CN1646449A - 固体氧化物燃料电池和系统 - Google Patents

Abstract

一种固体氧化物燃料电池系统，包括单元(a)至(g)中的任意一个或多个：(a)温度敏感吸附氧富集系统[2]；(b)包括固体氧化物燃料电池[68]和热泵[4]以及任选的汽轮机[90]的负载匹配的发电系统；(c)网纹化的燃料电池陶瓷电解质[101]；(d)耐受环境的燃料电池阳极催化剂[503]；(e)包含阳极侧焓轮[601]的燃料水汽补给系统；(f)燃料电池中的毡密封[701]；和(g)燃料电池中的毡集流器[860]。

Description

固体氧化物燃料电池和系统

                      发明领域

本申请要求于2002年2月20日提交的美国临时申请60/357636的优先权权益，其被全文引入作为参考。本发明一般涉及燃料电池，更具体地涉及固体氧化物燃料电池和发电系统。

                      发明背景

燃料电池用氢或各种烃类燃料发电。在一些燃料电池中，含氧气体如空气被供应到电解质的阴极侧上，而氢或烃类燃料被供应到电解质的阳极侧上。燃料电池通过电化学反应发电。例如，在固体氧化物燃料电池中，含氧空气被供应到固体陶瓷电解质的阴极侧上，而烃类燃料被供应到电解质的阳极侧上。

当进入的空气中氧含量较高时，燃料电池操作更有效，这主要是因为当氧分压较高时，电池的能斯特势增加。因此，有时使用各种方法提高或富集供应到燃料电池中的空气的氧含量，包括变压吸附(如QuestAir Inc.的Pulsar技术)、氧选择性膜(如Boyer等人，J.Appl.Electrochem.，1095页，1999)或磁力分离设备(如Nitta等人，美国专利6106963，本文引入其全文作为参考)。但是，这些方法通常效率低，因为它们需要使用动力(如电)，从而降低了燃料电池和发电系统的效率。

                      发明概述

本发明的优选实施方式提供一种系统，该系统包括一个或多个单元(a)至(g)的任意组合：

(a)温度敏感吸附氧富集系统；

(b)包括固体氧化物燃料电池、热泵和任选的汽轮机的负载匹配的发电系统；

(c)网纹化(textured)的燃料电池陶瓷电解质；

(d)耐受环境的燃料电池阳极催化剂；

(e)包含阳极侧焓轮(enthalpy wheel)的燃料水汽补给系统；

(f)燃料电池中的毡密封；和

(g)燃料电池中的毡集流器。

                     附图简述

图1-5为根据第一种优选实施方式的氧富集系统的略图。

图6-10D为根据第二种优选实施方式的联合发电和冷却系统的略图。

图11为现有技术的固体氧化物燃料电池的侧向横断面示意图。

图12为氧通过电解质传输的示意图。

图13、15和16为根据第三种优选实施方式的固体氧化物燃料电池的侧向横断面示意图。

图14为现有技术的多层固体氧化物电解质的侧向横断面示意图。

图17-24为根据第三种优选实施方式制造电解质的手段的侧向横断面示意图。

图25-26为根据第四种优选实施方式的燃料电池的侧向横断面示意图。

图27A-B为根据第五种优选实施方式的系统的示意图。

图28-35为根据第六种优选实施方式的密封的略图。

图36-48为根据第七种优选实施方式的燃料电池堆的重复单元的略图，其中电池堆包括毡导电体/流量分配器单元。图36-45为断面分解图，图46-48为三维剖视图。

                   优选实施方式详述

1.第一种优选实施方式

在本发明的第一种优选实施方式中，发明人认识到可使用温度敏感吸附循环提高供应到燃料电池中的空气的氧含量。优选地，温度敏感吸附循环利用燃料电池发电时产生的热。使用燃料电池产生的热提高循环吸附分离工艺中进入气流的氧含量能提高发电效率。但是，可使用通过不同于燃料电池的方式产生的热代替。

在温度敏感吸附工艺中，使气流(氮和氧的混合物)通过冷吸附剂介质以选择性地除去部分氮，从而得到氧含量比原始气流高的气流。当吸附剂在该工艺条件下被氮饱和时，将燃料电池运转或由另外的来源产生的热转移到吸附剂介质，因此氮通过出口被赶出吸附剂介质。这样就实现了分离。

图1示意地描述了温度敏感富氧系统1。该系统包括气源3、吸附剂介质5和燃料电池7。气源3可为鼓风机、进气管道和/或任何其它能将空气供应到吸附剂介质5的设备。吸附剂介质5可为相对于氧能选择性吸附氮的任何介质。优选地，吸附剂介质5为含有氮吸附材料如沸石或沸石混合物的床。例如，可使用银X、钠X或钙A沸石。燃料电池7可为任何能供入空气的燃料电池。优选地，燃料电池7为固体氧化物燃料电池。但是，也可使用其它燃料电池，如PEM、直接甲醇、熔融碳酸盐、磷酸或碱性燃料电池。

系统1还优选包含位于燃料电池7和吸附剂介质5之间的热传递管道9。管道9将来自燃料电池7的热传递到吸附剂介质5。管道9可包括任何可将热从一个位置传递到另一位置的设备。例如，管道9可包括管、导管、壁间空间或甚至固体热传递材料。管道9优选为能将热传递流体传递过系统1的管。

进气口11位于吸附剂介质5的外壳内。进口将来自气源3的空气供应到吸附剂介质5内。富氧空气管道13位于吸附剂介质5和燃料电池7之间。管道13可为管、导管或能从吸附剂介质5供应富氧空气到燃料电池7之间的空间。

在第一种实施方式的一个优选方面，热传递管道9包括位置靠近燃料电池7、靠近受热器15和靠近吸附剂介质5的管。例如，如图2所示，管道9环绕到吸附剂介质5的外壳上和燃料电池7上。管道9还通过受热器15。热传递管道9将被加热的热传递液体如水从靠近燃料电池7的位置传递到吸附剂介质5。被加热的热传递液体加热吸附剂介质5以从吸附剂介质5中脱附氮。热传递管道9还将被冷却的热传递液体如水从靠近受热器15的位置传递到吸附剂介质5。被冷却的热传递液体冷却吸附剂介质5，这使得吸附剂介质5从由进口11供应的空气中吸附氮。

现在将更详细地描述图2中图示的热传递管道9的操作。管道9中充满了热传递液体。该液体可为任何能传递热的液体。优选地，该液体为水。但是，可使用其它液体如矿物油等，或甚至热传递气体。通过管道9并通过至少一个阀供应液体。优选地，管道9包含出口阀17和进口阀19。但是，只可使用这两个阀中的一个。出口阀17优选为三通阀，其能引导液体通过管道9的第一段21、通过管道9的第二段23，或阻止液体流过管道9。如果通过位置靠近燃料电池7的第一段21供应液体，则液体被燃料电池7中产生的热加热。例如，“位置靠近”是指管道9的第一段21环绕到燃料电池7上，或如果使用超过一个的燃料电池则环绕到燃料电池堆上。但是，“位置靠近”也包括任何其它的能使燃料电池7加热段21内液体的段21构造。例如，段21可位于与燃料电池7一个或多个表面接触的位置或段21可位于燃料电池附近，而不是环绕到燃料电池上。

然后将被加热的热传递液体从第一段21通过进口阀19供应到位置靠近吸附剂介质5的管道9部分。例如，“位置靠近”是指管道9环绕在吸附剂介质5外壳上。但是，“位置靠近”也包括任何其它的能使热传递液体加热吸附剂介质5的管道9构造。例如，管道9可位于与吸附剂介质5的一个或多个表面接触的位置，或管道9可位于吸附剂介质5附近，而不是环绕到它上面。被加热的热传递液体加热吸附剂介质5，并脱附吸附在吸附剂介质5中的氮。

当需要冷却吸附剂介质5时，则切换阀17和19以通过管道9的第二段23供应热传递流体。第二段23位置靠近受热器15。受热器15可包括任何能冷却管道9第二段23内液体的部件。例如，受热器15可为冷却塔、热交换器、冷风散热器、冷风鼓风机或甚至穿过冷地面或壁的段23的一部分。段23可穿过受热器15或放到与受热器15接触或靠近受热器15的位置，这取决于使用的受热器类型。

然后将被冷却的热传递液体从第二段23通过进口阀19供应到位置靠近吸附剂介质5的管道9部分。被冷却的热传递流体冷却吸附剂介质5，同时来自进口11的空气通过吸附剂介质5以从空气中脱附氮。

如图2所示，在闭合控制回路中通过管道9供应热传递液体。图2的系统1以间歇或非连续方式操作。因此，当将空气从气源3通过吸附剂介质5供应到燃料电池7时，热传递液体就通过靠近受热器15的第二段23。被冷却的热传递液体冷却吸附剂介质5以从空气中吸附氮。当没有空气从气源3通过吸附剂介质5被供应到燃料电池7时，热传递液体就通过靠近燃料电池7的第一段21。被加热的热传递液体加热吸附剂介质5以脱附氮。

但是，在第一种实施方式的第二个优选方面，系统1以连续方式操作。为了以连续方式操作，系统100包含两个或多个吸附剂介质5A、5B，如图3所示。在图3中，与图1-2中单元的数字相同的单元被认为是相同的。在图3的优选方面中，在使用一个吸附剂介质5A吸附氮以使富氧空气被供应到燃料电池的同时，用来自燃料电池的热加热另一吸附剂介质5B以从吸附剂介质5B中脱附氮。

图3所示的系统100包含以下单元。系统100包含一个或多个气源3如鼓风机，和多个相对于氧能选择性吸附氮的吸附剂介质5A、5B。尽管图3中只示出了两个介质，但如果需要可有超过两个的介质。系统100还包含多个将热从燃料电池(为简明，图3中未示出)传递到多个吸附剂介质5A、5B的热传递管道9A、9B。管道9A、9B位于燃料电池和多个吸附剂介质5A、5B之间。

还有多个进入多个吸附剂介质5A、5B的进气口11A、11B，和多个将富氧空气从多个吸附剂介质5A、5B供应到燃料电池的出口13A、13B(即多个富氧空气管道)。管道13A、13B位于多个吸附剂介质5A、5B和燃料电池之间。

优选地，系统100包含7个三通阀，这将在下面更详细地描述。但是，可根据需要使用多于或少于7个的阀。系统100最少包含一个位于气源3和多个吸附剂介质5A、5B之间的进口选择阀27。进口选择阀27将来自气源3的空气引入第一吸附剂介质5A或第二吸附剂介质5B。

系统100还包含至少一个位于多个吸附剂介质5A、5B和燃料电池之间的出口选择阀29。出口选择阀29将富氧空气从第一吸附剂介质5A或从第二吸附剂介质5B通过富氧空气管道13A、13B、13C引入燃料电池。

系统100包含至少一个位于气源3和多个吸附剂介质5A、5B之间的排气选择阀31。排气选择阀31引导脱附的氮从第二吸附剂介质5B或第一吸附剂介质5A通过排气口25排出。

提供至少一个连接管道33以便将多个富氧空气管道13A、13B连接起来。连接管道33将吹扫气从第一或第二吸附剂介质中的一个引入到第一或第二吸附剂介质中的另一个以从接受介质中吹扫出氮。优选地，管道33包含一个或多个流量限制器35。限制器35限制富氧空气的流量，以便离开吸附剂介质的多数富氧空气通过管道13C而不是通过连接管道33被引入到燃料电池。

系统100包含至少一个位于热传递流体管道9A、9B的热传递流体进口阀37A、37B。优选有两个这种阀，如图3所示。阀37A将被加热的热传递流体从燃料电池堆引入到吸附剂介质5A、5B中的一个，而阀37B将被冷却的热传递流体从受热器引入到吸附剂介质5A、5B中的另一个。

此外，系统100包含至少一个位于热传递流体管道9A、9B的热传递流体出口阀39A、39B。优选有两个这种阀，如图3所示。阀39A将被加热的热传递流体从吸附剂介质引入到受热器，而阀39B将被冷却的热传递流体从吸附剂介质引入到燃料电池。

因此，管道9A、9B实际包括一个公用管道9的两段。例如，管道9A的输出通过阀39B、燃料电池堆和阀37A成为管道9B的输入，而管道9B的输出通过阀39A、受热器和阀37B成为管道9A的输入。但是，可设置阀37A、37B和39A、39B使得管道9A和9B保持独立，这将在下文中更详细地讨论。

现在描述图3和4中操作系统100的方法。如图3所示，设置阀以使第一吸附剂介质5A供应富氧空气到燃料电池，而氮从第二吸附剂介质5B中脱附。用管道9A内冷的热传递流体冷却第一吸附剂介质5A，而用管道9B内热的热传递流体加热第二吸附剂介质5B。

然后，在一段时间后，如图4所示切换阀位置。如图4所示，设置阀以使第二吸附剂介质5B供应富氧空气到燃料电池，而氮从第一吸附剂介质5A中脱附。用管道9B内冷的热传递流体冷却第二吸附剂介质5B，而用管道9A内热的热传递流体加热第一吸附剂介质5A。于是，能以连续而非间歇方式操作系统100。可使用至少一个吸附剂介质供应富氧空气到燃料电池，而加热并吹扫另一吸附剂介质以脱附其中吸附的氮。

