专利名称：带有夹紧装置的燃料电池堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的燃料电池堆。
燃料电池具有一种离子导电的电解质，其两侧通过两个电极即阳极和阴极接触。给阳极供给一种还原的、大多数情况下含氢的燃料，给阴极供给一种氧化介质，例如空气。在氧化燃料中包含的氢时在一个电极上释放的电子通过外部负载电路被导向另一电极。因此释放的化学能直接作为电能高效率地供负载电路使用。
为获得更大的功率，多个平板式燃料电池通常以燃料电池堆的形式彼此叠层并且在电气上串联。一种这样的燃料电池堆通过压力被夹紧，其中通过一个夹紧装置来施加压力。夹紧装置包括以适宜的方式彼此连接的压力分布元件，通过这些压力分布元件将夹紧装置所产生的压力均匀地施加到燃料电池堆上。堆叠的燃料电池和夹紧装置然后被一个绝热装置包围，以便减少向外界的热量损失。
燃料电池例如被实施为低温燃料电池，例如实施为具有约100℃工作温度的PEMFC(polymer electrolyte membrane fuel cell(聚合物电解质膜燃料电池))此点具有如下优点，即在该温度范围内可使用适于夹紧装置的材料。此外还有高温燃料电池，特别是固体氧化物燃料电池(SOFC，solid oxide fuel cell)，其在高于800℃的温度下工作。在该温度范围内很多材料不具有持久的弹性作用，因为所引入的预应力通过蠕变过程被吸收。此外，为夹紧装置所采用的材料通常具有比燃料电池堆更大的热膨胀系数。此外，在为夹紧装置所采用的材料中会出现再结晶效应，由此使其软化。
为避免这些问题，本发明提出，在燃料电池和夹紧装置之间设置绝热装置。
本发明的基本构思在于，在这种设置中夹紧装置的所有拉力负载元件以及所有弹性元件被设置在绝热外的冷区域内。
夹紧装置有利地具有拉力元件，这些拉力元件被实施为杆、索、线、链、带或者纤维材料。由此通常可以为拉力元件使用比现有技术明显少的材料。特别有益的是，拉力元件由一种轻金属，例如铝构成。此点既导致节省成本，又导致减小燃料电池堆的体积和重量。
根据本发明，燃料电池系统此外还设有一个能量产生单元，其中能量产生单元包括一个重整器、一个带燃料电池的燃料电池堆和一个再燃烧单元，其中该燃料电池系统另外具有一个带有压力分布元件的夹紧装置和一个绝热装置，能量产生单元设置在压力分布元件之间，其中绝热装置设置在能量产生单元和夹紧装置之间。在能量产生单元的一种这样的设置中，夹紧装置的所有拉力负载元件以及所有弹性元件都设置在绝热外的冷区域内。
本发明的其它实施方式可由从属权利要求得到。
下面对照附图借助实施例详细说明本发明。图中示出
图1根据第一实施方式的本发明燃料电池堆的横剖视图，图2根据本发明的第二实施方式的燃料电池堆的横剖视图，图3根据本发明的第三实施方式的燃料电池堆的横剖视图，图4a和4b根据本发明的第四实施方式的燃料电池堆的横剖视图，其中图4a为沿图4b的线IVA-IVA的燃料电池堆的横剖视图，图5a和5b根据本发明的第五实施方式的燃料电池堆的横剖视图，其中图5a为沿图5b的线VA-VA的燃料电池堆的横剖视图，和图6本发明的具有一个能量产生单元的燃料电池系统的横剖视图。
图1示出一个燃料电池堆10。在燃料电池堆10的中心设有堆叠的燃料电池12，其被一个由多个绝热元件14a、14b、14c、14d组成的绝热装置14包围。燃料电池12和绝热装置14一起被夹紧到夹紧装置16中。夹紧装置具有两个压力分布元件18，它们在这里被构建为两个平行的平板，并通过拉力元件20彼此连接。通过夹紧装置16的该结构将压紧力施加到由燃料电池12和绝热装置14组成的复合体上。其中压力分布元件18用于将压力均匀地分布到绝热元件14a和14c整个面上，由此也将压力分布到燃料电池12上。夹紧装置16此外具有弹簧元件22，通过它们可以非常精细地调节在由燃料电池12和绝热装置14组成的复合体上的压力负荷。此外，如果例如由于绝热装置14的烧结出现膨胀或者收缩，则可以进行再调节。
拉力元件20在这里可以实施为杆、索、线、链、带或者纤维材料，从而与现有技术比较只须使用相当少的材料，由此可以实现较轻的和节省空间的结构。特别优选用轻金属例如铝组成拉力元件20。由此明显减小燃料电池堆10的重量。弹簧元件22可以实施为螺旋弹簧、盘形弹簧、蝶形弹簧、绳索拉牵弹簧或者气动弹簧，其中特别可以使用弹性体作为材料。因为无论是拉力元件20还是弹簧元件22都位于绝热装置14的外部，所以它们仅承受低的温度。因此对于这些元件20、22可以使用与现有技术相比较不耐高温的、从而价格也更便宜的材料，而在现有技术中它们被设置在绝热装置14的内部，因此承受高得多的温度。此外通过在外部设置夹紧装置16可以实现，燃料电池10的总热损失明显降低，因为夹紧装置16的任何部分都不从热区域引向冷区域。根据一种特别优选的实施方式，绝热装置14的绝热元件14a至14d可以实施为由微孔绝热材料构成的单层、夹层结构或者用合成材料来实施。这种绝热元件具有特别抗压的结构，从而可以特别有效地吸收由夹紧装置16产生的压力。
