DE19647417A1 - Modulverschaltung von Brennstoffzellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit Brennstoffzellenstapeln.

Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro­ lyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida­ tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brenn­ stoff, z. B. Wasserstoff zugeführt. Brennstoff sowie Oxidationsmittel werden im folgenden allgemein Be­ triebsmittel genannt.

Es gibt verschiedene Brennstoffzellentypen, z. B. die SOFC-Brennstoffzelle. Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperatur-Brennstoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt.

An der Kathode einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidationsmittels Sauer­ stoffionen. Die Sauerstoffionen passieren den Elektro­ lyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt.

Zur Erzielung großer Leistungen werden mehrere Brenn­ stoffzellen aufeinander gestapelt und elektrisch seri­ ell miteinander verbunden. Das verbindende Element zweier Brennstoffzellen ist unter der Bezeichnung In­ terkonnektor bekannt. Es bewirkt die elektrische sowie die mechanische Kopplung zweier Brennstoffzellen. Fer­ ner dient das verbindende Element der Bildung von Ka­ thoden- oder Anodenräumen. In einem Kathodenraum befin­ det sich eine Kathode. In einem Anodenraum befindet sich eine Anode. Derart gestapelte Brennstoffzellen werden Brennstoffzellenstapel genannt.

Aus DE 195 05 913 ist eine Hochtemperatur-Brennstoff­ zelle bekannt, die ein erstes, Brenngaszuführungska­ sten genanntes sowie ein zweites, Nachbrennkammer ge­ nanntes Gefäß aufweist. Diese beiden Gefäße, die hier mit dem Oberbegriff Gasräume bezeichnet werden, dienen der Zu- und Ableitung von Gasen in die Brennstoffzellen bzw. aus ihnen heraus. In der Nachbrennkammer können Wärmetauscher untergebracht sein.

Unter Gasraum ist nachfolgend jeder Raum zu verstehen, der an einen Brennstoffzellenstapel unmittelbar an­ grenzt und der der Zu- oder Abführung von Betriebsmit­ teln dient.

Ein derartiger Gasraum muß dicht mit dem Brennstoffzel­ lenstapel verbunden sein. Insbesondere bei hohen Tempe­ raturen treten Dichtigkeitsprobleme auf.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von mechanisch und elektrisch miteinander derart gekoppelten Brenn­ stoffzellen, daß im verminderten Umfang Dichtigkeits­ probleme auftreten.

Die Aufgabe wird durch gekoppelte Brennstoffzellen mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen An­ sprüchen.

Zur Lösung der Aufgabe sind zumindest zwei Brennstoff­ zellenstapel vorgesehen, die einen gemeinsamen Gasraum aufweisen. Ein Gasraum ist ein gemeinsamer Gasraum für zwei Brennstoffzellenstapel, wenn beide an den Gasraum unmittelbar angrenzen.

Im Vergleich zum Stand der Technik wird so die Zahl der Gasräume pro Brennstoffzellenstapel reduziert. Entspre­ chend reduzieren sich Anschlüsse, Rohrverbindungen und damit Dichtigkeitsprobleme.

Diese Kopplung zweier Brennstoffzellenstapel hat dar­ über hinaus den Vorteil, daß die Brenngasnutzung problemlos über mehrere Stapel verteilt werden kann.

