專利名稱：熱控制裝置的制作方法
背景技術：
本發明涉及過程的熱控制裝置，特別是涉及高溫電化學轉換器和相關的熱交換裝置。
用于燃料電池熱控制的“傳統”方法是強迫作為冷卻介質的液態或氣態冷卻劑流通過燃料電池組件。通常用冷卻水冷卻環境溫度裝置，用空氣冷卻高溫燃料電池。在某些情況下，將用作燃料電池的氧化劑的空氣也用作冷卻介質。冷卻劑通常以燃料電池的工作溫度或以接近燃料電池的工作溫度的溫度進入燃料電池組件。冷卻介質通過燃料電池并利用其顯熱熱容帶走熱量。這種方法所需的冷卻劑體積流量與冷卻介質的設計溫升成反比，這是由電解質的電化學過程的有限范圍決定的，或由燃料電池帶有受熱應力限制的陶瓷的情況所決定的。
上述對冷卻介質溫升的限制導致了冷卻劑的流速大大高于只進行電化學反應所需的流速。由于必須對較大的流量進行預熱和循環，因此需要有一個專門的反應物熱控制子系統。這種熱控制子系統一般包括用于對過量冷卻劑流進行回熱加熱、泵送和處理設備。這些附加的組件大大增加了系統的總成本。
為了說明清楚起見，假定采用一種適合于預熱燃料電池反應物、工作溫差為100℃并且傳熱率一般為500Btu/hr-ft2(0.13W/cm2)的再生式熱交換器。另外假定電池效率為50％，并且不出現過量的冷卻劑流量，并在環境壓力下工作，再生器的熱處理或熱傳遞表面的面積與燃料電池電解質的表面積具有相同的數量級。假定過量的冷卻劑流量需求比燃料電池反應物流量所需的數量大10倍，作為傳統方法的典型數值，熱交換器表面積比有效燃料電池表面積大10倍。熱交換器的尺寸太大會使熱交換器難以與電化學轉換器整體構成一個緊湊和有效的熱控制系統。
因此，這就需要更好的熱控制方法，特別是用在電化學能源系統的熱控制方法。尤其是，一種能更好地調節和保持電化學能源系統的工作溫度的改進的熱交換系統則體現了工業上的重大改進。
發明的概括本發明提供用于在熱源和冷源(heat sink)之間進行熱交換的熱控制系統和裝置。這里所公開的熱交換結構具有相等的表面溫度。概括地說，本發明使用氣體擴散結構分配工作流體。
在一個實施例中，本發明的熱控制系統包括一個用于在熱源與冷源之間進行熱交換的透氣結構或介質。該結構可包括至少一個具有暴露于外部環境的外表面和暴露于內部環境的內表面的壁部件，熱量可在這兩個表面之間交換。
例如，本發明可采用具有沿縱軸廷伸的一個或多個同軸圓柱體的管狀結構。該圓柱體最好具有多條貫穿其間的通道。另外，該圓柱體可以是有許多均勻分配工作流體的孔的多孔結構。
在另一個實施例中，其結構可制成一種多板結構，這種多板結構具有設在板間的多條通道或多個空隙。工作流體通過這些通道在板間流動。
在本發明的另外一個實施例中，揭示了一種具有可滲透內管的雙腔結構，該內管具有貫穿內管的用于均勻地將工作流體分配到外腔的一些孔，在該外腔，工作流體和外部環境之間進行熱交換。
等溫裝置既可用作熱源也可用作冷源。當它用作熱源時，工作流體的溫度高于外部環境的溫度。相反，當工作流體的溫度低于外部環境溫度時，該裝置用作冷源。
下面將描述本發明的一些優選實施例。但是應當清楚，本領域的專業技術人員在不脫離本發明的精神或保護范圍的情況下可對本發明進行各種變換和修改。
例如，可利用上述結構的各種組合來實現等溫熱交換表面。然而，雖然該結構被描述成圓柱形、管狀結構，但該結構也可以是正方形、矩形或其它幾何形狀。(這里所用的術語“管”或“管狀”是泛指具有一根縱軸和至少一個用作工作介質導管的內腔的各種長形幾何結構)。對本領域的專業人員來說，用各種不同的設計部件進行替換，特別是熱交換器裝置和燃料電池的替換是顯而易見的(例如電極和電解質的外形、氣體的多樣性、部件的比例和材料的選擇)，并且應當理解，這里所描述的替換裝置都可看作是等同物。附圖的簡要說明

圖1是本發明熱控制裝置的方框圖；圖2是使用多孔結構進行溫度控制的一種裝置的側剖視圖；圖3是使用多塊板進行溫度控制的另一種裝置的側剖視圖；圖4是本發明具有等溫反應物分配裝置的燃料電池的側剖視圖；圖5是本發明另一種裝置的端面剖視圖；圖5A是圖4的裝置的側剖視圖；圖6是使用一個探頭狀等溫熱交換器和多個燃料電池組件的熱控制系統的簡化等角圖；圖7是使用一個環狀等溫熱交換器和一個燃料電池組件的熱控制系統的另一個簡化等角圖。
