TWI638483B - 用於燃料電池系統之陽極復熱器及其操作方法 - Google Patents

用於燃料電池系統之陽極復熱器及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供整合作為燃料電池系統之陽極復熱器的部分之環形預重組器的系統及方法。

Description

用於燃料電池系統之陽極復熱器及其操作方法
諸如固體氧化物燃料電池之燃料電池為可高效地將儲存於燃料中之能量轉化為電能之電化學裝置。高溫燃料電池包括固體氧化物及熔融碳酸酯燃料電池。此等燃料電池可使用氫及/或烴燃料運作。存在各種燃料電池，諸如固體氧化物再生燃料電池，其亦允許逆向操作，從而使用電能作為輸入可使氧化燃料還原回非氧化燃料。
圖1至圖9說明描述於2010年1月14日公佈的美國公開申請案2010/0009221(以序號12/458,171申請且以全文引用的方式併入本文中)中之先前技術燃料電池系統。具體而言，參考圖1、圖2A、圖2B及圖3A，以具有大體圓柱形構造之整合式固體氧化物燃料電池(「SOFC」)/燃料處理器10形式展示整合式燃料電池單元10。單元10包括圍繞中心軸16之八個(8)燃料電池堆疊14的環形陣列12，其中燃料電池堆疊14中之每一者具有平行於中心軸16伸展之堆疊方向，其中堆疊中之每一者具有徑向向外面向之面17及徑向朝內面向之面18。如在圖3A中最佳所見，燃料電池堆疊14彼此有角度地隔開且經配置以形成圍繞軸16之環狀結構。由於存在八個燃料電池堆疊14，因此環形陣列12亦可表徵為圍繞軸16形成八邊形結構。雖然已展示八個燃料電池堆疊14，但應理解本發明涵蓋可包括大於或小於八個燃料電池堆疊之環形陣列12。
參考圖1，單元10進一步包括徑向定位於燃料堆疊14之陣列12外側的環形陰極復熱器20、徑向定位於環形陣列12內側之環形陽極復熱器22、亦徑向定位於環形陣列12內側之重組器24及環形陽極排氣冷卻器/陰極預熱器26，其皆整合在單個殼體結構28內。殼體結構28包括陽極饋料口30、陽極排氣口32、陰極饋料口34、陰極排氣口36及陽極燃燒氣體入口37。在38處示意性地展示之陽極排氣燃燒器(通常以陽極尾氣氧化劑(ATO)燃燒器形式)為與整合式單元10分開的組件，且接收來自通口32之陽極排氣流39以生成輸送至陽極燃燒氣體入口37之陽極燃燒氣流40。在起始期間，燃燒器38亦接收由箭頭41示意性展示的燃料流(通常天然氣)。另外，如箭頭42所展示，陽極排氣流中之一些可再循環至陽極饋料口30。就此而言，可提供適合的閥門43以選擇性控制陽極排氣流向燃燒器38或陽極饋料口30之導引路線。此外，雖然圖中未示，吹送機可為所需的以便向再循環陽極排氣流42提供充足加壓。雖然圖1、圖2A及2B為剖視圖，但將在隨後圖中可見除通口34、36及37外，整合式單元10之組件及特徵圍繞軸16對稱。
參考圖1及圖2A，將更詳細地解釋陰極流。如在圖1中所見，由箭頭44示意性展示之陰極饋料(通常空氣)經由通口34進入單元10，且穿過環形通道46，隨後進入徑向通道48。應注意，如本文中所使用，術語「徑向通道」意欲指在大體對稱之360度圖案中徑向朝內或徑向朝外引導流之通道。陰極饋料44通過通道48徑向朝外流入圍繞陣列12之環形通道50，且穿過陰極復熱器20。陰極饋料44向下流動通過環形通道50，且隨後徑向朝內流入圍繞環形陣列12之環形饋料集管體52以將陰極饋料44分配至燃料電池堆疊14中之每一者，其中陰極饋料提供用於燃料電池堆疊14中之反應的氧離子，且作為陰極排氣56離開燃料電池堆疊14。隨後，陰極排氣56通過重組器24流入環形排氣集管區域58，其中陰極排氣56與經由環形通道60引導入集管58之燃燒氣流40混 合。就此而言，應注意燃燒氣流40幫助補償由氧在燃料電池堆疊14中傳輸引起的陰極排氣流56之質量損失。由燃燒氣流40提供的此額外質量流幫助最小化陰極復熱器20之尺寸。由箭頭62示意性展示之經組合的燃燒氣流40與陰極排氣56經由中心開口64離開集管58進入徑向通道66。經組合之排氣62經由通道66徑向朝外流入環形排氣流道68，其穿過與通道50具有熱交換關係的陰極復熱器20以將來自經組合之排氣62之熱量傳遞至陰極饋料44。經組合之排氣62經由環形通道68向上流入徑向通道70，徑向通道70將經組合之排氣62徑向朝內引導至最終環形通道72，隨後經由排氣口36離開單元10。
參考圖1及圖2B，由箭頭80示意性展示之陽極饋料較佳呈再循環陽極排氣42與甲烷之混合物形式經由陽極饋料口30進入單元10。將陽極饋料80引導至穿過陽極復熱器22之環形通道82。隨後，陽極饋料80流入徑向流道84，其中陽極饋料80徑向朝外流入引導陽極饋料進入重組器24之環形集管或氣室86。在重組器24中重組之後，陽極饋料80作為重組物離開重組器24底部，且經引導進入整合式壓板/陽極饋料集管90。饋料集管90引導陽極饋料80進入複數個堆疊饋料口92，其中通口92中之一者與燃料電池堆疊14中之每一者相關聯。通口92中之每一者引導陽極饋料80進入相應的陽極饋料/回流組合件94，陽極饋料/回流組合件94引導陽極饋料82進入相應的燃料電池堆疊14，且在陽極饋料在堆疊14中反應之後自相應的堆疊14收集由箭頭96示意性展示之陽極排氣。陽極饋料/回流組合件94中之每一者引導陽極排氣96倒回壓板/集管90中之複數個堆疊口98中之相應一者(再一次，一個通口98針對燃料電池堆疊14中之每一者)。集管90引導陽極排氣96徑向朝內進入在壓板/集管90中形成的八個陽極排氣口100(再一次，一陽極排氣口針對每一堆疊14)。陽極排氣96經由通口100流入複數個相應的陽極排氣管102，陽極排氣管102將陽極排氣96引導入徑向陽極排氣流道 104。陽極排氣96經由通道104徑向朝內流入環形流道106，環形流道106向下穿過與流道82具有熱交換關係之陽極復熱器22。隨後，藉由較佳為穹狀的擋板/罩蓋110將陽極排氣96自環形通道106向上引導至管狀通道108中。在藉由再一次較佳為穹狀的擋板/罩蓋114引導入另一環形通道112之前，陽極排氣96經由通道108向上流動。環形通道112穿過與環形陰極饋料通道46具有熱交換關係的陽極冷卻器26。在將熱量傳遞至陰極饋料44之後，陽極排氣96離開環形通道112，且由較佳為錐狀的擋板116引導入陽極排氣口32。
參考圖3A、圖3B，以八個管套282之環形陣列280形式提供重組器24，其中各管套282對應於燃料電池堆疊14中之一者且包括一列扁平管284。就此而言，應注意在管套282中之管284的數目將非常依賴於各應用之特定參數，且可取決於彼等特定參數而在單元10之間變化。
圖3C意欲作為說明陰極復熱器20、陽極復熱器22及陽極冷卻器26的某些常見的構造細節之通用圖。此等三個熱交換器中之每一者的構造基本上由界定兩個單獨流道D及E之三個同心圓柱壁A、B、C組成，其中分別在流道D及E中提供波紋或蜿蜒鰭片結構G及H以擴增各別流道之表面積。由於經由圓柱壁B發生熱傳遞，因此較佳諸如藉由硬焊將鰭片G及H結合至壁B以便提供良好熱導性。另一方面，出於裝配及/或允許不同熱膨脹之目的，鰭片G及H較佳不結合至圓柱壁A及C。就熱交換器20、22及26中之每一者而言，應理解鰭片G及H在流徑D及E中之每一者之縱向長度及特定幾何形狀可針對每一特定應用按需要而調整以便達成所需輸出溫度及來自熱交換器之可允許的壓降。
