DE19650901A1 - Device for connecting a line to a fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden einer Leitung mit einem Brennstoffzellenstapel.The invention relates to a device for connecting a line with a fuel cell stack.
Ein Brennstoffzellenstapel weist als wesentlichen Bestandteil mehrere Brennstoffzellen auf. Eine Brennstoffzelle wiederum ist aus einer Ka thode, einem Elektrolyten sowie einer Anode zusammengesetzt. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt. Brennstoff sowie Oxidations mittel werden im folgenden allgemein Betriebsmittel genannt.A fuel cell stack has several as an essential component Fuel cells. A fuel cell is made of a Ka thode, an electrolyte and an anode. Of the Cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. air and the anode becomes a Fuel, e.g. B. supplied hydrogen. Fuel as well as oxidation In the following, means are generally called operating resources.
Es gibt verschiedene Brennstoffzellentypen, z. B. die SOFC-Brennstoff zelle, die auch Hochtemperatur-Brennstoffzelle genannt wird, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt.There are different types of fuel cells, e.g. B. the SOFC fuel cell, which is also called high-temperature fuel cell, because of its Operating temperature is up to 1000 ° C.
An der Kathode einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidationsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffio nen passieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anoden seite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektri sche Energie erzeugt.At the cathode of a high-temperature fuel cell, in Presence of the oxidizing agent oxygen ions. The oxygenio NEN pass through the electrolyte and recombine on the anode side with the hydrogen originating from the fuel to water. With the recombination, electrons are released and thus electri energy.
Zur Erzielung großer Leistungen werden mehrere Brennstoffzellen aufeinander gestapelt und elektrisch seriell miteinander verbunden. Das verbindende Element zweier Brennstoffzellen ist unter der Be zeichnung Interkonnektor bekannt. Es bewirkt die elektrische sowie die mechanische Kopplung zweier Brennstoffzellen. Ferner dient das verbindende Element der Bildung von Kathoden- oder Anodenräu men. In einem Kathodenraum befindet sich eine Kathode. In einem Anodenraum befindet sich eine Anode. Derart gestapelte Brennstoff zellen werden Brennstoffzellenstapel genannt.To achieve great performance, several fuel cells are used stacked on top of each other and electrically connected in series. The connecting element of two fuel cells is under the Be Drawing interconnector known. It causes the electrical as well the mechanical coupling of two fuel cells. It also serves connecting element of the formation of cathode or anode space men. A cathode is located in a cathode compartment. In one Anode compartment is an anode. Fuel stacked like this cells are called fuel cell stacks.
An beiden Enden des Brennstoffzellenstapels sind ebenfalls verbin dende Elemente angeordnet, die jedoch nur einseitig für die Führung eines Betriebsmittelstromes ausgestaltet sind. Diese Elemente werden Endplatten bezeichnet und werden von sogenannten Deckplatten ein gefaßt, die Teile eines Gehäuses des Brennstoffzellenstapels darstellen. Sofern die Deckplatten und andere Teile des Gehäuses elektrisch lei tend sind, ist in der Regel das Anbringen einer elektrischen Isolierung zwischen den Endplatten und den Deckplatten notwendig.At both ends of the fuel cell stack are also connected Ending elements arranged, however, only one-sided for the leadership of a flow of resources are configured. These items will be End plates called and are made of so-called cover plates summarized, which represent parts of a housing of the fuel cell stack. If the cover plates and other parts of the housing are electrically conductive tend to be electrical insulation necessary between the end plates and the cover plates.
