CN1507100A - 燃料电池容器冷却系统 - Google Patents

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CN1507100A CNA2003101196618A CN200310119661A CN1507100A CN 1507100 A CN1507100 A CN 1507100A CN A2003101196618 A CNA2003101196618 A CN A2003101196618A CN 200310119661 A CN200310119661 A CN 200310119661A CN 1507100 A CN1507100 A CN 1507100A
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Abstract

一燃料电池组件(10)，包括一构造成密封的容器(14)。一燃料电池(12)布置在该容器(14)中，一屏蔽层(16)完全围绕容器(14)的一内周缘(58)，以在燃料电池(12)周围提供基本均匀的热屏蔽。该热屏蔽层(16)布置在该容器(14)和燃料电池(12)之间，与容器(14)隔开一定距离，以在其间形成一冷却流体的流动通道(44)。

Description

燃料电池容器冷却系统
技术领域
本发明主要涉及发电设备如燃料电池组件，特别是燃料电池组件的热学管理，例如固体氧化物燃料电池组件。
背景技术
在燃料电池中燃料与氧化剂发生反应产生热能。燃料电池，例如固体氧化物燃料电池工作温度范围通常为约600℃-约1300℃。这些通常用于发电应用的燃料电池被布置在压力容器中。可是，要保持该种容器的结构完整性是一个急待解决的问题，特别是希望使用现有材料制造该容器，这些材料成本相对不高，同时在工作中又能经受指定温度范围的考验。
燃料电池的热学管理中一个急待解决的问题是使容器保持一定的最高温度，或低一些。另一难题在于在容器内部，包括在通过器壁和相关结构厚度的方向以及沿器壁(例如横向)方向保持比较均匀的温度梯度。这种温度梯度可在容器内局部区域产生过热部位，由于例如热膨胀差异等原因，导致产生结构和材料问题。
一些现有燃料电池设计在一部分容器中使用了隔热材料，通常与容器壁制成一体。其它设计方案是在容器壁本身内部形成冷却通道。然而，使用这种整体冷却通道的传统燃料电池的应用一般不能在整个容器中保持等温条件，同时也不能减少容器壁受热。此外，消除在燃料电池组件外部由燃料电池产生的无用热通量可使燃料电池组件的热性能变差。同样，在现有布置中使用此类隔板或通道实际上可沿容器壁产生相当大的热梯度，进而产生应该避免的受热不均。
因此，需要燃料电池组件的一种热学管理体系改进技术，它能够使容器保持更加均匀的热梯度，降低容器本身的温度，同时提高燃料电池组件的所需热效率。
发明内容
本技术设计用于响应这种需求。简而言之，根据本技术的一个实施例，一燃料电池组件包括一构造成密封的容器。一燃料电池布置于该容器中，围绕容器内周缘有一热屏蔽层，以在燃料电池周围提供基本上均匀的热屏蔽。该热屏蔽层布置于容器和燃料电池之间，且与容器隔开一定距离，以在其间形成一冷却流体的流动通道。
本技术的另一实施例提供一种燃料电池组件，其包括一容器，该容器被构造成是密封的。一燃料电池布置于该容器中，同时一金属屏蔽层布置于容器和燃料电池之间。该金属屏蔽层与容器隔开一定距离，以在其间形成一冷却流体的流动通道。
本技术的另一实施例提供一种燃料电池组件，其包括一构造成密封的容器。一燃料电池布置于该容器中，一屏蔽层完全围绕燃料电池周边。该屏蔽层布置于容器和燃料电池之间，且与容器隔开一定距离，以在其间形成一冷却流体的流动通道。
本技术的另一实施例提供一种燃料电池组件，其包括一构造成密封的容器。一燃料电池布置于该容器中，一屏蔽层完全围绕容器内周缘，以在燃料电池周围提供均匀的热屏蔽。该屏蔽层布置于容器和燃料电池之间，且与容器隔开一定距离，以在其间形成一冷却流体的流动通道。
本技术的另一实施例提供一种燃料电池组件，其包括一压力容器。一燃料电池布置于该容器中；同时一热传导屏蔽层布置于容器和燃料电池之间，且与容器隔开一定距离，以在其间形成一冷却流体的流动通道。
附图说明
阅读以下详细说明并结合附图可以更好地理解本发明的这些以及其它特征、特点和优点，附图中使用同一标号表示同类部件，其中：
图1具有如本发明的一个技术特征所述的热屏蔽层的典型平板燃料电池组件的示意性透视图；
图2为包括一热屏蔽层的典型管状燃料电池组件的示意性透视图；
图3示出组件容器中热屏蔽层位置以及组件中冷却剂流动方式的燃料电池组件的示意性透视图；
图4为图3所示燃料电池组件的横截面视图，图中示出容器中热屏蔽层的位置；
图5为图4所示5-5部分的细节剖视图，图中示出热屏蔽层的第一典型实施方式；
图6为图4所示5-5部分的细节剖视图，图中示出热屏蔽层的第二典型实施方式；
图7为图4所示5-5部分的细节剖视图，图中示出热屏蔽层的第三典型实施方式；
图8为图4所示5-5部分的细节剖视图，图中示出热屏蔽层的第四典型实施方式；
图9为包括一可选管状热屏蔽层结构的燃料电池组件的示意性正视图；
