專利名稱：燃料電池堆中的熱管理的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及燃料電池，且具體地涉及提高燃料電池堆中的熱梯度同時允許高燃料利用率。
背景技術：
燃料電池是包括電解質和在電解質的相對側上的相應電極(陽極和陰極)的電化學設備。燃料電池可采用各種不同的配置，包括平面的和管狀的。通過使燃料氣體流橫穿陽極并使助燃氣流橫穿陰極而在電極處產生電化學反應。在燃料是氫的最單純的反應形式中，結果是電和水以及熱，因為反應是放熱的。
為了產生有用數量的電，大量燃料電池成層地堆疊在一起，堆疊的燃料電池串聯地電連接，且負載電連接到堆的端部。將層串聯連接允許每層中的相同的電流/電流密度。多個這樣的堆可電連接在一起，但本發明特別涉及單獨的堆。可在堆的每層中設置多于一個燃料電池，一層(陣列)中的多個這樣的燃料電池并聯地電連接。堆中的相鄰的燃料電池或燃料電池的陣列可通過氣體分離器、隔板、集電器、密封物和可能的其它層部件而彼此分離。在平面燃料電池堆中，燃料電池和其它堆部件布置在端板之間，端板也可為燃料氣體和助燃氣的供應和排放提供歧管化功能。如上所述，燃料氣體可被供應到燃料電池作為氫，所述氫可選地從碳氫化合物或在適當的高溫燃料電池堆例如固體氧化物燃料電池(SOFC)堆或熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC )堆中預先重整(reform),燃料氣體可以可選地被供應作為在堆中重整的碳氫化合物例如天然氣。助燃氣可以是純氧，但更通常是空氣。氣體通常通過燃料和助燃劑供應和排放歧管被供應到堆疊的多個燃料電池或燃料電池陣列并從多個燃料電池或燃料電池陣列排放，燃料和助燃劑分布通道分別對陽極和陰極開放。碳氫化合物重整以提供氫作為燃料是吸熱反應，該反應如果在堆中被執行則被高溫O 650°C)燃料電池的陽極上的燃料的放熱氧化支持。需要小心避免來自吸熱重整反應的過度冷卻。在燃料電池堆中的電產生的高效率需要高燃料利用率——例如高達供應到陽極的在燃料電池反應中被氧化的燃料的80%到95%。100%燃料利用率或接近于其并不導致高效率，因為電池電壓趨于崩潰。如果存在對任何一個燃料電池的不足的燃料供應，則該燃料電池可氧化并引起電池的故障和最終引起堆的故障。到每個單獨的電池或陣列的燃料流由電池/陣列的燃料供應通道例如氣體連接器中的通道兩端的壓力降控制，并因此由制造容差確定。制造成本隨著制造過程的較高準確度明顯增加。為了實現比如90%的燃料利用率，流變化需要充分低于10%，這將需要非常高的精度，且因此在一個實施方式中需要昂貴的氣體分離器來避免電池和堆故障。只有流變化是已知的且在操作中被考慮了，才能避免由于單獨的電池/陣列的過度利用而引起的故障。例如，如果流變化(由于制造容差和熱效應)對于兩層堆是±20%且如果電池可在高達95%的燃料利用率下操作，則堆的總燃料利用率不能超過76%，以便避免歸因于過度利用的損壞。針對上述情況的單獨的燃料利用率對于低燃料流層將是95%，而對于高燃料流層將是63%。由于性能變化引起的燃料電池堆的故障容差或一個燃料電池的其它故障可通過使用堆中的燃料電池的陣列來減輕，但額外的燃料氣體總是必須被供應到燃料電池，以便最小化燃料電池氧化的風險。這個做法的結果是，在從燃料電池排放的燃料氣體中存在未使用的燃料，也就是說，單獨的燃料電池和燃料電池陣列以相對低的燃料利用率運行。在不同的電池/陣列中的燃料利用率的可變性也將導致變化的熱分布——在具有較高的燃料利用率的電池/陣列中的較高的熱梯度，反之亦然。這也可能是堆故障的原因之一或將至少限制最大燃料利用率以避免故障。為了提高總燃料利用率，且因此提高燃料電池堆的效率，提出了再利用燃料電池堆的燃料廢氣并將它與最新供應的燃料氣體混合。這種方法的主要優點是，在每個電池/陣列內的實際燃料利用率減小了，而總利用 率可以非常高，這取決于再利用率。這也有將作為燃料電池反應的產物的蒸汽引入到最新供應的燃料氣體的優點。蒸汽對在內部將碳氫化合物重整為氫燃料是必要的，且再利用燃料廢氣意味著最新供應的燃料氣體需要較少的添加的蒸汽。見例如WO 2003/019707。還提出了通過使用來自一個或多個堆的燃料廢氣作為供應到另一堆的燃料氣體來提高包括多堆燃料電池的燃料電池系統的總燃料利用率。一個這樣的提議是在EP0263052中,其中描述了兩個實施方式在第一實施方式中，來自第一級中的兩個燃料電池堆的燃料氣體廢氣被組合并用作對第二級中的第三堆的燃料氣體供應；以及在第二實施方式中，來自一個堆(級I)的燃料氣體廢氣用作對第二堆(級2)的燃料氣體供應，且來自該堆的燃料氣體廢氣用作對第三堆(級3)的燃料氣體供應。該提議在US7108929中被描述為“從一級到下一級的多個反應劑輸送管線的使用，這可能變得復雜并需要復雜的輸送管線組件”。