固体氧化物燃料电池传导的制作方法

固体氧化物燃料电池传导
1.1版权声明
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技术领域
3.2.1技术领域
4.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：

5.2.2相关技术
6.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。
7.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。
8.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
0.75
sr
0.25
cr
0.5
mn
0.5o3-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。
9.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。
10.在常规sofc系统中，同流换热器或气体逆流热交换器被设置成接收从尾气燃烧室排出的热气体，并接收在由共用壁分开的逆流管道中进入sofc系统的冷气体。再次，对流和辐射是主要的热能传递机构，因为来自燃烧器的热气体在它们通过到出口端口时加热管道壁，并且管道壁加热进入的空气。简而言之，尾气燃烧器内和同流换热器内的热能交换都不是高效率的。结果是，常规的sofc系统众所周知地难以控制并且经常产生热点，例如，在燃烧壳体中，当燃烧壳体壁变得太热时，该热点会损坏壳体壁甚至会烧穿墙壁。可替代地，当sofc系统的温度降低时，例如，通过降低燃料输入流速和增加输入阴极空气流速以冷却热点，sofc反应改变，这通常导致不期望的操作，例如，减少的电力输出、不完全的燃料处理(其导致在阳极表面上形成碳)，最终导致降低的电输出以及最终的故障。
11.为了更好地解决热点和冷点，常规的sofc系统通常包括设置在各种系统点处以监测温度并调整操作的多个热电偶或热敏电阻，以避免热点和防止冷点。然而，由于sofc系统的高运行温度(例如，尾气燃烧室附近350℃-1200℃)，温度传感和监测系统成本高并且易于发生故障。此外，需要调节燃料输入作为避免损坏sofc系统的措施导致低效的及可变的电力输出。因此，在本领域中需要避免热梯度并消除热点，以避免损坏sofc系统，并且以输送更一致的电力输出并提高发电效率。此外，需要提供一种用于在sofc系统中进行热能管理的更有效和无源的方法，该方法不依赖于改变燃料和空气流速来管理热能分配，例如降低热点的温度。
12.常规的sofc系统使用耐热和耐腐蚀材料，以经受在高温和严重腐蚀环境下长期操作的影响，该高温和严重腐蚀环境连续地将金属表面氧化，有时达到失效点。在sofc系统中通常使用特殊的耐高温腐蚀镍铬合金，诸如铬镍铁合金(inconel)、蒙乃尔铜-镍合金(monel)、哈氏合金(hastelloy)等。然而，虽然这些材料在sofc发电机的高温易腐蚀环境中表现良好，但是例如与高导热材料(诸如铜、铝、钼或其允许的材料)相比，这些材料往往具有非常低的导热系数。作为示例，如与具有在500℃下约370w/(m
°
k)的导热率和在1027℃下约332w/m
°
k的导热系数的铜相比，铬镍铁合金在150℃至875℃的温度范围内具有17w/(m
°
k)-35w/(m
°
k)范围的导热率。因此，铜具有大于铬镍铁合金导热率的10倍的导热率。虽然铜相对于高温非腐蚀性金属合金提供了增加的导热系数，但铜在高温下极易于通过氧化而分解，并且迄今为止避免作为sofc壳体材料。


技术实现要素：

13.3技术简介
14.通过提供改进的sofc系统的各种实施例，本技术克服了与常规sofc系统相关联的
问题，改进的sofc系统包括由u形主壳体壁组件(8045)和包括两个l形主壳体壁组件(12045)的热区壳体组件(12042)以及利用一个或更多个u形和l形主壳体壁组件的其他热区壳体组件实施例(14042、15042)形成的热区壳体组件(8042)的配置。每个主壳体壁组件被形成为包封sofc堆(8005)、阴极室(8055、12055)以及位于每个单独的燃料电池的燃料输出端(8025)上方的燃烧区域(8030)。每个主壳体壁组件包括燃烧区域壁(8060、12060)和至少一个相对的主壳体侧壁(8065、8070、12070)，燃烧区域壁(8060、12060)形成为界定燃烧区域，至少一个相对的主壳体侧壁(8065、8070、12070)均从燃烧区域壁(8060、12060)的边缘延伸至各个燃料电池的阴极输入端，使得主壳体壁组件至少沿着sofc堆的整个纵向长度(x)沿着输入端(8020)包封sofc堆。
15.每个主壳体壁(8060、12060)、(8065)和(8070、12070)包括导热芯(8200)，该导热芯受到施加到其暴露表面的外部层的保护而免于氧化。导热芯(8200)包括具有大于100w/(m
°
k)，优选大于200w/(m
°
k)的导热系数的一种或更多种材料。导热芯由铜或钼、或铝铜、或铜镍合金、或它们的组合形成。导热芯具有在0.127mm至6.0mm(0.005英寸至0.24英寸)范围内的厚度。
16.为了防止导热芯(8200)的氧化，芯部分(8205、8210、8215、12010、12015、12017)中的每个芯部分由施加在导热芯的暴露表面上或附接到导热芯的暴露表面的保护层保护。保护层可以包括通过电镀工艺施加到每个芯部分的表面的镍镀层，其厚度至少为0.0005英寸，并且范围扩大至0.002英寸。替代地或附加地，保护层包含设置成与三个芯部分(8205)、(8210、12010)和(8215、12015、12017)中的每一者的暴露表面接触配合的一或更多个金属片材。金属片材直接施加到导热芯的未涂覆表面或者施加到导热芯的电镀表面上。内部保护金属片材(8220)被制造为u形结构，该u形结构形成为附接至三个芯部分(8205)、(8210)、(8215)中的每一个的内表面，其中内保护层(8220)的内表面面向sofc堆。外保护层(8250)包括两个基本相同的外侧壁部分(8255)、(8260)以及外顶部部分(8265)。三个外保护层部分在彼此接合时与导热芯的相应外表面接合在一起时形成u形片材金属结构，该u形片材金属结构被定形状为附接至导热芯(8200)的外表面并且保护导热芯(8200)的外表面免于暴露于富氧阴极空气流。优选地，外保护层的内表面与导热芯的背离sofc堆的相应外表面接触配合。本文还描述了内保护层(12220)和外保护层(12250)的第二实施例。
17.内保护层和外保护层的每个壁部分是由铁素体钢制造，例如由美国伊利诺伊州阿尔西普(alsip,il,us)的轧制金属制品公司分销的alloy18不锈钢。alloy18不锈钢是设计用于高温应用的具有改进的抗结垢性和耐腐蚀性的铝稳定的铁素体不锈钢，其通过加入1.5重量百分数至2.5重量百分数范围内的铝来实现。alloy18不锈钢是优选的，因为在sofc系统(8000)的运行温度和条件下，添加的铝含量有利地形成氧化铝表面层，该氧化铝表面层防止内保护层和外保护层的暴露表面的氧化，该氧化铝表面层防止氧化并防止铬从alloy18不锈钢中浸出。
18.每个热区壳体组件(8042、12042、14042、15042)任选地包括端壁(8080、8085)和底壁(8075)，端壁(8080、8085)和底壁(8075)进一步包封阴极室(8055、12055)或该阴极室进一步由中间壳体(9000)包封，中间壳体(9000)包括端壁(9020、9025)和底壁(9010)。端壁(8080、8085)和基壁(8075)可包括配置有保护层的导热芯，所提供保护层防止对芯材料的
氧化损坏。
附图说明
19.4附图说明
20.本技术的特征将从技术和示例性实施例的详细描述中得到最佳地理解，其示例性实施例是为了说明的目的选择的并在附图中示出，在附图中：
21.图1描绘了根据本技术的第一示例性sofc系统的示意图。
22.图2描绘了根据本技术的sofc系统的示例性热区的示意图。
23.图3描绘了根据本技术的sofc系统的示例性燃料流动通路的示意图。
24.图4描绘了根据本技术的sofc系统的示例性空气流动通路的示意图。
25.图5a描绘了穿过根据本技术的sofc系统的第一示例性热区外壁截取的剖视图。
26.图5b描绘了穿过根据本技术的sofc系统的第二示例性热区外壁截取的剖视图。
27.图5c描绘了穿过根据本技术的sofc系统的包括导热块的示例性底管支撑壁截取的剖视图。
28.图5d描绘了穿过根据本技术的sofc系统的包括导热块的示例性燃烧区域端壁截取的剖视图。
29.图5e描绘了穿过根据本技术的sofc系统的包括导热块的示例性燃烧区域底壁截取的剖视图。
30.图6描绘了根据本技术的具有以两个同心圆形图案布置的多个棒状燃料电池的sofc系统的示意性顶部剖视图。
31.图7a示意性地描绘了根据本技术的第一改进的燃料电池系统，该燃料电池系统包括设置在单个sofc堆上方的第一u形主壳体壁组件。
32.图7b示意性地描绘了根据本技术的图7a的第一改进的燃料系统，带箭头的虚线示出了合成气流和穿过u形主壳体的热传导热流，并且带箭头的实线示出了阴极气流和来自高温区域的辐射散发。
33.图8a描绘了根据本技术的用于热区组件的中间壳体的等轴测透明视图。
34.图8b描绘了穿过根据本技术的主壳体壁组件截取的剖视图。
35.图9a描绘了根据本技术的改进的热区配置的等轴测侧视图。
36.图9b描绘了根据本技术的阴极流动通道的详细等轴测侧视图，阴极流动通道用于将阴极接收至热区壳体组件中。
37.图9c描绘了根据本技术的主壳体组件的分解等轴测视图。
38.图10a示意性地描绘了sofc堆测试夹具，当操作文本夹具燃料电池以产生dc电流输出时，该sofc堆测试夹具用于在沿着sofc堆轴线的五个点处测量燃料电池温度。
39.图10b用图表描绘了当操作不具有导热芯的测试夹具(以黑色示出)时以及当操作具有安装的导热芯层的测试夹具(以交叉阴影示出)时，在沿sofc堆轴线的五个点处的燃料电池温度的比较。
40.图11a以图表描绘了在没有本技术的导热芯的情况下，在2.5小时的启动和关闭周期中沿sofc堆轴线的五个位置处的温度测量值。
41.图11b以图表描绘了具有本技术的导热芯在2.5小时的启动和关闭周期中沿sofc
堆轴线的五个位置处的温度测量值。
42.图12示意性地描绘了根据本技术的一个方面的包括设置在两个sofc堆之上的t形主壳体壁组件的燃料电池系统。
43.图13描绘了根据本技术的一个方面的热区壳体组件的等轴测侧视图，该热区壳体组件包括t形主壳体壁的两个半部，其中每个半部包封sofc堆和其他阴极室部分。
44.图13a描绘了根据本技术的一个方面的经组装的l形主壳体壁组件的等轴测侧视图。
45.图13b描绘了根据本技术的一个方面的t形主壳体壁组件的半部的分解等轴测侧视图。
46.图14示意性地描绘了根据本技术的一个方面的包括设置在一个sofc堆之上的l形主壳体壁组件的燃料电池系统。
47.图15示意性地描绘了根据本技术的一个方面的包括两个sofc堆的燃料电池系统，每个sofc堆由u形主壳体壁组件包封。
48.图16a描绘了根据本技术的一个方面的用于包封图12、图14和图15的热区组件的外部壳体的等轴测侧视图。
49.图16b描绘了根据本技术的一个方面的用于包封图12、图14和图15的热区组件的外部壳体和中间壳体的分解侧等轴测视图。
50.图17描绘了根据本技术的一个方面的用于包封图12、图14和图15的热区组件的中间壳体的分解侧等轴测视图。
51.4.1定义
52.除非另有具体说明，以下定义贯穿全文使用：
53.[0054][0055]
4.2附图标记列表
[0056]
除非另有具体说明，以下项目编号在全文中使用。
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]
[0062]
具体实施例
[0063]
4.3实施例的详细说明
[0064]
参考图1，本技术的第一实施例的示意图描绘了固体氧化物燃料电池(sofc)系统(100)。系统(100)包括热区(105)和冷区(110)，热区(105)包括形成保持在高运行温度下的sofc堆的至少一个sofc燃料电池，并且优选地包括多个燃料电池，冷区(110)包括燃料输入和输出模块、dc电力输出模块和其他控制元件。热区壳体壁(115)设置为在其中封闭热区腔(120)。隔热层(130)围绕壳体壁(115)以使热区(105)隔热。隔热层(130)与热区壳体壁(115)的侧壁之间设置有气隙(125)，气隙(125)为气体流过热区壳体壁的外表面提供气体流动管道。
[0065]
根据本技术的重要方面，以下描述的热区壳体壁(115)和相关联的热能管理元件是处于彼此热连通的，以通过热区壳体壁(115)的热传导提供用于将热能传递到热区的所有区域导热路径。更具体地，如下描述的热区壳体壁(115)和任何热能管理元件包括具有高导热系数的材料，例如在从350℃至1200℃范围内的温度下，100w/(m
°
k)至300w/(m
°
k)的导热系数，并且优选地高于200w/(m
°
k)的导热系数。因此，下文描述的热区壳体外壁和其他热能管理元件是由铜、钼、铝铜、铜镍合金或其组合中的一个或更多个制造。具体地，热区壳体壁(115)和相关联的热能管理元件被配置成提供用于将热能从热区的一个区域快速传导至另一个区域的导热路径。更具体地，热区壳体壁(115)和相关联的热能管理元件被配置为通过将热能从热区的高温区域快速传导至热区的低温区域来管理热区内的热能，以确保整个热区保持在比常规sofc系统的典型温度更均匀的温度。
[0066]
包括一个或更多个固体氧化物燃料电池(sofc)或其他类型的燃料电池的电化学能量发生器或燃料电池堆(135)被包封在热区(105)内并且由一个或更多个支撑元件相对于壳体壁(115)支撑，如下所述。燃料电池堆(135)包括一个或更多个燃料电池，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连以提供电池堆(135)的期望的输出电压。每个燃料电池包括三个主要层：阳极层或燃料电极(150)、阴极层或空气电极(155)以及将阳极层与阴极层分离的电解质层(145)。
[0067]
将阳极层(150)暴露于反应物，诸如至少包含氢气(h2)和/或一氧化碳(co)的气态或汽化重整物。同时，阴极层(155)暴露于空气或汽化氧(o2)源或任何其他氧化气体。在阴极层155中，供给到阴极层的氧(空气)接受电子而成为氧离子(o-2
)。阴极反应是i/2o2 2e-＝o-2
，有时写为oⅱ。
[0068]
氧离子通过电解质层(145)从阴极层传递到阳极层(150)。在阳极层中，通过燃料供应到阳极层的氢气(h2)和/或一氧化碳(co)与氧离子反应以产生水和二氧化碳，并且在该反应过程中发射的电子产生电和热。电化学反应产生的电能被提取至直流电流输出端子(140)以对电负载供电。
[0069]
常见的阳极材料包括金属陶瓷，诸如镍和掺杂的氧化锆、镍和掺杂的二氧化铈、铜和氧化铈等。钙钛矿阳极材料诸如sr2mg
1-x
mnxmoo
6-δ
或la
0.75
sr
0.25
cr
0.5
mn
0.5o3-δ
等也是可用的。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。电解质层用作接近气密的屏障以防止燃料和空气混合和燃烧。
[0070]
通常，每个燃料电池被配置有阳极层(150)、阴极层(155)或电解质层(145)中的一个形成为支撑件或机械结构元件，并且其他两个层被涂覆在该支撑元件上，例如通过浸渍、喷涂等。可使用各种支撑元件结构，包括图2中所示的一个非限制性示例性实施例，其中每个燃料电池包括阳极支撑元件，该阳极支撑元件被配置为形成圆筒形气体管道的中空管，其中阳极层(150)形成圆筒形管道的内径，陶瓷电解质层(145)被涂覆在结构阳极层(150)的外径上，并且阴极层(155)被涂覆在电解质层(145)的外径上。
[0071]
至少包含氢气(h2)和/或一氧化碳(co)的燃料流动穿过中空陶瓷管与阳极层接触，并且空气流过中空管的外表面与阴极层接触。如上所述产生电流。
[0072]
虽然图2的特定电池堆包括多个管状燃料电池，但是在不偏离本技术的情况下，可以使用由具有不同的已知形状要素的燃料电池形成的其他电池堆。这些电池堆可包括由多个平的片材型燃料电池形成的燃料电池堆(135)，多个平的片材型燃料电池形成为堆，每个电池包括片状支撑层(其他层涂覆在支撑层上)和设置在相邻的平的支撑层之间的分隔件(其他层涂覆在支撑层上)。
[0073]
供给燃料输入管线(160)输送供给燃料(8050)，供给燃料(8050)包括从储存在冷区(110)中的供给燃料容器或从外部供给燃料源接收的气态或汽化烃燃料。与电子控制器(190)连通的供给燃料输送控制器(197)沿供给燃料输入管线(160)设置在冷区中，以根据需要调节供给燃料输入体积或质量流速以控制供给燃料输入率并将供给燃料与空气混合。供给燃料输入管线(160)将供给燃料空气混合物(2025)输送到燃料重整器(165)中用于燃料处理。供给燃料和空气混合物(2025)流动到燃料重整器(165)，该燃料重整器(165)将混合物(2025)分解形成重整物，在下文中称为燃料(2027)。燃料(2027)是适于与sofc堆的阳极表面进行化学反应的反应物。燃料(2027)或重整物通常包括h2、co、co2和h2o与痕量ch4和其他碳氢化合物的混合物。其他重整物含量可包括甲烷、乙烷或乙烯。在替代实施例中，供给燃料(8050)主要包括具有很少的氢气(h2)或不具有额外的成分，并且不需要重整器(165)。从燃料重整器或直接从供给燃料源接收的燃料经过阳极层(150)的表面以用于与其进行电化学反应。
[0074]
阴极气体输入管线(170)将气态或汽化氧(诸如环境空气或另一种氧源等)输送到冷区(110)中，例如通过进气风扇等。与电子控制器(190)连通的空气输送控制器(198)可选地沿在冷区中的空气输入管线(170)设置，以根据需要调整空气输入体积或质量流速。空气输入管线(170)将室温空气输送到同流换热器(175)中，同流换热器(175)通过离开热区的热气体与进入的较冷空气之间的热能交换来加热该输入空气。加热的进入空气经过阴极层(155)的表面以与其发生化学反应。
[0075]
废燃料和氧气减少的空气两者都离开燃料电池堆(135)并且在燃烧区域或尾气燃烧器(180)中混合。输送到尾气燃烧器(180)的未反应的燃料和未反应的空气的混合物在其中自发地燃烧，局部地产生热能。下面详述的燃烧器壁包括具有高导热系数的材料，例如100w/(m
°
k)至300w/(m
°
k)，并且优选高于200w/(m
°
k)。此外，燃烧器壁与热区壳体壁(115)热连通，使得由燃烧器(180)内燃烧产生的热能将燃烧器壁加热至高温，该高温通过穿过热区壳体壁(115)传导热能传递而快速开始将热能传递到热区的所有区域。
[0076]
从尾气燃烧器(180)排出的包含热气体的燃烧副产物被输送到同流换热器(175)中。同流换热器包括具有逆流管道的横流换热器，逆流管道被设置为将热能从燃烧热副产物传递至较冷的进入的空气，从而在进入的空气进入sofc燃料电池堆(135)之前加热进入的空气。在通过同流换热器(175)之后，燃烧副产物通过排放气体端口(185)排出。
[0077]
将热电偶或其他温度传感器(157)贴附到壳体壁(115)的表面以感测其温度，并且将温度信息传送至该电子控制器(190)。控制器(190)与其他电子元件通信，诸如一个或更多个可电动操作的气流阀、气流速率检测器和/或调制器、与供给燃料输送控制器(197)、空气输送控制器(198)和电功率输出检测器等相关联的元件、以及控制sofc(100)的各种运行参数可能需要的其他元件。电子控制器(190)监测直流电流输出以及在热电偶处测量的温度并且进一步操作以改变供给燃料输入和空气流速作为控制温度的手段。
