CN1209220A - 自冷却单容器燃料电池发电器及应用这些发电器组件的发电厂 - Google Patents

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Abstract

一种单容器燃料电池发电器(10),此发电器(10)包含一层内绝热层(14)、一层外绝热层(16)和一个位于绝热层之间的单个壳体(20),其特征在于,包含电极和电解质的燃料电池被内绝热层(14)围绕在发电器的内侧(12),而发电器能在约650℃以上的温度下运行,其特征在于,内、外绝热层的组合有能力将壳体(20)中的温度控制在壳体材料退化温度以下。壳体还可包含一体的冷却管道,而若干这样的发电器可相互紧邻而放置,以提供一个具有内部冷却的功率块组件。

Description

自冷却单容器燃料电池发电器 及应用这些发电器组件的发电厂
依照与美国能源部的合同DE-FC21-91MC28055，美国政府有权拥有此发明。
本发明涉及热量受控的、固体氧化物电解质的燃料电池发电器，还涉及放置在一个单容器壳体内的这样一些发电器的组件，此组件与各种辅助设备一起应用于容量为100KW至50MW或略高的发电系统中。
以燃料电池为基础的发电器装置(“发电器”)是人们所熟知的，这种发电器装置应用放置在一个壳体内，由绝热层围绕的一些固体氧化物电解质燃料电池(“SOFC”)，且公开于以下专利中，如美国专利4395468(伊生伯格)和“固体氧化物燃料电池”，西屋电气公司，1992年10月，关于管状SOFC；美国专利4476196(波皮尔等)中的关于平板形SOFC；美国专利4476198(阿克曼等)中的关于“波纹形”SOFC，以上的内容均已通过参考而包含于文中。管状燃料电池可包括一个端部开口或封闭的、轴向细长的陶瓷管，空气电极材料，沉积在陶瓷支承管上，它被一薄层陶瓷固体电解质材料完全覆盖。除去一个很薄的细长互联物体外，电解质基本被陶瓷合金燃料电极材料所覆盖。平板型燃料电池包括一个电解质壁和互联壁的平板组件，其中电解质壁包含将电解质夹于中间的阴极和阳极材料的平板薄层。“波纹形”板状燃料电池包括一个有效阳极、阴极、电解质和互联材料的三角形或波纹形蜂窝组件。其它不合固体电解质的燃料电池，诸如熔融碳酸盐燃料电池也是人所共知的，并可用本发明的单容器进行隔热。
在建造燃料电池发电器时，稳定的隔热被认为是本质性的，且认为将高温绝热层置于其中的内、外钢壳壳体对于防止绝热层产生氢气或其它燃料气体的渗漏都是很重要的，因为如美国专利4640875(马坎儿)提出的，它会引起隔热气体从绝热层孔中漏失。在此专利中还提出了适用于内壳体呈两个分部的密封，这使内壳体得以在发电器热循环和运行期间进行径向和纵向膨胀。在美国专利4808491(瑞切诺)中提出了应用内金属容器以保护绝热层的某一部分，并起转角加热导管的一面壁的作用。这种双金属壳体结构是25KW试验性发电器的最初形状。在所有例子中，绝热层都是放置在外金属壳体的内侧的。
在先前的结构中，与美国专利4664986(德雷珀等)所示相似的氧化剂空气进给导管及部分内金属容器接触已在燃烧室中反应的、废弃的氧化剂/燃料的热排放气体，这造成内金属壳体的温度很高。对于单个发电器来说，高温度的金属壳体可借助应用外国钢材及陶瓷材料加以应付。但是，在商业化应用中，多个发电器组件要进行电连接以提供MW系统的输出，因而要求对那些不是位于系统周边的发电器侧面进行有效的冷却。特种钢材和陶瓷的高价对一些单个发电器仍是一个问题，而固体氧化物燃料电池组件内部冷却问题的严峻困难也是过去未提及的。但没有这样的中心冷却，长期运行后，在组件中心附近会造成约束容器的翘曲和潜在的失效。
