CN101194386B - 紧凑式燃料电池设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括壳体(18)的燃料电池设备(5)。该壳体限定一个基本等温的区域，其将燃料电池(14，16)和尾气燃烧器(12)与该等温区域集成在一起。燃料电池(14，16)和尾气燃烧器(12)热连通，并共用一个壁。在一个实施例中，壳体(18)进一步集成燃料重整器(10)，其中燃料重整器(10)与燃料电池(14，16)是热连通的。在一个实施例中，燃料电池(14，16)和尾气燃烧器(12)设置成产生大于或等于约2W/cc的功率密度。燃料电池(14，16)优选是固体氧化物燃料电池。

Description

紧凑式燃料电池设备

技术领域

本发明涉及一种改善燃料电池效率的设备和方法。在一个实施例中，本发明涉及通过将多个燃料电池部件集成在等温区域中来改善能量平衡的燃料电池。 

背景技术

燃料电池是一种发展中的技术，它结合充满例如氢气、甲醇、丁烷或者柴油的可更换的燃料罐来工作。设计这些类型的燃料电池是用来与供给各种消费品以能量的多种电池产品相竞争。这种燃料电池相比电池的竞争力依赖以下几个方面，例如罐中燃料的功率密度；燃料电池在一定效率下将化学能转化为电能的能力；和用于保持燃料电池组，连同有关的液体泵和能量控制部件的需求，不大于相竞争的普通电池的需求。 

采用固体氧化物燃料电池(SOFC)已经实现了功率密度和化学转化率方面的改善，这种固体氧化物燃料电池是利用陶瓷薄膜而不是聚合物薄膜。由于固体氧化物燃料电池可以将各种不同分子类型的燃料，例如各种碳氢化合物，转换为电力，因此固体氧化物燃料电池可以利用能量密集的液体燃料并且仍然可以达到适当的能量转换率。 

然而，固体氧化物燃料电池需要薄膜和温度超过600℃，经常超过750℃的催化操作。因此，为了便携式能量应用，固体氧化物燃料电池的设计者必须保护终端用户避免过热而不过多增加整个系统的尺寸。另外，目前的在800℃工作的固体氧化物燃料电池可以很容易地将是释放给用户的能量的10倍的能量作为废热辐射或传送到环境中去。这样，系统的效率就不会超过10％，即，系统仅仅为了将反应器温度 保持在800℃而使用了超过90％的燃料能量。因此，由于效率如此之低，目前的固体氧化物燃料电池与普通电池相比不具有竞争力。 

便携式固体氧化物燃料电池的技术状态还不能达到普通电池的类似容量。固体氧化物燃料电池发电器，如果没有进行绝热，很少超过0.35瓦/立方厘米(W/cc)。一旦加上具有用于能量高效运行的足够厚度的绝热层，则大多数固体氧化物燃料电池都能够提供0.1W/cc以下的能量体积比。 

此外，存在一种燃料电池设备和系统设计方法，可以设置加热部件(而不是固体氧化物燃料电池组)来改善系统效率。然而，每个加热部件都会增加设备的体积和用于避免过度热耗散所需的绝热材料的数量。 

因此，就需要建立一个小型的燃料电池设备，当与便携式燃料罐结合使用时，所述燃料电池设备能够提供的能量存储能力等于或大于可再充电式普通电池的能量存储能力，例如，超过200瓦-小时/升(W-hr/L)，并且优选的超过400W-hr/L。燃料电池在给电子设备供电方面具有巨大的价值，目前电子设备的功能被普通电池的能量容量所限制。 

发明内容

通过调整热效率可以部分地实现燃料效率。具体地，热效率的改善部分地来自以下因素中的一个或若干个的结合：将燃料重整器、燃料电池和尾气燃烧器集成为一个整体的、基本上等温的高温区域；通过增加燃料电池组中的功率密度，优选地增加到超过2W/cc的值来充分减少该热区域的热耗散面积；使用一种有效的绝热装置(气凝胶或真空)使得所有需要高温操作的部件都被容纳在一个单独的壳体中，由此该绝热装置被设置在壳体的外部；为了在燃料电池设备和外界之间的流体交换以及为了从燃料电池中提取电流而引入低热导率连接； 和/或引入回热器，优选位于绝热区内，从而回热器工作温度可以在介于热区域和外界温度之间。 

在此，“燃料电池设备”和“燃料电池系统”指的是可以包括以下一些或所有部件的设备或装置：燃料重整器，尾气燃烧器，阳极/电解质/阴极元件，泵，和控制器。然而，“燃料电池”指的是阳极/电解质/阴极薄膜结构。此外，“功率密度”指的是在给定体积内生成的能量比以及在燃料电池领域可以理解的其他含义。 

尽管本发明涉及不同方面和实施例，但是可以理解的是在此公开的不同方面和实施例可以结合在一起成为一个整体或是一部分。这样，在此公开的每个实施例都可与发明的每个方面如适应给定实施方式的不同程度结合起来。另外，尽管一些发明和实施例使用了“用于...的装置”的术语，但是可以理解的是所有方面、实施例和在此公开的其他概念都可以用来支持装置加上功能的要求，尽管在说明书中某个具体部分没有使用具体的“用于...的装置”的语言。 

