接至複數個電接點41中之一者。基座3亦含有共同電力匯流排43(諸如，負或接地匯流排)，其經由接點41而電連接至燃料電池9。
殼體11含有至少一其他電力匯流排45，諸如每一堆疊9之單獨電匯流排45。匯流排45具有不同於共同電力匯流排43之極性的極性。舉例而言，殼體11可具有複數個正匯流排45。燃料電池堆疊9之正電極或端板電連接至自殼體11延伸之各別正電力匯流排45。
可使用任何合適之接點或電連接而將每一燃料電池堆疊9之正電極或端板電連接至各別正電力匯流排45。舉例而言，如圖1B中所展示，殼體11之上部內表面含有複數個導電壓力部件47。殼體11上之壓力部件47與基座3之上表面7上之接點41上方的堆疊9位置對準。每一壓力部件47將至少一燃料電池堆疊9可移除地固持於殼體11與基座3之上表面7之間。每一燃料電池堆疊9之正電極或端板經由各別壓力部件47而電連接至正電力匯流排45。壓力部件47可為一可撓性桿、板或彈簧，其對堆疊9施加一向下壓力以使堆疊9牢固地抵住基座之上表面7上的電接點41。當向下推動殼體11以關閉模組1時，壓力部件撓曲以將堆疊9按壓至基座3上之位置中。當移除殼體11以服務或修復模組時，壓力部件釋放堆疊9。
較佳地但不必，每一堆疊9或每對堆疊9連接至電力控制系統之單 獨DC/DC轉換器單元。舉例而言，每對堆疊中之每一堆疊的一電輸入端/輸出端可串聯連接且每對堆疊中之每一堆疊的另一電輸入端/輸出端將各別正及負電壓輸入提供至各別DC/DC轉換器單元中。較佳地但不必，燃料電池堆疊(亦即，燃料電池堆疊柱)可以6之倍數配置以簡化電力調節，如2007年5月5日申請且以全文引用之方式併入本文中之美國申請案第11/797,707及11/707,708號中所描述。因此，每一模組可具有6個、12個、18個、24個(等)堆疊9。舉例而言，圖1C至圖1E中所展示之模組1含有12個堆疊9。四個堆疊之每一集合可連接至三相AC輸出之一各別相位輸出，如美國申請案第11/797,707號中所描述。
因此，在包含複數個模組之系統中，每一模組1可在電力上斷開、自燃料電池系統移除及/或在不停止燃料電池系統中之其他模組1之操作的情況下服務或修復。換言之，每一模組1可在電力上斷開、自燃料電池系統移除及/或服務或修復，而其他模組1繼續操作以產生電力。因此，當一堆疊9發生故障或離線以用於服務時，整個燃料電池系統不必關機。
當一模組1離線(亦即，其經切斷以被移除、修復或服務)而其他模組1繼續操作時，應停止燃料至離線之模組1的流動。此可藉由將閥門置放於每一燃料入口管路29中來實現。可手動地或以電子方式關閉閥門以使該燃料停止流經給定燃料入口線29，而該燃料繼續經由其他燃料入口管路29流至其他模組1。
本發明之第二實施例提供一用於燃料電池系統之多流熱交換器13，其中兩個以上流體流在相同器件中交換熱。因此，單一多流熱交換器可代替先前技術系統中所使用之多個單獨熱交換器，諸如單獨空氣及燃料熱交換器。多流熱交換器允許與單獨燃料及空氣熱交換器相同之量的熱交換，但具有更小量的熱傳遞區域。多流熱交換器提供一改良之機械組態，其可導致更容易之總成、更有效之熱交換表面、減 小之壓降及更小之設備體積。此外，必要時，蒸汽產生器及/或外部重組器37可實體整合至多流熱交換器13中使得燃料電池堆疊9陽極排放流及/或ATO 10排放流之熱用以將水轉換為蒸汽及/或提供用於烴燃料至氫氣及一氧化碳燃料重組反應(諸如，蒸汽甲烷重組(「SMR」)反應的熱。
多流熱交換器13可充當基座或可位於基座3中以用於建置燃料電池系統之熱匣。因此，多流熱交換器13降低模組1之重心且使該模組更穩定。單一多流熱交換器13之使用將系統中之空氣流控制之數目自2減少至1。可消除ATO空氣流控制。此外，如下文關於圖2C所描述，ATO空氣入口可完全消除且可用作為ATO之空氣源的陰極排放流來代替。此藉由減少額外水管工程之量而使系統整合更為簡單。此外，多流熱交換器13提高系統之效率，從而促進更好之熱傳遞及減少寄生損失(包括由於ATO鼓風機之消除所產生的增益)。最後，多流熱交換器13允許在區15及17中使用低溫及高溫材料之組合以減少器件之成本。
圖2A說明一用於含有第二實施例之一或多個模組1之燃料電池系統100的程序流程圖。為清晰起見，圖2A中展示一個模組1。系統100含有複數個燃料電池堆疊9，諸如固態氧化物燃料電池堆疊(其中該堆疊之一固態氧化物燃料電池含有陶瓷電解質(諸如，氧化釔安定化氧化鋯(YSZ)或氧化鈧安定化氧化鋯(SSZ))、陽極電極(諸如，鎳-YSZ或Ni-SSZ金屬陶瓷)及陰極電極(諸如，鑭鍶錳礦(LSM))。將模組1表示為熱匣，其可包含基座3及殼體11之組合，如圖1B中所展示。展示與熱交換器13分離之可選重組器37。然而，如上文所註釋，熱交換器37可實體地整合至熱交換器13中。
系統100亦含有蒸汽產生器103。蒸汽產生器103經由管道30A而被提供有來自水源104(諸如，水槽或水管)之水，且將水轉換為蒸汽。蒸汽經由管道30B而自產生器103提供至混合器105且在混合器 105中與堆疊陽極(燃料)再循環流混合。混合器105可位於模組1之熱匣內部或外部。較佳地，使增濕之陽極排放流與混合器105下游之燃料入口管路或管道29中的燃料入口流組合，如圖2A中示意性地展示。或者，必要時，亦可將燃料入口流直接提供至混合器105中，或可將蒸汽直接提供至燃料入口流中及/或可將陽極排放流直接提供至燃料入口流中，接著使組合之燃料流增濕(如圖1C、圖1D及圖1E中所展示)。
蒸汽產生器103可藉由單獨加熱器及/或藉由與蒸汽產生器103成熱交換關係來傳遞之熱ATO排放流而加熱。若蒸汽產生器103實體地併入至熱交換器13中，則蒸汽產生器亦可藉由熱交換器中之陽極排放流而加熱。蒸汽產生器103可實體地位於熱匣中，諸如位於基座3之腔室5內部。或者，蒸汽產生器103可位於模組1之熱匣外部。因此，如圖1C中所展示，若蒸汽產生器103位於模組之熱匣中，則經由管道30提供來自水源104之水。若蒸汽產生器103位於模組之熱匣外部，則經由管道30提供來自水源104之蒸汽。
