具有可选择性调节的直接和间接内重整的内重整燃料电池组件

摘要

一种燃料电池系统，其中具有一个或多个燃料电池的燃料电池组件适于包括一个或多个直接内重整通路和一个或多个间接内重整通路以重整燃料供应。该系统还设有用来选择性地和可调节地对第一和第二燃料供应部分至相应的一个或多个间接内重整通路和一个或多个直接内重整通路的接合进行控制的接合组件。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，并且尤其涉及以改进燃料电池组件内温度分布的方式应用供应燃料的内重整的高温燃料电池组件。

背景技术

通常在使用燃料电池时将电池布置在一个组件(通常为堆叠)中以产生可用的功率级。通常还利用含氢燃料(比如甲烷)作为燃料电池组件的燃料供应以及重整这种燃料以产生用来流过该组件的含氢燃料过程气体。

在高温内重整的燃料电池组件中，比如在内重整的熔融碳酸盐燃料电池组件中，燃料供应在组件的内部被重整以产生燃料过程气体。该气体随后被输送通过该组件的燃料电池的阳极室。在其经过阳极室时，燃料过程气体与承载在该组件的燃料电池的阴极室中的氧化剂过程气体进行电化学反应。电化学反应通过将阳极室和阴极室分隔开并在两者间传导带电离子的电解质来发生。这使得该组件产生希望的电能或输出。

内重整的高温燃料电池组件的有利之处在于其避免了对于昂贵且复杂的外重整装备的需求。另外，吸热(即吸收或需要热量)的重整反应能有利地用来帮助冷却该组件。

通过利用蒸汽重整催化剂来实现内重整燃料电池组件中燃料供应的重整。催化剂布置在该组件内碳氢化合物燃料供应的路径中，从而重整该燃料供应并产生燃料过程气体。已经使用了两种形式的内重整：直接和间接的。每种都基于重整催化剂相对于该组件的燃料电池的阳极室具体的放置关系。

在直接内重整中，重整催化剂布置在燃料电池阳极室中直接将碳氢化合物燃料运载到燃料电池阳极的阳极通路中，即布置在直接与阳极电极相通的阳极通路中。其优点是直接将重整工艺中产生的含氢燃料气体提供给该电极。然而，在这种类型的布置中，由于重整催化剂处于直接运载碳氢化合物燃料的阳极通路中，催化剂就通过阳极电极和阳极通路暴露于该组件燃料电池的电解质。长时间之后，这种暴露会降低催化剂的性能。

在间接内重整中，重整催化剂布置在燃料电池组件内与直接和阳极电极相通的阳极通路相隔离或移开的腔室或通路中。重整的过程气体随后被发送到这些阳极通路以进行电化学反应。间接内重整的优点是，由于重整催化剂位于隔离的通路中，就能更好地保护催化剂免受由于燃料电池电解质所导致的毒化或劣化。

美国专利No.4,182,795描述了一种系统和方法，其中高温燃料电池通过与直接将燃料供应气体运载到阳极电极的阳极通路隔开的通路进行间接内重整。在该系统和方法中，隔离通路中的流动基于所希望的总体冷却程度与阳极通路中的流动无关地设定。而且，两个流动路径分离的管道和外部接头以及阀用来将重整的气体传送到阳极电极。

美国专利No.4,365,007公开了一种应用直接内重整的燃料电池系统和方法。在此情况下，重整催化剂布置在通过多孔隔板与将燃料供应气体运载到燃料电池阳极的阳极通路相通的通路中。多孔隔板用来将催化剂与燃料电池的电解质部分地隔离，并且该系统还依赖于含催化剂通路和阳极通路之间的压力差以将重整的气体提供给阳极电极并防止电解质蒸汽达到催化剂。该系统的成本由于需要复杂的阳极集电器来提供隔离通路和阳极通路以及多孔隔板的额外材料而非常高。而且，利用差压来将重整的燃料气体通过多孔隔板均匀地传送到阳极通路可能难以实现。

