CN101821884A - 具有改善的气体导向和热交换的固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有新颖设计的固体氧化物燃料电池系统，其提供改善的对于系统的热调控。所公开的固体氧化物燃料电池系统气体导向特征，所述气体导向特征调控系统的局部区域的温度，并且保护热敏感的集电元件。

Description

具有改善的气体导向和热交换的固体氧化物燃料电池系统
背景介绍
本发明涉及燃料电池系统和装置，具体涉及具有改善的气体导向和温度调控的燃料电池系统和装置。
燃料电池是通过化学反应将燃料的势能转换为电能的电装置。通常，燃料电池包括一对由电解质隔开的电极。电解质仅仅允许特定类型的离子通过。离子穿过电解质的选择性通过在两个电极之间产生电势，这可以以电力的形式被利用。为了增大功率输出，可以将多个燃料电池包括在燃料电池系统中。例如，多个燃料电池可以被集合成燃料电池堆。
在现有技术中已知的不同类型的燃料电池中，在更高温度下操作的燃料电池(例如，固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池)往往可提供比低温燃料电池(例如，磷酸燃料电池和质子交换膜燃料电池)更高的燃料-电力效率。固体氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)分别利用氧离子传导电解质和碳酸根离子传导电解质，并且在高于500℃的温度下工作。为了获得这样高的工作温度并消除延长的起动时间，这些高温燃料电池系统需要能够进行有效热调控的设计。
此外，包括重整器的燃料电池系统在对其温度进行调控方面提出了挑战。烃燃料的吸热性重整(例如，蒸汽重整)通常需要在高温度下进行，而放热性重整(例如，部分氧化重整)反应可能释放过多的热量，该过多的热量如果不适当地调控的话可能破坏重整催化剂和/或燃料电池系统的其它部件。燃料电池系统中的集电装置，即收集由电化学反应产生的电流的装置，特别容易因热而损坏，因为它们通常由在较低温度下熔融的金属(例如银)制成。
因此，存在对于如下的燃料电池系统的需要，该燃料电池系统被设计来提供改善的热调控，这将允许燃料电池系统的运行效率提高。
发明内容
考虑到前述情况，本发明提供了固体氧化物燃料电池系统，其包括一个或多个燃料电池和其与所述一个或多个燃料电池中的每一个流体连通的中心支撑元件。每一个燃料电池具有阳极、阴极和电解质。在一个实施例中，中心支撑元件可以包括内纵长元件和外纵长元件，其中所述外纵长元件可以与所述内纵长元件同心并围绕所述内纵长元件布置。内纵长元件可以限定适用于将燃料传输到所述一个或多个阳极的内纵长通道，外纵长元件可以限定适用于将氧化剂传输到所述一个或多个阴极的外纵长通道。在一些实施例中，所述一个或多个燃料电池围绕所述中心支撑元件布置。
在一些实施例中，所述中心支撑元件包含一种或多种催化剂。例如，所述一种或多种催化剂可以涂覆在所述中心支撑元件的内纵长元件的内表面的至少一部分上，或者与所述中心支撑元件的内纵长元件的内表面的至少一部分相关联。所述一种或多种催化剂可以是重整催化剂(例如，部分氧化重整催化剂和/或蒸汽重整催化剂)、燃烧催化剂和/或其组合。在一些实施例中，催化剂可以是分段催化剂。例如，分段催化剂可以包括部分氧化催化剂、部分氧化和燃烧组合催化剂、燃烧催化剂和蒸汽重整催化剂的分段混合物。
在一些实施例中，燃料电池系统可以包括一个或多个阳极出口流动通道以及一个或多个阴极出口流动通道。所述一个或多个阳极出口流动通道可以与所述一个或多个阳极流体连通，并且适用于引导来自所述一个或多个阳极的阳极排出物。所述一个或多个阴极出口流动通道可以与所述一个或多个阴极流体连通，并且适用于引导来自所述一个或多个阴极的阴极排出物。燃料电池系统可以包括还原腔，所述还原腔与所述一个或多个阳极出口流动通道流体连通，并基本不含任何氧化剂。燃料电池系统还可以包括一个或多个集电器，所述集电器布置在所述还原腔中，并与所述一个或多个燃料电池中的每一个电连通。燃料电池系统可以还包括后燃烧器，所述后燃烧器与所述还原腔和所述一个或多个阴极出口流动通道流体连通。所述后燃烧器可以适用于允许来自所述一个或多个阳极的所述阳极排出物和来自所述一个或多个阴极的所述阴极排出物结合。
在一些实施例中，所述还原腔可以与绝缘材料热连通。例如，绝缘材料可以存在于还原腔和后燃烧器之间。在某些实施例中，后燃烧器包括至少部分涂覆有燃烧催化剂的内表面。还原腔和/或后燃烧器可以围绕中心支撑元件布置。
本发明的另一方面涉及一种运行燃料电池系统的方法，燃料电池系统例如为与上述的各个实施例相似的燃料电池系统。在一些实施例中，所述燃料电池系统可以包括一个或多个燃料电池、与所述一个或多个燃料电池流体连通的中心支撑元件以及与所述一个或多个燃料电池电连通的集电器。所述集电器围绕所述中心支撑元件布置。所述中心支撑元件包括限定内纵长通道的内纵长元件和限定外纵长通道的外纵长元件。所述外纵长元件可以与所述内纵长元件同心并围绕所述内纵长元件布置。
