CH713019A2

CH713019A2 - Device for the controlled temperature control of ceramic fuel cells.

Info

Publication number: CH713019A2
Application number: CH01347/16A
Authority: CH
Inventors: Bossel Ulf
Original assignee: Dr Ulf Bossel Almus Ag
Priority date: 2016-10-08
Filing date: 2016-10-08
Publication date: 2018-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft die kontrollierte Temperierung von elektrochemischen Wandlern, die mit keramischen Elektrolyten ausgestattet sind und bei hohen Temperaturen betrieben werden, also keramischen Brennstoffzellen (SOFC) und keramische Elektrolyseure (SOE). Zur kontrollierten Temperierung gehören eine schnelle Aufheizung der elektrochemisch aktiven Elemente gemäss einer vorgegebenen Heizkurve und ein Betrieb bei kontrollierter Temperatur. Gemäss der Erfindung erfolgt eine Temperaturmessung (5) im Inneren des Zellenstapels und eine elektrische Beheizung der die keramische Zelle beidseitig kontaktierenden Kanalplatten (10) mit im Zellenstapel integrierten Heizelementen. So können die elektrochemischen Wandler in wenigen Minuten kontrolliert auf Betriebstemperaturen über 600 °C gebracht werden.The invention relates to the controlled temperature control of electrochemical converters which are equipped with ceramic electrolytes and are operated at high temperatures, ie ceramic fuel cells (SOFC) and ceramic electrolysers (SOE). Controlled temperature control involves rapid heating of the electrochemically active elements according to a predetermined heating curve and controlled temperature operation. According to the invention, a temperature measurement (5) takes place in the interior of the cell stack and electrical heating of the channel plates (10) contacting the ceramic cell on both sides with heating elements integrated in the cell stack. This means that the electrochemical converters can be controlled to operating temperatures of over 600 ° C in just a few minutes.

Description

Beschreibungdescription

Gebiet der Erfindung [0001] Die Erfindung betrifft mit keramischen Elektrolyten ausgestattete Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells «SOFC») und Elektrolyseure (Solid Oxide Electrolysers «SOE»). Beide Geräte erbringen erst bei Temperaturen über 600 °C zufrieden stellende Leistungen. Die Betriebstemperatur liegt bei 800 °C. Vor Inbetriebnahme müssen die elektrochemischen Wandler kontrolliert aufgeheizt werden. Auch während des Betriebs sollte die Temperatur kontrolliert geregelt werden. Die Erfindung befasst sich mit der kontrollierten Temperierung der mit keramischen Elektrolyten ausgestatteten elektrochemischen Wandler.Field of the Invention The invention relates to fuel cells equipped with ceramic electrolytes (Solid Oxide Fuel Cells "SOFC") and electrolyzers (Solid Oxide Electrolysers "SOE"). Both devices only perform satisfactorily at temperatures above 600 ° C. The operating temperature is 800 ° C. Before starting up, the electrochemical converters must be heated up in a controlled manner. The temperature should also be controlled during operation. The invention is concerned with the controlled tempering of the electrochemical transducers equipped with ceramic electrolytes.

Problemstellung [0002] Bei den mit flachen Zellen ausgestatteten elektrochemischen Wandlern sind die aktiven Zellen zwischen zwei Kanalplatten angeordnet. Diese dienen bei Brennstoffzellen der Zuführung von Brennstoff zur Anode und vom Oxidationsmittel (Luft) zur Kathode. Das Abgas (Wasserdampf und CO₂) wird über die Anoden-Kanäle, Restluft über die Kathoden-Kanäle abgeführt. Bei Elektrolyseuren dienen die Anodenkanäle der Zufuhr von Wasserdampf zur Zelle und dem Abtransport des Wasserstoffs (in der Regel mit restlichem Wasserdampf). Auf der Kathodenseite wird der dem Wasserdampf entzogene Sauerstoff über die Kanäle der Kanalplatte abgeführt.Problem In the electrochemical transducers equipped with flat cells, the active cells are arranged between two channel plates. In fuel cells, these serve to supply fuel to the anode and from the oxidizing agent (air) to the cathode. The exhaust gas (water vapor and CO ₂ ) is discharged via the anode channels, residual air via the cathode channels. In electrolysers, the anode channels serve to supply water vapor to the cell and to remove the hydrogen (usually with residual water vapor). On the cathode side, the oxygen extracted from the water vapor is removed via the channels of the channel plate.

