CN1832239A - 最小化固体氧化物燃料电池温差和温度梯度的***和方法 - Google Patents

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Abstract

通过使用歧管热交换器(50、70)使穿过固体氧化物燃料电池(SOFCs)的温差和温度梯度最小化，由此减小了热应力且增加了电池寿命。空气从电池(54、74)的周边朝向电池(54、74)的中心移动，在中心处空气吸收电池(54、74)的热量。空气随后行进至位于邻近所述电池(54、74)的位置处的所述歧管热交换器(50、70)，在此空气间接吸收更多热量。此外，燃料被引导与空气对流，这保持过热点远离电池堆(48)的密封件且将热空气导向所述电池(54、74)上的剧烈重整区域以减弱内部重整的急冷效应。

Description

最小化固体氧化物燃料电池温差和温度梯度的***和方法
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池(SOFCs)，且更具体而言，涉及通过使用歧管热交换器而使穿过固体氧化物燃料电池的温差和温度梯度最小化从而使固体氧化物燃料电池的寿命最大化的***和方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池是将化学能直接转换成电能的能量转换***。如果补充燃料，那么固体氧化物燃料电池能够提供电力的连续供应。固体氧化物燃料电池提供了将化学能转换成电能的清洁方式、低噪声污染水平、处理不同燃料的能力和由于可超过1000℃的高工作温度原因所致的高效率。
由于在高温下进行工作，因此固体氧化物燃料电池在其构造中使用了陶瓷。更具体而言，陶瓷被用作固体氧化物燃料电池的功能元件。如本领域已公知地，每个固体氧化物燃料电池包括由不能透过的电解质隔开的阳极和阴极，所述电解质将氧离子从阴极传导至阳极，在所述阳极处氧离子与燃料发生化学反应。由离子通过所诱发的电荷被收集并传导远离电池。尽管每个电池产生有限电压，但是一系列相连电池堆的使用被用以增加电压和有用功率。为了形成相连电池堆，使用互连装置，所述互连装置还可用以使燃料和为每个电池供应的空气隔开。
应该意识到，在固体氧化物燃料电池内，燃料和空气流必须被保持分开，且应该保持热平衡以确保工作温度保持在可接受的范围内。由于电池中的电化学反应而产生的废热增加了反应物以及堆部件的温度。该堆部件温度增加的严重性和所得温度梯度取决于固体氧化物燃料电池的部件设计、材料性质、反应物流速和流动构型。穿过电池的高温差导致产生高热梯度和热应力，这可导致电池开裂和电池寿命的减少。
如本领域已公知地，采用内部重整的固体氧化物燃料电池的工作是吸热反应且可导致产生显著的局部冷却(也被称作急冷)。这可能会导致产生非常高的局部温度梯度，所述非常高的局部温度梯度可导致产生高应力、电池开裂和碳沉积。具体而言，由于热应力所致开裂导致的固体氧化物燃料电池密封件的失效可导致燃料泄漏、阳极氧化和固体氧化物燃料电池的性能劣化。尽管温度或温度梯度对密封件的影响未得到彻底理解，但是试验已经表明密封件强度在相对较高的温度下明显下降。因此，所需要的是一种使固体氧化物燃料电池中的热梯度最小化且使密封件与电池上的过热点隔开的方式。
发明内容
在本发明中，进入空气首先被引导到电池上以从所述电池中直接吸收热量。空气随后行进至歧管板，在此空气通过所述歧管板间接接收第二部分热量。这种布置减少了穿过固体氧化物燃料电池的温差和温度梯度以便减小热应力并增加固体氧化物燃料电池的寿命。根据本发明的另一个实施例，所述燃料可被引导与空气对流，这用以保持过热点远离所述密封件且将热空气导向所述电池上的剧烈内部重整区域以减弱内部重整的急冷效应。
根据本发明的一个实施例，披露了一种用于使燃料电池中的电池温差最小化的方法。所述方法包括以下步骤：使空气通过电池的第一表面以从所述电池中直接吸收热量，其中所述空气来源于所述电池周边；在邻近所述电池的歧管热交换器处接收空气，在此所述空气从所述歧管热交换器中吸收热量，所述歧管热交换器从所述电池中吸收所述热量；且通过所述歧管热交换器的至少一个排气口将所述空气从所述歧管热交换器的周边排出。
