专利名称：用于发电设备的改进的流体路径的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及发电设备，特别涉及用于固体氧化物燃料电池的改进的流体路径。
背景技术：
高温固体氧化物燃料电池堆典型包括平面横流式燃料电池、逆流式燃料电池和层流式燃料电池，这些电池由扁平的单电池构件构成并与燃料和空气分布设备相连。这种构件典型包括三层阳极/电解质/阴极组件，这些组件将电流从一个电池传导到另一电池并至少包括一个互连件，此互连件具有让气体流入立方结构或层叠组件的通道。
固体氧化物燃料电池通过在氧化剂和碳氢燃料气体之间的电化学反应在外部电路中产生电子流动，并由此产生电能。此外，固体氧化物燃料电池所产生的废热典型借助氧化剂去除，从而使固体氧化物燃料电池组件例如阳极、阴极和电解质保持在所需要的温度值。
在固体氧化物燃料电池显示出高效率和低污染发电的潜力的同时，在固体氧化物燃料电池中仍存在着与组件的温度调节相关的一些问题。固体氧化物燃料电池典型包括冷却通道，在冷却通道中采用氧化剂典型为空气以帮助转移或去除废热，从而将电池堆的温度保持在所规定的限制值或以下，并且在固体氧化物燃料电池中保持预定的热梯度。在某些设计中，这种冷却通道典型包括光滑平直的通道，这种通道具有所不希望的特性在通道表面和氧化剂之间提供低的热传递系数。
因此，本领域需要一种固体氧化物燃料电池，该电池具有改进的流体路径，该路径提供了改进的热传递特性。
发明内容
本发明的一个实施例包括一种用于燃料电池元件的冷却设备，该设备包括具有上部分和下部分的基板。多条上肋和多条下肋分别连接到上部分和下部分。多条上肋和下肋的每一条确定出上蛇形通道和下通道，其中这些通道分别形成在多条上肋和下肋的每条之间。此外，上蛇形通道和下通道通过至少一个设置在基板上的腔室流体地连接，其中，设置上蛇形通道和下通道，从而让流体穿过通道流动，由此增加在流体和燃料电池元件之间的热传递。
当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特点、方面和优点将更易理解，在附图中，相似的附图标记在整个附图中表示相似的部件，其中图1是根据本发明一个实施例的用于燃料电池的冷却设备的透视图；图2是图1的顶部透视图；图3是图1的顶部透视图；以及图4是根据本发明另一实施例的其上设置有多个凹部的一部分基板和多条肋部的透视图。
最佳实施方式图1中提供了用于燃料电池的冷却设备100。冷却设备100包括具有上部分120和下部分130的(表示至少一个)基板110。多条上肋140和多条下肋150分别连接到上部分120和下部分130。此处所采用的术语“连接”指的是冷却设备100的构件的机械连接，包括焊接、铜焊、软焊等，以及机械加工、金属成形和浇铸构件作为单个部件，但不限于此。上肋140和下肋150分别限定出在多条上肋140和下肋150的每条之间形成的上蛇形通道160和下通道170。正如此处所采用的术语“蛇形通道”包括具有多个弯曲、弯折或翻转的通道，但不限于此。蛇形通道160可以单个整体通道的形式构成，或者以彼此相邻设置的两个或多个通道段的形式构成(未示出)，但不限于此。上蛇形通道160和下通道170通过在基板110中设置的(表示至少一个)腔室180流体连接(参见图1)。此处所采用的术语“流体连接”是指腔室180能够使流体190从上蛇形通道160传送到下通道170。此外，设置上蛇形通道160和下通道170以使流体190穿过通道流动，从而提高在流体190和燃料电池组件例如阳极220、阴极200和电解质210(参见图1)之间的热传递速率。燃料电池典型地选自由固体氧化物燃料电池、质子交换膜或固体聚合物燃料电池、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所构成的组。
在固体氧化物燃料电池中，例如，氧化物(例如，氧分子)经过阴极200并且在阴极电解质界面240处形成氧离子。方便起见，以下的术语“固体氧化物燃料电池”一律称作“燃料电池”。随后，氧离子通过电解质210迁移，从而在阳极电解质界面250处与燃料(典型为气态燃料)结合，由此在阳极220释放电子。电子经由外部负载电路(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220到阴极200的电流流动。由于在阳极电解质界面250处的相互作用，燃料电池产生热量，此热量必须去除以便在燃料电池中保持所需要的温度值和预定的热梯度。在本发明的一个实施例中，热量的这种去除典型通过以下方式完成在阴极200上设置冷却设备100的上肋140，将流体190典型为氧化剂引入到上蛇形通道160(在附图1和2中由实箭头表示)，这样在氧化剂流体流贯穿通道流动时从燃料电池中除掉热能。此处采用的术语“在……上”，“在其上”、“在其中”、“上面”、“下面”、“进入”、“上”等用于表示图中所示的冷却设备100中元件的相对位置，并不表示以任何方式对冷却设备100的位置或工作的限制。在本发明的另一实施例中，通过在阳极180(未示出)上设置冷却设备100的上肋140并且将流体210典型为气态燃料引入到上蛇形通道160中，由此实现热量的去除。应理解，冷却设备100的功能和在此提及的任何实施例可应用于这种气态燃料。