图10为图9所示燃料电池组件的示意性正视图；
图11为如本发明其它实施例所述的一燃料电池组件的示意性组视图，其中冷却剂与流经燃料电池组件的氧化剂分离开来；以及
图12为图11所示燃料电池组件一部分的部分拆开的分解图。
具体实施方式
燃料电池，例如固体氧化物燃料电池在发电领域已展示出其高效和低污染的潜力。总的来说，燃料电池是一种通过将燃料和氧化剂混合通过离子导电层进行电化学反应产生电能的能量转化设备。可将燃料电池串联或并联地堆叠在一起构成能够产生合成电能输出的燃料电池构造。在如图1所示的典型实施例中，一典型燃料电池组件10，例如固体氧化物燃料电池组件，包括一在压力容器14内部布置的燃料电池12(其中也可以是一堆或一组电池或组件)。一热屏蔽层16布置于燃料电池12和该容器14之间，以在工作过程中对燃料电池12产生的热通量提供改进的热学管理，详细内容如下所述。
在第一个典型实施例中，燃料电池12包括一具有平板结构的单体燃料电池，尽管在该简单结构中可布置有多个这种电池。在如图2所示的另一个典型实施例中，燃料电池组件10中包括一燃料电池组件38。该燃料电池组件38内包含有多个具有平板结构的燃料电池40。燃料电池12、40可为任一类型的燃料电池，其中包括，但不限于，固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池、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、锌空气燃料电池以及质子陶瓷燃料电池。
特别是关于图1中的实施例，该典型燃料电池12包括阳极20和28、一阴极24、二者之间的电解质22、与至少一个阳极20、阴极24和电解质22紧密接触的一连接板26。如图1所示，氧化剂，例如空气通过氧化剂入口30进入到燃料电池12中，从排气口32排出。类似地，燃料流进入电池组件中，如标号34所示。氧化剂流通过在容器14内壁和热屏蔽层16之间限定的冷却剂通道进入燃料电池12中为阴极24提供冷却剂，如标号36所示。
在典型燃料电池12，例如固体氧化物燃料电池中，在阴极24产生的氧离子(O2-)发生迁移穿过阳极20和阴极24之间的电解质22。燃料34，例如天然气，流入阳极20。在阳极20处的燃料34与穿过电解质22迁移到阳极20处的氧离子(O2-)发生反应。氧离子(O2-)去离子化以释放电子进入外部电路中(图中未示出)。该电子流由此产生通过外部电路的直流电。这一发电过程会产生一定的废气和废热。废气由出口32排出。
应注意的是，实际上燃料和氧化剂的流动方向会根据燃料电池的设计和工作发生变化。例如，在一些实施例中示出一股含有氧化剂和燃料的排气流，这些排气流在一些设计中可被分开。
还应注意的是，本技术提供了多种可能性用于至少部分地为容器壁热屏蔽掉燃料电池所产生的热量。在一组实施例中，例如一条或更多的流动通道被限定在容器壁和热屏蔽层之间。同时，冷却剂通过这些流动通道循环流动通过对流传热方式吸取热量。在目前考虑的实施例中，冷却剂流包含至少部分燃料电池工作用氧化剂。全部或部分冷却剂可通过电池进行循环，或者冷却剂流可补充其它流体，这取决于以下因素，如热负荷、冷却剂入口温度、冷却剂的质量流量和氧化剂的质量流量。将氧化剂用作冷却剂还具有在燃料电池中预热氧化剂使反应效率更高的优势。做为选择，可利用一单独的冷却剂，其中包括气相、液相或混合相冷却剂，或将其从氧化剂流中分离出去，详细情况如下所述。
在如图3和图4所示的一个典型实施例中，燃料电池组件10包括布置在一构造成密封的容器14中的一燃料电池12，以及布置于燃料电池12和容器14之间的一热屏蔽层16。在容器14中形成一下部分配通道42用于分散冷却剂流46。热屏蔽层16与燃料电池容器14间有一定距离，以在其间形成与分配通道42流体连通的一环流通道44。
在一些实施例中可包含一些或全部所需氧化剂的冷却剂流46经氧化剂入口30进入且流经下部分配通道42。随后，冷却剂流46在下部分配通道42中分散开并进入环流通道44，基本上如标号48所示。冷却剂含有氧化剂，通过热屏蔽层16和容器14的壁吸取的热量预热的至少一部分冷却剂流50，52，在通过出口32排出前进入到燃料电池12中。
在如图5所示的一个实施例中，热屏蔽层16具有一朝向燃料电池12的内壁54和一朝向容器14内壁或边缘58的外壁56。在该实施例中，热屏蔽层16构造为主要围绕内体积60，在其内部布置有燃料电池12，同时，热屏蔽层16同样地连续限定了容器14内壁或边缘58的范围以用于降低容器14的工作温度和围绕容器14内周缘58产生更加均匀的热量分布。图5进一步显示出，环流通道或流动路径44由热屏蔽层外表面56和容器内表面58限定。
热屏蔽层16中可含有导热材料例如金属材料。热屏蔽层16和流经流动路径44的冷却剂流保持燃料电池容器14的温度为规定温度或低于规定温度。保持燃料电池容器14的温度为规定温度或低于规定温度有助于保持燃料电池容器14的结构完整性，该容器可由现有传统商用和经济型材料制造，这些材料仍然能够经受工作温度范围的考验，如：约600℃-约1300℃。在实际实施中，预期容器将会在低于燃料电池组件的工作温度范围如低于约600℃-约1300℃的条件下正常工作。
