CN104659398B - 包括燃料电池单元和部件的装置、用于该装置的部件单元和堆叠部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括燃料电池单元和部件的装置、用于该装置的部件单元和堆叠部件。所述装置包括：具有多个燃料电池且限定装置的纵向轴线及与该纵向轴线同轴的主流向的燃料电池单元，电池单元的相反两端设置有与主流向共线的燃料电池入口和出口。装置还包括：具有第一流体管道的部件，其布置成平行于主流向并包括设置在部件的相反两端且与主流向共线的第一流体入口和出口。部件布置成邻近燃料电池单元，使得第一流体入口和出口中的至少一者布置成邻近燃料电池出口和入口中的至少一者，从而当进入装置的流体流从部件流到燃料电池单元或反之亦然时，流体流能在第一流体管道及燃料电池单元中以大体上平行于装置的纵向轴线的方式流动。

Description

包括燃料电池单元和部件的装置、用于该装置的部件单元和 堆叠部件
技术领域
本发明涉及一种具有燃料电池单元和部件(例如，热交换器或重整器)的装置。本发明还涉及一种堆叠部件，例如用于上述装置或，通常用于与需要流体流过的设备相结合。本发明还涉及一种具有两个堆叠部件的部件单元。
背景技术
为了优化燃料电池堆的能量性能，需要结合热交换器、加力燃烧室、重整器或多个这些部件。这样由于空间常常受限，会优先采用紧凑系统。在WO-A-2004/082057中，描述了一种模块化构建的燃料电池系统，其中其他部件例如加力燃烧室、热交换器和重整器随后被配置到平面的燃料电池堆。燃料电池堆和其他部件的外部几何形状彼此匹配。通过部件中设置的板和管道中的钻孔，流体被导入部件中并从一个部件流到另一个部件。板与常规流向垂直设置，使得该流必须通过管道从一个部件导向另一个部件。需要偏转板桥接系统中的各个流体通道。这样，由于流体流动偏转，这个系统能承受高压降以及不均匀的温度，并且需要额外的空间来容纳部件间的连接部件。
发明内容
因此，需要一种紧凑装置，其具有燃料电池单元和例如热交换器、重整器、预热器或加力燃烧室的部件，该装置可提供良好的流动特性。还需要提供一种具有两个堆叠部件的部件单元以形成例如一种装置，或者例如用于该装置的一个堆叠部件，以支撑组合系统的整体性能。
根据本发明的一个方面，提供了一种装置，该装置包括：具有平行布置的多个燃料电池的燃料电池单元，该燃料电池单元限定所述装置的纵向轴线并且还限定与所述装置的所述纵向轴线同轴的主流向。在所述燃料电池单元的相反两端设置有燃料电池入口和燃料电池出口，并且所述燃料电池入口和所述燃料电池出口与所述主流向共线。所述装置还包括：具有第一流体管道的部件，所述第一流体管道被布置成平行于所述主流向。所述第一流体管道包括设置在所述部件的相反两端且与所述主流向共线的第一流体入口和第一流体出口。所述部件被布置成邻近所述燃料电池单元，使得所述部件的所述第一流体入口和所述第一流体出口中的至少一者被布置成邻近所述燃料电池出口和所述燃料电池入口中的至少一者，从而当进入所述装置的流体流从所述部件流到所述燃料电池单元或反之亦然时，所述流体流能在所述部件的所述第一流体管道中以及所述燃料电池单元中以大体上平行于所述装置的所述纵向轴线的方式流动。
根据本发明，燃料电池单元和部件(优选热交换器或重整器)被设置成使得流体可实质上线性流动并沿着主流向穿过所述部件和所述燃料电池单元，从而形成穿过装置的主流体流。燃料电池单元和部件以相邻的方式设置，并且燃料电池入口和部件的第一流体出口或者燃料电池出口和部件的第一流体入口以相邻的方式设置，这允许流体从所述部件到燃料电池单元的畅通或无偏转的穿过，反之亦然(这取决于部件和燃料电池单元沿着主流向的彼此上游和下游的设置)。根据本发明，装置中不会发生装置之间或部分装置中流向的方向的反转或改变，例如90度。这可以在装置中提供完整的低压降，均匀的流速和均匀的温度分布，以及更少部件需求的紧凑设计。另外，在装置和该装置的各个部分中可以实现均匀流动。装置的各部分之间或部件内的各部分之间的界面或管道连接变得不被需要，从而促进了紧凑装置的实现。由于装置中改善的温度分布，也可以实现提高的能量效率。部件或燃料电池单元可以模块化并组合成根据本发明的装置，这方便了根据本发明的装置的制造、安装和维护。例如，方便了部件或燃料电池单元的更换。同时，部件可以更容易地适应具体的燃料电池单元设计。
如果部件是包括多个彼此平行且上下叠置的板的板堆叠，那么部件的板被布置成平行于主流向。如果燃料电池单元是包括多个彼此平行且上下叠置的板的平面燃料电池单元，那么装置的所有板可以被布置成平行于主流向且实质上彼此平行。然而，部件或平面燃料电池单元的板可以分别围绕一个旋转轴相对于装置的纵向轴线或主流向旋转。部件、燃料电池单元、其他部件或者装置的多个部分的彼此相互间的旋转，例如可以在0度到180度之间的范围内，优选90度。在这些实施方式中，装置的所有部分的板被布置成平行于主流向。然而，例如相邻堆叠的板例如可以布置成彼此垂直。
在一些优选实施方式中，燃料电池单元是高温燃料电池的单元，例如固体氧化物燃料电池(SOFC)。尤其是，在高温燃料电池中，可进一步采用高温流体，并且用于燃料电池的燃料中只有一部分被燃料电池本身所利用。因此，其他效果可以通过优化流动特性来获得，尤其在将燃料电池与热交换器或重整器或优选二者组合时。
