燃料电池系统的制作方法

本公开一般涉及燃料电池，例如固体氧化物燃料电池。

背景

燃料电池，燃料电池系统，用于燃料电池和燃料电池系统的互连一直是人们感兴趣的领域。一些现有的系统对于某些应用而言具有各种缺点、缺陷和不足。因此，仍然需要进一步发展该技术领域。

发明概述

描述了实例固体氧化物燃料电池系统及其制备和使用技术。例如，本公开的实例固体氧化物燃料电池系统可配置为用于燃料源中烃燃料的电池上重整(on-cellreforming)。该系统可包括管状基材，该管状基材限定了燃料腔并将燃料与基材表面上的固体氧化物燃料电池隔开。该电池本身可包括在该顶表面上的阳极电极、固体电解质和阴极电极。基材对燃料的渗透率可沿着腔内燃料流动的方向而变化，以控制烃燃料传输通过基材到达固体氧化物燃料电池的活性阳极的速率。活性阳极电极还可用作系统中电池上重整的重整催化剂。在一些例子中，沿燃料流动方向上基材的渗透率可进行选择，以提供燃料源中基本均匀的烃燃料消耗，从而最大程度地减小系统中沿燃料流动方向的温度梯度。

在一个例子中，本公开涉及一种固体氧化物燃料电池系统，该系统包括管状基材，所述管状基材限定管状基材内的燃料流动腔；在管状基材表面上的多个固体氧化物燃料电池，各电池包括阳极电极、阴极电极和电解质，其中所述阳极电极、阴极电极和电解质被配置为形成电化学电池，其中在燃料电池运行过程中，燃料在管状基材的燃料流动腔内沿着从燃料流动腔的进口到出口的燃料流动方向流动，其中管状基材对燃料的渗透率沿着燃料流动方向变化。

在另一个例子中，本公开涉及一种方法，该方法包括通过固体氧化物燃料电池系统产生电力，其中所述固体氧化物燃料电池系统包括管状基材，所述管状基材限定管状基材内的燃料流动腔；在管状基材表面上的多个固体氧化物燃料电池，各电池包括阳极电极、阴极电极和电解质，其中所述阳极电极、阴极电极和电解质被配置为形成电化学电池，其中在燃料电池运行过程中，燃料在管状基材的燃料流动腔内沿着从燃料流动腔的进口到出口的燃料流动方向流动，其中管状基材对燃料的渗透率沿着燃料流动方向变化。

在另一个例子中，本公开涉及一种方法，该方法包括形成固体氧化物燃料电池系统，其中所述固体氧化物燃料电池系统包括管状基材，所述管状基材限定管状基材内的燃料流动腔；在管状基材表面上的多个固体氧化物燃料电池，各电池包括阳极电极、阴极电极和电解质，其中所述阳极电极、阴极电极和电解质被配置为形成电化学电池，其中在燃料电池运行过程中，燃料在管状基材的燃料流动腔内沿着从燃料流动腔的进口到出口的燃料流动方向流动，其中管状基材对燃料的渗透率沿着燃料流动方向变化。

在附图和以下描述中详细说明了本发明的一种或多种实施方式。通过附图和详述以及权利要求书，不难了解本发明的其它特征、目的和优点。

附图的简要说明

现在参照附图进行说明，在全部附图中相同的附图标记指的是相同的部件。

图1a-1c是分别显示一个实例燃料电池堆的顶视图、侧视图和底视图的示意图。

图2是显示沿图1a所示的截面a-a得到的截面图的示意图。

图3是显示沿图2所示的截面b-b得到的截面图的示意图。

图4a-4c是分别显示一个包括两个管束的实例燃料电池系统的顶视图、端视图和侧视图的示意图。

图5是显示用于评价本公开实施例各方面所进行的实验的散装甲烷(bulkmethane)的情况的图。

图6是显示用于评价本公开实施例各方面所进行的实验的甲烷通量的情况的图。

图7a-7d显示对应图5和6的实验的温度情况。

发明详述

如上所述，本公开的实例固体氧化物燃料电池系统可配置为用于燃料源中烃燃料的电池上重整。该系统可包括管状基材，该管状基材限定了燃料腔并将燃料与基材表面上的固体氧化物燃料电池隔开。管状基材串联为构成供各燃料通道的燃料流动通路的管束。然后，将管束平行堆叠形成条带，然后将条带在阴极流动方向上并肩堆叠形成块。基材对燃料的渗透率可沿着腔内燃料流动的方向而变化，以控制烃燃料传输通过基材到达固体氧化物燃料电池的活性阳极的速率。活性阳极电极还可用作系统中电池上重整的重整催化剂。在一些例子中，沿燃料流动方向上基材的渗透率可进行选择，以提供燃料源中基本均匀的烃燃料消耗，以及/或者降低系统中沿燃料流动方向的温度差异。

