專利名稱：固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新穎的燃料電池系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將燃料的能量潛能通過電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電力的電氣裝置?？偟卣f來，燃料電池包括一對由電解質(zhì)間隔開的電極。電解質(zhì)只允許某些類型的離子通過。離子選擇性地通過電解質(zhì)，導(dǎo)致在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電勢。這個(gè)電勢可被控制用來做有用功，例如驅(qū)動機(jī)動車或家用電子裝置。這個(gè)直接轉(zhuǎn)換過程通過去除傳統(tǒng)發(fā)電裝置，例如渦輪設(shè)備所需要的機(jī)械步驟而提高了發(fā)電效率。另外，較高的效率和電化學(xué)過程的組合導(dǎo)致了適宜環(huán)境的產(chǎn)物。
固體氧化物燃料電池(″SOFC″)是一種將燃料的能源潛力通過電化學(xué)反應(yīng)以大約40％效率而轉(zhuǎn)換成電力的裝置。SOFC具有三個(gè)基本部分產(chǎn)生電子的陽極，消耗電子的陰極，以及可傳導(dǎo)離子但防止電子通過的電解質(zhì)。不同于許多燃料電池，SOFC能夠在沒有單獨(dú)的化學(xué)重整裝置的條件下，運(yùn)轉(zhuǎn)多種類型的燃料(例如，氫、丙烷和柴油)。因此，SOFC系統(tǒng)每磅比可比的燃料電池系統(tǒng)，例如包含質(zhì)子交換膜燃料電池的系統(tǒng)產(chǎn)生更大量的電力。
就參照其相應(yīng)的燃料電池的形狀而言，有兩種通用的結(jié)構(gòu)化的SOFC類型，管狀電池和平面電池，其形狀為圓筒或板狀。固體氧化物燃料電池在相對較高的溫度，大約850-1000攝氏度下操作。由于這些較高的操作溫度，平面電池受到圍繞電池的陶瓷部分進(jìn)行密封的困難的困擾。因而，當(dāng)前存在對一種改進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)的需求，這種改進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生較低的內(nèi)部熱應(yīng)力，并因此降低了密封要求。
發(fā)明概要本發(fā)明提供了一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其包括中心支撐裝置，固定裝置，集電裝置，和至少一個(gè)燃料電池裝置，其中，燃料電池裝置和集電裝置可在平行于燃料電池裝置的軸線的方向上移動。
在一個(gè)方面，燃料電池裝置，例如燃料電池管，通過例如傳導(dǎo)材料(例如導(dǎo)電膠)而剛性地連接在集電裝置上，并形成可作為單個(gè)器件而被拆去的組件。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池裝置安裝在從固定裝置的表面延伸出來的特征部、例如噴射器引腳(injector pin)7上，使得在燃料電池裝置和從固定裝置的表面延伸出來的特征部之間的間隙足夠小，從而允許在燃料電池裝置和固定裝置之間沒有密封的條件下進(jìn)行操作。在另一實(shí)施例中，燃料電池裝置插入到固定裝置的空腔中。為了便于集電的目的，電解質(zhì)和陰極的長度在圓周方向上是可變的，從而形成陽極的裸露。燃料電池系統(tǒng)的中心支撐裝置還可用作燃料重整裝置。
燃料電池系統(tǒng)還可包括歧管，例如半球形圓頂形狀的歧管，熱交換裝置，或后燃燒器(afterburner)。熱交換裝置可通過某些機(jī)械裝置而粘接或連接到中心支撐裝置上。熱交換裝置和中心支撐裝置還可制造或裝配成單個(gè)器件。
本發(fā)明還提供了一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其包括中心支撐管，燃料電池板，集電板，歧管和至少一個(gè)燃料電池管，其中至少一個(gè)燃料電池管和集電板可在平行于燃料電池管的軸線的方向上自由移動。
本發(fā)明還講授了一種將燃料轉(zhuǎn)換成電能的方法，其包括將燃料和其它材料(例如空氣)導(dǎo)入到固體氧化物燃料電池系統(tǒng)中的步驟，其中固體氧化物燃料電池系統(tǒng)包括中心支撐裝置，固定裝置，集電裝置，和至少一個(gè)燃料電池裝置，其中，所述至少一個(gè)燃料電池裝置和集電裝置可在平行于燃料電池裝置的軸線的方向上自由移動。
