CN1770531A - 高燃料利用率燃料电池的流场设计 - Google Patents

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Abstract

一种形成固体氧化物燃料电池(10)的流场板(18)中的通道(36)的一个壁的流场(38)，该流场包括一个具有从基板突出进入通道的不同形状的流动屏障(52，64，66)的构成图案的阵列的平的基板(40)，该流场通道的横截面积沿流动方向减小。

Description

高燃料利用率燃料电池的流场设计
技术领域
本发明涉及高性能燃料电池，更具体而言，涉及用于促进一致的性能和提高燃料电池系统的效率的经优化的流场和通道设计。
背景技术
燃料电池将反应物，即燃料和氧化剂，转化生成电能和反应产物。燃料电池通常使用设置在两个电极，即阴极和阳极之间的电解质。优选的燃料电池类型包括固体氧化物燃料电池(SOFCs)，其包括固体氧化物电解质并在相对高的温度下工作。一般地，固体氧化物燃料电池使用氧-离子导体(比如稳定化的氧化锆，掺杂的二氧化铈，掺杂的镓酸镧)或者质子导体(比如掺杂的钙钛矿Ba(Sr)CeO3，Ba(Sr)ZrO3，以及混合钙钛矿A3(B’B”)O9)作为电解质。当前，固体氧化物燃料电池几乎专用氧离子传导的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)作为电解质。
在使用氧-离子电解质的固体氧化物燃料电池的正常操作过程中，氧化剂中的氧在阴极被电化学还原，通常导致生成氧离子和电子。氧离子从反应位置传导通过电解质，在阳极与燃料发生电化学反应形成H2O、CO2以及根据所使用的燃料可能还生成其它物质。
流场的均匀性是获得高性能燃料电池的关键问题。足够的阳极和阴极流必须到达电池中整个电极表面上。因此，流场设计应该确保电池板上的流动是尽可能均匀的，并提供对电池中流动压力降的增加或者降低的适应性。一般地，燃料电池堆中的歧管设计决定了基于电池堆中电池数量的所需压力降。
还需要有通过燃料电池的均匀的电流密度来优化燃料电池的性能。均匀的电流密度消除了电池内不希望有的温度梯度。电流密度还分别直接与阳极和阴极流中的活性燃料(比如氢)和氧的分压相关。沿着燃料电池从反应物进口到出口，随着反应的发生以及反应物质被消耗掉，活性反应物的分压降低。分压的降低可能是剧烈的，造成通过电池的能斯特(Nernst)电位下降，由此电极反应速率沿着流动方向显著降低，导致通过燃料电池的不均匀的电流密度。
包括流动通道和流场构造的代表性的燃料电池设计可以在比如美国专利No.6586128、6099984、6093502、5840438、5686199和4988583中找到。
发明内容
本发明设法通过新的流场和流动通道设计来提高燃料电池的总体性能。为此目的，本发明致力于燃料电池流场的两个必要条件：1)均匀的流阻以增强电池中的流动均匀性；和2)对电池内流动压力降的增加或者降低的适应性。
本发明还致力于流场板通道的设计，其允许增加流速以有助于减轻沿流动方向的活性反应物的分压的降低速度，因此可以增强电池电流密度和性能的均匀性。
在典型实施例中，公开了一系列其它可选的流场，它们被设计用以增强提高燃料电池系统中燃料的利用率。在这些流场设计中，冲压或者机加工成型的流场板具有许多凹痕或者凸起，这些凹痕或者凸起呈作为流动屏障的选定图案，由此沿多种流动路径提供均匀的流阻。
在一个实施例中，燃料流从在燃料电池一侧的中心的开口处引入流场。在流体通过开口的方向上设置“中心通路”，“中心通路”包括允许流体转向中心通路的两侧的两排流动屏障。中心通路的宽度可沿流动方向改变(即减小)，因为流体的量当到达燃料电池的另一侧时逐渐变得更少。在中心通路的每一侧上的流场包括数排圆形或者椭圆形流动屏障(比如凹痕)。这些屏障可以是对齐的也可以是交错排列的，后者提供了更好的流体混合，其可以增强然料扩散进入电极，由此促进更好的电池性能。如上面提到的，流体可以自由地在中心通路的相对方向上转变方向，然后流体从电池两个相对端处的一系列小孔排出电池。这些孔的直径可以沿侧面改变以提供更大或者更小的流阻，由此提供足够的总流阻以确保流动的均匀性。在上述的流场设计的变型中，流体仅从燃料电池的一端排出。
在另一个典型实施例中，阳极或者阴极流体进入燃料电池的一端，并从燃料电池的相对端排出，电池的相对侧被闭塞。如上所述，沿流动方向的流动屏障可以是在一条直线上，也可以是交错排列的。同样如上所述，流体通过一系列小孔从电池的相对侧排出。
