專利名稱：高燃料利用率燃料電池的流場設(shè)計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高性能燃料電池，更具體而言，涉及用于促進(jìn)一致的性能和提高燃料電池系統(tǒng)的效率的經(jīng)優(yōu)化的流場和通道設(shè)計。
背景技術(shù)：
燃料電池將反應(yīng)物，即燃料和氧化劑，轉(zhuǎn)化生成電能和反應(yīng)產(chǎn)物。燃料電池通常使用設(shè)置在兩個電極，即陰極和陽極之間的電解質(zhì)。優(yōu)選的燃料電池類型包括固體氧化物燃料電池(SOFCs)，其包括固體氧化物電解質(zhì)并在相對高的溫度下工作。一般地，固體氧化物燃料電池使用氧-離子導(dǎo)體(比如穩(wěn)定化的氧化鋯，摻雜的二氧化鈰，摻雜的鎵酸鑭)或者質(zhì)子導(dǎo)體(比如摻雜的鈣鈦礦Ba(Sr)CeO3，Ba(Sr)ZrO3，以及混合鈣鈦礦A3(B’B”)O9)作為電解質(zhì)。當(dāng)前，固體氧化物燃料電池幾乎專用氧離子傳導(dǎo)的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)作為電解質(zhì)。
在使用氧-離子電解質(zhì)的固體氧化物燃料電池的正常操作過程中，氧化劑中的氧在陰極被電化學(xué)還原，通常導(dǎo)致生成氧離子和電子。氧離子從反應(yīng)位置傳導(dǎo)通過電解質(zhì)，在陽極與燃料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成H2O、CO2以及根據(jù)所使用的燃料可能還生成其它物質(zhì)。
流場的均勻性是獲得高性能燃料電池的關(guān)鍵問題。足夠的陽極和陰極流必須到達(dá)電池中整個電極表面上。因此，流場設(shè)計應(yīng)該確保電池板上的流動是盡可能均勻的，并提供對電池中流動壓力降的增加或者降低的適應(yīng)性。一般地，燃料電池堆中的歧管設(shè)計決定了基于電池堆中電池數(shù)量的所需壓力降。
還需要有通過燃料電池的均勻的電流密度來優(yōu)化燃料電池的性能。均勻的電流密度消除了電池內(nèi)不希望有的溫度梯度。電流密度還分別直接與陽極和陰極流中的活性燃料(比如氫)和氧的分壓相關(guān)。沿著燃料電池從反應(yīng)物進(jìn)口到出口，隨著反應(yīng)的發(fā)生以及反應(yīng)物質(zhì)被消耗掉，活性反應(yīng)物的分壓降低。分壓的降低可能是劇烈的，造成通過電池的能斯特(Nernst)電位下降，由此電極反應(yīng)速率沿著流動方向顯著降低，導(dǎo)致通過燃料電池的不均勻的電流密度。
包括流動通道和流場構(gòu)造的代表性的燃料電池設(shè)計可以在比如美國專利No.6586128、6099984、6093502、5840438、5686199和4988583中找到。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)法通過新的流場和流動通道設(shè)計來提高燃料電池的總體性能。為此目的，本發(fā)明致力于燃料電池流場的兩個必要條件1)均勻的流阻以增強電池中的流動均勻性；和2)對電池內(nèi)流動壓力降的增加或者降低的適應(yīng)性。
本發(fā)明還致力于流場板通道的設(shè)計，其允許增加流速以有助于減輕沿流動方向的活性反應(yīng)物的分壓的降低速度，因此可以增強電池電流密度和性能的均勻性。
在典型實施例中，公開了一系列其它可選的流場，它們被設(shè)計用以增強提高燃料電池系統(tǒng)中燃料的利用率。在這些流場設(shè)計中，沖壓或者機加工成型的流場板具有許多凹痕或者凸起，這些凹痕或者凸起呈作為流動屏障的選定圖案，由此沿多種流動路徑提供均勻的流阻。
在一個實施例中，燃料流從在燃料電池一側(cè)的中心的開口處引入流場。在流體通過開口的方向上設(shè)置“中心通路”，“中心通路”包括允許流體轉(zhuǎn)向中心通路的兩側(cè)的兩排流動屏障。中心通路的寬度可沿流動方向改變(即減小)，因為流體的量當(dāng)?shù)竭_(dá)燃料電池的另一側(cè)時逐漸變得更少。在中心通路的每一側(cè)上的流場包括數(shù)排圓形或者橢圓形流動屏障(比如凹痕)。這些屏障可以是對齊的也可以是交錯排列的，后者提供了更好的流體混合，其可以增強然料擴(kuò)散進(jìn)入電極，由此促進(jìn)更好的電池性能。如上面提到的，流體可以自由地在中心通路的相對方向上轉(zhuǎn)變方向，然后流體從電池兩個相對端處的一系列小孔排出電池。這些孔的直徑可以沿側(cè)面改變以提供更大或者更小的流阻，由此提供足夠的總流阻以確保流動的均勻性。在上述的流場設(shè)計的變型中，流體僅從燃料電池的一端排出。