現轉向圖4A至圖4D，陽極冷卻器26包括擴增陽極排氣96在通道112中之表面積的波紋或蜿蜒鰭片結構300、擴增陰極饋料流44在通道46中之表面積的波紋或蜿蜒鰭片結構302及較佳藉由硬焊結合有鰭片 300及302且用以分開流道112與流道46之圓柱壁或管304。如在圖4B中最佳所見，圓柱形流擋板306提供於波紋鰭片300之內側，且在其末端包括穹狀擋板114以便界定流道112之內部。亦提供環狀流擋板308以在陰極饋料44離開流道46之後將其徑向朝外引導。錐狀擋板116以及通口32一起附接至管304頂部，且擋板包括藉由諸如硬焊或焊接之適合結合方法在結構上固定至通口32之螺栓凸緣310，通口32亦包括波紋管311以允許殼體28與經由凸緣310連接的組件之間的熱膨脹。如在圖4C中所見，上述組件可裝配成諸如藉由硬焊結合在一起之另一子組合件。
參考圖1及圖4D，可見陽極復熱器22在環形流道82中包括波紋或蜿蜒鰭片結構312以供擴增陽極饋料80之表面積。如在圖1中最佳所見，陽極復熱器22在環形流道106中進一步包括另一波紋或蜿蜒鰭片結構314以供擴增陽極排氣96之表面。
如在圖4D中最佳所見，波紋鰭片312及314較佳結合至用以彼此分開流道82與106之管316之圓柱壁，其中穹狀擋板110連接至壁316之底端。如在圖4D中最佳所見，另一圓柱壁或管320設在波紋鰭片314(圖4D中未示，但處在等效於如圖4B中所見的圓柱304中之鰭片300的位置)徑向內側以界定環形通道106之內側。如在圖2A中所見，絕緣套管322設在圓柱壁320內，且圓柱形排氣管324設在絕緣套管322內以界定用於陽極排氣96之通道108。較佳地，排氣管324接合至設在圓柱壁320下端之圓錐狀凸緣328。參考圖4D，另一圓柱壁或管330圍繞波紋鰭片312以界定流道82之徑向外限值，且藉由圓錐狀擋板332連接至入口30。集管圓盤334設在壁316之上端，且包括用於接收圓柱壁320之中心開口336及用於密封地接收陽極排氣管102的末端之八個陽極排氣管接收孔338，其中板308用以封閉處於裝配狀態之集管板334之上部範圍。
參考圖2B及圖4E，熱屏蔽組合件350經展示且包括內圓柱殼層352(展示於圖2B中)、外圓柱殼層354、定位於內殼層352及外殼層354之間的絕緣套管356(展示於圖2B中)以及封閉外殼層350之開口端的圓盤狀罩蓋358。罩蓋358包括供電極套管211通過的八個電極間隙開口360。如在圖4E中所見，熱屏蔽組合件350在燃料電池14之經裝配陣列12的外周界裝配在絕緣圓盤361上，且界定陰極饋料集管52之外部範圍。熱屏蔽件350用以保持與其圍繞的組件相關聯的熱量。圖5展示安裝在堆疊14上之熱屏蔽組合件350。
參考圖1及圖6，陰極復熱器20包括在環形流道68中為經組合之排氣62提供表面強化的波紋或蜿蜒鰭片結構362、在環形流道50中為陰極饋料44提供表面強化的波紋或蜿蜒鰭片結構364，及分開流道50與68且鰭片362及364結合至的圓柱管或壁366。圓盤狀罩蓋板368經提供以便封閉圓柱壁366之上開口，且包括中心開口370及供電極套管211通過的複數個電極間隙開口372。圓柱管或套管376附接至罩蓋368以充當陽極冷卻器26之外套管，且上部環形螺栓凸緣378附接至套管376頂部。如圖1及圖6中最佳所見，下部環狀螺栓凸緣380及絕緣套管382安裝至套管376之外部，且圓柱壁或屏蔽件384圍繞絕緣套管382且界定通道72之內壁。
參考圖7，隨後在展示於圖5中之組件上裝配圖6之組件，其中凸緣378用螺栓固定至凸緣310。
參考圖4A，在單元10之其餘部分上裝配外殼體28，且在殼體28之凸緣380及凸緣400處，且在組合件237之凸緣402及殼體28之凸緣404處用螺栓將外殼體28固定至單元10之其餘部分，較佳在凸緣連接之間具有適合墊圈以密封連接。
圖9為上述整合式單元10的示意性圖示，其展示穿過整合式單元10的與整合式單元10之主要組件中之每一者有關的各種流。圖9亦展 示較佳用於冷卻陽極排氣流39且在該陽極排氣流流39進入燃燒器38之前自其冷凝水之視情況選用的空氣冷卻陽極冷凝器460。若需要，可省去冷凝器。圖9亦展示用於向燃燒器38提供氣流之吹送機462、用於提供陰極饋料44之吹送機464及用於向陽極再循環流42加壓之吹送機466。若需要，展示於圖9中之單元10之替代性實施例亦在添加視情況選用之蒸汽產生器(水/經組合之排氣熱交換器)440以便在起始期間利用來自經組合之排氣62之廢熱生成蒸汽方面不同於展示於圖1中之上述實施例。就此而言，將水流442提供給熱交換器440之水入口444，且蒸汽出口引導蒸汽流448與陽極饋料80混合以供輸送至陽極饋料入口30。
本發明之實施例提供用於整合環形預重組器作為燃料電池系統之陽極復熱器的部分的系統及方法。在一實施例中，用於燃料電池系統之陽極復熱器可包含第一環形燃料通道，其中第一環形燃料通道之內壁經組態以形成由第一環形燃料通道圍繞的上氣室；耦接至第一環形燃料通道且經組態以自第一環形燃料通道接收未重組燃料流且至少部分重組未重組燃料流以產生重組燃料流的環形預重組器，環形預重組器定位於第一環形燃料通道軸向內側；及圍繞第一環形燃料通道及環形預重組器之至少一部分的環形陽極排氣通道，環形陽極排氣通道熱耦合至第一環形燃料通道以使得環形陽極排氣通道中之陽極排氣流向第一環形燃料通道中之未重組燃料流提供熱量，其中環形預重組器與環形陽極排氣通道分開。
在一實施例中，操作燃料電池系統之陽極復熱器的方法可包含在小於或等於攝氏750度的溫度下預重組未重組燃料流以優先於未重組燃料流中之甲烷選擇性重組未重組燃料流中的高碳烴以產生重組燃料流。
10‧‧‧整合式燃料電池單元/整合式固體氧化物燃料電池/燃料處理器/單元
12‧‧‧環形陣列/裝配陣列
14‧‧‧燃料電池堆疊
16‧‧‧中心軸/軸
17‧‧‧面
18‧‧‧面
20‧‧‧環形陰極復熱器/熱交換器
22‧‧‧環形陽極復熱器/熱交換器
24‧‧‧重組器
26‧‧‧環形陽極排氣冷卻器/陰極預熱器/熱交換器/陽極冷卻器
28‧‧‧殼體結構
30‧‧‧陽極饋料口
32‧‧‧陽極排氣口/通口
34‧‧‧陰極饋料口/通口
36‧‧‧陰極排氣口/通口/排氣口
37‧‧‧陽極燃燒氣體入口/通口
38‧‧‧燃燒器
39‧‧‧陽極排氣流
40‧‧‧陽極燃燒氣流
41‧‧‧箭頭
42‧‧‧箭頭/再循環陽極排氣流
43‧‧‧閥門
44‧‧‧箭頭/陰極饋料
46‧‧‧環形通道
48‧‧‧徑向通道/通道
50‧‧‧通道/環形通道
52‧‧‧環形饋料集管體
56‧‧‧陰極排氣
58‧‧‧環形排氣集管區域/集管
60‧‧‧環形通道
62‧‧‧箭頭/經組合之排氣
64‧‧‧中心開口
66‧‧‧徑向通道/通道
68‧‧‧環形排氣流道
70‧‧‧徑向通道
72‧‧‧環形通道
80‧‧‧箭頭/陽極饋料
82‧‧‧環形通道
84‧‧‧徑向流道
86‧‧‧環形集管或氣室
90‧‧‧整合式壓板/陽極饋料集管/饋料集管/壓板/集管
92‧‧‧堆疊饋料口/通口
94‧‧‧陽極饋料/回流組合件
96‧‧‧箭頭/陽極排氣
98‧‧‧堆疊口/通口/陽極排氣口
100‧‧‧陽極排氣口
102‧‧‧陽極排氣管
104‧‧‧徑向陽極排氣流道
106‧‧‧環形流道
108‧‧‧管狀通道
110‧‧‧穹狀擋板/罩蓋
112‧‧‧環形通道
114‧‧‧穹狀擋板/罩蓋
116‧‧‧錐狀擋板
