补燃器及其制造和操作方法技术

本教导提供了用于补燃器构造的设计和材料以及制造补燃器的方法。更特别地，本教导的补燃器可以包括可压缩弹性耐火材料，以使得补燃器能够适应其他相邻部件(例如，燃料电池单元的燃料电池堆)的热膨胀。本教导还提供了减少排出流中的污染物和/或产生热的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】补燃器及其制造和操作方法
本教导涉及一种用于减少流体(例如，排出流)中的污染物的补燃器。更具体地，本教导涉及一种包括可压缩弹性耐火材料的补燃器，该补燃器可以整合在燃料电池单元中以减少来自燃料电池堆的污染物，或者可以整合在加热器单元中以产生热量。
技术介绍
补燃器通常用于减少来自多种源的排出流(包括引擎排出流和燃料电池排出流)中的污染物和不期望的组分。以燃料电池为例，存在两种处理来自燃料电池系统(例如，固体氧化物燃料电池(SOFC)系统)的排气的惯用方法。第一种方法是简单的燃烧。这种燃烧可以提供更好的热传递以及减少的污染物量，但是其可能具有一些缺点，例如，其易燃范围(例如，在启动和停止期间)、系统稳定性和排放物。第二种惯用的方法使用催化燃烧，其在启动和停止方面提供较大的灵活性并且提供减少的排放物。在这种方法中，燃烧催化剂典型地支撑在固态陶瓷支撑件(例如，堇青石蜂窝陶瓷)上，但是金属衬底也可以是支撑件。陶瓷支撑的催化剂具有若干缺点。例如，用在燃料电池“补燃器”中的固态陶瓷支撑件可能是脆的，可能对于热膨胀具有低的耐受性，可能具有相对高的压降，可能需要将用过的燃料和阴极流附加预混合在一起以避免被称为通道作用的现象(其中由于缺少或者不佳的流动分布，一个蜂窝通道的燃烧率显著不同于另一个蜂窝通道)，并且可能具有相对较高的热质量。当这些支撑件被整合到线性燃料电池堆设计中时，陶瓷支撑件的固态属性与其脆性组合起来可能导致不利效果，原因在于燃料电池堆在燃料电池堆启动到其操作温度期间膨胀。燃料电池封装的端部可能会被有效地约束，并且其中燃料电池堆具有比耐火隔离材料和陶瓷补燃器支撑件高的热膨胀，燃料电池堆中的组分和封装处于附加应力下，这可能在重复循环期间导致损害。因此，需要改进补燃器的设计和构造并改进减少排出气(例如，来自燃料电池堆的排出流)中的污染物的方法。
技术实现思路
根据前述，本教导提供了可以解决包括以上列出的现有技术的各种缺陷和/或缺点的补燃器结构设计和材料。本教导还提供了一种减少包括污染物的流体(例如，排出流)中的污染物的方法以及制造补燃器的方法。更具体地，本教导的补燃器包括可压缩弹性耐火材料，以使得其他相邻部件(例如，燃料电池单元的燃料电池堆)可以被补燃器适应。也就是说，当燃料电池堆在燃料电池封装中膨胀时，形成补燃器的至少一部分(例如，其基底或者入口面或表面)的耐火材料的可压缩和弹性属性可以减小前述热引致的应力。当燃料电池堆在燃料电池单元封装中压缩时，耐火材料的属性还可以维持部件之间的有效密封从而避免绕流。因此，这些特征可以降低燃料电池单元的热循环期间部件故障的概率。此外，耐火材料的弹性属性可以帮助补偿燃料电池单元和/或燃料电池系统制造过程中的公差叠加。此外，层形式的补燃器结构可以允许定制的非线性通道通过层堆叠，以帮助补燃器中的燃烧过程的热管理。也就是说，补燃器包括通过可压缩弹性耐火材料的非线性或者弯曲通道，该通道可以将热量(例如，来自燃烧的热量)引导到补燃器的特定区域中，在该特定区域中，热量可以传递到其他部件和/或结构，以例如加热输入的阴极空气和/或以启动远离点火器在非线性通道中的催化燃烧反应。更特别地，在燃料电池系统中，一个或多个阴极空气导管可以通过补燃器地存在，其中来自补燃器中燃烧的热量可以由非线性通道引导，以与阴极空气导管热连通，从而将来自燃烧的热量传递到输入的阴极空气。在这种情况下，非线性通道可以包括横跨补燃器(例如，横向于或者水平于或者垂直于排出流从入口面或表面到出口的大致流动)并且与阴极空气导管热连通的一部分。