專利名稱：用于產(chǎn)生電力裝置的改良型流體通道的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及產(chǎn)生電力的裝置，更具體地說，涉及用于固體氧化物燃料電池的改良型流體通道。
背景技術(shù)：
一種高溫、固體氧化物燃料電池組一般包括平面錯(cuò)流燃料電池、逆流燃料電池和平行流燃料電池，它們都是根據(jù)單電池組件而構(gòu)造并與燃料和空氣配送裝置相連的。此種組件一般包括在電池與電池之間傳導(dǎo)電流的三層陽(yáng)極/電解質(zhì)/陰極部件，并包括至少一個(gè)具有若干用于氣體物流進(jìn)入立方結(jié)構(gòu)或疊層的通道的互連件。
固體氧化物燃料電池通過氧化劑和烴類燃料氣體間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，構(gòu)成外電路中的電子流。另外，固體氧化物燃料電池產(chǎn)生廢熱，廢熱一般通過氧化劑撤除，以維持固體氧化物燃料電池組件如陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)的所需溫度范圍。
盡管固體氧化物燃料電池已經(jīng)表明電勢(shì)效率高和電力產(chǎn)生過程中污染少，但仍存在一些與固體氧化物燃料電池中有關(guān)調(diào)節(jié)組件溫度的問題。固體氧化物燃料電池一般包括利用其中氧化劑一般為空氣進(jìn)行冷卻的通道，以促進(jìn)傳遞或撤出廢熱，維持組件溫度處在等于或低于規(guī)定的范圍，并保持固體氧化物燃料電池內(nèi)的預(yù)定熱梯度。在某些設(shè)計(jì)中，這些冷卻通道一般包括平直通道，平直通道具有不理想特征，通道表面與氧化劑之間熱傳遞系數(shù)低。
因此，在本領(lǐng)域需要一種具有使其傳熱性能提高的改良型流體通道的固體氧化物燃料電池。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包括一種用于燃料電池組件的冷卻器，包括一個(gè)其上有第一及第二末端的底板，和與第一末端連接的第一側(cè)板和與第二末端連接的第二側(cè)板。將許多底肋與底板連接，將許多上肋與底肋連接。另外，分別在許多上肋中的每一個(gè)和許多底肋中的每一個(gè)之間形成頂通道和底通道，其中使頂通道和底通道處于允許流體物流在此通過和處于允許部分流體在物流改向區(qū)在頂和底通道之間可互換方向的位置，以提高流體和燃料電池組件之間的傳熱速率。
附圖簡(jiǎn)述閱讀以下詳細(xì)說明，并參考其中相同字符表示全圖中同一部分的附圖，將會(huì)更好地理解本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，其中

圖1是用于本發(fā)明一種實(shí)施方案的燃料電池的冷卻器透視圖；圖2是包括其上設(shè)置的陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)的圖1的頂視圖；和圖3是按照本發(fā)明另一實(shí)施方案，其上設(shè)置有許多凹洼的底板和許多肋的透視圖。
部件明細(xì)表90 燃料電池組合件100 冷卻器110 底板112 第一末端114 第二末端120 第一側(cè)板125 第二側(cè)板130 頂通道140 底通道150 上肋160 底肋170 物流改向區(qū)180 陽(yáng)極185 電極190 電解質(zhì)200 陰極210 流體220 陰極電解質(zhì)界面230 陽(yáng)極電解質(zhì)界面240 頂通道流體250 底通道流體260 凹洼
具體實(shí)施例方式
