具有简单燃料供应的内部 重整的燃料电池组件 【技术领域】
本发明涉及燃料电池组件，特别是涉及使用内部重整的燃料电池组件。
背景技术
已知通常所说的直接碳酸盐燃料电池组件其中各组件把碳氢化合物燃料直接变换为直流电。在这些燃料电池组件中，燃料被内部重整以产生供燃料电池使用的氢。燃料电池产生的水与热被重整反应使用。重整反应与燃料电池反应以热量与质量变换联系的方式进行使得可在原地得到由燃料电池产生的热与水供重整反应使用。
出现了两种不同类型的直接燃料电池组件。在美国专利号3488226中描述的直接内部重整组件中，重整催化剂放置在与电池环境直接保持联系的每个燃料电池的阳极室内。在美国专利号4877693中描述的另一种间接内部重整组件中，大部分重整在设置于一个燃料电池堆的各型电池组之间的各重整单元的内部进行。一组电池典型地可包括5至15个燃料电池。重整单元与燃料电池保持热联系使重整反应能从邻边的电池吸取必要的热量。
一种包括直接与间接内部重整二者的混合组件得到直接布置的好处(即高的燃料变换)与间接布置的好处(较长地催化剂寿命，较高的燃料电池性能，与较均匀的温度分布)。在此混合组件中，在每个燃料电池的阳极室内放置重整催化剂，同时在各燃料电池组之间放置重整板。
美国专利号5175062描述一个用作直接内部重整的重整单元与它的同直接燃料电池组件的集成，直接燃料电池组件包括直接与间接内部重整的组合。’062专利的组件在可靠性与成本方面有一些优点，这些优点同燃料供应线路(管道)与重整单元的连接有关。
更详细地说，燃料与蒸汽必须分配至每个重整单元。为此分配，一个实际尺寸的燃料电池组件需要30至40个连接。在’062专利中，这些连接通过将一个个进料管的一端与每个重整单元连接，另一端与燃料输送集管连接而完成。由于各重整单元是带电的，因此必须将它们同金属的燃料供应集管电气隔绝。’062专利利用供应线路中的介电断口作为此用途。
可以理解，’062专利的燃料供应管道相对于其它气流处于最高的压力。由于它们的位置在燃料电池堆的外部，因此全部管道，包括它们在重整单元处与介电断口处的连接，在燃料电池组的整个寿命期间必须完全防护气体泄漏。在运输与工作期间每个供应管路承受热一机械应力，这一事实使得防护更为困难。因此，供应管路气体泄漏防护的结构必须十分紧固耐用以加强可靠性。
用于供应管路电气隔离的当前可使用的介电断口包括同金属过渡件连接的陶瓷管，为便于同供应管路的金属管连接，通过钎焊处理。这些类型的配件成本昂贵，且不能定额到碳酸盐燃料电池组件要求的＞500℃运行温度，因为供连接金属供应管与陶瓷配件用的钎焊化合物在这些温度下不稳定。因此，在燃料电池组件的整个寿命期间这些连接的完全的气体密封性得不到充分保证。
【发明内容】
因而，本发明的一个目的是提供一种具有内部重整并且有改进的燃料供应管路气体泄漏防护的燃料电池组件。
根据本发明的原理，在一个燃料电池组件中实现了上述与其它目的，在此组件中燃料电池能内部重整燃料，同时在一个有多个表面的燃料电池堆中布置至少一个燃料重整装置。燃料电池堆的一个表面上包括燃料气体重整装置的燃料入口与经重整的燃料出口及燃料电池的燃料入口。提供一个集流腔以密封闭合燃料电池堆的这一表面，而把一个供燃料重整装置用的重整装置燃料供应系统全部布置在此集流腔之内。
通过使重整装置燃料供应系统位于集流腔之内，如果发生气泄漏，燃料将被容纳在集流腔之内因而仍能在组件的燃料电池中被重整与使用。由此使对于重整装置燃料供应系统的气体泄漏防护的制约变为明显地较不重要。
在下面描述的燃料电池组件中，重整装置燃料供应系统包括一个燃料供应集管和连接集管与组件的各燃料重整装置的供应管路。每个供应管路包括彼此分隔的第一与第二供应管段，其中一个与集管连接而另一个与一个相应的重整装置连接。一个陶瓷管桥接第一与第二供应管段并为供应管路提供电气隔离。
供应管路还配有扇形的可旋转端，即用于连接管路与各燃料重整装置的过渡管道。第一与第二供应管段每个配有一个用于释放应力的波纹管。
【附图说明】
通过连同附图阅读下面的详细说明，本发明的上述与其它特征及各方面将变为更加明白，这些附图中：
图1A表示一个根据本发明原理的燃料电池组件；
图1B表示带有一个进一步的局部切除部分的图1A的燃料电池组件，以表示燃料电池组件端板内的燃料输入管；
