DE102007002286A1

DE102007002286A1 - Medienversorgungsplatte für einen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102007002286A1
Application number: DE102007002286A
Authority: DE
Inventors: Stefan Käding; Rainer Grube
Original assignee: Enerday GmbH
Current assignee: SunFire GmbH
Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2027-01-17
Also published as: DE102007002286B4; EA200970561A1; EP2111668A2; US20100068598A1; CA2674278A1; US9508997B2; JP5322950B2; AU2008207241A1; CN101601161A; JP2010516038A; WO2008086781A2; WO2008086781A3; US20130130145A1; CN101601161B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Medienversorgungsplatte (10) für einen Brennstoffzellenstapel (12), mit zumindest einem Anodengasanschluss (14) und mit zumindest einem Kathodengasanschluss (16). Erfindungsgemäß weist die Medienversorgungsplatte (10) weiterhin zumindest einen Anodenabgasanschluss (18) und zumindest einen Kathodenabgasanschluss (20) auf. Weiterhin betrifft die Erfindung ein eine derartige Medienversorgungsplatte (10) versendendes Brennstoffzellensystem (52) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Brennstoffzellensystems.

Description

Die Erfindung betrifft eine Medienversorgungsplatte für einen Brennstoffzellenstapel, mit zumindest einem Anodengasanschluss und mit zumindest einem Kathodengasanschluss.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Insbesondere bei Hochtemperatur-Brennstoffzellensystemen wie beispielsweise SOFC-Brennstoffzellensystemen ist es derzeit üblich, den separat hergestellten Brennstoffzellenstapel nachträglich in das System zu integrieren, in dem der Brennstoffzellenstapel betrieben werden soll. Diese Integration der Brennstoffzellenstapel in die jeweiligen Sys teme kann sehr aufwändig sein, da beispielsweise die Zu- und Abfuhr der zum Betrieb des Brennstoffzellenstapels erforderlichen Gase sichergestellt werden muss. Zudem erfordert die Integration der Brennstoffzellenstapel in die jeweiligen Systeme häufig Dichtungen zwischen dem System und dem Brennstoffzellenstapel, wobei sich derartige Dichtungen bei Undichtigkeiten als Sicherheitsrisiko erweisen können, beispielsweise wenn eine Leckage dazu führt, dass von einem Reformer erzeugtes Reformat in nicht dazu vorgesehene Bereiche des Systems strömt.
Weiterhin wird der Brennstoffzellenstapel bei seiner Herstellung häufig auf einer Grundplatte aufgestapelt, um die Stabilität beim Produktionsprozess zu gewährleisten. Auch das zum Betrieb des Brennstoffzellenstapels vorgesehene System muss in sich so stabil hergestellt werden, dass es den Brennstoffzellenstapel aufnehmen kann. Dies führt häufig dazu, dass der Brennstoffzellenstapel auf zwei Grundplatten steht, seiner eigenen Grundplatte und einer so genannten Brennstoffzellen-Adapterplatte des Systems. Dies führt zu einem hohen Gewicht und zu hohen Kosten.
Aus der EP 0 783 771 B1 ist es bereits bekannt, eine untere Grundplatte des Brennstoffzellenstapels mit Anschlüssen für eine Gaszufuhr und eine obere Endplatte des Brennstoffzellenstapels mit Anschlüssen für eine Gasabfuhr auszustatten. Auch in diesem Fall ist die Integration des Brennstoffzellenstapels in das zu dessen Betrieb vorgesehene System jedoch aufwendig und insbesondere dann nicht vereinheitlichbar, wenn Brennstoffzellenstapel mit unterschiedlichen Höhen zur Auswahl stehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Integration der Brennstoffzellenstapel in die zu deren Betrieb vorgesehenen Systeme zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindungsgemäße Medienversorgungsplatte baut dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass sie weiterhin zumindest einen Anodenabgasanschluss und zumindest einen Kathodenabgasanschluss aufweist. Eine derartige Medienversorgungsplatte weist alle Anschlüsse auf, die zur Zu- und Abfuhr der Betriebsgase erforderlich sind, und zwar vorzugsweise in Form einer definierten Schnittstelle, die beispielsweise eine Flanschverbindung mit aufgesetzten Rohren umfassen kann und die vom jeweiligen Betreiber des Systems leicht weiterverwendet werden kann. Die Medienversorgungsplatte kann in vorteilhafter Weise insbesondere dazu ausgelegt sein, dass der Brennstoffzellenstapel bei seiner Herstellung direkt auf der Medienversorgungsplatte aufgestapelt und gefügt werden kann, so dass es nicht länger erforderlich ist, zwei Grundplatten vorzusehen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die zur Zu- und Abfuhr der Betriebsgase vorgesehene Schnittstelle unabhängig von der jeweiligen Höhe des Brennstoffzellenstapels ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Medienversorgungsplatte ist vorgesehen, dass zumindest einige der Anschlüsse