CN101647144B - 燃料电池组流动罩 - Google Patents

Abstract

本发明涉及改进的燃料电池组组合体以及燃料电池组组合体的操作方法，具体地涉及改进的气体流动和热管理。

Description

燃料电池组流动罩

本发明涉及改进的燃料电池组组合体，以及燃料电池组组合体的操作方法，具体地涉及改进的气体流动和热管理。 

在本文中使用的术语″燃料电池组组合体″是指至少一个燃料电池组，至少一个燃料电池组中的每一个包括至少一个燃料电池组层，至少一个燃料电池组层中的每一个包括至少一个燃料电池、燃料和氧化剂入口/出口连接，以及用于燃料和一种或多种氧化剂流的流动通道，和用过的燃料和一种或多种氧化剂流的流动通道、燃料电池组底板和密封连接至燃料电池组底板的罩。燃料电池组组合体的其它任选部件包括合适的燃料侧密封件、氧化剂侧密封件、端板和压缩系统、燃料电池组绝缘体以及电连接和控制/监控连接。 

在本文中使用的术语″燃料电池组系统组合体″是指燃料电池组组合体加上系统电子设备。其它任选部件包括重整器(如果入口燃料被重整的话)、水回收系统、水蒸汽发生器装置、至少一个任选涉及热交换器流之一的相变的热交换器、系统电子设备和系统控制装置、热绝缘体、启动燃烧器和尾气燃烧室。 

术语″系统电子设备″包括控制电子设备和/或任何功率电子设备，其中可以有任选一起或分开放置在燃料电池组组合体内或其附近的至少一个电子设备板和/或装置。 

术语″系统控制装置″包括气体和流体控制阀和泵、鼓风机装置和安全设备。 

燃料电池组组合体采用入口氧化剂和燃料进行操作，从而产生氧化产物(本文中称作废气流，但是也称作阳极废气和阴极废气)、热和DC电流形式的电力。总体上，燃料电池组系统组合体还可以包括其它单元，包括系统控制装置和系统电子设备，所述系统电子设备包括：例如功率电子设备，其将DC燃料电池输出从第一电压转变为第二电压，和/或将DC燃料电池输出转变为AC波形。 

通常，燃料电池组以1∶1至10∶1之间，更通常为2∶1至5∶1，并且还更通常为2.5∶1至4∶1的氧化剂/燃料的比率运行。因而，在操作中，流过燃料电池组的氧化剂气体的体积比流过燃料电池组的燃料的体积更大。典型地，过量的氧化剂气体流用于使燃料电池组的冷却在燃料电池的电化学反应位置附近进行。 

对于本领域的技术人员，熟知的是燃料电池的操作效率与在燃料电池的电化学反应点的局部温度相关。在燃料电池组组合体的操作中，入口气体流在其进入燃料电池之前被加热，-如果它在太低的温度下进入燃料电池，则在电化学反应点的局部温度可能太低，并且可能不利地影响到燃料电池的操作效率和功率输出。控制燃料电池组的温度的能力对燃料电池组的操作效率及其额定功率输出有显著的影响。工程上相当大的努力都耗费在设计燃料电池组以及设备部件和控制工艺的平衡上，以确保燃料电池组在操作条件的范围内都保持对最有效的电化学反应恰当的温度。典型的操作条件包括系统开启、稳态操作、动态负荷变化和系统关闭。 

例如，使用中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)装置，燃料电池组组合体中燃料电池组的一个或多个燃料电池的电化学反应可以在局部燃料电池温度介于450-650℃之间的情况下最有效率地操作。燃料电池组操作温度通常在450-650℃之间。对于燃料电池组的有效操作而言，将氧化剂和燃料入口流加热至接近(例如，在单位为℃的燃料电池组操作温度的0-20％、更优选0-10％、还更优选0-5％之内)燃料电池组的操作温度的温度。这样的IT-SOFC的实例是结合了基于至少一种金属负载的氧化铈钆(ceriagadolinium oxide)(CGO)电解质燃料电池的燃料电池组。这样的IT-SOFC系统的实例可以具有至少一个热交换系统，该热交换系统能够将进入到燃料电池组中的氧化剂气体流加热到约480℃的温度。对于典型的燃料电池系统设计，热交换系统出口氧化剂气体流温度被设计为与所需的燃料电池组氧化剂气体流入口温度基本上相同，使得燃料电池入口氧化剂气体流不再需要热交换。在典型的IT-SOFC系统中，用于热交换系统的加热气体可以具有约510℃的热交换器系统入口温度。由于在温度为约480℃的进入到燃料电池组中的氧化剂气体流和约510℃的热交换系统加热气体入口温度之间的低热势，因此热交换器设计将必需是大尺寸和高质量的。用于约 1kW电功率输出燃料电池系统的这种热交换系统的实例是高效率的，但是设计复杂并且昂贵的重约3.5kg的热交换装置。 

用于加热燃料电池组氧化剂气体流的热交换系统可以由至少两个热交换器装置构成。所述至少两个热交换装置可以使用至少两种燃料电池系统气体流(例如，阳极废气和尾气燃烧器废气流)作为用于燃料电池组氧化剂气流的加热流体。 

能够加热燃料电池组气体入口流的各种热交换装置可从现有技术，例如US 5902692、US 6042956和EP 0580918中获悉。然而，这些装置复杂、昂贵并且难于制造，尤其是遭遇到了关于实现密封以防止气体流混合的问题，并且热交换表面积有限。 

US 2005/0089731描述了一种具有固体氧化物燃料电池组的必要特征的系统，该固体氧化物燃料电池组结合了预重整器和一体化热交换器，其中所述一体化热交换器结合了全部被封闭在绝热容器中的两个热交换器和SOFC电池组废气燃烧室。 

从废气燃烧室释放的热能被用作热交换器中的加热源。SOFC被描述为能够在750℃操作，但是规定了650-850℃的操作范围。燃料被预-重整至300至600℃的温度([0063]段)。在所描述的大部分实施方案中，通过在一体化热交换器中利用来自催化燃烧室中的热([0079]段)，或通过利用燃烧室热和来自从燃料电池组排出的空气或燃料的热能([0080]段)，在一个或多个热交换器中加热燃料和空气。 

