專利名稱：具有改善的氣體導(dǎo)向和熱交換的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的制作方法
具有改善的氣體導(dǎo)向和熱交換的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)背景介紹本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)和裝置，具體涉及具有改善的氣體導(dǎo)向和溫度調(diào)控的燃 料電池系統(tǒng)和裝置。燃料電池是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將燃料的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能的電裝置。通常，燃料電池包 括一對(duì)由電解質(zhì)隔開(kāi)的電極。電解質(zhì)僅僅允許特定類型的離子通過(guò)。離子穿過(guò)電解質(zhì)的選 擇性通過(guò)在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電勢(shì)，這可以以電力的形式被利用。為了增大功率輸出，可以 將多個(gè)燃料電池包括在燃料電池系統(tǒng)中。例如，多個(gè)燃料電池可以被集合成燃料電池堆。在現(xiàn)有技術(shù)中已知的不同類型的燃料電池中，在更高溫度下操作的燃料電池(例 如，固體氧化物燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池)往往可提供比低溫燃料電池(例如，磷酸 燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池)更高的燃料-電力效率。固體氧化物燃料電池(SOFC) 和熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)分別利用氧離子傳導(dǎo)電解質(zhì)和碳酸根離子傳導(dǎo)電解質(zhì)，并 且在高于500°C的溫度下工作。為了獲得這樣高的工作溫度并消除延長(zhǎng)的起動(dòng)時(shí)間，這些高 溫燃料電池系統(tǒng)需要能夠進(jìn)行有效熱調(diào)控的設(shè)計(jì)。此外，包括重整器的燃料電池系統(tǒng)在對(duì)其溫度進(jìn)行調(diào)控方面提出了挑戰(zhàn)。烴燃料 的吸熱性重整(例如，蒸汽重整)通常需要在高溫度下進(jìn)行，而放熱性重整(例如，部分氧 化重整)反應(yīng)可能釋放過(guò)多的熱量，該過(guò)多的熱量如果不適當(dāng)?shù)卣{(diào)控的話可能破壞重整催 化劑和/或燃料電池系統(tǒng)的其它部件。燃料電池系統(tǒng)中的集電裝置，即收集由電化學(xué)反應(yīng) 產(chǎn)生的電流的裝置，特別容易因熱而損壞，因?yàn)樗鼈兺ǔＳ稍谳^低溫度下熔融的金屬(例 如銀)制成。因此，存在對(duì)于如下的燃料電池系統(tǒng)的需要，該燃料電池系統(tǒng)被設(shè)計(jì)來(lái)提供改善 的熱調(diào)控，這將允許燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行效率提高。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到前述情況，本發(fā)明提供了固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其包括一個(gè)或多個(gè)燃 料電池和其與所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池中的每一個(gè)流體連通的中心支撐元件。每一個(gè)燃料 電池具有陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施例中，中心支撐元件可以包括內(nèi)縱長(zhǎng)元件和外縱 長(zhǎng)元件，其中所述外縱長(zhǎng)元件可以與所述內(nèi)縱長(zhǎng)元件同心并圍繞所述內(nèi)縱長(zhǎng)元件布置。內(nèi) 縱長(zhǎng)元件可以限定適用于將燃料傳輸?shù)剿鲆粋€(gè)或多個(gè)陽(yáng)極的內(nèi)縱長(zhǎng)通道，外縱長(zhǎng)元件可 以限定適用于將氧化劑傳輸?shù)剿鲆粋€(gè)或多個(gè)陰極的外縱長(zhǎng)通道。在一些實(shí)施例中，所述 一個(gè)或多個(gè)燃料電池圍繞所述中心支撐元件布置。在一些實(shí)施例中，所述中心支撐元件包含一種或多種催化劑。例如，所述一種或多 種催化劑可以涂覆在所述中心支撐元件的內(nèi)縱長(zhǎng)元件的內(nèi)表面的至少一部分上，或者與所 述中心支撐元件的內(nèi)縱長(zhǎng)元件的內(nèi)表面的至少一部分相關(guān)聯(lián)。所述一種或多種催化劑可以 是重整催化劑(例如，部分氧化重整催化劑和/或蒸汽重整催化劑)、燃燒催化劑和/或其 組合。在一些實(shí)施例中，催化劑可以是分段催化劑。例如，分段催化劑可以包括部分氧化催 化劑、部分氧化和燃燒組合催化劑、燃燒催化劑和蒸汽重整催化劑的分段混合物。
在一些實(shí)施例中，燃料電池系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極出口流動(dòng)通道以及一個(gè) 或多個(gè)陰極出口流動(dòng)通道。所述一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極出口流動(dòng)通道可以與所述一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極 流體連通，并且適用于引導(dǎo)來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極的陽(yáng)極排出物。所述一個(gè)或多個(gè)陰極 出口流動(dòng)通道可以與所述一個(gè)或多個(gè)陰極流體連通，并且適用于引導(dǎo)來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè) 陰極的陰極排出物。燃料電池系統(tǒng)可以包括還原腔，所述還原腔與所述一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極出 口流動(dòng)通道流體連通，并基本不含任何氧化劑。燃料電池系統(tǒng)還可以包括一個(gè)或多個(gè)集電 器，所述集電器布置在所述還原腔中，并與所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池中的每一個(gè)電連通。燃 料電池系統(tǒng)可以還包括后燃燒器，所述后燃燒器與所述還原腔和所述一個(gè)或多個(gè)陰極出口 流動(dòng)通道流體連通。所述后燃燒器可以適用于允許來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極的所述陽(yáng)極排 出物和來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)陰極的所述陰極排出物結(jié)合。