在文献中描述了各燃料电池系统。在美国专利3972731(勃朗姆菲尔德等)中，描述了一种加压燃料电池发电厂。在那里，空气被压缩机装置加压，在运行中压缩机和透平连接，而透平则由发电厂产生的、形式为诸如燃料电池废气的热加压气态媒体提供动力。这些废气输入至透平中，透平驱动压缩机以便压缩输至燃料电池的空气。在美国专利5413879(多米瑞基等)中，一个SOFC也用于结合在燃气透平系统中。在那里，预热的加压空气与燃料一起输送至一个SOFC中，以产生电力和热气体，此气体通过残留于热气体中的未反应燃料和氧气的燃烧进一步加热。此温度更高的气体被引向前置燃烧器，对此燃烧器输入二次燃料流，以产生再进一步加热的气体，它然后在透平中膨胀。
美国专利4622275(诺固切等)也描述了一种燃料电池发电厂，在那里，转化的反应燃料进给至电池的阳极，一个与压缩机连接的膨胀透平将加压气体进给至电池的阴极，此加压气体与已燃烧的阳极废气混合。
如先前已指出的，在发电厂应用中，燃料电池发电器、模块或功率块的组件必须在组件内部进行冷却，以防止非陶瓷部件的过热及可能的失效。此外，为具有商业竞争力，壳体的数目必须减少。本发明的目标之一就是提出一种热量受控制的发电器和一种受冷却的单容器发电器组件。
因此，本发明在于一种自冷却、单容器燃料电池发电器装置，其特征在于包括一层内绝热层、一层外绝热层、以及一个单个壳体，壳体的侧面放置在绝热层之间，其中若干包含电极和电解质的燃料电池被内绝热层所围绕，所述发电器能在约超过650℃的内部温度下运行，而内、外绝热层的所述组合有能力将壳体温度控制在壳体材料退化温度以下。壳体材料可以是浇注的、具有适当充填材料的特种混凝土、各种廉价的商业钢材、或类似材料。壳体是一个单个的、分立的(包括复合的或分层的)层，例如，模压陶瓷或混凝土，并具有一个任选的、不锈钢或碳钢的外接触薄层部件。应用内、外绝热层组合以控制燃料电池壳体温度具有价格和性能的优越性，即使内绝热层设有受内壳体、容器或类似物保护以防止接触气态燃料和燃料燃烧产物及损失大量绝热性能。燃料电池一般在超过约650℃的温度下运行，通常在约650℃以上至高达约1250℃。壳体形状可以是正方的、圆形的或其它几何形状的，而燃料电池能在“加压”模式下运行，也即高于约2个大气压，或约28.5磅每平方英寸(2.0kg/cm2)。
广义讲，本发明在于一种自冷却、单容器燃料电池发电器装置，其特征在于包括：一层内绝热层；一层外绝热层；一个具有顶部、底部和侧面部分的单个金属壳体，且至少壳体的侧面部分放置在绝热层之间，所述侧面部分在其中具有冷却管道，这些侧面部分中的管道与冷却液体或气体的源相联通；若干包含电极和电解质、被内绝热层围绕的燃料电池；一个气态氧化剂入口；和一个与燃料通道连接、使燃料得以通至燃料电池的气态燃料入口。这里，从氧化剂入口连接至冷却管道的氧化剂通道使气态氧化剂得以通过冷却管道流至燃料电池，此气态氧化剂起冷却气体的作用。在此结构中，内绝热层遭受内侧气体的接触；一条底部空气导管将氧化剂入口导管连接至冷却管道，这些管道与一条顶部空气导管联通，气态氧化剂能由此顶部空气导管流至燃料电池；和一个喷射器，它能使燃料从燃料入口流至燃料电池。在两个所描述的发电器中，管状、平板型和其它类型的高温燃料电池都可应用于单容器内，而在燃料电池中可应用各种诸如固体、液体、基体的电解质。这些发电器取消了双壳体的应用；显著降低了对成本和空间的要求。
发电器能在内侧温度高达约1250℃的燃料及诸如氧气或空气的氧化剂流动中运行，并且还至少与三件熟知的辅助设备连接、配合进行工作，以提供一个发电系统，这些辅助设备为例如控制器、氧气或空气预热器、燃料气体压缩机、燃料脱硫装置、氧气或空气压缩机，它在运行中与透平连接在一起、燃料气体源、热交换器、以及一个热回收装置，用以从燃料电池的热废气中回收热量、和一个前置燃烧器。
