专利名称：燃料电池堆、燃料电池系统及其运作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池堆、燃料电池堆系统及其运作方法。
氢的一个来源是天然气。从天然气中取得氢的一个普通的方法是使用一个重整装置，使天然气与水蒸气在高温下，如760摄氏度，进行化合。一些燃料电池是通过使用一个单独分开的外部重整装置产生氢来工作的；另外一些燃料电池则是将重整装置的功能集成在电池本身中，并在足够高的温度下以及其他适当的设计考虑下进行工作。
有一种燃料电池使用的是径向流动的结构。在一种固体氧化物燃料电池的设计中，如M.Petrik等人合著的《交叉科学径向流动(IRF)SOFC(固体氧化物燃料电池)的电池堆发展状况》 (关于燃料电池技术研究和开发的EPRI/GRI燃料电池的学术讨论会，亚特兰大，乔治亚州，1994年3月22-23日)所公开，燃料和空气是通过一对位于电池中央的管道输送到每一个电池中的。然后，这些燃料和空气便径向向外地流动到电池的边缘。这种流动结构需要在进给处密封，以将燃料和空气隔离。并且，这种结构在富含燃料和富氧的电池中心处还存在着温度激增的危险。在另一种结构中，如M.Prica等人合著的《用于SOFC改进热机械性能的成型PEN板》(第二届欧洲燃料电池研讨会论文集，第一卷，393-402页，奥斯陆，挪威，1996年5月6-10日)所公开，燃料和空气是通过一对针管被输送进电池中。然后，这些气体便径向地流动到电池的边缘。这种流动结构免除了气体密封的要求，但同样存在温度激增的问题。在另外一个结构中，如欧洲专利0635896A1所公开，燃料是通过一个针管被输送进电池的中心，而空气则是通过分布的喷嘴输送到整个阴极区域。废弃燃料和废弃空气在电池边缘聚集。这种结构既免除了气体密封的要求，也没有温度激增的问题。但这种结构要求一个复杂的气体喷嘴分布系统。
美国专利5851689公开了一种径向流动的燃料电池堆装置。在这种装置中，燃料气体是通过一对针管被输送到位于每个电池中心与边缘中间的阳极处。在针管的顶端，燃气被一个导流片分开，沿着环形的路线径向地向内和向外流动。输送进来的空气从电池边缘径向地向内流动到阴极的中心，在这里，废弃空气通过一个采集针管聚集起来并向外排出。这种径向流动的结构免除了气体密封的要求。同时，由于在电池中没有既富含燃料又富含氧化剂的地方，因此它也消除了温度激增的危险，从而不需要复杂的气体分布喷嘴。由于分离燃料的流动方式，部分废弃燃料(包括电池反应生成物——水和残留的燃料)可以在阳极中心由采集针管采集，并将电池反应物——水作为水蒸气源循环再利用，用于通过外部排出装置重整。因此，一旦燃料电池堆达到了工作温度，就再也不需要外部的水蒸气产生装置以及水的蒸发处理。这种分离燃料流动方式同时也迅速地将燃料分布到电池的整个区域中。
在美国专利5851689中，径向地向内流动的空气在流动到电池前，先通过环绕电池堆的金属海绵环，以获得由电池堆放射出来的热量。这种方式既消除了电池堆产生的热浪费，同时也可以给进给空气预热。通过在电池边缘的废弃燃料的直接燃烧，最终使空气加热到电池的工作温度。径向地流向电池堆的空气免除了使进给空气预热的热交换器，同时也有利于将电池堆的热量聚集在金属海绵环内。由于这种热量限制的设计，电池堆可以安置于一个温度比较低的外壳中，也不会有明显的热流失。
发明内容
本发明旨在提供一种燃料电池堆和燃料电池堆系统，以及运作这种燃料电池堆和燃料电池堆系统的方法。这种燃料电池堆至少应包括第一个电池和第二个电池，以及一个分隔装置。每个电池包括一个阳极、一个阴极和在阳极与阴极之间的电解液。分隔装置具有一个燃料区和一个氧化剂区，同时包括一个在燃料区与第一个电池的阳极之间的阳极分隔元件，还有一个在氧化剂区与第二个电池的阴极之间的阴极分隔元件。分隔装置进一步包括一个在氧化剂区与第二个电池的阴极之间的阴极废气通道，还有一个在燃料区与第一个电池的阳极之间的阳极进给通道和阳极废气通道。
根据本发明的一个方面，与阳极分隔元件分开并覆盖在其上的一个气体导流片，用于防止通常径向地向内流动的含氧气体——一般是空气——与阳极接触，同时有助于这些含氧的气体流动到阴极分隔元件的外围边缘上。本发明的这一方面有助于消除如专利‘689所述的系统潜在的问题。即，专利‘689所述的系统需要一个制造比较精确的燃料电池堆来确保燃料气体和空气在所有径向位置分布均匀；否则，如果没有这种均匀的分布，空气有可能侵入阳极区并将阳极和氧化，而包含残余燃料的废弃燃料将可能侵入到阴极区并将阴极还原。这种不希望的电极的氧化反应或还原反应将很快使燃料电池堆失效。但是，本发明的这一方面，一个空气导流片起到了防护的作用，并防止不合适的气体进入到电极中去，从而有助于降低电池堆的制造精度的要求。
本发明的另一方面包括使用一个与电池外围边缘相隔开的连续环状(一般为圆形)阳极进给管，该阳极进给管具有一组燃料出口。燃料出口优选地设计成沿径向向内和径向向外地导向。本发明的这一方面由于免除了使用沟槽分隔板来为燃气的流动形成必要的通道，因此它优于‘689专利的发明。本发明的这一方面也免除了使用比较大的夹紧力使沟槽分隔板紧密地固定于电池上，来形成所要的燃料通路，这样的夹紧力有可能使电池堆产生裂纹。对于使用易碎的陶瓷材料制造的固体氧化剂电池尤为如此。