Innerhalb eines Stapels treten dann nur geringe Sauerstoffpartialdruckdifferenzen im Vergleich zu einem Brennstoffzellenstapel auf, dessen Grundfläche gleich der Summe der Grundflächen der mehreren, erfindungsgemäß angeordneten Brennstoffzellenstapel ist. Große Sauerstoffpartialdruckdifferenzen führen nachteilhaft zu einer Verminderung der Leistung und der Lebensdauer von Brennstoffzellenstapeln.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Mehrzahl an gemeinsamen Gasräumen vorgesehen. Ent­ sprechend reduzieren sich Gasräume pro Brennstoffzel­ lenstapel und damit Dichtigkeitsprobleme. Insbesondere umschließen eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln ringförmig einen gemeinsamen Gasraum zur Erzielung vor­ genannter Wirkungen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung dient ein gemeinsamer Gasraum der Betriebsmit­ telzuführung, also der Zuführung eines Betriebsmittels in die unmittelbar angrenzenden Brennstoffzellen. Eine Energieumwandlung in Brennstoffzellen geht unvermeid­ lich mit Wärmeerzeugung einher. Die Wärme wird an die Umgebung abgeführt. Folglich wird ein Gasraum durch ei­ nen Brennstoffzellenstapel erwärmt. Im Vergleich hierzu wird ein gemeinsamer Gasraum stärker erwärmt, da zumin­ dest zwei Brennstoffzellenstapel Wärme zuführen. Folg­ lich wird im vorliegenden Fall das zugeführte Betriebsmittel vergleichsweise stark erwärmt und er­ reicht somit vorteilhaft schneller die jeweils erfor­ derliche Betriebstemperatur.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung ist eine Mehrzahl gemeinsamer Gasräume gastech­ nisch hintereinander, mit anderen Worten in Reihe geschaltet. Eine gastechnische Reihenschaltung von Gasräumen setzt zunächst eine Mehrzahl an Gasräumen innerhalb der Reihe voraus, die der Zuführung von Be­ triebsmitteln in unmittelbar angrenzende Brennstoffzel­ lenstapel dienen. Reihenschaltung bedeutet darüber hinaus, daß ein Betriebsmittel zunächst einem ersten gemeinsamen Gasraum zugeführt wird. Von hier aus tritt es in einen ersten Brennstoffzellenstapel ein und entweicht anschließend in einen zweiten gemeinsamen Gasraum. Das so in den zweiten gemeinsamen Gasraum gelangte Betriebsmittel tritt in einen zweiten, angrenzenden Brennstoffzellenstapel ein. Entsprechendes gilt für einen dritten Gasraum innerhalb dieser gastechnischen Reihenschaltung usw. Erster und zweiter Gasraum dienen beide der Betriebsmittelzuführung. Sie sind gastechnisch hintereinander geschaltet, da das Betriebsmittel zunächst in den ersten Raum eintreten muß, bevor es in den zweiten gelangen kann.

Im ersten gemeinsamen Gasraum ist das Betriebsmittel verhältnismäßig kühl und unverbraucht. Da es unver­ braucht ist, erbringt der erste Brennstoffzellenstapel die maximale Leistung und erwärmt das verhältnismäßig kühle Betriebsmittel folglich maximal. Der nachfolgende zweite Brennstoffzellenstapel erbringt eine geringere Leistung im Vergleich zum vorhergehenden, da das zuge­ führte Betriebsmittel zum Teil im ersten Brennstoffzel­ lenstapel verbraucht worden ist. Folglich ist der zweite Brennstoffzellenstapel kühler im Vergleich zum ersten Brennstoffzellenstapel.

Das eingeleitete Betriebsmittel ist vor Einleitung in den zweiten Stapel insbesondere im ersten Brennstoffzellenstapel vorgewärmt worden. Die geringere Wärme im zweiten Brennstoffzellenstapel wird also aufgrund dieser Vorwärmung zumindest zum Teil in thermischer Hinsicht kompensiert.

Insgesamt fördert folglich die gastechnische Hinterein­ anderschaltung von gemeinsamen Gasräumen eine gleichmä­ ßige Temperaturverteilung innerhalb der Brennstoffzel­ len. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung vermeidet vorteilhaft das Auftreten thermisch bedingter Spannun­ gen und damit Dichtigkeits- sowie Standzeitprobleme in­ nerhalb des Aufbaus.

Die gastechnische Hintereinanderschaltung bewirkt, daß die Nutzung des Brennstoffes auf verschiedene Brenn­ stoffzellenstapel verteilt wird. Darüber hinaus wird der Brennstoff bei einer hierfür ausreichend großen Zahl hintereinandergeschalteter Brennstoffzellenstapel praktisch vollständig genutzt.

Die Hintereinanderschaltung bewirkt ferner, daß die Brennstoffzellenstapel unterschiedliche Spannungen er­ zeugen. Im ersten Brennstoffzellenstapel tritt unver­ brauchtes Brenngas ein. Daher ist die durch den ersten Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Spannung maximal. Im gastechnisch nachgeschalteten zweiten Brennstoffzellenstapel tritt teilweise verbrauchtes Brenngas ein. Daher erzeugt der zweite Brennstoffzel­ lenstapel eine geringere elektrische Spannung als der erste Brennstoffzellenstapel. Diese Spannungsverringe­ rung setzt sich im dritten, gastechnisch in Reihe ge­ schalteten Brennstoffzellenstapel fort.

