极层。在SOFC燃料电池堆的管式SOFC单元发生的电化学过程在根本上与发生在其它类型/构型的燃料电池、特别是图5A-f5D中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统的实施方式的燃料电池段内的那些相同。
[0237]如图4J和4K中所示，管式SOFC单元470的阳极层482的至少一部分可包括或者否则与如下的一种或多种催化剂485接触:其对于重整(例如，CPOX重整、蒸汽重整、和/或自热重整)、对于水煤气变换反应、或者对于催化重整和水煤气变换反应两者是催化活性的。催化剂的提供容许可存在于来自重整器段的重整物中的未消耗的气态燃料、裂化的燃料和/或一氧化碳的利用，从而提供额外的氢气来用于在管式SOFC单元内转化为电力。合适的催化剂包括以上列出的CPOX催化剂。这些催化剂的许多对于蒸汽重整、自热重整和水煤气变换反应也是催化活性的。这样的催化剂遍及在CPOX期间遇到的反应温度(例如，250 0C-900 0C)的整个范围并且因此在是与管式SOFC单元的阳极部件接触的气态燃料CPOX重整物的典型的高温下的热稳定性使得它们良好地适合用于充当催化剂。由于水(蒸汽)存在于进入所述管式SOFC单元的重整物中并且还作为发生在所述SOFC单元内的电化学反应的副产物产生，因此，采用对于重整反应和水煤气变换反应两者有活性的催化剂是特别有利的。
[0238]所选择的催化剂可采用任何合适的常规或者以其它方式知晓的技术例如浸渍、涂覆、成层等而引入所述管式SOFC单元的阳极部件的表面内(例如浸渍在所述管式SOFC单元的阳极部件的表面上)和/或在所述管式SOFC单元的阳极部件的表面上。所述阳极部件的长度的最高达约80%可包含或包括一种或多种催化剂，其中基于所述阳极部件的重量的1-10重量％的金属负载量是通常优选的。
[0239]将CPOX反应器单元和管式SOFC单元作为如下的单个连续的管式主体提供在本教导的范围内:其中根据需要布置所述主体的组成、结构和尺度性质以提供其有区别的重整器和燃料电池段。制造这样的管式重整器-燃料电池主体的特别有利的工艺公开于Finnerty等的共同待审的、共同转让的美国专利申请公布N0.2013/0056911以及Finnerty等的共同待审的、共同转让的美国专利申请公布N0.2013/0059223中，其全部内容引入本文作为参考用于所有目的。
[0240]提供例如根据Finnerty等的共同待审的、共同转让的美国专利申请公布N0.2013/0230787(其全部内容引入本文作为参考用于所有目的)的教导的用于管式SOFC堆的集流体部件也在本教导的范围内。如其中所描述的，所述集流体部件以及它们所电连接至的管式SOFC堆是以抵抗在所述堆的操作期间所述集流体部件最终从它们的相关电极脱离或者分离(其出现随着时间流逝往往导致显著的欧姆损耗)的趋向这样的方式设计和布置的。
[0241]美国专利申请公布N0.2013/0230787中描述的集流体/燃料电池堆组件中采用的管式SOFC单元的一种实施方式具有，对于其至少一部分而言，如对于图4K的SOFC单元471显示的总体上双叶截面。当设计本教导的燃料电池段时，采用具有图4K中所示截面的管式SOFC单元和相应地配置的CPOX反应器单元(例如，如图4Η中所示)可为有利的。可简化这两种单元的耦接并且可最小化或者减少从管式CPOX反应器单元到和通过所述SOFC单元的气体流动的样式的任何瓦解。
[0242]图4L和4Μ中更详细地显示的、CPOX气态燃料重整器401的离心式鼓风机系统402和燃料电池段467的离心式鼓风机系统473公开于DeWald等的共同待审的、共同转让的美国专利申请公布N0.2012/0328969(其全部内容引入本文作为参考用于所有目的)中。其优点之一是，这些离心式鼓风机系统可在不诉诸于相对高功耗的鼓风机的情况下如其中所解释的具有可比较的空气流量的单级离心式鼓风机(多个)不能提供的、响应于对产物富含氢气的重整物的需求的变化而在引入到导管中的空气的体积方面和/或在它们分别的重整器方面和燃料电池段内被驱动的气体的流速进行快速调节的能力。