在如图6所示的可选实施例中，热屏蔽层16包括在热屏蔽层16内表面54上的一隔热层62。在如图7所示的另一实施例中，容器14具有布置在容器14内表面58上的另一隔热层66。隔热层62和66包含有隔热材料，可以包括，但不限于，陶瓷涂层如等离子喷涂的隔热涂层。这种涂层可包括例如：经氧化钇稳定化的氧化锆、多孔或蜂窝状陶瓷泡沫材料或其它陶瓷或能够在燃料电池组件内预期温度条件下工作的低导热性金属氧化物。在通过热屏蔽层16和容器14的壁58时，隔热层62，66保持在热屏蔽层上所需温度梯度以降低工作期间容器壁的温度。此外，热屏蔽层16可有效减少容器14内局部区域中的过热部位，确保容器14表面上的均匀结构完整性。
在如图8所示的另一实施例中，热屏蔽层16还包括一第二屏蔽层壁70，其构造成限定容器14的内表面58。在另一实施例中，隔热层66布置于第二屏蔽层壁70和容器14的内表面58之间。流动路径44由第二屏蔽层壁70的内表面72和热屏蔽层16的外表面56限定。该实施例允许热屏蔽层16构造为双层壁筒罐或容器，其可简单布置在容器14内的容器器壁58和燃料电池12中间位置处。
在如图9和图10所示的另一实施例中，热屏蔽层16包括流体分配歧管76和78，通过多个构造成接收冷却剂的流体导管80连接。多个流体导管80协同流体分配歧管76和78内的通道接收并回流循环冷却剂。图9和图10的布置可以允许通过将歧管76和78与进出燃料电池组件10的氧化剂流隔离开，使得冷却剂流的使用不同于氧化剂，包括气相、液相或混合相冷却剂。然而，应注意的是，该实施例的基本结构与在此所述的其它实施例的特征一致，例如：完全围绕燃料电池12且具有容器壁的大体上连续的屏蔽层。
其它可以想到的实施例即具有这样一种改进型热屏蔽层，但将冷却剂流与电池使用的氧化剂流密封隔离开。在如图11和图12所示的这样一种实施例中，冷却流体通过冷却流体入口88进入容器14中。冷却流体通过冷却流体出口90排出。氧化剂30通过氧化剂入口84进入并从氧化剂出口86排出。在该实施例中，冷却流体可包括所有合适的流体，如水、水汽，其混合物或具有所需冷却性能(例如相对较高的比热值)的其它流体。根据本实施例，热屏蔽层16包括一圆筒形屏蔽层组件82。该圆筒形屏蔽层组件82将由入口84流入且从出口86排出的氧化剂流与由冷却剂入口88流入且从冷却剂出口90排出的冷却剂流分隔开。在一典型结构中，圆筒形屏蔽层组件82还包括一带有用于放置密封件96的环形凹槽94的底座92。底座92支承圆筒形屏蔽层98的下边缘100。密封件96在环形凹槽94内紧密接合，将冷却流体与氧化剂分隔开。其它可以想到的构造技术例如使用焊接、钎焊等方法连接底座92和圆筒形屏蔽层98。
尽管在此仅仅列出并说明了本发明的一些特征，本领域技术人员可以对其进行修改和改进。因此，应这样理解，即所附权利要求书将覆盖全部这些落入本发明实质精神范围内的修改和改进。例如，热屏蔽层的外表面可具有一些特征用于进一步增强热屏蔽层的传热。由此，热屏蔽层的制造可选用导热材料如：金属、散热片或具有其它特征如具有较大的传热表面积，在表面增加或导向冷却剂流，或延长冷却剂在结构中的停留时间。与之相似，这些结构可独立于热屏蔽层本身设置且布置在冷却剂通道中，或在组装期间固定在热屏蔽层上。

Claims (46)

1.一燃料电池组件(10)，其包括：
一构造成密封的容器(14)；
一布置在该容器(14)中的燃料电池(12)；以及
一布置在该容器(14)和燃料电池(12)之间的热屏蔽层(16)，与容器(14)间有一定距离，以在其间形成一用于冷却流体的流动通道(44)。
2.如权利要求1所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该燃料电池(12)可选自包括固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池、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、锌空气燃料电池以及质子陶瓷燃料电池的组。
3.如权利要求1所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该燃料电池(12)包括至少一个具有平面结构的燃料电池(12)。
4.如权利要求1所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该燃料电池(12)包括至少一个具有管状结构(40)的燃料电池(12)。
5.如权利要求1所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该热屏蔽层(16)被构造成在热屏蔽层(16)内表面(54)上限定一隔热层(62)。
6.如权利要求5所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该热屏蔽层(16)被构造成在容器(14)内表面(58)上限定另一隔热层(66)。
