具有燃料电池装置的发电机系统、具有这种发电机系统的载具和用于发电机系统的尾管装置的制作方法

本发明涉及具有燃料电池装置的发电机系统、具有这种发电机系统的载具和用于尤其这种发电机的尾管装置。

背景技术：

燃料电池的理论自19世纪中期就是已知的。本发明意义中的“燃料电池装置”是原电池，其将连续供应的燃料和氧化剂的化学反应能转化为电能。这也可以被称为所谓的“冷燃烧”。

燃料电池的运行基于氧化还原反应，在此，还原和氧化以物理分离方式发生，尤其发生在阳极与电解质之间的或者电解质与阴极之间的分界处。该氧化还原反应优选是氧气与燃料尤其是氢气或一氧化碳的反应。在阴极侧优选存在多余氧气，而在阳极侧存在氧气不足，因为所存在的氧气马上与燃料如与氢气反应。因为这种浓度梯度，氧气从阴极扩散至阳极。但是，因为两者间的电解质只允许氧离子透过而不让氧分子透过，故氧分子在阴极与电解质之间的分界处获得两个电子，由此它变为离子且能穿过阻隔层。一旦它到达与阳极的分界处，它与燃料气体催化反应，释放热和相应的燃烧产物并交出两个附加电子给阳极。对其的要求是在阳极与阴极之间的导电连接，在此产生可以被用于运行不同的导电连接系统的电流流动。

将这种技术应用在汽车中早已是诸多汽车厂商过去二十多年来的研究课题。传统的燃料电池通常采用氢气为燃料电池用燃料。

尤其对于作为apu的应用，优选采用固体氧化物燃料电池(sofc)，其尤其是工作温度在650-1000℃之间的高温燃料电池。根据一个实施方式，这种电池中的电解质包括固体陶瓷材料，其能传导氧离子但同时对电子有绝缘作用。氧离子传导电解质优选以薄膜形式设置以便能用最少能量输送氧离子。这在高温下尤其工作良好。阴极的背对电解质的外侧被空气包围，阳极的外侧被燃料气体包围。未用的空气和未用的燃料气体以及燃烧产物最好被吸走。

因为工作温度高和尾气温度相应高，所产生的尾气借此从燃料电池装置中被排出的尾气管变热。因为金属，尤其是钢或铝具有良好的导热性能，故接触到尾气管的部件也变热。为了减轻在尾气管和包围燃料电池装置的外壳之间的传热，使尾气管用通道的开口的直径大于尾气管直径是一种常用手段。其结果就是在外壳壁和尾气管之间形成间隙，传热通过所述间隙被至少部分减轻。

wo2016/030211a1公开一种燃料电池堆用外壳，其包括两个端板、彼此对置的两个侧壁、一个侧向连接壁和至少一个媒介交换件。两个端板布置在燃料电池堆的两端上。彼此对置就位的两个侧壁将两个端板相连。侧向连接壁将彼此对置的侧壁相连。至少一个媒介交换件包括媒介连接结构。这两个端板均被设计成隔热支承结构。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种改进的具有燃料电池装置的发电机系统。尤其是，该系统应具有良好的隔热性能且最好减小、尤其最好甚至防止发电机系统外壳自身变热。

该目的通过一种根据权利要求1的发电机系统、一种根据权利要求13的载具和一种根据权利要求15的尾管装置来实现。以下所述的有利实施方式的特征可以根据期望相互组合，除非这被明确排除。尤其是，关于本发明的第一方面所描述的特征和优点也适用于本发明的其它方面及其有利实施方式，反之亦然。

本发明的第一方面涉及一种发电机系统，其包括：外壳，其具有至少一个开口；燃料电池装置，其布置在该外壳中；具有至少一个尾气管的尾管装置，尾气管以气体输送方式被连接至该燃料电池装置且延伸穿过该外壳的开口；隔热体，其至少在尾气管外壁与该开口的边缘之间的区域中延伸并且尤其减小、尤其至少大部分防止从尾气管至外壳的传热。

