[发明专利]模块化燃料电池系统

说明书

公开了一种模块化燃料电池系统。特别地，公开了一种包括分段内部容器的模块化高温燃料电池系统。

在过去几十年中，减少全球能源消耗的实现驱动了对寻找高电效能量解决方案同时还减少使用化石燃料释放有害排放气体产生的环境影响的兴趣。燃料电池提供具有至少50％的电效率的这样有发展前途的发电装置。燃料电池不会排放有害的污染气体，使其在与热力发动机相比时更环保。燃料电池由阳极、阴极以及电解质组成，电解质允许离子电荷在阳极和阴极之间流动，而电子被迫走外部电路径并因此提供电力供应。燃料电池通常根据所使用的电解质的类型进行分类，例如分为，固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)以及熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，或者可以根据其工作温度进行分类。例如，SOFC具有约700℃至1000℃的操作温度。温度变化可能在整个燃料电池上发生，并且可能对燃料电池寿命产生负面影响，同时也具有积极的作用，例如，提高燃料电池效率。因此，燃料电池设计在很大程度上依赖于竞争因素的妥协，以实现良好的燃料电池效率和寿命。

燃料电池将来自燃料(即，反应物)的化学能通过与氧或另一种氧化试剂(即，氧化剂)进行化学反应而转化成电。氢是最常见的燃料，但是也可以使用诸如天然气和醇类(如，甲醇)的烃类。将连续的反应物流和连续的氧化剂流供应到燃料电池以维持化学反应并产生电。只要供应这些输入，燃料电池就可以连续地发电。

存在扩大燃料电池的势头，以便输送特别是为固定电厂应用输送越来越多的电力。用于家庭和固定电源应用的期望输出为800W至数兆瓦。为了输送大功率输出，通过将单独的燃料电池串联连接和/或并联连接在一起，从而聚集单个燃料电池。因此，燃料电池元件可以包括串联连接在一起的多个单独的燃料电池。许多那样的燃料电池元件可以被聚集以形成更大功率的燃料电池元件，并且那些增加功率的燃料电池元件可以再次被聚集以形成另一个燃料电池元件。聚集的方式将取决于所需的输出，且还将受到装料和冷却剂要求的影响。在整个说明书中，术语燃料电池可以指单独的燃料电池或指代表某种聚集水平的燃料电池元件。特别地，燃料电池模块是指并联连接在一起的多个燃料电池单元，其中燃料电池单元是聚集的燃料电池元件。

目前固体氧化物燃料电池的主要变型是管式固体氧化物燃料电池(T-SOFC)、平面式固体氧化物燃料电池(P-SOFC)以及整体式固体氧化物燃料电池(M-SOFC)。

管式固体氧化物燃料电池包括具有内电极和外电极的管状固体氧化物电解质构件。通常内电极是阴极，且外电极是阳极。向管状固体氧化物电解质构件的内部中的阴极供应氧化剂气体，并且向管状固体氧化物电解质构件的外表面上的阳极供应燃料气体。(这也可以颠倒过来。)管式固体氧化物燃料电池允许简单的电池堆叠布置并且大体上没有密封件。

整体式固体氧化物燃料电池具有两种变型。第一变型具有在其两个主要表面上具有电极的平面状固体氧化物电解质构件。第二变型具有在其两个主要表面上具有电极的波纹状固体氧化物电解质构件。整体式固体氧化物燃料电池适用于较简单的流延和压延制造工艺，并且保证较高的功率密度。这种类型的固体氧化物燃料电池需要将整块中的所有燃料电池层从其坯体状态共烧结。

平面式固体氧化物燃料电池也适用于流延和轧制制造工艺。目前，平面式固体氧化物燃料电池需要厚度为150μm-200μm的自支撑固体氧化物电解质构件，这限制了性能。

固体氧化物燃料电池要在活性燃料电池内实现所需的电解质性能需要约700℃至约1000℃的操作温度。

简要概述

根据第一方面，公开了一种模块化燃料电池系统，其包括多个管状节段，该管状节段配置成以端对端的关系装配在一起，以形成模块化燃料电池系统的内部容器，每个节段包括基部部分和与所述基部部分可分离的顶部部分，所述顶部部分和所述基部部分一起界定用于容纳集成高温燃料电池块的内部空间，并且模块化燃料电池系统还包括第一端帽和第二端帽，该第一端帽和第二端帽用于在内部容器的相对的第一端和第二端处密封相应的节段，其中，所述内部容器定位在外部容器内，并且在内部容器的内部和外部容器的内部之间提供压力边界。