TW201431169A - 燃料電池系統之熱箱保溫 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種保溫一燃料電池系統之一基部之方法,該方法包含澆注可澆注之一保溫物以透過該燃料電池系統外殼之一側壁中之一開口而填充該外殼之一基部腔之至少30體積百分比。該外殼之該基部腔位於該外殼之一底壁與位於該外殼中之一堆疊支撐底板之間。該堆疊支撐底板支撐燃料電池堆疊之一或多行。
Description
本發明係指燃料電池系統,特定言之,係指用於一固態氧化物燃料電池(SOFC)系統熱箱之保溫。
燃料電池(諸如固態氧化物燃料電池)係可以高效率將儲存於燃料中之能量轉換為電能量之電化學裝置。高溫燃料電池包含固態氧化物及熔融碳酸鹽燃料電池。此等燃料電池可使用氫及/或碳氫化合物來操作。存在數種燃料電池(諸如固態氧化物再生燃料電池),其等亦允許反向操作使得使用電能作為一輸入來將氧化燃料還原至未氧化燃料。
為維持高效率,應在整個操作中維持燃料電池之一所要溫度。
然而,燃料電池熱箱及儀表饋通孔中之層內之間隙可引入顯著熱洩漏,導致非所要溫度變動。
一實施例係關於一種保溫一燃料電池系統之一基部之方法,該方法包含澆注可澆注之一保溫物以透過該燃料電池系統外殼之一側壁中之一開口澆注該保溫物以填充該外殼之一基部腔之至少30體積百分比。該外殼之基部腔位於該外殼之一底壁與位於該外殼中之一堆疊支撐底板之間。該堆疊支撐底板支撐燃料電池堆疊之一或多行。
另一實施例係關於包含具有一基部腔之一外殼之一燃料電池系
統。該外殼之基部腔位於該外殼之一底壁與位於該外殼中之一堆疊支撐底板之間。該堆疊支撐底板支撐燃料電池堆疊之一或多行,且該系統包含可澆注於基部腔之保溫物。
另一實施例係關於一種保溫一燃料電池系統外殼之一側壁之方法,該方法包含在側壁與一彈性保溫材料之間提供一柔順保溫層。
另一實施例係關於一種燃料電池系統,該系統包含圍繞燃料電池之一或多個堆疊之一外部熱箱外殼、圍繞固態氧化物燃料電池之一或多個堆疊之外殼中之一彈性保溫材料及位於該外殼與該彈性保溫材料之間之一柔順保溫材料層。
另一實施例係關於一種密封一燃料電池系統之管道滲透部之方法,該方法包含提供穿過該系統之一熱箱外殼圍繞管道滲透部之一矽塗佈玻璃纖維墊片,且用一墊片框架覆蓋該墊片。
另一實施例係關於一種固態氧化物燃料電池系統,該系統包含封入一熱箱外殼中之固態氧化物燃料電池之一或多個堆疊、一燃料輸入導管、一氧化劑輸入導管、至少一排氣輸出導管、在該外殼中包括可澆注之一保溫材料之至少一腔及圍繞該燃料輸入導管、氧化劑輸入導管及至少一排氣輸出導管之一或多者之至少一墊片。該墊片經組態以防止可自腔澆注之保溫材料之損耗。
9‧‧‧燃料電池堆疊
11‧‧‧行
100‧‧‧固態氧化物燃料電池(SOFC)系統
102‧‧‧基底腔/基部腔
150‧‧‧中心風管
152‧‧‧燃料輸入導管
154‧‧‧氧化劑輸入導管
156‧‧‧燃料/氧化劑排氣輸出導管
200‧‧‧陰極復熱器
210‧‧‧彈性保溫層/可澆注保溫物
250‧‧‧間隙
260‧‧‧柔順保溫層
300‧‧‧外殼
330‧‧‧外殼之側壁/側壁
332‧‧‧底壁
334‧‧‧開口
336‧‧‧填充管
404‧‧‧燃料歧管
500‧‧‧堆疊支撐基座/底板
501‧‧‧保溫物/微孔板
502‧‧‧底盤
503‧‧‧金屬板保持器
602‧‧‧墊片
604‧‧‧框架
606‧‧‧開口
900‧‧‧橋接管
901‧‧‧超級毛料/基底保溫物
902‧‧‧可澆注保溫材料/「自由流」保溫物/自由流
950‧‧‧電端子
圖1A係根據一比較實例圖解說明一SOFC系統之基部之一三維剖視圖。
圖1B係根據一實施例之一SOFC系統之一橫截面之一是一示意說明圖。
圖2係根據另一實施例圖解說明一SOFC系統之基部之一三維剖視圖。
圖3係根據另一實施例圖解說明一SOFC系統之基部之一三維剖視
圖。
圖4係根據另一實施例圖解說明一SOFC系統之基部之一三維剖視圖。
圖5係用於根據另一實施例圖解說明一SOFC系統之墊片及框架之一分解圖。