US 7108929目的在于整體的歧管組件，其用于控制多個燃料電池堆之間的反應氣流的流量，且特別是用于組合來自第一級中的多個燃料電池堆的燃料氣體廢氣并將組合的來自第一級的燃料氣體廢氣供應到第二級中的至少一個另外的燃料電池堆。US 7482073還公開了具有從一堆到另一堆的燃料廢氣利用率的多堆布置。在所述實施方式中，來自第一級中的三個并聯堆的燃料廢氣被組合并用作對第二級中的第四堆的燃料供應氣體。來自第四堆的燃料廢氣用作對第三級中的第五堆的燃料供應氣體，以及來自該堆的燃料廢氣用作對第四級中的第六堆的燃料供應氣體。在這個提議中不需要燃料氣體的重整，因為它被密閉地密封并使用氫作為燃料和使用純O2作為助燃劑。水從每級之間的燃料廢氣冷凝。使用來自第一級中的一個或多個燃料電池堆的燃料廢氣作為對第二級中的另一堆的燃料供應氣體等具有允許單獨的燃料電池堆中的燃料利用率減小并因此允許制造容差降低和成本減小同時提供相對高的總燃料利用率的優點。然而，在不同級中的堆可能在不同的溫度運行，除非它們被特別設計成這么做，否則這將影響它們的有用壽命和它們的性能。此外，將燃料廢氣從一堆轉移到另一堆需要更復雜的歧管化。此外，需要針對每堆的單獨的電流控制或額外的配線，在任一情況下有較高的相關成本，且在后面的情況下，有增加的堆的電短路風險和潛在的較高的熱損耗。US 6033794還公開了在一般壓力容器中示出的多級燃料電池系統，其中每級包括一堆燃料電池，且來自任一堆的燃料廢氣用作對下一后續堆的燃料供應氣體，但在這種情況下系統被設計成適應每級的不同操作溫度。這通過由不同的材料制成的每個級來實現，明顯增加了系統的復雜性。與正常堆比較，該提議確實允許更高的燃料利用率，但僅在以隨后的級中且因此在隨后的堆中的較低電流密度為代價的前提下實現。例如，級I和級2都以50%的燃料利用率運行，導致75%的總燃料利用率，但級2將以電流密度的一半運行，因為它只有可用燃料流的25%。與前述已有提議(其中來自多堆布置中的一堆的燃料廢氣作為燃料供應到下一后續堆)相反，US 5478662 (相應于在上面的US 7482073提到的EP 0596366)描述了包括連續的多級的燃料電池塊或堆。在該提議中的每個級包括聚集在一起的多個燃料電池(可選地，在最后一級中有單個燃料電池)，來自任一級的一些燃料廢氣連同新鮮的燃料氣體一起在沿著堆的下一后續級中用作燃料供應氣體。來自任一級的燃料廢氣的其余部分被排出以移除沿著燃料氣體流動路徑逐漸積聚的水和惰性氣體組分。這個布置導致提高的燃料利用率，但只作為惰性氣體和額外的新鮮燃料氣體排出的結果。因此，每個級中的燃料電池中的電化學反應可以采用的燃料的量可保持不變，或至少類似，但總燃料流量由于增加的反應產物數量而必須增加。 由于遍及燃料電池的燃料流變化，溫度梯度在燃料電池堆中和燃料電池堆之間產生，導致不同的電池電壓。在高溫SOFC或MCFC堆中，溫度梯度也可能由于在該堆或每堆內的碳氫化合物燃料重整的不同水平以及由于熱損耗中的差異而產生。在高溫燃料電池系統特別是SOFC系統中，沿著和遍及燃料電池堆的這樣的溫度差異或梯度可導致沿著堆的變化的熱膨脹引起的應力以及部件的因而引起的破裂和故障。提供能夠以高燃料利用率操作同時減輕沿著堆的溫度差異并因此減輕差異化的熱膨脹引起的應力的燃料電池堆或燃料電池陣列將是合乎需要的。發明概述根據本發明，提供了燃料電池組件，其包括多個燃料電池陣列的堆，每個燃料電池陣列包括一個或多個燃料電池，且每個燃料電池包括電解質層、在電解質層的一側上的陽極層以及在電解質層的相對側上的陰極層，所述堆還包括對堆中的燃料電池的陽極層開放的燃料氣體分布通道；一個或多個燃料供應歧管，其用于將燃料氣體供應到堆中的燃料氣體分布通道；燃料電池陣列，其包括至少第一級燃料電池陣列和第二級燃料電池陣列，第一級燃料電池陣列具有連接到一個或多個燃料氣體供應歧管以直接從其接收燃料氣體的相關的第一燃料氣體分布通道，而第二級燃料電池陣列具有布置成從第一級燃料電池陣列的燃料電池接收燃料廢氣的相關的第二燃料氣體分布通道，用于將所述燃料廢氣供應到堆中的第二級燃料電池陣列的燃料電池；以及其中第一級和第二級燃料電池陣列中的至少一個包括在堆中布置在第一級和第二級燃料電池陣列中的另一個的燃料電池陣列之間的燃料電池陣列。通過本發明，通過使用來自第一級燃料電池陣列的燃料廢氣供應到至少第二級燃料電池陣列中，在總體堆中可實現高燃料利用率且因此實現高燃料電池效率。這可被實現，同時使用可容易獲得的燃料例如預先重整的天然氣來維持在級中的相同或相似的電流密度。因為在單獨的燃料電池陣列中使用相對低的燃料利用率的情況下可實現高燃料利用率，因此可減小燃料氣體分布通道中的容差，從而減小制造成本。