包括串联电连接的多个燃料电池且并联供气的电化学系统的制作方法

1.本发明涉及包括使用空气作为氧化剂的多个燃料电池的电化学系统的领域，所述燃料电池串联电连接并且被并联地供应空气。


背景技术：

2.燃料电池被配置成执行包含在燃料流体中的燃料和包含在氧化剂流体中的氧化剂之间的氧化还原反应，以产生电能。
3.该燃料例如为氢分子，该燃料流体为氢气，并且氧化剂例如为氧分子，该氧化剂流体例如为氧气或空气。
4.燃料电池包括至少一个电化学电池，并且优选地包括多个叠加的电化学电池的堆叠结构，每个电化学电池被配置成执行燃料和氧化剂之间的氧化还原反应。
5.针对需要高电能的应用，可能提供包括串联电连接的多个相同的燃料电池的电化学系统，所述燃料电池被并联地供应燃料和氧化剂。
6.在操作此类电化学系统期间，串联电连接的燃料电池具有流过它们的相同的电流。因此，必须确保向燃料电池均匀且持续地供应氧化剂和燃料，以使得所述燃料电池各自生成相同量的电能。
7.这可通过装备具有复杂的流动控制设备和/或压力控制设备的燃料供应系统和氧化剂供应系统来实现，以确保向燃料电池的均匀供应。
8.然而，这是以增加电化学系统的复杂性为代价的，这可导致相对较高的设计成本、制造成本和操作成本。


技术实现要素：

9.本发明的目的之一是提供包括使用空气作为氧化剂的多个燃料电池的电化学系统，所述燃料电池串联电连接并且被并联地供应空气，该电化学系统设计简单。
10.为此，本发明提供用于生成电力的电化学系统，该电化学系统包括串联电连接的多个相同的燃料电池以及空气供应系统，所述空气供应系统被配置成并联地向燃料电池供应空气并从燃料电池回收空气，每个燃料电池具有进气口和出气口，该空气供应系统包括进气歧管和出气歧管以及单个空气压缩机，进气歧管和出气歧管各自包括公共导管和连接到公共导管的个体导管，进气歧管的每个个体导管连接到相应燃料电池的进气口，出气歧管的每个个体导管连接到相应燃料电池的出气口，单个空气压缩机用于推送空气流过进气歧管、燃料电池和出气歧管。
11.提供进气歧管和出气歧管以及单个空气压缩机以推送空气流过进气歧管、燃料电池和出气歧管，从而提供简单的电化学系统。
12.进气歧管和出气歧管允许以被动方式在燃料电池之间均匀分布空气，而无需燃料电池之间的用于主动地均匀分布空气的主动系统。
13.根据具体实施方案，该电化学系统包括以下特征中的一个或多个，以下特征可以
单独实施或以技术上可能的任何组合实施：
[0014]-进气歧管和出气歧管中的至少一个围绕其公共导管的延伸轴线为旋转对称的；
[0015]-进气歧管和出气歧管中的至少一个相对于包含其公共导管的延伸轴线的至少一个对称平面为正交对称的；
[0016]-进气歧管和出气歧管中的至少一个相对于包含其公共导管的延伸轴线的两个不同对称平面为正交对称的；
[0017]-两个对称平面彼此垂直；
[0018]-进气歧管和出气歧管中的至少一个被配置成使得其个体导管中的每个的延伸轴线平行于其公共导管的延伸轴线；
[0019]-进气歧管和出气歧管中的至少一个的导管的横截面积从公共导管朝向个体导管逐渐递减；
[0020]-进气歧管和出气歧管中的至少一个包括位于公共导管和个体导管之间的至少两个分叉部；
[0021]-进气歧管和出气歧管中的至少一个的每个分叉部将导管一分为二；
[0022]-进气歧管和出气歧管中的至少一个的公共导管被分支成两个主导管，每个主导管被分支成两个辅导管；
[0023]-每个辅导管终止于相应的一个个体导管；
[0024]-该电化学系统包括正好四个燃料电池
[0025]-燃料电池被布置成矩阵式排列；
[0026]-燃料电池被布置成相同取向；
[0027]-进气歧管和出气歧管是相同的。
附图说明
[0028]