本发明的第三方面是使用一个阳极循环通道，该阳极循环通道具有一个位于阳极中心区域的可供废弃燃料流入的循环入口和一个位于阳极进给通道循环位置的循环出口，该废弃燃料包括残余燃料和电池反应生成物——水。这样，电池反应物——水就可以作为水蒸气用于重整反应中。使用这样的内部重整方法可以免除使用外部喷射器进行重整的需要。
本发明另一个方面是提供一个燃料电池系统，其中在一个公共箱体之内安装许多燃料电池装置。空气或其他含氧的气体供应到箱体内。每个燃料电池装置都与一个燃料供应管路和一个阴极废气管路相连，一方面允许燃料输送进来，另一方面允许阴极废气从燃料电池装置内去除。
本发明也涉及燃料电池堆的运作方法。在第一种方法中，含氧气体一般径向地向内流动到阴极的外围边缘上。含氧气体被导向偏离于阳极外围边缘。燃料进给到离开每个阳极外围边缘的一个位置上。第二种方法包括使含氧气体径向地向内流动到燃料电池堆的阴极外围边缘上，同时使用一个具有燃料出口的连续环状阳极进给管，将燃料通常径向地向内和向外进给到阳极外围边缘和阳极中心区域之间。该阳极进给管位于偏离阳极外围边缘和阳极中心区域的地方。
在第三种方法中，含氧气体通常径向地向内流动到燃料电池堆的阴极外围边缘，燃料则被输送到偏离中心区域的阳极处，这样，废弃燃料，含有残余燃料和电池反应物水，径向地向内和向外流动。利用阳极循环通道，对位于阳极中心区域出的废弃燃料进行循环再利用。废弃燃料从循环通道中流过，到达喷射器处并与从阳极进给通道流过的燃料混合。这种方法提供了在燃料电池堆内部进行碳氢化合物燃料的内部重整。这种燃料的分布有助于防止由于高度吸热重整反应的局部过冷，从而使内部的重整反应成为可能。
本发明提供了一种设计比较简单、成本较低和可靠性高的系统。该装置设计为无气体泄漏；这种设计使电池的破裂和其他电池损坏的可能最小化，也大大改善了整个系统的轻便性能。除了以上所述的特点和优势，本发明也提供了专利‘689中的许多优势。特别地，本发明的各种实施例均不需要气体密封，也没有大的轴向夹紧力，无需另外的空气预热器，无需外部重整器或执行器，也无需为重整反应而提供外部水蒸气。
本发明的其他特点和优势将结合附图在以下优选实施例的详细说明中看到。
图1是根据本发明而制造的燃料电池装置简化的全剖视图；图2是一个分隔装置、一个电池和部分多孔外壳，包括金属海绵层和多孔衬套的等尺寸局部剖视图；图3是从分隔装置分开出来的一个电池的等尺寸局部分解图，该分隔装置包括一个内置一个连续环状阳极进给管的阳极分隔元件；图4是一个分隔装置和两个电池简化过的垂直剖视图；图5是图2所示的分隔装置以及电池的水平剖视图；图6是图1所示从阳极分隔元件和电池的阳极之间截取出来的燃料电池装置的简化端视图；图7是如图1所示的燃料电池装置中的一个分隔装置和一个电池的垂直剖视图；图8描述了从位于电池堆中心的两个电池和两个分隔装置的水平剖视图上所看的燃料、废弃燃料和空气的流动方向，该电池堆在每一端带有一个完整的电池和分隔装置，和一个与电池堆每一端上的端板相邻的局部分隔装置；图9是一个燃料电池系统或燃料电池设备的示意图，其中在一个公共箱体中包含多个如图1所示的装置。
具体实施例方式
图1是根据本发明而制造的燃料电池装置2的总体横截面简图。下面将先描述装置2的稳定状态，然后再描述它的启动步骤。
燃料电池装置2包括一个一般用钢制造的外壳4，和一个包含在内的燃料电池堆6。燃料电池堆6包括许多如以下说明的交替布置的电池和分隔装置。燃料电池堆6的每一侧包括一个导电的端板8，10。端板8与正极接线端12相连，而端板10与负极接线端14相连。在工作过程中，燃料电池堆6产生出巨大的热量。在端板8和10的电绝缘和隔热组件16将外壳4从燃料电池堆6中电绝缘并热绝缘。组件16从外壳4的圆柱形侧壁中限定了柱形封闭区域18的范围。
燃料一般是以天然气或其他碳氢气体的形式，先通过燃料入口22，然后通过阳极进给(燃料)歧管24，再通过一系列的阳极进给通道64，最后供给燃料电池堆6。除了燃料，燃料电池还需要氧气源，一般是空气。空气通过柱形侧壁20中多孔部件38的多个孔道26进入柱形封闭区域18。作为燃料电池工作的结果，燃料电池堆6产生阴极废气(也叫做废气)。阴极废气主要是燃料电池排放出来的带有部分氧气的空气。阴极废气通过一系列的阴极废气管道86从燃料电池堆6中采集出来。阴极废气管道86与阴极废气歧管28相连，而阴极废气歧管28又与阴极废气出口30相连。由于阴极废气的温度一般很高，因此可以利用一个热交换器将全部或部分的阴极废气的热量释放出来并作他用，包括如下所述对燃料进行的预热(参考图9)。或者，阴极废气也可以简单地直接排到大气中。
如果燃料是碳氢气体而不是氢气，则需要进行某些类型的重整。本发明优选地使用内部重整的方法。用于在燃料电池装置2中进行内部重整的特定结构将在以下进行说明。
在本发明中，部分燃料没有能够为燃料电池堆6所用，而是直接在电池堆的周边中逃逸出去，并与空气进行化合燃烧。不过，由于与这部分逃逸的燃料进行化合所需的氧气量特别小，因此燃料电池堆6有足够多的氧气量使用。
