TWI836962B - 包含水注射器之燃料電池系統及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種操作一燃料電池系統之方法，其包括：將一陽極排氣自一燃料電池堆疊提供至一水注射器；將水供應至該水注射器；及將該水自該水注射器注射至該陽極排氣中以汽化該水且產生一加濕陽極排氣。

Description

包含水注射器之燃料電池系統及其操作方法
本發明之態樣係關於燃料電池系統及方法，且更特定言之，本發明之態樣係關於含有經構形以將水注射至一陽極排氣再循環流中之一水注射器的燃料電池系統。
燃料電池(諸如固體氧化物燃料電池)係可將儲存於燃料中之能量高效率轉換成電能之電化學裝置。高溫燃料電池含有固體氧化物及熔融碳酸鹽燃料電池。此等燃料電池可使用氫及/或烴燃料來操作。存在諸如固體氧化物再生燃料電池之燃料電池類，其亦允許反向操作，使得可使用電能作為一輸入來將氧化燃料還原回未氧化燃料。
根據各種實施例，一種燃料電池系統包括：一燃料電池堆疊；一陽極排氣導管，其經構形以自該堆疊接收一陽極排氣；及一水注射器，其經構形以將水注入至該陽極排氣導管中之該陽極排氣中。
根據各種實施例，一種操作一燃料電池系統之方法，其包括：將一陽極排氣之至少一部分自一燃料電池堆疊提供至一水注射器；將水供應至該水注射器；及將該水自該水注射器注射至該陽極排氣之至少該部分中以汽化該水且產生一加濕陽極排氣。
將參考附圖來詳細描述各種實施例。相同元件符號將儘可能用於係指所有圖式中之相同或類似部分。參考特定實例及實施方案僅供說明且不意在限制本發明或申請專利範圍之範疇。
在一固體氧化物燃料電池(SOFC)系統中，可加濕一燃料進口流以促進燃料轉化反應，諸如蒸汽轉化及水煤氣變換反應。另外，在系統啟動、關閉及電網中斷事件期間，可將水添加至一燃料進口流以防止系統組分(諸如觸媒)焦化。習知地，藉由在包含波紋管之一蒸汽產生器中汽化水來執行此加濕。水流動通過波紋管且由圍繞管外部流動之陰極復熱器換熱器排氣流加熱。然而，利用相對低溫陰極復熱器排氣流一般需要相當長之波紋管以吸收足夠熱來汽化水。此外，蒸汽產生器相對較龐大，其亦增加系統大小、複雜性及製造成本。
相比而言，本發明之實施例提供經構形以將水直接注射至陰極排氣再循環流中之一水注射器，陰極排氣再循環流提供熱來將水汽化成蒸汽及/或將水霧化成足以挾帶於陰極排氣流中之小液滴。陽極排氣再循環流再循環至提供至燃料電池堆疊中之燃料進口流中，使得加濕燃料提供至燃料電池堆疊之燃料電池。因此，可省略先前技術之蒸汽產生器以降低系統大小、複雜性及成本。另外，實施例系統可使用相對較短之無波紋水導管來操作，其可縮短系統回應時間且降低系統大小及成本。
圖1係根據本發明之各種實施例之一SOFC系統10之一示意圖。參考圖1，系統10含有一反應盒100及安置於反應盒100內或相鄰於反應盒100之各種組件。反應盒100可包含燃料電池堆疊102，諸如包含交替燃料電池及互連件之一固體氧化物燃料電池堆疊。堆疊之一固體氧化物燃料電池包含一陶瓷電介質(諸如氧化钇穩定氧化鋯(YSZ)、氧化鈧穩定氧化鋯(SSZ)、氧化鈧及二氧化鈰穩定氧化鋯或氧化鈧、氧化釔及二氧化鈰氧化鈰穩定氧化鋯))、一陽極電極(諸如鎳-YSZ、鎳-SSZ或摻鎳二氧化鈰金屬陶瓷)及一陰極電極(諸如鑭鍶亞錳酸鹽(LSM))。互連件可為金屬合金互連件，諸如鉻鐵合金互連件。堆疊102可彼此上下配置於複數個柱中。
反應盒100亦可包含一陽極復熱器換熱器110、一陰極復熱器換熱器120、一陽極尾氣氧化器(ATO) 130、一陽極排氣冷卻器換熱器140、一分流器510、一渦流產生器550及一水注射器160。系統10亦可含有一催化部分氧化(CPOx)反應器200、一混合器210、一CPOx鼓風機204 (例如空氣鼓風機)、一系統鼓風機208 (例如空氣鼓風機)及一陽極再循環鼓風機212，其等可安置於反應盒100外部。然而，本發明不受限於各組件相對於反應盒100之任何特定位置。
