专利名称：具有催化加热器的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的燃料电池。
背景技术：
一个燃料电池的正常运行强烈地取决于其运行温度。尤其在一个燃料电池的起动运行时出现不期望的运行条件。一方面由于太低的运行温度和/或电转换率太低使效率变差，另一方面已知燃料电池，其中液体水的排出与电解质接触甚至可能产生损坏。
例如对于聚合物-电解质-燃料电池的运行在120℃以上的运行温度下可以使用膜电解质，它们具有一个离子导通机理，它不是水基的。膜电解质与液体水的接触是有害的，因为水可能冲蚀在一个聚合物阵列中复合的电解质组分(例如磷酸)，这使电解质复合物的导通能力减小。因此具有这种电解质的燃料电池优选只在100℃以下运行，使得在电解质与阴极之间的接触区由反应生成的水蒸汽状地析出。
因此一个这样的燃料电池或一个由多个燃料电池复合的这样的燃料电池组从环境温度到运行温度的加热不通过由通常运行产生的反应热实现，如同对于具有含水电解质的燃料电池所常见的那样。为了使这种“高温-膜-燃料电池和燃料电池组”进入运行温度，需要采取附加措施，例如一个电预热装置或者通过一个对流的传热、例如通过热流体预热。
发明内容
本发明的目的是，改进上述形式的燃料电池或燃料电池组。
这个目的通过权利要求1特征部分所述的特征得以实现。
通过在从属权利要求中所述的措施实现本发明的有利实施例和改进方案。
因此一种按照本发明的燃料电池、尤其是一种聚合物-电解质-燃料电池的特征是，所述燃料电池具有一个以催化反应热为基础的加热器。这种工作原理的基础是，一种催化支持的燃烧一方面能够实现一个快速地将热量加入到燃料电池里面，另一方面使本来就用于使燃料电池运行所提供的燃料也可以用于这个催化反应。由此加速加热并比对流或电预热在能量上更有效地实现。
此外尤其有利的是，所述加热器设置在燃料电池本身里面和/或设置在一个燃料电池组的两个相邻燃料电池之间，由此也使加热器的设置无需附加的空间需求。
在一个相关的实施例中，所述加热器具有一个或多个通导流体的通道。这些通道可以设置在一个燃料电池里用于将燃料输送的结构部件的里面和/或上面。由此也可以在加热器与燃料电池的功能组件之间实现一个短的热传递路径，由此一方面使燃料电池更快速地被加热，另一方面也可以通过减少加热器与要被加热的单元之间的干扰物质改进燃料电池运行温度的调节。
对于所述通道设置在一个用于在燃料电池里面氧化剂输送的结构部件的里和/或上或燃料电池的封闭板的里和/或上的情况也具有同样的优点。在此燃料电池的燃料或氧化剂导引装置不仅可以是单极板也可以是双极板。
为了引入催化反应可以在一个第一实施例中在所述通道中至少以截段的方式设置催化作用的材料。借助于这种截段可以完全有针对性地定义用于引入催化反应和与此相关的热量传递的燃料电池的确定区域。在此尤其可以考虑沿着加热通道可能变化的反应条件和与此相关的、催化加热器的变化的热特性。
例如可以在强催化反应准备的区域加入更少的催化材料而在低反应准备的区域相应加入更多的催化材料。但是也可以对应于燃料电池的需要完全有针对性地选择区域，它们被供给或多或少的热量，用于使燃料电池实现一个尽可能最佳的运行。
在一个这样的实施例中所述催化作用的材料是通道的衬里。在一个变化的实施例中可以使催化作用的材料分布地设置在通道的容积里面。也可以设想两个实施例的组合，其中也可以设想交替地相应构成的通道段。就此原则上存在所有可设想的催化作用材料的布置的组合方案，用于实现催化加热器的一个尽可能最佳的功能。
特别优选通过与催化作用的材料接触而起反应的加热剂是一种由燃料和空气的混合物或者是一种由燃料和可能通过惰性气体稀释的氧气组成的混合物。尤其有利的是，这种燃料同时是用于使燃料电池运行所需的燃料例如氢气或富含氢气的燃气，尤其是改良燃气。
因此按照本发明的催化加热器特别适用于这样的燃料电池或燃料电池组，在其中只有当温度明显超过环境温度时才可能或才允许开始电化学反应，因为通过加热器能够非常快速且对于相应的设计也均匀地将燃料电池加热到所需的运行温度。
但是按照本发明的催化作用的加热器也可以与此无关地用于其它的燃料电池，尤其是也用于在环境温度下就已经能够实现电化学转换的燃料电池。对于这种燃料电池最大的优点也是非常快速且均匀地在燃料电池中达到运行温度。
在附图中示出本发明的一个实施例，并且在下面借助于附图详细描述该实施例。附图中图1以横截面图示出一个燃料电池的一个双极板，具有设置在其中的用于一个催化作用的加热的通道，图2和3以纵向截面图示出一个加热通道，图4以横截面图示出一个加热通道。
具体实施例方式
图1示出一个燃料电池1的一个双极板2的横截面图，该燃料电池配有一个以催化反应热为基础的加热器3的加热通道4。这种结构的加热通道4是一个优选的实施例，但是当然可以与该实施例不同。尤其是也可以例如在端部板(未示出)上设置附加的加热通道4。
因此在这里所示的、双极板2除了配有加热通道4的主体2.1以外还分成一个靠近主体的、在附图中向下指向的部位5和另一个在附图中与该部位对置的、向上指向的上部7。下部5作为输送燃料的结构部件5具有在其中构成的燃料通道6。上部7作为输送氧化剂的结构部件7具有在其中构成的氧化剂通道8。
