用于固体氧化物燃料电池系统的法兰总成
阅读：298发布：2020-05-15
专利汇可以提供用于固体氧化物燃料电池系统的法兰总成专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于SOFC系统的 法兰 总成包括第一法兰、第二法兰以及连接在所述第一法兰与所述第二法兰之间的介电组件。所述介电组件包括外部圆柱形表面和内部圆柱形表面。所述内部圆柱形表面界定具有周长的圆柱形区域。所述内部圆柱形表面还界定围绕所述圆柱形区域的所述周长径向延伸的通道。，下面是用于固体氧化物燃料电池系统的法兰总成专利的具体信息内容。
1.一种用于固体氧化物燃料电池(SOFC)系统的法兰总成，所述法兰总成包括：
第一法兰；
第二法兰；以及
介电组件，其连接在所述第一法兰与所述第二法兰之间，所述介电组件包括外部圆柱形表面和内部圆柱形表面，所述内部圆柱形表面界定具有周长的圆柱形区域，所述内部圆柱形表面进一步界定围绕所述圆柱形区域的所述周长径向延伸的通道。
2.根据权利要求1所述的法兰总成，其进一步包括至少一个螺栓和至少一个介电肩部垫圈，所述至少一个螺栓将所述第一法兰连接到所述第二法兰，所述至少一个介电肩部垫圈至少部分地围绕所述至少一个螺栓延伸。
3.根据权利要求2所述的法兰总成，其中所述介电肩部垫圈包括导电表面涂层。
4.根据权利要求1所述的法兰总成，其中所述介电组件包括导电表面涂层。
5.根据权利要求1所述的法兰总成，其中所述外部圆柱形表面包括导电表面涂层。
6.根据权利要求1所述的法兰总成，其中所述通道被配置成在所述圆柱形区域内引起流动干扰。
7.根据权利要求1所述的法兰总成，其中所述通道由第一径向壁和第二径向壁界定，所述第一径向壁与所述第二径向壁轴向分离。
8.一种固体氧化物燃料电池(SOFC)系统，所述SOFC系统包括：
SOFC堆栈，其包括多个互连SOFC；
第一流体套管，其从所述SOFC堆栈延伸；
辅助设备(BOP)子系统；
第二流体套管，其从所述BOP子系统延伸；以及
法兰总成，其连接在所述第一流体套管与所述第二流体套管之间，所述法兰总成包括：
第一法兰；
第二法兰；以及
介电组件，其连接在所述第一法兰与所述第二法兰之间，所述介电组件包括外部圆柱形表面和内部圆柱形表面，所述内部圆柱形表面界定具有周长的圆柱形区域，所述内部圆柱形表面进一步界定围绕所述圆柱形区域的所述周长径向延伸的通道。
9.根据权利要求8所述的SOFC系统，其进一步包括至少一个螺栓和至少一个介电肩部垫圈，所述至少一个螺栓将所述第一法兰连接到所述第二法兰，所述至少一个介电肩部垫圈至少部分地围绕所述至少一个螺栓延伸。
10.一种固体氧化物燃料电池(SOFC)系统，所述SOFC系统包括：
多个SOFC堆栈，所述多个SOFC堆栈中的每个SOFC堆栈包括多个互连SOFC；
辅助设备(BOP)子系统；以及
多个法兰总成，所述多个法兰总成中的每个法兰总成连接在所述多个SOFC堆栈中的一个与所述BOP子系统之间，所述多个法兰总成中的每个法兰总成包括：
第一法兰；
第二法兰；以及
介电组件，其连接在所述第一法兰与所述第二法兰之间，所述介电组件包括外部圆柱形表面和内部圆柱形表面，所述内部圆柱形表面界定具有周长的圆柱形区域，所述内部圆柱形表面进一步界定围绕所述圆柱形区域的所述周长径向延伸的通道。
用于固体氧化物燃料电池系统的法兰总成
技术领域
背景技术
[0003] 许多已知的SOFC系统包括多个电互连的SOFC。更确切地说，许多已知的SOFC系统包括多个电互连SOFC“堆栈”，进而包括多个电互连SOFC。在操作期间，燃料和空气的供应通过源自相关联辅助设备(balance of plant，BOP)子系统的一个或多个燃料和/或空气管道输送到每个SOFC堆栈。
[0004] 通常，已知SOFC系统中的BOP子系统电接地，而多个SOFC堆栈在电压(例如，大致1000伏特)下操作。多个已知SOFC堆栈进一步在大致600℃至800℃的范围内的温度下操作，而BOP子系统在显著较低的温度下操作。
[0005] 为了将SOFC系统与相关联BOP子系统电绝缘，一些已知的SOFC系统使用放置于每个SOFC堆栈与其BOP安装板之间的介电材料或绝缘体将SOFC堆栈与相关联BOP子系统分离。其它已知的系统使用与连接到SOFC堆栈的BOP管道集成的介电材料来分离SOFC堆栈。
[0006] 然而，在长期暴露于SOFC堆栈与BOP之间出现的电气变化之后，常规绝缘机构可能分解、断裂或以其它方式降级。发明内容
