CN100595955C - 燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池堆，它具有多个彼此上下层叠的、带有分别设置在它们之间的隔板(3)的燃料电池单元(2)。为了输入可燃气体(13)及为了导出废气(14)构造有位于内部的通道(4，5)。根据本发明的燃料电池堆的特征在于：在这些燃料电池单元(2)的每个第一侧面上构造有多个平行延伸的纵向通道(6)，用于引导可燃气体(13)；在所述这些一个端部上构造有一个分配区域(7)，它使输入通道(4)与每个纵向通道(6)的第一端部相连接，及设有一个收集区域(8)，它使导出通道(5)与每个纵向通道(6)的第二端部相连接；在燃料电池单元(2)的第二侧面上设有延伸在纵向通道(6)的方向上的氧化剂导向部分(9)。

Description

燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆，它具有多个彼此上下层叠的、带有分别设置在它们之间的隔板的燃料电池单元，其中为了输入可燃气体设有至少一个位于内部的输入通道，及为了导出废气设有至少一个位于内部的导出通道，这些通道延伸在层叠方向上。
背景技术
使用燃料电池堆，是因为单个的燃料电池单元仅可产生很小的电压。为了产生对于使用目的有用的电压，因此将多个燃料电池单元串联，以使得这些电池电压相加。这些燃料电池单元这样地彼此上下层叠地设置，以致在这些燃料电池单元与所述隔板之间各保持一个中间空隙，其中在燃料电池单元的一个侧面上提供可燃气体而在燃料电池单元的另一个侧面上提供氧化剂。这些用于可燃气体及氧化剂的中间空隙通常以多个通道的形式构造，以致在这些通道之间形成燃料电池单元与隔板之间的形状锁合的接触及电接触。以此方式可导出在燃料电池中产生的热量及电流。
用于燃料电池单元的可燃气体涉及氢气或含氢气体，它在处理上是相当苛刻的。由于故障或泄漏而排出的含氢气体例如可能与空气中的氧发生不可控制的反应并至少引起燃料电池系统的损坏。因此已公开：使用一些位于内部的输入通道及导出通道。为此在各个燃料电池单元及设置在它们之间的隔板中开设一些孔口，这些孔口在燃料电池堆的组装状态中构成所述通道。围绕孔口设置一些密封部分，以使得在燃料电池堆相应的夹紧下形成密封的所述通道。这种方式可比外部可燃气体输入的情况更容易保证所需的密封性。
由A.J.Appleby的燃料电池手册(Fuel Cell Handbook，VanNostrand Reinhold，New York，1989)第450页及其以下已公开了可燃气体及氧化剂的输入的各种实施形式。在第一实施形式中这样设置可燃气体及氧化剂的导向部分，即其中气体流的方向彼此交叉。在此情况下，气体导向部分在燃料电池堆的相应的侧上敞开，其中燃料电池堆的这些侧由相应的气体流入。但在该所谓的交叉流技术(Kreuzstromtechnik)中的燃料电池堆具有相对差的功率密度。此外，可燃气体的外部的输入在密封性及含氢可燃气体的无意排出方面有问题。
在所述的第二实施形式中，可燃气体通过内部的输入通道被导至相应的燃料电池单元。氧化剂从外部输入并在与可燃气体流动方向垂直的方向上各在另一个侧上沿燃料电池单元被导流。
第三实施形式指出，可这样地输入可燃气体及氧化剂，以致得到两种气体的平行的流动方向。该同向流技术(Gleichstromtechnik)或在相反流动方向的反向流技术(Gegenstromtechnik)中所述的原理具有其优点，即温度分布及气体浓度更加均匀。其缺点在于，必须设置非常多的输入通道及导出通道，这就需要大数目的密封并引起与此相关的密封性问题。此外，在燃料电池堆外部用于气体相对输入通道及导出通道的输入及导出的成本很高，这使得具有这种燃料电池堆的燃料电池系统相对昂贵。
此外，氧化剂的内部输入是不利的，因为通过复杂的导管导向将出现大的压力损失并由此得到受限的氧化剂通过量。为了补偿可设置较强的鼓风机，但这引起了附加的成本。此外整个系统的效率变差，因为对于较强的鼓风机需要增高的驱动功率。