mit Gaskanälen in Verbindung stehen, von denen jeder in zumindest eine Öffnung mündet, die auf einer Oberseite der Medienversorgungsplatte vorgesehen ist. Vorzugsweise stehen alle Anschlüsse mit zumindest einer Öffnung in der Oberseite der Medienversorgungsplatte in Verbindung. Beispielsweise im Falle eines Brennstoffzellenstapels mit offener Kathode ist es möglich, zwei im Randbereich liegende Öffnungen zur Luftversorgung der Kathode zu nutzen und die Anodengasversorgung über zwei zwischen diesen äußeren Öffnungen liegende innere Öffnungen vorzunehmen. Zu diesem Zweck können zumindest die zur Anodengasversorgung vorgesehenen Öffnungen bei der Herstellung des Brennstoffzellenstapels mit Gaskanälen ausgerichtet werden, die innerhalb des Brennstoffzellenstapels in dessen Stapelrichtung gebildet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Medienversorgungsplatte ist vorgesehen, dass sie zumindest eine Nut aufweist, die benachbart zu zumindest einer Öffnung vorgesehen ist. Eine derartige Nut kann beispielsweise benachbart zu der Öffnung vorgesehen sein, die zur Zuführung der im Vergleich zur Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels kühleren Kathodenluft vorgesehen ist. In diesem Fall dient die Nut dazu, den Wärmewiderstand zwischen dem Kathodenluftzufuhrbereich und dem aktiven Bereich des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen, damit möglichst wenig Wärme in den Kathodenluftzufuhrbereich übertragen wird. Im Bereich der zur Abfuhr der Kathodenluft vorgesehenen Öffnung kann in ähnlicher Weise zumindest eine Nut vorgesehen sein, damit möglichst wenig Wärme in den Kathodenluftabfuhrbereich übertragen wird.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Medienversorgungsplatte ist vorgesehen, dass sie eine die Öffnungen aufweisende obere Platte und eine die Gaskanäle zumindest mitbildende untere Platte umfasst. Die obere Platte kann dabei als Grundplatte zum Aufstapeln des Brennstoffzellenstapels dienen und bei der unteren Platte kann es sich um ein untergebautes Blechteil handeln, das durch entsprechende Formgebung die Gaskanäle bildet, vorzugsweise im Zusammenwirken mit der oberen Platte.
Bei der erfindungsgemäßen Medienversorgungsplatte kann auch vorgesehen sein, dass sie zumindest einen Durchbruch aufweist, der zur Durchführung von zumindest einem Brennstoffzellenstapel-Spannelement vorgesehen ist. Bei dem Brennstoffzellenstapel-Spannelement kann es sich beispielsweise um ein Stahlband handeln, dessen einer Endabschnitt an der Medienversorgungsplatte befestigt wird und das den Brennstoffzellenstapel und gegebenenfalls eine auf diesen aufgesetzte Haube so umschlingt, dass der andere Endabschnitt des Stahlbandes nach seiner Durchführung durch den Durchbruch vorgespannt werden kann. Diese Verspannung kann bereits bei der Herstellung des Brennstoffzellenstapels, das heißt beim Fügen, vorgenommen werden und dann über die Nutzungsdauer des Brennstoffzellenstapels aufrechterhalten werden. Somit kann eine beim Stand der Technik häufig vorgesehene temporäre Verspannung entfallen, die nach der Integration des Brennstoffzellenstapels in das zu dessen Be trieb vorgesehene System durch eine endgültige Verspannung abgelöst wird.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass es eine Medienversorgungsplatte der vorstehend erläuterten Art und einen direkt auf die Medienversorgungsplatte aufgestapelten Brennstoffzellenstapel umfasst. Um die erforderliche Dichtigkeit zwischen der Medienversorgungsplatte und dem benachbart zu dieser vorgesehenen Brennstoffzellenstapelelement sicherzustellen, kann beispielsweise beim Fügen des Brennstoffzellenstapels aufschmelzendes Glaslot verwendet werden, ohne dass dies den zusätzlichen oder alternativen Einsatz von anderen Dichtungselementen ausschließt. Da die Medienversorgungsplatte in diesem Fall sowohl als Grundplatte des Brennstoffzellenstapels als auch als Systemadapterplatte dient, ist der aufwändige Einsatz von zwei separaten Grundplatten nicht länger erforderlich.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl von identisch aufgebauten Wiederholeinheiten umfasst. Derartige Wiederholeinheiten sind an sich bekannt und können beispielsweise eine Bipolarplatte und eine MEA (Membrane Electrode Assembly) sowie gegebenenfalls weitere Dichtungs- und/oder Gasverteileinrichtungen umfassen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellenstapel zumindest zwei in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels verlaufende Gaskanäle umfasst, von denen jeder mit zumindest einer Öffnung in Verbindung steht. Bei diesen beiden Gaskanälen kann es sich insbesondere um einen Anodengas- und einen Anodenabgaskanal handeln.
