CN108370043A - 改进的cpox燃料重整器和sofc系统 - Google Patents

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Abstract

一种固体氧化物燃料电池(SOFC)系统，包括作为大致连续的导热路径而形成的热区围壁，各围壁包含导热系数大于100W/nr'iv的材料。SOFC还包括CPOX反应器，CPOX反应器包括作为导热路径而形成的燃料反应器主体，其包含导热系数大于100W/m°K的材料。燃料反应器主体将CPOX反应产生的热能传导出系统，传导至支撑在环境空气中的散热凸缘。凸缘被配置成从燃料反应器主体中散出足够的热能，使燃料反应器主体维持在约100℃至250℃的范围内。任选地设置了风机，用以对散热凸缘进行冷却。

Description

改进的CPOX燃料重整器和SOFC系统
1版权声明
本专利文档的公开内容的一部分可能包含受版权保护的资料。版权所有人不反对本专利文档或本专利公开的任何人进行摹本复制，因为其在专利商标局的专利文件或记录中出现，但除此以外保留所有版权的权利。下述声明应适用于本文档：版权所有2015，Protonex technology Corporation。
2发明背景
2.1技术领域
本文描述的示例说明性技术涉及固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)系统，特别地涉及可用于通过部分氧化或催化部分氧化对碳氢燃料进行重整的燃料加工器反应器的结构特征和操作方法。更具体地，该技术涉及作为改进燃料加工器性能的手段的热能管理。
2.2相关领域
用于通过电化学过程产生电能的固体氧化物燃料电池(SOFC)系统通常包括燃料加工器，燃料加工器被配置成将各种碳氢燃料进料(如丙烷、甲烷、煤油)中的任何一种转化为在产生电流的电化学反应中更容易与固体氧化物燃料电池电极发生反应的燃料成分。理想地，可操作燃料加工器以利用无焰燃烧或优选地无焰催化燃烧将各种碳氢燃料空气混合物转化为氢和一氧化碳的混合物。无焰燃烧技术的优点包括：能对各种类型的燃料进行重整、燃料加工器中温度分布均匀、降低燃料重整器的结构中的热应力、延长重整器和气封的寿命以及减少排气中不需要的氮氧化物(NOX)的排放。
示例的常规燃料加工器反应器包括部分氧化(POX)和催化部分氧化(CPOX)反应器，其各自用于通过无焰燃烧的放热过程将碳氢燃料和空气的混合物重整为适合的SOFC燃料。CPOX反应器通常包括安装在支撑基底上的催化剂。在常规CPOX反应器中，支撑基底通常是形成有内部通道的多孔陶瓷材料，燃料空气混合物通过内部通道从多孔材料的一个外部表面传到相对的外部表面。内部通道的内部表面上形成有催化剂层。随着被加工的燃料空气混合物流过多孔材料，燃料空气混合物与催化剂层接触，导致在多孔材料内发生无焰燃烧。由于无焰燃烧，燃料被转化为期望的氢和一氧化碳的混合物，如合成气，其中主要副产品为热能，热能在无焰燃烧期间放出。
另一示例催化剂支撑结构包括由多个单独网板元件形成的丝网或编织网基底，多个单独网板元件一个堆叠在另一个上形成统一的多孔基底。对于丝网或编织网元件，每个网板或元件的表面上面均涂覆有催化剂层。随着燃料流过堆叠的网板元件，燃料与催化剂层相互作用，引发无焰燃烧，并且燃料被转化为期望的氢和一氧化碳的混合物，其中主要副产品为热能，热能在无焰燃烧期间放出。
燃料重整器存在的典型问题是，多孔基底内发生的放热反应(无焰燃烧)产生的热能会将未加工燃料进料的温度加热至其自燃温度，使燃料在到达催化剂或催化剂支撑结构的内侧通道之前就点燃。当发生这种情况时，点燃的燃料被部分转化为二氧化碳(CO2)，其与多孔基底内形成的催化剂层发生反应并对其造成损坏，最后降低燃料重整器效率，并最终使催化剂层不可用。虽然已知的是在CPOX反应器的入口附近放置阻火器来抑制未加工燃料空气混合物进料火焰点火，但阻火器会增加成本，增加流阻，并对任何燃料重整效益没有实际贡献。
常规CPOX反应器存在的另一问题是，催化层不均匀的过度加热会在局部热点损坏催化剂层，例如在催化剂支撑结构的输入端附近，并且热点最终会烧穿催化剂层，降低重整器效率。然而，催化层加热不足也会损坏催化剂，并且降低重整器效率，因为催化剂支撑结构内燃料空气混合物加热不足或燃烧不完全会在催化剂上形成碳粉。不论哪种情况，过度加热和加热不足，尤其是不均匀的过度加热和加热不足，都会损坏催化剂层，最后降低燃料重整器效率，并最终使催化剂层不可用。
还存在的又一问题是，多孔催化剂支撑结构内发生的放热反应(无焰燃烧)产生的热能会将从燃料重整器离开的重整燃料的温度加热至其自燃温度，使燃料在到达燃料电池堆之前就点燃。该问题的后果是电力输出和整体系统效率降低，因为在到达燃料电池堆之前就燃烧的燃料无法在SOFC反应器中使用以产生电力。
由多孔陶瓷材料基底形成的常规CPOX反应器基底的一个问题是，陶瓷材料是一种不良的热导体，大多数陶瓷材料的导热系数均低于约40W/m°K，且更普遍地低于20W/m°K。因此，与导热系数大于200W/m°K的导热金属(如铝)相比，陶瓷材料和不锈钢网不是良好的热导体。因此，在燃料重整过程期间，通过热传导将热能从CPOX反应器的多孔陶瓷材料基底快速移除太慢，无法通过热传导将足够的热能从基底有效移除以提供主动冷却。出于相同的原因，从陶瓷CPOX反应器基底的一个区域到另一区域的热传导太慢，无法有效为整个基底体积提供均衡的温度，这也是为什么正常燃料加工期间始终存在冷热区域的部分原因。
对于常规催化基底中使用的编织金属网板，其存在相同的缺陷，因为它们通常由高温金属合金诸如奥氏体不锈钢或其它高温金属合金诸如哈氏合金(Hastelloy)、蒙乃尔合金(Monel)或因科乃尔合金(Inconel)制成，因为这些金属合金适合在大于约800℃的温度下连续操作。然而，特制高温金属合金实际上提供了低于大多数陶瓷材料的导热系数。特别地，奥氏体不锈钢、哈氏合金、蒙乃尔合金和因科乃尔合金的导热系数均低于约25W/m°K。
在操作中，在没有任何形式的主动冷却或热能管理的情况下，常规催化剂支撑结构的温度和穿过常规催化剂支撑结构的燃料空气混合物的温度最后会升至稳态CPOX反应温度，估计稳态CPOX反应温度在800和1200℃之间。然而，由于这超过了期望燃料诸如丙烷、甲烷或煤油的自燃或自燃烧温度，丙烷、甲烷或煤油的近似自燃温度分别为470℃、580℃和295℃，因此常规上利用在催化剂支撑基底的输入侧放置阻火器以防止点燃来解决该问题。然而，这种方案无法防止常规催化剂基底内或输出侧附近的自燃。因此，本领域需要更有效地管理CPOX反应器基底内和周围的热能，以此防止燃料空气混合物在超过约295℃以及最高达约580℃的温度下自燃，特别是防止催化剂支撑基底的输入和输出侧附近以及内部的燃料自燃。
另外，本领域需要更主动并且更可靠地控制在SOFC系统中操作的常规CPOX燃料反应器的操作温度范围，以避免损坏催化剂层，并提高发电效率。另外，本领域需要更主动并且更可靠地控制常规CPOX燃料反应器的操作温度范围，以避免进入CPOX燃料反应器的未加工燃料自燃，以及也避免穿过并离开CPOX反应器的加工燃料自燃。
3发明内容
本技术解决了利用放热化学反应将烃化合物重整为包括氢气(H2)和一氧化碳(CO)的燃料的常规燃料重整器系统和方法存在的上述问题。具体来说，本技术提供一种结合到固体氧化物燃料电池(SOFC)系统的改进燃料重整器模块。
燃料重整器模块包括围有中空燃料室的燃料反应器主体。中空燃料室由设置成围绕室纵轴线的周边壁界定。周边壁附接有顶壁，顶壁设置成封住燃料室的顶端。周边壁附接有反应器防护基壁，反应器防护基壁设置成封住燃料室的底端。反应器防护基壁和周边壁优选地为单个元件，如金属铸件。
反应器防护基壁包括面朝中空燃料室里的基壁顶表面以及面朝中空燃料室外的大致平行且相对的基壁底表面。多个大致相同的基壁燃料通道从基壁顶表面通过反应器防护基壁延伸至基壁底表面，并且基壁燃料通道提供唯一的出口，通过该出口，燃料可以流出中空燃料室。
每个基壁燃料通道均具有沿其纵向长度基本恒定的截面面积，且轴向中心为通道纵向轴线，通道纵向轴线与室纵向轴线大致平行。由固体无孔陶瓷基底形成的催化主体包括催化主体顶表面、和大致平行且相对的催化主体底表面以及圆柱形侧壁。催化主体顶表面设置成在接合面范围内与基壁底表面大致相对。接合面在每个基壁燃料通道的离开端口与每个催化剂燃料通道的输入端口之间限定分隔。接合面范围内的分隔可以非常小，例如当反应器防护基壁的底表面与催化主体的顶表面配合接触时，或者接合面可以包括气隙，将反应器防护基壁的底表面与催化主体的顶表面分隔开。除了将每个基壁燃料通道的离开端口与每个催化剂燃料通道的输入端口分隔开以外，接合面还将每个催化剂燃料通道内发生的放热化学反应与燃料进料分隔开。更具体地，放热化学反应放出的热能在接合面范围内到达反应器防护基壁的底表面和多个基壁燃料通道的内侧表面，并至少部分地被这些表面吸收。
催化主体包括多个大致相同的催化剂燃料通道，每个催化剂燃料通道从催化主体顶表面延伸至催化主体底表面。多个催化剂燃料通道中的每个均由沿其纵向长度相同的截面面积形成，并且在每个催化剂燃料通道的内侧表面上均涂覆有催化剂层。多个基壁燃料通道中的每个均与多个催化剂燃料通道之一纵向对齐。因此，每个基壁燃料通道与对应的催化剂燃料通道之间存在一对一的关系，多个基壁燃料通道中的每个与其对应的催化剂燃料通道的纵向轴线大致共轴。
多个基壁燃料通道中的每个的截面面积大致相同，且多个催化剂燃料通道中的每个的截面面积大致相同，然而，基壁通道的截面面积比催化剂燃料通道的截面面积小，以使反应器防护基壁的底表面的区域暴露于每个催化剂燃料通道。这样做是为了允许从每个催化剂燃料通道放出的热辐射冲击到反应器防护基壁的底表面上进行吸收。在非限制性示例实施方式中，基壁燃料通道的截面面积与催化剂燃料通道的截面面积的比例小于0.9或在0.6和0.9之间。在非限制性示例实施方式中，多个基壁燃料通道中的每个均具有直径在0.65至2.6mm范围内的圆形截面，并且多个催化剂燃料通道中的每个均具有边尺寸在基壁燃料通道的直径和基壁燃料通道直径的约1.26倍范围内的方形截面。在另一非限制性实施方式中，圆形基壁燃料通道的直径在0.65至2.6mm的范围内，并且其纵向长度在直径的10和20倍之间，而方形燃料通道的边尺寸在0.65至2.6mm的范围内，并且其纵向长度在边尺寸的5至40倍之间。
基壁燃料通道布置成阵列模式。阵列模式具有不存在孔的固体材料区域以及存在孔的孔模式区域。在非限制性示例实施方式中，固体材料区域与孔模式区域的比在0.75至0.9之间。