[0243 ]单级离心式鼓风机(多个)例如用于为已知的和常规的重整器的操作提供气体流动的那些需要马达每分钟转数(rpm)的整个范围的合适控制以满足波动的气体流量需求。取决于对CPOX重整器或集成的重整器-燃料电池系统的操作的具体模式的目标气体流量要求，用于满足这些要求的鼓风机的最优性能可涉及采用具有以相对高的rpm(例如约20，OOOrpm和更高)驱动的相对小尺寸的叶轮的鼓风机、或者具有以相对低的rpm(例如，低于约20 ,OOOrpm和更通常地，低于约10 ,OOOrpm)驱动的相对大尺寸的叶轮的鼓风机。第一种布置，即，具有以相对高的rpm驱动的相对小的叶轮的单级鼓风机需要更强劲和专业化的马达，这必然为了其操作而引起相应更大量的电功率。第二种布置，即，具有以相对低的rpm驱动的相对大的叶轮的单级鼓风机可由于大的叶轮更大的惯性而使得鼓风机输出的控制和微调更困难。
[0244]为了防止重整器段和燃料电池段的目标压力和气体流量要求超限(overshoot)，具有相对高惯性叶轮的单级鼓风机在调节所述鼓风机以达到其期望范围的气体压力和流量时必然受到过阻尼。该过阻尼抵消所述叶轮的相对高的惯性的作用将导致所述鼓风机在响应于变化的并且经常是快速变化的气体流量要求方面是缓慢的。具有相对高惯性叶轮的单级离心式鼓风机的该特征性地缓慢的响应可需要更复杂的控制系统以令人满意地响应于在气体流量需求方面的波动。
[0245]利用离心式鼓风机系统驱动集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统内的气体流动可使得所述系统能够受益于如下两者来快速满足目标气体流量和压力要求:低惯性叶轮(由于控制)以及低驱动马达rpm和功率消耗。将如本文中所描述的互连的一系列鼓风机例如离心式鼓风机系统中的一个或多个鼓风机单元控制成提供目标气体压力和气体流量的主要部分例如目标气体压力和气体流量的约60%-约90%可使得目标气体压力和气体流量的剩余部分能够由所述系统中的一个或多个其它鼓风机单元来提供。将向集成的CPOX重整器-燃料电池系统中提供目标气体流量和压力的任务在至少两个如通过两级离心式鼓风机系统402和473示例的集成的即互连的离心式鼓风机之间分流(分摊)的结果导致与用单级离心式鼓风机单元所可能的相比，以更少的时间和以更高的精度达到这样的流量和压力。另外，功率消耗和噪声水平在离心式鼓风机系统中可为低的，因为鼓风机叶轮无需高的rpm来用于它们的操作。
[0246]如图4L和4M中所示，离心式鼓风机系统402(其描述适用于离心式鼓风机系统473)包括:第一级离心式鼓风机单元486，其通过管道488连接至第二级离心式鼓风机487。第一级鼓风机单元486包括具有轴向入口 490和径向出口 491的外壳489、设置在外壳489内用于将处于第一压力的环境空气吸入轴向入口 490中并且将处于较高的第二压力的空气通过径向出口491排出的叶轮492、和用于驱动叶轮492的电动马达493。第二级鼓风机单元487包括外壳494以及如由图4L中的管道488的剖面所示，设置在外壳494内并且通过电动马达496驱动的叶轮495，以及用于接收从第一级鼓风机单元486的出口491排出的气体的轴向入口497。第二级鼓风机单元进一步包括径向出口 498和出口气体物流壳499，其排出端如由虚线所示可连接至导管(例如，图4A的气态燃料CPOX重整器401的导管404)的一端。
[0247]图4L和4M中的箭头表示通过构成离心式鼓风机系统402的系列鼓风机的各鼓风机单元的径向出口的环境空气的大体方向。如所显示的，例如，在图4L中，通过第一级鼓风机单元486的出口491排出的环境空气物流的轨迹和通过第二级鼓风机单元487的出口498排出的环境空气物流的轨迹不是与它们各自的出口平行，而是与其成相同的角度。通过将管道488的几何结构布置成将通过出口 491排出的环境空气物流以所述物流保持近似地平行于所述管道的内壁这样的方式接收，防止或减少否则在所述物流撞击这些壁时将发生的湍流可为可能的。湍流可有利地被最少化或者避免以将作为离心式鼓风机系统中的背压来源的它减少或消除。出于该相同的原因，将气体物流壳499的角度布置成使得其内壁近似地平行于通过第二级鼓风机单元487的出口 498排出的环境空气的轨迹可为有利的。相对于其气体物流的轨迹以及气体物流壳的偏斜角度而言管道的内壁的最优几何结构可采用惯常的实验针对给定的离心式鼓风机系统容易地确定。在离心式鼓风机系统402中，管道488的内部或者导向表面以及气体物流壳499的内部或者导向表面可相对于出口 491和498以约12°-约20°例如约14° -约18°的角度α倾斜。