在参考附图来阅读以下作为非限制性示例而给出的描述时，本发明及其优点将变得明显易懂，其中：
[0029]
图1为包括多个燃料电池的电化学系统的示意图；
[0030]
图2为示出燃料电池、进气歧管和出气歧管的排列的电化学系统的示意图；
[0031]
图3为进气歧管的透视图；
[0032]
图4为出气歧管的透视图；
[0033]
图5为进气歧管的主分叉部的示意性剖视图。
具体实施方式
[0034]
如在图1中示出的，电化学发电系统包括多个相同的燃料电池4，每个燃料电池4包括覆盖彼此而叠加的多个电化学电池6的堆叠结构。
[0035]
每个燃料电池4沿中心轴线e延伸，例如，它的电化学电池6沿此中心轴线e叠加。
[0036]
每个电化学电池6被配置成通过执行包含在燃料流体中的燃料和包含在氧化剂流体中的氧化剂之间的氧化还原反应来生成电力。
[0037]
每个燃料电池4例如是离子交换膜燃料电池，具体地为质子交换膜燃料电池(pemfc)。
[0038]
以已知的方式，每个电化学电池6包括用于燃料流体的循环的第一室和用于氧化剂流体的循环的第二室，该第一室和第二室由离子交换膜相互隔开，具体地由质子交换膜相互隔开。
[0039]
每个燃料电池4例如被配置成使用氢(h2)作为燃料，燃料介质为例如为氢。
[0040]
每个燃料电池4被配置成使用空气作为氧化剂流体，该氧化剂为存在于空气中的氧。
[0041]
每个燃料电池4包括用于将燃料流体输入到燃料电池4中并将燃料流体供应到每个电化学电池6的燃料流体入口4a和用于让燃料流体在流过燃料电池4的电化学电池6之后排出的燃料流体出口4b。
[0042]
每个燃料电池4包括用于将空气输入到燃料电池4中并将空气供应到每个电化学电池6的进气口4c和用于让空气在流过燃料电池4的电化学电池6之后排出的出气口4d。
[0043]
燃料电池4串联电连接。因此，在操作期间，相同的电流流过燃料电池4。
[0044]
燃料电池4例如连接到电负载8，以将电力供应到该电负载8。该电负载8例如包括用于存储电力的电池或者电动机。
[0045]
电化学系统2包括具有燃料流体源12的燃料流体供应系统10。
[0046]
燃料流体供应系统10包括优选并联地将燃料电池4的燃料流体入口4a连接到燃料流体源12的燃料流体流路系统14。
[0047]
该燃料流体流路系统14例如包括被布置成推送燃料流体流过燃料流体流路系统14的泵16。泵16例如被布置在燃料流体源12与燃料电池4的燃料流体入口4a之间。
[0048]
电化学系统2包括被配置成将空气供应到燃料电池4的空气供应系统18。
[0049]
空气供应系统18包括空气流路20，其中燃料电池4并联地被布置在该空气流路20中。
[0050]
空气供应系统18包括被配置成在燃料电池4的进气口4c之间分配传入气流的进气歧管22(图2)和被配置成收集从燃料电池4的出气口4d排出的空气以形成传出气流的出气歧管24(图2)。
[0051]
进气歧管22和出气歧管24各自为歧管的形式，用于分别在燃料电池4的上游和在燃料电池4的下游被动地引导气流。
[0052]
进气歧管22和出气歧管24没有任何具有致动器的主动气流调节器来主动调节气流。
[0053]
空气供应系统18包括单个空气压缩器26，该单个空气压缩器26被配置成推送空气经由进气歧管22和出气歧管24流过燃料电池4，具体地是串行流过进气歧管22、燃料电池4和出气歧管24。
[0054]
优选地，空气压缩器26被布置在空气流路20中的进气歧管22上游。空气压缩器26将空气推送到进气歧管22、燃料电池4和出气歧管24中。
[0055]
空气压缩器26生成经由进气歧管22并行地馈送给燃料电池4的传入气流。出气歧管24收集从燃料电池4离开的空气，以形成传出气流。
[0056]
