TW200305301A - Single chamber solid oxide fuel cell architecture for high temperature operation - Google Patents

Description

200305301 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、內容、實施方式及圖式簡單說明） t發明戶斤屬之技術領域3 發明領域 本發明係有關燃料電池領域，且更特別係有關單室型 固態燃料電池。 5 【先前技術】 發明背景 固態氧化物燃料電池（SOFC)被設計成使反應物氣體引 入二電極（即，陽極及陰極），然後經由電解質使其等產生 電接觸。傳統上，反應物氣體於燃料電池内混合，且氧化 10 劑（例如，空氣）係先於燃料電池之陰極部份處被引入，且 燃料（例如，氫或烴）係先於陽極部份處被引入。外部載荷 被連接至陽極與陰極，於陰極處造成氧，與自外部電路進 入之電子反應形成氧離子。氧離子經由電解質泳移至陽極 ，且於陽極處氧化燃料，造成釋出電子至外部電路且造成 15 電流，其使電子回到陰極。 於SOFC之一發展係使用單室型設計簡化電池製造及 其後之系統操作。單室型設計需使反應物於遞送至燃料電 池之陽極與陰極前被混合。（例如，參見路易士（Louis)等人 之美國專利第4,248,941號案）。因為SOFC —般於500°C 20 或更高時操作，不受控制放熱反應之可能性存在於任何單 室型設計。不受控制之反應會於反應物遞送至操作電池之 前及期間造成反應物消耗，其造成降低之效率或可能之損 害性爆炸。 【發明内容】 0續次頁（發明說明頁不敷使用時，請註記並使用續頁） 200305301 玫、發明說明 發明說明，續頁 發明概要 本發明提供一種固態氧化物燃料電池系統，包含至少 一燃料電池及至少一用以遞送反應物混合物之氣流通道。 此燃料電池包含至少一用以置放至少一陽極、至少一陰極 5及至少一電解質之腔室，且此燃料電池被用以容納包含於 遞送至燃料電池前混合之反應物之反應物混合物。用以遞 送反應物混合物之一或多個氣流通道具有特性尺寸，其係 少於固態氧化物燃料電池系統内操作溫度時之反應物混合 物之驟冷距離。 10 圖式簡單說明 本發明係參考數個圖式而描述，其中： 第1圖顯示依據本發明一實施例之燃料電池系統； 第2圖係依據本發明一實施例之燃料電池系統之截面 圖， 15 第3圖係依據本發明一實施例之具低催化活性表面之 氣流管道之截面圖； 第4圖顯示依據本發明一實施例之燃料電池堆疊物； 且 第5圖顯不依據本發明一實施例之於入口處具熱交換 20 器之燃料電池系統。

t實施方式；J 本發明之詳細說明 本發明於固態氧化物燃料電池中利用單室型設計以簡 化電池製造及其後之系統操作。此單室型設計需使反應物（ _次頁（翻酬頁不敷使用時，請註記雌臓頁） 200305301 玖、發明說明 發明說明續頁 一般係氣態燃料及空氣）於遞送至燃料電池之陽極與陰極前 被混合。注意於單室型S0FC，陽極與陰極可位於電解質 之相同側或相反側。若照相平版術及其它於電子產業普遍 之技術被用於建構時，使二者位於相同側促進電池之製造 5 。無論陰極及陽極之結構，反應物係於遞送至燃料電池前 被混合。 因為SOFC —般係於50(rc或更高時操作（且可能高達 1000°C)，不受控制反應之可能性存在於任何單室型設計。 本發明描述一種用於降低於反應物遞送至操作電池之前及 10期間自’肖耗反應物之不受控制放熱反應之機會之裝置及方 法。此係藉由使到達燃料電池或燃料電池堆疊物之所有氣 流管道與燃料電池堆疊物本身内之導管物件之特性尺寸降 至少於SOFC系統内發現之溫度之反應物混合物驟冷距離 而完成。一般，特性尺寸係定義流動通道之最小尺寸。具 15有圓形截面之流動通道之特性尺寸係直徑，而對於非圓形 流動通道（包含具接近平行板者之縱橫比之流動通道），特 性尺寸係通道最南者。流動通道之小心設計需發生於其間 燃料及空氣混合成一反應物混合物之所有位置。 