固体氧化物燃料电池系统可配置为重整来自燃料流的烃燃料(例如甲烷)以产生用于固体氧化物燃料电池运行的氢等。重整方法的一个例子可包括蒸汽重整。一个系统可包括与燃料电池隔开的燃料重整器，以使得重整工艺可以被认为是脱离电池(off-cell)或非原位的。在一些使用非原位重整器的例子中，来自燃料堆的热能(可能是由于燃料电池电化学过程的低效率)可从燃料电池堆被传输到空气，然后由空气传输到重整器板，然后传入燃料。这种系统不仅需要具有充分表面积的隔离重整器装置以克服对流阻力，而且流过堆叠的阴极温度从进口到出口的温度上升达到例如100℃的级别。如果重整任务与燃料电池堆热生成密切相关，则各条带中的温度上升可以降低到约7℃，这样通过五个条带的100℃温度上升将变为33℃。在较高温度下的降解将是现有燃料电池技术的一个麻烦，在更有利的平均温度下运行将为电池堆提供长寿优势。

相反，通过使用用作重整催化剂的活性阳极电极可以配置一个烃燃料的电池上(或原位)重整系统。电池上重整从成本和运行方面考虑都是有益的。例如，从成本方面考虑，隔离燃料重整器的消除可以减小整个燃料电池系统的尺寸和复杂性。从运行方面考虑，将重整热负荷移入燃料电池堆中可导致电池堆中的温度上升更小。在一些例子中，这样可以使得燃料电池堆能在从性能和耐久性方面考虑的最佳温度附近的一个小温度范围内运行。另外，电池堆可以在较高的功率密度下运行而不会超过温度限值，这样可以实现较小的堆尺寸和较低的堆成本。

电池上重整的例子包括电解质支撑电池(electrolyte-supported-cell，esc)和阳极支撑电池(anode-supported-cell，asc)技术。但是，对于这些技术中的每一项，电池上重整可能都是富有挑战性的，例如，因为进入的具有高甲烷浓度的燃料暴露于阳极电极上的催化材料(例如ni)而导致其发生重整。对于esc和asc技术，突然重整导致的吸热会迅速冷却电池堆的燃料进口。燃料进口附近的突然冷却会导致不利的热应力和性能状况。

依据本公开的实例，燃料电池系统可使用具有管状基材的燃料电池，所述管状基材限定用于燃料源的燃料流动腔，其中管状基材对燃料源中烃燃料的渗透率沿着燃料流动方向变化。这种构造可选择性地控制烃燃料传输通过基材到达在管状基材另一面上用作重整催化剂的活性阳极的速率。文中所用的基材的渗透率可定义为允许流体流动通过基材界面的能力，并用术语孔隙率除以迂曲度的平方或ε/τ²表示。通过改变限定燃料源流动的电池基材的渗透率来控制烃燃料传输通过基材的速率可以控制燃料电池内的重整情况以及重整反应热吸收的速率。在一些例子中，可以调节基材沿燃料流动方向的渗透率，以“缓和”管束内的温度曲线或在管束中提供所需的温度曲线，例如，以有助于最大程度地减小可能在管束的燃料进口处由于急剧的吸热导致的热应力。

图1a-1c是分别显示一个实例燃料电池系统的燃料电池堆10的顶视图、侧视图和底视图的示意图。图2是显示沿图1a所示的截面a-a得到的截面图的示意图。图3是显示沿图2所示的截面b-b得到的截面图的示意图。燃料电池堆10仅仅是可以使用沿着燃料流动方向具有可变的渗透率的管状基材的构造的一个例子，也可以考虑其它燃料电池系统构造。

如图所示，燃料电池堆10包括多个独立管(例如管16)形式的管状基材，其限定了多孔基材20内的燃料流动腔18。包含用于固体氧化物燃料电池电化学反应的烃燃料的燃料源可以经由进口12加入到燃料电池堆10的第一管16中。燃料电池堆10的各管组合起来可限定燃料流动腔18，用于将烃燃料进料到电池堆10内电化学电池的燃料电池侧。燃料可按照燃料流动方向22行进通过电池堆10中诸管的燃料流动腔18，并经由开口14离开电池堆10。尽管在该例子中限定燃料流动腔18的管状基材20示意为由多个独立的管形成，实例并不限于此。例如，燃料电池系统可仅包括单个连续的管而非多个管。作为另一个例子，燃料电池系统可包括多个串联的管束，其中各管束包括多个管，例如如图4a-4c所示。