系統100亦含有分流器107、可選脫水器109及催化分壓氧化(CPOx)反應器111。若可使提供至ATO 10之陽極排放流保持為足夠熱以避免凝結，則不需要脫水器109及排水管。系統如下操作。入口燃料流(諸如，烴流(例如，天然氣))提供至燃料入口管道29中且穿過CPOx反應器111。在系統啟動期間，空氣亦提供至CPOx反應器111中以用催化之方式部分地氧化燃料入口流。在穩態系統操作期間，空氣流經切斷且CPOx反應器充當燃料通路(其中燃料未被部分氧化)。因此，系統100可僅包含一個燃料入口管道，其在啟動模式及穩態模式兩者下經由CPOx反應器111來提供燃料。因此，不需要在穩態操作期間繞過CPOx反應器的單獨燃料入口管道。
將燃料入口流提供至多流熱交換器13中，在該多流熱交換器13中 其溫度藉由與堆疊陽極(燃料)排放流及視情況ATO排放流之熱交換而升高。燃料入口流接著視情況提供至可整合至熱交換器13中或可位於與熱交換器13分離之熱匣中的可選重組器37中。燃料入口流在重組器中經由SMR反應而重組且經重組之燃料入口流(其包括氫氣、一氧化碳、水蒸汽及未重組之甲烷)經由燃料入口21而提供至堆疊9中。燃料入口流經由堆疊9中之燃料入口升流管而向上行進穿過堆疊且在電力產生期間在堆疊9中被氧化。氧化燃料(亦即，陽極或燃料排放流)經由燃料排放升流管而向下行進穿過堆疊9且接著經由燃料排放開口23而自堆疊排放至熱交換器13中。
在熱交換器13中，陽極排放流經由熱交換而對燃料入口流及空氣入口流加熱。或者，可在不將熱交換至進入之空氣的情況下自多流熱交換器移除陽極排放流之一部分。此部分可用作ATO之燃料。陽極排放流接著經由燃料排放管道31而提供至分流器107中。陽極排放流之第一部分自分流器107提供至脫水器109中。在脫水器109中，水自陽極排放流移除且經移除之水被儲存或經由排水管112排出。剩餘陽極排放流可經由管道113而自脫水器109提供至ATO 10中。可向陽極排放流提供新鮮燃料(諸如，經由燃料入口22而自管道115提供至ATO 10中之天然氣作為組合之ATO燃料入口流)。
陽極排放流之第二部分自分流器107再循環至燃料入口流中。舉例而言，陽極排放流之第二部分藉由鼓風機(圖2A中未展示)經由管道117而再循環至混合器105中。陽極排放流在混合器105中藉由與自蒸汽產生器103提供之蒸汽混合而被增濕。增濕之陽極排放流接著自混合器105提供至燃料入口管道29中，在該燃料入口管道29中其與燃料入口流混合。提供來自水槽104之水以產生蒸汽為可選的。可藉由陽極再循環流來提供對新鮮燃料之所有增濕。
空氣入口流藉由鼓風機(未圖示)而自空氣入口管道33提供至熱交 換器13中。鼓風機可包含用於整個系統之單一空氣流控制器。在熱交換器中，空氣入口流藉由ATO排放流及陽極排放流經由熱交換而加熱。加熱之空氣入口流接著經由空氣入口25而提供至模組中。空氣通過堆疊9至ATO 10中。在ATO 10中，空氣排放流氧化ATO燃料入口流以產生ATO排放流。ATO排放流經由ATO排放管道27而排放至熱交換器13中。ATO排放流經由熱交換而對熱交換器13中之空氣入口流加熱(及視情況對燃料加熱)。ATO排放流(其仍高於室溫)經由管道119自熱交換器13提供至蒸汽產生器103。在蒸汽產生器103中，使用來自ATO排放流之熱以經由熱交換將水轉換為蒸汽。ATO排放流接著經由管道35而自系統移除。若蒸汽產生器103實體地整合至熱交換器13中，則可省略管道119且在熱交換器13中發生蒸汽產生。因此，藉由控制空氣入口鼓風機輸出(亦即，功率或速度)，可控制引入至系統中之空氣的量值(亦即，體積、壓力、速度等)。將陰極(空氣)排放流用作ATO空氣入口流，因此消除對單獨ATO空氣入口控制器或鼓風機之需要。此外，由於ATO排放流用以對空氣及燃料入口流加熱，因此管道33中之單一空氣入口流的控制可用以控制堆疊9及ATO 10之溫度。若存在空氣旁通管道，則此管道增強藉由控制提供至熱交換器13中之空氣的量(與經由旁通管道而直接提供至堆疊9中之空氣的量相比)來控制堆疊9及ATO 10之溫度的能力。
圖3及圖4說明穿過一例示性五區熱交換器13之流體流。在圖4中將該等區標記為Z1至Z5。應注意，熱交換器13可具有少於五個之區(諸如，一至四個區)或多於五個之區(諸如，六至十個區)。熱交換器可為具有板及鰭片或其他合適組態之逆流、同向流或其組合熱交換器類型。逆流為較佳的，以減小所需熱傳遞區域之總量。此外，下文所描述之流體流引入之次序及流動流溫度為例示性的且可取決於特定系統組態而改變。
冷空氣入口流在大約環境(加上鼓風機壓縮熱)溫度下自管道33進入熱交換器之區1且受到熱陽極排放流加熱。陽極排放流放出其部分之熱且成為暖陽極排放流(例如，在約100℃之溫度下)而離開進入管道31中。
變暖之空氣入口流(在約100℃之溫度下)自熱交換器之區1提供至區2中。相對冷之燃料入口流(其已藉由添加來自蒸汽產生器之蒸汽及來自管道117之經再循環之陽極排放流而加熱至約100℃)亦自管道29提供至熱交換器之區2中。空氣及燃料入口流未混合，而是流經區2中藉由熱交換器板而分離之不同各別通道或在單一熱交換器板之分開通道中流動。空氣及燃料入口流藉由區2中之熱陽極排放流經由跨越熱交換器板之熱交換而加熱。
變暖之空氣及燃料入口流(在約150℃之溫度下)提供至熱交換器13之區3中。熱陽極排放流亦在約800℃之溫度下首先在區3中進入熱交換器13。空氣及燃料入口流由熱陽極排放流及由區3中之熱ATO排放流經由跨越熱交換器板之熱交換而加熱。陽極及ATO排放流未混合，而是流經區3中藉由熱交換器板而分離之不同各別通道。在交換熱之後，暖ATO排放流在約300℃之溫度下在區3中離開熱交換器13而進入管道119中。ATO排放流接著用以在蒸汽產生器103中產生蒸汽。如可自圖3及圖4中所見，區3可為熱交換器13之最大或最長區(亦即，具有最長流體流通道長度之區)，在該區3中流體流花費熱交換器中之任何區的最長時間。
進一步之變暖之空氣及燃料入口流(在約600℃之溫度下)提供至熱交換器13之區4中。空氣及燃料入口流由區4中之熱ATO排放流經由跨越熱交換器板之熱交換而加熱。變暖之空氣入口流在約650℃之溫度下在區4中離開熱交換器13而至管道25中，以提供至燃料電池堆疊9中。
進一步變暖之燃料入口流(在約650℃之溫度下)提供至熱交換器13之區5中。ATO排放流在約875℃之溫度下首先自管道27在區5中進入熱交換器13。燃料入口流藉由區5中之熱ATO排放流經由跨越熱交換器板之熱交換而加熱。變暖之燃料入口流在約750℃之溫度下在區5中離開熱交換器13而至管道21中，以提供至燃料電池堆疊9(及/或在存在單獨重組器37的情況下提供至該重組器中)中。
