CN101103484A - 用于压缩燃料电池堆中的燃料电池的布置 - Google Patents

Abstract

用于压缩燃料电池堆的元件包括两块弹簧板，所述两块弹簧板限定出充注有适当介质的气密腔体。在温度升高时所述介质产生的膨胀导致产生了压缩所述燃料电池堆的力。附加的弹簧圈可被置于所述弹簧板之间以便增大所述压缩力。

Description

用于压缩燃料电池堆中的燃料电池的布置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于压缩燃料电池堆中的燃料电池的布置。

背景技术

燃料电池是一种通过化学反应可将燃料直接转化成电力的设备。氢可被用作燃料，在一些情况下也可使用氢和一氧化碳的混合物。一些类型的燃料电池能够进行所谓的内部重整，由此还可利用甲烷或甲醇作为燃料。反应的进行还需要氧的参与，且氧通常以空气的形式被传输至燃料电池。燃料电池包括阳极和阴极以及位于其间的电解质。阳极和阴极都包含使化学反应易于进行的催化剂。电解质防止燃料和氧化剂产生直接混合和燃烧，但其允许特定的离子通过。燃料电池不必像蓄电池那样被充电。代替的方式是，只要燃料和氧化剂被引至所述燃料电池，燃料电池就进行工作。

燃料电池的优点包括高效率、噪音小且极少需要活动部件。例如，在以所谓自然对流模式运行的燃料电池中就不需要活动部件。另一个优点在于仅排放水或水蒸气，这些排放物是对环境友好的且清洁的。

可包括例如固体氧化物燃料电池(SOFC)或熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)或其它适当燃料电池类型的燃料电池系统包括多个位于彼此顶上且通过陶瓷密封件彼此隔开的单独的平面燃料电池。燃料电池和密封件通过紧固螺母和连接杆而紧密地压靠在彼此上。多个单独的燃料电池因此形成了燃料电池堆，多个所述燃料电池堆可进一步串联或并联连接以进一步增加电压或电流。一种其中的彼此连接的多个燃料电池堆被紧固到基板上的布置例如被称作燃料电池单元，通过所述基板实施燃料电池所需的燃料入口和排气出口。

在实践中，燃料电池所存在的问题之一在于当燃料电池单元的温度升高或出现温度波动时保持燃料电池堆处于密封状态且甚至处于压缩状态。通常采用上面所述的在螺栓或连接杆之间压缩燃料电池的技术。由于燃料电池堆的温度将升高至相当高的水平，因此需要在连接杆的一端设置压缩弹簧以避免出现由于连接杆的热膨胀而导致作用在燃料电池上的压缩力降低的情况。由于燃料电池处于高温隔离空间中，因此由于温度的原因，弹簧必须位于隔离空间外部，这是因为在高温下弹簧将不会根据需要进行工作。在燃料电池系统中，燃料电池的运行温度可升高至超过750℃的温度。然而，位于隔离空间外部的弹簧导致出现热损失，在实践中，所述热损失将是过量的或其可至少降低燃料电池的效率。进一步地，处于燃料电池端部的位于隔离空间外部的弹簧增加了燃料电池单元的空间需求。

例如在欧洲专利申请EP 1416569A2中对解决这些问题的尝试进行了描述，该专利申请中描述了一种当燃料电池堆温度升高时保持压缩张力的解决方案。在该解决方案中，机械弹簧被充气垫取代，当温度升高时，所述充气垫产生膨胀且由此增强了燃料电池堆的压缩。然而，仅有充气垫是不够的，这是因为即使是在通常为约正常室温的安装温度下，也必须使用约300-500kg的力压缩燃料电池堆以便实现必需的密封度。如果该压缩力仅由垫的气体压力产生，则当燃料电池堆达到其运行温度即约+750℃或甚至更高的温度时，垫内部的气体压力将升高至约三倍，而垫的体积保持不变。因此，如果在室温下的预紧固压力为例如6巴，则在运行条件下垫必须承受约18巴的压力。

进一步地，气垫上的焊缝对于根据该欧洲专利申请的发明而言也是一个问题，该焊缝易于承受极大的张力且因此易于开裂。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺点并尽可能可靠地实现一种用于压缩燃料电池堆的方法和设备以使得燃料电池堆的压缩力保持均匀且燃料电池堆的密封程度在燃料电池设备运行过程中出现的苛刻的、高且多变的温度下保持尽可能地良好。根据本发明的布置的特征在于权利要求1的特征部分中所披露的内容。本发明的其它实施例的特征在于其它权利要求中所披露的内容。

