DE19650901C2 - Vorrichtung zum Verbinden einer Leitung mit einem Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden einer Leitung mit einem Brennstoffzellenstapel.

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.

Es gibt verschiedene Brennstoffzellentypen, z. B. die SOFC-Brennstoff­ zelle, die auch Hochtemperatur-Brennstoffzelle genannt wird, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 Verbin­ 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.

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.

Die DE 43 08 780 C1, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, offen­ bart eine Anordnung zum Anschließen von Stapeln von Hochtemperaturbrennstoffzellen an Zuleitungen zu jedem Stapel für zwei Reaktionsgase. Die Anordnung weißt ein mit ebenen Anschlußflächen für den unmittelbaren, gasdichten Anschluß der Stacks versehenen zentralen Anschlußrohr auf, auf welchem die Stacks hintereinander angeordnet sind. Durch dieses zentrale Anschlußrohr strömt das erste Reaktionsgas, während das zweite Reaktionsgas in einem weiteren Raum zwischen dem Rohr und einem Füllrohr zugeführt wird. Wie bereits zuvor beschrieben worden ist, weist die zuvor beschriebene Anordnung zum Anschließen von Brennstoffzellenstapeln an Zuleitungen den Nachteil auf, daß mittels stoffschlüssiger Verbindung die Zuleitungen an dem zentralen Anschlußrohr befestigt werden müssen. Daher kommt es auch bei dem aus der DE 43 08 780 C1 bekannten Anordnung zu den Nachteilen, daß lange und unhandliche Anschlußleitungen werksseitig montiert werden müssen, die sich dann nachteilig auf die Montage und den Transport auswirken.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt

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. 2 die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung, bei der die Vertie­ fung im Material der Endplatte ausgebildet ist, und

Fig. 3 im Querschnitt eine Vorrichtung zum Verbinden einer Betriebsmittelleitung mit einem Brennstoffzellenstapel.

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.

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.

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.

Erfindungsgemäß weist nun die ferritische Hochtemperaturlegierung einen 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.

In Fig. 3 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 12 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.

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.

Die in Fig. 3 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.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Verbinden einer Leitung mit einem Brennstoff­ zellenstapel

• 1. mit einer Vertiefung (4, 6; 9), die an einer den Brennstoffzellenstapel (1) umgebenden Schicht (2, 3; 11, 12) ausgebildet ist, und
• 2. mit einem in die Vertiefung (4, 6; 9) eingreifenden Ende der Leitung (5, 7; 10),
• 3. wobei der Temperaturausdehnungskoeffizient des die Vertiefung (4, 6; 9) bildenden Materials niedriger als der Temperaturausdehnungsko­ effizient des Materials der Leitung (5, 7; 10) ist,
• 4. wobei bei der Ruhetemperatur das Ende der Leitung (5, 7; 10) aus der Vertiefung (4, 6; 9) lösbar ist und
• 5. wobei bei der Betriebstemperatur wegen der größeren thermischen Ausdehnung des Endes der Leitung (5, 7; 10) gegenüber der Vertiefung (4, 6; 9) eine feste mechanische Verbindung zwischen dem Ende der Leitung (5, 7; 10) und der Vertiefung (4, 6; 9) entsteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (4, 6; 9) als an der Schicht (2, 3; 11, 12) befestigte Einsteck­ buchse ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung im Material der Schicht (2, 3; 11, 12) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leitung (5, 7; 10) bei niedriger Temperatur mit Pas­ sung in der Vertiefung (4, 6; 9) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leitung (5, 7) eine elektrische Leitung ist und die Ver­ tiefung (4, 6) mit einer Endplatte (2, 3) des Brennstoffzellenstapels (1) elektrisch leitend verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (4, 6) an der Endplatte (2, 3) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung an einer mit einer Endplatte (2, 3) elektrisch leitend ver­ bundenen Deckplatte (11, 12) ausgebildet ist und daß die die Deckplat­ ten (11, 12) miteinander verbindenden Gehäuseteile (13) elektrisch iso­ lierend ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leitung (10) eine mit einem Betriebsmittelraum (8) in Verbindung stehende Betriebsmittelleitung ist und daß die Vertiefung (9) an der einen Teil des Gehäuses bildenden Deckplatte (11, 12) ausge­ bildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leitung (10) als Betriebsmittelleitung und als elektri­ sche Leitung dient.