CN114267857A - 用于飞行器的燃料电池和燃料电池系统 - Google Patents

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CN114267857A CN202110918477.8A CN202110918477A CN114267857A CN 114267857 A CN114267857 A CN 114267857A CN 202110918477 A CN202110918477 A CN 202110918477A CN 114267857 A CN114267857 A CN 114267857A
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Abstract

本发明涉及用于飞行器的燃料电池和燃料电池系统。为了改善混合动力电动飞行器或全电动飞行器的可用性，给出了一种具有经提高的效率和增大的、对体积特定或对重量特定的能量密度的燃料电池(10)。所述燃料电池(10)具有被设计为三重周期性平滑表面的自支撑的膜结构(12)，所述膜结构将被施加以燃料(40)的第一空腔(14)与被施加以氧化剂(42)的第二空腔(16)气密地分开，然而这两个空腔(14，16)以传导离子的方式相互连接。

Description

用于飞行器的燃料电池和燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池。本发明还涉及一种用于飞行器的燃料电池系统以及一种飞行器。
背景技术
具有高能量密度的能量储存系统被视为电动飞行器的先锋。替代的驱动方案和能量源不仅在私人交通中、而且在航空中都变得越来越重要。一种方案是电驱动器或通常在飞行器中生产电能。混合动力电动飞行器和全电动飞行器以及(在机动车辆、工业和休闲方面)其他系统和设备有时需要重量或体积较小的能量储存器。从航空的角度来看，重要的是高功率密度、简单的可维护性以及高的可扩展性。用于提供所需能量的候选是燃料电池，尤其是固体氧化物燃料电池。
目前尤其使用电池和基于氢气的系统。固体氧化物燃料电池(英文：solid oxidefuel cell，SOFC)是一种高温燃料电池，其将燃料(例如氢气)和氧化剂(例如空气)转化成电、热和诸如水的其他副产物。
SOFC通常具有电解质、阳极和阴极以及连接器(所谓的互连器)。互连器能够更好地导出所生成的电流，这是因为在常规的运行温度下，阳极和阴极的导电性可能过低而不能有效地导出电流。当今的架构基于扁平的或管状的电池，这是因为这些电池更易于制造并且有效面积与体积之比(也被称为：A/V)相对有利。
发明内容
本发明的目的是改进一种用于在航空中使用的燃料电池。
该目的通过独立权利要求的主题来实现。优选的改进方案是从属权利要求的主题。
本发明提供一种燃料电池，优选固体氧化物燃料电池，所述燃料电池用于燃料电池系统、优选飞行器的燃料电池系统，其中所述燃料电池包括自支撑的膜结构，其中所述膜结构将开孔的第一空腔与开孔的第二空腔以传导离子的方式相互连接并且以气密的方式将其彼此分开，其中所述第一空腔和所述第二空腔相互贯穿。
优选的是，每个空腔均被设计成用于容纳至少一个细长的、直的互连器本体。
优选的是，每个空腔均包括至少一个气体通道，所述至少一个气体通道被设计成细长的且直的，使得所述互连器本体能够被容纳在所述至少一个气体通道中。
优选的是，膜结构区域相应地将两个相邻的气体通道以传导离子的方式相互连接并且以气密的方式将其彼此分开。
优选的是，包含在所述第一空腔中的直的第一气体通道和包含在所述第二空腔中的直的第二气体通道被布置成相对于彼此扭转的。
优选的是，所述膜结构包含固体电解质。
优选的是，在所述膜结构上施加有导电的阳极层和导电的阴极层，其中所述阳极层布置在所述空腔中的一个空腔中，并且所述阴极层布置在所述空腔中的另一个空腔中。