在本发明的一个实施例中，冷却设备100用于将一个可重复燃料电池单元的阳极电连接到相邻电池单元(未示出)的阴极。此外，冷却设备100用于提供均匀的电流分布(导电的)，并可设计成不透过气体、在还原和氧化环境中稳定并且在各种温度下支持电子流动。作为举例但并非限制，冷却设备由具有上述性质的多种材料构成，典型包括薄型金属、不锈钢、辉钴矿、陶瓷、LaCrO3、CoCrO4、Inconel 600、Inconel 601、Hastelloy X、Hastelloy 230及其组合物。
冷却设备100包括上蛇形通道160和下通道170，所设置的这些通道允许流体190通过它们流动，从而增加在流体190和燃料电池组件例如阳极220、阴极200和电解质210之间的热传递速率。在一个典型实施例中，典型地，将流体190引入到上蛇形通道160(参见图2)，其中流体190通过这种通道至少改变一次方向，随后通过腔室180改道至下通道170(参见图3)。
通过改变流体190的方向并通过腔室180使流体190改道，和常规燃料电池相比，增加了在冷却设备100和燃料电池组件之间的热传递速率。作为举例而并非限制，图2示出了通过上蛇形通道160引入的、直至通过腔室180改道的并进入到下通道170的流体190(参见图3)。和具有直通道的常规燃料电池相比，在基板110上的腔室180的位置用于局部地增加从上蛇形通道和下通道160，170的所有侧面的热传递。当流体改道至下通道170时，所建立的这种局部化热传递的增加量典型由流体190携带到下游。本发明的一方面在于，通过分别改变在上蛇形通道160中流体190的流动方向并将流体190的流动改道至下通道，和常规燃料电池相比，减少了在燃料电池中存在的热梯度变化。这种热梯度典型起因于例如燃料利用率的改变、燃料电池组件材料性能的变化、或阳极或阴极孔隙度的变化。应理解，上蛇形通道和下通道160，170的数量以及腔室180的数量是根据预定设计要求例如热传递速率和热梯度均匀性由技术人员确定的。此外，上和下肋140，150的宽度和长度以及上蛇形通道和下通道160，170的形状和尺寸是根据所需的应用由技术人员确定(参见图1-3)。
在本发明的一个实施例中，图4表示出在上蛇形通道160的表面部分上设置的和在基板110的表面部分上设置的多个凹部230。在此采用的术语“凹部”是指凹陷、凹痕、微凹、凹点等。凹部230的形状典型为半球状或倒锥或截锥形。在一些实施例中，凹部230的形状典型为全半球的任何部分。应理解在其它实施例中，凹部230设置在基板110、上肋140、下肋150、阴极200、阳极220的整体上或表面部分上，或者根据所需的应用对其随意组合。
凹部230典型以预定图形形成在上述表面上，用以增加从燃料电池组件典型为阳极220、阴极200和电解质210向流体190例如氧化剂的热传递。应理解，可以改变上肋140和下肋150的位置和取向，以及在这些肋部140，150上的凹部230的位置。这样，以说明而并非限制的方式表示出上肋140、下肋150以及其上设置的凹部230的位置、取向和方位(如图所示)。
在操作中，将流体190引入到冷却设备100的上蛇形通道160并处于凹部230之上(参见图1)。结果，在流体190和凹部230之间的流体动力学相互作用使燃料电池中的热传递速率相比于常规燃料电池增加。在此采用的术语“流体动力学相互作用”是指在凹部230和流体190之间的相互作用，其中各凹部230在凹部230中建立了压力场，以便在流体190的流动部分中形成涡流图形(未示出)。此外，由于各相应凹部230的形状导致了表面积的增加，(与表面没有凹部的设计相比)典型增加了在流体190和各凹部230之间的热传递速率。这样，流体190与这种增加的表面积相互作用，使得从燃料电池除去的热能增加。应理解，在某些实施例中，热传递速率的增加并不直接正比于表面积的增加，经常会根据预定设计而更大。
典型地，对于特定一个凹部230的深度“Y”贯穿冷却设备100的长度“L”保持为常量(参见图1和4)。深度“Y”通常为凹部表面直径“D”的约0.10至0.50倍。此外，凹部260的深度“Y”在约0.002英寸至约0.25英寸的范围内。凹部230的中心-中心的间隔“X”通常为凹部230的表面直径“D”的约1.1至约2倍。在一个实施例中，凹部230典型利用脉冲电化学加工(PECM)工艺形成。在选择实施例中，凹部230典型利用放电加工(EDM)工艺形成。
