WO2023197021A1 - Dichtvorrichtung für zumindest einen brennstoffzellenstapel - Google Patents

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WO2023197021A1
WO2023197021A1 PCT/AT2023/060125 AT2023060125W WO2023197021A1 WO 2023197021 A1 WO2023197021 A1 WO 2023197021A1 AT 2023060125 W AT2023060125 W AT 2023060125W WO 2023197021 A1 WO2023197021 A1 WO 2023197021A1
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WO
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fuel cell
cell stack
housing
sealing device
further seal
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PCT/AT2023/060125
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French (fr)
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Vincent Lawlor
Christoph SCHLUCKNER
Robert Pöschl
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Avl List Gmbh
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    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
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    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies

Definitions

  • the invention relates to a sealing device for at least one fuel cell stack, in particular an SOFC fuel cell stack, comprising a housing and at least one fuel cell stack arranged or able to be arranged within the housing, the at least one fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells, the fuel cells having at least one further seal at their lateral ends have, wherein the housing surrounds the at least one fuel cell stack with the further seal.
  • the object of the invention is to provide a sealing device which solves the problems listed above, in particular reduces pressure differences.
  • a further aim is to specify a use of such a fuel cell system.
  • the object is achieved according to the invention in that in a sealing device of the type mentioned at the outset, at least one sealing element for pressure compensation is arranged between the housing and the further seal.
  • sealing device can be seen in particular in the fact that the housing in particular no longer directly connects to the further seal, but rather the sealing element between the housing and the further seal is arranged.
  • the sealing element can therefore be viewed as a buffer device and/or pressure compensation element.
  • the sealing device comprises at least one, preferably several, for example forty, fuel cell stacks, wherein the housing is preferably arranged around all fuel cell stacks, i.e. a common housing is designed and provided for all fuel cell stacks.
  • the housing seals the fuel cell stacks in a gas-tight manner from the environment outside the fuel cell stacks, although generally not in a pressure-tight manner.
  • the ambient pressure then acts on the fuel cell stack and in particular the at least one further seal. Due to the sealing element according to the invention, the housing is arranged at a distance from the fuel cell stack and the further seal.
  • the sealing element is preferably arranged between an inlet side and an outlet side, but each to the side thereof, of the fuel cell stack. Since the fuel cells are sealed at both ends over an entire height of the fuel cell stack with the further seal, at least one sealing element is also arranged on both sides of the fuel cell stack between the housing and the fuel cell stack.
  • the sealing device according to the invention is not only to be understood as the seal itself, but, as described, a sealing device comprising at least one fuel cell stack.
  • the seal described can be used advantageously for any design and configuration, in particular SOFC fuel cell stacks.
  • the sealing element in the context of the invention is in particular designed to be largely sealed.
  • the at least one fuel cell stack is designed with an open cathode, whereby a single air stream is guided over the entire fuel cell stack or stacks.
  • the housing limits the airflow to the outside.
  • part of this air flow is also guided outside the fuel cell stack itself to at least the sealing element.
  • this can Sealing element can advantageously be arranged approximately in the middle of the further seal in a top view. This makes it possible for the air flow to flow outside the fuel cell stack both on the input side and on the output side. Consequently, it is no longer the ambient pressure that acts on the additional sealing element, but rather the pressure of the air flow. A pressure difference is therefore reduced and the additional sealing element(s) remains in the intended location even at high temperatures.
  • the distance between the housing and the fuel cell stack which essentially corresponds to a thickness of the sealing element, should advantageously not exceed a defined width, so that a large part of the air volume of the air flow flows inside and not outside the fuel cell stack.
  • An air flow flows through the fuel cell stack or stacks, in particular horizontally, with an anode path being essentially approximately orthogonal thereto.
  • One or more fuel cell stacks are arranged within the housing, with a collecting manifold for supplying anode supply gas or fuel being arranged in particular on their underside or vertically lowest point. Building on this collecting manifold there are several, for example 50, individual fuel cells, which are preferably flat and stacked on top of each other and form a fuel cell stack.
  • the fuel cell stacks are preferably designed with an open cathode, with the air flow being guided over all fuel cell stacks within the housing. This is preferably guided laterally onto the fuel cell stack in such a way that the air is guided between (and also laterally from) the ends of the fuel cells, which include the additional seal.
  • Anode supply gas is supplied to the fuel cell stack on an underside, flows through it essentially vertically upwards and is then guided back down to the collecting manifold, where the anode supply gas usually exits the collecting manifold again.
  • the sealing element is gas-tight or slightly porous. If the sealing element is designed to be slightly porous, a small portion of the air can flow through it, so that a pressure gradient is formed between an inlet side and an outlet side of the fuel cell stack, since the sealing element is designed to be slightly leaky. This pressure gradient outside the fuel cell stack (but inside the housing) essentially corresponds to that pressure gradient which is inside the fuel cell stack. Is the sealing element in contrast Designed to be gas-tight, the pressure of the outlet side of the fuel cell stack prevails above the sealing element and the pressure of the inlet side of the fuel cell stack prevails below it.
  • the sealing element can preferably be made of an aluminum silicate or sealing folders or swelling material (swell mat) or similar materials.
  • the sealing element extends either over an entire side of the at least one fuel cell stack or only over a part of it.
  • the sealing element advantageously extends over the entire depth and/or height of a fuel cell stack, which is then advantageously designed to be porous, so that pressure equalization can take place between a fuel cell input side and a fuel cell output side.
  • the sealing element only extends over part of a height of the fuel cell stack, which can advantageously be arranged approximately in the middle of a height and/or a depth of the fuel cell stack. However, this can also be arranged, for example, at a lower or upper end of the fuel cell system.
  • the sealing element can advantageously be designed to be gas-tight or somewhat gas-permeable.
