[发明专利]紧凑式燃料电池设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种改善燃料电池效率的设备和方法。在一个实施例中，本发明涉及通过将多个燃料电池部件集成在等温区域中来改善能量平衡的燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种发展中的技术，它结合充满例如氢气、甲醇、丁烷或者柴油的可更换的燃料罐来工作。设计这些类型的燃料电池是用来与供给各种消费品以能量的多种电池产品相竞争。这种燃料电池相比电池的竞争力依赖以下几个方面，例如罐中燃料的功率密度；燃料电池在一定效率下将化学能转化为电能的能力；和用于保持燃料电池组，连同有关的液体泵和能量控制部件的需求，不大于相竞争的普通电池的需求。

采用固体氧化物燃料电池(SOFC)已经实现了功率密度和化学转化率方面的改善，这种固体氧化物燃料电池是利用陶瓷薄膜而不是聚合物薄膜。由于固体氧化物燃料电池可以将各种不同分子类型的燃料，例如各种碳氢化合物，转换为电力，因此固体氧化物燃料电池可以利用能量密集的液体燃料并且仍然可以达到适当的能量转换率。

然而，固体氧化物燃料电池需要薄膜和温度超过600℃，经常超过750℃的催化操作。因此，为了便携式能量应用，固体氧化物燃料电池的设计者必须保护终端用户避免过热而不过多增加整个系统的尺寸。另外，目前的在800℃工作的固体氧化物燃料电池可以很容易地将是释放给用户的能量的10倍的能量作为废热辐射或传送到环境中去。这样，系统的效率就不会超过10％，即，系统仅仅为了将反应器温度保持在800℃而使用了超过90％的燃料能量。因此，由于效率如此之低，目前的固体氧化物燃料电池与普通电池相比不具有竞争力。

便携式固体氧化物燃料电池的技术状态还不能达到普通电池的类似容量。固体氧化物燃料电池发电器，如果没有进行绝热，很少超过0.35瓦/立方厘米(W/cc)。一旦加上具有用于能量高效运行的足够厚度的绝热层，则大多数固体氧化物燃料电池都能够提供0.1W/cc以下的能量体积比。

此外，存在一种燃料电池设备和系统设计方法，可以设置加热部件(而不是固体氧化物燃料电池组)来改善系统效率。然而，每个加热部件都会增加设备的体积和用于避免过度热耗散所需的绝热材料的数量。

因此，就需要建立一个小型的燃料电池设备，当与便携式燃料罐结合使用时，所述燃料电池设备能够提供的能量存储能力等于或大于可再充电式普通电池的能量存储能力，例如，超过200瓦-小时/升(W-hr/L)，并且优选的超过400W-hr/L。燃料电池在给电子设备供电方面具有巨大的价值，目前电子设备的功能被普通电池的能量容量所限制。

发明内容

通过调整热效率可以部分地实现燃料效率。具体地，热效率的改善部分地来自以下因素中的一个或若干个的结合：将燃料重整器、燃料电池和尾气燃烧器集成为一个整体的、基本上等温的高温区域；通过增加燃料电池组中的功率密度，优选地增加到超过2W/cc的值来充分减少该热区域的热耗散面积；使用一种有效的绝热装置(气凝胶或真空)使得所有需要高温操作的部件都被容纳在一个单独的壳体中，由此该绝热装置被设置在壳体的外部；为了在燃料电池设备和外界之间的流体交换以及为了从燃料电池中提取电流而引入低热导率连接；和/或引入回热器，优选位于绝热区内，从而回热器工作温度可以在介于热区域和外界温度之间。

在此，“燃料电池设备”和“燃料电池系统”指的是可以包括以下一些或所有部件的设备或装置：燃料重整器，尾气燃烧器，阳极/电解质/阴极元件，泵，和控制器。然而，“燃料电池”指的是阳极/电解质/阴极薄膜结构。此外，“功率密度”指的是在给定体积内生成的能量比以及在燃料电池领域可以理解的其他含义。

尽管本发明涉及不同方面和实施例，但是可以理解的是在此公开的不同方面和实施例可以结合在一起成为一个整体或是一部分。这样，在此公开的每个实施例都可与发明的每个方面如适应给定实施方式的不同程度结合起来。另外，尽管一些发明和实施例使用了“用于...的装置”的术语，但是可以理解的是所有方面、实施例和在此公开的其他概念都可以用来支持装置加上功能的要求，尽管在说明书中某个具体部分没有使用具体的“用于...的装置”的语言。

可以理解的是。术语“一个”、“该”意味着“一个或更多”，除非有其他具体的表述。

在第一方面，本发明涉及包括壳体的燃料电池设备。该壳体限定了基本等温的区域。这样，该壳体将燃料电池与尾气燃烧器与等温区集成起来。燃料电池与尾气燃烧器热连通并且二者共用一个壁。