所述燃料电池系统的运行方法可以包括：将燃料通过所述内纵长元件引导到所述一个或多个燃料电池的阳极；以及将氧化剂通过所述外纵长元件引导到所述一个或多个燃料电池的阴极。在燃料电池系统的各个阶段中所述内纵长元件的温度和所述外纵长元件的温度之间可以产生温度差。所述温度差可以促进传热并有助于调控所述中心支撑元件中的局部温度以及燃料电池系统的整体温度。
在一些实施例中，通过所述外纵长元件引导所述氧化剂保护了所述集电器免于暴露于过量的热。在一些实施例中，燃料电磁系统可以包括还原腔，其中，一个或多个集电器可以设置在还原腔内。所述还原腔可以与后燃烧器流体连通。在这些实施例中，本发明的方法还可以包括：将来自所述一个或多个燃料电池的阳极的阳极排出物引导到所述还原腔；将来自所述一个或多个燃料电池的阴极的阴极排出物引导到所述后燃烧器；将未反应的燃料从所述还原腔引导到所述后燃烧器；以及使得未反应的燃料和未反应的氧化剂在所述后燃烧器中结合。在某些实施例中，所述方法可以包括在所述后燃烧器中燃烧所述阳极排出物和所述阴极排出物，和/或包括在所述还原腔和所述后燃烧器之间设置绝缘材料。
附图说明
应该理解，以下所述的附图的重点在于说明本发明的原理，而不必按比例绘制。附图并不意在以任何方式限制本发明的范围。
图1是本发明的固体氧化物燃料电池的实施例的示意性透视图。
图2是根据本发明的燃料电池堆的实施例的示意性透视图。
图3是根据本发明的固体氧化物燃料电池系统的实施例的剖视图。
图4是根据本发明的中心支撑元件的实施例的示意性透视图。
具体实施方式
本发明的一部分提供了一种燃料电池系统，其通过改善温度调控和电流收集而具有提高的效率。通过提供将进气和排气高效和有效地传输通过燃料电池系统的气体导向特征，可以调控燃料电池系统的温度，并且可以改善电流收集。更具体地，本发明提供一种固体氧化物燃料电池系统，其具有与绝缘还原腔和后燃烧器流体连通的中心支撑元件。彼此紧密接近的不同温度气体的新颖的气体导向可以促进热交换和温度调控。此外，仅仅还原气体到还原腔(其容纳集电器)中的导向以及对集电器附近的直接燃烧的限制提高了电流收集效率。
在整个说明书中，在装置或组合物被描述为具有、包括或包含特定部件(成分)的情况下，或者在方法被描述为具有、包括或包含特定的处理步骤的情况下，应该认为本发明的组合物也可基本由所记述的部件(成分)构成或者由所记述的部件(成分)构成，并且本发明的方法也可基本由所记述的处理步骤构成或者由所记述的处理步骤构成。应该理解的是，步骤的顺序或用于执行特定动作的顺序只要在本发明的方法和工艺保持可操作的情况下就不是关键性的。此外，两个或多个步骤或动作可以同时进行。
在本申请中，在将要素或成分描述为被包括在所记述的要素或成分的列表中和/或选自所记述的要素或成分的列表的情况下，应该理解的是，该要素或成分可以是所记述的要素或成分中的任一种，并可以从由所记述的要素或成分中的两种或多种组成的组中选择。此外，应该理解的是，此处所描述的组合物、设备或方法的要素和/或特征可以在不偏离本发明的实旨和范围的情况下以各种方式进行组合，而不论是否在本文中进行了明示或暗示。
除非明确地另有说明，术语“包括”或“具有”的使用应该一般地理解为开放式的且非限制性的。
除非明确地另有说明，本文中单数的使用包括复数的情况(反之亦然)。此外，除非另有说明，在量值前使用术语“约”的情况下，本发明还包括具体量值本身。
一般来说，本发明涉及固体氧化物燃料电池系统，其具有改善的气体导向、温度调控和电流收集。如图1所示，本发明一般地提供了一种燃料电池系统10，其包括中心支撑元件12和布置在中心支撑元件12周围或围绕中心支撑元件12布置的燃料电池堆1。燃料电池堆可以包括一个或多个燃料电池32。一般而言，燃料电池系统10还包括燃料电池板4、集电组件35、后燃烧器(没有示出)和任选的歧管盖30。燃料电池板可以由合金、金属或陶瓷材料制成，并且可以是致密的或多孔的。类似地，后燃烧器可以由合金、金属或陶瓷材料制成，并且可以是致密的或多孔的。
在一些实施例中，所述一个或多个燃料电池可以是可拆卸的，或者在一端(即，远端)刚性固定到燃料电池板而在另一端(即，近端)刚性固定到集流组件。与燃料电池相似，中心支撑元件的远端可以是可拆卸的，或者刚性固定到燃料电池板的近侧。燃料电池板可以是各种几何结构或不规则形状的盘或板，其包括多个开口，用于通过或附装中心支撑管或一个或多个燃料电池。在一些实施例中，中心支撑元件可以经由任选的歧管盖与一个或多个燃料电池流体连通，歧管盖(如果有的话)可以被附装到燃料电池板的远侧。集流组件和后燃烧器都可以布置在中心支撑元件周围，其中，后燃烧器紧邻集流组件。
除了将一种或多种燃料和氧化剂引入到燃料电池之外，在含烃燃料(例如丙烷)被用作燃料电池的燃料时，中心支撑元件可以通过包含一种或多种重整催化剂而充当重整器。中心支撑元件可以具有双通道设计，所述双通道设计通过提供贯穿燃料电池系统的热调控和气体导向，可以整体上提高燃料电池系统的效率。
