CN107408709A - 模块化燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种模块化燃料电池系统，其包括多个管状节段，该多个管状节段配置成以端对端关系装配在一起，以形成模块化燃料电池系统的内部容器。每个节段包括基部部分和与基部部分可分离的顶部部分。顶部部分和基部部分一起界定用于容纳氧化物燃料电池的集成块的内部空间。第一端帽和第二端帽被设置用于在内部容器的第一和第二相对端处密封各个节段，其中，所述内部容器定位在外部容器内，并且在内部容器的内部和外部容器的内部之间提供压力边界。

Description

模块化燃料电池系统

公开了一种模块化燃料电池系统。特别地，公开了一种包括分段内部容器的模块化高温燃料电池系统。

在过去几十年中，减少全球能源消耗的实现驱动了对寻找高电效能量解决方案同时还减少使用化石燃料释放有害排放气体产生的环境影响的兴趣。燃料电池提供具有至少50％的电效率的这样有发展前途的发电装置。燃料电池不会排放有害的污染气体，使其在与热力发动机相比时更环保。燃料电池由阳极、阴极以及电解质组成，电解质允许离子电荷在阳极和阴极之间流动，而电子被迫走外部电路径并因此提供电力供应。燃料电池通常根据所使用的电解质的类型进行分类，例如分为，固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)以及熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，或者可以根据其工作温度进行分类。例如，SOFC具有约700℃至1000℃的操作温度。温度变化可能在整个燃料电池上发生，并且可能对燃料电池寿命产生负面影响，同时也具有积极的作用，例如，提高燃料电池效率。因此，燃料电池设计在很大程度上依赖于竞争因素的妥协，以实现良好的燃料电池效率和寿命。

燃料电池将来自燃料(即，反应物)的化学能通过与氧或另一种氧化试剂(即，氧化剂)进行化学反应而转化成电。氢是最常见的燃料，但是也可以使用诸如天然气和醇类(如，甲醇)的烃类。将连续的反应物流和连续的氧化剂流供应到燃料电池以维持化学反应并产生电。只要供应这些输入，燃料电池就可以连续地发电。

存在扩大燃料电池的势头，以便输送特别是为固定电厂应用输送越来越多的电力。用于家庭和固定电源应用的期望输出为800W至数兆瓦。为了输送大功率输出，通过将单独的燃料电池串联连接和/或并联连接在一起，从而聚集单个燃料电池。因此，燃料电池元件可以包括串联连接在一起的多个单独的燃料电池。许多那样的燃料电池元件可以被聚集以形成更大功率的燃料电池元件，并且那些增加功率的燃料电池元件可以再次被聚集以形成另一个燃料电池元件。聚集的方式将取决于所需的输出，且还将受到装料和冷却剂要求的影响。在整个说明书中，术语燃料电池可以指单独的燃料电池或指代表某种聚集水平的燃料电池元件。特别地，燃料电池模块是指并联连接在一起的多个燃料电池单元，其中燃料电池单元是聚集的燃料电池元件。

目前固体氧化物燃料电池的主要变型是管式固体氧化物燃料电池(T-SOFC)、平面式固体氧化物燃料电池(P-SOFC)以及整体式固体氧化物燃料电池(M-SOFC)。

管式固体氧化物燃料电池包括具有内电极和外电极的管状固体氧化物电解质构件。通常内电极是阴极，且外电极是阳极。向管状固体氧化物电解质构件的内部中的阴极供应氧化剂气体，并且向管状固体氧化物电解质构件的外表面上的阳极供应燃料气体。(这也可以颠倒过来。)管式固体氧化物燃料电池允许简单的电池堆叠布置并且大体上没有密封件。

整体式固体氧化物燃料电池具有两种变型。第一变型具有在其两个主要表面上具有电极的平面状固体氧化物电解质构件。第二变型具有在其两个主要表面上具有电极的波纹状固体氧化物电解质构件。整体式固体氧化物燃料电池适用于较简单的流延和压延制造工艺，并且保证较高的功率密度。这种类型的固体氧化物燃料电池需要将整块中的所有燃料电池层从其坯体状态共烧结。

