DE102015015751A1 - Compression system for fuel cell stack and fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

Kompressionseinheit für Brennstoffzellenstapel mit mehreren aktiven planaren Zellen, mindestens einer Endplatte und einem krafteinleitenden Verspannungssystem dadurch gekennzeichnet, dass das krafteinleitende Verspannungssystem die Kompressionsraft für den Brennstoffzellenstapel auf die Endplatte über ein makroskopisch fließfähiges Material aufbringt.Compression unit for fuel cell stack having a plurality of active planar cells, at least one end plate and a force-introducing bracing system characterized in that the force-introducing bracing system applies the compression force for the fuel cell stack on the end plate via a macroscopically flowable material.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kompressionssystem für Brennstoffzellenstapel und ein hiermit aufgebautes Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des Verfahrens zum Betrieb eines solchen.The invention relates to a compression system for fuel cell stack and a fuel cell system constructed therewith according to the preamble of claim 1 and the method for operating such.

Das Gebiet der Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme insbesondere die der Hochtemperaturbrennstoffzellen...The field of the invention relates to fuel cell systems, in particular those of high-temperature fuel cells ...

Brennstoffzellensysteme erzeugen aus einem Brennstoff zugleich elektrische Energie und Wärme. Die systematisch als Gleichstrom erzeugte elektrische Energie wird zumeist über einen Wechselrichter in das Stromnetz eingespeist oder zur netzunabhängigen Stromversorgung genutzt. Die im Prozess ebenfalls anfallende Wärmeenergie wird im Fall der Kraft-Wärme-(Kälte)-Kopplung (KWK(K)) einer thermischen Nutzung zugeführt und bewirkt eine besonders effiziente Nutzung des Energieinhalts der verwendeten Brennstoffe, im Fall von Hochtemperaturbrennstoffzellen zumeist Erdgas, Flüssiggas oder flüssige Kohlenwasserstoffe. Der elektrische Wirkungsgrad von 25 bis 60% bezogen auf den Heizwertwert (unteren Heizwert/HU/LHV) des Brennstoffs wird ergänzt durch einen thermischen Wirkungsgrad von 20 bis 80% bezogen auf den Brennwert des Brennstoffs, wodurch Gesamtwirkungsgrade von 80 bis 105% (HU/LHV) erzielt werden.Fuel cell systems generate both electrical energy and heat from a fuel. The electrical energy that is systematically generated as direct current is usually fed into the grid via an inverter or used for grid-independent power supply. In the case of combined heat and power (CHP) (K), the thermal energy also generated in the process is used for thermal utilization and causes a particularly efficient use of the energy content of the fuels used, in the case of high-temperature fuel cells mostly natural gas, liquefied petroleum gas or liquid hydrocarbons. The electrical efficiency of 25 to 60% based on the calorific value (lower calorific value / HU / LHV) of the fuel is complemented by a thermal efficiency of 20 to 80% based on the calorific value of the fuel, whereby overall efficiencies of 80 to 105% (HU / LHV) can be achieved.

Für diese Grundfunktion planarer Brennstoffzellen werden meist eine Vielzahl einzelner Zellebenen in Reihe geschaltet zu einem sogenannten Brennstoffzellenstapel aufgebaut. Die Spannungen der einzelnen Zellen von ca. 0,3 bis 1,0 V im Betrieb werden so zu höheren, besser in die jeweilige Nutzspannung zu wandelnde Stapelspannungen addiert. Der sogenannte Zellstapel wird durch ein Kompressionssystem mit einer Kraft senkrecht zur Ebene der Zellen beaufschlagt, die sowohl zur Abdichtung der einzelnen Zellebenen in deren Randbereichen als auch zur Aufrechterhaltung einer Flächenpressung innerhalb der Zellfläche dient. Die Flächenpressung in der inneren Zellfläche ist erforderlich, um die elektrische und mechanische Kontaktierung zu gewährleisten.For this basic function of planar fuel cells, a large number of individual cell levels are usually connected in series to form a so-called fuel cell stack. The voltages of the individual cells of approximately 0.3 to 1.0 V during operation are thus added to higher, better to be converted into the respective useful voltage stack voltages. The so-called cell stack is acted upon by a compression system with a force perpendicular to the plane of the cells, which serves both to seal the individual cell levels in their edge regions and to maintain a surface pressure within the cell surface. The surface pressure in the inner cell surface is required to ensure the electrical and mechanical contact.