优选地，所述燃料电池包括多个细长的互连器元件，所述互连器元件被设计成被插入到所述空腔中的每个空腔中并且接触所述膜结构和/或所述阳极层/阴极层。
优选的是，互连器元件具有带有柱形外周的互连器本体。优选的是，互连器本体被设计为实心的圆棒或者被设计成管状的。
优选的是，所述互连器元件中的至少一个互连器元件被设计成：当所述互连器元件被插入到所述空腔中的一个空腔中时，与所述膜结构和/或所述阳极层/阴极层形成线接触、优选螺旋形的线接触。
优选的是，所述互连器元件被设计成：当所述互连器元件被插入到所述空腔中的一个空腔中时，与所述膜结构和/或所述阳极层/阴极层一起限定通气口区域，所述通气口区域允许沿纵向方向和/或周向方向的气流和/或沿所述互连器元件的螺旋形的气流。
优选地，所述燃料电池包括至少一个气体分配器，所述至少一个气体分配器布置在所述膜结构的入口侧和/或出口侧处，其中优选布置在所述入口侧处的所述气体分配器被设计成使得所述空腔中的一个空腔能够被施加以气态的燃料并且所述空腔中的另一个空腔能够被施加以气态的氧化剂；和/或其中优选布置在所述出口侧处的所述气体分配器被设计成使得反应产物和/或残余气体能够从相应的空腔被排出。
优选的是，所述膜结构是以三重周期性平滑表面的形式来设计的。
优选的是，所述膜结构的表面形状选自如下组的表面形状，所述组包括：螺旋二十四面体形状、类螺旋二十四面体的形状、钻石形状、类钻石的形状、iWP形状、类iWP的形状、黑色-P形状、以及类黑色-P的形状。
类黑色-P的表面形状遵循以下等式：
coskxcoslycosmz＝0。
类钻石的表面形状遵循以下等式：
sinkxsinlysinmz+
sinkxcoslycosmz+
coskxsinlycosmz+
coskxcoslysinmz＝0。
类螺旋二十四面体的表面形状遵循以下等式：
coskxsinly+
coslysinmz+
sinkxcosmz＝0。
类iWP的表面形状遵循以下等式：
coskxcosly +
coslycosmz +
coskxcosmz -
coskxcoslycosmz＝0。
在此成立的是：
Figure BDA0003206505380000041
其中L是单元电池的长度，并且
Figure BDA0003206505380000042
优选成立的是：
Figure BDA0003206505380000043
其中L是单元电池的长度，并且
Figure BDA0003206505380000044
在这种情况下，将表面形状称为螺旋二十四面体形状、钻石形状、iWP形状、以及黑色-P形状。
本发明还包括与上述表面形状相差小于10％的表面形状。优选使用与通过以下等式定义的理想形状的均方偏差或标准偏差作为偏差度量：
本发明提供一种用于飞行器的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括多个优选的燃料电池，其中所述燃料电池彼此串联地和/或并联地电连接。
本发明提供一种飞行器，所述飞行器包括优选的燃料电池和/或优选的燃料电池系统。
本发明包含三重周期性的最小面作为燃料电池的膜结构的用途，其中所述膜结构将能够被施加以燃料的体积与能够被施加以氧化剂的体积以传导离子的方式相互连接并且以气密的方式将其彼此分开。
三维成形的平滑表面可以提高A/V比并且因此提高系统的能量密度。此外，还可以使用诸如增材制造或3D打印的现代制造技术。
一种构思是借助于壁厚最小的分离器膜来生产具有两个空腔的体积。分离器具有三维弯曲的和自支撑的几何形状(连续和切向)。由于设计的复杂性，3D打印被认为是分离器的制造的基础。
在此可以借助3D打印来制造电解质。于是例如可以通过涂覆经打印的电解质来施用阳极和阴极。同样可以设想借助于对阳极、阴极和支撑结构的3D打印以及对其他层的后续涂覆进行的制造程序。也可以设想通过不拆模板的工具或不拆模板的模具进行间接制造。在此可以3D打印浇铸模型或工具。
