JP2004063472A

JP2004063472A - 発電機器の改良された流体流路

Info

Publication number: JP2004063472A
Application number: JP2003281407A
Authority: JP
Inventors: Ronald Scott Bunker; ロナルド・スコット・バンカー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2004-02-26
Also published as: KR20040011376A; EP1387425A1; CN1477726A; US7011904B2; CA2435534A1; US20040023093A1; AU2003227334A1

Abstract

【課題】　燃料電池構成要素の冷却装置100を提供する。
【解決手段】　冷却装置は、第１の端部112及び第２の端部114を有するベースプレート110と、第１の端部112に結合された第１のサイドプレート120と、第２の端部114に結合された第２のサイドプレート125とを具備する。ベースプレート110に複数の底リブ160が結合され、底リブには複数の上リブ150が結合されている。更に、複数の上リブの各々と複数の底リブの各々との間に、上部流路130及び底部流路140がそれぞれ形成されている。上部流路130及び底部流路140は、流体210の流れがそれらを通過するように配置され且つ流体と燃料電池構成要素との熱伝達率を向上させるように、流体の一部が流れ方向転換領域170で上部流路130及び底部流路140を交代して流れることを可能にするように配置されている。
【選択図】　図１

Description

　本発明は一般に発電機器に関し、特に固体酸化物燃料電池の改良された流体流路に関する。

　高温固体酸化物燃料電池スタックは、通常、平坦な単独電池部材から構成され、燃料及び空気の配分機器と関連する平面交差流燃料電池、逆流燃料電池及び並行流燃料電池を具備する。そのような電池部材は、通常、電池から電池へと電流を導通する３層陽極／電解質／陰極構成要素を具備し、それらの構成要素は、立方体構造、すなわち、スタックへ気体を流通させるための複数の流路を有する少なくとも１つの相互接続部を具備する。

　固体酸化物燃料電池は、酸化剤と炭化水素燃料ガスとの電気化学的反応を通して電気エネルギーを発生し、外部回路において電子の流れを発生させる。更に、固体酸化物燃料電池は廃熱を発生し、この熱は、通常、陽極、陰極及び電解質などの固体酸化物燃料電池構成要素の所望の温度レベルを維持するために酸化剤を介して除去される。

　固体酸化物燃料電池は発電において高い効率を示し、汚染も少ないことが実証されているが、固体酸化物燃料電池の構成要素の温度制御に関連していくつかの問題が残されている。固体酸化物燃料電池は、通常、スタック温度を規定の限界以下に維持し且つ固体酸化物燃料電池の所定の温度勾配を維持するように廃熱の伝達又は除去を助けるために酸化剤、通常は空気が使用される冷却流路を具備する。構成によっては、そのような冷却用流路は、通常、流路表面と酸化剤との間の熱伝達係数を低くするという望ましくない特性を有する滑らかでまっすぐな流路である場合もある。

従って、熱伝達特性を向上させる改良された流体流路を有する固体酸化物燃料電池が当該技術において必要とされている。

本発明の一実施例は、第１の端部及び第２の端部を有するベースプレートと、第１の端部に結合された第１のサイドプレートと、第２の端部に結合された第２のサイドプレートとを具備する燃料電池構成要素の冷却装置から成る。ベースプレートに複数の底リブが結合され、底リブには複数の上リブが結合されている。更に、複数の上リブの各々と複数の底リブの各々との間に、上部流路及び底部流路がそれぞれ形成されている。上部流路及び底部流路は、流体の流れがそれらを通過するように配置され且つ流体と燃料電池構成要素との熱伝達率を向上させるように、流体の一部が流れ方向転換領域で上部流路と底部流路を交代して流れることを可能にするように配置されている。

本発明の上記の特徴、面及び利点、並びにその他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより更に良く理解されるであろう、図面中、同じ図中符号は同じ部分を指示する。

