DE102012221449A1

DE102012221449A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102012221449A1
Application number: DE102012221449A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schulze
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-06-06
Also published as: KR20130061112A

Abstract

Es wird eine tubulare Brennstoffzelle (10), insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzelle, beschrieben mit einem Tubus (11, 12, 13), auf dessen Oberfläche eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufgebracht ist, wobei ein Fußabschnitt (11) des Tubus (11, 12, 13) mittels einer Quellmatte (30) fixierbar beziehungsweise fixiert ist, um eine mechanisch stabile und gasdichte Anbindung der Brennstoffzelle (10) zu bewirken. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein derartiges Brennstoffzellensystem, ein Verfahren zu deren Herstellung, deren Verwendung sowie ein Energiesystem.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, eine tubulare Brennstoffzelle, ein Verfahren zu deren Herstellung, deren Verwendung sowie ein Energiesystem.
Stand der Technik
Hochtemperatur-Brennstoffzellen, welche auch als Festoxidbrennstoffzellen (SOFC, Englisch: solide oxide fuel cell) bezeichnet werden, dienen der Erzeugung von Strom und gegebenenfalls auch Wärme. Sie werden meistens in Hilfsaggregaten oder in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) verwendet.
Hochtemperatur-Brennstoffzellen können einen rohrförmigen oder planaren Trägerkörper aufweisen. Brennstoffzellen mit einem rohrförmigen Trägerkörper werden auch als tubulare Brennstoffzellen bezeichnet. Tubulare Brennstoffzellen können sowohl beidseitig offen ausgeführt sein, sodass Brenngas oder Luft durch die tubulare Brennstoffzelle hindurch geleitet werden kann, als auch an einer Endseite geschlossen ausgeführt sein, wobei Brenngas oder Luft über eine Lanze innenseitig in die Brennstoffzelle geleitet werden kann.
Im Bereich der Automobilkatalysatoren wird zur Fixierung der keramischen Monolithen in metallischen Abgasanlagen eine Quellmatte verwendet, welche beispielsweise wie in der Druckschrift DE 196 385 42 A1 beschrieben ausgestaltet sein kann. Derartige Quellmatten weisen eine mineralische Fasermatte auf, welche zwischen den keramischen Monolithen und das Gehäuse gelegt wird. Durch ausreichendes Erwärmen dehnt sich die Quellmatte aus, so dass der Monolith fixiert wird. Diese Fixierung ist so stark und dauerhaft, dass ein Losrütteln des Monolithen im Laufe der Betriebszeit des Fahrzeugs nicht möglich ist.
Die Druckschriften EP 1 079 453 B1 und EP 1 624 521 A1 beschreiben Brennstoffzellen.
Die Druckschrift US 2002/0110716 A1 beschreibt ein tubulare Brennstoffzellen umfassendes Brennstoffzellensystem.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Aufwand und die Kosten bei einer Fixierung einer Brennstoffzelle zu reduzieren, beispielsweise zu minimieren.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche sowie durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst.
Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, welches mindestens eine Brennstoffzelle, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzelle, mindestens eine Quellmatte und ein Trägerelement umfasst. Die mindestens eine Quellmatte ist dabei zwischen einem Befestigungsabschnitt der mindestens einen Brennstoffzelle und einem Befestigungsabschnitt des Trägerelements angeordnet ist.
Unter einer Quellmatte kann insbesondere eine Matte aus einem Material verstanden werden, welches sich beim, insbesondere einmaligen, überschreiten einer bestimmten Quelltemperatur, beispielsweise 300 °C, ausdehnt. Eine derartige Quellmatte wird beispielsweise in der Druckschrift DE 196 385 42 A1 beschrieben. Durch eine hauptsächlich mineralische Struktur der Quellmatte, kann die Quellmatte sehr temperaturbeständig sein und kann dauerhaft hohe Temperaturen aushalten.
Dadurch dass die Quellmatte zwischen der Brennstoffzelle und dem Trägerelement, beispielsweise zwischen dem Tubus der Brennstoffzelle und einer als Trägerelement dienenden Metallplatte, eingebracht ist, wird infolge der temperaturbedingten Ausdehnung der Quellmatte eine Kraft zwischen der Brennstoffzelle und dem Trägerelement, beispielsweise auf den Tubus der Brennstoffzelle und die als Trägerelement dienende Metallplatte, ausgeübt und insbesondere die Brennstoffzelle mit dem Trägerelement verpresst. Dies führt zu einer Fixierung des der Brennstoffzelle, insbesondere des Tubus der Brennstoffzelle.
Aufgrund der starken Verdichtung des Materials ist die Durchströmbarkeit des Materials äußerst gering. Vorteilhafterweise kann daher durch die Quellmatte sowohl die Brennstoffzelle, insbesondere der Tubus der Brennstoffzelle, fixiert als auch die beiden Gasräume der Brennstoffzelle voneinander abgedichtet werden.