到达燃料电池堆6的空气预先在通过一个多孔外壳34中被加热。外壳34通常由一个柱形侧壁20的多孔部件38所包围的柱形海绵状金属组件36所制造而成。见图1和图2。海绵状金属组件36通常是不锈钢的，而多孔部件38通常也是不锈钢的，并且在整个表面上布满1到10毫米直径的小孔。组件36可以用其他材料制造，比如陶瓷海绵；而多孔部件38可以用固体或纤维陶瓷材料制造。
燃料电池堆6包括许多，一般是50到300个，交替布置的电池40和分离装置42。见图3，4和5。每个电池40包括一个阳极44，一个阴极46和分隔阳极和阴极的电解液48。电池40有一个圆周边缘50，该圆周边缘50由覆盖着阳极44的外围边缘54的电解液48的延伸或凸起部分52所限定。每个电池40的直径一般为7.5到50厘米。阴极46的外围边缘56与电池外围边缘50之间的距离为0.1到1毫米，其原因将在以下作出说明。
分离装置42包括一个圆盘状的液体隔板58，一般由不锈钢制造而成，其隔板外围边缘60与空气导流片62成一直角。管状的阳极进给通道64从燃气歧管24中延伸出来，并通过空气导流片62中的小孔。
导流片62的横断面通常是L形，包括一个轴向延伸的部件61，径向地向内延伸的部件63和内弯唇片65。电池40由唇片65所支撑。轴向孔洞66在部件63中形成。如下所述，导流片62有助于阻止空气接触阳极44。部件61和63可以与所公开的具有不同的形状，例如，它们可以由一个简单连续弯曲的元件所形成。
分隔装置42进一步包括一个液体可渗透的阳极分隔元件68，一般是由金属毡所制造而成的。阳极分隔元件68在隔板58的燃料区70中与一个圆形连续圈状阳极进给管74相互啮合而被支撑住。阳极进给管74安装在阳极进给通道64的下端。燃料通过阳极进给管74被供应到燃料区70与阳极44之间的区域，也就是阳极分隔元件68处。阳极进给管74包括分别径向地向内和向外导向的燃料出口76和78。
分隔装置42也包括一个阴极分隔元件80，这个元件也是液体可渗透的，并且优选地由金属毡所制造而成的。阴极分隔元件80在流体分隔板58的氧化剂区81中由一个垂直延伸的阴极废气通道86所支撑。阳极分隔元件68、阴极分隔元件80和流体分隔板58一同提供了允许流体流经所需的理想间隔，并使相邻电池40的阳极44和阴极46产生电气连接。
在管状阴极废气通道86的上端的废气入 g4位于阴极分隔元件80的中心区域82。阴极废气通道86的下端位于阴极废气歧管28上，以致可以使中心区域82的阴极废气从燃料电池装置2中排出。阴极废气歧管28具有周期间隔的波形板88，以便允许它的膨胀和收缩，阴极废气歧管28的膨胀和收缩发生在一般为大约870摄氏度(1600华氏度)的阴极废气开始和停止通过废气歧管28。电池40和分隔装置42基本上是通过阳极进给通道64而悬挂于歧管24上。
阴极分隔元件80也可以通过使用钎焊、熔化或其他合适的技术来直接固定在分隔板58的氧化剂区81中。在这种情况下，电池装置40和分隔装置42可以由阴极废气歧管28直到阴极废气通道86来支撑，而不是由阳极燃料歧管24通过阳极燃料通道64来支撑。
图8描述了燃料电池装置2的一般气体流动方式。箭头90指示了空气通过多孔部件38和金属海绵元件36的路线。在通过金属海绵元件36的过程中可以使空气预热。燃气从阳极进给管74的燃料出口76和78中出来并径向地向内和向外流动。箭头92(径向地向内)和箭头94(径向地向外)指示了这个路线。相应地，燃料被提供给阳极44。在流体分隔板58的另一侧(阴极)，空气流进阴极分隔板80中，其方向如箭头96所指示的径向地向内。
如上所述，阻止含有氧气的空气接触阳极44和阻止废弃燃料接触阴极46显得十分重要。阻止空气接触阳极44的一种主要的方法是使用空气导流片62。空气导流片62径向地向外位于阳极分隔元件68上，并且通常覆盖并基本上遮盖了阳极分隔元件68的外围边缘98。废弃燃料，即电池反应物——水和残留的燃料，存在于外围边缘98中，通过孔洞66后与预热过的径向地向内流动的空气90相接触，并在阴极分隔元件80的外围边缘102径向向外的区域100处进行化合燃烧。这种残余燃料的燃烧可以帮助进入阴极分隔元件80的空气进行预热。
如上所述，实际上所有电池所用的最终燃料是氢气。但是，有许多燃料电池使用碳氢气体，如天然气来作为燃料进行工作，这就必须先在重整过程中将碳氢气体分解出氢气。这种重整过程一般是令水蒸气在高温下，如1200-1800华氏度(650-980摄氏度)进行分解。本发明的优选实施例使用一个管状阳极循环通道106来对到达阳极分隔元件68的中心区域104的部分残余燃料进行循环再利用。
参照图1、6和7，阳极循环通道106具有一个位于中心区域104的循环入口108和一个通向阳极循环歧管112的循环出口110。燃料通过主管路114和旁管路116被输送到燃料入口22。一个文丘里式(venturi-type)喷射器118位于主管路114中，用于将废弃燃料，即残余燃料和电池反应物——水(在装置2的工作温度下是水蒸气)，从阳极循环歧管112中吸取出来，通过连接管路120，再输送回主管路114的喷射器118处。在管路114和116中燃料的流动受到控制，以维持燃料电池装置2的正常工作。这种控制将在以下的内容中详细说明。与碳氢燃气混合的水蒸气经过外壳4里的重整反应后产生出氢气。通过选择适当的流动速率和其他类似的考虑，将可以达到有效的内部重整反应。
