CN1197185C - 带有一平面电池堆的燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池组，在电化学有源板(PEN)和单层的内部连接器之间延伸一个被细分成扇区的直线或曲线区域。内部连接器的压型可分开地引导两种流体。在各扇区的第一边缘提供第一流体入口点，在第二边缘提供第二流体入口点，两种流体出口点开向一个公共通道。第二流体为反应热的热量载体介质，反应热是在PEN处释放出来的。压型引导两种流体总是与PEN接触。第二流体流向的反转在第一边缘提供一个转弯区。电池尺寸定制成在操作期间PEN中有害的热应力不被超出。

Description

带有一平面电池堆的燃料电池组
                             技术领域
本发明涉及一种包括根据技术方案1的前序部分的一平面电池堆的燃料电池组，并涉及根据本发明的电池组的应用。
                             背景技术
可从EP-A-0473540(＝P.6380)中了解中心对称的燃料电池组，电池组的内部连接器被设计为特殊的温度均衡体。这些均衡体是热交换器，通过它在后者与PEN，即燃料电池的电化学有源元件接触之前反应热被传送给供给的空气(PEN：正极、固体电解质、负极)。该热交换器是板状中空体，在其内部空间中发生对空气的热量传递。内部连接器的两个外部侧表面具有压型，通过该压型一方面产生对PEN的电极的电接触，另一方面在内部连接器与反应组件(空气、燃料气体)的电极之间留下间隙状电极空间。
在电池组操作期间，在PEN中出现径向指向的温度梯度。这些梯度相对小，使得热应力不会在PEN的灵敏的固体电解质中引起损害，尤其不会引起撕裂。
设计为热交换器的内部连接器是昂贵的，在燃料电池组的制造中它们所占的成本份额是相当可观的。对于内部连接器的制造已经提出很多建议，目标就是降低成本。例如，在EP-A-0936688(＝P.6848)中，描述了一种设计为热交换器的内部连接器，制造它使用一个或两个烧结体，烧结体被预成型，即通过把粉末混合物压制成完成的部分的形状，然后进行烧结。
                             发明内容
本发明的目的是产生燃料电池组，其制造成本被进一步降低。该目的通过以技术方案1为特征的电池组而得到满足。
包含一平面电池堆的燃料电池组具有下面的特征：
a)电化学有源板即所谓的PEN，和内部连接器以交替的次序来设置。
b)在每种情况下PEN和相应的内部连接器具有第一边缘和第二边缘，在二者之间延伸一个带有相当大的恒定宽度的直线的或曲线的区域。
c)该区域被细分成扇区，通过扇区连接两个边缘。
d)内部连接器具有压型，通过压型可经电池分开地引导两种流体。
e)在各个扇区，在第一边缘提供有第一流体的入口点，在第二边缘提供有第二流体的入口点，同样也提供有两种流体的出口点。
f)出口点打开进入到一个公共的通道。
g)第二流体被提供为反应热的热量载体介质，反应热是在操作期间在PEN处释放出来的。
h)根据本发明，内部连接器是单层的并且它们的压型在每种情况下以这样一种方式来施行，即两种流体总是与PEN接触地进行引导。
i)通过第二流体的流动方向的反转而导致在第一边缘提供一个转弯区。
k)而且，电池的尺寸以这样一种方式来定制，即在操作期间PEN中有害的热应力不被超出。
本发明是基于与下面的考虑相关的公式基础上的。如在名为EP-A-0473540的专利中图示的结果的模型计算所示出的那样，在PEN释放出的反应热主要通过热辐射被传递到内部连接器。作为经填充在电极空间中的空气进行的热传导得到的结果的热传输实际是可忽略的。内部连接器的壁在每个点上具有一个温度，该温度与PEN的相应点处的温度不同，相差仅几个开尔文度。从而该壁温度不是主要取决于在中空的空间中的要被加热的空气的温度。对于此，原因在于在壁与空气之间是相对低的热量流动。
作为模型计算的公开的结论的结果，这种状态在内部连接器中的热传输中出现的事实是不明显的。但是，如果意识到这些状态，那么可提出问题：为以EP-A-0473540中描述的方式散开反应热，实际上是否必须把内部连接器设计为中空体的。通过本发明的方案可给出不同方式的可能答案。空气(第二流体)可在入口点已经与PEN接触，从而可能把内部连接器设计为单层而不是设计为双层中空体(两个壁，一个中空的空间)，因此更经济。无可否认地要被加热的空气引起PEN中附加的温度梯度。正切指向(方位角地)的这种梯度具有类似于导致已知的电池的操作的径向温度梯度的幅度次序。从而可期望热应力基本上不会大于使用单层内部连接器中的值。作为温度梯度的附加组分的被保持相对低的结果也可提出各种措施。
