[发明专利]用于堆内燃料电池重整的蒸汽重整器

说明书

本发明涉及燃料电池系统和用于控制供应至燃料电池的重整物和未重整的烃燃料的体积比的方法，该燃料电池被配置以用于堆内重整。该系统包括重整器，该重整器具有多个高和低蒸汽重整活性通道，其提供完全平衡的燃料流，并且燃料流具有的烃水平略低于分别供应至重整器的烃燃料的烃水平。可以将燃料流混合并供应至燃料电池以提供堆内重整，同时减少或抑制了燃料电池堆中的碳形成。

技术领域

本发明总的来说涉及燃料电池。更具体地，本发明涉及可支持内部重整燃料电池的系统和方法。

发明背景

燃料电池是一种电化学系统，其中燃料(例如氢)在高温下与氧化剂(例如氧气)反应以发电。一种类型的燃料电池是固体氧化物燃料电池(SOFC)。SOFC的基本组件可包括阳极、阴极、电解液和互连件。可以将燃料供应到阳极，并且可以将氧化剂供应到燃料电池的阴极。在阴极，电子使氧化剂电离。电解液可包括允许使电离的氧化剂从中通过到阳极并同时不受流体燃料和氧化剂影响的材料。在阳极处，燃料在释放电子的反应中与电离的氧化剂结合，所释放的电子通过外部电路传导返回阴极或通过互连件传导返回相邻SOFC的阴极。由欧姆损耗产生的热量通过阳极或阴极排气从燃料电池中除去或者辐射到环境中。

SOFC可以被结构化为例如各个电池的串联或面内串联布置。氧化剂通常在一系列电池的一端引入并流过剩余的电池直至到达阴极排气出口。每个燃料电池将热量传递到氧化剂中，从而升高其温度，并形成从氧化剂入口到排气的温度梯度。在燃料电池中也可以产生温度梯度，该梯度从氧化剂入口到氧化剂排气呈现增加。这些温度梯度引起可能导致材料降解或燃料电池组件故障的热应力，或者可能降低燃料电池的性能。

SOFC的阳极可以是包含镍和氧化锆(例如，氧化钇稳定化的氧化锆(YSZ))或镍和氧化铈(例如氧化钆掺杂氧化铈(GDC))的混合金属陶瓷。镍和其他材料不仅可以起到支持燃料和电离的氧化剂之间的化学反应的作用，而且还可以具有催化性质，其允许阳极重整燃料电池内的烃燃料。一种重整烃燃料的方法是甲烷(CH₄)的蒸汽重整，其为吸热反应(式1)：

CH₄+H₂O→CO+3H₂ΔΗ^°＝206.2kJ/摩尔 (式1)

甲烷蒸汽重整所需的热量可以直接由从堆中释放的热量(来自欧姆损耗)供应。这种直接传热有助于使堆冷却，减少热应力并改善堆的整体性能。然而，堆内重整涉及若干技术挑战。必须以正确的量供应未重整的甲烷以避免燃料电池的过度冷却，并且必须以正确的方式供应，以避免局部冷却。此外，烃燃料具有形成碳的倾向，特别是在进行大量重整时(式2)：

CxH₂x+2→C+(x+1)H₂ (式2)

碳形成可通过阳极分层、金属粉化和其他失效机制导致燃料电池组件的结垢和降解。

因此，将燃料电池外部重整的合成气和未重整的燃料的混合物供应到阳极可比单独供应重整或未重整的燃料更好平衡系统性能和耐久性。但是，必须精确控制重整和未重整的燃料的比率。如果该比率太高，则燃料电池堆上大的温度梯度将保持不变。如果该比率太低，碳的形成将导致性能下降。

仍然需要精确控制递送到燃料电池堆的重整和未重整的燃料的比，以确保在燃料电池内部发生适当量的重整。

发明概述

根据本发明的一些实施方案，提供了具有一个或多个高重整活性通道和一个或多个低重整活性通道的重整器。重整器可以是蒸汽重整器，其配置为在重整器的整个寿命期间将所需水平的烃递送到燃料电池堆中以在其中进行内部重整。这种内部重整通过允许更直接的冷却，在给定功耗下减少空气流量并降低成本开销来改善燃料电池成本，功率密度和效率。通过使燃料电池堆内的废热同流换热，改善了系统效率。此外，该设计允许一些公开的实施方案适应多种堆内重整的燃料电池设计并最小化碳形成的风险。