热控制装置制造方法及图纸

一种能量系统，它包括： 作为热源工作的电化学转换器；和 与具有等温表面温度的所述电化学转换器热结合的热控制装置，所述装置包括： 透气热传导介质； 用于在所述介质内形成热梯度的装置，所述热梯度大致垂直于限定在所述介质的一个表面上的等温界面；和 用于形成工作流体流过所述介质的流动的装置，所述流动大致与所述热梯度的方向相同。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及过程的热控制装置，特别是涉及高温电化学转换器和相关的热交换装置。用于燃料电池热控制的“传统”方法是强迫作为冷却介质的液态或气态冷却剂流通过燃料电池组件。通常用冷却水冷却环境温度装置，用空气冷却高温燃料电池。在某些情况下，将用作燃料电池的氧化剂的空气也用作冷却介质。冷却剂通常以燃料电池的工作温度或以接近燃料电池的工作温度的温度进入燃料电池组件。冷却介质通过燃料电池并利用其显热热容带走热量。这种方法所需的冷却剂体积流量与冷却介质的设计温升成反比，这是由电解质的电化学过程的有限范围决定的，或由燃料电池带有受热应力限制的陶瓷的情况所决定的。上述对冷却介质温升的限制导致了冷却剂的流速大大高于只进行电化学反应所需的流速。由于必须对较大的流量进行预热和循环，因此需要有一个专门的反应物热控制子系统。这种热控制子系统一般包括用于对过量冷却剂流进行回热加热、泵送和处理设备。这些附加的组件大大增加了系统的总成本。为了说明清楚起见，假定采用一种适合于预热燃料电池反应物、工作温差为100℃并且传热率一般为500Btu/hr-ft2(0.13W/cm2)的再生式热交换器。另外假定电池效率为50％，并且不出现过量的冷却剂流量，并在环境压力下工作，再生器的热处理或热传递表面的面积与燃料电池电解质的表面积具有相同的数量级。假定过量的冷却剂流量需求比燃料电池反应物流量所需的数量大10倍，作为传统方法的典型数值，热交换器表面积比有效燃料电池表面积大10倍。热交换器的尺寸太大会使热交换器难以与电化学转换器整体构成一个紧凑和有效的热控制系统。因此，这就需要更好的热控制方法，特别是用在电化学能源系统的热控制方法。尤其是，一种能更好地调节和保持电化学能源系统的工作温度的改进的热交换系统则体现了工业上的重大改进。专利技术的概括本专利技术提供用于在热源和冷源(heat sink)之间进行热交换的热控制系统和装置。这里所公开的热交换结构具有相等的表面温度。概括地说，本专利技术使用气体扩散结构分配工作流体。在一个实施例中，本专利技术的热控制系统包括一个用于在热源与冷源之间进行热交换的透气结构或介质。该结构可包括至少一个具有暴露于外部环境的外表面和暴露于内部环境的内表面的壁部件，热量可在这两个表面之间交换。例如，本专利技术可采用具有沿纵轴廷伸的一个或多个同轴圆柱体的管状结构。该圆柱体最好具有多条贯穿其间的通道。另外，该圆柱体可以是有许多均匀分配工作流体的孔的多孔结构。在另一个实施例中，其结构可制成一种多板结构，这种多板结构具有设在板间的多条通道或多个空隙。工作流体通过这些通道在板间流动。在本专利技术的另外一个实施例中，揭示了一种具有可渗透内管的双腔结构，该内管具有贯穿内管的用于均匀地将工作流体分配到外腔的一些孔，在该外腔，工作流体和外部环境之间进行热交换。等温装置既可用作热源也可用作冷源。当它用作热源时，工作流体的温度高于外部环境的温度。相反，当工作流体的温度低于外部环境温度时，该装置用作冷源。下面将描述本专利技术的一些优选实施例。但是应当清楚，本领域的专业技术人员在不脱离本专利技术的精神或保护范围的情况下可对本专利技术进行各种变换和修改。例如，可利用上述结构的各种组合来实现等温热交换表面。然而，虽然该结构被描述成圆柱形、管状结构，但该结构也可以是正方形、矩形或其它几何形状。(这里所用的术语“管”或“管状”是泛指具有一根纵轴和至少一个用作工作介质导管的内腔的各种长形几何结构)。