可以理解的是。术语“一个”、“该”意味着“一个或更多”，除非有其他具体的表述。 

在第一方面，本发明涉及包括壳体的燃料电池设备。该壳体限定了基本等温的区域。这样，该壳体将燃料电池与尾气燃烧器与等温区集成起来。燃料电池与尾气燃烧器热连通并且二者共用一个壁。 

在一个实施例中，壳体集成了燃料重整器并且燃料重整器与燃料电池热连通。燃料电池和尾气燃烧器设置为生成大于或等于2W/cc的功率密度。该燃料电池是固体氧化物燃料电池。替代的，固体氧化物燃料电池包括薄膜层，该薄膜层的厚度小于或等于500μm，在其他实施例中，大约1mm或1.5mm。固体氧化物燃料电池可以包括多个限定出平面的燃料电池，从而产生平面内的燃料电池组。然而在另一个实施例中，壳体中包括两个基本平行的平面内燃料电池组。 

本发明不同的实施例可以包括低热导率的流体连接元件，该元件与尾气燃烧器进行流体连通。在另一个实施例中，低热导率流体连接元件是显微机加工的流体导管、同心管，或玻璃毛细管。本发明的一些实施例中还包括与燃料电池进行电连通的低热导率电气元件。在一个实施例中，该低热导率电子元件的直径小于或者等于50μm。替代的，在一个实施例中邻近壳体的外部设置有一个绝热空间。对于具有绝热空间的方面，该绝热空间可以通过减压、绝热泡沫、热反射器或者它们的结合而获得。一个实施例还包括与燃料气体燃烧室热连通的回热器。此外，该回热器可被置于绝热空间中。 

在发明的一些方面和实施例中，燃料重整器将复合燃料例如丁烷转化为小分子，从而可以被燃料电池薄膜更有效地利用。在发明的一些方面中，术语“燃料重整器”和“燃料处理器”可以互换使用，如本领域技术人员所知的。此外，在一些方面中，术语“尾气燃烧器”和“催化转化器”可以互换使用，如本领域技术人员所知的。在一些方面和实施例中，尾气燃烧器燃烧任何排出的尚未被燃料电池转化或消耗的燃料并从其提取有用的热量。在一些方面和实施例中，回热器和热交换器从反应堆的排出气流中提取热能用来为进入的用于燃料电池的燃料和气流进行预热。 

在第二方面中，本发明涉及一种燃料电池设备，其包括燃料电池和与燃料电池热连通的尾气燃烧器。该燃料电池和尾气燃烧器设置以产生大于或等于2W/cc的功率密度。 

在第三方面，本发明涉及一种在固体氧化物燃料电池的工作过程中使其热损失最小化的方法。该方法包括以下步骤：提供可以容纳燃料电池的壳体，和操作该燃料电池使能量与壳体的体积比大于约2W/cc。 

在第四方面，本发明涉及一种燃料电池设备，其包括第一固体氧化物燃料电池和第二氧化物燃料电池。该第一固体氧化物燃料电池包括阳极层、阴极层和电解质层。依次的，该第二固体氧化物燃料电池包括阳极层、阴极层和电解质层。在该发明中，在第一固体氧化物的电解质层的中心线和第二固体氧化物的电解质层的中心线之间的距离小于或等于约1.5mm或约1mm。 

在第五方面，本发明涉及一种燃料电池设备，其包括固体氧化物燃料电池和与固体氧化物燃料电池流体连通的低热导率流体连接元件。该固体氧化物燃料电池适于以大于或等于400℃温度运行。另外，该低热导率流体连接元件由于其固体横截面会产生热损失，每个低热导率流体连接元件的热损失小于0.1瓦。 

在第六方面，本发明涉及一种燃料电池设备，其包括固体氧化物燃料电池和与固体氧化物燃料电池电连通的低热导率电气元件。该固体氧化物燃料电池适合的工作温度大于或等于约600℃，该低热导率电气元件的电阻大于或等于约0.5欧姆。在一个实施例中，该低热导率电气元件包括铂，并且其直径小于或等于大约200μm或100μm。 

在第七方面，本发明涉及一种设备。该设备包括容纳有固体氧化物燃料电池的壳体，并且邻近该壳体的外部设有绝热空间。该绝热空间处于减压状态。 

在第八方面，本发明涉及一种设备。该设备包括容纳有固体氧化物燃料电池的壳体，邻近该壳体的外部设有绝热空间，和与该固体氧化物燃料电池热连通的热交换器。该热交换器位于绝热空间内。 

在第九方面，本发明涉及一种设备。该设备包括固体氧化物燃料电池和与该固体氧化物燃料电池流体连通的低热导率流体连接元件。 该固体氧化物燃料电池适合的工作温度为大于或等于约400℃。低热导率流体连接元件设计成每个低热导率流体连接元件由于其固体横截面而产生热损失，该热损失小于约0.1瓦。 