Der Brennstoffzellenstapel wird üblicherweise im Kreuzstrom betrie ben. Dabei dienen bei bspw. einem viereckigen Grundriß des Brenn stoffzellenstapel jeweils zwei sich gegenüberliegende Seiten einen Ein- und Auslaß eines Betriebsmittels, während die beiden übrigen Seiten den Ein- und Auslaß des anderen Betriebsmittels darstellen. Somit kreuzen sich die beiden Betriebsmittelströme innerhalb des Brenn stoffzellenstapels, ohne jedoch in direktem Kontakt miteinander zu stehen. Das verbindende Element dient dabei als die beiden Betriebs mittel voneinander trennendes und gleichzeitig führendes Element.The fuel cell stack is usually operated in cross flow ben. In this case, for example, serve a square plan of the Brenn fabric cell stack two opposite sides one one and Outlet of an equipment while the other two sides represent the inlet and outlet of the other equipment. Consequently the two flows of equipment intersect within the furnace fabric cell stack without, however, in direct contact with each other stand. The connecting element serves as the two operating medium separating and simultaneously leading element.
Unter Betriebsmittelraum ist nachfolgend jeder Raum zu verstehen, der an einen Brennstoffzellenstapel unmittelbar angrenzt und der der Zu- oder Abführung von Betriebsmitteln dient. Ein derartiger Be triebsmittelraum muß dicht mit dem Brennstoffzellenstapel verbun den sein.In the following, equipment room is to be understood as every room, that directly adjoins a fuel cell stack and that the The supply or discharge of equipment is used. Such a Be The drive room must be tightly connected to the fuel cell stack be that.
Für den Betrieb eines Brennstoffzellenstapels sind sowohl elektrische Leitungen als auch Betriebsmittelleitungen notwendig, wobei die Montage der Brennstoffzellenstapel in einem Fertigungsbereich und die Inbetriebnahme davon zeitlich und räumlich getrennt am Ein satzort erfolgt.For the operation of a fuel cell stack, both electrical and Lines and equipment lines necessary, the Assembly of the fuel cell stacks in a production area and the commissioning of this at the on at separate times and locations place of work takes place.
Die mit dem Brennstoffzellenstapel verbundenen Stromleitungen werden üblicherweise aus Anschlußdrähten hergestellt, die im Ferti gungsbereich an die Endplatten angelötet werden. Nachteilig ist dabei, daß eine aufwendige Lötverbindung zwischen der Endplatte und dem Anschlußdraht notwendig ist. Weiter ist nachteilig, daß die Anschluß drähte an Zuleitungen am Einsatzort angeschlossen werden müssen. Dabei müssen wegen der hohen Betriebstemperaturen die Verb in dungsstelle zwischen dem Anschlußdraht und der Zuleitung außer halb des Hochtemperaturbereiches angeordnet sein. Lange und un handliche Anschlußdrähte sind somit erforderlich, die sich nachteilig auf die Montage und den Transport auswirken.The power lines connected to the fuel cell stack are usually made from connecting wires, which in the Ferti area to be soldered to the end plates. The disadvantage is that a complex solder connection between the end plate and the Connection wire is necessary. Another disadvantage is that the connection wires must be connected to supply lines on site. Because of the high operating temperatures, the verb in except between the connecting wire and the supply line be arranged half of the high temperature range. Long and un Handy connecting wires are therefore required, which is disadvantageous affect assembly and transportation.