氧化剂的外部输入与同向流或反向流技术相结合迄今仍不可行，因为由于用于可燃气体的输入及导出通道在流动路径中设有过多的部件且因此不能获得足够的氧化剂通过量。
受限制的氧化剂通过量具有的缺点尤其在于，通过氧化剂、例如空气，不能充分地导出在燃料电池中形成的热量。氧化剂或空气的通过量愈小，燃料电池堆过热的危险就愈大。
在同向流技术中公知的燃料电池堆的缺点还在于，由于许多的输入及导出通道必须具有堆的多个夹紧部分，以便保证所需的密封性。由此使燃料电池堆非常庞大，这意味着大的结构耗费及由此提高了成本。
发明内容
因此本发明的任务在于，提供一种燃料电池堆，该燃料电池堆以同向流技术或反向流技术工作，并且尽管如此，仍可在保证高的氧化剂通过量的条件下实现简单的系统连接。
根据本发明，提出一种燃料电池堆，它具有多个彼此上下层叠的、带有分别设置在它们之间的隔板的燃料电池单元，其中为了输入可燃气体设有至少一个位于内部的输入通道，并且为了导出废气设有至少一个位于内部的导出通道，这些通道延伸在层叠方向上，其中在这些燃料电池单元的每个第一侧面上设有可燃气体的输入部分及在其每个第二侧面上设有氧化剂的输入部分，其中在燃料电池单元的第一侧面上设有：多个平行延伸的纵向通道，用于引导可燃气体，一个分配区域，它使输入通道与每个纵向通道的第一端部相连接，及一个收集区域，它使导出通道与每个纵向通道的第二端部相连接，在燃料电池单元的第二侧面上构造有延伸在纵向通道的方向上的氧化剂导向部分，该氧化剂导向部分朝着燃料电池堆的侧面敞开，用于输入氧化剂。
该任务通过开始部分所述类型的燃料电池堆来解决，它的特征在于：在燃料电池单元的第一侧面上设置有：多个平行延伸的纵向通道，用于引导可燃气体；一个分配区域，它使输入通道与每个纵向通道的第一端部相连接；及一个收集区域，它使导出通道与每个纵向通道的第二端部相连接；及在燃料电池单元的第二侧面上构造有延伸在纵向通道的方向上的氧化剂导向部分，该氧化剂导向部分朝着燃料电池堆的侧面敞开，用于输入氧化剂。
通过根据本发明设置的分配区域及收集区域可这样地设置输入通道及导出通道，即在氧化剂的流动路径中没有任何部件。因此氧化剂可从外部输入，这使得具有根据本发明的燃料电池堆的燃料电池系统结构简单且成本低廉。输入通道及导出通道可设置在燃料电池堆的同一个侧上，由此仅须在燃料电池堆的该侧上设置一个强的夹紧部分。
因为仅是可燃气体从内部输入，对于分配及收集区域存在足够的位置。因此该燃料电池堆可仅用一个输入通道及仅一个导出通道来实现，这使得每个板的孔口的数目极大地下降及由此仅需要很少的密封部分。
根据本发明的燃料电池堆具有的优点是，通过提高氧化剂通过量改善了冷却，既更简单又成本低廉的结构并提高了可靠性。燃料电池堆的夹紧部分可仅用在围绕密封部分的一个小的区域中，由此使燃料电池堆的重量很轻，这就导致了更高的振动容差及小的结构成本。
在该燃料电池堆的一个有利构型中，分配区域及收集区域从输入通道或导出通道出发沿一些纵向通道的端部逐渐变窄。由此实现了到特别均匀的压力分布。
有利的是，该至少一个输入通道及该至少一个导出通道被设置在燃料电池堆的一个侧边的区域中。
有利的是，该至少一个输入通道及该至少一个导出通道相对燃料电池堆彼此对角线地设置。
有利的是，分配区域从输入通道出发沿纵向通道的第一端部逐渐变窄，收集区域从导出通道出发沿纵向通道的第二端部逐渐变窄。
有利的是，分配区域及收集区域相对燃料电池单元对称地构造。
有利的是，分配区域及收集区域构成附加的冷却面。
有利的是，由分配区域和/或收集区域构成换热面，通过这些换热面，热能量可在可燃气体与氧化剂之间传送。
有利的是，为了输入可燃气体设有仅一个位于内部的输入通道，并且为了导出废气设有仅一个位于内部的导出通道。
附图说明
以下借助一些实施例来详细地描述本发明。附图表示：
图1带有可燃气体及氧化剂的流动方向的一个燃料电池单元的示意图，
图2具有多个燃料电池单元的一个燃料电池堆的三维视图，
图3一个隔板的三维视图，
图4一个燃料电池单元对一个隔板的配置，
图5第一实施例中输入通道及导出通道的布置，
图6第二实施例中输入通道及导出通道的布置，及
图7第三实施例中输入通道及导出通道的布置。
具体实施方式
图1以示意图表示一个燃料电池单元2的仰视图。该燃料电池单元2的活化区域12在其上侧面由可燃气体13充满。在此情况下，可燃气体通过输入通道4输入给燃料电池单元2。输入通道4通过彼此上下重叠的燃料电池单元中的及设置在它们之间的隔板中的一些穿孔构成。可燃气体13通过燃料电池单元2的活化区域12输送到纵向通道，但在图1中这些纵向通道不能被看到，因为它们由设置在燃料电池单元之间的隔板上的造型构成。在输入通道4与可燃气体13进入活化区域上面的纵向通道的进入区域之间构造有一个分配区域7，通过输入通道4输入的可燃气体在该分配区域中分配给各个纵向通道。
在活化区域12的相反的一侧上，纵向通道终止，作为废气排出的、已反应的可燃气体聚集在一个收集区域8中并通过导出通道5被导出。
在燃料电池单元2的另一侧面上，即图1的视图中的下侧面上，氧化剂15——在最简单的情况下为空气——经过活化区域12的下侧面被输送。在此情况下，氧化剂的流动方向延伸在与可燃气体13相同的方向上。
由于输入通道4的及导出通道5的侧向布置，燃料电池单元2的相邻的侧可空出来用于氧化剂15的外部输入，该氧化剂的流动不受延伸在那里的通道的阻碍，而在开始部分所述的根据现有技术的布置情况则相反。氧化剂15在相反的一侧上作为废空气16离开燃料电池单元。
在分配区域7及收集区域8中，可燃气体与空气非常靠紧、仅通过一个薄的材料层隔离地彼此从旁边传送。此外，因为分配区域7的及收集区域8的面积相对地大，因此可实现换热器功能，以致这两种气体流的不同温度可彼此平衡。由此在燃料电池堆中实现了均匀的温度分布，这就是说，避免了不希望的热机械应力。温度的平衡在分配区域7及收集区域8中进行，这些区域比一个燃料电池单元2的活化区域12不敏感得多。
分配区域7的及收集区域8的面积可与燃料电池单元2的活化面12无关地被选择。因此可增大上述换热器功能或冷却器功能，而不会使活化面12的入流变差。这是与公知结构相比的一个优点。
图2中以透视图示出了根据本发明的燃料电池堆的一个具体的构型。燃料电池堆1在其上侧面被剖割，由此可看到位于一个燃料电池单元2下面的隔板3。在该隔板3上在其上侧面上构造有一些纵向通道6，通过这些纵向通道，可燃气体13被导入并再作为废气14离开燃料电池堆。
在图2的实施例中这样地构成分配区域7，即与所述纵向通道6的端部隔开一定距离地设置有一个桥接片17，该桥接片限定了纵向通道6的端部与隔板3的边缘之间的一个区域。通过输入通道4流入的可燃气体13可在分配区域7中分配给各个纵向通道6。在本实施例中，分配区域7这样地构造，即它沿纵向通道的端部逐渐变窄，由此可得到改善了的压力分配。隔板3的上侧面被这样地造型，以使得通过输入通道4流入的可燃气体13不能通过直接的路径流到导出通道5，而是另外必须经过纵向通道6。
在纵向通道6的另一侧上构造有一个收集区域8，该收集区域以与分配区域7相同的方式构造。
氧化剂15与纵向通道6的方向平行地在隔板的另一侧面上流动并由此沿着位于下方的燃料电池单元流动。在纵向通道6侧旁的、分配区域7及收集区域8所位于的区域相对地大。由此得到附加的冷却面积或换热器面积，因为在这些面上，氧化剂15也从旁边流过并带走在燃料电池单元2中产生的热量。
图3以详细的视图示出一个隔板3。在隔板3的上侧面上通过多个平行的槽构成一些纵向通道6。在输入通道4与导出通道5之间这样地设置隔板3的厚度，以使得进入的气体不能通过直接的路径流到导出通道5，因为该隔板在该区域中形状锁合地靠置在位于其上方的燃料电池单元2上。在该隔板的下侧面上设置有一个氧化剂导向部分9，该氧化剂导向部分延伸在隔板3的表面上的纵向通道6的方向上。在该隔板的下侧面上当然还靠置着另一个燃料电池单元。但因为所有隔板3可相同地构造，因此在组装状态中在放置在隔板3上的燃料电池单元的上侧面上还靠置有另一个隔板3，由此，一个氧化剂导向部分9与该燃料电池单元的另一个侧面相邻。