根据本发明的解决方案的基本思想在于，通过弹簧装置对燃料电池堆进行压缩，以便导致在所述燃料电池堆的整个区域上产生均匀压缩。因此，所述燃料电池堆设有一个或多个单独的弹簧装置以便将机械弹簧力和当温度升高时由介质导致产生的压缩力导引至所述燃料电池堆的燃料电池。所述弹簧装置包括被布置靠在彼此上以将机械弹簧力导引至所述燃料电池堆的所述燃料电池的两块弹簧板。填充有介质的空间位于所述弹簧板之间。当温度升高时，所述介质的压力增大，由此所述弹簧装置将压缩力导引至所述燃料电池堆的所述燃料电池。

根据本发明的布置的优点在于，压缩所述燃料电池堆所需的布置尺寸较小、不会导致过量的热损失且在使用中比现有技术更加可靠且还更易于进行制造。另一个优点在于，由于设计的原因使得影响所述弹簧装置的焊缝的应力较小，由此使得所述弹簧装置具有长的使用寿命。所述布置的另一个优点在于，由于其形状的原因而使得所述弹簧装置在为其布置的空间中处于中心，由此使得所述压缩力总是均匀的且便于进行安装。又一个优点在于，在安装状态所处的低温下，所述弹簧装置如正常的膜片弹簧那样发挥作用，导致对所述燃料电池堆进行必要的预紧固。相应地，在所述燃料电池的运行温度下，当所述连接杆和所述燃料电池堆的长度由于热膨胀而增加时，所述弹簧板之间的所述介质的压力升高且所述介质沿其纵向轴线的长度增加，即所述弹簧板之间的距离增加，由此使得所述弹簧装置以增加的力对所述燃料电池堆进行压缩，由此补偿所述连接杆的热膨胀，并保持所述燃料电池堆处于密封状态。另一个优点在于，即使所述燃料电池堆被关闭并允许进行冷却且随后重新启动并由此变热，所述弹簧装置的机械弹簧性质和气体弹簧性质仍保持所述燃料电池堆处于持续密封状态。

附图说明

下面通过典型实施例并结合附图对本发明进行更详细地披露，其中：

图1示出了从侧面观察到的用于燃料电池堆的压缩布置的一个实施例；

图2示出了图1所示的燃料电池堆的端部剖视图；

图3示出了用于图1所示的压缩布置中的球形弹簧装置设计的简化部分剖视图；

图4示出了从上方以一定角度观察到的用于图1所示的压缩布置中的球形弹簧装置的三维投影图；

图5示出了从上方观察到的另一弹簧装置，所述弹簧装置可被用于根据图1所示的燃料电池堆压缩布置中；和

图6示出了图5所示的弹簧装置的剖视图。

具体实施方式

图1示出了燃料电池设备中的燃料电池的典型堆设计的简化示意图，其中可使用根据本发明的布置。图1示出了一种解决方案，其中燃料电池堆5和5′通过连接杆4和紧固螺母被固定和紧固，所述连接杆位于基本上存在尺寸盈余的安装孔中，所述紧固螺母用作位于燃料电池堆之间且用作基板6的连接件的紧固装置8。连接件尤其包括用于燃料电池的阳极侧气体和阴极侧气体的入口和排出通道。球形弹簧装置1和1′位于燃料电池堆5和5′的外端中且位于上部压力板2与下部压力板3之间以使得弹簧装置1和1′将燃料电池堆5和5′压靠在外部基板6上。

图2示出了燃料电池堆5的外端中的球形弹簧装置1的位置的剖视图。弹簧装置1被安装在压力板2与3之间，压力板的配合表面被成形以便对应于弹簧装置1的球形形状和挡圈状边缘的形状。压力板2和3因此都具有对应于弹簧装置1的球形表面的球形腔体。至少一块压力板2附加地具有对应于弹簧装置的挡圈形状的腔体。因此，弹簧装置1的大体上球形的外表面使弹簧装置1在其适当位置处精确地处于中心，由此使得弹簧装置1的压缩被均匀地分配在燃料电池堆5上且还使得易于安装。