中心支撑元件可以通过物理、机械和/或化学手段接合到燃料电池板。在一些实施例中，中心支撑元件和燃料电池板之间的连接可以是紧密滑动配合，使得中心支撑元件通过摩擦被适当地保持在燃料电池板上。在其它实施例中，中心支撑元件和燃料电池板可以利用本领域中已知的各种粘合剂接合在一起。例如，可以使用商业可得的氧化铝接合剂。
一个或多个燃料电池可以以类似方式附接到燃料电池板上。例如，一个或多个燃料电池可以通过插入到燃料电池板中的开口或孔洞中而安装到燃料电池板上。这些开口的直径可以等于或稍小于燃料电池的直径。在其它实施例中，如图2所示，一个或多个燃料电池32可以被安装在燃料电池板4的凸起特征，例如喷射栓7上。喷射栓7可以被形成为燃料电池板4的整体特征，或者被单独制造并附接到燃料电池板4上。燃料电池的直径可以稍大于喷射栓的直径，使得当燃料电池被安装在喷射栓上时形成窄的间隙。尽管存在这样的窄的间隙，但不需要单独的密封来防止气体泄露，因为喷射栓和燃料电池的内部通道之间通过窄间隙的压降远高于通过燃料电池本身的压降。因此，存在足够的背压使得从燃料电池的内部通道的气体泄露最小化，而无需使用单独的密封。例如，直径为2.8mm的燃料电池可以被安装到直径为2.5-2.7mm的喷射栓上，并且所形成的间隙不会干扰燃料电池系统的运行。本领域技术人员将理解，中心支撑元件也可以以类似方式安装在燃料电池板的喷射栓上。
在某些实施例中，燃料电池系统可以包括紧邻燃料电池板布置的绝缘板。燃料电池可以经由绝缘板上的开口穿过绝缘板。这些开口可以被制成具有等于或稍小于各个燃料电池的直径的直径，导致燃料电池和绝缘板之间的紧密配合。绝缘板可以通过化学或物理手段，诸如通过粘合剂或摩擦，附装到燃料电池板上。所得到的燃料电池板/绝缘板组件由于燃料电池和围绕燃料电池的区域之间的大的压降，而可以产生提高的耐气体泄露性。
在一些实施例中，歧管盖可以包括大致半球形(即，圆顶)末端。在燃料电池运行过程中，随着高温气体在歧管盖内部循环，可能导致热应力，而大致半球形结构可以有助于减少歧管盖内的应力集中。在其它实施例中，歧管盖可以具有平面端表面。例如，歧管盖可以被形成为圆柱形盖。由于其几何形状，圆柱形盖在燃料电池系统的运行过程中可能经历热膨胀。为了减少作用在端表面和圆柱侧壁的交接处的热致应力，圆柱形歧管盖在其边缘周围可以包括内圆角。在其它实施例中，燃料电池堆可以被插入到不透气的绝缘封装中，从而提供与燃料电池板间隔的(即，在燃料电池板和绝缘封装之间的)空的空间，来代替单独的歧管盖。如歧管盖一样，空的空间提供气体从中心支撑元件通到燃料电池的通路，使得其彼此流体连通。
燃料电池堆通常包括多个围绕中心支撑管布置的燃料电池。用于本发明的燃料电池系统的燃料电池可以被描述为管式阳极支撑燃料电池。更具体地，燃料电池可以包括用作支撑的内部燃料电极(即，阳极)、中间电解质和外部空气电极(即，阴极)。管式阳极支撑通常可以限定出中空中心孔(即，通道)。在其它实施例中，燃料电池可以是阴极支撑、电解质支撑或基材支撑燃料电池。就几何形状而言，管式燃料电池可以是圆柱形的，或者可以是多边形的或者是其它形状(例如，椭圆)。例如，管式燃料电池可以具有大致三角形形状，其利用倒圆顶角接合三个表面。在一些实施例中，如美国专利No.6,998,187所述的，阳极可以包括一个或多个从其内壁突出到中心孔中的支撑特征(例如，凸台或凸起)，其中，美国专利No.6,998,187的公开内容通过引用被全文包括于此。
在组成上，电极可以由本领域已知的任何合适的多孔电极材料制成。例如，阳极可以由陶瓷材料或金属陶瓷材料制成。陶瓷材料或金属陶瓷材料中的陶瓷组分可以包括例如氧化锆基材料或氧化铈基材料。实例包括但不限于稳定化的氧化锆(例如，氧化钇稳定氧化锆，特别是(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08))和掺杂氧化铈(例如钆掺杂氧化铈，特别是(Ce0.90Gd0.10)O1.95)。在金属陶瓷材料的情况下，金属组分可以包括一种或多种过渡金属，其合金和/或物理混合物。金属组分(例如，Ni，Co，Cu，Ag和W)可以以氧化物或盐(例如，NiO，Ni(NO3)2)的形式引入，并且可以以从约30.0vol.％到约80.0vol.％(基于金属陶瓷材料的总体积)的量存在。例如，阳极可以是具有氧化钇稳定氧化锆的多孔镍金属陶瓷多孔镍。其它合适的电极材料包括氧化铝和/或氧化钛基陶瓷，其可以包含或不包含金属组分。合适的阴极材料的实例包括各种钙钛矿，诸如但不限于，亚锰酸镧钙钛矿陶瓷、铁酸镧钙钛矿陶瓷、亚锰酸镨钙钛矿陶瓷和铁酸镨钙钛矿陶瓷。
电解质层可由与上述的相同的陶瓷和金属陶瓷制成。金属陶瓷材料中合适的金属组分包括但不限于，Ni、Co、Cu、Ag、W、Pt、Ru、其合金和/或其物理混合物。金属组分的含量可以从约0.1vol.％到约15vol.％。在各种实施例中，电介质层可以由掺杂陶瓷制成。例如，掺杂氧化锆的薄致密层可以用作电解质层。电解质层和阴极材料可以通过各种沉积技术沉积在阳极上，所述沉积技术包括但不限于，滑动涂敷、浸涂、喷涂和印刷。在沉积之后，可以将不同的层共烧结或顺序地烧结。