圖1提供了用于燃料電池的一種冷卻器100。冷卻器100包括一個(gè)(指至少一個(gè))底板110，底板上有第一末端112和第二末端114。將第一側(cè)板120連接至第一末端112，第二側(cè)板連接至第二末端。如在這里所用的，術(shù)語“連接”指的是對(duì)冷卻器100部件的機(jī)械連接，包括但不局限于對(duì)所述部件作為單獨(dú)部件進(jìn)行焊接、銅焊、錫焊等，以及進(jìn)行機(jī)械加工和鑄造。許多底肋160連接于底板110并且許多上肋150連接于底肋160。另外，冷卻器包括分別在所述各個(gè)多上肋150和所述各個(gè)多底肋160之間形成的一個(gè)(指至少一個(gè))頂通道130和一個(gè)(指至少一個(gè))底通道140。該頂通道130和底通道140處于允許流體210流在此通過的位置。此外，使該頂通道130和底通道140處于允許部分流體210在物流改向區(qū)170在頂通道130和底通道140之間進(jìn)行互換方向的位置，以增大在流體210和燃料電池部件如在陽(yáng)極180、陰極200和電解質(zhì)190(參見圖2)之間的傳熱速率。燃料電池一般選自固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜或固態(tài)聚合物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、堿性燃料電池、直接甲醇燃料電池、再生燃料電池和質(zhì)子陶瓷燃料電池。
例如，在固體氧化物燃料電池中，氧化劑(如氧分子)穿過陰極200，在陰極電解質(zhì)界面220形成氧離子。為了簡(jiǎn)單，此后術(shù)語“固體氧化物燃料電池”被通稱為“燃料電池”。其后，氧離子遷徙通過電解質(zhì)190，在陽(yáng)極電解質(zhì)界面230與燃料(一般是氣體燃料)結(jié)合，從而在陽(yáng)極180放出電子。這些電子通過外負(fù)載電路(未示出)匯集于陰極200，由此在外負(fù)載電路中產(chǎn)生從陽(yáng)極180至陰極200的電流流動(dòng)。由于在陽(yáng)極電解質(zhì)界面230處的相互作用，燃料電池產(chǎn)生熱量，此熱必須撤除，以維持燃料電池中理想的溫度水平和預(yù)定的熱梯度。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中(參見圖2)，一般通過將冷卻器100的上肋150設(shè)置在陰極200上方和將一般為氧化劑的流體210引入至頂和底通道130、140(如圖2中的實(shí)線箭頭所示)，使氧化劑流體在通過時(shí)撤除燃料電池中的熱能的方法，完成這種撤熱。這里所用術(shù)語“上方”、“其上”、”其中”、“上”、“下”、“至...中”、“在...上”等是用來指如各圖所示冷卻器100的元件的相對(duì)位置，并無任何對(duì)冷卻器100方向或操作進(jìn)行限制的意思。上肋150一般被安置處于對(duì)底肋160呈約30-120°的角度的位置(圖2中標(biāo)記為“A”)。在本發(fā)明另一實(shí)施方案中，通過在陽(yáng)極180(未示出)上方設(shè)置冷卻器100的上肋150和將一般為氣體燃料的流體210引入至頂和底通道130、140中的方法，實(shí)現(xiàn)這種撤熱。應(yīng)當(dāng)理解，冷卻器100的功能和這里提及的任何實(shí)施方案也都適用于這種氣體燃料。
冷卻器100包括頂通道130和底通道140，二者的設(shè)置均使得部分流體210在物流改向區(qū)170在頂通道130與底通道140之間進(jìn)行互換方向，從而增大流體210和燃料電池元件例如陽(yáng)極180、陰極200和電解質(zhì)190間的傳熱速率。在一個(gè)示范實(shí)施方案中，流體210被引入頂和底通道130、140中，其中頂通道流體240(部分在頂通道130被引入的流體210)在物流改向區(qū)170被改向到底通道140，而底通道流體250(部分在底通道140被引入的流體210)在該物流改向區(qū)170被改向到頂通道130。這里所用術(shù)語“物流改向區(qū)”指的是部分流體210(如頂通道流體240)改變方向進(jìn)入底通道140的區(qū)域，它也指的是部分流體210(底通道流體250)改變方向進(jìn)入頂通道130的區(qū)域。