如圖3中所展示，假定歸因於約1%之熱交換器的熱洩漏的間隙。此外，如圖3中所展示，熱流(ATO及陽極排放流)在其兩者存在之每一區中維持在彼此大約相同之溫度下。同樣地，冷流(空氣及燃料入口流)在其兩者存在之每一區中維持在彼此大約相同之溫度下。最後，圖3中展示全域窄點。
關於圖1B，熱交換器13之低溫部分15可較佳地對應於圖4中所展示之區1及2(及視情況區3之鄰近部分)，而熱交換器13之高溫部分17可對應於圖4中所展示之區4及5(及視情況區3之鄰近部分)。然而，熱交換器再分為使用不同構造材料之部分並不限於任何區子集。
圖2B說明根據本發明之另一實施例之系統200的示意圖，其中用單獨熱交換器代替單一多流熱交換器13。為簡潔起見將不再次描述為圖2A之系統100及圖2B之系統200兩者所共有之共同編號的元件。如圖2B中所展示，用燃料熱交換器137、空氣熱交換器203及可選空氣預熱器熱交換器205來代替多流熱交換器13。
如圖2B中所展示，若燃料電池或燃料電池堆疊9含有內部燃料重組催化劑，則可省略外部重組器37。或者，燃料熱交換器137可在熱交換器之燃料入口部分中含有重組催化劑。在此狀況下，熱交換器137充當熱交換器及重組器兩者。
圖2C說明根據本發明之另一實施例之系統400的示意圖。為簡潔起見將不再次描述為圖2A之系統100、圖2B之系統200及圖2C之系統 400所共有之共同編號的元件。如圖2C中所展示，可省略脫水器109且可使自分流器107提供至管道113中的燃料排放流之整個部分再循環至ATO 10中。視情況，分流器107位於空氣預熱器205上游，使得將被用作ATO 10之燃料的陽極排放流不通過空氣預熱器205。因此，僅管道23B中之陽極排放流之部分(其將再循環至管道29中之燃料入口流中)被提供至空氣預熱器205中以對空氣入口流加熱。此組態歸因於空氣預熱器之更小之熱交換區域而降低成本，歸因於減小之陽極再循環鼓風機411功率(歸因於降低之壓降)而提高效率及歸因於更少之氣體通過而降低熱匣中之機械複雜性。
圖2C中所展示之額外元件包括：CPOx空氣過濾器401及鼓風機403，其在系統啟動期間將空氣供應至CPOx 111；主空氣過濾器405及鼓風機407，其在系統400操作期間將空氣供應至空氣入口管道33中；及電磁閥(solenoid valve)409，其控制正經由管道30A提供之水。此外，儘管圖2C中展示重組器37，但應注意，若使用內部重組，則可省略重組器37，及/或若使用內部重組及外部重組之組合，則重組器37可為部分重組器或預重組器。
此外，在圖2C之實施例中省略至ATO 10中之天然氣入口管道115。實情為，可將ATO 10之所有燃料自燃料電池堆疊9提供至陽極尾氣再循環管道113。同樣地，不存在至ATO中之單獨空氣入口。實情為，空氣經由管道24僅自陰極排放流提供至ATO。對於具有內部燃料重組、外部燃料重組或該兩者之組合的熱良好封裝之系統而言，省略經由管道115將單獨新鮮燃料引入至ATO 10中。實情為，控制或調節經由管道29而提供至堆疊9之新鮮燃料的量以控制加熱過程。應注意，亦可在圖2A及圖2B之實施例中省略管道115。
至ATO(及相關聯之燃料鼓風機)之單獨燃料管道的消除及堆疊陰極排放流作為ATO 10中之氧化劑氣體源的使用(而非使用單獨空氣入 口管道以將新鮮空氣提供至ATO 10中)降低燃料電池及控制系統及操作該系統之方法的複雜性及成本(例如，不需要單獨ATO鼓風機)。舉例而言，可將經由鼓風機407對管道33中之主空氣入口流的控制用作對系統溫度、ATO溫度或涉及堆疊溫度及ATO溫度兩者之數學函數的主控制。
因此，可使用經由可變速度鼓風機407及/或藉由控制閥(為清晰起見，未展示)對管道33中之主空氣流的控制或變化以控制及維持堆疊9溫度、ATO 10溫度或兩者。此外，可使用對燃料利用之控制或變化(亦即，自堆疊汲取之電流與燃料流之比率)以控制及維持ATO 10溫度。最後，可使用經由可變速度鼓風機411及/或控制閥(為清晰起見，未展示)對管道117中之陽極再循環流的控制或變化以控制被分流於ATO 10之間且再循環至管道29中之燃料入口流的陽極排放流之量。
消除至ATO 10中之單獨空氣入口流的其他優點包括：歸因於陰極排放流之更高平均溫度而需要更少ATO催化劑及更少催化劑支持鰭片，歸因於更低之陰極排放流而降低陰極側壓降，歸因於驅動ATO鼓風機所需之功率的消除而提高效率及歸因於更低之陰極側壓降而減小主空氣功率，因為ATO以過量空氣操作而減少發射，及潛在更穩定之ATO操作，此係由於ATO在啟動之後始終足夠熱以用於燃料氧化。同樣地，單獨燃料入口115之消除因為不需要單獨ATO燃料入口而降低系統成本，因為在穩態或斜跳(ramp)至穩態期間不存在額外燃料消耗而提高效率且因為未添加最難氧化之甲烷且其不會漏失而減少發射。
圖2B中所展示之系統200類似於圖2A中所展示之系統100而操作。然而，在系統200中，管道33中之空氣入口流首先提供至可選空氣預熱器熱交換器205中，在該空氣預熱器熱交換器205中空氣入口流藉由燃料(陽極)排放流而預熱。術語燃料排放流及陽極排放流在本文 中可關於固態氧化物燃料電池堆疊而互換使用。預熱之空氣入口流接著提供至空氣熱交換器203中，在該空氣熱交換器203中其藉由來自管道27之ATO 10排放流而加熱。ATO排放流接著經由管道119而自空氣熱交換器203提供至蒸汽產生器103。烴燃料入口流經由燃料入口管道29而提供至燃料熱交換器137中。燃料入口流接著經由管道21而提供至燃料電池堆疊9中，在燃料電池堆疊9中該燃料入口流可在內部重組。或者，可改為使用一單獨外部重組器37或整合至熱交換器137中之外部重組器。燃料排放流經由管道23A而自堆疊9提供至燃料熱交換器137中。燃料排放流接著經由管道23B而自燃料熱交換器137提供至可選空氣預熱器熱交換器205中。燃料排放流接著經由管道31而自空氣預熱器熱交換器205提供至分流器107中。
圖2C中所展示之系統400類似於圖2B中所展示之系統200而操作，其具有以下差異。單獨燃料未經由管道115而提供至ATO 10中。實情為，ATO將陽極排放流用作其整個燃料源。分流器107移至空氣預熱器205上游，使得僅陽極排放流之再循環至燃料入口流中的部分提供至預熱器205中。然而，陽極排放流之提供至ATO中之部分未通過預熱器205。
