DE112005000291B4 - Brennstoffzellenstapel aus Mittel- oder Hochtemperaturbrennstoffzellen - Google Patents

Brennstoffzellenstapel aus Mittel- oder Hochtemperaturbrennstoffzellen Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellenstapel (201) aus Mittel- oder Hochtemperaturbrennstoffzellen, welche zur Kompensation des inneren Betriebsdruckes und/oder zur Abdichtung der einzelnen Brennstoffzellen (202) gegeneinander verspannte, auf die beiden Endbereiche (207) des Brennstoffzellenstapels (201) wirkende Spannelemente (205) aufweisen, wobei zwischen den Endbereichen (207) des Brennstoffzellenstapels (201) und dem jeweils zugeordneten Spannelement (205) ein die Spannkraft übertragendes, thermisches Isolierelement (208) angeordnet ist, und die Seitenbereiche (209) des Brennstoffzellenstapels (201) eine Außenisolierung (210) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenisolierung (210) des Stapels (201) von den Spannelementen (205) freigestellt ist und die beiden endseitigen Isolierelemente (208) seitlich umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel aus Mittel- oder Hochtemperaturbrennstoffzellen, welche zur Kompensation des inneren Betriebsdruckes und/oder zur Abdichtung der einzelnen Brennstoffzellen gegeneinander verspannte, auf die beiden Endbereiche des Brennstoffzellenstapels wirkende Spannelemente aufweisen, wobei zwischen den Endbereichen des Brennstoffzellenstapels und dem jeweils zugeordneten Spannelement ein die Spannkraft übertragendes, thermisches Isolierelement angeordnet ist, und die Seitenbereiche des Brennstoffzellenstapels eine Außenisolierung aufweisen.
  • Bei Brennstoffzellen müssen zur Kompensation des inneren Betriebsdrucks und/oder und zur Abdichtung einzelner Zellen und/oder zur Gewährleistung guter elektrischer Kontakte der Zwischenplatten/Bipolarplatten mit den Elektroden Kräfte auf den Zellstapel ausgeübt werden. Diese Kräfte werden in bekannten Brennstoffzellenanordnungen über das Brennstoffzellen-Gehäuse oder über gesonderte Spannvorrichtungen aufgebracht.
  • Die Festigkeitswerte von Spannvorrichtungen sind allerdings bei Temperaturen über 300°C wesentlich geringer, sodass relativ hohe Massen zur Aufbringung der mechanischen Kräfte notwendig sind. Bei Temperaturen über 600°C, die bei Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) oder Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC) vorliegen, sind zudem spezielle metallische Werkstoffe einzusetzen, die teuer sind.
  • Die thermische Ausdehnung der Brennstoffzelle beim Hochfahren muss im Spannmechanismus berücksichtigt werden, wobei an der Brennstoffzelle anliegende Ausgleichselemente verwendet werden. Im Betrieb ergibt sich dabei eine inhomogene Temperaturverteilung, weil die Spannvorrichtung und allfällige Ausgleichselemente wie ein Kühlblech wirken.
  • Bei herkömmlichen Brennstoffzellenanordnungen verzögert die Spannvorrichtung mit ihrer Wärmekapazität den Start und sorgt für eine inhomogene Temperatur-verteilung während des Starts. Bei häufigen Kaltstarts geht die Aufheizung solcher Zusatzmassen signifikant in den Kraftstoffverbrauch ein.
  • Aus der WO 03/028141 A2 ist beispielsweise eine Festoxid-Brennstoffzelle bekannt, welche aus einem Stapel von Einzelzellen besteht, die mit Hilfe einer Spannvorrichtung aus einer Grundplatte und einer Spannplatte gegeneinander verspannt sind. Zwischen der Spannplatte und dem Brennstoffzellenstapel ist ein Faltenbalg aus mehreren Balgelementen angeordnet, welcher die thermische Ausdehnung der Brennstoffzellen beim Hochfahren kompensiert. Der Faltenbalg besteht aus einer hitzebeständigen Metalllegierung und ist mit einem Gas, beispielsweise Luft unter Atmosphärendruck oder einem Inertgas mit höherem Druck, gefüllt. Nachteiliger Weise ergibt sich beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels eine inhomogene Temperaturverteilung, da die Grundplatte der Spannvorrichtung und der metallische Faltenbalg die Wärme aus den angrenzenden Brennstoffzellen ableiten und eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Start der Brennstoffzelle bzw. das Erreichen der optimalen Betriebsparameter aufgrund der Wärmekapazität der Spannvorrichtung verzögert wird.
  • Aus der US 2003/0180590 A1 ist ein Brennstoffzellenstapel aus gegeneinander verspannten Brennstoffzellen bekannt, wobei an den beiden Endbereichen des Stapels zwischen den Spannelementen und den jeweils benachbarten Brennstoffzellen die Spannkraft übertragende thermische Isolierelemente angeordnet sind. Die Gesamtanordnung wird durch federbelastete Bolzen zusammengespannt.
