用于燃料电池堆中热管理的选择性旋转流场制造技术

一种电化学电池堆，包括多个电化学电池单元，每个电化学电池单元包括阴极、阳极和电解质；电化学电池堆还包括多个相连部。相连部设置在相邻的电化学电池单元之间。在每个阳极与相应相邻的相连部之间限定燃料通道，所述燃料通道具有燃料入口和出口。在每个阴极与相应相邻的相连部之间限定氧化剂通道，所述氧化剂通道具有氧化剂入口和出口。所述多个电化学电池单元和相连部包括：第一电化学电池单元、邻近于所述第一电化学电池单元的第一相连部、邻近于所述第一相连部的第二电化学电池单元、和邻近于所述第二电化学电池单元的第二相连部。所述第二相连部相对于所述第一相连部围绕所述燃料电池堆的纵向轴线旋转地偏移。

Selective rotating flow field for thermal management in fuel cell stacks

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于燃料电池堆中热管理的选择性旋转流场相关申请的交叉引用本申请要求2017年6月29日提交的、名称为“用于燃料电池堆中热管理的选择性旋转流场”的美国临时专利申请No.62/526,683的优先权和利益，其全部的公开内容通过引用并入本文。
本公开内容涉及高温燃料电池堆和电解堆，特别是涉及固体氧化物(SOFC)和固体氧化物电解电池(SOEC)堆，更特别地涉及包括热管理的高功率密度的紧凑SOFC堆。
技术介绍
固体氧化物燃料电池包括：电解质，其夹在阴极与阳极之间。氧气与阴极处的电子反应以形成氧离子，氧离子通过离子传导陶瓷电解质被传导至阳极。在阳极处，氧离子与可用燃料(例如氢和一氧化碳)结合以形成产物(例如水和二氧化碳)，由此解放电子以产生电力。该技术当供应有适合反应物(例如水和二氧化碳)和电力时同样能够逆向运行以形成燃料气体和氧气。在此情况下，所述技术被称为固体氧化物电解电池。SOFC研发已见多种方式(阳极、阴极或电解质支持的、单件陶瓷/金属相连部、平面式/管式及其变例)。所述技术商业化的主要挑战为：同时实现可市场化的价格、合理性能和实用的使用寿命。这些驱动因素紧密相关。
技术实现思路
国际专利申请No.PCT/IB2018/053099(2018年5月4日提交，要求2017年5月4日由本申请人提交的美国临时申请No.62/501,633的优先权)描述了一种燃料电池堆，其具有密闭密封燃料电池单元。燃料电池堆包括：与多个相连部交替的多个固体氧化物燃料电池。每个燃料电池包括阴极、电解质、阳极、和可选的阳极支撑体。燃料电池和相连部成形而使得：当所述堆形成时纵向通道沿纵向延伸通过燃料电池堆。在一些实施方式中，燃料电池和相连部具有环形的形状，并且纵向通道是中心通道，其位于所述堆的轴向中心处。国际专利申请No.PCT/IB2018/053099(“‘099申请”)在此全文(包括其与上述燃料电池堆有关的公开内容)通过引用并入本文。本文中所述实施方式整体上涉及被构造以实现热管理的电化学电池堆，特别是涉及包括相连部(设置在电化学电池堆的多个电化学电池单元中的每个之间)的电化学电池堆。每个相连部相对于相邻相连部旋转地偏移，以将氧化剂入口吸热扩展到更大比例的电化学电池区域中并减少多个电化学电池单元中的温差。在一些实施方式中，一种电化学电池堆包括：多个电化学电池单元，每个电化学电池单元包括：阴极、阳极、和设置在所述阴极和所述阳极之间的电解质。电化学电池堆还包括多个相连部，每个相连部设置在相邻的燃料电池单元之间。在每个阳极与相应相邻相连部之间限定燃料通道，所述燃料通道具有燃料入口和燃料出口。在每个阴极与相应相邻的相连部之间限定氧化剂通道，所述氧化剂通道具有氧化剂入口和氧化剂出口。所述多个电化学电池单元和相连部包括：第一燃料电池单元、邻近于所述第一燃料电池单元的第一相连部、邻近于所述第一相连部的第二燃料电池单元、和邻近于所述第二燃料电池单元的第二相连部。所述第二相连部相对于所述第一相连部围绕所述燃料电池堆的纵向轴线旋转地偏移。在一些实施方式中，所述第二相连部相对于所述第一相连部旋转地偏移10度至170度的范围内的角度。在特定实施方式中，所述第二相连部相对于所述第一相连部旋转地偏移60度的角度。在一些实施方式中，所述多个相连部中的每个相连部相对于相邻的相连部旋转地偏移10度至60度的角度。在一些实施方式中，所述多个相连部中的每个均包括：流体联接至所述燃料入口的燃料入口通道，所述燃料入口通道位于所述电化学电池单元的内接第一角度的弧段上，所述第一角度在约2度至10度的范围内。在特定实施方式中，所述第一角度为约5度。在一些实施方式中，所述多个相连部中的每个包括：流体联接至所述氧化剂入口的氧化剂入口通道，所述氧化剂入口通道位于所述电化学电池单元的内接第二角度的弧段上，所述第二角度在约15度至30度的范围内。在特定实施方式中，所述第二角度为约20度。