本發明之實施例描繪固態氧化物燃料電池(SOFC)系統及保溫SOFC系統之方法。在高溫SOFC系統之操作期間維持穩定溫度可改良此等系統之熱效率及電效率兩者。實施例包含使用可澆注之一保溫材料(亦即一可澆注保溫材料)。一種類型之可澆注之一保溫材料可為一「自由流(free flow)」保溫物,其係可經澆注至SOFC外殼中之一開口中但當固化時固化成一耐高溫材料之一流體。在一替代實施例中,可澆注之保溫物係無需固化之一可流動保溫材料。在此實施例中,可澆注之材料由具有砂或丸粒之稠度之乾固體粒狀顆粒製成。其他實施例包含可澆注之一保溫材料與一微孔保溫板之組合。其他實施例仍描繪在SOFC外殼之側壁與SOFC外殼中之一彈性保溫層之間提供一柔順保溫層。
一種保溫一高溫燃料電池系統之基部之方法在2012年1月5日申請之美國申請案第13/344,304號中揭示,且該案之全文以引用之方式併入本文中。在圖1A中圖解說明此方法。燃料電池堆疊(未展示)定位於一堆疊支撐基座500上,該堆疊支撐基座位於用保溫物501填充之一底盤502上方。在此方法中,堆疊支撐基座500含有消除對密封元件中之一者之需要之一橋接管900。橋接管900可由一電絕緣材料(諸如陶瓷)製成,或其可由接合至底盤502外之一陶瓷管之一導電材料製成。使用一橋接管900消除進出洩漏路徑之空氣。來自堆疊之電流收集器/電端子950在橋接管900中自堆疊支撐基座500之頂部穿過由一微孔板
製成之一基底保溫物501且穿出底盤502之外而選路。一金屬板保持器503可用於將管900固定至底盤502。
可使用超級毛料(super wool)901及/或一可澆注保溫材料902在底座中保溫管900。可澆注保溫材料可為「自由流」保溫物902,該「自由流」保溫物係可經澆注至圍繞管900之基座500中之一開口中且接著當固化時固化成一耐高溫材料之一流體。自由流902填充少於圍繞管900之基底腔之10體積百分比。在一替代實施例中,可澆注之保溫材料902由乾固體粒狀顆粒製成。
圖1B係圖解說明一SOFC系統100之一第一實施例之一橫截面圖。SOFC系統100包含位於堆疊支撐基座500上之燃料電池堆疊9之一或多行11。如美國專利申請案第13/344,304號(該案之全文以引用之方式併入本文中)所描述,各燃料電池堆疊包含一或多個燃料電池。燃料歧管404可位於行11中之燃料電池堆疊9之間。燃料電池堆疊9之行11可位於一底板500上且圍繞一中心風管150而排列。中心風管150可包含工廠組件(諸如一重組器(reformer)及/或熱交換器、諸如一陽極冷卻器熱交換器及/或一陽極排氣復熱器(未展示))之各種平衡。SOFC系統100之中心風管150亦包含一燃料輸入導管152、一氧化劑輸入導管154、一燃料/氧化劑排氣輸出導管156(例如包括由氧化劑排氣氧化之燃料排氣之陽極尾氣氧化劑輸出)。
SOFC系統100亦包含圍繞燃料電池堆疊9之行11之一外圍周圍定位之陰極復熱器200。為保溫SOFC系統100以防熱損耗,可在SOFC系統100之陰極復熱器200與外殼300(例如熱箱)之側壁330之間之間隙中提供一彈性保溫層210。為進一步保溫SOFC系統100,可在SOFC系統100之彈性保溫層210與外殼300之側壁330之間之間隙250中提供一柔順保溫層260。彈性保溫層210可由任何適合熱保溫彈性材料(諸如一可澆注材料,例如一自由流材料或一固體粒狀材料)製成。柔順層260可由
任何材料(諸如耐熱氈、紙或毛料)製成。如本文所使用,一「柔順」材料係在不損壞之情況下壓縮或擴展達至少10體積百分比之一材料。如在下文更詳細討論,由堆疊支撐基座500、外殼300之底盤502之底壁332及外殼300之側壁330界定之基底腔102(亦在圖3中圖解說明)可用一基底保溫物901(諸如一微孔板501)、一可澆注保溫物902或其之一組合填充。在一實施例中,微孔板501填充少於或等於外殼300之基部腔102之一體積之四分之一。
