專利名稱：模塊化燃料電池堆組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，尤其涉及多堆燃料電池系統(tǒng)。
技術(shù)背景在建造燃料電池系統(tǒng)中，燃料電池傳統(tǒng)上一個堆疊在另一個上以 形成燃料電池堆。電池的數(shù)目確定堆的額定功率，為了向系統(tǒng)提供更 高的額定功率，利用許多個燃料電池堆并且燃料電池堆的輸出組合以 提供預(yù)期的功率輸出。在一種多堆燃料電池系統(tǒng)中，已經(jīng)提出通過形成模塊化多堆燃料電池組件來模塊化系統(tǒng)，每個所述組件包含容納在殼體內(nèi)的多個燃料 電池堆。在為高溫燃料電池堆，尤其為碳酸鹽燃料電池堆開發(fā)的這種 設(shè)計的系統(tǒng)中，矩形或盒狀的密閉結(jié)構(gòu)用作殼體并且堆沿著結(jié)構(gòu)的長 度成直線布置。結(jié)構(gòu)內(nèi)的每個堆具有用于接收操作堆所需的燃料和氧 化劑氣體的入口歧管和用于從堆輸出廢燃料和氧化劑氣體的出口歧 管。密閉結(jié)構(gòu)包括燃料和氧化劑氣體入口以用于通過管系或管道與堆 的各個燃料和氧化劑氣體入口歧管連通。所述結(jié)構(gòu)也具有燃料和氧化劑氣體出口以用于通過管系與氧化劑和燃料氣體出口歧管連通。燃料入口沿著所述結(jié)構(gòu)的長度成直線布置并且集管(header)將燃料輸送 到每個端口。類似類型的布置用于氧化劑氣體入口。燃料和氧化劑氣 體出口也與各個集管連通以用于運載來自模塊組件的廢氣。為了保證合適的均勻流動分布和通過堆的所需壓差，流動擋板設(shè) 在將燃料和氧化劑氣體入口連接到各自堆入口歧管的管系或管道中。殼體內(nèi)的每個堆和管系也被隔絕以將堆與密閉結(jié)構(gòu)絕熱。密閉結(jié)構(gòu)的冷盒狀設(shè)計需要密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部以及外部的熱膨脹接頭
以最小化橫跨燃料和氧化劑密封件的壓差。也提供氮氣以清除從燃料 電池到殼體中的任何微小泄漏。盡管以上類型的模塊化多堆燃料電池組件實現(xiàn)了預(yù)期效果，但是 管系和擋板要求使每個組件復(fù)雜而昂貴。絕熱要求也是苛刻的，從而 進一步增加了每個組件的成本。另外，氮氣凈化的需要增加了另一氣 流，從而增加了過程控制要求。這些因素導(dǎo)致設(shè)計者尋找不太復(fù)雜和 成本較低的設(shè)計選擇。發(fā)明內(nèi)容所以，本發(fā)明的目標是提供一種改進的模塊化多堆燃料電池組件。本發(fā)明的進一步目標是提供一種模塊化多堆燃料電池組件，其中 以更簡單和更具有成本效率的方式實現(xiàn)堆間流動分布和壓差要求。本發(fā)明的又一目標是提供一種模塊化多堆燃料電池組件，其中輸 入和輸出端口要求和管系要求顯著減少。本發(fā)明的進一步目標是提供一種模塊化多堆燃料電池組件，其中 使組件絕熱的方式被改進。本發(fā)明的進一步目標是提供一種模塊化多堆燃料電池組件，其中 組件的殼體和進出殼體的連接被簡化。本發(fā)明的又一 附加目標是提供一種以上類型的模塊化多堆燃料電 池組件，其消除了氮氣凈化的使用，最小化絕熱并且減小了管系和關(guān) 聯(lián)膨脹接頭。根據(jù)本發(fā)明的原理，在一種模塊化多堆燃料電池組件中實現(xiàn)了以 上和其他目標，其中燃料電池堆位于密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)并且其中氣體分配器 設(shè)在所述結(jié)構(gòu)中，將接收的燃料和氧化劑氣體分配到所述堆并且接收 來自所述堆的燃料廢氣，從而實現(xiàn)所需氣流分布和通過所述堆的氣體 壓差。優(yōu)選地，氣體分配器相對于所述堆居中和對稱地布置，從而它 自身促進了理想的均勻氣流分布和低壓差的實現(xiàn)。在本發(fā)明的進一 步方面中，密閉結(jié)構(gòu)充當用于所述堆的氧化劑氣 體輸入歧管并且每個堆的端板用于將燃料耦聯(lián)到來自所述堆的廢燃料
和氧化劑氣體。本發(fā)明的附加方面包括使密閉結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面的部分上 的組件絕熱以緩解使所述堆和流動分布管系絕熱的需要，從而由圍繞 所述堆的上殼體和由上殼體接合并且支撐所述堆的基部元件形成密閉 結(jié)構(gòu)，每個入口和出口燃料以及氧化劑氣體端口使用單一端口并且為 這些端口中的每一個配置具有階梯狀過渡部的外壁。在下文將要公開的本發(fā)明的實施方式中，上殼體包括優(yōu)選為準球 形的頭部和從所述頭部延伸的主體，所述主體優(yōu)選為圓形或卵形加壓 容器。基部元件又包括容納基架的基板，所述基架支撐燃料電池堆， 所述燃料電池堆數(shù)目為四并且被定位成具有兩組相對的堆。這允許氣 體分配器位于所述堆的中心并且相對于所述堆對稱地布置。每個所述 堆在三個面上具有歧管， 一個入口歧管用于燃料氣體，兩個出口歧管 分別用于燃料廢氣和氧化劑廢氣。上殼體自身充當用于每個堆的第四 面的氧化劑氣體入口歧管。