沿著堆的減小的溫度梯度一與堆(其中所有第一級燃料電池陣列都在該堆的一端處以及所有第二級燃料電池陣列都在該堆的相對端處)比較一通過提供第一級和第二級燃料電池陣列中的至少一個以包括布置在第一級和第二級燃料電池陣列中的另一個的燃料電池陣列之間的堆中的燃料電池陣列來實現，從而提高沿著堆的熱傳遞和熱平衡。在這樣的布置中，第一級和第二級燃料電池陣列中的每個的燃料電池陣列布置在堆中，以便不都彼此相鄰。第一級和第二級燃料電池陣列中的一個的燃料電池陣列中的一個或多個在第一級和第二級燃料電池陣列中的另一個的兩個燃料電池陣列之間交錯的布置允許不同級的相鄰的燃料電池陣列之間的熱傳遞，并因此允許沿著堆的減小的熱梯度。這樣的交錯可以在堆中重復以進一步減小熱梯度，在這種情況下，第一級和第二級燃料電池陣列中的每個可包括在堆中布置在另一級的燃料電池陣列之間的燃料電池陣列。在一個實施方式中，第一級和第二級燃料電池陣列中的一個的每個燃料電池陣列布置成相鄰于第一級和第二級燃料電池陣列中的另一個的至少一個燃料電池陣列。如在下文中所述的，也可在堆中提供第三級和甚至第四級燃料電池陣列，每個第三級燃料電池陣列接收來自第二級燃料電池陣列的燃料廢氣，且每個第四級燃料電池陣列 接收來自第三級燃料電池陣列的燃料廢氣。所謂“相鄰于第一和第二級燃料電池陣列中的另一個的至少一個燃料電池陣列”在前述實施方式中意指沒有同一級的其它燃料電池陣列布置在所述燃料電池陣列之間的堆中。如也在下文中所述的，其它堆部件可布置在相鄰的燃料電池陣列之間。在本發明中，優選地，每個燃料電池陣列包括并聯連接的多個燃料電池，例如兩個、三個或四個或更多個。與單個燃料電池相比，這有如果一個燃料電池具有降低的性能或出故障則降低堆出故障的風險或減小單獨的燃料電池的成本以及減小熱應力的優點。在陣列中的因而產生的更均勻的溫度可導致提高的燃料電池性能和壽命。在這樣的陣列中的單獨的燃料電池的成本和熱應力可能由于其較小的尺寸而減小。由于與另一級比較在一級中的燃料流成分變化和不同的電壓水平，溫度差異可能在不同級的燃料電池陣列之間產生。然而，在高溫燃料電池系統的一個實施方式中，第一級燃料電池陣列中的至少一些具有陽極層和/或相關的第一燃料氣體分布通道，其包括用于蒸汽重整為氫或在接觸所述陽極層和/或第一燃料氣體分布通道的燃料氣體中的其它反應氣體碳氫化合物的蒸汽重整催化劑。如上所述，蒸汽重整反應是吸熱的，結果是，那些第一級燃料電池陣列可以在比任何相鄰的后續級燃料電池陣列低的溫度處。燃料氣體的減小的蒸汽重整將在隨后的燃料電池陣列中被執行，即使它們包括重整催化劑(它們可具有與第一級燃料電池陣列相同的結構和材料)，因為碳氫化合物燃料氣體對于在第一級燃料電池陣列中的燃料電池反應已經被蒸汽重整到至少較大的程度。通常，在第一級燃料電池陣列中的碳氫化合物燃料的蒸汽重整將至少完成75%，但在有效的系統中可以至少完成90%。更優選地，這個重整率是99%或更大，但它可能在燃料電池堆的使用期內隨著時間而降低。在另一實施方式中，燃料電池堆還包括在一些相鄰的燃料電池陣列之間的特定的蒸汽重整的非燃料電池層，用于使內部蒸汽重整反應除了在一些或所有第一級燃料電池陣列和/或第一燃料氣體分布通道中發生以外還發生在那里。這樣的非燃料電池重整層可基本上包括鎳或其它重整催化劑。因為沒有放熱燃料電池反應將發生在這樣的層中，它們將不被直接加熱，并將從相鄰的燃料電池陣列吸收熱。由于這個原因，不多于一個這樣的層應布置在相鄰的燃料電池陣列之間。每個蒸汽重整的非燃料電池層可布置在兩個第一級燃料電池陣列之間、一個第一級燃料電池陣列和一個后續級燃料電池陣列之間、或兩個后續級燃料電池陣列(其可以是相同或不同的級)之間。允許一些內部蒸汽重整由非燃料電池層執行可允許第一級燃料電池陣列的數量相對于在沒有這樣的非燃料電池重整層的內部重整堆減小。在包括蒸汽重整的非燃料電池層的實施方式中，這樣的層將從一個或多個燃料氣體供應歧管接收燃料氣體，并將蒸汽重整的燃料氣體供應到第一級燃料電池陣列，且在本文使用的短語“直接從其接收燃料氣體”應被相應地解釋。因此，短語“具有連接到一個或多個燃料氣體供應歧管以直接從其接收燃料氣體的相關的第一燃料氣體分布通道的第一級燃料電池陣列”意指第一燃料氣體分布通道所接收的燃料氣體不穿過與堆中的任何其它燃料電池陣列相關的燃料氣體分布通道。