现在将详细描述如图3所示的系统100的操作。来自气源3的空气被引入到进口选择阀27，它将空气引入多个吸附剂介质中的至少一个。例如阀27将空气引入第一吸附剂介质5A而不是第二吸附剂介质5B。用第一热传递管道9A内的热传递流体冷却第一吸附剂介质5A，于是第一吸附剂介质5A就从空气中选择性地吸附氮。富氧空气离开第一吸附剂介质5A，并通过富氧空气管道13A、13C和出口选择阀29被选择性地引入到燃料电池中。进口选择阀27阻止空气从气源3流入到第二吸附剂介质5B。另外，出口选择阀29阻止从第二吸附剂介质5B到燃料电池的流动。因此，富氧空气不会从第二吸附剂介质5B流入到燃料电池中。

一部分富氧空气从第一吸附剂介质5A通过管道13A、连接管道33和管道13B流入到第二吸附剂介质5B。连接管道33上的流量限制器35确保只有一小部分富氧空气流入到第二吸附剂介质5B中。来自第一吸附剂介质5A的这种富氧空气用作第二吸附剂介质5B的吹扫气以从第二吸附剂介质5B中吹扫出氮。在吹扫气通过第二吸附剂介质5B的同时，用管道9B内被加热的热传递流体加热第二吸附剂介质5B以脱附第二吸附剂介质5B内的氮。脱附的氮通过排气选择阀31被选择性地引导从第二吸附剂介质排出而不是从第一吸附剂介质排出。

按如下将热传递流体引入到图3所示的系统100内。使热传递流体通过受热器以冷却热传递流体。将被冷却的热传递流体通过热传递流体进口阀37B的“冷进口”并通过管道9A选择性地引入到第一吸附剂介质5A中。

然后，将来自第一吸附剂介质5A中的被冷却的热传递流体通过管道9A并通过热传递流体出口阀39B的“冷出口”选择性地引入到燃料电池。使来自阀39B的热传递流体靠近燃料电池通过以加热热传递流体。

然后将被加热的热传递流体通过热传递流体进口阀37A的“热进口”并通过管道9B选择性地引入到第二吸附剂介质5B中。然后，将来自第二吸附剂介质5B的被加热的热传递流体通过管道9B并通过热传递流体出口阀39A的“热出口”选择性地引入到受热器。

现在将详细描述图4所示的系统100的操作。设置图4中的所有阀以提供与图3相反方向的流动。将来自气源3的空气引入到进口选择阀27，其将空气引入到第二吸附剂介质5B而不是第一吸附剂介质5A。用第二热传递管道9B内的热传递流体冷却第二吸附剂介质5B，于是第二吸附剂介质5B从空气中选择性地吸附氮。富氧空气离开第二吸附剂介质5B，并通过富氧空气管道13B、13C和出口选择阀29被选择性地引入到燃料电池。进口选择阀27阻止空气从气源3流入到第一吸附剂介质5A。另外，出口选择阀29阻止从第一吸附剂介质5A到燃料电池的流动。因此，富氧空气不会从第一吸附剂介质5A流入到燃料电池。

一部分富氧空气从第二吸附剂介质5B通过管道13B、连接管道33和管道13A流入到第一吸附剂介质5A。连接管道上的流量限制器35确保只有一小部分富氧空气流入到第一吸附剂介质5A中。这种来自第二吸附剂介质5B的富氧空气用作第一吸附剂介质5A的吹扫气以从第一吸附剂介质5A中吹扫出氮。在吹扫气通过第一吸附剂介质5A的同时，用管道9A内被加热的热传递流体加热第一吸附剂介质5A以脱附第一吸附剂介质5A内的氮。脱附的氮通过排气选择阀31被选择性地引导从第一吸附剂介质排出而不是从第二吸附剂介质排出。

按如下将热传递流体引入到图4所示的系统100内。使热传递流体通过受热器以冷却热传递流体。将被冷却的热传递流体通过热传递流体进口阀37B和管道9B选择性地引入到第二吸附剂介质5B中。

然后，将来自第二吸附剂介质5B的被冷却的热传递流体通过管道9B和热传递流体出口阀39B选择性地引入到燃料电池。使来自阀39B的热传递流体靠近燃料电池通过以加热热传递流体。

然后将被加热的热传递流体通过热传递流体进口阀37A和管道9A选择性地引入到第一吸附剂介质5A中。然后，将来自第二吸附剂介质5A的被加热的热传递流体通过管道9A和热传递流体出口阀39A选择性地引入到受热器。

因此，管道9A和9B包括相同管道段，因为热传递流体通过系统100进行完整的循环。但是，如果需要，可设置阀37A、37B、39A和39B以便被加热的热传递流体在加热一个吸附剂介质后返回到燃料电池，而被冷却的热传递流体在冷却其余吸附剂介质后返回到受热器。

应说明，本发明不限于图3和4中图示的系统100。可以各种不同的方式连接几个吸附剂介质(即包含吸附剂介质的床)以连续获得所需的氧富集。

图5图示了根据第一种实施方式第三个优选方面的另一系统200。图5的系统200类似于图3和4的系统100，只是用燃料电池7散出的热空气而不是用热传递液体加热吸附剂介质5A、5B。

如图5所示，从进口11A供应空气到第一吸附剂介质5A。在吸附剂介质5A中，氮被吸附，并通过管道13A、13C和阀29将富氧空气供应入燃料电池7的阴极侧入口。由于图5中阀27的位置，空气不会从进口11B供应入第二吸附剂介质5B，这类似于图3图示的系统100。

热传递管道9与燃料电池7的阴极侧出口连接。热空气离开燃料电池7的阴极侧出口并进入管道9。然后热空气到达热空气选择阀41，其将热空气引入到管道9的第一段9A或第二段9B。如图5所示，设置阀41以将热空气引入到第二段9B。

由于第二段9B位置靠近第二吸附剂介质5B，因而来自燃料电池7的热空气加热第二吸附剂介质5B以从吸附剂介质中脱附氮。在热空气通过管道9B后，空气通过排气口43B排出或再用于另外目的。

当使用第二吸附剂介质5B供应富氧空气到燃料电池7时，则反转阀27、31、29和41的位置(类似于图4中所示)，并用来自燃料电池7的热空气加热第一吸附剂介质5A以从第一吸附剂介质5A中脱附氮。然后热空气通过排气口43A排出或用于其它用途。

在图5中，燃料电池7还包含在阳极侧的燃料入口45和在阳极侧的燃料出口47。使用时，可用外部空气或用另外的热传递管道(图5中未示出)冷却吸附剂介质5A、5B以从进口11A、11B通过吸附剂介质5A、5B进入管道13A、13B的空气中吸附氮。因此，在图5的开路循环中供应热传递气体(即热空气)，并且系统200以连续方式操作。

在这些实施方式的每一种中，调节进入空气是有用的。例如，可根据空气初始状态来干燥、加热或冷却进入空气。

最好选择吸附剂材料以同时优化气体分离和快速热传递。为了降低鼓风机的基建费用和操作费用，应使通过床的压降最小。因此，可优化粒度、床几何形状和整个系统的布置和设计以使压降最小。根据系统需求，不同床中的吸附剂材料可相同或不同。

例如，在一种情况下，富氧系统可由三个平行操作的吸附床组成，类似于图2所示的两个床。每个床包含1kg标准筛目尺寸为20×30的AgX沸石小球。床具有平行管(parallelipiped)几何形状并包含热传递表面网络，优选由金属泡沫制成。

应说明，第一种实施方式中的富集空气中氧含量的温度敏感吸附工艺不限于为燃料电池提供富氧空气。可使用这种工艺为任何其它合适的用途提供富氧空气。例如，如果进口空气富集氧，则燃烧过程(如燃气轮机)的效率提高，因为不需要加热进口氮气。

II.第二种优选实施方式

高功率电气设备对热工管理提出了挑战。大电力消耗装置如协同定位计算机或制造机器以热的形式散逸大部分电能。为保持适宜的操作条件，需要移去这种热。在通过高压输电网供应电力的常规装置中，需要电力来驱动设备并操作冷却装置。特定的分布式动力系统提供了新的前景。发电机如固体氧化物燃料电池能提供电力和高质量废热。可利用这种热驱动冷却设备，从而减少了电力需求。本发明人认识到适当选择所涉及的设备可提供一种电力需求和冷却需求能理想匹配的系统。

在本发明的第二种优选实施方式中，本发明人实现了用包括燃料电池如固体氧化物燃料电池的发电机、热泵和电力消耗设备如计算机形成电力需求和冷却需求理想匹配的系统。

固体氧化物燃料电池一般产生与电力近似相等量的热。这种热在高温(通常在250℃-1000℃范围内)下可用，并适于驱动热驱动热泵。

有多种热驱动热泵，它们具有近似一致的效率。效率一致表明热泵可移去与驱动热泵而供应的量相等的热。重要的是要注意所涉及的热流具有不同的温度。在比从冷却负荷(这种情况下为电力设备)到热驱动热泵的热流高的温度下供应从燃料电池到热驱动热泵的热流。

燃料电池供应的电力被设备消耗。供应到设备的部分电力以热的形式散逸。对系统这部分的封闭调查显示，供应到设备的电力未存储在设备中或从设备传送至系统边界外，而是散逸掉。对于大多数设备，如计算机或机器，只有一小部分供应的电力被传送到系统边界外，而大部分供应的电能以热的形式散逸。为了避免设备内过高的温度，需要移去散逸热。

本发明人认识到上述系统具有非常满意的使冷却负荷与电力负荷匹配的特征。热驱动热泵与固体氧化物燃料电池的联合提供了电力供应和匹配大多数电力设备需求的冷却能力。这种系统是便利的，因为它既不需要额外的冷却设备，也不需要结合额外的大量电力(即超过10％的总电力)。发电机和热驱动热泵的精心选择能为各种应用提供匹配的冷却和加热。发电机还可为固体氧化物燃料电池和燃气轮机如底循环燃气轮机的联合。

另外，可通过选择适宜的燃料电池操作条件调节供应的冷却和电力量。例如，如果为燃料电池供应过量的燃料，就可产生更高温度的热和相应的更高的冷却能力。在需要移去额外热负荷的情况下，这种调节尤其重要。额外热负荷的一个例子是因大气温度高(即热气候带)而加热调节设备。

另一优选选择是用热泵加热设备或调热空间。例如在冷气候带，加热对设备运转或人工操作设备是至关重要的。热驱动热泵能非常有效地提供加热。

在发电机中可使用各种燃料。气体燃料的例子有氢、生物制气、天然气、压缩天然气、液化天然气和丙烷。也可使用液体燃料。还可使系统适合固体燃料。

图6示意地图示了第二种优选实施方式的系统。系统包含发电机2、热驱动热泵4、设备6和受热器8。发电机2可为固体氧化物燃料电池。它还可为与燃气轮机联合的固体氧化物燃料电池。还可使用其它发电机，如除提供电力外还能提供高温热的熔融碳酸盐燃料电池。热驱动热泵4可为吸收冷却器，如LiBr-水或氨-水热泵。热驱动热泵使用高温热提供冷却(即在低温下吸收热)，并在中温下排出热。与常规兰金循环(Rankine)冷却设备相比，它们只需要少量的电力或机械动力。可在Bernard D.Woods，“Applicaions of Thermodynamics”，Waveland Press，Inc.，Prospect Heights，IIIinois，Second Edition，1991中找到热驱动热泵的描述，本文引入作为参考。

适于这种实施方式的另一类热驱动热泵为吸收式热泵。在吸收式热泵中，制冷剂(通常为气体)与固体相结合。制冷剂在固体上的吸附和从固体上的脱附提供制冷剂的增压。利用高温热实现制冷剂的高压脱附。在制冷循环的高压区段，热被排出，在低压区段，热被吸收。可以固态设备形式实现吸收式热泵而不必处理液体。这是有利的，例如在吸收式热泵通常涉及的液体的处理过于危险的环境中。在吸收式热泵中可使用环保气体/蒸汽。

设备6为消耗电力用于任何用途并产生热(设备冷却负荷)的设备，其中热多数为附加损失，需要移去。这种设备的一个优选例子是计算机或在数据中心协同定位的计算机群。

系统的受热器8可为大的固体、液体或气体。例如受热器可包括冷却塔、环境大气、土壤或水流。

图6中还示出了子系统之间的能量交换。可使用电线输送发电机2供应的电力12到设备6，但也可使用其它的电力输送机理。高温热10由发电机2产生，并被热驱动热泵4消耗。可用泵送流体循环如液体循环传递高温热10，其中流体在发电机2中或在其附近吸收热，并将热释放到热驱动热泵4。通常，可通过任何热传递机制(即传导、对流、辐射或它们的任意组合)实现这种热传递。冷却循环还可包括气体或蒸汽冷却剂和/或固体床。设备冷却负荷14为设备6产生的热量，其需要用热泵4移去。热在设备6或其附近被吸收，并传递到热驱动热泵4。可使用液体泵送循环或气流从设备6吸收冷却负荷14并将其传递到热驱动热泵4。中温热16为从热驱动热泵4传递到受热器8的热。同样，可使用对流、传导、辐射或这些热传递机制的任意组合来传递这种热。一种可能的实施是吹入大气通过热驱动热泵内的热交换器并释放回大气。可利用单股或多股热流实现全部三种热传递(10、14、16)。在LiBr-水型热驱动热泵情况中，通常用两个传递循环实现从热驱动热泵4到受热器8的中温热16。

从热驱动热泵4到受热器8的热传递循环的一个例子是泵送循环，其具有盘绕在热驱动热泵4需要冷却部位的管和埋在土中的盘管。另一个例子是鼓风机，其吸入环境空气，并将其吹到需要冷却的表面上，管道则释放热空气回到环境中。