图21和22显示了将燃料气体供给到电池组周边周围代替直接供给到电池组中，以在进入燃料电池组自身之前获取额外的热量的情况。然而，这种教导的细节是不能实现的。在燃料进入到燃料电池组中之前，燃料在300至600℃之间(395℃-[0125]段)之间从预-重整器直接供给到燃料电池组周围的空间。燃料电池组需要在650-850℃，更适宜在约750℃的温度的燃料。对于燃料如何在离开预-重整器和进入燃料电池组之间获得充足的热能没有描述。为了发生高于100℃的升温，燃料将在电池组区域空隙内停留足够的时间以获得足够的热能，并且没有暗示或教导这是如何实现的。另外，没有说明电池组周围的空隙是如何构造的，以及如何使空隙变成气密性的，以阻止气体从构成绝热容器的热绝缘体中逃逸。这并不是微 不足道的事情，因为高温和含氢的爆炸性气体的存在使得工程上在宽的温度操作范围内确保完全气密性是相当大的挑战-有时，在电池组周边和绝热容器热绝缘体之间的空隙内具有高于650℃的气体的情况下，这甚至是不可能的。 

在[0105]段中，陈述了代替在燃料电池组的周边加热燃料，可以在燃料电池组的周边加热空气。据教导，空气从鼓风机直接供给到燃料电池组的周边。这又是不能实现的。首先，空气将在环境温度附近进入所述周边附近的空隙，并且需要将它的温度增加至少600℃。没有暗示或公开这是如何实现的，并且如果这没有实现的话，燃料电池组将只是停止操作。通过将这种温差的空气引入而引入到燃料电池组的表面上的热冲击将引起严重的局部应力，这将导致电池组损坏，和/或电池组性能由于在该区域的活性燃料电池组分的快速局部冷却和/或气体密封完整性或陶瓷材料完整性的损失而损失。 

因此，US2005/0089731是相关的，但是其内容从根本上是有缺陷的。 

其它现有技术包括US 6670069、US 6866954、US 2003/0235751、US2004/0043267、US 2005/0014046、US 2005/0074659、US 2006/0204796和US 2006/0257696。 

本发明寻求克服现有技术的缺陷。 

根据本发明，提供一种中温固体氧化物燃料电池组组合体，其包括： 

(i)底板； 

(ii)罩，其密封连接至所述底板上，并且限定所述底板和所述罩之间的罩容积； 

(iii)至少一个中温固体氧化物燃料电池组，其被安装在所述底板上并且被所述罩包围； 

(iv)通往所述罩容积的至少一个气体入口；以及 

(v)预热器，其与氧化剂源和所述至少一个气体入口流体连通，并且适合于将氧化剂从所述氧化剂源经由所述气体入口供给至所述罩容积内， 

每一个燃料电池组都包括至少一个燃料电池组层，每一个燃料电池组层都包括至少一个中温固体氧化物燃料电池，每一个燃料电池都限定氧化剂入口端和废氧化剂出口端， 

所述至少一个燃料电池组具有： 

(a)至少一个开放歧管式气体入口，其限定所述至少一个燃料电池组的开放歧管端；以及 

(b)至少一个内部歧管式气体出口， 

通往所述罩容积的所述至少一个气体入口是远离所述至少一个燃料电池组的所述开放歧管端设置的，使得在使用中氧化剂经由所述至少一个气体入口进入所述罩容积，并且环绕所述至少一个燃料电池组的外部通向所述至少一个开放歧管式气体入口，在所述氧化剂进入到所述开放歧管式气体入口之前，在所述氧化剂和所述至少一个燃料电池组层的外表面之间发生直接传热，所述预热器被构造成在使用中将来自所述氧化剂源的氧化剂在比所述燃料电池的最接近所述至少一个开放歧管式气体入口的入口端处的使用操作温度低100℃以内的温度(即，在比燃料电池的最接近至少一个开放歧管式气体入口的入口端处的使用操作温度低100℃或不足100℃的温度)加热，并且经由所述至少一个气体入口供给至所述罩容积内。 

本发明寻求通过将氧化剂在特定温度范围内提供至罩容积内并且在罩容积内实现加热，实现了多个明显的优点。首先，其寻求允许用于将氧化剂在其进入燃料电池组之前加热的预热器部件在尺寸和质量上的显著降低，进而降低最终产品的尺寸和成本。通过将氧化剂提供至远离至少一个燃料电池组的开放歧管端的罩容积内，并且使氧化剂冷却至少一个燃料电池组的表面，并且进而加热该氧化剂，本发明寻求使跨过燃料电池组的温度梯度显著降低，进而提高燃料电池组的效率并降低对燃料电池组的机械应力以及提高寿命。这些都没有被现有技术暗示也没有被公开。 

相比于约1kW的电功率输出燃料电池系统所需要的热交换器系统的上述给出的实例，如果离开热交换器系统的燃料电池组氧化剂气体流的所需温度从约480℃降低至约455℃，则热交换流体之间的热势的提高意味着热交换器系统的必需效率可以显著降低，因此降低了复杂性、成本和质量。在上面给出的1kW电功率输出燃料电池系统实例中，质量可以降低 至约2.5kg，差不多降低了30％。类似地，还可以显著降低这种热交换器系统的物理尺寸，即，在空间和重量通常非常珍贵的任何燃料电池组系统组合体的另一个非常适宜的特性。 

在使用中，包括至少一个燃料电池的燃料电池组通过在一个或多个燃料电池中产生的电化学活性而产生热、电力和水。由于燃料电池组部件的内电阻，因此当电流流过燃料电池组部件时，产生另外的热。这意味着燃料电池的温度和燃料电池部件周围的温度沿着从入口至出口的气体流动通道而增加。因此，通常观察到，在燃料电池组气体(流体)流动通道的入口端处的温度比气体(流体)出口端的温度低。这种温度差产生了沿着气体流动通道的温度梯度，并且导致燃料电池组和其部件在气体流动入口和出口端之间具有不同的温度。因此，燃料电池组的外表面在其气体流动通道入口端(例如开放歧管入口端)和其出口端(例如，内部歧管式出口端)可能具有不同的温度。 