本发明还在于一种发电系统，其特征在于包含若干自冷却、单容器燃料电池发电器装置，每一发电器具有：一层内绝热层；一层外绝热层；一个位于绝热层之间的单个金属壳体，该壳体包含顶部、底部和侧面部分，壳体侧面部分在其中具有冷却管道；若干被内绝热层所围绕的燃料电池；与燃料电池连接的一个燃料入口和若干燃料输送通道；以及与燃料电池连接的一个氧化剂入口和若干氧化剂输送通道；其中，若干发电器相互紧邻地放置以提供一个紧凑装配的发电器组件，每一发电器能在超过约700℃的内部温度下运行，所述组件具有外发电器壳体侧面部分和内发电器壳体侧面部分，其中，内侧面部分能被流过此组件内侧面部分边界上的冷却管道的气体或液体所冷却。此类型发电系统可例如是一个组合的、煤气化/燃料电池一蒸汽透平联合发电厂的一部分，其特点是具有若干个煤气化器以及若干与直流/交流转换开关相配合的燃料电池发电器组件或功率块。此系统解决了与紧凑装配发电器组件有关的过热问题，并大大节省内部成本和空间。
为更好地了解本发明，可参考下述附图所示的本发明最佳的、非限定性的实施例其中：
图1最佳地表示了本发明，它是单个燃料电池发电器的一个实施例的三维截面图，该发电器具有单容器，其冷却由内、外绝热层的组合加以控制；
图2是单个燃料电池发电器的另一实施例的三维截面图，该发电器具有安装着一体冷却管道的单容器，其冷却由冷却管道、及内、外绝热层的组合加以控制；
图3是为了展示目的，从一个略为不同的角度下表示的图2中单容器一个实施例的三维截面图，它更清晰地表示了发电器的内部冷却管道和内绝热层；
图4是沿图2中燃料电池发电器的直线4-4的横截面图，它表示燃料电池、单容器的内部冷却管道、内和外绝热层、以及燃料入口管；
图5是图2中燃料电池发电器的截面图，它表示氧化剂和燃料的流动路径；
图6是一个由十个单容器发电器紧凑装配组成的组件一个实施例的局部横截面图，它提供了一个容量高达1.5MW的紧凑的功率块，并借助内、外绝热层和位于组件内部以及围绕组件周边的冷却管道进行冷却；而
图7表示一个300MW的煤气化/燃料电池-蒸汽透平联合发电厂的实施例，它应用了若干诸如由图6所示的功率块。
现请参看附图中的图1，在图中展示了一种型式的燃料电池发电器10。其管状结构对运行于大气压以上的燃料电池特别有利。在发电器10的内侧容纳有若干燃料电池(未示)，它们可具有各种形状，如平板形的、波纹形的或管状的，并应用各种可在较高温度下进行运行的电解质，如磷酸基体或固体氧化物陶瓷，电解质放置在诸如空气电极(接触诸如空气的氧化剂的电极)和燃料电极(接触诸如转化煤气或转化天然气的燃料的电极)的电极之间。燃料电池具有配置的互联线和电力引线、进给氧化剂输送管、进给燃料输送管等。这些燃料电池被内绝热层14围绕。外绝热层16至少围绕发电器壳体20(此处表示为混凝土层)的侧面18，通常也覆盖发电器壳体的顶部22。图1所示的壳体实施例是一个“复合型”的壳体，它包括如由能在较高温度下应用的诸如碳纤维增强混凝土或陶瓷纤维增强混凝土的特殊混凝土制成的主壳体20，以及一层任选的、由诸如钢制成的金属接触薄层20′，其上可能有筋或顶侧衬板(未示)。在文中，壳体即使应用了单层或多层薄组分层20′，仍定义为单个壳体或单容器。在主壳体20和任何相配合的任选钢层20′之间没有主绝热层。在图1实施例的绝热层14的内侧最好没有金属层或其它的内层将它夹在中间。
内绝热层可在发电器内的各个位置接触热燃料气体、已反应氧化剂和燃料的混合物、可能的话还有热氧化剂气体，温度高达1250℃，压力可能由28.5psi(磅/英寸2)至220psi(2.0kg/cm2至15.5kg/cm2)。结果，绝热层必须从有限的材料组合中选取，它能承受这些温度，且仍能为壳体提供合适的热防护。绝热层通常应是基本无石英的，以避免对燃料电池，特别是SOFC的可能的石英污染，它会潜在地降低性能。因此，内绝热层14最好是高纯度氧化铝纤维类型的。这种氧化铝材料能提供良好的绝热性能，并有含石英最少的高纯度氧化铝可供使用。这种氧化铝绝热层是相当多孔的，因此当它暴露于在通常燃料电池堆中发现的改性燃料时，确实会损失某些绝热性能。