In diesem Zusammenhang kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellenstapel so auf der Medienversorgungsplatte aufgestapelt ist, dass zumindest zwei Öffnungen neben dem Brennstoffzellenstapel liegen. Diese Lösung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn es sich um einen Brennstoffzellenstapel mit offener Kathode handelt.
In diesem Fall wird bevorzugt, dass der Brennstoffzellenstapel unter einer ersten Haube angeordnet ist, wobei die zwei neben dem Brennstoffzellenstapel liegenden Öffnungen in den Raum unter der ersten Haube münden. Diese erste Haube kann beispielsweise aus einer Keramik gefertigt werden, die auch zur Sicherstellung der elektrischen Isolation des Brennstoffzellenstapels dient.
Dabei wird bevorzugt, dass der Raum unter der ersten Haube von dem Brennstoffzellenstapel in einen ersten Raum und in einen zweiten Raum unterteilt wird, wobei die eine Öffnung der neben dem Brennstoffzellenstapel liegenden Öffnungen in den ersten Raum mündet, während die andere Öffnung der neben dem Brennstoffzellenstapel liegenden Öffnungen in den zweiten Raum mündet. Auf diese Weise sind die Kathodenzuluft- und die Kathodenabluftseite so voneinander getrennt, dass zur Versorgung der Kathoden vorgesehene Luft nicht an dem Brennstoffzellenstapel vorbei strömen kann, sondern diesen tatsächlich durchdringen muss.
Insofern ergibt es sich, dass der Brennstoffzellenstapel eine in den ersten Raum mündende Kathodengasschnittstelle und eine in den zweiten Raum mündende Kathodenabgasschnittstelle aufweist. Obwohl die Verwendung von Brennstoffzellenstapeln mit offener Kathode als besonders vorteilhaft eingestuft wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Vielmehr ist es ebenfalls möglich, in dem Brennstoffzellenstapel weitere Gaskanäle vorzusehen, über die die Kathodenluft zu- beziehungsweise abgeführt wird. Diese weiteren Gaskanäle sind dann vorzugsweise ebenfalls mit Öffnungen in der Oberseite der Medienversorgungsplatte ausgerichtet.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zeichnet sich dadurch aus, dass eine Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung vorgesehen ist, die zumindest den Brennstoffzellenstapel und die Medienversorgungsplatte in Stapelrichtung verspannt. Dabei wird es als besonders vorteilhaft erachtet, wenn die Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung sowohl während der Herstellung des Brennstoffzellenstapels als auch während dessen Betrieb für die erforderliche Verspannung sorgt, damit eine ausschließlich für die Herstellung und gegebenenfalls den Transport des Brennstoffzellenstapels vorgesehene temporäre Verspannung entfallen kann.
In diesem Zusammenhang wird bevorzugt, dass die Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung ein bandartiges Brennstoffzellenstapel-Spannelement umfasst, das zumindest den Brennstoffzellenstapel umschlingt. Bei diesem Band kann es sich beispielsweise um ein Stahlband handeln, oder um irgendein anderes Band, das den beim Betrieb des Brennstoffzellensys tems auftretenden Temperaturen widerstehen kann. Ohne darauf beschränkt zu sein, werden Flachbänder besonders bevorzugt.
Dabei werden Ausführungsformen als vorteilhaft erachtet, bei denen vorgesehen ist, dass das bandartige Brennstoffzellenstapel-Spannelement mit Hilfe von zumindest einem federelastischen Element unter Spannung gehalten wird. Als federelastisches Element kommt beispielsweise eine Spiralfeder in Betracht, wobei es unabhängig von der speziellen Ausgestaltung des federelastischen Elements vorteilhaft ist, wenn dieses Element seinerseits verschieden stark vorgespannt werden kann. Beispielsweise kann nämlich während der Herstellung des Brennstoffzellenstapels eine andere Verspannung optimal sein als bei dessen regulärem Betrieb.
