DE102006044148A1 - Nachgiebige Beschickungsrohre für ein planares Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen-System - Google Patents

Nachgiebige Beschickungsrohre für ein planares Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen-System Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Festelektrolytbrennstoffzellensystem (100). Das Festelektrolytbrennstoffzellensystem (100) kann eine Anzahl von Brennstoffzellen (120) haben, die unter mechanischer Druckbelastung zu einem Brennstoffzellenstapel (110) zusammengefügt sind, sowie eine Anzahl von Verteilerscheiben (140), die unter Druckbelastung zu einer Verteilersäule (130) zusammengefügt sind, und eine Anzahl von nachgiebigen Zu- oder Abführrohren (160), die die Brennstoffzellen (120) und die Verteilerscheiben (140) miteinander verbinden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Energieerzeugungssysteme, die Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen verwenden und bezieht sich besonders auf nachgiebige Gasbeschickungsröhren für einen externen Mehrfachverteiler und einen Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen-Stapel.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Anordnung, die einen Brennstoff mit einem Oxidationsmittel elektrochemisch reagieren lässt und Gleichspannung erzeugt. Die Brennstoffzelle weist allgemein ein Kathodenmaterial, ein Elektrolytmaterial und ein Anodenmaterial auf. Das Elektrolytmaterial ist ein nicht poröses Material, das sandwichartig zwischen dem Kathodenmaterial und dem Anodenmaterial angeordnet ist. Auf die Anode und die Kathode wird allgemein als Elektrode Bezug genommen. Eine einzelne elektrochemische Zelle erzeugt gewöhnlich eine relativ geringe Spannung. Deshalb werden einzelne elektrochemische Zellen in einer Serie miteinander verbunden, um einen Stapel zu bilden; so dass höhere Spannungen erreicht werden können, die praktisch verwendbar sind.
  • Die Anode, das Elektrolyt und die Kathode sind in einer planaren Brennstoffzelle im Wesentlichen planar oder eben. Um einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen, wird ein Interkonnektor-Bauteil verwendet, um die aneinander angrenzenden Brennstoffzellen in elektrischer Reihenschaltung zu verbinden. Typischerweise gehören zu einem Brennstoffzellenstapel ein oder mehrere Hauptverteiler, um Brennstoff und/oder Oxidationsmittel an den Stapel zu liefern, und auch, um verbrauchten Brennstoff oder Luft abzuleiten. Die meisten Brennstoffzellen-Anordnungen ermöglichen die individuelle Verbindung der Brennstoff und Oxidationsmittel führenden Kammern einer jeden Zelle im Stapel mit dem entsprechenden Hauptverteiler. In Brennstoffzellen-Stapel-Anordnungen mit internen Verteilern sind die Hauptverteiler ein integraler Bestandteil des Brennstoffzellen-Stapels und können direkt an die einzelnen Strömungskammern angeschlossen werden. In Brennstoffzellen-Stapel-Anordnungen mit externen Verteilern sind die Hauptverteiler im Wesentlichen von dem Brennstoffzellen-Stapel getrennt und es sind Beschickungsrohre oder Durchgänge vorgesehen, um den Hauptverteiler mit den Zellen in dem Brennstoffzellen-Stapel zu verbinden. Ein oder mehrere Beschickungsrohre können dasselbe Fluid (Brennstoff oder Oxidationsmittel) zu jeder Brennstoffzelle führen oder ein und dasselbe Beschickungsrohr kann eine oder mehrere Brennstoffzellen versorgen. Die Beschickungsrohre können auf ähnliche Weise genutzt werden, um verbrauchten Brennstoff oder verbrauchtes Oxidationsmittel von der Brennstoffzelle weg in einen entsprechenden Abgashauptverteiler zu führen. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung solcher Beschickungsrohre in einem Brennstoffzellenstapel mit externen Verteilern.
  • Ein externer Hauptverteiler kann auf verschiedene Art und Weise gebildet werden. In einer Art kann der Verteiler ein vorgefertigtes Rohr aufweisen. Nach einem anderen Verfahren können die einzelnen Verteilerscheiben durch Stapeln den Hauptverteiler bilden. In solch einer Konstruktion sind zwischen den einzelnen Verteilerscheiben entsprechende Verteilerdichtungen erforderlich, um das Aussickern des durch den Hauptverteiler geführten Fluids zu verhindern.
