專利名稱：配有高溫燃料電池的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求1的前序所述的配有高溫燃料電池的設(shè)備和這種設(shè)備的運(yùn)行方法。
這種設(shè)備包括一種如EP-A0780917(＝P.6719)所公開的那種裝置。這種裝置包含有一個(gè)裝有一些燃料電池的電池單元，這燃料電池單元被一熱絕緣套筒所包圍。一個(gè)后燃器腔安置在上述套筒和電池單元之間。一種用于處理燃料氣體的烴水蒸汽轉(zhuǎn)化裝置(也叫預(yù)重整裝置)被安裝在上述套筒中。該烴水蒸汽轉(zhuǎn)化裝置與一熱交換器相連，借助這種熱交換器就能從排放的氣體中將吸熱轉(zhuǎn)化過(guò)程所需的熱提供給這轉(zhuǎn)化裝置。
在很多應(yīng)用中燃料主要是由甲烷所構(gòu)成。在燃料氣體的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，如有H2O存在而且提供過(guò)程所需的熱時(shí)，則該燃料至少將部分被催化轉(zhuǎn)變成CO和H2。也可用液體燃料來(lái)代替氣體燃料，但是對(duì)于使用液體燃料來(lái)說(shuō)，卻可能連帶出一些額外的問(wèn)題來(lái)，因?yàn)橐后w燃料必須以適當(dāng)?shù)姆椒佀瓦M(jìn)上述烴水蒸汽轉(zhuǎn)化裝置。
本發(fā)明的目的是提供一種配有高溫電池的設(shè)備，在這種設(shè)備中，可用一種對(duì)整個(gè)過(guò)程有利的方式獲得整個(gè)過(guò)程所需的水H2O并將此熱提供給該轉(zhuǎn)化過(guò)程。本目的可用權(quán)利要求1所表征的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的目的還在于提供另外的一些方法，通過(guò)這些方法能盡可能地防止在關(guān)鍵性的燃料，特別是液體燃料(它包含烴CnH2n+2，其中n＞5)中煙灰的形成。這進(jìn)一步的目的也是借助可從后燃器腔排出并足夠大量地反饋回設(shè)備的廢氣來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
按照本發(fā)明，該設(shè)備包含有一些高溫燃料電池，這些燃料電池以平面結(jié)構(gòu)安置在一中心對(duì)稱的堆棧中。一供應(yīng)點(diǎn)用來(lái)提供氣體或液體燃料。在跟在供應(yīng)點(diǎn)后的烴水蒸汽轉(zhuǎn)化裝置中，在有H2O存在并提供過(guò)程熱時(shí)，燃料至少可部分地被催化轉(zhuǎn)變成CO和H2。一后燃器腔跟隨在上述燃料電池的輸出點(diǎn)之后。在供應(yīng)點(diǎn)和后燃器腔之間有一反饋連接管路，通過(guò)它廢氣可以反饋回上述供應(yīng)點(diǎn)。在沒(méi)有氣體提供作燃料的情形下，這供應(yīng)點(diǎn)就包括一種饋送液體燃料的機(jī)構(gòu)，例如噴嘴。
氧O2是由反饋的廢氣提供給燃料的。由于通過(guò)轉(zhuǎn)化裝置能從碳?xì)浠衔?，CnH2n+2形成產(chǎn)物CO和H2因而這提供的O2就會(huì)在轉(zhuǎn)化裝置中導(dǎo)致部分氧化的發(fā)生。釋放的熱就為并行發(fā)生的轉(zhuǎn)化過(guò)程所吸收，因而得到利用。通過(guò)部分氧化，有利地防止煙灰形成。
額外地包含在反饋廢氣中的CO2，與H2一樣，也可使碳?xì)浠衔锵駽O和H2轉(zhuǎn)變。