在另一個典型實施例中，陽極或者陰極流體進(jìn)入燃料電池的一端，并從燃料電池的相對端排出，電池的相對側(cè)被閉塞。如上所述，沿流動方向的流動屏障可以是在一條直線上，也可以是交錯排列的。同樣如上所述，流體通過一系列小孔從電池的相對側(cè)排出。
在又一個實施例中，陰極和陽極流通過在電池一端的第一歧管引入流場，并且在這個設(shè)計的變型中，從電池中流出的流體通過電池相對端的第二歧管被收集起來。
至于燃料電池流體通道(上述流場形成在管狀通道的一個表面上)的設(shè)計，通道的高度或?qū)挾瓤裳亓鲃臃较蛑饾u減小，以由此增加下游的流速。在一個實施例中，可變寬度的通道組合形成蛇形的流體通道。
相應(yīng)地，在一個方面，本發(fā)明涉及一種形成了固體氧化物燃料電池流場板中通道的一個壁的流場，該流場包括一個具有從基板突出進(jìn)入通道的不同形狀的流動屏障的構(gòu)成圖案的陣列的平的基板。
另一方面，本發(fā)明涉及用于固體氧化物燃料電池中的流場，該流場板包含多條流動通道，每條通道包括一個具有從基板突出進(jìn)入通道的不同形狀的流動屏障的構(gòu)成圖案的陣列的平的基板；其中不同形狀的流動屏障包括沿流動方向成交錯的排布置的圓形的和橢圓形的流動屏障。
在另一方面，本發(fā)明涉及用于固體氧化物燃料電池的流場板，該板成形具有多條流動通道，每條流動通道在流動方向的橫截面面積減少，至少一個通道壁設(shè)有突出進(jìn)入通道的不同形狀的流動屏障的構(gòu)成圖案的陣列。
另一方面，本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池，其包含設(shè)置在陰極和陽極之間的固體氧化物電解質(zhì)，一對相對的流場板分別與陰極和陽極操作地連接；每個流場板由在其中的多條流動通道構(gòu)成，至少一條通道的壁成形具有突出進(jìn)入流動通道的不同形狀的流動屏障的構(gòu)成圖案的陣列。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。


圖1為一般的燃料電池的示意圖；圖2為結(jié)合有根據(jù)本發(fā)明一個典型實施例的流場設(shè)計的燃料電池的示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一種可選實施例的流場設(shè)計的示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的第三典型實施例的流場設(shè)計的示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的第四典型實施例的流場設(shè)計的示意圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明的第五典型實施例的流場設(shè)計的示意圖；圖7為具有一致的截面的流動通道的已公知的燃料電池設(shè)計的示意圖；圖8為根據(jù)本發(fā)明一個典型實施例的具有可變截面的流動通道的燃料電池的示意圖；圖9為根據(jù)本發(fā)明另一典型實施例的具有可變截面的流動通道的管狀燃料電池的示意圖；圖10為圖9所示管狀燃料電池的變型；圖11為根據(jù)本發(fā)明另一典型實施例的流動通道的示意圖，其中通道寬度沿流動方向逐漸減?。缓蛨D12為根據(jù)本發(fā)明另一典型實施例的具有可變寬度的通道的蛇形流場的示意圖。
具體實施例方式
在圖1中所示為典型的固體氧化物燃料電池堆的示意圖。然而，為了簡單起見，圖1所示的只是電池堆中的一個電池單元。電池單元10包含一個電解質(zhì)-電極組件，其包括被夾在陰極14和陽極16之間的固體氧化物電解質(zhì)12。在工作期間，氧化劑(一般為空氣)和燃料(一般為氫氣)分別在入口22、24處被供應(yīng)至流場板18、20。氧化劑和燃料流在出口26、28處從電池堆10中排出。在工作期間，功率被輸送到由電阻器30表示的負(fù)載。