Insgesamt kann so durch die Quellmatte vorteilhafterweise sowohl eine mechanisch stabile als auch gasdichte Verbindung der Brennstoffzelle mit dem Trägerelemente, beispielsweise einer Bodenplatte, erzielt werden.
Der Aufwand für die Herstellung und Montage sowie die damit verbundenen Kosten können bei einer quellmattenbasierten Fixierung insbesondere geringer sein als bei anderen Arten der Fixierung, beispielsweise bei denen präzise einzupassende metallische Dichtringe und/oder komplex ausgestaltete Trägerelemente eingesetzt werden.
Durch eine Sicherstellung der Gasdichtigkeit durch die Quellmatte kann zudem vorteilhafterweise die Gesamteffizienz der Brennstoffzelle erhöht werden.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Brennstoffzelle eine tubulare Brennstoffzelle. Die mindestens eine Quellmatte kann dabei insbesondere zwischen einem Fußabschnitt der mindestens einen tubularen Brennstoffzelle und dem Befestigungsabschnitt des Trägerelements angeordnet sein. So kann durch die Quellmatte vorteilhafterweise eine mechanisch stabile und gasdichte Verbindung zwischen dem Fußabschnitt der Brennstoffzelle und dem Befestigungsabschnitt des Trägerelement bewirkt werden. Insbesondere nach dem Überschreiten der Quelltemperatur der Quellmatte, kann die die Quellmatte den Fußabschnitt mit dem Befestigungsabschnitt verpressen.
Im Rahmen einer Ausführungsform enthält die Quellmatte ein anorganisches und/oder mineralisches und/oder keramisches Material oder ist daraus ausgebildet. Insbesondere kann die Quellmatte Expansionspartikel aufweisen. Die Expansionspartikel können beispielsweise Blähglimmer, beispielsweise Vermiculit, und/oder Graphitsalz/e umfassen oder daraus ausgebildet sein. Weiterhin kann die Quellmatte Hochtemperaturfasern, zum Beispiel Keramikfasern, Aluminiumoxidfasern, Glasfasern oder dergleichen, enthalten. Die Quelltemperatur der Quellmatte kann beispielsweise bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 400 °C, beispielsweise um etwa 300 °C, liegen.
Das Trägerelement kann insbesondere flächig ausgestaltet sein. Zum Beispiel kann das Trägerelement als Trägerplatte oder als Anordnung von mindestens zwei Trägerplatten ausgebildet sein. Das Trägerelement kann beispielsweise aus einem metallischen Material ausgebildet sein. Gegebenenfalls kann das Trägerelement eine Bodenplatte oder eine als Bodenplatte dienende Plattenanordnung sein. Das Trägerelement, beispielsweise die Bodenplatte, kann insbesondere so geformt sein, dass sich die Quellematte dagegen abstützen kann. Insbesondere kann sich die Quellmatte gegen den Befestigungsabschnitt des Trägerelementes abstützen. Im Rahmen der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen kann hierfür insbesondere ein zu einer Öffnung benachbarter, beispielsweise die Öffnung umgebender, Randabschnitt dienen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist daher das Trägerelement mindestens eine durchgängige Öffnung auf. Dabei kann der Fußabschnitt insbesondere benachbart zu mindestens einer Öffnung des Trägerelements angeordnet sein, wobei die Quellmatte zwischen dem Fußabschnitt und einem zu der Öffnung benachbarten, insbesondere die Öffnung umgebenden, Randabschnitt des Trägerelements angeordnet ist.
Der Randabschnitt kann sich dabei in Richtung auf die Öffnung, beispielsweise konisch, verjüngen. So kann vorteilhafterweise eine besonders gasdichte und mechanisch stabile Fixierung der Brennstoffzelle erzielt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Trägerelement eine erste Trägerplatte und eine zweite Trägerplatte. Der Fußabschnitt der Brennstoffzelle kann dabei zumindest teilweise zwischen der ersten und zweiten Trägerplatte des Trägerelements angeordnet sein.
Die erste Trägerplatte kann dabei insbesondere mindestens eine erste Öffnung aufweisen. Durch die erste Öffnung kann sich die Brennstoffzelle zumindest teilweise erstrecken. Die zweite Trägerplatte kann dabei beim Aufquellen der Quellmatte als Gegenlager dienen.
Zusätzlich kann die zweite Trägerplatte mindestens eine zweite Öffnung aufweisen. Insofern beide Trägerplatten Öffnungen aufweisen, sind die ersten Öffnungen der ersten Trägerplatte und die zweiten Öffnung der zweiten Trägerplatte vorzugsweise in zueinander korrespondierenden Positionen ausgebildet.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die erste Trägerplatte einen zu der ersten Öffnung benachbarten ersten Randabschnitt auf. Insbesondere kann der erste Randabschnitt dabei die erste Öffnung umgeben. Die Quellmatte kann zwischen dem Fußabschnitt und dem ersten Randabschnitt angeordnet sein.
Zusätzlich kann die zweite Trägerplatte einen zu der zweiten Öffnung benachbarten zweiten Randabschnitt aufweisen. Der zweite Randabschnitt kann dabei die zweite Öffnung beispielsweise umgeben. Die Quellmatte kann insbesondere zwischen dem Fußabschnitt dem zweiten Randabschnitt angeordnet sein.
