專利名稱：具有最佳壓力分布的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及應(yīng)用電解質(zhì)材料的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器，以及涉及應(yīng)用這些組件的組合裝置。
在電化學(xué)轉(zhuǎn)化器中，關(guān)鍵組件是一系列在其上加有電極的電解質(zhì)元件，以及類似的一系列安置在這些電解質(zhì)元件之間的用以構(gòu)成串聯(lián)電連接的內(nèi)連元件。每個(gè)電解質(zhì)元件一般都是離子導(dǎo)體，它具有低的離子電阻，因而允許某種離子在該轉(zhuǎn)化器特定的操作條件下從一電極-電解質(zhì)界面遷移至對(duì)電極-電解質(zhì)界面。
在這種轉(zhuǎn)化器中可應(yīng)用各種電解質(zhì)。例如，當(dāng)操作在約1000℃高溫下進(jìn)行時(shí)，用諸如氧化鎂、氧化鈣或氧化釔這樣一些化合物穩(wěn)定的氧化鋯就能滿足這些要求。這些電解質(zhì)材料利用氧離子傳輸電流。電解質(zhì)通常不傳導(dǎo)電子，因?yàn)槟芤疝D(zhuǎn)化器短路。相反，內(nèi)連元件一般都是電的良導(dǎo)體。在操作中，輸入的反應(yīng)氣體、電極及電解質(zhì)間的相互作用發(fā)生在電極-電解質(zhì)界面，為此要求電極足夠多孔，以利于反應(yīng)氣體的進(jìn)入和產(chǎn)物氣體的排出。
用電解質(zhì)和內(nèi)連元件構(gòu)成電化學(xué)轉(zhuǎn)化器的方法，以及其整體的裝配，已由本發(fā)明人公開在U.S.Patent No.4,490,445，1984年12月25日發(fā)布；US.Patent No 4,629,537，1986年12月16日發(fā)布；US.Patent No.4,721,556，1988年1月26日發(fā)布；這些專利并入本文作為參考。特別是，U.S.Patent No.4,490,445公開了一種電化學(xué)轉(zhuǎn)化器，其中使用的內(nèi)連板具有波紋花樣，這種波紋結(jié)構(gòu)可為反應(yīng)物的分布提供通道。該波紋圖形象一系列被若干槽溝斷續(xù)地?cái)嚅_的同心螺紋。內(nèi)連板的外緣緊壓住電解質(zhì)板，以形成密封的和相當(dāng)氣密的外壁。氧化劑氣體和燃料氣體，即輸入的反應(yīng)物，通過分離的進(jìn)氣管口被送入電化學(xué)轉(zhuǎn)化器，經(jīng)此通過電池堆和縱向傳播。分離的排氣管將氧化劑和燃料的產(chǎn)物從轉(zhuǎn)化器中排出。這些排氣管安置在緊靠電池堆的外緣。
這項(xiàng)技術(shù)以及其它現(xiàn)有技術(shù)提出的這種電化學(xué)轉(zhuǎn)化器具有較高的軸向壓力降，此壓力降沿轉(zhuǎn)化器堆的長(zhǎng)度方向形成，以及徑向地通過電解質(zhì)元件和內(nèi)連元件。這種高的壓力降產(chǎn)生于所用排氣管的限制性尺寸，因而造成反應(yīng)物通過內(nèi)連板螺脊時(shí)的相對(duì)非均勻流動(dòng)。此外，這種電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置對(duì)板間連接要求嚴(yán)格，以保證在電化學(xué)轉(zhuǎn)化器的組成板之間以及沿轉(zhuǎn)化器的外表面形成完全不漏氣的密封。
因此，在技術(shù)上需要一種小型、高效的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器，這種電化學(xué)轉(zhuǎn)化器應(yīng)呈現(xiàn)改善的壓力差和反應(yīng)物流動(dòng)均勻性，同時(shí)放松板間連接要求。特別是，一種沿轉(zhuǎn)化器長(zhǎng)度及徑向通過內(nèi)連板波紋時(shí)顯現(xiàn)低壓力差而本身又放松了板間連接要求的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器，將會(huì)滿足技術(shù)上的長(zhǎng)期需要。此外，改進(jìn)了反應(yīng)物流動(dòng)均勻性的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器，也將會(huì)滿足技術(shù)上的長(zhǎng)期需要。進(jìn)而，提高了系統(tǒng)效率的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，也將是所期望的。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種系統(tǒng)，以產(chǎn)生低壓力降的、相當(dāng)勻流的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器。這種低壓力降轉(zhuǎn)化器是通過采用廢氣排出管比輸入反應(yīng)物進(jìn)氣管相對(duì)較大的方法獲得的。這是通過沿轉(zhuǎn)化器的大部分周邊排出廢反應(yīng)物實(shí)現(xiàn)的。此外，減小電化學(xué)轉(zhuǎn)化器的軸向壓力降也放寬了板間的連接要求。
本發(fā)明系統(tǒng)包括一種電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中具有一個(gè)或多個(gè)有周邊外緣的轉(zhuǎn)化器元件。該轉(zhuǎn)化器元件包括一系列電解質(zhì)板，在其一面上有氧化劑電極物質(zhì)和相反面上有燃料電極物質(zhì)；和一系列與電解質(zhì)板交替地堆疊起來的內(nèi)連板，該內(nèi)連板提供與電解質(zhì)板的電接觸。所述的內(nèi)連板具有構(gòu)成反應(yīng)物流動(dòng)通道的起紋理的構(gòu)型。這些通道選擇性地分配進(jìn)入圓柱形轉(zhuǎn)化器元件的燃料和氧化劑反應(yīng)物。例如，所述的通道在電解質(zhì)板的燃料電極表面分布燃料反應(yīng)物，和在電解質(zhì)板的氧化劑電極表面分布氧化劑反應(yīng)物。另一方法是，在電解質(zhì)板與內(nèi)連板之間插入一種間隔板，用以提供反應(yīng)物可以流動(dòng)通過的通道。該間隔板可以是波紋板或者是多孔板。