提出的已有技术涉及中心对称燃料电池组。而根据本发明的方案也可应用于带有例如矩形电池的电池组，在矩形电池中燃料气体(第一流体)在一侧供给而空气(第二流体)在相反一侧供给。另外，在提供电流的放热反应可在带有这些气体的PEN处执行的假设下，情况是第一流体可以是带有可燃烧的组分的任何需要的气体成分，第二流体是可包含氧的气体。
由于它们的简单的单层结构，根据本发明的燃料电池组的内部连接器还产生进一步的优点：
a)电池组质量小于已知的电池组；
b)结构尺寸也被降低。因此根据本发明的电池组也可容易地用于汽车用途，例如作为汽车中的电流供给组件，或者用于可被快速传输到使用的潜在位置的紧急备用电源。
从属技术方案2到9涉及本发明的更有利的实施例。技术方案10的主题是在汽车用途中的一种应用。
                             附图说明
下面参考附图解释本发明，表示为：
图1：根据本发明的燃料电池组的简图，
图2：通过电池和第二、相邻的PEN的剖面图，
图3：燃料电池组的惯用基本形式的区域的平面图简图，
图4：从空气侧看带有压型的内部连接器，
图5：图4的内部连接器的反侧，
图6：通过电池堆的一部分的剖面图，
图7：图4的内部连接器的变体，
图8：通过另一个内部连接器的剖面图。
                              具体实施方式
如图1简单示出的燃料电池组1包括一平面电池堆2，其中每一个平面电池由PEN 3和内部连接器4(如平面视图所示)组成。PEN 3和内部连接器4以交替的次序设置。PEN 3和相应的内部连接器4在每种情况下都具有第一边缘21和第二边缘22。在边缘21和22之间延伸在本图示中是直线但是也可是曲线的区域20。区域20具有相当大的恒定宽度。它可被细分为带有连接两个边缘21和22的侧线的23a和23b的扇区23。内部连接器4具有压型(与图2比较)，通过该压型，两种流体11和12可分别经电池而引导。在每个扇区，在第一边缘对第一流体11提供入口点211，在第二边缘为第二流体12提供入口点212，也为两种流体提供出口点213。出口点213打开进入一个共用的通道5，其沿堆2延伸并且有利地用作后燃烧室，即用于在第一流体11中仍然存在的并且仍然能够反应的组分的燃烧。第二流体12被提供为在PEN 3上释放出来的反应热的热量载体介质。
根据本发明，内部连接器4是单层的。在每种情况下它们的压型以这样一种方式来施行：流体11和12分别总是与PEN 3接触地被引导。在第一边缘211，通过第二流体12的流动方式反向而导致的方式来提供转弯区24。电池组1被定制为在操作期间PEN 3中有害热应力不超出的尺寸。尺寸的定制涉及内部连接器4的厚度、它的压型和它的宽度(＝区域30的宽度)。空气因子(＝规定化学当量的空气超出量的因子)在尺寸的定制中也起作用，同样作为辐射6由堆2向周围介质放出的热量数量也起作用。
周围介质包括在电池堆2或其周围的套筒10，其是可渗透的结构，从而辐射热6在向内流动到电池堆2期间可被第二流体12吸收。在PEN反应中出现的大部分的热量-至少大约三分之一的热量-经辐射6被有利地带出到电池堆2之外。从而第二流体12可相对热地进入电池堆2，使得经与流体12直接接触而在PEN 3中引起的附加的热应力可相对较小。如果在第一边缘21的侧面设置转换炉，则这种做法也是有利的，其中通过吸热反应燃料被转化为适合于PEN反应的形式。辐射6从而可被用作吸热反应的热源。
单层的内部连接器4有利地是预成型烧结部分，或者它们有这些烧结体制成。由于要被用于制造的材料包含氯，烧结部分必须也提供有适当的保护层。
图2所示的内部连接器4具有在分割壁40上形成减压结构的压型。这些压型包括按钮状突起41和梳状突起42。一方面，突起41和42产生与PEN 3的电接触。另一方面，梳状突起42用来引导流体11和12，尤其是在第二流体12的一侧，其被指向为从边缘22-看图1-到转弯区24(箭头12”)的流12a，并且被指向与流12b相反的方向。
燃料电池组1有利地被设计为中心对称的。在图3中，带有扇区23的区域20的相应部分被表示出来。边缘21位于这个几何结构中的中央通道的表面上，经过它第一流体11可供给电池堆2。拉长的柱状转换炉可有利地设置在这个通道中。
