DE102007012763A1 - Gehäuse zum Aufnehmen zumindest eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse zum Aufnehmen zumindest eines Brennstoffzellenstapels (24), wobei in zumindest einer Gehäusewand (12) an einer Stelle eine Öffnung (22) vorgesehen ist, an der sich die Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels (24) mit der Gehäusewand (12) schneidet, wobei in der Öffnung (22) ein Verspannungsklotz (30) platzierbar ist, der wiederum von einer Spanneinrichtung (40, 42, 44) in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels (24) mit Kraft beaufschlagbar ist, um den Brennstoffzellenstapel (24) zu verspannen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Gehäuse zum Aufnehmen zumindest eines Brennstoffzellenstapels.
• SOFC-Brennstoffzellensysteme (SOFC = "Solid Oxide Fuel Cell") bestehen aus mehreren Komponenten, wozu unter anderem ein Reformer, ein Nachbrenner sowie ein SOFC-Brennstoffzellenstapel gehören. Diese Komponenten werden bei Temperaturen um 900°C betrieben.
• Bekanntermaßen werden SOFC-Brennstoffzellenstapel unter einer definierten Verspannung hergestellt. Diese Verspannung wird während der Fertigung, der Lagerung sowie der Fixierung im System durch temporäre Verspannungen gewährleistet.
• Aus der DE 103 08 382 B3 ist beispielsweise eine Möglichkeit zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels bekannt.
• Bisherige Möglichkeiten der Verspannung haben jedoch den Nachteil, dass die die Verspannung herbeiführenden Elemente nicht oder nur unzureichend verschiebbar (gleitend) gelagert sind. So kann bei bisherigen Verspannungsmöglichkeiten die thermische Längenänderung des Brennstoffzellenstapels beim Aufheizen des Brennstoffzellensystems auf Betriebstemperatur nicht kompensiert werden, was zu irreversiblen mechanischen Schädigungen des Brennstoffzellenstapels führen kann, insbesondere zu Rissen in den Eckbereichen sowie an Kanten des Brennstoffzellenstapels, welche zu erheblichen Wärme- und Leistungsverlusten führen können.
• Ferner haben bisherige Möglichkeiten der Verspannung den Nachteil, dass die Verspannung den Brennstoffzellenstapel nicht mit konstanter Kraft vorspannt. Was dazu führt, dass die Kraft, mit der der Brennstoffzellenstapel vorgespannt wird, vom Temperaturzustand des Brennstoffzellenstapels und der damit einhergehenden Längenänderung abhängt.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur dauerhaften Verspannung zumindest eines Brennstoffzellenstapels zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet.
• Diese Aufgabe wird durch das Gehäuse gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
• Zur Lösung der Aufgabe stellt die Erfindung ein Gehäuse zum Aufnehmen zumindest eines Brennstoffzellenstapels zur Verfügung. Bei dem Gehäuse ist in zumindest einer Gehäusewand an einer Stelle eine Öffnung vorgesehen, an der sich die Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels mit der Gehäusewand schneidet, wobei in der Öffnung ein Verspannungsklotz platzierbar ist, der wiederum von einer Spanneinrichtung in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels mit Kraft beaufschlagbar ist, um den Brennstoffzellenstapel zu verspannen. Dieses Gehäuse hat den Vorteil, dass der Brennstoffzellenstapel über den Verspannungsklotz in jedem Betriebszustand und bei jeder Temperatur stets optimal verspannt ist. Der Verspannungsklotz ist ein separates Bauteil, so dass er eine gleitende Verspannung ermöglicht, die sich den Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels unabhängig von den Gehäusewänden anpassen kann. Über die Spanneinrichtung kann eine definierte Kraft auf den Brennstoffzellenstapel angelegt werden, die in jedem Betriebszustand und der damit verbundenen Längenänderung des Brennstoffzellenstapels diesen mit einer vordefinierten Kraft verspannt. Bei Verwendung eines hochtemperaturbeständigen Isolationsgehäuses kann dieses unter Druck und hoher Temperatur schwinden. Dadurch, dass der Brennstoffzellenstapel erfindungsgemäß über den verschiebbar in die Öffnung eingefügten Verspannungsklotz verspannt wird, hätte ein Schwinden des Gehäuses keinen Einfluss auf die Verspannung, weil sich der für die Verspannung zuständige Verspannungsklotz gegenüber dem Gehäuse bewegen kann. Ferner wird dadurch ein Gehäuse geschaffen, welches Aufnahmefunktion und Verspannfunktion kombiniert und trotzdem sehr einfach und unkompliziert zu montieren ist. Dadurch können nicht nur der Montageaufwand bzw. die Montagekosten verringert werden, sondern auch die Herstellungskosten. Ein weiterer Vorteil des Gehäuses ist der Schutz der aufgenommenen Elemente vor Schmutz und Beschädigungen.