本發(fā)明的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置提供一種低壓力降結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使反應(yīng)物相當(dāng)勻流地通過該圓柱形轉(zhuǎn)化器元件，同時(shí)還提供相當(dāng)?shù)偷耐ㄟ^反應(yīng)物流動(dòng)通道的壓力差條件。該組合裝置包括至少一個(gè)通常位置在轉(zhuǎn)化器元件中心區(qū)域的通道，經(jīng)此通道導(dǎo)入一種進(jìn)料反應(yīng)物，和包括至少一個(gè)第二通道，以導(dǎo)入另一種反應(yīng)物。該第二通道最好從第一中心通道向外間隔一定距離，且適宜于輸送另一種反應(yīng)物至轉(zhuǎn)化器元件第一反應(yīng)物的相反面。廢反應(yīng)物沿轉(zhuǎn)化器元件的周邊部分從燃料電池排出。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第三通道從第二通道向外間隔一定距離，廢燃料經(jīng)此從反應(yīng)物流動(dòng)通道和繼而從轉(zhuǎn)化器元件中排出。被排出的燃料最好是較純的二氧化碳。在一個(gè)實(shí)施方案中，氧化劑反應(yīng)物通過第一通道導(dǎo)入轉(zhuǎn)化器元件，燃料反應(yīng)物通過第二通道導(dǎo)入轉(zhuǎn)化器元件。此外，包含在第三通道中的廢燃料可用于重整輸入的燃料反應(yīng)物。
所述的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置可進(jìn)一步包括一種密封件，該密封件在電解質(zhì)板與內(nèi)連板之間形成一種非氣密性密封。所述的密封件配置在內(nèi)連板與第一、第二和第三通道間的接合處。當(dāng)該密封件選擇性地加在中間板時(shí)，則允許一種輸入的反應(yīng)物可流動(dòng)通過在內(nèi)連板相應(yīng)面上的反應(yīng)物流動(dòng)通道。例如，在第一通道周圍內(nèi)部沒有密封件，可使氧化劑反應(yīng)物流動(dòng)通過電解質(zhì)板的氧化劑電極表面。在第一通道的密封件可防止氧化劑進(jìn)入內(nèi)連板的燃料電極一邊。同樣，在第二通道與內(nèi)連板之間的接合處沒有密封件，可使燃料反應(yīng)物在此處通過，并與電解質(zhì)板的燃料電極表面接觸。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，所述內(nèi)連板起紋理的構(gòu)型包括一種波紋表面，這種波紋表面可形成或限定反應(yīng)物的流動(dòng)通道，同時(shí)與相鄰板件建立電接觸。所述的第一中心通道還可適合于安裝為圓柱形轉(zhuǎn)化器元件提供結(jié)構(gòu)支撐的支撐件。該支撐件可包括至少一個(gè)彈簧承載的拉緊桿組件，為電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置提供可選擇的壓力，使電解質(zhì)板與內(nèi)連板壓緊在一起。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，所述的轉(zhuǎn)化器組合裝置由轉(zhuǎn)化器元件的外表面向外界環(huán)境放出熱量。此傳熱過程可由傳導(dǎo)傳熱、對(duì)流傳熱或輻射傳熱完成。此外，從圓柱形轉(zhuǎn)化器元件的外圍邊緣排出的廢反應(yīng)物可收集在包圍該轉(zhuǎn)化器元件的熱封閉構(gòu)件中。最好，該熱封閉構(gòu)件是一種熱傳導(dǎo)的熱管道。繼而廢反應(yīng)物可被輸送至余熱回收裝置(bottomingplant)，且廢熱最好轉(zhuǎn)移到這里。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，所述的轉(zhuǎn)化器組合裝置可具有基本直線(rectilinear)形狀。
本發(fā)明將在下面一些最佳實(shí)施方案中具體描述。然而，應(yīng)該說明，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠做出各種變化和修改。例如，第一、第二和第三孔道的數(shù)目可依據(jù)系統(tǒng)的操作要求而改變。
附圖的簡(jiǎn)要說明本發(fā)明的上述以及其他的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)通過以下說明及附圖將會(huì)更加清楚，圖中相同的參考號(hào)碼是指所有不同視圖的同一部分。這些


本發(fā)明的原理以及表明相對(duì)尺寸，然而并不按比例。
圖1是裝配好的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器及其輔助裝配零件的等角圖。
圖2A是電解質(zhì)元件和內(nèi)連元件的較詳細(xì)的等角圖。
圖2B是電解質(zhì)元件、內(nèi)連元件和間隔元件的較詳細(xì)的等角圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)連元件和電解質(zhì)元件的斷面圖。
圖4是本發(fā)明的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器元件的另一實(shí)施方案的等角圖。
圖5是與本發(fā)明的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器元件建立熱量聯(lián)系的動(dòng)力系統(tǒng)的示意圖。
圖6是電化學(xué)轉(zhuǎn)化器與余熱回收裝置的最佳熱量配置的示意圖。