燃料反应器主体的一部分暴露于环境空气，以使表面区域暴露于环境空气，将热能从其散出。整个燃料反应器主体由导热系数大于100W/m°K的材料形成，以提供穿过燃料反应器主体的快速导热性，并且形成燃料反应器主体以提供从反应器防护基壁的底表面延伸至燃料反应器主体暴露于环境空气的部分的大致连续的导热路径。燃料反应器主体暴露于环境空气的部分包括从周边壁径向延伸出的盘状散热凸缘。在散热凸缘的表面上设置了与系统控制器通信的温度传感元件，并且设置了空气移动装置，以通过使其表面上方的环境空气流动来冷却散热凸缘。
本技术还包括燃料重整方法。方法包括将气态烃化合物流送入由燃料反应器主体围在内的中空燃料室，然后通过反应器防护基壁将气态烃化合物流送出中空燃料室。反应器防护基壁由燃料反应器主体形成，并且包括穿过其的多个大致相同的基壁燃料通道，每个基壁燃料通道均用作离开端口。
方法包括将从多个基壁燃料通道中的每一个离开的气态烃化合物流接收入多个对应的催化剂燃料通道。每个催化剂燃料通道均穿过无孔催化主体，诸如陶瓷结构。多个基壁燃料通道中的每个与其对应的催化剂燃料通道的纵向轴线均大致共轴。多个催化剂燃料通道中的每个均在其一个或多个内侧表面上涂覆有催化层。催化层适合通过催化部分氧化(CPOX)对气态烃化合物进行重整，CPOX反应会放出热辐射。
反应器防护基壁包括面朝中空燃料室的顶表面以及背朝中空燃料室的大致平行且相对的底表面。催化主体包括在接合面范围内定位成与反应器防护基壁的底表面相对的顶表面。
燃料反应器主体的一部分暴露于环境空气，且燃料反应器主体由导热系数大于100W/m°K的材料形成，并提供从反应器防护基壁底表面延伸至燃料反应器主体暴露于环境空气的部分的大致连续的导热路径。
方法还包括通过CPOX反应在每个催化剂燃料通道内对气态烃化合物进行重整。随着热能从催化剂燃料通道内放出，热能被反应器防护基壁底表面以及多个基壁燃料通道中任一个的内侧表面吸收。热能一被反应器防护基壁的表面吸收，热能就通过燃料反应器主体热传导至燃料反应器主体暴露于环境空气的部分。方法还包括监测燃料反应器主体暴露于环境空气的部分的温度，以及操作空气移动装置将环境空气流引导跨过散热凸缘的表面。方法还包括将燃料反应器主体配置为具有足够的热质量以及足够的热能散发表面区域，以使燃料反应器主体维持在低于250℃的稳态操作温度。
4附图说明
根据用于进行说明并在附图中示出的选取的示例实施方式的详细描述，将最深入地理解本技术的特征，附图中：
图1示出了根据本技术的非限制性示例SOFC系统的实施方式的示意图。
图2示出了穿过根据本技术的非限制性示例固体氧化物燃料电池堆组件截取的侧截面示意图。
图3示出了穿过根据本技术的非限制性示例燃料重整器模块截取的侧截面示意图。
图4示出了根据本技术的SOFC系统的非限制性示例催化主体实施方式的侧截面示意图。
图4A是示出了根据本技术的反应器基壁的表面区域的示意图，反应器基壁可以吸收从催化剂燃料通道辐射出的热能。
图5示出了穿过根据本技术的非限制性示例阴极室截取的顶截面示意图。
图6示出了穿过根据本技术的非限制性示例燃料重整器模块截取的底截面示意图。
4.1定义
全文使用下述定义，除非另有特殊说明：
5项目编号列表
全文使用下述项目编号，除非另有特殊说明。
6具体实施方式：
6.1固体氧化物燃料电池系统
参照图1，本技术的第一示例非限制性实施方式的示意图示出了固体氧化物燃料电池(SOFC)系统(100)。该系统(100)包括围在热区围壁(115)内的热区(105)，热区围壁在本实施方式中围出圆柱形热区腔(120)。热区围壁(115)进一步被隔热层(130)围住，隔热层进一步被外围壁(132)围住。热区围壁(115)和外围壁(132)各自包括单独的圆柱形侧壁，每个侧壁与不同的相对盘状端壁对机械接合，盘状端壁在下文进一步描述。
热区围壁(115)围住燃料电池堆(135)。燃料电池堆(135)包括至少一个SOFC燃料电池，但优选地包括多个SOFC燃料电池，每个均与DC功率输出模块(140)串联或并联地电互连。DC功率输出模块接收燃料电池堆产生的电力，并将输出功率输送至外部功率负载(未示出)。每个燃料电池均包括固体氧化物阴极电极(155)，固体氧化物阴极电极定向成暴露于热区腔(120)内部存在的阴极气体。在操作期间，热区腔(120)被阴极气体(空气)(126)填充，并且热区腔(120)中的阴极气体与固体氧化物阴极电极(155)的表面发生化学反应。每个燃料电池还包括固体氧化物阳极电极(150)，固体氧化物阳极电极不暴露于热区腔(120)或其中容纳的阴极气体，而是定向成暴露于阳极气体(重整燃料)(125)，使得在操作期间阳极气体经过固体氧化物阳极电极(150)，以与固体氧化物阳极电极(150)发生化学反应。SOFC燃料电池还包括固体电解质层(145)，固体电解质层设置成将固体氧化物阴极电极(155)与固体氧化物阳极电极(150)隔开。固体电解质层(145)是氧离子传导层，设置作为固体氧化物阳极电极(150)与固体氧化物阴极电极(155)之间用于离子交换的离子交换介质。
燃料电池堆(135)维持在高操作温度(如，从350到1200℃)，取决于燃料电池堆的固体材料层的组成以及阳极和阴极气体的特性。选择支持高效电化学能量产生的优选操作温度。当包含氢的阳极气体(125)与固体氧化物阳极电极(150)反应且包含氧的阴极气体(126)与固体氧化物阴极电极(155)发生反应时，燃料电池堆(135)产生电能。
热区(105)还围有燃烧器模块(180)或尾气燃烧器，其包括燃烧室，燃烧室配置成在阳极废气(125a)和阴极废气(126a)均与对应的固体氧化物阳极电极(150)和固体氧化物阴极电极(155)反应后接收阳极废气和阴极废气。在燃烧器模块(180)中一经混合，阳极废气(125a)和阴极废气(126a)燃烧。燃烧模块(180)内发生的燃烧产生的热能用于对热区围壁(115)以及热区腔(120)进行加热。
热区腔(120)还围有回热器模块(175)。回热器模块(175)与燃烧器模块(180)流体连通并接收从燃烧器模块离开的燃烧排气(127)。燃烧排气(127)穿过回热器模块(175)，并在燃烧排气(127)与进气(170)各穿过气体逆流式换热器(未示出)的单独气体管道时将燃烧排气中的热能传递至进气(170)。然后，燃烧排出废气(127a)离开回热器模块(175)并通过排出端口(185)输送出热区。从回热器模块(175)离开之后的进气(170)包括阴极气体(126)，阴极气体被输送入热区腔(120)。
系统冷区(110)包括燃料输入模块(197)。从各种燃料源(未示出)接收各种碳氢燃料诸如丙烷、甲烷或煤油以及其它适合的燃料，进入燃料输入模块(197)。可操作燃料输入模块(197)以调整从燃料源输送的燃料进料(160)并向燃料重整器模块(165)输送期望体积或质量流率的燃料进料(160)。可操作燃料重整器(165)以对燃料进行重整，使得使燃料进料更适合与固体氧化物阳极电极(150)发生期望的化学反应。
燃料进料(160)包括液态或气态烃化合物，可以从其中提取氢。燃料进料(160)可以与空气混合并可以雾化或以其他方式汽化。本技术的燃料重整器模块(165)包括催化部分氧化(CPOX)反应器，催化部分氧化反应器提供催化剂支撑结构(167)，催化剂支撑结构的表面中的一些涂覆有催化层，在下文描述。随着燃料进料经过催化剂层，燃料在催化剂支撑结构(167)内燃烧或部分燃烧。燃烧产生的热将燃料进料(160)重整成氢气(H2)和一氧化碳气(CO)。重整的燃料作为阳极气体(125)离开燃料重整器模块(165)，阳极气体与SOFC燃料电池堆(135)中的每个燃料电池的固体氧化物阳极电极(150)发生反应。
系统冷区(110)包括用于进气(170)或另一富含氧气的源气体进入回热器模块(175)的空气输入模块(198)。从各种空气源(未示出)接收空气或任何其它富含氧气的源气体，进入空气输入模块(198)，或者空气包括通过风机泵入回热器模块(175)的室内空气。可操作空气输入模块(198)以调整进入回热器模块(175)的空气气流。通过使燃烧排气(127)经过气体逆流式换热器(未示出)，回热器模块(175)用燃烧排气对进气(170)进行加热。加热的空气作为阴极气体(126)离开回热器。
系统冷区(110)包括与燃料输入模块(197)和空气输入模块(198)电通信的电子控制器(190)。电子控制器(190)包括数字数据处理器和具有各种操作程序的相关数字数据存储器，和/或在其上运行以管理SOFC系统(100)的运行的数字逻辑控制元件。电子控制器(190)与DC功率输出模块(140)电通信，以监测并调整输出至负载的DC功率。电子控制器还与燃料输入模块(197)电子通信以监测并调整燃料进料(160)，还与空气输入模块(198)电子通信以监测并调整进气(170)，并且还与至少一个温度传感器(157)电子通信以监测热区围壁(115)、外围壁(132)、燃料重整器模块(165)的一个或多个表面以及SOFC系统(100)的各表面中可能需要监测温度的其它表面的温度。
燃料输入模块(197)和空气输入模块(198)各自可以包括一个或多个气压调节器、气流致动器阀、质量或体积气体流率控制器和/或质量流率传感器或类似的、气压传感器或类似的以及温度传感器或类似的，每个均可由电子控制器(190)操作或以其他方式与电子控制器电通信，以调整进入燃料重整器模块(165)的燃料进料(160)或进入回热器模块(175)的进气(170)。更具体地，可操作与电子控制器(190)协作的燃料输入模块(197)，以根据需要调节输入燃料压力，变化地调节燃料进料质量或体积流率，并阻止燃料进料(160)进入SOFC系统(100)。类似地，还可操作与电子控制器(190)协作的空气输入模块(198)，以根据需要调节输入空气压力，变化地调节进气质量或体积流率，并阻止进气(170)进入SOFC系统(100)。在一些操作环境中，空气输入模块(198)可以包括以恒定角速度运行的简单风机，而不用任何其它空气输入控制传感器或元件。
根据本技术，燃料重整器模块(165)被配置成使燃料进料(160)与设置在陶瓷催化剂支撑结构(167)上的催化剂层之间发生放热反应，以将燃料重整为氢气(H2)和一氧化碳(CO)。此外，根据本技术，改进燃料重整器模块(165)包括陶瓷催化剂支撑结构(167)，陶瓷催化剂支撑结构包括多个纵向燃料流通道，在下面描述，每个纵向燃料流通道均在其内部表面上涂覆有催化剂层。另外，燃料重整器模块(165)配置成部分通过设置纵向燃料流通道作为将在陶瓷催化剂支撑结构(167)内发生的放热反应产生的热能沿朝向燃料进料的纵向路径传递出陶瓷催化剂支撑结构(167)的手段，防止进入陶瓷催化剂支撑结构(167)的未加工燃料自燃。从图1可以看出，燃料重整器模块(165)部分设置在外围壁(132)之间，且部分在外围壁(132)外部，并且还配置成提供穿过外围壁(132)的导热路径。另外，SOFC系统(100)可选地包括一个或多个冷却装置(如，风扇、水泵等等)，用以冷却燃料重整器模块(165)设置在外围壁(132)外部的部分。