氣體分配器具有三個連續(xù)部分。 一個部分接收燃料并且將它分配 給耦聯(lián)到每個堆的第一端板的管系。其他部分通過分別耦聯(lián)到每個堆的第二端板和第一端板的管系接收氧化劑廢氣和燃料廢氣。用于密閉結(jié)構(gòu)的絕熱體設(shè)在上殼體內(nèi)壁上并且包括多個層。絕熱 體的每個層被分段成相鄰部分。所述分段鄰接的位置在層與層之間是 偏移的。夾子和銷布置用于將層固定在一起并固定到殼體的內(nèi)壁。薄 片金屬內(nèi)襯用在絕熱體上以防止與氧化劑氣體直接接觸。為了緊湊度和易于安裝，殼體壁中的階梯狀入口和出口燃料以及 氧化劑氣體端口成直線布置在殼體的一側(cè)上。 附圖的簡要說明在結(jié)合附圖閱讀以下具體描述的基礎(chǔ)上將更顯而易見本發(fā)明的以上和其他特征和方面，其中

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的原理的模塊化多堆燃料電池組件和氣流 分配器，其中密閉結(jié)構(gòu)的上殼體就位；圖2顯示了圖1的模塊化多堆燃料電池組件，其中上密閉結(jié)構(gòu)被 去除；
圖3顯示了圖1的組件的俯視圖，其中密閉容器的上殼體被去除； 圖4顯示了圖1的組件的密閉結(jié)構(gòu)的橫截面圖； 圖5顯示了圖1的燃料電池組件的密閉結(jié)構(gòu)的下支撐基部元件的 俯視圖；圖6顯示了圖1的組件的密閉結(jié)構(gòu)的等軸橫截面； 圖7顯示了圖1的氣流分配器的正視圖；圖8 - IO顯示了圖1的燃料電池組件和氣流分配器的各種平面圖； 圖11示出了氣流分配器的等軸視圖，其中示出了氧化劑廢氣內(nèi)部 擋板；圖12顯示了帶有實心端板的傳統(tǒng)燃料電池堆組件；圖13、 14和15A-15D顯示了圖l的燃料電池組件的堆，其描繪了所述堆的中空貫穿端板的細節(jié)；和圖16-19顯示了用于圖l的燃料電池組件的密閉結(jié)構(gòu)中的絕熱體的細節(jié)。
具體實施方式
圖1-ll顯示了根據(jù)本發(fā)明的原理的模塊多堆燃料組件1的各種 視圖。組件1包括多個類似的燃料電池堆，它們被顯示成相對的堆2 和3以及相對的堆4和5。為了允許觀察組件1的其它部件，堆2和5 未在圖2中描繪，但是可以在圖3和圖8-10中看到。堆2-5均沿豎直方向在高度方向延伸并且支撐在密閉結(jié)構(gòu)6的基 部部分7上。密閉結(jié)構(gòu)也包括圍繞并密閉燃料電池堆的上殼體8 (在 圖1中示出)。氣流分配器9相對于殼體8中的堆居中定位，該氣流分 配器充當用于將燃料和氧化劑分配進出燃料電池堆的單元。更特別地，參考圖2，分配器9包括氧化劑廢氣部分11,燃料入 口部分12，和燃料廢氣部分13，所有部分沿豎直方向?qū)?。另外，?配器9包括管系或管道以用于耦聯(lián)進出分配部分的各個燃料或氧化劑 組分。具體而言，如圖2和8中所示，管道14、 15、 16和17將來自 各個堆2、 4、 3和5的氧化劑廢氣耦聯(lián)到氧化劑廢氣部分11。管道18、 19、 21和22又將來自燃料入口部分12的燃料分別耦聯(lián)到堆4、 5、 3 和2，如圖9中所示，并且管道23、 24、 25和26將來自堆4、 5、 3 和2的燃料廢氣分別耦聯(lián)到燃料廢氣部分13，如圖10中所示。分配器還包括另外的管道27、 28和29，如圖2和7中所示。參 考后兩個圖和圖1，運載來自部分11的氧化劑廢氣的管道27連接到 上殼體8中的氧化劑氣體排放端口 31。接收來自上殼體8中的燃料入 口 32的燃料的管道28連接到部分12。運載來自部分13的燃料廢氣 的管道29又連接到上殼體中的燃料氣體排放端口 33。在所示的情況下，每個燃料電池堆2-5是高溫燃料電池堆，例如 象熔融碳酸燃料電池堆。根據(jù)本發(fā)明，包括部分11 - 13以及管道18、 19和21 - 29的分配 器9適于自身促進所需均勻氣流和通過堆2 - 5的所需均勻壓差。在所 示的情況下，這通過相對于所述堆對稱和居中地布置分配器9而得以 實現(xiàn)。具體而言，燃料入口管道28和燃料分布部分12共同地用于所有 堆，并且等長管道18、 19、 21和22用于將來自分布部分12的燃料運 載到各個堆。類似地，等長管道14-17將來自堆的氧化劑廢氣耦聯(lián)到 公共的氧化劑廢氣分布部分11，氣體從所述部分通過公共的管道27 離開。類似地，等長管道23- 26將來自堆的燃料廢氣運載到公共的燃 料廢氣分布部分13，該氣體從所述部分通過公共的管道29離開。為了保證到燃料電池堆2 - 5的均勾氧化劑氣流和壓降，廢氣分配 部分11在內(nèi)部裝配有管道27的連續(xù)部分10，如圖11中所示。如圖 所示，連續(xù)部分是部分圓柱形，特別是半圓柱形。因而，使用該配置用于分配器9，使得燃料的流動分布和氧化劑 的流動分布兩者更均勻。也使得通過堆的氣體的壓差更均勻。所以， 通過使用分配器9顯著減少了提供該均勻性對附加部件的需要。與流 動分布關(guān)聯(lián)的總能量損失也被最小化。燃料電池堆2-5的端板組件也導(dǎo)致了氧化劑和燃料的流動分布 的均勻性。這些端板組件包含不同于傳統(tǒng)燃料電池堆的實心端板設(shè)計 的中空貫穿設(shè)計。