具有其中至少一部分通道横跨补燃器的非线性通道的补燃器还可以使通过补燃器的流体流能够均衡和/或更加均匀地分布。此外，非线性或者弯曲通道可以设计和构造成与笔直的或者线性通道相比为催化剂的存在提供增加的表面面积。非线性或者弯曲通道还可以设计成增加到补燃器中和通过补燃器的排出流/反应物混合。本教导的补燃器的构造允许控制和定位催化剂(例如，燃烧催化剂)仅沉积到与排出流直接接触的通道的暴露表面。也就是说，本教导的补燃器通常由若干层的可压缩弹性耐火材料(例如，铝和/或硅纤维毡或纸)制成。在每层中可以例如通过激光切割或模切产生不同的洞或孔。然后层可以顺序地堆叠在每个其他层的顶部以产生通过可压缩弹性耐火材料的堆叠层的非线性或弯曲通道。然而，在堆叠之前，催化剂可以关联(例如，涂覆或者涂层)于将与排出流直接接触的洞或孔的暴露面或表面，从而限制催化剂装填，并且可能实现成本降低。催化剂装填(量)和/或成分的梯度可以存在于大致沿着流体从补燃器的入口流动通过非线性或者弯曲通道到补燃器的出口的竖直方向。也就是说，补燃器的层结构的构造可以允许在补燃器的通道中产生有效梯度，因为层堆叠的内或中间层可以包含高的催化剂装填，而外层可以包含少的或者没有催化剂。因为补燃器的每层可以与催化剂独立地相关联，所以可以容易地实现非线性或弯曲通道中的催化剂量和类型的控制。例如，在用于启动催化剂燃烧反应的点火器附近，这种层的通道可以包括具有较高百分比的高活性催化剂(例如，铂)的催化剂装填。层堆叠的其他层(特别是在已经启动燃烧反应的层的下游)可以包括比较便宜和/或低活性的催化剂(例如，基于钙钛矿的催化剂)。在这样的设计中，初始“热点”的位置和/或温度可以被控制，以避免可能污染和/或汽化催化剂的过高温度。此外，催化剂装填和/或成分的分级可以导致排出流的变化，例如由于操作期间燃料成分的变化而导致。本教导的另一优点可以包括可压缩弹性耐火材料的隔离性能。可压缩弹性耐火材料倾向于是良好的绝热材料，从而可以降低补燃器的热损耗。结合燃料电池单元，降低来自补燃器的热损耗可以例如在从燃料电池堆汲取负荷时，以增加的排出流流动速率以及以较低的燃料流动速率为持续的燃烧提供良好的动力学。因此，在一个方面，本教导提供了用于减少排出流或者其他包含污染物的流中的污染物的补燃器。补燃器通常包括具有可压缩弹性耐火材料的衬底。衬底限定从衬底的入口通过衬底到衬底的出口的非线性或弯曲通道。例如，在一些实施方式中，非线性或者弯曲通道在与流体(例如，排出流)从补燃器的入口到补燃器的出口的流动垂直的方向上延伸超过横跨衬底长度的50％。催化剂(例如，燃烧催化剂)可以沿着非线性通道与衬底的暴露表面的部分相关联。在某些实施方式中，沿着非线性通道存在于衬底上的燃烧催化剂的量包括从衬底的入口到衬底的出口的一个或多个梯度。在各个实施方式中，补燃器可以是可压缩弹性耐火材料的层堆叠。补燃器可以包括接近补燃器的非入口和非出口面或表面的固态绝热材料。补燃器可以包括点火器和/或热传感器组件。补燃器可以是燃料电池单元和/或燃料电池系统的部件。在这种情况下，补燃器可以与燃料电池单元或系统的燃料电池堆可操作地流体连通。例如，补燃器的入口可以与燃料电池堆的出口和/或来自燃料电池堆的排出流(可操作地)流体连通。补燃器可以是加热器单元或组合的热和电力系统的组件。加热器单元的补燃器可以独立于组合的热和电力系统或者是其一部分，所述补燃器可以与可重整燃料源或另外的可燃烧的燃料源可操作地流体连通。例如，可重整(或者其他可燃烧的)燃料源可以与补燃器的层堆叠的入口和/或补燃器的入口可操作地流体连通。在另一方面，本教导包括减少流体流中的污本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种补燃器，所述补燃器包括：层堆叠，每个层包括可压缩弹性耐火材料并且限定通过所述层的一个或多个孔，其中，所述层堆叠限定从所述层堆叠的入口面通过所述层堆叠到所述层堆叠的出口的非线性通道；以及燃烧催化剂，所述燃烧催化剂与所述层堆叠的至少一个层的至少一个或多个孔的暴露表面相关联，以使得所述燃烧催化剂与非线性通道的暴露表面相关联。