沿主流向流动的主流体流例如可以是燃料电池和重整器的阴极流以及流经热交换器的热气。优选地，主流体流是流体流，其具有穿过燃料电池单元和装置的部件的较高的体积流速。这样，主流体对应于穿过部件的第一流体，而第二流体通常具有相比于第一流体的流速低的体积流速的流速。第二流体还可以是具有相比于第一或主流体低的质量流速的流体流。然而，较低的体积流还可以由具有同样质量流速但具有比主流体低的温度的流体流来实现(或第一流)。通过优化，尤其是均匀化具有更高体积流速的流体流，可以获得非常好的效率的装置。例如，重整器的阴极流可以比阳极流高约两个数量级。
可以优化堆叠部件的第二流体管道中的第二流体流。第二流体也以平行于堆叠部件的板的方式流动。
部件可以设置在燃料电池单元的上游或下游。因此，(在部件设置在燃料电池单元的上游的情况下)部件的第一流体出口被布置成邻近燃料电池入口，或者(在部件设置在燃料电池单元的下游的情况下)燃料电池出口被布置成邻近部件的第一流体入口。
如果在根据本发明的装置中提供一个或多个其他部件，例如热交换器、重整器、加力燃烧室或预热器，优选在其他部件中设置用于流体的管道，例如以允许第一流体流入主流向。这样，通过其他部件可以扩展一个装置，而不会失去它的流动特性或它的紧凑性。
有利的是，例如，用于根据本发明的装置的部件是重整器或热交换器，例如也可以是加力燃烧室或预热器的形式。在根据本发明的装置的一些优选实施方式中，部件可以设置在燃料电池单元的一侧，优选上游，并且至少一个另外的部件设置在燃料电池单元的相反侧，优选下游。例如，热交换器可以设置在燃料电池单元的上游侧，使得热气流平行于装置的纵向轴线流动并进入燃料电池单元的燃料电池中作为阴极流。直到离开燃料电池单元，这个阴极流仍旧沿着平行于装置的纵向轴线的主流向进入并穿过设置在下游并邻近燃料电池单元的重整器。
在装置的这种设置中，热交换器中的第二流体流例如可以是来自燃料电池单元的阳极气体与热气的混合物。随后，这个混合物在热交换器中氧化。所产生的热用于(进一步)加热阴极气体，然后导入燃料电池单元的燃料电池中。随后，来自燃料电池单元的排污口可以直接连接到相邻设置的热交换器的第二流体入口。燃料电池单元所产生的热可用于设置在更下游的重整器中的重整行为。如果热交换器设置在燃料电池单元的下游，第二流体例如可以是由热交换器的第一热流体加热的冷却气体或冷却液体。
根据本发明的装置的一个方面，燃料电池单元的高度和宽度对应于部件的高度和宽度。根据本发明的装置的各部分的几何形状匹配允许以非常紧凑的方式设计装置，并且允许改善流动和温度特性。各个部分的相邻设置不需要其他接口并且可以容易地用其他匹配部件来补充。虽然燃料电池单元可以是燃料电池的平面堆叠或者也可以是管状燃料电池的堆叠，但所述部件(尤其是热交换器和重整器)优选是板堆叠。在这些板堆叠中，部件的板的宽度对应于燃料电池单元的宽度。堆叠的高度在高度上彼此匹配，因此，部件和燃料电池单元具有同样的高度。堆叠的长度可与在部件中执行的所需的物理或化学工艺相适应，或与相邻燃料电池单元或部件的规范相适应。例如，部件或其他部件与燃料电池单元的几何形状匹配包括调整部件堆叠中板的数量，使得堆叠的高度与下一个部件(例如燃料电池堆)的高度相同。通过如此，例如重整器的出口的宽度和高度可与燃料电池堆的宽度和高度一致。
通过部件和燃料电池单元的几何形状匹配，‘核心部件’或‘核心堆叠’的匹配意味着，部件的一部分被涉及，在这里执行该部件的物理或化学工艺。部件通常包括用于第二流体的第二入口和第二出口，例如用于热交换器的冷却或加热流体或者用于重整器的阳极流体。这些供给入口和排污口不会形成核心堆叠的一部分，但是例如会延伸到装置的两个相对侧。同时，燃料电池单元可提供有供给入口，例如一个管状入口或一系列小管，每个都连接到燃料电池单元的一段。
被布置成与主流向共线的第一流体入口和出口以及燃料电池入口和出口彼此可以机械连接。优选地，装置的相邻部分的入口和出口彼此不机械连接。部件和燃料电池单元优选彼此相邻设置，使得主流体流(或第一流体)不会混合其他流体，例如部件的第二流体。相邻设置的实施还可以支持在装置中沿着主流向的基本线性的流动并使得主流向基本上平行于装置的纵向。基本上平行于纵向轴线的主流体流还可以包括从平行方向的微小偏差，例如由于装置的相邻部分的不同的入口或出口形状和尺寸。
在根据本发明的装置的优选实施方式中，部件包括多个板，所述多个板以彼此平行且上下叠置的方式布置以形成堆叠部件。借助于根据本发明的主流体流以及优选在此说明的其他流的具体导向，板的整个表面可用于沿着板来引导流体流。可沿着多个板的边缘并在各个板之间设置间隔以隔离所述多个板。这样，在多个板之间建立了单个连续的管道，用于在多个板之间引导流体。间隔可以直接用于封闭多个板之间的侧部。例如也可以通过由此形成的板(异形板)来形成管道，例如通过模具成型或冲模。在这些情况中，这些边缘可以直接由焊接或铜焊密封。邻近间隔或用于封闭板侧部的其他封闭机构，不存在或不需要用于使流体通过该板或垂直于该板的开口或管。这样，部件中一个板的整个表面可用于沿着该板来引导流体。这样，例如，整个表面可用于物理或化学工艺，例如热交换工艺或重整工艺。另外，板的侧部区域例如可用于优化流向，同时板的大的中央区域仍旧用于部件所打算用于的热交换或其他工艺。同时，在根据本发明的装置中不会发生流从一个板到一个垂直设置入口或出口管的重新定向。同时，在第一或第二管道中不存在分立部件，这会将多个管道分离为独立的小通道，其可导致严重的压降和不均匀的热交换。这样，流以及该流中的压力和温度是更均匀的。
