CN107925113B - 固体氧化物燃料电池单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种固体氧化物燃料电池单元，包括：包括一个或多个固体氧化物燃料电池管的管状固体氧化物燃料电池堆，每个燃料电池管具有被配置成接收燃料气体的第一端和被配置成排放废气的第二端，所述管状固体氧化物燃料电池堆具有细长轴；和包括细长本体的同流换热器，细长本体从第一端延伸到第二端，通路贯穿其中，所述细长本体具有细长轴并且具有从第一端到第二端尺寸和形状基本上一致的外横截面。通路提供(a)从细长本体的第一端延伸的联接部分，管状固体氧化物燃料电池堆可以容纳在联接部分内，以便将同流换热器与管状固体氧化物燃料电池堆联接，燃料电池管的第二端位于联接部分内，(b)从细长本体的第二端延伸的废气通道，在使用中，来自燃料电池管的第二端的废气可流动通过该废气通道并且可在第二端处排出同流换热器，管状固体氧化物燃料电池堆的长度的50％或更多可被容纳在同流换热器的联接部分内。当管状固体氧化物燃料电池堆被容纳在同流换热器的联接部分内时，管状固体氧化物燃料电池堆的细长轴与同流换热器的细长轴对准，使得可以形成可堆叠固体氧化物燃料电池单元，其中，同流换热器与管状固体氧化物燃料电池堆联接。

Description

固体氧化物燃料电池单元
技术领域
本发明涉及一种可堆叠固体氧化物燃料电池单元，其包括与管状固体氧化物燃料电池堆联接的可堆叠同流换热器(recuperator)。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)在本领域是公知的。这些类型的燃料电池通过使燃料气体与氧化剂反应来生成直流电流。SOFC具有阳极、电解质和阴极。燃料电池可以由各种固体氧化物材料制成(例如，它们可以基于陶瓷，例如氧化锆、二氧化铈、氧化钆或其它氧化物材料，并且它们可以可选地掺杂有掺杂剂，例如氧化钇、氧化钪、氧化镁或氧化钙)。
另外，SOFC可以以各种几何形状提供，例如，它们可以被提供为管状SOFC，其中，每个燃料电池呈管状，或者它们可以被提供为平面SOFC，其中，对于每个燃料电池，电解质被夹在电极之间。
电解质通常是传导氧离子的致密陶瓷层。合适的材料包括氧化钇稳定氧化锆(YSZ)(例如，8％形式，Y8SZ)、氧化钪稳定氧化锆(ScSZ)(例如，Sc2O3的9mol％形式，9ScSZ)和钆掺杂的二氧化铈(GDC)。
例如，陶瓷阳极层可以是由混合有陶瓷(例如，用于该特定电池中的电解质的陶瓷材料，例如YSZ)的镍制成的金属陶瓷(陶瓷-金属复合物)。
阴极层必须至少是电子导电的。经常使用镧锶亚锰酸盐(LSM)。也使用由LSM和YSZ组成的复合阴极。也可以使用离子/电子混合导电(MIEC)陶瓷，例如钙钛矿LSCF。
可以连接两个或更多个SOFC以形成所谓的固体氧化物燃料电池堆。为了获得有用的功率输出，将个体电池组合成堆是必需的。
除了固体氧化物燃料电池堆以外，完整的固体氧化物燃料电池系统通常还包括用于将燃料气体和氧化剂气体提供到堆中的辅助子系统。燃料气体通常被导引沿着燃料电池系统的阳极并接触燃料电池系统的阳极，同时允许诸如空气或氧气之类的氧化气体沿着系统的阴极通过并接触系统的阴极。结果，燃料被氧化，氧化气体减少，以便发电。
在固体氧化物燃料电池系统中，热量管理的问题是至关重要的。SOFC系统中的关键部件是同流换热器。然而，目前的同流换热器占SOFC系统总成本的很大一部分。
另外，目前的同流换热器对便携式SOFC系统内的热量管理是低效的。
新的管状设计，例如微管固体氧化物燃料电池，具有许多优点，例如重量和体积较小，并且由于对热冲击的高抵抗性而能够快速启动。然而，尽管这些电池中的管要轻得多，但是用于用热废气对进入的阴极空气进行预加热的当前同流换热器相对较重并且导致整个产品的便携性较差。
典型的管状SOFC系统包括平面同流换热器和管状SOFC堆。本发明人已经认识到，这使得该系统不太可用于需要便携性的应用中，因为除了同流换热器的相对高的重量使得整个系统的便携性较低之外，整体形状也难以处理。
本发明人也已经认识到，当固体氧化物燃料电池堆通过增加更多的管而尺寸增加时，必须完全重新设计同流换热器，这是低效的。
因此，本发明人已经认识到，具有固体氧化物燃料电池单元的新设计将是有利的。
发明内容
在第一方面，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池单元，包括：
管状固体氧化物燃料电池堆，其包括一个或多个固体氧化物燃料电池管，每个燃料电池管具有被配置成接收燃料气体的第一端和被配置成排放废气的第二端，所述管状固体氧化物燃料电池堆具有细长轴，以及
同流换热器，其包括细长本体，所述细长本体从第一端延伸到第二端，通路贯穿其中，所述细长本体具有细长轴并且具有从第一端到第二端尺寸和形状基本上一致的外横截面，其中，所述通路提供(a)从所述细长本体的所述第一端延伸的联接部分，所述管状固体氧化物燃料电池堆可以容纳在所述联接部分内，以便将所述同流换热器与所述管状固体氧化物燃料电池堆联接，其中，燃料电池管的第二端位于所述联接部分内，(b)从细长本体的第二端延伸的废气通道，在使用中，来自燃料电池管的第二端的废气可流动通过该废气通道并且可在第二端处排出同流换热器，
