Системы твердооксидных топливных элементов с улучшенными канализированием газов и теплообменом

Системы твердооксидных топливных элементов с улучшенными канализированием газов и теплообменом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

[0001] Настоящее изобретение относится к системам и устройствам топливных элементов, в частности к системам и устройствам топливных элементов, имеющим улучшенные канализирование газов и регулирование температуры.

[0002] Топливный элемент представляет собой электрическое устройство, которое преобразует потенциальную энергию топлива в электричество посредством электрохимической реакции. Обычно топливный элемент включает в себя пару электродов, разделенных электролитом. Электролит допускает прохождение только определенных типов ионов. Избирательное прохождение ионов через электролит генерирует электрический потенциал между двумя электродами, который может использоваться в виде электрической энергии. Для увеличения выходной мощности в систему топливных элементов могут быть включены многочисленные топливные элементы. Например, многочисленные топливные элементы могут быть сгруппированы вместе в батарею топливных элементов.

[0003] Среди различных типов топливных элементов, известных в данной области техники, топливные элементы, которые работают при более высокой температуре (например, твердооксидные топливные элементы и топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом), имеют тенденцию обеспечивать более высокие эффективности преобразования топлива в электричество, чем низкотемпературные топливные элементы (например, топливные элементы на основе фосфорной кислоты и топливные элементы с протонообменной мембраной). Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) и топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом (РКТЭ) используют соответственно проводящий по ионам кислорода электролит и проводящий по карбонат-ионам электролит и работают при температурах выше 500°С. Для достижения таких высоких рабочих температур и исключения продолжительного времени запуска эти системы высокотемпературных топливных элементов требуют конструкций, которые позволяют эффективное терморегулирование.

[0004] Кроме того, системы топливных элементов, которые включают в себя риформеры, выдвигают особые проблемы в отношении регулирования их температур. Эндотермический риформинг (например, паровой риформинг) углеводородных видов топлива часто требует наличия высоких температур, тогда как реакции экзотермического риформинга (например, частичного окислительного риформинга) могут выделять избыточное тепло, которое, если не регулируется надлежащим образом, может разрушать катализаторы риформинга и/или другие компоненты системы топливных элементов. Токосъемные устройства, т.е. устройства, которые собирают ток, генерируемый при электрохимической реакции в системе топливных элементов, особенно чувствительны к тепловому повреждению, так как они часто выполняются из металлов, которые плавятся при относительно низких температурах (например, серебра).

[0005] Поэтому существует потребность в системах топливных элементов, которые предназначены обеспечивать улучшенное терморегулирование, что позволит системе топливных элементов работать с увеличенной эффективностью.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] В свете вышесказанного, настоящее изобретение предусматривает системы твердооксидных топливных элементов, которые включают в себя один или более топливных элементов и центральный опорный элемент, который находится в проточном сообщении с каждым из одного или более топливных элементов. Каждый из одного или более топливных элементов включает в себя анод, катод и электролит. В некоторых вариантах реализации центральный опорный элемент может включать в себя внутренний продольный элемент и внешний продольный элемент, причем внешний продольный элемент может быть концентрическим по отношению к внутреннему продольному элементу и расположенным вокруг него. Внутренний продольный элемент может образовывать внутренний продольный канал, который приспособлен доставлять топливо к аноду каждого из одного или более топливных элементов. Внешний продольный элемент может образовывать внешний продольный канал, который приспособлен доставлять окислитель к катоду каждого из одного или более топливных элементов. В некоторых вариантах реализации один или более топливных элементов могут быть расположены вокруг центрального опорного элемента.

