CN115968510A - 燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池堆(1)，其具有：大量堆叠成堆垛的单电芯；被集成到堆垛中的至少一个加湿器区段(4)，加湿器区段布置在作为电化学区段(3)的单电芯的一个端部上。本发明的特征在于，在至少一个加湿器区段(4)的背离电化学区段(3)的一侧上布置有热交换器区段(5)，其中，用于将流体分配到堆垛的至少三个区段(3、4、5)中的流板(10、10‘)具有相同的外部几何构造。

Description

燃料电池堆

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分中详细限定类型的燃料电池堆，其具有大量堆叠成堆垛的单电芯。

背景技术

为了运行燃料电池堆，除了本来的燃料电池堆及其电化学活性的单电芯外，还需要各种外围构件。这些外围构件尤其包括用于制备被用作氧气供应方的进入空气的部件，并且可以包括增压空气冷却器和加湿器。在这方面，申请人的DE 10 2007 038 880 A1描述了一种燃料电池设施，其具有燃料电池堆、增压空气冷却器和加湿器，它们被组合成组合部件。

DE 10 2007 008 214 B4描述了将加湿器集成到每个单独的电化学电芯中的方案，然而，这涉及到相当大的花费。

与此相反，提供了一种简化的结构，在其中，可以将与构建电化学单电芯类似的流板也用于加湿器。然后，这些流板可以相对容易地而且比上述的将不同的构件组合起来的文献中要有效得多地集成到单电芯的堆垛中。这样的结构在US 5,200,278 A中有所描述。

发明内容

因此本发明的目的是，更进一步优化燃料电池堆，以便可以紧凑且低成本地实施配备有该燃料电池堆的燃料电池系统。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1中的、在此尤其是权利要求1的特征部分中的特征的燃料电池堆来实现。有利的设计方案和改进方案由与之相关的从属权利要求得出。

在根据本发明的燃料电池堆中，燃料电池堆与最后提到的现有技术中的燃料电池堆相类似地包括大量堆叠的单电芯，并且在堆垛中集成有加湿器，加湿器布置在单电芯的一个端部上。原则上也可以设想，在堆垛的单电芯的两个端部上布置两个加湿器。根据本发明，在至少一个加湿器的背离单电芯的侧上布置有增压空气冷却器。在根据本发明的燃料电池堆中，用于将流体分配到堆垛的至少三个区段中而存在的流板具有相同的外部几何构造。因此，所使用的流板在其外部几何构造方面设计相同，从而这些流板可以毫无问题地堆叠成整体堆垛。用于在各个流板之间进行密封以及用于连接整个堆垛的单电芯和区段的方案可以从迄今的电化学单电芯转移到加湿器和增压空气冷却器的另外的区段。

因此存在非常简单的结构，通过将加湿器和增压空气冷却器集成到燃料电池堆中并对所有流板使用相同的几何构造，使得该结构可以紧凑且低成本地实现。

按照根据本发明的燃料电池堆的一个极为有利的改进方案，在此规定，各个区段的流板被并行流过，并且至少三个区段串行地被流过，其中，流入的空气首先流过增压空气冷却器，然后流过加湿器，并且然后流过单电芯的阴极侧。该结构确保了，整个进入的气流在其进入单电芯之前都得到均匀冷却和加湿。原则上，该结构也可以适用于氢气流，在减压后对该氢气流进行相应预热并然后进行加湿，其中，对就其体积流量而言要大得多的气流的加湿通常足以对在PEM技术中实现的单电芯的膜片进行充分加湿。

按照根据本发明的燃料电池堆的一个非常有利的改进方案，还规定，至少三个区段的流板的联接开口具有相同的几何构造，其中，在区段之间安装有用于介质的分配板。因此，这些联接开口——其在堆垛中典型地形成用于将介质分配到单电芯的被并行流过的流场的连贯的体积——优选在所有流板中被相同地实施。这意味着，与电化学单电芯的流板类似地，每个流板都包含有与阳极侧的流进开口和流出开口相应的开口、与阴极侧的流进开口和流出开口相应的开口以及与冷却介质流进开口和流出开口相应的开口。为了确保按照上述有利的设计方案所设想地串行流过区段，于是在区段之间布置有相应的用于介质的分配板，这些分配板确保了对此可能是必要的流动偏转，并且确保了由区段的对齐布置的联接开口形成的通道彼此的密封，或者例如在联接开口用于冷却介质的情况下也相应地确保，冷却介质只被导引通过增压空气冷却器和/或加湿器的区域。

