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Die Erfindung richtet sich auf ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer tubular ausgeführten Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle eine innere Elektrode und eine äußere Elektrode aufweist, wobei ein Recktand durch einen Grundkörper und durch einen Innenraum der Brennstoffzelle der inneren Elektrode zuführbar ist und ein anderer Recktand durch einen Außenraum um die Brennstoffzelle der äußeren Elektrode zuführbar ist, wobei die Reaktanden elektrochemisch an den Elektroden umsetzbar sind und dabei ein elektrischer Strom erzeugbar ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Stand der Technik
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Bei Hochtemperaturbrennstoffzellen wie beispielsweise einer SOFC (Solid Oxid Fuel Cell), die bei ca. 650–1000°C arbeiten, besteht eine besondere Schwierigkeit darin, einen Elektrodenraum einer Anode und einen Elektrodenraum einer Kathode auf Grund der hohen Temperatur voneinander abzudichten, so dass ein Oxidationsmittel und ein Brennstoff sich nicht miteinander vermischen können.
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In der
US 2008/0118812 A1 werden ein Bündel tubularer, d. h. röhrenförmige Brennstoffzellen, die als SOFC ausgebildet sind, offenbart, wobei die Brennstoffzellen an beiden Seiten offen sind. Die beiden Seiten werden jeweils in einer Stützplatte, die allen Brennstoffzellen gemeinsam ist, angeordnet und dort jeweils durch ein Dichtungsmittel wie Glas, Wachs oder Silber abgedichtet. Ein Nachteil hierbei ist, dass Glas oder Wachs bedingt durch die hohen Temperaturen mit der Zeit brüchig und gasdurchlässig werden. Silber ist hingegen zu kostenintensiv. Ein weiterer Nachteil ist, dass einzelne defekte Brennstoffzellen nicht ausgewechselt werden können. Vielmehr müssten hierzu die Dichtungen der gesamten Stützplatte zerstört und die Stützplatte von der defekten Brennstoffzelle entfernt werden. Alternativ müssten bei einer defekten Brennstoffzelle auch alle noch intakten Brennstoffzellen, die stoffschlüssig über die gemeinsame Stützplatte mit der defekten Brennstoffzelle verbunden sind, ausgetauscht werden.
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Eine leichte Austauschbarkeit einer defekten Brennstoffzelle ist insbesondere nötig, wenn Brennstoffzellen miteinander elektrisch in Reihe geschaltet werden, um die elektrischen Spannung zu erhöhen. Bei einer Reihenschaltung führt eine defekte Brennstoffzelle jedoch dazu, dass kein Strom mehr durch die Reihe mit der defekten Brennstoffzelle fließen kann, so dass durch bereits eine defekte Brennstoffzelle die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems um die elektrische Leistung der gesamten, mit der defekten Brennstoffzelle elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen vermindert wird. Hierdurch wird ein schneller Austausch der defekten Brennstoffzelle zur Regeneration der elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems notwendig.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, bei dem eine einfache Auswechselbarkeit einer einzelnen defekten Brennstoffzelle ermöglicht wird. Insbesondere soll zudem eine Dichtung der Brennstoffzellen mit einer langen Lebenszeit bereitgestellt werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere des kennzeichnenden Teils, vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelle durch ein Befestigungsmittel formschlüssig auf dem Grundkörper befestigt ist, wobei insbesondere das Befestigungsmittel die Brennstoffzelle auch kraftschlüssig auf dem Grundkörper befestigt, wodurch der Innenraum gegen den Außenraum abgedichtet ist.
