TWI557979B - 固態氧化物燃料電池堆熱處理方法及裝置 - Google Patents

固態氧化物燃料電池堆熱處理方法及裝置 Download PDF

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柯特 瑞斯克
嵐 瑞南
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Description

固態氧化物燃料電池堆熱處理方法及裝置 相關申請案
本申請案主張2012年2月17日申請之標題為「Solid Oxide Fuel Cell Stack Heat Treatment Methods and Apparatus」之美國臨時專利申請案第61/600,102號之優先權權利，該案之全部內容係以引用方式併入本文。
本發明大體上係關於燃料電池製造之領域且更特定言之係關於燃料電池堆燒結及調節方法及裝置。
固態氧化物燃料電池(「SOFC」)係固態器件，其使用氧離子導電陶瓷電解質以藉由將氧離子自燃料電池之陰極處之氧化氣流傳送至燃料電池之陽極處之一還原氣流而產生電流。氧化流通常係空氣，而燃料流可為碳氫化合物燃料，諸如甲烷、天然氣、戊烷、乙醇或甲醇。在介於750℃與950℃之間之一典型溫度下操作之燃料電池使帶負電荷的氧離子能夠自陰極氣流運輸至陽極氣流，其中離子與碳氫化合物分子中的遊離氫或氫結合以形成水蒸氣及/或與一氧化碳結合以形成二氧化碳。來自該帶負電荷離子之多餘的電子透過陽極與陰極之間完成之一電路路由返回至燃料電池之陰極側，從而導致一電流流過該電路。
通常燃料電池堆係由呈平面元件、管或其他幾何形狀之形式之多個電池建造。尤其具有平面幾何形狀之燃料電池堆通常在電解質與互連件表面之間使用密封以在電池堆內之各個位置處含有燃料及空氣。通常該等電池堆在內部具有歧管以用於燃料及/或空氣流，且陶瓷電解質材料可包含內部開口或孔以容納電池堆內之流體流。
燃料電池堆製造可需要燒結燃料電池且單獨地調節燃料電池。在燃料電池堆燒結及調節期間，應在燃料電池之陽極及陰極中提供適當環境。以前鼓風機及質量流控制器已調控自外部氣體供應器至電池陽極電極及陰極電極之處理氣體流，且該等處理氣體在其等行進通過燃料電池堆之後已被排放。使用氣體預熱器及加熱線圈以調控進入陽極及陰極處理氣體中之熱量輸入。在燃料電池堆之調節期間，使用來自現場產生或場外遞送之氫氣以特徵化燃料電池堆。
燃料電池堆之製造可涉及大量複雜的程序步驟。必須謹慎設計各程序步驟且考慮程序互動以產生具有高良率之一功能產品。在製造程序中，燃料電池堆及組件可經歷若干熱處理。該等組件中之熱梯度可導致故障，諸如導致燃料電池變壞之破裂或扭曲。以前已以最終使用者層級實施處理控制。若最終使用者接收變壞的燃料電池堆，則改變製造程序。若最終使用者接收好的燃料電池堆，則製造程序繼續保持不變。以前的程序控制緩慢地回應問題、較為昂貴，且並未增加燃料電池堆品質。
本發明之實施例提供用於燃料電池堆熱處理之系統及方法。在本發明之一態樣中，使用一噴管以回收空氣進入空氣入口流中。在本發明之另一態樣中，使用一噴管以回收燃料進入燃料入口流中。在本發明之另一態樣中，使用一噴管以排放空氣遠離加熱爐。在本發明之另一態樣中，使用一氫氣分離器以回收氫氣至該燃料入口流。
100‧‧‧加熱爐
102‧‧‧熱區
104‧‧‧熱源
106‧‧‧燃料電池堆
106A‧‧‧燃料電池堆之背側
106d‧‧‧燃料電池堆
106e‧‧‧燃料電池堆
106f‧‧‧燃料電池堆
106g‧‧‧燃料電池堆
108‧‧‧底座
110‧‧‧斗
110A‧‧‧開口前側
110B‧‧‧出口開口
110d‧‧‧空氣斗
110e‧‧‧空氣斗
110f‧‧‧空氣斗
110g‧‧‧空氣斗
111‧‧‧開口
112‧‧‧循環風扇
114‧‧‧空氣供應管道
116‧‧‧噴管
116A‧‧‧原動入口
116B‧‧‧吸入口
116C‧‧‧排放出口
116d‧‧‧噴管
116e‧‧‧噴管
116f‧‧‧噴管
116g‧‧‧噴管
118‧‧‧空氣輸入管道
120‧‧‧輔助空氣供應管道
122‧‧‧可穿透障壁
124‧‧‧工作區
126‧‧‧空氣加熱腔室
130‧‧‧篩選器單元
132‧‧‧排氣管道
134‧‧‧氣泵
136‧‧‧排氣管道
140‧‧‧艙口
200‧‧‧加熱爐
300‧‧‧加熱爐
302‧‧‧空氣輸入管道
304‧‧‧排氣管道
400‧‧‧加熱爐
402‧‧‧加熱器
404‧‧‧熱源
500‧‧‧加熱爐
502‧‧‧預熱器
504‧‧‧熱源
600‧‧‧加熱爐
602‧‧‧燃料供應管道/燃料供應入口
604‧‧‧噴管
604A‧‧‧原動入口
604B‧‧‧吸入口
604C‧‧‧排放出口
606‧‧‧燃料入口管道
608‧‧‧燃料排放管道
610‧‧‧閥門
612‧‧‧燃料排放管道
614‧‧‧回收管道
700‧‧‧加熱爐
800‧‧‧加熱爐
802‧‧‧燃料預熱器
804‧‧‧熱源
900‧‧‧文氏噴管
902‧‧‧原動入口
904‧‧‧吸入口
906‧‧‧排放出口
908‧‧‧流體
910‧‧‧流體
1000‧‧‧噴管
1002‧‧‧原動入口
1004‧‧‧吸入口
1006‧‧‧排放出口
1008‧‧‧夾套
1010‧‧‧流體管道
1012‧‧‧排放流體管道
1014‧‧‧匯聚區
1016‧‧‧回收流體管道
1100‧‧‧加熱爐
1102‧‧‧氫氣分離器
1104‧‧‧燃料排放管道
1106‧‧‧氫氣管道/出口
1108‧‧‧水管道
1110‧‧‧增濕器
1112‧‧‧氫氣管道
1200A‧‧‧加熱爐
1200B‧‧‧加熱爐
1200C‧‧‧加熱爐
1202‧‧‧閥門
1202B‧‧‧閥門
1203‧‧‧氫氣管道
1203B‧‧‧氫氣管道
1204‧‧‧氫氣管道
1204B‧‧‧氫氣管道
1206‧‧‧氫氣儲存槽
1208‧‧‧氫氣管道
1208C‧‧‧氫氣管道
1210‧‧‧閥門
1212‧‧‧氫氣管道
1218‧‧‧氫氣管道
1220‧‧‧燃料鼓風機
1222‧‧‧閥門/氫氣管道
1224‧‧‧氫氣管道
1300‧‧‧加熱爐
1302‧‧‧空氣供應管道
1304‧‧‧空氣供應管道
1306‧‧‧空氣管道
1308‧‧‧空氣管道
1310‧‧‧空氣輸入管道
1312‧‧‧空氣輸入管道
1900‧‧‧加熱爐
1902‧‧‧空氣斗
1904‧‧‧底座
2000‧‧‧加熱爐
2002‧‧‧空氣斗
2004‧‧‧底座/支撐件
併入本文且構成本說明書之部分之隨附圖式圖解說明本發明之例示性實施例，且連同上文給定之一般描述及下文給定之詳細描述一起用以解釋本發明之特徵。
圖1A係用於加熱根據本發明之一實施例之一燃料電池堆之一加熱爐之一示意側截面圖。
圖1B係適用於與用於加熱根據本發明之實施例之一燃料電池堆之加熱爐一起使用之一空氣斗之一示意正向/左側透視圖。
圖1C係用於加熱根據本發明之一實施例之一燃料電池堆之一加熱爐之一示意俯視圖。
圖2至圖8係用於加熱根據本發明之實施例之一燃料電池堆之加熱爐之側截面圖。
圖9至圖10分別係根據本發明之實施例之噴管之側截面圖及透視示意圖。
圖11係用於加熱根據本發明之一實施例之一燃料電池堆之一加熱爐之一示意側截面圖。
圖12A至圖12C係用於加熱根據本發明之實施例之一燃料電池堆之加熱爐之示意側截面圖。
圖13係用於加熱根據本發明之一實施例之一燃料電池堆之一加熱爐之一示意俯視圖。
圖14至圖16係用於加熱根據本發明之實施例之一燃料電池堆之加熱爐之一示意側截面圖。
