SOFC传导制造技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)系统包括通过热传导增加热能转移的高热导率材料如铜。通过镍电镀保护铜免受氧化，以及通过在燃烧室内提供哈氏合金内衬保护铜免受热损伤。在进入的空气导管中使用蒙乃尔合金元件，以防止阴极中毒。

SOFC conduction

A solid oxide fuel cell (SOFC) system includes a high conductivity material, such as copper, that transfers heat energy by thermal conduction. Protect the copper from oxidation by nickel plating and protect the copper from heat damage by providing Hastelloy alloy lining in the combustion chamber. The use of Monel alloy element in the air duct into the cathode, to prevent poisoning.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】SOFC传导版权声明本专利文件的公开的部分可以包含受版权保护的内容。版权所有者对于任何人对专利文献或专利公开的复制没有异议，正如其出现在专利商标局文献或记录中，但是无论如何保留所有版权权利。以下声明应该适用于该文件：2014Protonex技术公司(ProtonexTechnologyCorporation)。
技术介绍

本文示例性、说明性的技术涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)、使用方法和制造SOFC系统的方法。具体地，示例性、说明性的技术涉及改良的系统和用于对SOFC系统中热能管理的方法。相关领域根据SOFC技术，一般的SOFC系统包括热区，其含有或至少部分地封闭在维持较高工作温度(例如，在工作期间350或500℃以上)下的系统组件。热区内容纳有SOFC能量发生器或固体氧化物燃料电池组。一般的SOFC燃料电池组由一个或多个燃料电池形成，其中每个电池参与产生电流的电化学反应。为了提供电池组的希望的输出电压，燃料电池根据需要以串联或并联方式电学地相互连接。每个燃料电池包括三个基本层：阳极层或燃料电极；阴极层或空气电极；以及将阳极层与阴极层分开的电解质层。阳极层暴露于至少含有氢气(H2)和/或一氧化碳(CO)的气态或雾状燃料中。同时，阴极层暴露于阴极气体如空气或任意的其他气体或雾状氧(O2)源中。在阴极层中，提供给阴极层的氧(空气)获得电子成为氧离子(O+)。氧离子从阴极层通过陶瓷电解质层穿越到阳极层。在三相界面处，在阳极层中，通过燃料提供给阳极层的氢(H2)和/或一氧化碳(CO)与氧离子反应以产生水和二氧化碳，在该反应期间发射的电子产生电和热。在燃料流中的其他反应副产物可包括甲烷、乙烷或乙烯。由电化学反应产生的电被引至DC电源端子以给电力负载供电。常见的阳极材料包括金属陶瓷，如镍和掺杂的氧化锆(Ni-YSZ)、镍和掺杂的二氧化铈(Ni-SDC和/或Ni-GDC)、铜和掺杂的二氧化铈。也可以使用钙钛矿阳极材料如(La1-xSrx)Cr1-yMyO3-δ(LSCM)和其他ABO3结构。常见的阴极材料包括镧锶钴氧化物(LSC)、镧锶钴铁氧化物LSCF和镧锶锰氧化物(LSM)。电解质层是离子传导陶瓷，通常是氧离子导体如氧化钇掺杂的氧化锆或钆掺杂的二氧化铈。可改变地，电解质层是质子传导陶瓷，如铈酸钡或锆酸钡。电解质层充当附近的密封屏障以防止燃料和空气混合和燃烧。一般的SOFC系统使用通常被称为同流换热器的交叉流或平行流热交换器，加热进入SOFC系统的阴极气体(空气)。气流热交换器加热进入热区的冷空气，交换进入的冷空气和离开热区的热废气之间的热能。已知包括设置在SOFC热区内的一种或多种热能源或热源加热流过SOFC系统的空气或燃料以及加热燃料电池。热源可以包括用于在废燃料和废气离开电池组时，燃烧与热废气混合的废燃料的尾气燃烧器。第二热源可以包括冷启动燃烧器，其可操作地在系统启动时燃烧燃料以加热SOFC表面或加热流向电池组的进入的燃料，至少直到SOFC系统到达其稳态工作温度或CPOX或TGC起燃。