Der erste Randabschnitt kann sich insbesondere in Richtung auf die erste Öffnung, beispielsweise konisch, verjüngen. Der erste Randabschnitt kann sich insbesondere in einer von der zweiten Trägerplatte wegführenden Richtung verjüngen.
Zusätzlich kann sich beispielsweise auch der zweite Randabschnitt in Richtung auf die zweite Öffnung, beispielsweise konisch, verjüngen. Der zweite Randabschnitt kann sich beispielsweise in einer von der ersten Trägerplatte wegführenden Richtung verjüngen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die mindestens eine tubulare Brennstoffzelle zumindest teilweise durch die mindestens eine Öffnung des Trägerelements, insbesondere die erste Öffnung der ersten Trägerplatte des Trägerelements, hindurch. Dabei kann insbesondere der Fußabschnitt auf einer Seite des Trägerelements, insbesondere der ersten Trägerplatte, beispielsweise der der zweiten Trägerplatte zugewandten Seite der ersten Trägerplatte angeordnet sein. Ein Elektroden tagender Abschnitt der mindestens einen tubularen Brennstoffzelle kann dabei insbesondere auf der anderen Seite des Trägerelements, insbesondere der ersten Trägerplatte, beispielsweise auf der von der zweiten Trägerplatte abgewandten Seite der ersten Trägerplatte, angeordnet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform verjüngt sich der Randabschnitt des Trägerelementes, insbesondere der erste Randabschnitt der ersten Trägerplatte, in Richtung auf den Elektroden tagender Abschnitt, beispielsweise konisch. Dabei kann sich – wie bereits erläutert – der Randabschnitt des Trägerelementes, insbesondere der erste Randabschnitt der ersten Trägerplatte, auch in Richtung auf die Öffnung, insbesondere die erste Öffnung, beispielsweise konisch, verjüngen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Fußabschnitt der mindestens einen Brennstoffzelle mindesten einen Vorsprung auf. Insbesondere kann der Vorsprung dabei umfänglich umlaufend zu dem Fußabschnitt ausgebildet sein. Der Vorsprung kann beispielsweise benachbart zu dem Randabschnitt des Trägerelements, zum Beispiel zwischen der ersten und zweiten Trägerplatte angeordnet sein. Vorteilhafterweise kann der Vorsprung so sowohl als Montagefläche als auch als Dichtfläche dienen.
Beispielsweise kann der Vorsprung beabstandet von einer Stirnfläche des Fußabschnitts ausgebildet sein. Die beabstandete Anordnung des zumindest einen Vorsprungs von der Stirnfläche des Fußabschnitts kann eine zusätzliche Anlagefläche für einen Randabschnitt des Trägerelements, insbesondere der zweiten Trägerplatte, ermöglichen, welche durch einen den Vorsprung beabstandenden Endabschnitt des Fußabschnitts gebildet werden kann.
Der Vorsprung kann insbesondere durch eine, beispielsweise den Fußabschnitt umfänglich umlaufende, Nut in einen ersten Vorsprungabschnitt und einen zweiten Vorsprungabschnitt unterteilt sein. Die Quellmatte kann dabei an dem ersten Vorsprungabschnitt und dem zweiten Vorsprungabschnitt teilweise oder vollständig anliegen. Gegebenenfalls kann sich die Quellmatte über den ersten und zweiten Vorsprungabschnitt hinaus erstrecken. Beim Aufquellen der Quellmatte kann sich die Quellmatte in die Nut hinein ausdehnen und beispielsweise die Nut teilweise oder vollständig ausfüllen. So kann die Quellmatte beispielweise formschlüssig in die Nut eingreifen und eine besonders stabile Verpressung des Fußabschnitts mit dem Trägerelement bewirkt werden.
Die Quellmatte kann gegebenenfalls auch vor dem Aufquellen teilweise in die Nut eingreifen. So kann vorteilhafterweise verhindert werden, dass die Quellmatte an dem Fußabschnitt vor der Montage der Brennstoffzelle verrutscht.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Außendurchmesser des Vorsprungs größer als der Innendurchmesser der Öffnung des Trägerelements, insbesondere der ersten Öffnung der ersten Trägerplatte und/oder der zweiten Öffnung der zweiten Trägerplatte. So kann vorteilhafterweise eine besonders sichere und stabile mechanische Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und dem Trägerelement bewirkt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die erste Trägerplatte und die zweite Trägerplatte durch mindestens ein Verbindungselement miteinander verbunden. Beispielsweise können die erste Trägerplatte und die zweite Trägerplatte durch lösbare oder unlösbare, insbesondere lösbare, Verbindungselemente miteinander verbunden sein. Beispielsweise können die erste Trägerplatte und die zweite Trägerplatte verschraubt oder verschweißt sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren, den erfindungsgemäßen Verwendungen, dem erfindungsgemäßen Energiesystem sowie mit den Figuren verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine tubulare Brennstoffzelle, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzelle, mit einem Tubus, welcher eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode trägt. Insbesondere kann auf die Brennstoffzelle einen Tubus aufweisen, auf dessen Oberfläche eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufgebracht ist.