在根据专利条例在此说明并描述了本发明的同时，在不脱离本发明的实质和范围的条件下对所公开的实施例进行修改和变化对本领域的普通技术人员而言是显而易见的。因此，应理解，所附权利要求书涵盖了所有这些落入本发明实质内的修改和变化。
权利要求
1.一种用于燃料电池组件的冷却设备(100)，包括具有上部分(120)和下部分(130)的基板(110)；分别连接到所述上部分(120)和所述下部分(130)的多个上肋(140)和多个下肋(150)，所述多个上肋(140)和下肋(150)中的每个分别限定在所述多个上肋(140)和下肋(150)中每个之间形成的上蛇形通道(160)和下通道(170)，所述上蛇形通道(160)和所述下通道(170)通过在所述基板(110)中设置的至少一个腔室(180)流体连接，其中设置所述上蛇形通道(160)和所述下通道(170)以使流体(190)穿过通道流动，从而增加在所述流体(190)和所述燃料电池元件之间的热传递。
2.根据权利要求1的冷却设备(100)，其中所述燃料电池组件是从由阴极、阳极和电解质(200)构成的组中选出的。
3.根据权利要求1的冷却设备(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)的表面部分上设置多个凹部(230)，从而当所述流体(190)处于所述凹部(230)上时，引起流体动力学相互作用，并影响在所述流体(190)和所述凹部(230)之间的热传递速率。
4.根据权利要求3的冷却设备(100)，其中所述凹部(230)从由凹陷、凹痕、微凹、凹点构成的组中选出。
5.根据权利要求1的冷却设备(100)，其中所述流体(190)从由气态燃料和氧化剂构成的组中选出。
6.根据权利要求1的冷却设备(100)，其中所述冷却设备(100)包括薄型金属、不锈钢、辉钴矿、陶瓷、LaCrO3、CoCrO4、Inconel 600、Inconel 601、Hastelloy X、Hastelloy 230及其组合物之一。
7.一种燃料电池组件(90)，包括至少具有两个电极和在其电极之间设置的电解质(210)的至少一个燃料电池；连接到至少一个所述电极的至少一个冷却设备(100)，所述冷却设备(100)包括具有上部分(120)和下部分(130)的基板(110)；分别连接到所述上部分(120)和所述下部分(130)的多个上肋(140)和多个下肋(150)，所述多个上肋(140)和下肋(150)的每个分别限定在所述多个上肋(140)和下肋(150)中每个之间形成的上蛇形通道(160)和下通道(170)，所述上蛇形通道(160)和所述下通道(170)通过在所述基板(110)中设置的至少一个腔室(180)流体连接，其中设置所述上蛇形通道(160)和所述下通道(170)以使流体(190)穿过通道流动，从而增加在所述流体(190)和所述燃料电池之间的热传递。
8.根据权利要求7的燃料电池组件(90)，其中所述燃料电池是从由固体氧化物燃料电池、固体聚合物燃料电池、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所构成的组中选出的。
9.根据权利要求7的燃料电池组件(90)，其中所述电极是从由阴极(200)和阳极(220)构成的组中选出的。
10.根据权利要求7的燃料电池组件(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)的表面部分上设置多个凹部(230)，从而当所述流体(190)处于所述凹部(230)上时，引起流体动力学相互作用，并影响在所述流体(190)和所述凹部(230)之间的热传递速率。
全文摘要
一种用于燃料电池元件的冷却设备(100)，其中冷却设备(100)包括具有上部分(120)和下部分(130)的基板(110)。多个上肋(140)和多个下肋(150)分别连接到所述上部分(120)和所述下部分(130)。所述多个上肋(140)和下肋(150)的每个分别限定上蛇形通道(160)和下通道(170)，其中这些通道是在所述多个上肋(140)和下肋(150)中每个之间形成的。此外，所述上蛇形通道(160)和所述下通道(170)通过在所述基板(110)中设置的至少一个腔室(180)流体地连接，其中设置所述上蛇形通道(160)和所述下通道(170)以使流体(190)穿过通道流动，从而增加在所述流体(190)和所述燃料电池元件之间的热传递。
文档编号H01M8/02GK1485942SQ0315463
公开日2004年3月31日 申请日期2003年8月21日 优先权日2002年8月21日
发明者C·巴兰, C 巴兰 申请人:通用电气公司