燃料电池的纤维冷却 【技术领域】
本发明总体上涉及发电装置，例如燃料电池，更具体地涉及例如固体氧化物燃料电池的燃料电池的热控制问题。
技术背景
燃料电池是利用电化学方法通过离子导电层结合燃料和氧化剂发电的能量转换装置。高温燃料电池组，例如固体氧化物燃料电池组，通常由一组轴向延伸的管状连接的燃料电池和相关的燃料和空气分配装置组成。管状燃料电池的替代结构是由平板单体组件构成的平板型燃料电池。平板型燃料电池可以有逆流、交叉流动、并流多种流动方式。典型的平板型燃料电池的组件包括三层阳极/电解质/阴极部件，它们从一个电池到另一个电池传导电流并为进入立体结构或叠层的气流提供流动通道。
在固体氧化物燃料电池中，氧离子(O-2)通过电解质传递在外电路中产生电子流。在从大约600℃到大约1300℃的操作温度下，固体氧化物燃料电池中产生的余热主要通过氧化剂排出，以保持燃料电池部件，如阳极、阴极、电解质的理想温度。
燃料电池，例如固体氧化物燃料电池，展示了在发电方面的高效和低污染地潜质，但是，仍然存在与燃料电池的热控制尤其是燃料电池部件的温度调节相关的问题。在燃料电池中由燃料和氧化剂反应产生的热能需要被排出或在内部利用以维持操作温度。平板型燃料电池的冷却流动通道或管状燃料电池的冷却管使用氧化剂，例如空气，来帮助传递或排出余热以保持电池叠层的温度在预定温度或预定温度以下并保持预定的热梯度。用在传统燃料电池应用中的这样的冷却流动通道或冷却管在流体流动通道和氧化剂之间的对流传热系数低。因此，在本领域需要通过提高传热特性来提高燃料电池的冷却要求。
【发明内容】
本发明的一个实施方案提供了一种包括至少一个燃料电池的燃料电池组件。燃料电池包括一个阳极；一个阴极；置于其间的电解质；与阳极、阴极和电解质的至少之一紧密连接的互连器(interconnect)；至少一个位于燃料电池内的流体流动通道；和置于流体流动通道中的至少一个纤维。置于流体流动通道中的纤维干扰经过流动通道的流体流动，改善了燃料电池的总传热效率。
本发明的另一实施方案为燃料电池组件提供了一种流体流动通道。该流体流动通道包括为流体流动限定至少一个流动通道的壳体。该壳体包括一对相对的侧面部分、连接一对相对侧面部分的连接部分和至少一个置于壳体中的纤维。纤维直接或间接连接到壳体的相对侧面部分和连接部分的至少之一。当流体在壳体内输送时，纤维干扰流体流动。
本发明的又一实施方案描述了制造燃料电池组件的方法。该方法提供至少一个阴极、提供至少一个阴极、提供至少一种电解质、提供至少一个互连器、提供至少一个流体流动通道、提供通过流体流动通道的流体流、在流体流动通道内放置至少一个纤维。
参考以下描述、所附权利要求和附图，本发明的这些及其他特点，方面和优点将得到更好的理解。
【附图说明】
图1是平板型燃料电池叠层的透视图。
图2是平板型燃料电池叠层的单个单元的分解透视图。
图3是根据本发明的一个实施方案的平板型燃料电池中纤维的典型布置。
图4是根据本发明的一个实施方案的平板型燃料电池中纤维的另一种典型布置。
图5是管状燃料电池叠层的单个单元的透视图。
图6是图5中B-B截面处管状燃料电池的单个电池单元的截面图。
图7是用于管状燃料电池的根据本发明的一个实施方案的纤维的典型布置。
图8是在一种典型的燃料电池装置中纤维的传热机理的示意图。
图9是在一种典型的燃料电池中产生电能的示意图。
图10是在一种典型的燃料电池中纤维的传热特性曲线图。
