CN1947298A - 加热固体氧化物燃料电池堆 - Google Patents

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卢弘尚
P·萨卡
L·亚马特
M·L·理查森
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Abstract

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池系统，所述固体氧化物燃料电池系统包括至少一个管形固体氧化物燃料电池和燃烧加热器，所述燃烧加热器被安装以使得与所述燃料电池充分热接近从而使得由所述加热器内部的燃烧产生的热量能够将所述燃料电池加热至适当工作温度。所述加热器和燃料电池可被罩在管形热壳体内；所述壳体内部限定出用于包含第一反应剂如氧化剂的第一反应剂室。所述燃料电池包括陶瓷固态电解质层以及同心地布置在所述电解质层周围且夹住所述电解质层的内电极层和外电极层。所述外电极层可与所述第一反应剂流体连通，且所述内电极层与所述第一反应剂流体隔离且可与第二反应剂如燃料流体连通。

Description

加热固体氧化物燃料电池堆
技术领域
本发明主要涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)系统，且具体而言，涉及固体氧化物燃料电池系统的热管理。
背景技术
通常，固体氧化物燃料电池包括被陶瓷固相电解质隔开的一对电极(阳极和阴极)。为了在这种陶瓷电解质中获得足够大的离子电导率，固体氧化物燃料电池在高温下进行工作，所述高温通常处于约700℃至1000℃之间的数量级。典型的固体氧化物燃料电池电解质中的材料是完全致密(即无孔)的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，所述氧化钇稳定的氧化锆在高温下是带负电的氧(氧化物)离子的优良导体。典型的固体氧化物燃料电池阳极由多孔镍/氧化锆金属陶瓷制成，而典型的阴极由掺杂镁的锰酸镧(LaMnO3)，或掺杂锶的锰酸镧(还已公知为锰酸锶镧(LSM))制成。在工作过程中，通过阳极的燃料流中的氢或一氧化碳(CO)与被传导通过电解质的氧化物离子发生反应以产生水和/或CO2和电子。电子通过外电路从阳极到达燃料电池外部、通过电路上的负载且返回阴极，在所述阴极处，来自空气流的氧接收电子且被转化成氧化物离子，所述氧化物离子被注入电解质内。所发生的固体氧化物燃料电池反应包括：
阳极反应：
阴极反应：
已公知的固体氧化物燃料电池设计包括平面和管形燃料电池。申请人本人的PCT申请no.PCT/CA01/00634披露了一种通过电泳沉积(EPD)产生管形固体氧化物燃料电池的方法。该燃料电池包括多个同心层，即内部电极层、中间电解质层和外部电极层。内部电极和外部电极可适当地分别为阳极和阴极，且在这种情况下，燃料可通过流过管道而被供应至阳极，且空气可通过在管道的外表面上通过而被供应至阴极。多个这种燃料电池可电气组合在一起形成堆从而增加功率产生密度。
由于固体氧化物燃料电池仅可在高温下进行工作，因此它们在可发电之前必须受到加热。在工作过程中，燃料电池产生电力和热量。在一些情况下，所产生的热量可用以使燃料电池保持处于其工作温度；然而，在非常小型的应用情况下或在其它情况下，燃料电池本身不能产生足够多的热量，或燃料电池周围没有足够的绝热以使燃料电池保持处于其工作温度。在这些情况下，必须由外源提供热量。还必须在燃料电池未产生任何热量的启动阶段提供外部加热。
因此，所希望的是提供一种能够在启动阶段和工作过程中为系统中的燃料电池供应足够热量的燃料电池系统。具体而言，所希望的是提供一种可以相对快速且高效的方式提供这种热量的系统。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种固体氧化物燃料电池系统，所述固体氧化物燃料电池系统包括至少一个管形固体氧化物燃料电池和与所述燃料电池热接近的燃烧加热器。每个管形固体氧化物燃料电池包括陶瓷固态电解质层以及同心地布置在所述电解质层周围且夹住所述电解质层的内电极层和外电极层；所述内电极层可仅与氧化剂反应剂和燃料反应剂中的一种流体连通，且所述外电极层可仅与所述氧化剂和燃料反应剂中的另一种流体连通。所述燃烧加热器与所述氧化剂和燃料反应剂流体连通以使得可发生燃烧，且被安装以使得与所述燃料电池充分热接近从而使得可通过燃烧将所述燃料电池加热至工作温度。所述加热器可与燃料供应和从所述燃料电池中排出的未反应燃料中的至少一种，和/或直接与空气和燃料源流体连通。
所述系统可进一步包括管形热壳体。所述壳体内部限定出第一反应剂室，所述第一反应剂室包含所述燃料电池和所述加热器，且可包含与所述外电极层流体连通的所述反应剂。该反应剂可以是氧化剂。
所述加热器可以是管形的且包括具有内表面的致密壁部，所述内表面上涂覆有催化材料，所述催化材料有效地使流动通过所述加热器的所述空气和燃料的混合物催化燃烧。另一种可选方式是，所述壁部可足够多孔以使得所述燃料和空气混合物能够均匀地通过所述燃烧加热器进入所述反应剂室内；所述孔隙上涂覆有催化材料，所述催化材料有效地使流动通过所述加热器的所述空气和燃料的混合物燃烧。所述加热器可至少部分地填充有多孔阻焰器，所述多孔阻焰器的最大孔隙尺寸小于所述燃料的淬熄直径。这样就防止了在所述加热器内部形成火焰。
可使用催化剂材料以促进在室温下进行燃烧。然而，当使用在高温下促进燃烧的催化剂材料时，提供了将催化剂加热至该高温的装置。就这方面而言，所述加热器可进一步包括电阻元件，所述电阻元件产生足够多的热量以将所述催化材料加热至其工作温度。另一种可选方式是，所述加热器可包括火焰燃烧器，所述火焰燃烧器可与所述空气和燃料流体连通且可工作以点燃所述空气和燃料从而产生火焰和足够多的热量以将所述催化材料加热至其工作温度。当所述催化剂达到其工作温度且发生催化燃烧时，火焰应该由于反应剂不足而熄灭。
所述管形加热器可相对于所述壳体进行布置以在其间限定出环形室，所述环形室可与空气和燃料混合物流体连通。在这种情况下，所述加热器和所述壳体中的一个或两个上涂覆有催化材料，所述催化材料有效地使所述空气和燃料混合物燃烧。所述管形加热器的内部限定出氧化剂室且所述燃料电池位于该氧化剂室内。这些燃料电池可被埋置在所述氧化剂室内部的固态多孔泡沫基体中。
根据本发明的另一个方面，提供一种固体氧化物燃料电池系统，所述固体氧化物燃料电池系统包括上述一个或多个燃料电池和燃烧加热器，所述燃烧加热器包括第一管道和位于所述第一管道内的致密第二管道。所述第二管道的内部限定出燃烧室，所述燃烧室可与所述氧化剂和燃料反应剂流体连通以使得可发生燃烧。所述第一管道与所述第二管道之间的环形空间限定出反应剂加热室，所述反应剂加热室可与其中一种所述反应剂流体连通且被热联接至所述燃烧室以使得燃烧产生的热量可被传递至所述反应剂室内部的所述反应剂。
所述加热器可位于与所述燃料电池充分热接近的位置处以使得可通过从所述加热器中辐射和传导出的热量将所述燃料电池加热至工作温度。另一种可选方式是，可通过由在所述反应剂室中受到加热的所述反应剂承载的热量加热所述燃料电池。该反应剂可以是氧化剂，所述反应剂还可以是与所述燃料电池的所述外电极流体连通的反应剂。在这种情况下，所述第一管道可以是足够多孔的以使得在所述加热室内部受到加热的氧化剂能够通过第一管道且与所述外电极层直接连通。