  • Weiterhin ist es aus der JP 2000-340249 A bekannt, nicht nur die Endbereiche thermisch zu isolieren, sondern auch die Seitenbereiche des Brennstoffzellenstapels mit einer Außenisolierung zu versehen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von einem Brennstoffzellenstapel mit einer Spannvorrichtung der eingangs beschriebenen Art, Verbesserungen vorzuschlagen, die für eine homogenere Temperaturverteilung während der Startphase sorgen und die Verwendung leichter, billiger Materialien für die Spannvorrichtung zulassen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Außenisolierung des Stapels von den Spannelementen freigestellt ist und die beiden endseitigen Isolierelemente seitlich umfasst.
  • Die eingangs erwähnten Probleme werden einerseits durch eine Verlagerung der Spannvorrichtung außerhalb einer thermischen Isolation gelöst, d.h. das Spannen erfolgt im kalten Bereich. Dadurch können leichte und billige Werkstoffe verwendet werden, welche zum Hochfahren der Brennstoffzellen nicht mit aufgeheizt werden müssen.
  • Andererseits werden die beiden endseitigen Isolierelemente erfindungsgemäß von der Außenisolierung des Stapels seitlich umfasst, sodass ein im Wesentlichen geschlossener, thermisch isolierter Raum gebildet wird, in welchem außer den Brennstoffzellen weitere Brennstoffzellenkomponenten, wie zum Beispiel Hoch-temperaturwärmetauscher, Reformer und/oder Brenner, angeordnet sein können. Damit wird - wie bei der Brennstoffzelle selbst - die Masse der heißen Bauteile reduziert, die mechanische Festigkeit für Dichtkräfte oder Betriebsdruck-kompensation aufbringen müssen. Dichtkräfte können zum Beispiel an den Schnittstellen der einzelnen Komponenten zur Überführung der Prozessgase notwendig sein.
  • Heiße Gase führende Rohre haben keinen mechanischen Kontakt zum Spannmechanismus, da zumindest eines der endseitigen, thermischen Isolierelemente Öffnungen für den Durchtritt von Zu- und Ableitungen für die Prozessgase zum Betrieb der Brennstoffzellen aufweist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Spannelemente mit Hilfe von Spannschrauben gegeneinander verspannt, wobei zumindest ein Spannelement durch Federelemente vorgespannt ist, die außerhalb der Isolierung für den Brennstoffzellenstapel angeordnet sind. Die thermische Ausdehnung des Stapels kann im Kalten weniger aufwendig und teuer (z.B. durch einfache Spiralfedern) kompensiert werden.
  • Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass die Spannvorrichtung den gesamten Aufbau umfasst und ein mechanisches Gerüst bildet, das ein Gehäuse ersetzt und multifunktional z.B. auch als Befestigungsplattform für elektrische Schnittstellen und Sensorik-Schnittstellen dienen kann.
  • Erfindungsgemäß können die thermischen Isolierelemente und ggf. die Außenisolierung aus einem porösen keramischen Material, beispielsweise aus gebundener pyrogener Kieselsäure (im Wesentlichen SiO2, TiO2 und Al2O3), oder aus einer im Wesentlichen druckfesten, metallischen Gitter- oder Gerüststruktur mit schlechter Wärmeleitung (ggf. in Kombination mit Vakuumisolation) bestehen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel in einem Längsschnitt; sowie
    • 2 eine Ausführungsvariante des Brennstoffzellenstapels in einer Schnittdarstellung gemäß 1.
  • Der in 1 dargestellte Brennstoffzellenstapel 201 besteht aus Mittel- oder Hochtemperaturbrennstoffzellen 202, beispielsweise Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) oder Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC), welche zur Kompensation des inneren Betriebesdruckes, zur Abdichtung der einzelnen Brennstoffzellen 202 und zur Herstellung guter elektrischer Kontakte der Zwischenplatten bzw. Bipolarplatten mit den Elektroden, mit Hilfe einer Spannvorrichtung 203 gegen-einander verspannt sind, so dass auf den Brennstoffzellenstapel 201 eine durch die Pfeile 204 angedeutete Spannkraft ausgeübt wird. Die Spannvorrichtung 203 weist zwei Spannelemente 205 auf, welche mit Hilfe von Spannschrauben 206 gegeneinander verspannt sind.