Zumindest in einigen Fällen kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellenstapel unter einer zweiten Haube angeordnet ist. Gegebenenfalls kann die zweite Haube, die beispielsweise aus einem Metall hergestellt sein kann, durch eine entsprechende Grundplatte ergänzt werden, so dass eine Metallhülle vorliegt. Auf diese Weise ist eine Kapselung des Moduls möglich, die beispielsweise dazu dienen kann, eventuell aus dem Brennstoffzellenstapel austretendem Reformat den Weg aus dem System zu versperren und dieses austretende Reformat beispielsweise in den Kathodenabluftkanal zu zwingen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist weiterhin vorgesehen, dass der Brennstoffzellenstapel von Isolationsmaterial umgeben ist.
Sofern eine zweite Haube (oder eine vollständige Hülle) vorgesehen ist, ist diese vorzugsweise zwischen einer ersten Haube und der Isolation vorgesehen. Theoretisch ist es natürlich ebenfalls möglich, die zweite Haube beziehungsweise Hülle außerhalb von der Isolation vorzusehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellensystems umfasst die folgenden Schritte:

– Aufstapeln eines Brennstoffzellenstapels auf einer Medienversorgungsplatte, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5;
– Vorsehen einer Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung, die dazu ausgelegt ist, den Brennstoffzellenstapel und die Medienversorgungsplatte in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels zu verspannen.
– Erhitzen des Brennstoffzellenstapels unter gleichzeitiger Verspannung, um den Brennstoffzellenstapel zu fügen.

Durch diese Lösung ergeben sich die anhand des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erläuterten Eigenschaften und Vorteile in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Schritt des Erhitzens ein Zu- und Abführen von zumindest einem heißen Gas über zumindest zwei Anschlüsse umfasst. Es wird jedoch bevorzugt, die heißen Gase zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels sowohl über den Anoden- als auch über den Kathodenpfad zuzuführen. Beispielsweise kann Luft über die Kathode geleitet werden, und ab einer gewissen Temperatur, die unterhalb der Zündungstemperatur von Wasserstoff liegt, kann ein Wasserstoff/Wasser/Stickstoffgemisch über die Anode geleitet werden. Diese Temperatur könnte beispielsweise bei 400°C bis 500°C liegen.
Für das erfindungsgemäße Verfahren wird es weiterhin als besonders vorteilhaft erachtet, dass eine endgültige Verspannung des Brennstoffzellenstapels in dessen vom Fügen noch heißen Zustand mit Hilfe der Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung erfolgt. Im einfachsten Fall kann die endgültige Verspannung bereits dadurch sichergestellt werden, dass die zum Fügen des Brennstoffzellenstapels vorgenommene Verspannung einfach aufrechterhalten wird. Gegebenenfalls kann es aber auch vorteilhaft sein, die die endgültige Verspannung bewirkende Vorspannkraft nachträglich zu justieren.
Die Erfindung ermöglicht eine einfache Integration des Brennstoffzellenstapels in ein System, da die Isolation, und die Verspannung vorzugsweise schon vorhanden sind. Somit kann auch eine zusätzliche Transportverspannung in der Regel entfallen. Die Systemschnittstellen können je nach Kundenanforderung variabel definiert werden und eine (nachträglich) zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem System vorzusehende Dichtung kann entfallen, wodurch sich ein geringeres Sicherheitsrisiko ergibt. Die Verwendung einer einzigen, gemeinsamen Grundplatte führt zu einem geringerem Gewicht, zu niedrigeren Kosten und zu einer kürzeren Startzeit. Die Verwendung eines Metallgehäuses (zweite Haube) kann selbst beim Auftreten einer Anodenundichtigkeit sicherstellen, dass kein Reformat in unerwünschter Weise in das System überströmt. Wärmeverluste durch ein Weiterleiten von Wärme aus dem Brennstoffzellenstapel in die Medienversorgungsplatte können durch das Vorsehen von einer oder mehreren Nuten in der Medienversorgungsplatte zumindest verringert werden, da derartige Nuten die Wärmeleitung erschweren.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Medienversorgungsplatte, gesehen von unten;
2 eine perspektivische Schnittansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, hergestellt durch das erfindungsgemäße Verfahren;
3 eine perspektivische Darstellung des Brennstoffzellensystems von 2;
4 eine perspektivische Darstellung des Brennstoffzellensystems von 3, mit aufgesetzter erster Haube und angelegtem Spannband;
5 eine perspektivische Darstellung des Brennstoffzellensystems von 4, mit einer die erste Haube umgebenden Isolation; und
6 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem in einer schematischen Schnittansicht, die insbesondere eine mögliche Art der Verspannung schematisch veranschaulicht.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten, die zur Vermeidung von Wiederholungen zumindest teilweise nur einmal erläutert werden.