平面式固体氧化物燃料电池也适用于流延和轧制制造工艺。目前，平面式固体氧化物燃料电池需要厚度为150μm-200μm的自支撑固体氧化物电解质构件，这限制了性能。

固体氧化物燃料电池要在活性燃料电池内实现所需的电解质性能需要约700℃至约1000℃的操作温度。

简要概述

根据第一方面，公开了一种模块化燃料电池系统，其包括多个管状节段，该管状节段配置成以端对端的关系装配在一起，以形成模块化燃料电池系统的内部容器，每个节段包括基部部分和与所述基部部分可分离的顶部部分，所述顶部部分和所述基部部分一起界定用于容纳集成高温燃料电池块的内部空间，并且模块化燃料电池系统还包括第一端帽和第二端帽，该第一端帽和第二端帽用于在内部容器的相对的第一端和第二端处密封相应的节段，其中，所述内部容器定位在外部容器内，并且在内部容器的内部和外部容器的内部之间提供压力边界。

模块化燃料电池系统的优点在于，集成块可以通过移除顶部部分而从基部部分上方的位置安装在基部部分中，从而简化了模块化燃料电池系统的构建过程。具有可分离的顶部部分进一步提供了容易进入并且必要时移除或更换集成块的能力，而不需要通过从内部容器组件移除该节段来拆卸整个内部容器。为了能够移除任何单个节段，相邻的节段在支撑框架上被轴向移动足够远的距离，以使节段之间的共同连接件(例如，轴向主空气进料器和排气管道)脱开。基部部分和顶部部分可以使用连接器连接在一起。

可选地，模块化燃料电池系统设置有支撑构件，支撑构件布置成在外部容器中支撑内部容器。

可选地，支撑构件配置为提供用于安装保障设施、氧化剂歧管和燃料歧管以及其它必要的操作和维护管线的进入区域。

提供进入区域的优点是进入区域位于内部容器的外部。内部容器具有约700℃至约1000℃的操作温度，而内部容器和外部容器之间的空间配置为具有低于约150℃的操作温度。温度差异使得能够使用易于获得的较低温级部件和技术，包括在进入区域内的线材、电子部件以及连接器，这导致显著节省了模块化燃料电池的成本。

可选地，支撑构件是大体上平的框架，该大体上平的框架设置有用于将内部容器紧固到支撑构件的若干紧固件。这些紧固件可以以三点运动学安装布置设置。

可选地，基部部分被成形为与支撑构件的形状互补。优选地，基部部分具有大体上平的下侧。

成形为与大体上平的框架互补的大体上平的基部部分提供了将基部部分轻松安装在支撑构件上的优点。其进一步使得将集成块安装到节段的基部部分中变得轻松，并简化了保障设施、氧化剂歧管和燃料歧管以及其它必要的操作和维护管线的布置和密封，从而在内部容器和外部容器之间提供所需的压力边界。

可选地，顶部部分具有大体上c形的横截面。可选地，c形横截面的壁端与基部部分的相应的壁端连接。

外部容器可以配置成以比内部容器内的压力更大的压力进行操作。与内部容器内的压力相比，在外部容器内具有更大压力的优点是，内部压力边界的任何故障导致更冷的气体排放到内部容器中，而不是热气体逸出到外部容器中。

可选地，外部容器是大体上管状的容器。

节段的内表面可以包括隔离物。使节段的内表面隔离的优点在于，在内部容器的内部和内部容器的外部之间的热损失减小。通过减少来自内部容器的热损失，外部容器和内部容器之间的空间可以保持在低温下以使得能够在该空间中使用较低温级的材料。再次，这降低了模块化燃料电池系统的总成本，这是由于诸如管、密封环、紧固件的较低温级的材料比适于在内部容器内的操作温度下使用的等同的更高温级的材料成本低。需要通过隔离来减少来自内部容器的热损失，以将燃料电池系统的热平衡保持在所需的系统效率。

优选地，第一端帽和第二端帽在第一和第二端帽中的每一个的内表面上设置有隔离物。

通过在节段和端帽的内表面上设置隔离物，内部容器在内表面上设置有隔离物，从而限制集成块的热损失。

优选地，这些节段设置有布置在节段内的隔离板，以限制热量从一个节段传递到相邻的节段。提供隔离板的优点是，每个集成块被保护免受相邻的集成块之间的热损失。该特征允许补偿在模块化燃料电池系统的操作过程中出故障的一个或更多个集成块的总体影响，或者替代地，如果一个或更多个集成块不能在期望的操作温度下操作，则该特征允许补偿出故障的一个或更多个集成块的总体影响。

