CN107887623B - 用于内部歧管式固体氧化物燃料电池堆叠的互连件以及相关方法和电力系统 - Google Patents

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Abstract

本公开描述一种内部歧管式固体氧化物燃料电池(SOFC)堆叠，其包括与阴极互连结构集成的阳极互连结构。所述阳极互连结构包括燃料流场；且所述阴极互连结构包括空气流场。所述两个结构被配置成允许空气和燃料跨越所述互连件的平面的平行流动，而用于所述燃料的歧管开口跨越所述互连结构的平面布置于交叉流定向上。还描述相关过程以及一种发电系统，所述发电系统包括并入有此类型互连件的SOFC，所述SOFC直接或间接地附接到例如内燃机等至少一个动力块。

Description

用于内部歧管式固体氧化物燃料电池堆叠的互连件以及相关 方法和电力系统
技术领域
本发明大体上涉及固体氧化物燃料电池的领域。
背景技术
类似于其它燃料电池，固体氧化物燃料电池(SOFC)是通过跨越离子导电层以电化学方式组合燃料与氧化剂而产生电的能量转换装置。合意地，并入有高温燃料电池的发电系统具有较高的效率和电力输出的可能。示范性高温燃料电池具有高于约600℃的操作温度；且SOFC通常在约600℃与850℃之间的范围内操作。燃料电池通过分别在阳极和阴极处将燃料和氧化剂催化为电离的原子氢和氧而产生电。在阳极的电离过程中从氢移除的电子传导到阴极，在阴极处所述电子电离氧。
在固体氧化物燃料电池的情况下，氧离子传导通过电解质，在电解质处所述氧离子与电离氢组合以形成水作为废产物且完成过程。电解质另外对燃料和氧化剂均不可渗透，且仅传导氧离子。此系列的电化学反应是在燃料电池内产生电力的仅有方式。因此希望减少或消除反应物的任何混合。否则，可能发生不产生电力的不同结果，例如燃烧，并且因此降低燃料电池的效率。
典型燃料电池在小于约一伏特的电位处操作。为了实现用于发电应用的足够电压，将若干个别燃料电池集成为较大的组件。为了产生燃料堆叠，使用互连部件或“互连件”将邻近的燃料电池电串联连接在一起，其方式为使得邻近单元的燃料和氧化剂不会混合在一起。互连件在SOFC堆叠中起到关键作用。它们必须展现优良导电性，以及强度和在高温下的热及尺寸稳定性。所述互连件还应当对氧气和氢气不可渗透，以便防止它们在电池操作期间的接触。它们还应当根据允许高效电池组装的配置以及通过电池的空气和燃料流动而相对容易制造。
用于平面电池的SOFC堆叠极经常依赖于内部歧管通道，以用于经由一个或多个互连件将燃料和空气输送到电池的活性区域。这些气态反应物在歧管和互连件内的路径和分布已经是多年来大量研究的主题，因为这对堆叠操作具有此关键影响。例如参考J.Jewulski等人的“在电负载条件下固体氧化物燃料电池堆叠的流动分布分析(FlowDistribution Analysis of the Solid Oxide Fuel Cell Stack under ElectricalLoad Conditions)”，B07-SOFC；电池与组件3，2009。除确保通过电池中的通道的恰当气流之外，互连结构还必须有效地提供歧管开口周围的密封件，即可承受电池的高温操作的密封件。
在典型的SOFC互连件设计中，燃料和空气的平行流动(常常为反向流动布置)对于燃料电池的最佳性能是优选的，部分是由于由燃料再形成及能量产生带来的大量的热。然而，反向流动布置通常要求燃料和空气端口(歧管开口)紧靠彼此。在一些情况下，它们的邻近位置会不合需要地减少歧管对电池的流动面积的接入，且也会增加燃料到空气渗漏的可能性。
相比之下，交叉流设计，即燃料流和空气流以90°交叉的情况，常常是有利的，因为歧管开口例如在平面互连件的相对侧面上可以彼此隔开。这允许制造的容易，且使空气与燃料之间的过早接触的可能性最小化。然而，交叉流设计出于其它原因有时候是不利的，例如在燃料电池操作期间形成大温度梯度的倾向。