[0007] В некоторых вариантах реализации центральный опорный элемент может включать в себя один или более катализаторов. Например, один или более катализаторов могут быть нанесены на по меньшей мере часть внутренней поверхности внутреннего продольного элемента центрального опорного элемента или связаны с ней. Один или более катализаторов могут представлять собой катализатор риформинга (например, катализатор частичного окислительного риформинга и/или катализатор парового риформинга), катализатор горения и/или их комбинации. В некоторых вариантах реализации данный катализатор может представлять собой ступенчатый катализатор. Например, ступенчатый катализатор может включать в себя ступенчатую смесь катализатора частичного окисления, комбинированного катализатора частичного окисления и горения, катализатора горения и катализатора парового риформинга.

[0008] В некоторых вариантах реализации системы топливных элементов могут включать в себя один или более анодных выпускных проточных каналов, а также один или более катодных проточных каналов. Один или более анодных выпускных проточных каналов могут быть в проточном сообщении с одним или более анодами и приспособлены направлять анодный выхлоп от одного или более анодов. Один или более катодных выпускных проточных каналов могут быть в проточном сообщении с одним или более катодами и приспособлены направлять катодный выхлоп от одного или более катодов. Системы топливных элементов могут включать в себя восстановительную камеру, которая находится в проточном сообщении с одним или более анодными выпускными проточными каналами и является по существу свободной от любого окислителя. Системы топливных элементов также могут включать в себя один или более токосъемников, расположенных внутри восстановительной камеры, которые находятся в электрическом сообщении с каждым из одного или более топливных элементов. Системы топливных элементов могут дополнительно включать в себя дожигатель, который находится в проточном сообщении с восстановительной камерой, а также с одним или более катодными выпускными проточными каналами. Дожигатель может быть приспособлен обеспечивать объединение анодного выхлопа от одного или более анодов и катодного выхлопа от одного или более катодов.

[0009] В некоторых вариантах реализации восстановительная камера может быть в тепловом сообщении с изолирующим материалом. Например, изолирующий материал может присутствовать между восстановительной камерой и дожигателем. В определенных вариантах реализации дожигатель может включать в себя внутреннюю поверхность, которая по меньшей мере частично покрыта катализатором горения. Восстановительная камера и/или дожигатель могут располагаться вокруг центрального опорного элемента.

[0010] Другой аспект настоящего изобретения относится к способу работы системы топливных элементов, например системы топливных элементов, подобной описанным выше различным вариантам реализации. В некоторых вариантах реализации система топливных элементов может включать в себя один или более топливных элементов, центральный опорный элемент в проточном сообщении с одним или более топливными элементами и токосъемник в электрическом сообщении с одним или более топливными элементами. Токосъемник может быть расположен вокруг центрального опорного элемента. Центральный опорный элемент может включать в себя внутренний продольный элемент, образующий внутренний продольный канал, и внешний продольный элемент, образующий внешний продольный канал. Внешний продольный элемент может быть концентрическим по отношению к внутреннему продольному элементу и расположенным вокруг него.

[0011] Способ работы системы топливных элементов может включать в себя направление топлива через внутренний продольный элемент к аноду одного или более топливных элементов и направление окислителя через внешний продольный элемент к катоду одного или более топливных элементов. Разница температур между внутренним продольным элементом и температурой внешнего продольного элемента на различных стадиях работы системы топливных элементов может создавать перепад температур. Этот перепад температур может способствовать теплопереносу и помогать регулировать локальную температуру в центральном опорном элементе, а также общую температуру всей системы топливных элементов.

[0012] В некоторых вариантах реализации за счет направления окислителя через внешний продольный элемент токосъемник может быть защищен от воздействия избыточного тепла. В некоторых вариантах реализации система топливных элементов может включать в себя восстановительную камеру, в которой могут располагаться один или более токосъемников. Восстановительная камера может быть в проточном сообщении с дожигателем. В этих вариантах реализации способ по настоящему изобретению может дополнительно включать в себя направление анодного выхлопа от анода одного или более топливных элементов в восстановительную камеру, направление катодного выхлопа от катода одного или более топливных элементов в дожигатель, направление непрореагировавшего топлива из восстановительной камеры в дожигатель и объединение непрореагировавшего топлива и непрореагировавшего окислителя в дожигателе. В определенных вариантах реализации данный способ может включать в себя сжигание анодного выхлопа и катодного выхлопа в дожигателе и/или обеспечение изолирующего материала между восстановительной камерой и дожигателем.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0013] Следует понимать, что данные чертежи не обязательно выполнены в масштабе, а акцент в общем делается на иллюстрацию принципов настоящего изобретения. Чертежи не предназначены ограничивать объем настоящего изобретения каким-либо образом.