  • Allgemein wird eine Druckbelastung senkrecht zur Ebene der Zellen in einem Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen-Stapel (der axialen Richtung) verwendet. Diese axiale Druckbelastung erfüllt verschiedene Funktionen an drei Berührungsflächen: (1) sie reduziert den flächenspezifischen Widerstand durch Aufrechterhaltung des Kontaktes zwischen der Zelle und dem Interkonnektor, (2) sie reduziert Undichtigkeit durch Aufrechterhaltung der Druckbelastung auf die den Rand der Zelle umfassende Dichtung, und (3) sie reduziert die Undichtigkeit durch Aufrechterhaltung des Drucks auf die Verteilerdichtung. Aufgrund der Verschiedenheit der an jeder dieser Grenzflächen verwendeten Materialien und der Variation ihres Verhaltens in den verschiedenen Zeiten im Lebenszyklus eines Stapels, ist der Betrag der Abweichung in axialer Richtung an jeder Grenzfläche verschieden. Spezifische Fragestellungen beinhalten die Herstellungstoleranzen, Kompression der Dichtung, Schwund der zwischen zwei Grenzflächen liegenden Füllstoffmaterialien (Bindemittelpaste), relative thermische Ausdehnung, etc.. Verschiedene dieser Bedingungen treten wiederholt auf, während andere nur beim anfänglichen Zusammensetzen des Stapels auftreten. Die Veränderung der axialen Belastung kann deshalb an jeder Grenzfläche zu verschiedenen Zeiten erforderlich sein. Übermäßige Druckbelastung der Zellen kann zum Ausfall der Zelle führen, während unzureichende Druckbelastung zu reduzierter Leistung führen kann.
    •
  • Es besteht ein Bedarf nach einer Maßnahme, um auf den Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen-Stapel während der Anpassung der unterschiedlichen Merkmale der Elemente, die den Stapel als Ganzes ausmachen, eine axiale Belastung anzuwenden. Die Belastung sollte angewandt werden, ohne die Funktionsfähigkeit des Systems zu beeinträchtigen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt deshalb ein Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen-System. Das Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen-System kann eine Anzahl von Brennstoffzellen beinhalten, die unter Belastung in einem Brennstoffzellen-Stapel platziert werden, einer Anzahl von Verteilerscheiben, die unter Belastung in einer Verteilersäule platziert werden, und einer Anzahl von nachgiebigen Beschickungsröhren, welche die Brennstoffzellen und die Verteilerscheiben verbinden.
  • Die Verteilersäule kann getrennt vom Brennstoffzellen-Stapel mit Druck beaufschlagt werden. Die auf den Brennstoffzellen-Stapel angewandte mechanische Belastung und die auf die Verteilersäule angewandte mechanische Belastung kann im Wesentlichen durch die Zahl der nachgiebigen Beschickungsrohre voneinander isoliert werden. Die Verteilersäule kann eine Anzahl von Dichtungen mit jeweils einer zwischen einem Paar von Verteilern positionierten Dichtung beinhalten. Die Dichtungen können Glimmer oder auf Vermiculit basierende Dichtungsringe beinhalten. Eine oder mehrere der nachgiebigen Beschickungsrohre isolieren die entsprechende Brennstoffzelle und die Verteilerscheibe elektrisch voneinander. Die Verteilerscheiben können in die nachgiebigen Beschickungsrohre integriert sein, oder von diesen getrennt sein. Die Brennstoffzellen beinhalten eine Anzahl von Interkonnektoren, so dass die Interkonnektoren mit den nachgiebigen Beschickungsrohren in Verbindung stehen.
  • Die nachgiebigen Beschickungsrohre können im Ganzen oder in Teilen ein metallisches oder keramisches Material beinhalten. Die nachgiebigen Beschickungsrohre können ein gewelltes Material oder gebogene Beschickungsrohre beinhalten. Die Verteilerscheiben können eine Beschichtung aus Aluminium oder yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid oder aus einer Keramik aufweisen.
  • Die vorliegende Anmeldung beschreibt weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Systems. Das Verfahren kann die Zusammensetzung eines Unterstapels aus einer Anzahl von Brennstoffzellen, einer Anzahl von Verteilerscheiben und einer Anzahl von nachgiebigen Beschickungsrohren, das Erwärmen des Unterstapels, so dass die Zahl der nachgiebigen Beschickungsrohre sich anpasst, und das Zusammenfügen der Unterstapel in ein Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen-System beinhalten. Das Verfahren kann weiterhin das Platzieren der Brennstoffzellen und der Verteilerscheiben unter voneinander unabhängiger Druckbelastung, die Isolierung der mechanischen, auf den Verteiler und den Brennstoffzellenstapel wirkenden, Belastung durch Abbiegen der nachgiebigen Beschickungsrohre und die integrierte Fertigung der Verteiler und der nachgiebigen Beschickungsrohre beinhalten.
