固体氧化物燃料电池系统的制作方法

专利名称：固体氧化物燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及固体氧化物燃料电池，具体来说，涉及管理反应腔室内由电化学反应 产生的热能的系统和方法。
背景技术：
近来，人们极大的关注集中在作为清洁能源的燃料电池，其能以环境友好的方式 高效地转换能量。固体氧化物燃料电池(SOFC)是其中的一种类型的燃料电池，其在非常高 温度下工作，通常在700°C和1000°C之间。固体氧化物燃料电池可具有多种几何形，但通常 配置成平面的几何形。在传统的平面构造中，电解质被夹在单个阳极电极和单个阴极电极 之间。夹在中间的电解质被用作为燃料气体和空气或氧气气体之间的分隔，所述燃料气体 诸如氢气，其供应到阳极电极侧上的分隔部分，而空气或氧气气体则供应到阴极电极侧上 的分隔部分。在典型的固体氧化物燃料电池系统中，诸如燃料和氧气的反应物的大约一半的动 能被转化为电能，而另一半则转换为热能，热能致使SOFC系统内温度大大地提高。为了触 发快速的电化学反应，反应物通常必须加热到高温。例如，在使用稀薄的氧化钇部分稳定的 氧化锆(3YSZ)的系统中，反应物被加热到大约725°C以获得有效的反应。有了这样的反应 物初始温度，对于符合化学计量标准的氢-空气系统来说，燃料电池内的峰值温度可提高 到1000°C以上。燃料电池的电气和机械特性很大程度取决于系统的运行温度。在高温下(诸如约 1000°C或以上)，可出现以下的严重问题热机械应力和固体氧化物燃料电池系统部件内 密封材料的熔化。此外，经常需要外部加热来将反应物加热到其最佳反应温度，这导致了整 个系统效率低下。已经开发出各种热管理的策略。例如，美国专利2004/0170879A1揭示了一种形 状记忆合金结构，其连接到燃料电池以作热管理。美国专利2005/0014046A1揭示了一 种内部双极热交换器，其用来从个别的电池的阳极侧移走热量而加热另一电池的阴极流 动。在美国专利2004/0028972A1中，揭示了一种用于在燃料电池单元和热交换器流体流 动之间传递热量的流体热交换器，该流体流动方向垂直于电解质表面。此外，在美国专利 2003/017695A1中，揭示了一种重整反应器，其连接到燃料电池以帮助系统水平上的热管 理。在W0200306M88A1中，揭示了一种用于燃料电池热管理的内部重整器。因此，本技术领域内需要有一种热管理系统和方法，它们既能够减小反应中产生的热能所造成的热机械应力，又能够预热进入反应腔室的反应物而提高固体氧化物燃料电 池的总系统效率。

发明内容
根据本发明一个实施例，燃料电池系统包括a.多个燃料电池组，每个组包括至少一个燃料入口、至少一个燃料出口、框架以及 两个多电池的燃料电池装置，燃料电池装置定位成一个燃料电池装置的阳极侧面向另一 个燃料电池装置的阳极侧，两个燃料电池装置组合起来，至少部分地形成连接到燃料入口 和燃料出口的燃料腔室；b.多个热交换器组，每个组包括至少一个氧化剂入口、至少一个氧化剂出口、以及 连接到至少一个氧化剂入口和至少一个氧化剂出口的内部氧化剂腔室；热交换器组平行于 燃料电池组并插入在燃料电池组之间，以使热交换器组面对燃料电池组，并至少部分地形 成多个阴极反应腔室，它们位于热交换器组和燃料电池组之间c.外壳，该外壳支承和包围燃料电池组和热交换器组；d.氧化剂入口腔，该氧化剂入口腔操作地连接到热交换器组的氧化剂入口 ；e.氧化剂排出腔，该氧化剂排出腔操作地连接到阴极反应腔室；f.入口燃料集管，该入口燃料集管连接到燃料电池组的燃料入口 ；以及g.排放燃料集管，该排放燃料集管连接到燃料电池组的燃料出口。根据某些示范实施例，燃料电池系统还可包括氧化剂回转腔，该氧化剂回转腔操 作地连接到热交换器组的氧化剂出口 ；以及阴极反应腔室的氧化剂入口侧。根据某些示范实施例，燃料电池系统还可包括二次氧化剂排出口，其(i)连接到 交替的氧化剂腔；以及(ii)包括能够控制交替氧化剂腔内背压的阀门。本发明附加的实施例部分地将在详细描述和随后的任何权利要求书中进行阐述， 部分地将从详细描述中得知，或可通过本发明的实践来领会。应该理解到，以上的一般描述 和以下的详细描述都只是示范性的和解释性的，并不限制所揭示和/或所主张的本发明。