对本领域的专业人员来说，用各种不同的设计部件进行替换，特别是热交换器装置和燃料电池的替换是显而易见的(例如电极和电解质的外形、气体的多样性、部件的比例和材料的选择)，并且应当理解，这里所描述的替换装置都可看作是等同物。附图的简要说明附图说明图1是本专利技术热控制装置的方框图；图2是使用多孔结构进行温度控制的一种装置的侧剖视图；图3是使用多块板进行温度控制的另一种装置的侧剖视图；图4是本专利技术具有等温反应物分配装置的燃料电池的侧剖视图；图5是本专利技术另一种装置的端面剖视图；图5A是图4的装置的侧剖视图；图6是使用一个探头状等温热交换器和多个燃料电池组件的热控制系统的简化等角图；图7是使用一个环状等温热交换器和一个燃料电池组件的热控制系统的另一个简化等角图。详细描述图1表示热控制系统10的方框图，该系统包括一个具有空气和燃料反应物输入端的热源(燃料电池组件)12和一个使用工作流体的冷源(heat sink)(热交换器)20。该燃料电池组件12将热辐射到热交换器20(如波形箭头所示)。燃料电池组件12可具有一个电化学电池单元组，如1986年12月16日授权的、申请人为Hsu的美国专利US4,629,537所示，并且该文献作为本说明书的参考文献。在电化学电池组中的电池单元可包括一个电解质/电极夹层和一个互接板。该互接板用作相邻电解质板之间的电连接器和用作燃料16和氧化剂14气体之间的隔板，以及提供沿电极表面和延续到该板的外缘的热传导通路。为了取得最佳工作状态，燃料电池组件也应用于等温工作过程，以便与热交换器的等温特性相匹配。术语“电化学电池单元”包括一个能以电解电池模式(即冷源)、燃料电池模式(即热源)工作的电化学转换器，并用作一个燃烧器。热交换器20用于从燃料电池组件12取走热能或给燃料电池组件补充热能。热交换器20与燃料电池12之间的热传递取决于热辐射。辐射热耦(radiative thermal coupling)可以是高热流。它提供了机械去耦并从而放宽了设计上的限制和对热交换器部件的材料选择。普通专业技术人员也可理解到，热交换器可设置在与燃料电池相接触的地方或与燃料电池实际上做成一个整体，以便通过热传导而不是热辐射进行传热。热交换器20和燃料电池12可以各种不同的方式设置，例如，热交换器20可以是如1989年8月1日授权的、专利技术人为Hsu的美国专利US4,853,100所示和所述的那样与燃料电池组件12互相交叉的，该文献作为本说明书的参考文献。该热交换器可以作为使用再循环(或再生)工作流体的闭式循环工作，它也可以是以使用用作热交换器流体的燃料电池废反应物的开式增压模式工作。图2表示本专利技术等温结构(热交换器)的一个实施例。热交换器27具有接收来自环境(例如来自附近的燃料电池)辐射热的多孔结构28。工人流体26从内部通道或从储液器34流到这里并径向地向外渗透，直至达到介质的外表面28B。可设置一根外导管，以便收集加热后的工作流体26并将其输送到能源系统的其它部分。为了确保工作流体26的流速在轴向和水平方向上的均匀性，应使工作流体透过结构28时的径向压降保持在大大高于工作流体26流过储液器34时的压力上。还可增设一根内流分配管，以提高流动的均匀。本专利技术的热交换器装置还可使用如图3所示的多块板。热交换器29包括一组如图所示那样上下叠置的板42，同时在板间留有使工作流体26流通的空间。工作流体26流过连接热交换器板42的储液器34。板42可大致排列成如图所示的圆柱形或者也可以排列成其它几何形状的管状体。图3的实施例专用于等温燃料电池的结构中。例如，可通过在电池单元间使用间隔开的层叠部件实现反应物的均匀流动。图4表示出本专利技术的等温热源是如何构成的。如图所示，燃料电池70由一组层叠的单元构成，每个单元都包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：M·S·徐，E·D·霍阿格，
申请(专利权)人：兹特克公司，
类型：发明
国别省市：