Insbesondere ist dabei ein Fußabschnitt, beispielsweise ein Fußpunkt, des Tubus mittels einer Quellmatte fixierbar beziehungsweise fixiert.
Die Brennstoffzelle kann insbesondere in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem eingesetzt werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform liegt die Quellematte an zumindest einem Teil des Fußabschnitts, beispielsweise dem Fußpunkt, an. Insbesondere kann die die Quellmatte dabei zumindest einen Teil des Fußabschnitts umfänglich umgeben.
Für die Montage der Brennstoffzelle und eine Optimierung der Lage der Quellmatte, hat es sich als vorteilhaft erwiesen den Fußabschnitt der Brennstoffzelle speziell zu formen. Beispielsweise kann der Fußabschnitt wie in 2 geformt sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Fußabschnitt hierfür mindesten einen, insbesondere den Fußabschnitt umfänglich umlaufenden, Vorsprung auf. Der Vorsprung kann dabei vorteilhafterweise sowohl als Montagefläche als auch als Dichtfläche dienen.
Insbesondere kann der Vorsprung beabstandet von einer Stirnfläche des Fußabschnitts ausgebildet sein. Die beabstandete Anordnung des zumindest einen Vorsprungs von der Stirnfläche des Fußabschnitts kann eine zusätzliche Anlagefläche ermöglichen, welche durch einen den Vorsprung beabstandenden Endabschnitt des Fußabschnitts gebildet werden kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Vorsprung durch eine, insbesondere den Fußabschnitt umfänglich umlaufende, Nut in einen ersten Vorsprungabschnitt und einen zweiten Vorsprungabschnitt unterteilt. Die Quellmatte kann dabei an dem ersten Vorsprungabschnitt und dem zweiten Vorsprungabschnitt teilweise oder vollständig anliegen. Gegebenenfalls kann sich die Quellmatte über den ersten und zweiten Vorsprungabschnitt hinaus erstrecken.
Beim Aufquellen der Quellmatte kann sich die Quellmatte zumindest teilweise in die Nut hinein ausdehnen und beispielsweise die Nut teilweise oder vollständig ausfüllen. So kann die Quellmatte beispielweise formschlüssig in die Nut eingreifen und eine besonders stabile Verpressung des Fußabschnitts mit einem Trägerelement bewirkt werden.
Die Quellmatte kann insbesondere auch bereits vor dem Aufquellen teilweise in die Nut eingreifen. So kann vorteilhafterweise verhindert werden, dass die Quellmatte an dem Fußabschnitt vor der Montage der Brennstoffzelle verrutscht.
Der Außendurchmesser des Vorsprungs kann insbesondere größer als der Innendurchmesser einer Öffnung eines Trägerelements sein, an dem die Brennstoffzelle befestigbar ist. So kann vorteilhafterweise eine besonders sichere und stabile mechanische Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und dem Trägerelement bewirkt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform enthält die Quellmatte ein anorganisches und/oder mineralisches und/oder keramisches Material oder ist
daraus ausgebildet. Insbesondere kann die Quellmatte Expansionspartikel aufweisen. Die Expansionspartikel können beispielsweise Blähglimmer, beispielsweise Vermiculit, und/oder Graphitsalz/e umfassen oder daraus ausgebildet sein. Weiterhin kann die Quellmatte Hochtemperaturfasern, zum Beispiel Keramikfasern, Aluminiumoxidfasern, Glasfasern oder dergleichen, enthalten. Die Quelltemperatur der Quellmatte kann beispielsweise bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 400 °C, beispielsweise um etwa 300 °C, liegen.
Der Tubus kann insbesondere aus einem keramischen Material ausgebildet sein.
Der Tubus kann ein einseitig geschlossener Tubus oder ein beidseitig offener Tubus sein. Insbesondere kann der Tubus ein einseitig geschlossener Tubus sein. Die Brennstoffzelle kann dabei als geschlossene oder offene, insbesondere geschlossene, tubulare Brennstoffzelle bezeichnet werden.
Im Fall eines beidseitig offenen Tubus, kann der Tubus zwei Fußanschnitte aufweisen. Dabei kann sich zwischen den beiden Fußabschnitten ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiger Zwischenabschnitt erstrecken.
Im Fall eines einseitig geschlossenen Tubus, kann der Tubus einen Fußabschnitt und einen Kappenabschnitt aufweisen. Dabei kann sich zwischen dem Fußabschnitt und dem Kappenabschnitt ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiger Zwischenabschnitt erstrecken.
In beiden Fällen kann insbesondere der Zwischenabschnitt die erste Elektrode und die zweite Elektrode tragen.
Die erste Elektrode kann zum Beispiel die Kathode und die zweite Elektrode die Anode, oder umgekehrt, die erste Elektrode kann die Anode und die zweite Elektrode die Kathode sein.
