DE19505913C1 - Anordnung für Festelektrolyt-Brennstoffzellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für Festelektrolyt-Brennstoffzellen. Eine Brennstoffzelle ist ein System, das aus sehr vielen dünnen metallischen und keramischen Elementen zusammengesetzt ist. Durch die Stapelung von vielen Einzelzellen entsteht ein Brennstoffzellenstapel. Bei einer Hochtemperaturbrenn­ stoffzelle wird ein solcher Stapel bei nahezu 1000°C betrieben und muß mit den Betriebsgasen Luft und Brenngas versorgt und entsorgt werden.

Ein solcher Brennstoffzellenstapel ist in der deutschen Anmeldung, Aktenzeichen: P 44 31 510.4-45 beschrieben. Der Stapel besteht aus in Serie geschalteten, unmittel­ bar benachbarten Brennstoffzellen, die durch plane, an­ einanderliegende Verbindungsplatten gebildet sind. Ein Festelektrolytelement ist dabei jeweils zwischen zwei Verbindungselementen integriert. Entlang der Kathode befindet sich ein Luftkanal, entlang der Anode der Gas­ kanal.

Luft- und Gaskanal verlaufen parallel und sind nach oben hin offen. Gas wird über eine Gaszuleitung den Gaskanälen zugeführt, während die Luft von einer oberhalb der Brennstoffzellen angeordneten, als Wärmetauscher ausge­ bildeten Luftzuführung über seitliche Kanäle seitlich von unten in den Luftkanal eingeleitet wird.

Oberhalb der oben offenen Luft- und Gaskanäle befindet sich eine Nachbrennkammer bzw. der für die Luftzufüh­ rung vorgesehene Wärmetauscher.

Brennstoffzellenstapel der beschriebenen Art haben üb­ licherweise eine sehr große Anzahl von Fügestellen, um die große Anzahl von Einzelteilen zusammenzufügen. Des weiteren dienen die Fügestellen für die Anschlüsse der zuzuführenden und abzuführenden Gase. Insbesondere bei hohen und schwankenden Betriebstemperaturen eines Sta­ pels besteht deshalb die ständige Gefahr des Versagens einer der vielen Fügestellen, bzw. der Bruch von Ein­ zelteilen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaf­ fen, die das Problem des Versagens einer Fügestelle vermindert.

Die Aufgabe wird mit einer Anordnung mit den Merkmalen gemäß einem der Patentansprüche gelöst.

Bei den Gefäßen handelt es sich beispielsweise um einen Kasten oder eine Kammer. Diese sollte möglichst einstückig gebaut sein, um zusätzliche Dichtungen zu vermeiden. Die Zuleitung im ersten Gefäß ist beispielsweise als Rohransatz ausgebildet. Sie ist für die Zuführung des Brenngases vorgesehen. Das zweite Gefäß dient zweckmäßigerweise als Nachbrennkammer. Hierin wird restliches, noch unverbranntes Brenngas nachverbrannt.

Die Gefäße sind mit dem Brennstoffzellenstapel gasdicht verbunden, damit das eingeleitete Brenngas bzw. die Nachverbrennungsgase nicht unerwünscht entweichen. Es sollten daher Dichtungsmaterialien zwischen Gefäßen und Anordnung der in Serie gestalteten Festelektrolyt- Brennstoffzellen eingesetzt werden. Geeignete Materia­ lien sind Gold oder Hochtemperaturkitt, z. B. bekannt aus EP-A 0 620 608 A1, Seite 3, Zeilen 45 ff. Bei die­ sem bekannten Hochtemperaturkitt handelt es sich um eine Keramikfaser, die mit Glas versehen ist. Der Aufbau der Festelektrolyt-Brennstoffzellen erfolgt vorteilhaft plattenförmig in der in der deutschen Anmeldung be­ schriebenen Weise (vgl. insbesondere Fig. 2a, b, c). In diesem Fall sollten die Elektroden senkrecht zu den Öffnungen angeordnet sein, so daß die Brenngaskanäle vom ersten Gefäß zum zweiten verlaufen. Zweck dieses Aufbaus ist die möglichst einfache Durchführung der Brenngase durch die Anordnung.

Form und Umfang der Gefäße sind zweckmäßigerweise auf Form und Umfang des Brennstoffzellenstapels abgestimmt, so daß der Übergang eines Gefäßes zum Brenn­ stoffzellenstapel bündig erfolgt.

Die für die Verbrennung erforderliche Luft kann dem Brennstoffzellenstapel seitlich zugeführt werden (vgl. Beschreibungseinleitung).

Aufgrund der aus dem Brennstoffzellenstapel austreten­ den heißen Gase sowie aufgrund der Nachverbrennung ent­ steht im zweiten Gefäß eine große Hitze. Daher ist es vorteilhaft, Wärmetauscher für Brenngas und/oder Luft innerhalb dieses zweiten Gefäßes anzuordnen.