詳細描述圖1表示熱控制系統10的方框圖，該系統包括一個具有空氣和燃料反應物輸入端的熱源(燃料電池組件)12和一個使用工作流體的冷源(heat sink)(熱交換器)20。該燃料電池組件12將熱輻射到熱交換器20(如波形箭頭所示)。
燃料電池組件12可具有一個電化學電池單元組，如1986年12月16日授權的、申請人為Hsu的美國專利US4,629,537所示，并且該文獻作為本說明書的參考文獻。在電化學電池組中的電池單元可包括一個電解質/電極夾層和一個互接板。該互接板用作相鄰電解質板之間的電連接器和用作燃料16和氧化劑14氣體之間的隔板，以及提供沿電極表面和延續到該板的外緣的熱傳導通路。為了取得最佳工作狀態，燃料電池組件也應用于等溫工作過程，以便與熱交換器的等溫特性相匹配。術語“電化學電池單元”包括一個能以電解電池模式(即冷源)、燃料電池模式(即熱源)工作的電化學轉換器，并用作一個燃燒器。
熱交換器20用于從燃料電池組件12取走熱能或給燃料電池組件補充熱能。熱交換器20與燃料電池12之間的熱傳遞取決于熱輻射。輻射熱耦(radiative thermal coupling)可以是高熱流。它提供了機械去耦并從而放寬了設計上的限制和對熱交換器部件的材料選擇。普通專業技術人員也可理解到，熱交換器可設置在與燃料電池相接觸的地方或與燃料電池實際上做成一個整體，以便通過熱傳導而不是熱輻射進行傳熱。
熱交換器20和燃料電池12可以各種不同的方式設置，例如，熱交換器20可以是如1989年8月1日授權的、發明人為Hsu的美國專利US4,853,100所示和所述的那樣與燃料電池組件12互相交叉的，該文獻作為本說明書的參考文獻。該熱交換器可以作為使用再循環(或再生)工作流體的閉式循環工作，它也可以是以使用用作熱交換器流體的燃料電池廢反應物的開式增壓模式工作。
圖2表示本發明等溫結構(熱交換器)的一個實施例。熱交換器27具有接收來自環境(例如來自附近的燃料電池)輻射熱的多孔結構28。工人流體26從內部通道或從儲液器34流到這里并徑向地向外滲透，直至達到介質的外表面28B。可設置一根外導管，以便收集加熱后的工作流體26并將其輸送到能源系統的其它部分。為了確保工作流體26的流速在軸向和水平方向上的均勻性，應使工作流體透過結構28時的徑向壓降保持在大大高于工作流體26流過儲液器34時的壓力上。還可增設一根內流分配管，以提高流動的均勻。
本發明的熱交換器裝置還可使用如圖3所示的多塊板。熱交換器29包括一組如圖所示那樣上下疊置的板42，同時在板間留有使工作流體26流通的空間。工作流體26流過連接熱交換器板42的儲液器34。板42可大致排列成如圖所示的圓柱形或者也可以排列成其它幾何形狀的管狀體。
圖3的實施例專用于等溫燃料電池的結構中。例如，可通過在電池單元間使用間隔開的層疊部件實現反應物的均勻流動。
圖4表示出本發明的等溫熱源是如何構成的。如圖所示，燃料電池70由一組層疊的單元構成，每個單元都包括互接板72和電解質/電極夾層74。該夾層結構包括第一電極76、透氣電解質78和第二電極80。各單元之間為氣體通路82A，82B。密封件83確保將燃料和氧化劑氣流引到夾層結構74的相對側。(由于層疊部件的環狀特性，氣體將沿圓周循環以充滿整個空腔。)在另一個實施例中，可通過內導管輸送燃料并輸送來自外部環境的空氣或另一種氧化劑。互接板端部的伸出部分84用于吸取熱量并從而有利于熱控制。雖然圖中所示的該系統以一種氣體沿徑向朝外方向分配的方式工作，但也同樣可以相反的(即徑向朝內)的方式工作。