在这里所示的一个燃料电池1的一个双极板2的实施例还配有冷却部分9，它通过冷却通道10实现。在所示的示例图中这些冷却通道10与按照本发明的、以催化反应热为基础的加热器3的加热通道4沿着横截面图交替地设置在双极板2的主体2.1里面。构造冷却部分9结构对于按照本发明的加热器的功能不是强制必须的，但是为了调节燃料电池1的运行温度一个这样构成的附加冷却部分对于在运行温度范围中的温度稳定性带来明显的优点。
所述加热器3原则上可以设置在燃料电池连接自身里面和/或设置在一个燃料电池组的两个相邻的燃料电池之间。该加热器在一个燃料电池组的端部板中的布置也属于这种结构。
所述加热器3的通道4是通导流体的通道，它们当然可以相应地密封并且不仅适合于输送燃料而且适合于输送氧化剂，其中不仅燃料而且氧化剂最好是相同的，它们用于使燃料电池的运行。由此省去了不再需要独立的输入管。
所述加热器3的通道4可以在一个不仅用于输送燃料的，而且可以用于输送氧化剂的结构部件中构成。在此与是否是一个双极板，或必要时是单极板还是一个燃料电池组的相应封闭板是不重要。
在附图2至4中示出一个催化作用的材料11在以催化反应热为基础的加热器3的一个加热通道4中的布置。图2和3分别示出一个加热通道4的纵向截面图，具有设置在加热通道中的催化材料11。图4以相应的方式示出一个加热通道4的横截面图，同样具有设置在其中的催化材料11。
在图2中催化材料11是通道表面的覆层，即加热通道4的内壁12。在这个实施例中催化材料截段式地沿着通道走向设置在加热通道4里面，在其间存在中断。带有在这里作为内壁12覆层的催化材料的加热通道4衬里和不带有催化材料的区域之间的比例可以根据燃料电池的其它参数实现或适配。
在图3中的催化材料11例如由纤维、泡沫等具有相当大的表面积的催化材料构成。由此也可以使加热通道中的反应区在加热通道4的横截面上分布地供使用。当然也可以沿着通道走向截段式地布置。
图4示例地示出一个以波形结构加入到加热通道4中的催化材料11。通过催化材料的这种结构可以使加热通道4横截面的更大区域作为催化反应区使用，由此同样能够实现双极板2的均匀加热。
当然也可以实现在图2至4中所示的所有三个实施例的组合。
为了产生热量这些通道以能够燃烧的混合物加载，它们由空气或氧气和氢气或在一个前置的工艺过程中产生的含氢气的燃气组成。在反应时释放的热量通过对流和热传导传递到通道壁并从那里传递到燃料电池或燃料电池组的固体组分。
权利要求
1.一种燃料电池、尤其是聚合物-电解质-燃料电池，其特征在于，所述燃料电池(1)具有基于催化反应热的加热器(3)。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述加热器(3)设置在燃料电池中和/或设置在燃料电池组的两个相邻燃料电池之间。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，所述加热器(3)具有一个或多个通导流体的通道(4)。
4.如上述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述通道(4)设置在用于在燃料电池里输送燃料的结构部件(5)的里面和/或上面。
5.如上述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述通道(4)设置在用于在燃料电池里输送氧化剂的结构部件(7)的里面和/或上面
6.如上述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，用于在燃料电池里输送燃料或氧化剂的结构部件(5，7)是一个单极或双极的板。
7.如上述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，在所述通道中至少以截段的方式设置催化作用的材料(11)。
8.如上述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述催化作用的材料(11)是通道(4)的衬里。
9.如上述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述催化作用的材料(11)分布地设置在通道(4)的容积里面。
10.如上述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，通过与催化作用的材料(11)接触而起反应的加热剂是一种由燃料和空气或氧气组成的混合物。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池、尤其是聚合物－电解质－燃料电池。按照本发明提出，一个燃料电池配有一个以催化反应热为基础的加热器(3)，由此能够实现燃料电池的快速且均匀的加热。这特别对于只有在温度明显在环境温度以上时才可以或允许产生电化学反应的燃料电池是有利的。
文档编号H01M8/04GK1897343SQ200610105810
公开日2007年1月17日 申请日期2006年7月12日 优先权日2005年7月13日
发明者G·阿伦德斯, O·马奎德特 申请人:罗伯特.博世有限公司