更特別地，圖12顯示了帶有實心上下端板121和 122的傳統(tǒng)燃料電池堆120。歧管123將供應(yīng)氣體耦聯(lián)到堆120的燃料 電池120A并且歧管124耦聯(lián)來自燃料電池的廢氣。具有上下壓縮板 125A的壓縮組件125將堆的電池保持就位。延伸通過壓縮板并且連接 到端板的上下端子126和127允許耦合來自堆的電能。圖12的傳統(tǒng)堆120由于不對稱歧管連接而不能提供均勻流動，這 部分地由于實心端板導(dǎo)致。由于這些端板，堆120還需要附加電加熱 器。與之相比，本發(fā)明的每個燃料電池堆2-5包括上下端板組件601 和701。圖13、 14和15A-15D顯示了用于堆2的這些組件。構(gòu)造與 堆2相同的堆3-5具有類似的端部組件。如下面將要論述的，端板組 件601和701允許燃料容易地通過等長管道18、 19、 21和22耦聯(lián)到 堆，并且進一步允許同樣容易地分別通過等長管道14 - 17和等長管道 23 - 26耦聯(lián)來自堆的氧化劑廢氣和燃料廢氣。參考圖13和14，堆2具有與氧化劑氣流關(guān)聯(lián)的相對的第一和第 二面101和102以及與燃料氣流關(guān)聯(lián)的相對的第三和第四面103和 104。堆2進一步具有分別鄰接堆面102、 103和104的第一、第二和 第三歧管202、 203和204。保持組件(未顯示)將這些歧管保持靠在 堆面上并且具有壓縮板402的壓縮組件401壓縮上下端板601和701 以將堆的電池2A保持就位。延伸通過壓縮板402的上下端子501和 502允許獲得來自堆的電輸出。圖15A-15B顯示了上端板組件601的進一步細節(jié)。如圖所示， 端板組件601在組件的面602上具有入口區(qū)域603。組件的該面由來 自各個堆的各個氧化劑廢氣出口歧管202的氧化劑廢氣覆蓋并且接收 所述廢氣。端板組件601進一步包括或限定延伸通過組件到達出口區(qū) 域606的通道604。出口區(qū)域606布置在組件的另一個面605上，在 所示的情況下，所述另一個面是與組件的面602相對的后一個面。出 口區(qū)域606又與分配器9的管道14耦聯(lián)，所述管道14運載來自各個 堆的氧化劑廢氣。組件601的端面602的邊緣形成容納歧管202的密 封件的密封區(qū)域。如果需要，可以使用凹式幾何形狀延伸這些密封區(qū) 域以進一步適應(yīng)在長期操作期間發(fā)生的尺寸變化。而且，在所示的情況下，立柱607分布在端板組件601的內(nèi)部并 且在組件的上下面608和609之間延伸。立柱607提供端板組件的機 械強度以及面608和609之間的電接觸。端板組件因而提供固定到組 件的面608的堆端子501和堆的電池之間的電接觸，所述電池與組件 的面609電接觸。在圖13和15A- 15B中所示的端板組件601的形式中，組件被配 置成中空主體，如圖所示的中空矩形主體。面602和605又由主體的 相對側(cè)壁限定，通道604由主體的內(nèi)部空間限定，并且面608和609 由主體的相對的上下壁限定。端板組件601的總熱質(zhì)由于中空構(gòu)造而減小。組件的貫穿幾何形 狀允許過程氣體為組件提供熱，因而消除了需要獨立的電加熱器和相 關(guān)寄生功率。產(chǎn)生的端板組件在熱響應(yīng)中更接近燃料電池堆的其余部 分?？傊亓亢统杀颈粶p小，同時燃料電池堆可用的凈電輸出增加。在圖14和15C-15D中詳細顯示了下端板組件701。如圖所示， 該端板組件具有第一面702,該面包括適于耦聯(lián)到分配器9的管道的 入口區(qū)域703，所述管道將燃料輸送到各個堆。該面還包括出口區(qū)域 704，該出口區(qū)域適于耦聯(lián)到分配器9的運載來自堆的燃料廢氣的管 道。端板組件701進一步限定第一通道705,所述通道705與入口區(qū) 域703耦聯(lián)并且將輸送到入口區(qū)域的燃料運載到第二面706。端板組 件的該面被各個堆的燃料入口歧管覆蓋。具有入口區(qū)域708的端板組 件的第三面707被堆的燃料廢氣出口歧管覆蓋。端板組件701附加地 限定另外的通道709，所述通道709將入口區(qū)域708耦聯(lián)到出口區(qū)域 704。端板組件701在其內(nèi)部還包括連接在端板組件的相對面712和 713之間的立柱711。與端板組件601的立柱607類似，這些立柱提供 了組件的機械強度以及面712和713之間的電接觸。該接觸又提供與 固定到面713的堆端子502的電接觸。
在圖15C-15D所示的情況下，端板組件701也采用中空主體的 形式，特別地采用矩形中空主體的形式。面702由中空主體的第一側(cè) 壁限定，面706和707由主體的相對的第二和第三側(cè)壁限定，通道705 由延伸通過主體內(nèi)部的管限定，通道709由主體的內(nèi)部限定，并且表 面712和713由主體的相對的上下壁限定。
如上文所述可以理解，利用以上面的方式配置的每個堆的端板組 件601和701，氧化劑和燃料專門通過端板組件被耦聯(lián)進出所述堆。 流動連接可以來自側(cè)面、頂面或底面。將參考圖13和14描述通過堆 2的氧化劑和燃料的流動。通過其他堆的流動是類似的。
