DE10126723A1

DE10126723A1 - Interkonnektor für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10126723A1
Application number: DE10126723A
Authority: DE
Inventors: Juergen Schuele; Helmut Ringel
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2002-12-12
Also published as: WO2002097908A2; WO2002097908A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Interkonnektor für einen Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel, wobei der Interkonnektor vorteilhaft wenigstens zwei Gaseinlässe in einen Gasverteilerraum und einen Gasauslass in einem Gassammelraum vorsieht. Dazwischen sind parallele Kanäle angeordnet. DOLLAR A Durch diese Strömungsführung des Gases beim Ein- und Auslass kann vorteilhaft eine besonders homogene Strömung in den einzelnen parallelen Kanälen erzielt werden, da Turbulenzen und Düsenwirkungen sowohl in dem Gasverteilerraum als auch im Gassammelraum vermieden werden. DOLLAR A Durch Übereinanderstapeln mehrerer Interkonnektoren kann eine kompakte und für eine Parallelströmung vorgesehene Brennstoffzelle aufgebaut werden, die gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Strömungsführung der Gase aufweist und damit einen höheren Wirkungsgrad erzielt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Interkonnektor für eine Brenn stoffzelle, insbesondere für eine Hochtemperatur-Brennstoff zelle.

Stand der Technik

Von einer Reihe möglicher Brennstoffzellen-Typen, haben sich im wesentlichen fünf durchgesetzt. Das sind, nach ihrer Be triebstemperatur geordnet, die alkalische Brennstoffzelle (AFC, ca. 80°C), die Membran-Brennstoffzelle (PEMFC, ca. 80°C), die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC, ca. 200°C), die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC, ca. 650°C) und die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC, ca. 1.000°C). Da neben wird oft eine weitere, die Direkt-Methanol- Brennstoffzelle (DMFC), genannt, welche als eine Variante der Membran-Brennstoffzelle angesehen werden kann.

Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) arbeiten typischer weise mit Wasserstoff als Brennstoff und Luft als Oxidati onsmittel, wobei der Wasserstoff extern oder intern aus Methan reformiert wird. In einer Brennstoffzelle wird Luft und Brenngas elektrochemisch verbrannt, um elektrische Ener gie zu gewinnen. Bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle erfolgt diese Verbrennung im Bereich zwischen 700 und 1000°C. Dabei ist es von besonderer Bedeutung, dass die Brennstoffzelle wohl definiert und gleichmäßig mit Luft bzw. Brenngas versorgt wird, damit trotz den exothermen und beim Einsatz von CH₄ auch endothermen Prozessen, die an der Brennstoffzelle ablaufen, eine möglichst gleichmäßige Tempe raturverteilung über die gesamte Brennstoffzelle gegeben ist. Hierdurch wird für eine bestimmte gewünschte Betriebs temperatur eine maximale elektrische Leistung abgegeben und die Werkstoffbeanspruchung der Stapelmaterialien minimiert.

Bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle werden beispiels weise beim internen Manifold im Falle des Anodensubstrates zunächst die Brennstoffzellen in einen rahmenartigen Inter konnektor eingegliedert und abgedichtet. Dies stellt dann das Grundelement für den SOFC Stapel dar. Durch Stapelung der Grundelemente entsteht der Gesamtstapel. Bei dieser Sta pelung bilden sich durch entsprechende Aussparungen im Brennstoffzellenrahmen die Gasver- und Entsorgungsräume. Das elektrische Potential liegt an den Interkonnektoren an, die wiederum elektrisch voneinander isoliert sein müssen. Bei dieser Konstruktion werden regelmäßig Undichtigkeiten ver ringert, da vorteilhaft gleichartige Flachdichtungen einge setzt werden können.