可选地，基部部分和/或顶部部分设置有氧化剂歧管。氧化剂歧管布置在内部容器的隔离物内。氧化剂歧管嵌入在隔离物内，以帮助控制流过氧化剂歧管的空气或氧化剂的温度。

可选地，氧化剂歧管具有足够大的横截面面积，以使沿内部容器的长度的压力损失最小化。氧化剂歧管可以轴向地穿过至少两个节段来布置。

可选地，进入区域提供用于向每个集成块提供燃料和服务设备的若干端口。

可选地，还提供了一种集成燃料电池块，其包括燃料电池，该燃料电池包括阳极、阴极和电解质、燃料供应部和氧化剂供应部以及循环回路，使得任何未使用的燃料或氧化剂被再循环并分别供回到燃料电池的燃料供应部和空气供应部中，其中，集成燃料电池块配置成装配到节段的基部部分中，并且燃料供应部布置成通过基部部分供应燃料电池。

集成燃料电池块的优点是，每个集成块的燃料供应部、氧化剂供应部和循环回路独立于其它集成块。结果是燃料及氧化剂管道和通道在关键制造内以相对较小的规模被并入，这使得制造集成块的复杂性和成本最小化。管道和通道的尺寸的减小有助于改善每个集成块的燃料和空气分配，并且能够在管道和通道中实现较低的压力。此外，整个燃料电池系统被简化，并减少了构建和后续的维护成本。

集成块能够在诸如泄漏的故障的情况下隔离特定的块，而不需要关闭整个系统并拆卸整个燃料电池系统。此外，集成块允许在安装到内部容器中之前测试单独的集成块。这降低了在内部容器内安装出故障的集成块的可能性，并降低了总生产时间和风险。

可选地，氧化剂供应部配置成与布置在节段的基部部分或顶部部分内的氧化剂歧管联接。

可选地，燃料供应部配置成与在较冷的外部容器体积内通过基座部分布置的燃料歧管联接。

可选地，集成块在集成块的至少一侧上设置有至少一个隔离板。

根据另一方面，提供了一种用于制造模块化燃料电池系统的方法，该方法包括：

将多个管状节段以端对端的关系定位以形成模块化燃料电池系统的内部容器，每个节段包括基部部分和与所述基部部分可分离的顶部部分，所述顶部部分和所述基部部分一起界定用于容纳集成高温燃料电池块的内部空间；