Dabei ist es möglich, dass die erste Elektrode auf Außenseite des Zwischenabschnitts aufgebracht ist und die zweite Elektrode auf der Innenseite. Der Zwischenabschnitt kann dabei als Elektrolyt dienen.
Es ist jedoch ebenso möglich, dass die erste Elektrode, die zweite Elektrode und ein Elektrolyt Bestandteile eines Funktionsschichtsystems sind. Das Funktionsschichtsystem kann insbesondere ein segmentiertes Funktionsschichtsystem sein.
Das Funktionsschichtsystem kann beispielsweise auf der Außenseite oder auf der Innenseite, insbesondere auf der Innenseite, des Zwischenabschnitts aufgebracht sein. Dabei kann der Zwischenabschnitt insbesondere gasdurchlässige Poren aufweisen. Die Fußabschnitte beziehungsweise der Fußabschnitt und der Kappenabschnitt können dabei gasdicht ausgestaltet sein. Dabei kann der Tubus insbesondere aus einem inerten keramischen Material ausgebildet sein, welches beispielsweise nicht an der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle teilnimmt. Die Brennstoffzelle kann dabei als inert geträgerte Brennstoffzelle bezeichnet werden.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Verfahren, den erfindungsgemäßen Verwendungen, dem erfindungsgemäßen Energiesystem sowie mit den Figuren verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellensystem, insbesondere eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, umfassend die Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen eines Trägerelements, mindestens einer Brennstoffzelle, insbesondere einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, und mindestens einer Quellmatte, und
b) Anordnen der mindestens einen Quellmatte zwischen dem Trägerelement und der mindestens einen Brennstoffzelle, insbesondere zwischen einem Befestigungsabschnitt des Trägerelements und einem Fußabschnitt der mindestens einen Brennstoffzelle.

Das das Aufquellen der Quellmatte durch einen Temperaturanstieg bei der Inbetriebnahme bewirkt werden kann, muss die aus Verfahrensschritt b) resultierende Anordnung nicht zwangsläufig zusätzlich erhitzt werden.
Dennoch ist es möglich, dass das Verfahren weiterhin einen Verfahrensschritt c): Erhitzen der aus Verfahrensschritt b) resultierenden Anordnung auf eine Temperatur oberhalb der Quelltemperatur der Quellmatte, umfasst.
In Verfahrensschritt b) kann insbesondere ein Fußabschnitt in eine Öffnung in dem Trägerelement eingesteckt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Brennstoffzelle in Verfahrenschritt b) derart durch eine Öffnung in dem Trägerelement durchgesteckt werden, dass der Fußabschnitt der mindestens einen Brennstoffzelle auf der einen Seite des Trägerelements und mindestens ein anderer Abschnitt der mindestens einen Brennstoffzelle, beispielsweise ein Elektroden tragender Abschnitt und gegebenenfalls ein Kappenabschnitt der mindestens einen, insbesondere tubularen, Brennstoffzelle auf der anderen Seite des Trägerelements angeordnet ist. Die Quellmatte kann dabei zwischen dem Fußabschnitt und einem zur Öffnung benachbarten Randabschnitt des Trägerelements angeordnet sein.
In Verfahrensschritt a) kann insbesondere ein Trägerelement bereitgestellt werden, welches eine erste Trägerplatte mit mindestens einer ersten Öffnung und eine zweite Trägerplatte umfass. Dabei kann die zweite Trägerplatte mindestens eine zweite Öffnung aufweisen. In Verfahrensschritt b) kann die mindestens einen Brennstoffzelle durch die erste Öffnung in der ersten Trägerplatte gesteckt werden, so dass der Fußabschnitt der mindestens einen Brennstoffzelle auf der einen Seite der ersten Trägerplatte und die anderen Abschnitte der mindestens einen Brennstoffzelle auf der anderen Seite der ersten Trägerplatte angeordnet sind. Die Quellmatte kann dabei zwischen dem Fußabschnitt und einem zur ersten Öffnung benachbarten ersten Randabschnitt der ersten Trägerplatte angeordnet sein. In einem weiteren Verfahrensschritt b1) kann dann die zweite Trägerplatte derart mit der ersten Trägerplatte verbunden werden, dass der Fußabschnitt und die Quellmatte zwischen der ersten und zweiten Trägerplatte angeordnet und gegebenenfalls zumindest teilweise, beispielsweise leicht, eingeklemmt werden.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, den erfindungsgemäßen Verwendungen, dem erfindungsgemäßen Energiesystem sowie mit den Figuren verwiesen.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Quellmatte zur Fixierung einer Brennstoffzelle (SOFC), insbesondere einer tubularen Brennstoffzelle, beispielsweise an einem Trägerelement, zum Beispiel einer Trägerplatte.