將參考該等隨附圖式詳細描述各種實施例。在儘可能的情況下，將遍及該等圖式使用相同的參考數字以指代相同或相似部分。為闡釋性目的參考特定實例及實施方案，且不旨在限制本發明之範疇或 請求項。
本發明之各種實施例提供用於燃料電池堆熱處理之系統及方法。在本發明之一態樣中，使用一噴管以回收空氣進入空氣入口流中。在本發明之另一態樣中，使用一噴管以回收燃料進入燃料入口流中。在本發明之另一態樣中，使用一噴管以排放空氣遠離加熱爐。在本發明之另一態樣中，使用一氫氣分離器以回收氫氣至該燃料入口流。各種實施例可改良識別已知故障模式之能力且對已知故障模式之較高敏感度可使效能規格更緊密、使領域中之燃料電池堆之效能更好，且使生產壞的燃料電池堆的機會較低。
為本申請案之目的，「燒結」包含用於加熱、熔融及/或迴流玻璃或玻璃陶瓷密封前驅體材料(諸如在電池堆中形成粉末及/或玻璃或玻璃陶瓷層之玻璃或玻璃陶瓷)以在電池堆中之一燃料電池與兩個相鄰互連件之間形成玻璃或玻璃陶瓷密封之程序。可在大於攝氏600度之溫度(諸如攝氏600度至攝氏1000度，包含攝氏700度至攝氏800度、攝氏800度至攝氏900度、攝氏700度至攝氏900度、攝氏900度至攝氏950度及/或攝氏950度至攝氏1000度)下執行燒結。
為本申請案之目的，「調節」包含其中第一時間可操作燃料電池(例如，SOFC)堆之程序。較佳地在調節期間汲取功率及/或施加功率至該電池堆。調節可包含用於以一受控制速率加熱該燃料電池堆、將一陽極電極中之一金屬氧化物(例如，氧化鎳)還原為一金屬陶瓷電極(例如，Ni-氧化鋯電極，諸如Ni-氧化釔穩定化氧化鋯及/或Ni-氧化鈧穩定化氧化鋯電極或Ni-摻雜二氧化鈰(例如，氧化鈧摻雜二氧化鈰)陽極))中之金屬(例如，鎳)、在操作期間測試或特徵化該電池堆及/或受控制冷卻之程序。可在自攝氏600度至攝氏900度(諸如攝氏800度至攝氏850度)之溫度下執行調節，且可對流至陽極及陰極之燃料及空氣執行調節。調節可用以還原陽極、特徵化陽極、電特徵化各電池及/或 篩選出具有已知故障模式之電池堆(例如，電池破裂、密封洩漏、燃料利用率不良及/或流量分佈不均勻)。在調節期間，在一電化學程序(例如，電化學還原(ECR)中可用氫氣或不用氫氣對陽極執行還原)。在調節期間，可用氫氣或不用氫氣對燃料利用率及破裂執行特徵化。
可獨立、連續或以任何順序進行燒結及調節程序。較佳地，對在燒結及調節兩者期間支撐在相同的支撐結構上之一燃料電池(例如，SOFC)堆執行燒結及調節。可在一加熱爐、燃料電池系統加熱箱或不同位置中執行此等步驟。此外，對於任何給定的燃料電池堆而言，燒結及/或調節程序可選且並非必需。「燃燒」包含用於燒盡及燒結燃料電池堆之電解質基板。
圖1A圖解說明根據本發明之一實施例之一加熱爐100。較佳地，該加熱爐100係適用於製造燃料電池堆(諸如SOFC電池堆)之一高溫加熱爐，例如用於當提供空氣及燃料至該電池堆中之各自陰極及陽極電池電極時調節該等電池堆。
該加熱爐100可包括一熱區102，其係藉由該加熱爐100之熱源104加熱之加熱爐100之一區域。該熱源104可為提供熱量之一裝置或系統，諸如一電阻加熱器、燃燒室、電感加熱線圈、微波源、加熱燈等等。該加熱爐100之熱區102可具有一空氣供應管道114、一噴管116及一空氣輸入管道118。雖然空氣輸入管道118主要係參考提供空氣而加以論述，但是空氣輸入管道118可經組態以提供空氣及/或其他處理氣體進入該加熱爐100中。可在該熱區102內安置一循環風扇112以使空氣循環。在一選用實施例中，該加熱爐100亦可具備一輔助空氣供應管道120。該加熱爐100之熱區102之底部處可含有一底座108。該底座108可經組態以支撐一或多個燃料電池堆106。該底座108可經組態以依任何角度支撐一燃料電池堆106。可藉由該底座108以一垂直組態或一水平組態支撐該燃料電池堆106。替代地，該底座108可以諸如0 度至90度、諸如45度之一角度支撐該燃料電池堆106。該燃料電池堆106可由呈平面元件、管或其他幾何形狀之形式之多個燃料電池建造，該等燃料電池藉由諸如板狀互連件之互連件分離。燃料電池堆106可含有在相鄰電池與互連件表面之間之密封，以在該電池堆106內之各個位置處含有且引導燃料及空氣(例如，陰極與相鄰互連件之間的空氣流及陽極與相鄰互連件之間的燃料流)。燃料電池堆106在內部或外部具有歧管以用於燃料及/或空氣流，且電池陶瓷電解質材料及互連件可包含空氣及燃料立管開口或孔以容納該燃料電池堆106內之內部流體流。
該加熱爐100可含有可使一空氣加熱腔室126與加熱爐100工作區124分離之一選用可穿透障壁122。該障壁122可容許空氣自該空氣加熱腔室126自由移動至該工作區124。該加熱爐100可含有經組態以自該燃料電池堆106移除空氣之一空氣歧管或「斗」110。該燃料電池堆106可放置在該加熱爐100之底座108上，使得該空氣斗110可流動地連接至該燃料電池堆106之一空氣出口且自該燃料電池堆106排放之氣體可進入該空氣斗110。例如，對於空氣燃料電池堆之外部歧管，該燃料電池堆106之背側106A可敞開以容許排氣排出進入該空氣斗100之一開放前側110A。該空氣供應管道114可耦合至該噴管116之一原動(motive)入口116A。該噴管116可為任何類型的噴管，例如一文氏(Venturi)噴管。該噴管116可由諸如一高溫材料之任何材料構成。作為一實例，該噴管116可由陶瓷(諸如氧化鋁)或高溫合金(諸如英高鎳合金600(Inconel 600))製成。該空氣斗110在其底部表面中之出口開口110B可耦合至該噴管116之一吸入口116B。該空氣輸入管道118可耦合至該噴管116之一排放出口116C。一輸入管道118自該底座108進入循環風扇112附近的空氣加熱腔室126。
此外，該加熱爐100可含有各種感測器及控制器。感測器可包含 空氣/燃料流監控器、加熱爐功率監控器、溫度監控器(例如，熱電偶)、電池堆位移監控器、電流監控器、電壓監控器及硫監控器。控制器可自該等各種監控器接收輸入且控制該加熱爐100之各種組件之操作以控制該加熱爐之總體操作。此外，在該燃料電池堆106製造過程期間，自該等監控器收集統計資料及記錄輸入及輸出參數可改良產品品質及良率。在一選用實施例中，一選用鼓風機/風扇及篩選器單元130可耦合至空氣供應管道114。該選用鼓風機/風扇及篩選器單元130可將空氣吹進空氣供應管道114中，及/或可篩選進入該空氣供應管道114之空氣。在另一選用實施例中，一選用鼓風機/風扇及篩選器單元130可耦合至該輔助空氣供應管道120。在另一選用實施例中，控制空氣流動之風門(flap)可耦合至空氣供應管道114及/或輔助空氣供應管道120。在一進一步選用實施例中，鼓風機/風扇、篩選器及風門可個別耦合至空氣供應管道114及/或輔助空氣供應管道120。在另一選用實施例中，一氣泵134可耦合至一選用排氣管道132。該選用氣泵134可經由該選用排氣管道132自該工作區124汲取空氣且將空氣泵送至一選用排氣管道136中。以此方式，諸如在該燃料電池堆106之脫脂(debindering)期間可自該工作區124牽引空氣及/或其他有機物。在另一選用實施例中，該加熱爐100中之一選用艙口140可使空氣能夠自該工作區124離開該加熱爐100。該選用艙口140可為任何類型的開口，諸如一擋板閥、手動操作艙口及或藉由一壓力傳感器觸發之一遠端操作艙口。在一實施例中，該選用艙口140之開口可使空氣離開該加熱爐100且可用以調控該加熱爐100內之壓力。