在第十方面，本发明涉及一种设备。该设备包括固体氧化物燃料电池和与固体氧化物燃料电池电连通的低热导率电气元件。该固体氧化物燃料电池适合的工作温度大于或等于约400℃，该低热导率电气元件的电阻大于或等于约0.5欧姆。在特定实施例中，该低热导率电气元件包括铂，和/或其直径小于或等于大约200μm。 

在第十一方面，本发明涉及一种燃料电池设备，该设备包括容纳有固体氧化物燃料电池的壳体，和邻近该壳体的外部设置的绝热空间。该绝热空间处于减压状态 

在第十二方面，本发明涉及一种燃料电池设备，该设备包括容纳有固体氧化物燃料电池的壳体，邻近该壳体的外部设置的绝热空间，和与该固体氧化物燃料电池进行热连通的热交换器。该热交换器位于绝热空间内。 

在第十三方面，本发明涉及一种燃料电池设备，该设备包括空间隔离装置，用来限定基本等温的区域并将元件集成在特定空间中。这样，该空间隔离装置将把燃料转化为电能的装置和用以燃烧任意燃料并从其提取热能的装置集成在等温区中。把燃料转化为电能的装置和用以燃烧并提取热能的装置是热连通的并且共用一个壁。在一个实施例中，该空间隔离装置是壳体。在另一个实施例中，该空间隔离装置是外壁。在另外的实施例中，该空间隔离装置是半导体结构。 

本发明上述的、和其他的特征和优点，以及本发明本身，将从以下说明书、附图和权利要求中得到更充分的理解。 

附图说明

参考以下附图可以更好地理解本发明的方法和设备，但并不是将本发明限制在实施例具体描述的范围内。这些附图不是为本发明制定相同的标准，而是重点在于强调本发明的原理。在相关的附图中，同样的附图标记通常表示相应的部件。 

图1是根据本发明一个实施例的燃料电池设备的横截面侧视图； 

图2是根据本发明一个描述性实施例的具有流体连接和回热器的燃料电池设备部件的透视图； 

图3是布置在适于在根据本发明一个描述性实施例的燃料电池设备中使用的结构中的阳极、阴极和电解质的示意图； 

图4是根据本发明一个描述性实施例的另一个燃料电池的横截面侧视图； 

图5是适于同根据本发明一个实施例的燃料电池设备一起使用的流动布线层的示意图。 

具体实施方式

下面的说明参照附图，所述附图对本发明的特定实施例进行描述。也可以有其他实施例，在不背离本发明的精神和范围的前提下对某些实施例进行修改也是可以的。因此，以下的详细描述并不意味着对本发明进行限制。本发明的保护范围是由附加的权利要求来限定的。 

应当理解的是，只要本发明是可操作的，那么其操作方法的步骤顺序是不重要的。而且，两个或更多的步骤可以同时进行，除非另有规定。 

集成燃料电池设备、组件和连接 

在此描述的燃料电池设备的实施例可以产生超过2W/cc和3W/cc的电功率。这样的燃料电池设备唯一地能够生成尺寸足够小以用于便携应用的绝热组件尺寸，即使额定功率小于100瓦、小于20瓦或小于5瓦。相比较而言，现存的燃料电池设计只能产生小于0.5W/cc的功率 密度。结果，这些低功率密度的燃料电池非常大并且在很多应用中不足够有效，例如，作为消费电池的替代品。 

功率密度(W/cc)主要依赖于集成燃料电池设备和单个燃料电池或燃料电池组(多个单独的燃料电池)的设计。具体的，壳体内的不同燃料电池设备部件的临近集成水平是一个重要的设计因素。结果，燃料电池设备的效率可以是在受到机械强度和流体布线的约束的情况下不同燃料电池薄膜的放置紧密程度的函数。在此介绍的许多方面和实施例都涉及到在一个热区域内的元件集成和控制热损失的相关技术。在此公开的许多实施例中使用的半导体结构可以实现小尺寸和高功率密度，从而使得燃料电池设备可以与各种电池类型竞争。 

图1是以横截面图表示的燃料电池设备5的一个示例。图1显示了燃料重整器10，一对固体氧化物燃料电池薄膜14和16，和尾气燃烧器12，所有部件都包含在单独的壳体18中。该壳体由热传导材料制造，从而壳体内的所有部件可以在基本相同的温度下工作。这样，壳体有利于形成基本等温的区域。 

图1所示的壳体18内部包括有所有的用于将燃料和气体分配给燃料电池或多个燃料电池的流动布线装置。燃料流20沿着第一燃料电池16的阳极侧流出燃料重整器10。燃料流20’然后沿着第二燃料电池14的阳极侧22流过，并且最后进入尾气燃烧器12。空气流26沿着燃料电池14、16的阴极侧24流过(通过内部布线通道，未示出)，并最后流入尾气燃烧器12，其中过量的空气可以用于未使用的排出的燃料的燃烧(进入尾气燃烧器的空气入口没有在图1中出现。) 