电热元件也可以用于替代冷启动燃烧器或与冷启动燃烧器一起用于在启动时加热空气、燃料和工作表面。在一般的SOFC系统中，主要通过气体与气体或气体与周围表面热能交换来转移热能，即主要通过对流。当废燃料与热废气混合且在燃烧罩壳中燃烧时，这在尾气燃烧器中发生。在该情况下，当较冷的气体进入燃烧罩壳与较热的气体混合并且燃烧时，通过对流交换热能。此外，当气体传递热能至罩壳表面时，对流热能转移还加热燃烧罩壳表面。同时，当热表面放射热能并且放射的辐射加热接近热表面流动的气体时，热罩壳壁将热能转移回进入燃烧室的更冷的气体。在一般的SOFC系统中，同流换热器或气体逆流热交换器被设置为接收从燃烧室排出的热气和接收进入由共同的壁隔开的单独的逆流导管中的SOFC系统的冷气。而且，对流和辐射是主要的热能转移机制，比如来自燃烧器的热气在其传递至出口时加热导管壁，而导管壁加热了进入的空气。总而言之，尾气燃烧器内和同流换热器内的热能交换均是不充分的。结果是一般的SOFC系统众所周知地难以控制并且通常发展为热点(例如，在燃烧罩壳中)，所述热点可以损坏罩壳壁，甚至当燃烧罩壳壁过热时会烧穿壁。供选择地，当SOFC系统的温度降低，例如通过调节燃料输入流速时，不完全的燃料处理导致在阳极表面形成碳，这最终导致减少了电输出和最后的故障。为了更好地处理热点和冷点，一般的SOFC系统通常包括多个设置在各个系统点的热电偶或热敏电阻以监测温度和调节工作以避免热点和防止导致阳极表面碳形成的冷点。然而，温度感应和监测系统是昂贵和容易失败的，这是由于SOFC系统的高工作温度(例如，350-1200℃)。此外，需要调节燃料输入作为安全措施以避免损坏SOFC系统的需求导致电力输出低效和易变。因此，为了避免损坏SOFC系统以及为了递送更连续的电力输出和改善伴随发电效率，本领域存在避免热梯度和消除热点的需求。一般的SOFC系统通常由专门的材料制成以保持在高温和严重腐蚀性环境下长期工作的效果，所述高温和严重腐蚀性环境持续氧化金属表面，有时氧化至故障点。在一般的SOFC系统中已经处理的其他高温问题包括需要匹配或考虑异质材料的热膨胀系数的差异以避免配件之间松散、陶瓷元件的破裂或金属元件的弯曲，以及需要考虑在高温下发生的金属蠕变率增加。在一般的SOFC系统中，通过使用专门的高温耐腐蚀镍铬合金如因科镍(Inconel)等已经处理了这些问题。然而，被滤入到进入的阴极空气的铬可以使阳极材料层中毒，如果需要避免阳极中毒，那么这样的含有铬的材料对于任何要进入空气导管或加热器是不希望的。因此，尽管本领域中存在使用耐腐蚀或氧化的高温金属合金以制造SOFC热区元件的需求，但是许多这些合金含有铬，并且本领域中存在进一步避免使阴极空气与含铬表面接触的需求。当在一般的SOFC系统之间通过热传导(例如，传导的相互连接的金属元件)转移某些热能时，在一般的SOFC系统中热点和冷点仍然成问题的事实说明了热传导太慢或不足以促进在一般的SOFC系统的不同区域中产生均匀温度。这部分是由于需要使用低于希望的导热特性的用于高温腐蚀性环境的专门材料。例如，与具有大约在500℃下370W/(m°K)至1027℃下332W/m°K的热导率的铜相比，因科镍在150～875℃下具有17～35W/(m°K)的热导率。由此，铜具有的热导率是因科镍的热导率的10倍，因科镍的热导率约是镍的70％。虽然铜提供了比能改善SOFC系统中的温度均匀性的多数包含镍的高温金属合金增加的热导率，但是铜在SOFC环境中容易被氧化，到目前为止被避免作为SOFC外壳材料。
技术实现思路
鉴于与上述的一般方法和装置相关的问题，本专利技术的目的是提供一种SOFC系统，其中使用通过热传导而增加的热能转移从SOFC热区的一个区域转移热能至另一区域，以减少跨热区的热梯度。本专利技术的进一步目的是提供延伸到多个不同机械元件的相互连接的热能传导路径，所述机械元件机械地相互连接以减少跨SOFC系统的热梯度。本专利技术的进一步目的是通过提供与罩壳壁热连通以及与热源和热交换器热连通的高热导率的热质元件来管理SOFC系统热区的不同区域之间的热能交换，以实质上稳定SOFC热区的每个区域的温度。本专利技术通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池(SOFC)系统，包括：热区罩壳壁，设置为封闭其中的热区腔；SOFC电池组，包括设置在所述热区腔内的一个或多个燃料电池；其中，所述热区罩壳壁由一种或多种热导率大于100W/(m°K)的第一材料制成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种固体氧化物燃料电池(SOFC)系统，包括：热区罩壳壁，设置为封闭其中的热区腔；SOFC电池组，包括设置在所述热区腔内的一个或多个燃料电池；其中，所述热区罩壳壁由一种或多种热导率大于100W/(m°K)的第一材料制成。