Die Betriebsmittelleitungen werden üblicherweise durch stoffschlüs sige Fügeverbindungen, z. B. durch Löten oder Schweißen, mit dem die Betriebsmittelräume enthaltenden Gehäuse des Brennstoffzellen stapels verbunden. Diese während der Montage im Fertigungsbereich befestigten Betriebsmittelleitungen werden anschließend am Ein satzort außerhalb des Hochtemperaturbereiches mit den Betriebsmit telzu- und -ableitungen verbunden. Dabei werden in der Regel ge eignete Dichtungen und Schraubverbindungen angewendet. Auch hier ergibt sich der Nachteil, daß lange Betriebsmittelleitungen am Fer tigungsort mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden werden müs sen, die den Transport und die weitere Montage erheblich beeinträch tigen.The equipment lines are usually connected by material connections sige joint connections, z. B. by soldering or welding with the the housing of the fuel cells containing the equipment rooms stack connected. This during assembly in the manufacturing area attached equipment lines are then on location outside the high temperature range with the operating connected to tele-leads and derivatives. As a rule, ge suitable seals and screw connections are used. Also here there is the disadvantage that long operating lines on the Fer must be connected to the fuel cell stack sen, which significantly impair transport and further assembly term.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vor richtung zum Verbinden einer Leitung mit einem Brennstoffzellen stapel anzugeben, die ein zuverlässiges Verbinden der Leitung mit dem Brennstoffzellenstapel ermöglicht und gleichzeitig den Transport und die Montage des Brennstoffzellenstapels am Einsatzort verein facht.The invention is therefore based on the technical problem, a front Direction for connecting a line to a fuel cell to indicate stacks that reliably connect the line with enables the fuel cell stack and at the same time the transport and the assembly of the fuel cell stack on site fold.
Das zuvor aufgezeigte technische Problem wird erfindungsgemäß da durch gelöst, daß eine Vertiefung an einer den Brennstoffzellenstapel umgebenden Schicht ausgebildet ist und daß ein Ende einer Leitung in die Vertiefung eingreift, wobei der Temperaturausdehnungskoeffizi ent des die Vertiefung bildenden Materials niedriger als der Tempera turausdehnungskoeffizient des Materials der Leitung ist. Erfindungs gemäß ist also erkannt worden, daß die - ansonsten in der Regel nach teiligen - hohen Unterschiede zwischen der Betriebstemperatur und der Ruhetemperatur und das damit verbundene unterschiedliche Temperaturausdehnungsverhalten verschiedener Materialien für das Erzeugen einer zuverlässigen Verbindung während des Betriebes aus genutzt werden können. The technical problem outlined above is there according to the invention solved by that a recess in one of the fuel cell stack surrounding layer is formed and that one end of a line in the recess engages, the coefficient of thermal expansion ent of the material forming the depression lower than the tempera expansion coefficient of the material of the line is. Invention accordingly, it has been recognized that the - otherwise usually after partial - high differences between the operating temperature and the resting temperature and the associated different Thermal expansion behavior of different materials for the Create a reliable connection during operation can be used.
Die Vertiefung, die das Ende der Leitung aufnimmt, ist bei einer ersten Ausgestaltung im Material der Schicht ausgebildet. Bei einer zweiten Ausgestaltung besteht die Vertiefung aus einer an der Schicht befestig ten Einsteckbuchse. Jedenfalls ist es vorteilhaft, wenn die Abmessun gen der Leitung und der Vertiefung so ausgestaltet sind, daß das Ende der Leitung im abgekühlten Zustand mit Passung in der Vertiefung angeordnet ist. Dadurch wird schon bei geringen temperaturbedingten Ausdehnungsunterschieden zwischen der Leitung und der Vertiefung eine feste Verbindung erzeugt.The recess that receives the end of the line is at a first Design formed in the material of the layer. With a second The recess consists of an attachment to the layer th socket. In any case, it is advantageous if the dimensions gene of the line and the recess are designed so that the end the pipe in the cooled state with a fit in the recess is arranged. This means that even at low temperatures Expansion differences between the pipe and the depression creates a fixed connection.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht also darin, daß bei der Montage im Fertigungsbereich die Verbindung der Leitung mit dem Brennstoffzellenstapel bspw. zum Testen des Brennstoffzellenstapels hergestellt werden kann, ohne daß die Verbindung dauerhaft ist. Denn zum Transport im abgekühlten Zustand kann die Leitung aus der Ver tiefung entfernt werden, so daß neben dem Transport auch die Mon tage vor Ort erleichtert wird. Denn der Brennstoffzellenstapel weist nunmehr keine sperrigen, über die eigentlichen Abmessungen des Brennstoffzellenstapels hinausragenden Leitungen mehr auf.An advantage of the present invention is therefore that Assembly in the production area the connection of the line with the Fuel cell stack, for example for testing the fuel cell stack can be established without the connection being permanent. Because for transport in the cooled state, the line from the ver deepening are removed, so that in addition to the transport also the Mon days on site is made easier. Because the fuel cell stack points now no bulky, about the actual dimensions of the Pipes protruding from the fuel cell stack more.