[0003] Beide Wandler müssen möglichst schnell kontrolliert aufgeheizt und danach auf der gewünschten Betriebstemperatur gehalten werden. Da die Leistung einer keramischen Brennstoffzelle stark von der Betriebstemperatur abhängt, ist es vorteilhaft, die Betriebstemperatur auch während des Betriebes kurzfristige anheben, wenn eine höhere Leistung gefordert wird. Bei allen bekannten keramischen Brennstoffzellen und Elektrolyseuren werden die Zellen indirekt beheizt. Die benötigte Heizwärme wird entweder elektrisch oder durch teilweise Verbrennung des zugeführten Brennstoffs erzeugt. Dabei wird nicht nur der Zellenstapel, sondern auch fast alle wesentlichen Systemkomponenten wie Zuganker, Wärmetauscher, Behälter, Wärmedämmung usw. aufgeheizt. Auch sind die für eine kontrollierte Zufuhr der Heizenergie notwendigen Temperatursensoren ausserhalb des Zellenstapels angeordnet. Häufig dient die Temperatur des Abgases als Regelgrösse für die Temperaturkontrolle des Stapels. Die so erfasste Temperatur weicht zum Teil erheblich von der Temperatur des Stapels ab.Both converters must be heated up as quickly as possible in a controlled manner and then kept at the desired operating temperature. Since the performance of a ceramic fuel cell strongly depends on the operating temperature, it is advantageous to raise the operating temperature for a short time even during operation if higher performance is required. In all known ceramic fuel cells and electrolysers, the cells are heated indirectly. The heating energy required is generated either electrically or by partial combustion of the fuel supplied. Not only is the cell stack heated, but also almost all essential system components such as tie rods, heat exchangers, tanks, thermal insulation, etc. The temperature sensors required for a controlled supply of the heating energy are also arranged outside the cell stack. The temperature of the exhaust gas is often used as a control variable for the temperature control of the stack. The temperature recorded in this way sometimes deviates considerably from the temperature of the stack.

[0004] Aus betriebstechnischen Gründen sind lange Aufheizzeiten unerwünscht. Sie sind aber bei indirekt beheizten keramischen Brennstoffzellen und Elektrolyseuren unvermeidbar, weil neben der für die Funktion der keramischen Elektrolytschicht notwendige Aufheizung aller Zellen auch viele anderen Systemkomponenten wie Kanalplatten, Stapel-Endplatten, Zuganker, Wärmetauscher, Gehäuse usw. auf Temperatur gebracht werden. Auch geht ein wesentlicher Teil der zugeführten Heizwärme über Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung nutzlos verloren. Für die eigentliche Aufheizung der elektrochemisch wirkenden Komponenten, also der Elektrolyten, steht nur ein kleiner Teil der zugeführten Heizleistung zur Verfügung.Long heating times are undesirable for operational reasons. However, they are unavoidable in indirectly heated ceramic fuel cells and electrolysers, because in addition to the heating of all cells necessary for the functioning of the ceramic electrolyte layer, many other system components such as channel plates, stack end plates, tie rods, heat exchangers, housings, etc. are brought to temperature. A significant part of the heating energy supplied is also uselessly lost via convection, heat conduction and heat radiation. For the actual heating of the electrochemically active components, i.e. the electrolytes, only a small part of the heating power supplied is available.

[0005] Wegen der begrenzten Wärmeübertragung kann bei einer indirekten Beheizung der Zellenstapel nur langsam auf Betriebstemperatur gebracht werden. Bei kleineren Geräten (1 kW-Bereich) werden oft Stunden, bei grösseren Anlagen (100 kW Bereich) sogar Tage benötigt, bis die gewünschten Betriebstemperaturen erreicht sind. Die Aufheizzeit wird von der Wirksamkeit der Wärmeisolation, der Heizleistung der Wärmequelle, der thermischen Trägheit der beheizten Massen und der thermo-mechanischen Belastbarkeit einzelner Bauteile bestimmt.Because of the limited heat transfer, the cell stack can only be brought to operating temperature slowly with indirect heating. Smaller devices (1 kW range) often take hours, larger systems (100 kW range) even days to reach the desired operating temperatures. The heating-up time is determined by the effectiveness of the thermal insulation, the heating power of the heat source, the thermal inertia of the heated masses and the thermo-mechanical load capacity of individual components.