美国专利No.4,567,117公开了一种技术，其能用于利用间接或直接内重整的燃料电池。在此情况下，对用于重整的催化剂进行修整以提高燃料电池中均匀的温度分布。尤其，催化剂直接应用于阳极集电器中形成隔离通路或阳极通路的那些部件，并且活性地分布以重整燃料电池较热区域中更多的气体从而降低温度不均匀性。上述针对795`专利和007`专利所述的对于直接内重整和间接内重整的限制也适用于此，同时还取决于本专利的技术应用于直接的还是间接的内重整燃料电池。

美国专利No.4,788,110描述了一种可用于直接内重整燃料电池的技术，其中阳极集电器形成了含催化剂通路，该含催化剂通路相对于也由集电器形成的阳极通路部分地屏蔽。具有这种构造，催化剂的部分屏蔽使得其不容易参与重整过程并且因而降低了其作用。

美国专利No.5,175,062描述了一种间接内重整燃料电池堆叠。重整单元沿着堆叠的长度相隔一定距离地布置。每个重整单元包括在其角落处具有燃料供给口含U形催化剂腔或通路。来自重整单元的重整气体传递到歧管，歧管将重整气体供给到与堆叠燃料电池的阳极电极相通的阳极通路以进行电化学反应。在该系统中，由于对于燃料供给管尺寸的要求，就出现了相对高的燃料气体压降并且增大了该系统的成本。

美国专利No.5,348,814描述了一种间接内重整燃料电池的堆叠，其也具有沿着堆叠长度分布的重整单元。在该堆叠中，歧管处于内部。由于用来在堆叠中形成每个重整单元的双极板的复杂性，堆叠的成本相对较高。

美国专利No.5,660,941公开了一种间接内重整燃料电池堆(叠)，其中用于隔离的重整腔中的催化剂元件具有不同的构造。其中描述了板状催化剂元件和用于插入在阳极集电器顶部之上的支撑催化剂丸的筛孔型元件。

美国专利No.4,877,693描述了一种应用间接和直接内重整燃料电池的堆叠。间接内重整通过利用沿着燃料电池堆叠长度分布的含催化剂通路来进行。这些通路与直接将燃料供应气体运载到堆叠的燃料电池阳极电极的阳极通路隔开。直接重整由布置在阳极通路中的催化剂来进行。在此情况下，新鲜供应气体穿过含催化剂通路并被部分地重整。部分重整的气体随后穿过阳极通路，在该处气体被进一步重整并且重整的气体进行电化学反应。歧管用来将部分重整的气体从隔离的含催化剂通路接到阳极通路。

一种最新的应用间接和直接内重整的燃料电池堆叠在受让给与本申请为相同受让人的美国专利申请No.10/269,481中公开。在该堆叠中，含催化剂隔离通路的形式为沿着堆叠的长度分布且包含U形流动路径的重整单元。重整单元的出口和具有含催化剂阳极通路的阳极室的进口与同一歧管相通以使得来自重整单元的部分重整的供应气体被传递到阳极通路。在该系统中，而且，燃料供应布置在该同一歧管中以防止系统泄漏。

本发明的一个目的是提供一种具有直接和间接内重整的燃料电池组件，其更能适于燃料电池组件在组件寿命过去之后的变化；

本发明的又一目的是提供一种具有直接和间接内重整的燃料电池组件，其能在使用不同成分的燃料时更好地实现希望的温度分布和性能；和

本发明的再一目的是提供一种具有直接和间接内重整的燃料电池组件，其能在面对催化剂劣化时更好地实现希望的温度分布和性能。

发明内容

根据本发明的原理，以上和其它目的在一种燃料电池系统中实现，这种燃料电池系统包括：具有一个或多个燃料电池且适于包括一个或多个直接内重整通路和一个或多个间接内重整通路以重整燃料供应的燃料电池组件、以及用来选择性地和可调节地对第一和第二燃料供应部分至相应的一个或多个间接内重整通路和一个或多个直接内重整通路的接合进行控制的接合组件。在以后将描述的本发明实施例中，接合组件分别将第一和第二燃料供应部分导向至间接内重整通路和组合组件。后来的组合组件还从间接内重整通路接收输出。组合组件的组合输出随后被供给到燃料电池组件的直接内重整通路。

