DE4308780C1 - Anordnung zum Anschließen von Stapeln von Hochtemperaturbrennstoffzellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Anschließen von Stapeln von Hochtemperaturbrennstoffzellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, einem Stapel von Brennstoffzellen (Stack) über Zuleitungen, sog. Manifolds oder Kappen, Brenngase und ein sauerstoffhaltiges Gas zuzuführen (Fig. 1). Diese Kappen müssen mit einer hohen Dichtheit an die Stapelflächen angeschlossen werden, um zu verhindern, daß die Gase unkontrolliert miteinander reagieren können. Bei Hochtemperaturbrennstoffzellen müssen die Kappen aus Materialien bestehen, die einen Dauerbetrieb von ca. 1000°C ertragen und deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zu dem des Zellenmaterials paßt.

Aus der DE-C2 26 17 686 ist eine Brennstoffzellenanlage bekannt, bei der die Zufuhr von Reaktionsgas in die Brennstoffzellen mittels Hauben oder Kappen durchgeführt wird, welche auf den Stirnseiten und längsseits angebracht sind. Die Zellen werden miteinander zu Einheiten verschaltet, die elektrisch hintereinandergeschaltet sind. Bei der Verschaltung mehrerer Zellen nimmt der Raumbedarf für die Hauben proportional der Zellenzahl zu, was für eine große Zahl von Zellen zu einem nachteiligen Anwachsen des toten Volumens einer solchen Anlage führt.

Kappen mit diesen Eigenschaften sind sehr aufwendig und beanspruchen viel Bauvolumen. Wenn daher Stapel vergleichsweise kleiner Leistung zum Aufbau von Einheiten größerer Leistung verwendet werden, sind die Kosten für die Kappen hoch und der Raumbedarf der gesamten Anlage im Vergleich zu dem eigentlichen Stapelvolumen groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Anordnungen von Hochtemperaturbrennstoffzellen aus vergleichsweise kleinen Leistungseinheiten wirtschaftlich aufzubauen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die Stapel mit der Seite, in die das erste Reaktionsgas eingeleitet wird, auf einem an den Eintrittsstellen mit Auslässen versehenen Gaszuführungsrohr unmittelbar angeordnet sind und von einem Hüllrohr umgeben sind, durch das die Abgase der Stapel durch Öffnungen zunächst in radialer Richtung strömen und daß das zweite Reaktionsgas durch einen Raum geführt wird, der durch die Innenwandung des Hüllrohrs und die Frischluftseite der Stapel gebildet wird und die unverbrauchten Sauerstoff enthaltende Luft ("Abluft") in Längsrichtung durch einen zusätzlichen Raum strömen, der durch die Innenwandung des Hüllrohrs und der Abluftseite der Stapel gebildet wird. Das erste Reaktionsgas ist vorzugsweise dasjenige, welches Wasserstoff enthält und Brenngas genannt wird. Das zweite Reaktionsgas enthält dann den Sauerstoff. Man nimmt für diesen Zweck aus Billigkeitsgründen vorzugsweise normale Luft.

Vorteilhafterweise ist die Zahl der Stapel, die in einer Ebene senkrecht zum Gaszuführungsrohr angeordnet sind, eine gerade Zahl, vorzugsweise 4. Die dicht mit dem Gaszuführungsrohr verbundenen Stapel werden in das Hüllrohr eingeschoben und gegen dieses von außen abgedichtet, wobei sich als Dichtmaterial ein solches eignet, dessen Schmelztemperatur zwischen der Betriebstemperatur des Stapels und der Schmelztemperatur des Stapelmaterials liegt.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist das Gaszuführungsrohr von einem weiteren Mantelrohr umgeben, in welches das Abgas eingeleitet wird. Der Ringspalt zwischen den Rohren ist auf einer Seite oder beiden Seiten mit mindestens einem Abschlußstück verbunden, welches der Gasführung aus diesem Raum dient.

Es ist auch möglich, in an sich bekannter Weise die Restbrenngase mit der Abluft in dem äußeren Rohrmantelraum zu verbrennen. Dazu strömt ein Teil der Abluft durch Bohrungen im Hüllrohr in den Mantelraum. Zweckmäßigerweise werden diese Bohrungen nach Ort und Größe so ausgebildet, daß die Verbrennung an einer definierten Stelle erfolgt.

Einzelne Stapelscheiben werden scheibenartig auf dem Gaszuführungsrohr angeordnet. Die Stege dieses Rohrs werden an den Abgasauslässen zweckmäßigerweise keilförmig nach außen verstärkt ausgeführt.

