DE19506690A1 - Anordnung zur Gaszufuhr für Hochtemperatur-Bauelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gaszufuhr für Hochtemperatur-Bauelemente nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei im Kreuzstrom durchflossenen Hochtemperatur-Bauelementen wie Wärmetauschern, ist eine gasdichte Trennung der Gasräume insbesondere dann sicherzustellen, wenn in einem der Gasströme brennbare Gase enthalten sind. Wenn diese Bausteine aus einem keramischen Stoff bestehen, scheidet eine Klebung oder Ansinterung der Anschlußelemente aus, weil durch unterschiedliche Temperaturen in den Bausteinen Dehnungen entstehen, die in den keramischen Bausteinen zu mechanischen Spannungen führen und als Folge davon Risse in den Bausteinen nicht ausgeschlossen werden können. Es kommt also darauf an, durch die Verbindung der Anschlußelemente mit den Hochtemperatur-Bauelementen nicht zusätzliche Spannungen zu erzeugen. Das Ansintern von großflächigen Anschlußelementen bei Stapeln von Brennstoffzellen ("Stacks") beispielsweise führt zu zusätzlichen Spannungen im Stapel, welche besonders beim An- und Abschalten der Stapel zu Rissen im Stapel oder im Anschlußbereich der Gaszuführungen führen können. Auch eine gute Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zusammenzufügenden Materialien löst dieses Problem nicht, da das Aufheizen und Abkühlen großer Flächen nicht gleichmäßig genug stattfindet.

Es ist bekannt, Anschlußelemente mechanisch über Dichtelemente an Wärmetauscherbausteine zu pressen und diese Anpreßkräfte über Federelemente von den Wärmedehnungen der Wärmetauscher weitgehend unabhängig zu machen. Derartige Anordnungen eignen sich jedoch nicht für Bauelemente, welche mit hohen Temperaturen bis etwa 1000°C arbeiten und bei denen auch die Anschlußelemente für die Gaszuführung Temperaturen aufweisen, die den direkten Einsatz von metallischen Federn ausschließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, bei der Anschlüsse an Bauelemente bei hohen Temperaturen und für eine mehrjährige Betriebsdauer gasdicht ausgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung eignet sich auch für gasdichte Verbindungen zwischen Bauteilen, welche hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Solche Bauteile können Flansche für Leitungen oder Ventile oder auch Anschlußelemente für Wärmetauscher oder Brennstoffzellen sein.

Für die Erfindung wesentlich ist der Aufbau der Dichtung aus mindestens einem bei der Betriebstemperatur plastischen Material, das seine Eigenschaften bei hohen Temperaturen auch gegenüber dem Angriff des Prozeßgases behält, welches im Leitungssystem geführt und durch die Dichtung am Austritt in den Außenraum gehindert werden soll.

Beispiele für die Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Hochtemperatur-Bauelement mit Anschlußelementen;

Fig. 2 ein Anschlußelement mit Metallmantel;

Fig. 3 einen Stapel verschiedener Bauelemente in der Hochtemperatur- Prozeßtechnik;

Fig. 4 die Abdichtung und Isolation von Brennstoffzellen;

Fig. 5 die Anordnung von Anschlußelementen für je zwei Bausteine und

Fig. 6 eine besondere, im Querschnitt halbkreisförmige Ausführung der Anschlußelemente.

Erfindungsgemäß werden die Bauelemente 1 (s. Fig. 1) und die Anschlußelemente 2, 2′, 3 und 3′ soweit thermisch isoliert, daß außerhalb dieser thermischen Isolation 4 Temperaturen auftreten, die für metallische Federn 7 unschädlich sind. Diese innere thermische Isolation 4 baut beispielsweise eine Temperatur von 1000°C im Inneren der Bausteine 1 auf 200°C außerhalb der Isolation ab. Die Kräfte zum Anpressen der Anschlußelemente an die Bausteine werden über thermische Isolierelemente 4 mit Hilfe von Spannvorrichtungen 6 übertragen.

Die Spannvorrichtungen pressen mit Hilfe vorgespannter Federn 7 die seitlichen thermischen Isolierelemente 4 gegen die Anschlußelemente 2, 2′, 3, 3′ für die verschiedenen Gase.

Um die Dichtung zwischen den Anschlußelementen dem Hochtemperatur- Bauelement 1 zu verbessern, kommen vorzugsweise Dichtungen 5 aus einer bei hohen Temperaturen plastischen Masse zur Anwendung. Die Isoliermasse wird in besonders vorteilhafter Weise auf die planen Dichtflächen 8 aufgebracht, und kann im plastischen Zustand Abstandsveränderungen zwischen Hochtemperatur-Bauelement und Anschlußelementen ausgleichen. Die thermische Isolierung kann auch in den Ecken mit Hilfe von weiteren Isolierelementen vorgenommen werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Anpreßkräfte durch den Differenzdruck zwischen dem Druck im Raum außerhalb der inneren thermischen Isolation und dem Druck im Inneren der Bausteine 1 aufgebracht (s. Fig. 2).