图1中还显示了绝热空间28，该绝热空间将壳体18与装置5的外壁30隔离开来。该外壁基本维持在与由该燃料电池设备提供动力的电气设备的外部环境的温度保持相同或相近的温度。为了使固体氧化物燃料电池设备有效地工作，壳体内的温度应该高于400℃，如果壳体 内的温度高于550℃、600℃或750℃，那么将获得的更高的工作效率。外部电路和燃料电池设备的外壁30的周围环境温度一般在0℃至大约60℃之间。因此，在本实施例中，不仅在居间的绝热空间28的厚度方向，而且在沿着流体连接32、电气连接36和沿着机械支撑件38的方向上都期望地保持一个超过300℃的大的热梯度。 

绝热空间可以结合绝热体从而大大降低来自壳体的热耗散。这样，在该绝热空间内部可以形成部分真空，或者一个低热导率材料可以增加到绝热空间中。一个红外辐射屏蔽层40可以设置在燃料电池设备的内部或者上部。当制造低压或真空绝热的实施例时，这有利于在绝热空间内保持所需的低水平的整体气压。为了该目的，加入吸气材料42是有用的，该吸气材料可以在设备的使用寿命内吸收本底气体并保持高等级的真空度。可以通过电加热激活的非挥发性的吸气材料，例如SAES吸气材料ST 171，对于实现这个目的是非常有用的(www.saesgetters.com)。 

容纳在壳体内部的集成燃料电池可以具有2.5mm的总厚度。在图1中，存在两个燃料电池层14和16，和三个布线层46、48和50，每个都具有0.5mm的厚度。两个燃料电池层中的每个可以产生0.4W/cm2的电功率。因此，示例性的集成燃料电池设备可以释放(2*0.4)/2.5＝3.2W/cc的功率密度。 

将燃料重整器、一组燃料电池薄膜、尾气燃烧器、和所有内部流体歧管的功能集成在一个热区域内的壳体可以通过多种制造技术来制造。具体的，本发明的实施例可以通过MEMS技术(微电机系统)或显微机械加工技术来制造。这些技术可以将薄膜材料(例如，薄膜电解质、阳极、阴极和/或电气连接)沿着用来控制流体流动的蚀刻的微通道集成在一个普通衬底上，该衬底是热传导的并且具有一定的机械强度。在一些实施例中还包含结构支撑构件，因为它们有利于将或阳极或阴极的图案排列在离散区域中。 

单独的薄膜电极组件和流体歧管可由多种结合技术堆叠在一起，以形成流体处理“系统”。 

例如，集成壳体可由一组完全平面或非平面的半导体结构组装。具体的，五个硅衬底可以接合在一起形成一个“箱体”，各种燃料电池设备部件集成在该箱体中。将五个硅衬底接合在一起，形成了一个堆叠结构。在一个实施例中，该衬底可按如下顺序堆叠：(1)包括流体互连的燃料处理器衬底；(2)薄膜电极组件；(3)流体布线层；(4)另一个薄膜电极组件；以及(5)包括尾气燃烧器的顶部流体布线层。这样，一堆层结构形成了一些或全部的集成燃料电池设备。 

在一个优选实施例中，选择硅作为衬底用来构建燃料电池薄膜和其他歧管结构。然而，还存在显微机械加工技术用于在玻璃或陶瓷的刚性薄片上来构造流体流动通道，所有的材料都被处理成具有固体氧化物燃料电池所需要的高温强度。为了防止在薄膜组件的不同点之间的电短路，硅衬底可以涂敷有若干层硅氧化物或硅氮化物以使其电绝缘。 

蚀刻的流体微通道可以通过各种技术形成在上述衬底中所述技术包括，例如湿化学蚀刻和干化学蚀刻，激光切除，金刚石铣削，流延成型，或注入成型等。可以使用多种衬底或薄片的接合技术，例如熔焊法、阳极接合法、用低熔点焊料或薄膜的密封，或者用玻璃粉进行密封。 

包括阴极、阳极和电解质的燃料电池组件可以通过各种薄膜或厚膜的沉积技术被沉积，例如真空溅镀，蒸发、化学气相沉积、激光切除、浸渍涂层、网印、蒸汽喷射技术。 

虽然多种掺杂的氧化铈材料都可实现其使用目的，但是电解质的 优选材料是氧化钇稳定氧化锆(YSZ)。虽然其他催化金属也可以使用，例如Pt，Pd，Fe或Co，并且其他氧化基材料也可以使用，例如氧化铈，但是燃料电池阳极的优选材料是镍和YSZ。尽管对其他阴极材料也进行了介绍，如掺锶的镧钴氧化物(LSC)和掺锶的镧钴铁氧物(LSCF)，但是燃料电池阴极的优选材料是锰锶酸镧(LSM)。虽然介绍了铬酸镧的应用，但是在燃料电池中用于薄膜电连接的优选材料是铂。 

图2进一步显示了图1中的燃料电池设备，重点显示了流体连接和回热器34的结构。该集成燃料电池设备的壳体18仅仅显示出了其外部形态，内部区域暗示出了其燃料重整器10和尾气燃烧器(或催化转化器)12的布置。燃料和空气的混合物沿着入口管60直接进入燃料重整器10。之后，通过内部布线管，被改质的燃料穿过燃料电池的阳极，最终到达尾气燃烧器12的区域。用于燃料电池阴极的空气进入入口管62并通过内部控制的布线流到燃料电池的阴极。空气和燃料流最后在尾气燃烧器12中重新混合，在穿过出口管64离开热区域之前被提取出残余的氧化热量。 

