流动干扰器增强型燃料电池制造技术

本发明专利技术提供一种至少包括一个燃料电池（５０）的燃料电池组件（１０）。该燃料电池包括阳极（２０）、阴极（３０）和设置在其间的电解质（４０）；在所述至少一个燃料电池（５０）中设置的、用于将流体传送给所述燃料电池（５０）的至少一个流体流动通道（９５）和与所述阳极（２０）、所述阴极（３０）和所述电解质（４０）的至少一个接触的至少一个流动干扰器（２５）的阵列。流动干扰器（２５、３２）伸入所述流体流动通道（９５）内以便当所述流体被引入到流体流动通道（９５）中时干扰流体流动并提高流体和燃料电池组件（１０）之间的热量传递速率。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及电力产生设备例如燃料电池，尤其涉及燃料电池例如固体氧化物燃料电池的热控制。
技术介绍
燃料电池是能量转换装置，它通过电化学地结合经过离子导电层的燃料和氧化剂产生电能。高温燃料电池堆例如固体氧化物燃料电池堆通常由具有平面结构的扁平单个构件构成。平面燃料电池可以是对流、横流和层流的形式。平面燃料电池通常包括三层阳极/电解质/阴极组件，该组件从电池向电池传导电流并为气体提供流入立方结构或电池堆的通道。燃料电池例如固体氧化物燃料电池已经表现出在发电方面高效、低污染的潜力。然而，与热处理相关的问题一直存在，尤其是在调节燃料电池组件的温度梯度方面。在燃料电池中由燃料和氧化剂的反应产生的热能需要除去或内部使用，以便保持燃料电池中的工作温度。燃料电池中的冷却通道通常采用氧化剂，例如空气，以助于从燃料电池向氧化剂的传递或去除废热，从而将电池堆温度保持在规定范围内或更低并且保持预定的热梯度。燃料电池组件和流体如氧化剂之间的温度差是流过流体流动通道的流体的热转移特性和在燃料电池组件中产生的热通量的函数。然而，在常规燃料电池应用中采用的这种流体流动通道具有在流体流动通道和从中流过的流体之间的低对流热传递系数。因此，本领域需要一种具有改进的流动通道的燃料电池，此通道提供改善的热传递特性。
技术实现思路
本专利技术的一个实施方式提供一种至少包括一个燃料电池的燃料电池组件。燃料电池包括阳极、阴极和设置在阴阳极之间的电解质；在燃料电池中设置的用于将流体提供给燃料电池的至少一个流体流动通道和与阳极、阴极和电解质至少一个接触的至少一个流动干扰器阵列。流动干扰器伸入流体流动通道，从而当流体引入到流体流动通道时干扰流体流动并提高在流体和燃料电池组件之间的热传递速率。附图说明参考下面的说明书、附加权利要求和附图，本专利技术的这些和其它特点、方面和优点将更好理解。图1是根据本专利技术一个实施方式的平面燃料电池的单个单元的通常分解等角图。图2是描述其上设置了多个流动干扰器的图1的燃料电池组件的通常等角图。图3是图2的X-X横截面的截面图；图4是根据本专利技术一个实施方式的单个燃料电池中的流动干扰器的通常设置。图5是根据本专利技术一个实施方式的单个燃料电池中的流动干扰器的通常设置。图6是根据本专利技术一个实施方式的单个燃料电池中的流动干扰器的通常设置。图7是根据本专利技术另一实施方式的具有其上设置的多个流动干扰器的管状燃料电池的通常分解等角图；图8是流动干扰器的流动特性的通常示意图；图9是根据本专利技术一个实施方式的单个燃料电池中的流动干扰器阵列的通常图形。图10是根据本专利技术另一实施方式的单个燃料电池中的流动干扰器阵列的通常图形。具体实施例方式本专利技术提供燃料电池组件10，例如固体氧化物燃料电池(以下称作“SOFC”)组件，该组件通常包括至少含有一个燃料电池50的燃料电池阵列、堆或叠层(参见图1)。各燃料电池50是能够以串联或并联或以两种方式叠加在一起的重复燃料电池单元50，从而构成能够产生电能输出的燃料电池叠层系统或结构。燃料电池50可以是需要流动通道的任意类型的燃料电池，例如固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、直接甲醇燃料电池、再生燃料电池、锌空气燃料电池和质子陶瓷燃料电池。在图1中示出了通常的燃料电池50，例如固体氧化物燃料电池。氧化剂38例如空气被输送到阴极30。在阴极30产生的氧离子(O2-)经过设在阳极20和阴极30之间的电解质40传输。燃料34例如天然气被输送到阳极20。在阳极20的燃料34与经过电解质40迁移至阳极20的氧离子(O2-)反应。氧离子(O2-)被去离子以向外部电路释放电子(未示出)。这样，电子流经过外部电路产生直流电(未示出)。