從屬權(quán)利要求2-6涉及的是按照本發(fā)明所述設(shè)備的一些優(yōu)越的實(shí)施例。權(quán)利要求7-9的主題是涉及本設(shè)備的操作方法。
在后面將參考下述附圖對(duì)本發(fā)明加以說(shuō)明

圖1是一種按照本發(fā)明所述的高溫燃料電池的配用設(shè)備，所畫圖形是很示意的，圖2是該設(shè)備的一個(gè)剖面圖，它示出了一個(gè)燃料電池的橫切面。
圖3圖示出了具有廢氣反饋的設(shè)備的第二個(gè)實(shí)施例，圖4圖示出了液體燃料的供應(yīng)點(diǎn)圖5圖示出了一種可透氣結(jié)構(gòu)的截面，這種透氣結(jié)構(gòu)可用作液體燃料的轉(zhuǎn)化裝置的催化劑載體，圖6示出了一個(gè)在由碳?xì)浠衔顲nH2n+2(其中n＝1，4，16，或20)產(chǎn)生H2O和CO2的轉(zhuǎn)化過(guò)程和部分氧化中吸收和放出的函的數(shù)值表。
圖1所畫的設(shè)備1由下列部件組成燃料電池堆棧2，具有平面的，環(huán)形燃料電池20和用于釋放電能E的電極27，28；一個(gè)套筒3，具有一種沒(méi)有圖示出來(lái)的內(nèi)部構(gòu)造，借助這個(gè)套筒在運(yùn)行時(shí)可將周圍空氣80，81預(yù)熱，并將它均勻分配給上述電池堆棧2；一個(gè)后燃器腔6，位于電池堆棧2和套筒3之間，廢氣從它出來(lái)經(jīng)熱交換器7輸送出去(將熱量Q傳遞給水循環(huán)的熱攜帶件79)；一個(gè)混合部件67，熱的廢氣60’與經(jīng)過(guò)冷卻的廢氣70’一起被送入這混合部件中；一條廢氣的反饋管路61和一個(gè)送風(fēng)機(jī)62；另外還有一設(shè)備部件5，燃料50(供應(yīng)管路51)與經(jīng)管路61反饋回來(lái)的廢氣就混合于這部件5中。這種混合物經(jīng)過(guò)這供應(yīng)點(diǎn)5后面的轉(zhuǎn)化裝置處理，處理后的燃料57就被送入上述電池20中，它是作為氣體58流過(guò)這些電池的。
這種轉(zhuǎn)化過(guò)程是一種吸熱過(guò)程。一種轉(zhuǎn)化裝置4-參看圖2-被沿著電池堆棧的軸方便地安裝在這電池堆棧2的中央空腔中，而且這轉(zhuǎn)化裝置被這樣設(shè)計(jì)，使得由電池20放出的輻射熱可被它吸收。
圖2示出了進(jìn)一步的細(xì)節(jié)高溫燃料電池20包括一電化學(xué)活性板21(具有兩個(gè)電極層和一在這兩電極層之間的固體電解質(zhì)層)和一內(nèi)部連接件22，這內(nèi)部連接件與鄰近電池20的電化學(xué)活性板21導(dǎo)電相連。這內(nèi)部連接件22被設(shè)計(jì)成一熱交換器，用來(lái)加熱通過(guò)供應(yīng)管路81’送入的空氣82。經(jīng)加熱的空氣83沿徑向平行于氣體58向外流動(dòng)。在電池20中沒(méi)有反應(yīng)的氣體58的成份在與空氣流83混合之后即可在后燃器腔6中燃燒。這做成環(huán)隙形的腔6被一透氣壁31所包圍，而這透氣壁的內(nèi)側(cè)被層36所封閉?？諝?0通過(guò)第二環(huán)隙形空間38分布在壁31上，并在這壁中被加熱和通過(guò)管路81’饋送進(jìn)內(nèi)部連接件22中。圍繞壁31的套筒和分配器腔38在外面被一抽空的環(huán)隙形腔39所封閉。