本发明发电机系统的一个优选用途是在陆上载具如个人机动车辆和/或卡车中作为辅助动力系统(apu)，尤其用于在驱动系统如带有相连的交流发电机的内燃机被关停时为车载系统提供电力。

本发明发电机系统的另一优选用途是在陆上载具如个人机动车辆和/或卡车中作为主驱动器的部件。所产生的电能至少部分被用于驱动车辆。

本发明意义中的“发电机系统”尤其是指提供电能的装置。本发明意义上的发电机系统尤其是apu，其在主驱动器被关停时在载具中提供电能。

本发明意义中的“外壳”尤其是指以下装置，在其内腔中可以布置附加部件，该装置将所述部件组合而形成结构单元和/或保护这些部件以免外界的尤其气体和/或液体和/或固体的环境影响。本发明的外壳尤其最好由金属材料、尤其是板状金属材料、尤其是钢或铝合金制造，并且以一次成型和/或再成型和/或机加工方式来制造。

本发明意义中的“燃料电池装置”尤其是以下装置，其通过化学反应因冷燃烧而将连续供应的燃料转化为电能。该定义尤其包含碱性燃料电池(afc)、聚合物电解质燃料电池(pemfc)、直接甲醇燃料电池(dmfc)、尤其根据实施方式具有铂和/或钯和/或钌催化剂的甲酸燃料电池、磷酸燃料电池(pafc)、熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)、固体氧化物燃料电池(sofc)、直接碳燃料电池(sofc，mcfc)和镁空气燃料电池(mafc)。

根据一个优选实施方式，阳极被供应燃料且尤其是生物乙醇和/或与乙醇混合的水。

于是，燃料电池装置是单个燃料电池或尤其呈燃料电池堆形式的多个燃料电池的组合体。

本发明意义中的“尾气管”尤其是指至少大部分呈长条形的空心体，其长度通常至少大部分大于截面直径。尾气管尤其是至少大部分由刚性材料如金属、尤其是钢、铝等制作。不同于通用语言使用，本发明意义中的尾气管也是指软管状体，其由至少大部分柔性的材料例如橡胶或金属织物等形成。刚性管和柔性管或软管段的组合也被尾气管定义涵盖。

本发明意义中的“隔热体”尤其是指由如下材料制造的物体，其具有很低的导电率和/或导热率，尤其具有≥10⁶欧姆米(ω·m)的比电阻。根据一个实施方式，本发明意义中的隔热体是具有高机械阻力的物体。根据一个实施方式，隔热体的材料来自以下组，其包含：氧化铝、陶瓷材料、滑石、瓷、玻璃、玻璃纤维加强塑料和环氧树脂。隔热体的例子包括真空隔热板、气凝胶、泡沫玻璃、粒状玻璃泡沫、矿棉、聚氨酯、石墨发泡聚苯乙烯、挤塑聚苯乙烯、发泡聚苯乙烯、聚乙烯泡沫、羊毛、软木、芦苇板、纤维素、麻隔热垫、木纤维隔热板、草砖、珍珠岩或刨花轻质建筑板。

尤其是，本发明基于将发电机系统的尾气管与其外壳在传热方面进行分离的做法。多亏根据本发明用隔热体使尾气管相对于外壳隔热，自尾气管至外壳的传热至少大部分被减少、尤其被防止，这使得外壳温度仅相对于其周围环境略微升高，尤其是至少大部分情况下未升高。这是有利的，因为可以舍弃外壳的附加隔热。这样一来，机修工例如可以在维修或检视过程中在发电机系统上或就近工作，而无需冒着遭受健康危害尤其是烧灼等的危险。