在流場板18、20中形成的分配或流動通道32、34中加入流場，用于沿流出方向?qū)⒎磻?yīng)物直接輸送到陰極和陽極的表面。
參見圖2，圖中示意性地示出了形成在流場板18或20中的燃料電池流動通道36的流場設(shè)計。流場38包括凸起地或適當(dāng)成形以包括在通道中與陰極或陽極相對的多個流動屏障的平的基板40。通常，空氣或燃料流(或簡單地稱為流)從通道側(cè)面44中心處的開口或入口42引入到通道36中。“中心通路”46在流場板39中由一對突出進(jìn)入通道或流動路徑中的隔開的、橢圓形的流動凹痕或屏障52的排48、50形成或限定出。中心(或流動)通路可沿著流動方向具有一致的或變化的寬度。在兩個中心排48、50中屏障52之間的空隙使流體可以向中心通路的兩側(cè)大致轉(zhuǎn)動90°。流體蛇形流過凹痕64和橢圓體66之間的空隙，并分別通過沿流動通道的相對端部58、60設(shè)置的多個小孔54、56形式的出口排出。出口54、56可具有相同或不同的開口尺寸。側(cè)面62是關(guān)閉的，且除了存在入口42以外，側(cè)面44是關(guān)閉的。因此，所有流體沿橫向于入口42處的流動方向的方向從通道36的相對端被導(dǎo)出。
在中心通路46的每一側(cè)的流場分別包括多排圓形和橢圓形的流動屏障64、66。鄰近中心通路46的流動屏障或凹痕64是圓形的，并在流出方向交錯排列。更大的，橢圓形的流動屏障(或橢圓體)66具有平行于流出方向的主軸，并且也是在流出方向上交錯排列。交錯的屏障為流體提供更好的混合，進(jìn)而提高流體向電極中的擴(kuò)散并促進(jìn)燃料電池的更好的性能。如圖2所示的屏障的形狀和圖案僅是示例性的，也可以根據(jù)需要進(jìn)行改變。
圖3示出了與圖2的設(shè)計類似的另一種可選的流場設(shè)計，但是其中通道68大體上被構(gòu)造為通道36的一半。由此，流體被允許只從通道的一個端部70排出。流體經(jīng)由入口74并沿現(xiàn)已關(guān)閉的端部76進(jìn)入通道側(cè)72。流體沿端部76被引導(dǎo)，但是允許轉(zhuǎn)向和在橫向方向上朝向端部70流動，在那里流體通過多個出口(小孔)78排出。流場屏障以與較早描述的實施例相似的方式形成在基板80上，其中出口通路82由端部76結(jié)合隔開的橢圓形流動屏障84而形成。交錯的多排圓形或者橢圓形凹痕86，88分別限定出多條從通路82到出口孔78的沿橫向或者流出方向的流動路徑。
在圖4所示的另一實施例中，流動通道90被設(shè)計具有基本上直的流場。當(dāng)端部96打開進(jìn)入流體時，側(cè)面92和94關(guān)閉。相對端98除了多個孔或者開口100外是關(guān)閉的。在端部96和98之間，存在分別形成在基板106上的交錯的多排圓形和橢圓形流動屏障102、104。注意到，更小的圓形流動屏障102最接近入口，而更大的橢圓形流動屏障104位于入口的下游，并且主軸平行于流動方向設(shè)置。
孔100，以及圖2中孔54，圖3中的孔78的直徑可以改變以提供更大或者更小一些的流阻，且由此，提供確保流動均勻性的足夠大的總流阻。流動屏障102和104，圖2中的流動屏障52、64和66，以及圖3中的流動屏障84、86、88的尺寸、構(gòu)形和密度還可以改變以提供給定流速下的所需的均勻流動以及所需的燃料電池功率。
圖5示出了與圖4中通道90相似的另一種通道和流場設(shè)計，但是其中陰極或者陽極流通過歧管引入。由此，通道106包括關(guān)閉的側(cè)面108、110和除了多個出口孔114外一個關(guān)閉的端部112。但是，入口116通過具有中央入口歧管118的一般為倒置的錐形壁形成，所述中央入口歧管將陽極或者陰極流體引入流場中。后者包括形成在基板124上并且與圖4的流場基本相同地進(jìn)行布置，即在流動的方向上以交錯多排的方式設(shè)置的相對小的圓形流動屏障120和相對大的橢圓形流動屏障122。
在圖6中，形成在基板131中的通道130和流場設(shè)計與圖5中的通道112相似，但是在本實例中，流體由歧管引入并收集。具體而言，通道130包括關(guān)閉的側(cè)面132、134和通過具有中央入口歧管138的一般為倒置的錐形端壁形成的入口136，其用于將陽極或者陰極流引入通道中。出口140由類似的具有中央出口歧管142的錐形端壁形成。在內(nèi)部通道端壁146中的出口144向歧管供給流出流體。在陰極或陽極流體要在通道排口處回收時需要這種構(gòu)造。另外流動屏障148、150在形狀和圖案上基本上與圖5所示的屏障120、122相同。