7.如权利要求6所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，隔热层(62，66)包含可选自包括陶瓷氧化物、蜂窝状陶瓷泡沫材料及其组合材料的组的隔热材料。
8.如权利要求1所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该热屏蔽层(16)还包括一被构造成限定容器(14)的内表面(58)的第二屏蔽层壁(70)。
9.如权利要求8所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，隔热层(66)布置于第二屏蔽层壁(70)和容器(14)的内表面(58)之间。
10.如权利要求1所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该热屏蔽层(16)包括多个被构造成使冷却流体(46)在其中流动的流体导管(80)。
11.如权利要求10所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，多个流体导管(80)还包括至少一个被构造成使冷却流体分布于其中的流体分配歧管(76，78)。
12.如权利要求11所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该冷却流体包括氧化剂。
13.如权利要求1所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该热屏蔽层(16)包括一圆筒形屏蔽层组件(82)。
14.如权利要求13所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该圆筒形屏蔽层组件(82)还包括一底座(92)和被构造成分离冷却流体和氧化剂的一密封件(96)，该底座(92)被构造成用于接纳密封件(96)。
15.一燃料电池组件(10)，包括：
一构造成密封的容器(14)；
一布置在该容器(14)中的燃料电池(12)；以及
一布置在该容器(14)和燃料电池(12)之间的金属屏蔽层(16)，其与容器(14)隔开一定距离，以在其间形成一冷却流体的流动通道(44)。
16.如权利要求15所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该金属屏蔽层(16)被构造成在金属屏蔽层(16)内表面(54)上限定一隔热层(62)。
17.如权利要求16所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该金属屏蔽层(16)被构造成在容器(14)内表面(58)上限定另一隔热层(66)。
18.如权利要求17所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，隔热层(62，66)包含可选自包括陶瓷氧化物、蜂窝状陶瓷泡沫材料及其组合材料的组的隔热材料。
19.如权利要求15所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该金属屏蔽层(16)还包括一构造成限定容器(14)的内表面(58)的第二屏蔽层壁(70)。
20.如权利要求19所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该隔热层(66)布置于第二屏蔽层壁(70)和容器(14)的内表面(58)之间。
21.如权利要求15所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该冷却流体(46)包括氧化剂。
22.一燃料电池组件(10)，其包括：
一构造成密封的容器(14)；
一布置在该容器(14)中的燃料电池(12)；以及
一完全围绕该燃料电池周边的屏蔽层(16)，该屏蔽层(16)布置在该容器(14)和燃料电池(12)之间，与容器(14)间有一定距离，以在其间形成一冷却流体的流动通道(44)。
23.如权利要求22所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该完全围绕该燃料电池(12)周边的屏蔽层(16)被构造成完全围绕容器(14)的一内周缘(58)，以在燃料电池(12)周围提供基本均匀的热屏蔽。
24.如权利要求22所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该完全围绕该燃料电池(12)周边的屏蔽层(16)包含导热材料。
25.如权利要求22所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该屏蔽层(16)被构造成在屏蔽层(16)内表面(54)上限定一隔热层(62)。
26.如权利要求2 5所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该屏蔽层(16)被构造成在容器(14)内表面(58)上限定另一隔热层(66)。
