带一集成换热器的燃料电池组 【技术领域】
本发明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地输入点，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。本发明还涉及一种带有按本发明的燃料电池组的设备。
背景技术
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。
【发明内容】
本发明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涉及按本发明的燃料电池组的有利的实施例。一个包括有按本发明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发明。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3一个按本发明的集成换热器；
图4穿过图3的换热器的横截面图；
图5、6分别是按本发明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的电极构成的一个盖板10a和一个底板10b之间的电池堆10；一个位于电池堆10的圆周14上的环形腔13，在该腔中进行后燃；一个绝热套12(只以点划线的轮廓示出)；电池组1的带有一个用于供给空气和气态氧载体5的接管15的外壁11；一个用于流体形式的燃料6的输入点16，该燃料沿一个中心通道26、可选择在气化和/或重整之后以气态形式分散到单个的电池中；一个用于废气7的环形收集通道27，该废气可通过一个接管17从电池组1中排出；另外还有数个杆18(只示出了一个)和弹簧19，上述两个电极通过它们可向彼此拉动。布置在环形腔13中但在图1中看不见的用于后燃的腔室3(见图2)通过底板10b中的开孔27a与收集通道27相连通。在该电池组中产生的电流可通过接线器101和102引出，杆18除其作为一个夹紧装置的功能外还用作为向盖板10a的电连接件。
从EP-A 1 037 296已知的燃料电池的内连接器由两个层制成。通过这种结构，进入的空气在它被导致在电池的一个中心区域与一个阴极(P)接触而被加热到一个接近反应温度之前在一个位于这两个层之间的空腔内被再次加热。在图2中所示的电池堆10的电池2包括一个由一个层制成的内连接器21。输入电池2中的氧载体5(箭头50)从一个输入点25a通过一个径向通道25被引入电池2的中心区域中。从那里氧载体50′通过该阴极再次径向流向圆周14，并在该圆周处通过槽形开口从输出点25b流出进入一个后燃室3。该室3具有一个用点划线示出的室壁30′。这样的一种壁30′已是众所周知的。室3的由壁30′提供的界限在按本发明制成的集成换热器4中呈现出新的形式，见图4-6。
内连接器21具有按钮状的凸起22(用参考标号22′表示凸起)，这些凸起建立连接PEN元件20的电连通。上述径向通道的侧壁也代表电连通。一个轴向通道26位于电池堆10的中心，气体燃料6(箭头60)通过该通道输入单个的电池2中。在该中心区域中的一个环形凸起23防止氧载体5进入轴向通道26。燃料6在各种情况下都可通过邻近内连接器21的环23之间的狭槽26a而到达PEN元件20的阳极(N)。燃料6(箭头60′)从阳极流向电池堆的圆周14，并在该圆周处通过槽形开口从输出点25b流出进入一个后燃室3，在该室中由于后燃而产生废气7。废气7沿轴向(箭头7″)流出进入由壁30′形成的一个通道中。
在图3和4中示出了一个按本发明的构成为管形的集成换热器4。电池堆10布置在该管的内腔中。用于后燃的室3通过切割而形成在该换热器的内侧上。室3具有狭槽状的输出口43，该输出口允许废气流出经过电池10的整个高度后进入一个通道系统。相应地，氧载体5同样可以通过狭槽状的输出口45b经过电池堆10的整个高度后进入该电池。因此，在换热器4的通道系统中的废气7和氧载体5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。
电池堆10的电池2中的预热的氧载体50通过四个通道25(见图2)输入中心区域，在那里上述四个部分流中的每一个都分叉，从而氧载体5从每个部分流流回两个相应相邻的室3。(这用不同示出的箭头表示)。
废气7可通过轴向对准的收集通道47″排出。这些通道布置在换热器4的圆周区域中。由于废气流7′和氧载体5的流5′在横向平面中的引导而导致对于所有电池2都大体相同的状态。为了使流5′和7′沿横向平面方向运动，收集通道47″必须具有相对大的横截面积，从而沿收集通道47″的压力梯度比在该通道系统的窄通道45、47中流动的气体的压力梯度小得多。
由于流5′和7′在横向平面中的引导，在电池堆10中沿轴向产生一个相对小的温度梯度。就这方面而言也是重要的，即换热器4位于换热器4的圆周区域和电池堆10之间的部分形成一个在热影响方面使电池堆10与收集通道47″屏蔽开来的屏蔽。由于废气7在每种情况下都在收集通道47″中向其环境散失一部分热量，所以在废气流7″产生一个轴向温度梯度。然而，由于该屏蔽作用，该温度梯度在很在程度上并不影响电池堆10中的温度分布。
