DE102007021018A1

DE102007021018A1 - Anschluss zum Abgreifen der elektrischen Leistung an einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102007021018A1
Application number: DE102007021018A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Weisser
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-05-04
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2008-11-06

Abstract

Beschrieben ist ein Anschluss zum Abgreifen der elektrischen Leistung an einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die einen in einem mit einer Wärmeisolationsschicht versehenen Gehäuse angeordneten Stapel von Einzel-Brennstoffzellen aufweist, wobei durch die Isolationsstruktur und die Gehäuse-Wand hindurch ein Stromleiter mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit geführt ist und an der Außenseite des Gehäuses eine Kühlmaßnahme zur Wärmeabfuhr aus dem Stromleiter vorgesehen ist und wobei auf einem sich außerhalb des Gehäuses befindenden Abschnitt des Stromleiters ein Kabelschuh zum Anschließen eines Elektrokabels vorgesehen ist. Zumindest der äußere Endabschnitt des Stromleiters kann mit einem Gewinde versehen sein, über welches mittels einer Mutter oder dgl. der Kabelschuh unter Zwischenlage einer elektrisch isolierenden Schicht gegen das Gehäuse und/oder gegen eine zwischengespannte Wärmeableitvorrichtung gespannt ist. Mit seinem innerhalb des Gehäuses liegenden Endabschnitt kann der Stromleiter in eine Stromableiterplatte des Stapels von Einzelzellen eingeschraubt sein. Als mit dem Stromleiter in wärmeleitender Verbindung stehende Wärmeableitvorrichtung ist eine Kühlplatte vorgesehen, in die entweder zumindest ein Wärmerohr zur Wärmeabfuhr an ein Kühlelement eingesetzt ist oder durch die ein Kühlfluid geführt ist oder die eine Struktur zur passiven oder aktiven Luftkühlung trägt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Anschluss zum Abgreifen der elektrischen Leistung an einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die einen in einem mit einer Wärmeisolationsschicht versehenen Gehäuse angeordneten Stapel von Einzel-Brennstoffzellen aufweist. Zum Stand der Technik wird neben der DE 101 24 853 A1 und der US 6608463 B1 auf die nicht vorveröffentlichte DE 10 2007 009 749 A1 verwiesen.
Bei den grundsätzlich bekannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen (bspw. SOFC), die mit einer thermischen Isolationsstruktur umhüllt sind, sind Stromleiter zur Ableitung des in der genannten Einzelzellen-Einheit erzeugten elektrischen Stroms üblicherweise nahe des Stapels von Einzel-Brennstoffzellen und somit im von der genannten thermischen Isolationsstruktur umhüllten Raum, der aufgrund der Wärmeabstrahlung der Einzelzellen relativ heiß ist, angeordnet. Die für elektrische Leiter verwendeten Materialien wie Kupfer, Edelstahl, Wolfram oder Platin leiten entsprechend dem Wiedemann-Franzschen Gesetz bei guter Leitfähigkeit für den elektrischen Strom auch Wärme gut.
Um die elektrischen Verluste bei der Ableitung des in der Brennstoffzelle gewonnenen Stroms klein zu halten, werden für die Stromleitung ausreichend stark dimensionierte Stromleiter eingesetzt. Dies hat zur Folge, dass bei den hohen Temperaturen im von der genannten Isolationsstruktur umhüllten Raum, die durchaus in der Größenordnung von 800°C liegen können, sowie bei der an den Stromleitern außerhalb der Isolationsstruktur, d. h. in der Umgebung der Hochtemperatur-Brennstoffzelle maximal tolerierbaren Temperatur von in etwa 120°C, bei gegebener Leiterlänge erhebliche Wärmeströme abtransportiert werden. Zwar kann während des laufenden Betriebs einer stark erhitzten Hochtemperatur-Brennstoffzelle eine gewisse Kühlung derselben erwünscht sein, keinesfalls gilt dies jedoch nach Stillsetzen der Brennstoffzelle, wenn im Hinblick auf einen möglichen kurzfristigen Neustart die Temperatur der Einzelzellen-Einheit möglichst lange in einem hohen Wertebereich gehalten werden soll.
Eine Maßnahme gegen eine unerwünscht intensive Ableitung von Wärmemenge aus einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2007 009 749 beschrieben, wonach der Stromleiter im durch die Isolationsstruktur hindurchführenden Abschnitt zumindest teilweise eine gegenüber einem außerhalb der Isolationsstruktur verlaufenden Leitungs-Abschnitt verringerte Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dies ist entweder durch einen verringerten Querschnitt oder durch Verwendung eines geeigneten, einen relativ geringen Wärmeleitkoeffizienten aufweisenden Materials für diesen Leiter jedenfalls im die Isolationsstruktur durchquerenden Abschnitt möglich. Beispielsweise kann der besagte Stromleiter in V2A-Stahl anstelle von besser leitfähigem Kupfermaterial ausgeführt sein; mit einem weiteren in oder innerhalb der Isolationsstruktur verlaufenden Leitungsabschnitt (bspw. aus Kupfermaterial) kann der besagte Stromleiter in geeigneter Weise in Reihe geschaltet leitend verbunden sein.
