专利名称：配有逆流冷却装置及多个平行于燃料电池堆轴线的冷却剂收集通道的燃料电池堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种符合权利要求1前序部分给出的特征的燃料电池堆。
这种燃料电池堆由聚合物-电解质-膜-构型的燃料电池组成，其包括多个用于构造电池堆的燃料电池。这种电池的基本结构是公知的，与此相关的内容可参阅DE19544323A1和DE19938589A1。
由这种燃料电池构成的电池堆(组)属于公知技术。质子发动机有限公司(Proton Motor GmbH)提供了一种在型号标识为HZ40之下的、具有5千瓦功率的液体冷却燃料电池堆。这种电池堆一方面实现燃料的输入，另一方面以空气输入的形式通过中央连接管实现氧气的输入，并由通道系统在电池堆内进行分配。为了排放运行过程中产生的热量，设置有液体冷却装置，其同样通过中央连接管以及在双极板内引导的通道系统来工作。
这种燃料电池堆存在的问题通常是因催化过程产生的反应热的排放。反应热或者通过输入的氧气排出，或者通过专门的、例如引导液体的冷却系统排出。一方面，为了在良好的效率下工作，燃料电池应在运行过程中产生尽可能高的温度，另一方面，由于膜的质子导电性随水量的下降而减弱，而太高的温度会使聚合物-电解质-膜中储存的水蒸发，所以温度不允许太高。根据所使用的膜，运行温度应争取控制在例如60℃至90℃之间。这一温度不仅要在燃料电池的表面上尽可能地保持稳定，而且还要在电池堆的内部保持稳定，这样，所有的燃料电池才能够通过它们的整个表面高效地进行工作。
如果由于通道截面和通道长度不佳而产生相对较高的压力，来通过通道系统输送冷却剂，那么，特别是中、小功率的燃料电池堆可能会出现另外的问题。对此，辅助设备需要的功率会有规律地破坏效率。
根据这一情况，本发明的目的在于，完善上述公知技术的燃料电池堆，即在尽可能小的穿流阻力下，在单个燃料电池内和燃料电池堆内得到尽可能均匀的温度分布。
根据本发明，该目的是通过权利要求1中给出的特征来实现的。本发明的有益实施例在从属权利要求、下面的说明以及附图中说明。
本发明的基本构思在于，在燃料电池堆的每个燃料电池内的冷却液是这样引导的，即使得同一个燃料电池的相邻通道的穿流方向反向。由于通道两侧是敞开的，所以总是产生平行流入，也就是说，通道不是按顺序相继地流通。从而可以在燃料电池内实现非常均匀的温度分布，并由此在燃料电池堆内实现非常均匀的温度分布，其中尤其是在通道以下面详细说明的方式做适当连接的情况下，流体阻力相比而言会很小。
在燃料电池内设置用于氧气的波形或曲折形的通道导引(Kanalführung)属于公知技术。在这种构造中，相邻通道的穿流方向虽然同样是反向的，但是在这种情况下通道并不是平行于流入方向设置的，特别是一个接着一个被接通的，其热量和电流技术很可能不合适，因为一方面靠近流出侧的端部进行散热通常是不够的，而另一方面会产生较大的穿流压力，其同样会破坏效率。
这种彼此平行布置且两侧敞开的通道的平行流入(穿流)，其中同一个燃料电池的相邻通道的穿流方向反向，在穿流阻力很小的情况下，反而能够很好地进行冷却，以便在燃料电池内进行均匀的热量分布，并由此在燃料电池堆内进行均匀的热量分布。
为了使单个燃料电池的通道不必单个打通(verrohren)，尤其能够借助低费用的加工技术进行连接，适宜的是，用于布置电池堆的燃料电池的、彼此重叠设置的通道的流入侧或流出侧，在一个公共的收集通道中连接，该收集通道优选平行于电池堆轴线延伸，以便产生短的、并因此阻力小的导通连接。
特别适宜的是，将多个收集通道相互平行地布置在电池堆的两侧，使得所有通道的流入侧或流出侧优选汇入到收集通道中。通过在燃料电池或燃料电池堆的端部正面布置收集通道，能够以结构简单且电流技术适宜的方式实现根据本发明的气流布置。
按照燃料电池堆中的能量密度，通道可只用于或不只用于冷却。如果通道只用作冷却通道，那么就通过该通道引导与其他功能无关的流体，即一种气体或一种液体。尤其在使用液体的时候，可排出的热量相对较高。
特别适宜的是，在一实施例中，冷却通道同时用作燃料电池的氧气供给，并构成为向每个膜-电极-单元的阴极敞开的通道。因为通过必要时输入净化的周围空气能实现低费用的氧气供给，所以这种布置是特别适宜的。这种布置增加了热量排放，同时改善了燃烧电池堆的氧气供给，这是很有益的。此外，用于冷却目的穿流使用的能量所必不可少的能量损耗总是比专门的冷却通道网要小。