於燃料期間’驟冷距離係低於此距離時火焰將不能伸 20延之距離。例如，於具有低於特性尺寸（驟冷直徑）之直徑 之管件之情況，火焰係被管件驟冷且無法引起火焰。驟冷 距離係部份藉由燃料/氧化劑之混合物、操作溫度及操作壓 力決定。驟冷距離對於更具反應性之燃料一般係較小，隨 溫度增加而減少，且隨壓力增加而增加。對於驟冷距離計 0續义頁（發明δ兌明頁不敷使用時’請註記並使用續頁） 200305301 發明說明If 玖、發明說明 算之更詳細分析，見Kuo，Kenneth Κ·之燃料原則 (Principles of Combusion)，John Wiley, New York，1986,第 326-329 頁。 現參考圖式，此等圖式構成此說明書之一部份且以例 5 示之實施例說明本發明。需暸解於某些例子中，本發明之 各方面係以擴大或放大地顯示以促進瞭解本發明。 第1圖例示依據本發明一實施例之燃料電池系統10。 燃料電池20包含陽極14及陰極16，其等係經由電解質 18呈電連接且被置於支撐結構12上。反應物、燃料及氧 10 化劑係於遞送至燃料電池20前被混合。反應物混合物50 係經由至少一氣流管道40遞送至操作之燃料電池20。氣 流管道40具有一特性尺寸（以内直徑42顯示），其係少於 SOFC系統内發現之溫度時之反應物混合物之驟冷距離。 因為氣流管道40之直徑42少於驟冷距離，火焰無法沿著 15 氣流管道伸延，且不受控制之反應或爆炸之機會被降低或 甚至被去除。燃料電池係被置放於單一腔室30内，其係於 燃料電池上提供開放空間使反應物混合物50接觸燃料電池 。如所示，此腔室係以遞送結構32(其係以防漏方式附接 至支撐結構12)之一部份而形成。腔室30亦需具有特性尺 20 寸，其係少於SOFC系統内發現之溫度時之反應物混合物 之驟冷距離。如所示，腔室30具有一特性尺寸高度42， 其係對應於氣流管道40之直徑尺寸42且係少於反應物混 合物之驟冷距離。 包含導電性材料之接觸22係以手指狀構造附接至陽極 0續次頁（發明說明頁不敷使用時，請註記並使用續頁） 10 200305301 玖、發明說明 及陰極，且於支撐結構12之端緣提供接觸點。完全之電路 係藉由連接外部載荷24而產生。用過之反應物混合物及其 它副產物（諸如，水蒸氣）可被自廢料口 26排出。 5 10 對於SOFC操作之典型溫度時（約350°C至750°C之範 圍）之烴/空氣混合物，承載反應混合物之任何流動路徑之 最大特性尺寸應不超過1 mm，且較佳係少於500微米。對 於氫/空氣之混合物，承載混合反應物之任何流動通路之最 大特性尺寸應不超過0.5 mm，且較佳係少於100微米。注 意大量過量之空氣流速會助於降低反應可能性。其存有於 室溫時之較低可燃性極限（空氣/燃料之混合物於低於此極 限將不會反應）。但是，當反應物混合物之溫度增加時，過 量空氣流速之益處變小。因此，小管道及過度空氣流速之 結合於單室型SOFC系統之設計係所欲的。 15 發明說明 第2圖顯示依據本發明一實施例之燃料電池系統之截 面圖。視點係於第1圖顯示。包含陽極、陰極及電解質之 燃料電池20被置放於單一腔室30。反應物混合物係經由 氣流管道40(其具有少於SOFC系統操作溫度時之反應物混 合物之驟冷距離之特性尺寸42)供應。單一腔室30亦具有 少於此驟冷距離之特性尺寸。 本發明進一步揭露使用低催化活性表面用於所有與升 高溫度之混合反應物接觸之遞送通道。氧化之不鏽鋼、石 英及氧化鋁係燃燒文獻中已知之低催化活性材料之例子， 其於促進反應時不具活性。於曝露於反應物混合物之氣流 通道上使用低催化活性表面有助於限制不受控制之反應。 0續次頁（發明說明頁不敷使用時，請註記並使用續頁） 11 20 200305301 玫、發明說明 發明說明續頁 第3圖例示使用低催化活性表面44，其係被施用至氣流管 道40。所示管道之驟冷直徑係自管道内側（包含低催化活 性表面）測量；但是，此表面之寬度為了清楚目的已被大量 地擴大，且實際上相較於此管道之整體尺寸係非常小。低 5催化活性表面可被施用至所有曝露於反應物混合物之氣流 通道，包含氣流管道及導管。 