[0014] Фиг.1 представляет собой схематичный вид в перспективе одного варианта реализации твердооксидного топливного элемента по настоящему изобретению.

[0015] Фиг.2 представляет собой схематичный вид в перспективе одного варианта реализации топливоэлементного блока согласно настоящему изобретению.

[0016] Фиг.3 представляет собой вид в разрезе одного варианта реализации системы твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению.

[0017] Фиг.4 представляет собой схематичный вид в перспективе одного варианта реализации центрального опорного элемента согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0018] Настоящее изобретение отчасти предусматривает систему топливных элементов, имеющую увеличенную эффективность посредством улучшенной регулировки температуры и токосъема. Температура системы топливных элементов может регулироваться и токосъем может улучшаться за счет обеспечения признаков канализирования газов, которые фактически и эффективно переносят входящие и выхлопные газы через систему топливных элементов. Более конкретно, настоящее изобретение предусматривает систему твердооксидных топливных элементов, имеющую центральный опорный элемент в проточном сообщении с изолированной восстановительной камерой и дожигателем. Такое новое канализирование газов с разной температурой в непосредственной близости друг от друга может способствовать теплопереносу и регулированию температуры. Кроме того, канализирование только восстановительных газов в восстановительную камеру, которая вмещает токосъемник, и ограничение прямого сгорания возле токосъемника увеличивает эффективность токосъема.

[0019] По всему данному описанию, если устройства или композиции описываются как имеющие, включающие в себя или содержащие конкретные компоненты, или если процессы описываются как имеющие, включающие в себя или содержащие конкретные технологические этапы, то предусматривается, что композиции по настоящему изобретению также состоят по существу из или состоят из указанных компонентов и что процессы по настоящему изобретению также состоят по существу из или состоят из указанных технологических этапов. Следует понимать, что порядок этапов или порядок выполнения определенных действий не играет роли, пока способ остается работоспособным. Кроме того, два или более этапа или действия могут проводиться одновременно.

[0020] В этой заявке, если некоторый элемент или компонент упомянут включенным в список и/или выбранным из списка указанных элементов или компонентов, следует понимать, что данный элемент или компонент может быть любым из указанных элементов или компонентов и может быть выбран из двух или более из указанных элементов или компонентов. Далее, следует понимать, что элементы и/или признаки композиции, аппарата или способа, описанных здесь, могут быть скомбинированы множеством различных способов без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения, выраженных здесь явно или неявно.

[0021] Использование терминов "включают в себя", "включает в себя", "включая", "имеют", "имеет" или "имеющий" следует понимать в общем смысле как открытое и не ограничивающее, если иное не указано специально.

[0022] Использование единственного числа здесь включает в себя множественное число (и наоборот), если иное не указано специально. Кроме того, в случае использования термина "примерно" перед количественной величиной настоящее изобретение также включает в себя саму эту конкретную количественную величину, если иное не указано специально.

[0023] В целом, настоящее изобретение относится к системе твердооксидных топливных элементов с улучшенными канализированием газов, регулированием температуры и токосъемом. Как показано на фиг.1, настоящее изобретение в общем предусматривает систему 10 топливных элементов, которая включает в себя центральный опорный элемент 12 и топливоэлементный блок 1, который расположен возле или вокруг центрального опорного элемента 12. Топливоэлементный блок может включать в себя один или более топливных элементов 32 (т.н. батарея топливных элементов в случае более чем одного элемента). Обычно система 10 топливных элементов также включает в себя пластину 4 топливного(ых) элемента(ов), токосъемный узел 35, дожигатель (не показан) и, необязательно, крышку-коллектор 30. Пластина топливных элементов может быть выполнена из сплава, металла или керамического материала и может быть плотной или пористой. Аналогично, дожигатель может быть выполнен из сплава, металла или керамического материала и может быть плотным или пористым.