外绝热层16可以是石英、玻璃纤维、氧化铝或类似物，一般它暴露于四周空气中。为使内、外绝热层的组合能协同将燃料电池发电器壳体温度控制在壳体材料的退化温度之下，(内绝热层)∶(外绝热层)的厚度比一般应约从(1)∶(.2)至(1)∶(3)。在试验运行中，应用的比例为(1)∶(.35)。希望壳体20是能在最低安全温度下运行的混凝土、混凝土-金属复合材料、诸如钢的金属、或陶瓷，以便将昂贵的内绝热层的数量降至最少。由于要求有可取的高纯度，内绝热层一般较为昂贵。14和20的要求总厚度取决于允许的总体热损失，以及燃料电池堆的预期热效率。结构绝热层20的有效冷却构成设计的另一特点。由于内绝热层14具有较大的热阻，因而冷却可方便地控制20的温度。冷却剂可以是用于供给燃料电池堆的输入空气，或是一个单独的冷却源，应用诸如水、化学制剂、或气体，只要它们必须无论采用什么方法加热，以便使用或处理，因此，也就是任何能经济地利用的液体或气体。
如前所述，图1或图2的发电器内部所用的燃料电池可以是任何类型或形状的固体氧化物电解质或熔融碳酸盐燃料电池。但是，为简单起见，管状固体氧化物电解质燃料电池将作为此发明的一个应用实例加以讨论，因此，下文的说明一般将涉及此型燃料电池，不过，这绝不意味对本发明的范围有任何限制。
固体氧化物燃料电池(SOFC)是将化学能转换成电能的高效装置。它们应用各种矿物燃料，如由煤获取的燃料气体、天然气，或蒸馏燃料，在大气压或升压下，温度约为1000℃时产生电力。从电池排出的气体温度为500℃至850℃，此温度是一个对废热发电应用，或用于全电力中央发电厂的末端循环都有吸引力的温度。
一个运行着的SOFC容易地将氧离子从它们形成的空气电极(阴极)通过固体电解质导向燃料电极(阳极)。在此处它们与包含在燃料气体中的一氧化碳(CO)及氢(H2)反应，释放电子，产生电力。管状SOFC的特征是一个由掺镧亚锰酸盐制成的多孔空气电极。除去一条沿整个有效电池长度、宽约9mm的带状区域外，空气电极覆盖着一层氧化钇稳定的氧化锆(厚约40微米)气密电解质。这一外露的空气电极带用一薄层稠密的掺镧亚铬酸盐气密层加以覆盖。此层称为电池互联带，用作与相邻电池或功率接触的电接触区域。燃料电极是一种镍-二氧化锆陶瓷合金，除去互联带附近区域外，它覆盖着电解质表面。
为进行运行，空气一般通过一条空气引射管引入至燃料电池中。在电池封闭端附近排出的空气流过由电池和其同轴引射管形成的环形空间。燃料在电池的外侧流动。通常，在有效燃料电池区间有85％的燃料可被电化学应用(反应)。气体不可渗透的电解质不允许氮从空气侧通至燃料侧，因此燃料在无氮环境中氧化，避免形成NOx。在电池的开口端，剩余的燃料与离开电池的空气流反应，从而提供附加的有用热量。如果需要，也可在发电器内完成含碳氢化合物的天然气和其它燃料的转化。输入的燃料可在发电器内转化成H2和CO，从而消除了一定需要外转化炉。在发电器装置内，所有的气体流动和反应都是受控制的。
为建造一个SOFC发电器，单个电池“捆扎”成一组串联一平行电连接的燃料电池组件，形成一个半刚性的结构物，这就是一个基本发电器组件块。根据不同的应用，这些单个束串联或平行地组合以建立发电器电压或电流，并形成子模块。束内电池的平行电连接加强发电器的可靠性。子模块再按或平行或串联连接组合形成发电器模块。有关管状燃料电池的更详细的说明以及它们在发电器装置中的运行可参见美国专利4395468(伊生伯格)。