其中，管状固体氧化物燃料电池堆的长度的50％或更多可被容纳在同流换热器的联接部分内，
其中，当所述管状固体氧化物燃料电池堆被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内时，所述管状固体氧化物燃料电池堆的所述细长轴与所述同流换热器的所述细长轴对准，
以使得可以形成可堆叠固体氧化物燃料电池单元，在该可堆叠固体氧化物燃料电池单元中，同流换热器与管状固体氧化物燃料电池堆联接。
在管状固体氧化物燃料电池堆内，当存在多于一个固体氧化物燃料电池管时，这些固体氧化物燃料电池管优选地纵向平行。换言之，每个燃料电池管具有细长轴，并且燃料电池管的这些细长轴平行。因此，这种燃料电池管的堆叠体具有从燃料电池管的第一端到燃料电池管的第二端尺寸和形状基本一致的外横截面。
当形成可堆叠固体氧化物燃料电池单元时，在该可堆叠固体氧化物燃料电池单元中同流换热器与管状固体氧化物燃料电池堆联接，管状固体氧化物燃料电池堆的长度的50％或更多被容纳在同流换热器的联接部分内。该同流换热器具有从其第一端到其第二端尺寸和形状基本一致的横截面。因此，产品的这部分的尺寸和形状被制作为可堆叠的。因此，联接的产品可以容易地与另一个这样的联接的产品堆叠。特别地，两个或更多个这样的联接的产品可以以纵向平行的方式堆叠。
此外，如上所述，燃料电池管的堆叠体优选地具有从燃料电池管的第一端到燃料电池管的第二端尺寸和形状基本上一致的外横截面。这进一步有助于产品的可堆叠性。
然而，实现可堆叠单元的关键特征在于，同流换热器具有从其第一端到其第二端尺寸和形状基本一致的横截面，并且在于，管状固体氧化物燃料电池堆被容纳在同流换热器的联接部分内。因此，自身就其外部形状而言，并且相对于管状固体氧化物燃料电池堆的尺寸使得该堆可以容纳在同流换热器内，同流换热器的几何形状在技术上与本发明相关。
在第二方面，本发明提供一种可堆叠固体氧化物燃料电池单元，包括：
管状固体氧化物燃料电池堆，其包括一个或多个固体氧化物燃料电池管，每个燃料电池管具有被配置成接收燃料气体的第一端和被配置成排放废气的第二端，所述管状固体氧化物燃料电池堆具有细长轴，以及
同流换热器，其包括细长本体，所述细长本体从第一端延伸到第二端，通路贯穿其中，所述细长本体具有细长轴并且具有从第一端到第二端尺寸和形状基本上一致的外横截面，其中，所述通路提供(a)从所述细长本体的所述第一端延伸的联接部分，所述管状固体氧化物燃料电池堆容纳在所述联接部分内，以使得所述同流换热器与所述管状固体氧化物燃料电池堆联接，其中，燃料电池管的第二端位于所述联接部分内，(b)从细长本体的第二端延伸的废气通道，在使用中，来自燃料电池管的第二端的废气可流动通过该废气通道并且可在第二端处排出同流换热器，
其中，管状固体氧化物燃料电池堆的长度的50％或更多可被容纳在同流换热器的联接部分内，并且
其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆的所述细长轴与所述同流换热器的所述细长轴对准。
将意识到，当同流换热器与管状固体氧化物燃料电池堆联接时，第二方面的可堆叠固体氧化物燃料电池单元可以被认为等同于第一方面的固体氧化物燃料电池单元。
在管状固体氧化物燃料电池堆内，当存在多于一个固体氧化物燃料电池管时，这些固体氧化物燃料电池管优选地纵向平行。换言之，每个燃料电池管具有细长轴，并且燃料电池管的这些细长轴平行。因此，这种燃料电池管的堆叠体具有从燃料电池管的第一端到燃料电池管的第二端尺寸和形状基本一致的外横截面。
因此，在第二方面的可堆叠固体氧化物燃料电池单元中，其中管状固体氧化物燃料电池堆的长度的50％或更多被容纳在同流换热器的联接部分内，可堆叠固体氧化物燃料电池单元可以容易地与另一个这样的可堆叠固体氧化物燃料电池单元堆叠。这是因为同流换热器具有从其第一端到其第二端尺寸和形状基本一致的横截面，因此，产品的这部分的尺寸和形状被制作为可堆叠的。特别地，两个或更多个这样可堆叠固体氧化物燃料电池单元可以以纵向平行的方式堆叠。
此外，如上所述，当存在多于一个的燃料电池管时，燃料电池管的堆叠体优选地具有从燃料电池管的第一端到燃料电池管的第二端尺寸和形状基本上一致的外横截面。这进一步有助于产品的可堆叠性。
本发明的产品堆叠在一起的能力意味着，如果需要更多的管，以便增加燃料电池产品的尺寸(并且因此增加功率)，可以简单地堆叠在一起并连接两个或更多个产品以增大尺寸。没有必要重新设计产品的任何部分。具有根据需要通过简单地选择合适数量的产品堆叠在一起来增加尺寸的灵活性。因此，易于生产具有所需功率的燃料电池系统。
例如，通过使用本发明可以容易地提供5W至500W或更大的电功率。
另外，因为这些产品可以堆叠在一起，所以空间利用更为有效。这使得燃料电池系统更加便携。
因此，在第三方面，本发明提供了一种堆叠式固体燃料电池系统，其包括根据第二方面的两个或更多个可堆叠固体氧化物燃料电池单元。
优选地，在第三方面，第二方面的可堆叠固体氧化物燃料电池单元以它们的细长轴平行的方式堆叠。
