專利名稱：燃料電池堆中的熱管理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及燃料電池，且具體地涉及提高燃料電池堆中的熱梯度同時(shí)允許高燃料利用率。
背景技術(shù)：
燃料電池是包括電解質(zhì)和在電解質(zhì)的相對(duì)側(cè)上的相應(yīng)電極(陽(yáng)極和陰極)的電化學(xué)設(shè)備。燃料電池可采用各種不同的配置，包括平面的和管狀的。通過(guò)使燃料氣體流橫穿陽(yáng)極并使助燃?xì)饬鳈M穿陰極而在電極處產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。在燃料是氫的最單純的反應(yīng)形式中，結(jié)果是電和水以及熱，因?yàn)榉磻?yīng)是放熱的。
為了產(chǎn)生有用數(shù)量的電，大量燃料電池成層地堆疊在一起，堆疊的燃料電池串聯(lián)地電連接，且負(fù)載電連接到堆的端部。將層串聯(lián)連接允許每層中的相同的電流/電流密度。多個(gè)這樣的堆可電連接在一起，但本發(fā)明特別涉及單獨(dú)的堆?？稍诙训拿繉又性O(shè)置多于一個(gè)燃料電池，一層(陣列)中的多個(gè)這樣的燃料電池并聯(lián)地電連接。堆中的相鄰的燃料電池或燃料電池的陣列可通過(guò)氣體分離器、隔板、集電器、密封物和可能的其它層部件而彼此分離。在平面燃料電池堆中，燃料電池和其它堆部件布置在端板之間，端板也可為燃料氣體和助燃?xì)獾墓?yīng)和排放提供歧管化功能。如上所述，燃料氣體可被供應(yīng)到燃料電池作為氫，所述氫可選地從碳?xì)浠衔锘蛟谶m當(dāng)?shù)母邷厝剂想姵囟牙绻腆w氧化物燃料電池(SOFC)堆或熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC )堆中預(yù)先重整(reform),燃料氣體可以可選地被供應(yīng)作為在堆中重整的碳?xì)浠衔锢缣烊粴狻Ｖ細(xì)饪梢允羌冄酰ǔＪ强諝?。氣體通常通過(guò)燃料和助燃劑供應(yīng)和排放歧管被供應(yīng)到堆疊的多個(gè)燃料電池或燃料電池陣列并從多個(gè)燃料電池或燃料電池陣列排放，燃料和助燃劑分布通道分別對(duì)陽(yáng)極和陰極開放。碳?xì)浠衔镏卣蕴峁渥鳛槿剂鲜俏鼰岱磻?yīng)，該反應(yīng)如果在堆中被執(zhí)行則被高溫O 650°C)燃料電池的陽(yáng)極上的燃料的放熱氧化支持。需要小心避免來(lái)自吸熱重整反應(yīng)的過(guò)度冷卻。在燃料電池堆中的電產(chǎn)生的高效率需要高燃料利用率——例如高達(dá)供應(yīng)到陽(yáng)極的在燃料電池反應(yīng)中被氧化的燃料的80%到95%。100%燃料利用率或接近于其并不導(dǎo)致高效率，因?yàn)殡姵仉妷黑呌诒罎?。如果存在?duì)任何一個(gè)燃料電池的不足的燃料供應(yīng)，則該燃料電池可氧化并引起電池的故障和最終引起堆的故障。到每個(gè)單獨(dú)的電池或陣列的燃料流由電池/陣列的燃料供應(yīng)通道例如氣體連接器中的通道兩端的壓力降控制，并因此由制造容差確定。制造成本隨著制造過(guò)程的較高準(zhǔn)確度明顯增加。為了實(shí)現(xiàn)比如90%的燃料利用率，流變化需要充分低于10%，這將需要非常高的精度，且因此在一個(gè)實(shí)施方式中需要昂貴的氣體分離器來(lái)避免電池和堆故障。只有流變化是已知的且在操作中被考慮了，才能避免由于單獨(dú)的電池/陣列的過(guò)度利用而引起的故障。例如，如果流變化(由于制造容差和熱效應(yīng))對(duì)于兩層堆是±20%且如果電池可在高達(dá)95%的燃料利用率下操作，則堆的總?cè)剂侠寐什荒艹^(guò)76%，以便避免歸因于過(guò)度利用的損壞。針對(duì)上述情況的單獨(dú)的燃料利用率對(duì)于低燃料流層將是95%，而對(duì)于高燃料流層將是63%。由于性能變化引起的燃料電池堆的故障容差或一個(gè)燃料電池的其它故障可通過(guò)使用堆中的燃料電池的陣列來(lái)減輕，但額外的燃料氣體總是必須被供應(yīng)到燃料電池，以便最小化燃料電池氧化的風(fēng)險(xiǎn)。這個(gè)做法的結(jié)果是，在從燃料電池排放的燃料氣體中存在未使用的燃料，也就是說(shuō)，單獨(dú)的燃料電池和燃料電池陣列以相對(duì)低的燃料利用率運(yùn)行。在不同的電池/陣列中的燃料利用率的可變性也將導(dǎo)致變化的熱分布——在具有較高的燃料利用率的電池/陣列中的較高的熱梯度，反之亦然。這也可能是堆故障的原因之一或?qū)⒅辽傧拗谱畲笕剂侠寐室员苊夤收?。為了提高總?cè)剂侠寐?，且因此提高燃料電池堆的效率，提出了再利用燃料電池堆的燃料廢氣并將它與最新供應(yīng)的燃料氣體混合。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是，在每個(gè)電池/陣列內(nèi)的實(shí)際燃料利用率減小了，而總利用 率可以非常高，這取決于再利用率。這也有將作為燃料電池反應(yīng)的產(chǎn)物的蒸汽引入到最新供應(yīng)的燃料氣體的優(yōu)點(diǎn)。蒸汽對(duì)在內(nèi)部將碳?xì)浠衔镏卣麨闅淙剂鲜潜匾?，且再利用燃料廢氣意味著最新供應(yīng)的燃料氣體需要較少的添加的蒸汽。見例如WO 2003/019707。還提出了通過(guò)使用來(lái)自一個(gè)或多個(gè)堆的燃料廢氣作為供應(yīng)到另一堆的燃料氣體來(lái)提高包括多堆燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的總?cè)剂侠寐?。一個(gè)這樣的提議是在EP0263052中,其中描述了兩個(gè)實(shí)施方式在第一實(shí)施方式中，來(lái)自第一級(jí)中的兩個(gè)燃料電池堆的燃料氣體廢氣被組合并用作對(duì)第二級(jí)中的第三堆的燃料氣體供應(yīng)；以及在第二實(shí)施方式中，來(lái)自一個(gè)堆(級(jí)I)的燃料氣體廢氣用作對(duì)第二堆(級(jí)2)的燃料氣體供應(yīng)，且來(lái)自該堆的燃料氣體廢氣用作對(duì)第三堆(級(jí)3)的燃料氣體供應(yīng)。該提議在US7108929中被描述為“從一級(jí)到下一級(jí)的多個(gè)反應(yīng)劑輸送管線的使用，這可能變得復(fù)雜并需要復(fù)雜的輸送管線組件”。