如图3所示，阳极进给歧管24和阳极循环歧管112也具有周期间隔波形板88。由于歧管24、28和112在其端部都是固定在外壳4，因此这显得十分重要。由于周期间隔波形板88的调整膨胀和收缩的作用，阳极进给通道64、阴极废气通道86和阳极循环通道106在轴向位置将不会产生任何相对移位，或者不会与电池40和分隔装置42产生任何机械干涉。
在阳极进给通道64、阳极进给管74、阳极循环通道106和阴极废气通道86的表面上都涂上了一层电绝缘材料，从而与电池40、流体分隔板58、阳极分隔元件68和阴极分隔元件80在电气上绝缘。
空气通过孔洞26，并在通过多孔外壳34的时候被从燃料电池堆6中释放出来的热量预热。燃气先通过燃料入口22，然后到燃气歧管24，再到结束于进给管74的独立阳极进给通道64中，最后供给每个电池的阳极44。燃气通过燃料出口76径向地向内流动，同时通过燃料出口78径向地向外流动。燃料流过多孔的阳极分隔元件68，该分隔元件提供气体通道，并为燃料分隔板58和阳极44提供间隔和电气连接。为了确保废弃燃料不会与阴极46接触并将它还原，阴极46的外围边缘56设置于电池外围边缘50后面。径向地向外流动的废弃燃料中的残余燃料与通过多孔外壳34的热空气接触，并在阴极分隔元件80的外围边缘102和金属海绵元件36之间的区域100处进行化合燃烧。残余燃料的燃烧有助于使预热过的空气加热到适当的工作温度，以作燃料电池堆所用。流过来的空气中实际上含有更多的氧气，燃烧残余燃料只是消耗了其中的一小部分。因此，燃烧后的热气体中依然具有足够为电池反应所需的氧气。这些正常加热过的空气通过外围边缘102、流进阴极分隔元件80，并作为氧化剂气体原料。这种氧化剂气体径向地流动到元件80的中心区域82处，并被阴极废气通道86的废气入口84所采集。
所有的阴极废气通道86都与阴极废气歧管28相连，而阴极废气歧管则与阴极废气出口30相连。阴极分隔元件80不仅提供了分隔的作用和为氧化剂气体流动提供多孔气体通道，同时也为流体分隔板58和阴极46提供电气连接。在阳极分隔元件68中心区域104的废弃燃料，通过阳极循环通道106的循环入口108被采集，在循环入口处废弃燃料向上流过循环通道，并进入阳极循环歧管112，然后被喷射器118吸取进通道114的燃料流中。这免除了将燃气重整成氢气所需的外部水蒸气的供给。
图9描述了一种在箱体132中使用6个燃料电池装置2的燃料电池系统130。空气从鼓风机134通过一个管路135输送进入箱体132中，扫掠过箱体的内部136，最后通过外壳4的侧壁20的孔道26进入到每个燃料电池装置2中。空气对箱体内部的扫掠可以防止任何从燃料电池装置2中渗漏出来的氢气、天然气或其他燃料的聚积。气体分析器138优选地选用，以便连续监测箱体132内部的气体组成情况。一旦检测到在箱体132内部有明显的可燃烧气体的聚积，便切断燃料供给并切断系统130。
天然气原料在高温下由含有ZnO催化剂的高温脱硫器140所脱硫。在脱硫器140中，催化剂安置在一个加热的夹套142中。加热夹套142具有一个入口144和一个出口146。入口142连接到从箱体132经过的阴极废气管路148上，阴极废气管路148通过废气进给管路150连接到燃料电池装置2的阴极废气出口30。这允许燃料电池130的部分热废气把催化剂层加热到工作温度，一般为750华氏度(400摄氏度)。由于燃料电池模块中的废气可能温度很高(一般为大约1600华氏度，即870摄氏度)，足以使天然气(或其他碳氢燃料)分解并在催化剂层中形成碳化沉降物，因此可以通过将部分从鼓风机134送来、通过输送线152、再通过一个温度控制阀154和废气进给管路150的空气与废气混合，使废气降低到低于如1000华氏度(540摄氏度)的温度。温度控制器156监测进入入口144的气体温度，并调整阀154，确保进入加热夹套142的气体温度适当。加热夹套142的出口146通过管路158连接到管路150下游的阴极废气管路148，从而使从加热夹套142中排出的废气加入到残余的燃料电池模块废气排出系统130中，并排到大气中去，或者用于产生水蒸气或热水。
从脱硫器140(如果有使用)出来的燃料通过第一条燃料管路160被输送到主管路114中，同时通过第二条燃料管路162被输送到旁管路116中。在优选的实施例中喷射器118基本上没有切断的功能，因此输送到喷射器的燃料供应一直保持恒定。由于发电量的改变而需要燃料供应的改变，可以通过控制第二条燃料管路162上的节流阀164来实现。一般地，在全功率工作情况下，三分之一的天然气燃料输送到每个喷射器118中，而三分之二的燃料则从管路116中通过。因此，在这个实施例中，燃料电池系统130具有最小的发电量为大约33％。在管路120中的抑制阀122是用于在启动喷射器118的时候防止燃气的回流。