为了对氧化剂进行导向也设置有多个通道。在此情况下有利的是，隔板3在与活化区域12相邻的区段中构成波纹形，由此使用于可燃气体13的通道与用于氧化剂15的通道相错开。通过这些通道的这种构型，隔板3的材料具有与活化面12很强的平面的接触，该接触通过接触区域中的一些整平部分被进一步改善。由此使气流及热量很好地从燃料电池2导出，尤其是比仅点状或格栅状的接触面得到效果要更好。但这些气体流同时地以其作为热载体介质的性能非常靠近活化面地向前输送，即仅由隔板3的材料厚度被隔开。这就改善了热量向气体流的传导。
在图4中示出了图3的隔板是如何与燃料电池单元相接合的。在该图中尤其可看出，在燃料电池单元2中的及在隔板3中的穿孔彼此上下重叠地布置，从而构成输入通道4及导出通道5。
图5中表示在第一实施例中的隔板3的俯视图，图中标示出了的可燃气体的流动方向。其中输入通道4及导出通道5设置在隔板3的同一个侧上并由此设置在燃料电池堆的同一个侧上。在图6中示出了一个变换的布置。这里为了构成输入通道及导出通道而设置的穿孔被设置在隔板3的及燃料电池单元的对立的角的区域中。当要求在燃料电池单元中的可燃气体浓度非常均匀地分布时，该布置方案被证实是有利的，因为对于每个纵向通道，所走过的路径及压力分配是相同的。
图7中表示穿孔的布置的另一变型。这里不管是用于输入通道4的还是用于导出通道5的穿孔都被设置在纵向通道6的第一端部的侧上，即可燃气体13流入纵向通道的部位侧上。
要选择图5至7所示方案中的哪一个，这取决于相应的结构要求，尤其是取决于位于燃料电池堆外部的系统组成部分是如何设置的。
参考标号清单
1.燃料电池堆
2.燃料电池单元
3.隔板
4.输入通道
5.导出通道
6.纵向通道
7.分配区域
8.收集区域
9.氧化剂导向部分
11.燃料电池堆的一个侧边
12.燃料电池单元的活化区域
13.可燃气体
14.废气
15.氧化剂
16.废空气

Claims (8)

1.燃料电池堆(1)，它具有多个彼此上下层叠的、带有分别设置在它们之间的隔板(3)的燃料电池单元(2)，其中为了输入可燃气体(13)设有至少一个位于内部的输入通道(4)，并且为了导出废气(14)设有至少一个位于内部的导出通道(5)，这些通道延伸在层叠方向上，其中在这些燃料电池单元(2)的每个第一侧面上设有可燃气体(13)的输入部分及在其每个第二侧面上设有氧化剂(15)的输入部分，其特征在于：
在燃料电池单元(2)的第一侧面上设有：
-多个平行延伸的纵向通道(6)，用于引导可燃气体(13)，
-一个分配区域(7)，它使输入通道(4)与每个纵向通道(6)的第一端部相连接，及
-一个收集区域(8)，它使导出通道(5)与每个纵向通道(6)的第二端部相连接，
在燃料电池单元(2)的第二侧面上构造有延伸在纵向通道(6)的方向上的氧化剂导向部分(9)，该氧化剂导向部分朝着燃料电池堆(1)的侧面敞开，用于输入氧化剂(15)。
2.根据权利要求1的燃料电池堆，其特征在于：该至少一个输入通道(4)及该至少一个导出通道(5)被设置在燃料电池堆(1)的一个侧边(11)的区域中。
3.根据权利要求1的燃料电池堆，其特征在于：该至少一个输入通道(4)及该至少一个导出通道(5)相对燃料电池堆彼此对角线地设置。
4.根据权利要求1至3中一项的燃料电池堆，其特征在于：分配区域(7)从输入通道(4)出发沿纵向通道(6)的第一端部逐渐变窄，收集区域(8)从导出通道(5)出发沿纵向通道(6)的第二端部逐渐变窄。
5.根据权利要求1至3中一项的燃料电池堆，其特征在于：分配区域(7)及收集区域(8)相对燃料电池单元对称地构造。
6.根据权利要求1至3中一项的燃料电池堆，其特征在于：分配区域(7)及收集区域(8)构成附加的冷却面。
7.根据权利要求1至3中一项的燃料电池堆，其特征在于：由分配区域(7)和/或收集区域(8)构成换热面，通过这些换热面，热能量可在可燃气体(13)与氧化剂(15)之间传送。
8.根据权利要求1至3中一项的燃料电池堆，其特征在于：为了输入可燃气体(13)设有仅一个位于内部的输入通道(4)，并且为了导出废气(14)设有仅一个位于内部的导出通道(5)。
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