CN107407481B - 补燃器及其制造和操作方法 - Google Patents

补燃器及其制造和操作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107407481B
CN107407481B CN201680012831.8A CN201680012831A CN107407481B CN 107407481 B CN107407481 B CN 107407481B CN 201680012831 A CN201680012831 A CN 201680012831A CN 107407481 B CN107407481 B CN 107407481B
Authority
CN
China
Prior art keywords
afterburner
stack
layer
layers
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201680012831.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107407481A (zh
Inventor
凯恩·芬纳蒂
保罗·德瓦尔德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Watt Fuel Cell Corp
Original Assignee
Watt Fuel Cell Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Watt Fuel Cell Corp filed Critical Watt Fuel Cell Corp
Publication of CN107407481A publication Critical patent/CN107407481A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107407481B publication Critical patent/CN107407481B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F23C13/02—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material characterised by arrangements for starting the operation, e.g. for heating the catalytic material to operating temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F23C13/04—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material characterised by arrangements of two or more catalytic elements in series connection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/06—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
    • F23G7/07—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2209/00—Specific waste
    • F23G2209/14—Gaseous waste or fumes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/40—Combination of fuel cells with other energy production systems
    • H01M2250/405—Cogeneration of heat or hot water
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02B90/10—Applications of fuel cells in buildings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/12—Heat utilisation in combustion or incineration of waste
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Incineration Of Waste (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

本教导提供了用于补燃器构造的设计和材料以及制造补燃器的方法。更特别地，本教导的补燃器可以包括可压缩弹性耐火材料，以使得补燃器能够适应其他相邻部件(例如，燃料电池单元的燃料电池堆)的热膨胀。本教导还提供了减少排出流中的污染物和/或产生热的方法。

