(57)【要約】【課題】　熱伝達特性を改善する改良された流体流路を有する固体酸化物燃料電池を提供する。【解決手段】　複数の上部リブ(140)と複数の下部リブ(150)が上部(120)と下部(130)にそれぞれ結合されている。複数の上部リブ(140)の各々と、複数の下部リブ(150)の各々は上部蛇行流路(160)と下部流路(170)を規定しており、それらの流路は複数の上部リブ(140)の各々の間と、複数の下部リブ(150)の各々の間に形成されている。更に、上部蛇行流路(160)と下部流路(170)は、ベースプレート(110)に配置された少なくとも１つの空洞部(180)により流体結合されており、上部蛇行流路(160)及び下部流路(170)は、流体(190)と燃料電池構成要素との間の熱伝達を向上させるため、流体(190)の流れをそれらの流路に流通させる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池構成要素の冷却装置（１００）において、
　上部（１２０）及び下部（１３０）を有するベースプレート（１１０）と、
　前記上部（１２０）及び前記下部（１３０）にそれぞれ結合された複数の上部リブ（１４０）及び複数の下部リブ（１５０）であって、前記複数の上部リブ（１４０）の各々及び前記複数の下部リブ（１５０）の各々は、前記複数の上部リブ（１４０）の各々及び前記複数の下部リブ（１５０）の各々の間に形成された上部蛇行流路（１６０）と、下部流路（１７０）とをそれぞれ規定しており、前記上部蛇行流路（１６０）及び前記下部流路（１７０）は前記ベースプレート（１１０）に配置された少なくとも１つの空洞部（１８０）により流体結合されている上部リブ（１４０）及び下部リブ（１５０）とを具備し、
　前記上部蛇行流路（１６０）及び前記下部流路（１７０）は、流体（１９０）と前記燃料電池構成要素との熱伝達を向上させるように前記流体（１９０）の流れを流通させるべく配置されている冷却装置（１００）。
【請求項２】
前記燃料電池構成要素は陰極、陽極及び電解質（２００）から成る構成要素群から選択される請求項１記載の冷却装置（１００）。
【請求項３】
複数の凹部（２３０）は前記上部蛇行流路（１６０）の表面部分及び前記下部流路（１７０）の表面部分に、前記流体（１９０）が前記凹部（２３０）の上を通過するときに前記流体（１９０）と前記凹部（２３０）との間に流体力学的相互作用を発生させて、それらの間の熱伝達に影響を及ぼすように配置されている請求項１記載の冷却装置（１００）。
【請求項４】
前記凹部（２３０）はくぼみ、刻み目、小さなへこみ及び穴から成る群から選択される請求項３記載の冷却装置（１００）。
【請求項５】
前記流体（１９０）は気体燃料及びオキシダントから成る流体群から選択される請求項１記載の冷却装置（１００）。
【請求項６】
前記冷却装置（１００）は薄い成形金属、ステンレス鋼、輝コバルト鉱、セラミック、ＬａＣｒＯ3、ＣｏＣｒＯ4、Inconel(商標) 600、Inconel(商標) 601、Hastelloy(商標)X、Hastelloy(商標)230及びそれらの組み合わせのうちの１つから形成されている請求項１記載の冷却装置（１００）。
【請求項７】
少なくとも２つの電極及びそれらの間に配置された電解質（２１０）を有する少なくとも１つの燃料電池と、
　前記電極のうちの少なくとも一方に結合された少なくとも１つの冷却装置（１００）であって、
　上部（１２０）及び下部（１３０）を有するベースプレート（１１０）と、
　前記上部（１２０）及び前記下部（１３０）にそれぞれ結合された複数の上部リブ（１４０）及び複数の下部リブ（１５０）であって、前記複数の上部リブ（１４０）の各々及び前記複数の下部リブ（１５０）の各々は、前記複数の上部リブ（１４０）の各々及び前記複数の下部リブ（１５０）の各々の間に形成された上部蛇行流路（１６０）と、下部流路（１７０）とをそれぞれ規定しており、前記上部蛇行流路（１６０）及び前記下部流路（１７０）は前記ベースプレート（１１０）に配置された少なくとも１つの空洞部（１８０）により流体結合されている上部リブ（１４０）及び下部リブ（１５０）とを具備し、
　前記上部蛇行流路（１６０）及び前記下部流路（１７０）は、流体（１９０）と前記燃料電池構成要素との熱伝達を向上させるように前記流体（１９０）の流れを流通させるべく配置されている冷却装置（１００）とを具備する燃料電池アセンブリ（９０）。
【請求項８】
前記燃料電池は固体酸化物燃料電池、固体ポリマー燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、リン酸燃料電池、アルカリ燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、再生燃料電池及びプロトニックセラミック燃料電池から成る燃料電池群から選択される請求項７記載の燃料電池アセンブリ（９０）。
【請求項９】