Die bisher geschilderten Vorrichtungen lassen vorteil­ haft offen, auf welche Weise die eingesetzten Brenn­ stoffzellenstapel elektrisch verschaltet werden.

Brennstoffzellen können daher aufgrund der anspruchsgemäßen Anordnung an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden, ohne daß hierfür aufwendige Neukonstruktionen erforderlich wären.

Beispielsweise werden Brennstoffzellenstapel, die voneinander abweichende Spannungen erzeugen, vorteilhaft elektrisch in Serie geschaltet.

Überlastungs- oder Unterlastungsprobleme, die andernfalls aufgrund unterschiedlicher erzeugter Spannungen auftreten können, werden so vermieden.

Auch können ohne Veränderung des Aufbaus bei gleicher Gesamtleistung mittels einer einfachen elektrischen Schaltung wahlweise hohe Spannungen oder hohe Ströme bereitgestellt werden. Zur Erzielung großer Ströme wer­ den z. B. insbesondere die Brennstoffzellenstapel elek­ trisch parallel verschaltet, die die gleiche Spannung erzeugen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung sind Wärmetauscher in gemeinsamen Gasräumen vorgesehen. Toträume werden so vermindert. Dies ermög­ licht kompakte Bauweisen. Darüber hinaus ist ein Wärme­ tausch in gemeinsamen Gasräumen effektiver im Vergleich zum Wärmetausch in einfach genutzten Gasräumen, da mehrfach genutzte Gasräume stärker aufgeheizt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung wird ein gemeinsamer Gasraum zu mehr als 80% durch Brennstoffzellenstapel begrenzt, die über den Gasraum mit Betriebsmitteln versorgt oder entsorgt wer­ den. Der hohe Prozentsatz trägt weiter zur Reduzierung von Dichtigkeitsproblemen bei, da weniger als 20% durch sonstige Mittel abgedichtet werden muß.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung sind die gastechnisch in Reihe geschalteten Gasräume räumlich übereinander angeordnet. Der erste Gasraum, in den ein Betriebsmittel eingeleitet wird, befindet sich dann räumlich unten. Ein zweiter Brenn­ stoffzellenstapel innerhalb dieser Reihenschaltung be­ findet sich räumlich oberhalb des ersten. Ein dritter Brennstoffzellenstapel innerhalb dieser Reihenschaltung befindet sich räumlich oberhalb des zweiten usw. . Ein solcher Aufbau bewirkt einen thermisch bedingten, schwerkraftgetriebenen Transport von Betriebsmitteln durch die in Reihe geschalteten Brennstoffzellenstapel.

Erforderliche, den Gesamtwirkungsgrad vermindernde Kom­ pressorleistung zur Herbeiführung des Betriebsmittel­ transportes durch die Brennstoffzellen kann so vorteil­ haft herabgesetzt werden.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch neun nebeneinander und quadratisch angeordnete Brennstoffzellenstapel 1.

Jeder Brennstoffzellenstapel 1 weist seinerseits eine quadratische Grundfläche auf, die jedoch auch z. B. rund oder sechseckig sein kann. Bei einer sechseckigen Grundfläche grenzen dann insbesondere Seitenflächen zweier Brennstoffzellenstapel aneinander.

Der Schnitt zeigt eine Aufsicht auf neun Anoden in den neun Stapeln 1. Vier Brennstoffzellenstapel 1 umschließen je einen gemeinsamen Gasraum 2 oder 3. Auf diese Weise werden die Seitenwände, also Begrenzungen der gemeinsamen Gasräume zu mehr als 80% durch die Brennstoffzellenstapel 1 gebildet.

Durch die gemeinsamen Gasräume 2 sowie durch die Anodenräume (Räume innerhalb von Brennstoffzellenstapeln, in denen sich die Anoden befinden) wird Brennstoff geleitet. Die Brennstofführung wird durch die durchgezogenen pfeile dargestellt. Durch die gemeinsamen Gasräume 3 sowie durch die unterhalb der Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Ein­ heiten befindlichen und daher in der Figur nicht ein­ sehbaren Kathodenräume wird Oxidationsmittel geleitet.