[0078]
此外，可以提供任选的冷启动模块(195)以在启动时预热输入供给燃料和/或空气。冷启动模块(195)可以是可用于点燃一部分供给燃料以预热壳体壁和sofc的供给燃料点火器，或者冷启动模块(195)可包括可用于预热输入燃料的电加热器，或冷启动模块(195)包括以上两者。
[0079]
4.4示例性热区架构
[0080]
现在转向图2，根据本技术的改进的sofc系统热区(2000)的第一非限制性示例性实施例包括sofc燃料电池堆(2005)，该sofc燃料电池堆(2005)包括包封在热区腔(2010)内的多个单独的燃料电池。热区腔(2010)被壳体壁(2015)包围，其中，壳体壁由铜、钼、铝铜、铜镍合金或其组合中的一种或更多种形成。壳体壁被隔热层(2012)包围，隔热层(2012)限制热能从热区流出。热区壳体壁(2015)与隔热层(2012)之间设置有气隙(2155)。气隙(2155)提供了流体流动管道，该流体流动管道通向热区出口端口(2165)并且用于将排放气带出热区。
[0081]
壳体壁(2015)被配置成提供导热路径，导热路径包括具有100w/(m
°
k)至300w/(m
°
k)的、并且优选地大于200w/(m
°
k)的导热系数的材料。此外，导热路径被设置成充当热能管道，热能管道适于将热能从热区的高温区域传导至热区的低温区域，以缩小热区的每个区域的温差。
[0082]
4.4.1重整器
[0083]
本非限制性示例性实施例的热区腔(2010)是由包括侧壁(2002)、顶壁(2004)和底壁(2006)的热区壳体壁(2015)界定的罐形圆柱形体积。根据所使用的sofc反应，热区(2000)在高于350℃或高于500℃的温度下最有效地运行，并且可在350℃至1200℃范围内的温度下运行。因此，本技术的热区的每个元件被配置成在该元件所预期的最高温度下可靠地运行，例如，在一些区域中为350℃并且在燃料重整器内部达到1200℃，例如靠近催化反应或在燃烧区域内部。
[0084]
根据本技术的优选的非限制性示例性实施例，使用放热反应来重整供给燃料和空气混合物(2025)的燃料重整器(2020)被提供在热区内部或部分地在热区内部以重整供给燃料来产生燃料(2027)或重整物，以用于输送到燃料电池堆(2005)的每个燃料电池中。本示例性实施例的重整器(2020)包括催化部分氧化(cpox)反应器，其部分地燃烧输送到其中的供给燃料和空气混合物(2025)。供给燃料重整过程产生富氢燃料(2027)，例如重整物。cpox反应器包括催化介质(2040)，诸如涂覆在其内表面上的铑(rh)的金属或氧化物相或其他合适的催化剂(例如铂、钯、铜、镍、钌和铈)。通过cpox反应器的供给燃料和空气混合物(2025)在其经过催化介质(2040)涂覆的表面时被催化，并且反应释放的热被辐射和热传导至热区壳体壁(2015)并有助于加热燃料电池堆。
[0085]
cpox重整器(2020)包括围绕圆柱形催化腔(2035)的重整器壳体壁(2030)。圆柱形催化腔(2035)在其中支撑催化介质(2040)。在本示例性实施例中，催化介质(2040)为方形单元挤压整料，其暴露表面涂覆有合适的催化剂。该整料定位成使得进入的供给燃料和空气混合物(2025)流过方形单元挤压整料的暴露表面以进行催化反应。其他合适的催化结构可包括多个平行板或同心环结构或多孔金属或陶瓷泡沫结构，诸如烧结元件或挤压元件等，烧结元件或挤压元件形成有涂覆有催化剂的暴露表面。或者，催化结构可以包括多个网筛，网筛具有涂覆有催化剂的暴露表面。供给燃料和空气混合物(2025)通过重整器输入端口(2045)进入重整器(2020)并流动穿过催化介质(2040)以通过与催化表面接触进行重整。重整燃料或重整物，在下文中称为“燃料”，穿过重整器出口端口(2050)流出重整器并进入到燃料输入歧管(2055)。
[0086]
在本非限制性示例性实施例中，重整器壳体壁(2030)包括包封圆柱形或方形横截面的催化腔(2035)的圆柱形或方形壁。催化介质(2040)被支撑在催化腔(2035)内，催化腔(2035)被设置成迫使进入的供给燃料和空气混合物(2025)流动穿过催化结构经过催化表面。隔热元件(2065)设置成围绕催化腔(2035)的外表面。提供隔热元件(2065)以限制热能进入或离开催化腔(2035)：重整器壳体壁(2030)可以包括高温钢合金，诸如铬镍铁合金、高温铜合金(例如蒙乃尔铜-镍合金)或其他合适的高温材料。
[0087]
4.4.2sofc燃料电池堆
[0088]
sofc燃料电池堆(2005)支撑在罐形热区壳体壁(2015)内。在阴极室(2090)内纵向支撑多个棒状燃料电池(2080)。阴极室(2090)是由热区壳体侧壁(2002)和一对相对的盘状的顶部管支撑壁(2070)和底部管支撑壁(2075)界定的圆柱形室。每个管支撑壁(2070、2075)通过合适的附接方式被附接到侧壁(2002)，诸如通过焊接或铜焊、通过箍缩和机械紧固、或者在没有紧固件的情况下通过夹紧力被保持在位等。优选地，燃料电池堆(2005)在安装到热区壳体壁(2015)中之前被组装，并且可从热区壳体壁(2015)作为单元移除，例如根据需要维修或检查电池堆。因此，顶部管支撑壁和底部管支撑壁(2070、2075)可在相对的端
部止动件(未示出)之间被捕获就位。顶部管支撑壁(2070)与多个棒状燃料电池(2080)中的每个棒状燃料电池(2080)的顶端或输入端机械地接合并且固定地支撑顶端或输入端。顶部支撑壁(2070)和多个燃料电池输入端中的每个燃料电池输入端之间的机械界面是基本上气密的界面，以便防止燃料输入歧管(2055)中的供给燃料和空气混合物(2025)进入阴极室(2090)。顶部管支撑壁(2070)优选地由铬镍铁合金形成。此外，每个顶端盖(2095)还由铬镍铁合金形成，铬镍铁合金是用于避免在高温环境下蠕变的有效材料。底部管支撑壁(2075)与多个棒状燃料电池(2080)中的每个棒状燃料电池(2080)的底部端或输出端机械地接合并且可移动地支撑该底部端或输出端。特别地，每个燃料电池(2080)的输出端相对于底部管支撑壁(2075)是纵向可移动的，以便当燃料电池被加热到350℃至1200℃的运行温度时适应每个燃料电池的长度的变化。palumbo在于2013年6月26日提交的名称为“具有柔性杆支撑结构的固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcellwithflexiblerodsupport structure)”的相关美国专利申请第13/927,418号中公开了可用于本技术的示例性管支撑系统。
[0089]
现在参见图2和图5c，底部管支撑壁(2075)包括盘状导热块(2180)，盘状导热块(2180)包括具有大于100w/(m
°
k)并且优选地大于200w/(m
°
k)的导热系数的一种或更多种材料，诸如铜、钼、铝铜、铜镍合金或其组合中的一种或更多种。盘状导热块(2180)由下面关于图5c描述的顶部保护表面层(5045)和底部保护表面层(5050)保护。在一个非限制性示例性实施例中，每个顶部保护表面层(5045)和底部保护性表面层(5050)包括与该盘状导热块(2180)处于热传导接触的单独盘状元件。具体地，面向阴极室(2090)的顶部表面层(5045)包括盘状无铬高温金属合金诸如蒙乃尔铜-镍合金等，以及面向燃烧区域(2135)或尾气燃烧器的底部表面层(5050)包括盘状高温、耐腐蚀金属诸如哈氏合金等。
[0090]
优选地，顶部保护表面层(5045)和底部保护表面层(5050)中的每一者与导热块(2180)热传导接触，导热块(2180)还与热区壳体圆筒形侧壁(2002)热传导接触。因此，当燃料空气混合物在尾气燃烧器或燃烧区域(2135)中燃烧时，由燃烧产生的热能辐射到包封燃烧区域(2135)的壁，并且从包封壁穿过热区包封壁(2015)热传导到导热块(2180)和热区的其他区域。此外，从导热块(2180)发射的热能被辐射到阴极室(2090)中，在阴极室(2090)中，热能加热流动穿过阴极室的阴极气体或空气，并且加热包封在阴极室中的燃料电池的表面。
[0091]
每个棒状燃料电池(2080)包括管状环形壁(2085)，其中，阳极层是支撑层。管状环形壁(2085)在两端开口。管状环形壁(2085)形成燃料管道，该燃料管道延伸穿过阴极室(2090)以将燃料(2027)运送穿过阴极室(2090)。在不背离本技术的情况下，可使用其他杆形状，包括正方形、三角形、五边形、六边形等。此外，其他支撑层可用于提供结构完整性。每个燃料电池包括两个金属端盖(2095)、(2100)或管道歧管适配器，其中一个端盖附接到管道环形壁(2085)的两个相对端中的每一个上。
[0092]
每个端盖(2095)、(2100)或管道歧管适配器包括杯状附接端(2105)和轴颈形支撑端(2110)。附接端(2105)包括盲孔，盲孔被定尺寸为在其中接纳环形壁(2085)的外径。每个附接端(2105)通过压力配合或过盈配合或通过另一种紧固手段(诸如通过使用适合于热区的运行温度(350℃-1200℃)的材料的铜焊或粘合剂结合等)被固定地附接至杆端。轴颈形支撑端(2110)包括环形壁，环形壁被形成有外径，外径被定尺寸为与在输入侧上穿过顶部
管支撑壁(2070)的对应的通孔以及在输出侧上穿过底部管支撑壁(2075)的对应的通孔相接合。轴颈形支撑端(2110)还包括贯穿其中的通孔，该通孔用作棒状燃料电池顶端的电池输入端口(2115)或用作棒状燃料电池(2080)底端的电池输出端口(2120)。优选地，端盖(2095、2100)或管道歧管适配器各自包括与燃料电池热相容的高温低铬、耐腐蚀金属合金。盖可由金属盖上的陶瓷涂层组成以防止铬污染。
[0093]
参见图2和图3，每个燃料电池(2080)的顶部端盖(2095)可以提供与环形壁(2085)的外径或阴极层的电连通，使得环形壁(2085)的外径通过穿过端盖(2095)的电引线(2125)而与直流电流输出端子(140)中的一个直流电流输出端子(140)电连通。第二电引线(2130)与环形壁(2085)或阳极层的内径以及与直流电流输出端子(140)的不同端子电连通。此外，在每个端盖(2095)和(2100)与相应的顶部管支撑壁(2070)和底部管支撑壁(2075)之间设置电绝缘体(未示出)，以使热区壳体壁(2015)与由燃料电池堆(2005)产生的电流电隔离。
[0094]
由环形壁(2085)形成的每个棒状燃料电池包括阳极支撑层，该阳极支撑层是形成有内径和外径的结构阳极材料层。阳极支撑层可包含金属陶瓷，如先前所述。阳极支撑层环状壁(2085)的外径至少部分地涂覆有陶瓷电解质层，诸如氧化钇稳定的氧化锆(yttriastabilizedzirconia)或铈(ce)基或镓酸镧基等的陶瓷。陶瓷电解质层的外径至少部分地涂覆有阴极材料层，诸如镧锶钴氧化物(lsc)、镧锶钴铁氧化物(lscf)、锰酸镧锶(lsm)等。
[0095]
在系统热区(2000)的第二非限制性示例性实施例中，热区壳体壁和内端壁的机械结构类似于图2中所示并且如上所述；阳极层和阴极层在陶瓷电解质层的相对侧上。具体地，在第二实施例中，阳极支撑层环形壁(2085)的内径(与外径相反)至少部分地涂覆有陶瓷电解质层，诸如氧化钇稳定的氧化锆或铈(ce)基或镓酸镧基等的陶瓷，并且陶瓷电解质层的内径至少部分地涂覆有阴极材料层，诸如镧锶钴氧化物(lsc)、镧锶钴铁氧化物(lscf)、锰酸镧锶(lsm)等。在该示例性实施例中，环形壁(2085)的阳极支撑层是每个燃料电池的外径，并且每个燃料电池的内径是阴极层。因此，在第二示例性实施例中，阴极室(2090)变成阳极室，并且燃料被输送到阳极室中，而阴极气体、空气流动穿过棒状燃料电池。
[0096]
燃料(2027)流动穿过阳极材料层，而阴极气体(含氧气体，例如，空气)流动穿过阴极材料层，以产生电流流动。电流流出电池堆经电引线(2125)、(2130)流到直流电流输出端子(140)并且可以用于对外部装置供电。应注意，在其他实施例(诸如以上简要描述的第二实施例)中，在不偏离本技术的情况下，阳极和阴极表面可以颠倒，其中阴极层在燃料电池的内径上，阳极层在燃料电池的外径上，空气流动穿过由燃料电池形成的气流管道，燃料流动穿过燃料电池的外表面。
[0097]
燃料输入歧管(2055)包括由盘状顶壁(2170)和相对的盘状顶部管支撑壁(2070)界定的圆柱形室。盘状燃料输入歧管顶壁(2170)包括导热块(2160)。导热块(2160)包括导热系数大于100w/(m
°
k)，优选大于200w/(m
°
k)的一种或更多种材料，诸如铜、钼、铝铜、铜镍合金或其组合中的一种或更多种。导热块(2160)与热区壳体壁(2015)热传导连通，特别是与所述侧壁(2002)热传导连通。导热块(2160)定位成接近环形冷启动燃烧室(2305)，如下所述，以便在启动期间从在环形冷启动燃烧室(2305)内燃烧的燃料接收热能，并且将从其接收的热能热传导至热区外壁(2015)。此外，当燃料(2027)穿过燃料输入歧管(2055)时，导
热块(2160)将如下的热能辐射到燃料(2027)上：接收来自环形冷启动燃烧室(2305)内的燃料燃烧的所述热能，以及通过热区壳体壁的热传导接收的所述热能。
[0098]
顶部管支撑壁(2070)与每个燃料电池顶端盖(2095)的轴颈形支撑端(2110)形成气密密封。此外，每个燃料电池(2080)通过形成在顶部管支撑壁(2070)中的机械接口固定地悬挂在顶部管支撑壁(2070)，顶部管支撑壁(2070)包括用于接收轴颈形支撑端(2110)或穿过其中的歧管适配器的通孔。此外，燃料输入歧管(2055)由侧壁(2002)界定。
[0099]
由于本示例性实施例利用了cpox重整器(2002)，cpox重整器(2002)使用放热反应来重整供给燃料，重整器(2020)是热能源，该热能源被有利地设置在热区(2000)内以在燃料进入热区时加热进入的供给燃料和空气混合物(2025)。然而，在本技术的sofc系统的其他实施例中，重整器(2020)可利用吸热反应(例如蒸汽重整器)或热中性反应(例如用于重整燃料的自热重整器)，并且在这些情况下，重整器(2020)可以设置在热区(2000)的外部，并且代替地放置在冷区(110)中，如图1所示。因此，在不偏离本技术的情况下，可以在没有重整器(2020)的情况下运行本技术的改进的热区(2000)。
[0100]
4.5尾气燃烧室
[0101]
尾气燃烧器或燃烧区域(2135)是设置在盘形底部管支撑壁(2075)和盘形燃烧器端壁(2140)之间的环形体积，该盘形底部管支撑壁(2075)包括热块(2180)，盘形底部管支撑壁(2075)和热块(2180)两者都如上所述并在图2中示出，盘形燃烧器端壁(2140)还包括热块(2175)。热块(2180)、(2175)都包括一种或更多种导热系数大于100w/(m
°
k)，优选大于200w/(m
°
k)的材料，诸如铜、钼、铝铜、铜镍合金或其组合中的一种或更多种。热块(2180)、(2175)被定位成接收来自燃烧区域(2135)的热能并且被配置成用于将从燃烧区域接收的热能传导至热区壳体壁(2015)以及将从燃烧区域接收的热能辐射到阴极室(2090)和同流换热器室(2210)中。
[0102]
环形燃烧器挡板(2185)被提供在环形燃烧器区域内以重新导向气流穿过燃烧区域(2135)并且产生湍流，从而增加了到燃烧区域(2135)的侧壁的对流能量传递。燃烧器挡板(2185)可固定地附接至热区壳体侧壁(2002)或可包括下述燃烧室衬里的一部分。
[0103]
以下描述的阴极供料管(2145)沿着中央纵向轴线(2060)穿过燃烧区域(2135)。阴极供料管(2145)的壁通过来自燃烧区域(2135)内的燃烧气体的对流热能传递而被加热。通过阴极供料管(2145)流向阴极室(2090)的空气由从阴极供料管(2145)辐射至流动穿过阴极供料管(2145)的空气的热能加热。
[0104]
燃烧区域(2135)的内壁衬有一种耐高温、耐腐蚀的金属，诸如一种哈氏合金。在盘状底部管支撑壁(2075)的情况下，面向燃烧器区域的表面包括哈氏合金。在燃烧器区域端壁(2140)的情况下，面向燃烧器区域的表面包括哈氏合金。在每种情况下，壁(2075)、(2140)被形成为具有分别与对应的热块(2180)、(2175)导热接触的哈氏合金盘形衬里的复合结构。燃烧区域(2135)的侧壁还衬有耐高温、耐腐蚀的金属，诸如哈氏合金等。在一个非限制性示例性实施例中，侧壁衬里包括被形成为管状端部开放的圆柱形壁的单独元件，其中燃烧器挡板(2185)与该圆柱形壁一体形成。此外，侧壁衬里形成为插入到热区壳体侧壁(2002)中并从其任一开口端插入，并且基本上在壁衬里的整个表面上与侧壁(2002)热传导接触。
[0105]
4.6同流换热器
[0106]
空气(2200)通过输入端口(2205)进入阴极供料管(2145)并且流入到同流换热器室(2210)中。同流换热器室(2210)被定位成接近尾气燃烧区域(2135)，以使用通过在燃烧区域(2135)内发生的废燃料的燃烧产生的热能来加热进入的空气(2200)。同流换热器室(2210)是环绕阴极供料管(2145)的环形室，并且在顶侧上由盘形燃烧器端壁(2140)界定，在底侧上由盘形热区壳体底壁(2006)界定，并且在其侧面上由热区壳体侧壁(2002)界定。
[0107]
热能通过热区壳体壁(2015)、燃烧器端壁(2140)以及在较小程度上通过阴极供料管(2145)传导至同流换热器室(2210)的壁。在空气(2200)穿过同流换热器室(2210)时热能从同流换热器室壁辐射到空气。同流换热器室(2210)的外壁由从燃烧区域(2135)离开的热排放气体进一步加热。具体地，同流换热器室(2210)被气隙(2155)包围，气隙携带从燃烧区域(2135)离开的热排放气体穿过燃烧器出口端口(2150)到达热区出口端口(2165)。来自热排放气体的热能通过对流热传递加热同流换热器室壁的外壁部分。
[0108]
同流换热器挡板(2215)被设置在同流换热器室(2210)内部并且穿过阴极供料管(2145)，从而防止空气流动穿过阴极供料管(2145)。因此，穿过输入端口(2205)进入阴极供料管(2145)的空气(2200)撞击在该阴极供料管内部的同流换热器挡板(2215)，并且穿过一个或更多个空气输入端口(2225)被迫进入到同流换热器室(2210)中。穿过空气输入端口(2225)流入同流换热器室中的输入空气(2200)绕过同流换热器挡板(2215)并且在同流换热器室(2210)中被加热之后穿过一个或更多个同流换热器空气输出端口(2235)重新进入阴极供料管。
[0109]
4.7冷启动燃烧器
[0110]
参考图2，sofc热区(2000)可选地包括冷启动燃烧器(2300)，提供冷启动燃烧器(2300)以将热区初始加热至高于350℃的运行温度或者至少直至尾气燃烧器区域中发生自发燃烧。冷启动燃烧器包括环形启动燃烧室(2305)。环形启动燃烧室(2305)围绕催化腔(2035)和环形隔热元件(2065)。环形启动燃烧室(2305)在顶部由盘状热区壳体顶壁(2004)界定，并且在底部由包括环形热块(2175)的盘状燃料输入歧管顶壁(2170)界定。环形启动燃烧室(2305)进一步由热区壳体侧壁(2002)界定。
[0111]
启动燃烧器入口端口(2310)在其中接收来自启动燃料源(未示出)的未重整的启动燃料(2315)。启动燃料(2315)可包括各种可燃气体或汽化液体燃料，诸如天然气、丙烷、甲烷、氢气、醇或燃料与空气的混合物。在一些示例性实施例中，启动燃料(2315)包括供给燃料和空气混合物(2025)。启动燃料(2315)与空气或另一含氧气体一起穿过燃烧器入口端口(2310)输送到环形启动燃烧室(2305)中，并由电火花点火器(2320)或一些其他点火源点火。
[0112]