纳入在本说明书内并构成本说明书一部分的附图，连同说明书一起示出了本发明 的某些方面，用来解释本发明的原理而不限制这些原理。图1是根据本发明一个实施例的在操作环境内的模块化固体氧化物燃料电池系 统的剖切图。图2A示出根据本发明另一个实施例的模块化燃料电池组的燃料电池框架。图2B是图2A的燃料电池组框架的截面A-A的剖视图。图3示出根据本发明一个实施例的模块化燃料电池组。图4A和4B示出根据本发明另一个实施例的模块化氧化剂热交换器组的侧壁。图5是根据本发明一个示范实施例的其中布置有模块化氧化剂热交换器组的模 块化固体氧化物燃料电池系统的剖视立体图。图6是根据本发明另一个示范实施例的其中布置有模块化燃料电池组和模块化 热交换器组的模块化固体氧化物燃料电池系统的剖视立体图。
图7示出根据本发明另一个示范实施例的模块化固体氧化物燃料电池系统内的 氧化剂和燃料的流动。图8A和8B示出包括氧化剂热交换内腔的燃料电池组的示范实施例。图9A是模块化燃料电池系统的一部分的示意剖视图，其包括外壳、一次和二次空 气出口和空气扩散器。图9B和9C示出图9A的部分组装的模块化燃料电池系统。图IOA是对应于图9A的模块化燃料电池系统的一部分的示意剖视图，示出二次空 气排放和空气回转扩散器。图IOB示出图9A-9C和IOA的模块化固体氧化物燃料电池系统内氧化剂的流动。图11示出示范的燃料电池系统的一个实施例。
具体实施例方式以下对本发明提供的描述是为能介绍本发明最佳的当前已知实施例。为此目的， 本技术领域内的技术人员将会认识和明白到，对于本文所述的本发明的各种实施例可作出 许多改变，而仍能获得本发明有益的结果。还可明白到，通过选择本发明的某些特征而不利 用其它的特征，就可获得本发明某些所要的优点。因此，本技术领域内的技术人员将会认识 到，对于本发明所做的许多修改和改适都是可能的，且在某些情形中甚至可以是理想的，并 是本发明的一部分。因此，提供以下的描述是为解释本发明的原理而不是限制本发明。如本文中所使用的，单数形式的冠词“一”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非 文中另有清晰的指示。因此，例如，所谓一个“氧化剂预热腔室”包括具有两个或多个如此 “氧化剂预热腔室”的各种实施例，除非文中另有清晰的指示。“范围”在文中可表达为从“约”一个具体数值，和/或至“约”另一个具体数值。 当表达如此一个范围时，另一个实施例包括从一个具体数值和/或至另一个具体数值。同 样地，当使用先行词“约”近似地表达数值时，则应该理解为特定的数值可形成另一实施例。 还应该理解到每个范围的端点值与另一端点值相关以及独立于另一端点值都是有意义的。如上简要地所概括的，本发明提供管理模块化固体氧化物燃料电池装置内温度分 布的系统和方法，并提高总的系统效率。通过利用燃料电池装置内反应所产生的热能来预 热空气和/或进入燃料电池装置的燃料气体，由此，减少和/或消除对外部预热系统的需 求，于是在各种实施例中这些系统和方法可提高固体氧化物燃料电池系统的效率。根据本发明的各种实施例，且如图1所示，例如，模块化固体氧化物燃料电池系统 10包括外壳100、至少一个模块化燃料电池组200，以及至少一个模块化氧化剂热交换器组 300。如图1所示，多个模块化燃料电池组200和多个模块化氧化剂热交换器组300可在外 壳100内布置成燃料电池组和氧化剂热交换器组的交替形式的阵列。因此，在一个具体实 施例中，燃料电池组和氧化剂热交换器组可布置成每个燃料电池组定位在两个氧化剂热 交换器组之间。因此，在该结构中，这些组的最少数量为1个燃料电池组和2个热交换器组。 这些组的最大数量由固体氧化物燃料电池系统所需的输出功率的量予以确定。每个燃料电池组200包括位于燃料电池组内的密封隔绝的燃料腔室，该燃料腔室 形成在两个燃料电池装置之间(文中也称之为电极组件)。具体来说，根据各种实施例，燃 料电池组200可包括燃料电池组框架202和至少一个电极组件(即，燃料电池装置)210。在图1所示实施例中，每个燃料电池装置210是多电池的装置，即，每个燃料电池装置210 包括多个阵列的燃料电池。在该具体实施例中，每个燃料电池装置呈平面的、电解质支承的 燃料电池阵列。示范的燃料电池组框架202显示在图2A和2B中。