所述加热器可进一步包括燃料和氧化剂预混合室，所述燃料和氧化剂预混合室被流体联接至所述燃烧室的入口端且可与所述燃料和氧化剂流体连通以使得所述燃料和氧化剂在其中进行混合。所述燃烧室可至少部分地填充有多孔阻焰器，所述多孔阻焰器的最大孔隙尺寸小于所述燃料的淬熄直径。代替使用预混合器，所述加热器可进一步包括火焰燃烧器，所述火焰燃烧器被流体联接至所述燃烧室的所述入口端，且可与所述燃料和氧化剂流体连通以使得所述燃料和氧化剂被点燃以形成火焰。
此外，所述加热器可包括所述第二管道内部的多孔第三管道。所述第二管道与所述第三管道之间的环形空间限定出燃烧空气室，且所述第三管道的内部限定出燃烧燃料室。所述燃烧空气室可与所述氧化剂流体连通且所述燃烧燃料室可与处于比所述氧化剂更高的压力下的燃料流体连通，由此导致所述燃料径向渗透通过所述第三管道且进入所述燃烧空气室内从而与其中的所述氧化剂一起燃烧。另一种可选方式是，所述燃烧燃料室可与处于比所述燃烧空气室中的所述氧化剂更低的压力下的燃料流体连通，由此导致氧化剂径向渗透通过所述第三管道且进入燃烧燃料室内从而与其中的所述燃料一起燃烧。
另一种可选方式是，所述加热器可包括位于所述第二管道内部的多孔第三管道以使得所述第二管道与所述第三管道之间的环形空间限定出第一燃烧室，且所述第三管道的内部限定出第二燃烧室。所述第一燃烧室具有排出口和可与所述燃料和氧化剂流体连通的所述燃烧燃料室；所述燃料和氧化剂在所述燃烧燃料室中形成混合物，所述混合物径向渗透通过所述第三管道且进入所述第一燃烧室内以进行燃烧。该加热器可进一步包括所述第一燃烧室中的点火装置，所述点火装置被用以点燃所述第一燃烧室中的所述燃料和氧化剂混合物从而通过火焰燃烧进行燃烧。无论有无所述点火装置，所述加热器可在所述第三管道上具有孔隙，所述孔隙上涂覆有催化材料，所述催化材料足以使通过其中的所述氧化剂和燃料混合物进行催化燃烧。
另一种可选方式是，所述燃烧加热器可包括多孔外管和所述外管内的多孔内管。所述内管内部限定出可与所述氧化剂和燃料反应剂流体连通的内部燃烧室，所述氧化剂和燃料反应剂在所述内部燃烧室中形成混合物。所述第一管道与所述第二管道之间的环形空间限定出外部燃烧室，径向渗透通过所述内管的燃料和氧化剂混合物在所述外部燃烧室中进行燃烧。该加热器可具有位于所述外部燃烧室中的点火装置，且所述点火装置被用以点燃所述外部燃烧室中的所述燃料和氧化剂混合物从而通过火焰燃烧进行燃烧。无论是否存在点火器，所述内管的孔隙上可涂覆有催化材料，所述催化材料足以使通过其中的所述氧化剂和燃料混合物进行催化燃烧。
根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括如上所述的一个或多个燃料电池，和用于将烃燃料重整成用作燃料电池的燃料的重整产物的重整器。该重整器被流体联接至所述燃料电池的燃料入口端且包括将烃燃料重整成重整产物燃料的重整器催化材料。所述重整器可以是位于所述燃料入口端处的至少部分填充每个燃料电池内部的多孔重整器催化剂材料。或者，所述重整器可以是至少部分地填充了多孔重整器催化剂材料的管道；该重整器管道具有被流体联接至每个燃料电池的所述燃料入口端的排放端。或者，所述系统可具有燃料入口歧管组件，所述燃料入口歧管组件被流体联接至每个燃料电池的所述燃料入口端、可与烃燃料源连通且至少部分地填充有多孔重整器催化剂材料。
附图说明
图1(a)和(b)是包括围绕燃烧加热器的第一实施例的多个单端管形燃料电池的燃料电池系统的示意顶剖视图和侧剖视图；
图2(a)和(b)是根据本发明的第二实施例的燃料电池系统的示意顶剖视图和侧剖视图，且所述燃料电池系统包括围绕图1所示的燃烧加热器的在两端开口的多个管形燃料电池；
图3是具有安装在燃料电池的燃料入口侧部中的重整器反应器的管形燃料电池的示意侧剖视图；
图4是在安装到燃料电池的燃料入口侧部上的延伸管道中安装的重整器反应器的示意侧剖视图；
图5(a)至(e)是示出安装在被流体联接至多个燃料电池的燃料分配歧管内部的重整器反应器的不同实施例的示意侧剖视图；
图6是单端燃料电池和安装在被流体联接至燃料电池的燃料分配歧管内部的重整器反应器的示意侧剖视图；
图7是燃烧加热器的第二实施例的示意侧剖视图，且所述燃烧加热器具有限定出多个流体流室的多条同心布置的管道，所述流室包括其中发生火焰燃烧的燃烧空气室；
图8是燃烧加热器的第二实施例的示意侧剖视图，所述燃烧加热器被改造以使得在加热器的燃烧燃料室中发生火焰燃烧；
图9(a)和9(b)是燃烧加热器的第三实施例的示意侧剖视图，所述燃烧加热器具有限定出多个流体流室的多条同心布置的管道、被流体联接至加热器上游端的燃料/空气预混合器和占据加热器中的燃烧室的一部分(图9(a))或全部(图9(b))的阻焰器；
图10是燃烧加热器的第四实施例的示意侧剖视图，且所述燃烧加热器具有限定出多个流体流室的多条同心布置的管道和安装在加热器的入口端处的火焰燃烧器；
图11是燃烧加热器的第五实施例的示意侧剖视图，且所述燃烧加热器具有限定出多个流体流室的多条同心布置的管道，所述流室包括反应剂空气加热室和燃烧室，所述燃烧室接收燃料/空气混合物以进行火焰和/或催化燃烧；
图12是燃烧加热器的第六实施例的示意剖视图，所述燃烧加热器具有限定出多个流体流室的多条同心布置的管道，所述流室包括接收燃料/空气混合物以进行火焰和/或催化燃烧的燃烧室；
图13是示出具有燃料电池和图1、图7-12所示的其中一个燃烧加热器的燃料电池系统内的空气和燃料流径的结构图；
图14是根据本发明的另一实施例的组装在热壳体内的多个管形燃料电池的燃料电池堆和燃烧加热器的示意端视图；
图15(a)和(b)是根据本发明的又一实施例的燃料电池系统的示意顶剖视图和侧剖视图；
图16(a)和(b)是图15(a)和(b)所示的燃料电池系统的改进型的示意顶剖视图和侧剖视图，其中燃料电池被埋置在固态多孔泡沫基体内；
图17(a)和(b)是根据本发明的又一实施例的燃料电池堆隔板的示意顶视图和侧视图；
图18是安装在燃料电池系统中的图17(a)和(b)所示的燃料电池堆隔板的示意顶视图；
图19(a)和(b)是具有内部加热管道和外部加热管道(图19(a))以及仅具有内部加热管道(图19(b))的图18所示的燃料电池系统的示意顶视图；和
图20(a)-(d)是根据本发明的其它实施例的燃料电池系统的示意顶视图，所述四个系统中的每个系统具有不同的燃烧器设计。
具体实施方式
本说明书中所涉及的方向性术语如“顶部”、“底部”、“侧部”仅使得在描述本发明的实施例时便于参考，且不旨在限制所使用的实施例的取向或将所述实施例限于与系统中的另一个部件相结合。
当描述本发明时，除非特别指出，否则下列术语具有下列意义。在此未加以限定的所有术语具有其通用的本领域公知的意义。
术语“陶瓷”指的是主要具有共价键或离子键的无机非金属固体材料，所述无机非金属固体材料包括，但不限于，金属氧化物(如铝、硅、镁、锆、钛、铬、镧、铪、钇的氧化物及其混合物)和非氧化化合物，所述非氧化化合物包括，但不限于，碳化物(如钛、钨、硼、硅的碳化物)、硅化物(如二硅化钼)、氮化物(如硼、铝、钛、硅的氮化物)和硼化物(如钨、钛、铀的硼化物)及其混合物；尖晶石、钛酸盐(如钛酸钡、钛酸铅、钛酸铅锆、钛酸锶、钛酸铁)、陶瓷超导体、沸石和陶瓷固体离子导体(如氧化钇稳定的氧化锆、β氧化铝和铈酸盐)。
术语“金属陶瓷”指的是复合材料，所述复合材料包括与金属结合的陶瓷且通常显示出对温度、腐蚀和磨蚀的高耐受性，所述金属通常但不一定是烧结金属。