例如，两个到100个甚至更多的可堆叠固体氧化物燃料电池单元可以堆叠在一起。
堆叠的单元可以提供在诸如绝热容器之类的容器内。
这种堆叠式固体燃料电池系统是空间高效的。因此它更便于携带。
堆叠式固体燃料电池系统的整体形状易于处理。
本发明的堆叠式固体燃料电池系统的另一个好处在于，可以容易地移除和更换任何有故障的固体氧化物燃料电池单元。因此系统的维护是简单的。这也保持了较低的维护成本，因为仅需要移除和更换有故障的部分，而不需要拆开整个系统。
此外，可以使可堆叠固体氧化物燃料电池单元和堆叠式固体燃料电池系统的重量都最小化。使用本发明可以简单且经济地构建轻型燃料电池。
同样地，可以使可堆叠固体氧化物燃料电池单元和堆叠式固体燃料电池系统的体积都最小化。
此外，可以使可堆叠固体氧化物燃料电池单元和堆叠式固体燃料电池系统的成本都最小化。
另外，可堆叠固体氧化物燃料电池单元和堆叠式固体燃料电池系统的便携性和可用性都可以增加。
在一个实施例中，可堆叠固体氧化物燃料电池单元和堆叠式固体燃料电池系统可以与热交换器结合使用，以便从被排出同流换热器的废气回收热量。热交换器当然是本领域已知的并且在本领域中使用，并且与固体氧化物燃料电池一起使用的适当的热交换器是公知的并且是可用的。
因此，在一个实施例中，本发明的可堆叠固体氧化物燃料电池单元和/或本发明的堆叠式固体燃料电池系统还包括热交换器。热交换器可以例如连接到同流换热器。通过这种热交换器可以容易地从废气中利用热量。
附图说明
现在将参照附图仅通过示例进一步描述本发明，在附图中：
图1是根据本发明的可堆叠固体氧化物燃料电池单元的横截面图；
图2是根据本发明的堆叠式固体燃料电池系统的横截面图。
具体实施方式
第一方面的固体氧化物燃料电池单元和第二方面的可堆叠固体氧化物燃料电池单元均包括管状固体氧化物燃料电池堆。该堆包括一个或多个固体氧化物燃料电池管，每个燃料电池管具有被配置成接收燃料气体的第一端和被配置成排放废气的第二端，所述管状固体氧化物燃料电池堆具有细长轴。
在管状固体氧化物燃料电池堆内，当存在多于一个固体氧化物燃料电池管时，这些固体氧化物燃料电池管优选地纵向平行。换言之，每个燃料电池管具有细长轴，并且这些燃料电池管的这些细长轴平行。因此，这个燃料电池管堆叠体具有从燃料电池管的第一端到燃料电池管的第二端尺寸和形状基本一致的外横截面。
管状SOFC堆包括一个或多个管状固体氧化物燃料电池。它可以仅包括一个或仅包括两个管状固体氧化物燃料电池，或者可以包括多于一个(例如，多于两个)管状固体氧化物燃料电池。可以理解的是，本发明并不在于管状SOFC堆中的管状固体氧化物燃料电池的数量，而是在于管状SOFC堆和同流换热器可以联接以形成可堆叠的单元。
在一个实施例中，管状SOFC堆包括三个或更多个管状固体氧化物燃料电池，例如四个或更多个。
在一个实施例中，管状SOFC堆包括1至20个管状SOFC或2至20个管状SOFC，例如2至15个或2至12个或2至10个管状SOFC。可能有1至10个管状SOFC。在一个实施例中，存在2至8个管状SOFC(例如，2至6个)或3至8个管状SOFC(例如，3至6个)。
在一个实施例中，管状SOFC堆包括2或3个或4个或5个或6个管状固体氧化物燃料电池。
在一个实施例中，每个管状SOFC包括内电极管、同轴环绕内电极的电解质层和同轴环绕电解质层的外电极层，其中，内电极管和外电极层之一是阳极，而另一个是阴极，并且其中，每个固体氧化物燃料电池电连接到相邻的固体氧化物燃料电池。
优选地，内电极管是阳极，外电极层是阴极。
可以理解的是，堆叠体中的管状固体氧化物燃料电池应当电连接；例如它们可以是通过互连线连接的电连接管状固体氧化物燃料电池。同流换热器可以集成到这个互连系统中。
通常，同流换热器可以与管状固体氧化物燃料电池堆是一体的，或者可以与管状固体氧化物燃料电池堆分开，只要同流换热器可以与管状固体氧化物燃料电池堆联接，其中，管状固体氧化物燃料电池堆的50％或更多的长度被容纳在同流换热器的联接部分内。
优选地，当存在多于一个的固体氧化物燃料电池时，管状固体氧化物燃料电池被布置为使得气体可以在它们之间自由流动，从而允许到每个固体氧化物燃料电池的基本均匀的氧化剂流量分布。例如，它们可以在燃料电池之间以0.5mm或更大的间距布置，例如1mm或更大或者2mm或更大。
每个管状固体氧化物燃料电池可具有任何合适的尺寸。在一个实施例中，每个管状固体氧化物燃料电池具有从5cm到100cm的长度，例如从8cm到80cm或从10cm到60cm。
在一个实施例中，管状固体氧化物燃料电池是微管固体氧化物燃料电池。在一个优选实施例中，每个管状固体氧化物燃料电池具有从1mm到80mm的直径，例如从1mm到50mm或从1mm到25mm，例如从1mm到15mm。可以每个管具有从2mm到50mm的直径，例如从3mm到30mm或从4mm到25mm。
在一个实施例中，每个管状固体氧化物燃料电池具有从1mm到10mm的直径。
