EP2174379A1

EP2174379A1 - Verspannung eines hochtemperaturbrennstoffzellenstacks

Info

Publication number: EP2174379A1
Application number: EP08773254A
Authority: EP
Inventors: Andreas Reinert; Christian Klahn
Original assignee: Staxera GmbH
Current assignee: Staxera GmbH
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2010-04-14
Also published as: DE102007036642A1; US20100196777A1; KR20100022527A; WO2009018792A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verspannplatte (10) zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels (70). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verspannplatte (10) aus mehreren Schichten (20, 40) aufgebaut ist, wobei eine erste dem Brennstoffzellenstapel zugewandte Schicht (20) und eine zweite an die erste Schicht anschließende und an der dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite liegende Schicht (40) vorgesehen sind, wobei die zweite Schicht (40) eine höhere Biegesteifigkeit als die erste Schicht (20) aufweist.

Description

VERSPANNUNG EINES HOCHTEMPERATURBRENNSTOFFZELLENSTACKS

Die Erfindung betrifft eine Verspannplatte zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels .

SOFC-BrennstoffZeilensysteme (SOFC = "solid oxide fuel cell") bestehen aus mehreren Komponenten, wozu unter anderem ein Reformer, ein Nachbrenner sowie ein SOFC-Brennstoffzel- lenstapel gehören. Diese Komponenten werden bei Temperaturen um 900 ⁰C betrieben.

Bekanntermaßen werden SOFC-Brennstoffzellenstapel unter ei- ner definierten Verspannung hergestellt. Diese Verspannung wird während der Fertigung, der Lagerung sowie der Fixierung im System durch temporäre oder endgültige Verspannungen gewährleistet. Aus der DE 103 08 382 B3 und der EP 1 394 880 Al sind Möglichkeiten zur Verspannung eines Brennstoffzel- lenstapels bekannt. Eine thermisch bedingte Längenänderung des Stapels bei Erwärmung von Raum- auf Betriebstemperatur muss durch die Verspannung ausgeglichen werden.

Die die Verspannung erzeugenden Bauteile können dabei intern sein, das heißt der Betriebstemperatur des SOFC-Brennstoff- zellenstapels ausgesetzt, wie in der EP 1 394 880 Al. Die notwendige Verspannkraft kann beispielsweise durch gasgefüllte Balge oder Dehnelemente aus Werkstoffpaarungen mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten erzeugt werden.

Nachteilig hierbei ist, dass für die Verspannung des SOFC- Brennstoffzellenstapels teure Materialien eingesetzt werden müssen, die der hohen Betriebstemperatur der SOFC-Brennstoffzelle standhalten. Weiterhin kommt es auch bei den ein- gesetzten Hochtemperaturlegierungen durch Kriechvorgänge zu einem Spannkraftverlust, der zu einem Aufwölben des SOFC- Brennstoffzellenstapels führen kann.

Alternativ ist auch bekannt die Verspannung extern anzuord- nen, das heißt außerhalb einer den SOFC-Brennstoffzellensta- pel umgebenden Isolierung. Eine solche Lösung ist beispielsweise aus der DE 103 08 382 B3 bekannt, wobei die Verspannung über die Isolation auf den Brennstoffzellenstapel wirkt .

Nachteilig bei dieser Anordnung sind Probleme die durch das Schwinden der Dämmung entstehen. Weiterhin ist es schwierig, mit an der Dämmung vorbeiwirkenden Verspannungseinrichtungen den Brennstoffzellenstapel zu erreichen, um die notwendigen Verspannungskräfte zu übertragen.

Um den Zusammenhalt des Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten und ein Aufwölben des Stapels zu vermeiden, ist eine axiale Verspannkraft über den ganzen Temperaturbereich zwi- sehen Raum- und Betriebstemperatur hinweg notwendig.