在一些實(shí)施例中，所述還原腔可以與絕緣材料熱連通。例如，絕緣材料可以存在于 還原腔和后燃燒器之間。在某些實(shí)施例中，后燃燒器包括至少部分涂覆有燃燒催化劑的內(nèi) 表面。還原腔和/或后燃燒器可以圍繞中心支撐元件布置。本發(fā)明的另一方面涉及一種運(yùn)行燃料電池系統(tǒng)的方法，燃料電池系統(tǒng)例如為與上 述的各個(gè)實(shí)施例相似的燃料電池系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，所述燃料電池系統(tǒng)可以包括一個(gè) 或多個(gè)燃料電池、與所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池流體連通的中心支撐元件以及與所述一個(gè)或 多個(gè)燃料電池電連通的集電器。所述集電器圍繞所述中心支撐元件布置。所述中心支撐元 件包括限定內(nèi)縱長(zhǎng)通道的內(nèi)縱長(zhǎng)元件和限定外縱長(zhǎng)通道的外縱長(zhǎng)元件。所述外縱長(zhǎng)元件可 以與所述內(nèi)縱長(zhǎng)元件同心并圍繞所述內(nèi)縱長(zhǎng)元件布置。所述燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行方法可以包括將燃料通過(guò)所述內(nèi)縱長(zhǎng)元件引導(dǎo)到所述 一個(gè)或多個(gè)燃料電池的陽(yáng)極；以及將氧化劑通過(guò)所述外縱長(zhǎng)元件引導(dǎo)到所述一個(gè)或多個(gè)燃 料電池的陰極。在燃料電池系統(tǒng)的各個(gè)階段中所述內(nèi)縱長(zhǎng)元件的溫度和所述外縱長(zhǎng)元件的 溫度之間可以產(chǎn)生溫度差。所述溫度差可以促進(jìn)傳熱并有助于調(diào)控所述中心支撐元件中的 局部溫度以及燃料電池系統(tǒng)的整體溫度。在一些實(shí)施例中，通過(guò)所述外縱長(zhǎng)元件弓I導(dǎo)所述氧化劑保護(hù)了所述集電器免于暴 露于過(guò)量的熱。在一些實(shí)施例中，燃料電磁系統(tǒng)可以包括還原腔，其中，一個(gè)或多個(gè)集電器 可以設(shè)置在還原腔內(nèi)。所述還原腔可以與后燃燒器流體連通。在這些實(shí)施例中，本發(fā)明的方 法還可以包括將來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池的陽(yáng)極的陽(yáng)極排出物引導(dǎo)到所述還原腔； 將來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池的陰極的陰極排出物引導(dǎo)到所述后燃燒器；將未反應(yīng)的燃 料從所述還原腔引導(dǎo)到所述后燃燒器；以及使得未反應(yīng)的燃料和未反應(yīng)的氧化劑在所述后 燃燒器中結(jié)合。在某些實(shí)施例中，所述方法可以包括在所述后燃燒器中燃燒所述陽(yáng)極排出 物和所述陰極排出物，和/或包括在所述還原腔和所述后燃燒器之間設(shè)置絕緣材料。


應(yīng)該理解，以下所述的附圖的重點(diǎn)在于說(shuō)明本發(fā)明的原理，而不必按比例繪制。附 圖并不意在以任何方式限制本發(fā)明的范圍。圖1是本發(fā)明的固體氧化物燃料電池的實(shí)施例的示意性透視圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池堆的實(shí)施例的示意性透視圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的實(shí)施例的剖視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的中心支撐元件的實(shí)施例的示意性透視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一部分提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其通過(guò)改善溫度調(diào)控和電流收集而具 有提高的效率。通過(guò)提供將進(jìn)氣和排氣高效和有效地傳輸通過(guò)燃料電池系統(tǒng)的氣體導(dǎo)向特 征，可以調(diào)控燃料電池系統(tǒng)的溫度，并且可以改善電流收集。更具體地，本發(fā)明提供一種固 體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其具有與絕緣還原腔和后燃燒器流體連通的中心支撐元件。彼此 緊密接近的不同溫度氣體的新穎的氣體導(dǎo)向可以促進(jìn)熱交換和溫度調(diào)控。此外，僅僅還原 氣體到還原腔(其容納集電器)中的導(dǎo)向以及對(duì)集電器附近的直接燃燒的限制提高了電流 收集效率。在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中，在裝置或組合物被描述為具有、包括或包含特定部件(成分)的 情況下，或者在方法被描述為具有、包括或包含特定的處理步驟的情況下，應(yīng)該認(rèn)為本發(fā)明 的組合物也可基本由所記述的部件(成分)構(gòu)成或者由所記述的部件(成分)構(gòu)成，并且 本發(fā)明的方法也可基本由所記述的處理步驟構(gòu)成或者由所記述的處理步驟構(gòu)成。應(yīng)該理解 的是，步驟的順序或用于執(zhí)行特定動(dòng)作的順序只要在本發(fā)明的方法和工藝保持可操作的情 況下就不是關(guān)鍵性的。此外，兩個(gè)或多個(gè)步驟或動(dòng)作可以同時(shí)進(jìn)行。在本申請(qǐng)中，在將要素或成分描述為被包括在所記述的要素或成分的列表中和/ 或選自所記述的要素或成分的列表的情況下，應(yīng)該理解的是，該要素或成分可以是所記述 的要素或成分中的任一種，并可以從由所記述的要素或成分中的兩種或多種組成的組中選 擇。此外，應(yīng)該理解的是，此處所描述的組合物、設(shè)備或方法的要素和/或特征可以在不偏 離本發(fā)明的實(shí)旨和范圍的情況下以各種方式進(jìn)行組合，而不論是否在本文中進(jìn)行了明示或
日首不。除非明確地另有說(shuō)明，術(shù)語(yǔ)“包括”或“具有”的使用應(yīng)該一般地理解為開(kāi)放式的 且非限制性的。除非明確地另有說(shuō)明，本文中單數(shù)的使用包括復(fù)數(shù)的情況(反之亦然)。此外，除 非另有說(shuō)明，在量值前使用術(shù)語(yǔ)“約”的情況下，本發(fā)明還包括具體量值本身。一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其具有改善的氣體導(dǎo)向、溫度調(diào) 控和電流收集。如圖1所示，本發(fā)明一般地提供了一種燃料電池系統(tǒng)10，其包括中心支撐元 件12和布置在中心支撐元件12周圍或圍繞中心支撐元件12布置的燃料電池堆1。燃料電 池堆可以包括一個(gè)或多個(gè)燃料電池32。一般而言，燃料電池系統(tǒng)10還包括燃料電池板4、 集電組件35、后燃燒器(沒(méi)有示出)和任選的歧管蓋30。燃料電池板可以由合金、金屬或 陶瓷材料制成，并且可以是致密的或多孔的。類似地，后燃燒器可以由合金、金屬或陶瓷材 料制成，并且可以是致密的或多孔的。