图3是图1所描绘的燃料电池系统的更详细的剖视图。燃料电池系统10包括一个或多个燃料电池32和中心支撑元件12。中心支撑元件12包括一个或多个氧化剂入口14、一个或多个燃料入口16、燃料元件17、燃料通道18、氧化剂元件19和氧化剂通道20。燃料电池系统的其它部件包括燃料电池板(没有示出)、集电组件35、后燃烧器38以及任选的歧管30。燃料(例如，丙烷和空气的混合物)经由一个或多个燃料入口16进入燃料电池系统，并且经由燃料通道18输送到各个燃料电池32的阳极。氧化剂(例如空气)经由一个或多个氧化剂入口进入燃料电池系统，并且经由氧化剂通道20输送到各个燃料电池32的阴极。如图1所示，一个或多个燃料电池32被围绕中心支撑元件12布置。
参考图4，中心支撑元件12一般包括内纵长元件17(在此也被称为燃料元件)和外纵长元件19(在此也被称为氧化剂元件)。外纵长元件可以相对于内纵长元件同心地并围绕其布置。这些元件中的每一个可以是圆柱形的，或者可以具有其它几何形状(例如，矩形、多边形、椭圆等)。内纵长元件17可以限定内纵长通道18(在此也被称为燃料通道)，所述内纵长通道18适用于将一种或多种燃料(例如，燃料混合物)传输到一个或多个燃料电池中的每一个的阳极，而外纵长元件19可以限定外纵长通道20(在此也被称为氧化剂通道)，所述外纵长通道20适用于将一种或多种氧化剂传输到一个或多个燃料电池中的每一个的阴极。换句话说，外纵长通道是由外纵长元件的内壁和内纵长元件的外壁限定的环形空间。中心支撑元件通常还包括一个或多个燃料入口和氧化剂入口，分别用于将燃料和氧化剂引入到燃料电池系统。内纵长元件和外纵长元件可以例如由金属、陶瓷材料(例如，氧化铝)、半导体材料、聚合材料、玻璃和其混合物构成。为了促进内纵长元件和外纵长元件之间的热传导，可以将导热材料布置在内纵长元件和外纵长元件之间，以允许物理接触和直接传热。例如，导热材料可以沿外纵长元件的内壁和/或内纵长元件的外壁布置。导热材料可以是金属材料(例如，合金或金属)或者是陶瓷材料，并且可以是线、网、泡沫或其组合的形式。导热材料的实例是由Inconel
Figure GPA00001087163000091
600(Special Metals Corp.，Huntington，WV)制成的线圈，其可以具有方形或圆形外形或其它几何形状的外形。
参考图4，中心支撑元件12可以包含一种或多种包括重整催化剂在内的催化剂21，其在燃料电池系统适用于依靠除纯氢之外的燃料运行的情况下可以充当重整器。例如，诸如天然气、丙烷、汽油、煤油和柴油之类的烃燃料与氢相比不那么贵，存储更容易和更安全，并且更容易获得。也可以使用诸如合成甲醇和从植物获得的乙醇的醇。在一些实施例中，内纵长元件17的内壁可以用一种或多种重整催化剂21完全或部分加衬。这些催化剂可以是如下形式：涂层、陶瓷珠和/或担载在或浸渍在蜂窝催化剂床上(图4所示)。在一些实施例中，内纵长元件的内壁可以用加载有催化剂的纤维卷(例如，毡材料)加衬。
在一些实施例中，如图3所示，布置在中心支撑元件中的重整催化剂21可以是分段催化剂。分段催化剂的组成可以随位置而变化。这允许在燃料通过内纵长元件的不同区段时发生不同的催化反应。例如，分段催化剂可以包括四种布置在沿内纵长元件的不同催化剂区段中的不同催化剂。在具体实施例中，第一催化剂区段22中的催化剂可以是低表面积部分氧化重整催化剂，随后依次是包括部分氧化重整催化剂或部分氧化和燃烧组合催化剂的第二催化剂区段24、包括燃烧催化剂的第三催化剂区段26以及包括蒸汽重整催化剂的第三催化剂区段28。分段催化剂的使用允许在更大温度范围内(即，从约200℃到约900℃)的燃料重整，这是由于分段催化剂中的不同催化剂催化不同类型的重整反应。
例如，在部分氧化(POX)重整中，燃料在催化剂上被O2部分氧化，以产生一氧化碳和氢气。反应是放热的，但是代价是较低的氢产率。
CnHm+(n/2)O2→nCO+(m/2)H2
示例性的部分氧化重整催化剂包括但不限于Pt，Ni，W，Ru，Au，Pd，Mo，Cu，Sn，Rh和V。在一些实例中，第一部分氧化重整催化剂可以包括铂和氧化镍。与后面的部分氧化重整和燃烧组合催化剂相比，该部分氧化物重整催化剂可以具有较低的表面积(例如，低的金属加载量)，大部分燃料(例如60％)预期被第一催化剂区段(由于其紧邻燃料入口以及后燃烧器提供的热)重整。因此，第一部分氧化重整催化剂也需要更耐用，因为注入到燃料电池系统中的所有燃料都将与第一催化剂区段接触。