CPOx反應器200自一燃料進口300透過燃料導管300A接收一燃料進口流。燃料進口300可為一燃料箱或含有一閥來控制提供至CPOx反應器200之燃料量之一公用事業天然氣管線。CPOx鼓風機204可在系統啟動期間提供空氣至CPOx反應器200。燃料及/或空氣可由燃料導管300B提供至混合器210。燃料(例如下文將相對於圖4A至圖4C描述之燃料進口流1721)自混合器210透過燃料導管300C流動至陽極復熱器110。燃料在陽極復熱器110中由燃料排氣之一部分加熱且燃料接著自陽極復熱器110透過燃料導管300D流動至堆疊102。
主空氣鼓風機208可經構形以透過空氣導管302A提供一氣流(例如空氣進口流)至陽極排氣冷卻器140。空氣自陽極排氣冷卻器140透過空氣導管302B流動至陰極復熱器120。空氣在陰極復熱器120中由ATO排氣加熱。空氣自陰極復熱器120透過空氣導管302C流動至堆疊102。
堆疊102中所產生之一陽極排氣流(例如下文將相對於圖3A至圖3C描述之燃料排氣流)透過陽極排氣導管308A提供至陽極復熱器110。陽極排氣可包含未反應燃料且在本文中亦可指稱燃料排氣。陽極排氣可自陽極復熱器110藉由陽極排氣導管308B提供至分流器510。陽極排氣之一第一部分可自分流器510透過水注射器160及陽極排氣導管308C提供至陽極排氣冷卻器140。陽極排氣之一第二部分自分流器510透過陽極排氣導管308D提供至ATO 130。陽極排氣之第一部分可加熱陽極排氣冷卻器140中之空氣進口流且接著可自陽極排氣冷卻器140透過陽極排氣導管308E提供至混合器210。陽極再循環鼓風機212可經構形以使陽極排氣移動通過陽極排氣導管308E，如下文將討論。
堆疊102中所產生之陰極排氣透過排氣導管304A流動至ATO 130。渦流產生器550可安置於排氣導管304A中且可經構形以使陰極排氣打旋。陽極排氣導管308D可流體連接至渦流產生器550或渦流產生器550下游之陰極排氣導管304A或ATO 130。打旋陰極排氣可在提供至ATO 130之前與由分流器510提供之陽極排氣之第二部分混合。混合物可在ATO 130中氧化以產生一ATO排氣。ATO排氣自ATO 130透過排氣導管304B流動至陰極復熱器120。排氣自陰極復熱器透過排氣導管304C流出反應盒100。
水自一水源206 (諸如一水箱或一水管)透過水導管306流動至水注射器160。水注射器160將水直接注射至導管308C中所提供之陽極排氣之第一部分中。來自排氣導管308C中所提供之陽極排氣(亦指稱一再循環陽極排氣流)之第一部分之熱使水汽化而產生蒸汽。蒸汽與陽極排氣混合且所得混合物提供至陽極排氣冷卻器140。接著，混合物自陽極排氣冷卻器140透過陽極排氣導管308E提供至混合器210。混合器210經構形以使蒸汽及陽極排氣之第一部分與新進燃料(即，燃料進口流)混合。接著，此加濕燃料混合物可在提供至堆疊102之前在陽極復熱器110中由陽極排氣加熱。系統10亦可含有定位於陽極復熱器110內部及/或陽極復熱器100下游之一或多個燃料轉化觸媒112、114及116。在將加濕燃料混合物提供至堆疊102之前，(若干)轉化觸媒轉化加濕燃料混合物。
系統10可進一步含有經組態以控制系統10之各種元件的一系統控制器225。控制器225可含有經組態以執行儲存指令之一中央處理單元。例如，控制器225可經組態以根據燃料組成資料來控制通過系統10之燃料及/或空氣流。
圖2A係展示圖1之系統10之反應盒100之組件的一截面圖，且圖2B展示圖2A之一放大部分。圖2C係根據本發明之各種實施例之系統10之一中心柱400之三維剖視圖，且圖2D係安置於柱400可安置於其上之一反應盒基座101中之一陽極轂結構600之一透視圖。
參考圖2A至圖2D，燃料電池堆疊102可圍繞反應盒100中之中心柱400安置。例如，堆疊102可安置成圍繞中心柱400之一環構形且可定位於反應盒基座101上。柱400可含有陽極復熱器110、ATO 130及陽極排氣冷卻器140。特定言之，陽極復熱器110安置於ATO 130之徑向內，且陽極排氣冷卻器140安裝於陽極復熱器110及ATO 130上方。在一實施例中，氧化觸媒112及/或氫化觸媒114可定位於陽極復熱器110中。一轉化觸媒116亦可定位於陽極復熱器110之底部處作為一蒸汽甲烷轉化(SMR)添加物。