與常規(guī)燃料電池相比，通過使部分流體210改向至頂或底通道130、140，提高了冷卻器100和燃料電池組件之間的傳熱速率。通過舉例而非限制，圖2顯示頂通道流體240被引導(dǎo)通過頂通道130，直到到達(dá)物流改向區(qū)170。與平直通道的常規(guī)燃料電池比較，物流改向區(qū)170起局部增強(qiáng)由頂和底通道130、140各面的熱傳遞作用。構(gòu)成的這種局部熱傳遞增強(qiáng)作用一般通過頂通道流體240向下游傳播，隨后，當(dāng)頂通道流體240接觸第一或第二側(cè)板120、125中之一時(shí)，頂通道流體240在物流改向區(qū)170被改向至底通道140。本發(fā)明的一個(gè)方面在于，與常規(guī)燃料電池相比，通過使流體210流改向流到頂通道130或底通道140，降低了該燃料電池中存在的熱梯度差異。這種熱梯度一般起因于例如燃料利用率變化、不同的燃料電池組件材料性質(zhì)或不同的陽(yáng)極或陰極孔隙度。應(yīng)當(dāng)明白，頂和底通道130、140的數(shù)目和物流改向區(qū)170的數(shù)目是由技工根據(jù)預(yù)定設(shè)計(jì)要求如傳熱速率和熱梯度均勻性來確定的。此外，還有側(cè)壁120和125間的區(qū)域?qū)挾群烷L(zhǎng)度，以及在凹洼260和流體210間的頂和底形狀和尺寸，其中各凹洼260在凹洼260內(nèi)構(gòu)成了壓力場(chǎng)，使流體210的部分物流內(nèi)產(chǎn)生渦旋型式(未示出)。此外，(與具有無凹洼的表面的設(shè)計(jì)相比)由于各凹洼260的形狀造成表面積增大，一般都增加了流體210和各凹洼260之間的傳熱速率。這樣，流體210與這種增大的表面積相互作用，從而增強(qiáng)了由燃料電池的熱能撤除作用。應(yīng)當(dāng)知道，在某些實(shí)施方案中，傳熱速率增加不與表面積增加成正比例，且通常根據(jù)預(yù)定設(shè)計(jì)可能增加得更大。
對(duì)于給定的一個(gè)凹洼260的深度“Y”，一般在冷卻器100的整個(gè)長(zhǎng)度″L”上保持不變(參見圖3)。此深度″Y ″一般為凹洼表面直徑“D”的約0.10-約0.50倍。此外，凹洼260的深度“Y”的范圍為約0.002-約0.25英寸之間。各凹洼260中心間距″X″一般為各凹洼260表面直徑″D″的約1.1-約2倍。在一個(gè)實(shí)施方案中，凹洼260一般是采用脈沖電化學(xué)加工(PECM)方法形成的。在另一實(shí)施方案中，凹洼260一般是采用放電加工(EDM)方法形成的。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，盡管這里按照專利法規(guī)說明和描述了本發(fā)明，但對(duì)這些公開實(shí)施方案還可以構(gòu)成各種改進(jìn)和變化而不致偏離本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍。因此，應(yīng)當(dāng)理解，附后的權(quán)利要求是用來覆蓋所有屬于本發(fā)明實(shí)質(zhì)范圍的這些改進(jìn)和變化的。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池組件的冷卻器(100)，包括一種底板(110)，具有第一末端(112)和第二末端(114)；連接所述第一末端(112)的第一側(cè)板(120)和連接所述第二末端(114)的第二側(cè)板(125)；連接所述底板(110)的許多底肋(160)；連接所述底肋(160)的許多上肋(150)；分別形成于每一所述許多上肋(150)和每一所述許多底肋(160)之間的頂通道(130)和底通道(140)；其中所述頂通道(130)和所述底通道(140)的設(shè)置使得流體(210)物流從中通過并使得部分所述流體(210)在物流改向區(qū)(170)在所述頂通道(130)和所述底通道(140)之間可互換方向，以增大所述流體(210)和所述燃料電池組件之間的傳熱速率。