　燃料電池の冷却装置１００を図１に示す。冷却装置１００は、第１の端部１１２と、第２の端部１１４とを有する１つの（少なくとも１つであることを意味している）ベースプレート１１０を具備する。第１のサイドプレート１２０は第１の端部１１２に結合され、第２のサイドプレート１２５は第２の端部に結合されている。ここで使用される用語「結合されている」は冷却装置１００の部材が機械的に装着されていることを表し、複数の部材を１つの部品として溶接すること、ろう付けすること、はんだ付けすることなど、並びに機械加工すること及び鋳造することを含むが、それらには限定されない。ベースプレート１１０には複数の底リブ１６０が結合され、底リブ１６０には複数の上リブ１５０が結合されている。冷却装置は、それら複数の上リブ１５０の各々と複数の底リブ１６０の各々との間にそれぞれ形成された１つの（少なくとも１つであることを意味している）上部流路１３０と、１つの（少なくとも１つであることを意味している）底部流路１４０とを更に具備する。上部流路１３０と底部流路１４０は、流体２１０がそれらの流路を流通できるように配置されている。更に、上部流路１３０と底部流路１４０は、流体２１０と燃料電池の構成要素、例えば、陽極１８０、陰極２００及び電解質１９０（図２を参照）との熱伝達率を向上させるように、流体２１０の一部が流れ方向転換領域１７０で上部流路１３０と底部流路１４０を交代して流れることを可能にする構成となっている。燃料電池は、通常、固体酸化物燃料電池、プロトン交換膜又は固体ポリマー燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、リン酸燃料電池、アルカリ燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、再生燃料電池、及びプロトニックセラミック燃料電池から成る燃料電池群から選択される。

　例えば、固体酸化物燃料電池の場合、酸化剤（例えば、酸素分子）は陰極２００を通過し、陰極と電解質との境界面２２０で酸素イオンを形成する。簡単にするため、これ以降の説明中、「固体酸化物燃料電池」という用語を総じて「燃料電池」と記載する。その後、酸素イオンは電解質１９０を通過して移動し、陽極と電解質との境界面２３０で燃料（通常は気体燃料）と組み合わされることにより、陽極１８０で電子を放出する。電子は外部負荷回路（図示せず）を介して陰極２００に回収され、それにより、外部負荷回路において陽極１８０から陰極２００に向かう電流の流れが発生する。陽極と電解質との境界面２３０における相互作用の結果、燃料電池は熱を発生するが、燃料電池において所望の温度レベル及び所定の温度勾配を維持するためには、この熱を除去しなければならない。本発明の一実施例（図２を参照）では、そのような熱の除去は、通常、陰極２００の上方に冷却装置１００の上リブ１５０を配置し、流体２１０、通常は酸化剤の流れが燃料電池を通過して進む間に燃料電池から熱エネルギーを除去するように、酸化剤を上部流路１３０及び底部流路１４０に（図２の実線の矢印により指示するように）導入することにより実現される。ここで使用される用語「上面に」、「その上に」、「その中に」、「上方に」、「下方に」、「内部へ」、「上に」などは図に示されるような冷却装置１００の要素の相対的な位置関係を表すために使用され、冷却装置１００の向き又は動作に関して制限を加えようとするものではない。上リブ１５０は、通常、底リブ１６０に関して約３０°から約１２０°の範囲の角度（図２に「Ａ」で指示されている）を成して配置されている。本発明の別の実施例では、熱の除去は、陽極１８０（図示せず）の上方に冷却装置１００の上リブ１５０を配置し、流体２１０、通常は気体燃料を上部流路１３０及び底部流路１４０に導入することにより実現される。冷却装置１００の機能及びここで述べるあらゆる実施例がそのような気体燃料にも同様に適用可能であることは理解されるであろう。

　冷却装置１００は、流体２１０と燃料電池の構成要素、例えば、陽極１８０、陰極２００及び電解質１９０との熱伝達率を向上させるように、流体２１０の一部が流れ方向転換領域１７０で上部流路１３０と底部流路１４０とを交代して流れることを可能にするように配置された上部流路１３０及び底部流路１４０を具備する。一実施例では、流体２１０が上部流路１３０及び底部流路１４０に導入されると、上部流路の流体２４０（上部流路１３０に導入された流体２１０の一部）は流れ方向転換領域１７０で底部流路１４０へ誘導され、底部流路の流体２５０（底部流路１４０に導入された流体２１０の一部）は流れ方向転換領域１７０で上部流路１３０へ誘導される。ここで使用される用語「流れ方向転換領域」は、流体２１０の一部（例えば、上部流路流体２４０）が方向を変え、底部流路１４０に侵入する領域を表すと共に、流体２１０の一部（例えば、底部流路流体２５０）が方向を変え、上部流路１３０に侵入する領域をも表す。