具體而言，通過氧化劑氣體入口 34進入上殼體8的氧化劑氣體由 充當氧化劑氣體入口歧管的上殼體輸送到堆2的面101。該面具有用 于堆的燃料電池2A的氧化劑流動通道的入口。然后氧化劑流過燃料 電池的這些通道并且氧化劑廢氣在堆2的相對面102離開這些通道。 鄰接該堆面的歧管202然后將氧化劑廢氣運載到具有端板組件601的 入口區(qū)域603的面602。氧化劑廢氣然后經(jīng)由通道604輸送通過組件 到達出口區(qū)域606。該區(qū)域耦聯(lián)到分配器9的管道14 (參見圖8)，所 述管道14將氣體運載到分配器的氧化劑廢氣部分11。氧化劑廢氣然 后通過管道27離開部分11并且通過出口 31離開上殼體。
在另一方面，燃料通過燃料入口 32進入上殼體并且通過管道28 耦聯(lián)到分配部分12 (參見圖9)。分配部分12將燃料傳遞到管道22, 該管道22耦聯(lián)到下端板組件701的入口區(qū)域703 (參見圖14)。燃料 從入口區(qū)域通過通道705,所述通道705將燃料沉淀在燃料氣體入口 歧管203中。燃料然后通過堆2的燃料電池2A并且燃料廢氣進入燃 料氣體出口歧管204。該歧管將燃料廢氣耦聯(lián)到具有端板組件701的 入口區(qū)域708的面707。燃料廢氣從入口區(qū)域708通過端板組件的通 道709,從而到達出口區(qū)域704。
氣體離開出口區(qū)域704進入分配器9的管道26 (參見圖10 )并且 被運載到分配器的燃料廢氣部分13。廢氣通過管道29離開該部分并 且通過廢氣出口 33離開殼體。
可以理解，使用端板組件601和701，僅僅在端板組件進行與堆2 -5的氣流連接而在歧管處不進行連接。該布置將歧管與堆在機械上 分離，導(dǎo)致更佳機械設(shè)計以用于長期操作。而且，與更強端板的機械 連接比那些傳統(tǒng)上與薄壁堆歧管的機械連接更堅固。圖4和6分別顯示了圖1的模塊化多堆燃料電池組件的密閉結(jié)構(gòu) 6的正視圖和橫截面圖。如上所述，密閉結(jié)構(gòu)6包括支撐上殼體8的 基部部分7。在所示的情況下，上殼體8具有圓柱形殼或容器體8A和準球形 蓋或頂部8B。這允許蓋8B使用薄層結(jié)構(gòu)，同時仍然能夠適應(yīng)上殼體 的加壓環(huán)境?？蛇x地，蓋8B可以;故成形為具有平配置以適應(yīng)堆的更 高高度和實現(xiàn)更緊湊的布局。氧化劑氣體入口 34、氧化劑廢氣出口 31、燃料入口 32和燃料廢 氣出口 33沿著容器體8A上的共同豎直線定位。在圖4和6的視圖中 可見，端口 31-34均釆用帶有階梯狀過渡部的噴嘴的形式。因而端口 34具有階梯狀過渡部34A，端口 31具有階梯狀過渡部31A，端口 32 和33具有階梯狀過渡部32A和33A。這些過渡部允許各個噴嘴適應(yīng) 容器體8A的膨脹，同時仍然保持與連接到噴嘴的管系的有效連接。 這避免了需要使用風(fēng)箱式或其他類型的膨脹接頭來保持這些連接，由 此節(jié)省空間和減少成本。如下所述階梯狀過渡部也有助于使噴嘴絕熱。更特別地，如圖4中所示，由階梯狀過渡部限定的區(qū)域的體積可 以填充圓柱形絕熱層。這可以在圖19中更詳細地看到，圖19以放大 比例顯示了帶有階梯狀過渡部34A的噴嘴34?？梢钥闯?，圓柱形絕熱 層901、 902和卯3充滿了由階梯狀過渡部34A限定的區(qū)域的體積。 通過噴嘴耦聯(lián)的管系因而可以與容器體8A的表面絕熱以便將容器體 的外表面保持在比上殼體所限定的內(nèi)部空間低得多的溫度下。在圖5中詳細地可見，密閉結(jié)構(gòu)6的底部7包括容器支撐環(huán)41 和結(jié)構(gòu)基部42。環(huán)41由結(jié)構(gòu)鋼制成，容器體8A和結(jié)構(gòu)基部42分別 連接到所述結(jié)構(gòu)鋼。結(jié)構(gòu)基部42包括堆支撐梁43和44。所述梁以柵 格圖案被布置，并且四個梁44的組形成用于每個堆2-5的矩形支撐
架45。梁43又被布置成彼此相交并且支撐在它們的交叉區(qū)域處的氣 體分配器9。梁43也與矩形支撐架的內(nèi)角交叉。梁43適于安裝到組 件1用于其中的設(shè)施的底板上并且為組件提供主要結(jié)構(gòu)支撐。參考圖16，為了使容器體8A下方的環(huán)41內(nèi)的區(qū)域41A與容器 體8內(nèi)由堆2 - 5所生成的熱絕熱，底部7進一步包括絕熱底板46(參 見圖16)，該絕熱底板46覆蓋開口并且也由環(huán)41支撐。底板具有堆 2-5的下端通過其中的開口，從而每個堆的壓縮板可以抵靠在相應(yīng)支 撐架45的梁44上。絕熱體46下方的空間因而可以用于容納堆的壓縮 組件的部件。另外，將與堆一起使用的所有電部件可以容納在該絕熱 區(qū)域以及進入組件1的所有其他穿透區(qū)域例如電穿透區(qū)域中。底板46 也具有用于所收集的通過內(nèi)部冷凝產(chǎn)生的水的排水通道。除了將底部7的區(qū)域41A與上殼體8內(nèi)的絕熱之外，容器體8A 和頂蓋8B均被絕熱，從而上殼體的外表面也與殼體內(nèi)的熱絕熱。