在启动燃烧期间，由环形启动燃烧室(2305)内的启动燃料燃烧产生的热能通过对流热能传递被传递到热区壳体顶壁(2004)和侧壁(2002)以及燃料输入歧管顶壁(2170)。从这些壁中的每一个壁开始，启动燃烧的热能通过热传导热区壳体壁(2015)传导至热区的其他区域。
[0113]
来自启动燃烧的排放气体穿过启动燃烧器出口端口(2325)离开环形启动燃烧室(2305)，启动燃烧器出口端口与通向该热区出口端口(2165)的气隙(2155)处于流体连通。因此，从环形启动燃烧室(2305)流向热区出口(2165)的排放气体通过对流热传递进一步加热热区壳体壁(2015)的外表面。
[0114]
环形启动燃烧室(2305)的内壁衬有一种耐高温、耐腐蚀的金属，诸如哈氏合金。在盘状热区壳体顶壁(2004)的情况下，该壁在其内表面上衬有哈氏合金材料层，其中哈氏合金层与热区壳体顶壁(2004)热传导接触。在盘状燃料输入歧管顶壁(2170)的情况下，该壁的顶侧包括与环形导热块(2175)热传导接触的哈氏合金材料层。在侧壁的情况下，将包括哈氏合金材料的圆柱形壁衬里插入到启动燃烧室中，与热区壳体侧壁(2002)热传导接触。
[0115]
4.8气体流动图
[0116]
4.8.1燃料流程图
[0117]
现在参见图3，示意性燃料流程图描述了供给燃料和空气混合物(2025)在其穿过热区(2000)时的流动路径。供给燃料和空气混合物(2025)进入重整器输入端口(2045)并穿过重整器催化腔(2035)以产生燃料(2027)，例如重整物(重整燃料)。燃料(2027)穿过重整器出口端口(2050)离开重整器并进入燃料输入歧管(2055)。燃料从输入歧管(2055)穿过相应的电池输入端口(2115)进入每个燃料电池(2080)，并且流动穿过每个燃料电池，并且穿过相应的电池输出端口(2120)离开燃料电池。在燃料电池(2080)的内部，燃料在形成电池环状壁(2085)的内表面的阳极材料层上反应。在穿过电池出口端口(2120)离开燃料电池之后，剩余的燃料(2027)(其包括未反应的燃料和反应副产物)进入燃烧区域(2135)，在燃烧区域(2135)剩余的燃料(2027)与从阴极室(2090)离开的空气混合形成混合物，该混合物在燃烧区域(2135)中自发燃烧。如上所述，由燃烧区域(2135)中的燃烧产生的热能通过辐射和对流传递到燃烧器区域的侧壁，并穿过热区壳体壁(2015)热传导到热区的其他区域。另外，通过在燃烧区域(2135)中的燃烧产生的热能可以通过气体到表面的热传递(通过对流和热传导穿过壳体壁)传递到接近燃烧器区域的导热块(2175)、(2180)中的每一个导热块。另外，靠近燃烧器区域的导热块(2175)和(2180)分别将热能辐射到同流换热器室(2210)和阴极室(2090)中以加热穿过其中的空气。
[0118]
在燃烧之后，来自燃烧后混合物的排放气体(如虚线箭头所示)穿过一个或更多个燃烧器出口端口(2150)离开燃烧区域(2135)到达气隙(2155)。来自燃烧后混合物的排放气体从气隙(2155)穿过热区出口端口(2165)离开热区。
[0119]
4.8.2燃料流程图冷启动
[0120]
如图3中进一步所示，启动燃料(2315)和空气穿过启动燃烧器入口端口(2310)进入环形启动燃烧室(2305)，启动燃料在环形启动燃烧室(2305)燃烧。
[0121]
燃烧后的排放气体(如虚线箭头所示)穿过一个或更多个启动燃烧器出口端口(2325)离开燃烧区域(2135)到达气隙(2155)。来自启动燃烧器的排放气体从气隙(2155)穿过热区出口(2165)离开热区。
[0122]
4.8.3空气流动图
[0123]
现在参见图4，示意性空气流动图描绘了空气(2200)在其穿过热区(2000)时的流动路径。空气(2200)穿过空气输入端口(2205)进入阴极供料管(2145)。空气(2200)穿过同流换热器空气输入端口(2230)离开阴极供料管以进入同流换热器室(2210)。空气在同流换热器挡板(2215)周围流动并且穿过同流换热器空气输出端口(2235)重新进入该阴极供料管(2145)。在同流换热器室(2210)内部，空气(2200)由从同流换热器室壁(2006)、(2002)和燃烧器端壁(2140)辐射的热能加热并且与环形导热块(2175)相关联。
[0124]
空气(2200)在其流动穿过阴极供料管(2145)时穿过燃烧区域(2135)。在燃烧区域
中，空气在进入阴极室(2090)之前由从阴极供料管(2145)的表面辐射的热能进一步加热，同时仍流动穿过阴极供料管(2145)。空气(2200)离开阴极供料管并穿过沿着延伸到阴极室(2090)中的阴极供料管(2145)的长度的一部分设置的多个阴极室空气输入端口(2240)进入阴极室(2090)。
[0125]
一旦在阴极室(2090)内部，空气(2200)填充阴极室并且撞击每个燃料电池(2080)的外径或阴极层、并且对涂覆在每个燃料电池的外径的至少一部分上的阴极材料层进行反应。经过阴极材料层的空气之间的反应与经过形成每个燃料电池内径的阳极材料层的燃料(2027)的反应相耦合产生电流，电流经图3所示的电引线(2125)、(2130)被传送到直流电流输出端子(140)。
[0126]
在与涂覆在每个燃料电池上的阴极材料层反应之后，氧还原空气(2200)(如虚线流动线所示)穿过通向燃烧区域(2135)的一个或更多个阴极室输出端口(2245)离开阴极室(2090)。在燃烧区域(2135)中，贫氧空气与从燃料电池排出的未消耗的燃料(2027)混合并且燃烧混合物。来自燃烧的混合物的排放气体穿过燃烧器出口端口(2150)离开燃烧区域(2135)，燃烧器出口端口(2150)通向气隙(2155)。气隙(2155)将排放气体运送到热区出口端口(2165)并从热区排出。
[0127]
虽然图4示意性地示出了两个直径上相对的同流换热器空气输入端口(2230)、两个直径上相对的同流换热器空气输出端口(2235)以及多对直径上相对的阴极室空气输入端口(2240)，然而实际装置可以包括任何孔图案，孔图案具有根据空气流分配所要求的围绕阴极供料管(2145)的周向布置的一个或更多个孔。类似地，图4示出了两个在直径上相对的阴极室空气输出端口(2245)和两个在直径上相对的燃烧器出口端口(2150)，然而，实际装置可以包括任何具有一个或更多个孔的孔图案，这些孔围绕盘形壁(2004)或侧壁(2002)的周向布置，如空气流分配所要求的。在不偏离本技术的情况下，替代上述气体端口中的任一个气体端口可具有非圆形形状，例如正方形、矩形和椭圆形或槽形。
[0128]
4.9壳体壁表面处理
[0129]
根据本技术的一个方面，没有铜表面暴露于氧气/空气，以避免对铜的氧化损害。这包括形成整个燃料流动路径的所有表面以及形成整个空气流路径的所有表面，因为燃料和空气都包含或可能包含氧气。可暴露于燃料流或空气流的铜表面至少通过镍镀层来保护，镍镀层通过电沉积电镀等施加到0.0005英寸至0.0015英寸(12.5μm至38.1μm)的厚度。镀镍层的厚度大于常规镍电沉积涂层的正常厚度的100倍，并且更厚的镍涂层用于基本上防止氧扩散穿过镍涂层。
[0130]
本技术的这个方面在图5a中示出，图5a描绘了穿过热区壳体壁中的任一个热区壳体壁截取的非限制性示例性剖视图(2015)。热区腔壁剖面(5005)包括铜芯(5010)，铜芯(5010)包括具有在500℃下约370w/(m
°
k)和在1027℃下约332w/(m
°
k)的导热率范围的铜。铜芯(5010)具有在0.01英寸-0.125英寸(0.25mm-3.2mm)范围内的厚度，然而在不偏离本技术的情况下可使用其他厚度。更普遍地，热区腔壁厚度可以根据具体应用的需要而增大或减小。通常，较厚的壳体壁(例如，高达约0.25英寸)需要更长的时间来加热至期望的运行温度，但是具有以下优点：一旦加热至运行温度，较厚的壁就具有更高的热传导能力，并且较不易于形成热梯度，并且当表面氧化是失效模式时，与较薄的壁相比提供更长的运行寿命，仅仅因为较厚的壁需要很长时间才能氧化至壁变得不可用的程度。
[0131]
铜芯(5010)包括形成壳体壁的内表面和外表面的两个相对表面，并且在优选实施例中，铜芯(5010)的内表面和外表面中的每一个在内表面上被电沉积镍涂层(5015)覆盖并且在外表面上被电沉积镍涂层(5020)完全覆盖。每个镍涂层被施加到至少0.0005英寸(12.5μm)的层厚度，该层厚度是适当的厚以防止氧扩散穿过镍涂层。更普遍地，在0.0005至0.0015(12.5μm至38.1μm)范围内的所希望的镍涂层厚度提供了足够的表面保护来免受氧化以获得高达约40,000小时的产品寿命，并且在不偏离本技术的情况下，更厚的镍涂层可用于增加产品寿命。参见图2，壁剖面(5005)至少代表包括侧壁(2002)、盘状顶壁(2004)、盘状底壁(2006)的热区壳体壁(2015)的外壁，并且可以代表重整器壳体壁(2030)的一些壁。
[0132]
根据本技术的一个方面，燃烧室表面衬有耐高温、耐腐蚀的金属(诸如哈氏合金等)，以保护燃烧室的内表面免受暴露于高温、燃烧副产物和腐蚀元素造成的表面损坏。在不偏离本技术的情况下，可使用替代的蒙乃尔铜-镍合金或铬镍铁合金。
[0133]
本技术的这个方面在图5b中示出，图5b描绘了穿过燃烧室侧壁截取的非限制性示例性剖视图(5025)。侧壁剖面(5025)包括热区壳体侧壁(2002)的铜芯(5010)以及如上所述施加在铜芯的相对侧上的电沉积镍涂层(5015)、(5020)。具体地，剖视图(5025)包括图5a中所示的相同的热区外壁(5005)。此外，燃烧室侧壁剖面(5025)进一步包括被定位成衬在燃烧室的内表面的哈氏合金衬里(5030)。参见图2，侧壁剖面(5025)至少表示环形尾气燃烧区域(2135)的圆柱形外壁和环形冷启动燃烧室(2305)的圆柱形外壁。侧壁剖面(5025)示出了被哈氏合金衬里元件(5030)保护的热区侧壁(2002)。在尾气燃烧区域(2135)的具体示例中，哈氏合金衬里元件(5030)还包括附接到其上或与其一体形成的燃烧器挡板(2185)。然而，除了存在燃烧器挡板(2185)之外，剖面(5025)还表示环形冷启动燃烧室(2305)的顶壁和侧壁。
[0134]
燃烧区域(2135)、(2305)中的每个燃烧区域还衬有一对相对的盘状哈氏合金衬里元件，哈氏合金衬里元件被定位成衬在燃烧器区域的内部顶表面和内部底表面。在尾气燃烧器区域(2135)的情况下，其室顶壁由底部管支撑壁(2075)形成，底部管支撑壁(2075)包括盘状哈氏合金衬里元件(5050)，如图5c所示。衬里元件(5050)被设置成面向环形尾气燃烧区域或环形尾气燃烧室(2135)的内部。尾气燃烧区域底壁由燃烧器端壁(2140)形成，燃烧器端壁(2140)还包括面向环形燃烧区域室(2135)内部的盘状哈氏合金衬里(5060)。
[0135]
在冷启动燃烧器(2300)的环形冷启动燃烧室(2305)的情况下，其顶部室壁由热区壳体顶壁(2004)形成，热区壳体顶壁(2004)包括与环形冷启动燃烧室(2305)的内侧顶壁接触的环形哈氏合金衬里元件(5030)。具体地，热区壳体顶壁(2004)以及环形冷启动燃烧室(2305)的顶壁在图5b的剖视图中是详细的，图5b示出了在内表面上被电沉积的镍层(5015)覆盖并且在外表面上被电沉积的镍层(5020)覆盖的铜芯(5010)，并且包括与镍层(5015)接触的哈氏合金衬里元件(5030)。虽然剖面图(5025)是竖直取向的并且包括哈氏合金燃烧器挡板(2185)，但是，在没有燃烧器挡板(2185)的情况下，该剖面与顶壁(2004)相同并且像顶壁(2004)那样旋转到水平方向。
[0136]
环形冷启动燃烧室(2305)的底壁是由燃料输入歧管(2170)的顶壁形成的。该壁也包括环形哈氏合金衬里元件(5060)，类似于图5b所示，与环形冷启动燃烧室(2305)的内部底壁接触配合。
[0137]
根据本技术的一个方面，没有进入的空气(2200)暴露于由包括铬的材料形成的表
面以避免使施加到燃料电池(2080)的外表面的阴极层污染。这包括形成整个进入空气流动路径的所有表面，这些表面包括阴极供料管(2145)的内表面、同流换热器室(2210)、同流换热器挡板(2215)、阴极供料管(2145)的外表面、阴极室(2090)的内表面以及被容纳在阴极室内的元件，这些元件包括燃料电池端盖(2095)、(2100)以及顶部和底部管支撑壁(2070)、(2075)。
[0138]
在一个非限制性示例性实施例中，阴极供料管(2145)、同流换热器挡板(2215)以及每个底端盖(2100)是由不含铬并且耐腐蚀的高温金属合金形成的；例如蒙乃尔铜-镍合金。另外，形成该同流换热器室(2210)的顶表面的燃烧器端壁(2140)的至少底表面是由保护元件形成的或衬有该保护元件，保护元件是由一种不含铬并且耐腐蚀的高温金属合金形成的；例如蒙乃尔铜-镍合金。类似地，形成阴极室(2090)的底表面的底部管支撑壁(2075)的至少顶表面由保护元件形成或衬有保护元件，保护元件由不含铬且耐腐蚀的高温金属合金形成；例如蒙乃尔铜-镍合金。
[0139]
与进入的空气流相关联的、涂覆有上述电沉积的镀镍层的内表面可以暴露于空气流而不暴露于铬。可以接触进入的空气流的镀镍表面包括：侧壁(2002)以及盘形底壁(2006)，侧壁(2002)形成同流换热器室(2210)和阴极室(2090)中的每一个的侧壁；盘形底壁(2006)形成同流换热器室(2210)的底壁。表面各自具有图5a中所示的横截面(5005)。此外，阴极室(2090)内部的由含铬材料形成的其他表面(诸如均由铬镍铁合金形成的顶部管支撑壁(2070)和顶部端盖(2095))被镀镍层覆盖，该镀镍层通过电沉积电镀等施加至0.0005英寸至0.0015英寸(12.5μm至38.1μm)的厚度，以避免空气被铬污染。
[0140]
现在参见图5c，详细的剖视图描绘了穿过底部管支撑壁(2075)截取的剖面(5040)。详细剖视图示出了包括铜块的导热块(2180)，该铜块具有在500℃下约370w/(m
°
k)的导热率和在1027℃下约332w/(m
°
k)的导热率。铜块(2180)具有在0.01英寸-0.375英寸(2.5mm-9.5mm)范围内的厚度，然而，在不背离本技术的情况下，可使用其他厚度。底部管支撑壁(2075)的顶表面面向阴极室(2090)的内部，因此衬有盘状衬里元件(5045)，盘状衬里元件(5045)由无铬且耐腐蚀的高温金属合金形成(例如蒙乃尔铜-镍合金)，以避免阴极气体被铬污染。底部管支撑壁(2075)的底表面面向尾气燃烧区域(2135)并衬有由哈氏合金形成的盘状衬里(5050)。
[0141]
现在参见图5d，非限制性的示例性详细剖视图描绘了穿过燃烧器端壁(2140)截取的剖面(5055)。详细的剖面示出了导热块(2140)，导热块(2140)包括具有范围在500℃下约370w/(m
°
k)的导热系数和1027℃下约332w/(m
°
k)的导热系数的铜块。铜块(2175)具有在0.01英寸-0.375英寸(2.5mm-9.5mm)范围内的厚度，然而在不偏离本技术的情况下，可使用其他厚度。壁(2140)的顶表面面向尾气燃烧区域(2135)的内部并且因此衬有由固体哈氏合金形成的环形衬里元件(5060)。壁(2140)的底表面面向同流换热器室(2210)并且衬有环形衬里(5065)，该环形衬里是由不含铬并且耐腐蚀的高温金属合金形成的；例如蒙乃尔铜-镍合金。
[0142]
现在参见图5e，非限制性示例性详细剖视图描绘了穿过燃料输入歧管顶壁(2170)截取的剖面(5070)。详细剖视图示出了包括铜块的导热块(2160)，铜块具有在500℃下约370w/(m
°
k)和在1027℃下约332w/(m
°
k)的导热率范围。导热铜块(2160)具有在0.01英寸-0.375英寸(2.5mm-9.5mm)范围内的厚度，然而，在不背离本技术的情况下，可使用其他厚
度。导热铜块(2160)的相对顶表面和底表面可选地被镀镍层(5075)覆盖，镀镍层通过电沉积电镀等被施加至0.0005英寸至0.0015英寸(12.5μm至38.1μm)的厚度。施加镀镍以避免供给燃料和空气混合物(2025)与导热铜块(2160)之间的接触，以避免氧化铜块表面。燃料输入歧管顶壁(2170)的顶表面面向环形冷启动燃烧室(2305)的内部，并且因此衬有由固体哈氏合金形成的环形衬里元件(5080)，以保护导热块(2160)免受热损坏。
[0143]
图5d和图5c中详细示出的壁(2075)和(2180)的另一变型是，铜块(2180)、(2175)的两侧被镀镍层覆盖，该镀镍层通过例如如上所述的电沉积电镀等被施加到0.0005英寸至0.0015英寸(12.5μm至38.1μm)的厚度，参见图5e。包括镀镍以避免供给燃料和空气混合物(2025)和/或空气(2200)与相应铜块(2180)、(2175)之间的接触，从而避免氧化铜块表面。在哈氏合金元件(5050)、(5060)以及蒙乃尔铜-镍合金元件(5045)、(5065)包含单独的衬里元件的情况下，即不与铜块(2180)一体形成，铜块优选地在其两个相对表面上镀镍(例如，如图5e所示)。然而，在盘状或环形衬里元件(5045)、(5050)、(5060)、(5065)与铜块(2180)和/或(2175)镀镍一体形成的其他情况下，可能不需要铜块。
[0144]
通常，以上描述的哈氏合金元件和蒙乃尔铜-镍合金元件用于保护各种表面免于损坏或避免通过与含铬表面(诸如铬镍铁合金或哈氏合金表面)接触而污染进入的空气。在一个非限制性示例性实施例中，一个或更多个保护元件与热区壳体壁(2015)分开制造，并且在组装时诸如通过将保护材料层铜焊到被保护的表面上而被安装在适当位置。在图5c和图5d所示的示例性铜块(2180、2175)中，将保护蒙乃尔铜-镍合金和哈氏合金层直接铜焊到铜块的相对表面，而不对铜块进行镀镍。优选地，铜焊步骤基本上气体密封铜块，以防止空气或燃料接触并氧化铜块的表面。
[0145]
在图5e中示出的示例导热铜块(2160)中，保护性哈氏合金层被直接铜焊至设置在燃烧区域(2135)内的铜块的一个表面的镍层(5075)。在非限制性示例性实施例中，安装哈氏合金层以保护铜块表面免受直接暴露于燃烧和腐蚀元素。在相对的表面上，仅镀镍保护层(5075)被施加到设置在同流换热器室(2210)内部的铜块表面上，因为仅需要镍层来保护铜块表面免受进入的空气的氧化。在图5e的示例中，哈氏合金层(5080)可以机械地附接，例如通过紧固件或夹紧在适当位置，而不需要气体密封铜表面，因为铜表面已经被设置在导热铜块(2160)和哈氏合金层(5080)之间的镍层(5075)保护。
[0146]
因此，如以上并且特别是关于图5b、图5c、图5d和图5e所描述的，哈氏合金元件和蒙乃尔铜-镍合金元件可以包括多个分开的元件，诸如与盘形热块元件(2180)、(2175)、(2160)接触配合的盘形元件(5040)、(5050)(5060)、(5065)(5080)，或哈氏合金元件和蒙乃尔铜-镍合金元件可以包括例如(5030)设置为与燃烧室的内圆柱形壁表面(诸如热区壳体壁的侧壁(2002))接触配合的圆柱形壁部分。圆柱形壁部分被插入在热区壳体壁内的适当位置，例如在环形冷启动燃烧室(2305)内和尾气燃烧区域(2135)内并铜焊、焊接或以其他方式紧固或夹紧在适当位置，与待保护的表面接触配合。在一些实施例中，哈氏合金元件和蒙乃尔铜-镍合金元件可以直接施加到传导芯表面(例如，直接铜焊到导热块的表面上)并具有基本上气密的密封。在其他实施例中，导热块或芯壁表面是镀镍的，并且哈氏合金元件或蒙乃尔铜-镍合金元件可以施加在镀镍上，而不需要提供基本上气体密封，并且代替在整个表面上进行铜焊以提供气体密封，元件可以通过夹紧、通过机械紧固件或者通过在选定点处进行铜焊或点焊而保持在适当位置。在进一步的实施例中，任何上述壁结构可以被形
成为金属铸件，其中各种保护材料层通过众所周知的方法(包括电镀、溅射、喷涂热浸渍等)形成在金属铸件的选定表面上。