[0024] В некоторых вариантах реализации один или более топливных элементов могут быть съемным образом или жестко прикрепленными к пластине топливных элементов на одном конце (т.е. дальнем конце) и к токосъемному узлу на другом конце (т.е. ближнем конце). Подобно топливным элементам, дальний конец центрального опорного элемента может быть съемным образом или жестко прикрепленным к ближней стороне пластины топливных элементов. Пластина топливных элементов может представлять собой диск или пластину различных геометрических или неправильных форм, которые включают в себя множественные отверстия для прохода или присоединения центральной опорной трубы и одного или более топливных элементов. В некоторых вариантах реализации центральный опорный элемент может быть в проточном сообщении с одним или более топливными элементами посредством необязательной крышки-коллектора, которая, если она присутствует, может быть прикреплена к дальней стороне пластины топливных элементов. И токосъемный узел, и дожигатель могут располагаться возле (вокруг) центрального опорного элемента при том, что дожигатель находится ближе к токосъемному узлу.

[0025] В дополнение к введению одного или более топлив и окислителей в топливные элементы, центральный опорный элемент может действовать как риформер путем включения в него одного или более катализаторов риформинга в случае, когда для питания топливных элементов используются углеводородсодержащие топлива (например, пропан). Центральный опорный элемент может обладать признаком двухканальной конструкции, которая может увеличивать эффективность системы топливных элементов в целом путем обеспечения улучшенного терморегулирования и канализирования газов по системе топливных элементов.

[0026] Центральный опорный элемент может быть присоединен к пластине топливных элементов с помощью физических, механических и/или химических средств. В некоторых вариантах реализации соединение между центральным опорным элементом и пластиной топливных элементов может представлять собой плотную скользящую посадку, такую, что центральный опорный элемент удерживается на месте на пластине топливных элементов с помощью трения. В других вариантах реализации центральный опорный элемент и пластина топливных элементов могут быть связаны вместе с использованием различных клеев, известных в данной области техники. Например, может быть использован имеющийся в продаже связующий агент на основе оксида алюминия.

[0027] Один или более топливных элементов могут аналогично фиксироваться к пластине топливных элементов. Например, один или более топливных элементов могут устанавливаться на пластине топливных элементов путем вставления их в отверстия или полости в пластине топливных элементов. Диаметр этих отверстий может быть равным диаметру или немного меньшим диаметра топливных элементов. В других вариантах реализации, как показано на фиг.2, один или более топливных элементов 32 могут устанавливаться на выступающие признаки, например инжекторные пальцы 7, на пластине 4 топливных элементов. Эти инжекторные пальцы 7 могут быть сформированы как одно целое с пластиной 4 топливных элементов или изготовлены отдельно и прикреплены к пластине 4 топливных элементов. Диаметр топливных элементов может быть немного большим, чем диаметр инжекторных пальцев, так что образуется узкий зазор, когда топливный элемент устанавливают на инжекторный палец. Несмотря на этот узкий зазор, никакого отдельного уплотнения для предотвращения утечки газа не требуется, так как перепад давления через узкий зазор между инжекторным пальцем и внутренним каналом топливного элемента гораздо выше, чем перепад давления по самому топливному элементу. Таким образом, существует достаточное обратное давление, чтобы минимизировать утечку газа из внутреннего канала топливного элемента без использования отдельного уплотнения. Например, топливный элемент с диаметром 2,8 мм может быть установлен на инжекторный палец с диаметром 2,5-2,7 мм, и образовавшийся при этом зазор не мешает работе системы топливных элементов. Специалисту в данной области техники будет ясно, что центральный опорный элемент также может быть аналогичным образом установлен на инжекторный палец пластины топливных элементов.

