專利名稱：用于發(fā)電設(shè)備的改進(jìn)的流體路徑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及發(fā)電設(shè)備，特別涉及用于固體氧化物燃料電池的改進(jìn)的流體路徑。
背景技術(shù)：
高溫固體氧化物燃料電池堆典型包括平面橫流式燃料電池、逆流式燃料電池和層流式燃料電池，這些電池由扁平的單電池構(gòu)件構(gòu)成并與燃料和空氣分布設(shè)備相連。這種構(gòu)件典型包括三層陽(yáng)極/電解質(zhì)/陰極組件，這些組件將電流從一個(gè)電池傳導(dǎo)到另一電池并至少包括一個(gè)互連件，此互連件具有讓氣體流入立方結(jié)構(gòu)或?qū)盈B組件的通道。
固體氧化物燃料電池通過(guò)在氧化劑和碳?xì)淙剂蠚怏w之間的電化學(xué)反應(yīng)在外部電路中產(chǎn)生電子流動(dòng)，并由此產(chǎn)生電能。此外，固體氧化物燃料電池所產(chǎn)生的廢熱典型借助氧化劑去除，從而使固體氧化物燃料電池組件例如陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)保持在所需要的溫度值。
在固體氧化物燃料電池顯示出高效率和低污染發(fā)電的潛力的同時(shí)，在固體氧化物燃料電池中仍存在著與組件的溫度調(diào)節(jié)相關(guān)的一些問(wèn)題。固體氧化物燃料電池典型包括冷卻通道，在冷卻通道中采用氧化劑典型為空氣以幫助轉(zhuǎn)移或去除廢熱，從而將電池堆的溫度保持在所規(guī)定的限制值或以下，并且在固體氧化物燃料電池中保持預(yù)定的熱梯度。在某些設(shè)計(jì)中，這種冷卻通道典型包括光滑平直的通道，這種通道具有所不希望的特性在通道表面和氧化劑之間提供低的熱傳遞系數(shù)。
因此，本領(lǐng)域需要一種固體氧化物燃料電池，該電池具有改進(jìn)的流體路徑，該路徑提供了改進(jìn)的熱傳遞特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括一種用于燃料電池元件的冷卻設(shè)備，該設(shè)備包括具有上部分和下部分的基板。多條上肋和多條下肋分別連接到上部分和下部分。多條上肋和下肋的每一條確定出上蛇形通道和下通道，其中這些通道分別形成在多條上肋和下肋的每條之間。此外，上蛇形通道和下通道通過(guò)至少一個(gè)設(shè)置在基板上的腔室流體地連接，其中，設(shè)置上蛇形通道和下通道，從而讓流體穿過(guò)通道流動(dòng)，由此增加在流體和燃料電池元件之間的熱傳遞。


當(dāng)參考附圖閱讀下面的詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特點(diǎn)、方面和優(yōu)點(diǎn)將更易理解，在附圖中，相似的附圖標(biāo)記在整個(gè)附圖中表示相似的部件，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于燃料電池的冷卻設(shè)備的透視圖；圖2是圖1的頂部透視圖；圖3是圖1的頂部透視圖；以及圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的其上設(shè)置有多個(gè)凹部的一部分基板和多條肋部的透視圖。
最佳實(shí)施方式圖1中提供了用于燃料電池的冷卻設(shè)備100。冷卻設(shè)備100包括具有上部分120和下部分130的(表示至少一個(gè))基板110。多條上肋140和多條下肋150分別連接到上部分120和下部分130。此處所采用的術(shù)語(yǔ)“連接”指的是冷卻設(shè)備100的構(gòu)件的機(jī)械連接，包括焊接、銅焊、軟焊等，以及機(jī)械加工、金屬成形和澆鑄構(gòu)件作為單個(gè)部件，但不限于此。上肋140和下肋150分別限定出在多條上肋140和下肋150的每條之間形成的上蛇形通道160和下通道170。正如此處所采用的術(shù)語(yǔ)“蛇形通道”包括具有多個(gè)彎曲、彎折或翻轉(zhuǎn)的通道，但不限于此。蛇形通道160可以單個(gè)整體通道的形式構(gòu)成，或者以彼此相鄰設(shè)置的兩個(gè)或多個(gè)通道段的形式構(gòu)成(未示出)，但不限于此。上蛇形通道160和下通道170通過(guò)在基板110中設(shè)置的(表示至少一個(gè))腔室180流體連接(參見圖1)。此處所采用的術(shù)語(yǔ)“流體連接”是指腔室180能夠使流體190從上蛇形通道160傳送到下通道170。此外，設(shè)置上蛇形通道160和下通道170以使流體190穿過(guò)通道流動(dòng)，從而提高在流體190和燃料電池組件例如陽(yáng)極220、陰極200和電解質(zhì)210(參見圖1)之間的熱傳遞速率。燃料電池典型地選自由固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜或固體聚合物燃料電池、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)子陶瓷燃料電池所構(gòu)成的組。