燃料电池框架可由各种材料 冲切出的大致矩形板制成。燃料电池框架例如可由不锈钢板203制造，诸如E-bright或 446-不锈钢。或者，燃料电池框架可由玻璃、玻璃陶瓷、完全或部分稳定化的氧化锆制成。 较佳地，框架材料的热膨胀系数(CTE)接近于电解质材料的热膨胀系数(例如，框架和电解 质材料之间的CTE差在1 X 10-6cm/cm/°C内，较佳地在0. 6 X 10_6cm/cm/°C内，更加较佳地 在0.4X10-6Cm/Cm/°C内)。例如，每个框架可制作为板，并可在板的内部具有形成在其中 的大致矩形的孔202A ；因此，每个板可形成内周缘和外周缘。板可冲切而成，例如，在内周 缘和外周缘之间的板的部分内，以形成一井(well)。如图2B所示，该井可成形为这样当板 203面对面毗邻时，它们沿着外周缘部分基本上完全地接触，但沿着内周缘部分却彼此间距 一定距离。燃料入口 204可与形成在燃料电池框架下部内的井流体地连通，如图2A所示。 同样地，燃料出口 206可与形成在燃料电池框架上部内的井流体地连通。根据其它的实施例，燃料电池组200可包括至少一个燃料电池装置210 (文中也称 之为电极组件)。参照图3，电极组件可包括电解质板212，该板可以是具有第一表面和相 对的第二表面的大致平面的板。多个阳极214可设置在第一表面上，而多个阴极216可设 置在相对的第二表面上，形成多电池的燃料电池装置。第二电极组件可类似地形成。在一 个实施例中，燃料电池框架202可支承第一和第二电极组件210，使得第一和第二电极组件 (即，燃料电池装置)210彼此分离开一定的间隔距离。在另一实施例中，第一和第二电极组 件210由框架202支承，使得第一和第二电极组件210的相应的第一表面彼此面对，并形成 阳极腔室220(即，燃料腔室)。如上所述，燃料电池框架202可由冲切材料形成(或，替代 地，可由玻璃或玻璃陶瓷制成)，制造的方式使得燃料电池框架板的部分沿着内周缘彼此间 距一定距离d。例如，可使该距离d为0. 5謹或以上。典型的距离例如可以为1謹至7謹。 这样，从燃料入口 204通过燃料电池框架下部内形成的井流入到阳极腔室(文中也称之为 燃料腔室)内，可形成流体的连通。同样地，从阳极腔室通过燃料电池框架上部内形成的井 流入到燃料电池组200的燃料出口 206内，可形成流体的连通。根据本发明的实施例，燃料电池组200内燃料的流动方向基本上是重力的方向。 燃料电池组的框架202例如可由形成的不锈钢合金加工而成，该不锈钢合金的壁厚不大于 Imm,例如，为 0. 25mm-lmm0在一个实施例中，多个阴极216与氧化剂反应而产生阳离子，氧化剂例如可为含 氧的空气。多个阳极214使用由阴极216产生的氧离子，与燃料(诸如但不限于氢气)反 应来产生水和电。电解质板212起作隔膜或屏障，使阴极侧上的氧化剂与阳极侧上的燃料 分离。在此结构中，电解质板212还可用作电绝缘体，其阻止阳极侧上的氧化反应生成的电 子到达阴极侧。在另一实施例中，电解质板212可构造成引导由阴极216产生的阳离子到 阳极214。根据某些实施例的模块化固体氧化物燃料电池系统还包括多个模块化的氧化剂 热交换器组300。模块化的氧化剂热交换器组可包括具有一对相对的间隔的侧壁302的本 体，侧壁相应地定位形成内部体积301(即，空气腔室)，文中也称之为热交换内腔。图4A和4B示出示范模块化的氧化剂热交换器组300的侧壁302。模块化的氧化剂热交换器组的壁 302例如可由不锈钢制成，诸如E-bright或446不锈钢，或镍合金，或可由玻璃、玻璃陶瓷、 完全地或部分地稳定化的氧化锆制成。侧壁302可由成形的不锈钢合金加工而成，厚度不 大于1mm。壁302可例如由成形的不锈钢合金制成，壁厚度不大于1mm，例如为0. I-Imm0热 交换器组300的侧壁302可包括两个成形的合金结构(壁)，它们彼此邻接但不受约束，以 使每个这些结构(壁)在热梯度的条件下可相对于彼此滑动。由此可见，可形成侧壁的一部分来限定与内部体积(内部空气腔室)301连通的氧 化剂入口 306，其用作为氧化剂预热腔室，或热交换腔室。侧壁302还可限定与内部体积301 连通的至少一个出口 308。在一具体实施例中(见图4A)，出口基本上为限定在侧壁302下 部内的水平狭缝。