更 特別地，如圖4、 17、 17A、 18和19所示，容器體和頂蓋的內(nèi)壁帶有 類似的絕熱組件47和48?？梢钥闯?，組件47和48均包括由細網(wǎng)狀不銹鋼形成的冷凝集聚 層49。該層鄰接殼體的內(nèi)壁并且集聚壁上的任何濕氣，從而允許濕氣 冷凝并且滴下以從殼體的內(nèi)部被除去。由疏水材料例如多微孔硅構(gòu)成 的下一層50緊跟著層49。絕熱層51然后緊跟著層50并且不銹鋼內(nèi) 襯52緊跟著絕熱層51。如圖17A中所示，絕熱層51均包括絕熱分段51A,所述分段彼 此鄰接以形成層。連續(xù)層的分段進一步彼此交錯或偏移。在圖18和 19中可見，銷53通過組件47和48的層并且通過焊接連接到殼體的 內(nèi)表面。夾子54用于將分段47和48固定到銷53。盡管可以提供夾 子54以將層的每個分段固定到銷，為了減小由銷-夾子構(gòu)造攜帶的熱 損失量，可以通過允許層中的分段由外層的重疊夾持分段固定而減小 銷的數(shù)目。使用如上述構(gòu)造的組件47和48,防止了在上殼體8中生成的熱 到達殼體的外表面。因而殼體內(nèi)部中大約1200。F的溫度(這是在燃料
堆2 - 5是熔融碳酸鹽燃料堆的情況下典型的溫度)可以在殼體的外壁 -故減小到大約100°F。如先前所述和如圖19中所示，上殼體中噴嘴的絕熱階梯狀過渡部 也有助于上殼體的外表面保持在該低溫。該絕熱體使運載進出殼體的 熱氧化劑和燃料的管系絕熱以免于受到熱氣體影響，由此將殼體的外 表面溫度保持在低溫。在所有情況下應(yīng)當理解，上述布置僅僅是代表本發(fā)明的應(yīng)用的許多可能的具體實施方式
的示例。根據(jù)本發(fā)明的原理可以容易地設(shè)計許 多和各種其他布置而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種模塊化多堆燃料電池組件包括多個燃料電池堆；和布置在所述燃料電池堆中心的氣體分配器，所述氣體分配器將接收的燃料分配到每個所述燃料電池堆并且接收來自每個所述燃料電池堆的燃料廢氣和氧化劑廢氣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述氣體分配器相對于所述燃料電池堆對稱地布置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述氣體分配器包括第一、第二和第三部分，所述第一部分用于將接收的燃料分配到每個所述燃料電池堆，所述第二部分用于接收來 自每個所述燃料電池堆的燃料廢氣，所述第三部分用于接收來自每個 所述燃料電池堆的氧化劑廢氣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述氣體分配器進一步包括從所述氣體分配器的所述第一部分到每個所述多堆燃料電池組件具有相同的第一預(yù)定長度的第一管系； 從所述氣體分配器的所述第二部分到每個所述多堆燃料電池組件具有 相同的第二預(yù)定長度的第二管系；和從所述氣體分配器的所述第三部 分到每個所述多堆燃料電池組件具有相同的第三預(yù)定長度的第三管 系。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述模塊化多堆燃料電池組件進一步包括密閉結(jié)構(gòu)；并且 所述氣體分配器進一步包括從所述第一部分到所述密閉結(jié)構(gòu)的氧化劑氣體出口的第一管道；從所述第二部分到所述密閉結(jié)構(gòu)的燃料 氣體出口的第二管道；和從所述第三部分到所述密閉結(jié)構(gòu)的燃料氣體 入口的第三管道。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述氣體分配器的所述第一、第二和第三部分在豎直方向上對準； 所述氧化劑氣體出口 、所述燃料氣體出口和所述燃料氣體入口在豎直方向上對準；并且所述第一、第二和第三管道在豎直方向上對準。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述第一管道具有延伸到所述第一部分中的部分。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述第一管道的所述部分具有部分圓柱形形狀。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化多堆燃料電池組件，進一步包括 密閉所述燃料電池堆的密閉結(jié)構(gòu)，所述密閉結(jié)構(gòu)具有在預(yù)定位置殼體。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述殼體包括準球形的頂蓋和作為加壓容器的主體。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述基部部分包括支撐環(huán)，其具有支撐所述殼體的上部和下部；和結(jié)構(gòu)基部，其連接到所述支撐環(huán)的所述底部并且支撐所述燃料電池 堆。