专利名称：水平燃料电池管系统及方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统和相关方法，并特别地涉及用于管状固体氧化物燃料电池的燃料电池叠层结构。
背景技术：
世界范围内的预报表明，在未来的几十年里电力消耗的显著增加，很大程度上是由于缺少国家电网的发展中国家中的经济增长。这种增加的消耗与工业化国家电力设施的反常一起，产生了小规模、分布式电力生产的需要。
燃料电池是一种有前途的技术，该技术用于提供分布式电力生产。燃料电池将诸如空气的氧化气体以及诸如氢气或天然气的含氢燃料以这样一种方式设置于电解质的相对两侧，在该方式下，使它们化合而形成水并产生电力。这种反应需要由多孔的材料组成的阴极和阳极以及离子导电的电解质。在固体氧化物燃料电池中，电解质传导带有负电荷的氧离子。
固体氧化物燃料电池系统能够比其它类型的燃料电池更廉价地制造，并因而对于促进分布式发电具有特别的潜力。在设计固体氧化物燃料电池中的重要考虑包括制造的容易性、与燃料电池形成串联和并联电气连接的能力、以及燃料电池密封的可靠性。
发明内容
在根据本发明的一个实施例中，用于产生电力的燃料电池系统包括具有开口端的管状固体氧化物燃料电池；从第一燃料通风室伸出、穿过燃料电池一个开口端的第一燃料喷注管；以及从第二燃料通风室伸出、穿过燃料电池另一开口端的第二燃料喷注管；其中第一和第二燃料喷注管在燃料电池中形成一个间隙，含氢的燃料气体可以从该间隙流向燃料电池的开口端。
在另一相关实施例中，燃料通风室中的至少一个包含一种预重整催化剂。燃料电池的开口端可以延伸穿过邻接第一和第二燃烧区域的第一和第二燃烧歧管，而第一燃料喷注管延伸穿过第一燃烧区域，第二燃料喷注管延伸穿过第二燃烧区域。燃料电池可以为阳极支持的管状燃料电池。一组多个电气地并联的管状固体氧化物燃料电池可以安装在相对的燃料通风室对之间，而相对的第一和第二燃料喷注管对伸入该组中的各个燃料电池。多个燃料电池组可以电气地串联，而多个邻接的燃料通风室可以由隔板电气地绝缘。该系统可以包括陶瓷加热管。燃料通风室中的至少一个可以包括至少两个相对地面对的燃料喷注管组。第一燃料通风室的燃料入口可以从该系统中与第二燃料通风室的燃料入口相对的一侧进入。气体燃烧器可以设置成以加热围绕系统阴极区域的外罩。该燃料电池可以包括多个燃料电池段。第一和第二燃料喷注管可以与燃料电池的阳极层电气地连接。
在另一相关实施例中，第一燃烧歧管形成围绕燃料电池的密封，该歧管可以由陶瓷纤维板制成。该密封可以通过压缩陶瓷纤维板形成。可以形成多个这种层的叠层，而电气地并联的燃料电池组彼此电气地绝缘。陶瓷纤维毛毡材料可以用于电气地绝缘这些层。第一燃烧歧管可以被分为两个燃烧区，它们可以相应于第一燃料通风室电气地绝缘的两半。
在根据本发明的另一实施例中，一种用于产生电能的燃料电池系统包括水平地设置于燃料入口板和燃料出口板之间的多个具有开口端的管状固体氧化物燃料电池；其中燃料入口板和燃料出口板包括一系列用于燃料电池的开口，而它们各自包括一个压缩的陶瓷纤维板层，该层形成围绕各个燃料电池的密封。这样一个实施例可以包括燃烧器，该燃烧器被设置成用于加热该系统阴极周围的外罩，或燃料预处理模块；而燃料入口板和燃料出口板可以包括用于燃料电池系统的模块化组件的凸缘。
在根据本发明的另一实施例中，一种用于产生电能的燃料电池系统包括多个垂直迭放的燃料电池层，各层包括水平地设置于两陶瓷纤维板燃料通风室之间并电气地并联的多个具有开口端的管状固体氧化物燃料电池；其中多层中的各层与相邻层电气地绝缘。
在根据本发明的另一实施例中，一种用于形成围绕管状固体氧化物燃料电池的密封的方法包括将燃料电池插入穿过至少三层密封层，该密封层包括第一和第二金属板层和一层陶瓷纤维板层；并压缩金属板之间的陶瓷纤维板层以形成围绕燃料电池的密封。
在根据本发明的另一实施例中，一种用于产生电能的燃料电池系统包括水平地设置于陶瓷歧管上半部和下半部之间的多个具有开口端的管状固体氧化物燃料电池；其中陶瓷歧管形成绕燃料电池端部的密封，并且，在陶瓷歧管一端的开口形成入口歧管，而在陶瓷歧管另一端的开口形成出口歧管。陶瓷歧管可以包括用于多个电气地并联的燃料电池组的开口，并且在陶瓷歧管中的至少两组燃料电池可以电气地串联。燃料电池系统的阳极集电系统可以包括一组夹在一对母线中的阳极导线，而该系统还可以包括至少一个围绕集电导线的陶瓷管。
在根据本发明的另一实施例中，一种用于产生电能的燃料电池系统包括多个垂直迭放的燃料电池层，各层包括水平地设置于陶瓷废料通风室和金属燃料输入歧管之间的多个具有开口端的管状固体氧化物燃料电池；其中燃料输入歧管包括用于将各燃料电池层电气地连接到其上面的邻接层的突起，并且其中用于各层的波纹集电器与该层的多个燃料电池形成卡入配合。可以设置热交换器，以贮存从系统中排出空气的热量并加热进入的空气。该系统还可以包括延伸穿过废料通风室的至少一个加热管。