根据本发明的一个方面，所述在邻近所述电池的歧管板处接收所述空气的步骤包括在所述歧管热交换器的中心处接收所述空气的步骤。根据本发明的另一个方面，所述歧管热交换器包括歧管板。根据本发明的又一个方面，所述使空气通过所述电池的第一表面以从所述电池中直接吸收热量的步骤包括使空气从所述电池的周边通过所述电池的第一表面到达所述电池的中心部分。
所述方法可进一步包括以下步骤：在所述歧管热交换器中设置燃料通路且经由所述燃料通路使燃料到达所述电池的第二表面。根据本发明的另一个方面，所述使燃料通过的步骤包括经由燃料通路使所述燃料到达所述电池的第二表面的步骤，所述燃料通路使所述燃料到达在所述电池的中心部分处的所述第二表面。此外，所述方法可进一步包括将所述燃料从所述电池周边排出的步骤。
根据本发明的另一个实施例，披露了一种用于使燃料电池中的电池温差最小化的***。所述***包括邻近电池的空气流场，其中所述空气流场可工作以载运空气从所述电池的周边通过所述电池的第一表面到达所述电池的中心。所述***还包括邻近所述空气流场的歧管热交换器，其中所述歧管热交换器可工作以从所述空气流场中接收所述空气，且其中所述歧管热交换器可进一步工作以将所述空气从所述歧管热交换器的周边上的至少一个排气口排出。
根据本发明的一个方面，所述空气流场包括至少一个中心开口，空气可从所述空气流场通过所述中心开口到达所述歧管热交换器。根据本发明的另一个方面，所述歧管热交换器可以是歧管板。根据本发明的又一个方面，所述***可包括燃料流场，所述燃料流场可工作以载运燃料从所述电池的中心通过所述电池的第二表面到达所述电池周边。此外，所述歧管热交换器可工作以为所述燃料流场供应燃料，且可包括大体上位于所述歧管热交换器的所述中心的燃料通路。根据本发明的另一个方面，所述电池可以是固体氧化物燃料电池内的电池，且所述歧管热交换器和所述电池包括在具有多个电池堆的固体氧化物燃料电池内的单个电池堆。
附图说明
由此已经对本发明进行了概括描述，下面将对附图进行参考，所述附图不一定是按比例绘出的，且其中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的固体氧化物燃料电池组件的外视图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的图1所示固体氧化物燃料电池组件的部件图；
图3a示出了根据本发明的一个实施例的图1所示固体氧化物燃料电池组件内使用的单个电池堆的示意图；
图3b示出了根据本发明的一个实施例的单个电池堆的示意图；
图4a示出了当使用结合图3a详细描述的热交换器歧管时的电池等温线；和
图4b示出了不包括与结合图3a所述的热交换器歧管相似的热交换器歧管的电池的电池等温线。
具体实施方式
现在将在下文中结合附图对本发明进行更完全地描述，在所述附图中示出了本发明的一些而不是全部实施例。这些发明实际上可以多种不同形式实施且不应被解释为限于在此阐述的实施例；而是，这些实施例被提供以使得本披露内容将满足可应用的合法需求。相似的附图标记始终表示相似的元件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的固体氧化物燃料电池组件10。该组件10包括大壳体12，所述大壳体具有可拆卸地附到壳体12的底侧上以密封组件10的板14。电源正极端子16、电源负极端子18、燃料入口28、废燃料出口22、空气入口24和空气出口20伸出穿过板14。燃料和空气入口28、24提供空气和燃料，如本领域的技术人员已公知地，所述空气和燃料通过固体氧化物燃料电池内的互连装置被分别分配至阳极和阴极。同样地，废燃料出口22和空气出口20允许消耗过的燃料和空气在通过组件10内的电池堆之后被排出。燃料和空气入口28、24以及燃料和空气出口22、20被连接至固体氧化物燃料电池组件10内的歧管组件(未示出)，新鲜空气和燃料以及废空气和燃料通过所述歧管组件。图2更详细地示出了堆组件10的内部部件。