Hiermit soll nun aufgezeigt werden, wie an der Außenseite einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle von einem durch das Gehäuse hindurch geführten Stromleiter auf günstige Weise der elektrische Strom abgegriffen werden kann, wobei die über den Stromleiter nach außen geführte Wärmemenge zu berücksichtigen ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Merkmale vorgeschlagen, d. h. beschrieben wird vorliegend ein Anschluss zum Abgreifen der elektrischen Leistung an einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die einen in einem mit einer Wärmeisolationsschicht versehenen Gehäuse angeordneten Stapel von Einzel-Brennstoffzellen aufweist, wobei durch die Isolationsstruktur und die Gehäuse-Wand hindurch ein Stromleiter mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit geführt ist und an der Aussenseite des Gehäuses eine Kühlmaßnahme zur Wärmeabfuhr aus dem Stromleiter vorgesehen ist, und wobei auf einem sich außerhalb des Gehäuses befindenden Abschnitt des Stromleiters ein Kabelschuh oder dergleichen zum Anschließen eines Elektrokabels vorgesehen ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Im wesentlichen direkt an den besagten Stromleiter kann an der Gehäuse-Außenseite ein Elektrokabel angeschlossen werden, wenn am Stromleiter ein einfacher hierfür geeigneter Anschluss vorgesehen ist. Bei einem Kabelschuh oder dergleichen handelt es sich um einen solchen, der vorteilhafterweise mit geringstem Aufwand gestaltet sein kann. Aufgrund der weiterhin vorgeschlagenen Kühlmaßnahme zur Wärmeabfuhr aus dem Stromleiter liegen keine hohen Anforderungen bezüglich der Temperaturresistenz der stromleitenden Verbindung zwischen dem Stromleiter und einem an diesen (über einen Kabelschuh oder dgl.) anzuschließenden Elektrokabel vor. In günstiger Weise kann zumindest der äußere Endabschnitt des Stromleiters mit einem Gewinde versehen sein, über welches mittels einer Mutter oder dgl. der Kabelschuh unter Zwischenlage einer elektrisch isolierenden Schicht gegen das Gehäuse und/oder gegen eine zwischen gespannte Wärmeableitvorrichtung gespannt ist.
Was die Stromführung innerhalb des Gehäuses der Hochtemperatur-Brennstoffzelle betrifft, so kann sich an den besagten Stromleiter bspw. über eine Schraub- oder Crimp-Verbindung ein weiterer Stromleiter aus besser leitfähigem Material (wie Kupfer) anschließen oder es kann im Sinne einer kompakten Bauweise der besagte Stromleiter mit seinem innerhalb des Gehäuses liegenden Endabschnitt direkt mit einer Stromableiterplatte des Stapels von Einzel-Brennstoffzellen in elektrisch leitender Verbindung stehen und vorzugsweise in diese eingeschraubt sein.
Letzteres zeigt die beigefügte 1 als ein mögliches Ausführungsbeispiel in einem vereinfachten Teilschnitt, während in 2 stark abstrahiert eine andere Ausführungsform dargestellt ist. In beiden Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
So trägt die Wand eines Gehäuses, innerhalb dessen ein Stapel 9 von Einzel-Brennstoffzellen einer SOFC (= Festoxidbrennstoffzelle, bei welcher es sich bekanntlich um eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle handelt) vorgesehen ist (dieser Stapel 9 ist nur in 1 dargestellt) die Bezugsziffer 1. An der Innenseite dieser Wand 1 ist eine thermische Isolationsschicht 2 vorgesehen. Durch diese Isolationsschicht 2 sowie durch eine Durchtrittsöffnung in der Wand 1 ist ein Stromleiter 3 hindurchgeführt, über den der in den Einzel-Brennstoffzellen erzeugte elektrische Strom nach außen abgeführt werden kann.
Bei diesem Stromleiter 3 handelt es sich um ein stabförmiges Gebilde aus elektrisch leitfähigem Material, das eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt, so bspw. V2A-Stahl. Außerhalb des Gehäuses (= Isolationsschicht 2 und Gehäuse-Wand 1), durch welches der Stromleiter 3 innerhalb einer eingesetzten Isolationshülse 4, bspw. aus Keramik bestehend, hindurch geführt ist, ist im Bereich des Austritts des Stromleiters 3 zunächst eine elektrische Isolationsschicht 5 (bspw. aus Kapton oder Silicon oder Glimmer) aufgebracht und auf dieser aufliegend auf den Stromleiter 3 eine Wärmeableitvorrichtung 7 entweder mit Passung oder in sonstiger, eine gute Wärmeleitung ermöglichenden Weise aufgebracht. Bspw. kann die Wärmeableitvorrichtung 7 auch auf dem Stromleiter 3 aufgeschraubt sein, wenn dieser in diesem Bereich mit einem Außengewinde versehen ist. Als nächstes Element ist ein Kabelschuh 6 oder dergleichen auf den Stromleiter 3 aufgesteckt, an welchen ein Elektrokabel zum Abgreifen des über den Stromleiter 3 aus den Einzel-Brennstoffzellen abgeführten elektrischen Stroms angeschlossen werden kann. Abschließend ist auf den zumindest in diesem Bereich einen Kreisquerschnitt aufweisenden und mit einem Außen-Gewinde versehenen Stromleiter 3 eine Mutter 8 aufgeschraubt, die die jeweiligen Elemente gegeneinander spannt.
Beim Ausführungsbeispiel nach 1 steht innerhalb des Gehäuses (= Isolationsschicht 2 und Gehäuse-Wand 1) der besagte Stromleiter 3 mit seinem Endabschnitt direkt mit einer Stromableiterplatte 10 des Stapels 9 von Einzel-Brennstoffzellen in elektrisch leitender Verbindung und ist hierfür in diese eingeschraubt. Beim Ausführungsbeispiel nach 2 ist an den besagten Stromleiter 3 innerhalb des Gehäuses der Hochtemperatur-Brennstoffzelle über eine Schraub- oder Crimp-Verbindung 12 ein weiterer Stromleiter 13 aus besser leitfähigem Material (wie bspw. Kupfer) angeschlossen, der letztlich zur hier nicht dargestellten Stromableiterplatte des Stapels von Einzel-Brennstoffzellen führt.
Was die Wärmeableitvorrichtung 7 betrifft, so besteht diese aus einer Kühlplatte, in die entweder zumindest ein Wärmerohr 11 zur Wärmeabfuhr an ein Kühlelement eingesetzt ist (vgl. 1) oder durch die ein Kühlfluid geführt ist oder die – wie 2 zeigt – eine Struktur zur passiven oder aktiven Luftkühlung trägt. Dabei sollte die Wärmeableitvorrichtung 7 bzw. Kühlplatte (aus vorzugsweise Kupfer oder Aluminium bestehend) mit dem Stromleiter 3 in gut wärmeleitender Verbindung stehen. Hierzu kann die Wärmeableitvorrichtung 7 bspw. auf den an dieser Stelle auch noch ein Außengewinde aufweisenden Stromleiter 3 aufgeschraubt sein, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10124853 A1 [0001]
- US 6608463 B1 [0001]
- DE 102007009749 A1 [0001]
- DE 102007009749 [0004]