圖1B圖解說明該加熱爐100之空氣斗110。該空氣歧管或「斗」110可經組態以自該燃料電池堆106移除空氣。自該燃料電池堆106排放之空氣可退出進入該空氣斗110之前側110A上之一開口111中。自該開口111進入該斗110之空氣可行進通過該空氣斗110而至該空氣斗110 之底部表面中之出口開口110B。該出口開口110B可耦合至該噴管116之一吸入口116B。
圖1C圖解說明加熱爐100之一俯視圖。圖1C圖解說明本發明之一實施例，其中一單個燃料電池堆106係定位於該加熱爐100之工作區124中。
該加熱爐100可操作如下。在該加熱爐100之底座108上放置一燃料電池堆106使得可藉由該空氣斗110接收自該燃料電池堆106排放之空氣。空氣可經由該空氣供應管道114供應給該加熱爐100。可藉由一空氣鼓風機或風扇在高壓(例如每分鐘100至1000標準公升(「slm」)，諸如760slm)下供應經由該空氣供應管道供應之空氣。替代地，可在大於760slm或低於760slm之一壓力(諸如150slm)下供應經由該空氣供應管道供應之空氣。可改變經由該空氣供應管道供應之空氣流之壓力及流速以調整提供給該燃料電池堆106之空氣流速。經由該空氣供應管道114供應之空氣可為任何溫度，例如攝氏20度至攝氏730度。替代地，經由該空氣供應管道114供應之空氣可為低於攝氏20度或高於攝氏730度之一溫度。在一實施例中，若經由該空氣供應管道114供應之空氣之溫度小於攝氏25度，則藉由如圖5中所示之一空氣預熱器預熱該空氣。經由該空氣供應管道114供應之空氣可進入該噴管116之一原動入口116A且離開該噴管之一排放出口116C進入該空氣輸入管道118中。該空氣輸入管道118可提供空氣至空氣加熱腔室126。在起動該加熱爐100時，來自該空氣輸入管道118之空氣之溫度及壓力可相同於供應給該空氣供應管道114之空氣之溫度及壓力，這係因為該加熱爐100還未開始加熱該熱區102。在一選用實施例中，自該輔助空氣供應管道120提供給該加熱爐100之空氣之特性可相同於自該空氣供應管道114及/或空氣輸入管道118提供之空氣之特性。在一額外選用實施例中，自該輔助空氣供應管道120提供給該加熱爐100之空氣之特性可 不同於自該空氣供應管道114及/或空氣輸入管道118提供之空氣之特性，諸如用作冷卻該加熱爐100之空氣之一較低溫。
該熱源104可加熱該空氣加熱腔室126內之空氣。作為一實例，該熱源104可將空氣加熱至攝氏500度至攝氏800度，例如攝氏730度至攝氏750度，諸如攝氏730度。替代地，該熱源可將空氣加熱至攝氏800度以上或攝氏500度以下。該循環風扇112可輔助空氣自該空氣加熱腔室126透過該障壁122循環至該工作區124。經加熱的空氣可行進通過空氣燃料電池堆106之外部歧管且經排放至該空氣斗110。若該燃料電池堆106經操作以產生電力(例如，調節期間)，則其可產生熱量以進一步加熱該燃料電池堆106及該工作區124中的空氣。作為一實例，該燃料電池堆106可將該燃料電池堆106及與該燃料電池堆106相鄰之工作區124中的空氣加熱至攝氏750度至攝氏900度，例如，攝氏825度至攝氏850度。替代地，該燃料電池堆106之操作可將該工作區124中的空氣加熱至大於攝氏900度或小於攝氏750度。自該燃料電池堆106排放之經加熱的空氣可經由該空氣斗110之前側110A中的開口111進入該空氣斗110且接著經由該出口開口110B退出該空氣斗110且經由該噴管116之一吸入口116B進入該噴管116。自該空氣斗110經由吸入口116B進入該噴管116之空氣之壓力可低於自該空氣供應管道114經由原動入口116A供應給該噴管116之空氣之壓力。來自該供應管道114之較高壓力的空氣可用以牽引經由該噴管116來自該空氣斗110之較低壓力、較高溫度的空氣，且該兩個氣流可在該噴管116中相混合且作為一單個氣流自該噴管116之排放出口排放至該空氣輸入管道118中。以此方式，來自該加熱爐100之工作區124之經加熱的空氣之至少一部分可回收進入該加熱腔室126中。較佳地，可回收提供給該工作區124之至少80%空氣。替代地，可回收80%以上的空氣，諸如80%至85%、85%至90%、90%至95%或95%至100%，諸如約99%或約 100%。替代地，可回收80%以下的空氣，諸如80%至60%、60%至40%、40%至20%或20%至0%。
回收已經加熱的空氣可將該加熱腔室126中的空氣加熱至與該工作區124中的空氣溫度相同之溫度或更接近之一溫度。以此方式，可能已經將進入該燃料電池堆106之空氣加熱至加熱爐100作業溫度，且可以一電池堆對電池層級及一電池對電池層級減小或避免損壞燃料電池堆106組件之熱梯度。此外，在該燃料電池堆106製造程序期間，回收空氣可藉由使加熱及冷卻循環時間更快來輔助熱管理，且回收空氣可減小各循環中用以加熱空氣之能量且可使加熱爐100加熱組件上的損耗更小。進一步言之，該噴管116可為與其他空氣控制器件相比較不需要維護且供應較少能量給加熱器之一被動器件，且可使得能夠使用一更小的加熱器。
在一實施例中，可基於收集自安置在該加熱爐100中之監控器件及感測器之統計資料來控制加熱爐100之操作。一加熱爐功率監控器可追蹤該加熱爐100之功耗。利用一功率監控器可使得能夠偵測加熱爐100故障模式，諸如加熱爐100之熱源104惡化、熱交換裝備或預熱器惡化、諸如該循環風扇112及噴管116之再循環裝備惡化及/或加熱爐100的顯著熱結構改變。該加熱爐100之回收流(例如，管道118中)中之一溫度感測器可監控回收空氣及/或處理氣體之溫度，且可偵測回收系統中的洩漏。一電池堆位移量測器件可耦合至該燃料電池堆106且可監控燃料電池堆106在密封形成期間(例如，電池堆燒結期間)以及遍及整個製造循環的位移/收縮。統計評估燃料電池堆106收縮可提供關於溫度或密封不規則性的快速回饋。排氣監控可提供對空氣流動路徑的完整性之一運作狀況檢測。若流速顯著增強或降低，則溫度偏離(excursion)可指示該變化。此外，冷卻藉由該輔助空氣供應管道120供應的空氣可用以控制該加熱爐100及/或燃料電池堆106之溫度。
圖2圖解說明根據本發明之另一實施例之一加熱爐200。該加熱爐200類似於圖1A中圖解說明之加熱爐100且含有多個共有組件。加熱爐100及200所共有的組件在圖1A及圖2中係用相同的數字加以編號且將不會進一步加以描述。
加熱爐100與200之間的一個差別在於：在加熱爐200中，該噴管116可在該加熱爐200之熱區102外部。將該噴管116放置在該熱區102外部可使該噴管116能夠由並不適用於高溫應用之材料製成，且可導致來自該空氣斗110之空氣由於離開該熱區102而冷卻。在加熱爐200中，該噴管116可如圖2中圖解說明般在該底座108外部，而在加熱爐100中，該噴管116可如圖1A中圖解說明般在該底座108內部。
圖3圖解說明根據本發明之另一實施例之一加熱爐300。該加熱爐300類似於圖1A中圖解說明之加熱爐100且含有多個共有組件。加熱爐100及300所共有的組件在圖1A及圖3中係用相同的數字加以編號且將不會進一步加以描述。
加熱爐100與300之間的一個差別在於：在加熱爐300中，該噴管116可在該加熱爐300之熱區102外部。加熱爐100與300之間的另一差別在於：添加經組態以供應空氣及/或處理氣體給該加熱腔室126之空氣輸入管道302且添加耦合至噴管116之排放出口之排氣管道304。