[0006] Für tragbare oder mobile Brennstoffzellen, die oft nur kurzfristig im Einsatz stehen, bilden kurze Aufheizzeiten jedoch eine unabdingbare Voraussetzung für viele Anwendungen. Besonders bei der Festoxid-Brennstoffzelle, die aufgrund ihrer Kompaktheit, ihres hohen Wirkungsgrades und ihrer Brennstoff-Flexibilität ein für viele Anwendungen geeigneter Stromerzeuger sein könnte, wird die verbreitete Nutzung durch lange Aufheizzeiten stark eingeschränkt.For portable or mobile fuel cells, which are often only used for a short time, short heating times are an essential requirement for many applications. Particularly in the case of the solid oxide fuel cell, which, owing to its compactness, its high degree of efficiency and its fuel flexibility, could be a power generator suitable for many applications, the widespread use is severely restricted by long heating-up times.

[0007] Mit der hier vorgestellten Erfindung können die Aufheizzeiten auf wenige Minuten verkürzt werden. Damit eröffnen sich für den elektrochemischen Einsatz keramischer Elektrolyte interessante Anwendungen, denn sie lassen sich ebenso regelflink betreiben wie Brennstoffzellen und Elektrolyseure anderer Bauart.With the invention presented here, the heating times can be reduced to a few minutes. This opens up interesting applications for the electrochemical use of ceramic electrolytes, because they can be operated just as quickly as fuel cells and other types of electrolysers.

[0008] Viele elektrochemische Prozesse werden bei hohen Temperaturen durchgeführt, wenn die eingesetzten Elektrolyte die gewünschte lonenleitfähigkeit erreichen. Oft sind auch die eingesetzten Medien nur bei bestimmten Temperaturen elektrolytisch umwandelbar.[0008] Many electrochemical processes are carried out at high temperatures when the electrolytes used achieve the desired ionic conductivity. The media used can often only be converted electrolytically at certain temperatures.

[0009] Typische Beispiele hierfür sind die folgenden elektrochemischen Prozesse:[0009] Typical examples of this are the following electrochemical processes:

- Festoxid-Brennstoffzellen und Festoxid-Elektrolyseure, bei denen die lonenleitfähigkeit des keramischen Elektrolyten (z.B. Zirkonoxid) erst bei Temperaturen über etwa 600 °C für praktische Anwendungen interessant wird.- Solid oxide fuel cells and solid oxide electrolysers, in which the ionic conductivity of the ceramic electrolyte (e.g. zirconium oxide) only becomes interesting for practical applications at temperatures above around 600 ° C.

- Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, bei denen die eingesetzten Karbonatsalze in elektischer Mischung bei etwa 650 °C flüssig werden und als Elektrolyt dienen können.- Molten carbonate fuel cells, in which the carbonate salts used in an electrical mixture become liquid at about 650 ° C and can serve as an electrolyte.

- Natrium-Schwefel-Batterien, die erst bei etwa 300 °C arbeiten, wenn Natrium und Schwefel geschmolzen sind. Auch diese müssen vor Inbetriebnahme aufgeheizt werden. Weitere Beispiele könnten genannt werden.- Sodium-sulfur batteries that only work at around 300 ° C when sodium and sulfur have melted. These must also be heated up before commissioning. Further examples could be mentioned.

[0010] In den meisten Fällen werden solche elektrochemischen Apparate extern beheizt. Sie werden in der Regel mit einem Heizmantel umgeben oder in einen Heizofen gestellt. Die benötigte Wärme wird mit elektrischen Widerstandsele2In most cases, such electrochemical devices are heated externally. They are usually surrounded by a heating jacket or placed in a heating oven. The required heat is provided by electrical resistance elements2