在固體氧化物燃料電池中，例如，氧化物(例如，氧分子)經(jīng)過(guò)陰極200并且在陰極電解質(zhì)界面240處形成氧離子。方便起見，以下的術(shù)語(yǔ)“固體氧化物燃料電池”一律稱作“燃料電池”。隨后，氧離子通過(guò)電解質(zhì)210遷移，從而在陽(yáng)極電解質(zhì)界面250處與燃料(典型為氣態(tài)燃料)結(jié)合，由此在陽(yáng)極220釋放電子。電子經(jīng)由外部負(fù)載電路(未示出)在陰極200處聚集，由此在外部負(fù)載電路中產(chǎn)生從陽(yáng)極220到陰極200的電流流動(dòng)。由于在陽(yáng)極電解質(zhì)界面250處的相互作用，燃料電池產(chǎn)生熱量，此熱量必須去除以便在燃料電池中保持所需要的溫度值和預(yù)定的熱梯度。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，熱量的這種去除典型通過(guò)以下方式完成在陰極200上設(shè)置冷卻設(shè)備100的上肋140，將流體190典型為氧化劑引入到上蛇形通道160(在附圖1和2中由實(shí)箭頭表示)，這樣在氧化劑流體流貫穿通道流動(dòng)時(shí)從燃料電池中除掉熱能。此處采用的術(shù)語(yǔ)“在……上”，“在其上”、“在其中”、“上面”、“下面”、“進(jìn)入”、“上”等用于表示圖中所示的冷卻設(shè)備100中元件的相對(duì)位置，并不表示以任何方式對(duì)冷卻設(shè)備100的位置或工作的限制。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，通過(guò)在陽(yáng)極180(未示出)上設(shè)置冷卻設(shè)備100的上肋140并且將流體210典型為氣態(tài)燃料引入到上蛇形通道160中，由此實(shí)現(xiàn)熱量的去除。應(yīng)理解，冷卻設(shè)備100的功能和在此提及的任何實(shí)施例可應(yīng)用于這種氣態(tài)燃料。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，冷卻設(shè)備100用于將一個(gè)可重復(fù)燃料電池單元的陽(yáng)極電連接到相鄰電池單元(未示出)的陰極。此外，冷卻設(shè)備100用于提供均勻的電流分布(導(dǎo)電的)，并可設(shè)計(jì)成不透過(guò)氣體、在還原和氧化環(huán)境中穩(wěn)定并且在各種溫度下支持電子流動(dòng)。作為舉例但并非限制，冷卻設(shè)備由具有上述性質(zhì)的多種材料構(gòu)成，典型包括薄型金屬、不銹鋼、輝鈷礦、陶瓷、LaCrO3、CoCrO4、Inconel 600、Inconel 601、Hastelloy X、Hastelloy 230及其組合物。
冷卻設(shè)備100包括上蛇形通道160和下通道170，所設(shè)置的這些通道允許流體190通過(guò)它們流動(dòng)，從而增加在流體190和燃料電池組件例如陽(yáng)極220、陰極200和電解質(zhì)210之間的熱傳遞速率。在一個(gè)典型實(shí)施例中，典型地，將流體190引入到上蛇形通道160(參見圖2)，其中流體190通過(guò)這種通道至少改變一次方向，隨后通過(guò)腔室180改道至下通道170(參見圖3)。
通過(guò)改變流體190的方向并通過(guò)腔室180使流體190改道，和常規(guī)燃料電池相比，增加了在冷卻設(shè)備100和燃料電池組件之間的熱傳遞速率。作為舉例而并非限制，圖2示出了通過(guò)上蛇形通道160引入的、直至通過(guò)腔室180改道的并進(jìn)入到下通道170的流體190(參見圖3)。和具有直通道的常規(guī)燃料電池相比，在基板110上的腔室180的位置用于局部地增加從上蛇形通道和下通道160，170的所有側(cè)面的熱傳遞。當(dāng)流體改道至下通道170時(shí)，所建立的這種局部化熱傳遞的增加量典型由流體190攜帶到下游。本發(fā)明的一方面在于，通過(guò)分別改變?cè)谏仙咝瓮ǖ?60中流體190的流動(dòng)方向并將流體190的流動(dòng)改道至下通道，和常規(guī)燃料電池相比，減少了在燃料電池中存在的熱梯度變化。這種熱梯度典型起因于例如燃料利用率的改變、燃料電池組件材料性能的變化、或陽(yáng)極或陰極孔隙度的變化。應(yīng)理解，上蛇形通道和下通道160，170的數(shù)量以及腔室180的數(shù)量是根據(jù)預(yù)定設(shè)計(jì)要求例如熱傳遞速率和熱梯度均勻性由技術(shù)人員確定的。