  • Die vorliegende Anmeldung könnte weiterhin ein Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen-System beschreiben. Das Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen-System kann eine Anzahl von Brennstoffzellen, die unter Belastung in einem Brennstoffzellen-Stapel platziert werden, und eine Anzahl von Verteilerscheiben beinhalten, die unter Belastung in einer Verteilersäule platziert werden, so dass die Verteilersäule getrennt von dem Brennstoffzellen-Stapel unter einer Druckbelastung platziert wird. Eine Anzahl von nachgiebigen Beschickungsrohren kann die Brennstoffzellen und die Verteilerscheiben verbinden. Die nachgiebigen Beschickungsrohre können im Ganzen oder in Teilen ein metallisches oder ein keramisches Material beinhalten. Die auf den Brennstoffzellen-Stapel angewandte Belastung und die auf die Verteilersäule angewandte Belastung kann im Wesentlichen durch die nachgiebigen Beschickungsrohre isoliert werden.
  • Diese und andere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden für den Fachmann bei Durchsicht der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den beiliegenden Ansprüchen offensichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Stapels aus Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen, wie er hierin beschrieben ist.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Stapels aus Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen.
    •
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Im Folgenden wird Bezug genommen auf die Zeichnungen, in denen die entsprechenden Bezugszeichen die in den Bildern gezeigten entsprechenden Elemente wiedergeben, 1 zeigt ein Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen(„SOFC")-System 100, wie es hier beschrieben ist. Das SOFC-System 100 beinhaltet einen Brennstoffzellen-Stapel 110 mit einer Anzahl von Brennstoffzellen 120. Der SOFC-Stapel 110 kann jede gewünschte Anzahl von Brennstoffzellen 120 enthalten. Die Brennstoffzellen 120 können weitgehend von herkömmlichem Aufbau sein. Die Brennstoffzellen 120 in dem SOFC-Stapel 110 können durch eine Anzahl von Interkonnektoren verbunden sein. Es ist wohl bekannt, dass die Interkonnektoren aus zwei oder mehr Schichten eines zusammengefügten Metalls bestehen können, um die Strömungsgänge für den Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel zu bilden. Das SOFC-System 100 kann einen Hauptverteiler 130 haben, der angrenzend an den SOFC-Stapel 110 positioniert ist. Der Hauptverteiler 130 kann jede Anzahl von darin positionierten Verteilerscheiben 140 enthalten. Die Verteilerscheiben 140 werden verwendet, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel zu den Interkonnektoren der Brennstoffzellen 120 zu führen. Allgemein wird eine Verteilerscheibe 140 für jede der Brennstoffzellen 110 verwendet. Es ist auch möglich, eine Verteilerscheibe 140 für die Versorgung verschiedener Brennstoffzellen 120 zu haben.
  • Eine Dichtung 150 kann innerhalb jeder der Verteilerscheiben 140 der Verteilersäule 130 positioniert werden. Die Dichtungen 150 können druckfeste Hochtemperaturdichtungen sein so wie Glimmer oder auf Vermiculit basierende Dichtungen. Glasdichtungen können auch verwendet werden. Andere Arten von hochtemperaturresistenten Materialien können dabei verwendet werden. Die Dichtungen 150 können auch aus einem isolierenden Material bestehen, so dass sie für eine elektrische Isolierung sorgen. Alternativ kann die Oberfläche der Verteilerscheiben 140 bedeckt sein mit einer isolierenden Beschichtung wie z.B. Aluminium, yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid, einer allgemeinen Keramik, oder einer anderen angemessenen Art eines gegenüber dem Hochtemperaturbetrieb resistenten Beschichtungsmaterials.