燃料电池堆10包括一个或多个电化学电池(例如电池24)。任何合适的包括一个或多个电化学电池的固体氧化物燃料电池系统可用于本公开中。合适的例子包括liu等人的于2013年5月16日公开的美国专利申请公开号2013/0122393中描述的例子，该专利文献的全部内容通过参考结合于此。在所示的例子中，电池24包括阳极导电层(acc)22，阳极层24，电解质层26，阴极层28和阴极导电层(ccc)30。各层可以是单层或由任何数目的子层形成，可由任何合适的材料形成，包括例如liu等人的美国专利申请公开号2013/0122393中所述的例子。

各电化学电池24通过互连34串联在一起。在各电化学电池24中，阳极导电层22传导自由电子离开阳极24，并且通过互连34传导电子到达阴极导电层30。阴极导电层30传导电子到达阴极28。互连34可以嵌入电解质层26中，可以与阳极导电层22电连接，可以具有导电性以将电子从一个电化学电池传输到另一个电化学电池。所示的例子是沉积在平面多孔管16上的分段串联设置，但是应理解本发明同样适用于具有不同几何构形的分段串联设置元件，例如在圆形多孔管16上。如图所示，电化学电池24的各层在为电池24提供结构支撑的多孔基材20的外表面上。

电池堆10的电化学电池包括氧化剂侧和燃料侧。氧化剂侧的氧化剂通常是空气，但是也可以是纯氧(o2)或其它氧化剂，例如包括具有空气循环回路的燃料电池系统的稀薄空气，并且被从氧化剂侧提供给电化学电池24。相反，在燃料侧上，燃料流动腔18中燃料源的烃燃料(例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等)通过渗透穿过多孔基材20到达acc22/阳极24而被供应给电化学电池24。在电池上重整的情况中，acc22/阳极24可以是关于重整工艺具有催化活性的，例如包含ni和/或pd、pt、rh、ru或其它重整催化剂。如上所述，在本公开的例子中，多孔基材20对燃料源中烃燃料(例如甲烷)的渗透率可沿着燃料流动腔18内燃料流动的方向32而变化。基材的渗透率是指允许流体流动通过基材界面的能力，并用术语孔隙率除以迂曲度的平方或ε/τ²表示。通过改变基材20的渗透率，可以控制烃从燃料到acc22/阳极24的传输速率。

可使用各种技术来提供基材20沿流动方向32所需的可变渗透率。例如，基材20的孔隙率可以沿着流动方向32变化，以提供基材20在流动方向32上所需的渗透率。增加基材20的孔隙率可以提高基材20的渗透率，而减小基材20的孔隙率会降低基材20的渗透率。可通过形成具有不同材料组成的基材部分来改变基材20的孔隙率。例如，在两个管串联的情况中，形成第一管的材料可与用于形成第二管的材料具有不同的孔隙率。在另一个例子中，基材20整体可由同一材料形成，但是通过改变用于该基材的烧结工艺来改变孔隙率。

适用于形成多孔基材的材料包括例如陶瓷。在一些例子中，例如与asc技术相比，基材20可以是催化惰性的，因为在asc技术中基材可由具有催化活性的镍基材料制成。另选或另外地，基材20可以基本上是不导电的。如上所述，除了限定燃料流动腔18外，基材20还可以为电池24的诸层提供结构支撑。用于基材20的材料的一个例子是mma(mgo+mgal2o4)。

另外或另选地，基材20的厚度(在图2中标记为“t”)可以沿着流动方向32变化，以提供基材20在流动方向32上所需的渗透率。增加基材20的厚度t会降低基材20的渗透率，而减小基材20的厚度t会增加基材20的渗透率。在两个管串联的情况中，第一管的厚度可与第二管的厚度不同。另外或另选地，对于单个管，基材20的厚度t可以变化，例如在燃料流动方向32上逐渐减小厚度。