SOFC系统(100)可以可选地包括冷启动模块(195)。冷启动模块(195)配置成接收并燃烧重新引入冷启动模块(195)内的燃料进料(160)的一部分。当燃料进料(160)的温度或热区围壁(115)的温度或燃料电池堆(135)的温度低于期望的操作或反应温度时，电子控制器(190)激发冷启动模块(195)的运行。在运行中，燃料进料(160)的一部分被转至与冷启动模块(195)相关联的燃烧室。在冷启动模块(195)的燃烧室内设置可控燃料点火器，并且在冷启动期间，点燃并燃烧燃烧室内的燃料，用以对燃料进料(160)、燃料重整器模块(165)和热区围壁(115)进行加热。SOFC系统(100)一达到其期望的操作温度，就终止冷启动模块(195)的运行。
在操作期间，电子控制器(190)与其它电子元件通信，诸如一个或多个冷却风机、一个或多个电可操作的气流阀、气体流速检测器，和/或与燃料输入模块(197)、空气输入模块(198)和电力输出检测器等等相关联的气体调整器，以及控制SOFC(100)的各种操作参数可能需要的其它元件。电子控制器(190)监测DC电流/功率输出以及一个或多个热电偶等测得的温度，并且还运行以改变燃料进料以及可选地进气的质量流率，作为提高或降低DC电流/功率输出的手段。
6.2固体氧化物燃料电池堆侧截面
现在转至图2，示出了根据本技术的改进SOFC燃料电池堆组件(2000)的第二非限制性示例实施方式的侧截面视图。特别地，SOFC燃料电池堆组件(2000)包括SOFC燃料电池堆(2005)，SOFC燃料电池堆包括多个管状燃料电池(2080)，每个管状燃料电池沿大致圆柱形的热区腔或阴极室(2010)纵向延伸。
圆柱形阴极室(2010)由圆柱形热区围壁界定，圆柱形热区围壁包括开放式纵向圆柱形侧壁(2015)，开放式纵向圆柱形侧壁与盘状底端壁(2016)和相对的盘状顶端壁(2017)机械接合。圆柱形阴极室(2010)形成为气密室，且其每个壁均包含具有高导热系数的材料，导热系数例如在100和300W/(m°K)之间，且优选地大于200W/(m°K)。因此，纵向圆柱形侧壁(2015)、盘状底端壁(2016)和盘状顶端壁(2017)由铜、钼、铝铜合金、铜镍合金中的一种或多种，或其组合制作，并且每个壁均优选地在面朝阴极室(2010)的表面上或者在可能暴露于富氧环境的任何表面上涂覆有镍。设置镍涂层是为了防止表面由于与富氧气体接触而氧化。具体地，热区围壁(2015、2016、2017)中的每个均配置成提供导热路径，用于通过热传导将热能从热区的一个区域快速传导至另一区域，以更加快速地降低温度梯度并使整个热区围壁结构维持在基本上相同的温度。另外，盘状底端壁(2016)和盘状顶端壁(2017)各优选地形成有下述铜芯，该铜芯具有的热质量足以从冷启动燃烧室(2300)和燃烧室(2135)快速吸收热能并通过热传导将吸收的热能快速分散至侧壁(2015)。
在本示例实施方式中，盘状底端壁(2016)还形成回热器室(2210)的底壁。如上所述，设置回热器室(2210)是为了对通过阴极进给管(2145)进入燃料电池堆组件的进气(2200)进行加热。进气(2200)或阴极气体通过回热器输入端口(2230)流入回热器室(2210)并通过回热器输出端口(2235)流出回热器室(2010)返回至阴极进给管(2145)。可以在阴极进给管(2145)的圆周附近设置一个或多个回热器输入端口(2230)和回热器输出端口(2235)。阻流器(2212)将空气流引向回热器室(2210)的周边壁，从而增加流过回热器室的空气与其周边壁之间的热能交换。回热器室(2210)在其顶侧由设置在燃烧室(2135)与回热器室(2210)之间的盘状分隔壁(2214)界定。盘状分隔壁(2214)配置成在阳极和阴极废气在燃烧室(2135)内燃烧时吸收热能，使得吸收的热能再放入回热器室(2210)。
热区围壁周围包围着中间圆柱形围隔。中间圆柱形围隔由开放式纵向中间圆柱形侧壁(2510)界定，开放式纵向中间圆柱形侧壁与盘状中间底端壁(2511)和相对的盘状中间顶端壁(2513)机械接合。调节中间圆柱形围隔的大小形成大致围绕纵向圆柱形侧壁(2015)和盘状顶端壁(2017)的气隙(2155)。气隙(2155)在热区围壁的部分附近提供流体流动通道，且流体通道与系统离开端口(2165)流体连通。气隙(2155)还通过一个或多个燃烧器离开端口(2150)与燃烧室(2135)流体连通，并通过一个或多个冷启动离开端口(2302)与冷启动燃烧室(2300)流体连通。因此，离开每个燃烧室(2135)和冷启动燃烧室(2300)的排气在通过系统离开端口(2165)离开燃料电池堆组件(2000)之前流过热区围壁的外侧表面。在一种非限制性示例实施方式中，从壁(2015)的外表面到壁(2510)的内表面的气隙(2155)的尺寸范围为1至4mm。
中间圆柱形围隔周围包围着外圆柱形围隔。外围隔由开放式外圆柱形侧壁(2514)界定，开放式外圆柱形侧壁与盘状外底壁(2518)和相对的盘状外顶壁(2516)机械接合。壁(2514)、(2518)和(2516)中的每个均优选地包含导热系数优选大于140W/m°K的铝或铝合金，用以支持快速热能传导，以在操作期间使外圆柱形围隔的温度大致均匀。中间围壁的外侧表面与外围壁的内侧表面之间设置有隔热层(2512)，该隔热层(2512)阻止辐射跨过气隙(2155)或被离开SOFC系统的排气携带穿过气隙的热能到达外圆柱形侧壁(2514)和盘状外底壁(2518)的表面。优选地，隔热层(2512)建造成确保外圆柱形侧壁(2514)和盘状外底壁(2518)的表面保持在操作参数内，例如，隔热层(2512)配置成防止外圆柱形侧壁(2514)和盘状外底壁(2518)的温度达到大于约110℃。
在阴极室(2010)内、盘状顶管支撑壁(2082)与相对的盘状底管支撑壁(2084)之间纵向支撑有多个管状燃料电池(2080)，也称为燃料棒或棒。每个管状燃料电池(2080)均包括形成管的内径的固体氧化物阳极电极支撑结构。遍布固体氧化物阳极电极支撑层的外径形成有固体陶瓷电解质层，遍布固体电解质层的外径形成有固体氧化物阴极电极层。每个管状燃料电池(2080)均在其两端处敞开，并提供圆柱形流体管道供阳极气体——本文也称为重整燃料或合成气——流过。可选地设置有多个持管凸缘(2086)，用以相对于顶管支撑壁(2082)和底管状支撑壁(2084)支撑管端。每个持管凸缘(2086)还包括与DC功率输出模块(140)电接合的导电终端。
用于形成每个管状燃料电池(2080)的支撑层的固体阳极电极可以包含金属陶瓷材料，诸如镍和掺杂氧化锆、镍和掺杂二氧化铈或铜和二氧化铈。可替代地，固体阳极电极可以包含钙钛矿，诸如Sr2Mg1-xMnxMoO6-δ或La 0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ。无论哪种情况，每个管状燃料电池(2080)的内侧表面均包括固体氧化物阳极电极，并且阳极气流(2115)穿过每个盘状顶管支撑壁(2082)，使得仅阳极气流(2115)通过燃料入口歧管(2055)进入每个管状燃料电池(2080)与固体阳极电极反应。
固体氧化物阴极电极可以包含氧化镧锶钴(LSC)、铁钴酸锶镧(LSCF)或锰酸镧锶(LSM)中的任一种。固体氧化物阴极电极形成每个管状燃料电池(2080)的外侧表面。随着阴极室(2010)被进气(2200)(即，阴极气体)填充，阴极气体与形成在每个管状燃料电池(2080)的外侧表面上的固体氧化物阴极电极发生反应。
电解质层设置在阳极层和阴极层之间。优选的电解质层包括离子传导陶瓷介质，且优选地包括氧离子导体，诸如掺杂氧化钇的氧化锆或掺杂钆的二氧化铈。可替代地，电解质层是质子传导陶瓷，诸如铈酸钡或锆酸钡。理想地，电解质层形成有足够的厚度，以在阳极电极和阴极电极之间提供近似气密的屏障，防止阳极和阴极气体穿过电解质层。
改进SOFC燃料电池堆组件(2000)可选地包括冷启动燃烧室(2300)。冷启动燃烧室(2300)容置在中间室壁内，并由中间纵向圆柱形侧壁(2510)、中间顶壁(2513)和阴极室的盘状顶端壁(2017)界定。冷启动燃烧室(2300)形成部分包围燃料重整器模块(2020)的环形室体积。当以冷启动来启动SOFC系统时，燃料空气混合物进料(2025)的一部分通过燃料入口(2304)被转移至冷启动室(2300)并被点火器(2306)点燃。因此，在冷启动期间，燃料空气混合物进料(2025)的一部分在冷启动燃烧室(2300)中燃烧。冷启动燃烧室(2300)中燃烧产生的热能辐射进入其周围的壁内，周围的壁包括盘状顶端壁(2017)，盘状顶端壁特别地配置有铜芯，设置铜芯是为了快速吸收热能。热能一经盘状顶端壁(2017)吸收就通过均包含高导热材料的热区围壁快速传导。冷启动室(2300)内发生的燃烧产生的排出物通过排出端口(2302)离开室，并穿过气隙(2155)到达系统离开端口(2165)。在穿过气隙(2155)期间，燃烧排出物通过辐射和对流将热能传递至热区围壁(2015)和(2016)，以进一步帮助将系统加热至期望的稳态操作温度。
燃料空气混合物进料(2025)通过燃料重整器模块(2020)进入改进SOFC燃料电池堆组件(2000)。在本优选实施方式中，燃料重整器为催化部分氧化(CPOX)反应器。燃料重整器模块(2020)通过燃料输入管道(2045)接收燃料空气混合物进料(2025)并对燃料空气混合物进料(2025)进行重整，以提供重整燃料或合成气(2027)，重整燃料或合成气用作阳极气体与每个管状燃料电池(2080)的内侧壁上形成的固体氧化物阳极电极发生反应。重整燃料或合成气(2027)从燃料重整器模块(2020)离开并进入燃料入口歧管(2055)。燃料入口歧管(2055)配置成将阳极气体分散入多个管状燃料电池(2080)中每个的顶端或输入端。在每个管状燃料电池(2080)的底端或输出端，包含贫氢阳极气体的废燃料(2028)离开管状燃料电池到达燃烧室(2135)，废燃料在燃烧室与阴极废气(2026)或贫氧空气混合并燃烧。
以虚线示出的进气(2200)或阴极气体通过阴极进给管(2145)进入改进SOFC燃料电池堆组件(2000)，穿过回热器室(2210)，在回热器室中被其表面加热，然后通过回热器输出端口(2235)再次进入阴极进给管。然后加热空气穿过燃烧室(2135)，同时流过阴极进给管(2145)，空气在进入阴极室(2010)之前由燃烧产生的热能进一步加热并被传递至并穿过阴极进给管(2145)的壁。多个空气离开端口(2240)穿过阴极进给管(2145)进入阴极室(2010)，且加热空气通过空气离开端口(2240)进入阴极室(2010)。一进入阴极室，加热空气或阴极气体就与每个管状燃料电池(2080)的外侧表面上形成的固体氧化物阴极电极发生反应。阴极废气(2026)通过阴极室离开端口(2245)离开阴极室，到达燃烧室(2135)，在燃烧室与阳极废气(2028)混合并燃烧。排气通过燃烧器离开端口(2150)从燃烧室(2135)离开到达气隙(2155)，随着排气朝系统离开端口(2165)流动对回热器室(2210)的壁进行加热。