CH 713 019 A2 menten oder durch Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen erzeugt. Auch werden die elektrochemisch genutzten Medien (Luft und/oder Brenngas) extern aufgeheizt und als Wärmeträger für die Beheizung der Apparatur benutzt. Solche indirekte Verfahren sind Stand der Technik. Sie werden unter anderem in der Patentschrift von Tachtler und Wenzel (US 7 226 682 B2) für Festoxid-Brennstoffzellen «SOFC» und in der Patentanmeldung von Brantley, Kaye, DeRenzi and Scipio (US-2006/0 127 719 A1) für mit Methanol betriebene Polymer-Brennstoffzellen beschrieben. Barbir, Byron, Stone und Balusubramanian präsentieren in ihrer Patentanmeldung (US 2006/0 199 056 A1) die Möglichkeit, Kanalplatten für Polymer-Brennstoffzellen am Rand elektrisch zu beheizen, wobei die Temperaturerhöhung weniger als 10 °C betragen soll. Im Patent von Houlberg (US 7 160 640 B2) wird für Polymer-Brennstoffzellen deren Beheizung an den passiven Stapel-Endplatten vorgeschlagen, um den seitlichen Wärmeabfluss vom Stapel zu vermeiden und alle Zellen auf gleicher Temperatur zu halten. Ähnliche Anordnungen werden in der Japanischen Anmeldung Nr. 8-167 424 und im US-Patent 7 179 554 B2 genannt. In der Offenlegungsschrift von Stefan Haufe et al. (DE 10 2006 025 967 A1) wird die Beheizung der Kanalplatten ohne Ausführungsdetails als Erfindung gemeldet. Im Patent von Hayashi Katsumi und Kato Hidea (JP 2002 313 391 (A)) werden die Kanalplatten von Polymer-Brennstoffzellen zur Vermeidung von Eisbildung elektrisch beheizt, um zuverlässige Bedingungen für Kaltstarts von Brennstoffzellen-Fahrzeugen im Winter zu erhalten. Die Idee einer beheizten Kanalplatte ist also Stand der Technik. Auch der Anmelder hat bereits über erste Versuche mit beheizten Kanalplatten berichtet, ohne jedoch die hier angemeldeten Ausführungsdetails zu erwähnen.CH 713 019 A2 or by burning solid, liquid or gaseous fuels. The electrochemically used media (air and / or fuel gas) are also heated externally and used as a heat carrier for heating the apparatus. Such indirect methods are state of the art. They are described, inter alia, in the patent by Tachtler and Wenzel (US 7 226 682 B2) for solid oxide fuel cells “SOFC” and in the patent application by Brantley, Kaye, DeRenzi and Scipio (US-2006/0 127 719 A1) for using methanol operated polymer fuel cells described. Barbir, Byron, Stone and Balusubramanian present in their patent application (US 2006/0 199 056 A1) the possibility of electrically heating channel plates for polymer fuel cells at the edge, the temperature increase being said to be less than 10 ° C. In the Houlberg patent (US Pat. No. 7,160,640 B2), heating of the passive stack end plates is proposed for polymer fuel cells in order to avoid the lateral heat flow from the stack and to keep all cells at the same temperature. Similar arrangements are mentioned in Japanese Application No. 8-167,424 and in U.S. Patent 7,179,554 B2. In the disclosure by Stefan Haufe et al. (DE 10 2006 025 967 A1), the heating of the duct plates is reported as an invention without any design details. In the patent of Hayashi Katsumi and Kato Hidea (JP 2002 313 391 (A)), the channel plates of polymer fuel cells are electrically heated to avoid ice formation in order to obtain reliable conditions for cold starts of fuel cell vehicles in winter. The idea of a heated duct plate is therefore state of the art. The applicant has already reported on the first tests with heated duct plates, but without mentioning the design details registered here.