[0007] 在一个方面，提供一种用于SOFC系统的法兰总成。法兰总成包括第一法兰、第二法兰以及连接在所述第一法兰与所述第二法兰之间的介电组件。介电组件包括外部圆柱形表面和内部圆柱形表面。内部圆柱形表面界定具有周长的圆柱形区域。内部圆柱形表面还界定围绕圆柱形区域的周长径向延伸的通道。
[0008] 另一方面，提供一种SOFC系统。SOFC系统包括SOFC堆栈、从所述SOFC堆栈延伸的第一流体套管、BOP子系统、从所述BOP子系统延伸的第二流体套管，以及连接在所述第一流体套管与所述第二流体套管之间的法兰总成。法兰总成包括第一法兰、第二法兰以及连接在所述第一法兰与所述第二法兰之间的介电组件。介电组件包括外部圆柱形表面和内部圆柱形表面。内部圆柱形表面界定具有周长的圆柱形区域。内部圆柱形表面还界定围绕圆柱形区域的周长径向延伸的通道。
[0009] 在又一方面，提供一种SOFC系统。SOFC系统包括多个SOFC堆栈、BOP子系统和多个法兰总成。每个法兰总成连接在多个SOFC堆栈中的一个与BOP子系统之间。每个法兰总成包括第一法兰、第二法兰以及连接在所述第一法兰与所述第二法兰之间的介电组件。介电组件包括外部圆柱形表面和内部圆柱形表面。内部圆柱形表面界定具有周长的圆柱形区域。内部圆柱形表面还界定围绕圆柱形区域的周长径向延伸的通道。
附图说明
附图说明
[0010] 当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将得到更好的理解，其中贯穿图式，相似的字符表示相似的部分，其中：
[0011] 图1是示范性SOFC系统的透视图；
[0012] 图2是可以用于图1中所示的SOFC系统的示范性法兰总成的截面图；
[0013] 图3是图2中所示的法兰总成的示范性介电组件的截面图；
[0015] 图5是其中说明气流路径的图2中所示的法兰总成的截面图；
[0016] 图6是其中施加多个导电表面涂层的图2中所示的法兰总成的截面图；
[0017] 图7是用于图1中所示的SOFC系统的替代法兰总成的截面图；以及
[0018] 图8是用于图2中所示的法兰总成以及图7中所示的法兰总成的替代肩部垫圈的截面图。
[0019] 除非另外指明，否则本文所提供的附图意图说明本发明的实施例的特征。这些特征被认为适用于包括本发明的一个或多个实施例的广泛多种系统。因此，附图并不意图包括实践本文所公开的实施例所需的本领域普通技术人员已知的所有常规特征。
具体实施方式
[0021] 除非上下文明确地另外指明，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数指代物。
[0022] “可选的(optional)”或“可选地(optionally)”表示随后描述的事件或情形可发生或可不发生，并且所述描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
[0023] 如本文在整个说明书以及权利要求书中所使用的近似语言可以应用于修饰可以许可的方式变化而不会导致其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，通过例如“大约”和“大体上”等术语修饰的值将不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量所述值的仪器的精度。此处以及说明书和权利要求书通篇中，范围极限可以组合和/或互换，此类范围被标识且包括其中包括的所有子范围，除非上下文或语言指明不是这样。
[0024] 本发明的实施例涉及用于SOFC系统的法兰总成。在示范性实施例中，法兰总成连接在BOP子系统与多个SOFC堆栈之间。法兰总成将多个SOFC堆栈与BOP子系统电绝缘。更确切地说，法兰总成包括连接在两个法兰之间的介电组件。圆柱形的介电组件具有在SOFC系统的操作期间中断或干扰介电组件内的气流以防止在介电组件内形成均匀或连续的导电焦炭(或碳)层的内部凹槽或通道。因此，介电组件被设计成提供不会由于随着时间的推移焦化而降级的电气阻挡层。
[0025] 图1是示范性SOFC系统100的透视图。SOFC系统100包括多个SOFC堆栈，例如，SOFC堆栈102、104和106。每个SOFC堆栈102至106包括多个互连SOFC。例如，SOFC堆栈中SOFC以电气方式以及以机械方式互连。