Die Quellmatte kann dabei insbesondere ein anorganisches und/oder mineralisches und/oder keramisches Material enthalten oder daraus ausgebildet sein. Insbesondere kann die Quellmatte Expansionspartikel aufweisen. Die Expansionspartikel können beispielsweise Blähglimmer, beispielsweise Vermiculit, und/oder Graphitsalz/e umfassen oder daraus ausgebildet sein. Weiterhin kann die Quellmatte Hochtemperaturfasern, zum Beispiel Keramikfasern, Aluminiumoxidfasern, Glasfasern oder dergleichen, enthalten. Die Quelltemperatur der Quellmatte kann beispielsweise bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 400 °C, beispielsweise um etwa 300 °C, liegen.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und/oder einer erfindungsgemäßen, insbesondere tubularen, Brennstoffzelle und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder eines erfindungsgemäß hergestellten Brennstoffzellensystems und/oder eines erfindungsgemäßen Energiesystems in einem Hochtemperaturbrennstoffzellensystem beziehungsweise in Hochtemperaturbrennstoffzellensystemen für Heizzwecke und/oder in einer Stromgewinnungsanlage beziehungsweise Stromgewinnungsanlagen, zum Beispiel in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage beziehungsweise Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendungen wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Energiesystem sowie mit den Figuren verwiesen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Energiesystem, beispielsweise ein Heiz- und/oder Stromgewinnungssystem, zum Beispiel eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, beispielsweise für ein Wohn- oder Geschäftshaus, eine Industrieanlage, ein Kraftwerk, ein Fahrzeug, ein Flugzeug, eine Bahn, eine Telekommunikationsanlage oder ein Rechenzentrum, zum Beispiel eine Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlage und/oder ein Fahrzeug, ein Flugzeug, eine Bahn, eine Telekommunikationsanlage oder ein Rechenzentrum, welche/s ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem und/oder eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle und/oder ein erfindungsgemäß hergestelltes Brennstoffzellensystem und/oder eine erfindungsgemäß hergestellte Brennstoffzellen umfasst und/oder verwendet. Unter einer (Mikro-)Kraft-Wärme-Kopplungsanlage kann insbesondere eine Anlage zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme aus einem Energieträger verstanden werden.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Energiesystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren, den erfindungsgemäßen Verwendungen sowie mit den Figuren verwiesen.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1a einen schematischen Längsschnitt durch eine Tubusfixierung mit metallischen Dichtringen,
1b einen schematischen Querschnitt durch die in 1a gezeigte Tubusfixierung; und
2 eine schematische teilweise angeschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
In den 1a und 1b ist eine Möglichkeit zur Fixierung einer keramischen tubularen Brennstoffzelle 1, 2, 3 an einer metallischen Bodenplatte 4 dargestellt. Hierbei wird die Brennstoffzelle 1, 2, 3 über eine geeignete Konstruktion des Fußes 1 der Brennstoffzelle 1, 2, 3 und der Bodenplatte 4 mit Hilfe von metallischen Dichtringen 5 abgedichtet. Der Aufwand für die Konstruktion des Zellfußes 1 und der Bodenplatte 4 ist relativ hoch. Das gleiche gilt für die Montage, insbesondere da aufgrund der metallischen Dichtringe 5 hohe Anforderungen an die Passgenauigkeit gestellt werden müssen.
Die 1a und 1b zeigen weiterhin, dass der Tubus 1, 2, 3 der Brennstoffzelle 1, 2, 3 neben dem Fußabschnitt 1 einen Kappenabschnitt 2 und einen sich dazwischen erstreckenden, im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Zwischenabschnitt 3 aufweist. Dabei ist in den Innenraum des Tubus 1, 2, 3 eine Gaszufuhrlanze 6 eingeführt.
1b zeigt weiterhin, dass auf der Außenseite des Zwischenabschnitts 3 ein Funktionsschichtsystem 3 aufgebracht ist, welches Funktionsschichten 3a und Isolationen 3b aufweist.
2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und einer erfindungsgemäßen tubularen Brennstoffzelle 10, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzelle.
2 zeigt, dass die Brennstoffzelle 10 einen Tubus 11, 12, 13 aufweist, welcher einen Fußabschnitt 11, einen Kappenabschnitt 12 und einen sich zwischen dem Fußabschnitt 11 und dem Kappenabschnitt 12 erstreckenden Zwischenabschnitt 13 umfasst.
Dabei dient insbesondere der Zwischenabschnitt 13 des Tubus 11, 12, 13 dazu, eine erste und eine zweite Elektrode (nicht dargestellt), insbesondere die Kathode/n und die Anode/n, der Brennstoffzelle 10 zu tragen.
2 zeigt, dass der Fußabschnitt 11 mittels einer Quellmatte 30 an einem flächigen Trägerelement 20 fixiert ist. Dabei liegt die Quellmatte an zumindest einem Teil des Fußabschnitts 11 an und umgibt diesen beispielsweise umfänglich.