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Eine tubulare Brennstoffzelle weist ein Rohr auf, das mehrere Schichten aufweist. Auf einer Innenseite befindet sich eine erste, innere Elektrode. Darüber befindet sich eine Elektrolytschicht, die die erste Elektrode von einer zweiten, äußeren Elektrode trennt, die sich auf einer Außenseite des Rohres befindet. Auf den beiden Elektroden können sich jeweils eine Gasdiffusionsschicht und/oder eine elektrische Kontaktierungsschicht befinden. Jeweils ein Recktand für eine elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle, d. h. ein Brennstoff oder ein Oxidationsmittel, wird je einer Elektrode zugeführt. Vorteilhafterweise, aber nicht limitierend, entspricht eine Anode der Brennstoffzelle der ersten Elektrode und eine Kathode der Brennstoffzelle der zweiten Elektrode, so dass ein Brennstoff der Anode in einem Innenraum der Brennstoffzelle und ein Oxidationsmittel der Kathode durch einen Außenraum zugeführt wird. Als Brennstoff kann Wasserstoff und als Oxidationsmittel kann Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltene Luft vorgesehen sein. Der Wasserstoff kann durch einen externen oder internen Reformierungsprozess gewonnen werden. Als tragende, formgebende Struktur der Brennstoffzelle kann insbesondere entweder die Anode oder die Elektrolytschicht vorgesehen sein. Die Brennstoffzelle ist auf einem Grundkörper angeordnet, der mindestens einen Zufuhrkanal zur Zuführung des Brennstoffes und mindestens einen Abfuhrkanal zur Abführung des nicht umgesetzen Brennstoffes und der Reaktionsprodukte, z. B. Wasser, enthält. Hierbei ist die Brennstoffzelle erfindungsgemäß auf dem Grundkörper formschlüssig, aber nicht stoffschlüssig, durch ein Befestigungsmittel fixiert, wobei das Befestigungsmittel ein Umkippen der Brennstoffzelle verhindert. Dadurch dass kein Stoffschluss vorliegt, lässt sich die Brennstoffzelle wieder leicht von dem Grundkörper trennen.
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In der Brennstoffzelle soll eine Vermischung von Brennstoff und Oxidationsmittel möglichst vermieden werden, damit möglichst viel Brennstoff elektrochemisch umgesetzt wird und der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems somit möglichst hoch ist. Zudem darf im Falle z. B. einer Vermischung von Wasserstoff und Sauerstoff kein Sicherheitsproblem durch eine Knallgasreaktion entstehen. Daher müssen der Innenraum und der Außenraum zueinander zuverlässsig abgedichtet werden. Wird die Brennstoffzelle durch das Befestigungsmittel mit einer genügend hohen Kraft, also kraftschlüssig, gegen den Grundkörper gedrückt, so wird gleichzeitig der Innenraum von dem Außenraum abgedichtet. Hierzu können bevorzugt die aufeinanderliegenden Oberflächen von Grundkörper und Brennstoffzelle geschliffen sein. Alternativ können Labyrinthdichtungen eingeprägt bzw. eingearbeitet werden, wobei eventuell die Labyrinthe der Labyrinthdichtungen mit einem zweiten geeigneten Stoff gefüllt werden können. Somit kann lokal eine erhöhte Flächenpressung für eine lösbare Dichtung erzeugt werden, wohingegen leckageanfällige Hohlräume oder Pfade vermieden werden. Die Dichtung erfolgt ohne ein stoffschlüssiges, alterungsanfälliges Dichtungsmittel. Die erfindungsgemäße Dichtung ist somit weitgehend wartungsfrei.
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Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Befestigungsmittel bei einer Brennstoffzelle eingesetzt, die auf einer ersten Seite verschlossen und auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite offen ist, wobei die Brennstoffzelle auf dem Grundkörper mit der zweiten Seite angeordnet ist. Hierdurch ist eine Befestigung und gegebenenfalls die Dichtung auf nur einer Seite in nur einem Grundkörper erforderlich. Durch das einseitige Festlager dieser Anordnung nehmen Maßänderungen der Brennstoffzelle, die durch Temperaturschwankungen insbesondere beim Anfahren nicht zu vermeiden sind, einen wesentlich geringeren Einfluss auf die Abdichtung. Insbesondere werden so auch mechanische Verspannungen vermieden, wie sie bei einer beidseitig in Stützplatten integrierten rohrförmigen Brennstoffzelle auftreten können. Um die geschlossene zweite Seite gasdicht zu erhalten, kann die tragende Struktur der Brennstoffzelle beispielsweise durch ein Spritzgussverfahren, insbesondere für keramische oder keramische Kompositmaterialien, hergestellt sein. Bei der Brennstoffzelle kann es sich um eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, beispielsweise eine SOFC handeln.