Die Unterbringung der Wärmetauscher im zweiten Gefäß dienen der kompakten Bauweise der Anordnung sowie dem energetisch günstigen Betrieb der Brennstoffzellen.

Durch die Erwärmung der Luft und/oder des Gases in den Wärmetauschern wird zunächst erreicht, daß keine zu großen Temperaturunterschiede innerhalb der Anordnung entstehen, die mechanische Spannungen bewirken würden. Des weiteren unterstützt diese Vorwärmung die Errei­ chung der Arbeitstemperatur.

Die Anordnung befindet sich zweckmäßigerweise in einem Ofen, um die Arbeitstemperatur zu erreichen. Dabei sollten die Gefäße übereinander angeordnet sein, d. h., unten am Boden des Ofens befindet sich das erste Gefäß, räumlich darüber ist der Brennstoffzellenstapel und darüber das zweite Gefäß angeordnet. Diese Aufstellung der Anordnung im Ofen unterstützt die Dichtung zwischen den Gefäßen und dem Stapel infolge des Eigengewichtes. Biege- oder Zugspannungen, die auf die gasdichten Verbindungen zwischen Gefäßen und Stapel zerstörerisch wirken würden, können bei einem solchen Aufbau vermieden werden. Des weiteren erübrigt sich dann eine stoffliche Verbindung zwischen den Gefäßen und dem Stapel.

Vorteilhaft wird die Luft zunächst entgegengesetzt zur Richtung der an einer Elektrode stattfindenden Luftführung geleitet. Bewerkstelligt wird dies beispielsweise durch U-förmige Kanäle, beschrieben in der deutschen Anmeldung, Aktenzeichen: P 44 31 510.4-45. Mit dieser Form der Luftzuführung wird das Ziel verfolgt, Isothermie innerhalb der Brennstoffzellen zu erreichen.

Zweckmäßigerweise dient der Ofeninnenraum als Luftzuführung zum Stapel, um den Aufbau kompakt zu gestalten. Hierfür tritt Luft aus dem Wärmetauscher in den Ofeninnenraum ein, gelangt über entsprechende Öffnungen in den Stapel, verbrennt in ihm sowie im zweiten Gefäß und tritt schließlich als Abgas aus dem zweiten Gefäß aus. Durch diese Gestaltung wird der sonst übliche Luftzuführungskasten eingespart.

Zweckmäßigerweise weist der Ofeninnenraum ferner eine Vorrichtung auf, die den Stapel Brennstoffzellen zusam­ menpreßt bzw. zusammenhält.

Es zeigen:

Fig. 1 Frontansicht einer Ausführungsform der Anordnung;

Fig. 2 Seitenansicht der Ausführungsform der Anordnung.

Der Stapel 1 ist in einem Ofen 2 eingebaut. Unter dem Stapel befindet sich das erste Gefäß 3 und oberhalb das zweite Gefäß 4 mit den Wärmetauschern für Brenngas 5 und Zuluft 6. Das erste Gefäß 3 stellt den Brenngaszu­ führungskasten und das zweite Gefäß 4 die Nachbrennkam­ mer dar. Über die Fugen 7 und 8 sind der Brenngaszufüh­ rungskasten sowie die Nachbrennkammer mit dem Stapel verbunden. Gefäße 3 und 4 sowie Brennstoff­ zellenstapel 1 sind so übereinander angeordnet, daß an den Dichtungen bzw. Fügestellen 7 und 8 nur Druckkräfte durch das Eigengewicht der Teile, aber keine Biege­ oder Zugspannungen auftreten. Die Dichtungen 7 und 8 werden auf diese Weise nur durch leichte Druckkräfte beansprucht. Sie können daher aus einfachem Hochtemperaturkitt oder Gold bestehen und müssen keine stoffliche Verbindung mit den Komponenten eingehen, wie z. B. bei einer Lötverbindung. Durch diese Anordnung ist die gasdichte Verbindung von Stapel 1 mit Brenn­ gaszuführungskasten 3 und Nachbrennkammer 4 selbst bei starker thermischer Belastung sichergestellt. Im weiteren entfällt der sonst übliche Luftzuführungs­ kasten, da dieser in der vorgegebenen Anordnung durch die Integrierung des Stapels in den Ofenraum gebildet wird. Die Pfeile mit den hellen Spitzen verdeutlichen die Luftführung durch die Anordnung. Luft tritt in den Wärmetauscher 6 ein und gelangt von dort in den Ofen­ innenraum. Vom Ofeninnenraum tritt die Luft seitlich in den Stapel ein und zwar zunächst in einen Schacht in­ nerhalb der Konnektorplatte (vgl. Fig. 1). Fig. 2 verdeutlicht, wie die Luft, aus einem solchen Schacht kommend, U-förmig geführt wird und so in entgegen­ gesetzter Richtung an einer Elektrode des Festelektrolyt-Elementes 9 vorbeigeführt wird. Das Brenngas wird entsprechend der Pfeile mit den schwarzen Spitzen an der anderen Elektrode des Festelektrolyt- Elementes 9 entlang geleitet. Es strömt vom ersten Kasten 3 über Öffnungen in den vorgesehenen Kanal entlang der Elektrode des Festelektrolyt-Elementes 9 und von dort aus über eine weitere Öffnung in den zweiten Kasten 4. Hier trifft es mit der Luft zusammen. Es findet eine Nachverbrennung statt. Die verbrannten Gase entweichen über die Ableitung 15.