使用第一端帽和第二端帽在内部容器的相对的第一端和第二端处密封相应的节段；以及

将所述内部容器定位在外部容器中，从而在内部容器的内部和外部容器的内部之间提供压力边界。

根据另一方面，公开了一种用于修理模块化燃料电池系统的方法，该方法包括：

通过识别容纳出故障的集成高温燃料电池块的节段来识别模块化燃料电池系统中的出故障的集成高温燃料电池块；

从识别出的节段的基部部分分离和移除顶部部分；

将若干连接器或管断开，所述若干连接器或管布置成将出故障的集成高温燃料电池块连接到设置在所述内部容器的外部的若干服务设备；

将出故障的集成高温燃料电池块从所述基部部分移除，并用可工作的集成高温燃料电池块更换出故障的集成高温燃料电池块；以及

更换顶部部分并密封节段以形成密封的内部容器。

一种修理模块化燃料电池系统的方法，该方法包括：

识别内部容器内的有缺陷的节段，该内部容器由以端对端的关系装配在一起的多个节段形成；

通过断开若干连接器或管并且通过断开紧固件而将节段与支撑框架分离，该紧固件布置成以端对端的关系将节段连接到相邻的节段和/或端帽；

将所述有缺陷的节段从内部容器移除；以及

用可运行的节段更换所述有缺陷的节段，并重新连接若干连接器或管且重新连接紧固件以形成密封的内部容器。

可选地，该方法还包括识别有缺陷的集成高温燃料电池块，并识别作为有缺陷的节段的相应的节段。

附图简述

参考附图在下文中进一步描述本发明的实施方案，在附图中：

图1示出了包括集成块、内部容器节段、支撑框架，内部容器概况和外部容器的示例的模块化燃料电池系统的示例的；

图2示出了内部容器的示例的三维视图；

图3示出了移除顶部部分的内部容器的示例的三维视图；

图4示出了支撑框架的示例；

图5示出了通过节段的剖视图；

图6示出了节段的下侧；

图7示出了基部部分的示例，示出了基部部分中的隔离物；

图8是安装在基座部分中的集成块的示例。

详细描述

在描述的实施方案中，类似的特征用类似的数字标识，尽管在一些情况下类似的特征用具有100的整数倍增量的数字标识。

集成的高温燃料电池块也被称为集成块。

图1示出了模块化燃料电池系统1的示例，其包括外部容器10，由多个节段40构成的内部容器30位于该外部容器10内。在每个节段40内，设置有一个或更多个集成燃料电池块70(集成块)。内部容器30由支撑架或框架80支撑，支撑架或框架80还为所需的所有燃料电池服务设备(例如，燃料供应部、电缆、诸如线材、电子部件和连接器的仪器)提供支撑和构建框架。

节段40以端对端关系装配在一起以形成如图2所示的内部容器30。节段40是管状的。每个节段40包括基部部分50和顶部部分60。如图3所示，顶部部分60与基部部分50是可分离(在该图中，顶部部分60已经被移除以露出安装在基部部分50中的集成块70)。基部部分50和顶部部分60装配在一起以产生用于容纳固体氧化物燃料电池的至少一个集成块70的内部空间。顶部部分60可以从基部部分50移除，以便将集成的燃料电池块70轻松安装和组装在节段40内，这是由于集成块70可以在竖直方向上从节段40的顶部安装。

内部容器30包括用于在内部容器30的第一和第二相对端部31、33处密封节段30的端帽32、34。端帽32、34和节段40一起形成如图2所示的内部容器30。端帽32、34在内部容器30的端部节段40₁、40n与外部容器10之间产生压力边界。端帽32、34设置有氧化剂端口36以向节段提供氧化剂37，并与内部容器30的公共氧化剂歧管联接，并且设置有排气端口38以从内部容器30的公共排气管道移除废气产物39。

内部容器30定位在外部压力容器10内，并且定位在外部容器10内的内部容器30的布置在内部容器30的内部和外部容器10的内部之间提供压力边界。

外部容器10是具有互补端口16、18和多个端口12、14的大体上圆柱形的容器，互补端口16、18用于连接到氧化剂歧管和排气歧管，多个端口12、14用于保障设施、服务设备和燃料供应部。

因此，内部容器30由多个可拆卸的节段40形成。需要至少两个可拆卸的节段40以及两个端帽32、34，以形成能够安装一个或更多个集成燃料电池块70的单一压力边界。

基部部分50和顶部部分60通过使用在螺栓接头的一侧上的孔44(见图4的示例)中的插入件借助于垫片42(见图3)螺栓连接在一起而被接合，该螺栓接头具有肩部以形成受控的压缩垫片厚度。这确保了在组件的规模随着附加节段40而轴向地增加时精确的组装几何尺寸。

在替代布置中，可以使用夹子/夹具接头来最小化成本。夹子/夹具接头适合于内部容器30，这是由于当操作时，在外部容器10的内部和内部容器30的内部之间存在压力差，使得内部容器30在操作过程中处于压缩状态。此外，在夹子/夹具接头装置中，端帽32、34的大面积提供所需的轴向接头夹紧力以保持内部容器30的结构完整性。

内部容器30提供用于串联连接多个节段40的装置，以简化较大燃料电池系统的生产。这提供了增加或减少模块化燃料电池系统1的功率输出的能力，而不必重新设计集成块70或内部容器30的架构。

如上所述，节段40由基部部分50和顶部部分60形成。基部部分40具有至少一个大体上平的表面46。平表面46提供基部，以支撑一个或更多个集成块70，并在模块化燃料电池系统1的较冷部分中提供进入区域90。如图4所示，平表面46还简化了通过支撑架80将内部容器30安装到外部容器10。进入区域90在图5中以虚线示出。

支撑架80是开放式基体，并且其配置成插入外部容器10中并附连到外部容器10的内壁。支撑架80设置有用于将内部容器30(以及因此节段40)紧固到支撑架82的紧固件82。在一个示例中，使用三点运动学安装系统将内部容器30固定到支撑架80。在另一个示例中，对准构件用于使内部容器30在支撑架80中对准，且另一组对准构件用于使支撑架80在外部容器10中对准。

支撑架80能够改善进入区域90在内部容器30的外部以及因此在比内部容器30的操作温度更冷的区域中的使用，这是由于支撑架80提供用于将燃料管线和保障设施84连接到内部容器30的框架。温度差异提供了使得能够在进入区域90内使用较低温度级的部件的益处，这导致极大地节约了生产模块化燃料电池系统1的成本以及使用易于获得的部件和技术，包括用于电力管理的电子器件和仪器。