根据一个有利实施方式，该燃料电池装置至少大部分以气密方式通过外壳被封闭。这是尤其有利的，因为由此提高了防止气体和/或液体和/或固体环境影响的鲁棒性。这也是有利的，因为通过这种方式来自燃料电池装置的可能有的气体泄漏，如氢气泄漏无法以失控方式逸出，而如果可行，其可以通过相应手段被检测发现以便根据需要启动适当的反制措施和/或保护措施。

根据另一有利实施方式，该隔热体的第一部段具有至少大部分为柱形的、尤其是空心柱形的基本形状。根据一个优选实施方式，该隔热体的第一部段关于尾气管的至少一个截面至少大部分完全地、尤其完全地包围尾气管。

根据另一有利实施方式，隔热体的第一部段布置在开口边缘与尾气部段之间。这是尤其有利的，因为这样一来在穿过外壳开口的通道区域内通过该隔热体优选地提供尾气管的完全包围。

根据另一有利实施方式，该隔热体的第一部段形成在外壳和尾气管之间的连接，其至少大部分是不透空气、液体和/或固体的。这对于保护燃料电池装置至少大部分地防止气体和/或液体和/或固体环境影响和/或为尾气管提供附加支承以便尾气管不需要从外壳内侧向外伸出的自由支承方式来定位是尤其有利的。

根据另一有利实施方式，隔热体的第二部段具有至少大部分呈盘状的基础形状，具有尤其圆形的供尾气管穿过的凹槽。这对于以下实施方式是尤其有利的，在此该尾气管通过法兰被保持在外壳上以便也在所述法兰和外壳壁之间产生期望的隔绝作用。

本发明意义中的“法兰”是用于尤其借助螺栓螺母连接并闭合管子、机器部件或外壳的连接件，尤其是可无损移除的连接件。

根据本发明的另一有利实施方式，所述尾气管具有第一法兰，其被提供，尤其被设置用于将尾气管固定至外壳，尤其是壁、尤其是外壳的外壁。

根据另一有利实施方式，该隔热体的第二部段布置在外壳壁与该法兰的面向外壳壁的一侧之间的区域中。这是尤其有利的，因为通过这种方式减轻了、尤其至少大部分防止了自尾气管的传热。

根据另一有利实施方式，该隔热体包括具有至少大部分呈柱形的、尤其空心柱形的基本形状的至少一个第一部段以及具有至少一个大多呈盘状的基本形状且尤其具有尤其是供尾气管穿过的圆形凹槽的第二部段。根据一个优选实施方式，于是该隔热体具有尤其大部分是旋转对称的l形截面。这是尤其有利的，因为通过这种方式该尾气管的，尤其穿过外壳开口的尾气管部段的热辐射被辐射到至少一个外壳壁。该热辐射至少部分地、尤其至少大部分完全地、尤其完全地被该隔热体吸收或反射，使得被隔热体覆盖的外壳壁区域至少大部分未变热到超过规定的极限温度，尤其是50℃。

根据另一有利实施方式，外壳开口大于布置在外壳内在安装位置上的尾管装置部件的尤其最宽横截面，以便尤其可以在安装过程中从外侧将这些尾管装置部件穿过所述开口。这是尤其有利的，因为通过这种方式可以实现尾管装置简单安装在燃料电池装置和/或外壳上，尤其通过从外侧将其一体式穿过所述开口。

根据另一有利实施方式，该至少一个尾气管尤其在外壳外侧面上具有第一法兰，该隔热体且尤其是隔热体的第二部段部分地、尤其至少大部分完全地、尤其完全地布置在第一法兰和外壳壁之间。这对于在单个设计中融合这两个部段的上述优点以减少、尤其至少大部分防止所示的两条传热路径是尤其有利的。

根据另一有利实施方式，至少大部分水密和/或气密的密封件布置在该隔热体与第一法兰之间和/或在该外壳与隔热体之间。这是尤其有利的，因为这样一来提供，尤其增强外壳内部空间的防止环境影响如溅水的密封。这样一来，发电机系统的规格可被改变，从而可以允许附加的应用地点或安装地点和/或就安装地点的环境状况而言扩展的限制。另外，该发电机系统的尤其抵抗液体环境影响的鲁棒性得到提高。