參照以下細(xì)節(jié)描述，將清楚本發(fā)明的其它方面。
附圖簡介

圖1顯示了一種典型的燃料電池系統(tǒng)。中心支撐管(2)插入到燃料電池疊組(1)中，燃料電池疊組(1)包括多個(gè)燃料電池(3)，燃料電池板(4)，集電板(5)，和歧管(6)。燃料電池板(4)通過物理、機(jī)械和/或化學(xué)手段，例如摩擦力，而固定在中心支撐管(2)上。
圖2顯示了燃料電池板和噴射器引腳。燃料電池(3)插入在噴射器引腳(7)上，噴射器引腳(7)是燃料電池板(4)的一個(gè)特征部。
圖3顯示了一種燃料電池系統(tǒng)，其中拆去了燃料電池和集電板組件。集電板(5)和燃料電池(3)的組件可通過使其滑動脫離中心支撐管(2)而被拆去。
圖4顯示了拆去中心支撐管后的燃料電池系統(tǒng)。
圖5顯示了一種備選的燃料電池板設(shè)計(jì)。燃料電池板(4)由絕緣材料形成，并且將燃料電池(3)插入到燃料電池板(4)的空腔(8)中。
圖6顯示了一種燃料電池系統(tǒng)，其中燃料電池板與絕緣板相鄰。由絕緣材料制成、并定位成相鄰于圖6所示燃料電池板(4)的絕緣板(10)，被制成具有等于或略小于燃料電池(3)的開口，以減少在與燃料電池板(4)的連接處氣體從燃料電池(3)中的泄漏。
圖7顯示了燃料電池一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。在這個(gè)實(shí)施例中，燃料電池(3)包括陽極(11)，陰極(12)和電解質(zhì)，其中，陽極(11)以半圓形型式(26)部分地暴露。
圖8是圖7的燃料電池(3)的端視圖。
圖9顯示了帶集電槽型式(13)的集電板。
圖10顯示了集電板和四個(gè)燃料電池管的組件。在插入燃料電池(3)之后，可利用導(dǎo)電膠(14)填充集電槽型式(13)。
圖11顯示了位于中心支撐管末端上的燃料電池系統(tǒng)和熱交換器。在進(jìn)入中心支撐管(2)之前，熱交換器(9)利用從疊組(1)的排氣中所吸取的熱量來預(yù)熱燃料與空氣的混合氣。
圖12顯示了拆去熱交換器和中心支撐管組件后的燃料電池系統(tǒng)。熱交換器(9)可粘接或連接在中心支撐管(2)上，或制造成為中心支撐管(2)的組成部分。如圖12中所示，可將熱交換器(9)和中心支撐管(2)作為組件從疊組(1)中拆去，以便于維護(hù)或替換。
圖13顯示了帶圓頂形狀的歧管的燃料電池系統(tǒng)。疊組末端的歧管在燃料電池操作期間受到熱應(yīng)力。圓頂形狀的歧管(15)減小了作用在歧管上的熱應(yīng)力。
圖14顯示了歧管的圓柱形設(shè)計(jì)和圓頂設(shè)計(jì)。如圖14中所示帶平閉合面(16)的圓柱形歧管(6)在燃料電池的操作期間發(fā)生熱膨脹，導(dǎo)致在閉合面(16)和圓柱形環(huán)壁(17)的交會處產(chǎn)生應(yīng)力。在閉合面(16)和圓柱形環(huán)壁(17)的交會處的倒角(18)減少了熱應(yīng)力。
圖15顯示了采用疊組絕緣結(jié)構(gòu)作為氣體歧管的燃料電池系統(tǒng)的截面圖。燃料電池組件插入到絕緣部件(19)中，從而在燃料電池板(4)和絕緣部件(19)之間形成空隙(21)?？障?21)用作氣體歧管，以提供用于將氣體從中心支撐管(2)傳遞到燃料電池(3)的路徑。
圖16顯示了燃料電池系統(tǒng)的截面圖。中心支撐管(2)插入到燃料電池疊組(1)中，所述燃料電池疊組(1)包括多個(gè)燃料電池(3)，燃料電池板(4)，集電板(5)，和歧管(6)。后燃燒器(20)固定在中心支撐管(2)上，并且使穿過疊組(1)的未消耗的燃料燃燒。
圖17顯示了帶絕緣部件的燃料電池系統(tǒng)的截面圖。組件插入到絕緣部件(19)中，以防止與燃料電池操作相關(guān)的熱量離開該組件。
圖18顯示了采用疊組絕緣結(jié)構(gòu)作為氣體歧管的燃料電池系統(tǒng)的截面圖。該組件插入到絕緣部件(19)中，從而在燃料電池板(4)和絕緣部件(19)之間形成空隙(21)?？障?21)用于提供使氣體從中心支撐管(2)傳遞到燃料電池(3)的路徑。
圖19顯示了帶有陰極集電系統(tǒng)(22)的燃料電池(3)，陰極集電系統(tǒng)(22)由緊緊地卷繞在燃料電池陰極(12)上的非絕緣導(dǎo)線組成?？拷姵啬┒说娜剂想姵氐年枠O(11)暴露，以允許在將燃料電池插入到集電板中之后進(jìn)行集電。
