CN1790789A - 近等温高温燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种包括多个产生电能的电极－电解质组件和导热元件(18)的燃料电池(14)。在燃料电池内部，通过导热元件利用燃料电池副产物热加热供给燃料电池的阴极空气。

Description

近等温高温燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池技术，更具体而言，涉及一种包括产生电能的电极-电解质组件和导热元件的燃料电池。
背景技术
尽管是非常高效的电能产生装置，但是燃料电池仍然会产生大量副产物热，需要将所述副产物热除去以避免燃料电池过热。在高温燃料电池，比如固体氧化物燃料电池(SOFC)中，***的设计一般能够使副产物热随着通过燃料电池的空气流而被带走。该空气还起到燃料电池阴极反应物的作用。
一般来说，对空气流的冷却需求导致空气流速要大大高于燃料电池反应所需的空气流速。这至少部分是由于空气的较差的传热性能，以及同样重要地，是由于固体氧化物燃料电池堆不能耐受因热应力所导致的从堆进口到堆排气口的大的热梯度或者温度升所造成的。大的温度梯度的存在可能对结构完整性和堆的可靠性都是有害的。假如温度升太大，那么各种堆部件(电池、互联装置、密封件等)的不同的热膨胀可能会导致电池破裂、密封泄漏或者堆部件之间失去接触，由此导致电池堆的失效。
在堆没有失效时，堆的使用寿命可能会由于电池部件的性能衰退强烈依赖于温度而受到损害。电池的性能衰退在高温区(一般靠近排气口)要远快于低温区(一般靠近进口)，由此随着时间的推移有可能会导致堆功率或者***效率的降低，或者两者同时降低。由此，仅有一部分通过燃料电池的空气流用作反应目的，而剩余的空气流用作堆的冷却目的。使该附加冷却空气流进行循环所需的能量降低了整个***的效率。
此外，由于SOFC堆不能耐受大的温度梯度，因此所希望的是并且通常也是必须在空气进入堆之前将其预热到接近等于堆的温度。由于预热产生的传热过程也是低效率的，因此导致***效率产生一定损失。该传热过程由于需要使用与固体氧化物燃料电池堆的高操作温度相适应的高温材料，同样也是复杂和昂贵的。如果能设计一种更有效的燃料电池冷却方法，这些问题就能够得到解决。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，燃料电池包括多个产生电能的电极-电解质组件和导热元件，其中供给燃料电池的阴极空气在燃料电池内部通过导热元件被燃料电池副产物热加热。
在本发明的另一个示例性实施例中，燃料电池包括通向空气流通道的空气进口区域，多个产生电能的电极-电解质组件，以及导热元件。通过空气进口区域供给燃料电池的阴极空气在燃料电池内部通过导热元件被燃料电池的副产物热加热。
在本发明的又一个示例性实施例中，一种操作燃料电池以产生电能的方法包括以下步骤：在燃料电池中发生化学反应；通过导热元件的吸热部分吸收由化学反应和电流产生的热；传递所述热至放热部分，其中反应物空气以显著低于电池操作温度的温度进入燃料电池，并且其中在空气进口区域中的导热元件的温度接近电池的操作温度；以及通过导热元件利用燃料电池的副产物热加热经由燃料电池内部空气进口区域供给燃料电池的阴极空气。
附图说明
图1示出了包括具有互连装置和阳极-电解质-阴极组件的重复单元的燃料电池的示意图；
图2和图3示出了包含导热元件的燃料电池互连装置的截面图；以及
图4和图5示出了燃料电池互连装置的俯视图。
具体实施方式
下面结合图1-5对该燃料电池的14的细节进行描述，图中所示为具有重复单元的燃料电池14的示意图。每个重复单元包括阳极-电解质-阴极组件16，具有阳极流动通道55、阴极流动通道57，分隔两个流场的隔板56以及导热元件18比如热导管的互连装置50。导热元件18可以是或者可以不是隔板56的一部分。它们可被放置在阳极流场55或者阴极流场57中，而且它们也可以自己形成流场。元件18可以被分为吸热部分20和放热部分22。部分20和22一般沿着空气流通道对正以使放热部分22被设置在空气进口处或其附近。吸热部分20优选设置在产生高电流的区域中。