必要時，重組器37及/或蒸汽產生器103可視情況整合至熱交換器之現有區中或其可添加作為圖2A中所展示之多流熱交換器13之額外區或添加至圖2B及圖2C中所展示之單獨熱交換器中之一者中。舉例而言，可將重組器催化劑提供至區3、4及/或5中之燃料入口流管道中以將重組器37整合至熱交換器13中。
蒸汽產生器103可藉由將蒸汽產生器作為一或多個額外區添加至熱交換器13而與熱交換器實體地整合。圖5說明一用於含有整合至多流熱交換器13/103中之蒸汽產生器之系統200的程序流程圖。在圖5之實例中，熱交換器含有七個區。然而，可使用含有多於七個或少於七 個之區的熱交換器。上文已關於圖2A描述圖5中所展示之具有與圖2A中之元件相同編號的其他元件且為簡潔起見將不再次關於圖5來描述該等其他元件。每一元件中之例示性溫度展示於元件之上的圓圈中。應注意，可使用其他合適溫度。
下表描述通過圖5中所展示之整合式熱交換器/蒸汽產生器13/103的七個區Z1至Z7中之每一者的熱流體流動流及冷流體流動流。為清晰起見，圖5中未單獨地展示該等區。
在上表中，「水」對應於來自水源104及管道30A之水入口流，「空氣」對應於來自管道33之空氣入口流，「燃料混合物」對應於來自管道29之增濕之燃料入口流，「ANEXH」對應於來自管道23之陽極排放流且ATO-EXH對應於來自管道27之ATO排放流。因此，「水」存在於區Z1至Z4中(在Z1中進入且在Z4中離開)，「空氣」存在於區Z2至Z5中(在Z2中進入且在Z5中離開)且「燃料混合物」存在於區Z4至Z7中(在Z4中進入且在Z7中離開)。此等冷側流藉由區Z1至Z6中之「ANEXH」流(在Z6進入且在Z1中離開)且藉由區Z3至Z7中之ATO-EXH流(在Z7中進入且在Z3中離開)而加熱。
因此，區Z1對應於蒸汽產生器103之一部分，區Z2至Z4對應於混合式蒸汽產生器/熱交換器，且區Z5至Z7對應於熱交換器。當然，亦可使用其他熱交換器及流組態。應注意，在圖5中，若使用液態烴燃 料，則可將液態燃料連同水提供至蒸汽產生器中以使液態燃料汽化。可使用可選液態燃料/水混合器201以混合液態燃料及水。或者，可在不同於蒸汽產生器但與熱交換器之剩餘部分整合的汽化器中使液態烴燃料汽化。此外，可使用可選ATO燃料/陽極排放流混合器203以使ATO燃料(諸如，管道115中之天然氣)與管道113中之陽極排放流混合，之後將該混合之燃料提供至ATO入口22。
圖6及圖7為兩種類型之多流板熱交換器之非限制性、三維剖視圖。應注意，可使用其他熱交換器組態。圖6展示熱交換器300之組態，其中兩個流在每一區(諸如，圖4中所展示之區Z1及Z5)中交換熱。舉例而言，流301及302在區304(左端)中交換熱且流301及303在區305(右端)中交換熱。每一區304、305含有肋狀或鰭片式熱交換板306。入口/出口歧管307位於該等區之間。
圖7展示另一熱交換器310之組態，其中兩個冷流R1及R2(諸如，空氣及燃料入口流)與含有熱水之單一流(諸如，陽極或ATO排放流(其對應於圖4中所展示之區Z2及Z4))交換熱。在此圖中，熱流流經板上之中心孔，且R1及R2流經拐角孔。此等組態可容易地擴展至四個(或四個以上)流體流(諸如，圖4中所展示之區3)。熱交換器310可類似於板型熱交換器300且含有熱交換器板316。然而，例如，每一板316可含有六個開口317以容納三個流之三個入口及三個出口且該三個流提供於平行板316之間的每一第三空間中。熱交換器可經組態以處理三個以上流且可具有除平行板型組態之外的不同組態。
圖8A展示根據本發明之另一實施例之多流熱交換器80。熱交換器80包含位於兩個端板81a與81b之間的中間板93之一堆疊。圖8A展示每一板81a、93之頂側及板81b之底側。
空氣預熱器段82鄰近於一端板81b，空氣熱交換器段84位於鄰近於另一端板81a處，且燃料熱交換器段83位於中間。然而，每一段之 位置可經重新配置或與任何其他段穿插。任何段可位於鄰近於端板81a或81b處。空氣預熱器82、空氣熱交換器84及燃料熱交換器83亦可以任何次序置放於堆疊內。另外，可存在多個空氣及燃料熱交換器段，其可在堆疊內混合以達成最佳效能。熱交換器80中存在空氣預熱器82為可選的。
流經由位於端板81a、81b中之入口(86、88、89、91)進入熱交換器且經由出口(85、87、90、92)離開熱交換器。較佳地，熱流(例如，來自燃料電池堆疊之排放流)穿過一端板81a而進入熱交換器80且冷流(亦即，朝向燃料電池堆疊提供之入口流)穿過另一端板81b而進入。同樣地，熱流在將熱放出給冷入口流之後穿過端板81b而離開，且冷流在自熱排放流接收熱之後穿過端板81a而離開。然而，其他組態亦為可能的。
在此實施例之一態樣中，垂直地堆疊板81a、93及81b之堆疊(亦即，垂直堆疊之水平板)，其中端板81a位於頂部且端板81b位於底部。然而，端板81a及81b之位置可顛倒。或者，可水平地堆疊該等板(亦即，水平堆疊之垂直板)或在垂直與水平之間的任何方向上堆疊該等板。較佳地，存在四個流(兩個熱排放流及兩個冷入口流)，其經由四個入口而進入且經由四個出口而離開。若需要，可將一或多個可選分離板***於不同熱交換器段之間。舉例而言，可將一分離板***於預熱器段82與燃料熱交換器段83之間及/或燃料熱交換器段83與空氣熱交換器段84之間。因此，空氣入口流可與陽極排放流及陰極排放流順序地被加熱或與陽極排放流及陰極排放流兩者並行地被加熱。
圖8B展示端板81a(諸如，頂部端板)。在此實施例中，熱燃料98管路(亦即，載運來自燃料電池堆疊之熱燃料或陽極排放流的管道)連接至板81a中之入口88且熱空氣96管路(其載運來自燃料電池堆疊之熱空氣或陰極排放流)連接至板81a中之入口86。「冷」燃料99管路(其將 燃料入口流載運至燃料電池堆疊)經由端板81a中之出口85而離開且冷空氣97管路(其將空氣入口流載運至燃料電池堆疊)經由端板81a中之出口87而離開。應注意，儘管為方便起見將空氣97及燃料99管路標記為「冷」，但應注意，其分別載運已藉由熱交換器中之熱排放流而變暖的空氣及燃料入口流。