2 zeigt, dass der Fußabschnitt 11 einen, insbesondere den Fußabschnitt 11 umfänglich umlaufenden, Vorsprung 11a, 11b aufweist, welcher beabstandet von einer Stirnfläche S des Fußabschnitts 11 ausgebildet ist und durch eine, insbesondere den Fußabschnitt 11 umfänglich umlaufende, Nut 11c in einen ersten Vorsprungabschnitt 11a und einen zweiten Vorsprungabschnitt 11b unterteilt ist. Die Quellematte 30 liegt dabei teilweise an dem ersten Vorsprungabschnitt 11a und teilweise an dem zweiten Vorsprungabschnitt 11b an. Teilweise erstreckt sich, die Quellmatte 30 dabei auch in die Nut 11c. Vorzugsweise erstreckt sich die Quellmatte 30 bereits vor dem Überschreiten ihrer Quelltemperatur teilweise in die Nut 11c, um vor und bei der Montage der Brennstoffzelle eine Aufrechterhaltung der gewünschten Positionierung der Quellmatte 30 an dem Fußabschnitt 11 sicherzustellen. Beim Überschreiten der Quelltemperatur der Quellmatte 30 kann sich die Quellmatte 30 weiter in die Nut 11c ausdehnen und dabei die Nut 11c teilweise oder vollständig ausfüllen. So kann vorteilhafterweise eine mechanisch besonders stabile Verbindung der Brennstoffzelle 10 mit dem Trägerelement 20 erzielt werden.
2 zeigt weiterhin, dass das Trägerelement 20 eine erste Trägerplatte 21 und eine zweite Trägerplatte 22 umfasst, wobei die erste Trägerplatte 21 eine erste Öffnung 21b und die zweite Trägerplatte 22 eine zweite Öffnung 22b aufweist und wobei die ersten 21b und zweiten Öffnung 22b in zueinander korrespondierenden Positionen ausgebildet sind. Dabei weist die erste Trägerplatte 21 einen zu der ersten Öffnung 21b benachbarten, die erste Öffnung 21b umgebenden, ersten Randabschnitt 21a auf, wobei die zweite Trägerplatte 22 einen zu der zweiten Öffnung 22b benachbarten, die zweite Öffnung 22b umgebenden, zweiten Randabschnitt 22a aufweist. Dabei verjüngt sich der erste Randabschnitt 21a in einer von der zweiten Trägerplatte 22 wegführenden Richtung zur ersten Öffnung 21b hin konisch, wobei sich der zweite Randabschnitt 22a in eine von der ersten Trägerplatte 21 wegführenden Richtung zur zweiten Öffnung 22b hin konisch verjüngt.
2 illustriert, dass die Brennstoffzelle 10 mit der entsprechenden Nut 11c in die Bodenplatte 21, insbesondere durch die erste Öffnung 21b der ersten Trägerplatte 21 gesteckt wurde, so dass sich die tubulare Brennstoffzelle 10 teilweise durch die erste Öffnung 21b der ersten Trägerplatte 21 hindurch erstreckt, wobei der Fußabschnitt 11 auf einer Seite der ersten Trägerplatte 21 und der die Elektroden tagende Zwischenabschnitt 13 sowie der Kappenabschnitt 12 auf der anderen Seite der ersten Trägerplatte 21 angeordnet sind.
Der Fußabschnitt 11, insbesondere der Vorsprung 11a, 11b des Fußabschnitts 11, ist dabei benachbart zu der ersten 21b und zweiten 22b Öffnung sowie benachbart zu dem ersten 21a und zweiten 21b Randabschnitt zwischen der ersten 21 und zweiten 22 Trägerplatte angeordnet.
2 veranschaulicht, dass dabei der Außendurchmesser des Vorsprung 11a, 11b des Fußabschnitts 11 größer als der Innendurchmesser ersten Öffnung 21b und der zweiten Öffnung 22b ist.
Darüber hinaus zeigt 2, dass die Quellmatte 30 sowohl zwischen dem ersten Randabschnitt 21a und dem Fußabschnitt 11 als auch zwischen dem zweiten Randabschnitt 22a und dem Fußabschnitt 11 angeordnet ist.
Die erste 21 und zweite 22 Trägerplatte, insbesondere die erste Trägerplatte 21 (Bodenplatte), sind dabei so geformt, dass sich die Quellematte 30 dagegen, insbesondere gegen deren Randabschnitte 21a, 22a abstützen kann.
Weiterhin zeigt 2, dass die erste 21 und zweite 22 Trägerplatte durch Verbindungselemente 23 miteinander verbunden sind. Die zweite Trägerplatte 22, welche beispielsweise mit der ersten Trägerplatte 21 (Bodenplatte) verschraubt oder verschweißt sein kann, stellt dabei das Gegenlager für die Quellmatte 30 dar.
Beim Überschreiten ihrer Quelltemperatur dehnt sich die Quellmatte 30 aus und fixiert so die tubulare Zelle 10 mit dem Fuß 11 auf beziehungsweise an der Bodenplatte 21, insbesondere der ersten Trägerplatte, und dichtet gleichzeitig die mechanische Verbindung gasdicht ab.