在某些实施例中，第二催化剂可以是高表面积部分氧化重整催化剂，其金属加载量通常高于第一部分氧化重整催化剂。这是因为，在第二催化剂区段位于第一催化剂区段的下游的情况下，可用于重整的燃料更少，因为需要更高的表面积进行有效重整。在一些实施例中，此第二催化剂区段可以包括镍和铂，其中镍的比率高于铂。例如，镍与铂的比率可以从约5∶1到约15∶1。在一些实施例中，第二催化剂区段中的催化剂可以是部分氧化重整催化剂和燃烧催化剂的混合物。部分氧化催化剂可以是高表面积的上述部分氧化催化剂。燃烧催化剂可以是下述的燃烧催化剂。
第三催化剂区段中的燃烧催化剂可以是金属催化剂，例如包括一种或多种选自Pd，Pt，Cu，Mn和Rh的促进燃料燃烧的燃料金属的催化剂。由燃烧产生的热可以被传输到第二催化剂区段和第四催化剂区段分别位于其的沿内纵长通道的相邻区段，以引发这些催化剂能够进行的部分氧化重整反应。因为燃烧催化剂在较低温度下工作，所以燃烧催化剂将是在四阶段催化剂(four stage catalyst)中的首先开始对输入的燃料进行重整的催化剂。
四个催化剂区段可以包括蒸汽重整催化剂和/或部分氧化重整催化剂。蒸汽重整通过对于如下反应的催化产生一氧化碳和氢气：
CnHm+nH2O→nCO+(m/2+n)H2
该过程是高度吸热的(即，在从约700℃到约1000℃范围内的温度下发生)，并会消耗可观的能量，该能量通常由外部燃烧来提供。在本燃料电池系统中，所需要的热能由来自在上游发生的放热的部分氧化重整和燃烧反应的热提供。示例性的蒸汽重整催化剂包括各种VIII族金属，诸如但不限于钴和镍。
参考图2，在燃料通过了催化剂21之后，经重整的燃料和任何未重整的燃料流动通过歧管30，并且被引到一个或多个燃料电池32的阳极。燃料电池一般是管式固体氧化物燃料电池，并且可以被电连接以形成燃料电池堆。当燃料通过燃料电池的阳极时，燃料中的一些或全部与氧离子反应，以产生电力和阳极排出物。阳极排出物可以包含一氧化碳、二氧化碳、水、重整催化剂的任何副产物、未消耗的重整燃料以及未消耗的未重整燃料。阳极排出物通过与燃料电池32的阳极和集电组件35两者流体连通的一个或多个阳极出口通道33被引到集电组件35中。
集电组件35可以包括近端壁、远端壁、内壁、外壁以及由这些壁限定的、一个或多个集电器36位于其中的封闭腔。集电组件可以是各种形状的，包括但不限于圆形、椭圆形或其它几何或不规则形状，并且可以还包括内通道，所述内通道由其在近端壁和远端壁之间的延伸的内壁限定。内通道可以被制成适当的尺寸，以允许中心支撑元件穿过并插入到燃料电池堆中。
在具体实施例中，中心支撑元件12延伸到集电组件35之外，可以被插入一个或多个燃料电池之间。集电组件可以滑动配合(即，摩擦配合)在中心支撑元件上。因此，集电组件可以沿平行于燃料电池的轴线的方向移动。在此使用的术语“移动”是指两个物体，诸如集电组件和中心支撑元件，之间的相对位置的变化。其还指一个物体的一部分相对于另一个物体(例如中心支撑元件)的相对位置变化(例如，燃料电池的一部分，诸如燃料电池的阳极，的伸出或回缩)。当附接到一个或多个燃料电池上时，集电组件和一个或多个燃料电池的组合类似地可以沿中心支撑元件滑动，并且可以容易从该系统取出，以进行维护或替换。
在燃料电池系统的运行期间，集电组件和一个或多个燃料电池的组合由于中心支撑元件和集电组件之间的间隙可以纵向地膨胀。这样的运动自由度使得可能施加到燃料电池上并导致其过早失效的纵向压力最小化。中心支撑元件也可从燃料电池堆独立地取出，因为中心支撑元件可以被紧密滑动配合到集电组件和燃料电池板两者中。
再次参考图3，位于集电组件35中的集电器36与各个燃料电池电极电连通。集电组件35可以包括多个处于其远端壁上的开口，所述开口允许与一个或多个燃料电池中的每一个的阳极出口流动通道33流体连通。
在一个实施例中，通过将仅仅阳极排出物引到集电组件中并且使得集电组件周围的氧化剂导向，集电组件可以产生还原环境，即充当还原腔34或基本没有氧的腔。因此，此还原腔不与燃料电池的阴极流体连通。在还原腔中具有集电器可以减少在集电器的表面上发生氧化的危险，集电器通常是容易受到氧化的金属和/或合金(例如银)制成的。不期望的氧化反应可以导致集电极的损坏并缩短使用寿命。还原气氛可以提供其它益处。例如，除了允许使用否则的话可能在高温下、富氧环境中氧化和分解的其它可选集电材料之外，还原气氛可以消除由通过还原腔进入到后燃烧器中的任何未反应的或为消耗的燃料的直接燃烧导致集电故障的可能性。
还原腔的温度也可以通过设置与还原腔热连通的绝缘器(图3中未示出)来调控。绝缘器可以围绕还原腔布置，以限制从中心支撑元件和后燃烧器到还原腔的热传输。因为集电器通常由诸如银的金属制成，所以还原腔中的温度应当不超过制造集电器的材料的熔点。因此，可以组合使用热绝缘器和空气流冷却，以调控还原腔和集电器的温度。
进一步参考图3，集电组件35还可以包括处于其近端壁上的开口，所述开口允许与后燃烧器38流体连通。后燃烧器可以位于燃料电池系统10的紧邻集电组件35的近端，并且可以类似于集电组件35围绕中心支撑元件布置。因此，任何未消耗燃料和从阳极出来的排出物将首先被导向到还原腔，然后到后燃烧器。