可选地，空气供应系统18包括被配置成在空气进入燃料电池4之前对其进行过滤的至少一个空气过滤设备28。
[0057]
优选地，空气供应系统18包括被布置在进气歧管22的上游的单个空气过滤设备
28。因此，单个空气过滤设备28能够过滤供应到多个燃料电池4的空气。
[0058]
有利的是，空气过滤设备28被布置在空气压缩器26的下游。
[0059]
可选地，空气供应系统18包括被配置成在空气进入燃料电池4之前对其进行冷却的至少一个冷却设备30。这允许通过压缩而被加热的空气在其进入燃料电池4之前被冷却。
[0060]
优选地，空气供应系统18包括被布置在空气压缩器26和进气歧管22之间的单个冷却设备30。
[0061]
在提供空气过滤设备28时，冷却设备30优选地被布置在空气过滤设备28的上游。这有助于通过对空气过滤设备28暴露于热的程度进行限制来对其进行保护。
[0062]
可选地，空气供应系统18例如在出气歧管24的下游包括被配置为调节进入燃料电池4中的空气流量的调节设备32。
[0063]
调节设备32例如包括可移动阀，以便于减小或增大气流的横截面积。
[0064]
优选地，空气供应系统18包括用于让空气在流过燃料电池4之后排入大气中的排气口34。排气口34位于出气歧管24的下游，并且如果适用则位于调节设备32的下游。
[0065]
在图1中，燃料电池4在侧视图中示意性地并且彼此相邻对准地被示出，以示出燃料流体供应系统10和空气供应系统18。
[0066]
如在图2中示出的，燃料电池4优选地被布置成在三维排列中彼此相邻。
[0067]
燃料电池4例如被布置成矩阵式排列或圆形排列，在矩阵式排列中，燃料电池4以行和列进行布置，在圆形排列中，燃料电池4沿假想圆分布。
[0068]
这允许燃料电池4被布置成使得有助于向其均匀供应空气。
[0069]
在特别有利的实施方案中，如在图2中示出的，在图2中燃料电池4被示出在正视图中，燃料电池在数量上为4个并被布置成2
×
2矩阵式排列。
[0070]
在燃料电池4的正视图中，燃料电池4例如被布置成使得它们的中心轴线e被布置在假象正方形的四个角处。
[0071]
燃料电池4优选地被布置成使得它们的中心轴线e彼此平行。
[0072]
每个燃料电池4沿电化学电池6的中心堆叠轴线e具有位于燃料电池4的两端的正面35f和背面35r。
[0073]
燃料电池4优选被布置成使得它们的正面35f面向相同的方向并且它们的背面35r面向相同的方向。
[0074]
燃料电池4的正面35f优选地布置在同一个平面(图2中的平面)中。
[0075]
燃料电池4的进气口4c例如位于燃料电池4的的正面35f上。
[0076]
燃料电池4优选地以相同的取向围绕其相应的堆叠轴线e被布置。
[0077]
在所示出的示例中，每个燃料电池4的正面35f具有矩形轮廓，每个燃料电池4围绕其堆叠轴线e进行取向，使得正面35f的边缘平行于燃料电池4的矩阵式排列的行和列方向，每个燃料电池4的进气口4c位于正面35f的左上角处。
[0078]
在优选实施方案中，燃料电池的出气口4d也位于燃料电池4的正面35f上。
[0079]
在每个燃料电池4的正面35f为矩形形状的情况下，进气口4c和出气口4d例如各自位于正面35f的相应的一个角处，具体地位于两个沿对角线彼此相对的角处。
[0080]
如在图2中示出的，燃料电池的出气口4d例如位于燃料电池4的正面35f的右下角处。
[0081]
进气歧管22(也被称为“分布器”)被配置成在燃料电池4的进气口4c之间以均匀方式分布由空气压缩机26生成的气流。
[0082]
进气歧管22包括公共导管36和连接到公共导管36的多个个体导管38，每个个体导管38连接到相应的一个燃料电池4的进气口4c。
[0083]
考虑到气流的方向，公共导管36逐渐分叉，以形成进气歧管22的个体导管。