管道接头将第一和第二燃料供应部分分别导向至供给间接重整通路和组合组件的第一和第二管道。第一和第二管道中的阀允许对第一和第二燃料供应部分进行有选择的调节。

附图说明

在结合附图阅读以下详细描述时，本发明的以上和其它特点和方面将会变得更加明显，其中：

图1示出了根据本发明第一实施例具有直接和间接内重整的燃料电池系统；

图2示出了根据本发明第二实施例具有直接和间接内重整的燃料电池系统；

图3示出了如同481`申请那样的具有直接和间接内重整的燃料电池系统；

图4示出了对于图1所示本发明的燃料电池系统实验性地测得的堆叠温度；

图5示出了对于图3所示481`申请的燃料电池系统实验性地测得的堆叠温度；

图6示出了与图3所示481`申请的燃料电池系统相比，在图1所示本发明的燃料电池系统的堆叠温度分布中测得的改进；和

图7示出了各种燃料作为温度的函数而计算的重整效率。

具体实施方式

图3示意性地示出了481`申请中所述类型的燃料电池系统101，该申请的内容以参考的方式结合于此。在图3中，系统101包括具有一个或多个燃料电池102的燃料电池组件101A，每个燃料电池102具有阳极室103、阴极室104以及位于其间的电解质105。虽然只是示出了一个燃料电池102，但是燃料电池组件101A通常具有很多彼此叠置以形成燃料电池堆(叠)的电池102。

燃料电池102的燃料电池阳极室103包括阳极电极103A和阳极通路103B。阳极通路包含重整催化剂并且与阳极电极103A直接相通。于是，阳极通路导致了含碳氢化合物燃料供应的直接内重整并将重整的含碳氢化合物燃料过程气体直接应用于阳极电极。

燃料电池组件101A还包括位于组件101A中的又一通路106，该通路106与阳极通路103B移开或隔开并且还包含用来对新鲜碳氢化合物供应燃料进行间接内重整的催化剂。再次，虽然只是示出了一个通路，组件101A通常具有多个沿着燃料电池组件的长度分布的通路106并且这些通路通常由与组件的燃料电池热流通的各个重整单元所构成。

在图3的系统中，新鲜供应燃料111穿过过热器107，该过热器还从燃料电池102的阴极室104的出口接收排出的氧化剂气体。新鲜供应燃料通过穿过过热器107而被加热，被加热的新鲜供应燃料随后进入间接内重整通路106，在该处一部分被加热的新鲜供应燃料被重整以产生含氢燃料过程气体。剩余新鲜供应燃料和含氢燃料过程气体的混合物随后被接到直接内重整阳极通路103B，在该处又一部分剩余新鲜供应燃料被转变为含氢燃料过程气体。

在穿过阳极通路时，含氢燃料过程气体与燃料电池的阴极室104中的氧化剂过程气体通过阳极和阴极电池103A和104A以及电解质105经受电化学转变。这样就产生了所希望的电输出的产生。

同样还示出，来自阳极通路的阳极排气(其包含未使用的含氢燃料过程气体)被供应到混合单元108，混合单元108还接收新鲜氧化剂供应气体(所示为空气)。在混合单元108中混合之后，所得到的混合流被供应到氧化器109，在该处燃烧阳极排气以将气流中氧化剂供应气体的温度升高到燃料电池102所需的温度。

在使用新鲜供应燃料的间接和直接内重整时，图3所示的系统因而能降低催化剂劣化的影响，因为催化剂更少地暴露于电解质。其还能更好地实现燃料电池内希望的温度分布，以便在希望的温度下工作。然而，虽然对于给定成分的新鲜供应燃料能实现这些作用，但是成分的变化将降低性能。而且，由于在电池和堆叠的操作寿命过去之后会出现催化剂劣化，性能再次会受损。

因此，为了能更好地使燃料电池系统101适应于不同成分的新鲜供应燃料和催化剂劣化，图3所示的系统已经根据本发明的原理进行了修改以提供对于向间接内重整通路106和直接内重整阳极通路103B供应燃料的更大程度的控制。图1示出了具有这种增加的控制措施的本发明的第一实施例。