[0147]
然而，在本技术的其他非限制性实施例中，热区壳体壁(2015)的外壁和/或内壁的部分由预制的多层复合材料形成。复合材料包括用多个不同金属层制造的板和/或管材，板和/或管材可用于形成本文所述的各种热区壳体壁。
[0148]
在第一步骤中，通过通常被称为包层的挤压或轧制工艺将异种金属的片材接合在一起。在示例性实施例中，参见图5c，将包含铜块(2180)、哈氏合金层(5050)和蒙乃尔铜-镍合金层(5045)的复合片材热辊压焊接以形成复合片材。一旦形成，可从复合片材切割下底部管支撑壁(2075)，并在二次操作中添加孔和其他特征。然后通过铜焊、焊接、机械紧固、夹紧、高温粘合剂粘合等将底部管支撑壁(2075)组装到热区壳体壁(2015)。此外，在图5d中示出的壁2140包括与在图5c中示出的底部管支撑壁2075相同的材料层(仅顺序颠倒)，可以从相同的复合片材切割出，并且在二次操作中添加孔和其他特征。然后，通过铜焊、焊接、机械紧固、夹紧、高温粘合剂粘合等，将壁(2140)和底部管支撑壁(2075)中的每一个组装到热区壳体壁(2015)。
[0149]
在示例性实施例中，参见图5e，将包括导热铜块(2160)和哈氏合金层(5080)的复合片材热辊压焊接以形成复合片材。在该示例性实施例中，可以省去镍层(5075)，使得复合片材仅具有两层。一旦形成，可从复合片材切割燃料输入歧管顶壁(2170)，并在二次操作中添加孔和其他特征。燃料输入歧管顶壁(2170)然后通过铜焊、焊接、机械紧固、夹紧、高温粘合剂粘合等组装到热区壳体壁(2015)。在进一步的步骤中，复合片材可以在至少铜表面上镀镍以防止暴露的铜表面氧化。
[0150]
类似地参考图5b，将包括铜芯(5010)和哈氏合金层(5030)的两层复合片材热辊压焊接以形成复合片材。在该示例性实施例中，可以省去镍层(5015)、(5020)，使得复合片材仅具有两层。一旦形成，孔和其他特征通过二次操作形成，然后复合片材形成为圆柱形壁。圆柱形壁被切割成一定尺寸并与其他圆柱形壁部段组装，以形成与包封燃烧区域相关的热区壳体侧壁(2002)的部分。圆柱形壁部分可以通过铜焊、焊接、机械紧固、夹紧、高温粘合剂粘合等接合在一起。在另一步骤中，复合片材可以在一侧或两侧上镀镍，并且组装的热区壳体侧壁可以镀镍以保护暴露的铜表面免于氧化。
[0151]
4.10sofc燃料电池堆配置
[0152]
现在参见图6，以顶部剖视图示出了可用于本技术的sofc系统实施例(7000)的非限制性示例性实施例的部分。以顶部剖视图示出的配置(7000)描绘了由圆形热区壳体壁(7015)包封的阴极室(7010)。圆形壳体壁(7015)被圆形热绝缘层(7020)包围，圆形热绝缘层(7020)通过小气隙(未示出)与圆形壳体壁分隔开，小气隙可用作如上所述的气体流动管道。
[0153]
阴极供料管(7025)被示为相对于圆形热区壳体壁(7015)居中。多个棒状燃料电池以两个同心圆形图案设置，其中每个圆形图案相对于相同的中心轴线(7030)居中。内部圆形图案(7035)包括八个内部棒状燃料电池(7040)。外部圆形图案(7045)包括十四个外部棒状燃料电池(7050)。在不背离本技术的情况下，可使用其他壳体形状和燃料电池图案。
[0154]
4.11替代的sofc系统实施例
[0155]
现在转向图7-图9和图12-图15，图7a-图9c中所示的改进的sofc系统(8000)的一
部分的第一替代非限制性示例性实施例包括包封sofc堆(8005)的u形主壳体壁组件(8045)。图12-图13b中示出了改进的sofc系统的一部分的第二替代非限制性示例性实施例。第二替代性sofc系统包括两个l形主壳体壁组件(12045)，其中每个l形主壳体壁组件(12045)包封单个sofc堆(8005)以提供双堆sofc系统(12000)。图14示出了改进的sofc系统(14000)的一部分的第三替代非限制性示例性实施例。第三替代性sofc系统(14000)包括包封单个sofc堆(8005)的一个l形主壳体壁组件(12045)。在图15中示出了改进的sofc系统(15000)的一部分的第四替代非限制性实施例。第四替代性sofc系统(15000)包括两个u形主壳体壁组件(8045)，每个u形主壳体壁组件(8045)包封不同的sofc堆(8005)。每个sofc堆(8005)包括多个单独的燃料电池(8010)。在非限制性示例性实施例中，单独的燃料电池(8010)以成对的两个单独的燃料电池沿由系统坐标轴图(8100)(在图9a、图12和图14中示出)限定的堆横向宽度轴线(y)并排定位的方式布置。在本实施例中，多对两个燃料电池(8010)沿着堆纵向长度轴线(x)并排定位。然而，本文中描述的技术不限于本实施例中的燃料电池的示例性布置，并且进一步不限于管状燃料电池。在不背离本文所描述的技术的概念的情况下，可使用sofc堆内的燃料电池的任何其他合适布置。选择sofc堆中的燃料电池(8010)的数量以满足预定的发电需求或其他堆容量因素。在其他实施例中，沿堆横向宽度轴线(y)或堆纵长轴线(x)中的任一个布置的燃料电池的数量可以是一个或更多个，其中选择单个燃料电池(8010)的总数以满足预定发电需求或其他堆容量因素。
[0156]
在非限制性示例性实施例中，每个燃料电池(8010)包括沿着管道中心轴线设置的端部开放的中空流体管道。中空流体导管的形状优选为圆筒形或椭圆形；然而，在不背离本技术的情况下，可使用其他流体管道形状，诸如正方形、矩形、三角形或其他多边形等。或者，中空流体管道可布置在任何实施例中，该实施例包括阳极层，阳极层通过电解质层与阴极层分离，其中阳极气体(例如重整物或合成气体)经过阳极层并且阴极气体(例如空气)经过阴极层，而不偏离本技术。
[0157]
每个燃料电池由围绕中空流体管道的外缘壁形成。外缘壁包括三个主要材料层，每个主要材料层在图1中示意性地示出。三个主要材料层包括阳极层或燃料电极(150)、阴极层或空气电极(155)以及将阳极层与阴极层分离的电解质层(145)。所有层包括固体材料，其中一些(例如，阳极)可以包括形成有多孔结构的固体材料。在本非限制性示例性实施例中，外缘壁包括由阳极层形成的内表面、由阴极层形成的外表面以及设置在阳极层与阴极层之间的电解质层。优选地，三个层中的一个层被配置为支撑层(例如，阳极层)，其中，支撑层形成为具有足够的结构刚度和完整性以将每个单独的燃料电池(8010)支撑在下面描述的操作位置中。
[0158]
参见图7a和图7b，每个燃料电池(8010)包括与中空流体管道的相对的开放端部相对应的燃料输入端(8020)和燃料输出端(8025)。至少燃料输入端(8020)由与燃料输入歧管(8015)的接口或其他支撑结构支撑。在非限制性示例中，每个燃料电池的燃料输入端(8020)包括端盖(2100)和轴颈形支撑端(2110)，端盖形成为杯状附接端(2105)，轴颈形支撑端被配置成将每个燃料电池的燃料输入端与燃料输入歧管(8015)机械地接口连接，使得端盖(2100)将燃料输入端与燃料输入歧管耦接。在不偏离本技术的情况下，每个燃料电池与燃料输入歧管(8015)的其他机械接口是可用的。每个燃料电池(8010)与燃料输入歧管(8015)的机械接口被配置成将每个单独的燃料电池(8010)固定地支撑在运行位置中，在该
运行位置中，每个单独的燃料电池(8010)的中空流体管道的中心纵向轴线被支撑为与堆气流轴线(z)大致平行。在燃料输入歧管与每个单独的燃料电池(8010)的燃料输入端(8020)之间的机械接口形成气密密封。在优选实施例中，燃料电池(8010)的燃料输出端(8025)未被支撑；然而，在不偏离本技术的情况下，可使用相对于主壳体壁支撑单个燃料电池(8010)的燃料输出端(8025)的上支撑结构或其他机械支撑结构。
[0159]
与图2所示的以及如上所述的将燃料流(2027)输送到sofc系统的顶部并且将阴极空气流(2200)输送到sofc系统(2000)的底部的实施例相比，在图7a、图7b、图12、图14和图15中示出的穿过sofc堆的燃料流方向被反转，因为相应的燃料输入歧管(8015)靠近相应的sofc系统的底部或底端，只有底部或燃料输入端(8020)由燃料输入歧管(8015)和端盖(2100)或其他耦接元件支撑。因此，根据本技术的一个方面，单独的燃料电池的燃料输出端(8025)不被sofc系统的其他元件支撑或机械地接口连接。这种支撑结构是有利的，因为它允许燃料电池在热循环期间(例如开-关循环)纵向膨胀和收缩，从而避免在热循环期间燃料电池中的应力。此外，这种支撑结构是有利的，因为它在燃料输出端(8025)处不需要气体密封。总的来说，缺乏输出端支撑降低了成本和复杂性，同时通过消除潜在的系统故障模式提高了可靠性。
[0160]
如图7a、图7b、图12、图14和图15中的每个图所示，每个单独的燃料电池(8010)的燃料输出端(8025)被定位成在燃料已经穿过中空管道并且与形成每个中空管道的内表面的阳极层相互作用之后将废燃料从燃料输出端(8025)排出至燃烧区域(8030)。如图7a、图7b、图12、图14和图15的虚线燃料流指示线和箭头所示，从燃料反应器或燃料重整器(8035)离开的燃料供应穿过燃料输送管道(8040)流到燃料输入歧管(8015)，其中燃料流从燃料输入歧管分配到每个单独的燃料电池(8010)的燃料输入端(8020)。
[0161]
燃料重整器(8035)在上文中被描述为图2中所示的燃料重整器(2020)和图1中所示的燃料重整器(165)。燃料重整器(8035)的非限制性实施例的细节公开在于2016年10月16日提交相关的美国专利申请第15/287,402号，并且在2020年2月25日作为us：10573911b2公开。在穿过每个燃料电池的同时，燃料与从阴极层传递到阳极层的氧离子(o

)反应，并耗尽氢气(h2)和一氧化碳(mo)以产生电流。耗尽的燃料或废燃料穿过输出端(8025)从每个燃料电池离开，以与燃烧区(8030)中的废阴极空气混合。在不偏离本技术的情况下，其他燃料重整器配置和运行模式是可用的。
[0162]
在图2-图4中示出并且在上文描述的sofc系统(2000)配置有定位在sofc堆顶部的单独的燃料电池输入端口或输入端(2125)并且配置有定位在sofc堆底部的燃料电池输出端口或输出端(2120)。sofc系统(2000)还将燃料输入歧管(2055)定位在燃料电池输入端口或输入端(2125)上方。sofc系统(2000)还配置有围绕燃料重整器(2035)的催化腔(2035)的环形冷启动燃烧室(2305)。sofc系统(2000)还将尾气室(2135)和同流换热器室(2210)定位在sofc堆的底部以接收来自燃料电池输出端口或输出端(2120)的废燃料。sofc系统(2000)从位于sofc系统(2000)的底端处的空气输入端口(2225)接收进入到同流换热器室(2210)中的进入的空气(阴极气体)并且通过热区出口端口(2165)将排放气体从同流换热器室排出。如图2进一步所示，供给燃料和空气混合物(2025)进入sofc系统(2000)到用于稳态运行的燃料重整器(2020)并且穿过入口端口(2310)到启动燃烧室(2305)，这两者都定位在sofc堆的顶端处。
[0163]
根据本技术的一个方面，与上述系统(2000)的气体流动特征相比，本文描述的替代性sofc系统(8000、12000、14000、15000)提供替代性气体流动模式。参考图7a、图9a、图12、图14和图15，供给燃料和空气混合物(2025)在sofc系统的顶部被接收到相应的燃料重整器(8035)中。通过燃料输送管道(8040)，燃料(8150)从燃料重整器(8035)被输送到相应的燃料输入歧管(8015)。在优选实施例中，燃料输送管道(8040)容纳在每个如下所述的中间壳体(9000)或外部壳体(16000)内。
[0164]
如图9a中最佳示出的，启动燃料(8152)穿过管道(8145)被输送至燃烧嘴组件(8155)。燃烧嘴组件延伸穿过相应的燃烧区域(8030)并在冷启动运行期间将启动燃料(8152)喷射到燃烧区域中。点火器(8160)定位在燃烧区域内，以点燃从燃烧嘴组件离开的燃料流，以在相应的燃烧区域(8030)内开始燃烧。如图12和图15所示，当sofc系统是双堆系统时，这些系统优选地包括燃烧嘴组件(8155)和提供在每个燃烧区域(8030)中的点火器(8160)。如下文所详述的，每个燃烧嘴组件包括启动燃料管道(8145)，以用于从与供给燃料输入管线(160)的连接部或从单独的启动燃料源接收启动燃料(8152)。每个燃料输送管道(8040)可包括连接到一个或更多个启动管道(8145)以在启动期间使用的一个管道区段。相应的燃料输送管道可包括控制元件，例如阀和阀致动器元件，阀和阀致动器元件可由电子控制器(190)操作以独立地调节燃料流量和/或将燃料从燃料重整器(8035)转向到一个或更多个燃料输入歧管(8015)，以及在电子控制器(190)的控制下将供给燃料从供给燃料输入管线(160)转向到一个或更多个启动管道(8145)。
[0165]
4.12替代的sofc冷启动运行
[0166]
参考图7a、图9a、图12、图14和图15，阴极空气穿过阴极输入端口(9040)被接收到位于sofc系统顶部的相应的同流换热器室(9050)中，并且排放气体穿过同样定位在sofc系统顶部的排气口(9045)被引导出热区排气管道(9055)。因此，如图16b中最佳示出的，本技术的每个替代sofc系统(8000、12000、14000、15000)配置有从sofc系统的顶壁延伸的所有输入和出口气体端口。
[0167]
燃烧区域(8030)包括燃烧嘴元件(8155)，如图9a所示，在冷启动运行期间，启动燃料经由启动燃料输入管道(8145)穿过燃烧嘴元件输送。启动燃料在燃烧区域(8030)中被点燃，例如通过电点火器(8160)，以在冷启动运行期间提供用于加热一个或更多个主壳体壁组件(例如，(8045)或(12045))的热能。在将sofc系统加热至可支撑燃料电池中的sofc反应的运行温度之后，燃料流开始从燃料重整器(8035)穿过输入歧管(8015)流至sofc堆，以便开始sofc反应。启动燃料可为例如当燃料(8150)作为启动燃料(8052)、供给燃料和空气混合物(2025)，或替代的启动燃料(8152)(例如丙烷等)输送至启动管道(8145)时由燃料重整器产生的重整物。启动燃料可从例如穿过图16a中所示的附加启动燃料管道(16020)的另一源输送。在此实施例中，启动输入管道(16020)与一个或更多个启动管道(8145)流体接口连接。图7a、图7b、图12、图14和图15所示的燃烧区域(8030)的配置的优点是，燃烧区域(8030)被配置成用于两种运行模式：启动模式，其中燃料被输送到燃烧嘴元件(8155)；和/或稳态发电模式，其中燃料(8150)从燃料输入歧管(8015)被输送到单独的燃料电池中，并且废燃料和废阴极气体在燃烧区域(8030)中燃烧。在其他实施例和运行模式中，燃料输送管道(8040)为每个启动管道(8145)供料，并且启动模式包括将燃料(8150)同时输送至相应的启动燃烧嘴元件(8155)和燃料输入歧管(8015)。用于启动和发电的燃烧区域(8030)的功能组
合是有利的，因为它减小了sofc系统的总体积并且降低了部件数量和复杂性，以及直接加热如下所述的主壳体组件(8045)和(12045)、进入的阴极空气和燃料电池(8010)，燃料电池(8010)在内表面上通过流经的燃料加热并且在外表面上通过阴极空气流以及通过从主壳体壁组件辐射和对流传递的热能加热。与图1至图4中所示的实施例相比，其中启动室(2035)更直接地加热燃料重整器，以及包括被燃烧壁部分包围的燃烧区域(8030)的进入的阳极气体配置更直接地加热主壳体壁组件(8045、12045)，主壳体壁组件(8045、12045)通过热传导将从燃烧区域(8030)吸收的热能重新分配到远离燃烧区域的其他区域。
[0168]
4.12.1u形主壳体壁组件
[0169]
参见图9a和图9c，在侧等轴测视图中示出了示例性热区壳体组件(8042)。热区壳体组件(8042)包括u形主壳体壁组件(8045)，u形主壳体壁组件(8045)包括形成有圆柱形半径的燃烧区域壁(8060)和从燃烧区域壁(8060)的边缘延伸的两个相对的主壳体侧壁(8065、8070)。侧壁(8065、8070)中的每个侧壁从燃烧区域壁沿着与气流轴线(z)平行的轴线延伸到例如在阴极室输入端口(8095)下方的阴极室的下部容积(8142)。热区壳体组件(8042)还包括燃料输入歧管(8015)、可选的热区壳体基壁(8075)和两个可选的热区壳体端壁(8080、8085)。u形主壳体壁组件(8045)限定阴极室(8055)(在图7a和图7b的剖视图中示出)。阴极室(8055)包封sofc堆(8005)和燃烧区域(8030)，使得形成在每个单独的燃料电池(8010)的外表面上的阴极层暴露于阴极室(8055)。阴极室(8055)由u形主壳体壁组件(8045)、燃料输入歧管(8015)以及可选地由热区壳体基壁(8075)和可选地由热区壳体端壁(8080、8085)界定。
[0170]
阴极室(8055)接收来自外部空气流源的连续加热的阴极气体流(在这种情况下为加热的空气流)，例如图1所示的空气输送控制系统(198)。燃烧区域(8030)形成阴极室(8055)的最上部容积。阴极室的接近燃料输入端(8020)的下部容积(8142)穿过图9b中所示的多个阴极室输入端口(8095)接收加热空气流(阴极气体)。阴极室的中间容积(8140)从阴极室的下部容积(8142)延伸到每个单独的燃料电池(8010)的燃料输出端(8025)。当加热的阴极气流经过各个燃料电池的外表面时，加热的阴极气流与每个单独的燃料电池(8010)的阴极层表面反应。
[0171]
u形主壳体组件(8045)的非限制性示例性实施例包括形成为包封燃烧区域(8030)的燃烧区域壁(8060)。燃烧区域壁(8060)提供燃烧区域(8030)的上边界，该上边界基本上沿堆长度轴线(x)的全长并且可进一步延伸超过全堆长度。u形主壳体壁组件(8045)还包括两个相对的主壳体侧壁(8065、8070)。每个主壳体侧壁(8065、8070)从燃烧区域壁(8060)延伸并且固定地附接到燃烧区域壁或与燃烧区域壁一体形成。优选地，每个主壳体侧壁从开放燃料输出端(8025)平行于气流轴线(z)延伸燃料电池堆(8005)的长度而到燃料输入端(8020)。
[0172]
两个相对的主壳体侧壁(8065、8070)和燃烧区域壁(8060)一起沿堆长度轴线(x)界定了阴极室(8055)的顶部和相对侧部，这由图7b的剖视图最佳地示出。优选地，燃烧区域壁(8060)和壳体侧壁(8065、8070)形成为整体元件以促进整个热传导。然而，当燃烧区域壁(8060)和壳体侧壁(8065、8070)形成为单独的壁元件时，单独的元件以提供跨越接合边界的高导热率的方式接合，例如使用导热系数为100w/m
°
k至300w/m
°
k的接合材料。
[0173]
在非限制性示例性第一实施例中，如图9c所示，热区壳体组件基壁(8075)与两个
相对的主壳体侧壁(8065、8070)中的每个主壳体侧壁的底部边缘机械地接口连接。机械接口是焊接或锡焊接口；然而，可使用其他机械接口元件，包括紧固件、互连紧固元件，例如铆钉、夹子或与两个相对的主壳体侧壁(8065、8070)中的每一个一体形成和/或与热区壳体基壁(8075)一体形成的互锁特征件，或者热区壳体基壁(8075)可与两个相对的主壳体侧壁(8065、8070)中的一个主壳体侧壁一体形成。在图9a的非限制性第一实施例中，燃料输入歧管(8015)可以与热区壳体基壁(8075)机械地接口连接，例如通过焊接、铜焊、锡焊或机械紧固件而不必与两个相对的主壳体侧壁(8065、8070)中的一者或两者接口连接。
[0174]