对于高温燃料电池用作发电机2的情况，图7中图示了由发电机2和热驱动热泵4构成的子系统。燃料电池68优选为高温燃料电池，如固体氧化物燃料电池。

在燃料鼓风机18的帮助下，燃料被输送到燃料电池，鼓风机18还可为压缩机。对于液体燃料，鼓风机18可用泵代替。任选的燃料预处理器104预处理燃料。例如，这种设备可除去对发电机功能有害的杂质如硫。燃料预处理器104的另一可能功能是预重整和/或重整。

燃料预热器22使燃料达到燃料电池操作温度。该预热器可在燃料电池68外部或为燃料电池68的内部部件。可在一个单一或复合设备中包含它。对于液体燃料，燃料预热器22使液体燃料蒸发。对于气体燃料，燃料预热器22可为翅片式热交换器。也可在燃料预热器22后设置燃料预处理器104，或预处理器104与燃料预热器22结合，或集成到燃料电池68中。

燃料预热54为将输入燃料的温度升高到燃料电池操作温度所需要的热。燃料进口管道34为燃料提供从燃料鼓风机18到燃料预热器22的通道。可以有或没有中间燃料预处理器104。燃料输送管道36为燃料提供从燃料预热器22到燃料电池68的通道。

氧化剂鼓风机20向燃料电池68输送空气或任何其它合适的氧化剂。氧化剂进口管道42为氧化剂在氧化剂鼓风机20和氧化剂预热器24之间提供输送通道。任选的氧化剂预处理器106预处理氧化剂流。预处理器106的例子包括过滤器和富氧设备。预处理器热11A为操作这个任选设备所需要的热。预处理器106一个组件的一个例子是利用变温吸附的如第一种优选实施方式所述的富氧设备。氧化剂预处理器106也可安装在氧化剂鼓风机20的上游。氧化剂预热器24利用氧化剂预热62使输入氧化剂达到燃料电池操作温度。可在单一或复合设备中包含氧化剂预热器24。在一种优选实施方式中，氧化剂在氧化剂预热器24内被部分预热，并在燃料电池68内部吸收另外的热，从而冷却燃料电池68。氧化剂预热器24的一个例子是翅片式热交换器。氧化剂输送管道44将氧化剂从氧化剂预热器24输送到燃料电池68。

在燃料电池68中，燃料和氧化剂进行电化学反应。这种反应产生电能12和高温热。燃料电池高温热58代表由燃料电池产生并可被再利用但不会被废气或贫化氧化剂带走的热部分。燃料电池产生的热并不是全部都能被利用并输送到其它设备。

燃料电池高温热58可用于各种用途。这种热可用于燃料预热54、氧化剂预热62、预处理器热11A或热驱动热泵高温输入热10。可将燃料电池高温热58引入到这些热消耗对象(10、54、62、11A)的任意组合。利用燃料电池高温热58的一种可能性是到燃料电池的与氧化剂流循环分开的气体冷却循环。

燃料电池出口管道38和46输送电化学反应产物。如果燃料电池68是固体氧化物燃料电池，则废气管道38输送反应的燃料，出口氧化剂管道46输送氧贫化的氧化剂。燃料出口冷却器28从废气流中吸取废气冷却热56。燃料出口冷却器28可为一个或复合设备，并可部分或全部地与燃料电池68结合。燃料出口冷却器28的一个例子是翅片式热交换器。废气冷却热56可用于燃料预热54、氧化剂预热62、预处理器热11A或热驱动热泵高温输入热10。可将废气冷却热56引入到这些热消耗对象(10、54、62、11A)的任意组合。

氧化剂出口冷却器26从出口氧化剂流中吸取氧化剂冷却热60。氧化剂出口冷却器26可为一个或复合设备，并可部分或全部地与燃料电池68结合。氧化剂出口冷却器的一个例子是翅片式热交换器。氧化剂冷却热60可用于燃料预热54、氧化剂预热62、预处理器热11A或热驱动热泵高温输入热10。可将氧化剂冷却热60引入到这些热消耗对象(10、54、62、11A)的任意组合。

燃料出口(即废气)管道38和氧化剂出口(即废气)管道46输送燃料废气和氧贫化的氧化剂到任选的燃烧器30。在燃烧器30中，这二股气流发生化学反应，产生燃烧器高温热48。可用任选的催化剂材料引发该化学反应。

燃烧器高温热48可被供应到燃料预热54、氧化剂预热62、预处理器热11A或热驱动热泵高温输入热10。可将燃烧器高温热48引入到这些热消耗对象(10、54、62、11A)的任意组合。传递燃烧器高温热48的一个优选例子是直接将燃烧器与消耗对象结合(即热通过传导传递到消耗对象)。这种热传递的另一优选例子是泵送流体循环。

燃烧器废气管道50将反应产物从燃烧器30输送到任选的燃烧器废热交换器32。在燃烧器废热交换器32中，从燃烧器反应产物中吸取燃烧器废热64。燃烧器废热交换器32的一个例子是翅片式热交换器。

燃烧器废热64可被供应到燃料预热54、氧化剂预热62、预处理器热11A或热驱动热泵高温输入热10。可将燃烧器废热64引入到这些热消耗对象(10、54、62、11A)的任意组合。燃烧器热交换器废气管道102将燃烧器废气输送到系统外(优选排入到周围环境或废气再处理器中)。

用高温热10驱动热驱动热泵4。在利用来自高温热10的热后，热驱动热泵4在热泵低温流出物16A中排出一股热流。通过冷却流16B移去来自设备6的设备冷却负荷14。可由燃料电池高温热58、废气冷却热56、氧化剂冷却热60、燃烧器高温热48或燃烧器废热64提供高温热10。还可由这些热源(48、56、58、60、64)的任意组合来提供高温热10。

设备冷却负荷14和热16B的一种优选实施是：用鼓风机将环境空气送入热驱动热泵4，空气在热驱动热泵中被冷却到低于环境温度，然后被送入到需要冷却的设备。在设备中，冷空气吸收冷却负荷14并被加热。被加热的空气被排回到环境中。

图8A中提供了图7所示系统的一种优选实施方式。图8A所示系统遵循为图7提供的相同描述。图8A包括图7所示热流的一种优选路线。燃料预热54由燃料废气冷却热56提供。任选地，燃料在燃料电池内可吸收另外的热。可在热交换器例如翅片式热交换器内实现从废气冷却热56到燃料预热54的热传递。这种构造的一个例子是联合热交换器22和28作为单一组件。根据燃料的选择，可将水汽从废气中转移到输入原料中。这种水传递可被结合到热交换器中或用独立的设备来实现。

氧化剂预热62部分由氧化剂废气冷却热60提供。使氧化剂达到燃料电池操作温度所需的其余热在燃料电池内吸收，从而从燃料电池中移出全部高温热而不需另外的热传递循环。可在热交换器例如翅片式热交换器内实现从氧化剂废气冷却热60到氧化剂预热62的热传递。这种构造的一个例子是结合热交换器24和26作为单一组件。燃烧器高温热48不是被立即吸取。而是与燃烧器废热64一起被吸取。燃烧器废热64被引入到高温热10，其提供必需的热以开动热驱动热泵4。可用结合在热驱动热泵4中的热交换器实现从燃烧器废热64到热驱动热泵4的热传递。因此，燃烧器废热交换器32与热泵4内的热交换器联合形成单一组件。这种热交换器可为翅片式热交换器。可用热驱动热泵4提供的冷空气流从设备6中吸取冷却负荷14，其用冷却空气鼓风机72通过通向具有冷却空气管道76的设备的冷却空气进口74来驱动。

表1提供了基于图8A的100kW电力系统的能量平衡。应用命名规则时与图8A一致。

表1

	典型范围		示例
					项目	低	高	输出	单位
直流电源输出12	0.005	100	0.1	[MW]
					燃料电池电效率(供应的可用作DC电源的高热值燃料的分数)	35％	75％	50％
燃料电池燃料转化率(在燃料电池中被氧化的供应燃料的分数)	50％	90％	80％
					燃料电池热漏失(燃料电池中产生的未被利用的热的分数)	5％	50％	20％

热驱动热泵的性能系数(可用于冷却能力14的高温热10的分数)	0.6	1.5	1.2
					燃料电池效率(燃料电池中燃料氧化可用于DC电源的热的分数)			62.5％
燃料电池产生的高温热			0.060	[MW]
					燃料电池的热漏失(未被利用的热)			0.012	[MW]
燃烧器高温热60			0.040	[MW]
					高温输入热10			0.088	[MW]
热驱动热泵可用的冷却能力			0.106	[MW]

图8B图示了本发明第二种实施方式的另一个优选方面。图8B中图示的系统显示了图7所示热流的优选替代途径。图8B中描述的系统类似于图8A中描述的系统，除了氧化剂冷却热60被供应到热交换器4作为高温热10，燃烧器废热64被供应到氧化剂预热器24作为氧化剂预热62。因此，氧化剂出口管道46通入到热泵4的热交换器内然后进入燃烧器30，而燃烧器废气管道50通入到燃烧器废热交换器32。可利用热交换器实现从氧化剂冷却热60到高温热10的热传递和从燃烧器废热64到氧化剂预热62的热传递。因此，氧化剂预热器24和燃烧器废热交换器32结合为单一组件，并包括共同热交换器24/32部分。同样，出口氧化剂冷却器26和热泵4的热交换器部分结合为单一组件，并包括一部分共同热交换器。

图8C图示了本发明第二种实施方式的另一个优选方面。图8C中图示的系统显示了图7所示热流的优选替代途径。图8C中描述的系统类似于图8A中描述的系统，除了废燃料和氧化剂途径的交叉不同。在图8C中，燃料出口管道38通入到氧化剂出口冷却器28，而氧化剂出口管道46通入到燃料出口冷却器26。因此，废气冷却热56被供应作为氧化剂预热62，氧化剂冷却热60被供应作为燃料预热54。可用热交换器实现这两种热传递。因此，氧化剂预热器24和燃料出口冷却器28结合为单一组件，并包括共同热交换器24/28部分。同样，出口氧化剂冷却器26和燃料预热器22结合为单一组件，并包括一部分共同热交换器22/26。

图9显示了图6所述系统的另一优选实施方式。图7和图9之间的主要差别在于增加了燃气轮机驱动的发电机。燃气轮机可利用来自燃料电池的高温热产生额外的电能，并借此进一步提高了发电机的电效率。高温废热仍可用于驱动热驱动热泵，并借此形成能提供匹配的电力和冷却的互补系统。发电机效率的提高表明，产生的每单位电力中较少的高温热是可用的。当电负荷需求大于冷却负荷需求并且没有针对燃气轮机使用的环保和许可问题时，就优先使用这种实施方式。还可以利用更高效的热驱动热泵使用这种实施方式，以便在上述系统中实现电负荷和热负荷之间的平衡。

在图9中，用燃料压缩机80将燃料压缩并输送到系统内。燃料压缩机进口管道82将燃料输送入燃料压缩机80。对于液体燃料，可使用燃料泵代替燃料压缩机80。任选的燃料预处理器104预处理燃料。例如，这种设备可除去对发电机功能有害的杂质如硫。燃料预处理器104的另一可能功能是预重整或重整。

燃料预热器22使燃料达到燃料电池操作温度。如果以液体形式提供燃料，则燃料在燃料预热器22内蒸发。该预热器可在燃料电池68外部或为燃料电池68的内部部件。可在一个单一或复合设备中包含它。燃料预热54为使燃料达到燃料电池操作温度所需的热。燃料进口管道34为燃料提供从燃料压缩机80到燃料预热器22的通道。燃料输送管道36为燃料提供从燃料预热器22到燃料电池68的通道。

氧化剂压缩机84将空气或任何其它合适的氧化剂驱赶到燃料电池68。氧化剂压缩机进口管道86将氧化剂输送到氧化剂压缩机84。任选的氧化剂预处理器106预处理氧化剂流。预处理器106的例子包括过滤器和富氧设备。预处理器热11A为操作这个任选设备所需要的热。预处理器106一个组件的一个例子是利用变温吸附的富氧设备。氧化剂预处理器106也可安装在氧化剂压缩机84的下游。氧化剂进口管道42为氧化剂在氧化剂压缩机84和氧化剂预热器24之间提供输送通道。氧化剂预热器24利用氧化剂预热62使输入氧化剂达到燃料电池操作温度。可在单一或复合设备中包含氧化剂预热器24。在一种优选实施方式中，氧化剂在氧化剂预热器24内被部分预热，并在燃料电池68内部吸收另外的热，从而冷却燃料电池68。氧化剂输送管道44将氧化剂从氧化剂预热器24输送到燃料电池68。

在燃料电池68中，燃料和氧化剂进行电化学反应。这种反应产生电能12A和高温热58。

氧化剂出口冷却器26从出口氧化剂流中吸取氧化剂冷却热60。出口氧化剂冷却器26可为一个或复合设备，并可部分或全部地与燃料电池68结合。燃料出口冷却器28从废气流中吸取废气冷却热56。燃料出口冷却器28可为一个或复合设备，并可部分或全部地与燃料电池68结合。冷却器26、28的一个例子是翅片式热交换器。

燃料废气管道38和氧化剂出口管道46输送燃料废气和氧贫化的氧化剂到任选的燃烧器30。在燃烧器30中，这二股气流起化学反应，产生燃烧器高温热48。

燃烧器高温热48可被供应到燃料预热54、氧化剂预热62、预处理器热11A或高温热10。可将燃烧器高温热48引入到这些热消耗对象(10、11A、54、62)的任意组合。

燃烧器废气管道50将反应产物从燃烧器30输送到任选的燃烧器废热交换器32。在燃烧器废热交换器中，从燃烧器反应产物中吸取燃烧器废热64。

燃烧器废热64可被供应到燃料预热54、氧化剂预热62、预处理器热11A或高温热10。可将燃烧器废热64引入到这些热消耗对象(10、11A、54、62)的任意组合。