可改变基材20的渗透率，以通过控制烃燃料传输到活性acc22/阳极24的速率来提供一个或多个所需的结果。基材20的渗透率可以在单个管中变化，以及/或者对于包括多个串联的管的系统，基材20的渗透率可以逐个管变化。例如，在单个连续管的情况中，基材20的渗透率可以沿流动方向32从管的进口到出口变化。对于多个管，各管可具有均一或非均一的渗透率，该渗透率在多个管中可以是相同或不同的。在一些例子中，系统可包括两个或更多个由单个管串联形成的管束，例如，如图4a-4c所示。单个管束中的管可具有相同或不同的渗透率，管束中的管限定的渗透率在管束之间可以相同或不同。在一些例子中，以孔隙率除以迂曲度的平方或ε/τ²表示的渗透率可以从低至约0.015到高至约0.10。

如文中所述，改变基材20的渗透率可用于控制烃燃料从燃料流动腔20传输通过基材20到达活性acc22/阳极24的速率。这种控制可用于提供一个或多个所需的结果。例如，控制烃燃料沿流动方向32的传输速率可用于控制燃料电池堆/管束中烃重整的速率，以及/或者控制重整反应热吸收的速率。控制到达活性阳极的烃的通量的能力可用于缓和管束/堆内的温度分布，例如，与未受控制的管束的情况相比，有助于最大程度地减小由于在管状基材20的进口12处的急剧吸热导致的热应力。在这些例子中，可通过使基材20在进口12附近具有与沿着流动方向32更下游的位置(例如出口14附近)相比更低的渗透率来降低进口12处的急剧吸热。按照文中所述的方式改变基材20的渗透率可以在堆/管束内提供热负荷平衡，以及/或者提供定制的燃料消耗，例如，以提供基本均一的燃料消耗。另外，朝向出口14设置渗透率较高的管将为燃料提供更好的到达阳极的通路，以有助于改善重整转化，因为我们在燃料供应中留下的ch4数量越来越少，并且有助于防止变成浓度损失为主。

图4a-4c是显示包括两个管束(第一管束42和第二管束44)的实例燃料电池系统40的顶视图、端视图和侧视图的示意图，其中在各管束中包括多个管。在所示的例子中，各管束包含串联的六个管(例如管16)。系统20的功能可基本与系统10类似，可包括限定燃料流动腔18的管状基材20，其中渗透率沿流动方向32在进口12和出口14之间变化。

实施例

进行各实验来评价本公开一个或多个实施例的方面。在一个例子中，模塑制成一个燃料电池管束，燃料电池管束具有六个相同长度的管，限定了多孔基材。在第一个例子中，六个管被模塑成具有基本恒定的约0.057的渗透率(由术语孔隙率除以迂曲度的平方或ε/τ²表示)。在第二个例子中，六个管被模塑成具有变化的渗透率ε/τ²(最接近进口的管1＝0.018，管2＝0.023，管3＝0.032，管4＝0.045，管5和6＝0.057)，以在进口与出口相比提供低渗透率。该可变渗透率的目的是尝试在燃料源中选择性使用甲烷，这样其消耗在整个管束中是基本均匀的。

图5是显示对于恒定渗透率模型和可变渗透率模型，对于输入初始含有约10％甲烷的燃料而言，通过管束的散装燃料(bulkfuel)中甲烷摩尔分数的曲线。压力设定为约4巴，温度设定为约860摄氏度。如图中所示，对于具有恒定的较高渗透率的管束，在所有6个管中，甲烷在头两个管中快速消耗。在渗透率从进口到出口变化的第二管束中，甲烷的消耗几乎是线性的。但是，管束的产出功率从316.2瓦特下降到310.5瓦特，或者下降了1.8％。

图6是显示对于相同的两个模型，到达管束中各电池对的活性阳极区域的甲烷通量的曲线的图。如图中所示，通过降低管1到管4的渗透率，在头4个管中产生相当恒定的甲烷通量。对于管5和管6，散装燃料流中的甲烷浓度已经下降到我们目前的特征管ε/τ²不允许的类似于管束进口处的通量的数值。

图7a-7d显示对于各管束构造实例的管束温度分布。图7a显示无内重整的管束温度分布，图7b显示无内重整的管束温度分布。图7a与图7b的比较显示与外重整相比燃料电池管束内重整的效果。图7c显示具有低渗透率进口管的管束温度分布，图7d显示具有高渗透率进口管的管束温度分布。图7c与图7d的比较显示进口管渗透率对温度的影响。

已经描述了许多本发明的实施方式。这些和其它实施方式包括在所附权利要求书的范围内。