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.05 US 62/128,7251.一种补燃器，所述补燃器包括：层堆叠，每个层包括可压缩弹性耐火材料并且限定通过所述层的一个或多个孔，其中，所述层堆叠限定从所述层堆叠的入口面通过所述层堆叠到所述层堆叠的出口的非线性通道；以及燃烧催化剂，所述燃烧催化剂与所述层堆叠的至少一个层的至少一个或多个孔的暴露表面相关联，以使得所述燃烧催化剂与非线性通道的暴露表面相关联。2.根据权利要求1所述的补燃器，其中，存在于非线性通道的暴露表面上的燃烧催化剂的量具有梯度。3.根据权利要求2所述的补燃器，其中，所述梯度包括从所述层堆叠的入口面到所述层堆叠的出口存在的燃烧催化剂的量的增加。4.根据权利要求3所述的补燃器，其中，存在第二梯度，其中，所述第二梯度包括在增加的梯度之后并朝向所述层堆叠的出口存在的燃烧催化剂的量的减少。5.根据权利要求1-4中任一项所述的补燃器，其中，最靠近所述补燃器的入口的层堆叠的层的一个或多个孔的暴露表面和/或最靠近所述补燃器的出口的层堆叠的层的一个或多个孔的暴露表面不包括燃烧催化剂。6.根据权利要求1-5中任一项所述的补燃器，其中，远离所述补燃器的入口和出口的层堆叠的一个或多个层的一个或多个孔的暴露表面包括燃烧催化剂和与最靠近所述补燃器的入口和出口的层堆叠的层的一个或多个孔的暴露表面相比增加的表面面积。7.根据权利要求6所述的补燃器，其中，包括燃烧催化剂和增加的表面面积的远离所述补燃器的入口和出口的层堆叠的一个或多个层的至少一个层包括设计成安装点火器和/或热传感器组件的一个或多个孔。8.根据权利要求1-7中任一项所述的补燃器，其中，所述层堆叠的至少一个层包括限定通道的孔，所述通道在与排出流从补燃器的入口通过所述层堆叠到补燃器的出口的流动垂直的方向上延伸超过横跨所述层堆叠的长度的大约50％。9.根据权利要求1-8中任一项所述的补燃器，其中，每层限定被设计成产生通过所述层堆叠的阴极空气通道的孔，从而所述阴极空气通道能够容纳阴极空气导管。10.根据权利要求9所述的补燃器，其中，限定在与排出流通过所述层堆叠的流动垂直的方向上延伸超过横跨所述层堆叠的长度的大约50％的通道的孔包括所述阴极空气通道。11.根据权利要求1-10中任一项所述的补燃器，包括点火器，所述点火器与燃烧催化剂可操作地热连通。12.根据权利要求11所述的补燃器，其中，所述点火器定位成与包括燃烧催化剂的最靠近所述层堆叠的入口的层的一个或多个孔的暴露表面可操作地热连通。13.根据权利要求1-12中任一项所述的补燃器，包括热传感器组件，所述热传感器组件与包括燃烧催化剂的一个或多个非线性通道热连通。14.一种补燃器，所述补燃器包括：衬底，所述衬底包括可压缩弹性耐火材料并且限定从衬底的入口通过衬底到衬底的出口的非线性通道；以及燃烧催化剂，所述燃烧催化剂与沿着非线性通道的衬底的暴露表面的部分相关联，其中，沿着非线性通道存在于衬底上的燃烧催化剂的量具有从衬底的入口到衬底的出口的一个或多个梯度。15.根据权利要求14所述的补燃器，其中，可压缩弹性耐火衬底包括多层可压缩弹性耐火材料。16.根据权利要求1-15中任一项所述的补燃器，其中，所述可压缩弹性耐火材料包括硅、铝或者硅-铝混合物的纤维。17.根据权利要求1-16中任一项所述的补燃器，包括补燃器的非入口和非出口面或表面附近的外罩，其中，所述外...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯恩·芬纳蒂，保罗·德瓦尔德，
申请(专利权)人：瓦特燃料电池公司，
类型：发明
国别省市：美国,US