詳細(xì)說明圖1表示根據(jù)本發(fā)明最佳實(shí)施方案的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器10的等角圖。圖中表示，電化學(xué)轉(zhuǎn)化器10是由電解質(zhì)板20與內(nèi)連板30交替層疊組成。在該電化學(xué)轉(zhuǎn)化器中形成的孔或孔道為燃料和氧化劑氣體，例如，輸入反應(yīng)物提供流通管路。在內(nèi)連板中形成的反應(yīng)物流動(dòng)通道，參見圖3，便利于這些氣體的分配和收集。
電化學(xué)轉(zhuǎn)化器10的這些板件用彈簧承載的拉緊桿組件12壓緊固定在一起。拉緊桿組件12包括安裝在中心氧化劑進(jìn)氣管17，如圖3所示，之內(nèi)的拉桿14，其中包括裝配螺母14A。安裝在電化學(xué)轉(zhuǎn)化器10兩端的一對(duì)端板16，保護(hù)內(nèi)連板和電解質(zhì)板在壓緊時(shí)避免由于這些剛性的結(jié)構(gòu)件引起損壞。將內(nèi)連板30與電解質(zhì)板20壓緊在一起以保持這些板件間的電氣接觸和提供在該組合裝置內(nèi)必要部位的氣體密封。
圖2A、圖2B和圖3用圖解說明該電化學(xué)轉(zhuǎn)化器的基本電池單元，其中包括電解質(zhì)板20和內(nèi)連板30。在一實(shí)施方案中，電解質(zhì)板20可由陶瓷如穩(wěn)定的氧化鋯ZrO2(Y2O3)制成，在其表面涂敷有多孔氧化劑電極物質(zhì)20A和多孔燃料電極物質(zhì)20B。典型的氧化劑電極物質(zhì)是鈣鈦礦，例如LaMnO3(Sr)。典型的燃料電極物質(zhì)是金屬陶瓷，例如ZrO2/Ni和ZrO2/NiO。
內(nèi)連板30最好是由導(dǎo)電的互連材料制成。這種材料的實(shí)例包括鎳合金、鉑合金、非金屬導(dǎo)體如碳化硅、La(Mn)CrO3以及最好是市場(chǎng)上買得到的由Inco.，U.S.A.制造的因康鎳合金(Inconel)。內(nèi)連板20在相鄰的電解質(zhì)板之間起電氣連接器的作用，以及在燃料與氧化劑反應(yīng)物之間起隔離板的作用。如圖3所示，內(nèi)連板30有中心孔31和若干個(gè)同心的輻射狀向外間隔分布的孔32。第三組孔33分布在沿內(nèi)連板30的外圓部分。
內(nèi)連板30具有起紋理的外表面34。所述的起紋理的表面最好在其上加工成一系列波紋36，如圖3所示。內(nèi)連板的起波紋的表面形成一系列連通的反應(yīng)物流動(dòng)通道。最好在內(nèi)連板30的兩面都有形成的這種起波紋的表面。雖然第二組孔32和第三組孔33分別表示為具有選定的孔數(shù)目，但是一般技術(shù)人員都將認(rèn)識(shí)到，可以采用任何數(shù)目的孔，這決定于該系統(tǒng)和反應(yīng)物流動(dòng)的要求。
同樣，電解質(zhì)板20也有孔21、22和23，所形成的這些孔定位在分別與內(nèi)連板30的孔31、32和33配套。
如圖2A所示，反應(yīng)物氣流調(diào)節(jié)元件39可插在電解質(zhì)板20與內(nèi)連板30之間。氣流調(diào)節(jié)元件39在這些板件間起氣體流動(dòng)的節(jié)流作用，它限制著進(jìn)入反應(yīng)物流動(dòng)通道的輸入反應(yīng)物氣流。這樣，此氣流調(diào)節(jié)元件可使氣流更加均勻。一種優(yōu)選的氣流調(diào)節(jié)元件是金屬絲網(wǎng)或篩網(wǎng)，不過其它合適的設(shè)計(jì)也可采用，只要使進(jìn)入反應(yīng)物流動(dòng)通道的輸入的反應(yīng)物氣流限制在選定的速度即可。
參閱圖2B，在電解質(zhì)板20和內(nèi)連板30之間可插入隔板11。隔板11最好具有波紋表面11A，從而形成一系列連通的反應(yīng)物氣流通道。隔板11還具有一系列孔11B，這些孔形成在與內(nèi)連板及電解質(zhì)板的孔相配套的位置，如圖所示。此外，在這種配置中，內(nèi)連板20沒有反應(yīng)物氣流通道。隔板11最好由導(dǎo)電材料制成，例如鎳合金和鉑合金，以及最好是市場(chǎng)上買得到的因康鎳合金。
參閱圖3，當(dāng)電解質(zhì)板20和內(nèi)連板30交替堆疊以及沿著它們對(duì)應(yīng)的孔對(duì)準(zhǔn)時(shí)，這些孔形成軸向(就此電池堆而言)管道，經(jīng)這些管道向該電池單元輸送原料反應(yīng)物和排出廢燃料。特別是，中心孔31、21形成氧化劑進(jìn)料管道17，同心孔32、22形成燃料進(jìn)料管道18，以及對(duì)準(zhǔn)的靠外的孔33、23形成廢燃料管道19。
內(nèi)連板30的波紋表面34，如斷面圖3所示，有許多在兩面形成的波紋狀的花紋。這種波紋狀的花紋構(gòu)成反應(yīng)物氣流通道，由此將原料反應(yīng)物與內(nèi)連板的周圍邊緣溝通。在內(nèi)連板的周邊還形成有平的圓環(huán)狀端面30A。在該板周邊沒有螺紋狀的或其它突起的結(jié)構(gòu)，以提供與外界環(huán)境相通的排氣口。反應(yīng)物氣流通道在流動(dòng)方向上將輸入反應(yīng)物管道與環(huán)形端面30A相連通，從而使反應(yīng)物排出至外界環(huán)境，或排出至包圍電化學(xué)轉(zhuǎn)化器10的熱收集器中，如圖5所示。
參閱圖3，在內(nèi)連板30選定的管道接合處應(yīng)用有填充材料40。在本文中所使用的術(shù)語“填充材料”(“filler material”)意指包括任何惰性的、無孔的或低孔隙度的材料，這些材料既與內(nèi)連材料相容也與電解質(zhì)材料相容，而且其熱膨脹系數(shù)與電解質(zhì)板或內(nèi)連板的膨脹系數(shù)基本相等。填充材料用量為足以顯著減少原料反應(yīng)物由管道泄漏的途徑。根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選特征，“足夠量”(“asufficient amount”)是指不使填充材料與電解質(zhì)板或內(nèi)連板發(fā)生粘結(jié)的那樣一種數(shù)量。填充材料與內(nèi)連板及電解質(zhì)板的粘結(jié)是不希望發(fā)生的，因?yàn)樗＜半娀瘜W(xué)轉(zhuǎn)化器的熱循環(huán)能力。該填充材料可以是膏狀或固態(tài)，例如O型環(huán)，以及，例如，可以由因康鎳合金組成。