[0248]作为本教导另外的实施方式，图5Α的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统500、图5Β的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统520、图5C的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统540和图5D的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统560包括图4Α-4D的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统400的大部分元件和特征并且以与图4A-4D的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统400基本上相同的方式操作并且因此将仅在它们与后者的差异的某些的方面进行描述。
[0249]在图5Α中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统500中，平面型燃料电池段501包括离心式鼓风机系统502，其将空气既引入至所述燃料电池的阴极侧又引入至后燃烧器503以支持废气在其中的燃烧。离心式鼓风机系统504将空气引入到气态燃料CPOX重整器段506的导管505中，所述空气在下游与气态可重整燃料例如丙烷组合以提供气态CPOX反应混合物。所述气态CPOX反应混合物然后可在CPOX反应器单元507内进行向富含氢气的重整物的转化，所述富含氢气的重整物随后流动至所述燃料电池的阳极(流体)侧。在其结构的以及其操作模式中的其它方面中，集成的重整器-燃料电池系统500很像图4Α的集成的重整器-燃料电池系统400的。
[0250]图5Β中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统520由于将各管式CPOX反应器单元523的长度的一部分设置在对应的封闭末端的管式SOFC单元524内而有具其重整器段521和燃料电池段522的尤其紧凑的构型，这样的布置呈现出在所述CPOX反应器单元的外表面和所述SOFC单元的内部或阳极表面之间的气流通道525。从所述CPOX反应器单元流出的富含氢气的重整物进入通道525，在通道525中其接触所述管式SOFC单元的阳极表面。在其它方面中，集成的重整器-燃料电池系统520的结构和操作与图5A的系统500的类似。
[0251]图5C中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统540包括耦接至重整器段542的整体式燃料电池段541，其与图4A的系统400的类似。集成的重整器-燃料电池系统540的操作与图5A的系统500的类似。
[0252]图5D中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统560包括PEM型燃料电池段561和重整器段562，其中将在重整器段中制造的富含氢气的重整物的一氧化碳含量通过一氧化碳减少用或类似装置563减少至有益于所述燃料电池的可靠操作的水平例如减少至低到足以避免PEM催化剂的任何可感知的中毒的水平。在其它方面中，集成的重整器-燃料电池系统560的操作与图4A的系统400的类似。
[0253]图6A呈现展现丙烷-空气CPOX反应混合物的氧(O)对碳(C)摩尔比和CPOX反应温度之间的关系的图形数据。如该数据显示，当CPOX反应混合物的O对C摩尔比逐渐降低时，SP，当将反应混合物从相对贫碳的反应混合物调节为相对富碳的反应混合物时，CPOX反应温度下降。这些数据对于根据本教导的气态燃料CPOX重整器的最优化操作有着若干暗示。
[0254]为了促进CPOX催化剂的快速加热以及因此，气相CPOX反应的开始，在重整器的操作的启动模式期间可使用具有较高的O对C摩尔比的气态CPOX反应混合物(S卩，贫燃料的反应混合物)O与贫燃料的CPOX反应混合物相关的较高的操作温度可促进CPOX催化剂温度的较快速的升高以及减少的到稳态操作的时间。另外，贫燃料比率倾向于在CPOX催化剂已经达到其最优温度并且变成充分活化之前抑制焦炭形成。一旦CPOX催化剂已经达到约650°C和更高的温度，就可随着增加燃料流量而降低O对C摩尔比。O对C摩尔比降低使催化剂温度下降并且可使得能够处理更多的燃料，而不失去CPOX反应器单元的热控制。对于关停操作可采取相反的动作，即，在维持的O对C摩尔比下降低燃料流量。随着CPOX反应器单元的CPOX反应区的温度开始接近或者下降至低于导致焦炭形成的温度例如低于约650°C，可提高O对C摩尔比以防止或者最少化随着CPOX催化剂减活而结焦。典型地，当CPOX反应混合物的温度下降至低于约500°C时，可将CPOX重整器关停。在燃料流已经停止之后，可使包含氧气的气体的流继续最高达约15-20秒左右。这样的关停程序可容许将可包含于导管或者在燃料控制阀和将燃料引入到导管中的场所之间的燃料管线段内的燃料从所述重整器除去。该控制特性可被多种重整器部件(包括在具体重整器设计中使用的特定的控制器单元部件)所影响。
