DE102007009749A1

DE102007009749A1 - Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Isolationsstruktur, einem Stromleiter und einer Fluid-Leitung

Info

Publication number: DE102007009749A1
Application number: DE102007009749A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Weisser
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer oder mehreren innerhalb einer umhüllenden thermischen Isolationsstruktur in Form einer Einheit angeordneten Einzelzelle(n) sowie mit zumindest einem von der Einzelzellen-Einheit durch die Isolationsstruktur hindurch nach außen führenden Stromleiter und mit zumindest einer die Isolationsstruktur durchdringenden Fluid-Leitung zur Zuführung oder Abführung von Brenngas oder Prozess-Luft zur Einzelzellen-Einheit. Dabei ist oder sind zumindest einer der Stromleiter und/oder zumindest eine der Fluidleitungen über einen großen Abschnitt innerhalb der Isolationsstruktur und somit nicht auf dem kürzesten Weg durch diese hindurch geführt und/oder es weist zumindest einer der Stromleiter und/oder zumindest eine der Fluidleitungen im durch die Isolationsstruktur hindurchführenden Abschnitt zumindest teilweise eine gegenüber dem außerhalb der Isolationsstruktur verlaufenden Leitungs-Abschnitt verringerte Wärmeleitfähigkeit auf. Letzteres kann durch eine Herabsetzung des Leitungs-Querschnitts und/oder durch Verwendung eines Materials mit geringerem Wärmeleitkoeffizienten umgesetzt sein. Ebenfalls zur Verringerung der Wärmeverluste kann zumindest eine der Fluidleitungen die Funktion eines Stromleiters übernehmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer oder mehreren innerhalb einer umhüllenden thermischen Isolationsstruktur in Form einer Einheit angeordneten Einzelzelle(n) sowie mit zumindest einem von der Einzelzellen-Einheit durch die Isolationsstruktur hindurch nach außen führenden Stromleiter und mit zumindest einer die Isolationsstruktur durchdringenden Fluid-Leitung zur Zuführung oder Abführung von Brenngas oder Prozess-Luft zur Einzelzellen-Einheit. Zum technischen Umfeld wird lediglich beispielshalber auf die DE 100 21 907 B4 verwiesen.
Bei den grundsätzlich bekannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen (nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1), die mit einer thermischen Isolationsstruktur umhüllt sind, sind Stromleiter zur Ableitung des in der genannten Einzelzellen-Einheit erzeugten elektrischen Stroms üblicherweise nahe der Einzelzellen-Einheit und somit im von der genannten thermischen Isolationsstruktur umhüllten Raum, der aufgrund der Wärmeabstrahlung der Einzelzellen relativ heiß ist, angeordnet. Die für elektrische Leiter verwendeten Materialien wie Kupfer, Edelstahl, Wolfram oder Platin leiten entsprechend dem Wiedemann-Franzschen Gesetz bei guter Leitfähigkeit für den elektrischen Strom auch Wärme gut.
Um die elektrischen Verluste bei der Ableitung des in der Brennstoffzelle gewonnenen Stroms klein zu halten, werden für die Stromleitung ausreichend stark dimensionierte Stromleiter eingesetzt. Dies hat zur Folge, dass bei den hohen Temperaturen im von der genannten Isolationsstruktur umhüllten Raum, die durchaus in der Größenordnung von 800°C liegen können, sowie bei der an den Stromleitern außerhalb der Isolationsstruktur, d. h. in der Umgebung der Hochtemperatur-Brennstoffzelle maximal tolerierbaren Temperatur von in etwa 120°C, bei gegebener Leiterlänge erhebliche Wärmeströme abtransportiert werden. Vergleichbares gilt für die Fluid-Leitungen, über die das Brenngas und die Prozess-Luft (zum Verbrennen des Brenngases in den Einzelzellen) bzw. die entsprechenden Reaktionsprodukte von der Umgebung zu den Einzelzellen bzw. von diesen zurück in die Umgebung geführt werden. Zwar kann während des laufenden Betriebs einer stark erhitzten Hochtemperatur-Brennstoffzelle eine gewisse Kühlung derselben erwünscht sein, keinesfalls gilt dies jedoch nach Stillsetzen der Brennstoffzelle, wenn im Hinblick auf einen möglichen kurzfristigen Neustart die Temperatur der Einzelzellen-Einheit möglichst lange in einem hohen Wertebereich gehalten werden soll.