2.权利要求1所述的SOFC系统，进一步包括第一保护材料层，所述第一保护材料层包括不同于一种或多种第一材料的第二材料，所述第二材料施加在所述第一材料上以防止所述一种或多种第一材料氧化。3.权利要求1所述的SOFC系统，进一步包括：至少一个热质元件，设置在所述热区腔内且与所述热区罩壳壁热传导连通；其中所述至少一个热质元件由一种或多种热导率大于100W/(m°K)的第三材料制成。4.权利要求3所述的SOFC系统，进一步包括第二保护材料层，所述第二保护材料层包括不同于一种或多种第三材料的第四材料，所述第四材料施加在所述热质元件的表面上以防止所述一种或多种第三材料氧化。5.权利要求2所述的SOFC系统，其中，所述一种或多种第一材料包括壁厚为0.01～0.125英寸的铜，所述第二材料包括以至少0.0005英寸的厚度施加的镍镀层。6.权利要求4所述的SOFC系统，其中，所述一种或多种第三材料包括元件厚度为0.01～0.375英寸的铜，所述第四材料包括以至少0.0005英寸的厚度施加的镍镀层。7.权利要求4所述的SOFC系统，其中，所述一种或多种第三材料包括元件厚度为0.01～0.375英寸的铜，其中，所述第二保护材料层包括主要由适用于在高温环境存在的镍金属合金形成的一个或多个分开的金属元件，其中所述一个或多个分开的金属元件以基本上防止所述一种或多种第三金属材料氧化的方式形成且与所述一种或多种第三金属材料的表面连接。8.权利要求4所述的SOFC系统，其中，所述至少一个热质元件包括组合结构，其中，所述一种或多种第三材料包括由铜、钼、铝与铜以及铜与镍中的任一种形成的核心层，并且所述第四材料包括与铜核心整体形成的一个或多个保护层，其中，所述第四材料包括配制为在高温高腐蚀环境下存在的金属合金。9.权利要求2所述的SOFC系统，其中，至少热区罩壳壁的部分包括组合结构，所述组合结构包括由一种或多种具有所述第一保护材料层的第一材料制成的核心层，所述第一保护材料层由所述第二材料形成且与所述核心层整体形成，其中，所述第二材料包括配制为在高温高腐蚀环境下存在的金属合金。10.权利要求1所述的SOFC系统，进一步包括设置在所述热区腔内用于燃烧废燃料和废阴极气体的混合物的尾气燃烧器区，所述热区腔至少部分地由所述热区罩壳壁的内表面限定。11.权利要求1所述的SOFC系统，进一步包括设置在所述热区腔内用于加热进入热区罩壳的阴极气体的同流换热器室，其中，所述同流换热器室至少部分地由所述热区罩壳壁的内表面限定。12.权利要求3所述的SOFC系统，进一步包括设置在所述热区腔内用于燃烧废燃料和废阴极气体的混合物的尾气燃烧器区，其中，所述尾气燃烧器区至少部分地由所述热区罩壳壁的内表面限定，并且进一步由相对的第一燃烧器区端壁和第二燃烧器区端壁限定，其中，所述第一燃烧器区端壁和第二燃烧器区端壁中的至少一个部分地由所述至少一个热质元件形成。13.权利要求10所述的SOFC系统，进一步包括至少一个设置在尾气燃烧区内以保护限定所述尾气燃烧器区的所述热区罩壳壁的内衬元件，其中，所述内衬元件由配制为在高温高腐蚀环境下存在的金属合金形成，其中，所述内衬元件以基本上防止限定所述尾气燃烧器区的所述热区罩壳壁的内表面氧化的方式设置。14.权利要求12所述的SOFC系统，其中，所述至少一个热质元件包括两个热质元件，其中所述第一燃烧器区端壁和第二燃烧器区端壁中的每个部分地由所述两个热质元件之一形成。15.权利要求12所述的SOFC系统，进一步包括设置在所述热区腔内用于加热进入热区罩壳的阴极气体的同流换热器室，其中，所述同流换热器室至少部分地由所述热区罩壳壁的内表面限定，并且至少部分地由所述第一燃烧器区端壁和第二燃烧器区端壁之一来限定。16.权利要求1所述的SOFC系统，进一步包括设置以基本上封闭所述热区罩壳壁的隔热层。17.权利要求1所述的SOFC系统，其中，所述一个或多个燃料电池包括各自含有阳极材料层、阴极材料层、将所述阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：纳森·帕伦博，保罗·奥斯纳，约书亚·珀斯基，
申请(专利权)人：布罗托尼克斯技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US