　流体２１０の一部の方向を上部流路１３０又は底部流路１４０へ変えることにより、冷却装置１００と燃料電池構成要素との熱伝達率は従来の燃料電池と比較して改善される。限定的な意味を持たない１つの例を挙げると、図２は、上部流路流体２４０が流れ方向転換領域１７０に到達するまでは上部流路１３０を通って導入されていることを示す。流れ方向転換領域１７０は、滑らかでまっすぐな流路を有する従来の燃料電池と比較して、上部流路１３０及び底部流路１４０の全ての側面からの熱伝達率を局所的に向上させる働きをする。そのように局所的に発生する熱伝達の向上は上部流路２４０により下流へと搬送され、その後、上部流路流体２４０が第１のサイドプレート１２０又は第２のサイドプレート１２５のいずれかと接触したとき、流れ方向転換領域１７０で底部流路１４０へ方向転換される。本発明の１つの面は、流体２１０の流れを上部流路１３０又は底部流路１４０のいずれかへ方向転換することにより、燃料電池に存在する熱勾配の変動が従来の燃料電池と比較して減少するところにある。そのような熱勾配は、通常、例えば、燃料利用の変化、燃料電池構成要素の材料特性が可変であること、あるいは陽極又は陰極の多孔度が可変であることなどの結果として発生する。上部流路１３０及び底部流路１４０の数、並びに流れ方向転換領域１７０の数は、例えば、熱伝達率及び熱勾配の均一性などの所定の設計条件に基づいて専門家の判定に任される。更に、サイドプレート１２０及び１２５の間の領域の幅と長さ、並びに上部流路１３０、底部流路１４０、上リブ１５０及び底リブ１６０の形状と寸法も、所望の適用用途に応じて専門家の判断に任される。

　本発明の一実施例においては、図１及び図３は、上部流路１３０の表面部分及び底部流路１４０の表面部分に配置された複数の凹部２６０を示している。ここで使用される用語「凹部」は、くぼみ、刻み目、小さなへこみ、穴などを表す。別の実施例では、複数の凹部２６０は上リブ１５０及び底リブ１６０の表面部分に配置される。凹部２６０の形状は通常は半円形又は逆円錐台形である。実施例によっては、凹部２６０の形状は通常は完全半球の一部である。他の実施例においては、凹部２６０は、所望の適用用途に応じて、陰極２００又は陽極１８０の全面又は表面の一部、あるいは陰極２００と陽極１８０双方の全面又は表面の一部に配置されても良いことが理解されるであろう。

　凹部２６０（図１を参照）は上述の面に、燃料電池構成要素、通常は陽極１８０、陰極２００及び電解質１９０から酸化剤（図２を参照）などの流体２１０への熱伝達を向上させるように作用する所定のパターンで形成される。一実施例では、凹部２６０は上述の面全体に配置されている。別の実施例においては、凹部２６０は上述の面の一部に配置されている。上リブ１５０及び底リブ１６０の位置及び向きと、それらのリブ１５０、１６０における凹部２６０の配置場所を変えることは可能であり、上リブ１５０及び底リブ１６０と、それらに配置された凹部２６０の位置、向き及び配置場所（図１〜図３に示す）は単なる例として使用されており、限定的な意味を持たないことは理解されるであろう。

　動作中、流体２１０は冷却装置１００の上部流路１３０及び底部流路１４０に導入され、凹部２６０の上を通過する（図１を参照）。その結果、流体２１０と凹部２６０との熱力学的相互作用によって、燃料電池の熱伝達率は従来の燃料電池と比較して増加する。ここで使用される用語「熱力学的相互作用」は、各々の凹部２６０がその内部で流体２１０の流れの一部に渦パターン（図示せず）を発生するように圧力場を形成するような凹部２６０と流体２１０との相互作用を表す。加えて、流体２１０と各々の凹部２６０との熱伝達率は、通常、各凹部２６０の形状の関係で起こる表面積の拡大によっても（表面に凹部が設けられていない構造と比較して）高くなる。従って、流体２１０はそのように拡大された表面積と相互に作用することにより、燃料電池からの熱エネルギーの除去を増大させる。実施例によっては、熱伝達率の増加は表面積の拡大に正比例せず、所定の設計に応じてそれを上回る場合もあることは理解されるであろう。

　凹部２６０のうちの所定の１つの凹部の深さ「Ｙ」は、通常、冷却装置１００の長さ「Ｌ」を通して一定のままである（図３を参照）。一般に、深さ「Ｙ」は凹部の表面直径「Ｄ」の約０.１０倍から約０.５０倍の範囲にある。更に、凹部２６０の深さ「Ｙ」は約０.００２インチから約０.２５インチの範囲にある。凹部２６０の中心間隔「Ｘ」は、一般に、凹部２６０の表面直径「Ｄ」の約１.１倍から約２倍の範囲にある。一実施例では、凹部２６０は、通常、パルス電解加工（ＰＥＣＭ）法により形成される。別の実施例においては、凹部２６０は、通常、放電加工（ＥＤＭ）法を使用して形成される。

