專利名稱：具有簡單燃料供應的內部重整的燃料電池組件的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池組件，特別是涉及使用內部重整的燃料電池組件。
背景技術：
已知通常所說的直接碳酸鹽燃料電池組件其中各組件把碳氫化合物燃料直接變換為直流電。在這些燃料電池組件中，燃料被內部重整以產生供燃料電池使用的氫。燃料電池產生的水與熱被重整反應使用。重整反應與燃料電池反應以熱量與質量變換聯系的方式進行使得可在原地得到由燃料電池產生的熱與水供重整反應使用。
出現了兩種不同類型的直接燃料電池組件。在美國專利號3488226中描述的直接內部重整組件中，重整催化劑放置在與電池環境直接保持聯系的每個燃料電池的陽極室內。在美國專利號4877693中描述的另一種間接內部重整組件中，大部分重整在設置于一個燃料電池堆的各型電池組之間的各重整單元的內部進行。一組電池典型地可包括5至15個燃料電池。重整單元與燃料電池保持熱聯系使重整反應能從鄰邊的電池吸取必要的熱量。
一種包括直接與間接內部重整二者的混合組件得到直接布置的好處(即高的燃料變換)與間接布置的好處(較長的催化劑壽命，較高的燃料電池性能，與較均勻的溫度分布)。在此混合組件中，在每個燃料電池的陽極室內放置重整催化劑，同時在各燃料電池組之間放置重整板。
美國專利號5175062描述一個用作直接內部重整的重整單元與它的同直接燃料電池組件的集成，直接燃料電池組件包括直接與間接內部重整的組合。’062專利的組件在可靠性與成本方面有一些優點，這些優點同燃料供應線路(管道)與重整單元的連接有關。
更詳細地說，燃料與蒸汽必須分配至每個重整單元。為此分配，一個實際尺寸的燃料電池組件需要30至40個連接。在’062專利中，這些連接通過將一個個進料管的一端與每個重整單元連接，另一端與燃料輸送集管連接而完成。由于各重整單元是帶電的，因此必須將它們同金屬的燃料供應集管電氣隔絕。’062專利利用供應線路中的介電斷口作為此用途。
可以理解，’062專利的燃料供應管道相對于其它氣流處于最高的壓力。由于它們的位置在燃料電池堆的外部，因此全部管道，包括它們在重整單元處與介電斷口處的連接，在燃料電池組的整個壽命期間必須完全防護氣體泄漏。在運輸與工作期間每個供應管路承受熱一機械應力，這一事實使得防護更為困難。因此，供應管路氣體泄漏防護的結構必須十分緊固耐用以加強可靠性。
用于供應管路電氣隔離的當前可使用的介電斷口包括同金屬過渡件連接的陶瓷管，為便于同供應管路的金屬管連接，通過釬焊處理。這些類型的配件成本昂貴，且不能定額到碳酸鹽燃料電池組件要求的＞500℃運行溫度，因為供連接金屬供應管與陶瓷配件用的釬焊化合物在這些溫度下不穩定。因此，在燃料電池組件的整個壽命期間這些連接的完全的氣體密封性得不到充分保證。

發明內容
因而，本發明的一個目的是提供一種具有內部重整并且有改進的燃料供應管路氣體泄漏防護的燃料電池組件。
根據本發明的原理，在一個燃料電池組件中實現了上述與其它目的，在此組件中燃料電池能內部重整燃料，同時在一個有多個表面的燃料電池堆中布置至少一個燃料重整裝置。燃料電池堆的一個表面上包括燃料氣體重整裝置的燃料入口與經重整的燃料出口及燃料電池的燃料入口。提供一個集流腔以密封閉合燃料電池堆的這一表面，而把一個供燃料重整裝置用的重整裝置燃料供應系統全部布置在此集流腔之內。
通過使重整裝置燃料供應系統位于集流腔之內，如果發生氣泄漏，燃料將被容納在集流腔之內因而仍能在組件的燃料電池中被重整與使用。由此使對于重整裝置燃料供應系統的氣體泄漏防護的制約變為明顯地較不重要。