  • it can also be advantageous if two or more sealing elements are arranged per side of the fuel cell stack, with these being at a predetermined distance from one another.
  • each fuel cell stack has at least one further seal and a sealing element being arranged between the further seal of two fuel cell stacks.
  • the individual fuel cell stacks are advantageously both stacked on top of one another and arranged next to one another, so that a type of wall or array is formed.
  • each fuel cell stack includes at least one additional seal on each side of the stack.
  • a sealing element for both fuel cell stacks is advantageously provided between two fuel cell stacks, which is always shared by two fuel cell stacks. As described above, two or more sealing elements can also be arranged vertically one above the other between two fuel cell stacks.
  • each fuel cell stack includes its own collecting manifold for supplying anode feed gas.
  • the sealing element can, for example, also have a specific form the entire height of all fuel cell stacks. With such an arrangement of several fuel cell stacks, these are in turn advantageously designed with an open cathode, so that an air stream can flow on and through them together.
  • the fuel cell stacks are surrounded by a common housing.
  • the sealing element has a capillary element or can be bypassed by a capillary element.
  • a capillary element can be advantageous for the defined passage of air, so that air can also flow outside the fuel cell stack from a fuel cell inlet to a fuel cell outlet.
  • the capillary element is designed in particular as a pressure-communicating tube.
  • the capillary element can either pass directly through the sealing element or be designed as a type of bypass, which is designed to run around the housing and bypasses the sealing element.
  • the capillary element is formed, for example, from steel or a corresponding alloy.
  • sealing elements are arranged between the further seal and the housing and/or between the further seal of a first fuel cell stack and the further seal of a further fuel cell stack.
  • the sealing elements are arranged vertically one above the other on each side of a fuel cell stack and spaced apart from one another. By arranging two or more sealing elements, an air flow outside the fuel cell stack can be controlled even better.
  • the sealing element When producing the sealing device, it can be advantageous if the sealing element is pressed onto the further seal of the fuel cell stack.
  • the advantage here is that it does not necessarily have to be necessary for the sealing element to be gas-tight with the further seal.
  • the object is alternatively achieved in that, in a sealing device of the type mentioned at the outset, a predetermined air gap for pressure equalization is arranged between the housing and the further seal.
  • At least one further seal is provided on both sides of the fuel cell stack, which does not directly connect to the housing, since either at least one sealing element or an air gap is provided on both sides of the fuel cell stack, so that pressure equalization can take place between an inlet and an outlet of the fuel cell stack.
  • the sealing device according to the invention with at least one fuel cell stack is advantageously used in a SOFC fuel cell system, which is preferably designed or used as a stationary system.
  • a corresponding SOFC fuel cell system advantageously includes further elements such as a reformer, an afterburner, several heat exchangers, possibly a recirculation section as well as several lines, valves and the like. If there are several fuel cell stacks, it is advantageous if they are arranged in a kind of matrix, with those fuel cell stacks that are stacked one above the other in a row being electrically connected to one another.
  • the fuel cell stacks arranged next to one another should be electrically insulated from one another.
  • the sealing element or the air gap itself can advantageously be used for this purpose and, for example, ceramic insulation can be dispensed with.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a top view of a sealing device according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a top view of a further sealing device according to the invention.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a top view of a further sealing device according to the invention
  • 4 shows a schematic representation of a top view of a further sealing device according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a section through a further sealing device according to the invention
  • Fig. 6 is a schematic representation of a top view of a further sealing device according to the invention.
  • Fig. 1 shows a top view of a sealing device 1 according to the invention with a fuel cell stack 2.
  • the fuel cell stack 2 comprises a plurality of fuel cells 4, which are not marked in Fig. 1. Since this figure represents a top view, exactly one fuel cell 4 can be seen from above, since the rest are stacked underneath.
  • the fuel cell stack 2 is arranged within a housing 3.
  • the individual fuel cells 4 are electrically sealed at their two lateral ends with a further seal 5 between the individual elements of the fuel cells 4.
  • the further seal 5 is made of glass and extends over the entire height and preferably depth of the fuel cell stack 2.
  • the fuel cell stack 2 is designed with an open cathode, so that an air flow L can be guided over the entire surface of the fuel cell stack 2.
  • a sealing element 6 is arranged on both sides of the fuel cell stack 2 between the housing 3 and the fuel cell stack 2 or the further seal 5. According to FIG. 1, this is located approximately halfway down the fuel cell stack 2 and is designed to be gas-tight or porous.
  • the housing 3 is arranged at a distance from the fuel cell stack 2 by the sealing element 6, so that the air flow L does not completely pass through the fuel cell stack 2, but a part of it also passes to the right and left of it. This ensures that the pressure outside the fuel cell stack °2 essentially corresponds to that in the fuel cell stack 2. Since the air can flow at least as far as the sealing element 6 even at an exit from the fuel cell stack 2, it is ensured that the further seal 5 does not have to withstand the pressure outside the housing 3. If the sealing element 6 is porous, this means that a certain proportion of air can also penetrate through the sealing element 6.
  • the distance between the housing 3 and the further seal 5 is quite large in all figures and the sealing element 6 is shown quite large. It goes without saying that this distance should be so small that the majority of the air flows through the fuel cell stack 2 itself, with only a predetermined portion flowing past to the right and left of it.
  • FIG. 2 shows a top view of a further sealing device 1 according to the invention. Elements which have the same function and in particular the same arrangement as those according to FIG. 1 also have the same reference numerals and will not be described further. 1, in the sealing device 1 according to FIG designed so that a predetermined proportion of air can pass through it and a pressure gradient between the housing 3 and the further seal 5 essentially corresponds to that within the fuel cell stack 2.