如圖3所示，填充材料30可加在內(nèi)連板30的選定部分，以使指定的輸入反應(yīng)物流過內(nèi)連板表面和流過電解質(zhì)板20的匹配表面。內(nèi)連板的底面30B接觸電解質(zhì)板20的燃料電極涂層20B。在此排布中，要求填充料只允許燃料反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)物氣流通道，以使其接觸燃料電極。
如圖所示，圍繞輸入氧化劑管道17配置有填充料40A，從而在氧化劑管道17周圍形成反應(yīng)物氣流的有效屏障。此填充料有助于保證燃料反應(yīng)劑完全接觸電解質(zhì)板20的燃料電極表面20B，以及保證廢燃料完全通過廢燃料管道19排出。
內(nèi)連板30的頂面30C有填充料40，配置在輸入燃料管道18和廢燃料管道19的周圍。內(nèi)連板的頂面30C接觸對(duì)面電解質(zhì)板20′的氧化劑涂層20B′。而在此沒有包圍著輸入氧化劑管道17的填充料40A，從而使氧化劑反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)物氣流通道。填充料40B完全包圍燃料管道18，以阻止多余燃料反應(yīng)物泄漏至反應(yīng)物氣流通道，從而防止燃料與氧化劑反應(yīng)物混合。與此類似，填充料40C完全包圍廢燃料管道19，從而防止廢氧化劑反應(yīng)物氣流進(jìn)入廢燃料管道19。因此，通過管道19輸送的廢燃料的純度得以維持。
再次參閱圖3，氧化劑反應(yīng)物可通過軸向管道17輸入電化學(xué)轉(zhuǎn)化器10，該管道是由電解質(zhì)板和內(nèi)連板20′、20和30中的孔，分別為21′、21和31形成的。氧化劑通過反應(yīng)物氣流通道在內(nèi)連板的頂面30C和氧化劑電極表面20A′上分布。之后廢氧化劑輻射狀地向外朝著內(nèi)連板端面30A流動(dòng)，最后在轉(zhuǎn)化器元件的周圍邊緣排出。填充料40C阻止氧化劑氣流進(jìn)入廢燃料管道19。通過圖2所示電池單元的氧化劑的流動(dòng)途徑用實(shí)線黑體箭頭44表示。
燃料反應(yīng)物通過燃料管道18輸入電化學(xué)轉(zhuǎn)化器10，該管道是由所述的板件中的孔22′、22和32直線對(duì)準(zhǔn)形成的。燃料被導(dǎo)入反應(yīng)物氣流通道，并在內(nèi)連板的底面30B以及電解質(zhì)板20的燃料電極涂層20B上分布。相應(yīng)地，填充料40A，圖4B，阻止輸入的氧化劑反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)物氣流通道，以免與純?nèi)剂?廢燃料反應(yīng)物混合。在廢燃料管道19處沒有填充料，以使廢燃料進(jìn)入該管道19。此燃料之后在內(nèi)連板30的環(huán)形端面30A排出。燃料反應(yīng)劑的流動(dòng)途徑用實(shí)線黑體箭頭46表示，圖2。
內(nèi)連板表面的波紋36具有波峰36A，此波峰接觸組合裝置中的電解質(zhì)板，以建立它們之間的電氣連接。此外，電池堆由拉緊桿組件12固緊，該拉緊桿組件最好安裝在輸入氧化劑管道17之內(nèi)，用以提供壓緊裝配力。另一方法，電池堆可由水冷拉力桿(未示出)固緊，這些拉力桿安裝在電池堆邊緣的螺栓孔中。
可以理解，本發(fā)明的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器10可以用作燃料電池，如發(fā)電器，此時(shí)氣體燃料加給該轉(zhuǎn)化器，或可用作電解器，如燃料合成器，此時(shí)需外加電流。例如，對(duì)于所有包含氧交換的可逆反應(yīng)均有可能應(yīng)用，如
和此外，為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、小型、重量輕和高效的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器，要求具有上述成形花紋的電池元件有較薄的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的內(nèi)連板30有一個(gè)中心第一反應(yīng)劑孔道和一個(gè)或多個(gè)同心的第二反應(yīng)劑孔道。進(jìn)入這些孔道的輸入反應(yīng)劑在轉(zhuǎn)化器的周圍邊緣從電化學(xué)轉(zhuǎn)化器排出。沿轉(zhuǎn)化器周圍邊緣排出反應(yīng)劑，為清除廢反應(yīng)劑提供了比較大的排氣管道。這種比較大的排氣管道使通過內(nèi)連板和電解質(zhì)板的反應(yīng)劑氣流更加均勻。此外，為了提高反應(yīng)劑氣流的均勻性，在內(nèi)連板與電解質(zhì)板之間可以放入氣流調(diào)節(jié)元件。另外，從電池堆的中心加入反應(yīng)劑和在周圍邊緣排出廢反應(yīng)劑，提供了壓力較低的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器。由此可穩(wěn)定地獲得低于1磅/英寸2(psi)的典型壓力降。
可用于本發(fā)明薄內(nèi)連板的導(dǎo)電材料變化范圍很寬。這類材料應(yīng)滿足下列要求(1)高強(qiáng)度，以及高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；(2)在工作溫度范圍內(nèi)抗氧化能力強(qiáng)；(3)對(duì)于輸入的反應(yīng)劑化學(xué)相容性和穩(wěn)定性好；和(4)加工成形波紋板構(gòu)型時(shí)，示范例為反應(yīng)劑氣流通道，制造要經(jīng)濟(jì)。
