CN115207393A

CN115207393A - 燃料电池装置

Info

Publication number: CN115207393A
Application number: CN202210366891.7A
Authority: CN
Inventors: S·奥博迈耶
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-04-09
Filing date: 2022-04-08
Publication date: 2022-10-18
Also published as: DE102021203519A1

Abstract

本发明涉及一种用于产生热能和/或电能的燃料电池装置，所述燃料电池装置具有至少一个燃料电池堆（12）和多个功能构件（16、18、20、22、24）。提出，燃料电池装置具有中央分配柱（36），燃料电池堆（12）和功能构件（16、18、20、22、24）通过中央分配柱在流体技术上相互连接。

Description

燃料电池装置

技术领域

已经提出了一种用于产生热能和/或电能的燃料电池装置，其具有至少一个燃料电池堆和多个功能构件。

发明内容

本发明涉及一种用于产生热能和/或电能的燃料电池装置，其具有至少一个燃料电池堆和多个功能构件。

提出，燃料电池装置具有中央分配柱，燃料电池堆和功能构件通过中央分配柱在流体技术上相互连接。“燃料电池装置”应优选理解为用于固定地和/或移动地获取尤其是电能和/或热能的装置。尤其，燃料电池装置可以具有至少一个有利地构造为热箱的壳体单元和/或至少一个燃料电池堆，所述至少一个燃料电池堆尤其设置用于，将有利地连续供给的至少一种燃料、优选可燃气体例如氢气和/或天然气和至少一种氧化剂例如空气和/或氧气的至少一种化学反应能转换成电能和热能。燃料电池堆优选具有多个燃料电池，所述燃料电池有利地一起布置在一个组中。此外，所述至少一个燃料电池优选构造为碱性燃料电池（AFC）、聚合物电解质燃料电池（PEMFC）、镁空气燃料电池（MAFC）和/或有利地构造为固体氧化物燃料电池（SOFC）。“设置”尤其应理解为是专门设计和/或配备。将对象设置用于特定的功能尤其应理解为，对象在至少一个应用和/或运行状态中满足和/或执行所述特定的功能。“功能构件”应优选理解为如下构件，所述构件实施燃料电池装置的功能的一部分，尤其是用于产生电能和/或热能的部分功能。功能单元例如可以构造为热交换器、燃烧器或重整器或本领域技术人员认为有意义的用于实施燃料电池装置的部分功能的其他构件。“分配柱”应优选理解为中央柱，所述中央柱包括用于流体连接燃料电池装置的不同元件的通道。分配柱撑开由外壁限定的内部空间，用于流体连接的通道布置在所述内部空间中。通道可以例如由在内部空间中延伸的管道或软管形成。优选地，通道由分配柱本身形成。优选地，通道分别部分地由外壁的内侧以及在内部空间中延伸的其他壁形成。“通过分配柱在流体技术上相互连接”应优选理解为，连接在分配柱上的各个功能构件或燃料电池堆之间的流体连接延伸穿过分配柱。通过由分配柱提供的流体连接可以将流体从功能构件引导至燃料电池堆和/或从燃料电池堆引导至一个或多个功能构件。通过燃料电池装置的根据本发明的设计方案，能够在相应的构件同时流体耦合的情况下实现功能构件和燃料电池堆的特别简单和容易的装配。

此外提出，中央分配柱构造为承载性的基础结构，燃料电池堆和功能构件连接在所述基础结构上。“承载性的基础结构”应优选理解为如下结构，通过所述结构将固定在结构上的构件，如尤其是功能构件和燃料电池堆的构件的力、尤其是重力导出到底部或另外的承载结构中。构造为承载性的结构的分配柱是装配模块，待连接的构件、尤其是功能构件和燃料电池堆能够装配在所述装配模块上。优选地，构造为承载性的结构的分配柱构成用于燃料电池装置的唯一的承载结构。“连接”应优选理解为通过力配合和/或形状配合的连接、优选可无损分离地连接。优选地，燃料电池堆和功能构件分别通过螺栓连接固定地并且位置可靠地与分配柱螺纹连接。原则上同样可以考虑的是，燃料电池堆或功能构件分别通过本领域技术人员认为有意义的另一形状配合连接和/或力配合连接固定地与中央分配柱连接。由此，燃料电池装置可以特别紧凑且简单地构成，因为尤其可以省去单独的外部支架。