280‧‧‧環形陣列
282‧‧‧管套
284‧‧‧扁平管/管
300‧‧‧波紋或蜿蜒鰭片結構/鰭片
302‧‧‧鰭片
304‧‧‧圓柱壁或管
306‧‧‧圓柱形流擋板
308‧‧‧環狀流擋板
310‧‧‧螺栓凸緣
311‧‧‧波紋管
312‧‧‧波紋或蜿蜒鰭片結構/波紋鰭片
314‧‧‧波紋鰭片
316‧‧‧管/壁
320‧‧‧壁或管/圓柱壁
322‧‧‧絕緣套管
324‧‧‧圓柱形排氣管
328‧‧‧圓錐狀凸緣
330‧‧‧圓柱壁或管
332‧‧‧圓錐狀擋板
334‧‧‧集管圓盤
336‧‧‧中心開口
338‧‧‧陽極排氣管接收孔
350‧‧‧熱屏蔽組合件/封閉外殼層
352‧‧‧內圓柱殼層/內殼層
354‧‧‧外殼層/外圓柱殼層
356‧‧‧絕緣套管
358‧‧‧圓盤狀罩蓋
360‧‧‧電極間隙開口
361‧‧‧絕緣圓盤
362‧‧‧波紋或蜿蜒鰭片結構/鰭片
364‧‧‧波紋或蜿蜒鰭片結構/鰭片
366‧‧‧圓柱管或壁
368‧‧‧罩蓋
376‧‧‧圓柱管或套管
378‧‧‧上部環形螺栓凸緣
380‧‧‧下部環狀螺栓凸緣
382‧‧‧絕緣套管
384‧‧‧圓柱壁或屏蔽件
400‧‧‧凸緣
402‧‧‧凸緣
404‧‧‧凸緣
440‧‧‧蒸汽產生器(水/經組合之排氣熱交換器)
442‧‧‧水流
444‧‧‧水入口
448‧‧‧蒸汽流
460‧‧‧陽極冷凝器
462‧‧‧吹送機
464‧‧‧吹送機
466‧‧‧吹送機
1000‧‧‧陽極復熱器
1002‧‧‧環形燃料通道/第一環形燃料通道/通道
1004‧‧‧環形預重組器/通道
1006‧‧‧第二環形燃料通道/通道
1008‧‧‧環形陽極排氣通道/通道
1010‧‧‧中心氣室/氣室
1010A‧‧‧中空部分
1010B‧‧‧中空部分
1200‧‧‧陽極復熱器
1201‧‧‧環形預重組器
1202‧‧‧第二環形預重組通道
1204‧‧‧第一環形預重組通道
1300‧‧‧陽極復熱器
1301‧‧‧環形預重組器
1302‧‧‧第一環形預重組通道
1304‧‧‧第二環形預重組通道
1400‧‧‧陽極復熱器
1401‧‧‧環形預重組器
1402‧‧‧第二環形預重組通道
1403‧‧‧內壁
1404‧‧‧第一環形預重組通道
1500‧‧‧陽極復熱器
1501‧‧‧環形預重組器
1502‧‧‧第一環形預重組通道
1503‧‧‧內壁
1504‧‧‧第二環形預重組通道
1600‧‧‧陽極復熱器
1700‧‧‧陽極復熱器
1800‧‧‧陽極復熱器
1802‧‧‧陽極饋料/回流集管
1804‧‧‧共同壁
1803‧‧‧共同壁
1806‧‧‧陽極饋料管
1808‧‧‧陽極排氣管
1810‧‧‧同心環
1811‧‧‧內壁
1812‧‧‧中空圓柱空間
1900‧‧‧陽極復熱器
1901A‧‧‧圓盤區段
1901B‧‧‧圓盤區段
1901C‧‧‧圓盤區段
1901D‧‧‧圓盤區段
1901E‧‧‧圓盤區段
1905A‧‧‧區段
1905B‧‧‧區段
1905C‧‧‧區段
2000‧‧‧陽極復熱器
A‧‧‧同心圓柱壁/圓柱壁
B‧‧‧同心圓柱壁/圓柱壁
C‧‧‧同心圓柱壁/圓柱壁
D‧‧‧獨立流道
E‧‧‧獨立流道
G‧‧‧波紋或蜿蜒鰭片結構/鰭片
H‧‧‧波紋或蜿蜒鰭片結構/鰭片
併入本文中且構成本說明書部分之隨附圖式說明本發明之例示性實施例，且與上文給出的一般描述及下文給出的實施方式一起用以解釋本發明之特徵。
圖1為具有整合式SOFC及燃料處理器之先前技術燃料電池單元的剖視圖。
圖2A及圖2B為展示圖1之先前技術燃料電池單元的一半的剖視圖，圖2A說明陰極饋料及排氣氣體流，且圖2B說明陽極饋料及排氣氣體流。
圖3A為取自圖1中的線3A-3A之剖視圖，但僅展示燃料電池單元之所選組件。
圖3B為取自圖3A中的線3B-3B之放大的略具示意性的圖。
圖3C為說明在含於圖1之整合式單元內之若干熱交換器中常見之構造細節的部分剖視圖。
圖4A及圖4B為圖1之整合式單元之陽極排氣冷卻器的組件的分解透視圖。
圖4C為展示處於經裝配狀態之圖4A及圖4B之組件的透視圖。
圖4D為展示圖1之整合式單元之經裝配組件以及陽極復熱器之分解透視圖。
圖4E為展示圖1之整合式單元之燃料電池堆疊、陽極復熱器及陽極冷卻器以及絕緣圓盤及熱屏蔽殼體之組件的分解透視圖。
圖5為展示圖4E之組件之經裝配狀態的透視圖。
圖6為展示圖1之整合式單元之陰極復熱器組合件以及其他組件的分解透視圖。
圖7為展示圖6之經裝配組件以及圖4之經裝配組件的分解透視圖。
圖8為展示圖7之經裝配組件以及圖1之整合式單元之外殼體的分 解透視圖。
圖9為圖1之燃料電池單元之示意性表示。
圖10為根據一實施例之陽極復熱器之側視橫截面圖。
圖11A為圖10中所說明之陽極復熱器之透視橫截面圖。
圖11B為圖10中所說明之陽極復熱器之俯視橫截面圖。
圖11C為圖10中所說明之陽極復熱器之另一俯視橫截面圖。
圖12為根據第二實施例之陽極復熱器之側視橫截面圖。
圖13為根據第三實施例之陽極復熱器之側視橫截面圖。
圖14為根據第四實施例之陽極復熱器之側視橫截面圖。
圖15為根據第五實施例之陽極復熱器之側視橫截面圖。
圖16為根據第六實施例之陽極復熱器之側視橫截面圖。
圖17為根據第七實施例之陽極復熱器之側視橫截面圖。
圖18A為根據第八實施例之陽極復熱器之側視橫截面圖。
圖18B為適合於用於圖18A中所說明之陽極復熱器之陽極饋料/回流集管的俯視橫截面圖。
圖18C為圖18B中所說明之陽極饋料/回流集管之側視橫截面圖。
圖18D為圖18A中所說明之陽極復熱器之俯視橫截面圖。
圖19為根據第九實施例之陽極復熱器的等角橫截面圖。
圖20為根據第十實施例之陽極復熱器的等角橫截面圖。
將參考隨附圖式來詳細地描述各種實施例。在任何可能之處，將在整個圖式中使用相同參考數字來指相同或相似部分。對特定實例及實施的參考為說明性目的，且並不意欲限制本發明或申請專利範圍之範疇。
在燃料電池系統之燃料電池堆疊上之甲烷重組可能比在安置於系統燃料電池之在燃料電池堆疊之前的燃料供應系統中之重組器或預 重組器中的甲烷重組較佳，因為在能量產生期間吸熱性的甲烷電池上重組可幫助冷卻燃料電池堆疊。
各種實施例之系統、方法及裝置提供整合作為燃料電池系統之陽極復熱器的部分之環形預重組器。預重組器轉化燃料入口流中的高百分比高碳烴，而不將過多甲烷轉化為氫氣。在一實施例中，環形預重組器在燃料電池系統之冷卻器區段中之位置允許環形預重組器在高碳烴到達燃料電池系統之高溫部分(諸如燃料電池堆疊)且在燃料電池堆疊中有機會焦化燃料電池之陽極電極之前移除高碳烴(亦即，將高碳烴重組為氫氣、一氧化碳及二氧化碳)。