根据本发明的燃料电池堆的另一个非常有利的设计方案规定，在用作增压空气冷却器的区段中分别在两个流板之间布置有能导热的、耐温的薄膜，流进的气体和流出的气体交替地流过这些薄膜。因此，可以为热交换器的区段以及为加湿器的区段构造单独的流板，使得在流板的一个表面上为其中一个气流、例如所输送的气体构造有流道，并在其相对置的侧上为流出的气体构造有流道。于是，这些板分别扭转地交替布置，从而在板之间在热交换的区段的情况下定位有导热且耐温的薄膜，而在用作加湿器的区段的情况下定位有能渗透水蒸汽的膜片。由此使得简单而高效的结构是可能的。

该结构在此可以在单电芯的一侧或两侧上在相应的堆垛端部上实现。此外，这可以有助于相应地改善位于堆垛的端部区域中的单电芯的热管理，这是因为这些单电芯现在与加湿器相邻，并且不会由于其与堆垛的端板相邻的布置而更强烈地冷却，这在根据现有技术的构造中有时是困难的。因此可以再一次简化端板的结构，这是因为在根据本发明的堆垛的结构中，至少是当这些端板不与单电芯相邻，而是与由增压空气冷却器和加湿器构成的结构相邻时，可以取消对这些端板的电加热。

在燃料电池堆的用作增压空气冷却器的区段中，对流进的和流出的气体之间进行热交换的所述结构的补充或替代地，也可以实现与电化学电芯中的流场的构造相类似的结构，该结构在其一侧上具有用于其中一种介质的流场，并在其另一侧上具有用于冷却介质的流场。如果两个这样的板背靠背地彼此连接，就出现了一个结构/结构单元，在其中，例如进入空气可以在其中一侧上流动，排出空气在夹层结构的另一侧上流动，并且在中间可以流动冷却介质。如果它们又在中间布置有例如由金属或石墨构成的薄膜的情况下交替布置，则一方面发生穿过这些薄膜进行的介质之间的热交换，并且另一方面进行附加的温控，尤其是通过已经被用于冷却单电芯的冷却介质进行附加的冷却。在此，在理想情况下，冷却介质首先流经单电芯，并然后流经燃料电池堆的用作增压空气冷却器的这样构建的区段。

这也可以在加湿器的区域中以类似的方式实现，从而在此也按照电化学单电芯的构造来实现，但没有气体扩散层和催化剂。原则上，在此甚至可以使用相同的膜片，其中，在此通过更低成本的膜片实现另外的优点。在此，冷却介质也可能被同时用来在加湿期间冷却流进的气体。

在此，这种燃料电池堆可以优选以PEM技术来构造，并且尤其但不限于此地被用在车辆中。在这样的车辆中，例如在乘用车辆或商用车辆中，尤其是在载重车辆中，它们被用于由所携带的氢气和从环境中吸入的空气作为氧气供应方来提供电驱动功率。

附图说明

根据本发明的燃料电池堆的另外的有利的设计方案也由在下文参考附图详细描述的实施例得出。

图中示出：

图1示出根据本发明的燃料电池堆的第一可能实施方式的示意图；

图2以类似于图1的视图示出根据本发明的燃料电池堆的一个替代的可能设计方案；

图3示出流板的俯视图，其例如可以置入在用作增压空气冷却器或加湿器的区段的区域中；

图4示出穿过具有根据图3的流板的用作增压空气冷却器和/或加湿器的区段中流板局部的示意性截面图；

图5示出一个替代设计方案中与图3类似的流板；以及

图6示出与图4类似的结构，其具有根据图5中所示的结构的流板。

具体实施方式

在图1的视图中示出根据本发明的一个设计方案中的燃料电池堆1的可能的结构。在用2标记的两个端板之间在此存在三个区段。一个是电化学区段3，其设有大量单电芯以用于提供电功率。该区段3由PEM技术的堆叠的单电芯构成，并且基本上相应于传统的燃料电池堆或燃料电池堆栈。紧随其后地存在加湿器区段4，之后是热交换器区段5。加湿器区段4用于利用电化学区段3的排出空气中的湿气来加湿流入到电化学区段3中的进入空气。该结构在此是具有可渗透水蒸汽的膜片22的板式加湿器，在后面还将指明该膜片。

