CN102177610A - 燃料电池组件 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池组件(100)，包括：外壳(120)，用于在其中安装燃料电池组(110)，外壳包括在进气口(180)和出气口(190)之间延伸的空气流径(160)；和燃料电池组(110)，具有在堆栈的第一面(111)和相对的第二面(112)之间延伸的多个阴极空气冷却剂通道，其中燃料电池组安装在外壳内，以在堆栈的第一面和外壳的第一侧壁(121)之间提供第一锥形空气体积(140)，以及在堆栈的第二面和外壳的相对的第二侧壁(122)之间提供第二锥形空气体积(150)。

Description

燃料电池组件

技术领域

本发明涉及燃料电池组件，特别地，涉及用于安装开顶阴极燃料电池组的外壳。

背景技术

常规电化学燃料电池将燃料和氧化剂(通常都是气流形式)转化成电能和反应产物。用于使氢和氧反应的常规类型的电化学燃料电池包括聚合体离子(质子)转移隔膜，燃料和空气经过隔膜的两侧。质子(即，氢离子)传导通过隔膜，由通过连接燃料电池的阳极和阴极的电路的电子来平衡。为了增加可用的电压，堆栈可以形成为包括大量这种隔膜，所述隔膜设置有单独的阳极和阴极流体流径。这种堆栈典型地为块体形式，包括由堆栈两端的端板保持在一起的大量独立的燃料电池板。

因为燃料和氧化剂的反应产生热量以及电功率，因此燃料电池组要求一旦达到工作温度就冷却。冷却可以通过将空气推过阴极流体流径实现。在开顶阴极堆栈中，氧化剂流径和冷却剂通道相同，即，推动空气穿过堆栈，两者供给氧化剂到阴极并且冷却堆栈。

为了将用于向堆栈提供动力的其它设备与燃料电池组集成在一起，该堆栈可以设置为集成组件，具有集成的空气和燃料管线和电输出连接。该组件要求冷却剂通道，冷却剂通道可以与氧化剂流径相同或不同，通常由通向堆栈和来自堆栈的集合管提供。对空气流如何与阴极流径相互作用需要特别仔细，以便实现均匀的空气流和最小的压力降。设计这种集合管会导致操作部件的复杂性和成本增加。

另一种复杂情况是需要为不同的应用设计不同的燃料电池组件，因为在所要求的电压和电流以及空间方面每种应用将倾向于具有它自己的功率要求。为每种应用重新设计组件会在很大程度上增加每种实施方案的成本。

本发明的目标是解决上述问题中的一个或多个。

发明内容

根据本发明，提供了一种燃料电池组件，包括：

外壳，用于在其中安装燃料电池组，外壳包括在进气口和出气口之间延伸的空气流径；和

燃料电池组，具有在堆栈的第一面和相对的第二面之间延伸的多个阴极空气冷却剂通道，

其中燃料电池组安装在外壳内，以在堆栈的第一面和外壳的第一侧壁之间提供第一锥形空气体积，以及在堆栈的第二面和外壳的相对的第二侧壁之间提供第二锥形空气体积。

根据本发明的燃料电池组件的优点在于，由于锥形空气体积通过外壳和堆栈的表面的相对配置设置，因此不要求特别设计的总管，由此降低整个组件的复杂性和成本。

堆栈的对角相对边缘可以被密封在外壳的对应的第一侧壁和相对的第二侧壁上，以允许密封的空气流径穿过外壳。

外壳可以包括位于空气流径的第一端处的进口空气过滤器和位于相对的第二端处的出气口。这帮助降低组件的总体高度和宽度。可以结合从进口空气过滤器延伸至第一锥形空气体积的缩口锥形部分，以改善到堆栈的空气流的均匀性。

