[发明专利]固体氧化物燃料电池传导

说明书

固体氧化物燃料电池(SOFC)系统包括诸如铜的高导热率材料以通过热传导增加热能传递。铜通过电镀镍被保护免于氧化并且通过在燃烧室内提供抗氧化衬里而被保护免于热损坏。

1版权声明

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技术领域

2.1技术领域

本文的示例性说明性技术涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)系统、使用方法和制造SOFC系统的方法。具体地，示例性说明性技术涉及用于在SOFC系统内进行热能管理的改进系统和方法。

背景技术

2.2相关技术

常规SOFC系统包括热区，该热区包含或至少部分地封闭被维持在较高运行温度(例如根据SOFC技术，在操作期间高于350℃或500℃)下的系统部件。热区容纳SOFC能量发生器或固体氧化物燃料电池堆。常规的SOFC燃料电池堆由一个或更多个燃料电池形成，其中每个电池参与产生电流的电化学反应。燃料电池根据需要串联或并联地电互联以提供电池堆的期望输出电压。每个燃料电池包括三个主要层：阳极层或燃料电极、阴极层或空气电极以及将阳极层与阴极层分离的电解质层。

阳极层暴露于至少包含氢气(H₂)和/或一氧化碳(CO)的气态或汽化燃料。同时，阴极层暴露于阴极气体，诸如空气或任何其他气体或汽化氧(O₂)源。在阴极层中，提供给阴极层的氧(空气)接收电子变成氧离子(O^-2)。氧离子穿过陶瓷电解质层从阴极层传递到阳极层。在三相边界处，在阳极层中，由燃料供应到阳极层的氢气(H₂)和/或一氧化碳(CO)与氧化物离子反应产生水和二氧化碳，并且在这个反应过程中发射的电子产生电和热。燃料流中的其他反应副产物可能包括甲烷、乙烷或乙烯。由电化学反应产生的电能被提取到直流电源端子以给电负载供电。

常见的阳极材料包括金属陶瓷，诸如镍和掺杂的氧化锆(Ni-YSZ)、镍和掺杂的氧化铈(Ni-SDC和/或Ni-GDC)、铜和掺杂的氧化铈等。钙钛矿阳极材料诸如La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O_3-δ(LSCM)以及其他ABO₃结构也是可用的。常见的阴极材料包括镧锶钴氧化物(LSC)、镧锶钴铁氧化物(LSCF)和锰酸镧锶(LSM)。电解质层为离子传导陶瓷，通常为氧离子导体，诸如氧化钇掺杂的氧化锆或钆掺杂的氧化铈等。可替代地，电解质层是质子传导陶瓷，诸如钡铈酸盐或锆酸钡等。电解质层用作接近密封的屏障以防止燃料和空气混合和燃烧。

常规的SOFC系统使用横流式热交换器或并流式热交换器(通常称为同流换热器)来加热进入SOFC系统的阴极气体(空气)。气流热交换器通过在进入的冷空气和离开热区的热排放气体之间交换热能来加热进入热区的冷空气。与通过热传导的热能传递相比，空气到空气的横流热交换器是低效率的。常规的SOFC发电系统主要依靠进入的阴极空气流来管理热能分配。然而，通常选择阴极空气流速以重新分配热能，而不是优化SOFC反应。当选择阴极空气体积率(例如，升/秒)或质量流速(例如，kg/s)以优化SOFC反应时，所需的体积或质量流速显著小于重新分配热能所需的体积或质量流速，并且在一些情况下，热能分配需要比SOFC反应所需的阴极空气流速大300％的阴极空气流速。在SOFC系统中使用更高体积空气流速的结果是由于移动过量空气流所需的能量而导致发电效率下降。此外，用于加热过量空气流的热能不可用于加热SOFC堆和其他表面，尤其在启动期间。