CN1453892A - 发电装置的改进流体通路 - Google Patents

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Abstract

提供一种固体氧化物燃料电池(100)，其中固体氧化物燃料电池(100)包括热处理部分(101)和相邻热处理部分(101)设置的电解质部分(102)，其中多个凹部(140)设置在热处理和电解质部分的至少一个之上，以便引起流体动力学相互作用，当流体处于凹部(140)之上时影响在流体和凹部(140)之间的热传递速率。

Description

发电装置的改进流体通路
技术领域
本发明一般涉及发电装置，尤其涉及用于固体氧化物燃料电池的改进流体通路。
背景技术
高温固体氧化物燃料电池(以下称作“sofc”)组典型由轴向伸长的管形连接的sofcs和相联的燃料和空气分布装置构成。此外，对于管状sofc的典型选择性结构是平面横流燃料电池、逆流燃料电池和由扁平单电池构件构成的平行流燃料电池。这种构件典型包括从电池向电池传导电流的三层阳极/电解质/阴极组件并提供通道以便气体流入立方结构或电池堆。
Sofcs在氧化剂和碳氢燃料气体之间通过电化学反应产生电能，从而形成在外部电路中的电流。此外，为了使sofc组件例如阳极、阴极和电解质保持所需要的温度值，典型经过氧化剂去除sofcs产生的废热。
在sofcs表现出高效电位和发电中的低污染的同时，在sofcs中仍存在着与组件的温度调节有关的一些问题。Sofcs典型包括冷却通道(在交互扁平单电池部分中)或提升管(在管状sofcs中)，其中氧化剂(典型为空气)用于帮助传递或去除废热，以便将电池组的温度保持在规定范围内或以下，在sofc中保持预定的热梯度。然而，这种通道或提升管典型包括光滑表面，此表面具有在通道或管表面和氧化剂之间提供低的热传递系数的非理想特性。
因此，本领域需要一种sofc，此sofc具有提供改进的热传递特性的改进流体通路。
发明内容
本发明的一个实施例包括一种固体氧化物燃料电池，该电池包括热处理部分和相邻热处理部分设置的电解质部分，其中多个凹部设置在热处理和电解质部分的至少一个之上，以便引起流体动力学相互作用，当流体处于凹部之上时影响在流体和凹部之间的热传递速率。
附图说明
当参考附图阅读以下的详细描述时，更易理解本发明的这些和其它特点、方面和优点，其中相同的标记在全部附图中表示同一部件。
图1是根据本发明一实施例的管状固体氧化物燃料电池的横截面；
图2是沿图1的线1-1取向的顶部透视图；
图3是根据本发明的另一实施例的平面横流固体氧化物燃料电池的透视图；
图4是根据本发明另一实施例的图3的平面横流固体氧化物燃料电池的透视图；
图5是根据本发明另一实施例的图3的平面横流固体氧化物燃料电池的透视图；以及
图6是根据本发明另一实施例的图3的平面横流固体氧化物燃料电池的透视图。
最佳实施方式
典型的固体氧化物燃料电池设置在发电设备中，并包括管状固体氧化物燃料电池(此后称作SOFC)(参见图1-2)或平面横流固体氧化物燃料电池组(参见图3-6)。此外，SOFCs典型包括热处理部分101和电解质部分102(参见图1)。正如下讨论的那样，对于管状SOFCs而言，热处理部分101典型包括设置在电解质部分102中的提升管110。此外，对于平面横流SOFCs，热处理部分101典型包括(表示至少一个)氧化剂部分150和(表示至少一个)燃料部分160，其中电解质部分102典型设置在两个部分之间(参见图3-6)。电解质部分102典型包括阳极190、阴极200和电解质210。正如在此采用的那样，术语“在其上”、“在其中”、“在……之上”、“上面”、“下面”等用于表示图中所示的SOFC100的元件相对位置，并不表示对于SOFC100的取向或操作的任何方式的限制。方便起见，以下将管状固体氧化物燃料电池(参见图1-2)和平面横流固体氧化物燃料电池(参见图3-6)统称为SOFCs100。
工作中，将气态燃料(图1-2中以标有术语“燃料”的实线箭头表示)例如天然气或氢气轴向地引向SOFC100的外壁面135之上。此外，将氧化剂(图1-2中以标有术语“氧化剂”的虚线箭头表示)例如空气或氧气输送到提升管110(参见图1)。提升管110包括提升管内表面120和提升管外表面130，并位于SOFC100的环状空间内。最初将此氧化剂引入提升管内表面120，其中氧化剂随后流回到在提升管外表面130和内壁表面135之间的SOFC100。
平面横流SOFC100包括其中设置有(表示至少一个)氧化剂通道170的氧化剂部分150和其中设置有(表示至少一个)燃料通道180的燃料部分160(参见图3)。此SOFC100的实施例典型由扁平单电池部分构成，此单电池部分典型包括氧化剂部分150和燃料部分160，其中这些部分的通道允许氧化剂(图3-6中以标有术语“氧化剂”的虚线箭头表示)和气态燃料(图3-6中以标有术语“燃料”的实线箭头表示)向立方结构或电池组流动。应理解，氧化剂部分150和燃料部分160的位置和取向可以变化，在图3-6中这些部分的位置和取向仅用以说明而并非限制。