此外，上和下肋140，150的寬度和長(zhǎng)度以及上蛇形通道和下通道160，170的形狀和尺寸是根據(jù)所需的應(yīng)用由技術(shù)人員確定(參見圖1-3)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，圖4表示出在上蛇形通道160的表面部分上設(shè)置的和在基板110的表面部分上設(shè)置的多個(gè)凹部230。在此采用的術(shù)語(yǔ)“凹部”是指凹陷、凹痕、微凹、凹點(diǎn)等。凹部230的形狀典型為半球狀或倒錐或截錐形。在一些實(shí)施例中，凹部230的形狀典型為全半球的任何部分。應(yīng)理解在其它實(shí)施例中，凹部230設(shè)置在基板110、上肋140、下肋150、陰極200、陽(yáng)極220的整體上或表面部分上，或者根據(jù)所需的應(yīng)用對(duì)其隨意組合。
凹部230典型以預(yù)定圖形形成在上述表面上，用以增加從燃料電池組件典型為陽(yáng)極220、陰極200和電解質(zhì)210向流體190例如氧化劑的熱傳遞。應(yīng)理解，可以改變上肋140和下肋150的位置和取向，以及在這些肋部140，150上的凹部230的位置。這樣，以說(shuō)明而并非限制的方式表示出上肋140、下肋150以及其上設(shè)置的凹部230的位置、取向和方位(如圖所示)。
在操作中，將流體190引入到冷卻設(shè)備100的上蛇形通道160并處于凹部230之上(參見圖1)。結(jié)果，在流體190和凹部230之間的流體動(dòng)力學(xué)相互作用使燃料電池中的熱傳遞速率相比于常規(guī)燃料電池增加。在此采用的術(shù)語(yǔ)“流體動(dòng)力學(xué)相互作用”是指在凹部230和流體190之間的相互作用，其中各凹部230在凹部230中建立了壓力場(chǎng)，以便在流體190的流動(dòng)部分中形成渦流圖形(未示出)。此外，由于各相應(yīng)凹部230的形狀導(dǎo)致了表面積的增加，(與表面沒(méi)有凹部的設(shè)計(jì)相比)典型增加了在流體190和各凹部230之間的熱傳遞速率。這樣，流體190與這種增加的表面積相互作用，使得從燃料電池除去的熱能增加。應(yīng)理解，在某些實(shí)施例中，熱傳遞速率的增加并不直接正比于表面積的增加，經(jīng)常會(huì)根據(jù)預(yù)定設(shè)計(jì)而更大。
典型地，對(duì)于特定一個(gè)凹部230的深度“Y”貫穿冷卻設(shè)備100的長(zhǎng)度“L”保持為常量(參見圖1和4)。深度“Y”通常為凹部表面直徑“D”的約0.10至0.50倍。此外，凹部260的深度“Y”在約0.002英寸至約0.25英寸的范圍內(nèi)。凹部230的中心-中心的間隔“X”通常為凹部230的表面直徑“D”的約1.1至約2倍。在一個(gè)實(shí)施例中，凹部230典型利用脈沖電化學(xué)加工(PECM)工藝形成。在選擇實(shí)施例中，凹部230典型利用放電加工(EDM)工藝形成。
在根據(jù)專利條例在此說(shuō)明并描述了本發(fā)明的同時(shí)，在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的條件下對(duì)所公開的實(shí)施例進(jìn)行修改和變化對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，應(yīng)理解，所附權(quán)利要求書涵蓋了所有這些落入本發(fā)明實(shí)質(zhì)內(nèi)的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池組件的冷卻設(shè)備(100)，包括具有上部分(120)和下部分(130)的基板(110)；分別連接到所述上部分(120)和所述下部分(130)的多個(gè)上肋(140)和多個(gè)下肋(150)，所述多個(gè)上肋(140)和下肋(150)中的每個(gè)分別限定在所述多個(gè)上肋(140)和下肋(150)中每個(gè)之間形成的上蛇形通道(160)和下通道(170)，所述上蛇形通道(160)和所述下通道(170)通過(guò)在所述基板(110)中設(shè)置的至少一個(gè)腔室(180)流體連接，其中設(shè)置所述上蛇形通道(160)和所述下通道(170)以使流體(190)穿過(guò)通道流動(dòng)，從而增加在所述流體(190)和所述燃料電池元件之間的熱傳遞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的冷卻設(shè)備(100)，其中所述燃料電池組件是從由陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