在一實施例中，環形預重組器可定位於燃料電池系統的在操作燃料電池系統以產生電期間維持在小於或等於攝氏750度的溫度(諸如攝氏350至750、350至500、350至450、450至500、500至550、550至600、600至650、650至700、700至750、600至750度等)下之區段中。舉例而言，環形預重組器可定位於陽極復熱器之水平部分中。陽極復熱器中之燃料排氣可在攝氏600度至攝氏750度的溫度下，而環形預重組器可定位於陽極復熱器之溫度低於攝氏675度之部分中(未考慮可更高的燃料入口溫度)。與如圖1-3及圖9中所展示之定位於可在攝氏680度至攝氏740度下操作的陽極復熱器末端或後面的重組器24之位置相比，陽極復熱器之水平部分中的溫度可較低，諸如攝氏350至675、350至500、350至450、450至500、500至550、550至600、600至650、650至675度等。當與在較高溫度位置中之重組器相比時，在陽極復熱器之水平部分中之環形預重組器的諸如攝氏450度至攝氏500度的較低溫度可使得環形預重組器中之預重組催化劑活性較低，但平衡可將環形預重組器中之甲烷轉化限制為50%，諸如10%至50%，諸如10%至20%，20%至30%，30%至40%，40%至50%，20%至50%等，而仍有利於高碳烴之基本上完全轉化(亦即，轉化為氫氣、一氧化碳及二氧 化碳)。在陽極復熱器之水平部分中之環形預重組器的諸如攝氏350度至攝氏450度的仍較冷溫度可將甲烷重組限制為接近0或負值(亦即，甲烷化)，而同時允許高碳烴之基本上完全轉化。當與使用重組器而不使用環形預重組器的情況相比時，添加定位於陽極復熱器中之環形預重組器可使得與環形預重組器相結合使用之重組器的長度能夠更短。添加定位於陽極復熱器中之環形預重組器可使得能夠除去圖1至圖3及圖9之重組器24，且在環形預重組器與燃料電池堆疊之間可不存在重組器，此可排除在環形預重組器與燃料電池堆疊之間的額外甲烷轉化。在一實施例中，可基於環形預重組器之目標溫度及/或溫度範圍選擇在陽極復熱器內之熱交換器的長度。熱交換器的長度及/或陽極復熱器之設計可經選擇以在操作燃料電池系統以產生電期間將環形預重組器維持在目標溫度及/或溫度範圍。可基於定位於環形預重組器內之催化劑的性質(例如，有效性、成本等)及/或預期入口燃料流組成選擇目標溫度及/或溫度範圍。舉例而言，可選擇較高目標溫度以支援藉由不太有效催化劑(例如，全鎳)對高碳烴之轉化，而在使用更有效催化劑(例如，全銠或全鉑)時，可選擇較低目標溫度。目標溫度及/或溫度範圍可經選擇以有利於在環形預重組器中優先於甲烷重組而進行高碳烴重組。在一實施例中，環形預重組器可定位於陽極復熱器內，但藉由一或多個燃料入口導管與陽極復熱器之環形陽極排氣通道徑向分開。以此方式，環形預重組器之環境溫度可維持低於自陽極復熱器之燃料入口通道進入環形預重組器之燃料入口流的溫度，且低於陽極排氣通道中之陽極排氣之溫度。在一實施例中，在重組燃料流離開環形預重組器之後，可將額外熱量添加至重組燃料流。
或者，預重組器無需為環形。另外，預重組器(環形或以其他方式)可定位於燃料電池系統之其他部分，在該等部分中溫度維持在小於或等於攝氏750度，例如，攝氏350至750、350至500、350至450、 450至500、500至550、550至600、600至650、650至700、700至750、600至750度等。
在一實施例中，環形預重組器可為在陽極復熱器內之插件。在一實施例中，環形預重組器可定位於陽極復熱器內之第一環形燃料通道與陽極復熱器內之第二環形燃料通道之間，且環形陽極排氣通道可圍繞第一環形燃料通道、環形預重組器及第二環形燃料通道之至少一部分。在一實施例中，環形預重組器可與環形陽極排氣通道之內壁直接接觸，例如硬焊至及/或倚靠該內壁。此可幫助促進自環形陽極排氣通道至環形預重組器之熱傳遞。在另一實施例中，環形預重組器可不與環形陽極排氣通道之內壁直接接觸。實情為，環形預重組器可定位於陽極復熱器之中心氣室內，且燃料可自第一環形燃料通道分流至中心氣室及環形預重組器，且自環形預重組器及中心氣室回至第二環形燃料通道。
在各種實施例中，用於環形預重組器中之催化劑及/或催化劑載體之物理特徵可促進接近催化劑表面之邊界層與主體燃料流之間的攪動及/或混合。此可能使環形預重組器催化劑能夠在某時刻與基本上所有燃料流接觸，其可導致高碳烴之幾乎完全轉化。在各種實施例中，環形預重組器中之催化劑可為具有催化層(例如，鎳及/或銠)之金屬/陶瓷發泡體、不具催化層之金屬/陶瓷發泡體(其中發泡體之基底金屬具催化活性(例如，鎳))、大量具有催化層之捲曲線、催化劑集結粒之填充床或其任何組合。
在燃料電池系統中使用根據各種實施例之環形預重組器可減小燃料電池堆疊降解率。另外，當與不具有環形預重組器之燃料電池系統相比時，與重組器相結合使用之環形預重組器可導致更長的重組器工作壽命。環形預重組器可允許燃料電池系統在減小的蒸汽與碳比率(S：C)、減小的氧與碳比率(O：C)及/或減小的再循環至燃料入口流之陽 極流百分比(%ANR)下運作，從而增加燃料電池堆疊電壓，減小燃料電池堆疊尺寸且減小陽極側體積流及背壓，其可導致較少的源自陽極再循環吹送機之寄生損失。環形預重組器可允許燃料電池系統以在燃料進入燃料電池堆疊之前甲烷重組較少的方式運作，從而增加電池上重組(亦即，在燃料電池本身中甲烷重組為氫氣、一氧化碳及二氧化碳)，其可允許經由燃料電池系統之減少的氣流，較少的背壓及較少的體積氣流，及較少的源自主鼓風機之寄生損失。另外，環形預重組器之益處的組合可增加熱箱壽命(hot box lifetime)。
在各種實施例中，燃料入口流可包括含或不含額外甲烷之高碳烴。如本文中所論述，燃料入口流中之高碳烴可包括比甲烷具有更多的碳原子的烴，諸如乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、戊烷、異戊烷、己烷等。包括高碳烴之燃料可包括柴油燃料(包括低硫柴油及超低硫柴油)、噴射機燃料(包括JP-5及JP-8噴射機燃料)、煤油(包括低硫煤油及超低硫煤油)、天然氣、具有高丙烷及高空氣含量之調峰天然氣、具有較低丙烷及較低空氣含量之調峰天然氣、具有注入煉製氣之天然氣、具有高乙烷及丙烷含量之天然氣、具有中度乙烷及丙烷含量之天然氣、其他物流燃料等。包括高碳烴之例示性燃料可包含各種分子之組合，包括CO、CO2、H2O、H2、O2、N2、Ar、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6、正-C4H10(正丁烷)、異-C4H10(異丁烷)、C5H12及C6H14，且各種分子可占整體燃料之不同分子分率(或百分比)。舉例而言，CH4在燃料入口流中可占燃料中的分子之小於96%，例如，分子的40.496%至95.994%；C2H6在燃料入口流中可占燃料中分子的1.250%至8.00%；C2H4在燃料入口流中可占燃料中分子的0.040%至8.00%C3H8在燃料入口流中可占燃料中分子的0.360%至30.760%；C3H6在燃料入口流中可占燃料中分子的0.001%至1.620%；正-C4H10在燃料入口流中可占燃料中分子的0.001%至0.400%；異-C4H10在燃料入 口流中可占燃料中分子的0.001%至0.200%；C5H12在燃料入口流中可占燃料中分子的0.001%至0.090%；且C6H14在燃料入口流中可占燃料中分子的0.001%至0.030%。六種例示性燃料組成展示於以下表I中。