本发明提供了一种燃料电池组件10，例如固体氧化物燃料电池组件(以后称作“SOFC”)，它是包含至少一个燃料电池50的一组燃料电池或一叠燃料电池。每个燃料电池50是能够以串连或并联或两者兼有的方式叠在一起组成燃料电池叠层系统或结构，能够产生所得电能输出的重复电池单元50。参见图1和图2所示，至少一个燃料电池50包括一个阳极22；一个阴极18；置于二者之间的电解质20；与阳极22、阴极18和电解质20的至少之一紧密连接的互连器24；至少一个流体流动通道95和置于至少一个流体流动通道95内的至少一个纤维40。至少一个流体流动通道95通常包括位于燃料电池中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。至少一个纤维40置于氧化剂流动通道28和燃料流动通道36的至少一个中。这些纤维分别干扰经过氧化剂流动通道28的氧化剂流和经过燃料流动通道36的燃料流。
燃料电池50可以是需要流体流动通道的任何形式的燃料电池，它包括但并不限于固体氧化物燃料电池、质子交换膜或固体聚合物燃料电池、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、质子陶瓷燃料电池。
如图9所示，把氧化剂32，例如空气，送入阴极18。在阴极18上产生的氧离子(O-2)通过置于阳极22和阴极18之间的电解质20传输。把燃料34，例如天然气，送入阳极。在阳极位置上的燃料34与通过电解质20传输到阳极22的氧离子(O-2)发生反应。氧离子(O-2)通过去离子作用释放出电子到外电路65。电子流因此产生通过外电路65的直流电。该发电过程产生一些废气并产生余热。
阳极22的主要目的是为引入到燃料电池中的燃料气体的电化学氧化反应提供反应位置。另外，阳极材料在燃料还原环境中应当保持稳定，在燃料电池操作条件下对于燃料气体反应有足够的电子电导率、表面积和催化活性，并具有允许气体输送至反应位置的足够的孔隙率。具有上述性质而适于作阳极22的材料包括但并不限于金属镍、镍合金、银、铜、贵金属例如金和铂、钴、钌、镍-钇稳定氧化锆金属陶瓷(Ni-YSZ金属陶瓷)、铜-钇稳定化氧化锆金属陶瓷(Cu-YSZ金属陶瓷)、镍-氧化铈金属陶瓷、陶瓷或它们的组合。
阴极18的主要目的是为氧化剂电化学还原反应提供反应位置。相应的阴极18在氧化环境中必须保持稳定，有足够的电子电导率，足够的表面积以及在燃料电池运行条件下对氧化剂气体反应具有催化活性并具有足够的使气体输送至反应位置的孔隙率。具有上述性质而适于作阴极的材料包括但并不限于钙钛矿型掺杂的锰酸镧(LaMnO3)、锶掺杂的LaMnO4(SLM)、锡掺杂的氧化铟(In2O3)、锶掺杂的PrMnO3、LaFeO3-LaCoO3、RuO2-钇稳定化氧化锆(YSZ)、镧辉钴矿和它们的组合。
阳极22和阴极18通常具有足以支持电化学反应的表面积。用于阳极22和阴极18的材料在燃料电池组件10的典型最高和最低操作温度之间，例如从约600℃到约1300℃之间，应该是热稳定的。
位于阳极22和阴极18之间的电解质20的主要用途是在阴极18和阳极22之间传导氧离子(O-2)，除了上述作用，电解质20在燃料电池50中将燃料与氧化剂分开。因此，电解质20在还原和氧化的环境中必须保持稳定，不透过反应气体，并且在操作条件下有足够的导电性。具有上述性质而适于作电解质的材料包括但并不限于氧化锆、钇稳定化氧化锆(YSZ)、掺杂的氧化铈、氧化铈(CeO2)，倍半氧化铋、烧绿石型氧化物、掺杂锆酸盐、钙钛矿氧化物材料和它们的组合。
互连器24的基本功能是电连接一个重复电池单元的阳极22到相邻的电池单元的阴极18。此外，互连器24应提供均匀的电流分布，应该不透过气体，在还原和氧化环境中稳定，并且在不同温度下有足够的导电性以支持电子流动。具有上述性质而适于作互连器的材料包括但不限于铬基铁素体不锈钢、辉钴矿、陶瓷、铬酸镧(LaCrO3)、重铬酸钴(CoCr2O4)、Inconel 600、Inconel 601、Hastelloy X、Hastelloy-230、Ductolloy、Kovar、Ebrite和它们的组合。
