專(zhuān)利名稱(chēng)：發(fā)電裝置的改進(jìn)流體通路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及發(fā)電裝置，尤其涉及用于固體氧化物燃料電池的改進(jìn)流體通路。
Sofcs在氧化劑和碳?xì)淙剂蠚怏w之間通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，從而形成在外部電路中的電流。此外，為了使sofc組件例如陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)保持所需要的溫度值，典型經(jīng)過(guò)氧化劑去除sofcs產(chǎn)生的廢熱。
在sofcs表現(xiàn)出高效電位和發(fā)電中的低污染的同時(shí)，在sofcs中仍存在著與組件的溫度調(diào)節(jié)有關(guān)的一些問(wèn)題。Sofcs典型包括冷卻通道(在交互扁平單電池部分中)或提升管(在管狀sofcs中)，其中氧化劑(典型為空氣)用于幫助傳遞或去除廢熱，以便將電池組的溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)或以下，在sofc中保持預(yù)定的熱梯度。然而，這種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劑之間提供低的熱傳遞系數(shù)的非理想特性。
因此，本領(lǐng)域需要一種sofc，此sofc具有提供改進(jìn)的熱傳遞特性的改進(jìn)流體通路。
當(dāng)參考附圖閱讀以下的詳細(xì)描述時(shí)，更易理解本發(fā)明的這些和其它特點(diǎn)、方面和優(yōu)點(diǎn)，其中相同的標(biāo)記在全部附圖中表示同一部件。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的管狀固體氧化物燃料電池的橫截面；圖2是沿圖1的線1-1取向的頂部透視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的平面橫流固體氧化物燃料電池的透視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的圖3的平面橫流固體氧化物燃料電池的透視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的圖3的平面橫流固體氧化物燃料電池的透視圖；以及圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的圖3的平面橫流固體氧化物燃料電池的透視圖。
最佳實(shí)施方式典型的固體氧化物燃料電池設(shè)置在發(fā)電設(shè)備中，并包括管狀固體氧化物燃料電池(此后稱(chēng)作SOFC)(參見(jiàn)圖1-2)或平面橫流固體氧化物燃料電池組(參見(jiàn)圖3-6)。此外，SOFCs典型包括熱處理部分101和電解質(zhì)部分102(參見(jiàn)圖1)。正如下討論的那樣，對(duì)于管狀SOFCs而言，熱處理部分101典型包括設(shè)置在電解質(zhì)部分102中的提升管110。此外，對(duì)于平面橫流SOFCs，熱處理部分101典型包括(表示至少一個(gè))氧化劑部分150和(表示至少一個(gè))燃料部分160，其中電解質(zhì)部分102典型設(shè)置在兩個(gè)部分之間(參見(jiàn)圖3-6)。電解質(zhì)部分102典型包括陽(yáng)極190、陰極200和電解質(zhì)210。正如在此采用的那樣，術(shù)語(yǔ)“在其上”、“在其中”、“在……之上”、“上面”、“下面”等用于表示圖中所示的SOFC100的元件相對(duì)位置，并不表示對(duì)于SOFC100的取向或操作的任何方式的限制。方便起見(jiàn)，以下將管狀固體氧化物燃料電池(參見(jiàn)圖1-2)和平面橫流固體氧化物燃料電池(參見(jiàn)圖3-6)統(tǒng)稱(chēng)為SOFCs100。
工作中，將氣態(tài)燃料(圖1-2中以標(biāo)有術(shù)語(yǔ)“燃料”的實(shí)線箭頭表示)例如天然氣或氫氣軸向地引向SOFC100的外壁面135之上。此外，將氧化劑(圖1-2中以標(biāo)有術(shù)語(yǔ)“氧化劑”的虛線箭頭表示)例如空氣或氧氣輸送到提升管110(參見(jiàn)圖1)。提升管110包括提升管內(nèi)表面120和提升管外表面130，并位于SOFC100的環(huán)狀空間內(nèi)。最初將此氧化劑引入提升管內(nèi)表面120，其中氧化劑隨后流回到在提升管外表面130和內(nèi)壁表面135之間的SOFC100。
平面橫流SOFC100包括其中設(shè)置有(表示至少一個(gè))氧化劑通道170的氧化劑部分150和其中設(shè)置有(表示至少一個(gè))燃料通道180的燃料部分160(參見(jiàn)圖3)。此SOFC100的實(shí)施例典型由扁平單電池部分構(gòu)成，此單電池部分典型包括氧化劑部分150和燃料部分160，其中這些部分的通道允許氧化劑(圖3-6中以標(biāo)有術(shù)語(yǔ)“氧化劑”的虛線箭頭表示)和氣態(tài)燃料(圖3-6中以標(biāo)有術(shù)語(yǔ)“燃料”的實(shí)線箭頭表示)向立方結(jié)構(gòu)或電池組流動(dòng)。應(yīng)理解，氧化劑部分150和燃料部分160的位置和取向可以變化，在圖3-6中這些部分的位置和取向僅用以說(shuō)明而并非限制。
在工作中，將燃料引到管狀SOFC100的外壁面135(參見(jiàn)圖1-2)或者通過(guò)平面橫流SOFC100的燃料通道180(參見(jiàn)圖3-6)。將氧化劑(典型為預(yù)處理后的空氣或氧)通過(guò)提升管110引入管狀SOFC100(參見(jiàn)圖1-2)或引入平面橫流SOFC100的氧化劑通道170(參見(jiàn)圖3-6)。在兩種類(lèi)型的SOFCs100中，氧化劑(氧分子)經(jīng)過(guò)陰極200并且在陰極電介質(zhì)界面191處形成氧離子。隨后，氧離子通過(guò)電解質(zhì)210遷移以與在陽(yáng)極電解質(zhì)界面192處的燃料相結(jié)合，由此釋放在陽(yáng)極190處的電子。接著，電子通過(guò)外部負(fù)載電路(未示出)在陰極200處聚集，由此在外部負(fù)載電路中產(chǎn)生從陽(yáng)極190向陰極200的電流。作為在陽(yáng)極電解質(zhì)界面192處的相互作用的結(jié)果，SOFC100產(chǎn)生熱量，為了在SOFC100中保持所需要的溫度值和預(yù)定的熱梯度，必須除去此熱量。這種熱量的去除典型通過(guò)氧化劑引入到提升管110(參見(jiàn)圖1-2)或氧化劑通道170(參見(jiàn)圖3)中來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣氧化劑流體流從SOFC100除去熱能。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，圖1示出了SOFC100在提升管內(nèi)表面120、提升管外表面130內(nèi)壁面135和外壁面136上設(shè)置的多個(gè)凹部140。在此，術(shù)語(yǔ)“凹部”指凹陷、凹痕、陷斑、凹坑等。凹部140的形狀典型為半球形或反向截錐形。在另一實(shí)施例中，凹部140的形狀典型為全半球的任何部分。在某些實(shí)施例中，凹部140設(shè)置在上述表面的全部或一部分上。
凹部140以下述圖形形成在上述表面上，此圖形用于增加從SOFC100元件例如陽(yáng)極190、陰極200和電解質(zhì)210向流體例如氧化劑或氣態(tài)燃料的熱傳遞。根據(jù)舉例而非限制，應(yīng)理解，凹部140設(shè)置在SOFC外表面136(參見(jiàn)圖1)上或設(shè)置在燃料通道180中(參見(jiàn)圖3-6)，以便增加從SOFC100組件向氣態(tài)燃料的熱量去除。在工作中，將流體引入到SOFC100中，以處于凹部140上。結(jié)果，在流體和凹部140之間的流體動(dòng)力學(xué)相互作用導(dǎo)致與常規(guī)SOFCs相比在SOFC100中的熱傳遞速率有所提高。此處，術(shù)語(yǔ)“流體動(dòng)力學(xué)相互作用”指在凹部140和流體之間的相互作用，其中各凹部在該凹部中建立了壓力場(chǎng)，從而在流體的一部分流動(dòng)中形成渦流圖形(未示出)。
工作中，當(dāng)流體的該部分流動(dòng)與流體的主流流動(dòng)相互作用時(shí)，流體的該部分流動(dòng)朝向通道的表面，使得與該表面以熱量相互作用，由此導(dǎo)致從SOFC100組件向流體增加的熱傳遞。此外，由于和沒(méi)有凹部的表面相比，由各單獨(dú)凹部的形狀導(dǎo)致了表面區(qū)域的增加，因此增加了在流體和各單獨(dú)凹部之間的熱量相互作用。這樣，流體與這種增加了的表面區(qū)域相互作用，由此增加了從SOFC100的熱能的去除。對(duì)于給定的一個(gè)凹部140而言，典型地，深度“Y”(參見(jiàn)圖1)貫穿管狀SOFC100的長(zhǎng)度“L”(參見(jiàn)圖2)或者貫穿平面橫流SOFC100的長(zhǎng)度“L”(參見(jiàn)圖3-6)保持恒定。深度“Y”(參見(jiàn)圖1)一般在凹部表面直徑“d”的約0.10至約0.50倍之間的范圍內(nèi)。此外，凹部140的深度(Y)在約0.002英寸至約1.125英寸的范圍內(nèi)。凹部140的中心-至-中心的間隔“X”(見(jiàn)圖1)一般在凹部140的表面直徑“d”的約1.1至約2倍之間的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，典型地，利用脈沖電化學(xué)機(jī)械加工(PECM)方法形成凹部140。在一選擇性實(shí)施例中，典型地，利用放電機(jī)械加工(EDM)方法形成凹部140。
在另一個(gè)實(shí)施例中，凹部140設(shè)置在氧化劑通道170和燃料通道180中(參見(jiàn)圖3)。在選擇性實(shí)施例中，凹部140設(shè)置在氧化劑通道170或燃料通道180中。在再一個(gè)實(shí)施例中，SOFC100包括其中分別設(shè)置有第一流道構(gòu)件220和第二流道構(gòu)件230的氧化劑部分150和燃料部分160(參見(jiàn)圖4)。在此實(shí)施例中，第一流道構(gòu)件220和第二流道構(gòu)件230分別包括第一楔形部和第二楔形部。此處，術(shù)語(yǔ)“楔形部”指第一流道構(gòu)件220和第二流道構(gòu)件230的形狀，其中，這種構(gòu)件的形狀向邊緣逐漸變小。第一和第二楔形部典型包括在氧化劑部分150和燃料部分160中用于對(duì)齊和支撐楔形部的多個(gè)支撐件240。在選擇性實(shí)施例中，圖6示出了形成為逐漸變小的通道的氧化劑通道170和燃料通道180。此處，術(shù)語(yǔ)“逐漸變小的通道”指通道的形狀，其中，這些通道從氧化劑流入口250至氧化劑流出口(未示出)以及從燃料流入口260向燃料流出口270向邊緣逐漸變小。
楔形部(參見(jiàn)圖4)和逐漸變小的通道(參見(jiàn)圖6)分別提高了氧化劑或燃料在氧化劑部分150或燃料部分160中的流動(dòng)速率，由此加快了在SOFC100中的熱傳遞。在一個(gè)典型實(shí)施例中，楔形部(參見(jiàn)圖4)的形狀構(gòu)成了氧化劑部分150從氧化劑流入口250向氧化劑流出口(未示出)的會(huì)聚流區(qū)，由此影響了在SOFC100組件和氧化劑之間的熱傳遞速率。應(yīng)理解，圖6逐漸變小的通道顯示出與上述楔形部相同的特性。利用楔形部(參見(jiàn)圖4)或逐漸變小的通道(參見(jiàn)圖6)以形成會(huì)聚流，使得貫穿氧化劑或氣態(tài)燃料的流動(dòng)路徑具有基本均勻的熱傳遞速率，這是通過(guò)有效地補(bǔ)償了降低的熱勢(shì)用于對(duì)流由氧化劑或氣態(tài)燃料的溫度增加導(dǎo)致的熱傳遞，從而分別影響了在氧化劑部分150或燃料部分160中的熱梯度。通過(guò)在楔形部(參見(jiàn)圖4)或逐漸變小的通道(參見(jiàn)圖6)上設(shè)置凹部140，進(jìn)一步增加了熱傳遞速率，其中這種增加是由于當(dāng)處于凹部140上時(shí)由氧化劑或氣態(tài)燃料引起的流體動(dòng)力學(xué)相互作用造成的。在一些實(shí)施例中，凹部140設(shè)置在上述逐漸變小的通道或楔形部(參見(jiàn)圖4)的整體或一部分上。
在另一實(shí)施例中，第一流道構(gòu)件220和第二流道構(gòu)件230分別包括第一波紋狀構(gòu)件和第二波紋狀構(gòu)件(參見(jiàn)圖5)。此處，術(shù)語(yǔ)“波紋狀”指第一流道構(gòu)件220和第二流道構(gòu)件230的材料形狀，這樣材料成形為凸緣狀或溝槽狀表面。如上所述，凹部140設(shè)置在波紋狀構(gòu)件上，從而引起在流體(氧化劑或氣態(tài)燃料)和凹部140之間的流體動(dòng)力學(xué)相互作用，由此加速在SOFC100組件和流體之間的熱傳遞速率。在一個(gè)實(shí)施例中，波紋狀構(gòu)件由板金屬形成，例如不銹鋼板金屬。應(yīng)理解，通常根據(jù)凹部140所需要的深度構(gòu)形和用于接觸陽(yáng)極190和陰極200以使電流流通的波紋狀構(gòu)件的峰和谷，變化板金屬的厚度。
根據(jù)專(zhuān)利法規(guī)在此說(shuō)明和描述了本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神和范圍的條件下對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施方式進(jìn)行修改和變化是顯而易見(jiàn)的。