圖10說明根據一實施例之陽極復熱器1000之側視橫截面圖。陽極復熱器1000可為固體氧化物燃料電池系統之陽極復熱器。陽極復熱器1000可包括耦接至環形預重組器1004且與環形預重組器1004流體連通的環形燃料通道1002。環形預重組器1004可經組態以接收來自第一環形燃料通道1002之未重組燃料流。環形預重組器1004可為可沿著環形預重組器1004的長度支撐諸如鎳及/或銠之預重組器催化劑的環形通道，且可重組接收自環形燃料通道1002之燃料流以產生重組燃料流。環形預重組器1004可耦接至第二環形燃料通道1006且與第二環形 燃料通道1006流體連通。第二環形燃料通道1006可經組態以接收來自環形預重組器1004之重組燃料流。在一實施例中，第一環形燃料通道1002、環形預重組器1004及第二環形燃料通道1006可為一個環形通道，但環形預重組器部分1004可含有催化劑。環形陽極排氣通道1008可圍繞第一環形燃料通道1002、環形預重組器1004及第二環形燃料通道1006之至少一部分。環形陽極排氣通道1008可至少熱耦合於第一環形燃料通道1002、預重組器之通道1004及第二環形燃料通道1006以使得陽極排氣通道1008中之陽極排氣流可向第一環形燃料通道1002中之未重組燃料流、預重組器之通道1004及第二環形燃料通道1006中之重組燃料流提供熱量。在一實施例中，環形預重組器1004中之催化劑或催化劑載體可與陽極排氣通道1008之內壁直接接觸。舉例而言，環形預重組器1004中之催化劑或催化劑載體可倚靠陽極排氣通道1008及/或硬焊至陽極排氣通道1008。在一實施例中，第一環形燃料通道1002之內壁可經組態以形成由第一環形燃料通道1002圍繞的氣室，第二環形燃料通道1006可經組態以形成由第二環形燃料通道1006圍繞的氣室，且環形預重組器1004可經組態以形成由環形預重組器1004之內壁圍繞的氣室。三個氣室可流體連通，從而形成具有由第一環形燃料通道1002圍繞的上氣室部分、由環形預重組器1004圍繞的預重組器氣室部分及由第二環形燃料通道1006圍繞的下氣室部分之中心氣室1010。
圖11A說明上文參考圖10所描述之陽極復熱器1000之透視橫截面圖。在一實施例中，環形預重組器1004可為鰭片預重組器。在一實施例中，第一環形燃料通道1002及第二環形燃料通道1006可為含有插入中間的一組經催化劑塗佈之鰭片的連續環形通道，該等經催化劑塗佈之鰭片充當預重組器。雖然在多個圖中被說明為鰭片預重組器及鰭片燃料通道，但環形預重組器1004可具有可能未併入有鰭片之其他組態。在另一實施例中，若通道1002及1006不形成一個連續通道，則環 形預重組器1004可安置於第一環形燃料通道1002與第二環形燃料通道1006之間的間隙中。
圖11B說明展示於圖10中之陽極復熱器1000之另一實施例的俯視橫截面圖。圖11B說明環形陽極排氣通道1008圍繞(亦即，環繞)第一環形燃料通道1002及第二環形燃料通道1006(在圖11B中不可見)。在一實施例中，第一環形燃料通道1002之內壁1003可經組態以形成氣室1010之上部部分。以此方式，第一環形燃料通道1002可圍繞(亦即，環繞)氣室1010之上部部分。雖然在圖11B中不可見，但以類似方式，第二環形燃料通道1006之內壁可經組態以形成氣室1010之下部部分。環形預重組器1004可經組態為內表面塗佈有催化劑的定位於第一環形燃料通道1002與環形陽極排氣通道1008之間且分隔第一環形燃料通道1002與環形陽極排氣通道1008之共同壁。
圖11C說明展示於圖10中之陽極復熱器1000之另一實施例的另一俯視橫截面圖。如在圖11C中所說明，第一環形燃料通道1002及環形陽極排氣通道1008之間的共同壁1004可為經催化劑塗佈之波紋鰭片，其中陽極排氣經由環形陽極排氣通道1008垂直向上流動，且燃料經由第一環形燃料通道1002垂直向下流動。環形陽極排氣通道1008中流動之陽極排氣可向第一環形燃料通道1002、環形預重組器1004及/或第二環形燃料通道1006及在其中流動的任何燃料提供熱量。
圖12說明實施例陽極復熱器1200之側視橫截面圖。陽極復熱器1200類似於圖10中所說明之陽極復熱器1000且含有多個共同組件。陽極復熱器1000及1200兩者共同的彼等組件在圖10及圖12中編號相同，且將不進一步描述。
陽極復熱器1000及1200之間的一個差異為陽極復熱器1200之環形預重組器1201可定位於陽極復熱器1200之中心氣室1010內，且藉由第一環形燃料通道1002及/或第二環形燃料通道1006與環形陽極排氣 通道1008之內壁分開，且環形預重組器1201可填充中心氣室1010以使得由第一環形燃料通道1002形成的中心氣室1010之上部部分可不與由第二環形燃料通道1006形成的中心氣室1010之下部部分流體連通。環形預重組器1201可定位於第一環形燃料通道1002及/或第二環形燃料通道1006軸向內側，且環形預重組器1201可藉由第一環形燃料通道1002及/或第二環形燃料通道1006與環形陽極排氣通道1008分開。環形預重組器1201可包括第一環形預重組通道1204及第二環形預重組通道1202。第一環形預重組通道1204可環繞第二環形預重組通道1202。第二環形預重組通道1202可經組態以接收來自第一環形燃料通道1002之未重組燃料流，且第一環形預重組通道1204可經組態以向第二環形燃料通道1006提供重組燃料流。以此方式，未重組燃料流可在環形預重組器1201頂部自第一環形燃料通道1002徑向朝內流動，經由第二環形預重組通道1202沿著環形預重組器1201軸向向下流動，徑向流入環形預重組器1201之外部，且被軸向向上引導回第一環形預重組通道1204以隨後徑向流入第二環形燃料通道1006，且隨後沿著通道1006軸向向下流動。在一實施例中，預重組器催化劑可定位於(例如，支撐於)第一環形預重組通道1204及第二環形預重組通道1202兩者中。可使用任何類型結構(諸如經催化劑塗佈之鰭片、催化劑支撐發泡體、經催化劑塗佈之絞合線等)在第一環形預重組通道1204及/或第二環形預重組通道1202中支撐預重組器催化劑。
圖13說明實施例陽極復熱器1300之側視橫截面圖。陽極復熱器1300類似於圖12中所說明之陽極復熱器1200且含有多個共同組件。陽極復熱器1200及1300兩者共同的彼等組件在圖12及圖13中編號相同，且將不進一步描述。
陽極復熱器1200及1300之間的一個差異為陽極復熱器1300之環形預重組器1301燃料之軸向流動方向為逆向的。環形預重組器1301可 包括第一環形預重組通道1302及第二環形預重組通道1304。第一環形預重組通道1302可環繞第二環形預重組通道1304。第一環形預重組通道1302可經組態以接收來自第一環形燃料通道1002之未重組燃料流，且第二環形預重組通道1304可經組態以向第二環形燃料通道1006提供重組燃料流。以此方式，未重組燃料流可在環形預重組器1301之底部自第一環形燃料通道1002徑向朝內流入環形預重組器1301之外部部分，經由第一環形預重組通道1302沿著環形預重組器1301之外部部分軸向向上流動，徑向朝內流入環形預重組器1301之中央，且被軸向向下引導回第二環形預重組通道1304以徑向朝外流入第二環形燃料通道1006。在一實施例中，預重組器催化劑可定位於(例如，支撐於)第一環形預重組通道1302及第二環形預重組通道1304兩者中。可使用任何類型結構(諸如經催化劑塗佈之鰭片、催化劑支撐發泡體、經催化劑塗佈之絞合線等)在第一環形預重組通道1302及/或第二環形預重組通道1304中支撐預重組器催化劑。
圖14說明實施例陽極復熱器1400之側視橫截面圖。陽極復熱器1400類似於圖12中所說明之陽極復熱器1200且含有多個共同組件。陽極復熱器1200及1400兩者共同的彼等組件在圖12及圖14中編號相同，且將不進一步描述。