Beschreibung des erfindungsmässigen Verfahrens [0011] Die hier präsentierte Erfindung betrifft ein Verfahren mit speziellen Vorrichtungen für die schnelle Aufheizung und den temperaturstabilen Betrieb von keramischen Brennstoffzellen und Elektrolyseuren (1). Das Verfahren wird ermöglicht erstens durch mindestens eine elektrisch beheizte Kanalplatte (10) und zweitens durch eine Temperaturmessung (5) vorzugsweise im geometrischen Zentrum eines Zellenstapel (1) einer mit keramischen Elektrolyten ausgestatteten Brennstoffzelle. Das Verfahren kann jedoch bei allen elektrochemischen Wandlern eingesetzt werden, die bei höheren Betriebstemperaturen betreiben werden. Mit den im Stapel integrierten Heizelementen (9, 10) werden primär nur die elektrochemisch wirkenden Zellen (2) aufgeheizt. Alle anderen Systemkomponenten werden sekundär nach der Inbetriebnahme des Wandlers mit der erzeugten Abwärme auf Temperatur gebracht. Der elektrochemische Wandler kann in Betrieb gesetzt werden, wenn der Elektrolyt die erforderliche Temperatur erreicht hat. Der Temperatursensor verfolgt die Aufheizung direkt am Ort der Beheizung und kann regelnd auf die Stromzufuhr zu den Heizelementen eingesetzt werden.Description of the method according to the invention The invention presented here relates to a method with special devices for the rapid heating and the temperature-stable operation of ceramic fuel cells and electrolysers (1). The method is made possible firstly by at least one electrically heated channel plate (10) and secondly by a temperature measurement (5) preferably in the geometric center of a cell stack (1) of a fuel cell equipped with ceramic electrolytes. However, the method can be used with all electrochemical converters that are operated at higher operating temperatures. With the heating elements (9, 10) integrated in the stack, primarily only the electrochemically active cells (2) are heated. All other system components are brought up to temperature with the generated waste heat after the converter has been commissioned. The electrochemical converter can be put into operation when the electrolyte has reached the required temperature. The temperature sensor tracks the heating directly at the location of the heating and can be used to regulate the power supply to the heating elements.

[0012] Die erfindungsgemässe Aufheizung der elektrochemisch aktiven Zellen geschieht durch eine elektrische Beheizung einiger oder aller Kanalplatten (9.10) des Zellenstapels (1). Mit der erfindungsgemässen Beheizung der Kanalplatten (9, 10) eines elektrochemischen Wandlers lassen sich die Zellenstapel in wenigen Minuten auf die gewünschte Betriebstemperatur (600 bis 900 °C) aufheizen. Bei stark reduzierter Leistung oder im Leerlaufbetrieb kann die Stapeltemperatur mit kleiner Heizleistung erhalten werden. Mit einer Erhöhung der Betriebstemperatur kann die Leistung des beheizten Geräts (Brennstoffzelle oder Elektrolyseur) sehr schnell bedarfsgerecht gesteigert werden. Mit den über oder unter dem Stapel angeordneten flachen Heizplatte (8) kann die Temperatur eines betriebenen Stapels sensibel geregelt werden. Die Temperatur aller anderen Systemkomponenten folgt nach Inbetriebnahme oder beim Betrieb der Anlage der Stapeltemperatur. Ein Betrieb der Brennstoffzelle oder des Elektrolyseurs kann bedarfsgerecht und optimiert geregelt werden, auch wenn andere Systemkomponenten noch kalt sind.The inventive heating of the electrochemically active cells is done by electrical heating of some or all of the channel plates (9.10) of the cell stack (1). With the inventive heating of the channel plates (9, 10) of an electrochemical converter, the cell stacks can be heated to the desired operating temperature (600 to 900 ° C.) in a few minutes. In the case of a greatly reduced output or in idle mode, the stack temperature can be maintained with a low heating output. By increasing the operating temperature, the performance of the heated device (fuel cell or electrolyzer) can be increased very quickly as required. With the flat heating plate (8) arranged above or below the stack, the temperature of an operated stack can be regulated sensitively. The temperature of all other system components follows the stack temperature after commissioning or when the system is in operation. Operation of the fuel cell or electrolyser can be regulated and optimized as required, even when other system components are still cold.

