DE69506409T2

DE69506409T2 - Stromabnehmervorrichtung für brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE69506409T2
Application number: DE69506409T
Authority: DE
Inventors: Rolf 7033 Trondheim Odegard; Roald 5310 Hauglandshella Ravnanger; Per 5037 Solheimsviken Sundal
Original assignee: Den Norske Stats Oljeselskap AS
Current assignee: Equinor ASA
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1995-06-28
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2015-06-29
Also published as: NO180176C; NO180176B; EP0765532A1; ATE174157T1; DK0765532T3; AU2938395A; DE69506409D1; EP0765532B1; NO942479L; WO1996000987A1; NO942479D0; US5804328A

Description

Stromabnehmervorrichtung für Brennstoffzellenstapel

Die Erfindung betrifft eine Stromabnehmereinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel, der eine Reihe stapelbildender Brennstoffzellenplatten zwischen gegenüberliegenden Endplatten umfaßt, wobei jede Endplatte mit einen Stromabnehmer verbunden ist.
Damit von der Elektrizität, die in einem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, auf die bestmögliche Weise Gebrauch gemacht werden kann, ist ein Stromabnehmer notwendig, bei dem der Spannungsverlust gering ist, wenn der Strom abgeleitet wird. Es muß dann eine gute elektrische Verbindung zwischen den Endplatten und dem Stromabnehmer des Brennstoffzellenstapels bestehen, während gleichzeitig der ohmsche Spannungsverlust durch den Stromleiter an die Anschlüsse gering ist.
Eine Stromabnehmereinrichtung der eingangs erwähnten Art ist aus der US-Patentbeschreibung Nr. 4,719,157 bekannt. In dieser bekannten Einrichtung sind die Endplatten gegen dem Stromabnehmer mittels eines hitzebeständigen, dazwischen angeordneten Isolators isoliert, wobei jeder der Stromabnehmer eine Mehrzahl von unabhängigen Stromabnehmerabschnitten umfaßt, die voneinander mit Zwischenraum angeordnet sind und von denen jeder mit einem einzelnen Anschluß versehen ist, der sich von dort durch den Isolator und die Endplatte erstreckt. Es ist ein Ziel der bekannten Einrichtung, eine Einrichtung mit einer hohen Stromabnehmerausbeute zu bilden, selbst wenn sie auf eine Brennstoffzellenanordnung mit einer großen Elektrodenfläche angewendet wird.
Auch wenn es in der Patenbeschreibung nicht festgestellt wird, wird angenommen, daß die Einrichtung gemeinsam mit Phosphorsäure- Brennstoffzellen oder Schmelz-karbonat-Brennstoffzellen mit einer Betriebstemperatur von 200ºC beziehungsweise 600ºC vorkommt. Beide dieser Brennstoffzellenarten weisen metallische Verbindungsbauteile und große Elektrodenflächen (1000 - 3000 cm²) auf. Bei Festkörper- Oxid-Brennstoffzellen (SOFC), die eine Betriebstemperatur von ungefähr 1000ºC aufweisen, stellt sich das Problem auf ganz andere Weise. Bei diesen Brennstoffzellenstapeln sind die Verbindungsbauteile Keramiken, und die Elektrodenfläche ist verhältnismäßig groß (100 - 500 cm²). Stromleiter für den Stromausgang vom Stapel können schwer an die Keramik-Endplatten geschweißt werden. Es muß daher die Verbindung mit den Stromleitern auf eine andere Weise hergestellt werden.
Einige Metalle und Metallegierungen weisen bei 1000ºC eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. In einer oxidierenden Atmosphäre bildet sich jedoch eine dünne, nicht leitende Oxidschicht an der Oberfläche. Diese Oxidschicht schützt das Metall oder die Metallegierung vor weiterer Korrosion, verhindert aber eine wirkungsvolle Stromabnahme, da sie elektrisch isoliert. Folglich stellt es keine Lösung dar, eine Hochtemperatur-Metallegierung direkt bei den Keramik-Endplatten in einem Brennstoffzellenstapel zu verwenden. Edelmetalle sind widerstandsfähige Materialien, bei denen sich keine Oxidschicht in Luft bildet. Jedoch bewirkt der Preis von Edelmetallen, daß es gegenwärtig nicht von Interesse ist, allein Edelmetalle als Stromabnehmer zu verwenden. Außerdem sind Edelmetalle verformbare Materialien und weisen daher keine mechanische Festigkeit, die für gesamte Stromabnehmereinrichtung wünschens wert ist, auf.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, insbesondere für Hochtemperaturbrennstoffzellen mit Keramik-Endplatten eine Stromabnehmervorrichtung zu schaffen, durch die ein guter elektrischer Kontakt, und demzufolge eine hohe elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Stromabnehmer bei Betriebstemperatur aufgebaut und aufrechterhalten wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine solche Stromabnehmereinrichtung zu schaffen, die bei einer vorgegebenen Atmosphäre bei Betriebstemperatur chemisch stabil ist.