根据另一有利实施方式，第一法兰通过至少一个保持机构尤其螺栓被保持在外壳上。这是尤其有利的，因为通过这种方式可以产生在尾气管和外壳之间的加强机械连接。尤其是，这种附接允许限制，尤其是剥夺尾气管相对于外壳的额外自由度。根据一个有利实施方式，该尾气管尤其以可拆卸方式通过第一法兰被保持、尤其固定在该外壳上。

根据另一有利实施方式，所述至少一个保持机构穿过第一法兰和外壳壁、尤其是隔热体和/或至少一个密封件。这对于以使用联合保持机构的方式在所述法兰和外壳壁之间产生连接是尤其有利的，所述构件、隔热体和位于其间的密封件也被固定。这就安装简化而言是尤其有利的。这样一来，根据一个优选实施方式，隔热体中凹槽和至少一个密封件的凹槽被有利地保持为小的，这些凹槽限定出就其既定的绝热或流体隔绝任务而言的弱点。

根据另一有利实施方式，该至少一个保持件至少大部分与第一法兰和/或外壳在传热方面是分离的，尤其通过可拆卸的隔热盖或可无损除去的隔热涂层。这是尤其有利的，因为通过这种方式可以减少尤其防止热可从尾气管经保持机构传至外壳的可能途径。

根据另一有利实施方式，该至少一个保持机构具有至少一个隔热垫圈。

根据另一有利实施方式，该发电机系统具有第二法兰，其被提供，尤其被设置用于将尾管装置连接至燃料电池装置的结束于外壳中的尾气出口。第二法兰的设置允许实现从发电机系统中彼此无关地移除尾气管或燃料电池装置，这方便尤其对耐磨尾气管的任何维修工作。

根据发电机系统的另一有利实施方式，如此成形第二法兰，即其可被引导穿过外壳开口，尤其成形为具有小于外壳开口的直径。这使得维修工作特别容易。

根据另一有利实施方式，该燃料电池装置具有重整器，其尤其被提供，尤其被设置用于给燃料电池装置提供适于其成分的燃料。

本发明意义中的“重整器”尤其是如下装置，燃料初始材料，尤其是天然气和/或乙醇，尤其是生物乙醇和/或与乙醇混合的水，尤其是与生物乙醇混合的水被供入其中且在那里尤其在加热情况下被转化为燃料，尤其是含氢气、二氧化碳和一氧化碳的气体混合物。这是特别有利的，因为通过这种方式燃料电池运行所需的燃料，尤其是气体混合物不必从一开始就以这种形态存储，而能以更稳定形态和/或具有较高能量密度的形态来存储，并且仅在燃料电池中反应前不久、尤其至少大多是快要反应时转化为燃料。

本发明的一个附加方面涉及一种载具尤其陆上载具，其具有在此所述类型的发电机系统。这是尤其有利的，因为通过这种方式可以将本发明发电机系统的优点，尤其是高能效提供用于尤其日常使用如道路运输，其可有助于减少污染物排放。

根据另一有利实施方式，该载具也具有用于提供燃料的燃料储备，该燃料尤其是乙醇、特别是生物乙醇和/或与乙醇混合的水，尤其是与生物乙醇混合的水，该燃料至少部分、尤其是至少大部分、尤其完全作为储备被提供以用于燃料电池装置运行。

