(57)【要約】【課題】熱伝達率を改良した固体酸化物燃料電池（１００）を提供する。【解決手段】この固体酸化物燃料電池（１００）は、熱管理セクション（１０１）と、該熱管理セクション（１０１）に隣接して配置された電解セクション（１０２）とを含み、複数の凹部（１４０）が熱管理セクション及び電解セクションのうちの少なくとも一方の上に配置されて、流体が該凹部（１４０）上を流れる時、流体力学的相互作用を生じさせて該流体と該凹部（１４０）との間の熱伝達率に影響を与えるようになっている。【選択図】　　　図１
2004006330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱管理セクション（１０１）と、
該熱管理セクション（１０１）に隣接して配置された電解セクション（１０２）と、
を含み、
複数の凹部（１４０）が前記熱管理セクション及び前記電解セクションのうちの少なくとも一方の上に配置されて、流体が該凹部（１４０）上を流れる時、流体力学的相互作用を生じさせて該流体と該凹部（１４０）との間の熱伝達率に影響を与えるようになっている、
ことを特徴とする固体酸化物燃料電池（１００）。
【請求項２】
前記熱管理セクション（１０１）が上昇管（１１０）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池（１００）。
【請求項３】
前記熱管理セクション（１０１）が、酸化剤セクション（１５０）と燃料セクション（１６０）とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池（１００）。
【請求項４】
前記電解セクション（１０２）が、陰極（２００）と陽極（１９０）と電解質（２１０）とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池（１００）。
【請求項５】
発電装置内で使用するための固体酸化物燃料電池（１００）であって、
該固体酸化物燃料電池（１００）内に配置された上昇管（１１０）を含み、
前記固体酸化物燃料電池（１００）が、その中に流体を受入れるように置かれた前記発電装置内に配置され、
複数の凹部（１４０）が、前記上昇管の表面部分の上に配置されかつ前記固体酸化物燃料電池（１００）の表面部分の上に配置されて、前記流体が該凹部（１４０）上を流れる時、流体力学的相互作用を生じさせて該流体と該凹部（１４０）との間の熱伝達率に影響を与えるようになっている、
ことを特徴とする固体酸化物燃料電池（１００）。
【請求項６】
前記上昇管（１１０）が、上昇管内表面（１２０）と上昇管外表面（１３０）とを含み、前記凹部（１４０）が、前記上昇管内表面（１２０）の上に配置されかつ前記上昇管外表面（１３０）の上に配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の固体酸化物燃料電池（１００）。
【請求項７】
前記凹部（１４０）が、前記固体酸化物燃料電池（１００）の内表面（１３５）の上に配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の固体酸化物燃料電池（１００）。
【請求項８】
前記凹部（１４０）の形状が、半球形の任意のセクタであることを特徴とする、請求項５に記載の固体酸化物燃料電池（１００）。
【請求項９】
発電装置内で使用するための固体酸化物燃料電池（１００）であって、
内部に配置された酸化剤流路（１７０）を有する酸化剤セクション（１５０）と、内部に配置された燃料流路（１８０）を有する燃料セクション（１６０）とを含み、
前記酸化剤流路（１７０）及び前記燃料流路（１８０）が、その中に流体を受入れるように配置され、
前記固体酸化物燃料電池（１００）が、前記発電装置内に配置され、
複数の凹部（１４０）が、前記酸化剤流路（１７０）の表面部分の上に配置されかつ前記燃料流路（１８０）の表面部分の上に配置されて、前記流体が該凹部（１４０）上を流れる時、流体力学的相互作用を生じさせて該流体と該凹部（１４０）との間の熱伝達率に影響を与えるようになっている、
ことを特徴とする固体酸化物燃料電池（１００）。
【請求項１０】
