专利名称：配有高温燃料电池的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种按照权利要求1的前序所述的配有高温燃料电池的设备和这种设备的运行方法。
这种设备包括一种如EP-A0780917(＝P.6719)所公开的那种装置。这种装置包含有一个装有一些燃料电池的电池单元，这燃料电池单元被一热绝缘套筒所包围。一个后燃器腔安置在上述套筒和电池单元之间。一种用于处理燃料气体的烃水蒸汽转化装置(也叫预重整装置)被安装在上述套筒中。该烃水蒸汽转化装置与一热交换器相连，借助这种热交换器就能从排放的气体中将吸热转化过程所需的热提供给这转化装置。
在很多应用中燃料主要是由甲烷所构成。在燃料气体的转化过程中，如有H2O存在而且提供过程所需的热时，则该燃料至少将部分被催化转变成CO和H2。也可用液体燃料来代替气体燃料，但是对于使用液体燃料来说，却可能连带出一些额外的问题来，因为液体燃料必须以适当的方法馈送进上述烃水蒸汽转化装置。
本发明的目的是提供一种配有高温电池的设备，在这种设备中，可用一种对整个过程有利的方式获得整个过程所需的水H2O并将此热提供给该转化过程。本目的可用权利要求1所表征的设备来实现。本发明的目的还在于提供另外的一些方法，通过这些方法能尽可能地防止在关键性的燃料，特别是液体燃料(它包含烃CnH2n+2，其中n＞5)中烟灰的形成。这进一步的目的也是借助可从后燃器腔排出并足够大量地反馈回设备的废气来实现的。
按照本发明，该设备包含有一些高温燃料电池，这些燃料电池以平面结构安置在一中心对称的堆栈中。一供应点用来提供气体或液体燃料。在跟在供应点后的烃水蒸汽转化装置中，在有H2O存在并提供过程热时，燃料至少可部分地被催化转变成CO和H2。一后燃器腔跟随在上述燃料电池的输出点之后。在供应点和后燃器腔之间有一反馈连接管路，通过它废气可以反馈回上述供应点。在没有气体提供作燃料的情形下，这供应点就包括一种馈送液体燃料的机构，例如喷嘴。
氧O2是由反馈的废气提供给燃料的。由于通过转化装置能从碳氢化化合物，CnH2n+2形成产物CO和H2因而这提供的O2就会在转化装置中导致部分氧化的发生。释放的热就为并行发生的转化过程所吸收，因而得到利用。通过部分氧化，有利地防止烟灰形成。
额外地包含在反馈废气中的CO2，与H2一样，也可使碳氢化合物向CO和H2转变。
从属权利要求2-6涉及的是按照本发明所述设备的一些优越的实施例。权利要求7-9的主题是涉及本设备的操作方法。
在后面将参考下述附图对本发明加以说明
图1是一种按照本发明所述的高温燃料电池的配用设备，所画图形是很示意的，图2是该设备的一个剖面图，它示出了一个燃料电池的横切面。
图3图示出了具有废气反馈的设备的第二个实施例，图4图示出了液体燃料的供应点图5图示出了一种可透气结构的截面，这种透气结构可用作液体燃料的转化装置的催化剂载体，图6示出了一个在由碳氢化合物CnH2n+2(其中n＝1，4，16，或20)产生H2O和CO2的转化过程和部分氧化中吸收和放出的函的数值表。
图1所画的设备1由下列部件组成燃料电池堆栈2，具有平面的，环形燃料电池20和用于释放电能E的电极27，28；一个套筒3，具有一种没有图示出来的内部构造，借助这个套筒在运行时可将周围空气80，81预热，并将它均匀分配给上述电池堆栈2；一个后燃器腔6，位于电池堆栈2和套筒3之间，废气从它出来经热交换器7输送出去(将热量Q传递给水循环的热携带件79)；一个混合部件67，热的废气60’与经过冷却的废气70’一起被送入这混合部件中；一条废气的反馈管路61和一个送风机62；另外还有一设备部件5，燃料50(供应管路51)与经管路61反馈回来的废气就混合于这部件5中。这种混合物经过这供应点5后面的转化装置处理，处理后的燃料57就被送入上述电池20中，它是作为气体58流过这些电池的。
这种转化过程是一种吸热过程。一种转化装置4-参看图2-被沿着电池堆栈的轴方便地安装在这电池堆栈2的中央空腔中，而且这转化装置被这样设计，使得由电池20放出的辐射热可被它吸收。