参见图1且根据本发明的第一实施例，燃料电池系统10包括在纵向延伸的中心燃烧加热器14的外部周围等距间隔的多个纵向延伸的管形固体氧化物燃料电池12。该第一实施例中的燃烧加热器是细长管道，所述细长管道的内表面上涂覆有催化材料且具有与燃料和空气(分别为“燃烧燃料”和“燃烧空气”)流体连通的入口端和排放出排气和燃烧产物的出口端。燃料电池12和燃烧加热器14由纵向延伸的外壳16围绕；燃烧加热器14和壳体16限定出环形室18，燃料电池12被置于所述环形室中。壳体16的端部由设有开口的相应顶部和底部端盖19盖住，所述开口用以将燃料电池12和燃烧加热器14保持在适当位置处并使空气和燃料到达且离开系统10从而通过电化学方式产生电力(“反应剂空气”和“反应剂燃料”)且进行燃烧以产生热量(燃烧空气和燃烧燃料)。
燃料电池12具有微管形类型，所述类型的燃料电池例如可采用申请人的公开专利合作条约申请PCT/CA01/00634或PCT/CA03/00059中所教导的方法进行制造。公开专利合作条约申请PCT/CA01/00634教导了通过电泳沉积(EPD)制造管形固体氧化物燃料电池的方法且PCT/CA03/00059教导了通过金属电沉积(MED)或复合电沉积(CED)制造管形固体氧化物燃料电池的方法。采用这些技术制造出的微管形燃料电池具有中空管形含陶瓷结构且包括用作燃料电池的阳极、电解质和阴极的同心接触膜层。在本申请的范围内，“微管形”固体氧化物燃料电池意味着具有5mm或更小直径的固体氧化物燃料电池。这些微管形燃料电池可具有小至约10μm的直径，和多种剖面几何形状如圆形、正方形、矩形、三角形和多边形。尽管本说明书主要描述了一种使用通过这些技术产生的具有圆形剖面的微管形燃料电池的燃料电池系统，但使用通过本领域已公知的其它技术制造的具有非圆形剖面几何形状的更大直径的管形燃料电池管道也落入本发明的范围内。
内电极可以是阳极且可具有一个或多个子层。在本实施例中，内电极具有三个子层(未示出)，其中最内子层(“第一阳极子层”)通过金属电沉积或复合电沉积制成且可具有通过其中的多个开口以允许燃料到达中间阳极层(第二阳极子层)。第一阳极子层的主要功能是收集电流且该子层的适当材料是金属如Ni或Cu(采用金属电沉积方法进行沉积)或金属陶瓷如Ni(或Cu)和氧化钇稳定的氧化锆或掺杂二氧化铈(采用复合电沉积方法进行沉积)。第二阳极子层通过电泳沉积被沉积到第一阳极子层上且具有包括氧化镍和氧化钇稳定的氧化锆或掺杂二氧化铈的混合物的成分。该子层还用以收集电流以及为燃料电池提供机械支承；子层具有被选择以提供适当机械支承且因此倾向于为三个阳极子层中最厚的子层的厚度。第三阳极子层通过电泳沉积被沉积到第二阳极子层上且具有包括氧化镍和氧化钇稳定的氧化锆或掺杂二氧化铈的混合物的成分。其中一种粉末必须具有小于第二阳极子层的平均颗粒尺寸。该第三阳极子层将具有更高的三重相界且主要的电化学反应将在该子层中发生。
燃料电池12在一端处被封闭且具有延伸超出壳体16的顶边缘且通过顶部端盖19的开口端部。可选地，燃料电池12可具有如图2(a)和(b)所示的两个开口端部。当每个燃料电池12中的内层是阳极层时，外层是阴极层。因此，每个燃料电池12的开口端被联接至燃料源(未示出)以使得气体反应剂燃料被传送至每个燃料电池12的内部从而进行电化学反应。该燃料可以是金属氢化物储罐中储存的或根据需要通过电解或本领域中已公知的其它方法由水产生的纯氢。或者，该燃料可以是通过重整器由烃燃料如天然气、甲醇、丁烷等产生的重整产物。重整器102可如图3和图4所示被整合到每个燃料电池12内，或如图5和图6所示是被附接到多个燃料电池上的独立单元。
参见图3，管形燃料电池12在两端处开口且具有在燃料入口侧处安装在燃料电池12内部的重整器反应器102。反应器102包括多孔重整器催化剂材料，所述多孔重整器催化剂材料被组装在燃料电池12的燃料入口侧内以使得其允许进行重整且允许气体流动通过。催化剂材料可以是颗粒或粒状催化剂担载结构，所述担载结构上涂覆有本领域已公知的适当重整器催化剂；在催化剂材料的每侧上具有多孔塞104，所述多孔塞将催化剂材料保持在燃料电池12内的适当位置处。另一种可选方式是，反应器102可包括毛毡或纤维高温织物或涂覆有适当重整器催化剂的大块多孔材料催化剂担载结构；在这种情况下不需要塞104。具体而言，重整器102可以是陶瓷、金属或金属陶瓷泡沫或在燃料入口侧上涂覆有催化剂材料的多孔块体，或可以是涂覆有催化剂材料的多孔或泡沫状阳极集电器。
参见图4且根据本发明的另一实施例，燃料电池12可具有安装到燃料电池12的燃料入口侧上的延伸管道106。重整器反应器102可如图4所示完全位于延伸管道106中，或部分位于延伸管道106中且部分位于燃料电池中(未示出)。
参见图5(a)-(e)且根据本发明的另一实施例，设置了燃料入口歧管108，所述燃料入口歧管被流体联接至多个燃料电池12且具有燃料入口导管110，所述燃料入口导管接收燃料以分配至每个燃料电池12。参见图5(a)，重整器反应器102位于燃料入口歧管108内部以使得燃料通过反应器102且到达燃料电池12。可选地且参见图5(b)，可通过安装具有位于反应器102上游的燃料入口的燃料入口导引装置116、具有位于反应器102下游的燃料出口的燃料出口导引装置114和位于燃料出口导引装置114的间隔位置下游的燃料分配板112而延长通过反应器102的燃料重整路径。可选地，且参见图5(c)，可省略燃料入口导引装置116且可通过将燃料入口导管110移动至歧管102上的横向位置而保持燃料重整路径长度。可选地且参见图5(d)，反应器102可被安装在入口导管110中，这使得能够在利用相同量的反应器材料且不使用导引装置114、116的情况下使燃料重整路径长于图5(a)-(c)所示的实施例，原因是减小了反应器102的剖面。可选地，附加的重整器材料可被组装在每个燃料电池12的燃料入口端中。
尽管图5(a)-(d)示出了分别具有两个开口端的燃料电池12，但燃料电池12可易于改造成单端的，如图5(e)所示。对于单端燃料电池的情况(例如图1所示)，重整器反应器102可如图6所示位于燃料分配管道21的开口端中，或如图5(e)所示，重整器反应器可位于燃料歧管中。可选地，在所有上述实施例中，重整器反应器可具有一个以上的反应区域(未示出)，其中每个区域具有不同的催化剂材料。此外，每个区域可具有不同的工作温度且特定区域的催化剂材料的选择可取决于区域的工作温度。
再次参见图1，燃料源将燃料供应至燃料分配管道21，所述燃料分配管道被插入每个燃料电池12内以使得反应剂燃料在燃料电池12的底部附近被排放出分配管道21；反应剂燃料随后向上流动且进行电化学反应。过量的反应剂燃料和反应产物从燃料电池12的开口顶端被排放出系统10，或被供给进入燃烧加热器14内且进行烧燃以产生用于系统10的热量(如箭头23所示)，如下面将进行描述地。
反应剂空气流动通过底部端盖19中的空气入口25、进入室18内且通过顶部端盖19处的空气出口27流出室18。反应剂空气在每个燃料电池12的阴极表面上流动且因此提供电化学反应所需的氧。可选地且如下面将进行更详细描述地，空气出口可被联接至燃烧加热器14的入口端(未示出)以引导排出空气从室18进入加热器14内以进行燃烧。
另一种可选方式是，空气入口可位于顶部端盖19上且空气出口可位于底部端盖19上，或空气入口和出口可位于相同的端盖19上。当空气入口和空气出口位于相同的盖19上时，与燃料分配管道21相似的分配管道(未示出)被连接至空气入口以使空气从空气入口流至燃料电池的另一端从而使得空气可流回每个燃料电池的反应区域上且返回出口。进入的空气和排出的空气可通过回流换热器(图中未示出)。