Im Allgemeinen sind die Platten am Ende des Brennstoffzellenstapels deshalb massiv ausgelegt, um auch bei den durch die hohen Temperaturen resultierenden geringen Festigkeiten des Materials ein Aufwölben des Stapels zu vermeiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungs- gemäße Verspannplatte für einen SOFC-Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile zumindest teilweise überwindet.

Diese Aufgabe wird durch die Verspannplatte gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Verspannplatte baut auf den Stand der Technik dadurch auf, dass die Verspannplatte aus mehreren Schichten aufgebaut ist, dass eine erste dem Brennstoffzel- lenstapel zugewandte Schicht und eine zweite an die erste Schicht anschließende und an der den Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite liegenden Schicht vorgesehen sind und dass die zweite Schicht eine höhere Biegesteifigkeit als die erste Schicht aufweist. Ein mehrschichtiger Aufbau der Verspannplatte ermöglicht die Kombination unterschiedlicher Materialien und Materialeigenschaften in der Verspannplatte. Dadurch wird es möglich je nach Bedarf die Verspannplatte leichter, dünner, oder bei gleicher Dicke steifer auszuführen. Die hohe Steifigkeit der Verspannungsplatte ist notwendig, um ein durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur hervorgerufenes Aufwölben des Stapels zu verhindern und eine Ebenheit von Grund- und Deckplatte bei Betriebstemperatur zu gewährleisten. Dünne Endplatten aus ferritischen Stählen neigen durch die intensive Kriechneigung zur Verformung.

Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Schicht miteinander fest verbunden sind. Die feste

Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Schicht kann beispielsweise durch eine Verschraubung oder einer Verlötung erfolgen. Durch die feste Verbindung der ersten und der zweiten Schicht wird die Montage, das heißt insbesondere das Verspannen, des Brennstoffzellenstapels erleichtert.

Die Verspannplatte kann vorteilhafterweise dadurch weiterentwickelt werden, dass die zweite Schicht einer Feuerfestkeramik aufweist. Eine Feuerfestkeramik, wie zum Beispiel Feuerleichtstein, Feuerfeststampfmasse, Feuerfestbeton, oder Schamotte weisen auch bei hohen Temperaturen eine hohe Biegesteifigkeit auf, weshalb sie gut für die Versteifung der Verspannplatte geeignet ist . Feuerfestkeramik kann in einfa- eher Weise günstig in verschiedenen Qualitäten und Formen bezogen werden. Weiterhin ist ihre auch bei hohen Temperaturen vorhandene Biegesteifigkeit geeignet einem Aufwölben des Brennstoffzellenstapels bei Betriebstemperatur entgegenzuwirken. Auch wirkt die Feuerfestkeramik als eine elektrische und erste thermische Isolationsschicht des Brennstoffzellenstapels

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die erste Schicht ein dünnes Metallblech aufweist. Das verwendete dünne Metall- blech steht dann in direktem Kontakt mit dem Brennstoffzellenstapel, weshalb bei der Materialauswahl gewisse Einschränkungen hinsichtlich der Wärmeausdehnung etc. zu berücksichtigen sind. Üblicherweise weist das dünne Metall- blech ganz ähnliche mechanische Eigenschaften wie der Brenn- stoffzellenstapel selbst auf. Beispielsweise kann die Verspannplatte als Abschlussdeckel des Brennstoffzellenstapels verwendet werden, wobei die Gasdichtheit des Brennstoffzellenstapels im Bereich der Verspannplatte so besser gewährleistet werden kann.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass an der Verspannplatte eine dritte an der dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite liegende Schicht angeordnet ist.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die dritte Schicht ein dünnes Metallblech aufweist. Eine solche dritte Schicht mit einem dünnen Metallblech kann zum gleichmäßigen Übertragen der Verspannkräfte durch die zweite Schicht auf den Brennstoffzellenstapel dienen. Das dünne Metallblech kann eintei- lig oder auch mehrteilig sein, das heißt ein komplettes Blech sein oder einzelne große Unterlegscheiben aus Metall im Bereich der Verspannschrauben aufweisen. Dies kann auch hinsichtlich der Stabilität der Feuerfestkeramik vorteilhaft sein, da ein Bruch durch punktuell wirkende Verspannkräfte vermieden wird.

Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass die zweite und die dritte Schicht miteinander fest verbunden sind. Die fes- te Verbindung zwischen der zweiten und der dritten Schicht kann beispielsweise durch eine Verschraubung oder eine Verlötung hergestellt werden. Sie erleichtert insbesondere die Montage des SOFC-Brennstoffzellenstapels durch Vereinfachung der Verspannung.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass im Bereich der zweiten Schicht Mittel zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind. Die verwendeten Mittel zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels können beispielsweise einfache Ver- Spannschrauben sein, die in Verbindung mit Zugstangen und der Verspannplatte ein Aufwölben des Brennstoffzellenstapels verhindern.

Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass die Mittel zum Verspannen mindestens eine keramische Blattfeder und mindestens eine keramische Zugstange umfassen. Üblicherweise tritt bei Erwärmung des Brennstoffzellenstapels ein Spann- kraftverlust der Verspanneinrichtung auf, durch die Verwendung hochtemperaturbeständiger Legierungen auf . Dadurch kön- nen Undichtigkeiten entstehen, die eventuell die Funktionalität des Brennstoffzellenstapels gefährden. Zu diesem Zweck werden alle auf den Brennstoffzellenstapel Verspan- nungskräfte übertragenden Mittel zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels aus keramischen Werkstoffen gefertigt. Auf diese Weise lässt sich ein Spannkraftverlust durch Kriechvorgänge bei hochtemperaturbeständigen Legierungen vermeiden, wodurch die Verspannung des Brennstoffzellensta- pels auch nach wiederholten Temperaturwechseln zwischen Raum- und Betriebstemperatur beständig bleibt .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verspannen eines BrennstoffZellenstapels baut auf den Stand der Technik dadurch auf, dass die mindestens eine Verspannplatte aus mehreren Schichten aufgebaut ist, dass eine erste dem Brennstoffzel- lenstapel zugewandte Schicht und eine zweite an die erste Schicht anschließende und an der dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite liegende Schicht vorgesehen sind und dass die zweite Schicht eine höhere Biegesteifigkeit als die ers- te Schicht aufweist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungs- gemäßen Verspannplatte ;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Verspannplatte und

Figur 3 eine schematische Darstellung der in Figur 1 dargestellten Verspannplatte im fest monierten Zu- stand.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verspannplatte 10. Die Verspannplatte 10 um- fasst eine erste Schicht 20, eine zweite Schicht 40 und eine dritte Schicht 30. Weiterhin sind Verspannschrauben 50 dargestellt, die mit Zugstangen 60 verbunden sind. Die Zugstangen 60 sind als einen Brennstoffzellenstapel 70 durchdringend dargestellt. Es ist auch denkbar, dass die Zugstan- gen nicht die Brennstoffzelle selbst durchdringen, sondern den Bereich der Reaktionsmittelzu- und -abführungen durchdringen oder dass die Zugstangen außerhalb des eigentlichen Stapels durch eine den Stapel umgebende Isolierung geführt werden. An dem der dargestellten Verspannplatte 10 gegenü- berliegenden Ende des Brennstoffzellenstapels 70 ist üblicherweise eine Möglichkeit zur Fixierung der Zugstangen 60 vorgesehen. Beispielsweise kann eine weitere Verspannplatte 10 auf der anderen Seite des Brennstoffzellenstapels 70 vorgesehen sein, jedoch ist auch eine weniger aufwendige Kon- struktion auf der nicht dargestellten Seite des Brennstoffzellenstapels 70 denkbar, da die Aufwölbung des Brennstoffzellenstapels 70 hauptsächlich in einer Richtung stattfindet. Die erste Schicht 20 und die dritte Schicht 30 weisen jeweils ein dünnes Metallblech auf, während die zweite Schicht 40 eine Feuerfestkeramik aufweist.