在一些實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池可以是可拆卸的，或者在一端(即，遠(yuǎn) 端)剛性固定到燃料電池板而在另一端(即，近端)剛性固定到集流組件。與燃料電池相 似，中心支撐元件的遠(yuǎn)端可以是可拆卸的，或者剛性固定到燃料電池板的近側(cè)。燃料電池板 可以是各種幾何結(jié)構(gòu)或不規(guī)則形狀的盤或板，其包括多個(gè)開(kāi)口，用于通過(guò)或附裝中心支撐 管或一個(gè)或多個(gè)燃料電池。在一些實(shí)施例中，中心支撐元件可以經(jīng)由任選的歧管蓋與一個(gè) 或多個(gè)燃料電池流體連通，歧管蓋(如果有的話)可以被附裝到燃料電池板的遠(yuǎn)側(cè)。集流組件和后燃燒器都可以布置在中心支撐元件周圍，其中，后燃燒器緊鄰集流組件。除了將一種或多種燃料和氧化劑引入到燃料電池之外，在含烴燃料(例如丙烷) 被用作燃料電池的燃料時(shí)，中心支撐元件可以通過(guò)包含一種或多種重整催化劑而充當(dāng)重整 器。中心支撐元件可以具有雙通道設(shè)計(jì)，所述雙通道設(shè)計(jì)通過(guò)提供貫穿燃料電池系統(tǒng)的熱 調(diào)控和氣體導(dǎo)向，可以整體上提高燃料電池系統(tǒng)的效率。中心支撐元件可以通過(guò)物理、機(jī)械和/或化學(xué)手段接合到燃料電池板。在一些實(shí) 施例中，中心支撐元件和燃料電池板之間的連接可以是緊密滑動(dòng)配合，使得中心支撐元件 通過(guò)摩擦被適當(dāng)?shù)乇３衷谌剂想姵匕迳稀Ｔ谄渌鼘?shí)施例中，中心支撐元件和燃料電池板可 以利用本領(lǐng)域中已知的各種粘合劑接合在一起。例如，可以使用商業(yè)可得的氧化鋁接合劑。一個(gè)或多個(gè)燃料電池可以以類似方式附接到燃料電池板上。例如，一個(gè)或多個(gè)燃 料電池可以通過(guò)插入到燃料電池板中的開(kāi)口或孔洞中而安裝到燃料電池板上。這些開(kāi)口的 直徑可以等于或稍小于燃料電池的直徑。在其它實(shí)施例中，如圖2所示，一個(gè)或多個(gè)燃料電 池32可以被安裝在燃料電池板4的凸起特征，例如噴射栓7上。噴射栓7可以被形成為燃 料電池板4的整體特征，或者被單獨(dú)制造并附接到燃料電池板4上。燃料電池的直徑可以 稍大于噴射栓的直徑，使得當(dāng)燃料電池被安裝在噴射栓上時(shí)形成窄的間隙。盡管存在這樣 的窄的間隙，但不需要單獨(dú)的密封來(lái)防止氣體泄露，因?yàn)閲娚渌ê腿剂想姵氐膬?nèi)部通道之 間通過(guò)窄間隙的壓降遠(yuǎn)高于通過(guò)燃料電池本身的壓降。因此，存在足夠的背壓使得從燃料 電池的內(nèi)部通道的氣體泄露最小化，而無(wú)需使用單獨(dú)的密封。例如，直徑為2. 8mm的燃料電 池可以被安裝到直徑為2. 5-2. 7mm的噴射栓上，并且所形成的間隙不會(huì)干擾燃料電池系統(tǒng) 的運(yùn)行。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，中心支撐元件也可以以類似方式安裝在燃料電池板的噴 射栓上。在某些實(shí)施例中，燃料電池系統(tǒng)可以包括緊鄰燃料電池板布置的絕緣板。燃料電 池可以經(jīng)由絕緣板上的開(kāi)口穿過(guò)絕緣板。這些開(kāi)口可以被制成具有等于或稍小于各個(gè)燃料 電池的直徑的直徑，導(dǎo)致燃料電池和絕緣板之間的緊密配合。絕緣板可以通過(guò)化學(xué)或物理 手段，諸如通過(guò)粘合劑或摩擦，附裝到燃料電池板上。所得到的燃料電池板/絕緣板組件由 于燃料電池和圍繞燃料電池的區(qū)域之間的大的壓降，而可以產(chǎn)生提高的耐氣體泄露性。在一些實(shí)施例中，歧管蓋可以包括大致半球形(S卩，圓頂)末端。在燃料電池運(yùn)行 過(guò)程中，隨著高溫氣體在歧管蓋內(nèi)部循環(huán)，可能導(dǎo)致熱應(yīng)力，而大致半球形結(jié)構(gòu)可以有助于 減少歧管蓋內(nèi)的應(yīng)力集中。在其它實(shí)施例中，歧管蓋可以具有平面端表面。例如，歧管蓋可 以被形成為圓柱形蓋。由于其幾何形狀，圓柱形蓋在燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中可能經(jīng)歷 熱膨脹。為了減少作用在端表面和圓柱側(cè)壁的交接處的熱致應(yīng)力，圓柱形歧管蓋在其邊緣 周圍可以包括內(nèi)圓角。在其它實(shí)施例中，燃料電池堆可以被插入到不透氣的絕緣封裝中，從 而提供與燃料電池板間隔的(即，在燃料電池板和絕緣封裝之間的)空的空間，來(lái)代替單獨(dú) 的歧管蓋。如歧管蓋一樣，空的空間提供氣體從中心支撐元件通到燃料電池的通路，使得其 彼此流體連通。 燃料電池堆通常包括多個(gè)圍繞中心支撐管布置的燃料電池。用于本發(fā)明的燃料電 池系統(tǒng)的燃料電池可以被描述為管式陽(yáng)極支撐燃料電池。更具體地，燃料電池可以包括用 作支撐的內(nèi)部燃料電極(即，陽(yáng)極)、中間電解質(zhì)和外部空氣電極(即，陰極)。管式陽(yáng)極支 撐通常可以限定出中空中心孔(即，通道)。在其它實(shí)施例中，燃料電池可以是陰極支撐、電解質(zhì)支撐或基材支撐燃料電池。就幾何形狀而言，管式燃料電池可以是圓柱形的，或者可 以是多邊形的或者是其它形狀(例如，橢圓)。例如，管式燃料電池可以具有大致三角形形 狀，其利用倒圓頂角接合三個(gè)表面。在一些實(shí)施例中，如美國(guó)專利No. 6，998，187所述的，陽(yáng) 極可以包括一個(gè)或多個(gè)從其內(nèi)壁突出到中心孔中的支撐特征(例如，凸臺(tái)或凸起)，其中， 美國(guó)專利No. 6，998，187的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用被全文包括于此。在組成上，電極可以由本領(lǐng)域已知的任何合適的多孔電極材料制成。例如，陽(yáng)極可 以由陶瓷材料或金屬陶瓷材料制成。陶瓷材料或金屬陶瓷材料中的陶瓷組分可以包括例如 氧化鋯基材料或氧化鈰基材料。實(shí)例包括但不限于穩(wěn)定化的氧化鋯(例如，氧化釔穩(wěn)定氧 化鋯，特別是(ZrO2)a92(Y2O3)atl8))和摻雜氧化鈰(例如釓摻雜氧化鈰，特別是(Cea9tlGdaitl) 0L95)。在金屬陶瓷材料的情況下，金屬組分可以包括一種或多種過(guò)渡金屬，其合金和/或物 理混合物。金屬組分(例如，Ni，Co，Cu，Ag和W)可以以氧化物或鹽(例如，NiO，Ni (NO3)2) 的形式引入，并且可以以從約30. Ovol. %到約80. Ovol. % (基于金屬陶瓷材料的總體積) 的量存在。例如，陽(yáng)極可以是具有氧化釔穩(wěn)定氧化鋯的多孔鎳金屬陶瓷多孔鎳。其它合適 的電極材料包括氧化鋁和/或氧化鈦基陶瓷，其可以包含或不包含金屬組分。合適的陰極 材料的實(shí)例包括各種鈣鈦礦，諸如但不限于，亞錳酸鑭鈣鈦礦陶瓷、鐵酸鑭鈣鈦礦陶瓷、亞 錳酸鐠鈣鈦礦陶瓷和鐵酸鐠鈣鈦礦陶瓷。電解質(zhì)層可由與上述的相同的陶瓷和金屬陶瓷制成。金屬陶瓷材料中合適的金屬 組分包括但不限于，Ni、Co、Cu、Ag、W、Pt、Ru、其合金和/或其物理混合物。金屬組分的含量 可以從約0. Ivol. %到約15vol. %。在各種實(shí)施例中，電介質(zhì)層可以由摻雜陶瓷制成。例 如，摻雜氧化鋯的薄致密層可以用作電解質(zhì)層。