本发明意义中的“生物乙醇”是指如下乙醇，其至少大多由生物质或废料的可生物降解部分制造。“农业乙醇”是与此同义使用的术语。

本发明的另一方面涉及一种尾管装置，尤其用于在此所述类型的发电机系统的尾管装置，包括：具有上游端和下游端的至少一个尾气管；第一法兰，其被提供，尤其被设置用于将该尾管装置连接至外壳、尤其是发电机系统的外壳；第二法兰，其被提供，尤其被设置用于将该尾管装置连接至尤其结束于外壳中的尾气出口，尤其至发电机系统的燃料电池装置；隔热体，其至少在尾气管外壁和外壳开口的边缘之间的区域中延伸并且尤其减小、尤其至少大部分防止从该尾气管至该外壳的传热。这是尤其有利的，因为通过这种方式该尾管装置因具有第一法兰和第二法兰的两级结构而既被固定至燃料电池装置的尾气出口，也被固定至燃料电池装置的外壳，这使得该连接的机械载荷经第一法兰减轻。这允许第二法兰能被设计成机械不太稳定，尤其较小和/或较薄，这可能使得重量减轻和成本节约，并且根据一个实施方式附加地或替代地在外壳内的有限安装空间内获得用于将尾管装置连接至尾气出口所需要的安装空间。

根据尾管装置的一个有利实施方式，第二法兰布置成与第一法兰相比更靠近尾气管的上游端。

根据尾管装置的另一有利实施方式，该隔热体在至少一个部段中围绕尾气管外壁一直延伸和/或在至少一个区域内沿着第一法兰的侧面延伸。至于基于此的相应优点和实施方式，参照以上实施方式以避免重复。

附图说明

本发明的其它特征、优点和应用来自以下参照附图对各不同实施例的说明，其中：

图1示出根据本发明的一个实施方式的具有尾管装置的发电机系统的至少部分示意性视图；

图1a示出根据本发明的一个实施方式的尾管装置处于安装状态的至少部分示意性立体局部剖视图；

图2示出根据本发明的一个实施方式的尾管装置处于安装状态的至少部分示意性剖视图；

图3a示出根据本发明的一个实施方式的尾管装置的至少部分立体示意图；

图3b示出具有保持件的图3a的尾管装置的另一视图；

图4示出根据本发明的一个实施方式的具有保持件的尾管装置的至少部分立体示意图；

图5示出根据本发明的一个实施方式的隔热体和多个密封件的至少部分示意性视图；

图6a示出图5的隔热体的细节图；和

图6b示出图5的密封件的细节图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施方式的具有尾管装置200的发电机系统1的至少部分示意性视图。燃料电池装置(未示出)布置在外壳100中。外壳以气体输送方式被连接至尾管装置200，尾管装置具有至少一个尾气管210，在图1的示例中是两个尾气管210，其穿过外壳100，尤其是外壳壁110的开口112。

图1a示出了安装在外壳100内的尾管装置200的放大的局部立体截面图。根据图1a的实施方式，燃料电池装置的尾气出口120在外壳100内在外壳壁110区域结束，尤其对准外壳壁110中的开口112。根据图1a的实施方式，尾气出口120在尾气出口法兰处结束，尤其是连接的尾气出口法兰处。尾管装置200通过附加的保持机构252被安装在此尾气出口法兰上。根据一个优选实施方式，另一密封件242布置在尾气出口法兰和第二法兰260之间，该密封件至少大多是水密和/或气密的。

开口112的尺寸大于穿过的尾气管210。这样一来，可以将具有第二法兰260的尾管装置从外侧经开口112穿入发电机系统1的外壳100中并且安装它。尾管装置200尤其以可拆卸方式通过第一法兰230被连接至外壳100，尤其是外壳壁110。根据图1a的实施方式，该连接通过许多螺栓状保持机构250实现，其穿过第一法兰230且插入外壳壁110或者穿过第一法兰230和外壳壁110并且尤其用螺母被固定在外壳内部。