對第二級燃料電池陣列的每個燃料電池的陽極層開放的第二燃料氣體分布通道的入口側可直接連接到對第一級燃料電池陣列的至少兩個燃料電池的陽極層開放的第一燃料氣體分布通道的排氣側。可選地且在更優選的實施方式中，至少一個燃料歧管設置在第二燃料氣體分布通道的入口側和第一燃料氣體分布通道的排氣側之間以向一些或所有第二燃料氣體分布通道供應來自一些或所有第一燃料氣體分布通道的燃料廢氣。這個設置的優點包括來自第一燃料氣體分布通道的燃料廢氣的較大混合，由于平衡流變化和在任何第一級燃料電池或燃料電池陣列中產生的故障的較大容差而為堆提供較大的可靠性。在這個實施方式中，所述至少一個燃料歧管可包括連接到燃料廢氣入口歧管的燃料廢氣排放歧管，由此，來自一些或所有第一燃料氣體分布通道的燃料廢氣在一個方向上穿過燃料廢氣排放歧管而在相反的方向上穿過燃料廢氣入口歧管到達一些或所有第二燃料氣體分布通道。燃料廢氣出口歧管和入口歧管可在堆的端板中被連接。在垂直堆中，優選地，所述一個方向是向上，而所述相反的方向是向下。這將具有每級內的單獨層的燃料流分布方面的優點，并可具有沿著堆的熱梯度優點。有利地，穿過一個或多個燃料供應歧管的燃料氣體的流動方向也是所述一個方向，所以對第一燃料氣體分布通道的燃料供應在與來自這些通道的廢氣相同的方向上。優選地，對每個后續級的燃料氣體分布通道的歧管燃料氣體供應在與來自這些通道的歧管燃料廢氣流相同的方向上，且對于至少第二燃料氣體分布通道，與到前一級的燃料電池陣列的相應流相反。這個布置幫助向堆中的各種層提供均勻的燃料分布。到第二級和任何后續級的歧管燃料廢氣供應方便地在相同的方向上。第一級和第二級燃料電池陣列以及后續級陣列(其中它們存在于堆中)的特定布置將取決于堆中所需的熱平衡，且因此取決于在每個陣列處的預期燃料利用率和將在每個陣列中執行的反應以及任何蒸汽重整的非燃料電池層的存在和位置。然而，在一個實施方式中，每個第二級燃料電池陣列在堆中布置在相應的兩個第一級燃料電池陣列之間。在一個例子中，在堆的至少一部分中，存在三個第一級燃料電池陣列和一個第二級燃料電池陣列的重復模式。在另一例子中，在堆的至少一部分中，存在四個第一級燃料電池陣列和一個第二級燃料電池陣列的重復模式。這樣的重復模式或任何其它重復模式可在整個堆中擴展。可選地，在堆的第一半中比在堆的第二半中可能有更大數量的第二級燃料電池陣列。例如，第一半可以是在垂直堆中的底部半部分，其中蒸汽重整在第一級燃料電池陣列中執行。在這個布置中，在堆的頂部半部分中的相對較大數量的第一級燃料電池陣列將提供堆的頂部半部分的增加的冷卻。此外在這個布置中或在另一布置中，朝著堆的端部比在堆之間可能有相對更少的重整的第一級燃料電池陣列，因為來自堆的熱損耗將一般朝著端部更高。每個端部分可包括堆的長度的相應25%，而堆之間的部分可包括堆的長度的中央50%。在這個布置的實施方式中，在堆的每端四分之一中的第二級燃料電池陣列的比例是堆的中央半部分中的至少兩倍大。在這個布置的一個例子中，與在中央部分中的6:1比較，在堆的端部分中的第一級與第二輯燃料電池陣列之比可以是大約2:1。按照第一級燃料電池陣列之間的第二級燃料電池陣列的間隔，相應端的堆的兩半可以是彼此的鏡像。在垂直堆中，在這個和其它實施方式中，在堆的高度的大約一半處或大約三分之二處或在堆的大約一半和大約三分之二之間第一級燃料電池陣列的密度可能最大。在一個實施方式中，所有第二燃料氣體分布通道連接到至少一個燃料廢氣歧管用于，引導來自第二級燃料電池陣列的燃料廢氣，和因此將來自第二級燃料氣體分布通道的排氣側的燃料廢氣引導到堆的外部，或用于使堆再利用該燃料廢氣。 可選地，如上所述和在另一實施方式中，燃料電池陣列還包括具有相關的第三燃料氣體分布通道的至少一個第三級燃料電池陣列，第三燃料氣體分布通道布置成接收來自第二級燃料電池陣列的燃料電池的燃料廢氣用于將所述燃料廢氣供應到堆中的一個或多個第三級燃料電池陣列的燃料電池。在這個其它實施方式中，至少一個燃料歧管可設置在第三燃料氣體分布通道的入口側和第二燃料氣體分布通道的出口側之間以將來自第二燃料氣體分布通道的燃料廢氣供應到第三燃料氣體分布通道。在第二和第三燃料氣體分布通道之間的至少一個燃料歧管可包括連接到燃料廢氣入口歧管的燃料廢氣出口歧管，由此，來自第二燃料氣體分布通道的燃料廢氣優選地在垂直堆中向下的一個方向上穿過燃料廢氣出口歧管和在相反的方向上或更方便地在同一方向上穿過燃料廢氣入口歧管到達第三氣體分布通道。這些燃料廢氣出口歧管和入口歧管可連接在堆的端板中。在一個實施方式中，每個第三級燃料電池陣列可相鄰于至少一個第一級燃料電池陣列例如在兩個第一級燃料電池陣列之間布置在堆中。在這個其它實施方式的一個布置中，所有第二級燃料電池陣列朝著堆的第一端例如垂直堆中的頂端布置，而所有第三級燃料電池陣列朝著堆的第二相對端布置。在這個布置的一個例子中，在所述第二相對端處給堆提供燃料氣體，燃料氣體接著穿過所述一個或多個燃料供應歧管而被輸送。 在兩級堆中的第一級燃料電池陣列的數量可以例如在堆中的燃料電池陣列的總數的64%到82%的范圍內。在三級堆中的第一級燃料電池陣列的數量可以例如在堆中的燃料電池陣列的總數的50%到70%的范圍內。在三級堆中的第二級燃料電池陣列的數量可以例如在堆中的燃料電池陣列的總數的31%到23%的范圍內。在三級堆中的第三級燃料電池陣列的數量可以例如在堆中的燃料電池陣列的總數的19%到7%的范圍內。