Ein Stapel wird gebildet durch die Stapelung von Festelektrolyt-Elementen 9 und Interkonnektor­ platten 10. In Fig. 2 sind aus Gründen der Über­ sichtlichkeit nur zwei Interkonnektorplatten 10 sowie drei Festelektrolyt-Elemente 9 abgebildet. Diese Platten werden üblicherweise mit einer Hochtemperatur­ verbindung gegeneinander abgedichtet. So hat z. B. eine Interkonnektorplatte bzw. ein Festelektrolyt-Element auf jeder Seite regelmäßig zwei Dichtungsfugen, d. h. insgesamt vier Fugen. Bei der vorliegenden Konstruktion wird eine Fuge eingespart. So hat ein Festelektrolyt- Element bei der erfindungsgemäßen Anordnung nur noch drei Fugen. Eine Fuge 11 dichtet den Brenngasraum des Brenngaskastens 3 gegenüber dem Kathodenraum einer Interkonnektorplatte 10 ab. Zwei weitere Fugen dienen der seitlichen Abdichtung des Anodenraums gegenüber der Ofenatmosphäre. Andere Abdichtungen, wie z. B. die Abdichtung des Kathodenraums gegenüber der Ofen­ atmosphäre, sind entbehrlich. Hier wird eine aus­ reichende Abdichtung dadurch erreicht, daß der Brennstoffstapel durch mäßigen Druck zusammengepreßt wird. So kann z. B. über die Feder 12 und das Ge­ stänge 13 der Stapel gegen das gegenüberliegende Gestänge 14 mit gewünschter Kraft zusammengepreßt werden. Kleine restliche Luftleckagen zwischen Kathodenraum und Ofenatmosphäre sind unerheblich. Die beiden Anpreßgestänge 13 und 14 können gleichzeitig zur Stromableitung dienen.

Der Kasten 4 kann aus Inconnel 600 bestehen. Die Übergangsstelle 16 sollte jedoch aus dem selben Material oder aus einem Material mit ähnlichem Ausdehnungskoeffizienten wie die Interkonnektorplatten (z. B. ZrO₂) bestehen. So ist sichergestellt, daß keine thermisch bedingten Scherkräfte an der Fuge 7 auftreten, die die Abdichtung gefährden könnte.

Kasten 3 und Stapel 1 sollten aus dem gleichen Grund ebenfalls ein ähnliches thermisches Ausdehnungsverhal­ ten aufweisen.

Claims (5)

1. Anordnung für Festelektrolyt-Brennstoffzellen

• - mit einem ersten, eine Zuleitung aufweisenden Ge­ fäß (3),
• - mit einem zweiten, eine Ableitung aufweisenden Gefäß (4),
• - mit einem zwischen den beiden Gefäßen befindli­ chen, an die Gefäße gasdicht angrenzenden Brenn­ stoffzellenstapel (1),
• - mit Öffnungen zwischen den Gefäßen (3, 4) und dem Stapel (1),
• - mit einer Führung des Brenngases über die Zulei­ tung durch das erste Gefäß (3), durch die zugehö­ rige(n) Öffnung(en), entlang der Elektroden der Brennstoffzellen (9, 10) des Stapels (1) sowie durch die das zweite Gefäß (4) betreffende(n) Öffnung(en) hindurch in das zweite Gefäß (4) hin­ ein.

2. Anordnung nach vorhergehendem Anspruch

• - mit Wärmetauschern (5, 6) für Brenngas und/oder Luft, die innerhalb des zweiten Gefäßes (4) ange­ ordnet sind.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che,

• - in einem Ofen (2) stehend, wobei die Gefäße (3, 4) übereinander befindlich angeordnet sind.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che,

• - mit zwischen den Brennstoffzellen des Stapels be­ findlichen Kanälen oder Schächten für die Luftzu­ führung zu den Brennstoffzellen, die die Luft zunächst entgegengesetzt zur Richtung der an ei­ ner Elektrode stattfindenden Luftführung leiten.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che,

• - mit einem Ofeninnenraum, der zusätzlich als Teil der Luftzuführung ausgestaltet ist.