Aus verschiedenen Stapelscheiben aufgebaute Stackanordnungen werden am Ende einer Reihe durch leitende Platten abgeschlossen, an denen die Stromanschlüsse befestigt sind.

An der Stirnseite des Mantelrohrs sind Gasanschlußstücke für das Brenngas, sowie für die Zu- bzw. Ableitung der Luft bzw. Abluft angebracht.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden Stapelrohre in an sich bekannter Weise zu einer Serie, d. h. vorzugsweise in Zweierreihen, zu einer Batterie zusammengestellt.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 die bisher bekannte Gasversorgung eines Stapels dargestellt über Manifolds,

Fig. 2 die erfindungsgemäße Anordnung mit 2 Stapeln,

Fig. 3 eine Anordnung mit 4 Stapeln,

Fig. 4 den Schnitt durch ein Stapelrohr,

Fig. 5 die Stirnansicht eines Stapelrohrs,

Fig. 6 eine Batterie aus einzelnen Stapelrohren,

Fig. 7 eine abgeflachte Ausführung des zentralen Anschlußrohrs und

Fig. 8 ein zentrales Anschlußrohr mit eingesetztem Strömungswiderstand.

In Fig. 1 ist ein Stapel 1, aus z. B. 180 einzelnen Brennstoffzellen, die senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtet sind, in einer Höhe von beispielsweise 10 cm aufgebaut. Das Brenngas tritt über ein Zuführungsrohr 20 und ein Gasanschlußstück (Kappe) 32 in den Stapel ein und verläßt den Stapel bis auf einen bestimmten Rest oxidiert über die Kappe 42. Die Luft oder das sauerstoffhaltige Gas tritt in den Stapel über die Kappe 22 ein, die Abluft verläßt den Stapel auf der gegenüberliegenden Seite. Hier kann auf eine Kappe verzichtet werden, wenn der Stapel in einer nicht gezeichneten Hülle angeordnet ist, aus der die Abluft abgezogen werden kann. Die Kappen sind mit dem Stapel dicht verbunden. Die komplizierten dreidimensionalen Anschlußstücke sind aus Keramik gearbeitet und sehr teuer in der Herstellung.

Eine Hochtemperaturbrennstoffzelle besteht aus einem Elektrolyten, auf dessen einer Seite ein sauerstoffhaltiges und auf dessen andere Seite ein wasserstoffhaltiges Gas geleitet wird. Der Elektrolyt ist bei der Betriebstemperatur für Sauerstoffionen durchlässig, die sich mit dem ionisierten Wasserstoff zu Wasser verbinden.

Der bei diesem Vorgang auf der Sauerstoffseite, der Anode, entstehende Elektronenmangel wird über einen äußeren Stromkreis von der Wasserstoffseite, der Kathode, wo ein Elektronenüberschuß besteht, ausgeglichen. Die Elektroden dienen auch der Zuleitung der Reaktionsgase; sie sind als bipolare Platten 34 ausgeführt, d. h. sie weisen auf beiden Seiten Längsnuten für die Zuführung je eines Reaktionsgases auf. Eine Oberfläche fungiert als Sauerstoff-, die andere als Wasserstoffspender. Die für die Gaszuführung vorgesehenen Nuten stehen senkrecht aufeinander.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Danach sind die beiden Stapel 1 und 11 mit einem Gaszuführungsrohr 2, das an den Gaseintrittsstellen Aussparungen 8 und 18 aufweist, fest verbunden in ein Hüllrohr 4 gesteckt und an den Stellen 7, 17, 27 und 37 abgedichtet. Das Rohr 4 hat Öffnungen 5 und 15, durch welche das Abgas aus den Stapeln austreten kann. Die Luft tritt über den Raum 6 zu und durchströmt die Stapel zum Raum 3. Wesentlich ist die zentrale Zuführung des gefährlichen Brenngases durch den Kanal 14.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Rolle von Brenn- und Oxidatorgas vertauscht. Letzteres wird über das zentrale Rohr 4 zugeführt. Aber auch die Durchströmrichtung, in Fig. 3 durch Pfeile dargestellt, läßt sich ohne weiteres umkehren. Dann wird das zentrale Rohr 2 zur Abgassammelleitung.

Beim Durchströmen des Brenngases durch die Brennstoffzelle findet in der bei Hochtemperaturbrennstoffzellen bekannten Weise die Oxidation durch Sauerstoffionen statt, die durch den Elektrolyten hindurchtreten.