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Damit die Brennstoffzelle leicht von dem Grundkörper lösbar ist, kann es vorgesehen sein, dass das Befestigungsmittel direkt auf dem Grundkörper reversibel lösbar befestigt, z. B. verschraubt, ist. Hierdurch lässt sich das Befestigungsmittel lockern oder lösen, so dass die Brennstoffzelle im Falle eines Defektes leicht austauschbar ist. Vorzugsweise wird das Befestigungsmittel an einer Stelle mit dem Grundkörper verschraubt, an der die Temperatur auch im Betrieb der Brennstoffzelle so niedrig ist, dass eine Korrosion einer Schraube oder eine temperaturbedingt nachlassende Festigkeit von verwendeten Materialien wirkungsvoll verhindert wird. Findet die elektrochemische Reaktion weit genug von dem Grundkörper entfernt nur in einem oberen Teil des Rohres der Brennstoffzelle statt, so kann beispielsweise das Befestigungsmittel in der Nähe der Brennstoffzelle mit dem Grundkörper verschraubt werden. Vorzugsweise findet die Verschraubung entfernt von der Brennstoffzelle statt. Der Grundkörper wird zumindest an seiner zur Brennstoffzelle zeigenden Oberfläche vorzugsweise aus einer elektrisch isolierenden, hochtemperaturfesten Keramik hergestellt. Um ein Gewinde in der Keramik des Grundkörpers zu vermeiden, kann alternativ eine Halterung vorgesehen sein, die das Befestigungsmittel und den Grundkörper indirekt, insbesondere schraubzwingenartig, miteinander befestigt. Ebenfalls alternativ zu einer Verschraubung kann die Brennstoffzelle ein Material mit einem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Befestigungsmittel und der Grundkörper aufweisen, so dass in einem Betriebszustand bei hoher Temperatur die Brennstoffzelle zwischen dem Befestigungsmittel und dem Grundkörper eingepresst ist. In diesem Fall können das Befestigungsmittel und der Grundkörper monolithisch ausgestaltet sein.
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Es ist denkbar, dass die Brennstoffzelle einen Flansch aufweist, der auf dem Grundkörper direkt oder indirekt aufliegt. Das Befestigungsmittel kann als Riegel ausgebildet und über dem Flansch angeordnet sein, so dass der Flansch formschlüssig zwischen dem Riegel und dem Grundkörper liegt. Zusätzlich kann das Befestigungsmittel mit einer Kraft gegen den Grundkörper gedrückt werden, z. B. indem das Befestigungsmittel und der Grundkörper miteinander verschraubt werden. Hierdurch ist der Flansch kraftschlüssig zwischen dem Befestigungsmittel und dem Grundkörper gehalten.
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Das Brennstoffzellensystem kann mehrere Brennstoffzellen aufweisen. Es kann sein, dass ein Riegel jeweils nur eine Brennstoffzelle befestigt. Vorteilhafterweise befestigt ein Riegel mindestens zwei Brennstoffzelle miteinander, indem der Riegel in seiner Breite und/oder in seiner Länge auf den entsprechenden Flanschen der Brennstoffzellen liegt. Hierbei kann der Riegel auch nur an zwei Enden mit dem Grundkörper befestigt, insbesondere verschraubt, sein. Der Riegel kann durch seine Länge eine Vielzahl von hintereinander angeordneten Brennstoffzellen befestigen. Die Brennstoffzellen können in einem räumlichen Feld angeordnet sein. Insbesondere können die Brennstoffzellen so angeordnet sein, dass sie zusammen ein Rechteck aus mindestens zwei Reihen und zwei zu den Reihen vorzugsweise senkrechten Spalten bilden. Hierbei kann ein Riegel zugleich zwei Spalten befestigen, indem der Riegel in seiner Breite über je zwei benachbarte Flanschen der zwei Spalten liegt und in seiner Länge alle Flansche der beiden Spalten überdeckt. Jede Brennstoffzelle wird vorteilhafterweise von zwei Riegeln, die insbesondere parallel sind, am Grundkörper befestigt.
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Es kann sein, dass sich der Flansch von der Brennstoffzelle weg in verschiedene Richtungen unterschiedlich weit erstreckt und z. B elliptisch oder rechteckig ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich die Brennstoffzelle wie bei einem Bajonettverschluss beim Einsetzen unter das Befestigungsmittel drehen. Im befestigten Zustand erstreckt sich der Flansch länglich unter das Befestigungsmittel. Beim Herausnehmen der Brennstoffzelle wird wiederum durch eine Drehbewegung der Formschluss mit dem Befestigungsmittel aufgehoben, so dass die Brennstoffzelle dem Brennstoffzellensystem entnommen werden kann, ohne dass die beiden Riegel vollständig gelöst werden müssen. Dieses erleichtert ebenfalls ein Auswechseln einer einzelnen defekten Brennstoffzelle. In einer alternativen, bajonettverschlussartigen Ausführungsform kann das Befestigungsmittel als ein Ring, insbesondere zumindest teilweise aus Keramik, ausgebildet sein. In dem Grundkörper sind in dieser Ausführungsform Ausnehmungen vorgesehen, die um eine einzelne Brennstoffzelle herum angeordnet sind. Die Brennstoffzelle wird dann auf den Grundkörper aufgelegt und elektrisch verbunden. Die mechanische Befestigung erfolgt durch den Ring, der über die Brennstoffzelle aufgelegt wird, und in die Ausnehmungen des Grundkörpers greift und mit einer Drehung verriegelt werden kann. Diese Ausführungsform erlaubt eine geometrisch einfache Brennstoffzelle, die mit dem Ring form- und/oder kraftschlüssig auf dem Grundkörper befestigt werden kann.