小的膜厚度能够有利地减小电损耗。同样，空腔之间的压差分布更有利地分布在弯曲的膜面上。此外，几何形状允许在不阻塞气流的情况下容易地触及电触点。
另外的构思是使用2体积的三重周期性平滑表面(英文：triply periodic levelsurfaces，TPLS)作为SOFC的电解质的基本结构，例如钇稳定氧化锆(英文：YttriaStabilized Zirconia，YSZ)。TPLS的示例尤其是螺旋二十四面体、钻石、iWP、图元(Primitive)、……
电触点可以借助于被插入穿过TPLS的正交地或对角地直地延伸的空腔的杆/棒或线材来实现。
由于电解质或膜可以设计有小于100μm的小的壁厚，因此可以提高效率。例如，由于自支撑表面的生坯(未烧结的状态，颗粒可以借助聚合物粘合剂粘结)具有相对较高的刚度，因此这可以通过3D打印中的基于浆料的脱结方法或烧结方法来实现。
TPLS具有能够分离气流的固有特性。
TPLS可以具有特别高的对体积特定的功能面，从而可以提高根据体积/重量特定的能量密度。
连接棒或连接管(刚性、中空和/或多孔)可以被插入到空腔的直的区域中。在螺旋二十四面体中，可以在杆与螺旋二十四面体表面之间形成特别有利的螺旋线形的接触。
电触点可以贯穿体积。连接器相对于电解质几何形状的紧固和密封可以通过烧结期间生坯的收缩来实现(体积收缩为大约10％至20％的YSZ实现紧密配合)。
SOFC的使用寿命可以由于各向同性的热应力与TPLS的结构上的机械特性相结合而得以提高。此外，可以减小互连器或连接器与电解质或膜结构之间的负荷。
如即使在常规的燃料电池中，氢气和氧气也被引入到被薄的膜结构分开的两个空腔中。在膜的厚度上进行的化学反应产生电流。
与通常需要额外的机械稳定性的常规的平面膜不同，具有TPLS表面的膜是自稳定的。这意味着，TPLS中的压力差不再导致显著影响SOFC的效率的较大的形变。整个系统将是自支撑的。
TPLS很难或根本不可能借助于常规的机床来制造。因此建议借助3D打印来使耐高温的陶瓷成形为膜结构。
对于基于螺旋二十四面体的SOFC，典型的制造方法可能看起来情况如下。
设计功能性的SOFC部分。可以使单元电池长度和壁厚最小化，以增大对体积特定的功能面积。因此，在单元电池长度为2mm并且壁厚为100μm的情况下可以实现每m3体积有大约3200m2的功能面积。
借助于具有3mol％至8mol％YSZ的基于光刻浆料的材料来对基于TPLS的膜结构或电解质进行3D打印，并且随后进行脱结/烧结以产生陶瓷状态。
借助于涂覆方法(例如基于浆料的或其他方法)来生产阳极层和阴极层。
根据SOFC功率和互连器电阻，将呈棒形或管形的互连器插入一些或所有直地延伸的空腔或气体通道中。
借助于玻璃焊料来密封互连器元件的外侧。
将气体分配器安置在燃料电池的上侧和下侧，以便能够在相应空腔中沿竖直方向产生竖直气流。
附图说明
借助于示意性附图来更详细地阐述实施例。在附图中：
图1示出燃料电池的实施例；
图2示出膜结构的一系列对角截面；
图3示出图2的膜结构的一系列正交截面；
图4左侧：示出已插入的互连器元件的视图，右侧：示出互连器元件与膜结构的接触区域的细节视图；
图5示出互连器元件的实施例；
图6示出气体分配器的实施例；以及
图7示出具有不同的三重周期性平滑表面形状的膜结构的视图。
具体实施方式
首先参照示出燃料电池10的实施例的图1至图3。燃料电池10被设计为固体氧化物燃料电池。燃料电池10被设计成使其可以在飞行器的燃料电池系统中使用。
燃料电池10包括自支撑的膜结构12。膜结构12产生开孔的第一空腔14和开孔的第二空腔16。膜结构12以气密的方式将第一空腔14和第二空腔16彼此分开。膜结构12以传导离子的方式将第一空腔14与第二空腔16相互连接。