图2中示出了通常被称作双极板的燃料电池互连装置50的截面图。互连装置分隔相邻电池的阳极和阴极，防止阳极和阴极反应物发生混合。互连装置还提供电流通路以在相邻电池之间传输电子。阳极流场55显示位于互连装置50的顶表面上，并起到将阳极气体引导至相邻电池的作用。阳极流场57显示位于互连装置50的底表面上，并起到将阴极气体引导至相邻电池的作用。在板50的芯层中是包含导热元件18的隔板56。另一种可选方式是，导热元件18可设置在阴极流场57中，如图3所示(或者次优选地设置在阳极流场55中)。互连装置的顶表面与电池16的阳极侧相连。电池16和互连装置50在燃料电池堆14内部构成重复单元。互连装置50的底表面与相邻电池的阴极侧相连。需要注意的是并非每一个互连装置50都需要包含导热元件18。比如说，每隔一个电池、每到第三个电池或者每到第n个电池可包含导热元件18。在这种情况下，在没有导热元件18的电池中产生的热梯度，由于沿着电池堆的长度方向至包含具有导热元件18的互连装置50的电池的传导传热，而被最小化了。在不包括导热元件18的电池中产生的热，通过电池内部的反应物流以及通过上面提到的沿着电池堆的长度方向至包含具有导热元件18的互连装置50的电池的传导传热而从电池中传递出。
图4和图5示出了含有导热元件18的燃料电池互连装置50的俯视图。互连装置50显示具有两种构造，由此导热元件被包含在燃料电池14的活性区域(图4)内，或者另一种可选方式是，横跨至少一部分燃料电池14的活性区域和空气进口歧管25(图5)。电化学作用过程中在电池16内产生的热通过互连装置50传导至导热元件，并在互连装置平面内进行传递，由此使电池和互连装置内的温度梯度最小化并同时将热传递给阴极气体(空气)。
在导热元件18为热导管的情况下，它们的冷凝器部分邻近空气进口歧管25设置以使热能够从热导管18传递给相对较冷的进口空气，同时蒸发器部分吸收燃料电池的副产物热并将其传导至冷凝器部分。尽管冷凝器部分设置在空气进口歧管25附近，它可以或者不用一直延伸到歧管25中，如图4-5所示。当导热元件为高导热性构件时，在电池堆内选择且布置该构件的横截面积以及热导率，以通过热传导从燃料电池的热区域向燃料电池的冷区域传递热量。
由燃料电池14的化学反应以及电流产生的热被导热元件18吸收，并被传递至吸热部分22。反应物空气以远低于燃料电池操作温度的温度进入燃料电池14。在空气进口区域中导热元件18的温度接近燃料电池的操作温度。由于在空气和导热元件之间存在很大的温度差，热快速地从导热元件18中放出而进入空气中。分析表明在燃料电池中非常短的距离内，通常仅为整个空气流动通道的一小部分，空气的温度就达到了电池的操作温度。结果是，由于导热元件具有高的导热性，空气、燃料电池以及导热元件三者的温度在整个组件中相互接近，并且几乎为一个常数。
在一个优选实施例中，热导管被用作导热元件18。热导管包括内部具有操作流体的密封外壳。选择该操作流体的沸点温度以使其能够接近电池的操作温度。
热导管的沸腾区域作为吸热区域20。燃料电池的反应副产物热提供了沸腾所需要的能量。由于沸腾过程在几乎恒定的温度下发生，因此靠近热导管的吸热部分20的燃料电池中的温度梯度可以忽略，而热流量很大。通过蒸汽分压差，热导管工作流体蒸汽然后被传递至与放热部分22相对应的热导管的冷凝区域。热导管的冷凝部分起到放热部分的作用。工作流体冷凝并将热量释放到进入的空气流中。由于冷凝过程在几乎恒定的温度下发生，因此燃料电池中靠近热导管的放热部分的温度梯度也可以忽略不计。然后通过毛细管作用机理，将被冷凝的工作流体传递回沸腾区域，这样结束热导管的工作流体循环。
燃料电池14具有分别提供燃料电池反应所需的反应物的燃料(阳极)和空气(阴极)流场55和57。尽管由于存在导热元件18，燃料电池是近等温的，但是副产物热也仍然必须从电池堆中除去以防止电池堆过热和达到高于所需的温度。燃料电池14的副产物热迫使使用过量的进口空气进入阴极流场57用于温度控制和冷却目的，但是并不能用于最小化温度梯度的目的，而是由导热元件实现这一目的。为了保持燃料电池的操作温度，在阴极流场57中使用的空气吸收副产物热，并且其温度升高至刚好低于燃料电池操作温度的水平。由于在常规***中阴极空气用作反应目的以及除去热量目的，而不是用作控制热梯度的目的，因此降低空气流量和降低空气进口温度是可能的，由此增大***的效率。由于通过导热元件18电池可以保持近等温，因此冷却空气可被引入到燃料电池中，用于除去热量的目的而不是如在常规电池中那样使用，而不会损害电池。然后通过导热元件以及其它电池堆部件传递燃料电池副产物热用以直接加热燃料电池阴极空气。在此的解决方案直接使用燃料电池副产物热加热空气，由此不需使用高温热交换器或其它外部装置，而在相对适度的低压下操作***而获得高的***效率。