为了使燃气可以被喷射器118所驱动，燃气的压力最小应为80磅/平方英寸(5.5千克/平方厘米)。如果燃气的供应压力在这个水平之下，则另外需要一个气体压缩机166。
在启动过程，燃料电池系统130中并没有热废气可以使高温脱硫器140工作。因此对从燃料源168中出来的燃料可能需要一个低温脱硫器170。低温脱硫器170在使用例如活性炭层的基础上，可以在室温下工作。
在启动过程，从鼓风机134出来的空气和从低温脱硫器170出来的燃气流通过管路174和176被输送到一个局部氧化器172中。管路135中的空气和从局部氧化器172中出来的燃气以与上述为正常工作所需的同样的方式被输送到内部136和第二条燃料管路162中，除非没有从燃料电池堆6中获得任何能量。每个燃料电池堆6被区域100中燃烧的燃料所产生的热气体所加热。一个电火花型的点火器(图中没有画出)或其他适当的仪器，提供初始点火。由于在启动过程并没有任何电池反应发生，因此也没有任何的电池反应物——水或氢气产生或被循环。为了防止碳氢燃料被加热而分解成碳，在初始启动过程优选地选用了一个局部氧化器172来为管路162提供含有燃料的氢气和水。也可以使用其他类型源启动氢气。
当电池堆被加热到1000华氏度(540摄氏度)的时候，可以利用产生的电流来实现电池堆的自身加热。当电池堆达到1600华氏度(870摄氏度)的工作温度时，局部氧化器172将被关闭，燃料将通过高温脱硫器140被输送到第一燃料管路160和第二燃料管路162中。
燃料电池装置2在电气上串联起来以增大电压。不过，这些燃料电池装置也在电气上并联起来，从而可以在某个电池堆出现故障的时候不会引起整个电池堆链的失效。电气连接在图中使用虚线178表示。电池堆产生的直流电通过一个变换器180转换成交流电。产生的交流电分离部分使用于自身设备中，如鼓风机134工作需要的能量，其他净剩能量将输出到负载或在182栅极中。
在正常工作的情况下，区域100的阴极入口温度被一个或多个温度控制器184所监测，并由此通过控制阀164来控制燃料进给流量。而阴极废气温度则由位于废气进给管路148中的温度控制器186所监测，用于通过控制位于管路135上的流量控制阀188来控制流向电池堆的空气进给量。燃料和空气的进给量是多种因素变化的函数，包括设备负荷、大气温度、天然气(或其他燃料)成分、空气湿度和电池堆寿命。所使用的控制方法允许了为适合这些变化而自动调节燃料和空气的进给量。
当温度控制器184检测到阴极入口温度高于设计所规定的温度时，就意味着在区域100中燃烧的阳极废气中含有过多的废弃燃料。因此，燃料进给就必须减少。如果出现相反的情况，则燃料进给就必须增加。当温度控制器186检测到阴极出口温度高于设计所规定的温度时，意味着没有足够的空气把电池堆装置的余热带走。因此，这时鼓风机134的空气进给就必须增加。如果出现相反的情况，则必须减少空气进给。
为了切断设备的工作，应切断电池堆的燃气供应，取代的是从氮气源190中通过管路192供应一小股纯氮气。纯氮气的作用是防止在没有燃料供应的时候阳极不会被氧化。同时，空气供应不断，使电池堆冷却。当电池堆的温度冷却到室温后，空气供应也被切断，箱体132的整个内部136充满着氮气。
在组装的时候，电池40和分隔装置42的安装是比较松动的。对燃料电池堆6进行加热使其达到工作温度约1600华氏度(870摄氏度)。不过，由于外壳4一直被鼓风机134的冷空气所冷却，因此它不会产生热膨胀。这迫使电池40和分隔装置42膨胀而相互挤压，从而无需任何夹紧弹簧或其他夹紧机构就可以使燃料电池堆6固定住。
在不偏离以下权利要求所限定的本发明的主题之下，可以对所公开的实施例进行改动和变更。比如，阳极进给管74不必是一个连续环状进给管，可以是由两个或多个弓形的管件组合起来形成一个通常为连续的阳极进给管；可以使用一组阳极进给通道64用于将燃料输送到阳极进给管74的各个分离部分。分隔元件68和80也可以不采用金属毡的材料，而使用其他具有流体可渗透和导电特性的理想特性的结构；如流体分隔板可以做成适当具有一定形式的波形板、凹痕或延伸的结构。同样，电池40的数量和不同元件的外形尺寸也可以与上述实施例中的不同。
上述所引用的任何和所有的专利、专利申请和印刷出版物通过参考文献成为一整体。
权利要求
1.一种燃料电池堆，包括至少第一个和第二个电池以及一个分隔装置；所述电池每个包括一个阳极；一个阴极；在阳极和阴极之间的电解液；和一个电池外围边缘；所述分隔装置包括一个具有燃料区、氧化剂区和一个分隔器外围边缘的流体分隔器；一个阳极分隔元件，具有一个在燃料区与第一个电池的阳极之间的阳极分隔器外围边缘；一个阴极分隔元件，具有一个在氧化剂区与第二个电池的阴极之间的阴极分隔器外围边缘；一个阴极废气通道，具有一个在氧化剂区与第二个电池的阴极之间的废气出口；和一个阳极进给通道，具有一个在燃料区与第一个电池的阳极之间、与阳极分隔器外围边缘隔离的燃料出口，这样包括残余燃料的废弃燃料可以向外流动并通过阳极分隔器外围边缘；一个与阳极分隔器外围边缘隔开并将它覆盖的气体导流片，有助于防止通常为径向地向内流动的含氧气体与阳极接触，同时允许通常为径向地向内流动的含氧气体到达阴极分隔器外围边缘处。