Im Hinblick auf die unerwünschtermaßen aus der Hochtemperatur-Brennstoffzelle abgeführte Wärmemenge eine sinnvolle Gegen-Maßnahme aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, d. h. es soll aufgezeigt werden, wie die Wärmeverluste an einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 verringert werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stromleiter und/oder die Fluidleitung über einen großen Abschnitt innerhalb der Isolationsstruktur und somit nicht auf dem kürzesten Weg durch diese hindurch geführt ist oder sind und/oder dass der Stromleiter und/oder die Fluidleitung im durch die Isolationsstruktur hindurchführenden Abschnitt zumindest teilweise eine gegenüber dem außerhalb der Isolationsstruktur verlaufenden Leitungs-Abschnitt verringerte Wärmeleitfähigkeit aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche. Eine weitere Lösung der vorliegenden Aufgabe ist in Anspruch 6 angegeben, wobei die Merkmale dieses Anspruchs auch gut mit den Merkmalen der vorhergehenden Patentansprüche 1–5 kombiniert werden können.
Um große Wärmeverluste sowie unvertretbar hohe Temperaturen an dem oder den Stromleiter(n) bzw. an der oder den Fluidleitung(en) im Außenbereich der Hochtemperatur-Brennstoffzelle, der durch die Umgebung außerhalb der Isolationsstruktur beschrieben ist, zu vermeiden, wird in einer ersten Ausführungsform vorgeschlagen, den oder die Stromleiter und/oder eine oder die Fluidleitung(en) über eine große Strecke hinweg in das Material der thermischen Isolationsstruktur einzubetten, d. h. den oder die Leiter bzw. Leitung(en) in der Isolationsstruktur selbst zu führen, derart, dass der oder die Leiter in diesem Abschnitt vom Material der thermischen Isolationsstruktur umhüllt ist bzw. sind. Da der oder die Leiter – (dieser Begriff steht nun sowohl für einen Stromleiter als auch für eine Fluidleitung) – über einen größeren Abschnitt in der Isolationsstruktur und somit nicht auf dem kürzesten Weg durch diese hindurch geführt ist, kann der Leiter im vom Material der Isolationsstruktur umhüllten Abschnitt weniger Wärme aufnehmen und erwärmt sich somit insgesamt weniger, als wenn dieser Abschnitt im von der Isolationsstruktur umhüllten Raum liegen würde. Eine geringere Wärmeaufnahme bzw. eine kleinere aufgenommene Wärmemenge hat zwangsläufig einen geringeren Abtransport von Wärmemenge zur Folge.
Zusätzlich oder alternativ – letzteres ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es aufgrund geometrischer Randbedingungen nicht möglich ist, den Leiter (Stromleiter und/oder Fluidleitung) über einen großen Abschnitt innerhalb der Isolationsstruktur zu führen – kann der Leiter, aufgrund geringerer negativer Auswirkungen vorzugsweise der Stromleiter, im Bereich der Isolationsstruktur oder in einem Teilabschnitt hiervon einen verringerten Querschnitt oder Materialquerschnitt aufweisen. Hierdurch wird die Fähigkeit des Leiters, Wärme zu leiten reduziert, d. h. zumindest einer der Stromleiter und/oder zumindest eine der Fluidleitungen weist im durch die Isolationsstruktur hindurchführenden Abschnitt zumindest teilweise eine gegenüber dem außerhalb der Isolationsstruktur verlaufenden Leitungs-Abschnitt verringerte Wärmeleitfähigkeit auf. Dabei kann in einer ersten Ausführungsform – wie bereits erwähnt wurde – die verringerte Wärmeleitfähigkeit des Stromleiters oder der Fluidleitung durch eine Herabsetzung des Querschnitts bzw. (im Falle eines Hohl-Leiters) des Materialquerschnitts umgesetzt sein. Hierbei wird zwar ebenso die Fähigkeit zur Stromleitung reduziert, jedoch wirkt sich letzteres in einer geringeren Verlustleistung aus als Wärmeleistung durch eine verringerte Wärmeabfuhr quasi gewonnen wird.