US 7108929目的在于整體的歧管組件，其用于控制多個(gè)燃料電池堆之間的反應(yīng)氣流的流量，且特別是用于組合來(lái)自第一級(jí)中的多個(gè)燃料電池堆的燃料氣體廢氣并將組合的來(lái)自第一級(jí)的燃料氣體廢氣供應(yīng)到第二級(jí)中的至少一個(gè)另外的燃料電池堆。US 7482073還公開了具有從一堆到另一堆的燃料廢氣利用率的多堆布置。在所述實(shí)施方式中，來(lái)自第一級(jí)中的三個(gè)并聯(lián)堆的燃料廢氣被組合并用作對(duì)第二級(jí)中的第四堆的燃料供應(yīng)氣體。來(lái)自第四堆的燃料廢氣用作對(duì)第三級(jí)中的第五堆的燃料供應(yīng)氣體，以及來(lái)自該堆的燃料廢氣用作對(duì)第四級(jí)中的第六堆的燃料供應(yīng)氣體。在這個(gè)提議中不需要燃料氣體的重整，因?yàn)樗幻荛]地密封并使用氫作為燃料和使用純O2作為助燃劑。水從每級(jí)之間的燃料廢氣冷凝。使用來(lái)自第一級(jí)中的一個(gè)或多個(gè)燃料電池堆的燃料廢氣作為對(duì)第二級(jí)中的另一堆的燃料供應(yīng)氣體等具有允許單獨(dú)的燃料電池堆中的燃料利用率減小并因此允許制造容差降低和成本減小同時(shí)提供相對(duì)高的總?cè)剂侠寐实膬?yōu)點(diǎn)。然而，在不同級(jí)中的堆可能在不同的溫度運(yùn)行，除非它們被特別設(shè)計(jì)成這么做，否則這將影響它們的有用壽命和它們的性能。此外，將燃料廢氣從一堆轉(zhuǎn)移到另一堆需要更復(fù)雜的歧管化。此外，需要針對(duì)每堆的單獨(dú)的電流控制或額外的配線，在任一情況下有較高的相關(guān)成本，且在后面的情況下，有增加的堆的電短路風(fēng)險(xiǎn)和潛在的較高的熱損耗。US 6033794還公開了在一般壓力容器中示出的多級(jí)燃料電池系統(tǒng)，其中每級(jí)包括一堆燃料電池，且來(lái)自任一堆的燃料廢氣用作對(duì)下一后續(xù)堆的燃料供應(yīng)氣體，但在這種情況下系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成適應(yīng)每級(jí)的不同操作溫度。這通過(guò)由不同的材料制成的每個(gè)級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，明顯增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。與正常堆比較，該提議確實(shí)允許更高的燃料利用率，但僅在以隨后的級(jí)中且因此在隨后的堆中的較低電流密度為代價(jià)的前提下實(shí)現(xiàn)。例如，級(jí)I和級(jí)2都以50%的燃料利用率運(yùn)行，導(dǎo)致75%的總?cè)剂侠寐?，但?jí)2將以電流密度的一半運(yùn)行，因?yàn)樗挥锌捎萌剂狭鞯?5%。與前述已有提議(其中來(lái)自多堆布置中的一堆的燃料廢氣作為燃料供應(yīng)到下一后續(xù)堆)相反，US 5478662 (相應(yīng)于在上面的US 7482073提到的EP 0596366)描述了包括連續(xù)的多級(jí)的燃料電池塊或堆。在該提議中的每個(gè)級(jí)包括聚集在一起的多個(gè)燃料電池(可選地，在最后一級(jí)中有單個(gè)燃料電池)，來(lái)自任一級(jí)的一些燃料廢氣連同新鮮的燃料氣體一起在沿著堆的下一后續(xù)級(jí)中用作燃料供應(yīng)氣體。來(lái)自任一級(jí)的燃料廢氣的其余部分被排出以移除沿著燃料氣體流動(dòng)路徑逐漸積聚的水和惰性氣體組分。這個(gè)布置導(dǎo)致提高的燃料利用率，但只作為惰性氣體和額外的新鮮燃料氣體排出的結(jié)果。因此，每個(gè)級(jí)中的燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)可以采用的燃料的量可保持不變，或至少類似，但總?cè)剂狭髁坑捎谠黾拥姆磻?yīng)產(chǎn)物數(shù)量而必須增加。 由于遍及燃料電池的燃料流變化，溫度梯度在燃料電池堆中和燃料電池堆之間產(chǎn)生，導(dǎo)致不同的電池電壓。在高溫SOFC或MCFC堆中，溫度梯度也可能由于在該堆或每堆內(nèi)的碳?xì)浠衔锶剂现卣牟煌揭约坝捎跓釗p耗中的差異而產(chǎn)生。在高溫燃料電池系統(tǒng)特別是SOFC系統(tǒng)中，沿著和遍及燃料電池堆的這樣的溫度差異或梯度可導(dǎo)致沿著堆的變化的熱膨脹引起的應(yīng)力以及部件的因而引起的破裂和故障。提供能夠以高燃料利用率操作同時(shí)減輕沿著堆的溫度差異并因此減輕差異化的熱膨脹引起的應(yīng)力的燃料電池堆或燃料電池陣列將是合乎需要的。發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，提供了燃料電池組件，其包括多個(gè)燃料電池陣列的堆，每個(gè)燃料電池陣列包括一個(gè)或多個(gè)燃料電池，且每個(gè)燃料電池包括電解質(zhì)層、在電解質(zhì)層的一側(cè)上的陽(yáng)極層以及在電解質(zhì)層的相對(duì)側(cè)上的陰極層，所述堆還包括對(duì)堆中的燃料電池的陽(yáng)極層開放的燃料氣體分布通道；一個(gè)或多個(gè)燃料供應(yīng)歧管，其用于將燃料氣體供應(yīng)到堆中的燃料氣體分布通道；燃料電池陣列，其包括至少第一級(jí)燃料電池陣列和第二級(jí)燃料電池陣列，第一級(jí)燃料電池陣列具有連接到一個(gè)或多個(gè)燃料氣體供應(yīng)歧管以直接從其接收燃料氣體的相關(guān)的第一燃料氣體分布通道，而第二級(jí)燃料電池陣列具有布置成從第一級(jí)燃料電池陣列的燃料電池接收燃料廢氣的相關(guān)的第二燃料氣體分布通道，用于將所述燃料廢氣供應(yīng)到堆中的第二級(jí)燃料電池陣列的燃料電池；以及其中第一級(jí)和第二級(jí)燃料電池陣列中的至少一個(gè)包括在堆中布置在第一級(jí)和第二級(jí)燃料電池陣列中的另一個(gè)的燃料電池陣列之間的燃料電池陣列。通過(guò)本發(fā)明，通過(guò)使用來(lái)自第一級(jí)燃料電池陣列的燃料廢氣供應(yīng)到至少第二級(jí)燃料電池陣列中，在總體堆中可實(shí)現(xiàn)高燃料利用率且因此實(shí)現(xiàn)高燃料電池效率。這可被實(shí)現(xiàn)，同時(shí)使用可容易獲得的燃料例如預(yù)先重整的天然氣來(lái)維持在級(jí)中的相同或相似的電流密度。