圖20顯示了帶導(dǎo)線卷繞式集電構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)。陰極集電系統(tǒng)(22)通過緊緊地纏繞在燃料電池(3)上，之后穿過集電板(5)中的孔的導(dǎo)線來提供。之后，導(dǎo)線纏繞在位于相鄰燃料電池(3)末端的暴露的陽極材料上，以形成陽極集電構(gòu)造(23)。通過連接相鄰的燃料電池(3)的陽極和陰極，燃料電池(3)就用導(dǎo)線電串聯(lián)起來。由燃料電池產(chǎn)生的電功率通過分別連接在系統(tǒng)的陰極和陽極上的電源線(24)和(25)而被引導(dǎo)出該系統(tǒng)。
圖21顯示了當(dāng)將燃料電池(3)和導(dǎo)電夾片(27)插入到集電板(5)中時(shí)，采用導(dǎo)電夾片(27)將燃料電池(3)互連起來的集電方案。為了適應(yīng)使導(dǎo)電夾片的一端接觸陽極(11)并且導(dǎo)電夾片(27)的相反端接觸相鄰燃料電池(3)的陰極(12)的要求，在用于安裝燃料電池(3)的集電板(5)上的孔附近，提供了陽極夾片槽(29)和陰極夾片槽(28)。陽極(11)的一部分未被電解質(zhì)和陰極(12)遮蓋，以便于同導(dǎo)電夾片(27)相接觸。
圖22顯示了插入到集電板(5)中的一個(gè)燃料電池(3)的陰極和相鄰燃料電池(3)的陽極以及導(dǎo)電夾片(27)之間的相互連接。
圖23顯示了帶有安裝在集電板(5)中的四個(gè)燃料電池(3)和連接夾片(27)的集電系統(tǒng)的完整組件。陽極功率夾片(30)和陰極功率夾片(31)安裝在相應(yīng)的陽極夾片槽和陰極夾片槽中。陶瓷填充件(32)安裝在陰極夾片槽中，以防止連接夾片(27)和陰極功率夾片(31)移動，這種移動可能導(dǎo)致斷路或短路。
本發(fā)明的詳細(xì)描述除非上下文中明確地作了規(guī)定，否則這里和所附權(quán)利要求中所使用的單數(shù)形式″一個(gè)″和″這個(gè)″包括復(fù)數(shù)的引用。因而，例如對″燃燒催化劑″的引用包括多個(gè)這樣的燃燒催化劑，并且對″燃料電池管″的引用指的是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的一個(gè)或多個(gè)燃料電池管和其等效物等等。這里所提到所有出版物、專利申請、專利以及其它參考文獻(xiàn)都通過引用而完整地結(jié)合在本文中。
本發(fā)明提供了這樣的一種燃料電池系統(tǒng)，其包括中心支撐管，燃料電池板，集電板，多個(gè)燃料電池管，以及可選的歧管，絕緣裝置，熱交換器，或后燃燒器。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)允許燃料電池管在與系統(tǒng)起動和停止相關(guān)的熱循環(huán)期間，不受限制地膨脹和收縮，從而減少或消除了可能造成固體氧化物燃料電池過早失效的熱應(yīng)力。另外，可以這樣的方式設(shè)計(jì)燃料電池系統(tǒng)，即，使得燃料電池管以及燃料重整裝置和熱交換器可以容易地被拆去，以便維護(hù)或替換。
中心支撐管(2)、燃料電池板(4)和集電板(5)可由任何適合于SOFC系統(tǒng)的材料制成，例如陶瓷材料。中心支撐管(2)可通過許多手段，例如通過摩擦力或通過機(jī)械的相互作用而與燃料電池板(4)連接起來。圖1公開了一種管狀的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中，中心支撐管(2)僅僅通過摩擦力而連接在燃料電池板(4)上。在中心支撐管(2)和燃料電池板(4)之間的連接可以是緊密的滑動配合，使得摩擦力將燃料電池板(4)保持就位于中心重整裝置管上。
中心支撐管(2)還可用作集成為一體的重整裝置，將燃料(例如丙烷)轉(zhuǎn)換成適合固體氧化物燃料電池反應(yīng)的一氧化碳和氫氣。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，重整裝置是部分氧化的重整裝置。例如，當(dāng)使用丙烷作為燃料時(shí)，這種部分氧化的重整裝置將其轉(zhuǎn)換成CO和H2C3H8+1.5O2→3CO+4H2在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池(3)安裝在被稱為噴射器引腳(7)的燃料電池板(4)的特征部上，如圖2中所示。噴射器引腳(7)可成形為燃料電池板(4)的一體式特征部或單獨(dú)地制造，并裝配到燃料電池板(4)上。燃料電池管(3)的直徑可略大于噴射器引腳(7)的直徑，從而當(dāng)將燃料電池管(3)安裝在噴射器引腳(7)上時(shí)，可形成間隙。不需要單獨(dú)的密封件來防止重整產(chǎn)物(氣態(tài)燃料)泄漏，因?yàn)橥ㄟ^噴射器引腳(7)和燃料電池(3)內(nèi)部之間的狹窄間隙的壓力降比通過燃料電池室的壓力降大得多，因而存在充分的回壓，以便在不使用單獨(dú)的密封件的條件下，最大程度地減少重整產(chǎn)物(氣態(tài)燃料)從燃料電池管(3)內(nèi)部的泄漏。例如，具有2.8mm直徑的燃料電池(3)可安裝在2.5-2.7mm直徑的噴射器引腳(7)上，并且由此而形成的間隙不會干擾燃料電池系統(tǒng)的操作。在另一實(shí)施例中，燃料電池(3)通過將其插入到燃料電池板(4)的空腔(8)中而安裝在燃料電池板上，如圖5中所示?？涨?8)的直徑可等于或略小于燃料電池管(3)的直徑。