[0255]在理解改变O对C摩尔比可导致重整物的品质和/或组成的变化的情况下，可在操作期间控制燃料-空气CPOX反应混合物的O对C摩尔比以定制其输出热条件。当CPOX温度增加至高于约6500C时，存在从贫燃料偏移到富燃料的O对C摩尔比范围。不同的CPOX催化剂可影响操作窗口和CPOX温度。另外，不同的气态燃料可改变CPOX温度，这取决于重整反应的效率。
[0256]图6B呈现显示去往根据本教导的集成的CPOX重整器-燃料电池系统的去往重整器段的丙烷燃料流量(mL/分钟)和来自所述集成系统的燃料电池段的电流输出(安培)的关系的图形数据。
[0257]本领域技术人员在考虑本文中所述的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统的多种实施方式以及其操作原理的情况下通过采用惯常的实验程序可根据本教导容易地优化期望的气态可重整燃料转化和电功率输出本领、结构特性、和机械性质的具体的集成的CPOX重整器-燃料电池系统的设计。
[0258]本教导涵盖以其它具体形式的实施方式而不背离其精神或本质特性。因此，前述实施方式在所有方面均应被认为是说明性的而不是对本文中描述的教导进行限制。本发明的范围因此由所附权利要求而不是前述描述所指示，并且进入到权利要求的等同的含义和范围内的所有变化都意图被包含在其中。
【主权项】
1.集成的气态燃料CPOX重整器和燃料电池系统，所述集成系统包括: 隔开的CPOX反应器单元的阵列，各CPOX反应器单元包括具有拥有内表面和外表面的透气性壁的伸长管，所述透气性壁围封开放的气流通道并且限定所述CPOX反应器单元的入口和出口， 其中CPOX反应器单元至少与所述阵列中的相邻CPOX反应器单元热连通， 所述透气性壁的至少一段包括CPOX催化剂，和 与CPOX反应器单元的至少所述包含CPOX催化剂的壁段的外表面结合的氢气阻挡物； 与至少一个CPOX反应器单元的透气性壁的包括CPOX催化剂的至少一段热连通的点火器； 包括阳极、阴极、和设置在其间的电解质的燃料电池单元，其中所述阳极与所述CPOX反应器单元的出口流体连通并且所述阴极与包含氧气的气体流体连通;和 与所述燃料电池单元的阳极和阴极电耦接的集流体。2.权利要求1的集成系统，其中相邻CPOX反应器单元之间的最大距离为那样的距离:超过该距离，无法通过来自运行着的CPOX反应器单元中的CPOX反应的热在相邻CPOX反应器单元中引发CPOX反应和/或在操作的稳态模式期间，所述隔开的CPOX反应器单元的阵列的温度下降至低于预定的最低阵列温度;并且相邻CPOX反应器单元之间的最小距离为那样的距离:低于该距离，CPOX反应器单元的出口处的温度大于预定的最高温度。3.权利要求2的集成系统，其中所述预定的最高温度为与CPOX反应器单元的出口热和流体连通的燃料电池堆的入口能忍受的温度。4.权利要求2或3的集成系统，其中所述预定的最高温度为约900°C。5.权利要求2-4任一项的集成系统，其中所述预定的最低阵列温度为约600°C。6.权利要求1-5任一项的集成系统，其包括与至少一个CPOX反应器单元的入口流体连通的气态可重整燃料的来源。7.权利要求1-6任一项的集成系统，其中所述氢气阻挡物包括加压空气。8.权利要求1-7任一项的集成系统，其包括超过一个点火器，其中各点火器安置成与至少一个CPOX反应器单元的透气性壁的包括CPOX催化剂的至少一段热连通。9.权利要求1-8任一项的集成系统，其中所述CPOX催化剂设置在所述CPOX反应器单元的透气性壁内；设置在所述CPOX反应器单元的透气性壁的内表面上；部分地或者完全地形成所述CPOX反应器单元的透气性壁的结构;及其组合。10.权利要求1-9任一项的集成系统，其中所述燃料电池单元为固体氧化物燃料电池或者聚合物电解质膜燃料电池。11.权利要求1-10任一项的集成系统，其中所述燃料电池单元为管式固体氧化物燃料电池。12.权利要求1-11任一项的集成系统，其中所述燃料电池单元为多管式固体氧化物燃料电池。13.