Im einfachsten Falle wird eine Hochtemperatur-Brennstoff zelle im sogenannten Kreuzstrom von Luft und Brenngas be triebet. Die Luft bzw. das Brenngas tritt auf der einen Sei te der Zelle in einen Verteilungsraum ein, durchströmt den Kathoden- bzw. Anodenraum der Zelle und wird auf der anderen Seite der Zelle wieder in einem Gassammelraum gesammelt und abgeführt. Für kleine Zellen ist dies eine ausreichende Strömungsführung. Bei größeren Zellgeometrien von über 10 × 10 cm² ergeben sich jedoch Probleme bei der gleichmäßigen Durchströmung bzw. Temperaturverteilung.

Bei großen Zellen ist daher für eine optimierte Strömungs führung von Luft und Brenngas der sogenannte Parallelstrom, im allgemeinen der Gegenstrom, von Luft und Brenngas erwünscht. Hierbei werden die beiden Reaktionsgase anstatt an vier unterschiedlichen Seiten des Stapels nur an zwei gegen überliegenden Seiten zu- bzw. abgeführt. Dies erfordert je doch aufgrund des geringeren Platzangebotes (zwei Seiten, anstelle von vier Seiten) regelmäßig eine kompaktere, und damit teilweise kompliziertere Gaszuführung.

Aus Hishinuma, M. u. a. "Development of a 1 kW-Class Planar Type SOFC at Tokyo Gas", First European Solid Oxide Fuel Cell Forum, Luzern, Vol. 11 (1994), 953-60 ist ein Interkon nektor bekannt, bei dem das Brenngas in einen trapezförmigen Gasverteilerraum eingelassen wird, den Kathodenraum durch strömt, durch parallele Kanäle geführt und diagonal gegen über in einem ebenfalls trapezförmigen Gassammelraum gesam melt und abgeführt wird. Hierbei wird erreicht, daß die Strömungslinien im gesamten Strömungsraum etwa gleich lang sind und sich somit eine gleichmäßige Strömung einstellen soll. Nachteilig treten jedoch bei diesem Interkonnektor regelmäßig deutliche Strömungsunterschiede in den einzelnen Gaskanälen des Anoden- und des Kathodenraumes auf.

Aufgabe und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Interkonnektor für eine Brennstoffzelle zu schaffen, mit dem eine verbesserte gleichförmige parallele Strömungsverteilung der einzelnen Gase erzeugt werden kann und die gleichzeitig einen sehr kompakten Aufbau der Brennstoffzelle ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung einen effektiven Brennstoffzel lenstapel zu schaffen, der einen kompakten Aufbau ermög licht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ver fahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellenstapels zu schiffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Interkonnektor für eine Brennstoffzelle mit der Gesamtheit der Merkmale gemäß Hauptanspruch, einen Brennstoffzellenstapel gemäß Nebenan spruch 5, sowie durch eine Verfahren gemäß Nebenanspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen.

Darstellung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Interkonnektor für eine Hochtemperatur- Brennstoffzelle weist zwei Aussparungen auf der Oberseite und zwei Aussparungen auf der Unterseite auf. Diese Ausspa rungen ergeben beim Abdecken, beispielsweise mit einem Blech, abgeschlossener Räume. Im Einsatz in einer Brenn stoffzelle bilden sie dann Gasverteilerräume oder Gassammel räume.

Zwischen den Aussparungen sind jeweils auf der Ober- und der Unterseite parallele Kanäle angeordnet, die die Aussparungen jeweils auf einer Seite des Interkonnektors verbinden.

Weiterhin weist der Interkonnektor Bohrungen auf, die nahezu senkrecht von der Oberseite des Interkonnektors zur Unter seite verlaufen. Jede dieser Bohrungen mündet in einer Aus sparung. Erfindungsgemäß münden in wenigstens eine Ausspa rung zwei Bohrungen.

Unter Bohrungen im Sinne der Erfindung sind nur solche Boh rungen zu verstehen, die für die Gasdurchführung vorgesehen sind. Darunter sollen keine Öffnungen verstanden werden, die lediglich für den Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels benötigt werden.