汽轮机进口管道88将燃烧器废气输送到汽轮机90。机械轴节92将机械能从汽轮机90传递到氧化剂压缩机84、燃料压缩机80和/或发电机94。如果需要，可用另外的机械能和/或电力源启动压缩机。发电机94产生额外的电力12B。

汽轮机出口管道96将汽轮机废气输送到任选的汽轮机废热交换器98。在汽轮机废热交换器中，从气流中吸取汽轮机废热100A。汽轮机废热100A可被供应到燃料预热54、氧化剂预热62、预处理器热11A或高温热10。可将汽轮机废热100A引入到这些热消耗对象(10、11A、54、62)的任意组合。废气管道102将废气输送到系统外(优选排出到环境中或废气再处理器中)。

用高温热10驱动热驱动热泵4。在利用来自高温热10中的热后，热驱动热泵4在中温热16A中排出一股热流。通过冷却流16B移去来自设备6的设备冷却负荷14。可由燃料电池高温热58、废气冷却热56、氧化剂冷却热60、燃烧器高温热48、燃烧器废热64或汽轮机废热100A提供高温热10。还可由这些热源(48、56、58、60、64、100A)的任意组合来提供高温热10。

图10A中提供了图9所示系统的一种优选实施方式。图10A所示系统遵循为图9提供的相同描述。图10A包括所涉及热流的一种优选途径。燃料预热54由废气冷却热56提供。任选地，燃料可在燃料电池内吸收另外的热。可在热交换器如翅片式热交换器22/28内实现从废气冷却热56到燃料预热54的热传递。根据燃料的选择，可将水汽从废气转移到输入燃料中。这种水输送可结合到热交换器内，或用单独的设备实现。氧化剂预热62部分由氧化剂冷却热60提供。使氧化剂达到燃料电池操作温度需要的其余热在燃料电池内吸收，借此从燃料电池中移去全部高温热而不需额外的热传递循环。可在热交换器如翅片式热交换器24/26内实现从氧化剂冷却热60到氧化剂预热62的热传递。

由燃烧器废气64携带的燃烧器高温热48以及来自燃料电池的高温热首先用于驱动汽轮机90。汽轮机后的余热用作高温热10以驱动热驱动热泵4。

可用结合在热驱动热泵4内的热交换器实现从汽轮机废热100A到热驱动热泵4的热传递。因此，汽轮机废热交换器98和热泵4的热交换器部分联合作为单一热交换器。这种热交换器可为翅片式热交换器。可用由热驱动热泵4供应的冷空气流从设备6中吸收冷却负荷14，其用冷却空气鼓风机72通过冷却空气进口74通向具有冷却空气管道76的设备来驱动。

图10B图示了本发明第二种实施方式的另一优选方面。图10B中图示的系统显示了图9和10A中所示氧化剂流的优选替代途径。图10B中描述的系统类似于图10A中描述的系统，除了氧化剂途径不同。在图10B的系统中，为燃气轮机90和燃料电池68供应独立的氧化剂流。氧化剂鼓风机20用于为燃料电池供应氧化剂。该鼓风机也可为压缩机。压缩机84通过管道45A输送氧化剂到燃烧器30。来自燃料电池的未反应的燃料在燃烧器内燃烧。燃烧器废气驱动汽轮机90。这种系统的优点在于较高氧含量的氧化剂被供应到燃烧器。这改善了燃烧器内的燃烧过程并接着改善了汽轮机操作。

图10C图示了本发明第二种实施方式的另一优选方面。图10C中图示的系统显示了图9中所示热流的优选替代途径。图10C中的系统在来自氧化剂的热使用顺序方面不同于图10A中的系统。在图10C中，离开燃料电池68的氧化剂首先在热泵4内输送氧化剂冷却热60到高温输入热10，然后进入燃烧器30。氧化剂预热62由汽轮机废热100A提供。因此，氧化剂预热器24和汽轮机废热交换器98联合作为单一组件，并包括部分共同热交换器24/98。同样，出口氧化剂冷却器26和热泵4的热交换器部分联合作为单一组件，并包括一部分共同热交换器。

图10C中的系统类似于图10A，就象图8B中的系统与图8A中的系统有关。图10C中的系统也可结合使用独立的氧化剂用于燃料电池和燃烧器30，如图10B所示。为燃料电池68和汽轮机90提供独立的氧化剂流是有利的。

图10D图示了本发明第二种实施方式的另一优选方面。图10D中图示的系统显示了图9中所示热流的优选替代途径。图10D中描述的系统类似于图10A中描述的系统，但热流途径不同。在图10D中，燃料预热54由汽轮机废热100A提供，而高温热10由燃料废气冷却热56提供。因此，汽轮机出口管道96通入到汽轮机废热交换器98，而燃料电池燃料出口管道38通入到热泵4的热交换器部分。因此，汽轮机废热交换器98和燃料预热器22联合作为单一组件，并包括部分共同热交换器22/98。同样，出口燃料冷却器28和热泵4的热交换器部分联合作为单一组件，并包括一部分共同热交换器。这种途径可应用到前述图10A、10B和10C的系统中的任意一个中。

图6至10D提供了第二种实施方式优选方面的系统的组件基本布置。也可以这些图中未示出的大量其它方式联合这些组件。一个图中示出的任意组件或组件联合可用于任何其它图所示的系统中。例如，图8C中所示的燃料电池燃料和氧化剂废气通道的交叉可应用于图8A、8B、10A、10B、10C、10D所示的系统以及这些系统的联合中。

部件明细表

发电机.......................................2

热驱动热泵...................................4

设备.........................................6

受热器.......................................8

高温热.......................................10

预处理器输入热...............................11A

电力.........................................12

设备冷却负荷.................................14

中温热.......................................16

热泵低温输出流...............................16A

低温输出流...................................16B

燃料鼓风机...................................18

氧化剂鼓风机.................................20

燃料预热器...................................22

氧化剂预热器.................................24

氧化剂出口冷却器.............................26

燃料出口冷却器...............................28

燃烧器.......................................30

燃烧器废热交换器.............................32

燃料进口管道.................................34

燃料输送管道.................................36

燃料电池燃料出口管道.........................38

氧化剂进口管道...............................42

氧化剂输送管道...............................44

从氧化剂压缩机到燃烧器的管道.................45A

燃料电池氧化剂出口管道.......................46

燃烧器高温热.................................48

燃烧器废气管道...............................50

燃料预热.....................................54

燃料废气冷却热...............................56

燃料电池高温热...............................58

氧化剂废气冷却热.............................60

氧化剂预热...................................62

燃烧器废热...................................64

燃料电池.....................................68

设备冷却负荷.................................70

冷却空气鼓风机...............................72

冷却空气管道.................................74

冷却空气出口.................................76

燃烧器废气冷却器.............................78

燃料压缩机...................................80

燃料压缩机进口管道...........................82

氧化剂压缩机.................................84

氧化剂压缩机进口管道.........................86

汽轮机进口管道...............................88

汽轮机.......................................90

机械轴节.....................................92

发电机.......................................94

汽轮机出口管道...............................96

汽轮机废热交换器.............................98

汽轮机废热...................................100A

废气管道.....................................102

燃料电池电力.................................12A

发电机电力输出...............................12B

燃料预处理器.................................104

氧化剂预处理器..............................106

III.第三种优选实施方式

在一个现有技术的固体氧化物燃料电池100中，陶瓷电解质101呈波状，如图11所示。尽管整个电解质101是弯曲的或呈波状，但其主要表面103、105是平滑的或均匀的。因此，电解质101沿其长度方向上具有相同的厚度。但是，沿电解质101长度方向延伸的假想中心线107明显偏离假想直线109。阳极111和阴极113形成于电解质101的均匀表面103、105上。这种波状电解质101难于制造并更难于适当地结合到包含多个燃料电池的燃料电池堆中。

本发明人认识到，如果使至少一个电解质表面的至少一部分不均匀，则可实现几个优点。氧通过固体氧化物燃料电池中电解质的扩散在所谓的“三相边界”之间进行。这些三相边界为在电极(即阴极或阳极)和电解质的边界处的电解质细粒边界区，如图12所示。扩散的氧构成第三“相”。如果使电解质的一个或两个主要表面的活性部分不均匀，则增加了电解质和接触不均匀表面的电极之间的表面积。电解质的“活性部分”为产生电流的电极之间的面积。相反，电解质的外围部分用于将电解质连到燃料电池堆上并可包含燃料和氧气通道。增加的表面积产生更多的三相边界区，这使更多的氧气通过电解质扩散。这提高了燃料电池的功率密度(即w/cm²)并降低了燃料电池每瓦的成本。另外，不均匀表面如网纹或粗糙电解质表面由于改善的机械联锁而能提供更好的与邻近燃料电池电极的结合力。

图13图示了根据第三种实施方式第一个优选方面的固体氧化物燃料电池200，其包含具有至少一个不均匀表面部分的陶瓷电解质201。第一个优选方面中的至少一个不均匀表面为网纹表面。优选地，两个相对的主要表面203、205为网纹化的。网纹表面203、205包含多个高度208为平均电解质厚度209的5％或更少、优选1％或更少的突起(即隆起块、峰等)206。在这种实施方式的一个优选方面，使电解质网纹化以获得表面粗糙度为0.5至2微米、优选为1至2微米的电解质。这种表面粗糙度具有良好的与常规SOFC电极的结合力。为了清楚，图13中扩大了突起206的高度和宽度。突起206可具有任何所需的形状，如矩形、多边形、三角形、锥形、半球形或任意的不规则形状。优选地，只使相对的主要表面203、205的活性部分210网纹化，而不使表面203、205的外围部分202网纹化。但是，如果需要，可使全部主要表面203、205网纹化。例如，在粘合密封或压力密封中，密封的完整性随接触面面积而提高，因而使外围部分网纹化能提高密封完整性和/或减少燃料电池的“非活性”外围面积。

与图11的波状电解质相比，图13所示的电解质基本上是平的。沿电解质201长度方向的假想中心线207没有明显偏离假想直线。尽管整个电解质201基本上是平的，但其主要相对面203、205是不均匀的并有网纹。阳极211和阴极213形成于电解质201的网纹表面203、205上。基本上平的电解质是有利的，因为它更易于制造，并更易于结合到燃料电池堆中，还比波状电解质更耐用。但是，如果需要，网纹表面可位于不平或波状电解质上。

电解质、阳极和阴极可由任何合适的材料制成。优选地，电解质包括氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)陶瓷。阴极优选包括具有通式ABO₃的钙钛矿型陶瓷，如LaSrMnO₃(“LSM”)。阳极优选包括金属如Ni，或包含金属陶瓷的金属如Ni-YSZ或Cu-YSZ金属陶瓷。如果需要，可使用其它合适的材料。

可通过任何适当的方法形成电解质的不均匀表面。优选地，通过提供陶瓷生片(green sheet)并在生片至少一个表面的至少一部分上制作布线图案以形成至少一个表面的至少一个不均匀部分来产生不均匀表面。然后可烧结(即在高温下烧制或退火)生片形成陶瓷电解质。应注意术语“生片”包括有限尺寸的生带或生片。优选在生片的两面形成图案以形成两个相对的生片不均匀表面部分。

本发明第三种实施方式的另一优选方面涉及具有网纹界面的复合电解质。图14图示了现有技术的复合电解质，而图15和16图示了根据第三种优选实施方式的具有网纹界面的复合电解质。不是由一种单一材料(其一般为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ))而是使用几种材料层来制造电解质是有利的。复合电解质的一个例子是在一侧或二侧涂有YSZ的氧化钐掺杂的二氧化铈(SDC)电解质。SDC比YSZ更有优势，能提供更高的离子导电率。但是，SDC经受低氧分压的能力限制了它的应用。在低氧分压下，SDC可被还原，失去其部分或全部离子导电率，从而导致固体氧化物燃料电池的致命失效。YSZ具有较低的离子导电率，这意味着在这种材料内电损耗较高，但与SDC相比，它能经受较低的氧分压。而且，SDC在高温下显示出电子导电率，这对燃料电池的性能有害。与SDC邻接的YSZ层能有效抑制电子传导，因为YSZ是非常弱的电子导体。

图14显示了现有技术的YSZ电极300，其涂有或层叠有SDC层305。一个例子是在固体氧化物燃料电池的阴极侧上使用SDC，其不会暴露于正反应的燃料中，从而不会暴露于低氧分压下，而在阳极侧使用YSZ。

SDC中的高氧离子导电率能在SDC和YSZ之间的界面上建立限速步骤。可通过增加界面的表面积降低两种材料之间界面处的损失。可通过使界面网纹化实现界面面积的增加。图15显示了网纹化内部界面的复合电解质的截面图。本文中，SDC网纹层315附着到YSZ层310上。

YSZ和SDC的结合为可使用网纹界面的一个例子。其它材料结合也可使用网纹界面。复合电解质可由如图15所示的二层组成，或由三层或多层310、315、320组成，并具有至少一个和优选一个以上网纹界面303、305，如图16所示。

可通过任何适当的方法形成网纹界面。一种方法是层叠两个网纹配合面。另一种方法是将第二层施加到第一种材料的网纹表面上，例如通过带浇铸或通过丝网印刷。在一个优选例子中，SDC作为机械支撑基板，厚度为约50至200微米，优选约100微米，而YSZ被沉积在基板上作为约10至50微米、优选约20微米的保护层。在这种情况下，表面网纹可具有约10微米的厚度。但是，在更大和更小长度水平上网纹化也是可能的。