根据本发明的装置的一个方面，在燃料电池单元和部件之间设置有间隙。通过该间隙，在燃料电池单元和部件的内部或之间不需要或不会具有机械连接(除了外壳)。这里利于根据本发明的装置的安装、制造和保养。在制造这种装置时也可以更加灵活。例如，各个部分可以制造为模块并可以分别替换。例如，燃料电池单元也可以由不同类型的燃料电池单元来替换。通过提供间隙，从而不需要其他界面或偏转板。这不仅降低了成本还允许更紧凑的制造该装置。另外，进一步提供了主流体流的均匀性，并防止了由于存在机械部件而引起的压力损失。
如果提供多个部件，优选所有部件彼此相邻设置或分别邻近燃料电池单元设置，在所有部件之间以及该部件和燃料电池单元之间提供一个间隙。
间隙可以具有例如在1mm至25mm之间、例如在2mm至15mm之间、例如在3mm至5mm之间范围内的宽度。
根据本发明的装置的另一方面，装置还包括具有入口分布部分的主入口，其中该入口分布部分的深度优选沿着该部件的高度是可变化的。入口分布部分布置成邻近燃料电池单元或者邻近所述部件，这取决于装置的哪一部分被设置在最上游。可将主流体穿过主入口开口而引入主入口。随后，主流体被分布在入口分布部分的内侧，优选在装置的整个侧面之上，优选在燃料电池单元或部件的核心堆叠的整个高度和宽度之上。通过改变主入口的入口分布部分的深度来改变装置的纵向上的入口分布部分的延伸。有利的是，相比于入口分布部分的与主入口开口对置(opposite)(例如与装置的底部相对(versus))的那个端部区域，入口分布部分的与主入口开口相对(例如与装置的顶部相对)的那个端部区域更宽。这样，主流体可以分别进入燃料电池或部件的整个侧面。通过改变入口分布部分的深度，主流可以均匀地分布在整个堆叠之上，除非流体入口仅设置在中央区域。这也提高了根据本发明的装置的性能。
根据本发明的装置还可以提供具有出口收集部分的主出口。出口收集部分可与主分布部分以相似的方式建立，而例如深度不同于入口分布部分的深度。主出口被布置成邻近装置的最下游部分，例如邻近另一个部件。优选地，在主入口和装置的被布置成邻近该主入口的那一部分之间，以及在主出口和装置的被布置成邻近该主出口的那一部分之间提供有几毫米的小间隙。
根据本发明的装置的另一方面，该部件还包括具有第二流体入口和第二流体出口的第二管道。该第二管道适于使第二流体穿过部件。由于根据本发明的装置中采用的大多数部件需要第二流，例如热交换器(热和冷却流)或重整器(热和含燃料流)，所以该部件中对于第二流的优化，尤其是对于沿主流向流动的第一流的优化，可以进一步提高根据本发明的装置的整体性能。可以实现整体性能，而无需在各个流体间交换质量流。
优选地，第二流体入口和第二流体出口分别沿着部件或堆叠的高度设置，并且设置在堆叠的相反两侧。这样，第二流体可以只在部件的一侧(例如顶侧)供应，并在第二入口中分布在部件的整个高度上。随后，第二流体流入第二管道，穿过该第二管道(其优选在板的整个表面延伸)，并经由第二流体出口离开该部件。为了进一步优化该部件中的流，该第二流体入口可以设置在该部件的一侧的上游区域并且该第二流体出口可以设置在该部件的相反侧的下游区域。这样，第二流体可以从部件的一侧进入部件，随后实质上在部件的中央区域平行于主流向流动并在相反侧离开该部件。中央区域中的这种对流设置例如在热交换器或重整器中可能是优选的。然而，对于对流设置，第二流体入口还可以设置在部件的一侧的下游区域中，并且第二流体出口可以设置在部件的相反侧的上游区域中。
在一种紧凑设置中，装置和部件的宽度由此可以比部件的长度(即，比装置的纵向上的部件的延伸)大。这样，第二流体流不得不分布在部件的整个宽度上，优选均匀地分布在部件的整个宽度上。优选这样做，使得板的第二管道的中央区域分别优选覆盖部件的横截面的大部分，并优选使得在这个中央区域中实现具有低速的相似流。这样，可以在部件中实施任何工艺。
根据本发明的装置的其他方面，部件还包括位于第二管道中的阻挡机构。有利的是，提供阻挡机构以在部件的第二管道中实现第二流体的局部可变的压降或局部变化的流体速度。通过局部改变流的特性，可以提高和改变第二管道中的第二流体流的分布、导向、收集、热交换、化学反应或其组合。通过正确选择阻挡机构，流体特性也可以适应该部件的几何形状或根据本发明的装置的其他需求。例如，可以支持该部件的宽度上的第二流体分布以及直接被第二流体出口收集的第二流。有利的是，可以在第二管道的入口分布区域中、中央区域中以及出口收集区域中设置不同的阻挡机构。优选地，所述不同的阻挡机构使得由中央区域中的阻挡机构导致的第二流体的压降高于在入口分布区域和出口收集区域中导致的压降。这样的一个不同的压降例如也可以通过在中央区域而不在入口分布区域和出口收集区域设置阻挡来实现。为了支持入口分布区域中的分布以及出口收集区域中的收集，阻挡机构也可以在一个区域中变化。例如，可以提供阻挡机构，使得只在靠近入口或出口处产生低的压降，而在靠近入口或出口的各相反侧处以及中央区域中产生高压降。优选地，阻挡机构与流向相适应。
优选地，阻挡机构是设置在管道壁上的结构，例如形成管道壁的板表面中的结构。结构可以是板中具有周期系列的脊和谷的轮廓。脊和谷例如可以在板的中央区域具有更小的周期，或者具有表示更低水压直径的不同轮廓。这也有利于部件的中央区域中的热交换。