27.如权利要求26所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，隔热层(62，66)包含可选自包括陶瓷氧化物、蜂窝状陶瓷泡沫材料及其组合材料的组的隔热材料。
28.如权利要求22所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该屏蔽层(16)还包括一构造成限定容器(14)的内表面(58)的第二屏蔽层壁(70)。
29.如权利要求28所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，隔热层(66)布置于第二屏蔽层壁(70)和容器(14)的内表面(58)之间。
30.一燃料电池组件(10)，其包括：
一构造成密封的容器(14)；
一布置在该容器(14)中的燃料电池(12)；以及
一完全围绕该容器(14)内周缘(58)的屏蔽层(16)，以在燃料电池(12)周围提供基本均匀的热屏蔽，该屏蔽层(16)布置在该容器(14)和燃料电池(12)之间，与容器(14)隔开一定距离，以在其间形成一冷却流体(46)的流动通道(44)。
31.如权利要求30所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该完全围绕该容器(14)内周缘(58)的屏蔽层(16)包含导热材料。
32.如权利要求30所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该完全围绕该容器(14)内周缘(58)的屏蔽层(16)被构造成完全围绕该燃料电池(12)的周边。
33.如权利要求30所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该屏蔽层(16)被构造成在屏蔽层(16)内表面(54)上限定一隔热层(62)。
34.如权利要求33所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该屏蔽层(16)被构造成在容器(14)内表面(58)上限定另一隔热层(66)。
35.如权利要求34所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，隔热层(62，66)包含可选自包括陶瓷氧化物、蜂窝状陶瓷泡沫材料及其组合材料的组的隔热材料。
36.如权利要求30所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该屏蔽层(16)还包括一构造成限定容器(14)的内表面(58)的第二屏蔽层壁(70)。
37.如权利要求36所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，隔热层(66)布置于第二屏蔽层壁(70)和容器(14)的内表面(58)之间。
38.一燃料电池组件(10)，其包括：
一构造成密封的容器(14)；
一布置在该容器(14)中的燃料电池(12)；以及
一布置在该容器(14)和燃料电池(12)之间的热传导屏蔽层(16)，其与容器(14)隔开一定距离，以在其间形成一冷却流体的流动通道(44)。
39.如权利要求38所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该热传导屏蔽层(16)包含金属材料。
40.如权利要求38所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该热传导屏蔽层(16)被构造成完全围绕该燃料电池(12)的周边。
41.如权利要求38所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该热传导屏蔽层(16)被构造成完全围绕容器(14)的一内周缘(58)，以在燃料电池(12)周围提供基本均匀的热屏蔽。
42.如权利要求38所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该热传导屏蔽层(16)被构造成限定热传导屏蔽层(16)内表面(54)上的一隔热层(62)。
43.如权利要求42所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该热传导屏蔽层(16)被构造成在容器(14)内表面(58)上限定另一隔热层(66)。
44.如权利要求43所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，隔热层(62，66)包含可选自包括陶瓷氧化物、蜂窝状陶瓷泡沫材料及其组合材料的组的隔热材料。
45.如权利要求38所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，该热传导屏蔽层(16)还包括被构造成限定容器(14)的内表面(58)的第二屏蔽层壁(70)。
46.如权利要求45所述的燃料电池组件(10)，其特征在于，隔热层(66)布置于第二屏蔽层壁(70)和容器(14)的内表面(58)之间。
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