第一方面的固体氧化物燃料电池单元和第二方面的可堆叠固体氧化物燃料电池单元均包括同流换热器。同流换热器包括细长本体，该细长本体从第一端延伸到第二端，通路贯穿其中，所述细长本体具有细长轴并且具有从第一端到第二端尺寸和形状基本上一致的外横截面。通路提供(a)从细长本体的第一端延伸的联接部分，管状固体氧化物燃料电池堆可以容纳在联接部分内，以便同流换热器与管状固体氧化物燃料电池堆联接，燃料电池管的第二端位于联接部分内，以及(b)从细长本体的第二端延伸的废气通道，在使用中，来自燃料电池管的第二端的废气可流动通过该废气通道并且可在第二端处从同流换热器出来。
细长本体可以具有任何尺寸和形状的横截面积。在一个实施例中，细长本体具有弯曲的外部形状，例如，它可以具有圆形或椭圆形的横截面。然而，在优选实施例中，细长本体具有在其外部形状上包括平坦表面的外部形状，例如，它可以具有三角形或正方形或长方形或五边形或六边形或八边形形状的横截面。
在一个优选实施例中，细长本体具有正方形或长方形形状的外横截面。正方形横截面是特别优选的，因为这可以有助于单元有规则的堆叠。
在一个实施例中，细长本体由合金或金属制成。细长本体优选地由不锈钢、钛或铝等形成。一般来说，本领域技术人员会知道重量轻但是足够坚固和耐热而适合用作同流换热器的金属和合金。
在一个实施例中，细长本体具有从5cm到100cm的长度，例如从8cm到100cm，或从10cm到100cm。细长本体的长度可以从5cm至80cm，例如从5cm至75cm，或者从5cm至50cm。
在一个实施例中，细长本体具有从10cm到80cm的长度，例如从10cm到75cm，或从10cm到50cm。
在一个实施例中，细长本体的长度等于或大于管状固体氧化物燃料电池堆的长度。
在一个实施例中，细长本体具有从5mm2至100mm2的横截面积，例如从6mm2至80mm2，或从8mm2至60mm2，或从10mm2至50mm2。
细长本体的最大直径可以是从2mm至80mm，或者从3mm至50mm，或者从4mm至25mm。
在一个实施例中，细长本体具有从5cm至60cm(例如，从10cm至40cm)的长度并且具有从10mm2至50mm2(例如，从15mm2至40mm2)的横截面积。
同流换热器的通路提供(a)从细长本体的第一端延伸的联接部分，管状固体氧化物燃料电池堆容纳在联接部分内，以便同流换热器与管状固体氧化物燃料电池堆联接，燃料电池管的第二端位于联接部分内，以及(b)从细长本体的第二端延伸的废气通道，在使用中，来自燃料电池管的第二端的废气可流动通过该废气通道并且可在第二端处从同流换热器出来。
组成联接部分的通路和组成废气通道的部分的比例将取决于管状固体氧化物燃料电池堆延伸到通路中的程度。本质上，燃料电池管的第二端的位置描绘了联接部分和废气通道之间的边界。
在一个实施例中，联接部分的长度为通路总长度的30％至75％，例如30％到70％，或30％到65％。在一个实施例中，联接部分的长度为通路总长度的30％至60％。连接部分的长度可以为通路总长度的35％至60％，例如，总长度的35％到55％或40％到55％。
期望的是，联接部分足够长以使其能够容纳足够长度的管状固体氧化物燃料电池堆，以使得存在具有稳固连接的稳定产品。期望的是，联接部分足够长以使其能够容纳足够长度的管状固体氧化物燃料电池堆，以使得产品的整个外部长度的足够部分是同流换热器，从而具有由同流换热器的一致外表面提供的可堆叠表面。
在本发明中，管状固体氧化物燃料电池堆的长度的50％或更多被容纳在同流换热器的联接部分内。在一个实施例中，管状固体氧化物燃料电池堆的长度的55％或更多被容纳在同流换热器的联接部分内，诸如60％或更多，或65％或更多，或70％或更多，或75％或更多，或者80％或更多。甚至可能的是，管状固体氧化物燃料电池堆的长度的85％或更多被容纳在同流换热器的联接部分内，例如90％或更多，或者95％或更多。
优选地，管状固体氧化物燃料电池堆的一部分长度没有容纳在同流换热器的联接部分内，因为这可以有助于将燃料电池管的第一端连接到燃料源。例如，管状固体氧化物燃料电池堆的长度的不超过95％被容纳在同流换热器的联接部分内，例如，不超过90％或不超过85％。
在一个实施例中，管状固体氧化物燃料电池堆的长度的50％至95％被容纳在同流换热器的联接部分内，例如50％至90％，或50％至85％，或50％到80％。可以的是，管状固体氧化物燃料电池堆的长度的60％至95％被容纳在同流换热器的联接部分内，例如60％至90％，或60％至85％，或60％到80％。
第一方面的固体氧化物燃料电池单元和第二方面的可堆叠固体氧化物燃料电池单元均可以任选地包括催化剂。催化剂可被封闭在通路内。例如，可以在燃料电池管的第二端的位置(在使用中)处或附近的通路内提供催化剂。
在一个实施例中，催化剂被提供在通路内并延伸穿过通路的大部分、基本全部或全部的横截面积。
催化剂可以具有使得它沿着通路的长度延伸任何合适的距离的深度，例如，2mm或以上，例如5mm或以上，或10mm或以上。在一个实施例中，深度从2mm到50mm。
在一个实施例中，提供催化剂，使得在使用中，其与燃料电池管的第二端接触或仅与燃料电池管的第二端距离很近(例如，5mm或更小，例如2mm或更小或1mm或更小)。因此，在使用中，由SOFC产生的废气可以在沿着废气通道行进并且在第二端处排出同流换热器之前通过催化剂。