[0028] В определенных вариантах реализации система топливных элементов может включать в себя пластину-изолятор, расположенную поблизости от пластины топливных элементов. Топливные элементы могут проходить сквозь пластину-изолятор через различные отверстия на пластине-изоляторе. Эти отверстия могут быть сделаны с диаметром, равным или немного меньшим, чем индивидуальные топливные элементы, вызывая плотную посадку между топливными элементами и пластиной-изолятором. Пластина-изолятор может быть прикреплена к пластине топливных элементов с помощью химических или физических средств, таких как клеи или трение. Получающийся узел пластина топливных элементов/пластина-изолятор может создавать увеличенное сопротивление утечке газа вследствие большого перепада давления между внутренним каналом топливного элемента и областью, окружающей топливный элемент.

[0029] В некоторых вариантах реализации крышка-коллектор может включать в себя по существу полусферический (т.е. купольный) конец. Во время работы топливных элементов, по мере того как высокотемпературные газы циркулируют внутри крышки-коллектора, могут возникать термические напряжения, и по существу полусферическая структура может помогать снизить концентрацию напряжений внутри крышки-коллектора. В других вариантах реализации крышка-коллектор может иметь плоскую концевую поверхность. Например, коллектор может быть выполнен в форме цилиндрической крышки. Вследствие ее геометрии цилиндрическая крышка склонна претерпевать тепловое расширение во время работы системы топливных элементов. Для снижения термически вызываемых напряжений, возникающих на пересечении концевой поверхности и цилиндрических боковых стенок, цилиндрическая крышка-коллектор может включать в себя валик вокруг ее края. В дополнительных вариантах реализации вместо отдельной крышки-коллектора топливоэлементный блок может вставляться в газонепроницаемый изоляционный корпус так, что обеспечивается пустое пространство в отдалении от пластины топливных элементов (т.е. между пластиной топливных элементов и изоляционным корпусом). Подобно крышке-коллектору, данное пустое пространство обеспечивает путь для прохода газов из центрального опорного элемента в топливные элементы, приводя их в проточное сообщение друг с другом.

[0030] Топливоэлементный блок обычно включает в себя множество топливных элементов, расположенных вокруг центральной опорной трубы. Топливные элементы, используемые в системе топливных элементов по настоящему изобретению, могут быть описаны как трубчатые топливные элементы с несущим анодом. Более конкретно, топливные элементы могут включать в себя внутренний топливный электрод (т.е. анод), служащий в качестве опоры, промежуточный электролит и внешний воздушный электрод (т.е. катод). Этот трубчатый анод-опора (несущий анод) обычно может образовывать полое центральное отверстие (т.е. канал). В других вариантах реализации топливный элемент может быть выполнен с несущим катодом, с несущим электролитом или с несущей подложкой. В терминах геометрии трубчатые топливные элементы могут быть выполнены цилиндрической формы или могут иметь многоугольную или иные формы (например, эллиптическую). Например, трубчатые топливные элементы могут иметь по существу треугольную форму с закругленными вершинами, соединяющими три поверхности. В некоторых вариантах реализации анод может включать в себя один или более несущих признаков (например, утолщений или выступов), выступающих из его внутренней стенки в центральное отверстие, как описано в патенте США № 6998187, содержание которого включено сюда посредством ссылки во всей своей полноте.