Zunächst wird auf die 1 bis 5 Bezug genommen. Die insbesondere in den 1 bis 4 zu erkennende Medienversorgungsplatte 10 weist eine obere Platte 44 und eine untere Platte 46 auf. Die untere Platte 46 ist derart ausgebildet, dass im Zusammenwirken mit der oberen Platte 44 Gaskanäle 22, 24, 26, 28 zur Verfügung gestellt werden, von denen der Gaskanal 22 mit einem Anodengasanschluss 14, der Gaskanal 22 mit einem Kathodengasanschluss 16, der Gaskanal 26 mit einem Anodenabgasanschluss 18 und der Gaskanal 28 mit einem Kathodenabgasanschluss 20 in Verbindung steht. Der Anodengasanschluss 14, der Kathodengasanschluss 16, der Anodenabgasanschluss 18 und der Kathodenabgasanschluss 20 sind jeweils rohrförmig ausgestaltet und an einer senkrecht zu der oberen Platte 44 und der unteren Platte 46 angeordneten Flanschplatte 74 befestigt. Die obere Platte 44, die untere Platte 46 und die Flanschplatte 74 sind dabei so miteinander verbunden, beispielsweise durch Schweißen oder Löten, dass die Anschlüsse 14, 16, 18, 20 gasdicht mit den Gaskanälen 22, 24, 26, 28 in Verbindung stehen. Die Gaskanäle 22, 24, 26, 28 münden jeweils in eine Öffnung 30, 32, 34, 36, die auf der Oberseite 38, das heißt in der oberen Platte 44, der Medienversorgungsplatte 10 vorgesehen ist.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens lässt sich auf der Grundlage der Medienversorgungsplatte 10 ein Brennstoffzellensystem 52 herstellen, dessen Brennstoffzellenstapel 12 direkt auf der Medienversorgungsplatte 10 aufgestapelt wird. Wie dies in 2 durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, umfasst der Brennstoffzellenstapel 12 eine Vielzahl von Wiederholeinheiten 54, die in an sich bekannter Weise eine Bipolarplatte, eine MEA sowie gegebenenfalls weitere Gasverteileinrichtungen und Dichtungsmittel umfassen. Die Wiederholeinheiten 54 umfassen dabei Durchbrüche, die in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels 12 Gaskanäle 56, 58 bilden, wobei der Gaskanal 56 über die Öffnung 30 mit dem Gaskanal 22 und somit mit dem Anodengasanschluss 14 in Verbindung steht. Der Gaskanal 58 steht über die Öffnung 34 mit dem Gaskanal 26 und somit mit dem Anodenabgasanschluss 18 in Verbindung. Über die Anschlüsse 14 und 18 kann den Anodenseiten der einzelnen Brennstoffzellen somit ein wasserstoffhaltiges Anodengas zu- und abgeführt werden. Auf der obersten Wiederholeinheit 54 ist eine Abdeckplatte 76 vorgesehen, die zum einen die Gaskanäle 56 und 58 verschließt und die zum anderen zum Spannungs- beziehungsweise Stromabgriff verwendet wird. Zu diesem Zweck steht ein Kontaktstab 78 mit der Abdeckplatte 76 in elektrisch leitender Verbindung. Der Kontaktstab 78 kann unter elektrischer Isolierung durch eine Öffnung in der Medienversorgungsplatte 10 nach unten herausgeführt sein. Ein weiterer Kontaktstab 80 steht elektrisch leitend mit der Medienversorgungsplatte 10 in Verbindung die im dargestellten Fall die Masse bildet und somit ebenfalls zum Spannungs- beziehungsweise Stromabgriff genutzt wird.
Im dargestellten Fall handelt es sich um einen Brennstoffzellenstapel 12 mit offener Kathode, das heißt es ist eine Kathodengasschnittstelle 62 und eine Kathodenabgasschnittstelle 64 vorgesehen. Die Kathodengasschnittstelle 62 ist benachbart zu der Öffnung 32 angeordnet, die über den Gaskanal 24 mit dem Kathodengasanschluss 16 in Verbindung steht. In ähnlicher Weise ist die Kathodenabgasschnittstelle 64 benachbart zu der Öffnung 36 angeordnet, die über den Gaskanal 28 mit dem Kathodenabgasanschluss 20 in Verbindung steht. Zwischen der Öffnung 32 und dem Brennstoffzellenstapel 12 sowie zwischen der Öffnung 36 und dem Brennstoffzellenstapel 12 ist jeweils eine Nut 40 beziehungsweise 42 vorgesehen, damit möglichst wenig Wärme von dem Brennstoffzellenstapel 12 zum Kathodengaszufuhrbereich beziehungsweise zum Kathodengasabfuhrbereich übertragen wird. Durch die Nuten 40, 42 ergibt sich ein vergrößerter Wärmewiderstand, so dass die Wärmeabfuhr zumindest erschwert wird. Dies ist insbesondere im Bereich der Kathodengaszufuhr von Bedeutung, da das zugeführte Kathodengas, in der Regel Luft, üblicherweise eine niedrigere Temperatur als die Betriebstem peratur des Brennstoffzellenstapels aufweist, bei dem es sich insbesondere um einen SOFC-Brennstoffzellenstapel handeln kann.