Description

补燃器及其制造和操作方法
技术领域
本教导涉及一种用于减少流体(例如，排出流)中的污染物的补燃器。更具体地，本教导涉及一种包括可压缩弹性耐火材料的补燃器，该补燃器可以整合在燃料电池单元中以减少来自燃料电池堆的污染物，或者可以整合在加热器单元中以产生热量。
背景技术
补燃器通常用于减少来自多种源的排出流(包括引擎排出流和燃料电池排出流)中的污染物和不期望的组分。
以燃料电池为例，存在两种处理来自燃料电池系统(例如，固体氧化物燃料电池(SOFC)系统)的排气的惯用方法。第一种方法是简单的燃烧。这种燃烧可以提供更好的热传递以及减少的污染物量，但是其可能具有一些缺点，例如，其易燃范围(例如，在启动和停止期间)、系统稳定性和排放物。
第二种惯用的方法使用催化燃烧，其在启动和停止方面提供较大的灵活性并且提供减少的排放物。在这种方法中，燃烧催化剂典型地支撑在固态陶瓷支撑件(例如，堇青石蜂窝陶瓷)上，但是金属衬底也可以是支撑件。陶瓷支撑的催化剂具有若干缺点。例如，用在燃料电池“补燃器”中的固态陶瓷支撑件可能是脆的，可能对于热膨胀具有低的耐受性，可能具有相对高的压降，可能需要将用过的燃料和阴极流附加预混合在一起以避免被称为通道作用的现象(其中由于缺少或者不佳的流动分布，一个蜂窝通道的燃烧率显著不同于另一个蜂窝通道)，并且可能具有相对较高的热质量。
当这些支撑件被整合到线性燃料电池堆设计中时，陶瓷支撑件的固态属性与其脆性组合起来可能导致不利效果，原因在于燃料电池堆在燃料电池堆启动到其操作温度期间膨胀。燃料电池封装的端部可能会被有效地约束，并且其中燃料电池堆具有比耐火隔离材料和陶瓷补燃器支撑件高的热膨胀，燃料电池堆中的组分和封装处于附加应力下，这可能在重复循环期间导致损害。
因此，需要改进补燃器的设计和构造并改进减少排出气(例如，来自燃料电池堆的排出流)中的污染物的方法。
发明内容
根据前述，本教导提供了可以解决包括以上列出的现有技术的各种缺陷和/或缺点的补燃器结构设计和材料。本教导还提供了一种减少包括污染物的流体(例如，排出流)中的污染物的方法以及制造补燃器的方法。
更具体地，本教导的补燃器包括可压缩弹性耐火材料，以使得其他相邻部件(例如，燃料电池单元的燃料电池堆)可以被补燃器适应。也就是说，当燃料电池堆在燃料电池封装中膨胀时，形成补燃器的至少一部分(例如，其基底或者入口面或表面)的耐火材料的可压缩和弹性属性可以减小前述热引致的应力。当燃料电池堆在燃料电池单元封装中压缩时，耐火材料的属性还可以维持部件之间的有效密封从而避免绕流。因此，这些特征可以降低燃料电池单元的热循环期间部件故障的概率。此外，耐火材料的弹性属性可以帮助补偿燃料电池单元和/或燃料电池系统制造过程中的公差叠加。
此外，层形式的补燃器结构可以允许定制的非线性通道通过层堆叠，以帮助补燃器中的燃烧过程的热管理。也就是说，补燃器包括通过可压缩弹性耐火材料的非线性或者弯曲通道，该通道可以将热量(例如，来自燃烧的热量)引导到补燃器的特定区域中，在该特定区域中，热量可以传递到其他部件和/或结构，以例如加热输入的阴极空气和/或以启动远离点火器在非线性通道中的催化燃烧反应。
更特别地，在燃料电池系统中，一个或多个阴极空气导管可以通过补燃器地存在，其中来自补燃器中燃烧的热量可以由非线性通道引导，以与阴极空气导管热连通，从而将来自燃烧的热量传递到输入的阴极空气。在这种情况下，非线性通道可以包括横跨补燃器(例如，横向于或者水平于或者垂直于排出流从入口面或表面到出口的大致流动)并且与阴极空气导管热连通的一部分。具有其中至少一部分通道横跨补燃器的非线性通道的补燃器还可以使通过补燃器的流体流能够均衡和/或更加均匀地分布。
此外，非线性或者弯曲通道可以设计和构造成与笔直的或者线性通道相比为催化剂的存在提供增加的表面面积。非线性或者弯曲通道还可以设计成增加到补燃器中和通过补燃器的排出流/反应物混合。
本教导的补燃器的构造允许控制和定位催化剂(例如，燃烧催化剂)仅沉积到与排出流直接接触的通道的暴露表面。也就是说，本教导的补燃器通常由若干层的可压缩弹性耐火材料(例如，铝和/或硅纤维毡或纸)制成。在每层中可以例如通过激光切割或模切产生不同的洞或孔。然后层可以顺序地堆叠在每个其他层的顶部以产生通过可压缩弹性耐火材料的堆叠层的非线性或弯曲通道。然而，在堆叠之前，催化剂可以关联(例如，涂覆或者涂层)于将与排出流直接接触的洞或孔的暴露面或表面，从而限制催化剂装填，并且可能实现成本降低。
催化剂装填(量)和/或成分的梯度可以存在于大致沿着流体从补燃器的入口流动通过非线性或者弯曲通道到补燃器的出口的竖直方向。也就是说，补燃器的层结构的构造可以允许在补燃器的通道中产生有效梯度，因为层堆叠的内或中间层可以包含高的催化剂装填，而外层可以包含少的或者没有催化剂。因为补燃器的每层可以与催化剂独立地相关联，所以可以容易地实现非线性或弯曲通道中的催化剂量和类型的控制。
例如，在用于启动催化剂燃烧反应的点火器附近，这种层的通道可以包括具有较高百分比的高活性催化剂(例如，铂)的催化剂装填。层堆叠的其他层(特别是在已经启动燃烧反应的层的下游)可以包括比较便宜和/或低活性的催化剂(例如，基于钙钛矿的催化剂)。在这样的设计中，初始“热点”的位置和/或温度可以被控制，以避免可能污染和/或汽化催化剂的过高温度。此外，催化剂装填和/或成分的分级可以导致排出流的变化，例如由于操作期间燃料成分的变化而导致。
本教导的另一优点可以包括可压缩弹性耐火材料的隔离性能。可压缩弹性耐火材料倾向于是良好的绝热材料，从而可以降低补燃器的热损耗。结合燃料电池单元，降低来自补燃器的热损耗可以例如在从燃料电池堆汲取负荷时，以增加的排出流流动速率以及以较低的燃料流动速率为持续的燃烧提供良好的动力学。
因此，在一个方面，本教导提供了用于减少排出流或者其他包含污染物的流中的污染物的补燃器。补燃器通常包括具有可压缩弹性耐火材料的衬底。衬底限定从衬底的入口通过衬底到衬底的出口的非线性或弯曲通道。例如，在一些实施方式中，非线性或者弯曲通道在与流体(例如，排出流)从补燃器的入口到补燃器的出口的流动垂直的方向上延伸超过横跨衬底长度的50％。
催化剂(例如，燃烧催化剂)可以沿着非线性通道与衬底的暴露表面的部分相关联。在某些实施方式中，沿着非线性通道存在于衬底上的燃烧催化剂的量包括从衬底的入口到衬底的出口的一个或多个梯度。
在各个实施方式中，补燃器可以是可压缩弹性耐火材料的层堆叠。补燃器可以包括接近补燃器的非入口和非出口面或表面的固态绝热材料。补燃器可以包括点火器和/或热传感器组件。
补燃器可以是燃料电池单元和/或燃料电池系统的部件。在这种情况下，补燃器可以与燃料电池单元或系统的燃料电池堆可操作地流体连通。例如，补燃器的入口可以与燃料电池堆的出口和/或来自燃料电池堆的排出流(可操作地)流体连通。
补燃器可以是加热器单元或组合的热和电力系统的组件。加热器单元的补燃器可以独立于组合的热和电力系统或者是其一部分，所述补燃器可以与可重整燃料源或另外的可燃烧的燃料源可操作地流体连通。例如，可重整(或者其他可燃烧的)燃料源可以与补燃器的层堆叠的入口和/或补燃器的入口可操作地流体连通。
在另一方面，本教导包括减少流体流中的污染物和/或产生热的方法。该方法通常包括使包括污染物和/或可重整燃料的流体流动通过补燃器的非线性通道，以及利用燃烧催化剂使包括污染物和/或可重整燃料的流体至少部分燃烧，以产生热和/或与进入补燃器的流体相比，产生具有减少量的污染物的出口流体流。补燃器可以是本教导的任何补燃器。例如，补燃器通常包括可压缩弹性耐火材料，该材料限定从补燃器的入口到补燃器的出口的非线性通道，该可压缩弹性耐火材料可以存在于堆叠的层中。补燃器还包括与非线性通道的暴露表面的至少一部分相关联的燃烧催化剂。
本教导的方法可以包括使用来自燃烧的热量加热流动通过补燃器的阴极空气流。该方法可以包括通过使用存在于非线性通道中的燃烧催化剂的量的梯度控制包括污染物的流体的燃烧和相关联的热产生。在本教导的方法的实践中，通过补燃器的压降可以小于或等于一英寸水压。
在又一方面中，本教导提供了制造补燃器的方法。制造补燃器的方法通常包括在可压缩弹性耐火材料层中切出至少一个孔；重复切出步骤以产生多个层，每个层限定通过相应层的一个或多个孔；使燃烧催化剂与至少一个层的孔中的至少一个或多个孔的暴露表面相关联；堆叠多个层以形成通过层堆叠的非线性通道，其中燃烧催化剂与至少一个非线性通道的暴露表面的至少一部分相关联；以及固定多个层以形成补燃器。
制造补燃器的方法可以包括围绕层堆叠的非入口和非出口面或表面包裹耐火材料和/或用固态绝热件包围补燃器的非入口和非出口面或表面。该方法还包括例如通过在加热炉中加热和烧尽存在于可压缩弹性耐火材料层中的任何粘合剂和/或有机材料而去除这种材料。
本教导的前述以及其他特征和优点将从以下附图、说明、例子和权利要求更加充分地理解。
附图说明
应该理解，以下描述的附图仅出于图示目的。相同的附图标记通常指代相同的部件。附图无需按照比例，其重点通常在于示出本教导的原理。附图无论如何都不旨在限定本教导的范围。
图1A是本教导的补燃器的实施方式的透视图的示意图。
图1B-1E是如图1A中所示的补燃器的实施方式的单层俯视图的示意图。
图2A是与图1A中所示的实施方式相似的、本教导的补燃器的实施方式的透视图的示意图。
图2B是图2A的实施方式的横截面视图的示意图，其中横截面是沿着或者通过线2B-2B的竖直平面。
图2C是图2A的实施方式的横截面视图的示意图，其中横截面是沿着或者通过线2C-2C的竖直平面。
图2D是图2A的实施方式的横截面视图的示意图，其中横截面是沿着或者通过2D-2D的竖直平面。
图3A和3B是耐火材料层的实施方式的俯视图的示意图，每个耐火材料层均可以是形成本教导的补燃器的至少一部分的层堆叠中的一层。
图4是本教导的补燃器的实施方式的透视图的示意图，其中指示了出现在层堆叠中的每层中的催化剂装填的示例性数量。
图5是本教导的补燃器的实施方式的透视图的示意图，其中与图1A的层堆叠相比，层堆叠中的层的边缘以90°的角度定向。
图6是本教导的补燃器的实施方式的透视图的示意图，该补燃器定位于补燃器的非入口和非出口面或表面上的固态绝热件的外罩中。
图7A和7B是包括燃料电池单元的燃料电池系统的实施方式的侧横截面视图的示意图，该燃料电池单元包括本教导的补燃器。
具体实施方式
现已发现，限定穿过其中的非线性或弯曲的包含催化剂的通道的可压缩弹性耐火材料可以用作补燃器以减少流体流(例如，来自燃料电池堆的排出流)中的污染物。
更特别地，本教导提供了补燃器的各种配置和特征，其可以有利地控制和引导其中的燃烧反应产生的热，以避免燃烧催化剂的降解并帮助补燃器和/或补燃器作为部件的系统的热管理。可压缩弹性耐火材料还可以帮助减少来自补燃器的热损失，这可以进一步帮助补燃器及其相关联系统的热管理。
本教导的补燃器的设计和构造可以允许在各个组合中利用本文所述的很多特征，其可以减少整个电池燃料单元和系统的占地面积和封装。例如对于期望体积的通过流或输出流，用于沿着补燃器的非线性或弯曲通道的、装填燃烧催化剂的、增加的表面面积可以允许补燃器具有较小体积。较小体积可以转换成相关联系统(例如，燃料电池单元、燃料电池系统或组合的热电联产(CHP)系统)的较小占地面积，特别是当这种单元和/或系统被设计成在模块化兼容系统中容易扩展和/或替代此种单元的模块化单元。
此外，本教导的补燃器的可压缩和弹性特性可以允许补燃器适应相邻的废气产生部件(例如，燃料电池堆)的热循环和相关联的膨胀和收缩。换句话说，这种特性可以减轻或避免产生通常由热循环产生的常见的热应力和环流。
应该理解，本教导的补燃器和方法与用于减少污染物的任何催化和/或燃烧相关的过程兼容，并且可以与其一起实施。但是，本说明将聚焦于燃料电池单元、燃料电池系统和CHP系统、以及适用于这种单元和系统的补燃器。
在整个申请中，当构造被描述成具有、包含或者包括特定部件，或者其中过程被描述成具有、包含或包括特定处理步骤，应该考虑到本教导的构造还基本上由所记载的部件构成或者由所记载的部件构成，并且本教导的过程还基本上由所记载的处理步骤构成或者由所记载的处理步骤构成。
在本申请中，当元件或部件被说明成包含在和/或选自一组所记载的元件或部件，应该理解，该元件或部件可以是所记载的元件或部件中的任何一个，或者元件或部件可以选自由所记载的元件或部件中的两个或更多个组成的组。