在图1中，与图3中相同的部件已经类似地进行标识。尤其，根据本发明，在图1中，图3所示系统已经被修改为包括接合组件201，其用来可调节地和选择性地控制新鲜燃料供应111的第一和第二部分111A和11B向间接内重整通路106和直接内重整阳极通路103B的流动。更具体地，组件201包括管道接头202，在该处新鲜供应燃料111的第一和第二部分111A和111B被分段或分割并可分别用于第一和第二管道或管线202A和202B。第一管道202A通向间接内重整通路106并且第二管道通向同样为接合组件201一部分的组合器203。

组合器203将留在间接内重整通路106中的部分重整的气体和剩余新鲜供应燃料气体与由管道202B所运载的新鲜供应燃料的第二部分111B组合起来。这种组合的气流随后供给入直接内重整阳极通路103B，用于进一步重整和电化学反应。组件201还包括分别处于管道202A和202B中的阀204和205，用于允许对新鲜供应燃料的第一和第二部分111A和111B进行调节。

应理解，阀204和205允许对相应的新鲜燃料供应部分进行独立的调节，这使得组件101A中希望的温度分布更好地适应于不同的新鲜燃料供应成分。因而，通过控制阀205，例如，能实现组件101A中更适宜的温度分布。更具体地，如果新鲜燃料供应111的成分是如此的以致于其在间接内重整通路106中将被过度地重整，通过将阀205打开更大，能增大新鲜燃料供应部分111B，从而降低新鲜燃料供应部分111A以使得适量的燃料供应将在间接通路106中被重整。而且，在燃料电池组件101A的工作时间增加且在直接内重整通路103B中的催化剂劣化时，阀204能被更大地打开以使得更多的新鲜供应燃料在间接内重整通路106中被重整以解决通路103B中催化剂的劣化。

应理解，在本发明的图1实施例中，在新鲜燃料供应通过过热器107之后，接合组件201响应于新鲜燃料供座。在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，接合组件201位于过热器107的前面。

如图2所示，在新鲜供应燃料111进入过热器107之前，管道接头202接收新鲜供应燃料111并形成可分别用于第一和第二管道或管线202A和202B的新鲜供应燃料111的第一和第二部分111A和111B。在此情况下，第一管道202A通向过热器107并从过热器107通向间接内重整通路106。第二管道202B也通向组合器203而不穿过过热器。

利用该实施例，新鲜供应燃料的第一部分111A从而在与来自间接内重整通路106的气流相组合时处于比燃料电池组件温度更低的温度下。这就允许了对组件的额外冷却。

图4和5分别示出了图1所示本发明的燃料电池组件和481`申请的燃料电池组件在等同工作点处试验地测得的温度。图5中对于481`申请组件的测量示出了燃料进口面(fuel inlet face)附近接近650℃的温度。对于本发明的组件，燃料进口面温度降低到620℃之下，如图4所示。

图1所示本发明的组件与481`申请中的组件相比在温度分布方面的改进在图6中示出。这里，能清楚地看出本发明的组件的燃料进口区域的净冷却(net cooling)。这些实验通过将具有交替燃料的本发明应用于给定组件设计模拟了在温度分布方面希望的改进。

图7示出了对于不同燃料作为温度函数计算的均衡重整效率。通常，燃料电池系统设计来在40％至80％之间的间接内重整效率下获得优化的温度分布。从图7中能看出，这使得在燃料电池组件的运行温度为550-650℃时甲烷为理想的燃料。对于其它燃料，比如丙烷、丁烷和己烷，对于为甲烷设计的组件间接内重整将接近100％。这又将导致组件的燃料进口面过热并在组件中产生高的温度梯度。具有图1所示本发明的组件，有效的间接内重整能从阀205关闭的100％连续地调节到打开的阀204和205处于适合选择位置的40％或者更低。这对于多种燃料的操作提供了明显的优点，比如对于安全应用。

在所有情况下，可以理解到，上述布置和方法仅仅是表示本发明应用的很多可能的具体实施例的示例。在不偏离本发明精神和范围之下，根据本发明的原理能很容易地设想很多且变化的其它布置。