也可以通过粗糙表面来实现结构，例如管道壁的涂层。涂层也可以仅覆盖部分中央区域或板的部分其他区域。涂层例如可以是催化涂层，例如位于热交换器或重整器的至少部分中央区域中。这样，可以将催化反应限制在部件的具体区域中。选择这个区域以使得反应仅发生在一个区域中，在这个区域中，例如该流是均匀的，温度分布最适于反应发生或者例如适于以有效方式与其他(主)流的热交换。
另外，涂层的厚度可以减小流管道的剩余厚度，使得压降在所涂覆的节段中增加。这进一步利于该节段中流的均匀性。
如果阻挡机构采用板形的形式，则设计成以便例如优选不影响主流路径中的流分布。然而，由于主流较大并且已经具有大的压降，可以期望减小主流管道中的压降。这例如可以通过降低板的脊之间的开口空间来实现。这些脊和谷之间的开口空间随后会在板的其他侧变得更大，即，在主流的侧面。这样，主流的路径中的压降会降低，而第二流的压降会增加。
根据本发明的装置的其他方面，主入口开口和主出口开口设置在装置的相反两端并能从该装置的同一侧实现主流体供应和主流体排放。这样，有利于将流体供应到装置和从装置排放流体。优选地，从装置的顶侧供应和排放流体。优选地，这样设置装置的各部分的所有入口和出口，使得所有流体供应和所有流体排放可以设置在装置的同一侧，优选在顶侧。这样，装置例如可以被插入尺寸与该装置的尺寸相匹配的隔室中。例如，将第二流体入口和出口设置在例如装置的侧面，使得它们邻近燃料电池堆的供应入口和排污口，它们可以连接到这里。随后实施上述装置的安装和保养，而无需进入装置的下部。
在装置的底部没有入口和出口是有利的。这样，装置可以安装在平面上，例如平面安装材料或钢板上，例如支撑完成的该装置的重量。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括第一堆叠部件并包括第二堆叠部件的部件单元。该部件单元例如可以与燃料电池单元组合，以形成在此说明的装置。第一堆叠部件和第二堆叠部件均包括多个板，所述多个板被布置成平行于主流向并彼此相距一距离以形成堆叠。堆叠的前侧和后侧是开放的，用于使第一流体从前侧进入堆叠，沿着主流向穿过该堆叠并从后侧离开该堆叠。第一堆叠部件和第二堆叠部件均还包括具有第二流体入口和第二流体出口的第二流体管道。第二流体入口设置在堆叠的横向侧，并且第二流体出口设置在堆叠的相反的横向侧。在部件单元中，第一堆叠部件和第二堆叠部件被布置成彼此相距预定距离。第一堆叠部件的开放的后侧与第二堆叠部件的开放的前侧被布置成以相距所述预定距离的方式彼此平行。在优选实施方式中，部件单元还包括稳定框。该框设计成在部件装载和运行期间尤其是在不同温度下运行时将第一堆叠部件和第二堆叠部件稳定在相对于彼此相距所述预定距离和位置处。稳定框可以防止各部件移动，例如水平或垂直移动，或相对于彼此旋转。移动和旋转例如会由热膨胀或蠕变导致。当流基本上分别平行于部件单元或装置的纵向轴线穿过装置时，彼此间的位移可能会偏转或阻挡所述流。稳定可以支持或保证部件的最佳工作，尤其是在不同的温度和压力下，例如在启动、连续工作和冷却阶段。这些事件会导致部件的部分快速或不均匀的加热，并会导致由热膨胀或蠕变引起的变形。进一步地，稳定框可以稳定两个部件之间的空洞的尺寸，尤其是在不同温度和压力下，例如可以在启动、连续工作和冷却阶段存在的空洞。由此，稳定框可以提供预定用途的部件单元，例如与具体的燃料电池单元组合。
根据本发明的另一个方面，提供了一种堆叠部件，例如用于部件单元或根据本发明且如上所述的装置中。该堆叠部件包括多个板，所述多个板被布置成平行于主流向且彼此相距一距离以形成堆叠。所述堆叠的前侧和后侧是开放的，用于使第一流体从所述前侧进入所述堆叠，沿着所述主流向流过所述堆叠，并从所述后侧离开所述堆叠。所述堆叠部件还包括具有第二流体入口和第二流体出口的第二流体管道。所述第二流体入口设置在所述堆叠的横向侧，并且所述第二流体出口设置在所述堆叠的相反横向侧。形成所述第二流体管道的所述多个板中的至少一个板包括中央区域，该中央区域被布置成靠近入口分布区域并且靠近出口收集区域，其中，所述中央区域包括阻挡机构。
优选地，第二流体入口和第二流体出口以及至少一个板的中央区域中的阻挡机构被设置成使得经由第二流体入口进入堆叠部件的第二流体在所述至少一个板的中央区域中大体上沿主流向流动。
有利的是，在两个板之间形成第二流体管道的两个板中的至少一个板设置有包括阻挡机构的中央区域。
根据本发明的堆叠部件的一个方面，入口分布区域、出口收集区域和中央区域中的至少两者包括不同的阻挡机构。
根据本发明的堆叠部件的另一方面，入口分布区域和出口收集区域的至少一者包括沿着主流向的可变延伸部分。优选地，入口分布区域或出口收集区域或二者的沿着主流向的延伸部分沿着前侧线性变化。优选地，入口分布区域的尺寸随着远离第二流体入口而减小。优选地，出口收集区域的尺寸随着远离第二流体出口而减小。优选地，入口分布区域或出口收集区域或二者是楔形。
入口分布区域和出口收集区域相对于形状、尺寸和阻挡机构是对称的。完整的板可以相对于板的中心点对称。
优选地，入口分布区域基本上在至少一个板的整个前侧延伸，并且出口分布区域基本上在至少一个板的整个后侧延伸。如果入口分布区域和出口收集区域是楔形的，则中央区域具有采用矩形板的形式的基本平行六面体的形状。如果阻挡机构，例如表面结构，设置在入口分布区域或出口收集区域或二者中，则相比于邻近入口和出口的那些部分中的表面结构，入口分布区域的远离第二流体入口的那些部分以及出口收集区域的远离第二流体出口的那些部分中的表面结构优选有更多的表现形式(更密集的，更高的等等)。