較佳地，熱交換器之板(諸如，板81a)之形狀為矩形。較佳地，熱燃料流入流及冷燃料流出流提供於板81a之一「短」側上，而熱空氣流入流及冷空氣流出流提供於板81a之相對側上。在圖8B中所展示之組態中，空氣開口86及87位於拐角中，而燃料開口85、88位於其各別側之中間。較佳地，板81a含有熱交換器之「熱」側，其中兩個熱排放流(亦即，來自堆疊之燃料及空氣排放流)進入熱交換器80且其中兩個加熱之入口流(亦即，經加熱且提供至堆疊之燃料及空氣入口流)離開熱交換器。為適應交換器之熱端處流體之較低氣體密度，板之間的間隔在熱端處可比在冷端處大。如此做將趨向於使熱氣體流速(及因此之壓降)保持為較低。
圖8C展示另一端板81b(諸如，底板)。熱燃料98管路(亦即，載運放出一些熱之燃料排放流的管道)經由出口90而離開且熱空氣96管路(其載運放出一些熱的空氣排放流)經由出口92而離開。冷燃料99管路(其載運冷燃料入口流)經由入口91而進入。冷空氣97管路(其載運冷空氣入口流)經由板81b中之入口89而進入。
較佳地，熱燃料流出流及冷燃料流入流提供於板81b之一「短」側上，而熱空氣流入流及冷空氣流出流提供於板81b之相對側上。在圖8C中所展示之組態中，空氣開口89及92位於拐角中，而燃料開口90、91位於其各別側之中間。較佳地，板81a含有熱交換器之「冷」側，其中兩個熱排放流(亦即，來自堆疊之燃料及空氣排放流)在放出其之一些熱之後離開熱交換器80且其中兩個未加熱之空氣及燃料入口 流進入熱交換器。
然而，任何數目個流可流經熱交換器，且可使用任何數目個入口及出口。另外，熱流及冷流可經由任一端板81a、81b中之入口而進入且經由任一端板81a、81b中之出口而離開熱交換器。
每一熱交換器段82、83、84包含至少兩個中間板93，但可在熱交換器段82、83、84內及堆疊80內使用任何數目個板93，如圖8A中所展示。板93較佳為矩形，但其可為橢圓形、圓形、方形或任何其他形狀。每一板93具有位於矩形板之每一「短」端處的孔94。在經組態以用於四個流之一實施例中，每個板93八個孔94為較佳的，其中四個孔位於每一板之一端附近且四個孔位於另一端附近。然而，板可具有任何數目個孔94。當將板93、81a及81b以圖8A中所展示之方式堆疊在一起時，孔94形成升流管78。升流管78垂直於板93而延伸且流經由升流管78而自熱交換器之一端板81a流至另一端板81b。每一流流經兩個或兩個以上升流管78(例如，流經一個入口升流管及一個出口升流管)。該等流藉由密封件201而含於升流管78內，如圖8A及圖8D中所展示。虛線指示密封件201不存在且流體分散於流徑95中。流徑95為於兩個堆疊板93之間(或中間板93與鄰近端板81a或81b之間)的空間。在流徑95中，流平行於板93而自一升流管78流至另一升流管78。流之間的熱交換沿著流徑95而發生。
在空氣預熱器82之一實施例中，冷空氣97(亦即，至堆疊之空氣入口流)及熱燃料98(亦即，來自堆疊之燃料排放流)交換熱。冷空氣97流經板93a與93b之間的流徑95。在此較佳實施例中，冷空氣97在對角線上自一拐角入口升流管78ci流至對角線拐角出口升流管78co。在板93b之上(亦即，板93b與93c之間)的鄰近流徑95中，熱燃料98自跨越板93b而位於對角線上之中間入口升流管78mi流至中間出口升流管78mo。較佳地，流97及98之對角線方向為在相同方向上但處於一不 同角度。然而，冷空氣97及熱燃料98兩者可自板之一端上的任何升流管78流至另一端上之任何升流管78。該兩個流交換熱，因為其在相同之一般方向上但在板93b之相對側上流動。
在燃料熱交換器83之一實施例中，冷燃料99(亦即，至堆疊之燃料入口流)與熱燃料98(亦即，來自堆疊之燃料排放流)交換熱。冷燃料99經由流徑95自跨越板93c而位於對角線上之中間入口升流管78ni流至另一中間出口升流管78no(亦即，該路徑位於板93c與93d之間)。在板93d與93e之間的鄰近流徑95中，熱燃料98亦在冷燃料99之約略相反(亦即，逆流)方向上自中間升流管78mi流至對角線中間升流管78mo。如圖8A中所展示，熱燃料98在與熱燃料98對冷空氣97加熱的同時對冷燃料99加熱。冷燃料99藉由兩個熱燃料98流而加熱：板93b與93c之間的第一熱燃料98流及板93d與93e之間的第二熱燃料98流。同樣地，板93b與93c之間的第一熱燃料98流對空氣預熱器82中之冷空氣流97及燃料熱交換器83中之冷燃料流兩者加熱。然而，冷燃料99及熱燃料98兩者可自板93之一端上的任何升流管78流至另一端上的任何升流管78。
在空氣熱交換器84之一實施例中，冷空氣97(亦即，至燃料電池堆疊之空氣入口流)與熱空氣96(亦即，來自燃料電池堆疊之空氣排放流)交換熱。冷空氣97跨越板93e與93f之間的對角線流徑95而自拐角升流管78ci流至對角線拐角升流管78co。較佳地，冷空氣97及熱空氣96在約略相反(亦即，逆流)方向上流動。因此，冷空氣97在板93d與93e之間的路徑中藉由熱空氣96及熱燃料98兩者而加熱。較佳地，冷空氣97及熱燃料98在約略相同(亦即，同向流)方向上流動。如在其他段中，冷空氣97及熱空氣96可各自自板之一端上的任何升流管78流至另一端上的任何升流管78。
圖8D展示熱燃料98流經板(諸如，板93b或93d)之上的流徑95的一 實施例。熱燃料98離開中間升流管78mi且流至流徑95中。因為不存在用以將流含於升流管78mi中的密封件201，所以熱燃料98能夠進入板之間的流徑95。板93之左側的其他升流管藉由密封件201而密封。該路徑藉由板93中之可選指叉型肋狀物200而加長，如圖8D中所展示。肋狀物200提供Z字形路徑95。可使用其他肋狀物組態。熱燃料98在肋狀物200之間來回流動，且藉由進入「燃料熱流出」中間升流管78mo而在板之相對端上離開流徑95。板之右側上的其他升流管藉由密封件201而密封。
圖8E展示熱空氣96流經板(諸如，板93f)之上的流徑95的一實施例。熱空氣96離開拐角升流管78di且流至流徑95中。因為不存在用以將流含於升流管78di中的密封件201，所以熱空氣96能夠進入板之間的流徑95。板93f之右側的其他升流管藉由密封件201而密封。該路徑藉由板93中之可選指叉型肋狀物200而加長，如圖8E中所展示。肋狀物200提供Z字形路徑95。可使用其他肋狀物組態。熱空氣96在肋狀物200之間來回流動，且藉由進入「燃料熱流出」相對拐角升流管78do而在板之相對端上離開流徑95。板之左側上的其他升流管藉由密封件201而密封。