Dies sei anhand des folgenden Berechnungsbeispiels belegt: Ein elektrischer Stromleiter sei über eine Strecke I = 30 mm durch eine Isolationsstruktur hindurchgeführt, wobei an der der besagten Einzelzellen-Einheit zugewandten Innenseite der Isolationsstruktur eine Temperatur von 800°C und an der der Umgebung zugewandten Außenseite der Isolationsstruktur eine Temperatur von 100°C vorliege. Für eine einen Kreisquerschnitt aufweisende Kupfer-Leitung mit einer Wärmeleitfähigkeit von 380 W/(m·K) ergibt sich bei einem Leitungsdurchmesser von 5 mm ein Wärmestrom von 174 W bei einer elektrischen Verlustleitung von 1,09 Watt, wenn die Stromstärke 120 A ist, da der elektrische Widerstand dieses Leitungsabschnitts 7,6·10 exp(-5) Ohm misst. Beträgt hingegen bei sonst gleichen Bedingungen der Leitungsdurchmesser nur 2 mm, so beträgt der Wärmestrom 27,9 W und die elektrische Verlustleistung 6,8 W (mit dann 0,000474 Ohm als elektrischem Widerstand). Unter Inkaufnahme eine Zunahme der elektrischen Verlustleistung von nur 5,71 W wird somit ein (fiktiver) Gewinn von Wärmeleistung in Form einer reduzierten Abfuhr von Wärmemenge in der Größe von 146 W erzielt.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann eine verringerte Wärmeleitfähigkeit eines Leiters durch Verwendung eines geeigneten, einen geringeren Wärmeleitkoeffizienten aufweisenden Materials für diesen Leiter im die Isolationsstruktur durchquerenden Abschnitt oder in einem Teilabschnitt hiervon umgesetzt sein. Beispielsweise kann ein besagter Teilabschnitt des Stromleiters in V2A-Stahl anstelle von üblichem Kupfermaterial ausgeführt sein, wobei die jeweiligen Abschnitte des Leiters in geeigneter Weise in Reihe geschaltet leitend miteinander verbunden sind.
Eine weitere Lösung der vorliegenden Aufgabe ist in Anspruch 6 angegeben, wobei die Merkmale dieses Anspruchs auch gut mit den Merkmalen der vorhergehenden Patentansprüche 1–5 kombiniert werden können. Demnach übernimmt zumindest eine der Fluidleitungen zusätzlich die Funktion eines Stromleiters. Aufgrund dieser Funktionsvereinigung wird die Zahl der benötigten, zur Einzelzellen-Einheit hin oder von dieser wegführenden und durch die Isolationsstruktur nach außen geführten Leitern und Leitungen reduziert. Mit einer reduzierten Anzahl von Leitern kann nur eine dementsprechend reduzierte Wärmemenge abgeführt werden, so dass auch hiermit eine verbesserte Isolationswirkung der Isolationsstruktur erzielt wird.
Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann für den Stromleiter und/oder für die Fluidleitung am Übertrittsbereich von der Isolationsstruktur zur Umgebung eine externe Kühlmaßnahme vorgesehen sein. Eine solche als Wärmesenke fungierende Kühlmaßnahme kann an dieser Stelle ein unzulässig hohes Temperaturniveau, welches bspw. im Hinblick auf einen möglichen Kontakt mit der Hand eines Menschen oder wegen benachbarter Bauelemente zu vermeiden ist, verhindern. Als Beispiel für eine solche externe Kühlmaßnahme sei der thermischen Kontakt mit einem die Isolationsstruktur umhüllenden Gehäuse und/oder ein externes Kühlblech, ggf. mit Kühlrippen versehen und/oder eine externe flüssigkeitsdurchströmte Kühlplatte und/oder die Beaufschlagung mit kühlender Prozess-Luft und/oder der Einsatz eines Wärmerohres (heat-pipe) genannt.
In der beigefügten Prinzipskizze ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stark abstrahiert dargestellt. Dabei ist eine erfindungsgemäße Hochtemperatur-Brennstoffzelle 1 im Schnitt dargestellt, die insbesondere eine isolierte Einzelzellen-Einheit 2 in Form eines sog. Brennstoffzellen-Stacks aufweist, die mit ihrem zugeordneten, figürlich nicht dargestellten Gasverteiler zur Verteilung des Brenngases und der Prozessluft auf die Einzelzellen der Einheit 2 innerhalb einer Isolationsstruktur 3 angeordnet ist.
Von der Einzelzellen-Einheit 2 sind zwei Stromleiter 4, 5 nach außen, d. h. durch die Isolationsstruktur 3 hindurch geführt, über die der in der Einzelzellen-Einheit 2 erzeugte elektrische Strom abgeführt werden kann. Zum nicht dargestellten Gasverteiler führen mehrere ebenfalls der Einfachheit halber nicht dargestellte Fluidleitungen, die ebenfalls durch die Isolationsstruktur 3 hindurchgeführt sind, und über die der Einzelzellen-Einheit 2 das Brenngas und die Prozessluft für die Verbrennung des Brenngases zugeführt wird und die Reaktionsprodukte wieder nach außen abgeführt werden.