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Es ist denkbar, dass das Befestigungsmittel elektrisch leitend ist. Insbesondere kann bei einer strukturierten rechteckigen Anordnung, der Brennstoffzellen vorgesehen sein, dass jeweils eine Reihe von Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet ist. Wird ein Riegel als elektrisch leitendes Befestigungsmittel nun so verwendet, dass der Riegel mindestens eine Spalte befestigt und dabei gleichzeitig mit jeweils der äußeren Elektrode der Brennstoffzellen einer Spalte direkt oder indirekt über ein Kontaktelement elektrisch verbunden ist, so werden die Brennstoffzellen einer Spalte elektrisch parallel geschaltet. Wird ein Ring als elektrisch leitfähiges Befestigungsmittel ausgebildet und derart gestaltet, dass er zum Zentrum der Brennstoffzelle unsymmetrisch ist, lassen sich so ebenfalls Brennstoffzellen elektrisch miteinander verbinden. Hierbei kann der Ring länglich in den Richtungen ausgestaltet sein, in denen ein elektrischer Kontakt zu benachbarten Brennstoffzellen, Ringen und/oder elektrischen Kontaktelementen erwünscht ist. In den übrigen Richtungen ist der Ring von so geringen räumlichen Ausmaßen, dass ein elektrischer Kontakt zu unerwünschten Elektroden, anderen Ringen und/oder Kontaktelementen unterbleibt. Treten mehrere Ringe einer Spalte hintereinander in elektrischen Kontakt, so kann ebenfalls die Brennstoffzellen einer Spalte elektrisch parallel geschaltet.
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Wird jeweils eine Spalte durch elektrisch leitende Befestigungsmittel, insbesondere je einen elektrisch leitenden Riegel oder mehreren elektrisch leitenden Ringen, elektrisch parallel miteinander verbunden, so ergibt sich eine Struktur aus elektrisch leitenden Verbindungen, die einer Matrix ähnelt. Wird nun eine Brennstoffzelle defekt, so kann elektrischer Strom an der defekten Brennstoffzelle vorbei durch die anderen Reihen fließen. Die intakten Brennstoffzellen der Reihe, die die defekte Brennstoffzelle enthält, können weiterhin elektrische Leistung erzeugen. Die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems wird damit nicht um die elektrische Leistung der ganzen Reihe, die die defekte Brennstoffzelle enthält, sondern nur um die Leistung der defekten Brennstoffzelle selbst vermindert. Das Gleiche gilt für den Fall, dass eine Brennstoffzelle nicht ausreichend mit Brennstoff und/oder Oxidationsmittel versorgt wird und somit ein elektrischer Strom durch die unterversorgte Brennstoffzelle ebenfalls weitgehend verhindert ist. Auch hier ist durch die parallele elektrische Verschaltung der Reihen weiterhin ein elektrischer Stromfluss gegeben, so dass die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystem nicht maßgeblich sinkt. Vorzugsweise sind mehr als zwei Reihen elektrisch parallel geschaltet, so dass die elektrischen Leitungen durch den Ausfall einer Brennstoffzelle nicht überlastet werden, sondern sich der Stromfluss auf mehrere Reihen verteilen kann. Ein erfindungsgemäßes elektrisch leitendes Befestigungsmittel hat damit nicht nur den Vorteil, dass es ein einfaches Auswechseln einer einzelnen defekten Brennstoffzelle ermöglicht. Vielmehr bietet das elektrisch leitende Befestigungsmittel ebenfalls den Vorteil, dass es ein Auswechseln einer defekten Brennstoffzelle erst zu einem späteren Zeitpunkt, z. B. in vorgegebenen, regulären Wartungsintervall, zulässt, da durch die elektrisch parallele Verschaltung die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems durch eine defekte Brennstoffzelle nur geringfügig sinkt. Auch kann durch einen elektrischen Spannungsausgleich zwischen parallel geschalteten Brennstoffzellen eine vorzeitige Alterung der Brennstoffzellen vermieden werden, die ansonsten aufgrund unterschiedlicher Brennstoffversorgung und damit unterschiedlicher Spannungen eintreten würde.
