高性能燃料电池制造技术

一种燃料电池单元，其包括具有多个流动通道的支撑结构和与支撑结构联接的活性层膜，活性层膜包括至少一个电极层。多个流动通道中的每个流动通道被构造为引导空气和燃料中的一个穿过活性层膜的至少一个电极层以产生电流。多个流动通道中的每个流动通道包括至少一个增强特征，至少一个增强特征被构造为破坏在发生反应的活性层膜的表面附近的边界层的形成。多个流动通道可以以之字形构造定位，以允许增加燃料电池单元的功率密度。加燃料电池单元的功率密度。加燃料电池单元的功率密度。

【技术实现步骤摘要】
高性能燃料电池


[0001]本公开涉及高性能燃料电池和包括这种燃料电池的燃烧系统。特别地，本公开涉及包括流动通道的燃料电池单元，该流动通道各自包括被构造为破坏在发生反应的活性层膜的表面附近的边界层的形成的增强特征。本公开还涉及包括流动通道的燃料电池单元，该流动通道以之字形或跷跷板构造交替，从而提高燃料电池单元的功率密度。

技术介绍

[0002]燃料电池是电化学能量转换装置，其已证明在发电中具有相对高效率和低污染的潜力。燃料电池通常提供直流电(dc)，直流电(dc)可以经由例如逆变器转换成交流电(ac)。dc或ac电压可用于为马达、灯、通信设备和任何数量的电气装置和系统供电。燃料电池可以在静止、半静止或便携式应用中操作。某些燃料电池(例如固体氧化物燃料电池(SOFC))可以在提供电力以满足工业和市政需求的大规模电力系统中操作。其他可能适用于较小的便携式应用，例如为汽车供电。
[0003]燃料电池通过跨离子传导层电化学结合燃料和氧化剂来产生电。该离子传导层(也称为燃料电池的电解质)可以是液体或固体。常见的燃料电池类型包括磷酸(PAFC)、熔融碳酸盐(MCFC)、质子交换膜(PEMFC)和固体氧化物(SOFC)，它们通常都以其电解质命名。在实践中，燃料电池通常以电气串联的形式聚集在燃料电池组件中，以在有用的电压或电流下产生电力。通常，燃料电池的部件包括电解质和两个电极。产生电的反应通常发生在电极上，通常在电极上设置催化剂以加速反应。电极可以构造为通道、多孔层等，以增加发生化学反应的表面积。电解质将带电粒子从一个电极传送到另一个电极，并且对燃料和氧化剂基本上是不可渗透的。