谨记这些一般考虑，此项技术中将欢迎用于固体氧化物燃料电池的改进的互连件。增强燃料和空气通过燃料电池结构的流动的互连件配置将是特别合意的，可能组合交叉流设计和反向流动(平行)设计的优点。互连件还应当能够提供其中必须紧密地控制或阻止空气和燃料流动的任何歧管开口或其它通路周围的密封结构。此外，互连件应当相对容易制造并按工业规模组装成完整的SOFC电力堆叠。
发明内容
本发明的一个实施例是针对一种用于内部歧管式(internally-manifolded)固体氧化物燃料电池(SOFC)堆叠的互连件，其包括与阴极互连结构集成且邻近于阴极互连结构的至少一个阳极互连结构。阳极互连结构包括燃料流场；且阴极互连结构包括空气流场。两个结构被配置成允许空气和燃料跨越互连件的平面的平行流动，而用于阳极互连结构和阴极互连结构的歧管开口布置于交叉流(cross-flow)定向上。
优选的，平行流动配置是反向流动或同向流动。
优选的，邻近的阳极和阴极互连结构各自是彼此附接以形成互连件的大体上平面板。
优选的，互连件包括第一表面以及与第一表面相对的第二表面，其中表面中的每一个包括充当相应燃料流场和空气流场的纵向流动通路。
优选的，燃料流场和空气流场共同界定燃料电池的平面活性区域。
优选的，燃料电池的平面活性区域跨越平面是大体上正方形的；且歧管开口邻近于正方形的四条边定位；使得邻近于一条边的至少一个空气进入歧管与邻近于相对边的至少一个空气输出歧管对置；且邻近于一条边的至少一个燃料进入歧管与邻近于相对边的至少一个燃料输出歧管对置。
优选的，从燃料进入歧管到燃料输出歧管的燃料流场跨越活性区域的平面是正弦形的。
优选的，正方形活性区域的四条边包括互连件的周边区；且邻近于周边区的密封件以足以防止空气和燃料彼此接触的配置围绕且密封歧管开口。
优选的，电池堆叠包括彼此并置的多个固体氧化物燃料电池；其中互连件中的至少一个安置于每一SOFC电池之间，互连件能够提供至少两个邻近电池之间的电互连。
优选的，用于每一阳极互连结构和每一阴极互连结构的歧管开口垂直对准于燃料电池堆叠的每另一个相应阳极和阴极互连结构中的歧管开口。
优选的，能够防止燃料与空气的接触的至少一个分离器板安置于阳极互连结构与阴极互连结构之间。
优选的，歧管板结构位于分离器板与阳极互连结构之间；且被配置成跨越互连件的平面相对于空气流在反向流动方向上引导燃料从阳极互连件歧管开口的流动。
优选的，歧管板结构包括提供用于引导燃料流动的配置的预选定燃料路由路径的模式。
另一实施例是针对一种用于在用于内部歧管式SOFC堆叠的平面互连件表面上提供空气和燃料的平行流动的方法，其中互连件表面上的燃料歧管开口布置于交叉流定向上。此方法包括通过插入于阳极互连件与阴极互连件之间的歧管板结构中的燃料路由路径引导燃料流动的步骤。燃料路由路径被配置成相对于跨越平面互连件表面的空气流将燃料流动从交叉流定向重定向到平行流动定向。
优选的，平行流动定向处于反向流动方向上。
本发明的再另一个实施例涉及一种发电系统，其包括直接或间接地附接到至少一个动力块的固体氧化物燃料电池(SOFC)。如下文进一步描述，SOFC包括与阴极互连结构集成且邻近于阴极互连结构的至少一个阳极互连结构。阳极互连结构包括燃料流场；且阴极互连结构包括空气流场。两个结构被配置成允许空气和燃料跨越互连件的平面的平行流动。用于阳极互连结构和阴极互连结构的歧管开口布置于交叉流定向上。
优选的，呈能够产生电和机械功的组合循环发电设备的形式。
优选的，燃料电池包括被配置成产生尾气的阳极，且其中燃料电池附接到在燃料电池下游的烃燃料重整系统，烃燃料重整系统被配置成组合烃燃料与燃料电池尾气，以使得烃燃料和燃料尾气的至少一部分转换成包括二氧化碳的重整燃料流。
优选的，被配置成使得重整燃料流的一部分经通道回到燃料电池的入口。