本发明的上述特性通过参考下面结合附图的详细描述将更容易理解，在附图中图1示出了根据本发明实施例的具有双重喷注管的管状燃料电池系统的截面图；图2示出了根据本发明的一个实施例中，绕相对的燃料气体喷注管对的管状固体氧化物燃料电池的截面详细视图；图3示出了图1所示实施例的燃料通风室、喷注管、以及燃烧歧管的视图，为清楚起见而省略了其它元件；图4示出了根据本发明实施例的一组具有燃料气体喷注管的燃料通风室，该喷注管从该通风室的两侧壁伸出；图5示出了根据本发明实施例的两个相对的燃料通风室，其中燃料入口从相对侧进入；图6示出了图1所示实施例的系统的外观图，其中移去了顶层；图7示出了图1所示实施例的系统的外观图，其中包括一个绝缘的顶层；图8以垂直于图1截面角的截面角示出了图1所示实施例的截面视图，并为清楚起见而省略了一些部件，而燃烧器设置于阴极区下面；图9示出了类似于图8的视图，其中喷注管延伸穿过燃烧歧管而燃料入口延伸穿过外罩；图10示出一个实施例的截面视图，其中燃料电池阳极和阴极层被分成几段，并且由公用的电解质支持所有段；
图11示出了用于本发明的另一实施例的燃料通风室、燃烧歧管、以及喷注管组，其中燃烧歧管由陶瓷纤维板制成；图12示出了图11所示实施例的组件中的两个，它们彼此相对设置，以形成双重喷注管的层；图13示出了设置于图12所示实施例的各对相对的双重喷注管上方的燃料电池；图14示出了图13所示实施例的层的叠层，该些层之间具有电气绝缘层；图15示出了图14所示实施例的十层的叠层，该叠层被热绝缘外罩所围绕；图16示出了根据本发明的实施例的相对的燃料通风室、喷注管以及燃烧歧管的单层；图17示出了图16所示实施例的十层，它们一个迭放在另一个之上，并在其间具有电气绝缘层；图18示出了根据本发明的一个实施例，其中E形燃烧歧管垂直地将该系统各侧上的燃烧区域分为两半；图19示出了图18所示实施例中的十层，它们一个迭放在另一个之上，使二十组电气地并联的燃料电池可以串联设置；图20示出了围绕图19所示实施例的各层的一种金属外罩；图21示出了根据本发明实施例的一种系统的视图，该系统具有燃料入口板和燃料出口板，以在水平燃料电池管中实现单向燃料流动；图22示出了图21所示实施例的近视图，而没有底部空气入口支架；图23示出了图21所示的底视图，并且连接有燃烧器支架；图24示出了图23所示实施例的视图，并且连接有燃料入口歧管和燃料出口歧管；图25示出了图24所示的实施例，并且添加了燃料预处理模块；图26示出了图25所示实施例的截面视图；图27示出了根据本发明实施例的延伸于两高密度陶瓷纤维板燃料通风室之间的燃料电池层；图28示出了图27所示实施例的二十个电气地绝缘的层的组件；图29示出了根据本发明的实施例的在每层中具有两行燃料电池的四层组件；图30示出了一个实施例的部件，其中金属燃料通风室被密封到高密度陶瓷纤维板燃料电池板；图31示出了根据本发明实施例的四层陶瓷纤维板燃料电池密封的分解视图；图32示出了图31所示实施例的密封的组装视图；图33示出了根据本发明的实施例的、具有凸缘燃料歧管的燃料电池叠层焊件的三维视图；图34示出了图33所示实施例的叠层焊件的部件的分解视图；图35示出了根据本发明实施例的燃料电池系统中的系统部件和气流的示意表示图；图36示出了根据本发明实施例的用于从管状燃料电池阳极收集电流的部件；图37示出了根据本发明实施例的用于从管状燃料电池阴极收集电流的部件；图38示出了根据本发明实施例的全陶瓷燃料电池叠层的一个单层；图39示出了用于图38所示实施例的集电系统的总体视图；图40示出了图39所示实施例的阳极集电系统的近视图；图41示出了图38-40所示实施例的一层的左侧的电流通路；图42示出了根据本发明实施例的分层的燃料电池叠层结构的一个单层；图43示出了图42所示层的组装视图，而图44示出了根据本发明实施例的形成在并串联设置的两叠层中若干个这样的层；以及图45示出了根据图42-44所示实施例的两个组装叠层，它们串联设置。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明实施例的具有双重喷注管的管状燃料电池系统100的截面视图。在此实施例中，一种诸如天然气的含氢燃料气体流入设置于系统100相对侧的两组燃料通风室101-103和104-106中。在燃料通风室中被预重整后，燃料气体通过燃料气体喷注管107流出各燃料通风室101-106，并流向系统100的中心。各燃料气体喷注管107为金属管(例如钢管)，在其基部固定(例如，通过焊接)在燃料通风室101壁上的孔110。