適合于內(nèi)連板制作的材料包括鎳合金、鎳-鉻合金、鎳-鉻-鐵合金、鐵-鉻-鋁合金、鉑合金、這些合金的金屬陶瓷與耐火材料，如氧化鋯或氧化鋁、碳化硅和二硅化鉬。
內(nèi)連板頂面和底面的起紋理的花紋，可以，例如，用一套或幾套匹配的陽模和陰模沖壓金屬合金板而獲得。該模具應(yīng)根據(jù)內(nèi)連板要求的構(gòu)型預(yù)制，并用熱處理使其硬化，以便經(jīng)得住反復(fù)的沖壓作用、大量生產(chǎn)以及高操作溫度。內(nèi)連板的沖壓成形過程最好多步驟進(jìn)行，這是由于氣體通道網(wǎng)路的幾何復(fù)雜性，例如起波紋的內(nèi)連板表面。在內(nèi)連板中形成的孔道最好在最后步驟中穿孔。為防止板材的過應(yīng)力，建議在相鄰步驟間進(jìn)行退火熱處理。沖壓法可以生產(chǎn)幾何形狀復(fù)雜的制品，而同時(shí)保持均勻的材料厚度。
另一方法，波紋形內(nèi)連板可用一套合適的掩模，在初始的金屬平板上通過電解沉積形成。碳化硅內(nèi)連板可在預(yù)先制成的基板上氣相沉積形成，也可由粘結(jié)粉末的燒結(jié)或自粘結(jié)過程制成。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，電化學(xué)轉(zhuǎn)化器元件50可具有基本直線構(gòu)型，如圖4所示。圖中所表示的電池堆單元有一內(nèi)連板30插在一對(duì)電解質(zhì)板20和20′之間。這些電解質(zhì)板和內(nèi)連板的基本結(jié)構(gòu)與以上描述相同，并與圖3所示相同。
輸入氧化劑管道17可以是基本上直線形的槽溝48，如圖所示。輸入燃料管道18可安置在通道槽17的兩側(cè)和基本與其平行。廢燃料管道19向外與管道18間隔一定距離，位置在靠近電池堆的邊緣。如前所述，進(jìn)料管道17和18分別地向電池堆輸入氧化劑和燃料反應(yīng)劑。位置在管道17、18和19的填充料40A-40C阻止反應(yīng)劑流入不希望進(jìn)入的部位。例如，填充料40A配置在輸入氧化劑管道17的周圍，所述管道位在內(nèi)連板30的底面30B之處，以阻止氧化劑進(jìn)入反應(yīng)劑氣流通道，從而可防止氧化劑接觸電解質(zhì)板20的燃料電極涂層20B。同時(shí)，中心孔31沒有填充料，因而允許燃料反應(yīng)劑流入反應(yīng)劑氣流通道和在燃料電極涂層上分布。
同樣，內(nèi)連板的頂面30C與電解質(zhì)板20′的氧化劑電極涂層20A′接觸，所述的30C有填充料40B配置在燃料管道18和廢燃料管道19周圍。在進(jìn)料管道17處沒有任何填充料，從而允許氧化劑反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)劑氣流通道并接觸氧化劑涂層20B′。填充料40B和40C阻止氧化劑反應(yīng)物流進(jìn)輸入燃料管道18和廢燃料管道19。
圖5表示本發(fā)明的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器10通過傳熱管道54與動(dòng)力系統(tǒng)60在熱量上一體化。管道54收集由電化學(xué)轉(zhuǎn)化器周圍邊緣排出的廢燃料和廢氧化劑反應(yīng)物，并將這些廢氣輸送至動(dòng)力系統(tǒng)60。之后將廢熱傳遞給動(dòng)力系統(tǒng)60的工作介質(zhì)72(用連接實(shí)線表示)。例如，當(dāng)電化學(xué)轉(zhuǎn)化器與蒸汽發(fā)生系統(tǒng)62熱量一體化時(shí)，收集在管道54中的廢反應(yīng)物的廢熱被傳遞給分布在蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水管72。由蓄水器66向水管供水。由熱工作介質(zhì)產(chǎn)生的蒸汽集中在煮沸鼓68中。蒸汽可從該系統(tǒng)中通過任何合適的管道，例如通過蒸汽管70，排出。之后此蒸汽可以直接應(yīng)用于工業(yè)用途的各種過程中，或應(yīng)用于，例如，住宅的或商業(yè)的供熱及類似用途。
此外，空氣可以由初級(jí)鼓風(fēng)機(jī)74導(dǎo)入蒸汽發(fā)生器62。鼓風(fēng)機(jī)74推動(dòng)空氣通過一對(duì)空氣加熱器76A和76B。所述的空氣加熱器將空氣加熱升溫至選定溫度，繼而導(dǎo)入電化學(xué)轉(zhuǎn)化器10。這樣，空氣加熱器將氧化劑反應(yīng)物在供給轉(zhuǎn)化器10(經(jīng)由空氣導(dǎo)管82)之前預(yù)熱，由此保證電化學(xué)轉(zhuǎn)化器的最佳性能。
燃料重整器78將由燃料供料80供給重整器的燃料進(jìn)行重整。經(jīng)重整的燃料繼而可以任何合適的方法，例如經(jīng)燃料管道80，被送入所述的轉(zhuǎn)化器。
根據(jù)一實(shí)施例，電化學(xué)轉(zhuǎn)化器10將1800℃的廢氣輸送至熱量回收蒸汽發(fā)生系統(tǒng)62，同時(shí)接受已預(yù)熱的空氣和已預(yù)熱的/已重整的燃料?？諝饨?jīng)空氣加熱器76B預(yù)熱，以及燃料經(jīng)重整器80預(yù)熱和重整，該重整器接受產(chǎn)生于過熱器73、蒸發(fā)器68和節(jié)約器75的蒸汽。
本發(fā)明的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器可以在熱量上與任何合適的余熱回收裝置(bottoming plant)，如所示的蒸汽發(fā)生器一體化，此蒸汽發(fā)生器在市場(chǎng)上可以買到，是由Foster Wheeler，Livingston，N.J.，U.S.A.制造的。
此外，電化學(xué)轉(zhuǎn)化器10可直接地在熱量上與蒸汽發(fā)生系統(tǒng)一體化，如圖6所示。電化學(xué)轉(zhuǎn)化器被封裝在分離的熱殼體84之內(nèi)，這些熱殼體最好直接與蒸汽發(fā)生系統(tǒng)連接。這些熱殼體與中央熱管道86保持熱量聯(lián)系。第二熱收容器88之內(nèi)裝有圖5的蒸汽發(fā)生器62。排氣煙囪90排出熱空氣以及其它反應(yīng)物至外界環(huán)境。