前記電極は陰極（２００）及び陽極（２２０）から成る群から選択される請求項７記載の燃料電池アセンブリ（９０）。
【請求項１０】
複数の凹部（２３０）は前記上部蛇行流路（１６０）の表面部分及び前記下部流路（１７０）の表面部分に、前記流体（１９０）が前記凹部（２３０）の上を通過するときに前記流体（１９０）と前記凹部（２３０）との間に流体力学的相互作用を発生させて、それらの間の熱伝達に影響を及ぼすように配置されている請求項７記載の燃料電池アセンブリ（９０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は一般に発電機器に関し、特に固体酸化物燃料電池の改良された流体流路に関する。
【背景技術】
【０００２】
　高温固体酸化物燃料電池スタックは、通常、複数の平坦な個別の電池部材から構成され、燃料分配機器及び空気分配機器と関連する平面交差流燃料電池、逆流燃料電池及び平行流燃料電池から構成されている。そのような部材は、通常、電池から電池へと電流を導通する３層、すなわち陽極／電解質／陰極構成要素を具備し、ガス流れを立方体構造又はスタックに導入するための流路を有する少なくとも１つの相互接続部を具備する。
【０００３】
　固体酸化物燃料電池は、外部回路における電子の流れを発生するために、オキシダントと炭化水素燃料ガスとの電気化学的反応を通して電気エネルギーを発生する。更に、固体酸化物燃料電池は廃熱を発生し、陽極、陰極及び電解質などの固体酸化物燃料電池構成要素の所望の温度レベルを維持するために、この廃熱は通常はオキシダントを介して除去される。
【０００４】
　固体酸化物燃料電池は発電に際して効率が良く、汚染が少ないという潜在能力を持つことが実証されてはいるが、固体酸化物燃料電池の構成要素の温度調整と関連するいくつかの問題は依然として残っている。固体酸化物燃料電池は、通常、スタック温度を規定の限界以下に維持し且つ固体酸化物燃料電池における所定の熱勾配を維持するように廃熱の伝達又は除去を補助するためにオキシダント、通常は空気が使用される冷却流路を具備する。構成によっては、そのような冷却流路は、通常、流路表面とオキシダントの間の熱伝達係数が小さいという望ましくない特性を有する滑らかで、まっすぐな流路である場合もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　従って、熱伝達特性を改善する改良された流体流路を有する固体酸化物燃料電池が当該技術において必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
　本発明の一実施例は、上部及び下部を有するベースプレートを具備する燃料電池の冷却装置から成る。複数の上部リブと複数の下部リブが上部と下部にそれぞれ結合されている。複数の上部リブの各々と、複数の下部リブの各々は上部蛇行流路と下部流路を規定しており、それらの流路は複数の上部リブの各々の間と、複数の下部リブの各々の間にそれぞれ形成されている。更に、上部蛇行流路と下部流路は、ベースプレートに配置された少なくとも１つの空洞部により流体結合されており、上部蛇行流路及び下部流路は、流体と燃料電池構成要素との間の熱伝達を向上させるように、流体の流れをそれらの流路に流通させることを可能にするために配置されている。
【０００７】
　本発明のこれらの特徴、面及び利点、並びにその他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより更に良く理解されるであろう。尚、図面中、同じ図中符号は図の全てを通して同じ部分を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
　図１に、燃料電池の冷却装置１００を示す。冷却装置１００は、上部１２０及び下部１３０を有する１つの（少なくとも１つであることを意味する）ベースプレート１１０を具備する。上部１２０と下部１３０には、複数の上部リブ１４０と複数の下部リブ１５０がそれぞれ結合されている。ここで使用される用語「結合されている」は、冷却装置１００の複数の部材が機械的に装着されていることを表し、それらの部材を１つの部品として溶接すること、ろう付けすること、はんだ付けすることなど、並びに機械加工すること、金属成形すること及び鋳造することを含むが、これらには限定されない。上部リブ１４０と下部リブ１５０は、複数の上部リブ１４０の各々の間及び複数の下部リブ１５０の各々の間にそれぞれ形成された上部蛇行流路１６０と、下部流路１７０を規定している。ここで使用される用語「蛇行流路」は複数の湾曲部分、屈曲部分又は折り返しを有する流路を表すが、これに限定されない。蛇行流路１６０は単一の完全に一体構造である流路として構成されていても良いし、あるいは互いに隣接して配置された２つ以上の流路セグメント（図示せず）として構成されていても良いが、これらには限定されない。上部蛇行流路１６０及び下部流路１７０はベースプレート１１０に配置された１つの（少なくとも１つであることを意味している）空洞部１８０により流体結合されている（図１を参照）。