因?yàn)樵趩为?dú)的燃料電池陣列中使用相對(duì)低的燃料利用率的情況下可實(shí)現(xiàn)高燃料利用率，因此可減小燃料氣體分布通道中的容差，從而減小制造成本。沿著堆的減小的溫度梯度一與堆(其中所有第一級(jí)燃料電池陣列都在該堆的一端處以及所有第二級(jí)燃料電池陣列都在該堆的相對(duì)端處)比較一通過(guò)提供第一級(jí)和第二級(jí)燃料電池陣列中的至少一個(gè)以包括布置在第一級(jí)和第二級(jí)燃料電池陣列中的另一個(gè)的燃料電池陣列之間的堆中的燃料電池陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而提高沿著堆的熱傳遞和熱平衡。在這樣的布置中，第一級(jí)和第二級(jí)燃料電池陣列中的每個(gè)的燃料電池陣列布置在堆中，以便不都彼此相鄰。第一級(jí)和第二級(jí)燃料電池陣列中的一個(gè)的燃料電池陣列中的一個(gè)或多個(gè)在第一級(jí)和第二級(jí)燃料電池陣列中的另一個(gè)的兩個(gè)燃料電池陣列之間交錯(cuò)的布置允許不同級(jí)的相鄰的燃料電池陣列之間的熱傳遞，并因此允許沿著堆的減小的熱梯度。這樣的交錯(cuò)可以在堆中重復(fù)以進(jìn)一步減小熱梯度，在這種情況下，第一級(jí)和第二級(jí)燃料電池陣列中的每個(gè)可包括在堆中布置在另一級(jí)的燃料電池陣列之間的燃料電池陣列。在一個(gè)實(shí)施方式中，第一級(jí)和第二級(jí)燃料電池陣列中的一個(gè)的每個(gè)燃料電池陣列布置成相鄰于第一級(jí)和第二級(jí)燃料電池陣列中的另一個(gè)的至少一個(gè)燃料電池陣列。如在下文中所述的，也可在堆中提供第三級(jí)和甚至第四級(jí)燃料電池陣列，每個(gè)第三級(jí)燃料電池陣列接收來(lái)自第二級(jí)燃料電池陣列的燃料廢氣，且每個(gè)第四級(jí)燃料電池陣列 接收來(lái)自第三級(jí)燃料電池陣列的燃料廢氣。所謂“相鄰于第一和第二級(jí)燃料電池陣列中的另一個(gè)的至少一個(gè)燃料電池陣列”在前述實(shí)施方式中意指沒(méi)有同一級(jí)的其它燃料電池陣列布置在所述燃料電池陣列之間的堆中。如也在下文中所述的，其它堆部件可布置在相鄰的燃料電池陣列之間。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，每個(gè)燃料電池陣列包括并聯(lián)連接的多個(gè)燃料電池，例如兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)或更多個(gè)。與單個(gè)燃料電池相比，這有如果一個(gè)燃料電池具有降低的性能或出故障則降低堆出故障的風(fēng)險(xiǎn)或減小單獨(dú)的燃料電池的成本以及減小熱應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)。在陣列中的因而產(chǎn)生的更均勻的溫度可導(dǎo)致提高的燃料電池性能和壽命。在這樣的陣列中的單獨(dú)的燃料電池的成本和熱應(yīng)力可能由于其較小的尺寸而減小。由于與另一級(jí)比較在一級(jí)中的燃料流成分變化和不同的電壓水平，溫度差異可能在不同級(jí)的燃料電池陣列之間產(chǎn)生。然而，在高溫燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式中，第一級(jí)燃料電池陣列中的至少一些具有陽(yáng)極層和/或相關(guān)的第一燃料氣體分布通道，其包括用于蒸汽重整為氫或在接觸所述陽(yáng)極層和/或第一燃料氣體分布通道的燃料氣體中的其它反應(yīng)氣體碳?xì)浠衔锏恼羝卣呋瘎?。如上所述，蒸汽重整反?yīng)是吸熱的，結(jié)果是，那些第一級(jí)燃料電池陣列可以在比任何相鄰的后續(xù)級(jí)燃料電池陣列低的溫度處。燃料氣體的減小的蒸汽重整將在隨后的燃料電池陣列中被執(zhí)行，即使它們包括重整催化劑(它們可具有與第一級(jí)燃料電池陣列相同的結(jié)構(gòu)和材料)，因?yàn)樘細(xì)浠衔锶剂蠚怏w對(duì)于在第一級(jí)燃料電池陣列中的燃料電池反應(yīng)已經(jīng)被蒸汽重整到至少較大的程度。通常，在第一級(jí)燃料電池陣列中的碳?xì)浠衔锶剂系恼羝卣麑⒅辽偻瓿?5%，但在有效的系統(tǒng)中可以至少完成90%。更優(yōu)選地，這個(gè)重整率是99%或更大，但它可能在燃料電池堆的使用期內(nèi)隨著時(shí)間而降低。在另一實(shí)施方式中，燃料電池堆還包括在一些相鄰的燃料電池陣列之間的特定的蒸汽重整的非燃料電池層，用于使內(nèi)部蒸汽重整反應(yīng)除了在一些或所有第一級(jí)燃料電池陣列和/或第一燃料氣體分布通道中發(fā)生以外還發(fā)生在那里。這樣的非燃料電池重整層可基本上包括鎳或其它重整催化劑。因?yàn)闆](méi)有放熱燃料電池反應(yīng)將發(fā)生在這樣的層中，它們將不被直接加熱，并將從相鄰的燃料電池陣列吸收熱。由于這個(gè)原因，不多于一個(gè)這樣的層應(yīng)布置在相鄰的燃料電池陣列之間。每個(gè)蒸汽重整的非燃料電池層可布置在兩個(gè)第一級(jí)燃料電池陣列之間、一個(gè)第一級(jí)燃料電池陣列和一個(gè)后續(xù)級(jí)燃料電池陣列之間、或兩個(gè)后續(xù)級(jí)燃料電池陣列(其可以是相同或不同的級(jí))之間。允許一些內(nèi)部蒸汽重整由非燃料電池層執(zhí)行可允許第一級(jí)燃料電池陣列的數(shù)量相對(duì)于在沒(méi)有這樣的非燃料電池重整層的內(nèi)部重整堆減小。在包括蒸汽重整的非燃料電池層的實(shí)施方式中，這樣的層將從一個(gè)或多個(gè)燃料氣體供應(yīng)歧管接收燃料氣體，并將蒸汽重整的燃料氣體供應(yīng)到第一級(jí)燃料電池陣列，且在本文使用的短語(yǔ)“直接從其接收燃料氣體”應(yīng)被相應(yīng)地解釋。因此，短語(yǔ)“具有連接到一個(gè)或多個(gè)燃料氣體供應(yīng)歧管以直接從其接收燃料氣體的相關(guān)的第一燃料氣體分布通道的第一級(jí)燃料電池陣列”意指第一燃料氣體分布通道所接收的燃料氣體不穿過(guò)與堆中的任何其它燃料電池陣列相關(guān)的燃料氣體分布通道。