ATO 130包括圍繞內ATO隔熱材料130B/陽極復熱器110之外壁定位之一外筒130A。隔熱材料130B可視情況由一內ATO筒130C圍封。因此，隔熱材料130B可定位於陽極復熱器110與ATO 130之間。一ATO氧化觸媒可定位於外筒130A與ATO隔熱材料130B之間的空間中。一燃料進口路徑波紋管854可定位於陽極排氣冷卻器140與內ATO筒130C之間。一ATO熱電偶饋通1601延伸穿過陽極排氣冷卻器140而至ATO 130之頂部。藉此，可藉由插入一或多個熱電偶(圖中未展示)穿過此饋通1601來監測ATO 130之溫度。
陽極轂結構600可定位於陽極復熱器110及ATO 130下方及反應盒基座101上方。陽極轂結構600由一ATO側緣1603覆蓋。渦流產生器550及燃料排氣分流器510定位於陽極復熱器110及ATO 130上方及陽極排氣冷卻器140下方。一ATO電熱塞1602 (其在啟動期間引發ATO中之堆疊燃料排氣氧化)可定位於ATO 130之底部附近。
陽極轂結構600用於將燃料自中心柱均勻分配給圍繞中心柱400安置之燃料電池堆疊102。陽極流轂結構600含有一開槽鑄造基座602及燃料進口導管300D及出口導管308A之一「蜘蛛網狀」轂。各對導管300D、308A連接至一燃料電池堆疊102。接著，將陽極側筒(例如陽極復熱器110內筒及外筒及ATO外筒130A)焊接或銅焊至基座602中之溝槽中以產生用於流量分配之一均勻體積橫截面，如下文將討論。
一升降基座1604定位於反應盒基座101下方，如圖2C中所繪示。在一實施例中，升降基座1604含有兩個中空臂，其中可插入一叉式升降機之叉以提升及移動系統，諸如自一機箱(圖中未展示)移除系統用於修復或檢修。
如由圖2A及圖2B中之箭頭所展示，空氣進入反應盒100之頂部且接著流動至陰極復熱器120中，其中空氣由來自ATO 130之ATO排氣(圖中未展示)加熱。接著，經加熱空氣透過一第一通氣口或開口121流動至陰極復熱器120內部。接著，空氣流動通過堆疊102且與自陽極轂結構600提供之燃料(即，燃料進口流)反應。空氣排氣自堆疊102流動通過一第二通氣口或開口123。接著，空氣排氣通過渦流產生器550之葉片且在進入ATO 130之前打旋。
分流器510可導引自陽極復熱器100之頂部退出之燃料排氣之第二部分通過分流器中之開口(例如縫)而至打旋空氣排氣(例如，在渦流產生器550中或在渦流產生器之下游之導管304A或ATO 130中)中。因而，燃料及空氣排氣可在進入ATO 130之前混合。
圖3A及圖3B係展示通過中心柱400之流量分配的側橫截面圖，且圖3C係穿過陽極復熱器110取得之一俯視橫截面圖。參考圖2A、圖2B、圖3A及圖3C，陽極復熱器110含有一內筒110A、一波紋板110B及可塗覆有ATO隔熱材料130B之一外筒110C。來自燃料導管300C之燃料進入中心柱400之頂部。接著，燃料可藉由流動通過陽極排氣冷卻器140之中空核心來繞過陽極排氣冷卻器140且接著流動通過外筒110C與波紋板110B之間的陽極復熱器110。接著，燃料流動通過圖3B中所展示之陽極轂結構600之轂基座602及導管300D而至堆疊102。
參考圖2A、圖2B、圖2C、圖3A及圖3B，燃料排氣自堆疊102流動通過導管308A而至轂基座602中，且自轂基座602通過內筒110A與波紋板110B之間的陽極復熱器110及通過導管308B而至分流器510中。燃料排氣之第一部分自分流器510透過導管308C流動至陽極排氣冷卻器140，而第二部分自分流器510透過導管308D流動至ATO 130，如圖1中所展示。陽極排氣冷卻器內核心隔熱材料140A可定位於燃料導管300C與定位於陽極排氣冷卻器140與渦流產生器550之間的波紋管852/支撐筒852A之間，如圖3A中所展示。此隔熱材料最小化自導管308C中之陽極排氣流之第一部分沿途至陽極排氣冷卻器140之傳熱及損耗。隔熱材料140A亦可定位於導管300C與陽極排氣冷卻器140之間以避免導管300C中之燃料進口流與陽極排氣冷卻器140中之流之間的傳熱。在其他實施例中，可自圓柱形陽極排氣冷卻器140內部省略隔熱材料140A。
