CN111630697A - 具有被改善的气体扩散层的燃料电池系统以及具有燃料电池系统的机动车 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有燃料电池堆的燃料电池系统（1），所述燃料电池堆由多个具有气体扩散层的电池单元（2、4）形成，其中边缘侧的电池单元（2）中的至少一个边缘侧的电池单元的气体扩散层相对于来自所述燃料电池堆（1）中间的电池单元（4）的气体扩散层具有效率降低的传热机制。本发明还涉及一种具有被改善的燃料电池系统的机动车。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有燃料电池堆的燃料电池系统，该燃料电池堆由多个具有气体扩散层的电池单元形成。本发明还涉及一种具有被改善的燃料电池系统的机动车。
背景技术
燃料电池系统的电池单元包括膜电极装置，该膜电极装置具有质子传导膜，该质子传导膜在两侧分别分配有电极。膜电极装置被设计为实施燃料电池的电化学反应。在此，燃料、尤其是氢气被引导到形成阳极的电极上，在该电极处，该燃料在释放电子的情况下被催化氧化成质子。这些质子通过质子传导膜被转移到阴极。从电池单元中引出的电子流经耗电器，优选地流经用于驱动车辆的电机或者流到电池组。紧接着，这些电子被传导到阴极或者在该阴极上提供电子。在阴极处，氧化剂、尤其是氧气或含有氧气的空气通过吸收这些电子被还原成阴离子，这些阴离子紧接着与这些质子反应生成水。
借助于双极板，将燃料和阴极气体传导给气体扩散层，所述气体扩散层将相应的气体扩散分布地引导到膜电极装置的电极上。
这些电池单元中的多个电池单元组成燃料电池堆，以便提高燃料电池系统的功率。
在实践中已经表明：边缘侧的电池单元在它们的特性方面不同于来自燃料电池堆中间的电池单元，即因为在电化学反应时产生的热量从边缘侧的电池单元更快地被散发到燃料电池堆的周围环境，使得边缘侧的电池单元比来自燃料电池堆中间的电池单元冷却得更剧烈。边缘侧的电池单元还具有更低的电压，而且存在如下风险：即当周围环境温度低于水的冰点时，由于边缘侧的电池单元的溢流，这些边缘侧的电池单元在它们的使用寿命方面受限制并且失去霜冻启动能力。
为了避免在边缘侧的电池单元的热损失的情况下所存在的问题，已经提出：使用电端部电池加热器，所述电端部电池加热器主动地补偿边缘侧的电池单元的热损失，不过由此消耗能量，该能量降低了燃料电池堆的效率。也引起如下困难：电端部电池单元需要精确的温度传感装置，以便与燃料电池堆和端部电池加热器的运行综合特性曲线相结合地将所需的热量准确地引入到边缘侧的电池单元中。
DE 11 2004 001 327 B3示出了一种燃料电池系统，该燃料电池系统由多个燃料电池堆组成，这些燃料电池堆由分配器来划分，冷却剂流经所述分配器，由此燃料电池堆的内部电池被冷却。
WO 2008106946 A2示出了一种导热板，该导热板在电池堆中布置在电池单元之间，以便将热量从电池堆的内部除去。
DE 21 2012 000 223 U1在燃料电池堆的情况下示出了一种冷却装置，利用该冷却装置可以将热量从该燃料电池堆的内部排出。
发明内容
本发明所基于的任务在于：提供一种燃料电池系统，其中上文所描述的问题被消除或至少被缓和。任务还是：提供一种具有被改善的燃料电池系统的机动车。
该任务的关于该燃料电池系统的部分通过具有权利要求1的特征的燃料电池系统来解决。本发明的具有适宜的扩展方案的有利的设计方案在从属权利要求中说明。该任务的关于该机动车的部分通过具有权利要求10的特征的机动车来解决。
按照本发明，燃料电池堆的电池单元没有统一的热特性，而是在边缘侧的电池单元中的至少一个边缘侧的电池单元处的气体扩散层相对于来自燃料电池堆中间的电池单元的气体扩散层具有效率降低的传热机制，使得边缘侧的电池单元的被提高的热损失可以通过被减少的散热来补偿。在此，原则上，每种已知的传热机制都可以被利用；不过因为相对于中间的电池单元来说难以使在气体扩散层上的受流体约束的传热改性，所以优选的是：边缘侧的电池单元的气体扩散层的导热能力相对于来自燃料电池堆中间的电池单元的气体扩散层的导热能力降低，其中如果在燃料电池堆的两个边缘处布置有具有被改性的气体扩散层的电池单元，则本发明的优点特别明显地突出。