[0031] По составу электроды могут быть выполнены из любых подходящих пористых электродных материалов, известных в данной области техники. Например, анод может быть выполнен из керамического материала или металлокерамического материала (кермета). Керамический материал или керамический компонент в металлокерамическом материале может включать в себя, например, материал на основе оксида циркония или материал на основе оксида церия. Примеры включают в себя стабилизированный оксид циркония (например, стабилизированный оксидом иттрия оксид циркония, в частности (ZrO₂)_0,92(Y₂O₃)_0,08) и легированный оксид церия (например, легированный гадолинием оксид церия, в частности (Ce_0,90Gd_0,10)O_1,95), но не ограничиваются ими. В случае металлокерамических материалов металлический компонент может включать в себя один или более переходных металлов, их сплавов и/или физических смесей. Металлический компонент (например, Ni, Co, Cu, Ag и W) может вводиться в виде оксида или соли (например, NiO, Ni(NO₃)₂) и может присутствовать в диапазоне от примерно 30,0 об.% до примерно 80,0 об.% в расчете на суммарный объем металлокерамического материала. Например, анод может быть пористым никелевым керметом со стабилизированным оксидом иттрия оксидом циркония. Другие подходящие электродные материалы включают в себя керамику на основе оксида алюминия и/или оксида титана, которая может включать или не включать в себя металлический компонент. Примеры подходящих катодных материалов включают в себя различные перовскиты, такие как перовскитная керамика манганита лантана, перовскитная керамика феррита лантана, перовскитная керамика манганита празеодима и перовскитная керамика феррита празеодима, но не ограничиваются ими.

[0032] Слой электролита может быть выполнен из таких же керамических и металлокерамических материалов, как описано выше. Подходящие металлические компоненты в металлокерамических материалах включают в себя Ni, Co, Cu, Ag, W, Pt, Ru, их сплавы и/или их физические смеси, но не ограничиваются ими. Содержание металла может быть в диапазоне от примерно 0,1 об.% до примерно 15 об.%. В различных вариантах реализации слой электролита может быть выполнен из легированной керамики. Например, в качестве слоя электролита может быть использован тонкий и плотный слой легированного оксида циркония. Слой электролита и катодный материал могут осаждаться на аноде с помощью различных технологий осаждения, включая нанесение покрытия намазыванием, нанесение покрытия погружением, нанесение покрытия распылением и печать. Различные слои могут совместно спекаться или последовательно спекаться после осаждения.

[0033] Фиг.3 представляет собой более подробный вид в разрезе системы топливных элементов, показанной на фиг.1. Система 10 топливных элементов включает в себя один или более топливных элементов 32 и центральный опорный элемент 12. Центральный опорный элемент 12 включает в себя один или более впусков 14 окислителя, один или более впусков 16 топлива, топливоподающий элемент 17, канал 18 топлива, окислителеподающий элемент 19 и канал 20 окислителя. Другие компоненты системы топливных элементов включают в себя пластину топливных элементов (не показана), токосъемный узел 35 и дожигатель 38, а также необязательный коллектор 30. Топливо (например, смесь пропана и воздуха) входит в систему топливных элементов через один или более впусков 16 топлива и доставляется к аноду каждого из топливных элементов 32 по каналу 18 топлива. Окислитель (например, воздух) входит в систему топливных элементов через один или более впусков окислителя и доставляется к катоду каждого из топливных элементов 32 по каналу 20 окислителя. Как показано на фиг.1, один или более топливных элементов расположены вокруг центрального опорного элемента 12.