堆還可包括至少一個第四級燃料電池陣列和可選地至少一個甚至更遠的一級燃料電池陣列，其具有布置成接收來自前一級的一個或多個陣列的燃料電池的燃料廢氣的相關的燃料氣體分布通道。最后一級的單個燃料電池陣列可充當除氣級(scavengingstage)。在一個實施方式中，蒸汽提取器連接在最后一級的一個或多個燃料電池陣列的燃料氣體分布通道和倒數第二級燃料電池陣列的燃料氣體分布通道之間以在將燃料廢氣供應到倒數第二級燃料電池陣列的燃料氣體分布通道之前冷凝來自從倒數第二級燃料電池陣列的燃料氣體分布通道接收的所述燃料廢氣的蒸汽。因此，在兩級燃料電池堆中，蒸汽提取器連接在第一燃料氣體分布通道和第二燃料氣體分布通道之間以在將燃料廢氣供應到第二燃料氣體分布通道之前冷凝來自從第一燃料氣體分布通道接收的所述燃料廢氣的蒸汽。在三極燃料電池堆中，蒸汽提取器連接在第二燃料氣體分布通道和第三燃料氣體分布通道之間以在將燃料廢氣供應到第三燃料氣體分布通道之前冷凝來自從第二燃料氣體分布通道接收的所述燃料廢氣的蒸汽，依此類推。額外的蒸汽提取器可設置在多級堆中的另 兩個其它級的燃料電池陣列的燃料氣體分布通道之間。從供應到第二級和/或后續級燃料電池陣列的燃料移除水增加了該燃料的能斯脫電壓，并因此增加了堆電壓以及堆效率。附圖的簡要說明現在將參考附圖通過例子描述根據本發明的燃料電池組件的一個實施方式，在附圖中圖I是包含平面固體氧化物燃料電池堆的基本燃料電池發電系統的示意圖；圖2是根據本發明的固體氧化物燃料電池堆的一部分的示意性分解圖；圖3是根據本發明的固體氧化物燃料電池堆的另一透視局部視圖；圖4是圖3的堆的互連的助燃劑側的透視圖；圖5 Ca)是圖4的一種類型的互連的燃料側的局部平面圖；圖5 (b)是圖4的另一類型的互連的燃料側的局部平面圖；圖6是圖3的堆的蓋板的透視圖；圖7是根據本發明的燃料電池堆的和歧管化的各種板的一個布置的示意性正視圖；圖8類似于圖7但是另一布置的視圖；圖9示意性示出根據本發明的一種類型的燃料電池堆的燃料側的歧管化；

圖10是根據本發明的類似于圖9但是另一類型的燃料電池堆的視圖；圖11是根據本發明的表示燃料電池堆中的燃料利用率的曲線；以及圖12和13是分別表示針對實例I和4的堆的沿著堆和從燃料氣體入口到燃料廢氣出口橫穿燃料電池的溫度分布。附圖的詳細描述本發明涉及燃料電池堆，其中通過使用來自堆中的一些燃料電池的燃料廢氣作為供應到堆中的其它燃料電池的燃料來提高總燃料利用率。根據本發明，通過混合沿著堆的不同燃料電池層使得不是所有的向其它燃料電池供應燃料廢氣的燃料電池層和/或不是所有的從其它燃料電池接收燃料廢氣的燃料電池層都彼此相鄰，來減小例如從堆的單獨的燃料電池層中的不同電壓和/或從堆中的層的不同功能產生的沿著堆的熱梯度。
本發明適用于燃料電池被分層設置的任何類型的燃料電池堆，但特別適合于高溫燃料電池例如熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池的堆，在所述燃料電池中熱梯度可能較大。此外，在高溫燃料電池堆中，可能在堆內將碳氫化合物源例如甲烷或天然氣重整為氫。本發明對這樣的燃料電池堆特別有利，其中發生重整，因為重整是吸熱的，且因此從燃料電池移除熱。為了方便，將在下文中參考設計成在出口處在從大約750°C起的工作溫度處操作的平面固體氧化物燃料電池堆來描述本發明。在出口處的優選操作溫度范圍為從大約750°C到大約830°C。現在參考圖1，示出了包括燃料電池堆12的燃料電池系統10。燃料和助燃劑分別在14和16處供應到燃料電池堆12。燃料源18是通過噴射泵文氏管設備22輸送到蒸汽預重整器24的天然氣。預重整器24的蒸汽通過導管26提供并與文氏管設備22中的天然氣混合。蒸汽在熱交換蒸汽發生器28中形成，來自蒸汽發生器的水從供水裝置30得到。
在預重整器24中的鎳催化劑上的升高的溫度處進行的蒸汽重整部分地將碳氫化合物燃料轉換成氫和碳氧化物。在預重整器24中的重整程度是溫度和蒸汽與碳之比的函數，但反應是吸熱的，且從預重整器供應到堆12的燃料入口 14的燃料在熱交換器28中被預先加熱。用作助燃劑46的空氣也在熱交換器28中被加熱之后輸送到燃料電池堆12。燃料電池堆12的細節沒有在圖I中示出，但它包括燃料電池和氣體分離器的交替層，端板在堆的端部處。燃料電池包括電解質材料的充分稠密的層，陰極材料的多孔層和陽極材料的多孔層在相對側上。在固體氧化物燃料電池中，電解質材料可以是摻釔氧化鋯，而陰極材料可以是錳酸鑭鍶以及陽極材料是鋯鎳金屬陶瓷。這樣的燃料電池堆在其它地方被很好地記載。氣體分離板分離燃料電池，且特別是分離供應到一個燃料電池的陽極材料的燃料氣體與供應到相鄰的燃料電池的陰極材料的助燃氣。氣體分離板和端板方便地具有在其中形成的在相對面上的凹槽或通道用于分布分別穿過相鄰燃料電池的陽極材料和陰極材料的燃料氣體和助燃氣，但可使用其它形式的氣體分布。