如图2的截面详细视图所示，管状固体氧化物燃料电池208(为清楚起见，被从图1中略去)围绕各相对的燃料气体喷注管对207、209。虚线222和223示出燃料气体流首先，沿相反的方向离开相对的燃料气体喷注管207、209端部之间的间隙211；而后，沿燃料电池管208的内侧流动；然后，进入设置于系统100各端的燃烧区212、213。燃料电池管208具有内阳极层214和外阴极层215；并与其延伸穿过燃烧歧管220、221中孔218、219的开口端216、217一起使用。在图1中，类似的数字(111、107、109等)表示与图2中那些部件相类似的部件(例如部件211、207、209等)。
空气(或者其它氧气源)通过空气入口124进入阴极区128的底部；绕燃料电池管208的外阴极表面上升；并通过空气出口125排出。空气也通过分开的入口进入燃烧区112和113的底部，并上升到那些隔室的顶部外。图2中的虚线226和227表示通过阴极区228的空气流。在一个实施例中，孔218和219略大于燃料电池管208的外径，并因此使一些空气可以被从阴极区228吸出到燃烧区212和213。然而优选地，孔218、219的边缘和燃料电池的外表面208之间的间隙被密封，以防止燃烧气体从燃烧区流出而进入阴极区128。例如，这种密封可以根据下面描述的实施例使用例如陶瓷纤维板形成；或者可以用其它密封技术形成。
除了其入口和出口外，系统100被热绝缘外罩133封闭，该外罩在侧面可以由例如钢层149制成，并且在侧面、顶部和底部围绕较厚的陶瓷纤维板层143。
通过将来自燃料气体中的氢与来自空气中的氧反应，各燃料电池208产生电能。根据本发明的一个实施例，燃料电池208为阳极支持管状燃料电池，例如那些公开于2001年5月22日提交的，申请顺序号为No.09/864070，名称为“Electrode-supported Solid StateElectrochemical Cell”的同时待审的美国专利申请；以及其相关的公开于2000年5月22日提交的，临时申请顺序号为No.60/206456，名称为“Anode-supported Tubular Fuel Cell”的美国临时申请。这两份申请的公开通过参考结合在此。根据可选的实施例，燃料电池为电解质支持管状燃料电池或阴极支持管状燃料电池，或其它燃料电池的形式。
根据图1所示实施例，燃料通风室被分成两组，例如组101-103和组104-106。各组被隔板129、130和131、132分为分开的、电气地绝缘的燃料通风室(例如通风室101、102、103)。在各个相对的燃料通风室对(例如101/104、102/105、103/106各对)之间，一组管状燃料电池设置于双重喷注管上(例如在喷注管207和209上的燃料电池208)，以使得燃料电池电气地并联。隔板129、130和131、132使这些并联组的层彼此电气地绝缘，以使得这些组可以设置为电气地串联。因此，例如，图1所示系统100可以使用三个串联的燃料电池组，每个组包括十个并联连接的管状电池。可选的实施例通过使用更多的或更少的通风隔板而产生不同数目的电池组。另一实施例中没有隔板129-132，并因此仅有并联设置于两无隔板燃料通风室之间的一组燃料电池。
在根据本发明的一个实施例中，喷注管134、135的至少一个底层(为清楚起见，以黑色示出)被陶瓷加热管围绕，该加热管以一种类似于燃料电池管208的形式从一个相对的喷注管伸出到另一个喷注管。这种陶瓷加热管包括燃烧催化剂，并通过催化燃烧达到很高温度。进入阴极区128并穿过这些管的空气因而在其达到燃料电池208的阴极215之前被加热。
燃料通风室101-103和104-106包含预重整催化剂；例如，他们可以包括具有钌涂层的松散压紧多孔陶瓷球。热量被从燃烧区112和113传递到通风室101-103和104-106中的燃料(从而辅助预重整反应)，并且通过燃烧区的燃料流入喷注管内。
图3示出了根据本发明实施例的燃料通风室、喷注管以及燃烧歧管的一个视图，为清楚起见而在其中省略了其它部件。各分开的燃料通风室301-306具有它们各自的燃料入口336-341。
图4示出了根据本发明实施例的一组燃料通风室401，其具有从其两侧壁伸出的燃料气体喷注管407和442。通过沿长度方向重复系统100的设置，将若干个组件443以重复形式一个挨一个地设置与图1所示实施例相比能够提高燃料电池的装填率。也就是说，图4所示实施例使重复阵列的组件(各阵列包括燃料通风室/面向右喷注管/面向左的喷注管/燃料通风室)形成沿纵向如所希望地延续的单个系统(在该系统两端的每端各有单侧喷注管组件)。设置于燃料通风室相对侧的喷注管(例如喷注管407和442)上的燃料电池在这样一个纵向矩阵中电气地并联。
图5示出了根据本发明实施例的两个面对的燃料通风室组501和504，其中燃料入口536和539从相对侧进入。这样的入口方向可以与图1所示实施例一起使用，替代使入口从同一侧进入，如图3所示；并可以也与燃料通风室的重复纵向行一起使用，如图4所示。