在下面描述的燃料電池組件中，重整裝置燃料供應系統包括一個燃料供應集管和連接集管與組件的各燃料重整裝置的供應管路。每個供應管路包括彼此分隔的第一與第二供應管段，其中一個與集管連接而另一個與一個相應的重整裝置連接。一個陶瓷管橋接第一與第二供應管段并為供應管路提供電氣隔離。
供應管路還配有扇形的可旋轉端，即用于連接管路與各燃料重整裝置的過渡管道。第一與第二供應管段每個配有一個用于釋放應力的波紋管。


通過連同附圖閱讀下面的詳細說明，本發明的上述與其它特征及各方面將變為更加明白，這些附圖中圖1A表示一個根據本發明原理的燃料電池組件；圖1B表示帶有一個進一步的局部切除部分的圖1A的燃料電池組件，以表示燃料電池組件端板內的燃料輸入管；圖2更詳細地表示圖1燃料電池組件的重整裝置燃料供應系統；圖3更詳細地表示圖1A燃料電池組件的燃料重整裝置；與圖4與圖5表示圖3燃料重整裝置的2個區域的部件分解圖。
圖6以局部分方式表示圖3重整裝置。
具體實施例方式
圖1A表示根據本發明原理的燃料電池組件1。組件1包括一個含有標記為組11、12、13、14、15、16的分組排列的燃料電池的燃料電池堆2。電池組11-16每個包括若干個電池的組，每組中的電池數典型為5至15個。
電池組11-16中的燃料電池具有設置在燃料電池堆1的第一表面1A上的氧化劑氣體入口與設置在該堆的相對表面1B上的氧化劑氣體排氣出口。與此類似，電池組11-16中的燃料電池具有在堆1的另一表面1C上的燃料入口與在該堆的相對表面1D上的相應的燃料排氣出口。
此外，電池組11-16中的燃料電池能內部自行把通過電池的碳氫化合物燃料重整為燃料氣體。然而，各電池組的大部分燃料氣體由設置在堆1中的各電池組之間的重整裝置21、22、23、24、25、26提供。這些重整裝置有在堆1的表面1C上的燃料入口21A、22A、23A、24A、25A與26A，并有同樣在堆1的表面1C上的經重整的燃料出口21B、22B、23B、24B、25B與26B。
燃料電池組件1還包括集流腔31、32、33。集流腔32與33氣密封閉堆1的表面1B與1D并分別接收氧化劑氣體排氣與燃料氣體排氣。集流腔31氣密封閉堆1的表面1C以導致鄰近堆1的表面1C的燃料與燃料氣體進入燃料電池的燃料入口而不致逸散至堆1的外部。
燃料電池組件1還包括一個頂部端板41與一個底部端板42。底部端板支撐一根燃料輸入管43與一根燃料輸出管44。
根據本發明的原理，燃料電池組件還包括一個用于向重整單元21-26供給燃料的重整裝置燃料供給系統61。此外根據本發明，重整裝置燃料供給系統全部配置在集流腔31與堆1的表面1C之間的密封閉合區域之內。
如圖1A中與更詳細地在圖2中所見，重整裝置燃料供給系統包括一個燃料供應集管62，它從裝在端板42上的燃料輸入管43接收燃料。圖1B中更詳細地圖示說明燃料輸入管43在端板42內的位置。如圖示，管43的入口端43a適于與燃料供應管(圖中未表示)連接，而出口端43b與位于集流腔31內的燃料供應集管62連接。集管62把從管43接收的燃料供給供應管路71、72、73、74、75與76，供應管路再把燃料供至燃料重整裝置21-26的燃料入口21A至26A。
如圖2所示，燃料供應管路71-76具有相同結構，每個包括一個與集管62連接的第一供應管段81，一個與各自的燃料入口連接并與第一供應管段分隔的第二供應管段82，與一個介電絕緣子83。介電絕緣子83橋接管段81與82之間的間隔，從而以電氣隔離的方式連接兩個管段。第一與第二供應管段81與82還分別包括夾持環81A與82A，以防止介電絕緣子83移動。供應管段81與82中還分別配有波紋管81B與82B，以更好地適應堆的位移而不致損壞管路。