Für den Betrieb einer Brennstoffzelle werden mehrere Inter konnektoren übereinander gestapelt, die durch dünne Bleche und Elektroden-Elektrolyt-Einheiten getrennt werden. Dabei ergebet sich dann die entsprechenden Gasverteiler- und die Gassammelräume. Die Bohrungen sind derart angeordnet, daß sie beim Übereinanderstapeln der Interkonnektoren eine Ent sprechung in einem darüber bzw. einem darunter angeordneten Interkonnektor finden. Weiterhin sind die Aussparungen vor teilhaft so angeordnet, daß einer Aussparung zur Ausbildung eines Gasverteilerraumes auf einer Seite der Interkonnek tors, eine Aussparung zur Ausbildung eines Gassammelraumes auf der anderen Seite entspricht. Auf diese Weise können vorteilhaft identische Interkonnektoren zum Aufbau eines Brennstoffzellenstapels verwendet werden.

Ziel der Anordnung von Bohrungen innerhalb des Interkonnek tors ist es, durch Übereinanderstapeln von mehreren Inter konnektoren und Membran-Elektroden-Einheiten eine Brenn stoffzelle zur Verfügung zu stellen, bei der eine verbesser te Strömungsführung der eingesetzten Gase erzielt wird. Da die Strömungsführung vorzugsweise parallel, also im Gegen strom, durchgeführt werden soll, bleiben nur zwei Seiten des Brennstoffzellenstapels für die Zu- und Abführung des Brenn gases und die Zu- und Abführung des Oxidationsmittels.

Der erfindungsgemäße Interkonnektor sieht für einen Gasver teilerraum wenigstens zwei Bohrungen vor. Vorteilhaft sind diese in Strömungsrichtung des Gases rechts und links im Gasverteilerraum angeordnet. Diese Anordnung bewirkt, daß das Gas im Gasverteilerraum vorteilhaft verteilt wird, und so ähnliche Bedingungen am Anfang eines jeden parallelen Kanals für die Gasweiterleitung in den Gassammelraum vorlie gen. Dieser Vorteil tritt insbesondere bei etwas größeren Interkonnektoren auf, da die gesamte Breite der parallelen Kanäle über zwei Bohrungen mit Gas versorgt werden, und so eine strömungstechnisch nahezu homogene Verteilung über die Breite erzeugen. Daher kann durch den erfindungsgemäßen In terkonnektor bei einem geringen Gesamtdruckverlust eine nahezu homogene Gasverteilung über die einzelnen parallelen Kanäle erzielt werden.

Sinnvoll werden die Bohrungen der Interkonnektoren derart angeordnet, dass beim Zusammenbau (Übereinanderstapeln) der Interkonnektoren, die Gasversorgung beider Gase, sowohl des Brenngases, als auch des Oxidationsgases, sichergestellt wird. Spiegelbildliche Anordnungen für die Strukturen auf der Oberseite und der Unterseite eines Interkonnektors sind daher besonders vorteilhaft.

Sofern das Oxidationsgas einen sehr viel größeren Volumen strom als das Brenngas aufweist, können die entsprechenden Durchmesser der Bohrungen für die einzelnen Gassorten daran angepaßt werden.

Spezieller Beschreibungsteil

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels sowie einiger Zeichnungen näher erläutert. Dabei zei gen die Fig. 2 bis 3 verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt einen Interkonnektor 1 eines Brennstoff zellenstapels für eine Gegenstromführung, wie sie von der japanischen Firma Tokio-Gas bekannt ist. In diesem Fall wird z. B. die Luft über eine Öffnung 4 in einer Ecke eines tra pezförmigen Luftverteilerraumes 2 _o eingeleitet, verteilt, durchströmt anschließend einzelne parallel verlaufende Kanä le 8 _o und wird diagonal gegenüber in einem entsprechenden Luftsammelraum 3 _o wieder gesammelt und über eine Luftabfüh rungsöffnung 5 abgeführt. Hierdurch wird erreicht, dass die Strömungslinien im gesamten Strömungsraum in etwa gleich lang sind und sich somit eine gleichmäßige Strömungsvertei lung einstellen soll. Da es sich jedoch bei der Einströmung bzw. Ausströmung aus dem Kathodenraum der Zelle um wesent lich unterschiedliche Strömungsvorgänge (Diffusion, Düse) handelt, treten deutliche Strömungsunterschiede in den ein zelnen Luftkanälen des Kathodenraumes auf. Entsprechendes gilt für die Anodenseite.