适宜的是将燃料电池组内部的温度梯度最小化，以允许并且最佳化有效率的燃料电池组操作。降低在燃料电池组中的温度梯度，因而降低至少一个燃料电池组层中的温度梯度，使得对燃料电池组部件的热诱导机械应力降低。因此，使跨过燃料电池电化学活性区域的温度梯度最小化不仅有益于燃料电池操作的有效性和效率，而且还可以降低系统的复杂性，降低总的系统成本，并且可以产生更安全的系统。 

优选地，预热器位于罩容积的外部。 

优选地，燃料电池组组合体不包括位于所述罩容积内部的入口气体预热器或热交换系统。尤其是，优选罩和/或底板不包括热交换器的热交换表面，所述热交换器具有在罩容积内部的使用中冷侧面和在罩容积外部的使用中热侧面，并且与燃料电池组组合体流体出口，尤其是与燃料电池组氧化剂侧出口热连通。最优选地，位于所述罩容积内部的这样的入口气体预热器不是氧化剂预热器。 

优选地，预热器被构造成在使用中将来自所述氧化剂源的氧化剂在比燃料电池的最靠近至少一个开放歧管式气体入口的入口端的使用操作温度低80℃以内、更优选70℃以内、更优选60℃以内、更优选50℃以内的温度加热，并且经由所述至少一个气体入口供给至所述罩容积内。 

应理解，在燃料电池组组合体以不同的模式(例如启动、稳态操作等)操作的情况下，预热器可以在高于燃料电池的最靠近至少一个开放歧管式气体入口的入口端的使用操作温度的温度下将氧化剂供给至罩容积。 

优选地，所述至少一个燃料电池组另外包括至少一个内部歧管式燃料入口。 

优选地，所述燃料电池组另外包括至少一个内部歧管式废燃料出口。 

在某些实施方案中，至少一个内部歧管式气体出口包括至少一个内部歧管式的混合废燃料和氧化剂的出口。 

“直接传热”是指氧化剂直接接触至少一个燃料电池组的外部表面。尤其是，这种外表面可以包括至少一个燃料电池组层的侧面。外表面还可以包括另外的燃料电池组部件，比如互连板和/或电池组层垫或非导电性隔体的侧面。 

因而，直接传热是从至少一个燃料电池组的外部到其上通过的氧化剂进行的，并且在氧化剂进入至少一个燃料电池组之前，这可以实现氧化剂最终所需的加热。 

通往罩容积的气体入口是远离至少一个燃料电池组的开放歧管端设置的。优选地，通往罩容积的气体入口位于至少一个燃料电池组的相对于开放歧管端的相反端。在存在多个通往至少一个燃料电池组的开放歧管的情况下，通往罩容积的气体入口可以远离开放歧管，并且通常与开放歧管等距离设置。 

在某些实施方案中，至少一个气体入口包括单个气体入口。在备选实施方案中，至少一个气体入口包括多个气体入口。 

在某些实施方案中，至少一个气体入口位于底板中。在备选实施方案中，至少一个气体入口位于罩内。在备选实施方案中，气体入口位于罩和底板内。对于气体入口的各种实施方案、位置和数量，燃料电池组组合体优选另外包括至少一个被设置成与至少一个气体入口流体连通的挡板、特征或部件，以促进从气体入口进入罩容积的气体的所需流体分布。尤其是，在至少一个气体入口位于底板内的实施方案中，可以安置歧管或部件以帮助在使用中入口气体流分布在燃料电池组组合体的整个热表面上，因而有助于避免罩容积内的任何停滞流体流动区域，并且还有助于避免气体流动 的过量的多余窜槽(channelling)。还可以考虑(account for)到燃料电池组的不均匀表面温度来设计入口气体流的分布。 

罩被安置成包围至少一个燃料电池组，在至少一个燃料电池组和罩的内表面之间具有间隙。在至少一个燃料电池组、燃料电池组底板和罩的内部表面之间的空间形成罩容积。 

下面显示优选实施方案，通过将通往罩容积的气体入口远离至少一个燃料电池组的开放歧管端设置，使得在使用中入口气体在至少一个燃料电池组的外表面周围流动，之后到达开放歧管端，在此它可以进入至少一个开放歧管式气体入口并且通向至少一个燃料电池。 

在与现有技术装置相比时，这种配置允许在至少一个燃料电池组和入口气体之间的热交换在更大的表面积上进行，因而通过简单并且方便的燃料电池组组合体设计实现了最终的所需温度升高。 

此外，由于通往罩容积的至少一个气体入口远离至少一个燃料电池组的至少一个开放歧管端设置，因此通常将它与至少一个燃料电池组的至少一个气体出口端相邻地设置，在操作中，该至少一个气体出口端通常是至少一个燃料电池组的最高温度区域。因此，在经由氧化剂入口进入到罩容积内的氧化剂和至少一个燃料电池组的相邻部分之间的热势是高的，并且热交换速率是高的，这意味着热交换将以较高的速率进行。随着在罩容积内的气体被加热并且流向至少一个燃料电池组的较冷开放歧管端，在氧化剂和至少一个燃料电池组的相邻部分之间的热势将变低，因而热交换的速率将变低，并且将发生更少的热交换。总体而言，这意味着在至少一个燃料电池组的较冷开放歧管端将发生更少的热交换，而在较热的远端将发生更多的热交换，这意味着可以降低跨过燃料电池组的温度梯度。 

优选地，安置至少一个燃料电池组和罩使得在使用中从气体入口到罩容积再到至少一个燃料电池组的开放歧管端的氧化剂流动主要在至少一个燃料电池组的侧面周围进行，而不是在至少一个燃料电池组的顶部上进行。 

例如，至少一个燃料电池组和罩可以形成所需的尺寸，以在至少一个燃料电池组的顶部和罩之间限定狭窄的间隙，因而在使用中它限制氧化剂流过至少一个燃料电池组的顶部。备选地，可以在至少一个燃料电池组的 顶部的周边周围安置壁，以在它和罩之间进行密封，并且阻挡氧化剂流。优选地，这样的壁是绝热的，从而使从至少一个燃料电池组到罩的传热降低或最小化。备选地，可以在其与罩之间的至少一个燃料电池组的顶部上安置绝热块，以减少或防止跨过至少一个燃料电池组的顶部的氧化剂流动。优选地，这样的绝热块与罩接触，以实现至少一个燃料电池组和罩之间的密封，并且防止氧化剂流到燃料电池组的顶部上。备选地，罩可以接触燃料电池组的顶部，以实现至少一个燃料电池组和罩之间的密封，并且防止氧化剂流到燃料电池组的顶部上。 