第4圖例示依據本發明一實施例之燃料電池堆疊物 100。此燃料電池堆疊物1〇〇包含於撐體結構112上呈連續 式電連接之燃料電池101-105,界定遞送裝置及一或多個 10用以置放燃料電池之腔室130之遞送結構132 ,及助於避 免燃料電池堆疊物内外漏之頂結構134，所有係附接在一 起以形成此燃料電池堆疊物結構。氣流管道4〇遞送反應物 混合物50至燃料電池堆疊物。氣流導管14〇係於遞送結構 132之底部内製成，然後使燃料電池堆疊物内之反應物混 15合物50遞送至一或多個腔室130，且使反應物混合物與燃 料電池接觸。對於所示腔室及導管之縱橫比，定義流動路 徑之特性尺寸係高度。如氣流管道4〇，氣流導管14〇具有 少於SOFC系統内發現之溫度時之反應物混合物驟冷距離 之特性尺寸（以高度142表示）。一或多個用以置放燃料電 20 池之腔室130亦具有少於此驟冷距離之特性尺寸。 包含廢料孔126及廢料通道136之廢料機構移除用過 之反應物混合物及諸如水蒸氣之副產物。燃料電池堆疊物 可經由接觸122進一步以平行或連續式連接，以產生外部 載荷24之任何所欲電力輸出。 E續次頁（發明說明頁不敷使用時，請註記並使用續頁） 12八 200305301 砍、發明說明 發明說明$買頁 對於烴/空氣之混合物，承載混合之反應物之氣流導管 140内之任何流動路徑之最大特性尺寸142於SOFC操作 特性溫度時（350°C至750°C之約略範圍）不應超過1 mm，且 較佳應少於500微米。對於氫/空氣之混合物，承載混合之 5 反應物之氣流導管140内之任何流動路徑之最大特性尺寸 142不應超過0.5 mm，且較佳應少於100微米。 於另一實施例，氣流通道及置放用之腔室可能被設計 成使非圓形通道及腔室之高度及寬度具有少於SOFC系統 内操作溫度時之反應物混合物之驟冷距離之尺寸。此係最 10 可應用於其間非圓形通道及腔室之高度及寬度約相等時。 第5圖顯示一種燃料電池系統10，其具有被併入此系 統内之熱交換器60。燃料及氧化劑可於熱交換器之入口 62 處混合以產生反應物混合物。流動通道之小心設計需發生 於所有其間燃料及空氣混合成一反應物混合物之位置，包 15 含熱交換器内之反應物混合物運送裝置。熱交換器併入燃 料電池系統内係相等地可應用於燃料電池堆疊物。 本發明之其它實施例對於熟習此項技藝者自考量此間 揭露之本發明說明書内容或實施係明顯的。說明書及範例 係欲被認為僅係例示用，本發明之真正範圍及精神係以下 20 列申請專利範圍表示。 【圖式簡單說明】 第1圖顯示依據本發明一實施例之燃料電池系統； 第2圖係依據本發明一實施例之燃料電池系統之截面 圖， 0續次頁（發明說明頁不敷使用時，請註記並使用續頁） 13 200305301 玖、發明說明 發明說明ϋ頁 第3圖係依據本發明一實施例之具低催化活性表面之 氣流管道之截面圖； 第4圖顯示依據本發明一實施例之燃料電池堆疊物； 且 第5圖顯示依據本發明一實施例之於入口處具熱交換 器之燃料電池系統。 0續次頁（發明說明頁不敷使用時，請註記並使用續頁） 14 200305301 發明說明 玖、發明說明 【圖式之主要元件代表符號表】 10……燃料電池系統 100". ...燃料電池堆疊物 12··· …支撐結構 101-105……燃料電池 14··· …陽極 112… ...撐體結構 16··· …陰極 122... …接觸 18··· ...電解質 126… …廢料孔 20... ...燃料電池 130… ...腔室 22... …接觸 132… ...遞送結構 24... …外部載荷 134… …頂結構 26··· …廢料口 136... …廢料通道 30... …單一腔室 140··· ...氣流導管 32... ...遞送結構 142… ...南度 40··· ...氣流管道 42... …内直徑 44... ，…低催化活性表面 50··. ，…反應物混合物 60… .…熱交換器 62.. ....入口 15

Claims (1)