在操作中，加熱爐300無法回收空氣，反而可利用該排氣管116以汲取及排放空氣遠離該加熱爐300。空氣及/或處理氣體可經由空氣輸入管道302供應給該加熱爐300之加熱腔室126。在一實施例中，經由空氣入口管道302供應的空氣可為預熱空氣且經由該輔助空氣供應管道120供應的空氣可為冷卻空氣。經由空氣入口管道302供應的空氣可為低壓空氣或替代地未加壓空氣。如上文參考圖1論述，空氣可藉由該熱源104加熱且該循環風扇112可將經加熱的空氣移動育過該障壁122至該加熱爐300之工作區124。經由空氣輸入管道114供應給該加熱 爐300之高壓空氣可經由該噴管116之一原動入口進入該噴管116，且透過該噴管116移動該高壓空氣可透過該燃料電池堆106汲取空氣進入該空氣斗110且透過該噴管116之一吸入口進入該噴管116。來自該空氣斗110之空氣可與來自空氣輸入管道114之空氣相混合且經由該噴管116之一排放出口排放而遠離該加熱爐300至該排氣管道304。以此方式，該噴管116可用以經由吸入而非加壓移動空氣通過該加熱爐300。此外，使用該噴管116以排放來自系統之空氣可減小總體空氣控制系統的複雜度且該噴管116係與其他空氣控制器件相比較不需要的維護之一被動器件。
圖4圖解說明根據本發明之另一實施例之一加熱爐400。該加熱爐400類似於圖2中圖解說明之加熱爐200且含有多個共有組件。加熱爐200及400所共有的組件在圖2及圖4中係用相同的數字加以編號且將不會進一步加以描述。
加熱爐400與加熱爐200之間的一個差別在於：加熱爐400可包含經組態以加熱該加熱爐400之空氣入口流之一加熱器402。在一實施例中，該加熱器402可為耦合在該噴管116周圍之一夾套加熱器。該加熱器402可含有可加熱該噴管116且藉此使空氣移動通過該噴管116之一熱源404。預熱空氣可將供應給該加熱腔室126之空氣加熱至與該工作區124中的空氣溫度相同之溫度或更接近之一溫度。以此方式，可能已經將進入該燃料電池堆106之空氣加熱至加熱爐400作業溫度。以此方式，可以一電池堆對電池層級及一電池對電池層級減小或避免損壞燃料電池堆106組件之熱梯度。此外，在該燃料電池堆106製造程序期間，預熱空氣可藉由使加熱循環時間更快來輔助熱管理。
圖5圖解說明根據本發明之另一實施例之一加熱爐500。該加熱爐500類似於圖2中圖解說明之加熱爐200且含有多個共有組件。加熱爐200及500所共有的組件在圖2及圖5中係用相同的數字加以編號且將 不會進一步加以描述。
該加熱爐500與該加熱爐200之間的一個差別在於：加熱爐500可包含經組態以在空氣輸入進入該噴管116之原動入口之前預熱空氣供應管道114中之空氣入口流之一預熱器502。該預熱器502可耦合至該空氣輸入管道114或安置在該空氣輸入管道114內。該預熱器502可含有一熱源504。在操作中，該預熱器502可在藉由空氣輸入管道114供應給該加熱爐500之空氣進入該噴管116之原動入口之前預熱該空氣。預熱供應給該加熱爐500之空氣可減小熱梯度且可減小自該空氣輸入管道114進入該噴管116之空氣與自該空氣斗110進入該噴管116之空氣之間的熱差，在一替代性實施例中，預熱器502可耦合至該空氣輸入管道118來代替耦合至空氣供應管道114，或除此以外耦合至空氣供應管道114。以此方式，可在空氣離開該噴管116之後加熱空氣。
圖6圖解說明根據本發明之另一實施例之一加熱爐600。該加熱爐600類似於圖1A中圖解說明之加熱爐100且含有多個共有組件。加熱爐100及600所共有的組件在圖1A及圖6中係用相同的數字加以編號且將不會進一步加以描述。
加熱爐100與加熱爐600之間的一個差別在於：加熱爐600可包含位於該加熱爐600之熱區102中之一噴管604，其經組態以回收來自該燃料電池堆106之燃料排放之一部分進入燃料入口流中。雖然加熱爐600經圖解說明不具備一空氣系統或用於一空氣系統之噴管，但是一般技術者將瞭解，本文圖解說明及論述之任何加熱爐空氣系統中之空氣噴管之任何實施例可根據上述實施例之任一者結合採用諸如噴管604之噴管之燃料系統使用以給該加熱爐600及燃料電池堆106供應空氣及/或處理氣體。燃料系統及空氣系統無須彼此排斥。
加熱爐600可包含用於供應燃料至該加熱爐600內之燃料電池堆106之一燃料供應管道602。燃料可包括任何合適的燃料，諸如氫氣燃 料或碳氫化合物燃料，包含(但不限於)甲烷、含有甲烷及氫氣及其他氣體之天然氣、丙烷或其他沼氣或碳燃料(諸如一氧化碳、含氧碳氣體，諸如甲醇或含其他碳氣體)與含氫氣體(水蒸氣、氫氣)之混合物或其他混合物。例如，該混合物可包括由煤炭或天然氣再形成衍生之合成氣。燃料供應管道可耦合至該噴管604之一原動入口604A。一燃料入口管道606可耦合至該噴管604之一排放出口604C，使得來自該噴管604之燃料可提供給在內部或外部可具有歧管之燃料電池堆106以接收並利用該燃料。例如，對於燃料而言，圖6中所示之燃料電池堆106在內部具有歧管。當提供燃料及氧化物進入該燃料電池堆106之後，該電池堆106可經操作以產生電力、熱量及一燃料排放流。該燃料排放流可含有氫氣、水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、某種未經反應的碳氫化合物氣體(諸如甲烷)或藉由產物及雜質而產生的其他反應物。
一燃料排放管道608可耦合至該燃料電池堆106且可經組態以自該燃料電池堆106接收燃料排放。該燃料排放管道608可耦合至一選用閥門610。作為一實例，閥門610可為三通閥門。替代地，該閥門610可為一分離器。閥門610之一閥門出口可耦合至一燃料排放管道612，燃料排放管道612經組態以運輸燃料排放遠離該加熱爐600。閥門610之另一閥門出口可耦合至一回收管道614，回收管道614經組態以回收燃料排放之一部分至該噴管604之一吸入口604B且藉此返回至該燃料電池堆106。可藉由閥門610之操作及/或構造及/或藉由噴管604之構造或經由燃料供應管道602供應燃料之速率，改變且控制經由回收管道614回收之燃料排放之部分。例如，可經由排放管道612排放10%的燃料排放遠離該加熱爐600且經由回收管道614回收90%。替代地，可排放50%的燃料排放遠離該加熱爐600且可回收50%燃料排放。此外，可排放90%或更多燃料排放，同時回收10%或更少。該噴管604可由一高溫材料(諸如陶瓷(諸如氧化鋁)或高溫合金(諸如英高鎳合金600 (Inconel 600)))製成。
在操作中，可經由燃料供應管道602提供燃料進入加熱爐。供應給加熱爐之燃料可處於高壓下(例如，藉由一鼓風機提供)。燃料可經由該噴管604之一原動入口604A自該燃料供應管道602進入該噴管604。燃料可經由該噴管604之一排放出口604C退出該噴管604且可經由燃料入口管道606提供給該燃料電池堆106。燃料排放可經由燃料排放管道608退出該燃料電池堆106。該燃料排放可處於高於供應給該燃料電池堆106之燃料之一溫度下。來自該燃料排放管道608之燃料排放之一部分可經由燃料排放管道612排放遠離該加熱爐600。來自該燃料排放管道608之燃料排放之一部分可經由回收管道614回收至該噴管604。經回收的燃料排放可經由該噴管604之吸入口604B進入該噴管604。