氣體分離器可由各種不同的材料形成，但如果它們是導電的，則它們可充當輸送端板之間的堆中的燃料電池所產生的電的互連件。在一個實施方式中，互連件由鐵素體不銹鋼例如來自Hitachi Metals公司的ZMG232L 形成。可使用能夠在從大約750°C起的燃料電池堆的升高的操作溫度處維持密封功能的玻璃密封物在堆中將交替的燃料電池板和互連板以及端板密封在一起。在這個溫度處，供應到堆12的燃料入口 14的在蒸汽預重整器24中未被蒸汽重整的碳氫化合物可以通過與鎳陽極材料和/或與布置在到燃料電池的陽極材料的燃料氣體供應通道中的鎳的催化反應在堆中被內部蒸汽重整，燃料氣體供應通道包括在氣體分離板和一個端板中形成的燃料供應凹槽或通道。 在燃料中的氫和在助燃劑中的氧分別在燃料電池陽極和陰極處被氧化和還原，通過堆12中的燃料電池的電解質材料產生離子導電，其通過流經被轉移的堆的電流來平衡。如在下文中描述的，在所示實施方式中，橫穿每個燃料電池的相應側的在堆中的燃料氣流和助燃氣流根據燃料電池陣列的級本質上都同向流動(即，都在同一方向上)，或同向流動和反向流動(即，在相反的方向上)的混合。然而，流可以同向流動、反向流動或橫向流動(即，彼此成直角)。可選地，流動方向可以根據在堆中的位置來改變。例如，在一個實施方式中，在堆中的燃料電池陣列的從底部起的前12層可同向流動，而其余部分可反向流動以進一步提聞熱梯度。圖I只示出一個堆12，但燃料電池系統可包括串聯或并聯連接的多個堆12。來自圖示的燃料電池堆12的廢氣燃料氣體和助燃氣由導管52和53輸送到燃料器54用于燃料氣體的燃燒。來自燃燒器54的燃燒廢氣62由導管64輸送到熱交換器28以為蒸汽發生器提供熱以及用于加熱供應到燃料電池堆的預先重整的燃料和助燃劑。燃料電池廢氣且因此燃燒廢氣62包含蒸汽。現在參考圖2，以分解形式并只使用一些部件示意性示出了根據本發明的固體氧化物燃料電池堆100的上部分。為了清楚起見，附圖僅示出堆的三個最 上面的氣體分離板102、歧管端板104和頂板106。為了清楚起見，在相鄰的氣體分離板102之間以及在歧管端板104和相鄰的氣體分離板102之間存在的燃料電池板從附圖中省略，其它部件例如隔板和密封物以及到和橫穿氣體分離板102和歧管端板104的所示出的板的相對側的氣流也被省略。所有的燃料電池都是相同的，且在圖2所示的實施方式中，每個燃料電池板只包括單個燃料電池，而不是多個燃料電池的陣列。如所示，存在兩種類型的氣體分離板——兩個第一級板102a (上面的第一級板與歧管端板104相鄰)和在氣體分離板102a之間交錯的第二級氣體分離板102b。所示堆的燃料側在內部歧管化，穿過氣體分離板的對準的開口 108用于燃料供應歧管，穿過氣體分離板102的對準的開口 110用于燃料廢氣出口歧管，穿過氣體分離板102的對準的開口 112用于燃料廢氣入口歧管，以及對準的開口 114用于燃料廢氣歧管。這些開口也將延伸穿過堆中的其它氣體分離板以及任何隔板或蓋板，并可延伸穿過燃料電池板。每個氣體分離板102具有橫穿其的、將燃料供應腔118連接到燃料廢氣腔120的平行通道116。通道116在肋122之間形成，但都被示意性地示出。通道116設計成充當燃料氣體分布通道以將燃料分布在與每個氣體分離板102的側面相鄰的相應的燃料電池的陽極中，將燃料氣體傳送到陽極并從陽極傳送燃料氣體。在氣體分離板102a中，燃料供應腔118連接到形成燃料供應歧管的開口 108，而燃料廢氣腔120連接到形成燃料廢氣出口歧管的開口 110。另一方面，在氣體分離板102b中，燃料供應腔118連接到形成燃料廢氣入口歧管的開口 112，而燃料廢氣腔120連接到形成燃料廢氣歧管的開口 114。如箭頭124所示的，燃料供應在進入每個氣體分離板102a的燃料供應腔118之前從堆的底部向上穿過開口 108。同樣，如箭頭126所示的，來自氣體分離板102a的燃料廢氣從那些板的燃料廢氣腔120進入開口 110中，并向上穿過由那些開口形成的燃料廢氣出口歧管。在堆的頂部處，來自氣體分離板102a的燃料廢氣在通過歧管端板104中的對準的第二開口 132進入由氣體分離板中的開口 112形成的燃料廢氣入口歧管之前穿過歧管端板104中的與氣體分離板中的開口 110對準的第一開口 128并在通道130中橫穿那塊板。頂板106關閉通道130。來自氣體分離板102a的燃料廢氣接著向下穿過由開口 112形成的燃料廢氣入口歧管，并進入通過該板中的開口 112進入氣體分離板102b的燃料供應腔118。穿過開口 112的燃料廢氣的向下流動由箭頭134表示。來自氣體分離板102b的燃料廢氣通過開口 114從腔120進入燃料廢氣歧管中，并繼續向下到達堆的底部，如箭頭136所示的。