在图7a中所示的非限制性第二示例性实施例中，在没有基壁(8075)的情况下，两个相对的主壳体组件侧壁(8065、8070)中的每个主壳体组件侧壁与燃料输入歧管(8015)是机械地接口连接或者可以机械地接口连接。每个热区壳体组件侧壁和燃料输入歧管之间的机械接口是焊接或锡焊接口；然而，其他机械接口元件是可用的，包括单独的紧固件和/或紧固元件，单独的紧固件和/或紧固元件与两个相对的主壳体组件侧壁(8065、8070)中的一个或两个一体形成和/或以提供所期望的机械接口的方式与燃料输入歧管(8015)一体形成。在图7a的非限制性第二实施例中，当燃料输入歧管(8015)被配置成沿堆长度轴线(x)的全长的阴极室(8055)的下边界时并且在一些情况下进一步超过全堆长度，热区壳体基壁(8075)是可选的。优选地，两个相对的主壳体组件侧壁(8065、8070)和燃料输入歧管(8015)之间的机械接口在阴极室(8055)的下边界处形成气体密封或者对气流提供高阻抗，以防止阴极气流从阴极室(8055)下边界逸出。
[0175]
4.12.2中间壳体
[0176]
热区壳体壁组件(8042)安装在中间壳体(9000)内部，在图8a中的等轴测透明视图中示出。中间壳体是或者可以形成为气密气体流动室，气密气体流动室包括相对的中间壳体顶壁(9005)和中间壳体底壁(9010)、相对的中间壳体侧壁(9015)和中间壳体侧壁(9020)以及相对的中间壳体端壁(9025)和中间壳体端壁(9030)。中间壳体(9000)包括燃料接入端口(9035)、阴极输入端口(9040)以及热区排出端口(9045)，燃料接入端口(9035)用于穿过燃料接入端口(9035)接收燃料输送管道(8040)；阴极输入端口(9040)用于穿过阴极输入端口接收阴极空气流；热区排气端口(9045)用于将排放气体从其中排出。端口(9035)、(9040)和(9045)中的每个端口根据需要穿过中间壳体的壁以引导适当的气流接口。在非限制性示例性实施例中，燃料端口穿过侧壁(9015、9020)中的一个侧壁，并且阴极气体输入端口(9040)和热区排出端口(9045)中的每一个穿过中间壳体顶壁(9005)。
[0177]
在图7a中示出的同流换热器室(9050)和热区排气管道(9055)各自是在中间壳体(9000)内部形成的气体流动室并且一起形成逆流的气到气热交换器。同流换热器室(9050)接收来自阴极空气流源(例如图1所示的空气输送控制元件(198))穿过阴极输入端口(9040)进入的阴极气流。在同流换热器室(9050)内部，进入的阴极空气流(例如环境温度空气)通过对流和通过从热区排气管道(9055)的壁发射的辐射被加热。加热的阴极空气流被迫穿过同流换热器室(9050)并且穿过同流换热器出口端口(9065)从同流换热器室离开至阴极输入歧管(9070)。阴极空气流源包括可变速空气移动装置(例如，风扇或鼓风机)，该可变速空气移动装置可以被控制以根据电输出要求和其他运行控制命令来增加或减少进入的阴极空气流的流速。
[0178]
热区排气管道(9055)穿过燃烧排气端口(9060)接收来自燃烧区域(8030)的热气
体混合物。在热区排气管道(9055)内，当能量对流地以及辐射地传递至热区排气管道(9055)的壁时热气体混合物被冷却。通过可控制的可变速空气移动装置(例如，风扇或鼓风机)的运行，迫使热气体混合物穿过燃烧排气通道(9060)并且穿过热区排气端口(9045)离开sofc系统，以增加或减少进入的阴极气流的流速。
[0179]
在图7a的非限制性示例性配置中，同流换热器室(9050)形成在热区排气管道(9055)内部并且这两个室共享共有壁(9075)。当高温气体混合物从燃烧区域(8030)被迫进入到热区排气管道(9055)中时，高温气体混合物通过辐射发射和对流将热能传递到共有壁(9075)。共有壁(9075)然后通过对流和从其辐射发射将热能传递到穿过同流换热器室(9050)的阴极空气流。不偏离本技术的情况下，包括提供串联或并联连接的多个热交换室的其他气对气热交换配置是可用的。
[0180]
同流换热器室(9050)和热区排气管道(9055)中的每一个优选地沿着sofc堆的长度沿着堆长度轴线(x)设置。阴极输入端口(9040)和/或热区排气端口(9045)和/或燃烧排气端口(9060)中的每个均可以实施为单个端口、多个端口(例如沿着堆长度轴线(x)间隔开)，和/或沿着堆长度轴线(x)设置的一个或更多个开口(例如形成为提供气体流动通道的圆形的、槽形的或其他开口)。可替代地，同流换热器室(9050)和热区排气管道(9055)中的每个可以被实施为单个同流换热器室和沿着堆长度轴线(x)延伸的单个排气室、或者被实施为沿着堆长度轴线(x)平行设置的多个分离的同流换热器和排气室，其中每个分离的室提供有其自身的阴极输入端口(9040)、和/或该热区排放气体口(9045)。
[0181]
在优选实施例中，中间壳体(9000)的每个壁部分由铁素体不锈钢制造，诸如alloy18不锈钢等，例如由美国伊利诺伊州阿尔西普的轧制金属制品公司分销。alloy18不锈钢是优选的，因为在sofc系统(8000)的运行温度和条件下，添加的铝含量有利地形成氧化铝的表面层，该表面层防止中间壳体(9000)的暴露表面的氧化，这进一步防止铬从alloy18不锈钢中浸出。在非限制性示例中，alloy18不锈钢具有大致重量百分比的下列化学组成：碳0.015、铬18.0、锰0.30、硅0.60、铝2.0、钛0.25以及剩余重量百分比的铁。alloy18不锈钢具有大约22.8(w/m
°
k)的导热系数和5.9x10-6
(ft/ft/
°
f)或10.1x10-6
(m/m/
°
k)的热膨胀系数。至少对于周围的中间壳体壁(9005，9010，9015，9020，9025，9030)，alloy18不锈钢的优选厚度为4mm(0.16英寸)；然而，0.127mm至8.0mm(0.005英寸至0.32英寸)的厚度范围是可用的，并且在不偏离本技术的情况下，可以取决于中间壳体(9000)的形状和尺寸、用于形成中间壳体(9000)的成形方法、标准轧材厚度的可用性、以小时计的所期望的运行寿命等。
[0182]
关于材料选择，围绕中间壳体壁(9005、9010、9015、9020、9025，9030)的壁可以具有与形成热区排气管道(9055)、同流换热器室(9050)、挡板(9080)以及各种端口(9040、9045、9060)的壁不同的厚度，因为壁厚度的选择可以取决于壁运行温度要求、sofc系统的所希望的运行寿命、热能管理需求和/或从一个sofc系统到另一个sofc系统的结构和制造技术差异。在替代的示例性实施例中，中间壳体(9000)的壁的至少一部分可以包括无铬的高温金属合金，诸如蒙乃尔铜-镍合金等，蒙乃尔铜-镍合金是少量添加铝和钛的镍-铜合金。
[0183]
4.12.3阴极输入歧管
[0184]
参照图7a、图8a，中间壳体(9000)形成为阴极气体流动室，该阴极气体流动室包括同流换热器室(9050)和阴极输入歧管(9070)。阴极输入歧管从同流换热器室接收进入的阴极空气流，该阴极空气流填充阴极输入歧管(9070)。热区壳体组件(8042)安装在阴极输入歧管(9070)内部，并且u形主壳体壁组件(8045)将阴极输入歧管与阴极室(8055)分隔开，除了阴极气流可穿过多个阴极室输入端口(8095)从阴极输入歧管传递到阴极室，该多个阴极室输入端口(8095)接近多个sofc燃料电池的每个的开放燃料输入端(8020)定位，以便将阴极气流引导到阴极室的底部容积中，使得阴极室内部的阴极气流沿着气流轴线(z)经过每个燃料电池的阴极的整个长度。阴极输入歧管(9070)由中间壳体底壁(9010)、中间壳体侧壁(9015、9020)、中间壳体端壁(9025、9030)中的每一个的面向内的表面，由热区排气管道(9055)的底壁(9059)的面向外的表面以及由u形主壳体壁组件(8045)的面向外的表面界定。阴极输入歧管(9070)接收来自同流换热器出口端口(9065)的加热的阴极空气流。在阴极输入歧管(9070)内部，作为从同流换热器出口端口(9065)接收的加热的阴极空气流，加热的阴极空气流由从u形主壳体壁组件(8045)和中间壳体壁(例如在图8a中示出的(9005、9010、9015、9020、9025、9030))发射的辐射进一步加热，以及通过由于穿过阴极输入歧管的阴极空气流的移动而产生的对流进一步加热。阴极空气流从阴极输入歧管(9070)离开并穿过一个或更多个阴极室输入端口(8095)进入阴极室(8055)，从阴极输入歧管(9070)传递到阴极室(8055)的下部容积(8142)。在优选实施例中，多个阴极室输入端口(8095)穿过接近其底部边缘的主壳体侧壁(8065、8070)中的每个主壳体侧壁。一旦在阴极室(8055)内部，预热的阴极空气从阴极室输入端口(8095)向上流到阴极室中间容积，在该阴极室中间容积处阴极空气与燃料电池的外表面反应以促进sofc反应。预热的阴极空气然后到达燃烧区域(8030)，在燃烧区域(8030)废阴极空气与废燃料混合并且混合物被燃烧。
[0185]
在图7a中示出了穿过sofc系统(8000)的阴极空气流，如通过具有示出阴极气流的方向及其路径的带黑色箭头的黑色实线指示。输入阴极空气流是从空气输送模块(198)接收的，该空气输送模块包括变速风扇或其他空气移动装置和相应的空气流速输送控制器。阴极空气流从空气输送模块(198)传递到阴极输入端口(9040)到同流换热器室(9050)并且穿过同流换热器出口端口(9065)离开该同流换热器室到阴极输入歧管(9070)。空气流从阴极输入歧管(9070)穿过阴极流动通道(8095)传递到阴极室下部容积(8142)内，然后经过每个单独的燃料电池(8010)的阴极电极表面，然后与从每个单独的燃料电池(8010)的燃料输出端(8025)离开的废燃料混合。废燃料和废阴极空气在燃烧区域(8030)内燃烧，进一步加热主壳体壁组件(8045)。燃烧的热气体混合物从燃烧区域(8030)传递到热区排气管道(9055)并且穿过燃烧排气端口(9060)，并且然后穿过热区排气端口(9045)流出系统。
[0186]
在图7a中还示出了通过sofc系统的燃料流，通过黑色虚线和箭头指示，示出了燃料流的方向及其路径。从供给燃料输送控制系统(197)接收与空气混合的富氢燃料供应，该供给燃料输送控制系统(197)包括变速风扇、压力调节器、雾化器或其他气体或流体流速调节器装置以及相应的燃料输送流速控制器。燃料流从燃料输送控制系统传递至燃料重整器(8035)，在燃料重整器(8035)重整供给燃料以提供燃料，通常是包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的重整物。燃料从燃料重整器(8035)穿过燃料输送管道(8040)流到燃料输入歧管(8015)。在燃料输入歧管内部，燃料在其流过输入燃料歧管(8015)的壁时通过辐射和对流被加热。燃料从燃料输入歧管(8015)流入每个单独的燃料电池(8010)的中空室内，在燃料
电池(8010)的中空室内燃料经过燃料电池的阳极电极表面，由此参与sofc反应。燃料穿过开放输出端(8025)离开每个单独的燃料电池到达燃烧区域(8030)，在燃烧区域废燃料与废阴极空气混合。废燃料和废阴极空气在燃烧区域内燃烧(8030)。燃烧过的热气体混合物穿过燃烧排气端口(9060)从燃烧区域(8030)传递到热区排气管道(9055)，然后穿过热区排气端口(9045)流出系统。通过燃烧废合成气和废阴极空气混合物产生的热能转移到u形主壳体壁组件的内表面(8045)。燃料输送控制系统(197)和阴极空气输送模块(198)都可独立地运行以根据需要改变流速，例如通过改变燃料流速调节电流输出，或者例如通过改变空气流速调节堆温度。
[0187]
4.12.4热流和气流图
[0188]
图7b中所示的热能流动图描绘了本技术启用的非限制性热能转移模式。带有黑色箭头的实黑线从壁表面向内指向阴极或燃料流动区域，表示从较高温度的壁表面到较低温度的气流或者到其他壁(例如中间壳体(9000)的壁)的较低温度表面的辐射发射。虽然未由流动箭头指示，但是因为靠近较高温度壁表面的高温气体体积与远离高温表面的较冷气体体积混合，在每个气流中发生从高温流体/气体流到较低温度流体/气体区域的对流热流。阴极气体的流动由具有黑色实心箭头的黑色实线指示。阳极气体的流动用具有黑色实线箭头的黑色虚线指示。如以上所指出的，燃料流和阴极气流各自接近每个燃料电池的输入端(8020)进入阴极室(8055)并且向上流向燃烧区域(8030)，在该燃烧区域(8030)中废燃料气体和废阴极气体在穿过燃烧排气端口(9060)从阴极室离开到同流换热器室(9050)之前被混合并燃烧。此外，在下面描述的u形主壳体壁组件(8045)的导热芯(8200)内部示出的具有黑色实线箭头的黑色虚线指示沿由此提供的热传导路径的热传导方向和路径。如图所示，由导热芯(8200)提供的热传导的方向是从高温燃烧区域壁部分(8060)朝向每个侧壁(8065、8070)的末端。
[0189]
进入的阴极空气流在环境温度下进入同流换热器室(9050)，并且当阴极空气流通过在较高温度的共有壁(9075)与较低温度的进入的阴极空气流之间的热交换而被加热时，阴极空气流的温度增加，如由从共有壁(9075)指向同流换热器室(9050)中的箭头所指示的。在阴极输入歧管(9070)内部，当通过较高温度的u形主壳体壁组件(8045)和较低温度的阴极空气流之间的热交换来加热阴极空气流时，阴极空气流的温度进一步增加，如由从u形主壳体壁组件(8045)的外表面指向阴极输入歧管(9070)中的箭头所指示的。此外，中间壳体壁(9005、9010、9015、9020、9025、9030)中的每一个中间壳体壁通过来自较高温度的u形主壳体壁组件(8045)的辐射发射和通过与阴极空气流的热交换而被加热。每当中间壳体壁的温度高于阴极空气流的温度时，通过中间壳体壁与阴极空气流之间的热交换来进一步加热阴极空气流。可替代的，当中间壳体壁的温度低于阴极空气流的温度时，例如在启动循环期间，通过较高温度的阴极空气流和中间壳体壁之间的热交换来加热中间壳体壁。
[0190]
在阴极室(8055)内，通过u形主壳体壁组件(8045)的内表面、单独的燃料电池(8010)的外表面以及输入燃料歧管(8015)和阴极空气流的表面之间的热交换，阴极空气流的温度进一步增加，其中热流动方向从较高温度表面或较高温度气体流动区域行进至较低温度表面或气体流动区域，如通过从上面列出的表面和阴极空气流引导的箭头所指示的。由此，阴极空气流的温度随着从阴极室流动通道(8095)向燃烧区域(8030)流动穿过阴极室而持续增加。
[0191]
在非限制性示例运行模式中，在稳态sofc反应以及可以维持从sofc堆(8005)输出的直流电流之前，在燃烧区域(8030)中以及在电池内部的阳极表面的至少一部分内部的气体混合物的温度为至少350℃。一旦建立稳态sofc反应，燃烧区域(8030)中气体混合物的温度可超过500℃。因此，气体混合物在从燃烧区域(8030)穿过热区排气管道(9055)传递到热区排气端口(9045)的同时具有比进入的阴极空气流的温度高得多的温度，并且比热区排气管道(9055)的周围壁高。由此，气体混合物的温度在穿过热区排气管道(9055)的同时降低，因为热量通过在较高温度的排放气体与热区排气管道(9055)的壁(包括共有壁(9075))之间的热交换而传递。热区排气管道(9055)的被加热的壁(尤其是共有壁(9075))在进入的阴极空气流动穿过同流换热器室(9050)时引起与较冷的进入的阴极空气的热交换。
[0192]
再次参见图7b，进入的燃料空气混合物在环境温度下进入燃料重整器(8035)并且通过催化部分氧化(cpox)反应器或燃料重整器(8035)的部分燃烧而被加热。在cpox反应期间，燃料的温度可以在1200℃附近达到峰值。因此，随着燃料从燃料重整器穿过燃料管道(8040)和燃料输入歧管(8015)并且从燃料输入端(8020)到燃料输出端(8025)穿过每个燃料电池，从燃料重整器(8035)离开的燃料的温度降低。因此，在稳态运行期间，在已经建立产生输出电流的sofc反应之后，燃料流的温度可能沿着从燃料重整器(8035)延伸到输入燃料歧管(8015)的流动路径会持续降低，并且然后随着燃料流从输入燃料歧管传递到燃烧区域(8030)，随着热量从燃料流通过热交换流到周围燃料通道的较低温度表面(包括燃料输入歧管(8015)的壁和由于从燃料流吸收热流而增加温度的燃料电池(8010)的壁)，燃料流的温度可能增加或减少。在一些实施例中，例如当燃料流的温度变得小于燃料电池的内壁的温度时，热交换的方向可改变。如上所述，随着气体混合物流出sofc系统，来自燃烧区域(8030)的气体混合物的温度继续降低。
[0193]
再次参见图7b，具有黑色箭头的黑虚线示出了通过热传导从导热芯的高温区域传递到导热芯的低温区域的热能传递的方向和路径。导热芯被动地减小芯顶部部分(8215)与每个芯侧壁(8205)、(8210)之间的热梯度。芯顶部部分界定燃烧区域(8030)，如上所述，该燃烧区域具有至少350℃的温度并达到大约1200℃。在燃烧区域内的气体混合物具有比周围表面更高的温度，使得热量通过强制热对流从气体混合物流到燃烧区壁(8060)，并且燃烧区壁吸收的辐射通过热传导传递到每个侧壁(8065、8075)，如下文将描述的。
[0194]
4.12.5u形热区壳体组件
[0195]
现在参见图7a、图9a、图9b和图9c，热区壳体组件(8042)包括sofc堆(8005)、燃料输入歧管(8015)以及u形主壳体壁组件(8045)。可选地，热区壳体组件(8042)还包括热区壳体基壁(8075)、第一热区壳体端壁(8080)和第二热区壳体端壁(8085)。u形主壳体壁组件(8045)包括燃烧区域壁部分(8060)、均与燃烧区域壁部分接合的第一主壳体侧壁(8065)和第二主壳体侧壁(8070)。
[0196]
每个主壳体壁部分(8060)、(8065)和(8070)包括导热芯(8200)，并且通过施加于其暴露表面的外层来保护该芯免于氧化。导热芯(8200)包括具有大于100w/(m
°
k)，优选大于200w/(m
°
k)的导热系数的一种或更多种材料。在非限制性示例性实施例中，一种或更多种导热芯材料包括铜、钼、铝、铍、铱、铑、银、钨、或合金或组合，因此可以制造成具有期望的导热率并且可以可靠地满足在热区运行温度下的结构要求。在优选实施例中，导热芯(8200)包括铜或铜合金，该铜或铜合金具有如上所述的500℃下的370(w/m
°
k)的导热率和
1027℃下的332(w/m
°
k)的导热率。导热芯(8200)优选具有0.127mm至3.2mm(0.005英寸至0.125英寸)范围的厚度；然而，在不背离本技术的情况下，可使用其他厚度，例如0.5mm至6.0mm(0.02英寸至0.24英寸)。芯厚度可以根据需要增加或减小以满足设计要求。较厚的导热芯(8200)(例如，高达6.0mm(0.24英寸或更大))需要更多的热能来将芯材料加热到期望的运行温度；然而，增加芯厚度是有益的，因为这增加了从芯的一个区域到另一个区域的热能传递速率，这有利地更快地重新分配热能。如果表面氧化是可能的失效模式，增加芯厚度的其他原因将是在更长的距离上传导热能或实现更长的操作寿命。如将认识到的，导热芯(8200)越厚，较厚的壁氧化到芯变得不可用的程度所花费的时间越长。此外，当sofc系统能够在不使芯材料经受超过约550℃的温度的情况下产生电力时，铝可用作能够产生电力的sofc系统中的芯材料。
[0197]
导热芯(8200)是根据标准黑体原理，与导热芯和其周围环境之间的绝对温差(
°
k)的四次方成比例地发射辐射并吸收辐射的无源元件。此外，热能通过从处于导热接触的u形主壳体壁组件(8045)的其他表面的热传导被传递到导热芯和从导热芯传递。当存在导热路径且在导热芯的区域之间存在温差时，热能通过传导进一步从导热芯的一个区域传递到导热芯的另一个区域。
[0198]