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Der Zufluss und Rückfluss des Brennstoffes und/oder des Oxidationsmittels kann für das Feld aus Brennstoffzellen in unterschiedlicher Art gewählt werden. Brennstoffzellen können in Gruppen fluidtechnisch verschaltet sein und diese Gruppen von Brennstoffzellen erhalten einen gemeinsamen Verteiler und/oder Sammler. Hierdurch wird bei geeigneter Auslegung eine gleichmäßige Verteilung des Brennstoffes und/oder des Oxidationsmittels erreicht. Die Gruppen können dabei in den Zeilen oder den Spalten oder als Inseln angeordnet sein. Eine elektrische Verschaltung in Gruppen bedingt dabei nicht notwendigerweise eine deckungsgleiche fluidtechnische Verschaltung.
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Um ein einfaches Auswechseln einer Brennstoffzelle zu ermöglichen, muss auch die elektrische Verbindung, die die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe schaltet, leicht zu lösen und zu befestigen sein. Hierzu kann ein metallisches Kontaktelement vorgesehen sein, das einen ringförmigen ersten Abschnitt aufweist, der die innere Elektrode einer Brennstoffzelle direkt oder indirekt über eine Kontaktierungsschicht kontaktiert. Hierzu kann der erste Abschnitt Laschen aufweisen, die in Richtung der inneren Elektrode umgebogen werden können oder umgebogen sind. Alternativ kann der erste Abschnitt als Tellerfeder ausgebildet sein, die sich federnd in Richtung des Grundkörpers erstreckt und somit für eine gute Abdichtung sorgt. An dem anderen Ende des Kontaktelementes befindet sich ein zweiter Abschnitt. Der zweite Abschnitt kann in etwa als ein Halbkreis ausgebildet sein, der zum Kontaktieren der äußeren Elektrode der benachbarten Brennstoffzelle dient. Der Halbkreis kann ebenfalls Laschen aufweisen, die in Richtung der äußeren Elektrode umgebogen werden oder umgebogen sind. Bei dem Auswechselvorgang kann der Halbkreis einfach durch ein Biegen des Kontaktelementes von der auszuwechselnden Brennstoffzelle entfernt und danach wieder an eine neue Brennstoffzelle montiert werden. Alternativ kann der zweite Abschnitt ebenfalls als Tellerfeder, deren innerer Durchmesser insbesondere dem Außendurchmesser der Brennstoffzelle entspricht, oder als Ring, insbesondere mit Laschen, ausgestaltet sein. In diesen Fällen ist der zweite Abschnitt reversibel lösbar mit dem ersten Abschnitt verbunden, so dass bei einem Auswechseln der Brennstoffzelle der zweite Abschnitt gelöst und von der defekten Brennstoffzelle entfernt werden kann.
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Das Befestigungsmittel kann mit dem Kontaktelement in elektrischem Kontakt stehen und dadurch die parallele Verschaltung realisieren. Insbesondere kann sich das Kontaktelement in einer Ausnehmung des Flansches befinden, über die sich das Befestigungsmittel erstreckt. Das heißt, dass sich zwischen dem Befestigungsmittel und dem Grundkörper nicht nur der Flansch, sondern auch das Kontaktelement befindet. Durch das Kontaktelement ist somit ein relativ weiches, elastisches und damit federndes Element zwischen dem Befestigungsmittel und dem Grundkörper angeordnet, das durch Temperaturschwankungen bedingte Kräfte oder fertigungsbedingte Toleranzen auffangen kann. Das Kontaktelement kann aus hochtemperaturfesten Stahl gefertigt sein. Alternativ oder zusätzlich können weitere Federelemente vorhanden sein. Das Befestigungsmittel kann elektrisch isolierende Bereiche enthalten, um eine elektrische Isolierung von dem Befestigungsmittel zu Elektroden und Kontaktelementen, deren elektrische Verbindung mit dem Befestigungsmittel nicht erwünscht ist, zu gewährleisten.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnung und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