圖3B亦展示空氣自空氣導管302A流動至陽極排氣冷卻器140 (其中空氣由陽極排氣之第一部分加熱)且接著自陽極排氣冷卻器140透過導管302B而至陰極復熱器120。陽極排氣之第一部分在陽極排氣冷卻器140中由流動通過陽極排氣冷卻器140之空氣冷卻。接著，陽極排氣之經冷卻第一部分自陽極排氣冷卻器140提供至圖1中所展示之陽極再循環鼓風機212。
如下文將更詳細描述且如圖2A及圖3B中所展示，陽極排氣離開陽極復熱器110且透過導管308B提供至分流器510中。分流器510將陽極排氣分流成第一陽極排氣部分及第二陽極排氣部分(即，流)。第一流透過導管308C提供至陽極排氣冷卻器140中。第二流透過導管308D提供至ATO 130中。
提供至ATO 130及陽極排氣冷卻器140之陽極排氣之相對量由陽極再循環鼓風機212控制。鼓風機212速度越高，提供至導管308C中之陽極排氣之部分越多且經由導管308D提供至ATO 130之陽極排氣之部分越少，且反之亦然。
提供至ATO 130之陽極排氣未在陽極排氣冷卻器140中冷卻。此允許提供至ATO 130中之陽極排氣之溫度高於流動通過陽極排氣冷卻器140之後所提供之陽極排氣。例如，自分流器510提供至ATO 130中之陽極排氣可具有高於350°C之一溫度，諸如自約350°C至約500°C，例如自約375°C至約425°C或自約390°C至約410°C。此外，因為較少量之陽極排氣提供至陽極排氣冷卻器140中(例如，歸因於在分流器510中分流陽極排氣，非100%陽極排氣提供至陽極排氣冷卻器中)，所以可減小陽極排氣冷卻器140之換熱面積。提供至ATO 130之陽極排氣可由堆疊陰極(即，空氣)排氣氧化且透過導管304B提供至陰極復熱器120。
根據本發明之各種實施例，圖4A係展示圖2A之中心柱中之水注射器160的一截面透視圖，圖4B係展示圖4A之一注射器環162及一擋板168的一俯視圖，且圖4C係水注射器160之一透視圖。在圖4A之實施例中，分流器510可包括延伸穿過陽極排氣導管308B之外壁的管而非圖3A中所展示之水平縫。應瞭解，管式或縫式分流器510可與本發明之水注射器160一起使用。參考圖1、圖4A、圖4B及圖4C，水注射器160可含有注射器環162、約束片164、一覆環166及擋板168。
注射器環162可安置於陽極排氣冷卻器140與陽極復熱器110之間的陽極排氣導管308C內部且可流體連接至水導管306。注射器環162係圍繞燃料導管300C延伸之一管。注射器環162可含有注射孔(即，開口) 162A，其經構形以將水直接注射至自分流器510及陽極復熱器110流入至導管308C中之陽極排氣之第一部分中。水可由陽極排氣之熱第一部分汽化。注射孔162A可經構形以產生水流或水滴，其可瞬時或在自注射器環162排出之數秒內汽化。注射孔162A可定位於注射器環162之任何一或多個表面(諸如注射器環162之上表面(如圖4A中所展示)、注射器環162之內表面(如圖4C中所展示)、注射器環162之下表面及/或注射器環162之外表面)上。例如圖4A之實施例中所展示，注射孔162A可均勻分佈於注射器環162之一上表面上以將均勻水向上提供至陽極排氣中以減少朝向分流器510滴下之水量。注射器環162亦可經設定大小以在其內提供實質上均勻圓周水流且最小化藉此流動之陽極排氣之一壓降。
約束片164可附接至燃料導管300C及/或覆環166且可經構形以支撐注射器環162。特定言之，約束片164可經構形以對準及控制注射器環162之定向且防止其上之不均勻水分配或積累。例如，約束片164可經構形以水平對準注射器環162。約束片164亦可防止水累積於注射器環162上之任何特定位置中。因而，約束片164可經構形以防止水累積於注射器環162之外表面上而在僅一個位置中滴落，其可在注射器環162不是完全水平時變得尤其重要。
