带一集成换热器的燃料电池组制造技术

燃料电池组，具有布置在绝热套和高温燃料电池堆之间的集成换热器。在电池堆圆周和换热器之间有一个用于后燃的室，优选为至少两个室。换热器设置用于从废气到氧载体的换热。在电池堆圆周上，分别在该室或这些室的外侧或内侧一方面布置用于氧载体的输入点，另一方面布置用于未转换的离析物，即一燃料气体和该氧载体的输出点。换热器包括通道系统，在电池组的一种工作状态中废气和氧载体穿过该系统在垂直于电池堆的轴线放置的横向平面上很大程度地流动。该废气可通过布置在该换热器的圆周区域中的轴向对准的收集通道排出。该换热器的位于圆周区域和电池堆之间的部分形成在热影响方面使电池堆与该收集通道屏蔽开来的屏蔽。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种带一集成换热器的燃料电池组，该燃料电池组具有一个布置在一个绝热套和一个高温燃料电池堆之间的集成换热器，其中该电池堆具有一个中心轴线，在该电池堆的圆周和该换热器之间有一个用于后燃的室，优选为至少两个室，该换热器被设置用于从废气到氧载体的换热，在电池堆圆周上，分别在该室或这些室的外侧或内侧一方面布置有用于氧载体的输入点，另一方面布置有用于未转换的离析物，即一燃料气体和该氧载体的输出点。本专利技术还涉及一种带有按本专利技术的燃料电池组的设备。
技术介绍
从EP-A 1 037 296(＝P.6949)已知一种具有圆柱形电池堆的燃料电池组，其中在电池堆的圆周进行后燃。使用在电池中的电流供给电化学反应中未被转换的离析物进行该后燃。这些离析物一方面是一种气态的燃料(简称为燃料气体)，即一种包括还原组分、特别是氢和一氧化碳的混合物；另一方面是一种带有氧化组分的气体、特别是一种气态氧载体，例如加热了的环境空气形式的氧载体。电池堆中的每个电池都具有至少一个用于该氧载体的输入点。该后燃在一个围绕该电池堆的环形区域内进行。所述输入点或者以一种相连通的方式全部连接成一整体，或者经过至少一个沿电池堆轴向延伸并与该电池堆直接接触的空间以一种相连通的方式连接成组。每一个空间都由一个壁同一个用于后燃的室分隔开来，该室同样也构成一个沿电池堆轴向相连通的空间。每个燃料电池都包括两个部分，即一个所谓的PEN元件(简称为PEN)和一个盘形的内连接器。该由至少三个层，即P(阴极＝正极)、E(电解质)和N(阳极)构成的PEN元件是一个电化学活动元件，通过该元件可以进行电化学反应；该元件具有一个薄的环形盘，该盘由例如一个层状的固态电解质和两个分别涂敷而成电极P和N构成。该内连接器将一个用于氧载体的空间同一个用于燃料气体的空间隔开。该内连接器具有一个带浮雕状轮廓的结构，借助于该浮雕状轮廓使得燃料气体可从一个中心输入点沿PEN流向圆周。另一方面，氧载体的输送受到特定的结构引导，并从空气室引出或从空气室引入中心，并从中心沿PEN回到圆周。离散布置的用于气体的输入和输出的开口都位于圆周上。一个在已知燃料电池组中包住电池堆的套由一个绝热系统制成。其绝热功能扮演一个外部回流换热器的角色。电池所需的用于电化学过程的氧载体不是在一个单独的外回流换热器中先被预热，而是使用最初的冷的氧载体作为一个冷却源，其中从电池堆流出的热量在该套中通过该氧载体被部分吸收并回到反应点或反应区。该已知的套用数个层制成；它具有一个用于氧载体流的通道。在一个构成为该套的一个第一层的外壁和该套的内部分之间设置有一个第一空腔，在该空腔中进行氧载体的分布和加热或该套的冷却。在该邻接于该第一空腔的通道系统中实现对氧载体的进一步加热。取代该通道，或者附加于该通道，也可以在该套中安装多孔的、透气的部件，该套构成一个所谓的动态绝热径向流过这些绝热孔的氧载体吸收主要由电池堆通过辐射放出的热量，并且该热量由绝热材料吸收。被吸收的热量通过氧载体被输送回到电池堆中。后燃室制成为轴向对准的收集通道，废气通过该通道可以被排出，特别是被吸出。当从该套运动进入电池堆中时，氧载体在后燃室的外壁处被进一步加热；热量相应地由在这些室中轴向流动的废气放出，所述热量相应于在后燃过程中产生的热量，并相应于由电化学反应释放的热量的一部分。通常，以一个其中燃料电池用于能量转化的系统应该能够达到最大可能的电能。在这方面，电化学反应在该燃料电池系统的稳定状态中和这样的条件下进行，即该条件导致系统关于反应效率和PEN元件随温度老化问题的最佳应用。在该燃料电池系统的一个设计方案中，能量平衡的计算必需根据涉及稳态计算的热量来进行在反应中和在后燃中产生的热量；热损失，即从套中流出进入环境中的热量；和通过废气从系统中导出的过量的热量。在这方面，不同的参数的作用包括电池中的温度、用于后燃的室中的温度、空气比λ或者其它相应的参数。