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1 Draufsicht auf ein Teil eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
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2 Schnitt durch zwei Brennstoffzelle entlang der Linie I-I aus 1,
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3 Draufsicht auf ein Kontaktelement aus 2,
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4 Schnitt entlang der Linie A-A aus 1,
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5 perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelle mit einem erfindungsgemäßen Befestigungsmittel und
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6 Ersatzschaltbild von 1
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Teil eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 in einer Draufsicht dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 10 weist fünfzehn tubulare Brennstoffzellen 20 auf, die als SOFC ausgeführt sind. Die Brennstoffzellen 20 sind rechteckig in drei Reihen 40 mit je fünf Brennstoffzellen 20 aufgeteilt. Hierdurch ergeben sich fünf senkrecht zu den Reihen 40 angeordnete Spalten 41 mit jeweils drei Brennstoffzellen 20. Die Brennstoffzellen 20 sind auf einem gemeinsamen Grundkörper 11 angeordnet. Die Brennstoffzellen 20 weisen jeweils einen Flansch 21 auf, mit dem die Brennstoffzellen 20 auf dem Grundkörper 11 aufliegen. Sechs Riegel 30, 30' sind senkrecht zu den Reihe 40 zwischen den Spalten 41 angeordnet. Die äußeren beiden Riegel 30' liegen durch ihre Länge auf den Flanschen 21 einer Spalte 41 auf, so dass ein Riegel 30' jeweils drei Brennstoffzellen 20 befestigt. Die inneren Riegel 30 liegen in ihrer Breite auf den benachbarten Brennstoffzellen 20 zweier Spalten 41 auf. Ihrer Länge umspannt wiederum die Länge einer Spalte 41, so dass ein innerer Riegel 30 jeweils sechs Brennstoffzellen 20 befestigt. Der Flansch 21 jeder Brennstoffzelle 20 wird auf zwei entgegengesetzten Seiten, die in 1 als links und rechts dargestellt sind, von je einem Riegel 30 oder 30' fixiert. Als elektrische Kontaktierung der Brennstoffzellen 20 in einer Reihenschaltung ist jeweils ein zweiter Abschnitt 53 eines Kontaktelementes 50 dargestellt, der in 1 nicht dargestellte eine Kathode 24 der Brennstoffzelle 20 über eine nicht dargestellte Kontaktierungsschicht 28 kontaktiert. Auf das Kontaktelement 50 wird in 3 eingegangen. Eine Befestigung für die Riegel 30, 30' auf dem Grundkörper 11 ist in 1 nicht dargestellt.
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2 zeigt einen Schnitt durch den Grundkörper 11 mit zwei benachbarten Brennstoffzellen 20 einer Reihe 40, die auf dem Grundkörper 11 angeordnet sind, gemäß der Linie I-I aus 1. Die Brennstoffzellen 20 weisen jeweils einen Innenraum 22 auf, in den der Brennstoff einströmt, um an einer inneren Elektrode, die als Anode 23 fungiert, elektrochemisch zu reagieren. Das Oxidationsmittel in einem Außenraum 13 reagiert elektrochemisch an einer äußeren Elektrode, die als Kathode 24 fungiert. Die Anode 23 und die Kathode 24 sind durch eine Elektrolytschicht 25 aus einer festen Keramik, beispielsweise yttriumdotiertes Zirkoniumdioxid, voneinander getrennt. Hierbei fungiert die Elektrolytschicht 25 als tragende, formgebende Struktur der Brennstoffzelle 20. Die Elektrolytschicht 25 ist rohrförmig ausgeformt, wobei eine erste Seite 26 geschlossen und eine zweite Seite 27 der Elektrolytschicht 25 und damit der Brennstoffzelle 20 offen ist. Der Flansch 21 ist materialeinheitlich mit der Elektrolytschicht 25 ausgebildet. Die Elektrolytschicht 25 mit dem Flansch 21 wird durch ein gemeinsames Spritzgussverfahren hergestellt, wodurch die erste Seite 26 und der Übergang zwischen der Elektrolytschicht 25 und dem Flansch 21 keine gasdurchlässigen oder brüchigen Nähte aufweist. Zur Herstellung des Grundkörpers 11 kann ein CIM-Vefahren verwendet werden.