球形弹簧装置1通过其弹簧力保持压力板2与3之间的距离，且由于紧固装置8即紧固螺母保持上部压力板2位于其适当位置处，因此下部压力板3将燃料电池堆5均匀地向下压靠在基板6上。与处于室温下的弹簧装置1相关联地形成压力板2和3的腔体的尺寸，燃料电池设备的安装是在室温下实施的，在紧固连接杆4之后，弹簧装置1象机械弹簧如膜片弹簧或板簧那样压缩压力板3，且由此所述弹簧装置还以约300-500kg即约3-5kN的力将燃料电池堆5压靠在基板6上，由此导致对燃料电池堆5进行充分的预紧固。当温度升高至燃料电池的运行温度即约+750℃或更高的温度时，弹簧装置1内部的气体11产生膨胀，从而导致压缩力的升高，由此弥补连接杆4由于热膨胀而产生的延长。在燃料电池的运行温度下，弹簧装置1的压缩力可介于300kg与1200kg，即约3-12kN之间，最优选地，压缩力介于500kg与700kg，即约5-7kN之间。

连接杆4可在位于压力板2和3中的所述连接杆的安装孔中移动，且在本实施例中还可沿其纵向轴线方向自由地移动通过基板6。通过连接杆4和紧固螺母对燃料电池堆5进行压缩使其靠在基板6上。球形弹簧装置1被形成一定尺寸，以使得当弹簧装置1被组装在上部压力板2与下部压力板3之间时，在压力板之间的压力板2和3的边缘处形成间隙7。当弹簧装置1的压缩力由于温度的升高而增加且连接杆4的长度由于热膨胀而增加时，压力板2与3之间的间隙7随之增加。

图3更详细地以部分剖视图的形式示出了球形弹簧装置1的设计。弹簧装置1包括被布置靠在彼此上的两个圆形的盘状弹簧板9和9′，所述板是相似的且由适当的钢或其它金属制成。所谓大体上球形的杯部13被压置在每块板的中心且杯部的边缘被成形为封住该杯部的倾斜挡圈12。弹簧板9和9′被放置靠在彼此上且沿圆形挡圈的整个周部以气密方式彼此焊接。当相对于挡圈的倾斜度和直径适当地形成弹簧装置1的倾斜挡圈12的尺寸时，导致对焊缝10产生的张力保持较小。因此，弹簧板9和9′沿其外周大体上彼此紧固且当朝向弹簧装置1的中心移动时，越接近弹簧装置的中心轴线，则弹簧板9和9′彼此变得更远，直至挡圈部分与弹簧装置的大体上球形的杯部13相结合，在所述情况下距离的增加变得更大。挡圈12沿径向方向的倾斜度适当地介于1∶10与1∶100之间，优选为例如1∶50。借助于适当的倾斜度，挡圈12还可产生机械效应，例如膜片弹簧所产生的那种机械效应，即，挡圈12形成了通过杯部13将机械弹簧力导引至燃料电池堆的燃料电池的机械弹簧。相应地，挡圈宽度与弹簧装置1的直径之间的比率可例如为1∶3至1∶6，适当地该比例可例如为1∶4至1∶5，且优选为例如1∶4.8。

位于弹簧装置1中心的杯部13的外表面大体上以位于弹簧装置两侧上的球形表面的形式存在，以使得就剖面而言，弹簧装置的最厚部分位于弹簧装置的中心轴线上且弹簧装置朝向边缘变得更薄。杯状部分13形成弹簧装置内的中空空间，该空间充注有适当介质如气体11，所述介质的压力随着温度的升高而升高且随着温度的降低而降低。因此，弹簧装置的长度，即相对的弹簧板9、9′之间的距离倾向于因此根据温度产生变化。因此，由弹簧装置1产生的压缩力随着温度的升高而升高且因此随着温度的降低而降低。弹簧装置1内部的气体11优选为例如在化学上不具有反应性且具有稳定性的惰性气体。在安装状态所处的低温下，弹簧装置1′因此用作机械弹簧，从而导致对燃料电池堆进行必要的预紧固。弹簧装置1内部的气体压力在室温下仅为例如约1至4巴，例如优选为1.5巴。相应地，在燃料电池的运行温度下，气体压力升高至约3至12巴，例如优选升高至约4.5巴。当燃料电池偶然关闭并冷却且再次启动并加热时，弹簧装置1的机械弹簧性质和气体弹簧性质保持燃料电池堆处于持续密封状态。图4还示出了被布置与弹簧装置1相连的阀14，通过所述阀可增加或减少弹簧装置1内部的气体量或甚至可用另一种气体替换该气体。

图5和图6示出了另一球形弹簧装置1′，所述球形弹簧装置可被用于如图1所示的燃料电池堆的压缩布置中。弹簧装置1包括被布置靠在彼此上的两块相似的板状弹簧板9和9′。弹簧板9、9′是圆形的。弹簧板由钢或适于实现目的的其它金属制成。适当的材料包括耐热金属合金，如镍基合金，例如因科耐尔(Inconell)(Ni-Cr-Fe合金)或海恩斯(Haynes)230(Ni-Cr-W-Mo合金)。位于每块弹簧板9、9′中心的是杯部13。杯部13的边缘被形成以便成为围绕杯部13的倾斜挡圈12。挡圈12提供了必要的机械膜片弹簧效应，基挡圈12形成了将机械弹簧力导引至燃料电池堆的燃料电池的机械弹簧。

弹簧组件位于弹簧板9、9′的挡圈12之间，借助于所述弹簧组件增加了由弹簧装置1′导引至燃料电池堆的机械力。弹簧组件包括被布置靠在彼此上的两个弹簧圈15。弹簧圈15是环形的。弹簧圈15借助于例如焊接而通过其内边缘以气密方式彼此紧固。每个弹簧圈15的外周通过例如焊接以气密方式被紧固到每个相对的挡圈12的外周上。弹簧圈15的内周彼此紧固，且弹簧圈15朝向外周彼此分开。因此，弹簧圈15的外周被紧固到挡圈12上，且弹簧圈与挡圈12朝向内周被分开。挡圈12和弹簧圈15形成机械弹簧，所述机械弹簧在安装温度下借助于杯部13而将机械弹簧力导引至燃料电池堆的燃料电池。机械弹簧力的强度取决于挡圈12和弹簧圈15的倾斜度。通常情况下，挡圈和弹簧圈沿半径方向的倾斜度为1∶15-1∶35。挡圈12和弹簧圈15的宽度与整个弹簧装置的直径之间的比率介于1∶2.5与1∶35之间，通常为约1∶2.8。此外，机械弹簧力的强度取决于弹簧板9、9′的厚度。除了气体压力以外，由弹簧装置1′内部的气体产生的压缩力还取决于弹簧板9、9′的厚度。弹簧板9、9′和弹簧圈1 5的厚度为1.5至3mm，通常为约2mm。可通过在挡圈12之间布置例如四个叠置的弹簧圈15而进一步升高弹簧装置1′的机械压缩力。

位于弹簧装置1′中心的杯部13的外表面大体上以位于弹簧装置两侧上的球形表面的形式存在，以使得就剖面而言，弹簧装置的最厚部分位于弹簧装置的中心轴线上且弹簧装置朝向边缘变得更薄。杯状部分13形成弹簧装置1′内的中空空间，该空间充注有适当介质如气体11，所述介质的压力随着温度的升高而升高且随着温度的降低而降低。因此，弹簧装置的长度，即弹簧板9、9′之间的距离因此随着杯部13处温度的改变而产生变化。相对的弹簧板9、9′之间的距离随着气体11压力的升高而增加且随着气体压力的降低而减少。因此，由弹簧装置1产生的压缩力随着温度的升高而升高且因此随着温度的降低而降低。弹簧装置1内部的气体11优选为惰性气体，例如在化学上不具有反应性且具有稳定性的气体。在安装状态所处的低温下，弹簧装置1用作机械弹簧，从而导致对燃料电池堆进行必要的预紧固。弹簧装置1′内部的气体压力在室温下为例如约1至4巴，例如优选为1.5巴。相应地，在运行温度下，气体压力升高至约3至12巴，优选升高至约4.5巴。随着温度的升高，由弹簧装置1′导引至燃料电池堆的燃料电池的机械弹簧力降低且由弹簧板9、9′之间的气体导致产生的压缩力升高。因此，随着温度的降低，机械弹簧力增加且由气体导致产生的压缩力降低。当燃料电池偶然关闭并冷却且再次启动并加热时，弹簧装置1′的机械弹簧性质和气体弹簧性质保持燃料电池堆处于持续密封状态。图5和图6还示出了被布置与弹簧装置1′相连的阀14，通过所述阀可增加或减少弹簧装置1′内部的气体量或甚至可用另一种气体替换该气体。

本领域技术人员易于理解，本发明并不限于上述实例，而是可在下列权利要求书的范围内产生变化。因此，可利用一个以上的球形弹簧装置1、1′压缩一个燃料电池堆5。此外，所使用的部件、材料、形状和尺寸可不同于上述情况，只要它们被形成适当尺寸且被设计以便实现根据本发明的结果即可。

本领域技术人员还易于理解，当从上方进行观察时，弹簧装置可具有除圆形以外的其它形状如椭圆形、方形或矩形。在这种情况下，根据图5和图6所示的实施例的弹簧圈15具有与弹簧装置相同的形状。