在图2所示的燃料电池堆10中，绝热装置14被构建成圆柱形或者球形。相应地可以将压力分布元件18构建成半球壳形或者半圆筒形。在压力分布元件18之间设置弹簧元件22。其中两个压力分布元件18之间的连接通过拉力元件20得以实现，所述拉力元件在两个压力分布元件18之间的过渡区内靠近弹簧元件22设置。与图1的实施方式相似，拉力元件20将拉力施加到两个压力分布元件18上。在该实施方式中实现了在压力分布元件18的半球壳或者半圆柱壳上的特别适宜的压力分布。
图3所示的燃料电池堆10的绝热装置14具有三个多孔的多层元件24，它们紧邻燃料电池12。多孔的多层元件24至少部分地被优选由金属构成的薄板元件25包围。在燃料电池堆10从上面被加载力时(这里以箭头F示出)，则被薄板元件25包围的层元件24保持其形状恒定不变，而绝热元件14a、14b通过层元件24防止越过燃料电池12的边缘13向上或向下流动，所述流动会导致绝热装置14或者燃料电池12的损坏。通过被薄板元件25包围的层元件24，整个绝热装置14在加载力F的情况下也保持形状稳定。
图4a、4b、5a和5b所示的燃料电池堆10的实施方式在其基本结构方面与图3相应，然而这里分别通过至少一个多孔的多层元件24来传导一种气态的工作介质。图4a或者5a分别为图4b或者5b的燃料电池堆10的沿着线IVA-IVA或者VA-VA方向的横剖视图，所述燃料电池堆带有夹紧装置16和压力分布元件18以及弹簧元件22。
根据图4a和4b的实施方式，气态的工作介质沿箭头方向Y(图4b左侧)被输送经过燃料电池12，以便在相对侧(图4b右侧)排出，并沿箭头Z的方向被引回经过由多孔的、可承载的金属泡沫构成的层元件24，最后在左侧(图4b)重新从层元件24排出。通过将多孔层元件24构建为气体引导元件，可以节省在燃料电池堆10内引导气体的部分。
根据图5a和5b的实施方式，气态的工作介质沿箭头方向Y(图5b左侧)被输送经过由多孔的、可承载的金属泡沫构成的左下方的层元件24，并且通过一个(未示出的)分配系统被输向燃料电池12。工作介质然后经过燃料电池12到达(在图5b中在图面内向右后方，如箭头W所示)，以便在图5b中的燃料电池12的后面排出，并通过一个(未示出的)收集系统和由多孔的、可承载的金属泡沫构成的右下方的层元件24沿箭头Z的方向到达在燃料电池堆10的右侧(图5b)的出口。这里也通过将两个多孔的层元件24构建为气体引导元件，节省燃料电池堆10内的气体引导部分。
最后，图6示出一个带有一个能量产生单元的燃料电池系统26，该能量产生单元由一个重整器28、带有燃料电池12的燃料电池堆10和一个作为中心部件的再燃烧单元30构成。燃料电池系统26的部件28、10、30被由绝热元件14a-d和多孔的层元件24构成的绝热装置14包围。(这里未示出的)夹紧装置设置在绝热装置14的外部，并且将夹紧力F施加到燃料电池系统26上，由此将所述燃料电池系统夹紧。在其它方面，燃料电池系统26的结构与根据图3至5所示的实施方式的燃料电池堆10的结构相类似。不言而喻，所有为燃料电池堆10所示的特征也可以用于燃料电池系统26。
燃料电池堆10和燃料电池系统26的所述实施方式特别适用于固体氧化物燃料电池，其在从800到900℃的温度下工作。特别是对于一个这样的高温系统来说，所述材料和部件在体积和重量减小方面具有优点，由此具有降低成本的优点。
下面说明一种可以特别简单地更换燃料电池12和绝热装置14的方法。
在第一步骤中松开弹簧元件22。接着可以将压力分布元件18与拉力元件20分开。现在可以通过从燃料电池堆10或者燃料电池系统26取下绝热装置14来单独更换燃料电池12(必要时和重整器28和再燃烧单元30)，或者将其与绝热装置14结合在一起更换。在更换后，压力分布元件18与拉力元件20相连接。最后通过安装弹簧元件22在夹紧作用下将整个燃料电池堆10或者燃料电池系统26组装在一起。
附图标记表10燃料电池堆12燃料电池13燃料电池边缘14绝热装置14a-d 绝热元件16夹紧装置18压力分布元件20拉力元件22弹簧元件24多孔的层元件25薄板元件26燃料电池系统28重整器30再燃烧单元
权利要求
1.一种燃料电池堆(10)，具有燃料电池(12)、一个夹紧装置(16)和一个绝热装置(14)，其中所述夹紧装置(16)具有压力分布元件(18)，并且所述燃料电池(12)设置在所述压力分布元件(18)之间，其特征在于，所述绝热装置(14)设置在所述燃料电池(12)和所述夹紧装置(16)之间。
