[发明专利]补燃器及其制造和操作方法

说明书

本教导提供了用于补燃器构造的设计和材料以及制造补燃器的方法。更特别地，本教导的补燃器可以包括可压缩弹性耐火材料，以使得补燃器能够适应其他相邻部件(例如，燃料电池单元的燃料电池堆)的热膨胀。本教导还提供了减少排出流中的污染物和/或产生热的方法。

技术领域

本教导涉及一种用于减少流体(例如，排出流)中的污染物的补燃器。更具体地，本教导涉及一种包括可压缩弹性耐火材料的补燃器，该补燃器可以整合在燃料电池单元中以减少来自燃料电池堆的污染物，或者可以整合在加热器单元中以产生热量。

背景技术

补燃器通常用于减少来自多种源的排出流(包括引擎排出流和燃料电池排出流)中的污染物和不期望的组分。

以燃料电池为例，存在两种处理来自燃料电池系统(例如，固体氧化物燃料电池(SOFC)系统)的排气的惯用方法。第一种方法是简单的燃烧。这种燃烧可以提供更好的热传递以及减少的污染物量，但是其可能具有一些缺点，例如，其易燃范围(例如，在启动和停止期间)、系统稳定性和排放物。

第二种惯用的方法使用催化燃烧，其在启动和停止方面提供较大的灵活性并且提供减少的排放物。在这种方法中，燃烧催化剂典型地支撑在固态陶瓷支撑件(例如，堇青石蜂窝陶瓷)上，但是金属衬底也可以是支撑件。陶瓷支撑的催化剂具有若干缺点。例如，用在燃料电池“补燃器”中的固态陶瓷支撑件可能是脆的，可能对于热膨胀具有低的耐受性，可能具有相对高的压降，可能需要将用过的燃料和阴极流附加预混合在一起以避免被称为通道作用的现象(其中由于缺少或者不佳的流动分布，一个蜂窝通道的燃烧率显著不同于另一个蜂窝通道)，并且可能具有相对较高的热质量。

当这些支撑件被整合到线性燃料电池堆设计中时，陶瓷支撑件的固态属性与其脆性组合起来可能导致不利效果，原因在于燃料电池堆在燃料电池堆启动到其操作温度期间膨胀。燃料电池封装的端部可能会被有效地约束，并且其中燃料电池堆具有比耐火隔离材料和陶瓷补燃器支撑件高的热膨胀，燃料电池堆中的组分和封装处于附加应力下，这可能在重复循环期间导致损害。

因此，需要改进补燃器的设计和构造并改进减少排出气(例如，来自燃料电池堆的排出流)中的污染物的方法。

发明内容

根据前述，本教导提供了可以解决包括以上列出的现有技术的各种缺陷和/或缺点的补燃器结构设计和材料。本教导还提供了一种减少包括污染物的流体(例如，排出流)中的污染物的方法以及制造补燃器的方法。

更具体地，本教导的补燃器包括可压缩弹性耐火材料，以使得其他相邻部件(例如，燃料电池单元的燃料电池堆)可以被补燃器适应。也就是说，当燃料电池堆在燃料电池封装中膨胀时，形成补燃器的至少一部分(例如，其基底或者入口面或表面)的耐火材料的可压缩和弹性属性可以减小前述热引致的应力。当燃料电池堆在燃料电池单元封装中压缩时，耐火材料的属性还可以维持部件之间的有效密封从而避免绕流。因此，这些特征可以降低燃料电池单元的热循环期间部件故障的概率。此外，耐火材料的弹性属性可以帮助补偿燃料电池单元和/或燃料电池系统制造过程中的公差叠加。

此外，层形式的补燃器结构可以允许定制的非线性通道通过层堆叠，以帮助补燃器中的燃烧过程的热管理。也就是说，补燃器包括通过可压缩弹性耐火材料的非线性或者弯曲通道，该通道可以将热量(例如，来自燃烧的热量)引导到补燃器的特定区域中，在该特定区域中，热量可以传递到其他部件和/或结构，以例如加热输入的阴极空气和/或以启动远离点火器在非线性通道中的催化燃烧反应。

更特别地，在燃料电池系统中，一个或多个阴极空气导管可以通过补燃器地存在，其中来自补燃器中燃烧的热量可以由非线性通道引导，以与阴极空气导管热连通，从而将来自燃烧的热量传递到输入的阴极空气。在这种情况下，非线性通道可以包括横跨补燃器(例如，横向于或者水平于或者垂直于排出流从入口面或表面到出口的大致流动)并且与阴极空气导管热连通的一部分。具有其中至少一部分通道横跨补燃器的非线性通道的补燃器还可以使通过补燃器的流体流能够均衡和/或更加均匀地分布。