CN1477726A - 用于产生电力装置的改良型流体通道 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于燃料电池组件的冷却器(100),其中冷却器包括一个底板(110),底板具有第一末端(112)和第二末端(114),和连接第一末端(112)的第一侧板(120)和连接第二末端(114)的第二侧板(125)。许多底肋(160)与底板(110)连接,许多上肋(150)与所述底肋(160)连接。此外,顶通道(130)和底通道(140)分别形成于每一许多上肋(150)和每一许多底肋(160)之间,其中使顶通道(130)和底通道(140)处于允许流体(210)物流从中通过并处于允许部分流体(210)在物流改向区(170)在顶通道(130)和底通道(140)之间可互换方向的位置,以便增大流体(210)和燃料电池组件之间的传热速率。

Description

用于产生电力装置的改良型流体通道
技术领域
本发明一般涉及产生电力的装置,更具体地说,涉及用于固体氧化物燃料电池的改良型流体通道。
背景技术
一种高温、固体氧化物燃料电池组一般包括平面错流燃料电池、逆流燃料电池和平行流燃料电池,它们都是根据单电池组件而构造并与燃料和空气配送装置相连的。此种组件一般包括在电池与电池之间传导电流的三层阳极/电解质/阴极部件,并包括至少一个具有若干用于气体物流进入立方结构或叠层的通道的互连件。
固体氧化物燃料电池通过氧化剂和烃类燃料气体间的电化学反应产生电能,构成外电路中的电子流。另外,固体氧化物燃料电池产生废热,废热一般通过氧化剂撤除,以维持固体氧化物燃料电池组件如阳极、阴极和电解质的所需温度范围。
尽管固体氧化物燃料电池已经表明电势效率高和电力产生过程中污染少,但仍存在一些与固体氧化物燃料电池中有关调节组件温度的问题。固体氧化物燃料电池一般包括利用其中氧化剂一般为空气进行冷却的通道,以促进传递或撤出废热,维持组件温度处在等于或低于规定的范围,并保持固体氧化物燃料电池内的预定热梯度。在某些设计中,这些冷却通道一般包括平直通道,平直通道具有不理想特征,通道表面与氧化剂之间热传递系数低。
因此,在本领域需要一种具有使其传热性能提高的改良型流体通道的固体氧化物燃料电池。
发明内容
本发明的一个实施方案包括一种用于燃料电池组件的冷却器,包括一个其上有第一及第二末端的底板,和与第一末端连接的第一侧板和与第二末端连接的第二侧板。将许多底肋与底板连接,将许多上肋与底肋连接。另外,分别在许多上肋中的每一个和许多底肋中的每一个之间形成顶通道和底通道,其中使顶通道和底通道处于允许流体物流在此通过和处于允许部分流体在物流改向区在顶和底通道之间可互换方向的位置,以提高流体和燃料电池组件之间的传热速率。
附图简述
阅读以下详细说明,并参考其中相同字符表示全图中同一部分的附图,将会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点,其中:
图1是用于本发明一种实施方案的燃料电池的冷却器透视图;
图2是包括其上设置的阳极、阴极和电解质的图1的顶视图;和
图3是按照本发明另一实施方案,其上设置有许多凹洼的底板和许多肋的透视图。
部件明细表
90           燃料电池组合件
100          冷却器
110          底板
112          第一末端
114          第二末端
120          第一侧板
125          第二侧板
130          顶通道
140          底通道
150          上肋
160          底肋
170          物流改向区
180          阳极
185          电极
190          电解质
200          阴极
210          流体
220          阴极电解质界面
230          阳极电解质界面
240          顶通道流体
250          底通道流体
260          凹洼
具体实施方式