為了進(jìn)一步提高穿過狹窄間隙的壓力降，可將絕緣裝置，例如由絕緣材料制成的板(10)安裝在燃料電池板(4)的附近，如圖6中所示。在這里使用的用語″附近″指在相鄰的部件之間沒有間隙或者即使在兩個(gè)相鄰的部件之間存在間隙，該間隙也足夠小而不會干擾部件功能這樣的狀態(tài)，在這種情況下，就產(chǎn)生了回壓，從而最大程度地減小了氣體泄漏。絕緣板(10)可包括燃燒催化劑，其在萬一燃料泄漏的情況下，將泄漏的燃料轉(zhuǎn)換成CO2，并因此而有助于將燃料電池管(3)的通道外部保持為非還原的環(huán)境。
類似地，在中心支撐管(2)和燃料電池板(4)以及可選的絕緣板(10)之間的狹窄間隙，就可防止重整產(chǎn)物穿過這兩個(gè)部件之間的間隙而泄漏，而無需使用單獨(dú)的密封件。
如圖1中所示，燃料電池(3)連接在集電板(5)上。在一個(gè)實(shí)施例中，各電池通過集電系統(tǒng)而電連接在集電板(5)上，集電系統(tǒng)利用適當(dāng)?shù)牟⒙?lián)和串聯(lián)組合而將燃料電池(3)互連起來，以產(chǎn)生所需的輸出電壓。為了便于集電，可采用許多機(jī)理。在一個(gè)實(shí)施例中，以這樣一種方式來制作燃料電池管(3)，即，使得陰極和陽極以特定的型式而暴露，如圖7-10和21-23中所示，從而當(dāng)將燃料電池(3)以正確的定向插入到集電板(5)中時(shí)，該型式適當(dāng)?shù)囟ㄎ怀煽稍试S施用導(dǎo)電膠或?qū)щ妸A片，以便根據(jù)需要而將相鄰燃料電池(3)的陽極和陰極互連起來。例如，可將下凹的型式結(jié)合在燃料電池板(4)中，如圖9中所示，以便于施用導(dǎo)電膠而將燃料電池(3)互連起來，如圖10中所示。燃料電池(3)可制作成包括例如局部平面、突出物或凹槽的特征，其與相應(yīng)集電板(5)中的特征對準(zhǔn)，從而確保燃料電池陰極和陽極型式與集電板(5)的正確定向。作為備選，可制造燃料電池(3)，使得陽極(11)以半圓形的型式(26)部分地暴露，如圖7-8中所示。當(dāng)將燃料電池(3)和導(dǎo)電夾片(27)插入到集電板(5)中時(shí)，導(dǎo)電夾片(27)用于將燃料電池(3)互連起來，如圖21-23中所示。為了適應(yīng)使導(dǎo)電夾片(27)的一端接觸陽極(11)并且導(dǎo)電夾片(27)的相反端接觸相鄰燃料電池(3)的陰極(12)的要求，在用于安裝燃料電池(3)的集電板(5)中的孔附近，提供了陽極夾片槽(29)和陰極夾片槽(28)。陶瓷填充件(32)安裝在陰極夾片槽中，以防止連接夾片(27)和陰極功率夾片(31)移動，否則這種移動可能導(dǎo)致斷路或短路(圖23)。燃料電池管(3)的集電可通過使用導(dǎo)線(例如銀線)或其它合適的裝置，將單個(gè)的燃料電池(3)的陽極和陰極互連起來而實(shí)現(xiàn)。圖19-20公開了另一集電方案，其中，通過將導(dǎo)線而緊緊地纏繞在燃料電池(3)上，之后穿過集電板(5)中的孔，來提供陰極集電構(gòu)造(22)?？拷姵啬┒说娜剂想姵?3)的陽極(11)暴露，以允許在將燃料電池(3)插入到集電板中之后進(jìn)行集電。之后，導(dǎo)線纏繞在位于相鄰燃料電池(3)末端的暴露陽極材料上，以形成陽極集電構(gòu)造(23)。通過連接相鄰燃料電池(3)的陽極和陰極，燃料電池(3)就用導(dǎo)線電串聯(lián)起來。由燃料電池(3)產(chǎn)生的電功率通過分別連接到系統(tǒng)的陰極(12)和陽極(11)上的電源線(24)和(25)而被引出該系統(tǒng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，集電板(5)滑動配合在中心支撐管(2)上，并可沿著與燃料電池管(3)的軸線平行的方向移動。這里所用用語″可移動″指在兩個(gè)物體、例如集電板(5)和中心支撐管(2)之間的相對位置的變化。該用語還指在一個(gè)物體的一部分(例如燃料電池管(3)的一部分，例如燃料電池(3)的陽極(11)末端的延伸或退縮)和另一物體(例如中心支撐管(2))之間的相對位置的變化。集電板(5)和燃料電池(3)的組件可沿著中心支撐管(2)而滑動。在燃料電池系統(tǒng)的操作期間，集電板/燃料電池組件可由于在中心支撐管(2)和集電板(5)之間存在間隙而縱向膨脹。這種運(yùn)動自由度最大程度地減小了作用于燃料電池(3)上的縱向壓緊力。