支撑框架80提供了用于安装各个节段的装置以便于组装和维护，且因此提供了移除出故障的节段40或出故障的集成块70的容易性。支撑框架80附接到内部容器30的外部的大体上平的表面46，且因此位于外部容器10的相对冷的区中。支撑框架80提供了在较低温度下定位和支撑燃料供应部的架构，这是由于支撑框架80处于较冷的区中。支撑框架80还可以用于将燃料电池控制系统与每个集成块70上的仪器进行接口，以控制过程操作和监控系统诊断。

支撑框架80用于在较冷区内定位和支撑使集成块70内的燃料电池产生的功率转移所需的部件和电路。

在内部容器30外部的区域中附接并定位在支撑框架80上的服务设备使得能够容易地进入组装和修理，并且提供从沿内部容器30的任何位置移除单个节段40的能力。

支撑框架80适于插入到布置在外部容器10的内壁上的轨道中。支撑框架80设置有高度可调节的轮86，以确保在支撑框架80和外部容器10之间的正确支撑和负载转移。因此，压力容器10支撑来自内部容器30的负载，其中框架80用于支撑所有的服务设备、组件以及安装加维护。因此，支撑框架不需要独立地支撑内部容器的重量。内部容器的节段和端帽在支撑框架上组装并固定在一起，并且组装的内部容器通过将支撑框架滚动到外部容器中或者在支撑框架上滚动/滑动外部容器而被插入到外部容器中。支撑框架的轮使得能够结合外部容器轨道上的引导件容易地组装。

基部部分50配置成使得基部部分的表面的至少一部分被成形为与大体上平的支撑架80互补。基部部分50在支撑架80上的安装被简化，并且集成块70到节段40的基部部分50中的安装被简化。此外，平支撑架80和平基部部分50容易地安装和密封保障设施、燃料歧管以及其它基本的操作和维护管线，这是由于进入集成块70的入口直接布置在集成块70下方。

因此，基部部分50设置有许多端口84，许多端口84向每个集成燃料电池块70提供燃料和服务设备，如图6所示。端口84适于其预定的使用。一个端口用于将燃料输送到每个集成块的阳极回路。另一个端口用于将燃料输送到每个集成块的辅助回路。一个端口用于来自每个集成块的电力。另一端口用于仪器，包括气体采样管线、压力采样管线和来自每个集成块70的热电偶。这使得能够在集成块70级进行系统控制和诊断。如图5和图6所示，支撑框架80和基部部分50的平表面46的布置使得服务设备和保障设施能够竖直地安装穿过基部部分50。

节段40在节段的内表面上设置有隔离物48，以限制和控制来自每个集成块70的热损失。图5、图6以及图7示出了隔离物在节段40中的布置。隔离物48还能够管理内部容器壁温度，以使得能够使用常规的具有成本效益的材料来制造。将材料保持在较低温度下会增加材料的使用寿命，降低材料中的机械和热应力，减少蠕变变形并减少腐蚀。此外，最小化热损失可以改善模块化燃料电池系统的总效率。

如图5、图6、图7以及图8所示，在节段40的内壁上使用了微孔陶瓷隔离物。微孔陶瓷隔离物48被封装在金属包层中，以便形成精确的形状并且易于处理隔离物。金属包层微孔陶瓷隔离物被成形为根据需要互锁和重叠以防止到内部容器的金属表面的可视通路，进而最小化热损失。微孔陶瓷隔离物是目前可用而无需真空的最佳绝热材料。可以使用其它隔离材料，但是可能需要附加成分，例如，真空。如果使用真空，则可以减小隔离物的总厚度，并且可以减小模块化燃料电池系统的总尺寸，而不会降低系统的总体功率能力，或者增加总功率而不需要通过创建更多可使用的内部容积来增加模块化燃料电池系统的总尺寸。