陽極復熱器1000與1400之間的一個差異為陽極復熱器1400之環形預重組器1401僅僅部分填充氣室1010。環形預重組器1401可包括第一環形預重組通道1404及第二環形預重組通道1402。第一環形預重組通道1404可環繞第二環形預重組通道1402。第二環形預重組通道1402含有環繞未填充有催化劑之氣室1010之中空部分1010A的內壁1403。第二環形預重組通道1402經組態以接收來自第一環形燃料通道1002之未重組燃料流，且第一環形預重組通道1404可經組態以向第二環形燃料通道1006提供重組燃料流。以此方式，未重組燃料流可自第一環形 燃料通道1002徑向朝內流動且在環形預重組器1401頂部被軸向向下引導進入環形預重組器1401之中心環，經由第二環形預重組通道1402沿著環形預重組器1401軸向向下流動，徑向流入環形預重組器1401之外部且被引導沿著第一環形預重組通道1404軸向向上流回第二環形燃料通道1006，隨後徑向導出，且隨後被軸向向下引導以經由第二環形燃料通道1006軸向向下流動。在一實施例中，預重組器催化劑可定位於(例如，支撐於)第一環形預重組通道1404及第二環形預重組通道1402兩者中。可使用任何類型結構(諸如經催化劑塗佈之鰭片、催化劑支撐發泡體、經催化劑塗佈之絞合線等)在第一環形預重組通道1404及/或第二環形預重組通道1402中支撐預重組器催化劑。
圖15說明實施例陽極復熱器1500之側視橫截面圖。陽極復熱器1500類似於圖14中所說明之陽極復熱器1400且含有多個共同組件。陽極復熱器1400及1500兩者共同的彼等組件在圖14及圖15中編號相同，且將不進一步描述。
陽極復熱器1400及1500之間的一個差異為燃料之軸向流動方向為逆向的。環形預重組器1501可包括第一環形預重組通道1502及第二環形預重組通道1504。第一環形預重組通道1502可環繞第二環形預重組通道1504。第二環形預重組通道1504含有環繞未填充有催化劑之氣室1010之中空部分1010B的內壁1503。第一環形預重組通道1502可經組態以接收來自第一環形燃料通道1002之未重組燃料流，且第二環形預重組通道1504可經組態以向第二環形燃料通道1006提供重組燃料流。以此方式，未重組燃料流可自第一環形燃料通道1002徑向朝內流動且在環形預重組器1501之底部下被軸向向上引導入環形預重組器1501之外部部分，經由第一環形預重組通道1502沿著環形預重組器1501之外部部分軸向向上流動，被徑向朝內引導流入環形預重組器1501之內環，隨後被引導沿著第二環形預重組通道1504軸向向下流回 第二環形燃料通道1006且徑向朝外流動，且隨後沿著第二環形燃料通道1006軸向向下流動。在一實施例中，預重組器催化劑可定位於(例如，支撐於)第一環形預重組通道1502及第二環形預重組通道1504兩者中。可使用任何類型結構(諸如經催化劑塗佈之鰭片、催化劑支撐發泡體、經催化劑塗佈之絞合線等)在第一環形預重組通道1502及/或第二環形預重組通道1504中支撐預重組器催化劑。
圖16說明實施例陽極復熱器1600之側視橫截面圖。陽極復熱器1600類似於圖12中所說明之陽極復熱器1200且含有多個共同組件。陽極復熱器1200及1600兩者共同的彼等組件在圖12及圖16中編號相同，且將不進一步描述。
陽極復熱器1200與1600之間的一個差異為陽極復熱器1600之環形預重組器1201可僅在第二環形預重組通道1202中包括預重組器催化劑。可使用任何類型結構(諸如經催化劑塗佈之鰭片、催化劑支撐發泡體、經催化劑塗佈之絞合線等)在第二環形預重組通道1202中支撐預重組器催化劑。預重組器催化劑可不定位於(例如，支撐於)可能空的第一環形通道1204中。以此方式，燃料之預重組可不出現在第一環形通道1204中。此允許預重組器1201中之溫度維持在低位準下，諸如攝氏350度至攝氏450度，此係因為含有催化劑之通道1202藉由通道1006及1204與通道1008中之陽極排氣分開。
圖17說明實施例陽極復熱器1700之側視橫截面圖。陽極復熱器1700類似於圖13中所說明之陽極復熱器1300且含有多個共同組件。陽極復熱器1300及1700兩者共同的彼等組件在圖13及圖17中編號相同，且將不進一步描述。
陽極復熱器1300與1700之間的一個差異為陽極復熱器1700之環形預重組器1301可僅在第二環形預重組通道1304中包括預重組器催化劑。可使用任何類型結構(諸如經催化劑塗佈之鰭片、催化劑支撐發 泡體、經催化劑塗佈之絞合線等)在第二環形預重組通道1304中支撐預重組器催化劑。預重組器催化劑可不定位於(例如，支撐於)可能空的第一環形通道1302中。以此方式，燃料之預重組可不出現在第一環形通道1302中。此允許預重組器1301中之溫度維持在低位準下，諸如攝氏350度至攝氏450度，此係因為含有催化劑之通道1304藉由通道1002及1302與通道1008中之陽極排氣分開。
圖18A說明實施例陽極復熱器1800之側視橫截面圖。陽極復熱器1800類似於圖17中所說明之陽極復熱器1700且含有多個共同組件。陽極復熱器1700及1800兩者共同的彼等組件在圖17及圖18A中編號相同，且將不進一步描述。
陽極復熱器1700與1800之間的一個差異為陽極復熱器1800中不存在第二環形燃料通道1006。因此，第一環形預重組器通道1302及第二環形預重組器通道1304可佔據氣室1010，以使得重組燃料流不流動而接觸陽極排氣通道1008之內壁1804。第一環形燃料通道1002之內壁1803可分開第一環形預重組器通道1302與第一環形燃料通道1002。預重組器催化劑可不定位於(例如，支撐於)可能空的第一環形通道1302。以此方式，燃料之預重組可不出現在第一環形通道1302中。此允許含有預重組器1301之區域的溫度維持在低位準下，諸如低於攝氏675度，例如攝氏350度至攝氏450度，此係因為含有催化劑之通道1304藉由通道1002及1302與通道1008中之陽極排氣分開。在另一實施例中，進入圖18A中所說明之單級陽極復熱器1800中的環形預重組器1301之未重組燃料流可能分別比進入圖10及圖12至圖17中所說明之二級陽極復熱器1000、1200、1300、1400、1500、1600及1700中的環形預重組器之未重組燃料流熱，此係因為未重組燃料流在陽極復熱器1800中可能在熱交換器中行進較長的長度。舉例而言，系統的含有圖18A中所說明之環形預重組器1301的區域的溫度可維持在攝氏350至 675、350至500、450至500度等，且可將未重組燃料流自攝氏600度至攝氏750度之第一環形燃料通道1002引入圖18A中所說明之環形預重組器1301。
在環形預重組器1800中，第二環形預重組器通道1304直接將重組燃料流排至陽極饋料/回流集管1802，陽極饋料/回流集管1802將重組燃料流經由堆疊饋料口92引導至燃料電池堆疊。第二環形預重組器通道1304可延伸至氣室1010底部，且佔據氣室1010之至少75%但小於100%(例如，80%至90%)的軸向長度，從而在頂部為燃料進入留下空間。陽極饋料/回流集管1802亦可將陽極排氣流自陽極排氣口98引導至陽極排氣通道1008。當與如上文參考圖17所論述的流入第二環形燃料通道1006之重組燃料流相比時，重組燃料流直接自第二環形預重組器通道1304排放至陽極饋料/回流組合件通道1802可限制重組燃料流中之熱量復原。此可允許陽極饋料/回流組合件通道中之溫度維持在低位準，諸如攝氏350度至攝氏450度，此係因為重組燃料流不流過經由共同壁與陽極排氣通道1008直接接觸的通道(例如，1002、1006)。