在一個(gè)實(shí)施例中，由于集電和燃料電池組件可簡單地在中心支撐管(2)上滑動，如圖3中所示，因此，就可以容易地從疊組中拆去集電和燃料電池組件，以進(jìn)行維護(hù)和替換。在另一實(shí)施例中，由于中心支撐管(2)緊密滑動配合(摩擦配合)在燃料電池板(4)中，如圖4中所示，因此可從疊組中拆去中心支撐管(2)。
圖5中顯示了一種燃料電池板(4)的備選設(shè)計(jì)，其中，通常由氧化鋁或類似陶瓷材料制成的板，就使用絕緣材料，例如2-8微米的氧化鋁纖維，而構(gòu)造而成。在這種設(shè)計(jì)中，在中心支撐管(2)和燃料電池板(4)之間的間隙可以較大，因?yàn)橹行闹喂?2)在燃料電池板(4)中的插入深度較大，所以，就在燃料電池管(3)的內(nèi)部和包圍燃料電池管(3)的區(qū)域之間導(dǎo)致較大的壓力降，并因而最大程度地減小了氣體泄漏。
在一個(gè)實(shí)施例中，絕緣板(10)定位在燃料電池板(4)的附近，如圖6中所示?？梢缘扔诨蚵孕∮趩蝹€(gè)燃料電池管(3)的直徑，來制作燃料電池管(3)可從中穿過的絕緣板上的孔，從而在燃料電池(3)和絕緣板之間形成緊密配合。絕緣板(10)可通過化學(xué)或物理手段，例如氧化鋁粘合劑或摩擦力，而結(jié)合在燃料電池板(4)上。所形成的燃料電池板/絕緣板組件由于在燃料電池管(3)的內(nèi)部和包圍燃料電池管(3)的區(qū)域之間的較大壓力降，而產(chǎn)生了更大的對燃料泄漏的阻力。
在某些應(yīng)用中，可保持化學(xué)重整裝置的中心支撐管，還可連接在熱交換器或后燃燒器上，或包括熱交換器或后燃燒器，如圖10和16-18中所示。這個(gè)熱交換器從燃料電池疊組的排氣中吸取熱量，然后用于預(yù)熱吸取的燃料/空氣混合物。后燃燒器通過利用燃燒催化劑，例如Pt/Al2O3粒子，PtRh/CeO2/AlO3團(tuán)粒，和Pt/α-Al2O3泡沫整料，而將未消耗的燃料轉(zhuǎn)換成熱量，從而取得相同的效果。熱交換器/后燃燒器和中心支撐管(2)組件可從疊組中拆去，以便進(jìn)行維護(hù)或替換，如圖11中所示。
歧管的加熱在燃料電池(3)的操作期間產(chǎn)生了熱應(yīng)力。采用如圖13中所示的半球形圓頂形式的歧管(15)，其安裝減少了歧管中的應(yīng)力集中。如圖14中所示，帶平面閉合面(16)的歧管(6)在閉合面(16)和圓柱形側(cè)壁(17)的交會處發(fā)生應(yīng)力集中。交會處的倒角(18)減少了熱應(yīng)力。半球形歧管(16)進(jìn)一步減小了應(yīng)力集中，從而減小歧管的重量。在一個(gè)實(shí)施例中，通過將集電板(5)連接到氣體不能滲透的絕緣部件上，就可執(zhí)行歧管的功能，如圖18中所示。這消除了單獨(dú)的歧管部分，并且可降低系統(tǒng)的總成本。
示例以下所闡述的示例說明了本發(fā)明，有助于理解本發(fā)明，并且不應(yīng)該認(rèn)為它以任何方式限制了所附權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明的范圍。
以下示例描述了帶36個(gè)燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)造。如本領(lǐng)域中已知的那樣，集電板、燃料電池板和歧管帽由氧化鋁或玻璃陶瓷制成，并在隨后的凝膠鑄模工藝中制造而成。中心支撐管由擠出的氧化鋁管構(gòu)成，通過將其烘烤至1550℃來進(jìn)行測試。致密的Saffil纖維板用于構(gòu)造絕緣板，而Saffil毛氈用于制造墊圈。