電解質(zhì)層和陰極材料可以通過(guò)各種沉積技 術(shù)沉積在陽(yáng)極上，所述沉積技術(shù)包括但不限于，滑動(dòng)涂敷、浸涂、噴涂和印刷。在沉積之后， 可以將不同的層共燒結(jié)或順序地?zé)Y(jié)。圖3是圖1所描繪的燃料電池系統(tǒng)的更詳細(xì)的剖視圖。燃料電池系統(tǒng)10包括一個(gè) 或多個(gè)燃料電池32和中心支撐元件12。中心支撐元件12包括一個(gè)或多個(gè)氧化劑入口 14、 一個(gè)或多個(gè)燃料入口 16、燃料元件17、燃料通道18、氧化劑元件19和氧化劑通道20。燃料 電池系統(tǒng)的其它部件包括燃料電池板(沒(méi)有示出)、集電組件35、后燃燒器38以及任選的 歧管30。燃料(例如，丙烷和空氣的混合物)經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)燃料入口 16進(jìn)入燃料電池系 統(tǒng)，并且經(jīng)由燃料通道18輸送到各個(gè)燃料電池32的陽(yáng)極。氧化劑(例如空氣)經(jīng)由一個(gè) 或多個(gè)氧化劑入口進(jìn)入燃料電池系統(tǒng)，并且經(jīng)由氧化劑通道20輸送到各個(gè)燃料電池32的 陰極。如圖1所示，一個(gè)或多個(gè)燃料電池32被圍繞中心支撐元件12布置。參考圖4，中心支撐元件12 —般包括內(nèi)縱長(zhǎng)元件17 (在此也被稱為燃料元件)和外縱長(zhǎng)元件19 (在此也被稱為氧化劑元件)。外縱長(zhǎng)元件可以相對(duì)于內(nèi)縱長(zhǎng)元件同心地并 圍繞其布置。這些元件中的每一個(gè)可以是圓柱形的，或者可以具有其它幾何形狀(例如，矩 形、多邊形、橢圓等)。內(nèi)縱長(zhǎng)元件17可以限定內(nèi)縱長(zhǎng)通道18 (在此也被稱為燃料通道)， 所述內(nèi)縱長(zhǎng)通道18適用于將一種或多種燃料(例如，燃料混合物)傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)燃料 電池中的每一個(gè)的陽(yáng)極，而外縱長(zhǎng)元件19可以限定外縱長(zhǎng)通道20 (在此也被稱為氧化劑通 道)，所述外縱長(zhǎng)通道20適用于將一種或多種氧化劑傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)燃料電池中的每一 個(gè)的陰極。換句話說(shuō)，外縱長(zhǎng)通道是由外縱長(zhǎng)元件的內(nèi)壁和內(nèi)縱長(zhǎng)元件的外壁限定的環(huán)形 空間。中心支撐元件通常還包括一個(gè)或多個(gè)燃料入口和氧化劑入口，分別用于將燃料和氧化劑引入到燃料電池系統(tǒng)。內(nèi)縱長(zhǎng)元件和外縱長(zhǎng)元件可以例如由金屬、陶瓷材料(例如，氧 化鋁)、半導(dǎo)體材料、聚合材料、玻璃和其混合物構(gòu)成。為了促進(jìn)內(nèi)縱長(zhǎng)元件和外縱長(zhǎng)元件 之間的熱傳導(dǎo)，可以將導(dǎo)熱材料布置在內(nèi)縱長(zhǎng)元件和外縱長(zhǎng)元件之間，以允許物理接觸和 直接傳熱。例如，導(dǎo)熱材料可以沿外縱長(zhǎng)元件的內(nèi)壁和/或內(nèi)縱長(zhǎng)元件的外壁布置。導(dǎo)熱 材料可以是金屬材料(例如，合金或金屬)或者是陶瓷材料，并且可以是線、網(wǎng)、泡沫或其組 合的形式。導(dǎo)熱材料的實(shí)例是由 Inconel 600 (Special Metals Corp.，Huntington，WV) 制成的線圈，其可以具有方形或圓形外形或其它幾何形狀的外形。參考圖4，中心支撐元件12可以包含一種或多種包括重整催化劑在內(nèi)的催化劑 21，其在燃料電池系統(tǒng)適用于依靠除純氫之外的燃料運(yùn)行的情況下可以充當(dāng)重整器。例如， 諸如天然氣、丙烷、汽油、煤油和柴油之類的烴燃料與氫相比不那么貴，存儲(chǔ)更容易和更安 全，并且更容易獲得。也可以使用諸如合成甲醇和從植物獲得的乙醇的醇。在一些實(shí)施例 中，內(nèi)縱長(zhǎng)元件17的內(nèi)壁可以用一種或多種重整催化劑21完全或部分加襯。這些催化劑 可以是如下形式涂層、陶瓷珠和/或擔(dān)載在或浸漬在蜂窩催化劑床上(圖4所示)。在一 些實(shí)施例中，內(nèi)縱長(zhǎng)元件的內(nèi)壁可以用加載有催化劑的纖維卷(例如，氈材料)加襯。在一些實(shí)施例中，如圖3所示，布置在中心支撐元件中的重整催化劑21可以是分 段催化劑。分段催化劑的組成可以隨位置而變化。這允許在燃料通過(guò)內(nèi)縱長(zhǎng)元件的不同 區(qū)段時(shí)發(fā)生不同的催化反應(yīng)。例如，分段催化劑可以包括四種布置在沿內(nèi)縱長(zhǎng)元件的不同 催化劑區(qū)段中的不同催化劑。在具體實(shí)施例中，第一催化劑區(qū)段22中的催化劑可以是低表 面積部分氧化重整催化劑，隨后依次是包括部分氧化重整催化劑或部分氧化和燃燒組合催 化劑的第二催化劑區(qū)段24、包括燃燒催化劑的第三催化劑區(qū)段26以及包括蒸汽重整催化 劑的第三催化劑區(qū)段28。分段催化劑的使用允許在更大溫度范圍內(nèi)(即，從約200°C到約 900°C )的燃料重整，這是由于分段催化劑中的不同催化劑催化不同類型的重整反應(yīng)。例如，在部分氧化(P0X)重整中，燃料在催化劑上被02部分氧化，以產(chǎn)生一氧化碳 和氫氣。反應(yīng)是放熱的，但是代價(jià)是較低的氫產(chǎn)率。CnHm+ (n/2) 02 — nC0+ (m/2) H2示例性的部分氧化重整催化劑包括但不限于Pt，Ni, ff, Ru，Au，Pd，Mo, Cu，Sn，Rh
和V。在一些實(shí)例中，第一部分氧化重整催化劑可以包括鉬和氧化鎳。與后面的部分氧化重 整和燃燒組合催化劑相比，該部分氧化物重整催化劑可以具有較低的表面積(例如，低的 金屬加載量)，大部分燃料(例如60% )預(yù)期被第一催化劑區(qū)段(由于其緊鄰燃料入口以 及后燃燒器提供的熱)重整。因此，第一部分氧化重整催化劑也需要更耐用，因?yàn)樽⑷氲饺?料電池系統(tǒng)中的所有燃料都將與第一催化劑區(qū)段接觸。在某些實(shí)施例中，第二催化劑可以是高表面積部分氧化重整催化劑，其金屬加載 量通常高于第一部分氧化重整催化劑。這是因?yàn)?，在第二催化劑區(qū)段位于第一催化劑區(qū)段 的下游的情況下，可用于重整的燃料更少，因?yàn)樾枰叩谋砻娣e進(jìn)行有效重整。在一些實(shí) 施例中，此第二催化劑區(qū)段可以包括鎳和鉬，其中鎳的比率高于鉬。例如，鎳與鉬的比率可 以從約5 1到約15 1。在一些實(shí)施例中，第二催化劑區(qū)段中的催化劑可以是部分氧化 重整催化劑和燃燒催化劑的混合物。部分氧化催化劑可以是高表面積的上述部分氧化催化 劑。燃燒催化劑可以是下述的燃燒催化劑。第三催化劑區(qū)段中的燃燒催化劑可以是金屬催化劑，例如包括一種或多種選自Pd，Pt，Cu, Mn和Rh的促進(jìn)燃料燃燒的燃料金屬的催化劑。由燃燒產(chǎn)生的熱可以被傳輸?shù)?第二催化劑區(qū)段和第四催化劑區(qū)段分別位于其的沿內(nèi)縱長(zhǎng)通道的相鄰區(qū)段，以引發(fā)這些催 化劑能夠進(jìn)行的部分氧化重整反應(yīng)。