进一步地，应该理解，本文中所描述的构造、装置或方法的元件和/或特征可以在不背离本教导的实质和范围(无论本文中明示或隐含)的情况下以各种方式组合。例如，当提及特定结构的情况下，该结构可以用于本教导的装置和/或本教导的方法的各个实施方式，除非另由上下文理解。换句话说，在本申请中，已经以能够写出和绘制出清楚和简要的应用的方式描述和描绘了实施方式，但是本文意图并且应该理解，实施方式可以在不背离本教导和发明的情况下以各种方式组合或分离。例如，应该理解，本文中所描述和描绘的所有特征可以可用于本文中所描述和描绘的发明的所有方面。
应该理解，表述“至少一个”包括在该表述之后所记载的对象中的每一单个和所记载的对象中的两个或更多个的各种组合，除非另由上下文和使用理解。结合三个或更多个所记载的对象的表述“和/或”应该被理解成具有相同意义，除非另从上下文理解。
术语“包括”、“具有”、“包含”(包括其语法等效物)的使用应该通常理解成开放式和非限制性的，例如，不排除附加的未记载的元件或步骤，除非另有特别声明或另从上下文理解。
本文中的单数的使用，例如“一”、“一个”和“所述”包括复数(反之亦然)，除非另有特别声明。
当术语“大约”在数值前使用时，本教导还包括特定数值本身，除非另有特别声明。如本文所使用，术语“大约”指的是从标称值±10％的变化，除非另有指示或推断。
当针对结构或构造中的部件或材料的量提供百分比时，百分比应该被理解成基于重量的百分比，除非另有声明或另从上下文理解。
当提供例如聚合物的分子量且并非绝对值时，那么应该将分子量理解成是平均分子量，除非另有声明或者另从上下文理解。
应该理解，只要本教导保持可操作，执行某些动作的步骤或命令的顺序是不重要的。此外，两个或更多个步骤或动作可以同时进行。
在本说明书的各个位置，值以群组或范围的形式公开。目的特别在于，本说明书包括这种群组和范围的元素的每个和全部单独的子组合以及这种群组或范围的各个端点的任何组合。例如，在0到40的范围内的整数特别旨在单独公开0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39和40，并且在1到20的范围内的整数特别旨在单独公开1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20。
本文中使用的任何和所有例子或者示例性语言(例如，“例如”和“包括”)仅旨在更好地说明本教导并不限制本发明的范围，除非声明。说明书中所有语言都不应该被解释成指示任何元件是实践本教导所必需的，除非声明。
指示空间定向或高度的术语和表述(例如，“上”、“下”、“顶”、“底”、“水平的”、“竖直的”等)，除非它们的上下文使用另有指示，否则在本文中理解成没有结构、功能或操作意义，而理解成仅反映在某些附图中图示的本教导的装置、设备、部件和/或特征的各个视图的任选定向。
如本文中使用，“燃料电池堆”指的是燃料电池单元或燃料电池系统的部件，其中发生电化学反应以将氢或可电化学氧化的类别转换成电力。燃料电池堆包括通常形成层的阳极、阴极和电解质。在操作中，氢和任何其他电化学可氧化的组分例如从本教导的重整器和/或流体混合设备进入燃料电池堆，与燃料电池堆的阳极层中的负氧离子结合，以产生水和/或二氧化碳以及电子。在阳极层中产生的电子迁移通过外部负载并且回到阴极层，在阴极层中，氧与电子结合提供负氧离子，其选择性通过电解质和阳极层。
如本文中所使用，“燃料电池单元”通常指的是与燃料电池堆可操作地流体连通的重整器、燃料电池堆和与来自燃料电池堆的排出流可操作地流体连通的补燃器。燃料电池单元包括汽化器，其中汽化器的出口与重整器和/或燃料电池堆的入口可操作地流体连通。燃料电池单元可以包括各种阀组件、传感器组件、导管和其他与这种单元相关联的部件。“燃料电池系统”通常指的是燃料电池单元和电厂配套设施。燃料电池系统经常包括多个燃料电池单元。多个燃料电池单元可以共享电厂配套设施。然而，应该理解，“燃料电池单元”和“燃料电池系统”可以在本文中互相交换，除非上下文另指出。此外，已知的和常规的燃料电池具有多种类型和配置，包括磷酸燃料电池(PAFC)、碱性燃料电池(AFC)、聚合物电解质膜(或者质子交换膜)燃料电池(PEMFCs)以及固态氧化物燃料电池(SOFC)。
如本文中所使用，“热电联产系统”或“CHP系统”通常指的是产生电和可用的热量的系统。CHP系统产生电，并且在此过程中可以产生热量，该热量能够被捕获并以多种方式使用而不是作为废热排出。某些类型的燃料电池系统可以是CHP系统，这取决于重整、电化学和其他化学反应是否产生热量，即，是否是放热的。在这种系统中，热输出典型地依附于燃料电池单元的电输出。CHP系统可以包括一个或多个燃料电池单元。CHP系统可以包括一个或多个与一个或多个加热器单元整合的燃料电池单元以及电厂配套设置。在存在一个或多个加热器单元的此种系统中，热输出可以独立于电输出。因此，这种CHP系统可以以期望水平仅提供热输出、仅提供电输出或者提供热和电输出两者。
因此，本文所述的包括本教导的补燃器的燃料电池系统还可以以CHP系统的方式操作，其中燃料电池和加热器单元包括在CHP系统中。加热器单元可以被设想成催化燃烧器，其可以帮助保持恒定热输出，因而可以包括本教导的补燃器。也就是说，与燃料电池单元相似，加热器单元可以例如使用本教导的补燃器将气态可重整燃料(来自与其流体连通的(可重整或其他可燃的)燃料源，例如，层堆叠的入口和/或补燃器的入口)转换成热，但不产生电。加热器结合燃料电池使用可以使CHP系统的热输出与电输出分离。燃料电池单元和加热器单元可以经由用户接口独立地操作，以仅产生期望输出水平的热输出、产生没有附加热输出的电功率、或者产生具有期望输出水平的附加热输出的电输出。因此，可以利用CHP系统实现更加恒定的热和电输出，因为系统的各个部件可以根据需要操作并调整以保持期望平衡。
如本文所使用，“与......可操作地流体连通”指的是当部件和/或结构处于操作或活动状态或位置时，在各个部件和/或结构之间的流体连通；但是，流体连通可以在部件和/或结构处于非操作或非活动状态或位置时中断。可操作的流体连通可以由位于部件和/或结构之间的阀组件控制。例如，如果A经由阀组件与B可操作地流体连通，那么流体可以在阀组件处于“打开”从而允许A和B之间的流体连通时，从A流动或传送到B。然而，A和B之间的流体连通可以在阀组件“关闭”时中断或停止。换句话说，阀组件可操作成提供A和B之间的流体连通。应该理解，流体连通可以包括各种程度和速率的流体流动以及相关的特征。例如，阀组件完全打开可以如阀组件部分关闭一样提供部件和/或结构之间的流体连通；但是，流体流动特征(例如，流动速率)能够受到阀组件的不同位置影响。如本文所使用，“与......可操作地流体连通”和“与......流体连通”可以互相交换使用，除非上下文另指出。
如本文所使用，“与......热连通”指的是在各个部件和/或结构之间的热连通以使得热传递可以发生在部件和/或结构之间。虽然典型地在热连通中的部件和结构保持在热连通中，当热连通可中断时，例如停止加热流体到部件和/或结构的流动或者将绝热屏障或结构放置在部件和/或结构之间，“与......可操作地热连通”可以是与“与......可操作地流体连通”的表述和意义相似的更加合适的表述。然而，如本文所使用，“与......热连通”和“与......可操作地热连通”可以相互交换使用，除非上下文另指出。
如本文所使用，“控制流动”、“控制传送”、“调整流动”和“调整传送”，并包括语法等效和等效表述和语言，可以是增加流体的流动或传送、减少流体的流动或传送、保持流体的基本上恒定的流动或传送和/或中断或停止流体的流动或传送。
相似地，“控制压力”和“调整压力”，并包括语法等效和等效表述和语言的可以是增加压力、减小压力、保持基本上恒定的压力和/或中断或停止压力。应该理解，在很多情况下，“控制流动”和“调整流动”可以是“控制压力”和“调整压力”，反之亦然。此外，“控制”、“调整”和“操纵”(包括语法等效和等效表述和语言)燃料电池单元、加热器单元、燃料电池系统或者CHP系统的部件(例如，阀组件或者气体正压力源)可以产生如上所述的相同的改变和/或稳态操作。
如本文所使用，“阀组件”指的是可以监测和/或控制在部件和/或结构之间的流体连通和流体流动特征(例如，可重整的燃料到重整器的传送或热交换液体通过流体热交换板或护套的流动)的结构或一起的多个结构。阀组件可以是单个阀或者包括多个阀和相关结构，其中某些结构可以串联。阀组件可以是或者包括压力计量组件。例如，阀组件可以是或者包括计量阀，从而允许流体的流动和传送的数字控制。阀组件可以是或者包括短笛布置的阀，例如，一系列孔，每个孔与比例阀相关联。阀组件可以包括比例阀(例如，比例电磁阀)或者一系列比例阀(例如，一系列比例电磁阀)。阀组件可以包括通/断阀(例如，电磁阀)或者一系列通/断阀(例如，一系列通/断电磁阀)。阀组件可以包括三通阀、一系列三通阀、止回阀、一系列止回阀、孔、一系列孔及其组合以及其他阀和本文所述的阀组件的组合，其中某些阀和阀组件可以是串联的。在结构或部件指示成串联的情况下，部件可以并串联或者连续串联(例如，共线)。
如本文中所使用，“传感器组件”指的是用于监测、测量和/或确定操作参数的任何合适的传感器或感测设备或者传感器或感测设备的组合。例如，燃料流动速率可以利用任何合适的流量计监测，压力可以利用任何合适的压力感测或压力调节设备监测，温度可以利用任何合适的温度传感器监测。因此，传感器设备的例子包括流量计、压力计、热电耦、热敏电阻和电阻温度探测器。传感器或感测设备可以包括天平、磅秤(例如，弹簧秤)或者其他用于监测、测量和/或确定对象的重量的设备。传感器组件可选地可以包括与控制器通信的换能器。
在附图中描绘的示例性燃料电池系统包括各种导管，例如，阴极空气传送导管、阳极反应物传送导管、补燃器排出导管等。本教导的燃料电池系统或者CHP系统可以包括定位成提供燃料电池或CHP系统之间的部件的可操作的流体连通的多个导管，例如，两个或更多个导管。多个导管还可以将燃料电池单元或者燃料电池或者CHP系统耦接到例如燃料电池或CHP系统共有的部件，例如，汽化器和/或可重整燃料源。也就是说，包括外围部件和设备的本教导的方法和燃料电池或CHP系统的部件可以包括连接或链接部件(例如，汽化器、(碳氢化合物燃料)重整器和相关的设备(例如，阀组件、泵和传感器组件))的导管。这些部件和其他中的每个可包括入口、出口和端口中的一个或多个，以允许在部件之间建立流体连通(例如，可操作的流体连通)。还应该理解，导管可以包括其他部件和与其相关联的设备，例如，阀组件、泵、气体正压力源和传感器组件。
导管或导管系统取决于很多因素(例如，具体应用、可重整燃料和整个燃料电池或CHP系统的占地面积尺寸)可以具有很多特别的设计、配置、布置和连接。因此，本文中所述和/或所示的导管系统仅仅出于示意性目的，并不旨在以任何方式限制本教导。此外，在两个或更多个导管可以被描述成连接到、耦接到、或者以其他方式接合部件(例如，阀组件和可重整燃料源)的情况下，还可以设想以单个导管实现相同的设计和/或目的，其中诸如阀组件的部件可以被描述成与单个导管“共线”、“位于”单个导管中或者与单个导管“相关联”。此外，“耦接到”、“连接到”或者以其他方式接合两个或更多个部件或结构可以指一个部件或结构直接或间接耦接、连接或接合到另一个部件或结构。
导管可以是输送管，例如，用于运输流体的通道、管道或者通路。例如，排出导管可以用于承载或者传送排出流体离开燃料电池单元，例如，从补燃器到燃料电池单元的外部，其可以在热遮蔽区域或者热调整区域内或者在该区域的外面或者外部。导管可以是歧管，例如，具有多个用于收集和/或分配流体的入口和/或出口的腔室、管或者输送管。如本文所使用，“公共导管”通常指的是用于流体传送到和/或传送出特定位置的多端口导管。
本教导的燃料电池单元、燃料电池系统、加热器单元和CHP系统可以包括用于自动化单个单元、其部件和/或整个系统的操作的控制系统。控制系统可以包括控制部件，例如，控制电子装置，致动器，阀组件，传感器组件和其他监测、控制和/或调整单个燃料电池单元或者加热器单元以及一个或多个它的部件(例如，汽化器、重整器、燃料电池堆和补燃器)、燃料电池系统或CHP系统以及一个或多个它的部件(例如，电厂配套设施(例如，气体正压力源和/或含氧气体源))的操作的结构和设备。
控制系统可以包括控制器，其可以与各种控制部件以及每个燃料电池单元和/或加热器单元的部件连通。控制系统和/或控制器可以监测和在逻辑上控制流体(例如，诸如可重整的燃料、含氧气体和蒸汽的液体和气体反应物；诸如温度调节空气、热辐射空气和阴极空气的空气；排出流；以及热交换流体)通过燃料电池单元或者加热器单元的单个部件，通过单个燃料电池单元或者加热器单元，以及通过燃料电池系统或者CHP系统的流动路径。换句话说，使用控制系统可以在燃料电池系统或者CHP系统中获得定制的流体回路。