优选的，动力块是选自燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、内燃机或额外燃料电池。
各种发明实施例的这些和其它细节及特征将从与附图结合做出的以下详细描述变得显而易见。
附图说明
图1是燃料电池互连结构的一部分的示意图，示出了本发明的实施例的燃料流场。
图2是本发明的燃料电池互连结构的另一部分的示意图，示出了空气流场。
图3是根据一些发明性实施例的用于燃料电池互连结构的燃料流动路径的简化图示。
图4是根据本发明的说明性实施例的多层互连结构的示意图。
图5是根据本发明的用于对燃料流动路径进行建模的用于SOFC的阳极互连结构的描绘。
图6是根据本发明的用于对燃料流动路径进行建模的用于SOFC的另一阳极互连结构的描绘。
图7是基于由图5和6例示的流动通道模型系列的燃料速度变化曲线图。
具体实施方式
应注意，在介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表示这些是元件中的一个或多个，除非另外指示。而且，术语“和/或”包括相关的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。术语“包括”和“具有”旨在为包括性的，并且意味着可能有除了所列元件之外的额外的元件。本文在说明书和权利要求书中通篇使用的近似语言可以用于修饰任何定量表示，这些定量表示可以容许变化而不会导致其相关的基本功能变化。因此，由诸如“约”或“基本上”等一个或多个术语修饰的值不限于指定的确切值。在一些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度。
图1和2中说明用于本发明的实施例的互连件10的一部分。为便于观察，阳极互连结构12图示为与阴极互连结构14并排。(为简洁起见，所述结构在本文中有时分别被称作“阳极互连件”和“阴极互连件”)。实际上，阳极与阴极互连件相集成。通常，阴极互连件14安置于阳极互连件12上且与其附接，从而形成刚性板，所述刚性板以选定图案并入有阳极气体和阴极空气通路。(其它介入的板结构通常安置于结构12与14之间，如下文进一步描述)。
在一些实施例中，阳极互连件和阴极互连件是大体上平面的板。附图中描绘的板在平面上是六边形的，但它们可以是适合于燃料电池的给定制造与操作情形的任何形状。(还如下文描述，每一板内的活性区域(active region)常常是大体上正方形的)。每一活性区域的周边区包括以足以防止空气和燃料彼此接触的配置围绕且密封歧管开口的密封件。
所述互连件通常由能够在SOFC的较高温度特性下操作的导电材料制造。非限制性实例包括不锈钢、镍、镍合金、FeCr合金、镍铬合金、金、银、铂、钯、钌、铑或其各种组合。不锈钢和相关合金常常是优选的。
阳极互连件12包括燃料流场24。阴极互连件14包括空气流场26。如领域内已知，所述两个流场共同界定电池的平面活性区域。每一流场通常被形成为一系列纵向平行通路，例如波纹通道(corrugated channel)。根据允许燃料-空气反应仅在指定时间和位置发生的路线(routing)配置，所述通道通常由歧管供应，且运载适当媒介(燃料或空气)。如所属领域的技术人员理解，可以使用大量燃料用于SOFC，例如甲烷和其它轻烃类。常常外部重整的较重的烃类同样可以被使用，例如汽油、柴油、喷气燃料(jet fuel)或生物燃料。进入SOFC的进料也可以包括二氧化碳、一氧化碳、水和氢气。
燃料流场24和空气流场26可以对准以提供同向流(co-flow)或反向流(counter-flow)的平行流动。在SOFC的情况下的平行流动可以是有利的，潜在地提供较好的电池性能，部分是由于燃料电池堆叠的给定层级内的热的更均匀分布，即跨越各种堆叠层级的表面的更有利的热梯度。在一些情况下，平行的同向流对于包括一个或多个外部重整系统的SOFC系统是优选的。平行反向流对于内部重整SOFC系统常常是优选的。