  • FIG. 3 shows a top view of a further sealing device 1 according to the invention. Elements which have the same function and in particular the same arrangement as those according to FIG. 1 and/or FIG. 2 also have the same reference numbers and will not be described further.
  • This is a view in which three fuel cell stacks 2 are arranged side by side. Several fuel cell stacks 2 can also be arranged one above the other. It can be seen that a sealing element 6 is provided not only between the fuel cell stack 2 with a further seal 5 and the housing 3, but also between two fuel cell stacks 2. One sealing element 6 is sufficient for two fuel cell stacks 2. Another advantage of such an arrangement is that the sealing element 6 also eliminates the need for a separate electrical fuse horizontally between the individual fuel cell stacks 2. The sealing element 6 itself also forms an electrical seal.
  • the individual fuel cell stacks 2 should be electrically connected to one another vertically.
  • the housing 3 contains all fuel cell len stack 2 and the air flow L hits and flows through all fuel cell stacks at the same time.
  • 3 shows two different options for arranging and designing the sealing elements 6: two sealing elements 6 are arranged between two fuel cell stacks 2 and between a fuel cell stack 2 and the housing 3, these being at the two lateral ends of the fuel cell 2 are arranged.
  • the other two sealing elements 6 shown extend over an entire depth of the fuel cell stack 2. It is understood that the arrangements and designs of the sealing elements 6 are only shown here as an example. Any number can be provided and combined. These can be different as shown here, or all sealing elements 6 per sealing device 1 can be designed the same.
  • FIG. 4 shows a top view of a further sealing device 1 according to the invention. Elements which have the same function and in particular the same arrangement as those according to FIG. 1 and/or FIG. 2 and/or FIG. 3 also have the same reference numbers and are not described further.
  • This sealing device 1 again comprises a plurality of fuel cell stacks 2, with the sealing elements 6 being arranged approximately in the middle of the fuel cell stack 2 and not extending over their entire depth.
  • capillary elements 7 are provided, which either pass through the gas-tight sealing element 6 (see sealing elements 6 between two fuel cell stacks 2) or form a pressure-communicating bypass around the sealing element 6 (see sealing elements 6 between fuel cell stack 2 and housing 3).
  • the capillary elements 7 are essentially tubes which are designed such that a pressure on an input side essentially corresponds to that on an output side of the fuel cell stack 2. It goes without saying that the arrangements of the capillary elements 7 are shown here only as examples. Either all of them can pass through the sealing elements 6 or they can all be designed as a bypass or can be combined in any way.
  • FIG. 5 shows a top view of a sealing device 1 according to the invention with several fuel cell stacks 2. Elements which have the same function and in particular the same arrangement as those according to FIG. 1 and/or FIG. 2 and/or FIG. 3 and/or FIG. 4 also have the same reference numerals and will not be described further.
  • the individual fuel cells 4 are shown schematically, it being understood that these usually extend over the entire width of the fuel cell stack 2. Just for a better display not all fuel cells 4 are shown. In this representation, the air flow L would lead into the plane of the leaf.
  • a collecting manifold 9 for supplying anode supply gas or fuel can be seen here.
  • the sealing device 1 can advantageously also include one or more vertical rows of fuel cell stacks 2 with the elements as shown in FIG. 5, the individual rows then being stacked one above the other and all being arranged within a common housing 3.
  • Each fuel cell stack 2 includes its own manifold 9, but the air flow L passes through all fuel cell stacks 2 together, since these are designed with an open cathode.
  • FIG. 1 A second variant of the sealing device 1 according to the invention is shown in FIG. This does not include a sealing element 6, but rather an air gap 8 is provided to create pressure equalization between a fuel cell inlet and a fuel cell outlet.
  • the air flow L not only passes through the respective fuel cell stacks 2, but air also passes between the fuel cell stacks 2 and between the fuel cell stack 2 and the housing 3.
  • the respective air gap 8 is also always shown oversized in FIG. Elements which have the same function and in particular the same arrangement as those according to FIG. 1 and/or FIG. 2 and/or FIG. 3 and/or FIG. 4 and/or FIG. 5 also have the same reference numbers and are not further described.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtvorrichtung (1) für zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2), insbesondere einen SOFC-Brennstoffzellenstapel, umfassend ein Gehäuse (3) und zumindest einen innerhalb des Gehäuses (3) angeordneten oder anordenbaren Brennstoffzellenstapel (2), wobei der zumindest eine Brennstoffzellenstapel (2) mehrere Brennstoffzellen (4) umfasst, wobei die Brennstoffzellen (4) an deren seitlichen Enden zumindest jeweils eine weitere Dichtung (5) aufweisen, wobei das Gehäuse (3) den zumindest einen Brennstoffzellenstapel (3) mit der weiteren Dichtung (5) umgibt, wobei zwischen dem Gehäuse (3) und der weiteren Dichtung (5) zumindest ein Dichtelement (6) zum Druckausgleich angeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere SOFC-Brennstoffzellensystem mit einer solchen Dichtvorrichtung (1).

Description

Dichtvorrichtung für zumindest einen Brennstoffzellenstapel
Die Erfindung betrifft eine Dichtvorrichtung für zumindest einen Brennstoffzellenstapel, insbesondere einen SOFC-Brennstoffzellenstapel, umfassend ein Gehäuse und zumindest einen innerhalb des Gehäuses angeordneten oder anordenbaren Brennstoffzellenstapel, wobei der zumindest eine Brennstoffzellenstapel mehrere Brennstoffzellen umfasst, wobei die Brennstoffzellen an deren seitlichen Enden zumindest eine weitere Dichtung aufweisen, wobei das Gehäuse den zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit der weiteren Dichtung umgibt.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass einzelne Elemente von Brennstoffzellen (Anode, Kathode, Bipolarplatte) innerhalb des Brennstoffzellenstapels gegeneinander intern abzudichten. Dies wird mit einer weiteren Dichtung, welche in der Regel aus einem Glas gebildet ist, durchgeführt. Allerdings ist es durchaus möglich, dass beim Betrieb von insbesondere SOFC-Brennstoffzellensystemen aufgrund der hohen Temperaturen auch in einem Brennstoffzellenstapel desselben diese Glasdichtung zu schmelzen beginnt bzw. sich verflüssigt. Sind dabei die Druckunterschiede zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Umgebung zu groß, kann es sein, dass die Glasdichtung nach außen gedrückt wird. Dies sollte unbedingt vermieden werden, da dadurch der Brennstoffzellenstapel geschädigt oder sogar zerstört wird.
Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dichtvorrichtung bereitzustellen, welche die oben angeführten Probleme löst, insbesondere Druckunterschiede vermindert.
Weiter ist es ein Ziel, ein eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Dichtvorrichtung der eingangs genannten Art zwischen dem Gehäuse und der weiteren Dichtung zumindest ein Dichtelement zum Druckausgleich angeordnet ist.
Ein durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Dichtvorrichtung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass dadurch das Gehäuse insbesondere nicht mehr unmittelbar an die weitere Dichtung anschließt, sondern das Dichtelement zwischen dem Gehäuse und der weiteren Dichtung angeordnet ist. Das Dichtelement kann also als Puffereinrichtung und/oder Druckausgleichselement angesehen werden.
Die Dichtvorrichtung umfasst zumindest einen, bevorzugt mehrere, beispielsweise vierzig Brennstoffzellenstapel, wobei das Gehäuse bevorzugt um alle Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, sprich es ist ein gemeinsames Gehäuse für alle Brennstoffzellenstapel ausgebildet und vorgesehen. Das Gehäuse dichtet die Brennstoffzellenstapel gegen die Umgebung außerhalb der Brennstoffzellenstapel gasdicht, allerdings in der Regel nicht druckdicht ab. Bei Dichtvorrichtungen und/oder Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik wirkt dann also der Umgebungsdruck auf den Brennstoffzellenstapel und insbesondere die zumindest eine weitere Dichtung. Durch das Dichtelement gemäß der Erfindung ist das Gehäuse vom Brennstoffzellenstapel und der weiteren Dichtung beabstandet angeordnet. In einer vertikalen Richtung ist das Dichtelemente bevorzugt zwischen einer Einlassseite und einer Auslassseite, aber jeweils seitlich davon, des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Da die Brennstoffzellen an beiden Enden über eine gesamte Höhe des Brennstoffzellenstapels mit der weiteren Dichtung abgedichtet sind, ist auch auf beiden Seiten des Brennstoffzellenstapels zumindest ein Dichtelement zwischen dem Gehäuse und dem Brennstoffzellenstapel angeordnet.
Unter der erfindungsgemäßen Dichtvorrichtung ist im Rahmen der Erfindung nicht nur die Dichtung an sich zu verstehen, sondern wie beschrieben eine Dichtvorrichtung umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel. Die beschriebene Dichtung kann, um einen Druckausgleich zu schaffen vorteilhaft für beliebig ausgebildete und abgeordnete, insbesondere SOFC-Brennstoffzellenstapel verwendet werden. Im Rahmen der Erfindung ist es insbesondere nicht notwendig, dass das Dichtelement der Dichtvorrichtung hundertprozentig dicht ist. Dieses kann beispielsweise vorteilhaft auch teilweise gasdurchlässig sein, um einen Druckausgleich zu schaffen. Das Dichtelement im Rahmen der Erfindung ist insbesondere zu einem großen Teil dicht ausgebildet.
Bevorzugt ist der zumindest eine Brennstoffzellenstapel mit einer offenen Kathode ausgebildet, wodurch ein einziger Luftstrom über den oder die gesamten Brennstoffzellenstapel geführt wird. Das Gehäuse begrenzt den Luftstrom nach außen. Gemäß der Erfindung wird ein Teil dieses Luftstroms auch außerhalb des Brennstoffzellenstapels selbst bis zumindest zum Dichtelement geführt. Beispielsweise kann das Dichtelement mit Vorteil in einer Draufsicht etwa mittig der weiteren Dichtung angeordnet sein. Dadurch ist es möglich, dass der Luftstrom sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig außerhalb des Brennstoffzellenstapels strömen kann. Folglich wirkt nicht mehr der Umgebungsdruck auf das weitere Dichtelement, sondern der Druck des Luftstroms. Ein Druckunterschied ist also vermindert und das oder die weiteren Dichtelemente bleiben auch bei einer hohen Temperatur an der für diese vorgesehenen Stelle. Der Abstand zwischen dem Gehäuse und dem Brennstoffzellenstapel, welcher im Wesentlichen einer Dicke des Dichtelementes entspricht, sollte vorteilhaft eine definierte Breite nicht überschreiten, sodass ein Großteil der Luftmenge des Luftstromes innerhalb des und nicht außerhalb des Brennstoffzellenstapel strömt. Der oder die Brennstoffzellenstapel werden insbesondere horizontal von einem Luftstrom durchströmt, wobei ein Anodenverlauf im Wesentlichen etwa orthogonal dazu ist.