在本教导的某些方法中，可以将由一个或多个操作的补燃器产生的加热流体流转移到“冷”的燃料电池单元(例如，燃料电池或者CHP系统中的新耦接的燃料电池单元)，以促进“冷”燃料电池单元的启动。也就是说，在启动模式中，可以将来自操作的补燃器的加热流体流引导到或者部分转移到“冷封装”以帮助加热燃料电池单元的各个部件，例如，重整器、燃料电池堆和补燃器中的一个或多个。使用来自工作的补燃器的热量可以减少用于冷燃料电池单元的启动时间，例如，帮助启动燃料电池单元的一个或多个部件中的催化活性。
如可以从前述内容得出的，燃料电池单元可以包括燃料电池单元控制部件，其可以配置成或者适合于传达和控制燃料电池单元中的操作。燃料电池或者CHP系统可以分别包括燃料电池系统控制部件或者CHP系统控制部件，其可以配置成或者适应于在单个燃料电池单元和加热器单元(如果存在)之间通信，并且控制燃料电池或者CHP系统的操作。燃料电池系统控制部件和CHP系统控制部件可以与单个燃料电池单元和加热器单元(如果存在)通信。
控制系统可以包括一个或多个与控制器通信的传感器或传感器组件。响应于来自传感器组件的输入信号、来自用户输入设备的用户命令和/或编程的子程序和命令序列，控制器可以独立地管理一个或多个燃料电池单元和/或加热器单元或者整个燃料电池或CHP系统的操作。控制器可以是在处理器上操作的软件。但是，使用以一个或多个数字或模拟电路或者其组合方式实施的控制器也在本教导的范围内。
传感器组件可以但不是必须包括与控制器通信的换能器。通信路径一般会是有线的电信号，但是也可以使用任何其他合适形式的通信路径。也就是说，传感器组件、控制信号接收设备和通信路径可以具有任何合适的构造。可以使用无线通信路径，例如，蓝牙连接。无线通信路径可以是使用无线数据连接来连接网络节点的无线网络的一部分。可以使用有线和无线通信路径的组合。
燃料电池单元典型地包括电力调节部件，其可以配置成或者适合于将燃料电池堆的电输出转换成燃料电池单元的整流的电输出。电力调节部件可以称为电力处理部件或者电力管理部件，该电力调节部件可以包括集电板和/或母线，其可以承载电流离开燃料电池堆并将其传送到燃料电池单元外部。电力调节部件典型地位于燃料电池堆(电力产生于此)附近。因此，电力调节部件可以暴露于燃料电池堆和燃料电池单元的高的操作温度。然而，利用诸如接近或环绕燃料电池单元和/或至少接近电力调节部件的液体热交换板或者护套将热量传递离开该部件可以减少电阻损耗。
如本文所使用，在从流体、流体流(例如，排出流)或者多组分混合物或者流中“减少污染物”、“减少污染物的量”、“减少污染物的水平”、或者“减少污染物的含量”，并包括语法等效和等效表述或语言，旨在囊括以下过程：提供或生成(产物)流体、(产物)流体流、或者(产物)多组分混合物，其中流体、流体流或多组分混合物中的污染物或者不期望的组合物或组分已被减少、稀释或者以其他方式使之比其在原流体、原流体流(例如，原排出流)或者原多组分混合物中的浓度或丰度少。
相似地，具有“减少量”、“减少水平”、或者“减少含量”的污染物或者不期望的组合物或组分的流体、流体流(例如，排出流)或者多组分混合物，并包括语法等效和等效表述或语言，旨在囊括这样的(产物)流体、(产物)流体流(例如，(产物)排出流)、或者(产物)多组分混合物，其中流体、流体流或多组分混合物中的污染物或者不期望的组合物或组分已被减少、稀释或者以其他方式使之比其在原流体、原流体流(例如，原排出流)或者原多组分混合物中的浓度或丰度少。
在从流体、流体流(例如，排出流)或者多组分混合物中减少污染物、减少污染物的量、减少污染物的水平、或者减少污染物的含量以及减少量、减少水平、和减少含量的污染物或者不期望的组合物或组分可以导致这样的(产物)流体或者部分、(产物)流体流或者部分(例如，(产物)排出流或部分)、或者(产物)多组分混合物或部分，其中一种或多种污染物或者不期望的组合物或组分存在的浓度或丰度相对于其在原流体、原流体流(例如，原排出流)或者原多组分混合物中的浓度或丰度，处于小于或等于大约90％、小于或等于大约80％、小于或等于大约75％、小于或等于大约70％、小于或等于大约60％、小于或等于大约50％、小于或等于大约45％、小于或等于大约40％、小于或等于大约35％、小于或等于大约30％、小于或等于大约25％、小于或等于大约20％、小于或等于大约15％、小于或等于大约10％、小于或等于大约5％或更少。也就是说，分别大于或等于大约10％、20％、25％、30％、40％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、或95％或更多的一种或多种污染物或不期望的组合物或组分已经被减少、降低、稀释或者以其他方式使之在(产物)流体或者部分、(产物)流体流或者部分(例如，(产物)排出流或部分)、或者(产物)多组分混合物或部分中相比于在原流体、原流体流或者原多组分混合物中少了。
本教导提供了补燃器，其可以降低流体流(例如，来自燃料电池堆的排出流)中的污染物。本教导的补燃器可以被描述成包括可压缩弹性耐火材料的衬底，其限定从衬底的入口到衬底的出口穿过其的非线性通道。诸如燃烧催化剂的催化剂与衬底的暴露表面的沿着非线性通道的部分相关联。存在于衬底上的沿着一个或多个非线性通道的燃烧催化剂的量可以包括从衬底的入口到衬底的出口的一个或多个梯度。衬底的入口可以包括通过衬底的(第一)面或表面(层堆叠的入口面或入口表面)打开的多个入口。衬底的出口可以包括通过衬底的另一(第二)面或表面(例如，衬底的相对面(层堆叠的出口面或出口表面))打开的多个出口。在各个实施方式中，可压缩弹性耐火衬底包括多层可压缩弹性耐火材料。
在各个实施方式中，补燃器可以包括层堆叠，每层包括可压缩弹性耐火材料并且限定通过层的一个或多个孔，其中层堆叠限定从层堆叠的入口(例如，侧边或面)通过层堆叠到层堆叠的出口(例如，面或侧边)的非线性通道。燃烧催化剂与层堆叠的至少一层的至少一个或多个孔的暴露表面相关联，以使得燃烧催化剂与非线性通道的暴露表面相关联。非线性通道可以是弯曲通道。
可压缩弹性耐火材料可以包括硅和/或铝，例如，硅、铝或硅铝混合物的纤维。可压缩弹性耐火材料层可以是纸、毡、垫或毯的形式。可压缩弹性耐火材料层可以是连续丝束垫、短切垫、或者机织布或编织布的形式。可压缩弹性耐火材料层的例子包括可从Saffril有限公司获得的铝纤维毡和铝纤维纸；可从Morgan Thermal Ceramics公司获得的一种可由Saffril铝纤维制成的纸/>3000；以及可从Unifrax公司获得的/>陶瓷纤维毡。
补燃器的层式设计和结构可以允许更好地控制非线性通道的尺寸和互联或网络、非线性通道的暴露表面的表面面积和催化剂沿着接触待处理的流体或流体流的非线性通道的暴露表面的含量和布置中的一个或多个。例如，非线性通道可以设计成将热量从补燃器中的燃烧反应传送到与加热的燃烧流体或流体流热连通的其他部件和结构(例如，阴极空气导管)。
本教导中有用的催化剂的例子包括铂、钯、铑、铈、铁、锰、镍、铜、钙钛矿及其组合。因为催化剂可以沿着暴露于包含污染物的流体流的非线性通道选择性地放置，高活性但昂贵的催化剂可以少量地用在与点火器热连通(例如，非常接近点火器)的非线性通道的暴露表面上，以例如在补燃器启动时促进燃烧反应的有效启动。在非线性通道中温度在操作期间可能比较高之处，可以使用诸如钙钛矿的更有成本效益的催化剂。
钙钛矿催化剂的特征可以在于结构ABX3，其中“A”和“B”是非常不同尺寸的阳离子，而“X”是阴离子，通常是氧，其结合到阳离子。合适的钙钛矿催化剂的例子包括LaNiO3、LaCoO3、LaCrO3、LaFeO3和LaMnO3。钙钛矿可以是La1-xCexFe2O3、LaCr1-yRuyO3、La1-xSrxAl1- yRuyO3和La1-xSrxFe2O3，并包括其组合，其中x和y是范围从0.01到0.5的数字，例如，从0.05到0.2，取决于溶解度极限和掺杂物成本。此外，在本教导的实践中，可以使用其他适当掺杂过渡金属的钙钛矿。
除了其他更加昂贵的过程(例如，气相沉积)之外，可以使用溶液处理技术使催化剂与耐火材料层的孔的暴露表面相关联。惯用的溶液处理技术包括例如，旋转涂布、滴落涂布、区域涂布(zone casting)、浸渍涂布、刮涂或喷涂。还可以使用载体涂料(washcoat)技术，其中载体涂料是用来分布催化剂的载体。载体涂料材料(例如，氧化铝、二氧化钛、二氧化硅或铝和硅的混合物)可以被选择以形成粗糙的不规则的表面，与裸衬底的光滑表面相比，这可以增加表面面积。该增加的表面面积又可以使可用于与通过补燃器的排出流反应的催化活性表面最大化。
溶液处理技术的另一个例子是印刷。如本文中所使用，“印刷”包括非接触过程(例如喷墨印刷、微分配等)以及接触过程(例如，丝网印刷、凹版印刷、胶版印刷、柔性印刷、平版印刷、移印、微接触印刷等)。
出现在非线性通道的暴露表面上的燃烧催化剂的量和/或类型可以包括梯度。该梯度可以包括出现在从层堆叠的入口到层堆叠的出口的燃烧催化剂的量的增加。该梯度可以包括与通过层堆叠的通道的暴露表面相关联的催化剂的类型的改变。也可以存在第二以及更高阶的梯度。该第二梯度可以包括例如在增加梯度之后且朝着层堆叠的出口出现的燃烧催化剂量的减少。第二梯度可以包括与通过层堆叠的通道的暴露表面相关联的催化剂的类型的另一改变。
在多个实施方式中，层可以布置成使得最靠近补燃器入口的层堆叠的层和/或最靠近补燃器的出口的层堆叠的层的一个或多个孔的暴露表面不包括燃烧催化剂。在一些实施方式中，远离补燃器的入口和出口的层堆叠的一个或多个层的一个或多个孔的暴露表面包括燃烧催化剂和与最靠近补燃器的入口和出口的层堆叠的层的一个或多个孔的暴露表面相比增加的表面面积。在层的某些布置中，远离补燃器的入口和出口的、包括燃烧催化剂和增加的表面面积的层堆叠的一个或多个层中的至少一个层包括一个或多个设计成安装点火器和/或热电耦的孔。
在本教导的一个特征中，层堆叠中的至少一层包括限定通道的孔，该通道在与排出流从补燃器的入口通过层堆叠到补燃器的出口的流动垂直的方向上延伸超过横跨层堆叠的长度的大约50％。在特别的补燃器中，每个层可以限定孔，所述孔设计成产生通过层堆叠的阴极空气通道，从而阴极空气通道可以容纳阴极空气导管。在该实施方式中，限定了在与排出流通过层堆叠的流动垂直的方向上延伸超过横跨层堆叠的长度的大约50％的通道的孔可以包括阴极空气通道。除了提供有效的热传递之外，横跨补燃器延伸的非线性通道的一部分可以帮助均衡和/或均匀地分配流体通过补燃器的流动。
本教导的补燃器可以包括点火器。点火器可以与诸如燃烧催化剂的催化剂可操作地热连通。点火器可以局部加热包含催化剂的通道段以启动燃烧反应。随后，来自燃烧反应的热量可以传递通过补燃器的非线性通道，以启动整个补燃器的燃烧反应。
点火器可以定位成与包括燃烧催化剂的最靠近层堆叠的入口的层的一个或多个孔的暴露表面可操作地热连通。补燃器可以包括超过一个点火器。点火器的位置(例如，其与靠近入口或更上游的一个或多个层(或通道)的关联)取决于具体的应用、使用的催化剂、催化剂装填和影响补燃器的点火的各种其他因素。
例如，与非线性或弯曲通道的暴露表面相关联的催化剂的量和/或催化剂的类型的梯度的使用可以有助于用于补燃器的点火器的放置。例如，层堆叠产生的并且与点火器热连通的非线性通道可以包括高度活性催化剂，以促进补燃器中的燃烧反应的有效点火。然而，随着沿非线性通道移动离开点火器，高度活性催化剂的量可以减少或消失，并且可以用增加量的具有较低活性并且更符合成本效益的催化剂来替代，这可以在操作期间保持燃烧过程。
本教导的补燃器可以包括热传感器组件，例如热电耦。热传感器组件可以与包括催化剂(例如，燃烧催化剂)的一个或多个非线性通道热连通。热传感器组件可以部分或完全定位在由层堆叠形成的通道中或者可以与补燃器的排出流热连通地定位。热传感器组件的位置(例如，其与补燃器的一个或多个层(或通道)的关联)取决于具体的应用和补燃器的温度的期望监测。热传感器组件可以定位在与补燃器的点火器物理隔离(但是可以通过非线性通道的网络与点火器热连通)的位置中。
例如，热电耦可以定位在补燃器的入口上方，例如，在补燃器的层堆叠的出口面或表面上方几毫米。热电耦可以放置在护套或管子中(例如，铝管)使得热电耦的端部暴露给排出流，该护套或管子可以遮蔽热电耦的大部分免受排出流的高温的影响。热电耦或其暴露端部可以定位在可压缩弹性耐火材料的上方，而不是孔或通道出口的上方，该定位可以进一步遮蔽热电耦免受排出流的直接加热。