如先前提及，互连件10包括将将燃料路由到阳极腔室(下文描述)且将空气引导到阴极腔室的内部歧管。如所属领域的技术人员理解，内部歧管是位于燃料电池壳体15内的自含式反应物递送系统。它们仅需要连接到外部反应物槽或其它外部反应物源即可以操作。
继续参考图1，特别的显示出了燃料流场，歧管开口16和18。燃料入口歧管16与燃料出口歧管18相对而定位。它们沿着每一维度“D”的特定位置可以改变，但通常它们相对靠近所述维度的相应中点。此外，设计配置也将允许入口歧管16和出口歧管18的所说明位置反转。
图中还描绘了空气歧管开口20和22。空气入口歧管20与空气出口歧管22相对而定位。如在燃料歧管开口的情况下，空气歧管开口沿着维度“D1”的特定位置可以改变，但通常它们靠近维度中点。还可以切换所述相对位置。此外，可以使用大体上彼此平行的多个空气出口歧管和入口歧管。在图1和2中，描绘且标记中央空气歧管20和22，但还示出了任选的邻近歧管开口。歧管的最适当数目将取决于本文论述的许多因素，包括通过互连件的空气流的所需的量和模式。
图1中描绘的歧管开口的交叉流定向可以是极有利的。举例来说，以此方式对准的歧管制造且并入燃料堆叠电池中是相对容易的。此外，交叉流定向常常促进互连件的“空气侧”上的较好流体流动分布。此外，交叉流可以准许燃料电池内的较好密封。熟悉本领域的人员了解例如SOFC的高温燃料电池中密封件的完整性是用于维持装置的可用寿命的一个关键参数。
图1中描绘的配置包括燃料路径28，所述燃料路径从燃料入口16处的大体上中点位置延伸到阳极互连结构12的拐角区30。从所述位置，燃料被引导通过一个或多个头部通道31(通常在流场24的表面下方)。退出头部通道的燃料被引导通过合适的平行通路(即，流动通道)，远离第一互连件边界/侧32，朝向与第一侧32相对的第二边界/侧34。燃料路径通常延伸到且通过同样在流场表面下方的一个或多个足部通道(footer channel)33。燃料路径随后通向拐角区36，与拐角区30成对角地相对，跨越互连结构的平面，在燃料歧管18处退出。
由此描述和图1应当清楚，从燃料入口歧管16到燃料出口歧管18的燃料流场是正弦形的，跨越阳极互连结构的活性区域。图3是从燃料入口歧管40到燃料出口歧管42的跨越平面互连件44的一般流动方向的简化图示，类似于图1的流动方向。实际上，燃料流36在方向46中扩展通过互连件44的各种流动通道(此图中未具体示出)。特定的“正弦形状”可以稍微变化，如实例中所论述。
返回参看图1和2，说明从入口20流动到出口22的空气流48。以此方式，空气流在反向流动(如描绘)或同向流动布置中平行于燃料流，即使歧管开口处于交叉流定向也是如此。如先前所提到，平行流动为SOFC操作提供一些关键优点，如同歧管开口的交叉方向定向那样。
图4表示本发明的更具体实施例，为了容易查看而以分解形式示出了互连件60及其组件。在此实施例中，四个板以所示的示范性顺序附接，即阳极互连结构62(燃料)、歧管板64、分离器板66以及阴极互连结构68(空气)。燃料入口歧管70与燃料出口歧管72相对而定位，且它们沿着流动路径74的维度的相对位置也可以变化，如对于图1的实施例所提到。互连结构中还示出了空气歧管开口76和78。空气入口歧管76与空气出口歧管78相对而定位。(此图中所示的流动通道的数目经减少以简化既定表示)。
歧管板64包括燃料歧管开口80和82，它们分别与阳极结构62的入口歧管70和72垂直对准。类似地，板64上的空气歧管84和86分别与空气歧管开口78和76垂直对准。
所述歧管板进一步包括一系列燃料路由路径88。所述路径以特定形状和定向形成以重定向燃料的路径。通过入口歧管70进入的燃料从相对于空气路径原本将为交叉方向的方向经重定向到相对于空气路径平行的方向(即，同向流动或反向流动)。