自該回收管道614進入該噴管604之經回收的燃料排放可具有低於自該燃料供應管道602供應給該噴管604之燃料之一壓力。來自該燃料供應管道602之較高壓力燃料可用以牽引來自該回收管道614之較低壓力、較高溫度的經回收燃料排放，且該兩個燃料流可在該噴管604中相混合且作為一單個燃料流自該噴管604之排放出口604C排放至該燃料入口管道606中。以此方式，燃料排放之一部分可經回收返回至該燃料電池堆106。此外，回收燃料排放可用以增加燃料入口流溫度，從而改良處理效率且減小可損壞燃料電池堆106之熱梯度。回收燃料排放可導致節省供應給該燃料電池堆106之燃料量，且回收可將在操作期間由該燃料電池堆106產生之氣流(例如，歸因於來自電池陽極之燃料之氧氣與氫氣之結合而產生的H2O氣流)提供返回至燃料入口流中，這可減小或消除該加熱爐600燃料供應對燃料增濕的需要。
圖7圖解說明根據本發明之另一實施例之一加熱爐700。該加熱爐700類似於圖6中圖解說明之加熱爐600且含有多個共有組件。加熱 爐600及700所共有的組件在圖6及圖7中係用相同的數字加以編號且將不會進一步加以描述。
加熱爐600與700之間的一個差別在於：在加熱爐700中，該噴管604可在該加熱爐700之熱區102外部。將該噴管604放置在該熱區102外部可使該噴管604能夠由並不適用於高溫應用之更便宜的材料製成，且可導致該回收管道614中之經回收的燃料排放由於離開該熱區102而冷卻。在加熱爐700中，該噴管604可如圖7中圖解說明般在該底座108外部，而在加熱爐600中該噴管604可如圖6中所示般在該底座108內部。
圖8圖解說明根據本發明之另一實施例之一加熱爐800。該加熱爐800類似於圖7中圖解說明之加熱爐700且含有多個共有組件。加熱爐700及800所共有的組件在圖7及圖8中係用相同的數字加以編號且將不會進一步加以描述。
加熱爐800與加熱爐700之間的一個差別在於：加熱爐800可含有在燃料進入該燃料電池堆106之前加熱該燃料之一燃料預熱器802。在一實施例中，該燃料預熱器802可耦合至該燃料入口管道606。可在該燃料入口管道606內安置該燃料預熱器802之一熱源804以加熱供應給該燃料電池堆106之燃料。替代地，該熱源804可僅僅熱耦合至該燃料入口管道606。作為一實例，該燃料預熱器802可為一夾套加熱器。該燃料預熱器802可將燃料加熱至更接近該燃料電池堆106之作業溫度之一溫度。以此方式，可能已經將進入該燃料電池堆106之燃料加熱至燃料電池堆106作業溫度。以此方式，可總體且以一電池對電池層級避免可損壞燃料電池堆106之熱梯度。替代地，在該燃料電池堆106製造程序期間，預熱燃料可藉由使加熱循環時間更快及增加該燃料電池堆106之操作效率來輔助熱管理。替代地，該燃料預熱器802可耦合至該燃料供應管道602來代替耦合至該燃料入口管道606，或除此以外耦 合至該燃料入口管道606。以此方式，可在燃料進入該噴管604之前加熱燃料。
圖9圖解說明適用於與本發明之各種實施例一起使用之一實施例文氏噴管900。該文氏噴管可包括一原動入口902、一吸入口904及一排放出口906。該文氏噴管900利用文氏效應以使用自該原動入口902行進通過該文氏噴管900至該排放出口906之一較高壓力原動流體(motive fluid)908之能量，以透過該吸入口904汲取一較低壓力流體910。該較低壓力流體910被牽引透過該吸入口904，在該處該較低壓力流體910在狹窄的匯聚區中與來自該原動入口902之較高壓力流體908相混合。接著自該文氏噴管將該兩種流體908與910的混合物排出較寬的排放出口906。
圖10圖解說明適用於與本發明之各種實施例一起使用之一噴管1000之一實施例(例如，用於燃料及/或空氣混合)。一較寬的原動流體管道1010可提供一高壓原動流體908至該噴管1000之一原動入口1002且進入該噴管1000之一較狹窄的匯聚區1014中。一回收流體管道1016可提供低壓吸入流體910至該噴管1000。耦合至該流體管道1010、流體管道1016及該較寬的排放流體管道1012之一夾套1008可自該流體管道1016接收該低壓吸入流體910。該低壓吸入流體910可透過吸入口1004自該夾套1008汲取至該匯聚區1014中且可在該匯聚區1014中與該高壓原動流體908相混合。該兩種流體908與910之混合物可接著離開該噴管1000之排放出口1006且進入該較寬的排放流體管道1012中。
圖11圖解說明根據本發明之另一實施例之一加熱爐1100。該加熱爐1100類似於圖8中圖解說明之加熱爐800且含有多個共有組件。加熱爐800及1100所共有的組件在圖8及圖11中係用相同的數字加以編號且將不會進一步加以描述。
加熱爐800與加熱爐1100之間的一個差別在於：加熱爐1100可包 含一氫氣分離器1102，氫氣分離器1102耦合至該燃料排放管道608以使氫氣之一部分與燃料排放流分離且經由該噴管604提供經分離氫氣進入該燃料入口流。該氫氣分離器1102可為任何類型的氫氣分離器，諸如一低壓分離器(例如，冷凝器)或一高壓氫氣分離器(例如，一級聯電化學氫氣泵分離單元，其如美國專利公開案第2007/0178338號中所述般使氫氣與燃料排放流電化學分離，該案以引用方式全部併入本文)。該氫氣分離器1102可分離包含於經由燃料排放管道608進入該氫氣分離器1102之燃料排放流中之氫氣之至少95%，諸如95%至100%。燃料排放流中的剩餘氣體可經由燃料排放管道1104退出該氫氣分離器1102且經排放遠離該加熱爐1100。經分離的氫氣可經由氫氣管道1106退出該氫氣分離器1102且可傳遞至一選用增濕器1110。選用增濕器1110可為任何類型的增濕器，諸如一噴射增濕器、發泡器增濕器、氣流注入增濕器等等。來自水管道1108之水或氣流可自一水供應器提供給該增濕器1110，且水與氫氣的混合可經由氫氣管道1112自該增濕器1110傳遞至該噴管604之吸入口。該水與氫氣混合接著可在該噴管604中與燃料入口流相混合且提供給該燃料電池堆106。以此方式，來自電池堆調節期間產生的燃料排放之經分離的氫氣可用以在調節期間增補燃料入口流，從而減小現場使用以及儲存或產生的燃料量。此外，當在陽極還原類型的調節期間使用加熱爐時，僅氧化少量燃料流且回收未使用的氫氣可尤其有利。與陽極還原期間使用的燃料相比，特徵化類型的調節期間使用的燃料可更多地氧化，但是氫氣再利用仍可能有利。可控制該氫氣分離器1102之操作以增加或降低回收至燃料電池堆之燃料的純度。此外，可控制該增濕器1110以給燃料流增加更多、更少的水或不增加水，藉此控制燃料的濕度。在一選用實施例中，若該氫氣分離器1102係一高壓氫氣分離器，則可省略該噴管604，且在此選用實施例中，氫氣管道1112可在不需要該噴管604之情況下回收 氫氣進入燃料入口流中。
圖12A圖解說明根據本發明之另一實施例之一加熱爐1200A。該加熱爐1200A類似於圖11中圖解說明之加熱爐1100且含有多個共有組件。加熱爐1100及1200A所共有的組件在圖11及圖12A中係用相同的數字加以編號且將不會進一步加以描述。