Die Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Problemlösung für einen Interkonnektor einer Brennstoffzelle mit Parallelstrom von Luft und Brenngas. Eine gleichmäßige Strömungsführung in den einzelnen Luftkanälen (bzw. Brenngaskanälen) 8 _o, 8 _u wird dadurch erreicht, dass die Luft in einen Gasverteilerraum 2 _o, 2 _u dadurch zwei Bohrungen 4, 4a, 6, 6a eingeleitet wird und im gegenüber liegenden Gassammelraum 3 _o, 3 _u über eine mittlere Bohrung 5, 7 wieder abgeführt wird. Die beiden Ein trittsöffnungen 4, 4a bzw. 6, 6a sind dabei rechts und links, in Strömungsrichtung gesehen, des Eintrittsraumes 2 _o, 2 _u angeordnet, wo hingegen die Austrittsöffnung 5, 7 im Gas sammelraum 3 _o, 3 _u mittig angeordnet ist. In Bezug auf die Kanäle 8 _o, 8 _u des Interkonnektors ist eine symmetrische Strömungsausbildung gegeben. Dies ist ein besonderes Problem bei der Ausgestaltung der internen Gasver- und entsorgung für eine Gegenstromführung von Luft und Brenngas an den Zel len. Mit der Positionierung der Zu- und Ableitungsöffnungen (Bohrungen) kann eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Luft über die einzelnen Luftkanäle erreicht werden. Eine gleichartige aber gegenläufige Strömungsführung ist für das Brenngas vorgesehen. Eine Aussparung für einen Gassammelraum liegt auf der anderen Seite des Interkonnektors eine Ausspa rung für einen Gasverteilerraum gegenüber, wie durch die gestrichelte Linienführung angedeutet. Die Verteilerleitun gen für die Zu- und Abführungen des Brenn- und des Oxidati onsgases können so vorteilhaft auf einfache Weise auf zwei Seiten des Brennstoffzellenstapels angeordnet werden.

Eine entsprechende Ausführung ist auch für die Kreuzstrom führung bei der Verwendung von großen Zellen angebracht. Üblicher Weise ist bei einer Brennstoffzelle der Luftvolumenstrom ein vielfaches des Brenngasvolumenstroms. Diesem Umstand kann durch eine entsprechende Gestaltung der Vertei lungs- und Sammelräume für die Luft bzw. des Brenngases und durch die Größe der jeweiligen Eintritts- sowie Aus trittsöffnungen Rechnung getragen werden.

In Fig. 3 ist ein zweizelliger Brennstoffzellenstapel für eine Parallelstromführung dargestellt, der von unten nach oben wie folgt aufgebaut ist. Auf einer unteren Abschluß platte, wird ein rahmenförmiges Blech angeordnet, in welchem sich eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit befindet. Darüber ist der erfindungsgemäße Interkonnektor angeordnet. Als Ab schluß folgt wieder ein rahmenförmiges Blech mit einer wei teren Elektroden-Elektrolyt-Einheit sowie eine obere Ab schlußplatte. Die Abschlußplatten sind ähnlich wie der er findungsgemäße Interkonnektor aufgebaut, weisen aber die Aussparungen und Kanäle nur auf der dem Stapel zugewandten Seite auf. Diese Anordnung ergibt einen zweizelligen Brenn stoffzellenstapel. Die Pfeile markieren die unterschiedli chen Wege des Brennstoffs und des Oxidationsgases durch die sen Brennstoffzellenstapel.