圖5表示用于圖1所示系統內的熱交換器20的另一個實施例的端面剖視圖。該熱交換器20包括三個同軸的管狀結構，這三個管狀結構最好是軸向隔開的。內腔30具有多條在內表面30A和外表面30B之間延伸的通路36。套筒結構28包圍內管30并具有一個內表面28A和一個外表面28B。套筒28的內表面28A緊貼著內管30的外表面，以使橫向通路36與多孔套筒28流體相通。橫向通路36是等距相隔的。
外管32或壁部件設置在套筒28和內管30外圍，從而形成一個大致同軸的幾何形狀。外管32有一個內表面32A和一個外表面32B。內管30的內腔構成一個細長形的用于儲存工作流體26的中央通路34(如圖5A所示)。外管內表面32A和套筒外表面28B之間形成一個細長形的第二通路38，它與中央通路34大致平行。
內管30和外管32最好用相同的材料，例如金屬或陶瓷制成。多孔套筒結構28可以是陶瓷的。套筒28用于使工作流體從內腔擴散到外腔。
參照圖5A，工作流體26流過用作儲液器并沿縱軸40延伸的細長形中央通路34。當工作流體26通過儲液器34時，迫使工作流體穿過橫向通路36。套筒28覆蓋住橫向通路36，以便接收流過通路36的那部分工作流體26。工作流體26徑向地向外透過多孔套筒28并進入外腔38，在外腔38，該流體由外部熱源，例如由需要冷卻的燃料電池組件或其它系統加熱。容納在外腔38內的工作流體26沿外管32的內表面流動，并吸收從外表面32B傳導給它的熱量。可通過將外管的外表面32B放置在與燃料電池組件12直接接觸的地方或通過將該外管的外表面32B輻射式地連接到燃料電池12上來對它加熱。沿外管32的內表面32A分配工作流體26可有效地在工作流體26與外部環境之間傳遞熱量。通過有選擇地沿內管30設置橫向通路36，可使聚集在第二通路38內的工作流體26的溫度保持恒定。等溫工作流體26沿內表面32A的均勻分配可沿外管的外表面32B形成等溫狀態。通路的尺寸和間隔的大小取決于外管32和內管30的直徑。
上述的熱交換器25是作為冷源工作的。普通專業人員可理解到，熱交換器25也可作為熱源工作。例如，工作流體26可以是熱流體而不是冷卻劑。當熱流體通過儲液器34時，熱從外管的外表面32B傳遞到外部環境中。
也就理解到，通過利用沿燃料電池堆長度方向均勻分配反應物的類似結構，本發明的原理也可用于構成等溫燃料電池(以及其它電化學轉換器)。從整體上說，該燃料電池堆可以調節，并在需要的時候可變成等溫的。
圖6表示使用了多個作為等溫熱源的燃料電池堆12和作為等溫冷源的柱狀熱交換器52的熱控制系統50。該柱狀熱交換器52包括一個外殼54、一個套筒結構28和多條逆流通路34，56。熱交換器52和燃料電池堆12是互相交叉排列而組合在一起的，這與前文提到的和描述過的作為本說明書參考文獻的美國專利US4,853,100相類似。熱傳導介質28具有大致貫穿該介質的中央通路34。多條大致平行于儲液器34的細長形逆流通路56位于介質28周圍。工作流體26沿黑色箭頭所指的方向流過儲液器34。當工作流體由燃料電池堆12產生的熱能加熱時，它基本上沿徑向向外滲透。工作流體26因受到由外殼54施加其上的約束力而聚集在逆流通路56內。熱流體26均勻地分配在介質28的周圍，因而在外殼54處形成了大體均勻的等溫表面。
圖7表示出使用等溫熱交換器62的熱控制系統60的另一個實施例。熱交換器62大體呈環狀并包圍燃料電池堆12(如圖所示)。該熱交換器62具有一個外殼68和一個內熱傳導介質28。介質28在鄰近熱交換器62的內外壁處具有多條通路64，66。工作流體26流過入口通路64并聚集在出口通路66。
如波線所示，利用燃料電池堆12，通過熱輻射對熱交換器內表面62A進行加熱，或者通過使熱交換器內表面62A與相鄰的燃料電池堆12或其它熱源直接接觸來對它進行加熱。因此，介質28被加熱，然后再將熱提供給工作流體26。
工作流體26從包圍熱交換器62外圓周的通路64一端或兩端進入該通路。當由燃料電池12產生的熱使工作流體26徑向地向內滲透時，介質26聚集在逆流通路66內。因此，冷卻劑流體可傳送到熱交換器62外部，以便用于利用工作廢熱發電系統或其它各種應用中。
權利要求