Diese Bodenplatte beziehungsweise erste Trägerplatte 21 trennt dabei das Brenngas und die verwendete Luft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19638542 A1 [0004, 0010]
EP 1079453 B1 [0005]
EP 1624521 A1 [0005]
US 2002/0110716 A1 [0006]

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend – mindestens eine Brennstoffzelle (10), insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzelle, – mindestens eine Quellmatte (30) und – ein Trägerelement (20), wobei die mindestens eine Quellmatte (30) zwischen einem Befestigungsabschnitt (11) der mindestens einen Brennstoffzelle (10) und einem Befestigungsabschnitt (21a, 22a) des Trägerelements (20) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle (10) eine tubulare Brennstoffzelle ist, wobei die Quellmatte (30) zwischen einem Fußabschnitt (11) der mindestens einen tubularen Brennstoffzelle (10) und dem Befestigungsabschnitt (21a, 22a) des Trägerelements (20) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das Trägerelement (20) mindestens eine durchgängige Öffnung (21b, 22b) aufweist, wobei der Fußabschnitt (11) benachbart zu mindestens einer Öffnung (21b, 22b) des Trägerelements (20) angeordnet ist, wobei die Quellmatte (30) zwischen dem Fußabschnitt (11) und einem zu der Öffnung (21b, 22b) benachbarten, insbesondere die Öffnung (21b, 22b) umgebenden, Randabschnitt (21a, 22a) des Trägerelements (20) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Trägerelement (20) eine erste Trägerplatte (21) und eine zweite Trägerplatte (22) umfasst, wobei die erste Trägerplatte (21) mindestens eine erste Öffnung (21b, 22b) und die zweite Trägerplatte (22) mindestens eine zweite Öffnung (21b, 22b) aufweist, wobei die ersten und zweiten Öffnung (21b, 22b) in zueinander korrespondierenden Positionen ausgebildet sind, wobei der Fußabschnitt (11) zumindest teilweise zwischen der ersten (21) und zweiten Trägerplatte (22) des Trägerelements (20) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die erste Trägerplatte (21) einen zu der ersten Öffnung (21b) benachbarten ersten Randabschnitt (21a) aufweist, und wobei die zweite Trägerplatte (22) einen zu der zweiten Öffnung (22b) benachbarten zweiten Randabschnitt (22a) aufweist, wobei die Quellmatte (30) zwischen dem Fußabschnitt (11) und dem ersten Randabschnitt (21a) und/oder zwischen dem Fußabschnitt (11) und dem zweiten Randabschnitt (22a) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei sich die mindestens eine tubulare Brennstoffzelle (10) zumindest teilweise durch die mindestens eine Öffnung (21b), insbesondere die erste Öffnung (21b), hindurch erstreckt, insbesondere wobei der Fußabschnitt (11) auf einer Seite des Trägerelements (20), insbesondere der ersten Trägerplatte (21), und ein Elektroden tagender Abschnitt (13) der mindestens einen tubularen Brennstoffzelle (10) auf der anderen Seite des Trägerelements (20), insbesondere der ersten Trägerplatte (21), angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei sich der Randabschnitt (21a, 22a), insbesondere der erste Randabschnitt (21a), sich in Richtung auf die Öffnung (21b, 22b) und den Elektroden tagender Abschnitt (13) verjüngt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Fußabschnitt (11) mindesten einen, den Fußabschnitt (11) umfänglich umlaufenden Vorsprung (11a, 11b) aufweist, insbesondere wobei der Vorsprung (11a, 11b) zwischen der ersten (21) und zweiten (22) Trägerplatte angeordnet ist, insbesondere wobei der Außendurchmesser des Vorsprungs (11a, 11b) größer als der Innendurchmesser der Öffnung (21b, 22b), insbesondere der ersten Öffnung (21b) und/oder der zweiten Öffnung (22b), ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die erste (21) und zweite (22) Trägerplatte durch, insbesondere lösbare, Verbindungselemente (23) miteinander verbunden sind.
Tubulare Brennstoffzelle, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzelle, mit einem Tubus (11, 12, 13), welcher eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode trägt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fußabschnitt (11) des Tubus (11, 12, 13) mittels einer Quellmatte (30) fixierbar ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 10, wobei die Quellematte (30) an zumindest einem Teil des Fußabschnitts (11) anliegt und/oder zumindest einen Teil des Fußabschnitts (11) umfänglich umgibt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Fußabschnitt (11) mindesten einen, insbesondere den Fußabschnitt (11) umfänglich umlaufenden, Vorsprung (11a, 11b) aufweist, insbesondere wobei der Vorsprung (11a, 11b) beabstandet von einer Stirnfläche (S) des Fußabschnitts (11) ausgebildet sein ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei der Vorsprung (11a, 11b) durch eine, den Fußabschnitt (11) umfänglich umlaufende Nut (11c) in einen ersten Vorsprungabschnitt (11a) und einen zweiten Vorsprungabschnitt (11b) unterteilt ist.
Verwendung einer Quellmatte (30) zur Fixierung einer Brennstoffzelle, insbesondere einer tubularen Brennstoffzelle (10).
Verwendung nach Anspruch 14 oder Tubulare Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 13 oder Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellmatte (30) ein anorganisches und/oder mineralisches und/oder keramisches Material enthält.