还可以设置从第二锥形空气体积延伸至出气口的扩口锥形部分，以改善空气流并降低组件上的任何压力降。

风扇可以设置在出气口处，用于通过空气流径吸引空气。风扇可替换地可设置在进气口处，用于吹动空气通过空气流径。

外壳具有大致立方体外形，这允许多个组件一个堆叠在另一个的顶部上，用于增加堆栈可用的功率。

燃料电池组可以被安装为相对于外壳的纵向轴线成5度和45度之间的角度。这种优选的角度范围允许空气流沿着堆栈均匀地分布，同时将外壳所要求的附加高度保持最小。特别优选的角度约为8.5度。

在某些实施方式中，燃料电池组可以包括在彼此横向偏移的相对端板之间的交错阵列的平坦燃料电池。可替换地，堆栈的形状可以为大致立方体，端板彼此成一条直线，堆栈在端板之间具有均匀的横截面。

可替换地，燃料电池组可以具有平行四边形形式的横截面形状。

在优选的实施方式中，包括其中堆栈的横截面形状不是矩形的燃料电池组以及其中堆栈的形状为大致立方体的燃料电池组，构成燃料电池组的平坦燃料电池平行于外壳的纵向轴线对齐。平行外壳轴线而不是垂直外壳轴线对齐电池，允许在堆栈上具有更均匀的压力分布，由此确保通过堆栈的空气流更均匀。

燃料电池组件任选地包括在出气口和进气口之间延伸的空气再循环导管，该组件包括靠近出气口的可伸缩挡板，所述挡板能够在关闭位置和打开位置之间操作，在打开位置上，通过第二锥形空气体积的一定比例的空气经由再循环导管被重新引向进气口。

空气偏转组件任选地设置在燃料电池组的进气口和第一面之间，该空气偏转组件优选包括设置为将空气引向燃料电池组的进口面的一个或多个部分的多个叶片。在一种特定的实施方式中，所述多个叶片设置为一个或多个可旋转空气偏转组件，所述可旋转空气偏转组件构造为响应于流过进气口的空气而旋转，以增加锥形进气口体积中的湍流，并由此降低通过燃料电池组的特定部分的优选空气流。

一种模块化燃料电池组件可以由根据本发明的多个燃料电池组件构造，所述多个燃料电池组件设置成规则阵列。所述规则阵列可以为矩形阵列。

附图说明

现在将以举例的方式并参照附图描述本发明，在附图中：

图1a为燃料电池组安装在其中的外壳的剖视图；

图1b为图1a的外壳的平面图；

图2为燃料电池组安装在其中的外壳的切去剖视图；

图3为图2的外壳的透视图；

图4为包含燃料电池组的外壳的模块化组件的透视图；

图5为可替换燃料电池组的透视图；

图6为图5的安装在外壳的相对侧壁之间的可替换燃料电池组的剖视图；

图7为燃料电池组件的另一种可替换形式的部分透明透视图；

图8为燃料电池组件的另一种可替换形式的剖视图；

图9为燃料电池组件的另一种可替换形式的端视图；

图10为另一种可替换实施方式的剖视图，空气再循环通道成封闭/非循环配置；

图11为图10的另一种可替换实施方式的剖视图，空气再循环通道成局部敞开/循环配置；

图12为另一种可替换实施方式的透视图，该实施方式具有位于进气总管中的第一类型的进气口偏转装置；

图13为另一种可替换实施方式的透视图，该实施方式具有位于进气总管中的第二类型的进气口偏转装置；

图14为另一种可替换实施方式的透视图，该实施方式具有排气总管以及位于进气总管中的第三类型的进气口偏转装置；

图15a为另一种可替换实施方式的透视图，该实施方式具有位于进气总管中的第四类型的进气口偏转装置；以及

图15b为用在图15a的实施方式中的可旋转空气偏转装置的透视图。

具体实施方式

图1a中示出的是包括安装在外壳120中的燃料电池组110的燃料电池组件100的剖视图。堆栈110以相对于外壳120的纵向轴线130优选在5和45度之间的角度θ安装，特别优选的角度约8.5度。这种安装配置在堆栈110的第一面111和外壳的第一壁121之间产生第一锥形空气体积140，在堆栈110的第二面112和外壳的第二壁122之间产生第二锥形空气体积150。第一和第二锥形空气体积140、150形成外壳120的进气口180和出气口190之间的空气流径160的一部分。缩口锥形进气总管145在进气口处的空气过滤器185和第一锥形空气体积140之间延伸。扩口锥形进气总管155在第二锥形空气体积150和设置在出气口180处的风扇195之间延伸。风扇195可以可替换地设置在进气口180，以吹动空气通过外壳120。