如图1和图2所示，本发明的一个实施方案提供一种由壳体85限定的流体流动通道95。壳体85为流体流过限定至少一个流体通道95。壳体85包括一对相对侧面部分70，连接相对侧面部分的连接部分80和置于壳体内的至少一个纤维40(见图2)。纤维40直接或间接连接到通道中的相对侧面部分70和连接部分80之一。流体流动通道95的横截面形状可选自但不限于正方形、矩形、圆形或异形。流体流动通道横截面的选择取决于多种因素，如制造可行性(见图3、图4)。
根据一个实施方案，至少一个纤维40置于氧化剂流动通道28内，而在另一个实施方案中，至少一个纤维40置于燃料流动通道36中。如此置于流动通道中的纤维40当氧化剂在氧化剂流动通道28内输送时干扰氧化剂流32，当燃料在燃料流动通道36内输送时也干扰燃料流34(见图1、2、3和4)。在氧化剂流动通道28内的氧化剂流32以及在燃料流动通道36中的燃料流34是具有低雷诺准数特性的层流和过渡流。
如图10所示，低雷诺准数时的传热特性低于较高雷诺准数时的传热特性。如图8所示，纤维502在干扰流体流动时在每个纤维502后面产生不稳定的尾流501。这些不稳定的尾流501提高了每个纤维502附近的局部传热特性。较高的雷诺准数成比例地增强传热特性。传热特性增强会提高更高效有效地排出热量的能力。传热特性增强因此会改善冷却能力，并能保持在燃料电池组件10中的预定热梯度和温度水平。
在本发明的一个施方案中，至少一个纤维40暴露于高温气态燃料流34，其中，温度范围为室温或接近室温到约1300℃。根据前面所述的实施方案，纤维40必须能抵抗高温，因此，纤维40包含耐高温材料。具有上述性质而适于作纤维40的材料包括但不限于铬基铁素体不锈钢、辉钴矿、陶瓷、铬酸镧(LaCrO3)、重铬酸钴(CoCr2O4)、Inconel600、Inconel 601、Hastelloy X、Hastelloy-230、Ductolloy、Kovar、Ebrite和它们的组合。
在本发明另一实施方案中，至少一个纤维40暴露在例如空气的氧化剂中。因此根据本实施方案，纤维40包含通常抗氧化或在氧化环境中具有氧化惰性的材料。这样的氧化惰性材料，或者当暴露在氧化环境时在基底金属上形成保护层，或者是为了由于强抗氧化能力而防止形成保护层所选择的材料。具有上述性质而适于作纤维40的材料包括但不限于铬基铁素体不锈钢、辉钴矿、陶瓷、铬酸镧(LaCrO3)、重铬酸钴(CoCr2O4)、Inconel 600、Inconel 601、Hastelloy X、Hastelloy-230、Ductolloy、Kovar、Ebrite和它们的组合。
在另一个实施方案中，至少一个纤维的厚度为流体流动通道95的宽度220的约5％-约20％(见图3和图4)。纤维厚度的选择保证其机械稳定性并确定了由暴露在氧化剂流32或燃料流34的纤维所产生的不稳定尾流501的影响范围。在另一个实施方案中，至少一个纤维40有基本恒定的横截面，保证整个纤维的均匀传热特性。根据上述实施方案，至少一个纤维40的横截面形状选自但不限于正方形、矩形、圆形、椭圆形和环形，其选择取决于很多因素，例如制造可行性。
图3表示根据本发明的一个实施方案的平板型燃料电池中纤维的典型布置，而图4是根据本发明另一个实施方案的平板型燃料电池中纤维的另一种典型布置。在一个实施方案中，至少一个纤维包括在纤维束507中的许多纤维407(见图4)。在另一种典型布置中，任意两个相邻的纤维束507相互隔开至少为纤维束507的直径607的约5倍-约40倍的距离700。根据另一个实施方案，任意两个相邻的纤维束507相互隔开至少为纤维束507的直径607的约5倍-约50倍的距离700。