圖9A展示板型多流熱交換器組態900之另一實施例。此處，熱梯度大體上平行於板。許多特徵類似於多流熱交換器80之彼等特徵。此組態亦包含三個熱交換段，包括空氣預熱器182、陽極復熱器段183及陰極復熱器段184。「陽極復熱器段」183對應於燃料熱交換器83，且「陰極復熱器段」184對應於空氣熱交換器84。空氣預熱器182可視情況建置為單獨交換器以減輕熱膨脹問題，減小熱交換佔據面積，或減少來自板原料之廢料。若如此，則空氣預熱器可由較便宜之材料製成。
每一熱交換器段具有兩個主要表面902(圖9A中說明為每一段之頂 部及底部)及複數個邊緣表面903。在此實施例中，每一熱交換器段之主要表面902實質上平行於其他熱交換器段之主要表面902。較佳地，空氣預熱器段182位於鄰近於陽極復熱器段183之第一邊緣表面903處。另外，陰極復熱器段184位於鄰近於陽極復熱器段183之第二邊緣表面903處。第一邊緣表面及第二邊緣表面903較佳鄰近於彼此。然而，空氣預熱器段182及陰極復熱器段184可位於鄰近於陽極復熱器183之任何表面處且相對於彼此形成任何角度。在另一實施例中，空氣預熱器182可位於陽極復熱器183或陰極復熱器184下方。另外，該等段之每一主要表面902及每一邊緣表面903可為任何形狀，包括三角形、方形、矩形、梯形、五邊形等。每一段之總體形狀及大小亦可相對於其他段而變化。舉例而言，空氣預熱器182可具有與陽極復熱器183相同、比陽極復熱器183大或小的寬度。同樣地，陰極復熱器184可具有與陽極復熱器183相同、比陽極復熱器183大或小的長度。必要時，可使空氣預熱器182旋轉90度(圖9B中逆時針方向)以減小其長度。在彼種狀況下，應在空氣預熱器182與陰極復熱器184之間添加絕緣物。隨著氣體在加熱時膨脹或在冷卻時收縮時，在熱端具有梯形之較寬平行側的梯狀板將允許較恆定流速。較恆定流速將在無過多壓降(歸因於高流速)的情況下幫助維持整個交換器內之合理薄膜熱傳遞係數。
圖9A亦說明進入及離開此實施例之多流熱交換器900的流。空氣入口流97(先前稱為「冷空氣」)經由入口189而進入且行進穿過空氣預熱器182。在此實施例中，流接著約略水平地自空氣預熱器182流至陰極復熱器184。若蒸汽進入一主要表面902且在熱交換器之相對主要表面902中離開，則術語約略水平包括熱交換器之每一段之垂直分量。在其他實施例中，空氣入口流97亦可在其自一段行進至另一段時流經空氣預熱器182及陰極復熱器184內之升流管。空氣入口流97接著 自陰極復熱器184之一端行進至另一端，且經由出口187而離開交換器900。較佳地，流97在一主要表面(例如，底部主要表面)902中進入且在相對之主要表面(例如，頂部主要表面)902中離開。
陽極排放流98(先前稱為「熱燃料」)經由入口188而進入熱交換器900。陽極排放流98接著自陽極復熱器段183之一端流至另一端，且繼續流經空氣預熱器182。或者，陽極排放流之一部分可在傳遞至空氣預熱器之前經由可選燃料出口199而抽取，如圖2C及圖9C中所展示。在空氣預熱器段182中，陽極排放流98與空氣入口流97交換熱。流98經由出口190而離開。較佳地，流98在一主要表面(例如，頂部主要表面)902中進入且在相對之主要表面(例如，底部主要表面)902中離開。在陽極復熱器段183中，陽極排放流98與燃料入口流99或「冷燃料」交換熱。燃料入口流99經由入口191而進入熱交換器900。燃料入口流99在陽極排放流98之相反方向上行進穿過陽極復熱器段183，且經由出口185而離開交換器。較佳地，流99在一主要表面(例如，底部主要表面)902中進入且在相反之主要表面(例如，頂部主要表面)902中離開。
陰極排放流96或「熱空氣」經由入口186而進入熱交換器900。陰極排放流96或「熱空氣」接著行進穿過陰極復熱器段184且與空氣入口流97交換熱。陰極排放流經由出口192而離開交換器900。儘管為說明清晰起見在頂部主要表面902中展示出口192，但較佳地，出口192位於熱交換器之底部主要表面902中。因此，較佳地，流96在一主要表面(例如，頂部主要表面)902中進入且在相對之主要表面(例如，底部主要表面)902中離開。
在此實施例中，所有入口及出口位於每一段之主要表面902之拐角附近。然而，入口及出口可位於能接近升流管78(圖9D及圖9E中所描繪之垂直流分佈管)的任何主要表面902及/或邊緣表面903上。較佳 地使陰極排放流96及陽極排放流98(例如，「熱流」)經由熱交換器900之一側上的主要表面902(例如，頂部主要表面)而進入且使空氣入口流97及燃料入口流99經由熱交換器之另一側上的主要表面902(例如，底部主要表面)而進入。在此組態中，絕緣物在交換器900之較熱側(例如，頂部側)處可比在熱交換器之較冷側(例如，底部側)處厚。較佳地，熱流96及98亦在熱交換器之相同熱側(例如，左側)上進入且在相同冷側(例如，右側)上離開，而冷流97在冷側上進入且在熱側上離開。冷流99在中間(例如，段183之冷邊緣處)進入熱交換器且在熱側上離開。
熱交換器900之每一段可具有三個板93，但任何數目個板為可能的。如上文在單一堆疊實施例80中所描述，板93可具有任何形狀及大小且可具有任何數目個孔94。當堆疊在一起時，板中之該等孔形成升流管78。此外，交換器900可在每一段內具有任何數目個升流管78。升流管78可具有彼此相同或不同之大小。
圖9B及圖9C為在兩個不同橫截面平面處之多流熱交換器900之俯視圖。圖9B展示陰極排放流96及陽極排放流98(亦即，熱流)之流徑之一實施例。垂直升流管78上之虛線指示流分散於彼層上。垂直升流管78上之實線指示密封件201防止來自流之流體分散。陽極排放流98自升流管FI進入陽極復熱器183之流徑且跨越陽極復熱器183在對角線上行進。陽極排放流98可視情況在其自陽極復熱器段183行進至空氣預熱器段182時流經升流管78。該流繼續跨越空氣預熱器182在對角線上流動。陽極排放流98接著經由出口190(圖9A中所展示之出口)而離開交換器900。陰極排放流96自陰極復熱器184之升流管E1進入流徑且跨越陰極復熱器184在對角線上流動。陰極排放流96進入升流管E，且經由出口192而離開交換器900。