Bei Niedertemperaturbrennstoffzellen mit einer Betriebstemperatur von bis zu 250°C ist zumeist ein Kohlenstofffilz in den einzelnen Zellebenen enthalten, der mit einem typischen Kompressionsgrad von 5 bis 50% eingebaut wird und wie eine flächige Feder zur Aufrechterhaltung der inneren Flächenpressung beiträgt.For low-temperature fuel cells with an operating temperature of up to 250 ° C, a carbon felt is usually contained in the individual cell levels, which is installed with a typical degree of compression of 5 to 50% and how a flat spring contributes to the maintenance of internal surface pressure.

Hochtemperaturbrennstoffzellen wie die SOFC und die MCFC enthalten keine federnden Filzstrukturen und setzen die Aufrechterhaltung der Kompression auch bei Temperaturrampen und Temperaturzyklen durch metallische poröse oder tiefgezogene Strukturen um. Die jeweils erste und letzte Zelle eines Zellstapels wird durch eine sogenannte Endplatte gehalten, an der das Kompressionssystem ansetzt. In EP 1 316 124 B1 wird ein Kompressionssystem für Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel beschrieben. Dieses zielt in erster Linie auf die grundsätzliche Aufrechterhaltung einer Kompression ab, die thermisch induzierte Längenänderungen des Zellstapels als auch materialtechnisch bedingte Schrumpfung oder Dehnung des gesamten Zellstapels in Betracht ziehen und erlauben. Großflächige Zellstapel wie die beschriebenen MCFC Stapel weisen zumeist ein System aus mehreren metallischen Druckbälgen zwischen den Endplatten des Zellstapels und den separierten Druckplatten des Kompressionssystems auf.High-temperature fuel cells such as the SOFC and MCFC do not contain resilient felt structures, and reverse the compression even at temperature ramps and temperature cycles by metallic porous or deep-drawn structures. The first and last cell of a cell stack is held by a so-called end plate, to which the compression system attaches. In EP 1 316 124 B1 a compression system for high-temperature fuel cell stack is described. This aims primarily at the fundamental maintenance of compression, which take into account and allow thermally induced changes in the length of the cell stack as well as material-related shrinkage or elongation of the entire cell stack. Large-area cell stacks such as the described MCFC stacks usually have a system of several metallic pressure bellows between the end plates of the cell stack and the separated pressure plates of the compression system.

Im Abschlussbericht des Fraunhofer IKTS „Entwicklung eines serientauglichen SOFC Stacks mit Lebensdauerpotenzial für stationäre Anwendungen – Teilvorhaben: Lebensdauer und Zuverlässigkeit von SOFC-Stacks (FKZ 0322740A) wird die Temperaturverteilung in real betriebenen SOFC-Brennstoffzellenstapeln gezeigt. Diese Illustration zeigt, dass in realen Zellstapeln während des Betriebes die höchste Zelltemperatur in der Fläche zwischen Zellmitte und Kathodenausgang lokalisiert ist und von diesem Punkt die Temperaturen im Lastbetrieb in alle Richtungen der Zellebene abfallen. Die Kompressionssysteme für die typischerweise kleinflächigen SOFC-Brennstoffzellenstapel bestehen im Stand der Technik aus soliden, dicken Metallplatten die als Stromabnehmer dienen und durch äußere Krafteinleitung gegeneinander verspannt werden. Andere Ausführungsformen mit ebenfalls steifen Strukturen sind im US-Patent 8232022 B2 gezeigt, in denen die steife planare Seite eines anderseitig konvexen Endplattenaufsatzes mit einem flexiblen Blech verspannt wird.In the final report of Fraunhofer IKTS "Development of a production-ready SOFC stack with lifetime potential for stationary applications - Subproject: Lifetime and reliability of SOFC stacks (FKZ 0322740A) the temperature distribution is shown in real operated SOFC fuel cell stacks. This illustration shows that in real cell stacks during operation, the highest cell temperature is located in the area between cell center and cathode output and from this point the temperatures drop in load operation in all directions of the cell level. In the prior art, the compression systems for the typically small-area SOFC fuel cell stacks consist of solid, thick metal plates which serve as current collectors and are braced against each other by external application of force. Other embodiments with also stiff structures are in U.S. Patent 8232022 B2 shown in which the rigid planar side of a mutually convex Endplattenaufsatzes is braced with a flexible sheet.