Während der Stromleiter 5 hier aufgrund geometrischer Randbedingungen auf kürzestem Wege durch die Isolationsstruktur 3 hindurchgeführt ist, ist der Stromleiter 4 über einen großen Abschnitt innerhalb der Isolationsstruktur 3 und somit nicht auf kürzestem Weg durch diese hindurchgeführt. Der damit erzielbare Vorteil, nämlich ein geringer Abtransport von Wärme aus dem Innenraum 6 der Isolationsstruktur 3 wurde weiter oben erläutert. Was den Stromleiter 5 betrifft, so weist dieser im durch die Isolationsstruktur 3 hindurchführenden Abschnitt 5' einen gegenüber dem außerhalb der Isolationsstruktur 3 verlaufenden Leitungsabschnitt verringerten Material-Querschnitt auf. Auch der damit erzielbare Vorteil, nämlich ein geringerer Abtransport von Wärme aus dem Innenraum 6, wurde weiter oben erläutert.
Selbstverständlich kann die für den jeweiligen Leiter d. h. für den Stromleiter 4 bzw. 5 vorgesehene Maßnahme zur Reduzierung der Wärmeabfuhr auch am jeweils anderen Leiter und auch an zumindest einer der Fluidleitungen vorgesehen sein. Ferner können im Austrittsbereich 7 der jeweiligen Leiter (Stromleiter 4, 5 und Fluidleitungen) aus der Isolationsstruktur 3 weiter oben beschriebene Kühlmaßnahmen vorgesehen sein, wobei weiterhin darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10021907 B4 [0001]

Claims

Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) mit einer oder mehreren innerhalb einer umhüllenden thermischen Isolationsstruktur (3) in Form einer Einheit (2) angeordneten Einzelzelle(n) sowie mit zumindest einem von der Einzelzellen-Einheit (2) durch die Isolationsstruktur (3) hindurch nach außen führenden Stromleiter (4, 5) und mit zumindest einer die Isolationsstruktur (3) durchdringenden Fluid-Leitung zur Zuführung oder Abführung von Brenngas oder Prozess-Luft zur Einzelzellen-Einheit (2), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Stromleiter (4, 5) und/oder zumindest eine der Fluidleitungen über einen großen Abschnitt innerhalb der Isolationsstruktur (3) und somit nicht auf dem kürzesten Weg durch diese hindurch geführt ist oder sind und/oder dass zumindest einer der Stromleiter (4, 5) und/oder zumindest eine der Fluidleitungen im durch die Isolationsstruktur (3) hindurchführenden Abschnitt (5') zumindest teilweise eine gegenüber dem außerhalb der Isolationsstruktur (3) verlaufenden Leitungs-Abschnitt verringerte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Hochtemperatur-Brennstoffzelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die verringerte Wärmeleitfähigkeit des Stromleiters (4, 5) oder der Fluidleitung durch eine Herabsetzung des Querschnitts oder Material-Querschnitts umgesetzt ist.
Hochtemperatur-Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verringerte Wärmeleitfähigkeit des Stromleiters (4, 5) oder der Fluidleitung durch Verwendung eines ge eigneten, einen geringeren Wärmeleitkoeffizienten aufweisenden Materials hierfür umgesetzt ist.
Hochtemperatur-Brennstoffzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den oder die Stromleiter (4, 5) und/oder für die Fluidleitung(en) am Übertrittsbereich (7) von der Isolationsstruktur (3) zur Umgebung eine externe Kühlmaßnahme vorgesehen ist.
Hochtemperatur-Brennstoffzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Kühlmaßnahme durch thermischen Kontakt mit einem die Isolationsstruktur (3) umhüllenden Gehäuse und/oder durch ein externes Kühlblech, ggf. mit Kühlrippen versehen und/oder durch eine externe flüssigkeitsdurchströmte Kühlplatte und/oder durch Beaufschlagung mit kühlender Prozess-Luft und/oder durch Einsatz eines Wärmerohres (heat-pipe) gebildet ist.
Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer oder mehreren innerhalb einer umhüllenden thermischen Isolationsstruktur in Form einer Einheit angeordneten Einzelzelle(n) sowie mit zumindest einem von der Einzelzellen-Einheit durch die Isolationsstruktur hindurch nach außen führenden Stromleiter und mit zumindest einer die Isolationsstruktur durchdringenden Fluid-Leitung zur Zuführung oder Abführung von Brenngas oder Prozess-Luft zur Einzelzellen-Einheit, insbesondere nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Fluidleitungen die Funktion eines Stromleiters übernimmt.