[0084]
进气歧管22包括用于每个燃料电池4的相应的一个个体导管38。每个燃料电池4的进气口4c连接到进气歧管22的相应的一个个体导管38。
[0085]
进气歧管22的公共导管36沿公共延伸轴线a延伸，并且进气歧管22的每个个体导管38沿相应的一个个体延伸轴线b延伸。
[0086]
在一个实施方案中，个体导管38的个体延伸轴线b平行于公共导管36的公共延伸轴线a。
[0087]
有利的是，进气歧管22具有围绕其公共导管36的公共延伸轴线a的离散的旋转对称性。
[0088]
进气歧管22具有围绕其公共导管36的延伸轴线a的n级的旋转对称性，n是正整数。在这种情况下，进气歧管22围绕其公共导管36的公共延伸轴线a旋转2π/n的角度而能在空间分布上保持不变。
[0089]
进气歧管22例如具有相对于包含公共导管36的公共延伸轴线a的至少一个对称平面的正交对称性。
[0090]
在具体实施方案中，如在图3中所示的，进气歧管22具有相对于各自包括公共导管36的公共延伸轴线a的两个不同的对称平面p1、p2的正交对称性，两个对称平面p1、p2优选地彼此垂直。
[0091]
进气歧管22例如包括位于公共导管36和个体导管38之间的至少两个分叉部。例如，每个分叉部将上游导管分成两个下游导管。
[0092]
如在图3中所示的，进气歧管22例如被配置成使得其公共导管36在主分叉部40处被细分成两个主导管42，每个主导管42继而在辅分叉部44处被分支成两个辅导管46。每个辅导管46例如终止于相应的一个个体导管38。
[0093]
此类进气歧管22因此包括四个个体导管38。其被配置用于包括如在图2中所示的四个燃料电池4的电化学系统2。
[0094]
进气歧管22包括各自从主分叉部40延伸的两个歧管部分48，两个歧管部分48中的每个相对于对称平面p1而与另一个歧管部分对称。
[0095]
每个歧管部分48包括相应的一个辅分叉部44和从辅分叉部44延伸的两个歧管子部分50，两个歧管子部分50中的每个相对于对称平面p2而与另一个歧管子部分对称。
[0096]
优选地，进气歧管的导管的横截面积从公共导管36到个体导管38逐渐减小。
[0097]
具体地，沿着从公共导管36到个体导管38的方向，进气歧管22的导管的横截面积在每个分叉部(例如，主分叉部40和辅分叉部44)之后逐渐减小。
[0098]
在所示的示例中，导管的横截面积沿主导管42和辅导管46逐渐减小。每个主导管42和每个辅导管46具有面积逐渐减小的横截面。
[0099]
考虑到气流的方向，进气歧管22的导管的横截面积从上游(公共导管36)到下游(个体导管38)逐渐减小。
[0100]
进气歧管22的每个导管的横截面积的减小在导管的整个长度上或导管的一部分长度上实现。
[0101]
在图3中所示的示例中，主导管42和辅导管46的横截面积的减小在这些导管的一部分长度上实现。
[0102]
出气歧管24也被配置成在燃料电池4之间提供空气的均匀分布。
[0103]
为此，其被配置成将从燃料电池4的出气口排出的单独的气流组合成公共流出气流，从而确保为不同的单独气流提供相同的流动条件。
[0104]
为此，如在图4中所示的，出气歧管24例如与进气歧管22类似。
[0105]
出气歧管24包括公共导管56和连接到公共导管56的多个个体导管58，每个个体导管58连接到相应的一个燃料电池4的出气口4d。
[0106]
考虑到气流的方向，出气歧管24的个体导管58汇合以形成出气歧管24的公共导管56。
[0107]
出气歧管24包括用于每个燃料电池4的相应的一个个体导管58。每个燃料电池4的出气口4d连接到出气歧管24的相应的一个个体导管58。
[0108]