Hochtemperaturbrennstoffzellensysteme und Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel, insbesondere SOFC-Systeme, die diese Art der Kompressionssysteme nach dem Stand der Technik beinhalten, weisen eine Reihe technischer und ökonomischer Nachteile auf:

  • a) Die Thermaldehnung nach der in FKZ 0322740A beschriebenen Temperaturverteilung führt dazu, dass der thermisch induzierte Form des Brennstoffzellenstapels im Lastbetrieb in der Mitte der Zellfläche die höchste Längenausdehnung des Zellstapels senkrecht zur Zellebene einnehmen möchte und die Randbereiche eine geringere. Dies entspricht einer balligen Form, die durch die steifen Endplatten und das Kompressionssystem nicht zugelassen wird. Es resultiert eine inhomogene Verteilung der Flächenpressung auf die aktiven Zellen. Der an den besonders warmen Flächensegmenten mit hoher thermischer Dehnung kommt es vermehrt zu irreversibler Materialschrumpfung bzw. Materialcreep.
  • b) Bei mehrmaliger Stromabschaltung und Temperaturzyklen des Brennstoffzellenstapels kann es verstärkt zu temporärem mechanischen und elektrischen Kontaktverlust an den Flächen zuvor höchster Temperatur kommen. Der Kontaktverlust kann zu Beschädigungen des Elektrolyten der Brennstoffzelle führen als auch Kontaktwiderstände wiederholend an diesen Flächensegmenten erhöhen. Somit müssen andere Bereiche der Zelle den lokalen Verlust an Stromdichte ausgleichen, wodurch diese mit einer untypisch hohen Stromdichte betrieben werden.
  • c) Die Stärkere Dehnung in der Flächenmitte des Zellstapels kann dazu geeignet sein, die meist zu Dichtungszwecken genutzten Randbereiche mechanisch zu entlasten. Dies kann zu erhöhten Leckraten des Zellstapels führen.
High temperature fuel cell systems and high temperature fuel cell stacks, particularly SOFC systems incorporating this type of prior art compression systems, have a number of technical and economical disadvantages:
  • a) The thermal expansion according to the temperature distribution described in FKZ 0322740A causes the thermally induced shape of the fuel cell stack in load operation in the middle of the cell surface, the highest elongation of the cell stack to take perpendicular to the cell plane and the edge regions a smaller. This corresponds to a crowned shape, which is not allowed by the rigid end plates and the compression system. This results in an inhomogeneous distribution of the surface pressure on the active cells. The most special Warm surface segments with high thermal expansion increasingly cause irreversible material shrinkage or material creep.
  • b) With multiple power cuts and temperature cycles of the fuel cell stack, there may be increased temporary mechanical and electrical loss of contact at the areas previously highest temperature. The loss of contact can lead to damage to the electrolyte of the fuel cell as well as increase contact resistance repetitive on these surface segments. Thus, other areas of the cell must balance the local loss of current density, thereby operating at an atypically high current density.
  • c) The greater elongation in the center of the cell stack may be suitable for mechanically relieving the marginal areas which are mostly used for sealing purposes. This can lead to increased leakage rates of the cell stack.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Brennstoffzellenstapel, insbesondere dessen Kompressionssystem, zu schaffen. Die Funktionalität des Zellstapels besonders seine Lebensdauer im realen Einsatz mit einer Vielzahl von Strom- und Thermozyklen und somit des gesamten Brennstoffzellensystems soll verbessert werden.The object of the invention is to provide an improved fuel cell stack, in particular its compression system. The functionality of the cell stack especially its life in real use with a variety of electricity and thermal cycles and thus the entire fuel cell system is to be improved.

Diese Aufgabe wird durch ein Kompressionssystem für Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a compression system for fuel cell stack with the features of claim 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kompressionssystems sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments and further developments of the compression system according to the invention are specified in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Kompressionssystem für Brennstoffzellenstapel, besonders für SOFC-Brennstoffzellen hat die Aufgabe, thermisch induzierte Längenänderungen mit hohen Freiheitsgraden für den gesamten Zellstapel zuzulassen. Im Gegensatz zu Kompressionssystemen nach dem Stand der Technik lässt dieses auch ungleichförmige Längenänderungen des Zellstapels senkrecht zu der Zellebene zu. Zielsetzung ist, den thermomechanischen Stress für die einzelnen Regionen und Komponenten des Zellstapels zu minimieren um somit eine höhere Lebensdauer und eine höhere Robustheit gegenüber Strom- und Thermozyklen zu realisieren.The compression system according to the invention for fuel cell stacks, especially for SOFC fuel cells, has the task of permitting thermally induced changes in length with high degrees of freedom for the entire cell stack. In contrast to prior art compression systems, this also allows nonuniform changes in the length of the cell stack perpendicular to the cell plane. The objective is to minimize the thermo-mechanical stress for the individual regions and components of the cell stack in order to achieve a longer service life and a higher robustness against current and thermal cycles.