對(duì)第二級(jí)燃料電池陣列的每個(gè)燃料電池的陽(yáng)極層開放的第二燃料氣體分布通道的入口側(cè)可直接連接到對(duì)第一級(jí)燃料電池陣列的至少兩個(gè)燃料電池的陽(yáng)極層開放的第一燃料氣體分布通道的排氣側(cè)?？蛇x地且在更優(yōu)選的實(shí)施方式中，至少一個(gè)燃料歧管設(shè)置在第二燃料氣體分布通道的入口側(cè)和第一燃料氣體分布通道的排氣側(cè)之間以向一些或所有第二燃料氣體分布通道供應(yīng)來(lái)自一些或所有第一燃料氣體分布通道的燃料廢氣。這個(gè)設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)包括來(lái)自第一燃料氣體分布通道的燃料廢氣的較大混合，由于平衡流變化和在任何第一級(jí)燃料電池或燃料電池陣列中產(chǎn)生的故障的較大容差而為堆提供較大的可靠性。在這個(gè)實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)燃料歧管可包括連接到燃料廢氣入口歧管的燃料廢氣排放歧管，由此，來(lái)自一些或所有第一燃料氣體分布通道的燃料廢氣在一個(gè)方向上穿過(guò)燃料廢氣排放歧管而在相反的方向上穿過(guò)燃料廢氣入口歧管到達(dá)一些或所有第二燃料氣體分布通道。燃料廢氣出口歧管和入口歧管可在堆的端板中被連接。在垂直堆中，優(yōu)選地，所述一個(gè)方向是向上，而所述相反的方向是向下。這將具有每級(jí)內(nèi)的單獨(dú)層的燃料流分布方面的優(yōu)點(diǎn)，并可具有沿著堆的熱梯度優(yōu)點(diǎn)。有利地，穿過(guò)一個(gè)或多個(gè)燃料供應(yīng)歧管的燃料氣體的流動(dòng)方向也是所述一個(gè)方向，所以對(duì)第一燃料氣體分布通道的燃料供應(yīng)在與來(lái)自這些通道的廢氣相同的方向上。優(yōu)選地，對(duì)每個(gè)后續(xù)級(jí)的燃料氣體分布通道的歧管燃料氣體供應(yīng)在與來(lái)自這些通道的歧管燃料廢氣流相同的方向上，且對(duì)于至少第二燃料氣體分布通道，與到前一級(jí)的燃料電池陣列的相應(yīng)流相反。這個(gè)布置幫助向堆中的各種層提供均勻的燃料分布。到第二級(jí)和任何后續(xù)級(jí)的歧管燃料廢氣供應(yīng)方便地在相同的方向上。第一級(jí)和第二級(jí)燃料電池陣列以及后續(xù)級(jí)陣列(其中它們存在于堆中)的特定布置將取決于堆中所需的熱平衡，且因此取決于在每個(gè)陣列處的預(yù)期燃料利用率和將在每個(gè)陣列中執(zhí)行的反應(yīng)以及任何蒸汽重整的非燃料電池層的存在和位置。然而，在一個(gè)實(shí)施方式中，每個(gè)第二級(jí)燃料電池陣列在堆中布置在相應(yīng)的兩個(gè)第一級(jí)燃料電池陣列之間。在一個(gè)例子中，在堆的至少一部分中，存在三個(gè)第一級(jí)燃料電池陣列和一個(gè)第二級(jí)燃料電池陣列的重復(fù)模式。在另一例子中，在堆的至少一部分中，存在四個(gè)第一級(jí)燃料電池陣列和一個(gè)第二級(jí)燃料電池陣列的重復(fù)模式。這樣的重復(fù)模式或任何其它重復(fù)模式可在整個(gè)堆中擴(kuò)展?？蛇x地，在堆的第一半中比在堆的第二半中可能有更大數(shù)量的第二級(jí)燃料電池陣列。例如，第一半可以是在垂直堆中的底部半部分，其中蒸汽重整在第一級(jí)燃料電池陣列中執(zhí)行。在這個(gè)布置中，在堆的頂部半部分中的相對(duì)較大數(shù)量的第一級(jí)燃料電池陣列將提供堆的頂部半部分的增加的冷卻。此外在這個(gè)布置中或在另一布置中，朝著堆的端部比在堆之間可能有相對(duì)更少的重整的第一級(jí)燃料電池陣列，因?yàn)閬?lái)自堆的熱損耗將一般朝著端部更高。每個(gè)端部分可包括堆的長(zhǎng)度的相應(yīng)25%，而堆之間的部分可包括堆的長(zhǎng)度的中央50%。在這個(gè)布置的實(shí)施方式中，在堆的每端四分之一中的第二級(jí)燃料電池陣列的比例是堆的中央半部分中的至少兩倍大。在這個(gè)布置的一個(gè)例子中，與在中央部分中的6:1比較，在堆的端部分中的第一級(jí)與第二輯燃料電池陣列之比可以是大約2:1。按照第一級(jí)燃料電池陣列之間的第二級(jí)燃料電池陣列的間隔，相應(yīng)端的堆的兩半可以是彼此的鏡像。在垂直堆中，在這個(gè)和其它實(shí)施方式中，在堆的高度的大約一半處或大約三分之二處或在堆的大約一半和大約三分之二之間第一級(jí)燃料電池陣列的密度可能最大。在一個(gè)實(shí)施方式中，所有第二燃料氣體分布通道連接到至少一個(gè)燃料廢氣歧管用于，引導(dǎo)來(lái)自第二級(jí)燃料電池陣列的燃料廢氣，和因此將來(lái)自第二級(jí)燃料氣體分布通道的排氣側(cè)的燃料廢氣引導(dǎo)到堆的外部，或用于使堆再利用該燃料廢氣。 可選地，如上所述和在另一實(shí)施方式中，燃料電池陣列還包括具有相關(guān)的第三燃料氣體分布通道的至少一個(gè)第三級(jí)燃料電池陣列，第三燃料氣體分布通道布置成接收來(lái)自第二級(jí)燃料電池陣列的燃料電池的燃料廢氣用于將所述燃料廢氣供應(yīng)到堆中的一個(gè)或多個(gè)第三級(jí)燃料電池陣列的燃料電池。在這個(gè)其它實(shí)施方式中，至少一個(gè)燃料歧管可設(shè)置在第三燃料氣體分布通道的入口側(cè)和第二燃料氣體分布通道的出口側(cè)之間以將來(lái)自第二燃料氣體分布通道的燃料廢氣供應(yīng)到第三燃料氣體分布通道。在第二和第三燃料氣體分布通道之間的至少一個(gè)燃料歧管可包括連接到燃料廢氣入口歧管的燃料廢氣出口歧管，由此，來(lái)自第二燃料氣體分布通道的燃料廢氣優(yōu)選地在垂直堆中向下的一個(gè)方向上穿過(guò)燃料廢氣出口歧管和在相反的方向上或更方便地在同一方向上穿過(guò)燃料廢氣入口歧管到達(dá)第三氣體分布通道。這些燃料廢氣出口歧管和入口歧管可連接在堆的端板中。在一個(gè)實(shí)施方式中，每個(gè)第三級(jí)燃料電池陣列可相鄰于至少一個(gè)第一級(jí)燃料電池陣列例如在兩個(gè)第一級(jí)燃料電池陣列之間布置在堆中。在這個(gè)其它實(shí)施方式的一個(gè)布置中，所有第二級(jí)燃料電池陣列朝著堆的第一端例如垂直堆中的頂端布置，而所有第三級(jí)燃料電池陣列朝著堆的第二相對(duì)端布置。在這個(gè)布置的一個(gè)例子中，在所述第二相對(duì)端處給堆提供燃料氣體，燃料氣體接著穿過(guò)所述一個(gè)或多個(gè)燃料供應(yīng)歧管而被輸送。 在兩級(jí)堆中的第一級(jí)燃料電池陣列的數(shù)量可以例如在堆中的燃料電池陣列的總數(shù)的64%到82%的范圍內(nèi)。在三級(jí)堆中的第一級(jí)燃料電池陣列的數(shù)量可以例如在堆中的燃料電池陣列的總數(shù)的50%到70%的范圍內(nèi)。在三級(jí)堆中的第二級(jí)燃料電池陣列的數(shù)量可以例如在堆中的燃料電池陣列的總數(shù)的31%到23%的范圍內(nèi)。在三級(jí)堆中的第三級(jí)燃料電池陣列的數(shù)量可以例如在堆中的燃料電池陣列的總數(shù)的19%到7%的范圍內(nèi)。