燃料電池板，集電板，歧管帽，和絕緣板被預(yù)先烘烤至950℃，以確保這些部分適合于高溫應(yīng)用。在這些部分上添加額外的特征，例如用于熱電偶、集電或空氣流動的孔或槽。通過切割預(yù)擠出的氧化鋁管(外徑2.6mm；內(nèi)徑1.4mm)來制成噴射器引腳。根據(jù)燃料電池的長度，噴射器引腳的長度在5-15mm之間。然后通過利用氧化鋁粘合劑，如Resbond 989高純度氧化鋁陶瓷，而將噴射器引腳裝配和固定在燃料電池板上，之后在600□℃下固化2小時(shí)，以確保形成適當(dāng)?shù)拿芊狻?br> 根據(jù)題名為″采用了金屬陶瓷電解質(zhì)的陽極支撐式固體氧化物燃料電池″的美國專利申請S/N 60/526,398中所公開的方法，準(zhǔn)備好36個(gè)管狀燃料電池。然后將這些燃料電池裝配到集電板中。制作電連接，以實(shí)現(xiàn)所需的輸出電壓。例如，36V的輸出將要求這36個(gè)燃料電池用導(dǎo)線串聯(lián)起來，而18V的輸出將要求這36個(gè)燃料電池用導(dǎo)線作為18對而串聯(lián)起來。通過利用傳導(dǎo)的金屬板/泡沫和/或?qū)щ娔z，例如銀和Ni/YSZ金屬陶瓷的組合，而制成電池之間的電連接。然后將這個(gè)組件在70℃下烘干2小時(shí)。然后將氧化鋁粘合劑[名稱？]層添加到集電板的頂部，以密封集電板和燃料電池之間的連接。
將重整催化劑添加到中心支撐管中。按順序地添加四個(gè)催化劑分段，以確保首先安裝POX催化劑，使得重整/燃燒反應(yīng)從放熱流動至吸熱(分段1至4)。利用氧化鋁粘合劑(Resbond 989高純度氧化鋁陶瓷)將催化劑分段固定就位。然后，將中心支撐管在70℃下固化4-6小時(shí)。
利用Resbond 989高純度氧化鋁陶瓷將完成后的中心支撐管和燃料電池板粘接在一起。然后將這個(gè)組件在70℃下固化2小時(shí)。將兩個(gè)Saffil毛氈墊圈放置在噴射器引腳之上。如圖3中所示，將包括燃料電池和集電板的組件和包括中心支撐管和燃料電池板的組件裝配在一起。
將歧管連接在燃料電池板上，并將絕緣板定位在集電板之上。將后燃燒器催化劑圍繞中心支撐管放置在絕緣板以上10mm的位置。然后，將Saffil毛氈纏繞在后燃燒器催化劑上，直到后燃燒器催化劑和Saffil毛氈的外徑等于集電板的外徑時(shí)為止。然后，將這種包括有用于正負(fù)極導(dǎo)線的熱電偶和絕緣管的組件或″疊組″，在70℃下固化4小時(shí)。
然后將疊組滑動到管狀熱交換器中，其具有比燃料電池板和集電器板的外徑略大的內(nèi)徑。對熱交換器進(jìn)行定位，使得熱交換器內(nèi)壁上的孔與燃料電池上的活性電極的起始部分成一直線。然后將這個(gè)組件裝配到合適的絕緣包裝件中，該包裝件構(gòu)造成使得燃料電池系統(tǒng)的外表面溫度在該系統(tǒng)的操作期間保持在80℃以下。
在以下條件下對燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行測試。該系統(tǒng)在氧/丙烷燃料(氧/丙烷比為2.4∶1)的情形下在1-2.5L/m的流率下起動。利用定位在后燃燒器后面的電子點(diǎn)火器完成點(diǎn)火。該系統(tǒng)在不到10分鐘內(nèi)達(dá)到700℃。在這點(diǎn)上，根據(jù)該系統(tǒng)的所需負(fù)荷，可使氧/丙烷比在1.8和2.2之間變化(滿負(fù)荷＝1.8；低負(fù)荷＝2.2)。改變該比值，以便在高負(fù)荷要求期間最大限度地提高氫的產(chǎn)生，并平衡疊組的工作溫度，該工作溫度在滿負(fù)荷時(shí)增加至850℃。當(dāng)以1.9的氧/丙烷比進(jìn)行操作時(shí)，該系統(tǒng)在835℃下產(chǎn)生57W的功率。然后，在較小的燃料流率(總流量的1/4)下將系統(tǒng)關(guān)閉，同時(shí)保持2.2的氧/丙烷比。
雖然出于清楚和理解的目的已經(jīng)以一定的詳細(xì)程度來描述了前面的本發(fā)明，但是，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員通過閱讀本說明書應(yīng)該理解，在不脫離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的真實(shí)范圍內(nèi)，可在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種變化。
權(quán)利要求
1.一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其包括中心支撐裝置，固定裝置，集電裝置，和至少一個(gè)燃料電池裝置，其中，所述至少一個(gè)燃料電池裝置和所述集電裝置可在平行于所述燃料電池裝置的軸線的方向上移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)燃料電池裝置和所述集電裝置形成了單個(gè)可拆去的組件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)燃料電池裝置安裝在所述固定裝置表面上的至少一個(gè)噴射器裝置上，使得在所述至少一個(gè)燃料電池裝置和所述至少一個(gè)噴射器裝置之間形成間隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述間隙允許在所述至少一個(gè)燃料電池裝置和所述至少一個(gè)噴射器裝置之間沒有密封的條件下進(jìn)行操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)噴射器裝置是從所述固定裝置的表面上延伸出來的至少一個(gè)噴射器引腳。