Innerhalb des Gehäuses sind ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel angeordnet, wobei insbesondere an deren Unterseite bzw. vertikal tiefsten Stelle ein Sammelkrümmer zum Zuführen von Anodenzuführgas bzw. Brennstoff angeordnet ist. Auf diesen Sammelkrümmer aufbauend befinden sich mehrere, beispielsweise 50 einzelne Brennstoffzellen, welche bevorzugt flächig ausgebildet und aufeinander gestapelt sind und einen Brennstoffzellenstapel ausbilden. Die Brennstoffzellenstapel sind bevorzugt mit einer offenen Kathode ausgebildet, wobei der Luftstrom innerhalb des Gehäuses über alle Brennstoffzellenstapel geführt wird. Dieser wird bevorzugt derart seitlich auf die Brennstoffzellenstapel geleitet, dass die Luft zwischen (und auch seitlich von) den Enden der Brennstoffzellen geführt sind, welche die zusätzliche Dichtung umfassen. Anodenzuführgas wird an einer Unterseite des Brennstoffzellenstapels diesem zugeführt, durchströmt diesem im Wesentlichen vertikal nach oben und wird dann wieder nach unten zum Sammelkrümmer geführt, wo das Anodenzuführgas in der Regel wieder aus dem Sammelkrümmer austritt.
Günstig ist es, wenn das Dichtelement gasdicht oder leicht porös ausgebildet ist. Ist das Dichtelement leicht porös ausgebildet, kann ein kleiner Teil der Luft durch diesen hindurch strömen, sodass ein Druckgradient zwischen einer Einlassseite und einer Auslassseite des Brennstoffzellenstapels gebildet ist, da das Dichtelement leicht undicht ausgebildet ist. Dieser Druckgradient außerhalb des Brennstoffzellenstapels (aber innerhalb des Gehäuses) entspricht im Wesentlichen jenem Druckgradienten, welcher innerhalb des Brennstoffzellenstapel ist. Ist das Dichtelement im Gegensatz dazu gasdicht ausgebildet, herrscht oberhalb des Dichtelementes der Druck der Auslassseite des Brennstoffzellenstapels und unterhalb desselben der Druck der Einlassseite des Brennstoffzellenstapels. Das Dichtelement kann bevorzugt aus einem Aluminiumsilikat oder Dichtmappen oder Quellmaterial (swell mat) oder ähnlichen Materialien ausgebildet sein.
Von Vorteil ist es, wenn sich das Dichtelement entweder über eine gesamte Seite des zumindest einen Brennstoffzellenstapel oder nur über einen Teil davon erstreckt. Bei einer ersten möglichen Variante erstreckt sich das Dichtelement mit Vorteil über die gesamte Tiefe und/oder Höhe eines Brennstoffzellenstapels, wobei dieses dann vorteilhaft porös ausgebildet ist, sodass ein Druckausgleich zwischen einen Brennstoffzelleingangsseite und einer Brennstoffzellenausgangsseite erfolgen kann. Bei einer anderen möglichen Variante, erstreckt sich das Dichtelement nur über einen Teil einer Höhe des Brennstoffzellenstapels, wobei dieses mit Vorteil etwa mittig einer Höhe und/oder einer Tiefe des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein kann. Allerdings kann dieses auch beispielsweise an einem unteren oder oberen Ende des Brennstoffzellensystems angeordnet sein. Bei diese Variante kann das Dichtelement vorteilhaft gasdicht oder etwas gasdurchlässig ausgebildet sein. Grundsätzlich kann es auch günstig sein, wenn zwei oder mehr Dichtelemente pro Seite des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind, wobei diese einen vorbestimmten Abstand zueinander aufweisen.
Zweckmäßig ist es, wenn mehrere Brennstoffzellenstapel innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, wobei jeder Brennstoffzellenstapel zumindest eine weitere Dichtung aufweist und zwischen der weiteren Dichtung zweier Brennstoffzellenstapel jeweils ein Dichtelement angeordnet ist. Die einzelnen Brennstoffzellenstapel sind dabei mit Vorteil sowohl übereinander gestapelt als auch nebeneinander angeordnet, sodass eine Art Mauer oder ein Array gebildet ist. Bei der Anordnung nebeneinander umfasst jeder Brennstoffzellenstapel zumindest eine eigene weitere Dichtung auf jeder Seite desselben. Zwischen zwei Brennstoffzellenstapel ist vorteilhaft ein Dichtelement für beide Brennstoffzellenstapel vorgesehen, welches sich immer zwei Brennstoffzellenstapel teil. Es können auch wie oben beschrieben zwei oder mehr Dichtelemente zwischen zwei Brennstoffzellenstapel vertikal übereinander angeordnet sein. Sind zwei oder mehr Brennstoffzellenstapel übereinander angeordnet umfasst jeder Brennstoffzellenstaple einen eigenen Sammelkrümmer zum Zuführen von Anodenzuführgas. Das Dichtelement kann sich dabei beispielsweise auch über eine ge- samte Höhe aller Brennstoffzellenstapel ausbilden. Bei einer solchen Anordnung von mehreren Brennstoffzellenstapel sind diese wiederum mit Vorteil mit einer offenen Kathode ausgebildet, sodass diese gemeinsam von einem Luftstrom an- und durchströmbar sind. Umgeben sind die Brennstoffzellenstapel mit einem gemeinsamen Gehäuse.
Vorteilhaft ist es, wenn das Dichtelement ein Kapillarelement aufweist oder durch ein Kapillarelement umgehbar ist. Ist das Dichtelement gasdicht ausgebildet, kann ein Kapillarelement zum definierten Durchtritt von Luft vorteilhaft sein, sodass Luft auch außerhalb des Brennstoffzellenstapels von einem Brennstoffzelleneingang zu einem Brennstoffzellenausgang fließen kann. Das Kapillarelement ist insbesondere als druckmäßig kommunizierendes Rohr ausgebildet. Dabei kann das Kapillarelement entweder direkt durch das Dichtelement durchführen oder als eine Art Bypass ausgebildet sein, welcher um das Gehäuse verlaufend ausgebildet ist und das Dichtelement umgeht. Das Kapillarelement ist beispielsweise aus einem Stahl oder einer entsprechenden Legierung gebildet.