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述基部部分進一步包括底板，所述底板在所述環(huán)的所述上部的范圍上延伸并且使所述上部下方的所述環(huán)內(nèi)的空間與所述殼體的內(nèi)部 絕熱。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中殼體中的區(qū)域。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 在所述上部和所述下部之間的所述環(huán)的部分包括用于器械、電控制和過程控制穿透到所述殼體中的所有區(qū)域。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述底板具有開孔，以用于所述結(jié)構(gòu)基部所支撐的所述燃料電池 堆從中通過。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述結(jié)構(gòu)基部包括形成柵格圖案的多個梁，所述柵格圖案限定用于每個所述燃料電池堆的支撐架。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述底板具有開孔以用于所述氣體分配器通過； 并且所述柵格圖案限定中心區(qū)域以用于為所述氣體分配器提供支撐。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述柵格圖案所限定的支撐架相對于所述柵格圖案所限定的中心區(qū)域?qū)ΨQ地定位。
19. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 每個所述堆具有分別用于接收燃料氣體和排出燃料廢氣的第 一和第二相對面、分別用于接收氧化劑氣體和排出氧化劑廢氣的第三和笫 四相對面、以及鄰接所述第一、第二和第四面的第一、第二和第三歧 管；并且管。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 每個所述燃料電池堆包括第一和第二端板；并且所述氣體分配器通過燃料電池的端板將燃料分配到每個所述 燃料電池堆并且接收來自每個所述燃料電池堆的燃料和氧化劑廢氣。
21. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的模塊化多堆燃料電池組件，進一步包括布置在所述殼體的內(nèi)壁上的絕熱體。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述絕熱體包括多個絕熱層，每個所述絕熱層包括鄰接分段，每個絕熱層的分段鄰接的位置在層與層之間是偏移的。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的模塊化多堆燃料電池組件，進一步包 括銷和夾子，其用于將所述絕熱層聯(lián)接在一起并且聯(lián)接到所述殼體 的內(nèi)壁。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的模塊化多堆燃料電池組件，進一步包括冷凝集聚層，其后緊跟著位于所述絕熱體和所述殼體的內(nèi)壁之間 的疏水層。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的模塊化多堆燃料電池組件，進一步包括布置在離所述殼體的所述內(nèi)壁最遠的所述絕熱體的表面上的不銹 鋼內(nèi)襯。
26. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述殼體包括用于接收管系的多個端口，每個所述端口具有階梯狀構(gòu)造。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的模塊化多堆燃料電池組件，進一步包括布置在所述端口的內(nèi)部區(qū)域的部分內(nèi)的絕熱體。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述多個端口包括分別用于接收燃料和氧化劑氣體的第 一和第二端口 ，以及分別用于排放燃料和氧化劑廢氣的第三和第四端口。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述端口沿著第一方向排列。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述氣體分配器包括第一、第二和第三部分，所述第一部分用于將接收的燃料分配到每個所述燃料電池堆，所述第二部分用于接收來 自每個所述燃料電池堆的燃料廢氣，所述第三部分用于接收來自每個 所述燃料電池堆的氧化劑廢氣；并且所述分配器的所述第一、第二和第三部分沿著第二方向排列。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述第二方向平行于所述第一方向。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的模塊化多堆燃料電池組件，其中 所述第一和第二方向沿豎直方向。