堆還可包括至少一個(gè)第四級(jí)燃料電池陣列和可選地至少一個(gè)甚至更遠(yuǎn)的一級(jí)燃料電池陣列，其具有布置成接收來(lái)自前一級(jí)的一個(gè)或多個(gè)陣列的燃料電池的燃料廢氣的相關(guān)的燃料氣體分布通道。最后一級(jí)的單個(gè)燃料電池陣列可充當(dāng)除氣級(jí)(scavengingstage)。在一個(gè)實(shí)施方式中，蒸汽提取器連接在最后一級(jí)的一個(gè)或多個(gè)燃料電池陣列的燃料氣體分布通道和倒數(shù)第二級(jí)燃料電池陣列的燃料氣體分布通道之間以在將燃料廢氣供應(yīng)到倒數(shù)第二級(jí)燃料電池陣列的燃料氣體分布通道之前冷凝來(lái)自從倒數(shù)第二級(jí)燃料電池陣列的燃料氣體分布通道接收的所述燃料廢氣的蒸汽。因此，在兩級(jí)燃料電池堆中，蒸汽提取器連接在第一燃料氣體分布通道和第二燃料氣體分布通道之間以在將燃料廢氣供應(yīng)到第二燃料氣體分布通道之前冷凝來(lái)自從第一燃料氣體分布通道接收的所述燃料廢氣的蒸汽。在三極燃料電池堆中，蒸汽提取器連接在第二燃料氣體分布通道和第三燃料氣體分布通道之間以在將燃料廢氣供應(yīng)到第三燃料氣體分布通道之前冷凝來(lái)自從第二燃料氣體分布通道接收的所述燃料廢氣的蒸汽，依此類推。額外的蒸汽提取器可設(shè)置在多級(jí)堆中的另 兩個(gè)其它級(jí)的燃料電池陣列的燃料氣體分布通道之間。從供應(yīng)到第二級(jí)和/或后續(xù)級(jí)燃料電池陣列的燃料移除水增加了該燃料的能斯脫電壓，并因此增加了堆電壓以及堆效率。附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明現(xiàn)在將參考附圖通過(guò)例子描述根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組件的一個(gè)實(shí)施方式，在附圖中圖I是包含平面固體氧化物燃料電池堆的基本燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的固體氧化物燃料電池堆的一部分的示意性分解圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的固體氧化物燃料電池堆的另一透視局部視圖；圖4是圖3的堆的互連的助燃劑側(cè)的透視圖；圖5 Ca)是圖4的一種類型的互連的燃料側(cè)的局部平面圖；圖5 (b)是圖4的另一類型的互連的燃料側(cè)的局部平面圖；圖6是圖3的堆的蓋板的透視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池堆的和歧管化的各種板的一個(gè)布置的示意性正視圖；圖8類似于圖7但是另一布置的視圖；圖9示意性示出根據(jù)本發(fā)明的一種類型的燃料電池堆的燃料側(cè)的歧管化；

圖10是根據(jù)本發(fā)明的類似于圖9但是另一類型的燃料電池堆的視圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的表示燃料電池堆中的燃料利用率的曲線；以及圖12和13是分別表示針對(duì)實(shí)例I和4的堆的沿著堆和從燃料氣體入口到燃料廢氣出口橫穿燃料電池的溫度分布。附圖的詳細(xì)描述本發(fā)明涉及燃料電池堆，其中通過(guò)使用來(lái)自堆中的一些燃料電池的燃料廢氣作為供應(yīng)到堆中的其它燃料電池的燃料來(lái)提高總?cè)剂侠寐?。根?jù)本發(fā)明，通過(guò)混合沿著堆的不同燃料電池層使得不是所有的向其它燃料電池供應(yīng)燃料廢氣的燃料電池層和/或不是所有的從其它燃料電池接收燃料廢氣的燃料電池層都彼此相鄰，來(lái)減小例如從堆的單獨(dú)的燃料電池層中的不同電壓和/或從堆中的層的不同功能產(chǎn)生的沿著堆的熱梯度。
本發(fā)明適用于燃料電池被分層設(shè)置的任何類型的燃料電池堆，但特別適合于高溫燃料電池例如熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池的堆，在所述燃料電池中熱梯度可能較大。此外，在高溫燃料電池堆中，可能在堆內(nèi)將碳?xì)浠衔镌蠢缂淄榛蛱烊粴庵卣麨闅洹１景l(fā)明對(duì)這樣的燃料電池堆特別有利，其中發(fā)生重整，因?yàn)橹卣俏鼰岬?，且因此從燃料電池移除熱。為了方便，將在下文中參考設(shè)計(jì)成在出口處在從大約750°C起的工作溫度處操作的平面固體氧化物燃料電池堆來(lái)描述本發(fā)明。在出口處的優(yōu)選操作溫度范圍為從大約750°C到大約830°C?，F(xiàn)在參考圖1，示出了包括燃料電池堆12的燃料電池系統(tǒng)10。燃料和助燃劑分別在14和16處供應(yīng)到燃料電池堆12。燃料源18是通過(guò)噴射泵文氏管設(shè)備22輸送到蒸汽預(yù)重整器24的天然氣。預(yù)重整器24的蒸汽通過(guò)導(dǎo)管26提供并與文氏管設(shè)備22中的天然氣混合。蒸汽在熱交換蒸汽發(fā)生器28中形成，來(lái)自蒸汽發(fā)生器的水從供水裝置30得到。
在預(yù)重整器24中的鎳催化劑上的升高的溫度處進(jìn)行的蒸汽重整部分地將碳?xì)浠衔锶剂限D(zhuǎn)換成氫和碳氧化物。在預(yù)重整器24中的重整程度是溫度和蒸汽與碳之比的函數(shù)，但反應(yīng)是吸熱的，且從預(yù)重整器供應(yīng)到堆12的燃料入口 14的燃料在熱交換器28中被預(yù)先加熱。用作助燃劑46的空氣也在熱交換器28中被加熱之后輸送到燃料電池堆12。燃料電池堆12的細(xì)節(jié)沒(méi)有在圖I中示出，但它包括燃料電池和氣體分離器的交替層，端板在堆的端部處。燃料電池包括電解質(zhì)材料的充分稠密的層，陰極材料的多孔層和陽(yáng)極材料的多孔層在相對(duì)側(cè)上。在固體氧化物燃料電池中，電解質(zhì)材料可以是摻釔氧化鋯，而陰極材料可以是錳酸鑭鍶以及陽(yáng)極材料是鋯鎳金屬陶瓷。這樣的燃料電池堆在其它地方被很好地記載。氣體分離板分離燃料電池，且特別是分離供應(yīng)到一個(gè)燃料電池的陽(yáng)極材料的燃料氣體與供應(yīng)到相鄰的燃料電池的陰極材料的助燃?xì)?。