燃料电池堆、燃料电池系统及其运作方法技术方案

一个燃料电池堆包括至少第一和第二电池（４０）和一个分隔装置（４２）。每个电池包括一个阳极（４４）、一个阴极（４６）和在阳极与阴极之间的电解液（４８）。分隔装置包括一个流体分隔板，该流体分隔板具有一个燃料区、一个氧化剂区、一个在燃料区与第一个电池阳极之间的阳极分隔元件（６８）和一个在氧化剂区与第二个电池的阴极之间的阴极分隔元件。分隔装置包括一个在阴极分隔元件中心区域中具有一个废气入口的阴极废气通道（８６），和一个阳极进给通道（６４），该阳极进给通道（６４）包括一个位于偏离外围边缘的具有径向向内和向外导向的燃料出口（７６，７８）的连续环状阳极进给管。一个空气导流片帮助防止径向向内流动的空气与阳极接触，同时允许空气流到阴极分隔元件的外围边缘上。一个阳极循环通道（１０６）具有一个位于阳极中心处的废弃燃料入口（１０８）和一个位于阳极进给通道内的出口（１１０），这样，电池反应物－－水可以作为水蒸气为内部重整之用。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种燃料电池堆、燃料电池堆系统及其运作方法。氢的一个来源是天然气。从天然气中取得氢的一个普通的方法是使用一个重整装置，使天然气与水蒸气在高温下，如760摄氏度，进行化合。一些燃料电池是通过使用一个单独分开的外部重整装置产生氢来工作的；另外一些燃料电池则是将重整装置的功能集成在电池本身中，并在足够高的温度下以及其他适当的设计考虑下进行工作。有一种燃料电池使用的是径向流动的结构。在一种固体氧化物燃料电池的设计中，如M.Petrik等人合著的《交叉科学径向流动(IRF)SOFC(固体氧化物燃料电池)的电池堆发展状况》 (关于燃料电池技术研究和开发的EPRI/GRI燃料电池的学术讨论会，亚特兰大，乔治亚州，1994年3月22-23日)所公开，燃料和空气是通过一对位于电池中央的管道输送到每一个电池中的。然后，这些燃料和空气便径向向外地流动到电池的边缘。这种流动结构需要在进给处密封，以将燃料和空气隔离。并且，这种结构在富含燃料和富氧的电池中心处还存在着温度激增的危险。在另一种结构中，如M.Prica等人合著的《用于SOFC改进热机械性能的成型PEN板》(第二届欧洲燃料电池研讨会论文集，第一卷，393-402页，奥斯陆，挪威，1996年5月6-10日)所公开，燃料和空气是通过一对针管被输送进电池中。然后，这些气体便径向地流动到电池的边缘。这种流动结构免除了气体密封的要求，但同样存在温度激增的问题。在另外一个结构中，如欧洲专利0635896A1所公开，燃料是通过一个针管被输送进电池的中心，而空气则是通过分布的喷嘴输送到整个阴极区域。废弃燃料和废弃空气在电池边缘聚集。这种结构既免除了气体密封的要求，也没有温度激增的问题。但这种结构要求一个复杂的气体喷嘴分布系统。美国专利5851689公开了一种径向流动的燃料电池堆装置。在这种装置中，燃料气体是通过一对针管被输送到位于每个电池中心与边缘中间的阳极处。在针管的顶端，燃气被一个导流片分开，沿着环形的路线径向地向内和向外流动。输送进来的空气从电池边缘径向地向内流动到阴极的中心，在这里，废弃空气通过一个采集针管聚集起来并向外排出。这种径向流动的结构免除了气体密封的要求。同时，由于在电池中没有既富含燃料又富含氧化剂的地方，因此它也消除了温度激增的危险，从而不需要复杂的气体分布喷嘴。由于分离燃料的流动方式，部分废弃燃料(包括电池反应生成物——水和残留的燃料)可以在阳极中心由采集针管采集，并将电池反应物——水作为水蒸气源循环再利用，用于通过外部排出装置重整。因此，一旦燃料电池堆达到了工作温度，就再也不需要外部的水蒸气产生装置以及水的蒸发处理。这种分离燃料流动方式同时也迅速地将燃料分布到电池的整个区域中。在美国专利5851689中，径向地向内流动的空气在流动到电池前，先通过环绕电池堆的金属海绵环，以获得由电池堆放射出来的热量。这种方式既消除了电池堆产生的热浪费，同时也可以给进给空气预热。通过在电池边缘的废弃燃料的直接燃烧，最终使空气加热到电池的工作温度。径向地流向电池堆的空气免除了使进给空气预热的热交换器，同时也有利于将电池堆的热量聚集在金属海绵环内。由于这种热量限制的设计，电池堆可以安置于一个温度比较低的外壳中，也不会有明显的热流失。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种燃料电池堆和燃料电池堆系统，以及运作这种燃料电池堆和燃料电池堆系统的方法。这种燃料电池堆至少应包括第一个电池和第二个电池，以及一个分隔装置。每个电池包括一个阳极、一个阴极和在阳极与阴极之间的电解液。分隔装置具有一个燃料区和一个氧化剂区，同时包括一个在燃料区与第一个电池的阳极之间的阳极分隔元件，还有一个在氧化剂区与第二个电池的阴极之间的阴极分隔元件。