在又一个实施例中，阴极和阳极流通过在电池一端的第一歧管引入流场，并且在这个设计的变型中，从电池中流出的流体通过电池相对端的第二歧管被收集起来。
至于燃料电池流体通道(上述流场形成在管状通道的一个表面上)的设计，通道的高度或宽度可沿流动方向逐渐减小，以由此增加下游的流速。在一个实施例中，可变宽度的通道组合形成蛇形的流体通道。
相应地，在一个方面，本发明涉及一种形成了固体氧化物燃料电池流场板中通道的一个壁的流场，该流场包括一个具有从基板突出进入通道的不同形状的流动屏障的构成图案的阵列的平的基板。
另一方面，本发明涉及用于固体氧化物燃料电池中的流场，该流场板包含多条流动通道，每条通道包括一个具有从基板突出进入通道的不同形状的流动屏障的构成图案的阵列的平的基板；其中不同形状的流动屏障包括沿流动方向成交错的排布置的圆形的和椭圆形的流动屏障。
在另一方面，本发明涉及用于固体氧化物燃料电池的流场板，该板成形具有多条流动通道，每条流动通道在流动方向的横截面面积减少，至少一个通道壁设有突出进入通道的不同形状的流动屏障的构成图案的阵列。
另一方面，本发明涉及一种固体氧化物燃料电池，其包含设置在阴极和阳极之间的固体氧化物电解质，一对相对的流场板分别与阴极和阳极操作地连接；每个流场板由在其中的多条流动通道构成，至少一条通道的壁成形具有突出进入流动通道的不同形状的流动屏障的构成图案的阵列。
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
附图说明
图1为一般的燃料电池的示意图；
图2为结合有根据本发明一个典型实施例的流场设计的燃料电池的示意图；
图3为根据本发明的另一种可选实施例的流场设计的示意图；
图4为根据本发明的第三典型实施例的流场设计的示意图；
图5为根据本发明的第四典型实施例的流场设计的示意图；
图6为根据本发明的第五典型实施例的流场设计的示意图；
图7为具有一致的截面的流动通道的已公知的燃料电池设计的示意图；
图8为根据本发明一个典型实施例的具有可变截面的流动通道的燃料电池的示意图；
图9为根据本发明另一典型实施例的具有可变截面的流动通道的管状燃料电池的示意图；
图10为图9所示管状燃料电池的变型；
图11为根据本发明另一典型实施例的流动通道的示意图，其中通道宽度沿流动方向逐渐减小；和
图12为根据本发明另一典型实施例的具有可变宽度的通道的蛇形流场的示意图。
具体实施方式
在图1中所示为典型的固体氧化物燃料电池堆的示意图。然而，为了简单起见，图1所示的只是电池堆中的一个电池单元。电池单元10包含一个电解质-电极组件，其包括被夹在阴极14和阳极16之间的固体氧化物电解质12。在工作期间，氧化剂(一般为空气)和燃料(一般为氢气)分别在入口22、24处被供应至流场板18、20。氧化剂和燃料流在出口26、28处从电池堆10中排出。在工作期间，功率被输送到由电阻器30表示的负载。
在流场板18、20中形成的分配或流动通道32、34中加入流场，用于沿流出方向将反应物直接输送到阴极和阳极的表面。
参见图2，图中示意性地示出了形成在流场板18或20中的燃料电池流动通道36的流场设计。流场38包括凸起地或适当成形以包括在通道中与阴极或阳极相对的多个流动屏障的平的基板40。通常，空气或燃料流(或简单地称为流)从通道侧面44中心处的开口或入口42引入到通道36中。“中心通路”46在流场板39中由一对突出进入通道或流动路径中的隔开的、椭圆形的流动凹痕或屏障52的排48、50形成或限定出。中心(或流动)通路可沿着流动方向具有一致的或变化的宽度。在两个中心排48、50中屏障52之间的空隙使流体可以向中心通路的两侧大致转动90°。流体蛇形流过凹痕64和椭圆体66之间的空隙，并分别通过沿流动通道的相对端部58、60设置的多个小孔54、56形式的出口排出。出口54、56可具有相同或不同的开口尺寸。侧面62是关闭的，且除了存在入口42以外，侧面44是关闭的。因此，所有流体沿横向于入口42处的流动方向的方向从通道36的相对端被导出。
在中心通路46的每一侧的流场分别包括多排圆形和椭圆形的流动屏障64、66。邻近中心通路46的流动屏障或凹痕64是圆形的，并在流出方向交错排列。更大的，椭圆形的流动屏障(或椭圆体)66具有平行于流出方向的主轴，并且也是在流出方向上交错排列。交错的屏障为流体提供更好的混合，进而提高流体向电极中的扩散并促进燃料电池的更好的性能。如图2所示的屏障的形状和图案仅是示例性的，也可以根据需要进行改变。