因?yàn)槿紵呋瘎┰谳^低溫度下工作，所以燃燒催化劑 將是在四階段催化劑(four stage catalyst)中的首先開(kāi)始對(duì)輸入的燃料進(jìn)行重整的催化 劑。四個(gè)催化劑區(qū)段可以包括蒸汽重整催化劑和/或部分氧化重整催化劑。蒸汽重整 通過(guò)對(duì)于如下反應(yīng)的催化產(chǎn)生一氧化碳和氫氣CnHm+nH20 — nC0+ (m/2+n) H2該過(guò)程是高度吸熱的(即，在從約700°C到約1000°C范圍內(nèi)的溫度下發(fā)生)，并會(huì) 消耗可觀的能量，該能量通常由外部燃燒來(lái)提供。在本燃料電池系統(tǒng)中，所需要的熱能由來(lái) 自在上游發(fā)生的放熱的部分氧化重整和燃燒反應(yīng)的熱提供。示例性的蒸汽重整催化劑包括 各種VIII族金屬，諸如但不限于鈷和鎳。參考圖2，在燃料通過(guò)了催化劑21之后，經(jīng)重整的燃料和任何未重整的燃料流動(dòng) 通過(guò)歧管30，并且被引到一個(gè)或多個(gè)燃料電池32的陽(yáng)極。燃料電池一般是管式固體氧化 物燃料電池，并且可以被電連接以形成燃料電池堆。當(dāng)燃料通過(guò)燃料電池的陽(yáng)極時(shí)，燃料中 的一些或全部與氧離子反應(yīng)，以產(chǎn)生電力和陽(yáng)極排出物。陽(yáng)極排出物可以包含一氧化碳、二 氧化碳、水、重整催化劑的任何副產(chǎn)物、未消耗的重整燃料以及未消耗的未重整燃料。陽(yáng)極 排出物通過(guò)與燃料電池32的陽(yáng)極和集電組件35兩者流體連通的一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極出口通道 33被引到集電組件35中。集電組件35可以包括近端壁、遠(yuǎn)端壁、內(nèi)壁、外壁以及由這些壁限定的、一個(gè)或多 個(gè)集電器36位于其中的封閉腔。集電組件可以是各種形狀的，包括但不限于圓形、橢圓形 或其它幾何或不規(guī)則形狀，并且可以還包括內(nèi)通道，所述內(nèi)通道由其在近端壁和遠(yuǎn)端壁之 間的延伸的內(nèi)壁限定。內(nèi)通道可以被制成適當(dāng)?shù)某叽?，以允許中心支撐元件穿過(guò)并插入到 燃料電池堆中。在具體實(shí)施例中，中心支撐元件12延伸到集電組件35之外，可以被插入一個(gè)或多 個(gè)燃料電池之間。集電組件可以滑動(dòng)配合(即，摩擦配合)在中心支撐元件上。因此，集電 組件可以沿平行于燃料電池的軸線的方向移動(dòng)。在此使用的術(shù)語(yǔ)“移動(dòng)”是指兩個(gè)物體，諸 如集電組件和中心支撐元件，之間的相對(duì)位置的變化。其還指一個(gè)物體的一部分相對(duì)于另 一個(gè)物體(例如中心支撐元件)的相對(duì)位置變化(例如，燃料電池的一部分，諸如燃料電池 的陽(yáng)極，的伸出或回縮)。當(dāng)附接到一個(gè)或多個(gè)燃料電池上時(shí)，集電組件和一個(gè)或多個(gè)燃料 電池的組合類似地可以沿中心支撐元件滑動(dòng)，并且可以容易從該系統(tǒng)取出，以進(jìn)行維護(hù)或 替換。在燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行期間，集電組件和一個(gè)或多個(gè)燃料電池的組合由于中心支 撐元件和集電組件之間的間隙可以縱向地膨脹。這樣的運(yùn)動(dòng)自由度使得可能施加到燃料電 池上并導(dǎo)致其過(guò)早失效的縱向壓力最小化。中心支撐元件也可從燃料電池堆獨(dú)立地取出， 因?yàn)橹行闹卧梢员痪o密滑動(dòng)配合到集電組件和燃料電池板兩者中。再次參考圖3，位于集電組件35中的集電器36與各個(gè)燃料電池電極電連通。集電 組件35可以包括多個(gè)處于其遠(yuǎn)端壁上的開(kāi)口，所述開(kāi)口允許與一個(gè)或多個(gè)燃料電池中的 每一個(gè)的陽(yáng)極出口流動(dòng)通道33流體連通。
11
在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)將僅僅陽(yáng)極排出物引到集電組件中并且使得集 電組件周圍 的氧化劑導(dǎo)向，集電組件可以產(chǎn)生還原環(huán)境，即充當(dāng)還原腔34或基本沒(méi)有氧的腔。因此，此 還原腔不與燃料電池的陰極流體連通。在還原腔中具有集電器可以減少在集電器的表面 上發(fā)生氧化的危險(xiǎn)，集電器通常是容易受到氧化的金屬和/或合金(例如銀)制成的。不 期望的氧化反應(yīng)可以導(dǎo)致集電極的損壞并縮短使用壽命。還原氣氛可以提供其它益處。例 如，除了允許使用否則的話可能在高溫下、富氧環(huán)境中氧化和分解的其它可選集電材料之 外，還原氣氛可以消除由通過(guò)還原腔進(jìn)入到后燃燒器中的任何未反應(yīng)的或?yàn)橄牡娜剂系?直接燃燒導(dǎo)致集電故障的可能性。還原腔的溫度也可以通過(guò)設(shè)置與還原腔熱連通的絕緣器(圖3中未示出)來(lái)調(diào) 控。絕緣器可以圍繞還原腔布置，以限制從中心支撐元件和后燃燒器到還原腔的熱傳輸。因 為集電器通常由諸如銀的金屬制成，所以還原腔中的溫度應(yīng)當(dāng)不超過(guò)制造集電器的材料的 熔點(diǎn)。因此，可以組合使用熱絕緣器和空氣流冷卻，以調(diào)控還原腔和集電器的溫度。進(jìn)一步參考圖3，集電組件35還可以包括處于其近端壁上的開(kāi)口，所述開(kāi)口允許 與后燃燒器38流體連通。后燃燒器可以位于燃料電池系統(tǒng)10的緊鄰集電組件35的近端， 并且可以類似于集電組件35圍繞中心支撐元件布置。因此，任何未消耗燃料和從陽(yáng)極出來(lái) 的排出物將首先被導(dǎo)向到還原腔，然后到后燃燒器。后燃燒器38—般是任何未消耗燃料在其中可以被燃燒和消耗的腔。為此，后燃燒 器的內(nèi)表面可以至少部分地涂覆有燃燒催化劑。在某些實(shí)施例中，后燃燒器可以包括處于 其遠(yuǎn)端附近的第一燃燒催化劑區(qū)段42和處于其近端附近的第二燃燒催化劑區(qū)段44。在后 燃燒器中、第一燃燒催化劑區(qū)段42和第二催化劑區(qū)段44之間設(shè)置開(kāi)口，其使得后燃燒器與 一個(gè)或多個(gè)燃料電池32的陰極通過(guò)一個(gè)或多個(gè)陰極出口流動(dòng)通道40流體連通。任何未反 應(yīng)的氧化劑和/或氧化劑排出物被引到并限制在后燃燒器中的第一燃燒催化劑區(qū)段和第 二燃燒催化劑區(qū)段之間的區(qū)域內(nèi)。未反應(yīng)的氧化劑與來(lái)自陽(yáng)極排出物的未消耗的燃料在布 置在兩個(gè)燃燒催化劑部分中的燃燒催化劑上混合。由第一燃燒催化劑區(qū)段中的催化劑提供 的密封幫助阻斷未反應(yīng)氧化劑向集電組件中回流，并且?guī)椭S持還原腔中的還原環(huán)境。后 燃燒器催化劑也可以具有催化劑摻雜的纖維卷(沒(méi)有示出)。該纖維卷充當(dāng)襯墊，用于防止 氧化劑泄露到還原腔中。此外，第一后燃燒器催化劑也可以防止后燃燒器中的氧化劑進(jìn)入 還原腔中。后燃燒器38還可以包括點(diǎn)火器45 (例如火花塞)，以引發(fā)燃燒反應(yīng)。下面將結(jié)合 燃料電池系統(tǒng)的操作更詳細(xì)地描述還原腔和后燃燒器兩者的其它功能和好處。