在另一实施例中(见图4B)，氧化剂出口 308的形状类似于氧化剂入口 306。热交换器组300不需要气密密封，且不需要是匹配于燃料电池装置的CTE。热交换器组300可由框架和两个平面的电解质板组成，电解质板布置成基本上彼 此平行，使得它们之间的内腔形成内部体积(热交换腔室)301。如图5所示，多个模块化氧化剂热交换器组300可由外壳100支承。在一个实施 例中，至少两个热交换器组300可定位在外壳100内，彼此间距地相对，以形成两者之间的 氧化剂腔室310。在一具体实施例中，模块化的氧化剂热交换器组300基本上垂直地定位在 外壳内，如图5所示。外壳100可类似地支承至少一个模块化燃料电池组，诸如图6和7中所示。在一具 体实施例中，至少一个模块化燃料电池组200定位在一对模块化的氧化剂热交换器组300 之间，并相对于该对模块化的氧化剂热交换器组300保持间距开的关系(例如，在氧化剂腔 室310内)，因此形成位于燃料电池组200的各壁和热交换器组300的各壁之间的阴极反 应腔室310A。即，热交换器组300面对模块化燃料电池组200的燃料电池装置210的阴极 侧。邻近组之间的间距(壁到壁)例如可以是约0. 5mm至7mm，较佳地为Imm至5mm。根据 各种实施例，模块化固体氧化物燃料电池装置可包括“η”个燃料电池组和“η+1 ”个模块化 氧化剂热交换器组。例如，模块化固体氧化物燃料电池装置可包括一个(1)模块化燃料电 池组和二个(2)模块化氧化剂热交换器组。在另一实施例中，“η”可以是至少二个O)，使 得模块化固体氧化物燃料电池装置可包括至少二个( 模块化燃料电池组和至少三个(3) 模块化氧化剂热交换器组。根据不同实施例，可以构思，模块化固体氧化物燃料电池可包括 任何数量的模块化燃料电池组和任何数量的模块化氧化剂热交换器组，且不意图局限于这 里所指的具体数字。图7示意地示出诸如空气那样氧化剂和燃料在模块化固体氧化物燃料电池系统 内的示范的流动，该模块化固体氧化物燃料电池系统使用了类似于图4A所示的热交换器 组。如图所示，空气通过至少一个模块化的氧化剂热交换器组300的氧化剂入口 306进入 该装置。在此实施例中，空气朝向下游(即，重力方向)流过热交换器组(即，通过形成在 其中的内部体积301)，并通过出口 308流出氧化剂腔室。空气然后沿着靠近热交换器组定 位的模块化的燃料电池组的阴极侧或表面，通过氧化剂腔室310(且因此流过阴极反应腔 室310A)。如上所述，空气或氧化剂与阴极216反应而产生氧离子，氧离子被引导通过电解 质板212流到阳极侧或表面。燃料诸如氢气但不局限于氢气，燃料通过燃料入口 204进入 燃料电池组200，具体来说，流入阳极腔室220内。燃料与阳极处的氧离子反应而形成水和电力。该反应的产物(例如，废气)通过出口 206流出阳极腔室。如图7所示，对于定位在两个模块化燃料电池组200之间的模块化的热交换器组 300，流过热交换器组内部体积304的空气，可通过形成在相应热交换器组的各个侧壁302 上的出口 308流出。这样，空气可沿着面向相应热交换器组300的每个燃料电池组200的 阴极侧流过氧化剂腔室310。因此，燃料电池组200的壁和邻近的相应热交换器组(氧化 剂热交换器组)300的壁，部分地提供了阴极反应腔室310A，该阴极反应腔室310A中，空气 在燃料电池组200的壁和邻近的相应热交换器组300的壁之间流动。通过将燃料电池组 200产生的热能传递到热交换器组的氧化剂热交换器组300内的较冷空气，例如，通过使用 辐射基座和散布器，热交换器组300帮助控制燃料电池组200和燃料电池堆叠内的热梯度， 和/或将热梯度减到最小。即，热交换器组的壁通过辐射热吸收来用作辐射基座，然后，分 散热量和将热量提供到热交换器组300的内部体积301内的氧化剂。例如，热量(i)首先从燃料电池组辐射传递到位于燃料电池组200和热交换器组300之间的 空气(该热量通过燃料与氧离子反应沿着模块化燃料电池组的电解质板产生)一即，沿着 面向相应热交换器组的每个燃料电池组的阴极侧传递到氧化剂腔室内的空气；(ii)在热交换器组300的全部壁表面上传导地分散；以及然后(iii)最后通过对流和/或气相传导传递到进入的空气。在图7所示的示范实施例中，空气(或这里未描述的替代实施例中的燃料)首先 通过电极组件210释放的热量进行预热。