隔热体220和两个密封件240也设置在第一法兰230与外壳壁110之间。一方面，密封件240布置在外壳壁110和隔热体220之间，也布置在在隔热体220和第一法兰230之间。隔热体220具有第一部段222和第二部段224，第一部段222具有至少大多呈柱形的形状，尤其是空心柱形的基本形状，第二部段224具有至少大多呈盘形的基本形状，其尤其具有尤其呈圆形的供尾气管210经过的凹槽。隔热体220的两个部段222、224共同形成至少大多呈l形的截面。

图2示出了根据本发明的一个实施方式的尾管装置处于安装状态的至少部分示意性的截面图。图2所示的尾管装置200的实施方式至少大部分对应于图1或图1a的实施方式，因此那里的实施方式也适用于图2，除非另有明确规定或者对于本领域技术人员来说显然明确表明。为了避免重复，仅补充说明遵循图2的标记：图2所示的流动方向s表示尾气体积流的优选运动方向。所示的流s也用作面向流的数据的基础，例如关于尾气管的上游端和下游端。

如可在图2中看到地，外壳壁110中的开口112就长度而言大于尾气管210的直径。根据图2的实施方式，开口112的尺寸至少大部分基于第二法兰260的几何形状尺寸以保证尾管装置200能经开口112从外侧被插入外壳100以便安装。根据本方明的一个实施方式，尤其是图2的实施方式，隔热体220的第一部段222至少大部分平行于尾管装置200的轴向延伸部分和/或流动方向s延伸。根据图2的实施方式，第一部段222至少大部分抵靠开口112的边缘。根据图2的实施方式，隔热体220的第一部段222至少大部分呈环形地与尾气管210间隔。根据本发明的一个替代实施方式(未示出)，第一部段222至少大部分在一个区域中抵靠尾气管210。在隔热体220的另一个(未示出)实施方式中，隔热体220的第一部段222至少大部分完全在开口112和尾气管210之间的空间内延伸。换言之，隔热体尤其至少大部分完全地抵靠开口112和尾管210。

图3a示出了根据本方明的一个实施方式的尾管装置200的至少部分示意性的立体图，图3b示出了具有保持件的图3a的尾管装置200的另一个视图。

除了以上实施方式外，图3a和图3b还示出了第二法兰260为两个尾气管210提供联合连接。其它密封件242至少大部分对应于带有用于保持机构252和尾气体积流的对应凹槽的第二法兰260的外形，该尾气体积流要从尾气出口运动到尾气管210中。密封件240的形状至少大部分对应于具有用于隔热体220的第一部段222以及保持件250的凹槽的第一法兰230的外形。

图4示出了尾管装置200，尤其是尾气管210、第一法兰230和第二法兰260的另一个细节图。根据一个优选实施方式，尤其图4的实施方式，尾气管210、第一法兰230和第二法兰260是一体式设计。这也明确意味着尤其以半成品形式提供部件210、230和260的相应组合件，单独的部件随后，即不是在初级成形制造程序的过程中尤其借助焊接、钎焊、粘接、夹紧、螺栓联接、铆接等组装。总体上，针对在此所述的附图可以说为了清楚起见总是仅举例地给一些保持件配设附图标记，但这并不暗示与不带标记的保持件有区别。

图5、图6a和图6b再次示出了根据本发明至少一个实施方式的被描述具有组件的尾管装置部件背景下的单独视图。

尽管在之前描述中已经讨论了实施例，但应该注意的是可以实现许多变化。此外应该注意的是，实施例只是例子，其绝不应该以任何形式限制保护范围、应用或设计。相反，前面的描述应该指导本领域技术人员能实施至少一个实施例，其中可以尤其就所述部件的功能和布置而言采取各种不同改变，而没有超出源于权利要求和这些等同的特征组合的保护范围。

附图标记列表

1发电机系统

100外壳

110外壳壁

112外壳壁110中的开口

120尾气出口

200尾管装置

210尾气管

220隔热体

222隔热体220的第一部段

224隔热体220的第二部段

230第一法兰

240密封件

242(其它)密封件

250保持机构

252(其它)保持机构

260第二法兰

s流动方向