可在同样具有网纹外表面203、205(即与电解质接触的表面)的复合电解质上形成图15和16中图示的网纹内部界面(即界面表面)。可网纹化一个或两个复合外部电解质表面。

可在复合或单层电解质上增加能提供更好的机械、热和/或电性能的辅助层以提供相比单层电解质提高的更好的机械、热和/或电性能。另外，可在单层或复合电解质上提供多层功能分级电极(阳极和/或阴极)。

可通过几种不同的方法网纹化图13和15图示的网纹表面203、205。在第三种实施方式的一个优选方面中，通过激光烧蚀生片形成网纹表面，然后烧结生片。可使用任何适当的激光烧蚀方法和装置网纹化生片。适用于网纹化生片表面的激光烧蚀装置250的简图示于图17。激光源251将激光束253指向反光镜255。镜255将光束253通过聚焦透镜257指向位于精密XYZ台259上的生片(如未烧结的电解质带)261上。可使用任何具有足够功率以烧蚀生片261的激光源251。例如，可使用受激准分子或YAG激光器作为激光源251。通过移动XYZ台和/或通过移动镜255使激光束253扫描生片261的表面。在扫描过程中可改变激光束功率以获得不均匀网纹生片表面。例如，可周期性地打开和关闭激光源251，或可用衰减器(未示出)使其衰减以改变激光束功率。或者，可在光束253扫描过程中上下移动XYZ台以改变冲击在生片261上的光束功率。可通过计算机控制激光束位置和/或功率和/或台移动以在电解质上建立所需的图案。激光束253烧蚀(即移去或使变粗糙)生片261顶面的一部分以得到网纹化表面。然后烧结或烧制网纹化生片形成陶瓷电解质。或者，可在烧结步骤后在烧结的电解质上进行激光烧蚀。

或者，可通过半导体制造中使用的光刻法形成生片的网纹表面。例如，如图18所示，在生片261上形成蚀刻掩模271。蚀刻掩模271可包括已通过曝光掩膜曝光并显影的光致抗蚀剂层。生片的未掩膜部分273被蚀刻在生片的顶面上形成凹槽。生片的掩膜部分275受掩膜271保护不被蚀刻，并在凹槽273之间保留为突起275。突起275和凹槽273构成网纹表面。通过常规选择性移去工艺如灰化在蚀刻后移去光致抗蚀剂掩膜271。可使用任何优先将生片材料蚀刻成掩膜材料的蚀刻气体或液体。如图18所示，使用各向异性蚀刻介质形成具有直侧壁的凹槽273。这在凹槽之间产生矩形突起275。或者，可使用各向同性蚀刻介质形成壁向外倾斜的凹槽273。这在凹槽之间产生梯形或锥形突起275。

掩膜可包括除光致抗蚀剂以外的材料。在一个例子中，可使用其它感光层。或者，可使用所谓的“硬掩膜”作为蚀刻生片的掩膜。例如，如图19所示，在生片261上沉积一硬掩膜层281。硬掩膜层281可为任何抗蚀刻介质蚀刻程度高于生片261的材料。硬掩膜层可为任何合适的金属、陶瓷、半导体或绝缘体。在硬掩膜层281上面形成光致抗蚀剂掩膜271，并曝光和显影。然后使用光致抗蚀剂作为掩膜蚀刻硬掩膜层281。然后，使用硬掩膜281作为掩膜蚀刻生片261形成包含多个凹槽273和突起275的网纹表面。可在蚀刻生片前或后移去光致抗蚀剂掩膜271。在网纹化生片261后用能除去硬掩膜281但不会蚀刻生片261的选择性蚀刻介质除去硬掩膜281。

在另一例子中，掩膜可包括大量颗粒。如图20所示，大量不连续颗粒291形成于生片261的表面上。颗粒291可为任何抗蚀刻介质蚀刻程度高于生片261的材料。颗粒可为任何合适的金属、陶瓷(如氧化钛或氧化铝)、半导体(如多晶硅或碳化硅)或绝缘体。可通过任何颗粒沉积方法如喷涂、浸涂、喷墨沉积、溅射或化学汽相沉积形成颗粒。生片261未被颗粒291覆盖的部分273被蚀刻在生片顶面中形成凹槽。生片被覆盖的部分275受颗粒291保护而不被蚀刻，并在凹槽273之间保留为突起。突起275和凹槽273构成网纹表面。在网纹化生片261后用能除去颗粒291但不会蚀刻生片261的选择性蚀刻介质除去颗粒291。

或者，可以直接在生片261上沉积颗粒291，可通过蚀刻生片261上的网纹层293形成颗粒291。例如，如图21所示，在生片261上沉积具有粗糙或网纹表面的层293。层293的网纹表面包含突起295。这个层293可为任何具有粗糙表面的材料，如半球状多晶硅晶粒、陶瓷、绝缘体或金属。然后各向异性地蚀刻层293直到只有突起295保留在生片261的表面上，如图22所示。残余的突起295在生片261上表现为大量颗粒。然后使用突起295作为掩膜蚀刻生片261。

在另外的例子中，不用掩膜形成网纹表面。在一个例子中，将优先侵蚀生片261的晶粒边界297的蚀刻介质如蚀刻液体施加到生片的上表面上。蚀刻介质选择性蚀刻生片的晶粒边界297以形成凹槽273。晶粒边界297之间的生片261区域不被蚀刻或被蚀刻较少的程度并保留为突起275，如图23所示。这样，不用掩膜就形成了包括突起275和凹槽273的网纹表面。

在另一个例子中，通过压纹形成网纹表面。将具有网纹或粗糙底面299的主体298(即压力机、模具等)压进或辊压到生片261的上表面，如图24所示。或者，生片被挤压或辊压到表面299。主体298的底面299具有高于生片261的硬度。主体298可为具有适当硬度以压纹生片的陶瓷、绝缘体或金属体。压纹步骤在生片261中留下压痕或凹槽以在生片中形成网纹表面。应注意可通过上述方法网纹化生片261的二侧。如果需要，可向过程中施加热以软化生片的粘合剂组分以使得网纹化更容易。

在另一例子中，通过在平的生带上构造脊以形成网纹表面。这可使用包覆工艺或通过粉末/浆体喷涂工艺完成，其中粉末和/或浆体由与生片相同的材料制成。在另一例子中，可通过各种机械和化学-机械加工方法，如使用研磨剂的研磨、磨光或抛光(如化学-机械抛光)将粗糙化或网纹化应用于电解质。优选的研磨剂包括金刚石、碳化硼和碳化硅。优选地，将烧结过的电解质放到包含研磨剂的旋转的研磨、磨光或抛光轮上。研磨剂可为研磨剂粉末或浆体，如金刚石、碳化硼或碳化硅粉末或浆体。研磨剂粉末粒度优选为5至45微米，如15至30微米。或者，轮的上表面由研磨剂材料制成。使轮靠着电解质旋转而导致与研磨剂接触的电解质表面被网纹化。然后可为电解质的另一侧重复该过程。在这种实施方式的一个优选方面，使电解质网纹化以获得表面粗糙度为0.5至2.5微米、优选1至2微米的YSZ电解质。这种表面粗糙度具有良好的与常用SOFC电极的粘合力。

也可在与生片或生带相对的平的“烧结”片或带上制造网纹表面。虽然通常生片或生带比烧结的陶瓷产品更易于被网纹化，但可使用蚀刻烧结陶瓷的蚀刻剂蚀刻烧结电解质。

在这种实施方式的一个方面，通过带浇铸制备生带。在这种制造过程中，将陶瓷粉末原料如YSZ与溶剂、粘合剂、增塑剂和抗絮凝剂混合形成浆体。将浆体施用到聚酯薄膜(“载体”)上并用刀片铺匀，沿载体长度方向以精密调整的刀片和载体间隙拖曳。在大规模制造中，通过在静止刀片下移动载体并施用浆体到刀片上游的载体上来连续运行这种过程。生带的厚度可在约20微米和10000微米之间的范围内，优选约50至1000微米。表面网纹的幅度可在5微米和1000微米之间变化，优选约10至30微米。

还可将表面网纹化应用于通过其它方法形成的电解质，如通过挤出形成的电解质。网纹化不限于具有平面几何形状的电解质，而且还可应用于具有非平面几何形状的电解质。

IV.第四种优选实施方式

在本发明的第四种优选实施方式中，发明人认识到可通过使用耐受环境的阳极催化剂提高固体氧化物燃料电池的质量、坚固性和耐受环境性。例如，当供给被硫污染的燃料时，可使用耐硫的固体氧化物燃料电池阳极催化剂。当燃料电池以燃料不足模式操作时，可使用耐燃料不足的燃料电池阳极催化剂。

在现有技术的低温酸性燃料电池中，当向燃料侧阳极催化剂中加入特定的化合物时，已观察到一定程度的耐硫性少量提高。显示出一定正耐受性的化合物包括MoWO_x、RuO₂、WO_x(如WO_2.5)、MoS₂、WS₂和PtS_x。在现有技术的熔融碳酸盐燃料电池中，当向燃料侧阳极催化剂中加入特定的化合物时，已观察到一定程度的耐硫性少量提高。显示出一定正耐受性的化合物包括Cr₂O₃、FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄、Al₂O₃、LiAlO₂、LiCrO₂、MO₂、MO₃和WO₃，这在美国专利4925745中有描述，本文引入作为参考。

但是，低温酸性燃料电池根本上不同于固体氧化物燃料电池。在酸性燃料电池中，电离燃料必须通过电解质以在阴极被氧化剂还原。燃料离子在这种情况下为氢质子。当燃料中存在硫时，阳极的电离反应变慢。还未能很好地了解这种现象的机理，但可认为与吸附到活性催化材料上的硫掩蔽催化剂有关。相反，在固体氧化物燃料电池中，是氧化剂氧阴离子必须通过电解质以氧化燃料。燃料的硫污染对氧电离或其通过电解质的传递不产生阻碍。

图25中很好地示出了两种类型燃料电池之间的根本区别。图25比较了固体氧化物燃料电池400和酸性燃料电池410的功能。

参考酸性燃料电池410，电解质411可为膜如杜邦公司的Nafion膜或填充有磷酸的惰性基质。可使用其它酸，但更经常使用Nafion和磷酸基质。阴极412连在电解质411上或靠着其放置，并通常包含铂金属作为空气氧化剂414的电离催化剂。所述的铂通常是连接在特氟龙(Teflon)上被精细分割的铂块。阳极413也连在电解质411上或靠着其放置，并类似于阴极412，但经常向铂中加入钌、铑或其它金属以使阳极413更耐氢燃料415中的CO气体。对于许多燃料电池应用，氢燃料源415为重整的烃燃料。通常，洗涤燃料源将硫降低至十亿分之几(PPB)范围。否则，就会显著降低阳极413的功能。另外，处理重整燃料以降低氢燃料415中的CO体积含量到小于百万分之50(PPM)，以减小电极上的中毒效应。氢燃料415在阳极413被电离产生氢质子。然后质子穿过膜411通过结合阴极412上由空气氧化剂414产生的氧阴离子形成的梯度产生产物水412。

参考固体氧化物燃料电池400，电解质401优选氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，但有时可与YSZ一起或取代YSZ使用其它陶瓷氧化物如二氧化铈。优选的阴极402由YSZ和La_0.8Sr_0.2MnO₃(LSM)50∶50的混合物制成。如果需要可使用其它材料。阴极402连到电解质401上或靠着其放置，并电离空气氧化剂404中的氧。氧阴离子借助通过结合燃料离子的阴离子消耗产生的梯度通过电解质401。在现有技术的固体氧化物燃料电池中，阳极403经常为Ni和YSZ的陶瓷-金属(金属陶瓷)，同时有时使用Cu取代Ni。氢燃料405在阳极403处被电离并结合氧阴离子形成水。

固体氧化物燃料电池的一个显著优点是直接进料烃燃料以操作电池阳极的潜力。现有技术的Ni/YSZ阳极在使用纯氢燃料时运行非常好，但当试图内部重整烃燃料为富氢燃料流时，Ni/YSZ阳极存在碳形成和硫中毒的缺陷。为了减少现有技术的固体氧化物燃料电池中的碳形成向烃燃料中加入水(即水汽)以阻止碳形成。尽管在阳极内产生燃料电池产物水，但必须向燃料中加入更多的水以阻止碳形成。必须利用进入燃料引入这种额外的水，这使燃料电池的操作变得复杂。其次，现有技术的Ni/YSZ电极不能耐受即使天然气中一般存在的10ppm的硫。因此，经常使用昂贵的硫洗涤设备以降低燃料中的硫含量，这增加了发电成本。

因此，在第四种实施方式的第一个优选方面，在固体氧化物燃料电池的阳极金属陶瓷中与Ni一起或取代Ni使用耐硫化合物。耐硫化合物包括任何能提高阳极对燃料中硫耐受性的化合物。尽管发明人不打算受任何耐硫化合物作用原理的束缚，但可认为耐硫化合物阻止或减少了阳极上硫的形成。优选的耐硫化合物包括MoWO_x、RuO₂、WO_x如WO_2.5、MoS₂、WS₂和PtS_x。一些化合物如WO_x还耐CO。少量优选的化合物包括可在熔融碳酸盐燃料电池中使用的耐硫催化剂，如Cr₂O₃、FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄、Al₂O₃、LiAlO₂、LiCrO₂、MO₂、MO₃和WO₃，这在美国专利4925745中有描述，本文引入作为参考。优选地，阳极金属陶瓷包括陶瓷如(YSZ)和催化剂。催化剂优选包括10-90重量％的Ni或Cu和10-90重量％的耐硫化合物。最优选地，催化剂包括30-70重量％的Ni或Cu和30-70重量％的耐硫化合物。但是，可在没有Ni或Cu时使用一些耐硫化合物如PtO_x，并包括100％的催化剂。