图3示出了与图2的设计类似的另一种可选的流场设计，但是其中通道68大体上被构造为通道36的一半。由此，流体被允许只从通道的一个端部70排出。流体经由入口74并沿现已关闭的端部76进入通道侧72。流体沿端部76被引导，但是允许转向和在横向方向上朝向端部70流动，在那里流体通过多个出口(小孔)78排出。流场屏障以与较早描述的实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结合隔开的椭圆形流动屏障84而形成。交错的多排圆形或者椭圆形凹痕86，88分别限定出多条从通路82到出口孔78的沿横向或者流出方向的流动路径。
在图4所示的另一实施例中，流动通道90被设计具有基本上直的流场。当端部96打开进入流体时，侧面92和94关闭。相对端98除了多个孔或者开口100外是关闭的。在端部96和98之间，存在分别形成在基板106上的交错的多排圆形和椭圆形流动屏障102、104。注意到，更小的圆形流动屏障102最接近入口，而更大的椭圆形流动屏障104位于入口的下游，并且主轴平行于流动方向设置。
孔100，以及图2中孔54，图3中的孔78的直径可以改变以提供更大或者更小一些的流阻，且由此，提供确保流动均匀性的足够大的总流阻。流动屏障102和104，图2中的流动屏障52、64和66，以及图3中的流动屏障84、86、88的尺寸、构形和密度还可以改变以提供给定流速下的所需的均匀流动以及所需的燃料电池功率。
图5示出了与图4中通道90相似的另一种通道和流场设计，但是其中阴极或者阳极流通过歧管引入。由此，通道106包括关闭的侧面108、110和除了多个出口孔114外一个关闭的端部112。但是，入口116通过具有中央入口歧管118的一般为倒置的锥形壁形成，所述中央入口歧管将阳极或者阴极流体引入流场中。后者包括形成在基板124上并且与图4的流场基本相同地进行布置，即在流动的方向上以交错多排的方式设置的相对小的圆形流动屏障120和相对大的椭圆形流动屏障122。
在图6中，形成在基板131中的通道130和流场设计与图5中的通道112相似，但是在本实例中，流体由歧管引入并收集。具体而言，通道130包括关闭的侧面132、134和通过具有中央入口歧管138的一般为倒置的锥形端壁形成的入口136，其用于将阳极或者阴极流引入通道中。出口140由类似的具有中央出口歧管142的锥形端壁形成。在内部通道端壁146中的出口144向歧管供给流出流体。在阴极或阳极流体要在通道排口处回收时需要这种构造。另外流动屏障148、150在形状和图案上基本上与图5所示的屏障120、122相同。
下面参见图7-10，本发明的第二特征涉及流场板中的通道构造，具体而言，涉及通道截面的逐渐减小，用于提高整个电池内性能的一致性。通过增加流动速度来由此帮助减轻沿流动方向的分压的减小速度，从而提高电池电流密度的一致性。在图7中所示为已公知的流动通道构造，其中通道156的壁152和154与阳极/电解质/阴极组件158相结合，形成相应的阳极和阴极流体的具有均匀截面的流动路径160、162。
在图8中，根据本发明的一个典型实施例的流动通道164包括位于居中的阳极/电解质/阴极组件170的每一侧面上的一对壁或侧面166和168。使至少两个通道的相对的壁沿流动方向逐渐变细形成相应的阳极和阴极流体的截面逐渐减少的流动路径172和174，并由此增加在下游或沿流动方向的流动速率。图2-6的流场设置可以与通道156结合使用，其带有形成在壁166、188内侧面上的流动屏障。
在图9中，本发明的另一典型实施例涉及在管状燃料电池176中通道构造。在该实施例中，阳极178，电解质180和阴极182形成C-形构造，内部流体壁184、186限定出一个空气入口通道188和一对出口通道190、192。壁184、186是倾斜的以在流动方向上减小出口通道面积。横截面积的减小增大了在下游方向上的流动速度。上述流场屏障设计可设置在面对相邻阴极的壁184、186的侧面上。
在图10中，所示通道194与图9中的通道176相似，但是在结构上阴极196，电解质198和阳极200与内壁202、204的布置相反，以使得空气流过阴极，燃料在内部流过入口通道206和出口通道208、210，后者在流动方向上截面积减小。这里再一次，流场板设计可以形成在面对阳极的壁202、204的表面上。
在图11中，图中示出电池212的宽度逐渐减小，由此还在下游方向上增加了流动速率。具体而言，电池212包括在阳极/电解质/阴极组件218周围垂直地叠置的阳极流动路径224(由侧面220、222和顶面214形成)和阴极流动路径226(由侧面228、230和底面216形成)。顶面214和底面216的宽度沿流动方向逐渐减小以至于在通道224和226中向下游方向朝向较小电池面积的流动速度增加。因此，该燃料电池的性能应比恒定宽度通道的燃料电池的性能高。图1-6所描述的流场设计可以分别形成在面对阳极和阴极的内表面214和216上。