下面參見圖7-10，本發(fā)明的第二特征涉及流場板中的通道構(gòu)造，具體而言，涉及通道截面的逐漸減小，用于提高整個電池內(nèi)性能的一致性。通過增加流動速度來由此幫助減輕沿流動方向的分壓的減小速度，從而提高電池電流密度的一致性。在圖7中所示為已公知的流動通道構(gòu)造，其中通道156的壁152和154與陽極/電解質(zhì)/陰極組件158相結(jié)合，形成相應(yīng)的陽極和陰極流體的具有均勻截面的流動路徑160、162。
在圖8中，根據(jù)本發(fā)明的一個典型實施例的流動通道164包括位于居中的陽極/電解質(zhì)/陰極組件170的每一側(cè)面上的一對壁或側(cè)面166和168。使至少兩個通道的相對的壁沿流動方向逐漸變細(xì)形成相應(yīng)的陽極和陰極流體的截面逐漸減少的流動路徑172和174，并由此增加在下游或沿流動方向的流動速率。圖2-6的流場設(shè)置可以與通道156結(jié)合使用，其帶有形成在壁166、188內(nèi)側(cè)面上的流動屏障。
在圖9中，本發(fā)明的另一典型實施例涉及在管狀燃料電池176中通道構(gòu)造。在該實施例中，陽極178，電解質(zhì)180和陰極182形成C-形構(gòu)造，內(nèi)部流體壁184、186限定出一個空氣入口通道188和一對出口通道190、192。壁184、186是傾斜的以在流動方向上減小出口通道面積。橫截面積的減小增大了在下游方向上的流動速度。上述流場屏障設(shè)計可設(shè)置在面對相鄰陰極的壁184、186的側(cè)面上。
在圖10中，所示通道194與圖9中的通道176相似，但是在結(jié)構(gòu)上陰極196，電解質(zhì)198和陽極200與內(nèi)壁202、204的布置相反，以使得空氣流過陰極，燃料在內(nèi)部流過入口通道206和出口通道208、210，后者在流動方向上截面積減小。這里再一次，流場板設(shè)計可以形成在面對陽極的壁202、204的表面上。
在圖11中，圖中示出電池212的寬度逐漸減小，由此還在下游方向上增加了流動速率。具體而言，電池212包括在陽極/電解質(zhì)/陰極組件218周圍垂直地疊置的陽極流動路徑224(由側(cè)面220、222和頂面214形成)和陰極流動路徑226(由側(cè)面228、230和底面216形成)。頂面214和底面216的寬度沿流動方向逐漸減小以至于在通道224和226中向下游方向朝向較小電池面積的流動速度增加。因此，該燃料電池的性能應(yīng)比恒定寬度通道的燃料電池的性能高。圖1-6所描述的流場設(shè)計可以分別形成在面對陽極和陰極的內(nèi)表面214和216上。
圖12所示為本發(fā)明的另一典型實施例。然而，在該實例中，通道232包括平行側(cè)面234、236以及平行端部238、240，并且內(nèi)壁242、244和246相對于相鄰的側(cè)面234、236傾斜。內(nèi)壁由此形成蛇形流動路徑，在側(cè)面238的上部具有入口246。蛇形流動路徑的每個部分的截面在流動方向上從電池的一個端部向另一端部減小。該蛇形流動路徑可包括流動屏障例如在平的基板248上的凹痕或突起。隨著在下游方向的流動速度增加，燃料電池性能預(yù)期得到提高。
雖然已結(jié)合目前認(rèn)為是最佳的和優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明不限于已公開的實施例，而是相反地，本發(fā)明旨在覆蓋所附的技術(shù)方案的精神和范圍內(nèi)的各種變型和等效的布置。
固體氧化物燃料電池堆10固體氧化物電解質(zhì)12陰極14陽極16流場板18，20入口22，24出口26，28電阻器30流動通道32，34燃料電池流動通道36流場38平的基板40開口或入口42側(cè)面44中心通路46一對排48，50流動凹痕或屏障52小孔54，56端部58，60側(cè)面62流動屏障(凹痕)64流動屏障(橢圓體)66通道68端部70通道側(cè)面72入口74端部76多個出口(小孔)78基板80入口通路82流動屏障84圓形和橢圓形凹痕86，88流動通道92側(cè)面92，94端部96