• Ferner kann das Gehäuse derart aufgebaut sein, dass das Gehäuse quaderförmig und aus separaten Gehäusewänden aufgebaut ist. Dies bietet den Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Herstellung und einer einfachen Montage und Demontage des Gehäuses sowie einen einfachen Einbau und Zugang hinsichtlich der vom Gehäuse aufgenommenen Komponenten.
• Darüber hinaus kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Gehäusewände ineinander verzahnbar sind. Dies hat den Vorteil, dass eine Hitzeabstrahlung der vom Gehäuse aufgenommenen Elemente nach Außen stark verringert werden kann und das Gehäuse somit gute Eigenschaften hinsichtlich Wärmeverlusten hat, weil das Gehäuse eine Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung nach Außen verringert.
• Das erfindungsgemäße Gehäuse kann in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet sein, dass die Spanneinrichtung ein das Gehäuse umfassender Spannrahmen ist. Ein Spannrahmen bietet die Möglichkeit einer robusten Verspannung mit hoher Verspannkraft.
• Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Gehäuse so weitergebildet sein, dass die Gehäusewände, deren Flächen parallel zur Brennstoffzellenstapelrichtung verlaufen, von einem Spannriemen gegeneinander verspannbar sind. Somit müssen an den Gehäusewänden selbst keine Vorrichtungen angebracht werden, welche eine Befestigung aneinander ermöglichen. Dies verringert die Herstellungskosten für die Gehäusewände und führt zu einem einfachen Aufbau.
• Außerdem kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Gehäusematerial ein Isolationsmaterial ist. Zusätzlich zur Aufnahme und Verspannfunktion bietet diese Weiterbildung den Vorteil, dass das Gehäuse auch noch eine Isolationsfunktion zur Verfügung stellt.
• Dieser Vorteil kann alternativ dadurch erreicht werden, dass das Gehäuse mit einer Isolationsschicht versehen ist.
• Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Gehäuse so weitergebildet sein, dass das Gehäuse dazu ausgelegt ist, einen Reformer und/oder einen Nachbrenner eines Brennstoffzellensystems zumindest teilweise aufzunehmen. Dadurch ist eine Möglichkeit geschaffen, ein komplettes Brennstoffzellensystem in dem Gehäuse unterzubringen. Auch dies bietet den Vorteil, dass eine sehr einfache und kostengünstige Montagemöglichkeit realisiert werden kann.
• Diese Ausführungsform kann in vorteilhafter Weise so weitergebildet sein, dass das Gehäuse zur Aufnahme des Reformers und/oder des Nachbrenners Einbautenöffnungen aufweist. Dadurch ist eine einfache Montage gewährleistet und zugleich die Möglichkeit geschaffen, einen rohrartigen Reformer und/oder Nachbrenner durch die beiden Stirnseiten des Gehäuses hindurchzuführen.
• Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein System umfassend ein Gehäuse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Brennstoffzellenstapel zur Verfügung. Dieses System bietet die vorstehend genannten Vorteile in übertragener Weise.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beispielhaft erläutert.
• Es zeigen:
• 1 ein erfindungsgemäßes Gehäuse in einer Explosionsdarstellung;
• 2 das erfindungsgemäße Gehäuse aus 1 in einem geschlossenen Zustand; und
• 3 das erfindungsgemäße Gehäuse aus 1 in einem geschlossenen und fertig montierten Zustand.
• 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Gehäuse in einer Explosionsdarstellung. Das Gehäuse wird aus sechs Gehäusewänden gebildet, wobei im folgenden eine als Bodenwand 10, eine als Deckelwand 12, zwei als Seitenwände 14, 16 und zwei als Stirnwände 18, 20 bezeichnet werden. Die Bodenwand 10 und die Deckelwand 12 sind jeweils einstückig, aber haben je weils die Form als würde man zwei quaderförmige Platten konzentrisch aufeinanderlegen, wobei eine Platte eine größere Fläche aufweist als die andere, so dass die Bodenwand 10 und die Deckelwand 12 einen um deren Kanten umlaufenden Steg aufweist. In der Deckelwand 12 sind zwei Öffnungen 22 ausgebildet. Erneut Bezug nehmend auf die Form der zwei aufeinandergelegten Platten haben die Aussparungen zur Erzeugung der Öffnungen 22 auf der kleineren Platte eine größere offene Fläche als auf der großen Platte, so dass auch die Öffnungen 22 jeweils einen um die Kante umlaufenden Steg aufweisen. Die Seitenwände 14, 16 sind ebenfalls jeweils einstückig, weisen aber eine Form auf als würde man zwei Platten aufeinanderlegen, wobei bei der größeren Platte an den beiden längeren Kanten jeweils ein Vorsprung hervorsteht, der sich bezogen auf die spätere Montageausrichtung so weit ins innere des Gehäuses erstreckt, wie die Seitenwände 14, 16 insgesamt dick sind. Diese Querschnittsform der Seitenwände 14, 16 wird nachfolgend als U-Form bezeichnet. Ferner nimmt hinsichtlich der Form der Seitenwände 14, 16 die größere Platte in der U-Form die Form einer kleineren Platte auf, die konzentrisch auf die größere Platte gelegt ist und derart bemessen ist, dass um die Kante der kleinen Platte herum eine Aussparung