In einer ersten Ausgestaltung ist die Leitung als elektrische Leitung ausgebildet, die den vom Brennstoffzellenstapel erzeugten Strom leitet und einem Verbraucher zuführt. Daher ist es notwendig, daß die Ver tiefung mit einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels in elektrisch leitenden Kontakt steht. Die Vertiefung ist also einerseits an der End platte oder andererseits an der Deckplatte ausgebildet. Im letzteren Fall ist es erforderlich, daß die Deckplatte in elektrisch leitenden Kontakt mit der Endplatte steht, jedoch gegenüber der anderen Deckplatte elek trisch isoliert ist. Daher ist in diesem Fall bspw. der Teil des Gehäuses, der die beiden Deckplatten verbindet, elektrisch isolierend ausgebildet.In a first embodiment, the line is an electrical line trained that conducts the electricity generated by the fuel cell stack and feeds it to a consumer. It is therefore necessary that the Ver depression with an end plate of the fuel cell stack in electrical leading contact. The deepening is therefore on the one hand at the end plate or otherwise formed on the cover plate. In the latter case it is necessary that the cover plate in electrically conductive contact is with the end plate, but opposite the other cover plate elek is trically isolated. Therefore, in this case, for example, the part of the housing which connects the two cover plates, is electrically insulating.
Weiterhin vorzugsweise ist die Leitung als Betriebsmittelleitung aus gestaltet. Dazu ist die Leitung mit einer der Deckplatten verbunden, die einen Teil des Gehäuses bildet. Die Leitung steht dabei in Verbindung mit dem von der Leitung zu ver- oder entsorgenden Betriebsmittel raum. Furthermore, the line is preferably made as a resource line designed. For this purpose, the line is connected to one of the cover plates that forms part of the housing. The line is connected with the equipment to be supplied or disposed of by the line room.
Schließlich ist in bevorzugter Weise vorgesehen, daß die Leitung sowohl als elektrische Leitung als auch als Betriebsmittelleitung dient. In diesem Fall ist die Leitung mit einer der Deckplatten verbunden und steht sowohl mit der zugeordneten Endplatte in elektrischer Ver bindung als auch in strömungstechnischer Verbindung mit dem ent sprechenden Betriebsmittelraum. In dieser Variante ist es in vorteil hafter Weise möglich, weiteren Raumbedarf einzusparen, da die An zahl der elektrischen Leitungen und Betriebsmittelleitungen auf ein Minimum begrenzt wird.Finally, it is preferably provided that the line serves both as an electrical line and as an equipment line. In this case, the line is connected to one of the cover plates and is both with the associated end plate in electrical Ver binding as well as in fluidic connection with the ent speaking equipment room. In this variant, it is advantageous possible way to save further space requirements, since the An number of electrical lines and equipment lines on one Minimum is limited.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigtIn the following, the invention is illustrated by means of exemplary embodiments explained in more detail, reference being made to the drawing. In the drawing shows
Fig. 1 im Querschnitt eine Vorrichtung zum Verbinden einer elektrischen Leitung mit einem Brennstoffzellenstapel, wobei die Vertiefung als mit der Endplatte verbundene Einsteckbuchse ausgebildet ist, Fig. 1 shows a device for connecting an electrical line to a fuel cell stack, wherein the recess is formed as a plug-in socket connected to the end plate in cross-section,
Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung, bei der die Vertie fung im Material der Endplatte ausgebildet ist, und Fig. 2 shows the device shown in Fig. 1, in which the Vertie tion is formed in the material of the end plate, and
Fig. 2 im Querschnitt eine Vorrichtung zum Verbinden einer Betriebsmittelleitung mit einem Brennstoffzellenstapel. Fig. 2 in cross section a device for connecting an operating line with a fuel cell stack.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Brennstoffzellenstapel 1 dargestellt, der von zwei Endplatten 2 und 3 oben und unten eingefaßt wird. Das Material der Endplatten ist beispielsweise eine ferritische Hochtemperaturlegie rung.In Figs. 1 and 2, a fuel cell stack 1 is shown, which is bordered by two end plates 2 and 3 above and below. The material of the end plates is, for example, a ferritic high temperature alloy.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist eine Hülse 4 mit der oberen Endplatte 2, die vorzugsweise aus demselben Material wie die Endplatte 2 besteht, stoffschlüssig verbunden. Die Hülse 4 bildet somit die Vertiefung. Von oben ist nun eine Leitung 5 in die Hülse 4 eingeführt, die aus einer austhenitischen Hochtemperaturlegierung besteht, beispielsweise aus einer Nickel-Basis-Legierung. In gleicher Weise sind an der unteren Endplatte 3 eine Hülse 6 und eine Leitung 7 angeordnet. Die Leitungen 5 und 7 sind dabei vorzugsweise als Metallstäbe ausgebildet. As shown in Fig. 1, a sleeve 4 is integrally connected to the upper end plate 2 , which preferably consists of the same material as the end plate 2 . The sleeve 4 thus forms the recess. From above, a line 5 is now inserted into the sleeve 4 , which consists of an austenitic high-temperature alloy, for example a nickel-based alloy. In the same way, a sleeve 6 and a line 7 are arranged on the lower end plate 3 . The lines 5 and 7 are preferably designed as metal rods.
In einer weiteren in Fig. 2 dargestellten Ausgestaltung ist die Vertie fung direkt im Material der Endplatte 2 ausgebildet, wobei in gleicher Weise - wie zuvor beschrieben - die Leitung 5 in der Vertiefung ange ordnet ist.In a further embodiment shown in FIG. 2, the recess is formed directly in the material of the end plate 2 , the line 5 being arranged in the recess in the same way as described above.
Erfindungsgemäß weist nun die ferritische Hochtemperaturlegierung eine niedrigeren Temperaturausdehnungskoeffizienten als die austhenitische Hochtemperaturlegierung auf. Daher werden sich die äußeren Abmessungen der Leitungen 5 und 7 bei der Erhöhung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 auf die Betriebstemperatur von ungefähr 1000°C stärker als die inneren Abmessungen der Hülsen 4 und 6 ausdehnen. Dadurch kommt es zu einem festen mechanischen Kontakt, der somit zu einer gut leitenden Verbindung zwischen den Hülsen 4 bzw. 6 und den Leitungen 5 bzw. 7 führt.According to the invention, the ferritic high-temperature alloy now has a lower coefficient of thermal expansion than the austenitic high-temperature alloy. Therefore, the outer dimensions of the lines 5 and 7 will expand more than the inner dimensions of the sleeves 4 and 6 when the temperature of the fuel cell stack 1 increases to the operating temperature of approximately 1000 ° C. This results in a firm mechanical contact, which thus leads to a highly conductive connection between the sleeves 4 and 6 and the lines 5 and 7 .