発電装置内で使用するための固体酸化物燃料電池（１００）であって、
それらの中に流体を受入れるように配置された、酸化剤セクション（１５０）と燃料セクション（１６０）とを含み、
前記固体酸化物燃料電池（１００）が、前記発電装置内に配置され、
第１の流れ部材（２２０）が前記酸化剤セクション（１５０）内に配置され、また第２の流れ部材（２３０）が前記燃料セクション（１６０）内に配置され、
複数の凹部（１４０）が、前記第１の流れ部材（２２０）の部分と前記第２の流れ部材（２３０）の部分との上に配置されて、前記流体が該凹部（１４０）上を流れる時、流体力学的相互作用を生じさせて該流体と該凹部（１４０）との間の熱伝達率に影響を与えるようになっている、
ことを特徴とする固体酸化物燃料電池（１００）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に発電装置に関し、より具体的には、改良された固体酸化物燃料電池のための流体通路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温の固体酸化物燃料電池（以後「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）スタックは、典型的には軸方向に細長い管形の接合されたＳＯＦＣと、関連する燃料及び空気分配装置とのアレイで構成される。更に、管形式ＳＯＦＣとは異なる典型的な構成としては、幾つかの平形単一セルの部材で構成された平形直交流式燃料電池、向流式燃料電池、及び平行流式燃料電池がある。そのような部材は、典型的にはセルからセルへ電流を流しかつ立方構造又はスタック内へガスを流すための流路を形成する、３層の陽極／電解質／陰極の構成要素を含む。
【０００３】
ＳＯＦＣは、酸化剤と炭化水素燃料ガスとの間の電気化学的反応により、電気エネルギーを発生して外部回路内に電子の流れを作り出す。更に、ＳＯＦＣは廃熱も発生し、この廃熱は、陽極、陰極及び電解質のようなＳＯＦＣ構成要素を所望の温度レベルに維持するために、典型的には酸化剤を介して除去される。
【０００４】
ＳＯＦＣは、電力発生における高効率及び低汚染という能力を実証してきたが、ＳＯＦＣ内の構成要素の温度調整に関連して幾つかの問題を残している。ＳＯＦＣは、典型的には冷却流路（交互の平形単一セルのセクションにおける）又は上昇管（管形式ＳＯＦＣにおける）を含み、これらの冷却流路又は上昇管内では、廃熱を伝達又は除去する目的のために酸化剤、典型的には空気が使用され、スタック温度を規定の限界に又は該限界以下に維持しかつＳＯＦＣ内において所定の熱勾配を維持するようになっている。しかしながら、そのような冷却流路又は上昇管は、典型的には平滑な表面を備え、この平滑な表面は、該流路又は管と酸化剤との間で低い熱伝達率をもたらす望ましくない特性を有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、改良された熱伝達率をもたらすような改良された流路を有するＳＯＦＣの技術における必要性がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの実施形態は、熱管理セクションと該熱管理セクションに隣接して配置された電解セクションとを含む固体酸化物燃料電池を含み、複数の凹部が熱管理セクション及び電解セクションのうちの少なくとも一方の上に配置されて、流体が該凹部上を流れる時、流体力学的相互作用を生じさせて該流体と該凹部との間の熱伝達率に影響を与えるようになっている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のこれら及びその他の特徴、態様及び利点は、全ての図面において同一の参照符号が同様な部材を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによって、一層よく理解されるであろう。
【０００８】