Die in Figur 1 dargestellte Verspannplatte 10 ist noch nicht vollständig an dem Brennstoffzellenstapel 70 montiert, was an dem Spalt zwischen der ersten Schicht 20 und dem Brenn- stoffzellenstapel 70 erkennbar ist. Die Verspannschrauben 50 werden durch die dritte Schicht 30 auf die Zugstangen 30 aufgeschraubt und übertragen bei Raumtemperatur die Ver- spannkraft über die dritte Schicht 30 gleichmäßig auf die zweite Schicht 40, die erste Schicht 20 und den Brennstoff- zellenstapel 70.

Bei Raumtemperatur verhindert die Verspannplatte 10 ein durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufenes Aufwölben des Brennstoffzellenstapels 70. Die in Figur 1 dargestellte Verspannung des Brennstoffzellenstapels 70 ist nur bei Raumtemperatur ausreichend. Im Wesentlichen fehlen die elastischen Elemente, die die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten des Brennstoffzellenstapels 70 und der Verspanneinrichtung bei Erwärmung kompensieren können. Der Brennstoffzellenstapel 70 kann mit der dargestellten Verspannung zwar montiert werden, sollte vor Inbetriebnahme jedoch eine endgültige Verspannung erhalten. Diese kann wahlweise temperaturbeständig innerhalb einer Iso- lierung ausgeführt sein beziehungsweise nicht temperaturbeständig außerhalb der Isolierung des Brennstoffzellenstapels ausgeführt werden. Die von der endgültigen Verspannung auf die Verspannplatte 10 ausgeübte Verspannkraft wirkt auf die dritte Schicht 30, die ein Metallblech aufweist. Dadurch wird die punktuell angelegte Verspannkraft gleichmäßig über die Verspannplatte 10 verteilt und somit eine plastische Verformung des Brennstoffzellenstapels 70 durch die Verspannkraft verhindert.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Verspannplatte 10. Die Verspannplatte 10 umfasst wieder eine erste Schicht 20, die ein dünnes Metall- blech aufweist, und eine zweite Schicht 40, die wieder eine biegesteife Feuerfestkeramik, wie zum Beispiel Feuerleicht- stein, Feuerfeststampfmasse, Feuerfestbeton oder Schamotte aufweist. Falls erwünscht kann die zweite Schicht 40 durch Metallfasern oder Korundstäbchen oder andere verstärkende Materialien weiter verstärkt werden. Im Bereich der zweiten Schicht 40, ist weiterhin ein Hohlraum 100 vorgesehen, der durch ein Verschlussstück 90 verschließbar ist. Im Inneren des Hohlraums 100 ist eine keramische Blattfeder 80 angeordnet, die über Verspannschrauben 110 mit keramischen Zugstangen 60 gekoppelt ist und so Verspannkräfte auf einen Brennstoffzellenstapel 70 ausüben kann. Durch Variation der An- Ordnung der Blattfeder 80 oder das Vorsehen mehrere Blattfedern lässt sich auch eine Anpassung an unterschiedliche Geometrien des Brennstoffzellenstapels erreichen. Ein Hohlraum 100 zur Aufnahme der Blattfeder 80 ist nicht zwingend erforderlich. Eine entsprechende Strukturierung des keramischen Materials ist ausreichend.

Die dargestellte Verspannplatte 10 ist analog zu der in Figur 1 dargestellten Verspannplatte in noch nicht vollständig montiertem Zustand dargestellt, wie an dem Spalt zwischen der ersten Schicht 20 und dem Brennstoffzellenstapel 70 erkennbar ist . Auch ist die gegenüberliegende Seite des Brennstoffzellenstapels 70 wie schon in Figur 1 nicht dargestellt. Jedoch gelten zur Figur 1 analoge Argumente und auf der gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels 70 muss eine weitere zumindest einfache Möglichkeit zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels 70 vorgesehen sein.

