[發明專利]固體氧化物燃料電池系統

無效

• 申請號: 200980120879.0
• 申請日: 2009-05-20
• 公開（公告）號: CN102047481A
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發明（設計）人: M·E·波丁;W·J·布頓;陳鵬;S·J·格瑞格斯基
• 申請（專利權）人: 康寧股份有限公司
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/04;H01M8/24;F28D9/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 顧峻峰;李丹丹

聲明

本申請要求對2008年5月30提交的美國專利申請系列No.61/130,475的優先權益，本文基于該專利內容，并以參見方式引入其全部內容。

本發明根據國家標準和技術協會(NIST)授予的合作協議70NANB4H3036由政府支持下作出。政府對本發明具有一定的權利。

技術領域

本發明涉及固體氧化物燃料電池，具體來說，涉及管理反應腔室內由電化學反應產生的熱能的系統和方法。

背景技術

近來，人們極大的關注集中在作為清潔能源的燃料電池，其能以環境友好的方式高效地轉換能量。固體氧化物燃料電池(SOFC)是其中的一種類型的燃料電池，其在非常高溫度下工作，通常在700℃和1000℃之間。固體氧化物燃料電池可具有多種幾何形，但通常配置成平面的幾何形。在傳統的平面構造中，電解質被夾在單個陽極電極和單個陰極電極之間。夾在中間的電解質被用作為燃料氣體和空氣或氧氣氣體之間的分隔，所述燃料氣體諸如氫氣，其供應到陽極電極側上的分隔部分，而空氣或氧氣氣體則供應到陰極電極側上的分隔部分。

在典型的固體氧化物燃料電池系統中，諸如燃料和氧氣的反應物的大約一半的動能被轉化為電能，而另一半則轉換為熱能，熱能致使SOFC系統內溫度大大地提高。為了觸發快速的電化學反應，反應物通常必須加熱到高溫。例如，在使用稀薄的氧化釔部分穩定的氧化鋯(3YSZ)的系統中，反應物被加熱到大約725℃以獲得有效的反應。有了這樣的反應物初始溫度，對于符合化學計量標準的氫-空氣系統來說，燃料電池內的峰值溫度可提高到1000℃以上。

燃料電池的電氣和機械特性很大程度取決于系統的運行溫度。在高溫下(諸如約1000℃或以上)，可出現以下的嚴重問題：熱機械應力和固體氧化物燃料電池系統部件內密封材料的熔化。此外，經常需要外部加熱來將反應物加熱到其最佳反應溫度，這導致了整個系統效率低下。

已經開發出各種熱管理的策略。例如，美國專利2004/0170879A1揭示了一種形狀記憶合金結構，其連接到燃料電池以作熱管理。美國專利2005/0014046A1揭示了一種內部雙極熱交換器，其用來從個別的電池的陽極側移走熱量而加熱另一電池的陰極流動。在美國專利2004/0028972A1中，揭示了一種用于在燃料電池單元和熱交換器流體流動之間傳遞熱量的流體熱交換器，該流體流動方向垂直于電解質表面。此外，在美國專利2003/017695A1中，揭示了一種重整反應器，其連接到燃料電池以幫助系統水平上的熱管理。在WO2003065488A1中，揭示了一種用于燃料電池熱管理的內部重整器。

因此，本技術領域內需要有一種熱管理系統和方法，它們既能夠減小反應中產生的熱能所造成的熱機械應力，又能夠預熱進入反應腔室的反應物而提高固體氧化物燃料電池的總系統效率。

發明內容

根據本發明一個實施例，燃料電池系統包括：

a.多個燃料電池組，每個組包括至少一個燃料入口、至少一個燃料出口、框架以及兩個多電池的燃料電池裝置，燃料電池裝置定位成：一個燃料電池裝置的陽極側面向另一個燃料電池裝置的陽極側，兩個燃料電池裝置組合起來，至少部分地形成連接到燃料入口和燃料出口的燃料腔室；

b.多個熱交換器組，每個組包括至少一個氧化劑入口、至少一個氧化劑出口、以及連接到至少一個氧化劑入口和至少一個氧化劑出口的內部氧化劑腔室；熱交換器組平行于燃料電池組并插入在燃料電池組之間，以使熱交換器組面對燃料電池組，并至少部分地形成多個陰極反應腔室，它們位于熱交換器組和燃料電池組之間：

c.外殼，該外殼支承和包圍燃料電池組和熱交換器組；

d.氧化劑入口腔，該氧化劑入口腔操作地連接到熱交換器組的氧化劑入口；

e.氧化劑排出腔，該氧化劑排出腔操作地連接到陰極反應腔室；

f.入口燃料集管，該入口燃料集管連接到燃料電池組的燃料入口；以及

g.排放燃料集管，該排放燃料集管連接到燃料電池組的燃料出口。

根據某些示范實施例，燃料電池系統還可包括氧化劑回轉腔，該氧化劑回轉腔操作地連接到：熱交換器組的氧化劑出口；以及陰極反應腔室的氧化劑入口側。

根據某些示范實施例，燃料電池系統還可包括二次氧化劑排出口，其(i)連接到交替的氧化劑腔；以及(ii)包括能夠控制交替氧化劑腔內背壓的閥門。