还能够以同样的方式构成用于燃料输入的阳极侧的通道导引，也就是说，能够在阳极侧通过燃料实现各电池的附加冷却。必要时可附加地设置如上所述的专门的冷却通道系统，用于阳极侧和/或阴极侧的冷却。根据本发明，用于引导燃料的通道或用于引导氧气的通道的通道导引除了在燃料电池内或电池堆内具有均匀的温度分布之外，还有一个重要的优点，即反应物被特别均匀地分布在电池的表面上，其实现了特别均匀的电池负荷以及由此的电池满载负荷。
冷却通道的内径(lichte Weite)优选小于3毫米，尤其为2毫米左右。如果冷却通道也用于电池堆的氧气供给，则这种布置是特别有益的，因为碳膜装置表面通常构成为设置有向阴极敞开的通道，所以在质子交换膜上要提供足够的表面压力，以使膜尽可能在其整个表面上起作用。另一方面，所述的尺寸保证了通道的穿流只有相对小的流量损失，也就是说，保证了只产生少量的过压。为此目的，冷却通道的长度为20毫米至200毫米之间。可以理解的是，通道越短，通道内径就能够越小，反之，通道越长，通道内径就越大。
通过收集通道对冷却通道的流入侧和流出侧进行供给，可以使该收集通道以简单的方式构成，即在燃料电池堆的周边设有相应空隙。这些空隙被设置在燃料电池的覆盖所有边缘区域的层中，进而也在燃料电池堆的边缘区域的覆盖层中，该边缘区域优选为非活动性的边缘区域，以在电池堆装配之后构成平行于电池堆轴线而布置的收集通道。
燃料电池的双极板被插入到弹性边缘中是公知技术，该弹性边缘同时也构成了各燃料电池向外的侧面密封，然后可通过空隙在相互重叠设置的密封边缘中构成收集通道。由此，收集通道除了具有空隙结构之外不需要专门的配置来构成。
冷却剂优选用0.1至10毫巴的过压输入，或用相应的低压输出。这一压力可借助鼓风机产生，像在半导体电子技术中使用的那样，如CPU-鼓风机，其只需少量的供能。上述压力区域也可用径向鼓风机来产生，其更能有效利用能源。
下面将借助附图所示的实施例对本发明进行进一步的描述。
图1示出了根据本发明的具有流出侧收集通道的燃料电池堆非常简化的示意图。
图2示出了垂直于根据图1的燃料电池堆轴线、沿图1中的横截线II-II的燃料电池冷却通道系统的非常简化的示意图。
在图1中示意性示出的燃料电池堆1以公知的方式由多个燃料电池2构成，在此为6个燃料电池2，这些电池相互重叠地布置并且被夹入到端板3的中间。每个燃料电池2都由膜-电极-单元组成，该膜-电极-单元由聚合物-电解质-膜形式的膜4、紧贴膜4设置的阳极5、以及紧贴膜4的另一面设置的阴极6组成。在相邻的膜-电极-单元4，5，6中间布置有双极板7，该双极板7用来导电，并且主要由碳构成。
每个双极板7都设有朝阴极6的一侧、向两端敞开的横向通道8，它们彼此平行布置，并垂直于电池堆轴线9，且同设置在双极板7内的纵向通道10一样延伸，该纵向通道10向阳极5敞开。纵向通道10用于电池的燃料输入，尤其是氢气的输入，纵向通道10通过向阳极5敝开的、截面为矩形的槽在各双极板7的上侧形成。相反，横向通道8用于燃料电池2的氧气输入和热量的排放，也用于冷却。氧气输入和冷却都是借助气流进行的，气流是借助鼓风机产生，并且在图1中示出的燃料电池堆1中，电池堆的左侧和右侧存在相应的(未示出)通道导引。
因为空气导引(箭头)如开始详细描述的那样，在燃料电池2内这样构成，即在每个燃料电池2的相邻横向通道8中的气流是相反的，所以相互重叠布置的燃料电池2的横向通道8的排出口是通过平行于电池堆轴线9设置的收集通道11相互导通连接的，如在图1中看到的那样。收集通道11在图1中为所示截面为U形的构件，如前面所说明的那样，其可以以不同的方式构成。它们是这样构成和布置的，即它们与所有燃料电池2的横向通道8的在轴向9上相互重叠设置的各端部的流出侧导通连接，而与左右相邻设置的通道8的流入侧无关。该构件也可这样构成和布置，即在图1中示出的各燃料电池2中的左侧和右侧的、燃料电池堆的气体流入处实现到横向通道8中的气流。如图2所示，该气流通过一燃料电池2的空气通道8结合其横截面(借助箭头示出)举例示出。
在所述实施例中，借助各流出侧的收集通道11进行通道连接，但是流出侧可变化为流入侧，这也意味着图中所有的流通方向都要反过来。
图1和图2中示出的收集通道通常是在组装燃料电池堆1时构成的，并在构件例如4，5，6，7的边缘地区、或它们的周边的嵌边中构成相应的空隙。此外，这样构成的收集通道11产生的气流阻力很少。