此外提出，中央分配柱构造有多个通道，燃料电池堆和功能构件通过这些通道分别相应地在流体技术上相互连接。“通道”应优选理解为由壁限定的体积区域，所述体积区域设置用于引导流体、尤其气体。通道优选构造为供给管路或排出管路。“中央分配柱构造有通道”应优选理解为，通道由外壁和布置在外壁内部的壁限定。由分配柱构造的通道尤其不由单独的管和/或软管元件构成。由此，中央分配柱可以特别简单地有利地构造用于流体管路。特别地，可以防止用于流体连接燃料电池装置的构件的复杂且耗费部件的管道。

此外提出，燃料电池堆和/或功能构件分别通过力配合连接和/或形状配合连接、尤其通过螺纹连接与中央分配柱连接。由此，功能构件和/或燃料电池堆能够特别简单地连接到分配柱上并且由此尤其简化结构。

此外提出，功能构件中的至少一个功能构件构造为热交换器。“热交换器”应优选理解为被设置用于将热能从一个料流传递到另一个料流的装置。在此，料流和另一个料流优选在空间上彼此分离。优选地，热交换器设置用于，将流体、例如废气的热能传递到另一流体、例如流动到的可燃气体上，或者传递到热流体上。优选地，燃料电池装置具有多个热交换器，所述热交换器分别设置用于加热不同的流体。由此，构造为热交换器的功能构件可以特别简单地连接到中央分配柱上。

此外提出，功能构件中的至少一个功能构件构造为加力燃烧器。“加力燃烧器”应优选理解为如下燃烧器，所述燃烧器连接在燃料电池堆下游，并且燃烧从燃料电池堆流出的剩余可燃气体的至少一部分并且由此产生热能。由此，构造为加力燃烧器的功能构件可以特别简单地连接到中央分配柱上。

此外提出，功能构件中的至少一个功能构件构造为重整器。“重整器”应优选理解为如下关系、尤其是如下单元，其有利地与燃料电池单元有效连接并且尤其是设置用于处理尤其是供给给燃料电池单元的流体、尤其是液体和/或有利地气体、优选至少燃料和/或氧化剂。优选地，气体处理器单元至少设置用于，在至燃料电池单元的输入管路，尤其是燃料电池单元的阳极和/或阴极之前处理流体，尤其是用于在燃料电池单元中进行的反应内使用，和/或处理燃料电池单元的、尤其是在燃料电池单元中进行的反应的至少一种废气。由此，构造为重整器的功能构件可以特别简单地连接到中央分配柱上。

此外提出，中央分配柱由耐热材料形成。“耐热材料”应优选理解为如下材料，所述材料在直至超过600摄氏度的温度、优选地超过700摄氏度、特别优选地直至超过1000摄氏度的温度时保持形状稳定和结构稳定。由此，可以特别有利地将中央分配柱设置用于在构造为热箱的壳体中使用。

此外提出，中央分配柱由彼此焊接的板材构成。分配柱优选具有四个由板材构成的侧壁和两个由板材构成的纵向壁，其构成封闭的内部空间。在此，尤其可以在分配柱的内部空间中布置另外的板材，所述另外的板材限定由分配柱构造的通道。特别优选地，分配柱由多个深拉板材形成，所述多个深拉板材彼此连接、特别是彼此焊接。特别优选地，相应的由分配柱构造的通道可以至少部分地压印到深拉的板材中。例如可以考虑的是，分配柱由两个相互焊接的半部构成，所述半部由深拉的板材构成。原则上也可以考虑的是，分配柱由铸造结构形成并且至少由铸造构件形成，通道相应地成形在所述铸造构件中。由此，中央分配柱可以特别简单且成本有利地构造。

此外提出，燃料电池装置包括壳体单元，具有燃料电池堆和功能单元的中央分配柱布置在壳体单元之内。由此可以特别有利地构造燃料电池装置。

根据本发明的燃料电池装置在此不应局限于上述应用和实施方式。特别地，根据本发明的燃料电池装置可以具有与本文所述的各个元件、构件和单元的数量不同的数量，以满足本文所述的工作方式。此外，在本公开中给出的值范围中，位于所述边界内的值也应被视为已公开并且可任意使用。

附图说明

其他优点由以下附图说明得出。在附图中示出了本发明的实施例。附图、说明书和权利要求书包含许多特征的组合。本领域技术人员也将适当地单独考虑这些特征并且将其组合成有意义的其他组合。

