包括燃料电池单元和部件的装置、用于该装置的部件单元和堆叠部件的制作方法_4

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和主出口 6。由此,在主流体穿过主出口 6导出该装置之前,主流体被导入该装置中并沿着主流向100被引导穿过热交换器1、燃料电池2并随后穿过重整器3。穿过该装置的部分1、2、3的主流向100也表示在图2中,该图2是图1所示装置的纵截面的视图。
[0057]主入口 5设置有入口开口 51和楔形入口分布部分50。楔形入口分布部分50被布置成邻近热交换器板堆叠I。入口开口 51和出口开口 61设置在装置的顶部。入口分布部分50在堆叠的顶部最宽并在堆叠的底部最小(参见装置的纵向)。主出口 6设置有出口开口 61和楔形出口收集部分60。楔形出口收集部分60被布置成邻近重整器堆叠3并且也在堆叠的顶部最宽且在堆叠的底部最小。楔形分布部分50和楔形收集部分60的尺寸分别适于优化各个部分50、60中的流速、压降、流动均匀性和流分或及收集。例如,在所示实施方式中,收集部分60的楔形的尺寸在深度上大于分布部分50的楔形的尺寸。
[0058]该装置的部分,即,热交换器1、燃料电池2和重整器3被直接设置成彼此相邻,仅由小的间隙55、65分隔。该间隙55、65通常在几毫米范围内,例如2至1mm之间。间隙的尺寸与装置的尺寸相适应。在装置的各部分之间没有界面、管、接口、歧管或附加的压降板。同时,主入口 5和主出口 6被布置成邻近热交换器I和重整器3,仅由小的间隙45、75分隔。主流体可以通过主入口 5分布到所有第一管道,而在堆叠的板中无需任何开口或连接管道。另外,主流体可以通过主出口 6从所有第一管道收集,而在堆叠的板中无需任何开口或连接管道。
[0059]热交换器I和重整器3的主流体流或第一流体流与穿过燃料电池堆2的主流体流“共线”,并且这个主流沿主流向100流动。热交换器I和重整器3的板被布置成与主流向100平行以实现直的且不偏转的流动。燃料电池布置成使得主流(一般为阴极流)被设置为沿着燃料电池堆和装置的纵向。优选地,热交换器I的一个主流,例如,穿过主入口 5导入该装置的热气流,从楔形入口分布部分50沿着整个高度300流入热交换器I并沿该装置的纵向穿过热交换器。而且,穿过重整器3的主流(优选,阴极流)沿同样的纵向方向流过整个重整器,直到该流进入楔形主出口部分60。
[0060]通过流经该装置的直的主流体流,可以在装置中实现低的压降、均匀的温度和压力分布。另外,可以以低成本实现需要较少部件的紧凑型装置。
[0061]为了进一步优化燃料电池2和整体装置的性能,如图1和图2所示的那样优化热交换器I和重整器3中的第二流。第二个体积较小的流,由箭头150所指示,分别经第二入口通道110、310从侧面导入到热交换器I和重整器3。该第二流体分别经第二出口通道120、320导出热交换器I和重整器3,而且偏向该部件的相反横向侧。由此,从堆叠1、3的侧面并且穿过设置在堆叠顶部的相应的第二流体入口开口和出口开口 111、311、121、321,第二流体可以被提供给该装置或从该装置排出。而且,用于燃料电池的第二供给入口和出口 21设置在该装置的顶侧。
[0062]由于供给或排放管线可以设置在装置的顶部并从顶部开始,这利于根据本发明的装置的安装。尤其是,在装置的底部没有设置入口或出口。
[0063]第二流体可以通过第二入口通道110、310分布到所有第二管道,而在堆叠的板中无需任何开口或连接管道。另外,可以通过第二出口通道120、320从所有第二管道收集第二流体,而在堆叠的板中无需任何开口或连接管道。
[0064]各第二流体被以垂直于主流向100的方式引入到各部件中,被重定向以例如在部件1、3的中央区域13、33中平行于主流流动,并再次被重定向以按垂直于主流向100的方式离开部件1、3。
[0065]该装置的部件的板包括不同区域,例如,热交换器I和重整器3的入口分布区域11、31 ;中央区域13、33 ;以及出口收集区域12、32。入口和出口区域分别直接在第二流体入口 110、310和第二流体出口 120、320之后。入口和出口区域11、31沿装置的整个宽度400或基本上整个宽度延伸,并在以三维方式观察时具有三角形或楔形形状(图1中省略了用于主流体流的中间管道)。中央区域13、33基本上具有平行六面体的形状。入口区域、中央区域和出口区域通常因它们对第二流的行为的影响而有所区别。通常,影响这种流行为的结构被设置在一个、两个或所有三个区域中。根据在各个区域中将要实现的所需压降、流向或流动均匀性来提供和设置结构。优选地,导致高压降的结构设置在中央区域13、33中。与中央区域相比,入口区域11、31和出口区域12、32可以不设置或设置较少的结构。一个区域本身中的结构尤其是不同的。