当热传感器组件远离补燃器中燃烧反应的“热点”或核心时，热传感器组件的温度测量将变得更低并且偏离实际燃烧核心温度。也就是说，热传感器组件将提供一个比在燃烧核心低的温度的参考温度，该放置和参考温度防止热传感器组件超过其性能的可用极限。例如，当热传感器组件(例如，热电耦)位于补燃器上方时，大约700℃到大约1050℃读数的温度可以转换成在补燃器的燃烧核心的大约900℃到大约1250℃的温度。
本教导的一个特征是补燃器具有与非线性或弯曲通道的暴露表面相关联的催化剂(例如，燃烧催化剂)的量和/或催化剂的类型的梯度，排出流通过该通道流动通过补燃器。例如，为了降低靠近层堆叠的入口面或表面和/或出口(面或表面)的温度，入口层和出口层的孔的暴露表面可以与减少量的催化剂相关联或者可以不包括催化剂。这种设计可以用来热遮蔽可能与补燃器热连通地出现或者出现在补燃器中其他温度敏感部件，例如，热传感器组件(例如，热电耦)，从而减少或者避免对这种温度敏感部件的损害和/或劣化。
本教导的补燃器可以包括外罩，限定非线性通道的层堆叠可以定位或位于该外罩中。外罩可以接近补燃器的非入口和非出口面或表面，例如环绕和/或包围层堆叠的非入口和非出口面。外罩可以是接近、环绕和/或包围补燃器的非入口和非出口面或表面的固态绝热件。外罩可以接近层堆叠的入口面或表面。外罩可以接近层堆叠的出口面或表面。因此，在多个配置中，外罩可以包围层堆叠的四个、五个或全部(或者基本上全部)面或表面，其中与层堆叠的流体连通利用补燃器的入口和出口实现以及可能利用提供通过外罩的流体连通的其他端口实现。
补燃器的层堆叠的入口可以设计成与燃料电池单元的排出出口流体连通。因此，本教导包括燃料电池系统和燃料电池堆，所述燃料电池系统包括如本文所述的补燃器；所述燃料电池堆与层堆叠的入口(面或表面)和/或补燃器的入口可操作地流体连通。
补燃器的入口面或表面可以与电力调节部件热连通，其中电力调节部件与燃料电池堆电连通。电力调节部件可以包括集电板和/或一个或多个母线。
如本文所讨论，本教导的特征之一是补燃器具有与非线性或弯曲通道的暴露表面相关联的催化剂的量和/或催化剂的类型的梯度，其中排出流经该通道流动通过补燃器。例如，为了降低靠近层堆叠的入口面或表面的温度，入口层的孔的暴露表面可以与减少量的催化剂相关联或者可以不包括催化剂。这种设计可以用来热遮蔽可以与补燃器热连通地出现的其他温度敏感部件(例如，电力调节部件)，从而减少或者避免对这种温度敏感部件的损害和/或劣化。通过减少或者降低靠近电力调节部件的补燃器的入口附近的温度(例如，小于或等于大约900℃)，可以将诸如银和铜的不同金属用于产生的电的收集和分配。
本教导的燃料电池系统可以包括一个或多个定位在通过层堆叠的阴极空气通道中的阴极空气导管。
本教导的另一方面涉及一种减少来自流体流或混合物(例如，来自燃料电池堆的排出流)的污染物或不期望的组合物的方法。本教导的方法可以包括：使包含污染物的流体流动通过补燃器的非线性通道，其中补燃器包括可压缩弹性耐火材料，该耐火材料限定从补燃器的入口到补燃器的出口的非线性通道和与非线性通道的暴露表面的至少一部分相关联的燃烧催化剂；以及利用催化剂至少部分地燃烧包含污染物的流体，以产生与进入补燃器的流体相比包含减少量的污染物的出口流体流。
在各种方法中，补燃器可以包括层堆叠，其包括可压缩弹性耐火材料，其中每层限定通过层的一个或多个孔。层的一个或多个孔在堆叠在一起时，限定通过层堆叠的非线性通道。
在燃料电池单元或系统的操作中，在补燃器的入口处的可压缩弹性耐火材料可以变成与附近的燃料电池堆结构接触和/或可以变成被其压缩。本教导的方法可以包括使用来自燃烧的热量加热流动通过补燃器的阴极空气流。
在一些方法中，燃烧和相关联的热产生可以通过使用出现在非线性通道中的燃烧催化剂的量和/或类型的梯度控制。不管是否使用梯度，本教导的补燃器可以限制补燃器的操作温度，例如，补燃器的核心温度或者在补燃器内部的催化表面处的温度，以减少催化剂的汽化。例如，补燃器的操作温度可以小于或等于大约1250℃，小于或等于大约1150℃，小于或等于大约1050℃，小于或等于大约1000℃，小于或等于大约950℃，或者小于或等于大约900℃。
本教导的方法的一个特征是与常规设计的补燃器相比，通过补燃器的压降可以降低。例如，本教导的补燃器可以提供小于或等于大约1英寸水压的、或者小于或等于大约0.75英寸水压的、或者小于或等于大约0.5英寸水压的、或者小于或等于大约0.25英寸水压的通过补燃器的压降。
本教导还提供了本文所述的制备补燃器的方法。该方法可以包括在可压缩弹性耐火材料层中切出至少一个孔；重复该切出步骤以产生多个层，每层限定通过每个对应层的一个或多个孔；使燃烧催化剂与至少一层的孔中的至少一个或多个的暴露表面相关联；堆叠多个层以形成通过层堆叠的非线性通道；以及固定多个层以形成补燃器。在本教导的方法中，燃烧催化剂与通过层堆叠的非线性通道中的至少一个的暴露表面的至少一部分相关联。
每层的孔的设计和布置允许构造具有针对补燃器的特定应用和期望特征的通过其的定制的非线性(和线性)通道的补燃器。例如，孔的形状可以是圆形的、方形的、矩形的、V形的、C形的、E形的等。孔的布置及其与相邻层的孔的关系可以变化，以在(例如为了形成补燃器)堆叠时产生合适的非线性(和线性)通道。例如，相邻层的C形孔可以使C形的端部成行，但是在每一层中具有相反定向以使得一层的C形孔中仅小部分与相邻层的C形孔重叠。催化剂(例如，燃烧催化剂)可以通过本文所讨论的一种或多种技术(包括喷涂、印刷和浸渍处理)与孔的暴露表面相关联。
本教导的制造补燃器的方法可以包括在层堆叠的非入口和非出口面或表面周围涂覆(例如，包裹)耐火材料。纸形式的耐火材料(例如，小于或等于大约1mm)可以适于包裹层堆叠。在某些实施方式中，制造补燃器的方法可以包括将粘胶材料涂覆到层堆叠的外表面或者到包裹在层堆叠周围的耐火材料的外表面。
制造补燃器的方法可以包括例如不需要包裹在补燃器的非入口和非出口面或表面周围的耐火材料或者接近该包裹的耐火材料，用固态绝热件包围补燃器的非入口和非出口面或表面。补燃器的非入口和非出口面或表面，或者涂覆到该面或表面的耐火材料可以包括粘胶，其可以接近于固态绝热件和/或与该固态绝热件接触。该粘胶的例子是聚醋酸乙烯酯(PVA)胶。固态绝热件材料可以是固态低导热材料，例如，微孔或压缩粉末绝热材料(例如，可从Unifrax公司获得的微孔绝热材料或/> 产品)。
制造补燃器的方法可以包括从多个层去除粘合剂和/或有机材料(如果存在)。该方法可以包括独立加热层或者层堆叠，例如，在加热炉中加热或者点火以烧尽出现在层中或者与层相关联的任何粘合剂和/或有机材料。例如，在使用粘胶来形成层堆叠的情况下，在使用前，加热层堆叠以烧尽或者去除粘胶。通过去除任何粘合剂和其他有机材料，层的多孔性以及因此层堆叠的多孔性可以固定，使得多孔性在耦接到或整合到系统(例如，燃料电池单元)时不会改变。在烧尽任何存在的有机材料的加热步骤之后，层堆叠或者单个层通常暴露于还原气氛下，例如氮和氢的混合物，以激活分别在孔的暴露表面上或者在非线性通道中的催化剂。
图1A是本教导的补燃器的实施方式的透视图的示意图。参照图1A，补燃器10包括层堆叠12，每层14、14’、14”、14”’包括可压缩弹性耐火材料。每层14、14’、14”、14”’限定通过该层的一个或多个孔16。在堆叠时，层及其孔限定从层堆叠12的入口面或侧18(补燃器10的下侧或面或入口)到层堆叠12的出口侧20(补燃器10的顶侧或面或出口)通过层堆叠的一个或多个非线性通道(图中不可见)。
图1A还描绘了阴极空气通道22和两个点火器和/或热传感器组件切口24，即延伸到补燃器的外边缘以允许点火器和/或热电耦安装在其中并且与补燃器的内部(具体地，非线性通道)热连通的孔。
图1B-1E是图1A中所示的补燃器的实施方式的单个层的俯视图的示意图。
图1B是图1A中所示的层堆叠的最上层的俯视图。这样，图1B表示层堆叠12的出口面或侧20，其中孔16可以被认为是层堆叠12或者补燃器10的多个出口。图1B还示出了阴极空气通道22，其本身是层14中的孔16。
图1C是接近图1A中所示的层堆叠的最上层的层的俯视图。该层14’具有一个孔16’，该孔包括阴极空气通道或者与其重叠，以使得通过该层的阴极空气通道并以其圆形形状呈现。
图1C中所示的孔是层中的孔的例子，当所述层与其他层堆叠时，孔限定通道26，该通道26在与流体(例如，排出流)从层堆叠的入口面通过层堆叠到层堆叠的出口面的流动垂直的方向上延伸超过横跨层堆叠的长度的大约50％。通道26还从层的一侧延伸通过层的中线延伸到层的另一侧。在该实施方式中，中线被定义成贯通阴极空气通道(但是可以是靠近层中心定位的其他热接收或者热传递部件或结构)的中心。在层的最大表面的形状是方形的情况下，或者如果阴极空气通道(或者其他热接收或者其他结构存在层中心附近)形成横跨矩形形状层的较短长度的线，中线可以被认为是贯通阴极空气通道(或者其他结构)的中心以将层(以及因而层堆叠或者补燃器)分成两边或一半。
图1D是图1A中所示的层堆叠的中间层的俯视图。层14”示出了两个阴极空气通道22”，其也是孔16”。层的其他两个孔16”中的每个包括点火器和/或热传感器组件切口24，所述层在与其他层堆叠时将层堆叠的内部连接到层堆叠的外部。也就是说，包括该层的切口的孔在与其他层堆叠时，形成与点火器和/或热传感器组件(当存在时)热连通的通道。当点火器存在于切口中时，该层通常包括与孔的暴露表面相关联的催化剂(例如，燃烧催化剂)，以使得当与其他层堆叠时，催化剂与非线性通道的暴露表面相关联并且与点火器热连通，以允许通道中的燃烧反应的点火。
孔的切口允许点火器或者热传感器组件(例如，热电耦)延伸到由堆叠的层形成的通道中，但是不与与燃烧反应相关联的“热点”和催化剂直接接触。例如，如图1D中所示，存在子通道(或腔室)28但是没有紧邻层的外围和切口24的锯齿状边缘，以使得没有催化剂可以与该子通道相关联以遮蔽点火器和/或热传感器组件。点火器和/或热传感器组件可以利用多种结构和多种方式定位并保持在合适位置，例如，通过插入通过接近存在切口的堆叠层的面或侧的固态绝热件或者单元或者系统封装外罩的外侧。
具有切口的两个较大的孔还包括沿其边缘的暴露表面，提供增加的表面面积，催化剂可以与该增加的表面面积相关联。如所示，不但暴露表面的周长或长度大于图1B的层的孔的暴露表面的周长或长度，而且该暴露表面还具有锯齿状或Z字图案而不是线性设计，以进一步增加该层的暴露表面的表面面积。
图1E是图1A中所示的层堆叠的底层的俯视图。这样，层14”’的下侧表示层堆叠12的入口面或侧18(补燃器10的下侧或面或入口)。层14”’具有限定两个阴极空气通道22”’的两个圆形孔16”’。层14”’还具有限定层堆叠12和补燃器10的入口的两个矩形孔16”’，其中矩形孔可以与相邻结构(例如，燃料电池堆的出口)对接。
当与相邻层堆叠时，由矩形孔16”’形成的通道30可以被认为在与流体流从入口面通过层堆叠到出口面的流动垂直的方向上延伸超过横跨层堆叠的长度的大约50％。但是，与图1C中的通道26不同的是，图1E中的通道30并不从层的一侧向层的另一侧延伸通过层的中线到，而是被认为是仅仅在层的一侧中延伸。
图2A是本教导的补燃器的实施方式的透视图的示意图，该实施方式与图1A中所示的实施方式相似。具体地，图2A示出了包括层堆叠213的补燃器210，该层堆叠213包括单个层214、214’、214”、214”’。提供图2A-2D以示出通过层堆叠的不同平面观察得到的由层堆叠产生的非线性通道。附图的相似部件可以是相同的或者不同的，例如，具有各种与其相关的修改，例如构造的材料、传感器组件、阀配置、导管连接和布置等。
更具体地，图2B是图2A的实施方式的横截面视图的示意图，其中横截面是沿着或通过线2B-2B的竖直平面。如在图2B中所见，层堆叠212包括层214、214’、214”、214”’，其中黑色方形和矩形形状是存在于层堆叠212中并通过层堆叠212的非线性通道232。
从顶部起的第二层214’示出了通道226(与图1C的通道26相似)。虽然在该侧面横截面视图中不可见，通道在与流体流动通过层堆叠的方向垂直的方向上延伸超过横跨层堆叠的长度的大约50％，并且还从层的一侧延伸通过层的中线到层的另一侧。
底层214”’示出了通道230的长度(与图1E的通道30相似)，其在与流体流动通过层堆叠的方向垂直的方向上延伸超过横跨层堆叠的长度的大约50％，但是并不延伸通过层的中线。如在层堆叠的该横截面中可见，并不存在从层堆叠的入口面或侧到层堆叠的出口面或侧通过层堆叠的线性通道，而是存在这样的非线性通道的网络，其从层堆叠的入口面或侧向上、向下和横跨到层堆叠的出口面或侧。