在設(shè)備1運(yùn)行期間，輸送電流與產(chǎn)生廢氣和廢熱的過(guò)程就在燃料電池20中發(fā)生。反饋到轉(zhuǎn)化裝置中的廢氣60’，70’含有H2O，CO2，O2和N2。燃料50包含CnH2+2n之類的碳?xì)浠衔铮@里的n＝1，2，…，其轉(zhuǎn)化包括下述之類的吸熱反應(yīng)，，。
與這些反應(yīng)并行的是部分氧化，即發(fā)生下述放熱反應(yīng)。在部分氧化過(guò)程中釋放的熱和在燃料電池能量傳送過(guò)程中的余熱都將提供這種轉(zhuǎn)化過(guò)程所需的過(guò)程熱。
最好是，只有最小量的廢氣60’，70’反饋給這轉(zhuǎn)化過(guò)程。如果燃料電池20中的氣體的電極的材料適于轉(zhuǎn)化過(guò)程，則碳?xì)浠衔锊豁毻耆D(zhuǎn)化，特別是只需達(dá)到10-90％即可。
圖3示出了一種設(shè)備1，在這種設(shè)備中反饋的部分廢氣70’與周圍的空氣80相混合。被送風(fēng)機(jī)輸送的周圍空氣80作為放O2和吸收余熱的介質(zhì)對(duì)電流的輸送過(guò)程起作用。輸送的空氣量產(chǎn)生過(guò)量的O2(相對(duì)于該過(guò)程要求的化學(xué)計(jì)算量而言)。
由于通過(guò)管路71和閥門72摻和了廢氣70’，因而降低了空氣58中的O2的比例，從而對(duì)于形成的廢氣60來(lái)說(shuō)也導(dǎo)致O2含量的相應(yīng)減小。這是有利的，因?yàn)殡S廢氣70’送入轉(zhuǎn)化裝置的O2較少，因而設(shè)備1的效率就會(huì)由于減少通過(guò)部分氧化形成的生成物的產(chǎn)量而得到改善。象在第一實(shí)施例中那樣，也能將熱的廢氣60’摻和到反饋廢氣70’中(在圖3中未畫出)。
上述熱交換器7可包括一額外的燃燒器(未畫出)。這種額外的燃燒器緊跟在后燃器腔6的后面，它可用來(lái)補(bǔ)償增加的熱需求。在這種額外的燃燒器中額外的燃燒可由額外的燃料和含O2的廢氣60來(lái)實(shí)現(xiàn)。只利用廢氣60的一部分來(lái)進(jìn)行這種額外燃燒也是可能的。
圖4示出了液體燃料50的供應(yīng)點(diǎn)5，該液體燃料是被泵52饋送的。燃料50被噴射在噴嘴裝置54中與反饋的廢氣70’(或70’和60’)相混合。這種混合物形成一種氣溶膠噴霧56’，并被分布于處在電池堆棧2的中央空腔25內(nèi)的轉(zhuǎn)化裝置4中(參看圖1和圖2)。在管狀的轉(zhuǎn)化裝置4中，這氣溶膠噴霧56’(通過(guò)烴水蒸汽轉(zhuǎn)化和/或部分氧化)在攜帶有催化劑的透氣結(jié)構(gòu)中被處理。這種透氣結(jié)構(gòu)40的一截面示于圖5中，它包括同心安置的一內(nèi)部區(qū)域40a和一外部區(qū)域40b。這外部區(qū)域40b做得很均勻，它產(chǎn)生的徑向流動(dòng)阻力顯著大于內(nèi)部區(qū)域的流動(dòng)阻力。這內(nèi)部區(qū)域40a被設(shè)計(jì)成一微滴沉積器。在這里，燃料50的液相通過(guò)蒸發(fā)或因化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)形式。在這外部區(qū)域40b中處理是繼續(xù)的；同時(shí)，通過(guò)這較稠密的區(qū)域40b，就會(huì)使這經(jīng)過(guò)處理的氣體57’均勻分布在各個(gè)電池20上。