图1示出了具有中央分配柱的燃料电池装置的根据本发明的示图，

图2示出了燃料电池装置的示意图，所述燃料电池装置具有部分透明地示出的部分区域，以便更好地查看中央分配柱的内部空间，以及

图3示出了中央分配柱的示意性侧视图。

具体实施方式

图1-3示出燃料电池装置10的一部分的示意图。燃料电池装置10设置用于产生电能和/或热能。燃料电池装置10构造为用于产生电能和热能的固定的装置。固定的燃料电池装置10例如设置为住宅建筑中的加热设备。原则上也可以考虑的是，燃料电池装置构造为移动装置。燃料电池装置10除了下面描述的构件之外还具有未详细描述的构件。

燃料电池装置10包括燃料电池堆12。燃料电池堆12具有多个未详细示出的燃料电池。燃料电池例如构造为固体氧化物燃料电池（SOFC）。燃料电池堆12包括壳体14。壳体14构成燃料电池堆12的装配模块。具有固体氧化物燃料电池的燃料电池堆12通常由现有技术已知并且因此在此不会详细阐述。

燃料电池装置10具有用于向燃料电池堆12供给新鲜空气的新鲜空气供给管路26。燃料电池装置10包括用于向燃料电池堆12供给燃料的燃料供给管路28。此外，燃料电池装置10包括至少一个用于从燃料电池堆12排出废气的排出管路30。燃料电池装置10包括燃料排出管路34，所述燃料排出管路设置用于从燃料电池堆12排出燃料。燃料电池装置10包括用于将从燃料电池堆12导出的燃料部分地返回到燃料供给管路28中的返回管路32。

燃料电池装置10包括第一功能构件16。第一功能构件16构造为重整器。构造为重整器的第一功能构件16设置用于，对流动到的可燃气体混合物进行处理。构造为重整器的功能构件16在流体技术上连接在燃料电池堆12的上游。构造为重整器的功能构件16布置在燃料供给管路28中。构造为重整器的功能构件16具有未详细示出的流体入口，通过所述流体入口能够将可燃气体混合物、例如天然气导入到构造为重整器的功能构件16中。构造为重整器的功能构件16具有流体出口，经处理的可燃气体混合物可以通过所述流体出口从功能构件16中排出并且被引导至燃料电池堆12。

燃料电池装置10具有第二功能构件18。第二功能构件18构造为热交换器。构造为热交换器的第二功能构件18设置用于，接收来自从燃料电池堆12中排出的燃料的热能并且将热能传递给另一流体。构造为热交换器的第二功能构件18在流体技术上布置在燃料输出管路中。构造为热交换器的第二功能构件18直接连接在燃料电池堆12的下游。

燃料电池装置10具有第三功能构件20。第三功能构件20构造为热交换器。构造为热交换器的第三功能构件20设置用于，接收来自从燃料电池堆12中排出的废气的热能并且将热能传递给另一流体，尤其是流经返回管路32的燃料。构造为热交换器的第三功能构件20在流体技术上布置在排出管路30和返回管路32中。

燃料电池装置10具有第四功能构件22。第四功能构件22构造为热交换器。构造为热交换器的第四功能构件22设置用于，接收来自从燃料电池堆12中排出的废气的热能并且将热能传递给另一流体，尤其是流经新鲜空气供给管路26的新鲜空气并且将其加热。构造为热交换器的第四功能构件22在流体技术上布置在排出管路30和新鲜空气供给管路26中。

燃料电池装置10具有第五功能构件24。第五功能构件24构造为加力燃烧器。构造为加力燃烧器的第五功能构件24设置用于，燃烧从燃料电池堆12中排出的燃料气体的一部分。构造为加力燃烧器的第五功能构件24布置在燃料排出管路34中。

燃料电池装置10的燃料电池堆12和功能构件16、18、20、22、24在流体技术上彼此连接。燃料电池装置10具有中央分配柱36。中央分配柱36设置用于，将燃料电池堆12和功能构件16、18、20、22、24分别在流体技术上相互连接。中央分配柱36撑开内部空间，所述内部空间向外基本上封闭。为了燃料电池堆12和相应的功能构件16、18、20、22、24的流体技术连接，中央分配柱36具有多个通道38、40、42、44、46、48、50。通道38、40、42、44、46、48、50布置在由中央分配柱36撑开的内部空间中。通道38、40、42、44、46、48、50由中央分配柱36构成。通道38、40、42、44、46、48、50由中央分配柱36的壁构成。通道38、40、42、44、46、48、50优选不由单独的管或软管元件构成。