以此配置，一種含有碳氫化合物燃料與蒸汽的燃料混合物從堆1的開口表面1A(無集流腔處)引入端板42內的燃料管43。此燃料然后由管43輸送至位于集流腔31內的燃料供應集管62。供應管路71-76從供應集管62接收燃料并將它輸送至各燃料重整裝置21-26。供應管路71-76與燃料供應集管62，如上面指出，都封閉在集流腔31與堆的表面1C之間的密封區域內。
可以理解，由于任何可能的來自管路的泄漏都容納在由集流腔31形成的密封區域內，此布置排除了對供應管路71-76的完全氣體密封的需要。從而，從管路泄漏的任何燃料將在各燃料電池組的燃料電池內進行內部重整。由于現在可容許燃料從供應管路泄漏，因此不要求供應管路中的介電絕緣子對相應的供應管段密封，從而降低了管路制造的復雜性與成本。
更詳細地，如圖1A與圖2所示，每個介電絕緣子做成一個簡單的陶瓷管，其內徑同供應管段81與82的連接端的外徑相匹配。此陶瓷管或圓筒便于滑過優選由金屬管構成的供應管段。此外，每個陶瓷管83對構成供應管段81與82的金屬管配合的間隙與公差為這樣，使在燃料電池組件的工作溫度下金屬管對陶瓷管的內壁施加一個徑向力，從而閉合間隙并密封連接。因此做成一個強的金屬對陶瓷連接從而將使任何燃料泄漏減至最少。此外，任何出現的燃料泄漏將保持在由集流腔31限定的密封區域內并由燃料電池組件的各燃料電池重整。
此外，通過適當選擇金屬管，使由于不同的熱膨脹而施加在陶瓷管上的力保持在低于會使陶瓷管破裂的值。
如前面指出，每個供應管路的供應管段81與82還分別配有波紋管81B與82B。這些波紋管提供釋放在組件工作期間由于堆高度改變而引起的任何管路應力。
重整裝置燃料供應系統61布置在由集流腔31密封的區域內的另一好處是，燃料混合物，即燃料與蒸汽，可在比燃料電池組件的正常工作溫度(即在540℃至650℃范圍內的某個溫度)低得多的溫度(即在490℃至540℃范圍內的某個溫度)下引入燃料供應集管62。然后此燃料混合物在集流腔31內被預熱，同時流經集管與供應管路。燃料混合物的這個預熱，使它在進入燃料重整裝置之前達到同燃料電池組件的各燃料電池的工作溫度相適應的溫度。
以此方法預熱燃料混合物對使用燃料電池組件1的整個燃料電池系統在兩方面有利1)燃料電池系統的過熱器或廢熱回收蒸汽發生器中的燃料預熱負荷降低；與2)燃料電池冷卻負荷等量降低。一個這種類型的燃料電池系統的最新試驗顯示，通過按本發明中在集流腔31內預熱燃料混合物，燃料流的加熱負荷可降低＞100℃，而燃料電池的冷卻負荷可降低約20℃。
圖3中表示一個燃料重整裝置21的詳圖。重整裝置22-26具有與21相同的結構。
如圖3中所見，燃料重整裝置包括一層或一片波紋金屬板101。板101的區域A與B的放大圖分別表示在圖5與圖4中。
如圖4中所見，催化劑小圓柱105巧妙地放置在板101的溝紋內。這種放置優化吸熱重整反應的分布，以便使燃料電池堆內的熱梯度減至最小。
板101配有一塊擋板102以引導在重整裝置21內的流動方向使如箭頭104所示，即，使燃料進入入口21A，經過一個U形流徑，通過板101，然后引導至出口21B。
催化劑105的負荷與重整裝置21內擋板102的布置為這樣，使重整裝置內重整反應的分布與燃料電池產生的熱的分布相匹配。燃料混合物以高速度在重整裝置的入口21A處引入，燃料混合物流體中具有的動能提供使沿U形流徑回流所必需的能量。于是經重整的氣體在出口21B排出，此出口21B同入口21A一樣在重整裝置的同一側。