圖18B說明陽極饋料/回流集管1802之俯視橫截面圖，且圖18C說明沿著圖18B中之線C-C的陽極饋料/回流集管1802之側視橫截面圖。陽極饋料/回流集管1802包括由同心環1810圍繞的中空圓柱空間1812，同心環1810藉由內壁1811與中空圓柱空間1812分開。陽極饋料管1806自中空圓柱空間1812延伸穿過外環1810且連接至堆疊饋料口92。陽極排氣管1808將陽極排氣口98連接至外環1810且通入外環1810。在一實施例中，內空間1812、外環1810、陽極饋料管1806及陽極排氣管1808均可相對於展示於圖18C中之相同平面P-P對準，使得圖18B為沿著此線P-P之橫截面圖。在一實施例中，陽極饋料管1806及/或陽極排氣管1808可包括波紋管以減輕不同熱膨脹之應力。
圖18D說明展示於圖18A中之陽極復熱器1800之俯視橫截面圖。 如圖18D中所說明，第一環形燃料通道1002與環形陽極排氣通道1008之間的共同壁1804可為環形波紋鯺片壁，其中陽極排氣經由環形陽極排氣通道1008垂直向上流動且燃料在進入鯺片壁中之凹槽之後經由第一環形燃料通道1002垂直向下流動。第一環形燃料通道1002與第一環形預重組器通道1302之間的共同壁1803可並非波紋的。在自第一環形燃料通道1002軸向流入第一環形預重組器通道1302之後，燃料可經由第一環形預重組器通道1302垂直向上流動，隨後軸向流入第二環形預重組器通道1304，且隨後經由第二環形預重組器通道1304垂直向下流入陽極饋料/回流集管1802。
圖19說明實施例陽極復熱器1900之等角橫截面圖。陽極復熱器1900類似於圖18A中所說明之陽極復熱器1800且含有多個共同組件。陽極復熱器1800及1900兩者共同的彼等組件在圖18A及圖19中編號相同，且將不進一步描述。
陽極復熱器1800與1900之間的一個差異為環形燃料通道1002及環形陽極排氣通道1008之鰭片可分成兩個或兩個以上不同垂直段，諸如三個段1905A、1905B及1905C。在陽極復熱器1900中，預重組器催化劑可在第二環形預重組通道1304中支撐在包含預重組催化劑之一或多個圓盤區段(諸如五個圓盤區段1901A、1901B、1901C、1901D及1901E)中。
圖20說明實施例陽極復熱器2000之等角橫截面圖。陽極復熱器2000類似於圖19中所說明之陽極復熱器1900且含有多個共同組件。陽極復熱器1900及2000兩者共同的彼等組件在圖19及圖20中編號相同，且將不進一步描述。
陽極復熱器1900與2000之間的一個差異為環形燃料通道1002及環形陽極排氣通道1008之鰭片沿著陽極復熱器2000的整個長度為連續的。此外，通道1002及1008在陽極復熱器2000中藉由單鰭片分隔器 (亦即，單鰭片熱交換器)分開，而陽極復熱器1900包含雙鰭片熱交換器。陽極復熱器1900與2000之間的另一差異為第二環形預重組通道1304不直接連接至陽極饋料/回流集管1802。實情為，在陽極復熱器2000中，第二環形預重組通道1304及第二環形燃料通道1006可為連接至陽極饋料/回流集管1802之一個環形通道，只不過第二環形燃料通道1006可不含催化劑。
提供對所揭示態樣之前述描述，以使得任一熟習此項技術者能夠製造或使用本發明。對於熟習此項技術者而言，對此等態樣之各種修改將易於顯而易見，且可在不背離本發明之範疇的情況下將本文中所界定之一般原理應用於其他態樣。因此，本發明並不意欲限於本文所展示之態樣，而應符合與本文中所揭示之原理及新穎特徵一致的最廣泛範疇。

Claims (30)

  1. 一種用於燃料電池系統之陽極復熱器，其包含：第一環形燃料通道，其中該第一環形燃料通道之內壁經組態以形成由該第一環形燃料通道圍繞的上氣室；耦接至該第一環形燃料通道且經組態以接收來自該第一環形燃料通道之未重組燃料流且至少部分重組該未重組燃料流以產生重組燃料流之環形預重組器，該環形預重組器定位於該第一環形燃料通道之軸向內側；圍繞該第一環形燃料通道及該環形預重組器之至少一部分的環形陽極排氣通道，該環形陽極排氣通道熱耦合至該第一環形燃料通道以使得該環形陽極排氣通道中之陽極排氣流向該第一環形燃料通道中之該未重組燃料流提供熱量；及耦接至該環形預重組器且經組態以接收來自該環形預重組器之該重組燃料流的第二環形燃料通道；其中該環形預重組器與該環形陽極排氣通道分開；該第二環形燃料通道之內壁經組態以形成由該第二環形燃料通道圍繞的下氣室；該環形陽極排氣通道圍繞該第二環形燃料通道之至少一部分，且該環形陽極排氣通道熱耦合至該第二環形燃料通道以使得該環形陽極排氣通道中之該陽極排氣流向該第二環形燃料通道中之該重組燃料流提供熱量；該環形預重組器藉由該第一環形燃料通道或該第二環形燃料通道與該環形陽極排氣通道分開；該環形預重組器包括第一環形預重組通道及第二環形預重組通道，該第一環形預重組通道環繞該第二環形預重組通道；及 該第一環形預重組通道經組態以接收來自該第一環形燃料通道之該未重組燃料流，且該第二環形預重組通道經組態以向該第二環形燃料通道提供該重組燃料流。
  2. 如請求項1之陽極復熱器，其中預重組器催化劑定位於該第一環形預重組通道及該第二環形預重組通道兩者中。
  3. 如請求項2之陽極復熱器，其中：該第二環形預重組器通道之內壁經組態以形成由該第二環形預重組器通道圍繞的中空氣室；及該預重組器催化劑不定位於該中空氣室中。
  4. 如請求項1之陽極復熱器，其中預重組器催化劑僅僅定位於該第二環形預重組器通道中且不定位於該第一環形預重組通道中。
  5. 一種用於燃料電池系統之陽極復熱器，其包含：第一環形燃料通道，其中該第一環形燃料通道之內壁經組態以形成由該第一環形燃料通道圍繞的上氣室；耦接至該第一環形燃料通道且經組態以接收來自該第一環形燃料通道之未重組燃料流且至少部分重組該未重組燃料流以產生重組燃料流之環形預重組器，該環形預重組器定位於該第一環形燃料通道之軸向內側；及圍繞該第一環形燃料通道及該環形預重組器之至少一部分的環形陽極排氣通道，該環形陽極排氣通道熱耦合至該第一環形燃料通道以使得該環形陽極排氣通道中之陽極排氣流向該第一環形燃料通道中之該未重組燃料流提供熱量，其中該環形預重組器與該環形陽極排氣通道分開；該環形預重組器包括第一環形預重組通道及第二環形預重組通道，該第一環形預重組通道環繞該第二環形預重組通道；及該第二環形預重組通道經組態以接收來自該第一環形燃料通 道之該未重組燃料流，且該第一環形預重組通道經組態以向該第二環形燃料通道提供該重組燃料流。
  6. 如請求項5之陽極復熱器，其中預重組器催化劑定位於該第一環形預重組通道及該第二環形預重組通道兩者中。
  7. 如請求項6之陽極復熱器，其中：該第二環形預重組器通道之內壁經組態以形成由該第二環形預重組器通道圍繞的中空氣室；及該預重組器催化劑不定位於該中空氣室中。
  8. 如請求項5之陽極復熱器，其中預重組器催化劑僅僅定位於該第二環形預重組器通道中且不定位於該第一環形預重組通道中。