图2示出了根据本发明的一个实施例的图1所示固体氧化物燃料电池组件10的分解视图，其中分解视图示出了组件10的内部部件。如图2所示，组件10的内部部件被包含在壳体12内。绝缘层32位于壳体内部顶部，所述绝缘层直接位于静负载(dead weight)34上面且与其邻近。如本领域已公知地，使用静负载34以便有利于堆模件40的元件之间的良好电接触，如下所述。直接位于静负载34下面的是堆模件40最顶部的元件，连接至电源正极端子16的顶部集流器板36。作为堆模件40最底部元件的底部集流器板42位于堆模件40的相对端且被连接至电源负极端子18。尽管图2仅示出了一个顶部集流器板36和底部集流器板42，但应该意识到堆模件40可包括多个集流器板以收集由堆模件40内的电池产生的电流。因此，应该意识到，图2的分解视图旨在作为固体氧化物燃料电池组件10中的部件的概略图且因此不包括堆模件中的每个部件，或堆模件40内的每个电池。下面结合图3a对堆模件40内的单个电池进行示意性地详细描述。
再次参见图2，图2所示的组件10还包括位于顶部集流器板36与堆模件40内的顶部电池的阴极之间的互连装置38。如本领域已公知地，堆模件40可包括用以将堆模件40内的多个电池连接在一起且用作阴极和阳极的电触点同时保护阴极避开阳极的还原性气氛的多个互连装置。堆模件40被封在绝缘构件44、46内，且组件10通过可拆卸地附到壳体12底侧上的板14密封在大壳体12内。尽管图2中未示出，但应该意识到固体氧化物燃料电池组件10可包括附加部件如歧管组件、空气和燃料管道和波纹管、绝缘装置、电源板、垫圈和类似部件，如本领域的技术人员已公知地。
图3a示出了根据本发明的一个实施例的电池堆48的示意图。电池堆48仅表示图2所示堆模件40内的单个电池堆或子堆。因此，应该意识到多个电池堆48被叠置在一起以形成堆模件40。如图3a所示，电池堆48通常包括电池54。如本领域已公知地，电池54具有三个部分，包括阴极、电解质和阳极(未示出)，且电解质被夹在阴极与阳极之间。一种最普通的电解质材料是氧化钇(Y2O3)稳定化的立方氧化锆或YSZ，尽管还可采用钪掺杂的氧化锆和钆掺杂的二氧化铈。本领域的技术人员尤其应该注意的是：阳极、电解质和阴极的热膨胀系数(CTE)应该相匹配。在固体氧化物燃料电池的工作过程中，空气经过阴极且燃料经过阳极，且电解质将氧离子从阴极传导至阳极，在所述阳极处所述氧离子与燃料发生化学反应。由离子通过诱发的电荷随后可被收集并传导远离电池，如本领域已公知地。
电池堆48还包括直接邻近电池54阴极的阴极(或空气)流场52和直接邻近电池阳极的阳极(或燃料)流场56。相应的空气流场52和燃料流场56由分别位于邻近电池54的阴极和阳极的位置处的互连装置形成。互连装置用以将燃料和空气分别分配至阳极和阴极。互连装置还提供了相邻电池堆的阳极与阴极之间的屏障，且还可用作集流器。互连装置通常是具有优越电导率、抗氧化还原性、与接触层相匹配的热膨胀系数(CTE)且不可透过的陶瓷或铁素体不锈钢。电池堆48进一步包括使燃料流和空气(即氧化气体)流相隔开的密封件。由于整个电池堆48暴露于非常高的温度下，因此热膨胀是固体氧化物燃料电池发挥适当功能的关键考虑因素。
如图3a所示，空气进入直接邻近电池54周边处的一个或多个空气入口53的阴极流场52以从电池54中直接吸收热量。空气温度随着其朝向电池54中心行进而增加。阴极流场52包括中心开口，空气可通过所述中心开口，且行进远离55电池54。空气随后通过歧管热交换器50的中心附近的歧管热交换器50的底侧上的开口58进入歧管热交换器50。歧管热交换器50被包括在电池堆48内，以使得堆模件40内的每个电池堆可包括用于接收通过相应电池的空气的相应歧管。歧管热交换器50通常是平的，且可由铂、不锈钢、不锈钢446、Ebrite或类似于不锈钢的合金构成。进一步地，根据本发明的另一个可选实施例，每个电池堆可具有少于一个歧管热交换器50，以使得通过一个以上阴极的空气可进入单个歧管热交换器。