例如，下列材料就可考慮用作這種轉(zhuǎn)化和/或部分氧化的催化劑鉑，鈀，釕，銠和鎳，或兩種以上的這些材料的混合物。但是，由于有煙灰形成，鎳是不太適合用于部分氧化情形的。
由于碳?xì)浠衔?汽油，燃料油，菜油)難于處理，為了能消除碳沉積，也就是煙灰形成的危險(xiǎn)，可能需要額外的進(jìn)水口(在圖3中標(biāo)號(hào)為90)。通過(guò)這額外的進(jìn)水口，轉(zhuǎn)化反應(yīng)和部分氧化反應(yīng)彼此之間的任何想要的比率實(shí)際上都能設(shè)定。因?yàn)檫@個(gè)比率的差異與燃料有關(guān)，因而在理論上可使方法適應(yīng)相應(yīng)的燃料。對(duì)于那些僅僅稍有煙灰形成傾向的燃料的情形來(lái)說(shuō)就可省去這種額外的水供應(yīng)。
在圖6中以表格形式相應(yīng)地收集了在由碳?xì)浠衔顲nH2n+2(其中n＝1，4，16，或20)產(chǎn)生H2O和CO2的轉(zhuǎn)化和部分氧化過(guò)程中吸收和放出的熱函的數(shù)值(前者熱函為正值，后者為負(fù)值)。
在反饋的廢氣中的氮?dú)鈱?dǎo)致燃料氣體的稀釋。這對(duì)于該設(shè)備的電化學(xué)性能沒(méi)有嚴(yán)重的負(fù)面影響。這氮組分甚至還有好的作用，因?yàn)樗鼫p少了煙灰的形成。
如果可提供的氣態(tài)燃料具有足夠大的壓力，則被用來(lái)反饋廢氣的送風(fēng)機(jī)62就可用一噴射器代替。對(duì)于這種燃料來(lái)說(shuō)在這噴射器中就可產(chǎn)生一驅(qū)動(dòng)流，借助這噴射器，廢氣就能被抽吸并送進(jìn)轉(zhuǎn)化裝置中與燃料混合。
介紹的這些示范性實(shí)施例所涉及的設(shè)備的轉(zhuǎn)化裝置都安放在電池單元的內(nèi)部。但是，本發(fā)明還提及到轉(zhuǎn)化裝置是安放在電池單元的外部而仍在套筒之內(nèi)(如在開始時(shí)舉出的專利EP-A0780917)，或轉(zhuǎn)化裝置完全安放在套筒外部的設(shè)備，例如在圖1中的設(shè)備部件5就是這種情形。
權(quán)利要求
1.配有高溫電池(20)的設(shè)備(1)，包括燃料(50)的一供應(yīng)點(diǎn)(5)；包括一個(gè)烴水蒸汽轉(zhuǎn)化裝置(4)，它緊跟在上述供應(yīng)點(diǎn)之后，而且在有H2O存在并同時(shí)供應(yīng)過(guò)程熱時(shí)，上述燃料就能在它里面至少部分地被催化轉(zhuǎn)變成CO和H2O；一個(gè)后燃器腔(6)，它與燃料電池(20)的輸出點(diǎn)相連，本設(shè)備的特征在于，反饋管路(61)存在于供應(yīng)點(diǎn)和后燃器腔之間，通過(guò)它，廢氣(60’，70’)可被反饋給供應(yīng)點(diǎn)；如果不提供氣體作為燃料，則該供應(yīng)點(diǎn)就包括一饋送液體燃料的機(jī)構(gòu)，例如噴嘴。
2.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于這熱交換器(7)緊跟在后燃器腔之后安裝，在熱交換器(7)中由廢氣(60)從后燃器腔輸送出來(lái)的余熱(Q)可傳遞給熱載體件(79)，特別是傳遞給水；而且至少有廢氣(60’，70’)的反饋連接管路(61)的一部分與這熱交換器相連。
3.按照權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于在反饋連接管路中的抽吸機(jī)構(gòu)(62)，例如送風(fēng)機(jī)，被安裝在熱交換器(7)和燃料供應(yīng)點(diǎn)(5，54)之間。