33. —種用于燃料電池堆的端板組件，所述燃料電池堆被提供有 氧化劑氣體和燃料并且生成燃料廢氣和氧化劑廢氣，所述端板組件具 有適于接收廢氣的入口區(qū)域、出口區(qū)域和連接所述入口區(qū)域的通道，所述出口區(qū)域。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的端板組件，其中 所述端板組件包括中空主體，所述中空主體具有上下壁和連接上下壁的多個側(cè)壁。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的端板組件，其中所述入口區(qū)域在所述中空主體的第一側(cè)壁中，所述出口區(qū)域在所 述中空主體的第二側(cè)壁中，并且所述通道由所述主體的內(nèi)部限定。
36. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的端板組件，其中 所述中空主體的所述第一側(cè)壁適于接合所述燃料電池堆的歧管的密封件。
37. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的端板組件，進一步包括 支撐元件，其連接所述中空主體的所述上下壁以用于使所述端板組件的強度增強。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的端板組件，其中 所述支撐元件進一步被配置成控制廢氣流過所述通道。
39. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的端板組件，其中 所述支撐元件是立柱。
40. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的端板組件，其中 接收的廢氣是氧化劑廢氣。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的端板組件，進一步包括 固定到所述上壁的端子，其適于充當所述堆的電輸出端子。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的端板組件，其中 所述中空主體的所述第一和第二側(cè)壁彼此相對。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的端板組件，其中 所述中空主體具有矩形形狀。
44. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的端板組件，其中 所述廢氣是燃料廢氣。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的端板組件，其中 所述端板組件具有適于接收燃料的另外的入口區(qū)域、另外的出口區(qū)域和連接所述另外的入口區(qū)域和另外的出口區(qū)域的另外的通道，所的入口區(qū)域運載到所述另外的出口區(qū)域。
46. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的端板組件，其中 所述另外的入口區(qū)域在所述中空主體的所述第二側(cè)壁中，并且所述另外的出口在所述中空主體的第三側(cè)壁中。
47. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的端板組件，進一步包括 固定到所述下壁的端子，其適于充當所述堆的電輸出端子。
48. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的端板組件，其中 所述中空主體的第一和第三側(cè)壁彼此相對。
49. 根據(jù)權(quán)利要求48所述的端板組件，其中 所述中空主體具有矩形形狀。
50. —種用于密閉燃料電池堆的密閉結(jié)構(gòu)，所述密閉結(jié)構(gòu)具有用 于在預(yù)定位置中支撐燃料電池堆的基部部分和接合基部元件以用于密 閉燃料電池堆的殼體，所述基部部分包括具有支撐所述殼體的上部和 下部的支撐環(huán)、連接到所述支撐環(huán)的所述下部的支撐所述燃料電池堆 的結(jié)構(gòu)基部和底板，所述底板在所述環(huán)的所述上部的范圍上延伸并且 使所述上部下方的所述環(huán)內(nèi)的空間與所述殼體的內(nèi)部絕熱。
51. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的密閉結(jié)構(gòu)，其中 所迷殼體包括準球形的頂蓋和作為加壓容器的主體。
52. 根據(jù)權(quán)利要求51所述的密閉結(jié)構(gòu)，其中 在所述上部和所述下部之間的所述環(huán)的部分包括用于穿透到所述 殼體中的區(qū)域。
53. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的密閉結(jié)構(gòu)，其中 在所述上部和所述下部之間的所述環(huán)的部分包括用于電控制穿透到所述殼體中的所有區(qū)域。
54. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的密閉結(jié)構(gòu)，其中 所述底板具有開孔，以用于所述燃料電池堆從中通過，從而被所述結(jié)構(gòu)基部所支撐。