现请参看附图中的图2，图中展示了燃料电池发电器10的另一实施例。外绝热层16至少围绕发电器壳体20的侧面，壳体20可完全由铁、钢、不锈钢、镍合金或其它合适的金属制成。发电器在内绝热层14的邻近及内侧没有内筒、箱、或壁。如图所示，外绝热层16通常也覆盖发电器壳体的顶部22。图中还展示了一条氧化剂分配导管24，这里，例如，空气能进给至发电器的底部。已燃废气导管26能排出已用过的燃料和已用过的氧化剂。如先前已说明的，燃料可通过诸如管道28的燃料入口装置进给至发电器的顶部。顶部22的截面表示顶部壳体20具有一体的冷却管道30，以及还有内绝热层14。
图3详细地展示了壳体20的底部。此壳体20是一个“自冷却、单容器型的壳体，安装有内绝热层14。如图2和4所示，至少壳体20的侧面是设置在内、外绝热层之间。所示冷却管道30位于壳体20的侧面，最好如图所示地围绕壳体。在图3所示的本发明的一个实施例中，这些冷却管道30的底部与来自氧化剂分配导管24的诸如下空气增压室32的气态氧化剂入口联通。在发电器图3的内侧12可包含若干燃料电池，如前所述，这些燃料电池被内绝热层14所围绕。来自燃料入口管28的气态燃料入口可与燃料输送通道相联，以使燃料可通至燃料电池的外侧。气态氧化剂输送通道通过冷却管道30进给至冷却管道30的顶部，以使氧化剂可通至燃料电池的内侧。图4和图5的说明将进一步详细说明本发明此实施例中所述的这些氧化剂和燃料通道。当然，氧化剂可与燃料一样直接进给至燃料电池中，而冷却则可由水或其它液体或气体的连续流动来完成。在所有情况下，内绝热层都是与内侧气体接触的。图3所示的壳体20在所有情况都是一个圆角的正方形，但它也可是其它的形状，例如，其侧面区间可是一根连续的管。
图4是沿图2中隔热发电器直线4-4的横截面，它表示燃料电池束34，每一束包含若干互联的燃料电池36，此处表示的是管状SOFC型的，具有电极及夹于其间的电解质。被内绝热层14和外绝热层16围绕的壳体20包含一些冷却管道30，它们最好围绕其周边。没有内壳体、金属或其它的壁或结构物接触内绝热层14。壳体20没有将内绝热层14夹于内箱或其它部件之间。燃料将进入燃料入口管28，并最好通至由图5可最清楚看到的一个或多个喷射器38，在此处再循环气体可与进给燃料引射混合，提供在转化区间40有用的气流，并另外提供最优的运行条件。然后燃料流离开转化器40，通过燃料增压室44进入燃料供应管线，如图5所示，这些管线至少将转化燃料部分输送或通至燃料电池36的外侧，在那里燃料沿着管状燃料电池36外侧上的细长燃料电极表面进行反应。
如图5所示，氧化剂进入空气增压室32，成为氧化剂流通过冷却管道30向上通至顶部空气分配增压室50。然后氧化剂流向下输送，并通过单个氧化剂进给管52，进入每一燃料电池36的底部内侧，在此处，如本技术熟知的那样，氧化剂反向流动，通过氧化剂进给管和内空气电极之内的环形空间，并在此处沿着空气电极内表面进行反应。经反应的氧化剂最终作为已使用的氧化剂进入燃烧区间54(未表示流动)。然后，已使用的氧化剂与已使用的燃料进行燃烧给出废气56，部分废气56可再循环至喷射器38。其余废气56通过排气管道58进入图2所示的废气导管26。有关这些流动图形的进一步细节以及喷射器系统的使用可从美国专利5169730(瑞切诺)中找到。
现请参看附图中的图6，图中所示的组件60具有十个隔热、单容器的功率块。由图可见，包含冷却管道30的壳体20被外绝热层16所围绕(为清楚起见，燃料电池发电器的内部另件未表示)。外发电器侧面区间62以及内侧面区间64可由流过冷却管道30的气态氧化剂加以冷却。这种冷却在组件60的中央内侧部分尤为重要，它解决了与紧凑装配的发电器组件相关联的过热问题，并得以在容器壳体20的更宽广的区域中应用钢。没有模块间的冷却，模块间空间将达到1000℃或更高的堆温度。为了在这样温度下长时间使用的金属结构物能稳定工作就可能要求采用非常昂贵的外国合金。在图2中较为清楚表示的废气导管26从一个发电器至另一发电器地连接在一起。所示燃料进给管道28也连接在一起。