[0066]图3示出了表示本发明的堆叠部件的重整器3,在形成板堆叠30的从顶部到底部的布置中具有彼此平行设置的矩形板301。板堆叠30的两个横向侧面设置有将堆叠30的侧面的一部分与环境封闭的侧壁部分311。重整器的侧面的不被侧壁部分311封闭的那些部分是开放的并由此形成第二流体入口和第二流体出口 3200。第二流体例如是含阳极流的燃料。
[0067]开放的前侧允许板301之间的流体流沿着重整器堆叠30的整个高度进入。流体流沿主流向100在板之间流过重整器并再次沿着重整器的整个高度在后侧离开重整器。参见图1所示,主流可以从这里直接流入燃料电池堆或其他部件或主入口收集部分。
[0068]在图4中,示意性地示出了根据图1的装置的通过视图。板的区域被示出为热交换器和重整器板结构的中间第二管道。
[0069]第二流体经由第二流体入口通道110穿过第二流体入口进入第二管道而高速进入热交换器I。第二流体在热交换器I的楔形入口分布区域11中逐渐变慢。在热交换器的第二管道的中央区域101中,流体流从垂直于装置的纵向轴线的方向重定向为严格平行于装置的纵向轴线(相应于主流向100)。在中央区域101中本质上会发生热交换过程。在这个中央区域101中,流速放慢并在整个中央区域101中基本上是均匀的。当第二流体到达两个板之间的第二管道的相反端时,该流再次重定向为垂直于主流向100并沿着出口收集区域12引导到第二流体出口通道120。在出口收集区域12中,第二流体获得速度,使得第二流体流再次以高速离开热交换器。热交换器中不同的流速和不同的压降区域例如可以通过热交换器的板的适当表面结构来实现。这可以参照图5中的重整器来更详细地解释。第二管道的结构与热交换器之一基本相同,用于重整器的第二流体流以及重整器中的流体流的引导。
[0070]热交换器中的第二流体例如为冷却流体,例如冷却气体或冷却液体,其在热交换器中被加热。第二流体例如可以是热流体,具有低质量流量或两种流体的组合,例如热流体和阳极气体的混合,这可以在第二管道中氧化。对于后者的应用,热交换器优选设置有催化活性涂层来支持该氧化反应。
[0071]在图5中,通过流动线条151概括地示出了重整器中的流体流。流动线条的密度表示流速。一般的第二流向由箭头150表示,其中主流向还由箭头100表示。
[0072]重整器区域31、32、33的原则性的设置和设计与热交换器的类似,以建立具有均匀流动分布以及流向的中央区域33,其实质上平行于主流向100。因此,在中央区域33中,提供了用于均匀流动和低流速的高压降。后者支持有效地重整行为并且尤其在热交换器的情况下支持有效地热交换过程。在该楔形内部分布和收集区域31和32中,优选压降是低的并可以在板301的宽度上变化。入口分布区域31和出口收集区域32不沿着板301的整个宽度延伸。在板301的宽度终端之前,区域31、32处在距离315的最后。选择距离315并依赖于部件的用途而变化。基本上,通过扩大这个距离315,流体流可以在到达板310的底部右角和顶部左角之前放慢,参见图5所示实施方式。这样,可以防止流体在这些角落里积聚并且可以进一步支持中央区域33上的该流的同样分布。同时,该分布和收集区域31、32的宽度316可以改变并依赖于部件的用途而更大或更小。
[0073]宽度比板301在纵向(主流向100)的伸长部分更大。这样,建立了具有优化流动特性的略大的中央区域33。
[0074]因此通过重整器堆叠或热交换器堆叠的板的表面结构或轮廓可以影响压降。因此,优选中央区域33设置有表面结构,同时分布和收集区域31、32不具有或只具有少量表面结构。表面结构例如可以与应用在中央区域33中的催化涂层相组合。
[0075]在图6中,示出了部件单元9,其中同样的参考标记用于同样的或相似的部件。第一部件,例如热交换器I与第二部件例如重整器堆叠3相对并相距距离83。每个部件的(或通过)堆叠壁113、313分别由热交换器I的板侧壁或者第一流体出口的总和形成,以及分别由重整器3的板侧壁或第一流体入口的总和形成。这两个壁113、313彼此平行
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