Claims

Anschluss zum Abgreifen der elektrischen Leistung an einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die einen in einem mit einer Wärmeisolationsschicht (2) versehenen Gehäuse angeordneten Stapel (9) von Einzel-Brennstoffzellen aufweist, wobei durch die Isolationsstruktur (2) und die Gehäuse-Wand (1) hindurch ein Stromleiter (3) mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit geführt ist und an der Außenseite des Gehäuses eine Kühlmaßnahme zur Wärmeabfuhr aus dem Stromleiter (3) vorgesehen ist, und wobei auf einem sich außerhalb des Gehäuses befindenden Abschnitt des Stromleiters (3) ein Kabelschuh (6) oder dergleichen zum Anschließen eines Elektrokabels vorgesehen ist.
Anschluss nach Anspruch 1, wobei zumindest der äußere Endabschnitt des Stromleiters (3) mit einem Gewinde versehen ist, über welches mittels einer Mutter (8) oder dgl. der Kabelschuh (6) unter Zwischenlage einer elektrisch isolierenden Schicht (5) gegen das Gehäuse und/oder gegen eine zwischen gespannte Wärmeableitvorrichtung (7) gespannt ist.
Anschluss nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stromleiter (3) mit seinem innerhalb des Gehäuses liegenden Endabschnitt mit einer Stromableiterplatte (10) des Stapels (9) von Einzel-Brennstoffzellen in elektrisch leitender Verbindung steht, vorzugsweise in diese eingeschraubt ist.
Anschluss nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die mit dem Stromleiter in wärmeleitender Verbindung stehende Wärmeableitvorrichtung (7) eine Kühlplatte ist, in die entweder zumindest ein Wärmerohr (11) zur Wärmeabfuhr an ein Kühlelement eingesetzt ist oder durch die ein Kühlfluid geführt ist oder die eine Struktur zur passiven oder aktiven Luftkühlung trägt.