结果，发电过程产生某些废气，生成废热。阳极20通常为引入到燃料电池50中的气体燃料的电化学氧化提供反应位置。因此，需要阳极20对于燃料还原环境是惰性的并具有充分的导电性。此外，需要阳极20为在燃料电池50工作条件下的燃料气体反应增加催化活性并具有足够的孔隙率以使气体传输到反应位置。具有上述性质的阳极20可采用的材料包括金属镍、镍合金、银、铜、钴、钌、镍-氧化钇-稳定氧化锆金属陶瓷(Ni-YSZ金属陶瓷)、铜-氧化钇-稳定氧化锆金属陶瓷(Cu-YSZ金属陶瓷)、Ni-二氧化铈金属陶瓷、陶瓷或其组合，但不限于此。阴极30通常为氧化剂的电化学反应提供反应位置。因此，需要阴极30对于氧化环境是惰性的并具有充分的导电性。此外，需要阴极30为在燃料电池50工作条件下的氧化剂气体反应增加催化活性并具有足够的孔隙率以使气体传输到反应位置。具有上述性质的阴极30可采用的材料包括钙钛矿掺杂锰酸镧(LaMnO3)、锶掺杂LaMnO4(SLM)、锡掺杂氧化铟(In2O3)、锶掺杂PrMnO3、LaFeO3-LaCoO3RuO2-氧化钇-稳定氧化锆(YSZ)、钴酸镧及其组合，但不限于此。阳极20和阴极30通常具有足以支持电化学反应的表面积。阳极20和阴极30所用的材料在燃料电池组件10的通常的最小和最大工作温度之间例如在约600℃至约1300℃之间是热稳定的。电解质40通常设置在阳极20和阴极30之间，正如在图1中的燃料电池50的通常分解等角图中所示出的那样。电解质40用于在阴极30和阳极20之间传输离子，例如氧离子(O2-)。此外，在燃料电池50中电解质40将燃料34与氧化剂38分开。因此，需要电解质40对于燃料的还原和氧化环境均为惰性，并且不可透过反应气体。此外，需要电解质40在燃料电池50的工作条件下充分地导电。具有上述性质的电解质40可采用的材料包括氧化锆、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)、掺杂二氧化铈、氧化铈(CeO2)、三氧化二铋、烧绿石氧化物、掺杂锆酸盐、钙钛矿氧化物材料及其组合，但不限于此。互连24通常将一个可重复燃料电池50单元的阳极20电连接到相邻燃料电池50单元的阴极30(参见图1)。此外，互连24应提供均匀的电流分布并且不可透过燃料和氧化剂气体。需要互连24对于燃料还原和氧化环境均为惰性，并且在燃料电池50的各种温度下充分地导电以支持电子流动。具有上述性质的互连可采用的材料包括铬基铁氧体不锈钢、辉钴矿、陶瓷、铬酸镧(LaCrO3)、重铬酸钴(CoCr2O4)、铬镍铁合金600、铬镍铁合金601、哈司特镍合金X、哈司特镍合金-230、Cr5Fe1Y2O3(Ducrolloy)、科瓦铁镍钴合金、E-布赖特超级铁素体不锈钢及其组合，但不限于此。参见图1，燃料电池50例如固体氧化物50包括阳极20、阴极30和设置在阴阳极之间的电解质40。在燃料电池50中设置至少一个流体流动通道95。参见图1和图2，至少一个流动干扰器25阵列连接到阳极20、阴极30和电解质40的至少一个。在图3所示的本专利技术的一种实施方式中，流动干扰器250、225从电解质40通过阳极20和阴极30至少一个的表面延伸。流体流动通道95通常包括在燃料电池50中设置的至少一个氧化剂流动通道28和至少一个燃料流动通道36(参见图1)。根据另一种实施方式，如图4-6中所示，流动干扰器25的阵列进一步包括流动干扰器32的第二阵列。流动干扰器25，32从电解质40伸入阴极30和阳极20至少一个内。流动干扰器25、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池组件（１０），包括：包括阳极（２０）、阴极（３０）和设置在其间的电解质（４０）的至少一个燃料电池（５０）；在所述至少一个燃料电池（５０）中设置的、用于将流体传送给所述燃料电池（５０）的至少一个流体流动通道（９５） ；以及与所述阳极（２０）、所述阴极（３０）和所述电解质（４０）至少一个接触的至少一个流动干扰器（２５）的阵列，所述流动干扰器（２５）伸入所述流体流动通道（９５）以便当所述流体被引入到所述流体流动通道（９５）中时干扰所述流体的流动并提 高所述流体和所述燃料电池组件（１０）之间的热量传递速率。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：RS邦克，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]