在SOFC之操作期間之暫態熱波動可使得薄外殼300(例如一金屬外殼)比SOFC系統之更大內部組件(例如堆疊等)更快速擴展及收縮。繼而,此可對保溫殼/圍阻體及/或對外殼300及/或對陰極復熱器造成疲勞或損壞。此外,在彈性保溫層210與外殼之側壁330之間之間隙250中不存在一柔順保溫層260,可產生足夠大之一間隙以允許抗壓縮(亦即彈性)可澆注保溫物210離開SOFC(若外殼300之側壁330比SOFC系統之內部組件更快擴展)。然而,彈性保溫層210與外殼之側壁330之間之間隙250中之一柔順保溫層260之添加吸收由SOFC之內部組件之擴展引起之應力,藉此保護外殼300、陰極復熱器200、彈性層210及/或柔順層260,且若外殼300比SOFC之內部組件擴展更快,則擴展以填充所形成之任何間隙。在其他實施例中,基底腔之至少30vol%(諸如至少50%,例如30vol%至100vol%,例如50vol%至75vol%)用可澆注保溫物來填充。
圖2圖解說明一系統之另一實施例。在此實施例中,堆疊支撐基座500下方之底盤502中整個基底腔102由可澆注之一保溫材料902完全填滿。可澆注之保溫物902為「自行復原」,此乃因其圍繞管路(例如管900)或插入SOFC熱箱之基座中之儀表流動。依此方式,可澆注之保溫材料902防止歸因於用以將管路或儀表引入至SOFC中之饋通孔之洩漏。在一實施例中,在一單一步驟中,打開側保溫物(例如層210及
/或260)與基座之間之一腔以用可澆注保溫物902填充基底腔102。在一實施例中,彈性保溫層201由與可澆注之保溫物902相同之材料製成且在形成柔順保溫層260之後於一填充步驟中形成。可經由系統之外殼300之側壁330中之一開口334(例如底盤502中之開口334)將可澆注之保溫材料902供應至腔102。
圖3圖解說明用可澆注之保溫物填充基底腔之一方法之另一實施例。一填充管336之一端延穿過外殼300之側壁330中之開口334伸至外殼300之外。另一端位於基底腔102中接近該基底腔102之一頂部,較佳地接近基底腔102之一中心部分(亦即在中心風管150下)。在此實施例中,可將一真空應用於填充管336以有助於用(例如)通過陰極復熱器200與外殼300之間之間隙供應之可澆注之材料902來填充基底腔102。
圖4中圖解說明另一實施例。在此實施例中,基底腔102之一中心部分用固態保溫物(諸如一微孔板904)來填充。基底腔102之剩餘部分用可澆注之保溫物902來填充。
圖5圖解說明另一實施例。在此實施例中,提供一墊片602及一框架604以有助於管道之密封(諸如一燃料輸入或氧化劑輸入管線或導管、管900及/或穿過外殼300之儀表滲透)。墊片602可由任何適合材料(諸如矽塗佈玻璃纖維)製成。玻璃纖維提供耐高溫性,而矽塗佈抑制填充腔/可澆注之材料902之細顆粒流出基底腔102。較佳地,墊片602由一撓性材料製成且可在SOFC之操作期間輕微延伸以適應外殼300之側壁330之擴展及收縮。
可提供一框架604以將墊片602固定至外殼300之側壁330(例如固定至外殼300之底盤502部分之側壁)。例如,墊片602可藉由將墊片放置於框架604與外殼300之側壁330之間且將框架604螺栓連接至外殼300之側壁330而固定。儀表(熱電偶等)、管線、管等穿過(若干)墊片602中之開口606。
儘管上文係指特定較佳實施例,然將瞭解本發明不限於此。一般技術者將明白可對所揭示之實施例進行各種修改,且此等修改意欲在本發明之範疇內。文中所列舉之全部公開案、專利申請案及專利以引用之形式併入本文中。
9‧‧‧燃料電池堆疊
11‧‧‧行
100‧‧‧固態氧化物燃料電池(SOFC)系統
102‧‧‧基底腔/基部腔
150‧‧‧中心風管
152‧‧‧燃料輸入導管
154‧‧‧氧化劑輸入導管
156‧‧‧燃料/氧化劑排氣輸出導管
200‧‧‧陰極復熱器
210‧‧‧彈性保溫層/可澆注保溫物
250‧‧‧間隙
260‧‧‧柔順保溫層
300‧‧‧外殼
330‧‧‧外殼之側壁/側壁
332‧‧‧底壁
404‧‧‧燃料歧管
500‧‧‧堆疊支撐基座/底板