技术实现思路

[0004]根据实施例，提供了一种燃料电池单元，其包括具有多个流动通道的支撑结构和与支撑结构联接的活性层膜，活性层膜包括至少一个电极层。多个流动通道中的每个流动通道被构造为跨活性层膜的至少一个电极层引导空气和燃料中的一个以产生电流，并且多个流动通道中的每个流动通道包括至少一个增强特征，至少一个增强特征被构造为破坏在发生反应的活性层膜的表面附近的边界层的形成。
[0005]根据实施例，提供了一种包括多个燃料电池单元的燃料电池。多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元包括具有多个流动通道的支撑结构和与支撑结构联接的活性层膜，活性层膜包括至少一个电极层。多个流动通道中的每个流动通道被构造为跨活性层膜的至少一个电极层引导空气和燃料中的一个以产生电流，并且多个流动通道中的每个流动通道包括至少一个增强特征，至少一个增强特征被构造为破坏在发生反应的活性层膜的表面附近的边界层的形成。
[0006]根据实施例，提供了一种方法，该方法包括将燃料引导到从入口端延伸到燃烧出口端的燃料电池堆中的燃料电池的燃料入口中，燃料入口定位成靠近燃料电池堆的入口
端；将空气引导到燃料电池的空气入口中，空气入口定位成靠近燃料电池堆的入口端；通过跨包括阳极层、电解质层和阴极层的活性层膜的相对侧引导空气和燃料来产生电能；朝向靠近燃料电池堆的燃烧出口端的燃料电池的燃烧出口引导通过燃料电池的流动通道的至少一些燃料和至少一些空气；以及靠近燃烧出口端燃烧至少一些燃料和至少一些空气作为来自燃料电池的输出燃烧。
[0007]本公开的附加特征、优点和实施例通过考虑以下详细描述、附图和权利要求而被阐述或显而易见。此外，应当理解，本公开的上述概述和以下详细描述都是示例性的并且旨在提供进一步的解释，而不限制所要求保护的本公开的范围。
附图说明
[0008]根据以下更具体地对如附图中所示的各种示例性实施例的描述，前述和其他特征和优点将变得显而易见，在附图中相似的附图标记通常表示相同、功能类似和/或结构类似的元件。
[0009]图1示出了根据本公开的实施例的燃料电池单元的立体图。
[0010]图2示出了沿图1中所示的线2
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2截取的图1的燃料电池单元的横截面侧视图。
[0011]图3示出了根据本公开的实施例的图1和图2中所示的若干燃料电池单元的堆的横截面侧视图。
[0012]图4示出了根据本公开的实施例的图1的燃料电池单元的催化剂侧的俯视图。
[0013]图5A示出了根据本公开的实施例的燃料电池单元的立体图。
[0014]图5B示出了根据本公开的实施例的图5A的燃料电池单元的一个流动通道的放大图。
[0015]图6A示出了根据本公开的实施例的图1的燃料电池单元的侧视图。
[0016]图6B示出了根据本公开的实施例的图5A的燃料电池单元的侧视图。
[0017]图7A示出了根据本公开的实施例的图1的燃料电池单元的催化剂侧的俯视图。
[0018]图7B示出了根据本公开的实施例的图5A的燃料电池单元的催化剂侧的俯视图。
[0019]图8A示出了根据本公开的实施例的燃料电池单元的侧视图。
[0020]图8B示出了沿图8A中所示的线8B
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8B截取的图8A的燃料电池单元的横截面视图。
[0021]图8C示出了根据本公开的实施例的图8B的燃料电池单元的一个流动通道的放大局部视图。
[0022]图9A示出了根据本公开的实施例的沿图8B中所示的线b
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b截取的图8A和图8B的燃料电池单元的一个流动通道的横截面俯视图。
[0023]图9B示出了根据本公开的另一个实施例的沿图8B中所示的线b
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b截取的图8A和图8B的燃料电池单元的一个流动通道的横截面俯视图。
[0024]图9C示出了根据本公开的另一实施例的沿图8B中所示的线b
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b截取的图8A和图8B的燃料电池单元的一个流动通道的横截面俯视图。
[0025]图9D示出了根据本公开的又一个实施例的沿图8B中所示的线b
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b截取的图8A和图8B的燃料电池单元的一个流动通道的横截面俯视图。
[0026]图10示出了根据本公开的一个实施例的集成燃料电池和燃烧系统。
[0027]图11示出了根据本公开的一个实施例的可以由图10的集成燃料电池和燃烧系统
中的一个或多个部分提供动力和/或推进的运载器系统的图。
[0028]图12示出了用于从燃料电池堆产生电能和燃烧的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
[0029]下面详细讨论各种实施例。尽管讨论了特定实施例，但这仅是为了说明的目的。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以使用其他部件和构造。
[0030]需要改进的燃料电池性能。更特别地，仍然需要具有改进的性能和功率密度的燃料电池。因此，本公开涉及高性能燃料电池和包括这种燃料电池的燃烧系统。根据本公开的实施例，通过使用根据本公开的原理的加性流动边界层破坏和加压几何形状，可以提供高性能燃料电池。例如，燃料电池性能可能会由于传统制造和/或在发生反应的电极和/或膜的表面附近形成的边界层而受到限制。根据本公开的原理的燃料电池通过旋流或破坏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池单元，其特征在于，包括：a)支撑结构，所述支撑结构具有多个流动通道；以及b)活性层膜，所述活性层膜与所述支撑结构联接，所述活性层膜包括至少一个电极层，其中，所述多个流动通道中的每个流动通道被构造为跨活性层膜的至少一个电极层引导空气和燃料中的一个以产生电流；并且其中，所述多个流动通道中的每个流动通道包括至少一个增强特征，所述至少一个增强特征被构造为破坏在发生反应的所述活性层膜的表面附近的边界层的形成。2.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，其中，所述至少一个电极层包括第一电极层和第二电极层。3.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，其中，所述活性层膜进一步包括设置在所述支撑结构和所述至少一个电极层之间的多孔支撑层。4.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，其中，所述至少一个增强特征包括附接到所述多个流动通道中的每个流动通道的表面的织带材料，其中所述织带材料被构造为破坏在发生反应的所述活性层膜的表面附近的边界层的形成。5.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其特征在于，其中，所述至少一个增强特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：亨德里克，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：