典型的な固体酸化物燃料電池が発電装置内に配置され、これらの固体酸化物燃料電池（以後ＳＯＦＣと呼ぶ）には、管形式固体酸化物燃料電池（図１及び図２参照）又は平形直交流式固体酸化物燃料電池スタック（図３乃至図６参照）が含まれる。更に、ＳＯＦＣは、典型的には熱管理セクション１０１と電解セクション１０２（図１参照）とを含む。以下に述べるように、熱管理セクション１０１は、典型的には管形式ＳＯＦＣの電解セクション１０２内に配置された上昇管１１０を含む。更に、熱管理セクション１０１は、典型的には少なくとも１つの酸化剤セクション１５０と少なくとも１つの燃料セクション１６０とを含み、平形直交流式ＳＯＦＣの場合、電解セクション１０２は、典型的には酸化剤セクションと燃料セクションとの間に置かれる（図３乃至図６参照）。電解セクション１０２は、典型的には陽極１９０と陰極２００と電解質２１０とを含む。本明細書において使用される「〜の上に」、「〜の中に」、「〜上を」、「〜の上方に」及び「〜の下方に」などの用語は、図に示すようなＳＯＦＣ１００の諸構成要素の相対的な位置関係を表すために使用されるものであって、ＳＯＦＣ１００の配向又は作動に関する如何なる状態の限定も意味するものではない。説明を単純化するために、以下の記述においては、管形式固体酸化物燃料電池（図１及び図２参照）及び平形直交流式固体酸化物燃料電池（図３乃至図６参照）の両方を包括的にＳＯＦＣ１００として説明することにする。
【０００９】
作動中、天然ガス又は水素のようなガス燃料（図面の図１及び図２において「燃料」と呼ぶ実線矢印で示す）が、ＳＯＦＣ１００の外壁面１３６上を軸方向に流される。更に、空気又は酸素のような酸化剤（図面の図１及び図２において「酸化剤」と呼ぶ破線矢印で示す）が、上昇管１１０（図１参照）を通して供給される。上昇管１１０は、上昇管内表面１２０と上昇管外表面１３０とを含み、ＳＯＦＣ１００の環状空間内に置かれる。そのような酸化剤は、先ず上昇管内表面１２０内に導入され、次いで上昇管外表面１３０と内壁面１３５との間をＳＯＦＣ１００の上方に向かって逆流する。
【００１０】
平形直交流式ＳＯＦＣ１００は、内部に配置された少なくとも１つの酸化剤流路１７０を有する酸化剤セクション１５０と、内部に配置された少なくとも１つの燃料流路１８０を有する燃料セクション１６０と（図３参照）を含む。ＳＯＦＣ１００のこの実施形態は、典型的には幾つかの平形単一セルのセクションから構成され、この平形単一セルのセクションは、典型的には酸化剤セクション１５０と燃料セクション１６０とを含み、これらのセクション内に設けられた流路により、酸化剤（図面の図３乃至図６において「酸化剤」と呼ぶ破線矢印で示す）とガス燃料（図面の図３乃至図６において「燃料」と呼ぶ実線矢印で示す）とが立体構造又はスタック内に流入することが可能になる。酸化剤セクション１５０及び燃料セクション１６０の位置と配向は変えることができ、図３乃至図６に示したそれらのセクションの位置と配向は説明の便宜上使用したものであって、これに限定するためのものではないことを理解されたい。
【００１１】
作動中、燃料は管形式ＳＯＦＣ１００（図１及び図２参照）の外壁面１３６上を流されるか、又は平形直交流式ＳＯＦＣ１００（図３乃至図６参照）の燃料流路１８０を通して流される。典型的には与熱空気又は酸素である酸化剤は、管形式ＳＯＦＣ１００（図１及び図２参照）内の上昇管１１０を通して流されるか、又は平形直交流式ＳＯＦＣ１００（図３乃至図６参照）内の酸化剤流路１７０を通して流される。両方の形式のＳＯＦＣ１００において、酸化剤（酸素分子）は、陰極２００を通過し、陰極−電解質境界面１９１において酸素イオンを形成する。その後、酸素イオンは、電解質２１０を通って移動し、陽極−電解質境界面１９２において燃料と結合し、それによって陽極１９０において電子が放出される。次に電子は、外部負荷回路（図示せず）を介して陰極２００において回収され、それによって外部負荷回路内に陽極１９０から陰極２００への電流の流れを発生する。陽極−電解質境界面１９２における相互作用の結果、ＳＯＦＣ１００は熱を発生するが、この熱は、ＳＯＦＣ１００内に望ましい温度レベルと所定の熱勾配を維持するために、除去されなくてはならない。そのような熱の除去は、典型的には酸化剤流体流がＳＯＦＣ１００から熱エネルギーを除去するように、酸化剤を上昇管１１０（図１及び図２参照）又は酸化剤流路１７０（図３参照）内に導入することにより達成される。