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)噴射器引腳連接在所述固定裝置上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)噴射器引腳與所述固定裝置構(gòu)成一個(gè)整體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)燃料電池裝置插入到所述固定裝置的空腔中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述中心支撐裝置包括燃料重整裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述固定裝置包括絕緣材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述固定裝置包括用于促進(jìn)集電的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括歧管。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述歧管具有半球形圓頂?shù)男螤睢?br> 14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括熱交換裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換裝置連接在所述中心支撐裝置上。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換裝置和所述中心支撐裝置形成單個(gè)可拆去的組件。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換裝置和所述中心支撐裝置是單個(gè)部件。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換裝置包括燃燒催化劑。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括絕緣裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述絕緣裝置定位成相鄰于所述固定裝置和所述集電裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述絕緣裝置定位在所述固定裝置附近。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述絕緣裝置包括燃燒催化劑。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述絕緣裝置形成了用作歧管的空間。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)燃料電池裝置包括電解質(zhì)、陰極和陽極，其中，所述電解質(zhì)和所述陰極的長度在圓周方向上是可變的，以形成陽極和陰極的裸露，而用于促進(jìn)集電的目的。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述集電裝置通過傳導(dǎo)材料而連接在所述至少一個(gè)燃料電池裝置上。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述傳導(dǎo)材料是導(dǎo)電膠或?qū)щ妸A片。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述中心支撐裝置是中心支撐管。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述固定裝置是燃料電池板。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述集電裝置是集電板。