ここで使用される用語「流体結合されている」は、空洞部１８０が上部蛇行流路１６０から下部流路１７０へ流体１９０を搬送することが可能であることを表す。更に、上部蛇行流路１６０及び下部流路１７０は、流体１９０と燃料電池構成要素、例えば、陽極２２０、陰極２００及び電解質２１０（図１を参照）との間の熱伝達率を向上させるように、それらの流路を流体１９０が流通することを可能にするために配置されている。燃料電池は、通常、固体酸化物燃料電池、プロトン交換膜又は固体ポリマー燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、リン酸燃料電池、アルカリ燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、再生燃料電池及びプロトニックセラミック燃料電池から成る燃料電池群から選択される。
【０００９】
　固体酸化物燃料電池の場合、例えば、オキシダント（例えば、酸素分子）は陰極２００を通過し、陰極と電解質の境界面２４０で酸素イオンを形成する。簡単にするため、以下、「固体酸化物燃料電池」という用語を総称して「燃料電池」と記載する。その後、酸素イオンは電解質２１０を通過して移動し、陽極と電解質の境界面２５０で燃料（通常は気体燃料）と組み合わされることにより、陽極２００で電子を放出する。電子は陰極２００において外部負荷回路（図示せず）を介して回収されることにより、外部負荷回路に陽極２２０から陰極２００に至る電流の流れを発生する。陽極と電解質の境界面２５０における相互作用の結果、燃料電池は熱を発生し、燃料電池において所望の温度レベル及び所定の熱勾配を維持するためには、この熱を取り除かなければならない。本発明の一実施例では、そのような熱の除去は、通常、陰極２００の上方に冷却装置１００の上部リブ１４０を配置し、流体１９０、通常はオキシダントが通過して行く間に燃料電池から熱エネルギーを除去するように、（図１及び図２の実線矢印によって示す）オキシダント流体を上部蛇行流路１６０に導入することにより実現される。ここで使用される用語「上方に」、「その上に」、「その中に」、「上へ」、「下へ」「中へ」、「上に」などは図に示されるような冷却装置１００の要素の相対的な位置関係を表すために使用され、決して冷却装置１００の向き又は動作に関して制限を加えようとするものではない。本発明の別の実施例では、熱の除去は、陽極１８０の上方に冷却装置１００の上部リブ１４０を配置し（図示せず）、流体２１０、通常は気体燃料を上部蛇行流路１６０に導入することにより実現される。冷却装置１００の機能及びここで挙げる実施例は全てそのような気体燃料にも適用可能であることが理解されるであろう。
【００１０】
　本発明の一実施例では、冷却装置１００は１つの繰り返し可能燃料電池ユニットの陽極を隣接する電池ユニット（図示せず）の陰極に電気的に接続する働きをする。更に、冷却装置１００は均一な電流分布（導電性）を与える働きをし、気体を透過せず、還元環境と酸化環境の双方において安定し且つ多様な温度で電子流れを支援するように設計されても良い。限定的な意味を持たない一例として、冷却装置は、通常は薄い成形金属、ステンレス鋼、輝コバルト鉱、セラミック、ＬａＣｒＯ3、ＣｏＣｒＯ4、Inconel (商標)600、Inconel (商標)601、Hastelloy(商標)X、Hastelloy(商標)230及びそれらの組み合わせから成る、上述のような特性を有する多数の材料から製造されている。
【００１１】
　冷却装置１００は、流体１９０と燃料電池構成要素、例えば、陽極２２０、陰極２００及び電解質２１０との間の熱伝達率を向上させるように流体１９０の流れを流通させるために配置された上部蛇行流路１６０及び下部流路１７０を具備する。一実施例では、流体１９０は、通常、上部蛇行流路１６０に導入され（図２を参照）、流体１９０はこの流路を通過する間に少なくとも一度は方向を変え、その後、空洞部１８０を介して下部流路１７０へ誘導される（図３を参照）。
【００１２】
　流体１９０の方向を変え、空洞部１８０を介して誘導することにより、冷却装置１００と燃料電池構成要素との間の熱伝達率は従来の燃料電池と比較して増加する。限定的な意味を持たない一例として、図２は、流体１９０が上部蛇行流路１６０に導入された後、空洞部１８０を介して誘導され、最終的に下部流路１７０に向かう（図３を参照）様子を示す。空洞部１８０がベースプレート１１０に位置しているため、従来のまっすぐな流路を有する燃料電池と比較して、上部蛇行流路１６０及び下部流路１７０のすべての側面からの熱伝達が局所的に向上する。そのように局所的に発生した熱伝達の向上は、通常、流体が下部流路１７０へ誘導されるときに流体１９０により下流側へ搬送される。本発明の１つの面は、流体１９０の方向を上部蛇行流路１６０で変化させることに加えて、流体１９０の流れを下部流路１７０へ誘導することにより、燃料電池に存在する熱勾配のばらつきが従来の燃料電池と比較して減少することである。そのような熱勾配は、通常、例えば、燃料利用の変動、燃料電池構成要素材料の特性の変化、あるいは陽極又は陰極の多孔率の変動などの結果として起こる。上部蛇行流路１６０及び下部流路１７０の数、並びに空洞部１８０の数をどのように設定するかは、例えば、熱伝達率及び熱勾配の均一性などの所定の設計条件に基づいて技術者の裁量に任されることが理解されるであろう。更に、上部リブ１４０及び下部リブ１５０の幅と長さ、並びに上部蛇行流路１６０及び下部流路１７０の形状と寸法も所望の適用用途に応じて技術者の裁量に任される（図１から図３を参照）。