相對端部98多個孔或出口100圓形和橢圓形流動屏障102，104基板106關(guān)閉的側(cè)面108，110端部112多個出口孔114入口116居中的入口歧管118圓形流動屏障120橢圓形流動屏障122基板124通道130基板131關(guān)閉的側(cè)面132，134入口136居中的入口歧管138出口140居中的出口歧管142出口144內(nèi)部通道端壁146流動屏障148，150壁152，154通道156陽極/電解質(zhì)/陰極組件158流動路徑160，162流動通道164壁或側(cè)面166，168居中的陽極/電解質(zhì)/陰極組件170流動路徑172，174管狀燃料電池176陽極178電解質(zhì)180陰極182流體壁184，186
空氣入口通道188一對出口通道190，192通道194陰極196電解質(zhì)198陽極200內(nèi)壁202，204入口通道206出口通道208，210電池212頂面214底面216陽極/電解質(zhì)/陰極組件218側(cè)面220，220陽極流動路徑224陰極流動路徑226側(cè)面228，230平行側(cè)面234，236平行端部238，240內(nèi)壁242，244，246平的基板248
權(quán)利要求
1.一種形成固體氧化物燃料電池(10)的流場板(18)中的通道(36)的一個壁的流場(38)，該流場包括一個具有從基板突出進(jìn)入通道的不同形狀的流動屏障(52，64，66)的構(gòu)成圖案的陣列的平的基板(40)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流場，其中所述不同形狀的流動屏障包括圓形的和橢圓形的流動屏障(52，64，66)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的流場，其中至少一些所述的橢圓形的流動屏障(52)被布置具有與流體流過板的方向平行的主軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的流場，其中所述圓形的和橢圓形的流動屏障(64，66)被布置成在所述流動方向上的交錯的排。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流場，其中所述流動通道成形具有居于所述通道側(cè)面(44)中央的入口(42)，和沿所述通道的至少一個端部(58)的多個出口(54)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的流場，其中所述流動通道成形具有沿所述通道的所述至少一個端部(58)和相對的端部(60)的多個出口(54)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的流場，其中所述出口(54)具有相同的或變化的開口尺寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的流場，其中流動通路(82)被限定在所述流動通道中，與所述流動通道的相對的端部(76)相鄰并平行，由第一組所述流動屏障(84)部分地限定出的所述流動通路彼此隔開以允許流體朝向所述多個出口改變方向。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的流場，其中所述流動通路(46，82)的寬度沿流動方向是相同或變化的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的流場，其中所述第一組所述流動屏障(84)為橢圓形，且主軸與所述流動通路(82)平行。
全文摘要
一種形成固體氧化物燃料電池(10)的流場板(18)中的通道(36)的一個壁的流場(38)，該流場包括一個具有從基板突出進(jìn)入通道的不同形狀的流動屏障(52，64，66)的構(gòu)成圖案的陣列的平的基板(40)，該流場通道的橫截面積沿流動方向減小。
文檔編號H01M4/86GK1770531SQ20051009968
公開日2006年5月10日 申請日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月2日
發(fā)明者F·伊薩茨, J·關(guān), E·T·翁 申請人:通用電氣公司