在一些实施方式中，所述多个相连部中的每个沿所述纵向轴线按照旋转样式旋转地偏移，所述旋转样式以每组2至10个相连部而重复。在一些实施方式中，所述多个相连部中的每个包括多个燃料通道和多个氧化剂通道。所述多个相连部中的每个包括相连部主体，所述相连部主体沿其纵向轴线限定纵向通道，所述相连部主体包括多个折皱，所述多个折皱在所述相连部主体的面对所述第一电化学电池单元的第一表面上限定所述多个燃料通道且在所述相连部主体的面对所述第二电化学电池单元的第二表面上限定多个氧化剂通道，所述多个燃料通道和所述多个氧化剂通道中的每个围绕所述纵向通道定位。在一些实施方式中，所述多个燃料通道中的每个的燃料通道基底电接触对应的第二电化学电池单元的阳极；并且所述多个氧化剂通道中的每个的氧化剂通道基底电接触对应的第一电化学电池单元的阴极。在一些实施方式中，所述多个相连部中的每个包括燃料入口通道、燃料出口通道、氧化剂入口通道和氧化剂出口通道，所述燃料入口通道和燃料出口通道中的每个流体联接至所述多个相连部中的对应相连部的所述多个燃料通道中的每个，并且所述氧化剂入口通道和氧化剂出口通道中的每个流体联接至所述多个相连部中的对应相连部的所述多个氧化剂通道中的每个。在另一实施方式中，一种燃料电池堆包括多个燃料电池单元，每个燃料电池单元包括阴极、阳极、和设置在所述阴极和所述阳极之间的电解质。燃料电池堆还包括多个相连部，每个相连部设置在相邻的燃料电池单元之间。在每个阳极与相应相邻的相连部之间限定燃料通道，所述燃料通道具有燃料入口通道和燃料出口通道。在每个阴极与相应相邻的相连部之间限定氧化剂通道，所述氧化剂通道具有氧化剂入口通道和氧化剂出口通道。多个燃料电池单元和相连部包括：第一燃料电池单元、邻近于所述第一燃料电池单元的第一相连部、邻近于所述第一相连部的第二燃料电池单元、和邻近于所述第二燃料电池单元的第二相连部。对应于所述第二燃料电池单元的燃料入口通道相对于对应于所述第一燃料电池单元的燃料入口通道围绕所述燃料电池堆的纵向轴线旋转地偏移。在另一实施方式中，一种燃料电池堆包括多个燃料电池单元，每个燃料电池单元包括阴极、阳极、和设置在所述阴极和所述阳极之间的电解质。燃料电池堆还包括多个相连部，每个相连部设置在相邻的燃料电池单元之间。燃料通道被限定在每个阳极与相应的相邻相连部之间，所述燃料通道具有燃料入口通道和燃料出口通道。在每个阴极与相应相邻的相连部之间限定氧化剂通道，所述氧化剂通道具有氧化剂入口通道和氧化剂出口通道。多个燃料电池单元和相连部包括：第一燃料电池单元、邻近于所述第一燃料电池单元的第一相连部、邻近于所述第一相连部的第二燃料电池单元、和邻近于所述第二燃料电池单元的第二相连部。对应于所述第二燃料电池单元的氧化剂入口通道相对于对应于所述第一燃料电池单元的氧化剂入口通道围绕所述燃料电池堆的纵向轴线旋转地偏移。前述是本公开内容的概述，因而必要地包含简化、归纳和细节省略。因此，本领域技术人员应认识到，概述仅为例示性的，并非意在以任何方式进行限制。如权利要求书限定的本文中所述的装置和/或过程的其它方面、特征、和优点，在本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学电池堆，包括：/n多个电化学电池单元，每个电化学电池单元包括：阴极、阳极、和设置在所述阴极和所述阳极之间的电解质；/n多个相连部，每个相连部设置在相邻的电化学电池单元之间；/n其中，在每个阳极与相应相邻的相连部之间限定燃料通道，所述燃料通道具有燃料入口和燃料出口；/n其中，在每个阴极与相应相邻的相连部之间限定氧化剂通道，所述氧化剂通道具有氧化剂入口和氧化剂出口；并且/n其中所述多个电化学电池单元和相连部包括：第一电化学电池单元、邻近于所述第一电化学电池单元的第一相连部、邻近于所述第一相连部的第二电化学电池单元、和邻近于所述第二电化学电池单元的第二相连部，所述第二相连部相对于所述第一相连部围绕所述电化学电池堆的纵向轴线旋转地偏移。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170629 US 62/526,6831.一种电化学电池堆，包括：
多个电化学电池单元，每个电化学电池单元包括：阴极、阳极、和设置在所述阴极和所述阳极之间的电解质；
多个相连部，每个相连部设置在相邻的电化学电池单元之间；
其中，在每个阳极与相应相邻的相连部之间限定燃料通道，所述燃料通道具有燃料入口和燃料出口；
其中，在每个阴极与相应相邻的相连部之间限定氧化剂通道，所述氧化剂通道具有氧化剂入口和氧化剂出口；并且
其中所述多个电化学电池单元和相连部包括：第一电化学电池单元、邻近于所述第一电化学电池单元的第一相连部、邻近于所述第一相连部的第二电化学电池单元、和邻近于所述第二电化学电池单元的第二相连部，所述第二相连部相对于所述第一相连部围绕所述电化学电池堆的纵向轴线旋转地偏移。