Beschreibung der erfindungsmässigen Vorrichtung [0013] Ein wesentlicher Teil der Erfindung ist die Temperaturmessung im Zellenstapel (5). Pro Stapel wird mindestens ein Temperatursensor seitlich in den Stapel eingeführt. Fig. 2 zeigt die Anordnung des Temperatursensors im tragenden Kanalblech. Das Kanalblech (3) ist mit einer seitlichen Bohrung versehen ist, in die der Temperatursensor eingeführt wird (5). Diese Bohrung endet in der Mitte des Kanalblechs. Zur Vermeidung von elektrischem Kontakt zwischen der den Sensor umschliessenden Metallhülle und dem bestückten Kanalblech muss die Bohrung mit einer für hohe Temperaturen ausgelegten, elektrisch isolierenden Wandlung (6) versehen sein. In ausgeführten Fall ist eine Bohrung von 2 mm Durchmesser mit einem Keramikrohr von 1,9 mm Aussendurchmesser und 1,2 mm Innendurchmesser bestückt, in das der d = 1 mm messende Fühler eines K-Typ Thermoelements eingeführt wurde.Description of the device according to the invention An essential part of the invention is the temperature measurement in the cell stack (5). At least one temperature sensor per stack is inserted laterally into the stack. Fig. 2 shows the arrangement of the temperature sensor in the supporting channel plate. The duct plate (3) is provided with a lateral hole into which the temperature sensor is inserted (5). This hole ends in the middle of the duct plate. In order to avoid electrical contact between the metal casing surrounding the sensor and the equipped duct plate, the bore must be provided with an electrically insulating conversion (6) designed for high temperatures. In the executed case, a bore of 2 mm diameter is equipped with a ceramic tube of 1.9 mm outer diameter and 1.2 mm inner diameter, into which the sensor of a K-type thermocouple measuring d = 1 mm was inserted.

[0014] Bei einer Anordnung des den Sensor enthaltene Kanalblechs in der Mitte des Zellenstapels kann die Temperatur im geometrischen Zentrums des Stapels erfasst werden (1). Bei einer mittigen Anordnung dieses Kanalblechs im Stapel wird also die Temperatur im Zentrum des Zellenstapels gemessen. Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren und Anordnung kann die Temperatur des Stapels zuverlässig und wesentlich genau erfasst werden als mit den üblichen indirekten Temperaturmessungen ausserhalb des Stapels.With an arrangement of the channel plate contained in the sensor in the middle of the cell stack, the temperature in the geometric center of the stack can be detected (1). With a central arrangement of this channel plate in the stack, the temperature in the center of the cell stack is measured. With the method and arrangement proposed here, the temperature of the stack can be detected reliably and substantially precisely than with the usual indirect temperature measurements outside the stack.

[0015] Die mit dem Thermoelement gemessene Temperatur wird zur Temperaturreglung des Stapels verwendet. Die elektrische Beheizung des Stapels wird abgeschaltet, wenn ein vorher eingestellter Sollwert erreicht ist. Die elektrische Beheizung wird wieder aktiviert, wenn die Stapeltemperatur unter den eingestellten Sollwert fällt.The temperature measured with the thermocouple is used to regulate the temperature of the stack. The electrical heating of the stack is switched off when a previously set target value is reached. The electrical heating is reactivated when the stack temperature falls below the setpoint.

[0016] Die Beheizung erfolgt vorzugsweise mit den in Fig. 3 dargestellten Vorrichtungen, die ein Teil der Erfindungsmeldung sind. Die Gestaltung des Heizelements (7) wird mit Fig. 4 verdeutlicht. Heizdrähte (12) umschlingen einen flachen Wickelkörper (11), der beidseitig beidseitig mit einer isolierend wirkenden Abdeckung (13) elektrisch von der metallischen Kanalplatte getrennt ist. Zur Aufnahme des flachen Heizelements kann die Kanalplatte, wie Fig. 3 verdeutlicht, beispiels3The heating is preferably carried out with the devices shown in Fig. 3, which are part of the invention notification. The design of the heating element (7) is illustrated in FIG. 4. Heating wires (12) loop around a flat winding body (11), which is electrically separated from the metallic channel plate on both sides with an insulating cover (13). To illustrate the flat heating element, the duct plate, as shown in FIG. 3, can be used for example 3

CH 713 019 A2 weise aus zwei Schalen (8, 9, 10) aufgebaut sein, die das flache elektrische Heizelement (7) umschliessen. Eine (9) oder beide (8) Halbschalen können aber auch mit Kanälen versehen sein. Beidseitig flache Heizplatten (8) können zur kontrollierten Beheizung des Stapels während des Betriebs vor oder hinter dem Stapel eingesetzt werden. Die Kontaktplatten an beiden Enden des Stapels (9) besitzen nur auf einer Seite Strömungskanäle.CH 713 019 A2 can be constructed from two shells (8, 9, 10) which enclose the flat electric heating element (7). One (9) or both (8) half shells can also be provided with channels. Flat heating plates (8) on both sides can be used for controlled heating of the stack during operation in front of or behind the stack. The contact plates at both ends of the stack (9) have flow channels on only one side.