可以看到，本發(fā)明包含有超過現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)。因?yàn)樵诓幻撾x本發(fā)明范圍的情況下在上述結(jié)構(gòu)中可以做出某些改變，所以包含在以上說明中或表示在附圖中的全部?jī)?nèi)容應(yīng)理解為說明性的，而沒有限制意義。
還可以理解，以下的權(quán)利要求將包括本文描述的本發(fā)明的所有一般的和特殊的特征，以及包括本發(fā)明范圍的說明，這些內(nèi)容在文字上可以說已包含在其間了。例如，本發(fā)明的低壓力降電化學(xué)轉(zhuǎn)化器還可應(yīng)用熔融碳酸鹽、磷酸以及質(zhì)子交換膜轉(zhuǎn)化器。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中包括具有不密封周圍邊緣的轉(zhuǎn)化器板元件堆，其中包括多個(gè)電解質(zhì)板，在其一面上有氧化劑電極物質(zhì)和在其反面上有燃料電極物質(zhì)，和多個(gè)內(nèi)連板，以提供與所述的電解質(zhì)板電氣接觸，其中所述的轉(zhuǎn)化器元件堆是通過內(nèi)連板與所述的電解質(zhì)板的交替堆疊裝配而成，和低壓力降的反應(yīng)物流動(dòng)裝置，用以提供通過該轉(zhuǎn)化器元件堆的反應(yīng)物的相當(dāng)均勻的流動(dòng)，和為在該轉(zhuǎn)化器組合裝置中提供相當(dāng)?shù)偷膲毫Σ顥l件，這樣廢燃料和廢氧化劑反應(yīng)物從該燃料電池組合裝置中沿該轉(zhuǎn)化器元件的至少相當(dāng)大部分所述的周圍邊緣排出。
2.權(quán)利要求1的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的內(nèi)連板上有起紋理的花紋，用以提供分布導(dǎo)入該轉(zhuǎn)化器組合裝置的燃料反應(yīng)物和氧化劑反應(yīng)物的反應(yīng)物流動(dòng)通道，所述的通道在燃料電極表面上傳輸燃料反應(yīng)物和在氧化劑電極表面上傳輸氧化劑反應(yīng)物。
3.權(quán)利要求1的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中還包括配置在內(nèi)連板與電解質(zhì)板之間的一種隔板，用以在燃料電極表面上分布輸入該轉(zhuǎn)化器組合裝置的燃料反應(yīng)物和在氧化劑電極表面上分布輸入該轉(zhuǎn)化器組合裝置的氧化劑反應(yīng)物。
4.權(quán)利要求2的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中還包括插在內(nèi)連板與電解質(zhì)板之間的氣流調(diào)節(jié)裝置，用以調(diào)節(jié)在所述的反應(yīng)物流動(dòng)通道中反應(yīng)物的壓力降。
5.權(quán)利要求4的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的氣流調(diào)節(jié)裝置是一種金屬絲網(wǎng)。
6.權(quán)利要求2的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的反應(yīng)物流動(dòng)通道至少在所述的電解質(zhì)板的一個(gè)面上形成。
7.權(quán)利要求1的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的轉(zhuǎn)化器元件進(jìn)一步包括第一孔道，在所述的轉(zhuǎn)化器元件中以形成一個(gè)或多個(gè)配置在中心的第一通道，以將所述的燃料和氧化劑反應(yīng)物之一導(dǎo)入所述的轉(zhuǎn)化器元件，和第二孔道，在所述的轉(zhuǎn)化器元件中以形成一個(gè)或多個(gè)從所述的第一通道向外離開一定距離的第二通道，以導(dǎo)入所述的另一反應(yīng)物。
8.權(quán)利要求7的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中還包括從所述的第二孔道向外離開一定距離的第三孔道，以形成一個(gè)或多個(gè)第三通道，借以從所述的轉(zhuǎn)化器元件中排出廢燃料。
9.權(quán)利要求8的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的第一孔道適宜于接受氧化劑反應(yīng)物。
10.權(quán)利要求9的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的第二孔道適宜于接受燃料反應(yīng)物。
11.權(quán)利要求8的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的第三孔道便于在所述的轉(zhuǎn)化器周邊排出之前從所述的轉(zhuǎn)化器組合裝置中清除CO2。
12.權(quán)利要求8的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中進(jìn)一步包括重整裝置以重整所述的燃料反應(yīng)物為H2和CO。
13.權(quán)利要求1的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中還包括在所述的電解質(zhì)板和所述的內(nèi)連板之間形成一種非氣密性密封的密封件。
14.權(quán)利要求13的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的密封件是一種填充材料。
15.權(quán)利要求8的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的密封件被配置在沿所述的內(nèi)連板的選定部分至少在所述的第一和第二通道之一處，以選擇性地阻止至少燃料和氧化劑反應(yīng)物之一流動(dòng)通過所述的反應(yīng)物流動(dòng)通道。