在工作中，将燃料引到管状SOFC100的外壁面135(参见图1-2)或者通过平面横流SOFC100的燃料通道180(参见图3-6)。将氧化剂(典型为预处理后的空气或氧)通过提升管110引入管状SOFC100(参见图1-2)或引入平面横流SOFC100的氧化剂通道170(参见图3-6)。在两种类型的SOFCs100中，氧化剂(氧分子)经过阴极200并且在阴极电介质界面191处形成氧离子。随后，氧离子通过电解质210迁移以与在阳极电解质界面192处的燃料相结合，由此释放在阳极190处的电子。接着，电子通过外部负载电路(未示出)在阴极200处聚集，由此在外部负载电路中产生从阳极190向阴极200的电流。作为在阳极电解质界面192处的相互作用的结果，SOFC100产生热量，为了在SOFC100中保持所需要的温度值和预定的热梯度，必须除去此热量。这种热量的去除典型通过氧化剂引入到提升管110(参见图1-2)或氧化剂通道170(参见图3)中来实现，这样氧化剂流体流从SOFC100除去热能。
在本发明的一个实施例中，图1示出了SOFC100在提升管内表面120、提升管外表面130内壁面135和外壁面136上设置的多个凹部140。在此，术语“凹部”指凹陷、凹痕、陷斑、凹坑等。凹部140的形状典型为半球形或反向截锥形。在另一实施例中，凹部140的形状典型为全半球的任何部分。在某些实施例中，凹部140设置在上述表面的全部或一部分上。
凹部140以下述图形形成在上述表面上，此图形用于增加从SOFC100元件例如阳极190、阴极200和电解质210向流体例如氧化剂或气态燃料的热传递。根据举例而非限制，应理解，凹部140设置在SOFC外表面136(参见图1)上或设置在燃料通道180中(参见图3-6)，以便增加从SOFC100组件向气态燃料的热量去除。在工作中，将流体引入到SOFC100中，以处于凹部140上。结果，在流体和凹部140之间的流体动力学相互作用导致与常规SOFCs相比在SOFC100中的热传递速率有所提高。此处，术语“流体动力学相互作用”指在凹部140和流体之间的相互作用，其中各凹部在该凹部中建立了压力场，从而在流体的一部分流动中形成涡流图形(未示出)。
工作中，当流体的该部分流动与流体的主流流动相互作用时，流体的该部分流动朝向通道的表面，使得与该表面以热量相互作用，由此导致从SOFC100组件向流体增加的热传递。此外，由于和没有凹部的表面相比，由各单独凹部的形状导致了表面区域的增加，因此增加了在流体和各单独凹部之间的热量相互作用。这样，流体与这种增加了的表面区域相互作用，由此增加了从SOFC100的热能的去除。对于给定的一个凹部140而言，典型地，深度“Y”(参见图1)贯穿管状SOFC100的长度“L”(参见图2)或者贯穿平面横流SOFC100的长度“L”(参见图3-6)保持恒定。深度“Y”(参见图1)一般在凹部表面直径“d”的约0.10至约0.50倍之间的范围内。此外，凹部140的深度(Y)在约0.002英寸至约1.125英寸的范围内。凹部140的中心-至-中心的间隔“X”(见图1)一般在凹部140的表面直径“d”的约1.1至约2倍之间的范围内。在一个实施例中，典型地，利用脉冲电化学机械加工(PECM)方法形成凹部140。在一选择性实施例中，典型地，利用放电机械加工(EDM)方法形成凹部140。
在另一个实施例中，凹部140设置在氧化剂通道170和燃料通道180中(参见图3)。在选择性实施例中，凹部140设置在氧化剂通道170或燃料通道180中。在再一个实施例中，SOFC100包括其中分别设置有第一流道构件220和第二流道构件230的氧化剂部分150和燃料部分160(参见图4)。在此实施例中，第一流道构件220和第二流道构件230分别包括第一楔形部和第二楔形部。此处，术语“楔形部”指第一流道构件220和第二流道构件230的形状，其中，这种构件的形状向边缘逐渐变小。第一和第二楔形部典型包括在氧化剂部分150和燃料部分160中用于对齐和支撑楔形部的多个支撑件240。在选择性实施例中，图6示出了形成为逐渐变小的通道的氧化剂通道170和燃料通道180。此处，术语“逐渐变小的通道”指通道的形状，其中，这些通道从氧化剂流入口250至氧化剂流出口(未示出)以及从燃料流入口260向燃料流出口270向边缘逐渐变小。