热交换器区段5用作增压空气冷却器，以便将在压缩后典型的且又热又干燥的进入空气相应地例如从压缩后常见的200℃至250℃的温度冷却到约100℃的温度水平、例如80℃至120℃。现在根据箭头示出流动路径。进入空气在用6标记的点处流入到热交换器区段5的一侧并流过该热交换器区段。该进入空气在其并行地流经热交换器区段5的流板后，然后由在此处未示出的分配板进行偏转。现在，该进入空气串行地流经加湿器区段4，在该加湿器区段内部，进入空气也相互并行地流经各个流板。以这种方式经冷却和加湿的进入空气流在另外的分配板的区域中和在此处用7标记的点处到达电化学区段3中，并且并行地流经其单电芯。来自电化学区段3的潮湿的排出空气然后在用8标记的点处又进入加湿器区段4中，并将其所含的湿气释放到进入空气中。然后，排出空气流入到热交换器区段5中，并从进入空气流中吸收热量，然后排出空气在点9处再次从燃料电池堆1流出。

在这里示出的实施例中，该整个结构被设置在电化学区段3的一个端部上并被集成在结构的端板2之间。对此替代地，该结构也可能如图2中所指明地设计。在这种情况下，该结构相应地被集成到电化学区段3的两个端部上，这里没有明确地再次绘出流动，这使得附加的连接线路成为必要。此外，两个端板2以传统的方式紧邻于电化学区段3布置，而在两侧上在端板2之外设置有加湿器区段4和作为增压空气冷却器的热交换器区段5。根据图1和图2的两种结构在此可以以任意方式彼此组合，因此该结构例如也可以设置在端板2内部的电化学区段3的两侧，或者类似于图1中的视图只设置在一侧，但如图2中所指明地设置在端板2外。

各个区段3、4、5现在包括流板10、10‘。这些通常被构造为双极板的流板10，10‘原则上对于本领域技术人员来说已由电化学区段和在此的单电芯的领域中基本已知。这种类型的流板现在可以以很大程度上相同的方式相应地用在其他区段4、5上，其中，在此尤其也可以更改为用于流板的更低成本的材料和制造方法，但不改变其几何构造，并且这尤其涉及外部几何构造和联接开口的几何构造。然后，整个结构可以按照由电化学区段3已知的方式和方法进行堆叠，并经由各个流板10、10‘之间的密封部简单地、可靠地并以本身已知的方式和方法进行密封。

在图3的视图中可以看到两个这样的流板10、10‘的可能结构的俯视图。它们在每侧上包括三个联接开口。这些联接开口在一侧上用附图标记11、12和13标注，而在另一侧上用附图标记14、15、16标注。在这里左边所示的流板10中，在朝向观察者一侧上的接口11和16现在应经由流场17彼此连接，这通过在流场17与相应的联接开口11和16之间的相应区域、所谓的管汇/总管18来指明。因此形成用20标记的流道。在流板10的在此不可见的相对置的侧上，两个冷却水接口12、15彼此连接。因此形成用19标注的冷却介质通道。在如在此右边所示的下一个流板10‘上，冷却水接口12和15再次在上述的侧上彼此连接，而接口13和14在可见的一侧上彼此连接。因此形成用21标注的流道。正如从电化学区段3中的流板10、10‘的区域所已知的那样，这些流板10、10‘现在是以它们的背侧靠在一起的方式定位，从而在流板10、10‘之间出现用于冷却介质的通道19。如果由这些彼此连接的流板10、10‘构成的结构100现在彼此镜像地相应堆叠，则被一种介质流经的通道20和被另一种介质流经的通道21在由流板10、10‘构成的各结构100之间总是相对置。这在图4的示意性截面图中可以通过相应区段4、5的小的局部看到。在结构100的单板10、10‘之间得到在此用19标注的用于冷却介质的通道，在结构的一侧上，例如在流板10的表面上得到用20标注的用于一种介质的通道，对置地在另一流板10‘的表面上得到用于另一种介质的通道。该通道用21标注。正如在图4的视图中可以看到，现在在用于一种和另一种介质的通道20、21之间布置有膜片或薄膜22。在加湿器区段4的区域中，该膜片或薄膜22可以是可渗透水蒸汽的膜片，因此该膜片能够实现水蒸汽在通道20和21中流动的介质之间交换。因此，干燥的进入空气和潮湿的排出空气在这里在相应的通道20、21中被导引，以便因此可以通过潮湿的排出空气对加湿器区段4中的干燥的进入空气进行加湿。在热交换器区段5的区域中，这种膜片典型地是不合适的，这是因为它们并不承受或并不永久地承受压缩的、干燥的和热的进入空气的相对高温。出于该原因，在此可以将金属薄膜、石墨薄膜作为膜片或薄膜22或类似物使用，它们相应耐温且能够实现在热的进入空气与明显较冷的排出空气之间进行良好的热交换。附加地，在这两种情况下，可以经由在冷却通道19中、类似于单电芯的结构在电化学区域3中流动的冷却介质同时实现调温。