在一个实施例中，催化剂可以附接到管状SOFC堆的一端，例如其可以附接到燃料电池管的第二端。
当有多于一个的固体氧化物燃料电池管时，可能这些固体氧化物燃料电池管借助于催化剂在一端处连结在一起。例如，可以在燃料电池管的第二端处提供催化剂，并且可以通过所述催化剂将这些端部连结在一起。
在一个实施例中，催化剂适合于来自SOFC堆的废气的燃烧。催化剂可以包括铂、铑或其它贵金属，或贵金属、钼酸镍或钼酸钴的混合物。
第一方面的固体氧化物燃料电池单元和第二方面的可堆叠固体氧化物燃料电池单元均可以任选地包括容纳在废气通道内的绝热室。绝热室可以由绝热纤维或凝胶材料等制成。
本发明的关键特征在于，将管状固体氧化物燃料电池堆容纳在同流换热器的联接部分内，其中，管状固体氧化物燃料电池堆的细长轴与同流换热器的细长轴对准，使得可以形成其中同流换热器与管状固体氧化物燃料电池堆联接的可堆叠固体氧化物燃料电池单元。
管状固体氧化物燃料电池堆可以通过紧密配合而容纳在同流换热器的联接部分内，即，联接部分的直径可与管状固体氧化物燃料电池堆的外径相同或比其稍大。
管状固体氧化物燃料电池堆可以通过配合而被容纳在同流换热器的联接部分内，使得在联接部分和堆之间产生通道，即，联接部分的直径可以比管状固体氧化物燃料电池堆的外径大超过一最小量，例如，2mm或以上，例如5mm或以上，甚至10mm或以上。
因此，在一个实施例中，联接部分的直径可以比管状固体氧化物燃料电池堆的外径大一量，使得当管状固体氧化物燃料电池堆被容纳在联接部分内时，联接部分的内表面和管状固体氧化物燃料电池堆的外表面之间的空间形成氧化剂气体流过的流动通道。在一个实施例中，氧化剂气体是空气。
在一个实施例中，存在氧化剂气体可以流过的直径为1mm或以上，例如直径2mm或以上，例如直径2mm至5mm或以上，的流动通道。
因此流动通道允许氧化剂气体接触固体氧化物燃料电池管。
第一方面的固体氧化物燃料电池单元和第二方面的可堆叠固体氧化物燃料电池单元均可以可选地包括入口歧管。入口歧管将燃料气体供应到形成堆的每个管状固体氧化物燃料电池的内部。
在一个实施例中，入口歧管将燃料气体供应到管状固体氧化物燃料电池的内部阳极层。
在一个实施例中，入口歧管进一步连接到燃料气体供应源。
燃料气体可以包括诸如氢、一氧化碳、烃(例如，甲烷，丙烷)或其混合物之类的气体。它也可以是空气。
例如，燃料气体可以储存在储罐中，并且在使用中被泵送到入口歧管，入口歧管进而将燃料注入SOFC中。
因此，SOFC管在使用中从歧管被馈送燃料气体。供应的速度可以由阀门控制。
与在工作期间通常约为700摄氏度的燃料电池工作的区域相比，进气口是冷的。因此，在一个实施例中，使用绝热层来将进气口与燃料电池堆分开。
绝热层可以例如由绝热纤维或凝胶材料形成。在一个实施例中，绝热层包含Saffil纤维板、二氧化硅纳米粒子或真空绝热材料。
本发明还提供了一种堆叠式固体燃料电池系统，其包括根据第二方面的两个或更多个可堆叠固体氧化物燃料电池单元。
优选地，在第三方面，第二方面的可堆叠固体氧化物燃料电池单元以它们的细长轴平行的方式堆叠。
例如，可以有两个到一百个甚至更多的可堆叠固体氧化物燃料电池单元堆叠在一起。在一个实施例中，有2至50、或4至30、或6至25或8至20个可堆叠固体氧化物燃料电池单元堆叠在一起。在一个实施例中，有2至30、或4至20个可堆叠固体氧化物燃料电池单元堆叠在一起。
在一个实施例中，偶数个可堆叠固体氧化物燃料电池单元堆叠在一起。这在有效利用空间方面是有利的，其对于便携式设备是重要的。在一个实施例中，平方数(y2)的可堆叠固体氧化物燃料电池单元堆叠在一起，使得它们能够以y x y构型堆叠。
堆叠式固体燃料电池系统可以可选地包括燃料气体充气室(plenum)。
燃料气体充气室用于将所有的燃料电池管连接到燃料供应源。因此，燃料气体充气室将燃料气体供应到堆的每个管状固体氧化物燃料电池的内部。在一个实施例中，单个充气室连接所有的管状SOFC堆。
堆叠式固体燃料电池系统可以包括诸如绝热容器之类的容器，在该容器内提供有两个或更多个可堆叠固体氧化物燃料电池单元。
可堆叠固体氧化物燃料电池单元不必沿其整个长度被提供在容器内。它们的一部分长度可以在容器的外面，例如，入口歧管可以在容器的外面，也可以是燃料电池堆的一些长度。
堆叠式固体燃料电池系统可以包括将氧化剂气体，例如空气，提供到系统中的入口。
在一个实施例中，入口通向形成在容器和同流换热器之间的外部流动通道。这意味着氧化剂气体，例如空气，可以从产品的外部通过入口流过外部流动通道。
在管状固体氧化物燃料电池堆的外表面与联接部分的内表面之间存在间隙以提供流动通道的实施例中，优选的是外部流动通道通向管状固体氧化物燃料电池堆的外表面与联接部分的内表面之间的该流动通道。
因此，氧化剂气体，例如空气，可以从产品的外部通过入口和外部流动通道而流到所述流动通道。当它流过这个通道时，会导致氧化剂气体与固体氧化物燃料电池管接触。
在一个实施例中，本发明的堆叠式固体燃料电池系统还包括热交换器。热交换器可以例如附接到同流换热器。通过这种热交换器可以容易地利用来自废气的热量。
因此，本发明的堆叠式固体燃料电池系统可以用于产生可用的热量。