6.3固体氧化物燃料电池堆顶截面视图
图2的示意图描绘了改进SOFC燃料电池堆组件(2000)的侧截面示意图，为了简化描述，该侧截面示意图仅示出了两个管状燃料电池(2080)。然而，优选的堆包括两个以上的管状燃料电池(2080)，燃料电池布置在阴极室(2005)内，以此提供有效使用空间，促进有效气体流动模式，以及提供期望电压的期望功率输出。
现在参照图5，该图示出了穿过本技术的一个实例的改进SOFC堆(5000)的非限制性示例阴极室截取的非限制性示例顶截面示意图。阴极室(5002)由开放式纵向圆柱形侧壁界定，如图2所示的纵向圆柱形侧壁(2015)，其限定圆周边缘(5010)。内阴影区域(5015)表示图2所示的纵向中间圆柱形侧壁(2510)和气隙(2155)。外阴影区域(5020)表示图2所示的隔热层(2512)和外圆柱形侧壁(2514)。
阴极室(5002)的中心放置有阴极进给管(5025)，用以通过多个径向设置的如图2所示的空气离开端口(2240)将阴极气体分散入阴极室。阴极进给管(5025)和圆周边缘(5010)的中心是纵向中心轴线(5030)。
改进SOFC堆(5000)包括多个大致相同的管状燃料电池(5040)，每个管状燃料电池均包括固体氧化物阳极电极，固体氧化物阳极电极在结构上形成每个管状燃料电池(5040)的内径，并且每个管状燃料电池(5040)的外径上形成有固体氧化物阴极电极。按内圆形模式(5035)布置了第一多个管状燃料，第一多个管状燃料每个的中心距离内圆形模式(5035)所示的纵向中心轴线(5030)的径向距离相同。内圆形模式(5035)可以是对称圆形模式，其中内管状燃料电池围着内圆形模式(5035)等距地隔开，或者第一多个管状燃料电池可以以不等的角度分布或角距围着内圆形模式(5035)放置。
按外圆形模式(5045)布置了第二多个管状燃料电池，第二多个管状燃料电池每个的中心距离外圆形模式(5045)所示的纵向中心轴线(5030)的径向距离相同。外圆形模式(5045)可以是对称圆形模式，其中第二多个燃料电池围着外圆形模式(5045)等距地隔开，或者第二多个燃料电池可以以不等的角度分布或角距围着外圆形模式(5045)放置。在本示例实施方式中，燃料电池的总数为二十二(22)个。在不偏离本技术的情况下可以使用其它燃料电池总数的其它燃料电池分布模式。
6.4改进CPOX燃料重整器
现在参照图2至图4，图3示出了根据本技术的燃料重整器系统(3000)的侧截面示意图，图4和图4A示出了其部分分解侧截面视图。燃料重整器系统(3000)包括安装在燃料入口歧管(3055)上方的燃料重整器模块(3020)。燃料重整器模块(3020)包括燃料反应器主体(3040)，燃料反应器主体配置成将燃料空气混合物进料(3025)即未重整燃料接收入圆柱形燃料室(3005)，圆柱形燃料室由环形周边壁(3010)、反应器防护基壁(3015)和燃料室盖(3017)界定。在优选实施方式中，燃料室盖(3017)焊接至环形侧壁(3010)。燃料重整器系统(3000)还包括圆柱形催化主体(3030)。燃料反应器主体(3040)和圆柱形催化主体(3030)中的每个均安装在圆柱形催化腔(3035)中，其中圆柱形催化主体(3030)正好位于燃料入口歧管(3055)上方，且燃料反应器主体(3040)正好位于圆柱形催化主体(3030)上方。燃料反应器主体(3040)和圆柱形催化主体(3030)中的每个均配置成在圆柱形燃料室(3005)和燃料入口歧管(3055)之间提供流体连通。
优选的反应器主体材料的导热系数大于100W/(m°K)，且质量足以将热能快速传导出燃料反应器主体(3040)与催化主体(3030)之间的接合面。优选的催化主体材料包括导热系数小于约40W/m°K的陶瓷基底，以在纵向或径向上阻止热传导通过陶瓷基底。理想地，本技术配置成允许催化主体(3030)在操作期间达到热平衡状态。更具体地，热平衡防止或减少沿催化主体的径向轴线的热梯度，这有助于防止可能烧穿催化层(3090)的局部热点。
在本非限制性示例实施方式中，圆柱形催化腔(3035)具有侧壁，侧壁由环形围壁(3060)的内径形成，环形围壁形成为其纵向中心轴线与图2所示的中心纵向轴线(2060)同轴。圆柱形催化腔(3035)包括两个开口端，每个开口端形成圆形孔口，一个圆形孔口穿过外围隔的盘状外顶壁(2516)，而另一个圆形孔口穿过热区围隔的盘状顶端壁(2017)。
在优选的实施方式中，环形围壁(3060)形成为导热性比燃料反应器主体(3040)弱，以阻止环形围壁(3060)和燃料反应器主体(3040)之间发生热传导。在优选实施方式中，环形围壁(3060)包含哈氏合金或蒙乃尔合金，哈氏合金或蒙乃尔合金均具有高镍含量用以抵抗氧化损伤，并且均具有适合的使用温度等级，如超过400℃，并且均具有小于约25.0W/(m°K)的导热系数。另外，环形围壁(3060)的壁较薄，例如在0.02和0.1英寸之间厚，以进一步显露穿过其的热传导。
从盘状顶端壁(2017)延伸出催化主体支撑凸缘(3065)，或者催化主体支撑凸缘由盘状顶端壁形成。调整催化主体支撑凸缘(3065)的大小以限定圆形孔口(3070)的直径，该直径小到足以防止圆柱形催化主体(3030)穿过圆形孔口(3070)。在催化主体支撑凸缘(3065)与圆柱形催化主体(3030)的底表面之间设置了第一环形垫圈(3075)。在向圆柱形催化主体(3030)施加纵向向下的压力时，第一环形垫圈(3075)在圆柱形催化腔(3035)之间提供气封。另外，第一环形垫圈(3075)配置为隔热器，用以将催化主体支撑凸缘(3065)与盘状顶端壁(2017)热隔离。优选地，第一环形垫圈(3075)包含氧化铝，氧化铝形成为具有足够的厚度和适合的外边缘直径尺寸，以提供期望的气封和隔热性质。更一般地，第一环形垫圈(3075)优选地包含导热性非常低的无孔材料，例如，导热系数小于40W/m°K的材料，这种材料包括大多数陶瓷材料。
调整圆柱形催化腔(3035)的直径的大小来将环形隔热元件(3080)容纳在包围圆柱形催化主体(3030)的圆柱形催化腔(3035)中。设置环形隔热元件(3080)是为了将圆柱形催化主体(3030)与环形围壁(3060)热隔离。另外，环形隔热元件(3080)配置成使圆柱形催化主体(3030)相对于圆柱形催化腔(3035)的中心纵向轴线精确地居中，并且还可以配置为将圆柱形催化主体(3030)成角度地定向以便与燃料反应器主体(3040)的一个或多个特征件精确的角对齐。设置第一环形垫圈(3075)和环形隔离元件(3080)二者是为了防止从围壁例如环形围壁(3060)和顶端壁(2017)到催化主体(3030)的热传导，其优选在高于圆柱形催化主体的温度下操作。
圆柱形催化主体(3030)包括固体无孔陶瓷基底，固体无孔陶瓷基底形成为包括多个纵向设置的催化剂燃料通道(3085)，每个催化剂燃料通道完全穿过圆柱形催化主体(3030)。每个催化剂燃料通道(3085)均提供单独的燃料管道，燃料管道纵向延伸通过圆柱形催化主体(3030)。因此，每个催化剂燃料通道均在圆柱形催化腔(3035)与燃料入口歧管(3055)之间提供流体连通。另外，每个催化剂燃料通道(3085)的内侧表面上均形成有涂覆在其上的催化剂层(3090)。催化剂层(3090)包含催化剂材料，催化剂材料可以用于通过催化部分氧化对燃料空气混合物进料(3025)进行重整，催化部分氧化是使燃料空气混合物(3025)部分燃烧的放热反应。在本非限制性示例实施方式中，优选的催化剂层(3090)包含金属相或氧化物相的铑(Rh)。其它可以用于催化剂层(3090)的适合催化剂包括Pt、Pd、Cu、Ni、Ru和Ce。用于形成圆柱形催化主体(3030)的固体无孔陶瓷基底优选地包含氧化铝或相比于燃料反应器主体(3040)的导热系数，具有相对低导热系数的任何其它无孔材料。在使用陶瓷基底的本非限制性实施方式中，催化主体的导热系数小于40W/m°K。
如下文进一步所述，燃料空气混合物进料(3025)进入圆柱形燃料室(3005)，穿过反应器防护基壁(3015)，进入每个催化剂燃料通道(3085)，在催化剂燃料通道中燃料空气混合物进料与催化剂层(3090)发生反应，然后进入燃料入口歧管(3055)，在燃料入口歧管中燃料空气混合物进料分散进入每个管状燃料电池(2080)。
6.5燃料反应器主体
现在参照图2、图3、图4和图4A，燃料反应器主体(3040)部分设置在圆柱形催化腔(3035)内，并且部分延伸穿过盘状外顶壁(2516)进入冷区，使得燃料反应器主体(3040)的至少部分暴露于环境空气。环形周边壁(3010)提供圆柱形燃料室(3005)的圆柱形侧壁。燃料输入管道(2025)穿过环形周边壁(3010)，将空气燃料混合物进料(2025/3025)送入圆柱形燃料室(3005)。可以理解，可以使用其它几何结构来形成环形周边壁(3010)和燃料室(3005)，环形周边壁和燃料室在其横向平面中可以具有方形、矩形或其他截面。
反应器防护基壁(3015)包括圆柱形燃料室(3005)的圆形底壁，圆形底壁优选地与环形周边壁(3010)形成为一体。然而，反应器防护基壁(3015)和环形周边壁可以形成为单独的部分并结合在一起，例如通过熔接、焊接、机械紧固件和/或其他适合的结合技术结合在一起。多个基壁燃料通道(3095)各沿纵向轴线完全穿过反应器防护基壁(3015)，例如每个基壁燃料通道均与中心纵向轴线(2060)平行。每个基壁燃料通道(3095)均提供纵向延伸通过反应器防护基壁(3015)的燃料管道。此外，每个基壁燃料通道(3095)均与穿过圆柱形催化主体(3030)的多个催化剂燃料通道(3085)中的对应催化剂燃料通道纵向对齐并与其流体连通。
如图4和图4A所示，反应器防护基壁(3015)的底外表面和圆柱形催化主体(3030)的顶表面或输入表面限定了接合面(3032)。在非限制性示例实施方式中，形成接合面(3032)的两个表面中的一个或另一个或二者均包括一个或多个凸起特征部(3033)。凸起特征部可以包括圆形环或多个分立的凸起凸块，优选三个，形成在从反应器防护基壁(3015)的底表面延伸的一个或多个位置处，形成的位置使得凸起特征部接触接合面(3032)处的相对表面，以在两个相对表面之间提供小间隙。更一般地，接合面(3032)形成有在反应器防护基壁(3105)的底表面与圆柱形催化主体(3030)的顶表面之间的间隙。设置间隙是为了完全允许从每个催化剂燃料通道离开的辐射热能冲击到反应器防护基壁(3015)的底表面，使得反应器防护基壁(3015)的基本上整个底表面都可以用于吸收冲击到其上的热辐射。