后燃烧器38一般是任何未消耗燃料在其中可以被燃烧和消耗的腔。为此，后燃烧器的内表面可以至少部分地涂覆有燃烧催化剂。在某些实施例中，后燃烧器可以包括处于其远端附近的第一燃烧催化剂区段42和处于其近端附近的第二燃烧催化剂区段44。在后燃烧器中、第一燃烧催化剂区段42和第二催化剂区段44之间设置开口，其使得后燃烧器与一个或多个燃料电池32的阴极通过一个或多个阴极出口流动通道40流体连通。任何未反应的氧化剂和/或氧化剂排出物被引到并限制在后燃烧器中的第一燃烧催化剂区段和第二燃烧催化剂区段之间的区域内。未反应的氧化剂与来自阳极排出物的未消耗的燃料在布置在两个燃烧催化剂部分中的燃烧催化剂上混合。由第一燃烧催化剂区段中的催化剂提供的密封帮助阻断未反应氧化剂向集电组件中回流，并且帮助维持还原腔中的还原环境。后燃烧器催化剂也可以具有催化剂掺杂的纤维卷(没有示出)。该纤维卷充当衬垫，用于防止氧化剂泄露到还原腔中。此外，第一后燃烧器催化剂也可以防止后燃烧器中的氧化剂进入还原腔中。
后燃烧器38还可以包括点火器45(例如火花塞)，以引发燃烧反应。下面将结合燃料电池系统的操作更详细地描述还原腔和后燃烧器两者的其它功能和好处。
调控中心支撑元件的温度可以消除沿中心支撑元件的长度的热点，或者高温区域。这样的温度调控可以最小化过早的催化剂失效，提供改善的和更高效的燃料重整，并且最小化对于中心支撑元件的热冲击。
下面将分两个阶段更详细地讨论装置的操作：起动和正常工作。
起动
在燃料电池系统的起动期间，燃料电池堆，即多个燃料电池，处于约30℃的温度下。在此有些冷的温度下，冷的燃料未经重整地通过中心支撑元件，到达燃料的阳极。因为燃料电池此时没有达到其工作温度，所以不发电，并且燃料将不经消耗地通过燃料电池系统。类似较冷的氧化剂流穿过中心支撑元件，到达燃料电池的阴极，而不发生反应。未反应的氧化剂流然后被从阳极直接导向通过阴极出口流动通道，达到后燃烧器。同时，未重整和未反应的燃料通过集电组件的还原腔，并到达后燃烧器，在此，燃料流和氧化剂流混合并由热点火器点燃。由燃料的燃烧产生的热将后燃烧器的温度提高到后燃烧器催化剂将开始催化作用的温度。因此，更多燃料被燃烧，并产生更多的热。这样的热的大部分被传到紧邻后燃烧器的氧化剂元件，加热输入的氧化剂。在氧化剂元件和燃料元件之间发生传热，并且在燃料通道中的燃料达到约或超过180℃的温度之后，第三催化剂区段中的燃烧催化剂可以引发输入燃料的燃烧。由燃烧反应产生的热被传到相邻的包含部分氧化重整催化剂、蒸汽重整催化剂和任选的燃烧催化剂的催化剂区段(即，第二和第四催化剂区段)。部分氧化催化剂可以在约800℃下开始对燃料进行重整。在温度超过约500℃到约700℃之后，蒸汽重整催化剂也将开始对燃料进行重整。
正常工作
在中心支撑元件达到处于约800℃到900℃之间的最佳工作温度之后，中心支撑元件中的四阶段催化剂中的所有四种催化剂都将重整燃料。在正常运行期间，第一催化剂(即，部分氧化重整催化剂)重整约60％的燃料。然后，任何未重整的燃料行进到第二和第三催化剂区段，在此约30％的输入燃料被重整。最后，剩余的10％的输入燃料由第四催化剂区段中的催化剂大部分重整。因此，通过使用四段催化剂，更高百分比的燃料可以被重整，并且燃料电池系统的起动时间可以被缩短。例如，现有技术的燃料电池堆可能花费多达1到2个小时来起动，而本发明的燃料电池系统可以在小于约20-25分钟内达到800℃。
此外，以为燃料中的大部分在中心支撑元件中被重整，然后在燃料电池堆中被消耗，所以非常少的燃料将在后燃烧器中燃烧。因此，在此运行阶段，从后燃烧器传到氧化剂通道的额外的热量将是最小的。相反，氧化剂通道在操作期间处于约600℃。因此，如将在下面更详细描述的，通过氧化剂通道的输入氧化剂实际上帮助冷却后燃烧器。
因为燃料电池被围绕中心支撑元件同心地布置，并且经由歧管与中心支撑元件流体连通，所以由中心支撑元件提供的传热机构可以帮助将燃料电池保持在其合适的工作温度下。一旦燃料被重整并且燃料电池的温度提高到约800℃，由阴极产生的氧离子被传输穿过电解质材料，以与阳极上的氢反应，产生电力。
如上所述，部分氧化重整反应是放热的。因此，由重整反应在燃料元件中产生的热如果不加调控的话可能损害催化剂以及燃料电池系统整体。例如，催化剂可能开始熔融，同时催化剂中的活性金属在约900℃到1100℃的周围温度下烧结，并且在约1100℃到1400℃的温度下熔融。
当催化剂的和燃料元件的温度开始升高时，在起动期间可以预热燃料元件的氧化剂通道可以在操作期间用于调控并冷却燃料元件的温度。正如前所述一样，燃料元件和氧化剂元件之间发生传热。但是，因为在正常运行期间氧化剂元件的温度实际低于燃料元件的温度(其可以具有900℃或更高的温度)，所以热被从燃料元件传到氧化剂元件，而不是像起动阶段一样从氧化剂元件传到燃料元件。氧化剂在燃料元件上方的恒定输入流有助于在燃料元件的整个长度上冷却燃料元件，防止燃料元件和其中的催化剂过热。