調(diào)控中心支撐元件的溫度可以消除沿中心支撐元件的長(zhǎng)度的熱點(diǎn)，或者高溫區(qū) 域。這樣的溫度調(diào)控可以最小化過(guò)早的催化劑失效，提供改善的和更高效的燃料重整，并且 最小化對(duì)于中心支撐元件的熱沖擊。下面將分兩個(gè)階段更詳細(xì)地討論裝置的操作起動(dòng)和正常工作。起動(dòng)在燃料電池系統(tǒng)的起動(dòng)期間，燃料電池堆，即多個(gè)燃料電池，處于約30°C的溫度 下。在此有些冷的溫度下，冷的燃料未經(jīng)重整地通過(guò)中心支撐元件，到達(dá)燃料的陽(yáng)極。因?yàn)?燃料電池此時(shí)沒(méi)有達(dá)到其工作溫度，所以不發(fā)電，并且燃料將不經(jīng)消耗地通過(guò)燃料電池系 統(tǒng)。類似較冷的氧化劑流穿過(guò)中心支撐元件，到達(dá)燃料電池的陰極，而不發(fā)生反應(yīng)。未反應(yīng)的氧化劑流然后被從陽(yáng)極直接導(dǎo)向通過(guò)陰極出口流動(dòng)通道，達(dá)到后燃燒器。同時(shí)，未重整和 未反應(yīng)的燃料通過(guò)集電組件的還原腔，并到達(dá)后燃燒器，在此，燃料流和氧化劑流混合并由 熱點(diǎn)火器點(diǎn)燃。由燃料的燃燒產(chǎn)生的熱將后燃燒器的溫度提高到后燃燒器催化劑將開(kāi)始催 化作用的溫度。因此，更多燃料被燃燒，并產(chǎn)生更多的熱。這樣的熱的大部分被傳到緊鄰后 燃燒器的氧化劑元件，加熱輸入的氧化劑。在氧化劑元件和燃料元件之間發(fā)生傳熱，并且在 燃料通道中的燃料達(dá)到約或超過(guò)180°C的溫度之后，第三催化劑區(qū)段中的燃燒催化劑可以 引發(fā)輸入燃料的燃燒。由燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱被傳到相鄰的包含部分氧化重整催化劑、蒸汽 重整催化劑和任選的燃燒催化劑的催化劑區(qū)段(即，第二和第四催化劑區(qū)段)。部分氧化催 化劑可以在約800°C下開(kāi)始對(duì)燃料進(jìn)行重整。在溫度超過(guò)約500°C到約700°C之后，蒸汽重 整催化劑也將開(kāi)始對(duì)燃料進(jìn)行重整。|H常工作在中心支撐元件達(dá)到處于約800°C到900°C之間的最佳工作溫度之后，中心支撐 元件中的四階段催化劑中的所有四種催化劑都將重整燃料。在正常運(yùn)行期間，第一催化劑 (即，部分氧化重整催化劑)重整約60%的燃料。然后，任何未重整的燃料行進(jìn)到第二和第 三催化劑區(qū)段，在此約30%的輸入燃料被重整。最后，剩余的10%的輸入燃料由第四催化 劑區(qū)段中的催化劑大部分重整。因此，通過(guò)使用四段催化劑，更高百分比的燃料可以被重 整，并且燃料電池系統(tǒng)的起動(dòng)時(shí)間可以被縮短。例如，現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池堆可能花費(fèi)多達(dá) 1到2個(gè)小時(shí)來(lái)起動(dòng)，而本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以在小于約20-25分鐘內(nèi)達(dá)到800°C。此外，以為燃料中的大部分在中心支撐元件中被重整，然后在燃料電池堆中被消 耗，所以非常少的燃料將在后燃燒器中燃燒。因此，在此運(yùn)行階段，從后燃燒器傳到氧化劑 通道的額外的熱量將是最小的。相反，氧化劑通道在操作期間處于約600°C。因此，如將在 下面更詳細(xì)描述的，通過(guò)氧化劑通道的輸入氧化劑實(shí)際上幫助冷卻后燃燒器。因?yàn)槿剂想姵乇粐@中心支撐元件同心地布置，并且經(jīng)由歧管與中心支撐元件流 體連通，所以由中心支撐元件提供的傳熱機(jī)構(gòu)可以幫助將燃料電池保持在其合適的工作溫 度下。一旦燃料被重整并且燃料電池的溫度提高到約800°C，由陰極產(chǎn)生的氧離子被傳輸穿 過(guò)電解質(zhì)材料，以與陽(yáng)極上的氫反應(yīng)，產(chǎn)生電力。如上所述，部分氧化重整反應(yīng)是放熱的。因此，由重整反應(yīng)在燃料元件中產(chǎn)生的熱 如果不加調(diào)控的話可能損害催化劑以及燃料電池系統(tǒng)整體。例如，催化劑可能開(kāi)始熔融，同 時(shí)催化劑中的活性金屬在約900°C到1100°C的周圍溫度下燒結(jié)，并且在約1100°C到1400°C 的溫度下熔融。當(dāng)催化劑的和燃料元件的溫度開(kāi)始升高時(shí)，在起動(dòng)期間可以預(yù)熱燃料元件的氧化 劑通道可以在操作期間用于調(diào)控并冷卻燃料元件的溫度。正如前所述一樣，燃料元件和氧 化劑元件之間發(fā)生傳熱。但是，因?yàn)樵谡＿\(yùn)行期間氧化劑元件的溫度實(shí)際低于燃料元件 的溫度(其可以具有900°C或更高的溫度)，所以熱被從燃料元件傳到氧化劑元件，而不是 像起動(dòng)階段一樣從氧化劑元件傳到燃料元件。氧化劑在燃料元件上方的恒定輸入流有助于 在燃料元件的整個(gè)長(zhǎng)度上冷卻燃料元件，防止燃料元件和其中的催化劑過(guò)熱。類似地，因?yàn)槲聪牡难趸瘎┑牧骱屯ㄟ^(guò)氧化劑通道的陰極排出物將冷于未消耗 的燃料的流和通過(guò)燃料通道的陽(yáng)極排出物，所以通過(guò)氧化劑元件和陰極元件的更冷的氧化 劑流也有助于冷卻陽(yáng)極通道，進(jìn)而冷卻集電器。通過(guò)類似的傳熱機(jī)制，通過(guò)氧化劑元件的輸入氧化劑流進(jìn)一步冷卻集電組件和后燃燒器，冷卻集電組件和后燃燒器都緊鄰氧化劑元件布置。艦在停機(jī)期間，燃料電池系統(tǒng)上的氣體流率和電負(fù)載被系統(tǒng)地減小。燃料電池系統(tǒng) 上的氣體流率和電負(fù)載的系統(tǒng)減小可以緩慢地使得燃料電池堆的溫度達(dá)到低于約200°C。 一旦燃料電池堆的溫度已經(jīng)降到低于200°C，氣流可以被關(guān)斷，并且燃料電池堆被允許冷卻 到室溫。因此，中心支撐元件的雙通道設(shè)計(jì)能夠允許在裝置的起動(dòng)期間(通過(guò)將熱傳到燃 料元件)和運(yùn)行期間(通過(guò)將熱從燃料元件傳出)的溫度調(diào)控。因此，本發(fā)明的另一方面涉及一種運(yùn)行燃料電池系統(tǒng)的方法，所述燃料電池系統(tǒng) 例如是如上所述的具有與中心支撐元件流體連通并且與集電器電連通的一個(gè)或多個(gè)燃料 電池的燃料電池系統(tǒng)。所述方法可以包括將燃料通過(guò)燃料元件(其為中心支撐元件的一部 分)引導(dǎo)到一個(gè)或多個(gè)燃料電池中的每一個(gè)的陽(yáng)極，并且將氧化劑通過(guò)氧化劑元件(其也 是中心支撐元件的一部分)引導(dǎo)到一個(gè)或多個(gè)燃料電池中的每一個(gè)的陰極。因?yàn)槿剂显?中的燃料的溫度和氧化劑元件中氧化劑的溫度是不同的，所以在燃料元件和氧化劑元件之 間可以產(chǎn)生溫度差。該溫度差導(dǎo)致兩個(gè)元件之間的傳熱(例如，通過(guò)傳導(dǎo))，并且有助于將 兩個(gè)元件保持在相同的溫度下，并且保護(hù)集電器免受過(guò)量的熱量。 該方法還可以包括將集電器設(shè)置在還原腔中，其中，還原腔與后燃燒器流體連通。 