氣體分離板和端板方便地具有在其中形成的在相對(duì)面上的凹槽或通道用于分布分別穿過(guò)相鄰燃料電池的陽(yáng)極材料和陰極材料的燃料氣體和助燃?xì)?，但可使用其它形式的氣體分布。氣體分離器可由各種不同的材料形成，但如果它們是導(dǎo)電的，則它們可充當(dāng)輸送端板之間的堆中的燃料電池所產(chǎn)生的電的互連件。在一個(gè)實(shí)施方式中，互連件由鐵素體不銹鋼例如來(lái)自Hitachi Metals公司的ZMG232L 形成?？墒褂媚軌蛟趶拇蠹s750°C起的燃料電池堆的升高的操作溫度處維持密封功能的玻璃密封物在堆中將交替的燃料電池板和互連板以及端板密封在一起。在這個(gè)溫度處，供應(yīng)到堆12的燃料入口 14的在蒸汽預(yù)重整器24中未被蒸汽重整的碳?xì)浠衔锟梢酝ㄟ^(guò)與鎳陽(yáng)極材料和/或與布置在到燃料電池的陽(yáng)極材料的燃料氣體供應(yīng)通道中的鎳的催化反應(yīng)在堆中被內(nèi)部蒸汽重整，燃料氣體供應(yīng)通道包括在氣體分離板和一個(gè)端板中形成的燃料供應(yīng)凹槽或通道。 在燃料中的氫和在助燃劑中的氧分別在燃料電池陽(yáng)極和陰極處被氧化和還原，通過(guò)堆12中的燃料電池的電解質(zhì)材料產(chǎn)生離子導(dǎo)電，其通過(guò)流經(jīng)被轉(zhuǎn)移的堆的電流來(lái)平衡。如在下文中描述的，在所示實(shí)施方式中，橫穿每個(gè)燃料電池的相應(yīng)側(cè)的在堆中的燃料氣流和助燃?xì)饬鞲鶕?jù)燃料電池陣列的級(jí)本質(zhì)上都同向流動(dòng)(即，都在同一方向上)，或同向流動(dòng)和反向流動(dòng)(即，在相反的方向上)的混合。然而，流可以同向流動(dòng)、反向流動(dòng)或橫向流動(dòng)(即，彼此成直角)?？蛇x地，流動(dòng)方向可以根據(jù)在堆中的位置來(lái)改變。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，在堆中的燃料電池陣列的從底部起的前12層可同向流動(dòng)，而其余部分可反向流動(dòng)以進(jìn)一步提聞熱梯度。圖I只示出一個(gè)堆12，但燃料電池系統(tǒng)可包括串聯(lián)或并聯(lián)連接的多個(gè)堆12。來(lái)自圖示的燃料電池堆12的廢氣燃料氣體和助燃?xì)庥蓪?dǎo)管52和53輸送到燃料器54用于燃料氣體的燃燒。來(lái)自燃燒器54的燃燒廢氣62由導(dǎo)管64輸送到熱交換器28以為蒸汽發(fā)生器提供熱以及用于加熱供應(yīng)到燃料電池堆的預(yù)先重整的燃料和助燃劑。燃料電池廢氣且因此燃燒廢氣62包含蒸汽?，F(xiàn)在參考圖2，以分解形式并只使用一些部件示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的固體氧化物燃料電池堆100的上部分。為了清楚起見，附圖僅示出堆的三個(gè)最 上面的氣體分離板102、歧管端板104和頂板106。為了清楚起見，在相鄰的氣體分離板102之間以及在歧管端板104和相鄰的氣體分離板102之間存在的燃料電池板從附圖中省略，其它部件例如隔板和密封物以及到和橫穿氣體分離板102和歧管端板104的所示出的板的相對(duì)側(cè)的氣流也被省略。所有的燃料電池都是相同的，且在圖2所示的實(shí)施方式中，每個(gè)燃料電池板只包括單個(gè)燃料電池，而不是多個(gè)燃料電池的陣列。如所示，存在兩種類型的氣體分離板——兩個(gè)第一級(jí)板102a (上面的第一級(jí)板與歧管端板104相鄰)和在氣體分離板102a之間交錯(cuò)的第二級(jí)氣體分離板102b。所示堆的燃料側(cè)在內(nèi)部歧管化，穿過(guò)氣體分離板的對(duì)準(zhǔn)的開口 108用于燃料供應(yīng)歧管，穿過(guò)氣體分離板102的對(duì)準(zhǔn)的開口 110用于燃料廢氣出口歧管，穿過(guò)氣體分離板102的對(duì)準(zhǔn)的開口 112用于燃料廢氣入口歧管，以及對(duì)準(zhǔn)的開口 114用于燃料廢氣歧管。這些開口也將延伸穿過(guò)堆中的其它氣體分離板以及任何隔板或蓋板，并可延伸穿過(guò)燃料電池板。每個(gè)氣體分離板102具有橫穿其的、將燃料供應(yīng)腔118連接到燃料廢氣腔120的平行通道116。通道116在肋122之間形成，但都被示意性地示出。通道116設(shè)計(jì)成充當(dāng)燃料氣體分布通道以將燃料分布在與每個(gè)氣體分離板102的側(cè)面相鄰的相應(yīng)的燃料電池的陽(yáng)極中，將燃料氣體傳送到陽(yáng)極并從陽(yáng)極傳送燃料氣體。在氣體分離板102a中，燃料供應(yīng)腔118連接到形成燃料供應(yīng)歧管的開口 108，而燃料廢氣腔120連接到形成燃料廢氣出口歧管的開口 110。另一方面，在氣體分離板102b中，燃料供應(yīng)腔118連接到形成燃料廢氣入口歧管的開口 112，而燃料廢氣腔120連接到形成燃料廢氣歧管的開口 114。如箭頭124所示的，燃料供應(yīng)在進(jìn)入每個(gè)氣體分離板102a的燃料供應(yīng)腔118之前從堆的底部向上穿過(guò)開口 108。同樣，如箭頭126所示的，來(lái)自氣體分離板102a的燃料廢氣從那些板的燃料廢氣腔120進(jìn)入開口 110中，并向上穿過(guò)由那些開口形成的燃料廢氣出口歧管。在堆的頂部處，來(lái)自氣體分離板102a的燃料廢氣在通過(guò)歧管端板104中的對(duì)準(zhǔn)的第二開口 132進(jìn)入由氣體分離板中的開口 112形成的燃料廢氣入口歧管之前穿過(guò)歧管端板104中的與氣體分離板中的開口 110對(duì)準(zhǔn)的第一開口 128并在通道130中橫穿那塊板。頂板106關(guān)閉通道130。來(lái)自氣體分離板102a的燃料廢氣接著向下穿過(guò)由開口 112形成的燃料廢氣入口歧管，并進(jìn)入通過(guò)該板中的開口 112進(jìn)入氣體分離板102b的燃料供應(yīng)腔118。穿過(guò)開口 112的燃料廢氣的向下流動(dòng)由箭頭134表示。來(lái)自氣體分離板102b的燃料廢氣通過(guò)開口 114從腔120進(jìn)入燃料廢氣歧管中，并繼續(xù)向下到達(dá)堆的底部，如箭頭136所示的。