[0034] Обращаясь к фиг.4, центральный опорный элемент 12 обычно включает в себя внутренний продольный элемент 17 (также называемый здесь топливоподающим элементом) и внешний продольный элемент 19 (также называемый здесь окислителеподающим элементом). Внешний продольный элемент может быть концентрическим по отношению к внутреннему продольному элементу и расположенным вокруг него. Каждый из этих элементов может быть цилиндрическим или может иметь другие геометрические формы (например, прямоугольную, многоугольную, эллиптическую и др.). Внутренний продольный элемент 17 может образовывать внутренний продольный канал 18 (также называемый здесь каналом топлива), который приспособлен доставлять одно или более топлив (например, топливную смесь) к аноду каждого из одного или более топливных элементов, тогда как внешний продольный элемент 19 может образовывать внешний продольный канал 20 (также называемый здесь каналом окислителя), который приспособлен доставлять один или более окислителей к катоду каждого из одного или более топливных элементов. Другими словами, внешний продольный канал представляет собой кольцевое пространство, ограниченное внутренней стенкой внешнего продольного элемента и внешней стенкой внутреннего продольного элемента. Центральный опорный элемент обычно также включает в себя один или более впусков топлива и впусков окислителя для введения соответственно топлив(а) и окислителя(ей) в систему топливных элементов. Внутренний продольный элемент и внешний продольный элемент могут быть выполнены, например, из металла, керамического материала (например, оксида алюминия), полупроводникового материала, полимерного материала, стекла и их смесей. Чтобы содействовать теплопроводности между внутренним продольным элементом и внешним продольным элементом, может быть расположен теплопроводящий материал между внутренним продольным элементом и внешним продольным элементом, обеспечивая физический контакт и непосредственный теплоперенос. Например, теплопроводящий материал может быть расположен вдоль внутренней стенки внешнего продольного элемента и/или внешней стенки внутреннего продольного элемента. Теплопроводящий материал может быть металлическим (например, сплавом или металлом) или керамическим материалом, и может быть в форме проволоки(ок), сетки, пены или их комбинаций. Примером теплопроводящего материала является проволочная спираль, выполненная из сплава Inconel® 600 (Special Metals Corp., г. Хантингтон, шт. Западная Вирджиния, США), которая может иметь квадратный или круглый профиль или профиль иной геометрии.

[0035] Обращаясь к фиг.4, центральный опорный элемент 12 может включать в себя один или более катализаторов 21, включая катализаторы риформинга, которые могут функционировать как риформер, если система топливных элементов приспособлена работать на иных топливах, чем чистый водород. Например, углеводородные топлива, такие как природный газ, пропан, бензин, керосин и дизельное топливо, являются менее дорогими, легче и безопаснее сохраняемыми и более легкодоступными, чем водород. Также могут использоваться спирты, такие как синтетический метанол и этанол растительного происхождения. В некоторых вариантах реализации внутренняя стенка внутреннего продольного элемента 17 может быть полностью или частично покрыта одним или более катализаторами 21 риформинга. Эти катализатор(ы) могут быть в форме покрытия, керамических шариков и/или могут быть нанесены на или пропитаны в сотовый слой катализатора (показанный на фиг.4). В некоторых вариантах реализации внутренняя стенка внутреннего продольного элемента может быть облицована волокнистой оболочкой (например, войлочным материалом), нагруженной(ым) катализатором(ами).

[0036] В некоторых вариантах реализации, как показано на фиг.3, катализатор(ы) 21 риформинга, расположенный(е) в центральном опорном элементе, может/могут представлять собой ступенчатый катализатор. Состав ступенчатого катализатора может меняться в зависимости от его местоположения. Это позволяет протекать разным каталитическим реакциям по мере того, как топливо проходит через различные секции внутреннего продольного элемента. Например, ступенчатый катализатор может включать в себя четыре разных катализатора, расположенных в разных катализаторных секциях вдоль внутреннего продольного элемента. В конкретных вариантах реализации катализатор в первой катализаторной секции 22 может представлять собой катализатор частичного окислительного риформинга с низкой площадью поверхности, за которым последовательно следуют вторая катализаторная секция 24, включающая в себя катализатор частичного окислительного риформинга или комбинированный катализатор частичного окисления и горения, третья катализаторная секция 26, включающая в себя катализатор горения, и четвертая катализаторная секция 28, включающая в себя катализатор парового риформинга. Использование ступенчатого катализатора позволяет превращать топливо в большем диапазоне температур, т.е. от примерно 200°С до примерно 900°С, вследствие разных типов реакций риформинга, которые катализируются разными катализаторами в ступенчатом катализаторе.