Dabei ist beispielsweise der Druck P₁ etwa 2·10⁵ Pa und der Druck P₂ ≈ 1·10⁵ Pa. Das Hochtemperatur-Bauelement einschließlich Anschlußelementen und Isolierelementen wird durch Stützen 14 in einem Metallmantel 11 gehalten. Dieser Metallmantel ist innen noch einmal mit einem äußeren thermischen Isolierelement aufgekleidet. Die Stützen 14 weisen Durchbrüche auf, damit sich der Gasdruck P₂ auf alle Seiten der inneren Anordnung von Bauelementen auswirken kann und eine zuverlässige Abdichtung erfolgt.

Bausteine können zu Kolonnen gestapelt werden und die Stapel in der beschriebenen Weise zusammengepreßt werden, wie in Fig. 3 dargestellt.

Nach einem weiteren Erfindungsgedanken werden die Bausteine für unterschiedliche Funktionen mit gleichen zueinander passen den Flächen versehen, so daß eine Kolonne aus z. B. Wärmetauschern, Nachbrenner, Reformer und Gasverteiler entsteht. Dadurch werden verlustreiche Rohrleitungen zwischen den Bausteinen und aufwendige thermische Isolierungen der Rohre vermieden.

Der Raum außerhalb der inneren thermischen Isolation 4, 9, in dem sich die Spannelemente einschließlich der Federn 7 befinden, wird gegenüber der Umgebung durch eine zweite, äußere thermische Isolation abgeschlossen. Diese äußere thermische Isolation wird zweckmäßigerweise durch einen Metallmantel nach außen abgeschlossen, der den Druck im Raum zwischen der inneren und der äußeren thermischen Isolation aufnimmt. Durch den Raum zwischen der inneren und der äußeren Isolation kann die Frischluft zum Vorwärmen geführt werden.

Bei der Anwendung des Erfindungsgedankens bei Stapeln ("Stacks") werden erfindungsgemäß die unmittelbar mit den Stapeln in Berührung kommenden Dichtelemente aus einem Stoff hergestellt, der Ionen oder Elektronen nicht leitet (s. Fig. 4). Auf diese Dichtelemente kann dann ein weiterer Dichtstoff aufgebracht werden, der bei hohen Temperaturen plastisch ist. Diese Art der Abdichtung ist besonders bei den Anschlußelementen erforderlich, in denen Wasserstoff enthalten ist.

Bei einer Kolonne aus mehreren Bausteinen kann es erfindungsgemäß zweckmäßig sein, ein Anschlußelement 14 für mehr als einen Baustein 1, 1′ vorzusehen (Fig. 5).

Die Profile für die Anschlußelemente können beliebig, also beispielsweise rechteckig oder halbkreisförmig (Fig. 6) ausgeführt werden.

Claims (9)

1. Hochtemperatur-Bauelement (1) aus keramischem Material mit Kanälen zum Durchströmen von Gasen und mit Anschlußelementen (2, 2′, 3, 3′), welche zur Zu- oder Ableitung der Gase vorgesehen sind, mit Anschlußelementen (2, 2′,3, 3′), die auf die Flächen der Hochtemperatur-Bauelemente (1) mittels mechanisch wirkender Andruckkräfte gepreßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Andruckkräfte durch Mittel aufgebracht sind, die unter dem Einfluß hoher Temperaturen am Hochtemperatur-Bauelement (1) nicht wesentlich nachteilig beeinflußbar sind.

2. Hochtemperatur-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Kräfte über Federn (7) und zwischen den Federn (7) und den Anschlußelementen (2, 2′, 3, 3′) angebrachten Isolationselementen (4) übertragbar sind.

3. Hochtemperatur-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Anpreßkräfte überwiegend durch einen Druck erzielt sind, welcher im Außenraum der Anschlußelemente (2, 2′, 3, 3′) größer ist, als in ihrem Inneren.

4. Hochtemperatur-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußelemente (2, 2′, 3, 3′) gegenüber den Dichtflächen der Hochtemperatur-Bauelemente (1) mit einem bei hohen Temperaturen plastischen Dichtmaterial (5) abgedichtet sind.

5. Hochtemperatur-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Dichtelemente vorgesehen sind, welche bei hohen Temperaturen nicht ionen- oder elektronenleitend sind.

6. Hochtemperatur-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermischen Isolationselemente (4) die hohen Prozeßtemperaturen in bzw. an den Hochtemperatur-Bauelementen auf eine für Stahlfedern (7) verträgliche Temperatur von etwa 200°C ab baut.

7. Hochtemperatur-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlußflächen vorgesehen sind, die ein Stapeln gleichartiger Bauelemente ermöglichen.

8. Hochtemperatur-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Bauelemente mit zueinander passenden Flächen für unterschiedliche Zwecke, wie Wärmetauscher, Nachbrenner, Reformer und Gasverteiler vorgesehen sind.

9. Hochtemperatur-Bauelement nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß Bauelemente mit zueinander passen den Anschlußflächen durch eine von außen wirkende Kraft in Richtung der Stapelachse zusammendrückbar und gasdicht zu halten sind.