【００１２】
本発明の１つの実施形態において、図１は、ＳＯＦＣ１００の上昇管内表面１２０、上昇管外表面１３０、内壁面１３５及び外壁面１３６上に配置された複数の凹部１４０を示している。本明細書で使用される「凹部」という用語は、窪み、陥凹、ディンプル、小穴又はこれらに類するものを言う。凹部１４０の形状は、典型的には半球形又は逆切頭円錐形である。別の実施形態においては、凹部１４０の形状は、典型的には半球形の任意のセクタである。幾つかの実施形態においては、凹部１４０は上記の表面の全体又は一部分の上に配置される。
【００１３】
凹部１４０は、陽極１９０、陰極２００及び電解質２１０のようなＳＯＦＣ１００の構成要素から酸化剤又はガス燃料のような流体への熱伝達を高めるのに役立つパターンで上記の表面の上に形成される。例としてであってこれに限定するわけではないが、凹部１４０は、ＳＯＦＣ１００の構成要素からガス燃料への熱の除去を高めるように、ＳＯＦＣの外表面１３６（図１参照）の上に配置されるか又は燃料流路１８０（図３乃至図６参照）内に配置される。作動中、流体は凹部１４０上を流れるようにＳＯＦＣ１００内に導入される。その結果、流体と凹部１４０との間の流体力学的相互作用により、ＳＯＦＣ１００内の熱伝達率は従来のＳＯＦＣと比べて増大される。本明細書で使用される「流体力学的相互作用」という用語は、凹部１４０と流体との間の相互作用のことであって、各々の凹部が、該凹部内に圧力場を形成して流体流の部分の中に渦パターンを作り出すことを言う。
【００１４】
作動中、流体流の上記部分が流体の主流と相互作用するので、その流体流の部分は、流路の表面に向けられて該表面と熱的に相互作用し、それによってＳＯＦＣ１００の構成要素から流体への熱伝達を高めることなる。更に、凹部のない表面と比べて、各それぞれの凹部１４０の形状により生じる表面積の増加により、流体と各それぞれの凹部１４０との間の熱的相互作用が増大される。従って、流体はこのような増大された表面積と相互作用し、それによってＳＯＦＣ１００からの熱エネルギーの除去を高める。凹部１４０の任意の１つの深さ「Ｙ」（図１参照）は、典型的には管形式ＳＯＦＣ１００の全長「Ｌ」（図２参照）又は平形直交流式ＳＯＦＣ１００の全長「Ｌ」（図３乃至図６参照）にわたり一定に保たれる。深さ「Ｙ」（図１参照）は、一般に凹部表面の直径「ｄ」の約０．１０乃至約０．５０倍の範囲である。更に、凹部１４０の深さ「Ｙ」は、約０．００２インチ乃至約０．１２５インチの範囲である。凹部１４０の中心から中心までの間隔「Ｘ」（図１参照）は、一般に凹部１４０の表面直径「ｄ」の約１．１乃至約２倍の範囲である。１つの実施形態においては、凹部１４０は、典型的にはパルス電解加工（ＰＥＣＭ）法を用いて形成される。別の実施形態においては、凹部１４０は、典型的には放電加工（ＥＤＭ）法を用いて形成される。
【００１５】
もう１つの実施形態においては、凹部１４０は酸化剤流路１７０内と燃料流路１８０内とに配置される（図３参照）。別の実施形態においては、凹部１４０は、酸化剤流路１７０内又は燃料流路１８０内のいずれかに配置される。更に別の実施形態においては、ＳＯＦＣ１００は、それぞれ内部に配置された第１の流れ部材２２０及び第２の流れ部材２３０を有する酸化剤セクション１５０及び燃料セクション１６０（図４参照）を含む。この実施形態においては、第１の流れ部材２２０及び第２の流れ部材２３０は、それぞれ第１のウェッジ及び第２のウェッジを含む。本明細書で使用される「ウェッジ」という用語は、第１の流れ部材２２０及び第２の流れ部材２３０の形状を指しており、これらの部材の形状は一方の縁部に向かってテーパが付けられている。第１及び第２のウェッジは、典型的には酸化剤セクション１５０及び燃料セクション１６０内でウェッジを整列させかつ支持する働きをする複数の支持部材２４０を含む。別の実施形態においては、図６に示すように、酸化剤流路１７０及び燃料流路１８０は、テーパ付き流路として形成されている。本明細書で使用される「テーパ付き流路」という用語は、それらの流路の形状を指しており、これらの流路は一方の縁部に向かって、つまり酸化剤流入口２５０から酸化剤流出口（図示せず）に向かって、また燃料流入口２６０から燃料流出口２７０に向かってテーパが付けられている。
