DE4343914A1

DE4343914A1 - Umschließungskonstruktion für Hochtemperaturbrennstoffzellen mit integrierter Wärmeauskopplungseinrichtung

Info

Publication number: DE4343914A1
Application number: DE4343914A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof Dr Winkler; Joachim Prof Dr Ing Koeppen; Okko De Boer; Martin Ebsen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 1994-06-30

Description

Auf dem Gebiet der Hochtemperatur- Brennstoffzelle, im folgenden HTBZ genannt, sind in den letzten 2 Jahrzehnten die Forschungen in Hinblick auf die Kraftwerks nutzung intensiviert worden. Dabei wurde auch die Gestaltung von Anordnungen von Brennstoffzellen (Stacks) in planarer Bauform untersucht. Neben den gestaltungs technischen Fragen wurde auch die Eignung der verschiedenen Materialien in die Untersuchungen einbezogen. Während des Betriebes, bei ca. 1000°C, sind die mei sten gebräuchlichen Werkstoffe aus physikalischen, chemischen und elektrochemi schen Gründen nicht geeignet. Beim Betrieb der HTBZ müssen die Edukte (Luft und Brennstoff) zugeführt und die Produkte (Rauchgaskomponenten) so wie der erzeug te elektrische Strom abgeführt werden. Dazu ist eine Umschließungskonstruktion notwendig. Der Werkstoff, der die Brennstoffzelle umschließt muß gleichzeitig eine stabile und elektrisch leitende Deckschicht mit möglichst gleicher Dehnung wie die Zellkeramik haben. Dies führte zum Einsatz von relativ teuren Metallkeramiken. Die Arbeiten von W. Winkler [Offenlegungsschrift DE 41 37 968.3; "Analyse des System verhaltens von Kraftwerksprozessen mit Brennstoffzellen", BWK, Bd. 45 (1993) S. 302 ff.] haben außerdem gezeigt, daß der Einsatz von im Stack integrierten Wärme übertragern Vorteile bietet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese Konstruktionsan forderungen fertigungsgerecht mit relativ kostengünstigen Werkstoffen zu lösen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgte dadurch, daß die Umschließungskonstruktion durch eine Anzahl plattenförmiger, entsprechend der jeweiligen Anforderung geform ten Elementen aufgebaut ist. Zur Herstellung dieser Einzelelemente können sowohl metallische als auch metallkeramische Werkstoffe verwendet werden. Mit geeigne ten Verbindungstechnologien, die die Gasdichtheit und die elektrische Leitfähigkeit sicherstellen, werden diese Einzelkomponenten zur Umschließungskonstruktion zu sammengefügt. Dieser Aufbau gestattet eine schnelle, einfache und kostengünstige Serienfertigung (pro MW Leistung werden jeweils ca. 100.000 der 5 Einzelelemente benötigt). In dieser Umschließungskonstruktion ist neben den Aufgaben, die Zu- und Abfuhr der für den Betrieb der HTBZ notwendigen Ströme sicherzustellen, eine Möglichkeit zur Wärmeauskopplung integriert. Mit dem Werkstoff für den Grund körper der Umschließungskonstruktion wird dem Dehnungsverhalten des Elektroly ten der HTBZ Rechnung getragen. Davon unabhängig kann der Werkstoff für die Kontaktierungsstellen zwischen dem Elektrolyten und Umschließungskonstruktion allein nach elektrischen Bedingungen gewählt werden. Die Kontaktierung wird vor zugsweise mit kleinen Noppen ausgeführt. Dadurch werden die auftretenden Thermospannungen im beherrschbaren Rahmen gehalten. Form und Anzahl der Noppen ist nach mechanischen, strömungstechnischen und elektrischen Anforde rungen zu optimieren. Die vorliegenden Plattenelemente ermöglichen eine flexible Konzeption der Strömungsführung.

Eine vorteilhafte Fortbildung der Erfindung gestattet es mehrere Zellen in jeder Ebe ne der Umschließungskonstruktion elektrisch parallel anzuordnen. Die damit ver bundenen Vorteile sind: kompakte Bauform, mechanische Stabilität des Stacks und elektrische Anpassung des Stromes an den Leistungsbedarf.

Eine weitere vorteilhafte Fortbildung der Erfindung besteht darin, daß die HTBZ als dichtendes Element zwischen Kathoden- und Anodenraum verwendet wird. Dazu hat die HTBZ die gleiche Randkontur wie die Umschließungskonstruktion, und ist mit entsprechenden Bohrungen für die Gasdurchtritte versehen. Die Elektroden beschichtung ist dabei nur im aktiven Bereich aufgebracht. Bei diesem Vorschlag wird davon ausgegangen, daß die Zellkeramiken kostengünstig herzustellen sind.

Ausführungsbeispiele werden durch drei Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1, eine explosionsartige Darstellung einer Brennstoffzelle mit plattenförmiger Umschließungskonstruktion und den beiden Betriebsstoffströmen.

Fig. 2 eine explosionsartige Darstellung einer Ebene mit vier parallel geschalteten Einzelzellen und den Wärmeübertragerströmen.

Fig. 3 eine explosionsartige Darstellung eines reihengeschalteten Stacks, beste hend aus 3 Zellenelementen, wobei die Wärmeauskopplung quer erfolgt.