Die bis auf einen Rest oxidierten Brenngase verlassen die Stapel durch die Öffnungen 5 und 15 und strömen in den Raum 12, der axial durchströmt wird. Die Abluft wird vom Raum 3 abgeführt. Diese Abluft kann in einer weiteren Ausbildung der Erfindung axial aus dem Raum 3 über nicht gezeichnete Kappen abgezogen werden.

Das Restgas aus den Brenngasströmen kann entweder ungenutzt abströmen oder in den Raum 12 geführt werden, der aus dem Rohr 4 und einem Mantelrohr 10 gebildet wird. Dieses Restgas kann dann ebenfalls axial abgeführt und verbrannt werden.

In Fig. 3 ist als eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine Anordnung mit 4 Stapeln pro Ebene gezeigt.

Das Brenngas strömt aus dem Brenngaszuführungsrohr 2 durch die Stapel 11, 21, 31 und 41 in der durch die Pfeile gekennzeichneten Richtung, die Luft strömt aus den Räumen 3 und 13 durch die Stapel in die Räume 6 und 16.

Das Restgas kann mit Luft unmittelbar im Raum 6 zwischen Hüllrohr 4 und Mantelrohr 10 verbrannt werden. Dazu sind in dem Rohr Bohrungen 23, 24 vorgesehen, deren Größe und Ort so bemessen sind, daß die Verbrennung an einer definierten Stelle erfolgt.

Fig. 4 zeigt die Hintereinanderschaltung von Stapeln 11, 11′, 11′′, 11′′′, wobei in dieser Zeichnung das Mantelrohr nicht dargestellt ist. Die Stapel sind elektrisch über leitende Platten 26, 26′, 26′′ miteinander verbunden. Auch an den Stirnseiten des Rohres sind an den Stapeln leitende Platten angebracht, die der Stromzuführung bzw. -ableitung dienen.

Die Stege 34, 34′ und 34′′ an den Auslässen 5, 5′, 5′′, 5′′′ im Hüllrohr 4, durch welche die Restgase abgeführt werden, sind nach außen verstärkt ausgeführt. Die Stapel werden in einer weiteren Ausbildung der Erfindung an den Auslässen von außen mit einem Material abgedichtet, dessen Schmelztemperatur zwischen der Betriebstemperatur und der Schmelztemperatur des Stapelmaterials liegt. Dadurch wird es möglich, durch Erhitzen diese Verbindung zu lösen und den Stapel aus dem Rohr wieder herauszunehmen. Der Austausch einzelner defekter Stapel wird dadurch sehr erleichtert.

Zur Abdichtung der Stapel gegenüber der inneren Zylinderfläche des Hüllrohrs 4 ist die obere und untere Abdeckplatte der quaderförmigen Stapel von einem Kreisabschnitt 30 begrenzt, der die formschlüssige Abdichtung zum Hüllrohr 4 sicherstellt.

Die Abdichtung gegen das Hüllrohr wird erleichtert, wenn in einer Variante das Hüllrohr 4 einen polygonalen Querschnitt enthält, welcher dem polygonalen Querschnitt des Anschlußrohres 2 entspricht.

Fig. 6 zeigt die Zusammenstellung von Stapelrohren zu Batterien; die Stapel sind in diesem Beispiel in einer Zweierreihe angeordnet.

In Fig. 7 ist ein abgeflachtes zentrales Anschlußrohr 2 dargestellt, um das Gasvolumen im Rohr 2 zu vermindern, wird der Querschnitt reduziert. Dafür ist ein keramischer Einsatz 33, wie ihn Fig. 8 zeigt, dann eine gute Lösung, wenn in einer Ebene mehr als zwei Stapel von einem zentralen Rohr versorgt werden müssen.

Das zentrale Rohr 2 hat in diesem Fall einen polygonalen Querschnitt. Die Zahl der Kanten entspricht der Zahl der Stapel.

Die in Fig. 4 dargestellten Abschlußplatten 25 und 25′ ermöglichen einen sehr einfachen Zu- und Abfluß der Gase. Wie aus den Fig. 2 und 5 ersichtlich, können Öffnungen in den Abschlußplatten so gelegt werden, daß einmal der Raum 3 vorn (Abschlußplatte 25) offen und hinten (Abschlußplatte 25′) geschlossen ist, während man die Öffnung für den Raum 6 hinten, d. h. in der Abschlußplatte 25′ anbringt. Auch im Falle von 4 oder mehr Stapel in einer Ebene bietet diese Vorgehensweise Vorteile, da man nun (s. Fig. 3) die Öffnungen vorn beispielsweise den Räumen 3 und 13 zuordnet, während die Räume 6 und 16 auf der anderen Seite zusammengefaßt werden. Diese Keramikplatten, welche ausreichende Leitfähigkeit besitzen, dienen auch zur Ableitung des Batteriestromes. Zwischen den Stapeln sind Verbindungsplatten 26, 26′ und 26′′ vorgesehen, wie in Fig. 4 dargestellt. Auch diese Platten dienen sowohl der Gasführung als auch der elektrischen Kontaktierung.