[0017] In allen Fällen werden die metallischen Halbschalen durch Schweissen oder Hartlöten elektrisch leitend und kraftschlüssig miteinander verbunden. Eine oder beide Halbschalen einer beheizten Kanalplatte sind auf der Innenseite mit einer Vertiefung (15) versehen, in die das Heizelement eingelegt wird. In dieser Vertiefung befindet sich mindestens ein Noppen (16). Zur Schaffung einer formstabilen Verbindung besitzt das Heizelement mindestens eine Öffnung (14), durch welche der oder die Noppen (16) der Halbschale, bzw. die unvertieften Bereiche beider Halbschalen ragen. Nach der Montage (17) berühren sich beide Halbschalen nicht nur am Rand, sondern auch in diesen Noppen im Inneren der zweischaligen Heizplatte. In diesen Kontaktbereichen werden, wie Fig. 5 zeigt, beide Halbschalen durch Punktschweissen oder Hartlöten miteinander verbunden (18).In all cases, the metallic half-shells are connected to one another in an electrically conductive and non-positive manner by welding or brazing. One or both half-shells of a heated duct plate are provided on the inside with a recess (15) into which the heating element is inserted. At least one knob (16) is located in this recess. To create a dimensionally stable connection, the heating element has at least one opening (14) through which the nub (s) (16) of the half-shell, or the non-recessed areas of both half-shells, project. After assembly (17), both half-shells not only touch at the edge, but also in these knobs on the inside of the double-shell heating plate. In these contact areas, as shown in FIG. 5, both half-shells are connected to one another by spot welding or brazing (18).

[0018] Die beheizten Kanalplatten verhalten sich dann wie alle anderen Kanalplatte im Stapel. Der elektrolytisch im Stapel erzeugte (Brennstoffzelle) oder benötigte (Elektrolyseur) Strom kann durch die Kanalplatte fliessen. Die elektrische Trennung von Heizelement und Kanalplatte bleibt erhalten. Die elektrischen Anschlüsse des Heizelements (11) befinden sich am Rand der Kanalplatte und können ausserhalb des Zellenstapels miteinander parallel (12), in Reihe (13) oder hybrid (Parallelschaltung seriell oder Serienschaltung parallel verbundener Gruppen) verschaltet und mit den Stromzuleitungen verbunden werden.The heated channel plates then behave like all other channel plates in the stack. The electricity (fuel cell) or required (electrolyser) electricity generated in the stack can flow through the channel plate. The electrical separation of the heating element and the duct plate is retained. The electrical connections of the heating element (11) are located on the edge of the channel plate and can be connected outside of the cell stack in parallel (12), in series (13) or hybrid (parallel connection in series or series connection in parallel of groups connected in parallel) and connected to the power supply lines.

[0019] Das Heizelement kann ein keramisches Bauteil sein, in das die Heizleiter integriert sind. Es kann auch aus einem elektrisch nicht leitenden Träger bestehen, der mit Heizdrähten bestückt oder umwickelt ist. Ferner kann das Heizelement auch eine elektrisch leitende Schicht zwischen isolierenden Abdeckungen sein. Zweckmässig, aber nicht zwingend ist eine spezifische Heizleistung von 1 bis 3 Watt pro Quadratzentimeter aktiver Zellenfläche.The heating element can be a ceramic component in which the heating conductors are integrated. It can also consist of an electrically non-conductive carrier which is equipped with heating wires or wrapped around it. Furthermore, the heating element can also be an electrically conductive layer between insulating covers. A specific, but not mandatory, specific heating output of 1 to 3 watts per square centimeter of active cell area.