为了使电化学反应发生，燃料电池12及其反应剂必须处于适当工作温度下，通常处于500-1000℃之间且具体而言为约800℃。通过使燃料在燃烧加热器14内部的空气中燃烧而将热量供应至燃料电池12。燃烧加热器14由可耐受典型的固体氧化物燃料电池工作温度，即达1000℃的温度的导热材料制成。这种材料包括陶瓷如SiC、Al2O3、SiO2、MgO和ZrO2、高温金属或金属合金如因科耐尔合金(Inconel)、不锈钢、铁素体钢、金属陶瓷(如具有金属如因科耐尔合金、不锈钢、铁素体钢、不锈钢的陶瓷如SiC、Al2O3)、涂覆陶瓷的金属或涂覆金属的陶瓷。燃烧加热器14的壁部是足够多孔的和/或进行穿孔以允许空气和燃料流动通过其中且提供催化剂沉积的部位；另一种可选方式是，壁部可以是致密(无孔)的。
壳体16由绝热材料如陶瓷绝缘体、气凝胶、真空瓶(由石英玻璃、派热克斯玻璃、不锈钢制成；当由玻璃制成时，真空瓶可覆盖有热反射涂层如银、金或本领域已公知的任何其它适当绝缘材料制成)或回流换热器。壳体16可以是圆柱形的，或具有不同剖面几何形状。壳体16的选定厚度将取决于系统10所应用情况中的可得空间；当用于小型便携电子装置中时，出于封装原因保持壳体16相对较薄，这降低了壳体16对系统10进行绝缘以避免热损耗的有效性。在某些非常小型的应用中，壳体16太薄以使得系统10不能仅由电化学反应产生足够热量从而连续保持适当的工作温度。
在不能通过仅由燃料电池产生的热量维持工作温度的情况下，或在启动过程中，燃烧加热器14将来自燃烧的热量供应至系统10从而保持系统10处于适当的工作温度。燃烧燃料供应导管29和燃烧空气供应导管31分别将燃料和空气供给进入燃烧加热器14的入口端。空气和燃料可以是从燃料电池中排出的反应剂空气和燃料。燃料和空气在加热器14内混合，且沿加热器14的长度产生无火焰催化烧燃以产生热量。未使用的加热燃料、空气和燃烧产物通过燃烧加热器的出口端33从燃烧加热器14中排出。燃烧加热器14的孔隙涂覆有适当的催化材料如铂、钯或本领域已公知的其它材料。产物热量通过辐射和传导使室18内部的反应剂空气和燃料电池12变暖。当供应处于足够高压下的加热燃料时，一些加热燃料将渗透通过燃烧加热器14且与室18中的反应剂空气一起燃烧。由于燃烧释放的热量将有助于加热室18中的反应剂空气和燃料电池12。通过室18的反应剂空气流速旨在确保以使得燃烧产物不积聚在室18内部的足够速度去除燃烧产物。
尽管燃料和空气进行无火焰催化烧燃，但例如当燃料温度超过燃料的自燃温度时，可能在燃烧加热器14的外表面上形成火焰。如果燃烧加热器代替催化燃烧或除催化燃烧以外产生火焰，则可设置装置以减少火焰损伤附近的燃料电池12或其它系统部件或者无论装置取向如何而产生高度非均匀热分布的几率。适当的这种装置包括围绕燃烧加热器12由此罩住火焰区域的圆柱形遮蔽装置(未示出)。当燃烧加热器接收预混合的燃料和空气时，遮蔽装置可以是致密(无孔)的，或当燃烧加热器14接收未混合或不完全混合的燃料和空气时，遮蔽装置可以是多孔(例如穿孔)的。遮蔽装置将受到火焰和/或催化燃烧的加热且将进一步通过传导和辐射为燃料电池12提供热量。
可选的遮蔽装置的孔隙和穿孔以及燃烧加热器14的壁部具有小于所使用燃料的淬熄直径的直径，以使得火焰将不通过遮蔽装置和燃烧器加热器壁部14。例如，氢-空气的淬熄直径为约0.7mm且甲醇-空气的淬熄直径为2.4mm。内部燃烧器加热器壁部和外部遮蔽装置将用作“火焰保持器”且可根据本领域已公知的方法进行构造。
调节燃烧燃料和空气气体通过燃烧加热器14的流速以使得火焰区域内的气体速度不超过所使用的燃料-空气混合物的特定火焰速度，要不然火焰将不会稳定地处于适当位置并熄灭。例如，氢-空气的火焰速度为约3米/秒且甲醇/空气的火焰速度为0.5米/秒。
尽管图1所示的实施例中有一排燃料电池12环绕燃烧加热器14，但可在系统10中设置附加排的燃料电池12。系统10中使用的燃料电池12的数量将部分取决于尺寸限制。具体而言，在微电子装置或其它便携应用中，燃料电池系统10将不得不保持尽可能小且轻，在所述情况下系统10可被构造具有比系统尺寸并非限制因素的情况中更少的燃料电池12。
此外可选地，燃烧加热器14可填充有固态导热多孔泡沫基体(未示出)或能够承受固体氧化物燃料电池工作条件的其它适当多孔材料。孔隙具有小于淬熄直径的最大尺寸。这防止了任何火焰形成且通过管道长度。
在工作过程中，燃料电池系统10必须首先被加热至使得燃料电池12能够工作的温度；已经发现当燃料电池12基于氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)材料时，燃料电池12可开始在约600℃的温度下以电化学方式产生电，且当燃料电池基于掺杂二氧化铈基材料时，燃料电池可开始在约450℃的温度下产生电。为了将燃料电池12加热至该温度，燃烧加热器14被用以通过燃烧加热燃料和空气而在启动时产生热量。
催化材料的选择决定了发生燃烧的温度。某些催化材料使得某些燃料与氢和甲醇相似地能够在室温下燃烧。当燃烧加热器14涂覆有这种催化材料时，燃烧空气和燃料被简单地供给进入燃烧加热器14内且发生燃烧，从而产生热量。然而，某些其它催化材料不会促进燃烧直至其达到高温。在这种情况下，设置了烧燃器35以点燃燃烧燃料和空气从而产生足够热量以将催化材料加热至其工作温度，所述工作温度通常介于约100-300℃之间。烧燃器35被安装在燃烧加热器14的上游(顶)端且位于加热燃料和空气的流径中。可选地，烧燃器35可被安装在管道14的底端中且位于加热燃料和空气的流径中。烧燃器内部的压电火花或其它适当的发火花装置被用以点燃通过烧燃器35的燃料流29。
另一种可选方式是，烧燃器35可由本领域已公知的电加热器(未示出)代替。具体而言，小的电加热器优选被表面安装到系统10上，且用以将小区域加热至足够高的温度以使得可在该位置处开始催化烧燃且随后催化烧燃可使周围区域变热，催化烧燃在所述周围区域处可扩展。通过这种方式，催化烧燃将扩展遍及燃烧加热器14中存在催化剂的区域。
通过首先将受压燃烧燃料流29和空气流31供应通过烧燃器35且点燃所述燃烧燃料流和空气流以产生热量而启动系统10。燃烧燃料流31可来自与反应剂燃料相同的源和/或来自通过出口23自燃料电池12排放出的未反应燃料。相似地，用于燃烧的空气可来自于新鲜空气或来自通过出口27自燃料电池12排放出的已使用空气。燃料电池12的反应剂燃料供应被关闭或可选地可以滴流流至燃料电池12以吹扫燃料电池12中的空气或其它气体残余物。一旦燃烧加热器14中的催化剂变暖达到其工作温度，则加热燃料流29被停止以使火焰熄灭，随后重新启动以将燃料供应至燃烧加热器14从而进行催化烧燃。
通过催化烧燃产生的热量被用以将燃料电池12加热至约450-700℃。一旦燃料电池12到达该温度范围，则它们开始产生电。燃料电池12随后迅速变暖达到约500-800℃的理想工作温度(实际理想工作温度取决于电解质类型)且同时关闭或减少加热燃料流29。使用连接至控制系统(未示出)的温度传感器(未示出)监控系统10的温度；当温度下降至低于选定的更低温度阈值(即，约处于电化学反应将停止或性能大大降级的温度)时，控制系统利用例如比例积分微分(PID)或本领域已公知的其它控制算法调节进入燃烧加热器14内的加热燃料流29从而产生保持系统10处于其理想工作温度所需的热量。来自燃料电池12的未反应燃料23还可被供应至燃烧加热器14，原因是电化学反应通常仅消耗约70-80％的供应至燃料电池12的燃料。设置控制阀(未示出)以控制进入燃烧加热器14内的加热燃料流23和29。