Günstig ist es, wenn zwischen der weiteren Dichtung und dem Gehäuse und/oder zwischen der weiteren Dichtung eines ersten Brennstoffzellenstapels und er weiteren Dichtung eines weiteren Brennstoffzellenstapels ein, zwei, drei oder mehr Dichtelemente angeordnet sind. Die Dichtelemente sind je Seite eines Brennstoffzellenstapels vertikal übereinander und beabstandet voneinander angeordnet. Durch eine Anordnung von zwei oder mehr Dichtelementen kann ein Luftstrom außerhalb des Brennstoffzellenstapel noch besser kontrolliert werden.
Bei einer Herstellung der Dichtvorrichtung kann es vorteilhaft sein, wenn das Dichtelement auf die weitere Dichtung des Brennstoffzellenstapels gepresst wird. Vorteilhaft ist dabei, dass es nicht zwingend notwendig sein muss, dass das Dichtelement gasdicht mit der weiteren Dichtung ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß alternativ auch dadurch gelöst, dass bei einer Dichtvorrichtung der eingangs genannten Art zwischen dem Gehäuse und der weiteren Dichtung ein vorbestimmter Luftspalt zum Druckausgleich angeordnet ist.
Ein dadurch erzielter Vorteil ist insbesondere auch darin zu sehen, dass dadurch das Gehäuse insbesondere nicht mehr unmittelbar an die weitere Dichtung anschließt, sondern der Luftspalt ist zwischen dem Gehäuse und der weiteren Dichtung ange- ordnet ist. Der Luftspalt kann also als Puffereinrichtung angesehen werden, wobei das Gehäuse nicht mehr direkt an den Brennstoffzellenstapel anschließt. Hierbei handelt es sich um eine Alternative zum Dichtelement, welche im Wesentlichen die gleichen Vorteile wie ausführlich oben dargelegt aufweist.
Vorteilhaft bei beiden, Dichtelement und Luftspalt, Ausführungen ist es, wenn das Gehäuse mittelbar an die weitere Dichtung anschließt. Beidseitig des Brennstoffzellenstapels ist jeweils zumindest eine weitere Dichtung vorgesehen, welche nicht unmittelbar an das Gehäuse anschließt, da auf beiden Seiten des Brennstoffzellenstapels entweder zumindest ein Dichtelement oder ein Luftspalt vorgesehen ist, sodass ein Druckausgleich zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Brennstoffzellenstapels erfolgen kann.
Die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung mit zumindest einem Brennstoffzellenstapel wird mit Vorteil in einem SOFC-Brennstoffzellensystem verwendet, welcher bevorzugt als stationäre Anlage ausgebildet ist oder verwendet wird. Ein entsprechendes SOFC-Brennstoffzellensystem umfasst vorteilhaft weitere Elemente wie einen Reformer, einen Nachbrenner, mehrere Wärmetauscher, gegebenenfalls einen Rezirku- lationsabschnitt sowie mehrere Leitungen, Ventile und dergleichen. Sind mehrere Brennstoffzellenstapel vorhanden ist es vorteilhaft, wenn diese in einer Art Matrix angeordnet sind, wobei jene Brennstoffzellenstapel, welche übereinander in einer Reihe gestapelt sind elektrisch miteinander verbunden sind. Die nebeneinander angeordneten Brennstoffzellenstapel sollen elektrisch isoliert voneinander sein. Mit Vorteil kann hierfür das Dichtelement oder der Luftspalt selbst verwendet und auf beispielsweise eine keramisch Isolierung verzichtet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigt schematisch:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Dichtvorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Dichtvorrichtung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Dichtvorrichtung; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Dichtvorrichtung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch eine weitere erfindungsgemäße Dichtvorrichtung;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Dichtvorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Dichtvorrichtung 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2. Der Brennstoffzellenstapel 2 umfasst mehrere Brennstoffzellen 4, welche in Fig. 1 nicht gekennzeichnet sind. Da diese Figur eine Draufsicht darstellt, ist genau eine Brennstoffzelle 4 von oben ersichtlich, da die restlichen darunter gestapelt sind. Der Brennstoffzellenstapel 2 ist innerhalb eines Gehäuses 3 angeordnet. Die einzelnen Brennstoffzellen 4 sind an deren beiden seitlichen Enden mit einer weiteren Dichtung 5 elektrisch zwischen den einzelnen Elementen der Brennstoffzellen 4 abgedichtet. Die weitere Dichtung 5 ist aus Glas und erstreckt sich über die gesamte Höhe und bevorzugt Tiefe des Brennstoffzellenstapels 2. Der Brennstoffzellenstapel 2 ist mit einer offenen Kathode ausgebildet, sodass ein Luftstrom L über die gesamte Fläche des Brennstoffzellenstapels 2 führbar ist. Zwischen dem Gehäuse 3 und dem Brennstoffzellenstapel 2 bzw. der weiteren Dichtung 5 ist beidseitig des Brennstoffzellenstapels 2 ein Dichtelement 6 angeordnet. Dieses befindet sich gemäß Fig. 1 etwa auf halber Tiefe des Brennstoffzellenstapels 2 und ist gasdicht oder porös ausgebildet. Das Gehäuse 3 ist durch das Dichtelement 6 beab- standet vom Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet, sodass der Luftstrom L nicht zur Gänze durch den Brennstoffzellenstapel 2 führt, sondern ein Teil davon auch rechts und links daneben vorbei. Dadurch ist sichergestellt, dass der Druck außerhalb des Brennstoffzellenstapels°2 im Wesentlichen jenem im Brennstoffzellenstapel 2 entspricht. Da die Luft auch bei einem Ausgang des Brennstoffzellenstapels 2 zumindest bis zum Dichtelement 6 strömen kann, ist gewährleistet, dass die weitere Dichtung 5 nicht dem Druck außerhalb des Gehäuses 3 standhalten muss. Ist das Dichtelement 6 porös ausgebildet, heißt das, dass ein gewisser Luftanteil auch durch das Dichtelement 6 durchdringen kann.