这些在阳极金属陶瓷中结合Ni或取代Ni的耐硫催化剂化合物提供了对燃料中硫提高的耐受性。耐硫催化剂使固体氧化物燃料电池能使用包含污染水平的硫化合物的氢燃料源，如超过10ppb，再如超过100ppb。以不明显方式结合以获得这种耐受性的三个要素包括：Ni金属陶瓷对硫的弱耐受性、阳极内氧化剂不受限制的可用性和升高的操作温度。

在第四种实施方式的另一优选方面，耐受环境的阳极催化剂包括耐燃料不足的催化剂。当在稳态下操作固体氧化物燃料电池时，独立控制反应物流量。通常控制阴极空气流以为阴极反应供应充足的氧气并从燃料电池反应中移去废热。通常，化学计量需求1.5至2.5倍的空气流足以满足阴极反应。热量排除通常需要比满足阴极反应所需的空气流多得多的空气流，因此，不必担心电池会变得氧不足。

另一方面，控制燃料流量仅仅维持阳极反应。在这种情况下，通常设置燃料流量为阳极化学计量需求的约1.2倍，以便维持高水平的燃料利用。需要这种高水平的燃料利用以获得高的整个系统效率。

在现有技术的固体氧化物燃料电池中，当瞬时需要固体氧化物燃料电池堆的电力输出增加时就会出现问题。在这些条件下，空气供应应更充足以支持所有电池内增加的反应速度。但是，堆中的一个或多个电池可能会燃料不足直到燃料控制调整燃料流量到新的反应速度。在调整燃料流量需要的几秒内，阳极催化剂可能会被永久损坏。由于平面固体氧化物堆中的电池电串联，因此可致使整个堆无效。

图26中图示了电池阳极损坏的基本原因。图26显示了处于正常阳极和正常阴极反应模式的固体氧化物燃料电池500的功能和燃料缺乏模式时的阳极反应。

参考处于正常操作模式时的固体氧化物燃料电池500，电解质501通常为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，但有时可使用其它陶瓷氧化物如二氧化铈。典型的阴极502由YSZ和La_0.8Sr_0.2MnO₃(LSM)50∶50的混合物制成。如果需要可使用其它材料。阴极502连到电解质501上或靠着其放置，并电离空气氧化剂504中的氧。氧阴离子借助通过结合燃料离子的阴离子消耗产生的梯度通过电解质501。现有技术的阳极503由Ni和YSZ的陶瓷-金属(金属陶瓷)构成。或者，有时使用Cu作为阳极金属陶瓷中的金属。氢/CO燃料505在阳极503处被电离并结合氧阴离子形成水和CO₂。

当堆内的单个固体氧化物燃料电池部分燃料不足时，电池就变成电力负载而不再是发电机。发生这种现象是因为堆内的其它电池有足够的燃料以维持反应，并且这些电池驱动已成为负载的电池。在这些条件下，燃料不足的电池极性反转，氧从阳极析出。阴极和电解质继续运转，就象它们在燃料电池模式下操作一样。

当燃料流速恢复到正常时，负载电池恢复到发电燃料电池模式。不幸的是，在析出氧气的过程中，标准Ni/YSZ阳极被氧化并永久地被损坏，因为Ni不是耐燃料不足的催化剂。

本发明人认识到，如果向阳极中加入能形成可逆氧而不损坏金属的金属，则能使阳极耐燃料不足。这种金属在被氧化时形成氧化物，并当氧化物在阳极通过燃料反应被还原时，能没有明显损坏地回复到纯金属。优选地，耐燃料不足的化合物包括铂族金属，如铂、钯、铑、铱、锇和钌。低温水电解显示铂金属电极能没有损坏地被氧化和还原。其它表现出这种特性的催化剂材料或添加剂包括钌和钨的各种氧化物形式。这些金属/氧化物以各种比例的使用为燃料缺乏时的氧化阳极条件提供了耐受性。

优选地，阳极503包括包含陶瓷的金属陶瓷如(YSZ)和耐燃料不足的催化剂。催化剂优选包括10-90重量％的Ni或Cu和10-90重量％的耐燃料不足的材料。最优选地，催化剂包括30-70重量％的Ni或Cu和30-70重量％的耐燃料不足的材料。优选地，耐燃料不足的材料在燃料缺乏时优先氧化成Ni。但是，可在没有Ni或Cu时使用一些耐燃料不足的材料如Pt，并包括100％的催化剂。

在第四种实施方式的第三个优选方面，阳极包括既是耐硫催化剂又是耐燃料不足催化剂的耐受环境催化剂。例如，阳极可包含基于同类的耐燃料不足材料和耐硫材料的结合，如Pt和PtS_x、Ru和RuO₂以及W和WO_x。或者，阳极可包含不同催化剂的结合，如美国专利5922488中公开的Pt-WO_x或Pt-H_xWO₃，本文引入其全文作为参考。因此，可选择上述耐硫材料和耐燃料不足材料的任意结合用于阳极组合物。

优选地，阳极503包括包含陶瓷的金属陶瓷如(YSZ)和耐受环境的催化剂。催化剂优选包括10-90重量％的Ni或Cu、5-45重量％的耐硫材料和5-45重量％的耐燃料不足材料。最优选地，催化剂包括30-70重量％的Ni或Cu、15-35重量％的耐硫材料和15-35重量％的耐燃料不足材料。但是，可在没有Ni或Cu时使用一些耐硫材料和耐燃料不足材料如Pt，并包括100％的催化剂。

可使用任何已知的金属陶瓷制造方法形成阳极。可通过任何合适的方法将Ni或Cu金属、耐硫材料和/或耐燃料不足材料掺入到金属陶瓷中。例如，可通过共沉积、共电沉积、冷冻干燥或连续沉积来沉积这些材料。因此，耐受环境材料可用Ni或Cu合金化或混合然后供入到YSZ形成金属陶瓷。例如，可使用湿法(溶液)、干法(粉末)或溅射法将耐受环境材料用Ni或Cu合金化或混合然后供入到YSZ。或者，耐受环境材料可用Ni或Cu合金化或混合然后放到支撑物如泡沫支撑物或干冰支撑物上，然后压入与YSZ接触。通过烧结和/或挤压将催化剂扩散入YSZ形成金属陶瓷。如果使用干冰，则升华干冰将催化剂扩散入YSZ。

V.第五种优选实施方式

在本发明的第五种实施方式中，发明人认识到，当直接供给烃燃料到固体氧化物燃料电池阳极用于内部重整成富氢反应物时，通过从阳极废气焓回收中供应重整工艺物料流可简化固体氧化物燃料电池系统。换句话说，只将产物水(即水汽)加入到供入到阳极的燃料中。

在低温质子交换膜(PEM)燃料电池中，阴极焓被回收并返回到阴极进口以防止水饱和的膜干燥。在这种情况下，进入的氧化剂空气被增湿，并避免了膜变干。已开发了几种方法实现这种水和热的传递，包括水化膜、注水和循环干燥剂。一种方法包括使用称为焓轮的设备。焓轮为一种内部通道涂有干燥剂的多孔筒形轮。它在一个方向上缓慢旋转，使显热和潜热从热饱和的空气废气中传递到冷的干进气中。

在固体氧化物燃料电池中，不需要保持任何组件的饱和。在用纯氢和空气反应物使固体氧化物燃料电池运转的情况下，这些反应物可绝对不含任何水汽。现有技术的Ni/YSZ阳极电极用纯氢燃料运行非常好。但是，当试图将烃类燃料内部重整为富氢燃料流时，Ni/YSZ阳极电极存在碳形成方面的缺陷。为了减少现有技术的固体氧化物燃料电池的碳形成，从外部锅炉中向烃类燃料中加入水(即水汽)以阻止阳极上的碳形成。为了在固体氧化物燃料电池的阳极内重整燃料蒸汽，必须在将燃料引入燃料电池阳极前向其中注入汽/碳比大约等于3∶1的高比率水汽(即蒸汽)。附加锅炉的使用使发电工艺复杂化并增加了其成本。

本发明人认识到，可将从固体氧化物燃料电池阳极侧废气中发出的产物水汽再循环到正供入阳极入口的燃料中，以防止或减少阳极上的碳形成。焓轮为优选的控制水和热从固体氧化物燃料电池阳极废气中传递到阳极进口的设备。利用燃料引入的水量控制防止因水太少引起的碳形成和防止因水太多引起的燃料缺乏。利用轮速控制水传递速率。

图27A图示了在固体氧化物燃料电池燃料流中使用焓轮的系统600的基本原理。通过管道604输送烃类燃料供应到焓轮601。在焓轮601内，燃料供应接受来自阳极侧燃料废气的水汽和热。然后通过管道605将温湿的燃料供应输送到任选的热交换器602。在热交换器602内，燃料废气进一步加热温湿的燃料供应。然后通过管道606将湿热的燃料供应输送到固体氧化物燃料电池堆603内的阳极室。在固体氧化物燃料电池阳极室内，湿热的烃类燃料供应被重整为氢、水汽和碳的氧化物的混合物。几乎在同时，大多数氢和一氧化碳通过与阳极催化剂中的氧阴离子反应分别转化为更多的水汽和更多的二氧化碳。

水汽比引入到固体氧化物燃料电池阳极室的气体多得多的燃料废气通过管道607回到热交换器602。在热交换器602内，排出气流中的部分热让给进入的燃料供应。然后通过管道608将燃料废气输送回到焓轮601。在焓轮601内，燃料废气中的大部分水汽和余热被传递到进入的燃料供应。

调节焓轮的转速以最佳化水汽通量。燃料废气然后通过出口管道609离开系统。优选地，0％-90％如20％-70％的产物水汽被传递到燃料供应。优选地，所有传递到燃料供应的热通过焓轮和热交换器。

在替代实施方式中，用至少两个吸附床替代焓轮，如图27B所示。第一吸附床610用于从阳极废气中吸附水和水汽，而排放阳极废气如CO、CO₂、H₂和甲烷通过出口管道609。第二吸附床611用于供应先前从阳极废气中收集的水。当第二床611中水供应用尽时，阳极废气被供应入第二床，而第一床610用于供应水或水汽到进入的燃料中。如果需要，还可在燃料进口604和燃料电池堆603之间增加重整器，优选在热交换器602和燃料电池堆603之间。

可使用任何适当的方法供应阳极废气和燃料供应通过吸附床。例如，如图27B所示，第一阀612如四通阀在第一610和第二611吸附床之间从燃料进口604切换燃料输入。阀612还切换从第一610或第二611床供应到出口管道609的废气。管道608通过第二阀613如四通阀将第一吸附床610与第一热交换器进口614或第一热交换器615连起来。管道605通过第二阀613将第二吸附床611与第一热交换器进口614或第一热交换器615连起来。当阀613处于第一位置时，它在第一吸附床610和第一热交换器出口615之间以及第二吸附床611和第一热交换器进口614之间提供流体通道。当阀613处于第二位置时，它在第一吸附床610和第一热交换器进口614之间以及第二吸附床611和第一热交换器出口615之间提供流体通道。如果需要，可使用其它构造。例如，可用两个三通阀代替四通阀613，每个阀分别位于热交换器602和管道605之间以及热交换器602和管道608之间。

操作时，系统600可在不使用锅炉以向进入燃料中供应水汽的情况下运行。但是，可向系统中增加小锅炉。可在操作启动时运行该锅炉以供应水到燃料进口内，同时系统变热并在阳极废气中产生足够的水汽。

这种系统是有利的，因为它能以控制的方式提供简单的水汽和热的传递，从而在固体氧化物燃料电池阳极电极处达到内部蒸汽重整需要的适宜条件。焓轮和热交换器可用于为燃料供应提供全部的水汽和热的供应以操作固体氧化物燃料电池。

VI.第六种优选实施方式

第六种优选实施方式涉及毛毡密封。燃料电池堆，尤其是具有平面几何形状的那些，经常在电解质和互连表面之间使用密封以包含燃料和空气(见图28)。这些密封必须在高的操作温度下和(阴极侧上)氧化环境中保持它们的完整性。另外，密封和与密封接触的组件因热循环或热压引起的膨胀和收缩不应在组件的预期寿命内造成任何组件的损坏。

许多柔性密封如弹性O形环或垫圈不会破裂，并往往能吸收装置内由热膨胀和热压引起的应力。但是，这些密封在高温下不能使用，因为它们使用的弹性材料会分解、降解或氧化。

在高温下使用的许多类型的密封如铜焊或金属垫圈不是柔性的或弹性的。由于操作条件或材料不相容性，一些装置难以用铜焊或垫圈密封。它们也总是具有有限的寿命，在失效前它们只能耐受较少次数的热循环。另外，当用这些材料密封一些装置时，热膨胀系数的差异产生能导致密封或装置组件失效的机械应力。另外，非柔性密封经常因需要更严格的耐受性而存在制造和组装的困难和高成本，例如在平面中。

第六种优选实施方式涉及既有柔性又能在高温下以及氧化和还原环境中操作的密封布置。密封件能密封不同材料如金属和陶瓷，和组成上不同或相同的类似材料，如两种陶瓷或两种金属。由于密封件在设备操作温度下是弹性的和柔性的。因此可使用它密封热膨胀系数不同的两种材料。这种密封可有利地用于操作温度在600-800℃范围内的固体氧化物燃料电池。