根据另一个实施方案，至少一个纤维308的一端连接到流体流动通道表面。在一个实施方案中，至少一个纤维309的两端都连接到至少一个流体流动通道的表面上(见图3和图4)。在另一个实施方案中，至少一个纤维609固定于两端都连接在至少一个流体流动通道表面上的插入物610内(见图3)。固定在插入物610内的纤维609保证在纤维损坏时可迅速更换。迅速更换纤维609的能力使燃料电池50的停工时间最少并提高燃料电池50的利用率。
根据另一实施方案，至少一个纤维304垂直于流动方向取向。在另一个实施方案中，至少一个纤维301与流动方向成一定角度取向(见图3)。
在另一实施方案中，至少一个纤维401平行于至少一个流体流动通道95的表面取向。根据一个实施方案，纤维401与该表面的距离430至少为纤维直径的约1-约5倍。根据另一实施方案，纤维401与该表面的距离430至少为纤维直径的约1倍-约10倍。在某种其它的实施方案中，至少一个纤维410垂直于至少一个流体流动通道的表面取向。根据前述的实施方案，纤维410与垂直于流体流动通道95表面的表面几乎接触。在某一其它实施方案中，至少一个纤维409与至少一个流体流动通道95的表面成一定角度(见图3和图4)取向。
以一定的方式选择纤维与流体流动方向以及与流体流动通道表的取向，和纤维40之间的间距及任意两个相邻纤维束507之间的距离，使得纤维的密度和热容量适合于控制在燃料电池组件50上的热梯度而不会明显增大由纤维40和纤维束507提供的流体流动阻力。
虽然借助于平板型燃料电池讨论了本发明，如图1-图4所示，但是应当认识到，本发明可以用于其它燃料电池的实施方案，包括但不限于管状燃料电池。图5表示管状燃料电池组的单一电池单元的透视图。图6和图7表示管状燃料电池的根据本发明一个实施方案的纤维的某种典型布置。
本发明的另一实施方案提供制造燃料电池组件的方法。该方法包括提供至少一个阳极22，提供至少一个阴极18，提供至少一种电解质20，提供至少一个互连器24，提供至少一个流体流动通道，提供在流动通道中的流体流动和在流动通道中放置至少一个纤维40。流动通道内的流体流动是具有低雷诺准数特性的层流和过渡流。传热特性在低雷诺准数时低于具有较高雷诺准数时的传热特性，其表示在图9中。在流体流动通道中设置至少一个纤维在每个纤维后面产生不稳定尾流501，如图8所示。这些不稳定的尾流增强在每个纤维附近的局部传热特性。更高的雷诺准数可以成比例地提高传热特性。传热特性增强提高更高效有效地排出热量的能力，传热特性增强体因此改善冷却能力并能保持在燃料电池组件10中的预定热梯度和温度水平。
如上所述，用一些典型的实施方案说明了本发明。然而，本发明并不一定限于本文所述的实施方案，因为可以进行各种改变和替代而不脱离本发明的精神实质。因此，本领域的技术人员仅通过常规实验方法就可以获得本文公开的发明的进一步改进和等同物，并且所有这些修改和等同物被认为在所附权利要求限定的本发明的实质和范围内。部件编号描述10燃料电池组件50燃料电池22阳极18阴极20电解质95流体流动通道85壳体28氧化剂流动通道36燃料流动通道32氧化剂流34燃料流24互连器65外电路70相对的侧面部分80连接部分40一个纤维90管状外壳502用于尾流产生所表示的纤维501尾流407许多纤维507纤维束607纤维束直径700相邻纤维束的直径308一端连接到一个表面的纤维309两端连接到一个表面的纤维609在插入物内的纤维610插入物304垂直于流动方向的纤维301与流动方向成一定角度取向的纤维 401 与流体流动通道表面平行取向的纤维 410 与流体流动通道表面垂直取向的纤维 409 与流体流动通道表面成一定角度的纤维 430 从流体流动通道表面到与该表面平行取向的 纤维的距离 220 流体流动通道的宽度