ausgebildet wird, die so groß ist, dass die Form der großen Platte der Bodenwand 10 und der Deckelwand 12 eingepasst werden kann. Die Stirnwände 18, 20 haben die Form der Seitenwände 14, 16 mit dem Unterschied, dass die Querschnittsfläche (d. h. Schnitt quer zur Längsrichtung) an den beiden Enden in Längsrichtung der Stirnwände 18, 20 nicht U-förmig sondern rechteckförmig ist, d. h. die Vorsprünge über eine Länge weggelassen werden, die der Dicke der Seitenwände 14, 16 entspricht. (Die Angabe "Längsrichtung" bezeichnet in der vorliegenden Beschreibung die Richtung, in der das jeweils beschriebene Bauteil die längere Abmessung aufweist.) Die vorstehende Beschreibung hinsichtlich einer größeren und kleineren Platte soll nur die Geometrie der Gehäusewände 10–20 veranschaulichen – in der Praxis sind die Gehäusewände 10–20 jedoch vorzugsweise einstückig gefertigt, wobei eine mehrteilige Ausführung grundsätzlich möglich ist. Ferner sind in die Stirnwände 18, 20 jeweils zwei Einbautenöffnungen 38 eingebracht, durch die später erläuterte Komponenten führbar sind. Die vorstehend beschriebenen Formen der Gehäusewände 10–20 bilden somit jeweils Verzahnungen zu den jeweils benachbarten Gehäusewänden 10–20 aus. Die Gehäusewände 10–20 sind vorzugsweise aus Isolationsmaterial hergestellt. Alternativ dazu können die Gehäusewände 10–20 auf ihren Innen- und/oder Außenseiten mit einem Isolationsmaterial versehen sein. Auf der Bodenwand 10 sind zwei Brennstoffzellenstapel 24 sowie ein Reformer 26 und ein Nachbrenner 28 vorgesehen. Diese Komponenten sind auf der Bodenwand 10 montiert, wobei für entsprechende Zuleitungen zu diesen Komponenten nicht dargestellte Bohrungen in der Bodenwand 10 vorgesehen sein können. Zur Anordnung in den Öffnungen 22 sind zwei Verspannungsklötze 30 vorgesehen. Die Verspannungsklötze 30 sind vorzugsweise aus hitzebeständigem und elastischem Material und derart geformt, dass sie jeweils ein Gegenstück zu den mit Steg versehenen Öffnungen 22 bilden. Die Abmessung der Verspannungsklötze 30 in einer Stapelrichtung der Brennstoffzellenstapel 24 (im montierten Zustand der Verspannungsklötze 30) ist derart ausgelegt, dass sie mit Übermaß in der Stapelrichtung auf den Brennstoffzellenstapeln 24 aufliegen, so dass sie diese in ihrer Stapelrichtung auch bei minimaler Brennstoffzellenstapelhöhe verspannen können.
• 2 zeigt das erfindungsgemäße Gehäuse aus 1 in einem geschlossenen Zustand. Für diesen geschlossenen Zustand werden die Verzahnungen der Gehäusewände 10–20 ineinander gesteckt, so dass ein quaderförmiges Gehäuse ausgebildet wird. An den vier Ecken, welche parallel zur Stapelrichtung der Brennstoffzellenstapel 24 verlaufen, sind Eckwinkel 32 zum Schutz der Gehäusewände 14–20 angebracht. Die Gehäusewände, deren Ebenen parallel zu der Stapelrichtung der Brennstoffzellenstapel 24 verlaufen, also die Seitenwände 14, 16 und die Stirnwände 18, 20 werden im montierten Zustand von zwei Spannriemen 34 umfasst, um diese Gehäusewände 14–20 aneinander zu fixieren und zu stabilisieren. Die Spannriemen 34 sind jeweils in einzelne Abschnitte unterteilt, wobei die einzelnen Abschnitte mittels Spannschrauben 36 miteinander verbindbar sind. Ferner können über die Spannschrauben 36 die Spannriemen 34 festgezurrt werden. Im eingebauten Zustand zeigen die Enden des Reformers 26 und des Nachbrenners 28 durch die Einbautenöffnungen 38.
• 3 zeigt das erfindungsgemäße Gehäuse aus 1 in einem geschlossenen und fertig montierten Zustand. In diesem Zustand ist das erfindungsgemäße Gehäuse mit einem Spannrahmen versehen, der sich im Wesentlichen aus einer Spannrahmenplatte 40, zwei Spannrahmenschienen 42 und acht Spannrahmenstiften 44 zusammensetzt. Die Spannrahmenschienen 42 sind zur Versteifung mit in Längsrichtung verlaufenden Versteifungsrippen 46 versehen. Außerdem sind die Spannrahmenschienen so über der Deckelwand 12 angeordnet, dass sich die in die Öffnungen 22 eingelegten Verspannungsklötze 30 direkt unter ihnen befinden. Sowohl die Spannrahmenplatte 40 als auch die Spannrahmenschienen 42 stehen über das Gehäuse über, wobei die Überstände mit Bohrungen versehen sind. Durch diese Bohrungen werden die Spannrahmenstifte 44 hindurchgeführt. An die hindurchgeführten Enden der Spannrahmenstifte 44 werden Schrauben angebracht, um die Spannrahmenplatte 40 gegen die Spannrahmenschienen 42 zu verspannen. Zwischen den Spannrahmenschienen 42 und den zugeordneten Schrauben und/oder zwischen der Spannrahmenplatte 40 und den zugeordneten Schrauben sind auf die Spannrahmenstifte 44 steckbare Federn vorgesehen, so dass der Spannrahmen die Brennstoffzellenstapel 24 elastisch vorspannt und einer temperaturbedingten Abmessungsänderung der Brennstoffzellenstapel 24 folgen zu kann.
• 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