该热量先从燃料电池装置210或燃料电池组200 的侧壁辐射地传递到热交换器组300的合金壁表面，然后，在热交换器组300的全部壁上传 导地散布，最后通过对流，且在较小的程度上通过气相传导传递到进入的空气。较佳地，温 度梯度可维持在50°C内，更较佳地维持在35°C内，且最佳地维持在25°C内。在一替代实施例中，燃料电池组200和内部热交换器组300可形成一体，如图8A 和8B所示。图8A示出燃料电池组的框架，其上没有安装燃料电池装置210。图8B示意地 示出燃料电池组的剖视图，该图对应于图8A，但其上安装有燃料电池装置210。在图8A和 8B的实施例中，热交换内腔是内部体积或空气腔室301，其位于燃料电池组200的阳极反应 腔室220之间。因此，根据该实施例，一体的燃料电池组包括a.两个平面的多电池的燃料电池装置210( S卩，两个平面的电解质支承的燃料电 池阵列)，燃料电池装置210布置成使一个燃料电池装置210的一个阳极侧面对另一燃料电 池装置210的阳极侧；b.支承和/或设置在燃料电池装置210之间的框架202，其中，该框架含有燃料入 口和出口端口 204、206 ；空气入口和出口端口 306、308 ；以及一个或多个阳极(S卩，燃料)腔 室220 ；以及c.设置在燃料电池装置210之间的内部氧化剂(例如，空气)腔室301，其中，内部 空气腔室壁302相对于燃料电池装置210基本上为平面，以便将来自燃料电池装置210的 热能传送和散布到流过内部空气腔室301(即，氧化剂预热腔室)的氧化剂气体。S卩，图8B 所示燃料电池组的侧壁302能够将来自燃料电池装置210的热能传送和散布到流过内部空 气腔室301的氧化剂气体。由于燃料电池组之间的间距减小，所以利用该实施例可减小燃料电池堆叠的总体 积，其提供诸如以下的优点减小重量、成本和起动时间/停用时间。
根据各种实施例，氧化剂必须处于预定的温度下，以便与阴极反应，或允许与阴极 较快地和/或更有效地进行电化学反应。根据其它实施例，还可需要燃料处于预定的温度 下，以便与氧离子反应而产生电力。在一个实施例中，所供燃料、空气或这两者的预定温 度可以是大于600°C的任何温度，例如近似为600°C -1000°C。可供选择地，燃料、空气或 这两者的预定温度可以在约650°C至900°C的范围内，较佳地为700°C -900°C，或650°C至 800 "C。在一具体实施例中，最初提供到模块化燃料电池系统内的空气或氧化剂可预热到 特定的预定温度。可供选择地，通过燃料与氧离子的反应，可沿着模块化燃料电池组200的 电解质板212产生热量。所产生的热能可通过每个模块化热交换器组300的侧壁传到来预 热流过其中的空气。因此，在一个实施例中，模块化热交换器组300可由具有预定热传导率 的材料组成。因此，在一个实施例中，燃料电池组的反应产生的热能可用来预热需要形成反 应的氧化剂。如上所述，氧化剂可由外部预热装置进行预热，以便初始地启动该过程。然 而，可以想象，一旦在燃料电池组200内开始反应，则模块化固体氧化物燃料电池系统基本 上可自持续地进行，而无需用于氧化剂或燃料或这两者的外部加热装置。因此，一旦在模块 化固体氧化物燃料电池系统内发生初始反应，则相对较冷的空气可通过热交换器组300的 入口送入到燃料电池系统，当空气通过其中时，该空气就可逐步地被加热，并在空气通过阴 极216并与阴极216反应时，达到必要的预定温度。正如本技术领域内的技术人员将会认识到的那样，由于反应发生在模块化固体氧 化物燃料电池系统10内，所以其中的部件将会经受热膨胀和/或收缩。在一个实施例中， 由于每个模块化的热交换器组300和每个模块化的燃料电池组200之间的空间分离，每个 组可以变化的速率膨胀，不会干涉到其它的组。在一个实施例中，例如，模块化的热交换器 组具有多个壁，例如，它们可包括热膨胀系数(CTE)大于模块化燃料电池组的框架的热膨 胀系数的材料。因此，模块化的热交换器组可经受比燃料电池组所经受的热梯度高的热梯 度，因此，可独立于燃料电池组移动并避免干扰燃料电池组。模块化固体氧化物系统10的一个示范实施例显示在图9A-9C中。具体来说，图9A 和9B示出了模块化固体氧化物系统10的顶部，而图9C示出了包容氧化剂的传播部件。