DE10308382B3 - Verspannung eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verspannen eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels, bei dem zwischen den Mitteln zum Verspannen des Stapels und dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel eine Isolation angeordnet wird. DOLLAR A Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch das Vorsehen einer Isolation die Komponenten der eigentlichen Spannvorrichtung (beispielsweise Spannrahmen, Zuganker, Anpressfedern und Muttern) einer Einsatztemperatur von regelmäßig unter 100 DEG C unterliegen, wodurch auf kostengünstige Standardwerkstoffe und Standardkomponenten zurückgegriffen werden kann. Gleichzeitig wird eine zuverlässige und langzeitstabile Verspannung des Stapels erzielt. Das Aufheizen des Stapels auf Betriebstemperatur kann beispielsweise durch innerhalb der Isolierung eingebrachte Heizwendeln oder durch in den Stapel integrierte Heizelemente oder auch durch zuvor aufgeheizte Gase erfolgen.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel, insbesondere die Verspannung eines Stapels aus planaren Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC).
- Eine grundlegende Bedingung für den zuverlässigen Betrieb eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels ist die Dichtigkeit der einzelnen Bauteile unter verschiedensten Randbedingungen. Dafür werden die einzelnen Ebenen eines Stapels sowie die dazwischen liegenden Dichtungen, wie beispielsweise Metallfolien, Glimmer, Glaslot oder ähnliches, regelmäßig mechanisch verspannt. An das Verspannen eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels im Rahmen der Herstellung und des Betriebs werden aber aufgrund der hohen Betriebstemperaturen von regelmäßig über 700°C hohe Anforderungen gestellt.
- Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Verspannung eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels durch Auflegen einer Last auf den Stapel zu realisieren. Dies führt aber nachteilig zu einer erhöhten Bauweise, zu einem erhöhten Gewicht und oft auch zu erhöhten Kosten.
- Es ist ferner aus dem Stand der Technik bekannt, für die Verspannung eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels Zuganker einzusetzen. Diese speziellen, für hohe Temperaturen bis über 1000 °C geeignete Zuganker weisen häufig einen derartigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, dass das Aufheizen des Stapels regelmäßig zu einer definierten und immer stärkeren Verspannung durch den Zuganker führt.
- Die für diesen Einsatz geeigneten Zuganker bestehen nachteilig aus sehr teuren, hochwarmfesten Stählen mit einer sehr geringen Kriechneigung und einem, im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Stählen für Standardzuganker, niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Da Kriechen auch bei diesen speziellen Stählen nicht ganz ausgeschlossen werden kann, bleibt dennoch die Gefahr beim Einsatz der speziellen Zuganker, dass ein ausreichend hoher Anpressdruck auf den Stapel über eine längere Zeit nicht immer aufrecht zu erhalten ist.
- So ist aus
DE 195 06 690 A1 eine Spannvorrichtung zum Verspannen von Hochtemperatur-Bauelementen bekannt, bei der zwischen Spannelement und den Hochtemperatur-Bauelementen thermische Isolierelemente angeordnet sind. Bei den Hochtemperatur-Bauelementen handelt es sich insbesondere um stapelförmig angeordnete, bei Temperaturen bis zu 1000 °C arbeitende Hochtemperatur-Brennstoffzellen oder Bauelemente von Hochtemperatur-Brennstoffzellen. - Auch in
EP 0 329 161 B1 ist eine Vorrichtung zum Verspannen von bei 650 °C betriebenen Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapeln beschrieben, bei denen zwischen den Mitteln zum Verspannen in Form von Federmitteln und Druckplatten und dem Brennstoffzellenstapel ein Wärmeisolator angeordnet ist. - Ein durch Zuganker zusammengehaltener Brennstoffzellenstapels wird in
DE 100 03 528 C2 offenbart, bei dem der von außen punktuell wirkende Anpressdruck über einen Druckverteiler mit einem Hohlraum und einem Kolben in einen gleichmäßigen Druck umgewandelt wird. - Ein Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels aus einzelnen Festoxid-Brennstoffzellen wird in
DE 198 41 919 A1 beschrieben. An den zusammengesetzten Stapel werden Gaskästen angesetzt, durch die dann ein Druck auf den Stapel ausgeübt werden kann. Die gesamte Vorrichtung wir in einem Ofen derart erhitzt, dass die Dichtungen schmelzen und anschließend aushärten. Nach der Entnahme aus dem Ofen ist der Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel einsatzbereit. - Auch in
DE 196 50 904 C2 wird eine Verfahren zum Verspannen eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels beschrieben, bei dem während der Herstellung durch Auflegen eines Gewichts definierte Drücke von mindestens 20 kN/m2 senkrecht zur Schichtanordnung auf den Stapel ausgeübt werden. - Aufgabe und Lösung
- Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verspannen eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels zu schaffen, bei dem über eine ausreichend lange Zeit eine Verspannung des Stapels unter Betriebsbedingungen erreicht und damit eine sichere Gewährleistung von Dichtigkeit erzielt werden kann. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens zur Verfügung zu stellen.
- Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren mit der Gesamtheit der Merkmale gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
- Gegenstand der Erfindung
- Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, dass auf teure und nicht sicher zuverlässige herkömmliche spezielle Zuganker aus teuren, hochwarmfesten Stählen bei der Verspannung eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels verzichtet werden kann, sofern das Aufheizen des Stapels auf Betriebstemperatur innerhalb einer Isolation vorgenommen wird. In einem solchen Fall können vorteilhaft herkömmliche Standardzuganker für die Verspannung des Stapels außerhalb der Isolation verwendet werden.
- Eine dazu geeignete Spann- und Isolationsvorrichtung, im folgenden Spannvorrichtung genannt, umfasst dazu vorteilhaft eine Anschlussplatte, eine den Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel allseitig umschließende, geeignete Isolierung, sowie Mittel zum Verspannen des Stapels, die außerhalb der Isolierung angeordnet sind. Solche geeigneten Mittel zum Verspannen können bei spielsweise zwei außerhalb der Isolierung angeordnete Spannplatten mit aufgebrachten Spannrahmen sein, die jeweils Aufnahmen für wenigstens zwei Zuganker aufweisen.
- Eine geeignete Isolierung für einen Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel weist regelmäßig Abmessungen auf, die dem aufzunehmenden Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel entsprechen. Die Isolierung ist vorteilhaft allseitig, d. h. auf allen sechs Seiten des aufzunehmenden Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels vorgesehen. Optional sind für Betriebsmittelzu- und/oder -abführungen, Stromabführungen o. ä. für den Stapel entsprechende Aussparung vorgesehen.
- Die Isolation kann ein- oder mehrlagig ausgestaltet sein, wobei bei mehrlagigen Isolationen gleiche oder auch verschiedene Materialien eingesetzt werden können. Das Material selbst ist dazu geeignet, in der vorgesehenen Weise einen Wärmedurchgang von einem innen angeordneten Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel nach außen regelmäßig zu verhindern. Darunter ist zu verstehen, dass während im Inneren der Isolation der Stapel unter Betriebsbedingungen Temperaturen bis ca. 900 °C aufweist, durch diese Isolation außen beispielsweise nur noch Temperaturen unterhalb von 100 °C vorliegen. Dazu sind insbesondere herkömmliche Hochtemperaturisolierplatten auf Basis von Al2O3 oder auch mikroporöse Dämmstoffe geeignet.
- Das Isolationsmaterial hält ferner regelmäßig Flächenbelastungen von weniger als 1 N/mm2 ohne unzulässige Verformung aus. Dies entspricht dem typischen Anpressdruck, den die Zuganker regelmäßig beim Verspannen auf den Stapel ausüben. Da zwischen den Mitteln zum Verspannen und dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel die Isolierung angeordnet ist, muss verhindert werden, dass die Isolation den durch die Mittel aufgebrachten gewünschten Anpressdruck für den Stapel selbst durch Verformung aufnimmt bzw. so deutlich reduziert, dass der effektive Anpressdruck für den Stapel deutlich geringer als der gewünschte Anpressdruck ist. Vorteilhaft sollte das Isolationsmaterial den Anpressdruck nahezu direkt auf den Stapel übertragen.
- Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Komponenten der Spannvorrichtung, insbesondere die Mittel zum Verspannen (z. B. Spannrahmen, Zuganker, Anpressfedern, Muttern) durch das Vorsehen einer Isolation einer Einsatztemperatur von regelmäßig unter 100 °C unterliegen, wodurch kostengünstige Standardwerkstoffe und Standardkomponenten einsetzbar sind. Gleichzeitig wird eine zuverlässige und langzeitstabile Verspannung des Stapels erzielt. Das Aufheizen des Stapels auf Betriebstemperatur kann beispielsweise durch innerhalb der Isolierung eingebrachte Heizwendeln oder durch in den Stapel integrierte Heizelemente oder auch durch zuvor aufgeheizte Gase erfolgen.
- Das gesamte Verfahren zum Verspannen eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels mit Hilfe einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Spannvorrichtung lässt sich beispielsweise wie folgt beschreiben:
- – Der Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel wird in einen Ofen eingebracht und durch Auflegen einer Last einem definierten Druck ausgesetzt.
- – Während des Aufheizens wird Dichtungsmaterial, beispielsweise Glaslot, aufgeschmolzen und führt zur Abdichtung der Einzelzellen innerhalb des Stapels und des Stapels selbst.
- – Der abgekühlte, aber noch unter Druck stehende Stapel, wird behelfsmäßig mit Zugankern, vorteilhaft Standardzuganker inklusive entsprechender Andruckfedern, verspannt und an seinen Einsatzort verbracht.
- – Der behelfsmäßig verspannte Stapel wird zunächst auf eine Anschlussplatte oder direkt auf die letzte Zelle eines Brennstoffzellenstapels aufgesetzt und anschließend mit einer Isolation umgeben.
- – Die Mittel zum Verspannen des Stapels werden außerhalb der Isolation angeordnet, beispielsweise werden an zwei gegenüberliegenden Seiten Spannplatten mit oder ohne Spannrahmen angebracht, die Aufnahmen für Standardzuganker aufweisen.
- – Der Stapel wird mit Hilfe der Mittel zum Verspannen derart verspannt, dass anschließend die behelfsmäßige Verspannung gelöst werden kann. Dazu sind beispielsweise in den oberen zwei Isolierungselementen sowie in der oberen Spannplatte, einschließlich Spannrahmen, Bohrungen vorgesehen. Die behelfsmäßigen Zuganker befinden sich nach dem Anbringen der Isolierung und der Spannplatte innerhalb dieser Bohrungen. Nach dem Verspannen mit der entgültigen Vorrichtung werden diese gelöst und nach oben herausgezogen. Anschließend werden die Bohrungen mit dem entsprechenden Isoliermaterial aufgefüllt.
- – Der nunmehr außerhalb der Isolation verspannte Stapel wird auf Betriebstemperatur aufgeheizt.
- Der Einbau des Stapels in eine geeignete Spannvorrichtung und das Lösen der behelfsmäßigen Verspannung führen zwar zunächst zu einem erhöhten Arbeitsaufwand, aber die sich durch den Einsatz von Standardkomponenten ergebende Kostenersparnis und die Sicherheit einer langzeitstabilen Verspannung des Stapels überwiegen diesen Nachteil deutlich.
- Die im Stand der Technik eingesetzten speziellen, hochwarmfesten Zuganker müssen aus hochwarmfestem Stahl gefertigt werden, deren Temperaturbeständigkeit höher als 1000°C liegt. Problematisch ist das Ausdehnungsverhalten dieser Stähle. Für die SOFC-Brennstoffzelle werden als Plattenmaterial, ferittische Stähle verwendet, deren Ausdehnungskoeffizient bei ca. 1,3·10^–5 1/K liegt. Handelsübliche hochwarmfeste Stähle sind austenitische Stähle mit einem Ausdehnungskoeffizienten, der bei ca. 1,8·10^–5 1/K liegt. Diese Art von Stählen ist zum Verspannen ungeeignet, da sie sich beim Aufheizen der Brennstoffzelle stärker ausdehnen würde als der Stapel selbst und somit der Verspannung entgegenwirken würde. Für diese Anwendung müssen daher speziell entwickelte Stähle verwendet werden. Aus den vorgenannten Gründen ist der Einsatz von Standardkomponenten ein wesentlicher Vorteil dieser Spannvorrichtung.