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述阴极与电池外围边缘隔离开，从而有助于防止残余燃料与阴极接触。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述阳极具有一个阳极外围边缘，进一步包括一个与阳极外围边缘接触的挡板，有助于防止通常径向向内流动的含氧气体与阳极接触。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中导流片是分隔器的一个单片延伸物。
5.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中导流片从分隔器外围边缘中同时在轴向与径向向内的方向延伸出来。
6.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中导流片包括一个通常是轴向指向的孔，该孔形成以便让残余燃料流过。
7.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中阳极和阴极分隔元件中的至少一个包括流体可渗透的金属毡。
8.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中含氧气体是除基本为纯氧气之外的气体。
9.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中含氧气体是空气。
10.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中阳极包括一个阳极中心区域，阴极包括一个阴极中心区域。
11.根据权利要求10所述的燃料电池堆，其中阴极废气入口位于阴极中心区域中。
12.根据权利要求10所述的燃料电池堆，进一步包括一个阳极循环通道，该阳极循环通道具有一个与包括电池反应生成物——水的废弃燃料可流动相通的循环入口和一个与阳极进给通道可流动相通的循环出口。
13.根据权利要求12所述的燃料电池堆，进一步包括一个装置，该装置可以使废弃燃料流入循环入口，沿阳极循环通道，从循环出口流出，再并入燃料流，流入阳极进给通道而流向燃料出口，这样，电池反应生成物——水可以作为水蒸气来源用于重整反应，该废弃燃料包括来自阳极中心区域的电池反应生成物——水。
14.根据权利要求12所述的燃料电池堆，其中循环出口通过一个喷射器与阳极进给通道可流动地相通。
15.一个燃料电池装置，包括如权利要求1所述的一个燃料电池堆；和一个容纳燃料电池堆的外壳，该外壳包括一个包围电池外围边缘的透气的多孔壁，所述的多孔壁与含氧气体源可流动地相通。
16.根据权利要求15所述的燃料电池堆，其中外壳进一步包括一个在多孔壁中并与之相邻的金属海绵元件，所述金属海绵元件具有使流向燃料电池堆的空气预热作用。
17.根据权利要求16所述的燃料电池堆，其中燃料电池堆包括多个所述分隔装置和所述电池，并进一步包括一个歧管，该歧管与所述每个分隔装置的阴极废气通道和阳极供给通道中所选的一个可流动地相通。
18.根据权利要求17所述的燃料电池堆，其中所述歧管包括热膨胀元件。
19.一个燃料电池堆，包括至少第一个和第二个电池以及一个分隔装置；所述电池每个包括一个阳极一个阴极；在阳极和阴极之间的电解液；和一个电池外围边缘；所述分隔装置包括一个具有燃料区、氧化剂区和一个分隔器外围边缘的流体分隔器；一个在燃料区与第一个电池的阳极之间的阳极分隔元件；一个在氧化剂区与第二个电池的阴极之间的阴极分隔元件；一个阴极废气通道，在氧化剂区与第二个电池的阴极之间，具有废气导管出口和废气导管入口氧化剂；和一个阳极进给通道，具有燃料入口和一个通常为连续环状的阳极进给管，该阳极进给管与电池外围边缘隔离开并位于燃料区与第一个电池的阳极之间；阳极进给管，沿其具有多个燃料出口。
20.根据权利要求19所述的燃料电池堆，其中电池外围边缘是圆形的，并且通常为连续环状的阳极进给管是一个圆形的连续环状阳极进给管。
21.根据权利要求20所述的燃料电池堆，其中圆形的连续环状阳极进给管具有圆形的横截面形状。
22.根据权利要求19所述的燃料电池堆，其中燃料出口包括径向地向内和径向地向外导向的燃料出口。
23.一个燃料电池装置，包括一个如权利要求19所述的燃料电池堆；和一个容纳燃料电池堆的外壳，该外壳包括一个包围电池外围边缘的透气的多孔壁，所述多孔壁与含氧气体源可流动地相通。