图2C是图2A的实施方式的横截面视图的示意图，其中横截面是沿着或通过线2C-2C的竖直平面。如在图2C中所见，层堆叠212包括层214、214’、214”、214”’，其中黑色方形和矩形形状是存在于层堆叠212中并通过层堆叠212的非线性通道232。
从顶部起的第二层214’示出了由孔216’形成的通道，其与图1C的通道26左侧的通道相似。由孔216’形成的通道在与流体流动通过层堆叠的方向垂直的方向上延伸超过横跨层堆叠的长度的大约50％，并且从层的一侧延伸通过层的中心线到层的另一侧(其中参考标号216’的指示线指向层的中线周围，该中线与通过阴极空气通道的线重合)。
从顶部起的第四层214”示出了子通道(或腔室)228，其与图1D中的子通道(或腔室)28相似。
底层214”’示出了通道230，其与图1E的通道30相似，但是是以横截面示出，所以其横跨层堆叠的长度在该视图中不可见。
如在图2C中的层堆叠的横截面中所见，不存在从层堆叠的入口面或侧到层堆叠的出口面或侧通过层堆叠的线性通道，但存在这样的非线性通道的网络，其从层堆叠的入口面或侧向上、向下和横跨到层堆叠的出口面或侧。
图2D是图2A的实施方式的横截面视图的示意图，其中横截面是沿着或通过线2D-2D的竖直平面。如在图2D中所见，层堆叠212包括层214、214’、214”、214”’，其中黑色方形和矩形形状是存在于层堆叠212中并通过层堆叠212的非线性通道232。
顶层214示出了在层堆叠的出口面或侧的相对侧上的两个矩形非线性通道232中的第二个。顶层还示出了阴极空气通道222的出口，该阴极空气通道形成从层堆叠的入口面或侧到层堆叠的出口面或侧通过层堆叠的线性通道。虽然存在通过层堆叠的一个或多个线性通道，但是本教导的补燃器需要存在通过层堆叠的一个或多个非线性通道。
从顶部起的第二层214’示出了通道226’(其与图1C的通道26相似)，该通道在与流体流动通过层堆叠的方向垂直的方向上延伸超过横跨层堆叠的长度的大约50％，并且从层的一侧延伸通过层的中心线到层的另一侧。
底层214”’示出了通道230，其也是与图1E的通道30相似的非线性通道232，但是是以横截面示出，所以其横跨层堆叠的长度在该视图中不可见。
图3A是耐火材料层的俯视图的示意图，该层可以是堆叠层中形成本教导的补燃器的至少一部分的一层。层314”与图1D的层14”相似，包括两个阴极空气通道322”，其也是孔316”。但是，层314”还包括在孔切口324中的热传感器组件334和在另一孔切口324中的点火器336。
如前所述，孔的切口允许点火器和热传感器组件(例如，热电耦)延伸到堆叠的层形成的通道中，但是不与和被催化的燃烧反应相关联的“热点”和催化剂直接接触。
例如，如图3A中所示，存在这样的子通道(或者腔室)328，其在紧邻点火器336处没有催化剂(通过接近锯齿状边缘的点或多孔层表示)以遮蔽点火器免受燃烧热。热传感器组件334相似地定位在与线III-III形成的层的中线相对的相应的无催化剂子通道(或腔室)中，该无催化剂区域或体积进一步延伸到孔或通道中。
包括点火器336和热传感器组件334的两个大孔316”分别在其各自的图案化形状的边缘处包括暴露表面338。描绘的暴露表面338具有增加该层的暴露表面的表面面积的非线性边缘，该暴露表面338具有本文中所示的与其相关联的催化剂340。
图3B是耐火材料层的俯视图的示意图，该层可以是堆叠层的形成本教导的补燃器的至少一部分的一层。虽然层314iv看上去与图1B的层14相似，但是该层的四边形形状孔316iv的暴露表面338iv包括催化剂340iv。利用少量的催化剂装填(或者不存在催化剂)，层可以定位成使得其是层堆叠的外层，以使得其最大表面中的一个限定层堆叠的外面或表面(如在图1A和1B中的层14那样)。但是，层314iv可以定位成层堆叠的内层，特别是在催化剂装填的量与典型地存在于补燃器的入口或出口的量相比增加和/或催化剂的类型不同于典型地存在于补燃器的入口或出口的类型的情况下。层314iv还包括两个阴极空气通道322iv，其可以被认为是孔316iv。
图4是本教导的补燃器的实施方式的透视图的示意图，其中存在于层堆叠412的每个层中的催化剂装填的示例性量指示在补燃器的右侧。如可见的，各个层的催化剂装填的范围(例如，用催化剂覆盖的可测量的暴露表面的表面面积)形成从底部的层414”’(其表面是层堆叠的入口面或侧418)向层堆叠的中间和上层增加的梯度以及然后朝向顶部的层414(其表面是层堆叠的出口面或侧420)减少的梯度。
特别地，底部的层和相邻层可以没有催化剂，即，不包含催化剂。利用该设计，补燃器的操作温度在其入口处可以降低，以避免邻近部件的热问题。此外，这两层可以设计成充当收集、混合和/或分配包括未耗尽的可重整的燃料的进入的排出流，以为补燃器的非线性通道中更上游的催化燃烧反应提供更加均匀的成分。
靠近层堆叠的出口存在类似情况，其中可以通过以朝着层堆叠的出口面或侧降低梯度来减少催化剂装填的量来避免高的操作温度。实际上，在某些情况下，最后层可以没有催化剂。因此，可以降低补燃器的排出流的温度。随后，可以将排出流传送到热回收部件和/或设备或者作为废热排出。
例如，结合以上概念，第一层可以没有催化剂并且用来在接触催化剂之前，混合未反应的燃料、排出流和空气。当该反应混合物移动通过补燃器的非线性通道并且与催化剂接触，燃烧反应可以开始将反应物转化成燃烧产物。当混合物继续通过非线性通道时，其在补燃器的中心或者下游一半附近遇到较高温度反应地带和附加的催化剂装填，在那里可以发生大部分的燃烧和转化。接着，当只有少量的燃料和反应物保持在混合物中并且燃烧需要大量的氧时，非线性通道的更下游部分可以包括更大表面区域和/或更多的反应催化剂来完成燃烧过程。最后，排出流可以通过对叠层的最后一层或多层，该最后一层或多层可以没有催化剂，从而减少或者降低了补燃器的排出流的温度。
如应该理解的，层堆叠中层的数量和每层的厚度可以决定催化剂的放置和梯度的斜率。也就是说，利用纸形式的耐火材料层，层的数量典型地将多于层具有毡或其他比纸厚的形式的情况，其中毡和其他形式可以具有范围在从大约1mm到大约10mm、从大约2mm到大约7mm、从大约3mm到大约5mm、或者从大约3mm到大约4mm的厚度。利用较大数量的层形成补燃器的层堆叠，层堆叠的入口侧和/或出口侧处的更多层可以没有催化剂，和/或沿着非线性通道的暴露表面的催化剂的量和/或类型的梯度的斜率可以更加渐进地增加或减少。当然，层堆叠可以由不同形式的可压缩弹性耐火材料制成，例如，纸和毡，以进一步控制最终层堆叠和与非线性通道的暴露表面相关联的催化剂。
图5是本教导的补燃器的实施方式的透视图的示意图，其中与图1A的层堆叠相比，层堆叠的层的边缘以90°角度定向。更特别地，补燃器510包括层堆叠512，其包括单个层514，其中边缘而不是较大的(平面的)表面区域面或表面限定层堆叠的入口面或侧518，而相对侧上的边缘限定层堆叠的出口面或侧520。
图6是定位在补燃器的非入口和非出口面或表面上的固态绝热件644的外罩642中的补燃器610的实施方式的透视图的示意图。描绘的补燃器610用耐火材料646(例如，耐火纸)包裹，这可以帮助固定层堆叠。如在该图中所示，包裹的层堆叠可滑动地安装在外罩中，但并不是紧密配合或者摩擦配合，因为存在微小间隙。在该配置中，包裹的层堆叠可以在其底部或者入口面或侧由耦接或连接的下方部件支撑。这样，在某些实施方式中，层堆叠或者包裹的层堆叠可以认为是由相邻结构和/或部件支撑。例如，层堆叠或者包裹的层堆叠可以认为是“坐落”在相邻结构上，并且在一些情况下，可以认为是在操作期间“漂浮就位”。
图7A和7B是包括燃料电池单元的燃料电池系统的实施方式的侧面横截面视图的示意图，该燃料电池单元包括本教导的补燃器。
参照图7A，燃料电池系统750包括燃料电池单元752，其包括重整器754、燃料电池堆756和补燃器710。燃料电池系统750或燃料电池单元752包括两个以虚线示出的通过层堆叠712的阴极空气通道722，其形成非线性通道(未示出)。每个阴极空气通道722可以包括阴极空气导管，其可以延伸到燃料电池堆756(由虚线所示)。
燃料电池系统750包括用于将阴极含氧气体(例如，空气)传送通过补燃器710到燃料电池堆756的阴极(未示出)的传送导管758。燃料电池系统750还包括用于将阳极空气、氧化剂和可重整燃料传送到重整器754的阳极反应物传送导管760。燃料电池系统750或燃料电池单元752包括用于将加热流体(例如，加热的补燃器燃烧产物)从补燃器710排出的补燃器排出导管762。燃料电池系统750包括与阴极空气传送导管758可操作地流体连通的含氧气体源764。燃料电池系统750还包括与阳极反应物传送导管760可操作地流体连通的可重整燃料源766。
对于图7A中所示的补燃器，补燃器710包括外罩742，其基本上环绕或包围层堆叠712的非入口和非出口面或表面。外罩可以是固态绝热件。如图7A中所示，补燃器排出导管762在靠近补燃器顶部但不是在其顶部面或表面处的层堆叠的面或侧处(如排出流从源自E的箭头附近的入口面或侧通过层堆叠到层堆叠的相对面或表面的大致流动方向所限定)通过外罩742离开补燃器710。
图7A还示出了燃料电池堆和/或燃料电池单元和/或系统的其他部件在操作期间可以经受的线性膨胀，使得燃料电池堆可以膨胀或者可以在源自“E”的箭头方向上移动。如本文所讨论，本教导的补燃器的层堆叠的可压缩属性可以适应该膨胀，并且可以使燃料电池堆、燃料电池单元和燃料电池系统上的结构压力最小化。
参照图7B，与图7A的燃料电池系统相似的燃料电池系统750’包括燃料电池单元752’，其包括重整器754’、燃料电池堆756’和补燃器710’。燃料电池系统750’或燃料电池单元752’包括两个通过层堆叠712’的阴极空气通道768，该层堆叠形成非线性通道(未示出)。每个阴极空气通道768延伸到燃料电池堆756中并且与阴极空气传送导管758’可操作地流体连通。燃料电池系统750’包括与阴极空气传送导管758’可操作地流体连通的含氧气体源764’。
燃料电池系统750’包括用于将阳极空气、氧化剂和可重整燃料中的一者或多者传送到重整器754’的阳极反应物传送导管760’。燃料电池系统750’还包括与阳极反应物传送导管760’可操作地流体连通的可重整燃料源766’。
图7B中所示的补燃器710’包括外罩742’，其环绕或包围层堆叠712’的非入口和非出口面或表面。在所示的操作中，来自层堆叠712’的流体流或排出流退出层堆叠的顶部面或表面(即，层堆叠的出口面或表面720)进入排出腔室770。排出腔室由层堆叠的出口面或表面和阴极空气传送导管以及其他与燃料电池单元封装的顶部相关联的结构形成。这样，来自补燃器的流体流或排出流通过补燃器排出导管762’被引导出燃料电池单元，该补燃器排出导管762’与排出腔室770和层堆叠的出口面或表面720流体连通。排出腔室可以包括帮助引导或者促进层堆叠的排出流通过补燃器排出导管去除的结构和/或部件。
在图7B所示的配置中，在层堆叠上方并与层堆叠的出口流体连通的排出腔室770包括热传感器组件772。热传感器组件(可以是热电耦)定位在层堆叠上方并且监测来自层堆叠的流体流或排出流的温度。虽然层堆叠上方的温度将低于发生在层堆叠中的非线性通道内的燃烧反应的温度，但是可以确定(例如，测量)在排出流和燃烧反应的“热点”之间的温度关系，以使得可以基于在层堆叠的出口面处通过热传感器组件772测量的温度估计层堆叠的内部温度。
图7B还描绘了接近补燃器710’或层堆叠的入口面或表面712’的一个或多个电力调节部件774。如所示，电力调节部件774(例如，集电板和/或一个或多个母线)靠近燃料电池堆756’(在那里产生电力)定位。为了减少电力调节部件的暴露于燃料电池堆和补燃器的高的操作温度，补燃器可以在补燃器的层堆叠的第一层或第一多层中包含少的或者没有燃烧催化剂，以保持或者降低补燃器中其入口面或表面附近的燃烧的温度。虽然来自燃料电池堆的排出流的温度为高，但是通过将补燃器设计为主要在其内部具有高的催化剂装填，并且特别是，通过将补燃器设计为在没有催化剂的部分之后具有梯度增加的催化剂的量，电力调节部件可以在燃料电池堆和补燃器之间获得降低温度的区域。
本教导囊括不背离本教导的精神或实质特征的其他特定形式的实施方式。因此，前述实施方式在所有方面被认为是说明性的，而不是限制本文所描述的本教导。本发明的范围因而由所附权利要求书指出，而不是前述说明，并且权利要求书的等效物的含义和范围内的所有变化也旨在包括在本文中。