[0026] 在示范性实施例中，SOFC系统100进一步包括BOP子系统101。如下文更详细地描述，BOP子系统101将燃料和空气供应到SOFC堆栈102至106中的每一个。为此，第一多个流体套管114、116、118和120在一端连接到BOP子系统101并且在另一端连接到多个法兰总成122、124、126或128中的一个。同样，第二多个流体套管130、132、134和136在一端连接到SOFC堆栈102至106中的一个并且在另一端连接到法兰总成122至128中的一个。因此，每个法兰总成122至128连接在SOFC堆栈102至106中的一个与BOP子系统101之间，或更确切地说，连接在流体套管114至120与流体套管130至136之间。
[0027] 因此，每个法兰总成122至128将BOP子系统101与SOFC堆栈102至106分离。因此，如下文更详细地描述，法兰总成122至128促进BOP子系统101与SOFC堆栈102至106之间的电分离或绝缘。
[0028] 图2是用于SOFC系统100(图1中所示)的示范性法兰总成200的截面图。在示范性实施例中，法兰总成200包括第一法兰202、介电组件204和第二法兰206。简单来说并且通过返回参考图1，流体套管114至120中的每一个在一端连接到第一法兰，例如，第一法兰202，并且流体套管130至136中的每一个在一端连接到第二法兰，例如，第二法兰206。
[0029] 第一法兰202和第二法兰206对应于根据美国机械工程师协会(ASME)法兰标准的标准法兰，但可以是类似于ASME法兰的任何法兰。介电组件204由但不限于任何合适的介电材料制造或加工，例如任何合适的陶瓷材料，包括例如氧化铝(或“矾土”)的任何成分。
[0030] 介电组件204连接在第一法兰202与第二法兰206之间。具体而言，介电组件204通过多个紧固件或螺栓，例如螺栓208、210、212、214和216连接在第一法兰202与第二法兰206之间。螺栓208至216延伸穿过第一法兰202、介电组件204和第二法兰206中的每一个中的多个螺栓孔，所述螺栓孔被钻出、浇铸、3D打印、压印或通过任何其它合适的成形工艺制造。螺栓208至216包括头端部分250、252、254、256、258和260。
[0031] 因此，介电组件204促进第一法兰202与第二法兰206之间的电绝缘。更确切地说，介电组件204将从BOP子系统101延伸的流体套管114至120与从每个SOFC堆栈102至106延伸的流体套管130至136电隔离或分离。在法兰202与206之间引入介电组件204进一步促进标准ASME法兰在法兰总成200的构造中的使用，这样会减小成本和复杂性并且促进系统部件通过法兰总成200的电分离。
[0032] 此外，在示范性实施例中，将导电表面涂层203涂覆到介电组件204。在示范性实施例中，导电表面涂层203执行以下中的一个或多个(且不限于)：涂布、喷涂、烘烤、溅射、覆薄膜、贴箔、啮合和粘接到介电组件204的所有或部分表面上。
[0033] 在示范性实施例中，螺栓208、210、212、214和216中的每一个延伸穿过肩部垫圈，例如肩部垫圈218、220、222、224和226。每个肩部垫圈218至226部分地或完全地围绕每个螺栓208至216延伸。在替代实施例中，每个肩部垫圈218至226部分地或完全覆盖或环绕每个螺栓208至216。另外，每个肩部垫圈218至226由(不限于)介电材料制造或制成。例如，每个肩部垫圈218至226由(不限于)任何合适的介电材料，例如任何合适的陶瓷材料制造或制成，包括例如氧化铝的任何成分。
[0034] 在示范性实施例中，垫圈插入螺栓与肩部垫圈之间。例如，垫圈234插入螺栓208与肩部垫圈218之间。同样，垫圈236插入螺栓210与肩部垫圈220之间，垫圈238插入螺栓212与肩部垫圈222之间，垫圈240插入螺栓214与肩部垫圈224之间，并且垫圈242插入螺栓216与肩部垫圈226之间。垫圈234至242包括任何合适类型的垫圈，例如且不限于，金属或陶瓷垫圈。在实施例中，例如一片云母的弹性绝缘片插入垫圈234至242中的任一个与相应肩部垫圈218至226之间。应用此绝缘片可最小化施加到陶瓷肩部垫圈218至226的不均匀应力，这可能另外产生陶瓷脱落。
[0035] 此外，在示范性实施例中，每个肩部垫圈218、220、222、224和226分别包括导电表面涂层219、221、223、225和227，所述导电表面涂层执行以下中的一个或多个(且不限于)：涂布、喷涂、烘烤、溅射、覆薄膜、贴箔、啮合和粘接到每个肩部垫圈218至226的表面(例如，外部表面或外表面)上。举例来说，在实施例中，导电涂层219至227涂覆到肩部垫圈218至