24.一个燃料电池堆，包括至少第一个和第二个电池以及一个分隔装置；所述电池每个包括一个阳极，包括一个阳极中心区域；一个阴极，包括一个阴极中心区域；在阳极和阴极之间的电解液；和一个电池外围边缘；所述分隔装置包括一个具有燃料区、氧化剂区和一个分隔器外围边缘的流体分隔器；一个在燃料区与第一个电池的阳极之间的阳极分隔元件，由液体可渗透材料制成；一个在氧化剂区与第二个电池的阴极之间的阴极分隔元件，由液体可渗透材料制成；一个阴极废气通道，在氧化剂区与第二个电池的阴极之间具有一个废气出口和一个废气入口；和一个阳极进给通道，在燃料区与第一个电池的阳极之间具有一个燃料入口和多个燃料出口，该燃料出口位于电池外围边缘与阳极中心区域之间；一个阳极循环通道，具有一个在阳极中心区域与废弃燃料可流动相通的循环入口，和一个与阳极进给通道可流动相通的循环出口，该废弃燃料包括电池反应生成物——水；以及一个装置，该装置可以使废弃燃料流入循环入口，沿阳极循环通道，从循环出口流出，再并入燃料流，流入阳极进给通道而流向燃料出口，这样，电池反应生成物——水可以作为水蒸气来源用于重整反应，该废弃燃料包括来自阳极中心区域的电池反应生成物——水。
25.一个燃料电池装置，包括一个如权利要求24所述的燃料电池堆；和一个容纳燃料电池堆的外壳，该外壳包括一个包围电池外围边缘的透气的多孔壁，所述多孔壁与含氧气体源可流动地相通。
26.一个燃料电池堆，包括至少第一个和第二个电池以及一个分隔装置；所述电池每个包括一个阳极，包括一个阳极中心区域；一个阴极，包括一个阴极中心区域；在阳极和阴极之间的电解液；和一个电池外围边缘；所述分隔装置包括一个具有燃料区、氧化剂区和一个分隔器外围边缘的流体分隔器；一个多孔阳极分隔元件，位于燃料区与第一个电池的阳极之间，具有一个阳极中心区域和一个阳极分隔器外围边缘；一个多孔阴极分隔元件，位于氧化剂区与第二个电池的阴极之间，具有一个阴极中心区域和一个阴极分隔器外围边缘；一个阴极废气通道，在阴极中心区域具有一个阴极废气出口和一个阴极废气入口；一个阳极进给通道，包括一个燃料入口和一个通常为连续环状的阳极进给管，该阳极进给管与电池外围边缘隔离开并位于燃料区与第一个电池的阳极之间，所述进给管具有向内导向和向外导向的燃料出口，使得包括残余燃料的废弃燃料向内流向阳极中心区域、并向外流向阳极分隔器外围边缘，以便通过阳极分隔器外围边缘；一个阳极循环通道，具有一个在阳极中心区域与废弃燃料可流动相通的循环入口，和一个与阳极进给通道可流动相通的循环出口，该废弃燃料包括电池反应生成物——水；一个装置，该装置可以使废弃燃料流入循环入口，沿阳极循环通道，从循环出口流出，再并入燃料流，流入阳极进给通道而流向燃料出口，这样，电池反应生成物——水可以作为水蒸气来源用于重整反应，该废弃燃料包括来自阳极中心区域的电池反应生成物——水；以及一个与阳极分隔元件隔开并将它覆盖的空气导流片，有助于防止通常为径向地向内流动的空气与阳极接触，同时允许通常为径向地向内流动的空气到达阴极分隔器外围边缘处。
27.一种运作燃料电池堆的方法，包括使用燃料电池堆，所述燃料电池堆包括相互交替放置的电池和分隔装置，每个所述的电池包括一个阳极，一个阴极和位于阳极与阴极之间的电解液，每个阳极具有一个阳极外围边缘和一个阳极中心区域，每个阴极具有一个阴极外围边缘和一个阴极中心区域，每个所述的分隔装置包括一个带有一个分隔器外围边缘的液体分隔器；将含氧气体通常径向向内地流到所述阴极外围边缘；将所述含氧气体偏离阳极外围边缘；以及将燃料进给到阳极的与每个所述阳极的阳极外围边缘分隔开的位置。
28.根据权利要求27所述的方法，其中燃料进给步骤是通过使用一个通常为连续环状的阳极进给管、使燃料通常为径向向内和向外地流动来实现的，该阳极进给管具有向内导向和向外导向的燃料出口，该燃料出口位于与阳极外围边缘和阳极中心区域隔开的位置。
29.根据权利要求27所述的方法，进一步包括使废弃燃料从阳极的相邻位置再循环的步骤，该废弃燃料包括电池反应生成物——水。
30.根据权利要求29所述的方法，其中燃料进给步骤使用阳极进给通道实现燃料的进给；以及使用至少一个阳极循环通道，该阳极循环通道具有一个位于阳极中心区域的循环入口和一个与阳极进给通道可流动相通的循环出口，通过使废弃燃料流入循环入口，通过阳极循环通道，从循环出口流出，再并入燃料流，流入阳极进给通道而流向燃料出口，来实现再循环步骤。
31.根据权利要求27所述的方法，进一步包括以下步骤将包括残余燃料的废弃燃料通常径向向内地通过阳极外围边缘；以及在所述残余燃料通过阳极外围边缘之后，燃烧所述向外流动的残余燃料。
32.根据权利要求27所述的方法，进一步包括通过使所述含氧气体经过一个包含所述燃料电池堆的多孔箱体，将所述含氧气体进行预热。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述预热步骤是使用一个包含一个圆形的金属海绵材料的多孔箱体来实现的。
34.一种运作燃料电池堆的方法，包括使用燃料电池堆，所述燃料电池堆包括相互交替放置的电池和分隔装置，每个所述的电池包括一个阳极，一个阴极和位于阳极与阴极之间的电解液，每个阳极具有一个阳极外围边缘和一个阳极中心区域，每个阴极具有一个阴极外围边缘和一个阴极中心区域，每个所述的分隔装置包括一个带有一个分隔器外围边缘的液体分隔器；将含氧气体通常径向向内地流到所述阴极外围边缘；通过使用一个通常为连续环状的阳极进给管、使燃料通常为径向向内和向外地流动，将燃料在每个所述阳极的阳极外围边缘和阳极中心区域之间进给，该阳极进给管具有向内导向和向外导向的燃料出口，该燃料出口位于与阳极外围边缘和阳极中心区域分隔开的位置。