图12所示为本发明的另一典型实施例。然而，在该实例中，通道232包括平行侧面234、236以及平行端部238、240，并且内壁242、244和246相对于相邻的侧面234、236倾斜。内壁由此形成蛇形流动路径，在侧面238的上部具有入口246。蛇形流动路径的每个部分的截面在流动方向上从电池的一个端部向另一端部减小。该蛇形流动路径可包括流动屏障例如在平的基板248上的凹痕或突起。随着在下游方向的流动速度增加，燃料电池性能预期得到提高。
虽然已结合目前认为是最佳的和优选的实施例对本发明进行了描述，但是应当理解的是本发明不限于已公开的实施例，而是相反地，本发明旨在覆盖所附的技术方案的精神和范围内的各种变型和等效的布置。
固体氧化物燃料电池堆10
固体氧化物电解质12
阴极14
阳极16
流场板18，20
入口22，24
出口26，28
电阻器30
流动通道32，34
燃料电池流动通道36
流场38
平的基板40
开口或入口42
侧面44
中心通路46
一对排48，50
流动凹痕或屏障52
小孔54，56
端部58，60
侧面62
流动屏障(凹痕)64
流动屏障(椭圆体)66
通道68
端部70
通道侧面72
入口74
端部76
多个出口(小孔)78
基板80
入口通路82
流动屏障84
圆形和椭圆形凹痕86，88
流动通道92
侧面92，94
端部96
相对端部98
多个孔或出口100
圆形和椭圆形流动屏障102，104
基板106
关闭的侧面108，110
端部112
多个出口孔114
入口116
居中的入口歧管118
圆形流动屏障120
椭圆形流动屏障122
基板124
通道130
基板131
关闭的侧面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
内部通道端壁146
流动屏障148，150
壁152，154
通道156
阳极/电解质/阴极组件158
流动路径160，162
流动通道164
壁或侧面166，168
居中的阳极/电解质/阴极组件170
流动路径172，174
管状燃料电池176
阳极178
电解质180
阴极182
流体壁184，186
空气入口通道188
一对出口通道190，192
通道194
阴极196
电解质198
阳极200
内壁202，204
入口通道206
出口通道208，210
电池212
顶面214
底面216
阳极/电解质/阴极组件218
侧面220，220
阳极流动路径224
阴极流动路径226
侧面228，230
平行侧面234，236
平行端部238，240
内壁242，244，246
平的基板248

Claims (10)

1、一种形成固体氧化物燃料电池(10)的流场板(18)中的通道(36)的一个壁的流场(38)，该流场包括一个具有从基板突出进入通道的不同形状的流动屏障(52，64，66)的构成图案的阵列的平的基板(40)。
2、根据权利要求1所述的流场，其中所述不同形状的流动屏障包括圆形的和椭圆形的流动屏障(52，64，66)。
3、根据权利要求2所述的流场，其中至少一些所述的椭圆形的流动屏障(52)被布置具有与流体流过板的方向平行的主轴。
4、根据权利要求3所述的流场，其中所述圆形的和椭圆形的流动屏障(64，66)被布置成在所述流动方向上的交错的排。
5、根据权利要求1所述的流场，其中所述流动通道成形具有居于所述通道侧面(44)中央的入口(42)，和沿所述通道的至少一个端部(58)的多个出口(54)。
6、根据权利要求5所述的流场，其中所述流动通道成形具有沿所述通道的所述至少一个端部(58)和相对的端部(60)的多个出口(54)。
7、根据权利要求5所述的流场，其中所述出口(54)具有相同的或变化的开口尺寸。
8、根据权利要求5所述的流场，其中流动通路(82)被限定在所述流动通道中，与所述流动通道的相对的端部(76)相邻并平行，由第一组所述流动屏障(84)部分地限定出的所述流动通路彼此隔开以允许流体朝向所述多个出口改变方向。
9、根据权利要求8所述的流场，其中所述流动通路(46，82)的宽度沿流动方向是相同或变化的。
10、根据权利要求8所述的流场，其中所述第一组所述流动屏障(84)为椭圆形，且主轴与所述流动通路(82)平行。
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