501‧‧‧保溫物/微孔板
502‧‧‧底盤
900‧‧‧橋接管
950‧‧‧電端子
Claims (25)
- 一種保溫一燃料電池系統之一基部之方法,其包括;澆注可澆注之一保溫物以穿過該燃料電池系統外殼之一側壁中之一開口填充該外殼之一基部腔之至少30體積百分比,其中該外殼之該基部腔位於該外殼之一底壁與位於該外殼中之一堆疊支撐底板之間,其中該堆疊支撐底板支撐燃料電池堆疊之一或多行。
- 如請求項1之方法,其進一步包括供應穿過該外殼之一壁之一填充管及通過該填充管抽吸一真空。
- 如請求項1之方法,其進一步包括提供該外殼之該基部腔之一中心部分中之一熱保溫多孔板,其中該板填充少於或等於該外殼之該基部腔之一體積之四分之一。
- 如請求項1之方法,其中用可經澆注之保溫物填充該整個基部腔,且該方法進一步包括在相同步驟中填充一側腔及該基部腔。
- 如請求項1之方法,其中該保溫材料包括乾固體粒狀顆粒。
- 一種燃料電池系統,其包括:一外殼,其具有一基部腔,其中該外殼之該基部腔位於該外殼之一底壁與位於該外殼中之一堆疊支撐底板之間,其中該堆疊支撐底板支撐燃料電池堆疊之一或多行;及可澆注於該基部腔中之保溫物。
- 如請求項6之系統,其進一步包括穿過該外殼之一壁而延伸至該基部腔中之一填充管。
- 如請求項6之系統,其進一步包括:該外殼之該基部腔之一中心部分中之一熱保溫多孔板,其中該板填充少於或等於該外殼之 該基部腔之一體積之四分之一;及圍繞延伸穿過該外殼之一側壁之一導管之一墊片。
- 一種保溫一燃料電池系統外殼之一側壁之方法,其包括:在該側壁與一彈性保溫材料之間提供一柔順保溫層。
- 如請求項9之方法,其中該彈性保溫層包括一氈、紙、毛料或可澆注之材料。
- 如請求項9之方法,其中該柔順保溫層在該系統之操作期間壓縮多餘該彈性保溫材料。
- 一種燃料電池系統,其包括:一外部熱箱外殼,其圍繞燃料電池之一或多個堆疊;該外殼中之一彈性保溫材料,其圍繞固態氧化物燃料電池之一或多個堆疊;及一柔順保溫層,其位於該外殼與該彈性保溫材料之間。
- 如請求項12之系統,其中該柔順保溫層包括一氈、紙或毛料。
- 一種密封一燃料電池系統之管道滲透部之方法,其包括:提供圍繞穿過該系統之一熱箱外殼之該管道滲透部之一矽塗佈玻璃纖維墊片;及用一墊片框架來覆蓋該墊片。
- 如請求項14之方法,其進一步包括將該墊片框架螺栓連接至該熱箱外殼。
- 如請求項15之方法,其中該墊片防止可澆注之一保溫材料自該熱箱外殼中之一腔之損耗。
- 如請求項14之方法,其中該墊片包括一撓性材料。
- 如請求項17之方法,其中該滲透部包括延伸穿過該熱箱外殼之一底盤部分之一壁之一導管。
- 一種固態氧化物燃料電池系統,其包括: 封入一熱箱外殼中之固態氧化物燃料電池之一或多個堆疊;一燃料輸入導管;一氧化劑輸入導管;至少一排氣輸出導管;該外殼中之至少一腔,其包括可澆注之一保溫材料;及至少一墊片,其圍繞燃該料輸入導管、該氧化劑輸入導管及該至少一排氣輸出導管中之一或多者,其中該墊片經組態以防止可澆注之該保溫材料自該腔之損耗。
- 如請求項19之系統,其中該墊片包括一撓性材料。
- 如請求項20之系統,其中該墊片包括矽塗佈玻璃纖維。
- 如請求項19之系統,其進一步包括覆蓋該墊片之一墊片框架,其中該墊片框架貼附至該熱箱外殼。
- 如請求項22之系統,其中該墊片框架貼附至該熱箱外殼之一底盤部分之外部,且該燃料輸入導管、該氧化劑輸入導管或該排氣輸出導管中之該至少一者延伸穿過該墊片中之一開口。
- 如請求項19之系統,其中:保溫材料位於該等堆疊下方之一基底腔中;且一彈性材料、一柔順材料及該保溫材料圍繞該熱箱外殼之一側而定位。
- 如請求項19之系統,其中該保溫材料包括乾固體粒狀顆粒。
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Publication Number | Publication Date |
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