在接合面(3032)处，每个基壁燃料通道(3095)均沿大致同轴的纵向轴线与其对应的催化剂燃料通道(3085)对齐。在这种布置中，送入圆柱形燃料室(3005)的燃料空气混合物(2025)通过多个基壁燃料通道(3095)中的每个穿出圆柱形燃料室(3005)，流经设置在接合面(3032)的表面之间的间隙，并进入每个对应的催化剂燃料通道(3085)。燃料空气混合物一进入催化剂燃料通道(3085)就开始与涂覆催化剂的侧壁表面(3090)发生反应，并且燃料空气混合物开始催化部分氧化反应，用于将燃料空气混合物转化为重整燃料或合成气。根据本技术的一方面，催化剂燃料通道(3085)内发生的CPOX反应产生的热能辐射在反应器防护基壁(3105)的底表面上，供其部分吸收。另外，催化剂燃料通道(3085)内发生的CPOX反应产生的热能辐射在基壁燃料通道(3095)的内侧表面上，供其部分吸收。
燃料反应器主体(3040)由导热性相比于用于形成柱形催化主体(3030)的陶瓷材料的导热性相对高的材料形成。优选的反应器主体材料具有大于100W/(m°K)的导热系数。因此，在一种非限制性示例实施方式中，整个燃料反应器主体(3040)由一整片铜或铜合金、一整片铍或铍合金、一整片铝或铝合金、一整片黄铜或黄铜合金、一整片钨或钨合金形成，其中合金可以包括钼、镍、铬、黄铜、钨等。在本实例中，一整片是指整个燃料反应器主体(3040)由单片金属形成，如铸造或机加工。在替代实施方式中，燃料反应器主体(3040)可以由组装在一起的多个铸造或机加工元件形成，如熔接、钎焊或机械固定在一起，以此提供连续的导热路径。在任何情况下，期望材料具有至少大于100W/(m°K)的导热系数，其中一些实施方式使用导热系数超过300W/(m°K)的材料。另外，燃料反应器主体(3040)的壁厚度和/或热质量足以促进从反应器主体(3040)靠近接合面(3032)的高温区域至反应器主体(3040)的低温区域的快速热传导，例如设置在热区外的区域，并最小化接合面(3032)与反应器主体设置在热区外的元件之间的温度梯度。反应器主体的附加特性是其优选地具有至少超过200℃、且优选最高达1000℃的使用温度。
在本非限制性示例实施方式中，燃料反应器主体(3040)由铝、优选地导热系数大约为167W/(m°K)的铝6061合金形成。优选铝和铝合金，原因在于其自发形成稳定的氧化层，氧化层保护整体结构不受腐蚀性氧化损伤，并且可以在没有额外施加的保护层的情况下使用。另外，可以对铝和铝合金进行阳极处理，以防止或减少表面氧化。在优选实施方式中，整个燃料反应器主体(3040)包括含单片铝6061合金的固体元件；然而，在不偏离本技术的情况下，燃料反应器主体(3040)可以包括通过使用机械紧固件、熔接或钎焊或使用互锁机械特征件等将多个单独的子组件元件组装在一起形成的组件。
更具体地，根据本技术的重要方面，圆柱形催化主体(3030)、环形围壁(3060)和燃料反应器主体(3040)中的每个的相对导热性均选择为促进从接合面(3032)到设置在热区外的散热凸缘(3100)的热传导，并促进吸收冲击到反应器防护基壁(2015)的表面上的热辐射。这通过以下方式实现：将燃料反应器主体(3040)配置为在接合面(3032)局部导热性最高的元件，并将燃料反应器主体(3040)配置为延伸出热区外，在该处燃料反应器主体或者被主动冷却，例如通过移动经过燃料反应器主体的表面的空气，或者被被动冷却，例如通过简单地将燃料反应器主体(3040)的表面暴露于环境空气。因此，通过在接合面(3032)与燃料反应器主体的较冷部分——通过将燃料反应器主体的一部分暴露于环境空气提供——之间提供热传导路径，燃料反应器主体(3040)的配置在接合面(3032)和热区外的外部环境空气之间建立并维持温度梯度。在燃料反应器主体暴露于环境空气的部分与反应器主体靠近接合面(3032)的部分之间产生的温度梯度有助于促进通过燃料反应器主体(3040)从接合面(3032)至燃料反应器主体暴露于环境空气的部分的大致连续的热能传导。
燃料反应器主体(3040)包括散热凸缘(3100)，例如从环形周边壁(3010)径向延伸的盘状凸缘。散热凸缘(3100)支撑在外围隔外部的盘状外顶壁(2516)上方并暴露于周围空气。优选地，散热凸缘(3100)与环形周边壁(3010)形成为一体，但散热凸缘(3100)可以包括通过熔接、焊接、机械紧固件或其他附接手段附接至环形周边壁(3010)的单独元件。
在盘状外顶壁(2516)与散热凸缘(3100)之间设置有环形密封板(3105)，用以在盘状外顶壁(2516)的顶表面与散热凸缘(3100)的底表面之间提供机械接合面。环形密封板(3105)包括居中的通孔，调整通孔的大小以容纳穿过其的环形周边壁(3010)。在环形密封板(3105)与散热凸缘(3100)之间设置有O形环密封元件(3110)等，例如设置在O形环凹槽中，并且用于气封圆柱形催化腔(3035)的顶部分。可以在盘状外顶壁(2516)的顶表面与环形密封板(3105)的底表面之间设置第二O形环密封元件(3115)等。
环形密封板(3105)和散热凸缘(3100)二者均通过紧固件等附接至盘状外顶壁(2516)，以此向燃料反应器主体(3040)施加向下的力，以使反应器防护基壁(3015)的底表面在接合面(3032)处抵靠圆柱形催化主体(3030)的顶表面或其上形成的凸起表面(3033)，并进一步压缩O形环密封元件(3110)和O形环密封元件(3110)。
现在参照图6，燃料反应器主体(3040)的顶截面示意图描绘了从环形周边壁(3010)径向延伸的散热凸缘(3100)。紧固件(3120)延伸穿过散热凸缘(3100)和环形密封板(3105)，以将散热凸缘(3100)和环形密封板(3105)附接至盘状外顶壁(2516)。环形周边壁(3010)径向延伸出环形围壁(3060)，使得密封板(3105)密封圆柱形催化腔(3035)。基壁燃料通道(3095)的阵列(3125)描绘为穿过反应器防护基壁(3015)。
现在参照图3，燃料重整器系统(3000)可以包括电子控制器(190)能够读取的外部冷却和温度传感元件。在一种非限制性示例实施方式中，设置了电子控制器(190)能操作的空气移动元件(3130)，诸如附接至旋转电机的旋转风机叶片，用以引导散热凸缘(3100)上方的空气流动，从而提高从凸缘(3100)至周围环境空气的对流热能传递。另外，与散热凸缘(3100)的表面或燃料反应器主体(3040)的一个或多个其他表面接触的温度传感元件(3135)可用于通过通信路径(3140)将温度信号输送至电子控制器(190)。空气移动元件(3130)的操作可以是恒定的，或者可以被温度传感元件(3135)发出的温度信号的改变可变地触发。在一种非限制性操作模式中，当温度传感元件(3135)报告高于期望温度上限例如高于50℃的温度时，激活空气移动元件(3130)，而当温度传感元件(3135)报告低于期望温度上限例如低于45℃的温度时，停止空气移动元件(3130)。
另外，温度传感元件(3135)发出的温度信号可以用于控制冷启动燃烧室(2300)的操作，诸如在散热凸缘(3100)的温度达到期望的稳态温度范围时停止燃料流向冷启动燃烧室(2300)。
在示例操作模式中，电子控制器(190)通过通信路径(3140)从温度传感元件(3135)接收温度信号，并基于此确定瞬时凸缘温度。然后电子控制器(190)确定凸缘温度是否在一个或多个期望温度范围内，如果不在，则执行各种命令，诸如操作或停止操作空气移动元件(3130)，和/或启动或停止燃料流向冷启动燃烧室(2300)，或在温度传感元件(3135)指示的瞬时温度超过安全操作极限时，通过命令燃料输送模块(197)关闭燃料阀停止向燃料重整器系统(3000)输送燃料。在一种非限制性操作模式中，电子控制器(190)配置成在散热凸缘(3100)的温度超过50℃时激活空气移动元件(3130)。在其它示例实施方式中，空气移动元件(3130)可以具有多个操作模式，用于根据基于不同温度阈值的需要移动更多或更少的空气。
6.6接合面配置
现在参照图4，基壁燃料通道(3095)和催化剂燃料通道(3085)的对应对之间的接合面(3032)的分解侧截面视图，示出了对应的每对反应器防护基壁燃料通道(3095)和催化剂燃料通道(3085)沿公共纵向轴线对齐。因此，对应的每对基壁燃料通道和催化剂燃料通道提供竖向流动路径，燃料空气混合物通过竖向流动路径从圆柱形燃料室(3005)经过到达燃料入口歧管(3055)。如上所述，可以在接合面(3032)的配合表面之间设置间隙，以使反应器防护基壁(3015)的表面暴露于CPOX反应放出的热辐射，但为了简化本公开，图4未示出间隙。如附图标记(3090)所示，在每个催化剂通道(3090)的侧壁上形成有催化剂层。如图4进一步所示，涉及图4A的箭头表明图4A示出了从催化剂燃料通道(3085)内看向其燃料输入端时接合面(3032)的示意图。在本非限制性示例实施方式中，每个圆形基壁燃料通道(3095)的直径(D)为1.3mm，且反应器防护基壁的厚度为13mm，使得每个燃料通道(3095)为13mm长。在优选实施方式中，燃料通道纵向长度与其直径的比为至少5，优选10，且最高达20。每个方形催化剂燃料通道(3085)的边壁尺寸为1.3mm，且圆柱形催化主体(3030)的厚度为约25.4mm，使得每个催化剂燃料通道(3085)为25.4mm长。在优选实施方式中，催化通道纵向长度与其方形边尺寸的比为至少10，优选15–25，且最高达40。
圆柱形催化主体(3030)具有圆形截面，且圆形截面内直径25.4mm(1.0英寸)的圆形区域内形成有催化燃料通道(3085)阵列。阵列的每个催化燃料通道均具有方形截面并延伸完全穿过圆柱形催化主体(3030)。在本非限制性示例实施方式中，每个方形催化燃料通道均具有1.3mm的边尺寸和25.4mm的长度。可替代地，在不偏离本技术的情况下，催化主体(3030)和燃料通道阵列可以具有其它非圆形截面。
反应器防护基壁(3015)形成有圆形基壁燃料通道(3095)阵列，圆形基壁燃料通道阵列形成在与圆柱形催化主体(3030)的圆形阵列区域相对的直径25.4mm(1.0英寸)的圆形阵列区域内。在本非限制性示例实施方式中，每个圆形基壁燃料通道(3095)均具有1.3mm的直径和13.0mm的长度。可替代地，在不偏离本技术的情况下，反应器防护基壁(3015)和形成在其上的阵列区域可以具有其它非圆形截面。如上所述，基壁燃料通道阵列中的每个圆形基壁燃料通道(3095)与催化剂燃料通道阵列中的方形催化剂燃料通道(3088)之一共轴，使得每个基壁燃料通道(3095)的中心纵向轴线与对应催化剂燃料通道(3085)的中心纵向轴线共轴。