中央分配柱36具有四个侧壁54、56、58、60。侧壁54、56、58、60侧向地限定中央分配柱36。此外，中央分配柱36具有向上封闭中央分配柱36的上壁62。此外，中央分配柱36具有底壁52，所述底壁在其底部上封闭中央分配柱36。侧壁54、56、58、60与底壁52和上壁62一起构成中央分配柱36的基本结构。四个侧壁54、56、58、60与底壁52和上壁62一起限定由中央分配柱36撑开的内部空间。中央分配柱36包括多个布置在内部空间中的壁64、66、68、70、72、74、76。布置在内部空间中的壁64、66、68、70、72、74、76构造为中间壁，所述中间壁将由中央分配柱36构造的通道38、40、42、44、46、48、50彼此分离。侧壁54、56、58、60、上壁62、底壁52和壁64、66、68、70、72、74、76形成共同的结构。侧壁54、56、58、60、上壁62、底壁52和壁64、66、68、70、72、74、76彼此联接。侧壁54、56、58、60、上壁62、底壁5和壁64、66、68、70、72、74、76分别由各个板材构成。侧壁54、56、58、60、上壁62、底壁52和壁64、66、68、70、72、74、76为了构成中央分配柱而彼此焊接。中央分配柱36、即侧壁54、56、58、60、上壁62、底壁52和壁64、66、68、70、72、74、76由耐热材料、特别是金属构成。因此，中央分配柱36由彼此焊接的板材构成，即由彼此焊接的侧壁54、56、58、60、上壁62、底壁52和壁64、66、68、70、72、74、76构成。

中央分配柱36构成承载性的基础结构。彼此连接的侧壁54、56、58、60、上壁62、底壁52和壁64、66、68、70、72、74、76构成中央分配柱36的承载性的基础结构。通过构造为承载性的基础结构的中央分配柱36，由此可以从连接在中央分配柱36上的构件中导出力、尤其是重力。燃料电池装置10的燃料电池堆12和功能构件16、18、20、22、24连接到中央分配柱36上。燃料电池堆12与中央分配柱36的上壁62固定连接。燃料电池堆12以其壳体14与中央分配柱36的上壁62连接。燃料电池堆12借助螺栓连接固定地与分配器壳体、尤其是上壁62连接。原则上也可以考虑的是，燃料电池堆12以本领域技术人员认为有意义的其他方式力配合地和/或形状配合地与分配器壳体连接。功能构件16、18、20、22、24分别在不同的位置处固定地连接在分配柱36的侧壁54、58上。功能构件16、18、20、22、24部分地以不同的高度连接在中央分配柱36的侧壁54、58上。功能构件16、18、20、22、24分别借助螺栓连接连接在中央分配柱36的侧壁54、58上。通过借助于螺栓连接将燃料电池堆12和功能构件16、18、20、22、24连接，其可以特别简单且快速地装配在中央分配柱36上。但原则上也可以考虑的是，燃料电池堆12和/或功能构件16、18、20、22、24可以通过另一力配合连接和/或形状配合连接，例如通过夹紧连接与中央分配柱36固定连接。

由中央分配柱36构造的第一通道38构造为新鲜空气入口通道。第一通道38形成新鲜空气供给管路26的一部分。通道38布置在中央分配柱36的下部区域中。通道38由壁64、66以及部分地由侧壁54、56、58、60限定。中央分配柱36具有新鲜空气接口78，新鲜空气可以通过所述新鲜空气接口流动到构造为新鲜空气入口通道的第一通道38中。新鲜空气入口通道在其第二端部处通入构造为热交换器的第四功能构件22中。由中央分配柱36构造的第一通道将新鲜空气接口78在流体技术上与构造为热交换器的第四功能构件22连接。

由中央分配柱36构造的第二通道40构造为新鲜空气通道。第二通道40形成新鲜空气供给管路26的一部分。通道40垂直地从分配柱36的下部区域延伸到上壁62处。第二通道40由侧壁54、58、上壁62以及壁66、68、70形成。构造为新鲜空气通道的第二通道40连接在构造为热交换器的第四功能构件22的下游。新鲜空气从构造为热交换器的第四功能构件22加热地流动到第二通道40中。构造为新鲜空气通道的第二通道40通入燃料电池堆12的新鲜空气入口中。由中央分配柱36构造的第二通道40将构造为热交换器的第四功能构件22在流体技术上与燃料电池堆12连接。

由中央分配柱36构造的第三通道42构造为燃料供给通道。第三通道42构成燃料供给管路28的一部分。第三通道42垂直地在中央分配柱36的上部区域中延伸直至上壁62。第三通道42至少由侧壁54、58、60和壁68形成。构造为燃料供给通道的第三通道42连接在构造为重整器的第一功能构件16的下游。燃料从构造为重整器的功能构件16流动到第三通道42中。构造为燃料供给通道的第三通道42通入燃料电池堆12的燃料入口中。由中央分配柱36构造的第三通道42将构造为重整器的第一功能构件16在流体技术上与燃料电池堆连接。此外，第三通道42构成返回管路32的一部分。第三通道42连接在构造为热交换器的第三功能构件20的下游。通过第三通道42，从构造为热交换器的第三功能构件20中排出的、返回的被加热的燃料可以流动至燃料电池堆12、尤其是其燃料入口。

由中央分配柱36构造的第四通道44和第五通道46分别构造为排出通道。通过通道44、46可以将从燃料电池堆12排出的废气从燃料电池装置10中导出。第四通道44和第五通道46构成排出管路30的一部分。第四通道44连接在燃料电池堆12的废气出口的下游。第四通道44布置在中央分配柱36的上部区域中。由中央分配柱36构造的第四通道44将燃料电池堆12在流体技术上与构造为热交换器的第三功能构件20和构造为热交换器的第四功能构件22连接。第四通道44部分地由侧壁54、56、58和壁72、74形成。中央分配柱36具有接口80，所述接口在流体技术上连接到第四通道44上。在接口80上，另外的未详细示出的功能构件、例如预热器能够连接到分配柱上。通过接口80可以将另一功能构件在流体技术上连接到分配柱36的第四通道44上。第五通道46连接在构造为热交换器的第四功能构件22的下游。第五通道46由侧壁54、56、58、60、底壁52和壁66形成。通过第五通道46，废气可以从构造为热交换器的第四功能构件22中从燃料电池装置10中导出。

由中央分配柱36构造的第六通道48构造为燃料返回通道。第六通道48构成燃料排出管路34和返回管路32的一部分。第六通道48连接在燃料电池堆12的下游。第六通道48布置在中央分配柱36的上部区域中。第六通道48将燃料电池堆12的燃料气体出口在流体技术上与构造为热交换器的第一功能构件16和构造为加力燃烧器的第五功能构件24连接。

由中央分配柱36构造的第七通道50构造为燃料返回通道。第七通道50形成返回管路32的一部分。第七通道50将构造为热交换器的第二功能构件18在流体技术上与构造为热交换器的第三功能构件20连接。第七通道50由侧壁54、56、58和壁72、74、76形成。

通道38、40、42、44、46、48、50穿过壁64、66、68、70、72、74、76的构造在此仅会示例性地描述。原则上也可以考虑的是，中央分配柱36构造有更多或更少的通道38、40、42、44、46、48、50并且为此设置有更多或更少的壁64、66、68、70、72、74、76。原则上也可以考虑的是，中央分配柱36不是由彼此焊接的板材构成，而是由铸件或深冲件构成。

燃料电池装置10具有壳体单元82。壳体单元82构造为外壳体。壳体单元82构造为容纳壳体。壳体单元82封闭地构造。壳体单元82是热绝缘的。壳体单元82构造为热箱。具有燃料电池堆12和功能构件16、18、20、22、24的中央分配柱36布置在绝缘的壳体单元82内。

Claims

1.一种用于产生热能和/或电能的燃料电池装置，所述燃料电池装置具有至少一个燃料电池堆（12）和多个功能构件（16、18、20、22、24），其特征在于中央分配柱（36），所述燃料电池堆（12）和所述功能构件（16、18、20、22、24）通过所述中央分配柱在流体技术上相互连接。

2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述中央分配柱（36）构造为承载性的基础结构，所述燃料电池堆（12）和所述功能构件（16、18、20、22、24）连接在所述基础结构上。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池装置，其特征在于，所述中央分配柱（36）构造有多个通道（38、40、42、44、46、48、50），所述燃料电池堆（12）和所述功能构件（16、18、20、22、24）通过所述多个通道分别相应地在流体技术上相互连接。

4.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池堆（12）和/或所述功能构件（16、18、20、22、24）分别通过力配合连接和/或形状配合连接、尤其通过螺纹连接与所述中央分配柱（36）连接。

5.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述功能构件（18、20、22）中的至少一个功能构件构造为热交换器。

6.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述功能构件（24）中的至少一个功能构件构造成为加力燃烧器。

7.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述功能构件（16）中的至少一个功能构件构造为重整器。

8.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述中央分配柱（36）由耐热材料形成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述中央分配柱（36）由彼此焊接的板材构成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于壳体单元（82），具有所述燃料电池堆（12）和所述功能构件（16、18、20、22、24）的中央分配柱（36）布置在所述壳体单元之内。