加熱爐1000與加熱爐1200A之間的一個差別在於：加熱爐1200A可包含一氫氣儲存槽1206，氫氣儲存槽1206耦合至該氫氣分離器1102出口1106且經組態以儲存接收自該氫氣分離器1102之氫氣。如上文參考圖11論述，經分離的氫氣可經由氫氣管道1106退出該氫氣分離器1102。氫氣管道1106可耦合至閥門1202之一輸入。作為一實例，閥門1202可為三通閥門。閥門1202之輸出可耦合至氫氣管道1203及1204。氫氣管道1204可耦合至一閥門1202之輸出而至氫氣儲存槽1206。氫氣管道1203可耦合至選用閥門1210之一輸入。作為一實例，閥門1210可為三通閥門。該氫氣儲存槽1206之輸出可耦合至氫氣管道1208，且氫氣管道1208可耦合至閥門1210之輸入之一者。該閥門1210之輸出可耦合至氫氣管道1212，氫氣管道1212可耦合至該噴管604之一吸入口。
在操作中，該氫氣分離器1102可使氫氣與燃料排放流分離，且經分離的氫氣可經由氫氣管道1106傳遞至該閥門1202。閥門1202之操作可受控於該加熱爐1200A之一操作者或一加熱爐1200A之控制器，以經由氫氣管道1204發送氫氣至該氫氣儲存槽1206及/或發送氫氣至氫氣管道1203。以此方式，可發送所有經分離的氫氣以供儲存，可不儲存經分離的氫氣，或可儲存一百分比的經分離的氫氣且發送一百分比的經分離的氫氣至氫氣管道1203。可控制閥門1210以將氫氣自氫氣管道1203傳遞至氫氣管道1212，且氫氣管道1212可將所接收的氫氣傳遞至該噴管604之一吸入口，藉此回收氫氣進入入口燃料流。可儲存經由氫氣管道1204發送至該氫氣儲存槽1206之氫氣以供該加熱爐1200A 以後使用。可控制閥門1210以容許來自氫氣管道1208之氫氣進入氫氣管道1212且藉此傳遞至該噴管604之一吸入口。以此方式，通過該噴管604之較高壓原動燃料(motive fuel)可經由氫氣管道1208及氫氣管道1212自該氫氣儲存槽1206汲取較低壓力氫氣，藉此於燃料入口流中利用所儲存氫氣，這可減小對額外氫氣的需要且減小總體燃料消耗。
在一選用實施例中，一氫氣管道1218可耦合至一氫氣儲存槽1206之輸出且可將氫氣自該氫氣儲存槽提供至一燃料鼓風機1220之一輸入。該燃料鼓風機1220之一輸出可耦合至氫氣管道1222，氫氣管道1222可耦合至燃料供應管道602。在操作中，該燃料鼓風機1220可經由氫氣管道1218自燃料分離器汲取氫氣，且可經由氫氣管道1222將氫氣吹進該燃料供應管道602中，且藉此傳遞至該噴管604之一原動入口。吹進該燃料供應管道602之氫氣可處於高於氫氣管道1212中之氫氣之一壓力及/或可消除提供額外燃料至該燃料供應管道602的需要，藉此使該加熱爐1200A能夠在無一外部燃料輸入之情況下操作該氫氣儲存槽1206中的所儲存的氫氣。
圖12B圖解說明根據本發明之另一實施例之一加熱爐1200B。該加熱爐1200B類似於圖12A中圖解說明之加熱爐1200A且含有多個共有組件。加熱爐1200A及1200B所共有的組件在圖12A及圖12B中係用相同的數字加以編號且將不會進一步加以描述。
加熱爐1200A與加熱爐1200B之間的一個差別在於：在加熱爐1200B中，可消除該閥門1210。氫氣管道1106可耦合至閥門1202B之一輸入。作為一實例，閥門1202B可為三通閥門。閥門1202B之輸出可耦合至氫氣管道1203B及1204B。氫氣管道1204B可耦合至一閥門1202B之輸出及氫氣儲存槽1206。氫氣管道1203B可耦合至一閥門1202B之輸出及該噴管604之一吸入口。
在操作中，該氫氣分離器1102可使氫氣與燃料排放流分離，且經 分離的氫氣可經由氫氣管道1106傳遞至該閥門1202B。閥門1202B之操作可受控於該加熱爐1200B之一操作者或一加熱爐1200B之控制器，以經由氫氣管道1204B發送氫氣至該氫氣儲存槽1206及/或發送氫氣至氫氣管道1203B。以此方式，可發送所有經分離的氫氣以供儲存，可不儲存經分離的氫氣，或可儲存一百分比的經分離的氫氣且發送一百分比的經分離的氫氣至氫氣管道1203B。可控制閥門1202B以將氫氣傳遞至氫氣管道1203B，且氫氣管道1203B可將所接收的氫氣傳遞至該噴管604之一吸入口，藉此回收氫氣進入入口燃料流。可儲存經由氫氣管道1204B發送至該氫氣儲存槽1206之氫氣以供該加熱爐1200B以後使用。此外，可控制閥門1202B之操作以經由氫氣管道1204B自該氫氣儲存槽1206接收氫氣且將接收自氫氣管道1204B之氫氣發送至氫氣管道1204B。以此方式，通過該噴管604之較高壓原動燃料可經由氫氣管道1204B、1203B及閥門1202B自該氫氣儲存槽1206汲取較低壓力氫氣，藉此於燃料入口流中利用所儲存氫氣，這可減小對額外氫氣的需要且減小總體燃料消耗。
圖12C圖解說明根據本發明之另一實施例之一加熱爐1200C。該加熱爐1200C類似於圖12A中圖解說明之加熱爐1200A且含有多個共有組件。加熱爐1200A及1200C所共有的組件在圖12A及圖12C中係用相同的數字加以編號且將不會進一步加以描述。
加熱爐1200A與加熱爐1200C之間的一個差別在於：在加熱爐1200C中，可排除該閥門1210而可使用閥門1222。作為一實例，閥門1222可為二通閥門。氫氣管道1203C可耦合至一閥門1202之輸出及該噴管604之一吸入口。該氫氣儲存槽1206之輸出可耦合至氫氣管道1208C且氫氣管道1208C可耦合至閥門1222之輸入之一者。該閥門1222之輸出可耦合至氫氣管道1224，氫氣管道1224可耦合至氫氣管道1203C。
在操作中，該氫氣分離器1102可使氫氣與燃料排放流分離，且經分離的氫氣可經由氫氣管道1106傳遞至該閥門1202。閥門1202之操作可受控於該加熱爐1200C之一操作者或一加熱爐1200C之控制器，以經由氫氣管道1204發送氫氣至該氫氣儲存槽1206及/或發送氫氣至氫氣管道1203C。以此方式，可發送所有經分離的氫氣以供儲存，可不儲存任何經分離的氫氣，或可儲存某一百分比的經分離的氫氣且發送某一百分比的經分離的氫氣至氫氣管道1203C。氫氣管道1203C可將所接收的氫氣傳遞至該噴管604之一吸入口，藉此回收氫氣進入入口燃料流。可儲存經由氫氣管道1204發送至該氫氣儲存槽1206之氫氣以供該加熱爐1200C以後使用。可控制閥門1222以容許氫氣自氫氣管道1208C進入氫氣管道1224且藉此傳遞至氫氣管道1203C且接著傳遞至該噴管604之一吸入口。以此方式，通過該噴管604之較高壓原動燃料可經由氫氣管道1208C及氫氣管道1224自該氫氣儲存槽1206汲取較低壓力氫氣，藉此於燃料入口流中利用所儲存氫氣，這可減小對額外氫氣的需要且減小總體燃料消耗。
圖13圖解說明根據本發明之一實施例之一加熱爐1300之一俯視圖。該加熱爐1300類似於圖1A中圖解說明之加熱爐100且含有多個共有組件。加熱爐100及1300所共有的組件在圖1A及圖14中係用相同的數字加以編號且將不會進一步加以描述。
加熱爐100與加熱爐1300之間的一個差別在於：加熱爐1300之底座經組態以支撐複數個燃料電池堆106d、106e、106f及106g。另一差別在於：該加熱爐1300中存在四個噴管116d、116e、116f及116g，其等各自分別耦合至一空氣斗110d、110e、110f及110g。另一差別在於：該空氣供應管道114分叉形成兩個空氣供應管道1302及1304。空氣供應管道1302可耦合至噴管116e之一原動入口。噴管116e之一吸入口可耦合至空氣斗110e。噴管116e之一排放出口可耦合至一空氣管道 1306。空氣管道1306可耦合至噴管116d之一原動入口。噴管116d之一吸入口可耦合至空氣斗110d。噴管116d之一排放出口可耦合至空氣輸入管道1310。空氣輸入管道1310可經組態以提供空氣進入該空氣加熱腔室126中。空氣供應管道1304可耦合至噴管116f之一原動入口。噴管116f之一吸入口可耦合至空氣斗。噴管116f之一排放出口可耦合至一空氣管道1308。空氣管道1308可耦合至噴管116g之一原動入口。噴管116g之一吸入口可耦合至空氣斗110g。噴管116g之一排放出口可耦合至空氣輸入管道1312。空氣輸入管道1312可經組態以提供空氣進入該空氣加熱腔室126中。