  • Die Brennstoffzellen 120 des SOFC-Stapels 110 können in Verbindung stehen mit den Verteilerscheiben 140 des Hauptverteilers 130 durch eine Anzahl von nachgiebigen Beschickungsrohren 160. Speziell kann jede der Brennstoffzellen 120 durch eine oder mehrere der nachgiebigen Beschickungsrohre 160 mit dem Hauptverteiler in Verbindung stehen. Die nachgiebigen Beschickungsrohre 160 können metallische oder keramische Röhren enthalten oder Röhren, die in einigen Bereichen metallisch sind und in anderen Bereichen entlang der Länge keramisch sind. Die nachgiebigen Beschickungsrohre können im Querschnitt kreisrund oder nicht kreisrund sein. Die Beschickungsröhren 160 können Brennstoff oder Oxidationsmittel von einem entsprechenden Hauptverteiler 130 zu den Brennstoffzellen 120 liefern oder liefern verbrauchten Brennstoff oder Luft von der Brennstoffzelle 120 an den entsprechenden Hauptverteiler 130. Die nachgiebige Art der Beschickungsrohre 160 isoliert die auf dem SOFC-Stapel 110 und die Verteilersäule 130 wirkenden mechanischen Belastungen weitgehend.
  • Die erforderliche Nachgiebigkeit in den Verteilerrohren 160 kann durch eine oder verschiedene Methoden erreicht werden, dazu gehören, ohne darauf beschränkt zu sein: entsprechende Bemessung von Länge und Querschnitt der Beschickungsrohre 160, Wellung mindestens eines Teils der Länge der Beschickungsrohre 160, oder Schaffung einer oder mehrerer entsprechend bemessener Biegungen in den Beschickungsrohren 160. Andere Methoden können dabei angewandt werden. Die angepassten Beschickungsrohre 160 können auch für die elektrische Isolierung zwischen der Brennstoffzelle 120 und dem Hauptverteiler 130 sorgen.
  • Die nachgiebigen Beschickungsrohre 160 können in die Verteilerscheiben 140 der Hauptverteilersäule 130 integriert sein. Alternativ können die Beschickungsrohre 160 getrennt gefertigt und dann an einem Ende an die Brennstoffzellen 120 und am anderen Ende an die Verteilerscheiben 140 angeschlossen werden. Eine oder mehrere Beschickungsrohre 160 können jeder Verteilerscheibe 140 entspringen. Zusätzliche Schichten von Beschickungsrohren 160 und Verteilerscheiben 140 können aufeinander gestapelt werden, um einen Hauptverteiler oder eine Hauptverteilersäule 130 zu bilden. Die Dichtungen 150 können zwischen den Verteilerscheiben 140 platziert werden, um ein Austreten von Gas aus dem Hauptverteiler 130 zu verhindern, der durch die gestapelten Verteilerscheiben 140 gebildet wird. Entsprechend kann das andere Ende eines jeden der angepassten Zuführungsrohre 160 an eine Brennstoffzelle 120 angeschlossen sein. Zusätzliche Brennstoffzellen 120 können aufeinander gestapelt werden, so dass Sie einen SOFC-Stapel 110 bilden. Der Hauptverteiler 130 kann unabhängig vom SOFC-Stapel 110 Belastungen ausgesetzt werden.
  • Anstatt der Vervollständigung eines ganzen SOFC-Stapels 110 oder einer ganzen Verteilersäule 130 kann ein Unterstapel 170 gebildet werden. Der Unterstapel 170 kann dann erhitzt werden, um zumindest einige der einmal zwischen dem SOFC-Stapel und der Verteilersäule 130 in axialer Richtung auftretenden Abweichungen hervorzurufen. Dieses Erhitzen kann die nachgiebigen Beschickungsrohre 160 auch dazu bringen, dass diese eine dauerhafte, der Abweichung entsprechende Gruppe bilden. Der Unterstapel 170 kann dann in ein vollständiges Stapel-System 100 zusammengesetzt werden. Die Verwendung der Unterstapel 170 begrenzt oder reduziert die mechanische Belastung, die erforderlich ist, um die nachgiebigen Beschickungsrohre 160 zu biegen.
  • Die Verwendung der externen Verteilersäule 130 und der nachgiebigen Beschickungsrohre 160 erlaubt somit, dass der Brennstoffzellenstapel 110 gegenüber mechanischen Belastungen und Verbiegungen isoliert ist. Die nachgiebigen Beschickungsrohre 160 können im Endzustand eine dauerhafte Gruppe bilden, so dass Verbiegungsbelastungen abgebaut werden können. Die nachgiebigen Beschickungsrohre 160 und die Verteilersäule 130 können ebenso integriert gefertigt werden, um so die Herstellungsschritte und die Zahl der erforderlichen Anschlüsse zu reduzieren. Die Verwendung der externen Verteilersäule 130 erlaubt auch abnehmbare und dauerhafte Dichtungen.