至少一个燃料电池组优选包括位于其顶部的端板，并且这样的端板可以成形并且形成所需的尺寸，以控制氧化剂流到至少一个燃料电池组的顶部上，例如安置影响使用中的流体流动的臂、指、壁或物体的部件。 

这样可以特别有利地降低燃料电池组的中心和端部的温度梯度。如果沿着层叠方向在电池之间的温度梯度最小化，则由多个燃料电池组层构成，由此由多个燃料电池构成的燃料电池组将以提高的效率操作。对此，来自在燃料电池组的顶部和底部的燃料电池组端板的热损失的降低已经证明是一个重要的优点。因此，罩容积中的氧化剂在燃料电池组端板上的流动的最少化通过减少从端板至罩容积氧化剂放出的热量的量而有助于这种目的。在顶部端板上的流动可以通过在端板和罩之间使用物理挡板而最小化，这种物理挡板可以是绝热材料。 

使用中，燃料电池组产生相当大量的热，这些热必需移除以能够实现有效率的燃料电池电化学操作。进入至少一个燃料电池组的入口气体表现出电池组内部实现冷却的重要作用。这通常通过使过量的氧化剂(例如，氧的摩尔体积为燃料氧化所必需的摩尔体积的至少例如2、3或4倍)横穿燃料电池组而实现。然而，这进而使得在将氧化剂传送通过燃料电池组系统组合体的鼓风机上需要耗费能量，因此从至少一个燃料电池组到入口气体尤其是氧化剂的总热交换的任何改进可以降低实现所需热交换需要的气体的体积，并且进而可以降低燃料电池组系统组合体的功耗。安置至少一个燃料电池组的外表面作为热交换表面可以更有利地使得与每一单位容积的入口气体热交换的量增加，因此降低所需入口气体的量。 

将罩的底部密封连接至底板上优选通过焊接、钎焊或胶合而实现。优选地，燃料电池组组合体另外包括位于底板和罩之间的绝热材料。优选地，这种绝热材料采取垫的形式，因而可以在罩和底板之间安置垫，并且垫压缩装置用于产生必要的密封。这种垫优选是绝热并且气密的垫，比如蛭石垫或氟橡胶垫。因此，可以将罩与从至少一个燃料电池组经由底板的传热隔绝。 

优选地，罩配置有位于其内表面和外表面的至少一个上的绝缘材料。这样起着将罩与来自至少一个燃料电池组的传热进一步隔绝的作用，并且还起着降低从罩到其外部的其它部件的传热的作用。 

为了进一步增强罩容积内的气体流动，通往罩容积的气体入口优选配置有至少一个挡板。 

优选地，罩配置有延伸到罩容积内的至少一个挡板，该至少一个挡板成形并且形成所需的尺寸，以控制在罩容积内的流体流动。尤其是，至少一个挡板可以防止在至少一个燃料电池组的顶部上发生流体流动。 

备选地，罩可以配置有至少一个另外的表面特征，比如肋或指，以控制流体流动方向和/或促进流体在至少一个燃料电池组的周围流动，而不是在至少一个燃料电池组的顶部上流动。 

如上所述，至少一个燃料电池组和罩优选形成所需的尺寸，以控制在罩容积内部的流体流动，优选促进流体流动在至少一个燃料电池组周围进行，而不是在其顶上进行。 

在将罩以压制制品形式制造的情况下，可以利用牵拉角(draw angle)来限定在罩中合适的表面特征，以实现在使用中对流体流动的控制。 

至少一个挡板优选被设计成将气体流引导到靠近至少一个燃料电池组表面。 

燃料电池组组合体优选包括至少一个通往罩容积的另外的气体入口，该另外的气体入口位于至少一个燃料电池组的开放歧管式端部和与其远离设置的通往罩容积的至少一个气体入口之间。可以将这样的另外至少一个气体入口安置、形成所需的尺寸并成形，并且在其使用中控制气体流动，以促使气体流向至少一个燃料电池组的开放歧管式端部。另外地，可以利用其它气体流以控制和改变在罩容积内的气体流动速率，并且改变进入到 至少一个燃料电池组的至少一个开放歧管端的气体的温度。例如，在燃料电池系统的关闭过程中，进入至少一个另外的气体入口点的气体可以比经由至少一个气体入口点进入的气体明显更冷，因而这将极大地加速燃料电池组的温度的降低，从而导致系统关闭时间的降低。 

为了进一步促进来自至少一个燃料电池组层的外表面的传热，可以安置另外的特征，包括例如从至少一个燃料电池组层(优选地，包括至少一个燃料电池)延伸的突部，比如翅片、指或臂，从而提供可以在其整个上面进行热交换的另外的表面积，和/或促进靠近电池组表面的气体流动的湍流，从而改善传热。 

优选安置在罩和至少一个燃料电池组层或从其延伸的任何突部或其内的表面特征之间的间隙，以增强气体流动，因此增强跨过所述特征的传热。 

优选地，在至少一个燃料电池组层的边缘上安置至少一个所形成的形状，以促进气体流动的湍流。 

为了有助于其间系统操作效率由于低的操作温度而非最优的系统启动，可以给罩配置加热器，优选电加热器，所述加热器被安置，使得在使用中，在罩容积内的流体(特别是气体)在例如其进入至少一个燃料电池组的开放歧管端之前，更特别是在其释放到罩容积内之前被加热器加热。加热器优选被安装在罩的内表面上或在罩的外表面上。加热器可以由与壶元件所用的材料类似的材料制成。备选地，罩可以由在施加电流时加热的介电材料制成。 

在某些实施方案中，这种电加热器采取被包裹、放置或位于气体分布部件(例如通往罩容积的氧化剂入口或流动分布装置)周围或容纳在其内部的加热器元件的形式，使得在使用中进入到罩容积中的氧化剂(例如空气)在加热器元件上通过。在某些实施方案中，加热器是预热器的组成部件。 