出气歧管24的公共导管56沿公共延伸轴线c延伸，并且出气歧管24的每个个体导管58沿相应的个体延伸轴线d延伸。
[0109]
在一个实施方案中，出气歧管24的个体导管58的个体延伸轴线d平行于出气歧管24的公共导管56的公共延伸轴线c。
[0110]
有利的是，出气歧管24具有围绕其公共导管56的公共延伸轴线a的旋转对称性。
[0111]
出气歧管24具有围绕其公共导管56的公共延伸轴线c的n级的旋转对称性。在这种情况下，出气歧管24围绕其公共导管56的公共延伸轴线c旋转2π/n的角度而能在空间分布上保持不变。
[0112]
出气歧管24具有相对于各自包含公共导管56的公共延伸轴线c的至少一个对称平面的正交对称性。
[0113]
在具体实施方案中，如在图4中所示的，出气歧管24具有相对于各自包含公共导管56的公共延伸轴线c的两个不同的对称平面p3、p4的正交对称性，两个对称平面p3、p4优选地彼此垂直。
[0114]
出气歧管24例如包括位于公共导管56和个体导管58之间的至少两个分叉部。例如，每个分叉部将上游导管分成两个下游导管。
[0115]
如在图4中所示的，出气歧管22例如被配置成使得其公共导管56在主分叉部60处被细分成两个主导管62，每个主导管62继而在辅分叉部64处被分支成两个辅导管66。每个辅导管66例如终止于相应的一个个体导管58。
[0116]
此类进气歧管24因此包括四个个体导管58。其被配置用于包括如在图2中所示的四个燃料电池4的电化学系统2。
[0117]
出气歧管24包括各自从主分叉部60延伸的两个歧管部分68，两个歧管部分68中的每个相对于对称平面p4而与另一个歧管部分对称。
[0118]
每个歧管部分68包括相应的一个辅分叉部64和从辅分叉部64延伸的两个歧管子部分70，两个歧管子部分70中的每个相对于对称平面p3而与另一个歧管子部分对称。
[0119]
优选地，出气歧管24的导管的横截面积从公共导管56到个体导管58逐渐减小。
[0120]
具体地，沿着从公共导管56到个体导管58的方向，出气歧管24的导管的横截面积在每个分叉部(例如，主分叉部60和辅分叉部64)之后逐渐减小。
[0121]
考虑到气流的方向，出气歧管24的导管的横截面积从上游(个体导管58)到下游(公共导管56)逐渐增大。
[0122]
在所示的示例中，导管的横截面积沿主导管62和辅导管66逐渐减小。每个主导管62和每个辅导管66具有面积逐渐减小的横截面。
[0123]
出气歧管24的每个导管的横截面积的减小在导管的整个长度上或导管的一部分长度上实现。
[0124]
在图4中所示的示例中，主导管62和辅导管66的横截面积的减小在这些导管的一部分长度上实现。
[0125]
在图3和图4所示出的，每个分叉部(进气歧管22的主分叉部40和辅分叉部46，出气歧管24的主分叉部60和辅分叉部64)大体上为t形的。
[0126]
作为另外一种选择，第一导管与从第一导管延伸的两个第二导管之间的分叉部中的至少一个或每个为y形的。
[0127]
这避免了可能会导致歧管(进气歧管22或出气歧管24)在同一级别处的不同导管中的气流的不均匀性的局部过压的发生。
[0128]
两个第二导管可为成角度的。
[0129]
如在图5中所示的，进气歧管22的公共导管36(第一导管)在主分叉部40处分成两个主导管42(第二导管)，主分叉部40为y形的。主导管42为成角度的。
[0130]
图5以举例的方式示出了进气歧管22的主分叉部40的情况，但是这当然可适用于出气歧管24的主分叉部60和/或可适用于进气歧管22的每个辅分叉部44和/或可适用于出气歧管24的每个辅分叉部64。
[0131]
歧管的相同级别的分叉部(辅分叉部、可能的第三分叉部，等)优选地具有相同类型的形状，以便于确保不同燃料电池之间的均匀流动。
[0132]