Alle Figuren, welche ein Draufsicht auf die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung 1 zeigen, werden in Richtung einer Tiefe des Brennstoffzellenstapels 2 vom Luftstrom L durchströmt, wobei seitlich an den Brennstoffzellenstapeln 2 die weiteren Dichtungen 5 angeordnet sind. Ein Anodenzuführgas bzw. Brennstoff wird im Wesentlichen von unten nach oben im Brennstoffzellenstapel geführt, wobei ein Ausgang des Brennstoffs wieder an einer Unterseite angeordnet sein kann und die einzelnen Brennstoffzellen 4 natürlich auch horizontal mit Brennstoff versorgt werden.
Zum besseren Verständnis ist der Abstand zwischen dem Gehäuse 3 und der weiteren Dichtung 5 in allen Figuren recht groß bzw. das Dichtelemente 6 recht groß dargestellt. Es versteht sich, dass dieser Abstand so klein sein sollten, dass der Großteil der Luft durch den Brennstoffzellenstapel 2 selbst strömt, nur ein vorbestimmter Anteil rechts und links daneben vorbei strömt.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Dichtvorrichtung 1 . Elemente, welche die gleiche Funktion und insbesondere gleiche Anordnung wie jene gemäß Fig. 1 haben, haben auch die gleichen Bezugszeichen und werden nicht weiter beschrieben. Im Unterschied zur Fig. 1 sind bei der Dichtvorrichtung 1 gemäß Fig. 2 die Dichtelemente 6 gleich hoch wie der Brennstoffzellenstapel 2 ausgebildet bzw. erstrecken sich über die gesamte Höhe und Tiefe des Brennstoffzellenstapels 2 und der weiteren Dichtungen 5. Hierbei sind die Dichtelemente 6 porös ausgebildet, sodass ein vorbestimmter Anteil an Luft durch diese hindurch kann und ein Druckgradient zwischen Gehäuse 3 und weiterer Dichtung 5 im Wesentlichen jenem innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 entspricht.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Dichtvorrichtung 1 . Elemente, welche die gleiche Funktion und insbesondere gleiche Anordnung wie jene gemäß Fig. 1 und/oder Fig. 2 haben, haben auch die gleichen Bezugszeichen und werden nicht weiter beschrieben. Dies ist eine Ansicht, bei welcher drei Brennstoffzellenstapel 2 nebeneinander angeordnet sind. Dabei können auch mehrere Brennstoffzellenstapel 2 übereinander angeordnet sein. Es ist ersichtlich, dass nicht nur zwischen Brennstoffzellenstapel 2 mit weiterer Dichtung 5 und Gehäuse 3, sondern auch zwischen jeweils zwei Brennstoffzellenstapel 2 ein Dichtelement 6 vorgesehen ist. Dabei ist ein Dichtelement 6 für zwei Brennstoffzellenstapel 2 ausreichend. Vorteilhat ist bei einer solchen Anordnung weiter, dass durch das Dichtelement 6 auch auf eine separate elektrische Absicherung horizontal zwischen den einzelnen Brennstoffzellenstapel 2 verzichtet werden kann. Das Dichtelement 6 bildet nämlich selbst auch eine elektrische Dichtung. Vertikal sollen die einzelnen Brennstoffzellenstapel 2 elektrisch miteinander verbunden sein. Das Gehäuse 3 beinhalten alle Brennstoffzel- lenstapel 2 und der Luftstrom L trifft und durchströmt gleichzeitig alle Brennstoffzellenstapel. In Fig. 3 sind zwei verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung und Ausbildung der Dichtelemente 6 gezeigt: Es sind einmal zwischen zwei Brennstoffzellenstapel 2 und einmal zwischen einem Brennstoffzellenstapel 2 und dem Gehäuse 3 jeweils zwei Dichtelemente 6 angeordnet, wobei diese an den beiden seitlichen Enden des Brennstoffzellen 2 angeordnet sind. Die anderen beiden dargestellten Dichtelemente 6 erstrecken sich über eine gesamte Tiefe der Brennstoffzellenstapel 2. Es versteht sich, dass die Anordnungen und Ausbildungen der Dichtelemente 6 hier nur beispielhaft dargestellt sind. Es beliebig viele vorgesehen sein und kombiniert werden. Diese können wie hier gezeigt unterschiedlich sein, oder alle Dichtelement 6 pro Dichteinrichtung 1 können gleich ausgebildet sein.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Dichtvorrichtung 1 . Elemente, welche die gleiche Funktion und insbesondere gleiche Anordnung wie jene gemäß Fig. 1 und/oder Fig. 2 und/oder Fig. 3 haben, haben auch die gleichen Bezugszeichen und werden nicht weiter beschrieben. Diese Dichtvorrichtung 1 umfasst wieder mehrere Brennstoffzellenstapel 2, wobei die Dichtelemente 6 etwa mittig der Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet sind und sich nicht über deren gesamte Tiefe erstrecken. Bei dieser Dichtvorrichtung 1 sind Kapillarelemente 7 vorgesehen, welche entweder durch das gasdichte Dichtelement 6 durchgeführt (siehe Dichtelemente 6 zwischen zwei Brennstoffzellenstapel 2) sind oder einen druckkommunizierenden Bypass um das Dichtelement 6 herum (siehe Dichtelemente 6 zwischen Brennstoffzellenstapel 2 und Gehäuse 3) bilden. Die Kapillarelemente 7 sind im Wesentlichen Röhrchen, welche so ausgebildet, dass ein Druck an einer Eingangsseite im Wesentlichen jenem an einer Ausgangsseite der Brennstoffzellenstapel 2 entspricht. Es versteht sich, dass die Anordnungen der Kapillarelemente 7 hier nur beispielhaft dargestellt sind. Es können entweder alle durch die Dichtelemente 6 hindurchführen oder alle als Bypass ausgebildet sein oder beliebig kombiniert werden.