各种路由路径88几何学上被设计成穿梭每一燃料路径以使得燃料可以被从燃料歧管开口80、82分别引导到头部通道81和足部通道83。以此方式，从燃料入口歧管到燃料出口歧管的总体燃料路径是正弦形的，如图3中所描绘。路由路径可以通过各种金属成形技术形成于歧管板的深度内，例如冲孔、冲压、辊轧、压凹、锻造以及模具成形。用于路由路径88的最适当配置可以通过多种实际流动测试和基于软件流动模型而确定而不需要不当的努力。
互连件60可以包括一个或多个分离器板66。除提供互连件的各种层级之间的电连接之外，每一分离器板还物理上分离氧气流与燃料流，这是对所有燃料电池的关键要求。分离器板也可以帮助加固互连件且增强其物理完整性。
在大多数实施例中，分离器板66未用以更改燃料流的方向，如同歧管板64的情况。分离器简单地允许燃料和空气通过与互连件的其它平行板中的开口对准的开口。举例来说，分离器包括燃料歧管开口92和94，所述开口分别与歧管板64的歧管80和82垂直对准。类似地，空气歧管96和98分别与板64的空气歧管开口86和84垂直对准。
阴极互连结构68安置于分离器板下方，且包括与互连件的其它板中的开口对准的歧管开口。因此，燃料歧管开口100和102分别与歧管92和94垂直对准。空气歧管开口104和106分别与开口96和98对准。阴极互连件的操作如先前所描述。歧管板64并入到总体结构中有效地导致空气流动路径108平行于燃料流动路径74，即使当阳极互连件的燃料歧管布置于交叉流定向上时也是如此。虽然图4描绘反向流动布置，但在每一板层级的歧管的相对位置的变化将实现燃料和空气的同向流动定向。
继续参考图4，四个板62、64、66和68可以通过常规技术附接到彼此。非限制性实例包括例如螺栓连接或夹持等机械方式，或者例如钎焊、焊接或以粘合剂进行结合等其它技术。此外，关于图4的实施例可预期有许多变化。举例来说，互连件中的组件可以进行位置反转。阳极互连件62可以位于互连件的基底处，而阴极互连件68可以位于互连件的顶部处，其条件是歧管板保持邻近于阳极互连件。
此外，虽然图4中示出了四个单独且相异的板，但其它布置也是可能的。举例来说，阳极互连件62和歧管板64可以被形成为一个零件，假定各种燃料布线路径88的位置已经预先确立。可以使用各种机械加工技术(如先前陈述)来形成此零件，可能与金属蚀刻操作结合。实际上，分离器板66也可以被形成为板62和64的组合结构的部分。替代地，分离器板66可以通过相似类型的制造技术与阴极互连结构68形成为一个零件。也可以通过冲压或模压技术或通过例如3-D打印而制造相似结构。
本文所描述的互连件最经常是附接于阴极-电极-阳极结构的一个末端或另一末端上的SOFC堆叠的组件。此SOFC堆叠的物理和电布置是此项技术中已知的。这些燃料电池堆叠的非限制性描述可以在许多参考中找到，例如“用于固体氧化物燃料电池的金属互连件的最近发展(Recent Advances in Metallic Interconnects for Solid Oxide FuelCells)”，Z.Yang，国际材料评论，53:1，39054，DOI(2008)；以及美国专利6,824,910(Chung等人)，以上两个参考以引用的方式并入本文中。
所属领域的技术人员了解，可存在与SOFC堆叠相关联的许多额外组件，例如集电器、额外分离器板、密封与绝缘系统、热交换器、系统控制处理器、燃料和空气储存罐、压缩机构、电介质隔离系统及类似物。SOFC堆叠内的电池可以串联连接以升高堆叠的电压电位。此外，SOFC堆叠可以与其它堆叠并联连接以增加装置的电流产生能力。在一些情况下，燃料电池堆叠可以包括约十个电池或更少，而在其它情况下，数百个电池可以一起附接于堆叠内。