优选地，罩的内表面配置有硫吸收或吸附材料，以在使用中将硫在氧化剂进入至少一个开放歧管式气体入口之前从氧化剂中移除。例如，对于汽车辅助电源用途，为了捕获残余的硫，硫吸收或吸附材料可以以与燃料电池系统在脏城市空气中操作相关的水平捕获硫。 

优选地，罩的内表面配置有例如涂层形式的Cr吸附或吸收材料，以在使用中将氧化剂进料中的任何铬物种移除，从而降低燃料电池阴极的Cr中毒的可能性。 

优选地，罩容积至少部分地填充有热传导网状物、纤维网络或填料材料，它们在使用中增强至少一个燃料电池组和气体之间的传热。更优选地，这样的材料是非导电性的。还更优选地，它涂布有硫吸收材料和硫吸附材料中的至少一种。 

优选地，燃料电池组组合体另外配置有在罩容积外部的至少一个气体热交换系统。更优选地，至少一个气体热交换系统包括与至少一个内部歧管式气体出口流体连通，并且在使用中利用出口气体流作为加热流体的热交换装置，进入到罩容积内的气体被用作冷却流体。这样可以允许具有入口气体的至少一个气体热交换系统与内部歧管式气体出口的封闭的特定热耦合。 

优选地，为了进一步改善燃料电池组的性能，入口燃料也在其进入燃料电池组之前被加热。这优选通过将废燃料沿着内部歧管式燃料出口通向气体/气体热交换器以及至少一个冷凝热交换器以移除水蒸气并移除热量而实现。因而，此时更干燥的废燃料流包含未反应的燃料气体，并且保留在未使用的化学能中的热能通过将其通到燃烧器中而被回收，在所述燃烧器中，其与沿着内部歧管式氧化剂出口通过的废氧化剂流混合并燃烧。这样产生了高温的燃烧器废气，然后该废气优选被用于提供用于加热入口燃料的热源。在某些实施方案中，这种热能被用于支持入口燃料的吸热水蒸汽重整。然后，在进入任选的启动燃烧器单元，然后进入入口气体热交换系统之前，燃烧器废气优选被传送至水蒸汽发生器单元以产生吸热水蒸汽重整所需要的水蒸汽。 

在提供这样的多个热交换步骤的情况下，特别有利并且适宜的是将它们中许多尽可能地封闭热耦合。例如，以至少一个组合单元的形式提供上述的热交换和化学反应单元，使得燃料电池组系统组合体的尺寸降低。例如，组合的水蒸汽发生器、燃料重整器和重整物冷却器可以以一个单元形式提供。这样的一个或多个装置优选直接连接至底板的与燃料电池组侧相反的下侧。因此，气体通道长度得到显著降低，并且气体管道连接最小化，从而降低了部件数量和连接泄漏风险，并简化了系统组合体。 

优选地，至少一个燃料电池组是金属负载的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)组，更优选在US 6794075中所教导的燃料电池组。 

优选地，罩由至少一个塑料、陶瓷或金属层制造，或由这些材料中至少两种的混合物制造，例如由塑料涂布的金属罩。更优选地，它由不锈钢制造，例如通过深拉、弯曲和焊接、钎焊或浇铸而形成。对于低温燃料电池应用，罩优选由合适的塑料材料注塑而成。 

优选地，罩在其内部和外部的至少一个上是绝热的，更优选是在外部绝热。合适的绝缘层包括但不限于缠绕在上面或相匹配形成的绝缘层，或可以由多个层和多种绝缘材料制成。优选地，对于中温或高温燃料电池系统，提供多层绝缘体，其包括能够忍受操作温度的第一较大内层(例如，由Microtherm Inc.(TN，USA)提供的绝缘体)以及第二较薄外层，所述第二较薄外层包括Aspen Aerogel(RTM)(Aspen Aerogels，Inc.，MA，USA)，能够忍受操作条件，在一个或多个第一或内绝缘层外部。总体上，这样可以提供降低整个绝缘体体积，同时提供能够忍受外层绝缘体的操作温度范围之外的温度的绝缘体的特别优点。 

本发明同样地可应用于利用各种气体流动配置，包括同向-流动、逆向-流动和交叉-流动的燃料电池组组合体。 

根据本发明，还提供一种包括根据本发明的燃料电池组组合体的燃料电池组系统组合体。 

根据本发明，还提供一种中温固体氧化物燃料电池组组合体的操作方法，所述燃料电池组组合体包括： 

(i)底板； 

(ii)罩，其密封连接至所述底板上，并且限定所述底板和所述罩之间的罩容积； 

(iii)至少一个中温固体氧化物燃料电池组，其被安装在所述底板上并且被所述罩包围； 

(iv)通往所述罩容积的至少一个气体入口；以及 

(v)预热器，其与氧化剂源和所述至少一个气体入口流体连通，并且适合于将氧化剂经由所述气体入口供给至所述罩容积内， 

每一个燃料电池组都包括至少一个燃料电池组层，每一个燃料电池组层都包括至少一个中温固体氧化物燃料电池，每一个燃料电池都限定氧化剂入口端和废氧化剂出口端， 

所述至少一个燃料电池组具有： 

(a)至少一个开放歧管式气体入口，其限定所述至少一个燃料电池组的开放歧管端；以及 

(b)至少一个内部歧管式气体出口， 

通往所述罩容积的所述至少一个气体入口是远离所述至少一个燃料电池组的所述开放歧管端设置的， 

所述方法包括如下步骤：使氧化剂经由所述至少一个气体入口进入所述罩容积，使所述氧化剂环绕所述至少一个燃料电池组的外部通向所述至少一个开放歧管式气体入口，在所述氧化剂进入所述开放歧管式气体入口之前，在所述氧化剂和所述至少一个燃料电池组层的外表面之间发生直接传热，所述预热器被构造成在使用中将来自所述氧化剂源的氧化剂在比所述燃料电池的最接近所述开放歧管式气体入口的入口端处的使用操作温度低100℃以内的温度(即，在比燃料电池的最接近至少一个开放歧管式气体入口的入口端处的使用操作温度低100℃或不足100℃的温度)加热，并且经由所述气体入口供给至所述罩容积内。 