Legende zu den Fig. 1 bis 3

1

Interkonnektor,

2 _o

,

2 _u

Aussparung für den Gasverteilerraum auf der Ober- bzw. Unterseite des Interkonnektors,

3 _o

,

3 _u

Aussparung für den Gassammelraum auf der Ober- bzw. Unterseite des Interkonnektors,

4

,

4

a,

5

Bohrungen, die in die Aussparung auf der Oberseite des Interkonnektors münden,

6

,

6

a,

7

Bohrungen, die in die Aussparung auf der Unterseite des Interkonnektors münden,

8 _o

,

8 _u

parallele Kanäle zwischen den Aussparungen jeweils auf der Ober- und der Unterseite des Interkonnek tors.

Claims

1. Interkonnektor (1) für eine Hochtemperatur-Brennstoff zelle
mit wenigstens zwei Aussparungen auf einer Seite (2 _o, 3 _o, 2 _u, 3 _u),
wobei zwischen den Aussparungen auf einer Seite pa rallele Kanäle (8 _o, 8 _u) angeordnet sind, die die Ausspa rungen verbinden,
mit Bohrungen (4, 5, 6, 7) die nahezu senkrecht von der Oberseite des Interkonnektors zur Unterseite ver laufen,
dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens eine der Aussparungen (2 _o, 3 _o, 2 _u, 3 _u) eine weitere Bohrung (4a, 6a) aufweist.

2. Interkonnektor nach Anspruch 1, bei dem jeweils eine Aussparung (2 _o, 2 _u) zwei Bohrungen (4 und 4a, bzw. 6 und 6a) und die jeweils zweite Aussparung auf derselben Seite des Interkonnektors (3 _o, 3 _u) nur jeweils eine Boh rung (5, 7) aufweist.

3. Interkonnektor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei den die Bohrungen unterschiedliche Durchmesser aufwei sen.

4. Interkonnektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit zwei Aussparungen auf der Oberseite (2 _o, 3 _o) und zwei Aussparungen auf der Unterseite (2 _u, 3 _u), wobei jeweils eine Aussparung (2 _o, 2 _u) als Gasverteilerraum zwei Boh rungen (4, 4a, 6, 6a) und die jeweils anderen Aussparungen (3 _o, 3 _u) als Gassammelraum nur eine Bohrung (5, 7) aufweisen und einer Aussparung mit zwei Bohrungen auf der Oberseite eine Aussparung mit einer Bohrung auf der Unterseite entspricht.

5. Brennstoffzellenstapel umfassend wenigstens einen In terkonnektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4.

6. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5, bei dem die aus den Aussparungen (2 _o, 2 _u) gebildeten Gasverteilerräume jeweils zwei Bohrungen (4, 4a und 6, 6a) und die aus den Aussparungen (3 _o, 3 _u) gebildeten Gassammelräume je weils nur eine Bohrung (5, 7) aufweisen.

7. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5 bis 6, bei dem die Bohrungen (4, 4a, 6, 6a) in Strömungsrichtung rechts und links im Gasverteilerraum (2 _o, 2 _u) angeordnet sind.

8. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5 bis 7, bei dem die Bohrungen (5, 7) in Strömungsrichtung mittig im Gassammelraum angeordnet sind.

9. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5 bis 8, bei dem die Durchmesser der Bohrungen für das Oxidationsmittel größer sind als die Durchmesser der Bohrungen für das Brenngas.

10. Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperatur-Brenn stoffzellenstapels mit mehreren Interkonnektoren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an einer ersten Seite des Stapels ein Gas über wenig stens zwei Bohrungen (4, 4a) in einen Gasverteilerraum (2 _o) einer Brennstoffzelle eingeleitet und über eine Bohrung (5) aus einem Gassammelraum (3 _o) auf der gegen überliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels aus der Brennstoffzelle heraus geleitet wird.