Claims (26)

1.一种补燃器，所述补燃器包括：
层堆叠，每个层包括包含硅、铝或者硅-铝混合物的纤维的可压缩弹性耐火材料并且限定通过所述层的一个或多个孔，其中，所述层堆叠的所述孔一起限定从所述层堆叠的入口面通过所述层堆叠到所述层堆叠的出口的非线性通道，所述层堆叠保持可压缩和弹性；
燃烧催化剂，所述燃烧催化剂与所述层堆叠的至少一个层的至少一个或多个孔的暴露表面相关联，以使得所述燃烧催化剂与非线性通道的暴露表面相关联；以及
所述层堆叠的非入口面和非出口面附近的外罩。
2.根据权利要求1所述的补燃器，其中，存在于非线性通道的暴露表面上的燃烧催化剂的量具有梯度。
3.根据权利要求2所述的补燃器，其中，所述梯度包括从所述层堆叠的入口面到所述层堆叠的出口存在的燃烧催化剂的量的增加。
4.根据权利要求3所述的补燃器，其中，存在第二梯度，其中，所述第二梯度包括在增加的梯度之后并朝向所述层堆叠的出口存在的燃烧催化剂的量的减少。
5.根据权利要求1所述的补燃器，其中，最靠近所述补燃器的入口的层堆叠的层的一个或多个孔的暴露表面和/或最靠近所述补燃器的出口的层堆叠的层的一个或多个孔的暴露表面不包括燃烧催化剂。
6.根据权利要求1所述的补燃器，其中，远离所述补燃器的入口和出口的层堆叠的一个或多个层的一个或多个孔的暴露表面包括燃烧催化剂和与最靠近所述补燃器的入口和出口的层堆叠的层的一个或多个孔的暴露表面相比增加的表面面积。
7.根据权利要求6所述的补燃器，其中，包括燃烧催化剂和增加的表面面积的远离所述补燃器的入口和出口的层堆叠的一个或多个层的至少一个层包括设计成安装点火器和/或热传感器组件的一个或多个孔。
8.根据权利要求1所述的补燃器，其中，所述层堆叠的至少一个层包括限定通道的孔，所述通道在与排出流从补燃器的入口通过所述层堆叠到补燃器的出口的流动垂直的方向上延伸超过横跨所述层堆叠的长度的大约50％。
9.根据权利要求1所述的补燃器，其中，每层限定被设计成产生通过所述层堆叠的阴极空气通道的孔，从而所述阴极空气通道能够容纳阴极空气导管。
10.根据权利要求9所述的补燃器，其中，限定在与排出流通过所述层堆叠的流动垂直的方向上延伸超过横跨所述层堆叠的长度的大约50％的通道的孔包括所述阴极空气通道。
11.根据权利要求1所述的补燃器，包括点火器，所述点火器与燃烧催化剂可操作地热连通。
12.根据权利要求11所述的补燃器，其中，所述点火器定位成与包括燃烧催化剂的最靠近所述层堆叠的入口的层的一个或多个孔的暴露表面可操作地热连通。
13.根据权利要求1所述的补燃器，包括热传感器组件，所述热传感器组件与包括燃烧催化剂的一个或多个非线性通道热连通。
14.根据权利要求1所述的补燃器，其中，所述层堆叠的每个层是可压缩弹性耐火材料并且限定通过所述层的一个或多个孔。
15.根据权利要求1所述的补燃器，其中，所述硅、铝或者硅-铝混合物的纤维是纸、毡、垫、毯、或其组合物的形式。
16.根据权利要求1所述的补燃器，其中，所述硅、铝或者硅-铝混合物的纤维是连续丝束垫、短切垫、或者机织布或编织布的形式。
17.根据权利要求1所述的补燃器，其中，所述外罩包括固态绝热件。
18.一种燃料电池单元，包括：
根据权利要求1-17中任一项所述的补燃器；以及
与层堆叠的入口面和/或补燃器的入口可操作地流体连通的燃料电池堆。
19.根据权利要求18所述的燃料电池单元，其中，所述补燃器的入口与电力调节部件热连通，所述电力调节部件与燃料电池堆电连通。
20.一种加热器单元，包括：
根据权利要求1-17中任一项所述的补燃器；以及
与层堆叠的入口和/或补燃器的入口可操作地流体连通的可重整燃料源。
21.一种组合的热和电力系统，其包括根据权利要求18所述的燃料电池单元和/或加热器单元。
22.一种减少流体流中的污染物的方法，所述方法包括：
使包括污染物和/或可重整燃料的流体流流动通过权利要求1-17中任一项所述的补燃器的非线性通道；以及
利用燃烧催化剂使包括污染物和/或可重整燃料的流体流至少部分燃烧，以产生与进入补燃器的流体流相比包括减少量的污染物的出口流体流和/或产生热。
23.根据权利要求22所述的方法，包括使用来自燃烧的热量加热流动通过补燃器的阴极空气流。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述流体流来自燃料电池堆，并且在补燃器的入口处的可压缩弹性耐火材料变为与燃料电池堆的相邻结构接触和/或被燃料电池堆的相邻结构压缩。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，通过补燃器的压降小于或等于大约1英寸的水压。
26.一种制造补燃器的方法，所述方法包括：
在可压缩弹性耐火材料层中切出至少一个孔；
重复切出步骤以产生多个层，每个层限定通过每个相应层的一个或多个孔；
使燃烧催化剂与至少一个层的至少一个或多个孔的暴露表面相关联；
堆叠多个层以形成通过层堆叠的非线性通道，其中，燃烧催化剂与至少一个非线性通道的暴露表面的至少一部分相关联；以及
固定多个层以形成权利要求1-17中任一项所述的补燃器。
CN201680012831.8A 2015-03-05 2016-03-04 补燃器及其制造和操作方法 Active CN107407481B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562128725P 2015-03-05 2015-03-05
US62/128,725 2015-03-05
PCT/US2016/020922 WO2016141304A1 (en) 2015-03-05 2016-03-04 Afterburners including methods of making and operating