优选地，所述方法另外包括如下步骤：通过所述至少一个燃料电池，利用氧化剂和燃料进行电化学反应，以产生热和电力。 

本发明将从参考附图中的数幅图的下列描述中变得更加明显，附图只是作为实例显示燃料电池组组合体的形式。所述附图中： 

图1显示本发明的燃料电池组组合体的局部剖面侧视图； 

图2显示在图1的燃料电池组组合体中的氧化剂流体流动； 

图3是穿过线A-A′的截面，其显示在图1的燃料电池组组合体中的氧化剂流体流动； 

图4是穿过线B-B′的截面，其显示单个的燃料电池组层； 

图5是另外的燃料电池组组合体的局部分剖面侧视图，该燃料电池组组合体另外结合了氧化剂热交换系统； 

图6显示具有位于罩内的氧化剂入口的备选的燃料电池组组合体； 

图7显示具有位于罩和底板内的氧化剂入口的备选燃料电池组组合体；和 

图8显示了具有位于底板内的氧化剂入口，并且另外包括流动分布装置的备选燃料电池组组合体。 

燃料电池和燃料电池组组合体的教导对于本领域的技术人员是熟知的，并且具体地包括US 6794075、WO 02/35628、WO 03/075382、WO2004/089848、WO 2005/078843、WO 2006/079800和WO 2006/106334的教导，这些专利的全部内容通过引用结合在此。 

在燃料电池组组合体1的第一实施方案中，固体氧化物燃料电池组10是由很多个燃料电池组层20组装的，其中每一个燃料电池组层20都包含一个燃料电池30(在其它实施方案(未显示)中，每一个燃料电池组层20包含多个燃料电池30)。每一个燃料电池都包含安装在燃料电池金属基底34上并且覆盖燃料电池基底多孔区域36的阳极31、电解质32和阴极33，所述燃料电池基底多孔区域36被燃料电池基底非多孔区域35包围。导电互连板37提供用于燃料流动的歧管装置。通过电绝缘垫38，防止了第一燃料电池组层20的金属基底34与第二相邻的燃料电池组层的互连板37直接电接触。 

燃料电池组10被安装在底板40上，罩50被安置在燃料电池组10上，并且密封啮合底板40以限定底板40和罩50之间的罩容积60，并且其中容纳有燃料电池组10。 

燃料电池组10配置有开放歧管式氧化剂入口70，所述开放歧管式氧化剂入口70限定燃料电池组10的开放歧管端80。每一个燃料电池组层20还具有内部歧管式氧化剂出口90(对于具有单个燃料电池的燃料电池组层而言，对应于燃料电池的废氧化剂出口端)，以及具有内部歧管式燃料入口100和内部歧管式燃料出口110，它们中的每一个都通过底板40中的通道(未显示)。 

底板40另外配置有通往罩容积60的氧化剂入口120，该氧化剂入口120位于燃料电池组10的相对于开放歧管端80的相反端。 

使用中，燃料130经由通过底板40的内部歧管式燃料入口100供给到燃料电池30的阳极电极侧。 

氧化剂(空气)140通过在燃料电池组10的相对于开放歧管端80的相反端的氧化剂入口120进入罩容积60。绝热流动限制装置150被安置在燃料电池组10的端板160上面，并且形成所需尺寸，以接触罩50并且防止端板160和罩50之间的空气流动。使用中，因而在罩容积60中发生从氧化剂入口120沿着燃料电池组10侧至开放歧管端80并且进入燃料电池组10的空气流动。箭头210显示了氧化剂140的流动。 

燃料电池组端板160是顶部端板，并且底板40作为底部端板。在适当时安置压缩装置以压缩至少一个燃料电池组，从而确保必要的气体密封和电连接。合适压缩系统的实例包括在WO 2007/085863中教导和所提及的那些。 

燃料电池组10的外表面170配置有翅片形式的突部(未显示)，它们成形并且形成所需的尺寸以增强燃料电池组10侧的空气流动，以及增强在燃料电池组10的外部和氧化剂140之间的传热。 

氧化剂140在约455℃的初始温度进入罩容积60，并且在内部歧管式氧化剂出口90的燃料电池组10的操作出口温度为约600℃。在最接近开放歧管式氧化剂入口70的燃料电池30的入口端处于约500℃的稳态使用操作温度。为了实现可接受的操作效率，氧化剂140在进入开放歧管式氧化剂入口70之前被加热到至少480℃的温度。氧化剂140的加热通过与燃料电池组10的外表面和罩50的内表面190的接触和热交换而实现。 

在这个实施方案中，内部歧管式氧化剂入口70包括用于每一个燃料电池组层20的不连续的开放歧管入口。在另一个实施方案(未显示)中，内部歧管式氧化剂入口70包括用于每一个燃料电池组层的多个开放歧管入口。在又一个实施方案(未显示)中，内部歧管式氧化剂入口70包括用于多个燃料电池组层的单个开放歧管入口。 

在至少480℃的温度的氧化剂140进入开放歧管式氧化剂入口70并且供给到燃料电池30的阴极电极侧，发生电化学反应，其中氧化剂140与 阴极反应，并且燃料130与阳极反应，产生热、水和电能。电能通过电路上的负载(未显示)。 

然后，已反应的燃料130经由在燃料电池组10的远离开放歧管端80一侧的内部歧管式燃料出口110离开燃料电池30和燃料电池组层20，从而穿过底板40。然后，已反应的氧化剂140经由在燃料电池组10的远离开放歧管端80一侧的内部歧管式氧化剂出口90离开燃料电池30和燃料电池组层20，从而穿过底板40。 

因此，燃料电池组10的废气(氧化剂120和燃料130)经由内部歧管式燃料出口110和内部歧管式氧化剂出口90离开燃料电池组10的那侧将处于最高温度，因为它被热的废气加热，并且开放歧管端80是最冷的，因为它损失了给入口氧化剂140流的热量。因此，在燃料电池组10的远离开放歧管端80的外侧和在穿过氧化剂入口120的点进入罩容积60的氧化剂140之间存在最大的热势(并且将发生最大的热交换)。 

这种热交换起着有利于燃料电池组10的作用，因为它起着降低沿燃料电池组10的长度的温度梯度的作用。这种热交换还降低了对燃料电池组组合体1的机械应力，并且允许预热器200的尺寸和质量相对于在空气需要在更高温度进入开放歧管式氧化剂入口70所需要的尺寸和质量降低。 