图4表示带有从空气侧看去的压型的内部连接器4。空气流，即第二流体12的气流以箭头表示。梳状突起42具有螺旋形状。(根据图1或4的扇区23，未画出，具有相应的螺旋形状。这里显示了6个扇区。)第二流体12(箭头12’)从入口点212经通道43被引导到转弯区24(箭头12a)，其中通道43是通过梳状突起42形成的。这里第二流体12的流动方向被反向(箭头12”)，从而流体12以相反方向流回边缘22(箭头12b)。在其中流体12流回的通道43之间的区域中，压型由按钮状突起41构成，其被部分地简单图示为带有十字叉的场41’。在出口点213，流体12进入通道状的后燃烧室5。
通道43也可是直线性的，而不是螺旋状，并且可实际径向指向内部连接器4的中心。取代6个扇区，内部连接器4的压型也可具有更少或更多的扇区23，有利的是4到10之间的数目。
图5表示图4的单层的内部连接器4的相反侧。在这一侧第一流体11从按钮状突起41’之间的中心通道(边缘211内部)被引导，并且在外部边缘212处通过梳状突起42被引导到出口点213。
图6表示图4和5的内部连接器4的沿图4中的VI-VI线的横截面图。电池3、4中的热传输以位于图的平面中的箭头表示。通道43的横截面在垂直于PEN 3的方向上具有深度，其与剩余的压型的深度相比更大。由于相对大的通道横截面，结果流体12的流动(箭头12a)发展为从PEN 4的溢出区343具有最小的热量排出。实际上在该区343的中间没有发生电流发生反应。从内部连接器4经流体11的侧面上的梳状突起42把热量提供给区343。
内部连接器4的空气侧可以这种方式设计：在供给时，第二流体12(箭头12’，12a)已经经带有按钮状突起41’的压型被引导，看图6。电流发生反应同样在这个进料区发生。
在根据图8的带有内部连接器4的另一个例示的实施例中，其组合了供给通道43的特征，这些特征从根据图6和7的两个实施例中给出。由于通道43中的按钮状突起41，这里也发生电流供给PEN反应—尽管程度有所减小。

Claims (10)

1.一种包括平面电池的电池堆(2)的燃料电池组(1)，带有
a)以交替的次序来设置的电化学有源板(3)和内部连接器(4)，
b)具有第一边缘(21)和第二边缘(22)的电化学有源元件和相应的内部连接器，在电化学有源元件和相应的内部连接器二者之间延伸一个带有恒定宽度的直线的或曲线的区域(20)，
c)该区域被细分成扇区(23)，通过扇区连接两个边缘，
d)内部连接器具有压型(41，42)，通过压型可经电池分开地引导第一、第二流体(11，12)，
e)在各个扇区，在第一边缘提供有第一流体(11)的入口点(211)，在第二边缘提供有第二流体(12)的入口点(212)，同样也提供有两种流体的出口点(213)，
f)出口点打开进入到一个对于整个电池堆(2)公共的通道(5)，并且
g)第二流体被提供为反应热的热量载体介质，反应热是在操作期间在PEN处释放出来的，其特征在于：
内部连接器(4)是单层的并且它们的压型在每种情况下以这样一种方式来施行，即两种流体总是与电化学有源元件接触地进行引导；通过第二流体的流动方向的反转而导致在第一边缘提供一个转弯区(24)。
2.根据权利要求1的燃料电池组，其特征在于：每个内部连接器(4)是预成型部件或由预成型来制造。
3.根据权利要求1或2的燃料电池组，其特征在于：内部连接器(4)的压型具有产生与电化学有源元件的电接触的按钮状突起(41)。
4.根据权利要求3的燃料电池组，其特征在于：用于引导第一、第二流体(11，12)的内部连接器(4)的压型具有梳状突起(42)；并且这些突起产生与电化学有源元件的电接触。
5.根据权利要求4的燃料电池组，其特征在于：梳状突起(42)的至少一部分具有螺旋形状或在径向上为直线。
6.根据权利要求1的燃料电池组，其特征在于：在每个扇区(23)所提供的引导到转弯区(24)的通道(43)是用于第二流体(12)的，其横截面在垂直于电化学有源板元件的方向上具有与通道(43)之间压型的相应深度相比更大的深度。
7.根据权利要求1的燃料电池组，其特征在于：电池的尺寸是这样定制的：在电池组(1)的操作期间在电化学反应中出现的废热的至少三分之一经辐射(6)被放出电池堆(2)。
8.根据权利要求1的燃料组，其特征在于：电池被设计为中心对称，第一流体(11)可经在轴向延伸的中央通道被供给，共用的通道被提供为出口点处的后燃烧室，围绕电池堆(2)的套筒(2)是可渗透的结构，从而由辐射(6)辐射出的热量可在流入电池期间被第二流体(12)吸收。
9.根据权利要求8的燃料电池组，其特征在于：扇区(23)具有相等的大小并且它们的数目位于4到10之间。
10.用于汽车用途的根据权利要求1-9之一的燃料电池组的应用，作为汽车中或者紧急备用电源的电流供给组件。
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