覆環166可為包圍注射器環162之一圓筒。覆環166可經構形以隔離水與透過分流器510流入至ATO 130中之陽極排氣之第二部分。特定言之，流動至覆環166外部之陽極排氣之第二部分可由分流器510徑向向外導引向陽極排氣導管308D及ATO 130，而流入至覆環166內部之陽極排氣之第一部分由分流器510向上導引向陽極排氣導管308C中之注射器環162。因此，覆環166可經構形以防止及/或減少一定量之水及/或已由注射水加濕之陽極排氣之第一部分由分流器510注射至ATO 130中。換言之，覆環166經構形使得實質上所有水及陽極排氣之加濕第一部分導引向陽極排氣冷卻器140。
擋板168可安置於注射器環162下方之陽極排氣導管308C內部且圍繞燃料導管300C。擋板168可含有一擋板環168A及自擋板環168A延伸之擋板片168B。擋板片168B可接觸燃料導管300C及覆環166且可操作以使覆環166及擋板環168A兩者保持圍繞中心柱400內之燃料導管300C對準。特定言之，擋板環168A可經對準以與注射器環162垂直重疊(例如與注射器環162同心)，如圖4B中所展示。
因此，擋板168可操作為用於捕獲及汽化未瞬時變換成蒸汽而自注射器環162滴落之水滴的一表面。因此，擋板168亦保護定位於注射器環162下方之陽極復熱器110之銅焊接合點免於與水滴接觸及對應熱衝擊。
在各種實施例中，水注射器160可視情況含有安置於擋板168下方之一網169或多孔材料。網169可經構形以捕捉自注射器環162滴落且繞過擋板168之任何液滴，使得捕捉液滴在到達陽極復熱器110及/或分流器510之前汽化。
圖5繪示燃料電池系統10之反應盒100組件之一替代構形。如圖5中所繪示，中心柱400含有上文相對於圖3A所描述之縫式分流器510來替代上文相對於圖4A所描述之管式分流器510。此外，圖5之水注射器160含有注射器環162之內表面上之注射孔162A。最後，圖5之觸媒112、114及116定位於由陽極復熱器110包圍之內室內部，類似於2016年3月15日發佈且其全文以引用的方式併入本文中之美國專利第9,287,572 B2號中所描述之構形。圖5中所展示之其他組件相同或類似於圖4A中所展示之組件且不會再進一步描述以避免冗餘。來自圖5中所展示之中心柱之任何一或多個組件可用於圖4A中所展示之中心柱中。
此外，儘管圖4A至圖4C及圖5中所展示之水注射器160含有具有注射孔162A之一注射器環162，但可代以使用其他水注射器構形。例如，水可自水導管306直接注射至陽極排氣之第一部分中，無需使用注射器環162。替代地，水可自依任何適合構形配置於排氣導管308C中之複數個管注射。管可流體連接至水導管306。此外，可省略覆環166、擋板168及/或網169之一或多者。
在燃料電池系統10之操作期間(諸如在系統啟動期間)，在堆疊102達到約300°C或更大之一溫度(諸如自約300°C至約325°C之範圍內之一溫度)以前，一般無需水。在堆疊102接近約300°C之後，水自水源206提供至中心柱400之頂部處之水導管306。水導管306穿過定位於燃料導管300C與陽極排氣冷卻器140之間且使燃料導管300C與陽極排氣冷卻器140分離之隔熱材料140A。隔熱材料減少水導管306中之水與陽極排氣冷卻器140之間的換熱量。因此，當通過水導管306時，水可由包圍環式陽極冷卻器140中之陽極排氣略微加熱至高於周圍溫度。然而，儘管不希望受一特定理論約束，但可認為，至少大部分水在處於水導管306中時保持一液態。
接著，水由水導管306提供至水注射器160。例如，水由水導管提供至注射器環162中。水在注射器環162中圓周流動且在透過注射孔162A射出至陽極排氣之第一部分中之前圓周分散。在一實施例中，水之至少一部分以液態注射至陽極排氣流之第一部分中。接著，水在陽極排氣之第一部分中汽化以形成一加濕陽極排氣。接著，加濕陽極排氣透過導管308E提供至混合器210以在提供至陽極復熱器110及堆疊102之前與新進燃料(即，燃料進口流)混合，如上文所討論。