In Fig. 2 ist ein Brennstoffzellenstapel 1 mit einem Betriebsmittelraum 8 dargestellt, der eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verbinden einer Betriebsmittelleitung mit dem Brennstoffzellenstapel 1 aufweist. Dazu ist eine Hülse 9 mit der Deckplatte 11 des Brennstoffzellenstapels verbunden, in die eine ein Betriebsmittel führende Leitung 10 einge führt ist. Die Anordnung der Hülse 9 in der Deckplatte 11 ist dabei so gewählt, daß die Hülse 9 eine strömungstechnische Verbindung zwi schen der Leitung 10 und dem Betriebsmittelraum 8 bildet. FIG. 2 shows a fuel cell stack 1 with an operating medium space 8 , which has a device according to the invention for connecting an operating medium line to the fuel cell stack 1 . For this purpose, a sleeve 9 is connected to the cover plate 11 of the fuel cell stack, in which a line 10 carrying an operating medium is inserted. The arrangement of the sleeve 9 in the cover plate 11 is chosen so that the sleeve 9 forms a fluidic connection between rule's line 10 and the operating fluid chamber 8 .
Für die Hülse 9 und die Leitung 10 werden vorzugsweise dieselben Materialien verwendet, wie sie zuvor für die Vorrichtung zum Ver binden der elektrischen Leitungen 5 und 7 mit dem Brennstoffzellen stapel 1 beschrieben worden sind. Die Hülse 9 besteht aus einer ferriti schen Hochtemperaturlegierung und die Leitung 10 besteht aus einer austhenitischen Hochtemperaturlegierung. Auch bei dieser Ausfüh rungsform führt also das Erhitzen des Brennstoffzellenstapels 1 auf die Betriebstemperatur zu einer festen mechanischen Verbindung, die in diesem Fall gasdicht ist und somit das Leiten eines Betriebsmittelstro mes ermöglicht.For the sleeve 9 and the line 10 , the same materials are preferably used as described previously for the device for connecting the electrical lines 5 and 7 to the fuel cell stack 1 . The sleeve 9 consists of a ferritic high-temperature alloy and the line 10 consists of an austenitic high-temperature alloy. Also in this embodiment, the heating of the fuel cell stack 1 to the operating temperature leads to a solid mechanical connection, which in this case is gas-tight and thus enables the flow of an operating medium flow.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung zum Verbinden einer Betriebs mittelleitung 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 1 ist darüber hinaus auch für die Stromleitung geeignet. Dazu ist lediglich erforderlich, daß die Deckplatte 12 zum einen mit der Endplatte 3 des Brennstoffzellen stapels 1 elektrisch leitend verbunden ist. Zum anderen sind die Ge häuseteile 13, die die beiden Deckplatten 11 und 12 miteinander ver binden, elektrisch isolierend, damit nicht über die Gehäuseteile 13 der Brennstoffzellenstapel 1 kurz geschlossen wird.The device shown in Fig. 2 for connecting an operating medium line 10 with a fuel cell stack 1 is also suitable for the power line. All that is required is that the cover plate 12 is connected to the end plate 3 of the fuel cell stack 1 in an electrically conductive manner. On the other hand, the Ge housing parts 13 , which bind the two cover plates 11 and 12 together, are electrically insulating, so that the fuel cell stack 1 is not closed briefly via the housing parts 13 .
Claims (9)
- - mit einer Vertiefung (4, 6; 9), die an einer den Brennstoffzellenstapel (1) umgebenden Schicht (2, 3; 11, 12) ausgebildet ist, und
- - mit einem in die Vertiefung (4, 6; 9) eingreifenden Ende der Leitung (5, 7; 10),
- - wobei der Temperaturausdehnungskoeffizient des die Vertiefung (4, 6; 9) bildenden Materials niedriger als der Temperaturausdehnungsko effizient des Materials der Leitung (5, 7; 10) ist.
- - With a recess ( 4 , 6 ; 9 ) which is formed on a layer ( 2 , 3 ; 11 , 12 ) surrounding the fuel cell stack ( 1 ), and
- - With one end of the line ( 5 , 7 ; 10 ) engaging in the recess ( 4 , 6 ; 9 ),
- - The temperature expansion coefficient of the recess ( 4 , 6 ; 9 ) forming material is lower than the temperature expansion coefficient of the material of the line ( 5 , 7 ; 10 ).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |