CN101601161B - 燃料电池堆的介质供给板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池堆(12)的介质供给板(10)，具有至少一个阳极气体接口(14)和至少一个阴极气体接口(16)。介质供给板(10)按照本发明还具有至少一个阳极废气接口(18)和至少一个阴极废气接口(20)。本发明还涉及一种使用此类介质供给板(10)的燃料电池系统(52)以及一种制造此类燃料电池系统的方法。

Description

燃料电池堆的介质供给板
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆的介质供给板，具有至少一个阳极气体接口和至少一个阴极气体接口。
本发明还涉及一种燃料电池系统和一种制造此类燃料电池系统的方法。
背景技术
特别是对于高温燃料电池系统比如SOFC燃料电池系统，目前通常将单独制造的燃料电池堆后续地集成到运行燃料电池堆的系统中。这种将燃料电池堆集成到各系统中的做法是耗费非常大的，因为必须保证比如输入或输出运行燃料电池堆所需的气体。此外，向各系统中集成燃料电池堆还经常需要系统与燃料电池堆之间的密封装置，其中，此类密封装置在密封不紧密时可能成为安全隐患，比如会导致泄露，使得由重组器产生的重组物流入系统中不是为此所设置的区域。
此外，燃料电池堆在其制造过程中经常会堆放在底板上，以保证生产过程中的稳定性。为运行燃料电池堆所设置的系统也必须稳定地制造，从而能够容纳燃料电池堆。这经常导致燃料电池堆竖立在两个底板上，一个为其本身的底板，另一个为系统的所谓的燃料电池适配板。这导致了较大的重量和较高的成本。
EP0783771B1已经公开了一种具有气体输入接口的燃料电池堆的下部底板和具有气体输出接口的上部顶板，即使是在此类情况下将燃料电池堆集成到为其运行设置的系统中也是耗费的，特别是当燃料电池堆以不同的高度供选择时不能得以统一。
发明内容
本发明的目的在于，能够简单地将燃料电池堆集成到为其运行所设置的系统中。
该目的通过独立权利要求的特征实现。
本发明有利的技术方案和改进方案在从属权利要求中给出。
按照本发明的介质供给板在现有技术的基础上如此改进，即还具有至少一个阳极气体接口和至少一个阴极气体接口。此类介质供给板具有所有用于输入和输出工作气体所需的接口，且优选以定义的界面形式实施，此类界面可以包括比如与置于其上的管件之间的法兰连接且可以由系统的运营者轻易地继续使用。介质供给板可以以有利的方式特别被设计为，燃料电池堆在制造过程中直接堆放且焊接在介质供给板上，从而不再需要设置两个底板。另一优点在于，为输入和输出工作气体设置的界面不受燃料电池堆的高度的影响。
在按照本发明的介质供给板的优选实施形式中，至少一些接口与气体管道相连接，其中的每个气体管道通向至少一个设置在介质供给板的上侧面的开孔。优选所有接口与介质供给板的上侧面的至少一个开孔相连接。比如在燃料电池堆具有敞开的阴极的时候能够使用两个位于边缘区域的开孔用来为阴极提供空气以及通过两个位于该外部开孔之间的内部开孔实现阳极气体的供给。为此，至少为阳极气体的供给设置的开孔在制造燃料电池堆时与气体管道对准，气体管道在燃料电池堆内部以燃料电池堆的堆方向构成。
根据按照本发明的介质供给板的一种有利的改进方案，介质供给板具有至少一个凹槽，其相邻于至少一个开孔设置。此类凹槽可以比如相邻于为输入相对于燃料电池堆的工作温度较冷的阴极空气所设置的开孔而设置。在这种情况下凹槽用于提高位于阴极空气输入区域与燃料电池堆的活性区域之间的热阻，且由此向阴极空气输入区域传递尽可能少的热量。在为输出阴极空气所设置的开孔的区域中可以以类似的方式设置至少一个凹槽，且由此向阴极空气输出区域传递尽可能少的热量。
在按照本发明的介质供给板的优选实施形式中，介质供给板包括一个具有开孔的上板和一个至少参与形成气体管道的下板。上板可以同时被用作堆放燃料电池堆的底板，下板可以是在下部构建的金属板件，其通过相应的造型形成了气体管道，优选与上板配合。
按照本发明的介质供给板还可以具有至少一个穿孔，其设置用于引导至少一个燃料电池堆夹紧元件。燃料电池堆夹紧元件可以是比如钢带，其端部固定在介质供给板上且钢带将燃料电池堆以及必要时将置于燃料电池堆上的护罩缠绕，使钢带的另一端部在穿过穿孔后被夹紧。这种夹紧可以在制造燃料电池堆时，即钎焊时实施，然后在燃料电池堆使用期之内保持。因此不再采用在现有技术中经常设置的临时夹紧，其在将燃料电池堆集成到运行燃料电池堆的系统中之后被最终的夹紧所取代。
按照本发明的燃料电池系统的特征在于，其包括如上所述形式的介质供给板和直接堆放在介质供给板上的燃料电池堆。为了保证介质供给板与相邻于介质供给板设置的燃料电池堆元件之间的密封性，可以比如在钎焊燃料电池堆时使用熔化的玻璃焊剂，不排除使用附加的或替代的其它密封元件。由于介质供给板在此情况下既被用作燃料电池堆的底板也被用作系统适配板，不再需要耗费地使用两个单独的底板。
对于按照本发明的燃料电池系统可以设置，燃料电池堆包括多个构造相同的重复单元。此类重复单元是公知的且可以包括比如双极板和MEA(燃料电池膜电极)以及必要时还可以包括其它密封装置和/或气体分流装置。
在按照本发明的燃料电池系统的范围内还可以设置，燃料电池堆包括至少两个在燃料电池堆的堆方向上延伸的气体管道，其中每个气体管道与至少一个开孔相连接。这两个气体管道可以特别是阳极气体接口管道和阳极废气管道。
因此还可以设置，燃料电池堆如此堆放在介质供给板上，使得至少两个开孔位于相邻于燃料电池堆的位置。该方案在燃料电池堆具有敞开的阴极时是非常有意义的。
此类情况下优选的是，燃料电池堆设置在第一护罩下面，其中，两个相邻于燃料电池堆设置的开孔通向第一护罩下方的空间。该第一护罩可以比如由陶瓷制成，陶瓷还用作保证燃料电池堆的电绝缘。
此外，优选将第一护罩下方的空间由燃料电池堆分为第一空间和第二空间，其中，相邻于燃料电池堆的开孔中的一个通向第一空间，而相邻于燃料电池堆的开孔中的另一个通向第二空间。阴极空气输入端和阴极废气输出端相互被分开，使得用于供给阴极的空气不能从燃料电池堆旁流过，而是实际上必须穿过燃料电池堆。
就此而言，燃料电池堆具有通向第一空间的阴极气体界面和通向第二空间的阴极废气界面。尽管使用具有敞开的阴极的燃料电池堆是非常有利的，本发明并不局限于此。同样可能的是，在燃料电池堆中设置其它的气体管道，通过该气体管道输入或输出阴极空气。这些其它的气体管道同样优选与介质供给板上侧面中的开孔对准。
按照本发明的燃料电池系统的一个特别优选的实施形式的特征在于，设置了燃料电池堆夹紧装置，其至少将燃料电池堆和介质供给板在堆方向上夹紧。此外被认为特别有利的是，燃料电池堆夹紧装置既在燃料电池堆制造期间也在燃料电池堆运行期间提供所需的夹紧，由此可以不再需要只针对燃料电池堆的制造过程以及必要时针对燃料电池堆的输送过程所设置的临时夹紧。
为此优选的是，燃料电池堆夹紧装置包括带状的燃料电池堆夹紧元件，其至少缠绕燃料电池堆。这种带可以是钢带，或任何一种其它的带，其可以经受住在运行燃料电池系统时产生的温度。扁平带是特别优选的，但不局限于此。
此外被认为特别有利的是，带状的燃料电池堆夹紧元件借助于至少一个弹性元件保持夹紧。作为弹性元件可以考虑比如螺旋弹簧，其中，不受弹性元件的特殊结构设计的影响有利的是，就弹性元件而言可以被施加不同强度的预应力。也就是说，比如与在燃料电池堆正常运行期间的夹紧不同的另一夹紧在燃料电池堆制造期间可能是更合适的。至少在某些情况下还可以在第二护罩下方设置燃料电池堆。必要时可以通过相应的底板补充例如由金属制成的第二护罩，从而形成金属外壳。以此方式可以形成一种封闭模式，其可以比如被用于封闭可能从燃料电池堆流出的重组物流出系统的路径以及使流出的重组物强制进入阴极废气管道。
按照本发明的燃料电池系统的优选实施形式还可以使燃料电池堆被绝缘材料包围。只要设置了第二护罩(或完全的外壳)，该护罩优选设置在第一护罩与绝缘物之间。理论上当然还同样可以在绝缘物之外设置第二护罩或封闭外壳。
按照本发明的用于制造燃料电池系统的方法包括下列步骤：
-在特别是根据权利要求1-5中任一项所述的介质供给板上堆放燃料电池堆，
-设置燃料电池堆夹紧装置，其被设计用于在燃料电池堆的堆方向夹紧燃料电池堆和介质供给板，
-在同时夹紧的情况下加热燃料电池堆，用以钎焊燃料电池堆。
通过上述解决方案以相同或类似的方式得出了借助于按照本发明的燃料电池系统所阐述的特征和优点，因此为了避免重复起见，参考相应的实施形式。
在根据按照本发明的方法的优选实施形式中，加热的步骤包括通过至少两个接口输入和输出至少一种热的气体。不过优选将用于加热燃料电池堆的热的气体既通过阳极通道又通过阴极通道输送。比如可以通过阴极引导空气，且自某一温度(位于氢气的引燃温度之下)开始可以通过阳极引导氢气/水/氮气混合物。该温度可以是比如400°至500°。
针对按照本发明的方法被视为特别有利的还有，燃料电池堆的最终夹紧在其由于钎焊还是热的状态下借助于燃料电池堆夹紧装置实现。在最简单的情况下，已经可以如下确保最终夹紧，即干脆保持为了钎焊燃料电池堆所实施的夹紧。必要时还可以有利地后续调节引起最终夹紧的预应力。
本发明可以简单地将燃料电池堆集成到系统中，其原因在于优选已经存在绝缘和夹紧。因此，附加的运输夹紧通常也可以被取消。系统界面可以根据客户的需要可变地定义且(后续的)在燃料电池堆与系统之间设置的密封装置可以被取消，因此安全隐患更小。使用唯一的、共同的底板会导致更小的重量、更低的成本以及更短的启动时间。使用金属外壳(第二护罩)可以即使在出现阳极非密封性时也可以保证没有重组物意外地流入系统。通过从燃料电池堆向介质供给板传递热量产生的热量损失可以通过在介质供给板中设置一个或多个凹槽至少被减小，因为此类凹槽阻碍了热传递。
附图说明
下面，借助于附图详细阐述本发明的优选实施形式。其中：
图1是从下方观察按照本发明的介质供给板的一种实施形式的透视图，
图2是通过按照本发明的方法制造的按照本发明的燃料电池系统的一种实施形式的透视截面图，
图3是图2中的燃料电池系统的透视图，
图4是图3中的燃料电池系统的透视图，具有装配好的第一护罩和敷设好的夹紧带，
图5是图4中的燃料电池系统的透视图，具有包围第一护罩的绝缘体，
图6是按照本发明的燃料电池系统的示意截面图，特别示出了夹紧的可能方式。
在图中相同或类似的附图标记代表相同或类似的部件，为了避免重复有时只阐述一次。
具体实施方式
首先涉及图1至图5。特别是在图1至图4中所示的介质供给板10具有上板44和下板46。下板46的设计方式为，与上板44配合提供气体管道22、24、26、28，其中，气体管道22与阳极气体接口14相连，气体管道24与阴极气体接口16相连，气体管道26与阳极废气接口18相连以及气体管道28与阴极废气接口20相连。阳极气体接口14、阴极气体接口16、阳极废气接口18以及阴极废气接口20分别被设计为管状且固定在与上板44和下板46垂直设置的法兰连接板74上。上板44、下板46以及法兰连接板74比如通过焊接或钎焊相互连接，使得接口14、16、18、20气密地与气体管道22、24、26、28相连接。气体管道22、24、26、28通向设置在介质供给板10的上侧面38上，即上板44中的开孔30、32、34、36。
借助于按照本发明的制造方法可以基于介质供给板10制造具有直接堆放在介质供给板10上的燃料电池堆12的燃料电池系统52。如在图2中通过虚线所示，燃料电池堆12包括大量的重复单元54，其以已知的方式包括双极板、MEA以及必要时包括其它气体分流装置和密封装置。同时，重复单元54包括穿孔，其在燃料电池堆12的堆方向形成了气体管道56、58，其中，气体管道56经过开孔30与气体管道22相连且由此与阳极气体接口14相连。气体管道58经过开孔34与气体管道26相连且由此与阳极废气接口18相连。因此，通过接口14和18可以将含氢的阳极气体输入到各个燃料电池堆的阳极端或从各个燃料电池堆的阳极端输出。在最上面的重复单元54上设有盖板76，其一方面封闭气体管道56和58，另一方面用于分压或分流。为此，设置集电接触杆78与盖板76进行导电连接。集电接触杆78可在电绝缘下通过介质供给板10的一个开孔向下延伸。另一个集电接触杆80与介质供给板10存在导电连接，介质供给板在所述情况下形成了接地地线且由此同样被用于分压或分流。
在所示情况下涉及一种燃料电池堆12，其具有敞开的阴极，即设置了一个阴极气体界面62和一个阴极废气界面64。阴极气体界面62相邻于开孔32设置，该开孔经过气体管道24与阴极气体接口16相连接。阴极废气界面64以类似的方式相邻于开孔36设置，该开孔经过气体管道28与阴极废气接口20相连接。在开孔32与燃料电池堆12之间以及在开孔36与燃料电池堆12之间分别设置了一个凹槽40以及42，因此使热量尽可能少地从燃料电池堆12传递到阴极气体输入区域以及阴极气体输出区域。通过凹槽40、42得到了增大了的热阻，从而至少加大了热量输出的难度。这特别是在阴极气体输入区域中很重要，因为输入的阴极气体(通常为空气)通常具有比燃料电池堆的工作温度低的温度，特别是针对SOFC燃料电池堆的温度。
在制造燃料电池堆12期间堆放各重复单元54以及设置盖板76之后，在燃料电池堆上方如此设置第一护罩60，使得两个相邻于燃料电池堆12设置的开孔24、28通向位于第一护罩60下方的空间。同时，位于第一护罩60下方的空间被燃料电池堆12分为第一空间和第二空间，其中，开孔24通向第一空间，另一个开孔28通向第二空间。因此，阴极气体接口16与阴极废气接口20只通过燃料电池堆12相连接。以夹紧带形式存在的燃料电池堆夹紧元件50的一端具有未示出的开孔，从而使夹紧元件能够被固定在通过下板46形成的凸缘82上。夹紧带50缠绕燃料电池堆12以及第一护罩60，该护罩的尺寸设计及安装方式使其能够将力从上面施加到燃料电池堆12上。为此，夹紧带50的另一端通过介质供给板10中的穿孔48延伸且与在图1至图5中未示出的燃料电池堆夹紧装置66配合。为了钎焊燃料电池堆，即特别是为了熔化在各重复单元54之间以及在燃料电池堆12与介质供给板10之间设置的玻璃焊剂密封件，通过接口14、16、18、20输入以及输出热的气体。与在燃料电池系统52的后期运行中一样，在钎焊燃料电池堆12时也由接口14、16、18、20的配置来决定，燃料电池堆12鉴于阴极气体流和阳极气体流是以单向流动模式还是以反向流动模式运行，其中，在所示的配置情况下得出的是反向流动模式。
为了钎焊燃料电池堆12，通过阴极气体接口16输入热的阴极空气，阴极空气又通过阴极废气接口20输出。从一定的温度开始，比如400℃至500℃，该温度位于氢气的引燃温度以下，氢气/水/氮气混合物通过阳极气体接口14被输入且在流出燃料电池堆12之后通过阳极废气接口18被输出。同时，通过夹紧带50和第一护罩60将至上而下作用的力施加到燃料电池堆12上。在钎焊之后，燃料电池堆12被设置在第一护罩60外部的绝缘材料72包围，以确保尽可能良好的隔热。必要时可以设置在图1至图5中未示出的、包括第二护罩的金属外壳，用于阻止从燃料电池堆12中意外流出的重组物流向系统的其它区域。取而代之的是，此类可能意外流出的重组物被迫流向阴极废气管道。既可以考虑在绝缘体72与第一护罩60之间设置第二护罩的实施形式，也可以考虑绝缘体72被第二护罩包围的实施形式，其中，第二护罩可以分别通过相应的底板完善成为一个完全的壳体。
可能出现的情况是，在钎焊或之后的运行中，(甚至是)燃料电池堆12的高度由于在比如SOFC系统中相对较大的温度波动而发生轻微变化。即使是在这种情况下也应该通常提供在第一护罩60与介质供给板10之间的密封性。为此，根据图4，第一护罩60的左壁(在图4中可见)、后壁以及右壁紧靠地以及由此密封地包围介质供给板10，使得轻微地向前及向后移动第一护罩60不会导致非密封性。为了在与穿孔48相邻设置的且竖立在介质供给板10上的前壁与介质供给板10之间也保证密封性，可以在必要时在前壁与介质供给板10之间设置(未示出的)耐热的、可弹性变形的密封件。此类密封件可以是一种比如气密的纤维垫，其具有相应的耐热性。如果意外地在另一个位置出现了密封性问题，当然还可以在该位置置入类似的密封件。
图6示出了按照本发明的燃料电池系统的示意截面图，其特别示出了可能的夹紧形式。根据图6所示，设置在介质供给板10上的燃料电池堆12被第一护罩60包围。燃料电池堆12和第一护罩60被夹紧带50所缠绕，其一端嵌入燃料电池堆夹紧装置66，另一端固定在介质供给板10上。燃料电池堆夹紧装置66包括销件84，其与夹紧带50相连接且由弹簧68向下按压，从而产生通过弹簧68确定的燃料电池堆的夹紧。为了能够调节夹紧力，可以将档块86以螺栓连接的形式拧向销件84或从销件拧出。既可以在制造(钎焊)燃料电池堆12期间也可以在燃料电池堆的正常工作期间与燃料电池堆夹紧元件50配合使用燃料电池堆夹紧装置66。很明显，燃料电池堆夹紧装置66在图6中只是很粗略地被示意出且定位不是很准确。在实际的实施形式中，可以将旋转90°的燃料电池堆夹紧装置66水平地设置在介质供给板10的下侧面上且/或置于相应的凹部。总体上的设置方式优选为，得到一个平整的介质供给板10的下侧面。
在前述说明书中、附图中以及权利要求中公开的本发明的特征既可以单独地也可以以任意组合地用以实现本发明。
附图标记：
10介质供给板
12燃料电池堆
14阳极气体接口
16阴极气体接口
18阳极废气接口
20阴极废气接口
22气体管道
24气体管道
26气体管道
28气体管道
30开孔
32开孔
34开孔
36开孔
38上侧面
40凹槽
42凹槽
44上板
46下板
48穿孔
50燃料电池堆夹紧元件
52燃料电池系统
54重复单元
56气体管道
58气体管道
60第一护罩
62阴极气体界面
64阴极废气界面
66燃料电池堆夹紧装置
68弹性元件
70第二护罩
72绝缘材料
74法兰连接板
76盖板
78集电接触杆
80集电接触杆
82凸缘
84销件
86档块

Claims (17)

1.一种用于燃料电池堆(12)的介质供给板(10)，具有至少一个阳极气体接口(14)、至少一个阴极气体接口(16)、至少一个阳极废气接口(18)和至少一个阴极废气接口(20)，其中，
所述至少一个阳极气体接口(14)、所述至少一个阴极气体接口(16)、所述至少一个阳极废气接口(18)和所述至少一个阴极废气接口(20)将所述介质供给板与燃料电池系统(52)连接到一起，
接口(14、16、18、20)中的至少一些接口与气体管道(22、24、26、28)相连接，所述气体管道中的每个气体管道通向至少一个开孔，所述开孔设置在介质供给板(10)的上侧面(38)上，
所述至少一个开孔将所述介质供给板与所述燃料电池堆(12)连接到一起，以及
所述燃料电池堆(12)直接堆放在所述介质供给板(10)上，
其特征在于，所述燃料电池堆以如下方式堆放在所述介质供给板(10)上，使得至少两个开孔位于相邻于所述燃料电池堆(12)的位置。
2.如权利要求1所述的介质供给板(10)，其特征在于，所述介质供给板具有至少一个凹槽，其相邻于至少一个开孔设置。
3.如权利要求1或2所述的介质供给板(10)，其特征在于，所述介质供给板包括具有开孔的上板(44)和至少参与形成气体管道(22、24、26、28)的下板(46)。
4.如权利要求1所述的介质供给板(10)，其特征在于，所述介质供给板具有至少一个穿孔(48)，其被设置用于引导至少一个燃料电池堆夹紧元件(50)。
5.一种燃料电池系统(52)，具有按照前述权利要求中任一项所述的介质供给板(10)，其特征在于，所述燃料电池堆(12)包括多个构造相同的重复单元(54)。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统(52)，其特征在于，所述燃料电池堆(12)包括至少两个在燃料电池堆(12)的堆方向上延伸的气体管道(56、58)，其中的每个气体管道与至少一个开孔相连接。
7.如权利要求5或6所述的燃料电池系统(52)，其特征在于，所述燃料电池堆(12)设置在第一护罩(60)下面，其中，两个相邻于燃料电池堆设置的开孔通向第一护罩(60)下方的空间。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统(52)，其特征在于，第一护罩(60)下方的空间由所述燃料电池堆(12)分为第一空间和第二空间，其中，相邻于燃料电池堆(12)的开孔中的一个开孔通向第一空间，而相邻于燃料电池堆(12)的开孔中的另一个开孔通向第二空间。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统(52)，其特征在于，所述燃料电池堆(12)具有通向第一空间的阴极气体界面(62)和通向第二空间的阴极废气界面(64)。
10.如权利要求9所述的燃料电池系统(52)，其特征在于，设置了燃料电池堆夹紧装置(66)，其至少将所述燃料电池堆(12)和介质供给板(10)在堆方向上夹紧。
11.如权利要求10所述的燃料电池系统(52)，其特征在于，所述燃料电池堆夹紧装置(66)包括带状的燃料电池堆夹紧元件(50)，其至少缠绕所述燃料电池堆(12)。
12.如权利要求10所述的燃料电池系统(52)，其特征在于，所述带状的燃料电池堆夹紧元件(50)借助于至少一个弹性元件(68)保持夹紧。
13.如权利要求12所述的燃料电池系统(52)，其特征在于，所述燃料电池堆(12)设置在第二护罩(70)下方。
14.如权利要求12所述的燃料电池系统(52)，其特征在于，所述燃料电池堆(12)被绝缘材料(72)包围。
15.一种用于制造按照权利要求5至14中任一项所述的燃料电池系统(52)的方法，其特征在于，具有下列步骤：
在根据权利要求1-4中任一项所述的介质供给板(10)上堆放燃料电池堆(12)，
设置燃料电池堆夹紧装置(66)，其被设置用于在燃料电池堆(12)的堆方向夹紧燃料电池堆(12)和介质供给板(10)，
在同时夹紧的情况下加热燃料电池堆(12)，用以钎焊燃料电池堆(12)。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，加热的步骤包括通过至少两个接口输入和输出至少一种热的气体。
17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，燃料电池堆(12)的最终夹紧在其由于钎焊还是热的状态下借助于燃料电池堆夹紧装置(66)实现。
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