參考上述所有圖式，燃料電池系統10含有燃料電池堆疊102、經構形以自堆疊102接收一陽極排氣之陽極排氣導管308C及經構形以將水注射至陽極排氣導管308C中之陽極排氣中之水注射器160。
在一實施例中，系統10亦含有陽極復熱器110，其定位於水注射器160下方且經構形以自堆疊102接收陽極排氣、使用來自陽極排氣之熱來加熱提供至堆疊102之燃料及將陽極排氣提供至陽極排氣導管308C及水注射器160。系統10亦含有陽極排氣冷卻器140，其安置於水注射器160及陽極復熱器110上方且經構形以使用自水注射器及陽極復熱器提供之陽極排氣來加熱提供至堆疊102之空氣。
在一實施例中，系統10亦含有一水導管306，其延伸穿過由陽極排氣冷卻器140包圍之陽極冷卻器隔熱材料140A且經構形以將水提供至水注射器160。在一實施例中，系統10不含一蒸汽產生器，且水注射器160含有安置於陽極排氣冷卻器140與陽極復熱器110之間的注射器環162。注射器環162流體連接至水導管306，且注射器環162經構形以將水注射至陽極排氣中，陽極排氣自陽極復熱器110透過陽極排氣導管308C流動至陽極排氣冷卻器140。注射器環162包括位於其一表面中且經構形以將水注射至陽極排氣中之注射孔162A。
在一實施例中，系統10亦含有由陽極冷卻器隔熱材料140A及陽極排氣導管308C包圍之一燃料導管300C。燃料導管300C延伸穿過注射器環162之中部且經構形以透過陽極復熱器110將燃料提供至堆疊102。
在一實施例中，水注射器160進一步包括包圍注射器環162之一覆環166。在一實施例中，水注射器160進一步包括連接至燃料導管300C及覆環166之約束片164。約束片164經構形以支撐注射器環162，使得注射器環安置於一實質上水平面中。在一實施例中，水注射器160進一步包括一網或一多孔材料169，其安置於注射器環162下方且經構形以減少或防止水滴落至陽極復熱器110上。
在一實施例中，水注射器160進一步包括安置於注射器環162下方之一擋板168。擋板168包括：一擋板環168A，其圍繞燃料導管300C安置且與注射器環162垂直重疊；及擋板片168B，其自擋板環168A延伸且經構形以對準擋板環168A，使得擋板環與注射器環162垂直重疊。
在一實施例中，系統10亦含有一陽極尾氣氧化器130及一分流器510，分流器510經構形以將自陽極復熱器110提供之陽極排氣之一第一部分提供至陽極排氣導管308C及水注射器160中且將自陽極復熱器110提供之陽極排氣之一第二部分導引至陽極尾氣氧化器130中。一陽極再循環鼓風機經構形以使陽極排氣之第一部分再循環至燃料導管300C中。覆環166經構形以導引水遠離分流器510。
一種操作一燃料電池系統之方法包括：將一陽極排氣之至少一部分自燃料電池堆疊102提供至水注射器160；將水供應至水注射器160；及將水自水注射器160注射至陽極排氣之至少部分中以汽化水且產生一加濕陽極排氣。
在一實施例中，將水供應至水注射器包括在堆疊102達到約300°C或更大之一溫度之後使水以一液態供應至水注射器160。在一實施例中，方法亦含有：將陽極排氣自堆疊102提供至一陽極復熱器110以加熱流動至堆疊102之一燃料進口流；將自陽極復熱器提供之陽極排氣分流成陽極排氣之一第一部分及陽極排氣之一第二部分；及將陽極排氣之第一部分提供至水注射器160中。完全汽化或部分汽化水且使其挾帶於陽極排氣之第一部分中以形成加濕陽極排氣，而陽極排氣之第二部分提供至一陽極尾氣氧化器130中。方法進一步含有：將加濕陽極排氣提供至一陽極冷卻器140中以加熱流動至堆疊102之空氣；及將加濕陽極排氣自陽極冷卻器140提供至透過燃料導管300C流動至堆疊102之燃料進口流中。