如上所述，内部容器30设计成在其外表面上以正压力操作，以确保压力边界的任何失效导致较冷的气体排放到容纳容器中，而不是热气体逸出到外部容器中。

氧化剂歧管56设置在每个节段40中。氧化剂歧管56从在节段40之间轴向延伸的公共防漏氧化剂歧管56向每个集成块70供应相等的氧化剂供应。氧化剂歧管56具有大的横截面，以最小化涡轮机械之间的压力损失，该涡轮机械产生用于集成块70的氧化剂。大横截面氧化剂歧管56的尺寸被设计成使沿内部容器的长度的压力损失最小。因此，氧化剂歧管56的横截面面积是内部容器30的长度的函数和模块化燃料电池系统内的集成块70的数量的函数。根据模块化燃料电池系统所需的功率输出变化的要求范围，优化氧化剂歧管56的横截面面积。

如图5、图6以及图8所示，氧化剂歧管56被包含在节段40的基部部分50或顶部部分60的内壁隔离物48内。氧化剂歧管56在节段30之间轴向地延伸，以向每个集成块70提供预定温度的氧化剂。流经歧管56的氧化剂的温度可以通过氧化剂歧管在隔离物内的位置而被优化。与流过不那么深地定位在隔离物中的氧化剂歧管的氧化剂相比，在较深地嵌入在隔离物内的氧化剂管中流动的氧化剂将具有更低的温度。

此外，氧化剂歧管56以波纹管、柔性管或机械滑动接头的形式在每个节段内设置有内置热机械顺应性(built in thermo-mechanical compliance)，以使得易于组装并最小化热应力。

内部容器30设置有用于从每个集成块70排出空气的排气管道58。排气管道58具有大的横截面面积，以最小化沿管道58的长度的压力损失和压力变化。排气管道58也在每个节段40内设置有内置热机械顺应性，排气管道58可以是波纹管或滑动接头的形式。

节段40各自设置有热屏障72，使得当被串联连接时，内部容器30在每个节段40之间以及因此在每个集成块70之间具有热屏障72，如图8所示。热屏障72减少了单个集成块70的操作温度变化的影响，而不会显著影响相邻的节段40。热屏障72不会在每个节段40之间产生压力边界。热屏障72由隔离材料板形成，例如，封装在金属包层中的微孔陶瓷隔离物。

端帽32、34具有集成的热屏障，以限制节段的热损失并且管理端帽壁温度，以使得能够使用常规的具有成本效益的材料来制造端口和连接管。

集成块70包括多个燃料电池元件。许多集成块70可以根据燃料电池系统1的期望的总输出而在特定的节段40中并联连接。

每个集成块70设置有其自己的支撑在支撑框架80上的燃料和经由公共氧化剂歧管56的空气供应。此外，来自燃料供应的任何未使用的燃料和来自空气供应的空气在集成块内被再循环，以提高效率，使得每个集成块是可操作的单独的单元。

集成块70配置为提供约15kWe至约100kWe。在这个范围内，所需的管道和通道可以以相对较小的规模并入关键制造中，以最小化复杂性和成本。

集成燃料电池块70定位在节段40中并且与至少一个其它节段连接以形成内部容器30。阴极回路对内部容器容积开放。阴极回路不包括废气燃烧器(OGB)，因此阴极回路通常是干燥的，这是由于其仅含有环境水分。集成燃料电池块70包括连接到阴极喷射器的阴极主空气进料器和连接到阳极喷射器的燃料主进料器。重整器组件和热交换器组件也并入到集成块中。辅助喷射器也设置在主空气进料器内。

在替代实施方案中，重整器排出空气可以被引导到阴极喷射器二次进料器和辅助喷射器二次进料器，其中阴极喷射器出口通向层容积。在这种情况下，层容积仍然是“干的”。

在替代实施方案中，阴极喷射器和辅助喷射器都可以用热交换器出口进行引导，即，排气流通向层容积。在该构型中，层容积将包含来自辅助回路的水分，辅助回路包含废气燃烧器(OGB)。

引入耐蒸汽电池阴极材料可以消除对辅助回路和附加热交换器的需求。在这种情况下，燃料和主阴极空气流将在集成块70内局部再循环。

集成块70包括在各个堆叠块内所需的燃料和空气供应部以及相关联的再循环回路。这消除了对具有其相关的压力损失和热膨胀问题的层级循环回路的需求，并且如果需要，能够在操作过程中使单个堆叠块或多个堆叠块被隔离。这是超越先前的堆叠和层构型的一个关键优势，能够显著改善发电机模块规模的可靠性。每个块的专用燃料和空气供应部以及再循环回路也可以显著地改善层内的燃油和空气分布。