采用所描述的燃料电池结构，副产物热在电池内部被直接传递至一个或者两个反应物(而不是第二冷却流体)，由此使降低***效率的副产物热的损失最小化，并且不需要使用复杂的、昂贵的传热设备来预热空气。此外，副产物热在燃料电池堆中重新分配以最小化燃料电池堆内部的温度梯度。即使反应物气体温度与电池堆温度不相等，但是燃料电池本身是近等温的。需要注意的是，副产物热可以交替的或者同时传递给燃料。
如本申请的燃料电池，导热元件具有远高于金属的热导率，这样能够实现高效的燃料电池副产物热的管理。此外，导热元件的高热导率可以实现燃料电池内部非常小的温度梯度，由此使燃料电池是近等温的。从外部来源供给的燃料和空气使燃料电池产生电能。燃料电池由其反应物质冷却，主要是通过空气进行冷却，其用于双重目的即为燃料电池反应提供氧气并除去燃料电池的副产物热。热导管或者其它导热元件将副产物热传递给所提供的空气。导热元件具有吸热部分和放热部分。吸热部分设置在燃料电池中空气出口区域附近。副产物热由导热元件吸收，并被快速地传导至通常在空气进口区域附近的放热部分。以远低于燃料电池操作温度的温度进入的空气吸收来自导热元件的放热部分的热量。
由于进口空气温度低，因此冷却燃料电池所需的空气流量与现有技术的燃料电池设计相比是非常低的。空气流量需求的减少降低了***空气压缩机的能量需求，由此提高了***的效率。此外，空气进口温度的降低消除了预热空气达到接近电池操作温度的需要，由此减少了热学管理子***中部件的数量，并且提高了整个***的可靠性。此外，导热元件的高导热率减小了燃料电池内的温度梯度。温度梯度的减小降低了电池内的热应力，减小了电池失效的可能性，由此得到更加坚固和可靠的燃料电池设计。
尽管本发明结合目前考虑是最实际和优选的实施例进行描述，但是应该理解的是，本发明并不仅限于所披露的实施例，而是相反，旨在覆盖包括在所附技术方案的精神和范围之内的各种改进和等同的布置。
其它这样的实施例可能包括以较引入常规***中更低的温度将燃料引入燃料电池，替代或者结合较常规***引入更低温度的空气。
部件列表
燃料电池                           14
阳极-电解质-阴极组件               16
导热元件                           18
吸热部分                           20
放热部分                           22
空气进口歧管                       25
互连装置                           50
阳极流动通道                       55
隔板                               56
阴极流动通道                       57

Claims (10)

1、一种包括多个产生电能的电极-电解质和互连装置组件(50)的燃料电池(14)，所述互连装置组件包括导热元件(18)，其中供给燃料电池的反应物在燃料电池内通过导热元件由燃料电池副产物热加热。
2、根据权利要求1所述的燃料电池，其中反应物包括阴极空气。
3、根据权利要求1所述的燃料电池，进一步包括不带有导热元件的附加互连装置组件(50)。
4、根据权利要求1所述的燃料电池，其中燃料电池副产物热至少部分传递给燃料电池内的反应物。
5、根据权利要求4所述的燃料电池，进一步包括在燃料电池活性区域内的放热区域(22)和吸热区域(20)。
6、根据权利要求1所述的燃料电池，其中导热元件(18)包括热导管。
7、根据权利要求1所述的燃料电池，包括燃料电池互连装置(50)，所述互连装置使将阳极气体引至相邻电池的阳极流场(55)和将阴极气体引至相邻电池的阴极流场(57)隔开。
8、根据权利要求1所述的燃料电池，其中导热元件(18)包括热导管，并且其中其冷凝器部分被设置在燃料电池的空气进口歧管(25)附近。
9、根据权利要求1所述的燃料电池，其中导热元件(18)包括热导管，并且其中其冷凝器部分至少部分地被设置在燃料电池的空气进口歧管(25)内。
10、根据权利要求1所述的燃料电池，其中导热元件(18)包括高导热性构件，并且其中选择且布置所述构件的横截面积以及热导率，以通过热传导从燃料电池的热区域向燃料电池的冷区域传递热量。
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PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
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