另一种可选方式是，燃烧加热器14可被供应完全来自未反应排出燃料23的燃料(即，不提供独立的加热燃料流29)。在启动阶段，燃料电池12仍未产生电功率且因此离开每个燃料电池12的燃料排出流23包含约100％的燃料(余量为水蒸气等)。该排出燃料流23被供给进入燃烧加热器14内且受到氧化以产生足够热量加热燃料电池堆。可控制到达燃料电池12和到达燃烧加热器14的燃料流以使得产生足够量的热量和电。例如考虑通常需要100ml/min的燃料以工作发电的燃料电池堆。在启动阶段，初始燃料流速被选定以使得将足以工作燃烧加热器14以产生足够热量以进行电池堆工作；该流速可低于或高于100ml/min。当由燃烧加热器14产生热量且电池堆开始变得足够暖以产生功率时，堆将利用一些燃料产生电(以及一些热量)，且结果是，流至燃烧加热器14的排出燃料流23中的燃料量将减少。当电池堆达到其工作温度时，从燃烧加热器14中需要的热量比启动阶段更少，这便利地对应于燃烧加热器14由于从排出燃料流中接收的燃料更少而导致产生热量的减少。可通过控制流向燃料电池12的空气流速和燃料流速而实施对电池堆温度的精细调节。燃烧器和燃料电池的排出空气可通过回流换热器(未示出)，所述回流换热器回收一些产生的热量以用于加热电池堆；燃料电池的排出空气在不用于加热器14中的燃烧的情况下将直接到达回流换热器。
参见图7-图8，燃烧加热器14的第二实施例包括多条同心布置的管道，所述多条同心布置的管道限定出反应剂空气流、燃烧空气流和燃烧燃料流的独立室。参见图7，燃烧加热器14包括多孔外管150、与外管150同轴设置且位于所述外管内的致密中管154；和与中管154同轴设置且位于所述中管内的多孔内管160。外管150与中管154之间的环形空间限定出反应剂空气加热室164。中管154与内管160之间的环形空间限定出燃烧空气室162。内管160内部的空间限定出燃烧燃料室163。燃烧燃料和空气在燃烧空气室162内进行可控混合并燃烧以产生热量，所述热量向外辐射和传导以加热流动通过反应剂空气加热室164的空气。
内管160在一端处封闭且在其相对端(“燃料入口端”)处开口。燃料入口端被流体联接至燃烧燃料导管168，所述燃烧燃料导管传送来自燃料电池12的未反应排出燃料，如下面将进一步详细描述地。加压燃烧燃料被供应通过燃料入口端、填充燃烧燃料室163且通过内管160中的孔隙径向流出燃烧燃料室163；孔隙尺寸被选定以足够小从而沿内管160的长度产生均匀径向流。径向排放出的燃料与燃烧空气室162内部的燃烧空气混合，所述燃烧空气室接收来自位于中管154一端处的径向空气入口156的空气。为了使燃料能够流入燃烧空气室162内，保持燃烧空气压力低于燃烧燃料压力；可控制空气流与燃料流之间的压力差以控制进入燃烧空气室162内的燃料流。火花点火器157或其它适当点火器被安装在内管160外部周围且接近所述内管入口端的位置处；点火器157在内管160入口端处的外表面上产生火焰，所述火焰沿管道160的长度迅速蔓延。由燃烧产生的热量从中管向外辐射和传导且进入反应剂空气加热室164内，加热其中的空气。燃烧产物通过与空气入口156相对的位于中管154端部的空气出口158排出燃烧空气室162。
反应剂空气通过反应剂空气加热室164一端处的径向空气口152进入反应空气室164。加热空气被径向排放通过外管150的孔隙。另一种可选方式是，外管150可以是致密的(未示出)，且设置加热反应剂出口以使加热反应剂空气从反应剂空气室164排出并到达与燃料电池12的一个或多个阴极层流体连通的导管。
另一种可选方式是，中管154可以是多孔的且可省略空气入口156；在这种情况下，一些反应剂空气渗透通过中管154以用作燃烧空气是162中的燃烧空气。
参见图8，燃烧空气可被供给进入燃烧空气室162内，所述燃烧空气的供给压力高于燃料被供应至燃烧燃料室163所处的压力。由于压力差的原因，燃烧空气将渗透通过内管160且进入燃烧燃料室163内。在这种情况下，火花点火器157位于内管160的入口端处的内表面上，且被用以启动沿管道160长度蔓延的火焰。与图7所示的燃烧加热器14不同地，图8所示的内管160在其与入口端相对的端部处开口，且中管154在其与入口端相对的端部处封闭。因此，从燃烧燃料室163中将燃烧产物排出内管160的出口端。
参见图9(a)，燃烧加热器14的第三实施例包括一对同心布置的管道，即多孔外管150和致密内管160，和联接至内管160的入口端的燃料/空气预混合器178。内管160与外管150之间的环形空间限定出反应剂空气加热室164，且内管160内部的空间限定出燃烧室165。内管160的内表面涂覆有催化材料。燃烧燃料供应管线172和燃烧空气供应管线174被联接至预混合器178且将燃烧燃料和空气供应至预混合器178。燃料和空气在预混合器178中混合，且混合的燃料和空气被排放进入燃烧室165内，在所述燃烧室中燃料/空气混合物进行催化燃烧。预混合器区域的长度被选定以使扩散使得足以进行混合。燃烧也可在预混合器178内发生，且绝热装置176被卷绕在预混合器178周围以防止周围区域过热。多孔阻火壁180被安装在预混合器178与燃烧室165之间以防止预混合器内部形成的火焰延伸进入燃烧室内。参见图9(b)，多孔材料如固态泡沫基体181或另一种适当的阻焰器材料填充燃烧室；基体181的孔隙小于所使用的燃料的淬熄直径，由此用以防止在预混合器178或燃烧室165内部形成任何火焰。
通过燃烧室165内部的燃烧产生的热量被辐射和传导进入空气加热室164内，由此加热其中的反应剂空气。加热空气通过外壁150中的孔隙以对加热器14外部的空气和燃料电池12进行加热。另一种可选方式是，外壁150可以是致密的且设置加热空气出口，所述加热空气出口将加热空气排出空气加热室164且进入与燃料电池12的一个或多个阴极流体连通的导管内。
参见图10，燃烧加热器14的第四实施例也包括一对同心布置的管道，即多孔外管150和致密内管160，和联接至内管160的入口端的火焰燃烧器170。内管160与外管150之间的环形空间限定出反应剂空气室164，且内管160内部的空间限定出燃烧室165。绝热装置176被卷绕在一部分内管160周围最接近火焰燃烧器170的位置处。燃烧燃料供应管线172和燃烧空气供应管线174被联接至烧燃器170且将燃烧燃料和空气供应至烧燃器170。烧燃器170设有火花或其它适当点火器，所述点火器点燃至少一些燃料和空气以产生火焰。任何未烧燃的燃料和空气流入燃烧室165内；燃烧室的内壁可涂覆有催化材料以促进其中的燃料和空气进行烧燃。所得的由火焰和催化燃烧的燃料和空气产生的热量被辐射和传导进入反应空气室164内以加热其中的空气。燃烧产物通过内管出口158排出。
参见图11，燃烧加热器14的第五实施例包括多孔外管150、与外管150同轴设置且位于所述外管内的致密中管154和与中管154同轴设置且位于所述中管内的多孔内管160。外管150与中管154之间的环形空间限定出反应空气室164。中管154与内管160之间的环形空间限定出第一燃烧室166。内管160内部的空间限定出第二燃料室182。燃烧空气和燃料被供应至内管160的入口端且在所述入口端处混合。多孔阻焰器材料填充第二燃烧室182；孔隙尺寸小于所使用的燃料的淬熄直径，例如当使用氢燃料时为约0.5mm或更小。具有催化剂载体如六方铝酸钡纳米纤维的适当燃烧催化剂涂覆内管160的孔隙。火花点火器(未示出)被安装在第一燃烧室166中且进行工作以点燃火焰，所述火焰沿内管160的外表面蔓延。火焰用以将催化剂加热至其工作温度，由此启动催化烧燃。在催化烧燃开始后，烧燃器火焰将由于反应剂不足而自动熄灭。