【００１６】
ウェッジ（図４参照）及びテーパ付き流路（図６参照）は、それぞれ酸化剤セクション１５０又は燃料セクション１６０内における酸化剤又は燃料の流速を高め、それによってＳＯＦＣ１００内の熱伝達を増大させる。１つの例示的な実施形態においては、ウェッジ形状（図４参照）は、酸化剤セクション１５０の酸化剤流入口２５０から酸化剤流出口（図示せず）へと収束する流れ面積を作り出し、それによってＳＯＦＣ１００の構成要素と酸化剤との間の熱伝達率に影響を与える。図６のテーパ付き流路は、上に述べたウェッジと同じ特性を示すことが理解されるであろう。ウェッジ（図４参照）及びテーパ付き流路（図６参照）を使用して収束する流れを作り出すことは、酸化剤又はガス燃料の温度上昇により引き起こされる対流熱伝達における熱伝達能力の低下を効果的に補い、それによってそれぞれ酸化剤セクション１５０又は燃料セクション１６０内の熱勾配に影響を与えることにより、酸化剤又は燃料の流路全体にわたって実質的に均一な熱伝達率をもたらす。ウェッジ（図４参照）又はテーパ付き流路（図６参照）上に凹部１４０を配置したことにより、熱伝達率は更に増大されるが、そのような熱伝達率の増大は、酸化剤又は燃料が凹部１４０上を流れる時に起こる流体力学的相互作用によるものである。幾つかの実施形態においては、凹部１４０は上記のテーパ付き流路又はウェッジ（図４参照）の全体又は一部分の上に配置される。
【００１７】
もう１つの実施形態において、第１の流れ部材２２０及び第２の流れ部材２３０は、それぞれ第１の波形部材及び第２の波形部材（図５参照）を含む。本明細書で使用される「波形」という用語は、第１の流れ部材２２０及び第２の流れ部材２３０の稜部面と溝部面とを形成するような形状を指している。上に述べたように、流体（酸化剤又はガス燃料）と凹部１４０との間に流体力学的相互作用を生じさせて、それによってＳＯＦＣ１００構成要素と流体との間の熱伝達率を増大させるために、凹部１４０が波形部材の上に配置される。１つの実施形態においては、波形部材は、例えばステンレス鋼薄板などの金属薄板で形成される。この金属薄板は、典型的にはその厚さが凹部１４０の所望の深さ形状に応じて変わり、波形部材の頂上部及び谷部は電気を流すために陽極１９０及び陰極２００に接触する機能を果たすことが理解されるであろう。
【００１８】
本明細書において本発明を特許法規に従って図示し説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、開示した実施形態に修正及び変更を行うことができることは当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施形態による管形式固体酸化物燃料電池の断面図。
【図２】図１の線１−１に沿った上面斜視図。
【図３】本発明のもう１つの実施形態による平形直交流式固体酸化物燃料電池の斜視図。
【図４】本発明の別の実施形態による、図３に示すような平形直交流式固体酸化物燃料電池の斜視図。
【図５】本発明の更に別の実施形態による、図３に示すような平形直交流式固体酸化物燃料電池の斜視図。
【図６】本発明の更に別の実施形態による、図３に示すような平形直交流式固体酸化物燃料電池の斜視図。
【符号の説明】
１００　固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）
１１０　上昇管
１２０　上昇管内表面
１３０　上昇管外表面
１３５　ＳＯＦＣ内壁面
１３６　ＳＯＦＣ外壁面
１４０　凹部
１９０　陽極
１９１　陰極−電解質境界面
１９２　陽極−電解質境界面
２００　陰極
２１０　電解質
Ｙ　凹部１４０の深さ
ｄ　凹部１４０の表面直径
Ｘ　凹部１４０の中心から中心までの間隔
【図１】
2004006330.tif 000003
【図２】
2004006330.tif 000004
【図３】
2004006330.tif 000005
【図４】
2004006330.tif 000006
【図５】
2004006330.tif 000007
【図６】
2004006330.tif 000008