楔形部(参见图4)和逐渐变小的通道(参见图6)分别提高了氧化剂或燃料在氧化剂部分150或燃料部分160中的流动速率，由此加快了在SOFC100中的热传递。在一个典型实施例中，楔形部(参见图4)的形状构成了氧化剂部分150从氧化剂流入口250向氧化剂流出口(未示出)的会聚流区，由此影响了在SOFC100组件和氧化剂之间的热传递速率。应理解，图6逐渐变小的通道显示出与上述楔形部相同的特性。利用楔形部(参见图4)或逐渐变小的通道(参见图6)以形成会聚流，使得贯穿氧化剂或气态燃料的流动路径具有基本均匀的热传递速率，这是通过有效地补偿了降低的热势用于对流由氧化剂或气态燃料的温度增加导致的热传递，从而分别影响了在氧化剂部分150或燃料部分160中的热梯度。通过在楔形部(参见图4)或逐渐变小的通道(参见图6)上设置凹部140，进一步增加了热传递速率，其中这种增加是由于当处于凹部140上时由氧化剂或气态燃料引起的流体动力学相互作用造成的。在一些实施例中，凹部140设置在上述逐渐变小的通道或楔形部(参见图4)的整体或一部分上。
在另一实施例中，第一流道构件220和第二流道构件230分别包括第一波纹状构件和第二波纹状构件(参见图5)。此处，术语“波纹状”指第一流道构件220和第二流道构件230的材料形状，这样材料成形为凸缘状或沟槽状表面。如上所述，凹部140设置在波纹状构件上，从而引起在流体(氧化剂或气态燃料)和凹部140之间的流体动力学相互作用，由此加速在SOFC100组件和流体之间的热传递速率。在一个实施例中，波纹状构件由板金属形成，例如不锈钢板金属。应理解，通常根据凹部140所需要的深度构形和用于接触阳极190和阴极200以使电流流通的波纹状构件的峰和谷，变化板金属的厚度。
根据专利法规在此说明和描述了本发明，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的实质精神和范围的条件下对所公开的实施方式进行修改和变化是显而易见的。因此，应理解，所附权利要求书涵盖了落入本发明的实质精神内的所有这种修改和变化。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池(100)，包括：
热处理部分(101)；和
相邻所述热处理部分(101)设置的电解质部分(102)，
其中多个凹部(140)设置在所述热处理和电解质部分的至少一个之上，以便引起流体动力学相互作用，当所述流体处于所述凹部(140)之上时影响在流体和凹部(140)之间的热传递速率。
2.根据权利要求1的固体氧化物燃料电池(100)，其中所述热处理部分(101)包括提升管(110)。
3.  根据权利要求1的固体氧化物燃料电池(100)，其中所述热处理部分(101)包括氧化剂部分(150)和燃料部分(160)。
4.根据权利要求1的固体氧化物燃料电池(100)，其中电解质部分(102)包括阴极(200)、阳极(190)和电解质(210)。
5.一种用于发电装置中的固体氧化物燃料电池(100)，包括：
设置在所述固体氧化物燃料电池(100)中的提升管(110)，所述固体氧化物燃料电池(100)设置在所述发电装置中，其中设置所述发电装置以在其中接收流体，其中多个凹部(140)设置在所述提升管的表面部分上并设置在所述固体氧化物燃料电池(100)的表面部分上，以便引起流体动力学相互作用，并且当所述流体处于所述凹部(140)之上时影响在所述流体和所述凹部(140)之间的热传递速率。
6.根据权利要求5的固体氧化物燃料电池(100)，其中所述提升管(110)包括提升管内表面(120)和提升管外表面(130)，其中所述凹部设置在提升管内表面(120)上并设置在所述提升管外表面(130)上。
7.根据权利要求5的固体氧化物燃料电池(100)，其中所述凹部(140)设置在所述固体氧化物燃料电池(100)的内表面(135)上。
8.根据权利要求5的固体氧化物燃料电池(100)，其中所述凹部(140)的形状是完整半球的任意部分。
9.一种用于发电装置中的固体氧化物燃料电池(100)，包括：
其中设置有氧化剂通道(170)的氧化剂部分(150)和其中设置有燃料通道(180)的燃料部分(160)，其中设置所述氧化剂通道(170)和所述燃料通道(180)以在其中接收流体，所述固体氧化物燃料电池(100)设置在所述发电装置中，其中多个凹部(140)设置在所述氧化剂通道(170)的表面部分上并设置在所述燃料通道(180)的表面部分上，以便引起流体动力学相互作用，并且当所述流体处于所述凹部(140)之上时，影响在所述流体和所述凹部(140)之间的热传递速率。
10.一种用于发电装置中的固体氧化物燃料电池(100)，包括：
氧化剂部分(150)和燃料部分(160)，其中设置所述氧化剂部分(150)和所述燃料部分(160)以便在其中接收流体，所述固体氧化物燃料电池(100)设置在所述发电装置中；以及
设置在所述氧化剂部分(150)中的第一流道构件(220)和设置在所述燃料部分(160)的第二流道构件(230)，其中多个凹部(140)设置在所述第一流道构件(220)的一部分和所述第二流道构件(230)的一部分上，以便引起流体动力学相互作用，并且当所述流体处于所述凹部(140)之上时，影响在所述流体和所述凹部(140)之间的热传递速率。
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