反应器防护基壁(3015)的固体材料包围每个圆形基壁燃料通道，且圆柱形催化主体(3030)的固体材料包围每个方形催化剂燃料通道。在非限制性示例阵列模式中，所有通道均布置成多个平行线性阵列。每个线性阵列从相邻线性阵列偏移圆形通道直径1.2倍的相同节距尺寸。在本实例中，节距尺寸为1.56mm。根据设置在直径25.4mm圆形中的该非限制性示例阵列，圆形阵列区域中圆形通道(3095)的总数大约为208个。
每个直径1.3mm的208个通道的组合面积为276mm2。直径25.4mm的阵列区域的总面积为507mm2。因此，圆形阵列区域中固体材料的面积约为231mm2，使得反应器防护基壁(3015)的底表面提供面向接合面(3032)的可用于吸收冲击到其上的辐射热能的约231mm2的表面面积。在本示例实施方式中，固体表面面积与孔直径面积的比为0.84。按占圆形阵列的总面积的百分比算，总面积的约54％是圆形通道面积，而总面积的约46％是固体材料面积。本领域技术人员将理解，通过减小圆形基壁燃料通道的直径，可以增加表面面积与孔直径面积的比。由于接合面(3032)处的表面区域受到CPOX反应放出的辐射热能冲击，因此在不改变温度的情况下增加固体表面面积会增加吸收入反应器防护基壁(3015)的热能。在优选实施方式中，固体表面面积与孔直径面积的比范围在0.75至0.9之间。
如上所述，CPOX反应放出的辐射热能还会进入圆形基壁燃料通道(3095)，并且辐射热能的至少一部分会冲击到其内侧表面上。虽然冲击在圆形基壁燃料通道(3095)的内侧表面上的辐射热能的入射角近似掠射，但通道比通道直径长，即使当以近似掠射的入射反射时，反射能量也会随着其穿过燃料通道(3095)而散射，并最终冲击到内侧表面上并从内侧表面上反射多个反射循环。所有208个圆形通道的内侧表面的总表面面积约为11043mm2。
现参照图4A，该图示出了从燃料入口歧管(3055)观察到的单个圆形燃料通道(3095)和单个方形催化剂燃料通道(3085)的接合面(3032)。如进一步所示，根据本技术，每个基壁通道(3095)沿其整个纵向长度均具有直径(D)的圆形截面，且每个催化剂燃料通道(3085)沿其整个纵向长度均具有边尺寸(S)的方形截面。在图4A的非限制性示例实施方式中，直径(D)和边长(S)相等，且示出的用竖线填充的区域(B)是反应器防护基壁(3015)的底表面的暴露表面区域。表面区域(B)位于靠近每个催化剂燃料通道(3085)的输入端的接合面(3032)处，且特别地设置该表面区域是为了吸收从催化表面(3090)辐射的热辐射。另外，在接合面(3032)的相对表面之间设置了间隙的情况下，热辐射部分通过从表面区域(B)反射进入间隙。
下述方程式(1)提供了表面区域(B)的面积：
As-Ac＝S2-π(D/2)2 方程式：1
-其中，As是具有边长(S)的方形(3085)的面积
-Ac是具有直径(D)的圆形(3095)的面积。在S＝D的情况下，表面区域(B)的表面面积AB为：
(AB)＝S2(1-π/4)＝0.2146S2 方程式：2
换言之，表面(B)的面积为方形(3085)的面积的约21％。应该理解，可以增加面积AB，以增加表面(B)对于催化燃料通道内产生的热辐射的暴露，例如通过将方形边尺寸从(S)增加至(S1)，或者通过减小圆形通道(3095)的直径(D)。当催化剂燃料通道的边尺寸从(S)增加至(S1)时，在S1/D比等于约1.253的情况下，面积SB可以增加至尺寸为(S1)的方形的面积的50％。
表面区域(B)直接暴露于方形催化剂燃料通道(3085)内发生的CPOX反应，并处于吸收从催化剂燃料通道辐射出的热能的最佳位置。在本技术的非限制性示例实施方式中，即使接合面(3032)处没有间隙，表面(B)以及基壁燃料通道(3095)的内侧表面也会提供足够的较冷反应器防护基壁(3015)表面区域，以吸收足够的、CPOX反应放出的辐射热能，以防止催化剂层烧穿。然而，本领域技术人员将理解，在设置了间隙的情况下，额外的辐射热能进入间隙，并可能冲击到反应器防护基壁(3015)的较冷固体材料表面区域并从其反射多个循环，吸收CPOX反应放出的额外热能。6.7热能传递
不希望受缚于理论，申请人认为一经接触接合面(3032)附近的催化剂层(3090)时，立即激发放热催化部分氧化反应。另外，申请人认为放热催化部分氧化反应在接合面(3032)附近达到其最高温度，最高温度约在900至1000℃之间，取决于燃料材料、燃料与空气混合物的比以及其他因素。响应于接合面(3032)附近的快速加热，燃料空气混合物的温度迅速增加，且热能被燃料空气混合物和催化剂层(3090)吸收。响应于温度增加，燃料空气混合物的体积快速膨胀，以充满催化剂燃料通道(3085)并离开到达燃料入口歧管。在气体膨胀期间，更多的燃料空气混合物与远离接合面(3032)的催化层(3090)接触，以参与到放热催化部分氧化反应中，从而对燃料空气混合物进行进一步加热并使其膨胀。因此，催化部分氧化反应产生的大部分热能被燃料空气混合物吸收并被带出催化剂燃料通道到达燃料入口歧管(2055)。在示例操作模式中，认为在CPOX反应期间送入CPOX反应器的燃料空气混合物的体积会产生约300瓦特。
催化部分氧化反应产生的热能的一部分被催化层(3090)吸收。在本实例中，催化剂层是金属(如Rh)的，导热系数为约150W/m°K。因此，被催化层(3090)吸收的热能被热传导穿过催化层厚度，到达陶瓷催化主体(3030)，并进一步沿着催化层的纵向长度传导。然而，由于催化剂主体(3030)是导热系数为约45W/m°K的陶瓷材料，因此进入陶瓷材料的热流密度(W/m2)低，导致被催化层吸收的热能再射入催化燃料通道，而没有被热传导进陶瓷材料。然而，这种结果是可取的，因为沿着陶瓷催化主体的径向轴线的低热流密度防止热能被径向传导离开催化燃料通道，达到下述程度：使得热能a)传递至燃料通道内的燃料空气混合物，或者b)辐射出燃料通道的端部到达燃料入口歧管或上述表面区域(B)上，或者c)辐射到反应器防护基壁的其它暴露的固体材料表面上，例如通过进入设置在接合面处的间隙，或者d)辐射入圆形基壁燃料通道，通过对流热传递传递至气体空气混合物进料，或者e)辐射到基壁燃料通道(3095)的内侧表面上由其吸收。
因此，被催化层吸收的热能不容易散至陶瓷催化主体(3030)。相反，热能被再射入催化燃料通道，以进一步加热燃料空气混合物。另外，被催化层放出或反射的热能冲击到催化层的其它表面上，并被其部分吸收和部分反射。然而，在没有供热辐射离开催化剂燃料通道的至少一个出口的情况下，催化层(3090)的能量吸收速率可能会超过能量再射速率，由此导致催化层的温度持续增加，直到其达到使催化层烧尽的温度，对催化燃料通道造成永久损伤。
如上所述，申请人认为CPOX反应产生的总功率为300W。使用下文列出的斯特藩-玻尔兹曼方程式(Stefan Boltzmann equation)作为方程式3，考虑表面面积和温度，可以估算图4A所示的总(collective)表面区域(B)——即，基于208个基壁通道(3095)——能吸收的总功率。
P＝eσASf(Tc 4–Tb 4) 方程式3
-其中，P＝净吸收功率(瓦特)；
-e＝表面发射率；
-σ＝5.6703x 10-8(W/m2K4)斯特藩-玻尔兹曼常数；
-A＝被辐射辐射的面积(area，区域)(m2)；
-Sf–与辐射冲击到表面区域(area)A上的入射角相关的形状系数；
-Tc＝辐射源的温度(°K)；以及
-Tb＝表面区域A的温度(°K)。
特别重要的是下述事实，当Tc与Tb相等时，方程式3表明被反应器防护基壁(3015)吸收的净辐射功率为零。因此，在没有反应器防护基壁(3015)提供的较冷表面区域时，催化剂燃料通道内的表面温度可能会持续增加，直到催化剂层过热并烧穿。
在每个方形催化剂燃料通道(3085)的边尺寸(S)均等于1.3mm(0.0013m)且每个圆形基壁通道(3095)的直径均为1.3mm的非限制性示例实施方式中，208个通道的阵列的所有表面区域(B)的总面积——用ABt表示——为7.38 x 10-5m2。假设CPOX反应温度为1000℃(1273°K)且每个表面面积AB的温度为100℃(373°K)，并且采用发射率e＝1.0的简化情况，方程式3预计合并的表面区域ABt可以吸收约11W或CPOX反应产生的功率的约3.6％。
如果接合面(3032)处设置了间隙，使得反应器防护基壁(3015)的底表面的整个固体表面区域——用AS表示——可能用于吸收热能，则可用的固体材料表面区域AS为2.31x10-4m2，且方程式3预计区域AS可以吸收约34W或CPOX反应产生的功率的约11.3％。
另外，如果所有208个圆形燃料通道(3095)的内侧表面的表面区域可能用于吸收热能，则所有圆形燃料通道的可用表面区域——用AP表示——为1.1043x10-2m2，且方程式3预计表面区域AP可以吸收约1632W或CPOX反应产生的功率的约211％。
实际情况是，使用形状系数Sf＝1——当热辐射以法向入射冲击表面时的情况——计算上文列出的热能吸收功率值。虽然表面区域ABt可能是这样，但对于表面区域AS和AP，Sf＝1是不现实的。另外，实际情况是，严重氧化的铝表面的表面发射率(e)不是1.0，而是约0.25或更小。因此，当在所有三个表面区域ABt、AS和AP的表面发射率e＝0.25且表面区域ABt的形状系数Sf＝1且表面区域AS和AP的Sf＝0.1的情况下使用方程式3时，能量吸收值更真实地表现出来。在这种情况下，方程式3预计表面区域ABt可能吸收约2.75W，表面区域AS可能吸收约0.85W，而表面区域AP可能吸收约44.6W。因此，当维持在约100℃时，反应器防护基壁(3015)可能吸收CPOX反应放出的总功率的约16％。
本领域技术人员将理解，通过增加可用表面面积或通过降低反应器防护基壁(3015)的温度可以吸收额外的热能。如上所述，根据本技术，散热凸缘(3100)的表面温度优选地维持在50-100℃的范围内，这是由于燃料反应器主体(3040)的高导热性，可能将整个反应器防护主体(3040)的温度维持在近似相同的温度，但在燃料反应器基壁(3015)与散热凸缘(3100)之间提供热梯度。如上所述，这允许吸收来自CPOX反应的热能，并防止穿过燃料反应器主体(3040)的未加工燃料达到其自燃温度，取决于使用哪种燃料，自燃温度为295至580℃。
因此，在操作期间使上述反应器防护基壁(3015)维持在100℃的温度并在接合面(3032)处设置例如约1mm的小间隙可能吸收约43W热能或1000℃的温度下CPOX反应辐射出的总能量的约14％。然而，本领域技术人员将理解，增加形状系数、增加表面面积以及降低燃料反应器主体(3040)的温度可以从每个催化剂燃料通道(3085)移除额外的热能。
6.8操作模式
6.8.1冷启动
参照图1-3，采用冷启动，通过电子控制器(190)操作燃料输入模块(197)通过燃料输入入口(2304)将燃料空气混合物送入冷启动燃烧室(2300)，并用电子控制器(190)可操作的电点火器(2306)将冷启动燃烧室(2300)内的燃料空气混合物点燃。同时或紧随其后，燃料输入模块(197)也运行，以通过燃料输入管道(2045)将燃料空气混合物送入燃料重整器模块(3020)，且燃料空气混合物穿过燃料重整器模块(3020)到达燃料输入歧管(2055)。优选地，通过燃料重整器模块输送的燃料空气混合物的初始流速非常低，而且旨在仅向SOFC系统填充几乎固定体积的燃料空气混合物。
冷启动燃烧室(2300)内点燃的燃料对冷启动燃烧室(2300)的壁进行加热，但顶端壁(2017)配置成吸收比冷启动燃烧室的其它壁更多的热能。随着顶端壁(2017)的温度增加，热能从顶端壁(2017)热传导至热区围壁(115)的其它区域。另外，热区围壁(115)的顶端壁(2017)和其它壁开始将热辐射射入燃料入口模块(2055)，热辐射被其中容纳的燃料空气混合物吸收，增加其温度。燃烧冷启动燃烧室(2300)内的燃料空气混合物产生的排气通过冷启动离开端口(2302)离开冷启动燃烧室(2300)并流过气隙(2155)到达系统离开端口(2165)。随着热排气流过气隙(2010)，其将热能辐射到纵向圆柱形侧壁(2015)的外侧表面，外侧表面的温度增加。
顶端壁(2017)附接至纵向圆柱形侧壁(2015)，纵向圆柱形侧壁又附接至盘状底管支撑壁(2084)和盘状分隔壁(2214)。每个顶端壁(2017)、纵向圆柱形侧壁(2015)、盘状底管支撑壁(2084)和盘状分隔壁(2114)共同形成热区围壁(115)。如上所述，每个热区围壁均由铜、钼、铝铜合金、铜镍合金中的一种或多种，或其组合制成，使得整个热区围壁结构(115)形成导热系数在约100至300W/(m°K)之间、且优选地在200W/(m°K)以上的连续导热路径。另外，在热区围壁中任一围壁的表面暴露于富氧环境的情况下，壁表面优选地涂覆有镍，以防止氧化。
在三个盘状壁(2017)、(2084)和(2214)的情况下，这些壁中的每个均配置成提供下述热质量，该热质量能通过热传导吸收热能并通过将吸收的热能再射至包围每个盘状壁的较冷区域诸如射入燃料入口歧管(2055)、阴极室(2010)、燃烧室(2135)和回热器室(2210)将热能再分散至热区围壁的其它区域。因此，随着顶端壁(2017)被冷启动燃烧室(2300)内的燃烧加热，热能被顶端壁吸收，并快速传导至热区围壁(2017)、(2015)、(2084)、(2214)的所有区域，直到整个热区围壁组件达到平衡温度。此外，随着热能被热区围壁吸收或射出，由于其高导热性，其平衡温度在热区围壁的所有区域内大致均匀地变化。
因此，在启动时段期间，冷启动燃烧室(2300)内燃料的燃烧产生的热能的至少一部分被顶端壁(2017)吸收。另一部分随着热排气流过气隙(2155)到达系统离开端口(2165)被纵向圆柱形侧壁(2015)吸收。随着顶端壁(2017)的温度增加，顶端壁(2017)开始将热能再射入较冷的燃料入口歧管(2055)，用于使其中容纳的和/或流经的无论什么燃料空气混合物的温度增加。
最后，燃料入口歧管(2055)内的燃料空气混合物的温度达到适合激发CPOX反应的反应温度。当已被加热至反应温度的燃料空气混合物与位于催化主体与燃料重整器模块(3020)的后端或底表面接合的接合面(3032)处的催化主体输入或顶表面附近的催化剂层(3090)接触时，发生初始CPOX反应。一在部分或所有催化剂燃料通道(3085)的输出端激发CPOX反应，每个催化剂燃料通道(3085)内的温度就沿其纵向长度快速增加，将CPOX反应扩散至接合面(3032)，且CPOX反应变得自持。
一达到自持CPOX反应，就操作燃料输入模块(197)以中断至冷启动燃烧室(2300)的燃料空气混合物流，并根据需要调节通过燃料重整器模块(3020)输送的燃料空气混合物的输入速率，以维持自持CPOX反应并产生电力。然而，可以继续冷启动燃烧室(2300)内的燃烧，直到全功率DC功率输出也自持。通过各种传感器，包括设置在热区围隔的壁上的温度传感器，通过设置在散热凸缘(3100)上的温度传感器(3135)，通过设置在系统排出端口(2165)附近的温度传感器，通过检测DC功率输出模块(140)处的DC功率信号以及通过各种其他传感装置，电子控制器(190)可以知道自持CPOX反应。
为了加热阴极气体，电子控制器(190)操作空气输入模块(198)将空气流/阴极气流送入空气输入端口(2205)。虽然该步骤可以与点燃冷启动室同时进行或者甚至在点燃冷启动室之前进行，但也可以延迟到实现自持CPOX反应时进行。优选地，输送通过回热器室(2210)的进气的初始流速非常低，而且旨在仅向SOFC系统填充几乎固定体积的空气。
进气流通过回热器输入端口(2235)离开阴极进给管(2145)，穿过回热器室(2210)到达回热器输出端口(2235)，然后通过多个空气离开端口(2240)离开阴极进给管(2145)到达阴极室(2010)。与每个管状燃料电池(2080)的外侧表面上形成的固体氧化物阴极电极发生反应后，空气/阴极气体离开燃烧室(2135)，穿过阴极室离开端口(2245)到达燃烧室(2135)，在燃烧室中与废弃燃料空气混合物混合并燃烧。然后，燃烧副产品通过燃烧器离开端口(2150)离开燃烧室到达气隙(2155)，并通过系统离开端口(2165)离开系统。
主空气加热元件是设置在回热器室(2210)内的盘状分隔壁(2214)。如上所述，盘状分隔壁(2214)是热区围绕物的一部分，因此在启动阶段期间几乎与形成冷启动燃烧室(2300)的基壁的盘状顶端壁(2017)的温度增加同时开始增加温度。另外，盘状分隔壁(2214)以热传导方式与盘状底管支撑壁(2084)耦接，且两个壁均由燃烧燃烧室(2135)内的废燃料和废空气的混合物来加热。因此，几乎在同一时间，盘状顶端壁(2017)开始将足够的热能辐射入燃料输入歧管(2055)，以升高燃料温度，盘状分隔壁(2214)开始将足够的热能辐射入回热器室(2210)以升高进气的温度。同时，热区围壁将热能辐射入阴极室(2010)，用于对其中容纳的空气进行加热，并对燃料电池堆(2005)的管状燃料电池的壁进行加热。CPOX反应一变成自持，就可以根据需要调节进气和燃料空气混合物二者的流速，以维持自持CPOX反应并产生期望功率输出幅度的电力。
6.8.2激发SOFC反应
如上所述，燃料空气混合物和进气/阴极气体被热区围壁加热，热区围壁被冷启动燃烧室(2300)内发生的燃烧加热。最后，在催化剂燃料通道(3085)内激发自持CPOX反应，其将燃料空气混合物加热至较高的温度，并将燃料重整为合成气，合成气能与每个管状燃料电池(2080)的内侧表面上形成的固体氧化物阳极电极发生反应。温度较高的合成气还在其穿过管状燃料电池(2080)时将热能辐射到(一个或多个)阳极电极上。随着阳极电极的温度增加，阴极电极被纵向圆柱形侧壁(2015)辐射入阴极室(2010)的热能以及从回热器室(2210)进入阴极室(2010)的加热空气/阴极气体加热。
最后，阳极和阴极电极、阴极室内的合成气和空气/阴极气体达到开始产生DC功率并将其输出至DC电力终端的反应温度。最后，燃烧室(2135)内的气体温度达到燃烧温度，且燃烧室内发生的燃烧产生的热能将进气温度升至稳态操作温度。在一种非限制性示例操作模式中，合成气、进气和管状燃料电池(2080)具有350至1200℃之间的稳态操作温度，优选操作温度范围从800-1000℃。同时，热区围壁(115)通过热传导不断地重新分配热能，使得热区围壁温度在其所有区域内大致均匀地增加和降低，直到达到稳态操作温度然后维持。
6.8.3燃料重整器操作模式
现在参照图3至图4A，如上所述，燃料重整器模块(3020)至少部分地与冷启动燃烧室(2300)和热区围壁热隔离，以防止燃料室(3005)内的燃料空气混合物在进入圆柱形催化主体(3030)之前就达到其自燃温度。更具体地，取决于所使用的燃料，燃料自燃温度范围约为295至580℃。通过比较，SOFC系统的操作温度范围为350至1200℃，还是取决于燃料和电极层材料。另外，如上所指出的，CPOX反应温度范围估计为900至1000℃。
在冷启动期间，燃料空气混合物(3020)进入圆柱形燃料室(3005)，并穿过反应器防护基壁(3015)，然后穿过圆柱形催化主体(3032)到达燃料输入歧管(3055)。然后燃料空气混合物流过管状燃料电池，并最后离开系统。如上所述，本技术管理冷启动燃烧室(2300)内燃烧产生的热能，以此促进热能比传递至其它冷启动燃烧室壁(2510)和(2513)更好地传递至盘状顶端壁(2017)。这通过下述方式管理，将盘状顶端壁(2017)配置为具有比其他壁(2510)和(2513)的合并热质量更高的热质量。
更具体地，热能传递(Q)由方程式4决定：
Q＝CthΔT 方程式4
-其中，Q＝热能传递(J)
-Cth＝壁的热质量(J/℃)
-ΔT＝热气体与壁之间的温度差。
在本实例中，每个壁的ΔT大约相同；然而，每个壁的热质量不同。热质量Cth定义为壁材料质量(m)(单位：g)与材料的比热容(μ)(单位：J/g℃)的乘积，其中，质量(m)为壁材料体积V(单位：cm3)与材料密度(ρ)(单位：g/cm3)的乘积。
Cth＝ρVμ 方程式5
-其中，ρ＝材料密度(g/cm3)
-V＝材料体积(cm3)
-μ＝材料的材料比热容(J/g℃)。
在非限制性示例实施方式中，盘状顶端壁(2017)主要包含铜，而包围冷启动燃烧室(2300)的其它壁(2510)和(2513)主要包含哈氏合金。对于铜，比热容(μ)为0.385J/g℃。对于哈氏合金，哈氏合金的比热容(μ)为0.450J/g℃。对于铜，密度(ρ)为8.96g/cm3，而对于哈氏合金，密度(ρ)为8.22g/cm3。因此，在下述情况下确保顶端壁(2017)吸收比其他壁合并起来更多的热能，即在盘状顶端壁(2017)的(Qt)大于所有其它壁合并起来的(Qo)的情况下，当每个壁的ΔT项相同时，以方程式4表示，这简化为：
Ctht>Ctho或(ρc Vtμc)>(ρh Voμh)
-其中，Ctht＝顶端壁的热质量
-Ctho＝其它壁合并起来的热质量
-Vt＝顶端壁的体积