在本發明的本圖示實施例中，重整裝置的燃料入口21A為矩形。每個供應管段82依次配有一個扇形過渡管道84，它連接矩形入口21A與形成供應管段82的圓管端部。
如圖2中可詳見，每個過渡管道84由兩半個金屬片84A和84B制成以便于裝配。此管道在它與供應管段82的連接處包括一個接頭84C以提供一個為適應堆高度改變所需要的旋轉運動。
如圖6中所示，重整裝置21的波紋板101卷包在薄金屬箔103A(例如2至4密耳厚的鎳箔)內并由一個蓋件103B(例如2至12密耳厚的鎳或鎳覆蓋不銹鋼材料)覆蓋以構成重整裝置結構。此結構在3側封閉而在形成燃料入口21A與燃料出口21B的一側敞開。如前面提到，燃料混合物從燃料入口21A供入而部分地經重整的燃料從重整燃料出口21B排出。
圖6中，重整裝置21以部分拆開形式表示，其中箔件103A與蓋件103B彼此分離。箔件103A有一個具有邊201A、201B、201C、201D的中心區域201。3個折葉區域201E、201F與201G分別從邊201A、201B、201C延伸。如圖示，折葉區域201E、201F與201G的形狀為梯形的不規則四邊形。此外，折葉區域201E與201G在它的開口邊為直角形。
裝配重整裝置時，波紋板101與擋板102放置在箔件103A的中心區域201上。然后將201E、201F、201G的葉區域按箭頭301-303指示的方向彎析使它們面向中心區域201并靠近波紋板101的各邊。
然后將蓋件103B放置在中心區域201與折葉區域201E、201F與201的上面使與這些區域及擋板102相接觸。由于壓縮，兩個折葉區域201E與201G變為同折葉區域201F封接，而蓋件103變為同三個折葉區域201E、201F、201G封接以構成重整裝置。箔件103A的中心區域201與蓋件103B之間的間距確定重整裝置的開口側201D。
在所有情況下應懂得上面描述的布置只是作為代表本發明應用的許多可能的具體實施例的例證。根據本發明的原理可容易地導出許多變化了的其它布置而不越出本發明的精神與范圍。
權利要求
1.一種燃料電池組件，包括若干燃料電池，所述燃料電池有氧化劑氣體入口與燃料入口并適于內部把碳氫化合物燃料重整為燃料氣體；至少一個燃料重整裝置，每個所述燃料重整裝置有一個燃料入口與一個經重整的燃料出口并適于把碳氫化合物燃料重整為燃料氣體；所述燃料電池與每個所述燃料重整裝置這樣布置在一個燃料電池堆中，使所述燃料電池的所述燃料入口在所述燃料燃料電池堆的第一表面上，且每個重整裝置的所述燃料入口與所述經重整的燃料出口在所述燃料電池堆的所述第一表面上；一個用于密封閉合所述燃料電池堆的第一表面的第一集流腔；與一個用于向每個所述重整裝置供給燃料的重整裝置燃料供給系統，所述重整裝置燃料供給系統布置在所述燃料電池堆的所述第一集流腔與所述第一表面之間的密封區域內。
2.根據權利要求1的燃料電池組件，其中所述重整裝置燃料供給系統包括一個用于接收一定量燃料供應的集管；與至少一個燃料供應管道，每個所述燃料供應管道同所述集管與一個燃料重整裝置連接。
3.根據權利要求2的燃料電池組件，其中每個燃料供應管道包括一個與所述集管連接的第一供應管段；一個同所述第一燃料供應管段分隔并與一個燃料重整裝置連接的第二供應管段；與一個橋接所述第一與第二供應管段之間的間距并連接第一與第二供應管段的電介質件。
4.根據權利要求3的燃料電池組件，其中每個所述電介質件包括一個電介質管，其內徑足以使所述管能合適地套上該電介質件連接的第一與第二供應管段的相對端。
5.根據權利要求4的燃料電池組件，其中每個所述供應管段包括一個波紋管件。
6.根據權利要求3的燃料電池組件，其中每個所述重整裝置包括一種金屬材料；所述第一與第二供應管段包括一種金屬材料；與所述電介質管包括一種陶瓷材料。