在第一非限制性示例性实施例中，导热芯(8200)是成形为包封sofc堆(8005)并在堆周围形成阴极室(8055)的整体元件。整体元件由上述芯部材料的平的片材形成，其被定尺寸为包括三个主壳体壁部分(8060)、(8065)、(8070)，并且被弯曲以形成图9c中所示的u形芯元件(8200)。如将认识到的，u形芯元件(8200)可由被配置为将平的金属片材弯曲成期望的u形的金属弯曲夹具形成。在不背离本技术的情况下，可使用其他形状，例如，矩形形状的芯元件。
[0199]
在第二非限制性示例性实施例中，导热芯(8200)包括三个单独的芯部分(8205、8210、8215)，每个芯部分包括上述芯材料中的一种或更多种芯材料并且每个芯部分具有在上述厚度范围内的壁厚度。三个单独的芯部分包括两个基本上相同的侧部分(8205)、(8210)以及芯顶壁部分(8215)。芯顶壁部分(8215)沿着其纵向长度形成有圆柱形半径等，并且每个侧部分(8205)、(8210)由平的金属片材形成。优选地，对于所有三个单独的芯部分，沿堆长度轴线(x)的纵向尺寸是相同的。三个单独的芯部分(8205、8210、8215)例如通过锡焊接头、通过铜焊接头、通过焊接接头和/或通过其他机械接合技术接合在一起，诸如通过将每个侧壁的配合边缘与芯顶壁部分(8215)的相应配合边缘滚压或压制、通过沿着芯部分配合边缘之间的接头将不同金属的片材包覆在一起、或通过以其他方式将每个侧壁的芯部分配合边缘与芯顶部部分(8215)的相应芯部分边缘紧固。无论紧固或接合方法如何，这三个单独的芯部分之间的机械接口提供了在芯顶部部分(8215)与这两个侧芯部分(8205)、(8210)中的每个侧芯部分之间通过的导热路径，并且优选地该导热路径是沿着接合的芯部壁部分的整个纵向长度和全部厚度的。
[0200]
为了防止导热芯(8200)的氧化，每个芯部分(8205、8210、8215)由保护层保护，该保护层被施加在该导热芯(8200)的暴露表面上或附接至该暴露表面。在第一非限制性示例性实施例中，保护层包括通过电镀工艺施加至少0.0005英寸并且范围扩大到0.002英寸或更大的厚度的镀镍。施加镀镍以防止氧气在350℃至1200℃的运行温度下穿过其扩散。在第二非限制性示例性实施例中，保护层包括在暴露的芯材料上方形成的阳极化表面。阳极化
表面可在预组装受控的电镀或富氧环境中形成，或者阳极化表面可通过将保护层表面暴露于氧(即在sofc系统运行期间随时间推移的阴极空气流)而形成。在非限制性示例性实施例中，当芯材料包含铝或铝铜合金时，阳极化表面直接形成在芯材料表面上。当通过电镀或富氧阳极化工艺在预组装控制环境中形成阳极化表面时，阳极化层的期望厚度优选为0.0005英寸，但是在一些应用中范围扩大至约0.002英寸，以便防止氧气在350℃至1200℃的运行温度下扩散穿过阳极化表面。无论电镀工艺或其他阳极化层施加类型如何，保护层的厚度将取决于sofc系统或导热芯的期望运行寿命，基于接近导热芯的平均和/或峰值运行温度以及基于镀层厚度将暴露的氧化剂浓度和/或氧化速率。
[0201]
在第三非限制性示例性实施例中，保护层包括被设置成与三个芯部分(8205)、(8210)和(8215)中的每一个芯部分的暴露表面接触配合的一个或更多个金属片材。金属片材可以直接施加到导热芯的未涂覆表面或者可以施加到导热芯的电镀表面上。然而，如上所述，电镀镍层可以在没有金属片材的情况下用作保护层。如图9c的分解等轴测视图所示，内部保护片材金属层(8220)被制造为u形结构，该u形结构形成为附接至三个芯部分(8205)、(8210)、(8215)中的每一个芯部分的内表面，其中，内保护层(8220)的内表面面向sofc堆。优选地，内保护层(8220)的背离sofc堆的外表面和三个芯壁部分(8205、8210、8215)的内表面在三个芯壁部分的整个内表面面积上接触配合。内保护层(8220)可延伸超出u形导热芯(8200)的部分，例如，当内保护层(8220)沿着堆纵向长度轴线(x)的纵向长度延伸超过导热芯(8200)的纵向长度时，或者当内保护层沿着气流轴线(z)的尺寸大于导热芯沿着同一轴线的尺寸时，如图9c所示，其中内保护层(8220)的底部边缘(8240、8245)各自延伸以与热区壳体基壁(8075)或其他机械接口表面(诸如可以由燃料输入歧管(8015)提供)配合。类似地，内保护层(8220)的侧边缘可以延伸超过所有三个芯部分(8205)、(8210)、(8215)的侧边缘，例如与热区壳体端壁(8080)、(8085)和/或沿堆纵向轴线(x)延伸阴极室(8055)的长度匹配。内保护层(8220)包括：内顶部部分(8225)以及两个相对的内侧壁部分(8230)、(8235)，内顶部部分(8225)形成有沿着堆长度轴线(x)的圆柱形半径；两个相对的内侧壁部分(8230)、(8235)中的每个内侧壁部分从内顶部部分(8225)的圆柱形半径的不同边缘延伸。
[0202]
内保护层侧壁部分(8230)、(8235)中的每一个被附接到热区壳体基壁(8075)，例如通过沿着整个接口接合的内侧壁底部边缘(8240)、(8245)与主要壳体基壁(8075)之间的机械接口，例如通过焊接、锡焊、或配置为气体密封或为气流提供高阻抗的其他机械接口。热区壳体基壁(8075)还在其底壁(9010)和/或侧壁和端壁(9015、9020、9025、9030)处附接到中间壳体(9000)，使得内侧壁底部边缘(8240)、(8245)与主壳体底壁之间的机械接口固定地支撑中间壳体(9000)内部的u形主壳体壁组件(8045)。替代地，通过固定地附接的内侧壁底部边缘(8240)、(8245)与中间壳体底壁(9010)之间的机械接口，例如通过焊接、铜焊、锡焊或其他机械接口，将内保护层侧壁部分(8230)、(8235)中的每个直接附接到中间壳体底壁(9010)。替代地，每个侧壁部分(8230)、(8235)通过内侧壁底部边缘(8240)、(8245)与燃料输入歧管(8015)之间的机械接口附接到燃料输入歧管(8015)，内侧壁底部边缘和燃料输入歧管固定地附接，例如通过焊接、铜焊、锡焊或其他机械接口。在该实施例中，燃料输入歧管(8015)附接到中间壳体底壁(9010)或其他中间壳体壁，使得内侧壁底部边缘(8240)、(8245)与燃料输入歧管(8015)之间的机械接口固定地支撑中间壳体(9000)内部的u形主壳
体壁组件(8045)。不管附接技术如何，内侧壁底部边缘(8240)、(8245)与热区壳体基壁(8075)之间，或内侧壁与输入燃料歧管(8015)之间，或内侧壁与中间壳体底壁(9010)之间的机械接口，机械接口优选地提供气体密封或对与阴极室(8055)的下边界相对应的气流提供高阻抗。在优选实施例中，每个内保护层侧壁部分(8230)、(8235)包括多个阴极室输入端口(8095)，阴极室输入端口(8095)穿过在导热芯侧壁(8205)、(8210)的底部边缘下方延伸并靠近其底部边缘(8240)、(8245)的内侧壁部分，并且输入端口(8095)沿着堆长度轴线(x)均匀地间隔开设置。选择阴极室输入端口(8095)沿着气流轴线(z)的位置以输送阴极空气流入到靠近燃料输入端(8020)的阴极室(8055)的下部容积(8142)中。替代的阴极室输入端口实施例包括单个槽形开口和/或各种开口形状(诸如圆形、椭圆形、正方形、矩形等)的多个孔。替代地，当保护阴极室输入端口(8095)的内表面免于氧化(例如通过电镀或被配置成用于防止氧化的插入件)时，阴极室输入端口(8095)可穿过内侧壁(8230、8235)和芯侧壁(8205、8210)。
[0203]
外保护层(8250)包括两个基本相同的外侧壁部分(8255)、(8260)以及外顶部部分(8265)。如图9c的分解等轴测视图所示，三个外保护层部分在彼此接合在一起时并且与导热芯(8200)的相应外表面接合在一起时形成u形金属片材结构，该u形片材金属结构被定形状为附接至导热芯(8200)的外表面并保护该导热芯的外表面免于暴露于富氧阴极空气流(例如流动穿过阴极空气输入歧管(9070))中。优选地，外保护层(8250)的内表面与导热芯(8200)的背离sofc堆的相应外表面接触配合。外保护层顶壁部分(8265)形成为具有沿着该堆长度轴线(x)的圆柱形半径，其中，外保护层顶壁部分(8260)的圆柱形半径的内半径与该导热芯顶部部分(8215)的圆柱形半径的外半径相匹配，使得当该内半径和外半径接合在一起时，它们提供它们之间的接触配合。外保护层侧壁部分(8255)、(8260)各自是由平的金属片材坯料形成的，该平的片材金属坯料被切割成具有沿着气流轴线(z)的高度尺寸以及沿着堆纵向轴线(x)的长度尺寸。每个侧壁部分(8255、8260)的高度尺寸被选择成将外侧壁底部边缘(8270)、(8275)定位在导热芯侧壁部分(8205)、(8210)的相应底部边缘下方或与其配合。当阴极流路(8095)仅穿越内侧壁(8230、8235)时，外侧壁(8255、8260)的高度尺寸足够短，以防止外侧壁覆盖阴极流路(8095)。在其他实施例中，阴极流动通道(8095)可以穿过外侧壁(8260、8255)、芯侧壁(8205、8210)和内侧壁(8230、8235)。优选地，外侧壁(8255、8260)的内表面和芯侧壁(8205、8210)的外表面在组装之后处于接触配合。
[0204]
在优选实施例中，内保护层和外保护层的每个壁部分是由铁素体钢(诸如alloy18不锈钢等)制造的，例如由美国伊利诺伊州阿尔西普的轧制金属制品公司分销。alloy18不锈钢是优选的，因为在sofc系统(8000)的运行温度和富氧条件下，添加的铝含量响应于氧气暴露以有利地形成氧化铝的表面层，这防止内保护层和外保护层的暴露表面的进一步氧化，并且防止铬从alloy18不锈钢中浸出。alloy18不锈钢的优选厚度是4mm(0.16英寸)；然而，0.13mm至6.0mm(0.005英寸至0.24英寸)的厚度范围是可用的，并且在不偏离本技术的情况下，可以取决于内保护层和外保护层的形状和尺寸、用于形成内保护层和外保护层的形成方法、标准轧件厚度的可用性、以小时计的所期望的操作寿命等。在另一示例性实施例中，内保护层和外保护层至少部分包含不含铬的高温金属合金(诸如蒙乃尔铜-镍合金等)，其为少量添加铝和钛的镍-铜合金。每个壁部分的优选厚度是
大约4mm(0.16英寸)；然而，在不偏离本技术的情况下，实际厚度可以在0.13mm至6.0mm(0.005英寸至0.24英寸)的范围内。
[0205]
热区壳体基壁(8075)和每个热区壳体端壁(8080、8085)都可以可选地包括导热芯部分(8200)和两个保护层部分，该两个保护层部分包括内保护层(8280)和外保护层(8285)，例如图8b中的剖视图中所描绘的。与本文描述的其他保护层一样，内保护层和外保护层(8280、8285)可包括施加至导热芯的暴露表面的镀镍层，或者导热层可由如上所述的侧壁(8230、8235、8255、8260)的内保护层和外保护层保护，该侧壁被配置为在组装之前形成阳极化层或者在sofc系统的运行期间通过暴露于阴极空气而形成。如上所述，导热芯(8200)的表面由电镀工艺保护，其中，镍被施加至至少0.0005英寸并且范围扩大至0.002英寸或更大的厚度，和/或通过具有4mm(0.16英寸)的厚度或0.13mm至6.0mm(0.005英寸至0.24英寸)的厚度范围的包括alloy18不锈钢的片材金属的附接保护。
[0206]
导热芯部分(8200)和保护层部分(8280)、(8285)被配置成与上述主壳体壁(8060)、(8065)和(8070)相似，其中，通过两个保护层部分(8280)、(8285)保护导热芯部分(8200)免于氧化。导热芯部分(8200)包括具有大于100w/(m
°
k)且优选地大于200w/(m
°
k)的导热系数的一种或更多种材料。
[0207]
更一般地，选择图9c中所示的上述保护层(8250、8220)和图8b中所示的上述保护层(8280，8285)中的每个保护层以及通过电镀工艺施加的镀镍层和/或阳极化层被选择来提供稳定的保护外层，稳定的保护外层能够防止氧气扩散穿过稳定的保护外层。优选地，稳定的保护层不包括铬；然而，稳定的保护层优选地防止铬穿过稳定的保护层浸出。示例性稳定的保护外层材料包括氧化铝、氧化钛、或其他合适的氧化物或钝化层。
[0208]
图9a所示的热区壳体组件(8042)配备有与图1所示的与燃料输送控制模块(197)流体连通的启动燃料输入管道(8145)，以用于将启动燃料流(8152)输送到启动燃料输入管道(8145)中，启动燃料输入管道(8145)与穿过燃烧区域(8030)的燃烧嘴元件(8155)流体连通。图7a中所示的燃料点火器元件(8160)延伸到燃烧区域(8030)中，并且用于在冷启动循环期间在启动燃料流(8152)从燃烧区域内部的燃烧嘴元件(8155)离开时点燃启动燃料流(8152)，以快速地增加u形主壳体壁组件(8045)和sofc堆(8005)的温度。启动燃料流(8152)包括富氢燃料和未重整的空气或未重整的富烃气体(诸如丙烷等)的混合物。在sofc系统的冷起动期间，燃料输送控制模块(197)可将启动燃料流(8152)直接输送到燃烧嘴元件(8155)中，并且使用点火器元件(8160)点燃从燃烧嘴元件(8155)排出的燃料。另外，图1中所示的空气输送模块(198)可以将空气流输送到同流换热器室(9050)中以在穿过阴极输入歧管(9070)和阴极室(8055)之前被加热并且然后到燃烧区域(8030)。当u形主壳体壁组件(8045)和sofc堆(8005)达到预定启动温度时，燃料输送控制模块可将启动燃料流(8152)输送到燃烧嘴元件(8155)中并将燃料流(8050)供应到燃料重整器(8035)以开始燃料(8150)流动穿过sofc堆(8005)，同时热空气流移动穿过阴极室以最终开始sofc反应。
[0209]
4.12.5.1壳体壁组件制造工艺：
[0210]
在第一非限制性示例性制造工艺中，内保护层(8220)和导热芯(8200)中的每个是由上述适当材料形成为整体平的片材。每个平的片材被切割成与内保护层和导热芯的成品尺寸对应的预定完成尺寸。当整体平的片材仍然是平的片材时，优选完成任一片材的任何附加处理。附加处理至少包括钻孔、冲压或以其他方式形成穿过内保护层(8220)(或内保护
层和芯)的阴极室输入端口(8095)，并且如可能需要添加其他孔或形成的特征件，以提供用于将内保护层底部边缘(8240、8245)与热区壳体基壁(8075)附接，或者将内保护层底部边缘(8240、8245)与输入燃料歧管(8015)附接和/或将内保护层底部边缘(8240、8245)附接到中间壳体(9000)的机械接口元件。在组装u形主壳体壁组件(8045)之前还添加提供其他机械接口特征可能需要的附加孔或特征，机械接口特征诸如用于将内保护层(8220)附接到热区壳体端壁(8080、8085)或用于将内保护层(8220)或外保护层(8250)附接到导热芯(8200)或用于提供燃料或阴极空气流端口(例如燃烧排气端口(9060)，或提供燃料输送管道(8040)的入口)，或用于提供到燃烧区域以在冷启动期间使用的燃料管道、或用于提供用于传感器附接点的电接口的接入口等。
[0211]
在准备平的片材以供组装之后，包括电镀、机加工、冲压等，内保护层(8220)和导热芯(8200)在平面内接合在一起，例如通过彼此接触配合地对准和夹紧两个片材，并且将两个片材接合在一起，以形成仍然是平的片材的复合片材金属结构。接合技术可包括通过折叠凸片接头等来焊接、铜焊、锡焊、紧固(例如，铆接、自铆接或自铆接)。
[0212]
在任一片材材料是轧制片材的情况下，晶粒方向(graindirection)平行于轧制方向延伸。因此，每个片材的轧制方向应在将这些片材切割并组装在一起之前被识别，并且如果这些片材将被弯曲，则应考虑相对于弯曲轴线定向晶粒方向。此外，导热芯的晶粒方向相对于芯片材材料的其他轴线可具有不同的导热系数。因此，导热芯应以以下方式定向：从芯顶部分(8215)指向芯侧壁(8205、8210)的底部边缘具有最高导热率轴线。
[0213]
然后，包括以接触配合接合在一起的导热芯(8200)和内保护层(8220)的复合片材弯曲以形成图9c中所示的u形结构，其中内保护层定位成面向sofc堆。圆柱形半径具有沿着堆纵向轴线(x)的纵向轴线。在非限制性示例性实施例中，弯曲半径通过液压弯曲装置形成，液压弯曲装置可操作以在室温(空气弯曲)下在压力破碎机等上弯曲或形成复合片材金属结构。可弯曲而不损坏材料并管理不期望的结果(诸如回弹等)的弯曲半径受材料特性(例如硬度、拉伸强度、材料厚度、材料晶粒方向等)的影响，以及在确定u形主壳体壁组件(8045)的不同实施例的制造工艺时考虑这些特性。通常，优选的是横向于材料晶粒方向弯曲材料以避免材料开裂和接合的材料层的分离；然而，这随着材料厚度而变化。可以在弯曲之前将复合片材金属结构预加热至例如90
°
至150
°
，以减小弯曲过程中的局部应力，从而有助于防止材料分离和/或不期望的变形。在不偏离该技术的情况下，可使用其他成形方法，诸如在较高温度下锻造等。
[0214]
在第一非限制性示例性制造工艺中，外保护层(8250)是由上述适当片材的三个独立的平的片材形成的。三个独立的平的片材对应于外顶部部分(8265)、和两个外侧部分(8255)、(8260)中的每一个外侧部分。将每个平的片材切割成与u形主壳体壁组件的成品尺寸对应的预定完成尺寸(8045)。当片材仍为平的片材时，完成三个平的片材中的每个平的片材的任何附加处理，并且可以在将片材切割成成品尺寸之前进行处理。附加处理可以包括钻孔、冲压或以其他方式形成用于提供燃料流端口或阴极空气流端口(例如燃烧排气端口(9060))的通道，或冷启动期间使用用于为燃料输送管道进入到燃烧区域中提供入口的通道，或者用于提供用于电流收集、传感器附接点等的电接口的入口。在制造工艺的这一阶段添加提供其他机械接口特征可能需要的附加孔或特征，机械接口特征诸如用于将外保护层元件(8265、8255、8260)与导热芯(8200)和/或与热区壳体端壁(8080、8085)附接或用于
将外保护层与可能需要的内保护层附接。
[0215]
在制备平的片材以供组装之后，包括电镀、机加工、冲压等，外顶部部分(8265)被弯曲以形成图9c中所示的u形结构，其中外顶部部分的内半径被定位成面向sofc堆。圆柱形半径具有沿堆长度轴线(x)的纵向轴线并且具有与芯顶部部分(8215)的外半径相匹配的内半径。弯曲半径通过液压弯曲装置形成，该液压弯曲装置可操作以在室温(空气弯曲)下在压力破碎机等上弯曲或形成平的片材金属结构。可弯曲而不损坏材料并管理不期望的结果(诸如回弹)的弯曲半径受例如材料特性(例如硬度、拉伸强度、材料厚度、材料晶粒方向等)，以及在确定外顶部部分(8265)的不同实施例的制造工艺时考虑这些特性。通常，优选的是横向于材料晶粒方向弯曲材料以避免材料开裂和接合的材料层的分离；然而，这随着材料厚度而变化。可以在弯曲之前将复合片材金属结构预加热至例如90
°
至150
°
，以减小弯曲过程中的局部应力，从而有助于防止材料分离和/或不期望的变形。在不偏离该技术的情况下，可使用其他成形方法，诸如在较高温度下锻造等。
[0216]
在制备这两个平的片材(8255、8260)和弯曲的外顶部部分(8265)用于组装(包括机加工、冲孔等)之后，这三个外保护层各自被组装到导热芯(8200)的外表面并且被接合到该导热芯。接合技术可包括通过折叠凸片接头来焊接、铜焊、锡焊、紧固(例如，铆接、自铆接或自铆接，)或其组合。如上所述，三个外保护层被组装以完全覆盖导热芯(8200)的外表面，以防止在燃烧区域(8030)中由阴极空气流和/或废阴极气体和废合成气体的混合物引起的氧化。
[0217]
4.12.5.2制造工艺：接合在一起的三个片材
[0218]