进入歧管热交换器50的空气随着朝向一个或多个排气口60流动而通过歧管板间接吸收附加热量。如图3a所示，由于空气从歧管热交换器50的中心进入歧管热交换器50，因此空气通过交换器50内的一条或多条通道流向歧管热交换器50的周边。空气随后通过歧管热交换器50外部上的一个或多个空气排气口60而流出热交换器。随后，如本领域的技术人员已公知地，通过连接排出空气的管道(未示出)从固体氧化物燃料电池中排放出排出空气。如图3a中还示出，歧管热交换器50包括燃料入口61，所述燃料入口是燃料流动通过的狭窄通路。在通过燃料入口后，燃料通过位于直接邻近阳极侧上的电池54的中心的位置处的通道进入63阳极流场56。在与阴极侧上的空气流相对或相反的流中，燃料从直接邻近电池54中心的位置向电池54周边流动，在所述电池周边处废燃料65被排出。与废空气类似地，如本领域的技术人员已公知地，可通过燃料排出波纹管(未示出)从固体氧化物燃料电池中排放出排出燃料。
图3a所示的电池堆48导致空气和燃料流的球形对流布置。因此空气从电池阴极外部流过阴极流向电池阴极内部，而燃料从电池阳极内部流向电池阳极外部。这样就减小了穿过电池54的温差和温度梯度，由此减小热应力并增加电池寿命。该布置还有效地使过热点与电池堆密封件相隔离以增加其坚固性和耐久性。结果是，电池堆48性能稳定，且明显减少了发生泄漏和阳极氧化的可能性。应该意识到，尽管图3a所示的阴极流场52示出空气以蜿蜒方式从电池外部朝向电池中心行进，但是几乎可使用任何布置，只要空气从阴极流场52周边进入且朝向电池54的中心流动即可。同样地，尽管阳极流场56示出燃料以螺旋、顺时针方式通过阳极流场56，但阳极流场56还可构造成其它可选布置，所述布置允许燃料从邻近电池54中心的位置向电池54的周边流动。
图3b示出了根据本发明的一个实施例的单个电池堆的另一个示意图。与图3a的示意图相似地，单个电池堆包括直接邻近电池74的阴极和阳极的空气流场72和燃料流场76。图3b还示出了歧管热交换器70。与结合图3a讨论的实施例同样地，该设计导致空气和燃料流的球形对流布置，其中空气从电池阴极外部流过阴极流向电池阴极内部，且燃料从电池阳极内部朝向电池阳极外部流动。这样就减小了穿过电池74的温差和温度梯度，由此减小热应力并增加电池寿命。
图4a和图4b示出了分别在使用和不使用类似于结合图3a详细描述的热交换器歧管的热交换器歧管情况下的电池等温线。如图4a所示，当使用热交换歧管时，穿过电池所有部分的总温差为约50℃。这与如图4b所示的当不使用歧管热交换器时约100℃的电池温差明显不同。由于电池温差减小，因此使用根据本发明的热交换器歧管导致温度梯度和热应力的减少，这减少了电池开裂且增加了电池寿命。这还增加了密封件的寿命和强度，由此防止产生泄漏和阳极氧化。这进一步减少了热损失且增加了***效率。
本领域的技术人员将意识到在此阐述的多种变型和发明的其它实施例，这些发明所涉及的所述多种变型和其它实施例具有前面描述和相关附图中所示的教导的优点。因此，应该理解本发明不限于披露的具体实施例，且变型和其它实施例旨在被包括在所附技术方案的范围内。尽管在此采用了专用术语，但它们仅用于一般和描述性意义且不是为了限制的目的。
                        零件表
10  固体氧化物燃料电池组件
12  大壳体
14  板
16  电源正极端子
18  电源负极端子
20  空气出口
22  废燃料出口
24  空气入口
28  燃料入口
32  绝缘层
34  静负载
36  顶部集流器板
38  互连装置
40  堆模件
42  底部集流器板
44  绝缘构件
46  绝缘构件
48  电池堆
50  歧管热交换器
52  阴极(或空气)流场
53  空气入口
54  电池
55  空气离开阴极流场
56  阳极(或燃料)流场
58  开口