In Fig. 5 ist eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Dichtvorrichtung 1 mit mehreren Brennstoffzellenstapeln 2 gezeigt. Elemente, welche die gleiche Funktion und insbesondere gleiche Anordnung wie jene gemäß Fig. 1 und/oder Fig. 2 und/oder Fig. 3 und/oder Fig. 4 haben, haben auch die gleichen Bezugszeichen und werden nicht weiter beschrieben. Bei dieser Ansicht sind die einzelnen Brennstoffzellen 4 schematisch dargestellt, wobei es sich versteht, dass diese üblicherweise über eine gesamte Breite des Brennstoffzellenstapels 2 reiche. Nur für eine bessere Darstel- lung sind nicht alle Brennstoffzellen 4 eingezeichnet. Der Luftstrom L würde bei dieser Darstellung in die Blattebene hinein führen. An der Unterseite der Brennstoffzellenstapel 2 ist hier ein Sammelkrümmer 9 zum Zuführen von Anodenzuführgas bzw. Brennstoff ersichtlich. Die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung 1 kann vorteilhaft auch eine oder mehrere vertikale Reihen von Brennstoffzellenstapel 2 mit den Elementen wie in Fig. 5 ersichtlich umfassen, wobei die einzelnen Reihen dann übereinander gestapelt und alle innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 3 angeordnet sind. Jeder Brennstoffzellenstapel 2 umfasst dabei einen eigenen Sammelkrümmer 9, jedoch passiert der Luftstrom L alle Brennstoffzellenstapel 2 gemeinsam, da diese mit einer offenen Kathoden ausgebildet sind.
In Fig. 6 ist eine zweit Variante der erfindungsgemäßen Dichtvorrichtung 1 gezeigt. Diese umfasst kein Dichtelement 6, sondern es ist ein Luftspalt 8 vorgesehen, um einen Druckausgleich zwischen einem Brennstoffzelleneingang und einem Brennstoffzellenausgang zu schaffen. Der Luftstrom L passiert auch hier nicht nur die jeweiligen Brennstoffzellenstapel 2, sondern es gelangt auch Luft zwischen die Brennstoffzellenstapel 2 und zwischen dem Brennstoffzellenstapel 2 und dem Gehäuse 3. Auch in der Fig. 6 ist der jeweilige Luftspalt 8 immer überdimensional groß dargestellt. Elemente, welche die gleiche Funktion und insbesondere gleiche Anordnung wie jene gemäß Fig. 1 und/oder Fig. 2 und/oder Fig. 3 und/oder Fig. 4 und/oder Fig. 5 haben, haben auch die gleichen Bezugszeichen und werden nicht weiter beschrieben.

Claims

Patentansprüche Dichtvorrichtung (1 ) für zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2), insbesondere einen SOFC-Brennstoffzellenstapel, umfassend ein Gehäuse (3) und zumindest einen innerhalb des Gehäuses (3) angeordneten oder anordenbaren Brennstoffzellenstapel (2), wobei der zumindest eine Brennstoffzellenstapel (2) mehrere Brennstoffzellen (4) umfasst, wobei die Brennstoffzellen (4) an deren seitlichen Enden zumindest jeweils eine weitere Dichtung (5) aufweisen, wobei das Gehäuse (3) den zumindest einen Brennstoffzellenstapel (3) mit der weiteren Dichtung (5) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse (3) und der weiteren Dichtung (5) zumindest ein Dichtelement (6) zum Druckausgleich angeordnet ist. Dichtvorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (6) gasdicht oder leicht porös ausgebildet ist. Dichtvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Dichtelement (6) entweder über eine gesamte Seite des zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2) oder nur über einen Teil davon erstreckt. Dichtvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Brennstoffzellenstapel (2) innerhalb des Gehäuses (3) angeordnet sind, wobei jeder Brennstoffzellenstapel (2) zumindest eine weitere Dichtung (5) aufweist und zwischen der weiteren Dichtung (5) zweier Brennstoffzellenstapel (2) jeweils ein Dichtelement (6) angeordnet ist. Dichtvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (6) ein Kapillarelement (7) aufweist oder durch ein Kapillarelement (7) umgehbar ist. Dichtvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der weiteren Dichtung (5) und dem Gehäuse (3) und/oder zwischen der weiteren Dichtung (5) eines ersten Brennstoffzellenstapels (2) und er weiteren Dichtung (5) eines weiteren Brennstoffzellenstapels (2) ein, zwei, drei oder mehr Dichtelemente (6) angeordnet sind. Dichtvorrichtung (1) für zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2), insbesondere einen SOFC-Brennstoffzellenstapel, umfassend ein Gehäuse (3) und zumindest einen innerhalb des Gehäuses (3) angeordneten oder anordenbaren Brennstoffzellenstapel (2), wobei der zumindest eine Brennstoffzellenstapel (2) mehrere Brennstoffzellen (4) umfasst, wobei die Brennstoffzellen (4) an deren seitlichen Enden zumindest jeweils eine weitere Dichtung (5) aufweisen, wobei das Gehäuse (3) den zumindest einen Brennstoffzellenstapel (3) mit der weiteren Dichtung (5) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse (3) und der weiteren Dichtung (5) ein vorbestimmter Luftspalt (8) zum Druckausgleich angeordnet ist. Dichtvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) mittelbar an die weitere Dichtung (5) anschließt. Brennstoffzellensystem, insbesondere SOFC-Brennstoffzellensystem, umfassend eine Dichtvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit mehreren Brennstoffzellenstapeln (2).
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