圖9C展示空氣入口流97及燃料入口流99(亦即，冷流)之流徑之一 實施例。空氣入口流97自空氣預熱器182之升流管AI進入流徑且跨越空氣預熱器182在對角線上流動。該流接著平行於板93而流至陰極復熱器184。流97可在進入陰極復熱器184之前流經空氣預熱器182與陰極復熱器184之間的可選空氣重新分佈孔198、199。在於對角線上跨越陰極復熱器184之後，空氣入口流97進入升流管AO，且經由出口187而離開交換器。在圖2C中所展示之流程圖中，其中燃料排放流之一部分提供至ATO，可選空氣重新分佈孔中之一者199改為用作燃料出口以將陽極排放流提供至ATO。燃料入口流99自升流管FI進入陽極復熱器183中之流徑。燃料入口流99接著跨越陽極復熱器在對角線上行進，進入升流管FO，且經由出口185而離開交換器900。所有流可自僅一對板93之間或若干對板93之間的一段之一端流至另一端。每一板上之熱交換表面可為板及鰭片，或起皺褶而具有入字紋或其他類型之圖案。
圖9D及圖9E說明熱交換器900之側視圖。圖9D為陰極復熱器段184且位於陽極復熱器段183後方。四個流中之每一者流經升流管78以用於分佈至流徑中。可存在任何數目個升流管78，其可具有任何形狀及大小(例如，一升流管或複數個升流管可載運每一流)。升流管亦可併有任何數目種技術以產生更均勻之流(諸如，通道、擋板、葉片等)。用於空氣入口流流動之空氣預熱器182與陰極復熱器184之間的垂直分佈管或升流管為可選的。同樣地，可在用於陽極排放流流動之空氣預熱器182與陽極復熱器183之間添加可選垂直分佈管或升流管。
在一較佳實施例中，一壁將段182中之空氣入口流97之流徑與段183中之燃料入口流99之流徑分離。段之間的此壁及其他壁可由多個層形成，從而允許填充有空氣或絕緣物之小間隙。此組態減少段之間的熱流動/洩漏。此外，如圖9D及圖9E中所展示，每一段182、183、184之熱交換表面由流分佈段定界，該等流分佈段又由流分佈管或升 流管78定界。在此等圖式中亦展示熱交換器之外部絕緣物。
本發明之另一實施例提供用於整個燃料電池系統而非僅用於燃料電池堆疊模組之模組化設計。該模組化系統設計提供靈活性安裝及操作。模組藉由單一設計集合而允許裝機容量之按比例調整、電力之可靠產生、燃料處理之靈活性以及電力輸出電壓及頻率的靈活性。模組化設計產生具有非常高可用性及可靠性之「始終接通」單元。此設計亦提供按比例擴大之容易方式且滿足客戶之安裝的特定要求。模組化設計亦允許使用可用燃料及所需之電壓及頻率(其可由客戶及/或由地理區域改變)。因此，概括而言，由於將燃料電池系統設計為模組化集合，所以其可被安裝成適應不同客戶之要求且系統之元件能夠一致地工作以達成非常高之系統可靠性及可用性。圖10展示模組化燃料電池系統60之例示性組態。系統60包括以下元件。系統60包括複數個燃料電池堆疊模組61。此等模組61為含有用於自易於重組之燃料流產生DC電力之組件的器件。
在第二實施例之一態樣中，每一燃料電池堆疊模組61與第一實施例之模組1相同。因此，圖10中所展示之每一模組61可包含基座3、殼體11及一或多個燃料電池堆疊9，如圖1B中所展示。舉例而言，對於高溫燃料電池系統(諸如，SOFC或熔融碳酸鹽燃料電池系統)，每一燃料電池堆疊模組61與第一實施例之模組1相同。在第二實施例之一替代性態樣中，每一模組61可包含一基座3及由複數個殼體11覆蓋之複數個燃料電池堆疊9。或者，每一模組61可具有不同於第一實施例之模組1的結構或組態。舉例而言，對於低溫燃料電池系統(諸如，PEM系統)，每一模組61可不同於第一實施例之模組1。因此，第二實施例之系統可適用於高溫及低溫燃料電池堆疊模組。
每一模組61含有至少一燃料電池堆疊9。多個燃料電池堆疊模組61可以叢集安裝方式來安裝，諸如安裝於單一熱匣62中。單一燃料電 池堆疊模組61之失效僅導致稍微降級之輸出容量或稍微降級之系統效率，此係因為剩餘燃料電池堆疊模組61繼續操作。
系統60亦含有一或多個燃料處理模組63。此等模組為含有用於預處理燃料使得其可易於重組之組件的器件。燃料處理模組61可經設計以處理不同燃料集合。舉例而言，可提供柴油燃料處理模組、天然氣燃料處理模組及乙醇燃料處理模組。處理模組63可處理以下燃料中之至少一者，該等燃料選自以下各者：來自管線之天然氣、壓縮天然氣、丙烷、液化石油氣、汽油、柴油、家用燃油、煤油、JP-5、JP-8、航空燃料、氫氣、氨氣、乙醇、甲醇、合成氣體、生物氣體、生物柴油及其他合適含烴燃料或含氫燃料。必要時，重組器37可位於燃料處理模組63中。或者，若需要將重組器37與燃料電池堆疊9熱整合，則重組器37可位於燃料電池堆疊模組61中。此外，若使用內部重組之燃料電池，則可完全省略外部重組器37。或者，可在上文所提及之位置之任何組合中進行重組。
系統60亦含有一或多個電力調節模組65。此等模組65為含有用於將DC電力轉換為AC電力、連接至柵格及管理瞬態之組件的器件。電力調節模組65可設計成將來自燃料電池模組61之DC電力轉換為不同AC電壓及頻率。可提供針對208V、60Hz；480V、60Hz；415V、50Hz及其他共同電壓及頻率之設計。舉例而言，每一模組65可含有用於燃料電池模組61中之每一對堆疊9的專用DC/DC轉換器單元及用於每一模組65之複數個DC/DC轉換器單元的DC/AC轉換器單元。
每一類型之模組61、63、65可安裝於單獨容器(諸如，匣、機架或平台)中或安裝於單獨容器上。因此，容器可定位成彼此分離，且可單獨地移動、修復或服務。舉例而言，如圖10中所展示，燃料電池堆疊模組61位於共同熱匣62中。一或多個燃料處理模組63可位於單獨匣67中。該一或多個電力調節模組65可位於單獨托架69上。
本文中所描述之燃料電池系統可在需要時具有其他實施例及組態。必要時，可添加其他組件，如(例如)在以下申請案中所描述：2002年11月20日申請之美國申請案第10/300,021號；2007年1月22日申請之美國申請案第11/656,006號；2003年4月9日申請之美國臨時申請案序第60/461,190號；及2003年5月29日申請之美國申請案第10/446,704號，所有該等申請案之全文以引用之方式併入本文中。此外，應理解，本文中在任何實施例中所描述及/或任何圖式中所說明之任何系統元件或方法步驟亦可用於上文所描述之其他合適實施例之系統及/或方法中，即使並未明確地描述此使用時亦如此。