Nachdem die einzelnen Wiederholeinheiten 54 während der Herstellung des Brennstoffzellenstapels 12 aufgestapelt wurden und die Abdeckplatte 76 angeordnet wurde, wird eine erste Haube 60 so über dem Brennstoffzellenstapel angeordnet, dass die zwei neben dem Brennstoffzellenstapel 12 liegenden Öffnungen 24, 28 in den Raum unter der ersten Haube 60 münden. Der Raum unter der ersten Haube 60 wird dabei von dem Brennstoffzellenstapel 12 in einen ersten Raum und in einen zweiten Raum unterteilt, wobei die eine Öffnung 24 in den ersten Raum mündet, während die andere Öffnung 28 in den zweiten Raum mündet. Somit stehen der Kathodengasanschluss 16 und der Kathodenabgasanschluss 20 nur noch über den Brennstoffzellenstapel 12 in Verbindung. Ein Ende eines Brennstoffzellenstapel-Spannelements 50, das in Form eines Spannbandes vorliegt, weist eine nicht dargestellte Öffnung auf, so dass es an einem durch die untere Platte 46 gebildeten Vorsprung 82 befestigt werden kann. Das Spannband 50 umschlingt den Brennstoffzellenstapel 12 sowie die erste Haube 60, die so bemessen und aufgesetzt ist, dass sie eine Kraft von oben auf den Brennstoffzellenstapel 12 ausüben kann. Zu diesem Zweck erstreckt sich das andere Ende des Spannbandes 50 durch einen Durchbruch 48 in der Medienversorgungsplatte 10 und wirkt mit einer in den 1 bis 5 nicht dargestellten Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung 66 zusammen. Zum Fügen des Brennstoffzellenstapels, das heißt insbesondere zum Aufschmelzen der zwischen den einzelnen Wiederholeinheiten 54 und zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und der Medienversorgungsplatte 10 vorgesehenen Glaslotdichtungen, werden über die Anschlüsse 14, 16, 18, 20 heiße Gase zu- und abgeführt. Ebenso wie im späteren Betrieb des Brennstoffzellensystems 52 entscheidet auch beim Fügen des Brennstoffzellenstapels 12 die Belegung der Anschlüsse 14, 16, 18, 20 darüber, ob der Brennstoffzellenstapel 12 hinsichtlich der Kathodengas- und der Anodengasströmung im Gleichstrommodus oder im Gegenstrommodus betrieben wird, wobei sich bei der dargestellten Belegung ein Gegenstrommodus ergibt.
Zum Fügen des Brennstoffzellenstapels 12 wird über den Kathodengasanschluss 16 heiße Kathodenluft zugeführt, die über den Kathodenabgasanschluss 20 wieder abgeführt wird. Ab einer bestimmten Temperatur von beispielsweise 400°C bis 500°C, die unterhalb der Zündungstemperatur von Wasserstoff liegt, wird ein Wasserstoff/Wasser/Stickstoffgemisch über den Anodengasanschluss 14 zugeführt und nach dem Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel 12 über den Anodenabgasanschluss 18 abgeführt. Gleichzeitig wird über das Spannband 50 und die erste Haube 60 eine von oben nach unten wirkende Kraft auf den Brennstoffzellenstapel 12 ausgeübt. Nach dem Fügen wird der Brennstoffzellenstapel 12 mit außerhalb von der ersten Haube 60 vorgesehenem Isolationsmaterial 72 umgeben, um eine möglichst gute Wärmeisolation zu gewährleisten. Gegebenenfalls kann ein in den 1 bis 5 nicht dargestelltes, eine zweite Haube umfassendes Metallgehäuse vorgesehen sein, um zu verhindern, dass in unerwünschter Weise aus dem Brennstoffzellenstapel 12 austretendes Reformat in andere Bereiche des Systems überströmt. Stattdessen kann derartiges eventuell unterwünscht ausgetretenes Refor mat in den Kathodenabluftkanal gezwungen werden. Es sind sowohl Ausführungsformen denkbar, bei denen eine zweite Haube zwischen der Isolierung 72 und der ersten Haube 60 angeordnet ist, als auch Ausführungsformen, bei denen die Isolierung 72 von einer zweiten Haube umgeben ist, wobei die zweite Haube jeweils durch einen entsprechenden Boden zu einem vollständigen Gehäuse vervollständigt sein kann.