根据本发明的堆叠部件的一些优选实施方式，堆叠部件还包括邻近堆叠部件的前侧设置的主入口部分或邻近堆叠部件的后侧设置的主出口部分中的至少一者。主入口部分设置成将主流体流分布到堆叠部件的整个高度上并且分布到堆叠部件中，而主出口部分设置成从堆叠部件的整个高度收集主流体并将该主流体引导向主出口开口。主出口部分和主入口部分可以具有变化的高度，该高度优选沿着部件的高度而变化。优选地，主入口部分或主出口部分或二者是楔形。
优选地，堆叠部件是待被组合到燃料电池单元或催化转换器等的热交换器，例如加力燃烧室的形式，或者预热器或重整器。然而，堆叠部件也可以设计成例如不仅包括分立的部件，而且还包括燃料电池单元或其他部件。
这样，根据本发明的堆叠部件的一个方面，多个板还包括具有化学活性表面(优选催化活性表面)的节段，该节段适于用在燃料电池单元中。堆叠部件的第一部分，例如上游部分，包括第二流体管道并且适于形成热交换器堆叠或重整器堆叠。堆叠部件的第二部分，例如下游或更下游部分，包括所述节段，使得所述堆叠部件的所述第二部分适于用作燃料电池单元。
在这种堆叠部件中，板具有这样的长度，其不仅沿例如热交换器或重整器的长度延伸而且还沿燃料电池单元的长度延伸。因此，板的各部分包括将由板堆叠的相应部分实施的物理或化学特性功能。例如，如果上游部件应该是一个热交换器或重整器，则板的上游第一部分包括用于第二流体管道的阻挡机构，以及用于重整或其他化学反应的催化活性表面的可能部分。上下叠置并且包括第二流体管道的多个板随后形成热交换器或重整器(或者堆叠部件的热交换器或重整器部分)。板的其他下游第二部分由相应的化学活性物质覆盖，以便该板的这部分形成用作燃料电池的电极的双极性板。具有板的其他下游第二部分的板堆叠部分随后形成一个平面燃料电池单元。
通过部件和燃料电池单元的这种结构，自动给予堆叠部件或装置的高度和宽度的几何形状匹配。主流体流向是沿着在部件和燃料电池单元之间没有间隙的多个板的方向。这样，可以实现进一步的流动均匀性、温度均匀、具有更少单独部件的紧凑设置。
如果根据本发明的上述部分的装置是板堆叠，则各个板堆叠可以被模块化以彼此邻近设置，从而形成根据本发明的装置。然而，各个部分的板可以只由一个板形成，多个板在一个部件以及燃料电池单元以及可能的其他部件之上延伸。由此准备该板的分立部分并使其适于实施它们在该部分装置中的各自功能。
已经参照上述装置说明了根据本发明的堆叠部件的优点和其他方面以及具有两个堆叠部件的部件，因此不再重复。在堆叠部件中，前侧对应于装置的长侧，并由此沿着该前侧的伸长部分对应于装置的宽度。
堆叠部件和部件单元优选用于和高温燃料电池单元组合或结合高温燃料电池以形成一种装置，例如在此所公开的那样。然而，对于根据本发明的堆叠部件，可以优化需要至少一个流体流的其他设备。通过将该设备与根据本发明且在此说明的与燃料电池单元相关的一个堆叠部件组合，限定了一个主流向并且实现了主流体流以及第二流体流的流动均匀性。该其他设备例如可以是一个转换器，例如用于机动车辆的排气系统的催化转换器。
附图说明
以下将结合实施方式来进一步说明本发明，这些实施方式将通过以下的附图来描述，其中：
图1示出了根据本发明的装置的示意图；
图2是图1的装置的截面图；
图3是用于根据图1的装置的重整器的立体图；
图4是图1的装置的示意性通过视图(through-view)，具有用于中间热交换器和重整器部分的第二流体流；
图5是重整器或热交换器中的第二流体流的流动模拟；
图6示出了具有两个组装的堆叠部件的部件单元。
具体实施方式
图1示出了具有燃料电池堆2的紧凑矩形装置，例如,与重整器3和热交换器1组合的固体氧化物燃料电池(SOFC)堆。热交换器1设置在燃料电池堆2的上游侧上,并且重整器3设置在燃料电池堆2的相反的下游侧上。在示出的实施方式中，重整器3和热交换器1是多层板式重整器以及多层板式热交换器，其中各个板彼此平行且以自下而上的布置相距一定距离。燃料电池堆2可以是各个板式燃料电池或管式燃料电池的平行布置，其中，管的轴线或板被布置成平行于该装置的长度500或纵向轴线。热交换器1、燃料电池堆2和重整器3的外部尺寸是相互对应的，尤其是，所有三个部分1、2、3的堆叠高度300是相同的，热交换器1和重整器3的板宽度400是相同的并且对应于燃料电池的堆叠宽度400。该装置的纵向端设置有主入口5和主出口6。由此，在主流体穿过主出口6导出该装置之前，主流体被导入该装置中并沿着主流向100被引导穿过热交换器1、燃料电池2并随后穿过重整器3。穿过该装置的部分1、2、3的主流向100也表示在图2中，该图2是图1所示装置的纵截面的视图。
主入口5设置有入口开口51和楔形入口分布部分50。楔形入口分布部分50被布置成邻近热交换器板堆叠。入口开口51和出口开口61设置在装置的顶部。入口分布部分50在堆叠的顶部最宽并在堆叠的底部最小(参见装置的纵向)。主出口6设置有出口开口61和楔形出口收集部分60。楔形出口收集部分60被布置成邻近重整器堆叠并且也在堆叠的顶部最宽且在堆叠的底部最小。楔形分布部分50和楔形收集部分60的尺寸分别适于优化各个部分50、60中的流速、压降、流动均匀性和流分或及收集。例如，在所示实施方式中，收集部分60的楔形的尺寸在深度上大于分布部分50的楔形的尺寸。