如图5所示，燃料电池组10、底板40和罩50形成更大燃料电池组系统组合体的一部分，所述燃料电池组系统组合体包括氧化剂热交换系统(预热器)200，所述氧化剂热交换系统(预热器)200将流过氧化剂入口120的氧化剂140升高至其约455℃的初始入口温度，其中沿着内部歧管式燃料出口110流动的废燃料130起着加热流体的作用。典型的现有技术燃料电池组系统组合体氧化剂热交换系统必须在氧化剂进入燃料电池组10之前将该氧化剂升高至约480℃的温度，并且对氧化剂预热器的热负荷的这种降低意味着氧化剂热交换系统200的尺寸、质量、成本和复杂性可以得到显著降低。 

为了进一步提高燃料电池组10的性能，入口燃料130在其进入燃料电池组10之前也被加热。这通过废燃料130a沿着内部歧管式燃料出口110流动至气体/气体热交换器(290)以及至少一个冷凝热交换器300以移除水蒸气并回收热而实现。因而更干燥的废燃料130b流包含未反应的燃料气体130，并且保留在未使用的化学能中的热能通过将其传送到燃烧器(310)而被回收，所述燃烧器(310)具有沿着内部歧管式氧化剂出口90流动的废氧化剂140a。高温燃烧器废气320然后被用于提供用于加热入口燃料130的热源。在某些实施方案中，这种热能被用于支持入口燃料130在重整器装置330中的吸热水蒸汽重整。然后燃烧器废气可以被传送到水蒸汽发生器装置340以利用水源270产生水蒸汽280，其在进入任选的启动燃烧器装置(未显示)，然后进入氧化剂热交换系统200之前被要求用于催化重整。 

在本实施方案中，燃料电池组端板160已经在它和罩50的下侧之间安装绝热流动限制装置150，所述绝热流动限制装置150阻挡越过端板160的顶部的流体流动并且使罩50与燃料电池组10绝热。 

此外，在罩50的底部和底板40之间安置气密绝热蛭石垫230，以进一步使罩50与燃料电池组10绝热。 

通过Microtherm Freemoulding产品的较厚的内绝缘层240以及Aspen Aerogel Pyrogel(RTM)的较薄的外绝缘层250，对罩50的外部部件提供进一步的绝缘，从而总体上提供了罩50所需的绝热，同时以与只使用内绝缘层240的材料的时所需的绝缘材料体积相比降低的绝缘材料体积实现了这样的绝缘。 

图4显示了具有(只是用于说明的目的)放大的燃料电池组层20和另外的燃料电池组层21的穿过B-B′(图3)的截面。如可以看到的，空气140在氧化剂入口120进入燃料电池组组合体1，该氧化剂入口120位于燃料电池组10的相对于(即，远离)开放歧管式氧化剂入口70的相反侧。然后，空气140传送到燃料电池组10侧面周围(在燃料电池组10上面的流体流动被气密绝热蛭石垫150阻挡，所述气密绝热蛭石垫150位于燃料电池组端板160的顶表面和罩50之间并且与它们接触)，并且被加热，并且传送到燃料电池组层20的开放歧管式氧化剂入口70并且传送到中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)30的阴极33上，进行电化学反应，产生热、氧化物和电力，以及经由歧管装置90排出。燃料130经由内部歧管式燃料入口100进入燃料电池组10，传送到燃料电池基底多孔区域36下面，经由该燃料电池基底多孔区域36，它传送到燃料电池阳极31，并且进行电化学反应，以产生热、氧化物(主要是碳氧化物和水)以及电力。然后，废燃料130经由内部歧管式燃料出口110离开燃料电池组10。 

每一个燃料电池组层20都包含导电互连板37，所述导电互连板37提供歧管装置并且用于与相邻燃料电池组10的部件电接触。燃料电池金属基底34被安装在互连板37上面，并且包括被燃料电池基底非多孔区域35相接的燃料电池基底多孔区域36。因此，流体流动可以穿过多孔区域36进行。在多孔区域36上面安装的是燃料电池30。燃料电池阳极覆盖多孔区域36，然后燃料电池电解质32在阳极31和多孔区域36上延伸，以防止流体从燃料电池30的燃料侧经过多孔区域36流动到燃料电池30的氧化剂侧。燃料电池阴极33被安装在燃料电池电解质32上面。 

导电电流导体(未显示)从燃料电池阴极33延伸，并且与导电互连板37电接触，以形成电路，并且将负载设置在该电路上。另外的燃料电池组层21位于燃料电池组层20上面，燃料电池金属基底34与相邻燃料电池组层21的导电互连板37的电短路被电绝缘垫38防止，所述电绝缘垫38另外提供对另外的燃料电池组层21的机械支撑。 

在另外的实施方案(图6)中，在罩50内，而不是在底板40内，安置多个氧化剂入口120。这种配置帮助气体流动和分布，尤其是有助于防止气体流动的停滞区域。 

在另外的实施方案(图7)中，在罩50以及底板40内，安置多个氧化剂入口120，同样，这样帮助气体流动和分布，尤其是有助于防止气体流动的停滞区域。 

在图8的实施方案中，在底板40中安置多个氧化剂入口120，并且安置流动分布装置260，所述流动分布装置260包括多孔金属管，所述多孔金属管被设计成帮助气体从入口120流动分布到整个罩容积60内。在备选的实施方案(未显示)中，罩分布装置260包括高多孔性的陶瓷材料以及罩50的成形截面。 

应当理解的是，并没有意图将本发明仅限制为上述实施方案，在不偏离后附权利要求的范围的情况下，很多其它的实施方案对于本领域的技术人员是明显的。 

附图标记： 

1-燃料电池组组合体 

10-固体氧化物燃料电池组 

20-燃料电池组层 

21-另外的燃料电池组层 

30-燃料电池 

31-燃料电池阳极 

32-燃料电池电解质 

33-燃料电池阴极 

34-燃料电池金属基底 

35-燃料电池基底非多孔区域 

36-燃料电池基底多孔区域 

37-导电互连板 

38-电绝缘垫 

40-底板 

50-罩 

60-罩容积 

70-开放歧管式氧化剂入口 

80-开放歧管端 

90-内部歧管式氧化剂出口 

100-内部歧管式燃料入口 

110-内部歧管式燃料出口 

120-氧化剂入口 

130-燃料 

130a-废燃料 

130b-更干燥的废燃料 

140-氧化剂(空气) 