(λ是在用空气作为氧载体时供入的空气的质量流量和化学计量法所需的空气量之间的比值)。可以如此设计该燃料电池系统，从而在每个电池中反应温度是理想的并且是大致同样的高。该设计方案是相对于满负荷，即相对于在最佳工况下能够达到的最大电功率进行的。通过以热能(例如用于加热目的)和电能形式使用的燃料电池的能量转化，该燃料电池系统可以用在一个设备中，该设备是一个建筑物的基础结构的一部分。由于一个建筑物的能量供给必需满足不同的需要，所以燃料电池系统必需也能够在部分负荷下工作。在部分负荷时，用于离析物的供给流减少了；然而反应仍保持在一个值，例如900℃。由于在部分负荷时热损失高于满负荷时(因为套的动态绝热性能由于减少的空气供给而变小)，所以在能量转化量和离析物的质量流量之间不存在线性关系。通过一个适当设计的控制系统可以调节燃料电池系统的工作以满足需要和符合非线性。在这方面的另一个问题是，并确实是关于该系统的设计，其中该目的是不允许在电池堆中产生任何轴向的温度梯度。业已发现，在部分负荷时，如果该温度梯度由于设计在满负荷时为0，则不能防止沿电池堆的温度梯度在后燃室轴向流出的废气由于向套的转热而使其温度下降；因为在部分负荷时来自电池堆的热能储量不能完全补偿向套的传热。这导致电池堆的温度梯度，并确实在废气的流动方向上产生下降的温度。因此，不再可能在所有燃料电池中以满负荷时的最佳温度执行电化学反应。
技术实现思路
本专利技术的任务在于提供一种燃料电池组，其可以满负荷地工作，以可以部分负荷地工作，从而可以在所有电池中以尽可能相同的温度发生电化学反应。该任务如此来完成，即，使燃料电池组的换热器包括一个通道系统，在该电池组的一种工作状态中废气和氧载体穿过该系统在垂直于电池堆的轴线放置的横向平面上很大程度地流动；其中该废气可通过布置在该换热器的圆周区域中的轴向对准的收集通道排出；并且其中换热器的位于圆周区域和电池堆之间的部分形成一个在热影响方面使电池堆与该收集通道屏蔽开来的屏蔽。该燃料电池组包括一个布置在一个绝热套和一个圆柱形高温燃料电池堆之间的集成换热器。在该电池堆的圆周和该换热器之间有一个用于后燃的室，优选为至少两个室。该换热器被设置用于从废气到氧载体的换热。在电池堆圆周上，分别在该室或这些室的外侧或内侧一方面布置有用于氧载体的输入点，另一方面布置有用于未转换的离析物，即一燃料气体和该氧载体的输出点。换热器包括一个通道系统，在该电池组的一种工作状态中废气和氧载体穿过该系统在垂直于电池堆的轴线放置的横向平面上很大程度地流动。该废气可通过布置在该换热器的圆周区域中的轴向对准的收集通道排出。该换热器的位于圆周区域和电池堆之间的部分形成一个在热影响方面使电池堆与该收集通道屏蔽开来的屏蔽。从属权利要求2-9涉及按本专利技术的燃料电池组的有利的实施例。一个包括有按本专利技术的燃料电池组的设备是权利要求10的主题。附图说明下面结合附图说明本专利技术。附图所示为图1一个已知的燃料电池组；图2表示了燃料电池的结构；图3一个按本专利技术的集成换热器；图4穿过图3的换热器的横截面图；图5、6分别是按本专利技术的换热器的第二和第三实施例；和图7穿过图3的换热器的纵截面图。具体实施例方式图1示出的从EP-A 1 037 296已知的带有燃料电池2的电池组1包括下列模件一个位于由电池组1本文档来自技高网...

【技术保护点】
燃料电池组（１），具有一个布置在一个绝热套（１２）和一个高温燃料电池（２）堆（１０）之间的集成换热器（４），其中该电池堆具有一个中心轴线，在该电池堆的圆周（１４）和该换热器之间有一个用于后燃的室（３），优选为至少两个室，该换热器被设置用于从废气（７）到氧载体（５）的换热，在电池堆圆周（１４）上，分别在该室或这些室的外侧或内侧一方面布置有用于氧载体的输入点（２５ａ），另一方面布置有用于未转换的离析物，即一燃料气体（６）和该氧载体的输出点（２５ｂ、２６ｂ），其特征在于，换热器（４）包括一个通道系统（４），在该电池组的一种工作状态中废气（７）和氧载体（５）穿过该系统在垂直于电池堆（１０）的轴线放置的横向平面上很大程度地流动；其中该废气可通过布置在该换热器的圆周区域中的轴向对准的收集通道（４７″）排出；并且其中换热器的位于圆周区域和电池堆之间的部分形成一个在热影响方面使电池堆与该收集通道屏蔽开来的屏蔽。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：A舒勒，J施尔德，M詹尼，P霍罗赫，
申请(专利权)人：苏舍赫克希斯公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]