入口和出口管将壳体和冷却外壁之间的区域连通起来并且其应该设计为低热导率的。作为一个实施例，这些管子可以由氮化硅构成，优选壁厚5微米或更小，例如在国际公开No.WO03/013729的专利文献中所公开的那样。或者，这些管子可以由硅玻璃毛细管制造。例如，由外径为1mm、壁厚为125微米的硅玻璃制造。如果毛细管是5mm长，那么沿着毛细管传导的跨越800℃温度梯度的热功率仅仅是0.05瓦。 

本领域技术人员可知，燃料重整器和尾气燃烧器在壳体内的其他排列方式也在本发明的范围之内。类似的，也可以使用与图2不同的排列方式或不同数目的入口管和出口管。例如，对于较大的燃料电池，优选增加4条管将独立的燃料流或空气流直接从外部流动调节系统输送到燃料重整器。还可以优选地提供两条独立的空气源进入阴极区域，这样可以在燃料电池内部更加有效的控制流体压力的下降和/或作为一 个装置在燃料电池薄膜的局部区域内控制燃料电池的电压。另外，在某些实施例中可以使用同心管。 

回热器 

再参看图2，显示为两个长条状的回热器34是用于热量回收的装置，可以作为流体管组件的一集成部分来构造。该回热器典型的是由热传导材料制造的，例如硅，这样穿过出口管64的废气的热量可以被吸收并且可以传递给即将进入入口管60和62的气流。 

如图1所示，通过将回热器34放置在绝热空间20中可以提高性能。在该位置，回热器的内部温度可以保持在介于集成燃料电池设备和外壁的温度之间。将回热器置于绝热空间中，通过取消了围绕回热器的单独的绝热体，这样可以减少整个系统的尺寸。另外，由于在回热器的给定部分和相邻的绝热空间之间几乎没有温差存在，因此将回热器中的热梯度校正到集成燃料电池设备和外壁之间的热梯度可以降低回热器的热损失。 

回热器有多种装置，不仅仅是图2中所示的平行管的结构。例如，管中管的对流排列是适合的，或者通过机械加工形成允许对流的薄金属片的堆叠或者形成微通道也是适合的。许多其他的排列方式都落在本发明的范围内，只要回热器的物理排列是在燃料电池设备的等温(热)区和冷的外壁之间的区域内。 

低热导率流体连接 

本发明的总的目的是对流散到壳体外部的总热耗散进行控制。在一个特殊的元件中，为了控制穿过管子的热损失，(Qtubes)，即沿着流体入口管和出口管的长度的固体传导导致的热损失，通过该管子的热损失可以通过以下各项的乘积来获得：a)管壁材料的热导率，b)沿着管子的温度下降，c)管壁材料的横截面积，除以d)管子的长度。 

对于较小的燃料电池设备系统，确定穿过流体管的最大热损失可以提高系统效率。所述的热损失Qtubes，理想值是保持在每管0.1瓦以下，最好小于每管0.05瓦。该热损失值大大小于本领域公知的数值，然而，当构造的流体管的热损失小于临界值时，系统效率大大提高。表2列出了目前已知的一些典型的管材料和设计参数(实施例3和4)以及适合同目前的实施例一起使用的使用的满足临界热损失的管子。 

表2：流体连接管材料的比较(假设全部温降为700℃时的功率损失Q) 

	管材料	热传导率 (W/cm-k)	壁厚(微米)	管长/直径 (mm/mm)	每管的功率损失： Q(W)
						实施例1	1/8”  不锈钢管	0.25	325	30/3	1.9
实施例2	不锈钢  毛细管	0.25	125	20/1	0.35
						实施例3	薄壁氮化硅	0.4	2	3/0.5	0.03
实施例4	玻璃毛细管	0.01	125	5/1	0.05

在燃料电池设备发电器的效率为33％，功率为2瓦的情况下，燃料电池可以燃烧相当于6瓦的燃料，每管0.1瓦的热损失代表只有5％的总功率消耗。对于在5到30瓦的范围内的大的燃料电池设备，或者是更多的管或者是具有大横截面的管，都必须处理更多数量的流体流动。通过将每管的热损失保持在0.5瓦以下，并优选0.1瓦以下，由于流体连接导致的热损失百分比可以保持在等于或小于设备中全部燃料燃烧总功率的10％，优选小于5％。 

低热导率电连接 

本发明另一个目的是减少沿着电连接的固体传导的热损失。在一个优选实施例中，每根电线的热损失的值应该小于0.5瓦，更优选小于约0.1瓦。然而，每根电线0.1瓦或更小的电损失，需要使用更高电阻和更小直径的电线连接。表3列出了在电线直径、电线电阻和已知电 线的热损失之间的关系以及在本发明中应用的参数(实施例3和4)。注意在电线电阻和沿着电线的热能损失之间的倒数关系，它对于金属导体是很典型的。对于已知的燃料电池系统，当组功率超过100瓦并全部热耗散大于300瓦时，每根电线1瓦的损失是不大的。对于额定20瓦或更小的燃料电池设备，应该减少由于电线引起的热损失。在本发明中用于控制热损失的方法是选择电连接，其中电阻超过0.1欧并优选大于0.5欧。 