  • Die gesamte Spannvorrichtung 203 befindet sich außerhalb der thermischen Isolation des Brennstoffzellenstapels 201, wobei zwischen den Endbereichen 207 des Stapels 201 und den jeweils zugeordneten Spannelementen 205 ein im Wesentlichen druckfestes, thermisches Isolierelement 208 angeordnet ist, welches bei den auftretenden Druck- und Temperaturwerten plastische und elastische Verformungen im Bereich von 5% bis 10% aufweist. Die von der Spannvorrichtung 203 aufgebrachte Spannkraft (Pfeile 204 senkrecht zur Brennstoffzellen-Zellebene) wird somit von den Isolierelementen 208 auf den Brennstoffzellenstapel 201 übertragen, so dass für die im kalten Bereich liegende Spannvorrichtung billige, leichte Materialien wie beispielsweise Aluminium oder Aluminiumlegierungen verwendet werden können. Die Seitenbereiche 209 des Brennstoffzellenstapels 201 weisen eine Außenisolierung 210 auf, welche keine Druckkräfte der Spannvorrichtung 203 aufnimmt (siehe Spalt zwischen den Spannelementen 205 und der Außenisolierung 210) und zusammen mit den endseitigen Isolierelementen 208 einen im Wesentlichen geschlossenen Raum bildet. Für die Außenisolierung 210 benötigt man daher ein hochtemperaturfestes, jedoch nicht unbedingt druckfestes Material. Die Außenisolierung 210 ist mehrteilig ausgeführt (z.B. zwei Halbschalen bei einem zylindrischen Brennstoffzellenstapel) und kann ohne Entfernung der Spannvorrichtung 203 demontiert werden.
  • Wie in 1 schematisch dargestellt, weist zumindest eines der endseitigen thermischen Isolierelemente 208 Öffnungen 211 für den Durchtritt von Zu- und Ableitungen 212, 213 für die Zufuhr bzw. Abfuhr der für den Betrieb der Brennstoffzellen 202 benötigten Prozessgase auf.
  • Die thermische Ausdehnung der Brennstoffzellen 202 sowie ggf. die Deformation der Isolierelemente 208 beim Hochfahren wird dadurch kompensiert, dass zumindest ein Spannelement 205 durch Federelemente, beispielsweise Spiralfedern 214 vorgespannt ist, die außerhalb der Isolierung 208, 210 für den Brennstoffzellenstapel 201 angeordnet sind. Die Spannvorrichtung 203 umfasst den gesamten Aufbau und bildet ein mechanisches Gerüst, das die Funktion eines Gehäuses übernimmt und als Befestigungsplattform für elektrische Anschlüsse 215 bzw. als Sensorschnittstelle dienen kann.
  • 2 zeigt eine Ausführungsvariante, bei welcher innerhalb der Spannvorrichtung 203 in einem Raumes, der durch die endseitigen Isolierelemente 208 und die Außenisolierung 210 gebildet ist, neben den Brennstoffzellen 202 weitere Brennstoffzellenkomponenten, beispielsweise ein Hochtemperaturwärmetauscher 216 und ein Reformer und/oder Brenner 217, angeordnet sind, deren Schnittstellen 218 zur Weiterleitung der Prozessgase von der Spannvorrichtung 203 zusammengepresst werden.

Claims (8)

  1. Brennstoffzellenstapel (201) aus Mittel- oder Hochtemperaturbrennstoffzellen, welche zur Kompensation des inneren Betriebsdruckes und/oder zur Abdichtung der einzelnen Brennstoffzellen (202) gegeneinander verspannte, auf die beiden Endbereiche (207) des Brennstoffzellenstapels (201) wirkende Spannelemente (205) aufweisen, wobei zwischen den Endbereichen (207) des Brennstoffzellenstapels (201) und dem jeweils zugeordneten Spannelement (205) ein die Spannkraft übertragendes, thermisches Isolierelement (208) angeordnet ist, und die Seitenbereiche (209) des Brennstoffzellenstapels (201) eine Außenisolierung (210) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenisolierung (210) des Stapels (201) von den Spannelementen (205) freigestellt ist und die beiden endseitigen Isolierelemente (208) seitlich umfasst.
  2. Brennstoffzellenstapel (201) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der endseitigen thermischen Isolierelemente (208) Öffnungen (211) für den Durchtritt von Zu- und Ableitungen (212, 213) für die Prozessgase zum Betrieb der Brennstoffzellen (202) aufweist.
  3. Brennstoffzellenstapel (201) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines durch die endseitigen Isolierelemente (208) und der Außenisolierung (210) gebildeten Raumes weitere Brennstoffzellenkomponenten, wie zum Beispiel Hochtemperaturwärmetauscher (216), Reformer (217) und/oder Brenner, angeordnet sind.
  4. Brennstoffzellenstapel (201) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (205) mit Hilfe von Spannschrauben (206) gegeneinander verspannt sind, wobei zumindest ein Spannelement (205) durch Federelemente (214), vorzugsweise Spiralfedern, vorgespannt ist, die außerhalb der Isolierung (208, 210) für den Brennstoffzellenstapel (201) angeordnet sind.
  5. Brennstoffzellenstapel (201) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Isolierelemente (208) und ggf. die Außenisolierung (210) aus einem porösen keramischen Material, beispielsweise aus gebundener pyrogener Kieselsäure, bestehen.
  6. Brennstoffzellenstapel (201) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen druckfesten, thermischen Isolierelemente (208) aus einer metallischen Gitter- oder Stützstruktur bestehen.
  7. Brennstoffzellenstapel (201) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (205) und die Spannschrauben (206) ein mechanisches Gerüst bilden, welches die Funktion eines Gehäuses übernimmt und als Schnittstelle (215) für elektrische Anschlüsse dient.
  8. Brennstoffzellenstapel (201) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (201) Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) oder Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC) aufweist.
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