Das erfindungsgemäße Kompressionssystem des Hochtemperaturbrennstoffzellenstapels besteht aus mindestens einer flexibel ausgestalteten Endplatte auf der einen Seite des Stapels einzelner Zellebenen und einer flexiblen oder steifen Platte auf der anderen Seite des Stapels einzelner Zellebenen. Die flexible Ausgestaltung kann hierbei durch die Wahl des Materials, der Dicke und/oder der mechanischen Gestaltung erfolgen. Mindestens auf der Seite der flexibel ausgestalteten Endplatte folgt eine Anordnung eines makroskopisch fließfähigen Materials in einer Einhausung, die das Ausfließen des makroskopisch fließfähigen Materials zwischen der flexibel ausgestalteten Endplatte und deren Widerlager (Druckplatte) verhindert. Dieses makroskopisch fließfähige Material weicht ähnlich wie eine Flüssigkeit an den besonders stark bepressten Regionen der Endplatte aus und übt so eine makroskopisch gleichmäßige Pressung auf die flexible Endplatte und somit den gesamten Zellstapel aus.The high temperature fuel cell stack compression system of the present invention consists of at least one flexibly configured end plate on one side of the stack of individual cell levels and a flexible or rigid plate on the other side of the stack of individual cell levels. The flexible design can be done by the choice of material, the thickness and / or the mechanical design. At least on the side of the flexibly configured end plate follows an arrangement of a macroscopically flowable material in an enclosure, which prevents the flow of the macroscopically flowable material between the flexibly designed end plate and its abutment (pressure plate). This macroscopically flowable material differs like a liquid at the particularly strongly pressed regions of the end plate and thus exerts a macroscopically uniform pressure on the flexible end plate and thus the entire cell stack.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kompressionssystems ist, das makroskopisch fließfähige Material aus einer körnigen bzw. granularen anorganischen Substanz zu wählen, das einen Schmelzpunkt weit oberhalb der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels aufweist.A preferred embodiment of the compression system according to the invention is to select the macroscopically flowable material of a granular or inorganic inorganic substance having a melting point far above the operating temperature of the fuel cell stack.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kompressionssystems ist, das makroskopisch fließfähige Material in Form keramischer Pellets, Kugeln oder sphärischen Formkörpern ausgestaltet ist.An advantageous embodiment of the compression system according to the invention is that macroscopically flowable material in the form of ceramic pellets, spheres or spherical shaped bodies is designed.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kompressionssystems ist, dass das makroskopisch fließfähige Material charakteristische Dimensionen von zwischen 0,5 und 50 mm aufweist, idealerweise zwischen 1 und 10 mm.A particularly advantageous embodiment of the compression system according to the invention is that the macroscopically flowable material has characteristic dimensions of between 0.5 and 50 mm, ideally between 1 and 10 mm.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Einhausung des makroskopisch fließfähigen Materials des erfindungsgemäßen Kompressionssystems ist eine anorganische Textilie wie ein Metallnetz oder ein keramisches Gewebe.An advantageous embodiment of the housing of the macroscopically flowable material of the compression system according to the invention is an inorganic textile such as a metal mesh or a ceramic fabric.

Ein weiteres ebenso vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Einhausung des makroskopisch fließfähigen Materials des erfindungsgemäßen Kompressionssystems ist eine schachtförmiges Gehäuse aus Metall oder Keramik, welches zu mindestens einer Komponente des Kompressionssystems Endplatte und/oder Druckplatte einen umlaufenden Spalt aufweist, der kleiner ist als die Größe der Partikel des makroskopisch fließfähigen Materials.Another equally advantageous embodiment of the housing of the macroscopically flowable material of the compression system according to the invention is a shaft-shaped housing made of metal or ceramic, which at least one component of the compression system end plate and / or pressure plate has a circumferential gap which is smaller than the size of the particles of the macroscopic flowable material.

In jedem dieser Fälle ist dem Umstand Rechnung zu tragen, dass das Material der Einhausung des makroskopisch fließfähigen Materials nicht zu elektrischen Kurzschlüssen zwischen Interkonnektorplatten der aktiven Zellen des Zellstapels bildet.In each of these cases, account must be taken of the fact that the material of the housing of the macroscopically flowable material does not form electrical short circuits between interconnector plates of the active cells of the cell stack.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, andere Ausführungsbeispiele sind nur textuell und in den Unteransprüchen beschrieben.In the following, a preferred embodiment of the invention will be explained with reference to the drawing, other embodiments are only textual and described in the subclaims.