60  排气口
61  燃料入口
63  空气进入阳极流场
65  废燃料
70  歧管热交换器
72  空气流场
74  电池
76  燃料流场。

Claims (15)

1、一种用于使燃料电池中的电池温差最小化的方法，包括：
使空气通过电池(54、74)的第一表面以从所述电池(54、74)中直接吸收热量，其中所述空气来源于所述电池(54、74)的周边；
在邻近所述电池(54、74)的歧管热交换器(50、70)处接收空气，其中所述空气从所述歧管热交换器(50、70)中吸收热量，所述歧管热交换器(50、70)从所述电池(54、74)中吸收所述热量；并且
通过所述歧管热交换器(50、70)的至少一个排气口(60)将所述空气从所述歧管热交换器(50、70)的周边排出。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述在邻近所述电池(54、74)的歧管板(14)处接收所述空气的步骤包括在所述歧管热交换器(50、70)的中心处接收所述空气的步骤。
3、根据权利要求1所述的方法，其中所述歧管热交换器(50、70)包括歧管板(14)。
4、根据权利要求1所述的方法，其中所述使空气通过所述电池(54、74)的第一表面以从所述电池(54、74)中直接吸收热量的步骤包括使空气从所述电池(54、74)的周边通过所述电池(54、74)的第一表面到达所述电池(54、74)的中心部分。
5、根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
在所述歧管热交换器(50、70)中设置燃料通路；并且
经由所述燃料通路使燃料到达所述电池(54、74)的第二表面。
6、根据权利要求5所述的方法，其中所述使燃料通过的步骤包括经由燃料通路使所述燃料到达所述电池(54、74)的第二表面的步骤，所述燃料通路使所述燃料到达在所述电池(54、74)的中心部分处的所述第二表面。
7、根据权利要求6所述的方法，进一步包括将所述燃料从所述电池(54、74)的周边排出的步骤。
8、一种用于使燃料电池中的电池温差最小化的***，包括：
邻近电池(54、74)的空气流场(52、72)，其中所述空气流场(52、72)可工作以载运空气从所述电池(54、74)的周边通过所述电池(54、74)的第一表面到达所述电池(54、74)的中心；
邻近所述空气流场(52、72)的歧管热交换器(50、70)，其中所述歧管热交换器(50、70)可工作以从所述空气流场(52、72)中接收所述空气，且其中所述歧管热交换器(50、70)可进一步工作以将所述空气从所述歧管热交换器(50、70)周边中的至少一个排气口(60)排出。
9、根据权利要求8所述的***，其中所述空气流场(52、72)包括至少一个中心开口(58)，所述空气可从所述空气流场(52、72)通过所述开口到达所述歧管热交换器(50、70)。
10、根据权利要求8所述的***，其中所述歧管热交换器(50、70)包括歧管板(14)。
11、根据权利要求8所述的***，进一步包括燃料流场(56、76)，所述燃料流场可工作以载运燃料从所述电池(54、74)的中心通过所述电池(54、74)的第二表面到达所述电池(54、74)的周边。
12、根据权利要求11所述的***，其中所述歧管热交换器(50、70)可工作以为所述燃料流场(56、76)供应燃料。
13、根据权利要求12所述的***，其中所述歧管热交换器(50、70)进一步包括大体上位于所述歧管热交换器(50、70)中心的燃料通路。
14、根据权利要求8所述的***，其中所述电池(54、74)是固体氧化物燃料电池堆内的电池(54、74)。
15、根据权利要求14所述的***，其中所述歧管热交换器(50、70)和所述电池(54、74)包括在具有多个电池堆(48)的固体氧化物燃料电池内的单个电池堆(48)。
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