如上文所描述，在一實施例中，水注射器160包括安置於陽極排氣冷卻器140與陽極復熱器110之間的一注射器環162。水流動通過水導管306而至注射器環162中，且來水自注射器環162透過注射器環中之孔162A注射至陽極排氣流之第一部分中。燃料進口流透過由陽極冷卻器隔熱材料140A及注射器環162包圍之燃料導管300C流動至堆疊102。陽極冷卻器140包圍陽極冷卻器隔熱材料140A且水導管306延伸穿過陽極冷卻器隔熱材料140A。
在一實施例中，水注射器160進一步包括包圍注射器環162之一覆環166。覆環防止或減少水流入至陽極尾氣氧化器130中。約束片164連接至燃料導管300C及覆環166且經構形以將注射器環162支撐於一實質上水平面中。
在一實施例中，水注射器進一步包括安置於注射器環162下方之一網或一多孔材料169。網或多孔材料減少或防止水滴落至陽極復熱器110上。在一實施例中，水在自水源206提供至系統10中至其注射至導管308C中之陽極排氣中以前之間不通過一蒸汽產生器。
因此，各種實施例提供比先前設計(其依賴包含其中汽化水之水盤管之一蒸汽產生器)更經濟之一水注射器。因而，實施例水注射器亦提供比先前系統更緊湊之一設計以允許提高一系統反應盒內之空間效率。此外，歸因於比先前系統更短之導管長度，實施例水注射器亦提供更快回應時間。更快回應時間可在作出回應對電網中斷及/或設備負載平衡突然改變時特別有益。
提供揭示態樣之以上描述來使熟習技術者能夠製造或使用本發明。熟習技術者將易於明白此等態樣之各種修改，且在不背離本發明之範疇之情況下，本文中所界定之一般原理可應用於其他態樣。因此，本發明不意欲受限於本文中所展示之態樣，而是應被賦予與本文中所揭示之原理及新穎特徵一致之最廣範疇。
10:固體氧化物燃料電池(SOFC)系統 100:反應盒 101:反應盒基座 102:堆疊 110:陽極復熱器 110A:內筒 110B:波紋板 110C:外筒 112:燃料轉化觸媒/氧化觸媒 114:燃料轉化觸媒/氫化觸媒 116:燃料轉化觸媒 120:陰極復熱器 121:第一通氣口/開口 123:第二通氣口/開口 130:陽極尾氣氧化器(ATO) 130A:外筒 130B:內ATO隔熱材料 130C:內ATO筒 140:陽極排氣冷卻器 140A:陽極冷卻器隔熱材料 160:水注射器 162:注射器環 162A:注射孔 164:約束片 166:覆環 168:擋板 168A:擋板環 168B:擋板片 169:網/多孔材料 200:催化部分氧化(CPOx)反應器 204:CPOx鼓風機 206:水源 208:系統鼓風機/主空氣鼓風機 210:混合器 212:陽極再循環鼓風機 225:系統控制器 300:燃料進口 300A:燃料導管 300B:燃料導管 300C:燃料導管 300D:燃料導管 302A:空氣導管 302B:空氣導管 302C:空氣導管 304A:排氣導管 304B:排氣導管 304C:排氣導管 306:水導管 308A:陽極排氣導管 308B:陽極排氣導管 308C:陽極排氣導管 308D:陽極排氣導管 308E:陽極排氣導管 400:中心柱 510:分流器 550:渦流產生器 600:陽極轂結構 602:基座 852:波紋管 852A:支撐筒 854:燃料進口路徑波紋管 1601:ATO熱電偶饋通 1602:ATO電熱塞 1603:ATO側緣 1604:升降基座 1721:燃料進口流
併入本文中且構成本說明書之部分的附圖繪示本發明之實例性實施例且與上文所給出之一般描述及下文將給出之詳細描述一起用於解釋本發明之特徵。
圖1係根據本發明之各種實施例之一燃料電池系統之一示意圖。
根據本發明之各種實施例，圖2A係展示圖1之系統之反應盒之組件的一截面圖，圖2B展示圖2A之系統之一放大部分，圖2C係圖2A之系統之一中心柱之三維剖視圖，且圖2D係安置於圖2A之系統之中心柱下方之一陽極轂結構之一透視圖。
圖3A至圖3C係展示根據本發明之各種實施例之通過圖2A之系統之中心柱之燃料及氣流的截面圖。
根據本發明之各種實施例，圖4A係安置於圖2A之系統之中心柱中之一水注射器之一部分透視圖，圖4B係圖4A之水注射器之組件之一俯視圖，且圖4C係水注射器之一透視圖。