140a-废氧化剂 

150-绝热块 

160-燃料电池组端板 

170-燃料电池组外表面 

190-罩内表面 

200-氧化剂热交换系统 

230-气密绝热蛭石垫 

240-内绝缘层 

250-外绝缘层 

260-流动分布装置 

270-水 

280-水蒸汽 

290-气体/气体热交换器 

300-冷凝热交换器 

310-尾气燃烧器 

320-燃烧器废气 

330-水蒸汽重整器 

340-水蒸汽发生器 

350-冷却流体进入 

360-冷却流体离开 

Claims (13)

1.一种中温固体氧化物燃料电池组组合体(1)，其包括：

(i)底板(40)；

(ii)罩(50)，其密封连接至所述底板上，并且限定所述底板和所述罩之间的罩容积(60)；

(iii)至少一个中温固体氧化物燃料电池组(10)，其被安装在所述底板上并且被所述罩包围；

(iv)通往所述罩容积的至少一个氧化剂入口(120)；以及

(v)预热器(200)，其与氧化剂源和所述至少一个氧化剂入口流体连通，并且适合于将氧化剂从所述氧化剂源经由所述氧化剂入口供给至所述罩容积内，

每一个燃料电池组都包括至少一个燃料电池组层(20，21)，每一个燃料电池组层都包括至少一个中温固体氧化物燃料电池(30)，每一个燃料电池都限定氧化剂入口端和废氧化剂出口端，

所述至少一个燃料电池组具有：

(a)至少一个开放歧管式氧化剂入口(70)，其限定所述至少一个燃料电池组的开放歧管端(80)；以及

(b)至少一个内部歧管式气体出口(90，100)，

通往所述罩容积的所述至少一个氧化剂入口是远离所述至少一个燃料电池组的所述开放歧管端设置的，使得在使用中氧化剂经由所述至少一个氧化剂入口进入所述罩容积，并且环绕所述至少一个燃料电池组的外部通向所述至少一个开放歧管式氧化剂入口，在所述氧化剂进入所述开放歧管式氧化剂入口之前，在所述氧化剂和所述至少一个燃料电池组层的外表面(170)之间发生直接传热，所述预热器被构造成在使用中将来自所述氧化剂源的氧化剂在比所述燃料电池最接近所述至少一个开放歧管式氧化剂入口的所述入口端处的使用操作温度低100℃以内的温度加热，并且经由所述至少一个氧化剂入口供给至所述罩容积内。

2.根据权利要求1所述的燃料电池组组合体，所述燃料电池组组合体不包括位于所述罩容积内的入口气体预热器。

3.根据在前权利要求中任一项所述的燃料电池组组合体，其中所述至少一个中温固体氧化物燃料电池组是金属负载的中温固体氧化物燃料电池组。

4.根据权利要求1所述的燃料电池组组合体，其中所述至少一个燃料电池组另外包括至少一个内部歧管式燃料入口(100)。

5.根据权利要求4所述的燃料电池组组合体，所述至少一个内部歧管式气体出口是内部歧管式废燃料出口(110)，所述燃料电池组另外包括至少一个内部歧管式废氧化剂出口(90)。

6.根据权利要求4所述的燃料电池组组合体，所述至少一个内部歧管式气体出口包括至少一个内部歧管式的混合废燃料和氧化剂的出口。

7.根据权利要求1所述的燃料电池组组合体，所述至少一个燃料电池组层的所述外表面另外包括至少一个突部，所述突部适合于在使用中促进它与气体之间的传热。

8.根据权利要求1所述的燃料电池组组合体，所述罩的内表面和所述至少一个燃料电池组层的所述外表面中的至少一个另外包括至少一个适合于在使用中引起湍流流动的突部。

9.根据权利要求1所述的燃料电池组组合体，其中所述燃料电池组具有450-650℃的使用操作温度。

10.根据权利要求1所述的燃料电池组组合体，其中所述至少一个中温固体氧化物燃料电池组是金属负载的。

11.一种燃料电池组系统组合体，其包括根据在前权利要求中任一项所述的燃料电池组组合体。

12.一种中温固体氧化物燃料电池组组合体(1)的操作方法，所述燃料电池组组合体包括：

(i)底板(40)；

(ii)罩(50)，其密封连接至所述底板上，并且限定所述底板和所述罩之间的罩容积(60)；

(iii)至少一个中温固体氧化物燃料电池组(10)，其被安装在所述底板上并且被所述罩包围；

(iv)通往所述罩容积的至少一个氧化剂入口(120)；以及

(v)预热器(200)，其与氧化剂源和所述至少一个氧化剂入口流体连通，并且适合于将氧化剂从所述氧化剂源经由所述氧化剂入口供给至所述罩容积内，

每一个燃料电池组都包括至少一个燃料电池组层(20，21)，每一个燃料电池组层都包括至少一个中温固体氧化物燃料电池(30)，每一个燃料电池都限定氧化剂入口端和废氧化剂出口端，

所述至少一个燃料电池组具有：

(a)至少一个开放歧管式氧化剂入口(70)，其限定所述至少一个燃料电池组的开放歧管端(80)；以及

(b)至少一个内部歧管式气体出口(90，100)，

通往所述罩容积的所述至少一个氧化剂入口是远离所述至少一个燃料电池组的所述开放歧管端设置的，

所述方法包括如下步骤：使氧化剂经由所述至少一个氧化剂入口进入所述罩容积，使所述氧化剂环绕所述至少一个燃料电池组的外部通向所述至少一个开放歧管式氧化剂入口，在所述氧化剂进入所述开放歧管式氧化剂入口之前，在所述氧化剂和所述至少一个燃料电池组层的外表面(170)之间发生直接传热，所述预热器被构造成在使用中将来自所述氧化剂源的氧化剂在比所述燃料电池最接近所述开放歧管式氧化剂入口的所述入口端处的使用操作温度低100℃以内的温度加热，并且经由所述氧化剂入口供给至所述罩容积内。

13.根据权利要求12所述的方法，所述方法另外包括如下步骤：通过所述至少一个中温固体氧化物燃料电池，利用氧化剂和燃料进行电化学反应，以产生热和电力。

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