权利要求1-12任一项的集成系统，其中燃料电池单元的阳极与CPOX反应器单元的出口经由导管流体连通并且燃料电池单元的阴极与所述包含氧气的气体经由另一导管流体连通。14.权利要求1-13任一项的集成系统，其中CPOX反应器单元的出口直接连接至所述燃料电池单元的入口，其中所述燃料电池单元的入口与所述燃料电池单元的阳极流体连通。15.权利要求1-14任一项的集成系统，其包括与燃料电池单元的出口流体连通的后燃烧器。16.将气态可重整燃料CPOX重整为富含氢气的重整物和将富含氢气的重整物电化学转化为电力的方法，所述方法包括: 将包括气态可重整燃料的气态CPOX反应混合物引入到CPOX反应器单元的入口中，其中所述CPOX反应器单元形成隔开的CPOX反应器单元的阵列，各CPOX反应器单元包括具有拥有内表面和外表面的壁的伸长管，所述壁围封开放的气流通道并且限定所述CPOX反应器单元的入口和出口， 其中CPOX反应器单元至少与所述阵列中的相邻CPOX反应器单元热连通， 所述壁的至少一段包括CPOX催化剂， 所述包含CPOX催化剂的壁段是透气性的以容许气态CPOX反应混合物在其中扩散和产物富含氢气的重整物从其扩散，和 与CPOX反应器单元的至少所述包含CPOX催化剂的壁段的外表面结合的氢气阻挡物；在至少一个CPOX反应器单元中引发所述气态CPOX反应混合物的催化部分氧化以开始富含氢气的重整物的制造； 维持所述阵列的所述至少一个CPOX反应器单元中的气态CPOX反应混合物的催化部分氧化以制造富含氢气的重整物;和 在燃料电池单元内将所述富含氢气的重整物转化为电力。17.权利要求16的方法，其中相邻CPOX反应器单元之间的最大距离为那样的距离:超过该距离，无法通过来自运行着的CPOX反应器单元中的CPOX反应的热在相邻CPOX反应器单元中引发CPOX反应和/或在操作的稳态模式期间，CPOX反应器单元的温度下降至低于预定的最低阵列温度;并且相邻CPOX反应器单元之间的最小距离为那样的距离:低于该距离，CPOX反应器单元的出口处的温度大于预定的最高温度。18.权利要求16或17的方法，其中引发催化部分氧化包括: 在一个CPOX反应器单元中弓I发CPOX反应； 将来自所述CPOX反应的热传递至相邻CPOX反应器单元以在其中引发CPOX反应;和 使热的传递重复以在所述阵列的CPOX反应器的每一个中引发CPOX反应。19.权利要求16-18任一项的方法，其中引发催化部分氧化包括引发超过单个点火器以在所述CPOX反应器单元的每一个中引发气态CPOX反应混合物的催化部分氧化。20.权利要求16-19任一项的方法，其中维持气态CPOX反应混合物的催化部分氧化包括在所述CPOX反应器单元之间传递热以维持预定的最低阵列温度。21.权利要求20的方法，其中所述预定的最低阵列温度是跨越所述CPOX反应器单元的阵列基本上均匀的。22.权利要求16-21任一项的方法，其中在燃料电池单元内将所述富含氢气的重整物转化为电力包括: 使所述富含氢气的重整物与所述燃料电池单元的阳极接触;和 使包含氧气的气体与所述燃料电池单元的阴极接触。
【专利摘要】集成的气态燃料催化部分氧化(CPOX)重整器(401)和燃料电池(467)系统可包括多个隔开的CPOX反应器单元(408)、或者隔开的CPOX反应器单元(408)的阵列，各反应器单元包括具有拥有内表面和外表面的透气性壁的伸长管，所述壁围封开放的气流通道并且所述壁的至少一部分将CPOX催化剂设置于其中和/或包括它的结构体。所述包含催化剂的壁结构和由其围封的开放的气流通道限定气相CPOX反应区(409)，所述包含催化剂的壁段是透气性的以容许气态CPOX反应混合物在其中扩散和富含氢气的产物重整物从其扩散。所述气态燃料CPOX重整器还可包括一个或多个点火器(435)、和气态可重整燃料的来源。所述富含氢气的重整物可在与所述气态燃料CPOX重整器集成的燃料电池单元内被转化为电力。
【IPC分类】H01M8/04302, H01M8/04225, H01M8/0612
【公开号】CN105706283
【申请号】CN201480061128
【发明人】C.M.芬纳蒂, P.德瓦尔德
【申请人】瓦特燃料电池公司
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2014年11月6日
【公告号】CA2929886A1, US20150125771, WO2015069842A2, WO2015069842A3, WO2015069842A4