为了保持燃料电池内的气流阻力很小，尤其是用于空气输入的气流阻力很小，横向通道8的横向和纵向具有相应的尺寸。在上述实施例中，横向通道8的内径为2毫米，长度为100毫米。这样能确保燃料电池堆1在很小的过压下仍具有良好的穿流。在上面的例子中，对于相应的通道导引，燃料电池堆1的端面有一较小的径向鼓风机或CPU鼓风机就足够了，以用于给燃料电池堆1供给足够的氧气和冷却空气。
上述布置通常能保证燃料电池堆1内非常均匀的温度分布。一旦这种布置的冷却不够，或者因其它原因需安装专门的冷却系统，也可以通过冷却通道相应的布置来实现，例如在横向通道8和纵向通道10之间的双极板7中通过收集通道11借助相应的通道导引而得以实现。可理解的是，在这种情况下，必须设置有专门的引导到通道8的氧气导通连接和引导到通道10的燃料导通连接。
附图标记一览表1燃料电池堆2燃料电池3端板4膜5阳极6阴极7双极板8横向通道(空气)9电池堆轴线10纵向通道(燃料)11收集通道
权利要求
1.燃料电池堆，其具有多个用于布置成电池堆(1)的、聚合物—电解质—膜—构型的燃料电池(2)，在相邻的膜—电极—单元(4，5，6)之间设置有用于一冷却流体的通道(8)，所述通道(8)基本上彼此平行布置，平行流入，并向两侧敞开，其特征在于，同一个燃料电池(2)的相邻通道(8)的穿流方向是反向的。
2.按权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，用于布置成该燃料电池堆(1)的燃料电池(2)的、彼此重叠设置的通道(8)的流入侧或流出侧，被导通连接到一个共同的、优选平行于电池堆轴线(9)延伸的收集通道(11)中。
3.按上述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，多个收集通道(11)相互平行地布置在该电池堆(1)的两侧，优选所有通道(8)的流入侧或流出侧都汇入到一个收集通道(11)中。
4.按上述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，所述通道只用于冷却，并借助气体或液体穿流进行冷却。
5.按上述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，所述冷却通道(8)同时用于所述燃料电池(2)的氧气供给，并构成为向每个膜—电极—单元(4，5，6)的阴极(6)敞开。
6.按上述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，所述冷却通道用于所述燃料电池的燃料供给，并构成为向每个膜—电极—单元的阳极敞开。
7.按上述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，所述冷却通道(8)的内径小于3毫米，优选为2毫米左右。
8.按上述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，所述冷却通道(8)的长度在20至200毫米之间。
9.燃料电池堆，其特征在于，在电池堆(1)内周边地设置有空隙，所述空隙构成收集通道(11)。
10.按上述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，在相邻的燃料电池(2)之间周边地设置有一弹性的、围绕双极板的密封边缘，并且通过相互重叠设置的密封边缘中的空隙构成收集通道(11)。
11.按上述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，以0.1至10毫巴的过压输入冷却剂，或以相应的低压输出冷却剂。
全文摘要
燃料电池堆，其是由多个相互叠加布置的、聚合物—电解质—膜构型的燃料电池(2)组成。在相邻的膜—电极—单元(4，5，6)之间设置一双极板(7)，该双极板(7)具有用于氢气供给的通道(10)和用于氧气供给及冷却的通道(8)。通过在每两个冷却通道流出侧设置收集通道(11)，能够在电池堆两侧的流动中、在空气通道(8)内产生气流，并在同一燃料电池(2)的相邻通道处反向穿流。由此能实现在电池(2)或电池堆(1)中十分均匀的温度分布。
文档编号H01M8/10GK1669171SQ03816602
公开日2005年9月14日 申请日期2003年6月28日 优先权日2002年7月12日
发明者斯特凡·赫勒, 乌韦·屈特 申请人:H－Tec氢能系统有限公司