图6和图7示出了根据本发明实施例的图1所示系统的外观图。图6示出围绕该系统各侧面的热绝缘外罩633，为清楚起见而从其中移去了顶层。燃料气体入口636-641延伸穿过外罩。图7示出了绝缘顶层743，其中有来自燃烧区的出口744和745；用于双重燃烧器(如图8所示)的出口746和747；以及来自阴极区域的出口748。
图8和图9以垂直于图1的截面角的截面角示出图1的实施例的截面视图(为清楚起见，在其中省略了一些部件)。图8示出了设置于阴极区828下面的燃烧器850和851。燃烧器850和851加热阴极区域828的壁852和853，从而帮助加热阴极区中的空气到工作温度。燃烧器的废料上升穿过出口846和847。图9示出了与图8类似的视图，其中喷注管907延伸穿过燃烧歧管920，而燃料入口936-938延伸穿过外罩933。
根据本发明的实施例，喷注管(例如图1中的喷注管107和109)也作为燃料电池208的集电器。连接到燃料电池阳极的线或网与喷注管电气地相接触。由于喷注管和燃料通风室由导体材料制成，因而可以通过与燃料通风室壁相连接而电气地连接燃料电池阳极。在燃料通风室被电气绝缘物分隔成分开的室时，使用与燃料通风室壁的连接作为阳极连接，与各个相对的燃料通风室对相关的电气地并联的燃料电池组可以彼此串联地设置。使用线网和母线可以以类似于下面另一实施例的描述的形式形成与燃料电池阳极和阴极的连接。由于重力将燃料电池208拉下到喷注管207和209上，线网结构可以也用于保持在喷注管上表面和燃料电池之间、用于燃料气体流动的间隙。
图10示出一个实施例的截面视图，其中阳极和阴极层1014和1015被分为两段1054和1055，而公共电解质1056支持所有段。段1054和1055因此作为分开的燃料电池，每个产生与未分段的管将产生的电压相同的电压。使用这种技术，系统电压可以因此加倍。
根据本发明的一个实施例，从燃烧区112和113排出的气体(例如CO2、CO、CH4、H2O和H2)可以被排出而不燃烧。在这种情况下，进入燃烧区112和113底部的入口被关闭，从而通过切断空气的进入而防止燃烧。所排出的气体通过导管从出口744和745向下再循环到燃料入口336-341，而不是被燃烧。
图11示出了用于根据本发明另一实施例的燃料通风室、燃烧歧管和喷注管组，此实施例参考图11-15进行描述。在此实施例中，燃烧歧管1120由U形的陶瓷纤维板制成，有两行喷注管1107延伸穿过该板。当纤维板1120被压缩时，由于间隙1118被压缩而封闭，其形成绕燃料电池(未在图11中示出)的密封。因此，燃烧区1112被封离阴极区。气体入口1136-1138形成于金属燃料通风室1101中。
图12示出图11所示的两个组件，它们彼此相对设置以形成双重喷注管1207的层。在图13中，燃料电池1308被示为设置于各对相对的双重喷注管(也即图12的喷注管1207)之上，而燃料电池1316的端部伸入燃烧区1312。组件1300形成电气地并联的燃料电池的单一层。如图14中所示，通过将这些层一个迭放在另一个之上并在其中设置绝缘层1429-1432方便于将这些层串联地设置。例如，绝缘层1429-1432由1/16”厚的陶瓷纤维板形成。图15示出如图14所描述的那样迭放、并被热绝缘外罩1533围绕的十层的一组。压缩外罩1533的壁使陶瓷纤维板燃烧歧管能够被压缩(例如图11所示的歧管1120)，以形成围绕燃料电池管的密封。燃料电池可以也被粘接(例如使用陶瓷胶)到燃烧歧管以提供更好的围绕电池的密封。
图16和17示出根据本发明的实施例，该实施例类似于图11-15所示实施例，但在每层中有单一行的双重喷注管1607，而不是两行。图16示出了具有相对的燃料通风室1601和1604、喷注管1607和1609、以及燃烧歧管1620和1621的单一层。燃烧歧管1620和1621由多张U形陶瓷纤维板形成，如图11的实施例所示。图17示出十层，各层类似于图16的层，以一种类似于图14所示实施例的形式一层迭在另一层上并在其中有电气绝缘层1729和1731。因此，图17的设置使十组25个电气地并联的燃料电池串联设置。
图18-20示出了根据本发明的一个实施例，该实施例也类似于图11-15所示实施例，但该实施例具有E形燃烧歧管1820。该E形将系统各侧的燃烧区垂直地分成两半(也即，半个燃烧区1812、1857分在一侧，而半个燃烧区1813、1858分在另一侧)。电气绝缘层1859也将系统各侧的燃料通风室1801、1802分开，以使得与各燃料通风室相关的燃料电池的阳极可以有分开的电气连接。因此，各层1860具有电器地并联的燃料电池组的两个并排的组1861和1862，而不是如图11所示实施例那样仅有一个。因而，将这些组串联设置使得给定尺寸的叠层电压增加。图19示出图18中的十层，其中一层迭放于另一层上，使二十组电气地并联的燃料电池串联设置(一组为这十层的一半)。图20示出了围绕图19的层的金属外罩2033。