在第二非限制性示例性制造工艺中，内保护层(8220)、导热芯(8200)和外保护层(8250)中的每个均由如上所述的其适当的片材材料形成为整体平的片材。将每个平的片材切割成与u形主壳体壁组件的成品尺寸对应的预定完成尺寸(8045)。当整体平的片材仍为平的片材时，完成三个整体平的片材中每一个平的片材的任何附加处理。附加处理至少包括钻孔、冲压或以其他方式形成穿过内保护层(8220)的阴极室输入端口(8095)，并且如可能需要添加其他孔或形成的特征，以提供用于将内保护层底部边缘(8240、8245)与热区域壳体基壁(8075)附接、或将内保护层底部边缘(8240、8245)与输入燃料歧管(8015)附接、和/或将内保护层底部边缘(8240、8245)附接到中间壳体(9000)的机械接口元件。在组装u形主壳体壁组件(8045)之前还添加提供其他机械接口特征可能需要的附加孔或特征，机械接口特征诸如用于将内保护层(8220)附接到热区壳体端壁(8080、8085)，或用于将内保护层(8220)或外保护层(8250)附接到导热芯(8200)，或用于提供燃料或阴极空气流端口(例如燃烧排气端口(9060)或提供燃料输送管道(8040)的入口)，或用于提供到燃烧区域以在冷启动期间使用的燃料管道，或用于提供用于电流收集、传感器附接点的电接口的入口等。
[0219]
在制备用于包括电镀、机加工、冲压等组装的三个平的片材之后，与内保护层(8220)和外保护层(8250)相对应的平的片材各自接合到与导热芯(8200)相对应的平的片材，例如通过彼此接触配合地对准和夹紧三个片材并且将三个片材铜焊在一起以形成仍然是平的片材的复合片材金属结构。如以上所指出的，在将片材切割并组装在一起之前识别每个片材的轧制方向，并且考虑将晶粒方向相对于与内顶部部分(8225)、芯顶壁(8215)和外顶部部分(8265)的弯曲半径相对应的弯曲轴线定向。然后，弯曲复合片材金属结构以形成图9c所示的u形结构，其中内保护层定位成面向sofc堆。圆柱形半径具有沿着堆长度轴线
(x)的纵向轴线。弯曲半径通过液压弯曲装置形成，液压弯曲装置可操作以在室温(空气弯曲)下在压力破碎机等上弯曲或形成复合片材金属结构。可弯曲而不损坏材料并管理不期望的后果(诸如回弹、单独片材的分离或者沿着弯曲轴线的裂纹)的弯曲半径受材料特性(例如硬度、拉伸强度、材料厚度、材料晶粒方向等)的影响，以及在确定u形主壳体壁组件(8045)的不同实施例的制造工艺时考虑这些特性。通常，优选的是横向于材料晶粒方向弯曲材料以避免材料开裂和接合的材料层的分离；然而，这随着材料厚度而变化。可以在弯曲之前将复合片材金属结构预加热至例如90
°
至150
°
，以减小弯曲过程中的局部应力，从而有助于防止材料分离和/或不期望的变形。在不偏离该技术的情况下，可使用其他形成方法，诸如在较高温度下锻造等。4.12.5.3附加的制造工艺实施例
[0220]
如以上第一制造工艺和第二制造工艺中所描述的，内保护层(8220)、导热芯(8200)和外保护层(8250)中的任一个可以由包括所有三个部分的整体平的片材坯料形成，这三个部分包括将被弯曲成圆柱形半径的顶部部分以及从该圆柱形半径的相对边缘延伸的两个侧部分。根据进一步的制造工艺，三个整体平的片材坯料部分中的两个或三个可以通过包覆接合在一起。包覆可通过单个包覆步骤实施，其中与内保护层(8220)和外保护层(8250)对应的平的片材坯料各自在单个包覆或轧制步骤中接合到与导热芯(8200)对应的平的片材。或者，包覆可以以两步工艺执行，其中，对应于内保护层(8220)或外保护层(8250)的平的片材坯料接合至对应于导热芯(8200)的平的片材，随后在第二包覆步骤中，将与内保护层(8220)或外保护层(8250)相对应的剩余平的片材坯料接合到与导热芯(8200)相对应的平的片材。
[0221]
在包覆工艺中，包覆坯料的宽度横向于轧制方向，使得包覆坯料的宽度优选地被选择为对应于u形主壳体壁组件(8045)沿sofc堆轴线(x)的期望长度尺寸。
[0222]
将复合包覆片材从包覆坯料切割成预定完成尺寸，预定完成尺寸对应于形成内保护层、导热芯和外保护层。在复合包覆片材仍然平时，完成复合包覆片材的任何附加处理。附加处理至少包括钻孔、冲压或以其他方式形成阴极室输入端口(8095)，加上如提供用于将复合包覆片材附接至热区壳体基壁(8075)和/或至输入燃料歧管(8015)和/或至中间壳体(9000)的机械接口元件可能需要的添加其他孔或形成的特征，以及在使单个包覆平的片材实施例弯曲之前，还添加提供其他机械接口特征如可能需要的其他孔或特征，其他机械接口特征诸如用于将复合包覆片材与热区壳体端壁(8080、8085)附接或用于提供燃料流端口或阴极空气流端口(例如燃烧排气端口(9060)或提供燃料输送管道(8040)的入口)，或用于提供至燃烧区域以在冷启动期间使用的燃料管道，或提供用于电流收集、传感器附接点的电接口的入口等。
[0223]
在制备复合包覆片材(包括电镀、机加工、冲压等)之后，复合包覆片材被弯曲以形成图9c中所示的u形结构，其中内保护层被定位成面向sofc堆。圆柱形半径具有沿着堆长度轴线(x)的纵向轴线。弯曲半径通过液压弯曲装置形成，液压弯曲装置可操作以在室温(空气弯曲)下在压力破碎机等上弯曲或形成复合片材金属结构。可弯曲而不损坏材料并管理不期望的后果(诸如回弹、单独片材的分离或者沿着弯曲轴线的裂纹)的弯曲半径受材料特性(例如硬度、拉伸强度、材料厚度、材料晶粒方向等)的影响，以及在确定u形主壳体壁组件(8045)的不同实施例的制造工艺时考虑这些特性。通常，优选的是使复合包覆片材横向于材料晶粒方向弯曲，以避免材料开裂和接合的材料层的分离；然而，这随着材料厚度而变
化。可以在弯曲之前将复合包覆片材预加热，例如预加热至90℃至150℃或高达1000℃，以减小弯曲期间的局部应力，从而有助于防止材料分离和/或不期望的变形。
[0224]
如以上第一制造工艺和第二制造工艺中进一步描述的，内保护层(8220)、导热芯(8200)和外保护层(8250)中的任何一个都可以被形成为三个单独的平的片材坯料元件，三个单独的平的片材坯料元件与将被弯曲成圆柱形半径的顶部部分以及从该圆柱形半径的相对边缘延伸的两个侧部分相对应。在导热芯(8200)的情况下，其通过从芯材料的平的片材切割两个芯侧壁部分(8205、8210)中的每个芯侧壁部分和芯顶部部分(8215)而制造。此后，在三个芯部分仍然平的的时，执行任何钻孔、冲压、机加工或电镀。芯顶部部分(8215)然后被弯曲成期望的圆柱形半径，并且然后两个芯侧壁部分(8205、8210)沿着圆柱形半径的不同边缘被附接以形成组装的导热芯(8200)。
[0225]
内保护层(8220)和外保护层(8250)各自以相同的方式制造，其中内顶部部分(8225)和外顶部部分(8265)以及内侧壁部分(8230、8235)和外侧壁部分(8255、8260)是由芯材料的平的片材形成的。此后，在内保护层部分和外保护层部分仍然平时执行任何钻孔、冲压、机加工或电镀。然后将内顶部部分(8225)和外顶部部分(8265)弯曲成期望的圆柱形半径，例如与芯顶部部分(8215)对应的内半径和外半径相匹配。此后，将内顶部部分(8225)和外顶部部分(8265)以及内侧壁部分(8230、8235)和外侧壁部分(8255、8260)安装至组装的导热芯，并夹紧在适当位置，并且然后锡焊、焊接或以其他方式机械地附接至导热芯。
[0226]
如以上第一制造工艺和第二制造工艺中进一步描述的，内保护层(8220)、导热芯(8200)和外保护层(8250)中的任何一个都可以形成为单独的平的片材坯料元件，单独的平的片材坯料元件与成品元件的顶部部分和两个侧壁部分的所有三个相对应。此后，在三个单独的平的片材坯料元件仍平时，执行任何钻孔、冲压、机加工或电镀。此后，三个单独的平的片材坯料元件中的每个平的片材坯料在三个独立的弯曲步骤中被弯曲成期望的圆柱形半径。此后，三个先前弯曲的元件中的每一个元件被组装在一起、夹紧并通过锡焊、焊接或其他机械紧固元件接合在一起。
[0227]
4.12.6穿过芯材料的热传导
[0228]
参见图7b和图9c，从燃烧区域(8030)辐射的热能很大程度上撞击在燃烧区域壁部分(8060)上并且具体地撞击在内顶壁部分(8225)上。此外，移动穿过燃烧区域(8030)的气体通过对流将热能很大程度地传递到内顶壁部分(8225)。虽然相同的热能传递机构发生在每个内保护层侧壁(8230、8235)处，但是来自燃烧区域壁部分(8060)中的气体的热能传递速率大于来自不在燃烧区域中的气体的热能传递速率，或不在燃烧区域中的气体速率或气体热能传递更小，因为燃烧区域(8030)中的温度或气体较高。因此，热能向内顶壁部分(8225)的传递速率高于热能向内侧壁(8230、8235)的传递速率。
[0229]
通过内保护层(8220)与导热芯(8200)的匹配表面之间的导热率与从较高温度表面发射至较低温度表面的辐射的组合，热能从内保护层(8220)传递至导热芯(8200)。此外，热能穿过内层材料的热传导从内保护层(在这种情况下为内部保护顶部部分(8225))的较高温度区域传递到较低温度内侧壁(8230、8235)。同样地，热能通过穿过导热芯材料的热传导从导热芯的较高温度区域(在这种情况下为芯顶部部分(8215))传递到较低温度芯侧壁(8205、8210)。然而，因为导热芯的材料具有比内保护层(8220)的材料高得多的导热系数，所以通过从芯顶部部分(8215)热传导至每个芯侧壁(8205)、(8210)的热能传递速率是从内
保护层顶部部分(8025)至内保护层侧部分(8235)、(8240)的热能传递速率的七倍。从芯顶部部分(8215)到每个芯部侧壁(8205)、(8210)的热传导能量流动路径在图7b中通过带向后箭头的黑色虚线示出，向后箭头从芯顶部部分(8215)指向每个芯部侧壁(8205)、(8210)。热能从芯顶部部分(8215)的传递减小了存在于芯材料中的热梯度，从而导致芯顶部部分的温度降低并且相应地增大了芯侧壁部分的温度。理想地，导热芯中的增加的热能传递速率被动地减小了芯顶部部分(8215)与两个芯侧壁(8205)、(8210)之间的热梯度，从而导致了内保护层(8220)和外保护层(8250)中的每个的热梯度的减小。当热梯度减小时，整个u形主壳体壁组件(8045)沿着气流轴线(z)更均匀地发射热能，并且因此将从燃烧区域(8030)接收的热能重新分配给穿过阴极室(8055)的中间容积和下部容积以及阴极输入歧管(9070)的阴极空气，并且重新分配给sofc管(8010)和中间壳体的壁。申请人注意到，在不偏离本技术的情况下，单个芯侧壁(诸如芯侧壁(8205)、(8210)中的任一个)是可用的，以提供芯顶部部分(8215)和仅有的芯侧壁之间热梯度的期望的被动减小。
[0230]
沿着气流轴线(z)的热梯度减小的显著益处是沿着sofc堆(8005)沿着气流轴线(z)的热梯度减小。例如，通过扩大保持在最佳sofc反应温度下的阳极层和阴极层的表面面积，sofc反应产率增加，例如以每单位合成气体输送产生的直流电流来测量的。当仅一部分阳极表面面积和阴极表面面积参与sofc反应时，因为阳极表面面积和阴极表面面积的非参与部分未处于最佳反应温度，或者当阴极气流未处于最佳反应温度时，如上所述，减小热梯度趋向于将sofc系统的非参与sofc反应部分转换成参与部分，从而增加电流输出。
[0231]
第二益处是sofc堆沿着气流轴线(z)的更均匀的温度可能降低由热膨胀失配引起的对sofc燃料电池和其他部件的损害。燃料电池由三个陶瓷层形成，每个陶瓷层具有不同的热膨胀系数。当在热循环期间(例如，启动或关闭)每个材料层沿着气流轴线(z)的长度改变不同时，三个陶瓷层的破裂或分离是常见的故障模式。沿着气流轴线(z)的温度梯度任何降低潜在地减少对sofc燃料电池的损坏。类似地，热区壳体组件(8042)包括三个壁、导热芯(8200)和两个保护层(8220、8250)，两个保护层由各自具有不同热膨胀系数的两种不同材料形成。在热循环期间，当不同的壁材料以不同的速率膨胀时，三个金属层的分离和变形是潜在的失效模式。沿气流轴线(z)的温度梯度变化的降低潜在地减少在热循环期间对u形热区壳体组件壁的损坏。
[0232]
热传导被描述为热能传递的速率(每单位时间)，也称为热流量或热通量，其可以用瓦特或焦耳每秒来表示。以下等式1将通量q定义为，
[0233]
q＝ka/d(δt)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
等式1
[0234]
其中，(q)是以瓦特为单位的热能传递速率，(k)是以w/(m
°
k)为单位的导热系数，(a)是导热路径的面积，例如以平方米(m2)为单位，(d)是传导路径的长度，以米为单位，以及(δt)是以开氏度表示的温度梯度。在本实施例的导热芯的情况下，导热路径(d)的长度等于从导热芯顶部部分(8215)的中心到侧部分(8205)、(8210)之一的底边缘的线性距离。面积(a)的尺寸是导热路径的厚度和导热路径的长度(例如沿着堆长度轴线(x))的乘积。
[0235]
在样品计算中，基于200
°
k的热梯度δt、350w/(m
°
k)的导热系数系数、2.5mm(0.0025m)的芯厚度和0.4m的长度尺寸(d)，芯材料的单位面积(例如具有等于芯厚度的正方形尺寸)提供了每单位面积1.1w的热流量或热通量，其中，单位面积是具有2.5mm(0.1英寸)的侧边尺寸的正方形。当面积尺寸超过整个堆长度尺寸(例如，0.61m或24英寸)时，穿过
每个侧壁的导热率的热流量或热通量是267w。通过比较，当芯材料的导热系数为50w/(m
°
k)时，穿过每个侧壁的热流量或热通量为38.0w。因此，与由具有50w/(m
°
k)或更小的导热系数的常规高温环境材料(例如钢合金，包括哈氏合金，以及蒙乃尔铜-镍合金和铬镍铁合金)制成的热区壳体壁相比，本实施例的导热芯潜在地提供了穿过导热芯(8200)的热流量增加7倍。
[0236]
4.12.7黑体特征
[0237]
除了热传导之外，导热芯(8200)具有黑体特性，其中，跨所有波长的每单位时间每单位表面积辐射的能量与黑体温度的四次方成正比。黑体辐射在图7b中描绘并且如上所述，包括从气流辐射的黑体能量。在导热芯的情况下，由此发射的辐射趋向于在内保护层(8220)和外保护层(8250)上入射，并且由导热芯吸收的辐射趋向于由内保护层(8220)和外保护层(8250)发射。
[0238]
在等式2中描述了黑体辐射发射率，其中假设发射器具有其可能不具有的表面发射率。
[0239]
q＝σa(tir
4-ts4)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
等式2
[0240]
其中q是每单位时间的热能传递速率，以瓦特为单位，a是辐射表面的面积，以m2为单位，σ是斯蒂芬常数(stefan’sconstant)，(5.6703
×
10-8
w/s2k4)，t
ir
是辐射表面的温度，并且ts是周围壁的温度，以开氏度为单位。如将认识到的，当通过导热芯(8200)将热能从芯顶部部分(8215)热传导至芯侧壁(8230、8235)的下端时，芯顶部部分的温度降低而芯侧壁部分的温度升高。两个壁温度的变化改变每个位置处的黑体辐射发射率，黑体辐射发射率与温度差的四次方成比例。在示例性的比较中，假设主壳体侧壁(8065、8070)的下端的温度由于穿过芯的热传导从650℃(923
°
k)升高到700℃(973
°
k)，并且假设周围壁表面的温度不变，例如550℃(823
°
k)，并且辐射表面的面积为一平方厘米(1.0x10-4
m2)，如上面所述。在此示例中，在650℃的温度下，热能传递的速率(辐射发射率)为1.514w。在700℃的升高的温度下，热能传递的速率为2.481w，其为每平方厘米的辐射发射率增加64％。
[0241]
4.12.8温度测量证明被动热梯度降低
[0242]
现在参见图10a、图10b、图11a和图11b，通过五个热电偶装置进行的温度测量证明了安装在测试夹具上的多个单独的燃料电池沿气流轴线(z)的热梯度被动减小。图10a示意性地描绘了布置在测试夹具(10000)上的五个sofc燃料电池(10005)。sofc燃料电池为具有围绕流体管道的圆柱形外壁的管状。阳极表面形成在每个燃料电池的流体管道的内径上，并且阴极表面形成在每个燃料电池的外径上。测试夹具包括燃料输入歧管(10010)，该燃料输入歧管(10010)被设置成从其底端支撑每个燃料电池。合成气流通过燃料输入歧管输送到每个管流体管道中。通过将测试夹具燃料电池包封在测试壳体内来形成阴极室，该测试壳体被设计成提供与上述热区壳体组件(8042)相同的功能。如下所述，构建两个测试壳体单元。第一测试壳体不包括本技术的导热芯并且第二测试壳体包括本技术的导热芯。
[0243]
测试夹具包括位于由五个星号(10030)指示的五个位置处的五个热电偶(tc1至tc5)，如图10a所示。这五个热电偶(tc1-tc5)沿着气流轴线(z)分布并且均匀地间隔开。热电偶安装在燃料电池(10005)之间或者接近一个燃料电池的表面。每个燃料电池(10005)沿着气流轴线(z)的长度被选择为匹配期望的燃料电池尺寸，例如，150mm-300mm(6英寸-12英寸)。热电偶tc5定位在距离sofc堆上端大约15mm(0.6英寸)处，并且剩余热电偶沿着电池长
度均匀分布。每个热电偶(tc1至tc5)与电控制器(未示出)电接口连接。该电控制器被配置成用于接收来自这五个热电偶中的每一个热电偶的温度信号，以处理温度信号，例如将温度信号与温度校准表进行比较、存储每个热电偶在一段时间内检测到的一系列温度信号以及确定在给定时间段内的平均温度值。
[0244]
在第一组温度测量过程中，操作这五个热电偶中的每一个以在两个半小时的启动至冷却操作周期中监测这五个星型位置(10030)中的每一个星型位置处的温度，以便以预定的时间间隔记录温度数据并且计算平均温度。第一组温度测量结果在当测试夹具从冷启动加热到对应于产生电流输出的运行温度时记录、在测试夹具产生电流的整个时间期间记录、以及当测试夹具冷却到冷启动温度时记录。在本示例中，将对应于产生电流输出的运行温度维持约一个半小时，并且启动和冷却阶段各自持续约30分钟。
[0245]
在第一组温度测量过程中，测试夹具在炉子内部操作而不安装导热芯来包封堆。
[0246]
在图10b中通过黑色条(10035)以图表形式示出了第一组温度测量结果，其中，每个黑色条指示与稳态运行期间的一个热电偶相对应的平均温度。虚线(10050)在每个黑色条(10035)与热电偶(tc1-tc5)之一之间延伸，以指示平均温度值与哪个热电偶相关。与黑色条(10035)对应的每个温度测量值是在测试夹具的电流输出期间由对应的热电偶测量的平均温度。如黑色条(10035)所示，在tc1处测量的平均温度约为775℃，在tc2处测量的平均温度约为700℃，在tc3处测量的平均温度约为720℃，在tc4处测量的平均温度约为630℃以及在tc5处测量的平均温度约为640℃。在约一小时操作周期内对温度进行平均。
[0247]
在第二组温度测量过程中，测试夹具与第二测试壳体组件一起操作，该第二测试壳体组件包括导热芯。第二测试壳体组件使用上述u形主壳体壁组件(8045)，该u形主壳体壁组件(8045)包括内保护层(8220)、导热芯(8200)和外保护层(8250)，如图9c所示。第二测试壳体组件的内保护层(8220)和外保护层(8250)由蒙乃尔铜-镍合金形成，蒙乃尔铜-镍合金具有约22.8(w/m
°
k)的导热系数并且内保护层和外保护层的厚度为约4.0mm(0.16英寸)。第二测试壳体的导热芯(8200)由导热系数为约350(w/m
°
k)的铜合金形成，并且与第二测试壳体对应的导热芯的厚度为约3.0mm(0.12英寸)。
[0248]
与第二测试壳体相对应的第二组温度测量在图10b中由带条纹的白色条(10040)以图表形式示出，其中，每个带条纹的白色条与一个热电偶相关联，如由在每个带条纹的白色条(10040)与热电偶之一(tc1-tc5)之间延伸的虚线(10050)所指示的。与带条纹的白色条对应的每个温度测量值是在测试夹具生成电流输出的时间段期间记录的平均温度。如带条纹的白色条(10040)所示，在tc1处测量的平均温度约为710℃，在tc2处测量的平均温度约为720℃，在tc3处测量的平均温度约为730℃，在tc4处测量的平均温度约为740℃，以及在tc5处测量的平均温度约为710℃。