另一种可选方式是，燃烧加热器14的第五实施例可在没有催化烧燃的情况下仅作为火焰燃烧器进行工作；在这种情况下，未在内管160上设置催化剂涂层，且仅由隔室166中的火焰提供热量。另一种可选方式是，燃烧加热器14的第五实施例可在没有点火器的情况下仅作为催化烧燃器进行工作，在所述情况下，使用在室温下呈活性的催化材料。
作为又一种可选方式，第五实施例可产生变型以排除外管150和反应剂空气室164；在这种情况下，通过辐射和传导/对流向附近的燃料电池12发生热传递。该变型加热器14可作为火焰燃烧器、催化烧燃器或二者进行工作。
参见图12，燃烧加热器14的第六实施例包括一对同心布置的管道，即中管154和内管160。两条管道154和160之间的环形空间限定出第一燃烧室166且内管160内部的空间限定出第二燃烧室182。阻焰器材料填充第二燃烧室182。燃料和空气被供应至内管160的入口端且在所述入口端处混合。中管154是多孔的且用作阻焰器从而使得火焰留置在第一燃烧室166内。中管154的两端都是密封的，由此导致燃烧产物被径向排出通过中管154。这预期会产生非常均匀的轴向温度轮廓。燃烧加热器14可仅作为火焰燃烧器进行工作(没有催化材料)、仅作为催化烧燃器工作(没有点火器，使用室温活化的催化材料)、或作为二者工作(点火器在催化烧燃开始后关闭)。该实施例最优需要燃料-空气混合物，所述燃料-空气混合物具有过量空气以使得径向离开进入燃料电池区域内的燃烧排出物包含足够的残余氧气从而用作反应剂空气供应的至少一部分。
现在参见图13，燃烧加热器14的第一至第六实施例中的每个实施例可被流体联接至燃料电池系统10中的其它部件以有效地利用由燃烧加热器14和燃料电池12产生的热量。空气供应导管122通过回流换热器120，且通过第一和第六实施例中的空气入口25将反应剂空气供应至环形室18，且通过第二至第五实施例中的空气入口152将反应剂空气供应至反应剂空气室。空气供应导管122还将燃烧空气供应至第一实施例中的烧燃器35、通过第二实施例中的入口156将燃烧空气供应至燃烧空气室、通过空气供应管线174将燃烧空气供应至第三实施例中的预混合器178、也通过空气供应管线174将燃烧空气供应至第四实施例中的烧燃器170、且也通过空气供应管线174将燃烧空气供应至第五和第六实施例的燃烧室。燃料供应导管126将燃料供应至燃料电池12的阳极部分；未反应燃料导管128接收来自燃料电池12的未反应燃料且将未反应燃料供应至第一实施例的烧燃器35、通过燃烧燃料导管168将未反应燃料供应至第二实施例的燃烧燃料室、通过第三实施例中的燃料供应管线172将未反应燃料供应至预混合器178、也通过第四实施例中的燃料供应管线172将未反应燃料供应至烧燃器170、且也通过燃料供应管线172将未反应燃料供应至第五和第六实施例的燃烧室。在第五和第六实施例中都通过供应入口172、174将空气和燃料供应至燃烧室。
在启动阶段，燃料电池12低于其工作温度，且因此，从燃料电池排放出的所有燃料不进行反应且被供给进入燃烧加热器14内；无论燃烧加热器使用如第一或第四实施例中的烧燃器14；或如第二实施例中的点火器，或如第三实施例中的在室温下呈活性的催化剂，燃料和空气产生燃烧且在燃烧加热器14内产生热量。热量向外辐射并传导以加热反应剂空气和周围的部件，且来自燃烧加热器14的热排出产物通过排放导管158被排出，所述排放导管158通过换热器120，其中热量被传递至通过供应空气导管120的供应空气。
一旦燃料电池被加热至工作温度范围内，则燃料电池12产生电、消耗燃料和空气且产生副产物热量。阀(未示出)可被安装在系统10内且受到控制以控制到达燃烧加热器的燃料和空气流从而例如使得一旦燃料电池已达到其工作温度则减少到达燃烧加热器的燃料和/或空气流。具体而言，可采用多种操作策略以控制燃料电池系统10的温度：
1)通过以下a)和b)方式停止或减少燃烧加热器14中的产热量：
a)通过停止通过导管31、156和174的空气流而停止燃烧加热器14的空气供应；当利用来自燃料电池的排出空气时，利用旁通导管(未示出)将排出空气直接引导至换热器120；
b)停止燃烧加热器14的燃料供应(未使用的燃料可再循环至燃料电池12以进行反应)；
2)增加通过燃料电池系统10的供应空气流速以去除过量热量；
3)利用旁通导管(未示出)使空气旁通绕过换热器120，以使得将为燃料电池12供给处于更低温度下的反应剂空气；或
4)减少到达燃料电池12的燃料流，以使得燃料电池12产生更少的电功率和更少的热量。在这种情况下，燃烧器可得的燃料量也将减少，且燃烧加热器也将产生更少热量。
根据本发明的另一实施例，且参见图14，多个燃料电池12和多个管形燃烧加热器14在热壳体16内部的环形室18中被组装在一起。燃烧加热器14被策略性地安放在燃料电池12之中以为燃料电池堆提供均匀热量分布。上述燃烧加热器14的六个实施例中的任何实施例可用于此处。
燃烧加热器14可使用由分配遍及电池堆范围的空气供应的未反应排出燃料和氧以产生热量。在这一点上，供氧导管(未示出)被连接至环形室18的空气出口端和每个燃烧加热器14的内部，从而使得排出空气能够流至每个燃烧加热器14。另一种可选方式是，新鲜空气可被直接供应至每个燃烧加热器14。相似地，燃料供应导管(未示出)被连接至每个燃料电池12的燃料出口和每个燃烧加热器14的内部以使得排出燃料能够流至每个燃烧加热器14。
根据本发明的另一实施例且参见图15(a)和(b)，燃料电池系统10设有燃烧管道15，所述燃烧管道足够大以在燃烧管道15内部设置多个燃料电池12。燃烧管道15与壳体16之间的空间现在被限定为加热室20，且燃烧管道15内部的空间现在被限定为氧化剂流室22。反应剂燃料和氧化剂供应和排出连接装置被构造以使得反应剂燃料被供应至氧化剂流室22内部的每个燃料电池12且从所述燃料电池中被去除，反应剂空气被供应至氧化剂流室22且从所述氧化剂流室中被去除，且燃烧燃料和空气被引入加热室20内且进行燃烧以产生用以加热室18内部的氧化剂和燃料电池12的热量。实际上，加热室20用作该燃料电池系统10的燃烧加热器。
与第一实施例的管形燃烧加热器14相似地，燃烧管道15可由可承受固体氧化物燃料电池的工作条件的多孔或致密材料，如陶瓷、高温金属、金属合金、金属陶瓷或高温金属或金属合金网制成。为了增强催化烧燃，壳体16的内表面和燃烧管道15的外表面涂覆有催化材料。
可选地，加热室20填充有能够承受固体氧化物燃料电池的工作条件的固态多孔泡沫基体(未示出)，泡沫的最大孔隙尺寸被选定以小于所使用燃料的淬熄直径。结果是，泡沫基体用作阻焰器以使可能在加热室20内部形成的任何火焰停止形成和蔓延。另一种可选方式是，阻焰器可以是圆柱形金属丝筛网(未示出)或安放在加热室20中以使得加热室被分成两个环形隔室(未示出)的另一种适当的多孔材料。燃料-空气混合物被引入其中一个隔室(第一隔室)内，且径向流动通过金属丝筛网，且进入另一隔室(第二隔室)内。在该另一个隔室中将形成火焰，且将产生热量。从该另一隔室中排出消耗的燃料-空气。结合金属丝筛网的厚度、孔隙尺寸和孔隙率选择第一隔室的厚度，以便确保流和火焰沿室20长度的均匀分布。第二隔室的厚度必须大于所使用的燃料-空气混合物的淬熄直径，如对于氢-空气而言为0.75mm，且还必须足够大以使得第二隔室排出端的气体速度不高于燃料-空气混合物的火焰速度，例如对于氢-空气而言为3m/s，否则火焰将在该区域中熄灭。第一隔室可以是室20内部的内部或外部隔室。