Es zeigt:It shows:

1 eine schematisierte Teilansicht des Hochtemperaturbrennstoffzellenstapels mit dem erfindungsgemäßen Kompressionssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung 1 a schematic partial view of the high-temperature fuel cell stack with the compression system according to the invention according to an embodiment of the invention

Die schematisierte Ansicht von 1 zeigt eine schematisierte Schnittansicht des Brennstoffzellenstapels (100) mit dessen Kompressionssystem (120 bis 160), den aktiven Zellebenen (110), der flexiblen Endplatte (120), dem makroskopisch fließfähigen Material (130) und dessen Einhausung (140). Auf das fließfähige Material folgt eine Druckplatte (150) über die die Kraft des Verspannsystems (160) auf die darunter liegenden Komponenten des Kompressionssystems und des Brennstoffzellenstapels eingeleitet wird.The schematic view of 1 shows a schematic sectional view of the fuel cell stack ( 100 ) with its compression system ( 120 to 160 ), the active cell levels ( 110 ), the flexible end plate ( 120 ), the macroscopically flowable material ( 130 ) and its enclosure ( 140 ). The flowable material is followed by a printing plate ( 150 ) about which the force of the clamping system ( 160 ) is introduced to the underlying components of the compression system and the fuel cell stack.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Brennstoffzellenstapel gesamt mit Kompressionssystem und VerspannungTotal fuel cell stack with compression system and bracing
110110
Aktive ZellenActive cells
120120
Flexible EndplatteFlexible end plate
130130
makroskopisch fließfähiges Materialmacroscopically flowable material
140140
Einhausung des makroskopisch fließfähigen MaterialsHousing of the macroscopically flowable material
150150
Druckplatteprinting plate
160160
krafteinleitendes Verspannungssystemforce-introducing tension system

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1316124 B1 [0006] EP 1316124 B1 [0006]
  • US 8232022 B2 [0007] US 8232022 B2 [0007]

Claims (10)

Kompressionseinheit für Brennstoffzellenstapel mit mehreren aktiven planaren Zellen, mindestens einer Endplatte und einem krafteinleitenden Verspannungssystem dadurch gekennzeichnet, dass das krafteinleitende Verspannungssystem die Kompressionsraft für den Brennstoffzellenstapel auf die Endplatte über ein makroskopisch fließfähiges Material aufbringt.Compression unit for fuel cell stack having a plurality of active planar cells, at least one end plate and a force-introducing bracing system characterized in that the force-introducing bracing system applies the compression force for the fuel cell stack on the end plate via a macroscopically flowable material. Kompressionseinheit für Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das makroskopisch fließfähige Material sich in einer Einhausung befindet.Compression unit for fuel cell stack according to claim 1, characterized in that the macroscopically flowable material is located in an enclosure. Kompressionseinheit für Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhausung aus einem umlaufenden Schacht mit einem Spalt mindestens zu der Endplatte und/oder der Druckplatte ausgestaltet ist.Compression unit for fuel cell stack according to claim 1 or 2, characterized in that the housing is designed from a circumferential shaft with a gap at least to the end plate and / or the pressure plate. Kompressionseinheit für Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhausung aus metallischen oder keramischen Gewebe besteht.Compression unit for fuel cell stack according to claim 1 or 2, characterized in that the housing consists of metallic or ceramic fabric. Kompressionseinheit für Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige Material aus einem anorganischen körnigen oder granularen Material bestehtCompression unit for fuel cell stack according to claim 1 or 2, characterized in that the flowable material consists of an inorganic granular or granular material Kompressionseinheit für Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige Material aus metallischen und/oder keramischen Sphären, Kugeln oder Pellets bestehtCompression unit for fuel cell stack according to claim 1, 2 or 5, characterized in that the flowable material consists of metallic and / or ceramic spheres, spheres or pellets Kompressionseinheit für Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige Material aus Partikeln mit Dimensionen von 0,5 bis 50 mm bestehtCompression unit for fuel cell stack according to claim 1, 2 or 5, characterized in that the flowable material consists of particles with dimensions of 0.5 to 50 mm Kompressionseinheit für Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige Material aus Partikeln mit Dimensionen von 1 bis 10 mm bestehtCompression unit for fuel cell stack according to claim 1, 2 or 5, characterized in that the flowable material consists of particles with dimensions of 1 to 10 mm Kompressionseinheit für Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt zwischen Einhausung und Endplatte kleiner ist als die räumliche Ausdehnung der Partikel des makroskopisch fließfähigen MaterialsCompression unit for fuel cell stack according to claim 3, characterized in that the gap between the housing and end plate is smaller than the spatial extent of the particles of the macroscopically flowable material Brennstoffzellenstapel und/oder Brennstoffzellensystem mit einem Kompressionssystem nach Anspruch 1Fuel cell stack and / or fuel cell system with a compression system according to claim 1
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