-Vo＝其它壁合并起来的体积
-ρc＝铜的密度，ρh＝哈氏合金的密度
-μc＝铜的比热，μh＝哈氏合金的比热；
本实例的结果为：
Vt>1.07Vo
换言之，当盘状顶端壁(2017)的体积(Vt)超过其它冷启动燃烧室壁(2510)和(2513)的合并体积(Vo)的1.07倍时，盘状顶端壁(2017)的热质量就超过其它壁(2510)和(2513)的热质量。因此，根据本技术，当盘状顶端壁(2017)的体积是其它冷启动燃烧室壁(2510)和(2513)的合并体积(Vo)的2.14倍时，盘状顶端壁(2017)的热质量就超过其它壁(2510)和(2513)合并起来的热质量，优选地超过100％或更多或根据上述实例，只需增加壁(2017)的厚度达到期望体积比就可以实现。
因此，顶端壁(2017)吸收比所有其它冷启动燃烧室壁合并起来吸收的更多的热能。该实施方式的主要优点是将冷启动燃烧室(2300)内燃烧燃料空气混合物产生的大部分热能吸收入顶端壁(2017)，然后通过热区围壁形成的导热路径将该能量快速分散至SOFC系统的其它区域。特别地，在冷启动过程期间，来自冷启动室的燃烧能量主要被顶端壁(2017)吸收，并再射入燃料入口歧管(2055)，以将其中容纳的燃料空气混合物充分加热至高到足以在催化剂燃料通道(3085)的输出端(3034)激发CPOX反应的温度。该实施方式的第二优点在于，冷启动燃烧室(2300)内燃烧的燃料空气混合物产生的大部分热能从燃料重整器模块(3020)转移走。
CPOX反应一经激发并自持，燃料反应器主体(3040)就提供导热路径以及足够的热质量，将热能从反应器防护基壁(3015)快速传导至散热凸缘(3100)。特别地，由于接合面(3032)靠近温度为900–1000℃的CPOX反应，因此通过辐射、热传导和对流到达反应器防护基壁(3015)的热能的量不同，并且被图4和图4A所示的反应器防护基壁(3015)的底表面的暴露表面(B)、其余固体材料以及圆形基壁燃料通道(3095)的内表面吸收。因此，有效淬灭了接合面(3032)附近的初始CPOX反应，以防止燃料空气混合物进料自燃。特别地，合并表面区域(B)——用ABt表示——可能吸收所有催化剂燃料通道(3085)放出的总热辐射的约1％，反应器防护基壁在接合面处的固体表面区域——用上述AS表示——可能吸收所有催化剂燃料通道(3085)放出的总热辐射的约0.2％，而基壁燃料通道(3095)的内表面可能吸收约13.6％，合并的总量为约15％。
根据本主题技术，反应器防护基壁(3015)的热质量，即其体积，形成为大到足以从催化剂燃料通道(3085)传递足够的能量，以防止当反应器防护基壁可以维持在100℃或更低时其中过度加热。另外，根据本主题技术，燃料反应器主体(3040)的热质量，即其体积，形成为大到足以通过热传导从反应器防护基壁(3015)将足够的热能提供给散热凸缘(3100)，以允许整个燃料反应器主体(3040)几乎维持在均匀的温度，在温度较高的反应器防护基壁与散热凸缘(3100)之间维持小的热梯度。另外，根据本技术，散热凸缘(3100)的表面面积足够大，使得热能以与反应器防护基壁(3015)吸收热能的速率——如上所述为约44W——相等的速率从其散出。另外，根据本技术，燃料反应器主体(3040)配置成从其散出足够的热，以防止穿过圆柱形燃料室(3005)的燃料空气混合物超过其自燃温度。更具体地，散热凸缘(3100)配置成在所有操作模式期间将足够的热能散至周围空气，以将燃料反应器主体(3040)的温度维持在低于约295℃——等于预计燃料空气混合物的最低自燃温度，并优选地将整个燃料反应器主体(3040)的温度维持在约100至250℃之间。另外根据本发明，在所有操作阶段期间监测散热凸缘(3100)的温度，如果散热凸缘的温度超过期望的温度上限——在100至250℃的范围内，则可以通过燃料输入模块(197)的可操作元件停止输入燃料空气混合物，以防止燃料进入重整器(167)，直到进一步操作或空气移动元件(3130)将散热凸缘(3100)的温度降低至安全的操作温度。
本领域技术人员还可以理解，虽然上文根据优选实施方式对本主题技术进行了描述，但其不限于此。上述主题技术的各个特征和方面可以单独使用或以任何组合结合使用。例如，任何所述权利要求均可以重组为具有任何其他权利要求中的部分或所有限制，并且权利要求可以从属于彼此或以任何组合从属于部分或所有其他权利要求。此外，虽然在特定环境中以及用于特定应用的实施的背景下(如，在固体氧化物燃料电池系统中通过催化部分氧化进行燃料重整)对本主题技术进行了描述，但本领域技术人员将理解其用处不限于此，且可以在需要在加工可燃材料的高温腐蚀环境中管理热能的许多环境和实施中有益地使用本技术。因此，应根据本文公开的本发明的整个广度和精神理解所列权利要求。

Claims (15)

1.一种燃料重整器模块，包括：
燃料反应器主体，所述燃料反应器主体围有中空燃料室，其中，所述中空燃料室由以下界定：沿着室纵向轴线设置的周边壁，附接至所述周边壁并设置成封住所述燃料室的顶端的顶壁，以及附接至所述周边壁并设置成封住所述燃料室的底端的反应器防护基壁，
其中，所述反应器防护基壁包括面朝所述中空燃料室里的基壁顶表面以及面朝所述中空燃料室外的大致平行且相对的基壁底表面，以及从所述基壁顶表面至所述基壁底表面延伸穿过所述反应器防护基壁的多个大致相同的基壁燃料通道，并且
其中，每个基壁燃料通道均具有沿其纵向长度大致恒定的截面面积，且轴向中心为通道纵向轴线，所述通道纵向轴线大致与所述室纵向轴线平行；以及
催化主体，所述催化主体包括固体无孔陶瓷基底，所述固体无孔陶瓷基底由催化主体顶表面和大致平行且相对的催化主体底表面界定，
其中，所述催化主体顶表面设置成在接合面范围内与所述基壁底表面基本相对；
其中，所述催化主体包括多个大致相同的催化剂燃料通道，每个催化剂燃料通道从所述催化主体顶表面延伸至所述催化主体底表面，其中所述多个催化剂燃料通道中的每个均具有沿其纵向长度大致恒定的截面面积以及涂覆在每个催化剂燃料通道的内侧表面上的催化剂层，并且
其中，所述多个基壁燃料通道中的每个均与所述多个催化剂燃料通道中的一个纵向对齐，使得所述多个基壁燃料通道中的每个与所述多个催化剂燃料通道中的一个的纵向轴线大致共轴。
2.根据权利要求1所述的燃料重整器模块，其中，所述多个基壁燃料通道中每个的所述截面面积与所述多个催化剂燃料通道中每个的所述截面面积的比小于0.9。
3.根据权利要求1所述的燃料重整器模块，其中，所述多个基壁燃料通道中每个的所述截面面积与所述多个催化剂燃料通道中每个的所述截面面积的比在0.6至0.9之间。
4.根据权利要求1所述的燃料重整器模块，其中，所述多个基壁燃料通道中的每个均具有直径在0.65至2.6mm范围内的圆形截面，并且所述多个催化剂燃料通道中的每个均具有边尺寸在等于所述基壁燃料通道的直径至最高达所述基壁燃料通道的直径的1.26倍范围内的方形截面。
5.根据权利要求1所述的燃料重整器模块，其中，所述多个基壁燃料通道中的每个均具有直径在0.65至2.6mm范围内的圆形截面，其中纵向长度在所述直径的10倍和20倍之间。
6.根据权利要求5所述的燃料重整器模块，其中，所述多个催化燃料通道中的每个均具有边尺寸在0.65至2.6mm范围内的方形截面，其中纵向长度在所述边尺寸的5倍至40倍之间。
7.根据权利要求3所述的燃料重整器模块，其中，所述多个基壁燃料通道布置成阵列模式，其中，所述阵列模式具有固体材料区域和孔模式区域，其中，所述固体材料区域与孔模式区域的比具有0.75至0.9的范围。
8.根据权利要求1所述的燃料重整器模块：
其中，所述燃料反应器主体的一部分暴露于环境空气；
其中，所述燃料反应器主体由导热系数大于100W/m°K的材料形成；并且
其中，所述燃料反应器主体形成为提供从所述反应器防护基壁的所述底表面延伸至所述燃料反应器主体暴露于环境空气的所述部分的大致连续的导热路径。
9.根据权利要求8所述的燃料重整器，其中，所述燃料反应器主体暴露于环境空气的所述部分包括从所述周边壁径向延伸出的盘状散热凸缘。
10.根据权利要求9所述的燃料重整器模块，还包括与系统控制器通信的设置在所述散热凸缘的表面上的包括的温度传感元件。
11.根据权利要求10所述的燃料重整器模块，还包括空气移动装置，所述空气移动装置可操作以通过使所述散热凸缘的表面上方的环境空气流动来冷却所述散热凸缘。
12.一种燃料重整方法，包括：
将气态烃化合物流送入由燃料反应器主体围在内的中空燃料室；
通过反应器防护基壁将所述气态烃化合物流送出所述中空燃料室，所述反应器防护基壁由所述燃料反应器主体形成，并形成为包括穿过其的多个大致相同的基壁燃料通道；
将所述气态烃化合物流从所述多个基壁燃料通道中的每个接收入多个催化剂燃料通道，其中，每个催化剂燃料通道穿过无孔催化主体，其中，所述多个基壁燃料通道中的每个均与所述多个催化剂燃料通道中的一个的纵向轴线大致共轴；
其中，所述多个催化剂燃料通道中的每个均在其内侧表面上涂覆有催化层，所述催化层适用于通过催化部分氧化(CPOX)对所述气态烃化合物进行重整，并且其中，CPOX反应放出热辐射；
其中，所述反应器防护基壁包括面朝所述中空燃料室的顶表面以及背朝所述中空燃料室的大致平行且相对的底表面，且所述催化主体包括定位成在接合面范围内与所述反应器防护基壁的所述底表面相对的顶表面以及大致平行且相对的底表面；
其中，所述燃料反应器主体的一部分暴露于环境空气；
其中，所述燃料反应器主体由导热系数大于100W/m°K的材料形成，并提供从所述反应器防护基壁底表面延伸至所述燃料反应器主体暴露于环境空气的所述部分的大致连续的导热路径；
通过所述CPOX反应在所述催化剂燃料通道的每个内对所述气态烃化合物进行重整；以及
吸收所述CPOX反应放出到所述反应器防护基壁底表面以及所述多个基壁燃料通道中任一个的内侧表面上的所述热辐射，其中，所吸收的所述热辐射通过所述燃料反应器主体热传导至所述燃料反应器主体暴露于环境空气的部分。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括监测所述燃料反应器主体暴露于环境空气的所述部分的温度。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括操作空气移动装置以引导环境空气流过所述燃料反应器主体暴露于环境空气的所述部分的表面。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括将所述燃料反应器主体配置为具有足够的热质量以及足够的热能散发表面面积，以使所述燃料反应器主体维持在低于250℃的稳态操作温度。
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