該方法可以包括將陽(yáng)極排出物(其基本是不含氧氣的)從陽(yáng)極通過(guò)還原腔引導(dǎo)到后燃燒 器，在此陽(yáng)極排出物與來(lái)自陰極的排出物(即，陰極排出物)燃燒。該方法還可以包括在還 原腔和后燃燒器之間設(shè)置絕緣材料。在中心支撐元件中設(shè)置以能夠進(jìn)行熱調(diào)控的機(jī)構(gòu)可以 幫助調(diào)控還原腔內(nèi)的集電器的溫度，燃料電池系統(tǒng)在整體上是熱連通的。其它實(shí)施例本發(fā)明還可以以上面沒(méi)有描述的其它具體形式實(shí)施，而不會(huì)偏離其精神和必要特 征。因此前述實(shí)施例在全部方面都被認(rèn)為是解釋性的而非對(duì)本文所述的本發(fā)明的限制。因 而本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而非前述說(shuō)明界定，并且意在將落在權(quán)利要求的等同方案 的含義和范圍內(nèi)的全部改變也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種燃料電池系統(tǒng)，包括一個(gè)或多個(gè)燃料電池，每一個(gè)燃料電池具有陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)；以及中心支撐元件，其與所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池中的每一個(gè)流體連通，其中所述中心支撐元件包括限定內(nèi)縱長(zhǎng)通道的內(nèi)縱長(zhǎng)元件和限定外縱長(zhǎng)通道的外縱長(zhǎng)元件，其中所述外縱長(zhǎng)元件與所述內(nèi)縱長(zhǎng)元件同心并圍繞所述內(nèi)縱長(zhǎng)元件布置，其中所述內(nèi)縱長(zhǎng)通道適用于將燃料傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)所述陽(yáng)極，所述外縱長(zhǎng)通道適用于將氧化劑傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)所述陰極，并且其中所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池圍繞所述中心支撐元件布置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述中心支撐元件包含一種或多種催 化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述中心支撐元件包含重整催化劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述中心支撐元件包含部分氧化重整催化劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述中心支撐元件包含蒸汽重整催化劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述中心支撐元件包含燃 燒催化劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述一種或多種催化劑與 所述內(nèi)縱長(zhǎng)元件的內(nèi)表面的至少一部分相關(guān)聯(lián)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述催化劑包括四階段催化劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述四階段催化劑包括部分氧化催化 劑、部分氧化和燃燒組合催化劑、燃燒催化劑以及蒸汽重整催化劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極出口流動(dòng)通道，其與所述一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極流體連通，并且適用于引導(dǎo) 來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極的陽(yáng)極排出物；一個(gè)或多個(gè)陰極出口流動(dòng)通道，其與所述一個(gè)或多個(gè)陰極流體連通，并且適用于引導(dǎo) 來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)陰極的陰極排出物；還原腔，其與所述一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極出口流動(dòng)通道流體連通，并基本不含任何氧化劑； 集電器，其布置在所述還原腔中，并與所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池中的每一個(gè)電連通；以及后燃燒器，其與所述還原腔和所述一個(gè)或多個(gè)陰極出口流動(dòng)通道流體連通，其中所述 后燃燒器適用于允許來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極的所述陽(yáng)極排出物和來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè) 陰極的所述陰極排出物結(jié)合。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述還原腔與絕緣材料熱連通。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述還原腔圍繞所述中心支撐 元件布置。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述后燃燒器包括至少 部分涂覆有燃燒催化劑的內(nèi)表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求10-13中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述后燃燒器圍繞所述中心支撐元件布置。
15.一種燃料電池系統(tǒng)，包括一個(gè)或多個(gè)燃料電池，每一個(gè)燃料電池具有陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)； 一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極出口流動(dòng)通道，其與所述一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極流體連通，并且適用于引導(dǎo) 來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極的陽(yáng)極排出物；一個(gè)或多個(gè)陰極出口流動(dòng)通道，其與所述一個(gè)或多個(gè)陰極流體連通，并且適用于引導(dǎo) 來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)陰極的陰極排出物；還原腔，其與所述一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極出口流動(dòng)通道流體連通，并基本不含任何氧化劑； 集電器，其布置在所述還原腔中，并與所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池中的每一個(gè)電連通；以及后燃燒器，其與所述還原腔和所述一個(gè)或多個(gè)陰極出口流動(dòng)通道流體連通，其中所述 后燃燒器適用于允許來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極的所述陽(yáng)極排出物和來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè) 陰極的所述陰極排出物結(jié)合。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述還原腔與絕緣材料熱連通。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述還原腔圍繞中心支撐元件 布置，所述中心支撐元件與所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池中的每一個(gè)流體連通。