本发明的另一实施例涉及发电系统。所述系统包括至少一个SOFC堆叠，所述堆叠包括本文所描述的互连件。具有连接到任何类型的动力块(power block)的SOFC堆叠的多种发电系统(例如燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、内燃机或额外燃料电池)处于本发明的范围内。SOFC电力系统的非限制性实例描述于美国专利公开案2012/0251898 A1(M.Lehar等人；2011年3月31日申请)；2012/0251899 A1(M.Lehar等人；2011年3月31日申请)；以及2013/0260268 A1(Shapiro等人，2013年5月31日申请)，以上全部以引用的方式并入本文中。
在一些实施例中，SOFC堆叠(本文为简单起见称为“燃料电池”)包括阳极，所述阳极被配置成产生尾气且直接或间接地附接到烃燃料重整系统。所述重整系统被配置成在燃料电池的下游混合烃燃料与燃料电池尾气。以此方式，烃燃料和燃料尾气的至少一部分被转换成包括二氧化碳(CO2)的重整燃料流。反过来，所述重整燃料流的至少一部分可以经通道返回到燃料电池的入口，如公开案2013/0251898中所描述。剩余重整燃料流的全部或部分可以从系统移除且被引导到另一位点，例如CO2移除系统(其也可以附接到总体燃料电池电力系统)。
上述燃料电池发电系统通常包括上述的至少一个动力块(power block)，例如涡轮机或燃机，例如内燃机。涡轮机或引擎可以称为“底部循环(bottoming cycle)”，其可以至少部分地由先前论述的重整燃料流的另一部分供应燃料。内燃机或其它动力装置又可以耦合到发电机或其它负载，例如泵或压缩机。来自动力装置的残余热也可以被循环且重新用作另一“操作循环”，如例如公开案2013/0260268中所描述。如所属领域的技术人员理解，此类型的系统被视为组合循环发电设备，其包括正由燃料电池产生的电，以及正由动力块和其它附接单元产生的机械功和/或额外电。显然，此系统的关键组件是燃料电池，例如高温SOFC。因此，如本文中所描述，增强燃料电池内的互连结构以增加电池性能也改善了总体燃料电池电力系统的效率。
本发明的又另一个实施例涉及用于在用于内部歧管式SOFC堆叠的平面互连件表面上提供空气和燃料的平行流动的方法，其中所述互连件表面上的燃料歧管开口布置于交叉流定向上。如上文所描述，在维持燃料歧管开口处于交叉流定向的同时提供空气和燃料的平行流动(例如，反向流动)存在相当大的优点。此方法包括通过插入于阳极互连件与阴极互连件之间的歧管板结构中的燃料引导路径引导燃料流动的步骤。(如上所述，所述总体结构还可以包括至少一个分离器板)。还如先前描述，所述歧管板结构的燃料引导路径被配置成相对于平面互连件表面上的空气流使流动方向从交叉流定向重定向或“切换”到平行流动定向。
实例
使用CFX/
Figure SMS_1
建模软件评估上文所论述的用于SOFC互连件配置的各种燃料流配置的性能。对于模型使用含有甲烷、一氧化碳、二氧化碳和水的典型燃料组成。此外，在模型中投影类似于图1和4的配置，其中燃料从外部源进入，进入且跨越头部沟道，沿着活性区域中的一系列流动通道向下，并且然后到出口位点。如下文所论述，模型包括用于平行流动的样本连同交叉流配置一起用于比较，其中歧管根据本发明而定向。
也被表示为“情况0”的图5表示根据本发明的一个配置。根据二维描绘，燃料歧管120、122彼此相对而定位，且示出跨越流场126的投影的一组24个平行流动通道124，从而允许燃料在从上到下方向上的流动。在原始建模实践中，使用颜色代码，其中不同颜色表示燃料流动的速度。经登记颜色对于流动通道越接近(即，从通道到通道)，燃料流越均匀。一般来说，更均匀的燃料流动是极合意的，如本文中所阐释。