[0020] Das hier für Geräte mit keramischen Elektrolyten angemeldete Verfahren zur sensiblen Temperierung der Zellenstapel besteht also aus einer sensiblen Erfassung der Temperatur im Stapel und einer sensibel geregelten Wärmezufuhr zu den Elektrolytschichten des Stapels, denn nur diese müssen heiss sein, damit ein Betrieb eines keramischen Wandlers überhaupt möglich ist. Unterschiedlichen Regelstrategien sind für die Beheizung des Stapels anwendbar. Die erforderliche Heizleistung kann durch eine einfache Ein-Aus-Schaltung des Heizstroms bei konstanter Spannung oder durch eine Anpassung der Stromstärke durch Variation der Spannung geregelt werden.The method registered here for devices with ceramic electrolytes for sensitive temperature control of the cell stack thus consists of a sensitive detection of the temperature in the stack and a sensibly regulated supply of heat to the electrolyte layers of the stack, because only these have to be hot so that an operation of a ceramic Converter is possible at all. Different control strategies can be used to heat the stack. The heating power required can be regulated by simply switching the heating current on and off at constant voltage or by adjusting the current by varying the voltage.

[0021] Die beschriebenen Vorrichtungen der beheizten Kanalplatte und der Temperaturmessung im geometrischen Zentrum des Stapels bilden die Basis für eine wesentliche Verbesserung des Verfahrens zur sensiblen Temperaturkontrolle keramischer Zellenstapel in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren.The described devices of the heated channel plate and the temperature measurement in the geometric center of the stack form the basis for a significant improvement in the method for sensitive temperature control of ceramic cell stacks in fuel cells and electrolysers.

Beschreibung der Figuren [0022]Description of the Figures [0022]

Fig. 1 Elektrochemischer Zellenstapel mit Temperatursensor und Heizplatten Fig. 2 Anordnung des Temperatursensors in einer Kanalplatte Fig. 3. Anordnung der Heizelemente in unterschiedlichen Heizplatten Fig. 4 Heizelement mit MontageöffnungenFig. 1 electrochemical cell stack with temperature sensor and heating plates Fig. 2 arrangement of the temperature sensor in a channel plate Fig. 3. arrangement of the heating elements in different heating plates Fig. 4 heating element with mounting holes

Fig. 5 Zusammenbau einer HeizplatteFig. 5 assembly of a heating plate

Legende [0023]Legend [0023]

Zellenstapelcell stack

Zellecell

Kanalplattechannel plate

Endplatteendplate

Temperaturfühlertemperature sensor

Elektrische Isolation des TemperaturfühlersElectrical insulation of the temperature sensor

Heizelementheating element

Flache HeizplatteFlat heating plate

CH 713 019 A2CH 713 019 A2

Beheizte EndplatteHeated end plate

Beheizte KanalplatteHeated duct plate

Wickelkörperbobbin

Heizdrahtwicklungheating wire

Elektrisch isolierende AbdeckungElectrically insulating cover

Montageöffnungen im HeizelementMounting openings in the heating element

Vertiefung in der KanalplatteDeepening in the channel plate

Noppen im vertieften BereichKnobs in the recessed area

Heizelement in der KanalplatteHeating element in the duct plate

Schweiss-oder LötverbindungWelded or soldered connection

Claims

claims

1. Device and method for rapid heating and sensitive temperature control of electrochemical transducers consisting of at least one cell stack which can be brought to operating temperature in a short time by means of at least one heater integrated therein and can be maintained during operation.

2. Device and method according to 1, characterized in that one or more temperature sensors are integrated in the stack.

3. Device according to 2, characterized in that one of these temperature sensors is arranged in the geometric center of the stack.

4. The device and method according to 1, characterized in that the temperature control of the cell stack is effected by electrical heating elements integrated in the stack.

5. The device according to 4, characterized in that the electrical heating elements are integrated in channel plates, end plates or heating plates.

6. The device according to 5, characterized in that these flat heating elements are provided with at least one assembly opening.

7. The device according to 5, characterized in that the channel plates, end plate and heating plates carrying the heating element are half-shelled.

8. The device according to 7, characterized in that these depressions are each provided with at least one knob, which correspond to the pattern of the mounting openings in the heating element and remain uncovered after inserting a heating element in a half-shell.

9. The device according to 7, characterized in that a half-shells are covered with the counterpart after inserting the heating element and are connected to one another in the region of the knobs by welding or brazing.

10. The device and method according to 1, characterized in that each integrated heating element receives a heating power of up to 3000 mW per square centimeter of the electrochemically active area.

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