本发明的堆叠式固体燃料电池系统当然可以用于产生可用的功率。
图1示出了包括管状固体氧化物燃料电池堆(2)和同流换热器(1)的可堆叠固体氧化物燃料电池单元。
管状固体氧化物燃料电池堆(2)包括一个或多个固体氧化物燃料电池管，每个燃料电池管具有被配置成接收燃料气体的第一端(2a)和被配置成排放废气的第二端(2b)，所述管状固体氧化物燃料电池堆具有细长轴。在优选实施例中，有四个固体燃料电池管，其优选以2×2构造排列，其中，其细长轴平行。
同流换热器(1)包括细长本体，所述细长本体从第一端(1')延伸到第二端(1”)，其中通路贯穿其中，所述细长本体具有细长轴并且具有从第一端到第二端尺寸和形状基本上一致的外横截面。在优选实施例中，横截面是正方形的。细长本体适当地由不锈钢或另一种轻质金属或合金(例如，钛或铝)制成。
通路提供从所述细长本体的第一端(1')延伸的联接部分(1a)，管状固体氧化物燃料电池堆(2)可以容纳在所述联接部分内，以便将同流换热器与管状固体氧化物燃料电池堆联接，燃料电池管的第二端(2b)位于联接部分内。该通路还提供从细长本体的第二端(1”)延伸的废气通道(1b)，在使用中，来自燃料电池管的第二端(2b)的废气可流动通过该废气通道并且可在第二端(1”)处排出同流换热器。
可以看出，管状固体氧化物燃料电池堆(2)的长度的50％或更多(例如，大约65％)被容纳在同流换热器(1)的联接部分(1a)内。
还可以看出，管状固体氧化物燃料电池堆(2)的细长轴与同流换热器(1)的细长轴对准。
电池堆(2)的第一端(2a)连接到将燃料气体注入固体氧化物燃料电池管的入口歧管(3)。入口歧管(3)将燃料气体供应到每个管状固体氧化物燃料电池的内部。
可以看出，在管状固体氧化物燃料电池堆(2)的外表面与联接部分(1a)的内表面之间存在间隙，以提供流动通道(5)。氧化剂气体(4)，例如空气，可以从产品的外部流过所述流动通道(5)，从而使得氧化剂气体与固体氧化物燃料电池管接触。
废气在第二端(2b)处离开固体氧化物燃料电池管。第二端(2b)附接至催化剂(6)，使得废气在沿着废气通道(1b)流动之前流过所述催化剂(6)。
废气通道(1b)内被提供有绝热室(8)。
提供绝热屏障(9)，例如，由Saffil多晶绝热材料制成，用于将固体氧化物燃料电池堆的冷区(A)(在该区域，在使用中，气体通过入口歧管(3)被注入)与管状固体氧化物燃料电池堆的热区(B)(在该区域，在使用中，管状固体氧化物燃料电池堆(2)在高温下工作)分离。
图2示出了包括两个如图1所示类型的可堆叠固体氧化物燃料电池单元的堆叠式固体燃料电池系统。
这些可堆叠固体氧化物燃料电池单元以其细长轴对准的方式而提供。
可堆叠固体氧化物燃料电池单元提供在绝热容器(10)内。
提供燃料气体充气室(11)，其用于通过入口歧管(3)将所有燃料电池管连接到燃料供应源。因此，燃料气体充气室(11)将燃料气体供应到堆的每个管状固体氧化物燃料电池的内部。每个电池堆(2)的第一端(2a)连接到该充气室(11)。
入口(12)将氧化剂气体(4)，例如空气，提供到系统中。入口(12)通向形成在绝热容器(10)和同流换热器(1)之间的外部流动通道(13)。这种氧化剂气体(4)，例如空气，从产品的外部经由入口(12)流过外部流动通道(13)，然后到达流动通道(5)。如上所述，氧化剂气体流过流动通道(5)意味着氧化剂气体与固体氧化物燃料电池管接触。
堆叠式固体燃料电池系统可以与热交换器结合使用，以从离开同流换热器的废气回收热量。通过这种热交换器可以容易地利用来自废气的热量。
现在将通过参考下面的示例以非限制性的方式进一步描述本发明。
示例1：
生产如图2所示的堆叠式固体燃料电池系统，其具有纵轴平行的堆叠在一起的两个可堆叠固体氧化物燃料电池单元。
每个可堆叠固体氧化物燃料电池单元包含管状固体燃料堆，该管状固体燃料堆包括为2×2的构型并被设计为提供25W的电力的四个管状固体氧化物燃料电池。所有电池长15cm，直径6.5mm，电极长度10cm。
每个同流换热器的细长本体是长30cm的25mm2横截面箱形管，其通过折叠不锈钢板并形成密封接缝而形成。
该系统给出了令人满意的同流换热(recuperation)。此外，该系统重量轻，真正地便携。
通过添加更多的可堆叠固体氧化物燃料电池单元，可以增加系统的功率。例如，可以生产2×2阵列或3×2阵列或2×3阵列或3×3阵列。

Claims (33)

1.一种固体氧化物燃料电池单元，包括：
管状固体氧化物燃料电池堆，所述管状固体氧化物燃料电池堆包括一个或多个固体氧化物燃料电池管，每个燃料电池管具有被配置成接收燃料气体的第一端和被配置成排放废气的第二端，所述管状固体氧化物燃料电池堆具有细长轴，以及
同流换热器，所述同流换热器包括细长本体，所述细长本体从第一端延伸到第二端，具有贯穿其中的通路，所述细长本体具有细长轴并且具有从所述第一端到所述第二端尺寸和形状基本上一致的外横截面，其中，所述通路提供(a)从所述细长本体的第一端延伸的联接部分，所述管状固体氧化物燃料电池堆能够容纳在所述联接部分内，以便将所述同流换热器与所述管状固体氧化物燃料电池堆联接，其中，所述燃料电池管的第二端位于所述联接部分内，以及(b)从所述细长本体的第二端延伸的废气通道，在使用中，来自所述燃料电池管的第二端的废气流动通过所述废气通道并且在所述第二端处排出所述同流换热器，