226的各个表面的一部分上(如下文参考图6所描述)。
226的各个表面的一部分上(如下文参考图6所描述)。
[0036] 图3是法兰总成200(图2中所示)的示范性介电组件204的截面图。在示范性实施例中，介电组件204包括外部圆柱形表面302和内部圆柱形表面304。内部圆柱形表面304界定空气或燃气通过其传递的圆柱形区域306。外部圆柱形表面302具有半径R2。同样，圆柱形区域306具有半径R1和周长C，所述周长通过公式C＝2πR1定义。
[0037] 在示范性实施例中，内部圆柱形表面304进一步界定通道308。通道308围绕内部圆柱形表面304的周长C径向延伸。更确切地说，内部圆柱形表面304包括第一径向壁310和第二径向壁312。第一径向壁310与第二径向壁312轴向分离距离D。
[0038] 图7是用于SOFC系统100(图1中所示)的替代法兰总成700的截面图。在一些实施例中，法兰总成700与法兰总成200相同，不同之处在于，法兰总成700包括缩小的介电组件702。具体来说，缩小的介电组件702包括具有半径R3的外部圆柱形表面704。半径R3小于介电组件204的外部圆柱形表面302的半径R2。另外，与介电组件204不同，缩小的介电组件702不包括螺栓孔，因为多个螺栓，例如螺栓208至216在第一法兰202与第二法兰206之间延伸，而不与缩小的介电组件702接触。
[0039] 图4是法兰总成200(图2中所示)的示范性肩部垫圈400的截面图。肩部垫圈400包括圆柱形套管402，所述圆柱形套管接纳或接受多个螺栓208至216中的一个。肩部垫圈400进一步包括肩部部分401，所述肩部部分与套管402一体地形成并且还接纳或接受螺栓208至216中的一个。肩部垫圈400进一步包括如上所述用导电物质涂覆的外部表面或外表面404。导电物质执行以下中的一个或多个且不限于：涂布、喷涂、烘烤、溅射、覆薄膜、贴箔、啮合和粘接到外表面404。
[0040] 图8是替代肩部垫圈800的截面图。肩部垫圈800用于法兰总成200以及法兰总成700。因此，肩部垫圈800包括圆柱形套管802，所述圆柱形套管接纳或接受螺栓208至216中的一个。肩部垫圈800进一步包括肩部部分804。圆柱形套管802延伸穿过由肩部部分804内的圆柱形表面808界定的内部圆柱形通路806。然而，圆柱形套管802未延伸到肩部部分804的外环管810。相反地，圆柱形套管802放置在肩部部分804内，使得圆柱形套管802的端部
812放置在外环管810水平面的下方。因此，当螺栓208至216中的一个穿过肩部垫圈800插入并且将每个螺栓208至216的头端部分，例如头端部分250至258中的一个与法兰总成200或
700隔离时，肩部部分804承载螺栓208至216中的一个的全部负载。此构造提供更稳固的肩部垫圈800并且允许增大的装配公差。
812放置在外环管810水平面的下方。因此，当螺栓208至216中的一个穿过肩部垫圈800插入并且将每个螺栓208至216的头端部分，例如头端部分250至258中的一个与法兰总成200或
700隔离时，肩部部分804承载螺栓208至216中的一个的全部负载。此构造提供更稳固的肩部垫圈800并且允许增大的装配公差。
[0041] 此外，在替代实施例中，肩部部分804和圆柱形套管802是连接在一起的单独零件。然而，在示范性实施例中，肩部部分和圆柱形套管802一体地形成。完全或部分类似于肩部垫圈400，肩部垫圈800涂覆有导电物质。
[0042] 图6是法兰总成200的截面图。如图所示，在示范性实施例中，第一导电表面涂层602在第一表面位置604处涂覆到肩部垫圈400。类似地，第二导电表面涂层606在第二表面位置608处涂覆到肩部垫圈400。第一导电表面涂层602均衡化螺栓208至216中的一个与第一表面位置604之间的电势。第二导电表面涂层606均衡法兰总成200与第二表面位置608之间的电势。
[0043] 涂覆到介电组件204的导电表面涂层203用于防止或减少电弧放电或电晕放电，当不存在导电表面涂层203时，电弧放电或电晕放电可能在介电组件204与第一法兰202和第二法兰206中的一个或两个之间和/或在介电组件204与法兰总成200的其它部分之间发生。