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107407481A CN107407481A (zh) 2017-11-28
CN107407481B true CN107407481B (zh) 2023-08-25

Family

ID=55646864

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680012831.8A Active CN107407481B (zh) 2015-03-05 2016-03-04 补燃器及其制造和操作方法

Country Status (10)

Country Link
US (1) US20160260990A1 (zh)
EP (1) EP3265723B1 (zh)
JP (1) JP7156792B2 (zh)
KR (1) KR102611728B1 (zh)
CN (1) CN107407481B (zh)
AU (1) AU2016226061B2 (zh)
CA (1) CA2978250C (zh)
MX (1) MX2017011294A (zh)
NZ (1) NZ735340A (zh)
WO (1) WO2016141304A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11462751B2 (en) 2018-08-29 2022-10-04 Watt Fuel Cell Corp. Thermally insulated housing for a heat-producing, heat-radiating device

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3208131A (en) * 1961-03-22 1965-09-28 Universal Oil Prod Co Rigid catalytic metallic unit and method for the production thereof
JPS5024178A (zh) * 1973-07-06 1975-03-15
US4154568A (en) * 1977-05-24 1979-05-15 Acurex Corporation Catalytic combustion process and apparatus
JPH06154622A (ja) * 1992-11-17 1994-06-03 Nippon Muki Co Ltd 積層コルゲート触媒担体
US6365283B1 (en) * 1998-05-26 2002-04-02 Emitec Gesellschaft Fur Emissionionstechnologie Mbh Monolithic metallic honeycomb body with a varying number of channels and method for manufacturing the honeycomb body
CN1925199A (zh) * 2005-08-29 2007-03-07 大同股份有限公司 燃料电池系统
EP2284938A1 (de) * 2009-07-13 2011-02-16 Vaillant GmbH Nachbrenner für erdgasbasierte Brennstoffzellenheizgeräte
RU2474929C1 (ru) * 2011-07-25 2013-02-10 Учреждение Российской академии наук Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН Электрохимический генератор на твердооксидных топливных элементах

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW299345B (zh) * 1994-02-18 1997-03-01 Westinghouse Electric Corp
JPH07328452A (ja) * 1994-06-13 1995-12-19 Showa Aircraft Ind Co Ltd 触媒装置用金属担体
US6428754B1 (en) * 1995-02-01 2002-08-06 Univ Notre Dame Du Lac Method and Apparatus for treating exhaust gases
JP3952617B2 (ja) * 1998-12-11 2007-08-01 株式会社日立製作所 内燃機関の排ガス浄化装置，排ガス浄化方法及び排ガス浄化触媒
JP2002089236A (ja) * 2000-09-20 2002-03-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 排ガス中の浮遊微粒子除去フィルタ
JP2002357120A (ja) * 2001-05-30 2002-12-13 Isuzu Motors Ltd 排気ガス浄化装置
GB0124999D0 (en) * 2001-10-18 2001-12-05 Accentus Plc Catalytic reactor
US6712603B2 (en) * 2002-08-07 2004-03-30 General Motors Corporation Multiple port catalytic combustion device and method of operating same
US20040081871A1 (en) * 2002-10-28 2004-04-29 Kearl Daniel A. Fuel cell using a catalytic combustor to exchange heat
CN100509119C (zh) * 2004-02-11 2009-07-08 乌米科雷股份两合公司 具有沿轴向变化的贵金属浓度的废气净化催化剂和用于制备该催化剂的方法
DE102005017378B4 (de) * 2005-04-14 2007-06-14 Benteler Automobiltechnik Gmbh Abgasreinigungsvorrichtung für Fahrzeuge
US20070104620A1 (en) * 2005-11-07 2007-05-10 Bilal Zuberi Catalytic Exhaust Device
JP4727642B2 (ja) * 2007-11-05 2011-07-20 本田技研工業株式会社 水素製造発電システムの運転方法
JP2009129829A (ja) * 2007-11-27 2009-06-11 Toshiba Corp 燃料電池
JP4723609B2 (ja) 2008-04-15 2011-07-13 株式会社タムラ製作所 圧粉磁心、圧粉磁心の製造方法、チョークコイル及びその製造方法
JP5024178B2 (ja) 2008-05-14 2012-09-12 ソニー株式会社 画像処理装置、及び画像処理方法
US9005833B2 (en) * 2010-04-09 2015-04-14 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. System having high-temperature fuel cells
JP2013255905A (ja) * 2012-06-14 2013-12-26 Ricoh Co Ltd 流体浄化装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3208131A (en) * 1961-03-22 1965-09-28 Universal Oil Prod Co Rigid catalytic metallic unit and method for the production thereof
JPS5024178A (zh) * 1973-07-06 1975-03-15
US4154568A (en) * 1977-05-24 1979-05-15 Acurex Corporation Catalytic combustion process and apparatus
JPH06154622A (ja) * 1992-11-17 1994-06-03 Nippon Muki Co Ltd 積層コルゲート触媒担体
US6365283B1 (en) * 1998-05-26 2002-04-02 Emitec Gesellschaft Fur Emissionionstechnologie Mbh Monolithic metallic honeycomb body with a varying number of channels and method for manufacturing the honeycomb body
CN1925199A (zh) * 2005-08-29 2007-03-07 大同股份有限公司 燃料电池系统
EP2284938A1 (de) * 2009-07-13 2011-02-16 Vaillant GmbH Nachbrenner für erdgasbasierte Brennstoffzellenheizgeräte
RU2474929C1 (ru) * 2011-07-25 2013-02-10 Учреждение Российской академии наук Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН Электрохимический генератор на твердооксидных топливных элементах

Also Published As

Publication number Publication date
CN107407481A (zh) 2017-11-28
MX2017011294A (es) 2017-12-07
AU2016226061B2 (en) 2021-07-22
CA2978250C (en) 2023-09-26
US20160260990A1 (en) 2016-09-08
JP7156792B2 (ja) 2022-10-19
KR102611728B1 (ko) 2023-12-07
WO2016141304A1 (en) 2016-09-09
NZ735340A (en) 2023-01-27
JP2018515734A (ja) 2018-06-14
KR20170125371A (ko) 2017-11-14
EP3265723A1 (en) 2018-01-10
EP3265723B1 (en) 2022-05-04
AU2016226061A1 (en) 2017-08-24
CA2978250A1 (en) 2016-09-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6549601B2 (ja) ガス状燃料ｃｐｏｘ改質器と燃料セルの統合システム、及び電気を生成する方法
JP5499033B2 (ja) 空気分配装置を用いた改良型燃料電池スタックの流路フードの気流
EP3001492B1 (en) Fuel cell module and fuel cell device
EP2842190B1 (en) Fuel cell module with heat exchanger
EP3336946B1 (en) Solid oxide fuel cell system
JP5349251B2 (ja) 燃料電池システム
KR20150029647A (ko) 고체 산화물 연료 전지
CN107407481B (zh) 补燃器及其制造和操作方法
JP5150068B2 (ja) 改質器および間接内部改質型固体酸化物形燃料電池
JP2015018622A (ja) 燃料電池ユニット、燃料電池システム及びハイブリッド発電システム
JP2012003934A (ja) 固体酸化物型燃料電池
JP3649708B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP4418196B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP3972240B2 (ja) 固体電解質型燃料電池
JP5378032B2 (ja) 固体酸化物型燃料電池装置
US8841037B2 (en) Fuel cell system with burner
JP2018129127A (ja) 燃料電池セルスタック
KR20130010433A (ko) 공정 챔버로부터 배출되는 폐기 가스를 이용한 발전 장치
JP2010123288A (ja) 燃料電池システム及びその起動方法
KR20230074212A (ko) 연료 전지 발전 시스템, 및 연료 전지 발전 시스템의 제어 방법
GB2462849A (en) Improved fuel cell stack flow hood air flow using an air distribution device
WO2007066380A1 (ja) 固体酸化物形燃料電池システム、及び固体酸化物形燃料電池システムの駆動方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant