專利名稱：近等溫高溫燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)，更具體而言，涉及一種包括產(chǎn)生電能的電極-電解質(zhì)組件和導(dǎo)熱元件的燃料電池。
背景技術(shù)：
盡管是非常高效的電能產(chǎn)生裝置，但是燃料電池仍然會(huì)產(chǎn)生大量副產(chǎn)物熱，需要將所述副產(chǎn)物熱除去以避免燃料電池過熱。在高溫燃料電池，比如固體氧化物燃料電池(SOFC)中，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般能夠使副產(chǎn)物熱隨著通過燃料電池的空氣流而被帶走。該空氣還起到燃料電池陰極反應(yīng)物的作用。
一般來說，對(duì)空氣流的冷卻需求導(dǎo)致空氣流速要大大高于燃料電池反應(yīng)所需的空氣流速。這至少部分是由于空氣的較差的傳熱性能，以及同樣重要地，是由于固體氧化物燃料電池堆不能耐受因熱應(yīng)力所導(dǎo)致的從堆進(jìn)口到堆排氣口的大的熱梯度或者溫度升所造成的。大的溫度梯度的存在可能對(duì)結(jié)構(gòu)完整性和堆的可靠性都是有害的。假如溫度升太大，那么各種堆部件(電池、互聯(lián)裝置、密封件等)的不同的熱膨脹可能會(huì)導(dǎo)致電池破裂、密封泄漏或者堆部件之間失去接觸，由此導(dǎo)致電池堆的失效。
在堆沒有失效時(shí)，堆的使用壽命可能會(huì)由于電池部件的性能衰退強(qiáng)烈依賴于溫度而受到損害。電池的性能衰退在高溫區(qū)(一般靠近排氣口)要遠(yuǎn)快于低溫區(qū)(一般靠近進(jìn)口)，由此隨著時(shí)間的推移有可能會(huì)導(dǎo)致堆功率或者系統(tǒng)效率的降低，或者兩者同時(shí)降低。由此，僅有一部分通過燃料電池的空氣流用作反應(yīng)目的，而剩余的空氣流用作堆的冷卻目的。使該附加冷卻空氣流進(jìn)行循環(huán)所需的能量降低了整個(gè)系統(tǒng)的效率。
此外，由于SOFC堆不能耐受大的溫度梯度，因此所希望的是并且通常也是必須在空氣進(jìn)入堆之前將其預(yù)熱到接近等于堆的溫度。由于預(yù)熱產(chǎn)生的傳熱過程也是低效率的，因此導(dǎo)致系統(tǒng)效率產(chǎn)生一定損失。該傳熱過程由于需要使用與固體氧化物燃料電池堆的高操作溫度相適應(yīng)的高溫材料，同樣也是復(fù)雜和昂貴的。如果能設(shè)計(jì)一種更有效的燃料電池冷卻方法，這些問題就能夠得到解決。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，燃料電池包括多個(gè)產(chǎn)生電能的電極-電解質(zhì)組件和導(dǎo)熱元件，其中供給燃料電池的陰極空氣在燃料電池內(nèi)部通過導(dǎo)熱元件被燃料電池副產(chǎn)物熱加熱。
在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，燃料電池包括通向空氣流通道的空氣進(jìn)口區(qū)域，多個(gè)產(chǎn)生電能的電極-電解質(zhì)組件，以及導(dǎo)熱元件。通過空氣進(jìn)口區(qū)域供給燃料電池的陰極空氣在燃料電池內(nèi)部通過導(dǎo)熱元件被燃料電池的副產(chǎn)物熱加熱。
在本發(fā)明的又一個(gè)示例性實(shí)施例中，一種操作燃料電池以產(chǎn)生電能的方法包括以下步驟在燃料電池中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；通過導(dǎo)熱元件的吸熱部分吸收由化學(xué)反應(yīng)和電流產(chǎn)生的熱；傳遞所述熱至放熱部分，其中反應(yīng)物空氣以顯著低于電池操作溫度的溫度進(jìn)入燃料電池，并且其中在空氣進(jìn)口區(qū)域中的導(dǎo)熱元件的溫度接近電池的操作溫度；以及通過導(dǎo)熱元件利用燃料電池的副產(chǎn)物熱加熱經(jīng)由燃料電池內(nèi)部空氣進(jìn)口區(qū)域供給燃料電池的陰極空氣。


圖1示出了包括具有互連裝置和陽(yáng)極-電解質(zhì)-陰極組件的重復(fù)單元的燃料電池的示意圖；圖2和圖3示出了包含導(dǎo)熱元件的燃料電池互連裝置的截面圖；以及圖4和圖5示出了燃料電池互連裝置的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合圖1-5對(duì)該燃料電池的14的細(xì)節(jié)進(jìn)行描述，圖中所示為具有重復(fù)單元的燃料電池14的示意圖。每個(gè)重復(fù)單元包括陽(yáng)極-電解質(zhì)-陰極組件16，具有陽(yáng)極流動(dòng)通道55、陰極流動(dòng)通道57，分隔兩個(gè)流場(chǎng)的隔板56以及導(dǎo)熱元件18比如熱導(dǎo)管的互連裝置50。導(dǎo)熱元件18可以是或者可以不是隔板56的一部分。它們可被放置在陽(yáng)極流場(chǎng)55或者陰極流場(chǎng)57中，而且它們也可以自己形成流場(chǎng)。元件18可以被分為吸熱部分20和放熱部分22。部分20和22一般沿著空氣流通道對(duì)正以使放熱部分22被設(shè)置在空氣進(jìn)口處或其附近。吸熱部分20優(yōu)選設(shè)置在產(chǎn)生高電流的區(qū)域中。
圖2中示出了通常被稱作雙極板的燃料電池互連裝置50的截面圖?；ミB裝置分隔相鄰電池的陽(yáng)極和陰極，防止陽(yáng)極和陰極反應(yīng)物發(fā)生混合?；ミB裝置還提供電流通路以在相鄰電池之間傳輸電子。陽(yáng)極流場(chǎng)55顯示位于互連裝置50的頂表面上，并起到將陽(yáng)極氣體引導(dǎo)至相鄰電池的作用。陽(yáng)極流場(chǎng)57顯示位于互連裝置50的底表面上，并起到將陰極氣體引導(dǎo)至相鄰電池的作用。在板50的芯層中是包含導(dǎo)熱元件18的隔板56。另一種可選方式是，導(dǎo)熱元件18可設(shè)置在陰極流場(chǎng)57中，如圖3所示(或者次優(yōu)選地設(shè)置在陽(yáng)極流場(chǎng)55中)?；ミB裝置的頂表面與電池16的陽(yáng)極側(cè)相連。電池16和互連裝置50在燃料電池堆14內(nèi)部構(gòu)成重復(fù)單元?；ミB裝置50的底表面與相鄰電池的陰極側(cè)相連。需要注意的是并非每一個(gè)互連裝置50都需要包含導(dǎo)熱元件18。比如說，每隔一個(gè)電池、每到第三個(gè)電池或者每到第n個(gè)電池可包含導(dǎo)熱元件18。在這種情況下，在沒有導(dǎo)熱元件18的電池中產(chǎn)生的熱梯度，由于沿著電池堆的長(zhǎng)度方向至包含具有導(dǎo)熱元件18的互連裝置50的電池的傳導(dǎo)傳熱，而被最小化了。在不包括導(dǎo)熱元件18的電池中產(chǎn)生的熱，通過電池內(nèi)部的反應(yīng)物流以及通過上面提到的沿著電池堆的長(zhǎng)度方向至包含具有導(dǎo)熱元件18的互連裝置50的電池的傳導(dǎo)傳熱而從電池中傳遞出。
圖4和圖5示出了含有導(dǎo)熱元件18的燃料電池互連裝置50的俯視圖?；ミB裝置50顯示具有兩種構(gòu)造，由此導(dǎo)熱元件被包含在燃料電池14的活性區(qū)域(圖4)內(nèi)，或者另一種可選方式是，橫跨至少一部分燃料電池14的活性區(qū)域和空氣進(jìn)口歧管25(圖5)。電化學(xué)作用過程中在電池16內(nèi)產(chǎn)生的熱通過互連裝置50傳導(dǎo)至導(dǎo)熱元件，并在互連裝置平面內(nèi)進(jìn)行傳遞，由此使電池和互連裝置內(nèi)的溫度梯度最小化并同時(shí)將熱傳遞給陰極氣體(空氣)。
在導(dǎo)熱元件18為熱導(dǎo)管的情況下，它們的冷凝器部分鄰近空氣進(jìn)口歧管25設(shè)置以使熱能夠從熱導(dǎo)管18傳遞給相對(duì)較冷的進(jìn)口空氣，同時(shí)蒸發(fā)器部分吸收燃料電池的副產(chǎn)物熱并將其傳導(dǎo)至冷凝器部分。盡管冷凝器部分設(shè)置在空氣進(jìn)口歧管25附近，它可以或者不用一直延伸到歧管25中，如圖4-5所示。當(dāng)導(dǎo)熱元件為高導(dǎo)熱性構(gòu)件時(shí)，在電池堆內(nèi)選擇且布置該構(gòu)件的橫截面積以及熱導(dǎo)率，以通過熱傳導(dǎo)從燃料電池的熱區(qū)域向燃料電池的冷區(qū)域傳遞熱量。
由燃料電池14的化學(xué)反應(yīng)以及電流產(chǎn)生的熱被導(dǎo)熱元件18吸收，并被傳遞至吸熱部分22。反應(yīng)物空氣以遠(yuǎn)低于燃料電池操作溫度的溫度進(jìn)入燃料電池14。在空氣進(jìn)口區(qū)域中導(dǎo)熱元件18的溫度接近燃料電池的操作溫度。由于在空氣和導(dǎo)熱元件之間存在很大的溫度差，熱快速地從導(dǎo)熱元件18中放出而進(jìn)入空氣中。分析表明在燃料電池中非常短的距離內(nèi)，通常僅為整個(gè)空氣流動(dòng)通道的一小部分，空氣的溫度就達(dá)到了電池的操作溫度。結(jié)果是，由于導(dǎo)熱元件具有高的導(dǎo)熱性，空氣、燃料電池以及導(dǎo)熱元件三者的溫度在整個(gè)組件中相互接近，并且?guī)缀鯙橐粋€(gè)常數(shù)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，熱導(dǎo)管被用作導(dǎo)熱元件18。熱導(dǎo)管包括內(nèi)部具有操作流體的密封外殼。選擇該操作流體的沸點(diǎn)溫度以使其能夠接近電池的操作溫度。
熱導(dǎo)管的沸騰區(qū)域作為吸熱區(qū)域20。燃料電池的反應(yīng)副產(chǎn)物熱提供了沸騰所需要的能量。由于沸騰過程在幾乎恒定的溫度下發(fā)生，因此靠近熱導(dǎo)管的吸熱部分20的燃料電池中的溫度梯度可以忽略，而熱流量很大。通過蒸汽分壓差，熱導(dǎo)管工作流體蒸汽然后被傳遞至與放熱部分22相對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)管的冷凝區(qū)域。熱導(dǎo)管的冷凝部分起到放熱部分的作用。工作流體冷凝并將熱量釋放到進(jìn)入的空氣流中。由于冷凝過程在幾乎恒定的溫度下發(fā)生，因此燃料電池中靠近熱導(dǎo)管的放熱部分的溫度梯度也可以忽略不計(jì)。然后通過毛細(xì)管作用機(jī)理，將被冷凝的工作流體傳遞回沸騰區(qū)域，這樣結(jié)束熱導(dǎo)管的工作流體循環(huán)。
燃料電池14具有分別提供燃料電池反應(yīng)所需的反應(yīng)物的燃料(陽(yáng)極)和空氣(陰極)流場(chǎng)55和57。盡管由于存在導(dǎo)熱元件18，燃料電池是近等溫的，但是副產(chǎn)物熱也仍然必須從電池堆中除去以防止電池堆過熱和達(dá)到高于所需的溫度。燃料電池14的副產(chǎn)物熱迫使使用過量的進(jìn)口空氣進(jìn)入陰極流場(chǎng)57用于溫度控制和冷卻目的，但是并不能用于最小化溫度梯度的目的，而是由導(dǎo)熱元件實(shí)現(xiàn)這一目的。為了保持燃料電池的操作溫度，在陰極流場(chǎng)57中使用的空氣吸收副產(chǎn)物熱，并且其溫度升高至剛好低于燃料電池操作溫度的水平。由于在常規(guī)系統(tǒng)中陰極空氣用作反應(yīng)目的以及除去熱量目的，而不是用作控制熱梯度的目的，因此降低空氣流量和降低空氣進(jìn)口溫度是可能的，由此增大系統(tǒng)的效率。由于通過導(dǎo)熱元件18電池可以保持近等溫，因此冷卻空氣可被引入到燃料電池中，用于除去熱量的目的而不是如在常規(guī)電池中那樣使用，而不會(huì)損害電池。然后通過導(dǎo)熱元件以及其它電池堆部件傳遞燃料電池副產(chǎn)物熱用以直接加熱燃料電池陰極空氣。在此的解決方案直接使用燃料電池副產(chǎn)物熱加熱空氣，由此不需使用高溫?zé)峤粨Q器或其它外部裝置，而在相對(duì)適度的低壓下操作系統(tǒng)而獲得高的系統(tǒng)效率。
采用所描述的燃料電池結(jié)構(gòu)，副產(chǎn)物熱在電池內(nèi)部被直接傳遞至一個(gè)或者兩個(gè)反應(yīng)物(而不是第二冷卻流體)，由此使降低系統(tǒng)效率的副產(chǎn)物熱的損失最小化，并且不需要使用復(fù)雜的、昂貴的傳熱設(shè)備來預(yù)熱空氣。此外，副產(chǎn)物熱在燃料電池堆中重新分配以最小化燃料電池堆內(nèi)部的溫度梯度。即使反應(yīng)物氣體溫度與電池堆溫度不相等，但是燃料電池本身是近等溫的。需要注意的是，副產(chǎn)物熱可以交替的或者同時(shí)傳遞給燃料。
如本申請(qǐng)的燃料電池，導(dǎo)熱元件具有遠(yuǎn)高于金屬的熱導(dǎo)率，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)高效的燃料電池副產(chǎn)物熱的管理。此外，導(dǎo)熱元件的高熱導(dǎo)率可以實(shí)現(xiàn)燃料電池內(nèi)部非常小的溫度梯度，由此使燃料電池是近等溫的。從外部來源供給的燃料和空氣使燃料電池產(chǎn)生電能。燃料電池由其反應(yīng)物質(zhì)冷卻，主要是通過空氣進(jìn)行冷卻，其用于雙重目的即為燃料電池反應(yīng)提供氧氣并除去燃料電池的副產(chǎn)物熱。熱導(dǎo)管或者其它導(dǎo)熱元件將副產(chǎn)物熱傳遞給所提供的空氣。導(dǎo)熱元件具有吸熱部分和放熱部分。吸熱部分設(shè)置在燃料電池中空氣出口區(qū)域附近。副產(chǎn)物熱由導(dǎo)熱元件吸收，并被快速地傳導(dǎo)至通常在空氣進(jìn)口區(qū)域附近的放熱部分。以遠(yuǎn)低于燃料電池操作溫度的溫度進(jìn)入的空氣吸收來自導(dǎo)熱元件的放熱部分的熱量。
由于進(jìn)口空氣溫度低，因此冷卻燃料電池所需的空氣流量與現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池設(shè)計(jì)相比是非常低的。空氣流量需求的減少降低了系統(tǒng)空氣壓縮機(jī)的能量需求，由此提高了系統(tǒng)的效率。此外，空氣進(jìn)口溫度的降低消除了預(yù)熱空氣達(dá)到接近電池操作溫度的需要，由此減少了熱學(xué)管理子系統(tǒng)中部件的數(shù)量，并且提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。此外，導(dǎo)熱元件的高導(dǎo)熱率減小了燃料電池內(nèi)的溫度梯度。溫度梯度的減小降低了電池內(nèi)的熱應(yīng)力，減小了電池失效的可能性，由此得到更加堅(jiān)固和可靠的燃料電池設(shè)計(jì)。
盡管本發(fā)明結(jié)合目前考慮是最實(shí)際和優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行描述，但是應(yīng)該理解的是，本發(fā)明并不僅限于所披露的實(shí)施例，而是相反，旨在覆蓋包括在所附技術(shù)方案的精神和范圍之內(nèi)的各種改進(jìn)和等同的布置。
其它這樣的實(shí)施例可能包括以較引入常規(guī)系統(tǒng)中更低的溫度將燃料引入燃料電池，替代或者結(jié)合較常規(guī)系統(tǒng)引入更低溫度的空氣。
部件列表燃料電池 14陽(yáng)極-電解質(zhì)-陰極組件 16導(dǎo)熱元件 18吸熱部分 20放熱部分 22空氣進(jìn)口歧管 25互連裝置 50陽(yáng)極流動(dòng)通道 55隔板 56陰極流動(dòng)通道 5權(quán)利要求
1.一種包括多個(gè)產(chǎn)生電能的電極-電解質(zhì)和互連裝置組件(50)的燃料電池(14)，所述互連裝置組件包括導(dǎo)熱元件(18)，其中供給燃料電池的反應(yīng)物在燃料電池內(nèi)通過導(dǎo)熱元件由燃料電池副產(chǎn)物熱加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中反應(yīng)物包括陰極空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，進(jìn)一步包括不帶有導(dǎo)熱元件的附加互連裝置組件(50)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中燃料電池副產(chǎn)物熱至少部分傳遞給燃料電池內(nèi)的反應(yīng)物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池，進(jìn)一步包括在燃料電池活性區(qū)域內(nèi)的放熱區(qū)域(22)和吸熱區(qū)域(20)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中導(dǎo)熱元件(18)包括熱導(dǎo)管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，包括燃料電池互連裝置(50)，所述互連裝置使將陽(yáng)極氣體引至相鄰電池的陽(yáng)極流場(chǎng)(55)和將陰極氣體引至相鄰電池的陰極流場(chǎng)(57)隔開。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中導(dǎo)熱元件(18)包括熱導(dǎo)管，并且其中其冷凝器部分被設(shè)置在燃料電池的空氣進(jìn)口歧管(25)附近。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中導(dǎo)熱元件(18)包括熱導(dǎo)管，并且其中其冷凝器部分至少部分地被設(shè)置在燃料電池的空氣進(jìn)口歧管(25)內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中導(dǎo)熱元件(18)包括高導(dǎo)熱性構(gòu)件，并且其中選擇且布置所述構(gòu)件的橫截面積以及熱導(dǎo)率，以通過熱傳導(dǎo)從燃料電池的熱區(qū)域向燃料電池的冷區(qū)域傳遞熱量。
全文摘要
一種包括多個(gè)產(chǎn)生電能的電極－電解質(zhì)組件和導(dǎo)熱元件(18)的燃料電池(14)。在燃料電池內(nèi)部，通過導(dǎo)熱元件利用燃料電池副產(chǎn)物熱加熱供給燃料電池的陰極空氣。
文檔編號(hào)H01M8/12GK1790789SQ200510131630
公開日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者T·J·雷格, P·A·索科洛夫, D·楊 申請(qǐng)人:通用電氣公司