在 该实施例中，较冷的氧化剂(空气)通过空气入口 405进入初步氧化剂入口腔400，然后通 过入口空气扩散器板410，并进入二次入口腔420，在二次入口腔420中，空气现跨越热交换 器组300的入口 306进行分配。扩散器板410将氧化剂分配到热交换器组300。氧化剂或空 气如上所述地通过热交换器组300吸收热量之后，然后，氧化剂或空气流出热交换器组300 并进入氧化剂回转腔430，该腔可包括至少一个扩散器板430A和/或430B，并在进入阴极 反应腔室310A之前进行分配，如图IOA和IOB所示。空气然后流出阴极反应腔室310A，在 通过一次空气排出端口 460排出之前，进入一次氧化剂(空气)排出腔455(例如见图11)， 空气从该端口可进入一次空气排出腔462。燃料电池组200和热交换器组300由外壳100 支承并在外壳内，例如，如图9A-9C和10A-10B所示。应该指出的是，入口燃料集管250连 接到燃料电池组200的燃料入口 204，提供新鲜燃料以便进入阳极腔室220内。燃料出口 206连接到燃料电池组的排出燃料集管沈0，于是，“乏燃料”可流出阳极腔室220外并流入 排出燃料集管260。模块化固体氧化剂系统10可包括如图IOA和IOB所示的替代的或二次空气排出路径。该替代的或二次空气排出路径可用来有利地让高流率空气进入空气入口 405，以便进 行热启动，同时控制着进入阴极反应腔室310A的氧化剂流率。这可利用位于二次氧化剂排 出管道472的二次氧化剂排出口 470处的闸阀465(显示在图11中)来实现(例如可见图 11)。闸阀465(处于关闭位置中)将诱发和/或控制替代的氧化剂(例如，空气)排出 腔475处的背压(图IOA和10B)，较佳地强制空气通过阴极反应腔室310A。或者，打开的 闸阀465将减小背压(减小到低于一次排出路径的背压)，以使空气流动路径现将较佳地通 过二次氧化剂排出口 470排出。空气流动路径显示在图IOA和IOB中(截面图中)。具体 来说，当闸阀465关闭时，空气将从空气回转腔480流入空气回转扩散器485，强制空气通过 阴极反应腔室310A。当闸阀465打开时，某些空气将从空气回转腔480流入空气二次排出 口 470内，以减小阴极反应腔室310A内的背压。通过调节二次排放470内二次氧化剂排出 口流的氧化剂压力(例如，背压)，在全部的堆叠阴极反应腔室内分配热的进入氧化剂，燃 料电池堆叠组件10因此可达到操作温度。在堆叠芯周围(即，交替的燃料和热交换器组的堆叠，或燃料组的堆叠)放置热绝 缘件500 (例如，见图10A、IOB和11)(见图8A、8B，其示出了含有空气腔室的燃料电池组)， 有两个原因(a)形成(部分地)一次空气排放腔455和/或(b)热绝缘堆叠芯，以使运行 燃料电池装置210产生的热量可用来预热进入的空气并提供等温环境。进入的空气可在热 交换器组300内预热，或者在燃料电池组的内部空气腔室301内(即在氧化剂预热腔室内) 预热(诸如图8A、8B中所示)。包围燃料电池堆叠芯的热绝缘件500可包括和/或形成(i)位于绝缘件和堆叠 芯之间的空气内腔，或一次空气排放腔462;以及(ii)空气内腔(或一次空气排放腔462) 和周围空气之间的开口。在某些示范实施例中，在移动通过空气内腔和周围空气之间的开 口之前，排放的氧化剂气体移动通过燃料电池堆叠芯(例如，燃料电池组之间)和绝缘件 500。辐射加热板520包围堆叠芯，出于以下目的(a)辅助热启动，(b)辅助堆叠芯的等 温操作环境，以及(c)对非操作的备用状态提供热量。辐射加热板520可定位成平行于堆 叠芯的每个面。辐射加热板520还可用燃烧热交换器或回热式换热器替代。燃料电池系统还可包括多个导电结构600(见图10B)，它们形成为与燃料电池组 相连接并形成与包含在其中的各组燃料装置的高温的导电路径。因此，参照图9A-9C，10AU0B和11，根据某些示范实施例，燃料电池系统10包括a.多个燃料电池组200，每个组200包括框架和两个燃料电池装置210(例如，两 个平面的电解质支承的燃料电池阵列)，燃料电池装置210布置成一个燃料电池装置210 的一个阳极侧面对另一燃料电池装置210的阳极侧，与装置210组合的框架形成了阳极 (燃料)腔室220 ；b.