图7表示了一个300MW、煤气化/燃料电池-蒸汽透平联合循环发电厂70。图中表示了煤气化装置72、空气分离(氧气)厂74、直流/交流转换和电开关装置以及功率调节装置76，还有五个50000吨贮煤仓78。由煤气化装置供应的燃料可驱动前述的8个SOFC功率块组件60，每一组件包含12个SOFC发电器或模块，它们转而又与一台热量回收蒸汽透平80及热量回收蒸汽发生器82联合在一起。正如可看到的，SOFC块还可结合进入应用透平的系统中。
在前述的加压SOFC功率块系统中，压气机可压缩向燃料电池供应的预热空气。来自功率块的热气体可在高压下泵送至燃烧器，产生进一步加热的热气体，它可在透平中膨胀以产生功率。如在美国专利3972731(勃朗姆菲尔德等)一样，透平转又可驱动压气机以加压氧化剂流。此外，如在美国专利5413879(多米瑞基等)那样，在加压SOFC功率块中，来自功率块的热气体可借助供应燃料的前置燃烧器以产生再进一步加热的热气体，引入至透平中，然后它流至透平装置，并在其中膨胀。在燃气透平/固体氧化物燃料电池联合系统中，系统的主要部件是一台压气机、一台透平、一台透平借助它驱动压气机的叶轮，以及一台发电机、一台燃料预热器、一台空气预热器、一台燃料脱硫装置、一个具有燃烧室、前置燃烧器和排气管的固体氧化物燃料电池发电器。
在运行中，包括若干排固定导叶和转动叶片的压气机吸入四周空气，产生加压空气。此加压空气在流过前置燃烧器后，被空气预热器加热。空气预热器可以是翅片管型的，它具有传热表面，从而得以使热量从被燃料预热器排出的透平废气传向压缩空气，从而产生加热的加压空气。加压空气可近似加热至500°-600℃。然后，此加热的加压空气被引至固体氧化物燃料电池发电器。气态燃料，它可以是天然气，或是由媒导出的燃料气体，被泵驱动通过燃料预热器。燃料预热器可以是翅片管型的，它具有传热表面，从而得以使热量从被透平排出的废气中传向燃料，从而产生加热燃料。燃料可加热至约400℃。加热的燃料然后被引至脱硫装置，该脱硫装置具有一个包含硫吸附床的贮槽，燃料从其中流过。从脱硫装置流出的燃料所具的硫最好小于0.1ppm。
虽然图6和图7已对应用SOFC的系统进行了一般说明，但如前所述，其它类型的燃料电池也可用于这样的系统中。这仅是一种能应用本发明紧凑装配功率块的结构。它们还可用于使用从锅炉产生蒸汽的SOFC废热发电系统；以液化天然气作燃料的SOFC的全供电电厂；现有矿物燃料电厂的动力重新匹配；以及中央船只的电推进。
应用本发明的自冷却单容器功率块组件得以在大气压或加压情况下对商业化SOFC进行使用，其优点是：
·对废热发电应用，其总效率高达80％(50％电效率)，而对以天然气作燃料的中央电站，大于50％。
·在此处，由于已从燃料中去除硫，因此不散发SOx。因为温度只是适中地高，因而已测得的NOx的散发可小于0.5ppm。
·低散发、安静及低振动的运行，以及燃料的灵活性使得SOFC系统可安装于负荷中心区附近，或在城市区域内。
·对负荷在一个很宽功率范围内变化的快速响应，以及在部分负荷运行时的高效率将满足商业、工业及公用事业市场的要求。
·运行的灵活性使产生的废气温度与高质量蒸汽相似，可用于末端循环或废热发电系统。
·采用过程空气进行冷却省略了对单独的液体或液体/空气冷却回路的要求，而使用固体电解质则消除了与管理液态电解质有关的问题。
·模块结构和可使用工厂生产的SOFC模块将使用户得以响应负荷增长的要求，同时使资本辐射达到最小。

Claims (28)

1．一种自冷却、单容器燃料电池发电器装置，包括：一层内绝热层、一层外绝热层、以及一个单个壳体，壳体的侧面放置在绝热层之间，其中，若干包含电极和电解质的燃料电池被内绝热层所围绕，所述发电器能在约超过650℃的内部温度下运行，而内、外绝热层的所述组合有能力将壳体温度控制在壳体材料退化温度以下。