4.按照權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于在連接管路中的混合機(jī)構(gòu)(67)被安裝在熱交換器(7)和抽吸機(jī)構(gòu)(62)之間，借助它，熱的廢氣(60’)可與來(lái)自熱交換器的廢氣(70’)混合。
5.按照權(quán)利要求1-4之一所述的設(shè)備，其特征在于一個(gè)額外的燃燒器安置在后燃器腔(6)和熱交換器(7)之間，在這額外的燃燒器中進(jìn)一步的燃燒至少可由后燃器的廢氣(60)的一部分和額外的燃料來(lái)進(jìn)行。
6.按照權(quán)利要求1-5之一所述的設(shè)備，其特征在于所說(shuō)的燃料電池(20)形成一中心對(duì)稱的堆棧(2)，在轉(zhuǎn)化裝置(4，54)中處理的燃料(57)可經(jīng)一中央空腔(25)饋送進(jìn)這電池堆棧中，這空腔是沿該堆棧的軸安置的；而且該轉(zhuǎn)化裝置被這樣安置在這中央空腔中，以使得轉(zhuǎn)化所需的過(guò)程熱可通過(guò)輻射從所說(shuō)的燃料電池傳遞給這轉(zhuǎn)化裝置。
7.按照權(quán)利要求6-9之一所述的完成輸出電流和廢氣(60)并產(chǎn)生廢熱的設(shè)備(1)的操作方法，其特征在于在該轉(zhuǎn)化裝置(4，54)中反饋并包含有H2O，CO2，O2和N2的廢氣(60’，70’)，同含碳?xì)浠衔?，如CnH2n+2的燃料(50)反應(yīng)，其中n＝1，2，…，該反應(yīng)是通過(guò)下述的吸熱反應(yīng)，，，。和通過(guò)部分氧化，即下述放熱反應(yīng)，，進(jìn)行的，同時(shí)電流輸出過(guò)程的廢熱至少被部分用作燃料電池(20)中所需的過(guò)程熱。
8.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于將最低限度的廢氣(60’，70’)反饋給轉(zhuǎn)化過(guò)程，碳?xì)浠衔锊粫?huì)被完全轉(zhuǎn)化，特別是，僅只有10％-90％的轉(zhuǎn)化程度。
9.按照權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于周圍空氣80作為放O2和吸熱的介質(zhì)被送風(fēng)機(jī)提供給電流的釋放過(guò)程；供應(yīng)的O2量被這樣調(diào)節(jié)，使得O2的過(guò)盈量—相對(duì)于該過(guò)程所要求的化學(xué)計(jì)算量—最多等于300％；并將這反饋的廢氣(60’，70’)的一部分摻和到周圍空氣(80)中。
10.按照權(quán)利要求7-9之一所述的方法，其特征在于在轉(zhuǎn)化過(guò)程中使用了額外的水，其流量是與選擇的燃料相適應(yīng)的。
全文摘要
一種高溫電池(20)的配用設(shè)備(1),所說(shuō)電池都被做成平面結(jié)構(gòu)安放在中心對(duì)稱的堆棧(2)中。本設(shè)備備有一氣體或液體燃料(50)的供應(yīng)點(diǎn)(5)。在有H
文檔編號(hào)H01M8/06GK1244048SQ9911184
公開日2000年2月9日 申請(qǐng)日期1999年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月31日
發(fā)明者A·舒勒 申請(qǐng)人:蘇舍赫克希斯公司