可由毡制成表面之间的气密柔性密封。本文中，“毡”用于描述能耐受高的设备操作温度和气氛的材料柔性层。在一些情况下，毡可由可锻金属或合金组成。但是，这个定义不限制此术语到金属上。柔性层可由例如非金属纤维性材料如二氧化硅制成。这种柔性层可由纤维制成，如词“毡”所指示，但也可由其它厚的柔性构造例如泡沫制成，如小孔泡沫。因此，密封优选由柔性金属或陶瓷纤维或泡沫材料制成。

通过几种方式中的一种使毡不透气体，并通过几种方式中的一种将其密封到配合面上。毡给予密封柔性，并使其吸收因其为零件的装置的压缩和热膨胀和收缩导致的应力。用于使毡不透的方式和密封毡到配合面的方式在本质上也是柔性的。适当选择各种密封元件的组成以使得能根据各种标准包括操作温度、氧化或还原环境和成本制造密封。

图28中示出了两个配合面(701和702)。为了防止在侧705和706之间的任一方向上气体交换，必须在这两个表面之间制造密封。

在图28所示的一种情况下，毡密封件710放在配合面701和702之间。通过应用在设备操作温度下软化但能使应用中所关心的气体不会渗透的密封材料720将毡密封件710密封到配合面上。例如，这种材料可为玻璃或釉料化合物。釉料的一个例子是Duncan陶瓷釉料GL611。可在组装前将这种材料施加到毡上或配合面上，例如通过浸渍毡密封件和/或配合面到熔融玻璃或釉料中。材料在高温下软化，并使毡与表面配合，但保持不透气。材料720是任选的，只要毡密封包含适当的使毡与表面配合的方式就行，在很多优选方面中通常就是这样。

通过几种方式中的一种使毡密封件710不透气。在一个优选方面中，在组装前用在设备操作温度下能软化的填充材料730填充多孔毡。例如，这种填充材料可为玻璃或釉料的混合物。在烧制后，玻璃态残余物使毡不透气，但由于材料730在操作温度下软化，因而毡-玻璃复合物保持了柔性。在后面的段落和图中，认为相同标号的项目具有其在前的定义。

在另一优选方面(图29)，通过将毡表面740熔融到与配合面不平行如垂直的固体层中使毡密封件710不透气。形成固体层足够薄以保持柔性。固体层是指孔隙率比毡低得多的层，如孔隙率为70％或小于毡。可通过选择性地加热一部分毡密封件710以转变加热部分为固体层来形成这种固体层，如闭孔的金属泡沫层。例如，可通过用激光选择性地加热毡密封件710的表面740形成固体层。

在另一优选方面(图30)，通过在毡密封件710上形成与前述配合面垂直和平行的固体层750使毡密封件710不透气。平行的固体表面为密封提供提高的接触面积。

在另一优选方面(图31)，通过应用与配合面不平行如垂直的阻挡箔层760使毡密封件710不透气。箔通过材料如用于附着毡到配合面的材料粘附到毡上。或者，可将箔压到一定位置并用第二个毡密封件或其它组件固定。箔760因为薄而具有柔性。优选地，箔为薄的金属箔。箔在配合面701、702之间延伸以阻断侧705和706之间的气体流动。

在另一优选方面(图32)，通过应用几片箔使毡密封件710不透气。箔770与前述的配合面不平行，比如与其垂直，箔772和774延伸到与配合面平行的区域内。这些箔772、774为密封件提供增加的接触面积。它们还可在密封件和配合面之间产生粘合力。箔770、772和774可为相同或不同的材料，取决于毡710和配合面701、702的不同组成。它们可包括独立的组件或一个连续的箔片。

在另一优选方面(图33)，通过在毡710上沉积不透气材料层使毡密封件710不透气。可通过各种方法将这种材料沉积在毡上，包括但不限于浸渍并蒸发、物理气相沉积、化学气相沉积、热喷涂、等离子喷涂和由液体沉淀。材料部位780不平行于配合面701、702，比如与其垂直。优选地，不透气材料层的部位782、784延伸到与配合面701、702平行的区域内。这些部位782、784为密封件提供增加的接触面积。它们还可在毡密封件710和配合面之间产生粘合力。不透气材料层部位780、782和784可为相同或不同的材料，取决于毡710和配合面701、702的不同组成。

在另一优选方面(图34)，通过在其初始制备中使毡密封件790不透气。例如，可将毡制备成为闭孔泡沫。

可选择毡组成以便在包含毡密封的设备中存在的气氛下良好运行。例如，在氧化气氛中，毡可由合适的M-Cr-Al-Y材料组成，其中M包括至少一种选自Fe、Co或Ni的金属。又例如，毡可由铬镍铁合金组成。再例如，在还原气氛中，毡可由镍组成。根据应用需求，可使用其它金属、合金或实际上其它的可锻材料或合金。形成具有不透气材料730(玻璃)的毡密封件710(镍毡)的一个例子如下。用熔融玻璃浸透相对于固体镍密度为15％的镍毡(即泡沫)。烧制毡以除去挥发物，留下能为毡提供不透气性的玻璃残余物。将毡放在两个配合面如金属板和氧化锆之间。向每个配合面上施加玻璃密封层，毡-玻璃复合物在这里与表面接触。将毡放在表面之间，压缩并烧制。

可以要被密封的配合面的形状进行密封。例如，如果配合面为矩形，则密封可采取矩形垫圈的形式。如果配合面包含开放区，如在装置中具有内部气体歧管或流量管，则密封可适应并密封这类开放区。这在图35中示出，其中一个配合面(794)包含用毡垫圈797从表面中心和从表面外部密封的流体通道。

可在一个或两个配合面中的构造内放置全部的毡密封实施方式，例如在配合面的沟槽内，其能提供封闭的和辅助压缩的粘合表面。

密封的毡部分还可在燃料电池堆如固体氧化物燃料堆中扮演其它角色，如集流器/分流器、流量分配器等。

VII.第七种优选实施方式

第七种优选实施方式涉及燃料电池堆的毡导电体/气流分配器。燃料电池堆，尤其是具有平面几何形状的那些，经常利用一些材料以将电子从阳极传导到隔板，并从隔板传导到阴极。这种材料一般比多孔电极(即阳极和/或阴极)材料具有更好的导电率。通常，这种材料不同于电极，因为它还必须提供氧或燃料定向气体的流量分配。这种材料经常被称为导电体/气流分配器(后文中称为“导体/分配器”)。在一些情况下，这些导体/分配器可为燃料电池堆提供结构支撑。现有技术的导体/分配器的一些例子包括金属线盘、丝栅和金属肋条。可单独或一定程度上联合使用这些东西。

现有技术的导体/分配器有时表现出小于最佳的导电或气流分配性能。实现它们的成本昂贵。另外，许多现有技术的导体/分配器没有柔性(即在燃料电池操作温度下没有弹性)。非柔性组件经常因需要更严格的燃料电池耐受性而在燃料电池制造和组装中存在困难和成本高。

本发明人认识到，多孔导电毡可用作性能好于现有技术的导体/分配器并可较便宜地实施的导电体和气流分配器。在一些优选方面，毡导体/分配器还可用作密封或用作燃料电池堆其它组件的支撑。柔性导电毡的使用减小了在燃料电池堆热循环和压缩时组件和装置失效的可能性，其中燃料电池堆优选高温燃料电池堆如固体氧化物或熔融碳酸盐燃料电池堆。

本文中，“导电毡”用于描述导电材料柔性层，其能耐受装有该“导电毡”的设备(即燃料电池堆)的操作温度和气氛。在一些情况下，毡可由可锻金属或合金组成。但是，这个定义不限制术语“毡”为金属。毡导体/分配器可由例如其它多孔导电材料如二氧化硅-金属复合物制成。应使毡导体/分配器导电并透气，并可由纤维、泡沫和其它相对厚的柔性导电且透气结构构成。

导体/分配器包括透气(即多孔)导电毡，且选定的组成适合应用指定的条件。例如，选择毡材料以便它能在燃料电池操作温度下保持导电性和透气性。毡导体/分配器位于与燃料电极(即阳极或阴极)活性区域接触的位置。燃料电池隔板放在与导体/分配器接触的位置。可使用各种方式确保电极、导体/分配器和隔板的电接触。

图36显示了包含电解质810、阳极820、阴极830、阳极密封840、阴极密封845和隔板850如金属板的燃料电池堆的重复单元。图中还示出了第二隔板850以图示到堆相邻电池的连接。堆可在内部或外部增多，这将在下文中更详细地描述。

经常为它们正催化的电化学反应而尽可能完善阳极820和阴极830。通常，不是为了电导率或为了燃料和氧定向气体的分配而完善它们。因此，提供阳极导体/分配器860和阴极导体/分配器870完成这些任务。如果构造毡导体/分配器也履行隔板的功能，则可省略隔板850。

在第七种优选实施方式的一个优选方面，阳极导体/分配器860由导电毡组成。毡传导电子从阳极到隔板。由于毡为透气性的，它还允许燃料到达阳极表面，并且反应副产物离开表面并从电池中排出。可通过增加任选的粘合剂或接触材料层增强阳极和毡之间以及隔板和毡之间的电接触。选择毡的组成以适合燃料电池操作条件。例如，在还原气氛和600-850℃如800℃温度的高温燃料电池如固体氧化物燃料电池中，可使用密度相对于固体镍密度为15-35％优选约25％和厚度为0.5-4mm优选约2mm的镍毡。可将毡装到连接的阳极或隔板一侧或二侧的镍-YSZ金属陶瓷中。

在第七种优选实施方式的另一优选方面，阴极导体/分配器870由导电毡组成。毡传导电子从隔板到阴极。由于毡为透气性的，它还允许氧到达阴极表面，并且氧贫化的空气离开表面并从电池中排出。可通过增加任选的粘合剂或接触材料层增强阴极和毡之间以及隔板和毡之间的电接触。选择毡的组成以适合燃料电池操作条件。例如，在氧化气氛和650-850℃如约800℃的高温燃料电池如固体氧化物燃料电池中，可使用密度相对于固体金属合金密度为5-30％优选约15％和厚度为0.5-4mm优选约2mm的Fe-Cr-Al-Y毡。如果需要，在Fe-Cr-Al-Y毡中可用Co和/或Ni取代部分或全部Fe。可在连接的阴极或隔板一侧或二侧上将毡装到镧-锶水锰矿(LSM)钙钛矿中。

优选地，阳极860和阴极870导体/分配器均由毡制成。在后面的段落和图中，认为相同标号的项目具有其在前的定义。

在第七种优选实施方式的另一优选方面，阳极和/或阴极导体/分配器包含不均匀表面。优选地，导体/分配器包含能提供所需压降或流量分配模式的肋条。可使用其它表面特征如凹痕、线或特殊孔几何形状以对压降或流量分配施加控制。

在第七种实施方式的另一优选方面(图37)，阳极导体/分配器860与第六种优选实施方式的阳极侧毡密封联合。阳极导体/分配器和密封由一个连续的材料片制成。可与描述毡密封的第六种实施方式的多种优选方面的任一个一起使用阳极导体/分配器860。

在第七种实施方式的另一优选方面(图38)，阴极导体/分配器870与第六种优选实施方式的阴极侧毡密封联合。阴极导体/分配器和密封由一个连续的材料片制成。可与描述毡密封的第六种实施方式的多种优选方面的任一个一起使用阴极导体/分配器870。

在第七种优选实施方式的另一优选方面(图39)，阳极导体/分配器860为隔板850提供结构支撑。在这个方面，隔板材料可被制得尽可能薄，只要实用性和耐用性允许即可。优选地，隔板包括通过各种薄膜沉积技术沉积在阳极导体/分配器860上的薄膜，沉积技术包括但不限于热或等离子喷涂、化学或物理气相沉积(即CVD或溅射)、沉淀和浸渍。或者，薄的隔板850可包括与导体/分配器接触放置的完整组件。优选地，“薄膜”小于500微米厚，更优选地，小于100微米厚，最优选为10至30微米厚。在这种情况下，毡导体/分配器厚度足以作为薄膜衬底，如大于30微米、优选大于100微米的厚度。

在第七种优选实施方式的另一优选方面(图40)，阴极导体/分配器870为隔板850提供结构支撑。在这个方面，隔板材料可被制得尽可能薄，只要实用性和耐用性允许即可。优选地，隔板包括通过各种薄膜沉积技术沉积在阴极导体/分配器870上的薄膜，沉积技术包括但不限于热或等离子喷涂、化学或物理气相沉积(即CVD或溅射)、沉淀和浸渍。或者，薄的隔板850可包括与导体/分配器接触放置的完整组件。优选地，阳极和阴极导体/分配器用作它们各自隔板的支撑。

在图41所示的另一优选方面，阳极导体/分配器860用作密封和隔板支撑。在此图中，在它的一个不同优选构造中示出了重新编号为865的阳极导体/分配器。

在图42所示的另一优选方面，阴极导体/分配器870也用作密封和隔板支撑。在此图中，在它的一个不同优选构造中示出了重新编号为875的阴极导体/分配器。

在后面的段落和图中，以燃料电池堆其它组件的支撑结构的角色描述导体/分配器。在这些段落和图中，项目865是指其各种前述构造的一个构造中的阳极导体/分配器，项目875是指其各种前述构造的一个构造中的阴极导体/分配器。

在图43所示的另一优选方面，阳极导体/分配器865和阴极导体/分配器875共同支撑位于它们之间的共用隔板850。隔板850可以任何方式放置或沉积，以便降低材料和装置成本并提高装置性能和质量。隔板850一般应被制得尽可能薄，只要实用性和耐用性允许即可，如薄膜板。

如果毡导体/分配器865和875与密封结合，则可通过第六种优选实施方式中描述的任意方法使导体/分配器的密封部分不透气。或者，可使用隔板850部分形成密封。例如，薄的隔板材料或箔可沿一个或两个导体/分配器的边延伸，如图44所示。这些隔板延伸部分作为不透气密封。