多个热交换器组300，其包括内部体积(空气腔室)301，与邻近的热交换器组 300组合的每个热交换器组300形成了氧化剂通道(腔室310)，该通道基本上平行于热交 换器组300并介于热交换器组300之间；c.外壳100，其支承和包围所述燃料电池组200和热交换器组300，以使热交换器 组300面对燃料电池组200，并与燃料电池组200和外壳100组合，至少部分地形成阴极反应腔室3IOA ；d.入口氧化剂腔400，其一侧连接到一个或多个扩散器板410，以将氧化剂分配到 热交换器组300 ；e. 一次氧化剂排放腔455，其可操作地连接到阴极反应腔室310A，以从阴极反应 腔室310A收集“排放的”氧化剂；f.入口燃料集管250，其连接到燃料电池组200的燃料入口 204，并提供新鲜燃料， 以便进入阳极腔室220;以及g.排放燃料集管沈0，其连接到燃料电池组的燃料出口 206，于是，“乏燃料”可流 出阳极腔室220外并流入排出燃料集管沈0。如上所述，回转腔430可连接到(a)热交换器组300的氧化剂出口 308，以及(b) 氧化剂(阴极)反应腔室310A的入口侧。回转腔430例如可包括一个或多个扩散器板430A、 430B,它们可操作地连接到(a)热交换器组300的排放侧，和/或(b)氧化剂(阴极)反 应腔室310A的氧化剂入口侧。燃料电池系统10还可包括连接到替代的排放热交换腔475 的二次氧化剂排出集管470，以及用来控制排放热交换腔475内背压的阀门465。
根据一个实施例，燃料电池组200、热交换器组300、外壳100、入口氧化剂腔400和 扩散器板410、氧化剂排放腔455、氧化剂排放集管、入口燃料集管450，和/或排放燃料集管 460包括玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷涂层，例如，氧化铝涂层。该涂层防止氧化物挥发，并可电 气地使燃料电池与热交换器组300的框架绝缘。 应该理解到，尽管本发明参照某些说明性的和具体的实施例进行了详细的描述， 但不应认为本发明局限于如此，许多的修改都是可能的，而不脱离由附后权利要求书定义 的本发明的广义的精神和范围。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括a.多个燃料电池组，每个组包括至少一个燃料入口、至少一个燃料出口、框架以及两个 多电池的燃料电池装置，所述燃料电池装置定位成一个燃料电池装置的阳极侧面向另一 个燃料电池装置的阳极侧，所述两个燃料电池装置组合起来，至少部分地形成连接到所述 燃料入口和所述燃料出口的燃料腔室；b.多个热交换器组，每个组包括至少一个氧化剂入口、至少一个氧化剂出口、以及连接 到所述至少一个氧化剂入口和所述至少一个氧化剂出口的内部氧化剂腔室；所述热交换器 组平行于所述燃料电池组并介于所述燃料电池组之间，以使所述热交换器组面对所述燃料 电池组，并至少部分地在所述热交换器组和所述燃料电池组之间形成多个阴极反应腔室；c.外壳，所述外壳支承和包围所述燃料组和所述热交换器组；d.氧化剂入口腔，所述氧化剂入口腔操作地连接到所述热交换器组的氧化剂入口；e.氧化剂排出腔，所述氧化剂排出腔操作地连接到所述阴极反应腔室；f.入口燃料集管，所述入口燃料集管连接到所述燃料电池组的所述燃料入口；以及g.排放燃料集管，所述排放燃料集管连接到所述燃料电池组的所述燃料出口。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，包括氧化剂回转腔，所述氧化剂 回转腔包括至少一个扩散器板，所述氧化剂回转腔操作地连接到所述热交换器组的所述 氧化剂出口 ；以及所述阴极反应腔室的所述氧化剂入口侧。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括二次氧化剂排出口，所述二 次氧化剂排出口(i)连接到交替的氧化剂腔；以及(ii)包括能够控制所述交替的氧化剂腔 内背压的阀门。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括二次氧化剂排出口，所述二 次氧化剂排出口(i)连接到交替的氧化剂腔；以及(ii)包括能够控制所述交替的氧化剂腔 内背压的阀门。