Es können Fälle auftreten, in denen sich (auch) die Höhe des Brennstoffzellenstapels 12 während des Fügens oder des späteren Betriebs aufgrund der beispielsweise bei SOFC-Systemen vergleichsweise großen Temperaturschwankungen geringfügig ändert. Auch in diesen Fällen soll die Dichtigkeit zwischen der ersten Haube 60 und der Medienversorgungsplatte 10 in der Regel gegeben sein. Bezogen auf die Darstellung von 4 umgreifen zu diesem Zweck die linke (in 4 zu erkennen), die hintere und die rechte Wand der ersten Haube 60 die Medienversorgungsplatte 10 so unter Anlage und damit Abdichtung, dass eine geringe Aufwärts- und Abwärtsbewegung der ersten Haube 60 nicht zu Undichtigkeiten führt. Um auch zwischen der vorderen, benachbart zum Durchbruch 48 vorgesehenen und auf der Medienversorgungsplatte 10 aufsitzenden Wand und der Medienversorgungsplatte 10 die Dichtigkeit sicherzustellen, kann gegebenenfalls eine (nicht dargestellte) hitzebeständige, elastisch verformbare Dichtung zwischen der vorderen Wand und der Medienversorgungsplatte 10 vorgesehen werden. Bei einer derartigen Dichtung kann es sich beispielsweise um eine gasdichte Fasermatte handeln, die die entsprechende Hitzebeständigkeit aufweist. Sollten wider Erwarten auch an anderen Stellen Dichtigkeitsprobleme auftreten, so könnten vergleichba re Dichtungen natürlich auch an diesen Stellen eingesetzt werden.
6 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem in einer schematischen Schnittansicht, die insbesondere eine mögliche Art der Verspannung schematisch veranschaulicht. Gemäß der Darstellung von 6 ist ein auf einer Medienversorgungsplatte 10 angeordneter Brennstoffzellenstapel 12 von einer ersten Haube 60 umgeben. Der Brennstoffzellenstapel 12 und die erste Haube 60 werden von einem Spannband 50 umschlungen, dessen eines Ende an einer Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung 66 angreift, während das andere Ende an der Medienversorgungsplatte 10 befestigt ist. Die Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung 66 umfasst einen Stift 84, der mit dem Spannband 50 in Verbindung steht und der von einer Feder 68 so nach unten gedrückt wird, dass sich eine durch die Feder 68 bestimmte Verspannung des Brennstoffzellenstapels 12 ergibt. Um die Vorspannkraft einstellen zu können, kann ein Anschlag 86 schraubenartig in den Stift 84 hinein beziehungsweise aus diesem heraus gedreht beziehungsweise geschraubt werden. Die Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung 66 kann im Zusammenwirken mit dem Brennstoffzellenstapel-Spannelement 50 sowohl während der Herstellung (des Fügens) des Brennstoffzellenstapels 12 als auch während dessen regulärem Betrieb genutzt werden. Es ist klar, dass die Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung 66 in 6 stark schematisiert und ungünstig platziert dargestellt ist. Bei realen Ausführungsformen kann eine um 90° gedrehte Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung 66 flach an der Unterseite der Medienversorgungsplatte 10 angeordnet und/oder in einer entspre chenden Ausnehmung untergebracht sein. Vorzugsweise ist die Anordnung insgesamt derart, dass sich eine flache Unterseite der Medienversorgungsplatte 10 ergibt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

10: Medienversorgungsplatte
12: Brennstoffzellenstapel
14: Anodengasanschluss
16: Kathodengasanschluss
18: Anodenabgasanschluss
20: Kathodenabgasanschluss
22: Gaskanal
24: Gaskanal
26: Gaskanal
28: Gaskanal
30: Öffnung
32: Öffnung
34: Öffnung
36: Öffnung
38: Oberseite
40: Nut
42: Nut
44: obere Platte
46: untere Platte
48: Durchbruch
50: Brennstoffzellenstapel-Spannelement
52: Brennstoffzellensystem
54: Wiederholeinheit
56: Gaskanal
58: Gaskanal
60: erste Haube
62: Kathodengasschnittstelle
64: Kathodenabgasschnittstelle
66: Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung
68: federelastisches Element
70: zweite Haube
72: Isolationsmaterial
74: Flanschplatte
76: Abdeckplatte
78: Kontaktstab
80: Kontaktstab
82: Vorsprung
84: Stift
86: Anschlag

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0783771 B1 [0005]

Claims

Medienversorgungsplatte (10) für einen Brennstoffzellenstapel (12), mit zumindest einem Anodengasanschluss (14) und mit zumindest einem Kathodengasanschluss (16), dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin zumindest einen Anodenabgasanschluss (18) und zumindest einen Kathodenabgasanschluss (20) aufweist.
Medienversorgungsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Anschlüsse (14, 16, 18, 20) mit Gaskanälen (22, 24, 26, 28) in Verbindung stehen, von denen jeder in zumindest eine Öffnung (30, 32, 34, 36) mündet, die auf einer Oberseite (38) der Medienversorgungsplatte (10) vorgesehen ist.
Medienversorgungsplatte (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest eine Nut (40, 42) aufweist, die benachbart zu zumindest einer Öffnung (32, 36) vorgesehen ist.
Medienversorgungsplatte (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine die Öffnungen aufwei sende obere Platte (44) und eine die Gaskanäle (22, 24, 26, 28) zumindest mitbildende untere Platte (46) umfasst.
Medienversorgungsplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest einen Durchbruch (48) aufweist, der zur Durchführung von zumindest einem Brennstoffzellenstapel-Spannelement (50) vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem (52) mit einer Medienversorgungsplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem Brennstoffzellenstapel (12), der direkt auf Medienversorgungsplatte (10) aufgestapelt ist.
Brennstoffzellensystem (52) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (12) eine Mehrzahl von identisch aufgebauten Wiederholeinheiten (54) umfasst.
Brennstoffzellensystem (52) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (12) zumindest zwei in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels (12) verlaufende Gaskanäle (56, 58) umfasst, von denen jeder mit zumindest einer Öffnung (22, 26) in Verbindung steht.
Brennstoffzellensystem (52) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel so auf der Medienversorgungsplatte (10) aufgestapelt ist, dass zumindest zwei Öffnungen (24, 28) neben dem Brennstoffzellenstapel (12) liegen.
Brennstoffzellensystem (52) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (12) unter einer ersten Haube (60) angeordnet ist, wobei die zwei neben dem Brennstoffzellenstapel liegenden Öffnungen (24, 28) in den Raum unter der ersten Haube (60) münden.
Brennstoffzellensystem (52) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum unter der ersten Haube (60) von dem Brennstoffzellenstapel (12) in einen ersten Raum und in einen zweiten Raum unterteilt wird, wobei die eine Öffnung (24) der neben dem Brennstoffzellenstapel (12) liegenden Öffnungen (24, 28) in den ersten Raum mündet, während die andere Öffnung (28) der neben dem Brennstoffzellenstapel (12) liegenden Öffnungen (24, 28) in den zweiten Raum mündet.
Brennstoffzellensystem (52) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (12) eine in den ersten Raum mündende Kathodengasschnittstelle (62) und eine in den zweiten Raum mündende Kathodenabgasschnittstelle (64) aufweist.
Brennstoffzellensystem (52) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung (66) vorgesehen ist, die zumindest den Brennstoffzellenstapel (12) und die Medienversorgungsplatte (10) in Stapelrichtung verspannt.
Brennstoffzellensystem (52) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenstapel- Spanneinrichtung (66) ein bandartiges Brennstoffzellenstapel-Spannelement (50) umfasst, das zumindest den Brennstoffzellenstapel (12) umschlingt.
Brennstoffzellensystem (52) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das bandartige Brennstoffzellenstapel-Spannelement (50) mit Hilfe von zumindest einem federelastischen Element (68) unter Spannung gehalten wird.
Brennstoffzellensystem (52) nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (12) unter einer zweiten Haube (70) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (52) nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (12) von Isolationsmaterial (72) umgeben ist.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellensystems (52), insbesondere nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – Aufstapeln eines Brennstoffzellenstapels (12) auf einer Medienversorgungsplatte (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5; – Vorsehen einer Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung (66), die dazu ausgelegt ist, den Brennstoffzellenstapel (12) und die Medienversorgungsplatte (10) in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels (12) zu verspannen. – Erhitzen des Brennstoffzellenstapels (12) unter gleichzeitiger Verspannung, um den Brennstoffzellenstapel (12) zu fügen.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erhitzens ein Zu- und Abführen von zumindest einem heißen Gas über zumindest zwei Anschlüsse (14, 18) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine endgültige Verspannung des Brennstoffzellenstapels (12) in dessen vom Fügen noch heißen Zustand mit Hilfe der Brennstoffzellenstapel-Spanneinrichtung (66) erfolgt.