2.根据权利要求1的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述夹紧装置(16)具有拉力元件(20)，这些拉力元件被实施为杆、索、线、链、带或者纤维材料。
3.根据权利要求2的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述拉力元件(20)由轻金属构成。
4.根据权利要求2或3的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述拉力元件(20)由铝构成。
5.根据上述权利要求中任一项的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述夹紧装置(16)具有弹簧元件(22)，这些弹簧元件被构造为螺旋弹簧、盘形弹簧、蝶形弹簧、绳索拉牵弹簧或者气动弹簧。
6.根据权利要求5的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述弹簧元件(22)由弹性体构成。
7.根据上述权利要求中任一项的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述弹簧元件(22)设置在所述压力分布元件(18)之间。
8.根据上述权利要求中任一项的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述绝热装置(14)被实施为夹层结构。
9.根据上述权利要求中任一项的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述绝热装置(14)由合成材料构成。
10.根据上述权利要求中任一项的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述绝热装置(14)包括至少一个多孔的多层元件(24)。
11.根据权利要求10的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述多孔的多层元件(24)由金属泡沫构成。
12.根据权利要求10或11的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述多孔的多层元件(24)至少部分地被一个薄板元件(25)包围。
13.根据权利要求10至12中任一项的燃料电池堆(10)，其特征在于，一种气态的工作介质被引导经过所述多孔层元件(24)。
14.根据上述权利要求中任一项的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述压力分布元件(18)是基本平的、彼此平行的板。
15.根据权利要求1至13中任一项的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述压力分布元件(18)构造为半球壳形。
16.根据权利要求1至13中任一项的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述压力分布元件(18)构造为半圆筒形。
17.根据上述权利要求中任一项的燃料电池堆(10)，其特征在于，所述燃料电池(12)是固体氧化物燃料电池。
18.一种燃料电池系统(26)，具有一个能量产生单元，其中所述能量产生单元包括一个重整器(28)、一个带燃料电池(12)的燃料电池堆(10)和一个再燃烧单元(30)，其中所述燃料电池系统(26)另外还具有一个带压力分布元件(18)的夹紧装置(16)和一个绝热装置(14)，并且所述能量产生单元设置在所述压力分布元件(18)之间，其特征在于，所述绝热装置(14)设置在所述能量产生单元和所述夹紧装置(16)之间。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池堆(10)，其具有燃料电池(12)、一个夹紧装置(16)和一个绝热装置(14)，其中所述夹紧装置(16)具有压力分布元件(18)，并且所述燃料电池(10)设置在所述压力分布元件(18)之间。根据本发明，所述燃料电池堆(10)的特征在于，所述绝热装置(14)设置在所述燃料电池(12)和所述夹紧装置(16)之间。
文档编号H01M8/02GK101053107SQ200580033454
公开日2007年10月10日 申请日期2005年7月20日 优先权日2004年8月2日
发明者A·赖纳特 申请人:施泰克赛拉有限责任公司