膜结构12优选包括能够实现离子传导的固体电解质15。
膜结构12被设计成使得第一空腔14和第二空腔16相互贯穿。
膜结构12形成三重周期性平滑表面(例如螺旋二十四面体17)。也可以设想其他此类表面。
每个空腔14、16均包含至少一个气体通道18。气体通道18被设计为细长的、基本上直的区域，使得相对应的细长的、直的本体可以被插入到该区域中。
相邻的气体通道18通过膜结构12的膜结构区域以气密的方式彼此分开、然而以传导离子的方式相互连接。
膜结构12具有导电的接触层22。根据接触层22的布置，处于一个空腔(例如第一空腔14)中的接触层22被称为阳极层24，而处于另一个空腔(例如第二空腔16)中的接触层22被称为阴极层26。
接触层22为此用于将在燃料电池10中所产生的电能传导到耗电器、例如飞行器的电驱动的推进装置。
燃料电池10还包括多个互连器元件28，这些互联器元件被插入到气体通道18中的一个气体通道中。互连器元件28例如被设计成圆棒状的或管状的。
下面尤其参考图4和图5。互连器元件28优选与膜结构12形成线接触30。线接触30是螺旋形地设计的。换言之，线接触30沿互连器元件28的纵向方向螺旋形地缠绕在该互连器元件的周围。
互连器元件28可以具有互连器本体32，该互连器本体可以由导电的或绝缘的材料形成。此外，互连器元件28还可以具有导电带34，该导电带螺旋形地缠绕在互连器本体32的周围(图5)。
互连器元件28与膜结构12一起优选限定通气口区域36，该通气口区域可以实现沿互连器元件28的外侧的气流。替代性地或附加地，气流可以流过管状的互连器元件28。
下面参考图6。燃料电池10可以具有气体分配器38。气体分配器38例如布置在膜结构12的入口侧40处。同样可以设有(尤其位于膜结构12的出口侧处的)另外的气体分配器。
气体分配器38被设计成使得：燃料40(例如氢气)可以被引导到第一空腔14中，而氧化剂42(例如空气)可以被引导到第二空腔16中。
(未详细示出的)出口侧的气体分配器能够实现反应产物和残余气体的排出。出口侧的气体分配器是优选与入口侧的气体分配器38相同地设计的。
图7除了螺旋二十四面体17外还示出了另外的三重周期性平滑表面形状，该三重周期性平滑表面形状被称为钻石、图元和iWP。此外，在图7中还展示了：如何将互连器元件28插入到气体通道18中。
由于三重周期性平滑表面形状的固有特性，阳极44和阴极46优选交替地布置。如进一步从图7可以看到的，不是所有气体通道18都必须配备有互连器元件28。
为了改善混合动力电动飞行器或全电动飞行器的可用性，给出了一种具有经提高的效率和增大的、对体积特定或对重量特定的能量密度的燃料电池10。燃料电池10具有被设计为三重周期性平滑表面的自支撑的膜结构12，膜结构将被施加以燃料40的第一空腔14与被施加以氧化剂42的第二空腔16气密地分开，然而这两个空腔14，16以传导离子的方式相互连接。
附图标记清单：
10 燃料电池
12 自支撑的膜结构
14 开孔的第一空腔
15 固体电解质
16 开孔的第二空腔
17 螺旋二十四面体
18 气体通道
22 导电接触层
24 阳极层
26 阴极层
28 互连器元件
30 线接触
32 互连器本体
34 导电带
36 通气口
38 气体分配器
40 燃料
42 氧化剂
44 阳极
46 阴极

Claims (15)

1.一种燃料电池(10)，优选固体氧化物燃料电池，所述燃料电池用于燃料电池系统、优选飞行器的燃料电池系统，其中所述燃料电池(10)包括自支撑的膜结构(12)，其中所述膜结构(12)将开孔的第一空腔(14)与开孔的第二空腔(16)以传导离子的方式相互连接并且以气密的方式将其彼此分开，其中所述第一空腔(14)和所述第二空腔(16)相互贯穿。
2.根据权利要求1所述的燃料电池(10)，其中每个空腔(14，16)均被设计成用于容纳至少一个细长的、直的互连器本体(32)。