在图5的情况下，在流动通道的中心区中，即在约12个通道的宽度内，流动通道颜色大体上相当接近，其中平均速度为约0.6到0.8ms-1(表示为蓝/蓝-绿)。对于每一侧上的接下来三个向外的通道，颜色阴影示出一些改变，其中平均速度为约0.8到1.2ms-1(表示为绿)。所述颜色改变对于最向外通道是更可辨别的(黄色/黄色-绿)，即每一侧上的近似最后三个通道，其中平均速度为约1.2到1.7ms-1。因此，虽然颜色改变确实指示流动的不均匀性的程度，但总体量的均匀性对于本发明的大多数实施例是足够的。
也表示为“情况7”的图6表示根据本发明的另一配置。虽然燃料歧管和流动通道设计与图5的模型相同，但在一定程度上调整了下层路由路径(未图示)的特定配置(如所建模)。这导致从通道到通道的在燃料流动方面与图6相比且如所颜色的较大均匀性所表明的稍微更好的平衡(对于大多数通道为蓝-绿，在若干最外通道处为绿)。跨越通道的平均速度是约0.8到1.2ms-1。
图7是基于由图5和6例示的流动通道模型系列的燃料速度变化曲线图。在图7中，随着如先前图中所描绘的通道编号、即跨越流场中的一组流动通道的通道位置而变标绘燃料流动速度。流动曲线130表示在本发明之外的交叉流配置的燃料速度变化。一般来说，燃料流动是良好平衡的且均匀的。
继续参考图7，流动曲线132表示先前描述的情况0(图5)的燃料速度变化。在此实例中，流动均匀性未经优化，且曲线示出了比流动曲线130大的变化。流动曲线134表示也在上文描述的情况7(图6)。燃料流动比情况0更均匀，但不如与交叉流曲线130相关联的流动那样均匀。然而如上所述，情况0和情况7均表示对于本文所描述的各种SOFC互连结构将相当可接受的燃料流动模式。此外普遍认为，例如关于上述路由通道的流动配置的额外变化将进一步优化根据本发明的燃料流动模式和特性。
实行额外的建模，其中进一步改变引导路径的配置。在一些情况下，对于其中一些通道被阻断，例如沿着水平头部通道被阻挡的情形还做出投影。大体上应理解，燃料流动均匀性虽然是重要因数，但是需要与影响燃料电池性能的其它因数进行平衡。举例来说，在其中建模要求一组流动通道被阻断或缩短长度的一些情况下，较大流动均匀性是明显的，即比情况7更好的流动平衡。然而，总体流场的减小的大小提供了较少区域来在燃料电池反应中有效地产生电力。
本书面描述使用实例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求所限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这种其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种用于内部歧管式固体氧化物燃料电池SOFC堆叠的互连件，其包括与阴极互连结构集成且邻近于所述阴极互连结构的至少一个阳极互连结构，其中所述阳极互连结构包括燃料流场；且所述阴极互连结构包括空气流场；且所述两个结构被配置成允许空气和燃料跨越所述互连件的平面的平行流动；并且其中用于所述阳极互连结构和所述阴极互连结构两者的歧管开口布置于交叉流动定向上；
其中能够防止燃料与空气的接触的至少一个分离器板安置于所述阳极互连结构与所述阴极互连结构之间；
其中歧管板结构位于所述分离器板与所述阳极互连结构之间；且被配置成跨越所述互连件的平面相对于空气的流动在反向流动方向上引导燃料从阳极互连件歧管开口的流动；
其中所述歧管板结构包括提供用于引导燃料的流动的配置的预选定燃料路由路径的模式。
2.根据权利要求1所述的互连件，其特征在于，所述平行流动配置是反向流动或同向流动。
3.根据权利要求1所述的互连件，其特征在于，所述邻近的阳极和阴极互连结构各自是彼此附接以形成所述互连件的大体上平面板。
4.根据权利要求3所述的互连件，其特征在于，包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，其中所述第一表面和所述第二表面分别包括充当相应燃料流场和空气流场的纵向流动通路。