2.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中，所述第二相连部相对于所述第一相连部旋转地偏移10度至170度的范围内的角度。


3.根据权利要求2所述的电化学电池堆，其中，所述第二相连部相对于所述第一相连部旋转地偏移约60度的角度。


4.根据权利要求2所述的电化学电池堆，其中，所述多个相连部中的每个相连部相对于相邻的相连部旋转地偏移10度至170度之间的角度。


5.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中，所述多个相连部中的每个均包括：联接至所述燃料入口的燃料入口通道，其中，所述燃料入口通道位于所述电化学电池单元的内接第一角度的弧段上，所述第一角度在2度至10度的范围内。


6.根据权利要求5所述的电化学电池堆，其中，所述第一角度为约5度。


7.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中，所述多个相连部中的每个包括：联接至所述氧化剂入口的氧化剂入口通道，其中，所述氧化剂入口通道位于所述电化学电池单元的内接第二角度的弧段上，所述第二角度在15度至30度的范围内。


8.根据权利要求7所述的电化学电池堆，其中，所述第二角度为约20度。


9.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中，所述多个相连部中的每个沿所述纵向轴线按照旋转样式旋转地偏移，所述旋转样式以每组2至10个相连部而重复。


10.根据权利要求1所述的电化学电池堆，其中，所述多个相连部中的每个包括多个燃料通道和多个氧化剂通道，所述多个相连部中的每个包括相连部主体，所述相连部主体沿其纵向轴线限定纵向通道，所述相连部主体包括多个折皱，所述多个折皱在所述相连部主体的面对所述第一电化学电池单元的第一表面上限定所述多个燃料通道且在所述相连部主体的面对所述第二电化学电池单元的第二表面上限定多个氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·C·布朗，K·B·卢克，
申请(专利权)人：维萨电力系统有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US