在一替代性實施例中，加熱爐1300可具有連接至所有四個燃料電池堆106d、106e、106f及106g之一空氣供應管道。在另一替代性實施例中，加熱爐1300可具有各自連接至一燃料電池堆106d、106e、106f或106g之四個分離空氣供應管道。
圖14圖解說明加熱爐1300沿圖13A中之線A-A取得之一側截面圖。在操作中，加熱爐1300可以類似於如上文參考圖1A所述之加熱爐100之一方式操作，唯可透過所有該等燃料電池堆106a、106b、106c及106d而非僅僅一單個燃料電池堆106回收來自該加熱爐工作區124之空氣除外。熟習此項技術者將明白，雖然已參考空氣回收論述，但是其等亦可用於燃料及/或燃料及空氣回收，且本申請案中所論述之利用空氣及燃料噴管二者之所有實施例亦可適用於用以燒結及/或調節複數個燃料電池堆之加熱爐。
圖15圖解說明根據本發明之另一實施例之一加熱爐1900。該加熱爐1900類似於圖1A中圖解說明之加熱爐100且含有多個共有組件。加熱爐100及1900所共有的組件在圖1A及圖15中係用相同的數字加以編號且此等組件將不會進一步加以描述。
加熱爐100與1900之間的一個差別在於：在加熱爐1900中，底座 1904可經組態以依一水平組態支撐該燃料電池堆106。空氣斗1902可經組態以在一垂直方向上自該加熱爐1900之頂部汲取空氣向下通過該燃料電池堆106。在一替代性實施例中，擋流板亦可以在一垂直方向上自加熱爐之底部向上吹氣通過該等電池堆。
圖16圖解說明根據本發明之一實施例之一加熱爐2000。該加熱爐2000類似於圖15中圖解說明之加熱爐1900且含有多個共有組件。加熱爐1900及2000所共有的組件在圖15及圖16中係用相同的數字加以編號且將不會進一步加以描述。
加熱爐1900與2000之間的一個差別在於：在加熱爐2000中，底座2004可經組態以依一角度支撐該燃料電池堆106。該角度可為任何角度，諸如45度。空氣斗2002可經組態以自該成角度的燃料電池堆106汲取空氣。一支撐件2004可經組態以依任何角度(諸如45度)支撐該加熱爐中之燃料電池堆106。
在另一實施例中，一加熱爐可經組態以實質上在外部不供應氫氣之情況下調節一燃料電池堆(例如，調節該電池堆並同時該電池堆中之電池之陽極係在含有小於5體積百分比氫氣(諸如1體積百分比或更少氫氣)之一周圍環境中，較佳地外部未供應任何氫氣給該等陽極)。如本文使用，外部供應的氫氣意謂自加熱爐外部的來源供應給加熱爐之經分離氫氣，且並不包含由加熱爐及/或燃料電池堆之操作產生之氫氣或自然存在於空氣中的氫氣。較佳地，該調節亦發生在實質上未提供碳氫化合物燃料至陽極電極之情況下。該調節包含將金屬氧化物還原至電池堆中之電池之陽極電極中之金屬且特徵化該電池堆。
在一實施例中，可電化學還原陽極。2009年4月7日發佈之標題為「REDUCTION OF SOFC ANODES TO EXTEND STACK LIFETIME」且以引用方式全部併入本文之美國專利第7,514,166中之 提供電化學還原(ECR)之一實例。
在ECR中，將潮濕氣體(較佳地除氫氣或碳氫化合物燃料氣體之外的氣體)提供給電池堆中之燃料電池之陽極電極。例如，諸如氮氣之惰性氣體可流過一增濕器以得到水分，且可引導至陽極，同時諸如空氣之任何氣體可流至陰極。
電化學還原包含在一逆向電流方向上施加一外部電壓至電池堆中之各燃料電池。換言之，在還原程序中顛倒來自電源供應器之負載引線，使得正引線係連接至電連接至陰極之電池堆，且負引線係連接至電連接至陽極之電池堆。可使用任何合適的電源供應器，諸如一大電池、一電池陣列及/或連接至一電力網之一電源供應器。在還原程序期間，施加一電壓至燃料電池且燃料電池以類似於一固態氧化物可逆燃料電池之電解質模式之一模式操作。
以一逆向電流方向施加電壓在燃料電池之陽極側上產生一強還原環境以驅使氧氣自陽極上之氧化鎳至陰極，且可藉此將陽極還原為鎳。由於可消耗來自NiOx之氧氣，在陽極電解之水(例如，潮濕惰性氣體)可進一步產生支持電流之氧氣。以此方式，ECR可導致完成還原陽極，且ECR可無須氫氣流至燃料電池堆。消除對調節設施中的氫氣之需要可降低燃料電池堆生產之成本，增加燃料電池堆之可靠性，易於擴充且使燃料電池堆之調節更快速。
在一實施例中，調節程序之電池堆特徵化部分包含電池堆燃料利用率量測、識別電池堆中之實體缺陷(諸如電池破裂及/或電池洩漏)及電池堆中之各電池之電特徵化之一或多者。較佳地，該特徵化包含任何兩個上述步驟，且更特定言之所有三個上述步驟。
在調節期間可藉由以燃料(諸如氫氣及空氣)穩定狀態運行燃料電池堆、改變燃料流速及評估電池堆將輸出功率維持在較低、近似化學計量流量(例如，高燃料利用率)之能力來執行燃料利用率量測。在另 一實施例中，在調節期間可在無氫氣或碳氫化合物燃料之情況下執行燃料利用率量測。在一實施例中，在ECR期間，可改變陽極氣體(例如，氮氣)之流動並同時可監控燃料電池堆效能。由於燃料流改變，可評估燃料電池堆將輸出功率維持在較低、近似化學計量流量(例如，高燃料利用率)之能力。在一替代性實施例中，在ECR期間，可改變陽極氣體中的露點並同時可監控燃料電池堆效能。
在各種實施例中，開路電壓燃料電池感測器(OCVFS)(諸如標題為「Fuel cell systems with fuel utilization and oxidation monitoring」、以引用方式全部併入本文之美國專利公開案第2008/0124590號中所述之OCVFS)可與加熱爐及燃料電池堆一起使用以監控燃料電池開路電壓(OCV)。
在另一實施例中，可藉由量測入口及出口電壓來量測燃料利用率。電池電壓負載可自電池接近入口之區域至電池接近可耗盡氫氣之排氣口之區域而變化。對於具有最差的燃料利用率之電池而言，自入口至出口之電壓降可能係最高的。在一實施例中，給出口增加第二組電壓探針可提供燃料利用率的一更靈敏指示。
在另一實施例中，一OCV電池可與燃料電池堆電隔離，但是OCV電池仍可與輕載燃料電池相同之燃料流保持流體接觸。以此方式，OCV電池可用以量測陽極流之氫氣含量。在一實施例中，一OCV電池可內置為每個排氣口中具有一互連件，且OCV電池電壓可經監控以指示各電池之排氣口處的氫氣含量。
在另一實施例中，可藉由偵測電流尖波及/或電流中斷來監控燃料利用率。經歷電流汲取迅速增加之一電池堆可簡單地保持電流，且接著電池電壓隨著各電池之陽極腔室中消耗氫氣而降低。具有較高燃料利用率之電池可更久地維持其等電壓。在一實施例中，可匯接高速電池監控來監控電流尖波以快速識別具有不良燃料利用率之電池。在 一替代性實施例中，可使用電流中斷，這係因為對於具有不良利用率之電池而言，當電流突然降低時電壓增加可能較為緩慢。
在各種實施例中，在調節期間亦可識別電池堆中之實體缺陷，諸如密封洩漏或電池破裂。在一實施例中，在一實施例中，可藉由監控電池堆在氫氣及空氣中之開路電壓(OCV)識別洩漏或破裂。在另一實施例中，在陽極之ECR還原之前、期間或之後，可藉由量測潮濕(或乾燥)氮氣/氧氣OCV來偵測洩漏或破裂。