2．如权利要求1所述的单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，该发电器装置还包括向燃料电池供应气态氧化剂的装置、和向燃料电池供应气态燃料的装置，其中，供应装置中至少有一个能有效地向燃料电池提供加压气体。
3．如权利要求1所述的单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，壳体材料选自一组混凝土、混凝土-金属复合体、金属和陶瓷，而内绝热层∶外绝热层的厚度比例约从(1)∶(.2)至(1)∶(3)。
4．如权利要求1所述的单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，壳体一体地包含若干条冷却管道。
5．如权利要求1所述的单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，燃料电池具有管状燃料电池结构，而内绝热层是基本不含石英的。
6．如权利要求1所述的单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，燃料电池具有平板形燃料电池结构。
7．如权利要求1所述的单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，燃料电池具有波纹形整体结构。
8．如权利要求1所述的单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，该发电器装置至少具有三件与其配合的辅助设备，这三件辅助设备选自控制器、氧气或空气预热器、燃料气体压缩机、燃料脱硫装置、氧气或空气压缩机、透平、热交换器及前置燃烧器。
9．如权利要求1所述的若干单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，这些发电器装置相互紧邻地放置以组成一个发电器组件，所述组件具有外发电器壳体侧面部分和内发电器壳体侧面部分，其中，内壳体侧面部分包含冷却管道，冷却液体或气体由此通过，以有效地帮助冷却内发电器侧面部分。
10．如权利要求9所述的若干单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，一台至少对氧化剂和燃料之一进行加压的压缩机装置与燃料电池相配合，而发电器装置包含通至透平装置的热气体出口装置。
11．一种自冷却、单容器燃料电池发电器装置，包括：一层内绝热层；一层外绝热层；一个具有顶部、底部和侧面部分的单个金属壳体，且至少壳体的侧面部分放置在绝热层之间，所述侧面部分在其中具有冷却管道，这些侧面部分中的管道与冷却液体或气体的源相联通；若干包含电极和电解质、被内绝热层围绕的燃料电池；一个气态氧化剂入口；和一个与燃料通道连接、使燃料得以通至燃料电池的气态燃料入口。
12．如权利要求11所述的自冷却、单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，冷却管道、内绝热层和外绝热层的组合有能力将壳体温度控制在壳体材料退化温度以下。
13．如权利要求11的自冷却、单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，从氧化剂入口连接至冷却管道的氧化剂通道使气态氧化剂得以通过冷却管道流至燃料电池，所述气态氧化剂起冷却气体的作用。
14．如权利要求11的自冷却、单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，壳体材料选自一组混凝土、混凝土金属复合体和金属，而内绝热层∶外绝热层的厚度比例从约为(1)∶(.2)至约为(1)∶(3)。