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池组由不锈钢合金制 成，所述不锈钢合金厚度小于1mm。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述热交换器组由不锈钢合金制 成，所述不锈钢合金厚度小于1mm。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述热交换器组包括框架和两个 平面的电解质板，所述板布置成彼此平行，以使形成在所述电解质板之间的内部腔室形成 氧化剂预热腔室。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池组内的燃料流动方 向基本上是重力的方向。
9.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述(a)燃料电池组，(b)热交换 器组，(c)外壳，(d)入口氧化剂腔，(e)氧化剂排放腔，d(f)入口燃料集管，和/或(g)排 放燃料集管包括能够防止氧化物挥发的涂层。
10.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，包括燃料电池堆叠芯，其中，所述 燃料电池堆叠芯包括所述多个燃料电池组，所述燃料电池系统附加地包括包围燃料电池堆 叠芯的热绝缘件，所述热绝缘件包括a.空气内腔，所述空气内腔位于所述热绝缘件与所述燃料电池堆叠芯之间；以及b.开口，所述开口在所述空气内腔和环境空气之间。
11.如权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，在行进通过所述开口之前，排放 氧化剂气体行进通过所述燃料电池堆叠芯和所述绝缘件。
12.如权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，所述热绝缘件附加地包括嵌入 的电加热板，所述电加热板平行于所述燃料电池堆叠芯的每个面。
13.一种燃料电池组包括c.两个平面的电解质支承的燃料电池阵列，所述阵列布置成一个燃料电池阵列的一 个阳极侧面对另一个燃料电池阵列的阳极侧；d.框架，所述框架设置在所述燃料电池阵列之间，其中所述框架包含燃料入口和排放 端口、空气入口和排放端口，以及一个或多个燃料腔室；e.内部氧化剂腔室，所述内部氧化剂腔室设置在所述燃料电池阵列之间，所述空气腔 室具有多个壁，所述壁能够将来自燃料电池阵列的热能传递和散布到通过所述内部氧化剂 腔室的所述氧化剂。
14.一种热交换器组，包括两个成形的合金壁，所述合金壁彼此邻接但不受约束，使得 每个壁在经受热梯度时可相对于另一壁滑动。
15.一种使燃料电池堆叠达到运行温度的方法，所述方法包括如下步骤通过调节二 次排放流中的背压，在整个阴极反应腔室内分配热的进入氧化剂。
全文摘要
根据本发明的一个实施例，燃料电池系统包括(i)多个燃料电池组，每个组包括至少一个燃料入口、至少一个燃料出口、框架以及两个多电池的燃料电池装置，燃料电池装置定位成一个燃料电池装置的阳极侧面向另一个燃料电池装置的阳极侧，两个燃料电池装置组合起来，至少部分地形成连接到燃料入口和燃料出口的燃料腔室；(ii)多个热交换器组，每个组包括至少一个氧化剂入口、至少一个氧化剂出口、以及连接到至少一个氧化剂入口和至少一个氧化剂出口的内部氧化剂腔室；热交换器组平行于燃料电池组并介于燃料电池组之间，以使热交换器组面对燃料电池组，并至少部分地在热交换器组和燃料电池组之间形成多个阴极反应腔室；(iii)支承和包围燃料电池组和热交换器组的外壳；(iv)可操作地连接到热交换器组的氧化剂入口的氧化剂入口腔；(v)可操作地连接到阴极反应腔室的氧化剂排出腔；(vi)连接到燃料电池组的燃料入口的入口燃料集管；以及(vii)连接到燃料电池组的燃料出口的排放燃料集管。
文档编号H01M8/02GK102047481SQ200980120879
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月20日 优先权日2008年5月30日
发明者M·E·波丁, S·J·格瑞格斯基, W·J·布顿, 陈鹏 申请人:康宁股份有限公司