图2更详细地表示图1燃料电池组件的重整装置燃料供应系统；
图3更详细地表示图1A燃料电池组件的燃料重整装置；与
图4与图5表示图3燃料重整装置的2个区域的部件分解图。
图6以局部分方式表示图3重整装置。
具体实施方式
图1A表示根据本发明原理的燃料电池组件1。组件1包括一个含有标记为组11、12、13、14、15、16的分组排列的燃料电池的燃料电池堆2。电池组11-16每个包括若干个电池的组，每组中的电池数典型为5至15个。
电池组11-16中的燃料电池具有设置在燃料电池堆1的第一表面1A上的氧化剂气体入口与设置在该堆的相对表面1B上的氧化剂气体排气出口。与此类似，电池组11-16中的燃料电池具有在堆1的另一表面1C上的燃料入口与在该堆的相对表面1D上的相应的燃料排气出口。
此外，电池组11-16中的燃料电池能内部自行把通过电池的碳氢化合物燃料重整为燃料气体。然而，各电池组的大部分燃料气体由设置在堆1中的各电池组之间的重整装置21、22、23、24、25、26提供。这些重整装置有在堆1的表面1C上的燃料入口21A、22A、23A、24A、25A与26A，并有同样在堆1的表面1C上的经重整的燃料出口21B、22B、23B、24B、25B与26B。
燃料电池组件1还包括集流腔31、32、33。集流腔32与33气密封闭堆1的表面1B与1D并分别接收氧化剂气体排气与燃料气体排气。集流腔31气密封闭堆1的表面1C以导致邻近堆1的表面1C的燃料与燃料气体进入燃料电池的燃料入口而不致逸散至堆1的外部。
燃料电池组件1还包括一个顶部端板41与一个底部端板42。底部端板支撑一根燃料输入管43与一根燃料输出管44。
根据本发明的原理，燃料电池组件还包括一个用于向重整单元21-26供给燃料的重整装置燃料供给系统61。此外根据本发明，重整装置燃料供给系统全部配置在集流腔31与堆1的表面1C之间的密封闭合区域之内。
如图1A中与更详细地在图2中所见，重整装置燃料供给系统包括一个燃料供应集管62，它从装在端板42上的燃料输入管43接收燃料。图1B中更详细地图示说明燃料输入管43在端板42内的位置。如图示，管43的入口端43a适于与燃料供应管(图中未表示)连接，而出口端43b与位于集流腔31内的燃料供应集管62连接。集管62把从管43接收的燃料供给供应管路71、72、73、74、75与76，供应管路再把燃料供至燃料重整装置21-26的燃料入口21A至26A。
如图2所示，燃料供应管路71-76具有相同结构，每个包括一个与集管62连接的第一供应管段81，一个与各自的燃料入口连接并与第一供应管段分隔的第二供应管段82，与一个介电绝缘子83。介电绝缘子83桥接管段81与82之间的间隔，从而以电气隔离的方式连接两个管段。第一与第二供应管段81与82还分别包括夹持环81A与82A，以防止介电绝缘子83移动。供应管段81与82中还分别配有波纹管81B与82B，以更好地适应堆的位移而不致损坏管路。
以此配置，一种含有碳氢化合物燃料与蒸汽的燃料混合物从堆1的开口表面1A(无集流腔处)引入端板42内的燃料管43。此燃料然后由管43输送至位于集流腔31内的燃料供应集管62。供应管路71-76从供应集管62接收燃料并将它输送至各燃料重整装置21-26。供应管路71-76与燃料供应集管62，如上面指出，都封闭在集流腔31与堆的表面1C之间的密封区域内。
可以理解，由于任何可能的来自管路的泄漏都容纳在由集流腔31形成的密封区域内，此布置排除了对供应管路71-76的完全气体密封的需要。从而，从管路泄漏的任何燃料将在各燃料电池组的燃料电池内进行内部重整。由于现在可容许燃料从供应管路泄漏，因此不要求供应管路中的介电绝缘子对相应的供应管段密封，从而降低了管路制造的复杂性与成本。
更详细地，如图1A与图2所示，每个介电绝缘子做成一个简单的陶瓷管，其内径同供应管段81与82的连接端的外径相匹配。此陶瓷管或圆筒便于滑过优选由金属管构成的供应管段。此外，每个陶瓷管83对构成供应管段81与82的金属管配合的间隙与公差为这样，使在燃料电池组件的工作温度下金属管对陶瓷管的内壁施加一个径向力，从而闭合间隙并密封连接。因此做成一个强的金属对陶瓷连接从而将使任何燃料泄漏减至最少。此外，任何出现的燃料泄漏将保持在由集流腔31限定的密封区域内并由燃料电池组件的各燃料电池重整。