类似地，因为未消耗的氧化剂的流和通过氧化剂通道的阴极排出物将冷于未消耗的燃料的流和通过燃料通道的阳极排出物，所以通过氧化剂元件和阴极元件的更冷的氧化剂流也有助于冷却阳极通道，进而冷却集电器。通过类似的传热机制，通过氧化剂元件的输入氧化剂流进一步冷却集电组件和后燃烧器，冷却集电组件和后燃烧器都紧邻氧化剂元件布置。
停机
在停机期间，燃料电池系统上的气体流率和电负载被系统地减小。燃料电池系统上的气体流率和电负载的系统减小可以缓慢地使得燃料电池堆的温度达到低于约200℃。一旦燃料电池堆的温度已经降到低于200℃，气流可以被关断，并且燃料电池堆被允许冷却到室温。
因此，中心支撑元件的双通道设计能够允许在装置的起动期间(通过将热传到燃料元件)和运行期间(通过将热从燃料元件传出)的温度调控。
因此，本发明的另一方面涉及一种运行燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统例如是如上所述的具有与中心支撑元件流体连通并且与集电器电连通的一个或多个燃料电池的燃料电池系统。所述方法可以包括将燃料通过燃料元件(其为中心支撑元件的一部分)引导到一个或多个燃料电池中的每一个的阳极，并且将氧化剂通过氧化剂元件(其也是中心支撑元件的一部分)引导到一个或多个燃料电池中的每一个的阴极。因为燃料元件中的燃料的温度和氧化剂元件中氧化剂的温度是不同的，所以在燃料元件和氧化剂元件之间可以产生温度差。该温度差导致两个元件之间的传热(例如，通过传导)，并且有助于将两个元件保持在相同的温度下，并且保护集电器免受过量的热量。
该方法还可以包括将集电器设置在还原腔中，其中，还原腔与后燃烧器流体连通。该方法可以包括将阳极排出物(其基本是不含氧气的)从阳极通过还原腔引导到后燃烧器，在此阳极排出物与来自阴极的排出物(即，阴极排出物)燃烧。该方法还可以包括在还原腔和后燃烧器之间设置绝缘材料。在中心支撑元件中设置以能够进行热调控的机构可以帮助调控还原腔内的集电器的温度，燃料电池系统在整体上是热连通的。
其它实施例
本发明还可以以上面没有描述的其它具体形式实施，而不会偏离其精神和必要特征。因此前述实施例在全部方面都被认为是解释性的而非对本文所述的本发明的限制。因而本发明的范围由所附权利要求而非前述说明界定，并且意在将落在权利要求的等同方案的含义和范围内的全部改变也包含在本发明的范围内。

Claims (28)

1.一种燃料电池系统，包括：
一个或多个燃料电池，每一个燃料电池具有阳极、阴极和电解质；以及
中心支撑元件，其与所述一个或多个燃料电池中的每一个流体连通，其中所述中心支撑元件包括限定内纵长通道的内纵长元件和限定外纵长通道的外纵长元件，其中所述外纵长元件与所述内纵长元件同心并围绕所述内纵长元件布置，其中所述内纵长通道适用于将燃料传输到一个或多个所述阳极，所述外纵长通道适用于将氧化剂传输到一个或多个所述阴极，并且其中所述一个或多个燃料电池围绕所述中心支撑元件布置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述中心支撑元件包含一种或多种催化剂。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述中心支撑元件包含重整催化剂。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述中心支撑元件包含部分氧化重整催化剂。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述中心支撑元件包含蒸汽重整催化剂。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述中心支撑元件包含燃烧催化剂。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述一种或多种催化剂与所述内纵长元件的内表面的至少一部分相关联。
8.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述催化剂包括四阶段催化剂。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述四阶段催化剂包括部分氧化催化剂、部分氧化和燃烧组合催化剂、燃烧催化剂以及蒸汽重整催化剂。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池系统，还包括：
一个或多个阳极出口流动通道，其与所述一个或多个阳极流体连通，并且适用于引导来自所述一个或多个阳极的阳极排出物；
一个或多个阴极出口流动通道，其与所述一个或多个阴极流体连通，并且适用于引导来自所述一个或多个阴极的阴极排出物；
还原腔，其与所述一个或多个阳极出口流动通道流体连通，并基本不含任何氧化剂；
集电器，其布置在所述还原腔中，并与所述一个或多个燃料电池中的每一个电连通；以及