然而，作为对在图3和图4中描述的结构的替代，也能想到一种变型方案，该变型方案相应地更简单地设计，并且取消了附加的冷却介质的穿流和对此必要的冷却通道19。对此只需要唯一的流板10，如在图5的视图中相应指明的那样。该流板10在其几何构造方面与前面所示的流板10相应。在这里不可看到的后侧上，开口12和15没有彼此连接，而是开口13和14彼此连接，从而几乎提供了一种结构，它在一侧上具有上述流板10，而在另一侧上具有上述流板10‘。这些流板10现在可以相互镜像交替地以膜片或薄膜22直接堆叠，如在图6中的视图类似于图4的视图所指明的那样。该结构可以以更简单且更紧凑的方式实现，并且尤其可以在不对区段4和5进行主动冷却的情况下实施。当然，在此也能想到只对其中一个区段进行主动冷却，即根据图3和图4来设计结构，而不对另一个区段进行主动冷却，并在那里根据图5和图6来设计结构。

在此也可以应用联接开口11至16的常见的几何构造，以便尤其是在端板之间一体化的布置的情况下，使堆垛的几何构造在所有区段3、4、5上保持相同。然后，典型地针对冷却水设置的开口12和15例如可以不使用或也可以与其他开口相结合。因此，开口11和12例如可以作为用于一种介质的共同的流入开口使用，并且相应地，开口15和16可以作为共同的流出开口使用。例如，这可以通过将头部和脚部区域中的各个开口相互连接来实现，或者这些开口可以分别用自己的管汇18与流场17连接。原则上，也能想到在流场17内部为一种和另一种流动设置分开的区段。在此，所有的变型方案都是能想到且可能的，尤其是根据加湿器区段4或热交换器区段5的设计以及根据该设计在相应的区段4、5中所需的体积流量和流动横截面。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆(1)，所述燃料电池堆具有：大量堆叠成堆垛的单电芯；被集成到所述堆垛中的至少一个加湿器区段(4)，所述至少一个加湿器区段布置在作为电化学区段(3)的单电芯的一个端部上，

其特征在于，

在所述至少一个加湿器区段(4)的背离电化学区段(3)的一侧上布置有热交换器区段(5)，其中，用于将流体分配到所述堆垛的至少三个区段(3、4、5)中的流板(10、10‘)具有相同的外部几何构造。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆(1)，其特征在于，各个区段(3、4、5)的流板(10、10‘)被并行流过，并且所述至少三个区段(3、4、5)相互串行地被流过，其中，流入的、经压缩的空气首先流过热交换器区段(5)，然后流过加湿器区段(4)，然后流过电化学区段(3)的阴极侧。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆(1)，其特征在于，所述至少三个区段(3、4、5)的流板(10、10‘)的联接开口(11、12、13、14、15、16)具有相同的几何构造，其中，在所述区段(3、4、5)之间布置有用于介质的分配板。

4.根据权利要求1、2或3所述的燃料电池堆(1)，其特征在于，在热交换器区段(4)中，分别在两个流板(10、10‘)之间布置有能导热的、耐温的薄膜(22)，流进的气体和流出的气体交替地流过所述薄膜。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池堆(1)，其特征在于，在加湿器区段(4)中，分别在两个流板(10、10‘)之间布置有能渗透水蒸汽的膜片(22)，流进的气体和流出的气体交替地流过所述膜片。

6.根据权利要求4或5所述的燃料电池堆(1)，其特征在于，每两个在后侧分别具有冷却介质通道(19)的流板(10、10‘)组合成一个结构(100)，流进的气体在所述结构的一侧上流动，而流出的气体在所述结构的另一侧上流动。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，热交换器区段(5)的和/或加湿器区段(4)的流板(10、10‘)具有流场(17)，所述流场尤其类似于电化学区段(3)中的流场，其中，在每个表面上的流场(17)与不同的联接开口连接，并在中间布置有膜片和/或薄膜(22)的情况下交替堆叠。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池堆(1)，其特征在于，加湿器区段(4)和热交换器区段(5)布置在电化学区段(3)的一个端部上。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池堆(1)，其特征在于，在电化学区段(3)的两个端部上皆布置有加湿器区段(4)和热交换器区段(5)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池堆(1)在至少部分电驱动的车辆中提供电功率的应用。

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