在具有带有辅分叉部44的进气歧管22的四个燃料电池4的示例中，这些辅分叉部44具有相同的形状(例如，t形或y形)。
[0133]
在具有带有辅分叉部64的出气歧管24的四个燃料电池4的示例中，这些辅分叉部64具有相同的形状(例如，t形或y形)。
[0134]
可选地，将第一导管分成两个第二导管的分叉部中的至少一个或每个具有从分叉部延伸入第一导管中的中间分隔部，该中间分隔部将第一导管分成相对于该中间分隔部对称的两个部分。
[0135]
这防止两个第二导管之间的接合点处的湍流并改善两个第二导管的气流的均匀性。
[0136]
在图5中所示的，进气歧管22的主分叉部40设置有延伸入公共导管38中的中间分隔部72，该中间分隔部72将公共导管38分成位于该中间分隔部72两侧且位于主导管42上游的两个对称部分。
[0137]
图5以举例的方式示出了进气歧管22的主分叉部40的情况，但是这当然可适用于出气歧管24的主分叉部60和/或可适用于进气歧管22的每个辅分叉部44和/或可适用于出气歧管24的每个辅分叉部64。
[0138]
如果歧管(进气歧管22或出气歧管24)的分叉部具有中间分隔壁，则与该分叉部相同级别的其它分叉部也具有中间分隔壁。
[0139]
具体地，在进气歧管22的一个辅分叉部44具有中间分隔部72时，进气歧管22的另一个辅分叉部44也具有一个中间分隔部72，而在出气歧管24的一个辅分叉部64具有中间分隔部72时，出气歧管24的另一个辅分叉部64也具有一个中间分隔部72。
[0140]
在一个实施方案中，电化学系统2具有150kw和350kw之间的标称/最大输出。每个燃料电池4具有40kw和100kw之间的标称/最大输出。
[0141]
优选地，空气压缩机26具有250g/sec和600g/sec之间的标称/最大流速。
[0142]
电化学系统2可被配置用于静止用途，例如作为用于建筑物的电力的主要电源或辅助电源，或可被配置用于移动用途，例如作为例如客车、公共交通车辆或重载货车、有轨车辆、气垫车等道路车辆中的电力的车载电源。
[0143]
利用本发明，能够获取向串联电连接的多个燃料电池4并联地供应空气的简单的电化学系统2。
[0144]
所提供的进气歧管22和出气歧管24允许在燃料电池4之间对来源于由单个空气压缩机26供应的传入气流的空气进行均匀分布，使得具有流过它们的相同电流的所述燃料电池能够在相同条件下进行操作。
[0145]
进气歧管22和出气歧管24的特征，具体是它们的离散的旋转对称性或者相对于一个或多个对称平面(p1、p2；p3、p4)的正交对称性，允许每个歧管内的空气的均匀分布。
[0146]
燃料电池4的最佳排列布局有助于提供具有此类对称性的进气歧管22和/或出气歧管24从而促进燃料电池4之间的均匀空气分布。
[0147]
使用单个空气压缩机26简化了空气供应系统18。
[0148]
能够实现具有高电力输出但设计简单的电化学发电系统2。
[0149]
此外，空气压缩机26是电化学系统的部件中相比于其它部件可靠性更低的一类部件。使用单个空气压缩机26代替多个空气压缩机简化了操作并提高了可靠性，并且简化了维护。
[0150]
进气歧管22和出气歧管24优选为相似的，并且例如具有上文所描述的特征中的每个特征。
[0151]
然而，可能进气歧管22或出气歧管24具有它们两者中的另一个所不具有的特征。
[0152]
大体来说，对于上文描述的特征中的每个特征，进气歧管22和出气歧管24中的至少一个具有所述特征。换句话讲，进气歧管22或出气歧管24各自具有特征。
[0153]
本发明并不限于所示出的实施方案，其他实施方案也是可能的。
[0154]
具体地，发电系统2中的燃料电池4的数量不是必须等于四。该数量例如可以是二、三、或超过四。