该装置的部分，即，热交换器1、燃料电池2和重整器3被直接设置成彼此相邻，仅由小的间隙55、65分隔。该间隙55、65通常在几毫米范围内，例如2至10mm之间。间隙的尺寸与装置的尺寸相适应。在装置的各部分之间没有界面、管、接口、歧管或附加的压降板。同时，主入口5和主出口6被布置成邻近热交换器1和重整器3，仅由小的间隙45、75分隔。主流体可以通过主入口5分布到所有第一管道，而在堆叠的板中无需任何开口或连接管道。另外，主流体可以通过主出口6从所有第一管道收集，而在堆叠的板中无需任何开口或连接管道。
热交换器1和重整器3的主流体流或第一流体流与穿过燃料电池堆2的主流体流“共线”，并且这个主流沿主流向100流动。热交换器1和重整器3的板被布置成与主流向100平行以实现直的且不偏转的流动。燃料电池布置成使得主流(一般为阴极流)被设置为沿着燃料电池堆和装置的纵向。优选地，热交换器1的一个主流，例如，穿过主入口5导入该装置的热气流，从楔形入口分布部分50沿着整个高度300流入热交换器1并沿该装置的纵向穿过热交换器。而且，穿过重整器3的主流(优选，阴极流)沿同样的纵向方向流过整个重整器，直到该流进入楔形主出口部分60。
通过流经该装置的直的主流体流，可以在装置中实现低的压降、均匀的温度和压力分布。另外，可以以低成本实现需要较少部件的紧凑型装置。
为了进一步优化燃料电池2和整体装置的性能，如图1和图2所示的那样优化热交换器1和重整器3中的第二流。第二个体积较小的流，由箭头150所指示，分别经第二入口通道110、310从侧面导入到热交换器1和重整器3。该第二流体分别经第二出口通道120、320导出热交换器1和重整器3，而且偏向该部件的相反横向侧。由此，从堆叠1、3的侧面并且穿过设置在堆叠顶部的相应的第二流体入口开口和出口开口111、311、121、321，第二流体可以被提供给该装置或从该装置排出。而且，用于燃料电池的第二供给入口和出口21设置在该装置的顶侧。
由于供给或排放管线可以设置在装置的顶部并从顶部开始，这利于根据本发明的装置的安装。尤其是，在装置的底部没有设置入口或出口。
第二流体可以通过第二入口通道110、310分布到所有第二管道，而在堆叠的板中无需任何开口或连接管道。另外，可以通过第二出口通道120、320从所有第二管道收集第二流体，而在堆叠的板中无需任何开口或连接管道。
各第二流体被以垂直于主流向100的方式引入到各部件中，被重定向以例如在部件1、3的中央区域13、33中平行于主流流动，并再次被重定向以按垂直于主流向100的方式离开部件1、3。
该装置的部件的板包括不同区域，例如，热交换器1和重整器3的入口分布区域11、31；中央区域13、33；以及出口收集区域12、32。入口和出口区域分别直接在第二流体入口110、310和第二流体出口120、320之后。入口和出口区域11、31沿装置的整个宽度400或基本上整个宽度延伸，并在以三维方式观察时具有三角形或楔形形状(图1中省略了用于主流体流的中间管道)。中央区域13、33基本上具有平行六面体的形状。入口区域、中央区域和出口区域通常因它们对第二流的行为的影响而有所区别。通常，影响这种流行为的结构被设置在一个、两个或所有三个区域中。根据在各个区域中将要实现的所需压降、流向或流动均匀性来提供和设置结构。优选地，导致高压降的结构设置在中央区域13、33中。与中央区域相比，入口区域11、31和出口区域12、32可以不设置或设置较少的结构。一个区域本身中的结构尤其是不同的。
图3示出了表示本发明的堆叠部件的重整器3，在形成板堆叠30的从顶部到底部的布置中具有彼此平行设置的矩形板301。板堆叠30的两个横向侧面设置有将堆叠30的侧面的一部分与环境封闭的侧壁部分311。重整器的侧面的不被侧壁部分311封闭的那些部分是开放的并由此形成第二流体入口和第二流体出口3200。第二流体例如是含阳极流的燃料。
开放的前侧允许板301之间的流体流沿着重整器堆叠30的整个高度进入。流体流沿主流向100在板之间流过重整器并再次沿着重整器的整个高度在后侧离开重整器。参见图1所示，主流可以从这里直接流入燃料电池堆或其他部件或主入口收集部分。
在图4中，示意性地示出了根据图1的装置的通过视图。板的区域被示出为热交换器和重整器板结构的中间第二管道。
第二流体经由第二流体入口通道110穿过第二流体入口进入第二管道而高速进入热交换器1。第二流体在热交换器1的楔形入口分布区域11中逐渐变慢。在热交换器的第二管道的中央区域101中，流体流从垂直于装置的纵向轴线的方向重定向为严格平行于装置的纵向轴线(相应于主流向100)。在中央区域101中本质上会发生热交换过程。在这个中央区域101中，流速放慢并在整个中央区域101中基本上是均匀的。当第二流体到达两个板之间的第二管道的相反端时，该流再次重定向为垂直于主流向100并沿着出口收集区域12引导到第二流体出口通道120。在出口收集区域12中，第二流体获得速度，使得第二流体流再次以高速离开热交换器。热交换器中不同的流速和不同的压降区域例如可以通过热交换器的板的适当表面结构来实现。这可以参照图5中的重整器来更详细地解释。第二管道的结构与热交换器之一基本相同，用于重整器的第二流体流以及重整器中的流体流的引导。