另一种可选方式是，圆柱形多孔催化隔板(未示出)可被引入加热室20内处于与上述阻焰器相同的位置处。隔板包括多孔材料，所述隔板的内表面区域涂覆有用于其它实施例的催化剂载体和催化剂。可设置点火器或电加热器以点燃燃料-空气混合物从而产生火焰，所述火焰加热催化剂直至完全点燃。一旦发生催化烧燃，火焰将由于反应剂不足而熄灭。
还可选地，且现在参见图16(a)和(b)，燃料电池12可被埋置在固态多孔泡沫基体24中，所述固态多孔泡沫基体具有足够的机械强度以在系统10中支承燃料电池12。多孔泡沫基体24可由导电材料制成，在所述情况下，泡沫基体24用作集电器且还可用作每个燃料电池12中的阴极催化剂的催化剂载体。
现在参见图17(a)和(b)以及图18且根据本发明的另一实施例，燃料电池12被分成“子堆”28的电隔离组。纵向延伸的平面隔离装置30被用以分开燃料电池12且由能够耐受固体氧化物燃料电池工作条件的材料制成。这些材料包括陶瓷如SiC、Al2O3、SiO2、MgO、ZrO2、高温金属或金属合金、金属陶瓷、涂覆有金属的陶瓷或涂覆有陶瓷的金属。当隔离装置30中使用导电金属时，金属可涂覆有电绝缘材料以防止产生短路。
每个隔离装置30的一条纵向边缘(“内边缘”)被附接到纵向延伸的空气分配管道32的外表面上。每个隔离装置30的其它纵向边缘延伸至接近燃烧加热器14的内表面的位置处。隔离装置的壁部30可以是穿孔或致密的。
空气分配管道32具有多个纵向隔开的穿孔34，所述穿孔使空气从空气分配管道32中排出且到达每个燃料电池12的阴极。空气从空气源(未示出)被供应进入管道32的底部内且向上流动并离开每个穿孔34。为了使空气沿管道32的长度以相对均匀的速度排放，穿孔34的直径沿管道32向上而增加以弥补沿管道32向上降低的空气压力。另一种可选方式是或此外，空气分配管道壁部可足够多孔以允许空气通过其中。
在工作过程中，隔离装置30用以使每个燃料电池子堆28与另一个子堆电隔离开来，但允许空气在子堆28之间流动。该电隔离使得子堆28能够串联地电连接。从子堆28中的每个燃料电池12的端部收集电流。
另一种可选方式是，隔离装置30可以是导电的以使得所有子堆28并联电连接。此外，另一种可选方式是，隔离装置30可不设有空气分配管道32，在所述情况下，隔离装置30的内边缘向内延伸以彼此接触。
代替将空气供应至阴极或此外，空气分配管道32可用以通过使空气分配管道32内部的加热燃料产生烧燃以产生热量而加热反应剂空气和燃料电池12。在这种情况下，可用空气分配管道32替代根据六个前面提到的实施例中的一个实施例的燃烧加热器14。还可通过使燃烧加热器14与壳体16之间的加热室22中的燃料产生烧燃而将热量供应至燃料电池12，如第二实施例中所述。
根据本发明的另一实施例且参见图19(a)和(b)，内部管形燃烧器15被共轴地安装在管形空气分配管道32的内部。燃烧器15被流体联接至相应的燃料和空气源且以与上述方式相同的方式进行工作。由于管形燃烧器15与空气分配管道32隔开，因此在其间形成了环形空气流道，供应空气或排出空气可流动通过所述环形空气流道。这类布置预期增强了从燃烧器15向燃料电池堆12的热传递，且还使得能够在堆12内实现均匀空气分布。可选地，空气分配管道32可具有多个燃烧器管道(未示出)以改进向环形空气流道进行的热传递。燃烧加热器14可存在以为堆12提供附加热量，如图19(a)所示，或省略，如图19(b)所示。
根据另一实施例且参见图20(a)-(d)，燃料电池系统10可具有矩形剖面形状，这对于便携应用如膝上型计算机尤其有用。系统10具有封闭在空气分配管道32内的燃烧器15-图20(a)-(d)中的箭头表示空气流。燃烧器15可具有多种设计：在图20(a)中，燃烧器15是细长矩形结构；在图20(b)中，燃烧器15包括多个纵向延伸的加热管道，所述加热管道具有与前述加热器14的第一至第六实施例中的一个实施例相同的设计；在图20(c)中，燃烧器15包括围绕纵向延伸的空气入口管道31的多条纵向延伸的加热管道，所述加热管道用以增强燃烧器15与空气之间的热传递。在图20(d)中，燃料电池12被电隔离呈多个子堆，且燃烧器为如图20(a)所示的细长矩形结构。
尽管已结合优选实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应该理解可对本发明作出或添加多种改变。改变和其它可选方式被认为落入本发明的精神和范围内。

Claims (33)

1、一种固体氧化物燃料电池系统，所述固体氧化物燃料电池系统包括：
(a)至少一个管形固体氧化物燃料电池，所述管形固体氧化物燃料电池包括陶瓷固态电解质层以及同心地布置在所述电解质层周围且夹住所述电解质层的内电极层和外电极层，所述内电极层可仅与氧化剂反应剂和燃料反应剂中的一种流体连通，且所述外电极层可仅与所述氧化剂和燃料反应剂中的另一种流体连通；和
(b)燃烧加热器，所述燃烧加热器可与所述氧化剂和燃料反应剂流体连通以使得可发生燃烧，且被安装以使得与所述燃料电池充分热接近从而使得可通过燃烧将所述燃料电池加热至工作温度。
2、根据权利要求1所述的系统，进一步包括管形热壳体，所述壳体内部限定出第一反应剂室，所述第一反应剂室包含所述至少一个燃料电池和所述加热器，且可包含可与所述外电极层流体连通的反应剂。
3、根据权利要求2所述的系统，其中所述加热器可与燃料供应和从所述燃料电池中排出的未反应燃料中的至少一种流体连通。
4、根据权利要求3所述的系统，其中所述加热器是管形的且包括具有内表面的致密壁部，所述内表面上涂覆有催化材料，所述催化材料有效地使流动通过所述加热器的所述空气和燃料的混合物进行催化燃烧。
5、根据权利要求3所述的系统，其中所述加热器是管形的且具有足够多孔的壁部以使得所述燃料和空气混合物能够通过所述燃烧加热器进入所述反应剂室内，且所述孔隙上涂覆有催化材料，所述催化材料有效地使流动通过所述加热器的所述空气和燃料的混合物进行燃烧。
6、根据权利要求3所述的系统，其中所述加热器是管形的且至少部分地填充有多孔阻焰器，所述多孔阻焰器的最大孔隙尺寸小于所述燃料的淬熄直径。
7、根据权利要求4或5所述的系统，其中所述加热器进一步包括电阻元件，所述电阻元件产生足够多的热量以将所述催化材料加热至工作温度。
8、根据权利要求4或5所述的系统，其中所述加热器包括火焰燃烧器，所述火焰燃烧器可与所述空气和所述燃料流体连通且可工作以点燃所述空气和燃料从而产生火焰和足够多的热量以将所述催化材料加热至工作温度。
9、根据权利要求2所述的系统，其中所述加热器是管形的且所述加热器和壳体被布置以在其间限定出环形室，所述环形室可与空气和燃料混合物流体连通，所述加热器和所述壳体中的一个或两个上涂覆有催化材料，所述催化材料有效地使所述空气和燃料混合物进行燃烧。
10、根据权利要求9所述的系统，其中所述管形加热器的内部限定出氧化剂室，且所述系统包括位于所述氧化剂室内的所述至少一个燃料电池。
11、根据权利要求10所述的系统，其中所述至少一个燃料电池被埋置在所述氧化剂室内部的固态多孔泡沫基体中。
12、一种固体氧化物燃料电池系统，所述固体氧化物燃料电池系统包括：
(a)至少一个管形固体氧化物燃料电池，所述管形固体氧化物燃料电池包括陶瓷固态电解质层以及同心地布置在所述电解质层周围且夹住所述电解质层的内电极层和外电极层，所述内电极层可仅与氧化剂反应剂和燃料反应剂中的一种流体连通，且所述外电极层可仅与所述氧化剂和燃料反应剂中的另一种流体连通；和