圖5係展示圖1之系統之反應盒之組件之一替代實施例的一側視橫截面圖。
110:陽極復熱器
130:陽極尾氣氧化器(ATO)
140:陽極排氣冷卻器
160:水注射器
162:注射器環
162A:注射孔
164:約束片
166:覆環
168:擋板
300C:燃料導管
306:水導管
308B:陽極排氣導管
400:中心柱
510:分流器
550:渦流產生器
852:波紋管

Claims (14)

  1. 一種燃料電池系統，其包括： 燃料電池堆疊； 陽極排氣導管，其經構形以自該堆疊接收陽極排氣； 水注射器，其經構形以將水注射至該陽極排氣導管中之該陽極排氣中； 陽極復熱器，其經構形以自該堆疊接收該陽極排氣、使用來自該陽極排氣之熱來加熱提供至該堆疊之燃料及將該陽極排氣提供至該陽極排氣導管及該水注射器； 陽極尾氣氧化器；及 分流器，其經構形以將自該陽極復熱器提供之該陽極排氣之第一部分導引至該陽極排氣導管及該水注射器中且將自該陽極復熱器提供之該陽極排氣之第二部分導引至該陽極尾氣氧化器中。
  2. 如請求項1之系統，其中該陽極復熱器係定位於該水注射器下方。
  3. 如請求項1之系統，其中： 該水注射器包括流體連接至水導管之注射器環；且 該注射器環經構形以將該水注射至該陽極排氣中，該陽極排氣穿過該注射器環之中部在該陽極排氣導管中流動。
  4. 如請求項3之系統，其中該注射器環包括位於該注射器環之表面中且經構形以將該水注射至該陽極排氣中之注射孔。
  5. 如請求項4之系統，其進一步包括燃料導管，該燃料導管延伸穿過該注射器環之中部且經構形以透過該陽極復熱器將該燃料提供至該堆疊。
  6. 如請求項1之系統，其進一步包括水源，該水源包括連接至該水注射器之水管。
  7. 一種燃料電池系統，其包括： 燃料電池堆疊； 陽極排氣導管，其經構形以自該堆疊接收陽極排氣； 水注射器，其經構形以將水注射至該陽極排氣導管中之該陽極排氣中； 陽極復熱器，其經構形以自該堆疊接收該陽極排氣、使用來自該陽極排氣之熱來加熱提供至該堆疊之燃料及將該陽極排氣提供至該陽極排氣導管及該水注射器； 陽極尾氣氧化器；及 分流器，其經構形以將自該陽極復熱器提供之該陽極排氣之第一部分導引至該陽極排氣導管及該水注射器中且將自該陽極復熱器提供之該陽極排氣之第二部分導引至該陽極尾氣氧化器中， 其中， 該水注射器包括包圍注射器環之覆環，且 該覆環經構形以導引該水遠離該分流器。
  8. 如請求項7之系統，其中： 該燃料電池系統不包含蒸汽產生器； 該注射器環流體連接至水導管；且 該注射器環經構形以將該水注射至該陽極排氣中，該陽極排氣在該陽極排氣導管中流動。
  9. 如請求項8之系統，其中該注射器環包括位於該注射器環之表面中且經構形以將該水注射至該陽極排氣中之注射孔。
  10. 如請求項9之系統，其進一步包括燃料導管，該燃料導管延伸穿過該注射器環之中部且經構形以透過該陽極復熱器將該燃料提供至該堆疊。
  11. 如請求項10之系統，其進一步包括陽極再循環鼓風機，其經構形以使該陽極排氣之該第一部分再循環至該燃料導管中。
  12. 如請求項9之系統，其中： 該水注射器進一步包括連接至該燃料導管及該覆環之約束片；且 該等約束片經構形以支撐該注射器環，使得該注射器環安置於實質上水平面中。
  13. 如請求項12之系統，其中： 該等約束片經構形以防止水累積於該注射器環之外表面上之單一位置處；且 該等約束片之最低點與該注射器環垂直重疊。
  14. 如請求項7之系統，其中該水注射器進一步包括：網或多孔材料，其安置於該注射器環下方且經構形以減少或防止水滴落至陽極復熱器上；及擋板，其安置於該注射器環下方，其中該擋板包括： 擋板環，其圍繞該燃料導管安置且與該注射器環垂直重疊；及 數個擋板片，其等自該擋板環延伸且經構形以對準該擋板環，使得該擋板環與注射器環垂直重疊。
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