  9. 一種用於燃料電池系統之陽極復熱器，其包含：第一環形燃料通道，其中該第一環形燃料通道之內壁經組態以形成由該第一環形燃料通道圍繞的上氣室；耦接至該第一環形燃料通道且經組態以接收來自該第一環形燃料通道之未重組燃料流且至少部分重組該未重組燃料流以產生重組燃料流之環形預重組器，該環形預重組器定位於該第一環形燃料通道之軸向內側；及圍繞該第一環形燃料通道及該環形預重組器之至少一部分的環形陽極排氣通道，該環形陽極排氣通道熱耦合至該第一環形燃料通道以使得該環形陽極排氣通道中之陽極排氣流向該第一環形燃料通道中之該未重組燃料流提供熱量，其中該環形預重組器與該環形陽極排氣通道分開；該環形預重組器包括第一環形預重組通道及第二環形預重組通道，該第一環形預重組通道環繞該第二環形預重組通道；該第一環形預重組通道經組態以接收來自該第一環形燃料通道之該未重組燃料流，且該第二環形預重組通道經組態以向陽 極饋料集管提供該重組燃料流；及預重組器催化劑僅僅定位於該第二環形預重組器通道中且不定位於該第一環形預重組通道中。
  10. 如請求項9之陽極復熱器，其中該陽極饋料集管包括在相同平面中同心對準之內圓柱空間及外環，該內圓柱空間經組態以接收來自該第二環形預重組通道之該重組燃料流，且該外環經組態以向該環形陽極排氣通道提供該陽極排氣流。
  11. 如請求項10之陽極復熱器，其中該環形陽極排氣通道為環形波紋鯺片壁。
  12. 一種操作燃料電池系統之陽極復熱器之方法，其包含：在小於或等於攝氏750度的溫度下預重組未重組燃料流，以優先於該未重組燃料流中之甲烷選擇性重組該未重組燃料流中的高碳烴以產生重組燃料流；向環形預重組器提供來自第一環形燃料通道之該未重組燃料流，其中該第一環形燃料通道之內壁經組態以形成由該第一環形燃料通道圍繞的上氣室，且該環形預重組器耦接至該第一環形燃料通道；在該環形預重組器中至少部分重組該未重組燃料流以產生該重組燃料流；及在環形陽極排氣通道中提供陽極排氣流以向該第一環形燃料通道中之該未重組燃料流提供熱量，該環形陽極排氣通道圍繞該第一環形燃料通道及該環形預重組器之至少一部分；向耦接至該環形預重組器之第二環形燃料通道提供該重組燃料流，其中該第二環形燃料通道之內壁經組態以形成由該第二環形燃料通道圍繞的下氣室；及在該環形陽極排氣通道中提供該陽極排氣流以向該第二環形 燃料通道中之該重組燃料流提供熱量，該環形陽極排氣通道圍繞該第二環形燃料通道之至少一部分；其中該環形預重組器之內壁經組態以形成由該環形預重組器圍繞的預重組器氣室，及其中該上氣室、該預重組器氣室及該下氣室流體連通。
  13. 如請求項12之方法，其中該環形預重組器為鯺片預重組器。
  14. 如請求項12之方法，其中該環形預重組器定位於該第一環形燃料通道之軸向內側，且該環形預重組器藉由該第一環形燃料通道或該第二環形燃料通道與該環形陽極排氣通道分開。
  15. 如請求項14之方法，其中該環形預重組器包括第一環形預重組通道及第二環形預重組通道，該第一環形預重組通道環繞該第二環形預重組通道，該方法進一步包含：在該第一環形預重組通道中接收來自該第一環形燃料通道之該未重組燃料流；及自該第二環形預重組通道向該第二環形燃料通道提供該重組燃料流。
  16. 如請求項15之方法，其中預重組器催化劑定位於該第一環形預重組通道及該第二環形預重組通道兩者中。
  17. 如請求項16之方法，其中：該第二環形預重組器通道之內壁形成由該第二環形預重組器通道圍繞的中空氣室；及該預重組器催化劑不定位於該中空氣室中。
  18. 如請求項15之方法，其中預重組器催化劑定位於該第二環形預重組通道中且不定位於該第一環形預重組通道中。
  19. 如請求項14之方法，其中該環形預重組器包括第一環形預重組 通道及第二環形預重組通道，該第一環形預重組通道環繞該第二環形預重組通道，該方法進一步包含：在該第二環形預重組通道中接收來自該第一環形燃料通道之該未重組燃料流；及自該第一環形預重組通道向該第二環形燃料通道提供該重組燃料流。
  20. 如請求項19之方法，其中預重組器催化劑定位於該第一環形預重組通道及該第二環形預重組通道兩者中。
  21. 如請求項20之方法，其中：該第二環形預重組器通道之內壁形成由該第二環形預重組器通道圍繞的中空氣室；及該預重組器催化劑不定位於該中空氣室中。
  22. 如請求項19之方法，其中預重組器催化劑定位於該第二環形預重組通道中且不定位於該第一環形預重組通道中。
  23. 一種操作一燃料電池系統之陽極復熱器之方法，其包含：在小於或等於攝氏750度的溫度下預重組未重組燃料流，以優先於該未重組燃料流中之甲烷選擇性重組該未重組燃料流中的高碳烴以產生重組燃料流；向環形預重組器提供來自第一環形燃料通道之該未重組燃料流，其中該第一環形燃料通道之內壁經組態以形成由該第一環形燃料通道圍繞的上氣室，且該環形預重組器耦接至該第一環形燃料通道；在該環形預重組器中至少部分重組該未重組燃料流以產生該重組燃料流；及在環形陽極排氣通道中提供陽極排氣流以向該第一環形燃料通道中之該未重組燃料流提供熱量，該環形陽極排氣通道圍繞該 第一環形燃料通道及該環形預重組器之至少一部分；其中：該環形預重組器定位於該第一環形燃料通道之軸向內側；該環形預重組器與該環形陽極排氣通道分開；及該環形預重組器包括第一環形預重組通道及第二環形預重組通道，該第一環形預重組通道環繞該第二環形預重組通道，該方法進一步包含：在該第一環形預重組通道中接收來自該第一環形燃料通道之該未重組燃料流；自該第一環形預重組通道接收該第二環形預重組通道中之該未重組燃料流；至少部分重組該第二環形預重組通道中之該未重組燃料流以產生該重組燃料流；及自該第二環形預重組通道向陽極饋料集管提供該重組燃料流，其中預重組器催化劑僅僅定位於該第二環形預重組器通道中且不定位於該第一環形預重組通道中。
  24. 如請求項23之方法，其中該陽極饋料集管包括在相同平面中同心對準之內空間及外環，該方法進一步包含：在該內空間中接收來自該第二環形預重組通道之該重組燃料流；及自該外環向該環形陽極排氣通道提供該陽極排氣流。
  25. 一種操作燃料電池系統之陽極復熱器之方法，其包含：在小於或等於攝氏750度的溫度下預重組未重組燃料流，以優先於該未重組燃料流中之甲烷選擇性重組該未重組燃料流中的高碳烴以產生重組燃料流，其中該等高碳烴之該預重組在小於 或等於攝氏500度下執行。
  26. 一種操作燃料電池系統之陽極復熱器之方法，其包含：在小於或等於攝氏750度的溫度下預重組未重組燃料流，以優先於該未重組燃料流中之甲烷選擇性重組該未重組燃料流中的高碳烴以產生重組燃料流；及在燃料電池堆疊中之燃料電池之陽極電極處將該重組燃料流中之剩餘甲烷內部重組為氫氣、一氧化碳及二氧化碳。
  27. 如請求項26之方法，其中：該等高碳烴係選自由乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、異丁烷、戊烷、異戊烷及己烷組成之群；及該等高碳烴在該未重組燃料流之該預重組期間重組為氫氣、一氧化碳及二氧化碳，且該氫氣、一氧化碳及二氧化碳以及該重組燃料流中之未重組甲烷一起作為燃料入口流提供至該燃料電池堆疊。
  28. 如請求項27之方法，其中該未重組燃料流中之該甲烷之小於50%在該預重組期間被重組為氫氣、一氧化碳及二氧化碳。
  29. 如請求項28之方法，其中在經預重組之前，該未重組燃料流具有小於96分子%甲烷。
  30. 如請求項27之方法，其中該等高碳烴之該預重組在攝氏350度至攝氏500度下執行。
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