18.根據(jù)權(quán)利要求15-17中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述后燃燒器包括至少 部分涂覆有燃燒催化劑的內(nèi)表面。
19.根據(jù)權(quán)利要求15-18中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述后燃燒器圍繞中心 支撐元件布置，所述中心支撐元件與所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池中的每一個(gè)流體連通。
20.根據(jù)權(quán)利要求15-19中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述還原腔和所述后 燃燒器之間存在絕緣材料。
21.一種運(yùn)行燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括提供燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)燃料電池、與所述一個(gè)或多個(gè) 燃料電池流體連通的中心支撐元件以及與所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池電連通的集電器，其 中，所述集電器圍繞所述中心支撐元件布置，并且所述中心支撐元件包括限定內(nèi)縱長(zhǎng)通道 的內(nèi)縱長(zhǎng)元件和限定外縱長(zhǎng)通道的外縱長(zhǎng)元件，所述外縱長(zhǎng)元件與所述內(nèi)縱長(zhǎng)元件同心并 圍繞所述內(nèi)縱長(zhǎng)元件布置；將燃料通過(guò)所述內(nèi)縱長(zhǎng)元件弓I導(dǎo)到所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池的陽(yáng)極；并且 將氧化劑通過(guò)所述外縱長(zhǎng)元件引導(dǎo)到所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池的陰極，其中，所述內(nèi) 縱長(zhǎng)元件的溫度和所述外縱長(zhǎng)元件的溫度產(chǎn)生溫度差，并且所述溫度差促進(jìn)所述中心支撐 元件中的傳熱和溫度調(diào)控。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，通過(guò)所述外縱長(zhǎng)元件引導(dǎo)所述氧化劑保護(hù)了 所述集電器免于暴露于過(guò)量的熱。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的方法，包括將所述集電器設(shè)置在還原腔內(nèi)，其中，所述還原腔與后燃燒器流體連通； 將來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池的陽(yáng)極的陽(yáng)極排出物引導(dǎo)到所述還原腔； 將來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池的陰極的陰極排出物引導(dǎo)到所述后燃燒器； 將所述陽(yáng)極排出物從所述還原腔引導(dǎo)到所述后燃燒器；并且使得所述陽(yáng)極排出物和所述陰極排出物在所述后燃燒器中結(jié)合。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，包括在所述后燃燒器中燃燒所述陽(yáng)極排出物和所述 陰極排出物。
25.根據(jù)權(quán)利要求23或24所述的方法，包括在所述還原腔和所述后燃燒器之間設(shè)置絕 緣材料。
26.—種運(yùn)行燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括提供燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括與還原腔流體連通的一個(gè)或多個(gè)燃料電 池，所述還原腔與后燃燒器流體連通，其中，所述還原腔包含布置在其中的集電器，并且所 述集電器與所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池電連通；將來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池的陽(yáng)極的陽(yáng)極排出物引導(dǎo)到所述還原腔；將來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池的陰極的陰極排出物引導(dǎo)到所述后燃燒器；將所述陽(yáng)極排出物從所述還原腔引導(dǎo)到所述后燃燒器；并且使得所述陰極排出物與未反應(yīng)氧化劑在所述后燃燒器中結(jié)合。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，包括在所述后燃燒器中燃燒所述陽(yáng)極排出物和所述 陰極排出物。
28.根據(jù)權(quán)利要求26或27所述的方法，包括在所述還原腔和所述后燃燒器之間設(shè)置絕 緣材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有新穎設(shè)計(jì)的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其提供改善的對(duì)于系統(tǒng)的熱調(diào)控。所公開(kāi)的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)氣體導(dǎo)向特征，所述氣體導(dǎo)向特征調(diào)控系統(tǒng)的局部區(qū)域的溫度，并且保護(hù)熱敏感的集電元件。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101821884SQ200780100957
公開(kāi)日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2007年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月3日
發(fā)明者凱納·芬納蒂, 查爾斯·羅賓森 申請(qǐng)人:納米動(dòng)力公司