實(shí)際上，因此，可以是天然氣或其它碳?xì)浠衔锊⒖梢圆糠值乇活A(yù)先重整的燃料通過(guò)開口 108和在氣體分離板102a中的燃料供應(yīng)腔118進(jìn)入那些板中的第一燃料氣體分布通道116，其中它接觸相應(yīng)的相鄰燃料電池板的陽(yáng)極并在陽(yáng)極上和陽(yáng)極/電解質(zhì)界面處起反應(yīng)。在陽(yáng)極上，燃料在內(nèi)部重整為氫和碳氧化物，且氫接著在燃料電池的升高的操作溫度在陽(yáng)極/電解質(zhì)界面處被氧化，而在燃料電池(未示出)的另一側(cè)上的空氣或其它助燃劑中的氧被還原，一起引起穿過(guò)電解質(zhì)的離子電流。雖然燃料電池氧化/還原反應(yīng)是放熱的，但內(nèi)部重整反應(yīng)是吸熱的，導(dǎo)致氣體分離板102a和相鄰的燃料電池的相對(duì)冷卻。來(lái)自這些反應(yīng)的燃料廢氣通過(guò)燃料廢氣腔120和開口 110從第一燃料氣體分布通 道116的出口側(cè)進(jìn)入燃料廢氣出口歧管一直到堆的頂部，如箭頭126所示的，在堆的頂部中，它在歧管端板104中反轉(zhuǎn)方向并向下穿過(guò)由開口 112形成的燃料廢氣入口歧管，如箭頭134所示的。在氣體分離板102b處，來(lái)自第一級(jí)氣體分離板102a和相關(guān)燃料電池的燃料廢氣從相應(yīng)的開口 112進(jìn)入燃料供應(yīng)腔118和該板的第二燃料氣體分布通道116，其中它接觸相應(yīng)的相鄰的燃料電池板的陽(yáng)極并在陽(yáng)極上和陽(yáng)極/電解質(zhì)界面處起反應(yīng)。因?yàn)樵趤?lái)自第一燃料氣體分布通道116的燃料廢氣中的至少大部分其余燃料已經(jīng)被內(nèi)部重整，在與氣體分離板102b的第二燃料氣體分布通道相關(guān)的陽(yáng)極處的內(nèi)部重整的量相對(duì)小，有相應(yīng)的有限的冷卻程度。另一方面，因?yàn)樵趤?lái)自第一燃料氣體分布通道116的燃料廢氣中有足夠的殘留燃料，當(dāng)氧氣被供應(yīng)到相關(guān)的燃料電池的陰極側(cè)時(shí)，相同的燃料電池反應(yīng)將發(fā)生。因此，在氣體分離板102b的第二燃料氣體分布通道116處的反應(yīng)與在與氣體分離板102a的燃料氣體分布通道116相關(guān)的燃料電池處的反應(yīng)相同，除了將有較少的內(nèi)部重整且因此有較弱的冷卻效果以外。因此在與氣體分離板102b相關(guān)的燃料電池和與氣體分離板102a相關(guān)的燃料電池之間有溫度梯度。來(lái)自氣體分離板102b中的第二燃料氣體分布通道116的燃料廢氣通過(guò)氣體分離板102b中的燃料廢氣腔120和開口 114進(jìn)入由對(duì)準(zhǔn)的開口 114形成的燃料廢氣歧管一直到堆的底部，如箭頭136所示的，并從堆排出。通過(guò)使第二級(jí)氣體分離板102b和相關(guān)的燃料電池交錯(cuò)在兩個(gè)第一級(jí)冷卻氣體分離板102a和相關(guān)的燃料電池之間來(lái)減輕前述溫度梯度。減輕溫度梯度在第一級(jí)和第二級(jí)部件之間的熱膨脹差異方面可能有明顯的優(yōu)點(diǎn)，從而增加燃料電池堆的壽命并提高其性倉(cāng)泛。這個(gè)交錯(cuò)的布置可在各種布置中在燃料電池板和相應(yīng)的氣體分離板的整個(gè)堆中重復(fù)，使得第一級(jí)氣體分離板和相關(guān)燃料電池在堆中布置在兩個(gè)第二級(jí)氣體分離板和相關(guān)燃料電池之間，或第二級(jí)氣體分離板和相關(guān)燃料電池在堆中布置在兩個(gè)第一級(jí)氣體分離板和相關(guān)燃料電池之間，或兩者。這些布置的一些例子在表I中針對(duì)51層堆不出，其中si表不氣體分離板和相關(guān)燃料電池板的級(jí)I層，而s2表示包括第二級(jí)氣體分離板和相關(guān)燃料電池板的級(jí)2層。實(shí)例5中的s3表示氣體分離板和相關(guān)燃料電池板的級(jí)3層。在下文中描述表I中的每個(gè)實(shí)例。表I
權(quán)利要求
1.一種燃料電池組件，其包括 多個(gè)燃料電池陣列的堆，每個(gè)燃料電池陣列包括一個(gè)或多個(gè)燃料電池，且每個(gè)燃料電池包括電解質(zhì)層、在所述電解質(zhì)層的一側(cè)上的陽(yáng)極層以及在所述電解質(zhì)層的相對(duì)側(cè)上的陰極層，所述堆還包括對(duì)所述堆中的所述燃料電池的所述陽(yáng)極層開放的燃料氣體分布通道； 一個(gè)或多個(gè)燃料供應(yīng)歧管，其用于將燃料氣體供應(yīng)到所述堆中的燃料氣體分布通道； 燃料電池陣列，其包括至少第一級(jí)燃料電池陣列和第二級(jí)燃料電池陣列，所述第一級(jí)燃料電池陣列具有連接到所述一個(gè)或多個(gè)燃料氣體供應(yīng)歧管以直接從其接收燃料氣體的相關(guān)的第一燃料氣體分布通道，而所述第二級(jí)燃料電池陣列具有布置成從所述第一級(jí)燃料電池陣列的燃料電池接收燃料廢氣的相關(guān)的第二燃料氣體分布通道，用于將所述燃料廢氣供應(yīng)到所述堆中的所述第二級(jí)燃料電池陣列的燃料電池；以及 其中所述第一級(jí)燃料電池陣列和所述第二級(jí)燃料電池陣列中的至少一個(gè)包括在所述 堆中布置在所述第一級(jí)燃料電池陣列和所述第二級(jí)燃料電池陣列中的另一個(gè)的燃料電池陣列之間的燃料電池陣列。
2.如權(quán)利要求I所述的燃料電池組件，其中對(duì)所述第二級(jí)燃料電池陣列的每個(gè)燃料電池的陽(yáng)極層開放的所述第二燃料氣體分布通道的入口側(cè)直接連接到對(duì)所述第一級(jí)燃料電池陣列的至少兩個(gè)燃料電池的陽(yáng)極層開放的所述第一燃料氣體分布通道的排氣側(cè)。
3.如權(quán)利要求I所述的燃料電池組件，其中至少一個(gè)燃料歧管設(shè)置在所述第二燃料氣體分布通道的入口側(cè)和所述第一燃料氣體分布通道的排氣側(cè)之間以向多個(gè)第二燃料氣體分布通道供應(yīng)來(lái)自多個(gè)第一燃料氣體分布通道的燃料廢氣。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池組件，其中所述至少一個(gè)燃料歧管包括連接到燃料廢氣入口歧管的燃料廢氣排放歧管，由此，來(lái)自所述第一燃料氣體分布通道的燃料廢氣在一個(gè)方向上穿過(guò)所述燃料廢氣出口歧管而在相反的方向上沿著所述燃料廢氣入口歧管到達(dá)所述第二燃料氣體分布通道。