15．如权利要求11的自冷却、单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，该发电器装置还包括向燃料电池供应气态氧化剂的装置、和向燃料电池供应气态燃料的装置，其中，供应装置中至少有一个能有效地向燃料电池提供加压气体。
16．如权利要求11的自冷却、单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，燃料电池具有管状燃料电池结构，而内绝热层是基本不合石英的。
17．如权利要求11的自冷却、单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，燃料电池具有平板形燃料电池结构。
18．如权利要求11的自冷却、单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，燃料电池具有波纹形整体结构。
19．如权利要求11的自冷却、单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，该发电器装置至少具有三件与其配合的辅助设备，这三件辅助设备选自控制器、氧气或空气预热器、燃料气体压缩机、燃料脱硫装置、氧气或空气压缩机、透平、热交换器及前置燃烧器。
20．如权利要求11的若干自冷却、单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，这些发电器装置相互紧邻地放置以组成一个发电器组件，所述组件具有外发电器壳体侧面部分和内发电器壳体侧面部分，其中，内壳体侧面部分包含冷却管道，氧化剂由此通至燃料电池，所述氧化剂的通过能有效地冷却内发电器壳体侧面部分。
21．如权利要求20的若干单容器燃料电池发电器装置，其特征在于，一台至少对氧化剂和燃料之一进行加压的压缩机装置与燃料电池相配合，而发电器装置包含通至透平装置的热气体出口装置。
22．若干自冷却、单容器燃料电池发电器装置，每一发电器具有：一层内绝热层；一层外绝热层；一个位于绝热层之间的单个金属壳体，该壳体包含顶部、底部和侧面部分，所述壳体侧面部分在其中具有冷却管道；若干被内绝热层所围绕的燃料电池；与燃料电池连接的一个燃料入口和若干燃料输送通道；以及与燃料电池连接的一个氧化剂入口和若干氧化剂输送通道；其中，若干发电器相互紧邻地放置以提供一个紧凑装配的发电器组件，每一发电器能在超过的650℃的内部温度下运行，所述组件具有外发电器壳体侧面部分和内发电器壳体侧面部分，而且，内侧面部分能被流过此组件内侧面部分边界上的冷却管道的气体或液体所冷却。
23．如权利要求22的若干发电器装置，其特征在于，壳体材料选自一组混凝土、混凝土金属复合体、金属和陶瓷，而内绝热层∶外绝热层的厚度比例为从约(1)∶(.2)至约(1)∶(3)。
24．如权利要求21的若干发电器装置，其特征在于，冷却管道、内绝热层和外绝热层的组合有能力将壳体内侧面部分的温度控制在壳体金属的退化温度以下。
25．如权利要求22的若干发电器装置，其特征在于，从氧化剂入口连接至冷却管道的氧化剂通道使气态氧化剂得以通过冷却管道流至燃料电池，所述气态氧化剂起冷却气体的作用。
26．如权利要求22的若干发电器装置，其特征在于，还包含向燃料电池供应气态氧化剂的装置和向燃料电池供应气态燃料的装置，其中，供应装置中至少有一个能有效地向燃料电池提供加压气体。
27．如权利要求22的若干发电器装置，其特征在于，发电器组件至少与三件辅助设备相配合，这三件辅助设备选自控制器、氧气或空气预热器、燃料气体压缩机、燃料脱硫装置、氧气或空气压缩机、透平、热交换器及前置燃烧器。
28．如权利要求22的若干发电器装置，其特征在于，至少对氧化剂和燃料之一进行加压的压缩机装置与组件联通，而组件包含通至透平装置的热气体出口装置。
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