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Sowohl auf der Anode 23 als auch auf der Kathode 24 befindet sich jeweils eine keramische Kontaktierungsschicht 28 von 10 bis 100 μm Dicke beispielsweise in Form eines Gitters, das durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht wurde. Dieses Gitter kann je nach Notwendigkeit durch galvanische Prozessschritte wie z. B. durch eine Zinkabscheidung verstärkt werden, so dass ausreichende Querschnitte für die elektrische Stromleitung zur Verfügung stehen. Die beiden in 2 dargestellten Brennstoffzellen 20 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Hierzu führt ein elektrisch leitendes, metallisches Kontaktelement 50 von der Anode 23 der links dargestellten Brennstoffzelle 20 zu der Kathode 24 der rechts dargestellten Brennstoffzelle 20. Eine Draufsicht auf das Kontaktelement 50 ist in 3 dargestellt. Ein erster Abschnitt 51 des Kontaktelementes 50 kontaktiert die Kontaktierungsschicht 28 der Anode 23. Hierzu weist der erste Abschnitt 51 Laschen 52 auf, die in Richtung der Anode 23 umgebogen sind und flächig auf der Kontaktierungsschicht 28 anliegen. Ein zweiter halbkreisförmiger Abschnitt 53 des Kontaktelementes 50 kontaktiert die Kontaktierungsschicht 28 der Kathode 24 der benachbarten Brennstoffzelle 20. Auch am zweiten Abschnitt 53 sind Laschen 52 vorhanden, die in Richtung der Kathode 24 umgebogen sind und flächig auf bzw. an der Kontaktierungsschicht 28 anliegen. Damit ein guter Halt und ein elektrischer Kontakt zwischen dem zweiten Abschnitt 53 und der Kathode 24 gewährleistet ist, wird der Innendurchmesser des zweiten Abschnittes 53 etwas kleiner als der Außendurchmesser der Kathode 24 gewählt. Ebenfalls sind in 2 Teile zweier weiterer Kontaktelemente 50 dargestellt: ein Teil eines Kontaktelementes 50, das die Kathode 24 der linken Brennstoffzelle 20 mit einer Anode 23 einer weiter links angeordneten, nicht dargestellten Brennstoffzelle 20 elektrisch verbindet, und ein Teil eines weiteren Kontaktelementes 50, das die Anode 23 der rechten Brennstoffzelle 20 mit einer Kathode 24 einer weiter rechts angeordneten, nicht dargestellten Brennstoffzelle 20 elektrisch verbindet. Der Flansch 21 weist in 5 dargestellte Aussparungen 29 auf, in die das Kontaktelement 50 eingelegt ist.
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2 zeigt ferner den Grundkörper 11 mit einem Keramikeinsatz 14, auf dem die Brennstoffzellen 20 angeordnet sind. In dem Grundkörper 11 verläuft ein Zufuhrkanal 12, der einen den Brennstoff enthaltenden Anodenfluidstrom gemäß den Pfeilen 31 in den Innenraum 22 der Brennstoffzellen 20 leitet. Hierbei ist eine keramische Lanze 15 vorgesehen, die den Anodenfluidstrom an die erste, obere Seite 26 der Brennstoffzellen 20 leitet. Hierdurch wird der Anodenfluidstrom von oben nach unten zu der Anode 23 geleitet, um an der zweiten, unteren Seite 27 die Brennstoffzelle 20 zu verlassen und durch einen Abfuhrkanal 16 das Brennstoffzellensystem 1 gemäß den Pfeilen 31 abgeführt zu werden.
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Der Flansch 21 liegt auf dem Keramikeinsatz 14 an einer Auflagefläche 17 auf. Der Druck der Kontaktelemente 50 reicht nicht aus, um die Auflagefläche 17 gasdicht abzudichten und somit eine Diffusion des Brennstoffes in den Außenraum 13 und/oder eine Diffusion des Oxidationsmittels in den Innenraum 22 wirkungsvoll zu unterbinden. Daher liegt ein Riegel 30 direkt oder indirekt auf den Flanschen 21 der beiden in 2 dargestellten Brennstoffzellen auf. Der Riegel 30 wird, wie in 4 dargestellt, mit dem Grundkörper 11 verbunden und presst dadurch gasdicht die Flansche 21 auf den Grundkörper 11. Zwischen dem Riegel 30 und dem Grundkörper 11 befindet sich nicht nur die Flansche 21, sondern auch das Kontaktelement 50, das federnde Wirkung hat und mechanische Spannungen auf Grund von Temperatureinflüssen ausgleicht. Damit sich das Kontaktelement 50 auf der gesamten Auflagefläche des Riegels 30 zwischen dem Riegel 30 und dem Grundkörper 11 befindet, weist das Kontaktelement 50 eine Verbreiterung 54 auf. Weitere zwei Riegel 30, die entweder auf dem Flansch 21 der linken Brennstoffzelle 20 und einem Flansch einer weiteren, noch weiter links sich befindenden, nicht dargestellten Brennstoffzelle oder auf dem Flansch 21 der rechten Brennstoffzelle 20 und einem Flansch einer weiteren, noch weiter rechts sich befindenden, nicht dargestellten Brennstoffzelle, sind in 2 zur Hälfte dargestellt.
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4 zeigt einen Schnitt durch eine Spalte 41 gemäß der Schnittlinie A-A in 1. Hierbei sind der Riegel 30, die Flansche 21 der Brennstoffzellen 20, die Kontaktelemente 50, der Grundkörper 11 mit den Zufuhr- und Abfuhrkanäle 12, 16 und dem Keramikeinsatz 14 geschnitten dargestellt. An jedem Ende ist der Riegel 30 mit dem Grundkörper 11 durch je eine Halterung 32 schraubzwingenartig miteinander verbunden. Jede Halterung 32 weist zumindest eine Schraube 33 auf, durch deren Anzugsmoment bestimmt wird, mit welcher Kraft der Riegel 30 die Flansche 21 gegen den Grundkörper 21 presst.