制造图11-15、16-17以及18-20所示实施例的管状燃料电池叠层的分层技术方便了生产该技术使层的一半(例如图11中所示组件)可以由不同工人(或自动生产过程)同时制造，代替将整个叠层作为一件制造的要求。
图21示出了根据本发明实施例的部件，其中使用了水平燃料电池管而没有上述的双重喷注管。燃料电池管(未示出)在燃料入口板2163和燃料出口板2164中的孔之间水平地延伸；燃料气体进入在从其燃料入口板端的燃料电池管，并流到它们的燃料出口板端。空气通过空气入口2124升入系统的阴极区2128。燃料入口壁2165和燃料出口壁2166由三层密封结构形成(在下面进一步描述)，该结构具有夹在两钢层2163和2168之间的陶瓷纤维板层2167。
图22示出了没有底部空气入口支架的图21所示实施例的一个近视图。孔2269延伸穿过所有的三层壁2265和2266，以使得水平燃料电池管的端部可以延伸穿过这些孔。
图23为连接有气体燃烧器支架2370的图21所示实施例的底视图。气体燃烧器支架中的孔2371和2372使两燃烧器(如图25中所示)可以延伸穿过孔2371、2372，并加热系统的阴极区的底壁2352。这使进入空气入口2324的空气被加热到工作温度。
图24示出了连接有燃料入口歧管2473和燃料出口歧管2474的图23所示实施例。燃料气体进入入口2436；被分布到延伸穿过燃料入口壁2465的燃料电池管(未示出)的开口端；通过该管流到燃料出口壁2466的管；并从出口2475流出。从出口2475排出的废料可以然后通过导管(未示出)再循环到气体燃烧器(如图25所示)或燃料气体入口2436，以提供额外的热量。
图25示出了加有燃料预处理模块2576的图24所示的实施例。在此实施例中，燃料气体首先进入入口2577，并在模块2576中被预处理。这种预处理可以包括，例如除硫或燃料预重整。在预处理后，燃料从出口(如图26所示)离开模块2576，并通过导管(未示出)被供给到燃料入口2536；在这以后，其路径如图24所示。气体燃烧器2578和2579也于此视图中可见。
图26示出了图25所示实施例的截面视图。其中示出了燃料预处理模块2676的入口2677和出口2680。
图27示出了用于类似于图21-26所示实施例的分层燃料电池系统的一层燃料电池。在图27中，燃料电池层2708在两高密度陶瓷纤维板燃料通风室2781和2782之间延伸。燃料电池端部的外侧表面被粘接到燃料通风室中(例如使用陶瓷胶)。
图28示出一个二十层的组件，各层类似于图27所示层。通过将这些层彼此电气地绝缘，各层的并联电池可以以一种类似上述的形式串联地设置。图28所示实施例的组件用于与图21-26所示类似的叠层设计中，其中燃料气体通过燃料通风室2881进入燃料电池并通过燃料通风室2882离开。
图29示出一个实施例，其中有一个类似于图28所示实施例的组件的四层的组件，除了每层中有两行燃料电池2908而不是一行。
图30示出一个类似于图21-26和图27-29所示的实施例的部件，其中金属燃料通风室3081和3082被密封到高密度陶瓷纤维板燃料电池板3083和3084。如图27中所示，燃料电池管3008的端部被粘接到燃料电池板3083和3084。
图31和图32示出了根据本发明的实施例将图30所示金属燃料通风室密封到纤维板燃料电池板所用的技术。在这里描述的其它实施例上的密封也可以使用类似技术实现。图31的分解视图示出下列层第一钢燃料电池板3185；单个密封板的第一层3186；压缩的陶瓷纤维板绝缘层3187；单个密封板的第二层3188；以及第二钢燃料电池板3189。燃料电池管插入孔3190中。然后，这些层通过螺栓孔3191被用螺栓固定在一起，以使得绝缘层3187绕燃料电池管压缩而形成密封。
图32示出组装后的层3285-3289。在拧紧插在孔3291中的螺栓后，陶瓷密封绕插入于孔3290中的燃料电池管形成。延伸穿过绝缘层3287的孔部分3290和3291壁比其它层上的相应部分要小，以使得绝缘层紧固地配合围绕于燃料电池。陶瓷纤维板绝缘层3287可以为铝基(Al2O3)的，并也可以由陶瓷纤维毛毡或陶瓷纤维片形成。在本申请提交时，适当的这种材料由Thermal Ceramics and Saffil公司出售。
在一个实施例中，在开始没有孔形成于绝缘层3287中；替代的是，通过将燃料电池推入穿过绝缘层而形成孔，从而推出一个绝缘孔塞(plug)并绕电池形成较紧密的密封。然后，穿过孔3291的螺栓可以被紧固，以进一步地紧固密封。当这种密封用作燃烧歧管的壁(例如，在图1所示实施例中)时，燃烧催化剂(例如铂或钯)可以涂覆于绝缘层的纤维超出表面(也即，在燃料电池外表面直径和孔3290的直径之间的表面)上。这种覆层使任何泄漏的燃料都确保被氧化(燃烧成无害物)。