30.一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其包括中心支撐管，燃料電池板，集電板，和至少一個(gè)燃料電池管，其中，所述至少一個(gè)燃料電池管和所述集電板可在平行于所述燃料電池管的軸線的方向上移動。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)燃料電池管安裝在所述固定裝置表面上的至少一個(gè)噴射器引腳上，使得在所述至少一個(gè)燃料電池管和所述至少一個(gè)噴射器引腳之間形成間隙。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述間隙允許在所述至少一個(gè)燃料電池管和所述燃料電池板之間沒有密封的條件下進(jìn)行操作。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括歧管。
34.根據(jù)權(quán)利要求30所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括絕緣墊。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述絕緣墊形成了用作歧管的空間。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述絕緣墊定位在所述燃料電池板附近。
37.一種將燃料轉(zhuǎn)換成電能的方法，包括將燃料導(dǎo)入到固體氧化物燃料電池系統(tǒng)中的步驟，其中，所述固體氧化物燃料電池系統(tǒng)包括中心支撐裝置，固定裝置，集電裝置，和至少一個(gè)燃料電池裝置，其中，所述至少一個(gè)燃料電池裝置和所述集電裝置可在平行于所述燃料電池裝置的軸線的方向上移動。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)燃料電池裝置和所述集電裝置形成了單個(gè)可拆去的組件。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)燃料電池裝置安裝在所述固定裝置表面上的至少一個(gè)噴射器裝置上，使得在所述至少一個(gè)燃料電池裝置和所述至少一個(gè)噴射器裝置之間形成了間隙。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，所述間隙允許在所述燃料電池裝置和所述固定裝置之間沒有密封的條件下進(jìn)行操作。
41.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述中心支撐裝置包括燃料重整裝置。
42.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述固定裝置包括絕緣材料。
43.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述固體氧化物燃料電池系統(tǒng)還包括歧管。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，所述歧管具有半球形圓頂?shù)男螤睢?br> 45.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述固體氧化物燃料電池系統(tǒng)還包括熱交換裝置。
46.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述固體氧化物燃料電池系統(tǒng)還包括絕緣裝置。
47.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述中心支撐裝置是中心支撐管。
48.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述固定裝置是燃料電池板。
49.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述集電裝置是集電板。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)(1)，其包括中心支撐裝置(2)，固定裝置(4)，集電裝置(5)，歧管(6)和至少一個(gè)燃料電池裝置(3)，其中燃料電池裝置(3)和集電裝置(5)可在平行于燃料電池裝置(3)的軸線的方向上移動。
文檔編號H01M8/06GK101053105SQ200580037922
公開日2007年10月10日 申請日期2005年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月9日
發(fā)明者C·芬納蒂 申請人:納米動力學(xué)能量公司