7.根據權利要求3的燃燃料電池組件，其中與一個燃料重整裝置連接的每個供應管段的端部包括一個扇狀端部過渡。
8.根據權利要求6的燃料電池組件，其中每個所述扇狀端部過渡包括一個旋轉接頭。
9.根據權利要求8的燃料電池組件，其中與供應管段的一端連接的每個重整裝置的燃料入口為矩形。
10.根據權利要求3的燃料電池組件，還包括一個布置在所述燃料電池堆端部的端板；一個從所述燃料電池堆的第二表面通過所述端板延伸并與所述集管連接的燃料供應管。
11.根據權利要求3的燃料電池組件，其中所述燃料電池的氧化劑氣體入口布置在所述燃料電池堆的第二表面上；所述燃料電池有布置在所述燃料電池堆的所述第二表面對面的第三表面上的氧化劑氣體排氣口；與所述燃料電池有布置在所述燃料電池堆的所述第一表面對面的第四表面上的燃料排放口。
12.根據權利要求11的燃料電池組件，還包括一個密封閉合所述燃料電池堆的所述第三表面的第二集流腔；與一個密封閉合所述燃料電池堆的所述第四表面的第三集流腔。
13.根據權利要求3的燃料電池組件，其中每個所述燃料重整裝置包括一個波紋板；一個卷包所述波紋板的箔；一個與所述卷包箔一起構成一個有一個開口側的閉合結構的蓋件，在此開口側構成所述重整裝置的燃料入口與經重整的燃料出口；與一個放置在所述閉合結構內以便形成一個從所述重整裝置的所述燃料入口至經重整的燃料出口的U型流徑的擋板。
14.根據權利要求13的燃料電池組件，其中所述卷包箔包括一個箔件，它有一個具有第一、第二、第三與第四邊的中心區域，與分別從所述中心區域的第一、第二與第三邊延伸的第一、第二與第三折葉區域，所述折葉區域被彎折以便接近所述中心區域；并且所述蓋件覆蓋在所述中心區域與所述第一、第二與第三折葉區域上；而所述箔件的所述中心區域的所述第四邊與所述蓋件之間的所述間隔形成所述閉合結構的開口側。
15.根據權利要求14的燃料電池組件，其中所述第一與第三折葉區域同所述第二折葉區域封接；與所述蓋件同所述第一、第二與第三折葉區域封接。
16.根據權利要求15的燃料電池組件，其中所述箔件包括鎳箔。
17.根據權利要求1的燃料電池組件16，其中所述鎳箔的厚度在2至4密耳的范圍。
18.根據權利要求1的燃料電池組件，其中每個所述燃料重整裝置包括一個波紋板；一個卷包所述波紋板的箔；一個同所述卷包箔一起構成一個有一個開口側的閉合結構的蓋件，在此開口側設置所述重整裝置的燃料入口與經重整的燃料出口；與一個放置在所述閉合結構內以便形成一個從所述重整裝置的所述燃料入口至經重整的燃料出口的U型流徑的擋板。
19.根據權利要求18的燃料電池組件，其中所述燃料重整裝置還包括用于重整燃料的催化劑，所述催化劑由該重整裝置的波紋板支撐。
20.根據權利要求18的燃料電池組件，其中所述卷包第包括一個箔件，它有一個具有第一、第二、第三與第四邊的中心區域，與分別從所述中心區域的第一、第二與第三邊延伸的第一、第二與第三折葉區域，所述折葉區域被彎折以便接近所述中心區域；所述蓋件覆蓋在所述中心區域與所述第一、第二與第三折葉區域上；而所述箔件的所述中心區域的所述第四邊與所述蓋件之間的所述間隔形成所述閉合結構的開口側。
21.根據權利要求20的燃料電池組件，其中所述第一與第三折葉區域同所述第二折葉區域封接；與所述蓋件同所述第一、第二與第三折葉區域封接。
22.根據權利要求21的燃料電池組件，其中所述箔件包括鎳箔。
23.根據權利要求22的燃料電池組件，其中所述鎳箔的厚度在2至4密耳的范圍；與所述蓋件包括鎳且其厚度在2至12密耳的范圍。