表3：电连接电线的比较(沿着电线长度的温度下降假设为700℃) 

	电线材料	电线直径  (微米)	电线长度  (毫米)	电线电阻 (欧姆)	每个电线的功率损失 (瓦)
						实施例1	Cr/Ni合金	800	30	0.1	0.34
实施例2	Pt	800	30	0.02	1
						实施例3	Cr/Ni合金	100	5	1.27	0.03
实施例4	Pt	50	5	0.81	0.02

从表3中选择连通绝热空间的电线是很有利的，其中电线的电阻大于0.5欧。为了实现具有这种约束的高效的燃料电池设备，需要对燃料电池的操作参数和燃料电池组的构造进行一些改变。例如，输出电流应该维持足够低从而可以防止由于连接电线的电阻导致的过量的电功率损失。这样，使用此处公开的技术，通过增加燃料电池的电压，可以在任何给定的功率水平上降低电流。然而，在过去，该目标是通过串联地连接或堆叠单独的燃料电池从而增加电压来实现的。对于本发明来说，需要配备超过0.5欧的连接器电线，超过10伏的堆叠输出电压，优选超过15伏。 

一种电压堆叠的方法是平面内堆叠，排列，其中燃料电池薄膜层竖直堆叠从而一个电池的阳极与直接在其上的另一个电池的阴极电连接。对于燃料电池组来说，输出10伏能量就需要十二至二十层燃料电池薄膜层组装在竖直叠层中。如图1所示的实施例，考虑到容积效率 只叙述了两层薄膜层。然而，使用在此公开的平面内堆叠概念对于输出电压是有利的。 

图3显示了平面内堆叠的概念。平面内堆叠需要阵列阳极、阴极和电解质的能力从而可以形成串联式的电压连接。在图3中，燃料电池电解质23A的阳极22可以与阴极24电接触，阴极24布置在相邻燃料电池电解质23B的后面。相互连接材料25允许在阳极22和阴极24之间具有低电阻电连接。在图1中所示的结构支撑构件还有利于将阴极或阳极阵列在离散区域中。 

假设图1所示的集成燃料电池设备具有紧凑性，并且使用窄的标准电线(直径小于100微米)实现电连接，还应该提供一种可靠的方法来接合这些连接电线，并不使用大螺钉或压接器。在一个实施例中，窄的标准电线通过高温钎焊合金或优选通过例如热机焊接的焊接方法在其外壁处被连接到集成燃料电池设备和连接器片。 

集成燃料电池的等温性 

当燃料重整器、燃料电池和尾气燃烧器的所有功能集成到一个具有最小表面积的独立壳体中时，固体氧化物燃料电池的效率得到提高。当壳体设计为具有足够的热传导率使得热量或热能在部件中有效分配时，其效率也可以得到提高。具体的，尾气燃烧器可以用来分配提高整体效率的附加热量。这样，在尾气燃烧器中产生的热能能够在燃料电池设备中保持一个较高的并更有效的操作温度。通过这种方式，热应力以及与设备的加热或冷却相关的费用得到降低。 

另外，也可以通过在更高的、更接近平衡电化学电位的电压下操作燃料电池来提高燃料电池的效率。这种操作条件意味着与在低燃料电池电压下操作相比产生更少的废热。用于保持操作温度所需的热能量可以通过从尾气燃烧器中正在利用的燃料的燃烧中提取热量来获得。 

可以使用多种方法在集成燃料电池设备中的部件之间保持足够的热传导率和接近等温的操作条件。在升温条件下，硅作为衬底材料是一种很合适的热导体。玻璃和陶瓷衬底也是满足热导率的合适的材料选择，只要它们的合成壁厚基本大于100微米，优选超过300微米。通过在不具有电活泼性的区域上沉积金属薄膜可以增强玻璃衬底的热导率，所述区域例如壳体的外表面。备选的热传导金属涂层包括铬、金、和铂。 

作为一种能够使系统进行基本等温操作的装置，设计一个集成壳体使得分离的部件(燃料重整器、尾气燃烧器和燃料电池薄膜)在它们任意一对之间可以共用至少一个相同的结构壁是很有帮助的。该壁可以是壳体外壁或者是形成的内壁，例如通过接合单独的衬底形成的内壁。 

通过共用结构壁和设置具有足够热导率的衬底，可以在操作过程中将部件之间的温度差保持在小于150℃，优选小于50℃。 

功率密度 

当要设计一个便携式固体氧化物燃料电池设备时，确定绝热材料的最小厚度是很重要的，使得既可以保持足够高的操作温度又不会过度消耗燃料能量。从燃料电池设备中耗散的热量与它的表面积成正比。因此，设计值为5瓦的集成燃料电池设备很难进行有效的绝热，这是因为其面积体积比远远大于设计值为20瓦或更大的集成燃料电池设备。 