热交换器中的第二流体例如为冷却流体，例如冷却气体或冷却液体，其在热交换器中被加热。第二流体例如可以是热流体，具有低质量流量或两种流体的组合，例如热流体和阳极气体的混合，这可以在第二管道中氧化。对于后者的应用，热交换器优选设置有催化活性涂层来支持该氧化反应。
在图5中，通过流动线条151概括地示出了重整器中的流体流。流动线条的密度表示流速。一般的第二流向由箭头150表示，其中主流向还由箭头100表示。
重整器区域31、32、33的原则性的设置和设计与热交换器的类似，以建立具有均匀流动分布以及流向的中央区域33，其实质上平行于主流向100。因此，在中央区域33中，提供了用于均匀流动和低流速的高压降。后者支持有效地重整行为并且尤其在热交换器的情况下支持有效地热交换过程。在该楔形内部分布和收集区域31和32中，优选压降是低的并可以在板301的宽度上变化。入口分布区域31和出口收集区域32不沿着板301的整个宽度延伸。在板301的宽度终端之前，区域31、32处在距离315的最后。选择距离315并依赖于部件的用途而变化。基本上，通过扩大这个距离315，流体流可以在到达板310的底部右角和顶部左角之前放慢，参见图5所示实施方式。这样，可以防止流体在这些角落里积聚并且可以进一步支持中央区域33上的该流的同样分布。同时，该分布和收集区域31、32的宽度316可以改变并依赖于部件的用途而更大或更小。
宽度比板301在纵向(主流向100)的伸长部分更大。这样，建立了具有优化流动特性的略大的中央区域33。
因此通过重整器堆叠或热交换器堆叠的板的表面结构或轮廓可以影响压降。因此，优选中央区域33设置有表面结构，同时分布和收集区域31、32不具有或只具有少量表面结构。表面结构例如可以与应用在中央区域33中的催化涂层相组合。
在图6中，示出了部件单元9，其中同样的参考标记用于同样的或相似的部件。第一部件，例如热交换器1与第二部件例如重整器堆叠3相对并相距距离83。每个部件的(或通过)堆叠壁113、313分别由热交换器1的板侧壁或者第一流体出口的总和形成，以及分别由重整器3的板侧壁或第一流体入口的总和形成。这两个壁113、313彼此平行设置，允许第一流体的主流100在热交换器的板之间并从其开始以及在重整器的板之间线性流动。不存在连接机构，并且设备，例如燃料电池单元，可以插入两个部件1、3之间提供的空间中，这两个部件采用两个部件的这个紧凑且有效的设置。
经稳定框8组合这样的堆叠部件1、3，以形成部件单元9。经稳定框8，两个部件之间的位置可以被固定并且使得单元9稳定。这个稳定是需要的，可在不同温度下工作时保证部件1、3保持正确距离，以及相同高度和横向位置。该稳定框防止部件之一例如由热膨胀或蠕变导致的移动或相对于其他部件旋转，因为这会在该流在主流向100上基本平行于装置的纵向轴线通过装置时转移或阻塞该流。稳定框8可以具有用于每个部件的框室。框室80可以提供给热交换器1，并且另一框室81可以提供给重整器3，进一步稳定这些部件，以防止由于工作期间的蠕变或不同的热膨胀引起的劣化。中间室82是提供给设备的空间或空洞，多个部件组合以形成例如在此说明的装置。
已经结合附图所示实施方式说明了本发明。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，在不偏离本发明范围的情况下，多种改变、修改或变化是可能的。仅通过示例，入口或出口的设置或者主入口和主出口的形式可以改变。例如，第二入口和第二出口可以设置得不同，例如位于装置的不同侧。同时，根据附图中实际显示的这些部件，实现管道以及管道中的阻挡机构或者主入口和主出口以及第二分布入口和第二收集出口的方法可以是不同的。所有的这些改变、修改或变化都是在由所附权利要求限定的本发明的范围之内。

Claims (14)

1.一种装置，该装置包括：
具有平行布置的多个燃料电池的燃料电池单元(2)，该燃料电池单元限定所述装置的沿着该装置的长度方向的纵向轴线并且还限定与所述装置的所述纵向轴线同轴的主流向(100)，其中，在所述燃料电池单元(2)的相反两端设置有燃料电池入口和燃料电池出口，并且所述燃料电池入口和所述燃料电池出口与所述主流向(100)共线；并且
所述装置还包括：
具有第一流体管道的堆叠部件(1，3)，所述第一流体管道被布置成平行于所述主流向(100)，并且所述第一流体管道包括设置在所述堆叠部件的相反两端且与所述主流向(100)共线的第一流体入口和第一流体出口，
其中，所述堆叠部件(1，3)被布置成邻近所述燃料电池单元(2)，使得所述堆叠部件的所述第一流体入口和所述第一流体出口中的至少一者被布置成邻近所述燃料电池出口和所述燃料电池入口中的至少一者，从而当进入所述装置的流体流从所述堆叠部件流到所述燃料电池单元(2)或反之亦然时，所述流体流能在所述堆叠部件的所述第一流体管道中以及所述燃料电池单元(2)中以大体上平行于所述装置的所述纵向轴线的方式流动，所述堆叠部件(1，3)还包括具有第二流体入口和第二流体出口(3200)的第二流体管道，该第二流体管道用于使第二流体流过所述堆叠部件；
其中，所述第二流体入口设置在所述堆叠部件(1，3)的一侧的上游区域中，并且所述第二流体出口(3200)设置在所述堆叠部件的相反侧的下游区域中，使得所述第二流体在所述第二流体管道的中央区域(13，33)中以实质上平行于所述主流向(100)的方式流动；