2.按照權(quán)利要求1的冷卻器(100)，其中所述燃料電池組件選自陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)。
3.按照權(quán)利要求1的冷卻器(100)，其中許多凹洼(260)處于所述頂通道130表面部分上和處于所述底通道(140)表面部分上，以使當(dāng)所述流體(210)處于所述凹洼(260)上方位置時(shí)引起所述流體(210)和所述凹洼(260)間的流體動(dòng)力相互作用和對(duì)傳熱速率產(chǎn)生影響。
4.按照權(quán)利要求3的冷卻器(100)，其中所述凹洼(260)選自凹陷、缺口、凹痕和凹點(diǎn)。
5.按照權(quán)利要求1的冷卻器(100)，其中所述流體(210)選自氣體燃料和氧化劑。
6.按照權(quán)利要求1的冷卻器(100)，其中使所述上肋(150)處于相對(duì)于所述底肋(160)呈約30-約120°角度的位置。
7.一種燃料電池組合件(90)，包括至少一個(gè)燃料電池，其具有至少兩個(gè)電極(112)和處于其間的一種電解質(zhì)(190)；至少一個(gè)冷卻器(100)處于至少一個(gè)所述電極(185)上方，所述冷卻器(100)包括一種底板(110)，具有第一末端(112)和第二末端(114)；連接所述第一末端(112)的第一側(cè)板(120)和連接所述第二末端(114)的第二側(cè)板(125)；連接所述底板(110)的許多底肋(160)；連接所述底肋(160)的許多上肋(150)；和分別形成于每一所述許多上肋(150)和每一所述許多底肋(160)之間的頂通道(130)和底通道(140)，其中所述頂通道(130)和所述底通道(140)的設(shè)置使得流體(210)物流從中通過并使得部分所述流體(210)在物流改向區(qū)(170)在所述頂通道(130)和所述底通道(140)之間可互換方向，從而增大所述流體(210)和所述燃料電池間的傳熱速率。
8.按照權(quán)利要求7的燃料電池組合件(90)，其中所述燃料電池選自固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜或固態(tài)聚合物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、堿性燃料電池、直接甲醇燃料電池、再生燃料電池、和質(zhì)子陶瓷燃料電池。
9.按照權(quán)利要求7的燃料電池組合件，其中所述電極(185)選自陰極和陽(yáng)極。
10.按照權(quán)利要求7的燃料電池組合件(90)，其中許多凹洼(260)處于所述頂通道(130)表面部分上和處于所述底通道(140)表面部分上，以便在所述流體(210)處于所述凹洼(260)上方時(shí)引起所述流體(210)和所述凹洼(260)間的流體動(dòng)力相互作用和對(duì)傳熱速率產(chǎn)生影響。
全文摘要
提供了一種用于燃料電池組件的冷卻器(100)，其中冷卻器包括一個(gè)底板(110)，底板具有第一末端(112)和第二末端(114)，和連接第一末端(112)的第一側(cè)板(120)和連接第二末端(114)的第二側(cè)板(125)。許多底肋(160)與底板(110)連接，許多上肋(150)與所述底肋(160)連接。此外，頂通道(130)和底通道(140)分別形成于每一許多上肋(150)和每一許多底肋(160)之間，其中使頂通道(130)和底通道(140)處于允許流體(210)物流從中通過并處于允許部分流體(210)在物流改向區(qū)(170)在頂通道(130)和底通道(140)之間可互換方向的位置，以便增大流體(210)和燃料電池組件之間的傳熱速率。
文檔編號(hào)H01M2/18GK1477726SQ03143698
公開日2004年2月25日 申請(qǐng)日期2003年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月30日
發(fā)明者R·S·邦克, R S 邦克 申請(qǐng)人:通用電氣公司