在另一實施例中，可藉由量測氮氣/氧氣OCV並同時施加高於陽極側之一壓力至陰極空氣側來偵測燃料電池堆中之洩漏或破裂。例如，可藉由量測氮氣/氧氣OCV並同時施加一部分真空至陽極側來偵測燃料電池堆中之洩漏或破裂。在另一實施例中，可藉由調變陽極或陰極壓力及封閉陽極及/或陰極腔室及監控電池電壓衰減來偵測燃料電池堆中之洩漏或破裂。
在另一實施例中，在開始ECR之前可藉由以下各者識別燃料電池堆中之洩漏或破裂：封閉陽極腔室(例如，使每個電池之陽極側與周圍環境隔離)、施加一電流至電池堆藉此使電池堆帶有一更正電壓及將氧氣自陽極側泵送至陰極側以在燃料電池堆中之各電池之陽極側上產生1×10-10大氣壓之量級(諸如1×10-10大氣壓、諸如小於1×10-10大氣壓)之氧氣部分壓力。以此方式，在切斷電流之後，可藉由監控隨著氧氣再擴散至陽極側(可導致電池堆電壓衰減至一較小的OCV值)產生的電池堆電壓衰減偵測陽極腔室中的洩漏。
在各種實施例中，在調節期間亦可對燃料電池堆中之各電池進行電特徵化。在一實施例中，可藉由氫氣及空氣流動、自燃料電池汲取電流及量測諸如電壓或AC阻抗之電參數特徵化燃料電池。在另一實施例中，可藉由量測一或多個頻率下的電池電壓及阻抗或一頻率頻譜(例如，電化學阻抗頻譜法(EIS)、以ECR模式、水電解質模式或氧 氣泵送模式)對燃料電池堆中之各電池執行電特徵化。
在另一實施例中，可藉由憑藉電位可循環之循環伏安法(CV)量測電化學活性區域及主動地氧化還原之一電極，對燃料電池堆中之各電池執行電特徵化。可在ECR程序之前、之後或期間執行CV。在另一實施例中，可在冷或熱狀態中使用一耐壓測試機以判定陽極與陰極之間的介電質完整性對燃料電池堆中之各電池執行電特徵化。在另一實施例中，在熱或冷狀態期間可使用一電容計以量測電容、等效串聯電阻(ESR)及/或洩漏電流對燃料電池堆中之各電池執行電特徵化。
前述方法描述僅僅係提供為闡釋性實例且並不旨在要求或暗示必須以所呈現順序執行各種實施例之步驟。如熟習此項技術者應明白，可以任何順序執行前述實施例中之步驟順序。諸如「此後」、「接著」、「下一個」等等之字詞並非一定旨在限制該等步驟之順序；此等字詞可用以透過方法之描述導引讀者。進一步言之，以單數(例如，使用冠詞「一」、「一個」或「該」)對請求項元件之任何引用並非被解釋為將元件限制為單數。
所揭示態樣之先前描述經提供以使熟習此項技術者能夠製造或使用本發明。熟習此項技術者將容易明白此等態樣之各種修改，且本文定義之一般原理在不脫離本發明之範疇之情況下可應用於其他態樣。因此，本發明並不旨在限於本文所示之態樣，反而符合與本文揭示之原理及新穎的特徵一致之最廣範疇。
100‧‧‧加熱爐
102‧‧‧熱區
104‧‧‧熱源
106‧‧‧燃料電池堆
106A‧‧‧燃料電池堆之背側
108‧‧‧底座
110‧‧‧斗
110A‧‧‧開口前側
110B‧‧‧出口開口
112‧‧‧循環風扇
114‧‧‧空氣供應管道
116‧‧‧噴管
116A‧‧‧原動入口
116B‧‧‧吸入口
116C‧‧‧排放出口
118‧‧‧空氣輸入管道
120‧‧‧輔助空氣供應管道
122‧‧‧可穿透障壁
124‧‧‧工作區
126‧‧‧空氣加熱腔室
130‧‧‧篩選器單元
132‧‧‧排氣管道
134‧‧‧氣泵
136‧‧‧排氣管道
140‧‧‧艙口

Claims (24)

  1. 一種用於加熱一燃料電池堆之方法，其包括：在一加熱爐中放置該燃料電池堆，其中該加熱爐包括：一熱源；一底座，其經組態以支撐該燃料電池堆；及一噴管；及操作該加熱爐以進行以下至少一者：燒結或調節該燃料電池堆；及將較冷較高壓力的空氣自一空氣輸入提供至該噴管之一原動入口中，以透過該噴管之一吸入口自該燃料電池堆汲取較低壓力較溫暖的空氣。
  2. 如請求項1之方法，其中該加熱爐進一步包括：一燃料輸入。
  3. 如請求項1之方法，其進一步包括：在該噴管之一匯聚部分中混合該較冷較高壓力的空氣與該較低壓力較溫暖的空氣。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包括：自該噴管之一排放出口排空空氣遠離該加熱爐。
  5. 如請求項1之方法，其進一步包括：透過該噴管之一排放出口回收來自該燃料電池堆之空氣之至少一部分進入該加熱爐之一空氣入口流中。
  6. 如請求項5之方法，其中該噴管係位於該加熱爐之一熱區中。
  7. 如請求項5之方法，其中該噴管係位於該加熱爐之一熱區外部。
  8. 如請求項7之方法，其進一步包括預熱該空氣入口流。
  9. 如請求項5之方法，其進一步包括在該空氣入口流進入該噴管之 前預熱該空氣入口流。
  10. 如請求項1之方法，其中該噴管係一文氏噴管。
  11. 如請求項1之方法，其中該噴管係複數個噴管之一者，且其中該加熱爐中之該燃料電池堆包括放置在該加熱爐中之複數個燃料電池堆之一者。
  12. 如請求項1之方法，其中在一加熱爐中放置該燃料電池堆包括以0度至90度之一角度在該加熱爐中放置該燃料電池堆。
  13. 如請求項1之方法，其進一步包括監控該加熱爐之一功耗。
  14. 如請求項1之方法，其進一步包括監控該加熱爐內之空氣之一溫度。
  15. 如請求項1之方法，其中該調節包括：電化學還原陽極電極，後續接著在無外部供應之氫氣之情況下特徵化該燃料電池堆。
  16. 如請求項1之方法，其進一步包括在無外部供應之氫氣之情況下調節該燃料電池堆。
  17. 如請求項1之方法，其進一步包括：操作一循環風扇以混合該加熱爐內之空氣。
  18. 如請求項1之方法，其中操作該加熱爐以進行以下至少一者：燒結或調節該燃料電池堆包括操作該加熱爐以燒結該燃料電池堆。
  19. 如請求項1之方法，其中操作該加熱爐以進行以下至少一者：燒結或調節該燃料電池堆包括操作該加熱爐以調節該燃料電池堆。
  20. 如請求項1之方法，其中操作該加熱爐以進行以下至少一者：燒結或調節該燃料電池堆包括操作該加熱爐以燒結且調節該燃料電池堆。
  21. 一種用於加熱一燃料電池堆之方法，其包括： 在一加熱爐中放置該燃料電池堆，其中該加熱爐包括：一熱源；一底座，其經組態以支撐該燃料電池堆；及一噴管；及操作該加熱爐以進行以下至少一者：燒結或調節該燃料電池堆；及提供一較低溫度、較高壓力的燃料流進入該噴管之一原動入口中，以透過該噴管之一吸入口汲取較高溫度、較低壓力的電池堆燃料排放，以回收一經混合之燃料及燃料排放進入該燃料電池堆之一燃料入口流中，其中該噴管係位於該加熱爐之一熱區中或位於該加熱爐之熱區外部。
  22. 如請求項21之方法，其中該噴管係位於該加熱爐之該熱區外部。
  23. 如請求項21之方法，其中該噴管係位於該加熱爐之該熱區中。
  24. 一種用於加熱一燃料電池堆之方法，其包括：在一加熱爐中放置該燃料電池堆，其中該加熱爐包括：一熱源；一底座，其經組態以支撐該燃料電池堆；及一噴管；及操作該加熱爐以進行以下至少一者：燒結或調節該燃料電池堆；提供一較低溫度、較高壓力的燃料流進入該噴管之一原動入口中，以透過該噴管之一吸入口汲取較高溫度、較低壓力的電池堆燃料排放，以回收一經混合之燃料及燃料排放進入該燃料 電池堆之一燃料入口流中；及在該燃料入口流進入該燃料電池堆之前預熱該燃料入口流。
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