图1提供了用于燃料电池的一种冷却器100。冷却器100包括一个(指至少一个)底板110,底板上有第一末端112和第二末端114。将第一侧板120连接至第一末端112,第二侧板连接至第二末端。如在这里所用的,术语“连接”指的是对冷却器100部件的机械连接,包括但不局限于对所述部件作为单独部件进行焊接、铜焊、锡焊等,以及进行机械加工和铸造。许多底肋160连接于底板110并且许多上肋150连接于底肋160。另外,冷却器包括分别在所述各个多上肋150和所述各个多底肋160之间形成的一个(指至少一个)顶通道130和一个(指至少一个)底通道140。该顶通道130和底通道140处于允许流体210流在此通过的位置。此外,使该顶通道130和底通道140处于允许部分流体210在物流改向区170在顶通道130和底通道140之间进行互换方向的位置,以增大在流体210和燃料电池部件如在阳极180、阴极200和电解质190(参见图2)之间的传热速率。燃料电池一般选自固体氧化物燃料电池、质子交换膜或固态聚合物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、直接甲醇燃料电池、再生燃料电池和质子陶瓷燃料电池。
例如,在固体氧化物燃料电池中,氧化剂(如氧分子)穿过阴极200,在阴极电解质界面220形成氧离子。为了简单,此后术语“固体氧化物燃料电池”被通称为“燃料电池”。其后,氧离子迁徙通过电解质190,在阳极电解质界面230与燃料(一般是气体燃料)结合,从而在阳极180放出电子。这些电子通过外负载电路(未示出)汇集于阴极200,由此在外负载电路中产生从阳极180至阴极200的电流流动。由于在阳极电解质界面230处的相互作用,燃料电池产生热量,此热必须撤除,以维持燃料电池中理想的温度水平和预定的热梯度。在本发明一个实施方案中(参见图2),一般通过将冷却器100的上肋150设置在阴极200上方和将一般为氧化剂的流体210引入至顶和底通道130、140(如图2中的实线箭头所示),使氧化剂流体在通过时撤除燃料电池中的热能的方法,完成这种撤热。这里所用术语“上方”、“其上”、”其中”、“上”、“下”、“至...中”、“在...上”等是用来指如各图所示冷却器100的元件的相对位置,并无任何对冷却器100方向或操作进行限制的意思。上肋150一般被安置处于对底肋160呈约30-120°的角度的位置(图2中标记为“A”)。在本发明另一实施方案中,通过在阳极180(未示出)上方设置冷却器100的上肋150和将一般为气体燃料的流体210引入至顶和底通道130、140中的方法,实现这种撤热。应当理解,冷却器100的功能和这里提及的任何实施方案也都适用于这种气体燃料。
冷却器100包括顶通道130和底通道140,二者的设置均使得部分流体210在物流改向区170在顶通道130与底通道140之间进行互换方向,从而增大流体210和燃料电池元件例如阳极180、阴极200和电解质190间的传热速率。在一个示范实施方案中,流体210被引入顶和底通道130、140中,其中顶通道流体240(部分在顶通道130被引入的流体210)在物流改向区170被改向到底通道140,而底通道流体250(部分在底通道140被引入的流体210)在该物流改向区170被改向到顶通道130。这里所用术语“物流改向区”指的是部分流体210(如顶通道流体240)改变方向进入底通道140的区域,它也指的是部分流体210(底通道流体250)改变方向进入顶通道130的区域。
与常规燃料电池相比,通过使部分流体210改向至顶或底通道130、140,提高了冷却器100和燃料电池组件之间的传热速率。通过举例而非限制,图2显示顶通道流体240被引导通过顶通道130,直到到达物流改向区170。与平直通道的常规燃料电池比较,物流改向区170起局部增强由顶和底通道130、140各面的热传递作用。构成的这种局部热传递增强作用一般通过顶通道流体240向下游传播,随后,当顶通道流体240接触第一或第二侧板120、125中之一时,顶通道流体240在物流改向区170被改向至底通道140。本发明的一个方面在于,与常规燃料电池相比,通过使流体210流改向流到顶通道130或底通道140,降低了该燃料电池中存在的热梯度差异。这种热梯度一般起因于例如燃料利用率变化、不同的燃料电池组件材料性质或不同的阳极或阴极孔隙度。应当明白,顶和底通道130、140的数目和物流改向区170的数目是由技工根据预定设计要求如传热速率和热梯度均匀性来确定的。此外,还有侧壁120和125间的区域宽度和长度,以及在凹洼260和流体210间的顶和底形状和尺寸,其中各凹洼260在凹洼260内构成了压力场,使流体210的部分物流内产生涡旋型式(未示出)。此外,(与具有无凹洼的表面的设计相比)由于各凹洼260的形状造成表面积增大,一般都增加了流体210和各凹洼260之间的传热速率。这样,流体210与这种增大的表面积相互作用,从而增强了由燃料电池的热能撤除作用。应当知道,在某些实施方案中,传热速率增加不与表面积增加成正比例,且通常根据预定设计可能增加得更大。