In Fig. 1 wird verdeutlicht wie die Gasverteilung in der Einzelzelle durch die Verteiler platten 1 erfolgt. Um die Darstellung nicht unnötig zu komplizieren, sind in dieser Figur nur Brenngas- und Oxidansstrom angegeben. Durch die Zuleitungen 8, die in der Bodenplatte 7 verschweißt sind, werden diese sowie das Kühlmittel für die Zelle in das Kanalsystem der Einzelzelle eingebracht. Die, in den Kontaktierungsplatten 2 und 3 eingelassenen Schlitze, erlauben dem jeweiligen Gasstrom den Zutritt zum HTBZ-Elektrolyten 4. Über die Kontaktierungsplatte 2, wird die Anodenseite des Elektrolyten mit Brenngas versorgt. Der Gasraum, zwischen den Kontaktierungs platten 2 und 3 und den Elektrodenflächen auf dem Elektrolyten 4, wird durch die Rahmenplatte 5 gebildet. Auf diesen Rahmenplatten 5 , werden die elektrisch isolie renden und gasbeständigen Dichtungen, wie z. B. Quarzglas, aufgetragen. Der HTBZ- Elektrolyt 4, wird in dieser Dichtung aufgenommen. In dieser Darstellung erfolgt die Kontaktierung an der Elektrodenfläche durch die Noppen 11, die über der Kontaktie rungsplatte 2 bzw. 3, erhaben sind, so daß das Gas über die Elektrodenfläche strei chen kann. Die Form, die Anordnung und die Anzahl der Noppen 11 ist hier frei gewählt und kann noch weiter optimiert werden. Als mögliche Stromabnahme könn ten Anschlußfahnen 9 und 10 dienen, die an den Kontaktierungsplatten angebracht sind, wie die hier in Fig. 1 dargestellten. Die Einzelzelle wird durch die Kopfplatte 6 geschlossen. Die Kopfplatte 6 kann, wie auch die Bodenplatte 7, aus einzelnen La gen, mit derselben Dicke wie die übrigen Platten aufgebaut werden. Wird ein schweiß geeigneter, metallischer Werkstoff für den Plattenaufbau der Zelle verwendet, so können die Platten 1, 2 und 5 bzw. 1, 3 und 5 durch Schweißen gasdicht verbunden werden.

In Fig. 2 wird die Darstellung einer Zelleneinheit gezeigt in der vier HTBZ-Elektro lyte parallel in einer Kontaktierungsebene angeordnet sind. Die Beschreibung der einzelnen Bauelemente entspricht Fig. 1. Die Führung der Brennstoff- und Oxid ansströme werden in der Fig. 2 vernachlässigt, es sind aber die beiden Wärme übertragerströme als Flüsse eingezeichnet. Die Gestaltung der Kanalformen ist eine Vervielfältigung der Einzelzellenbauweise und kann bei Bedarf noch umgestaltet oder zusammengefaßt werden.

In Fig. 3 ist eine Darstellung eines in Reihe geschalteten Stacks, das aus 3 Einzelzellenelementen besteht. Dabei werden die Platten 5, 3,1, 2 und 5, bzw. 5, 3, 1a, 2 und 5 fest miteinander verbunden, so daß jeweils eine Erweiterungseinheit entsteht. Eine Möglichkeit der Verbindung ist das Schweißen. An der oberen Platte 1 und 3 ist der Schweißnahtverlauf 12 an drei Durchführungen durch gestrichelte Linien angedeutet. Zur lokalen Auskopplung des Wärmeübertragerstromes wird die Platte 1 in ihrer Dicke so variiert, daß Zu- und Ableitungen 8 angebracht werden können. Die Platte 1a kann für jede Platte 1 ausgewechselt werden. Ebenso können neben dem Wärmeübertragerstrom auch die anderen Stoffströme auf die gleiche Weise ausgekoppelt oder eingebracht werden.

Claims

1. Die vorliegende Erfindung vereinigt die Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit ei ner inneren Wärmeauskopplung, dadurch gekennzeichnet, daß zu jeder Kompo nente der Einzelzelleneinheit, d. h. die anodische und kathodische Zellenhälfte, eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung vorgesehen ist.

2. Die Erfindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschließungs konstruktion aus ebenen Platten aufgebaut ist, in denen Bohrungen und Ausspa rungen in der Lagenbauweise die Kanalkonfiguration bilden.

3. Die Erfindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Platten aus metall-keramischen Werkstoffen aufgebaut sind.

4. Die Erfindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Platten aus Nickel-Basiswerkstoffen aufgebaut sind.

5. Die Erfindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagenbauweise durch Verschweißen realisiert wird.

6. Die Erfindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagenbauweise durch Verkleben realisiert wird.

7. Die Erfindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagenbauweise durch Verlöten realisiert wird.

8. Die Erfindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung an den Elektrodenflächen (4) über gesickte Noppen (11) in der Kontaktierungsplatte (2 bzw. 3) erfolgt.

9. Die Erfindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung an den Elektrodenflächen (4) über aufgeschweißte Noppen (11) auf die Kontaktie rungsplatte (2 bzw. 3) erfolgt.

10. Die Erfindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktie rung an den Elektrodenflächen (4) über gelötete Noppen (11) auf die Kontaktie rungsplatte (2 bzw. 3) erfolgt.

11. Die Erfindung nach Anspruch 2, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß Kontak tierungsplatte (2 bzw. 3) und Noppen (11) aus verschiedenen Materialien beste hen.

12. Die Erfindung nach Anspruch 2, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung durch geeignete Oberflächenvergütung unterstützt wird.

13. Die Erfindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffströme durch Umschalten der Zuleitung A auf B, von Gleichstrom auf Kreuzstrom geändert werden.

14. Die Erfindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffströme durch Umschalten der Zuleitung A auf A′, von Gleichstrom auf Gegenstrom geän dert werden.

15. Die Erfindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ersetzen der Platte 1 mit Platte 1a eine Auskopplung oder Einbringung aller Stoffströme in Querrichtung ermöglicht wird.

16. Die Erfindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das unbeschichtete Elektrolytmaterial der HTBZ als Dichtung der Umschließungs konstruktion verwendet wird und dazu mit Gasdurchführungen versehen ist.