其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆的长度的50％或更多能够被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内，
其中，当所述管状固体氧化物燃料电池堆被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内时，所述管状固体氧化物燃料电池堆的细长轴与所述同流换热器的细长轴对准，
使得能够形成可堆叠固体氧化物燃料电池单元，在所述可堆叠固体氧化物燃料电池单元中，所述同流换热器与所述管状固体氧化物燃料电池堆联接。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，在所述管状固体氧化物燃料电池堆中存在多于一个的固体氧化物燃料电池，并且这些固体氧化物燃料电池管彼此纵向平行。
3.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆包括固体氧化物燃料电池管，所述固体氧化物燃料电池管是微管固体氧化物燃料电池。
4.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，所述细长本体具有在其外部形状上包括平坦表面的外部形状。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，所述细长本体具有三角形或正方形或长方形或五边形或六边形或八边形形状的横截面。
6.根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，所述细长本体具有正方形或长方形形状的横截面。
7.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池单元，其中所述管状固体氧化物燃料电池堆的长度的55％或更多在使用中被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内。
8.根据权利要求7所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆的长度的75％或更多在使用中被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内。
9.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆的长度的不超过95％被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内。
10.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆通过配合而被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内，使得在所述联接部分与所述堆之间产生流动通道，氧化剂气体在使用期间能够流动通过所述流动通道。
11.一种可堆叠固体氧化物燃料电池单元，包括：
管状固体氧化物燃料电池堆，所述管状固体氧化物燃料电池堆包括一个或多个固体氧化物燃料电池管，每个燃料电池管具有被配置成接收燃料气体的第一端和被配置成排放废气的第二端，所述管状固体氧化物燃料电池堆具有细长轴，以及
同流换热器，所述同流换热器包括细长本体，所述细长本体从第一端延伸到第二端，具有贯穿其中的通路，所述细长本体具有细长轴并且具有从所述第一端到所述第二端尺寸和形状基本上一致的外横截面，其中，所述通路提供(a)从所述细长本体的第一端延伸的联接部分，所述管状固体氧化物燃料电池堆容纳在所述联接部分内，以使得所述同流换热器与所述管状固体氧化物燃料电池堆联接，所述燃料电池管的第二端位于所述联接部分内，以及(b)从所述细长本体的第二端延伸的废气通道，在使用中，来自所述燃料电池管的第二端的废气能够流动通过所述废气通道并且能够在所述第二端处排出所述同流换热器，
其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆的长度的50％或更多被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内，并且
其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆的细长轴与所述同流换热器的细长轴对准。
12.根据权利要求11所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，在所述管状固体氧化物燃料电池堆中存在多于一个的固体氧化物燃料电池，并且这些固体氧化物燃料电池管彼此纵向平行。
13.根据权利要求11或12所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆包括固体氧化物燃料电池管，所述固体氧化物燃料电池管是微管固体氧化物燃料电池。