集成块70可以通过改变阴极和辅助环的打开位置以多种方式配置，其中每个选项提供替代的操作条件和环境。

喷射器和再循环回路以块规模并入也使得流动路径长度最小化，成为主重整器与热交换器组合组件的组成部分。

集成块70的一个优点是它们可以独立于模块化燃料电池系统的其余部件被预组装和制造。集成块70也可以在安装之前对顺应性进行测试，这显著简化了制造并加快了燃料电池容器规模的组装。此外，单个集成块70可以以对剩余集成块70影响最小的方式更换。

进入区域的另一个优点是，集成块70的服务设备和保障设施是容易看到的并且是可进入的以便构建和维护。低温进入区域使得能够使用常规材料和技术来向集成块70、仪器以及电力连接件提供服务设备，并且使得能够容易地将单独的燃料供应物供给到每个节段，每个节段在出现问题时可以在操作过程中根据需要被隔离，同时使剩余集成块70保持操作。

模块化燃料电池系统1是容易地可扩展的设计，以通过改变容器节段40的数量来增加或减少功率输出，而不需要显著地重新设计任何部件。

使氧化剂歧管56在节段40中的隔离物48内内部地隔离提供了当模块化燃料电池系统1处于操作温度时对流过氧化剂歧管56的氧化剂的温度的控制。这种布置使从系统1的热损失最小化，并且消除了为了控制氧化剂歧管温度而对附加隔离物的需求。

集成块70的另一个益处是改善的产品可靠性，这是由于在块70或燃料回路内出现问题时将向每个块70供应的燃料物单独地隔离的能力。

模块化燃料电池系统也可用于高温燃料电池系统中，例如固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池。

对于本领域技术人员将清楚的是，关于上述任何实施方案描述的特征可以在不同实施方案之间可互换地应用。上述实施方案是示出本发明的各种特征的示例。

在本说明书的整个描述和权利要求中，词语“包括”和“包含”以及其变型意指“包括但不限于”，并且其不意图(并且不)排除其他部分、添加物、部件、整体或步骤。贯穿本说明书的描述和权利要求，单数涵盖复数，除非上下文另有要求。具体地，在使用不定冠词时，本说明书应被理解为考虑复数以及单数，除非上下文另有要求。

结合本发明的特定方面、实施方案或示例所描述的特征、整体、特性、化合物、化学部分或基团应理解为可应用于本文所述的任何其它方面、实施方案或示例，除非与该方面、实施方案或示例不相容。在本说明书(包括任何附随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或这样公开的任何方法或过程的所有步骤，可以以任何组合组合，除了此类特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合之外。本发明不限于任何前述实施方案的细节。本发明扩展至在本说明书(包括任何附随的权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖特征或任何新颖组合，或这样公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的步骤或任何新颖的组合。

阅读者的注意力被指向与本说明书有关的与本说明书同时地或在本说明书之前被提交的并且随本说明书向公众开放的所有的论文和文献，并且所有的这类论文和文献的内容通过引用并入本文。

Claims (23)

1.一种模块化燃料电池系统，包括多个管状节段，所述管状节段配置成以端对端的关系装配在一起，以形成所述模块化燃料电池系统的内部容器，每个节段包括基部部分和与所述基部部分可分离的顶部部分，所述顶部部分和所述基部部分一起界定用于容纳集成高温燃料电池块的内部空间，并且所述模块化燃料电池系统还包括第一端帽和第二端帽，所述第一端帽和所述第二端帽用于在所述内部容器的相对的第一端和第二端处密封相应的节段，其中，所述内部容器定位在外部容器内，并且在所述内部容器的内部和所述外部容器的内部之间提供压力边界。

2.根据权利要求1所述的模块化燃料电池系统，还设有支撑构件，所述支撑构件布置成在所述外部容器中支撑所述内部容器。

3.根据权利要求2所述的模块化燃料电池系统，其中，所述支撑构件配置成提供进入区域，所述进入区域用于安装保障设施、氧化剂歧管和燃料歧管、用于电力管理的电子器件和仪器，以及其它必要的操作和维护管线。

4.根据权利要求2或3所述的模块化燃料电池系统，其中，所述支撑构件是大体上平的框架，所述大体上平的框架设置有用于将所述内部容器紧固到所述支撑构件的多个紧固件。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的模块化燃料电池系统，其中，所述基部部分成形为与所述支撑构件的形状互补。