Angedeutet wird die Oxidationsmittelführung durch die gestrichelt dargestellten Pfeile.

Gastechnisch sind je gemeinsame Gasräume 2 oder 3 in Reihe geschaltet. Dichtmittel 4 dichten die Gasräume 2 von Gasräumen 3 ab. Die Brennstoffzellenstapel 1 mit den gemeinsamen Gasräumen werden durch die äußere Hülle 5 und ein Bodenelement 6 gegen die Umgebung abgeschirmt.

Die Anordnung soll auf dem Bodenelement 6 aufgestellt werden. Diese Aufstellung wird in der Figur durch die Richtung g der Schwerkraft angedeutet. Hierdurch wird einerseits erreicht, daß ein thermisch bedingter Auf­ trieb den Transport der Betriebsmittel durch die Brenn­ stoffzellenstapel hindurch fördert. Auch wird innerhalb eines Brennstoffzellenstapels jede Brennstoffzelle in gleicher Weise gewichtsmäßig belastet. Diese gleichmä­ ßige Belastung fördert vorteilhaft die Stabilität des Aufbaus.

Die in der Figur unten dargestellten drei Brennstoffzellenstapel 1 nehmen innerhalb der gastechnischen Reihenschaltungen die Anfangsposition (erste Position) ein, da die Betriebsmittel in diese erstmalig eingeleitet werden. Zur Erzielung großer elektrischer Ströme werden die auf der ersten Position befindlichen Brennstoffzellenstapel elektrisch parallel geschaltet, da diese die gleiche elektrische Spannung erzeugen. Die in der Figur in der Mitte befindlichen drei Brennstoffzellenstapel 1 nehmen innerhalb der gastechnischen Reihenschaltungen die zweite Position ein. Die in diese Brennstoffzellenstapel eingeleiteten Brenngase sind zum Teil verbraucht worden. Folglich sind die hiermit erzeugten elektrischen Spannungen geringer im Vergleich zu den Spannungen, die den ersten Brennstoffzellenstapeln erzeugt werden. Sollen große elektrische Ströme erzeugt werden, werden diese ebenfalls elektrisch parallel geschaltet. Die in der Figur oben befindlichen drei Brennstoffzellenstapel nehmen innerhalb der drei gastechnischen Reihenschal­ tungen die dritte Position ein. Aus vorgenannten Gründen werden mit diesen Brennstoffzellenstapeln die geringsten elektrischen Spannungen erzeugt. Um die elektrischen Ströme weiter zu steigern, werden auch diese elektrisch parallel geschaltet.

Zur Vermeidung von Über- oder Unterlastungen werden die Brennstoffzellenstapel im übrigen elektrisch in Serie geschaltet.

Sollen große Spannungen erzielt werden, so werden sämtliche neun Brennstoffzellenstapel 1 elektrisch in Serie geschaltet.

Claims (8)

1. Vorrichtung mit zumindest zwei Brennstoffzellensta­ peln (1), die einen gemeinsamen Gasraum (2 oder 3) aufweisen.

2. Vorrichtung mit einer Mehrzahl gemeinsamer Gasräume (2 oder 3) 3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest zwei Brennstoffzellenstapeln (1) über den gemeinsamen Gasraum (2 oder 3) Betriebsmit­ tel zugeführt werden.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mehreren, gastechnisch in Reihe geschalteten Gasräumen (2 oder 3), die der Zuführung von Be­ triebsmitteln in Brennstoffzellenstapel (1) dienen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der gemeinsame Gasräume (2 oder 3) zu mehr als 80% durch Brennstoffzellenstapel (1) begrenzt wer­ den.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Wärmetauschern in gemeinsamen Gasräumen (2 oder 3).

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Brennstoffzellenstapel, die voneinander abweichende elektrische Spannungen erzeugen, elektrisch in Serie geschaltet werden.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Brennstoffzellenstapel elektrisch paral­ lel geschaltet werden, die die gleiche elektrische Spannung erzeugen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der gastechnisch in Reihe geschaltete Gasräume räumlich übereinander angeordnet werden.