Ein zusätzliches Ziel der Erfindung ist es, eine Stromabnehmereinrichtung vom aktuellen Typ zu schaffen, die eingerichtet ist für ein mögliches einstellbares Zusammendrücken des Brennstoffzellenstapels mit zugeordneten Endplatten, um hohe mechanische Belastungen zu verhindern und optimale elektrische Kontaktbedingungen bei Betriebstemperatur sicherzustellen.
Zur Erreichung der obengenannten Ziele wird eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art geschaffen, die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Stromabnehmer eine Platte umfaßt, die mit einer Oberfläche gegen die zugeordnete Endplatte gedrückt wird, wobei die Oberfläche mit einer Anzahl von Rillen versehen ist, welche sich über einen wesentlichen Teil der Fläche der Platte erstrecken und entsprechende elektrische Leitungsdrähte aufnehmen, welche in zumindest einem Leitungsbündel zusammengefaßt werden, wobei die Drähte in den Rillen durch eine Schicht aus einem Edelmetall abgedecktwerden, welche etwas über die Rillen hinausragt und eine elektrische Verbindung zwischen den Leitungsdrähten und den betreffenden Endplatten bildet.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ein kraftausübendes Mittel umfaßt, welches die Wärmeausdehnung des Brennstoffzellenstapels zuläßt und für das Zusammendrücken des Stapels mit zugeordneten Endplatten mittels einer gewünschten Kraft bei Betriebstemperatur sorgt.
Die Erfindung wird unten gemeinsam mit den als Beispiele dienenden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ferner beschrieben, wobei
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Brennstoffzellenstapels zeigt, der eine erfindungsgemäße Stromabnehmereinrichtung umfaßt;
Fig. 2 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispieles von einer Stromabnehmerplatte in einer erfindungsgemäßen Einrichtung zeigt;
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Strecke III-III in Fig. 2 zeigt;
Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht eines Mittelteils der Platte aus Fig. 2-3 zeigt;
Fig. 5 einen Teilschnitt entlang der Strecke V-V in Fig. 4 zeigt;
Fig. 6 eine Draufsicht von einem weiteren Ausführungsbeispiel von einer Stromabnehmerplatte zeigt; und
Fig. 7 eine Seitenansicht der Stromabnehmerplatte aus Fig. 6 zeigt.
In der schematischen Ansicht in Fig. 1 wird ein Brennstoffzellenstapel 1 gezeigt, der eine Anzahl von Brennstoffzellenplatten 2 umfaßt, die aufeinander zwischen zwei Endplatten, genauer eine Deckplatte 3 und eine Bodenplatte 4, aufgestapelt sind. Es wird hier vorausgesetzt, daß die Endplatten aus einem leitenden keramischen Material bestehen, da dies für eine Festkörper-Oxid-Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen, d. h. bei Betriebstemperaturen von ungefähr 1000ºC, ausschlaggebend ist. Es wird in elektrisch leitender Verbindung mit jeder der Platten 3 und 4 ein entsprechender Stromabnehmer 5 beziehuhgsweise 6 eingerichtet, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2-5 entspricht. Aus jedem Stromabnehmer führt ein Stromleiterbündel 7 beziehungsweise 8 heraus, der durch einen geeigneten Durchlaß in einem zugeordneten Endblock 9 beziehungsweise 10 geführt wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel steht der Brennstoffzellenstapel auf einer Auflage 11, und über dem Brennstoffzellenstapel ist ein kraftausübendes Mittel 12 angeordnet, das die Plattenbauteile in dem Stapel mit einer geeignet gewählten Kraft zusammendrückt. Das kraftausübende Mittel 12 kann vorteilhafterweise eine hydraulische oder eine Drucklufteinrichtung sein, kann aber andererseits z.B. eine Feder oder ein Gewicht umfassen. Dieses Mittel sorgt für einen elektrischen Kontakt und für die Dichtung in dem Stapel, und es läßt zusätzlich die Wärmeausdehnung des Stapels zu und sorgt dafür, daß die Stromabnehmer, sowohl beim Hochstarten als auch bei erreichter Betriebstemperatur, mit der gewünschten Kraft gegen die Endplatten gedrückt werden. Das ist wesentlich, um ein Austauen von unbeabsichtigten oder schädlichen mechanischen Spannungen beim Aufheizen auf Betriebstemperatur zu vermeiden und um optimale elektrische Kontaktbedingungen sicherzustellen.