图2示出了进一步的细节高温燃料电池20包括一电化学活性板21(具有两个电极层和一在这两电极层之间的固体电解质层)和一内部连接件22，这内部连接件与邻近电池20的电化学活性板21导电相连。这内部连接件22被设计成一热交换器，用来加热通过供应管路81’送入的空气82。经加热的空气83沿径向平行于气体58向外流动。在电池20中没有反应的气体58的成份在与空气流83混合之后即可在后燃器腔6中燃烧。这做成环隙形的腔6被一透气壁31所包围，而这透气壁的内侧被层36所封闭。空气80通过第二环隙形空间38分布在壁31上，并在这壁中被加热和通过管路81’馈送进内部连接件22中。围绕壁31的套筒和分配器腔38在外面被一抽空的环隙形腔39所封闭。
在设备1运行期间，输送电流与产生废气和废热的过程就在燃料电池20中发生。反馈到转化装置中的废气60’，70’含有H2O，CO2，O2和N2。燃料50包含CnH2+2n之类的碳氢化合物，这里的n＝1，2，…，其转化包括下述之类的吸热反应，，。
与这些反应并行的是部分氧化，即发生下述放热反应。在部分氧化过程中释放的热和在燃料电池能量传送过程中的余热都将提供这种转化过程所需的过程热。
最好是，只有最小量的废气60’，70’反馈给这转化过程。如果燃料电池20中的气体的电极的材料适于转化过程，则碳氢化合物不须完全转化，特别是只需达到10-90％即可。
图3示出了一种设备1，在这种设备中反馈的部分废气70’与周围的空气80相混合。被送风机输送的周围空气80作为放O2和吸收余热的介质对电流的输送过程起作用。输送的空气量产生过量的O2(相对于该过程要求的化学计算量而言)。
由于通过管路71和阀门72掺和了废气70’，因而降低了空气58中的O2的比例，从而对于形成的废气60来说也导致O2含量的相应减小。这是有利的，因为随废气70’送入转化装置的O2较少，因而设备1的效率就会由于减少通过部分氧化形成的生成物的产量而得到改善。象在第一实施例中那样，也能将热的废气60’掺和到反馈废气70’中(在图3中未画出)。
上述热交换器7可包括一额外的燃烧器(未画出)。这种额外的燃烧器紧跟在后燃器腔6的后面，它可用来补偿增加的热需求。在这种额外的燃烧器中额外的燃烧可由额外的燃料和含O2的废气60来实现。只利用废气60的一部分来进行这种额外燃烧也是可能的。
图4示出了液体燃料50的供应点5，该液体燃料是被泵52馈送的。燃料50被喷射在喷嘴装置54中与反馈的废气70’(或70’和60’)相混合。这种混合物形成一种气溶胶喷雾56’，并被分布于处在电池堆栈2的中央空腔25内的转化装置4中(参看图1和图2)。在管状的转化装置4中，这气溶胶喷雾56’(通过烃水蒸汽转化和/或部分氧化)在携带有催化剂的透气结构中被处理。这种透气结构40的一截面示于图5中，它包括同心安置的一内部区域40a和一外部区域40b。这外部区域40b做得很均匀，它产生的径向流动阻力显著大于内部区域的流动阻力。这内部区域40a被设计成一微滴沉积器。在这里，燃料50的液相通过蒸发或因化学反应转变成气态形式。在这外部区域40b中处理是继续的；同时，通过这较稠密的区域40b，就会使这经过处理的气体57’均匀分布在各个电池20上。
例如，下列材料就可考虑用作这种转化和/或部分氧化的催化剂铂，钯，钌，铑和镍，或两种以上的这些材料的混合物。但是，由于有烟灰形成，镍是不太适合用于部分氧化情形的。
由于碳氢化合物(汽油，燃料油，菜油)难于处理，为了能消除碳沉积，也就是烟灰形成的危险，可能需要额外的进水口(在图3中标号为90)。通过这额外的进水口，转化反应和部分氧化反应彼此之间的任何想要的比率实际上都能设定。因为这个比率的差异与燃料有关，因而在理论上可使方法适应相应的燃料。对于那些仅仅稍有烟灰形成倾向的燃料的情形来说就可省去这种额外的水供应。
在图6中以表格形式相应地收集了在由碳氢化合物CnH2n+2(其中n＝1，4，16，或20)产生H2O和CO2的转化和部分氧化过程中吸收和放出的热函的数值(前者热函为正值，后者为负值)。
