[发明专利]高温燃料电池系统的堆栈行结构及方法

说明书

本发明的目的是一种高温燃料电池系统或电解电池系统的堆栈排列结构体，所述电池系统中的每个电池包括阳极侧(100)、阴极侧(102)和位于所述阳极侧和所述阴极侧之间的电解质(104)，所述电池系统包括电池堆栈(103)形式的电池。所述排列结构体包括以行排列布置的堆栈(103)，其中所述堆栈以至少两行并排布置，并且所述排列结构体包括用于将空气进给到所述堆栈(103)的空气进给管道(120)，所述管道具有向密封的空气供给空间(132)进行输送的空气入口端(130)，所述空气供给空间(132)在所述堆栈(103)的行间形成从而使所述空气供给空间的至少两个侧面被所述堆栈本身包围。所述排列结构体包括燃料进给共轨(133)、燃料进给管道(122)和用于将燃料进给到所述堆栈(103)的单独进给通道(131)，以及沿着所述燃料进给共轨(133)、所述燃料进给管道(122)、所述单独进给通道(131)和所述空气进给管道(120)中的至少一个的至少一个辐射传热补偿元件(134)，用于对所述堆栈(103)的空气进给流进行流量和温度平衡的装置(135)，以及用于对所述电池系统中的燃料流进行流量平衡的装置(137)。

技术领域

世界的大多数能量借助石油、煤炭、天然气或核能来产生。就例如可利用性和环境友好性而言，所有这些产生方法都有它们的具体问题。就环境而言，尤其石油和煤炭在燃烧时会造成污染。关于核能的问题至少在于使用过的燃料的存储。

尤其由于环境问题，已经开发了更环境友好并且例如比上述能源效率更佳的新能源。燃料电池是具有发展前景的能量转换设备，例如生物气等燃料的能量通过燃料电池在环境友好的过程中经由化学反应直接转换成电能。

背景技术

如图1中所呈现的燃料电池包括阳极侧100和阴极侧102以及位于其间的电解质材料104。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧106被输送到阴极侧102并且通过接受来自阴极的电子而还原成负氧离子。负氧离子穿过电解质材料104到达阳极侧100，负氧离子在阳极侧100与燃料108反应从而产生水而且通常产生二氧化碳(CO₂)。阳极100和阴极102通过包括用于燃料电池从系统外提取电能的负载110的外部电路111连接。燃料电池也向反应物废排气流产生热量。

在图2中，呈现了作为高温燃料电池设备的示例的SOFC设备。SOFC设备可以将例如天然气、生物气、甲醇或包含烃的其他化合物用作燃料。图2中的SOFC设备包括堆栈形式(SOFC堆栈)的多于一个(通常为多个)燃料电池103。每个燃料电池包括如图1中呈现的阳极100和阴极102结构。使用过的燃料的一部分可以在反馈构造109中穿过各阳极再循环。图2中的SOFC设备还包括燃料热交换器501和重组器107。通常使用若干热交换器来控制在燃料电池工艺中的不同位置处的热条件。重组器107为将燃料(例如，天然气)转换成适于燃料电池的组合物(例如包含氢和甲烷、二氧化碳、一氧化碳以及惰性气体的组合物)的设备。但无论如何，在各SOFC设备中，并非必须具有重组器。

例如，惰性气体是用于燃料电池技术的吹扫气或吹扫气化合物的一部分。例如，氮气是燃料电池技术中的用作吹扫气的典型的惰性气体。吹扫气不一定是单质，其也可以是复合气体。

通过使用测量装置115(诸如燃料流量计、电流计以及温度计)，进行必要的测量以便SOFC设备的运行。在阳极100处使用的气体的一部分可以在反馈构造109中通过阳极来再循环，并且另一部分气体从阳极100排出114。

在甲烷、一氧化碳和氢燃料的情形中的燃料电池反应如下所示：

阳极：CH₄+H₂O＝CO+3H₂

CO+H₂O＝CO₂+H₂

H₂+O^2-＝H₂O+2e^-