5.根据权利要求4所述的互连件，其特征在于，所述燃料流场和所述空气流场共同界定所述燃料电池的平面活性区域。
6.根据权利要求5所述的互连件，其特征在于，所述燃料电池的所述平面活性区域跨越所述平面是大体上正方形的；且所述歧管开口邻近于所述正方形的四条边定位；使得邻近于一条边的至少一个空气进入歧管与邻近于相对边的至少一个空气输出歧管对置；且
邻近于一条边的至少一个燃料进入歧管与邻近于相对边的至少一个燃料输出歧管对置。
7.根据权利要求6所述的互连件，其特征在于，从所述燃料进入歧管到所述燃料输出歧管的所述燃料流场跨越所述活性区域的所述平面是正弦形的。
8.根据权利要求6所述的互连件，其特征在于，所述正方形活性区域的所述四条边包括所述互连件的周边区；且邻近于所述周边区的密封件以足以防止所述空气和燃料彼此接触的配置围绕且密封所述歧管开口。
9.一种包括根据权利要求1-8中任一项所述的互连件的SOFC燃料电池堆叠，包括彼此并置的多个固体氧化物燃料电池；其中所述互连件中的至少一个安置于每一SOFC电池之间，所述互连件能够提供至少两个邻近电池之间的电互连。
10.根据权利要求9所述的SOFC燃料电池堆叠，其特征在于，用于每一阳极互连结构和每一阴极互连结构的所述歧管开口垂直对准于所述燃料电池堆叠的每另一个相应阳极和阴极互连结构中的所述歧管开口。
11.一种用于跨越用于内部歧管式SOFC堆叠的平面互连件表面提供空气和燃料的平行流动的方法，其中所述互连件表面上的燃料歧管开口布置于交叉流动定向上，
所述方法包括通过插入于阳极互连件与阴极互连件之间的根据权利要求1-8中任一项所述的互连件的燃料路由路径引导燃料的流动的步骤，其中所述燃料路由路径被配置成跨越所述平面互连件表面相对于空气的流动将燃料的流动从交叉流动定向重定向到平行流动定向。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述平行流动定向处于反向流动方向上。
13.一种发电系统，其包括直接或间接地附接到至少一个动力块的固体氧化物燃料电池SOFC，其中所述SOFC包括与阴极互连结构集成且邻近于所述阴极互连结构的至少一个阳极互连结构，其中所述阳极互连结构包括燃料流场；且所述阴极互连结构包括空气流场；且两个结构被配置成允许空气和燃料跨越互连件的平面的平行流动；并且其中用于所述阳极互连结构和所述阴极互连结构两者的歧管开口布置于交叉流动定向上；
其中能够防止燃料与空气的接触的至少一个分离器板安置于所述阳极互连结构与所述阴极互连结构之间；
其中歧管板结构位于所述分离器板与所述阳极互连结构之间；且被配置成跨越所述互连件的平面相对于空气的流动在反向流动方向上引导燃料从阳极互连件歧管开口的流动；
其中所述歧管板结构包括提供用于引导燃料的流动的配置的预选定燃料路由路径的模式。
14.根据权利要求13所述的发电系统，其特征在于，呈能够产生电和机械功两者的组合循环发电设备的形式。
15.根据权利要求13所述的发电系统，其特征在于，所述燃料电池包括被配置成产生尾气的阳极，且其中所述燃料电池附接到在所述燃料电池下游的烃燃料重整系统，所述烃燃料重整系统被配置成组合烃燃料与所述燃料电池尾气，使得所述烃燃料和燃料尾气的至少一部分转换成包括二氧化碳的重整燃料流。
16.根据权利要求15所述的发电系统，其特征在于，被配置成使得所述重整燃料流的一部分经通道回到所述燃料电池的入口。
17.根据权利要求13所述的发电系统，其特征在于，所述动力块是选自燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、内燃机或额外燃料电池。
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