[0037] Например, при частичном окислительном (ЧОК) риформинге топливо частично окисляется кислородом О₂ на катализаторе с получением монооксида углерода и водорода. Реакция является экзотермической, но за счет меньшего выхода водорода:

C_nH_m + (n/2)O₂ → nCO + (m/2)H₂

Примерные катализаторы частичного окислительного риформинга включают в себя, без ограничения, Pt, Ni, W, Ru, Au, Pd, Mo, Cu, Sn, Rh и V. В некоторых вариантах реализации первый катализатор частичного окислительного риформинга может включать в себя оксиды платины и никеля. Этот катализатор частичного окислительного риформинга может иметь меньшую площадь поверхности (например, сниженное удельное содержание металла) по сравнению со следующим за ним комбинированным катализатором частичного окислительного риформинга и горения, так как большая часть (например, 60%) топлива, как ожидается, будет превращаться с помощью первой катализаторной секции благодаря ее близости к впуску топлива и теплу, обеспеченному дожигателем. Вследствие этого первый катализатор частичного окислительного риформинга также должен быть более надежным (устойчивым), так как все топливо, впрыскиваемое в систему топливных элементов, будет вступать в контакт с первой катализаторной секцией.

[0038] В определенных вариантах реализации второй катализатор может представлять собой катализатор частичного окислительного риформинга с высокой площадью поверхности, удельное содержание металла в котором обычно выше, чем в первом катализаторе частичного окислительного риформинга. Это обусловлено тем, что, при условии, что вторая катализаторная секция расположена ниже по ходу от первой катализаторной секции, меньше топлива доступно для риформинга, и, следовательно, более высокая площадь поверхности требуется для эффективного риформинга. В некоторых вариантах реализации эта вторая катализаторная секция может включать в себя никель и платину, причем никель с большей долей, чем у платины. Например, отношение никеля к платине может меняться от примерно 5:1 до примерно 15:1. В некоторых вариантах реализации катализатор во второй катализаторной секции может быть смесью катализатора частичного окислительного риформинга и катализатора горения. Катализатор частичного окисления может быть описанным выше катализатором частичного окисления с высокой площадью поверхности. Катализатор горения может быть описанным ниже катализатором горения.

[0039] Катализатор горения в третьей катализаторной секции может быть металлическим катализатором, например катализатором, который включает в себя один или более топливных металлов, выбранных из Pd, Pt, Cu, Mn и Rh, которые способствуют сгоранию топлива. Тепло, выделяющееся при таком сгорании, может переноситься к соседним секциям вдоль внутреннего продольного канала, где расположены вторая катализаторная секция и четвертая катализаторная секция соответственно, инициируя реакции частичного окислительного риформинга, возможность протекания которых обеспечивается этими катализаторами. Так как катализатор горения работает при меньшей температуре, катализатор горения будет первым катализатором в четырехступенчатом катализаторе для начала риформинга входящего топлива.

[0040] Четвертая катализаторная секция может включать в себя катализатор парового риформинга и/или катализатор частичного окислительного риформинга. Паровой риформинг производит монооксид углерода и водород путем катализа следующей реакции:

C_nH_m + nH₂O → nCO + (m/2 + n)H₂

Данный процесс является сильно эндотермическим (т.е. протекает при температурах в диапазоне от примерно 700°С до примерно 1000°С) и потребляет значительное количество энергии, которая обычно подается посредством внешнего сгорания. В предложенных системах топливных элементов требуемая тепловая энергия подается за счет тепла от экзотермических реакций частичного окислительного риформинга и горения, которые протекают выше по ходу. Примерные катализаторы парового риформинга включают в себя различные металлы VIII группы, такие как кобальт и никель, но не ограничиваются ими.

[0041] Обращаясь к фиг.2, после того, как топливо прошло через катализаторы 21, риформированное топливо и любое нериформированное топливо течет через коллектор 30 и направляется к аноду одного или более топливных элементов 32. Топливные элементы обычно представляют собой трубчатые твердооксидные топливные элементы и могут быть электрически соединены с образованием топливоэлементного блока (батареи топливных