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stromabnehmereinrichtung wird in Fig. 2-5 gezeigt. Wie gezeigt wird, umfaßt der Stromabnehmer eine kreisförmige flache Platte 15, die mit einer Oberfläche 16 gegen eine Endplatte 3 oder 4 in den Brennstoffzellenstapel 1, und zwar mit einer geeigneten Kraft, wie oben erwähnt, gedrückt werden soll. Die Oberfläche 16 ist mit einer Mehrzahl von Rillen 17 versehen, die sich radial von einer Mittelöffnung 18 in der Platte zum Umfang der Platte hin erstrecken. Wie in Fig. 4 gezeigt wird, sind in den Rillen 17 elektrische Stromleiter oder Leitungsdrähte 19 angeordnet, die durch eine Mittelöffnung 18 geführt werden und daraufhin zu einem Leitungsbündel zusammengefaßt werden, das von der Platte wie die Leitungsbündel 7 und 8 in Fig. 1 weggeführt wird. Wie ferner in Fig. 4 gezeigt wird, ist die Platte 15 in der Öffnung 18 abgerundet, damit die Leitungsdrähte 19 sanft gebogen werden. In der Öffnung 18 ist ein kegelförmiger Stopfen 20 zur Zugentlastung der Leitungsdrähte angeordnet.
Wie aus Fig. 4 und 5 hervorgeht, sind die Drähte 19 in den Rillen 17 von einer Schicht 21 aus Edelmetall überzogen, die etwas über die Rillen, d. h. über die Oberfläche 16 der Platte, hinausragt, und die die Drähte vor Oxidation schützt und eine elektrische Verbindung zwischen den Leitungsdrähten 19 und der betreffenden Endplatte in dem Brennstoffzellenstapel, d. h. der Platte 3 oder 4 in Fig. 1, bildet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Edelmetallschichten aus flachgepreßten Drähten des aktuellen Metalls gebildet. Das Edelmetall kann vorteilhafterweise Platin sein.
Die Leitungsdrähte 19 sind aus einer geeigneten Metallegierung und können zum Beispiel von sogenannter APM-Güte sein, d.i. eine Legierung, die in einer oxidierenden Atmosphäre eine dünne, stabile, nicht leitende Oxidschicht an ihrer Oberfläche bildet. Die APM-Drähte sind auch mechanisch biegsam.
Die Anzahl von APM-Drähten und Platindrähten kann schwanken. Der Querschnitt der APM-Drähte kann auch schwanken. Eine Erhöhung des Querschnitts verringert den Spannungsabfall, wenn der Strom durch die Drähte fließt. Das Material in der Platte 15 selbst ist vorzugsweise von derselben Güte wie die Leitungsdrähte 19, und die Platte und der Zugentlastungsstopfen 20 sind auch vorzugsweise aus demselben Material. Die Platte dient nur als Auflage und Führung für die Leitungsdrähte und für die Edelmetalldrähte. Dadurch, daß der Stromausgang über Leitungsdrähte erfolgt, die mechanisch biegsam sind, werden unbeabsichtigte mechanische Spannungen auf dem Brennstoffzellenstapel während des Betriebs vermieden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit radialen Rillen in der Stromabnehmerplatte weisen die Rillen dieselbe Breiten und Längen auf und nehmen gleich lange Leitungsdrahtlängen auf. Wie zu erkennen ist, kann eine ähnliche Anordnung mit im wesentlichen gleich langen Rillen und gleich langen Leitungsdrähten auch mit einer anderen Rillenanordnung als radial sich erstreckenden Rillen erzielt werden, wenn zugleich eine im wesentlichen mittige Öffnung für das Durchführen der Leitungsdrähte beibehalten wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stromabnehmerplatte 22 wird in Fig. 6 und 7 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Platte 22 rechteckig und ist an einer Oberfläche 23 mit einer Anzahl von im wesentlichen parallelen Rillen 24 versehen, die sich zwischen gegenüberliegenden Seitenkanten der Platte erstrecken. Die Rillen nehmen Leitungsdrähte 25 auf, und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden diese in zwei Gruppen von Leitungsdrähten zusammengefaßt, die zu einer gesonderten Seite der Platte geführt werden, wo sie in einem entsprechenden Leitungsbündel 26 beziehungsweise 27 zusammengefaßt werden. In weiterer Hinsicht kann die Anordnung von Leitungsdrähten und Edelmetallschutzschichten dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2-5 ähneln, und daher wird auf die vorige Beschreibung hiervon verwiesen.