實際上，因此，可以是天然氣或其它碳氫化合物并可以部分地被預先重整的燃料通過開口 108和在氣體分離板102a中的燃料供應腔118進入那些板中的第一燃料氣體分布通道116，其中它接觸相應的相鄰燃料電池板的陽極并在陽極上和陽極/電解質界面處起反應。在陽極上，燃料在內部重整為氫和碳氧化物，且氫接著在燃料電池的升高的操作溫度在陽極/電解質界面處被氧化，而在燃料電池(未示出)的另一側上的空氣或其它助燃劑中的氧被還原，一起引起穿過電解質的離子電流。雖然燃料電池氧化/還原反應是放熱的，但內部重整反應是吸熱的，導致氣體分離板102a和相鄰的燃料電池的相對冷卻。來自這些反應的燃料廢氣通過燃料廢氣腔120和開口 110從第一燃料氣體分布通 道116的出口側進入燃料廢氣出口歧管一直到堆的頂部，如箭頭126所示的，在堆的頂部中，它在歧管端板104中反轉方向并向下穿過由開口 112形成的燃料廢氣入口歧管，如箭頭134所示的。在氣體分離板102b處，來自第一級氣體分離板102a和相關燃料電池的燃料廢氣從相應的開口 112進入燃料供應腔118和該板的第二燃料氣體分布通道116，其中它接觸相應的相鄰的燃料電池板的陽極并在陽極上和陽極/電解質界面處起反應。因為在來自第一燃料氣體分布通道116的燃料廢氣中的至少大部分其余燃料已經被內部重整，在與氣體分離板102b的第二燃料氣體分布通道相關的陽極處的內部重整的量相對小，有相應的有限的冷卻程度。另一方面，因為在來自第一燃料氣體分布通道116的燃料廢氣中有足夠的殘留燃料，當氧氣被供應到相關的燃料電池的陰極側時，相同的燃料電池反應將發生。因此，在氣體分離板102b的第二燃料氣體分布通道116處的反應與在與氣體分離板102a的燃料氣體分布通道116相關的燃料電池處的反應相同，除了將有較少的內部重整且因此有較弱的冷卻效果以外。因此在與氣體分離板102b相關的燃料電池和與氣體分離板102a相關的燃料電池之間有溫度梯度。來自氣體分離板102b中的第二燃料氣體分布通道116的燃料廢氣通過氣體分離板102b中的燃料廢氣腔120和開口 114進入由對準的開口 114形成的燃料廢氣歧管一直到堆的底部，如箭頭136所示的，并從堆排出。通過使第二級氣體分離板102b和相關的燃料電池交錯在兩個第一級冷卻氣體分離板102a和相關的燃料電池之間來減輕前述溫度梯度。減輕溫度梯度在第一級和第二級部件之間的熱膨脹差異方面可能有明顯的優點，從而增加燃料電池堆的壽命并提高其性倉泛。這個交錯的布置可在各種布置中在燃料電池板和相應的氣體分離板的整個堆中重復，使得第一級氣體分離板和相關燃料電池在堆中布置在兩個第二級氣體分離板和相關燃料電池之間，或第二級氣體分離板和相關燃料電池在堆中布置在兩個第一級氣體分離板和相關燃料電池之間，或兩者。這些布置的一些例子在表I中針對51層堆不出，其中si表不氣體分離板和相關燃料電池板的級I層，而s2表示包括第二級氣體分離板和相關燃料電池板的級2層。實例5中的s3表示氣體分離板和相關燃料電池板的級3層。在下文中描述表I中的每個實例。表I
權利要求
1.一種燃料電池組件，其包括 多個燃料電池陣列的堆，每個燃料電池陣列包括一個或多個燃料電池，且每個燃料電池包括電解質層、在所述電解質層的一側上的陽極層以及在所述電解質層的相對側上的陰極層，所述堆還包括對所述堆中的所述燃料電池的所述陽極層開放的燃料氣體分布通道； 一個或多個燃料供應歧管，其用于將燃料氣體供應到所述堆中的燃料氣體分布通道； 燃料電池陣列，其包括至少第一級燃料電池陣列和第二級燃料電池陣列，所述第一級燃料電池陣列具有連接到所述一個或多個燃料氣體供應歧管以直接從其接收燃料氣體的相關的第一燃料氣體分布通道，而所述第二級燃料電池陣列具有布置成從所述第一級燃料電池陣列的燃料電池接收燃料廢氣的相關的第二燃料氣體分布通道，用于將所述燃料廢氣供應到所述堆中的所述第二級燃料電池陣列的燃料電池；以及 其中所述第一級燃料電池陣列和所述第二級燃料電池陣列中的至少一個包括在所述 堆中布置在所述第一級燃料電池陣列和所述第二級燃料電池陣列中的另一個的燃料電池陣列之間的燃料電池陣列。
2.如權利要求I所述的燃料電池組件，其中對所述第二級燃料電池陣列的每個燃料電池的陽極層開放的所述第二燃料氣體分布通道的入口側直接連接到對所述第一級燃料電池陣列的至少兩個燃料電池的陽極層開放的所述第一燃料氣體分布通道的排氣側。
3.如權利要求I所述的燃料電池組件，其中至少一個燃料歧管設置在所述第二燃料氣體分布通道的入口側和所述第一燃料氣體分布通道的排氣側之間以向多個第二燃料氣體分布通道供應來自多個第一燃料氣體分布通道的燃料廢氣。
4.如權利要求3所述的燃料電池組件，其中所述至少一個燃料歧管包括連接到燃料廢氣入口歧管的燃料廢氣排放歧管，由此，來自所述第一燃料氣體分布通道的燃料廢氣在一個方向上穿過所述燃料廢氣出口歧管而在相反的方向上沿著所述燃料廢氣入口歧管到達所述第二燃料氣體分布通道。