Bodenwand

12

Deckelwand

14

Seitenwand

16

Seitenwand

18

Stirnwand

20

Stirnwand

22

Öffnungen

24

Brennstoffzellenstapel

26

Reformer

28

Nachbrenner

30

Verspannungsklötze

32

Eckwinkel

34

Spannriemen

36

Spannschrauben

38

Einbautenöffnungen

40

Spannrahmenplatte

42

Spannrahmenschienen

44

Spannrahmenstifte

46

Versteifungsrippen

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - DE 10308382 B3 [0004]

Claims (10)

1. Gehäuse zum Aufnehmen zumindest eines Brennstoffzellenstapels (24), wobei in zumindest einer Gehäusewand (12) an einer Stelle eine Öffnung (22) vorgesehen ist, an der sich die Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels (24) mit der Gehäusewand (12) schneidet, wobei in der Öffnung (22) ein Verspannungsklotz (30) platzierbar ist, der wiederum von einer Spanneinrichtung (40, 42, 44) in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels (24) mit Kraft beaufschlagbar ist, um den Brennstoffzellenstapel (24) zu verspannen.
2. Gehäuse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse quaderförmig und aus separaten Gehäusewänden (10–20) aufgebaut ist.
3. Gehäuse gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewände (10–20) ineinander verzahnbar sind.
4. Gehäuse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung (40, 42, 44) ein das Gehäuse umfassender Spannrahmen ist.
5. Gehäuse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewände (14–20), deren Flächen parallel zur Brennstoffzellenstapelrichtung verlaufen, von einem Spannriemen gegeneinander verspannbar sind.
6. Gehäuse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäusematerial ein Isolationsmaterial ist.
7. Gehäuse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mit einer Isolationsschicht versehen ist.
8. Gehäuse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse dazu ausgelegt ist, einen Reformer (26) und/oder einen Nachbrenner (28) eines Brennstoffzellensystems zumindest teilweise aufzunehmen.
9. Gehäuse gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zur Aufnahme des Reformers (26) und/oder des Nachbrenners (28) Einbautenöffnungen (38) aufweist.
10. System umfassend ein Gehäuse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Brennstoffzellenstapel (24).