24.根據權利要求1的燃料電池組件，其中所述重整裝置供給系統包括一個與一個重整裝置連接的第一部分；一個用于接收燃料的第二部分；一個用于電氣隔離第一與第二部分的部件。
25.根據權利要求24的燃料電池組件，其中所述重整裝置系統還包括一個與所述第一部分連接用于向所述第一部分傳送燃料的集管。
26.一種供燃料電池組件使用的方法，該燃料電池組件包括若干燃料電池，所述燃料電池有氧化劑氣體入口與燃料入口并適于內部把碳氫化合物燃料重整為燃料氣體；至少一個燃料重整裝置，每個所述燃料重整裝置有一個燃料入口與一個經重整的燃料出口并適于把碳氫化合物燃料重整為燃料氣體；所述燃料電池與每個所述燃料重整裝置在燃料電池堆中這樣布置，使所述燃料電池的所述燃料入口在所述燃料電池堆的第一表面上，且每個所述重整裝置的所述燃料入口與所述經重整的燃料出口在所述燃料電池堆的所述第一表面上；一個密封閉合所述燃料電池堆的第一表面的第一集流腔；與一個用于向每個所述重整裝置供給燃料的重整裝置燃料供給系統，所述重整裝置燃料供給系統布置在所述燃料電池堆的所述第一集流腔與所述第一表面之間的密封區域內；本方法包括在低于所述燃料電池堆的燃料電池的工作溫度的某個溫度下提供燃料；與向所述重整裝置燃料供給系統供應所述燃料，在向所述燃料電池堆的所述電池供料之前預熱所述燃料，使所述燃料的溫度升高至所述燃料電池堆的燃料電池的工作溫度。
27.根據權利要求26的方法，其中所述燃料電池堆的所述燃料電池的所述工作溫度在540℃至650℃范圍內；與在490℃至540℃范圍的某個溫度下供應燃料。
28.一種燃料重整裝置，包括一個波紋板；一個卷包所述波紋板的箔；一個與所述卷包箔一起構成一個有一個開口側閉合結構的蓋件，在此開口側形成所述重整裝置的燃料入口與經重整的燃料出口；與一個放置在所述閉合結構內以便形成一個從所述重整裝置的所述燃料入口至經重整的燃料出口的U型流徑的擋板。
29.根據權利要求28的燃料重整裝置，還包括所述燃料重整裝置還包括用于重整燃料的催化劑，所述催化劑由該重整裝置的波紋板支撐。
30.根據權利要求28的燃料重整裝置，其中所述卷包箔包括一個箔件，它有一個具有第一、第二、第三與第四邊的中心區域及分別從所述中心區域的第一、第二與第三邊延伸的第一、第二與第三折葉區域，所述折葉區域向對面彎折以便接近所述中心區域；一個蓋件覆蓋在所述中心區域及所述第一、第二與第三折葉區域上；而所述箔件的所述中心區域的所述第四邊與所述蓋件之間的間隔形成所述閉合結構的開口側。
31.根據權利要求30的燃料重整裝置，其中所述第一與第三折葉區域同第二折葉區域封接；與所述蓋件同所述第一、第二與第三折葉區域封接。
32.根據權利要求32的燃料重整裝置，其中所述箔件包括鎳箔。
33.根據權利要求32的燃料重整裝置，其中所述鎳箔的厚度在2至4密耳的范圍，與所述蓋件包括鎳且其厚度在2至12密耳的范圍。
全文摘要
一種燃料電池組件(1),其中各燃料電池(11－16)適于內部重整燃料,且供重整燃料用的燃料重整裝置(21－26)布置在一個燃料電池堆(2)內。燃料電池的燃料入口和燃料重整裝置的燃料入口(21A－26A)與經重整的燃料出口(21B－26B)布置在燃料電池堆的一個表面上。一個密封集流腔(31)封閉此表面,且一個重整裝置燃料供給系統全部布置在此集流腔與堆的一個表面之間的區域內。燃料重整裝置有一個卷包箔與一個蓋件構成一個閉合結構。
文檔編號H01M8/14GK1348617SQ99815999
公開日2002年5月8日 申請日期1999年12月20日 優先權日1999年2月16日
發明者穆哈邁德·法魯奎, 勞倫斯·J·諾瓦庫, 杰弗里·P·艾倫 申請人:能量研究公司