55. 根據(jù)權(quán)利要求54所述的密閉結(jié)構(gòu)，其中 所述底板具有用于所收集的由內(nèi)部冷凝形成的水通過的排水通道。
56. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的密閉結(jié)構(gòu)，其中 所述結(jié)構(gòu)基部包括形成柵格圖案的多個梁，所述柵格圖案限定用于每個所述燃料電池堆的支撐架。
57. 根據(jù)權(quán)利要求54所述的密閉結(jié)構(gòu)，其中 所述底板具有開孔以用于氣體分配器通過；并且所述柵格圖案限定中心區(qū)域以用于為所述氣體分配器提供支撐。
58. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的密閉結(jié)構(gòu)，其中 所述柵格圖案所限定的支撐架相對于所述柵格圖案所限定的中心區(qū)域?qū)ΨQ地定位。
59. —種用于密閉燃料電池堆的密閉結(jié)構(gòu)，所述密閉結(jié)構(gòu)具有用 于在預(yù)定位置中支撐燃料電池堆的基部部分、接合基部元件以用于密 閉燃料電池堆的殼體和布置在所述殼體內(nèi)壁上的絕熱體。
60. 根據(jù)權(quán)利要求59所述的密閉結(jié)構(gòu)，其中 所述絕熱體包括多個絕熱層，每個所述絕熱層包括鄰接分段，每個絕熱層的分段鄰接的位置在層與層之間是偏移的。
61. 根據(jù)權(quán)利要求60所述的密閉結(jié)構(gòu)，進一步包括 銷和夾子，其用于將所述絕熱層聯(lián)接在一起并且聯(lián)接至所述殼體的內(nèi)壁。
62. 根據(jù)權(quán)利要求60所述的密閉結(jié)構(gòu)，進一步包括 冷凝集聚層，其后緊跟著位于所述絕熱體和所述殼體內(nèi)壁之間的疏水層。
63. 根據(jù)權(quán)利要求62所述的密閉結(jié)構(gòu)，進一步包括 布置在離所述殼體的所述內(nèi)壁最遠的所述絕熱體的表面上的不銹鋼內(nèi)襯。
64. —種燃料電池組件，包括 布置成堆的多個燃料電池；鄰接所述堆的末端處的燃料電池的端板組件，所述端板組件具有 適于接收來自所述堆的廢氣的入口區(qū)域、出口區(qū)域和連接所述入口區(qū) 域和出口區(qū)域的通道，所述通道適于將在所述入口區(qū)域處接收的所述 廢氣從所述入口區(qū)域運載到所述出口區(qū)域。
65. 根據(jù)權(quán)利要求64所述的燃料電池堆，進一步包括的端板組件，所述另外的端板組件具有適于接收來自所述堆的另外的 廢氣的另外的入口區(qū)域、另外的出口區(qū)域和連接所述另外的入口區(qū)域 和另外的出口區(qū)域的另外的通道，所述另外的通道適于將在所述另外述另外的出口區(qū)域。
66. 根據(jù)權(quán)利要求65所述的燃料電池堆，其中 所述廢氣是氧化劑廢氣并且所述另外的廢氣是燃料廢氣。
67. 根據(jù)權(quán)利要求66所述的燃料電池堆，其中 所述另外的端板組件具有適于接收燃料的另一入口區(qū)域、另一出口和連接所述另一入口區(qū)域和另一出口區(qū)域的另一通道，所述另一通 道適于將在所述另一入口區(qū)域處接收的燃料從所述另一入口區(qū)域運載 到所述另一出口區(qū)域。
68. 根據(jù)權(quán)利要求67所迷的燃料電池堆，其中 所述堆具有分別用于接收燃料氣體和用于排出燃料廢氣的第 一和第二相對面，以及分別用于接收氧化劑氣體和用于排出氧化劑廢氣的 第三和第四相對面，并且所述燃料電池堆組件進一步包括鄰接所述第一、第二和第 四面的第一、第二和第三歧管；并且其中所述第三歧管與所述端板組件的所述入口區(qū)域連通，所述第 一歧管與所述另外的端板組件的所述另一出口區(qū)域連通，并且所述第 二歧管與所述另外的歧管組件的另外的入口區(qū)域連通。
69.根據(jù)權(quán)利要求68所述的燃料電池堆，其中所述第三歧管與所述端板組件的所述入口區(qū)域重疊，所述第一歧 管與所述另外的端板組件所述另一出口區(qū)域重疊，并且所述第二歧管 與所述另外的歧管組件的另外的入口區(qū)域重疊。
全文摘要
一種模塊化多堆燃料電池組件，其中燃料電池堆位于密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)，并且其中氣體分配器設(shè)置在所述結(jié)構(gòu)中并將接收的燃料和氧化劑氣體分配到所述堆以及接收來自所述堆的燃料和氧化劑廢氣以便實現(xiàn)所需氣流分布和通過所述堆的氣體壓差。氣體分配器相對于所述堆居中和對稱地布置，從而它自身促進了所需氣流分布和壓差的實現(xiàn)。
文檔編號H01M8/02GK101120472SQ200580025797
公開日2008年2月6日 申請日期2005年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月11日
發(fā)明者P·帕特爾, W·厄科 申請人:燃料電池能有限公司