已出於說明及描述之目的而呈現本發明的以上描述。其並不意欲為詳盡的或將本發明限於所揭示之精確形式，且修改及變化鑒於上述教示為可能的或可自本發明之實踐獲取。選擇該描述以便解釋本發明之原理及其實踐應用。意欲本發明之範疇由附加至其的申請專利範圍及其等效物來界定。
78‧‧‧升流管
78ci‧‧‧拐角入口升流管
78co‧‧‧對角線拐角升流管
78di‧‧‧拐角升流管
78do‧‧‧對角線拐角升流管
78mi‧‧‧中間入口升流管
78mo‧‧‧中間出口升流管
78ni‧‧‧中間入口升流管
78no‧‧‧中間出口升流管
80‧‧‧多流熱交換器
81a‧‧‧端板
81b‧‧‧端板
82‧‧‧空氣預熱器/空氣預熱器段
83‧‧‧燃料熱交換器/燃料熱交換器段
84‧‧‧空氣熱交換器/空氣熱交換器段
85‧‧‧出口/燃料開口
86‧‧‧入口/空氣開口
87‧‧‧出口/空氣開口
88‧‧‧入口/燃料開口
89‧‧‧入口/空氣開口
90‧‧‧出口/燃料開口
91‧‧‧入口/燃料開口
92‧‧‧出口/空氣開口
93a‧‧‧板
93b‧‧‧板
93c‧‧‧板
93d‧‧‧板
93e‧‧‧板
93f‧‧‧板
96‧‧‧熱空氣
97‧‧‧冷空氣
98‧‧‧熱燃料
99‧‧‧冷燃料
201‧‧‧密封件

Claims (22)

  1. 一種多流熱交換器，其包含：位於兩個端板之間的一中間板堆疊；位於鄰近於該堆疊之一端板處的至少一空氣預熱器段、位於鄰近於另一端板處的至少一陰極復熱器段及位於該空氣預熱器段與該陰極復熱器段之間的至少一陽極復熱器段，其中每一段包含至少兩個板；複數個升流管，其穿過該等端板及該中間板堆疊；及位於板之間的複數個流徑。
  2. 如請求項1之熱交換器，其中該中間板堆疊經銅焊而具有銅焊邊界。
  3. 如請求項1之熱交換器，其中每一板為矩形或梯形且具有在一端附近之四個孔及在另一端附近之四個孔。
  4. 如請求項1之熱交換器，其中每一端板具有在一端附近之兩個孔及在另一端附近之兩個孔。
  5. 如請求項1之熱交換器，其中該等陰極復熱器段及該等陽極復熱器段在該堆疊內交替配置。
  6. 如請求項1之熱交換器，其中存在八個升流管。
  7. 如請求項1之熱交換器，其進一步包含：四個入口，其中一燃料電池燃料入口管路連接至一第一入口；一燃料電池空氣入口管路連接至一第二入口；一燃料電池陽極排放管路連接至一第三入口；及一燃料電池陰極排放管路連接至一第四入口。
  8. 如請求項7之熱交換器，其中：一燃料電池燃料入口流與一燃料電池陽極排放流流經該陽極復熱器段並交換熱；該燃料電池陽極排放流與一燃料電池空氣入口流流經該空氣預熱器段並交換熱； 且該燃料電池空氣入口流與一燃料電池陰極排放流流經該陰極復熱器段並交換熱。
  9. 一種操作一多流熱交換器之方法，其包含：使一燃料電池燃料入口流流至一第一入口中且流經一中間板堆疊及兩個端板；使一燃料電池空氣入口流流至一第二入口中且流經一中間板堆疊及兩個端板；使一燃料電池陽極排放流流經一第三入口且流經一中間板堆疊及兩個端板；及使一燃料電池陰極排放流流經一第四入口且流經一中間板堆疊及兩個端板；其中：該燃料電池燃料入口流與該燃料電池陽極排放流流經一陽極復熱器段並交換熱；該燃料電池陽極排放流與該燃料電池空氣入口流流經該空氣預熱器段並交換熱；該燃料電池空氣入口流與該燃料電池陰極排放流流經該陰極復熱器段並交換熱；且該空氣預熱器段位於鄰近於該堆疊之一端板處，該陰極復熱器段位於鄰近於另一端板處，且該陽極復熱器段位於該空氣預熱器段與該陰極復熱器段之間。
  10. 如請求項9之方法，其進一步包含使每一流流至一穿過該等端板及該中間板堆疊而形成之升流管中。
  11. 如請求項9之方法，其進一步包含使每一流流經兩個板之間的一流徑。
  12. 一種多流熱交換器，其包含： 至少一空氣預熱器段、至少一陰極復熱器段及至少一陽極復熱器段，其中每一段為一具有兩個主要表面及複數個邊緣表面之板型熱交換器；穿過板中之至少一些者的複數個升流管；及位於板之間的複數個流徑；其中該陰極復熱器段位於鄰近於該陽極復熱器之一第一邊緣表面處，且該空氣預熱器段位於鄰近於該陽極復熱器之一第二邊緣表面處。
  13. 如請求項12之熱交換器，其中每一段中之該等板經銅焊而具有銅焊邊界。
  14. 如請求項12之熱交換器，其中每一板為矩形或梯形。
  15. 如請求項12之熱交換器，其中該第一邊緣表面鄰近於該第二端表面。
  16. 如請求項12之熱交換器，其進一步包含一壁，該壁用以將該空氣預熱器段中之至少一些流徑與該陽極復熱器段中之至少一些流徑分離。
  17. 如請求項12之熱交換器，其進一步包含四個入口，其中一燃料電池燃料入口管路連接至一第一入口；一燃料電池空氣入口管路連接至一第二入口；一燃料電池陽極排放管路連接至一第三入口；及一燃料電池陰極排放管路連接至一第四入口。
  18. 如請求項12之熱交換器，其中：一燃料電池燃料入口流與一燃料電池陽極排放流流經該陽極復熱器段並交換熱；該燃料電池陽極排放流與一燃料電池空氣入口流流經該空氣預熱器段並交換熱；且該燃料電池空氣入口流與一燃料電池陰極排放流流經該陰極復熱器段並交換熱。
  19. 一種操作一多流熱交換器之方法，其包含： 使一燃料入口流流至一第一入口中且流經一陽極復熱器段；使一空氣入口流流至一第二入口中且流經一空氣預熱器段及一陰極復熱器段；使一陽極排放流流經一第三入口且流經該陽極復熱器段及該空氣預熱器段；及使一陰極排放流流經一第四入口且流經該陰極復熱器段；其中該陰極復熱器段位於鄰近於該陽極復熱器之一第一邊緣表面處，且該空氣預熱器段位於鄰近於該陽極復熱器之一第二邊緣表面處。
  20. 如請求項19之方法，其進一步包含使每一流流經一升流管。
  21. 如請求項19之方法，其進一步包含使每一流流經兩個板之間的一流徑。
  22. 如請求項19之方法，其中：該燃料電池燃料入口流與該燃料電池陽極排放流流經該陽極復熱器段並交換熱；該燃料電池陽極排放流與該燃料電池空氣入口流流經該空氣預熱器段並交換熱；且該燃料電池空氣入口流與該燃料電池陰極排放流流經該陰極復熱器段並交換熱。
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