3.根据权利要求2所述的燃料电池(10)，其中每个空腔(14，16)均包括至少一个气体通道(18)，所述至少一个气体通道被设计成细长的且直的，使得所述互连器本体(32)能够被容纳在所述至少一个气体通道中。
4.根据权利要求3所述的燃料电池(10)，其中膜结构区域相应地将两个相邻的气体通道(18)以传导离子的方式相互连接并且以气密的方式将其彼此分开。
5.根据前述权利要求之一所述的燃料电池(10)，其中包含在所述第一空腔(14)中的直的第一气体通道和包含在所述第二空腔(16)中的直的第二气体通道被布置成相对于彼此扭转的。
6.根据前述权利要求之一所述的燃料电池(10)，其中所述膜结构(12)包含固体电解质(15)。
7.根据前述权利要求之一所述的燃料电池(10)，其中在所述膜结构(12)上施加有导电的阳极层(24)和导电的阴极层(26)，其中所述阳极层(24)布置在所述空腔中的一个空腔(14，16)中，并且所述阴极层(26)布置在所述空腔中的另一个空腔(16，14)中。
8.根据前述权利要求之一所述的燃料电池(10)，所述燃料电池还包括多个细长的互连器元件(28)，所述互连器元件被设计成被插入到所述空腔(14，16)中的每个空腔中并且接触所述膜结构(12)和/或所述阳极层/阴极层(24，26)。
9.根据权利要求8所述的燃料电池(10)，其中所述互连器元件(28)中的至少一个互连器元件被设计成：当所述互连器元件(28)被插入到所述空腔(14，16)中的一个空腔中时，与所述膜结构(12)和/或所述阳极层/阴极层(24，26)形成线接触(30)、优选螺旋形的线接触；和/或其中所述互连器元件(28)被设计成：当所述互连器元件(28)被插入到所述空腔(14，16)中的一个空腔中时，与所述膜结构(12)和/或所述阳极层/阴极层(24，26)一起限定通气口区域(36)，所述通气口区域允许沿纵向方向和/或周向方向的气流和/或沿所述互连器元件(28)的螺旋形的气流。
10.根据前述权利要求之一所述的燃料电池(10)，所述燃料电池还包括至少一个气体分配器(38)，所述至少一个气体分配器布置在所述膜结构(12)的入口侧和/或出口侧处，其中优选布置在所述入口侧处的所述气体分配器(38)被设计成使得所述空腔中的一个空腔(14，16)能够被施加以气态的燃料(40)并且所述空腔中的另一个空腔(16，14)能够被施加以气态的氧化剂(42)；和/或其中优选布置在所述出口侧处的所述气体分配器(38)被设计成使得反应产物和/或残余气体能够从相应的空腔(14，16)被排出。
11.根据前述权利要求之一所述的燃料电池(10)，其中所述膜结构(12)是以三重周期性平滑表面的形式来设计的。
12.根据权利要求11所述的燃料电池(10)，其中所述表面形状选自如下组的表面形状，所述组包括：螺旋二十四面体形状、类螺旋二十四面体的形状、钻石形状、类钻石的形状、iWP形状、类iWP的形状、黑色-P形状、和类黑色-P的形状、以及还有与上述形状相差小于10％的表面形状。
13.一种用于飞行器的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括多个根据前述权利要求之一所述的燃料电池(10)，其中所述燃料电池(10)彼此串联地和/或并联地电连接。
14.一种飞行器，所述飞行器包括根据权利要求1至12之一所述的燃料电池(10)和/或根据权利要求13所述的燃料电池系统。
15.三重周期性平滑表面形状作为燃料电池(10)的膜结构(12)的用途，其中所述膜结构(12)将能够被施加以燃料(40)的体积与能够被施加以氧化剂(42)的体积以传导离子的方式相互连接并且以气密的方式将其彼此分开。
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