图33和图34示出了根据本发明实施例的燃料电池叠层焊件，该焊件可以与图1所示的双重喷注管系统和图30所示的单向流系统以及这里描述的其它实施例一起使用。如图33所示，叠层焊件具有连接到电池板3385的两个凸缘燃料歧管3392和3393。通过将具有入口和出口管的歧管盖(以类似于图30所示歧管3081和3082的形式)紧定到这些凸缘，叠层焊件可以以一种类似于图30所示实施例和其它单向流实施例的方式使用。可选的是，叠层焊件可以与这里所述的双重喷注管实施例一起使用，其中(在燃料电池管中的)喷注管延伸穿过孔3390。
图31和图32的密封技术也可以以单向流和双重喷注管的形式与图33所示叠层焊件一起使用。那么，每个电池板3385就以与图31所示电池板3185相类似的方式起作用。图34示出了图33所示焊件的组件视图，包括电池板3485、凸缘燃料歧管3492和3493、以及侧面板3494。图33-34所示实施例四个侧面上的凸缘方便了将燃料电池叠层栓接到燃料电池系统的其它部件(例如图35所示实施例的部件)，并且方便了燃料电池的更换。
图35示出了根据本发明实施例的整体系统设计，其可以与多个这里所述的多个燃料电池叠层实施例一起使用。如图33-34所示的，该系统各模块上的凸缘方便了各模块的更换(例如，为了维修或升级)。在图35中，空气、燃料气体以及废料的流向由箭头示出。燃料气体通过燃料预热器3501进入系统，该预热器可以包括加热金属线圈。然后，被加热的燃料空气进入CPOX反应器3502，在其中燃料气体被预重整。然后，CPOX反应器的输出气体被供给到燃料电池叠层3503的燃料气体入口中，在该处其穿过燃料电池。然后，剩余燃料气体流出燃料电池叠层，并被导管引导到燃料废料燃烧器3504和阴极空气加热器3505。阴极空气加热器的输出被供给到气体分配通风室3506。陶瓷板燃烧器炉瓦3507位于气体分配通风室3506和燃料电池叠层3503之间；燃烧器炉瓦是多孔的，并支持燃烧。在启动时，一些甲烷被添加到空气中，以使得位于燃烧器炉瓦上的点火器使某种燃烧产生。冷空气进入阴极空气热交换器3508，并使得到的热空气进入阴极空气加热器3505。废料从阴极空气加热器3505离开该系统，并排出阴极空气热交换器3508的顶部。
图36示出了根据本发明实施例的一种用于从管状燃料电池阳极收集电流的技术。在图36A中，导电网3609被点焊到导线3610，并推入到管状燃料电池3611内部，以与燃料电池的内阳极层的表面相接触。该网可以由例如银/镍合金、镍、或银制成。该导线被盘绕，以在燃料电池内部形成网。导线3610可以由例如镍或银导线制成；并通过母线3612连接到来自其它燃料电池的导线，如图36B所示。在图36B中，两导线3610(从其后方示出)通过不锈钢母线3612电气地相接触，该母线被螺栓3613压缩以实现良好的电气接触。导电网层3614(具有类似于网3609的材料)可以设置于导线3610和母线3612之间。如图36C所示，两层以上的母线3612和导线3610可以设置成电气地相接触。中间的母线的厚度T应被增加，以使得当母线被栓接在一起时燃料电池的上下层上没有应力。
图37示出了根据本发明实施例的一种用于从管状燃料电池的阴极收集电流的技术。如图37A所示，导电网编织带3715围绕燃料电池3711的外阴极表面(以截面形式示出)编织。如图37B的顶视图中所示，多个这种编制带3715可以编织穿过燃料电池3711、以及用于与这些多个编制带中的每一个相接触的垂直编制带或导线3716(例如在点3717和3718处)。可选的是，导电网片可以设置于阴极的整个行上方，以增加收集电流的区域。
在选择图36和37所示的用于导电网和导线的材料时，通常优选高导电率、耐腐蚀的材料。这些材料的熔点也是一个要考虑的重要方面。根据本发明的实施例，可以使用铂或铂族金属；或者镍的银合金。导线(例如导线3716)也可以通过包覆技术形成，例如图37C中所示的包覆。在图37C所示导线中的层A由铜(其价格便宜，并且为良导体)构成；层B由镍构成，镍提供扩散势垒；而层C由银构成，银是耐氧化的。
图38示出了根据本发明实施例的全陶瓷燃料电池叠层的一个单层。燃料电池管3810粘接到陶瓷歧管的下半部3811中。陶瓷歧管的上半部3812粘合到下半部3811上面密封并夹在管之间。燃料气体单向地流过燃料电池管3810，并且陶瓷歧管两半的一端的开口形成入口歧管3817，而陶瓷歧管两半的另一端的开口形成出口歧管3818。
图39示出了图38所示实施例的集电系统的整体视图。该层的燃料电池3910被分为左侧组3913和右侧组3914，它们串联地连接。阳极导线3915和母线3916从每个六电池组的两端收集电流。
图40示出了图39所示实施例的阳极集电系统的近视图，其中阳极导线4015伸入母线4016中。