Claims

1. Stromabnehmereinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel (1), der eine Reihe stapelbildender Brennstoffzellenplatten (2) zwischen gegenüberliegenden Endplatten (3, 4) umfaßt, wobei jede Endplatte mit einem Stromabnehmer (5 bzw. 6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromabnehmer (5 bzw. 6) eine Platte (15; 22) aufweist, welche mit einer Oberfläche (16; 32) gegen die zugeordnete Endplatte (3 bzw. 4) gedrückt wird, wobei die Oberfläche mit einer Anzahl von Rillen (17; 24) versehen ist, welche sich über einen wesentlichen Teil der Fläche der Platte (15; 22) erstrecken und entsprechende elektrische Leitungsdrähte (19; 25) aufnehmen, welche in zumindest einem Leitungsbündel (7 bzw. 8; 26, 27) zusammengefaßt werden, wobei die Drähte (19; 25) in den Rillen (17; 24) durch eine Schicht (21) aus einem Edelmetall abgedeckt werden, welche etwas über die Rillen hinausragt und eine elektrische Verbindung zwischen den Leitungsdrähten und der betreffenden Endplatte (3 bzw. 4) bildet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein kraftausübendes Mittel (12) umfaßt, welches die Wärmeausdehnung des Brennstoffzellenstapels (1) zuläßt und für das Zusammendrücken des Stapels mit zugeordneten Endplatten (3, 4) mittels einer gewünschten Kraft bei Betriebstemperatur sorgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kraftausübende Mittel (12) hydraulisch oder pneumatisch angetrieben wird.

4. Einrichtung nach irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (17; 24) im wesentlichen dieselbe Breite und dieselbe Länge aufweisen und gleich lange Längen von Leitungsdraht (19; 25) aufnehmen.

5. Einrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gerillte Platte (15) eine mittig angeordnete Öffnung (18) und Rillen (17) aufweist, welche sich von der Öffnung radial nach außen erstrecken, wobei die Leitungsdrähte (19) durch die Öffnung (18) geführt werden.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Öffnung (18) ein Zugentlastungsstopfen (20) angeordnet ist, welcher an den Leitungsdrähten (19) anliegt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zugentlastungsstopfen (20) und die gerillte Platte (15) aus demselben Werkstoff hergestellt sind.

8. Einrichtung nach irgend einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die gerillte Platte (22) eine Reihe im wesentlichen paralleler Rillen (24) umfaßt, wobei die Rillen Leitungsdrähte (25) aufnehmen, welche in zumindest einem Leitungsbündel (26 bzw. 27) außerhalb der Platte (22) zusammengefaßt werden.

9. Einrichtung nach irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (21) aus Edelmetall aus Lahnen des entsprechenden Metalls gebildet werden.

10. Einrichtung nach irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetall Platin ist.

11. Einrichtung nach irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gerillte Platte (15; 22) aus demselben Metallwerkstoff wie die Leitungsdrähte (19; 25) gebildet ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff eine Metallegierung ist, welche in einer oxidierenden Atmosphäre an ihrer Oberfläche eine dünne, stabile, nichtleitende Oxidschicht bildet.