集成换热器4的通道系统包括纵向壁41，该壁垂直于上述横向平面站立并由此构成通道45、47：用于废气7的通道47连接用于后燃的室3和收集通道47″；用于氧载体5的通道45连接圆周输入点45a和电池堆10的输出点25a。通道45、47的横截面基本上小于轴向对齐的收集通道47″的横截面，流动经过通道45、47的横截面进行。因此导致通道45、47中的流速远远高于收集通道中的流速。因此收集通道47″中的向上述壁的热传递小于通道45、47中的向上述壁的热传递。这是有利的，因为收集通道47″中小的热损失在那里导致了小的温度梯度。
通道45、47的壁41在很大程度上横交平放在电池堆轴向上的径向平面。这样的结构是有利的，因为它防止了基于热辐射的传热。
如此布置通道45、47，从而氧载体5的流5′和废气7的流7′至少在换热器4的主要部分中以逆流导引。
在用于加热的氧载体5的输出开口45b和后燃室3之间插入密封件35，从而使氧载体尽可能少的泄漏到废气7中。通过压实而紧缩的陶瓷毡带可以被用作为密封件35。
集成换热器4由数个模件构成。每个模件都包括一个横向基板42和数个纵向壁41。这些模件优选构成为相同的。一个例如止靠在电池堆的一端上的端件可以具有一种修改后的形式。这些模件各具有一个单片形式。它们可由陶瓷材料或者粘土陶瓷材料制成(通过烧结压入一个模型中的陶瓷粉末；或者通过在一个模塑成形后干燥和烧制粘土块)。这些模件在换热器4中形成数个“水平位置”。
用于废气7的收集通道47″布置在换热器4的大致成四方形的横截面的四个角区域中。该四方形的几何形状使得在收集通道47″和电池堆10之间以一种节省空间的方式建立一个相对大的距离成为可能。
按本发明的燃料电池组1具有集成换热器4，与已知电池组(大约700℃)相比，氧载体5能够被加热到高得多的温度(大约800℃)。因此一个对于电化学反应的电流量有利的较高的空气比入是可能的。因此，虽然在已知电池组中空气比入达到大约1.5-2，但通过换热器4可实现该值的两倍或三倍。
带有环形横截面的空腔48布置在用于加热的氧载体5的输出口45b处。它们设置用于插入在空腔48(其中有一个环形间隙保持打开着)的电加热条，在电池组1起动时通过这些加热条可以加热换热器4和供入的氧载体5。通过加热的氧载体5在穿过电池堆10进行流动时，电池堆被加热，并且进入一种准备操作的状态。
通过按本发明的集成换热器4在一个只有几离米的距离内实现一个从大约900℃到500℃的径向温度下降。由此该热的区域被限定为一个有利的小于已知燃料电池组的体积。换热器4的特定几何形状使得电池组的高度在没有设计问题的情况下与预定的功率要求相匹配成为可能。换热面积也可以容易与预定的空气比入相匹配。
图5示出了可由单片模件构成的集成换热器4的一个第二实施例。在此，“水平位置”分别由两个模件40a、40b构成。设置换热器4用于只具有两个用于输入氧载体5的输入点25a的燃料电池2。相应的用于预热的氧载体5的输出点45b布置在模件40a、40b之间的两个连接位置46(只示了一个)处。具有齿形布置形式的连接位置46可以设置有一个密封。然而，一个小的间隙也可以保持打开着，氧载体5的一小部分作为一个第二流通过该间隙经过输出口45b。该第二流由换热器4的热壁材料预加热，从而如果该间隙足够的小，则换热功率特性不被该间隙削弱。
套12、或套12的一部分由动态绝热壳120构成，该壳包括两个半壳和一个透气元件121，壳120的部分通过该透气元件而被保持在一起。两个半壳120之间的一个间隙122可以保留为打开的，以允许更多的氧载体5局部地流入。并且的确如所示实施例那样，当在没有换热发生的通道系统的区域49中出现从电池堆10到圆周的增加的热流时，换热器4的圆周因此可以被局部冷却得更好。
图6示出了由陶瓷和金属材料的部件的组合制成的集成换热器4的一个第三实施例。其由陶瓷运动体或过滤器81、82和金属壁41′构成，通过该壁在废气流7′和氧载体5的流5′之间产生换热。该实施例的缺点在于，金属材料大体上是较贵的，并具有比陶瓷材料大的热膨胀系数。在电池组1的设计中必需适当地考虑不同的热膨胀系数。特别是，必需在盖板10a(见图1)中设置沟槽，壁41′在受热时可以沿轴向膨胀到这些沟槽中。
图7以截面形式示出了通过图3的一个构成一个围绕电池堆10的外壳的换热器4的“水平位置”的对角线纵截面。筋41′模制在一个模件40的横向底板42的下侧上，并可被插入在相邻的模件40的壁41之间。一个位于相邻的通道、特别是在连接位置处的通道45、47之间的密封件4 9可由一种焊接用玻璃制成。在燃料电池组1工作时，可在密封件49中导致裂纹。由于筋41′和壁41之间的齿状布置形式，通过这些裂纹造成的一种可能的泄漏不会对电池组1的效率产生任何大的影响。
按本发明的燃料电池组被提供用在建筑物的底层结构中。一个用于此目的的设备包括附加的控制装置，通过该装置根据电能和热功率的不同需要控制燃料电池组。被输送经过电池组的氧载体的流量通过该控制装置而大约与不同的能量需要相匹配。在这方面，电池堆中的温度可以以一种受控制的方式调节为一个小的温度范围内的值。该温度范围的程度小于50K，优选小于20K。