(b)燃烧加热器，所述燃烧加热器包括第一管道和位于所述第一管道内的致密第二管道，所述第二管道的内部限定出燃烧室，所述燃烧室可与所述氧化剂和燃料反应剂流体连通以使得可发生燃烧，且所述第一管道与所述第二管道之间的环形空间限定出反应剂加热室，所述反应剂加热室可与其中一种所述反应剂流体连通且被热联接至所述燃烧室以使得燃烧产生的热量可被传递至所述反应剂室内部的所述反应剂。
13、根据权利要求12所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述加热器与所述燃料电池充分热接近以使得可通过从所述加热器中辐射和传导出的热量将所述燃料电池加热至工作温度。
14、根据权利要求13所述的固体氧化物燃料电池系统，其中可与所述外电极层和所述反应剂加热室流体连通的所述反应剂是氧化剂，且所述第一管道是足够多孔的以使得在所述加热室内部受到加热的氧化剂能够通过第一管道且与所述外电极层连通。
15、根据权利要求13所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述加热器进一步包括燃料和氧化剂预混合室，所述燃料和氧化剂预混合室被流体联接至所述燃烧室的入口端，且可与所述燃料和氧化剂流体连通以使得所述燃料和氧化剂在其中进行混合。
16、根据权利要求15所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述燃烧室至少部分地填充有多孔阻焰器，所述多孔阻焰器的平均孔隙尺寸小于所述燃料的淬熄直径。
17、根据权利要求13所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述加热器进一步包括火焰燃烧器，所述火焰燃烧器被流体联接至所述燃烧室的入口端，且可与所述燃料和氧化剂流体连通以使得所述燃料和氧化剂被点燃以形成火焰。
18、根据权利要求13所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述加热器进一步包括所述第二管道内部的多孔第三管道，所述第二管道与所述第三管道之间的环形空间限定出燃烧空气室，且所述第三管道的内部限定出燃烧燃料室，所述燃烧空气室可与所述氧化剂流体连通且所述燃烧燃料室可与处于比所述氧化剂更高的压力下的所述燃料流体连通，由此导致燃料径向渗透通过所述第三管道且进入所述燃烧空气室内从而与其中的所述氧化剂一起燃烧。
19、根据权利要求13所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述加热器进一步包括所述第二管道内部的多孔第三管道，所述第二管道与所述第三管道之间的环形空间限定出燃烧空气室，且所述第三管道的内部限定出燃烧燃料室，所述燃烧空气室可与所述氧化剂流体连通且所述燃烧燃料室可与处于比所述氧化剂更低的压力下的所述燃料流体连通，由此导致氧化剂径向渗透通过所述第三管道且进入燃烧燃料室内从而与其中的所述燃料一起燃烧。
20、根据权利要求13所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述加热器进一步包括所述第二管道内部的多孔第三管道，所述第二管道与所述第三管道之间的环形空间限定出第一燃烧室，且所述第三管道的内部限定出第二燃烧室，所述第一燃烧室具有排出口和可与所述燃料和氧化剂流体连通的所述燃烧燃料室，所述燃料和氧化剂在所述燃烧燃料室中形成混合物，所述混合物径向渗透通过所述第三管道且进入所述第一燃烧室内以进行燃烧。
21、根据权利要求20所述的固体氧化物燃料电池系统，进一步包括所述第一燃烧室中的点火装置，且所述点火装置有效地点燃所述第一燃烧室中的所述燃料和氧化剂混合物从而通过火焰燃烧进行燃烧。
22、根据权利要求20或21所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述第三管道的所述孔隙上涂覆有催化材料，所述催化材料足以使通过其中的所述氧化剂和燃料混合物进行催化燃烧。
23、根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述燃烧加热器包括多孔外管和所述外管内的多孔内管，所述内管内部限定出可与所述氧化剂和燃料反应剂流体连通的内部燃烧室，所述氧化剂和燃料反应剂在所述内部燃烧室中形成混合物，且所述第一管道与所述第二管道之间的环形空间限定出外部燃烧室，径向渗透通过所述内管的燃料和氧化剂混合物在所述外部燃烧室中进行燃烧。
24、根据权利要求23所述的固体氧化物燃料电池系统，进一步包括所述外部燃烧室中的点火装置，且所述点火装置有效地点燃所述外部燃烧室中的所述燃料和氧化剂混合物从而通过火焰燃烧进行燃烧。
25、根据权利要求23或24所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述内管的所述孔隙上涂覆有催化材料，所述催化材料足以使通过其中的所述氧化剂和燃料混合物进行催化燃烧。
26、根据权利要求5所述的固体氧化物燃料电池系统，进一步包括围绕所述加热器的管形阻焰器，所述阻焰器具有孔隙或穿孔，所述孔隙或穿孔的最大尺寸小于所述燃料的淬熄直径。
27、根据权利要求10所述的固体氧化物燃料电池系统，进一步包括位于所述环形室中且具有小于流动通过所述环形室的所述燃料-空气混合物的淬熄直径的最大孔隙尺寸的多孔阻焰器。
28、根据权利要求27所述的固体氧化物燃料电池系统，其中所述阻焰器是位于所述环形室中的多孔或穿孔的圆柱形层以使得在所述圆柱形层的每侧上限定出一对环形隔室，其中一个隔室足够大以接收空气/燃料混合物且将所述混合物均匀分配通过所述圆柱形层，且另一个隔室具有足够大以在其中形成火焰的厚度。
29、根据权利要求10所述的固体氧化物燃料电池系统，进一步包括圆柱形多孔催化层，所述圆柱形多孔催化层位于所述环形室内部以使得一对环形隔室被限定在所述层的每侧上，且包括具有孔隙的多孔材料，所述孔隙上涂覆有促进燃料/空气混合物在所述环形室中的燃烧的催化材料。
30、一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：
至少一个管形固体氧化物燃料电池，所述管形固体氧化物燃料电池包括陶瓷固态电解质层以及同心地布置在所述电解质层周围且夹住所述电解质层的内电极层和外电极层，所述内电极层可仅与氧化剂反应剂和重整产物燃料反应剂中的一种流体连通，且所述外电极层可仅与所述氧化剂和燃料反应剂中的另一种流体连通；和
被流体联接至所述至少一个燃料电池的燃料入口端且包括将烃燃料重整成重整产物燃料的重整器催化材料的重整器。
31、根据权利要求30所述的系统，其中所述重整器是位于所述燃料入口端处的至少部分填充每个燃料电池内部的多孔重整器催化剂材料。
32、根据权利要求30所述的系统，其中所述重整器包括至少部分地填充了多孔重整器催化剂材料的管道，所述重整器管道具有被流体联接至每个燃料电池的所述燃料入口端的排放端。
33、根据权利要求30所述的系统，进一步包括燃料入口歧管组件，所述燃料入口歧管组件被流体联接至每个燃料电池的所述燃料入口端、可与烃燃料源连通且至少部分地填充有多孔重整器催化剂材料。
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