Die Austrittsöffnungen 5, 5′ und 5′′ für das Abgas im Rohr 4 sind nach außen hin vorzugsweise verengt, indem die Stege 34, 34′ und 34′′ sich nach außen erweitern.

Claims (18)

1. Anordnung zum Anschließen von Stapeln von Hochtemperaturbrennstoffzellen an Zuleitungen zu jedem Stapel für zwei Reaktionsgase, wobei als Reaktionsgas ein Wasserstoff enthaltendes Brenngas und als weiteres Reaktionsgas ein Sauerstoff enthaltendes Oxydatorgas vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit ebenen Anschlußflächen für den unmittelbaren, gasdichten Anschluß der Stapel versehenes zentrales Anschlußrohr (2) vorgesehen ist, auf welchem die Stapel (11, 11′, 11′′, 11′′′) hintereinander angeordnet sind, daß das erste Reaktionsgas durch dieses zentrale Anschlußrohr (2) strömt, während die Zuleitung des zweiten Reaktionsgases in einem Zwickelraum (6, 16) zwischen dem Rohr (2) und einem Hüllrohr (4) erfolgt, und daß in einer Ebene senkrecht zur Achse des zentralen Anschlußrohres (2) mehrere Stapel (1, 11, 21) auf ebenen Anschlußfläche des Rohres (2) angeordnet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Reaktionsgas über das zentrale Anschlußrohr (2) zugeführt ist und durch Ausnehmungen (8, 18) in dem Rohr (2) in die Stapel (1, 11) eintritt, daß die Abgase der Stapel durch Öffnungen in radialer Richtung geführt werden und daß das zweite Reaktionsgas durch einen Raum (6) geführt wird, der durch die Innenwandung des Rohrs (4) und die Frischluftseite der Stapel (1, 11) gebildet wird, und daß die Abluft durch einen Raum (3) geführt ist, der durch die Innenwandung des Rohrs (4) und die Abluftseite der Stapel (1, 11) gebildet wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Reaktionsgas ein Brenngas und das zweite Reaktionsgas ein luft- oder sauerstoffhaltiges Gas ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Reaktionsgas ein Brenngas und das erste Reaktionsgas ein luft- oder sauerstoffhaltiges Gas ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Stapel unmittelbar umgebende Hüllrohr (4) von einem weiteren Mantelrohr (10) umgeben ist, in das das Abgas des Heizgases durch Öffnungen (5, 15) geleitet wird.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Abluft in den Mantelraum (12) eingeleitet wird.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abluft durch Bohrungen (23, 24) im Hüllrohr (4) dosiert wird und daß eine Verbrennung noch nicht zur Reaktion gelangter Brenngase an einer definierten Stelle erfolgt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Anschußrohr (2) einen polygonalen Querschnitt aufweist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (4) einen polygonalen Querschnitt, ähnlich dem des Anschlußrohres (2) aufweist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe (5, 5′, 5′′, 5′′′) der Stapel mit dem Rohr (4) von außen abgedichtet sind.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Ebene senkrecht zur Rohrachse eine geradzahlige Anzahl von Stapeln angeordnet ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß 2 oder 4 Stapel in einer Ebene angeordnet sind.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (34, 34′, 34′′) zwischen den Auslässen (5, 5′, 5′′, 5′′′) im Rohr (4) nach außen erweitert ausgeführt sind.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapelscheiben in Reihe geschaltet sind.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende jeder Stapelreihe leitende Anschlußplatten (25, 25′) für die Strom- und Gasanschlüsse vorgesehen sind.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Gasanschlußstücke oder Kappen an den Stirnseiten zur Zu- bzw. Ableitung der Gase vorgesehen sind.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt zwischen dem Innenrohr (4) und dem Außenrohr (10) an den Stirnseiten abgeschlossen und ein Anschluß für die Abgase vorgesehen ist.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapelrohre aneinandergereiht zu Batterien zusammengestellt sind.