图41示出图38-40所示实施例的一层的左侧电流通路。阴极集电器导线4119从该层右侧下面向上进入用于绝缘导线的下中心陶瓷管4120，并到达该层的端部，在该处该导线于4121处连接到左侧阳极母线4116。电流通过左侧燃料电池4110到达左侧阴极集电绕组4122，并进入上中心陶瓷管4123。该导线到达该层的端部，在该处该导线于4124处连接到右侧阳极母线(未示出)。电流穿过右侧电池(未示出)，到达右侧集电绕组，并向上进入紧接的下一层的下中心陶瓷管中。该层的另一端为图41所示端部的镜像。
图42示出了根据本发明实施例的分层燃料电池叠层结构的单层的分解视图。固体氧化物燃料电池管4200水平地延伸穿过陶瓷废料通风室层4210。一种可以由涂覆银的镍或铬镍铁合金制成的波纹带状结构集电器4220与固体氧化物燃料电池管4200的外(阴极)层形成卡入配合。热绝缘和电气地绝缘的陶瓷绝缘体4230设置于燃料电池叠层的层之间，它是垫圈密封件4240，其被压缩以形成密封、并可以由例如云母制成。燃料输出歧管4250(由例如镍制成)包括突起4251，通过该突起，燃料被输入到燃料电池管4200的内部，并且，还具有突起4252，该突起用于电气地连接到叠层的上面的紧接的一层。在此形式下，燃料电池管4200的各层电气地并联，并设置为与该管的上下层相串联。燃料电池管4200被用铜焊接到输入歧管4250。
根据本发明的实施例，图43示出了图42所示层的组装视图，而图44示出了形成为两个串联设置的叠层的多个这种层。在图44中，进入的空气被该系统的废料通风室端4410预加热，然后再循环流过电池4400的外侧(阴极)区。
图42-44所示实施例的层叠叠层结构使制造变得容易。
图45示出了串联设置的根据图42-44所示实施例的两个组装叠层。大热交换器4560位于从该系统向外流出空气的区域的上面。可以由陶瓷制成的热交换器4560存储来自于系统所排出空气的热量，并加热进入的空气。另外，可以通过将空气或水管穿过废料通风室4410(见图44)，管中的空气或水将通过这种方式被加热，而实现进一步的热，例如用于家庭供热的热交换。
尽管本发明的各种示例性的实施例已被公开，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，能够做出实现了本发明的一些优点而不背离本发明的真实范围的各种变化和修改。这些和其它的明显修改为所附权利要求所覆盖。
权利要求
1.一种用于产生电能的燃料电池系统，该系统包括具有开口端的管状固体氧化物燃料电池；第一燃料喷注管，该管从第一燃料通风室伸出并穿过燃料电池的一个开口端；和第二燃料喷注管，该管从第二燃料通风室伸出并穿过燃料电池的另一个开口端；其中第一和第二燃料喷注管在燃料电池中形成间隙，含氢燃料气体可以从该间隙中流向燃料电池的开口端。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于该燃料通风室中的至少一个包含预重整催化剂。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于燃料电池的开口端延伸穿过界定第一和第二燃烧区的第一和第二燃烧歧管，并且其中第一燃料喷注管延伸穿过第一燃烧区，而第二燃料喷注管延伸穿过第二燃烧区。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于该燃料电池为阳极支持的管状燃料电池。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于电气地并联的管状固体氧化物燃料电池组设置于相对的一对燃料通风室之间，并且相对的成对第一和第二燃料喷注管伸入该组中的各燃料电池中。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于多个燃料电池组电气地串联连接。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于多个相邻的燃料通风室由隔板电气地绝缘。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于还包括陶瓷加热管。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于燃料通风室中的至少一个包括至少两组相对面向的燃料喷注管。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于用于第一燃料通风室的燃料入口从该系统的一侧进入，该侧与用于第二燃料通风室的燃料入口相对。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于还包括气体燃烧器，其设置为用于加热围绕系统阴极区的外罩。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于燃料电池包括多个燃料电池段。