分隔装置进一步包括一个在氧化剂区与第二个电池的阴极之间的阴极废气通道，还有一个在燃料区与第一个电池的阳极之间的阳极进给通道和阳极废气通道。根据本专利技术的一个方面，与阳极分隔元件分开并覆盖在其上的一个气体导流片，用于防止通常径向地向内流动的含氧气体——一般是空气——与阳极接触，同时有助于这些含氧的气体流动到阴极分隔元件的外围边缘上。本专利技术的这一方面有助于消除如专利‘689所述的系统潜在的问题。即，专利‘689所述的系统需要一个制造比较精确的燃料电池堆来确保燃料气体和空气在所有径向位置分布均匀；否则，如果没有这种均匀的分布，空气有可能侵入阳极区并将阳极和氧化，而包含残余燃料的废弃燃料将可能侵入到阴极区并将阴极还原。这种不希望的电极的氧化反应或还原反应将很快使燃料电池堆失效。但是，本专利技术的这一方面，一个空气导流片起到了防护的作用，并防止不合适的气体进入到电极中去，从而有助于降低电池堆的制造精度的要求。本专利技术的另一方面包括使用一个与电池外围边缘相隔开的连续环状(一般为圆形)阳极进给管，该阳极进给管具有一组燃料出口。燃料出口优选地设计成沿径向向内和径向向外地导向。本专利技术的这一方面由于免除了使用沟槽分隔板来为燃气的流动形成必要的通道，因此它优于‘689专利的专利技术。本专利技术的这一方面也免除了使用比较大的夹紧力使沟槽分隔板紧密地固定于电池上，来形成所要的燃料通路，这样的夹紧力有可能使电池堆产生裂纹。对于使用易碎的陶瓷材料制造的固体氧化剂电池尤为如此。本专利技术的第三方面是使用一个阳极循环通道，该阳极循环通道具有一个位于阳极中心区域的可供废弃燃料流入的循环入口和一个位于阳极进给通道循环位置的循环出口，该废弃燃料包括残余燃料和电池反应生成物——水。这样，电池反应物——水就可以作为水蒸气用于重整反应中。使用这样的内部重整方法可以免除使用外部喷射器进行重整的需要。本专利技术另一个方面是提供一个燃料电池系统，其中在一个公共箱体之内安装许多燃料电池装置。空气或其他含氧的气体供应到箱体内。每个燃料电池装置都与一个燃料供应管路和一个阴极废气管路相连，一方面允许燃料输送进来，另一方面允许阴极废气从燃料电池装置内去除。本专利技术也涉及燃料电池堆的运作方法。在第一种方法中，含氧气体一般径向地向内流动到阴极的外围边缘上。含氧气体被导向偏离于阳极外围边缘。燃料进给到离开每个阳极外围边缘的一个位置上。第二种方法包括使含氧气体径向地向内流动到燃料电池堆的阴极外围边缘上，同时使用一个具有燃料出口的连续环状阳极进给管，将燃料通常径向地向内和向外进给到阳极外围边缘和阳极中心区域之间。该阳极进给管位于偏离阳极外围边缘和阳极中心区域的地方。在第三种方法中，含氧气体通常径向地向内流动到燃料电池堆的阴极外围边缘，燃料则被输送到偏离中心区域的阳极处，这样，废弃燃料，含有残余燃料和电池反应物水，径向地向内和向外流动。利用阳极循环通道，对位于阳极中心区域出的废弃燃料进行循环再利用。废弃燃料从循环通道中流过，到达喷射器处并与从阳极进给通道流过的燃料混合。这种方法提供了在燃料电池堆内部进行碳氢化合物燃料的内部重整。这种燃料的分布有助于防止由于高度吸热重整反应的局部过冷，从而使内部的重整反应成为可能。本专利技术提供了一种设计比较简单、成本较低和可靠性高的系统。该装置设计为无气体泄漏；这种设计使电池的破裂和其他电池损坏的可能最小化，也大大改善了整个系统的轻便性能。除了以上所述的特点和优势，本专利技术也提供了专利‘689中的许多优势。特别地，本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池堆，包括：至少第一个和第二个电池以及一个分隔装置；所述电池每个包括：一个阳极；一个阴极；在阳极和阴极之间的电解液；和一个电池外围边缘；所述分隔装置包括：一个具有燃料 区、氧化剂区和一个分隔器外围边缘的流体分隔器；一个阳极分隔元件，具有一个在燃料区与第一个电池的阳极之间的阳极分隔器外围边缘；一个阴极分隔元件，具有一个在氧化剂区与第二个电池的阴极之间的阴极分隔器外围边缘；一个阴极废气 通道，具有一个在氧化剂区与第二个电池的阴极之间的废气出口；和一个阳极进给通道，具有一个在燃料区与第一个电池的阳极之间、与阳极分隔器外围边缘隔离的燃料出口，这样包括残余燃料的废弃燃料可以向外流动并通过阳极分隔器外围边缘；一个与 阳极分隔器外围边缘隔开并将它覆盖的气体导流片，有助于防止通常为径向地向内流动的含氧气体与阳极接触，同时允许通常为径向地向内流动的含氧气体到达阴极分隔器外围边缘处。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈潭平，
申请(专利权)人：莱森特公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]