因此，應(yīng)理解，所附權(quán)利要求書(shū)涵蓋了落入本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神內(nèi)的所有這種修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種固體氧化物燃料電池(100)，包括熱處理部分(101)；和相鄰所述熱處理部分(101)設(shè)置的電解質(zhì)部分(102)，其中多個(gè)凹部(140)設(shè)置在所述熱處理和電解質(zhì)部分的至少一個(gè)之上，以便引起流體動(dòng)力學(xué)相互作用，當(dāng)所述流體處于所述凹部(140)之上時(shí)影響在流體和凹部(140)之間的熱傳遞速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的固體氧化物燃料電池(100)，其中所述熱處理部分(101)包括提升管(110)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的固體氧化物燃料電池(100)，其中所述熱處理部分(101)包括氧化劑部分(150)和燃料部分(160)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的固體氧化物燃料電池(100)，其中電解質(zhì)部分(102)包括陰極(200)、陽(yáng)極(190)和電解質(zhì)(210)。
5.一種用于發(fā)電裝置中的固體氧化物燃料電池(100)，包括設(shè)置在所述固體氧化物燃料電池(100)中的提升管(110)，所述固體氧化物燃料電池(100)設(shè)置在所述發(fā)電裝置中，其中設(shè)置所述發(fā)電裝置以在其中接收流體，其中多個(gè)凹部(140)設(shè)置在所述提升管的表面部分上并設(shè)置在所述固體氧化物燃料電池(100)的表面部分上，以便引起流體動(dòng)力學(xué)相互作用，并且當(dāng)所述流體處于所述凹部(140)之上時(shí)影響在所述流體和所述凹部(140)之間的熱傳遞速率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的固體氧化物燃料電池(100)，其中所述提升管(110)包括提升管內(nèi)表面(120)和提升管外表面(130)，其中所述凹部設(shè)置在提升管內(nèi)表面(120)上并設(shè)置在所述提升管外表面(130)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的固體氧化物燃料電池(100)，其中所述凹部(140)設(shè)置在所述固體氧化物燃料電池(100)的內(nèi)表面(135)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的固體氧化物燃料電池(100)，其中所述凹部(140)的形狀是完整半球的任意部分。
9.一種用于發(fā)電裝置中的固體氧化物燃料電池(100)，包括其中設(shè)置有氧化劑通道(170)的氧化劑部分(150)和其中設(shè)置有燃料通道(180)的燃料部分(160)，其中設(shè)置所述氧化劑通道(170)和所述燃料通道(180)以在其中接收流體，所述固體氧化物燃料電池(100)設(shè)置在所述發(fā)電裝置中，其中多個(gè)凹部(140)設(shè)置在所述氧化劑通道(170)的表面部分上并設(shè)置在所述燃料通道(180)的表面部分上，以便引起流體動(dòng)力學(xué)相互作用，并且當(dāng)所述流體處于所述凹部(140)之上時(shí)，影響在所述流體和所述凹部(140)之間的熱傳遞速率。
10.一種用于發(fā)電裝置中的固體氧化物燃料電池(100)，包括氧化劑部分(150)和燃料部分(160)，其中設(shè)置所述氧化劑部分(150)和所述燃料部分(160)以便在其中接收流體，所述固體氧化物燃料電池(100)設(shè)置在所述發(fā)電裝置中；以及設(shè)置在所述氧化劑部分(150)中的第一流道構(gòu)件(220)和設(shè)置在所述燃料部分(160)的第二流道構(gòu)件(230)，其中多個(gè)凹部(140)設(shè)置在所述第一流道構(gòu)件(220)的一部分和所述第二流道構(gòu)件(230)的一部分上，以便引起流體動(dòng)力學(xué)相互作用，并且當(dāng)所述流體處于所述凹部(140)之上時(shí)，影響在所述流體和所述凹部(140)之間的熱傳遞速率。
全文摘要
提供一種固體氧化物燃料電池(100)，其中固體氧化物燃料電池(100)包括熱處理部分(101)和相鄰熱處理部分(101)設(shè)置的電解質(zhì)部分(102)，其中多個(gè)凹部(140)設(shè)置在熱處理和電解質(zhì)部分的至少一個(gè)之上，以便引起流體動(dòng)力學(xué)相互作用，當(dāng)流體處于凹部(140)之上時(shí)影響在流體和凹部(140)之間的熱傳遞速率。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1453892SQ0312242
公開(kāi)日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2003年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月25日
發(fā)明者R·S·邦克 申請(qǐng)人:通用電氣公司