)(200)構(gòu)成的組中選出的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的冷卻設(shè)備(100)，其中在所述上蛇形通道(160)的表面部分上和在所述下通道(170)的表面部分上設(shè)置多個(gè)凹部(230)，從而當(dāng)所述流體(190)處于所述凹部(230)上時(shí)，引起流體動(dòng)力學(xué)相互作用，并影響在所述流體(190)和所述凹部(230)之間的熱傳遞速率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的冷卻設(shè)備(100)，其中所述凹部(230)從由凹陷、凹痕、微凹、凹點(diǎn)構(gòu)成的組中選出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的冷卻設(shè)備(100)，其中所述流體(190)從由氣態(tài)燃料和氧化劑構(gòu)成的組中選出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的冷卻設(shè)備(100)，其中所述冷卻設(shè)備(100)包括薄型金屬、不銹鋼、輝鈷礦、陶瓷、LaCrO3、CoCrO4、Inconel 600、Inconel 601、Hastelloy X、Hastelloy 230及其組合物之一。
7.一種燃料電池組件(90)，包括至少具有兩個(gè)電極和在其電極之間設(shè)置的電解質(zhì)(210)的至少一個(gè)燃料電池；連接到至少一個(gè)所述電極的至少一個(gè)冷卻設(shè)備(100)，所述冷卻設(shè)備(100)包括具有上部分(120)和下部分(130)的基板(110)；分別連接到所述上部分(120)和所述下部分(130)的多個(gè)上肋(140)和多個(gè)下肋(150)，所述多個(gè)上肋(140)和下肋(150)的每個(gè)分別限定在所述多個(gè)上肋(140)和下肋(150)中每個(gè)之間形成的上蛇形通道(160)和下通道(170)，所述上蛇形通道(160)和所述下通道(170)通過(guò)在所述基板(110)中設(shè)置的至少一個(gè)腔室(180)流體連接，其中設(shè)置所述上蛇形通道(160)和所述下通道(170)以使流體(190)穿過(guò)通道流動(dòng)，從而增加在所述流體(190)和所述燃料電池之間的熱傳遞。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池組件(90)，其中所述燃料電池是從由固體氧化物燃料電池、固體聚合物燃料電池、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)子陶瓷燃料電池所構(gòu)成的組中選出的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池組件(90)，其中所述電極是從由陰極(200)和陽(yáng)極(220)構(gòu)成的組中選出的。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池組件(90)，其中在所述上蛇形通道(160)的表面部分上和在所述下通道(170)的表面部分上設(shè)置多個(gè)凹部(230)，從而當(dāng)所述流體(190)處于所述凹部(230)上時(shí)，引起流體動(dòng)力學(xué)相互作用，并影響在所述流體(190)和所述凹部(230)之間的熱傳遞速率。
全文摘要
一種用于燃料電池元件的冷卻設(shè)備(100)，其中冷卻設(shè)備(100)包括具有上部分(120)和下部分(130)的基板(110)。多個(gè)上肋(140)和多個(gè)下肋(150)分別連接到所述上部分(120)和所述下部分(130)。所述多個(gè)上肋(140)和下肋(150)的每個(gè)分別限定上蛇形通道(160)和下通道(170)，其中這些通道是在所述多個(gè)上肋(140)和下肋(150)中每個(gè)之間形成的。此外，所述上蛇形通道(160)和所述下通道(170)通過(guò)在所述基板(110)中設(shè)置的至少一個(gè)腔室(180)流體地連接，其中設(shè)置所述上蛇形通道(160)和所述下通道(170)以使流體(190)穿過(guò)通道流動(dòng)，從而增加在所述流體(190)和所述燃料電池元件之間的熱傳遞。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1485942SQ0315463
公開日2004年3月31日 申請(qǐng)日期2003年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月21日
發(fā)明者C·巴蘭, C 巴蘭 申請(qǐng)人:通用電氣公司