Im Gegensatz zu der in Figur 1 dargestellten Verspannplatte kann mit der in Figur 2 dargestellten Verspannplatte 10 eine

Aufwölbung beziehungsweise Verformung des Brennstoffzellenstapels 70 nicht nur bei Zimmertemperatur sondern auch bei Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 70 verhindert werden. Dies wird durch die Verwendung keramischer Materia- lien zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels 70, die auch bei Erwärmung keinen Spannkraftverlust aufweisen und die keramische Blattfeder 80 als elastisches Element möglich.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der in Figur 1 dargestellten Verspannplatte 10 im fest monierten Zustand. Es ist kein Spalt mehr zwischen der ersten Schicht 20 und dem Brennstoffzellenstapel 70 vorhanden und die von den Ver- spannschrauben 50 aufgebrachte Verspannkraft wird als gleichmäßiger Druck übertragen. Weiterhin ist von dem Brennstoffzellenstapel 70 ein oberer Teil dargestellt, wobei die einzelnen Brennstoffzellen durch parallele Lienen innerhalb des Stapels angedeutet sind. Die parallelen Linien sind da- bei gleichzeitig Schichtungen der verschiedenen Materialien aus denen die einzelnen Zellen aufgebaut sind.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Bezugszeichenliste :

10 Verspannplatte

20 erste Schicht 30 dritte Schicht

40 zweite Schicht

50 Verspannschrauben

60 Zugstangen

70 Brennstoffzellenstapel 80 keramische Blattfeder

90 Verschlussstück

100 Hohlraum

110 Verspannschrauben

Claims

ANSPRÜCHE

1. Verspannplatte (10) zur Verspannung eines Brennstoff - zellenstapels (70) , dadurch gekennzeichnet,

dass die Verspannplatte (10) aus mehreren Schichten (20, 40) aufgebaut ist,

dass eine erste dem Brennstoffzellenstapel zugewandte Schicht (20) und eine zweite an die erste Schicht anschließende und an der dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite liegende Schicht (40) vorgesehen sind und

dass die zweite Schicht (40) eine höhere Biegesteifig- keit als die erste Schicht (20) aufweist.

2. Verspannplatte (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (20) und die zweite Schicht (40) miteinander fest verbunden sind.

3. Verspannplatte (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (40) eine Feuerfestkeramik aufweist.

4. Verspannplatte (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (20) ein dünnes Metallblech aufweist.

5. Verspannplatte (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Verspannplatte (10) eine dritte an der dem Brennstoffzellenstapel (70) abgewandten Seite liegende Schicht (30) angeordnet ist.

6. Verspannplatte (10) gemäß einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht

(30) ein dünnes Metallblech aufweist.

7. Verspannplatte (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (40) und die dritte Schicht (30) miteinander fest verbunden sind.

8. Verspannplatte (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der zweiten Schicht (40) Mittel zum Verspannen des BrennstoffZellenstapels (80) angeordnet sind.

9. Verspannplatte (10) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Verspannen mindestens eine keramische Blattfeder (80) und mindestens eine keramische Zugstange (60) umfassen.

10. Vorrichtung zum Verspannen eines Brennstoffzellensta- pels (70) mit mindestens einer Verspannplatte (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass die mindestens eine Verspannplatte (10) aus mehreren Schichten (20, 40) aufgebaut ist,

- dass eine erste dem Brennstoffzellenstapel (70) zugewandte Schicht (20) und eine zweite an die erste Schicht anschließende und an der dem Brennstoffzellenstapel (70) abgewandten Seite liegende Schicht (40) vorgesehen sind und dass die zweite Schicht (40) eine höhere Biegesteifig- keit als die erste Schicht (20) aufweist.