　本発明を特許法に従って図示し且つ説明したが、開示された実施例において本発明の真の趣旨から逸脱せずに変形及び変更を実施できることは当業者には明白であろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明の一実施例に従った燃料電池の冷却装置の斜視図。上面に配置された陽極、陰極及び電解質を含む図１の平面斜視図。本発明の別の実施例に従って複数の凹部が配置されているベースプレートの一部及び複数のリブの斜視図。

符号の説明

１００…冷却装置、１１０…ベースプレート、１１２…第１の端部、１１４…第２の端部、１２０…第１のサイドプレート、１２５…第２のサイドプレート、１３０…上部流路、１４０…底部流路、１５０…上リブ、１６０…底リブ、１７０…流れ方向転換領域、１８０…陽極、１９０…電解質、２００…陰極、２１０…流体、２６０…凹部

Claims

燃料電池構成要素の冷却装置（１００）において、
　第１の端部（１１２）及び第２の端部（１１４）を有するベースプレート（１１０）と、
　前記第１の端部（１１２）に結合された第１のサイドプレート（１２０）及び前記第２の端部（１１４）に結合された第２のサイドプレート（１２５）と、
　前記ベースプレート（１１０）に結合された複数の底リブ（１６０）と、
　前記底リブ（１６０）に結合された複数の上リブ（１５０）と、
　前記複数の上リブ（１５０）の各々と前記複数の底リブ（１６０）の各々との間にそれぞれ形成された上部流路（１３０）及び底部流路（１４０）とを具備し、
　前記上部流路（１３０）及び前記底部流路（１４０）は、流体（２１０）の流れがそれらを通過するように配置され且つ前記流体（２１０）と前記燃料電池構成要素との熱伝達率を向上させるように、前記流体（２１０）の一部が流れ方向転換領域（１７０）で前記上部流路（１３０）と前記底部流路（１４０）を交代して流れることを可能にするように配置されている冷却装置（１００）。
前記燃料電池構成要素は陰極、陽極及び電解質から成る構成要素群から選択される請求項１記載の冷却装置（１００）。
前記流体（２１０）は気体燃料及び酸化剤から成る流体群から選択される請求項１記載の冷却装置（１００）。
前記上リブ（１５０）は前記底リブ（１６０）に関して約３０度から約１２０度の範囲の角度を成して配置されている請求項１記載の冷却装置（１００）。
少なくとも２つの電極（１１２）及びそれらの間に配置された電解質（１９０）を有する少なくとも１つの燃料電池と、
　前記電極（１８５）のうちの少なくとも一方の上に配置された少なくとも１つの冷却装置（１００）であって、
　第１の端部（１１２）及び第２の端部（１１４）を有するベースプレート（１１０）と、
　前記第１の端部（１１２）に結合された第１のサイドプレート（１２０）及び前記第２の端部（１１４）に結合された第２のサイドプレート（１２５）と、
　前記ベースプレート（１１０）に結合された複数の底リブ（１６０）と、
　前記底リブ（１６０）に結合された複数の上リブ（１５０）と、
　前記複数の上リブ（１５０）の各々と前記複数の底リブ（１６０）の各々との間にそれぞれ形成された上部流路（１３０）及び底部流路（１４０）とを具備し、
　前記上部流路（１３０）及び前記底部流路（１４０）は、流体（２１０）の流れがそれらを通過するように配置され且つ前記流体（２１０）と前記燃料電池構成要素との熱伝達率を向上させるように、前記流体（２１０）の一部が流れ方向転換領域（１７０）で前記上部流路（１３０）と前記底部流路（１４０）を交代して流れることを可能にするように配置されている冷却装置（１００）とを具備する燃料電池アセンブリ（９０）。
前記燃料電池は固体酸化物燃料電池、プロトン交換膜又は固体ポリマー燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、リン酸燃料電池、アルカリ燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、再生燃料電池及びプロトニックセラミック燃料電池から成る燃料電池群から選択される請求項５記載の燃料電池アセンブリ（９０）。
前記電極（１８５）は陰極及び陽極から成る電極群から選択される請求項５記載の燃料電池アセンブリ（９０）。
前記上部流路（１３０）の表面部分及び前記底部流路（１４０）の表面部分に複数の凹部（２６０）を配置して、前記流体（２１０）が前記凹部（２６０）の上方に位置したときに流体力学的相互作用を発生させ、前記流体（２１０）と前記凹部（２６０）との熱伝達率に影響を及ぼすようにした請求項１又は請求項５記載の燃料電池アセンブリ（９０）。
前記凹部（２６０）はくぼみ、刻み目、小さなへこみ及び穴から成る凹部群から選択される請求項８記載の冷却装置（１００）。