利用本发明，实现了：在边缘侧的电池单元（具有效率降低的气体扩散层或者具有所谓的被改性的气体扩散层）中所产生的热量比在具有未被改性的气体扩散层的电池单元的情况下更缓慢地被散发到周围环境，使得边缘侧的电池单元的温度被提高，其中通过对气体扩散层的制造方法和对这些气体扩散层的后处理可以影响对气体扩散层的导热能力的改性，而且使该导热能力与在边缘位置处的热损失的程度相匹配是可能的。
在本发明的范围内，十分特别优选的是：多个边缘侧的相邻的电池单元组成电池单元块，在该电池单元块中，参与的电池单元的气体扩散层的导热能力相对于在中间的电池单元中的气体扩散层的导热能力降低。如下优点与该实施方式相关联：对热损失的补偿不必只在一个边缘侧的电池单元的情况下被实现，而是可以使用多个相邻的电池单元，以便通过整个电池单元块来实现所希望的效果。
在该电池单元块中朝向边缘的热损失不恒定，使得有利的是：在该电池单元块中参与的电池单元的气体扩散层的导热能力朝向边缘降低，其中尤其是在该电池单元块中的气体扩散层的导热能力可以连续地、尤其是以梯度来降低，使得结果是能实现在燃料电池堆的整个伸展内电池单元的恒定的温度。
当然，如果对于制造燃料电池堆来说需要更少的不同的构件以及借此电池单元，则存在成本优势，使得存在如下可能性：在电池单元中的气体扩散层的导热能力逐级地、在一级上有多个电池单元的情况下降低。在此，已经被证明为适宜的是：电池单元块包括三到二十个电池。因为在燃料电池堆的两个边缘位置上可以使用相对应的电池单元块，所以有6到40个电池单元供支配，以便在燃料电池堆的整个伸展内产生各个电池单元的统一的温度。换言之，即已经被证明为有利的是：设置两个所述电池单元块，而且所述电池单元块中的分别一个电池单元块在边缘侧形成在燃料电池堆中间的电池单元的边界。
带有具有上文所描述的特性的燃料电池系统的机动车的特点在于能效被改善，因为尤其能省去电端部电池加热器并且在该燃料电池系统中产生的全部能量都可以通过该机动车被使用。
附图说明
本发明的其它优点、特征和细节根据权利要求书、随后对优选的实施方式的描述以及依据附图来得到。在此：
图1示出了具有燃料电池堆的燃料电池系统的示意图，该燃料电池堆由如下电池单元形成，所述电池单元具有根据它们在燃料电池堆中的位置被改性的气体扩散层；
图2示出了电池单元的气体扩散层的取决于该电池单元在燃料电池堆中的位置的导热能力的图示；
图3示出了在电池单元中的取决于该电池单元在图2中的燃料电池堆中的位置的温度分布的图示；
图4示出了与图4相对应的具有边缘侧的电池单元的气体扩散层的分级适配的导热能力的图示；
图5示出了与图3相对应的关于图4中的燃料电池堆的温度分布的图示；
图6示出了与图2相对应的从现有技术中公知的燃料电池堆的导热能力的分布的图示；
图7示出了与图3相对应的关于图6中的从现有技术中公知的燃料电池堆的温度分布的图示。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了燃料电池系统的燃料电池堆1，该燃料电池堆由多个电池单元2、4组成，在所述多个电池单元中进行电化学反应，从而提供电能。燃料电池堆1被冷却剂3流经，该冷却剂被确定为将在燃料电池堆1之内多余的热量8排出并且以最佳的温度间隔来提供温度7。不过，边缘侧的电池单元2不仅通过冷却剂3失去热量8，而且这些边缘侧的电池单元也将热量8散发到周围环境，使得边缘侧的电池单元2的温度7降低并且尤其是也离开了最佳的温度间隔，如在图7中所示出的那样。为了补偿这一点，边缘侧的电池单元2中的至少一个边缘侧的电池单元的气体扩散层相对于来自燃料电池堆1中间的电池单元4的气体扩散层具有效率降低的传热机制，即在所示出的实施例中在两个边缘位置处的边缘侧的电池单元2的气体扩散层的导热能力9降低。