1.一種能量系統，它包括作為熱源工作的電化學轉換器；和與具有等溫表面溫度的所述電化學轉換器熱結合的熱控制裝置，所述裝置包括透氣熱傳導介質；用于在所述介質內形成熱梯度的裝置，所述熱梯度大致垂直于限定在所述介質的一個表面上的等溫界面；和用于形成工作流體流過所述介質的流動的裝置，所述流動大致與所述熱梯度的方向相同。
2.按照權利要求1的系統，它還包括相關的冷源(heatsink)、熱交換器和熱交換表面中的至少一個，以通過輻射或通過與所述冷源相接觸由介質傳遞熱能。
3.按照權利要求1的系統，它還包括用于在工作流體通過所述介質之后接收所述工作流體的收容導管。
4.按照權利要求1的系統，其中受熱流體從所述介質流入一個空間。
5.按照權利要求1的系統，其中所述可滲透熱傳導介質包括一組平板、導槽板、波紋板和盤旋板中的至少一種，并在板間形成能使所述流體從中流過的通路。
6.按照權利要求1的系統，其中所述等溫界面構成等截面或變截面的圓柱形和圓環形表面中的至少一種表面。
7.按照權利要求1的系統，其中流體包括多種不同的燃料和氧化劑流。
8.按照權利要求1的系統，其中電化學轉換器起一個燃燒器的作用，其中受熱流體包括燃氣，燃燒是在流體流出介質時進行的。
9.按照權利要求1的系統，其中電化學轉換器包括從由固體電解質燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、質子交換膜燃料電池和堿性燃料電池組成的組中選擇的轉換器。
10.按照權利要求1的系統，其中利用輔助環狀流體分配管均勻地沿軸向和水平方向分配流體流，該分配管最好是電絕緣體，并且該分配管形成徑向壓力降，它明顯大于由于所述流體流入和/或流出該裝置引起的軸向壓力降。
11.一種能量系統，它包括能作為熱源或冷源工作的電化學轉換器組件；和與具有等溫表面溫度的所述電化學轉換器熱結合的熱控制裝置，所述裝置包括透氣熱傳導介質；用于在所述介質內形成熱梯度的裝置，所述熱梯度大致垂直于限定在所述介質的一個表面上的等溫界面；和用于形成工作流體流過所述介質的流動的裝置，所述流動大致處于所述熱梯度的方向。
12.按權利要求11的系統，它還包括相關的熱源、熱交換器和熱交換器表面中的至少一個，介質通過輻射或接觸從它們中接收熱能。
13.按照權利要求11的系統，它還包括一個用于在工作流體通過所述介質之后接收所述工作流體的收容導管。
14.按照權利要求11的系統，其中流體流流入一個空間。
15.按照權利要求11的系統，其中所述等溫界面構成等截面或變截面的圓柱形和圓環形表面中的至少一種表面。
16.按照權利要求11的系統，其中所述等溫界面構成導槽、波紋和盤旋表面中的至少一種，以使突起與收容流管或熱交換表面之間進行接觸。
17.按照權利要求11的系統，其中流體在兩個約束所述熱傳導、可滲透介質的同軸表面之間徑向流動。
18.按照權利要求11的系統，其中利用輔助環狀流體分配管均勻地沿軸向和水平方向分配流體流，并且該分配管形成徑向壓力降，它明顯大于由于所述流體流入和/或流出該裝置引起的所有軸向壓力降。
19.按照權利要求11的系統，其中所述流體向外徑向流動。
20.按照權利要求19的系統，它還包括一個環繞該系統的圓柱形熱傳導殼體，所述殼體與所述裝置同軸設置。
21.按照權利要求19的系統，其中所述系統設置在鄰近輻射熱源處，用于從所述熱源中吸取熱能。
22.按照權利要求11的系統，其中所述流體向內徑向流動。
23.按照權利要求22的系統，其中該系統由一個圓環、筒狀殼體環繞，并具有熱傳導內殼。
24.按照權利要求22的系統，其中該系統包圍熱源，用于從所述源中吸取熱能。
25.按照權利要求11的系統，其中所述可滲透熱傳導介質由平板、導槽板、波紋板和盤旋板中的至少一種組成，并在板間形成能使所述流體從中流過的通路。
26.按照權利要求25的系統，其中所述傳導介質板是電化學轉換器的互接板的延續部分。
27.按照權利要求26的系統，其中所述裝置用于預熱進入電化學轉換器的氧化劑。