5.如前述權利要求中的任一項所述的燃料電池組件，其中所述第一級燃料電池陣列的燃料電池的陽極層和/或所述第一燃料氣體分布通道包括用于蒸汽重整在接觸所述陽極層的燃料氣體中的和/或在所述第一燃料氣體分布通道中的碳氫化合物的蒸汽重整催化劑。
6.如前述權利要求中的任一項所述的燃料電池組件，其中所述第一級燃料電池陣列和第二級燃料電池陣列中的一個的每個燃料電池陣列布置成相鄰于所述第一級燃料電池陣列和第二級燃料電池陣列中的另一個的至少一個燃料電池陣列。
7.如權利要求6所述的燃料電池組件，其中每個第二級燃料電池陣列在所述堆中布置在相應的兩個第一級燃料電池陣列之間。
8.如前述權利要求中的任一項所述的燃料電池組件，其中在所述堆的至少部分中，有三個第一級燃料電池陣列和一個第二級燃料電池陣列的重復模式。
9.如權利要求I到7中的任一項所述的燃料電池組件，其中在所述堆的至少部分中，有四個第一級燃料電池陣列和一個第二級燃料電池陣列的重復模式。
10.如前述權利要求中的任一項所述的燃料電池組件，其中在整個堆中有第一級燃料電池陣列和第二級燃料電池陣列的布置的重復模式。
11.如權利要求I到9中的任一項所述的燃料電池組件，其中在所述堆的第一半中比在所述堆的第二半中有更大數量的第二級燃料電池陣列。
12.如權利要求I到9中的任一項所述的燃料電池組件，其中在所述堆的中央半部分中比在所述堆的每端四分之一中有更小比例的第二級燃料電池陣列。
13.如權利要求12所述的燃料電池組件，其中在所述堆的每端四分之一中的第二級燃料電池陣列的比例是在所述堆的中央半部分中的至少兩倍大。
14.如前述權利要求中的任一項所述的燃料電池組件，其中在所述堆中的第一級燃料電池陣列的數量在所述堆中的燃料電池陣列的總數的64%到82%的范圍內。
15.如前述權利要求中的任一項所述的燃料電池組件，其中所有所述第二燃料氣體分布通道連接到至少一個燃料廢氣歧管用于將來自所述第二燃料氣體分布通道的燃料廢氣引導到所述堆的外部或用于使所述堆再利用所述燃料廢氣。
16.如權利要求I到13中的任一項所述的燃料電池組件，其中所述燃料電池陣列還包括具有相關的第三燃料氣體分布通道的至少一個第三級燃料電池陣列，所述第三燃料氣體分布通道布置成接收來自所述第二級燃料電池陣列的燃料電池的燃料廢氣用于將所述燃料廢氣供應到所述堆中的所述至少一個第三級燃料電池陣列的燃料電池。
17.如權利要求16所述的燃料電池組件，其中至少一個燃料歧管設置在所述第三燃料氣體分布通道的入口側和所述第二燃料氣體分布通道的出口側之間以將來自所述第二燃料氣體分布通道的燃料廢氣供應到所述第三燃料氣體分布通道。
18.如權利要求16或17所述的燃料電池組件，其中作為在所述堆中的第一級燃料電池陣列、第二級燃料電池陣列和第三級燃料電池陣列的總數的比例，所述第一級陣列包括50%到70%，所述第二級陣列包括31%到23%，以及所述第三級陣列包括19%到7%。
19.如權利要求16到18中的任一項所述的燃料電池組件，其中每個第三級燃料電池陣列在所述堆中布置成與至少一個第一級燃料電池陣列相鄰。
20.如權利要求19所述的燃料電池組件，其中每個第三級燃料電池陣列在所述堆中布置在兩個第一級燃料電池陣列之間。
21.如權利要求19或20所述的燃料電池組件，其中所有的所述第二級燃料電池陣列朝著所述堆的第一端而布置，以及所有的所述第三級燃料電池陣列朝著所述堆的第二端而布置。
22.如前述權利要求中的任一項所述的燃料電池組件，還包括蒸汽提取器，所述蒸汽提取器連接在最后一級燃料電池陣列的燃料氣體分布通道和倒數第二級燃料電池陣列的燃料氣體分布通道之間，以在將燃料廢氣供應到所述倒數第二級燃料電池陣列的所述燃料氣體分布通道之前冷凝來自從所述倒數第二級燃料電池陣列的所述燃料氣體分布通道接收的所述燃料廢氣的蒸汽。
全文摘要
一種燃料電池堆(300)包括一個或多個燃料電池(302)的多個陣列，每個燃料電池包括電解質層、陽極層和陰極層；在相鄰燃料電池之間的氣體分離板(304，306)；以及在相鄰燃料電池之間的助燃氣分布通道(308)和燃料氣體分布通道(312，318)；以及分別對燃料電池的陰極層和陽極層開放的氣體分離器。燃料電池陣列包括至少第一級燃料電池陣列和第二級燃料電池陣列，第一級燃料電池陣列具有從一個或多個燃料氣體供應歧管(310)接收燃料氣體的相關的第一燃料氣體分布通道(312)，而第二級燃料電池陣列具有從第一級燃料電池陣列的燃料電池接收燃料廢氣的相關的第二燃料氣體分布通道(318)。第二級燃料電池陣列在堆中交錯在第一級燃料電池陣列之間以提高熱梯度。其它交錯布置是可能的。
文檔編號H01M8/12GK102870264SQ201180019077
公開日2013年1月9日 申請日期2011年4月15日 優先權日2010年4月15日
發明者M·凱, R·博爾登 申請人:塞拉米克燃料電池有限公司