  • 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des SOFC-Stapels 200. In dieser Ausführungsform hat die Verteilersäule 130 nicht eine einheitliche Struktur. Eher kann eine Anzahl von getrennten Verteilerscheiben 210 verwendet werden. Im Besonderen sind drei (3) Verteilerscheiben 210 gezeigt, welche die Brennstoffzelle 120 umgeben. Die Brennstoffzelle 120 ist so mit drei nachgiebigen Beschickungsrohren 160 verbunden. Die Verteilerscheiben 210 können so in drei (3) Verteilersäulen gestapelt sein. Eine Säule kann für den Brennstoffeinlass sorgen, eine Säule kann für den Brennstoffauslass sorgen und eine Säule kann für den Lufteinlass sorgen. Jede gewünschte Anzahl von Verteilerscheiben 210 und Säulen kann verwendet werden.
  • Die Erfindung betrifft ein Festelektrolytbrennstoffzellensystem 100. Das Festelektrolytbrennstoffzellensystem 100 kann eine Anzahl von Brennstoffzellen 120 haben, die unter mechanischer Druckbelastung zu einem Brennstoffzellenstapel 110 zusammengefügt sind, sowie eine Anzahl von Verteilerscheiben 140, die unter Druckbelastung zu einer Verteilersäule 130 zusammengefügt sind, und eine Anzahl von nachgiebigen Zu- oder Abführrohren 160, die die Brennstoffzellen 120 und die Verteilerscheiben 140 miteinander verbinden.
  • Es sollte offensichtlich sein, dass das Vorstehende sich nur auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung bezieht und dass darin durch einen Fachmann zahlreiche Veränderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne den allgemeinen Gedanken und Schutzbereich der Erfindung, so wie in den nachfolgenden Ansprüchen und den sich daraus ergebenden Äquivalenten definiert, zu verlassen.
    • 100
    Festelektrolytbrennstoffzellensystem
    110
    Brennstoffzellenstapel
    120
    Brennstoffzellen
    130
    Verteilersäule
    140
    Verteilerscheiben
    150
    Dichtung
    160
    Beschickungsrohre
    170
    Unterstapel
    200
    SOFC-Stapel
    210
    Verteilerscheiben

Claims (8)

  1. Ein Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen-System (100), das aufweist: eine Vielzahl von Brennstoffzellen (120), die unter Belastung in einem Brennstoffzellenstapel (110) platziert werden; eine Vielzahl von Verteilerscheiben (140), die unter Belastung in einer Verteilersäule 130 platziert werden; und eine Vielzahl von nachgiebigen Beschickungsrohren (160), welche die Mehrzahl der Brennstoffzellen 120 und die Mehrzahl der Verteilerscheiben (140) verbinden.
  2. Das Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen-System (100) nach Anspruch 1, wobei die Verteilersäule 130 getrennt vom Brennstoffzellenstapel (110) unter Belastung platziert wird.
  3. Das System (100) nach Anspruch 1, wobei die Verteilersäule (130) viele Dichtungen (150) aufweist und wobei eine der Dichtungen (150) zwischen einem Paar der vielen Verteilerscheiben (140) positioniert ist.
  4. Die Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere der nachgiebigen Beschickungsrohre (160) gegenüber der entsprechenden Brennstoffzelle (120) und den Verteilerscheiben (140) elektrisch isoliert ist.
  5. Die Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der nachgiebigen Beschickungsrohre ein metallisches oder keramisches Material in Gänze oder zum Teil aufweist.
  6. Die Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 1, wobei die auf den Brennstoffzellenstapel (110) ausgeübt mechanische Belastung und die auf die Verteilersäule (130) ausgeübte mechanische Belastung im Wesentlichen durch die Vielzahl der nachgiebigen Beschickungsrohre (160) im Wesentlichen voneinander isoliert sind.
  7. Die Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der nachgiebigen Beschickungsrohre (160) ein gewelltes Material aufweist.
  8. Die Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der nachgiebigen Beschickungsrohre (160) ein gebogenes Beschickungsrohr (160) aufweist.
DE102006044148A 2005-11-17 2006-09-15 Nachgiebige Beschickungsrohre für ein planares Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen-System Withdrawn DE102006044148A1 (de)

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US11/164,295 US20070111068A1 (en) 2005-11-17 2005-11-17 Compliant feed tubes for planar solid oxide fuel cell systems

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