5.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的燃料電池組件，其中所述第一級(jí)燃料電池陣列的燃料電池的陽(yáng)極層和/或所述第一燃料氣體分布通道包括用于蒸汽重整在接觸所述陽(yáng)極層的燃料氣體中的和/或在所述第一燃料氣體分布通道中的碳?xì)浠衔锏恼羝卣呋瘎?br> 6.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的燃料電池組件，其中所述第一級(jí)燃料電池陣列和第二級(jí)燃料電池陣列中的一個(gè)的每個(gè)燃料電池陣列布置成相鄰于所述第一級(jí)燃料電池陣列和第二級(jí)燃料電池陣列中的另一個(gè)的至少一個(gè)燃料電池陣列。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池組件，其中每個(gè)第二級(jí)燃料電池陣列在所述堆中布置在相應(yīng)的兩個(gè)第一級(jí)燃料電池陣列之間。
8.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的燃料電池組件，其中在所述堆的至少部分中，有三個(gè)第一級(jí)燃料電池陣列和一個(gè)第二級(jí)燃料電池陣列的重復(fù)模式。
9.如權(quán)利要求I到7中的任一項(xiàng)所述的燃料電池組件，其中在所述堆的至少部分中，有四個(gè)第一級(jí)燃料電池陣列和一個(gè)第二級(jí)燃料電池陣列的重復(fù)模式。
10.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的燃料電池組件，其中在整個(gè)堆中有第一級(jí)燃料電池陣列和第二級(jí)燃料電池陣列的布置的重復(fù)模式。
11.如權(quán)利要求I到9中的任一項(xiàng)所述的燃料電池組件，其中在所述堆的第一半中比在所述堆的第二半中有更大數(shù)量的第二級(jí)燃料電池陣列。
12.如權(quán)利要求I到9中的任一項(xiàng)所述的燃料電池組件，其中在所述堆的中央半部分中比在所述堆的每端四分之一中有更小比例的第二級(jí)燃料電池陣列。
13.如權(quán)利要求12所述的燃料電池組件，其中在所述堆的每端四分之一中的第二級(jí)燃料電池陣列的比例是在所述堆的中央半部分中的至少兩倍大。
14.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的燃料電池組件，其中在所述堆中的第一級(jí)燃料電池陣列的數(shù)量在所述堆中的燃料電池陣列的總數(shù)的64%到82%的范圍內(nèi)。
15.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的燃料電池組件，其中所有所述第二燃料氣體分布通道連接到至少一個(gè)燃料廢氣歧管用于將來(lái)自所述第二燃料氣體分布通道的燃料廢氣引導(dǎo)到所述堆的外部或用于使所述堆再利用所述燃料廢氣。
16.如權(quán)利要求I到13中的任一項(xiàng)所述的燃料電池組件，其中所述燃料電池陣列還包括具有相關(guān)的第三燃料氣體分布通道的至少一個(gè)第三級(jí)燃料電池陣列，所述第三燃料氣體分布通道布置成接收來(lái)自所述第二級(jí)燃料電池陣列的燃料電池的燃料廢氣用于將所述燃料廢氣供應(yīng)到所述堆中的所述至少一個(gè)第三級(jí)燃料電池陣列的燃料電池。
17.如權(quán)利要求16所述的燃料電池組件，其中至少一個(gè)燃料歧管設(shè)置在所述第三燃料氣體分布通道的入口側(cè)和所述第二燃料氣體分布通道的出口側(cè)之間以將來(lái)自所述第二燃料氣體分布通道的燃料廢氣供應(yīng)到所述第三燃料氣體分布通道。
18.如權(quán)利要求16或17所述的燃料電池組件，其中作為在所述堆中的第一級(jí)燃料電池陣列、第二級(jí)燃料電池陣列和第三級(jí)燃料電池陣列的總數(shù)的比例，所述第一級(jí)陣列包括50%到70%，所述第二級(jí)陣列包括31%到23%，以及所述第三級(jí)陣列包括19%到7%。
19.如權(quán)利要求16到18中的任一項(xiàng)所述的燃料電池組件，其中每個(gè)第三級(jí)燃料電池陣列在所述堆中布置成與至少一個(gè)第一級(jí)燃料電池陣列相鄰。
20.如權(quán)利要求19所述的燃料電池組件，其中每個(gè)第三級(jí)燃料電池陣列在所述堆中布置在兩個(gè)第一級(jí)燃料電池陣列之間。
21.如權(quán)利要求19或20所述的燃料電池組件，其中所有的所述第二級(jí)燃料電池陣列朝著所述堆的第一端而布置，以及所有的所述第三級(jí)燃料電池陣列朝著所述堆的第二端而布置。
22.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的燃料電池組件，還包括蒸汽提取器，所述蒸汽提取器連接在最后一級(jí)燃料電池陣列的燃料氣體分布通道和倒數(shù)第二級(jí)燃料電池陣列的燃料氣體分布通道之間，以在將燃料廢氣供應(yīng)到所述倒數(shù)第二級(jí)燃料電池陣列的所述燃料氣體分布通道之前冷凝來(lái)自從所述倒數(shù)第二級(jí)燃料電池陣列的所述燃料氣體分布通道接收的所述燃料廢氣的蒸汽。
全文摘要
一種燃料電池堆(300)包括一個(gè)或多個(gè)燃料電池(302)的多個(gè)陣列，每個(gè)燃料電池包括電解質(zhì)層、陽(yáng)極層和陰極層；在相鄰燃料電池之間的氣體分離板(304，306)；以及在相鄰燃料電池之間的助燃?xì)夥植纪ǖ?308)和燃料氣體分布通道(312，318)；以及分別對(duì)燃料電池的陰極層和陽(yáng)極層開放的氣體分離器。燃料電池陣列包括至少第一級(jí)燃料電池陣列和第二級(jí)燃料電池陣列，第一級(jí)燃料電池陣列具有從一個(gè)或多個(gè)燃料氣體供應(yīng)歧管(310)接收燃料氣體的相關(guān)的第一燃料氣體分布通道(312)，而第二級(jí)燃料電池陣列具有從第一級(jí)燃料電池陣列的燃料電池接收燃料廢氣的相關(guān)的第二燃料氣體分布通道(318)。第二級(jí)燃料電池陣列在堆中交錯(cuò)在第一級(jí)燃料電池陣列之間以提高熱梯度。其它交錯(cuò)布置是可能的。
文檔編號(hào)H01M8/12GK102870264SQ201180019077
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月15日
發(fā)明者M·凱, R·博爾登 申請(qǐng)人:塞拉米克燃料電池有限公司