28.按照權利要求26的系統，其中所述裝置用于預熱進入電化學轉換器的燃料。
29.按照權利要求28的系統，其中用燃料重整催化劑涂覆所述傳導介質板。
30.按照權利要求25的系統，其中所述傳導介質板是電化學轉換器的互接板外周邊的延續部分。
31.一種能量系統，它包括從熱交換器、熱交換表面和熱源中的至少一種中接收熱能作為熱源工作的電化學轉換器；和與具有等溫表面溫度的所述電化學轉換器熱結合的熱控制裝置，所述裝置包括透氣熱傳導介質；用于在所述介質內形成熱梯度的裝置，所述熱梯度大致垂直于限定在所述介質的一個表面上的等溫界面；和用于在所述介質內使工作流體產生流動的裝置，所述流動大致處于所述熱梯度的方向。
32.按照權利要求31的系統，其中熱能是從包括燃燒、太陽能聚集、核裂變和聚變中的至少一種組成的一組熱產生過程中得到的。
33.一種能量控制系統，它包括電化學轉換器；和熱控制裝置，它與具有等溫表面溫度的所述電化學轉換器熱結合并具有一個壓力腔，該腔內的壁部件具有直接將工作流體分配到外部環境的一套孔，所述裝置包括用于在工作流體與外部環境之間進行換熱的結構，所述結構包括至少一個具有暴露于所述外部環境的外表面和一個暴露于所述工作流體的內表面的壁部件，從而可在所述環境與所述工作流體之間進行換熱；與用于容納所述工作流體的儲存器的結構相連的儲存器裝置；和用于沿所述壁部件分配所述工作流體，以提供等溫熱交換的分配裝置。
34.按照權利要求33的系統，其中所述結構是一種管狀結構，所述壁部件是一個將所述介質與所述環境分離的外管壁。
35.按照權利要求33的系統，其中所述結構是一種具有設有所述工作流體儲存器的內腔的雙腔管結構。
36.按照權利要求33的系統，其中分配裝置包括一種用于將所述工作流體分配到外腔的帶孔結構，熱在所述工作流體與所述外部環境之間進行交換。
37.按照權利要求33的系統，其中所述分配裝置包括沿內管軸向設置的多條通路，用于將所述工作流體分配到外腔，熱在所述工作流體與所述外部環境之間進行交換。
38.按照權利要求37的系統，其中內管是一種多板結構，在所述板間的空間提供所述通路。
39.按照權利要求33的系統，其中所述管狀部件還包括用于在第一端引入所述工作流體的入口和用于在第二端排出所述工作流體的出口。
40.按照權利要求33的系統，其中所述熱控制裝置還包括用于將所述介質引入所述管狀部件的第一端的裝置；和用于將所述工作流體從所述管狀部件的第二端排出的裝置。
41.按照權利要求33的系統，其中所述熱控制裝置是一個熱源，所述工作流體是受熱流體。
42.按照權利要求33的系統，其中所述熱控制裝置是一個冷源，所述工作流體是冷卻劑。
43.按照權利要求33的系統，它還包括一種包括內管的雙腔管狀結構，具有為工作流體提供儲存器的外腔表面，和圍繞所述內管同軸設置的多孔套筒結構，所述套筒結構與所述腔管緊密接觸。
44.按照權利要求43的系統，其中所述套筒結構是用于均勻地將所述工作流體分配到所述外腔的多孔熱介質，所述外腔與外管壁流體相通，熱在所述工作流體與外部環境之間進行交換。
全文摘要
一種熱交換裝置(20，25，27，29)，包括一種工作流體(26)和一種用于在工作流體和外部環境之間進行熱交換的結構。該結構包括至少一個具有一個暴露于外部環境的外表面(28B)和一個暴露于工作流體的內表面(28A)的壁部件(28)，利用壁部件的熱傳導可在環境與工作流體之間進行熱交換。該裝置還包括一個用于儲存工作流體的儲存部件(34)和一個用于沿壁部件分配工作流體，以便在工作流體與外部環境之間提供等溫熱交換的分配部件。在一個實施例中，該結構可是一個具有內腔的雙腔管狀結構，內腔為工作流體提供儲液器，在一個腔體中進行工作流體和外部環境之間的熱交換。內管可是帶多個孔的多孔結構，使工作流體均勻分配至外腔。
文檔編號H01M8/04GK1127570SQ94192261
公開日1996年7月24日 申請日期1994年4月1日 優先權日1993年4月12日
發明者M·S·徐, E·D·霍阿格 申請人:茲特克公司