1. 200305301 拾、申請專利範圍 1 · 一種固態氧化物燃料電池系統，包含： 至少一燃料電池（20)，其中，該燃料電池（20)包含用 以置放至少一陽極（14)、至少一陰極（16)，及至少一電解 質（18)之至少一腔室（30)，且其中，該至少一燃料電池被 5 用以容納包含於遞送至該至少一燃料電池前混合之反應物 之反應物混合物；及 至少一用以遞送該反應物混合物之氣流通道（40, 140) ’其中，該至少一氣流通道之特性尺寸（42，142)少於該固 態氧化物燃料電池系統内之操作溫度時之該反應物混合物 10 之驟冷距離。 2.如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該至少一氣流 通道包含： 至少一氣流管道（40) ’其係遞送該反應物混合物至該 至少一腔室（30); 至少一氣流導管（140) ’其於燃料電池堆叠物（1 〇〇)之至 少一燃料電池間遞送該反應物混合物；及 其任何混合。 3·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該反應物混合 物選擇性地包含烴/空氣之混合物，該操作條件係於35〇t： 2〇 至75〇°C之範圍，且該至少一氣流通道之該特性尺寸係少 於1 mm，且較佳係少於5〇〇微米，或 其中，該反應物混合物包含氫/空氣之混合物，該操作條件 係於350t至75(TC之範圍，且該至少一氣流通道之該特性 尺寸係少於0.5 mm，且較佳係少於1〇〇微米。 E續次頁（申請專利範圍頁不敷使用時，請註記並使用續頁） 16 200305301 拾、申請專利範圍 申請專利範圍續頁 4·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該至少一氣 流通道（40，140)包含位於曝露於該反應物混合物之表面上 之低催化活性層（44)，且其中，該低催化層選擇性包含氧 化之不鏽鋼、石英或氧化鋁。 5 5·如申請專利範圍第1項所述之系統，進一步包含熱交換 器（60)，該熱交換器係流體連接至該至少一腔室（3〇)且用 以容納該反應物混合物及將該反應物混合物遞送至該至少 一腔室，且其中，該反應物混合物係選擇性地於該熱交換 器之出口（62)處形成。 10 6 ·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該至少一腔 室（30)具有一特性尺寸，其係少於該固態氧化物燃料電池 系統内之操作溫度時之該反應物混合物之驟冷距離。 7.如申請專利範圍第1項所述之系統，進一步包含至少二 燃料電池’其係呈連續式之電及流體連接以形成一燃料電 15 池堆疊物（1〇〇)，且其中，該燃料電池堆疊物選擇性地包含 至少一氣流導管（140)，其中，該至少一氣流導管係使該反 應物混合物於該燃料電池堆疊物内遞送，且其中，該至少 一氣流導管之特性尺寸（142)係少於該操作溫度時之該反應 物混合物之驟冷距離。 20 8· 一種操作固態氧化物燃料電池系統之方法，包含： 使一反應物混合物經由至少一氣流通道（40,140)於該 固態氧化物燃料電池系統内遞送，其中，該至少一氣流通 道具有一特性尺寸，其係少於該燃料電池之操作溫度時之 該反應物混合物之驟冷距離。 0續次頁（申請專利範圍頁不敷使用時，請註記並使用續頁） 17 200305301 拾、申請專利範圍 ^申請專利範圍末頁 9·如申請專利範圍第8項所述之方法，進一步包含如下之 選擇性步驟： 於使該反應物混合物遞送至該至少一燃料電池前使該 反應物混合物遞送至熱交換器（6〇); 於遞送該反應物混合物至該燃料電池期間提供一過量 之空氣流速；或 於該至少一氣流通道之被曝露於該反應物混合物之表 面上施用至少一低催化活性層（44)。 10· —種製造固態氧化物燃料電池系統之方法，包含·· 製造曝露於該固態氧化物燃料電池系統内之氧化物混 合物之所有氣流通道（40,140)及腔室（30,130)，以具有少於 該固態氧化物燃料電池系統内發現之溫度時之該反應物混 合物之驟冷距離之特性尺寸。 18