6.根据前述权利要求中任一项所述的模块化燃料电池系统，其中，所述基部部分具有大体上平的下侧。

7.根据前述权利要求中任一项所述的模块化燃料电池系统，其中，所述外部容器配置成以比所述内部容器内的压力更大的压力进行操作。

8.根据前述权利要求中任一项所述的模块化燃料电池系统，其中，所述外部容器是大体上管状的容器。

9.根据前述权利要求中任一项所述的模块化燃料电池系统，其中，所述多个节段中的至少一个的内表面设置有隔离物。

10.根据前述权利要求中任一项所述的模块化燃料电池系统，其中，所述第一端帽和所述第二端帽在所述第一端帽和所述第二端帽的内表面上设置有隔离物。

11.根据前述权利要求中任一项所述的模块化燃料电池系统，其中，所述节段设置有布置在所述节段内的隔离板，以限制热量从一个节段传递到相邻的节段。

12.根据前述权利要求中任一项所述的模块化燃料电池系统，其中，所述基部部分和/或所述顶部部分设置有氧化剂歧管。

13.根据权利要求12所述的模块化燃料电池系统，其中，所述内部容器包括隔离物，并且所述氧化剂歧管布置在所述隔离物内。

14.根据权利要求13或14所述的模块化燃料电池系统，其中，所述氧化剂歧管轴向地穿过至少两个节段来布置。

15.根据前述权利要求中任一项所述的模块化燃料电池系统，还包括集成燃料电池块，所述集成燃料电池块包括燃料电池，所述燃料电池包括阳极、阴极和电解质、燃料供应部和氧化剂供应部以及循环回路，使得任何未使用的燃料或氧化剂被再循环并分别供回到所述燃料电池的所述燃料供应部和空气供应部中，其中，所述集成燃料电池块配置成装配到节段的基部部分上，并且所述燃料供应部布置成通过所述基部部分供应所述燃料电池。

16.根据权利要求15所述的模块化燃料电池系统，其中，所述集成块与所述基部部分中的端口联接，所述端口配置成将保障设施、服务设备和其它必要的操作和维护管线安装到所述集成块。

17.根据权利要求15或16所述的模块化燃料电池系统，其中，所述氧化剂供应部配置成与布置在所述节段的所述基部部分或顶部部分内的氧化剂歧管联接。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的模块化燃料电池系统，其中，所述燃料供应部配置为与布置成穿过所述基部部分的燃料歧管联接。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的模块化燃料电池系统，其中，所述集成块在所述集成块的至少一侧上设置有至少一个隔离板。

20.一种用于制造模块化燃料电池系统的方法，所述方法包括：

将多个管状节段以端对端的关系定位以形成所述模块化燃料电池系统的内部容器，每个节段包括基部部分和与所述基部部分可分离的顶部部分，所述顶部部分和所述基部部分一起界定用于容纳集成高温燃料电池块的内部空间；

使用第一端帽和第二端帽在所述内部容器的相对的第一端和第二端处密封相应的节段；以及

将所述内部容器定位在外部容器中，从而在所述内部容器的内部和所述外部容器的内部之间提供压力边界。

21.一种修理模块化燃料电池系统的方法，所述方法包括：

通过识别容纳出故障的集成高温燃料电池块的节段来识别模块化燃料电池系统中的出故障的集成高温燃料电池块；

从所识别的节段的基部部分分离和移除顶部部分；

将多个连接器或管断开，所述多个连接器或管布置成将出故障的集成高温燃料电池块连接到设置在所述内部容器的外部的多个服务设备；

将出故障的集成高温燃料电池块从所述基部部分移除，并用可工作的集成高温燃料电池块更换出故障的集成高温燃料电池块；以及

更换所述顶部部分并密封所述节段以形成密封的内部容器。

22.一种修理模块化燃料电池系统的方法，所述方法包括：

识别内部容器内的有缺陷的节段，所述内部容器由以端对端的关系装配在一起的多个节段形成；

通过断开多个连接器或管并且通过断开紧固件而将所述节段与支撑框架分离，所述紧固件布置成以端对端的关系将所述节段连接到相邻的节段和/或端帽；

将所述有缺陷的节段从所述内部容器移除；以及

用可运行的节段更换所述有缺陷的节段，并重新连接所述多个连接器或管且重新连接所述紧固件以形成密封的内部容器。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述方法还包括识别有缺陷的集成高温燃料电池块，并且识别作为所述有缺陷的节段的相应的节段。