后燃烧器，其与所述还原腔和所述一个或多个阴极出口流动通道流体连通，其中所述后燃烧器适用于允许来自所述一个或多个阳极的所述阳极排出物和来自所述一个或多个阴极的所述阴极排出物结合。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述还原腔与绝缘材料热连通。
12.根据权利要求10或11所述的燃料电池系统，其中，所述还原腔围绕所述中心支撑元件布置。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述后燃烧器包括至少部分涂覆有燃烧催化剂的内表面。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述后燃烧器围绕所述中心支撑元件布置。
15.一种燃料电池系统，包括：
一个或多个燃料电池，每一个燃料电池具有阳极、阴极和电解质；
一个或多个阳极出口流动通道，其与所述一个或多个阳极流体连通，并且适用于引导来自所述一个或多个阳极的阳极排出物；
一个或多个阴极出口流动通道，其与所述一个或多个阴极流体连通，并且适用于引导来自所述一个或多个阴极的阴极排出物；
还原腔，其与所述一个或多个阳极出口流动通道流体连通，并基本不含任何氧化剂；
集电器，其布置在所述还原腔中，并与所述一个或多个燃料电池中的每一个电连通；以及
后燃烧器，其与所述还原腔和所述一个或多个阴极出口流动通道流体连通，其中所述后燃烧器适用于允许来自所述一个或多个阳极的所述阳极排出物和来自所述一个或多个阴极的所述阴极排出物结合。
16.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中，所述还原腔与绝缘材料热连通。
17.根据权利要求15或16所述的燃料电池系统，其中，所述还原腔围绕中心支撑元件布置，所述中心支撑元件与所述一个或多个燃料电池中的每一个流体连通。
18.根据权利要求15-17中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述后燃烧器包括至少部分涂覆有燃烧催化剂的内表面。
19.根据权利要求15-18中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述后燃烧器围绕中心支撑元件布置，所述中心支撑元件与所述一个或多个燃料电池中的每一个流体连通。
20.根据权利要求15-19中任一项所述的燃料电池系统，其中，在所述还原腔和所述后燃烧器之间存在绝缘材料。
21.一种运行燃料电池系统的方法，所述方法包括：
提供燃料电池系统，所述燃料电池系统包括一个或多个燃料电池、与所述一个或多个燃料电池流体连通的中心支撑元件以及与所述一个或多个燃料电池电连通的集电器，其中，所述集电器围绕所述中心支撑元件布置，并且所述中心支撑元件包括限定内纵长通道的内纵长元件和限定外纵长通道的外纵长元件，所述外纵长元件与所述内纵长元件同心并围绕所述内纵长元件布置；
将燃料通过所述内纵长元件引导到所述一个或多个燃料电池的阳极；并且
将氧化剂通过所述外纵长元件引导到所述一个或多个燃料电池的阴极，其中，所述内纵长元件的温度和所述外纵长元件的温度产生温度差，并且所述温度差促进所述中心支撑元件中的传热和温度调控。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，通过所述外纵长元件引导所述氧化剂保护了所述集电器免于暴露于过量的热。
23.根据权利要求21或22所述的方法，包括：
将所述集电器设置在还原腔内，其中，所述还原腔与后燃烧器流体连通；
将来自所述一个或多个燃料电池的阳极的阳极排出物引导到所述还原腔；
将来自所述一个或多个燃料电池的阴极的阴极排出物引导到所述后燃烧器；
将所述阳极排出物从所述还原腔引导到所述后燃烧器；并且
使得所述阳极排出物和所述阴极排出物在所述后燃烧器中结合。
24.根据权利要求23所述的方法，包括在所述后燃烧器中燃烧所述阳极排出物和所述阴极排出物。
25.根据权利要求23或24所述的方法，包括在所述还原腔和所述后燃烧器之间设置绝缘材料。
26.一种运行燃料电池系统的方法，所述方法包括：
提供燃料电池系统，所述燃料电池系统包括与还原腔流体连通的一个或多个燃料电池，所述还原腔与后燃烧器流体连通，其中，所述还原腔包含布置在其中的集电器，并且所述集电器与所述一个或多个燃料电池电连通；
将来自所述一个或多个燃料电池的阳极的阳极排出物引导到所述还原腔；
将来自所述一个或多个燃料电池的阴极的阴极排出物引导到所述后燃烧器；
将所述阳极排出物从所述还原腔引导到所述后燃烧器；并且
使得所述阴极排出物与未反应氧化剂在所述后燃烧器中结合。
27.根据权利要求26所述的方法，包括在所述后燃烧器中燃烧所述阳极排出物和所述阴极排出物。
28.根据权利要求26或27所述的方法，包括在所述还原腔和所述后燃烧器之间设置绝缘材料。
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