在图45所示第七种实施方式的另一优选方面，阳极导体/分配器865和阴极导体/分配器875不仅共同支撑隔板850，而且它们还支撑阴极830、电解质810和阳极820。可以任何方式放置或沉积隔板850、阴极830、电解质810和阳极820，以便降低材料和装置成本并提高装置性能和质量。这些组件一般应被制得尽可能薄，只要实用性和耐用性允许即可。这些组件优选包括薄膜(如上面定义)，优选通过上述各种薄膜沉积技术将薄膜沉积在导体/分配器865/875“衬底”上。

图46图示了包含共用毡导体/分配器和密封的内部增多的燃料电池堆的三维图。在图46中，燃料电池堆包含隔板850、阳极毡导体/分配器/密封860、电解质810、阳极820和阴极毡导体/分配器/密封870。阴极在图46中是不可见的，因为它位于电解质820的“后面”。隔板850和电解质810包含气体通道或开口876、877、878和879。具体地说，通道876为燃料进口通道，通道877为燃料出口通道，通道878为氧化剂进口通道，通道879为氧化剂出口通道。

阳极毡导体/分配器/密封860由导电毡制成。整个阳极毡导体/分配器/密封860为可透气的，除了不透气密封区或带880。阴极毡导体/分配器/密封870由导电毡制成。整个阴极毡导体/分配器/密封870为可透气的，除了不透气密封区或带881。

在阳极毡导体/分配器/密封860中，不透气带880限定了透气区882，并从透气区883密封。在阴极毡导体/分配器/密封870中，不透气带881限定了透气区884，并从透气区885密封。

在组装堆时，区882联合阳极820和燃料通道876和877。区883联合氧化剂通道878和879。区884联合阴极(未示出)和氧化剂通道878和879。区885联合燃料通道876和877。

燃料电池堆按如下运转。供应燃料886(图46中的虚线)输入或进入到隔板850中的燃料进口通道876内。燃料到达阳极导体/分配器/密封860中的透气区882。在这里，输入燃料分成两个方向。一部分燃料“向下”行进通过透气毡区882并在阳极820反应。然后，燃料反应产物887通过隔板850中的燃料出口通道877离开区882。另一部分燃料行进通过电解质中的通道876并通过阴极导体/分配器/密封870中的透气区885。不透气带或密封880阻止燃料进入区883和与氧化剂反应。不透气带或密封881阻止燃料进入区884和与阴极接触。

供应氧化剂888(图46中的虚线)输入或进入到隔板850中的氧化剂进口通道878。氧化剂通过阳极导体/分配器/密封860中的透气区883内。氧化剂然后行进通过电解质中的通道878并到达阴极导体/分配器/密封870中的透气区884。在这里，输入氧化剂分成两个方向。一部分氧化剂“向右”行进通过透气毡区884并在阴极反应。反应的氧化剂889然后向后行进并通过隔板850中的氧化剂出口通道879离开区884。不透气带或密封880阻止氧化剂进入区882和与阳极接触。不透气带或密封881阻止氧化剂进入区885和与燃料反应。

可通过第六种实施方式中描述的任意方法形成不透气区880、881，如通过选择性加热或激光辐射或选择性增加将不透气材料加到毡上。因此，不透气区880、881在毡导体/分配器860、870中作为毡密封。它们隔开并防止燃料和氧化剂在燃料电池堆中彼此接触。燃料堆和密封880、881可具有任何合适的形状，并不应被认为限于图46所示形状。另外，“向下”和“向右”为相对方向，取决于燃料电池堆的方位。应说明，燃料和氧化剂以不同的优选垂直方向穿过燃料堆。

毡导体/分配器/密封不限于同时包含不透气密封880、881和透气导体/分配器882、884的单一导电毡片860、870。可在靠近透气毡导体/分配器放置的单独毡垫圈中形成不透气密封，如图47所示。

在图47中，导电毡阳极导体/分配器/密封890包括不透气毡垫圈891和透气毡导体/分配器860。垫圈891包含一个大的开口892，其联合导体/分配器860、隔板850中的燃料进口和出口通道876、877和电解质810(如图46所示)。进入燃料通过开口892进入导体/分配器并行进到阳极820。或者，可用联合导体/分配器、隔板850中的燃料通道876、877和电解质810的两个较小的开口替代一个大的开口892。垫圈891还包含氧化剂进口和出口通道878A、879A，它们不联合阳极导体/分配器860。因此，通过这些通道行进的氧化剂不会进入导体/分配器860，并不会到达阳极。

在图47中，导电毡阴极导体/分配器/密封895包括不透气毡垫圈896和透气毡导体/分配器870。垫圈896包含一个大的开口897，其联合导体/分配器870、隔板850中的氧化剂进口和出口通道878、879和电解质810(如图46所示)。进入氧化剂通过开口897进入导体/分配器并行进到阴极830。或者，可用联合导体/分配器、隔板850中的氧化剂通道878、879和电解质810的两个较小的开口替代一个大的开口897。垫圈896还包含燃料进口和出口通道876A、877A，它们不联合阴极导体/分配器870。因此，通过这些通道行进的燃料不会进入导体/分配器870，并不会到达阴极。

还可在外部增多的燃料电池中使用导体/分配器/密封，如图48所示。在图48中，交替的导电毡阳极和阴极导体/分配器/密封860、870如图所示位于燃料电池堆外壳899中。外壳可为圆柱状或任何其它合适的形状。稀薄的电解质、隔板和电极位于导体/分配器/密封860、870之间，但为了简明在图48中未示出。

燃料和氧化剂通道位于燃料电池堆和外壳899之间。具体地说，通道876B为燃料进口通道，通道877B为燃料出口通道，通道878B为氧化剂进口通道，通道879B为氧化剂出口通道。使阳极导体/分配器/密封860的“垂直”(即“左”和“右”)表面880A不透气。还使阴极导体/分配器/密封870的“水平”(即“顶”和“底”)表面881A不透气。导体/分配器/密封860、870的剩余部分保持透气。可通过第六种实施方式中描述的任意方法实现密封，如通过选择性加热或激光辐射、用不透气材料选择性浸渍表面(即例如浸渍到这种材料中)、在目标表面上选择性沉积箔或薄膜，或沿目标表面边缘弯曲隔板部分。

来自通道876B的燃料穿过片860的透气表面882A到达阳极。来自通道878B的氧化剂穿过片870的透气表面884A到达阴极。通道876B和877B中的燃料不会透过表面881A，而且不会与氧化剂反应或到达阴极。通道878B和879B中的氧化剂不会透过表面880A，而且不会与燃料反应或到达阳极。

燃料堆和导体/分配器860、870可具有任何合适的形状，并不应被认为限制于图48所示的形状。另外，“垂直”和“水平”是相对方向，取决于燃料电池堆的方位。应说明，燃料和氧化剂以不同的优选垂直方向穿过燃料堆。

VIII.结论

可任意组合同时使用系统和燃料电池的各种组件以及在第一种到第七种实施方式中描述的方法的步骤。优选地，同时使用全部七种实施方式的组件和系统。因此，优选的方法和系统包括第一种实施方式的温度敏感吸附富氧方法和系统、包括固体氧化物燃料电池和热泵和任选的汽轮机的负荷匹配的发电系统、和使用第二种实施方式的系统的方法、第三种实施方式的网纹化燃料电池陶瓷电解质、第四种实施方式的耐受环境的燃料电池阳极催化剂、包括第五种实施方式的优选焓轮的水汽补给系统、第六种实施方式的燃料电池毡密封和第七种实施方式的毡集流器。但是，可从优选的系统、燃料电池和方法中去掉任意一个、两个、三个、四个或五个上述特征。

为说明和描述提供了发明的上述描述。目的不在于穷举或限制发明到公开的精确形式，按照上述教示，改变和变化是可能的，或可从本发明的实施中获取。图不是必定依比例决定，而是以示意性块格式图示设备。为了解释发明原理和它的实际应用，选择了优选实施方式的图和描述，但并不意味着限制权利要求的范围。本发明的范围应由附属权利要求及其等价物限定。

Claims (26)

1.一种系统，包括：

气源；

相对于氧能选择性吸附氮的吸附剂介质；和

燃料电池。

2.一种系统，包括：

供应空气到第二装置内的第一装置；

相对于氧从空气中选择性吸附氮的第二装置；和

从第二装置接受富氧空气的第三装置。

3.一种使空气富集氧的方法，包括：

供应空气通过相对于氧能从空气中选择性吸附氮的吸附剂介质；和

使用温度敏感吸附循环富集空气中的氧浓度。

4.如权利要求3所述的方法，还包括将富氧空气供应到燃料电池内。

5.一种发电系统，包括：

固体氧化物燃料电池堆；和

热泵；

其中：

使固体氧化物燃料电池堆为数据中心供应电力并供应高温热到热泵；

使热泵接受来自固体氧化物燃料电池堆的高温热以冷却数据中心；和

使固体氧化物燃料电池堆供应的电力负荷和热泵上的冷却负荷与数据中心的需求匹配。

6.如权利要求5所述的系统，还包括用于热驱动热泵的受热器，其中不需要额外的冷却设备也不需要大量额外电力为数据中心供应动力和冷却数据中心。

7.一种发电系统，包括：

固体氧化物燃料电池堆；

热泵；和

涡轮机。

8.如权利要求7所述的系统，还包括：

受热器；

燃料进口；

氧化剂进口；

燃料压缩机；

第一氧化剂压缩机；

在燃料进口和燃料电池堆之间的燃料预热器；

在氧化剂进口和燃料电池堆之间的氧化剂预热器；

燃料出口冷却器；

氧化剂出口冷却器；

接受燃料和氧化剂的燃烧器；

汽轮机废热交换器；

发电机；和

其中热泵包括热驱动热泵。

9.一种发电方法，包括：

供应来自固体氧化物燃料电池堆的电力到设备；

供应来自固体氧化物燃料电池的高温热到热泵；和

使用热泵冷却设备，其中使固体氧化物燃料电池堆供应的电力负荷和热泵上的冷却负荷与设备的需求匹配。

10.一种发电方法，包括：

供应来自固体氧化物燃料电池堆的电力到设备；

供应来自固体氧化物燃料电池的高温热到热泵；和

使用热泵加热设备，其中使固体氧化物燃料电池堆供应的电力负荷和热泵上的加热负荷与设备的需求匹配。

11.一种发电系统，包括：

固体氧化物燃料电池堆；和

吸收式热驱动热泵；

其中：

使固体氧化物燃料电池堆为设备供应电力并供应高温热到热泵；和

使热泵接受来自固体氧化物燃料电池堆的高温热以冷却设备。

12.一种用于固体氧化物燃料电池的陶瓷电解质，包括至少一个不均匀表面部分。

13.如权利要求12所述的电解质，其中：

不均匀表面包括网纹化表面；和

网纹化表面具有0.5至2.5微米的粗糙度。

14.一种制造固体氧化物燃料电池用陶瓷电解质的方法，包括：

提供生片；

在生片至少一个表面的至少一部分上制作图案以形成至少一个表面的至少一个不均匀部分；和

烧结生片形成陶瓷电解质。

15.一种制造固体氧化物燃料电池用陶瓷电解质的方法，包括：

提供陶瓷电解质；和

网纹化陶瓷电解质一个表面的至少一部分。

16.一种固体氧化物燃料电池，包括：

阴极；

固体陶瓷电解质；和

包括金属陶瓷的阳极，其中金属陶瓷包含耐受环境的催化剂。

17.如权利要求16所述的燃料电池，其中催化剂包括耐硫催化剂和耐燃料不足催化剂中的至少一种。

18.一种系统，包括：

固体氧化物燃料电池堆；和

能将产物水汽从燃料电池堆阳极废气转移到燃料电池堆燃料供应的焓轮。

19.一种系统，包括：

固体氧化物燃料电池堆；和

能将产物水汽从燃料电池堆阳极废气转移到燃料电池堆燃料供应的至少两个吸附剂床。

20.一种将供应到固体氧化物燃料电池堆内的燃料水合的方法，包括：

供应烃类燃料到固体氧化物燃料电池堆的阳极进料内；和

将产物水汽从燃料电池堆阳极废气中转移到燃料电池堆燃料供应内。

21.一种密封布置，包括：

第一配合面；

第二配合面；和

与第一和第二配合面接触的毡密封元件。

22.如权利要求21所述的布置，其中：

气体通道位于第一和第二配合面之间；

密封布置为不透气的；

第一配合面包括固体氧化物燃料电池的陶瓷表面；和

第二配合面包括固体氧化物燃料电池的金属表面。

23.一种燃料电池堆，包括：

电解质；

阳极；

阴极；

第一导电毡导电体/气流分配器；和

第一隔板。

24.一种燃料电池堆，包括：

第一燃料电池；

第二燃料电池；和

在第一和第二燃料电池之间的毡导体/分配器片。

25.一种系统，包括单元(a)至(g)中的至少两个：

(a)温度敏感吸附氧富集系统；

(b)包括固体氧化物燃料电池、热泵和任选的汽轮机的负载匹配的发电系统；

(c)网纹化的燃料电池陶瓷电解质；

(d)耐受环境的燃料电池阳极催化剂；

(e)包含阳极侧焓轮的燃料水汽补给系统；

(f)燃料电池中的毡密封；和

(g)燃料电池中的毡集流器。

26.如权利要求25所述的系统，还包括位于固体氧化物燃料电池系统中的单元(a)至(g)中的三个、四个、五个、六个或全部七个。

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