[0249]
如在以上描述中所预测的，通过在第二测试夹具中添加铜芯，减小了沿着堆气流轴线(z)的热梯度。使用不包括导热芯的第一测试壳体组件测量的第一组温度值和使用第二测试壳体组件(包括导热芯)测量的第二组温度值的温度测量数据列于下表1中。如从表1中列出的数据以及在图10b中以图表形式示出的数据明显看出的，将热传导芯添加到第二测试壳体组件减小了沿着测试夹具燃料电池(10005)的气流轴线(z)的热梯度。申请人进一步注意到，在对应于包括导热芯的第二测试壳体组件的第二数据组中，测量的最高温度在tc4，指示导热芯的添加实际上将峰值温度的位置从燃烧区域(8030)转移到低于燃料电池
的中点的点。
[0250][0251][0252]
表1每个温度测量位置处的温度变化(℃)
[0253]
图11a以图表形式描绘了利用不包括导热芯的第一测试壳体组件在第一测试周期期间记录的温度测量数据。图11a的图表体现的竖直轴线对应于由五个热电偶测量的以℃为单位的温度，并且图11a的水平轴线对应于以小时为单位的时间。图11a的图表表示包括五个不同的温度对时间的绘图，其中针对五个热电偶位置中的每一个热电偶位置对应一个绘图。图例(10045)示出哪些数据图对应于哪些热电偶位置(tc1、tc2、tc3、tc4、tc5)。
[0254]
类似地，图11b以图表形式描绘了利用包括导热芯的第二测试壳体组件在第二测试周期期间记录的温度测量数据。图11b的图表体现的竖直轴线对应于由五个热电偶测量的以℃为单位的温度，并且图11b的水平轴线对应于以小时为单位的时间。图11b的图表表示包括五个不同的温度对时间的绘图，其中五个热电偶位置中的每一个热电偶位置对应一个绘图。图例(10055)示出哪些数据图对应于哪些热电偶位置(tc1、tc2、tc3、tc4、tc5)。
[0255]
两个绘图的比较揭示了，在启动周期期间，当热电偶的温度在大约30分钟的时段内从100℃增加到高于700℃时，五个热电偶位置中的每个热电偶位置处的温度增加的速率在导热芯就位时几乎相同(图11b)并且在导热芯未就位时明显不相同(图11a)。当将图11a的启动时段与图11b的启动时段进行比较时，这是明显的。图11a表明以℃/单位时间记的温度增加的速率在热电偶位置(tc1)处最大，并且在热电偶位置(tc5)处最小。相反地，图11b表明，在整个启动期间以℃/单位时间记的温度增加的速率在五个热电偶位置(tc1、tc2、tc3、tc4、tc5)上更加均匀。
[0256]
当以不同速率对单独的燃料电池(8010)的不同部分进行加热时，这可能导致燃料电池陶瓷层的层裂纹和/或剥落、以及堆中的陶瓷与金属部件之间的界面失效。类似地，当以不同速率加热热区壳体组件壁的不同部分时，这可导致导热芯以及内保护层和外保护层的层脱层和/或翘曲。
[0257]
4.12.9附加的sofc系统实施例
[0258]
现在参见图12，非限制性示例性sofc系统(12000)包括两个热区壳体组件(12042)。两个热区壳体组件各自设置在中间壳体(9000)内部，如图9、图16b和图17所示，并且沿着堆横向轴线(y)间隔开。每个热区壳体组件(12042)包括sofc堆(8005)、通过燃料输送管道(8040)流体连接到燃料重整器(8035)的燃料输入歧管(8015)和l形主壳体壁组件
(12045)。每个sofc堆(8005)被包封在不同的阴极室(12055)内。每个阴极室(12055)部分地由l形主壁组件(12045)之一界定，以及部分地由中间壳体基壁(9010)侧壁(9015或9020)界定，如图13所示。此外，每个阴极室可以由图9c中所示的相对的主壳体端壁(8080，8085)和主壳体基壁(8075)界定。
[0259]
图13描绘了两个l形主壳体组件(12045)，其中一个设置在第一sofc堆(8005)上方，另一个设置在另一个sofc堆(8005)上方。如图13a所示，每个l形主壳体壁组件(12045)形成有三个壁部分，燃烧区域弯曲壁部分(12062)、从弯曲壁部分的第一边缘延伸的燃烧区域平壁部分(12064)以及从弯曲壁部分的第二边缘延伸的主壳体侧壁(12070)。组合的弯曲壁部分(12060)和燃烧区域平壁部分(12064)提供阴极室(12055)的上边界(如下所述)，并形成燃烧区域(8030)的上边界，以从燃烧区域(8030)接收热能。侧壁部分从弯曲壁部分的边缘延伸并且沿着气流轴线(z)设置在sofc管输出端(8025)与sofc管输入端(8020)之间。
[0260]
每个l形主壳体壁组件(12045)限定阴极室(12055)。阴极室(12055)包封对应的sofc堆(8005)和燃烧区域(8030)，使得形成在每个单独的燃料电池(8010)的外表面上的阴极层暴露于阴极室(12055)。阴极室(12055)部分地由相应的l形主壳体壁组件(12045)、由中间壳体侧壁(9015或9020)以及由中间壳体底壁(9010)或由燃料输入歧管(8015)、或另一底壁例如(8075)界定，如图9c所示。每个l形主壳体壁组件(12045)限定不同的阴极室(12055)。
[0261]
sofc系统(12000)包括各自形成在中间壳体(9000)内部的同流换热器室(9050)和热区排气管道(9055)。同流换热器室(9050)和热区热区排气管道(9055)共同形成上文在图7a和图7b的描述中所描述的逆流式的气到气热交换器。环境温度阴极空气流穿过阴极输入端口(9040)被接收到同流换热器室(9050)中并且排放气体通过热区排气端口(9045)从排气管道排出。
[0262]
在同流换热器室(9050)内部，进入的阴极空气流(例如环境温度空气)通过对流和通过从同流换热器室的壁并且尤其是将热区排放气体管道(9055)与同流换热器室(9050)分开的共有壁(9075)发射的辐射来加热。加热的阴极空气流被迫穿过同流换热器室(9050)并且穿过一个或更多个同流换热器出口端口(9065)从同流换热器室离开至阴极输入歧管(13070)。阴极空气流源包括可变速空气移动装置(例如，风扇)，其根据电输出需求和其他过程控制指令来控制以增加或降低进入的阴极空气流的流速。
[0263]
热区排气管道(9055)穿过两个燃烧排气端口(9060)接收来自两个燃烧区(8030)的热气体混合物，其中每个燃烧排气端口(9060)从两个燃烧区域(8030)之一延伸到热区排气管道(9055)。在热区排气管道(9055)内部，热气体混合物被冷却，因为能量对流地和辐射地传递至热区排气管道(9055)的壁。热气体混合物从燃烧区域(8030)穿越sofc热区的出口穿过热区排气端口(9045)，并且最后穿过热区排气端口(9045)离开sofc热区。
[0264]
同流换热器室(9050)和热区排气管道(9055)各自优选地沿着sofc堆的全长沿着堆长度轴线(x)设置。阴极输入端口(9040)、热区排气端口(9045)和两个燃烧排气端口(9060)中的每个可作为所有三个端口的单个实例进行实施，三个端口例如沿着堆长度轴线(x)安置在堆长度的中心或一端处的阴极输入端口(9040)或者多个阴极输入端口(9040)、热区排气端口(9045)以及燃烧排气端口(9060)，燃烧排气端口(9060)可沿着堆长度轴线(x)间隔开地设置，以将阴极气流更均匀地分配到单独的燃料电池并且将来自sofc热区的
排出气体更均匀地分配。端口孔口可以是圆形的、槽形的、或其他端口形状的实例，这些实例是沿着该堆长度轴线(x)设置的。可替代地，同流换热器室(9050)和热区排气管道(9055)各自可以被实施为沿着整个堆长度轴线(x)延伸的单个室实例，或者同流换热器室和排气管道可以被配置为多个分开的室和管道实例，多个分开的室和管道沿着堆长度轴线(x)并排设置，其中每个分开的室实例设置有其自身的阴极输入端口(9040)、和/或热区排气端口(9045)并且为每个阴极室设置有一个燃烧排气端口(9060)。
[0265]
如图12所示，两个阴极室(12055)共享单个阴极输入歧管(13070)。阴极输入歧管(13070)顶部边界由排气管道底壁(9059)界定。相对的阴极输入歧管侧边界由两个l形主壳体壁组件(12045)中的每个的外表面限定，并且阴极输入歧管(13070)具有由上述的中间壳体底壁(9010)或另一底壁(8070)或两者限定的底边界。阴极输入歧管(13070)的每一端可以由上述的中间壳体端壁(9025、9030)或由端壁(8065、8085)界定。
[0266]
阴极气流在图12中通过具有箭头的实流动线示出。阴极空气流穿过阴极输入端口(9040)进入、穿过同流换热器室(9050)并且然后穿过两个同流换热器出口端口(9065)中的每一个进入阴极输入歧管(13070)。在阴极输入歧管(13070)内部，阴极空气流从同流换热器出口端口(9065)被向下引导以进入两组阴极室输入端口(8095)，其中一组阴极流动通道对应于每个l形主壳体壁(12045)。阴极空气然后从阴极输入歧管(13070)传到两个阴极室(12055)中的每一个阴极室(12055)。在阴极室内部，阴极气体向上流过sofc堆的暴露阴极表面，直到到达燃烧区域(8030)，在燃烧区域中，废的阴极空气流与废燃料混合。废燃料和废阴极空气的混合物的进一步流动路径由带箭头的虚流动线表示，这些带箭头的虚流动线示出了混合物从燃烧区域(8030)流动穿过两个燃烧排气端口(9060)(每个阴极室有一个)并且穿过热区排气管道(9055)，在热区排气管道(9055)，混合物在穿过热区排气端口(9045)离开sofc系统之前将热能传递到共有壁(9075)表面和其他壁表面。燃烧区域壁部分(12060)形成有燃烧区域弯曲壁部分(12062)以及平的燃烧区域壁(12264)，燃烧区域弯曲壁部分(12062)以及平的燃烧区域壁(12264)各自从不同的中间壳体侧(中间壳体侧是(9015)或(9020)侧壁)延伸，以形成相应的阴极室(12055)的顶部边界，并且从燃烧区域弯曲壁部分(12062)的第二边缘延伸的主壳体侧壁(12070)形成相应的阴极室(12055)的侧边界。l形主壳体壁(12045)沿着堆长度轴线(x)的全长设置，并且可以进一步延伸超过整个堆长度尺寸。
[0267]
参见图13b和图14，每个l形主壳体壁组件(12045)包括由内保护层(12220)和外保护层(12250)保护的导热芯(12200)。导热芯(12200)在材料、构造、功能和热特性上与本文关于图7a、图7b、图8b、图9a、图9b和图9c论述的导热芯(8200)基本相似，导热芯(12200)包括一种具有大于100w/(m
°
k)并且优选地大于200w/(m
°
k)的导热系数的芯材料，诸如一种或更多种铜，钼、铝镍、铍、铱、铑、银、钨、或合金或组合，因此该导热芯(12200)可以被制造成具有所期望的导热率并且可以在热区运行温度下可靠地满足结构要求。在特定示例性、非限制性实施例中，导热芯(12200)包括铜块，铜块具有在500℃下的370w/(m
°
k)与1027℃下的332w/(m
°
k)的近似范围的导热系数。
[0268]
l形主壳体壁组件(12045)包括被配置成用于保护导热芯壁(12200)免受氧化的内保护层(12220)和外保护层(12250)。内保护层和外保护层(12220、12250)的应用如上所述。在第一实施例中，内保护层(12220)和外保护层(12250)中的每一者包括通过电镀工艺施加
到导热芯(12200)、具有至少0.0005英寸且范围扩大至0.002英寸或更大的厚度的镀镍层。施加镀镍层以防止在350℃至1200℃的运行温度下氧气穿过镀镍层扩散。在第二实施例中，内保护层(12220)包含形成为与导热芯(12200)的内表面配合的内部片材金属层，并且外保护层(12250)包含形成为与导热芯(12200)的外表面配合的外片材金属层，以防止氧气在350℃至1200℃的运行温度下穿过保护层中的任一者扩散。
[0269]
内保护片材金属层和外保护片材金属层是用以上针对图9c中所示出的以及以上所描述的内保护层(8220)和外保护层(8250)所描述的相同的材料来制造的。在示例性非限制性实施例中，每个内保护层(12220)和外保护层(12250)由在sofc运行条件下耐腐蚀且尤其抗氧化的材料形成。在优选实施例中，每个内保护层(12220)和外保护层(12250)由铁素体不锈钢(诸如alloy18不锈钢，例如由美国伊利诺伊州阿尔西普的轧制金属制品公司分销)制造。如图12中所示，内保护层(12220)面向阴极室(12055)且外保护层(12250)面向阴极输入歧管(13070)。
[0270]
在示例性运行模式中，在燃烧区域(8030)中产生的热能通过辐射和对流传递到燃烧区域壁(12060)。由燃烧区域壁吸收的热能被动地穿过内保护层(12220)传导至传导芯(12200)。到达传导芯的热能经由传导芯(12200)被动地传导至导热芯的较低温度区域，例如传导至主壳体侧壁(12070)的末端。因此，芯(12200)中存在的温度梯度减小。在稳态运行期间，燃烧区域壁(12060)和主壳体侧壁(12070)的底端之间的热梯度减小。热能主要经由在每个l形主壳体壁组件(12045)与sofc电池(8010)之间辐射来交换。然而，当燃烧区域壁与侧壁之间的热梯度减小时，沿着每个sofc电池沿气流轴线z的长度的相应热梯度也减小。热能在传导芯(12200)与外保护层(12250)之间传导。在外保护层(12250)与在阴极输入歧管(13070、14070、15070)内流动的阴极气体之间，经由传导和对流的热能交换加热阴极气体。
[0271]
参考图13b，在非限制性示例性实施例中，l形主壳体壁组件(12045)包括形成为具有内侧壁部分(12230)、内弯曲壁部分(12225)和内顶壁部分(12227)的单片材料的内保护层(12220)。示例性传导芯(12200)优选地由具有芯侧壁部分(12210)、芯弯曲壁部分(12215)以及芯顶壁部分(12217)的单片材料形成。如图13b中所示，外保护层(12250)形成为三个单独部位：外侧壁部分(12260)、外弯曲壁部分(12265)和外顶壁部分(12267)。内保护层(12220)、导热芯(12200)和外保护层(12250)可使用关于u形主要壳体壁组件(8045)论述的任何方法形成并接合在一起，例如如图9c所示。
[0272]
参照图14，sofc系统(14000)包括包封单个sofc堆(8005)和输入燃料歧管(8015)以及燃料输送管道(8040)的单个l形热区壳体组件(14042)。l形热区壳体组件(14042)在以上与图12-图13b相关的描述中进行了描述。单个l形热区壳体组件(14042)安装在中间壳体(9000)内，中间壳体(9000)被定尺寸为接纳单个l形热区壳体组件(14042)。中间壳体提供了全部如上所述的同流换热器室(9050)、热区排气端口(9045)、阴极输入端口(9040)、阴极输入歧管(14070)以及阴极室(12055)。sofc热区(14000)的优点是其尺寸紧凑。
[0273]
参见图15，sofc热区(15000)包括以示意图示出的热区壳体组件(15042)。热区壳体组件(15042)包括两个sofc堆(8055)、两个燃料输入歧管(8015)以及u形主壳体壁组件(8045)，每个u形主壳体壁组件(8045)包封两个sofc堆中的一个sofc堆并且围绕每个sofc堆形成隔离的阴极室(8055)，如本文关于图7a、图7b、图9a、图9b和图9c所描述的。阴极输入
歧管(15070)被定尺寸为将热区壳体组件(15042)接纳于其中，并且阴极输入歧管(15070)由中间壳体侧壁(9015、9020)的面向内表面和中间壳体底壁(9010)、由两个u形主壳体壁组件(8045)中的每一个的面向外表面、由热区排气管道(9055)的底壁(9059)、以及由热区壳体端壁(8080、8085)的面向内表面界定，在图9c中示出。
[0274]
4.12.10中间壳体
[0275]
热区壳体壁组件(12045、14045、15042)各自安装在中间壳体(9000)内部，在图16b和图17中的等轴测视图中示出。中间壳体形成为室，该室包括相对的中间壳体顶壁(9005)和中间壳体底壁(9010)、相对的中间壳体侧壁(9015)和中间壳体侧壁(9020)以及相对的中间壳体端壁(9025)和中间壳体端壁(9030)。中间壳体(9000)将燃料输送管道(8040)包封在中间壳体端壁(9025)与热区域壳体端壁(8080)之间的间隙中。中间壳体包括阴极输入端口(9040)和热区排气端口(9045)，阴极输入端口(9040)用于接收穿过阴极输入端口(9040)的阴极空气流，热区排气端口(9045)用于从中间壳体排出排放气体。中间壳体包括启动燃料入口端口(8145)，以用于在sofc系统的启动运行模式期间接收燃料流并且用于将燃料流引导至每个启动燃烧嘴元件(8155)。每个端口(8145)、(9040)和(9045)根据需要穿过中间壳体的壁以将气流引导至接收区域接口。在非限制性示例性实施例中，燃料端口穿过侧壁(9015、9020)中的一个侧壁，并且阴极气体输入端口(9040)和热区排气端口(9045)中的每一个穿过中间壳体顶壁(9005)。中间室(9000)还包封或部分地包封同流换热器室(9050)以及热区排气管道(9055)，热区排气端口(9045)、阴极输入端口(9040)、燃烧排气端口(9060、9060a、9060b)、同流换热器出口端口(9065)中的每个的功能如关于图7a、图7b和图8a所描述的。
[0276]
4.12.11外部壳体
[0277]
如图16a、图16b和图17所示，中间壳体(9000)安装在绝缘层(2012)内部，该绝缘层优选地包括顶部部分和底部部分(未示出)以使中间壳体表面热绝缘。中间壳体和周围绝缘层各自安装在外部壳体(16000)内部。在第一非限制性示例性实施例中，外部壳体(16000)包括两个相对的外部壳体侧壁(16015)和两个相对的外部壳体端壁(16010)、外部壳体顶壁(16005)和相对的外部壳体底壁(16002)。优选地，外部壳体壁与中间壳体(9000)热绝缘。在优选的实施例中，隔热层(2012)设置在内部壳体(9000)与外部壳体(16000)之间并且配置成防止外壁的温度超过最大温度，例如大于环境温度60℃。形成外部壳体以提供各种输入端口和输出端口以与阳极气体燃料管道和阴极空气管道、排放气体出口端口、来自sofc堆的电力输出以及控制系统的接口进行接口连接，控制系统包括温度和电力传感器、流体流量计和根据需要的其他控制元件。优选地，外部壳体形成为具有结构完整性，该结构完整性被设计成保护内部中间壳体、燃料电池和其他内部系统免受冲击或湿气的损坏并且防止污染物从sofc热区逸出和/或从外部进入sofc热区。
[0278]
外部壳体(16000)优选地由金属壁形成，例如钢、不锈钢、铝等。在一些实施例中，例如，外部壳体或外部壳体的部分或从外部壳体内部延伸的元件可用作散热器以辐射从sofc系统内部(例如从燃料重整器、排放气体通道或同流换热器)吸收的热能至sofc热区周围的空气。本文公开的所有专利、专利申请以及其他参考文献特此通过引用明确地以其全文并入本文。
[0279]
本领域技术人员还将认识到，虽然以上已经就优选实施例描述了本技术，但其不
限于此。上述技术的各种特征和方面可以单独地或结合地使用。进一步，尽管该技术已经在其在特定环境中实施并且针对特定应用(例如，固体氧化物燃料电池系统)的背景下进行了描述，本领域技术人员会认识到，其可用性不限于此，并且本技术可以有益地用于任何数量的环境和实现方式中，该环境和实现方式期望在高温下以及在腐蚀性环境中通过使用高导热系数材料的热传导来增加热能传递。因此，应当鉴于本文所公开的技术的全部范围和精神来解释以下阐述的权利要求。