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于第一和第二燃料喷注管与燃料电池的阳极层电气地相连接。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于第一燃烧歧管围绕燃料电池形成密封。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于第一燃烧歧管由陶瓷纤维板制成，并且通过压缩该陶瓷纤维板而形成密封。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于多层电气地并联的燃料电池组的叠层彼此之间电气地绝缘。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于陶瓷纤维毛毡材料电气地绝缘该各层。
18.根据权利要求15所述的系统，其特征在于第一燃烧歧管被分成两个燃烧区。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于两燃烧区对应于第一燃料通风室的两个电气绝缘半室。
20.一种用于产生电能的燃料电池系统，该系统包括多个具有开口端的管状固体氧化物燃料电池，水平地设置在燃料进口板和燃料出口板之间；其中燃料进口板和燃料出口板包括一系列用于燃料电池的开口，并且每个板都包括形成围绕各燃料电池的密封的压缩陶瓷纤维板层。
21.根据权利要求20的燃料电池系统，其特征在于还包括气体燃烧器，其被设置成用于加热围绕该系统阴极区的外罩。
22.根据权利要求20的燃料电池系统，其特征在于还包括燃料预处理模块。
23.根据权利要求20的燃料电池系统，其特征在于燃料入口板和燃料出口板包括用于燃料电池系统模块化组件的凸缘。
24.一种用于产生电能的燃料电池系统，该系统包括多个垂直层迭的燃料电池组件，每层包括多个具有开口端的管状固体氧化物燃料电池，该电池水平地设置于两个陶瓷纤维板燃料通风室之间并且电气地并联设置；其中多个层中的每一层与其相邻层电气地绝缘。
25.一种围绕管状固体氧化物燃料电池形成密封的方法，该方法包括将燃料电池插过至少三层密封层，该密封层包括第一和第二金属板层以及陶瓷纤维板层；和压缩金属板之间的陶瓷纤维板层以围绕燃料电池形成密封。
26.一种用于产生电能的燃料电池系统，该系统包括多个具有开口端的管状固体氧化电池，该电池水平地设置于陶瓷歧管的上半部和下半部之间；其中陶瓷歧管围绕燃料电池的端部形成密封，并且陶瓷歧管一端的开口形成入口歧管，而陶瓷歧管的另一端开口形成出口歧管。
27.根据权利要求26所述的燃料电池系统，其特征在于陶瓷歧管包括用于多组电气地并联的燃料电池的开口。
28.根据权利要求27所述的燃料电池系统，其特征在于陶瓷歧管中的至少两组燃料电池电气地串联连接。
29.根据权利要求28所述的燃料电池系统，其特征在于燃料电池系统的阳极集电系统包括一组夹在一对母线之间的阳极导线。
30.根据权利要求29所述的燃料电池系统，其特征在于还包括至少一个围绕集电导线的陶瓷管。
31.一种用于产生电能的燃料电池系统，该系统包括多个垂直迭放的燃料电池层，每层包括多个具有开口端的管状固体氧化物燃料电池，这些电池水平地设置于陶瓷废料通风室和金属燃料输入歧管之间；其中燃料输入歧管包括用于将各燃料电池层电气地连接到与其邻接的上面一层的突起，并且，用于各层的波纹集电器与该层的多个燃料电池形成卡入配合。
32.根据权利要求31所述的系统，其特征在于还包括热交换器，其设置成用于存储系统中排出空气的热量并加热进入的空气。
33.根据权利要求31所述的系统，其特征在于还包括至少一个延伸穿过废料通风室的加热管。
全文摘要
在根据本发明的一个公开实施例中，一种用于发电的燃料电池系统包括端部开口的管状固体氧化物燃料电池；从第一燃料通风室伸出、穿过该燃料电池的一个开口端的第一燃料喷注管；以及从第二燃料通风室伸出、穿过该燃料电池的另一个开口端的第二燃料喷注管；其中第一和第二燃料喷注管在燃料电池内形成间隙，含氢燃料气体可以从该间隙流向燃料电池开口端。本发明还公开了更进一步的相关系统及方法。
文档编号H01M8/12GK1539176SQ02813950
公开日2004年10月20日 申请日期2002年6月4日 优先权日2001年6月4日
发明者迈克尔·布朗, 迈克尔 布朗, 芬顿, 巴西尔·芬顿, 凯文·高, 高, 内尔·费尔南德斯, 费尔南德斯, A 穆克, 加里·A·穆克, な访芩, 休·L·史密斯, 滕普塞特, 若弗瑞·滕普塞特, 凯纳·芬纳蒂, 芬纳蒂, F 利特考伊, 安东尼·F·利特考伊, 妮 布维尔, 维尔日妮·布维尔, H 内格罗蒂, 凯文·H·内格罗蒂 申请人:阿库门特里斯公司