[發明專利]一體式燃料電池和燃燒系統

有效

• 申請號: 201911301808.2
• 申請日: 2019-12-17
• 公開（公告）號: CN111326764B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: R.L.哈特;J.艾弗森;A.維克沙姆;P.D.威爾遜;D.J.埃爾諾
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: H01M8/026
• 分類號: H01M8/026;H01M8/0265;H01M8/04014
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 張珺;陳浩然

本發明涉及一體式燃料電池和燃燒系統。具體而言，一種頂循環燃料電池單元包括具有延伸至燃燒出口的內部流動通路的支承板、第一電極層、電解質層和第二電極層。第二電極層構造成聯接至另一燃料電池單元的另一支承板。內部流動通路構造成接收和引導空氣跨過第一電極層或第二電極層，并且接收和引導燃料跨過第一電極層或第二電極層中的另一個，使得第一電極層、電解質層和第二電極層產生電流。內部流動通路構造成將空氣中的至少一些空氣和燃料中的至少一些燃料引導至燃燒出口，在燃燒出口處燃燒該至少一些空氣和該至少一些燃料。

技術領域

本文所述的主題大體上涉及燃料電池和燃燒系統。

背景技術

燃料電池是電化學能量轉換裝置，其在功率產生中展示了相對較高效率和較低污染的潛力。燃料電池大體上提供直流（dc），其例如可經由逆變器轉換成交流（ac）。dc或ac電壓可用于為馬達、燈、通信設備和任何數量的電裝置和系統提供功率。燃料電池可在靜止、半靜止或便攜應用中操作。某些燃料電池如SOFC可在提供電來滿足工業和市政需要的大規模功率系統中操作。其它可用于較小的便攜應用，例如，如為車輛提供功率。

燃料電池通過跨過離子傳導層電化學地組合燃料和氧化劑來產生電。也標記為燃料電池的電解質的該離子傳導層可為液體或固體。常見類型的燃料電池包括磷酸（PAFC）、熔融碳酸鹽（MCFC）、質子交換膜（PEMFC）和固體氧化物（SOFC），所有都大體上按其電解質命名。實際上，燃料電池通常在燃料電池的組件中電串聯積聚，以在可用電壓或電流下產生功率。

大體上，燃料電池的構件包括電解質和兩個電極。產生電的反應大體上在電極處發生，在電極處催化劑通常設置成加速反應。電極可構造成通道、多孔層等，以增大發生化學反應的表面區域。電解質將帶電顆粒從一個電極傳送至另一個，且另外大致不可滲透燃料和氧化劑兩者。

通常，燃料電池將氫（燃料）和氧（氧化劑）轉換成水（副產物）來產生電。副產物水可在高溫操作中作為蒸汽離開燃料電池。該排放的蒸汽（和其它熱排放組分）可用于渦輪和其它應用中，以產生附加的電或功率，以提供提高的功率產生效率。如果空氣用作氧化劑，則空氣中的氮大致是惰性的，且通常傳遞穿過燃料電池。氫燃料可經由碳基原料的本地重整（例如，現場蒸汽重整）或遠程重整來提供，如，更容易獲得的天然氣和其它烴類燃料和原料的重整。烴類燃料的示例包括但不限于天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇和其它烴類。可對傳遞穿過燃料電池的燃料進行重整，但是重整該燃料可能需要額外的成本和復雜性，以免浪費燃料。

發明內容

在一個實施例中，提供了一種頂循環燃料電池單元。燃料電池單元包括：支承板，其具有延伸至燃燒出口的內部流動通路；第一電極層，其與支承板聯接；電解質層，其與第一電極層聯接，使得第一電極層在支承板和電解質層之間；以及第二電極層，其與電解質層聯接，使得電解質層在第一電極層和第二電極層之間。第二電極層構造成聯接至另一燃料電池單元的另一支承板。內部流動通路構造成接收和引導空氣跨過第一電極層或第二電極層，并且接收和引導燃料跨過第一電極層或第二電極層中的另一個，使得第一電極層、電解質層和第二電極層產生電流。內部流動通路構造成將空氣中的至少一些空氣和燃料中的至少一些燃料引導至燃燒出口，在燃燒出口處燃燒該至少一些空氣和該至少一些燃料。

在一個實施例中，提供了一體式燃料電池和燃燒系統。該系統包括多個燃料電池，各個燃料電池具有傳導性支承結構，該傳導性支承結構包括限定一個或多個燃料通路和一個或多個空氣通路的第一板和第二板。一個或多個燃料通路中的各個與燃料入口流體地聯接，并且一個或多個空氣通路中的各個與空氣入口流體地聯接。該系統還包括一個或多個催化劑層堆，其設置在支承結構的第一板和一個或多個燃料通路之間，并且設置在支承結構的第二板與一個或多個空氣通路之間。一個或多個燃料通路定位成在一個或多個催化劑層堆中的各個上引導燃料流。一個或多個空氣通路定位成在一個或多個催化劑層堆中的各個的相對側上引導空氣流，以使用一個或多個催化劑層堆產生電流。一個或多個燃料通路和一個或多個空氣通路延伸至燃燒出口，并且定位成在一個或多個催化劑層堆的下游燃燒燃料中的至少一些燃料和空氣中的至少一些空氣。