- Spezieller Beschreibungsteil
- Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es zeigen:
-
1a ,b : Perspektivische Zeichnung einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Spannvorrichtung. -
2a ,b ,c : Ansichtszeichnungen einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Spannvorrichtung für die drei Raumrichtungen. - Legende für die
1 und2 : -
- 1
- obere Spannplatte
- 2
- untere Spannplatte
- 3
- Spannrahmen
- 4
- Zuganker
- 5
- Andruckfeder
- 6
- Sechskantmutter
- 7
- Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel
- 8
- Anschlussstück
- 9
- erste Isolierschicht
- 10
- zweite Isolierschicht
- 11
- Betriebsmittelzu- bzw. -abführungen
- Eine Ausführungsform der zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Spannvorrichtung, wie den
1 und2 dargestellt, weist eine 2-lagige Isolierung für die Aufnahme eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels auf. Das Isolationsmaterial hält regelmäßig eine Flächenbelastung von < 1 N/mm2 ohne unzulässige Verformung aus. Die Geometrie der Isolation ist an den aufzunehmenden Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel angepasst. - An der Seite des Stapels, an der die Betriebsmittelzu- und/oder -abführungen
11 angeordnet sind, sind entsprechende Durchbrüche in der Isolation vorgesehen. - In dieser Ausführungsform sind an zwei gegenüberliegenden Seiten der Spannvorrichtung, vorteilhaft auf einer ersten Seite mit den Betriebsmittelzu- und -abführungen und der gegenüberliegenden, zweiten Seite, Spannplatten
1 und2 angeordnet. Diese sollten vorteilhaft so groß wie die Isolation an diesen Seiten ausgeführt werden. Auf diesen Spannplatten ist jeweils ein Spannrahmen3 mit Aufnahmen für Standardzuganker4 angeordnet. Für eine gleichmäßige Druckbelastung sind wenigstens vier Standardzuganker4 vorzusehen, die jeweils über Andruckfedern5 und eine Sechskantmutter6 eingestellt werden können. - In diesem Ausführungsbeispiel umfasst jeder Spannrahmen
3 Aufnahmen für vier Standardzuganker4 , wobei die Aufnahmen derart verteilt sind, dass sich je zwei an gegenüberliegenden Seiten der Spanplatte1 bzw.2 befinden. Der Spannrahmen3 auf der ersten und der (gegenüberliegenden) zweiten Seite der Spannvorrichtung sind entsprechend spiegelsymmetrisch aufgebaut. Die Lage und die Anzahl der Zuganker4 entspricht im wesentlichen denen der bislang eingesetzten hochwarmfesten speziellen Zuganker, davon abgesehen, dass erfindungsgemäß eine Isolation dazwischen vorgesehen ist. Durch gleichmäßiges Verspannen der Standardzuganker werden die gegenüberliegenden Spannplatten mitsamt der dazwischen liegenden Isolation9 bzw.10 auf den eingebauten Stapel7 , der gegebenenfalls auf einer Anschlussplatte8 angeordnet ist, gedrückt und erzeugen so einen möglichst gleichmäßigen Anpressdruck auf den Stapel.
Claims (7)
- Verfahren zum Verspannen eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels mit den Schritten: – ein Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel wird durch Auflegen einer Last einem definierten Druck ausgesetzt, – der Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel wird aufgeheizt, wobei Dichtungsmaterial aufgeschmolzen wird und zu einer Abdichtung der Einzelzellen führt, – der Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel wird abgekühlt und mit einem ersten Mittel zum Verspannen verspannt, – der so verspannte Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel wird mit einer Isolation umgeben, – der Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel wird außerhalb der Isolation mit einem zweiten Mittel zum Verspannen verspannt.
- Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 1, bei dem der Brennstoffzellenstapel an sechs Seiten mit Isolation umgeben wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, bei dem der Brennstoffzellenstapel mit einer Isolation umgeben wird, die für einen Anpressdruck von weniger als 1 N/mm2 ohne Anzeichen einer Vorformung geeignet ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, bei dem wenigstens zwei Zuganker als Mittel zum Verspannen eingesetzt werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem nach dem Verspannen mit den zweiten Mitteln zum Verspannen, die ersten Mittel zum Verspannen entfernt werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, bei dem als zweite Mittel zum Verspannen Komponenten eingesetzt werden, die für einen Einsatz bei maximal 150 °C ausgelegt sind.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, bei dem der mit den ersten Mitteln zum Verspannen verspannte Brennstoffzellenstapel vor dem Verspannen mit den zweiten Mitteln zum Verspannen an den Einsatzort des Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels verbracht wird.
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