外壳120还可以提供堆栈110结构的一部分，例如代替否则将设置为将端板夹紧到合适的位置的拉紧螺栓。

堆栈110两侧的锥形空气体积140，150用来降低贯穿堆栈的空气流径中的压力降，并改善构成堆栈110的燃料电池中的空气分布。

盖板146，156可以设置在外壳120中，以形成通向锥形进口总管145和来自堆栈110出口总管155。盖板可以为平坦的，如图1a中所示，或者可替换地可以为弯曲的，以形成期望形状的通向和离开堆栈110的空气流径。盖板146，156优选被对角密封在堆栈110的相对边缘上，并被密封在外壳120的内表面上，以防止空气从气流冷却剂通道160泄露。盖板146，156中的一个或二者可以形成为外壳120的剖面形状的一部分。由盖板146，156提供的另一内部体积147，157可以用来包含燃料电池组件的其它元件，例如与到堆栈110的电连接相关的元件和/或对到堆栈110的燃料供给的条件相关的元件。在图1b中也示出了内部体积147，在外壳120表面中的开口之下，该开口设置为允许接近燃料电池组110上的连接148。

用于开顶阴极堆栈的空气同时用作冷却剂和氧化剂，通过过滤器185进入外壳120，并在进入通向堆栈110的第一面111的第一锥形空气体积140之前进入锥形进口总管145。所述空气通过堆栈110，并从第二面112出来进入堆栈上方的第二锥形体积150。随后空气通过出口总管155，并通过一个或多个风扇195被吸出外壳。为了确保提供适度均匀的空气流通过构成堆栈110的每个电池，所述电池优选平行于外壳120的纵向轴线130对齐，如图2中更清楚地示出的那样。然而，其中电池例如如图5和6中所示的垂直于纵向轴线13那样对齐的其它配置也是也可行的。

至少与开顶阴极式空气冷却的燃料电池组相关，图1a和1b中示出的布局允许降低燃料电池组件的总高度和总体积，并允许更加凹凸不平的封装，具有最小数量的元件。在进口和出口总管以及其它元件要求的空间方面，燃料电池组110相对于外壳的纵向轴线的角度的选择允许优化外壳内使用的空间。

图2示出了燃料电池组110和外壳120的透视剖面图，示出了形成进口和出口总管145、155以及另外的体积147、157的盖板146，156。

图3示出组装后的外壳120的透视图。规则立方体形状的外壳与设置在外壳120的相对侧的进气口180和出口190结合允许将燃料电池组件100设置成模块形式，即允许多个这种燃料电池模块物理和电学连接在一起。这种情况的示例性配置在图4中的这种模块化组件的透视图中示出，图4图示了8个这种模块的矩形阵列400。这种阵列400优点在于，在要求不同级别电功率的应用范围内可以最小化制造成本。

虽然本发明特别适于燃料电池组的开顶阴极空气冷却设计，但其中通过堆栈的空气流是重要特征的其它燃料电池组可以结合到在此描述的类型的外壳中。

图5中示出的是适于用在本发明的实施方式的燃料电池组510的可替换配置。堆栈510包括燃料电池520的交错阵列，相对端板530a，530b彼此横向偏移。示出的配置因此可以安装在具有与外壳的相对面正交设置的端板530a，530b的外壳中。在图6中以剖视图示出了该配置，端板530a，530b示出为与外壳的侧壁610a，610b相关，锥形空气体积640，650设置在堆栈510和侧壁610a，610b之间。构成具有图5和6中示出的配置的燃料电池组件的其它元件可以类似于图1a-4中图示的元件。

图7示出了根据本发明的燃料电池组件700的另一种替换形式，其中燃料电池组710具有平行四边形形式，而不是图1a和2中示出的矩形形式的剖面。图8示出了穿过燃料电池组710的剖视图，其中可以考到每个单独的燃料电池板的对齐。平行四边形形式的堆栈710允许所述板向着通过外壳的空气流方向(由空气流径810)指示对齐，由此目的在于降低外壳720的进口820和出口830之间的湍流和压力降。图9中示出了燃料电池组件700的出口端视图，表示截取图8的截面(C-C)。

图10以剖面图示了根据本发明的燃料电池组件1000的另一种可替换实施方式。燃料电池组1010以与上述组件类似的方式安装并定向在外壳1020内，但对外壳1020的形式进行了一定的修改，以改善通过堆栈1010的空气流，并在需要时允许空气再循环。通过外壳1020的空气流由箭头1060表示，箭头1060示出了空气通过进气口1080(任选地包括空气过滤器1085)进入外壳1020，通过锥形进气口体积1040，进入堆栈1010的第一面1011，通过第二相对面退出堆栈1010，进入锥形吹气孔体积1050，并通过出气口1090从外壳1020出来，任选地出气口1090设置有风扇1095。与之前描述的实施方式不同，图10中示出的实施方式中的出气口1090横截面比进气口1090的横截面小，以允许空气再循环通道，如下文更详细描述的那样。

流量调整器1030a，1030b沿着外壳1020的相对内侧壁1021，1022设置，流量调整器面对堆栈1010的相对表面1011，1012。流量调整器1030a，1030b为由外壳1020的相对内侧壁限定的内部体积的变窄部分的形式，流量调整器构造为使靠近堆栈1010的任一个表面1011，1012的进气口体积1040和出气口体积1050进一步变窄。这种进一步变窄的效果是在进口和出口面1011、1012上重新分配通过堆栈1010的空气流，允许在堆栈1010上具有更均匀的空气流分布。

空气再循环通道设置在组件1000中，通过再循环导管1092将出气口1090与进气口1080连接在一起。可伸缩挡板1091靠近出气口1090设置，挡板1091可通过挡板致动器1096操作，挡板致动器1096用于在图10中示出的关闭位置和打开位置之间启动挡板，在打开位置上，通过锥形出气口体积1050的一定比例的空气经由再循环导管1092重新定向至进气口1080。

图11示出了图10的组件1000，可伸缩挡板1091位于部分打开位置，使一定比例的空气通过再循环导管1092向进气口1080再循环(由箭头1061指示)。再循环的空气通过靠近进气口1080设置的一个或多个孔1093流出再循环导管1092，孔1093例如为一系列穿孔形式。在图11中示出的结构中，一部分可伸缩挡板1091越过风扇1095的表面延伸，以将空气推入再循环导管1092中。挡板1091优选横过出气口1090被滑动启动，并包括构造为将空气引入再循环导管1092的弯曲端部1094。

一个或多个挡板致动器1096设置为在关闭和打开位置之间操作挡板1091。致动器1096例如可以为线性或旋转致动器，设置为横过出气口1090滑动地启动挡板1091。

当挡板1091处于图10中示出的关闭位置时，在正常工作期间，空气通过燃料电池组并提供氧化剂和冷却。当挡板处于图11中示出的打开位置时，例如在冷却启动程序期间，空气通过再循环导管1092的再循环允许已经通过堆栈1010被加热的空气进一步加热堆栈。一旦堆栈的测量温度到达期望阈值，则可以使挡板1091缩回并允许冷却堆栈。挡板1091还可以在部分打开位置操作，例如在从冷启动到正常操作的逐渐过渡期间。

图12中示出的是类似于图10和11的组件1000的可替换实施方式，其中空气偏转组件1210代替流量调整器1030a，1030b设置在锥形进气口体积1040内。空气偏转组件包括多个弯曲叶片1211，其构造为将来自锥形进气口体积的空气重新引导到堆栈1010的进口面1011上，由此重新分配进口面1010上的空气流。

图13中示出了可替换燃料电池组件1300的实施方式，其中空气偏转组件1310设置成横过堆栈1010的进口面1011的规则弯曲叶片系列形式，叶片的弯曲形状构造为将流过锥形进气口体积的空气偏向堆栈1010的表面1011的一部分。

图14中示出了另一种可替换燃料电池组件实施方式1400，其中偏转组件1410a设置成在堆栈1010的进气口和第一面1011之间提供多个平行流径的一系列弯曲叶片的形式。对应的空气偏转组件1410b也任选地设置在堆栈的出口面上，在堆栈1010的出口面1012和出气口1090之间提供多条平行流径。

可替换类型的空气偏转组件在图15a中示出的燃料电池组件实施方式1500中示出。空气偏转组件为一个或多个可旋转叶片组件1510a，1510b的形式，每个叶片组件构造为由从进气口1080进入的空气流驱动，以将进口空气流从相对薄片状转化成更加紊乱的流动。每个叶片组件1510a，1510b定向为使得旋转轴线基本上正交于来自进气口1080的空气流的方向。锥形进气口体积中的更加紊乱的空气流帮助降低通过堆栈中的特定通道的优选空气流。在图15b中示出了单个空气偏转装置1510的另一种视图，偏转装置为圆柱形元件形式，具有沿着柱体的轴向纵向延伸的多个叶片。

其它实施方式意图落入本发明的如由随附的权利要求限定的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种燃料电池组件，包括：

外壳，用于在其中安装燃料电池组，外壳包括在进气口和出气口之间延伸的空气流径；和

燃料电池组，具有在燃料电池组的第一面和相对的第二面之间延伸的多个阴极空气冷却剂通道，

其中燃料电池组安装在外壳内，以在燃料电池组的第一面和外壳的第一侧壁之间提供第一锥形空气体积，以及在燃料电池组的第二面和外壳的相对的第二侧壁之间提供第二锥形空气体积。

2.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中燃料电池组的对角相对边缘被密封在外壳的对应的第一侧壁和相对的第二侧壁上。

3.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中外壳包括位于空气流径的第一端处的进口空气过滤器和位于相对的第二端处的出气口。

4.根据权利要求3所述的燃料电池组件，包括从进口空气过滤器延伸至第一锥形空气体积的缩口锥形部分。

5.根据权利要求3或4所述的燃料电池组件，包括从第二锥形空气体积延伸至出气口的扩口锥形部分。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的燃料电池组件，包括设置在出气口处的风扇，用于通过空气流径吸引空气。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的燃料电池组件，其中外壳具有大致立方体外形。

8.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池组件，其中燃料电池组被安装为相对于外壳的纵向轴线成5度和45度之间的角度。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的燃料电池组件，其中燃料电池组包括在彼此横向偏移的相对端板之间的交错阵列的平坦燃料电池。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的燃料电池组件，其中燃料电池组具有平行四边形形式的横截面形状。

11.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池组件，包括在出气口和进气口之间延伸的空气再循环导管，该组件包括靠近出气口的可伸缩挡板，所述挡板能够在关闭位置和打开位置之间操作，在打开位置上，通过第二锥形空气体积的一定比例的空气经由再循环导管被重新引回进气口。

12.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池组件，在燃料电池组的进气口和第一面之间设置空气偏转组件。

13.根据权利要求12所述的燃料电池组件，空气偏转组件包括设置为将空气引向燃料电池组的进口面的一个或多个部分的多个叶片。

14.根据权利要求13所述的燃料电池组件，其中所述多个叶片设置为一个或多个可旋转空气偏转组件，所述可旋转空气偏转组件构造为响应于流过进气口的空气而旋转，以增加锥形进气口体积中的湍流。

15.一种模块化燃料电池组件，包括以规则阵列布置的根据权利要求1-11中任一项所述的多个燃料电池组件，所述阵列可选地为矩形阵列。

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