14.根据权利要求11或12所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，所述细长本体具有在其外部形状上包括平坦表面的外部形状。
15.根据权利要求14所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，所述细长本体具有三角形或正方形或长方形或五边形或六边形或八边形形状的横截面。
16.根据权利要求15所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，所述细长本体具有正方形或长方形形状的横截面。
17.根据权利要求11或12所述的固体氧化物燃料电池单元，其中所述管状固体氧化物燃料电池堆的长度的55％或更多在使用中被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内。
18.根据权利要求17所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆的长度的75％或更多在使用中被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内。
19.根据权利要求11或12所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆的长度的不超过95％被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内。
20.根据权利要求11或12所述的固体氧化物燃料电池单元，其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆通过配合而被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内，使得在所述联接部分与所述堆之间产生流动通道，氧化剂气体在使用期间能够流动通过所述流动通道。
21.一种堆叠式固体燃料电池系统，包括两个或更多个根据权利要求11所述的可堆叠固体氧化物燃料电池单元。
22.根据权利要求21所述的堆叠式固体燃料电池系统，其中，所述可堆叠固体氧化物燃料电池单元以其细长轴平行的方式堆叠。
23.根据权利要求21或权利要求22所述的堆叠式固体燃料电池系统，其中，有两个至100个所述可堆叠固体氧化物燃料电池单元堆叠在一起。
24.根据权利要求21或权利要求22所述的堆叠式固体燃料电池系统，其中，有偶数个所述可堆叠固体氧化物燃料电池单元堆叠在一起。
25.根据权利要求21或权利要求22所述的堆叠式固体燃料电池系统，其中，在所述管状固体氧化物燃料电池堆中存在多于一个的固体氧化物燃料电池，并且这些固体氧化物燃料电池管彼此纵向对准。
26.根据权利要求21或权利要求22所述的堆叠式固体燃料电池系统，其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆包括固体氧化物燃料电池管，所述固体氧化物燃料电池管是微管固体氧化物燃料电池。
27.根据权利要求21或权利要求22所述的堆叠式固体燃料电池系统，其中，所述细长本体具有在其外部形状上包括平坦表面的外部形状。
28.根据权利要求27所述的堆叠式固体燃料电池系统，其中，所述细长本体具有三角形或正方形或长方形或五边形或六边形或八边形形状的横截面。
29.根据权利要求28所述的堆叠式固体燃料电池系统，其中，所述细长本体具有正方形或长方形形状的横截面。
30.根据权利要求21或权利要求22所述的堆叠式固体燃料电池系统，其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆的长度的55％或更多在使用中被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内。
31.根据权利要求30所述的堆叠式固体燃料电池系统，其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆的长度的75％或更多在使用中被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内。
32.根据权利要求21或权利要求22所述的堆叠式固体燃料电池系统，其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆的长度的不超过95％被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内。
33.根据权利要求21或权利要求22所述的堆叠式固体燃料电池系统，其中，所述管状固体氧化物燃料电池堆通过配合而被容纳在所述同流换热器的所述联接部分内，使得在所述联接部分与所述堆之间产生流动通道，氧化剂气体在使用期间能够流动通过所述流动通道。
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