对于给定的一个凹洼260的深度“Y”,一般在冷却器100的整个长度″L”上保持不变(参见图3)。此深度″Y ″一般为凹洼表面直径“D”的约0.10-约0.50倍。此外,凹洼260的深度“Y”的范围为约0.002-约0.25英寸之间。各凹洼260中心间距″X″一般为各凹洼260表面直径″D″的约1.1-约2倍。在一个实施方案中,凹洼260一般是采用脉冲电化学加工(PECM)方法形成的。在另一实施方案中,凹洼260一般是采用放电加工(EDM)方法形成的。
对本领域技术人员显而易见的是,尽管这里按照专利法规说明和描述了本发明,但对这些公开实施方案还可以构成各种改进和变化而不致偏离本发明实质和范围。因此,应当理解,附后的权利要求是用来覆盖所有属于本发明实质范围的这些改进和变化的。

Claims (10)

1、一种用于燃料电池组件的冷却器(100),包括:
一种底板(110),具有第一末端(112)和第二末端(114);
连接所述第一末端(112)的第一侧板(120)和连接所述第二末端(114)的第二侧板(125);
连接所述底板(110)的许多底肋(160);
连接所述底肋(160)的许多上肋(150);
分别形成于每一所述许多上肋(150)和每一所述许多底肋(160)之间的顶通道(130)和底通道(140);
其中所述顶通道(130)和所述底通道(140)的设置使得流体(210)物流从中通过并使得部分所述流体(210)在物流改向区(170)在所述顶通道(130)和所述底通道(140)之间可互换方向,以增大所述流体(210)和所述燃料电池组件之间的传热速率。
2、按照权利要求1的冷却器(100),其中所述燃料电池组件选自阴极、阳极和电解质。
3、按照权利要求1的冷却器(100),其中许多凹洼(260)处于所述顶通道130表面部分上和处于所述底通道(140)表面部分上,以使当所述流体(210)处于所述凹洼(260)上方位置时引起所述流体(210)和所述凹洼(260)间的流体动力相互作用和对传热速率产生影响。
4、按照权利要求3的冷却器(100),其中所述凹洼(260)选自凹陷、缺口、凹痕和凹点。
5、按照权利要求1的冷却器(100),其中所述流体(210)选自气体燃料和氧化剂。
6、按照权利要求1的冷却器(100),其中使所述上肋(150)处于相对于所述底肋(160)呈约30-约120°角度的位置。
7、一种燃料电池组合件(90),包括:
至少一个燃料电池,其具有至少两个电极(112)和处于其间的一种电解质(190);
至少一个冷却器(100)处于至少一个所述电极(185)上方,所述冷却器(100)包括:
一种底板(110),具有第一末端(112)和第二末端(114);
连接所述第一末端(112)的第一侧板(120)和连接所述第二末端(114)的第二侧板(125);
连接所述底板(110)的许多底肋(160);
连接所述底肋(160)的许多上肋(150);和
分别形成于每一所述许多上肋(150)和每一所述许多底肋(160)之间的顶通道(130)和底通道(140),
其中所述顶通道(130)和所述底通道(140)的设置使得流体(210)物流从中通过并使得部分所述流体(210)在物流改向区(170)在所述顶通道(130)和所述底通道(140)之间可互换方向,从而增大所述流体(210)和所述燃料电池间的传热速率。
8、按照权利要求7的燃料电池组合件(90),其中所述燃料电池选自固体氧化物燃料电池、质子交换膜或固态聚合物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、直接甲醇燃料电池、再生燃料电池、和质子陶瓷燃料电池。
9、按照权利要求7的燃料电池组合件,其中所述电极(185)选自阴极和阳极。
10、按照权利要求7的燃料电池组合件(90),其中许多凹洼(260)处于所述顶通道(130)表面部分上和处于所述底通道(140)表面部分上,以便在所述流体(210)处于所述凹洼(260)上方时引起所述流体(210)和所述凹洼(260)间的流体动力相互作用和对传热速率产生影响。
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