在反馈的废气中的氮气导致燃料气体的稀释。这对于该设备的电化学性能没有严重的负面影响。这氮组分甚至还有好的作用，因为它减少了烟灰的形成。
如果可提供的气态燃料具有足够大的压力，则被用来反馈废气的送风机62就可用一喷射器代替。对于这种燃料来说在这喷射器中就可产生一驱动流，借助这喷射器，废气就能被抽吸并送进转化装置中与燃料混合。
介绍的这些示范性实施例所涉及的设备的转化装置都安放在电池单元的内部。但是，本发明还提及到转化装置是安放在电池单元的外部而仍在套筒之内(如在开始时举出的专利EP-A0780917)，或转化装置完全安放在套筒外部的设备，例如在图1中的设备部件5就是这种情形。
权利要求
1.配有高温电池(20)的设备(1)，包括燃料(50)的一供应点(5)；包括一个烃水蒸汽转化装置(4)，它紧跟在上述供应点之后，而且在有H2O存在并同时供应过程热时，上述燃料就能在它里面至少部分地被催化转变成CO和H2O；一个后燃器腔(6)，它与燃料电池(20)的输出点相连，本设备的特征在于，反馈管路(61)存在于供应点和后燃器腔之间，通过它，废气(60’，70’)可被反馈给供应点；如果不提供气体作为燃料，则该供应点就包括一馈送液体燃料的机构，例如喷嘴。
2.按照权利要求1所述的设备，其特征在于这热交换器(7)紧跟在后燃器腔之后安装，在热交换器(7)中由废气(60)从后燃器腔输送出来的余热(Q)可传递给热载体件(79)，特别是传递给水；而且至少有废气(60’，70’)的反馈连接管路(61)的一部分与这热交换器相连。
3.按照权利要求2所述的设备，其特征在于在反馈连接管路中的抽吸机构(62)，例如送风机，被安装在热交换器(7)和燃料供应点(5，54)之间。
4.按照权利要求3所述的设备，其特征在于在连接管路中的混合机构(67)被安装在热交换器(7)和抽吸机构(62)之间，借助它，热的废气(60’)可与来自热交换器的废气(70’)混合。
5.按照权利要求1-4之一所述的设备，其特征在于一个额外的燃烧器安置在后燃器腔(6)和热交换器(7)之间，在这额外的燃烧器中进一步的燃烧至少可由后燃器的废气(60)的一部分和额外的燃料来进行。
6.按照权利要求1-5之一所述的设备，其特征在于所说的燃料电池(20)形成一中心对称的堆栈(2)，在转化装置(4，54)中处理的燃料(57)可经一中央空腔(25)馈送进这电池堆栈中，这空腔是沿该堆栈的轴安置的；而且该转化装置被这样安置在这中央空腔中，以使得转化所需的过程热可通过辐射从所说的燃料电池传递给这转化装置。
7.按照权利要求6-9之一所述的完成输出电流和废气(60)并产生废热的设备(1)的操作方法，其特征在于在该转化装置(4，54)中反馈并包含有H2O，CO2，O2和N2的废气(60’，70’)，同含碳氢化合物，如CnH2n+2的燃料(50)反应，其中n＝1，2，…，该反应是通过下述的吸热反应，，，。和通过部分氧化，即下述放热反应，，进行的，同时电流输出过程的废热至少被部分用作燃料电池(20)中所需的过程热。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于将最低限度的废气(60’，70’)反馈给转化过程，碳氢化合物不会被完全转化，特别是，仅只有10％-90％的转化程度。
9.按照权利要求7或8所述的方法，其特征在于周围空气80作为放O2和吸热的介质被送风机提供给电流的释放过程；供应的O2量被这样调节，使得O2的过盈量—相对于该过程所要求的化学计算量—最多等于300％；并将这反馈的废气(60’，70’)的一部分掺和到周围空气(80)中。
10.按照权利要求7-9之一所述的方法，其特征在于在转化过程中使用了额外的水，其流量是与选择的燃料相适应的。
全文摘要
一种高温电池(20)的配用设备(1),所说电池都被做成平面结构安放在中心对称的堆栈(2)中。本设备备有一气体或液体燃料(50)的供应点(5)。在有H
文档编号H01M8/06GK1244048SQ9911184
公开日2000年2月9日 申请日期1999年7月30日 优先权日1998年7月31日
发明者A·舒勒 申请人:苏舍赫克希斯公司