本领域技术人员还易于理解，根据本发明的解决方案可被用作除如上所述的那些应用以外的其它应用的弹簧解决方案。

本领域技术人员进一步易于理解，除了使用组合的机械弹簧和随着温度的升高而产生膨胀的气体或液体弹簧以外，还可将独立的机械弹簧和气体或液体弹簧结合在一起使用。在这种情况下，压力板2与3之间的内部形状被形成以使得一个或多个机械弹簧例如螺旋弹簧、膜片弹簧或盘簧可被布置在压缩板2与3之间，该弹簧产生了必要的预紧固，且除了机械弹簧以外，一个或多个膨胀垫或相似的部件充注有随着温度升高而产生膨胀的介质如气体或液体，垫承受高温且随着连接杆由于热膨胀作用而产生的长度增加而产生必要的压缩。

机械弹簧力全部或主要由弹簧的机械设计产生。因此，在气体弹簧中，弹簧力全部或主要由弹簧内部的气体压力产生。

Claims (10)

1、一种用于压缩燃料电池堆(5、5′)中的燃料电池的布置，在所述布置中，通过至少弹簧力对所述燃料电池堆(5、5′)的燃料电池实施压缩使其彼此靠在一起并靠在基板(6)上，所述燃料电池堆(5、5′)设有一个或多个单独的弹簧装置(1、1′)以将机械弹簧力以及随着温度的升高由所述弹簧装置(1、1′)的介质(11)产生的压缩力导引至所述燃料电池堆(5、5′)的所述燃料电池，所述弹簧装置(1、1′)包括面对彼此的两块弹簧板(9、9′)，且其中所述弹簧板(9、9′)之间的空间(13)充注有所述介质(11)，其特征在于，所述弹簧板(9、9′)形成了用于将机械弹簧力导引至所述燃料电池堆(5、5′)的所述燃料电池的机械弹簧。

2、根据权利要求1所述的布置，其特征在于，所述弹簧板(9、9′)的边缘部分是由挡圈(12)形成的，所述挡圈朝向彼此倾斜以使得所述挡圈(12)在所述弹簧装置(1)的外边缘处彼此接触且所述挡圈朝向所述弹簧装置(1)的中心彼此均匀地分开。

3、根据权利要求1所述的布置，其特征在于，所述弹簧板(9、9′)的边缘部分是由挡圈(12)形成的，所述挡圈朝向彼此倾斜且具有布置在所述挡圈之间的机械弹簧组件。

4、根据权利要求3所述的布置，其特征在于，所述弹簧组件包括被布置靠在彼此上的两个弹簧圈(15)，所述弹簧圈的内边缘彼此紧固且所述弹簧圈的外边缘被紧固到所述挡圈(12)上。

5、根据前述权利要求中任一项所述的布置，其特征在于，在所述弹簧装置(1)的中心存在中空的杯部(13)，所述中空的杯部被成形为如同球形表面一样的形状且充注有适当介质如气体(11)。

6、根据前述权利要求中任一项所述的布置，其特征在于，所述弹簧装置(1、1′)被布置以便既作为机械弹簧进行工作又随着温度的升高作为气体弹簧进行工作。

7、根据前述权利要求中任一项所述的布置，其特征在于，所述弹簧装置(1、1′)的机械压缩力是由所述挡圈(12)产生的或由所述挡圈(12)连同所述挡圈(12)之间的弹簧组件产生的，且所述介质的压缩力是由空间(13)中的介质(11)产生的。

8、根据前述权利要求中任一项所述的布置，其特征在于，为了压缩所述燃料电池堆(5、5′)，所述布置包括具有紧固装置(8)的连接杆(4)，且所述燃料电池堆(5、5′)的外端包括下部压力板(3)和上部压力板(2)，所述下部压力板和上部压力板具有用于所述连接杆(4)的安装孔且具有大体上对应于所述弹簧装置(1)的形状的腔体，且所述弹簧装置(1)被布置在所述压力板(2和3)之间，以使得当所述压力板(2和3)处于预紧固状态时，在所述压力板之间存在间隙(7)。

9、根据前述权利要求中任一项所述的布置，其特征在于，所述弹簧装置(1)设有用于增加或减少气体量或替换所述弹簧装置(1)内部的气体的阀(14)。

10、根据前述权利要求中任一项所述的布置，其特征在于，所述弹簧板(9、9′)的厚度为1.5-3mm。

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