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Wie in 5 dargestellt ist, ist der Flansch 21 jeder Brennstoffzelle 20 als Ellipse ausgeformt. Im befestigten Zustand ist die Ellipse so ausgerichtet, dass die Hauptachse a der Ellipse senkrecht zu den Riegeln 30, die die Brennstoffzelle 20 an dem nicht dargestellten Grundkörper 11 befestigen, ausgerichtet ist und die Nebenachse b parallel zu den Riegeln 30 gerichtet ist. Hierdurch ist ein leichtes Auswechseln einer defekten Brennstoffzelle 20' möglich. Zunächst werden die Schrauben 33 teilweise gelöst. Ein vollständiges Entfernen der Halterung 32 und des Riegels 30 ist jedoch nicht notwendig. Es ist ausreichend, den Druck des Riegels 30 auf den Flansch 21 der defekten Brennstoffzelle 20' soweit zu verringern, dass die defekte Brennstoffzelle 20' zumindest teilweise drehbar ist. Der zweite Abschnitt 53 des Kontaktelementes 50, der über die Kontaktierungsschicht 28 an der Kathode 24 der defekten Brennstoffzelle 20' anliegt, wird von der defekten Brennstoffzelle 20' weggebogen. Nun wird die defekte Brennstoffzelle 20' um ca. 90° gedreht, so dass die Hauptachse a parallel zu den Riegeln 30 gerichtet ist und der Flansch 21 dadurch, dass nun die kürzere Nebenachse b zu den Riegeln zeigt, nicht mehr formschlüssig unter den Riegeln 30 gehalten ist. Nun kann die defekte Brennstoffzelle 20' nach oben vom Grundkörper 11 entfernt werden. Eine neue, intakte Brennstoffzelle 20 kann eingesetzt werden, indem die neue Brennstoffzelle zunächst mit der Hauptachse a parallel auf den Grundkörper 11 aufgesetzt und dann um 90° unter die Riegel 30 gedreht wird. Der zweite Abschnitt 53 des Kontaktelementes 50 wird zu der Kathode 24 der neuen Brennstoffzelle gebogen, so dass die Laschen 52 in Kontakt mit der Kontaktierungsschicht 28 der Kathode 24 treten. Dann werden die Schrauben 33 wieder angezogen.
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Die Riegel 30, 30' in den 1, 2, 4 und 5 sind elektrisch leitend ausgestaltet. Wie in 2 dargestellt ist, kontaktiert der Riegel 30 das Kontaktelement 50 dort, wo das Kontaktelement 50 in 2 über dem Flansch 21 angeordnet ist. Der mittlere Riegel 30 in 2 ist elektrisch von der Kathode 24 der linken Brennstoffzelle 20 isoliert. Derselbe Riegel 30 kontaktiert ebenfalls die Kontaktelemente 50, die in 2 über und unter der Zeichenebene in den anderen Reihen angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich eine parallele Verschaltung der einzelnen Reihen, wie im Ersatzschaltbild in 6 dargestellt ist. In den Reihen 40 sind die Brennstoffzellen 20 durch die Kontaktelemente 50 elektrisch in Reihe geschaltet, in den Spalten 41 sind die Brennstoffzellen 20 durch die Riegel 30, 30' elektrisch parallel geschaltet, wobei der rechte Riegel 30' aus 1 keinen elektrischen Kontakt zu den Brennstoffzellen 20 hat. Ist nun eine Brennstoffzelle 20' defekt oder durch die Reaktanden ungenügend versorgt, so fließt Strom gemäß den Pfeilen 34 an der defekten Brennstoffzelle 20' vorbei. Die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems 10 wird dadurch nur um die elektrische Leistung der defekten oder unterversorgten Brennstoffzelle 20', d. h. im vorliegenden Beispiel um höchstens ein Fünfzehntel, verringert. Die übrigen Brennstoffzellen 20 der Reihe 40, die die defekte oder unterversorgte Brennstoffzelle 20' enthält, tragen weiterhin zur elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems 10 bei. Wird auf eine Parallelschaltung verzichtet, so würde sich die elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems bei nur einer defekten Brennstoffzelle 20' hingegen bereits um ein Drittel im vorliegenden Beispiel verringern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0118812 A1 [0003]