【００１３】
　本発明の一実施例において、図４は、上部蛇行流路１６０の表面部分及びベースプレート１１０の表面部分に配置された複数の凹部２３０を示す。ここで使用される用語「凹部」はくぼみ、刻み目、小さなへこみ、穴などを表す。凹部２３０の形状は通常は半球形又は円錐台を反転させた形である。実施例によっては、凹部２３０の形状は、通常、全球の一部を切り取った形である。他の実施例において、所望の適用用途に応じて、凹部２３０がベースプレート１１０、上部リブ１４０、下部リブ１５０、陰極２００、陽極２２０又はそれらのうちのいくつかの組み合わせの全面又は表面部分に配置されていても良いことは理解されるであろう。
【００１４】
　凹部２３０は、通常、上述の表面に、燃料電池構成要素、通常は陽極２２０、陰極２００及び電解質２１０からオキシダントなどの流体１９０への熱伝達を向上させるように作用する所定のパターンで形成される。上部リブ１４０及び下部リブ１５０の位置及び向き、並びにそれらのリブ１４０、１５０における凹部２３０の配置場所が様々に異なっていても良いことは理解されるであろう。従って、上部リブ１４０及び下部リブ１５０と、それらに配置される凹部２３０の位置、向き及び配置場所は（図に示すように）単なる例として使用されており、限定的な意味を持たない。
【００１５】
　動作中、流体１９０は冷却装置１００の上部蛇行流路１６０へ導入され、凹部２３０の上を通過する（図１を参照）。その結果、流体１９０と凹部２３０との流体力学的相互作用によって、燃料電池における熱伝達率は従来の燃料電池と比較して増加する。ここで使用される用語「流体力学的相互作用」は、各凹部２３０が流体１９０の流れの一部に渦パターン（図示せず）を形成するように凹部２３０内部に圧力場を形成するという凹部２３０と流体１９０との相互作用を表す。加えて、流体１９０と各々の凹部２３０との熱伝達率は、通常、それぞれの凹部２３０の形状によって得られる表面積の拡大によって（凹部のない表面を有する構造と比較して）増加する。そのため、流体１９０はそのように拡大された表面積と相互に作用することにより、燃料電池からの熱エネルギーの除去を向上させる。実施例によっては、熱伝達率の増加が表面積の拡大に正比例せず、所定の構成に応じてそれを超える場合もあることが理解されるであろう。
【００１６】
　凹部２３０のうちの所定の１つの深さ「Ｙ」は、通常、冷却装置１００の長さ「Ｌ」に沿って一定のままである（図１及び図４を参照）。深さ「Ｙ」は一般に凹部の表面直径「Ｄ」の約０．１０倍から約０．５０倍の範囲にある。更に、凹部２３０の深さ「Ｙ」は約０．００２インチから約０．２５インチの範囲にある。凹部２３０の中心間距離「Ｘ」は一般に凹部２３０の表面直径「Ｄ」の約１．１倍から約２倍の範囲にある。一実施例では、凹部２３０は、通常、パルス電気化学的研摩（ＰＥＣＭ）プロセスを使用することにより形成される。別の実施例においては、凹部２３０は、通常、電気放電加工（ＥＤＭ）プロセスを使用することにより形成される。
【００１７】
　本発明を現在の法規に従って図示し且つ説明したが、開示された実施例において本発明の真の趣旨から逸脱せずに変形及び変形を実施できることは当業者には明白であろう。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】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例に従った燃料電池の冷却装置の斜視図。
【図２】図１の上面斜視図。
【図３】図１の下面斜視図。
【図４】本発明の別の実施例に従ったベースプレート及び複数の凹部が配置されている複数のリブの一部を示す斜視図。
【符号の説明】
【００１９】
　１００…冷却装置、１１０…ベースプレート、１２０…（ベースプレートの）上部、１３０…下部、１４０…上部リブ、１５０…下部リブ、１６０…上部蛇行流路、１７０…下部流路、１８０…空洞部、１９０…流体、２００…陰極、２１０…電解質、２２０…陽極、２３０…凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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