[0044] 举例来说并且返回参考图2，示出其中可能发生电弧放电和/或电晕放电的法兰总成200内的若干位置228、230和232。此类位置可以包括法兰总成200部件之间的较小间隙，这可以促进电荷的集中。本文所描述的不同导电表面涂层用于更均匀地分布在不同法兰总成部件，例如，介电组件204和肩部垫圈218至226的表面上的浮动电荷，由此减小法兰总成200内的拐角和边缘处的电势浓度(以及因此减少那些位置中的电弧放电和电晕放电电势的显现)。
[0045] 图5是其中说明气流路径的法兰总成200的截面图。因此，在操作期间，气体501(例如，气态空气或燃料或空气/燃料混合物)从第一流体套管502(例如，所述第一流体套管在远端处连接到BOP子系统101)流入法兰总成200中。
[0046] 在气体501穿过法兰总成200时，导电或非导电颗粒或污染物，例如滞留在气体501内或在气体501内流动的焦炭、铁锈、硫、镍和金属碎屑撞击通道308并且在通道308内聚集。更确切地说，颗粒撞击介电组件204的第二径向壁312，使得颗粒，如果发生的话，在第二径向壁312上积聚，从而使第一径向壁310无颗粒积聚，或基本上无颗粒积聚。因此，通道308阻止焦炭和其它颗粒的显现以及在介电组件204的圆柱形内表面304上均一地或均匀地形成。
相反，尽管焦炭可以例如在介电组件204中显现和积聚，但是在第一法兰202与第二法兰206之间形成原本连续(或基本上连续)的焦炭层时，通道308引起间隙、中断或打断。在示范性实施例中，气体501持续通过通道308以在第二流体套管504处离开法兰总成200，所述第二流体套管将在其中流动的气体501输送到SOFC堆栈102至106中的一个。
相反，尽管焦炭可以例如在介电组件204中显现和积聚，但是在第一法兰202与第二法兰206之间形成原本连续(或基本上连续)的焦炭层时，通道308引起间隙、中断或打断。在示范性实施例中，气体501持续通过通道308以在第二流体套管504处离开法兰总成200，所述第二流体套管将在其中流动的气体501输送到SOFC堆栈102至106中的一个。
[0047] 因此，介电组件204将第一法兰202与第二法兰206电隔离或分离。通道308进一步用于保持法兰202与206之间电分离，因为通道308干扰焦炭和其它颗粒沉积，所以通道308防止在第一法兰202与第二法兰206之间形成连续(和导电)沉积层。例如，由于由通道308实现的焦炭积聚的中断，因此防止(或阻止)电流在第一法兰202与第二法兰206之间蠕动或形成电弧。
[0048] 如上所述，SOFC系统的实施例促进BOP子系统与多个SOFC堆栈之间的燃料和空气传递。安置于BOP子系统与每个SOFC堆栈之间的多个法兰总成用于将多个SOFC堆栈与BOP子系统电绝缘。此外，每个法兰总成的内部部分内的通道会干扰每个法兰总成内的气流，以中断焦炭形成并且保持BOP子系统与每个SOFC堆栈之间的电隔离。
[0049] 本文所描述的法兰总成的示范性技术效果包括，例如：(a)将BOP子系统与SOFC堆栈或与多个SOFC堆栈电绝缘；(b)减少或消除法兰总成部件之间的电弧放电和/或电晕放电；以及(c)干扰法兰总成内的焦炭和其它颗粒积聚，以保持法兰部件之间的电分离。
[0050] 上文详细描述SOFC系统和相关部件的示范性实施例。所述系统不限于本文所描述的具体实施例，但相反地，系统的部件和/或方法的步骤可以独立地且与本文所描述的其它部件或步骤分开地使用。例如，本文所描述的部件的配置也可以结合其它过程使用，并且不限于用本文所描述的系统和相关方法来实践。相反地，可以结合需要压缩流体的多个应用实施和使用示范性实施例。
[0051] 尽管本发明的各种实施例的具体特征可能在某些附图中示出而未在其它附图中示出，但这仅仅是为了方便起见。根据本发明的原理，附图的任何特征可以结合任何其它附图的任何特征被引用和/或主张。
[0052] 本书面描述用实例来公开包括最佳模式的本发明的实施例，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本文所描述的实施例的可获专利的范围由权利要求书界定，并且可以包括本领域的技术人员构想出的其它实例。如果这些其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们意图在权利要求书范围内。
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