集成燃料电池设备的功率密度是一个很重要的设计参数。具体的，功率密度可能是对最终的效率和绝热组件的尺寸影响最大的设计参数。集成燃料电池的功率密度是用瓦/立方厘米(W/cc)表示的，它决定了产生每瓦电能需要外露多大表面积。结果，集成燃料电池设备电 功率密度对于最终绝热组件的尺寸的影响是非常大的并且是不成比例的。例如，可以产生为5瓦功率和1W/cc的集成燃料电池设备需要包括绝热体的66cc的组件尺寸。相比较的，能够产生5瓦功率并且是2W/cc的集成燃料电池设备可以在17.8cc的组件内进行绝热。因此，在功率密度上增加两倍导致组件尺寸减少3.7倍而不损失热效率。(该例子假设使用额定值为0.04W/m-K的气凝胶TM绝缘，保持温降为800℃)。 

图4显示了本发明的另一个实施例，在该例中，一个较大的燃料电池设备105使用了四个不同的薄膜层。每一层，无论是燃料电池薄膜114、空气或氧气布线层148、或燃料布线层147、149、150，其厚度都大约为0.5mm或更小，这样全部叠层的高度为4.8mm。图4在其壳体内还包括了作为层146的部分的燃料重整器110和尾气燃烧器112。燃料布线层经过各自的燃料电池薄膜将燃料运出燃料重整器和/或在经过各自的燃料电池薄膜之后将废气运入尾气燃烧器。参看图4，薄膜层之间的平均间距，定义为集成燃料电池设备的整体高度(4.8mm)除以薄膜的层数(4)，其是可以计算的。图4中的平均薄膜间距因此大约为1.2mm。在此例中，通过将每一燃料电池层的平均功率密度(0.4W/cm2)除以平均薄膜间距，功率密度也可以推导出来，得出功率密度为大约3.3W/cc。 

优选构造燃料电池组，使得每立方厘米的集成燃料电池设备空间的电能大于2瓦。还可以一种方式来操作所给的燃料电池组来产生大于2W/cc的功率密度。可以通过改变电压或改变燃料电池的温度来控制燃料电池设备产生的功率。在超过最大功率的电压下操作较大的燃料电池设备以提高化学能向电能转换的效率。在本发明中，包括大于1W/cc，1.5W/cc或优选2W/cc的功率密度。 

将电压增加至某一水平，所述水平导致功率降低至2W/cc以下，降低了小系统中整体的系统效率，这是因为不能产生足够的热来保持 所需的温度。催化转化器或尾气燃烧器的集成允许燃料电池能量输出的降低。 

通过缩短薄膜之间的竖直间距大大提高功率密度。在已有技术中薄膜之间的平均间距在2.5到4mm之间，而在本发明中的平均间距小于约1.5mm，接近如1.0mm一样小的数值。更短薄膜间距的优点可以从以下两个有利的结构特征中得出：a)机械的、坚固的合成物薄膜设计的使用，和b)能够通过应用平面内堆叠而允许的结构简单的流动布线层的使用。在此实施例中，有利的使用了平面内燃料电池堆叠的结构。平面内燃料电池堆叠使得很多结构性优点成为可能，所述结构性优点一起发挥作用来减少薄膜间距并将功率密度增加到超过2W/cc的数值。 

使用合成物薄膜结构已经在共有的国际公开NO.WO2005/030376中进行了描述。简要的，合成物薄膜结构使得强结构支撑构件可以与薄(＜2μm)的YSZ薄膜层结合。这种结构的强度不需要额外的衬底厚度就可以抵抗热循环应力并且能够达到大约0.5mm或更薄的硅薄片所达到的强度。类似的合成物结构可以由密集的陶瓷衬底来构造，例如Al2O3材料，无论其热膨胀系数是多少，在某种程度上它们都遵守以上专利申请拟定的设计规则。 

在已知的层制造技术中，需要不透气的双极板来隔离燃料和空气之间的气流。一个竖直平面组需要从一个薄膜层的阳极到相邻层的阴极进行电接触。然而，穿过阳极的燃料不必允许与流过阴极的空气混合。因此典型地使用电导性双极板，其不仅实现在层之间进行电连接而且实现将燃料布线到阳极，将空气布线到阴极，并在气流之间进行密封隔离。 

参看图1，当燃料电池薄膜14的阴极直接面对燃料电池薄膜16的阴极时，在流动布线层中不需要这样的气体隔离。两个薄膜层共用相同气流，并且在这两个燃料电池层之间不需要电连接。因此，流动 布线层的设计被简化，可以使用非常薄的流动布线层，其厚度在0.3到0.5mm之间。 

图5描述了这样的一个流动布线层，其几何形状与图4所示的四层燃料电池组一致。开口180为燃料提供从电池组的一层到其上或其下的层的竖直通道。管道182用于空气流过阴极。在一定程度上流动布线层148将两个阴极相对的层隔开，仅仅需要一个简单的肋板结构来为组增加结构性刚度并且在所有的阴极表面提供足够的空气分布。 