其中，在所述第二流体管道的所述中央区域(13，33)中布置有阻挡机构，使得由所述阻挡机构在所述中央区域(13，33)中导致的所述第二流体的压降高于在所述第二流体管道的入口分布区域(11，31)和出口收集区域(12，32)中导致的压降。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述燃料电池单元(2)的高度(300)和宽度(400)对应于所述堆叠部件(1，3)的高度(300)和宽度(400)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，在所述燃料电池单元(2)和所述堆叠部件(1，3)之间布置有间隙(55，65)。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述堆叠部件是热交换器(1)或重整器(3)。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述堆叠部件(1，3)被设置于所述燃料电池单元(2)的一侧，并且至少一个另外的堆叠部件(3，1)被设置于所述燃料电池单元(2)的相反侧。
6.根据权利要求1或2所述的装置，所述装置还包括具有入口分布部分(50)的主入口(5)，其中，所述入口分布部分(50)在所述纵向轴线的方向上的深度是沿着所述装置的高度(300)变化的。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其中，在所述第二流体管道的所述入口分布区域(11，31)中、中央区域(13，33)中以及出口收集区域(12，32)中设置不同的阻挡机构，使得由所述中央区域(13，33)中的阻挡机构导致的所述第二流体的压降比由所述入口分布区域(11，31)中和所述出口收集区域(12，32)中的阻挡机构导致的压降高。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其中，在所述装置的相反两端设置有主入口开口(51)和主出口开口(61)，并使得能从所述装置的同一侧进行主流体供应和主流体排放。
9.一种供权利要求1至8中任一项所述的装置使用的部件单元(9)，该部件单元包括第一堆叠部件和第二堆叠部件，
其中，所述第一堆叠部件和所述第二堆叠部件均包括多个板，所述多个板被布置成平行于主流向(100)且彼此相距一距离以形成堆叠，
其中，所述堆叠的前侧和后侧是开放的，用于使第一流体从所述前侧进入所述堆叠，在所述第一流体管道中沿着所述主流向(100)流过所述堆叠，并从所述后侧离开所述堆叠，并且
所述第一堆叠部件和所述第二堆叠部件均还包括具有第二流体入口和第二流体出口的第二流体管道，所述第二流体入口设置在所述堆叠的横向侧，并且所述第二流体出口设置在所述堆叠的相反横向侧，
其中，所述第一堆叠部件和所述第二堆叠部件布置成彼此相距预定距离，从而在所述第一堆叠部件和所述第二堆叠部件之间形成用于插入需要流体流过的设备的空间，并且所述第一堆叠部件的开放的所述后侧被布置成平行于所述二堆叠部件的开放的所述前侧。
10.根据权利要求9所述的部件单元(9)，所述部件单元还包括稳定框(8)，该稳定框用于保持所述第一堆叠部件和所述第二堆叠部件相对于彼此处在所述预定距离(83)和位置。
11.一种供权利要求1至8中任一项所述的装置或根据权利要求9或10所述的部件单元用的堆叠部件，该堆叠部件包括多个板(301)，所述多个板被布置成平行于主流向(100)且彼此相距一距离以形成堆叠，
其中，所述堆叠的前侧和后侧是开放的，用于使第一流体从所述前侧进入所述堆叠，在所述第一流体管道中沿着所述主流向(100)流过所述堆叠，并从所述后侧离开所述堆叠，
所述堆叠部件还包括具有第二流体入口和第二流体出口(3200)的第二流体管道，所述第二流体入口设置在所述堆叠的横向侧，并且所述第二流体出口(3200)设置在所述堆叠的相反横向侧，
其中，形成所述第二流体管道的所述多个板(301)中的至少一个板包括中央区域(13，33)，该中央区域被布置成靠近入口分布区域(11，31)并且靠近出口收集区域(12，32)，其中，所述中央区域(13，33)包括阻挡机构，该阻挡机构被布置成使得所述中央区域(13，33)中的压降高于所述入口分布区域(11，31)和所述出口收集区域(12，32)中的压降，并且使得第二流体在所述中央区域(11，31)中以平行于所述主流向(100)的方式流动。
12.根据权利要求11所述的堆叠部件，其中，所述入口分布区域(11，31)、出口收集区域(12，32)和中央区域(13，33)中的至少两者具有不同的阻挡机构。
13.根据权利要求11或12所述的堆叠部件，其中，所述入口分布区域(11，31)和所述出口收集区域(12，32)中的至少一者包括沿着所述主流向(100)的可变延伸部分。
14.根据权利要求11或12所述的堆叠部件，其中，所述多个板还包括具有化学活性表面的节段，该节段适于用在燃料电池中，其中，所述堆叠部件的第一部分包括所述第二流体管道并且适于形成热交换器堆叠或重整器堆叠，并且，所述堆叠部件的第二部分包括所述节段，使得所述堆叠部件的所述第二部分适于用作燃料电池单元(2)。
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