35.一种运作燃料电池堆的方法，包括使用燃料电池堆，所述燃料电池堆包括相互交替放置的电池和分隔装置，每个所述的电池包括一个阳极，一个阴极和位于阳极与阴极之间的电解液，每个阳极具有一个阳极外围边缘和一个阳极中心区域，每个阴极具有一个阴极外围边缘和一个阴极中心区域，每个所述的分隔装置包括一个带有一个分隔器外围边缘的液体分隔器；将含氧气体通常径向向内地流到所述阴极外围边缘；使用阳极进给通道，将燃料进给到阳极的每个所述阳极的阳极外围边缘和阳极中心区域之间的位置，使废弃燃料，包括残余燃料和电池反应生成物——水，径向向内和向外流动；使用阳极循环通道，将废弃燃料，包括电池反应生成物——水，从阳极中心区域再循环，通过使废弃燃料从循环入口流过阳极循环通道，再流入燃料流，该燃料流经过阳极进给通道而流向燃料出口，每个所述阳极循环通道具有一个位于阳极中心区域的循环入口和一个循环出口。
36.一个燃料电池系统，包括一个燃料电池模块，包括一个模块内部；多个安置于模块内部的燃料电池装置，每个所述燃料电池装置包括第一个和第二个电池以及一个在两个电池之间的分隔装置，所述电池每个包括一个阳极，一个阴极和在阳极与阴极之间的电解液；分隔装置包括一个具有燃料区、氧化剂区和一个分隔器外围边缘的流体分隔器；一个阳极分隔元件，具有一个阳极分隔器外围边缘，位于燃料区与第一个电池阳极之间；一个阴极分隔元件，具有一个氧化剂阴极分隔器外围边缘，位于氧化剂区和第二个电池阴极之间；一个阴极废气通道，具有一个位于氧化剂区与第二个电池阴极之间的废气入口；一个阳极进给通道，具有一个位于燃料区与第一个电池阳极之间、与阳极分隔器外围边缘分隔开的燃料出口，使得包括残余燃料的废弃燃料可以向外流过阳极分隔器外围边缘；一个将阴极废气通道连通到模块箱体外部的废气出口的阴极废气管路；一个与阳极进给通道相通的燃料管路；一个与模块内部可流动相通的含氧气体源，从而为所述外壳内部供给含氧气体；和一个与燃料电池装置中阳极进给通道可流动相通的燃气源。
37.根据权利要求36所述的系统，其中每个燃料电池装置包括一个阳极循环通道，具有一个位于阳极中心区域、与废弃燃料可流动相通的循环入口，和一个与阳极进给通道可流动相通的循环出口，该废弃燃料包括电池反应生成物——水；一个从阳极进给通道延伸的阳极进给歧管；一个从阳极循环通道延伸的阳极循环歧管；进一步包括一个废弃燃料喷射器，包含一个与燃料管路可流动相通的喷射器入口，和一个与阳极进给歧管可流动相通的喷射器出口，一个与阳极循环歧管可流动相通的入口，以及一个装置，该装置可以使废弃燃料流入循环入口，沿阳极循环通道，从循环出口流出，再并入燃料流，流入阳极进给通道而流向燃料出口，这样，电池反应生成物——水可以作为水蒸气来源用于重整反应，该废弃燃料包括来自阳极中心区域的电池反应生成物——水。
38.根据权利要求37所述的系统，其中燃料管路包括与喷射器入口可流动相通的第一个燃料管路，在喷射器出口和阳极进给歧管之间管路管路流动连接的第二个燃料管路，以及控制燃料沿第一个燃料管路与第二个燃料管路流动的阀。
39.根据权利要求37所述的系统，进一步包括一个可流动地连通燃气源与燃料管路的燃气压缩机，以便确保喷射器入口处的适当压力。
40.根据权利要求36所述的系统，进一步包括一个可流动地连通燃气源与燃料管路的温升脱硫器，该脱硫器包括一个与废气出口可流动相通的加热元件，从而可以利用废气为脱硫器加热。
41.根据权利要求40所述的系统，一个环境温度脱硫器与一个局部氧化器可流动相连，两者结合与温升脱硫器相并联，并用于在启动过程取代高温脱硫器而工作。
42.根据权利要求36所述的系统，进一步包括一个与阳极分隔器外围边缘分隔开并将它覆盖的气体导流片，有助于防止通常为径向地向内流动的含氧气体与阳极接触，同时允许通常为径向地向内流动的含氧气体到达阴极分隔器外围边缘处。
全文摘要
一个燃料电池堆包括至少第一和第二电池(40)和一个分隔装置(42)。每个电池包括一个阳极(44)、一个阴极(46)和在阳极与阴极之间的电解液(48)。分隔装置包括一个流体分隔板，该流体分隔板具有一个燃料区、一个氧化剂区、一个在燃料区与第一个电池阳极之间的阳极分隔元件(68)和一个在氧化剂区与第二个电池的阴极之间的阴极分隔元件。分隔装置包括一个在阴极分隔元件中心区域中具有一个废气入口的阴极废气通道(86)，和一个阳极进给通道(64)，该阳极进给通道(64)包括一个位于偏离外围边缘的具有径向向内和向外导向的燃料出口(76，78)的连续环状阳极进给管。一个空气导流片帮助防止径向向内流动的空气与阳极接触，同时允许空气流到阴极分隔元件的外围边缘上。一个阳极循环通道(106)具有一个位于阳极中心处的废弃燃料入口(108)和一个位于阳极进给通道内的出口(110)，这样，电池反应物——水可以作为水蒸气为内部重整之用。
文档编号H01M8/02GK1518780SQ01823367
公开日2004年8月4日 申请日期2001年6月14日 优先权日1999年7月29日
发明者陈潭平 申请人:莱森特公司