图2示出了气体扩散层的取决于电池单元2、4在燃料电池堆1之内的位置的导热能力9的分布，其中可见：多个边缘侧的相邻的电池单元2组成电池单元块5，在该电池单元块中，参与的电池单元2的气体扩散层的导热能力9相对于中间的电池单元4的气体扩散层的导热能力9降低、即尤其是连续降低，使得得到在电池单元块5中的气体扩散层的导热能力9的梯度。这造成：根据图3中的图示，在燃料电池堆1的整个长度内存在恒定的温度分布。
图4指出如下可能性：在电池单元块5中的气体扩散层的导热能力9也可以逐级地、在一个级6上有多个电池单元2的情况下被选择，以便燃料电池堆1整体上可以用更少的不同的构件来形成并且借此在生产和装配方面存在成本优势。图5又示出了温度分布，该温度分布根据在边缘侧的电池单元2中的气体扩散层的导热能力6的分布而得到，其中表明：该温度分布相对于现有技术中的、在图7中示出的温度分布明显被改善。
应指出：在每个边缘位置处的电池单元块5可包括2到20个电池单元2，其中相对于选择每个电池单元块5具有20个电池单元2来说关于降低复杂性方面尤其是优选每个电池单元块5具有10个电池单元2。
附图标记列表
1 燃料电池堆
2 边缘侧的电池单元
3 冷却剂
4 中间的电池单元
5 电池单元块
6 级
7 温度
8 热量
9 导热能力
10 电池编号
Claims (10)
1.一种燃料电池系统，其具有燃料电池堆（1），所述燃料电池堆由多个具有气体扩散层的电池单元（2、4）形成，其特征在于，边缘侧的电池单元（2）中的至少一个边缘侧的电池单元的气体扩散层相对于来自所述燃料电池堆（1）中间的电池单元（4）的气体扩散层具有效率降低的传热机制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述边缘侧的电池单元（2）的气体扩散层的导热能力（9）相对于来自所述燃料电池堆（1）中间的电池单元（4）的气体扩散层的导热能力降低。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述燃料电池堆（1）的两个边缘处布置有具有效率降低的气体扩散层的电池单元（2）。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其特征在于，多个边缘侧的相邻的电池单元（2）组成电池单元块（5），在所述电池单元块中，参与的电池单元（2）的气体扩散层的导热能力（9）相对于中间的电池单元（4）的气体扩散层的导热能力降低。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述电池单元块（5）中参与的电池单元（2）的气体扩散层的导热能力（9）朝向边缘降低。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述电池单元块（5）中的气体扩散层的导热能力（9）连续降低。
7.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述电池单元块（5）中的气体扩散层的导热能力（9）逐级地、在一个级（6）上有多个电池单元（2）的情况下降低。
8.根据权利要求4至7之一所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电池单元块（5）包括3到20个电池单元（2）。
9.根据权利要求4至8之一所述的燃料电池系统，其特征在于，设置两个所述电池单元块（5），所述电池单元块分别在边缘侧形成在所述燃料电池堆（1）中间的电池单元（4）的边界。
10.一种机动车，其具有根据权利要求1至9之一所述的燃料电池系统。
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