此外，通过适当选择金属管，使由于不同的热膨胀而施加在陶瓷管上的力保持在低于会使陶瓷管破裂的值。
如前面指出，每个供应管路的供应管段81与82还分别配有波纹管81B与82B。这些波纹管提供释放在组件工作期间由于堆高度改变而引起的任何管路应力。
重整装置燃料供应系统61布置在由集流腔31密封的区域内的另一好处是，燃料混合物，即燃料与蒸汽，可在比燃料电池组件的正常工作温度(即在540℃至650℃范围内的某个温度)低得多的温度(即在490℃至540℃范围内的某个温度)下引入燃料供应集管62。然后此燃料混合物在集流腔31内被预热，同时流经集管与供应管路。燃料混合物的这个预热，使它在进入燃料重整装置之前达到同燃料电池组件的各燃料电池的工作温度相适应的温度。
以此方法预热燃料混合物对使用燃料电池组件1的整个燃料电池系统在两方面有利：1)燃料电池系统的过热器或废热回收蒸汽发生器中的燃料预热负荷降低；与2)燃料电池冷却负荷等量降低。一个这种类型的燃料电池系统的最新试验显示，通过按本发明中在集流腔31内预热燃料混合物，燃料流的加热负荷可降低＞100℃，而燃料电池的冷却负荷可降低约20℃。
图3中表示一个燃料重整装置21的详图。重整装置22-26具有与21相同的结构。
如图3中所见，燃料重整装置包括一层或一片波纹金属板101。板101的区域A与B的放大图分别表示在图5与图4中。
如图4中所见，催化剂小圆柱105巧妙地放置在板101的沟纹内。这种放置优化吸热重整反应的分布，以便使燃料电池堆内的热梯度减至最小。
板101配有一块挡板102以引导在重整装置21内的流动方向使如箭头104所示，即，使燃料进入入口21A，经过一个U形流径，通过板101，然后引导至出口21B。
催化剂105的负荷与重整装置21内挡板102的布置为这样，使重整装置内重整反应的分布与燃料电池产生的热的分布相匹配。燃料混合物以高速度在重整装置的入口21A处引入，燃料混合物流体中具有的动能提供使沿U形流径回流所必需的能量。于是经重整的气体在出口21B排出，此出口21B同入口21A一样在重整装置的同一侧。
在本发明的本图示实施例中，重整装置的燃料入口21A为矩形。每个供应管段82依次配有一个扇形过渡管道84，它连接矩形入口21A与形成供应管段82的圆管端部。
如图2中可详见，每个过渡管道84由两半个金属片84A和84B制成以便于装配。此管道在它与供应管段82的连接处包括一个接头84C以提供一个为适应堆高度改变所需要的旋转运动。
如图6中所示，重整装置21的波纹板101卷包在薄金属箔103A(例如2至4密耳厚的镍箔)内并由一个盖件103B(例如2至12密耳厚的镍或镍覆盖不锈钢材料)覆盖以构成重整装置结构。此结构在3侧封闭而在形成燃料入口21A与燃料出口21B的一侧敞开。如前面提到，燃料混合物从燃料入口21A供入而部分地经重整的燃料从重整燃料出口21B排出。
图6中，重整装置21以部分拆开形式表示，其中箔件103A与盖件103B彼此分离。箔件103A有一个具有边201A、201B、201C、201D的中心区域201。3个折叶区域201E、201F与201G分别从边201A、201B、201C延伸。如图示，折叶区域201E、201F与201G的形状为梯形的不规则四边形。此外，折叶区域201E与201G在它的开口边为直角形。
装配重整装置时，波纹板101与挡板102放置在箔件103A的中心区域201上。然后将201E、201F、201G的叶区域按箭头301-303指示的方向弯析使它们面向中心区域201并靠近波纹板101的各边。
然后将盖件103B放置在中心区域201与折叶区域201E、201F与201的上面使与这些区域及挡板102相接触。由于压缩，两个折叶区域201E与201G变为同折叶区域201F封接，而盖件103变为同三个折叶区域201E、201F、201G封接以构成重整装置。箔件103A的中心区域201与盖件103B之间的间距确定重整装置的开口侧201D。
在所有情况下应懂得上面描述的布置只是作为代表本发明应用的许多可能的具体实施例的例证。根据本发明的原理可容易地导出许多变化了的其它布置而不越出本发明的精神与范围。