流动布线层可以由例如硅的刚性材料制造。在此实施例中选择硅具有进一步的优点，即可以在所有的薄膜层和流动布线层之间使结构材料相匹配。以这种方式，可以避免在两个结构层之间与热膨胀系数不同相关的应力。 

流动布线层可以由金属材料机械加工或压制而成。然而，流动布线层的热膨胀系数必须与薄膜层的结构材料的热膨胀系数基本相同。薄的金属流动布线层不及硅制成的布线层坚硬，但是薄膜层使用硅或其他陶瓷材料将为整个组提供过多的刚度并提供足够的强度来经受热循环应力。 

生热/绝热 

此外，为了维持大于大约2W/cc的电能输出，如果生成的热量超过2W/cc时，系统的性能和尺寸应该提高。由于在小尺寸时表面积迅速增加，为了保持设备的操作温度，应该保持足够高的热密度。如果燃料电池设备自身不能产生足够的热，那么为了保持每立方厘米大于2W的热而使用尾气燃烧器来燃烧多于的燃料对设备的有效操作是有利的。确保设备在大于每立方厘米2W热量的条件下进行操作允许绝热厚度最小化，因此产生了一种在商业上可以与现有电池进行竞争的设备。 

固体氧化物燃料电池系统中绝热空间的设计是另一种提高固体氧化物燃料电池效率的方法。纤维陶瓷和微孔陶瓷已经用于将高温壳体从外部组件及其环境隔离，同时将通过绝热体传导损失的废热最小化。例如，可以使用具有低热导率并且可以在0.04W/m-K和800℃下稳定操作的气凝胶材料。 

也许最有效的空间绝热，特别是对于小组件，是真空绝热。这样就使得燃料电池设备的许多部分发挥具有外壁和绝热空间的保温瓶的功能，将集成在壳体中的物体保持在期望的温度。通过将绝热空间中的总气压保持在小于100mtorr，优选小于20mtorr，更优选小于10mtorr，可以基本消除通过气相远离壳体传导的热损失。通过真空泵的除气孔抽取，或者可选的，通过在一个抽空的大气中将外壁元件密封在一起，可以在绝热空间内部形成由外壁包围的部分真空。 

当使用真空组件的实施例，并排除使用较厚的例如气凝胶的固体绝热材料时，一种新型的从壳体的热损失成为问题，所述热损失是通过红外辐射的热损失。自壳体表面发散的红外辐射事实上可以成为图1所示的绝热组件的主要热损失机制。 

至少有三种方法可以减少由辐射引起的热损失，其中任何一种都可以单独使用或结合使用。这通过重新参看图1能够明白。首先，反射涂层应用到集成燃料电池设备的外表面上，从而减少了红外发射和来自热表面的功率损失。第二，为了将红外辐射返回到集成燃料电池设备，沿着真空外壁30的内表面设置一个辐射反射器40。该辐射反射器可以通过沉积到外壁30的内表面上的金属涂层来构造，或者通过机械连接到真空壁内表面上的金属或红外反射材料构造。此外，可以在外壁的热表面和冷表面之间设置一系列平行的红外反射器。 

本发明可以通过其他不背离本发明的精神和本质特征的具体形式来表达。以上的实施例因此只是本发明的一些方面而不是对这里所述 本发明的限制。本发明的保护范围是通过所附的权利要求来限定的而不是由上述描述来限定，并且所有进入与权利要求等效的意义和范围内的变化都可以认为包含在权利要求之内。 

以上公开的每一份专利文献和科学刊物都通过引用合并在本说明书中。 

Claims (11)

1.一种燃料电池设备，包括：

壳体，所述壳体由热传导衬底材料形成，所述衬底材料具有大于100μm的合成壁厚度，所述壳体集成有：

包含薄膜层的固体氧化物燃料电池，所述薄膜层包括以平面内堆叠方式布置的多个燃料电池；和

与所述固体氧化物燃料电池热连通并与所述壳体共用至少一个壁的尾气燃烧器；

在所述壳体的外部附近设置的绝热空间，所述绝热空间至少包括部分真空；

在所述壳体的外部附近设置并位于所述绝热空间内的红外辐射屏蔽层；以及

容纳所述壳体、绝热空间和辐射屏蔽层的组件。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述壳体集成有燃料重整器，并且所述燃料重整器与所述固体氧化物燃料电池热连通。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述燃料电池和所述尾气燃烧器设置成产生大于或等于2W/cc的电功率密度。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述薄膜层的厚度小于或等于500μm。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述壳体包含两个平行的平面内燃料电池组。

6.如权利要求1所述的设备，包含与所述尾气燃烧器流体连通的具有至多0.1瓦热损失的流体连接元件。

7.如权利要求6所述的设备，其中所述流体连接元件是微机械加工的流体导管、同心管或玻璃毛细管。

8.如权利要求1所述的设备，包含与所述燃料电池电连通的具有大于或等于0.1欧姆电阻的电气元件。

9.如权利要求8所述的设备，其中所述电气元件的直径小于或等于50μm。

10.如权利要求1所述的设备，还包括与所述尾气燃烧器热连通的回热器。

11.如权利要求10所述的设备，其中所述回热器位于所述绝热空间中。

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