16.權(quán)利要求2的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的起紋理的花紋包括形成所述的反應(yīng)物流動(dòng)通道的起波紋的表面。
17.權(quán)利要求1的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中進(jìn)一步包括包封所述的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置的熱量封閉裝置，以收集從所述的轉(zhuǎn)化器元件中在所述的周圍邊緣排出的廢反應(yīng)物。
18.權(quán)利要求17的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的熱量封閉裝置是一種熱管道。
19.權(quán)利要求18的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的熱量封閉裝置輸送所述的被收集的廢反應(yīng)物至余熱回收裝置。
20.權(quán)利要求2的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的第一中心孔道可安裝為所述的轉(zhuǎn)化器組合裝置提供結(jié)構(gòu)支撐的支撐構(gòu)件。
21.權(quán)利要求20的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的支撐構(gòu)件包括至少一個(gè)彈簧承載的拉緊桿組件，所述的拉緊桿組件提供選定的壓縮力給所述的組合裝置，以將所述的電解質(zhì)板和內(nèi)連板壓緊在一起。
22.權(quán)利要求1的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的轉(zhuǎn)化器元件具有適宜于作為熱交換表面的外表面。
23.權(quán)利要求22的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的熱交換表面在所述的表面與外部環(huán)境間進(jìn)行輻射熱交換。
24.權(quán)利要求22的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的熱交換表面在所述的表面與外部環(huán)境間進(jìn)行傳導(dǎo)熱交換。
25.權(quán)利要求22的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的熱交換表面從所述的外表面至外部環(huán)境進(jìn)行對(duì)流傳熱。
26.權(quán)利要求4的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的轉(zhuǎn)化器組合裝置具有基本上圓柱形狀。
27.權(quán)利要求4的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的轉(zhuǎn)化器組合裝置具有基本上直線形狀。
28.一種電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中包括具有不密封周圍邊緣的轉(zhuǎn)化器板元件堆，其中包括多個(gè)電解質(zhì)板，在其一面上有氧化劑電極物質(zhì)和在其反面上有燃料電極物質(zhì)，和多個(gè)內(nèi)連板，以提供與所述的電解質(zhì)板電氣接觸，其中所述的轉(zhuǎn)化器元件堆是通過內(nèi)連板與電解質(zhì)板的交替堆疊裝配而成，周邊的廢氣排出裝置，用以排出廢氧化劑反應(yīng)物和廢燃料反應(yīng)物，沿該轉(zhuǎn)化器組合裝置的至少相當(dāng)大部分所述的周圍邊緣排出，和密封件，與所述的內(nèi)連板和所述的電解質(zhì)板接觸，用以在所述的電解質(zhì)板和內(nèi)連板之間形成一種非氣密性的密封。
29.權(quán)利要求28的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的內(nèi)連板上有起紋理的花紋，用以提供分布導(dǎo)入該轉(zhuǎn)化器組合裝置的燃料反應(yīng)物和氧化劑反應(yīng)物的反應(yīng)物流動(dòng)通道，所述的反應(yīng)物流動(dòng)通道在燃料電極表面上傳輸燃料反應(yīng)物和在氧化劑電極表面上傳輸氧化劑反應(yīng)物。
30.權(quán)利要求28的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中還包括配置在所述的內(nèi)連板與電解質(zhì)板之間的一種隔板，用以在燃料電極表面上分布輸入該轉(zhuǎn)化器組合裝置的燃料反應(yīng)物和在氧化劑電極表面上分布輸入該轉(zhuǎn)化器組合裝置的氧化劑反應(yīng)物。
31.權(quán)利要求29的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中還包括插在所述的內(nèi)連板與電解質(zhì)板之間的氣流調(diào)節(jié)裝置，用以調(diào)節(jié)在所述的反應(yīng)物流動(dòng)通道中反應(yīng)物的壓力降。
32.權(quán)利要求31的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的氣流調(diào)節(jié)裝置是一種金屬絲網(wǎng)。
33.權(quán)利要求29的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中進(jìn)一步包括反應(yīng)物流動(dòng)裝置，其中包括第一孔道，在所述的轉(zhuǎn)化器元件中以形成一個(gè)或多個(gè)配置在中心的第一反應(yīng)物導(dǎo)管，以將燃料和氧化劑反應(yīng)物之一導(dǎo)入所述的轉(zhuǎn)化器元件，和第二孔道，在所述的轉(zhuǎn)化器元件中以形成一個(gè)或多個(gè)從所述的第一中心導(dǎo)管向外離開一定距離的第二反應(yīng)物導(dǎo)管，以導(dǎo)入所述的另一反應(yīng)物。
34.權(quán)利要求33的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中還包括從所述的第一和第二孔道向外離開一定距離的第三孔道，以形成至少一個(gè)第三導(dǎo)管，用以從所述的轉(zhuǎn)化器元件中排出廢燃料。
35.權(quán)利要求34的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的氧化劑反應(yīng)物通過所述的第一導(dǎo)管被導(dǎo)入至所述的圓柱形轉(zhuǎn)化器元件。
36.權(quán)利要求35的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的燃料反應(yīng)物通過所述的第二導(dǎo)管被導(dǎo)入至所述的轉(zhuǎn)化器元件。
37.權(quán)利要求34的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的第三孔道便于在所述的轉(zhuǎn)化器周邊排出之前從所述的轉(zhuǎn)化器組合裝置中清除CO2。
38.權(quán)利要求37的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中還包括重整裝置以重整所述的燃料反應(yīng)物為H2和CO。
39.權(quán)利要求34的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的密封件是一種填充料。
40.權(quán)利要求28的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的密封件被配置在沿所述的內(nèi)連板的選定部分至少在所述的第一和第二導(dǎo)管之一處，以選擇性地允許至少所述的燃料和氧化劑反應(yīng)物之一流動(dòng)通過所述的反應(yīng)物流動(dòng)通道。
41.權(quán)利要求29的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的起紋理的花紋包括形成反應(yīng)物流動(dòng)通道的起波紋的表面。
42.權(quán)利要求33的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中進(jìn)一步包括包封該電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置的熱量封閉裝置，以收集從轉(zhuǎn)化器元件中在所述的周圍邊緣排出的廢反應(yīng)物。
43.權(quán)利要求42的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的熱量封閉裝置是一種熱管道。
44.權(quán)利要求42的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的熱量封閉裝置輸送所述的被收集的廢反應(yīng)物至余熱回收裝置。
45.權(quán)利要求44的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的熱量封閉裝置包括將該熱量封閉裝置連接在所述的余熱回收裝置的裝置。
46.權(quán)利要求44的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的燃料反應(yīng)物和氧化劑反應(yīng)物在所述的余熱回收裝置中預(yù)熱。
47.權(quán)利要求44的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的余熱回收裝置適合于重整所述的燃料反應(yīng)物。
48.權(quán)利要求28的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的轉(zhuǎn)化器組合裝置具有基本上圓柱形狀。
49.權(quán)利要求28的電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中所述的轉(zhuǎn)化器組合裝置具有基本上直線形狀。
全文摘要
一種電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置，其中具有一個(gè)或多個(gè)有外圍邊緣的轉(zhuǎn)化器元件。該轉(zhuǎn)化器元件包括一系列電解質(zhì)板，在該板的一個(gè)面上有氧化劑電極物質(zhì)和在其反面上有燃料電極物質(zhì)；以及一系列與電解質(zhì)板交替堆疊的內(nèi)連板，該板提供與電解質(zhì)板的電氣接觸。該內(nèi)連板有起紋理的花紋，此花紋形成反應(yīng)劑流動(dòng)通道。該轉(zhuǎn)化器組合裝置具有低壓力降的結(jié)構(gòu)，其中包括至少一個(gè)通常安排在轉(zhuǎn)化器元件中心區(qū)的通道，以向這里導(dǎo)入一種進(jìn)料反應(yīng)劑，以及至少一個(gè)第二通道，以導(dǎo)入另一反應(yīng)劑。第三通道，從第二通道向外間隔一定距離，用以從反應(yīng)劑流動(dòng)通道中，以及進(jìn)而從轉(zhuǎn)化器元件中排出廢燃料。廢反應(yīng)劑沿該電化學(xué)轉(zhuǎn)化器的周邊被排出。該電化學(xué)轉(zhuǎn)化器組合裝置還包括一種密封材料，在電解質(zhì)板和內(nèi)連板之間形成一種非氣密性的密封。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1149933SQ95193157
公開日1997年5月14日 申請(qǐng)日期1995年3月14日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月21日
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